KR100916020B1 - 몰딩 방법 - Google Patents

Abstract

완성되었을 때 섬유-강화 플라스틱 물질로 이루어진 대향하는 외측 표피들과 그 표피들 사이의 폴리머 몰타르 코어를 가지는 고밀도 복합체 물품을 몰딩하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 (a) 몰드 공동과, 폴리머 몰타르 매트릭스가 통과하여 상기 공동내로 도입될 수 있게 하는 사출 포트를 형성하는 개방가능한 몰드를 제공하는 단계; (b) 상기 몰드를 개방하고, 상기 공동내에 각각의 섬유 강화 층을 위치시켜 상기 대향하는 외측 표피를 형성하는 단계; (c) 상기 몰드를 폐쇄하고, 내부에 위치된 섬유 강화 층들 사이에서 상기 사출 포트를 통해 상기 공동내로 고밀도 미립자 골재로 채워진 수지계 물질로 이루어진 폴리머 몰타르 매트릭스를 사출하는 단계; (d) 수지가 폴리머 몰타르로부터 분리되고 상기 층을 침투하는 것을 보장하기 위해 상기 사출된 폴리머 몰타르에 충분한 압력을 인가하는 단계에 의해 실시된다. 상기 섬유계 강화 물질 층의 메시의 평균이 미립자 골재의 평균 입자 크기 보다 작음으로써 상기 강화 물질이 상기 미립자 골재를 상기 폴리머 몰타르 매트릭스로부터 여과하여 골재는 폴리머 몰타르 코어내에 머무르고 높은 섬유/수지 비율이 표피에서 얻어진다.

복합체 물품, 섬유 강화 플라스틱, 폴리머 몰타르 매트릭스, 몰드 공동

Description

몰딩 방법{Moulding methods}

본 발명은 이격된 섬유-강화 플라스틱 표피(skin)를 가지는 복합체 물품을 몰딩하는 방법에 관한 것이다.

섬유 강화 플라스틱(FRP) 물품의 여러 가지 제조 방법이 있으며, 그러한 방법들은 여러 가지 상이한 기계적 및 물리적 특성을 제공한다. FRP 물품의 제조를 위한 전통적인 방식은 수작업 적층(lay-up) 공정에 의한 것이며, 이 때 섬유 강화체 층이 몰드의 내부 또는 둘레에 적층되며, 각각의 층은 필요한 두께가 얻어질 때까지 공정을 계속 진행시킴에 따라 플라스틱 수지에 의해 침투된다. 빈번하게, 적절한 플라스틱 물질의 겔 코트(gel coat) 층이 시작 단계로서 몰드에 도포되며, 그 후에 통상적으로 매트(mat) 형태인 섬유 강화체 층이 겔 코트상에 적층된다. 이러한 공정은 저렴한 공구 비용과 같은 많은 이점이 있으며, 그에 따라 하나의 물품이나 적은 수의 제조 배치(batch)의 제조에 적합하다.

FRP 물품의 제조시에, 하나의 방향으로 동일-방향(uni-directional) 또는 편향된 강화 레벨(level)을 제공하기 위해 강화 섬유를 정렬시킬 수도 있다. 이러한 것은 사용시에 다른 방향 보다 하나의 방향으로 응력을 받는 다양한 물품의 제조에 특히 적합한 공정이다. 예를 들어, 상기 공정은 파이프, 파이프 단편, 또는 소정 길이에 걸쳐지는(spanning) 구조용 부재의 제조시에 이용될 것이다.

수작업 적층 공정의 단점은 최종 물품의 품질이 작업자의 숙련도에 크게 좌우된다는 것이다. 그와 같이, 품질 제어를 보장하기가 곤란하고, 결과적으로 기계적인 특성이 제조 배치에 걸쳐 크게 달라질 수 있다. 또한, 각 섬유 강화체 층이 수지로 완전히 "젖게(wetted)"하는 것이 목적이지만, 수작업으로 이러한 것을 달성하기는 매우 곤란하며, 결과적으로 상대적으로 낮은 섬유/수지 비율만을 얻을 수 있다. 수작업 적층 공정의 추가적인 문제는 층내에서 공기 포켓(air pocket)의 낮은 섬유/수지 포획이며, 이는 최종 물품의 강도를 감소시키는 역할을 한다.

사이에 코어(core)를 가지는 두개의 이격된 FRP 표피로 제조된 복합체 물품은 여러 가지 산업에 이용된다. 예를 들어, 폴리머 몰타르 매트릭스 코어(polymer mortar matrix core)를 이용하여 이러한 방식으로 빌딩 구성품, 파이프 및 파이프 단편을 제조하는 것이 공지되어 있다. 폴리머 몰타르 매트릭스 코어는 수지 희석제로서 작용하는 충진재를 포함하는 또는 경화된 수지 시스템의 기계적 특성을 개선하고 또 수지의 부피를 증대시키는(bulk) 작용을 하는 골재(aggregate)를 포함하는 수지계 물질을 포함한다. 충진재 및 골재는 매트릭스내에서 사용될 수 있고 그리고 폴리머 몰타르 매트릭스내에 포함된 수지계 물질의 밀도 보다 큰 밀도를 가질 수 있다. 충진재, 골재 또는 충진재와 골재 모두의 이용은 복합체 FRP 물품의 비용을 상당히 절감시킬 수 있으며, 양호한 기계적 특성을 달성하게 할 수도 있다. 외측 표피가 부하(loading) 상태에서 가장 큰 응력을 받을 것이기 때문에, 복합체 물품의 강도를 증대시키도록 외측 표피를 디자인할 수 있다.

그러한 복합체 물품이 수작업 공정에 의해 제조된다면, 크기 제어가 매우 곤란하고, FRP 층의 제 2 표피가 도포될 수 있기 전에 코어가 충분이 경화될 수 있어야 한다. 이러한 것은 제조 공정을 지연시키고 최종 물품의 균질성을 감소시킬 수 있다. 또한, 골재 사용의 경우에, 수지의 밀도와 골재의 밀도 사이의 차이를 고려하면, 수지가 충분히 경화되기 전에 골재가 중력에 의해 수지를 통해 표류하여 하나의 물품내에서 코어특성의 상이함이 초래될 수도 있다.

복합체 FRP 물품의 제조를 위한 다른 공지된 공정은 수지 이송 몰딩 및 압축 몰딩을 포함한다. 압축 몰딩 공정에 의해 극히 양호한 기계적 성질이 얻어질 수 있으나, 운용비용이 매우 고가이고 높은 장비 비용을 고려할 때 장시간의 제조에만 적합하다. 수지 이송 몰딩은 비교적 적은 배치 작업에 이용될 수 있으며 수작업 적층 공정의 경우보다 양질의 물품을 제조한다. 그러나, 그 공정으로 크거나 두꺼운 적층체를 제조하기가 곤란하다. 또한, 높은 섬유/수지 비율을 달성하기가 어려우며 높은 레벨의 충진재를 달성할 수 있는 능력이 없이는 비교적 적은 강성도 만이 얻어질 수 있다.

경량의 샌드위치형 복합체 제조 공정은 공지되어 있다. 이러한 공정은 사출되거나 또는 미리 형성된 합성 폼(foam) 또는 통상적인 발포(blown)-폼 코어를 이용하며, 상기 코어는 외측의 섬유 강화체 층 또는 미리-형성된 표피와 조합되어 경량의 복합체를 제조한다. 예를 들어 US-4025686-A 에 개시된 이러한 공지된 공정은 유리, 에폭시 또는, 페놀계 물질로 이루어진 중공(中空)의 미소구체(microsphere)와 같은 저밀도 충진재를 유체 수지내로 사용하여 몰딩가능하고, 경화가능하며, 경량인 합성 폼 코어를 강화 표피들 사이에 형성하는 데에만 적합하다. 수많은 경량 복합체의 경우에, 구조물내의 공기 포획은 수용할 수 있거나 또는 바람직(단순한 폼 코어의 경우)할 수 있으며, 그에 따라 몰딩된 물품의 전체 중량을 추가로 줄일 수 있으나, 최대 강도 및 강성도가 요구되는 빌딩 및 기타 견고한 구조적 용도에 사용하기 위한 고밀도의 고-강도 복합체의 경우에는 그러하지 않다. 오히려, 외측 층이 수지로 가능한 한 충분히 습윤(wetting)되고 가능한 한 고밀도의 코어 구조가 보장되도록 공기 포획은 반드시 피해야 한다.

본 발명은 복합체 물품을 제조하기 위한 전술한 공지된 공정과 관련한 단점을 해결하고, 그에 따라 양호한 치수 공차, 균질성 및 높은 강도를 가지는 고품질의 물품을 제공하면서도 간단하고, 비교적 저렴하며 효과적인 방식으로 비교적 강성이고 고밀도인 복합체 물품을 생산할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따라, 섬유 강화 플라스틱 물질(fibre-reinforced plastics material)로 이루어진 대향하는 외측 표피들과 그들 사이의 폴리머 몰타르 코어(polymer mortar core)를 가지는 복합체 물품을 몰딩하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:

- 몰드 공동과, 폴리머 몰타르 매트릭스가 통과하여 상기 공동내로 도입될 수 있게 하는 사출 포트를 형성하는 개방가능한 몰드를 제공하는 단계;

- 상기 몰드를 개방하고, 상기 대향하는 섬유 강화 플라스틱 물질의 외측 표피들을 형성하기 위해 상기 공동내에 각각의 섬유 강화체 층(layer of fibre reinforcement)을 위치시키는 단계;

- 상기 몰드를 폐쇄하고, 내부에 위치된 섬유 강화체 층들 사이에서 상기 사출 포트를 통해 상기 공동 내로 폴리머 몰타르 매트릭스를 사출하는 단계;

- 상기 섬유 강화체 층들의 수지 침투를 보장하기 위해 상기 사출된 폴리머 몰타르에 충분한 압력을 인가하여 섬유 강화 플라스틱 물질 표피를 형성하는 단계를 포함하며;

상기 방법에서, 사출되는 폴리머 몰타르 매트릭스는 그 폴리머 몰타르 매트릭스내에 포함된 수지계 물질의 밀도 보다 큰 밀도를 가지는 미립자 골재를 구비하는 수지계 물질을 포함하며, 상기 섬유 강화체 층의 메시(mesh)의 평균이 골재의 평균 입자 크기 보다 작음으로써 상기 섬유 강화체가 상기 미립자 골재를 상기 폴리머 몰타르 매트릭스로부터 여과하여 상기 수지계 물질만이 상기 층을 침투하도록 허용하고 그로 인해 상기 섬유 강화 플라스틱 물질 표피를 형성한다.

상기 몰딩 방법에 의해, 두개의 외측 표피를 구성하는 섬유 강화체 층들을 종래와 같이 수공으로 적층할 필요가 없이, 골재를 포함하는 폴리머 몰타르 코어를 가지는 복합체 물품을 제조할 수 있게 된다. 이러한 발명의 공정에 의해, 섬유 강화체는 수작업으로 몰드내에 위치되나, 이때 수지 침투가 발생하지는 않는다. 오히려, 동일한 수지를 이용하여, 코어가 제조됨에 따라 동시에 수지 침투가 발생하며, 그에 따라 최종 물품에 대한 균질성이 보장된다.

통상적으로 골재는 0.05 mm 내지 5 mm 의 입자 크기를 가지며 폴리머 몰타르 매트릭스의 수지계 물질에 비해 고밀도인 미립자 물질일 것이다. 따라서, 일반적으로, 골재는 폴리머 몰타르 매트릭스내에 포함된 수지계 물질의 밀도 보다 높은 입자 밀도를 가지는 광물 골재 또는 기타 비교적 고밀도의 미립자 물질을 포함할 것이다. 예를 들어, 통상적인 폴리에스테르 수지는 약 1.1 의 비중(s.g.)을 가질 것이다. 광물 골재는 통상적으로 1.5-1.75의 벌크(bulk) 건식 비중 및 2.7-3.4 의 입자 비중을 가질 것이다. 세노스피어(cenosphere) 및 기타 처리된 경량 파생 물질을 제외한 석탄 연소 부산물 골재는 0.6-1.1 의 벌크 건식 비중을 가지고 그리고 1.6-2.1 의 입자 비중을 가진다. 재생된 분쇄-유리 골재는 통상적으로 1.2-1.6 의 벌크 건식 비중 및 2.2-2.9 의 입자 비중을 가질 것이다.

특정 용도에서, 예를 들어 폴리머 몰타르 매트릭스에 특별한 기계적 성질을 부여하기 위해 상기 범위를 벗어난 입자 크기를 가지는 골재를 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 그 경우에, 특히 작은 입자 골재가 사용된다면, 특별한 크기의 섬유를 가지거나 또는 개선된 구조를 가지는 섬유 강화체를 이용할 필요가 있을 것이다.

또한, 전술한 입자 크기 범위내(또는 범위 보다 큰)의 골재가 채용되는 경우에, 폴리머 몰타르 매트릭스는 충진재를 포함할 수 있다. 그 경우, 충진재의 평균 입자 크기가 충분히 작아 수지계 물질 및 작은 입자 충진재 만이 상기 섬유 강화체 층을 침투하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 세라믹 충진재가 채용될 수 있다. 작은 입자 충진재 대신에 또는 그에 추가하여, 절단된(chopped) 스트랜드(strand) 또는 마이크로-섬유(micro-fibre)와 같은 기타 섬유계 충진재가 폴리머 몰타르에 첨가될 수 있다.

바람직하게, 상기 방법은, 섬유 강화체 층들 사이에서 폴리머 몰타르 매트릭스가 사출 포트를 통해 공동 내로 사출되는 것과 동시에 몰드 공동으로부터 공기를 인출함으로써 실시된다. 공기의 인출이 폴리머 몰타르의 사출에 앞서서 실시될 것이며, 그에 따라 낮은 사출 압력이 채용될 것이다. 예를 들어, 사출 포트는 몰드 공동의 단부들 사이의 중간에 위치되고 공기는 몰드 공동의 단부들로부터 인출될 수 있다. 공동내의 압력을 감소시키고 동시에 압력하에서 수지를 사출시킴으로써, 섬유 강화체의 전체 면적을 통한 우수한 침투 효과를 얻을 수 있다. 또한, 음압의 사용은 몰드 공동내의 요구되는 내부 압력을 줄여, 수지계 물질이 폴리머 몰타르 코어로부터 분리되고 상기 섬유 강화체 층을 신속히 침투하는 것을 보장한다. 이것은 다시 신속-경화성 수지를 사용할 수 있게 하며, 그에 따라 골재의 표류가 발생할 시간을 감소시켜 보다 균질한 코어 매트릭스를 가능하게 한다. 또한, 제조 공정에 대한 싸이클 시간을 감소시켜 비용을 절감한다.

유리하게도, 상기 공정은, 몰드 공동내의 압력의 감소와 결합되어, 3 바아(bar) 이하의 사출 압력으로 실시된다. 이것은, 음압을 사용하지 않는 경우에 필수적인 내부 압력 보다 낮은 내부 압력을 견딜 수 있도록 몰드를 디자인하고 제조할 수 있기 때문에, 공정 장비의 비용을 절감시킨다. 예를 들어, 몰드는 FRP 로 제조될 수 있으며, 여전히 상기 공정을 수행하기에 충분한 강도를 가진다. 고압에서 물질을 사출하도록 디자인된 시스템에서 보다 저압 시스템에서 비용을 절감할 수 있기 때문에, 사출 압력의 감소로부터 비용 절감 효과가 얻어진다. 음압 사용의 추가적인 이점은, 대기로 휘발성 물질이 방출되는 것을 보다 확실히 제어할 수 있는 완전히 폐쇄된 사출 시스템이 형성될 수 있다는 것이다.

사출된 폴리머 몰타르는 FRP 를 이용하는 복합체 물품의 제조에 통상적으로 이용되는 임의의 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 몰타르의 사출후에 적절한 시간내에 수지의 경화를 보장하기 위한 적합한 활성제와 함께 수지는 에폭시, 아크릴계, 페놀 포름알데히드, 비닐에스테르 및 폴리에스테르 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

폴리머 몰타르를 채우는데 이용되는 고밀도 미립자 골재는 수지 시스템의 비용에 비해 비교적 저렴한 것이 바람직하다. 예를 들어, 모래와 같은 광물 골재, 석탄 연소 부산물이나 분쇄된 재활용 유리와 같은 재활용 또는 폐기 물질이 이용될 수 있다. 사출하기 위해 폴리머 몰타르를 골재와 혼합하는 것은 몰타르내로 공기가 포획되거나 포함되는 것을 피하기 위해 진공하에서 실시되는 것이 바람직하다. 또한, 대기로 증기가 빠져나가거나 수지가 누출되는 것을 제어함으로써, 환경 오염이 최소화될 수 있을 것이다.

부분적인 진공(즉, 감소된 압력)하에서 폴리머 몰타르를 혼합하고 이어서 몰드로부터 공기를 인출하면서 폴리머 몰타르를 사출함으로써, 전체 공정이 폐쇄 상태에서 진행될 수 있으며, 유사하게 대기 오염을 줄이면서도 폴리머 몰타르 매트릭스를 통한 균질성이 양호한 높은 품질의 반복적인 물품을 제공한다.

적절한 섬유 강화체의 선택은 제조될 물품의 특성 및 용도에 따라 달라진다. 통상적으로, 섬유 강화체는 유리 섬유, 합성 섬유(테릴렌(terylene)과 같은), 천연 섬유(황마(jute), 삼 또는 코이어(coir)와 같은) 또는 탄소 섬유 중 적어도 하나, 그러나 그 혼합물을 포함할 것이다. 그러한 섬유 강화체는 몰드 공동 내에 위치되고 취급될 때 안정성을 부여하기 위해 충분히 추가되는 횡방향-섬유들과 함께 사용되는 단순한 동일-방향 섬유일 수 있고, 또는 편향된-방향의 섬유 매트, 양방향 매트, 직조 매트 또는 다방향성 절단 스트랜드 매트와 같은 보다 복잡한 섬유 매트릭스들을 포함할 수도 있다. 모든 경우에, 각 섬유들 사이의 갭(gap)들이 메시를 형성하도록 섬유 강화체가 배치될 것이며, 상기 메시를 통해 수지계 물질은 통과할 수 있으나 골재는 통과할 수 없어 상기 섬유 매트의 수지 침투가 허용된다.

공동내에 미리 위치된 두개의 섬유 강화체 층 사이의 공간내로 수지가 공급되도록, 사출 폴리머 몰타르용 사출 포트는 공동의 측벽으로부터 공동내로 돌출할 것이다. 그 대신에, 상기 포트는 몰드의 내측 벽과 동일한 높이에 있고, 섬유 강화체가 포트 영역내에서 적절한 개구를 구비하여, 수지가 두개의 표피를 만드는 섬유 강화체 층들 사이에서 유동하도록 허용한다. 또한, 골재가 채워진 폴리머 몰타르가 초기에 상기 섬유 강화체 층들 사이에서 유동하는 것을 보장하도록, 두개의 표피를 이루는 섬유 강화체 층들 사이에서 이격부재가 적어도 사출 포트에 인접하여 제공되어 각 섬유 강화체 층들을 이격 유지하고 수지가 필요한 공간내로 사출될 수 있게 한다.

다른 공정에서, 예를 들어 접착제 또는 접착 테이프를 이용하여, 몰드의 폐쇄 및 폴리머 몰타르 매트릭스의 사출에 앞서서, 상기 섬유 강화체가 몰드 공동의 측벽에 가볍게 부착될 수 있다. 이 경우, 섬유 강화체 층들 사이의 이격부재는 필요하지 않을 것이다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시에 앞서서, 공지된 복합체 물품 제조 방법으로서, 겔-코트(gel-coat) 또는 기타 외부 층(부식 방지 층과 같은)이 몰드 공동의 표면 중 하나 이상에 먼저 피복될 수 있다. 그러한 겔-코트 또는 기타 외부 층 은 접촉 액체가 복합체 물품을 침투하는 것을 방해하는 보호 층과 같은 특별한 성질을 최종 물품에 제공하도록 디자인될 수 있다.

본 발명의 제조 공정은 주 표면의 크기에 비해 상대적으로 적은 거리만큼 이격되어 유지되는 두개의 주 표면을 가지는 복합체 물품에 특히 적합하다. 예를 들어, 그러한 물품은 건물 패널(panel) 및 크래딩(cladding) 을 포함할 수 있다. 그 대신에, 주 표면이 활모양을 가짐으로써, 몰딩된 물품이 파이프 표면의 단편을 형성하여 다수의 단편들이 서로 조립되어 원형, 난형(ovoid) 또는 다른 부분의 완전한 파이프를 형성할 수도 있다. 또한, 그 방법은 적절하게 성형된 몰드를 이용하여 완전한 파이프 부분 또는 원통형 물품을 몰딩하는데 사용될 수도 있다. 그러한 파이프들, 또는 몰딩된 파이프 단편들로부터 만들어진 파이프들은 통로, 도관, 지하 수로, 터널 등과 같은 하수구 및 기타 도시 지하 건축 구조물의 라이닝(lining)에 특히 이용될 수 있을 것이다.

단지 예로서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 하나의 특정 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 방법의 실시에 이용되는 몰드의 단부도.

도 2 는 도 1 의 몰드의 사시도.

도 3 은 몰드의 수직 단면도.

도 4 는 공정에 의해 제조된 물품의 단면도.

도 1 내지 도 3 을 참조하면, 원호형상의 강성 내측 부분(11) 및 가요성(flexible) 외측 부분(12)을 가지는 두-부분 몰드(10)가 도시되어 있으며, 상기 가요성 외측 부분은 내측 부분의 밀봉면(13)상에서 화살표(A)에 의해 표시된 방향으로 당겨져서 기밀(氣密) 몰드 공동을 형성할 수 있다. 내측 부분(11)은 전기도금된 연질 강으로 제조되고, 그에 따라 양호한 내구성 및 결점이 없고 겔-코트 또는 기타 보호 층을 수용하기에 적합한 고품질 마무리를 보장한다. 가요성 외측 부분(12)은 코팅에 균열이나 결점을 발생시키지 않으면서도 굽혀질 수 있는 적절하게 얇은 전기 도금 코팅을 가지는 스테인레스 강판 또는 연질 강판으로 제조된다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 외측 부분(12)은 양쪽의 길이방향 엣지(edge)를 따라 진공 포트(14)를 구비하며, 상기 포트들은 사용중에 저압 공급원에 연결되어 몰드 공동으로부터 공기를 인출한다. 또한, 진공 포트는 필요에 따라 예를 들어 내부 몰드 공동 엣지를 따라 제공될 수도 있다. 폴리머 몰타르 수지 사출 포트(15)는 일반적으로 중심 영역에서 외측 부분(12)을 통해 제공된다.

내측 부분(11)의 원호형 표면은 분리제로 피복되고 이어서 겔-코트 또는 기타 보호 층(20)(도 4 참조)이 필요한 경우 그 보호 층이 상기 표면상에 도포된다. 특별히 형성되는 내식성 층(21)은 연속적인 필라멘트 매트, 절단된 스트랜드 매트 및 유리 또는 합성 섬유 표면 조직으로부터 형성되어 보호 층(20) 아래에 수지가 풍부한 보호 층이 형성되는 것을 보장한다. 이러한 것은 최종 복합체 물품이 수성 유체 또는 오수와 접촉하는 경우에 필요할 것이다. 그러한 층(21)의 두께 및 조성은 최종 물품에서 필요한 내식성 정도를 달성하기 위해 조절될 수 있다.

다음에, 최종 물품에 원하는 기계적 특성을 제공하기 위해 섬유 강화체 층(22)이 몰드내로 배치된다. 그에 따라, 섬유 강화체 내의 섬유의 배열, 섬유의 밀도 등은 원하는 최종 물품과 관련하여 선택된다. 예를 들어, 후프(hoop) 방향으로 최대 강도가 요구되는 파이프 또는 파이프 단편과 같이 일방향으로 특별한 강도가 요구된다면, 동일-방향 또는 편향 방향 섬유 매팅(matting)이 그러한 방향으로 놓여질 수 있다.

최종 물품의 의도된 용도에 따라, 섬유 강화체는 무작위 방향성으로 놓여진 절단 섬유들의 기계적으로 결합된 또는 접착식으로 엮여진 매트, 직조된 동일- 또는 양-방향 매트, 연속적인 필라멘트 감김(wound) 매트, 또는 기타 적절한 섬유 강화체 물질 또는 전술한 물질들의 조합을 포함할 것이다. 모든 경우에, 섬유 강화체는 각 섬유들 사이에 갭을 가지며, 그 갭은 수지계 물질이 통과하여 섬유 강화체를 침투할 수 있게 허용하는 메시를 형성한다.

강성의 내측 부분(11)에 대항하여 필요한 층(20, 21 및 22)이 구축되어 내측 표피를 형성한 후에, 외측 부분이 조립될 때 이격부재(23)(도 3 및 도 4 참조)들이 사출 포트(15) 주위의 중심 영역에서 상기 층들상에 위치된다. 바람직하게, 이러한 이격부재들은 개방된 코일 스프링 형태이나, 그 대신에 단순한 소형 블록을 사용할 수도 있다. 그 후에, 내측 표피를 형성하기 위해 내측 부분(11)상에 구축된 층들과 관련하여 설명한 바와 같은 사항을 이용하여, 섬유 강화체 층(24)들은 외측 표피를 형성하기 위해 구축된다. 마지막으로, 필요하다면, 다른 보호 층(25)이 상기 층(24)상에 놓여질 수도 있다.

기밀 밀봉을 얻기 위해 외측 부분(12)을 내측 부분상으로 당김으로써 몰드는 폐쇄된다. 이러한 과정 중에, 사출 포트(15)는 외측 표피를 구성할 섬유 강화체 층들을 통과하여 배치되며, 상기 포트를 수용하기 위해 상기 섬유 강화체 층들을 통해 적절한 개구가 절개된다.

수지 경화를 위한 활성제와 함께, 수지 및 모래와 같은 고밀도 미립자 골재로부터 적절한 폴리머 몰타르 시스템이 저압하에서 혼합된다. 진공 포트(14)를 통해 몰드 공동으로부터 공기가 인출되고, 폴리머 몰타르는 내측 및 외측 표피를 형성할 층들(21, 22 및 24) 사이에서 사출 포트(15)를 통해 몰드내로 가압하에서 유입되며, 그 동안 공기는 계속 진공 포트(14)의 바깥으로 인출된다. 수지는 층들(21, 22 및 24)을 외측으로 밀어 몰드 면에 접촉시키는 역할을 하고, 상기 층들 사이에서 누출되고 그리고 상기 층들의 스트랜드를 습윤시킨다. 섬유 강화체에 대한 높은 침투 및 습윤을 제공하기 위해 실질적인 모든 공기를 몰드로부터 제거시키는 것과 결합하여 최소 사출 시간을 보장하기 위해, 양의 사출 압력 및 음의 인출 압력의 배분이 이루어진다. 또한, 몰드의 과압 방지를 보장하면서 물품의 외측 말단부에서 수지를 인출할 수도 있다. 이러한 것은 컴퓨터-제어 또는 수동 밸브 시스템(도시 안 됨)에 의해 이루어질 수 있다. 진공 지원식 수지 이송 시스템의 결과로서, 싸이클 시간이 줄어들며, 그러한 줄어든 시간으로 인해 적층체의 신속한 경화가 가능해지고, 장시간의 경화 시간에 걸쳐 폴리머 몰타르내의 고밀도의 미립자 골재의 안착의 결과로서 발생하게 될 수 있는 층상화 문제를 상당히 줄일 수 있다.

두개의 표피를 형성하기 위해 섬유 강화체 층 및 내식성 층을 구축하는데 사용되는 섬유계 매팅의 평균 두께 및 메시 그리고 골재의 평균 메시는, 상기 섬유계 매팅이 섬유 강화체 층 내로 골재가 이동하는 것을 실질적으로 방지하는 골재에 대한 필터로서 작용하도록, 선택되어야 한다. 이러한 방식에서, 수지 및 작은 입자 충진재만이 폴리머 몰타르 코어로부터 분리되고 섬유 강화체 층을 침투하며 그 섬유 강화체 층을 습윤시킬 것이고, 골재는 내측 및 외측 섬유 강화체 층(22, 24) 사이에서 코어(26)내에 잔류하게 된다. 이에 따라, 비교적 저렴한 코어를 이용하면서도, 높은 섬유/수지 비율이 상기 섬유 강화체 층들 내에 달성되고, 그에 따라 우수한 기계적 특성이 얻어진다.

파이프 단편 제조 공정의 특정 예를 이하에서 설명한다. 폴리머 몰타르 매트릭스는 1.1 비중을 가지는 이소프탈릭 폴리에스테르 수지로부터 준비된다. 약 45%(중량%)의 특별 등급-규소계 모래를 포함하고 약 0.35 mm 의 평균 입자 크기를 가지는 골재가 수지내로 혼합된다. 매트릭스는 그 매트릭스내의 공기 포획을 제거하기 위해 감압하에서 혼합 용기내에서 준비되며, 혼합 용기로부터 인출된 공기는 대기로 배출되기에 앞서서 필터링 및 정화작용에 의해 수집되고 청정된다.

파이프 단편 제조 몰드는 약 1500 mm x 1571 mm 의 크기와 35 mm 의 벽 분리의 몰드 공동을 가지며, 벽의 평균 곡률 반경은 1017 mm 이다. 몰드 공동을 분리제로 코팅한 후에, 겔-코트를 두개의 주요 면적부에 도포하였으며, 강화된 절단 스트랜드 매팅이 겔-코트 층을 강화하기 위해 사용되었다. 단일-방향 유리-강화 섬유 매칭의 두개 층이 하나의 주 면적부에 인접한 공동내에 놓여지고, 다른 주 면적부에 인접하고 스프링을 가지는 추가의 두개의 층들은 사출 포트의 영역에서 층들의 쌍을 이격시켜 유지하는데 사용된다.

몰드의 폐쇄에 이어, 공기가 공동으로부터 인출되어 그 공동내의 압력을 약 0.7 바아까지 감소시킨다. 사출 단계가 시작되기 직전에 촉진제가 매트릭스에 첨가되어, 약 30℃의 상온에서 15 분의 겔 시간과 약 60 분의 경화 시간을 제공한다. 그 후에, 몰드 공동으로부터 공기를 계속 인출하면서 준비된 폴리머 몰타르를 2.5 바아의 압력하에서 사출한다. 폴리머 몰타르 준비에서와 같이, 몰드 공동으로부터 인출된 공기는 대기중으로 배출되기 전에 필터링 및 정화공정에 의해서 수집되고 청정화된다.

몰드로부터 제거된 최종 물품은 약 157 kg 의 전체 중량과 1.9 의 비중을 가진다. 그 물품은 주 표면의 마무리가 양호하고 또 비교적 높은 강도를 갖는다. 외부 섬유 강화체 층들은, 그 층들 내에 골재가 없는 상태로, 우수한 수지 침투 및 습윤을 보여주었다.

본 발명의 실시에 필요한 장비 비용은 압축 시스템에 비해 상대적으로 저렴하다. 또한, 폴리머 몰타르 매트릭스내에서 높은 골재 레벨을 얻을 수 있고, 그에 따라 원료 물질 비용을 절감할 수 있다. 양의 사출 압력 및 음의 인출 압력을 제어하여 조절함으로써 크고 그리고 특히 두꺼운 복합체 물품을 제조할 수 있다. 비교적 많은 양의 고밀도 미립자 골재 및 충진재의 이용은 보다 두꺼운 적층체의 몰딩을 돕는다. 이것은 충진재 및 골재에 의해 제공되는 '히트-싱크(heat sink; 열 흡수)' 효과에 기인한 것이며, 그러한 히트 싱크 효과는 경화중에 발생하는 발열 반응에 의해 유발되는 균열 량을 감소시킨다.

또한, 섬유 강화체는 최종 복합체 물품의 기계적 특성 및 내식성을 최적화하 기 위해 선택되고 배치될 수 있다. 이것은 공정이 도관, 채널, 파이프 또는 파이프 단편의 제조에 특히 적합해지도록 한다.

가요성 외측 몰드 부분 대신에, 강성의 외측 부분이 채용될 수도 있다. 예를 들어 전체 파이프 또는 원통형 부분의 제조를 위해 다른 공구가 사용될 수 있다. 강성 몰드, 또는 몰드 부분은 매우 양호한 치수 정확성이 얻어질 수 있게 한다. 그에 따라, 품질 제어가 보장되고 상이한 제조 단계에서도 재현될 수 있다. 특히 폴리머 몰타르의 사출과 동시에 몰드로부터 공기가 인출될 때, 몰딩 공정중에 필요한 비교적 적은 힘과 관련하여 다른 몰드가 FRP 물질로부터 제조될 수 있다. 특히 이 경우에, 폴리머 몰타르내의 수지 물질 자체가 몰드 표면에 부착되지 않도록, 적절한 분리제를 몰드의 표면에 도포하여야 한다.

본 발명은 복합체 물품을 몰딩하는 산업분야에 이용가능하다.

Claims (18)

1. 섬유 강화 플라스틱 물질로 이루어진 대향하는 외측 표피들과 그 표피들 사이의 폴리머 몰타르 코어를 가지는 복합체 물품을 몰딩하는 방법으로서:

   - 몰드 공동과, 폴리머 몰타르 매트릭스가 통과하여 상기 공동내로 도입될 수 있게 하는 사출 포트를 형성하는 개방가능한 몰드를 제공하는 단계;

   - 상기 몰드를 개방하고, 상기 대향하는 섬유 강화 플라스틱 물질의 외측 표피들을 형성하기 위해 상기 공동내에 섬유 강화체로 된 각각의 층을 위치시키는 단계;

   - 상기 몰드를 폐쇄하고, 내부에 위치된 섬유 강화체 층들 사이에서 상기 사출 포트를 통해 상기 공동내로 폴리머 몰타르 매트릭스를 사출하는 단계;

   - 상기 섬유 강화체 층의 수지 침투를 보장하기 위해 상기 사출된 폴리머 몰타르에 압력을 인가하여 섬유 강화 플라스틱 물질 표피를 형성하는 단계를 포함하며;

   사출되는 폴리머 몰타르 매트릭스는 그 폴리머 몰타르 매트릭스내에 포함된 수지계 물질의 밀도 보다 큰 밀도를 가지는 미립자 골재가 채워진 수지계 물질을 포함하며, 상기 섬유 강화체 층의 메시의 평균이 골재의 평균 입자 크기 보다 작음으로써 상기 섬유 강화체가 상기 미립자 골재를 상기 폴리머 몰타르 매트릭스로부터 여과하여 상기 수지계 물질만이 상기 섬유 강화체 층을 침투하도록 허용함으로써 상기 섬유 강화 플라스틱 물질 표피들을 형성하는 몰딩 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 사출된 폴리머 몰타르 매트릭스는 그 폴리머 몰타르 매트릭스내에 포함된 수지계 물질의 밀도 보다 큰 밀도의 미립자 충진재 및 미립자 골재가 채워진 수지계 물질을 포함하며, 상기 충진재의 평균 입자 크기가 작아서 수지계 물질 및 작은 미립자 충진재 만이 상기 섬유 강화체 층을 통과하는 몰딩 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 폴리머 몰타르의 사출과 동시에 몰드 공동으로부터 공기가 인출되는 몰딩 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 폴리머 몰타르 사출 압력 및 상기 몰드 공동으로부터 상기 공기를 인출하기 위한 음압은 함께 제어되어, 폴리머 몰타르 사출 및 섬유 강화체의 습윤을 최적화하는 몰딩 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 사출된 폴리머 몰타르 매트릭스는 활성제와 함께 에폭시, 아클릴계, 페놀 포름알데히드, 비닐에스테르 및 폴리에스테르 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 수지를 포함하는 몰딩 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머 몰타르를 채우는데 사용된 고밀도 미립자 골재는 과립형 광물, 과립형 석탄-연소 부산물, 과립형 재활용 분쇄 유리, 및 과립형 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 몰딩 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유 강화체는 유리 섬유, 합성 플라스틱 또는 탄소 또는 자연 섬유, 또는 그러한 섬유들의 혼합물을 포함하는 몰딩 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 섬유 강화체는 취급 중에 안정성을 부여하기 위해 추가되는 섬유들과 함께 단일 방향 섬유를 포함하는 몰딩 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 섬유 강화체는 매트 형태인 몰딩 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 대향하는 외측 표피들을 형성할 섬유 강화체 층들을 이격 유지하기 위해, 그리고 폴리머 몰타르가 상기 섬유 강화체 층들 사이에 사출되는 것을 보장하기 위해, 이격부재가 섬유 강화체의 각 층들 사이에 위치되는 몰딩 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유 강화체 층들 각각은 상기 섬유 강화체 층들과 상기 몰드 공동의 벽들 사이에서 작용하는 접착 시스템에 의해 몰드의 내측면과 접촉 유지되는 몰딩 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 사출 포트는 그 포트가 관통 개방된 몰드의 벽과 높이가 같거나 또는 그로부터 돌출하여 상기 몰드 공동내에 위치되고 상기 공동의 대향하는 내측 벽들 사이에 일부가 배치되는 배출 오리피스를 가지는 몰딩 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 몰드 공동의 하나 이상의 표면은 섬유 강화체의 배치 이전에 도포된 겔-코트 또는 보호 층을 가지는 몰딩 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 공동은 두개의 대향하는 주 표면들 및 상기 두개의 주 표면들 둘레와 그 사이에서 연장하는 4개의 엣지 표면을 형성하고, 그에 따라 몰딩된 복합체 물품이 실질적으로 시트 형태인 몰딩 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 두개의 주 표면들은 원호 형상이며, 그에 따라 몰딩된 물품은 파이프 또는 원통형의 표면의 단편을 형성하는 몰딩 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 몰딩된 물품은 파이프 부분 또는 원통형을 형성하는 몰딩 방법.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머 몰타르 매트릭스는 혼합 용기로부터 공기를 인출함으로써 감소된 압력하에서 혼합 용기내에서 준비되며, 폴리머 몰타르의 내부 사출과 동시에 몰드 공동으로부터 공기를 인출하는 몰딩 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 혼합 용기 및 몰드 공동으로부터 인출되는 공기는 대기중으로 배출되기 전에 수집되고 청정화되는 몰딩 방법.

Images