KR100983531B1 - 탄소섬유 시트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유 시트의 제조방법 및 탄소섬유 시트에 관한 것이고, 구체적으로 일방향 탄소섬유 프리프레그(Uni-directional Carbon fiber prepreg)를 이용하여 제조된 경량 및 고강도의 탄소섬유 시트 및 그 제조방법에 관한 것이다. 탄소섬유 시트의 제조방법은 일방향으로 배열된 탄소섬유에 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 함침시켜 일방향 탄소섬유 프리프레그 시트를 제조하는 단계; 제조된 프리프레그 시트를 일정한 간격으로 절단하는 단계; 절단된 프리프레그 시트를 일정한 각으로 배치하여 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제직하는 단계; 및 열과 압력을 가하면서 제직된 프리프레그 시트를 성형하는 단계를 포함한다.

일방향 탄소섬유, 일방향 프리프레그, 탄소섬유 시트

Description

탄소섬유 시트의 제조방법{Method of manufacturing carbon fiber Sheet}

본 발명은 탄소섬유 시트 및 그 제조방법 관한 것이고, 구체적으로 일방향 탄소섬유 프리프레그(Uni-directional Carbon fiber prepreg)를 이용한 경량 및 고강도의 탄소섬유 시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

탄소섬유는 92%이상의 탄소로 이루어진 섬유로 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유로 나누어질 수 있다. 탄소섬유는 전체적으로 가벼우면서 높은 탄성율을 가지고 각각의 특성에 따라 다양한 분야에서 산업 소재로 사용되고 있다. 구체적으로 팬계 탄소섬유는 높은 인장강도와 전단강도로 인하여 우주 항공 분야의 소재로 사용되며 피치계 탄소섬유는 기능성 소재로 사용되고 있다. 탄소섬유의 제조방법은 이 분야에서 공지되어 있다. 특허공개번호 제2006-0124651호 "피치계 탄소섬유 슬라이버 및 방적사의 제조방법"은 일방향으로 정렬되는 피치계 탄소섬유 슬라이버의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 또한 특허공개번호 제1993-0017948호 "일방향 프리프레그 및 탄소섬유 강화 복합재료"는 피치계 및 팬계 탄소섬유 복합체의 제조를 위한 프리프레그에 대하여 개시하고 있다.

탄소섬유는 복합체 또는 시트 형태로 제조되어 면상 발열체, 전극소재 또는 자동차의 커버 소재로 사용될 수 있다. 기존의 탄소섬유를 시트 형태로 제조하는 방법은 탄소섬유로 제직한 직물에 수지를 함침시켜 프리프레그 시트 형태로 제조하거나 또는 탄소섬유을 경사와 위사의 배열 각도를 일정한 각으로 맞추면서 제직하는 과정에서 직물을 고정하기 위한 수지 바인더를 직물 표면에 뿌려주는 방식이다. 이로 인하여 직물형상이 열판 위에서 코팅이 될 수 있도록 한다.

공지된 탄소섬유 시트의 제조방법은 실이 꼬여진 형태 또는 원사를 그대로 펼쳐서 제직하므로 잔사로 인하여 미려함이 감소되며 제직시 집속이 어렵고 코팅시 일정한 간격으로 배치하여 정확한 간격을 유지하기 어렵다는 문제점을 가진다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 탄소섬유 원사를 프리프레그로 먼저 제조하여 일정한 각으로 배치하여 원하는 형태로 제직함으로써 기존의 문제인 직물형태의 탄소섬유의 코팅시 수지함침성 및 직물형태의 흐트러짐이 발생하는 문제점을 해결하여 정확한 간격 유지가 가능하고 그리고 미려함이 향상되도록 하는 탄소섬유 시트의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경량 및 고강도를 가지면서 미려함이 향상된 탄소섬유 시트를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 탄소섬유 시트의 제조방법은 일방향으로 배열된 탄소섬유에 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 함침시켜 일방향 탄소섬유 프리프레그 시트를 제조하는 단계; 제조된 프리프레그 시트를 일정한 간격으로 절단하는 단계; 절단된 프리프레그 시트를 일정한 각으로 배치하여 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제직하는 단계; 및 열과 압력을 가하면서 제직된 프리프레그 시트를 성형하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 열경화성 수지를 함침시키는 단계는 수지를 이형지에 도포시키는 단계(Resin film), 도포가 된 이형지를 열판에 투입하는 단계 및 한 쌍의 롤러를 이용하여 도포가 된 이형지에 압력을 가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 열가소성 수지의 함침은 열판에서 2단계로 수지를 용융시키는 방법으로 이루어진다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 일방향 탄소섬유 프리프레그 시트를 제조하는 단계는 냉각 롤러에 의하여 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 일방향 탄소섬유 프리프레그 시트를 제직하는 단계는 절단된 프리프레그 시트를 경사와 위사가 서로 0 와 90가 되도록 교차로 배치하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 프리프레그를 성형하는 단계는 스테인리스 강에 이형필름을 배치하는 단계 및 이형 필름 위에 프리프레그를 배치시키는 단계 및 프리프레그 위에 이형필름을 배치시키는 단계 및 이형필름 위에스테인리스 강을 위치시키는 단계를 더 포함한다.

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본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 탄소섬유 시트는 일방향 탄소섬유와 탄소섬유에 함침된 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어진 제1 프리프레그 시트 및 일방향 탄소섬유와 탄소섬유에 함침된 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어진 제2 프리프레그 시트를 포함하고, 상기 제1 프리프레그 시트와 제2 프리프레그 시트는 서로 일정한 각으로 배열되어 위사와 경사를 형성한다.

본 발명에 따라 제조된 탄소섬유 시트는 탄소섬유의 코팅시 수지함침의 우수성 및 직물형태의 흐트러짐을 방지시켜 충분한 강도와 정확한 간격 유지가 가능하고 그리고 우수한 미려성을 가지므로 여행 가방, 자동차의 트렁크 등으로 사용될 수 있다. 아울러 다수 개의 시트 층을 결합하여 자동차 또는 항공기의 외장 보강재로 사용될 수 있다는 이점을 가진다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 탄소섬유 시트의 제조 과정 및 탄소섬유 프리프레그 제조공정을 각각 개략적으로 도시한 것이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 탄소섬유 시트의 제조방법은 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 탄소섬유(F)에 함침시키는 단계(P11); 수지가 함침된 탄소섬유(F)를 탄소섬유 프리프레그 공정으로 프리프레그 시트(PS)로 제조하는 단계(P12); 프리프레그 시트를 일정한 간격으로 절단하는 단계(P13); 절단된 프리프레그 시트를 일정한 각으로 배치하여 제직하는 단계(P14); 및 열을 압력을 가하면서 프리프레그 시트를 성형하는 단계(P15)를 포함한다.

탄소섬유(F)는 이 분야에서 공지된 방법에 따라 제조된 임의의 피치계 또는 팬계 탄소섬유가 될 수 있지만 바람직하게 일방향 탄소섬유가 될 수 있다. 일방향 탄소섬유(F)는 힘이 작용하는 방향에 대하여 직각으로 배열되어 인장력 또는 전단 력에 대한 저항성이 높다. 이로 인하여 일방향 탄소섬유(F)로 제조된 프리프레그 시트는 동일한 강도가 요구되는 경우 다른 섬유에 비하여 경량이면서 얇은 두께로 만들어질 수 있다는 이점을 가진다. 다른 한편으로 프리프레그 시트(PS)는 탄소섬유(F)만으로 제조되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어 탄소섬유 프리프레그 시트(PS) 제직시 일방향 탄소섬유 프리프레그에 경사 또는 위사방향으로 일정한 간격으로 아라미드 섬유를 추가하여 프리프레그 시트가 제조될 수 있다. 탄소섬유(F)와 아라미드섬유의 복합체로 제조된 프리프레그 시트(PS)는 내충격성이 우수하면서 미려한 외관과 질감을 가진다.

탄소섬유(F)에 수지를 함침시켜(P11) 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 공정이 도 1b에 구체적으로 도시되어 있다. 수지는 열경화성 수지 또는 열경화성 수지가 될 수 있다. 필요에 따라 열경화성 수지는 수지 필름(resin film) 형태로 제공될 수 있고 그리고 열경화성 수지는 이형지에 코팅이 되어 용융 및 함침이 될 수 있다.

도 1b에 도시된 것처럼, 열경화성 수지 또는 열경화성 수지가 이형지에 코팅이 되어 코팅이 된 이형지(R/P)가 형성된다. 그리고 크릴(Creel)(도시되지 않음)을 이용하여 일정한 형태로 배열된 탄소섬유(F)가 열판으로 공급되고 이와 함께 수지로 코팅이 된 이형지(R/P)가 공급롤러(12)를 통하여 열판(11)으로 공급되어 수지가 탄소섬유(F)에 함침될 수 있다(P11). 함침이 되는 열경화성 수지는 예를 들어 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지 또는 페놀 수지가 될 수 있고 그리고 열가소성 수지는 폴리에틸렌 수지, 나일론 수지, 폴리아세틸 수지, 염화비닐 수 지, 폴리스티렌 수지 또는 아크릴 수지가 될 수 있다. 열판(11)은 예를 들어 함침되는 수지의 종류에 따라 적절한 온도로 가열되고 열판(11)의 온도는 다양한 형태로 조절될 수 있다. 예를 들어 열가소성 수지는 점도가 높은 폴리머 상태이기 때문에 고온 및 고압이 필요하다. 그러므로 수지의 용융단계는 중합이 되기 전에 모노머 상태의 온도에서 함침시키고 중합온도로 올려서 반응시켜 완전히 경화시키는 방법으로 탄소섬유에 함침될 수 있다. 구체적으로 열경화성 수지가 함침되는 경우 열판(11)은 증기에 의하여 가열될 수 있고 그리고 열가소성 수지가 함침되는 경우 열판(11)은 전기저항체를 이용하여 가열될 수 있다. 대안으로 열판(11)은 다수 개가 연결된 다단 형태가 되어 각 단계로 이어지면서 점차로 온도가 높아지도록 배열될 수 있다. 예를 들어 열가소성 수지를 함침시키는 경우 열판(11)은 2단으로 배열되어 1차적으로 열가소성 수지가 용융되고 그리고 다시 높은 온도로 가열된 2번째 열판(11)에서 완전히 용융되어 한 쌍의 롤러(13a, 13b)에서 수지가 탄소섬유(F)에 함침될 수 있다. .

탄소섬유(F)에 수지가 함침이 되면 제1 분리 롤러(14)를 통하여 이형필름(P)이 제거되고 새로운 이형필름(P')이 제 2공급롤러(15)를 통하여 공급되고 그리고 냉각 롤러(16a, 16b)에서 냉각이 되는 탄소섬유 프리프레그 공정이 진행된다. 냉각 롤러(16a, 16b)는 탄소섬유(F)에 함침된 수지를 냉각시키면서 일정한 압력을 가하여 탄소섬유(F)를 필름 형태로 만든다. 이와 같은 공정을 통하여 프리프레그 시트(PS)가 제조되고(P12) 그리고 제조된 프리프레그 시트(PS)는 공급 롤러(17)를 통하여 공급되는 배면 이형필름(P1)과 함께 권취 롤러(R)에 감긴다.

제조된 프리프레그 시트(PS)는 다양한 형태의 탄소섬유 시트로 만들어질 수 있다. 위에서 이미 설명을 한 것처럼, 프리프레그 시트(PS)는 탄소섬유로만 제조되거나 또는 예를 들어 아라미드 섬유와 혼합된 섬유 복합체로부터 제조될 수 있다.

탄소섬유 시트의 제직을 위하여 먼저 프리프레그 시트가 일정한 크기로 절단된다. 절단된 일방향 프리프레그 시트는 제직기에 경사 배열에 따라 한폭은 위로, 그 다음 한 폭은 아래로 엇갈리게 잡힌다. 모든 경사가 교차 될 때까지 반복 작업이 진행되다. 위사 방향은 제직기 타입에 따라 다르나, 여기서는 위사 방향에 프리프레그를 놓고 속도 조절된 에어 제트(Air Zet)와 같은 장치로 프리프레그가 경사방향에 교차되도록 쏘아주고 폭에 맞게 칼날로 변사가 커팅이 되어 권취된다. 위에 설명한 것처럼, 프리프레그 시트는 배열 방향이 경사/위사가 각각 0°/90°가 되도록 교차될 수 있지만 경사/위사의 각은 이에 제한되지 않는다.

탄소섬유 시트는 스테인리스 강(Steel Use Stainless : STS)과 같은 열판 위에 이형필름을 배치하는 단계; 제직된 프리프레그 시트(PS)를 이형필름에 위치시키는 단계; 프리프레그 시트(PS) 위에 다시 이형필름과 스테인리스 강을 위치시키는 단계; 및 스테인리스 강을 프리프레그 시트(PS)에 일정한 온도로 가열하면서 압력을 가하면 프리프레그 시트가 서로 성형되는 단계를 통하여 만들어질 수 있다. 다만 프리프레그 시트의 권취 과정에서 이형필름이 사용되었다면 별도로 이형필름이 배치되는 단계는 요구되지 않는다.

탄소섬유 시트는 다양한 형태로 스테인리스 강과 같은 열판에 배치될 수 있다. 예를 들어 제직된 프리프레그 시트가 직접 이형 필름을 매개로 열판에 배치되 거나 또는 프리프레그 원판이 배치되고 그 위에 제직된 프리프레그 시트가 서로 교차되도록 배치될 수 있다. 프리프레그 원판은 예를 들어 프리프레그 시트, 부직포 또는 임의의 보강 소재가 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 제조된 탄소섬유 시트는 공지의 방법에 따라 제조된 탄소섬유 시트에 비하여 우수한 수지 함침성 및 직물형태 유지시킨 미려감이 뛰어나다는 이점을 가진다. 제조된 탄소섬유 시트는 다양한 분야의 소재로 사용될 수 있고 예를 들어 여행 가방 또는 자동차의 트렁크 시트 소재로 사용될 수 있다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으면 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 탄소섬유 시트의 제조 과정 및 탄소섬유 프리프레그 제조공정을 각각 개략적으로 도시한 것이다.

Claims (9)

1. 일방향으로 배열된 탄소섬유에 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 열판에서 함침시킨 후, 냉각 롤러로 냉각하여 일방향 탄소섬유 프리프레그 시트를 제조하는 단계;

   상기 제조된 프리프레그 시트를 일정한 간격으로 절단하는 단계;

   상기 절단된 프리프레그 시트를 경사와 위사가 서로 0°와 90°가 되도록 교차로 배치하고, 상기 배치된 프리프레그 시트에 경사 또는 위사방향으로 아라미드 섬유를 일정한 간격으로 추가하여 일방향 탄소섬유 프리프레그 시트를 제직하는 단계; 및

   열과 압력을 가하면서 상기 제직된 프리프레그 시트를 성형하는 단계;를 포함하되,

   상기 열경화성 수지의 함침은 상기 열경화성 수지를 이형지에 도포시키는 단계, 상기 도포가 된 이형지를 상기 열판에 투입하는 단계 및 한 쌍의 롤러를 이용하여 상기 이형지에 압력을 가하는 단계를 포함하고, 그리고

   상기 열가소성 수지의 함침은 다수개가 연결된 다단형태의 열판을 이용하여 용융시켜 함침하되, 상기 다단형태의 열판은 점차 온도가 높아지도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 시트의 제조방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 열가소성 수지의 함침은 2개의 열판을 이용하고, 2번째 열판에서 상기 열가소성 수지를 완전 용융시켜 함침시키는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 시트의 제조방법.
4. 삭제
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9. 삭제

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