KR101112689B1 - 장섬유 복합체 제조장치 및 상기 장치를 이용한 장섬유 복합체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장섬유 복합체 제조장치 및 상기 장치를 이용한 장섬유 복합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장섬유를 소정의 함침조에서 수지에 함침시켜 장섬유 복합체를 제조하는 장섬유 복함체 제조장치에 있어서, 상기 장섬유 복합체 제조장치는 상기 함침조의 상부 또는 하부에서부터 함침조 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 블레이드를 구비한 하나 이상의 텐셔너와, 상기 텐셔너의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단을 포함한 것으로 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치 및 상기 장치를 이용한 장섬유 복합체 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 장섬유 복합체 제조장치는 간단한 내부구조를 가지면서도 섬유의 수지함침이 효과적으로 이루어지고, 섬유의 종류나 운전조건에 따라 장력을 임의적으로 조절가능하다.

텐셔너 변위수단, 장섬유 복합체, 수지, 함침

Description

장섬유 복합체 제조장치 및 상기 장치를 이용한 장섬유 복합체 제조방법{APPARATUS FOR PRODUCTION OF A LONG FIBER THERMOPLASTIC COMPOSITE AND PRODUCTION METHOD THEREOF BY USING SAID APPARATUS}

본 발명은 장섬유 복합체 제조장치 및 상기 장치를 이용한 장섬유 복합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장섬유를 소정의 함침조에서 수지에 함침시켜 장섬유 복합체를 제조하는 장섬유 복함체 제조장치에 있어서, 상기 장섬유 복합체 제조장치는 상기 함침조의 상부 또는 하부에서부터 함침조 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 블레이드를 구비한 하나 이상의 텐셔너와, 상기 텐셔너의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단을 포함한 것으로 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치 및 상기 장치를 이용한 장섬유 복합체 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 장섬유(long fiber)라 불리는 연속섬유다발은 기계적 강도나 내식성, 또는 내형성을 향상시키기 위해, 상기 섬유다발을 구성하는 개개의 필라멘트들을 수지로 코팅하는 방법이 이용되는데, 이 목적을 달성하기 위해서는, 상기 섬유다발을 구성하는 수 천 또는 수 만 가닥의 섬유 필라멘트가 수지에 완전히 접촉될 수 있도록, 상기 필라멘트와 수지 사이의 접촉면적을 넓혀주거나 또는 상기 섬 유다발 내의 필라멘트 사이로-즉, 섬유 필라멘트 집속체의 공극 사이로-수지를 함침시키는 것이 필요하다. 이 때, 사용되는 수지가 고점도의 수지인 경우에는 개개의 섬유 필라멘트를 함침시키는 것이 매우 어렵다. 미국특허 제4,728,387은 적어도 1개의 볼록면과 수지를 주입할 수 있는 오리피스를 가진다 하여도 1개의 오목한 면을 사용해, 섬유다발을 구성하는 각각의 섬유필라멘트를 어느 정도의 장력 하에 펼침으로써 수지에 코팅시키고자 하였다. 그러나 섬유다발을 구성하는 각각의 섬유필라멘트들이 항상 일정하게 펼쳐지지 않는, 즉, 볼록면의 정점에 섬유들이 모이거나 핀의 양 끝부분 또는 핀의 여러 곳으로 나뉘어 모이게 되는 문제점이 발생하게 된다. 더욱이 여러개의 오목면과 볼록면의 설계를 섬유경로 길이의 보존개념을 고려하지 않고 제작하게 되면, 섬유다발내 무수히 많은 각각의 섬유필라멘트들이 제각기 다른 속도를 지니게 됨으로써 이에 따른 인접섬유간의 마찰이 발생되어 섬유파쇄의 문제점이 있게 된다. 따라서 수지가 섬유들 사이로 충분히 침투됨으로써 얻을 수 있는 균일한 코팅을 가진, 섬유파쇄로 인한 최종 성형품의 물성저하를 방지할 수 있는 섬유강화 스트랜드 제조를 기대하기가 어렵다. 한편, 이런 문제점을 개선하기 위해 출원되었던 미국특허 제5,133,282호는 첫 번재 오는 오목핀에 의해 투입된 섬유를 한 점에서 모아주게 하고, 이들 섬유를 두 번째 오는 볼록핀, 즉 수평축을 중심으로 반경의 분포를 갖고 이들 반경의 분포가 중앙의 최대 반경을 중심으로 좌우가 대칭이 되게한 볼록핀을 거쳐가게 함으로서 볼록핀 위에 높이는 섬유가 최대로 펼쳐지게 근사식을 유도하였다. 그러나 볼록면 위에서의 섬유의 펼침조절을 최대로 하기 위해서는 볼록핀과 오목핀의 기하학적 구조에 관련된 설계 변수 와 볼록핀과 오목핀의 수평 및 수직거리 등 최적화되어야 할 변수가 너무 많게 되는 단점이 발생되고, 또한 오목핀을 거의 강제적으로한 개의 섬유 접점으로 만들어 주게 되면 이 부분에서 섬유와 오목핀 표면 사이의 극도의 마찰이 발생하게 되어 현저한 섬유 파쇄가 초래되므로 최종 생산품의 기계적 물성을 급격히 감소시킬 뿐만 아니라 생산속도를 증가시키는 데도 많은 한계를 노출하게 된다. 더욱이 다수의 섬유강화 스트랜드를 제조하는데 있어 이러한 형상의 핀들을 조합하여 사용하게 되면 다이 또는 수지조 내의 부피를 비효율적으로 증대시켜야 하므로 이로 인한 다이 또는 수지조 내 수지 체류시간이 증가되므로 수지분해의 위험성이 있게 된다. 한편, 국내특허 221361호에는 상술한 미국특허가 지닌 문제점을 개선하고자, 섬유필라멘트에 수지를 코팅하기 위해 내주면의 형상이 원 또는 타원 모양을 가진 기구와 연결구가 결합되어 있고 외주면의 형상이 원 또는 타원 모양을 가진 기구와 연결구가 결합됨으로써 형성된 유로를 지닌 다이내에서, 노즐에 의해 방사된 섬유필라멘트를 유로를 따라 내주면의 형상이 원 또는 타원 모양을 가진 기구와 외주면의 형상이 원 또는 타원 모양을 가진 기구를 장착시킨 수지함침장치내에 기구의 내주면과 기구의 외주면을 통과시켜 유로 내의 용융수지와 연속적으로 접촉하도록 함으로써 다이 내에서 섬유의 수지 침투 면적을 최대한 증가시켜 수지를 연속적으로 코팅시키고, 코팅된 수지 섬유필라멘트를 집속하여 원하는 직경의 노즐로 압출시킴을 특징으로 하는 봉상, 관상,판상의 수지가 코팅된 복합섬유의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 상술한 국내특허에 의하면, 도넛형상의 기구가 제자리에 고정된 형태이기 때문에, 상기 도넛 형상의 기구 위에서 연속섬유다발을 펼치고 모으면서 끌 어당기면, 상기 섬유다발의 길이방향으로 마찰에 의한 장력이 발생하여 파쇄될 수 있다는 단점이 있어 고속으로 제품을 생산할 때, 균일한 품질의 제품을 얻기가 불가능하다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제343518호의 특허공보에는 장섬유 복합체 제조장치에 있어서, 다수개의 수지 주입구(7)가 내주면을 따라 등간격으로 내설된 다이(1)와: 상기 다이에 내장되어 그 양단이 지지되는 코어체(8)와: 상기 코어체(8) 양단의 원주면에 등간격으로 설치되는 다수개의 고정식 회전롤러(4,6)와 상하 이동식 회전롤러(5): 로 구성된 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치가 개시되어 있다(도 1 참조).

그러나, 상기 문헌에 개시된 장섬유 복합체 제조장치는 내부구조가 복잡하여 장섬유 필라멘트의 파단시 재차 연결이 어렵고 연결을 위해서는 장치를 모두 분해하여야 하는 단점이 있다. 또한, 섬유의 종류나 운전조건에 따라 장력을 조절하여야 할 필요가 있을 때가 있는데, 상기 문헌을 포함한 종래의 장섬유 복합체 제조장치들은 장력의 조절이 불가능하여 각각의 섬유 종류별로 제조장치를 갖추어야 하거나 운전 조건을 변경하기 어려운 문제가 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 간단한 내부구조를 가지면서도 섬유의 수지함침이 효과적으로 이루어지고, 섬유의 종류나 운전조건에 따라 장력을 임의적으로 조절가능한 장섬유 복합체 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것 이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 장섬유를 소정의 함침조에서 수지에 함침시켜 장섬유 복합체를 제조하는 장섬유 복함체 제조장치에 있어서, 상기 장섬유 복합체 제조장치는 상기 함침조의 상부 또는 하부에서부터 함침조 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 블레이드를 구비한 하나 이상의 텐셔너와, 상기 텐셔너의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단을 포함한 것으로 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 함침조의 출구가 주름관 형태인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 블레이드가 장섬유와의 마찰을 줄이기 위해 반원형의 단면을 가진 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 블레이드가 소정의 곡률을 가진 아치형태인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 텐셔너 변위수단이 지그(jig) 또는 공압실린더인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 장섬유를 소정의 함침조에서 수지에 함침시켜 장섬유 복합체를 제조하는 장섬유 복합체 제조방법에 있어서, 상기 제조방법은 상기 함침조의 상부 또는 하부에서부터 함침조 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 블레이드를 구비한 하나 이상의 텐셔너와, 상기 텐셔너의 돌출길이를 조 절할 수 있는 텐셔너 변위수단을 포함한 장섬유 복합체 제조장치를 이용하되, 상기 함침조 내부로 장섬유를 도입하여 상기 텐셔너에 의해 장력조절이 된 장섬유가 펼쳐져 수지함침이 되도록 한 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조방법을 제공한다.

본 발명의 장섬유 복합체 제조장치는 간단한 내부구조를 가지면서도 섬유의 수지함침이 효과적으로 이루어지고, 섬유의 종류나 운전조건에 따라 장섬유에 걸리는 장력을 임의적으로 조절가능하다.

이하에서 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.

본 명세서에서 일반적으로 '장섬유' 또는 '섬유'는 장섬유 다발을 의미하고, '장섬유 필라멘트' 또는 '필라멘트'는 장섬유 다발을 구성하는 각각의 장섬유 가닥을 의미하나, 혼용되어 사용될 수도 있으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 용어의 사용이 어떤 것을 의미하는지 잘 알 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 장섬유 복합체 제조장치(100)의 구조를 설명하기 위한 간략구조 단면도이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 장섬유 복합체 제조장치(100)는 함침조(40)의 상부 또는 하부에서부터 함침조(40) 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유(60)가 펼쳐지는 블레이드(21, 21′)를 구비한 하나 이상의 텐셔너(20, 20′)와, 상기 텐셔너(20, 20′)의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단(30, 30′)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 종래의 장섬유 복합체 제조장치는 장섬유 필라멘트(60)에 장력을 형성하여 펼쳐주기 위한 기구가 매우 복잡하고 과도한 장력이 부과되어 섬유 필라멘트(60)가 단절되는 등의 문제가 있거나, 장력을 낮추기 위해 고안된 경우에도 장력 조절이 되지 않거나 내부구조가 복잡하여 섬유 필라멘트(60)를 다시 이어붙이기 어렵거나 수리 작업시 내부 구조물을 모두 들어내야만 하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명의 장섬유 복합체 제조장치는 텐셔너 변위수단(30, 30′)를 이용하여 함침조(40) 내부로 돌출되는 텐셔너(20, 20′)의 길이를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 장섬유(60)에 가해지는 장력을 조절할 수 있고, 또한 수리나 장섬유 필라멘트(60)의 파단시에도 텐션너(20, 20′)의 돌출 길이를 줄여 섬유 필라멘트(60)의 재이음이 용이하게 수행될 수 있도록 하였다.

본 발명의 장섬유 복합체 제조장치(100)에서 상기 텐셔너(20, 20′)나 블레이드(21, 21′)의 형태나 재질 등은 특별히 한정되는 것은 아니나, 장력이 걸리는 면에서 마찰을 줄이기 위해 상기 블레이드의 형태는 곡면처리된 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 블레이드가 장섬유와의 마찰을 줄이기 위해 반원형의 단면을 가진 것이 바람직하다. 또한, 상기 블레이드(21, 21′)는 소정의 곡률을 가진 아치형태인 것이 바람직하다. 장섬유(60)는 함침조(40)의 입구에서 각 필라멘트(60)가 상기 블레이드(21, 21′)에 방사상으로 분산되어 펼쳐지기 때문에 각 필라멘트(60)에 가해지는 장력이 다를 수 있다. 따라서, 각 장섬유 필라멘트(60)에 가해지는 장력이 일정하도록 하기 위해서는 함침조(40) 내부에서 펼쳐지는 필라멘트(60)의 길이가 비교적 동일한 수준이 되도록 상기 블레이드(21, 21′)의 형태가 아치형인 것이 바람직하다. 도 3은 본 발명의 장섬유 복합체 제조장치(100)의 블레이드(21, 21′)에 장섬유 필라멘트(60)가 펼쳐진 모습을 도식화한 그림이다.

본 발명의 장섬유 복합체 제조장치(100)는 상기 텐셔너(20, 20′)의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단(30, 30′)를 포함한다. 상기 텐셔너 변위수단(30, 30′)은 특별히 제한되는 것은 아니며, 일반적으로 알려진 지그(jig)와 같은 고정구일 수 있으며 공압실린더일 수도 있다.

또한, 본 발명의 장섬유 복합체 제조장치(100)에 있어서 상기 함침조(40)의 출구는 주름관(50) 형태인 것이 바람직하다. 함침조(40)의 출구에 주름관(50)이 형성되어 있는 경우 수지에 함침된 장섬유(60)와 수지가 출구를 통과하며 수지의 유동이 일어나 다시 한 번 수지 함침이 일어날 수 있도록 할 수 있다.

본 발명의 장섬유 복합체 제조방법은 함침조(40)의 상부 또는 하부에서부터 함침조(40) 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 블레이드(21, 21′)를 구비한 하나 이상의 텐셔너(20, 20′)와, 상기 텐셔너(20, 20′)의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단(30, 30′)을 포함한 장섬유 복합체 제조장치(100)를 이용하되, 상기 함침조(40) 내부로 장섬유(60)를 도입하여 상기 텐셔너(20, 20′)에 의해 장력조절이 된 장섬유(60)가 펼쳐져 수지함침이 되도록 한 것을 특징으로 한다.

앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것 으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 종래의 장섬유 복합체 제조장치의 일례를 설명하기 위한 단면도

도 2는 본 발명에 따른 장섬유 복합체 제조장치의 구조를 설명하기 위한 간략구조 단면도

도 3은 본 발명의 장섬유 복합체 제조장치의 블레이드에 장섬유 필라멘트가 펼쳐진 모습을 도식화한 그림

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20, 20′ 텐셔너 21, 21′ 블레이드

30, 30′ 텐셔너 변위수단 40 함침조

50 주름관 60 장섬유

100 장섬유 복합체 제조장치

Claims (6)

1. 장섬유를 소정의 함침조에서 수지에 함침시켜 장섬유 복합체를 제조하는 장섬유 복합체 제조장치에 있어서,

   상기 장섬유 복합체 제조장치는 상기 함침조의 상부 또는 하부에서부터 함침조 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 소정의 곡률을 가진 아치형태의 블레이드를 구비한 하나 이상의 텐셔너와, 상기 텐셔너의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단을 포함한 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 함침조의 출구는 주름관 형태인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 블레이드는 장섬유와의 마찰을 줄이기 위해 반원형의 단면을 가진 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 텐셔너 변위수단은 지그(jig) 또는 공압실린더인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조장치.
6. 장섬유를 소정의 함침조에서 수지에 함침시켜 장섬유 복합체를 제조하는 장섬유 복합체 제조방법에 있어서,

   상기 제조방법은 상기 함침조의 상부 또는 하부에서부터 함침조 내부 방향으로 돌출되어 있으며 단부에는 장섬유가 펼쳐지는 소정의 곡률을 가진 아치형태의 블레이드를 구비한 하나 이상의 텐셔너와, 상기 텐셔너의 돌출길이를 조절할 수 있는 텐셔너 변위수단을 포함한 장섬유 복합체 제조장치를 이용하되, 상기 함침조 내부로 장섬유를 도입하여 상기 텐셔너에 의해 장력조절이 된 장섬유가 펼쳐져 수지함침이 되도록 한 것을 특징으로 하는 장섬유 복합체 제조방법.

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