KR101188769B1 - 고무와 에폭시 수지 함유 복합재료와의 접착력 증진 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고무와 에폭시 수지 함유 복합재료 간의 접착력을 증진시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에폭시 수지 함유 복합재료에 접착되어질 고무물질로서 고무에 에폭시 수지를 혼합시킨 혼합물을 사용하여, 상기 복합재료와 상기 고무-에폭시 수지 혼합물을 적층하여 동시에 경화시킴으로써 층간 접착제층없이도 고무와 에폭시 수지 함유 복합재료간의 접착력을 증진시키는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 고무와 에폭시 수지 함유 복합재료 간의 접착력을 증진시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에폭시 수지 함유 복합재료에 접착되어질 고무물질로서 고무에 에폭시 수지를 혼합시킨 혼합물을 사용하여, 상기 복합재료와 고무-에폭시 수지 혼합물을 적층하여 동시에 경화시킴으로써 층간 접착제층없이도 고무와 에폭시 수지 함유 복합재료간의 접착력을 증진시키는 방법에 관한 것이다.
로켓 미사일 내의 추진제는 복합재 압력용기 안에 위치한다. 추진제가 점화되면, 복합재 압력용기 내부에는 고온/고압이 발생한다. 복합재 압력용기 내부의 고무층은 단열 및 내열적 특성에 의해 추진제 연소 중에 발생하는 고온의 열을 복합재 압력용기에 전달하는 것을 막아준다. 아울러 복합재 압력용기 외부의 섬유/수지층은 내압을 견딜 수 있도록 되어 있다. 상기와 같은 복합재 압력용기의 제작 방법으로는, 제작될 형태의 맨드렐 표면에 일차적으로 미가황 고무를 적층한 후, 그 위에 접착제를 재차 도포한다. 이어서 수지를 묻힌 섬유를 필라멘트 와인딩 공법으로 적층하고, 오븐에서 미가황 고무와 접착제 및 섬유/수지를 동시에 성형 접착시킨다. 상기 고무로는 EPDM(에틸렌프로필렌디엔 모노머; ethylene propylene diene monomer) 합성 고무 혼합물이 주로 사용된다. EPDM 고무가 사용되는 것은 비중이 낮을 뿐만 아니라 바람직한 단열성 및 내열성을 가지고 있기 때문이다. 상기 수지는 에폭시 타입이며, 방향족 아민을 경화제로 한 비스페놀 A 또는 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르이다. 상기 섬유는 높은 기계적 강도를 갖는 탄소섬유로 되어 있다.
상기의 접착제에 관한 종래기술로는, 미국특허 제6,495,259호에 적어도 1종의 고무물질 성분, 아크릴레이트 성분 및 혼합을 용이하게 하기 위한 탄화수소 용매 등을 포함하는 혼합물이 개시되어 있다. 그러나, 용매나 혼합 용매는 취급하는데 특별한 기술과 환경 규제를 만족시키는 것이 요구된다.
고려할 수 있는 다른 대안은 Lord Corporation에서 생산되는 Chemlok 234와 Chemlok 236과 같은 상용화된 접착제를 사용하는 것이다. 그러나 이러한 접착제 내에는 다량의 용제가 함유되어 있어, 취급에 특별한 주의가 요구된다. 상품화된 접착제들을 사용함으로써 발생되는 또 다른 문제점은 많은 종류의 물질들을 서로 접착시키기 위하여 접착제 내에 다양한 종류의 활성 물질들을 함유 하고 있다는 것이다. 예를 들면, 선정된 접착제가 금속, 요업 재료, 유리 및 플라스틱 등을 접착시키기 위하여 조성되었기 때문에 특수한 물질을 접착시키기에 적합한 각각의 활성 성분을 포함하고 있다. 그렇지만 그런 여러 종류의 활성 성분을 포함하고 있는 접착제를 사용하였을 경우, 각각의 활성 성분들이 접착력에 미칠 영향에 대하여 우려가 있다. 즉, 접착에 참여하지 않는 활성 성분들로 인해, 접착이 될 물질들에 적합한 활성 성분들만 사용하였을 때에 비하여 접착 강도가 저하될 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고무물질을, 외부의 에폭시 수지를 바인더로 한 복합재료에 접착시키는 데에 있어서 그 접착력을 증진시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고무물질과, 에폭시 수지 함유 복합재료와의 접착력 증진 방법은, 에폭시 수지 함유 복합재료와 접착되어질 상기 고무 물질로서, 고무에 에폭시 수지를, 고무와 에폭시 수지의 합계 총량을 기준으로 3.0~5.0중량% 혼합한, 고무와 에폭시 수지의 혼합물을 사용하고, 상기 고무 혼합물과 상기 복합재료를 적층하여 동시에 경화시키는 것을 특징으로 한다.
상기 고무로는 그 종류에 제한이 없으나, 합성고무인 것이 바람직하고, 특히 에틸렌프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 고무, 에틸렌프로필렌 공중합체 고무 및 니트로부타디엔 고무(NBR) 등이 바람직하다.
상기 고무와 혼합되는 에폭시 수지의 종류에는, 특별히 제한은 없고, 상온에서는 변화가 없다가 미경화된 고무물질을 경화시키는 온도와 유사한 활성화 온도 이상으로 가열하면 경화가 되는 잠재성 에폭시 수지인 것이 바람직하다.
상기 고무와 혼합되는 에폭시 수지의 함량은 3~5중량%인 것이 바람직한데, 3중량% 미만이면 접착력이 떨어져 바람직하지 않고, 5중량%를 초과하면 고무물질과 접착되어질 에폭시 수지 함유 복합재의 표면과 고무물질층 사이의 접착력은 더 우수할 수 있으나, 상대적으로 경도가 높은 에폭시 수지에 의하여 원래 고무물질의 기계적 특성은 나빠지게 되어 바람직하지 않다.
상기 에폭시수지 함유 복합재료에는 필요에 따라 카본섬유, 분말형태의 실리카, 아라미드 섬유, 기타 통상적인 충전제 등의 첨가제들을 1종 이상 더 포함시킬 수 있다.
상기와 같은 고무와 에폭시 수지의 혼합물은 접착공정 적용전에는 미경화 상태인 것이 바람직하며, 이와 같은 미경화 상태의 고무 혼합물은 상대적으로 긴 가사기간을 가진다.
본 발명에서는 상기와 같이 고무와 에폭시 수지의 혼합물을 에폭시 수지 함유 복합재와 접착되어질 고무물질로서 사용함으로써, 별도의 접착제층 없이도 에폭시 수지 함유 복합재와 고무물질의 접착력을 증진시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고무물질과, 에폭시 수지 함유 복합재료와의 접착력 증진방법에 대하여, 로켓 모터용 복합재 연소관을 구체예로 하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 고무층(12)과 복합재료층(14)이 접착제층(16)에 의하여 접착된 종래의 복합재 접착부분의 단면도이고, 이에 반해, 도 2는 본 발명에 따른 고무와 에폭시 수지의 혼합물층(12')(이하, '고무혼합물층'으로 약칭함)이 별도의 접착제층 없이 에폭시 수지 함유 복합재료층(14)(이하, '복합재료층'을 약칭함)과 접착된 복합재 접착부분의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 고무혼합물층과 에폭시 수지-복합재층이 접착된 복합재 연소관(10)이 포함된 로켓 모터를 나타내며, 복합재 연소관(10)은 고무혼합물층(12') 위에 에폭시 수지를 바인더로 한 복합재료층(14)이 층간 접착제 없이 접착되어 이루어진 조립체이다.
상기 연소관(10)은, 그 형태에 특별히 한정은 없으나, 속이 빈 형태일 수 있으며, 도 3에서와 같이 로켓 모터 조립체로 불리는 고체추진제 로켓 모터(40)의 중요한 부분을 형성하는 일반적으로 원통형인 고체 추진제 로켓 연소관일 수 있다.
상기 연소관(10)은 전방 돔(42), 후방 돔(44) 및 노즐(46)을 포함한다.
상기 고무혼합물층(12')은 고무혼합물층(12')의 내면 형상이나 크기대로 제작할 수 있도록 된 금형(22)의 표면(24)에 위치하게 한다.
상기 금형(22)은 일반적으로 알루미늄이나 다른 금속으로 제작되며, 금형이 제거될 수 있도록 분할식으로 제작되어 있으며, 정해진 방식대로 하면 고무혼합물층(12')의 표면으로부터 금형의 표면(24)이 수축되어서 속이 빈 원통형의 복합재 연소관(10)으로부터 금형을 제거할 수 있다.
상기 복합재료층(14)은 우선적으로 에폭시 수지에 카본, 흑연, 보론, 유리 및 아라미드 섬유 등과 같은 섬유상의 물질로 보강된 상태로 공급되거나, 또는 굵은 삼(tow), 패브릭(fabric), 직물(cloth), 망사(mesh), 또는 가닥(stranded) 형태로 공급될 수도 있다.
또한, 복합재료층(14)은 에폭시 수지가 미리 섬유 속으로 함침된 프리프래그 상태로 공급될 수도 있다. 이러한 프리프래그는 고무혼합물층(12')의 표면(18') 위에 감싸지거나, 감겨진다.
상기 고무혼합물층(12')과 복합재료층(14)은, 조립체가 오토클레이브 또는 오븐에 넣어지기 전의 상태가 미경화 상태인 것이 바람직하다. 또한 고무혼합물층(12')과 복합재료층(14)은, 반드시 요구되는 것은 아니지만 조립체가 오븐이나 오토클레이브에 넣어지기 전의 상태가 완전 경화가 아니고 부분적으로 경화된 상태인 것이 바람직한데, 이는 오븐이나, 오토클레이브 혹은 유사한 장비 내에서 고온 환경에 있게 함으로써 조립체가 동시 경화됨으로써 한 몸체처럼 접착이 잘 되어지도록 하기 위해서이다. 각 층들의 접착 표면사이의 접착은 오토클레이브 또는 오븐의 고온에서 동시 경화가 일어나면서 단단한 물질과 부드러운 물질의 표면의 경계면이 형성되고, 고무혼합물 중에 있는 잠재성 에폭시 수지와 복합재료 사이에 에폭시 화학 반응을 통하여 접착이 극대화될 수 있어 바람직하다.
또한, 오븐이나 오토클레이브 작동 일정 차질에 의한 오토클레이브나 오븐의 활용상의 문제점뿐 아니라 오토클레이브 작동과 관련되어 증가되는 생산비용 및 노동력 형태의 비용의 증가의 관점에서 본 발명의 방법에 따라 한 스텝으로 접착시키는 것이 훨씬 효과적이다.
상기 고무혼합물층(12')과 복합재료층(14)이 접합된 연소관 형태의 접합체가 오븐, 오토클레이브 또는 유사 장비에서 경화가 완료된 후, 완전히 경화가 종료된 상기 접합체의 내부로부터 제거될 수 있는 금형(22)으로부터 분리되어, 복합재 연소관(10)이 완성된다.
이와 같이 제조된 복합재 연소관(10)은 로켓 모터의 제조에 이용된다.
상기에서는, 미경화 상태인 잠재성 에폭시 수지를 포함하고 있는 고무혼합물층(12') 위에 초기에 미경화 상태인 에폭시 수지를 바인더로 한 복합재료층(14)을 적층하여 접착제층없이 접착시키는 본 발명의 방법을 로켓 모터용 복합재 연소관을 구체예로 하여 설명하였지만, 본 발명의 방법의 적용은 이에 한정되지 않고, 적어도 2가지 물질이 같이 접착되는 로켓 모터의 다른 부분이나, 다른 생산품 및 기타 부품의 제작에도 적용될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 방법은 로켓 모터용 복합재 연소관을 제작하는데 특히 적합하지만, 고무물질이 에폭시 수지를 바인더로 한 복합재료에 접착되는 다른 품목이나, 결과물을 제작하는 데에도 적용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 로켓 모터용 복합재 연소관과 같은 제품을 제작할 때에, 내부층인 고무혼합물층과 복합재료층을 접착제 없이 접착시키므로써 고무물질과 에폭시 수지를 기본으로 하는 복합재료 사이에 별도의 접착제층이 존재하지 않아도, 고무물질 내에 포함되어 있는 잠재성 에폭시 수지와, 에폭시 수지를 기본으로 하는 복합재료 사이에서 에폭시 화학 반응을 통하여 고온에서 동시 경화됨으로써 우수한 접착력을 얻는 효과를 갖는다.
도 1은 고무층(12)과 복합재료층(14)이 접착제층(16)에 의하여 접착된 종래의 복합재 접착부분의 단면도이다.
도 2는 고무혼합물층(12')이 별도의 접착제층 없이 복합재료층(14)에 접착된 본 발명에 따른 복합재 접착부분의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 접착된 복합재 연소관(10)이 포함된 로켓 모터를 나타낸다.
도 2는 고무혼합물층(12')이 별도의 접착제층 없이 복합재료층(14)에 접착된 본 발명에 따른 복합재 접착부분의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 접착된 복합재 연소관(10)이 포함된 로켓 모터를 나타낸다.
실시예
도 1과 같이, 두께 2mm의 고무층(EPDM)과 두께 5mm의 에폭시 수지 함유 복합재층(아라미드 섬유에 에폭시 수지가 함침된 프리프래그)이 접착제층에 의해 접착된 복합재 시편(1)과, 도 2와 같이 별도의 접착제층 없이, 두께 2mm의 고무(EPDM 고무)/에폭시 수지 혼합물층이 두께 5mm의 에폭시 수지 함유 복합재층(아라미드 섬유에 에폭시 수지가 함침된 프리프래그)과 직접 접착된 복합재 시편(2)에 대하여, 접착력 비교 시험(박리시험)을 행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
시편 1 | 시편 2 | |
박리시험(kg/cm)* | 1.5 | 3 |
* 박리시험은 ASTM D1876 규격에 따라 시험한 것으로, 접착 박리 저항성에 대한 표준 테스트 방법으로서, 접착된 에폭시 함유 복합재층과 고무층(시편 1) 또는 혼합물층(시편 2)을 벗겨내는 시험법으로서, 박리하는 동안 두층간의 박리 각도는 90°각도를 유지하였다.
표 1에서 나타낸 바와 같이, 박리시험을 실시한 결과, 본 발명에 따른 시편 2가 종래의 접착층이 개재된 시편 1보다 우수한 접착력을 나타냄을 알 수 있다.
10: 복합재 연소관 12: 고무층
12': 고무혼합물층 14: 복합재료층
16: 접착제층 18: 고무층 표면
18': 고무혼합물층 표면 20: 복합재료층 내면
22: 금형 24: 금형 표면
40: 로켓 모터 42: 연소관 전방 돔
44: 연소관 후방 돔 46: 노즐
12': 고무혼합물층 14: 복합재료층
16: 접착제층 18: 고무층 표면
18': 고무혼합물층 표면 20: 복합재료층 내면
22: 금형 24: 금형 표면
40: 로켓 모터 42: 연소관 전방 돔
44: 연소관 후방 돔 46: 노즐
Claims (4)
- 고무에 잠재성 에폭시 수지를, 고무와 잠재성 에폭시 수지의 합계 총량을 기준으로 3.0~5.0중량% 혼합한 고무와 잠재성 에폭시 수지의 혼합물과 에폭시 수지 함유 복합재료를 적층하여 동시에 경화시키는 것을 특징으로 하는 고무물질과, 에폭시 수지 함유 복합재료와의 접착력 증진방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 고무는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무 또는 에틸렌프로필렌인 것을 특징으로 하는 고무물질과, 에폭시 수지 함유 복합재료와의 접착력 증진방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 복합재료는 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 고무물질과, 에폭시 수지 함유 복합재료와의 접착력 증진방법.
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