KR101194978B1 - 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료 - Google Patents

일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료 Download PDF

Info

Publication number
KR101194978B1
KR101194978B1 KR1020090092840A KR20090092840A KR101194978B1 KR 101194978 B1 KR101194978 B1 KR 101194978B1 KR 1020090092840 A KR1020090092840 A KR 1020090092840A KR 20090092840 A KR20090092840 A KR 20090092840A KR 101194978 B1 KR101194978 B1 KR 101194978B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fibers
sheet
fiber
carbon
reinforcing
Prior art date
Application number
KR1020090092840A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110035217A (ko
Inventor
안태환
최성학
민태경
Original Assignee
코오롱인더스트리 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코오롱인더스트리 주식회사 filed Critical 코오롱인더스트리 주식회사
Priority to KR1020090092840A priority Critical patent/KR101194978B1/ko
Publication of KR20110035217A publication Critical patent/KR20110035217A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101194978B1 publication Critical patent/KR101194978B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D15/00—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used
    • D03D15/20—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used characterised by the material of the fibres or filaments constituting the yarns or threads
    • D03D15/242—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used characterised by the material of the fibres or filaments constituting the yarns or threads inorganic, e.g. basalt
    • D03D15/275—Carbon fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/04—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyolefins
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/58—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
    • D01F6/60—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyamides
    • D01F6/605—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyamides from aromatic polyamides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D1/00—Woven fabrics designed to make specified articles
    • D03D1/0035—Protective fabrics
    • D03D1/0041—Cut or abrasion resistant
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D13/00—Woven fabrics characterised by the special disposition of the warp or weft threads, e.g. with curved weft threads, with discontinuous warp threads, with diagonal warp or weft
    • D03D13/004—Woven fabrics characterised by the special disposition of the warp or weft threads, e.g. with curved weft threads, with discontinuous warp threads, with diagonal warp or weft with weave pattern being non-standard or providing special effects
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D15/00—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used
    • D03D15/20—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used characterised by the material of the fibres or filaments constituting the yarns or threads
    • D03D15/283—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used characterised by the material of the fibres or filaments constituting the yarns or threads synthetic polymer-based, e.g. polyamide or polyester fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M17/00—Producing multi-layer textile fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12—Carbon; Pitch
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2321/00—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D10B2321/02—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polyolefins
    • D10B2321/021—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polyolefins polyethylene
    • D10B2321/0211—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polyolefins polyethylene high-strength or high-molecular-weight polyethylene, e.g. ultra-high molecular weight polyethylene [UHMWPE]
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2331/00—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products
    • D10B2331/02—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polyamides
    • D10B2331/021—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polyamides aromatic polyamides, e.g. aramides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/06—Load-responsive characteristics
    • D10B2401/061—Load-responsive characteristics elastic
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/06—Load-responsive characteristics
    • D10B2401/063—Load-responsive characteristics high strength
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/12—Vehicles
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/20—Industrial for civil engineering, e.g. geotextiles
    • D10B2505/204—Geotextiles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

탄소 섬유와 아라미드 섬유 또는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유를 최적의 형태로 혼성함으로써 인장 강도 및 충격 강도를 모두 만족시킬 수 있는 일방향 시트 및 혼성 복합재료가 개시된다. 본 발명의 일방향 시트는, 탄소 섬유; 및 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌섬유 중 적어도 하나의 섬유를 포함하는 보강 섬유를 포함하되, 상기 탄소 섬유 및 보강 섬유는 일방향으로 배열되고 교호로 배치된 것을 특징으로 한다.
탄소 섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 혼성

Description

일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료{Uni-directional sheet and Hybrid composite using the same}
본 발명은 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 스포츠, 항공기, 건축 및 토목 등에 사용할 수 있는 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료에 관한 것이다.
현재, 스포츠, 항공기, 차량, 건축 및 토목 등의 분야에 사용 중인 복합재료는 높은 인장 강도 및 탄성률뿐만 아니라 우수한 충격 강도가 요구되고 있다.
이러한 복합재료의 보강재로 사용 중인 탄소 섬유는 통상 폴리아크릴로니트릴로부터 제조되는 PAN계 탄소 섬유와 피치로부터 제조되는 피치계 탄소 섬유를 포함하고 있다. 이러한, 탄소 섬유는 경량이면서 높은 인장 강도 및 탄성률을 갖기 때문에 형태 안정성이 요구되는 분야에 이용되고 있다.
그러나, 탄소 섬유는 고가이고 충격 강도가 낮음에 따라 높은 내충격성 및 광폭성이 요구되는 분야에 이용하는데 제약을 받아오고 있다.
아라미드 섬유는 벤젠고리들이 아미드기를 통해 직선적으로 연결된 구조를 갖는 파라계 아라미드 섬유와 구부러진 구조를 갖는 메타계 아라미드 섬유를 포함 한다. 이 중 파라계 아라미드 섬유는 고강도, 고탄성, 고내열성 등의 특성을 가짐에 따라, 방탄복, 방호복 등으로 사용되고 있다.
그러나, 아라미드 섬유는 탄소 섬유 대비 충격 강도는 좋으나 인장 강도 및 탄성률이 낮은 특성을 가지고 있어 고강도가 요구되는 항공기, 자동차, 스포츠 등의 분야에는 이용하지 못하고 있는 실정이다.
초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 비중이 낮고 인장 강도가 높아 경량성 및 고강도가 요구되는 분야에 이용되고 있다.
그러나, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 내열성이 떨어지고 탄성률이 낮아 고내열성 및 형태안정성이 요구되는 항공기, 자동차, 스포츠 등의 분야에는 이용하지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료에 관한 것이다.
본 발명의 이점은 탄소 섬유와 아라미드 섬유 또는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 보강 섬유를 최적의 형태로 혼성함으로써 인장 강도 및 충격 강도를 모두 만족시킬 수 있는 일방향 시트 및 혼성 복합재료를 제공하는 것이다.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 탄소 섬유; 및 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌섬유 중 적어도 하나의 섬유를 포함하는 보강 섬유를 포함하되, 상기 탄소 섬유 및 보강 섬유는 일방향으로 배열되고 교호로 배치된 것을 특징으로 하는 일방향 시트가 제공된다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 일방향 시트들을 적층 후 경화시켜 성형된 것을 특징으로 혼성 복합재료가 제공된다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
복합재료를 제조하기 위하여 탄소 섬유만을 이용하던 종래의 방법과는 달리 본 발명은 탄소 섬유와 아라미드 섬유와 같은 보강 섬유를 교호로 배열하여 혼성시킴으로써 복합재료의 충격 강도가 떨어지는 종래의 문제점이 해소되는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 혼성 복합재료는 우수한 인장 강도 및 탄성률을 가질 뿐만 아니라 양호한 충격 강도를 가짐에 따라 항공, 자동차, 스포츠, 토목 및 건축 등 다양한 분야에 이용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 ′보강 섬유′ 용어는 복합 재료의 충격 강도를 향상시키기 위해 사용된 보강재를 의미한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일방향 시트(10) 및 혼성 복합재료의 구체적 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 시트(10)의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일방향 시트(10)는 탄소 섬유(1)와, 상기 탄소 섬유(1)에 교호로 배열된 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌섬유(UHMWPE, Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 중 적어도 하나의 섬유를 포함하는 보강 섬유(2), 및 상기 탄소 섬유(1)와 보강 섬유(2)에 함침된 수지(3)를 포함하여 이루어진다.
상기 일방향 시트(10)를 이루고 있는 상기 탄소 섬유(1)와 상기 보강 섬유(2)들이 교호로 배열된 형태로 이루어져 있는 것은 본 발명의 핵심적인 내용에 해당된다. 상기 탄소 섬유(1)는 인장 강도 및 탄성률은 우수하나 충격 강도가 떨어진다. 하지만, 상기 보강 섬유(2)는 인장 강도 및 탄성률은 상대적으로 떨어지나 충격 강도가 우수하다. 이러한 충격 강도가 우수한 보강 섬유(2)를 탄소 섬유(1)들 사이에 교호로 배열시킴으로써 일방향 시트(10)의 인장 강도 및 탄성률은 크게 저하되지 않고, 충격 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 일방향 시트(10)는 용도에 따라 그 재료 및 구조를 다양하게 변경할 수 있다. 즉, 내열성이 요구되는 제품의 경우 탄소 섬유(1)와 아라미드 섬유를 교호로 배열시켜 일방향 시트(10)를 제조하고, 고경량 및 고강도가 요구되는 제품의 경우 탄소 섬유(1)와 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 교호로 배열시켜 일방향 시트(10)를 제조한다.
또한, 도 1의 (a)에서와 같이 탄소 섬유(1) 한 가닥에 보강 섬유(2) 한 가닥(토우(tow)라고도 한다. 보통 1,000 내지 100,000의 필라멘트로 이루어져 있고, 흔히 천단위로 'K'를 붙여서 호칭한다. 즉, 1,000필라멘트로 이루어진 한 가닥을 1K 토우라고 한다)을 교대로 배열시켜 일방향 시트(10)를 제조할 수 있다.
다른 예로, 도 1의 (b)에서와 같이 탄소 섬유(1) 다발과 보강 섬유(2) 다발을 교대로 배열시켜 일방향 시트(10)를 제조할 수 있다. 상기 섬유 다발에 포함된 섬유 가닥 수는 용도에 따라 적절하게 조절할 수 있는데, 섬유 가닥 수가 너무 많은 경우 외부 충격을 적절하게 분산시킬 수 없기 때문이다. 이러한 구조는 대형 구조물에 효과적일 수 있다.
또 다른 예로, 도 1의 (c)에서와 같이 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)의 다발 수를 달리하여 일방향 시트(10)를 제조할 수 있다. 즉, 높은 인장 강도 및 탄성률이 요구되는 제품일 경우 탄소 섬유(1)의 함량을 늘리고, 충격 강도가 요구되는 제품일 경우 보강 섬유(2)의 함량을 늘릴 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 탄소 섬유(1)의 함량은 전체 섬유 대비 20~80중량%인 것이 바람직할 수 있다. 만일, 탄소 섬유(1)의 함량이 20중량% 미만일 경우 고강도 및 고탄성률을 갖는 복합재료를 얻을 수 없고, 탄소 섬유(1)의 함량이 80중량%를 초과할 경우 우수한 충격 강도를 갖는 복합재료를 얻을 수 없다.
본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 다층 구조를 갖는 일방향 시트(10)를 포함하고 있다. 이러한, 다층 구조의 각 층은 상술한 바와 같이 탄소 섬유(1) 와, 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 중 적어도 어느 하나의 섬유를 포함하는 보강 섬유(2)가 교호로 배열되어 있고, 상기 다층의 각 접촉면을 기준으로 상하에 위치한 섬유들이 각각 이종의 섬유들끼리 접촉하도록 상하층을 기준으로 이종의 섬유들이 어긋나도록 배열되어 있다. 즉, 하층에 탄소 섬유(1)가 위치되어 있는 경우 상기 탄소 섬유(1)와 접촉하고 있는 상층에는 보강 섬유(2)가 위치하고 있다. 반대로, 하층에 보강 섬유(2)가 위치되어 있는 경우 이와 접촉하고 있는 상층에는 탄소 섬유(1)가 위치하고 있다.
따라서, 이종의 섬유들이 지그재그로 상부 및 하부에 배치되어 있음으로써 외부로부터의 충격을 복합재료 전체에 신속하게 분산시킬 수 있음에 따라 복합재료의 충격 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 다층의 각 접촉면을 기준으로 이종의 섬유들이 접촉하지 않는 영역이 일부 포함할 수 있지만, 상기 이종의 섬유들이 접촉하지 않는 영역은 30% 미만인 것이 바람직하다. 만일, 상기 이종의 섬유들이 접촉하지 않는 영역이 30% 이상일 경우 외부로부터의 충격을 원활하게 분산시킬 수 없기 때문에 인장 강도 및 충격 강도가 크게 향상되지 못한다.
본 발명의 일방향 시트(10)는, 도 3에 나타낸 바와 같이 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)가 일방향(uni-directional)으로 배열된 형태로 이루어져 있다. 만일, 일방향 시트(10)의 섬유들이 직물 형태로 배열될 경우 위사와 경사가 교차하는 부위에서 굴곡이 형성되기 때문에 인장 강도 및 탄성률이 저하되고 충격 강도가 크게 향상되지 않게 된다.
본 발명의 일방향 시트(10)는 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)에 함침된 수지(3)를 포함할 수 있다. 상기 수지(3)는 외부 마찰로부터 탄소 섬유(1)와 같은 보강재를 보호하고 형태를 유지시키며 외력을 균일하게 분산시키며 성형성을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 수지(3)는 에폭시, 페놀, 불포화 폴리에스터 수지 등과 같은 열경화성 수지 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지 등과 같은 열가소성 수지를 사용할 수 있는데, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 일방향 시트(10)는 다양한 용도로 이용가능하다. 즉, 상술한 일방향 시트(10)를 용도에 맞게 여러 겹으로 적층한 후 경화시켜 다양한 성형체인 복합재료를 제조할 수 있다. 이러한, 성형체는 헬멧, 무릎 보호대, 신발 등의 스포츠 용품, 자동차, 항공기 등의 운송수단, 건물보강재 등의 건축 및 토목 등의 다양한 분야에 사용가능하다.
다음으로 본 발명의 일방향 시트(10)의 제조방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 시트(10)의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 시트(10)의 제조방법은, 보강재인 탄소 섬유(1)와, 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 중 적어도 하나의 섬유를 포함하는 보강 섬유(2)를 일방향으로 배열시켜 시트를 만드는 공정, 상기 시트에 수지(3)를 부착시키는 공정, 상기 시트에 수지(3)를 함침시키는 공정 및 상기 수지(3)가 함침된 시트를 감는 공정으로 이루어진다.
상기 시트를 만드는 공정은, 먼저, 도 4에 나타낸 바와 같이 용도에 맞게 크릴부(20)에 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)를 소정의 개수로 적절한 위치의 스탠드(21, 22)에 배치한다. 이후 상기 크릴부(20)의 스탠드(21, 22)에 꽂혀 있는 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)들을 풀어서 소정의 폭으로 나누어진 다수의 홈을 갖는 콤(comb, 23)에 삽입하고 배열시켜 단층의 시트를 만든다.
상기 시트(sheet)에 수지(3)를 부착시키는 공정은 탄소 섬유 및 보강 섬유(2)들이 일방향으로 배열되어 이루어진 시트의 양 표면에 수지코팅필름(4)을 부 착시키는 공정으로 이루어진다. 상기 수지코팅필름(4)은 수지필름(3a)과 부착 및 탈착이 용이한 이형지(5)와 상기 이형지(5)의 일 표면에 부착된 수지필름(3a)으로 이루어져 있다. 이때, 상기 시트의 표면과 수지필름(3a)이 서로 접촉할 수 있도록 수지(3)가 부착된 방향이 시트표면을 향하도록 수지코팅필름(4)을 공급한다. 상기 수지코팅필름(4)은 상기 시트의 상부 및 하부에 각각 설치된 수지코팅필름 공급롤러(30)에 의해 시트의 양 표면에 공급된다.
상기 시트에 수지(3)를 함침시키는 공정은 수지코팅필름(4)이 부착된 시트를 핫롤러(40)에 통과시키는 공정을 통해 이루어진다. 상기 핫롤러(40)는 소정의 온도와 압력이 부여된 상태로 유지되어 있다. 따라서, 수지코팅필름(4)이 부착된 시트가 소정의 온도와 압력을 유지하고 있는 핫롤러(40)를 통과할 경우, 고온에 의해 상기 수지코팅필름의 수지가 용이하게 이동될 수 있고 압력에 의해 상기 수지가 탄소 섬유 및 보강 섬유(2)들 내부에 함침된다.
상기 수지(3)가 함침된 시트를 감는 공정은 시트의 일 표면에서 이형지(5)를 회수하는 공정, 일방향 시트(10)의 양 표면에 이형필름(6)을 부착하는 공정 및 상기 이형필름(6)이 부착된 일방향 시트(10)를 권취롤러(50)에 감는 공정으로 이루어져 있다.
상기 시트의 일 표면에서 이형지(5)를 회수하는 공정은 핫롤러(40)를 통과한 시트의 양 표면에 부착된 이형지(5)를 상, 하부에 설치된 이형지회수 롤러(31)를 이용하여 감음으로써 수행된다. 이렇게 회수된 이형지(5)는 수지코팅필름(4)을 제조하기 위해 재사용할 수 있다.
상기 일방향 시트(10)의 양 표면에 이형필름(6)을 부착하는 공정은 상, 하부에 설치된 이형필름 공급롤러(60)에 의해 이형필름이 공급되고, 상기 이형필름(6)은 상기 일방향 시트(10)의 양 표면에 부착된다. 따라서, 권취롤러(50)에 감긴 일방향 시트(10)는 양 표면에 이형필름(6)이 부착되어 있기 때문에 장시간 방치하여도 일방향 시트(10)들이 서로 들러붙지 않는다.
다음으로, 다층의 일방향 시트(10)를 제조하는 방법을 설명한다. 일 예로, 2층의 일방향 시트(10)를 제조하는 방법을 설명한다.
도 2과 같이 2 층의 일방향 시트(10)를 제조하기 위해서는, 상술한 보강재인 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)를 일방향으로 배열시켜 시트를 만드는 공정을 변형하면 가능하다. 즉, 상부 및 하부에 각각 콤(23)을 설치하고 각 상부 콤(23)과 하부 콤(23)의 수직방향으로의 대응되는 섬유들은 각기 다른 섬유가 되도록 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)를 배열시킨다.
한편, 사용되는 수지필름(3a)은 단층의 일방향 시트(10)를 제조하는데 사용된 수지필름(3a)보다 2배 두께를 갖는다. 즉, 다층의 두께가 증가함에 따라, 수지필름(3a)의 두께도 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 다층의 두께가 증가함에 따라, 핫롤러(40)의 온도 및 압력도 이에 대응하여 다소 높게 설정하는 것이 바람직하다.
더불어, 일방향 시트(10)의 제조방법은 상술한 것에 한정되지 않는다. 즉, 탄소 섬유(1) 및 보강 섬유(2)를 일방향으로 배열시키고 수지(3)를 함침시키는 공정을 가능케 한다면 어느 것이든 무방하다. 예를 들면, 탄소 섬유 및 보강 섬유(2) 들을 일방향으로 배열하여 시트를 만드는 공정은 상술한 크릴부(20)를 사용하지 않고 탄소 섬유 및 보강 섬유(2)들이 미리 소정의 형태로 감긴 드럼을 사용하여 수행할 수도 있다. 또한, 상기 시트에 수지(3)를 함침시키는 공정은 수지코팅필름(4)을 사용하는 공정대신, 탄소 섬유 및 보강 섬유(2)가 혼성되어 배열된 시트를 수지용액에 침지 후 건조시켜 수지(3)를 함침시키는 습식 공정을 이용하여 수행할 수도 있다.
다음으로, 상술한 일방향 시트(10)를 이용하여 복합재료를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
상술한 일방향 시트(10)들을 여러 겹으로 적층 후 경화시켜 성형함으로써 다양한 복합재료를 제조할 수 있다. 즉, 상기 일방향 시트(10)를 소정의 크기로 절단하여 소정의 배향 각도로 적층 후 오토클래브 또는 열프레스롤을 이용하여 상기 적층체를 가열 및 압축함으로써 다양한 모양으로 성형하여 복합재료를 제조할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
샘플 시료 준비
(1) 탄소 섬유
인장강도 4900MPa, 인장탄성율 235GPa, 및 섬유비중 1.80g/cm3인 '토레카 T700SC-3K-50C'(상품명)를 사용하였다.
(2) 아라미드 섬유
인장 강도 2900MPa, 인장탄성율 95GPa, 및 섬유비중 1.44 g/cm3인 '헤라크론 HF200'(상품명, 코오롱사 제조)을 사용하였다.
(3) 초고분자량 폴리에틸렌 섬유
인장 강도 2700MPa, 인장탄성율 89GPa, 섬유비중 0.97 g/cm3, 및 섬도 1,500 데니어인 '다이니마 SK60'(Dyneema, 도요보사 제조)를 사용하였다.
실시예 1
도 4와 같은 공정을 이용하여 일방향 시트(10)를 제조하였다. 먼저, 탄소 섬유(1)와 보강 섬유(2)로 아라미드 섬유를 사용하고 이러한 탄소 섬유(1)와 아라미드 섬유)를 교대로 크릴부(20)의 스탠드(21, 22)에 꽂고 상기 크릴부(20)의 스탠드(21, 22)에서 탄소 섬유(1)와 아라미드 섬유를 각각 풀어서 콤(23)에 삽입하여 탄소 섬유(1) 1가닥과 아라미드 섬유 1가닥이 교대로 일방향으로 배열된 단층의 시트를 만들었다. 이후, 상기 시트의 상부 및 하부에 설치된 수지코팅필름 공급롤러(30)를 통해 수지코팅필름(4)을 상기 시트의 상부 및 하부 표면에 각각 공급시켜 상기 수지코팅필름(4)을 상기 시트의 양 표면에 부착시킨 후 핫롤러(40)를 통과시켜 상기 시트에 수지(3)를 함침시켰다. 이때, 핫롤러(40)는 120℃의 온도 및 8㎏/㎝의 선압력 상태를 유지하였다. 이후, 시트 상, 하부에 부착된 이형지(5)를 이형지회수 롤러(31)에 감아서 회수하고, 시트 상, 하부에 설치된 이형필름 공급롤 러(60)에 의해 이형필름(6)이 일방향 시트(10)의 양 표면에 공급된다. 이후, 양 표면에 이형필름(6)이 부착된 일방향 시트(10)를 권취롤러(50)에 감아서 얻었다. 이때, 양 표면에서 이형필름(6)이 제거된 일방향 시트(10)는 35중량%의 수지(3)를 함유하였다. 이렇게 제조한 일방향 시트(10)를 동일한 방향으로 여러 겹으로 적층하고 130℃의 온도 및 0.3㎫의 압력이 유지된 오토클래브를 이용하여 2시간 동안 가압성형시켜 1㎜의 두께를 갖는 혼성 복합재료를 제조하였다.
비교예 1
전술한 실시예 1에서, 탄소 섬유(1) 및 아라미드 섬유를 혼성하는 대신 탄소 섬유(1)만을 이용하여 복합재료를 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 혼성 복합재료를 제조하였다.
실시예 2
전술한 실시예 1에서, 상기 보강 섬유(2)인 아라미드 섬유 대신 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유를 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 혼성 복합재료를 제조하였다.
실시예 3
전술한 실시예 1에서, 탄소 섬유(1) 및 아라미드 섬유를 적절히 배치하여 탄소 섬유(1) 3가닥에 아라미드 섬유 3가닥을 교호시켜 일방향으로 배열되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 혼성 복합재료를 제조하였다.
실시예 4
전술한 실시예 1에서, 탄소 섬유(1) 및 아라미드 섬유를 적절히 배치하여 탄 소 섬유(1) 3가닥에 아라미드 섬유 2가닥을 교호시켜 일방향으로 배열되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 혼성 복합재료를 제조하였다.
실시예 5
전술한 실시예 1에서, 탄소 섬유(1) 및 아라미드 섬유를 적절히 배치하여 탄소 섬유(1) 3가닥에 아라미드 섬유 1가닥을 교호시켜 일방향으로 배열되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 혼성 복합재료를 제조하였다.
실시예 6
전술한 실시예 1에서, 도 2에 나타낸 바와 같이 탄소 섬유(1)와 아라미드 섬유가 일방향으로 배열된 단층들이 각각 상층 및 하층에 형성된 다층 일방향 시트(10)를 제조하기 위해서, 크릴부(20)에 추가로 탄소 섬유(1)와 아라미드 섬유를 설치하고 상부 및 하부에 2개의 콤(23)들을 설치하여 2층 시트를 제조하고, 2배 두께의 수지코팅필름(4)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 혼성 복합재료를 제조하였다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 의해 제조된 혼성 복합재료들 각각의 인장 강도, 탄성률 및 충격 강도는 아래의 방법으로 측정한 후 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
혼성 복합재료의 인장 강도 및 탄성률 측정
ASTM D3039(1995)의 방법에 의해 혼성 복합재료의 인장 강도 및 탄성률을 측정하였다. 이때, 시험편은 폭 6.4㎜, 길이 14㎜였다.
혼성 복합재료의 충격 강도 측정
ASTM D256의 방법에 의해 혼성 복합재료의 충격 강도를 측정하였다. 이때 시험편은 폭 12.7㎜, 길이 64㎜이었다
구분 구성성분 구성비율(가닥:가닥) 형태 인장 강도(㎫) 탄성률(㎬) 충격 강도(kJ㎝-3)
실시예1 탄소+Aramid 1:1 단층 1220 114 102
실시예2 탄소+UHMWPE 1:1 단층 1180 106 84
실시예3 탄소+Aramid 3:3 단층 1230 116 94
실시예4 탄소+Aramid 3:2 단층 1280 120 81
실시예5 탄소+Aramid 3:1 단층 1340 126 66
실시예6 탄소+Aramid 1:1 2층 1220 113 113
비교예1 탄소 - 단층 1450 135 20
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 시트의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일방향 시트의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도1의 일방향 시트를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 시트의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 설명 >
1 : 탄소 섬유 2 : 보강 섬유
3 : 수지 4 : 수지코팅필름
5 : 이형지 6 : 이형필름
10 : 일방향 시트
20 : 크릴부 30 : 수지코팅필름 공급롤러
40 : 핫롤러 50 : 권취롤러
60 : 이형필름 공급롤러

Claims (7)

  1. 탄소 섬유; 및
    아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌섬유 중 적어도 하나의 섬유를 포함하는 보강 섬유를 포함하되,
    상기 탄소 섬유 및 보강 섬유는 일방향으로 배열되고 교호로 배치된 것을 특징으로 하는 일방향 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 및 보강 섬유에 함침된 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 및 보강 섬유가 일방향으로 배열되고 교호로 배치된 층이 다층을 이루고 있고,
    상기 다층의 각 접촉면을 기준으로 상하에 위치한 섬유들이 각각 이종의 섬유들끼리 접촉하도록 상하층을 기준으로 이종의 섬유들이 어긋나도록 배열된 영역을 구비한 것을 특징으로 하는 일방향 시트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다층의 각 접촉면을 기준으로 이종의 섬유들이 접촉하는 영역과 그렇지 않은 영역을 포함하고, 상기 이종의 섬유들이 접촉하는 영역은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 일방향 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유의 함량은 전체 섬유 대비 20~80중량%인 것을 특징으로 하는 일방향 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 또는 보강 섬유는 다발을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 일방향 시트.
  7. 제1항 내지 6항 중 어느 한 항에 따른 일방향 시트들을 적층 후 경화시켜 성형된 것을 특징으로 혼성 복합재료.
KR1020090092840A 2009-09-30 2009-09-30 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료 KR101194978B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090092840A KR101194978B1 (ko) 2009-09-30 2009-09-30 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090092840A KR101194978B1 (ko) 2009-09-30 2009-09-30 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110035217A KR20110035217A (ko) 2011-04-06
KR101194978B1 true KR101194978B1 (ko) 2012-10-25

Family

ID=44043587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090092840A KR101194978B1 (ko) 2009-09-30 2009-09-30 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101194978B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101388242B1 (ko) * 2012-05-25 2014-04-24 한국세라믹기술원 내진보강용 등방성 하이브리드 내진 보강 섬유강화플라스틱의 제조방법
TWI830996B (zh) * 2020-10-14 2024-02-01 曾凱熙 鞋用複合材料

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005231151A (ja) 2004-02-18 2005-09-02 Maruhachi Kk 複合材料用の強化繊維配向シート、それを用いた多軸積層強化繊維シート及びその製造方法
KR100530647B1 (ko) 2003-08-14 2005-11-22 에스케이케미칼주식회사 보강용 강화섬유 시이트

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100530647B1 (ko) 2003-08-14 2005-11-22 에스케이케미칼주식회사 보강용 강화섬유 시이트
JP2005231151A (ja) 2004-02-18 2005-09-02 Maruhachi Kk 複合材料用の強化繊維配向シート、それを用いた多軸積層強化繊維シート及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110035217A (ko) 2011-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11806977B2 (en) Flexible composite systems and methods
CN100556673C (zh) 用于构建复合材料叠铺的预浸渍体及其制造方法和用途
CA2836017C (en) Multilayered fabric, its use including processes for production of composites
EP3028852B1 (en) Continuous fiber reinforced resin composite material and molded article thereof
CA2967160C (en) Tape-like dry fibrous reinforcement
US11090898B2 (en) Engineered composite systems
CA2830926A1 (en) Methods to improve the process-ability of uni-directional composites
RU2643798C2 (ru) Двойное ткацкое переплетение с высокопрочными и термопластическими волокнами
KR101194978B1 (ko) 일방향 시트 및 이를 이용하여 제조한 혼성 복합재료
KR20180079729A (ko) 준등방성 특성을 가지는 섬유 강화 플라스틱 성형품 및 이의 제조방법
KR20200141725A (ko) 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법
EP3388215B1 (en) Sandwich panel, method for producing unidirectional prepreg, and method for producing sandwich panel
KR102366434B1 (ko) 강화 섬유 복합 재료
CN112243449B (zh) 超薄预浸料片材及其复合材料
US20180072025A1 (en) Stacked material for forming composite material
KR101594655B1 (ko) 강선 및 연속섬유 강화 열가소성 복합재 및 이를 이용한 복합 판재
KR101771286B1 (ko) 연속섬유 보강 수지 복합재
KR102470704B1 (ko) 시트
KR102362201B1 (ko) 표면이 균일한 섬유보강 복합재료
KR102531610B1 (ko) 열가소성 수지 파우더를 이용한 섬유강화 복합재료 제조방법 및 이로부터 제조된 섬유강화 복합재료
KR102362202B1 (ko) 표면이 균일한 섬유보강 복합재료
KR20240088337A (ko) 이종 특성을 가지는 시트 형태의 섬유 강화 복합재 및 이의 제조 방법
JP2014055239A (ja) 繊維強化プラスチック成形用基材
KR19990081749A (ko) 강화 섬유 시트

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161004

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181001

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191007

Year of fee payment: 8