KR101223704B1 - 탄소 섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄성 섬유 파이프 - Google Patents

탄소 섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄성 섬유 파이프 Download PDF

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Abstract

탄소 섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄성 섬유 파이프가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 섬유 파이프 제조방법은 탄소 섬유 파이프를 제조하는 방법에 있어서, 탄소 섬유로 직조된 탄소 섬유시트(10)를 에폭시 수지에 함침시켜 프리프레그(20)를 형성하는 1단계; 상기 프리프레그(20)를 일정한 크기로 절단하고 적층하여 라미네이션(30)을 형성하는 2단계; 원형봉 형상의 맨드렐(40)에 상기 라미네이션(30)을 감는 3단계; 상기 라미네이션(30)이 감긴 상기 맨드렐(40)을 다이(60) 위에 배치하고, 프레스(50)로 상측에서 가압한 상태에서 상기 다이(60)가 좌우로 왕복함으로써, 상기 라미네이션(30)이 상기 맨드렐(40)에 일정한 두께로 압착되는 4단계; 압착된 상기 라미네이션(30)을 건조하여 에폭시를 경화시키는 5단계; 및 건조된 상기 라미네이션(30)으로부터 상기 맨드렐(40)을 제거하는 6단계;를 포함하여 이루어진다.

Description

탄소 섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄성 섬유 파이프 {Making method of carbon fiber pipe and carbon fiber pipe made by it}
본 발명은 탄소 섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄성 섬유 파이프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수지와 탄소 섬유로 이루어진 파이프를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 탄성 섬유 파이프에 관한 것이다.
종래 탄소 섬유를 이용하여 파이프를 제조할 때 금속 튜브 주위에 탄소 섬유를 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 감는 방식으로 제조하였다.
필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Process)은 수지에 함침된 연속적인 섬유 직조물을 적당한 몰드나 맨드렐 주위에 감는 방법이다.
가장 일반적인 필라멘트 와인딩 기술은 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1은 일반적인 필라멘트 와인딩 공법을 이용한 섬유 파이프 제조장치를 나타내는 구성도이다.
이 공법에서 섬유(1)는 액체 상태의 수지함침조(3)를 통과하면서 수지로 코팅되고 몰드나 맨드렐(2)에 감긴다.
필라멘트 권취 파이프의 경우에 예를 들면, 맨드렐(2)의 길이방향을 따라 왕복 운동하는 기계장치를 통해 섬유들이 공급되는 동안 맨드렐(2)이 회전한다.
파이프를 제외한 다른 제품에서 섬유의 이송 시스템이 안정적일 때 몰드가 원운동 하도록 다양한 수단들이 사용된다.
그리고 맨드렐(2)이나 몰드는 가열되고, 부분 경화된다.
일반적으로 파이프 맨드렐(2)의 내부가 가열되는 동안 몰딩된 부분들은 건조로에서 경화를 필요로 할 수 있다.
또한 수지를 함침하고 부분적으로 경화된 강화 테이프들이 필라멘트 와인딩을 위해 사용된다. 이것들은 보통 편리하게 자동화 생산될 수 없는 비대칭 제품들의 생산을 위해 사용된다.
일반적으로, 필라멘트 와인딩은 우수한 중량대비 강도를 제공한다. 높은 중량대비 강도 특성은 연속적인 섬유의 사용으로 인한 것이며, 대부분의 필라멘트 와인딩 제품에서 나타나는 고 강화-수지 레벨을 제공한다.
상술한 종래의 공법은 금속 파이프의 표면에 수지가 함침된 유리 섬유 혹은 탄소 섬유를 감고 경화시킨 것이기 때문에 강도, 내구성은 강해지지만 중량은 줄어들지 않는다.
또한 맨드렐에 별도의 장치를 이용하여 감아서 제조하기 때문에 비용이 높고 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
따라서 일정한 강도와 내구성을 확보하는 동시에 경량화되고 생산 비용 및 시간이 효율적인 제품이 요구된다.
본 발명의 실시 예들은 에폭시 수지가 함침된 탄소 섬유를 맨드렐에 적층하고 경화시킨 탄소 섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소 섬유 파이프를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소 섬유 파이프를 제조하는 방법에 있어서, 탄소 섬유로 직조된 탄소 섬유시트를 에폭시 수지에 함침시켜 프리프레그를 형성하는 1단계; 상기 프리프레그를 일정한 크기로 절단하고 적층하여 라미네이션을 형성하는 2단계; 원형봉 형상의 맨드렐에 상기 라미네이션을 감는 3단계; 상기 라미네이션이 감긴 상기 맨드렐을 다이 위에 배치하고, 프레스로 상측에서 가압한 상태에서 상기 다이가 좌우로 왕복함으로써, 상기 라미네이션이 상기 맨드렐에 일정한 두께로 압착되는 4단계; 압착된 상기 라미네이션을 건조하여 에폭시를 경화시키는 5단계; 및 건조된 상기 라미네이션으로부터 상기 맨드렐을 제거하는 6단계;를 포함하여 이루어지는 탄소 섬유 파이프 제조방법이 제공될 수 있다.
이때, 상기 1단계과 2단계 사이에는, 상기 프리프레그를 일정한 온도로 가열하여 에폭시 수지의 점성을 유지하는 단계가 더 포함될 수 있다.
그리고 상기 3단계에서 상기 맨드렐의 외주면에는 이형제를 도포한 후 상기 라미네이션을 감을 수 있다.
또한, 상기 1단계에서 에폭시 수지에는 경화제를 첨가하되, 에폭시 수지와 경화제의 비율이 6:4일 수 있다.
한편, 상기 탄소 섬유 파이프 제조방법에 의해 제조된 탄소 섬유 파이프가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예들을 통해 종래와 달리 금속 튜브를 제거하여 경량화가 가능하고 강성과 내구성은 우수한 장점이 있다.
또한 제조공정이 간단해서 대량생산이 가능하고 필라멘트 와인딩 장치와 같은 복잡한 장비가 필요 없어 매우 효율적이다.
도 1은 일반적인 필라멘트 와인딩 공법을 이용한 섬유 파이프 제조장치를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 탄소 섬유 파이프 제조방법을 나타내는 순서도.
도 3은 본 발명의 1단계를 수행하기 위한 장치를 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 2단계를 나타내는 예시도.
도 5는 본 발명의 4단계를 수행하기 위한 장치를 도시한 예시도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 탄소 섬유 파이프 제조방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 크게 6단계로 구성될 수 있는데, 먼저 도 3을 함께 참조하여 1단계에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 1단계를 수행하기 위한 장치를 도시한 예시도이다.
본 발명의 1단계는 탄소 섬유시트(10)를 에폭시 수지에 함침시켜 프리프레그(20)(Prepreg)를 형성하는 단계이다.
탄소 섬유시트(10)는 다양한 방식으로 탄소 섬유를 직조(Weaving)한 직물 형태일 수 있는데, 가장 일반적인 평직방식으로 직조할 수 있다.
그리고 상기 탄소 섬유시트(10)를 에폭시 수지에 함침시켜 프리프레그(20)를 형성시킨다. 에폭시 수지에는 경화제를 혼합하되, 에폭시 수지와 경화제의 비율은 조절될 수 있으나 6:4 정도로 혼합할 수 있다.
다음으로 도 4를 함께 참조하여 2단계를 설명한다. 도 4는 본 발명의 2단계를 나타내는 예시도 이다.
2단계는 상기 1단계에서 형성된 프리프레그(20)로 라미네이션(Lamination,30)을 형성하는 단계이다.
보통 상기 탄소 섬유시트(10)는 직조되어서 길게 제공되며 이러한 것으로부터 만들어진 프리프레그(20)를 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 길이로 절단한 후 여러 장을 포개어 적층한다. 이렇게 프리프레그(20)를 여러 장 적층한 것이 라미네이션(30)이다.
참고로 상기 1단계가 끝나고 2단계를 수행하기 전에 상기 프리프레그(20)를 일정한 온도로 유지하여 탄소 섬유시트(10)에 점착된 에폭시 수지의 경화를 지연시키는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 2단계에서 프리프레그(20)를 적층할 때 서로 잘 접착된 상태로 적층되게 하기 위함이다. 온도를 유지하기 위해 가열은 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
다음으로 3단계는 맨드렐(40)에 상기 라미네이션(30)을 감는 단계이다.
상기 맨드렐(40)은 원형 봉 형상을 가져 파이프 형상을 성형하기 위한 금형(Mold)이다.
따라서, 상기 맨드렐(40)의 외주면을 둘러싸도록 상기 라미네이션(30)을 감는다. 이때, 한번 이상 감을 수 있다.
참고로 상기 라미네이션(30)을 상기 맨드렐(40)에 감기 전에 상기 맨드렐(40)의 외주면에 이형제를 도포할 수 있다. 상기 이형제는 후술하는 6단계에서 상기 맨드렐(40)을 제거할 때 쉽게 제거될 수 있게 하는 것으로, 일반 실리콘 계열의 윤활유를 사용할 수 있다.
다음으로 도 5를 함께 참조하여 4단계를 설명한다. 도 5는 본 발명의 4단계를 수행하기 위한 장치를 도시한 예시도 이다.
상기 4단계는 3단계에서 상기 라미네이션(30)이 감긴 상기 맨드렐(40)을 다이(60) 위에 놓고, 상측에서 가압하는 동시에 하측에서 좌우로 상기 맨드렐(40)을 롤링시켜 상기 맨드렐(40)에 감긴 라미네이션(30)이 서로 압착되게 하는 단계이다.
도 5에 도시된 바와 같이 상부에 프레스(50)가 구비되고 하부에 좌우로 왕복 이송 가능하게 작동하는 다이(60)가 구비된 장치에 상기 맨드렐(40)을 수평으로 배치하고 상기 프레스(50)로 상측에서 가압한 상태에서 상기 다이(60)가 좌우로 왕복하도록 작동시키면, 상기 라미네이션(30)이 상기 맨드렐(40)의 외주면에 밀착되는 동시에 상기 라미네이션(30) 내부에 적층된 다수의 탄소 섬유시트(10)들은 서로 압착되어 밀도가 높아지는 효과를 얻게 된다.
또한, 압착되면서 상기 라미네이션(30)은 일정한 두께를 유지하면서 상기 맨드렐(40) 외주면에 파이프 층을 형성하게 되는 것이다.
다음으로 5단계는 상기 맨드렐(40)에 성형된 상기 라미네이션(30)을 건조시켜 에폭시를 경화시키는 단계로서 일정 온도 이상에서 일정한 시간 동안 가열함으로써 달성될 수 있다. 온도와 시간이 제어되는 건조로와 같은 장치 속에 넣어 건조하는 것이 바람직하다.
다음으로 6단계는 상기 5단계에서 건조된 상기 라미네이션(30)으로부터 상기 맨드렐(40)을 제거하는 단계이다. 상술한 이형제로 인해 상기 라미네이션(30)과 맨드렐(40)은 쉽게 분리될 수 있다. 상기 맨드렐(40)을 제거하는 것은 작업자가 수동으로 할 수도 있고 별도의 장치를 사용하여 제거할 수도 있다.
상술한 방법에 의해 제조된 탄소 섬유 파이프는 중공 형태의 원형 파이프 형상을 이루되, 그 재질은 탄소 섬유시트에 에폭시 수지를 점착한 프리프레그를 적층한 라미네이션이 한 층 또는 그 이상의 층을 형성하고 있다.
즉, 단면은 경화된 에폭시 수지 속에 탄소 섬유시트가 다수 층으로 적층된 형태를 가진다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 특허청구범위에서 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 탄소 섬유시트 20 : 프리프레그
30 : 라미네이션 40 : 맨드렐
50 : 프레스 60 : 다이

Claims (5)

  1. 탄소 섬유 파이프를 제조하는 방법에 있어서,
    탄소 섬유로 직조된 탄소 섬유시트(10)를 에폭시 수지에 함침시켜 프리프레그(20)를 형성하는 1단계;
    상기 프리프레그(20)를 일정한 크기로 절단하고 적층하여 라미네이션(30)을 형성하는 2단계;
    원형봉 형상의 맨드렐(40)에 상기 라미네이션(30)을 감는 3단계;
    상기 라미네이션(30)이 감긴 상기 맨드렐(40)을 다이(60) 위에 배치하고, 프레스(50)로 상측에서 가압한 상태에서 상기 다이(60)가 좌우로 왕복함으로써, 상기 라미네이션(30)이 상기 맨드렐(40)에 일정한 두께로 압착되는 4단계;
    압착된 상기 라미네이션(30)을 건조하여 에폭시를 경화시키는 5단계;
    건조된 상기 라미네이션(30)으로부터 상기 맨드렐(40)을 제거하는 6단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 파이프 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1단계과 2단계 사이에는,
    상기 프리프레그(20)를 일정한 온도로 가열하여 에폭시 수지의 점성을 유지하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 파이프 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 3단계에서,
    상기 맨드렐(40)의 외주면에는 이형제를 도포한 후 상기 라미네이션(30)을 감는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 파이프 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1단계에서 에폭시 수지에는 경화제를 첨가하되, 에폭시 수지와 경화제의 비율이 6:4인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 파이프 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 탄소 섬유 파이프 제조방법에 의해 제조된 탄소 섬유 파이프.
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KR102255594B1 (ko) * 2020-05-14 2021-06-22 (주)이지종합건축자재 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법

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