KR101266005B1 - 섬유 기재 함침 장치 및 방법과 이를 포함하는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템 - Google Patents

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    • D06B—TREATING TEXTILE MATERIALS USING LIQUIDS, GASES OR VAPOURS
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    • D06B1/04—Applying liquids, gases or vapours onto textile materials to effect treatment, e.g. washing, dyeing, bleaching, sizing or impregnating by pouring or allowing to flow on to the surface of the textile material

Abstract

본 발명은 수지 조성물을 수용하는 제1 내부 챔버, 및 상기 제1 내부 챔버를 둘러싸며, 상기 제1 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버를 포함하는 제1 챔버; 섬유 기재를 수용하며, 상기 섬유 기재가 상기 제1 챔버로부터 이송된 수지 조성물에 의하여 함침될 수 있는 제2 챔버; 및 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버를 연결하여 상기 제1 챔버의 수지 조성물을 상기 제2 챔버로 이송할 수 있고, 개폐 밸브가 구비된 이송 배관을 포함하는 섬유 기재 함침 장치 및 방법과 상기 섬유 기재 함침 장치를 포함하는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템에 대한 것이다.

Description

섬유 기재 함침 장치 및 방법과 이를 포함하는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템{APPARATUS AND METHOD FOR IMPREGNATING FIBER SUBSTRATE AND FORMING SYSTEM OF FIBERS-REINFORCED COMPOSITE HAVING THE SAME}
본 발명은 수지 조성물로 섬유 기재를 함침시키기 위한 장치 및 방법과 상기 섬유 기재 함침 장치를 포함하는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템에 관한 것이다.
탄소 섬유나 아라미드 섬유 등을 강화 섬유로서 이용한 섬유 강화 복합재료(fibers-reinforced composite)는 철이나 알루미늄 등의 금속에 비해 경량이면서 높은 강도 및 탄성률을 갖고 있다는 점에서, 항공기, 우주선, 자동차 등의 구조 재료나, 테니스 라켓, 골프 샤프트, 낚시대 등의 스포츠 레저 용품뿐만 아니라, 일반 산업기기, 의료기기, 토목·건축 자재 등 일반 산업 분야에서도 널리 이용되고 있다.
이러한 섬유 강화 복합재료를 제조하는 방법으로는 예를 들어 미경화된 매트릭스 수지가 강화 섬유에 함침되어 있는 프리프레그(prepreg)를 복수개 적층한 후 이를 가열시키는 방법, 강화 재료인 섬유 예비 성형품(fiber preform)을 금형에 넣은 후 고분자를 주입하여 섬유 예비 성형품을 함침시킨 다음 금형에 열을 가하여 성형하는 RTM 성형법(resin transfer molding process) 등이 있다.
상기 방법 중 공정이 비교적 간단하다는 점, 부피가 크고 일체형의 고성능 제품을 저비용으로 생산하기에 적합하다는 점으로 인하여 RTM 성형법이 복합 재료 산업에서 주목을 받고 있다.
그러나, RTM 성형법을 통해 섬유 강화 복합재료를 제조할 경우, 금형으로 주입되는 고분자가 섬유 예비 성형품에 균일하게 함침되기 어렵고, 이로 인해 최종 섬유 강화 복합재료의 강도나 내구성 저하가 초래되었다. 또한, 기포가 있는 고분자가 섬유 강화 예비 성형품에 함침되어 경화될 경우, 최종 복합 재료 내에 닫힌 기공이 생겨 복합재료의 강도나 내구성이 저하되었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 수지 조성물로 섬유 기재를 균일하게 함침시킬 수 있는 섬유 기재 함침 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 상기 섬유 기재 함침 장치를 이용하여 강도 및 내구성이 향상된 복합재료를 제조할 수 있는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치(1)는 수지 조성물을 수용하는 제1 내부 챔버(11), 및 상기 제1 내부 챔버(11)를 둘러싸며, 상기 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버(12)를 포함하는 제1 챔버(10); 섬유 기재를 수용하며, 상기 섬유 기재가 상기 제1 챔버(10)로부터 이송된 수지 조성물에 의하여 함침될 수 있는 제2 챔버(20); 및 상기 제1 챔버(10)와 상기 제2 챔버(20)를 연결하여 상기 제1 챔버(10)의 수지 조성물을 상기 제2 챔버(20)로 이송할 수 있고, 개폐 밸브가 구비된 이송 배관(30)을 포함한다.
여기서, 상기 제1 챔버에는 상기 제1 내부 챔버 안에 교반기(15)가 구비되어 있을 수 있고, 또한 상기 제1 외부 챔버(12)에는 열 유체를 가열할 수 있는 제1 히터(13)가 구비되어 있을 수 있다.
이러한 제1 챔버(10)에는 제1 내부 챔버(11)의 내부를 육안으로 확인할 수 있는 제1 투명창(14)이 구비되어 있을 수 있다.
또, 상기 제1 챔버(10)에는 제1 내부 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 진공 펌프(40)가 연결되어 있고, 상기 진공 펌프(40)는 제2 챔버(20)에도 연결되어 제2 챔버(20)에 진공압을 부여할 수 있다. 다만, 상기 제2 챔버(20)에는 상기 제1 챔버(10)에 연결된 진공 펌프(40)와 별개의 진공 펌프가 연결될 수 있다. 즉, 상기 제1 챔버(10)에는 제1 내부 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 제1 진공 펌프(미도시됨)가 연결되어 있고, 상기 제2 챔버(20)에는 제2 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 제2 진공 펌프(미도시됨)가 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 챔버(10)와 진공 펌프(40) 사이에는 기화된 용매를 수용하여 배출할 수 있는 진공 탱크(50)가 구비되어 있을 수 있다.
또한, 상기 제1 챔버(10)에는 제1 챔버에 공기를 주입하여 상기 제1 내부 챔버(11) 안의 공기를 압축할 수 있는 압축기(compressor)(60)가 연결되어 있을 수 있다. 이때, 상기 제1 챔버(10)와 압축기(60) 사이에는 상기 압축기에 의해 주입되는 공기의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 압력 조절 탱크(70)가 구비되어 있을 수 있다.
이러한 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20)를 연결하는 이송 배관(30)은 상기 제2 챔버(20)로 이송되는 수지 조성물의 유량을 조절할 수 있는 유량 조절 밸브(30c)를 구비할 수 있다. 상기 이송 배관(30)은 상기 제1 챔버(10) 및/또는 제2 챔버(20)로부터 분리될 수 있다.
또한, 상기 제2 챔버(20)는 섬유 기재를 수용하는 제2 내부 챔버(21); 및 상기 제2 내부 챔버(21)를 둘러싸고, 상기 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제2 외부 챔버(22)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 외부 챔버(22)는 열 유체를 가열할 수 있는 제2 히터(23)를 구비할 수 있다.
또, 상기 제2 챔버(20)는 내부에 수용되는 섬유 기재를 고정 지지할 수 있는 지지대(25)를 구비할 수 있다. 상기 지지대(25)는 상기 제2 챔버(20) 상단에 구비된 대형 지지대(253); 및 상기 제2 챔버 하단에 구비된 소형 지지대(254)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 챔버(20)는 제2 챔버(20) 내부를 육안으로 확인할 수 있는 제2 투명창(24)를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 성형 시스템(미도시됨)은 전술한 섬유 기재 함침 장치(1); 상기 섬유 기재 함침 장치에 의해서 수지 조성물로 함침된 섬유 기재를 건조시켜 반경화된 섬유 강화 복합재료를 얻기 위한 건조 장치(미도시됨); 및 상기 반경화된 섬유 강화 복합재료를 경화시키기 위한 열 프레스 장치(미도시됨)를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 방법은 고분자, 용매 및 첨가제를 제1 챔버(10)의 제1 내부 챔버(11)로 주입하는 단계; 상기 제1 내부 챔버(11)를 둘러싸는 제1 외부 챔버(12)에, 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 주입하는 단계; 상기 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20) 모두에 연결된 진공 펌프(40)를 이용하여 상기 제1 내부 챔버(11) 안의 공기를 흡입하여 제1 내부 챔버(11) 안을 진공 상태로 만드는 단계; 상기 제1 내부 챔버(11)에 주입되는 고분자, 용매와 첨가제를 교반하여 수지 조성물을 형성하는 단계; 제1 내부 챔버(11)의 내부를 대기압 상태로 변환시키는 단계; 상기 진공 펌프(40)를 이용하여 상기 제2 챔버 내 제2 내부 챔버(21) 안의 공기를 흡입하여 제2 내부 챔버(21) 안을 진공 상태로 만들어서, 수지 조성물을 상기 제1 내부 챔버(11)로부터 제2 내부 챔버(21)로 이송하는 단계; 제2 내부 챔버(21)로 이송된 수지 조성물로 섬유 기재를 함침하는 단계; 및 상기 제2 내부 챔버(21)를 둘러싸는 제2 외부 챔버(22)에, 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 주입하는 단계를 포함한다.
상기 수지 조성물의 이송시, 상기 제1 챔버(10)에 연결되어 있는 압축기(60)를 이용하여 제1 내부 챔버(11)에 공기를 주입하는 단계를 수행할 수 있으며, 나아가, 상기 공기 주입시, 상기 압축기(60)에 의해 주입되는 공기의 압력을 상기 압축기(60)와 제1 챔버(10) 사이에 구비된 압력 조절 탱크(70)에 의해 일정하게 유지시켜 주는 단계를 수행할 수 있다.
또한, 상기 섬유 기재 함침 방법은 상기 제1 내부 챔버(11)에서 공기 흡입시 공기와 함께 흡입되는 기화된 용매를, 상기 제1 챔버(11)와 진공펌프(40) 사이에 구비된 진공 탱크(50)에 수용하는 단계; 상기 진공 탱크(50)에 수용되어 있는 기화된 용매를 액화시키는 단계; 및 상기 액화된 용매를, 상기 진공 탱크(40)의 하부에 마련된 용매 배출 배관(38)을 통해 외부로 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치는 수지 조성물을 형성하는 제1 내부 챔버가 제1 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버로 둘러싸임으로써, 상기 제1 내부 챔버 내에서 형성되는 수지 조성물의 점도(유동성)가 조절되어 균일하게 혼합된 수지 조성물이 형성되기 때문에, 섬유 강화 복합재료의 내구성 및 강도가 향상될 수 있고, 나아가 수지 조성물이 제1 챔버에서 제2 챔버로 용이하게 이송될 수 있다.
둘째, 상기 섬유 기재 함침 장치는 섬유 기재를 수용하는 제2 내부 챔버가 제2 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제2 외부 챔버로 둘러싸임으로써, 제2 내부 챔버 내로 이송된 수지 조성물의 점도가 조절되어 섬유 기재 전체가 수지 조성물로 균일하게 함침될 수 있고, 이로 인해 섬유 강화 복합재료의 내구성 및 강도가 향상될 수 있다.
셋째, 상기 섬유 기재 함침 장치는 제1 내부 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 진공 펌프를 포함함으로써, 고분자와 첨가제의 교반시 수지 조성물 내에 생성될 수 있는 기포가 제거될 수 있고, 이로 인해 최종 섬유 강화 복합재료 내 기공의 생성이 방지되어 섬유 강화 복합재료의 내구성 및 강도가 향상될 수 있다.
넷째, 상기 섬유 기재 함침 장치는 제1 챔버에 연결된 진공 펌프를 별개의 배관을 통해 제2 챔버에도 연결하여 제2 챔버에 진공압을 부여함으로써, 제2 챔버의 내부 압력이 제1 내부 챔버의 내부 압력보다 더 낮아질 수 있고, 이로 인해 제1 챔버와 제2 챔버 간의 내부 압력 차이가 발생하여 수지 조성물이 제1 챔버에서 제2 챔버로 용이하게 이동될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치의 제1 챔버를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치의 제1 챔버를 개략적으로 나타낸 X-Y 부분의 우측 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치의 제2 챔버를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치의 제2 챔버를 개략적으로 나타낸 X'-Y' 부분의 우측 단면도이다.
도 6(a)는 제2 챔버 내부에 설치되는 고정 지지대를 나타낸 단면도이고, 도 6(b)는 상기 고정 지지대의 측면도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 섬유 함침 장치(1)는 수지 조성물을 수용하는 제1 내부 챔버(11), 및 상기 제1 내부 챔버(11)를 둘러싸며, 상기 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버(12)를 포함하는 제1 챔버(10); 섬유 기재를 수용하며, 상기 섬유 기재가 상기 제1 챔버(10)로부터 이송된 수지 조성물에 의하여 함침될 수 있는 제2 챔버(20); 및 상기 제1 챔버(10)와 상기 제2 챔버(20)를 연결하여 상기 제1 챔버(10)의 수지 조성물을 상기 제2 챔버(20)로 이송할 수 있고, 한 쌍의 개폐 밸브(30a, 30b)가 구비된 이송 배관(30)을 포함한다.
상기 제1 챔버(10)는 섬유 기재에 함침시킬 수지 조성물을 준비하기 위한 챔버로서, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 고분자, 용매 및 첨가제를 혼합하여 수지 조성물을 수용하는 제1 내부 챔버(11); 및 상기 제1 내부 챔버(10)를 둘러싸고, 제1 내부 챔버(10)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버(20)를 포함한다.
제1 내부 챔버(11)에서는 고분자, 용매 및 첨가제(예를 들면, 경화제)가 주입되고 혼합되어 수지 조성물을 형성한다. 상기 제1 챔버의 내부 챔버(11) 안에는 교반기(15)가 구비되어 있는 것이 바람직하다. 교반기(15)에 의해 고분자, 용매 및 첨가제가 보다 원활하게 그리고 균일하게 혼합될 수 있다.
다만, 제1 내부 챔버(11)에서 고분자, 용매 및 첨가제를 혼합하여 수지 조성물을 형성할 때, 상기 고분자나 수지 조성물의 점도(유동성)가 너무 높으면, 고분자가 첨가제와 균일하게 혼합되지 않아 추후 섬유 강화 복합재료의 강도나 내구성, 또는 탄성률 등의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 이에, 본 발명의 섬유 기재 함침 장치(1)는 상기 제1 챔버(10)가 상기 제1 내부 챔버(11)를 둘러싸고, 상기 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버(12)를 포함함으로써, 상기 제1 외부 챔버(12)에 수용된 열 유체로 인해서 상기 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도가 조절되어 제1 내부 챔버(11) 내 고분자나 용매, 수지 조성물의 점도가 조절될 수 있다.
상기 열 유체는 고분자, 용매 및 수지 조성물에 열을 전달할 수 있는 유체로서, 제1 챔버(10)에 연결된 열 유체 공급 배관(31)를 통해 상기 제1 외부 챔버(12)로 주입되어 제1 외부 챔버(12) 내에 수용된다. 이때, 상기 열 유체에 의해 상기 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도가 소정의 온도로 조절됨으로써, 상기 제1 내부 챔버(11) 내 고분자, 용매, 첨가제나 수지 조성물의 점도가 조절되어 균일하게 혼합된 수지 조성물이 형성될 수 있으며, 나아가 형성된 수지 조성물이 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로 용이하게 이송될 수 있다.
이러한 열 유체의 예로는 매우 큰 점성을 갖는 유체, 예컨대, 용융염(molten salt)이 있으며, 용융염은 주로 질산 칼륨 및 아질산나트륨의 혼합물로 구성된다. 다른 열 유체의 예로는 폴리에틸렌글리콜(예, "PEG400"), 페닐 에테르 매체(예 "Dowtherm"), 폴리페닐 매체(예, "Therm S"), hot oil, 나프탈렌 유도체(S.K. oil), 수은 등이 있는데, 이에 제한되지 않는다.
상기 열 유체의 온도는 특별히 제한되지 않으나, 제1 내부 챔버 내 고분자나 수지 조성물 등이 열 분해되지 않으면서, 용융 상태를 유지할 수 있을 정도인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 열 유체의 온도는 약 15 내지 130 ℃ 범위이고, 바람직하게는 약 25 내지 120 ℃ 범위일 수 있다.
이러한 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버(12) 안에는 제1 히터(13)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 제1 히터(13)를 이용하여 제1 외부 챔버(12) 내부에 수용되어 있는 열 유체를 약 15 내지 130 ℃의 온도, 바람직하게는 약 25 내지 120 ℃의 온도까지 가열하여 제1 내부 챔버(11)의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기 제1 챔버(10)에는 상기 열 유체의 온도를 수치로 나타내는 온도 게이지(미도시됨)가 부착될 수 있다. 상기 온도 게이지를 통해 상기 제1 외부 챔버(12)에 수용되어 있는 열 유체의 온도를 육안으로 확인함으로써, 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 용이하게 제어할 수 있다.
상기 열 유체는 제1 외부 챔버(12)의 하부에 마련된 열 유체 배출 배관(32)의 개폐밸브(32a)를 개방하면, 열 유체 배출 배관(32)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또, 상기 제1 챔버(10)는 제1 내부 챔버의 내부를 육안으로 확인할 수 있는 제1 투명창(14)이 구비되어 있을 수 있다. 제1 투명창(14)을 통해 제1 내부 챔버의 내부에서 형성되는 수지 조성물의 모습 및 형성량을 육안으로 확인할 수 있다.
또한, 상기 제1 챔버(10)에는 진공 펌프(40)가 개폐밸브(35a)가 구비된 진공 배관(35)을 통해 연결되어 있을 수 있는데, 상기 진공 펌프(40)는 제2 챔버(20)에도 개폐밸브(36a)가 구비된 별개의 진공 배관(36)을 통해 연결되어 있을 수 있다. 이러한 진공 펌프(40)에 의해 제1 내부 챔버(11)에 진공압이 부여됨으로써, 고분자, 용매 및 첨가제의 교반시 수지 조성물 내에 생성되는 기포가 제거될 수 있다. 일반적으로, 상기 제1 내부 챔버(11)에서 고분자, 용매 및 첨가제를 혼합하여 수지 조성물을 형성할 때, 수지 조성물에 기포가 생성될 수 있다. 이때, 제1 챔버(10)에 연결된 진공 배관(35)의 개폐밸브(35a)를 개방시킨 다음, 진공 펌프(40)를 작동시키면, 제1 내부 챔버(11) 내부의 공기가 흡입(제거)되어 제1 내부 챔버(11)의 내부는 진공 상태가 되고, 이에 따라 수지 조성물 내 기포의 생성이 억제될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 섬유 기재 함침 장치(1)를 이용하여 섬유 강화 복합재료를 제조하면, 종래 RTM 성형법에 비하여 섬유 강화 복합재료 내부에 기공이 덜 형성되어 있기 때문에, 최종 섬유 강화 복합재료의 내구성 및 강도가 향상될 수 있다.
이러한 진공 펌프(40)에는 제1 내부 챔버(11) 및/또는 제2 챔버(20) 안의 진공압 수치를 육안으로 확인할 수 있는 진공압 게이지(미도시됨)가 부착되어 있을 수 있다.
상기 제1 챔버(10)와 진공 펌프(40) 사이에는 진공 탱크(50)를 구비할 수 있다. 상기 진공 탱크(50)는 제1 내부 챔버(11)에서 진공 펌프(40)에 의해 공기와 함께 흡입되는 기화된 용매를 내부에 수용할 수 있고, 수용된 기화된 용매는 액화되어 진공 탱크(50)의 하부에 마련된 용매 배출 배관(38)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 열 유체 등에 의해 기화된 용매가 진공 펌프(40)의 작동에 의해 공기와 함께 흡입되더라도, 기화된 용매가 진공 펌프(40)에 도달하지 못하고, 제1 챔버(10)와 진공 펌프(40) 사이에 설치된 진공 탱크(50)에 수용된 후 액화되어 외부로 배출되기 때문에, 기화된 용매로 인해 진공 펌프(40)의 오일이 변질되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 제1 챔버(10) 내에서 고분자, 용매와 첨가제가 혼합되어 형성된 수지 조성물은 제1 내부 챔버(11)와 제2 챔버(20)의 내부 압력차에 의해서 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로 이송 배관(30)을 통해 이송된다.
다만, 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력(P1)이 제2 챔버(20)의 내부 압력(P2)보다 높은 경우에만 수지 조성물이 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로 공급될 수 있다. 이에, 제2 챔버(20)에는, 제1 챔버(10)에 진공 배관(35)을 통해 연결되어 있는 진공 펌프(40)가 별개의 진공 배관(36)을 통해 연결되어 있을 수 있고, 또는 상기 진공 펌프(40)(이하, 제1 진공 펌프)와 별개의 진공 펌프(미도시됨)(이하, 제2 진공 펌프)가 진공 배관을 통해 연결되어 있을 수 있다. 이러한 진공 펌프(40)(또는 제2 진공 펌프)에 의해 제2 챔버(20)의 내부에 진공압이 부여됨으로써, 제2 챔버(20)의 내부 압력은 상기 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력보다 더 낮은 압력이 될 수 있다. 이와 같이, 진공 펌프(40)(또는 제2 진공 펌프)에 의해 제2 챔버의 내부 압력(P2)을 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력(P1)보다 더 낮춤으로써, 제1 내부 챔버(11)의 수지 조성물이 제2 챔버(20)로 용이하게 이송될 수 있다.
예를 들어, 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력(P1)이 대기압(약 1 atm)인 경우, 상기 제2 챔버(20)와 진공 펌프(40)를 연결하는 진공 배관(36)의 개폐밸브(36a)를 개방한 후 진공 펌프(40)를 가동시키면, 제2 챔버(20) 내부의 공기가 흡입되어 제2 챔버(20)의 내부 압력(P2)이 대기압보다 더 낮은 압력, 예컨대 진공압 상태로 조절될 수 있고, 결국 제1 내부 챔버(11)와 제2 챔버(20) 사이의 내부 압력 차이가 발생하여 제1 내부 챔버(11) 내 수지 조성물이 제1 내부 챔버(11)에서 제2 챔버(20)로 배관(30)을 통해 이동될 수 있다.
또는, 제1 챔버(10)와 진공 펌프(40)를 연결하는 진공 배관(35)의 개폐밸브(35a)를 개방한 다음 진공 펌프(40)를 작동시켜, 진공 상태하에서 고분자, 용매와 첨가제를 제1 내부 챔버(11)에서 혼합하는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 교반 후, 제1 챔버(10)에 연결된 진공 배관(35)의 개폐밸브(35a)를 닫은 후, 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20)를 연결하는 이송배관(30)에 구비된 한 쌍의 개폐밸브(30a, 30b) 중 제1 챔버 측 개폐밸브(30a)를 개방하여 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력을 대기압(약 1 atm) 상태로 만든다. 이후, 제2 챔버(20)와 제1 챔버(10)를 연결하는 이송 배관(30)의 제2 챔버 측 개폐밸브(30b)를 개방한 후, 제2 챔버(20)와 진공 펌프(40)를 연결하는 진공 배관(36)의 개폐밸브(36a)를 개방하여 상기 진공 펌프(40)를 작동시키면, 제2 챔버(20) 내부의 공기가 흡입되어 제2 챔버(20)의 내부 압력(P2)이 대기압보다 더 낮은 압력 상태로 조절될 수 있고, 결국 제1 내부 챔버(11)와 제2 챔버(20) 사이의 내부 압력 차이가 발생하여 제1 내부 챔버(11)에서 형성된 수지 조성물이 제2 챔버(20)로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 제1 챔버(10)에는 제1 내부 챔버(11)에 공기압을 부여할 수 있는 압축기(compressor)(60)가 압력밸브(37a)가 구비된 압력 배관(37)를 통해 연결되어 있을 수 있다. 압축기(60)는 제1 내부 챔버(11)에 공기를 주입하여 제1 내부 챔버(11)의 내부 공기를 압축시킬 수 있기 때문에, 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력(P1)을 제2 챔버(20)의 내부 압력(P2)보다 더 높게, 예컨대 대기압 이상, 바람직하게는 약 1 내지 3 atm 정도, 보다 바람직하게는 약 1 내지 2 atm 정도로 높일 수 있다. 여기서, 제1 내부 챔버(11)에 투입되는 공기량은 상기 압력밸브(37a)의 개폐율을 조작하여 제어할 수 있다. 따라서, 상기 압축기(60)를 제2 챔버(20)에 연결된 진공 펌프(40)와 함께 이용할 경우, 진공 펌프(40)에 의해 제2 챔버(20) 안의 공기가 흡입됨과 동시에 압축기(60)에 의해 제1 내부 챔버(11)에 공기가 주입되기 때문에, 제1 내부 챔버(11)와 제2 챔버(20) 간에 현격한 내부 압력 차이가 발생하여 수지 조성물이 용이하게 이동할 수 있다. 게다가, 압축기(60)를 진공 펌프(40)와 병용함으로써, 진공 펌프(40)만을 이용하는 경우보다 제2 챔버(20) 안의 공기를 더 적게 흡입하더라도 수지 조성물이 용이하게 이송될 수 있기 때문에, 진공 펌프(40)에 의한 강한 공기 흡입으로 인해 제2 챔버로 공급된 수지 조성물이 기화되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 압축기(60)와 압력 배관(37)를 통해 연결된 제1 챔버(10) 사이에는 압력 조절 탱크(70)가 구비될 수 있다. 압력 조절 탱크(70)는 압축기(60)에 의해 제1 내부 챔버(11)에 주입되는 공기를 수용한 후 제1 내부 챔버(11)에 전달할 때 주입되는 공기의 압력을 약 1 내지 3 atm 범위, 바람직하게는 약 1 내지 2 atm 범위로 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 제1 내부 챔버(11)에 일정 압력의 공기가 주입되기 때문에, 과도한 공기 주입에 따른 폭발과 같은 제1 내부 챔버의 파열을 방지할 수 있다. 게다가, 압력 조절 탱크(70)는 공기의 수용시 수증기 배출 배관(39)의 개폐밸브(미도시됨)를 개방함으로써, 공기에 함유된 수증기를 액화시켜 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 제2 챔버의 내부 압력(P2)은 수지 조성물 내 고분자, 용매, 첨가제의 종류에 따라 제2 챔버(20)로 수지 조성물이 용이하게 이송될 수 있도록 진공 펌프(40)에 의해 흡입되는 공기량 및/또는 압축기(60)에 의해 주입되는 공기량을 조절하여, 약 1 atm 미만 내지 10-2 atm 범위, 바람직하게는 약 1 atm 미만 내지 10-1 atm 범위 정도로 제어하는 것이 바람직하다. 이때, 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력(P1)은 압축기(60) 등을 이용하여 P2보다 높게, 예를 들어 약 1 atm 이상, 바람직하게는 약 1 내지 3 atm 범위, 보다 바람직하게는 약 1 내지 2 atm 범위 정도로 조절하는 것이 적절하다.
이와 같이, 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20) 간의 내부 압력 차이에 의한 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로의 수지 조성물 이송은 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20)를 연결하는 이송 배관(30)을 통해 이루어진다.
상기 이송 배관(30)은 한 쌍의 개폐 밸브(30a, 30b)를 구비하고 있는데, 상기 개폐 밸브(30a, 30b)를 수지 조성물의 형성 및 이동시 열고, 닫음으로써, 챔버 내부의 압력 변화를 조절하여 수지 조성물을 이송시킬 수 있다. 예를 들어, 진공 상태하에서 수지 조성물의 형성 후 제1 챔버(10) 측 개폐 밸브(30a)를 개방하여 제1 챔버(10)의 내부를 대기압 상태로 만들 수 있고, 이후 제2 챔버(20) 측 개폐 밸브(30b)를 열면서 진공 펌프(40)에 의해 제2 챔버(20)에 진공압을 부여하면 수지 조성물이 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로 이동되게 할 수 있다.
이러한 이송 배관(30)에는 수지 조성물의 이송 속도를 조절할 수 있는 유량 조절 밸브(30c)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 유량 조절 밸브(30c)의 개폐율은 제1 내부 챔버(11)와 제2 챔버(20) 간의 내부 압력 차이에 따라 조절될 수 있다. 이러한 유량 조절 밸브(30c)를 통해 제1 내부 챔버(11)에서 제2 챔버(20)로 이송되는 수지 조성물의 유량(이송 속도)이 제어됨으로써, 제2 챔버(20)의 내부로 공급되는 수지 조성물의 공급량과 공급 시간이 조절될 수 있고, 결국 섬유 기재를 수지 조성물로 함침시키는 속도가 제어되어 섬유 기재가 수지 조성물로 균일하게 함침될 수 있다.
상기 함침 속도는 약 1 mm/min ~ 300 mm/min 정도인 것이 적절하며, 이를 위해 제2 챔버(20)와 진공 펌프(40)를 연결하는 진공 배관(36)의 개폐밸브(36b)나 제1 챔버(10)와 압축기(60)를 연결하는 압력 배관(37)의 개폐밸브(37a)의 개폐율을 조작하여 제1 내부 챔버(11)와 제2 챔버(20) 간의 내부 압력 차이를 조절함으로써 수지 조성물의 유량을 조절하거나, 또는 유량 조절 밸브(30c)의 개폐율을 조작하여 수지 조성물의 유량을 조절하는 것이 적절하다.
상기 이송 배관(30)에는 수지 조성물의 유속 측정 인버터(미도시됨)를 장착할 수 있다. 유속 측정 인버터를 이용하여 수지 조성물의 유량을 용이하게 제어할 수 있다.
상기 이송 배관(30)은 상기 제1 챔버(10) 및/또는 제2 챔버(20)로부터 분리될 수 있다. 이로써, 챔버 내부에 남아있는 수지 조성물을 외부로 배출하여 챔버 내부를 청소할 수 있고, 나아가 챔버 내부에 남아있던 수지 조성물을 회수하여 재사용할 수 있다.
이와 같이, 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로 이송되는 수지 조성물은 상향 이동식으로 제2 챔버(20) 내부로 공급된다.
상기 제2 챔버(20)는 섬유 기재를 수용하는 챔버로서, 섬유 기재가 상기 제1 챔버(10)로부터 이송된 수지 조성물에 의해 함침될 수 있다.
이때, 공급되는 수지 조성물의 점도가 너무 높으면, 수지 조성물이 섬유 기재 내로 잘 침투하지 못하고, 이로 인해 추후 섬유 강화 복합재료의 강도 및 내구성이 저하될 수 있다. 이에, 본 발명의 제2 챔버(20)는 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 섬유 기재를 수용하여 섬유 기재가 수지 조성물로 함침되는 제2 내부 챔버(21); 이외, 상기 제2 내부 챔버(21)를 둘러싸고, 상기 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제2 외부 챔버(22)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 열 유체가 제2 외부 챔버(22)에 수용됨으로써, 상기 제2 내부 챔버(21) 내로 공급되는 수지 조성물의 점도가 조절되어 섬유 기재가 수지 조성물로 균일하게 함침될 수 있다.
상기 제2 외부 챔버(22)에 수용되는 열 유체는 제1 외부 챔버에 수용되는 열 유체와 마찬가지로, 수지 조성물에 열을 전달할 수 있다. 상기 열 유체는 제2 챔버(20)에 연결된 열 유체 공급 배관(33)을 통해 상기 제2 외부 챔버(22) 내로 공급되어 수용되게 된다. 이때, 상기 열 유체에 의해 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도가 소정의 온도로 조절됨으로써, 상기 제2 내부 챔버(21) 내 수지 조성물의 점도가 조절되고, 이로 인해 수지 조성물이 빠른 기간 내에 섬유 기재 내로 용이하게 침투하여 섬유 기재를 균일하게 충분히 함침시킬 수 있다.
상기 열 유체의 예로는 상기 제1 외부 챔버(12)에서 사용된 열 유체와 마찬가지로, 매우 큰 점성을 갖는 유체, 예컨대, 용융염(molten salt)이 있으며, 용융염은 주로 질산 칼륨 및 아질산나트륨의 혼합물로 구성된다. 다른 열 유체의 예로는 폴리에틸렌글리콜 매체(예, "PEG400"), 페닐 에테르 매체(예 "Dowtherm"), 폴리페닐 매체(예, "Therm S"), hot oil, 나프탈렌 유도체(S.K. oil), 수은 등이 있는데, 이에 제한되지 않는다.
상기 열 유체의 온도는 특별히 제한되지 않으나, 제2 내부 챔버 내 수지 조성물이 열 분해되지 않으면서, 용융 상태를 유지할 수 있을 정도인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 열 유체의 온도는 약 15 내지 130 ℃ 범위이고, 바람직하게는 약 25 내지 120 ℃ 범위일 수 있다.
상기 제2 외부 챔버(22) 안에는 제2 히터(23)가 구비되어 있을 수 있다. 제2 히터(23)는 제2 외부 챔버(22)에 수용된 열 유체를 약 15 내지 130 ℃의 온도, 바람직하게는 약 25 내지 120 ℃의 온도까지 가열하여 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 상승시킬 수 있다.
상기 제2 챔버(20)에는 온도 게이지(미도시함)가 부착되어 있을 수 있다. 상기 온도 게이지를 통해 상기 제2 외부 챔버(22)에 수용되어 있는 열 유체의 온도를 육안으로 확인함으로써, 제2 내부 챔버의 내부 온도를 용이하게 제어할 수 있다.
상기 열 유체는 상기 제2 외부 챔버(22)의 하부에 마련된 열 유체 배출 배관(34)의 개폐밸브(34a)을 개방하면, 열 유체 배출 배관(34)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2 챔버(20) 안에는, 섬유 기재를 고정 지지할 수 있는 지지대(25)가 장착될 수 있다. 상기 지지대(25)로 섬유 기재를 고정 지지하여 제2 챔버(20)에 수용하면, 수지 조성물이 제2 챔버(20) 내부로 차차 유입되더라도 섬유 기재가 지지대(25)에 고정 지지되어 있기 때문에, 섬유 기재는 수지 조성물에 뜨지 않고, 상향 이동식으로 유입되는 수지 조성물에 의해 충분히 젖을 수 있어, 결국 섬유 기재는 수지 조성물에 의해 균일하게 함침될 수 있다.
상기 지지대(25)는 제2 챔버(20)의 높이방향으로 제2 챔버(20) 내부에 장착되는 것이 바람직하다. 이러한 지지대(25)에 섬유 기재를 고정 지지하여 제2 챔버(20)에 수용하면, 제2 챔버(20) 내부로 상향 이동식으로 공급되는 수지 조성물이 섬유 기재의 하단 부위부터 함침시켜 섬유 기재 전체가 수지 조성물로 충분히 함침될 수 있다.
이러한 지지대(25)의 형태는 섬유 기재를 고정 지지할 수 있으면, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 지지대(25)는 사각형 형태의 프레임부(251); 및 상기 프레임부의 네 모서리 부위에 섬유 기재를 고정하기 위한 고정부(252)를 포함할 수 있다.
상기 지지대(25)는 크기가 상이한 복수 개가 제2 챔버(20) 안에 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지대(25)는 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 챔버(20)의 상단에 구비된 대형 지지대(253)와 상기 제2 챔버(20)의 하단에 구비된 소형 지지대(254)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2 챔버(20)에는, 제2 챔버 내부를 육안으로 확인할 수 있는 제2 투명창(24)이 구비될 수 있다. 상기 제2 투명창(24)을 통해 제2 챔버(20) 내부로 공급되는 수지 조성물의 공급량뿐만 아니라, 수지 조성물이 섬유 기재의 함침 여부를 육안으로 확인할 수 있다. 이러한 제2 투명창(24)에는 수지 조성물의 공급량 수위를 측정할 수 있는 자와 같은 수단을 설치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유 기재 함침 장치를 이용하여 섬유 기재를 수지 조성물로 함침시킬 경우, 섬유 기재 전체가 수지 조성물로 균일하게 함침되기 때문에, 최종 섬유 강화 복합재료의 강도 및 내구성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 섬유 기재 함침 장치를 포함하는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 섬유 강화 복합재료 성형 시스템(미도시됨)은 전술한 섬유 기재 함침 장치(1); 상기 섬유 기재 함침 장치에 의해서 수지 조성물로 함침된 섬유 기재를 건조시켜 반경화된 섬유 강화 복합재료를 얻기 위한 건조 장치(미도시됨); 및 상기 반경화된 섬유 강화 복합재료를 경화시키기 위한 열 프레스 장치(미도시됨)를 포함함으로써, 섬유 강화 복합재료를 제조할 수 있다. 선택적으로, 수지 조성물이 함침된 섬유 기재를 스퀴징(squeezing)하기 위한 Roll to Roll 장치(미도시됨)를 포함할 수 있다.
상기 건조 장치(미도시됨)는 상기 섬유 기재 함침 장치의 제2 챔버(20) 내부에서 수지 조성물로 함침된 섬유 기재를 반경화시킬 수 있다.
이후, 반경화된 섬유 강화 복합재료는 열 프레스 장치에서 경화될 수 있다. 상기 열 프레스 장치에는 반경화된 섬유 강화 복합재료를 경화시키면서 일정 형태로 형상화하기 위한 금형이 장착될 수 있다. 상기 금형은 다양한 형태로 마련될 수 있으며, 금형의 형상에 따라 섬유 강화 복합재료가 다양한 형태로 가공될 수 있다.
아울러, 본 발명은 전술한 섬유 기재 함침 장치를 이용하여 섬유 기재를 수지 조성물로 함침시키는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일례에 따른 섬유 기재 함침 방법은, 고분자, 용매 및 첨가제를, 제1 챔버(10) 내 제1 내부 챔버(11)에 주입하는 단계; 상기 제1 내부 챔버(11)를 둘러싸는 제1 외부 챔버(12)에, 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 주입하는 단계; 상기 제1 챔버(10) 및 제2 챔버(20) 모두에 연결된 진공 펌프(40)를 이용하여 상기 제1 내부 챔버(11) 안의 공기를 흡입하여 제1 내부 챔버(11) 안을 진공 상태로 만드는 단계; 상기 제1 내부 챔버(11)에 주입되는 고분자, 용매 및 첨가제를 교반하여 수지 조성물을 형성하는 단계; 제1 내부 챔버(11) 안을 진공 상태에서 대기압 상태로 변환시키는 단계; 상기 진공 펌프(40)를 이용하여 제2 챔버(20) 내 제2 내부 챔버(21) 안의 공기를 흡입하여 제2 내부 챔버(21) 안을 진공 상태로 만들어서, 수지 조성물을 상기 제1 내부 챔버(11)에서 제2 내부 챔버(21)로 이송하는 단계; 상기 제2 내부 챔버(21)로 이송된 수지 조성물로 섬유 기재를 함침하는 단계; 및 상기 제2 내부 챔버(21)를 둘러싸는 제2 외부 챔버(22)에, 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 섬유 기재 함침 방법은 상기 수지 조성물의 이송시, 상기 제1 챔버(10)에 연결되어 있는 압축기(compressor)(60)를 이용하여 제1 내부 챔버(11)에 공기를 주입하여 제1 내부 챔버(11) 안의 공기를 압축하는 단계를 포함할 수 있으며, 나아가 상기 공기 주입시, 상기 압축기(60)에 의해 주입되는 공기의 압력을 상기 압축기(60)와 제1 챔버(10) 사이에 구비된 압력 조절 탱크(70)에 의해 일정하게 유지시켜 주는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유 기재 함침 방법은 상기 제1 내부 챔버(11)에서 공기의 흡입시, 공기와 함께 흡입되는 기화된 용매를 상기 제1 챔버(10)와 진공펌프(40) 사이에 구비된 진공 탱크(50)에 수용하는 단계; 상기 진공 탱크(50)에 수용되어 있는 기화된 용매를 액화시키는 단계; 및 상기 액화된 용매를, 상기 진공 탱크(50)의 하부에 마련된 용매 배출 배관(38)을 통해 외부로 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 고분자, 용매 및 첨가제(예컨대, 경화제)를 제1 챔버(10)의 제1 내부 챔버(11)에 주입한다.
고분자와 첨가제를 주입할 때, 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 상기 제1 내부 챔버(11)를 둘러싸고 있는 제1 외부 챔버(12)에 주입할 수 있다. 다만, 상기 열 유체의 주입은 고분자와 첨가제를 주입하기 전이나 후에 행해질 수도 있다. 이와 같이, 상기 제1 외부 챔버(12)에 주입되어 수용된 열 유체는 제1 내부 챔버(11)의 내부 온도를 조절하여 제1 내부 챔버(11) 안의 고분자, 첨가제나 수지 조성물의 점도(유동성)를 조절할 수 있고, 이로 인해 고분자, 용매와 첨가제가 보다 용이하게 혼합될 수 있으며, 나아가 형성된 수지 조성물이 제1 챔버(10)에서 제2 챔버(20)로 용이하게 이송될 수도 있다. 상기 열 유체는 제1 외부 챔버(12) 안에 구비된 제1 히터(13)에 의해 약 15 내지 130 ℃의 온도, 바람직하게는 약 25 내지 120 ℃의 온도까지 가열될 수 있다. 이후, 상기 열 유체는 열 유체 배출 배관(32)의 개폐밸브(32a)을 개방하여 열 유체 배출 배관(32)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 고분자, 용매와 첨가제를 제1 내부 챔버(11)에 주입할 때, 상기 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20) 모두에 연결된 진공 펌프(40)를 가동시킬 수 있다. 다만, 상기 진공 펌프(40)의 작동은 고분자, 용매와 첨가제를 주입하기 전이나 후에 행해질 수도 있다. 상기 진공 펌프(40)를 작동시키면, 제1 내부 챔버(11) 안의 공기가 흡입(제거)되어 제1 내부 챔버(11)의 내부가 진공 상태로 된다. 따라서, 제1 내부 챔버(11)에 주입된 고분자, 용매와 첨가제를 교반하여 수지 조성물을 형성할 때, 진공 펌프(40)에 의해 제1 내부 챔버(11)의 공기가 제거되었기 때문에, 수지 조성물 내에 기포가 형성되는 것이 방지될 수 있다.
다만, 상기 진공 펌프(40)에 의해 제1 내부 챔버(11)에서 공기가 흡입될 때, 제1 외부 챔버(12)의 열 유체에 의해 기화된 용매도 공기와 함께 흡입될 수 있다. 상기 기화된 용매는 제1 챔버(10)와 진공 펌프(40) 사이에 위치하는 진공 탱크(50)에 수용되어 액화되고, 이후 액화된 용매는 진공 탱크(50)의 하부에 마련된 용매 배출 배관(38)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이 진공 펌프(40)에 의해 진공 상태가 유지되고 있는 상태하에서, 상기 제1 내부 챔버(11)에 주입된 고분자, 용매와 첨가제를 교반하여 수지 조성물을 형성한다. 이때, 상기 제1 내부 챔버(11) 안에 교반기(15)가 구비되어 있을 경우, 제1 내부 챔버(11)에 주입된 고분자, 용매와 첨가제를 교반기(15)를 통해 보다 균일하게 혼합하여 균일한 조성의 수지 조성물을 얻을 수 있다.
이후, 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20)를 연결하고 있는 이송 배관(30)의 제1 챔버(10) 측 개폐밸브(30a)를 개방하여 제1 내부 챔버(11)의 안을 진공 상태에서 대기압 상태로 변환시킨다.
이어서, 제2 챔버(20) 측 개폐밸브(30b)를 개방한 다음, 제2 챔버(20)에 연결된 진공 펌프(40)를 작동시켜 제2 챔버(20)의 제2 내부 챔버(21) 안의 공기를 흡입하여 진공 상태로 만들면, 제1 내부 챔버(11)의 내부 압력보다 더 낮게 된다. 이로써, 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20) 사이의 내부 압력 차이가 발생하여 수지 조성물이 이송 배관(30)을 통해 제1 내부 챔버(11)에서 제2 내부 챔버(21)로 이송된다.
선택적으로, 상기 진공 펌프(40)를 가동시켜 수지 조성물을 이송시킬 때, 제1 챔버(10)에 압력 배관(37)를 통해 연결된 압축기(60)를 작동시켜 제1 내부 챔버(11)에 공기를 주입하여 제1 내부 챔버(11)의 공기를 압축시킬 수 있다. 이때, 압축기(60)에 구비된 압력 밸브(37a)의 개폐율을 조절하여 제1 내부 챔버(11) 내부로 투입되는 공기량을 조절할 수 있다. 이러한 압축기(60)를 진공 펌프(40)와 함께 작동시키면, 진공 펌프(40)에 의해 제2 내부 챔버(21) 안의 공기가 흡입됨과 동시에 압축기(60)에 의해 제1 내부 챔버(11)에 공기가 주입되고, 이로 인해 제1 내부 챔버(11)와 제2 내부 챔버(21) 사이의 내부 압력 차이가 현격하게 발생하여, 제1 내부 챔버(11)의 수지 조성물은 제1 내부 챔버(11)에서 제2 챔버(20)로 이송 배관(30)을 통해 보다 용이하게 이송될 수 있다. 게다가, 상기 진공 펌프(40)에 의해서 제2 내부 챔버(21) 안의 공기가 적게 흡입되는 경우라 하더라도, 압축기(60)에 의해 제1 내부 챔버(11) 안의 공기가 압축되어 제1 내부 챔버(11)와 제2 내부 챔버(21) 사이의 내부 압력 차이가 여전히 존재하기 때문에, 수지 조성물의 이송에는 문제가 없을 뿐만 아니라, 진공 펌프(40)에 의해 제2 챔버 안의 공기 흡입시 수지 조성물의 성분에 따라 수지 조성물이 기화되어 공기와 함께 흡입되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 압축기(60)에 의해 공기가 제1 내부 챔버에 주입될 때, 상기 제1 챔버(10)와 압축기(60) 사이에 구비된 압력 조절 탱크(70)에 의해서 공기가 일정 압력으로 유지되어 제1 내부 챔버(11)에 주입될 수 있다.
이후, 제2 내부 챔버(21)로 이송된 수지 조성물은 제2 내부 챔버(21) 내부에 수용되어 있는 섬유 기재를 함침시킨다. 이때, 섬유 기재는 제2 내부 챔버(21) 안에 구비되어 있는 지지대(25)에 고정 지지되어 있을 수 있고, 따라서 섬유 기재는 수지 조성물에 뜨지 않고 수지 조성물에 의해서 충분히 함침될 수 있다. 또한, 제2 내부 챔버(21)의 높이 방향으로 장착되어 있는 지지대(25)에 섬유 기재가 고정 지지되어 있다면, 상기 수지 조성물은 섬유 기재의 하단부터 함침시킬 수 있다.
이와 같이, 수지 조성물로 섬유 기재를 함침시킬 때, 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 상기 제2 내부 챔버(21)를 둘러싸고 있는 제2 외부 챔버(22)에 열 유체 공급 배관(33)을 통해 주입할 수 있다. 다만, 열 유체의 주입은 수지 조성물이 이송되기 전이나 후에 행해질 수도 있다. 상기 제2 외부 챔버(22) 내에 수용된 열 유체는 제2 내부 챔버(21)의 내부 온도를 조절하여 제2 내부 챔버(21) 안의 수지 조성물의 점도(유동성)를 조절할 수 있고, 결국 수지 조성물이 섬유 기재를 용이하게 함침시킬 수 있다. 상기 열 유체는 제2 외부 챔버(22) 안에 구비된 제2 히터(23)에 의해 약 15 내지 130 ℃의 온도, 바람직하게는 약 25 내지 120 ℃의 온도까지 가열될 수 있다. 이후, 상기 열 유체는 제2 외부 챔버(22)의 하부에 마련된 열 유체 배출 배관(34)의 개폐밸브(34a)를 개방하여 배관(34)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2 내부 챔버(21)에 수용된 수지 조성물은 상기 제1 챔버(10)와 제2 챔버(20)에 연결되어 있는 이송 배관(30)을 제1 챔버(10) 및/또는 제2 챔버(20)로부터 분리함으로써, 외부로 배출될 수 있고, 이는 회수되어 재사용될 수 있다.
본 발명은 도면을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 첨부된 특허청구의 범위에 의해서 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있다. 또한, 모든 상세한 사항은 기술적으로 균등한 다른 요소로 대체될 수도 있다.
10: 제1 챔버, 11: 제1 내부 챔버,
12: 제1 외부 챔버, 13: 제1 히터,
14: 제1 투명창, 15: 교반기,
20: 제2 챔버, 21: 제2 내부 챔버,
22: 제2 외부 챔버, 23: 제2 히터,
24: 제2 투명창, 25: 고정 지지대,
30: 이송 배관, 30c: 유량 조절 밸브,
40: 진공 펌프, 50: 진공 탱크,
60: 압축기, 70: 압력 조절 탱크

Claims (23)

  1. 수지 조성물을 수용하는 제1 내부 챔버, 및 상기 제1 내부 챔버를 둘러싸며, 상기 제1 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제1 외부 챔버를 포함하는 제1 챔버;
    섬유 기재를 수용하며, 상기 섬유 기재가 상기 제1 챔버로부터 이송된 수지 조성물에 의하여 함침될 수 있는 제2 챔버; 및
    상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버를 연결하여 상기 제1 챔버의 수지 조성물을 상기 제2 챔버로 이송할 수 있고, 개폐 밸브가 구비된 이송 배관
    을 포함하는 섬유 기재 함침 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버에는 제1 내부 챔버 안에 교반기가 구비되어 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버는 제1 외부 챔버 안에 열 유체를 가열할 수 있는 제1 히터가 구비된 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버는 제1 내부 챔버의 내부를 육안으로 확인할 수 있는 제1 투명창이 구비된 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 챔버에는 제1 내부 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 진공펌프가 연결되어 있고, 상기 진공펌프는 제2 챔버에도 연결되어 제2 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 챔버에는 제1 내부 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 제1 진공펌프가 연결되어 있고,
    상기 제2 챔버에는 제2 챔버에 진공압을 부여할 수 있는 제2 진공 펌프가 연결되어 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 챔버와 진공펌프 사이에는 기화된 용매를 수용하여 배출할 수 있는 진공 탱크가 구비되어 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버에는 제1 내부 챔버에 공기를 주입하여 제1 내부 챔버 안의 공기를 압축할 수 있는 압축기(compressor)가 연결되어 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 챔버와 압축기 사이에는, 상기 압축기에 의해 주입되는 공기의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 압력 조절 탱크가 구비되어 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 이송 배관은 상기 제2 챔버로 이송되는 수지 조성물의 유량을 제어할 수 있는 유량 조절 밸브가 구비된 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 수지 조성물 이송 배관은 상기 제1 챔버, 제2 챔버 또는 이들 모두로부터 분리될 수 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 챔버는,
    섬유 기재를 수용하는 제2 내부 챔버; 및
    상기 제2 내부 챔버를 둘러싸고, 상기 제2 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 수용하는 제2 외부 챔버
    를 포함하는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 챔버에는 제2 외부 챔버 안에 열 유체를 가열할 수 있는 제2 히터가 구비된 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 챔버는,
    내부에 수용되는 섬유 기재를 고정 지지할 수 있는 지지대가 구비된 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 지지대는 상기 제2 챔버 상단에 구비된 대형 지지대, 및 상기 제2 챔버 하단에 구비된 소형 지지대를 포함하는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제2 챔버는, 제2 챔버 내부를 육안으로 확인할 수 있는 제2 투명창이 구비된 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  17. 삭제
  18. 고분자, 용매 및 첨가제를, 제1 챔버 내 제1 내부 챔버에 주입하는 단계;
    상기 제1 내부 챔버를 둘러싸는 제1 외부 챔버에, 제1 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 주입하는 단계;
    상기 제1 챔버 및 제2 챔버 모두에 연결된 진공 펌프를 이용하여 상기 제1 내부 챔버 안의 공기를 흡입하여 제1 내부 챔버 안을 진공 상태로 만드는 단계;
    상기 제1 내부 챔버에 주입되는 고분자, 용매와 첨가제를 교반하여 수지 조성물을 형성하는 단계;
    제1 내부 챔버의 내부를 대기압 상태로 변환시키는 단계;
    상기 진공 펌프를 이용하여 제2 챔버 내 제2 내부 챔버 안의 공기를 흡입하여 제2 내부 챔버 안을 진공 상태로 만들어서, 수지 조성물을 상기 제1 내부 챔버에서 제2 내부 챔버로 이송하는 단계;
    상기 제2 내부 챔버로 이송된 수지 조성물로 섬유 기재를 함침하는 단계; 및
    상기 제2 내부 챔버를 둘러싸는 제2 외부 챔버에, 제2 내부 챔버의 내부 온도를 변화시킬 수 있는 열 유체를 주입하는 단계
    를 포함하는 섬유 기재 함침 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 수지 조성물의 이송시,
    상기 제1 챔버에 연결되어 있는 압축기(compressor)를 이용하여 제1 내부 챔버에 공기를 주입하여 제1 내부 챔버 안의 공기를 압축하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인 섬유 기재 함침 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 공기 주입시,
    상기 압축기에 의해 주입되는 공기의 압력을 상기 압축기와 제1 챔버 사이에 구비된 압력 조절 탱크에 의해 일정하게 유지시켜 주는 단계
    를 포함하는 것이 특징인 섬유 기재 함침 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 내부 챔버에서 공기 흡입시 공기와 함께 흡입되는 기화된 용매를, 상기 제1 챔버와 진공펌프 사이에 구비된 진공 탱크에 수용하는 단계;
    상기 진공 탱크에 수용되어 있는 기화된 용매를 액화시키는 단계; 및
    상기 액화된 용매를, 상기 진공 탱크의 하부에 마련된 용매 배출 배관을 통해 외부로 배출하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인 섬유 기재 함침 방법.
  22. 제6항에 있어서, 상기 제1 챔버와 진공펌프 사이에는 기화된 용매를 수용하여 배출할 수 있는 진공 탱크가 구비되어 있는 것이 특징인 섬유 기재 함침 장치.
  23. 제1항 내지 제16항, 및 제22항 중 어느 한 항에 기재된 섬유 기재 함침 장치;
    상기 섬유 기재 함침 장치에 의해서 수지 조성물로 함침된 섬유 기재를 건조시켜 반경화된 섬유 강화 복합재료를 얻기 위한 건조 장치; 및
    상기 반경화된 섬유 강화 복합재료를 경화시키기 위한 열 프레스 장치
    를 포함하는 섬유 강화 복합재료 성형 시스템.
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