KR101276236B1 - 방사선 조사를 이용한 풍력 블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법 - Google Patents

방사선 조사를 이용한 풍력 블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사선 조사를 이용한 섬유강화 복합소재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방사선 조사를 이용한 복합소재의 제조방법은 복합재료의 제조 시, 방사선을 조사하여 경화속도를 증가시킴으로써 생산 시간을 줄이고, 생산단가를 낮출 뿐만 아니라, 종래의 열경화 공정에 의해 발생 될 수 있는 재료에 가해지는 열에 의한 부산물에 의한 환경오염을 방지하는 등 복합재의 제조공정을 개선하고, 굴곡강도를 증가시켜 잘 부러지지 않아 풍력 블레이드용 복합재로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

방사선 조사를 이용한 풍력 블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법{Preparation method of fiber-reinforced composites for wind turbine blade}
본 발명은 방사선 조사를 이용한 풍력 블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.
차세대 에너지원인 그린 에너지는 크게 풍력 발전, 태양전지, 해양 바이오연료, 연료전지발전 시스템 분야 등으로 나눌 수 있다. 이중, 그 가능성에 대하여 가장 주목받고 있으며 상용화에 가까운 에너지원 가운데 하나는 풍력 에너지로, 바람의 에너지는 역사적으로 볼 때 인류가 이용해온 가장 오래된 에너지원 가운데 하나이다.
풍력발전기는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로, 많은 에너지를 얻기 위한 형태로 발전해 왔다. 풍력발전기는 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발전기를 구동하기 위한 날개와 날개에서 발생한 회전력을 발전기에서 요구되는 적절한 회전수로 조절해 주기 위한 변속장치, 그리고 발전기와 제어기 등으로 구성된다. 풍력발전기의 날개(블레이드형, 더치형, 프로펠러형 등)를 회전시켜 이때 생긴 날개의 회전력으로 풍력 에너지를 이용하기 위한 전력 변환장치인 풍력 터빈 설비를 이용해 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꾼다.
풍력발전기는 풍속이 세고 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하게 된다. 또한, 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많게 된다.
현대의 풍력 발전기의 특성은 크게 기기의 대형화와 대형 풍력 발전 단기의 형성이라고 할 수 있다. 이에 따라 블레이드 역시 과거 1980년 전후의 풍차 직경이 약 10 m 정도였으나, 1990년경, 날개 직경이 20 m로 증가하였으며, 현재에 와서는 길이 50 m 이상으로 증가하여 대형 항공기의 날개 길이에 육박하게 되었다.
이와 같은 블레이드 길이의 증가는 풍력 발전기를 가장 거대한 기계장치로 만들게 되었고, 이에 따라 블레이드의 설계 및 제작에서는 공기 역학, 구조 설계, 재료에서 많은 기술적 발전을 요구하게 되었다. 한 예로 아무런 기술적 검토 없이 길이 10 m의 블레이드를 50 m로 확장하게 되면 그 무게는 125배로 증가하게 되며 이렇게 증가 된 무게는 전체 시스템이 견디어낼 수 없는 무게가 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 공기 역학적으로는 좀 더 가늘며, 구조적인 강도를 가지기 위하여 적절한 두께를 가지면서도 효율은 높고 공력하중은 적은 블레이드의 개발을 요구한다. 또한, 구조적인 측면에서는 블레이드 길이가 늘어남으로써 증가하게 된 무게와 공력하중을 견디면서도 무게를 줄일 수 있는 적절한 설계를 요구하고, 나아가 재료 측면에서는 길이가 늘어나더라도 이에 비례하여 무게가 증가하지 않도록 가벼우면서도 강하고 그에 비해 단가는 낮은 재료를 요구하고 있어, 이에, 무게를 절감시키고 강도를 증가시키는 새로운 복합소재뿐만 아니라 제조 방법에 관한 다양한 연구가 진행되고 있는 실정이다.
종래의 섬유강화복합재의 매트릭스 재료로는 에폭시, 에폭시아크릴레이트 등이 사용되고, 강화 섬유로는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유 등의 재료가 사용되고 있다. 현재 복합재 제조공정에 가장 많이 적용되고 있는 매트릭스 재료로는 제품의 다양성, 다양한 경화조건과 물성, 그리고 적용이 용이한 특성이 있는 열경화성 에폭시 수지를 사용하고 있다.
또한, 섬유강화복합재의 제조방법으로는 에폭시 등의 소재에 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등을 보강재로 사용하여 에폭시를 상온 경화 혹은 열 경화 공정을 이용하여 제조하는 방식이 사용되고 있고, 대한민국 등록특허 제10-0759595호 에서는 유리섬유 복합체의 중심부에 탄소섬유가 적층 되도록 배열하고 진공 상태에서 경화단계를 거쳐 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이드브리드복합체의 제조방법을 개시하고 있다.
이러한 섬유강화복합재는 경량이면서도 고강도 특성이 있어, 기존의 금속 재료들을 대체할 수 있는 신소재로서 주목받고 있으며 자동차, 선박, 항공 우주, 풍력 발전기 블레이드, 스포츠 용품 등에 적용되어 사용되고 있다.
그러나 이러한 섬유강화복합재를 이용한 제품의 제조는 대부분 수작업으로 이루어지며 일반적으로 상온 경화 혹은 주변을 가열하여, 온도를 상승시켜서 경화반응을 일으키는 열경화 공정을 이용하기 때문에 경화 시간이 수 시간에서 수 일이 소요됨에 따라 여러 가지 결함들이 발생하여 제품의 생산성이 저하되는 문제점이 있고, 또한, 대형 제품의 열경화 공정을 수행하기 위해서는 대형의 Auto-Clave와 같은 열처리 장비가 필요하며 장비 운용을 위하여 막대한 부대비용이 소모되는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 복합재료의 제조 시, 방사선을 조사하여 경화속도를 증가시킴으로써 생산 시간을 줄이고, 생산단가를 낮출 뿐만 아니라, 열경화 공정에 의해 발생 될 수 있는 재료에 가해지는 열에 의한 부산물에 의한 환경오염을 방지하는 등 복합재의 제조공정을 개선함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 풍력 발전기 블레이드용 섬유강화 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 블레이드용 섬유강화 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 복합재를 이용한 풍력 발전기 블레이드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
풍력 발전기용 블레이드 몰드에 섬유를 적층하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 성형체에 수지를 주입하는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 성형체에 방사선을 조사하여 경화시키는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3의 경화가 완료된 몰드로부터 성형체를 분리하는 단계(단계 4)를 포함하여 제조되는 풍력 발전기 블레이드용 섬유강화 복합재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 블레이드용 섬유강화 복합재를 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 복합재를 이용한 풍력 발전기 블레이드를 제공한다.
본 발명의 방사선 조사를 이용한 풍력 블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법은 복합재료의 제조 시, 방사선을 조사하여 경화속도를 증가시킴으로써 생산 시간을 줄이고, 생산단가를 낮출 뿐만 아니라, 종래의 열경화 공정에 의해 발생 될 수 있는 재료에 가해지는 열에 의한 부산물에 의한 환경오염을 방지하는 등 복합재의 제조공정을 개선하고, 굴곡강도를 증가시켜 잘 부러지지 않아 풍력 블레이드용 복합재로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 성형몰드의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성형몰드의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자선 가속기를 이용하는 단계의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 조사량에 따른 겔 함량을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합재의 굴곡 강도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합재의 인장 강도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 왕복운동 시스템의 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은
풍력 발전기용 블레이드 몰드에 섬유를 적층하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 성형체에 수지를 주입하는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 성형체에 방사선을 조사하여 경화시키는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3의 경화가 완료된 몰드로부터 성형체를 분리하는 단계(단계 4)를 포함하여 제조되는 풍력 발전기 블레이드용 섬유강화 복합재의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1은 성형 몰드에 섬유를 적층하는 단계로, 이때 사용가능한 섬유는 탄소섬유, 유리섬유 또는 아라미드 섬유이고, 바람직하게는 탄소섬유를 사용할 수 있다.
이때, 적층높이는 1 ~ 30 mm이고, 바람직하게는 2 ~ 10 mm이다. 상기 범위를 초과하는 경우, 방사선 투과시, 경화가 완전히 이루어 지지 않는 문제점이 있으며, 상기 범위에 미치지 못하는 경우 제품의 기계적 물성이 제품 요구치에 부족하게 된다.
구체적으로, 몰드에 섬유를 적층 한 후, 수지 주입을 위해 진공 필름을 이용하여 성형체를 밀봉하고, 진공 펌프 등을 사용하여 성형체 내부를 진공 상태로 만들어 준비한다.
또한, 상기 단계 2는 상기 단계 1의 성형체에 수지를 주입하는 단계로, 이때 사용가능한 수지는 방사선의 의하여 경화될 수 있는 수지로써 방사선 개시제가 포함되어 있는 수지 또는 방사선 개시제 없이도 경화가 가능한 수지를 사용할 수 있다.
바람직하게는 에폭시 아크릴레이트, 비스페놀-A형 또는 비스페놀-F형을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 비스페놀-A형을 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 1에서 준비된 성형체에 비닐팩 등을 사용하여 외부 공기와 차단시키고 질소 퍼지를 수행하여 성형체 주변의 공기를 제거하고, 수지를 주입한다.
나아가, 상기 단계 3은 상기 단계 2의 성형체에 방사선을 조사하여 경화시키는 단계로 상기 단계 2의 성형체의 전면에 방사선이 고르게 조사될 수 있도록 왕복운동을 하는 시스템을 이용하여 방사선을 조사한다.
이때 사용 가능한 방사선은 감마선, 전자선, 이온빔, 중성자선 및 UV로 이루어진 군으로부터 선택되고, 바람직하게는 전자선을 사용할 수 있다.
상기 방사선은 10 ~ 300 kGy로 조사되고, 방사선 개시제를 포함하는 수지의 경우, 150 kGy ~ 300 kGy로 조사하는 것이 바람직하고, 250 kGy ~ 300 kGy로 조사하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 방사선 개시제를 포함하지 않는 수지의 경우, 10 kGy ~ 100 kGy로 조사하는 것이 바람직하고, 50 kGy ~ 100 kGy로 조사하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 범위를 벗어나는 경우, 조사선량이 낮으면 복합재의 경화가 완전히 이루어지지 않는 문제점이 있으나, 방사선을 조사함으로써 섬유 강화 복합재의 제조 시간을 단축시켜 공정시간을 줄임으로써 제조 공정을 개선시킬 뿐만 아니라 제품의 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 블레이드용 섬유강화 복합재를 제공하고, 이를 복합재를 이용한 풍력 발전기 블레이드를 제공한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 전자선을 조사한 탄소 섬유 강화 복합재의 제조 1
몰드에 직물형태의 탄소섬유를 5장을 적층하고 이형천을 적층 한다. 수지 주입을 위하여 진공 필름을 이용하여 성형체를 밀봉하고 진공 펌프 등을 사용하여 성형체 내부를 진공상태로 만들어 수지 주입 준비를 한다(도 1 및 도 2 참조). 에폭시 수지로써 비스페놀-A형 에폭시 수지에 방사선 개시제로써 헥사-플로오로 안티모네이트(이하, TASHFA라고 함) 2 wt%를 혼합하여 진공상태에 있는 성형체 내부로 흘려보내어 수지를 주입한 후, 전자선 가속기를 이용하여 300 kGy의 전자선을 조사하여 탄소섬유강화 복합재를 제조하였다(도 3 참조).
< 실시예 2> 전자선을 조사한 탄소 섬유 강화 복합재의 제조 2
실시예 1의 방사선 개시제를 포함한 에폭시 수지 대신에 에폭시 아크릴레이트 수지를 사용하고, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 탄소섬유강화 복합재를 제조하였다.
< 비교예 1> 탄소섬유 강화 복합재의 제조 시간 비교
상기 실시예 1 및 실시예 2의 탄소섬유 강화 복합재의 경화시간을 비교하기 위하여 실시예 1의 방사선 개시제를 포함한 에폭시 수지 대신에 비스페놀-A형 수지와 경화제를 사용하고, 전자선을 조사하지 않고, 상온에서 24 시간 방치하여 탄소섬유강화 복합재를 제조하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
경화 소요 시간 30분 10분 24 시간
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 전자선을 조사한 경우, 탄소섬유 강화 복합재의 경화시간을 24시간에서 10분~30분으로 매우 우수하게 줄이는 것으로 확인되었다.
이에, 본 발명의 전자선을 조사한 탄소섬유 강화 복합재는 경화속도를 증가시킴으로써 복합재의 제조공정이 빨라져 생산 시간을 줄이고, 생산단가를 낮출 수 있다.
< 실험예 1> 방사선 조사량에 따른 탄소섬유 강화 복합재의 경화
방사선 조사량에 따른 탄소섬유 강화 복합재의 경화속도를 알아보기 위하여 방사선 개시제가 첨가된 비스페놀 A 및 방사선 개시제가 비 첨가된 에폭시 아크릴레이트를 방사선 조사량을 다르게 하여 겔 함량을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2 및 도 4에 나타내었다.
전자선
조사량
비스페닐A/방사선 개시제 2wt%
겔 함량(%)
전자선
조사량
에폭시 아크릴레이트
겔 함량(%)
5 kGy 75.2 2 kGy 92.3
10 kGy 88.5 4 kGy 95.5
20 kGy 91.5 6 kGy 96.8
30 kGy 92.2 8 kGy 97.8
40 kGy 92.8 10 kGy 98.8
50 kGy 94.1 20 kGy 100
100 kGy 98.1 30 kGy 100
150 kGy 100 40 kGy 100
200 kGy 100 50 kGy 100
250 kGy 100 100 kGy 100
300 kGy 100
표 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 전자선의 조사선량은 사용하는 수지의 종류에 따라서 다르고, 광개시제를 포함하는 수지(비스페닐 A/방사선 개시제 2 wt%)의 경우, 전자선 조사량이 0 ~ 100 kGy인 경우, 겔 함량이 75.2 ~ 98.1%로 나타났고, 전자선 조사량이 150 kGy 이상인 경우, 겔 함량이 100%로 나타났다. 이는 조사선량이 150 kGy 미만인 경우, 복합재의 경화가 완전히 이루어지지 않는 문제점이 있고, 조사선량이 300 kGy를 초과하는 경우, 이에 따른 장점이 없는 것으로 확인되었다.
또한, 광개시제가 포함되지 않은 수지(에폭시 아크릴레이트)의 경우, 전자선 조사량이 0 ~ 10 kGy인 경우, 겔 함량이 92.3 ~ 98.8%로 나타났고, 전자선 조사량이 25 kGy이상인 경우, 겔 함량이 100%로 나타났다. 이는 전자선 조사량이 50 kGy 미만인 경우, 복합재의 경화가 완전히 이루어지지 않는 문제점이 있고, 조사선량이 100 kGy를 초과하는 경우, 이에 따른 장점이 없는 것으로 확인되었다.
< 실험예 2> 탄소섬유 강화 복합재의 굴곡강도 측정
인스트론(Instron) 사의 만능재료시험기 4484를 사용하여 ASTM D790의 방법으로 25 ℃의 온도와 습도 40%의 조건 하에서 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 탄소섬유 강화 복합재의 굴곡강도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 3 및 도 5에 나타내었다.
굴곡강도(MPa)
실시예 1 626.7
실시예 2 650.7
비교예 1 530.6
표 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 방사선을 조사한 탄소섬유 복합재의 경우, 626.7 MPa 및 650.7 MPa로 방사선을 조사하지 않은 탄소섬유 복합재보다 굴곡강도가 약 20% 우수한 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 탄소섬유 복합재는 제조시간을 줄여줄 뿐만 아니라, 굴곡 강도가 증가함으로써 잘 부러지지 않는 장점이 있어 풍력 블레이드용 복합재료 유용하게 이용될 수 있다.
< 실험예 2> 탄소섬유 강화 복합재의 인장강도 측정
인스트론(Instron) 사의 만능재료시험기 4484를 사용하여 ASTM D 7205의 방법으로 25 ℃의 온도와 습도 40%의 조건 하에서 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조 된 탄소섬유 강화 복합재의 인장강도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 4 및 도 6에 나타내었다.
인장강도(MPa)
실시예 1 370.9
실시예 2 444.2
비교예 1 421.2
표 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 방사선을 조사한 탄소섬유 복합재의 경우, 실시예 1의 탄소섬유 복합재는 370.9 MPa로 나타났으나, 실시예 2의 탄소섬유 복합재는 444.2 MPa로 방사선을 조사하지 않은 탄소섬유 복합재보다 인장강도가 우수한 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 탄소섬유 복합재는 제조시간을 줄여줄 뿐만 아니라, 인장 강도가 증가함으로써 잘 부러지지 않는 장점이 있어 풍력 블레이드용 복합재료 유용하게 이용될 수 있다.
< 실시예 3> 전자선을 조사한 탄소섬유 복합재를 이용한 섬유강화플라스틱 풍력 블레이드 제조
풍력 블레이드 몰드에 직물 섬유를 직물 섬유의 기계적 특성에 따라 3층 내지 30층으로 적층한다. 이때, 발전기와 체결되는 부분은 로드가 크게 걸림으로 적층 섬유의 개수가 증가할 수 있다.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 주입을 위하여 진공 필름을 이용하여 성형체를 밀봉하고 진공 펌프 등을 사용하여 성형체 내부를 진공상태로 만들어 수지 주입 준비를 한다. 상기 실시예 1의 광개시제가 혼합된 에폭시 수지 또는 실시예 2의 전자선 경화형 수지를 이용하여 성형체를 수지 함침 시킨다.
수지 함침이 완료된 성형체를 전자선을 이용하여 경화시킨 후, 이때 수지의 종류에 따라 조사량이 결정되며 광개시제가 혼합된 에폭시 수지의 경우, 300 kGy, 에폭시 아크릴레이트 수지의 경우 100 kGy를 조사한다. 조사시 성형체 전면에 전자선이 고르게 조사될 수 있도록 성형체를 적절한 시스템을 이용하여 왕복 운동시킨다. 왕복 운동을 위한 적절한 시스템의 예를 도 7에 나타내었다. 경화가 완료되면 몰드로부터 성형체를 분리하여 조립하고 도장하여 제품을 완성하였다.

Claims (13)

  1. 풍력 발전기용 블레이드 몰드에 섬유를 적층하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 성형체에 수지를 주입하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2의 성형체에 방사선을 조사하여 경화시키는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3의 경화가 완료된 몰드로부터 성형체를 분리하는 단계(단계 4)를 포함하여 제조되되,
    상기 섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 섬유이고,
    상기 수지는 비스페놀-A 또는 에폭시 아크릴레이트이고,
    상기 방사선은 상기 수지의 종류에 따라, 수지가 비스페놀-A인 경우에는 150 kGy 이상, 수지가 에폭시 아크릴레이트인 경우에는 20 kGy 이상의 조사선량으로 조사하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 블레이드용 섬유강화 복합재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계 1의 섬유는 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 섬유는 탄소섬유와 유리섬유의 복합 형태, 탄소섬유와 아라미드 섬유의 복합 형태 또는 유리섬유와 아라미드 섬유의 복합형태인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 적층높이는 2 ~ 10 mm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 방사선은 감마선, 전자선, 이온빔, 중성자선 및 UV로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 방사선은 전자선인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 방사선은 고르게 조사될 수 있도록 왕복운동을 하는 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  12. 제1항의 제조방법으로 제조된 블레이드용 섬유강화 복합재.
  13. 제12항의 복합재를 이용한 풍력 발전기용 블레이드.
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