KR101294134B1 - 복잡한 형상을 가진 섬유강화 플라스틱 성형방법 - Google Patents
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Abstract
복잡한 형상을 가진 섬유강화 플라스틱의 성형방법이 개시된다. 상기 섬유강화 플라스틱 성형방법은 프리프레그 및 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트를 금형에 적층시키는 단계 및 상기 금형에 열과 압력을 가하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트는 상기 프리프레그 일면 또는 양면에 위치하며, 상기 프리프레그는 보강섬유 직물, 일방향 보강섬유, 보강섬유 매트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 보강섬유에 수지가 함침되는 것이 바람직하다.
섬유강화 플라스틱, 프리프레그, 보강섬유, 압축성형공정, 겔화, 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트
Description
도 1은 통상적인 압축성형 공정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트가 적층된 프리프레그의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트가 적층된 프리프레그의 성형을 위한 성형장치의 단면도.
본 발명은 섬유강화 플라스틱의 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복잡한 형상을 가진 섬유강화 플라스틱의 성형방법에 관한 것이다.
섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic; FRP)은 플라스틱에 섬유와 같은 강화재를 복합시켜, 기계적 강도와 내열성을 좋게 한 플라스틱으로, 섬유보강수 지 또는 강화 플라스틱이라고 한다. 상기 보강재로는, 유리섬유, 탄소섬유, 케블라(kevlar, 미국 뒤퐁사의 상품명)와 같은 방향족 나일론 섬유가 사용되고, 플라스틱으로는, 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지가 사용되고 있다. 높은 비강도(strength-weight ratio)를 갖는 섬유강화 플라스틱은 낚싯대, 골프채와 같은 스포츠 레저용 소형 구조물은 물론, 풍력 발전기용 블레이드, 항공기 기재 등 대형 구조물에도 널리 이용되고 있다.
섬유강화 플라스틱의 제조 및 성형 방법은, 사용 기재에 따라 달라지는데, 플라스틱 재료가 열경화성 수지, 열가소성 수지일 경우, 또는 금속이나 세라믹일 경우, 각각 최상의 기계적 성질과 경제성을 얻기 위하여 상이한 공정이 사용되고 있다. 이러한 섬유강화 플라스틱의 성형방법으로는, 압축(compression) 성형법, 오토클레이브(autoclave) 성형법, 필라멘트 와인딩 성형법, 인발(pultrusion) 성형법, 열프레스 성형법, 오픈 몰드(open mold) 성형법 등이 있다. 상기 성형 방법 중 시트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound; SMC) 성형법과 벌크 몰딩 컴파운드(Bulk Molding Compound; BMC) 성형법을 포함하는 압축 성형법은 대량생산을 위해 널리 사용되는 성형법이며, 도 1은 통상적인 SMC 압축성형 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 금형은 고정된 부분(1)과 움직이는 부분(2)로 나누어지며, 상기 압축성형 공정은 장입준비와 배치, 금형의 닫힘, 및 경화의 기본적인 세 단계로 이루어진다. 상기 가열된 금형(1, 2) 내에 위치시키는 시트 몰딩 컴 파운드 플라이를 장입제(3)라고 한다. 장입제(3)는 원하는 모양과 크기로 절단되어 적층되고, 통상적으로 정사각형의 모양이 자주 사용되며, 원형, 타원형 또는 다른 모양일 수 있다. 금형(1, 2)에 장입제(3)가 놓이면, 상부의 금형(2)이 내려와 닫히게 되는데, 닫힘 속도가 너무 느리면 금형(1, 2) 내부가 모두 장입제(3)로 채워지기 전에 표면이 겔화가 될 수가 있고, 닫힘 속도가 너무 빠르면 금형(1, 2) 내에 공기가 포집될 수 있다. 이후 경화 시 프레스로 약 1 내지 40MPa로 가압하고, 금형(1, 2)을 120 내지 180℃로 가열하여 제품을 생산한다. 이와 같이 고압을 이용하는 압축성형 공정은 고가의 금형 및 프레스가 사용되지만, 성형이 1 내지 15분의 단시간에 이루어지므로, 대량생산에 적합하다. 하지만, 압축성형 공정은 높은 온도와 짧은 성형시간으로 인하여 열경화성 수지의 점도가 빨리 증가되고, 흐름성이 저하되기 때문에, 복잡한 형상을 갖는 제품 제조에는 적합하지 못한 문제점이 있다. 즉, 수지가 제품 중 굴곡이 심한 곳까지 도달하지 못하고, 흐르는 중 경화되어, 표면이 불균일해지기 때문에, 이를 해결하기 위한 추가 공정을 필요로 한다. 또한, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 성형 온도를 낮추고, 성형 시간을 증가시키는 방법이 시도되었으나, 이 경우 생산성이 저하되는 또 다른 문제점이 발생한다.
따라서 본 발명의 목적은 성형품의 표면도 및 도장성이 향상된 섬유강화 플라스틱 성형방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단하고, 대량생산이 가능한 섬유강화 플라스틱 성형방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프리프레그 및 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트를 금형에 적층시키는 단계 및 상기 금형에 열과 압력을 가하는 단계를 포함하는 섬유강화 플라스틱 성형방법을 제공한다. 여기서, 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트는 상기 프리프레그 일면 또는 양면에 위치하며, 상기 프리프레그는 보강섬유 직물, 일방향 보강섬유, 보강섬유 매트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 보강섬유에 수지가 함침되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 성형방법을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트가 적층된 프리프레그의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트가 적층된 프리프레그의 성형을 위한 성형장치의 단면도이다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라 스틱 성형방법은 프리프레그(Prepreg)(14, 15) 및 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Glycol modified Polyethylene Terephthalate; PETG) 시트(16)를 금형(21, 23)에 적층시키는 단계 및 상기 금형(21, 23)에 열과 압력을 가하는 단계를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 성형방법은, 복잡한 형상의 섬유강화 플라스틱 제조를 위하여, 보강섬유와 수지가 함께 결합되어 있는 단일 소재인 프리프레그(14, 15) 및 상기 프리프레그(14, 15) 일면 또는 양면에 경화에 참여하지 않는 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 시트(16)를 함께 적층시킨 후, 성형하는 방법이다.
본 발명에서 사용되는 프리프레그(14, 15)는 프리임프레그네이티드 매터리얼스(Preimpregnated Materials)의 약어로 결합재(Matrix)를 보강섬유에 미리 함침 또는 가공시킨 쉬트(Sheet) 형태의 제품으로서, 골프채, 양궁, 스키, 서핑보드, 스포츠 보호장구 등과 같은 각종 스포츠 레저 용품, 자동차 용품, 항공 부품, 산업용 로봇팔, 토목 또는 건축용 보강재 등에 사용된다. 이때 보강섬유로는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합재로는 에폭시, 불포화폴리에스테르, 비닐에스테르 등의 열경화성 수지 폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, ABS, 폴리페닐렌설파이드, 폴리프로필렌 등의 열가소성 수지 또는 이들의 혼합물이 사용된다. 상기프리프레그(14, 15)는 보강섬유 직물에 수지가 함침되어 있는 프리프레그, 일방향 보강섬유에 수지가 함침되어 있는 프리프레그, 및 보강섬유 매트에 수지가 함침되어 있는 프리프레그를 단독으로 사용하거나 이들 중 둘 이상을 함께 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 얇은 유리섬 유 스크림이 부착된 일방향 탄소섬유 프리프레그(14) 및 탄소섬유 직물 프리프레그(15)를 함께 사용하였다. 얇은 유리섬유 스크림이 부착된 제품은 일방향 프리프레그의 취급을 용이하도록 하기 위한 것이다. 일반적으로 일방향 프리프레그는 섬유 배열이 한 방향으로만 되어 있으므로, 재단 후 취급 시에 섬유에 수직한 방향으로 변형이 쉽게 되어 취급에 불편함이 있게 된다. 여기에 얇은 유리섬유가 부착된 제품은 무게 증가가 작으면서, 이러한 취급의 불편함을 없애준다. 상기 프리프레그 중 수지의 함량은 프리프레그 전체 중량의 5 내지 80% 범위 내에서 조절할 수 있으며, 보강섬유의 종류 및 성형방법 등에 따라 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 상기 수지의 함량이 5% 미만인 경우에는, 수지 함량이 지나치게 낮아 프리프레그 제조가 어려운 문제가 있고, 80%를 초과할 경우, 보강섬유의 효과가 적게 발휘되는 문제점이 있다. 또한, 상기 보강섬유의 인장탄성은 1,000 내지 40,000kg/㎟이며, 인장강도는 50 내지 500kg/㎟ 인 것이 바람직하다. 상기 인장탄성 및 인장강도가 각각 1,000kg/㎟ 및 50kg/㎟ 미만인 경우 복합재의 원하는 물성을 구현하기 어렵고, 상기 인장탄성 및 인장강도가 각각 40,000kg/㎟ 및 500kg/㎟를 초과할 경우 보강섬유의 가격인상으로 경제적으로 바람직하지 못하고, 또한 압축성형법으로 제작되는 제품의 특성상 그 이상의 값이 필요하지 않다.
본 발명에서 사용되는 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Glycol modified Polyethylene Terephthalate: PETG) 시트(16)는 성형 시 경화에 참여하지 않는 열가소성 고분자의 한 종류로서, 상기 프리프레그(14, 15) 일면 또는 양면, 즉 상부면 및/또는 하부면에 위치한다. 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이 트(PETG)는 여러 가지 뛰어난 특성으로 인하여 시트(Sheet) 압출, 사출성형, 압출중공성형(EBM), 튜브(Tube) 및 프로파일(Profile) 압출에 적용되고 있는 열가소성 수지로서, 건축용 보호 구조물, 디스플레이, 산업용 부품, 포장용품, 병 등의 제조에 사용될 수 있다. 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG)는 테레프탈산(Terephthalic Acid; TPA)과 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol; EG)을 반응시켜 폴리에스테르(Polyester)를 제조하는 과정에서, 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol; EG)의 일정 함량을 씨클로헥산 디메탄올(Cyclohexane Dimethanol; CHDM)로 대체시켜 제조한 무정형 공중합 폴리에스테르(Polyester)이다. 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트(16)의 씨클로헥산 디메탄올 함유량은 5 내지 80mol%인 것이 바람직하다. 상기 씨클로헥산 디메탄올의 함유량이 5mol% 미만인 경우, 결정화 방지 효과가 미미하여, 성형성, 충격강도, 투명성, 치수 안정성 효과를 기대하기 어렵고, 80mol% 를 초과할 경우, 경제적으로 바람직하지 못하다. 또한, 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트(16)의 두께는 0.1 내지 2㎜인 것이 바람직하며, 상기 두께가 0.1㎜ 미만이면, 원하는 형상의 플라스틱 성형물의 제조가 어려워지고, 2㎜를 초과할 경우 경제적으로 바람직하지 못하다.
즉, 본 발명에 따른 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트를 프리프레그와 함께 사용하여 성형할 경우, 제품의 심한 굴곡이 있는 부위에도 수지가 충분히 흘러 들어갈 수 있으므로, 복잡한 형상의 성형품일지라도 원하는 형태로 성형품을 제작할 수 있고, 제작된 성형품의 표면 거칠기가 개선되기 때문에, 후속 공정이 불필요하게 된다.
본 발명에 따른 섬유강화 플라스틱의 성형은 통상적인 압축성형법으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 120 내지 180℃의 온도, 1 내지 40MPa 의 압력, 1 내지 15분 동안 수행될 수 있다. 상기 압축성형을 위한 장치는 하부에 위치한 고정된 금형(21) 및 상부에 위치하여 상하로 이동되는 금형(23)을 포함한다. 상기 금형(21, 23)은 도 3에 도시된 금형의 형태뿐만 아니라 기타 다양한 형태를 가질 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예 및 비교예에서 사용된 프리프레그 제품으로는 SK케미칼㈜에서 제조되는 것으로, 탄소섬유 직물 프리프레그(WSN 3K)와 단위면적당 중량이 25g/㎡인 얇은 유리섬유 스크림이 부착된 일방향 탄소섬유 프리프레그(USG 1503A)를 사용하였다.상기 프리프레그들은 에폭시 수지를 함침수지로 하고 있으며, 에폭시 수지의 함량은 각각 41% 및 36%이다. 상기 탄소섬유 직물 프리프레그 및 일방향 탄소섬유 프리프레그에 적용된 탄소섬유의 기계적 물성은 인장강도가 450kg/㎟이고, 인장탄성이 24,000kg/㎟이었으며, 일방향 탄소섬유 프리프레그에 부착된 유리섬유의 기계적 물성은 인장강도가 350kg/㎟이고 인장탄성이 7,400kg/㎟이었다.
또한 사용된 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 시트도 SK케미칼 ㈜에서 생산, 판매하고 있는 것(제품명: SKYGREEN PETG S2008)으로서, 이를 0.5㎜ 두께의 시트로 제작하여 사용하였다.
[실시예 1]
유리섬유 스크림이 부착된 일방향 탄소섬유 프리프레그와 탄소섬유 직물 프리프레그를 제작될 성형품의 크기보다 약간 큰 정도로 재단을 하였다. 일방향 탄소섬유 프리프레그를 12층(성형 후 두께: 약 1.8mm) 적층한 후, 탄소섬유 직물 프리프레그(성형 후 두께: 약 0.2mm)를 1층 더 적층시켰다. 다음으로 적층된 프리프레그의 양면(상층면, 하층면)에 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜 시트를 더욱 적층 시킨 후, 60℃로 예열된 압축 성형기의 하부 금형에 위치시켰다. 다음으로, 상부 금형을 덮고, 탄소섬유 직물 프리프레그에 적용된 에폭시 수지를 경화시키기 위해, 180℃의 온도에서, 프레스를 이용하여 1 MPa의 압력으로 15분간 경화시킴으로써, 성형을 완료하였다.
[비교예 1]
글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜 시트를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 성형공정을 수행하였다.
[평가]
실시예 1의 적층재료 성형결과, 복잡한 형태의 성형품임에도 불구하고, 원하 는 형태의 성형품을 얻을 수 있었다. 이는 성형온도에서, 경화에 참여하여 빠른 시간 안에 점도의 증가와 더불어 흐름성이 저하되는 열경화성 수지와는 달리 경화에 참여하지 않는 열가소성 수지인 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 시트가 굴곡이 있는 부분으로 흘러 성형되고, 상온에서 그 형태가 유지되기 때문이다. 즉, 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트를 프리프레그와 함께 성형시킬 경우, 접착능, 도장성, 투명성 등이 우수한 섬유강화 플라스틱의 성형품을 제조 할 수 있음을 알 수 있다.
반면, 비교예 1은 복잡한 형태와 열경화성 수지의 빠른 겔화로 인해 굴곡이 심한 부위까지 수지가 충분히 흐르지 못하고 경화가 이루어져, 원하는 형태의 성형품을 얻지 못하였다. 그 결과, 원하는 형태의 성형품을 얻기 위해서는 연마 및 2차 성형공정을 수행해야한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유강화 플라스틱 성형방법은, 글리콜변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 시트를 추가로 적층하므로, 표면도 개선 및 도장성을 향상시킬 수 있으며, 2차 가공이 불필요하게 되어 제조 공정을 단순화하고 제조원가를 절감할 수 있는 특징이 있다.
Claims (6)
- 프리프레그 및 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트를 금형에 적층시키는 단계, 및상기 금형에 열과 압력을 가하는 단계를 포함하며,상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 반응시켜 폴리에스테르를 제조하는데 있어서, 에틸렌글리콜의 일정 함량을 씨클로헥산 디메탄올로 대체시켜 제조한 무정형 공중합 폴리에스테르로서, 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 씨클로헥산 디메탄올 함유량은 5 내지 80mol%이며,상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트는 상기 프리프레그 일면 또는 양면에 위치하고, 상기 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 시트의 두께는 0.1 내지 2㎜인 것인, 섬유강화 플라스틱 성형방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 프리프레그는 보강섬유 직물, 일방향 보강섬유, 보강섬유 매트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 보강섬유에 수지가 함침된 것인 섬유강화 플라스틱 성형방법.
- 제3항에 있어서, 상기 수지의 함량은 프리프레그 전체 중량의 5 내지 80%이고, 상기 보강섬유의 인장탄성은 1,000 내지 40,000kg/㎟이며, 인장강도는 50 내지 500kg/㎟인 것인 섬유강화 플라스틱 성형방법.
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