KR101375592B1 - 탄소 섬유 번들들의 함침 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 방법은 함침된 섬유 번들들이 서로 들러붙지 않으면서 탄소 섬유 번들들이 경화가능한 액체 수지로 함침될 수 있도록 한다. 이는 함침동안 섬유 번들들이 기계적으로 발생된 유동층 내에 존재하고 수지가 경화되거나 적어도 건조될 때까지 이 유동층 내에 유지됨으로써 달성된다.

Description

탄소 섬유 번들들의 함침 방법{PROCESS FOR THE IMPREGNATION OF CARBON FIBER BUNDLES}

본 발명은 경화가능한(curable) 액체 수지를 사용한 탄소 섬유 번들의 함침(impregnation) 방법에 관한 것이다.

탄소 섬유 강화된 탄화규소(C/SiC)는 탄소 섬유들이 내부에 끼워넣어진 탄소 매트릭스를 포함하는 중간체(intermediate body)를 규소화(silicization)하여 제조한다. 이 때, 탄소 섬유들 및 침투된 규소 간에 직접적인 접촉을 피하는 것은 절대적으로 필수적인데, 접촉을 피하지 않으면 탄소 섬유들이 이들의 강화 작용을 잃고 탄화규소로 변하기 때문이다. 중간체 내 탄소 섬유들 또는 섬유 번들들을 "새크리피셜 탄소(sacrificial carbon)"의 조밀한 외피(dense envelope)로 둘러쌈으로써 또는 섬유 번들들 내의 빈 공간(hollow space)을 새크리피셜 탄소로 충전시킴으로써 이를 피할 수 있다. 새크리피셜 탄소는 규소가 탄소 섬유들에 침투할 수 있기 전에 탄소 매트릭스와 반응하지 않은 규소와 결합한다.

탄화가능한 함침제(carbonizable impregnant)로 다중 함침(multiple impregnation) 후 탄화(carbonization) 함으로써 탄소 섬유들에 다층 탄소 외피가 제공된, 짧은 탄소 섬유들(특히, 그래파이트 섬유들)로 강화되고 탄화규소 및 또한 원소성(elemental) 탄소 및 규소를 포함하는 매트릭스를 갖는 복합재(composite)의 제조 방법이 유럽 특허 명세서 EP 0 864 548(US 6,030,913에 대응)에 공지되어 있다. 이는 다음 단계를 포함한다:

a) 고강도 그래파이트 섬유들 및 탄화가능한 수지를 포함하는 두 층 이상의 프리프레그(prepreg)를 함께 가압하고(pressing) 상기 함께 가압함으로써 얻어진 몸체(body)를 경화(curing)하는 단계,

b) 처리 단계 a)에서 얻어진 몸체를 탄화하는 단계,

c) 처리 단계 b)에서 얻어진 다공체(porous body)를 탄화가능한 함침제로 1회 이상 함침한 후 상기 함침된 몸체를 탄화하는 단계,

d) 처리 단계 c)에서 얻어진 몸체를 그래파이트화하는 단계,

e) 처리 단계 d)에서 얻어진 그래파이트 몸체를 분쇄(comminution)하는 단계,

f) 처리 단계 e)에서 얻어진 밀링된(milled) 물질의 적어도 일부를 합성 수지, 피치(pitch), 합성 수지 및 피치의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터의 탄소-함유 바인더와 혼합하는 단계,

g) 처리 단계 f)에서 얻어진 혼합물을 압력 몰딩(pressure molding) 및 경화하는 단계,

h) 처리 단계 g)에서 얻어진 성형체(shaped body)를 탄화(carbonization)하는 단계,

i) 처리 단계 h)에서 얻어진 다공체에 액체 규소를 침투시키고, 상기 몸체 내에 존재하는 짧은 그래파이트 섬유를 유지하면서 상기 몸체의 탄소 매트릭스를 탄화규소로 전환시키는 단계.

단계 a)에서, 탄소 섬유 및 수지를 포함하는 시트들("층들")가 먼저 제조된다. 이러한 "층들"은 직포(woven fabric)와 같은 텍스타일 시트(textile sheet)들이다. 이어서, 몸체가 이들 시트들로부터 제조되고 다양하게(multiply) 함침 및 탄화된다. 이 몸체는 탄소 외피가 제공되어 있는 짧은 탄소 섬유들의 제조 시의 중간체일 뿐이다; 이들 짧은 탄소 섬유들은 이 몸체를 분쇄(밀링)함으로써 얻어진다. 이어서, 밀링된 물질 및 탄화가능한 매트릭스 형성제(former)(단계 f)에서 바인더라고도 함)로부터 몰딩 조성물을 제조하고, 이 몰딩 조성물로부터 규소화될 몸체를 형성한다.

상기된 방법은 함침될 탄소 섬유로부터 먼저 몸체를 제조하고 이 몸체를 함침 및 탄화 후에 다시 분쇄하여 규소화를 견딜 탄소 외피로 코팅된 짧은 섬유 번들을 얻어야만 하므로 비교적 복잡하다. 따라서, 몸체의 제조를 통한 간접적인 경로 없이 이러한 탄소 외피를 직접적으로 갖는 탄소 섬유들의 짧은 섬유 번들들을 제공하는 것을 가능하게 하는 방법이 필요하다.

탄소 섬유 번들들이 함침제, 예를 들어 수지로 함침되면, 함침제가 이들 표면에 부착한 결과로서 함침된 번들들이 서로 들러붙는 것을 막는 것은 불가능하다. 따라서, 얻어지는 것은 개별적인 함침된 번들들이 아니라 개별 섬유 번들들로 다시 쉽게 부서질 수 없는 섬유들의 덩어리-형 수지-함침된 축적물(accumulation)이다. 축적물은 경화 또는 탄화 후에만 부서질 수 있지만, 이를 통해 섬유 번들들에 대한 손상이 일어날 것이다.

본 발명은 함침된 섬유 번들들이 서로 들러붙지 않도록 하면서 탄소 섬유 번들들을 경화가능한 액체 수지로 함침시키는 것이 가능하도록 하는 방법을 제공한다. 이는 함침동안 기계적으로 생성된 유동층(fluidized bed) 내에 존재하고, 수지가 경화되거나 적어도 건조되어 번들들이 더 이상 서로 들러붙지 않을 수 있을 때까지 이러한 유동층 내에 유지되는 섬유 번들들에 의해 달성된다.

본 발명과 관련하여 기계적으로 생성된 유동층 하에서 이해되어야 하는 것을 이하에서 설명한다. 유동층은 느슨한(loose) 물질을 통해 최하부로부터 흐르고 이를 통해 느슨한 물질을 부유물(suspension)로 유지하는 가스 스트림에 의해 일반적으로 생성된다. 이를 위해, 가스의 유속(flow velocity)은 특정 임계값(유동화점(fluidization point))을 초과해야 한다. 이 임계값은 특히 밀도, 크기, 느슨한 물질의 입자들의 분포 및 형태, 및 장치의 치수에 따라 좌우된다. 유동층 내에서, 느슨한 물질은 끓는 액체와 유사하게 행동하며, 입자들은 연속적으로 거칠게 상하로 움직인다. 따라서, 유동층 내에서 입자들 간에 특별히 강한 열 및 질량 이동(transfer)이 일어난다.

그러나, 탄소 섬유 번들들은 이런 식으로 제조된 유동층 내에서 서로 맞물리는(intermesh) 경향이 있으며, 이에 의해 가스 스트림이 흐르는(flow) 비교적 큰 응집 페이스트가 형성된다.

그러나, 혼합 건조기(mixing dryer)의 블레이드와 같은 기계적 혼합 툴은 섬유 번들들이 서로 맞물리지 않고 함침될 수 있는 유동층을 생성할 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 방법은 액체 형태로 존재하며 경화 가능한 모든 수지들을 사용하여 실시될 수 있다. 특히, 탄화가능한, 즉 비산화성 조건 하에서 가열시 탄소로 본질적으로 구성되는 잔류물을 형성하는 수지, 예를 들어 페놀 수지 및 다른 열경화성수지(thermoset)가 사용된다.

본 발명의 목적을 위하여, 탄소 섬유는 출발 물질에 상관없이 모든 타입의 탄소 섬유들이지만, 폴리아크릴로니트릴, 피치 및 셀룰로스 섬유들이 출발 물질로서 가장 널리 사용된다.

바람직하게는 본 발명의 방법에 사용되는 섬유 번들에서, 탄화된 바인더는 탄소 섬유들을 함께 유지한다. 탄화된 바인더는 유동층 내에 함침시 섬유 번들들이 붕괴(disintegrating)되는 것을 막는다. 바인더의 탄화시 발생하는 부피 감소로 인해, 섬유 번들들은 비교적 세공-개방되고(open-pored), 따라서 비교적 다량의 수지를 취할(take up) 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 얻어질 수 있는 함침된 섬유 번들 중의 수지 함량은 섬유 번들의 초기 질량의 35 % 이하일 수 있다.

정의된 길이, 폭 및 두께를 가지고 탄화된 바인더에 의해 함께 유지되는 평행한(parallel) 탄소 섬유들을 포함하는 섬유 번들의 적합한 제조 방법은 유럽 특허 출원 EP 1 645 671 (US 2006076699에 대응)에 개시되어 있다.

이 방법의 제 1 변형예는 다음 단계들을 포함한다:

· 프리프레그를 얻기 위해 복수의 평행한 탄소 섬유 필라멘트들을 포함하는 하나 이상의 조방사(roving)를 탄화가능한 바인더로 함침시키는 단계;

· 평행한 필라멘트들[단일지향성 라미네이트(unidirectional laminate), 이하 UD 라미네이트라 함]을 포함하고 정의된 두께를 갖는 라미네이트 시트를 형성하기 위하여 하나 이상의 함침된 조방사 또는 복수의 평행한 함침된 조방사를 압착하고, 이와 함께 열처리에 의해 바인더를 경화시켜 정의된 두께의 치수적으로 안정한 라미네이트 시트를 얻는 단계;

· 상기 바인더를 UD 라미네이트 시트 내에서 탄화하는 단계; 및

· 정의된 폭 및 길이의 단편(segment)들(섬유 번들들)을 얻기 위해 개별 밴드들로 분리되었을 수 있는 상기 UD 라미네이트 시트를 절단하는 단계.

본 방법의 제 2 변형예는 다음 단계들을 포함한다:

· 프리프레그를 얻기 위해 복수의 평행한 탄소 섬유 필라멘트들을 포함하는 하나 이상의 조방사(roving)를 탄화가능한 바인더로 함침시키는 단계;

· 평행한 필라멘트들(단일지향성 라미네이트, 이하 UD 라미네이트라 함)을 포함하고 정의된 두께를 갖는 라미네이트 시트를 형성하기 위하여 하나 이상의 함침된 조방사 또는 복수의 평행한 함침된 조방사를 압착하고, 이와 함께 열처리에 의해 바인더를 경화시켜 정의된 두께의 치수적으로 안정한 라미네이트 시트를 얻는 단계;

· 정의된 폭 및 길이의 단편들(섬유 번들들)을 얻기 위해 개별 밴드들로 분 리되었을 수 있는 상기 UD 라미네이트 시트를 절단하는 단계; 및

· 상기 바인더를 섬유 번들들 내에서 탄화하는 단계.

조방사는 바람직하게는 평면에서 서로 나란히 있는 섬유들의 평행한 배치에 도움이 되도록 함침 전에 펼쳐진다(fanned out).

프리프레그 상태에 있는 라미네이트(laminate)의 바인더 함량은 25 내지 48 질량%이며, 선택된 함침 조건에 따라 좌우된다. 프리프레그는 200 내지 500 g/cm² 의 단위 면적 당 질량을 갖는다.

나란히 배치된 하나 이상의 함침된 조방사 형태의 프리프레그는 롤러, 캘린더(calender), 벨트 프레스 또는 다른 적합한 연속 가압 장치를 통과한다. 이러한 가압 장치에서, 과도한 바인더는 갭 폭이 감소되는 일련으로 배치되어 있는 롤러들 사이의 복수의 갭들에 의해 조방사에서 짜내는 것이 바람직하다. 각 조방사가 본질적으로 평행한 필라멘트들을 갖는 셋 이하의 포개진 섬유 층들, 바람직하게는 단 하나의 섬유 단일층을 포함하는 정도까지 조방사는 편평하게 가압된다. 프리프레그의 가압은 고온 상태(200 ℃ 이하의 온도)에서 실시되어, 탄화가능한 바인더가 완전히 경화되거나 적어도 치수적으로 안정한 조방사가 얻어지는 정도까지 경화된다. 경화된 바인더에 의해 결합된 이 편평한 조방사는 가압 장치 내에서 냉각되는 것이 바람직하다. 연속 가압 장치를 지난 후, 평행한 필라멘트들(단일지향성 라미네이트, 이하 "UD 라미네이트"라 함)을 포함하고 0.15 내지 0.4 mm의 두께를 갖는 편평한 라미네이트 시트가 얻어진다. 제 1의 처리 변형예에서, 라미네이트 시트 내 탄화가능한 바인더는 탄화된다. 탄화는 비산화성 조건 하에서, 즉 보호 가스 대기 하에서 800 내지 1000 ℃로 가열함으로써 공지된 방법으로 실시된다. 탄화는 바람직하게는 900 ℃의 온도에서 연속적으로 실시되는 것이 바람직하다, 즉 라미네이트 시트는 탄화 로(carbonization furnace)를 통과한다. 탄화에 필요한 체류 시간(residence time)이 얻어지도록 라미네이트 시트의 진행 속도(advance rate) 및 로의 치수는 서로 조화되어야 한다.

라미네이트 시트는 필요하다면 취급을 돕기 위해 20 내지 60 mm의 폭을 갖는 밴드로 나뉠 수 있다.

이어서, 이들 밴드-형 UD 라미네이트는 그 폭이 섬유 번들의 원하는 폭에 대응하는 스트립으로 길이방향으로 절단된다. 절단은 절단 롤러(cutting roller) 또는 나란히 배치된 복수의 절단 롤러들에 의해 실시되는 것이 바람직하다. 아직 완전히 경화되지 않은 상태의 라미네이트 시트 또는 밴드들을 밴드의 경로를 가로질러 스트레칭된 와이어들을 사용하여 스트립들로 절단하는 것도 가능하다. 스트립들은 바람직하게는 연속적으로 작동된 소정 길이로 절단하기 위한 장치에 직접적으로 공급되며 원하는 길이의 단편들(섬유 번들들)로 절단된다. 그러나, 스트립들의 절단으로 분리되고 상이한 속도로 작동하는 처리에서 소정 길이로 절단하는 것도 가능하다. 이러한 목적으로, 선택된 폭으로 절단된 스트립을 스풀(spool) 상에 감고 소정 길이로 절단하기 위한 장치로 운반한다. 블레이드 롤러로 스트립을 원하는 길이로 연속 절단하는 것이 바람직하다.

이런 식으로 얻어진 섬유 번들들은 정의되고 균일한 길이, 폭 및 두께를 갖 는다. 번들 두께, 즉 섬유들의 포개진 층들의 수는 라미네이트 시트를 형성하기 위해 조방사를 가압하는 동안 설정된다. 번들 폭, 즉 섬유 방향에 수직이고 서로 나란한 평행한 섬유들의 수에 의해 결정되는 치수는 스트립들을 얻기 위해 라미네이트 시트 또는 밴드들을 길이방향으로 절단할 때 설정된다. 번들 길이, 즉 섬유 방향의 치수는 단편들(섬유 번들들)을 얻기 위해 스트립들의 길이로 절단함으로써 설정된다.

다음의 치수들을 갖는 번들들이 일반적으로 제조된다: 0.15 내지 0.4 mm 범위의 두께, 6 내지 10 mm 범위의 길이 및 0.5 내지 3.5 mm 범위의 폭. 이런 방식으로 제조된 섬유 번들들의 90 % 이상은 평균 길이의 90 내지 110 % 범위의 길이 및 평균 폭의 90 내지 110 % 범위의 폭을 갖는다.

제 2의 처리 변형예에서, 섬유 번들 내의 탄화가능한 바인더는 번들을 비산화성 조건(보호 가스 대기) 하에서 800 내지 1000 ℃, 바람직하게는 900 ℃로 가열함으로써 탄화된다.

제 1 또는 제 2 처리 변형예에 의해 제조된 탄화된 바인더에 의해 함께 유지된 평행한 탄소 섬유들을 포함하는 섬유 번들들은 함침의 목적으로 기계적으로 생성된 유동층에 제공되고(subjected) 이 상태에서 함침 수지의 경화 또는 건조에 충분한 온도로 예비가열된다. 이 온도는 일반적으로 130 내지 150 ℃, 많아야 200 ℃ 범위이다. 함침 수지를 첨가한 후, 수지가 경화되거나 적어도 건조되어 섬유 번들들이 더 이상 서로 들러붙을 수 없을 때까지 섬유 번들들은 유동층 내에 유지된다.

유동층을 생성하기 위해, 예를 들어 블레이드가 구비된 가열가능한 혼합 건 조기를 사용할 수 있다. 섬유 번들들에 대한 손상을 피하기 위해 번들들은 비교적 낮은 회전 속도에서 수지의 경화 또는 건조 온도로 예비가열되는 것이 바람직하다. 액체 수지는 유동층 내에 분무되거나 혼합기 상에 제공된 계량 포트(metering port)에 의해 도입된다. 첨가된 수지의 양은 함침된 섬유 번들들 중의 원하는 수지 함량에 따라 좌우된다. 본 발명의 함침 방법에 의해 섬유 번들들 내에 섬유 번들들의 초기 질량의 35 질량% 이하의 수지 함량이 얻어질 수 있다.

회전 속도는 바람직하게는 수지를 첨가하는 동안 잠시 증가시키고 강한 혼합의 짧은 단계(short phase) 후에 다시 감소시킨다. 탄화된 바인더에 의해 함께 유지된 섬유 번들들의 낮은 벌크 밀도(bulk density)(180 내지 280 kg/㎥)로 인해, 비교적 낮은 회전 속도(및 따라서 낮은 전단력(shear force))에서도 섬유 번들들 및 함침 수지의 강한 삼차원 혼합이 가능하다. 따라서, 유동층 내에서 과도하게 높은 전단력에 의해 섬유 번들들이 손상되는 것을 피할 수 있다.

분당 30 내지 60회 회전의 회전 속도가 가열 단계(heating-up phase) 및 건조 단계(drying phase)에 특히 적합한 것으로 밝혀졌으며, 혼합 단계(mixing phase) 동안 분당 100회 회전 이하까지 잠시동안 증가될 수 있다. 상기 처리가 무차원의 프루드 수(dimensionless Froude number)[중력에 대한 관성력(inertial force)의 비이며, 혼합기의 직경 및 회전 속도(rotational speed)의 제곱에 비례)를 특징으로 하는 경우, 바람직한 절차는 다음과 같다: 1 보다 작은 프루드 수에서 섬유 번들들의 예비가열 및 건조, 프루드 수를 1.5 내지 4 범위, 바람직하게는 2.5 를 넘지 않는 값으로 잠시동안 증가시키면서 함침 수지를 첨가 및 혼합(mixing- in).

유동층 내 섬유 번들들의 예비가열은 일반적으로 5 내지 10분(처음 온도 및 표적 온도)에 걸쳐 실시되며, 증가된 회전 속도에서의 함침 수지의 혼합은 일반적으로 1 내지 3분 및 5분 이하가 걸리며, 함침된 섬유 번들들의 경화 또는 건조는 일반적으로 5분 이하가 걸린다.

가열(heating-up) 시간을 줄이고 섬유 번들 상의 스트레스를 피하기 위하여, 가열은 높은 가열 속도로 실시되어야 한다.

물질의 부착을 피하기 위해, 혼합기의 내벽 및 블레이드는 이형제(release agent)로 처리될 수 있다.

유동층 내에 공급된 수지는 섬유 번들에 의해 실질적으로 정량적으로 취해진다. 섬유 번들들의 초기 질량의 30 % 이하, 바람직하게는 35 % 이하의 수지 함량을 갖는 함침된 섬유 번들들을 제조할 수 있다. 함침 수지는 번들 내 탄소 섬유들을 둘러싸고 탄화가능한 바인더의 열분해동안 형성된 빈 공간을 채운다. 이는 섬유 번들들을 기계적으로 안정화한다. 번들들 내에서 섬유들은 경화된 함침 수지에 의해 함께 유지되어 추가적인 가공동안 번들들이 붕괴될 수 없고 섬유들은 번들들 내에서 이들의 평행한 공간 배치로 고정된다.

함침된 섬유 번들들은 따를(pour) 수 있으며 자유-유동하고(free-flowing), 다른 성분들과 쉽게 혼합되어 비교적 균질한 몰딩 조성물을 얻을 수 있다. 서로에대해 나란히 위치된 평행한 섬유들을 함께 유지하는 섬유 번들들 내에서 바인더가 경화된 결과, 섬유 번들들은 몰딩 조성물 내에 혼합시 흩어지지 않는다. 이는 몰딩 조성물 내 섬유 번들들이 상당히 균일한 정의된 길이, 폭 및 두께를 갖는 것을 보장한다.

몰딩 조성물은 일반적으로 본 발명에 따른 함침된 섬유 번들들에 추가하여 탄화가능한 매트릭스 형성제를 포함한다. 본 발명의 목적을 위하여, 탄화가능한 매트릭스 형성제는 가열시에 탄소로 필수적으로 구성되는 열분해 잔류물을 형성하는 탄소-함유 중합체 물질, 예를 들어 수지이다. 탄화가능한 매트릭스 형성제는 부서지기 쉬운 건조 수지로서 또는 습윤한 수지로서 존재할 수 있다. 패놀성 수지는 매트릭스 형성제로서 특히 적합하다. 몰딩 조성물 내 섬유 번들들의 질량 비율은 70 내지 80 %이다. 필요시, 마찰학적 특성을 증진시키기 위한 탄화규소와 같은 보조제 및 유리 형성에 의해 산소에 노출시 산화성 공격을 저해하는 탄화지르코늄, 탄화탄탈륨 또는 붕소화탄탈륨과 같은 산화 저해제를 몰딩 조성물 내에 혼합시킬 수 있다. 몰딩 조성물 내 보조제의 총 질량 비율은 10 % 이하이다.

본 발명에 따라 함침된 탄소 섬유 번들들, 탄화가능한 매트릭스 형성제 및 적절하다면 보조제들을 포함하는 몰딩 조성물은 후속적으로 탄화 또는 탄화 및 그래파이트화되어 탄소 섬유 강화 탄소 매트릭스를 갖는 성형체가 되는 미가공체(green body)를 제조하기 위해 사용될 수 있다.

이들 성형체는 적절하다면 연이은 탄화를 이용한 재-함침 및/또는 탄소 증기 침투에 의한 재-치밀화(re-densification) 후에 곧바로 사용될 수 있다. 그러나, 섬유 번들들이 유동층 내 함침에 의해 이미 치밀화되었기 때문에, 본 발명에 따라 함침된 섬유 번들들을 사용하여 제조된 탄소 섬유 강화 탄소체들에 대해서는 섬유 번들들이 함침되지 않은 탄소체에 대해서보다 후-치밀화(after-densification)의 필요성이 덜하다.

선택적으로, 탄소 섬유 강화 탄소 매트릭스를 갖는 성형체들이 탄소 섬유 강화된 탄화규소(C/SiC) 제조용 중간체로서 사용될 수 있다. 이들 중간체에서, 본 발명에 따라 함침된 섬유 번들들 중의 탄소 섬유들은 수지 함침의 탄화 잔류물(carbonization residue) 외피로 둘러싸이고, 따라서 침투된 규소에 의한 반응성 공격에 대해 보호된다. 이를 통해 탄소 섬유의 강화 기능이 규소화 후에도 유지 보장된다. 중간체의 규소화는 액체 규소를 사용한 침투에 의해 공지된 방법으로 수행된다.

실시예

탄화된 바인더에 의해 함께 유지된 탄소 섬유들의 번들들을 상기 방법의 제 2 변형예에 따라 제조한다. 즉, 원하는 치수를 갖는 번들들을 원하는 두께로 가압된 라미네이트 시트로부터 절단한 후 900 ℃에서 탄화하였다. 섬유 번들들은 9 mm의 길이, 1 mm의 폭 및 0.2 mm의 두께를 가졌다.

함침은 블레이드들을 구비한 가열가능한 혼합 건조기에서 실시되었다. 섬유 번들들은 0.7 내지 0.8의 프루드 수를 갖는 유동층에 적용되었고 130 ℃의 온도로 예비가열되었다. 5 내지 10 분 후에 이에 도달하였다. 이어서, 액체 페놀성 수지가 섬유 번들들의 초기 질량의 30%의 양으로 도입되었다. 수지를 도입하기 위하여, 프루드 수는 2의 값까지 증가되었고, 1 내지 3분동안 이 높은 값으로 유지되었다. 이어서, 프루드 수는 0.7 내지 0.8까지 다시 감소되었고, 섬유 번들들은 5 내지 7분동안 더 유동층 내에 유지되었다. 이 시간동안, 혼합기는 더이상 가열되지 않아 섬유 번들들이 95 내지 115 ℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있었다.

추가 실험에서, 프루드 수는 다른 점에서는 동일한 조건 하에서 혼합 단계를 위해 4 까지의 값으로 증가되었다.

액체 수지는 언제나 섬유 번들들에 의해 완전히 취해졌다. 건조 후 혼합기로부터 취해진 물질 내에서 섬유 번들들은 서로 들러붙지 않았다. 즉, 자유-유동하는 함침된 섬유 번들들이 얻어졌다. 혼합기 내에 작용하는 전단력에 의한 섬유 번들들의 손상은 관찰되지 않았다.

본 발명에 의하면, 함침된 섬유 번들들이 서로 들러붙지 않으면서 탄소 섬유 번들들이 경화가능한 액체 수지로 함침될 수 있다.

Claims (20)

1. 액체 형태로 존재하는 경화가능한 수지에 탄소 섬유들의 번들들을 함침하는 방법에 있어서,

   함침동안 상기 탄소 섬유 번들들이 기계적으로 생성된 유동층 내에 존재하고, 상기 수지가 경화되거나 적어도 건조되어 상기 탄소 섬유 번들들이 더 이상 서로 들러붙지 않을 때까지 이 유동층 내에 유지되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   ·탄소 섬유 번들들이 함침 수지를 경화 또는 건조시키기에 충분한 온도까지 가열되는 예비가열 단계,

   · 상기 탄소 섬유 번들들에 함침 수지를 첨가하면서 개시되는 혼합 단계,

   · 상기 섬유 번들들 중의 함침 수지가 경화 또는 건조되는 경화 또는 건조 단계를 포함하고,

   여기서 상기 탄소 섬유 번들들이 상기 전체 공정동안 기계적으로 생성된 유동층 내에 유지되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 탄소 섬유 번들들이 130 ℃ 이상 200 ℃ 이하의 온도로 예비가열되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   · 상기 예비가열 단계는 5 내지 10분간 지속되고,

   · 상기 혼합 단계는 1 내지 5분으로 지속되고,

   · 상기 경화 또는 건조 단계는 5분 이상 지속되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 유동층은 혼합 건조기에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 혼합 건조기에 블레이드들이 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   · 상기 혼합 건조기의 회전 속도는 상기 예비가열 단계 동안 그리고 상기 경화 또는 건조 단계동안 30 내지 60 회/분이고,

   · 상기 혼합 건조기의 회전 속도는 상기 혼합 단계동안 100 회/분 까지 증가되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   · 상기 예비 가열 단계동안 그리고 상기 경화 또는 건조 단계동안 프루드 수(Froude number)가 1 미만이고,

   · 상기 혼합 단계동안 프루드 수가 1.5 내지 4까지 증가되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 수지는 페놀성 수지 또는 다른 탄화가능한 수지인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 탄소 섬유 번들들에 의해 취해진 수지의 양은 상기 탄소 섬유 번들들의 초기 질량의 35 % 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    함침되는 상기 섬유 번들들 내의 상기 탄소 섬유들은 탄화된 바인더에 의해 함께 유지되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    탄화된 바인더에 의해 함께 유지되는 탄소 섬유 번들들은,

    · 프리프레그를 얻기 위해 복수의 평행한 탄소 섬유 필라멘트들을 포함하는 하나 이상의 조방사(roving)를 탄화가능한 바인더로 함침시키는 단계;

    · 평행한 필라멘트들[단일지향성 라미네이트(unidirectional laminate), 이하 UD 라미네이트라 함]을 포함하고 정의된 두께를 갖는 라미네이트 시트를 형성하기 위하여 하나 이상의 함침된 조방사 또는 복수의 평행한 함침된 조방사를 압착하고, 이와 함께 열처리에 의해 상기 바인더를 경화시켜 정의된 두께의 치수적으로 안정한 라미네이트 시트를 얻는 단계;

    · 상기 바인더를 상기 UD 라미네이트 시트 내에서 탄화하는 단계; 및

    · 정의된 폭 및 길이의 단편(segment)들(섬유 번들들)을 얻기 위하여 개별 밴드들로 분리되었을 수 있는 상기 UD 라미네이트 시트를 절단하는 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    탄화된 바인더에 의해 함께 유지되는 탄소 섬유 번들들은,

    · 프리프레그를 얻기 위해 복수의 평행한 탄소 섬유 필라멘트들을 포함하는 하나 이상의 조방사(roving)를 탄화가능한 바인더로 함침시키는 단계;

    · 평행한 필라멘트들(단일지향성 라미네이트, 이하 UD 라미네이트라 함)을 포함하고 정의된 두께를 갖는 라미네이트 시트를 형성하기 위하여 하나 이상의 함침된 조방사 또는 복수의 평행한 함침된 조방사를 압착하고, 이와 함께 열처리에 의해 바인더를 경화시켜 정의된 두께의 치수적으로 안정한 라미네이트 시트를 얻는 단계;

    · 정의된 폭 및 길이의 단편들(섬유 번들들)을 얻기 위하여 개별 밴드들로 분리되었을 수 있는 상기 UD 라미네이트 시트를 절단하는 단계;

    · 상기 바인더를 섬유 번들들 내에서 탄화하는 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
14. 제 12 항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 섬유 번들들의 두께는 0.15 내지 0.4 mm 범위의 값으로 설정되고, 상기 섬유 번들들의 길이는 6 내지 15 mm 범위의 값으로 설정되고, 상기 섬유 번들들의 폭은 0.5 내지 3.5 mm 범위의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들들의 함침 방법.
15. 제 1 항의 방법에 의해 수지-함침된 탄소 섬유 번들에 있어서,

    상기 탄소 섬유 번들은 탄화된 바인더에 의해 함께 유지되는 평행한 탄소 섬유들을 포함하고,

    바인더의 탄화로 형성된 공극(pore)들이 경화된 함침 수지로 충전되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 번들의 두께는 0.15 내지 0.4 mm 범위의 값으로 설정되고, 상기 번들의 길이는 6 내지 15 mm 범위의 값으로 설정되고, 상기 번들의 폭은 0.5 내지 3.5 mm 범위의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 수지는 페놀성 수지 또는 다른 탄화가능한 수지인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 탄소 섬유 번들에 의해 취해진 수지의 양은 상기 탄소 섬유 번들의 초기 질량의 35 % 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 탄소 섬유 번들은 강화된 탄소 매트릭스를 포함하는 성형체를 제조하기 위한 것인 탄소 섬유 번들.
20. 제 17 항에 있어서,

    상기 탄소 섬유 번들은 규소화용 중간체를 제조하기 위한 것이며, 상기 중간체가 탄소 섬유 번들들로 강화된 탄소 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 번들.