KR101389721B1 - 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법 및 장치 - Google Patents
섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
중합 가능한 저용융 점도의 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료의 연속적인 제조 방법 및 장치가 제공된다. 이에 따라 생산 시간을 획기적으로 단축시켜 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 대량으로 생산할 수 있으며, 해당 재료의 범용화를 가능하게 할 수 있다.
Description
본 발명은 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. 상세하게는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 성형함에 있어 공정 시간을 단축할 수 있어 대량 생산에 유리한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지와 환경 문제가 크게 대두되면서, 수송 기기를 중심으로 경량화에 대한 관심이 고조되고 있다. 예를 들면, 자동차의 차체를 탄소 섬유 강화 복합재로 제조할 경우 그 무게를 30% 가량 줄일 수 있으며 이는 연비의 증대와 직결된다. 또한, 향후 10년 혹은 그 이상 급격한 성장세가 예상되는 전기 자동차의 경우 핵심이 되는 이차 전지의 무게가 큰데, 그 무게를 크게 줄이기가 어려운 실정이어서 차체 및 기타 구조물의 경량화가 절실한 상황이다.
섬유 강화 복합 재료 중 탄소 섬유 강화 복합 재료(Carbon fiber reinforced composite material)는 금속 소재보다 가벼운 경량 재료로서, 금속과 유사한 또는 더 높은 강도(Strength), 탄성(Elastic modulus)을 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 우수한 열적 및 화학적 내구성(Thermal and chemical resistance), 전도성(Conductivity)을 가진다. 따라서, 탄소 섬유 강화 복합 재료를 자동차, 우주항공 분야, 산업기기, 스포츠 용품, 구조물 등의 다양한 분야에 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
탄소 섬유 강화 복합 재료는 성능적인 측면에서는 응용될 수 있는 분야가 많으나, 실제 산업적 적용을 늦추는 가장 큰 요인은 경제적인 측면 즉, 가격과 공정에 있다.
우선 전구체로부터 안정화 및 탄화를 필요로 하는 탄소 섬유는 필연적으로 경쟁 상대인 판금 재료에 비해 가격이 비쌀 수밖에 없다. 또한, 탄소 섬유 강화 복합 재료의 모재로 많이 쓰이는 열경화성 수지의 긴 경화 시간 등의 이유로 자동화가 제한적이었던 것이 현실이다.
탄소 섬유 강화 복합 재료는 원자재의 특성과 복합재의 사용 용도, 크기 및 형상에 따라 다양한 방법으로 성형, 제조될 수 있다. 그 중 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법은 복잡한 형태의 탄소 섬유 강화 복합 재료를 성형하는 대표적인 방법이다.
수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법에서는, 금형 캐비티(Cavity) 내에 섬유 매트나 직물을 위치시킨 후, 여기에 저점도 수지를 주입시켜서 성형 및 경화하는 과정을 거치게 된다.
그런데, 이러한 종래의 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법에 의하면, 수지의 주입 시간과 경화 시간에 따라 제품 제조 시간이 많이 지연된다. 특히, 수지의 장시간 경화가 요구되므로 제품 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 이에 따라, 종래 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법은 실제 산업에의 적용이 제한적이었다.
한편, 이러한 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법 등의 성형 방법에 있어서, 수지로서 열경화성 수지를 사용하여 제조된 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료의 경우 한번 경화되면 다시 녹지 않기 때문에 내열 특성 및 기계적 물성이 뛰어나지만, 복잡한 형상의 제품에 적용하기 어렵고, 열경화 과정을 거치기 때문에 생산성이 떨어지며, 재생(Recycle)이 되지 않는 단점이 있다.
반면, 수지로서 열가소성 수지를 이용한 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 사출(Injection molding)이나 압출 가공이 가능하여 다양한 형태의 제품 가공이 가능하고, 재생이 가능한 장점이 있다. 그러나, 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 용융물이 냉각됨에 따라 점도가 급격히 증가하게 되어 가공성이 떨어지므로 탄소 섬유 직물 등에 적절히 함침 되지 않는 단점이 있다.
위와 같은, 탄소 섬유로 강화된 열경화성 및/또는 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법의 단점을 보완하기 위하여 수십에서 수백 cps의 저용융점도를 갖는 중합 가능한 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 혹은 카프로락탐(Caprolactam) 혹은 PC(Polycarbonate) 올리고머 등의 열가소성 수지를 이용한 탄소 섬유 강화 복합 재료 제조 방법이 제안되었다.
이러한 중합 가능한 열가소성 수지는 가열하여 용융되면 점도가 낮아져 수십에서 수백 cps의 저점도 용융액 상태로 되고, 이 후 지속적인 가열에 의하여 중합되어 고분자로 된다. 즉, 해당 열가소성 수지는 위와 같은 저점도 용융액 상태에서 탄소 섬유 직물 등에 함침 된 후 지속적인 가열을 통하여 중합되어 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 구성하게 되는 것이다.
그런데, 종래의 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법의 경우, 해당 열가소성 수지들이 열 조건에 민감하여 연속 또는 고속 공정의 적용이 어려웠고, 그 결과 대량 생산에는 적절치 않았다.
H. Parton, J. Baets, P. Lipnik, B. Goderis, J. Devaux, I. Verpoest. Polymer, 46, 9871 (2005)
H. Parton, I. Verpoest. Polymer Composites, 26, 60 (2005)
본 발명의 구현예들에서는 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법 및 장치로서, 생산 시간을 획기적으로 단축시켜 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 대량으로 생산할 수 있는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 구현예들에서는, 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법으로서, 섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하고, 금형을 가열한 후 일정 시간 유지한 후 냉각하는 것으로서, 상기 섬유 매트에는 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물이 금형 내부에서 또는 금형 외부로부터 제공되고, 금형 가열 및 일정 시간 유지에 의하여 열가소성 수지 혼합물은 용융되면서 섬유 매트에 함침되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물로 되는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은, 섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하는 제 1 단계; 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 상기 섬유 매트에 제공하는 제 2 단계; 상기 금형을 가열한 후 일정 시간 유지하는 제 3 단계; 및 상기 금형을 냉각하는 제 4 단계;를 포함한다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은, 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 상기 섬유 매트에 제공하는 제 1 단계; 열가소성 수지 혼합물이 제공된 섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하는 제 2 단계; 상기 금형을 가열한 후 일정 시간 유지하는 제 3 단계; 및 상기 금형을 냉각하는 제 4 단계;를 포함한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형의 가열 시 압력을 가하여 시트 상으로 섬유 매트를 제조한다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 압력을 가하면서 시트의 성형을 더 수행한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열한다.
예시적인 구현예에서, 가열 후 해당 가열 온도에서 1분 내지 1 시간 동안 가열을 유지한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 상온까지 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 온도에서 1분 내지 1 시간 동안 가열을 유지한 후, 상기 금형을 상온까지 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각하도록 한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 250 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 온도에서 1분 내지 2분 동안 유지하도록 한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형의 가열 또는 냉각 중 하나 이상의 속도는 초당 20℃ 이상 30℃ 이하이다.
예시적인 구현예에서, 하나의 섬유 매트 공급에 소요되는 시간을 0초 초과 10초 이하로 한다.
예시적인 구현예에서, 상기 수지는 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 또는 카프로락탐(Caprolactam)이다.
예시적인 구현예에서, 상기 촉매는 TiO4 이다.
예시적인 구현예에서, 상기 섬유 매트는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber) 매트를 1층 이상 적층한 것이다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 장치로서, 금형; 섬유 매트를 상기 금형에 연속적으로 공급하는 피더; 금형 내부 또는 금형 외부에 존재하고, 섬유 매트에 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 제공하는 열가소성 수지 혼합물 제공 장치; 및 상기 금형을 가열하고 일정 온도에서 유지하고 냉각하는 금형 온도 조절 장치;를 포함하고, 금형 가열 및 일정 온도에서의 유지에 의하여 열가소성 수지 혼합물은 용융되면서 섬유 매트에 함침 되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물이 되는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 장치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 피더는 섬유 매트를 이송하는 컨베이어이고, 상기 컨베이어는 금형을 지나며, 상기 컨베이서 상에서 제조된 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료가 연속적으로 배출된다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형 가열 장치는 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열하며, 상기 가열된 금형은 해당 온도에서 1분 내지 1 시간 동안 가열을 유지하고, 상기 금형 냉각 장치는 가열된 금형을 상온까지 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형의 가열 또는 냉각 중 하나 이상의 속도는 초당 20℃ 이상 30℃이다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 250 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 온도에서 1분 내지 2분 동안 유지한다.
예시적인 구현예에서, 하나의 섬유 매트 공급에 소요되는 시간은 0초 초과 10초 이하이다.
예시적인 구현예에서, 상기 수지는 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 또는 카프로락탐(Caprolactam)이다.
예시적인 구현예에서, 상기 촉매는 TiO4 이다.
예시적인 구현예에서, 상기 섬유 매트는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber) 매트를 1층 이상 적층한 것이다.
본 발명의 구현예들에 의하면, 중합 가능한 저용융 점도의 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 시, 연속적인 섬유 매트 공급과 금형의 급속 가열, 일정 온도에서의 유지 및 냉각 과정을 수행하는 것이고, 금형 가열 및 일정 시간 유지에 의하여 열가소성 수지 혼합물이 용융되면서 섬유 매트에 함침되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물로 되도록 함으로써, 기존과는 달리 생산 시간을 획기적으로 단축시켜 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료의 연속 고속 공정에의 적용이 가능하도록 하여 대량 생산과 이에 따른 해당 재료의 범용화를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조하는 사출(Injection) 장치를 나타내는 것이다.
도 2은 본 발명의 제 2 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 제조하는 열압(Hot pressing) 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 제조하는 열성형(Thermoforming) 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2은 본 발명의 제 2 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 제조하는 열압(Hot pressing) 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 제조하는 열성형(Thermoforming) 장치를 나타내는 개략도이다.
이하 본 발명의 구현예들을 상세히 설명한다.
본 명세서에서 중합 가능한 열가소성 수지란 가열하여 용융되면 점도가 낮아지고 계속 가열하면 중합되어 고분자로 되는 열가소성 수지를 의미한다.
본 발명의 구현예들에서는 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조에 있어서, 섬유 매트를 금형 안으로 연속하여 공급하면서, 섬유 매트가 공급되는 금형을 급속 가열하고 일정 온도에서 유지하고 냉각한다.
해당 섬유 매트에는 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물이 금형 밖에서 미리 또는 금형 내에서 제공된다. 해당 급속 가열 및 일정 온도에서의 유지에 의하여, 섬유 매트에 제공되었던 열가소성 수지 혼합물이 용융되면서 섬유 매트에 함침 되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물로 되도록 한다. 이에 따라, 기존의 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding)이나 사출 성형 (injection molding) 방법 등과 달리, 생산 시간을 획기적으로 단축시키고, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 대량으로 생산할 수 있으므로 생산성 향상과 동시에 재료의 범용화를 기대할 수 있다.
먼저 본 발명의 구현예들에 따른 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 장치를 상술한다. 도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조를 위한 사출 장치를 나타내는 것이다.
도 1에 도시된 장치는 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 장치로서, 섬유 매트를 금형(C)(사출 금형)에 연속적으로 제공하는 피더(100)를 포함하고, 또한 금형을 급속 가열, 일정 온도 유지 및 냉각할 수 있는 온도 조절 장치(200)를 포함한다. 금형을 급속 가열, 일정 온도 유지 및 냉각하는 온도 조절 장치는 가열 및 냉각을 모두 수행할 수 있는 일체화된 장치일 수 있지만, 가열 장치와 냉각 장치가 별개의 장치로 구성된 것일 수도 있다.
공급된 섬유 매트에 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 제공하는 열가소성 수지 혼합물 제공 장치(예컨대 도포 장치)(I)가 금형 내부에 구비되며, 상기 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매는 용융액 상태 혹은 입자 상태로 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 구현예에서 상기 피더(100)는 섬유 매트를 이송하는 컨베이어일 수 있다. 이러한 컨베이어는 금형을 지나며, 컨베이서 상에서 제조된 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 컨베이어를 따라 이송되면서 연속적으로 배출될 수 있다. 상기 급속 가열 후 일정 온도에서 유지하게 되면 열가소성 수지 혼합물이 용융되면서 섬유 매트에 함침 되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물이 형성된다. 이어서 냉각 장치는 섬유 매트를 상온까지 빠른 시간에 냉각한다.
도 2은 본 발명의 제 2 구현예에 있어서, 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 제조하는 열압(Hot pressing) 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 열압 장치 역시 섬유 매트를 금형에 공급하는 피더(100)를 포함하며, 금형(열압 성형 금형) 을 급속 가열, 일정 온도 유지 및 냉각할 수 있는 온도 조절 장치(200)를 포함한다. 온도 조절 장치(200)나 피더(100)는 도 1에서 설명한 바와 같다.
상기 열압 장치에서는 도 1에서 설명한 장치와는 달리 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 도포하는 도포 장치가 존재하지 않는다. 대신 상기 섬유 매트는 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물이 파우더(Powder)상 혹은 용융액 상(용융액 상의 경우 열가소성 수지 혼합물은 용매를 더 포함하게 된다)으로 금형 밖에서 미리 제공(예컨대 도포와 같은 방식)된다. 이와 같이 열가소성 수지 혼합물이 제공된 섬유 매트는 도 1과 마찬가지로 급속 가열, 일정 온도 유지 및 급속 냉각을 수행하되, 가열 시 압력을 가함으로써 시트 상의 재료를 만들 수 있다.
도 3는 본 발명의 제 3 구현예에 있어서, 열가소성 섬유 강화 복합 재료를 제조하는 열성형(Thermoforming) 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 열성형 장치 역시 섬유 매트를 금형에 공급하는 피더(100)를 포함하며, 금형(열 성형 금형)을 급속 가열, 일정 온도 유지 및 냉각할 수 있는 온도 조절 장치(200)를 포함한다. 온도 조절 장치(200)나 피더(100)는 도 1에서 설명한 바와 같다.
열 성형 장치에서도, 도 2의 장치에서와 마찬가지로, 섬유 매트는 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물이 파우더(Powder)상 혹은 용융액 상(용융액 상의 경우 열가소성 수지 혼합물은 용매를 더 포함하게 된다)으로 금형 밖에서 미리 제공(예컨대 도포와 같은 방식)된다. 열가소성 수지 혼합물이 제공된 섬유 매트는 도 2와 마찬가지로 급속 가열, 일정 온도 유지 및 급속 냉각을 수행하되, 가열 시 압력을 가할 뿐만 아니라, 성형을 수행(금형의 형상에 대응)하여 원하는 형상으로 섬유 강화 플라스틱 제품을 제조할 수 있다.
다음으로 본 발명의 구현예들에 따른 방법을 상술한다.
본 발명의 구현예들에서는, 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법으로서, 섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하고, 금형을 가열한 후 일정 시간 유지한 후 냉각하되, 상기 섬유 매트에는 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물이 금형 내 또는 금형 외부에서 제공되고, 금형 가열 및 일정 시간 유지에 의하여 열가소성 수지 혼합물은 용융되면서 섬유 매트에 함침되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물이 되도록 한다.
상기 급속 냉각이나 가열은 사출 공정에서 일반적으로 제품의 표면광택 등을 유도하기 위해서 사용되지만 연속 또는 고속 공정에서 사용되지는 않았다. 본 발명의 구현예들에서는 열 조건에 민감한 중합 가능한 열가소성 수지의 특성을 고려하여 급속 가열, 일정 시간 유지, 급속 냉각을 채용하도록 한다.
구체적으로, 본 발명의 예시적인 구현예에서는 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법으로서, 섬유 매트를 금형(Cavity) 내로 연속적으로 공급하는 제 1 단계, 이 섬유 매트에 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 도포하는 제 2 단계, 상기 금형을 급속 가열하고 일정 온도에서 유지하는 제 3 단계; 및 상기 금형을 냉각하는 제 4 단계를 포함한다.
또는, 본 발명의 예시적인 구현예에서는 중합 가능한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법으로서, 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 상기 섬유 매트에 제공하는 제 1 단계; 열가소성 수지 혼합물이 제공된 섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하는 제 2 단계; 상기 금형을 가열한 후 일정 시간 유지하는 제 3 단계; 및 상기 금형을 냉각하는 제 4 단계;를 포함한다. 여기서, 상기 금형의 가열 시 압력을 가하여 시트 상으로 섬유 매트를 제조할 수 있고, 가압에 더하여 추가로 성형을 통하여 원하는 일정한 형상을 가지도록 할 수 있다.
이 제조 방법은 추가적으로 냉각된 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 과정은 반복되어 연속적인 생산이 가능하도록 할 수 있다. 여기서, 상기 금형의 급속 가열 및 일정 온도 유지에 의하여 열가소성 수지 혼합물이 용융되면서 섬유 매트에 함침 되는 동시에 중합이 진행되어 고분자 열가소성 수지 혼합물로 되도록 한다.
먼저 금형 내로 공급되는 섬유 매트는, 예컨대 탄소 섬유(Carbon fiber)나 유리 섬유(Glass fiber) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 매트이다. 해당 탄소 섬유나 유리 섬유를 직조(Weave) 등의 구조를 가지도록 할 수 있다. 물론 사용하는 섬유의 종류나 직물의 구조는 조절할 수 있다. 이러한 매트는 1층 이상으로 적층하여 사용할 수 있다. 이러한 섬유 매트를 금형 내로 공급하되, 예컨대 자동화된 공정을 통하여 연속적으로 공급하도록 한다(제 1 단계). 이때 대량생산을 위한 고속의 공정 속도를 확보하기 위하여 하나의 섬유 매트 공급(삽입)에 10 초 이하가 되도록 하는 것이 연속 공정의 측면에서 바람직하다.
다음으로는 금형 내에서 섬유 매트에 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 도포하도록 한다(제 2 단계).
상기 수지로 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 혹은 카프로락탐(Caprolactam) 혹은 PC(Polycarbonate) 올리고머 등을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 용융 시 점도가 낮고 촉매에 의하여 중합될 수 있는 다른 수지들도 적용 가능하다. 이러한 수지에 촉매 예컨대 Titanates 및 Stannoxanes 등을 사용할 수 있다. 비제한적인 예시에서는 TiO4를 사용할 수 있다. 이러한 촉매를 예컨대 약 0.02~1mol%, 보다 구체적으로 예컨대 약 0.5mol%로 분산 혼합하여 수지 혼합물을 제조할 수 있다. 상기 열가소성 수지 혼합물은 예컨대 사출기를 통하여 용융액 또는 입자(Powder) 형태로 금형 내의 섬유 매트에 균일하게 도포되도록 한다.
다음으로 상기 금형을 급속 가열하고 일정 온도에서 일정 시간 유지한 후(제 3 단계). 급속 냉각하도록 한다(제 4 단계).
이와 같이 섬유 매트를 금형 내로 공급한 후 급속 가열하고 일정 온도에서 유지하면 중합 가능한 열가소성 수지는 용융되어 섬유 매트 내에 함침되는 동시에 중합 반응이 진행되어 고분자인 열가소성 수지 혼합물을 구성하게 된다.
구체적으로, 상기 금형을 급속 예컨대 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 온도에서 1분 내지 1 시간 동안 가열을 유지한 후, 상기 금형을 상온까지 급속 예컨대 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금형의 가열 또는 냉각 중 하나 이상의 속도는 초당 20℃ 이상 30℃로 하는 것이 바람직하다.
참고로, CBT 등을 포함한 중합 가능한 열가소성 수지는 고온에서 중합이 빨리 진행되고 저온에서 중합이 느리게 진행된다. 따라서, 해당 열가소성 수지의 중합 시작 온도 내지 열 분해 전 온도의 범위(예컨대 150℃ 내지 260℃)로 급속으로 금형을 가열한다. 즉, 해당 열가소성 수지는 예컨대 150℃ 이상에서 중합이 진행되기 시작하여 고온일수록 빨리 진행되지만 260℃ 이상에서는 열분해될 가능성이 있으므로, 단 시간(예컨대 0초 초과 30초 이하의 시간)내에 해당 온도로 가열하고, 일정 시간 유지(가능한 유지 시간은 작도록 하는 것이 바람직하다)한 후, 급속으로 냉각한다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 250 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 온도에서 1분 내지 2분 동안 유지하도록 하는 것이 열분해가 되지 않는 범위에서 가능한 최고 속도의 공정을 구현할 수 있으므로 더욱 바람직하다.
이와 같이 가열한 후 다음 성형 싸이클을 위해 금형을 예컨대 30초 이하의 시간으로 급속 냉각시킨다. 이러한 급속 냉각을 수행하면, 대량생산을 위한 고속 공정이 가능할 뿐만 아니라, 금형 만이 급속 냉각되는 것이므로 제품의 물성에 나쁜 영향을 주지 않게 되고, 나아가 날씨 등의 외부요인을 차단하여 오히려 균일한 물성의 제품을 얻을 수 있다.
냉각된 섬유 매트는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료로서 예컨대 컨베이어 상에서 이동하여 금형으로부터 연속적으로 배출될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 통하여 본 발명의 구현예들을 더욱 상술한다.
[실험 방법]
재료
탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 제조하기 위하여, 한국화이버사에서 구입한 탄소 섬유 직물(Carbon 3K 직물)과 사이클릭스사에서 입수한 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate)를 사용하였다.
섬유 매트의 준비
상기 탄소 섬유로 직조된 Carbon 3K 직물을 4층 적층한 섬유 매트를 공급기를 이용하여 5초 동안 금형 안으로 연속적으로 삽입하였다.
중합 가능한 열가소성 수지의 도포
중합반응을 유도하기 위해 0.5mol% 내외의 TiO4촉매를 분산 혼합시킨 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 수지 혼합물을 사출기를 통해 섬유 매트가 공급되어 있는 금형 안으로 균일하게 사출하여 섬유 매트에 해당 수지 혼합물을 도포하였다.
연속 사출 성형 및 제조
상기 금형을 250℃까지 20초 동안 급속 가열하여 2분 동안 유지하여 수지 혼합물이 용융되면서 파이버 매트 내에 균일하게 함침 되는 동시에 중합반응이 진행되도록 하였다. 이 후, 금형을 상온까지 20초 동안 급속 냉각한 후 열가소성 탄소 섬유 직물 강화 복합 재료를 탈형 시키고 연속적으로 다음 싸이클이 이루어지도록 하였다.
특성 분석
얻어진 탄소 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 실시예에 대한 물성평가를 위해 인장시험을 ASTM D3039 방법에 의해 실시하였다.
실시예의 복합 재료는 기존의 문헌상에 보고된 수지 이송 성형이나 사출 성형에 의하여 제조된 것과 유사한 수준인 인장강도 450 MPa 및 인장 탄성률 10 GPa을 나타내었고, 고온 공정임에도 불구하고 생산에 걸리는 시간이 크게 감소하였다.
Claims (17)
- 삭제
- CBT(Cyclic Butylene Terephthalate)를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법으로서,
섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하는 제 1 단계;
CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 상기 섬유 매트에 제공하는 제 2 단계;
상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 250 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 1분 내지 2분 동안 가열을 유지하는 제 3 단계; 및
상기 금형을 상온까지 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법. - CBT(Cyclic Butylene Terephthalate)를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법으로서,
CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 상기 섬유 매트에 제공하는 제 1 단계;
열가소성 수지 혼합물이 제공된 섬유 매트를 금형 내로 연속적으로 공급하는 제 2 단계;
상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 250 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 1분 내지 2분 동안 가열을 유지하는 제 3 단계; 및
상기 금형을 상온까지 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 금형의 가열 시 압력을 가하여 시트 상으로 섬유 매트를 제조하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 시트의 성형을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형의 가열 또는 냉각 중 하나 이상의 속도는 초당 20℃ 이상 30℃인 것을 특징으로 하는 방법. - 삭제
- 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매는 TiO4 인 것을 특징으로 하는 방법. - 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유 매트는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber) 매트를 1층 이상 적층한 것을 특징으로 하는 방법. - CBT(Cyclic Butylene Terephthalate)를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 장치로서,
금형;
섬유 매트를 상기 금형에 연속적으로 공급하는 피더;
금형 내부 또는 금형 외부에 존재하고, 섬유 매트에 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 및 중합 촉매를 포함하는 열가소성 수지 혼합물을 제공하는 열가소성 수지 혼합물 제공 장치; 및
상기 금형을 가열하고 일정 온도에서 유지하고 냉각하는 금형 온도 조절 장치;를 포함하고,
상기 온도 조절 장치는 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 250 내지 260℃의 온도로 가열하며, 가열된 금형을 해당 온도에서 1분 내지 2분 동안 가열을 유지하고, 가열된 금형을 상온까지 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 냉각하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 연속 제조 장치. - 삭제
- 제 15 항에 있어서,
상기 금형의 가열 또는 냉각 중 하나 이상의 속도는 초당 20℃ 이상 30℃인 것을 특징으로 하는 장치.
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