KR101407215B1 - 일방향 프리프레그의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 수지 필름을 섬유의 상하면에 입힌 후, 함침로울러 사이를 통과시켜 상기 수지 필름의 수지를 섬유의 상하면에 함침시키는 일방향 프리 프레그의 제조 방법에 있어서, 상기 상하부 수지 필름 사이에 섬유를 투입할 때, 상기 섬유의 양단부에 가이드테이프를 동시에 투입하는 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 방법을 제공한다.

Description

일방향 프리프레그의 제조 방법 및 제조 장치{MANUFACTURING METHOD OF ONEWAY PREPREG AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 일방향 프리프레그의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소 섬유의 함량이 균일한 일방향 프리프레그의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.

프리프레그(Prepreg: Preimpregnated Materials)는 결합재(Matrix)를 강화 섬유(Reinforced Fiber)에 미리 함침시킨 시트(Sheet) 형태의 제품으로 복합 재료 제품의 중간 재료이다.

일반적으로, 이러한 보강 섬유재인 프리프레그를 적용하면 경량으로써 우수한 기계적 특성, 예컨대 강도(strength), 강성도(stiffness), 내식성(corrosion resistance), 피로 수명(fatigue), 내마모성(wear resistance), 내충격성(impact resistance) 및 경량화(weight reduction) 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 된다. 이에 상기 프리프레그는 고강도와 강한 탄성이 요구되는 항공기나 자동차 부품, 스포츠, 레저 기구 및 보우트 등의 기타 여러 산업에서 널리 이용되고 있다.

상기 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열 형태 및 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하고 있다.

강화 섬유로는 주로 탄소 섬유(Carbon Fiber), 유리 섬유 및 아라미드 섬유 등이 이용되고 있으며, 이때 결합재로는 에폭시 수지, 폴리에테르수지 및 열가소성 수지 등이 사용될 수 있다.

이 중 탄소 섬유는 탄소 원자의 결정 구조를 이용한 고강도 섬유로 복합 재료 생산에 가장 많이 이용되고 있는 강화 섬유이다. 이러한 탄소 섬유는 제조 전의 물질(Precursor)에 따라 PAN계와 Pitch계 탄소 섬유로 구분하고 있으며, 주로 PAN계 탄소 섬유가 많이 이용되고 있다.

상기 프리 프레그는, 예를 들어, 경화제 등이 고르게 분산된 수지를 담체 위에 균일하게 코팅하고, 크릴로부터 가는 섬유 가닥을 개섬하여 펼치고 배열하여 폭 방향으로 겹침과 갭이 없도록 당긴 후, 섬유 가닥의 상하 또는 한쪽 면에 수지가 코팅된 이형지 담체를 투입하고, 함침로울러 및 Hot Plate, 냉각 Plate를 거치는 공정이 모두 포함된 함침 공정을 거친 후, 권취기로 권취하여 제조할 수 있다.

이러한 종래의 프리 프레그 제조 방법에 있어서, 프리 프레그의 함침되는 중심부는 탄소 섬유끼리 서로 막아주는 작용을 하여 프리 프레그의 폭의 변화가 적은 반면, 양단부에서는 이러한 폭의 변화를 제한하는 힘이 없어 프리 프레그의 함량 편차가 심해지는 문제점이 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위하여, 종래의 방법은 수지가 섬유 가닥에 함침될 때 공급된 수지 필름은 함침로울러의 고온 및 고압 하에서 유동성을 띄게 되는데, 일반적으로 양단부에서 탄소 섬유의 함량을 증가시켜 프리 프레그 내부의 편차를 균일하게 하고 있다.

하지만, 이와 같이 양단부에서 탄소 섬유의 함량을 증가시키는 경우, 프리 프레그의 탄소 섬유 함량 및 수지 함량과 같은 조성 변화에 효과적으로 대응하기 어렵고, 프리 프레그의 양단부에서 탄소 섬유의 손실(Loss)이 커지는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 프리 프레그의 폭 변화를 제한하여 탄소 섬유의 함량이 균일한 고품질의 프리 프레그를 제조할 수 있는 일방향 프리 프레그의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 측면은, 수지 필름을 섬유의 상하면에 입힌 후, 함침로울러 사이를 통과시켜 상기 수지 필름의 수지를 섬유의 상하면에 함침시키는 일방향 프리프레그 제조 방법에 있어서, 상기 상하부 수지 필름 사이에 섬유를 투입할 때, 상기 섬유의 양단부에 가이드테이프를 동시에 투입하는 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 가이드테이프의 상하면에 상기 상하부 수지 필름이 각각 입혀질 수 있다.

또한, 본 발명에 사용되는 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 케블라 섬유 및 붕소 섬유 중 하나일 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 공급로울러로부터 제공된 수지 필름이 상하면에 입혀진 섬유를 통과시켜 상기 수지 필름의 수지가 상기 섬유의 상하면에 함침되도록 하는 함침로울러를 포함하는 일방향 프리 프레그의 제조 장치에 있어서, 상기 수지 필름이 상기 섬유의 상하면에 각각 입혀질 때, 가이드테이프가 상기 상하부 수지 필름 사이에 동시에 제공되도록 하는 가이드테이프로울러를 포함하며, 상기 가이드테이프는 상기 섬유의 양단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 가이드테이프에 의해 수지의 유동성을 차단하여 프리 프레그의 폭 변화를 줄임으로써 탄소 섬유 및 수지의 함량 편차가 감소된 고품질의 프리 프레그를 제조할 수 있는 효과가 있다.

이때, 상기 가이드테이프는 무한궤도구조로 공급됨으로써, 최종 생산된 프리 프레그의 엣지 트리밍(edge trimming) 효과를 기대할 수 있다.

그리고, 위와 같이 강화용 섬유의 함량 편차를 일정하게 한 프리 프레그를 이용하면 고품질의 탄소 재료 복합 재료를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 수행하기 위한 프리 프레그 제조 장치를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 개략적으로 도시한 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 프리 프레그 제조 방법을 수행하기 위한 프리 프레그 제조 장치는, 일측에 설치되어 프리 프레그의 일 원료인 탄소 섬유(100)를 공급하는 크릴(20)과, 크릴(20)로부터 공급된 탄소 섬유(100)를 팽팽하게 당겨주는 인장봉(30)과, 크릴(20)의 반대편에 설치되어 제조된 프리 프레그를 권취하는 권취로울러(80)와, 크릴(20)과 권취로울러(80)의 중간에 설치된 적어도 한 쌍 이상의 함침로울러(50)와, 탄소 섬유(100)의 상하면에 입혀지는 상하부 수지 필름(200)을 공급하는 상하 공급로울러(10)와, 탄소 섬유(100)의 상면에서 수지 필름(200)의 수지가 코팅되어 있던 이형지 담체를 회수하는 회수로울러(60)를 포함한다.

이때, 수지 필름(200)은 필요시 탄소 섬유(100)의 상면 또는 하면 중 일측에만 입혀질 수 있다. 여기서, 수지 필름(200)은 경화제와 완전히 혼합하여 분산된 수지를 필름 형태의 이형지 담체 위에 균일하게 일정량을 코팅하여 형성한 것이다.

함침로울러(50)의 앞 부분에는 수지 필름(200)이 입혀진 탄소 섬유(100)를 1차로 가열시키는 가열판(40)이 설치될 수 있다.

함침로울러(50)는 탄소 섬유(100)에 가열 가압으로 수지 필름(200)에 코팅된 수지를 함침시키는 것으로서, 복수 개가 상하로 대향되게 설치되며, 함침로울러(50)와 권취로울러(80)의 사이에는 이형지(300)를 공급하는 이형지로울러(70)가 설치될 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 프리 프레그 제조 장치는 적어도 한 쌍의 가이드테이프로울러(90)를 포함한다.

가이드테이프로울러(90)는 수지 필름(200)이 탄소 섬유(100)의 상하면에 각각 입혀질 때, 상하부 수지 필름(200) 사이에 가이드테이프(400)가 동시에 투입되도록 하는 역할을 수행한다.

이때, 가이드테이프(400)는 탄소 섬유(100)의 양단부에 배치되도록 한다. 즉, 수지 필름(200)은 함침로울러(50)의 고온 및 고압하에서 유동성을 띄게 되는데, 이때 탄소 섬유(100)의 양단부에 설치되어 함께 함침로울러(50)로 공급되는 가이드테이프(400)가 탄소 섬유(100)의 양단부의 폭 변화를 제한하여 탄소 섬유(100)의 함량 편차를 줄일 수 있다.

또한, 가이드테이프(400)는 한 쌍의 가이드테이프로울러(90)에 의해 무한궤도구조로 설치되어 최종적으로 제조되는 프리 프레그의 엣지 트리밍을 동시에 수행하는 효과를 기대할 수 있다.

이러한 제조 장치를 이용하여 프리 프레그를 제조하는 방법을 살펴보면, 먼저 경화제와 완전히 혼합하여 분산된 수지를 필름 형태로 된 이형지 담체 위에 균일하게 일정량을 코팅하여 수지 필름(200)으로 형성한다.

이렇게 형성된 수지 필름(200)을 상하 공급로울러(10)에 각각 구비하고, 이와는 별도로 탄소 섬유(100)를 가는 섬유 가닥으로 일정 폭 배열하여 크릴(20)에 구비한다.

또한, 이와는 별도로 가이드테이프(400)를 가이드테이프로울러(90)에 구비한다. 이때, 가이드테이프(400)는 한 쌍의 가이드테이프로울러(90)에 의해 무한궤도구조로 구비될 수 있다.

다음으로, 크릴(20)에 감겨 있는 탄소 섬유(100)를 인장봉(30)으로 겹침과 갭이 없도록 당기면서 함침로울러(50) 측으로 공급하여 탄소 섬유(100)의 상하면에 공급로울러(10)를 통해 공급된 수지 필름(200)을 입힌다.

그리고, 이와 동시에 가이드테이프로울러(90)에 감겨 있는 가이드테이프(400)를 함침로울러(50) 측으로 공급하여 가이드테이프(400)를 상하 수지 필름(200) 사이에 커버된 상태로 탄소 섬유(100)의 양단부에 배치한다.

이후, 탄소 섬유(100), 수지 필름(200) 및 가이드테이프(400)는 가열판(40)과 함침로울러(50) 사이로 순차적으로 지나가게 되고, 이때 가열판(40)과 함침로울러(50)가 가열 및 가압을 시켜 수지 필름(200)에 코팅된 수지를 탄소 섬유(100)의 상하면에 함침시킨다.

일반적으로, 이렇게 탄소 섬유(100)에 수지를 함침할 때 공급된 수지 필름(200)은 함침로울러(50)의 고온 및 고압 하에서 유동성을 띄게 되는데, 이때 함침되는 중심부는 탄소 섬유(100) 끼리 서로 막아주는 역할을 하게 되어 프리 프레그의 폭의 변화가 적은 반면, 함침되는 양단부에서는 이러한 폭의 변화를 제한하는 힘이 없게 되어 프리 프레그가 부분별로 편차가 크게 발생할 수 있다.

예컨대, 종래의 프리 프레그는 중심부의 탄소 섬유 함량이 150.1 g/㎡ 이고 이때의 섬유의 간격을 100 %로 하였을 때, 좌측 단부의 함량은 126.3 g/㎡ 으로 중심부에 비해 84 %이고, 우측 단부의 함량은 128.1 g/㎡ 으로 중심부에 비해 85 %로서, 양단부가 중심부에 비해 탄소 섬유 함량이 크게 떨어져 편차가 심하게 발생하였다.

그러나, 본 실시 형태에서는, 가이드테이프(400)가 탄소 섬유(100)의 양단부의 폭 변화를 제한하여 탄소 섬유(100)의 함량 편차를 줄일 수 있다.

예컨대, 본 실시 형태의 프리 프레그는 중심부의 탄소 섬유 함량이 149.7 g/㎡ 이고 이때의 섬유의 간격을 100 %로 하였을 때, 좌측 단부의 함량은 145.8 g/㎡ 으로 중심부에 비해 97 %이고, 우측 단부의 함량은 146.7 g/㎡ 으로 중심부에 비해 98 %로서, 양단부와 중심부의 탄소 섬유 함량이 크게 차이가 나지 않아 편차가 거의 없음을 알 수 있다.

위와 같이 탄소 섬유(100)에 수지의 함침이 완료되면 탄소 섬유(100)는 프리 프레그로 제조되어 권취로울러(80)에 권취되는데, 권취되기 전에 탄소 섬유(100)의 상면에 입혀져 있던 수지 필름(200)에서 수지를 탄소 섬유(100)에 함침시킨 후 수지가 코팅되어 있던 필름 형태의 이형지 담체가 별도로 분리되어 회수로울러(60)로 회수되며, 하면에 얹혀지는 수지 필름(200)은 제조된 프리 프레그와 함께 권취된다.

이때, 가이드테이프(400)는 후방에 위치한 가이드테이프로울러(90)에 의해 전방에 위치한 가이드테이프로울러(90) 측으로 재공급되어 다시 탄소 섬유(100)가 수지 필름(200) 사이에 투입될 때 사용될 수 있다.

그리고, 제조된 프리 프레그가 권취로울러(80)에 권취되기 직전에 이 프리 프레그가 권취로울러(80)에서 서로 부착되는 것을 방지하기 위해 이형지로울러(70)에서 공급된 바람직하게 필름 형태로 된 이형지(300)가 프리 프레그의 상측에 입혀지게 된다.

본 실시 형태에서는 섬유를 탄소 섬유를 사용하였으나, 이외에 경우에 따라 유리 섬유, 케블라 섬유 및 붕소 섬유 등 다양한 종류가 사용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구 범위에 의해 한정하고자 한다.

따라서, 청구 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

10 ; 공급로울러 20 ; 크릴
30 ; 인장봉 40 ; 가열판
50 ; 함침로울러 60 ; 회수로울러
70 ; 이형지로울러 80 ; 권취로울러
90 ; 가이드테이프로울러 100 ; 탄소섬유
200 ; 수지필름 300 ; 이형지
400 ; 가이드테이프

Claims (5)

1. 수지 필름을 섬유의 상하면에 입힌 후, 함침로울러 사이를 통과시켜 상기 수지 필름에 코팅된 수지를 섬유의 상하면에 함침시키는 일방향 프리 프레그의 제조 방법에 있어서,
   상기 상하부 수지 필름 사이에 섬유를 투입할 때, 상기 섬유의 양단부에 가이드테이프를 동시에 투입하는 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드테이프의 상하면에 상기 상하부 수지 필름이 각각 입혀지는 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 케블라 섬유 및 붕소 섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 방법.
4. 공급로울러로부터 제공된 수지 필름이 상하면에 입혀진 섬유를 통과시켜 상기 수지 필름에 코팅된 수지가 상기 섬유의 상하면에 함침되도록 하는 함침로울러를 포함하는 일방향 프리 프레그의 제조 장치에 있어서,
   상기 수지 필름이 상기 섬유의 상하면에 각각 입혀질 때, 가이드테이프가 상기 상하부 수지 필름 사이에 동시에 제공되도록 하는 가이드테이프로울러를 포함하며, 상기 가이드테이프는 상기 섬유의 양단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 케블라 섬유 및 붕소 섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 일방향 프리 프레그의 제조 장치.

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