KR101426400B1 - 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기 - Google Patents

고온 고압을 이용한 카본직물 직조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직포된 원단이 에어봉에 감기기 전에 고열에 압착이 되면서 탄소의 강도를 높이고 직조의 부속물인 유리섬유 등이 쉽게 풀리지 않게 압착하는 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기는, 카본직물의 원재료에 해당하는 탄소섬유를 경사방향으로 유리섬유를 위사방향으로 공급하는 공급부와, 내부에 접착제를 수용하는 접착제 저장부와 접착제를 가열하면서 위사에 접착제를 도포하는 가열 롤러로 이루어진 접착제 도포부와. 경사와 접착제가 도포된 위사를 직조하여 직물시트를 형성하는 직조부와, 직물시트가 감겨지는 제1 권취부와, 제1 권취부에서 공급되는 직물시트를 고열로 가열하는 핀 히터와, 핀 히터에 의해 가열된 직물시트를 압착하는 프레스기와, 프레스기를 통과하여 압착된 강화 직물시트를 감아올리는 제2 권취부를 포함한다.
본 발명에 의한 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 의하면, 직포된 직물시트가 고열에 압착이 되면서 경사와 위사가 붙어 떨어지지 않으면서 경사배열이 흐트러지지 않게 하여 탄소의 강도를 높일 수 있게 하는 효과가 있다.

Description

고온 고압을 이용한 카본직물 직조기{Carbon fiber weaving apparatus using high temperature and high pressure}
본 발명은 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직포된 원단이 에어봉에 감기기 전에 고열에 압착이 되면서 탄소의 강도를 높이고 직조의 부속물인 유리섬유 등이 쉽게 풀리지 않게 압착하는 카본직물 직조용 직기에 관한 것이다.
탄소섬유는 수 ㎛ 범위의 직경을 가진 1차원적으로 신장된 구조를 가지고 있다. 탄소섬유는 보통 열가소성 또는 열경화성 유기재료 중에 내장된 형태로 시장에 공급되는데 이 형태는 더 나은 가공성과 취급성을 부여하는 장점을 가지고 있다. 복합재료는 높은 견인저항과 탄성률이 요구되거나 강성/중량비가 필수적인 산업과 기술분야에서 활용되고 있다. 초기에는 주로 항공 및 방위산업 분야의 구조재료로 사용되었으나 근래에는 콘크리트 구조물의 내하력을 증대시켜 콘크리트 구조물의 성능을 향상시킬 수 있는 보강재로 많이 사용되고 있다.
탄소섬유는 상이한 구조와 두께를 가진 직물의 원사로서 사용되었다. 전형적인 직물은 경사와 위사로 구성된다. 탄소섬유 제품은 고분자수지에 직물을 침지하고 열/압력을 가해 경화하여 제조한다. 탄소섬유의 높은 강도와 강성의 특징은 고유의 비등방성에 의존하며 기계적 성능은 섬유길이 방향으로 특별히 증대된다. 그러므로 섬유는 구조적 및 기계적 최대변형에 대응하여 배향되어야 한다. 정렬되지 않은 섬유는 구조적 변형/지지에 참여하지 못하며 중량증가에 반하여 결함으로 작용할 수도 있다.
탄소섬유의 제조방법은 전구체로서 레이온, 핏치 또는 폴리아크릴로니트릴을 중합 방사하여 섬유를 제조하고, 이 전구체 섬유를 열처리하여 얻는 것이 일반적이다. 여기서 열처리 과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 전구체 섬유는 공기 분위기에서 200 ~ 300 ℃의 온도로 산화시키는 안정화단계를 거치게 된다. 산화 안정화는 전구체 섬유가 탄화과정에서 융착되거나 분해되지 않도록 분자 간에 가교결합을 시켜주는데 목적이 있다. 안정화 단계를 거친 전구체 섬유는 불활성 분위기에서 탄화 단계 및 흑연화 단계를 거쳐 탄소섬유를 제조하게 된다.
상기에 설명한 바와 같이, 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 단계는 탄소 섬유 제조에 있어서 중요한 단계이다. 즉, 열처리 단계에서의 미세한 온도 차이나 온도변화는 탄소 섬유의 제조에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 보다 높은 품질의 탄소 섬유를 제조하기 위해서는 열처리 단계에서 안정적으로 전구체 섬유를 처리 위한 기술이 요구된다.
종래 기술로서, 특허 공개번호 제 10-1999-0081381호에는 이송장치와, 핏치함침장치, 가열장치, 냉각기 및 프리프레그 자름장치로 이루어진 탄소섬유 복합재 제조장치가 개시되어 있다. 하지만 여러 단계로 열처리를 수행하기 위해 다수 개의 열처리 장치가 구비되어야 하므로 설비에 많은 비용이 소요되는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 직포된 원단을 에어봉에 감기기 전에 고열로 탄소의 강도를 높이고 직조의 부속물인 유리섬유 등이 쉽게 풀리지 않게 되는 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기는, 카본직물의 원재료에 해당하는 탄소섬유를 경사방향으로 유리섬유를 위사방향으로 공급하는 공급부와, 내부에 접착제를 수용하는 접착제 저장부와 접착제를 가열하면서 상기 유리섬유에 접착제를 도포하는 가열 롤러로 이루어진 접착제 도포부와, 상기 탄소섬유와 상기 접착제가 도포된 유리섬유를 직조하여 직물시트를 형성하는 직조부와, 상기 직물시트가 감겨지는 제1 권취부와, 상기 제1 권취부에서 공급되는 직물시트를 고열로 가열하는 핀 히터와, 상기 핀 히터에 의해 가열된 직물시트를 압착하는 프레스기와, 프레스기를 통과하여 압착되어 강화된 직물시트를 감아올리는 제2 권취부를 포함한다.
가열 롤러는 중앙 내측에 형성된 열 전달봉과 외표면에 권취된 유도 코일을 포함하고, 열 전달봉과 유도코일로 열을 전달하여 접착제를 가열한다.
가열 롤러의 외주면에 폴리에스테르 또는 세라믹 화이버 소재로 이루어진 단열부가 형성된다.
본 발명에 의한 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 의하면, 직포된 직물시트가 고열에 압착이 되면서 경사와 위사가 붙어 떨어지지 않으면서 경사배열이 흐트러지지 않게 하여 탄소의 강도를 높일 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 나타내는 전체 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 나타내는 단면도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기의 접착제 도포부를 나타내는 단면도이고 도 4의 (b)는 접착제 도포부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기의 가열 롤러를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 의해 압착되는 직물시트를 나타내는 일부 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 나타내는 전체 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기를 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기(100)는 카본직물의 원재료에 해당하는 탄소섬유(210)를 경사방향으로 유리섬유(220)를 위사방향으로 공급하는 공급부(105)와, 내부에 접착제(121)를 수용하는 접착제 저장부(120)와, 접착제(121)를 가열하면서 상기 유리섬유에 접착제(121)를 도포하는 가열 롤러(130)로 이루어진 접착제 도포부(110)와, 탄소섬유(210)와 유리섬유(220)를 직조하여 직물시트(200)를 형성하는 직조부(140)와, 직물시트(200)가 감겨지는 제1 권취부(150)와, 제1 권취부(150)에서 공급되는 직물시트(200)를 고열로 가열하는 핀 히터(160)와, 핀 히터(160)에 의해 가열된 직물시트(200)를 압착하는 프레스기(170)와, 프레스기(170)를 통과하여 압착된 강화 직물시트(200)를 감아올리는 제2 권취부(180)를 포함한다.
공급부(105)는 탄소직물의 원재료에 해당하는 탄소섬유 및 유리섬유를 각각 경사방향 및 위사방향으로 공급한다. 경사로서 폴리에틸렌레프탈레이트 멀티필라멘트 사조, 탄소 멀티필라멘트 사조, 아라미드 멀티필라멘트 사조 또는 레이온 멀티필라멘트 사조가 사용되고, 위사로는 100 ~ 140℃의 융점 또는 연화점을 갖는 저융점 나일론멀티필라멘트 사조를 사용하는 것이 바람직하다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기의 접착제 도포부를 나타내는 단면도이고, 도 4의 (b)는 접착제 도포부를 나타내는 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기의 가열 롤러를 나타내는 개념도이다.
도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 접착제 도포부(110)는 접착제 저장부(120)는 공급부에서 공급된 유리섬유에 도포하는 접착제(121)를 저장하는 접착제 저장(120)부와 가열 롤러(130)로 이루어진다. 접착제(121)의 종류, 부착량 등은 사용 목적에 따라 적절히 선정한다.
가열 롤러(130)는 접착제 저장부(120) 내부에 형성되며, 접착제(121)를 가열하면서 동시에 공급부(105)로부터 공급된 유리섬유(220)에 접착제(121)를 도포한다. 도 5에 도시된 바와 같이 가열 롤러(130)는 중앙 내측에 형성된 열 전달봉(131)과, 외표면에 권취된 유도 코일(132)을 이용하여 접착제(121)를 가열한다. 열 전달봉(131)과 유도 코일(132)은 외부의 유도열 발진기(133)와 연결되는데, 유도열 발진기(133)로부터 발생하는 열이 열 전달봉(131)과 유도코일(132)로 전달되어 접착제(121)를 가열할 수 있다. 유도열 발진기(133)를 동작시키면, 열이 열 전달봉(131)과 유도 코일(132)로 전달되어 접착제(121)가 가열되는 것이다. 접착제(121)는 일단 가열되면 경화반응이 빠르게 일어난다. 접착제(121)가 도포된 유리섬유(220)는 건조부(115)를 통과하여 건조된다. 건조부(115)는 고온의 바람을 유리섬유(220)에 가하여 유리섬유(220)에 도포된 접착제(121)를 건조시킨다.
가열 롤러(130)와 위사(220)가 직접 접하는 경우 가열 롤러(130)에서 많은 열이 발생하면 유리섬유(220)가 훼손되거나 변형될 위험이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 가열 롤러(130) 외주면에는 폴리에스테르 또는 세라믹 화이버 소재로 이루어진 단열부(134)가 형성된다. 유리섬유(220)는 가열 롤러(130)에 직접 접하지 않고 가열 롤러(130) 외주면에 형성된 단열부(134)와 접한 상태로 직조부(140)로 이동된다. 세라믹 화이버는 세라믹 섬유의 집합체로서 내열성과 내화학성이 우수하고 열전도율이 낮아 우수한 단열 효과를 가지고 있으며 가벼워 여러 용도로 가공이 용이한 특징이 있다.
직조부(140)는 공급부(105)에서 공급된 탄소섬유(210)와 접착제(123)가 도포된 유리섬유(220)를 직조하여 직물시트(200)를 형성하는 것으로 이 때 격자를 형성하는 리브(Rib)는 다수의 경사본 및 위사본에 의해 이루어지며, 격자의 크기 및 형태 등은 제품 설계시에 다양하게 응용될 수 있다.
제1 권취부(150)는 모터(190)에 의해 구동되는데 제1 권취부(150)와 모터(190)가 체인(191)으로 연결되어 모터(190)가 회전하면 연결된 체인(191)이 같은 방향으로 회전하면서 제1 권취부(150)를 회전시킨다. 제1 권취부(150)에는 초기 상태의 직물시트(200a)가 권취된다.
핀 히터(160)는 도시된 바와 같이 전력을 공급받아 열을 발산하는 다수의 가열부, 예컨대 상방의 제1 가열부(161)와 하방의 제2 가열부(162)로 이루어진다. 제1 가열부(161)와 제2 가열부(162)에는 각 10㎾의 전력이 공급된다. 직포된 초기상태의 직물시트(200a)가 핀 히터(160)에 의해 고열로 가열되는데 이는 직물시트(200a)를 프레스기(170)에 효과적으로 압착시키기 위함이다.
핀 히터(160)를 통과하여 나온 가열된 직물시트(200b)는 다시 프레스기(170)로 들어간다. 프레스기(170)는 도시된 바와 상방의 제1 롤러(171)와 하방의 제2 롤러(172)로 이루어지며 상기 각 롤러는 서로 반대 방향으로 회전을 하면서 구름 접촉시 일정한 압력이 유지되도록 한다. 핀 히터(160)를 통과한 가열된 직물시트(200b)는 두 개의 롤러로 이루어진 프레스기(170)를 통과하면서 압착이 이루어진다.
제2 권취부(180)는 프레스기(170)를 통과한 압착된 직물시트(200c)를 두루마리 형태로 감아 압착된 직물시트(200c)의 보관을 용이하게 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기에 의해 압착되는 직물시트를 나타내는 일부 사시도이다.
초기 상태의 직물시트(200)는 복수의 탄소섬유(210)를 경사로 하고 수지를 첨가한 복수의 유리섬유(220)를 위사로 하여 직물시트가 길이 방향을 따라 빈틈없이 연이어서 일렬로 직교하고 보강방향의 섬유 간격 및 모양을 유지하기 위해서 유리섬유(220)가 직물시트(200)에 대해 일렬로 직조되어 제조된다. 길이 방향의 섬유는 서로 빈틈없이 이어지며 직교하는 섬유와 지속적으로 일정한 간격으로 교차를 반복하면서 서로의 간격 및 모양이 유지되도록 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기(100)를 이용하여 직물시트를 제조하기 위한 작업 과정을 이하에서 살펴보기로 한다.
먼저 공급부(105)에서 원재료에 해당하는 탄소섬유 및 유리섬유를 각각 경사방향 및 위사방향으로 공급한다. 유리섬유(220)는 접착제 저장부(120)로 이동되며, 접착제 저장부(120) 내측에 설치된 가열 롤러(130)에 의해 접착제가 도포된다. 접착제(121)가 도포된 유리섬유(220)는 건조부(115)로 이동된다. 접착제(121)가 도포된 유리섬유(220)는 접착제(121)가 건조되지 않은 상태에서는 직조나 이동이 용이하지 않기 때문에 건조부(115)로 이동시켜 접착제(121)가 건조되도록 한다.
그 다음 단계에서 공급부(105)에서 공급된 탄소섬유(210) 및 접착제 도포부(110)를 통과한 유리섬유(220)가 직조부(140)에서 격자형 직물시트(200)로 직조된 후 직조된 직물시트(200)는 제1 권취부(150)에 권취된다.
세 번째 단계에서 제1 권취부(150)에 감겨진 초기 단계의 직물시트(200a)를 핀 히터(160) 입구에 위치시킨 후 제1 권취부(150)에서 공급되는 직물시트(200a)는 제1 가열부(161)와 제2 가열부(162) 사이로 이동되면서 열을 공급받아 가열된다. 즉 초기단계의 직물시트(200a)는 고온의 공기가 공급되는 핀 히터(160)를 통과하면서 가열이 빨라지게 되는데 여름과 같이 대기 온도가 높은 경우에는 가열 온도를 낮추고 반대로 기온이 떨어지는 겨울에는 온도를 높여 가열을 촉진시킨다. 따라서 본 발명에서는 핀 히터(160) 내에 설치된 제1 가열부(161)와 제2 가열부(162)의 온도를 조절하여 가열 속도를 조절할 수 있어 추운 날씨에도 작업이 가능하며, 열악한 환경에서도 우수한 품질을 유지할 수 있게 된다.
네 번째 단계에서는 가열된 직물시트(200b)가 서로 반대방향으로 회전하는 제1 롤러(171)와 제2 롤러(172)로 구성된 프레스기(170)의 각 롤러 사이를 통과하면서 압착이 이루어진다. 이러한 과정을 통하여 직물시트(200)의 경사와 위사가 붙어 떨어지지 않으면서, 직물시트(200)의 부속물인 유리 섬유 등이 쉽게 풀리지 않도록 한다.
프레스기(170)를 통과한 직물시트(200b)는 탄소의 강도가 높은 강화 직물시트(200c)로 형성되며 제2 권취부(180)에 권취되고 두루마리 형태로 감아서 현장으로 옮겨지게 되어 숙련되지 않은 노무자도 쉽게 사용할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기
105: 공급부 110: 접착제 도포부
115: 건조부 120: 접착제 저장부
121: 접착제 130: 가열 롤러
131: 열 전달봉 132: 유도 코일
133: 유도열발진기 134: 단열부
140: 직조부 150: 제1 권취부
160: 핀 히터 161: 제1 가열부
162: 제2 가열부 170: 프레스기
171: 제1 롤러 172: 제2 롤러
180: 제2 권취부 190: 모터
191: 체인 200: 직물시트
200a: 초기상태의 직물시트 200b: 가열된 직물시트
200c: 압착된 강화 직물시트 210: 탄소섬유
220: 유리섬유

Claims (3)

  1. 카본직물의 원재료에 해당하는 탄소섬유를 경사방향으로 유리섬유를 위사방향으로 공급하는 공급부와,
    내부에 접착제를 수용하는 접착제 저장부와 접착제를 가열하면서 상기 유리섬유에 접착제를 도포하는 가열 롤러로 이루어진 접착제 도포부와,
    상기 경사와 상기 접착제가 도포된 유리섬유를 직조하여 직물시트를 형성하는 직조부와,
    상기 직물시트가 감겨지는 제1 권취부와,
    상기 제1 권취부에서 공급되는 직물시트를 고열로 가열하는 핀 히터와,
    상기 핀 히터에 의해 가열된 직물시트를 압착하는 프레스기와,
    프레스기를 통과하여 압착된 강화 직물시트를 감아올리는 제2 권취부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 롤러는 중앙 내측에 형성된 열 전달봉과 외표면에 권취된 유도 코일을 포함하고,
    상기 열 전달봉과 유도코일로 열을 전달하여 접착제를 가열하는 것을 특징으로 하는 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기
  3. 청구항 1에 있어서
    상기 가열 롤러의 외주면에 폴리에스테르 또는 세라믹 화이버 소재로 이루어진 단열부가 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 고압을 이용한 카본직물 직조기
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