KR101434076B1

KR101434076B1 - 섬유 복합 재료로부터 펠릿 제조 방법

Info

Publication number: KR101434076B1
Application number: KR1020127024019A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 오르트레프; 레나트 뤼츠켄도르프; 토마스 레우스만
Original assignee: 에스지엘 오토모티브 카본 파이버스 게임베하 운트 코. 카게
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2014-08-25
Also published as: CN102869481B; CA2789812C; CA2789812A1; WO2011101093A2; CN102869481A; BR112012020688A2; ES2481403T3; KR20120123704A; PL2536545T3; JP5744066B2; EP2536545B1; DE102010008349A1; WO2011101093A3; PT2536545E; EP2536545A2; MX2012009462A; US20130196154A1; JP2013519762A

Abstract

본 발명은 플라스틱 마감 방법에서 추가 가공에 적합한 섬유 복합 재료로부터의 펠릿의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 펠릿은 각각의 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물 및 하나 이상의 열가소성 기질 재료를 포함한다. 상기 방법은 탄소 섬유를 포함하는 폐기물 또는 사용된 부품으로부터 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물을 단리하여, 열가소성 기질 재료와 함께 편평하게 놓고, 열을 이용하여 시트 재료로 압축하며, 그 후 냉각하고, 펠릿, 혈소판형 또는 칩으로 분쇄하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 방법은 예를 들어, 직물 제조 폐기물, 부착된 또는 경화된 제조 폐기물, 가공된 CFRP 폐기물 성분 등으로부터의 탄소 섬유를 강화 섬유로써 사용하는 것을 가능하게 하고, 이로 인해 비싸지 않은 원료 재료가 제공되고, 상기 폐기물 재료에 포함된 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물은 유용한 응용을 위해 재활용된다. 최종 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물은 부어질 수 있고 쉽게 계량될 수 있는 형태로 만들어지며, 예를 들어 압출 또는 사출 성형의 원료 재료로써 사용될 수 있다.

Description

섬유 복합 재료로부터 펠릿 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING PELLETS FROM FIBER COMPOSITE MATERIALS}

본 발명은 플라스틱 마감 방법(finishing method)에서 추가 가공에 적합한 섬유 복합 재료로부터 펠릿의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 펠릿은 탄소 섬유 및 하나 이상의 열가소성 기질(matrix) 재료를 포함한다.

탄소 섬유는 듀로머(duromer) 또는 열가소성수지와 결합된 섬유 복합 재료(FCM)의 섬유 강화제로써 사용된다. 최대 강화 효과를 달성하기 위해, 지금까지 이는 필라멘트사, 다섬유사, 또는 로잉(rowing)과 같은 연속 탄소 섬유 재료를 사용하여 주로 수행되어 왔다. 대조적으로, 탄소 섬유는 가공에 더 많은 문제가 있기 때문에, 예를 들어, 통상의 직물 가공에서 공지된 바와 같이, 20 mm 내지 80 mm 범위의 길이의, 불연속 섬유 길이를 갖는 절단 섬유의 형태로 시장에 제공되지 않는다.

현재 수년 동안, 고성능 섬유 강화제로서의 탄소 섬유 재료의 사용이 증가되고 있다. 예를 들어 항공기 건설, 선박 건설, 차량 건설 및 풍력 시설에서 주로 응용되고 있다. 사용되는 양이 끊임없이 증가하고 있기 때문에, 탄소 섬유-함유 제조 폐기물의 양 뿐만아니라 닳아 해진 사용된 부품의 양 또한 증가하고 있다. 이들을 제조하는 것은 복잡하기 때문에, 탄소 섬유는 매우 고가이다. 가격은 특정한 유형에 대해 약 15 ?/kg 내지 약 300 ?/kg일 수 있다. 그러므로, 경제적 및 환경적 이유로, 폐기물과 사용된 부품 및 그들이 포함하는 탄소 섬유를 가공하기 위한 기회를 만들고, 그것들이 적어도 부분적으로 고가인 1차 탄소 섬유를 대체할 수 있는 새로운 응용을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

상기 산업에서 탄소 섬유-함유 제조 폐기물을 재활용하기 위한 시도(상기 폐기물을 절단하고/하거나 분쇄하여 예를 들어, 플라스틱 또는 건축 재료에서 강화제로써 사용)가 이미 이루어져 왔지만, 현재까지 이러한 폐기물의 적은 부분만이 실제로 수집되고 판매되고 있다. 현재까지, 대량의 탄소 섬유-함유 폐기물을 재활용하는 것에 대해 높은 가치가 부여되지 않았으며, 쓰레기로 처리되어야만 했다.

섬유 복합 재료가 압출 또는 사출 성형 기술에서 사용된다면, 원료 재료는 열가소성 중합체에 대한 섬유의 일정한 중량비로 투여되어야 한다. 우수한 투여 및 혼합은 혼합물의 두 독립체가 그들의 기하학적 치수, 입자 표면적 및 부피 계수와 관련하여 동일하거나 적어도 매우 유사한 경우에만 달성될 수 있다. 하지만, 짧은 섬유 및 분쇄된 분진은 사용되는 플라스틱 과립의 알갱이(일반적으로, 약 3 mm 내지 5 mm의 직경, 매끄러운 표면 및 이로 인한 우수한 유출성을 가짐)에 비하여 상기 파라미터에서 상당히 큰 차이를 보인다. 짧은 섬유 내의 각각의 섬유는 함께 무작위로 배향된 매트(mat)로 래치(latch)를 채우고, 압출기 및 사출 성형 기계의 송입 호퍼(infeed hopper)의 개구를 막을 수 있는 재료의 덩어리 및 섬유 브릿지를 형성하며, 이는 기계 내로의 조절되지 않은, 산발적인 유입을 가져온다. 기계로 공급되는 재료의 연속적인 스트림의 방해를 가져오는 것 외에, 최종 제품에서 플라스틱 기질에 대한 강화 섬유의 공칭 혼합 비율과 상당한 편차가 발생할 수 있으며, 이는 성분의 기계적 특성이 보장될 수 없다는 것을 의미한다.

상기 이유로, 현재까지, 1차 탄소 섬유를 포함하는 압출 또는 사출 성형에 대한 원료 재료는 연속 섬유 가닥(strand)으로부터 제조된다. 이를 쉽게 가공할 수 있도록 만들기 위해, 연속 섬유는 다발(bundle)로 형성되고, 3 mm 내지 12 mm의 길이로 절단되기 전에, 매우 점성인 결합 겹(ply)을 사용하여 두꺼운 연속 섬유 다발로 결합된다(또한 사이징으로 알려짐). 연속 섬유 역시 함께 뭉쳐지고, 그리고 나서 용용 중합체가 스며들거나 둘러싸며, 냉각되어 고화되고 그 후 원하는 길이로 절단될 수 있다. 이 방법에서 연속 1차 탄소 섬유만이 원료 재료로 사용될 수 있다. 상기 제시한 이유로, 폐기물 가공 절차 또는 사용된 CFK 성분 재활용으로부터 얻은 불연속 섬유는 압출 또는 사출 성형에 대한 원료 재료에 섬유로써 직접 첨가될 수 없다. 적절히 투여될 수 있고 잘 부어질 수 있는 형태로 이들을 사용하는 것이 가능하게 된 경우에만, 폐기물 또는 사용된 부품(경제적 면에서, 여전히 높은 가치의 섬유)으로부터 탄소 섬유를 재활용하는 방법이 열릴 것이다.

선행기술에서, 1차 탄소 섬유의 제조는 일반적으로 폴리아크릴로니트릴(PAN)과 같은 적합한 유기 전구 섬유 또는 비스코스 섬유로부터 출발하여 조절된 열분해를 수행함으로써, 또는 피치(pitch)로부터 출발함으로써(이 경우, 용융 방사(melt spinning)를 사용하여 초기의 피치 섬유가 제조되고, 후에 산화 및 탄화됨) 수행된다. 적합한 방법은 예를 들어, 제 EP　1　696 057 A1호로부터 공지된다. 상기 공보에서, 피치로부터 제조된 1차 섬유는 섬유가 바람직한 방향으로 배향을 갖는 스테이플(staple) 섬유 매트로 가공된다. 상기 공지된 방법은 그 중에서도 섬유를 평행하게 만들기 위한 소면(carding) 방법을 포함한다. 그러나, 상기 방법은 탄소 섬유 웹으로부터 실을 제조하고, 따라서 선형의 최종 제품이 제조된다.

주로, 테이프-유사 통합된 반제품이 열가소성 기질 섬유 및 불연속 길이의 강화 섬유를 포함하는 혼성 스트립(hybrid strip)으로부터 제조될 수 있다는 것은 당해 분야에 공지되어 있다. 제DE　101 51 761 A1호는 이러한 유형의 방법을 기재하며, 여기서 소면된(carded) 테이프는 열가소성 기질 섬유 및 천연 섬유로부터 제조되고, 그리고는 보관, 가이드, 및 최종적으로 레잉 유닛(laying unit)을 거친다. 가열부에서의 가열 및 통합 후에, 테이프-유사 반제품이 수득된다. 상기 공보는 또한 천연 섬유 대신에 탄소 섬유가 강화 섬유로 사용될 수 있음을 언급한다.

제DE 10 2008 002 846 A1호는 섬유-강화 또는 섬유-함유 반제품이 재활용되는 폐기물 가공 방법을 기재한다. 기질 재료 내에 결합된 섬유는 기질 재료로부터 분리되고, 수득된 자유 섬유는 결합제로 즉시 경화된다. 하지만, 반제품으로부터 섬유의 분리는 용광로에서 즉, 열분해에 의해 수행된다. 상기 방법에서, 최종 제품은 경화된 섬유에 의해 형성된 섬유의 다발이고; 상기 공보는 그의 추가 가공에 대해 어떠한 상세 설명을 제공하지 않는다.

제DE 197 39 486 A1는 섬유 복합 재료로부터 형성된 시트-유사 반제품의 제조 방법을 개시하고, 여기서 재활용 열가소성 재료, 즉 카펫 제조로부터의 섬유 폐기물은 헤드라인(headline) 제조로부터의 폐기물 재료와 혼합되고 소면기에 의해 소면된다. 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 나일론 또는 PET로 구성될 수 있다. 이들 섬유는 추가 가공 전에 약 50 mm 길이로 잘려진다. 헤드라인 제조로부터의 폐기물 재료는 니들(needle)-유사 돌출부를 갖는 롤에 의해 잘려지고, 스트립으로 나누어진다. 두 폐기물 섬유 재료는 혼합되고, 그리고는 소면기에 의해 소면된다. 상기 공보는 섬유를 특정하게 배향시키기 위한 임의의 조치를 취하는 것에 대한 추가 정보를 포함하지 않는다. 또한 상기 공보는 폐기물로부터의 탄소 섬유 사용을 교시하지 않는다. 상기 공지된 방법에서, 매트가 처음에 제조되고, 그 후에 운반체(vehicle)에 대한 바디 성분으로 성형된다.

제DE 197 11 247 A1호는 혼성 슬라이버(sliver)로부터 긴 섬유 과립의 제조 방법을 개시한다. 상기 방법에서, 강화 섬유로부터 형성된 혼성 슬라이버 및 기질 섬유가 가열되고, 연사(twisting)에 의해 압축되며, 가닥을 형성한다. 이 경우에서, 열가소성 섬유 성분을 용융시키고 냉각시킴으로써 선형의 연속 제품이 제조된다. 상기 재료 가닥 위의 꼬임이 유지되고, 그 후에 제립기를 사용하여 그것을 단면으로 절단함으로써 줄(string)은 펠릿으로 길이가 절단된다.

제DE 44 19 579 A1호는 섬유 복합 재료로부터 형성된 펠릿의 제조 방법을 개시하고, 여기서 플라스틱 과립은 그것을 용융시키는 압출기로 공급되고, 그 후에 균일한 길이를 갖는 절단 유리 섬유가 하류에 첨가된다. 그리고는 그 재료는 슬롯 다이(slot die)로부터 압출되고, 펠릿으로 분할되며 나뉜다. 제조되는 펠릿 내의 섬유의 양은 비교적 낮다. 상기 공지된 방법에 탄소 섬유는 사용되지 않으며, 재활용 섬유는 가공되지 않는다.

일본 특허 개요 제2005089515 A호는 섬유 복합 재료로부터 펠릿의 제조 방법을 개시하고, 이 방법에서 페놀 수지 및 스티렌 수지를 포함하는 열가소성 기질 재료 및 탄소 섬유는 일부의 고무와 함께 펠릿으로 가공되며, 펠릿 내에서 탄소 섬유는 펠릿의 길이 방향으로 배향된다. 탄소 섬유의 함량은 5-30 중량%이다. 펠릿 제조에 대한 기본적인 통상적인 방법을 사용하여 제조된 탄소 섬유가 그안에 사용되며; 따라서, 그들은 비교적 비싼 원료 재료를 구성한다. 또한, 연속 섬유가 원료 재료로 사용되고, 이러한 이유로, 탄소 섬유의 길이는 각각의 펠릿의 길이이다.

여기에 본 발명이 관여한다. 본 발명의 목적은 전술한 유형의 섬유 복합 재료로부터 형성되는 펠릿의 제조 방법을 제공하는 것이며, 여기서 비싸지 않고, 입수 가능한 탄소 섬유가 강화 섬유로 사용될 수 있다.

본 발명은 메인 청구항의 특성을 특징으로 하는 상기 정의한 유형의 방법을 제공한다.

본 발명에 따라서, 탄소 섬유를 포함하는 폐기물 또는 사용된 부품으로부터 탄소 섬유를 단리하여, 열가소성 기질 재료와 함께 편평하게 놓고, 열을 이용하여 시트 재료로 압축하며, 그 후 냉각하고 펠릿, 배트(batt) 또는 칩(chip)으로 분쇄한다.

본 발명의 방법은 예를 들어 직물 제조 폐기물, 부착된 또는 경화된 제조 폐기물, 가공 사용된 CFK 성분 등으로부터 형성된, 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물을 강화 섬유로써 사용할 수 있고, 이에 의해 비싸지 않은 원료 재료가 제공되고, 상기 사용된 재료에 포함된 탄소 섬유를 추가 사용을 위해 재활용할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물은 부어질 수 있고 적절히 투여될 수 있는 조밀한 형태로 만들어 지고, 그리고 예를 들어 압출 또는 사출 성형을 위한 원료 재료로 사용될 수 있다.

결합 수지 또는 CFK 성분 또는 일부 성분이 함침된 탄소 폐기물 또는 사용된 부품(탄소 섬유가 고체 복합재 내에 매립되어 있음)에 관하여서는, 탄소 섬유는 초기에는 원하지 않는 기질 재료가 없다. 이 때문에, 열분해 기술이 사용될 수 있거나, 또는 예를 들어 폐기물은 초임계 용매를 사용하여 처리될 수 있다. 불연속 탄소 섬유는 이러한 별도 공정으로부터의 생성물이다.

바람직하게, 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 하나 이상의 겹을 공기식 랜덤 레잉(pneumatic random laying) 방법, 소면 방법, 습식 레이(wet lay) 방법, 제지 방법에 의해 또는 루즈 필(loose fill)을 이용하여 편평하게 놓아서 제조한다.

본 발명의 다른 실시양태에서, 선형의 섬유 슬라이버가 형성되는 선행 기술의 경우와 달리, 탄소 섬유를 플리스(fleece) 형성 유닛에서 얇고, 질량-균일한 섬유 웹으로 직접 가공하고, 따라서 단위 면적당 질량 및 두께가 조정가능한, 편평하고 질량-균일한 탄소 섬유-함유 겹을 형성시킨다.

본 발명에 따라 사용되는 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물이 웹 형성 가공의 작용으로써, 3 mm 내지 150 mm의 평균 섬유 길이를 보인다. 10 mm 이하의 짧은 섬유는 습식 레이 방법을 사용하여 가공할 수 있고; 20 내지 150 mm 범위의 더 긴 섬유는 랜덤 레잉 기술 또는 소면법을 사용하여 시트 제품으로 가공할 수 있다.

본 발명의 맥락에서, 탄소 섬유를 열가소성 기질 재료와 혼합하는데에 바람직한 다양한 가능성이 있다. 예로써, 소면 유닛으로의 주입구에서, 탄소 섬유 및 열가소성 섬유를 섬유 플록(flock) 혼합물의 형태 또는 별도의 겹으로서 공급하고, 그 후에 소면기에서 균일하게 혼합할 수 있다.

습식 레이 방법을 사용하는 경우, 짧은 탄소 섬유를 열가소성 입자와 긴밀하게 예비-혼합할 수 있고, 예를 들어, 짧은 섬유가 습식 레이 유닛의 현탁액으로 있다.

예로써, 하나 이상의 열가소성 포일, 섬유 웹 겹 또는 플리스 겹을 포함하는 하나 이상의 질량-균일한 열가소성 겹을, 적층에 의해 상류의 플리스-형성 방법에서 형성된 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 하나 이상의 질량-균일한 편평한 겹과 가능하게는 용융물 형태로 접촉시키는 것 또한 가능하다.

대안으로, 분말 형태의 또는 약 5 mm 미만의 직경을 갖는 입자로서의 열가소성 성분을 상기 겹 내의 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 하나 이상의 겹에 적용할 수 있다.

예로써, 불연속 섬유 형태의 열가소성 성분을 겹 형성 전 또는 동안, 상기 탄소 섬유와 긴밀하고 균일하게 혼합할 수 있다.

상기 예의 결과는 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물이 하나 이상의 열가소성 성분과 정해진, 일정한 중량비로 느슨하게 연관되어 있는 편평한 중간 제품이다. 본 발명에 따르면, 하나 이상의 열가소성 성분은 후에 가열 방법에 의해 연화 또는 융합되고, 탄소 섬유는 바람직하게 평판 압축 및 냉각에 의해 내굽힘성(bend-resistant) 겹 또는 시트로 통합되어, 후속하는 분쇄 가공 후에, 결과가 부어질 수 있고 사출 성형 및 배합에 적합한 펠릿이 되도록 한다. 예를 들어, 용융 함침 및 압출을 함께 가동시키는 제DE 44 19 579 A1호와 대조적으로, 결과의 펠릿 내의 조절가능한 섬유 함량은 제DE　44　19　579 A1호에 인용된 35 %의 한계값을 상당히 초과하는 95 %로 조절될 수 있고, 따라서 비싸지 않은 탄소 섬유 농축물이 배합을 위한 펠릿 형태로 제조될 수 있다.

융합, 결합 또는 연화 열가소성 재료의 중합체의 유형 및 퍼센트와 함께, 열적 통합 동안의 온도 및 압력은 펠릿 내의 모든 성분에 대한 기계적 응집성 및 그에 따라 사출 성형 또는 배합에의 적용가능성을 결정한다.

본 발명은 또한 상기 인용된 유형의 방법을 사용하여 제조되고, 바람직하게 5 % 내지 95 % 범위의, 바람직하게는 10 % 내지 80 % 범위의 탄소 섬유 비율을 갖고, 펠릿의 최대 에지-투-에지(edge-to-edge) 길이가 3 내지 25 mm, 바람직하게는 5 내지 10 mm인 탄소 섬유-함유 펠릿과 관련된다. 바람직하게, 펠릿 내의 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물은 균일한 섬유 길이를 갖지 않고, 이들의 일부가 간섭없이 상기 펠릿의 전체 바디를 통과하지 않는다.

탄소 섬유를 포함하는 폐기물 또는 사용된 부품으로부터 형성된 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 혼합물 외에, 본 발명의 펠릿은 예를 들어 불연속 1차 제품(새 제품)의 형태로 일부의 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 탄소 섬유 외에, 이들 펠릿은 또한 예를 들어, 불연속적 형태의 강화 섬유 부분, 특히 파라-아라미드, 유리 섬유, 천연 섬유, 불용성 화학 섬유 및/또는 기질 섬유의 것보다 더 높은 융점에서 용융되는 섬유를 추가로 포함할 수 있다.

사용될 수 있는 질량-균일 또는 부피-균일 탄소 섬유-함유 매트의 제조에 특이적인 기술은 주로 사용되는 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 유형에 의존하고, 섬유 길이 및 섬유 길이 분포에 의존한다. 그 예는 플리스 소면, 공기식 플리스 레잉, 약 10 mm 이하의 더 짧은 섬유를 사용하는 경우 분산 장치를 사용하여 또는 > 10 mm 중간 섬유 길이의 경우 공급 슈트(chute)에 의한 루즈 필의 형성과 같은 공지된 건식 기술, 뿐만아니라 습식 레이 제조 또는 제지 기술과 같은 습식 기술이다. 겹을 제조하는 가공 단계로써 약 5 mm 이하의 극도의 짧은 섬유에 대해 분말 분산을 사용하는 것 또한 가능하다.

본 방법을 위한 원료 탄소 섬유 재료의 예는 다음과 같다:

- 분쇄된 1차 섬유 및/또는 분쇄된 로빙(roving);

- 분쇄된 및/또는 분해된 비 권축 직물, 짜여진 직물 또는 합사(braided) 잔유물;

- 분쇄된 및/또는 분해한 필라멘트 폐기물 또는 잔유 감긴 재료;

- 분쇄된 및/또는 분해된 및/또는 가열- 또는 용매-처리한 프리프레그(prepreg) 폐기물; 또는

- 불연속 탄소 섬유 및/또는 불연속 탄소 섬유 다발, 필요하다면, 추가로 분쇄된 및/또는 분해된 수지-포함 폐기물, 경화 CFK 부분 및/또는 사용된 부품.

존재하는 탄소 섬유 길이에 따라서, 이들은 겹 형성 방법으로 직접 공급될 수 있거나, 또는 가공성을 향상시키기 위하여, 이들은 추가로 분쇄될 수 있고/있거나 크기, 결합 재료 또는 난연제, 염료, 비주조 보조제(unmolding aid) 또는 유동학적 보조제(rheological aid)와 같은 후속하는 플라스틱에서 효과적인 다른 추가적인 약제가 제공되거나 또는 이와 혼합될 수 있다. 예를 들어, 충격 강도를 조절하기 위해 또는 기계적 강화를 제공하기 위해 파라-아라미드, 유리 섬유, 천연 섬유 또는 불용성 화학 섬유 또는 더 높은 온도에서 용융하는 섬유와 같은 탄소 섬유 재료 내에 추가적인 기능성 섬유를 혼합하는 것 또한 가능하다. 후속하는 결합을 위해 열가소성 섬유 재료와 같은 섬유성 혼합재(admixer)는 겹 형성 전 독립적인 가공 단계에서(예를 들어, 직물 섬유 혼합 벨트를 사용하여) 또는 겹 형성 도중 직접(예를 들어, 소면기에서) 남은 섬유와 긴밀하고 균일하게 혼합될 수 있다. 시스템 혼합이 활용되면, 각각의 섬유 성분은 예를 들어 섬유 웹 또는 플리스 테이프로써 다른 겹으로 서로에 대해 혼합되지 않은 채 놓인다. 여기서 중요한 것은 열가소성 경화 후에, 모든 겹이 함께 조밀한 결합을 하도록, 열가소성 결합 성분이 모든 겹을 통해 충분히 침투한다는 것이다. 이는 모든 성분을 함께 균일하게 혼합함으로써, 예를 들어 얇은 겹을 열가소성 및 강화 성분과 교대시킴으로써, 또는 예를 들어, 니들링(needling) 절차를 사용하여 탄소 섬유 겹을 통해 열가소성 결합제 섬유의 광범위한 니들링에 의해 달성될 수 있다. 얇은 겹 또는 용융 열가소성 수지의 우수한 침투성에 의해, 샌드위치가 적합하고, 여기서 불용성 성분은 중심부로 배열된다.

당해 분야에 공지된 다양한 열가소성 플라스틱 기질이 열가소성 결합 성분으로써 사용될 수 있다. 저 융점의 폴리에틸렌부터 폴리프로필렌, 폴리아미드를 거쳐 PEEK 또는 PEI와 같은 고 융점 열가소성 수지까지 다양하다. 온도, 체류 시간, 압력 및 불활성 가스 대기의 임의의 사용과 같은 열적 통합 파라미터는 그 중합체의 특성에 부합되어야만 한다. 사용될 수 있는 열가소성 결합제 성분의 형태는 분말과 같은 작은 입자부터 짧은 섬유, 직물 스테이플, 플리스 또는 섬유 겹, 스핀 레이드 재료 및 포일을 거쳐 용융 중합체까지 다양하다.

열가소성 수지에 대한 탄소 섬유의 중량비가 가능한 일정한, 편평한 겹 내에 열가소성 결합제와의 불연속 탄소 섬유의 조합에 따라, 상기 적층물을 가열하여, 열가소성 성분이 연화 또는 용융되도록 한다. 그러나, 용융 중합체를 사용하는 경우, 상기 단계는 필요하지 않을 것이다. 이러한 경우, 예를 들면, 넓은 다이에 의해 탄소 섬유 겹에 적용되고, 그리고는 압축되며, 그 후에 추가적인 외부 기계적 압력을 적용하여 또는 하지 않고 냉각되고 통합될 수 있다.

열가소성 성분의 비율은 수득될 수 있는 후속하는 펠릿의 기계적 안정성 및 시트 제품의 조밀성을 결정한다. 열가소성 성분의 하한은 바람직하게 약 5 %이고, 신뢰할 수 있는 통합 효과를 위해, 탄소 섬유 및 열가소성 성분은 가능한 균일하고 긴밀하게 혼합되어야 한다. 샌드위치 방법에서, 후속하는 펠릿의 우수한 응집성을 얻기 위해 약 15 % 내지 25 %의 최소 비율이 유리하다. 그 결과의 펠릿이 배합에 사용되어야 한다면, 경제적 이유로, 높은 탄소 섬유 함량 및 가능한 낮은 결합제 중합체 함량이 이용되는 것이 바람직하다. 펠릿이 성분으로 직접 사출 성형되어야 한다면, 열가소성 중합체는 > 50 %, 일반적으로 70 % 내지 90 %의 비율로 사용되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 열가소성 성분의 비율은 펠릿의 경도를 넓은 범위에 걸쳐 다르게 하기 위해 사용될 수 있다. 이는 조밀한 세공-없는 상태부터 다공성 증가를 거쳐 열적 통합된 저밀도 섬유 플리스까지 포함한다. 사용된 탄소 섬유 재료 외에, 불연속 형태의 추가 섬유 재료가 사용될 수 있다. 탄소 섬유 성분과 유사한 방식으로, 이들은 겹 형성 전 또는 동안에 섬유 혼합 방법에 의해, 또는 재료를 적층시킬 때 별도의 시스템 성분으로 첨가될 수 있다.

그리고는, 열적 통합된 시트 제품은 정의된 방식으로 분쇄된다. 이는 예를 들어, 다이-절단 방법을 사용하거나, 콤(comb) 절단 기술 또는 2 가지 중력 절단 기계의 조합을 사용하여 수행될 수 있다. 입자 크기는 배합기 또는 사출 성형 기계의 파라미터에 의존하며; 바람직하게, 15 mm의 최대 치수가 일반적으로 초과되지 않는다. 가공하기 용이한 펠릿은 예를 들어, 5 내지 10 mm의 최대 에지 길이를 가질 수 있다. 펠릿은 규칙적이거나 균일한 형상을 가질 필요가 없다. 펠릿의 두께는 크게 중요하지 않다. 우수한 응집과 관련하여, 더 작은 질량 때문에, 파괴됨 없이 투여 및 혼합시의 더 작은 내부 힘을 견딜 수 있는 얇은 혈소판-형상 펠릿보다 매우 두껍고, 무거운 펠릿은 더 높은 최소 열가소성 수지 비율을 가져야 한다.

이러한 탄소 펠릿의 응용 범위는 바람직하게 열가소성적으로 결합된 섬유 복합 재료의 제조를 위한 배합 및 사출 성형을 포함한다. 특별히 낮은 융점 결합제 비율을 갖는 다른 응용 분야의 예는 엘라스토머(elastomer) 또는 고무-강화제 또는 예를 들어 탄소 섬유가 듀로머 기질 내에 적절하게 분포될 수 있도록, 혼합 방법 중 듀로머 내에서 다시 분해되어 탄소 섬유를 방출시키는, 듀로머 기질 내에 낮은 정도로 통합된 펠릿으로서의 응용이다.

종속항에 정의된 특성은 바람직하게 본 발명의 대상의 추가 실시양태와 관련된다. 본 발명의 추가 장점은 다음의 상세한 설명에 의해 분명해 질 것이다.

이하 본 발명을 특정한 실시예의 도움으로 더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 순수히 예시의 수단이며, 본 발명은 이에 기재한 특정한 단위 및 파라미터에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

실시예 1

섬유/섬유 혼합물의 사출 성형을 위한 펠릿으로의 가공

사출 성형을 위한 탄소 섬유-함유 펠릿을 제조하기 위해, 40 mm의 평균 섬유 길이를 갖는, 100 % 짜여진 탄소 폐기물로부터 수득된 재활용 탄소 섬유 및 표준 3.3 데시텍스(dtex), 60 mm의 PA6-스테이플 섬유 직물을 원료 재료로 사용했다. 직물 산업에 표준인 혼합 베드(bed) 및 후속하는 오프닝 기계를 사용하여, 재활용 탄소 섬유(RCF) 30 % 에 대해 PA6 70 %의 중량비로 두 재료를 함께 긴밀하게 혼합하여, 이른바 플록 혼합물을 형성했다. 그리고는 가능한 긴 플리스 내의 탄소 섬유를 얻기 위해, 이 섬유 혼합물을 소면 유닛을 통과시켰고, 70/30 PA6/RCF의 섬유 혼합물로 제조한 35 g/m²의 단위 면적당 균일한 질량을 갖는 편평한 소면 웹을 크로스-래퍼(cross-lapper)를 통해 두 배로 하여 260 g/m²의 단위 면적당 질량을 갖는 다중 웹 적층물을 형성하고, 그리고는 25 스티치/cm²의 니들기(needler)를 사용하여 통합시켜 한쪽에는 플리스가 후속 공정에서 조작되기 쉽도록, 다른 한쪽에서는, 스티치 강도가 너무 높지 않도록 하였다. 약 250-260 g/m²의 단위 면적당 질량을 갖는 10 개의 니들 플리스를 30 cm x 30 cm 조각의 형태로 서로의 위에 놓고 100 초 동안 50 바(bar)를 사용하여 240 ℃에서 멀티플레이트 프레스로 압축하고, 그리고는 냉각했다. 여전히 통합되지 않은 소프트 에지는 절단기(guillotine)를 사용하여 결과의 시트로부터 제거했다. 다음, 피레트 중력 절단기(Pierret gravity knife machine)에서 시트를 처음에는 6.3 mm 세로 길이로 절단하여 스트립으로 분쇄하고, 그리고는 스트립을 다시 놓고, 목표 절단 정확도에 따라 4 내지 10 mm 범위의 에지 길이를 갖는 칩-유사 펠릿으로 절단했다. 펠릿은 불규칙한 형상이였고; 이상적으로는 정사각형이지만, 대부분은 불규칙한 늘어난 직사각형 또는 다각형에서 불규칙한 삼각형까지 이르렀다. 이러한 형상은 시트 제품에 활용된 분쇄 기술로부터 기인하고, 사출 성형에서의 사용을 위해 크게 중요한 것이 아니다. 훨씬 더 중요한 것은 하류 유닛에서 송입 호퍼를 차단할 수 있는 대형 펠릿이 없었다는 것이다. 그리고는 이렇게 제조된 이들 펠릿을 사출 성형에서 직접 FCM으로 가공할 수 있었다.

실시예 2

편평한 시스템 믹스의 혼합을 위한 펠릿으로의 가공

180 g/m²의 단위 면적당 질량을 갖는 두 플리스 웹을 크로스-래퍼 및 하류 니들링 기계를 사용하여 소면기 유닛에서 표준 3.3 데시텍스, 60 mm의 PA6-스테이플 섬유 직물 100 %로부터 제조했다. 두 플리스 웹을 위로부터 12 스티치/cm²로 한번 가볍게만 니들링했다. 다음 단계에서, 40 mm의 평균 섬유 길이를 갖는 100 % 짜여진 폐기물로부터 형성된 재활용 탄소 섬유를 탄소 섬유 가공에 특별히 조정된 소면 기술을 사용하여 30 g/m²의 단위 면적당균일한 중량을 갖는 편평한 소면 웹으로 가공했고 소면기로부터 뽑힌 웹을 그에 대해 90°의 각으로 크로스-래퍼에 연속적으로 놓고 포개어, 780 g/m²의 단위 면적당 중량이 놓이도록 하였다. 놓여진 웹과 겹쳐질 탄소 섬유 웹 겹 사이에 미리-제조된 니들 플리스 웹을 두어, 탄소 섬유 겹이 PA6-니들 플리스 위에 배치되도록 했다. 하류의 니들 기계로 공급하기 전에, 180 g/m² PA6-니들 플리스 - 780 g/m² RCF-웹 겹 - 180 g/m² PA6-니들 플리스 샌드위치가 제조되도록 커버 겹으로써 제2의 180 g/m² PA6-니들 플리스를 두었다. 이 샌드위치를 위 및 아래로부터 25 스티치/cm²로 단단히 니들링했다. 니들링 절차는 PA6-플리스 커버 겹의 부분이 RCF-겹을 통해 니들링 되어 RCF-겹과의 PA6의 특정 양의 유사-혼합이 일어나도록 하여, 후속하는 열적 통합의 안정성에 긍정적인 효과를 갖도록 한다는 것을 의미한다. PA6-바깥 겹 및 중심에 RCF를 갖는 수득된 니들 플리스를 30 cm x 30 cm 조각으로 서로의 위에 놓았고 100 초 동안 50 바, 240 ℃에서 멀티플레이트 프레스로 압축시켰으며 그 후에 냉각시켰다. 여전히 통합되지 않은 소프트 에지를 절단기를 사용하여 결과의 시트로부터 제거했다. 다음, 피레트 중력 절단기에서 시트를 처음에는 9.8 mm 세로 길이로 절단하여 스트립으로 세분하고, 그리고는 스트립을 다시 두고, 목표 절단 정확도에 따라 7 내지 14 mm 범위의 에지 길이를 갖는 칩-유사 펠릿으로 절단했다. 펠릿은 불규칙한 형상이였고; 이상적으로는 정사각형이지만, 대부분은 불규칙한 늘어난 직사각형 또는 다각형에서 불규칙한 삼각형까지 이르렀다. 이러한 형상은 시트 제품에 활용된 분쇄 기술로부터 기인하며 사출 성형에서의 사용을 위해 크게 중요한 것이 아니다. 훨씬 더 중요한 것은 하류 유닛에서 송입 호퍼를 차단할 수 있는 대형 펠릿이 없었다는 것이다. 그리고는 이렇게 제조된 이들 펠릿을 압출기에서 10 % RCF의 섬유 비율을 갖는 탄소 섬유-함유 사출 성형 과립으로 가공할 수 있었다.

본 발명의 맥락에서 사용될 수 있는 소면기의 작동 원리는 이하 수반되는 도면을 참조로 하여 예시의 형태로 설명한다.

<도면의 간단한 설명>

도 1은 예를 들어, 본 발명의 방법에 따라, 그 중에서도 탄소 섬유를 포함하는 섬유 웹의 제조에 적합한 소면기 유닛의 원리에 대한 단순화된 도해를 보여준다.

이 도해는 초기에 송입 롤에 대한 반대 방향으로 회전하는 리커인(licker-in; 3) 위로 송입 롤(1, 2)을 지나가게 하는 소면기 유닛(왼쪽)으로 들어가는 하나 이상의 섬유 겹(10)을 보여준다. 이 리커인(3) 및 리커인(3)과 같은 방향으로 회전하는 탬부어(tambour; 5) 사이에 리커인(3) 및 탬부어(5)와 반대 방향으로 회전하는 전사 롤러(4)가 있다. 탬부어(5)의 원주 위에는 원주의 다양한 위치에서 다양한 워커(worker; 6) 및 터너(turner; 7)가 있다. 이들 장치는 소면기 유닛으로 들어오는 섬유 겹(10)을 각각의 섬유들로 분해시키고, 그리고는 이들을 정의된 단위 면적당 질량을 갖는 얇고, 질량-균일한 섬유 웹으로 변형시키는 기능을 한다. 바람직하게, 섬유는 그들의 길이를 따라 배향된다.

탬부어(5) 뒤에, 탬부어(5)와 반대 방향으로 회전하는 테이크-오프(take-off) 드럼(8)이 있고, 이 드럼(8)은 그의 하류 쪽에 위치한 콤 블레이드(comb blade; 9)를 갖는다. 섬유 웹(11)은 예를 들어, 약 80 g/m²의 최대, 바람직하게는 약 60 g/m²의 최대 단위 면적당 질량 뿐만아니라 예를 들어, 약 15-30　g/m²의 섬유 길이 배향을 갖는 연속 웹의 형태로 테이크-오프 드럼(8)로부터 얻어진다.

1 송입 롤
2 송입 롤
3 리커인
4 전사 롤러
5 탬부어
6 워커
7 터너
8 테이크-오프 드럼
9 콤 블레이드
10 유입 섬유 겹
11 섬유 웹

Claims

펠릿이 탄소 섬유 및 하나 이상의 열가소성 기질 재료를 포함하며, 탄소 섬유를 포함하는 폐기물 또는 사용된 부품으로부터 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물을 단리하여, 열가소성 기질 재료와 함께 편평하게 놓고, 열을 이용하여 시트 재료로 압축하며, 그 후 냉각하고, 펠릿, 배트 또는 칩으로 분쇄하고,
초기에 불연속 탄소 섬유의 하나 이상의 겹을 공기식 랜덤 레잉 방법, 소면(carding) 방법, 습식 레이 방법, 제지 방법에 의해 또는 루즈 필(loose fill)을 이용하여 불연속 탄소 섬유를 편평하게 놓아서 제조하고, 여기서 소면 유닛으로 진행하는 섬유 겹을 얇고, 질량-균일한 섬유 웹으로 직접 가공하는 것을 특징으로 하는, 플라스틱 마감 처리시 사용가능한 섬유 복합 재료 펠릿의 제조 방법.
제1항에 있어서, 사용되는 상기 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물이 3 mm 내지 150 mm의 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소면 유닛으로의 주입구에서, 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물 및 열가소성 섬유를 별도의 겹으로서 각각 공급하고, 그 후에 상기 소면 유닛에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 열가소성 포일, 섬유 웹 겹 또는 플리스 겹을 포함하는 하나 이상의 열가소성 겹을 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 하나 이상의 겹과 접촉시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분말 형태의 또는 5 mm 미만의 직경을 갖는 입자로서의 열가소성 성분을 불연속 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 하나 이상의 겹에 적용하거나 상기 겹에 함침시키고, 그 배열을 가열하거나 용융물 형태의 상기 열가소성 성분을 불연속 탄소 섬유의 하나 이상의 겹과 접촉시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 불연속 섬유 형태의 열가소성 성분을 겹 형성 전 또는 동안, 상기 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물과 균일하게 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 성분, 즉 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물, 열가소성 기질 섬유 및 다른 조성을 갖는 임의의 다른 섬유를 각각 섬유 웹 또는 플리스 웹으로서 다른 겹에 혼합하지 않은 채로 공급하고, 서로에 대해 편평하게 놓으며, 상기 열가소성 기질 성분이 모든 겹에 침투하고 상기 겹이 함께 조밀한 결합을 하도록 하는 조치를 가하고, 후에 열적 통합하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 원하지 않는 기질 물질로부터의 폐기물 또는 사용된 부품으로부터 형성된 상기 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물을 단리를 위해, 열분해 기술 또는 초임계 용매로의 처리를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
5 % 내지 95 % 범위의 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물의 비율을 갖고, 펠릿의 최대 에지-투-에지 길이가 3 내지 25 mm인 것을 특징으로 하는, 제1항 또는 제2항에 따라 제조된 탄소 섬유-함유 펠릿.
제9항에 있어서, 상기 펠릿에 포함된 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물이 균일한 섬유 길이를 갖지 않고, 이들의 일부가 간섭없이 상기 펠릿의 전체 바디를 통과하지 않는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유-함유 펠릿.
제9항에 있어서, 탄소 섬유를 포함하는 폐기물 또는 사용된 부품으로부터 형성된 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물 외에, 상기 펠릿이 또한 불연속 1차 제품(새 제품) 형태의 탄소 섬유 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유-함유 펠릿.
제9항에 있어서, 탄소 섬유, 탄소 섬유 다발 또는 이들의 혼합물 외에, 상기 펠릿이 불연속 형태의 강화 섬유, 유리 섬유, 천연 섬유, 불용성 화학 섬유 및/또는 상기 기질 섬유의 것보다 더 높은 융점을 갖는 섬유를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유-함유 펠릿.
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