KR101663154B1

KR101663154B1 - Frp 제조방법

Info

Publication number: KR101663154B1
Application number: KR1020160085887A
Authority: KR
Inventors: 이준문; 신헌충; 신성섭; 신용성
Original assignee: (주)씨에스크
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2016-10-07

Abstract

본 발명에 따른 FRP 제조방법은, 제조하고자 하는 FRP의 형상이 내면에 형성된 몰드와, 상기 몰드를 덮는 덮개와, 상기 FRP를 만들기 위한 프리프레그를 준비하는 제1단계; 상기 몰드 안에 상기 프리프레그를 적층하는 제2단계; 상기 프리프레그 위에 이형필름을 덮는 제3단계; 상기 이형필름 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 덮는 제4단계; 상기 몰드 위에 상기 덮개를 덮고, 상기 몰드와 상기 덮개를 결합시키는 제5단계; 상기 결합된 몰드와 덮개를 진공백 안에 넣는 제6단계; 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 오븐에 넣는 제7단계; 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백에 진공을 걸어주고, 상기 프리프레그를 가열하여 경화시키고, 상기 열박리형 필름의 상면에 점착된 열팽창성 발포제를 가열하여, 상기 열팽창성 발포제를 팽창시키고, 상기 팽창된 열팽창성 발포제가 상기 프리프레그를 가압하는 제8단계; 및 상기 오븐으로부터 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 꺼내고, 상기 진공백에서 상기 결합된 몰드와 덮개를 꺼내고, 상기 몰드와 덮개를 분리하고, 상기 몰드에서 상기 팽창된 열팽창성 발포제와 상기 열박리형 필름과 상기 이형필름을 꺼내고, 상기 몰드에서 경화된 프리프레그를 꺼내는 제9단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

FRP 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FIBER REINFORCED PLASTIC}

본 발명은 FRP 제조방법에 관한 것이다.

FRP(fiber reinforced plastic)는 섬유를 강화재로 사용하고 매트릭스가 플라스틱인 복합재다. 섬유로는 탄소섬유, 유리섬유, 아리미드섬유, 보론섬유 등 강화섬유가 사용된다.

FRP는 성형성, 내식성이 있고 가벼우며 강도가 높아, 자동차, 건축, 토목, 레저스포츠 등 다양한 분야에서 사용된다.

종래는 다음 3가지 방식으로 FRP를 만들었다.

첫째, 하부금형 안에 프리프레그를 적층하고, 상부금형으로 프리프레그를 가압하고, 히터로 프리프레그를 가열하여 경화시켜 만든다. (이하 “금형방식”이라 칭한다) 프리프레그는 강화섬유직물에 열경화성 수지가 예비 함침 된 재료다. 강화섬유직물은 강화섬유가 직조되어 만들어진다.

둘째, 진공오븐 안에 프리프레그를 적층하고 히터로 프리프레그를 가열하여 경화시켜 만든다. (이하 “진공방식”이라 칭한다)

셋째, 오토클레이브(autoclave) 안에 프리프레그를 적층하고, 압축공기로 프리프레그를 가압하고, 히터로 가열하여 경화시켜 만들어진다. (이하 “오토클레이브방식”이라 칭한다)

상술한 방식은 다음과 같은 단점을 가진다.

첫째, 금형방식은 서로 맞물리는 상부금형과 하부금형이 모두 필요하다. 상부금형과 하부금형의 내면에는 만들고자 하는 FRP의 형상이 형성되어 있어야 한다. 이렇게 상부금형과 하부금형을 모두 만들고, 상부금형과 하부금형 내면에 FRP의 형상을 형성하는 것이 쉽지 않고 시간도 오래 걸린다. 이는 FRP의 형상이 복잡할수록 형성이 더 어렵고 시간이 더 오래 걸린다. 또한, 금형방식은 상부금형과 하부금형이 분리되어 있어, 히터로 상부금형과 하부금형을 각각 가열해야 한다. 이로 인해, 상부금형과 하부금형의 온도차가 발생할 수밖에 없다. 이는 결국 FRP 강도의 불균일을 일으켜 FRP를 불량으로 만든다.

둘째, 진공방식은 별도의 물리적 힘으로 프리프레그를 가압하지 않는다. 따라서, 강화섬유직물에 수지가 치밀하게 분포되지 못한다. 이로 인해, FRP 표면에 핀홀(pin hole)이 발생되고 FRP 내부에 기공이 잔류하게 된다. 이는 FRP의 형상이 복잡하고 두꺼울수록, 핀홀이 더 발생하고 기공이 더 잔류하게 된다. 이는 결국 FRP 강도를 떨어뜨려 FRP를 불량으로 만든다.

셋째, 오토클레이브방식은 오토클레이브 안에 압축공기를 넣는다. 따라서, 오토클레이브 장비 운행시 항상 폭발에 주의를 해야 한다. 또한, 오토클레이브 장비 자체가 고가이기 때문에, 금형방식이나 진공방식으로 FRP를 만들 때 보다, FRP의 생산단가가 높아진다.

한국등록특허(10-1519555)

본 발명의 목적은, FRP를 만드는 금형방식, 진공방식, 오토클레이브방식의 단점을 모두 해결할 수 있는, 새로운 방식의 FRP 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 FRP 제조방법은,

제조하고자 하는 FRP의 형상이 내면에 형성된 몰드와, 상기 몰드를 덮는 덮개와, 상기 FRP를 만들기 위한 프리프레그를 준비하는 제1단계;

상기 몰드 안에 상기 프리프레그를 적층하는 제2단계;

상기 프리프레그 위에 이형필름을 덮는 제3단계;

상기 이형필름 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 덮는 제4단계;

상기 몰드 위에 상기 덮개를 덮고, 상기 몰드와 상기 덮개를 결합시키는 제5단계;

상기 결합된 몰드와 덮개를 진공백 안에 넣는 제6단계;

상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 오븐에 넣는 제7단계;

상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백에 진공을 걸어주고, 상기 프리프레그를 가열하여 경화시키고, 상기 열박리형 필름의 상면에 점착된 열팽창성 발포제를 가열하여, 상기 열팽창성 발포제를 팽창시키고, 상기 팽창된 열팽창성 발포제가 상기 프리프레그를 가압하는 제8단계; 및

상기 오븐으로부터 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 꺼내고, 상기 진공백에서 상기 결합된 몰드와 덮개를 꺼내고, 상기 몰드와 덮개를 분리하고, 상기 몰드에서 상기 팽창된 열팽창성 발포제와 상기 열박리형 필름과 상기 이형필름을 꺼내고, 상기 몰드에서 경화된 프리프레그를 꺼내는 제9단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 FRP의 형상이 내면에 형성된 몰드 안에 프리프레그를 적층한 후, 적층된 프리프레그 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 올려놓고, 몰드 위에 덮개를 결합시킨다. 이렇게 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 오븐에 넣고 가열하면, 열팽창성 발포제가 열을 받아 팽창하면서 프리프레그를 가압한다. 이로 인해, 프리프레그를 구성하는 강화섬유직물에 수지가 치밀하게 분포될 수 있다. 또한, 열팽창성 발포제는, 몰드의 내면에 형성된 형상에 맞게 팽창하면서 몰드의 구석구석까지 침투하여, 몰드의 내면에 프리프레그를 밀착시킨다. 이로 인해, 복잡한 형상을 가진 FRP도 쉽게 만들어낼 수 있다.

본 발명은 열팽창성 발포제를 사용하여 프리프레그를 가압하므로, 하부금형과 맞물리는 상부금형이 필요 없고, 단순한 형태의 덮개만 있으면 된다. 덮개는 제조하고자 하는 FRP의 형상과 관계없이 평평한 형상을 가진다. 따라서, 본 발명을 사용하면, 종래 금형방식에서 반드시 필요한 FRP의 형상을 가진 상부금형을 만드는 비용 및 시간을 단축시킬 수 있다.

본 발명은 열팽창성 발포제를 사용하여 프리프레그를 가압하므로, FRP 표면에 핀홀(pin hole)이 발생되거나 FRP 내부에 기공이 잔류하지 않는다. 따라서, 진공방식 보다 FRP 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 열팽창성 발포제를 사용하여 프리프레그를 가압하므로, 압축공기를 사용할 필요가 없다. 따라서, 고가의 오토클레이브 장비를 사거나, 오토클레이브 장비를 운행하면서 폭발에 주의할 필요가 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FRP 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 몰드 안에 프리프레그를 적층한 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 적층된 프리프레그 위에 이형필름을 덮은 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 이형필름 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 올려놓은 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 몰드 위에 덮개를 넣고, 몰드와 덮개를 결합시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 몰드와 덮개를 진공백 안에 넣은 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 5에 도시된 열팽창성 발포제가 팽창하면서 프리프레그를 가압하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 프리프레그가 경화되어 완성된 FRP를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 FRP 제조방법을 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 FRP 제조방법은,

제조하고자 하는 FRP의 형상이 내면에 형성된 몰드와, 상기 몰드를 덮는 덮개와, 상기 FRP를 만들기 위한 프리프레그를 준비하는 제1단계(S11);

상기 몰드 안에 상기 프리프레그를 적층하는 제2단계(S12);

상기 프리프레그 위에 이형필름을 덮는 제3단계(S13);

상기 이형필름 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 덮는 제4단계(S14);

상기 몰드 위에 상기 덮개를 덮고, 상기 몰드와 상기 덮개를 결합시키는 제5단계(S15);

상기 결합된 몰드와 덮개를 진공백 안에 넣는 제6단계(S16);

상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 오븐에 넣는 제7단계(S17);

상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백에 진공을 걸어주고, 상기 프리프레그를 가열하여 경화시키고, 상기 열박리형 필름의 상면에 점착된 열팽창성 발포제를 가열하여, 상기 열팽창성 발포제를 팽창시키고, 상기 팽창된 열팽창성 발포제가 상기 프리프레그를 가압하는 제8단계(S18); 및

상기 오븐으로부터 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 꺼내고, 상기 진공백에서 상기 결합된 몰드와 덮개를 꺼내고, 상기 몰드와 덮개를 분리하고, 상기 몰드에서 상기 팽창된 열팽창성 발포제와 상기 열박리형 필름과 상기 이형필름을 꺼내고, 상기 몰드에서 경화된 프리프레그를 꺼내는 제9단계(S19);로 구성된다.

제1단계(S11)를 설명한다.

도 2에 도시된 몰드(10)를 준비한다. 몰드(10)의 내면에는 제조하고자 하는 FRP의 형상이 형성되어 있다.

도 6에 도시된 덮개(40)를 준비한다. 덮개(40)는 제조하고자 하는 FRP의 형상과 관계없이 평평한 형상을 가진다.

도 2에 도시된 프리프레그(P)를 준비한다. 설정된 두께를 가진 FRP를 만들기 위해, 여러 장의 프리프레그(P)를 준비한다. 제조하고자 하는 FRP의 크기에 맞게 프리프레그(P)를 자른다.

제2단계(S12)를 설명한다.

제9단계(S19)에서 경화된 프리프레그(10)가 몰드(10)로부터 분리되기 쉽도록, 몰드(10)의 내주면에 이형제(release agent)를 바르고 건조한다. 몰드(10) 안에 프리프레그(P)를 적층한다. 적층되는 프리프레그(P)의 개수는 만들고자 하는 FRP의 두께에 따라 달라진다. 도시의 편의상, 서로 적층된 프리프레그(P)를 한 줄로 나타내었다.

제3단계(S13)를 설명한다.

적층된 프리프레그 위에 이형필름(R, release film)을 덮는다. 이형필름(R)은 프리프레그(P)에 열박리형 필름(22)이 달라붙지 못하게 만든다.

제4단계(S14)를 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이형필름(R) 위에 도 5에 도시된 열팽창성 발포제(21)가 상면에 점착된 열박리형 필름(22)을 올려놓는다.

열팽창성 발포제(21)로, 분해온도가 135℃인 분말형 TSH(Toluene Sulfonyl Hydrazide)발포제가 사용된다.

또는, 열팽창성 발포제(21)로, 분해온도가 140℃인 분말형 BSH(Benzene Sulfonyl Hydrazide) 발포제가 사용된다.

이러한 분해온도를 가진 TSH 발포제, BSH 발포제를 사용하는 이유는, 프리프레그(P)를 가열하여 경화시키기 위한 온도범위(120℃~180℃)에서 발포제를 팽창시켜 프리프레그(P)를 가압하기 위해서다. 따라서, 열팽창성 발포제(21)의 분해온도가 프리프레그가 경화되는 온도범위에 있는 TSH 발포제 또는 BSH 발포제를 사용한 것은 본 발명만의 중요한 특징이 된다.

열박리형 필름(22)으로, PET(polyethylene terephthalate) 층 위에 점착층이 형성된 필름이 사용된다. 점착층은 가열되면 점착력이 없어진다. 이러한 열박리형 필름(22)은 ㈜코스모텍에서 주로 만들어진다.

이러한 점착층으로 인해, 분말형 열팽창성 발포제(21)가 열박리형 필름(22)의 상면에서 흩어지지 않고 붙어 있을 수 있다. 따라서, 이렇게 분말형 열팽창성 발포제(21)가 흩어지지 않고 붙어 있을 수 있는 점착층이 형성된 열박리형 필름(22)을 사용한 것은, 본 발명만의 중요한 특징이 된다.

제5단계(S15)를 설명한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 몰드(10) 위에 덮개(40)를 덮는다.

덮개(40)는 제8단계(S18)에서 열팽창성 발포제(21)가 팽창할 때, 열팽창성 발포제(21)가 몰드(10)의 바깥으로 나가지 못하게 막아준다.

몰드(10)와 덮개(40)가 착탈 가능하게 결합되도록, 덮개(40)와 몰드(10)에는 볼트(B)가 통과하는 구멍(41,11)이 각각 형성된다. 볼트(B)는 구멍(41,11)을 통과한 후 너트(N)와 결합된다.

몰드(10)와 덮개(40)가 볼트(B)와 너트(N)로 단단히 결합되므로, 열팽창성 발포제(21)가 팽창하여 덮개(40)에 압력을 가하더라도, 몰드(10)와 덮개(40) 사이가 벌어지지 않는다.

제6단계(S16)를 설명한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 결합된 몰드(10)와 덮개(40)를 진공백(50, vacuum bag) 안에 넣는다. 진공백(50)에 진공호스(H)를 연결한다.

제7단계(S17)를 설명한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 결합된 몰드(10)와 덮개(40)가 담긴 진공백(50)을 오븐(O)에 넣는다.

제8단계(S18)를 설명한다.

진공호스(H)에 진공펌프(미도시)를 연결하고, 진공펌프로 진공백(50) 안의 공기를 빼낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 진공백(50)이 압축되면서 몰드(10)와 덮개(40)에 밀착된다. 몰드(10)와 덮개(40) 사이 틈을 통해서 프리프레그(P)에 포함된 공기가 빠져나온다. 프리프레그(P)에 포함된 공기가 빠져나오면 FRP(1, 도 9 참조)에 기공이 남지 않게 된다.

오븐(O)이 몰드(10)에 열(120℃~180℃)을 가한다. 프리프레그(P)가 가열되어 경화된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 열팽창성 발포제(21)가 몰드(10)의 내면에 형성된 형상에 맞게 팽창하면서 몰드(10)의 구석구석까지 침투하여 몰드(10)의 내면에 프리프레그(P)를 밀착시킨다.

한편, 몰드(10)와 덮개(40) 사이에 형성된 공간(S)의 크기를 계산하여, 제8단계(S18)에서 열팽창성 발포제(21)가 팽창하면서, 프리프레그(P)에 가하는 압력을 계산해 낼 수 있다. 따라서, 열팽창성 발포제(21)의 양을 조절하면, 열팽창성 발포제(21)가 팽창하면서 프리프레그(P)에 가하는 압력의 크기를 조절할 수 있다. 여기서, 열팽창성 발포제(21)의 양은, 열박리형 필름(22)의 상면에 점착되는 열팽창성 발포제(21)의 두께(t)로 조절할 수 있다.

이렇게, 열팽창성 발포제(21)의 양을 조절하여, 열팽창성 발포제(21)가 팽창하면서 프리프레그(P)에 가하는 압력의 크기를 조절하는 것은, 본 발명만의 중요한 특징이 된다.

제9단계(S19)를 설명한다.

프리프레그(P)가 충분히 경화되면, 오븐(O)와 펌프의 작동을 중단시킨다.

오븐(O)에서 진공백(50)을 꺼낸다.

진공백(50)을 찢어서 결합된 몰드(10)와 덮개(40)를 꺼낸다.

볼트(B)와 너트(N)를 풀고, 몰드(10)와 덮개(40)를 분리한다.

몰드(10)에서 팽창된 열팽창성 발포제(21)와 열박리형 필름(22)과 이형필름(R)을 꺼낸다.

몰드(10)에서 경화된 프리프레그(P)를 꺼낸다.

경화된 프리프레그(P)는 도 9에 도시된 제조하고자 했던 FRP(1)가 된다.

1: FRP 10: 몰드
21: 열팽창성 발포제 22: 열박리형 필름
40: 덮개 50: 진공백
P: 프리프레그 R: 이형필름
O: 오븐 H: 진공호스

Claims

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제조하고자 하는 FRP의 형상이 내면에 형성된 몰드와, 상기 몰드를 덮는 덮개와, 상기 FRP를 만들기 위한 프리프레그를 준비하는 제1단계;
상기 몰드 안에 상기 프리프레그를 적층하는 제2단계;
상기 프리프레그 위에 이형필름을 덮는 제3단계;
상기 이형필름 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 덮는 제4단계;
상기 몰드 위에 상기 덮개를 덮고, 상기 몰드와 상기 덮개를 결합시키는 제5단계;
상기 결합된 몰드와 덮개를 진공백 안에 넣는 제6단계;
상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 오븐에 넣는 제7단계;
상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백에 진공을 걸어주고, 상기 프리프레그를 가열하여 경화시키고, 상기 열박리형 필름의 상면에 점착된 열팽창성 발포제를 가열하여, 상기 열팽창성 발포제를 팽창시키고, 상기 팽창된 열팽창성 발포제가 상기 프리프레그를 가압하는 제8단계; 및
상기 오븐으로부터 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 꺼내고, 상기 진공백에서 상기 결합된 몰드와 덮개를 꺼내고, 상기 몰드와 덮개를 분리하고, 상기 몰드에서 상기 팽창된 열팽창성 발포제와 상기 열박리형 필름과 상기 이형필름을 꺼내고, 상기 몰드에서 경화된 프리프레그를 꺼내는 제9단계;를 포함하며,
상기 제4단계에서,
상기 열박리형 필름은, PET(polyethylene terephthalate) 층 위에 점착층이 형성된 필름인 것을 특징으로 하는 FRP 제조방법.
제조하고자 하는 FRP의 형상이 내면에 형성된 몰드와, 상기 몰드를 덮는 덮개와, 상기 FRP를 만들기 위한 프리프레그를 준비하는 제1단계;
상기 몰드 안에 상기 프리프레그를 적층하는 제2단계;
상기 프리프레그 위에 이형필름을 덮는 제3단계;
상기 이형필름 위에 열팽창성 발포제가 상면에 점착된 열박리형 필름을 덮는 제4단계;
상기 몰드 위에 상기 덮개를 덮고, 상기 몰드와 상기 덮개를 결합시키는 제5단계;
상기 결합된 몰드와 덮개를 진공백 안에 넣는 제6단계;
상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 오븐에 넣는 제7단계;
상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백에 진공을 걸어주고, 상기 프리프레그를 가열하여 경화시키고, 상기 열박리형 필름의 상면에 점착된 열팽창성 발포제를 가열하여, 상기 열팽창성 발포제를 팽창시키고, 상기 팽창된 열팽창성 발포제가 상기 프리프레그를 가압하는 제8단계; 및
상기 오븐으로부터 상기 결합된 몰드와 덮개가 담긴 진공백을 꺼내고, 상기 진공백에서 상기 결합된 몰드와 덮개를 꺼내고, 상기 몰드와 덮개를 분리하고, 상기 몰드에서 상기 팽창된 열팽창성 발포제와 상기 열박리형 필름과 상기 이형필름을 꺼내고, 상기 몰드에서 경화된 프리프레그를 꺼내는 제9단계;를 포함하며,
상기 몰드와 상기 덮개 사이에 형성된 공간의 크기를 계산하여, 상기 열팽창성 발포제가 팽창하면서, 상기 프리프레그에 가하는 압력을 계산한 후,
상기 열박리형 필름에 점착되는 열팽창성 발포제의 양을 조절하여,
상기 제8단계에서, 상기 열팽창성 발포제가 팽창하면서 상기 프리프레그에 가압하는 압력의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 FRP 제조방법.