KR101695143B1 - Cfrp 파이프 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 CFRP 파이프 제조방법은,
합성수지 파이프와 탄소섬유 슬리브를 준비하는 제1단계;
상기 합성수지 파이프 안으로 상기 탄소섬유 슬리브를 밀어넣는 제2단계;
상기 합성수지 파이프 및 상기 탄소섬유 슬리브를 비닐백으로 감싸고, 상기 비닐백 안을 진공상태로 만들고, 상기 비닐백 안으로 수지를 넣어 상기 탄소섬유 슬리브에 침투시키는 제3단계;
상기 수지를 경화시키는 제4단계;
상기 비닐백을 찢어서 제거하고, 상기 합성수지 파이프에 열을 가하여 상기 합성수지 파이프를 연하게 만드는 제5단계; 및
상기 합성수지 파이프를 찢어서, 상기 탄소섬유 슬리브를 꺼내는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

CFRP 파이프 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC PIPE}

본 발명은 CFRP 파이프 제조방법에 관한 것이다.

CFRP는 탄소섬유를 강화재로 하는 플라스틱 복합재이다. CFRP는 비강도가 철강의 6배, 비탄성률이 철강의 3배로 뛰어난 비강도와 비탄성률을 가진다.

CFRP는 열팽창 계수가 작아 치수 안정성이 뛰어나고, 전기 전도성, 내식성이 뛰어나다.

이렇게 우수한 성질을 가진 CFRP는 판넬, 연료탱크, 파이프 등 여러 가지 형태로 만들어진다. CFRP를 파이프 형태로 만들면, 요트 폴대나 카약 노로 사용할 수 있다.

한편, 요트 폴대는 외관이 좋아야 하고, 카약 노는 외관 및 파지(把持)감이 좋아야 하므로, CFRP 파이프로 요트 폴트나 카약 노를 만들려면, CFRP 파이프의 표면이 매끈하게 처리되어야 한다.

CFRP 파이프의 표면을 매끈하게 처리하기 위해 CFRP 파이프의 표면에 도료를 바르면 된다 그러나, 도료를 바르는 작업이 번거롭다. 한편, 상하면이 분리되는 몰드를 사용하면, CFRP 파이프의 표면에 도료를 바르지 않고도, CFRP 파이프의 표면을 매끈하게 만들 수 있다. 몰드는 금속으로 만들어진다.

상하면이 분리되는 몰드를 사용하면, 몰드의 내주면에 CFRP 파이프의 표면이 접촉되어, 그 접촉력에 의해 CFRP 파이프의 표면이 자연적으로 매끈해진다.

물론, 상하면이 분리되지 않는 일체형 몰드를 사용할 수도 있다. 그러나,몰드의 상하면이 분리되지 않으면, 몰드 바깥으로 완성된 CFRP 파이프를 잡아당겨 빼내야 한다. 이때 CFRP 파이프의 직진성이 조금만 달라도, 몰드 바깥으로 CFRP 파이프를 빼내기 어렵고, CFRP 파이프가 손상되기 쉽다. 특히, 요트 폴대 또는 카약 노를 만들기 위해 길이가 긴(1m 이상) CFRP 파이프인 경우 빼내기가 더 어렵고 손상되기 쉽다.

따라서, 표면이 매끈한 CFRP 파이프를 몰드로 만들기 위해서는, 상하면이 분리되는 몰드가 있어야 한다. 그러나, 상하면이 분리되는 몰드를 만드는 작업에 많은 시간과 비용이 들어간다.

한국공개특허 특2000-0072035

본 발명은 상하면이 분리 가능한 몰드를 사용하지 않고도, 표면이 매끄러운 CFRP 파이프를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 CFRP 파이프 제조방법은,

합성수지 파이프와 탄소섬유 슬리브를 준비하는 제1단계;

상기 합성수지 파이프 안으로 상기 탄소섬유 슬리브를 밀어넣는 제2단계;

상기 합성수지 파이프 및 상기 탄소섬유 슬리브를 비닐백으로 감싸고, 상기 비닐백 안을 진공상태로 만들고, 상기 비닐백 안으로 수지를 넣어 상기 탄소섬유 슬리브에 침투시키는 제3단계;

상기 수지를 경화시키는 제4단계;

상기 비닐백을 찢어서 제거하고, 상기 합성수지 파이프에 열을 가하여 상기 합성수지 파이프를 연하게 만드는 제5단계; 및

상기 합성수지 파이프를 찢어서, 상기 탄소섬유 슬리브를 꺼내는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상하면이 분리되는 몰드 대신에, 열을 받으면 연해지는 합성수지 파이프를 사용한다. 합성수지 파이프는 쉽게 구입할 수 있는 PVC 파이프이다. 따라서, 규격에 맞는 PVC 파이프를 사다 쓰면 되므로, 상하면이 분리되는 몰드를 시간과 비용을 들여 만들 필요가 없다. 설사, 규격이 없어 합성수지 파이프를 새로 만들어야 하더라도, 상하면이 분리되는 몰드를 만드는 시간과 비용보다 훨씬 빠르고 저렴하게 만들 수 있다.

본 발명은 합성수지 파이프 안에 탄소섬유 슬리브를 넣고, 합성수지 파이프와 탄소섬유 슬리브를 진공백으로 감싸고 진공압을 주어, 합성수지 파이프의 내주면과 탄소섬유 슬리브를 밀착시킨다. 탄소섬유 슬리브에 수지를 침투시켜 경화시킴으로써, CFRP 파이프를 만들어낸다. 탄소섬유 슬리브의 외주면이 합성수지 파이프의 내주면과 압착된 상태로 수지가 침투됨으로, CFRP 파이프의 표면이 매끈해진다. 완성된 CFRP 파이프를 빼내기 위해, 진공백을 찢고 합성수지 파이프에 열을 가하고, 합성수지 파이프가 연해지면, 합성수지 파이프를 찢어서, CFRP 파이프를 꺼낸다. 따라서, 상하면이 분리 가능한 몰드를 사용하지 않고도, 표면이 매끄러운 CFRP 파이프를 빠르고 저렴하게 만들어 낼 수 있다.

본 발명은 CFRP 파이프의 골격이 되는 탄소섬유 슬리브를 탄소섬유를 브레이딩 하여 만든다. 브레이딩된 탄소섬유 슬리브는, 직조된 탄소섬유 슬리브 보다, 탄소섬유가 얽힌 구조가 단순하여, 수지가 잘 침투될 수 있다. 따라서, 탄소섬유 슬리브에 수지를 침투시키기 위해, 수지가 잘 흘러가는 통로를 만드는 탄소매트를 탄소섬유 슬리브에 올려 놓을 필요가 없다. 또한, 브레이딩으로 탄소섬유 슬리브를 만들면, 탄소섬유를 접합(bonding)하거나 위빙(weaving)할 때 보다, 버려지는 탄소섬유의 양을 10% 이하로 줄일 수 있고, 작업시간을 1/10 이하로 단축시킬 수 있다. 또한, 탄소섬유의 두께방향으로 탄소섬유가 교차되기 때문에 층간분리가 일어나지 않는다.

본 발명은 탄소섬유 슬리브에 침투되는 수지로 열경화성 수지를 사용한다. 열경화성 수지 중 에폭시 수지는 상온에서 중합이 발생하여 쉽게 몰드 성형할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 에폭시 수지는 경화 후 비틀림이나 변형이 없어 내구성이 우수하고, 경화 후 응력변화에 대한 저항력이 강하고, 내열성, 내약품성, 내수성, 내마모성이 우수하다는 장점을 가진다. 따라서, 열경화성 수지 중 에폭시 수지를 사용하는 것이 더 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 파이프를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 합성수지 파이프를 나타낸 도면이다.
도 3은 탄소섬유 슬리브를 나타낸 도면이다.
도 4는 합성수지 파이프 안으로 탄소섬유 슬리브를 밀어 넣는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 합성수지 파이프 및 탄소섬유 슬리브를 비닐백으로 감싸고, 비닐백 안을 진공상태로 만들어, 비닐백 안으로 수지를 넣어, 탄소섬유 슬리브에 침투시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 비닐백을 찢고, 합성수지 몰드에 열을 가하여, 합성수지 몰드를 연하게 만드는 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 합성수지 몰드를 찢어서, 수지가 침투하여 경화된 탄소섬유 슬리브를 꺼내는 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 파이프 제조방법을 상세히 설명한다.

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

합성수지 파이프와 탄소섬유 슬리브를 준비하는 제1단계(S11);

상기 합성수지 파이프 안으로 상기 탄소섬유 슬리브를 밀어넣는 제2단계(S12);

상기 합성수지 파이프 및 상기 탄소섬유 슬리브를 비닐백으로 감싸고, 상기 비닐백 안을 진공상태로 만들고, 상기 비닐백 안으로 수지를 넣어 상기 탄소섬유 슬리브에 침투시키는 제3단계(S13);

상기 수지를 경화시키는 제4단계(S14);

상기 비닐백을 찢어서 제거하고, 상기 합성수지 파이프에 열을 가하여 상기 합성수지 파이프를 연하게 만드는 제5단계(S15);

상기 합성수지 파이프를 찢어서, 상기 탄소섬유 슬리브를 꺼내는 제6단계(S16);로 구성된다.

제1단계(S11)를 설명한다.

도 1 및 도 7을 참조하면, 합성수지 파이프(10)를 준비한다. 합성수지 파이프(10)는 열을 받으면 연해진다. 본 실시예에서 합성수지 파이프(10)의 형상은 원통형이다. 물론, CFRP 파이프(1)의 형상에 따라, 합성수지 파이프(10)의 형상은 사각형 등 다양할 수 있다.

본 실시예에서 합성수지 파이프로 120~150 ℃에서 연해지는 폴리염화비닐(Polyvinyl Chloride, PVC) 파이프가 사용된다. PVC 파이프는 규격이 다양하고 쉽게 구할 수 있는 장점을 가진다.

합성수지 파이프(10)를 사용하여, 길이가 긴 요트 폴트나 카약 노를 만드는 CFRP 파이프(1)를 만들려면, 합성수지 파이프(10)의 길이는 최소 1m 이상이 되어야 한다. 도면에는 도시의 편의상 합성수지 파이프(10)를 짧게 도시하였다.

합성수지 파이프(10)는 구매품이다. 따라서, CFRP 파이프(1)의 크기에 맞는 합성수지 파이프(10)를 사다 쓰면 되므로, 종래처럼 CFRP 파이프(1)를 만들기 위해, 상하면이 분리되는 몰드를 만들 필요가 없다.

설사, CFRP 파이프(1)의 크기에 맞는 합성수지 파이프(10)가 없더라도, 합성수지 파이프(10)를 만드는 시간과 비용이, 상하면이 분리되는 몰드를 만드는 시간과 비용보다 훨씬 빠르고 저렴하다.

탄소섬유 슬리브(20)를 준비한다. 탄소섬유 슬리브(20)는 CFRP 파이프의 골격이 된다. 본 실시예에서 탄소섬유 슬리브(20)는 원통형이다. 물론, CFRP 파이프(1)의 형상에 따라, 탄소섬유 슬리브(20)의 형상은 사각형 등 다양할 수 있다.

탄소섬유 슬리브(20)는 탄소섬유가 브레이딩 되어 만들어진다. 브레이딩된 탄소섬유 슬리브(20)는, 직조된 탄소섬유 슬리브 보다, 탄소섬유가 얽힌 구조가 단순하여, 수지가 잘 침투될 수 있다. 따라서, 탄소섬유 슬리브에 수지를 침투시키기 위해, 수지가 잘 흘러가는 통로를 만드는 탄소매트를 탄소섬유 슬리브에 올려 놓을 필요가 없다. 만약, 직조된 탄소섬유 슬리브를 사용한다면, 합성수지 파이프(10) 안에 탄소섬유 슬리브(20)를 넣은 후, 탄소매트를 또 넣어야 힌다. 그러나, 이러한 작업이 번거롭다.

또한, 브레이딩으로 탄소섬유 슬리브를 만들면, 탄소섬유를 접합(bonding)하거나 위빙(weaving)할 때 보다, 버려지는 탄소섬유의 양을 10% 이하로 줄일 수 있고, 작업시간을 1/10 이하로 단축시킬 수 있다. 또한, 탄소섬유의 두께방향으로 탄소섬유가 교차되기 때문에 층간분리가 일어나지 않는다.

이러한 이유들로 인해, 탄소섬유를 브레이딩하여 탄소섬유 슬리브(20)를 만드는 것이 바람직하다.

제2단계(S12)를 설명한다.

합성수지 파이프(10) 안으로 탄소섬유 슬리브(10)을 밀어 넣는다.

이를 위해, 탄소섬유 슬리브(10)의 외경 보다 조금 큰 내경을 가진 합성수지 파이프(10)를 사거나 만들어야할 것이다.

제3단계(S13)를 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 합성수지 파이프(10) 및 탄소섬유 슬리브(20)를 비닐백(30)으로 감싼다. 점선 화살표는 수지의 흐름을 나타낸다.

비닐백(30)에는 입구관(31)과 출구관(32)이 설치된다. 출구관(32)은 진공펌프(미도시)와 연결된다. 출구관(32)에 진공압이 걸리면 입구관(31)을 통해 수지가 비닐백(30) 안으로 들어와, 탄소섬유 슬리브(20)로 침투된다. 탄소섬유 슬리브(20)에 침투되고 남은 수지는 출구관(32)를 통해서 빠져나간다.

수지로 열경화성 수지가 사용된다. 열경화성 수지에는 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르수지, 에폭시 수지 등이 있다. 본 실시예에서는 열경화성 수지 중 에폭시 수지가 사용된다.

에폭시 수지는 상온에서 중합이 발생하여 쉽게 몰드 성형할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 에폭시 수지는 경화 후 비틀림이나 변형이 없어 내구성이 우수하고, 경화 후 응력변화에 대한 저항력이 강하고, 내열성, 내약품성, 내수성, 내마모성이 우수하다는 장점을 가진다.

비닐백(30) 안에 진공이 걸리면, 비닐백(30)은 압착된다. 비닐백(30)은 합성수지 파이프(10)의 상면을 압착하고, 합성 수지 파이프(10)의 내주면에 접촉하는 탄소섬유 슬리브(20)를 압착한다.

비닐백(30)이 합성수지 파이프(10)의 상면을 압착하고 있어, 수지는 합성수지 파이프(10)의 상면을 타고 흐르지 못하고, 탄소섬유 슬리브(20)에 침투된 후, 탄소섬유 슬리브(20)의 내부를 타고 흘러가, 출구관(32)을 통해 비닐백(30) 바깥으로 빠져나가게 된다.

탄소섬유 슬리브(20)의 외주면이 합성수지 파이프(10)의 내주면과 압착된 상태로 수지가 침투됨으로, CFRP 파이프(1)의 표면이 매끈해진다.

제4단계(S14)를 설명한다.

수지가 탄소섬유 슬리브(20)에 충분히 침투되면, 수지 주입을 중단시킨다. 상온에서 경화시킨다. 탄소섬유 슬리브(20)에 수지 매트릭스(M)가 만들어진다. CFRP 파이프(1)가 완성된다. 완성된 CFRP 파이프(1)를 합성수지 파이프(10)에서 손상되지 않게 꺼내기 위해, 제5단계(S15) 및 제6단계(S16)를 더 진행한다.

제5단계(S15)를 설명한다.

도 6을 참조하면, 비닐백(30)을 찢어서 제거한다. 합성수지 파이프(10)가 연해질 때까지 열을 가한다. 본 실시예에서는 합성수지 파이프(10)로 PVC 파이프가 사용되므로, PVC 파이프가 연해지는 온도 120~150 ℃ 로 열을 가한다. 물론, 합성수지 파이프(10)의 종류에 따라서 가해지는 열의 온도는 달라질 수 있다. 다만, 너무 높은 온도의 열을 가하면, 수지 매트릭스(M)가 타 버릴 수 있으므로, 150 ℃ 이하의 열을 가하는 것이 바람직하다.

제6단계(S16)를 설명한다.

도 7을 참조하면, 열을 받아 연해진 합성수지 파이프(10)의 표면을 따라 홈을 낸다. 합성수지 파이프(10)가 연해진 상태이므로, 쉽게 홈을 낼 수 있다. 그러나, 합성수지 파이프(10)의 표면에 홈을 너무 깊게 내면, 합성수지 파이프(10)를 뚫고 들어가, CFRP 파이프(1)의 표면에도 홈이 생길 수 있다. 따라서, 홈은 합성수지 파이프(10)의 두께보다 얇게 내야 한다.

홈을 벌려서 합성수지 파이프(10)를 찢는다. 합성수지 파이프(10)가 연해진 상태이므로, 쉽게 찢어진다.

합성수지 파이프(10)를 찢는다는 의미는, 합성수지 파이프(10)에서 CFRP 파이프(1)를 꺼내기 위해, 합성수지 파이프(10)를 자르고, 쪼개고, 절단하고, 배를 가르는 모든 행위를 포함한다.

CFRP 파이프(1)를 찢어진 합성수지 파이프(10)에서 꺼낸다. 합성수지 파이프(10)에서 CFRP 파이프(1)를 꺼내는 과정에서 별 다른 힘이 가해지지 않으므로, CFRP 파이프(1)가 손상되지 않는다.

1: CFRP 파이프 10: 합성수지 파이프
20: 탄소섬유 슬리브 30: 비닐백
31: 입구관 32: 출구관
M: 수지 매트릭스

Claims (5)

1. 합성수지 파이프와 탄소섬유 슬리브를 준비하는 제1단계;
   상기 합성수지 파이프 안으로 상기 탄소섬유 슬리브를 밀어넣는 제2단계;
   상기 합성수지 파이프 및 상기 탄소섬유 슬리브를 비닐백으로 감싸고, 상기 비닐백 안을 진공상태로 만들고, 상기 비닐백 안으로 수지를 넣어 상기 탄소섬유 슬리브에 침투시키는 제3단계;
   상기 수지를 경화시키는 제4단계;
   상기 비닐백을 찢어서 제거하고, 상기 합성수지 파이프에 열을 가하여 상기 합성수지 파이프를 연하게 만드는 제5단계; 및
   상기 합성수지 파이프를 찢어서, 상기 탄소섬유 슬리브를 꺼내는 제6단계;를 포함하며,
   상기 제3단계에서 상기 비닐백에는 입구관과 출구관이 설치되며, 상기 출구관에는 진공펌프가 연결되고, 상기 출구관에 진공압이 걸리며, 상기 입구관을 통해 수지가 상기 비닐백 안으로 들어와, 상기 탄소섬유 슬리브로 침투되고, 상기 탄소섬유 슬리브에 침투되고 남은 수지는 상기 출구관을 통해 빠져나가고,
   상기 비닐백 안에 진공이 걸리면, 상기 비닐백은 압착되어 상기 합성수지 파이프의 상면을 압착하고, 상기 합성수지 파이프의 내주면에 접촉하는 상기 탄소섬유 슬리브를 압착하고,
   상기 비닐백이 상기 합성수지 파이프의 상면을 압착하고 있어, 상기 입구관을 통해 상기 비닐백 안으로 들어온 수지는 상기 합성수지 파이프의 상면을 타고 흐르지 못하고, 상기 탄소섬유 슬리브에 침투된 후, 상기 탄소섬유 슬리브의 내부를 타고 흘러, 상기 출구관을 통해 상기 비닐백 바깥으로 빠져나가는 것을 특징으로 하는 CFRP 파이프 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
   상기 합성수지 파이프는 PVC 파이프인 것을 특징으로 하는 CFRP 파이프 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
   상기 탄소섬유 슬리브는 탄소섬유가 브레이딩 되어 만들어진 것을 특징으로 하는 CFRP 파이프 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서,
   상기 수지는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 CFRP 파이프 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1단계 내지 제6단계를 거쳐서,
   표면이 매끄러운 요트 폴대 또는 표면이 매끄러운 카약 노를 만드는 데 사용되는 CFRP 파이프가 만들어지는 것을 특징으로 하는 CFRP 파이프 제조방법.

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