KR101787143B1 - 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벨트상 강화 섬유다발을 두께 방향으로 복수층 배치하여 용융 열가소성 수지가 공급된 다이 내에 도입하는 섬유다발 도입 공정과, 벨트상 강화 섬유다발의 각각을 개섬에 의해 확폭하여 두께를 축소시키는 섬유다발 두께 축소 공정과, 다이 내에서 용융 수지를 함침시키는 수지 함침 공정과, 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을 다이 내에서 적층하는 적층 공정을 갖는 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다. 본 발명은 전체에 걸쳐 균일하고 또한 양호하게 수지가 함침되어, 강화 섬유도 균일하게 분산된 고품위인 열가소성 시트상 프리프레그를 제조할 수 있다. 또한, 수지 함침 시간을 대폭 단축할 수 있어, 생산성을 대폭 높일 수 있다.

Description

시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING SHEET-SHAPED PREPREG}
본 발명은 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치에 관하여, 특히, 수지가 내부에 매우 균일하게 함침된, 연속 강화 섬유를 사용한 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
시트상으로 배열된 강화 섬유에 용융 매트릭스 수지를 함침시키고, 이 수지를 반경화의 상태로 유지한 시트상 프리프레그는 각종 분야에서 부재의 보강이나 표면 형성 등에 폭넓게 이용되고 있다. 또한, 우수한 보강 효과 등을 얻기 위해서는, 강화 섬유로서 연속 섬유를 사용하는 경우가 많고, 특히, 연속 강화 섬유를 벨트상(테이프상)으로 예를 들면 한 방향으로 정렬시키고, 그것에 수지를 함침시킨 것이 바람직하게 이용된다(예를 들면, 특허문헌 1).
이러한 시트상 프리프레그를 수지 용융 함침법으로 제작하는 데에 있어서는, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지와 같이 용융 점도가 높은 것을 채용하면, 연속 강화 섬유가 배열되어 형성된 벨트상 강화 섬유다발의 단면 방향 전체에 걸쳐 구석 구석까지 용융 수지를 양호하게 함침시키는 것이 곤란한 경우가 있다. 특히, 벨트상 강화 섬유다발의 두께가 어느 레벨 이상으로 커지면, 소정의 함침이 곤란하게 되어, 양호한 품위의 함침체(프리프레그 시트)가 얻어지지 않는다.
연속 강화 섬유가 아니라, 예를 들면 강화 섬유의 단섬유를 랜덤하게 수지 중에 분산시킨 것에서는, 혼련 등에 의해, 강화 섬유와 수지가 균일하게 분포한 시트 기재의 형성은 가능하지만, 그러면, 연속 강화 섬유를 이용하는 경우와 같은, 성형물의 높은 강도나, 보강 효과는 기대할 수 없다.
장섬유의 강화 섬유로 이루어진 로빙(단면이 원형이나 타원형의 것)에 용융 수지를 함침시키는 때에, 로빙을 개섬하여, 장섬유 사이에의 용융 수지의 함침성을 향상시키도록 한 기술(예를 들면, 특허문헌 2)이나, 로빙을 구성하는 장섬유 사이의 공기를 흡인함으로써, 장섬유 사이에의 용융 수지의 함침성을 향상시키도록 한 기술(예를 들면, 특허문헌 3)은 알려져 있다. 이러한 특허문헌 3에서는, 로빙을 각각 1개1개 다이 내에 분할하여 유도하고 있다. 그러나, 이 기술은 연속 강화 섬유의 벨트상 강화 섬유다발의 경우, 그 두께가 어느 레벨 이상으로 되면, 수지 함침성은 주로 용융 수지의 점도에 좌우되기 때문에, 높은 함침성 향상 효과는 기대할 수 없다. 또한, 생산성을 좌우하는 수지 함침 시간에 대해서 보더라도, 단면이 원형이나 타원형인 로빙에 대해서는, 전방위로부터의 수지의 함침을 위한 시간이 율칙(律則)이 되기 때문에, 특정한 방향으로의 함침성을 향상시킬 필요는 없고, 상기한 것과 같은 로빙 내로부터의 공기 흡인이 함침성 향상에 기여하게 된다고 생각된다. 그러나, 폭에 비하여 두께쪽이 훨씬 작은 벨트상 강화 섬유다발의 경우에는, 두께 방향에서의 수지의 함침을 위한 시간이, 수지 함침 완료까지의 시간의 율칙이 되기 때문에, 수지 함침 시간 단축, 그것에 의한 생산성을 도모하기 위해서는, 단순한 개섬을 행할 뿐만 아니라, 두께 방향의 수지 함침성을 향상시키기 위한 특별한 고안이 요구되게 된다.
이 외에도, 복수의 병렬로 배치된 로빙을 함침시키는 경우, 개섬을 저해하지 않도록 인접하는 로빙을 1개 걸러서 별도의 조로 나눠 입자상의 수지를 부여한다는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 4). 그러나, 본 기술은 입자상의 수지를 로빙 중에 부착할 때에 로빙을 몇개의 조로 나누어 취급하고 있고, 실제로 수지 함침하는 때는 몇개의 조로 나누어지지 않고, 일체의 시트로서 취급되고 있어, 두께 방향에서의 수지의 함침을 위한 시간의 단축에는 충분하지 않다.
또한, 얻어진 시트상 프리프레그의 단면 형상을 소정의 형상으로 제어하여, 평활한 평면을 얻기 위해서, 상하 한쌍의 요철 롤러(캘린더 롤)을 이용하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 5). 그러나, 본 기술에는 요철 롤러에 의해 확폭하는 것만을 개시하고 있고, 엄밀하게 시트폭을 일정하게 제어하기 위해서 필요한 확폭 후에 협폭한다는 요건에 대해서는 전혀 개시하지 않아서, 충분한 내용이라고는 할 수 없다.
일본 특허 공개 (소)60-36136호 공보 일본 특허 공개 제2005-29912호 공보 일본 특허 공개 (평)5-116142호 공보 일본 특허 공개 (평)7-040341호 공보 일본 특허 공개 제2000-355629호 공보
그래서 본 발명의 과제는, 상기한 바와 같은 실정을 감안하여, 특히 복수의 연속 강화 섬유로 이루어지는 벨트상 강화 섬유다발에 용융 수지를 함침시켜 제작하는 시트상의 프리프레그에 대해서, 비교적 용융 점도가 높은 열가소성 수지를 사용하는 경우에 있어서도, 소정의 두께 전체에 걸쳐 균일하고 또한 양호하게 수지를 함침시킬 수 있고, 더구나 수지 함침 시간의 대폭적인 단축이 가능하고, 고품위의 시트상 프리프레그를 높은 생산성을 갖고 제조할 수 있는, 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법은,
복수의 연속 강화 섬유로 이루어지는 벨트상 강화 섬유다발을 연속적으로 주행시키면서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로 복수층 배치하여 용융 열가소성 수지가 공급된 다이 내에 도입하는 섬유다발 도입 공정과,
상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 상기 다이 내로의 도입 전 및 도입 후의 적어도 한쪽의 단계에서, 개섬에 의해 확폭하여 각 벨트상 강화 섬유다발의 두께를 축소시키는 섬유다발 두께 축소 공정과,
상기 두께가 축소된 각 벨트상 강화 섬유다발 내에 상기 다이 내에서 상기 용융 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침 공정과,
상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을 상기 다이 내에서 적층하는 적층 공정을 갖고,
전체 형상으로서 시트상의 프리프레그를 제조하는 것을 특징으로 하는 방법을 포함한다.
이 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 연속 강화 섬유로 이루어진 벨트상 강화 섬유다발이, 다이 내로의 도입 전 및 도입 후의 적어도 한쪽의 단계에서, 도입 전의 단계에서는 에어나 훑기, 진동을 제공하는 등의 개섬 수법을 이용하고, 도입 후의 단계에서는 훑기를 제공하는 등의 개섬 수법을 이용하여 개섬·확폭되고, 그에 의하여 벨트상 강화 섬유다발의 두께가 축소된다. 즉, 비교적 용융 점도가 높은 열가소성 수지를 사용하는 경우에 있어서도, 단시간에 충분히 양호하게 함침 가능한 두께까지 축소된다. 그리고, 개개에 두께가 축소된 벨트상 강화 섬유다발이 복수 이용되어, 이들 벨트상 강화 섬유다발이 두께 방향으로 복수층에 배치된 상태에서, 다이 내에서, 공급되어 있던 용융 수지가 각 벨트상 강화 섬유다발에 각각 함침된다. 개개의 벨트상 강화 섬유다발이 두께가 작은 시트상물에 형성되어 있기 때문에, 개개의 벨트상 강화 섬유다발에 대하여 용융 수지는 그 작은 두께의 방향의 거리(함침 거리)만큼 용이하게 함침되어 가게 되어, 단시간 중에 원하는 두께 방향 전체에 걸치는 균일한 함침이 행하여진다. 균일하게 용융 수지가 함침되고 있거나/있고, 함침이 완료된 개개의 벨트상 강화 섬유다발이, 복수, 동일한 다이 내에서 두께 방향으로 적층되어, 전체로서 목표로 하는 두께가 되도록 시트상 프리프레그가 형성된다. 이 시트상 프리프레그는, 개개의 벨트상 강화 섬유다발에 대한 수지 함침 시간이 짧아서 좋은 점에서, 그 수지 함침 시간과, 계속해서 행해지는 동일한 다이 내에서의 적층의 시간을 합계한 만큼의 단시간에 제작되게 되어, 제조 시간의 면에서 생산성이 대폭 향상된다. 또한, 개개의 벨트상 강화 섬유다발의 개섬·확폭의 단계에서는, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께는 용이하게 균일화할 수 있고, 특히, 수지 함침 전의 개개의 벨트상 강화 섬유다발의 개섬·확폭의 단계에서는, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께는 용이하게 균일화할 수 있고, 또한 연속 강화 섬유도 용이하게 균일하게 분산시킬 수 있는 점에서, 수지 함침 벨트상 강화 섬유다발을 적층한 시트상 프리프레그의 완성 후에도, 상기 프리프레그 내의 강화 섬유의 분산도 균일하고 양호한 상태로 유지된다. 아울러, 상기한 바와 같이 적층되는 개개의 벨트상 강화 섬유다발에는 용융 수지가 균일하게 함침되어 있기 때문에, 얻어지는 시트상 프리프레그는 전체에 걸쳐 균일한 물성을 갖는 고품위의 것이 된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 용융 수지로서는 열가소성 수지를 이용한다. 즉, 전술한 바와 같이, 본 발명은 용융 점도가 낮은 수지에 대해서보다도 용융 점도가 높은 수지에 대해서 보다 유효하기 때문에, 열가소성 수지를 이용하는 경우에 특히 효과적인 것이다. 이용하는 열가소성 수지의 종류는 특히 한정되지 않고, 폴리아미드(나일론6, 나일론66, 방향족 폴리아미드 등), 폴리올레핀(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 폴리에스테르(폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등), 폴리카르보네이트, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌술피드, 폴리페닐렌옥시드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리케톤, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리스티렌, ABS, 액정 폴리에스테르나, 아크릴로니트릴과 스티렌의 공중합체 등을 사용할 수 있다. 이들의 혼합물일 수도 있다. 또한, 나일론6과 나일론66의 공중합 나일론과 같이 공중합한 것일 수도 있다. 특히, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르이미드, 방향족 폴리아미드이면, 우수한 보강 효과를 발휘하는 연속한 강화 섬유를 이용할 필연성이 높아지기 때문에, 본 발명에서의 바람직한 양태라고 할 수 있다. 또한 얻고자 하는 성형품의 요구 특성에 따라서, 난연제, 내후성 개량제, 기타 산화 방지제, 열 안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 윤활제, 착색제, 상용화제, 도전성 충전재 등을 첨가해 둘 수 있다.
또한, 상기 연속 강화 섬유의 종류도 특히 한정되지 않고, 탄소 섬유를 비롯하여, 유리 섬유나 아라미드 섬유 등, 모든 강화 섬유를 사용 가능하고, 이들을 조합하여 이용한 혼성 구성도 채용 가능하다. 그 중에서도, 최종 성형물의 강도 등의 기계 특성의 향상이 요구되는 경우에는, 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유 중에서도, 섬유다발 두께 축소 공정이나 수지 함침 공정에서 보푸라기를 발생시키기 어려운 고강도의 것을 이용하는 것이 더욱 바람직하다. 구체적으로는, 인장 강도가 4,500 MPa 이상, 또한 5,000 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 것을 가리킨다. 또한, 강화 섬유에 부여하는 사이징제로는, 300℃에서의 열감량이 5％ 이하인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 350℃에서의 열감량이 15％ 이하인 것이다. 열 분해되기 어려운 사이징제를 이용하면, 섬유다발 두께 축소 공정이나 수지 함침 공정에서 보푸라기를 발생시키기 어렵고, 또한 다이 내에서의 가스 발생을 최소한으로 억제할 수 있어, 본 발명의 효과를 최대한으로 발현할 수 있다. 이러한 효과는, 특히, 가공 온도가 300℃ 근방을 초과하는 내열성의 열가소성 수지(예를 들면, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르이미드, 방향족 폴리아미드 등)에 있어서 현저한 효과를 발휘한다. 사이징제를 부여하지 않은 탄소 섬유를 이용한 경우, 가스 발생은 거의 없게 되는 이점이 있지만, 보푸라기의 발생이 현저하고, 고품위인 시트상의 프리프레그를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 고생산성도 실현하는 것이 곤란한 경우가 있다. 또한, 상기 열감량이란, TG(열중량 분석)법에 있어서 대기 분위기 하에서 승온 속도 10℃/분으로 25℃부터 400℃까지 가열하여, 300℃, 350℃ 각각에 있어서의 사이징제가 감량한 비율을 가리킨다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발을, 다이 내로의 도입 전 및 도입 후의 적어도 한쪽의 단계에서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로, 인접 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간격을 갖게 한 복수단에 배치할 수 있다. 이와 같이 하면, 복수단에 배치된 각 벨트상 강화 섬유다발 사이에 적절한 간극이 설치된 상태에서 용융 수지가 함침되기 때문에, 개개의 벨트상 강화 섬유다발에 대하여 용융 수지는 양면측으로부터 그의 작은 두께의 방향의 거리(함침 거리)만큼 보다 용이하게 함침되어 가게 된다. 따라서, 보다 단시간 중에 원하는 균일한 함침이 완료되어, 생산성이 한층 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 보다 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을 섬유다발 폭 방향으로 연접함으로써 형성할 수 있다. 예를 들면, 제조하려고 하는 시트상 프리프레그의 폭이, 통상 제작되는 개개의 벨트상 강화 섬유다발의 폭보다도 넓은 경우에는 이러한 수법을 채용할 수 있다. 즉, 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을, 복수, 폭 방향으로 소정폭이 될 때까지(즉, 실질적으로 제조하려고 하는 시트상 프리프레그의 폭이 될 때까지) 연접하여, 소정의 광폭의 벨트상 강화 섬유다발의 형태로 형성한 후, 상기 광폭 벨트상 강화 섬유다발에 수지를 함침시키도록 할 수 있다. 이와 같이 하면, 광폭의 시트상 프리프레그도 용이하게 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 상기보다 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을 섬유다발 폭 방향으로 연접하여, 소정의 광폭의 벨트상 강화 섬유다발을 형성하는 경우, 다이 내로 도입하는 섬유다발 도입 공정에서, 섬유다발 폭 방향으로, 인접 소폭의 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간격을 갖게 할 수 있다. 상기 인접 소폭의 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간극을 설치함으로써, 다이 내에서의 수지 함침 공정에서, 벨트상 강화 섬유다발이 다이 내에 갖고 들어간 공기를, 그 간극을 경유하여 다이 입구나 후술한 탈기 벤트로부터 효율적으로 다이 외로 배출하는 것이 가능해져, 공기가 수지 함침을 저해하는 영향을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 섬유다발 도입 공정의 직상류에, 통로 내를 소정의 진공도로 감압 가능한 밀봉부를 접속하고, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 그 밀봉부의 소정의 진공도로 감압된 통로 내를 통과시킴으로써 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 내부의 감압도를 높이는 탈기 공정을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 벨트상 강화 섬유다발이 다이 내에 갖고 들어가는 공기의 양을 최소한으로 억제할 수 있어, 다이 내에서의 벨트상 강화 섬유다발에 대한 용융 수지 함침 성능을 양호하게 유지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에서의 상기 섬유다발 두께 축소 공정에서는, 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 중 서로 인접하는 벨트상 강화 섬유다발을 개섬에 의해 확폭하는 위치를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 서로 어긋나게 할 수도 있다. 이와 같이 하면, 각 섬유다발 두께 축소 수단을 서로 간섭시키지 않고 용이하게 원하는 위치에 배치하는 것이 가능하게 되어, 두께 축소·확폭의 대상이 되는 각 벨트상 강화 섬유다발에 대하여 보다 확실하게 원하는 동작이 행하여진다.
또한, 상기 수지 함침 공정에서, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 용융 열가소성 수지의 함침 위치 또는 함침 완료 위치를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 할 수도 있다. 이와 같이 하면, 각 수지 함침 수단을 서로 간섭시키지 않고 용이하게 원하는 위치에 배치하는 것이 가능하게 되어, 수지 함침의 대상이 되는 각 벨트상 강화 섬유다발에 대하여 보다 확실하게 원하는 동작이 행하여진다.
또한, 상기 적층 공정에서, 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 한 위치에서 순서대로 적층할 수도 있다. 이와 같이 순서대로 적층하면, 각 층을 보다 확실하게 정밀도 좋게 적층하는 것이 가능하게 되어, 적층체로서의 시트상 프리프레그의 치수 정밀도의 향상이 가능하게 된다.
또한, 상기 다이 내에서는, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 배열된 복수의 고정 가이드(예를 들면, 스퀴즈바)를 이용하여, 각 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 개섬하거나/하고, 용융 열가소성 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 적층하여, 상기 개섬 또는/및 적층에 이용하는 복수의 고정 가이드 중의 적어도 일부의 고정 가이드 중에 벨트상 강화 섬유다발의 통과구를 설치하고, 상기 통과구에 적어도 일부의 벨트상 강화 섬유다발을 통과시키도록 할 수도 있다. 상기 다이 내에서는 큰 스페이스를 취할 수 없을 가능성이 있기 때문에, 다이 내에서의 개섬 또는/및 적층에는 큰 스페이스를 요하지 않은 고정 가이드를 이용하는 것이 바람직하고, 복수의 고정 가이드를 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 배열하여 둠으로써, 각 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 개섬하거나/하고, 용융 열가소성 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 적층하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 복수의 고정 가이드 중의 적어도 일부의 고정 가이드 중에 벨트상 강화 섬유다발의 통과구를 설치하여 두면, 먼저 개섬 또는/및 적층된 일부의 벨트상 강화 섬유다발에 대해서는, 개섬 또는/및 적층 동작을 행하지 않고서 그 통과구를 통과시키도록 하는 것이 가능하게 되어, 개섬 또는/및 적층을 소망하는 위치에서 차례로 행하게 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 수지 함침 공정에서, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 용융 열가소성 수지의 함침 또는 함침 완료를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 동일한 위치에서 행하도록 할 수도 있다. 즉, 복수층의 벨트상 강화 섬유다발에 대하여 동일한 주행 방향 위치에서 실질적으로 동시에 수지를 함침시키도록 할 수 있다. 이와 같이 하면, 다이의 길이의 단축을 도모하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 적층 공정에서는, 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 소정의 위치에서 동시에 적층하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 수지 함침 공정 또는 적층 공정에서, 다이에 설치된 탈기 벤트 및/또는 수지 배출 벤트로부터, 다이 내의 가스 및/또는 수지를 배출하는 것이 바람직하다. 다이 내에는, 소정의 열가소성 수지의 용융 수지가 공급되는데, 원활한 수지 함침을 달성하기 위해서는, 내부에서 발생한 가스나 벨트상 강화 섬유다발이 갖고 들어간 공기 등은 탈기 벤트로부터 배출되는 것이 바람직하다. 또한, 수지 배출 벤트로부터는, 열화한 용융 수지나 벨트상 강화 섬유다발의 보푸라기 등을 배출하는 것이 바람직하다. 열화한 용융 수지나 벨트상 강화 섬유다발의 보푸라기 등이 다이 내에서 축적되면, 얻어지는 시트상 프리프레그의 품위가 저하될 뿐만 아니라, 장시간 운전하는 경우의 연속 운전 성능도 저해된다. 따라서, 수지 배출 벤트로부터 열화한 용융 수지나 벨트상 강화 섬유다발의 보푸라기 등을 배출함으로써, 보다 고품위의 시트상 프리프레그를 얻는 것이 가능하게 됨과 동시에, 장시간의 연속 운전이 가능하게 되어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서는, 상기 다이 내에서 적층되어 전체로서 시트 형상으로 형성된 프리프레그를 다이로부터 인출한 후, 다시 캘린더 롤에 통과시키는 추가 함침 공정을 가질 수 있다. 캘린더 롤로 캘린더 처리를 실시하면, 롤간 가압에 의해 수지의 추가 함침이 가능하게 되어, 한층 양호한 수지 함침 상태의 달성이 가능하게 됨과 동시에, 소량의 두께 조정이 가능한 점에서, 최종 제조 형태의 프리프레그 두께의 고정밀도화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
이와 같은 추가 함침 공정을 갖는 경우, 상기 캘린더 롤이 적어도 제1 캘린더 롤과 제2 캘린더 롤로 이루어지고, 적어도 제2 캘린더 롤은 홈이 있는 롤로서, 제1 캘린더 롤에 통과시킴으로써 시트상으로 형성된 프리프레그를 확폭한 후, 제2 캘린더 롤에 통과시킴으로써 확폭된 시트상 프리프레그를 협폭하면서 폭 방향으로 소정폭이 되도록 시트상 프리프레그의 폭을 규제할 수 있다. 이와 같이 하면, 제1 캘린더 롤에 통과시킴으로써, 롤간 가압에 의해서 약간 확폭됨과 함께 양호한 수지 함침 상태를 달성하고, 그러한 후에, 소정의 폭의 홈을 구비한 홈이 있는 롤인 제2 캘린더 롤에 통과시킴으로써, 시트상 프리프레그의 폭을 협폭하면서 소정폭이 되도록 그 폭을 규제할 수 있기 때문에, 최종 제조 형태의 프리프레그폭에 대해서도 고정밀도화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 장치는, 전체 형상으로서 시트상의 프리프레그를 제조하는 시트상 프리프레그의 제조 장치로서,
용융 열가소성 수지가 공급되는 다이와,
복수의 연속 강화 섬유로 이루어지는 벨트상 강화 섬유다발을 연속적으로 주행시키면서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로 복수층 배치하여 상기 다이 내에 도입하는 섬유다발 도입 수단과,
상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 상기 다이 내로의 도입 전 및 도입 후의 적어도 한쪽의 단계에서, 개섬에 의해 확폭하고 각 벨트상 강화 섬유다발의 두께를 축소시키는 섬유다발 두께 축소 수단과,
상기 두께가 축소된 각 벨트상 강화 섬유다발 내에 상기 다이 내에서 상기 용융 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침 수단과,
상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을 상기 다이 내에서 적층하는 적층 수단
을 갖는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
이 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 장치에 있어서도, 이용하는 열가소성 수지의 종류는 특히 한정되지 않고, 상술한 것과 동일한 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 또한, 상기 연속 강화 섬유의 종류도 특히 한정되지 않고, 상술한 것과 동일한 강화 섬유를 사용 가능하고, 그 중에서도, 최종 성형물의 강도 등의 기계 특성의 향상이 요구되는 경우에는, 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유나 사이징제의 종류에 대해서도, 상술한 것과 동일한 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 장치에 있어서는, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발을, 다이 내로의 도입 전 및 도입 후의 적어도 한쪽 위치에서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로, 인접 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간격을 갖게 한 복수단에 배치하는 수단을 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각이, 보다 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을 섬유다발 폭 방향으로 연접함으로써 형성되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기로부터 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을 섬유다발 폭 방향으로 연접하여, 소정의 광폭의 벨트상 강화 섬유다발을 형성하는 경우, 다이 내로 도입하는 섬유다발 도입 공정에서, 섬유다발 폭 방향으로, 인접 소폭의 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간격을 갖게 할 수 있다. 또한, 상기 섬유다발 도입 수단의 직상류에, 통로 내를 소정의 진공도로 감압 가능한 밀봉부를 접속하고, 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 밀봉부의 소정의 진공도에 감압된 통로 내를 통과시킴으로써 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 내부의 감압도를 높이는 탈기 수단을 갖는 구성으로 할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 장치에 있어서는, 상기 섬유다발 두께 축소 수단에 있어서, 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 중 서로 인접하는 벨트상 강화 섬유다발을 개섬에 의해 확폭하는 위치가, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 서로 어긋나 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 수지 함침 수단에 있어서, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 용융 열가소성 수지의 함침 위치 또는 함침 완료 위치가, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나 있는 구성으로 할 수도 있다. 또한, 상기 적층 수단이, 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 한 위치에서 순서대로 적층하는 수단을 포함하는 구성으로 할 수 있다.
또한, 상기 다이 내에, 각 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 개섬하거나/하고, 용융 열가소성 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 적층하는 데 이용되는 고정 가이드(예를 들면, 스퀴즈바)가 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 복수 배열되어 있고, 상기 복수의 고정 가이드 중의 적어도 일부의 고정 가이드 중에, 적어도 일부의 벨트상 강화 섬유다발을 통과시키는 것이 가능한 통과구가 설치되어 있는 구성으로 할 수 있다.
또한, 상기 수지 함침 수단으로서는, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 상기 용융 열가소성 수지의 함침 또는 함침 완료를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 동일한 위치에서 행하는 수단을 포함하는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 적층 수단으로는, 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 소정의 위치에서 동시에 적층하는 수단을 포함하는 구성으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 장치에 있어서는, 상기 다이에 탈기 벤트 및/또는 수지 배출 벤트가 장착되어 있는 구성으로 할 수 있다.
또한, 상기 다이의 하류에 배치되고, 다이 내에서 적층되고 전체로서 시트상으로 형성되고 다이로부터 인출된 프리프레그에 대하여 캘린더 처리를 실시하는 캘린더 롤을 구비한 추가 함침 수단을 갖는 구성으로 할 수 있다. 이 경우, 캘린더 롤은, 적어도, 시트상으로 형성된 프리프레그를 폭 방향으로 소정폭이 되도록 확폭하는 제1 캘린더 롤과, 상기 제1 캘린더 롤의 하류에 배치되고, 확폭한 시트상 프리프레그를 협폭하면서 폭 방향으로 소정폭이 되도록 규제하는 홈이 있는 제2 캘린더 롤을 구비한 구성으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치에 따르면, 소정의 두께 전체에 걸쳐 균일하고 또한 양호하게 수지가 함침되고, 강화 섬유도 균일하게 분산된 고품위의 열가소성 시트상 프리프레그를 제공할 수 있다. 또한, 수지 함침 시간을 대폭 단축할 수 있어, 이 고품질의 시트상 프리프레그를 높은 생산성을 갖고 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치를 도시하는 개략구성도이다.
도 2는 본 발명의 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서의 개섬확폭의 일례를 도시하는 벨트상 강화 섬유다발의 개략단면도이다.
도 3은 도 1의 장치의 개섬기에 있어서의 개섬의 일례를 도시하는 개략측면도 (A)와 개략평면도 (B)이다.
도 4는 본 발명의 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서의 벨트상 강화 섬유다발의 다이로의 도입 및 다이 중에서의 적층의 일례를 도시하는 다이의 개략단면도이다.
도 5는 본 발명의 시트상 프리프레그의 제조 방법에 있어서의 벨트상 강화 섬유다발의 다이로의 도입 및 다이 중에서의 적층의 다른 일례를 도시하는 다이의 개략단면도이다.
도 6은 본 발명에서 이용되는 고정 가이드의 일례를 도시하는 개략사시도이다.
도 7은 본 발명에서 이용되는 고정 가이드의 다른 일례를 도시하는 개략사시도이다.
도 8은 도 1의 장치의 캘린더 롤에 있어서의 캘린더 처리의 일례를 도시하는 개략측면도 (A)와 개략평면도 (B)이다.
도 9는 강화 섬유다발에의 수지 함침에 있어서의 Darcy 법칙에 의한 단순 모델을 도시하는 설명도이다.
이하에, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치를 도시하고 있고, (100)은 시트상 프리프레그의 제조 장치 전체를 나타내고 있다. 본 실시양태에서는, 섬유다발 도입 공정(섬유다발 도입 수단) (1), 섬유다발 두께 축소 공정(섬유다발 두께 축소 수단) (2), 탈기 공정(탈기 수단) (3), 수지 함침 공정(수지 함침 수단) (4), 적층 공정(적층 수단) (6), 추가 함침 공정(추가 함침 수단) (5)를 갖고 있다.
복수의 연속 강화 섬유 (30)으로 이루어지는 강화 섬유다발(벨트상 강화 섬유다발) (10)이, 복수 라인, 각 크릴 (11)로부터 인출되고, 개섬에 의한 확폭에 의해 섬유다발의 두께를 축소시키는 섬유다발 두께 축소 수단의 하나로서의 개섬기 (12)에 보내어진다. 개섬기 (12)는 도시한 바와 같이, 오븐을 갖고, 가열을 수반하는 것일 수도 있고, 개섬 롤 (13)을 직접 가열하는 기구를 이용하더라도 상관없다. 개섬기 (12)에서는, 예를 들면, 복수의 개섬 롤 (13) 등(또는, 개섬용 바)에 의해, 도입되어 온 각 벨트상 강화 섬유다발 (10)이 개섬되고, 상기 개섬에 의해 확폭되어 벨트상 강화 섬유다발 (10)의 두께가 축소된다.
이 개섬확폭은, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같은 형태로 행해져, 연속 강화 섬유 (30)으로 이루어진 벨트상 강화 섬유다발 (10)의 초기 두께 T가, 개섬확폭에 의해 두께 t까지 축소되어, 얇은 증폭 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 형태가 된다. 또한, 최종적으로 제조하려고 하는 시트상 프리프레그의 폭이 이 증폭 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 폭보다도 넓은 경우에는, 벨트상 강화 섬유다발 (10)의 단계에서, 또는 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 단계에서, 벨트상 강화 섬유다발을 필요한 매수만큼 폭 방향으로 연접할 수도 있다. 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이, 병주(倂走)되어 온 복수의 벨트상 강화 섬유다발 (10)이 벨트상 강화 섬유다발 (10)의 주행 방향으로 어긋난 서로 다른 위치의 개섬 롤 (13)에 의해서 확폭되고, 확폭된 복수의 벨트상 강화 섬유다발 (10)이 폭 방향으로 연접되어, 보다 폭이 넓은 소정폭의 증폭 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 된다. 또한, 도시는 생략하지만, 이러한 확폭, 폭 방향의 연접은, 후술한 다이 중에서도 행하는 것이 가능하다.
개섬확폭에 의해 두께가 축소된 벨트상 강화 섬유다발 (31)은 본 실시양태에서는 도 1에 도시된 바와 같이 탈기 공정 (3)을 거쳐서, 보다 구체적으로는, 탈기 수단으로서의 진공 밀봉 수단 (15)를 통해, 수지 함침을 위한 다이 (19) 내로 도입된다. 진공 밀봉 수단 (15)에서는, 예를 들면, 외부에 대하여 가능한 한 차단되어 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 통과 가능한 통로 (16)이 형성되고, 형성된 통로 (16) 내에서 진공 펌프(도시예에서는, 2단의 진공 펌프 (17), (18))에 의해 공기가 흡인되어 있다. 후술한 바와 같이, 수지 함침 공정에서 균일하고 또한 양호하게 수지를 함침시키기 위해서는, 용융 수지와 벨트상 강화 섬유다발이 오랫동안 접하고 있는 것이 바람직하다. 즉, 수지 함침용의 다이 (19) 내에서는, 공기나 가스가 최대한 혼입되지 않고 용융 수지로 채워져 있는 것이 바람직하고, 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 다이 내에 대량의 공기를 갖고 들어가면, 용융 수지와 벨트상 강화 섬유다발의 직접적인 접촉을 저해하기 때문에 바람직하지 않다. 갖고 들어가는 공기의 양은, 생산 속도를 높게 하면 할수록 많아져, 보다 수지 함침을 곤란하게 한다. 이러한 탈기에 의해, 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 다이 내에 갖고 들어가는 공기를 최소한으로 억제할 수 있어, 수지 함침이 용이하게 되어 본 발명의 효과를 최대한으로 발휘할 수 있는 것이다.
다이 (19)에는, 그것에 접속된 압출기 (20)으로부터 소정의 열가소성 수지의 용융 수지가 공급되어, 내부에서 발생한 가스나 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 갖고 들어간 공기 등은, 탈기 벤트 (21)로부터 진공 펌프 (22) 등에 의해 배출되는 것이 바람직하다. 또한, 수지 배출 벤트 (27)로부터, 열화한 용융 수지나 벨트상 강화 섬유다발의 보푸라기 등을 배출하는 것도 바람직한 양태이다. 열화한 용융 수지나 벨트상 강화 섬유다발의 보푸라기 등이 다이 내에 축적된 경우, 얻어지는 시트상 프리프레그의 품위가 저하될 뿐만 아니라, 장시간 운전하기 위한 연속 운전 성능도 저해된다. 이러한 수지 배출 벤트 (27)로부터 열화한 용융 수지나 벨트상 강화 섬유다발의 보푸라기 등을 배출함으로써, 보다 고품위의 시트상 프리프레그가 얻어지는 것뿐만 아니라, 장시간 운전에 견딜 수 있는 제조를 실현할 수 있다. 다이 (19) 내에 충전된 용융 수지 (23)의 함침은, 예를 들면 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이 행해진다.
도 4에 도시하는 예에서는, 상술한 개섬확폭에 의해 두께가 축소된 벨트상 강화 섬유다발 (31)은 복수, 상기 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 두께 방향으로 복수단으로(도시예에서는 4단으로) 배치됨과 동시에 인접 벨트상 강화 섬유다발 (31) 사이에 적절한 간격을 갖게 한 상태에서, 용융 수지 (23)이 공급된 다이 (19) 내로 도입된다. 도시예에서는, 다이 (19) 내로의 도입 직후 위치에, 상기 간격을 갖게 한 복수단 상태를 유지하기 위해서, 각 벨트상 강화 섬유다발 (31)을 안내하는 가이드바 (32)가 배열되어 있다. 가이드바 (32)를 통과한 각 벨트상 강화 섬유다발 (31)은 서로 적층되도록 접근되지만, 다이 (19) 내로의 도입 직후 위치부터 적층되기까지의 사이는, 인접 벨트상 강화 섬유다발 (31) 사이에 간격을 갖게 한 상태로 유지되게 되기 때문에, 두께가 축소된 각 벨트상 강화 섬유다발 (31)에는, 각각, 양면측으로부터 용융 수지 (23)이 함침되게 된다. 도 4에서는, 복수단의 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 다이 (19)의 1개소의 입구로부터 도입되어 있다. 도시하지 않지만, 복수단의 벨트상 강화 섬유다발이, 다이의 복수개소의 입구로부터 각각 다이 내에 도입될 수도 있다. 이러한 양태이면 보다 확실하게 인접 벨트상 강화 섬유다발 (31) 사이에 적절한 간격을 갖게 한 상태에서 다이 내에 도입할 수 있기 때문에, 바람직한 양태의 하나라고 할 수 있다.
용융 수지 (23)이 함침된 각 벨트상 강화 섬유다발 (31)은 동일한 다이 (19) 내에서 적층된다. 이 적층은 적당한 임의의 수법으로 실시 가능하고, 도 4에 도시하는 예에서는, 원주상의 표면을 갖는 고정 가이드 (33a)(스퀴즈바)가 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 주행 방향으로, 복수, 원주의 외표면이 교대로 반대 방향의 위치에서 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 접하도록 배열되고, 각 고정 가이드 (33a)에, 중첩된 복수의 벨트상 강화 섬유다발 (31)을 순서대로 통과해서 가는 것에 의해 행해진다. 이러한 원상의 표면 또는 다음에 예시하는 반원상의 표면을 갖는 고정 가이드에 용융 수지 (23)이 함침되고 있거나, 또는 용융 수지 (23)이 함침된 벨트상 강화 섬유다발 (31)을 접촉시키면서 통과시킴으로써, 접촉 직전의 벨트상 강화 섬유다발 (31)과 고정 가이드 표면 사이에 쐐기 형상으로 좁혀져 가는 간극이 형성되고, 이 간극에서는 벨트상 강화 섬유다발 (31) 측으로 향하여 서서히 수지압이 높아지게 되기 때문에, 벨트상 강화 섬유다발 (31) 내로의 수지 함침이 촉진 또는 보충되게 된다. 즉, 고정 가이드 상에서는, 상기한 바와 같은 적층과 함께, 수지 함침의 촉진 또는 보충이 가능하다. 또한, 이러한 고정 가이드를 이용하여, 다이 (19) 내에서의 섬유다발 두께 축소를 행하는 것도 가능하다. 벨트상 강화 섬유다발의 개섬·확폭에 의한 섬유다발 두께 축소는, 다이로의 도입 전, 도입 후의 적어도 일보의 단계에서 행해지고 있으면 되고, 두께가 축소된 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 다이 (19) 내에서 수지의 함침, 수지 함침된 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 적층이 행해지면 된다.
도 5에 도시하는 예에서는, 개섬확폭에 의해 두께가 축소된 벨트상 강화 섬유다발 (31)은 복수, 상기 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 두께 방향으로 복수층의 상태에서(도시된 상태에서는 2단으로 보이지만, 각 단은 다이 (19) 내에서 일단 나누어져서 다시 적층되기 때문에, 합계 4단의 형태로), 용융 수지 (23)이 공급된 다이 (19) 내에 도입된다. 도 5에 도시하는 예에서는, 반원상의 표면을 갖는 고정 가이드 (33b)(스퀴즈바)가 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 주행 방향으로, 복수, 반원의 외표면이 교대로 반대방향으로 향하도록 배열되어, 각 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 차례로 용융 수지 (23)이 함침됨과 동시에, 용융 수지 (23)이 함침된 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 차례로 적층되어 간다. 고정 가이드(스퀴즈바)는 도 4에 도시된 원주상의 표면을 갖는 것이거나, 도 5에 도시된 반원상의 표면을 갖는 것일 수도 있지만, 상기 다이 (19) 내에서는 용융 수지 (23)의 산화 등의 열화를 최소한으로 억제하기 위해서 다이 (19) 중에 존재하는 용융 수지의 양을 최소한으로 해두는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 다이 (19)의 용적을 최소한으로 하는 것이 가능한, 스페이스를 요하지 않은 반원상의 표면을 갖는 고정 가이드를 이용하는 것이 바람직한 양태라고 할 수 있다.
상기 최종적으로 보다 균일한 수지 함침 상태의 시트상 프리프레그를 얻기 위해서, 각 층의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에의 수지 함침, 수지 함침의 촉진, 보충, 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 적층을 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 주행 방향으로 차례로 행하도록 하는 것이 바람직하다. 그것을 위해서는, 복수의 고정 가이드 (33b)를 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 주행 방향으로 배열함과 함께, 배열된 각 고정 가이드 (33b)에서 작동 대상이 되는 벨트상 강화 섬유다발 (31)을 일부의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 특정하고, 그의 작동 대상을 순서대로 어긋나게 하여 가는 것이 바람직하다. 이와 같이 하기 위해서는, 어떤 고정 가이드 (33b)는 특정한 일부의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 대하여만 작동하고, 나머지의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 대해서는 단순히 통과시키는 것이 요구된다. 이 요구를 만족시키기 위해는, 예를 들면 도 6에 도시된 바와 같이, 고정 가이드 (33b)에 일부의 벨트상 강화 섬유다발 (31)을 통과시키는 것이 가능한 통과구 (35)를 설치해 두면 된다. 상술한 도 4에 도시된 예에서와 같은 원주상의 고정 가이드 (33a)에 대해서는, 마찬가지로, 도 7에 도시한 바와 같은 통과구 (35)를 설치해 두면 된다.
상기한 바와 같이 용융 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 적층체는, 다이 (19)로부터 방출된 상태에서 이미 소정의 프리프레그의 형태를 갖고 있지만, 본 실시양태에서는, 추가 함침 공정 (5)에서, 추가로, 복수의 롤이 배치된 캘린더 롤 (24)에 의해 캘린더 처리가 실시되도록 되어 있다. 이 캘린더 처리에 의한 양면측으로부터의 가압에 의해, 보다 확실하고 또한 양호한 수지 함침이 가능하게 되고, 또한 캘린더 처리에 있어서의 프레스압의 조정에 의해, 제품으로서의 시트상 프리프레그 (34)의 최종 두께, 최종 폭의 미조정 뿐만 아니라, 시트상 프리프레그 (34)의 표면에 소정의 요철 형상을 부여하는 것도 가능하게 된다. 또한, 이러한 요철 형상은 시트상 프리프레그의 의장 뿐만 아니라, 다른 부품과 접착접합할 때에, 물리적인 앵커 효과를 형성하여 접착성을 높일 때에 매우 유효한 효과를 발휘한다.
이 최종폭에 대해서, 더욱 정밀도 높게 제어하는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 캘린더 롤 (25a)를 통과시킴으로써 시트상 프리프레그를 확폭한 후, 제2 캘린더 롤 (25b)(소정폭의 홈을 갖는 홈이 있는 롤인 것이 바람직함)를 통과시킴으로써 시트상 프리프레그를 협폭하면서 폭 방향으로 소정폭이 되도록 규제하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 확폭 후에 협폭화함으로써, 목표폭에 보다 정확하고 또한 안정적으로 제어할 수 있다. 또한, 얻어진 시트상 프리프레그 (34)에 의한 복합 재료는 역학 특성의 품질 안정성이 우수하다(변동이 작다)는 효과를 발휘한다.
상술한 일련의 벨트상 강화 섬유다발의 주행(반송)은 본 실시양태에서는, 캘린더 롤 (24)의 하류측에 배치된 견인 장치 (26)에 의한 상하의 벨트의 주회에 의해서 행해지게 되어 있다. 그리고, 최종적으로는, 제품으로서의 시트상 프리프레그 (34)가 권취기 (28)에 의해 프리프레그 롤 (29)로서 권취된다.
이러한 본 실시양태에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치에 있어서는, 최종제품으로서의 시트상 프리프레그 (34)의 제조에 이용되는 복수의 벨트상 강화 섬유다발 (10)의 각각이 개섬확폭에 의해 두께가 축소되고, 두께가 축소된 개개의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 다이 (19) 중에서 용융 수지 (23)이 양면측으로부터 함침된다. 따라서, 개개의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에는, 열가소성 수지와 같이 비교적 용융 점도가 높은 수지를 사용하는 경우에 있어서도, 단시간에 충분히 양호하게 함침된다. 그리고, 개개로 충분양호하게 용융 수지가 함침된 수지 함침 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 소정 매수 동일한 다이 (19) 중에서 적층되어 원하는 시트상 프리프레그 (34)가 형성되기 때문에, 시트상 프리프레그 (34)로서도 전체에 걸쳐 양호한 수지 함침 상태로 유지된다. 또한, 벨트상 강화 섬유다발 (10)의 개섬확폭에 의해 두께가 축소된 개개의 벨트상 강화 섬유다발 (31)은 얇은 두께로 두께가 균일화되어 있기 때문에, 최종 제품으로서의 시트상 프리프레그 (34) 중에서의 강화 섬유 (30)의 분산 상태도 우수한 균일한 상태로 유지된다. 따라서, 시트상 프리프레그 (34)는 전체에 걸쳐, 균일한 강화 섬유 (30)의 분산 상태와 양호한 수지 함침 상태가 확보되게 되어, 전체에 걸쳐 바람직한 물성이 달성된다.
또한, 벨트상 강화 섬유다발 (31)이 두께 방향으로 복수단에 배치됨과 동시에 인접 벨트상 강화 섬유다발 (31) 사이에 간격을 갖게 한 상태에서, 각 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 용융 수지 (23)이 함침되도록 하면, 개개의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에 대해서, 양면측으로부터 강화 섬유다발 (31)의 작은 두께의 방향의 거리분(함침 거리분), 수지 함침이 행해지게 되어, 고점도의 용융 수지여도 용이하게, 단시간 중에, 그 두께 방향 전체에 걸쳐 균일한 함침이 완료되게 된다. 이러한 고점도의 용융 수지의 강화 섬유다발에의 함침의 어려움은, 예를 들면, 도 9 및 다음식으로 나타내는 달시 법칙(Darcy 법칙)에 의한 단순 모델을 이용하여 설명할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 강화 섬유다발의 함침 거리를 X, 매트릭스 수지의 용융 점도를 η, 용융 수지 함침을 위해 기계적으로 가하는 압력을 Pm으로 하면, Darcy 법칙을 베이스로 수지 함침에 요하는 시간 timp를 단순화하여 나타내면, ηX2/[2S(Pm+Pc)]와 같은 식으로 설명할 수 있다. 여기서, S는 침투성에 관한 매개변수, Pc는 모세관 압력(습윤성이 관계하는 항)을 나타내고 있다. 즉, 수지 함침에 요하는 시간은, 용융 점도 η에 비례하고, 용융 점도 η가 높아질수록 시간을 요하고(즉, 함침하기 어렵게 됨), 또한 함침 거리 X의 2승에 비례한다. 이 함침 거리는 본 발명에서의 개개의 벨트상 강화 섬유다발 (31)의 두께에 상당하므로, 본 발명에서 벨트상 강화 섬유다발 (10)을 개섬확폭에 의해 두께가 축소된 벨트상 강화 섬유다발 (31)로 하는 것이 함침 시간의 단축에 어떻게 크게 공헌할 수 있을지가 이해된다. 이와 같이, 본 발명에서는, 개개의 벨트상 강화 섬유다발 (31)에의 수지 함침 시간이 짧아도 되고, 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발 (31)을 동일한 다이 (19) 내에서 적층하는 것만으로 원하는 시트상 프리프레그가 얻어지므로, 시트상 프리프레그의 제조 시간이 대폭 단축되어, 생산성이 대폭 향상된다.
본 발명에 따른 시트상 프리프레그의 제조 방법 및 장치는, 연속 강화 섬유와 열가소성 수지를 사용한 모든 시트상 프리프레그의 제조에 적용할 수 있다. 이러한 제조 방법 및 장치로부터 얻어지는 시트상 프리프레그는, 자동차, 항공기, 선박 등의 수송 기기, 레저 스포츠 부재, 압력 용기, 유전 굴착, 토목 건축의 구조 부재·준구조 부재 등에 바람직하게 사용할 수 있다.
1: 섬유다발 도입 공정(섬유다발 도입 수단)
2: 섬유다발 두께 축소 공정(섬유다발 두께 축소 수단)
3: 탈기 공정(탈기 수단)
4: 수지 함침 공정(수지 함침 수단)
5: 추가 함침 공정(추가 함침 수단)
6: 적층 공정(적층 수단)
10: 벨트상 강화 섬유다발
11: 크릴
12: 개섬기
13: 개섬 롤
15: 진공 밀봉 수단
16: 통로
17, 18, 22: 진공 펌프
19: 다이
20: 압출기
21: 탈기 벤트
23: 용융 수지
24: 캘린더 롤
25a: 제1 캘린더 롤
25b: 제2 캘린더 롤
26: 견인 장치
27: 수지 배출 벤트
28: 권취기
29: 프리프레그 롤
30: 연속 강화 섬유
31: 증폭 벨트상 강화 섬유다발
32: 가이드바
33a, 33b: 고정 가이드
34: 시트상 프리프레그
35: 통과구
100: 시트상 프리프레그의 제조 장치

Claims (28)

  1. 복수의 연속 강화 섬유로 이루어지는 벨트상 강화 섬유다발을 연속적으로 주행시키면서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로 복수층 배치하여 용융 열가소성 수지가 공급된 다이 내에 도입하는 섬유다발 도입 공정과,
    상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 상기 다이 내로의 도입 전 및 도입 후 적어도 한쪽의 단계에서, 개섬에 의해 확폭하여 각 벨트상 강화 섬유다발의 두께를 축소시키는 섬유다발 두께 축소 공정과,
    상기 두께가 축소된 각 벨트상 강화 섬유다발 내에 상기 다이 내에서 상기 용융 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침 공정과,
    상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을 상기 다이 내에서 적층하는 적층 공정을 갖고,
    전체 형상으로서 시트상의 프리프레그를 제조하는 것을 특징으로 하는 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발을, 상기 다이 내로의 도입 전 및 도입 후 적어도 한쪽의 단계에서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로 인접 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간격을 둔 복수단에 배치하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 보다 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을 섬유다발 폭 방향으로 연접함으로써 형성하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유다발 도입 공정의 직상류에, 통로 내를 소정의 진공도로 감압 가능한 밀봉부를 접속하고, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 상기 밀봉부의 소정의 진공도로 감압된 통로 내를 통과시킴으로써 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 내부의 감압도를 높이는 탈기 공정을 갖는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 섬유다발 두께 축소 공정에서, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 중 서로 인접하는 벨트상 강화 섬유다발을 개섬에 의해 확폭하는 위치를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 서로 어긋나게 하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수지 함침 공정에서, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 상기 용융 열가소성 수지의 함침 위치 또는 함침 완료 위치를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적층 공정에서, 상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 한 위치에서 순서대로 적층하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다이 내에서 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 배열된 복수의 고정 가이드를 이용하여, 각 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 개섬하거나/하고, 용융 열가소성 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 적층하고, 상기 개섬 또는/및 적층에 이용하는 복수의 고정 가이드의 적어도 일부의 고정 가이드 중에 벨트상 강화 섬유다발의 통과구를 설치하여, 상기 통과구에 적어도 일부의 벨트상 강화 섬유다발을 통과시키는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 수지 함침 공정에서, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 상기 용융 열가소성 수지의 함침 또는 함침 완료를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 동일한 위치에서 행하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적층 공정에서, 상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 소정의 위치에서 동시에 적층하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 수지 함침 공정 또는 적층 공정에서, 상기 다이에 설치된 탈기 벤트 및/또는 수지 배출 벤트로부터 다이 내의 가스 및/또는 수지를 배출하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다이 내에서 적층되어 전체로서 시트 형상으로 형성된 프리프레그를 다이로부터 인출한 후, 추가로 캘린더 롤에 통과시키는 추가 함침 공정을 갖는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 캘린더 롤이 적어도 제1 캘린더 롤과 제2 캘린더 롤로 이루어지고, 적어도 제2 캘린더 롤은 홈 장착 롤이며, 제1 캘린더 롤에 통과시킴으로써 시트상으로 형성된 프리프레그를 확폭한 후, 제2 캘린더 롤에 통과시킴으로써 확폭된 시트상 프리프레그를 협폭하면서 폭 방향으로 소정 폭이 되도록 시트상 프리프레그의 폭을 규제하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 연속 강화 섬유가 탄소 섬유를 포함하는, 시트상 프리프레그의 제조 방법.
  15. 전체 형상으로서 시트상의 프리프레그를 제조하는 시트상 프리프레그의 제조장치로서,
    용융 열가소성 수지가 공급되는 다이와,
    복수의 연속 강화 섬유로 이루어지는 벨트상 강화 섬유다발을 연속적으로 주행시키면서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로 복수층 배치하여 상기 다이 내에 도입하는 섬유다발 도입 수단과,
    상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 상기 다이 내로의 도입 전 및 도입 후 적어도 한쪽의 단계에서, 개섬에 의해 확폭하여 각 벨트상 강화 섬유다발의 두께를 축소시키는 섬유다발 두께 축소 수단과,
    상기 두께가 축소된 각 벨트상 강화 섬유다발 내에, 상기 다이 내에서 상기 용융 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침 수단과,
    상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을 상기 다이 내에서 적층하는 적층 수단
    을 갖는 것을 특징으로 하는 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발을, 상기 다이 내로의 도입 전 및 도입 후 적어도 한쪽의 위치에서, 상기 벨트상 강화 섬유다발의 두께 방향으로 인접 벨트상 강화 섬유다발 사이에 간격을 둔 복수단에 배치하는 수단을 갖는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각이, 보다 소폭의 벨트상 강화 섬유다발을 섬유다발 폭 방향으로 연접함으로써 형성되어 있는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 섬유다발 도입 수단의 직상류에, 통로 내를 소정의 진공도로 감압 가능한 밀봉부를 접속하고, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발의 각각을, 상기 밀봉부의 소정의 진공도로 감압된 통로 내를 통과시킴으로써 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 내부의 감압도를 높이는 탈기 수단을 갖는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 섬유다발 두께 축소 수단에 있어서, 상기 복수층의 벨트상 강화 섬유다발 중 서로 인접하는 벨트상 강화 섬유다발을 개섬에 의해 확폭하는 위치가, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 서로 어긋나게 되어 있는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  20. 제15항에 있어서, 상기 수지 함침 수단에 있어서, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 상기 용융 열가소성 수지의 함침 위치 또는 함침 완료 위치가, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 되어 있는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 적층 수단이, 상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 차례로 어긋나게 한 위치에서 순서대로 적층하는 수단으로 이루어지는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  22. 제15항에 있어서, 상기 다이 내에 각 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 개섬하거나/하고, 용융 열가소성 수지가 함침된 벨트상 강화 섬유다발을 차례로 적층하는 데에 이용되는 고정 가이드가 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향으로 복수 배열되어 있고, 상기 복수의 고정 가이드의 적어도 일부의 고정 가이드 중에 적어도 일부의 벨트상 강화 섬유다발을 통과시키는 것이 가능한 통과구가 설치되어 있는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  23. 제15항에 있어서, 상기 수지 함침 수단이, 각 벨트상 강화 섬유다발 내로의 상기 용융 열가소성 수지의 함침 또는 함침 완료를, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 동일한 위치에서 행하는 수단으로 이루어지는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 적층 수단이, 상기 용융 열가소성 수지가 함침되고 있거나/있고, 상기 용융 열가소성 수지가 함침된 복수의 벨트상 강화 섬유다발을, 벨트상 강화 섬유다발의 주행 방향에서의 소정의 위치에서 동시에 적층하는 수단으로 이루어지는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  25. 제15항에 있어서, 상기 다이에 탈기 벤트 및/또는 수지 배출 벤트가 장착되어 있는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  26. 제15항에 있어서, 상기 다이의 하류에 배치되고, 상기 다이 내에서 적층되어 전체로서 시트상으로 형성되어 다이로부터 인출된 프리프레그에 대하여 캘린더 처리를 실시하는 캘린더 롤을 구비한 추가 함침 수단을 갖는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 캘린더 롤은 적어도 시트상으로 형성된 프리프레그를 폭 방향으로 소정 폭이 되도록 확폭하는 제1 캘린더 롤과, 상기 제1 캘린더 롤의 하류에 배치되고, 확폭한 시트상 프리프레그를 협폭하면서 폭 방향으로 소정 폭이 되도록 규제하는 홈 장착 제2 캘린더 롤을 구비하고 있는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
  28. 제15항에 있어서, 상기 연속 강화 섬유가 탄소 섬유를 포함하는, 시트상 프리프레그의 제조 장치.
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