KR101811712B1 - 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 smc 제조방법 - Google Patents

섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 smc 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유접촉-비접촉, 고정 또는 회전롤이 적용된 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성을 증대시킴으로써 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 기존 30-40중량% 첨가되던 섬유의 양을 20-30중량%만 첨가해도 기존 대비 동등 이상의 물성을 구현할 수는 장점이 있고, 물리적인 방식으로 섬유 필라멘트를 스프레딩시키기 때문에 바인더를 태워 없애는 방식 대비 어느 정도 바인더가 남아 있어 섬유를 컷팅하여 투입할 때 컷팅된 섬유가 비산되지 않는 장점도 있다.

Description

섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법{SMC MANUFACTURING METHOD IMPROVED FIBER DISPERSION AND RESIN IMPREGNATION USING FIBER SPREADER}
본 발명은 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유접촉-비접촉, 고정 또는 회전롤이 적용된 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성을 증대시킴으로써 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법에 관한 것이다.
SMC(Sheet Molding Compound)는 열경화성 수지로 이루어지는 시트 본체에 유리 단섬유 등을 분산시킨 다음 가압 성형하여 시트 형태로 제조하는 것으로, 성형이 용이하기 때문에, 주택 관련부품, 자동차 관련부품, 그 밖의 공업부품을 제조하는 복합재료로서 널리 이용되고 있다.
이러한 SMC는 점도가 높고 점착성이 없으며 성형성이 뛰어난 시트상 성형재료로서, 밀도에 비하여 성형 후의 기계적강도가 우수하며 가격도 저렴하여 그 수요가 점차 증가하고 있다.
그런데, 종래 SMC는 분산성 조절없이 서로 응집된 섬유가닥을 커팅한 상태에서 직접 수지에 투입하여 제조되기 때문에 고가의 섬유함량을 증가시킨다고 해도 낮은 수지 함침성으로 인해 높은 물성 구현이 매우 어려운 실정이다.
이를 해결하기 위한 방법으로 섬유가닥을 서로 연결하고 있는 바인더를 태워 응집성(Coherent energy)을 낮추는 방법이 있으나 제조설비 구축시 고가의 비용이 들어가기 때문에 사실상 구현하기 어려운 방법이다.
다른 예로, 고정된 토우(tows)를 사용하여 섬유를 양쪽에서 당겨 스프레딩시키는 방법이 있으나, 이는 양쪽에서 당기는 텐션으로 인해 토우들과 섬유 사이에 가해지는 응력이 발생되어 섬유가장자리 fuzz와 fracutre의 문제가 야기된다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0107035호(2007.11.06), "탄소질 복합재료 히트 스프레더 및 이와 연관된 방법" 대한민국 공개특허 제10-2015-0097765호(2015.08.26), "단방향 얀을 분산시키기 위한 진동 스프레더 바" 대한민국 공개특허 제10-2005-0071465호(2005.07.07.) 'ＳＭＣ 자동차 본체 판넬용 원-팩 프라이머 밀봉제 조성물' 대한민국 특허 등록번호 제10-1303013호(2013.08.28.) '혼합 ＳＭＣ 시트를 포함하는 복합 시트 및 그 성형 방법' 대한민국 특허 등록번호 제10-1459145호(2014.10.31.) 'ＳＭＣ시트 및 그 제조방법'
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 고가의 탄소섬유 또는 유리섬유의 함량을 낮추면서도 기존 대비 동등 이상의 물성을 구현할 수 있도록 섬유와의 접촉, 비접촉, 회전, 비회전의 기능구현을 통해 섬유펼침 효과를 극대화시켜 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 높일 수 있는 SMC 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 하부 캐리어필름 이송단계와, 이송되는 하부 캐리어필름의 상면에 하부레진을 도포하는 하부레진 도포단계와, 파이버보빈에 마련된 다수의 파이버를 인출하는 파이버 공급단계와, 인출된 파이버를 섬유펼침기로 펼치는 파이버 스프레딩단계와, 스프레딩된 다수의 파이버를 일정 길이로 커팅함과 동시에 하부레진의 상면으로 분산 투입시키는 파이버 커팅 및 투입단계와, 파이버가 투입된 다음의 위치에서 상부 캐리어필름을 풀어 공급하는 상부 캐리어필름 이송단계와, 상부 캐리어필름의 상면에 상부레진을 도포하는 상부레진 도포단계와, 상부레진이 도포된 상부 캐리어필름을 다수의 텐션롤로 지지하면서 반전시켜 상부레진을 하부레진의 상면에 합지시키는 레진 합지단계;를 포함하는 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법에 있어서;
상기 파이버 스프레딩단계에서 사용되는 섬유펼침기는 섬유와 접촉되는 롤이 접촉과 비접촉을 반복하면서 이동되는 각도에도 변화가 생기게 하여 연신율을 달리 하도록 구성하되,
상기 섬유펼침기는 섬유가닥이 나란히 놓여 진행하도록 서로 간격을 두고 설치되며, 회전가능하게 구성된 제1,2,3펼침롤세트; 상기 제1,2,3펼침롤세트의 각 일측면에 고정된 제1,2,3평롤;을 포함하고,
상기 제1,2,3펼침롤세트 각각은 수평방향에 대해 상하로 20-55°어긋나게 배치되며;
상기 제1,2,3평롤의 롤간 간격은 상기 제1,2,3펼침롤세트의 원중심을 기준으로 원주방향으로 40-60°를 유지하고;
상기 제1,2,3펼침롤세트는 인접하는 것들끼리 서로 반대방향으로 회전하도록 구성되어 라인스피드를 10m/min 이상으로 올릴 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법을 제공한다.
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본 발명에 따르면, 기존 30-40중량% 첨가되던 섬유의 양을 20-30중량%만 첨가해도 기존 대비 동등 이상의 물성을 구현할 수는 장점이 있다.
또한, 물리적인 방식으로 섬유 필라멘트를 스프레딩시키기 때문에 바인더를 태워 없애는 방식 대비 어느 정도 바인더가 남아 있어 섬유를 컷팅하여 투입할 때 컷팅된 섬유가 비산되지 않는 장점도 있다.
뿐만 아니라, 공정속도와 폭조절이 용이하여 생산성이 향상되고, 제조비용을 현저히 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 SMC 제조방법을 보인 예시적인 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SMC 제조방법에 사용되는 물리적 섬유펼침기의 예시적인 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 SMC 제조방법에 사용되는 물리적 섬유펼침기의 동작예를 보인 예시적인 부분 평면도이다.
도 4는 도 2의 요부 확대도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법은 하부 캐리어필름 이송단계와, 이송되는 하부 캐리어필름의 상면에 하부레진을 도포하는 하부레진 도포단계와, 파이버보빈에 마련된 다수의 파이버를 인출하는 파이버 공급단계와, 인출된 파이버를 섬유펼침기로 펼치는 파이버 스프레딩단계와, 스프레딩된 다수의 파이버를 일정 길이로 커팅함과 동시에 하부레진의 상면으로 분산 투입시키는 파이버 커팅 및 투입단계와, 파이버가 투입된 다음의 위치에서 상부 캐리어필름을 풀어 공급하는 상부 캐리어필름 이송단계와, 상부 캐리어필름의 상면에 상부레진을 도포하는 상부레진 도포단계와, 상부레진이 도포된 상부 캐리어필름을 다수의 텐션롤로 지지하면서 반전시켜 상부레진을 하부레진의 상면에 합지시키는 레진 합지단계;를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 하부 캐리어필름 이송단계는 하부 풀기롤(10)에 감겨 있는 하부 캐리어필름(12)을 당겨 다수의 롤 조합으로 이루어진 컴팩션 롤(Compaction Roller)(14)을 거쳐 하부 감기롤(미도시)로 감아 당기는 단계이다.
이렇게 하여, 상기 하부 캐리어필름(12)이 서서히 풀려 나와 컴팩션 롤(14)으로 이송될 때 상기 하부 캐리어필름(12)의 상면에는 하부레진(16)이 도포되는 하부레진 도포단계가 수행된다.
따라서, 상기 하부레진(16) 도포기를 지난 하부 캐리어필름(12)의 표면에는 하부레진(16)이 일정 두께로 발라져 있는 상태가 된다.
이어, 상기 하부레진(16) 위로 파이버가 낙하 투입되게 되는데, 이를 위해 파이버 공급단계, 파이버 스프레딩단계가 수행되며, 스프레딩된 파이버는 커터(18)를 통해 커팅되면서 자동 낙하 투입되게 된다.
이때, 상기 파이버 공급단계는 파이버보빈(20) 상에 감겨 있는 다수의 파이버들이 인출되어 섬유펼침기(22)로 이송되고, 섬유펼침기(22)를 거쳐 손상없이 원활하게 펼침된 상태에서 커터(18)로 커팅되므로 자동적으로 섬유의 분산이 이루어진 채 낙하 투입되게 된다.
이렇게 하여, 파이퍼 투입이 완료되면, 하부 캐리어필름(12)과 간격을 두고 상측에 설치된 상부 풀기롤(30)에 감겨 있던 상부 캐리어필름(32)이 풀려 나오면서 다수의 텐션롤(TS)을 통해 파이버가 투입된 하부레진(12)의 상면을 향해 이동하는 상부 캐리어필름 이송단계가 수행된다.
상기 상부 캐리어필름 이송단계가 개시됨과 동시에 그 앞쪽에서는 상부 캐리어피름(32)의 상면에 상부레진(36)을 도포하는 상부레진 도포단계가 수행된다.
따라서, 상기 상부 캐리어필름(32)이 다수의 텐션롤(TS)을 거쳐 반전되면서 하부레진(12)의 상면에 붙게 되면 결국 상부레진(36)이 하부레진(12)의 상면에 합지되는 형태가 되며, 이에 따라 하부레진(12)과 상부레진(36) 사이에 2-3cm 크기로 커팅된 파이버가 갇힌 상태로 합지된 구조를 갖게 되며, 하부 캐리어필름(12)과 상부 캐리어필름(32)은 나중에 이형된다.
이와 같은 단계로 SMC가 제조될 때 상기 파이버 스프레딩단계에서 사용되는 섬유펼침기(22)는 섬유와 접촉되는 롤이 접촉과 비접촉을 반복하면서 이동되는 각도에도 변화가 생기게 하여 연신율을 달리 하도록 구성됨으로써 연신효율을 증대시킴은 물론 섬유 펼침능력도 향상시키는 특징을 가진다.
예컨대, 상기 섬유펼침기(22)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 섬유접촉-비접촉, 고정 또는 회전롤이 적용된 섬유펼침기는 적어도 2세트(Two set) 이상의 펼침롤세트를 포함한다.
다만, 도 2에 도시된 예는 3개의 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)를 예시한 것으로서, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 도시된 개수로 한정되지는 않는다.
그리고, 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3) 각각에는 3개의 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)이 각각 고정된다. 즉, 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)는 일종의 회전판이고, 이 회전판의 일측면에 상기 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)이 길게 고정된다고 보면 이해하기 쉽다. 물론, 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)의 양단을 회전판이 각각 고정하면 더욱 안정적인 구동이 가능할 것이다.
이때, 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)는 회전되는 구조이고, 상기 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)은 고정형으로서 자회전은 되지 않고, 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)의 회전에 따라 함께 회전하는 구조를 갖는다.
특히, 상기 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)은 3개로 한정하여 예시 설명하고 있지만, 이에 국한되지 않고 3-9개의 범위내에서 선택하여 설치할 수 있다.
이것은 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)의 반경에 따라 달라질 수 있으며, 섬유 펼침처리량에 따라 변경될 수 있다.
다만, 펼침기능을 높은 효율로 처리하여야 하고, 동시에 연신과정에서 섬유 끊어짐을 방지하기 위해 상기 평롤은 최소한 3개, 최대한 9개의 범위를 유지해야 한다.
뿐만 아니라, 상기 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)의 롤간 간격은 일정하게 유지되어야 균일한 연신과 스프레딩이 가능하므로 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)의 원중심을 기준으로 반경방향으로 일정각도씩 이격 설치되어야 한다.
특히, 실험결과 가장 이상적인 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)간 간격은 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)의 원중심으로 기준으로 반경방향으로 40-60°일 때이다.
또한, 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3) 사이의 각도는 섬유가닥(F)의 연신, 펼침과 관계가 있으므로 적정각도로 유지되어야 하는데, 실험결과 20-55°가 최적상태로 확인되었다.
아울러, 상기 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)는 실질적으로 섬유가닥(F)과 접촉, 비접촉을 반복하게 되므로 섬유가닥(F)과의 마찰을 줄일 수 있는 저마찰계수를 갖는 재질로 형성됨이 바람직하다.
이러한 예로는 금속 또는 플라스틱이 바람직한데, 이를 테면 스틸, Al, Cu, 세라믹, 아세탈, PA, PET, PTFE 중 어느 하나가 좋고, 더욱 바람직하기로는 금속 보다는 플라스틱이 전기적 마찰까지 줄일 수 있다.
또한, 본 발명이 적용되는 섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 자연섬유 중에서도 비교적 유연한 섬유인 flax, kenaf, bamboo, silk 등이 바람직하다.
이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 섬유펼침 과정은 다음과 같다.
펼침대상 섬유가닥(F)은 20-55°경사각을 갖고 인접한 롤세트끼리 상하로 서로 엇갈려 있는 제1펼침롤세트(SR1)와 ,제2펼침롤세트(SR2)와, 제3펼침롤세트(SR3)를 상하로 엇갈리게, 다시 말해 상하로 지그재그를 형태를 갖게 배열된다.
이때, 상기 섬유가닥(F)은 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3) 각각에 구비되어 있는 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3) 중 어느 하나와 접촉된 상태로 유지된다.
그리고, 이러한 섬유가닥(F)은 도 3과 같이 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)의 길이방향으로 여러 가닥이 배열됨은 당연하다 하겠다.
이 상태에서, 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)가 회전하게 되면 섬유가닥(F)은 도 4와 같이 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)중 어느 하나와 접촉되게 되는데, 이때 접촉과 비접촉이 반복되게 된다.
이것은 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)이 서로 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 상태에서 이들을 고정하고 있는 상기 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)가 각각 회전하기 때문이다.
여기에서, 연신효율과 펼침효율은 높이되 과도한 연신을 방지하여 끊어짐을 차단하기 위해 인접한 제1,2,3펼침롤세트(SR1,SR2,SR3)들 끼리는 서로 반대방향으로 회전되게 구성하여야 한다.
그러면, 서로 당김 효과를 갖게 되는데, 이를 테면 제1펼침롤세트(SR1)가 반시계방향으로 회전하고, 제2펼침롤세트(SR2)는 시계방향으로 회전하게 되면 제1펼침롤세트(SR1)에 구비된 제1,2,3평롤 중 하나는 상기 섬유가닥(F)을 밀어 올리는 방향으로 힘을 가하게 됨에 반해, 상기 제2펼침롤세트(SR2)에 구비된 제1,2,3평롤 중 하나는 상기 섬유가닥(F)을 밀어 내리는 방향으로 힘을 가하게 된다.
그런데, 밀어내리는 방향이 제1펼침롤세트(SR1)에서 밀어 올리는 방향쪽으로 회전하면서 이루어지기 때문에 장력이 과도하게 걸리지 않은 상태에서 접촉과 비접촉이 단속적으로 일어나면서 인장시키게 되므로 끊어지지 않으면서 연신효과는 극대화된다.
즉, 연신을 최대화시키려면 인장력이 크게 작용하도록 제1,2펼침롤세트(SR1,SR2)를 동일방향으로 회전시켜 제1펼침롤세트(SR1)가 섬유가닥(F)을 밀어 올릴 때 제2펼침롤세트(SR2)가 밀어 내리면서 섬유가닥(F)이 밀려 올라가는 반대방향으로 밀어 내리면 과도하게 인장력이 작용하므로 인장효율을 극대화시킬 수 있지만, 이 경우에는 섬유 끊어짐이 발생하기 쉽다.
때문에, 본 발명에서는 일반적인 통념과 반대의 개념으로 회전시키면서도 제1,2,3평롤(PR1,PR2,PR3)의 존재로 인해 인장력, 즉 섬유 끊어짐 없이 연신을 최대화시킬 수 있다.
따라서, 일반적인 물리적 섬유펼침기에 비해, 현저히 향상된 섬유펼침효과와 연신 효과를 얻을 수 있다.
특히, 이와 같은 개념을 이용하면 기존에는 라인 스피드가 끊어짐 방지를 위해 10m/min 미만으로 유지할 수 밖에 없어 생산성이 낮았지만, 본 발명에서는 라인 스피드를 10m/min 이상으로 유지할 수 있어 생산성 향상에 기여할 수 있다.
SR1: 제1펼침롤세트 SR2: 제2펼침롤세트
SR3: 제3펼침롤세트 PR1: 제1평롤
PR2: 제2평롤 PR3: 제3평롤

Claims (5)

  1. 하부 캐리어필름 이송단계와, 이송되는 하부 캐리어필름의 상면에 하부레진을 도포하는 하부레진 도포단계와, 파이버보빈에 마련된 다수의 파이버를 인출하는 파이버 공급단계와, 인출된 파이버를 섬유펼침기로 펼치는 파이버 스프레딩단계와, 스프레딩된 다수의 파이버를 일정 길이로 커팅함과 동시에 하부레진의 상면으로 분산 투입시키는 파이버 커팅 및 투입단계와, 파이버가 투입된 다음의 위치에서 상부 캐리어필름을 풀어 공급하는 상부 캐리어필름 이송단계와, 상부 캐리어필름의 상면에 상부레진을 도포하는 상부레진 도포단계와, 상부레진이 도포된 상부 캐리어필름을 다수의 텐션롤로 지지하면서 반전시켜 상부레진을 하부레진의 상면에 합지시키는 레진 합지단계;를 포함하는 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법에 있어서;
    상기 파이버 스프레딩단계에서 사용되는 섬유펼침기는 섬유와 접촉되는 롤이 접촉과 비접촉을 반복하면서 이동되는 각도에도 변화가 생기게 하여 연신율을 달리 하도록 구성하되,
    상기 섬유펼침기는 섬유가닥이 나란히 놓여 진행하도록 서로 간격을 두고 설치되며, 회전가능하게 구성된 제1,2,3펼침롤세트; 상기 제1,2,3펼침롤세트의 각 일측면에 고정된 제1,2,3평롤;을 포함하고,
    상기 제1,2,3펼침롤세트 각각은 수평방향에 대해 상하로 20-55°어긋나게 배치되며;
    상기 제1,2,3평롤의 롤간 간격은 상기 제1,2,3펼침롤세트의 원중심을 기준으로 원주방향으로 40-60°를 유지하고;
    상기 제1,2,3펼침롤세트는 인접하는 것들끼리 서로 반대방향으로 회전하도록 구성되어 라인스피드를 10m/min 이상으로 올릴 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 섬유펼침기를 이용하여 섬유의 분산성과 수지의 함침성을 향상시킨 SMC 제조방법.
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