KR101966549B1 - 섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법 - Google Patents

섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보강용 섬유(reinforcement fiber)와 열가소성 수지 섬유(thermoplastic resin fiber)를 이용하여 혼섬 공정을 거쳐 제조되는 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도를 개선하여 섬유강화 복합재료의 성형후 성형제품 내부에서 보강용 섬유를 균등하게 분산시킴으로써, 상기 섬유강화 복합재료 성형 제품의 물리적 특성을 개선하기 위한 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법 { Fabric and commingled yarn for fiber reinforced plastic and manufacturing method thereof }
본 발명은 보강용 섬유(reinforcement fiber)와 열가소성 수지 섬유(thermoplastic resin fiber)를 이용하여 혼섬 공정을 거쳐 제조되는 섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬시 분산도를 개선하여 섬유강화 복합재료의 성형후 성형제품 내부에서 보강용 섬유를 균일하게 분산시킴으로써, 상기 섬유강화 복합재료 성형제품의 기계적 특성을 개선하기 위한 섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법에 관한 것이다.
복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 거시적으로 서로간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 기능을 가지는 재료를 일컫는다. 또한 상기 복합재료중 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, 이하 FRP)은 강도 등의 물성을 개선하기 위하여 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등의 보강용 섬유와, 상기 보강용 섬유에 함침되어 하중이 골고루 전달되게 하면서 상기 보강용 섬유를 외부환경으로부터 보호하여 주는 기지재료인 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 등으로 이루어져 있다.
이러한 FRP를 제조하기 위한 보강용 섬유로는 유리 섬유, 유기계 고기능 섬유, 무기계 섬유 또는 탄소 섬유 등이 주로 사용되고 있다.
상기 보강용 섬유가 하중을 견디는 요소라면, 이들 각각의 보강용 섬유를 제자리에 고정시켜 구조적인 형태를 형성하기 위한 기지재료(matrix)의 필요성이 절대적이다. 이러한 기지재료로는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin) 등이 많이 사용되며, 고온용으로는 phenol 수지 또는 polyimide 수지 등이 쓰이며, 최근에는 나일론, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤 등의 열가소성 수지의 사용량이 점차로 증가되고 있다. .
특히 FRP의 성능을 최대한으로 발휘시키기 위해서 보강용 섬유 구조물의 설계가 중요하다. 특히, 성형품의 대형화나 극한 상황에서 견딜 수 있는 고내구ㆍ고강도화, 코스트 다운과 같은 요구를 강하게 받고 있어, 종래의 프리프레그(Prepreg) 또는 직물과 같은 중간 소재에 더하여 각종 섬유 구조체 즉, 혼섬사(commingled yarn), 개섬 직물, 3축 직물, 3차원 직물 등이 개발되어 실용화되어 왔다.
이중 보강용 섬유와 수지 섬유를 혼섬하여 제조되는 혼섬사는 상기 혼섬사를 이용하여 보강용 섬유 구조물을 제조한 후, 이를 가열 및 가압하여 상기 수지 섬유를 용융하여 섬유강화 복합재료를 제조한다.
이러한 섬유강화 복합재료의 제조시 사용되는 상기 혼섬사는 종래에는 섬유의 방사 단계에서 보강용 섬유와 수지 섬유를 혼섬함으로써 제조할 수 있다. 즉, 도 1을 살펴보면, 방사구금 A를 통해 방사되는 보강용 섬유와 방사구금 B를 통해 방사되는 수지 섬유는 유제공급부에서 서로 혼섬되어 혼섬사를 제조한다. 그리고 상기 혼섬사를 권취함으로써 보강용 섬유와 수지 섬유가 혼섬된 혼섬사를 제조하게 된다.
이러한 혼섬사의 제조기술과 관련되는 종래기술로서, 대한민국공개특허공보 제10-2017-0029649호(2017. 03. 15.)에는 열가소성 수지섬유의 처리제를 표면에 갖는 열가소성 수지섬유와, 연속강화 섬유의 처리제를 표면에 갖는 연속강화 섬유를 혼섬하고, 열가소성 수지의 융점~융점+30K의 온도에서 가열하여 혼섬사를 제조하고, 이를 권취한 후, 이를 이용하여 제조한 직물이 개시되어 있고, 또한 대한민국공개특허공보 제10-2015-0109487호(2015. 10. 01.)에는 연속열가소성수지섬유와, 연속강화섬유를 혼섬 및 개섬하여 혼섬사속을 제조하고, 상기 혼섬사속을 표면처리제 및/또는 집속제를 포함하는 수용액에 침지하고, 이를 이용하여 혼섬사를 제조하고, 이를 이용한 끈목(組紐), 직물, 편직물 또는 부직포 등으로 제조하고 이를 적층하여 가열공정을 거쳐 섬유강화 복합재료를 성형하는 방법이 개시되어 있다.
그런데 상기와 같은 종래기술에 의해 제조된 혼섬사는 상기 보강용 섬유와 수지 섬유가 균일하게 혼섬되지 아니하여 분산도가 불량하고, 특히 열가소성 수지는 열경화성 수지 대비 용융점도가 높아 함침성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 따라서 열가소성 수지를 이용한 수지 섬유로서, 분산도가 불량한 혼섬사를 이용하여 FRP를 제조하는 경우에는 상기 FRP에 공극 즉, 보이드(void)가 많이 생성되고, 용융된 수지 섬유가 보강용 섬유 내부로의 함침 시간이 오래 걸리며, 또한 성형 후 FRP의 기계적 물성이 불량하게 된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 혼섬사 제조시 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도를 개선함으로써, 성형된 FRP에 공극 즉, 보이드(void)의 발생을 억제하고, 보강용 섬유 내부로의 용융된 열가소성 수지 섬유의 함침 속도를 증가시켜, 공정시간을 단축하고, 성형후 FRP의 기게적 특성을 개선하기 위한 섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법은, 보강용 섬유를 준비하는 단계;와, 열가소성 수지 섬유를 준비하는 단계;와, 상기 보강용 섬유와, 열가소성 수지 섬유를 이용하여 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 중 어느 하나의 공정을 통해 혼섬사를 제조하는 혼섬 공정 단계; 및 상기 혼섬사를 권취하는 권취 단계;를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 보강용 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 고강력 폴리에스테르 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유, 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이며, 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 열가소성 폴리우레탄 섬유, 나일론 6 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유 및 저융점 폴리에스테르 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 굵기는 100 ~ 5,000 데니어인 것이 바람직하며, 상기 혼섬 공정 단계시 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 중량비는 1 : 9 ~ 9 : 1 인 것이 바람직하며, 상기 권취 단계에서 혼섬사의 권취각(θ)은 30 ~ 80 º 인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 혼섬사를 제조하기 위한 커버링 공정시 심사는 보강용 섬유이며, 권취사는 열가소성 수지 섬유이며, 상기 커버링 공정은 싱글 커버링 공정 또는 더블 커버링 공정이며, 상기 싱글 커버링 공정시, 인치당 꼬임수(TPI)는 50 ~ 800 이며, 사속은 10 ~ 30 m/min이며, 스핀들 회전속도는 8,000 ~ 10,000 RPM 이며, 또한 상기 더블 커버링 공정시, 인치당 꼬임수(TPI)는 70 ~ 600 이며, 사속은 10 ~ 30 m/min,이며, 상부 및 하부의 스핀들 회전속도는 3,000 ~ 5,000 RPM 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 혼섬사를 제조하기 위한 편조 공정시 사속은 0.1 ~ 0.5 m/min이며, 인치당 교착점수는 30 ~ 50 개인 것이 바람직하며, 합사 공정시 사속은 10 ~ 20 m/min이며, 교락 개수는 0 ~ 5 개/m이며, 공기압은 2 ~ 10 kg/cm2 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사 및 그 제조방법에 의하면, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬 공정에서 분산도를 개선하여 섬유강화 복합재료의 강성, 강도, 내열성, 내충격성 등과 같은 기계적 특성을 개선할 수 있다. 즉, 본 발명의 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사에 의하면, 상기 혼섬사의 제조시 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 균일하게 분산이 가능하므로, 이로부터 제조된 FRP는 기계적 물성이 종래의 섬유강화 복합재료보다 향상되는 효과를 갖는다. 따라서 본 발명에 의한 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사로부터 제조되는 상기 섬유강화 복합재료의 적용분야를 다양하게 늘릴 수 있다. 또한 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사는 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 우수하여 섬유보강 복합재료의 제조시 보강용 섬유 내부로의 용융된 열가소성 수지 섬유의 함침 속도가 크게 증가하며, 이를 통해 섬유보강 복합재료의 성형 시간이 크게 단축되어 생산성이 크게 증가하는 효과를 갖는다.
도 1은 종래기술에 따른 방사공정에서의 혼섬사 제조공정을 나타낸 모식도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 혼섬사 제조공정의 모식도이며,
도 3은 권취롤러에서 혼섬사의 권취하는 단계를 설명하기 위한 모식도이며,
도 4는 커버링 공정을 통해 제조된 싱글 커버링 혼섬사(a) 및 더블 커버링 혼섬사(b)의 모식도이며,
도 5는 합사 공정을 통해 제조된 혼섬사(a) 및 편조 공정을 통해 제조된 혼섬사(b)의 모식도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단 및 혼섬사와 그 제조방법에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 종래기술에 따른 방사공정에서의 혼섬사 제조공정을 나타낸 모식도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 혼섬사 제조공정의 모식도이며, 도 3은 권취롤러에서 혼섬사의 권취하는 단계를 설명하기 위한 모식도이며, 도 4는 커버링 공정을 통해 제조된 싱글 커버링 혼섬사(a) 및 더블 커버링 혼섬사(b)의 모식도이며, 도 5는 합사 공정을 통해 제조된 혼섬사(a) 및 편조 공정을 통해 제조된 혼섬사(b)의 모식도이다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법은 보강용 섬유를 준비하는 단계;와, 열가소성 수지 섬유를 준비하는 단계;와, 상기 보강용 섬유와, 열가소성 수지 섬유를 이용하여 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 중 어느 하나의 공정을 통해 혼섬사를 제조하는 혼섬 공정 단계; 및 상기 혼섬사를 권취하는 권취 단계;를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 단계를 거쳐 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사를 제조함으로써, 혼섬 공정시 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 개선되며, 이에 따라 굴곡탄성율, 충격강도, 인장강도 등의 기계적 물성이 종래의 섬유강화 복합재료보다 크게 향상되므로, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 적용분야를 다양하게 늘릴 수 있다.
섬유강화 복합재료의 성형시 사용되는 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 포함하는 혼섬사는 최종적으로 제조되는 성형물의 기계적 물성을 개선하기 위하여 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 충분히 높은 분산도를 갖는 것이 요구된다. 본 발명에 있어서 분산도는 혼섬사 중에서 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 얼마나 균일하게 분산되어 있는지를 나타내는 지표이며, 상기 분산도가 클수록 열가소성 수지 섬유와 보강용 섬유가 보다 균일하게 분산되어 있는 것을 의미한다.
본 발명에서 상기 보강용 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 고강력 폴리에스테르 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유, 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이며, 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 열가소성 폴리우레탄 섬유, 나일론 6 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유 및 저융점 폴리에스테르 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 또한 상기 열가소성 수지 섬유의 융점은 80 ~ 400 ℃ 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법은 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 균일하게 분산될 수 있도록 혼섬하는 혼섬 공정을 포함한다. 상기 혼섬 공정은 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 중 어느 하나일 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 혼섬하기 위한 혼섬 공정은 상기 보강용 섬유(100)와 열가소성 수지 섬유(200)를 공급하여 혼섬 장치(50)에서 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬 공정이 수행된다. 상기 혼섬 공정이 완료된 후에는 권취롤러(70)에 권취하여 혼섬사의 제조를 완료하게 된다. 상기 권취롤러(70)에 혼섬사의 권취시 트레버스 가이드(80)에 의해 상기 혼섬사의 권취 위치 및 권취각을 조절하면서 권취할 수 있다.
즉, 도 3을 살펴보면, 상기 도 3은 권취롤러(70)에 혼섬사를 권취하는 단계를 설명하기 위한 모식도이다. 상기 도 3을 참조하면, 권취롤러(70)가 회전하는 동안 트레버스 가이드(80)가 좌우로 이동하여 상기 혼섬사가 권취되는 위치 및 권취각(θ)을 제어하게 된다. 상기 권취각(θ)은 트레버스 가이드(80)와 권취되는 혼섬사가 이루는 직선이 권취롤러(70)의 회전축에 수직인 방향에 대하여 기울어진 각을 의미한다. 본 발명의 혼섬사는 권취시 표면 특성이 변화하지 않고, 사층이 붕괴되지 않고, 사절 현상이 발생하지 아니하여 권취작업성 및 생산성을 제고하기 위하여 혼섬 공정 즉, 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 후 권취롤러(70)에 권취시 트레버스 가이드(80)를 통해 권취각(θ)을 30 ~ 80 º로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬 공정은 커버링 공정, 편조 공정 및 합사 공정 중 어느 하나일 수 있다. 이하에서는 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 혼섬하기 위한 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 등의 혼섬 공정에 대해 자세하게 살펴본다.
(커버링 공정)
일반적으로 커버링(covering) 사는 내부에 위치하는 심사의 외측으로 권취사를 나선상으로 권회시켜 형성한 사를 의미한다. 상기 커버링사는 심사를 권취사가 한 방향으로 감아 준 싱글 커버링 사와, 심사를 권취사가 좌우에서 두 방향으로 감아준 더블 커버링 사로 제조할 수 있다.
상기 싱글 커버링 사를 제조하기 위한 커버링기는 심사를 스핀들을 통해 공급하고, 스네일 와이어로 권취사를 공급하여, 상기 스핀들이 드라이빙 벨트에 의해 회전되어 권취사가 심사를 감싸면서 커버링 사를 제조하게 된다. 또한 더블 커버링 사를 제조하기 위한 커버링기는 심사를 1차로 커버링하기 위한 상부 스핀들과 1차로 커버링된 심사를 2차 커버링 하기 위한 하부 스핀들을 구비한다.
본 발명에서의 혼섬사는 커버링 공정을 통해 보강용 섬유를 심사로 공급하면서 열가소성 수지 섬유를 권취사로 공급하여, 상기 열가소성 수지 섬유가 보강용 섬유를 감싸면서 커버링 사를 제조하게 된다. 이 때 상기 커버링 공정은 싱글 커버링 공정 또는 더블 커버링 공정 중 어느 하나 일 수 있다. 즉, 본 발명의 혼섬사는 도 4의 (a)와 같이 심사인 보강용 섬유를 권취사가 한 방향으로 감아 준 싱글 커버링 사 또는 도 4의 (b)와 같이 심사인 보강용 섬유를 좌우에서 두 방향으로 감아준 더블 커버링 사 모두 적용이 가능하다. 그리고 본 발명의 혼섬사는 FRP의 용도에 따라 싱글 커버링 사 또는 더블 커버링 사를 적절하게 선택하여 제조할 수 있다.
특히 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 싱글 커버링 공정을 통해 제조되는 혼섬사는 인치당 꼬임수(twist per inch, 이하 TPI)가 50 ~ 800 인 것이 바람직하며, 사속은 10 ~ 30 m/min 이며, 스핀들 회전속도는 8,000 ~ 10,000 RPM 인 것이 바람직하다. 또한 더블 커버링 공정을 통해 제조되는 혼섬사의 TPI는 70 ~ 600 인 것이 바람직하며, 사속은 10 ~ 30 m/min 이며, 상부 및 하부의 스핀들 회전속도는 3,000 ~ 5,000 RPM인 것이 바람직하다 .
상기와 같은 커버링 공정 조건에서 심사에 권취되는 권취사가 균일하고 원활하게 커버링되어 생산성을 증대시킬 수 있다. 또한 커버링 공정시 권취사의 늘어지는 현상과 겹치는 현상 등의 결함이 없이 고품질의 커버링 사를 제조할 수 있다. 또한 상기와 같은 커버링 공정의 조건으로 제조된 혼섬사의 경우에 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 가장 우수하다.
( 편조 공정)
본 발명의 혼섬사는 편조기를 이용한 편조 공정을 통해 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 혼섬하여 제조할 수 있다. 상기 편조기는 편조사 루프들 간의 튜브형 편조가 이루어지는 가이드(Guide) 구조를 제공하되, 혼섬사의 직경을 결정하는 맨드릴(Mandrel)과, 상기 편조사 루프와 가이드선의 어셈블리 라인(Assembly line)을 소정의 사이클(Cycle)로 선회시켜주는 캐리어(Carrier)를 구비한 브레이딩 베드(Braiding bed)와, 혼섬사를 이루는 편조사 루프 간의 필라멘트들이 일정한 각을 유지할 수 있도록 설정된 속도로 편조물을 감아주는 테이크 업 모터(Take-up motor)를 구비한다. 이러한 구성을 갖는 편조기의 기술적 구성은 공지된 것이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 혼섬사를 제조하기 위한 편조 공정은 도 5의 (a)와 같이 모노 필라멘트를 서로 교차하여 제조되는 편조사의 길이 방향으로 섬유가 경사져 배향하고, 끝부분에서 되접어 꺽어 절단됨이 없이 연속된 상태로 제조되는 편조사을 제조하는 공정을 의미한다.
본 발명에서 보강용 섬유와 열가소성 수지 삼유를 이용하여 편조 공정을 통해 혼섬사의 제조시 사속은 0.1 ~ 0.5 m/min 이며, 인치당 교착점수는 30 ~ 50 개인 것이 바람직하다.
상기와 같은 편조 공정 조건에서 제조된 혼섬사의 가요성이 가장 우수하고, 인장강도가 증가하며, 꼬임의 형성이 방지되는 효과를 갖는다. 또한 상기와 같은 편조 공정 조건에서 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 가장 우수하며, 혼섬사의 단면에 따른 물성 차이가 거의 발생하지 아니하여 섬유강화 복합재료 성형품의 기계적 물성이 증가되는 효과를 갖는다.
(합사 공정)
본 발명의 혼섬사는 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 공기 교락을 통해 합사하고, 권취하여 제조하는 것이 가능하다. 상기 공기 교락 단계는 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 공기 교락을 통해 합사하는 단계로, 일반적인 공기 교락장치를 통해 상기 보강용 섬유와 수지 섬유를 합사하여 도 5의 (B)와 같은 혼섬사로 제조할 수 있다. 이때 히트롤러와 히트플레이트를 구비하여 상기 보강용 섬유 및/또는 열가소성 수지 섬유에 연신 또는 열처리를 할 수도 있고, 꼬임(twist)을 부여할 수도 있다.
종래 필라멘트의 합사시에는 필라멘트가 감겨져 있는 보빈이 꽂혀져 있는 다수개의 크릴(Creel)들로 이루어진 크릴부와, 상기 크릴부의 보빈들로 부터 필라멘트들을 해사하여 합사하는 다수개의 드라이버 로울러 및 권취롤러로 구성되는 합사 장치가 주로 사용된다.
본 발명의 혼섬사의 제조하기 위한 합사 공정시 사속은 10 ~ 20 m/min이며, 교락 개수는 0 ~ 5 개/m이며, 공기압은 2 ~ 10 kg/cm2 인 것이 바람직하다.
상기와 같은 합사 공정 조건에서 제조된 혼섬사의 균제도가 양호하여 우수한 제직성 및 편직성을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 가장 우수하며, 이에 따라 섬유강화 복합재료 성형품의 기계적 물성이 증가되는 효과를 갖는다.
본 발명에서 상기와 같이 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정을 통해 제조된 혼섬사는 권취롤러(70)에 권취함으로써 그 제조공정이 완료된다. 혼섬사의 권취시 권취각(θ)은 상기 혼섬사의 표면장력과 밀접한 관계를 나타낸다. 즉, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 혼섬된 혼섬사의 표면장력이 낮으면 권취각(θ)을 크게 설정해야 하고, 표면장력이 큰 경우에는 권취각(θ)을 작게 설정하여야 한다.
본 발명의 혼섬 공정 즉, 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정을 통해 제조된 혼섬사는 권취롤러(70)에 권취시 권취각(θ)은 30 ~ 80 º인 것이 가장 바람직하다. 상기와 같은 권취각(θ)을 유지하면서 혼섬사를 권취할 때, 혼섬사의 표면 특성이 변화하지 않고, 사층이 붕괴되지 않으며, 또한 권취중 사절 현상이 발생하지 않는다. 따라서 본 발명의 혼섬사의 권취 작업성 및 생산성을 극대화할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명의 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 이용하여 혼섬 공정 즉, 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정을 통해 제조되는 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 굵기는 100 ~ 5,000 데니어인 것이 바람직하다. 또한 상기와 같은 혼섬사의 굵기 범위에서 성형품의 물성변화가 적고, 외력이 가해질 때 휨 등의 형상 변화가 적어진다. 또한 성형 가공이 용이하며, 얻어지는 혼섬사의 탄성뮬 및 강도 등이 우수하다.
또한 본 발명에 일실시예에 따른 섬유보강 복합재료 제조용 혼섬사를 제조하기 위한 혼섬 공정시 보강용 섬유와 수지 섬유의 중량비는 1 : 9 ~ 9 : 1 인 것이 바람직하다. 상기와 같은 중량비에서 혼섬사의 집속성이 우수하고, 높은 분산도를 유지하면서, 공극율이 적은 혼섬사의 제조가 가능하여, 향후 제조되는 섬유강화 복합재료의 물성과 질감이 보다 우수한 제품의 제조가 가능하게 된다.
위에서 살핀 바와 같이 제조된 본 발명의 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬사는 이후에 제직 또는 편직 공정을 거쳐 원단으로 제조된다. 상기 제직 공정은 세로 방향으로 나열된 경사를 상하로 개구(開口)시킨 후, 위사를 그 사이에 끼우는 작업을 반복하여 원단을 제조하는 공정을 의미하며, 편직 공정은 길게 이어진 한 올의 실을 얽어 매고, 이러한 공정을 반복하여 원단을 제조하는 공정을 가리킨다.
본 발명의 혼섬사는 이후에 직물 또는 편물 즉, 위편물, 경편물, 또는 환편물로 제조되어 섬유강화 복합재료로 성형될 수 있다. 직물의 형태로는 특별히 제한은 없고, 평직, 8매 주자직, 4매 주자직, 능직 등 어느 형태도 가능하다. 또한 편물의 형태도 특별히 제한은 없으며, 위편물, 경편물, 또는 환편물 중 어느 형태도 가능하다.
또한 본 발명의 혼섬사를 단섬유화하여 이를 건식 또는 습식의 공지된 부직포 제조 방법을 통해 부직포로 제조하여 섬유강화 복합재료로 성형할 수도 있다. 또한, 본 발명의 혼섬사를 이용하여 제직 또는 제편된 원단이 2매 이상으로 적층된 적층물 형태로도 이용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 혼섬사를 이용하여 제조된 원단은 이후에 가열프레스 공정에서 상기 열가소성 수지 섬유의 융점 이상의 온도로 가열 및 가압하여 용융된 수지 섬유가 보강용 섬유의 내부로 함침되어 냉각됨으로서 섬유보강 복합재료를 제조할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사는 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬 공정에서 분산도를 개선하여 섬유강화 복합재료의 강성, 강도, 내열성, 내충격성 등과 같은 기계적 성능을 개선할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사로부터 제조되는 상기 섬유강화 복합재료의 적용분야를 다양하게 늘릴 수 있다. 또한 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단과 혼섬사는 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 우수하여 섬유보강 복합재료의 제조시 보강용 섬유 내부로의 용융된 열가소성 수지 섬유의 함침 속도가 크게 증가하며, 이를 통해 섬유보강 복합재료의 성형 시간이 크게 단축되어 생산성이 크게 증가하는 효과를 갖는다.
이상으로 본 발명의 실시예를 바탕으로 상세하게 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 보강용 섬유. 200 : 열가소성 수지 섬유, 50 : 혼섬 장치, 70 : 권취롤러, 80 : 트레버스 가이드

Claims (14)

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  2. 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법으로서,
    보강용 섬유를 준비하는 단계;와,
    열가소성 수지 섬유를 준비하는 단계;와,
    상기 보강용 섬유와, 열가소성 수지 섬유를 이용하여 커버링 공정을 통해 혼섬사를 제조하되,
    상기 커버링 공정은 싱글 커버링 공정 또는 더블 커버링 공정이며,
    상기 싱글 커버링 공정시, 인치당 꼬임수(TPI)는 50 ~ 800 이며, 사속은 10 ~ 30 m/min이며, 스핀들 회전속도는 8,000 ~ 10,000 RPM이고,
    상기 더블 커버링 공정시, 인치당 꼬임수(TPI)는 70 ~ 600 이며, 사속은 10 ~ 30 m/min이며, 상부 및 하부의 스핀들 회전속도는 3,000 ~ 5,000 RPM이고,
    보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 중량비는 1 : 9 ~ 9 : 1 인 혼섬 공정 단계; 및
    상기 혼섬사를 권취각(θ) 30 ~ 80°로 제어하면서 권취하는 권취 단계;
    를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  3. 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법으로서,
    보강용 섬유를 준비하는 단계;와,
    열가소성 수지 섬유를 준비하는 단계;와,
    상기 보강용 섬유와, 열가소성 수지 섬유를 이용하여 편조 공정을 통해 혼섬사를 제조하되,
    상기 편조 공정시 사속은 0.1 ~ 0.5 m/min이며, 인치당 교착점수는 30 ~ 50 개이며,
    보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 중량비는 1 : 9 ~ 9 : 1 인 혼섬 공정 단계; 및
    상기 혼섬사를 권취각(θ) 30 ~ 80°로 제어하면서 권취하는 권취 단계;
    를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  4. 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법으로서,
    보강용 섬유를 준비하는 단계;와,
    열가소성 수지 섬유를 준비하는 단계;와,
    상기 보강용 섬유와, 열가소성 수지 섬유를 이용하여 합사 공정을 통해 혼섬사를 제조하되,
    상기 합사 공정시 사속은 10 ~ 20 m/min이며, 교락 개수는 0 ~ 5 개/m이며, 공기압은 2 ~ 10 kg/cm2 이고,
    보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 중량비는 1 : 9 ~ 9 : 1 인 혼섬 공정 단계; 및
    상기 혼섬사를 권취각(θ) 30 ~ 80°로 제어하면서 권취하는 권취 단계;
    를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강용 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 고강력 폴리에스테르 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유, 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  6. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 열가소성 폴리우레탄 섬유, 나일론 6 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유 및 저융점 폴리에스테르 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  7. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 굵기는 100 ~ 5,000 데니어인 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 커버링 공정시 심사는 보강용 섬유이며, 권취사는 열가소성 수지 섬유인 것을 특징으로 하는 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법.
  9. 섬유보강 복합재료 제조용 혼섬사로서,
    청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 분산도가 개선된 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사의 제조방법에 의해 제조되는 섬유보강 복합재료 제조용 혼섬사.

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