KR102032819B1 - 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 보강섬유와 수지를 이용하여 토우 프리프레그를 제조하는 제조장치에 있어서, 공급되는 보강섬유와 수지가 90° 방향으로 만나도록 설치되어, 상기 보강섬유 표면에 수지를 묻히는 크로스헤드코팅다이 및 상기 크로스헤드코팅다이에 수지를 실시간으로 혼합하여 공급하는 스태틱믹서부를 포함하는 토우 프리프레그 제조장치를 제공할 수 있다.
또한, 토우 프리프레그 제조장치를 이용한 토우 프리프레그 제조방법에 있어서, 공급 크릴에 감겨진 보강섬유 및 스태틱믹서로부터 혼합된 수지를 크로스헤드코팅다이에 공급하는 제1 단계; 상기 크로스헤드코팅다이를 통해 보강섬유 표면에 수지를 묻히는 제2 단계; 상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 함침부를 통해 함침시키는 제3 단계 및 상기 함침부를 통과한 보강섬유(토우 프리프레그)를 감는 제4 단계를 포함하는 토우 프리프레그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법{Apparatus for manufacturing tow prepreg and method for the same}

본 발명은 토우프리프레그 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고성능 복합재 압력용기의 소재로 사용될 수 있는 고품위 토우 프리프레그를 경제적이며 고속으로 생산할 수 있는 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

최근 로켓의 연소관 (Motor Case), 수소연료전지자동차용 압력용기(Pressure Vessel for Hydrogen Fuel Cell Vehicle), 산업용 압력용기 등 고압을 필요로 하는 압력용기의 고성능화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 압력용기는 기본적으로 강인하고, 고압에 견디는 특성을 갖는 소재를 필요로 한다. 또한 로켓의 발사 효율 또는 자동차 연비향상 등을 구현하기 위해서는 소재의 경량화가 필수적이다.

이를 위해 금속 재질의 소재를 비강성(Specific Stiffness) 및 비강도(Specific Strength)가 우수한 탄소섬유 복합재료로 대체하는 것은 가장 효과적인 방법 중 하나이다.

복합재료 압력용기는 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 공법을 통해 제작을 하게 된다.

필라멘트 와인딩 공법은 원통형이나 곡률을 가진 구조물을 일체 성형으로 용이하게 제작할 수 있고, 하중 전달 방향으로 섬유를 집중적으로 보강함으로써 복합재료가 가지는 성능을 극대화 할 수 있다는 장점이 있다. 필라멘트 와인딩 공법은 수지가 함침된 연속섬유를 원통형상의 회전하는 금형 (Mandrel)에 돌려 감은 후 경화시켜 회전대칭인 구조물을 제조하는 복합재 성형공법으로, 보강섬유를 금형에 돌려 감기 직전에 필라멘트가 수지 조 (Resin Bath)를 통과하면서 함침이 되는 습식 와인딩 (Wet Winding) 공법과, 토우 프리프레그를 이용하는 건식 와인딩 (Dry Winding) 공법의 적용이 가능하다.

현재 대부분의 압력용기 제조 공정에 적용하고 있는 습식 와인딩 공정은 보강섬유에 수지가 함침됨과 동시에 금형에 감기는 공정의 특성상 수지의 점도가 매우 낮아야 한다.

이로 인해 다양한 수지의 조합 및 첨가제 적용이 어려워 다양한 수지의 물성 구현이 어렵다는 단점이 있으며, 같은 이유로 와인딩 시 슬립 현상이 발생하여 복잡한 패턴을 감기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 섬유 배열이 일정치 않아 상대적으로 재현성과 신뢰성이 낮고, 액상 수지 사용으로 인한 작업 현장의 오염으로 제조 환경의 열악함을 초래하게 된다. 또한 압력용기 생산 현장에서 보강 섬유와 수지의 함침이 이뤄지므로, 둘 간의 체적비를 일정하게 조절하기 어려운 단점이 있으며, 체적비 품질 불량이 발생할 경우 압력용기 자체의 불량으로 이어지게 된다.

반면 건식 와인딩 공법은 미리 보강섬유에 수지를 일정한 체적비로 함침시켜 놓은 중간재인 토우 프리프레그를 사용하며, 이를 이용할 경우 별도의 수지 함침 공정이 생략되어 단순하면서도 깨끗한 공정으로 압력용기의 제조가 가능하다. 또한 사전에 정밀한 체적비로 생산된 중간재를 적용함으로서, 압력용기의 체적비 불량원인을 사전에 차단할 수 있다. 또한, 습식 와인딩 공정에 적용되는 수지 대비 높은 점도의 수지가 적용되어 토우 프리프레그 표면에 점착성을 확보할 수 있어 하부 멘드렐 및 와인딩 된 토우 프리프레그 표면과 점착이 이루어져 와인딩 중 미끄러짐을 방지할 수 있고, 다양한 패턴 설계가 가능한 압력용기를 정밀하게 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 토우 프리프레그는 차세대 복합재료 압력용기의 핵심 소재로 주목 받고 있다.

토우 프리프레그는 제조 방식에 따라 솔벤트 제조공법(Solvent Process, 용제형)과 핫멜트 제조공법(Hot Melt Process, 열용융형)으로 나눠진다.

솔벤트 제조공법의 경우 고점도의 수지를 보강섬유에 함침시키기 위해 수지를 녹일 수 있는 용제에 희석시켜 유동성을 부여한 후, 희석된 수지를 보강섬유에 함침시킨 다음 용제를 건조/제거하여 토우프리프레그를 제조하는 공정으로, 생산공정이 간단하다는 장점이 있다.

그러나 솔벤트 제조공법은 토우 프리프레그의 수지/보강섬유 체적비를 정밀하게 제어하기 어려우며, 건조 과정에서 토우 프리프레그 내의 휘발분을 완전히 제거하는 것이 사실상 불가능하다는 단점이 있다. 토우 프리프레그 내 잔류 휘발분은 성형/경화 과정에서 기화되어 공극(보이드)을 형성시켜, 성형품의 성능을 현저하게 저하시키는 문제를 초래하며, 이러한 이유로 솔벤트 제조공법으로 제조된 토우 프리프레그는 고압 압력용기를 비롯한 고성능 복합재에는 거의 적용하고 있지 않다.

이에 반해, 핫멜트 제조공법은 고점도 수지에 열을 가해 유동을 발생시켜 수지를 보강섬유에 함침 시키는 방법이며, 휘발분이 거의 없는 토우 프리프레그 제조가 가능하다. 따라서, 정교한 수지/보강섬유의 체적비 제어가 가능하여 높은 재현성, 신뢰성, 고성능이 요구되는 복합재 제품에 적용할 수 있는 토우 프리프레그 제조에 적합한 제조공법이다.

그러나 현재 핫멜트 제조공법을 적용한 토우 프리프레그의 생산 기술에 대한 표준이 확립되어 있지 않고, 연구개발 활동도 미미한 실정이다.

또한 핫멜트 토우 프리프레그를 상업화한 제조사의 생산 효율이 낮다고 알려져 있으며, 이러한 이유로 소재의 가격이 매우 높아 복합재 양산 제품에 본격적으로 토우 프리프레그를 적용하기는 어려운 실정이다.

특히 최근 수소연료전지 자동차용 압력용기에 탄소섬유 토우 프리프레그 적용가능성이 높아지면서 소재 원가에 대한 경쟁력을 확보하는 것이 토우 프리프레그 비즈니스의 중요한 건으로 떠오르고 있다.

이에 고품위 토우 프리프레그 제조는 물론이고, 생산성이 높고, 제조원가가 낮은 새로운 토우 프리프레그의 제조 장치 및 제조공정 개발이 절실한 실정이다.

종래에는 핫멜트 제조공정을 이용하여 토우 프리프레그를 생산하기 위해, 기존의 핫멜트 타입 프리프레그 생산방법인 프리프레그 슬리팅법(Slitting Method), 레진필름 트랜스퍼법(Resin Film Transfer Method), 다이렉트 롤 코팅 방법(Direct Roll Coating Method) 등을 이용하였다.

프리프레그 슬리팅법은 이미 생산되어 있는 장폭 (200 ~ 1,000mm)의 프리프레그를 원하는 폭으로 재단한 후 다시 감아 (Re-winding) 토우 프리프레그를 제조하는 방법으로, 생산에 필요한 설비가 저렴하고 생산 방법 또한 비교적 간단하다는 장점이 있다.

다만, 프리프레그를 슬리팅 하는 과정에서 섬유에 손상이 발생하기 때문에 생산된 토우 프리프레그의 가장자리에 단사가 발생 할 수 있고, 이로 인하여 성형품에 적용 시 높은 성능을 기대하기 어렵다.

레진 트랜스퍼 방법의 경우 정밀한 수지함량 제어가 가능하다는 장점이 있으나, 생산 공정이 다단계로 복잡하고, 설비의 가격이 높으며, 토우 프리프레그 생산 시 이형지, 이형필름 등의 부자재를 사용하여 제품의 원가가 올라가, 이를 사용한 복합재의 가격경쟁력을 약화시킨다는 단점이 있다.

다이렉트 코팅 공정은 별도의 필름화 공정 또는 프리프레그화 공정이 없이, 보강섬유가 열용융되어 있는 수지와 직접 만나 함침이 되어 토우프리프레그를 제조하는 공정으로, 예를 들어, 미국공개특허 제2012-0251823호, 일본공개특허 제2001-040119호, 일본공개특허 제08-267449호 등을 들을 수 있으며, 이들은 코팅 존에 공급된 수지를 가열 가능한 금속 재질의 코팅롤 위로 수지의 양을 제어하여 코팅한 후, 탄소섬유를 접촉 시킨 이후 별도의 함침을 위한 롤러 등을 통과시키며 토우프리프레그를 제조하는 방법이다.

이러한 방법들은 비교적 간단한 장비로 토우 프리프레그를 비교적 대량으로 제조할 수 있다는 장점이 있으나, 탄소섬유의 입사 폭에 따라 수지의 함량 편차가 발생할 수 있으며, 롤러 코팅헤드로 지속적으로 수지를 주입해주어야 하는 별도의 장치를 필요로 하여 관리의 어려움이 있으며, 코팅헤드에 수지가 머무는 시간이 필연적으로 발생하여, 경화제가 이미 섞여 있는 토우 프리프레그 수지의 경화가 발생하는 문제가 발생하게 된다.

상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 토우 프리프레그 제조를 위해 연속으로 수지를 공급하고 배합하는 장치를 토우 프리프레그 제조장치에 부가하고, 보강섬유를 통과시켜 수지를 코팅시키는 크로스헤드코팅다이를 적용시킴으로써, 토우 프리프레그의 수지 함량을 정밀하게 제어하고 수지의 경화도를 일정하게 유지시킬 수 있으며 토우 프리프레그 제조 속도를 극대화 시킬 수 있는 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치는 보강섬유와 수지를 이용하여 토우 프리프레그를 제조하는 제조장치에 있어서, 공급되는 보강섬유와 수지가 90° 방향으로 만나도록 설치되어, 상기 보강섬유 표면에 수지를 묻히는 크로스헤드코팅다이 및 상기 크로스헤드코팅다이에 수지를 실시간으로 혼합하여 공급하는 스태틱믹서부를 포함하는 토우 프리프레그 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 스태틱믹서부는 상기 수지의 주제를 공급하는 주제 저장탱크; 상기 수지의 경화제를 공급하는 경화제 저장탱크 및 상기 주제 및 경화제를 공급받아 혼합하여 상기 크로스헤드코팅다이에 상기 수지를 공급하는 스태틱믹서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 스태틱믹서는 상기 주제 및 경화제 저장탱크와 연결되어 주제 및 경화제를 공급받는 원통형 튜브 및 상기 원통형 튜브 내부에 설치되어 수지 및 경화제를 혼합하는 믹서엘리먼트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 토우 프리프레그 제조장치는 상기 크로스헤드코팅다이에 공급되는 보강섬유와 수지의 비율 및 상기 스태틱 믹서에 공급되는 주제와 경화제의 비율을 조절하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 토우 프리프레그 제조장치는 상기 크로스헤드코팅다이에 보강섬유를 공급할 수 있도록 보강섬유가 감겨진 공급 크릴; 상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 함침시키는 함침부 및 상기 함침부를 통과하여 제조된 토우 프리프레그를 감는 권취 와인더를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 토우 프리프레그 제조장치는 상기 공급 크릴 및 크로스헤드코팅다이 사이에 설치되어 상기 보강섬유를 가이드하는 가이드장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 함침부는 상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 가열하는 하나 이상의 가열장치 및 상기 가열장치를 통과한 보강섬유에 압력을 주는 하나 이상의 카렌다롤을 포함할 수 있다.

또한, 상기 보강섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 보론섬유, 자이론섬유 및 벡트란섬유 중 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 수지, 시아네이트에스테르 수지, 비스말레이미드 수지 및 불포화폴리에스테르 수지 중 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조방법은 토우 프리프레그 제조장치를 이용한 토우 프리프레그 제조방법에 있어서, 공급 크릴에 감겨진 보강섬유 및 스태틱믹서로부터 혼합된 수지를 크로스헤드코팅다이에 공급하는 제1 단계; 상기 크로스헤드코팅다이를 통해 보강섬유 표면에 수지를 묻히는 제2 단계; 상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 함침부를 통해 함침시키는 제3 단계 및 상기 함침부를 통과한 보강섬유(토우 프리프레그)를 감는 제4 단계를 포함하는 토우 프리프레그 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법은 토우 프리프레그 제조를 위해 연속으로 수지를 공급하고 배합하는 장치를 토우 프리프레그 제조장치에 부가하고, 보강섬유를 통과시켜 수지를 코팅시키는 크로스헤드코팅다이를 적용시킴으로써, 크로스헤드코팅다이 내 수지의 공급속도 및 보강섬유의 이송속도를 정량적으로 제어할 수 있으며, 이를 통해 섬유 및 수지의 중량비가 일정한 토우 프리프레그를 제조할 수 있다.

또한, 토우 프리프레그 수지의 주제와 경화제가 실시간으로 혼합되어 보강섬유에 코팅되므로, 수지의 경화가 거의 일어나지 않은 토우 프리프레그를 제조할 수 있다.

또한, 토우 프리프레그 수지의 주제 및 경화제를 보관하는 용기를 별도로 두어, 수지를 2액형으로 관리할 수 있다.

이는 통상의 토우 프리프레그 제조장치에서 사용하는 1액형 수지와 다르게 수지의 보관 및 이송에 별도의 제약을 받지 않는다는 장점이 있으며, 이를 통해 자동화 및 관리비용 절감이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 크로스헤드코팅다이에서 공급되는 수지가 표면에 묻은 보강섬유의 함침을 위해 복수의 가열구간 및 카렌다롤을 통과시켜 함침도가 높으면서 단사가 적은 토우 프리프레그를 연속 및 고속 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치의 크로스헤드코팅다이를 도시한 개략도.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치의 스태틱믹서를 도시한 개략도 및 바람직한 구현예에 대한 이해를 높이기 위해 스태틱믹서의 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치를 도시한 도면이다.

도 2는은 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치의 크로스헤드코팅다이를 도시한 개략도이다.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치의 스태틱믹서를 도시한 개략도 및 바람직한 구현예에 대한 이해를 높이기 위해 스태틱믹서의 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치는 보강섬유(F)를 소정 장치에 통과시켜 수지를 함침시켜 처리하여 최종적으로 토우 프리프레그를 생산한다. 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치는 공급 크릴(1), 크로스헤드코팅다이(2), 스태틱믹서부(3), 함침부(4) 및 권취 와인더(5)를 포함할 수 있다.

여기서 보강섬유로 탄소섬유, 수지로 에폭시수지를 사용하는 것을 기본으로 하나, 이에 한정되지 않고, 보강섬유로 유리섬유, 아라미드섬유, 보론섬유, 자이론섬유 및 벡트란섬유를 사용, 수지로 페놀 수지, 폴리아미드 수지, 시아네이트에스테르 수지, 비스말레이미드 수지 및 불포화폴리에스테르 수지를 사용하는 등 본 발명의 요지를 훼손하지 않는 범위에서 다른 섬유 및 수지의 적용도 가능할 수 있다.

공급 크릴(1)은 보강섬유(F)가 감겨져 구비되어 크로스헤드코팅다이(2)에 보강섬유(F)를 공급할 수 있다.

여기서 토우 프리프레그 제조장치는 공급 크릴(1) 및 크로스헤드코팅다이(2) 사이에 설치되어 보강섬유(F)를 가이드하는 가이드장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

가이드장치(미도시)는 보강섬유(F)가 크로스헤드코팅다이(2)에 일정하게 공급될 수 있도록 가이드할 수 있다. 이에 따라, 크로스헤드코팅다이(2)에 보강섬유(F)가 입사되면서 보강섬유(F)의 걸림, 찢김, 주름 등을 방지할 수 있다.

또한, 공급 크릴(1)은 보강섬유(F)가 풀려나갈 때 보강섬유(F)에 인가되는 장력을 조절할 수 있다.

또한, 공급 크릴(1)은 보강섬유(F)가 풀려나가는 속도가 제어장치(미도시)에 의해 조절될 수 있다. 이에 따라 크로스헤드코팅다이(2)에 보강섬유(F)가 공급되는 속도가 조절되어 크로스헤드코팅다이(2)에 공급되는 보강섬유(F)와 수지(R)의 비율을 조절할 수 있다.

크로스헤드코팅다이(2)는 보강섬유(F) 및 수지(R)를 공급받아 보강섬유(F) 표면에 수지를 묻힐 수 있다. 이때 크로스헤드코팅다이(2)는 도 2에 도시된 바와 같이 공급되는 보강섬유(F)와 수지가 90° 방향으로 만나도록 설치될 수 있다.

즉, 크로스헤드코팅다이(2)의 보강섬유(F)에 수지를 묻히는 수지 주입방향과 90° 방향으로 보강섬유(F)가 연속적으로 입사되어 보강섬유(F)를 표면에 수지가 묻혀진 채로 통과시키는 것으로, 크로스헤드코팅다이(2)를 통해 보강섬유(F) 표면을 수지로 코팅시킬(묻힐) 수 있다.

이러한 크로스헤드코팅다이(2)는 가열이 되어 수지의 점도를 낮게 유지할 수 있도록 할 수 있다.

스태틱믹서부(3)는 크로스헤드코팅다이(2)에 수지를 실시간으로 혼합하여 공급할 수 있다.

이를 위해 스태틱믹서부(3)는 주제 저장탱크(30), 경화제 저장탱크(31) 및 스태틱믹서(32)를 포함할 수 있다.

주제 저장탱크(30)는 수지(R)의 주제를 보관 및 스태틱믹서(32)에 주제를 공급할 수 있다. 스태틱믹서(32)에 주제를 공급하기 위해 주제 저장탱크(30)는 주제 파이프라인(300)으로 스태틱믹서(32)와 연결되어 주제를 이송시킬 수 있다.

또한, 주제 저장탱크(30) 및 주제 파이프라인(300)은 가열이 가능하여, 가열을 통해 수지의 온도를 조절하는 것으로 수지의 주제의 점도를 조절할 수 있다.

이때, 주제 저장탱크(30) 및 주제 파이프라인(300)은 40 내지 100℃의 온도로 가열되어 수지의 유동을 발생시킬 수 있다.

주제 저장탱크(30) 및 주제 파이프라인(300)의 온도가 40℃ 미만일 경우 주제의 점도가 지나치게 높아져 주제 파이프라인(30)을 통해 배출되기 어렵고, 100℃를 초과할 경우 스태틱믹서부(3)에서 만나게 되는 경화제의 반응을 유발 시켜 수지의 경화가 진행될 위험이 있다.

경화제 저장탱크(31)는 수지(R)의 경화제를 보관 및 스태틱믹서(32)에 경화제를 공급할 수 있고, 스태틱믹서(32)에 경화제를 공급하기 위해 경화제 파이프라인(310)으로 스태틱믹서(32)와 연결되어 경화제를 이송시킬 수 있다.

또한, 경화제 저장탱크(31) 및 경화제 파이프라인(310)은 별도의 냉각 장치를 사용하지 않고 상온에서 운전하되, 50℃를 넘지 않도록 가볍게 가열할 수 있도록 설계될 수 있다.

경화제 저장탱크(31) 및 경화제 파이프라인(310) 내의 경화제가 50℃를 넘길 경우 반응이 유발되어 경화가 시작되며, 이로 인해 경화제 파이프라인(310)이 막힐 가능성이 높아지기 때문이다.

이러한 주제 저장탱크(30) 및 경화제 저장탱크(31)는 펌프(미도시)가 구비되어 제어장치(미도시)에 의해 작동이 조절되어 스태틱믹서(32)에 수지(R)의 주제 및 경화제를 각각 정량적으로 공급할 수 있다. 즉, 제어장치(미도시)에 의해 스태틱믹서(32)에 공급되는 주제 및 경화제의 비율을 조절할 수 있다.

스태틱믹서(32)는 주제 및 경화제를 공급받아 혼합하여 크로스헤드코팅다이(2)에 수지(R)를 공급할 수 있다.

이와 같이 스태틱믹서(32)의 구성으로 공급받은 주제 및 경화제를 실시간으로 혼합하고, 혼합된 수지(R)를 크로스헤드코팅다이(2)에 실시간으로 주입시킬 수 있어, 수지가 머무르는 시간이 없도록 할 수 있다.

이에 따라 보강섬유(F)에 묻히기 전에 수지(R)가 경화되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 스태틱믹서(32)는 하나 이상이 구성될 수 있다.

또한, 스태틱믹서(32)는 가열이 가능하여, 필요시 가열을 통해 수지(R)의 주제 및 경화제 배합의 효율을 조절할 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 스태틱믹서(32)는 원통형 튜브(320) 및 믹서엘리먼트(321)를 포함할 수 있다.

원통형 튜브(320)는 주제 저장탱크(30) 및 경화제 저장탱크(31)와 연결되어 주제 및 경화제를 공급받을 수 있다.

이때, 원통형 튜브(320)는 직경 5 내지 100mm의 크기가 바람직하다.

믹서엘리먼트(321)는 원통형 튜브(320) 내부에 하나 이상이 설치되어 수지 및 경화제를 혼합할 수 있다.

이러한 믹서엘리먼트(321)는 도 3에 도시된 바와 같이 형성될 수 있으나, 이는 일예이므로, 믹서엘리먼트(321)는 다양한 형상으로 다르게 형성될 수도 있다.

또한, 원통형 튜브(320) 및 믹서엘리먼트(321)는 플라스틱 및 금속 재질로 형성될 수 있다.

여기서 금속 재질로 형성될 경우 보다 용이하게 가열할 수 있으나, 가격이 고가이며, 매 작업시 장비를 해체 및 세척해야하는 번거로움이 있을 수 있다.

플라스틱 재질로 형성될 경우 가격이 저렴하여 1회용으로 사용할 수 있어, 세척을 위한 분해 조립의 번거로움이 없을 수 있어, 원통형 튜브(320)는 플라스틱 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

상기에서 설명한 바와 같이 가열이 가능한 스태틱믹서(32)는 금속 및 플라스틱 재질 중 하나로 형성됨에 따라 내열성으로 고려하여 가열온도가 조절될 수 있다.

이와 같이 스태틱믹서부(3)는 수지(R)를 2액형으로 관리하는 구성으로, 주제 및 경화제를 별도로 보관 및 공급하여, 주제 및 경화제의 성질에 맞게 관리가 가능하여 수지(R)를 1액형으로 관리하는 구성과 다르게 수지(R)의 보관 및 이송에 별도의 제약을 받지 않도록 할 수 있다.

즉, 통상의 제조장치는 수지를 1액형으로 관리하는 구성으로 수지의 주제 및 경화제가 같이 구성되어 있어 주제의 점도를 조절하기 위해 가열하면 경화제에 따른 문제가 발생할 수 있었다.

이와 대비하여 본 발명은 수지(R)의 주제의 점도를 개별적으로 조절할 수 있어 상온에서 반고형으로 점도가 지나치게 높아 수지(R)의 이송이 어려움을 해소할 수 있다.

함침부(4)는 크로스헤드코팅다이(2)를 통과한 보강섬유(F)를 가열 및 건조시킬 수 있다.

이는 크로스헤드코팅다이(2)를 통과한 보강섬유(F)는 수지(R)가 보강섬유(F) 안쪽가지 완전히 침투된 상태가 아니기 때문에, 보강섬유(F)에 수지(R)를 완전히 함침시키기 위한 구성이다.

이를 위해 함침부(4)는 가열장치(40) 및 카렌다롤(41,41',41”)을 포함할 수 있다.

가열장치(40)는 크로스헤드코팅다이(2)를 통과한 보강섬유(F)를 가열할 수 있다.

이때, 가열장치(40)는 하나 이상이 구비될 수 있으며, 보강섬유(F)의 상하면측에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 가열장치(40)는 열풍기 또는 전열기 등 형태에 한정되지 않고 구성될 수 있다.

카렌다롤(41,41',41”)은 가열장치(40)를 통과한 보강섬유(F)에 압력을 줄 수 있다.

이때, 카렌다롤(41,41',41”)은 하나 이상이 구비되어, 보강섬유(F)가 입사각을 유지한 채 통과될 수 있다.

또한, 카렌다롤(41,41',41”)은 가열이 가능하고, 회전 또는 고정이 될 수 있다.

여기서 카렌다롤(41,41',41”)의 가열온도는 50 내지 150℃의 온도로 가열될 수 있다.

이때, 카렌다롤(41,41',41”)의 온도가 50℃ 미만일 경우, 수지(R)의 점도가 지나치게 높아지게 되며, 카렌다롤(41,41',41”)과 보강섬유(F)간 마찰이 커지게 되어, 이로 인한 보강섬유(F)의 단사가 발생할 수 있다. 또한 함침 효과 또한 미미하게 된다.

카렌다롤(41,41',41”)의 온도가 150℃를 초과할 경우, 비록 접촉시간이 짧더라도 수지(R)의 경화가 유발 될 가능성이 높아진다.

이와 같은 카렌다롤(41,41',41”)을 통과하는 보강섬유(F)는 온도와 압력에 의해 표면의 수지(R)가 보강섬유(F) 내부로 함침이 이루어지며, 수지의 유동을 유지한 채 보강섬유(F)에 수지(R)가 완전히 함침될 수 있다.

이러한 카렌다롤(41,41',41”)은 필요에 따라 카렌다롤(41,41',41”)의 표면의 형태, 조도, 개수가 용이하게 설계 변경이 가능하다.

권취 와인더(5)는 함침부(4)를 통과하여 제조된 토우 프리프레그를 감아 상품의 형태로 만들 수 있다. 이에 따라 최종적인 토우 프리프레그를 얻을 수 있다.

또한, 토우 프리프레그 제조장치는 제어장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

제어장치(미도시)는 크로스헤드코팅다이(2)에 공급되는 보강섬유(F)와 수지(R)의 비율 및 스태틱믹서(32)에 공급되는 주제와 경화제의 비율을 조절할 수 있다.

즉, 제어장치(미도시)는 공급 크롤()에서 보강섬유(F)가 풀려나는 속도, 주제 저장탱크(30) 및 경화제 저장탱크(31)에서 스태틱믹서(32)에 주제 및 경화제가 공급되는 속도를 조절하여 크로스헤드코팅다이(2)에 공급되는 보강섬유(F)와 수지(R)의 속도를 조절하는 것으로, 보강섬유(F)와 수지(R)의 비율을 조절할 수 있다.

또한, 제어장치(미도시)는 주제 저장탱크(30) 및 경화제 저장탱크(31)에서 스태틱믹서(32)에 주제 및 경화제가 공급되는 속도 및 양을 각각 조절하여 스태틱믹서(32)에 공급되는 주제와 경화제의 비율을 조절할 수 있다.

상기의 토우 프리프레그 제조장치를 이용하여 토우 프리프레그를 제조하는 토우 프리프레그 제조방법에 대하여 하기에서 자세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조방법은 제1 단계(S100), 제2 단계(S200), 제3 단계(S300) 및 제4 단계(S400)를 포함할 수 있다.

제1 단계(S100)는 공급 크릴(1)에 감겨진 보강섬유(F) 및 스태틱믹서(32)로부터 혼합된 수지(R)를 크로스헤드코팅다이(2)에 공급할 수 있다.

이를 위해 스태틱믹서(32)는 주제 저장탱크(30) 및 경화제 저장탱크(31)로부터 주제 및 경화제를 공급받아 실시간으로 혼합하여 크로스헤드코팅다이(2)에 수지를 공급할 수 있다.

제2 단계(S200) 크로스헤드코팅다이(2)를 통해 보강섬유(F) 표면에 수지(R)를 묻히는 단계로, 크로스헤드코팅다이(2)에 보강섬유(F) 및 수지(R)가 공급되어, 보강섬유(F)가 크로스헤드코팅다이(2)를 통과하면서 실시간으로 수지(R)가 표면에 묻혀질 수 있다.

제3 단계(S300)는 크로스헤드코팅다이(2)를 통과한 보강섬유(F)를 함침부(4)를 통해 함침시킬 수 있다. 크로스헤드코팅다이(2)를 통과한 보강섬유(F)를 가열하고, 압력을 주어 표면에 묻혀진 수지(R)를 보강섬유(F) 내부까지 함침시킬 수 있다.

제4 단계(S400)는 함침부(4)를 통과한 보강섬유(토우 프리프레그)를 감을 수 있다. 이는 권취 와인더(5)에 보강섬유(토우 프리프레그)를 권취하여 최종적인 토우 프리프레그를 얻을 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법은 토우 프리프레그 제조를 위해 연속으로 수지를 공급하고 배합하는 장치를 토우 프리프레그 제조장치에 부가하고, 보강섬유를 통과시켜 수지를 코팅시키는 크로스헤드코팅다이를 적용시킴으로써, 크로스헤드코팅다이 내 수지의 공급속도 및 보강섬유의 이송속도를 정량적으로 제어할 수 있으며, 이를 통해 섬유 및 수지의 중량비가 일정한 토우 프리프레그를 제조할 수 있다.

또한, 토우 프리프레그 수지의 주제와 경화제가 실시간으로 혼합되어 보강섬유에 코팅되므로, 수지의 경화가 거의 일어나지 않은 토우 프리프레그를 제조할 수 있다.

또한, 토우 프리프레그 수지의 주제 및 경화제를 보관하는 용기를 별도로 두어, 수지를 2액형으로 관리할 수 있다.

이는 통상의 토우 프리프레그 제조장치에서 사용하는 1액형 수지와 다르게 수지의 보관 및 이송에 별도의 제약을 받지 않는다는 장점이 있으며, 이를 통해 자동화 및 관리비용 절감이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 크로스헤드코팅다이에서 공급되는 수지가 표면에 묻은 보강섬유의 함침을 위해 복수의 가열구간 및 카렌다롤을 통과시켜 함침도가 높으면서 단사가 적은 토우 프리프레그를 연속 및 고속 생산할 수 있다.

이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

즉, 첨부된 도면을 통해 설명되는 예는 하나의 구현예일뿐이며, 제조 장치의 구성은 제시된 예로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 특허청구범위에 기재된 발명은 제시된 구현예로 한정되는 것이 아니며, 당업자라면 특허청구범위에 기재된 발명이 스태틱믹서의 개수 및 배치, 그리고 각 공정의 배열 등을 적절히 변경한 예를 포함하는 것으로 해석되어야 함을 이해할 것이다.

R: 수지
F: 보강섬유
1: 공급 크릴
2: 크로스헤드코팅다이
3: 스태틱믹서부
30: 주제 저장탱크
300: 주제 파이프라인
31: 경화제 저장탱크
310: 경화제 파이프라인
32: 스태틱믹서
320: 원통형 튜브
321: 믹서엘리먼트
4: 함침부
40: 가열장치
41, 41', 41”: 카렌다롤
5: 권취 와인더

Claims (10)

1. 보강섬유와 수지를 이용하여 토우 프리프레그를 제조하는 제조장치에 있어서,
   공급되는 보강섬유와 수지가 90° 방향으로 만나도록 설치되어, 상기 보강섬유 표면에 수지를 묻히는 크로스헤드코팅다이 및
   상기 크로스헤드코팅다이에 수지를 실시간으로 혼합하여 공급하는 스태틱믹서부를 포함하고,
   상기 크로스헤드코팅다이에 보강섬유를 공급할 수 있도록 보강섬유가 감겨진 공급 크릴;
   상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 함침시키는 함침부 및
   상기 함침부를 통과하여 제조된 토우 프리프레그를 감는 권취 와인더를 더 포함하며,
   상기 함침부는,
   상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 가열하는 하나 이상의 가열장치 및
   상기 가열장치를 통과한 보강섬유에 압력을 주는 하나 이상의 카렌다롤을 포함하고,
   상기 크로스헤드코팅다이는 가열이 되며,
   상기 카렌다롤은 50 내지 150℃의 온도로 가열되고,
   상기 스태틱믹서부는,
   주제 파이프라인을 통해 상기 수지의 주제를 공급하는 주제 저장탱크;
   경화제 파이프라인을 통해 상기 수지의 경화제를 공급하는 경화제 저장탱크 및
   상기 주제 파이프라인 및 경화제 파이프라인이 연결되어 상기 주제 및 경화제를 공급받아 혼합하여 상기 크로스헤드코팅다이에 상기 수지를 공급하는 스태틱믹서를 포함하며,
   상기 스태틱믹서는,
   상기 주제 및 경화제 저장탱크와 연결되어 주제 및 경화제를 공급받는 원통형 튜브 및
   상기 원통형 튜브 내부에 설치되어 수지 및 경화제를 혼합하는 믹서엘리먼트를 포함하고,
   상기 주제 파이프라인, 주제 저장탱크, 경화제 파이프라인, 경화제 저장탱크 및 스태틱믹서는,
   각각 가열이 가능한 것을 특징으로 하는 토우 프리프레그 제조장치.
   
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4. 제1항에 있어서,
   상기 토우 프리프레그 제조장치는,
   상기 크로스헤드코팅다이에 공급되는 보강섬유와 수지의 비율 및 상기 스태틱 믹서에 공급되는 주제와 경화제의 비율을 조절하는 제어장치를 더 포함하는 토우 프리프레그 제조장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 토우 프리프레그 제조장치는,
   상기 공급 크릴 및 크로스헤드코팅다이 사이에 설치되어 상기 보강섬유를 가이드하는 가이드장치를 더 포함하는 토우 프리프레그 제조장치.
   
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 보강섬유는,
   탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 보론섬유, 자이론섬유 및 벡트란섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 토우 프리프레그 제조장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 수지는,
   에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 수지, 시아네이트에스테르 수지, 비스말레이미드 수지 및 불포화폴리에스테르 수지 중 하나인 것을 특징으로 하는 토우 프리프레그 제조장치.
   
10. 토우 프리프레그 제조장치를 이용한 토우 프리프레그 제조방법에 있어서,
    공급 크릴에 감겨진 보강섬유 및 스태틱믹서로부터 혼합된 수지를 크로스헤드코팅다이에 공급하는 제1 단계;
    상기 크로스헤드코팅다이를 통해 보강섬유 표면에 수지를 묻히는 제2 단계;
    상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 함침부를 통해 함침시키는 제3 단계 및
    상기 함침부를 통과한 보강섬유(토우 프리프레그)를 감는 제4 단계를 포함하되,
    상기 크로스헤드코팅다이는 가열되고,
    상기 함침부는,
    상기 크로스헤드코팅다이를 통과한 보강섬유를 가열하는 하나 이상의 가열장치 및
    상기 가열장치를 통과한 보강섬유에 압력을 주는 하나 이상의 카렌다롤을 포함하며,
    상기 카렌다롤은 50 내지 150℃의 온도로 가열되고,
    상기 스태틱믹서는,
    주제 저장탱크로부터 주제 파이프라인을 통해 상기 수지의 주제를 공급받고,
    경화제 저장탱크로부터 경화제 파이프라인을 통해 상기 수지의 경화제를 공급받으며,
    상기 스태틱믹서는,
    상기 주제 및 경화제 저장탱크와 연결되어 주제 및 경화제를 공급받는 원통형 튜브 및
    상기 원통형 튜브 내부에 설치되어 수지 및 경화제를 혼합하는 믹서엘리먼트를 포함하고,
    상기 주제 파이프라인, 주제 저장탱크, 경화제 파이프라인, 경화제 저장탱크 및 스태틱믹서는,
    각각 가열이 가능한 것을 특징으로 하는 토우 프리프레그 제조방법.
    

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