KR102073240B1 - 자가치유물질을 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법 및 이에 따라 제조된 복합재료 프로펠러 - Google Patents

자가치유물질을 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법 및 이에 따라 제조된 복합재료 프로펠러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지, 자가치유물질 및 색소를 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기존의 Ni-Al Bronze 재질의 프로펠러를 복합재료로 대체하여 경량화를 실현할 수 있으며, 피로 파괴가 진행되더라도 자가치유 메커니즘에 의해 파괴가 저지되고, 손상부의 균열 부위를 가시적으로 확인할 수 있는 효과가 있다.

Description

자가치유물질을 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법 및 이에 따라 제조된 복합재료 프로펠러 {METHOD OF PREPARING THE COMPOSITE PROPELLERS CONTAINING SELF HEALING MATERIAL AND COMPOSITE PROPELLERS MADE BY THE METHOD}
본 발명은 자가치유물질을 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법 및 이에 따라 제조된 복합재료 프로펠러에 관한 것이다.
2003년도 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization) 총회에서 온실가스 배출규제가 채택되면서, 선박 분야에도 온실가스 배출 저감에 대한 논의가 있어왔다. 특히, 조선소 입장에서는 총톤수 400톤 이상의 신조선에 대해서 신조선 에너지 효율지표인 EEDI(Energy Efficiency Design Index for new ships)의 계산을 의무화하는 것과 어느 정도 규모가 되는 대형 조선소의 신조선에 대해서는 EEDI의 저감기준을 설정해야 한다는 사항을 고려해야 한다.
선박의 연비지수라고 할 수 있는 EEDI 지수의 계산에 영향을 주는 여러 요인 중 연료 소비율은 선체 경량화와 추진계통의 단순화를 통해 얻을 수 있다.
기존 Ni-Al Bronze 재질의 프로펠러를 복합재료로 대체하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 이들 복합재료 프로펠러는 경량화, 부식 방지, 고유의 댐핑 특성에 의한 캐비테이션 저항성 측면에서 유리하다.
하지만, 기존 복합재료 프로펠러는 제작 시 내구수명을 감안하여 설계하고 있으나 피로파괴 등에 의해 균열이 진전되는 징후를 포착할 수 없고, 균열의 진전을 차단할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존의 Ni-Al Bronze 재질의 프로펠러를 복합재료로 대체하여 경량화를 실현하고, 피로 파괴가 진행되더라도 다양한 자가치유 메커니즘에 의해 파괴가 저지되고, 손상부의 균열 부위를 가시적으로 확인할 수 있는 복합재료 프로펠러의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지, 자가치유물질 및 색소를 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법이 제공된다.
상기 자가치유 물질이 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 중에서 선택된 1종 이상의 수지일 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 에폭시계 및 비닐에스터계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 자가치유물질과 색소를 포함하는 캡슐을 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법이 제공된다.
상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50일 수 있다.
상기 자가치유 물질이 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 중에서 선택된 1종 이상의 수지일 수 있다.
상기 매트릭스 수지가 에폭시계 및 비닐에스터계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하되, 상기 프리폼은 자가치유물질이 충전된 중공사막인 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 색소를 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법이 제공된다.
상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50일 수 있다.
상기 자가치유 물질이 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 중에서 선택된 1종 이상의 수지일 수 있다.
상기 매트릭스 수지가 에폭시계 및 비닐에스터계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하되, 상기 프리폼은 색소가 충전된 중공사막인 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 자가치유물질을 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법이 제공된다.
상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50일 수 있다.
상기 자가치유 물질이 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 중에서 선택된 1종 이상의 수지일 수 있다.
상기 매트릭스 수지가 에폭시계 및 비닐에스터계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 제조방법으로 제조된 복합재료 프로펠러를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 Ni-Al Bronze 재질의 프로펠러를 복합재료로 대체하여 경량화를 실현할 수 있으며, 피로 파괴가 진행되더라도 자가치유 메커니즘에 의해 파괴가 저지되고, 손상부의 균열 부위를 가시적으로 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 복합재료 프로펠러의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 프로펠러의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합재료 프로펠러의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가치유 성능평가 실험과정을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가치유 성능평가 실험결과를 나타낸 사진이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 자가치유물질을 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법에 관한 것이다. 본 명세서에서, 용어 "자가치유 물질"이란 이 물질을 포함하는 소재에 균열이 발생한 경우 상기 균열을 메워주는 역할을 하는 물질을 의미한다.
본 발명자들은 상기와 같은 자가치유 물질을 이용하여, 피로 파괴가 진행되더라도 진행을 저지하고 나아가 색소를 포함함으로써, 손상부의 균열 부위를 가시적으로 확인할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.
도 1은 종래 통상적으로 사용되는 복합재료 프로펠러의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다. 도 1을 참조하면, 프로펠러를 제조하기 위한 몰드를 제작하고, 상기 몰드를 이용하여 프리폼(preform)을 제조한다. 이후 상기 프리폼에 복합재료 수지를 주입한 후 경화 및 탈형의 단계를 거쳐 복합재료 프로펠러를 제조하여 왔다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 프로펠러의 제조방법을 나타낸 플로우 차트로서, 이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
자가 치유 방식은 수지 자체가 자가치유 능력이 있는 수지로 이루어지는 내재성 자가치유 방식과, 캡슐 또는 중공사막 내부에 자가치유 물질을 충전하는 외재성 자가치유 방식으로 구분될 수 있다.
본 발명의 일 측면은 수지 자체가 자가치유 능력이 있는 수지로 이루어지는 내재성 자가치유 방식을 이용한 복합재료 프로펠러 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지, 자가치유물질 및 색소를 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법을 제공한다.
상기 자가치유 물질은 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 수지 등이 사용가능하며, 바람직하게는 DCPD(dicyclopentadiene)계 수지를 사용할 수 있다.
한편, 복합재료 프로펠러에 사용되는 매트릭스 수지로는 특별히 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 에폭시계 및 비닐에스터계 등을 사용할 수 있고 바람직하게는 에폭시계 수지를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가치유 물질 이외에 색소가 추가적으로 주입된다. 이에 따라, 손상부의 균열 부위를 가시적으로 확인할 수 있으며, 나아가 손상 부위의 예지 보전이 가능하다. 상기 색소는 특별하게 한정하는 것은 아니나 예를 들어, 검정색의 탄소섬유에 대해 색상 대비효과가 높은 아연계인 zinc white나 zinc yellow 또는 철산화물계 oxide red, 납계인 lead white, cremnitz white, Naples yellow, red lead, lead-tin-yellow, 유기계인 Indian yellow 등을 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가치유 성능평가 실험과정을 나타낸 사진이며, 도 5는 이에 따른 실험결과를 나타낸 사진이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 자가치유가 되는 것을 시각적으로 확인할 수 있다.
한편, 외재성 자가치유 방식은 캡슐이나 중공사막 내부에 존재하는 자가치유 물질이 진전된 균열에 의해 파괴되면서 캡슐이나 중공사막도 동시에 파괴되면서 흘러나와 균열 부위를 메우는 원리이다. 보다 상세하게는 이러한 자가치유 물질을 포함하는 캡슐이나 중공사막에 자가치유 물질을 포함하는 구조물에 균열이 발생하거나, 물리/화학적 외력이 가해지면, 상기 캡슐 또는 중공사막에 균열이 발생할 수 있다. 이때, 매트릭스 물질 내에 분산되어 있는 캡슐 또는 중공사막에 충전된 자가치유 물질이 파손되면서 자가치유 물질이 균열의 틈으로 흘러나와 상기 균열을 메워주게 된다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면은 상기와 같은 외재성 자가치유 방식을 이용한 것으로, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 자가치유물질과 색소를 포함하는 캡슐을 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법이 제공된다.
여기에서 사용될 수 있는 매트릭스 수지, 자가치유물질 및 색소의 종류는 상기에서 설명한 바와 같으므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50인 것이 바람직하다. 내재성 자가치유 방식 즉, 자체가 자가치유 능력이 있는 수지로 이루어지는 경우 배합비가 무의미하나, 자가치유 물질을 포함하는 캡슐을 이용하는 경우 자가치유 물질이 지나치게 많으면 섬유와의 계면접착 물성이 저하되는 문제점이 있으므로, 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면은 상기와 같은 외재성 자가치유 방식을 이용한 것으로, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하되, 상기 프리폼은 자가치유물질이 충전된 중공사막인 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 색소를 주입하는 단계를 포함하는 복합재료 프로펠러 제조방법이 제공된다. 본 발명의 실시 예에서는 매트릭스 수지와 자가치유 물질이 충전된 마이크로 캡슐의 중량 기준 배합비가 100:5.23이 적용된 것이다.
이 때는 프리폼을 제조함에 있어서, 자가치유 물질이 충전된 중공사막과 같이 직조하여 프리폼을 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 프리폼에 수지 및 색소를 주입하고, 경화 및 탈형 공정을 거쳐 복합재료 프로펠러를 제조할 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 일 측면의 또 다른 실시예로, 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하되, 상기 프리폼은 색소가 충전된 중공사막인 프리폼을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 자가치유물질을 주입하는 단계에 따라 복합재료 프로펠러를 제조할 수도 있다.
중공사막을 이용하는 경우에도 상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50인 것이 바람직하다. 내재성 자가치유 방식 즉, 자체가 자가치유 능력이 있는 수지로 이루어지는 경우 배합비가 무의미하나, 자가치유 물질을 포함하는 중공사막을 이용하는 경우 자가치유 물질이 지나치게 많으면 섬유와의 접착물성이 저하되는 문제점이 있으므로, 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50인 것이 바람직하다.
마찬가지로 여기에서 사용될 수 있는 매트릭스 수지, 자가치유물질 및 색소의 종류는 상기에서 설명한 바와 같으므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 복합재료 프로펠러는 경량화를 실현할 수 있으며, 피로 파괴가 진행되더라도 자가치유 메커니즘에 의해 파괴가 저지되고, 손상부의 균열 부위를 가시적으로 확인할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 몰드를 제조하는 단계;
    상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하되, 상기 프리폼은 자가치유물질이 충전된 중공사막인 프리폼을 형성하는 단계; 및
    상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 색소를 주입하는 단계를 포함하는
    복합재료 프로펠러 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50인 것을 특징으로 하는 복합재료 프로펠러 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자가치유 물질이 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합재료 프로펠러 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지가 에폭시계 및 비닐에스터계 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합재료 프로펠러 제조방법.
  12. 몰드를 제조하는 단계;
    상기 몰드를 이용하여 프리폼을 형성하되, 상기 프리폼은 색소가 충전된 중공사막인 프리폼을 형성하는 단계; 및
    상기 프리폼에 매트릭스 수지 및 자가치유물질을 주입하는 단계를 포함하는
    복합재료 프로펠러 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지와 자가치유 물질의 중량 기준 배합비가 100:1 ~ 100:50인 것을 특징으로 하는 복합재료 프로펠러 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 자가치유 물질이 DCPD(dicyclopentadiene)계, 폴리우레탄계 및 폴리스티렌계 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합재료 프로펠러 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지가 에폭시계 및 비닐에스터계 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합재료 프로펠러 제조방법.
  16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 복합재료 프로펠러.
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