KR102124686B1 - 논-웨프트 단향성 섬유-보강 패브릭 - Google Patents

Abstract

복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유 다발들을 포함하는 논-웨프트 단향성 패브릭이 제공된다. 보강 섬유 다발들은 제 1 표면과 대향하는 제 2 표면을 가진다. 논-웨프트 단향성 패브릭은, 적어도 하나의 표면에 결합된 논-우븐 베일 및 복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유들의 제 1 표면과 제 2 표면 중 하나의 폭의 적어도 일부를 가로질러 걸치는 분무된 접착제의 하나 이상의 밴드들 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.

Description

논-웨프트 단향성 섬유-보강 패브릭{NON-WEFT UNIDIRECTIONAL FIBER-REINFORCED FABRICS}

관련 출원

본 출원은 2014 년 01 월 10 일자로 출원된 U.S. 가특허출원 제 61/925,789 호의 우선권을 주장하며, 이 가특허출원은 전부 참조로 본원에서 원용된다.

일반적인 본 발명의 개념들은, 개선된 강도와 모듈러스 (modulus) 특성들을 갖는 경량의 논-웨프트, 단향성 패브릭들에 관한 것이다.

보강 섬유들은 다양한 제품들에서 사용된다. 섬유들은 제품들, 예컨대 플라스틱 매트릭스, 보강 페이퍼 및 테이프, 및 우븐 제품들에서 보강재들로서 사용될 수 있다. 섬유 형성 및 수집 프로세스 동안, 다수의 섬유들은 스트랜드로서 함께 다발화된다. 수개의 스트랜드들은 제품들, 예컨대 몰딩된 플라스틱 제품들에 구조적인 지지체를 제공하기 위하여 폴리머 매트릭스를 보강하는데 사용된 섬유 다발을 형성하기 위하여 함께 게더링될 수 있다. 또한, 스트랜드들은 패브릭을 형성하기 위하여 엮일 수 있거나, 패브릭으로서 패턴 내에 수집될 수 있다.

보강 유리 스트랜드들은, 종래에는, 베이스 스트랜드들로 함께 게더링되는 필라멘트들을 형성하기 위해 용융된 유리로 충전된 부싱들의 다수의 오리피스들로부터 중력에 의해 유동하는 용융된 유리 스트림들을 기계적으로 드로잉함으로써 제조되어, 수집된다. 유리 필라멘트들의 드로잉 동안, 그리고 유리 필라멘트들이 스트랜드들로 함께 게더링되기 이전에, 유리 필라멘트들은 회전 롤러를 이용하여 사이징 조성물, 일반적으로 수성의 사이징 조성물로 종종 코팅된다. 사이징 조성물 (또한 "사이즈" 라고 함) 은, 종래에는, 형성 및 후속 프로세스들 동안 고속에서의 필라멘트들의 러빙으로부터 기인하는 마모로부터 필라멘트들을 보호하여 윤활제로서 작용하기 위하여 유리 필라멘트들의 제조 동안 도포된다. 이러한 러빙 동안 생성된 정전기 전하들을 제거 또는 회피하는 것이 또한 가능하다. 추가로, 보강된 합성물 재료들의 제조 동안, 사이즈는 보강될 재료에 의해 스트랜드의 함침과 유리의 습윤을 개선한다.

보강 섬유들이 제조된 후에, 보강 섬유들은 우븐 패브릭들을 제조하기 위해 직기들 또는 다른 제직 (weaving) 디바이스들에서 자주 처리된다. 제직 프로세스는, 종래에는, 세로의 또는 길이 방향의 실들인 워프 실들과, 워프 실들을 가로지르고 또한 종래에는 필러로서 작용하여 워프 스레드들 상하 (over and under) 에 삽입되어 웨프트 실들을 포함한다. 하지만, 서로 상하를 가로지르는 워프 및 웨프트 실들로서 발생하는 실들의 크림핑은 우븐 패브릭의 인장과 압축 강도를 감소시킨다. 추가로, 웨프트 실은 물리적인 특성들에 상당한 추가의 이점들을 제공 없이 중량을 추가한다.

단향성 패브릭들은 전체 섬유들 중 적어도 거의 80% 가 단일 방향, 일반적으로, 라미네이트의 부하 방향으로 또한 공지된 워프 방향인 패브릭들이다. 따라서, 단향성 패브릭이 웨프트 섬유들을 포함할 경우, 단향성 패브릭은 일반적으로 패브릭에서 전체 섬유들 중 20% 미만을 차지하고 또한 패브릭의 니팅/스티칭 (knitting/stitching) 을 허용하기 위한 백킹 구조체 (backing structure) 를 제공하여, 안정적인 직물 구조체를 제공한다.

백킹으로서 단향성 섬유 다발들을 기계적으로 바인딩하고 단향성 섬유들 사이의 거리를 유지시키기 위한 안정화제로서 작용하여, 진공 주입 프로세싱에서 수지 함침을 위한 채널들을 생성하는 웨프트 섬유들은, 종래에는, 패브릭들에서 필수적인 구성 요소였다. 예를 들어, 적용들, 예컨대 풍력 터빈 블레이드들의 제조와 같은 적용들은, 종래에는, 함께 스티칭되어 다양한 배향들의 섬유 다발들을 사용하여, 프리폼을 형성한다. 이러한 프리폼들은 부하 베어링 섬유들 용 캐리어로서 작용하여 프리폼을 함께 홀딩하는 웨프트 섬유들을 포함한다. 풍력 터빈 블레이드들의 품질은 블레이드의 수명에 관한 피로 및 블레이드의 강성에 의해 적어도 일부 결정된다. 하지만, 단향성 라미네이트의 웨프트 섬유들은 블레이드의 수명에 걸쳐 증가된 피로 및 강성을 감소시키기 위한 것으로 도시되었다.

일반적인 본 발명의 개념들은 복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유들을 포함하는 논-웨프트, 단향성 패브릭에 관한 것이다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트, 단향성 패브릭은 보강 섬유들 중 적어도 하나의 표면에 결합된 논-우븐 베일과, 복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유들의 적어도 하나의 표면의 폭의 적어도 일부를 가로질러 걸치는 분무된 접착제의 하나 이상의 밴드들 중 적어도 하나를 포함한다.

논-우븐 베일을 포함하는 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 유리 베일, 폴리머 베일 또는 이들의 혼합물일 수도 있다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 보강 섬유들은 유리 및 탄소 섬유 다발들 중 하나 이상을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 폴리머 베일은 폴리프로필렌 필라멘트, 폴리에스테르 필라멘트, 폴리아미드 필라멘트, 및 폴리우레탄 필라멘트 중 적어도 하나를 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 논-우븐 베일의 국부적인 가열에 의해 단일 표면에 선택적으로 결합된다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 접착제 재료의 국부적인 도포에 의해 보강 섬유들의 표면에 선택적으로 결합된다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 용융-취입 프로세스. 스펀-본드 프로세스, 건식 프로세스, 습식 프로세스, 및 전기-방사 중 하나에 의해 형성된다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 보강 섬유 다발들은, 가열 시에, 섬유 다발들을 결합시키고 또한 논-우븐 베일을 유리 또는 탄소 섬유 다발들에 결합시키는 폴리머 바인더를 포함하는 사이징 조성물로 코팅된 복수의 유리 또는 탄소 섬유들을 포함한다.

추가로, 일반적인 본 발명의 개념들은 하나 이상의 실질적으로 평행한 보강 섬유들을 포함하는 논-웨프트 단향성 패브릭에 관한 것이다. 보강 섬유들은 실질적으로 평행한 보강 섬유들을 서로에 결합시킬 수 있는 폴리머 바인더를 포함하는 사이징 조성물로 코팅된 복수의 섬유들을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 사이징 조성물은, 필름 포머, 커플링제, 계면활성제, 분산제, 및 가소화제 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 폴리머 바인더는 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌이민, 폴리아미드이민 (polyamideimine), 폴리에테르-에테르케톤, 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌, 이들의 코폴리머들, 및 상기 폴리머들 및/또는 코폴리머들의 혼합물들 중 하나 이상을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭은 실질적으로 평행한 보강 섬유들의 적어도 하나의 표면에 결합된 논-우븐 베일, 또는 복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유들의 적어도 하나의 표면의 폭의 적어도 일부를 가로질러 걸치는 분무된 접착제의 하나 이상의 밴드들을 추가로 포함한다.

논-우븐 베일은 유리 베일, 열가소성 베일 또는 이들의 혼합물일 수도 있다.

추가로, 일반적인 본 발명의 개념들은 적어도 하나의 논-웨프트, 단향성 패브릭과 폴리머 매트릭스 재료를 포함하는 섬유 보강된 합성물에 관한 것이고, 상기 적어도 하나의 논-웨프트, 단향성 패브릭은: 복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유들과, 상기 보강 섬유들의 적어도 하나의 표면에 결합된 논-우븐 베일 또는 복수의 실질적으로 평행한 보강 섬유들의 적어도 하나의 표면의 폭의 적어도 일부를 가로질러 걸치는 분무된 접착제의 하나 이상의 밴드들을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 논-우븐 베일의 국부적인 가열에 의해 보강 섬유들의 표면에 선택적으로 결합된다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 접착제 재료의 국부적인 도포에 의해 보강 섬유들의 표면에 선택적으로 결합된다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 보강 섬유들은, 가열 시에 섬유 다발들을 결합시키고 또한 논-우븐 베일을 유리 또는 탄소 섬유 다발들에 결합시키는 폴리머 바인더를 포함하는 사이징 조성물로 코팅된 복수의 유리 또는 탄소 섬유들을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 합성물은 실질적으로 평행한 보강 섬유들의 적어도 하나의 표면에 결합된 논-우븐 베일을 추가로 포함한다.

추가의 특징들과 이점들은 후속하는 상세한 설명에서 일부 제시될 것이고, 상세한 설명으로부터 일부 자명해질 수도 있거나, 본원에 개시된 예시적인 실시형태들의 실행에 의해 습득될 수도 있다. 본원에 개시된 예시적인 실시형태들의 목적들과 이점들은 첨부된 청구범위들에서 특히 지적되는 요소들 및 조합들에 의해 실현 및 달성될 수도 있다. 선행하는 요약과 후속하는 상세한 설명 모두는 단지 예시적이며 설명을 위한 것이지, 본원에 개시된 바와 같이 또는 주장되는 바와 같이 일반적인 본 발명의 개념들을 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1 은 열가소성 논-우븐 베일에 의해 코팅된 단향성 섬유 다발들 사이에 형성된 채널들을 도시한다.
도 2 는 국부적인 가열에 의해 유리 섬유 다발들에 선택적으로 결합된 논-우븐 베일을 포함하는 논-웨프트, 단향성 패브릭을 도시한다.
도 3a 는 단향성 섬유 다발들에 접착제를 도포함으로써 형성된 단향성 패브릭을 도시한다.
도 3b 는 접착제 도포 패턴을 제어하는 능력을 도시한다.
도 3c 는 예시적인 시누소이드 노즐 (좌) 과 예시적인 패턴 노즐 (우) 을 도시한다.
도 3d 는, 핸들링 테스트를 겪는 양측에서 접착제의 간헐적인 분무 밴드들을 갖는 예시적인 논-웨프트, 단향성 패브릭 샘플을 도시한다.
도 4 는 매트릭스 재료의 주입을 위해 그 안에 형성된 채널들을 갖는 적층된 논-웨프트, 단향성 패브릭을 도시한다.
도 5a 는 수지를 이용한 진공 주입 이전에 4-겹 (ply) 논-웨프트 단향성 패브릭 샘플을 도시한다.
도 5b 는 수지를 이용한 진공 주입을 겪은 후에 4-겹 논-웨프트 단향성 패브릭을 도시한다.
도 6 은 여러 가지의 상이한 단향성 패브릭들에 대해 50% 의 섬유 체적률로 정규화된 메인 섬유 방향으로 정적 인장 영률 (Gpa) 을 그래프로 도시한다.
도 7 은 여러 가지의 상이한 단향성 패브릭들에 대해 50% 의 섬유 체적률 대 부하 사이클에 정규화된 인장 강도를 갖는 R=0.1 의 부하율에서 시연된 피로를 그래프로 도시한다.
도 8 은 피로 테스트 (동하중) 후에 유리 논-우븐 캐리어로 형성된 웨프트 패브릭을 포함하는 유리 보강된 합성물에 의해 지속되는 손상의 거시적인 도면이다.
도 9 는 피로 테스트 (동하중) 후에 유리 논-우븐 캐리어를 갖는 논-웨프트, 단향성 패브릭을 포함하는 유리 보강된 합성물에 의해 지속되는 손상의 거시적인 도면이다.

여러 예시적인 실시형태들은 첨부 도면들을 이따금 참조하여 더욱 완벽하게 설명될 것이다. 하지만, 이러한 예시적인 실시형태들은 상이한 형태들로 구현될 수도 있어서, 본원에서 명시한 상세한 설명에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 예시적인 실시형태들은 제공되어, 이 개시물은 철저하고 완벽해질 것이고, 또한 당업자에게 일반적인 본 발명의 개념들을 전달할 것이다.

달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술적인 그리고 과학적인 용어들은, 이러한 예시적인 실시형태들이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본원의 상세한 설명에서 사용되는 전문 용어는 특정 예시적인 실시형태들을 성명하기 위한 것이지, 예시적인 실시형태들을 제한하려는 의도는 아니다.

명세서와 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 (a, an, 및 the) 는 내용상 명백하게 달리 제시하지 않는 한, 복수 형태도 마찬가지로 포함하는 것으로 의도된다. 본원에서 언급되거나 다르게 인용되는 모든 공보들, 특허 출원들, 특허들, 및 다른 문헌들은 전부 참조로 원용된다.

달리 제시하지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 성분들의 양, 반응 조건들 등을 나타내는 모든 숫자들은 용어 "약" 에 의해 모든 경우들에서 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 제시하지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구범위에서 제시한 수치적인 파라미터들은, 본 발명의 예시적인 실시형태들에 의해 수득하고자 하는 원하는 특성들에 따라 다양할 수도 있는 근사치들이다. 아무리 못해도, 그러나 청구범위의 범위에 균등론의 적용을 제한하지 않으려는 시도로서, 각 수치적인 파라미터가 유효 숫자의 개수와 통상적인 반올림 접근법을 고려하여 해석되어야 한다.

예시적인 실시형태들의 폭넓은 범위를 제시하는 수치적인 범위들과 파라미터들이 근사치들임에도 불구하고, 특정 예들에서 제시된 수치적인 값들은 가능한 한 정확하게 보고된다. 하지만, 임의의 수치적인 값은 그들 각각의 테스트 측정들에서 발견된 표준 편차로부터 반드시 초래되는 특정 오류들을 본질적으로 포함한다. 이 명세서와 청구범위를 통틀어 제공된 모든 수치적인 범위는, 이러한 더 협소한 수치적인 범위들이 모두 본원에서 명시적으로 기재된 것처럼, 이러한 더 넓은 수치적인 범위 내에 포함되는 더 협소한 수치적인 범위 모두를 포함할 것이다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "섬유" 는 하나 이상의 모노필라멘트들의 다발로 규정된다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "폴리머" 는 용어 "호모폴리머" 및 "코폴리머" 를 포함한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "섬유 다발들" 은 약 400 개 내지 약 8,000 개의 별개의 필라멘트들의 그룹에 관한 것이다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "단향성 패브릭" 은 라미네이트의 단일 방향으로, 예컨대 부하 방향 또는 워프 방향으로 전체 섬유들 중 적어도 대략 80% 를 포함하는 임의의 패브릭을 의미한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "논-웨프트" 패브릭은 패브릭의 폭을 평행하게 연장하고 또한 전술한 단향성 섬유들의 배향으로부터 15°이상만큼 변하는 배향을 가지는 1-겹 내의 임의의 보강 섬유들을 배제하는 패브릭들을 의미한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "겹" 은 배향된 섬유들의 단층에 관한 것이다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "채널" 은 인접한 평행한 섬유 다발들 사이의 공간에 관한 것이다.

일반적인 본 발명의 개념들은 논-웨프트, 단향성 패브릭들에 관한 것이다. 일반적인 본 발명의 개념들의 다른 양태들은 논-웨프트, 단향성 패브릭들로부터 형성된 라미네이트들과 같은 보강된 복합 제품들에 관한 것이다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트, 단향성 패브릭들은 천연 또는 합성 섬유들, 실들, 및 스트랜드들을 포함할 수도 있는 하나 이상의 보강 섬유 다발들을 포함한다. 보강 섬유 다발들은 연속 또는 불연속 형태로 사용될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 보강 섬유 다발들은 비 파쇄 필라멘트들, 스레드들, 스트랜드들, 실들 또는 조방들의 형태의 연속 섬유들을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 보강 섬유 다발들은 유리, 탄소, 아라미드 및 폴리머 섬유들 중 적어도 하나로부터 형성된다. 유리는, 예를 들어 실리카계 유리, E-glass 와 같은 보로실리케이트 유리, S-glass 와 같은 고강도 유리, H-glass, R-glass, 보다 적은 양의 붕소를 갖거나 붕소를 갖지 않는 E-type glass, 및 E-CR glass (예컨대, Owens Corning 사로부터 시판되는 Advantex® glass) 와 같은 임의의 종래의 유리 조성물일 수도 있다. 이하의 상세한 설명이 유리 보강 섬유 다발들의 사용과 관련될지라도, 임의의 전술한 보강 섬유 다발들이 추가로 또는 대안으로 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 연속 유리 섬유들은, 유리 필라멘트들을 다발들로 게더링하여 섬유 다발을 형성하기 이전에, 사이징 조성물을 이용한 유리 필라멘트들의 부싱 및 코팅으로부터 용융된 유리 필라멘트들을 드로잉함으로써 형성된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 필라멘트들은 약 5 ㎛ ~ 약 40 ㎛, 또는 약 9 ㎛ ~ 약 33 ㎛, 또는 약 17 ㎛ ~ 24 ㎛ 의 직경을 가진다.

사이징 조성물은 Owens Corning SE 1500 와 같은 기술 분야에서 공지된 임의의 종래의 사이징 조성물을 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 사이징 조성물은 하나 이상의 필름 형성제, 커플링제, 계면활성제, 분산제, 가소화제, 및 선택적인 첨가제들을 포함한다.

필름 형성제는 사이징 조성물에서 여러 역할들을 한다: 필름 형성제는, 한편으로는, 드로잉 동안 마모로부터 유리 필라멘트들을 보호할 수 있고, 다른 한편으로는, 화학 물질들과 주위로부터의 공격들로부터 스트랜드를 보호할 수 있다; 또한 필름 형성제는 스트랜드에 대한 무결성을 부여한다. 추가로, 형성된 필름은 보강될 매트릭스를 갖는 사이징 조성물의 양립가능성을 개선할 수도 있다. 필름 형성제의 선택은 보강될 재료의 화학적 성질에 크게 의존한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 필름 형성제는 폴리비닐 아세테이트 (호모폴리머 또는 코폴리머, 예를 들어, 비닐 아세테이트의 그리고 에틸렌의 코폴리머), 폴리에스테르, 폴리에테르, 에폭시 화합물, 폴리아크릴 (즉, 아크릴산의 유도체의 호모폴리머 또는 코폴리머), 폴리우레탄, 및 이들의 혼합물로부터 선택된다. 필름 형성제는 폴리비닐 아세테이트, 에폭시 혼합물, 폴리우레탄 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 사이징 조성물에서 전체 고체 함량에 기초한 필름 형성제의 함량은 25중량% 내지 85중량% 이거나, 50중량% 내지 75중량% 이다. 필름 형성제는 에멀전 또는 현탁액의 형태로 일반적으로 사이징 조성물에 도입된다.

또한, 사이징 조성물은 계면활성제, 가소화제 및/또는 분산제를 포함할 수도 있다. 계면활성제는 유리와 사이징 조성물들 사이뿐만 아니라, 건조 사이징 필름 (dry sizing film) 과 매트릭스 재료 사이의 습윤성을 개선하고 또한 표면 장력을 수정하는 역할을 한다. 가소화제는 일반적으로 보강될 매트릭스에서의 건조 사이징 필름의 강도, 온도 거동, 및 용해성를 강하시킴으로써 필름 형성제의 거동에 영향을 주는 역할을 한다. 분산제들은 유리 필라멘트에 대한 사이징 적용 동안 그리고 저장시 사이징의 안정화를 개선하는 역할을 한다. 사이징 조성물의 도포 동안, 분산제에 의해 적절하게 안정화되지 않을 경우, 폴리머 에멀전을 분해할 수도 있는 높은 전단 응력이 생성된다. 일부 성분들은 예를 들어 계면활성제와 분산제와 같이 여러 효과를 결합할 수도 있다.

계면활성제, 가소화제, 및 분산제는, 에톡시레이티드/프로폭시레이티드 알킬페놀 또는 에톡시레이티드/프로폭시레이티드 지방 알코올과 같이 선택적으로 할로겐화되는 지방족 또는 방향족 폴리아콕시레이티드 화합물들을 포함할 수도 있다. 이러한 폴리아콕시레이티드 화합물들은 블록 또는 랜덤 코폴리머: 아민 함유 화합물들, 예를 들어, 선택적으로 아콕시레이티드 아민들, 아민 옥사이드, 알킬아미드, 숙시네이트, 타우레이트, 특히 소르비탄의 슈가 유도체, 선택적으로 알콕실레이되는 알킬 설페이트, 및 선택적으로 알킬레이티드 또는 알콕시레이티드 알킬 포스페이트 및 에테르 포스페이트일 수 있다. 또한, 사이징 조성물은, 세라믹 가이딩 아이즈 (ceramic guidling eyes) 와 같은 가이딩 디바이스에서 마찰로 인해 정전기 축적을 회피하기 위하여, 지방 4 급 아민 또는 이미다졸리니움 유도체와 같이 특정 유기 양이온 또는 비이온제와 같은 대전방지제를 포함할 수도 있다.

사이징 조성물 (건조 고체 함량) 에서 계면활성제, 가소화제, 분산제 또는 이들의 조합물들의 전체 양은 건조 고체 함량 중 약 2중량% 내지 약 30중량% 또는 약 4중량% 내지 약 20중량% 일 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 계면활성제는 고체 함량 중 약 0.25중량% 내지 15중량% 로 존재한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 가소화제는 고체 함량 중 0 내지 약 10중량% 로 존재한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 분산제는 고체 함량 중 약 0.1중량% 내지 15중량% 로 존재한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 대전방지제는 고체 함량 중 0 ~ 8중량% 로 존재한다.

커플링제는 필름 형성제와 공유 결합을 유도함으로써 유리의 표면에 사이즈의 부착을 용이하게 한다. 추가로, 커플링제는 비활성 폴리머 매트릭스의 경우에 폴리머 매트릭스와 공유 결합 또는 적어도 침투된 네트워크를 발생시킬 수도 있다. 커플링제의 다른 기능은 유리 섬유에 폴리실록산 층을 형성하는 것으로, 습식의, 산성의 또는 높은 온도의 환경에서와 같이 공격적인 노화 컨디션에서 내구성을 개선한다. 커플링제는 가수분해성 화합물들, 예를 들어 아세트산, 젖산 또는 시트르산과 같은 산의 존재 시에 가수분해될 수 있는 화합물들일 수도 있다. 일 예시적인 실시형태에서, 커플링제는, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-아크릴로일옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴로일옥시-프로필트리메톡시실란, 폴리(옥시에틸렌/옥시프로필렌)-트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 페닐아미노프로필트리메톡시실란, 스티릴아미노에틸아미노프로필트리메톡시실란, 및 tert-부틸카르바모일프로필트리메톡시실란과 같은 실란, 1,3-디비닐테트라에톡시디실록산과 같은 실록산, 티타네이트, 특히 알루미늄의 지르코네이트, 및 이들의 혼합물들로부터 선택된다. 커플링제는 실란 또는 실란들의 혼합물일 수도 있다. 사이징 조성물 (건조 추출 고체 함량) 에서 커플링제의 양은 사이징 건조 물질 함량의 약 2중량% 내지 약 25중량% 또는 약 5중량% 내지 20중량% 일 수도 있다.

사이징 조성물은 하나 이상의 첨가제들을 선택적으로 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 첨가제들은 방화 재료, 나노입자, 지방산 에스테르, 지방 알코올, 지방 아민 염, 미네랄 오일 및 이들의 혼합물과 같은 윤활제, EDTA 유도체, 갈산 유도체 또는 포스폰산 유도체와 같은 착화제, 실리콘 또는 베지터블 오일과 같은 소포제, 폴리올, 커플링제의 가수 분해 동안 pH 를 제어하기 위해 사용된 산, 예를 들어 아세트산, 젖산, 시트르산, 양이온성 폴리머, 유화제, 점도 개선제, 안정화제, 산 및 다른 염기를 포함한다.

일부 실시형태들에서, 사이징 조성물 (건조 추출 고체 함량) 에서 첨가제들의 전체 함량은 약 0.1중량% 내지 약 15중량% 이고, 일부 실시형태들에서는 1중량% 내지 5중량% 이다.

본 발명의 일 양태에 따라, 사이징 조성물은, 논-웨프트 단향성 패브릭들의 후속 제조를 도울 수도 있는 바인더 화합물들을 포함한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 사이징 조성물은, 여기에서 전부 참조로 원용되는, 2012 년 07 월 31 일자에 출원된 PCT/US2012/048937 (발명의 명칭: Sizing Compositions and Methods of Their Use) 에서 개시된 바와 같이, 폴리머 재료들과 텍스쳐링제를 혼합한다.

바인더 화합물들은 예를 들어 폴리비닐 알코올, 폴리머 입자들 및 메틸셀룰로오스와 같은 하나 이상의 폴리머 바인더 재료를 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 폴리머 입자들은 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌이민, 폴리아미드이민, 폴리에테르-에테르케톤, 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌, 이들의 코폴리머들, 스티렌 및/또는 에틸렌 및/또는 프로필렌 말레산 또는 프탈산 무수물 코폴리머들, 및 폴리머들 및/또는 코폴리머들의 혼합물들로부터 선택된다. 일부 실시형태들에서, 폴리머는 폴리아미드 또는 폴리아미드들의 혼합물을 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 바인더 입자들은 텍스쳐링제를 포함한다. 텍스쳐링제는 사이징 제제들을 안정화시키기 위하여 사용될 수도 있다. 텍스쳐링제는 사이징 저장 동안 높은 정적 점도로 인한 사이징의 요변성 거동과 섬유에의 사이징 적용 동안 전단 응력 하의 매우 신속한 점도 강하를 발생시킬 수 있다.

폴리머 입자들을 함유하는 사이징의 경우에, 상이한 바인더 성분 집단들의 분포는, 잠재적인 높은 입자 함량으로 인해, 종래의 사이징들과는 매우 상이하다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 사이징 조성물들은 건조 추출 고체 함량의 중량 기준으로: 약 10중량% 내지 약 90중량% 의 폴리머 입자들, 약 0.1중량% 내지 약 6중량% 의 텍스쳐링제, 약 5중량% 내지 약 60중량% 의 필름 형성제, 약 0.1중량% 내지 약 6중량% 의 계면활성제, 가소화제, 분산제, 및 이들의 혼합물들로부터 선택된 적어도 하나의 화합물, 약 0.1중량% 내지 약 10중량% 의 커플링제, 0 내지 약 15중량% 의 적어도 하나의 첨가제를 포함한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 하나 이상의 유리 섬유들은 함께 당겨져서, 논-웨프트 단향성 패브릭의 형성 시에 사용하기 위한 유리 단선 또는 섬유 다발을 형성한다. 유리 섬유 다발은 특정 적용을 위해 원하는 대로 다양한 형상들 중 어느 하나를 취할 수도 있다. 예를 들어, 섬유 다발은 편평한 형상, 둥근 형상, 타원형 형상을 가지거나, 다양한 형상들로 분열될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 매트릭스 재료에 의해 섬유 다발들 사이에 그리고 주위에 침지를 허용하기 위하여, 섬유 다발들이 패브릭으로 형성될 때에, 갭들 그리고/또는 채널들이 평행한 섬유 다발들 사이에 손쉽게 형성될 수도 있도록 섬유 다발들은 형상화된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 섬유 다발들은 편평하거나 직사각형 형상을 가진다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭은, 형성 방향으로 위치된 섬유 다발들의 길이방향 축선과 실질적으로 평행한 정렬로 위치된 복수의 유리 섬유 다발들을 포함한다. 실질적으로 평행한 섬유 다발들은 서로 인접하거나 이격될 수도 있어서, 유동 채널들이 각각의 섬유 다발들 사이에 형성된다. 일부 실시형태들에서, 섬유 다발들은 어떠한 트위스트도 없다.

종래의 패브릭들은 두 개의 수직 방향들 (즉, 워프 및 웨프트) 로 섬유 다발들을 제직함으로써 형성된다. 섬유 다발들의 제직은 패브릭을 함께 바인딩하는 매시형 구조체를 형성한다. 하지만, 제직은 섬유들을 구부리고, 달성될 수 있는 최대 강도와 강성을 감소시킨다. 추가로, 부하 (워프) 방향의 섬유 다발들만이 합성물의 전반적인 강도에 기여한다. 패브릭의 구조체에 기여할지라도, 웨프트 또는 크로스 섬유들은 부하를 견디지 못한다. 그러므로, 웨프트 섬유들의 증가된 존재는 형성된 패브릭의 강도에 기여하지 않으면서 패브릭의 중량을 증가시킨다. 따라서, 웨프트 섬유들은 유리 패브릭의, 궁극적으로 유리 패브릭으로 형성된 합성물의 강도와 모듈러스 모두를 감소시킨다.

따라서, 본 발명의 일부 예시적인 실시형태들은, 하나 이상의 단향성 유리 섬유 다발들의 적어도 하나의 측면 (즉, 상부 또는 하부 표면) 에 베일을 중첩시킴으로써 형성된 논-웨프트 단향성 패브릭을 제공한다. 논-우븐 베일은 섬유 다발들을 원하는 특정 배치로, 예컨대 섬유 다발들 사이에 배치된 유동 채널들과 실질적으로 평행하게 홀딩하는 역할을 한다.

도 1 을 참조하면, 베일은 논-우븐 유리 또는 폴리머 베일과 같은 논-우븐 베일 (20) 을 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 폴리머 베일 (20) 은 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄 및 이들의 조합물들과 같은 열가소성 필라멘트들을 포함한다. 논-우븐 베일 (20) 은 단향성 섬유 다발들 상에 임의로 배열되는 하나 이상의 연속 또는 짧게 쵸핑된 섬유들을 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일 (20) 은, 도 1 에 도시된 바와 같이, 단향성 섬유 다발들 (14) 의 적어도 하나의 표면에서 오버레이로서 배치된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일은 단향성 섬유 다발들의 상부 표면에서 그리고 섬유 다발들의 하부 표면에서 오버레이로서 배치된다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일 (20) 은 단향성 섬유 다발들 (14) 의 단일 표면에만 배치된다. 단일 표면에만 논-우븐 베일 (20) 을 배치시키는 것은, 패브릭이 조작됨에 따라, 예컨대 와인딩 및 언와인딩 프로세스 동안, 패브릭의 전단 능력을 개선한다. 추가로, 단일 표면에만 논-우븐 베일 (20) 을 사용하는 것은, 원하는 특성들을 유지 또는 개선하면서, 패브릭들의 전반적인 제조 비용을 감소시킨다.

논-우븐 베일 (20) 은, 용융-취입 프로세스, 스펀-본드 프로세스, 건식 (dry-laid) 프로세스, 습식 (wet-laid) 프로세스, 또는 전기-방사와 같은 임의의 종래의 논-우븐 형성 방법에 의해 형성될 수도 있다. 스펀-본드 프로세스 동안, 연속 필라멘트들은 실질적으로 평행한 섬유 다발들의 적어도 하나의 표면에 직접 압출된다. 공압 건으로부터의 고압 공기는 섬유 다발들의 필라멘트들을 이동 및 분리시키도록 사용될 수도 있다. 그런 다음, 논-우븐 베일의 섬유들은 섬유들을 함께 융해시키기 위하여 가열된 롤러들이나 다른 가열 메커니즘을 적용함으로써 섬유 다발들에 결합될 수도 있다. 열가소성 필라멘트들의 논-우븐 베일의 경우에, 열가소성 필라멘트들의 가열은 필라멘트들을 용해하여, 논-우븐 베일의 필라멘트들이 다른 필라멘트들 및 이 필라멘트들 아래에 놓인 단향성 섬유 다발들과 결합하게 한다.

베일 (20) 이 서로에 대한 섬유 다발들 (14) 의 전단 운동을 제한할 수도 있기 때문에, 단향성 섬유 다발들 (14) 의 전체 표면에 논-우븐 베일 (20) 을 결합시키는 것이 제조된 패브릭의 가요성을 감소시킬 수도 있다는 것이 발견되었다. 섬유 다발들 (14) 사이의 이러한 전단 이동은 몰드, 예컨대 만곡된 표면들을 갖는 몰드들의 표면의 형상에 적합할 수 있는 유사한/우아하게 장식가능한 재료를 형성하는데 중요하다. 따라서, 도 2 에 도시된 바와 같이, 논-우븐 베일 (20) 의 필라멘트들 (12) 은 섬유 다발들 (14) 에 선택적으로 결합될 수도 있다. 예를 들어, 필라멘트들 (12) 은 국부적인 가열에 의해 가열될 수도 있어서, 선택적인 결합 지점들 (18) 을 형성한다. 국부적인 가열은 논-우븐 베일 (20) 의 특정 영역들에만 열을 가한다. 그러므로, 열에 노출되는 특정 필라멘트들 (12) 만이 용융되어, 논-우븐 베일 (20) 의 필라멘트들 (12) 의 이러한 국부적인 영역들만이 단향성 섬유 다발들 (14) 에 결합될 것이다. 섬유 다발들 (14) 에 논-우븐 베일 (20) 의 필라멘트들을 선택적으로 결합시킴으로써, 섬유 다발들은, 많은 적용들에서, 예컨대 풍력 블레이드들의 제조 시에 요구되는 전단 능력을 보유한다. 이러한 전단 능력은, 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 단향성 지지체의 지지 능력에 의해 밸런싱되고, 섬유 다발들 (14) 사이에서 채널들 (16) 의 존재를 유지시킨다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 선택적인 결합 지점들 (18) 은 약 1 ㎜ 이하의 직경을 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 의 10 ㎝ × 10 ㎝ 영역은 약 5 개 내지 2000 개의 선택적으로 결합된 지점들 (18) 을 포함하거나, 약 50 개 내지 500 개의 선택적으로 결합된 지점들을 포함한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 선택적으로 결합된 지점들 (18) 은 충분한 탄성으로 단향성 섬유 다발들 (14) 을 전단할 수 있도록 규정된 방식으로 분배된다.

선택적으로 또는 추가로, 논-우븐 베일 (20) 의 필라멘트들 (12) 은 논-우븐 베일 (20) 및/또는 단향성 섬유 다발들 (14) 에의 접착 재료의 국부적인 적용에 의해 단향성 섬유 다발들 (14) 에 결합될 수도 있다. 접착 재료의 국부적인 적용은 논-우븐 베일 (20) 의 필라멘트들 (12) 이 단향성 섬유 다발들 (14) 에 선택적으로 결합할 수 있게 하여, 전술한 바와 같이 국부적인 가열에 의해 열가소성 필라멘트들의 선택적인 결합과 유사한 선택적인 결합 지점들 (18) 을 형성한다. 접착 재료는 사이징 조성물의 일부로서 섬유 다발들 (14) 에 적용될 수도 있거나, 사이징 후에 적용될 수도 있다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일 (20) 은 사전에 결합된 열성형가능한 그리드로 이루어진다. 그리드는 그리드의 형성 시에 사전에 결합되는 유리 또는 폴리머 섬유들로 이루어질 수도 있다. 그리드가 유리 섬유 그리드일 경우, 유리 섬유들은 사전에 결합되기 이전에 열가소성 폴리머 재료로 우선 코팅된다. 폴리머 섬유들은 단독으로 열을 이용하여 사전에 결합될 수도 있다. 그런 다음, 사전에 결합되는 열성형가능한 그리드는 단향성 섬유 다발들 (14) 의 적어도 하나의 표면에 결합하여, 패브릭용 캐리어를 제공할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 그리드는 전술한 바와 같이 섬유 다발들 (14) 에 선택적으로 결합된다.

논-우븐 베일 (20) 을 단향성 섬유 다발들 (14) 에 선택적으로 결합시킴으로써, 감소된 양의 폴리머 필라멘트들 및/또는 접착 재료가 요구된다. 이는 제조 비용과 제조된 단향성 패브릭의 중량 모두를 감소시킨다. 논-우븐 베일은 단향성 섬유 다발들용의, 얇고 낮은 중량의 캐리어를 제공한다. 종래의 캐리어 매트들은 제곱 미터 당 약 20 그램 이상의 폴리머 재료를 포함하지만, 본 발명의 논-우븐 베일 (20) 은 ISO 3374 에 의해 결정된 바와 같이 약 15 그램 미만의 폴리머 재료 또는 약 5 그램 미만의 폴리머 재료를 포함한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 1000 그램의 논-우븐 단향성 베일은 12 그램 이하의 폴리머 재료를 포함한다.

논-우븐 베일 (20) 은 단향성 섬유 다발들 (14) 용 캐리어를 제공하고, 따라서 웨프트 섬유들의 구조적인 지지체에 대한 필요성을 제거한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 패브릭 (22) 에서 섬유들의 적어도 80% 는 단향성 섬유들 (14) 이다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 패브릭 (22) 에서 섬유들의 적어도 90% 또는 적어도 95% 는 단향성 섬유들 (14) 이다. 추가의 다른 예시적인 실시형태들에서, 패브릭 (20) 에서 유리 섬유들의 약 100% 는 단향성 섬유들 (14) 이다.

도 3a 를 참조하여, 일부 예시적인 실시형태들에서, 논-우븐 베일 (20) 대신에 또는 논-우븐 베일 (20) 에 더하여, 단향성 패브릭 (22) 이 단향성 섬유 다발들의 적어도 하나의 표면에 접착 패턴들 (24) 을 간헐적으로 분무함으로써 형성된다. 접착 스프레이는, 형성 동안 유리 섬유들에 적용된 에폭시 또는 폴리에스테르 양립가능한 사이징 화학 물질과 양립가능한 열가소성 재료를 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 접착제는, 약 250 ℉ ~ 약 450 ℉ 의 적용 온도에서 약 2,000 ~ 약 6,000 cps 의 전단 점도를 가져서, 접착제가 단향성 패브릭의 적어도 하나의 표면의 웨브로 분무할 때에, 50 미크론 미만으로 필라멘트화한다. 접착제를 적용하기 위하여, 단향성 섬유 다발들은 각 다발 사이에 미리 정해진 폭의 갭들로 인장 하에서 유지된다. 접착제가 도포될 때에, 접착제는 응고되고 제 위치에 섬유 다발들을 홀딩하며, 따라서 다발들 사이의 갭들을 유지시킨다. 스프레이는 단향성 패브릭의 롤링을 가능하게 하고 또한 패브릭을 뒤틀림 없이 구부리기 위하여 간헐적으로 이격될 수도 있다. 접착제 스프레이의 간헐적인 이격 또는 패턴은, 첨가제를 도포하는데 사용되는 스프레이 헤드의 치수 및 디자인, 스프레이 헤드의 스프레이 오리피스들 (32) 의 개수, 치수, 간격 및/또는 배향, 스프레이 헤드에 적용된 공기의 공기 압력, 스프레이 헤드에 적용된 접착제의 수압을 포함하지만 이에 한정되지 않는 여러 가지 파라미터들을 제어함으로써 그리고/또는 접착제가 스프레이어인 원하는 증가를 제어함으로써 미리 결정될 수도 있다. 예를 들어, 스프레이 접착제의 출력을 조절하기 위하여, 상이한 오리피스 (32) 사이즈들 및/또는 노즐 당 오리피스들 (32) 개수를 가지는 여러 노즐들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 패브릭 (22) 을 향해 높은 변형을 갖는 폴리머 도트들 및 폴리머 섬유의 임의의 조합들의 별개의 패턴들의 형태로 접착제를 향하는 패턴화된 스프레이 노즐이 사용될 수도 있다. 추가의 실시형태들에서, 일반적으로 스프레이 폴리머 도트들 없이 패브릭 (22) 을 향해 연속 압출 폴리머 섬유와 같은 첨가제 패턴으로 첨가제를 향하는 시누소이드 패턴의 스프레이 노즐이 사용될 수도 있다. 도 3c 를 참조하여, 복수의 스프레이 오리피스들 (32) 을 각각 갖는 예시적인 시누소이드 패턴의 스프레이 노즐 (28) 과 패턴화된 스프레이 노즐 (30) 이 도시되어 있다. 도 3a 는 시누소이드 스프레이 노즐 (좌) 과 패턴화된 노즐 (우) 을 이용하여 패브릭 (22) 에 첨가제 밴드들 (24) 의 첨가제를 도포함으로써 형성된 단향성 패브릭 (22) 을 도시한다. 도 3b 는 도면의 상부 절반부에 나타나는 보다 두꺼운/보다 조악한 첨가제 도포 패턴과 도면의 하부 절반부에 나타나는 보다 미세한 도포 패턴을 갖는, 시누소이드 첨가제 도포 패턴의 제어 능력을 추가로 시연한다. 도 3d 는 단향성 유리 다발들 (14) 의 양측 (즉, 상부 표면 및 하부 표면) 에 첨가제 (24) 의 밴드들을 간헐적으로 분무함으로써 형성된 단향성 패브릭 (22) 을 도시한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 첨가제는 폴리올레핀, 무정형 폴리-알파-올레핀 ("APAO"), 폴리프로필렌, 말레산염 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 코-폴리에스테르, 폴리아미드, 코-폴리아미드, 폴리우레탄, 에폭시 또는 페놀 베이스 폴리머 중 하나 이상을 포함한다. 예시적인 첨가제 화합물들은 이하의 표 1 에 나타낸다.

무정형 폴리-알파-올레핀은, 합성물 매트릭스의 에폭시 수지 또는 사이징 조성물들과 같은 극성 물질들로 접착력을 개선하기 위하여 말레산 무수물로 접목 또는 변형될 수도 있다. 말레산 무수물을 APAO 폴리머에 접목시킴으로써, 접착제 화합물의 연화점이 감소될 수도 있다. 예를 들어, 베이스 폴리머에서 7% 말레산 무수물에 근거하여, 용해점은 160 ~ 320 ℉ 이고 점도는 100 ~ 2000 mPas 이어서, APAO 의 연화점을 감소시킬 것이다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 논-우븐 베일 (20) 에 선택적으로 결합된 적어도 하나의 표면을 갖는 단향성 섬유 다발들 (14) 을 포함한다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 유리 섬유들을 코팅하기 위하여 사용된 사이징 조성물에서 폴리머 바인더를 이용하여 함께 결합되는 단향성 섬유 다발들 (14) 을 포함한다. 추가의 다른 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 논-우븐 베일 (20) 에 선택적으로 결합된 적어도 하나의 표면을 갖고 또한 유리 섬유들을 코팅하기 위해 사용되는 사이징 조성물에서 폴리머 바인더를 이용하여 함께 결합된 단향성 섬유 다발들 (14) 를 포함한다. 추가의 다른 예시적인 실시형태들에서, 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 논-우븐 베일 (20) 의 추가로 또는 추가 없이 스프레이 접착제 (24) 로 간헐적으로 코팅된 콜리메이트의 (collimated) 단향성 섬유 다발들 (14) 을 포함한다. 이러한 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 패브릭의 기계적인 특성들에 기여하지 않는 웨프트 섬유들을 제거함으로써 종래의 단향성 패브릭들의 강도와 모듈러스 모두를 개선한다. 그러므로, 패브릭에서 웨프트의 양을 감소시키는 것은 패브릭의 기계적인 특성들을 점진적으로 증가시킨다. 예를 들어, 5% 만큼 웨프트의 양을 줄임으로써 섬유의 강도와 모듈러스 각각이 적어도 5% 만큼 개선된다.

논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 규정된 배향들로 수개의 논-웨프트 단향성 층들을 적층시키는 것을 포함하는 프리폼을 형성하기 위해 사용될 수도 있다. 그런 다음, 건식 적층된 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 은 적어도 부분적으로 단향성 패브릭을 결합시키기 위해 재가열될 수도 있다. 전술했던 바와 같이, 논-웨프트 단향성 패브릭은 접착제의 도포에 의해 또는 국부적인 재가열에 의해 선택적으로 결합될 수도 있다. 그런 다음 프리폼은 몰드 내에 위치되고 매트릭스 수지로 함침되어, 합성물을 형성할 수도 있다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 도 4 에 도시된 바와 같이 논-웨프트 단향성 패브릭 (22) 의 하나 이상의 층들이 적층되고, 또한 단향성 패브릭 보강된 합성물 (26) 을 형성하기 위하여 매트릭스 재료로 함침된다. 매트릭스 재료에 의한 함침은 임의의 종래의 함침/주입 프로세스, 예컨대 진공 보조 이송 몰딩 프로세스에 의해 발생할 수도 있고, 압력이 밀봉된 몰드에 놓인 건식 보강재들로 액체 수지를 강제시키는데 사용되는 수지 이송 몰딩 또는 진공 하에서 액체 수지가 공동 내로 당겨진다. 진공에 의한 매트릭스 주입을 달성하기 위하여, 수지는 도 4 에 도시된 바와 같이 패브릭 층들을 침투할 수 있어야 한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 논-우븐 베일 (20) 은 단향성 섬유 다발들을 고정된 폭으로 이격시켜 홀딩함으로써 논-웨프트 단향성 패브릭 내에 채널들 (16) 을 형성 및 유지하는데 도움이 된다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 열가소성 베일 (20) 이 그의 가소성/탄성 지점 초과로 가열되어, 적층 동안 단향성 섬유 다발들 (14) 내로 강제되고, 베일 (20) 은 도 1 에 도시된 바와 같이 별개의 섬유 다발들 사이에서 채널들 (16) 을 형성할 수도 있다.

진공 하의 수지 주입은 동적 프로세스이고, 여기서 진공은 겹들을 응축시켜서, 다수의 패브릭 겹들의 두께를 통한 적합한 수지 주입을 달성할 수 없게 한다. 따라서, 첨가제 스프레이가 단향성 패브릭들을 완전히 커버하지 않고, 오히려 다수의 단향성 섬유 다발들을 가로질러 제어된 폭을 갖는 이격된 밴드들을 형성하므로, 스프레이 접착제를 이용하여 단향성 패브릭들을 형성하는 것은 수지 주입을 추가로 개선하고자 한다. 추가로, 경화된 첨가제는 구조적인 첨가제로서 작용하고, 이러한 구조적인 첨가제는 에폭시 수지와 섬유 다발들 사이의 접착을 입증하는 것에 더하여, 복수의 겹들의 두께들을 통하여 증가된 수지 침투성을 허용하기 위하여 인접한 유리 다발들 (14) 사이의 갭들을 유지시킬 수 있는 3 차원의 강성을 제공한다. 도 5a 는 단향성 패브릭 (22) 의 4 겹들의 0°주입을 도시한다. 도 5b 는 진공 몰딩 장치 (34) 를 이용하여 진공 하에서 수지로 주입되어 논-웨프트 단향성 패브릭 보강 합성물 (26) 을 형성하는 단향성 패브릭의 4 겹들의 0°주입을 도시한다.

일부 예시적인 실시형태들에서, 침투율은 패브릭들의 침투성을 증가 또는 감소시키기 위하여 보강 섬유들을 배열함으로써 미리 설정된다. 침투율은 하나의 단일층 겹 내에서 섬유 다발들 (14) 의 간격을 조절하여, 채널들 (16) 을 형성으로써 증가 또는 감소될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 채널들 (16) 은 1 ㎜ 미만의 단면 직경을 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 침투율은 섬유 다발들 (14) 사이에서 그리고 주위에서 수지에 의한 전체 함침을 제공하기 위해 미리 설정되어, 섬유들 각각이 함께 결합된다.

매트릭스 재료는 특정 적용에 적합한 임의의 열경화성 또는 열가소성 매트릭스 재료를 포함할 수도 있다. 전술한 몰딩 프로세스들에서 본 발명에 유용한 적합한 열가소성 수지는 폴리에스테르 (코폴리에스테르 포함), 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 및 폴리프로필렌, PEEK, 등을 포함한다. 유용한 열경화성 수지들은 페놀 수지, 에폭시 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리우레탄 및 불포화 폴리에스테르 수지를 포함한다.

논-웨프트 단향성 패브릭 보강 합성물들 (26) 은 다수의 산업에서 제품들을 형성하는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 합성물들은 자동차 또는 풍력 터빈 블레이드들에서의 사용을 위한 풍력 에너지로 사용될 수도 있다.

일반적인 본 발명의 개념들은 일반적인 그리고 여러 예시적인 실시형태들에 대하여 전술되었다. 일반적인 본 발명의 개념들은 예시적이고 설명적인 실시 형태들로 간주되는 것으로 설명되었지만, 당업자에게 공지된 광범위한 대안들은 본 명세서 내에서 선택되고 또한 본 명세서에 의해 포함된다. 일반적인 본 발명의 개념들은 이하에서 설명되는 청구범위들의 설명을 제외하고는 달리 제한되지 않는다. 당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 이러한 섬유들을 결합시키는 합성물 재료들, 사이징 섬유들 및 사이징 조성물들은 본원에서 사용되는 원리들과 일치하는 기본적인 조성물들과 방법들을 수정함으로써 본원에서 명쾌하게 개시되지 않은 여러 실시형태들과 방법들을 실시할 수도 있다. 특히, 이하에서 제공되는 여러 실시예들의 농도들 및 성분들이 본 발명과 일치하여 매우 다양한 사이즈 조성물들을 제공하기 위하여 일반적인 조성의 파라미터들 내에서 결합 및 변경될 수도 있다. 따라서, 이하의 예들은 본 발명을 보다 잘 설명하는 것으로 여겨지지만, 본 발명의 일반적인 본 발명의 개념들을 제한하도록 의도되어서는 절대로 안 된다.

실시예들

이하의 실시예들은 본 발명의 논-웨프트 단향성 패브릭의 여러 예시적인 실시형태들의 성과를 개시한다.

실시예 1

논-웨프트 단향성 패브릭들은 단향성 섬유 다발들의 일측에 유리 베일 백킹을 놓음으로써 제조되었다. 바인더는 논-웨프트 단향성 패브릭들에서 사용되지 않았다. 일 단향성 패브릭은 17 마이크론 직경을 갖는 섬유들을 포함했고, 일 단향성 패브릭은 24 마이크론 직경을 갖는 섬유들을 포함했다. 그런 다음 상용 등급의 에폭시 매트릭스 수지가 패브릭들을 적층시키기 위하여 사용되었다. 상대적인 구조들은 또한 유리 베일보다 웨프트 섬유들을 이용하여 제조되었다. 추가의 변수들은 트위스트된 섬유 다발들 대 트위스트되지 않은 섬유 다발들과 Owens Corning Advantex® 유리 대 Owens Corning H-glass 를 포함한다.

도 6 은 50% 섬유 체적률로 정규화된 메인 섬유 방향으로 정적 인장 영률을 도시한다. 도 6 에서 시연된 바와 같이, 각 유리 유형, Advantex® 와 H-glass 에 대한 논-웨프트 단향성 패브릭들은 웨프트 섬유들로 형성된 비슷한 패브릭들보다 더 높은 영률을 달성할 수 있다. 약 45 Gpa 의 가장 높은 영률은 유리 베일 백킹과 트위스트되지 않은 H-glass 섬유 다발들을 이용하여 형성된 논-웨프트 단향성 라미네이트들 내에서 발견되었다.

도 7 은 50% 섬유 체적률로 정규화된 인장 강도로 그리고 부하율 R=0.1 로 전술한 웨프트 및 논-웨프트 단향성 라미네이트들 모두의 피로를 도시한다. 그래프 상의 각 마크는 특정 개수의 부하 사이클들 후에 파열을 나타낸다. 피로 테스트는 Journal of Composite Materials (Bronsted et al, Fatigue damage propagation in unidirectional glass fiber reinforced composites made of a non-crimp fabrix . Journal of Composite Materials, September 13, 2009) 에서 DTU 소유의 테스트 방법에 따라 실시되었다. 도 7 의 실시예들은 백킹 재료로서 유리 베일 대 웨프트 섬유들의 사용에 의해 구분된다. 추가로, 표준 단향성 니티드 패브릭 (Advantex® 섬유) 는 검정 실선에 의해 포함 및 나타내어 진다.

도 7 에서 시연된 바와 같이, 니티드 패브릭의 니팅 구조체들은 웨프트 및 베일 백킹들에 비해 피로 성능을 감소시킨다. 추가로, 베일 백킹은 웨프트 백킹에 비해 피로 성능을 더욱 개선한다.

도 8 및 도 9 는 피로 테스트 이후에 라미네이트들에 대한 손상을 나타내는 거시적인 사진들을 제공한다. 도 8 은 웨프트 캐리어 백킹 (36) 을 갖는 단향성 라미네이트에 대한 손상을 나타낸다. 손상은 전체 라미네이트 (36) 에 걸쳐 불균일하게 분산된 약간 하얀 영역들로 볼 수 있다. 손상의 이러한 영역들은 시기상조의 파열을 야기한다. 대조적으로, 도 9 는 단향성 섬유 다발들의 일 측면에 놓인 논-우븐 유리를 갖는 논-웨프트 단향성 라미네이트 (38) 에 대한 손상을 도시한다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 손상은 시기상조의 파열의 기회를 줄이는 라미네이트 (38) 의 전체 영역에 걸쳐 균일하게 분산된다.

실시예 2

다른 실시예에서, 각 인접한 다발 사이에 갭들을 갖는 콜리메이트의 단향성 유리 다발들은, 높은 인장 강도와 낮은 잔류 점착을 갖는 APAO 접착 조성물로 양측에서 코팅되었다. 그런 다음, 형성된 단향성 패브릭들은 에폭시 수지로 주입된 진공과 적층된 4 겹들의 두꺼운 부분이었다. 그런 다음, 단향성 라미네이트들은, 인장 모듈러스, 인장 강도, 스트레인, 박편간 전단 강도, 휨 강도 및 휨 모듈러스를 포함하는 기계적인 특성들에 대해 0°및 90 °의 방향으로 테스트되었다. 또, 동적 기계적 분석이 실시되었고, 점화에 대한 손실이 측정되었다. 이하의 표 2 는 접착 밴드/비드 사이의 가변적인 분리 거리로 접착제의 ~ 1 내지 2 ㎜ 의 비드들을 적용함으로써 제조된 샘플들에 대한 기계적인 테스트 결과들을 도시한다.

표 2 에 도시된 바와 같이, 사용된 에폭시 수지의 양은 첨가제의 양이 증가됨에 따라 감소하고, 이는 더 적은 수지가 필요해진다는 점에서 접착제의 존재가 수지 주입에 영향을 준다는 것을 나타낸다. 추가로, 라미네이트들의 인장 강도와 모듈러스는, 첨가제의 양이 감소하고 유리 함량이 증가함에 따라, 증가한다. 따라서, 밸런스는 라미네이트의 최대 강도와 모듈러스를 핸들링하기 위한 첨가제의 양과 라미네이트의 최대 강도와 모듈러스를 얻기 위한 첨가제의 양 사이에서 달성되어야 한다.

본 발명이 바람직한 실시형태와 실시예들로 명확하게 개시되었지만, 사이즈와 형상에 대한 디자인의 수정들은 당업자에게 자명할 것이고, 이러한 수정들 및 변경들은 본 발명 및 첨부된 청구범위들의 범위에 동등하거나 그 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (25)

1. 논-웨프트 (non-weft) 단향성 패브릭으로서,
   폴리머 바인더를 포함하는 사이징 조성물 (sizing composition) 로 코팅된 5 ㎛ ~ 40 ㎛ 의 직경을 가지는 복수의 유리 필라멘트들로부터 형성된 복수의 평행한 보강 유리 섬유 다발들 (bundles) 로서, 상기 폴리머 바인더는 상기 유리 필라멘트들을 서로에 결합시킬 수 있고, 상기 보강 유리 섬유 다발들은 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 가지고, 상기 제 1 표면 및 대향하는 상기 제 2 표면 각각은 폭을 가지고, 상기 보강 유리 섬유 다발들은 이격되어 상기 보강 유리 섬유 다발들 사이에 유동 채널들을 형성하는, 상기 보강 유리 섬유 다발들; 및
   논-우븐 베일 (veil) 로서, 상기 논-우븐 베일은 상기 논-우븐 베일의 국부적인 가열 또는 접착제 재료의 국부적인 도포 중 적어도 하나에 의해 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나의 표면에 선택적으로 결합되는, 상기 논-우븐 베일
   을 포함하는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 논-우븐 베일은 유리 베일, 폴리머 베일, 또는 이들의 혼합물들인, 논-웨프트 단향성 패브릭.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 폴리머 베일은 폴리프로필렌 필라멘트, 폴리에스테르 필라멘트, 폴리아미드 필라멘트, 및 폴리우레탄 필라멘트 중 적어도 하나를 포함하는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 논-우븐 베일은 용융-취입 (melt-blown) 프로세스, 스펀-본드 (spun-bond) 프로세스, 건식 (dry-laid) 프로세스, 습식 (wet-blown) 프로세스, 및 전기-방사 중 하나에 의해 형성되는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 논-우븐 베일은 상기 논-우븐 베일을 국부적으로 가열함으로써 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 상기 적어도 하나의 표면에 선택적으로 결합되는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 논-우븐 베일은 접착제 재료의 국부적인 도포에 의해 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 상기 적어도 하나의 표면에 선택적으로 결합되는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 보강 유리 섬유 다발들 중 적어도 80% 는 서로 평행한, 논-웨프트 단향성 패브릭.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리머 바인더는 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌이민, 폴리아미드이민 (polyamideimine), 폴리에테르-에테르케톤, 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌, 이들의 코폴리머들, 및 상기 폴리머들 및/또는 코폴리머들의 혼합물들 중 하나 이상을 포함하는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
9. 섬유 보강된 합성물로서,
   적어도 하나의 논-웨프트 단향성 패브릭으로서,
   폴리머 바인더를 포함하는 사이징 조성물로 코팅된 5 ㎛ ~ 40 ㎛ 의 직경을 가지는 복수의 유리 필라멘트들로부터 형성된 복수의 평행한 보강 섬유 다발들로서, 상기 폴리머 바인더는 상기 유리 필라멘트들을 서로에 결합시킬 수 있고, 상기 보강 섬유 다발들은 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 가지고, 상기 제 1 표면 및 대향하는 상기 제 2 표면 각각은 폭을 가지고, 유리 섬유 다발들은 이격되어 상기 섬유 다발들 사이에 유동 채널들을 형성하는, 상기 보강 섬유 다발들; 및
   논-우븐 베일로서, 상기 논-우븐 베일은 상기 논-우븐 베일의 국부적인 가열 또는 접착제 재료의 국부적인 도포 중 적어도 하나에 의해 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나의 표면에 선택적으로 결합되는, 상기 논-우븐 베일
   을 포함하는, 상기 적어도 하나의 논-웨프트 단향성 패브릭, 및
   폴리머 매트릭스 재료
   를 포함하는, 섬유 보강된 합성물.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보강 섬유 다발들은 유리 섬유 다발 및 탄소 섬유 다발 중 적어도 하나인, 섬유 보강된 합성물.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 재료는 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 페놀 수지, 에폭시, 및 비닐 에스테르 중 하나 이상을 포함하는, 섬유 보강된 합성물.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 논-우븐 베일은 유리 베일, 폴리머 베일, 또는 이들의 혼합물들인, 섬유 보강된 합성물.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 논-우븐 베일은 상기 논-우븐 베일의 국부적인 가열에 의해 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나의 표면에 선택적으로 결합되는, 섬유 보강된 합성물.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 섬유 보강된 합성물은 풍력 블레이드 및 자동차 부품 중 적어도 하나를 구성하는, 섬유 보강된 합성물.
15. 논-웨프트 단향성 패브릭으로서,
    폴리머 바인더를 포함하는 사이징 조성물로 코팅된 5 ㎛ ~ 40 ㎛ 의 직경을 가지는 복수의 유리 필라멘트들로부터 형성된 복수의 평행한 보강 유리 섬유 다발들로서, 상기 폴리머 바인더는 상기 유리 필라멘트들을 서로에 결합시킬 수 있고, 상기 보강 유리 섬유 다발들은 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 가지고, 상기 제 1 표면 및 대향하는 상기 제 2 표면 각각은 폭을 가지고, 상기 보강 유리 섬유 다발들은 이격되어 상기 보강 유리 섬유 다발들 사이에 유동 채널들을 형성하는, 상기 보강 유리 섬유 다발들; 및
    복수의 평행한 보강 섬유들의 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 표면의 폭의 적어도 일부에 걸치는 (spanning) 분무가능한 접착제의 하나 이상의 밴드들로서, 상기 분무가능한 접착제는 250℉ ~ 450℉ 의 온도에서 2,000 ~ 6,000 cps 의 전단 점도를 가지는, 상기 분무가능한 접착제의 하나 이상의 밴드들
    을 포함하는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 분무된 접착제는, 폴리올레핀, 무정형 폴리-알파-올레핀 ("APAO"), 폴리프로필렌, 말레산염 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 코-폴리에스테르, 폴리아미드, 코-폴리아미드, 폴리우레탄, 에폭시 또는 페놀 베이스 폴리머 중 하나 이상을 포함하는, 논-웨프트 단향성 패브릭.
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