KR102162644B1 - 자기보강복합재 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재 - Google Patents

자기보강복합재 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재 Download PDF

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Abstract

자기보강복합재 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재가 개시된다. 본 발명의 구체예들에 따른 자기보강복합재 제조장치는 모노필라멘트를 압출 성형한 후 냉각 전에 유도코일 방식으로 가열하여 모노필라멘트의 배향도를 향상시킴으로써 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 자기보강복합재의 기존 장점인 우수한 재활용성, 가격경쟁력, 가공성 및 복원력 등을 유지하면서도 그간 한계로 지적되던 강도를 향상시킬 수 있어 보다 우수한 품질의 자기보강복합재를 제조할 수 있다.

Description

자기보강복합재 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재{APPARATUS FOR MANUFACTURING OF SELF-REINFORCED COMPOSITE AND COMPOSITE BY USING THE SAME}
본 발명은 자기보강복합재(self-reinforced composite) 제조장치와 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재에 관한 것이다.
최근 환경 오염에 대한 문제가 중요시되면서 이산화탄소, 메탄, 이산화질소 등의 온실가스 배출에 대한 규제가 강화되고 있다. 이에 연계하여 자동차 산업에서도 자동차를 경량화 시키는 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 구체적으로는 저비중, 고강도의 섬유강화 복합재료가 자동차 경량화 부품에 적용되고 있으며 비교적 재성형이 용이한 열가소성 수지가 탄소섬유 및 유리섬유 보강재에 함침되어 섬유강화 복합재료의 기지재(matrix)로 사용되고 있다. 하지만 열가소성 섬유강화 복합재료는 고강도 섬유의 취성 특성에 따른 연성 및 신율이 취약하며 재사용을 위해서는 섬유 보강재와 수지의 분리를 통한 열처리 공정이 요구되는 단점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 자기보강 복합재(self-reinforced composite) 연구가 진행되고 있다. 자기보강 복합재는 섬유 보강재와 기지재가 동일한 소재로 구성된 복합재료다. 연성 및 신율 특성이 우수하고 기존 섬유강화 복합재와 달리 섬유 보강재와 기지재의 분리 없이 바로 재활용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 열가소성 수지 기반 자기보강 복합재의 경우 물보다 가벼운 수준의 저비중화가 가능하며 공정최적화 및 소재결정성 극대화를 통해 기존 섬유강화복합재 수준까지 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 자기보강 복합재의 일 구체예를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 자기보강 복합재(1)는 섬유 보강재(10)와 기지재(20)를 포함한다. 섬유 보강재(10)와 기지재(20)는 수지로 이루어지되 양자 수지의 물성이 동일 또는 유사하다. 이러한 수지의 예로는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐, 폴리비닐아세테이트, 폴리스티렌 등이 있다.
섬유 보강재(10)는 원사를 제작한 후에 연신하고 제직하여 사용한다. 제직 형태로는 평직(plain weave)이 사용된다. 섬유 보강재(10)의 녹는점은 기지재의 녹는점보다 크게 설계된다. 이에 따라 열을 가했을 때 기지재(20)가 용융되고 섬유 보강재(10)가 기지재(20)에 압축 성형되어 계면 접착되는 방식으로 자기보강 복합재(1)가 제조될 수 있다.
다만 자기보강 복합재(1)는 다양한 장점에도 불구하고 아직까지는 무기섬유를 사용한 기존의 섬유강화복합재보다 강도가 다소 낮다는 한계가 있다. 따라서 자기보강 복합재(1)의 강도를 개선하기 위한 방안들이 강구되고 있다.
한국공개특허 제10-2017-0072088호 (2017.6.26 공개)
본 발명은 자기보강 복합재의 기존 장점인 우수한 재활용성, 가격경쟁력, 가공성 및 복원력 등을 유지하면서도 고연신이 가능하며(17:1 이상의 연신비) 그 동안 한계로 지적되던 강도를 향상시킬 수 있는 자기보강복합재 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고분자 수지 원소재로 직물 형태의 섬유 보강재를 제조하는 섬유 보강재 제조부; 상기 섬유 보강재를 하류로 공급하는 섬유 보강재 공급부; 고분자 수지 필름을 기지재로 하여 하류로 공급하는 기지재 공급부; 및 공급된 섬유 보강재와 기지재를 라미네이팅하여 자기보강복합재를 제조하는 라미네이팅부를 포함하고, 상기 섬유 보강재 제조부는, 원소재를 공급받아 모노필라멘트로 압출 성형하는 압출부; 압출부로부터 성형되어 배출되는 모노필라멘트를 가열시키는 유도코일부; 유도코일부를 거친 모노필라멘트를 냉각시키는 냉각부; 냉각부로부터 필라멘트를 공급받아 복수 회 연신시키는 연신부; 및 연신부로부터 공급된 필라멘트를 직조하여 직물체를 형성하는 제직부를 포함하고, 상기 유도코일부는, 튜브 형의 피가열체와, 피가열체의 외주면에 권취되는 코일과, 피가열체 내측에 배치되고 메쉬(mesh) 형태를 갖는 가열망을 포함하고, 모노필라멘트가 가열망의 격자를 통과함으로써 복수의 모노필라멘트가 균일하게 가열되는 자기보강복합재 제조장치가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 섬유 보강재 제조부는 상기 냉각부와 연신부 사이 또는 연신부와 제직부 사이에 배치되고, 모노필라멘트를 집속시켜 멀티필라멘트를 형성하는 집속부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 라미네이팅부는, 제1 방향으로 무한궤도를 형성하며 회전하는 금속소재의 제1 벨트부; 제1 방향과 정반대되는 제2 방향으로 무한궤도를 형성하며 회전하고, 제1 벨트부 하부에 배치되어 제1 벨트부와 함께 섬유 보강재 및 기지재를 압착 이송하는 제2 벨트부; 제1 벨트부 및 제2 벨트부의 내측에 각각 설치되고 서로 다른 온도로 가열되어 섬유 보강재를 기지재에 함침시키는 복수의 히팅부; 히팅부 하류 측에 마련되고 제1 벨트부 및 제2 벨트부의 내측에 각각 설치되어 함침물을 압착하는 프레스부; 및 프레스부 하류 측에 마련되어 함침물을 가압 및 냉각시키는 냉각부를 포함할 수 있다.
또한, 제2 벨트부는 제1 벨트부의 길이보다 긴 길이를 가지며, 제2 벨트부의 상류측 내측에는 기지재를 공급받아 예열시키는 예열히터가 설치될 수 있다.
또한, 상기 섬유 보강재 제조부의 제직부에서는 필라멘트를 평직(plain weave) 형태로 직조하되, 경사와 위사의 교차각이 75°~ 85°가 되도록 제직할 수 있다.
본 발명의 구체예들에 따른 자기보강복합재 제조장치는 모노필라멘트를 압출 성형한 후 냉각 전에 유도코일 방식으로 가열하여 모노필라멘트의 배향도를 향상시킴으로써 고연신이 가능하며(17:1 이상의 연신비) 종전 대비 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 자기보강복합재의 기존 장점인 우수한 재활용성, 가격경쟁력, 가공성 및 복원력 등을 유지하면서도 그간 한계로 지적되던 강도를 향상시킬 수 있어 보다 우수한 품질의 자기보강복합재를 제조할 수 있다.
또한 제직부에서 경사와 위사의 교차각을 소정 정도 틀어진 형태로 제직함으로써 라미네이팅부를 거친 함침물에서의 변형에 의해 경사와 위사의 교차각이 대략 90°를 이루도록 보정되는 바, 탄성, 강도 등이 등방성 형태로 거동될 수 있어 보다 품질이 균일한 자기보강복합재를 형성할 수 있다.
도 1은 자기보강 복합재의 일 구체예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 자기보강복합재 제조장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 자기보강복합재 제조장치에서 섬유 보강재 공급부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 첨부된 도면에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 각 부재의 두께나 크기 등은 설명의 편의 등을 위해 과장, 생략, 개략적으로 도시될 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명 구조에 대한 설명에서 위치관계나 방향은 특별히 언급하지 않는 한, 본 명세서에 첨부된 도면을 기준으로 한다.
본 명세서에 기재된 본 발명 구조에 대한 설명에서 공간에 대한 설명이나 위치관계에 대한 설명은 본 발명을 이루는 구성요소들 간의 상대적인 위치를 의미한다. 또한 특별히 언급하지 않는 한, 하나의 구성요소와 다른 구성요소 사이의 공간에는 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다. 예를 들어 본 명세서에서 하나의 구성요소의 "상부에" 또는 "위에" 다른 구성요소가 위치함을 언급하는 경우, 하나의 구성요소의 바로 위에 다른 구성요소가 위치하는 경우뿐만 아니라, 하나의 구성요소와 다른 구성요소들 사이에 또 다른 구성요소가 위치하는 경우까지를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 자기보강복합재 제조장치(100)를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 자기보강복합재 제조장치(100)에서 섬유 보강재 제조부(110)의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면 자기보강복합재 제조장치(100)는 섬유 보강재 제조부(110), 섬유 보강재 공급부(120), 기지재 공급부(130), 라미네이팅부(140)를 포함한다.
섬유 보강재 제조부(110)는 섬유 보강재(10)를 제조한다. 섬유 보강재 공급부(120)는 섬유 보강재(10)를 라미네이팅부(140)로 공급한다. 기지재 공급부(130)는 기지재(20)를 라미네이팅부(140)로 공급한다. 섬유 보강재(10)와 기지재(20)는 섬유 보강재(10)가 상부에 위치한 채로 라미네이팅부(140)로 공급된다. 라미네이팅부(140)에서는 섬유 보강재(10)와 기지재(20)를 가열, 압착 및 냉각시킴으로써 자기보강복합재(1)를 제조한다.
각 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 섬유 보강재 제조부(110)를 개략적으로 도시하고 있다. 섬유 보강재 제조부(110)는 압출부, 유도코일부(113), 냉각부(114), 연신부(115) 및 제직부(116)를 포함한다.
압출부는 고분자 수지 원소재를 공급받아 모노필라멘트(mono filament)로 압출 성형한다. 압출부는 압출 다이(111)와 압출 다이(111)의 전방에 결합되어 복수의 모노필라멘트를 하방향으로 방사시키는 방사부(112)를 포함한다. 분자 수지 원소재는 압출 다이(111)에 투입되어 용융되고 방사부(112)를 거쳐 모노필라멘트 형태로 방사된다(대략 15500 Denier). 압출 다이(111)에는 복수의 실린더가 형성될 수 있다. 이 때 방사부(112)에 형성되는 복수의 실린더의 온도는 상이하게 세팅될 수 있다. 예를 들어 5EA의 실린더가 형성되어 있을 때, 각 실린더는 210℃, 230℃, 240℃, 250℃, 260℃를 갖도록 다른 온도로 세팅될 수 있다. 이와 같이 실린더의 온도를 다르게 세팅하는 것은 복수의 실린더가 압출 다이(111)에 배치되는 경우 히터와의 거리에 따라 실린더의 실제 온도가 달라질 수 있기 때문이다. 즉 복수의 실린더 중 어떤 실린더는 세팅 온도보다 높게 가열되고 다른 실린더는 세팅 온도보다 낮게 가열될 수 있다. 따라서 실린더의 위치에 따라 온도를 다르게 세팅함으로써 실린더들의 실제 가열 온도를 최적의 균일한 레벨로 맞출 수 있다. 방사부(112)에는 복수의 노즐이 형성되며, 방사부(112)로부터 복수의 모노필라멘트가 방사된다. 또한 압출 다이(111)와 방사부(112) 사이에는 스크린 체인저(미도시)가 설치될 수 있다. 스크린 체인저는 압출 다이(111)의 실린더로 공급된 고분자 수지 원소재에 포함되는 이물질이나 완전히 용융되지 않은 수지덩어리, 탄화된 수지 등과 같은 불순물을 걸러내는 스크린의 교체를 용이하게 하는 장치다. 스크린체인저의 망 교체시에는 최적 압출 온도인 255℃로 세팅이 이루어질 수 있다.
고분자 수지 원소재는 열가소성 수지를 비드(bead) 형태로 고화시킨 소재다. 열가소성 수지의 예로는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐, 폴리비닐아세테이트, 폴리스티렌 등이 있다. 일 구체예에 있어서 열가소성 수지는 녹는점이 대략 168℃인 호모폴리프로필렌이 바람직하다.
유도코일부(113)는 방사부(112) 하부에 마련된다. 유도코일부(113)는 고주파 유도가열 원리를 통해 방사부(112)로부터 방사되는 모노필라멘트를 가열한다. 고주파 유도가열 원리를 간략히 설명하면 전도체 소재로 형성되는 튜브 형의 피가열체의 외주면에 구리 등으로 형성된 코일을 권취하고, 코일에 고주파 전류를 흐르게 하면 피가열체에 유도된 전류에 의해 열이 발생한다. 이와 같은 고주파 유도가열 원리는 당업계에 잘 알려져 있다.
도 3의 좌측에 도시된 상면도를 참고하면 유도코일부(113)는 튜브 형의 피가열체(113a)와, 피가열체(113a)의 외주면에 권취되는 코일(113b)과, 피가열체(113a)의 내측에 배치되는 가열망(113c)을 포함한다. 피가열체(113a)는 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸 등의 소재로 형성될 수 있고, 코일(113b)은 구리 등의 소재로 형성될 수 있다. 피가열체(113a)는 코일(113b)에 의해 가열되어 방사부(112)로부터 방사되는 복수의 필라멘트를 가열한다. 가열망(113c)은 피가열체(113a)의 내측에 배치되며 메쉬(mesh) 형태를 갖는다. 가열망(113c)은 피가열체(113a)와 동일한 소재로 형성된다. 가열망(113c)은 피가열체(113a)로부터 전도된 열을 통해 방사부(112)로부터 방사되는 복수의 필라멘트를 가열한다. 가열망(113c)의 각 메쉬 격자는 방사부(112)의 노즐과 상응하도록 형성되어 방사되는 모노필라멘트가 가열망(113c)의 격자를 통과하도록 설계된다. 이에 따라 가열망(113c)은 복수의 모노필라멘트 사이에 촘촘히 배치되어 모노필라멘트들을 균일하게 가열할 수 있다. 만약 가열망(113c)이 없는 경우라면 피가열체(113a)와 상대적으로 근접한 위치로 방사되는 모노필라멘트가 그렇지 않은 모노필라멘트에 비해 가열되는 정도가 높아 복수의 모노필라멘트가 균일한 형태로 가열될 수 없다.
방사부(112)로부터 방사되는 모노필라멘트들은 반고화 상태에 있으며, 방사부(112)로부터 방사된 직후에는 모노필라멘트들의 분자 배열 상태가 규칙적으로 정렬되어 있다. 기존 장치들에서는 모노필라멘트가 냉각부로 투입되기 전에 외부에 노출되는 시간동안 상기 분자 배열 상태가 소정 정도 흐트러지게 되어 배향성이 저하되는 문제가 있다. 하지만 본 발명에 따른 자기보강복합재 제조장치에서는 유도코일부(113)를 통해 모노필라멘트들의 분자 배열 상태가 흐트러지는 것을 최대한 방지함으로써 보다 고배향성을 갖는 모노필라멘트를 제조할 수 있다. 이는 모노필라멘트의 연신성을 향상시켜 강도를 높이는데 기여한다. 더욱이 고주파 유도가열 방식을 채택하는 경우, 주파수를 조정함으로써 보다 정밀하게 온도를 제어할 수 있으며 전력소비량 역시 일반 히터 방식에 비해 낮으므로 경제적이다.
냉각부(114)는 유도코일부(113)를 통과한 모노필라멘트들을 공급받아 냉각시킨다. 냉각부(114)에서 모노필라멘트들의 분자 배열 상태가 고정된다. 냉각부(114)는 냉매가 담겨진 수조와, 수조 내부에 설치되어 모노필라멘트들을 전방으로 가이드하는 복수의 가이드 롤러를 포함한다. 냉매는 물과 에틸렌글리콜을 포함할 수 있다. 냉각부(114)에는 수조 내의 온도를 제어할 수 있는 온도제어수단이 마련될 수 있다. 예컨대 냉각부(114)에서는 수냉온도 25℃ 가량으로 모노필라멘트들을 습식 냉각할 수 있다.
연신부(115)는 냉각부(114)의 전방(하류 측)에 마련되어 냉각부(114)로부터 배출되는 모노필라멘트를 공급 받아 연신시킨다. 연신부(115)는 복수의 롤 연신기, 습식연신기 및 건식연신기를 포함할 수 있다. 롤 연신기는 복수의 상하로 배치된 롤러를 포함하며, 롤러들의 회전속도를 달리하여 모노필라멘트를 연신시킨다. 습식연신기는 산성 수용액(예컨대 붕산 수용액)을 수용하는 욕(浴)과 욕의 전후에 마련되어 모노필라멘트의 장력을 조절하는 장력조절기를 포함하여 이루어질 수 있다. 건식연식기는 열풍기 등을 포함하여 건조시킨 대기 중에서 모노필라멘트를 연신시킨다. 냉각부(114)로부터 배출되는 모노필라멘트는 복수의 연신기를 거치면서 고연신사로 연신될 수 있다. 특히 유도코일부(113)를 통과하여 모노필라멘트의 분자 배열 상태를 유지시킨 상태에서 바로 냉각하고 이어 연신을 수행함으로써 모노필라멘트를 고연신 시킬 수 있다. 이를 위해 냉각부(114)의 가이드 롤러와 냉각부(114)의 후단에 배치되는 롤 연신기의 롤러 속도를 조절하여 냉각부(114)에서 롤 연신기로 이동하면서 곧바로 1차 연신이 이루어지도록 한다. 일 구체예에 있어서 냉각부(114)로부터 배출되는 모노필라멘트는 1차 롤 연신기, 습식연신기, 2차 롤 연신기, 1차 건식연신기, 3차 롤 연신기, 2차 건식연신기, 4차 롤 연신기, 3차 건식연신기, 5차 롤 연신기를 거쳐 연신이 이루어질 수 있다. 이처럼 모노필라멘트를 습식연신한 후에 롤 연신 및 건식연신을 반복할 경우 고연신비를 갖는 모노필라멘트를 제조할 수 있다. 이 때, 연신은 연신기의 종류를 불문하고 MD(종방향)로 이루어질 수 있으며, 연신비는 17:1 이상의 고연신비를 가질 수 있다.
예를 들어 냉각부(114)의 가이드 롤러 및 1차 롤 연신기의 롤러의 속도를 달리 세팅하여 1차 연신이 이루어질 수 있다. 이 때 1차 연신 조건은 5.5m/min, 14545 데니어일 수 있다. 다음으로 습식연신기(수냉온도 100℃) 및 2차 롤 연신기를 통해 2차 연신이 이루어질 수 있다. 이 때 2차 연신 조건은 45m/min, 1778 데니어일 수 있다. 다음으로 1차 건식연신기(열풍온도 150℃) 및 3차 롤 연신기를 통해 3차 연신이 이루어질 수 있다. 이 때 3차 연신 조건은 70m/min, 1143 데니어일 수 있다. 다음으로 2차 건식연신기(열풍온도 160℃) 및 4차 롤 연신기를 통해 4차 연신이 이루어질 수 있다. 이 때 4차 연신 조건은 75m/min, 1070 데니어일 수 있다. 마지막으로 3차 건식연신기(열풍온도 210℃) 및 5차 롤 연신기를 통해 5차 연신이 이루어질 수 있다. 이 때 5차 연신 조건은 80m/min, 1000 데니어일 수 있다. 5차 연신은 최종 연신이므로 그동안 꾸준히 승온되어 오던 모노필라멘트가 5차 롤 연신기를 거치면서 냉각될 수 있도록, 5차 롤 연신기에는 다른 롤 연신기와는 달리 냉각수단이 설치될 수 있다. 본 발명에서는 이와 같이 5차에 걸친 연신을 수행하며 각 연신단계에서의 최적온도 및 연신속도 등의 공정 조건을 최적화 함으로써(차수가 진행될수록 연신속도 증가 및 온도의 점진적 상승을 통해 최종적으로 1000 데니어로 조정함), 17:1 이상의 고연신비를 갖도록 모노필라멘트를 배향시킬 수 있다.
제직부(116)는 연신부(115)의 전방(하류 측)에 마련되어 필라멘트를 직조하여 직물체를 형성한다. 이 때 제직부(116)는 필라멘트를 평직(plain weave) 형태로 직조하되, 경사(warp)와 위사(weft)의 교차각이 75°~ 85°가 되도록 제직할 수 있다. 이에 대해서는 이후에 보다 구체적으로 설명한다. 경우에 따라 제직부(116)는 필라멘트를 능직(twill weave), 수자직(satin weave) 등의 다른 형태로 제직할 수도 있다. 다만 설명의 편의를 위하여 이하에서는 제직부(116)에서 필라멘트를 평직 형태로 제직하는 경우를 중심으로 설명한다. 한편 도면에 도시되지는 않았으나 냉각부(114)와 연신부(115) 사이, 또는 연신부(115)와 제직부(116) 사이에 모노필라멘트를 집속시켜 멀티필라멘트를 형성하는 집속부가 배치될 수 있다. 집속부가 배치되는 경우 연신부(115) 및/또는 제직부(116)에서는 멀티필라멘트를 연신시키거나 제직시켜 직물체를 형성한다.
다시 도 2를 참조하면, 섬유 보강재 공급부(120)는 롤 바디 형태를 가지며 제직부(116)로부터 제직된 섬유 보강재(10)가 권취된다. 섬유 보강재 공급부(120)는 제1 방향으로 회전하여 섬유 보강재(10)를 라미네이팅부(140)로 공급한다.
또한 앞서 설명하였듯이 제직부(116)는 필라멘트를 평직(plain weave) 형태로 직조하되, 경사(warp)와 위사(weft)의 교차각이 75°~ 85°가 되도록 제직할 수 있다. 여기에서 교차각이란 도 2의 좌측 확대도에 도시되듯이 경사(11)와 위사(12)가 1:1의 평직으로 제직될 때 경사(11)와 위사(12)가 이루는 각도 α를 의미한다. 일반적으로 평직(plain weave)에서는 경사(11)와 위사(12)의 교차각이 대략 90°를 이룬다. 이 경우 종방향이나 횡방향 모두에서 탄성, 강도 등이 등방성 형태로 거동하기 때문이다. 그런데 본 발명에서와 같이 섬유 보강재(10)와 기지재(20)를 가열, 압착 및 냉각시켜 함침물을 형성하여 자기보강복합재를 제조하는 과정에서 경사(11)와 위사(12)가 이루는 각도에 변화가 생길 가능성이 높다. 공정이 진행되는 동안 섬유 보강재(10)에 열과 압력이 2 이상의 방향으로 가해지기 때문이다. 따라서 완성된 자기보강복합재(1)에서의 경사(11)와 위사(12)의 교차각이 틀어지는 경우가 많아, 탄성, 강도 등이 이방성 형태로 거동하는 경우가 많았다. 하지만 본 발명에서와 같이 제직부(116)에서 미리 경사와 위사의 교차각을 소정 정도 틀어진 형태로 제직하는 경우, 라미네이팅부(140)를 거친 후의 함침물에서 경사와 위사의 교차각이 대략 90°를 이루도록 보정된다(도 2의 우측 확대도의 각도 β). 따라서 보다 품질이 균일한 자기보강복합재(1)를 형성할 수 있다.
기지재 공급부(130)는 롤 바디 형태를 가지며 기지재(20)가 권취된다. 기지재 공급부(130)는 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 회전하여 기지재(20)를 라미네이팅부(140)로 공급한다. 기지재는 열가소성 수지 필름일 수 있다. 열가소성 수지의 예로는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐, 폴리비닐아세테이트, 폴리스티렌 등이 있다. 일 구체예에 있어서 기지재는 녹는점이 대략 129℃인 에틸렌 공중합 폴리프로필렌을 원료로 제작된 무연신 필름이 바람직하다.
섬유 보강재(10)와 기지재(20)는 라미네이팅부(140)로 공급된다. 섬유 보강재(10)가 상부에 배치되고 기지재(20)는 하부에 배치된다.
라미네이팅부(140)는 제1 벨트부(141), 제2 벨트부(142), 히팅부(143a~143d), 프레스부(144), 냉각부(145)를 포함한다.
제1 벨트부(141)는 제1 방향으로 무한궤도(캐터필러)를 형성하며 회전하는 금속소재를 포함한다. 금속소재의 예로는 스테인리스 스틸이 있다.
제2 벨트부(142)는 제1 방향과 정반대되는 제2 방향으로 무한궤도(캐터필러)를 형성하며 회전하는 금속소재를 포함한다. 금속소재의 예로는 스테인리스 스틸이 있다.
제1 벨트부(141)가 상부에 배치되고 제2 벨트부(142)는 하부에 배치된다. 제1 벨트부(141)의 하부와 제2 벨트부(142)의 상부는 소정 간격을 두어 섬유 보강재(10)와 기지재(20)의 적층체가 제1,2 벨트부(141,142)에 의해 하류 측으로 이송될 수 있도록 한다. 제1 벨트부(141)와 제2 벨트부(142)는 섬유 보강재(10) 및 기지재(20)를 압착하면서 이송하도록 구성된다. 예를 들어 제2 벨트부(142)를 기준으로 제1 벨트부(141)의 장력 등이 변화하여 섬유 보강재(10) 및 기지재(20)에 하중을 가하는 방식으로 압착이 이루어질 수 있다. 이를 위해 제1,2 벨트부(141,142)는 장력 조정 수단을 더 포함할 수 있다. 이는 압착을 위함이며 나아가 장치의 구동 과정에서 열에 의해 열수축 등의 현상이 일어날 수 있어, 장력 등을 재조정할 필요가 있기 때문이다.
제2 벨트부(142)는 제1 벨트부(141)의 길이보다 긴 길이를 갖도록 형성된다. 이에 따라 제2 벨트부(142)에서 기지재(20)를 먼저 공급 받고, 이후 섬유 보강재(10)가 적층되는 형태로 공급될 수 있다.
히팅부(143a~143d)는 제1 벨트부(141) 및 제2 벨트부(142)의 내측에 복수개가 각각 설치된다. 예를 들어 히팅부(143a~143d)는 도 2에서와 같이 4 세트가 설치될 수 있다. 이 때 각 히팅부의 온도는 서로 다르게 설정된다. 예를 들어 도 2를 기준으로 상류측에서 하류측으로 제1 히팅부(143a), 제2 히팅부(143b), 제3 히팅부(143c), 제4 히팅부(143d)가 설치된 경우를 가정한다. 이 때 제1 히팅부(143a)의 온도가 가장 높고, 제4 히팅부(143d)의 온도가 가장 낮도록 설정되어 온도 구배를 가질 수 있다. 예를 들어 섬유 보강재(10)의 녹는점이 대략 168℃이고 기지재(20)의 녹는점이 대략 129℃일 때, 제1 히팅부(143a)의 온도는 160℃ 가량, 제2 히팅부(143b)의 온도는 120℃ 가량, 제3 히팅부(143c)의 온도는 80℃ 가량, 제4 히팅부(143d)의 온도는 50℃ 가량이 될 수 있다. 따라서 제1 히팅부(143a)를 거치면서 기지재(20)가 용융되어 섬유 보강재(10)가 함침될 수 있고 하류로 이동하면서 기지재(20)가 점차 고화되며 자기보강복합재가 제조될 수 있다. 또한 라미네이팅부(140)는 복수 단위의 섬유 보강재(10)를 공급받아 적층시키는 방식으로 여러 겹의 섬유 보강재(10)가 겹쳐진 형태의 자기보강복합재를 제조할 수도 있다.
일 구체예에 있어서 히팅부(143a~143d)는 섬유 보강재 제조부(110)의 유도코일부(113)와 마찬가지로 고주파 유도가열 원리를 통해 열을 발생시킬 수 있다. 예를 들어 히팅부(143a~143d)는 제1 벨트부(141) 및 제2 벨트부(142)의 내측에 설치되어 마주하는 한 쌍의 유도코일 히터(유도코일 히터는 앞서 설명한 유도코일부(113)와 유사)가 하나의 세트를 이루도록 구성될 수 있다. 이 때 제1 벨트부(141)에 설치된 유도코일 히터와 제2 벨트부(142)에 설치된 유도코일 히터에는 양측에 접점이 마련되어 있어, 이들이 상호 근접하면 상기 접점이 연결되어 하나의 코일로 연결되는 방식을 취할 수 있다. 히팅부(143a~143d)로 고주파 유도가열 방식의 유도코일 히터를 사용하는 경우에는 주파수를 조정함으로써 보다 정밀하게 온도를 제어할 수 있으며 전력소비량 역시 일반 히터 방식에 비해 낮으므로 경제적이다.
한편, 제2 벨트부(142)의 상류측 내측에는 기지재(20)를 공급받아 예열시키는 예열히터(142a)가 설치될 수 있다. 예열히터(142a)는 기지재(20)가 히팅부(143a)로 진입하기 전에 기지재(20)를 예열시킨다. 예컨대 기지재(20)의 녹는점이 대략 129℃일 때 예열히터(142a)는 100℃ 가량으로 가열되어 기지재(20)를 예열시킬 수 있다. 이 경우 히팅부(143a)에서의 기지재(20)의 용융이 보다 원활하게 이루어지므로 공정시간을 단축시킬 수 있다.
프레스부(144)는 히팅부(143a~143d) 하류 측에 마련되고 제1 벨트부(141) 및 제2 벨트부(142) 내측에 각각 설치되어 함침물을 압착시킨다. 예컨대 프레스부(144)는 한 쌍의 압착 롤러를 구비하고 히팅부(143a~143d)에서 이송되는 함침물을 상하 방향에서 가압하여 압착시킬 수 있다.
냉각부(145)는 프레스부(144) 하류 측에 마련되어 함침물을 가압 및 냉각시킨다. 냉각부(145) 내부에는 냉각수가 공급되는 복수의 가압롤러가 구비되고, 이들 가압롤러로 함침물을 가압함으로써 함침물을 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따른 자기보강복합재 제조장치(100)는 유리섬유 공급부(131)를 더 포함할 수 있다. 유리섬유 공급부(131)는 기지재 공급부(130)와 제2 벨트부(142)의 전단측 사이에 마련되어 기지재(20)의 표면을 향해 유리섬유를 분사시킨다. 유리섬유는 기지재(20)에 분산되어 이후 함침물이 제조되었을 때 함침물의 강도를 높이는 데 기여할 수 있다. 유리섬유는 단섬유 형태를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 7mm 미만의 길이를 가질 수 있다. 유리섬유는 기지재(20)의 총 중량을 기준으로 10~15wt% 가량이 공급될 수 있다.
본 발명은 상술한 것과 같은 본 발명의 구체예들에 따른 자기보강복합재 제조장치(100)에 의해 제조되는 자기보강복합재를 추가적으로 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 자기보강복합재 제조장치(100)에 의해 제조되는 자기보강복합재는 섬유보강재를 이루는 모노필라멘트의 배향성이 종전 대비 높으므로 고연신이 가능하며 제조된 자기보강복합재의 강성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 구체예들에 따른 자기보강복합재 제조장치(100)에 의해 제조되는 자기보강복합재는 자동차 부품, 헬멧이나 앵클보호대와 같은 보호장비, 드론과 같은 무인비행기/항공기, 테니스 라켓 등을 포함하는 스포츠용품, 여행용 캐리어백 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다. 예를 들어 자기보강복합재가 적용될 수 있는 자동차 부품으로는 차량 에어백에 사용되는 크래시패드, 차량용 배터리 케읏, 범퍼 케이스, 언더커버, 그 외 각종 자동차 패널 등이 있다. 특히 본 발명에 따른 자기보강복합재는 재활용성, 가공성 등의 자기보강복합재의 특성을 보존하면서도 강도를 향상시켜 품질을 높였으므로 친환경/경량화 이슈가 있는 모든 제품군에 활용될 수 있다.
이상, 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.
100: 자기보강복합재 제조장치
110: 섬유 보강재 제조부
120: 섬유 보강재 공급부
130: 기지재 공급부
140: 라미네이팅부
10: 섬유 보강재
20: 기지재

Claims (6)

  1. 고분자 수지 원소재로 직물 형태의 섬유 보강재를 제조하는 섬유 보강재 제조부;
    상기 섬유 보강재를 하류로 공급하는 섬유 보강재 공급부;
    고분자 수지 필름을 기지재로 하여 하류로 공급하는 기지재 공급부; 및
    공급된 섬유 보강재와 기지재를 라미네이팅하여 자기보강복합재를 제조하는 라미네이팅부를 포함하고,
    상기 섬유 보강재 제조부는,
    원소재를 공급받아 모노필라멘트로 압출 성형하는 압출부;
    압출부로부터 성형되어 배출되는 모노필라멘트를 가열시키는 유도코일부;
    유도코일부를 거친 모노필라멘트를 냉각시키는 냉각부;
    냉각부로부터 필라멘트를 공급받아 복수 회 연신시키는 연신부; 및
    연신부로부터 공급된 필라멘트를 직조하여 직물체를 형성하는 제직부를 포함하고,
    상기 유도코일부는,
    튜브 형의 피가열체와, 피가열체의 외주면에 권취되는 코일과, 피가열체 내측에 배치되고 메쉬(mesh) 형태를 갖는 가열망을 포함하고, 모노필라멘트가 가열망의 격자를 통과함으로써 복수의 모노필라멘트가 균일하게 가열되는 자기보강복합재 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유 보강재 제조부는 상기 냉각부와 연신부 사이 또는 연신부와 제직부 사이에 배치되고, 모노필라멘트를 집속시켜 멀티필라멘트를 형성하는 집속부를 더 포함하는 자기보강복합재 제조장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 라미네이팅부는,
    제1 방향으로 무한궤도를 형성하며 회전하는 금속소재의 제1 벨트부;
    제1 방향과 정반대되는 제2 방향으로 무한궤도를 형성하며 회전하고, 제1 벨트부 하부에 배치되어 제1 벨트부와 함께 섬유 보강재 및 기지재를 압착 이송하는 제2 벨트부;
    제1 벨트부 및 제2 벨트부의 내측에 각각 설치되고 서로 다른 온도로 가열되어 섬유 보강재를 기지재에 함침시키는 복수의 히팅부;
    히팅부 하류 측에 마련되고 제1 벨트부 및 제2 벨트부의 내측에 각각 설치되어 함침물을 압착하는 프레스부; 및
    프레스부 하류 측에 마련되어 함침물을 가압 및 냉각시키는 냉각부를 포함하는 자기보강복합재 제조장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제2 벨트부는 제1 벨트부의 길이보다 긴 길이를 가지며, 제2 벨트부의 상류측 내측에는 기지재를 공급받아 예열시키는 예열히터가 설치되는 자기보강복합재 제조장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유 보강재 제조부의 제직부에서는 필라멘트를 평직(plain weave) 형태로 직조하되, 경사와 위사의 교차각이 75°~ 85°가 되도록 제직하는 자기보강복합재 제조장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 자기보강복합재 제조장치에 의해 제조되는 자기보강복합재.
KR1020180136717A 2018-11-08 2018-11-08 자기보강복합재 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 자기보강복합재 KR102162644B1 (ko)

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