KR102206334B1

KR102206334B1 - 보유 내구성 강화에 기인한 다목적 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법과 탄소섬유 복합재 자동화 가공시스템

Info

Publication number: KR102206334B1
Application number: KR1020200057657A
Authority: KR
Inventors: 강진석
Original assignee: (주)이지종합건축자재
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-01-22

Abstract

본 발명은 탄소섬유의 특성상 낮은 내구성으로 인해 적층 구조 설비에 한계가 있던 기존의 기술사상에서 벗어나 에폭시 수지를 함침하여 자체적인 물성을 개선할 뿐 아니라 표면으로 테프론 수지를 추가 코팅함으로써 내구성 향상에 적극 기여하는바, 적층 구조 설비의 안전성과 작업의 효율성 그리고 건설 관련 업계의 발전 등을 극대화 유도하는 보유 내구성 강화에 기인한 다목적 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법과 제조를 위한 자동화 시스템에 관한 것으로, 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 탄소섬유를 투입한 후 설정 범위의 압력을 유지하면서 함침시키는 탄소섬유 함침단계(S100); 및 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유 표면에 테프론 수지를 프라이머 코팅하는 탄소섬유 표면처리단계(S200);를 순차 거침으로써 이루어진다.

Description

보유 내구성 강화에 기인한 다목적 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법과 탄소섬유 복합재 자동화 가공시스템{Mhethod for manufacturing the carbon fiber composite}

본 발명은 기존 대비 고기능성이 요구되는 항공기 동체, 자동차 산업의 전기차 배터리, 수소차 연료탱크 등에 적용되는 탄소섬유 복합재의 제조방법에 관하여 개진되고, 더욱 상세하게는 탄소섬유의 특성상 낮은 내구성으로 인해 적층 구조 설비에 한계가 있던 기존의 기술사상에서 벗어나 에폭시 수지를 함침하여 자체적인 물성을 개선할 뿐 아니라 표면으로 테프론 수지를 추가 코팅함으로써 내구성 향상에 적극 기여하는바, 적층 구조 설비의 안전성과 작업의 효율성 그리고 건설 관련 업계의 발전 등을 극대화 유도하는 보유 내구성 강화에 기인한 다목적 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법과 제조를 위한 자동화 시스템에 관한 것이다.

통상적으로 탄소섬유는 인장강도, 탄성율, 경량성, 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등 기존 소재와 비교할 수 없을 정도의 기능을 발현함에 따라 다양한 분야에서 해당 소재를 적용하기 위해 많은 기술 개발이 이루어지고 있는 추세이다.

이러한 탄소섬유는 최근 10년간 국내외 항공, 자동차, 우주, 풍력발전, 의료, 스포츠, 전기전자를 비롯하여 환경문제를 개선하기 위한 사업 및 해당 산업 전반에서 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히 기존 대비 고기능성을 요구하는 항공기 동체나 전기차 배터리, 수소차 연료탱크 제작 업계에서는 이미 에너지 효율을 극대화시키는 등 괄목할만한 성장을 이루었으며, 이를 계기로 점차 지속적인 발전이 기대되고 있다.

한편, 상기 탄소섬유는 건축업계에서 건축재료로도 적극 활용되고 있으며, 우수한 기능을 인정받아 가설구조재로도 사용되었다. 하지만, 가설구조재를 탄소섬유로 채택한 구조물이 전도되는 현상이 빈번하게 발생하였고, 이러한 현상은 가설구조재로 사용된 탄소섬유의 낮은 내구성이 그 원인으로 밝혀져 이를 보완하기 위한 각고의 노력이 이루어지고 있다.

일례로 공개특허공보 특1994-0026952호 "고밀도 탄소섬유강화 탄소복합재의 제조방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 탄소섬유에 황을 용융 함침한 후 불활성 분위기 조건하에서 열처리와 성형, 탄화처리를 순차 진행함으로써 탄소섬유의 자체적인 물성을 변화시켜 고밀도의 탄소섬유 복합재를 획득한다.

다른 일례로 공개특허공보 제10-2014-0180798호 "고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 탄소섬유에 사이징제를 부여한 후 탄소섬유 와인딩 이전에 섬유를 가열 및 가압하여 사폭의 확대와 균일성을 향상시킴으로써 탄소섬유 복합재료 내부에 탄소섬유 및 수지가 고르게 배치되고 내부결함이 감소하여 고강도 탄소섬유 복합재료를 획득한다.

또 다른 일례로 공개특허공보 특1993-0030592호 "탄소섬유강화 탄소복합재료용 내산화 코팅막 형성방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 열경화성 수지와 보론제 분말로 이루어지는 코팅액을 50-300psi, 100-200℃의 조건으로 가압 및 경화하여 형태를 안정시킨 후 비산화성 기체 분위기에서 분당 10-60℃의 승온속도로 1000-1500℃까지 탄화시켜 내구성이 향상된 탄소복합재료를 획득한다.

상기와 같이 탄소섬유의 부족한 성능을 보완하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 그 중에서도 공개특허공보 제10-2014-0180798호 "고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법"은 본 발명의 목적과 동일하게 탄소섬유의 낮은 내구성을 문제삼아 이를 해결하기 위한 기술을 제안하고 있다. 해당 기술은 탄소섬유를 제조하는 과정에서 탄소섬유의 자체 물성이 불안정해져 내구성이 저하됨에 따라 탄소섬유의 와인딩 전 섬유를 가열 및 가압함으로써 탄소섬유 및 수지의 고른 배치 유도 및 내부결함을 감소시켜 불안정해진 자체 물성을 바로 잡아 이러한 문제를 해결하였으나, 실질적으로 가공과정에서 저하된 탄소섬유의 자체 내구성을 최초의 상태로 원복시킨 수준에 지나지 않아 가설구조재로써의 사용은 불가능한 기술이다.

이러한 이유로 기존의 탄소섬유 복합재 대비 내구성이 매우 뛰어나 건축자재인 가설구조재로의 적용이 가능한 수준의 탄소섬유 복합재를 제조할 수 있는 혁신적인 기술이 요구되고 있다.

대한민국공개특허공보 특1994-0026952호 "고밀도 탄소섬유강화 탄소복합재의 제조방법" 대한민국공개특허공보 제10-2014-0180798호 "고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법" 대한민국공개특허공보 특1993-0030592호 "탄소섬유강화 탄소복합재료용 내산화 코팅막 형성방법"

본 발명은 상기의 제반 문제점을 보다 적극적으로 해소하기 위하여 창출된 것으로, 적층 구조물의 누적 하중을 견딜 수준의 내구성이 적극 향상된 탄소섬유 복합재의 제조기술을 제공하는 것이 해결하고자 하는 과제이다.

상기의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제안하는 탄소섬유 복합재의 제조방법의 구성은 다음과 같다.

본 발명의 탄소섬유 복합재는 탄소섬유를 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 함침시키는 탄소섬유 함침단계(S100);와, 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유의 표면에 테프론 수지를 프라이머 코팅하는 탄소섬유 표면처리단계(S200);로 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소섬유 함침단계(S100)는 상기 탄소섬유를 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 물성 개선을 유도하는 함침 전처리단계(S110);와, 상기 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유를 원심분리하여 잔여 수지를 제거하는 함침 후처리단계(S120);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 함침 전처리단계(S110)는 상기 탄소섬유를 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하는 함침 1차 전처리단계(S111);와, 불순물을 제거한 탄소섬유를 수지탱크에 투입하고, 압력을 가하여 에폭시 수지를 함침시키는 함침 2차 전처리단계(S112);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 함침 후처리단계(S120)는 1차 전처리된 탄소섬유를 원심분리하여 잔여 수지를 제거하는 함침 1차 후처리단계(S121);와, 원심분리된 탄소섬유의 표면을 세척 후 190 내지 200℃의 온도 조건에서 건조하는 함침 2차 후처리단계(S122);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소섬유 함침단계(S100)는 탄소섬유 29 내지 30 중량%와, 에폭시 수지 70 내지 71 중량%의 성분비로 가공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소섬유 표면처리단계(S200)는 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유 표면에 테프론 수지를 도포하는 표면 전처리단계(S210);와, 표면이 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 표면 후처리단계(S220);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표면 전처리단계(S210)는 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유를 탈지 및 탈수한 후 센딩하는 표면 1차 전처리단계(S211);와, 1차 전처리된 탄소섬유의 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하여 코팅막을 형성하는 표면 2차 전처리단계(S212);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표면 후처리단계(S220)는 테프론 수지가 도포된 탄소섬유를 75 내지 80℃의 온도 조건하에서 15 내지 20분간 열처리한 후 테프론 수지를 재도포하여 2중 코팅막을 형성시키는 표면 1차 후처리단계(S221);와, 1차 후처리된 탄소섬유를 190 내지 200℃의 온도 조건하에서 15 내지 20분간 열처리하는 표면 2차 후처리단계(S222);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명이 제안하는 탄소섬유 복합재 자동화 가공시스템은 탄소섬유 내지 프리폼 내지 중간재의 교차 투입이 이루어져 실린더나 파이프의 형상 구현이 실시되되, 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 편조기(braiding machine) 또는 4축을 기반으로 연동 제어하여 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 권선기(Winding machine) 중 어느 하나를 택일하여 실시되는 형상처리 공정부(S10);와, 기설정 형상으로 제조된 탄소섬유 성형물을 초음파 또는 워터젯에 기반하여 재단 처리하는 커팅 공정부(S20);와, 커팅에 의해 규격화된 탄소섬유 성형물을 진공 상태에서 속 경화 처리하는 건조 공정부(S30);와, 실리콘 내지 에폭시 중 어느 하나로 후 표면 처리하는 함침 공정부(S40);로 구성되고, 상기 각 공정부 간 컨베이어 벨트와 로봇으로 연결되어 상호 연동 제어되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 기존의 가설구조재인 구조용 탄소강에 비해 건축물 내력벽(기둥, 보, 벽체 등)의 인장강도와 인장탄성율 그리고 내진, 내풍, 내열 등의 내구성이 적극 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존 공법 대비 3배 이상 높은 안정성을 확보하여 내진, 내화, 내풍과 내화학성, 내부식성이 향상됨에 따라 지진, 태풍, 화재와 같은 외력에 의한 물리적 변형과 물성변화에 대해 보호하고, 구조물에 가해지는 스트레스 환경을 원천 차단하여 건축물의 컨디션을 영구 유지할 수 있는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존 공법 대비 1/3 이상의 자재 절감효과로 공사기간의 단축과 자재의 중량 감소 효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 설비의 난이도가 대폭 하향되어 작업의 피로도를 줄일 수 있고 인력과 장비 사용량의 축소로 시공비를 절감할 수 있는 또 다른 이점이 있다.

또한, 본 발명은 가설구조재가 탄소섬유 복합재로 이루어져 반영구적인 사용이 가능하여 기존 콘크리트의 균열 및 파손으로 인한 별도의 보강 설비가 필요치 않으며, 건축물의 사용 연한을 대폭 증가시킬 수 있는 또 다른 효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 관한 것으로 탄소섬유 복합재의 제조방법을 가공 순서별로 나열한 플로차트.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 탄소섬유 복합재의 제조공정을 정면도로 나타낸 레이아웃.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 형상처리 공정부의 편조기를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 형상처리 공정부의 권선기를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 커팅 공정부의 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 건조 공정부의 사시도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 함침 공정부의 사시도.

이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 이로 인한 작용, 효과에 대해 일괄적으로 기술하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그리고 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명은 기존 대비 고기능성이 요구되는 항공기 동체, 자동차 산업의 전기차 배터리, 수소차 연료탱크 등에 적용되는 탄소섬유 복합재의 제조방법에 관한 것이다.

무엇보다, 본 발명은 탄소섬유의 특성상 낮은 내구성으로 인해 적층 구조 설비에 한계가 있던 기존의 기술에서 벗어나, 탄소섬유에 에폭시 수지를 함침하여 자체적인 물성을 개선하면서 더불어 표면에 테프론 수지를 더 코팅하여 내구성을 적극 보완함으로써 적층 구조 설비의 안전성과 작업의 효율성 그리고 건설 관련 업계의 발전에 기여할 수 있는 탄소섬유 복합재의 제조방법에 관련됨을 주지한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 관한 것으로 탄소섬유 복합재의 제조방법을 가공 순서별로 나열한 플로차트이다.

일반적으로 탄소섬유는 인장강도와 탄성율 및 경량성, 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등의 우수한 성능으로 여러 분야에서 다양한 방식으로 사용되고 있다. 한편, 건축업계에서도 탄소섬유를 건축자재로 채택하여 다방면으로 사용되고 있으며, 그 중에서 건축물의 뼈대를 보완하는 가설구조재로 사용되고 있다.

하지만, 가설구조재로 사용된 탄소섬유는 적층 구조물의 누적 하중을 견디지 못하고, 휨 모멘트의 한계 허용치를 초과하여 구조물이 전도되는 현상이 빈번하게 발생하였다.

이에 따라 본 발명에서는 가설구조재로 사용 가능할 수준의 내구성을 지닌 탄소섬유 복합재의 제조방법을 제안하고자 하는 바이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 탄소섬유 복합재는 탄소섬유를 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 함침시키는 탄소섬유 함침단계(S100);와, 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유의 표면에 테프론 수지를 프라이머 코팅하는 탄소섬유 표면처리단계(S200);로 제조된다.

아래 표 1은 본 발명에 대해 원활한 이해를 돕고자 탄소섬유 복합재의 제조방법을 간단하게 나타낸 것이다.

구분	원료	성형조건				물성 개선
		전처리		후처리
		1차	2차	1차	2차
함침	에폭시 수지	진공 작업 탈지/탈수	수지탱크 투입(가압)	원심분리	세척/건조	절연 점착 내충격성
표면 처리	테프론 수지	탈지/탈수 후 센딩	테프론 프라이머 코팅	열처리 (80℃) 후 투코팅	열처리 (300℃)	절연 내화학성 비점착

<탄소섬유 복합재를 구성하기 위한 공정표>

상기 표 1을 바탕으로 설명하면, 탄소섬유 함침단계(S100)는 탄소섬유에 에폭시 수지를 함침시키는 공정을 의미하며, 특히 상기 탄소섬유를 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 물성 개선을 유도하는 함침 전처리단계(S110)와, 상기 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유를 원심분리하여 잔여 수지를 제거하는 함침 후처리단계(S120)로 구분된 공정을 거쳐 이루어진다.

여기에서 상기 함침 전처리단계(S110)는 탄소섬유를 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하는 함침 1차 전처리단계(S111)와, 불순물을 제거한 탄소섬유를 수지탱크에 투입하고, 압력을 가하여 에폭시 수지를 함침시키는 함침 2차 전처리단계(S112)로 구분된다.

상기 함침 1차 전처리단계(S111)는 탄소섬유의 표면을 세척하는 공정을 말하며, 탄소섬유에 잔류하는 이물질이나 가스 등을 제거하여 에폭시 수지의 함침을 원활하게 하면서 우수한 품질의 제품을 생산하기 위한 초석을 다지기 위한 준비과정이다.

상기 함침 1차 전처리단계(S111)는 탄소섬유를 가공하는 과정에서 발생한 기름기를 제거하기 위한 공정으로 에탄올을 이용한 기화방식 및 계면활성제를 이용한 약품방식으로 탈지하고, 탈지가 완료된 탄소섬유는 표면에 잔류한 에탄올이나 계면활성제를 제거하기 위해 다시 고압의 에어를 분사하여 탈수한다.

그리고 상기와 같이 탈지와 탈수는 약 25 내지 30분간 진행하여야 하며, 그 이유로는 직조된 탄소섬유는 표면을 약 50 내지 70℃로 예열하는 과정을 거치는데 이과정에서 사용된 에탄올이나 계면활성제로부터 기포가 형성되어 우수한 품질의 탄소섬유 복합재를 가공할 수가 없기 때문에 상기 탈지와 탈수의 조건은 매우 중요한 요인 중 하나이다.

더불어 상기 탈지와 탈수를 실시하는 모든 공정은 진공조건의 환경에서 이루어짐에 따라 세척 후 탄소섬유의 표면에 공기중에 포함된 미세먼지가 흡착되는 경우를 원천 차단한다.

예컨대 함침 1차 전처리단계(S111)에서 탈지방식과 탈수방식은 본 발명의 설명을 위한 일 실시예일 뿐 이에 한정하는 것은 아니며, 탄소섬유의 표면을 청결하게 유지할 수 있는 모든 탈지, 탈수 방식이 적용됨은 당연하다 할 것이다.

상기 함침 2차 전처리단계(S112)는 표면이 세척된 탄소섬유를 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 투입하고, 적절한 압력을 가하여 탄소섬유에 에폭시 수지가 함침되게 하는 공정이다.

상기 함침 후처리단계(S120)는 1차 전처리된 탄소섬유를 원심분리하여 잔여 수지를 제거하는 함침 1차 후처리단계(S121)와, 원심분리된 탄소섬유의 표면을 세척 후 190 내지 200℃의 온도 조건에서 건조하는 함침 2차 후처리단계(S122)로 구분된다.

상기와 같이 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유 복합재는 절연성, 점착성, 내충격성의 물성이 적극적으로 개선되어 기존 탄소섬유에 비해 가설구조재로써의 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

한편, 상기 함침 전처리단계(S110)는 탄소섬유 29 내지 30 중량%와, 에폭시 수지 70 내지 71 중량%의 성분비로 가공하는 것이 바람직하다. 예컨대 상기 성분비에 비해 에폭시 수지의 첨가량이 초과할 경우 탄소섬유가 가진 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등의 성능이 저하될 수 있고, 상기 성분비에 비해 에폭시 수지의 첨가량이 미달할 경우 에폭시 수지가 가진 내열성, 전기절연성, 접착성 등의 성능이 저하됨과 더불어 실질적으로 탄소섬유와의 함침이 어려워진다.

상기 탄소섬유 표면처리단계(S200)는 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유 표면에 테프론 수지를 도포하는 표면 전처리단계(S210)와, 표면이 코팅된 탄소섬유를 열처리하는 표면 후처리단계(S220)를 거쳐 진행된다.

여기에서 상기 표면 전처리단계(S210)는 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유를 탈지 및 탈수한 후 센딩하는 표면 1차 전처리단계(S211)와, 1차 전처리된 탄소섬유의 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하여 코팅막을 형성하는 표면 2차 전처리단계(S212)로 구분된다.

상기 표면 1차 전처리단계(S211)는 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유의 표면에 잔류하는 이물질들을 다시한번 제거하는 공정으로써 상기 함침 1차 전처리단계(S111)과 같이 에탄올을 이용한 기화방식 및 계면활성제를 이용한 약품방식으로 탈지하고, 탈지가 완료된 탄소섬유는 표면에 잔류한 에탄올이나 계면활성제를 제거하기 위해 다시 고압의 에어를 분사하여 탈수한다. 특히, 상기 표면 1차 전처리단계(S211)는 표면에 테프론 수지가 더욱 잘 흡착되어 완벽한 코팅이 이루어질 수 있도록 샌딩가공을 추가한다.

상기 표면 2차 전처리단계(S212)는 샌딩이 완료된 탄소섬유의 전면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 공정으로 약 0.5 내지 1mm의 두께로 균일하게 분사하는 것이 바람직하다.

상기 표면 후처리단계(S220)는 테프론 수지가 도포된 탄소섬유를 75 내지 80℃의 온도 조건하에서 15 내지 20분간 열처리한 후 테프론 수지를 재도포하여 2중 코팅막을 형성시키는 표면 1차 후처리단계(S221)와, 1차 후처리된 탄소섬유를 190 내지 200℃의 온도 조건하에서 15 내지 20분간 열처리하는 표면 2차 후처리단계(S222)로 구분되어 이루어진다.

상기와 같이 테프론 수지가 코팅된 탄소섬유 복합재는 내열성, 내화학성, 비점착 등의 물성이 적극적으로 개선되어 기존 탄소섬유에 비해 가설구조재로써의 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

한편, 본 발명의 탄소섬유 복합재는 사용처에 따라 에폭시 수지만 함침하여 제조되거나, 테프론 수지만 코팅하여 제조되거나, 에폭시 수지의 함침과 테프론 수지의 코팅을 모두 적용하여 제조 가능하기 때문에 인장강도, 탄성률, 내구성 등의 자체 성능이 선택적으로 보완 가능하여 구조적 안정성이 상승됨에 따라 자재비의 절감이 도모되는 바 각종 비용 절감에 따른 우수한 이점이 있다.

상기와 같은 공정을 순차 거쳐 제조된 탄소섬유 복합재는 다음과 같은 실험을 실시하여 그 성능을 측정하였다.

- 허용하중 구조해석 테스트(구조용 탄소강관)

(단관파이프)

<압력분포 및 전단력 발생포인트> <휨 모멘트 발생 포인트>

(시스템동바리)

<압력분포 및 전단력 발생포인트> <휨 모멘트 발생 포인트>

- 휨 모멘트 구조해석

a)하중 W를 가할 때 A는 우측으로 수평하중(H)

b)풍하중 - 바람이 부는 방향으로 수평하중

㉠㉡

휨 모멘트(M) - ㉠과 같은 풍하중(H)과 압력(P)으로 인해 ㉡과 같은 힘을 받는다.

아래 표 2는 실시예 1과 실시예 2의 실험을 통해 본 발명의 탄소섬유 복합재의 성능 결과를 기존의 구조용 탄소강과 비교한 것이다.

구 분			구조용 탄소강	탄소복합재	효율
효율성 (성능)	중량		7.89	1.97	405%
	강도		300	3500	1.166%
	탄성		80	220	275%
	내구성	내진	진도 6-	진도 8+	3,200%
		내풍	30	80	266%
		내열	800	3,000	375%
경제성	제조	원료	1	3	33.3%
	제조	운전	2	1	200%
	물류관리		3	2	150%
	유통		3	2	150%
	설계	구조	2	1	200%
	설계	디자인	2	1	200%
	시공	인건	5	1	500%
		자재	3	1	300%
		장비	3	1	300%
친환경성	에너지 절감		2	1	200%
	재활용성		1	3	300%
	후처리		3	1	33.3%
	폐기물		2	1	200%

<제품에 따른 효율성/경제성/친환경성 비교표>

아래 표 3은 상기 비교표를 바탕으로 측정 값을 그래프로 나타낸 것이다.

<일반 구조용탄소강과 본 발명이 제안하는 탄소복합재의 성능 비교 그래프>

아래 표 4는 일반적인 구조용 탄소강과 본 발명의 탄소복합재의 자체 성능을 측정하고, 이를 비교하여 분석한 것이다.

구분	인장 강도 (MPa)	탄성률 (GPa)	* 허용하중			** 내구성(Ass’y)
구분	인장 강도 (MPa)	탄성률 (GPa)	무게 (kg)	휨 모멘트 (KN)	안전율 적용 (KN)	내진성 (진도)	내풍성 (m/s)	내열성 (℃)
구조용 탄소강 (C 0.6%-)	300 ~ 400	80 ~ 100	7.89	18+	9	7-	30	800+
실증 Test	O	O	O	O	O	O	O	O
탄소 복합재 (C 92%+)	3500 ~ 4500	220 ~ 250	1.97	180 (파손)	90 (파손)	8+	80	3,000+
실증 Test	O	O	O	O	O	×	×	O

<제품에 따른 자체 성능 비교 분석표>

아래는 상기와 같은 공정을 통해 제조된 탄소섬유 복합재의 성능을 입증할 시험성적서들을 나열한 것이다.

<한국섬유개발연구원 시험성적서>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재를 대구에 소재한 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 압축강도와 인장강도에 대한 시험을 실시하였고, 상기 시험성적서와 같은 결과를 도출하였다.

<국제공인시험기관 인정서>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재를 대구에 소재한 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 국제공인시험기관의 인정서를 발급받았다.

<기술자료임치증>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재는 대.중소기업.농어업협력재단으로부터 임치증을 발급받았다.

한편, 상기와 같은 방법으로 제조된 탄소섬유 복합재는 다음과 같은 자동화 가공시스템을 기반으로 제조된다.

먼저, 탄소섬유를 공급받아 기특정 제품으로 성형하는 형상처리 공정부(100);와, 성형물을 기설정된 규격으로 재단하거나 연마하는 커팅 공정부(200);와, 커팅된 성형물을 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 건조 공정부(300);와, 건조된 성형물에 에폭시 수지를 함침하고, 선택적으로 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 함침 공정부(400);로 구성된다.

상기 각 공정부는 본 명세서에 첨부된 도 2 내지 도 7을 참고하여 설명하고자 한다.

상기 형상처리 공정부(100)는 제품의 형상에 따라 편조기(braiding machine, 100A) 또는 권선기(Winding machine, 100B) 중 어느 하나를 택일하여 가공된다.

상기 편조기(100A)는 중심부가 내통되어 로봇(R)이 제공하는 관(a)의 진입을 허용하는 바디(110A) 및 바디의 가장자리 영역에서 탄소섬유 원사가 권취된 복수의 롤러(120A)와, 바디의 전방에서 다소 이격된 위치에 배치되어 로봇이 제공하는 관의 진입 위치 선정 및 경로를 제공하면서 롤러에 권취된 탄소섬유가 세팅되는 투입구(130A)로 구성된다.

이러한 구조의 편조기(100A)를 이용하여 탄소섬유 원사와 프리폼 원사 내지 중간재 원사를 보빈에 권취하여 준비하는 공정과, 준비된 원사를 편조기의 투입구에 교차 투입하는 공정과, 각 원사가 세팅된 투입구의 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 공정을 순차 거쳐 기특정 형상의 제품을 획득한다.

이러한 편조기는 직선 형상에 대한 가공이 탁월하여 관체(PIPE)나 와이어(WIRE) 등을 생산하는데 매우 효율적이다.

상기 권선기(100B)는 이동식 베어링(LM guide) 등에 의해 사방위로 이동 가능하게 설치되는 메인프레임(110B)과, 메인프레임의 상단에서 수직 입설된 캐비넷의 내부에 일정한 배열로 복수 설치되어 탄소섬유를 공급하는 보빈(120B)과, 보빈으로부터 탄소섬유를 공급받아 다양한 형태로 권선하여 성형 가공되게 하는 가공축(130B)으로 구성된다.

상기와 같은 구조의 권선기(100B)를 이용하여 탄소섬유 원사를 비롯하여 프리폼 원사 내지 중간재 원사를 보빈(120B)에 권취하여 준비하는 공정과, 준비된 원사를 권선기의 가공축에 배치하는 공정과, 제어부에 설정된 프로그램을 기반으로 4축의 위치 연동이 제어됨에 따라 가공축(130B)을 기점으로 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 공정을 순차 거쳐 기특정 형상의 제품을 획득한다.

이러한 권선기(100B)는 4축의 위치 가변이 자유로워 다양하고 복잡한 형상의 건축자재를 생산하는데 매우 효율적이다.

상기와 같이 형상처리 공정부(100)는 편조기(100A) 또는 권선기(100B)를 이용하여 정교한 품질의 성형물을 신속하게 가공하여 로봇(R) 또는 컨베이어를 통해 다음 공정인 커팅 공정부(200);로 자동 이송한다.

상기 커팅 공정부(200)는 편조기(braiding machine, 100A) 또는 권선기(Winding machine, 100B)로부터 전달받은 성형물을 기설정된 균일한 크기로 재단 또는 절단 또는 절삭 또는 연마한다.

상기 커팅 공정부(200)는 성형물을 절단 가공하기 위해 커팅장치를 보유하여야 하며, 바람직하게는 워터젯 커팅기 또는 초음파 커팅기를 권장한다. 예컨대 일반 커팅기를 사용할 경우 고속 회전하는 커팅날이 성형물을 재단하면서 상호 마찰로 인해 절단면에 열변형이 발생하기 때문에 고품질의 제품을 생산할 수 없다.

따라서, 본 발명의 커팅 공정부(200)는 절단 가공시 열변형이 발생하지 않는 워터젯 커팅기와 초음파 커팅기의 사용을 적극 권장한다.

특히, 상기 초음파 커팅기는 난삭재인 탄소섬유를 초음파로 절삭하기 때문에 절삭성과 절삭속도가 향상되어 제품을 신속하게 가공할 수 있음은 물론, 10,000rpm으로 가공하기 때문에 다양한 형상의 제품일지라도 연마 가공이 가능한 장점이 있다.

상기와 같이 커팅 공정부(200)는 워터젯 커팅기 또는 초음파 커팅기를 이용하여 성형물을 균일하게 절단하여 로봇 또는 컨베이어를 통해 다음 공정인 건조 공정부(300);로 자동 이송한다.

상기 건조 공정부(300)는 진공조건에서 열을 공급하여 경화하는 Vacuum microwave kiln을 사용한다.

상기 Vacuum microwave kiln은 내부공간을 진공 상태로 형성하는 건조 프레임(310)과, 외부로부터 건조 프레임의 내부를 차폐하는 도어(320)와, 건조 프레임의 내부공간과 연계되어 진공상태를 조성하는 진공펌프(도면 미도시)로 구성된다.

상기 Vacuum microwave kiln은 마이크로웨이브로 재료를 직접 가열함으로써 와이어는 물론, 다양한 형상의 제품이라도 신속하고 균일하게 가열할 수 있음에 따라 속경화 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 장점이 있다. 특히 본 발명이 제안하는 Vacuum microwave kiln은 대류열을 이용하는 기존의 건조기에 비해 기계적 특성이 우수한 제품을 생산할 수 있다.

상기와 같이 건조 공정부(300)는 Vacuum microwave kiln을 이용하여 성형물을 균일하게 건조하며, 건조된 성형물은 로봇 또는 컨베이어를 통해 다음 공정인 함침 공정부(400);로 자동 이송한다.

상기 함침 공정부(400)는 성형물을 함침하는 함침유닛(410)과 함침된 성형물을 표면처리하는 표면처리유닛(420)이 일체로 구성되며, 상기 함침 공정부는 성형물이 함침유닛(410)과 표면처리유닛(420)으로 자동 이송 가능하도록 전체적으로 컨베이어의 형상으로 구성된다.

상기 함침유닛(410)은 성형물을 탈지 및 탈수하는 공정;과, 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 성형물을 장입하는 공정;과, 수지탱크에 소정의 압력을 가하여 에폭시 수지를 함침시키는 공정;과, 수지탱크 내에서 원심분리하여 잔여 수지를 제거하는 공정;과, 수지탱크에서 성형물을 수거하여 건조하는 공정을 자동으로 수행한다.

상기 표면처리유닛(420)은 에폭시 수지가 함침된 성형물을 탈지 및 탈수하고 샌딩처리하는 공정;과, 성형물의 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 공정;과, 다양한 온도조건에서 열처리하는 공정을 자동으로 수행한다.

한편, 상기 함침유닛(410)은 탄소섬유 성형물을 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하고 이를 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 에폭시 수지를 함침한다. 그리고 에폭시 수지가 함침된 성형물을 원심분리하여 잔여 수지를 제거하고 탄소섬유 성형물의 표면을 세척 후 190 내지 200℃의 온도 조건에서 건조한다.

상기 표면처리유닛(420)은 테프론 수지가 도포된 탄소섬유 성형물을 70 내지 80℃로 1차 열처리한 후 다시 290 내지 300℃의 고온에서 2차 열처리한다.

결과적으로 탄소섬유를 이용하여 제품을 성형하는 공정부터 후처리하는 공정까지 일련의 모든 공정은 상기 제시된 기계장치와 각 장치와 대응하는 컨베이어 라인을 기반으로 전체 자동화 작업이 진행됨은 당연하다 할 것이다.

한편, 본 발명의 탄소섬유 복합재로 제조된 제품은 사용처에 따라 에폭시 수지만 함침하여 제조되거나, 또는 테프론 수지만 코팅하여 제조되거나, 또는 에폭시 수지의 함침 및 테프론 수지의 코팅 모두 적용하여 제조할 수 있다.

결과적으로 다양한 조건으로 제조 가능하기 때문에 생산자 내지 작업자는 인장강도, 탄성율, 내구성 등의 자체 성능을 선택적으로 보완 가능하여 가설구조물의 시공 안전성을 확보함은 물론, 자재비의 절감이 도모되는 바 각종 비용 절감에 따른 우수한 이점이 있다.

상술한 바에 따르면, 본 발명의 탄소섬유 복합재는 기존의 가설구조재인 구조용 탄소강에 비해 건축물 내력벽(기둥, 보, 벽체 등)의 인장강도와 인장탄성율 그리고 내진, 내풍, 내열 등의 내구성이 적극 향상되며, 또한 기존 공법 대비 3배 이상 높은 안정성을 확보하여 내진, 내화, 내풍과 내화학성, 내부식성이 향상됨에 따라 지진, 태풍, 화재와 같은 외력에 의한 물리적 변형과 물성변화에 대해 보호하고, 구조물에 가해지는 스트레스 환경을 원천 차단하여 건축물의 컨디션을 영구 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소섬유 복합재는 기존 공법 대비 1/3 이상의 자재 절감효과로 공사기간의 단축과 자재의 중량 감소 효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 설비의 난이도가 대폭 하향되어 작업의 피로도를 줄일 수 있고 인력과 장비 사용량의 축소로 시공비를 절감할 수 있다. 덧붙여, 가설구조재가 탄소섬유 복합재로 이루어져 반영구적인 사용이 가능하여 기존 콘크리트의 균열 및 파손으로 인한 별도의 보강 설비가 필요치 않으며, 건축물의 사용 연한을 대폭 증가시킬 수 있다.

아래 실시예 3 내지 실시예 8은 상기의 가공장치들을 이용하여 탄소섬유 복합재를 제작한 일 실시예들을 나열한 것이다.

상기 실시예 3 내지 실시예 8과 같이 본 발명의 탄소섬유는 브레이딩 머신과 와인딩 머신 및 초음파/워터젯 커팅장치를 통해 다양한 형상의 건축자재를 성형하고, 건조장치와 함침/후가공장치를 통해 우수한 성능이 부여된 탄소섬유 복합재를 제조할 수 있다.

상기 탄소섬유 복합재는 생산의 자동화 구축과 규격화된 제품 생산으로 소품종 대량 생산이 가능하여 제조비용을 절감할 수 있음과 더불어, 단순한 형상 대비 높은 강성과 제품 표준화로 간편한 구조설계가 가능하여 설계비용을 절감할 수 있으며, 또한 규격화된 제품 제공이 가능하여 기존 제품 대비 탁월한 작업성으로 효율적인 시공이 가능하여짐에 따라 인건비를 절감할 수 있고, 사용처에 따라 인장강도, 탄성률, 내구성 등의 자체 성능이 선택적으로 보완 가능하여 구조적 안정성이 상승됨에 따라 자재비의 절감이 도모되는 바 각종 비용 절감에 따른 우수한 이점이 있다.

또한, 기존 Fe 재질의 제품을 대체할 수 있는 초경량 고강도 제품을 제공할 수 있고, 더불어 작업성이 우수하고 사용량을 줄여 시공에 소요되는 시간 및 비용을 획기적으로 절감할 수 있어 품질 가치를 향상시킬 수 있다.

또한, 고성능 제품의 사용과 완벽한 구조 역학적 설계로 지진, 태풍, 화재, 침수 등 물리적 환경 변화와 충격에 뛰어난 안전 성능을 유지/확보할 수 있고, 인장강도와 탄성율이 높고 초경량 고내구성 복합소재로 환경적 요인으로 인한 물리적 충격으로부터 구조물의 붕괴를 원천적 봉쇄할 수 있을 수준의 안전성이 확보된 제품을 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100. 형상처리 공정부 200. 커팅 공정부
300. 건조 공정부 400. 함침 공정부
S100. 탄소섬유 함침단계 S110. 함침 전처리단계
S111. 함침 1차 전처리단계 S112. 함침 2차 전처리단계
S120. 함침 후처리단계 S121. 함침 1차 후처리단계
S122. 함침 2차 후처리단계 S200. 탄소섬유 표면처리단계
S210. 표면 전처리단계 S211. 표면 1차 전처리단계
S212. 표면 2차 전처리단계 S220. 표면 후처리단계
S221. 표면 1차 후처리단계 S222. 표면 2차 후처리단계

Claims

탄소섬유 내지 프리폼 내지 중간재의 교차 투입이 이루어져 실린더나 파이프의 형상 구현이 실시되되, 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 편조기(braiding machine, 100A) 또는 4축을 기반으로 연동 제어하여 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 권선기(Winding machine, 100B) 중 어느 하나를 택일하여 실시되는 형상처리 공정부(100);와, 기설정 형상으로 제조된 탄소섬유 성형물을 초음파 또는 워터젯에 기반하여 재단 처리하는 커팅 공정부(200);와, 커팅에 의해 규격화된 탄소섬유 성형물을 진공 상태에서 속 경화 처리하는 건조 공정부(300);와, 건조된 탄소섬유 성형물에 에폭시 수지를 함침하고 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 함침 공정부(400);의 순으로 이루어지면서 각 공정부 간 컨베이어 벨트와 로봇으로 연결 제어되는 탄소복합재 자동화 가공시스템에 있어서,
상기 형상처리 공정부(100)의 편조기(100A)는 중심부가 내통되어 로봇(R)이 제공하는 관(a)의 진입을 허용하는 바디(110A) 및 바디의 가장자리 영역에서 탄소섬유 원사가 권취된 복수의 롤러(120A)와, 바디의 전방으로부터 이격된 위치에 배치되어 로봇이 제공하는 관의 진입 위치 선정 및 경로를 제공하면서 롤러에 권취된 탄소섬유가 세팅되는 투입구(130A)를 포함하고,
상기 형상처리 공정부(100)의 권선기(100B)는 이동식 베어링(LM guide)에 의해 사방위로 이동 가능하게 설치되는 메인프레임(110B)과, 메인프레임의 상단에서 수직 입설된 캐비넷의 내부에 설정 배열로 복수 설치되어 탄소섬유를 공급하는 보빈(120B)과, 보빈으로부터 탄소섬유를 공급받아 설정 형태로 권선하여 성형 가공되게 하는 가공축(130B)을 포함하고,
상기 건조 공정부(300)는 진공 조건에서 열을 공급하여 경화하는 Vacuum microwave kiln을 포함하되, 상기 Vacuum microwave kiln은 내부공간을 진공 상태로 형성하는 건조 프레임(310)과, 외부로부터 건조 프레임의 내부를 차폐하는 도어(320)와, 건조 프레임의 내부공간과 연계되어 진공상태를 조성하는 진공펌프로 구성되고,
상기 함침 공정부(400)는 성형물을 함침하는 함침유닛(410)과 함침된 성형물을 표면 처리하는 표면처리유닛(420)이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 자동화 가공시스템.
제1항에 있어서,
상기 함침유닛(410)은 탄소섬유 성형물을 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하고, 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 에폭시 수지를 함침하고, 에폭시 수지가 함침된 성형물을 원심분리하여 잔여 수지를 제거하고, 탄소섬유 성형물의 표면을 세척 후 190 내지 200℃의 온도 조건에서 건조하는 것을 포함하고,
상기 표면처리유닛(420)은 테프론 수지가 도포된 탄소섬유 성형물을 70 내지 80℃로 1차 열처리한 후 재차 290 내지 300℃의 고온에서 2차 열처리하는 것을 포함하는 탄소섬유 복합재 자동화 가공시스템.
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