KR102277960B1 - 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프리프레그를 이용한 장섬유 강화 시트 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강화섬유가 적용된 프리프레그를 이용하여 성형성과 생산성을 향상시킨 장섬유 강화시트 제조방법이 개시된다. 상기 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)를 삽입 가이드부(10)에서 길이방향으로 공급하는 단계; 상기 삽입 가이드부(10)로부터 공급된 일방향 프리프레그(2)를 슬리팅부(20)에서 길이 방향으로 절단하여, 길이 방향으로 연장된 다수의 프리프레그 테이프(4)를 형성하는 단계; 상기 길이 방향으로 연장된 프리프레그 테이프(4)를 커팅부(50)에서 길이 방향의 수직 방향으로 절단하여, 다수의 프리프레그 칩(6)을 형성하는 단계; 상기 커팅부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)이 수집 플레이트(66)에서 시이트 형태로 수집되는 단계; 및 상기 시이트 형태로 수집된 프리프레그 칩(6)을 용융 압착하는 단계를 포함하는 장섬유 강화시트 제조 방법을 포함한다.
Description
본 발명은 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 여러 산업 분야에서 복합재 성형을 위한 중간재로 널리 사용되고 있는 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법에 관한 것이다.
프리프레그(prepreg)는 “Preimpregnated Material”의 약어로서, 기지재(Matrix)를 보강 섬유에 미리 함침시킨 시이트(Sheet) 형태의 제품을 의미하며, 복합 재료 성형을 위한 중간 재료로 사용된다. 일반적으로 프리프레그는 보강섬유가 일방향으로 정렬된 형태의 일방향(unidirectional) 프리프레그와 보강 섬유가 직물 형태로 이루어진 직물형(Woven) 프리프레그로 구분된다. 통상의 프리프레그에 있어서, 보강 섬유로는 강도와 탄성이 높은 탄소 섬유 등을 이용하고, 기지재로는 에폭시 수지등의 고분자 수지를 주로 사용한다.
복합재료 성형에 프리프레그가 적용되는 이유를 살펴보면, 기지재(수지)와 보강재(보강섬유)의 비율을 정밀하게 제어할 수 있어, 설계한 소재의 물성을 최대한 구현할 수 있는 우수한 장점이 있다. 또한, 프리프레그를 이용한 복합재료 성형공정은, 중간재를 사용하므로 원료의 가격이 높은 편이나 성형 공정이 깨끗하고 단순하므로, 작업 비용을 절감할 수 있다. 프리프레그는 주로 시이트 형태를 가지므로 취급이 쉽고 성형시 에너지 비용이 절감되고, 재단 성형의 특성상 가공에 필요한 부품의 수를 줄일 수 있고, 프리프레그는 시이트 모양뿐만 아니라 테이프 형상, 칩 형상으로도 응용할 수 있어, 다양한 형상으로 용이하게 가공할 수 있는 장점으로 항공, 우주, 자동차, 스포츠, 레저, 토목, 건축 등 여러 산업 분야에서 복합재 성형을 위한 중간재로 널리 사용되고 있다. 그러나 통상적인 일방향 또는 직물형 프리프레그는 강성이 우수하지만, 밀도가 커서 무겁고, 원하는 강성을 얻기 위해서는 여러 층의 프리프레그를 적층하여야 하므로, 성형품의 두께가 증가하는 단점이 있다. 또한, 일방향 프리프레그의 경우, 성형물에 등방성(isotropy)을 부여하기 위해 적층방향을 고려해야하므로 복잡한 구조물 성형은 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강화 섬유가 적용된 프리프레그를 이용하여 금속 수준 이상의 물성 구현 및 성형성, 생산성을 향상시킨 장섬유 강화 시트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)를 삽입 가이드부(10)에서 길이방향으로 공급하는 단계; 상기 삽입 가이드부(10)로부터 공급된 일방향 프리프레그(2)를 슬리팅부(20)에서 길이 방향으로 절단하여, 길이 방향으로 연장된 다수의 프리프레그 테이프(4)를 형성하는 단계; 상기 길이 방향으로 연장된 프리프레그 테이프(4)를 커팅부(50)에서 길이 방향의 수직 방향으로 절단하여, 다수의 프리프레그 칩(6)을 형성하는 단계; 상기 커팅부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)이 수집 플레이트(66)에서 시이트 형태로 수집되는 단계; 및 상기 시이트 형태로 수집된 프리프레그 칩(6)을 용융 압착하는 단계를 포함하는 장섬유 강화시트 제조 방법를 제공한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법은 강화 섬유가 적용된 프리프레그를 이용하여 금속 수준 이상의 물성 구현 및 성형성, 생산성을 향상 시킨 장섬유 강화 시트를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장섬유 강화시트 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 삽입 가이드부(10)를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 슬리팅부(20)의 동작원리를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 상기 슬리팅부(20)의 커팅방법을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 커터부(50)의 커터기 종류를 보여주는 도면
도 6은 본 발명에 따른 상기 커터부(50)의 분리 수단을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 상기 커터부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)이 시이트 형태로 수집되는 과정을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리에 따른 프리프레그 칩(6)의 분산도를 보여주는 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전체적인 장섬유 강화시트 제조장치 모식도.
도 10은 본 발명에 따른 압착부(70)의 압착롤러(74)를 보여주는 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 압착 조건에 대한 장섬유 강화시트(8) 두께를 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 삽입 가이드부(10)를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 슬리팅부(20)의 동작원리를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 상기 슬리팅부(20)의 커팅방법을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 커터부(50)의 커터기 종류를 보여주는 도면
도 6은 본 발명에 따른 상기 커터부(50)의 분리 수단을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 상기 커터부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)이 시이트 형태로 수집되는 과정을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리에 따른 프리프레그 칩(6)의 분산도를 보여주는 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전체적인 장섬유 강화시트 제조장치 모식도.
도 10은 본 발명에 따른 압착부(70)의 압착롤러(74)를 보여주는 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 압착 조건에 대한 장섬유 강화시트(8) 두께를 보여주는 그래프.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장섬유 강화시트 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 장섬유 강화시트(이하 LFPS[Long Fiber Prepreg Sheet])를 제조하기 위하여, 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)를 삽입가이드부(10)에서 공급한다.
먼저, 상기 삽입 가이드부(20)에서 공급하는 일방향 프리프레그(2)는 강화섬유가 적용된 일방향 프리프레그(2)로써, 강화재(Fiber)와 수지(Matrix)를 포함한다. 상기 일방향 프리프레그(2)는 탄소 섬유(Carbon Fiber), 유리섬유(Glass Fiber), 바잘트 섬유(Bassalt Fiber), 아라미드 섬유(Aramid Fiber), 셀룰로오스 섬유, 기타 유/무기계 섬유 등이 포함된 강화재를 사용할 수 있다. 상기 일방향 프리프레그(2)의 수지 조성물로는, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 불포화 폴리에스터계 수지, 비닐 에스터계 수지, 우레탄계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리페닐렌 설파이드계 수지, 그 외 복합재료로 사용되는 열경화성 수지 및 열가소성 수지 등을 사용할 수 있다. 상기 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)의 두께는 원하는 두께에 따라 사용가능하며, 통상 0.02 내지 0.6 mm이다.
상기 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)의 조성물인 강화재와 수지의 원료적인 특성인 점착성과 조성물의 용융온도 및 강화재의 강인성으로 인해 다음 장섬유강화시트의 제조공정에 영향을 미친다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유가 적용된 일방향 프리프레그(2)는 삽입 가이드부(10)에서 길이방향으로 공급된다. 여기서, 길이 방향이란 일방향 프리프레그(2)에 포함된 섬유의 길이 방향을 의미한다. 상술한 바와 같이, 일방향 프리프레그(2)는 수지에 섬유가 일방향으로 배열된 프리프레그로서, 상기 프리프레그의 폭(일방향 섬유의 수직 방향)은 통상 400 내지 600mm이고, 예를 들면 500 mm이며, 길이는 필요한 길이로 자유롭게 제작해서 사용할 수 있다
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 삽입 가이드부(10)는 일방향 프리프레그(2)가 권취되어 있는 공급 롤러(12, unwinder roller) 및 상기 공급 롤러(12)에 권취된 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)를 슬리팅부(20)로 유도하는 가이드 롤러(14, Guide roller)를 포함한다. 도 2는 상기 삽입 가이드부(10)의 구체적인 예를 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 예에서는, 상기 삽입 가이드부(10)는 일방향 프리프레그(2)가 권취되어 있는 공급 롤러(12), 상기 공급 롤러(12)에 권취된 일방향 프리프레그(2)를 슬리팅부(20)로 유도하는 가이드 롤러(14), 권출된 일방향 프리프레그(2)를 잡아당겨 슬리터부(20)로 이동시키는 풀러(16, Puller) 및 상기 풀러(16)에서 슬리터부(20)까지 이동시키는 가이드 플레이트(18, Guide plate)를 포함한다.
상기 공급롤러(12)는 장력을 조절하며, 롤 상태의 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)를 풀어서 권출한다. 상기 공급롤러(12)는 장력을 조절하기 위해 회전축 전자브레이크(Powder Brake)를 포함할 수 있다. 상기 권출된 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)는 좌우 장력을 조정하며 이동시키는 가이드롤러(14)에 의해 풀러(16)로 이동된다. 상기 풀러(16)는 권출된 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)가 슬리터부(20)에 삽입될 수 있도록 잡아당겨 주는 롤러이다. 풀러(16)를 통과한 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)는 가이드 플레이트(18)를 지나 슬리터부(20)로 이동한다.
상기 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)는 수지의 원료에 따라 점착성을 가질 수 있다. 상기 수지의 원료에 따라 점착성을 가지는 일방향 프리프레그(2)는 이형 필름 또는 이형지를 회수할 수 있는 추가 권취롤이 필요할 수 있다. 하지만, 점착성이 없는 일방향 프리프레그(2)라면 기타 이형소재가 없으므로 추가 권취롤이 필요하지 않을 수 있다. 상기 가이드 플레이트(18)는 점착성이 있는 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)의 점착력을 감소시키기 위해 테프론으로 상기 가이드 플레이트(18)를 코팅할 수 있고, 또는 칠러(Chiller)를 포함할 수 있다.
다음은, 상기 삽입 가이드부(10)로부터 공급된 일방향 프리프레그(2)는 슬리팅부(20)에서 길이 방향으로 절단하여, 길이 방향으로 연장된 다수의 프리프레그 테이프(4)를 형성한다. 상기 프리프레그 테이프(4)의 폭은 5 내지 25 mm, 바람직하게는 6 내지 18 mm, 더욱 바람직하게는 8 내지 10 mm, 예를 들면, 8 mm이고, 두께는 상기 프리프레그의 두께와 동일하다. 여기서, 프리프레그 테이프(4)의 폭이 너무 넓으면 성형 가공성이 저하되는 문제가 있고, 너무 좁으면 공정 중 강화재가 끊겨 불량을 야기하는 문제가 있다.
도 3은 본 발명의 장섬유 강화시트 제조방법에 사용되는 슬리팅부(20)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 a에 도시된 바와 같이, 상도(21)를 이용하여, 일방향 프리프레그(2)를 섬유 0°방향(길이 방향)의 일정한 폭으로 절단하거나, 도 3의 b에 도시된 바와 같이, 상도(22)와 하도(23)로 구성된 다중날이 서로 맞물리면서, 일방향 프리프레그(2)를 상기 상도(22)와 하도(23)로 구성된 다중날의 간격만큼, 길이 방향의 일정한 폭으로 절단하여 프리프레그 테이프(4)를 형성한다.
도 4는 본 발명의 장섬유 강화시트 제조방법에 사용되는 슬리팅부(20)의 커팅 방법을 보여주는 도면이다. 상기 슬리터부(20)는 수지의 점착성과 장섬유강화시트(8, LFPS) 칩의 폭 및 슬리터의 날(Blade)의 마모되는 특성 등을 고려하여 슬리팅 방법을 선정할 수 있다. 상기 슬리팅 방법에는 레이져커팅(Razor cutting. [도 4의 a]), 쉐어커팅(Shear cutting, [도 4의 b]), 스코어커팅(Score cutting, [도 4의 c]), 특수 갱 커팅(Special Gang cutting, [도 4의 d]) 등이 있다. 상기 레이저 커팅[도 4의 a]은 시중에 판매되는 면도날(24)을 이용하여 슬리팅하는 방식이다. 레이져커팅에서도 공중절단 레이저 컷팅은 기구 및 조작이 간단하여 어느 누구나 사용할 수 있고, 원하는 슬리터 폭의 간격 조절이 쉽고 칼날 교환도 용이하다. 일반적으로 경질의 재료나 두꺼운 재료를 제외하고 각종 필름재료, 의약품. 식품용 래미네이트 필름 등에 사용할 수 있다. 상기 쉐어커팅[도 4의 b]은 회전 원형 칼의 바깥쪽에 가위와 같은 날을 세운 것을 상하 한 쌍(25,26)으로 하여 이 상하 칼날(25,26)이 맞물리면서 슬리트 된다. 일반적으로 정밀도가 요구되는 제품이나 재표에는 쉐어커팅이 사용되며, 레이저 커팅으로 불가능한 경질이나 두꺼운 재료 및 필름을 슬리팅 할 때 활용되고 있다. 상기 스코어커팅[도 4의 c]은 둥근 칼날(27)을 경질의 하부 롤(28)에 밀어붙여 재료에 칼자국을 넣어 자르는 방식이다. 주로 각종 점착테이프의 슬리트 또는 래미네이트 공정 중에서의 양끝의 트리밍용으로서 사용되고 있다. 상기 스페셜 갱 커팅[도 4의 d]는 상도(29)와 하도(30)가 맞물리면서 슬리트된다.
그 다음으로, 상기 프리프레그 테이프(4)를 커팅부(50)에서 길이 방향의 수직 방향으로 절단하여 프리프레그 칩(6)을 형성한다. 상기 프리프레그 칩(6)의 길이는 10 내지 100 mm, 바람직하게는 15 내지 80 mm, 더욱 바람직하게는 25 내지 50 mm이고, 두께는 상기 프리프레그의 두께와 동일하다. 여기서, 프리프레그 칩(6)의 폭이 너무 길면 성형성 및 분산도가 저하되는 문제가 있고, 너무 짧으면 물성이 저하되는 문제가 있다.
도 5는 본 발명의 장섬유 강화시트 제조 방법에 사용될 수 있는 커팅부(50)의 커터기 종류를 보여주는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 커팅부(50)의 커터기로는 길로틴 커터(51, Guillotine cutter, 도 5의 a) 및 로터리 커터(56, Rotary cutter, 도 5의 b)를 사용할 수 있다. 상기 길로틴 커터(51)은 작두 형태를 나타내며, 상도(53)와 하도(55)를 사용하여 프리프레그 테이프(4)를 가로길이로 절단한다. 상기 로터리 커터(56)는 회전을 하면서 칼날(57, Blade)의 간격만큼 프리프레그 테이프(4)가 잘려진다. 로터리 커터(56)의 회전속도, 칼날(57)의 간격 등을 고려하여 프리프레그 칩(6)의 길이를 조정할 수 있다. 상기 로터리 커터(56)는 길로틴 커터(51)보다 속도가 빠르므로, 본 발명에서는 로터리 커터(56)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 커팅부(50)의 후단에는 커팅된 프리프레그 칩(6)을 커팅부(50)로부터 분리하기 위한 프리프레그 칩 분리 수단을 더욱 포함할 수 있다. 프리프레그 칩(6)에 점착성이 생겨 로터리 칼날(57, Cutter blade)에서 분리가 되지 않는 현상이 있다. 이를 해결하기 위해, 프리프레그 칩 분리 수단이 사용된다. 도 6은 상기 프리프레그 칩 분리 수단을 보여주는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 프리프레그 칩 분리 수단으로는 에어나이프(58, 도 6의 a), 브러쉬롤러(59, 도 6의 b) 등을 사용할 수 있다. 상기 에어나이프는 응축된 공기를 주입하여 프리프레그 칩(6)을 로터리 칼날(57)로부터 분리를 시킨다. 상기 브러쉬 롤러(59)는 로터리 커터(56) 후단에 설치하여 물리적으로 프리프레그 칩(6)을 분리할 수 있다.
다음으로, 상기 커팅부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)은 수집 플레이트(66)에서 시이트 형태로 수집된다. 도 7은 프리프레그 칩(6)이 시이트 형태로 수집되는 과정을 보여주는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 커팅부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)은 랜덤하게 분산되어 수집 플레이트(66) 상부로 떨어진다. 이때, 상기 프리프레그 칩(6)이 수집 플레이트(66) 상부로 수집될 수 있도록, 프리프레그 칩(6)을 모아 배출하는 배출구(64)가 포함된다. 상기 수집 플레이트(66)는 가열된 플레이트로 수지의 점도가 상승할 수 있고, 프리프레그들 사이에 점착성이 생겨 서로 밀착될 수 있다. 상기 플레이트 위로 수집된 프리프레그 칩(6)의 적층 두께는 일반적으로 1 내지 20 mm, 바람직하게는 1 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 mm이고, 예를 들면 3.5 mm이다.
상기 프리프레그 칩(6)은 랜덤하게 분산시키는 이유는, 일방향 프리프레그의 경우, 성형물에 등방성(isotropy)을 부여하기 위해 적층방향을 고려해야 하고, 복잡한 구조물 성형 시 한계가 있지만, 본 발명에 따라 프리프레그 칩(6)이 랜덤하게 분산되면, 이와 같은 한계를 극복하고 성형성 및 생산성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 분산도를 향상하기 위해 에어 블로워를 사용할 수도 있다.
상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리는 프리프레그 칩(6)의 분산도, 프리프레그 칩 시이트의 크기, 밀도 등에 따라 적절히 설정할 수 있다. 도 8은 상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리에 따른 프리프레그 칩(6)의 분산도를 보여주는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 도면에서 폭 300 mm, 길이 300 mm로 설정한 시트를 기준으로, 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리에 따른 프리프레그 칩(6)의 분산도 차이를 확인할 수 있다. 상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리가 20cm인 경우 상기 시트에 프리프레그 칩(6)이 200 개가 안착하였는데 중앙에 집중적으로 떨어져 섬유 배열이 고르지 못하다. 상기 거리가 40cm인 경우에는 프리프레그 칩(6)이 설정한 시트 위에 198개가 안착하였지만, 다 채우지 못하는 문제가 있다. 상기 거리가 60cm인 경우에는 프리프레그 칩(6)이 설정한 시트 위에 189개가 알맞게 분산되고, 섬유배열도 우수한 것을 보여준다. 따라서, 도 8을 참고하여, 상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리는 400 내지 800 mm이고, 바람직하게는 500 내지 700 mm이다. 상기 거리가 너무 높으면 분산도와 칩(6)의 배열이 좋으나, 제품의 시트 폭을 이탈하여 낙하하는 칩(6)의 수가 증가하여 좋지 않고, 너무 낮으면 랜덤으로 분산되는 것이 아닌 섬유 0°방향(길이 방향)에 가까운 배열로 분산되어 분산도가 나쁜 문제가 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장섬유강화시트(8) 제조의 전체 구성을 보여주는 모식도이다. 도 9에 도시된 실시예에서는, 상기 커팅부(50)로써, 프리프레그 칩(6)의 낙하 거리가 상이한 둘 이상의 커팅 장치(52, 54)를 사용하여 장섬유 강화시트(8)를 제조할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 커팅 장치(52)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리는 제2커팅 장치(54) 와 수집 플레이트(66) 사이의 거리보다 크게 설정된다. 제1커팅 장치(52)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리는 일반적으로 600 내지 700 mm 이고, 제2커팅 장치(54) 와 수집 플레이트(66) 사이의 거리는 일반적으로 400 내지 500 mm 이다.
이와 같이, 커팅 장치(52, 54)의 설치 높이가 상이하면, 분산도, 크기, 밀도 등이 상이한 프리프레그 칩 시이트가 중첩된 구조를 가지므로, 장섬유 강화시트의 성형성 및 물성이 다양해지므로 바람직하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 커팅 장치(52, 54)를 사용하는 경우, 슬리팅부(20)에서 형성된 다수의 프리프레그 테이프(4)를 둘 이상의 커팅 장치(52, 54)로 분리하여 공급하기 위한 분리 가이드부(40)가 상기 슬리팅부(20)와 커팅부(50)의 사이에 설치된다.
상기 분리 가이드부(40)는 슬리팅부(20)에서 형성된 프리프레그 테이프를 인출시키는 인출롤러(42)와 상기 인출롤러(42)에서 인출된 프리프레그 테이프를 둘 이상의 커팅 장치(52, 54)로 분리하여 이동시키는 가이드롤러(44,46)를 포함하여 장섬유 강화시트(8)를 제조한다.
상기 인출롤러(42)는 슬리팅부(20)로부터 공급되는 프리프레그 테이프(4)를 커팅부(50)로 인출한다. 상기 인출롤러(42)의 장력을 조절하기 위해 추가 부품을 포함할 수 있다.
상기 인출롤러(42)에서 내보낸 프리프레그 테이프(4)는 가이드 롤러(44,46)로부터 둘 이상의 커팅 장치(52,54)로 이동된다. 상기 인출롤러(42)로부터 공급된 프리프레그 테이프(4)의 위치를 기준으로 하여, 홀수번째 프리프레그 테이프(4)는 제1 가이드 롤러(44)에, 짝수번째 프리프레그 테이프(4)는 제2 가이드 롤러(46)에 각각 연결하여 인출된다. 예를 들면, 프리프레그 테이프(4)의 위치를 기준으로 하여 1,3,5번째 프리프레그 테이프는 제1가이드 롤러(44)에 인출하고, 2,4,6번째 테이프는 제2가이드 롤러(46)에 인출한다. 상기 제1 가이드 롤러(44)와 제2 가이드 롤러(46)에서는 장력을 조정하며 프리프레그 테이프(4)를 낙하 거리가 상이한 둘 이상의 커팅 장치(52, 54)로 이동시킨다.
마지막으로, 상기 시이트 형태로 수집된 프리프레그 칩(6)을 압착부(70)에서 용융 압착한다. 도 10은 상기 압착부(70)의 압착 롤러(74)를 보여주는 도면이다. 상기 압착부(70)의 압착롤러(74) 온도는 수지의 종류에 따라 설정될 수 있다. 상기 열경화성 수지가 포함된 프리프레그 칩(6)은 경화가 진행되지는 않지만, 수지의 용융이 일어나는 적정한 온도를 설정하여 프리프레그 칩(6)들을 압착하는 것이 중요하다. 예를 들면, 에폭시 수지가 사용된 경우에는 60 내지 80 ℃가 적정하다. 상기 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그 칩(6)은 녹는점 이상의 온도에서 수지 용융이 일어나게 하지만, 끓는 점 이하의 온도에서 진행하는 것이 중요하다.
또한, 상기 압착부(70)는 생산성이 좋은 장섬유 강화시트(8)를 얻기 위해 압착 횟수를 설정할 수 있는데, 1회 압착을 하면 프리프레그 칩(6) 간의 밀집도가 낮아 장섬유 강화시트(8)의 두께가 두껍고 내부에 공기, 가스 등의 기공(Void)을 함유하여 성형 공정의 문제 또는 성형 후 물성을 저하 시킬 수 있다. 상기 압착을 3회 이상 하면, 시트(8)의 두께는 감소하지만, 열과 압력으로 인해 설정한 시트(8) 폭 밖으로 프리프레그 칩(6)이 이탈할 가능성이 있으며, 열경화성 수지는 경화도가 증가될 수 있다. 따라서 2회 압착하는 것이 장섬유 강화시트(8)의 두께와 내부 기공(Void) 제거에 적당하여 성형 후 물성도 우수하다.
이를 참고하여, 상기 압착부(70)는 가열/가압 장치의 롤러 2개조를 사용하였으며, 상기 롤러의 압력과 온도는 수지에 따라 다르게 설정된다. 상기 압착부(70)의 압력과 온도는 프리프레그의 수지에 따라 설정되는데, 열경화성 수지는 수지 유동성이 발생하는 온도의 이상, 경화 반응이 일어나는 온도 이하의 온도로 설정할 수 있다. 예를 들면, 상온 25 내지 150 ℃로 설정할 수 있고, 에폭시 수지의 경우는 50 내지 90 ℃로 롤러 온도를 설정할 수 있다. 열가소성 수지 역시 수지 유동성이 발생하는 녹는점(Melting Point)과 열화 즉 끓는점(Boiling Point) 이하에서의 온도로 설정하여 압착할 수 있다. 이 역시 수지에 따라 다를 수 있다.
아래 표 1을 참고하여 온도를 설정할 수 있다.
| 분자배열 | 고분자 종류 | Tg(℃) | Tm(℃) |
| 반결정질 | 폴리프로필렌 (PP,Polypropylene) |
-10 | 175 |
| 반결정질 | 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE,Highdensity polyethylene) |
-125 | 135 |
| 비결정질 | 폴리스티렌 (PS,Polystyrene) |
100 | 녹을 때까지 서서히 부드러워지므로, 정확한 Tm 온도를 알 수 없다. |
| 비결정질 | 폴리카보네이트 (PC,Polycarbonate) |
150 | 녹을 때까지 서서히 부드러워지므로, 정확한 Tm 온도를 알 수 없다. |
| 반결정질 | 폴리아마이드6 (PA6,Polyamide 6) |
50 | 215 |
| 반결정질 | 폴리에테르에테르케톤 (PEEK,Polyetheretherketone) |
145 | 335 |
| 비결정질 | 폴리에테르이미드 (PEI,Polyetherimide) |
218 | 녹을 때까지 서서히 부드러워지므로, 정확한 Tm 온도를 알 수 없다. |
| 비결정질 | 아크로니트릴부타디엔스티렌(ABS, Acrylonitrilebutadienestyrene) | 110 | 녹을 때까지 서서히 부드러워지므로, 정확한 Tm 온도를 알 수 없다. |
상기 표 1을 참고하여, 상기 압착부(70)의 2개의 롤러는 에폭시 수지를 기준으로, 제1 롤러(76) 온도는 통상 60 내지 70 ℃이고, 제1 롤러(76)의 압력은 통상 8 내지 10 kgf/cm2이다. 상기 제2 롤러(78) 온도는 통상 70 내지 80 ℃이고, 제2 롤러(78)의 압력은 통상 15 내지 20 kgf/cm2이다. 상기 프리프레그 칩(6)을 용융 압착하여 두께가 0.5 내지 4 mm 인 장섬유 강화시트(8)를 얻을 수 있다.
상기 압착부(70)는 형성된 장섬유 강화시트(8)를 롤 형태로 권취하는 권취롤러(80)를 더욱 포함한다. 상기 권취롤러(80)는 압착부(70)로부터 형성된 장섬유 강화 시트(8)를 롤 형태로 권취한다. 상기 장섬유 강화 시트(8)는 권취롤러(80)에 의해 롤 형태로 얻어진다. 이와 같이, 본 발명의 제조방법으로 금속 수준 이상의 물성 구현 및 성형성, 생산성이 향상된 장섬유 강화 시트(8)는 다양한 산업에서 사용된다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시 예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 장섬유 강화시트 제조
프리프레그 칩(6)은 제조 공정 예시의 방법으로 준비하였다. 상기 프리프레그 칩(6)은 폭 8 mm, 길이 25 mm이다. 상기 프리프레그 칩(6)을 랜덤하게 분산하여 크기 300 mm, 300 mm 형태로 수집하였다. 상기 수집한 프리프레그 칩(6)들은 압착부(70)에서 압착온도 80 ℃, 압력 17 Kgf/cm 및 LS 3 m/min으로 설정하여 압착 횟수 1회, 2회, 3회에 따른 장섬유강화시트(8, LFPS)의 두께를 비교하여 표 2와 도 11에 나타내었다.
[실시예 2] 장섬유 강화시트 제조
온도 120 ℃, 압력 17 Kgf/cm 및 L/S 3 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다. 상기 실시예 1과 동일하게 표 2와 도 11에 압착 횟수 1회, 2회, 3회에 따른 장섬유강화시트(8)의 두께를 비교하여 나타내었다.
[실시예 3] 장섬유 강화시트 제조
온도 120 ℃, 압력 8 Kgf/cm 및 L/S 3 m/min으로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다. 상기 실시예 1과 동일하게 표 2와 도 11에 압착 횟수 1회, 2회, 3회에 따른 장섬유강화시트(8)의 두께를 비교하여 나타내었다.
| 항목 | 비교대상 | 분산 후 | 압착 1회 | 압착 2회 | 압착 3회 |
| 장섬유 강화시트 두께 (mm) |
실시예 1 | 3.5 | 2.3 | 2 | 2 |
| 실시예 2 | 3.5 | 2.1 | 1.9 | 1.8 | |
| 실시예 3 | 3.5 | 2.7 | 2.2 | 2.1 |
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 상이한 온도와 압력으로 제조한 실시 예 1,2,3에 대해, 압착 횟수에 따른 장섬유 강화시트 두께 변화를 비교하였다. 따라서 압착부(70)에서 압착할 때, 압착 온도와 압력을 적절하게 설정하면 원하는 장섬유강화시트의 두께를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 강화섬유를 적용한 프리프레그를 사용하여 성형성과 생산성이 우수한 장섬유 강화시트를 다양한 산업에 적용할 수 있다.
Claims (7)
- 강화섬유가 포함된 일방향 프리프레그(2)를 삽입 가이드부(10)에서 강화섬유의 길이방향으로 공급하는 단계;
상기 삽입 가이드부(10)로부터 공급된 일방향 프리프레그(2)를 슬리팅부(20)에서 길이 방향으로 절단하여, 길이 방향으로 연장된 다수의 프리프레그 테이프(4)를 형성하는 단계;
상기 길이 방향으로 연장된 프리프레그 테이프(4)를 커팅부(50)에서 길이 방향의 수직 방향으로 절단하여, 다수의 프리프레그 칩(6)을 형성하는 단계;
상기 커팅부(50)에서 형성된 프리프레그 칩(6)을 낙하시켜 수집 플레이트(66)에서 시이트 형태로 적층하는 단계; 및
상기 시이트 형태로 적층된 프리프레그 칩(6)을 용융 압착하는 단계를 포함하고,
상기 커팅부(50)는 높이가 상이한 둘 이상의 커팅장치(52,54)를 포함하고, 상기 프리프레그 칩(6)은 둘 이상의 낙하 거리에서 낙하되어 시이트 형태로 적층되며,
상기 슬리팅부(20)는 상도(22)와 하도(23)로 구성된 다중날이 서로 맞물리면서, 다중날의 간격만큼 길이 방향의 일정한 폭으로 절단하여 프리프레그 테이프(4)를 형성하며,
상기 슬리팅부(20)에서 형성된 다수의 프리프레그 테이프(4)는 분리 가이드부(40)에 의해 둘 이상의 커팅장치(52, 54)로 분리하여 공급되고,
상기 분리 가이드부(40)는 프리프레그 테이프(4)의 위치를 기준으로 하여, 홀수번째 프리프레그 테이프(4)를 제1가이드롤러(44)를 통해 상부 커팅장치(52)로 인출하고, 짝수번째 프리프레그 테이프(4)를 제2가이드롤러(46)를 통해 하부 커팅장치(54)로 인출하는 것인, 장섬유 강화시트 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 프리프레그 칩(6)의 폭은 8 내지 10 mm이고, 길이는 25 mm 내지 50 mm인 것인. 장섬유 강화시트 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 커팅부(50)와 수집 플레이트(66) 사이의 거리는 500 내지 700 mm인 것인, 장섬유 강화시트 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 일방향 프리프레그(2)는 탄소섬유, 유리섬유, 바잘트섬유 및 고분자계 섬유로 이루어지는 군에서부터 선택되는 보강섬유 및 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터, 페놀 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 열경화성 수지 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 우레탄계 수지, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 열가소성 수지로 이루어진 군에서부터 선택되는 기지개를 포함하는 것인, 장섬유 강화시트 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020170121963A KR102277960B1 (ko) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170121963A KR102277960B1 (ko) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법 |
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| KR20190033686A KR20190033686A (ko) | 2019-04-01 |
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ID=66104437
Family Applications (1)
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| KR1020170121963A KR102277960B1 (ko) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | 프리프레그를 이용한 장섬유 강화시트 제조방법 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008179808A (ja) * | 2006-12-27 | 2008-08-07 | Japan Aerospace Exploration Agency | 樹脂プリプレグの製造方法、樹脂プリプレグ用繊維シート、樹脂プリプレグ及びその複合材料 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4119152C2 (de) * | 1991-06-11 | 1993-11-25 | Krantz H Gmbh & Co | Vorrichtung zum Naßbehandeln von Textilgut |
| KR101800757B1 (ko) * | 2015-12-15 | 2017-12-21 | 주식회사 이지컴퍼지트 | 토우 프리프레그를 이용한 칩매트 제조장치 및 제조방법과 이에 의해 제조된 칩매트 |
-
2017
- 2017-09-21 KR KR1020170121963A patent/KR102277960B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008179808A (ja) * | 2006-12-27 | 2008-08-07 | Japan Aerospace Exploration Agency | 樹脂プリプレグの製造方法、樹脂プリプレグ用繊維シート、樹脂プリプレグ及びその複合材料 |
Also Published As
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| KR20190033686A (ko) | 2019-04-01 |
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