KR102318066B1 - 압력용기의 제조방법 - Google Patents

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윤수진
김종열
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일진하이솔루스 주식회사
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Abstract

라이너의 외주면을 섬유 복합재로 건식 와인딩하고, 그리고 상기 건식 와인딩된 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 습식 와인딩하는; 단계를 포함한, 압력용기의 제조방법 이의 제조방법이 개시된다.

Description

압력용기의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING PRESSURE VESSEL}
압력용기의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 건식 와인딩하고, 그리고 상기 건식 와인딩된 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 습식 와인딩하는 단계를 포함한 압력용기의 제조방법에 관한 것이다.
고압 가스를 저장하기 위한 압력용기는 강인하고 고압에 견디는 특성을 갖는 소재를 필요로 하며, 특히 자동차의 연비 및 성능 향상을 위해서 구조물의 경량화가 필수적이다. 가볍고 강한 탄소섬유 복합재료의 적용은 금속재질의 압력용기를 대체하는 가장 효과적인 방법 중 하나이다.
복합재료 압력용기는 통상 필라멘트 와인딩(filament winding) 공정을 통해 제작된다. 필라멘트 와인딩 공정은 원통형이나 곡률을 가진 구조물을 일체 성형으로 용이하게 제작할 수 있고, 하중 전달 방향으로 섬유를 집중적으로 보강함으로써 복합재료가 갖는 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 필라멘트 와인딩 공정은 수지가 함침된 연속섬유를 원통 형상의 회전하는 맨드릴(mandrel)에 와인딩한 후 경화시켜 회전 대칭인 구조물을 제조하는 복합재 성형방법으로서, 주로 보강섬유를 맨드릴에 와인딩하기 전에 필라멘트를 수지 배스(resin bath)에 통과시켜 함침시키는 습식 와인딩(wet winding) 공정이 사용되고 있다.
습식 와인딩 공정은 비교적 저렴하고, 수지 종류를 변경하거나 수지에 다양한 첨가제를 도입하여 압력용기에 원하는 물성, 예를 들면 내열성, 내화학성, 난연성 등을 쉽게 부여할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 습식 와인딩 공정은 와인딩하면 할수록 내측에 부과되는 장력이 점점 커지고, 이에 따라 내측의 수지가 외측으로 배출될 수 있다. 이러한 내측 수지의 배출은 압력용기 내측의 기계적 물성을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 기계적 물성이 우수한 압력용기의 제조방법을 제공하는 것이다.
1. 일 측면에 따르면, 압력용기의 제조방법이 제공된다. 상기 방법은 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 건식 와인딩(dry winding)하고, 그리고 상기 건식 와인딩된 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 습식(wet winding) 와인딩하는; 단계를 포함할 수 있다.
2. 상기 제1구현예에서, 상기 섬유 복합재는 수지 조성물이 함침된 섬유를 포함하고, 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재에서 상기 수지는 반경화 상태이고, 상기 습식 와인딩용 섬유 복합재에서 상기 수지는 미경화 상태일 수 있다.
3. 상기 제2구현예에서, 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재는 토우프레그(towpreg)일 수 있다.
4. 상기 제2 또는 제3구현예에서, 상기 습식 와인딩용 섬유 복합재는 수지 조성물 함유 배스(bath)에 통과시킨 직후의 섬유일 수 있다.
5. 상기 제2 내지 제4구현예 중 어느 하나에서, 상기 섬유는 탄소섬유 및 유리섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
6. 상기 제2 내지 제5구현예 중 어느 하나에서, 상기 수지는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
7. 상기 제1 내지 제6구현예 중 어느 하나에서, 상기 건식 와인딩으로 후프층을 형성하고, 상기 습식 와인딩으로 후프층 및 헬리컬층을 형성할 수 있다.
8. 상기 제1 내지 제7구현예 중 어느 하나에서, 상기 건식 와인딩으로 섬유 복합재가 4층 이상 적층된 후프층을 형성하고, 상기 습식 와인딩으로 섬유 복합재가 1층 이상 적층된 후프층 및 2층 이상 적층된 헬리컬층을 형성할 수 있다.
9. 상기 제1 내지 제8구현예 중 어느 하나에서, 압력용기의 길이 방향에 수직한 압력용기 중앙부 단면에서의 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재가 차지하는 면적은 건식 와인딩용 섬유 복합재와 습식 와인딩용 섬유 복합재의 총 면적을 기준으로 8% 이상일 수 있다.
10. 상기 제1 내지 제9구현예 중 어느 하나에서, 상기 라이너와 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재가 직접(directly) 접촉하고, 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재와 상기 습식 와인딩용 섬유 복합재가 직접(directly) 접촉할 수 있다.
본 발명은 기계적 물성이 우수한 압력용기의 제조방법을 제공하는 효과를 갖는다.
본 명세서 중 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
'~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
본 명세서 중 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 명세서에서 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"에서 "내지"는 ≥a이고 ≤b으로 정의한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 압력용기의 제조방법은 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 건식 와인딩하고, 그리고 상기 건식 와인딩된 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 습식 와인딩하는; 단계를 포함한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 건식 와인딩한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 압력용기의 제조방법은 라이너의 외주면을 건조 상태의 섬유 복합재로 와인딩하기 때문에 장력에 의해 수지가 빠져 나오지 않을 수 있고, 그 결과 압력용기 내측의 기계적 물성이 우수할 수 있다.
하기 표 1은 원통형 라이너 외주면에 섬유 복합재가 와인딩된 압력용기에 대하여 충전압 1575bar에 대한 주응력(단위: MPa), 예상파열압(단위: bar)을 ABAQUS 프로그램을 사용하여 시뮬레이션한 결과이다. 건식 와인딩용 섬유 복합재와 습식 와인딩용 섬유 복합재는 동일한 섬유 및 수지 조성물을 포함하는 것으로 설정하였다. 건식 와인딩 면적 비율(단위: %)은 압력용기의 길이 방향에 수직한 압력용기 중앙부 단면에서의 건식 와인딩용 섬유 복합재와 습식 와인딩용 섬유 복합재의 총 면적을 기준으로 산정하였다.
건식와인딩
면적 비율(%)		 0% 8% 50% 100%
주응력(MPa)
Figure 112020115107663-pat00001

2901MPa
Figure 112020115107663-pat00002

2872MPa
Figure 112020115107663-pat00003

2719MPa
Figure 112020115107663-pat00004

2622MPa
예상파열압(bar) 1665.5bar 1762.73bar 1858.41bar 1918.39bar
상기 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 건식 와인딩 면적 비율이 높아질수록 주응력이 낮아지고 예상파열압이 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 건식 와인딩에 의해 압력용기의 기계적 물성이 우수해짐을 알 수 있다.
상기 라이너로는 고압의 가스를 저장할 수 있는 것이라면 형상, 재질 등이 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 라이너는 원통 형상을 가질 수 있고, 플라스틱 재질(예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리프로필렌 등)일 수 있다.
상기 섬유 복합재는 섬유 및 수지 조성물을 포함하고, 건식 와인딩에 적합한 상태로 건조되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 복합재는 수지 조성물이 함침된 섬유를 포함하고, 상기 수지는 반경화 상태를 가질 수 있다. 이러한 섬유 복합재의 예로는 토우프레그 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 섬유의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 압력용기 제조분야에서 통상적으로 사용되는 다양한 섬유가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 탄소섬유, 유리섬유 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 섬유는 탄소섬유일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수지 조성물에 포함되는 수지의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 압력용기 제조분야에서 통상적으로 사용되는 다양한 수지가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수지는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수지 조성물은 수지 외에 공정 특성, 안정성 등을 향상시키기 위하여 필요에 따라 경화제, 경화촉진제, 열 안정화제, 자외선 안정화제, 산화방지제, 난연제, 윤활제, 충격 개질제, 분산제 및 산화방지제 중 1종 이상을 더 포함할 수 있으며, 그 함량은 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위 내에서 통상의 기술자가 자유롭게 선택할 수 있다.
상기 와인딩은 후프 와인딩, 헬리컬 와인딩, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
이후, 건식 와인딩된 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 습식 와인딩할 수 있다.
건조 상태의 섬유 복합재, 예를 들면 토우프레그는 고가이고, 그들의 큰 마찰력으로 인해 와인딩 후 이를 수정하는 것이 쉽지 않아 작업성이 낮을 수 있다. 또한, 사용 가능한 수지 조성물도 제한적이어서 수지 조성물을 통해 압력용기에 원하는 물성을 부여하는 것이 쉽지 않을 수 있다. 예를 들어, 압력용기 사용 환경에 따라 압력용기에 소정의 난연성을 부여해야 하는 경우, 이는 수지 조성물 중의 수지 종류 변경, 추가, 난연제 추가 등을 통해 달성할 수 있는데, 습윤 상태의 섬유 복합재 제조를 위해 사용 가능한 수지 조성물은 수지 종류, 첨가제 종류, 이들의 함량 등에 큰 제약이 없어 압력용기에 난연성을 부여하는 것이 쉬운 반면, 건조 상태의 섬유 복합재 제조를 위해 사용 가능한 수지 조성물은 수지 종류, 첨가제 종류, 이들의 함량 등에 제약이 많아 압력용기에 소정의 난연성을 부여하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 압력용기의 제조방법은 건조 상태의 섬유 복합재로 라이너의 외주면을 와인딩한 후, 습윤 상태의 섬유 복합재로 추가 와인딩함으로써 상술한 건조 와인딩의 단점을 보완할 수 있다. 다시 말해, 건식 와인딩 후 습식 와인딩을 추가 수행하여 압력용기를 제조함으로써, 건식 와인딩 단독 수행을 통한 압력용기 제조시 대비 제조비용을 낮추고, 작업성을 높이며, 특수 환경에 적합한 물성을 만족하는 압력용기를 용이하게 제조할 수 있다.
상기 섬유 복합재는 섬유 및 수지 조성물을 포함하고, 습식 와인딩에 적합한 습윤 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 복합재는 수지 조성물이 함침된 섬유를 포함하고, 상기 수지는 미경화 상태일 수 있다. 이러한 섬유 복합재는, 예를 들어 수지 조성물 함유 배스에 통과시킨 직후의 섬유일 수 있다.
상기 섬유의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 압력용기 제조분야에서 통상적으로 사용되는 다양한 섬유가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 탄소섬유, 유리섬유 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 섬유는 탄소섬유일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수지 조성물에 포함되는 수지의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 압력용기 제조분야에서 통상적으로 사용되는 다양한 수지가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수지는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수지 조성물은 수지 외에 공정 특성, 안정성 등을 향상시키기 위하여 필요에 따라 경화제, 경화촉진제, 열 안정화제, 자외선 안정화제, 산화방지제, 난연제, 윤활제, 충격 개질제, 분산제 및 산화방지제 중 1종 이상을 더 포함할 수 있으며, 그 함량은 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위 내에서 통상의 기술자가 자유롭게 선택할 수 있다.
상기 와인딩은 후프 와인딩, 헬리컬 와인딩, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 건식 와인딩용 수지 복합재와 습식 와인딩용 수지 복합재는 동종의 수지 및 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 경우 압력용기 제조비용을 낮추는 효과가 있을 수 있다.
일 구현예에 따르면, 건식 와인딩으로 후프층을 형성하고, 습식 와인딩으로 후프층 및 헬리컬층을 형성할 수 있다. 압력용기 내측의 기계적 물성은 후프층과 관련되기 때문에 건식 와인딩으로 후프층만을 형성하는 경우 후프층 및 헬리컬층을 모두 형성하는 경우 대비 동등 수준의 압력용기 내측의 기계적 물성을 달성하면서도, 건조 상태의 섬유 복합재 사용량을 낮춰 제조비용, 작업성, 수지 조성물 변경을 통한 물성 부여 용이성 측면에서 유리할 수 있다. 건식 와인딩으로 후프층을 형성하는 경우, 상기 후프층에는 섬유 복합재가 4층 이상(예를 들면, 4층 내지 50층) 적층될 수 있고, 상기 범위에서 압력용기 내측의 기계적 물성이 우수할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 습식 와인딩으로 후프층 및 헬리컬층을 형성하는 경우, 상기 후프층에는 섬유 복합재가 1층 이상(예를 들면, 1층 내지 50층) 적층될 수 있고, 상기 헬리컬층에는 섬유 복합재가 2층 이상(예를 들면, 2층 내지 50층) 적층될 수 있으며, 상기 범위에서 압력용기 전체의 기계적 물성, 수지 조성물이 제공하는 소정의 물성 등이 우수할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 건식 와인딩된 라이너의 외주면에는 습식 와인딩에 의해 후프층/헬리컬층, 헬리컬층/후프층, 후프층/헬리컬층/후프층, 헬리컬층/후프층/헬리컬층, 후프층/헬리컬층/후프층/헬리컬층, 헬리컬층/후프층/헬리컬층/후프층 등이 형성될 수 있고, 후프층 및 헬리컬층의 적층 개수는 목적하는 물성을 고려하여 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 압력용기의 길이 방향에 수직한 압력용기 중앙부 단면에서의 건식 와인딩용 섬유 복합재가 차지하는 면적은 건식 와인딩용 섬유 복합재와 습식 와인딩용 섬유 복합재의 총 면적을 기준으로 8% 이상일 수 있다. 상기 범위에서 압력용기 내측의 기계적 물성이 우수하면서, 건식 와인딩 및 습식 와인딩 각각의 장점을 극대화할 수 있다. 예를 들어, 압력용기의 길이 방향에 수직한 압력용기 중앙부 단면에서의 건식 와인딩용 섬유 복합재가 차지하는 면적은 건식 와인딩용 섬유 복합재와 습식 와인딩용 섬유 복합재의 총 면적을 기준으로 8% 내지 50%, 다른 예를 들면 8 내지 45%, 또 다른 예를 들면 8 내지 25%일 수 있으며, 상기 범위에서 압력용기 제조비용, 와인딩 작업성, 압력용기 내측의 기계적 물성, 수지 조성물 변경을 통한 소정의 물성 부여 용이성 등의 측면에서 밸런스가 우수할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 라이너와 건식 와인딩용 섬유 복합재는 직접 접촉하고, 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재와 상기 습식 와인딩용 섬유 복합재가 직접 접촉할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 습식 및/또는 건식 와인딩 후, 경화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 경화 방법은 수지의 종류 등을 고려하여 통상의 기술자가 공지의 방법을 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 섬유 복합재는 열경화성 수지(예를 들면, 에폭시 수지)를 포함하고, 습식 및/또는 건식 와인딩 후 열경화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 압력용기의 제조방법은 건식 와인딩 및 습식 와인딩 공정을 복합 적용함으로써 양 공정의 이점을 극대화하면서 단점을 최소화할 수 있다. 따라서, 상술한 압력용기의 제조방법은 압력용기 제조비용, 작업성, 압력용기의 물성 등의 측면에서 밸런스가 우수할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 건식 와인딩(dry winding)하고, 그리고
    상기 건식 와인딩된 라이너의 외주면을 섬유 복합재로 습식 와인딩(wet winding)하는; 단계를 포함하고,
    상기 건식 와인딩으로 섬유 복합재가 4층 이상 적층된 후프층을 형성하고,
    상기 습식 와인딩으로 섬유 복합재가 1층 이상 적층된 후프층 및 2층 이상 적층된 헬리컬층을 형성하는 것인, 압력용기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 복합재는 수지 조성물이 함침된 섬유를 포함하고,
    상기 건식 와인딩용 섬유 복합재에서 상기 수지는 반경화 상태이고,
    상기 습식 와인딩용 섬유 복합재에서 상기 수지는 미경화 상태인, 압력용기의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 건식 와인딩용 섬유 복합재는 토우프레그(towpreg)인, 압력용기의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 습식 와인딩용 섬유 복합재는 수지 조성물 함유 배스(bath)에 통과시킨 직후의 섬유인, 압력용기의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 섬유는 탄소섬유 및 유리섬유 중 1종 이상을 포함하는 것인, 압력용기의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 수지는 에폭시 수지를 포함하는 것인, 압력용기의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    압력용기의 길이 방향에 수직한 압력용기 중앙부 단면에서의 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재가 차지하는 면적은 건식 와인딩용 섬유 복합재와 습식 와인딩용 섬유 복합재의 총 면적을 기준으로 8% 이상인, 압력용기의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 라이너와 상기 건식 와인딩용 섬유 복합재가 직접(directly) 접촉하고,
    상기 건식 와인딩용 섬유 복합재와 상기 습식 와인딩용 섬유 복합재가 직접(directly) 접촉하는, 압력용기의 제조방법.
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