KR102331848B1 - 열가소성 복합재 로드의 제조장치, 이의 제조방법, 및 이로부터 제조된 열가소성 복합재 로드 - Google Patents

열가소성 복합재 로드의 제조장치, 이의 제조방법, 및 이로부터 제조된 열가소성 복합재 로드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열가소성 복합재를 적용한 로드의 제조장치 및 이로부터 제작된 열가소성 복합재 로드에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 인발공법을 적용해 스트랜드를 제조함과 동시에 이를 요구조건에 맞는 꼬임을 부여함으로써 장력에 저항하며 유연한 회전형 열가소성 복합재 로드, 꼬임과정이 없는 일방향 열가소성 복합재 로드, 또는 이들이 혼합된 열가소성 복합재 로드를 제조할 수 있다. 또한 이 방법으로 제조된 로드는 기타 부품 및 건설의 강화에 사용되거나, 조합을 통한 와이어로프 등에 응용 가능하며 기존 금속재 로드 대비 경량화가 가능하다.

Description

열가소성 복합재 로드의 제조장치, 이의 제조방법, 및 이로부터 제조된 열가소성 복합재 로드 {Apparatus For Manufacturing Thermoplastic Composite Rods, Method for preparing thereof, and Thermoplastic Composite Rod using the same}
본 발명은 열가소성 복합재 로드의 제조장치, 이의 제조방법, 및 이로 제조된 열가소성 복합재 로드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 형태를 가지는 열가소성 복합재 로드의 제조장치, 이의 제조방법, 및 이로부터 제조된 열가소성 복합재 로드에 관한 것이다.
로드 혹은 부재는 각종 기계장치, 건설 등 하중을 지지하는 요소에 널리 사용된다. 기존의 로드 혹은 부재는 주로 금속재료를 사용하여 높은 무게를 가지고 있으며 부식 등의 영향으로 정비 소요가 크다. 복합재를 이용한 로드는 다양한 산업분야에서 특히 자동차 및 우주/항공 분야를 포함한 운송 분야에서 경량화에 대한 요구가 커지며 열가소성 복합재의 적용 및 관심이 증가되고 있다.
이 문제를 해결하기 위해 최근 복합재를 이용한 로드 및 부재, 그리고 프로파일 등의 구성품이 개발되고 있다. 하지만 단순히 길이 방향으로 강화섬유가 일렬로 배열된 일방향 형태로 제작되고 굽힘 방향에 대한 유연성이 없어 사용처가 제한되는 문제점이 있다. 또한 대부분이 열경화성 복합재를 이용해 재사용 및 재활용의 제한이 있다.
폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 수지, 나일론으로 대표되는 폴리아미드(Polyamide) 수지, 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene Sulfide, PPS) 등의 열가소성 수지와 강화섬유를 복합화한 열가소성수지 복합재 개발과 이를 응용한 제품 개발이 활발히 진행되고 있다.
열가소성 복합재는 비연속섬유 복합재와 연속섬유 복합재로 분류된다. 비연속 섬유 복합재는 디자인 자유도가 높고 일반적으로 사출 및 압출 등의 공정을 통해 생산성이 높은 특징을 갖지만 물성이 다소 낮은 단점이 있다. 연속섬유 복합재는 물성이 높지만 디자인 자유도가 낮은 단점이 있다. 최근에는 고강성/고강도를 요구하는 응용 제품의 주요 재료를 대체하기 위해 연속섬유 복합재를 적용하는 사례가 증가하고 있다.
이에 대한 종래 기술로는 한국출원특허 2009-7025674에 따른 금속재를 이용한 와이어 로프 제작 기법과 한국출원특허 2014-0161486에 따른 복합재를 이용한 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법 등이 있다. 또한 두 방식을 혼합한 형태의 한국출원특허 2017-0013959에 따른 콘크리트용 복합재 리바 제조 장치 등이 있다. 하지만 기본 소재 및 제조 방법 등의 복잡함으로 인한 문제점 등이 있다.
본 발명은 인발공법을 적용해 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드를 제조하고, 이를 이용하여 소정의 요구조건에 따라 꼬임을 부여함으로서 장력에 저항하며 유연한 회전형 열가소성 복합재 로드, 꼬임과정이 없는 일방향 열가소성 복합재 로드, 또는 이들이 혼합된 형태의 복합재 로드를 선택적으로 제조할 수 있는 제조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조장치를 이용한 열가소성 복합재 로드의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 열가소성 복합재 로드에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 로드의 제조장치는 열가소성 수지(101)를 용융 및 압출시키는 압출기(1); 복수개의 강화섬유(201)가 보빈 형태로 감겨 있는 크릴랙(2); 상기 강화섬유(201)에 열가소성 수지(101)를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조시키는 함침조(3); 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서 강화섬유(201)의 섬유 함량을 조절하는 함침조절 어셈블리(4); 회전형 노즐(501) 및 비회전 노즐(502) 중 적어도 하나를 포함하여 상기 함침조절 어셈블리(4)를 통과한 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801) 일부 또는 전체의 방향성을 결정하는 회전 조절 어셈블리(5a); 상기 회전 조절 어셈블리(5a)를 통과한 다수 개의 스트랜드를 병합시켜 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 로드 형성 다이(5b); 상기 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각시키는 냉각장치(6); 상기 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취시키는 권취장치(7); 및 이를 절단하는 절단장치(9)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 함침조(3) 내부에는 복수 개의 함침핀(301)을 배치시켜 강화섬유(201)를 오므리고 펴는 기계적 움직임을 통해 용융된 열가소성 수지(101)를 강화섬유(201) 사이사이에 고르게 분산되도록 함침시키는 것이 바람직하다.
상기 함침조절 어셈블리(4)에는 함침 노즐(401)을 포함하며, 이를 통과하면서 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서 강화섬유(201)의 섬유 함량을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 강화섬유(201)에 열가소성 수지를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조하는 단계(S10); 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서의 강화섬유의 함량을 조절하는 단계(S20); 상기 강화섬유 함량이 조절된 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 병합시켜 하기 (ⅰ) 내지 (ⅲ) 중 어느 하나의 형태로 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 단계(S30)로서, 상기 (ⅰ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 일부만 회전 통과시켜 선형과 회전형 스트랜드(801, 802)가 함께 병합된 혼합형 로드(8a), (ⅱ)는 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 회전 통과시켜 회전형 스트랜드(802)로만 이루어진 회전형 로드(8b), (ⅲ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 이동방향 그대로 통과시켜 선형 스트랜드(801)로만 이루어진 일방향 로드(8c)이며; 상기 제조된 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각시키는 단계(S40); 및 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취 및 절단하는 단계(S50);를 포함하는 열가소성 복합재 로드의 제조 방법을 제공한다.
상기 열가소성 수지는 기계적 특성, 열적 특성, 내광특성, 내스크래치성, 내가수분해성, 전기전도성, 열전도성 및 내약품성으로 구성된 군에서 선택되는 1 이상의 물성을 부여하기 위한 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 파우더, 혹은 펠렛 형태로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 천연섬유, 보론섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 바잘트 섬유, 메탈릭 섬유 중에서 선택되는 1종 이상이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 열가소성 복합재 로드를 제공한다.
본 발명에 따르면, 인발공법을 적용해 스트랜드를 제조함과 동시에 이를 요구조건에 맞는 꼬임을 부여함으로써 장력에 저항하며 유연한 회전형 열가소성 복합재 로드, 꼬임과정이 없는 일방향 열가소성 복합재 로드, 또는 이들이 병합된 열가소성 복합재 로드를 제조할 수 있다.
또한 이러한 방법으로 제조된 로드는 기타 부품 및 건설의 강화에 사용되거나, 조합을 통한 와이어로프 등에 응용 가능하며 기존 금속재 로드 대비 경량화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열가소성 복합재 로드를 제조하는 단계를 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열가소성 복합재 로드의 제조장치를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 강화섬유에 열가소성 수지를 함침시키는 단계를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강화섬유에 열가소성 수지가 함침된 복합재 스트랜드의 섬유함량을 조절하는 단계의 장치를 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합재 스트랜드를 회전시키는 단계의 장치를 보여주는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열가소성 복합재 로드를 보여주는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로드 형성 다이의 형태의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 회전형 노즐에서 꼬임량에 따라 제조되는 복합재 로드의 형태(d, e)와 일방향 복합재 로드(f) 형태의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열가소성 복합재 로드를 절단하는 단계를 보여주는 개략도이다.
본 발명은 열가소성 복합재 로드의 제조장치, 이의 제조 방법 및 이로부터 제조된 다양한 형태의 열가소성 복합재 로드를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 로드의 제조장치는 다음 도 2에서와 같이, 열가소성 수지(101)를 용융 및 압출시키는 압출기(1); 복수개의 강화섬유(201)가 보빈 형태로 감겨 있는 크릴랙(2); 상기 강화섬유(201)에 열가소성 수지(101)를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조시키는 함침조(3); 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서 강화섬유(201)의 섬유 함량을 조절하는 함침조절 어셈블리(4); 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 회전시켜 해당 스트랜드에 꼬임을 부여하여 회전형 열가소성 복합재 스트랜드(802)를 제조하는 회전형 노즐(501)과 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 그대로 통과시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 유지시키는 비회전 노즐(502)을 포함하여 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801) 일부 또는 전체의 방향성을 결정하는 회전 조절 어셈블리(5a); 회전 조절 어셈블리를 통과하여 방향성이 결정된 다수 개의 스트랜드를 병합시켜 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 로드 형성 다이(5b); 상기 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각시키는 냉각장치(6); 상기 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취시키는 권취장치(7); 및 이를 절단하는 절단장치(9)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다음 도 3에서와 같이 상기 함침조(3) 내부에는 복수 개의 함침핀(301)을 배치시켜 강화섬유(201)를 오므리고 펴는 기계적 움직임을 통해 용융된 열가소성 수지(101)를 강화섬유(201) 사이 사이에 고르게 분산되도록 함침시키도록 한다.
또한, 상기 함침조절 어셈블리(4)에는 다음 도 4에서와 같이 함침 노즐(401)을 포함하며, 이를 통과하면서 상기 함침조(3)에서 제조된 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 투입되는 함량을 조절할 수 있다. 즉, 각각의 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 굵기는 일정하게 정해져 있기 때문에, 상기 함침 노즐(401)의 크기에 따라 투입되는 섬유 스트랜드(801)의 함량이 결정되는 것이다.
본 발명의 상기 회전 조절 어셈블리(5a)는 다음 도 5에서와 같이, 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 해당 스트랜드에 꼬임을 부여하여 회전형 열가소성 복합재 스트랜드(802)를 제조하는 회전형 노즐(501)과 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 그대로 통과시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 유지시키는 비회전 노즐(502) 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 다음 도 5와 같이 회전형 노즐(501)과 비회전 노즐(502)을 모두 포함하는 회전 조절 어셈블리(5a)를 통과하게 되면, 다음 도 6의 (8a)와 같이 내부에 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)와 그 외부에 회전형 열가소성 복합재 스트랜드(802)를 포함하는 구조의 복합재 로드(8a)를 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 회전 조절 어셈블리(5a)가 회전형 노즐(501)만으로 구성되는 경우에는 다음 도 6의 (8b)와 같이 내부와 외부 모두에 회전형 열가소성 복합재 스트랜드(802)를 포함하는 구조의 복합재 로드(8b)를 제조할 수 있게 되고,
또한, 본 발명에서는 도 5의 회전 조절 어셈블리(5a)가 비회전 노즐(502)을 그대로 통과하게 되면 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)로만 이루어진 열가소성 복합재 로드(8c)를 제조할 수 있다.
즉, 최종 제조된 열가소성 복합재 로드의 형태에 따라 상기 회전 조절 어셈블리(5a)의 구성을 선택적으로 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 회전 조절 어셈블리(5a)를 통과하여 방향성이 결정된 다수 개의 스트랜드는 로드 형성 다이(5b)를 거치면서 병합되어 다양한 형태의 열가소성 복합재 로드(8)를 제조할 수 있으며, 상기 로드 형성 다이(5b)의 단면 형상은 다음 도 7에서와 같이 원형이나 직사각형일 수도 있고, 이에 한정되지 않고 정사각형 또는 다각형 등 다양한 형상 적용이 가능하다.
상기 제조된 다양한 형태의 열가소성 복합재 로드(8)는 냉각장치(6)를 통과하여 냉각되며, 상기 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취시키는 권취장치(7), 및 이를 절단하는 절단장치(9)를 포함한다.
본 발명에 따른 바람직한 제1구현예로서 열가소성 복합재 로드의 제조 방법을 다음 도 1을 참조하여 설명하면, 강화섬유(201)에 열가소성 수지를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조하는 단계(S10); 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서의 강화섬유의 함량을 조절하는 단계(S20); 상기 강화섬유 함량이 조절된 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 병합시켜 하기 (ⅰ) 내지 (ⅲ) 중 어느 하나의 형태로 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 단계(S30)로서, 상기 (ⅰ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 일부만 회전 통과시켜 선형과 회전형 스트랜드(801, 802)가 함께 병합된 혼합형 로드(8a), (ⅱ)는 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 회전 통과시켜 회전형 스트랜드(802)로만 이루어진 회전형 로드(8b), (ⅲ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 이동방향 그대로 통과시켜 선형 스트랜드(801)로만 이루어진 일방향 로드(8c)이며; 상기 제조된 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각시키는 단계(S40); 및 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취 및 절단하는 단계(S50);를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 각 단계의 상세한 절차는 다음에서 상세히 설명될 것이다.
첫 번째 단계는 강화섬유(201)에 열가소성 수지를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조하는 단계(S10)이다.
상기 강화섬유(201)는 압출기(1)에서 용융 및 압출시킨 열가소성 수지(101)과 함께 함침조(3)에 투입시킨다. 다음 도 2를 참고하면, 상기 압출기(1)는 피더를 통해 열가소성 수지(101)를 공급받아 고온의 내부에서 용융되며 스크류를 통해 이송된다. 이때 피더를 통해 투입되는 열가소성 수지(101)는 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에틸에테르케톤(PEEK) 선형저밀도폴리에틸렌 (LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등의 수지 중에서 선택되는 하나 이상의 수지를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지는 파우더, 혹은 펠렛 형태로 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열가소성 수지와 함께 기계적 특성, 열적 특성, 내광특성, 내스크래치성, 내가수분해성, 전기전도성, 열전도성 및 내약품성으로 구성된 군에서 선택되는 1 이상의 물성을 부여하기 위한 별도의 첨가제의 투입이 가능하다.
압출기(1)를 통해 함침다이로 주입되는 열가소성 수지(101)의 양은 바람직한 예로 설계된 열가소성 복합재 로드의 섬유 분율을 달성할 수 있는 양으로 투입된다. 이때 열가소성 수지(101)의 양은 제조되는 열가소성 복합재 로드의 전체 무게 대비 30~70%로 포함되는 것이 섬유 분율을 달성하는 데 있어 바람직하다.
상기 강화섬유(201)는 복수개가 보빈 형태로 크릴랙(2)에 거치되어 감겨 있어 제조 방향으로 풀리며, 상기 투입된 열가소성 수지(101)가 용융되어 함께 함침조(3)에 투입된다. 이때 바람직한 강화섬유(201)의 종류는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 천연섬유, 보론섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 바잘트 섬유, 메탈릭 섬유 등이다.
상기 용융된 열가소성 수지(101)와 강화섬유(201)를 함침조(3)에서 함침시키면 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)을 제조할 수 있다. 이때 바람직하게는 함침조(3) 내부에는 다음 도 3에서와 같이, 함침핀(301)을 설계된 위치에 복수 개 배치시켜 강화섬유를 오므리고 펴는 기계적 움직임을 통해 용융된 열가소성 수지(101)를 강화섬유(201) 사이사이에 고르게 분산되도록 함침시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법 중 제2단계는 다음 도 4와 같이, 함침조절 어셈블리(4)에 장착한 함침 노즐(401)을 통과하며 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서의 강화섬유의 함량을 조절하는 단계(S20)이다. 이때 바람직한 함침노즐(401)의 크기는 강화섬유의 단위 길이당 무게, 강화섬유(201)의 밀도, 열가소성 수지(101)의 밀도, 목표 섬유 분율을 이용하여 계산된다. 또한 계산된 원형의 내부 크기는 제작온도에서의 열팽창에 의한 치수변화를 고려하여 적용해야 한다. 함침노즐의 수량은 투입되는 강화섬유(201)의 수를 고려하여 적용한다.
본 발명의 제조방법 중 제3단계는 상기 강화섬유 함량이 조절된 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 병합시켜 하기 (ⅰ) 내지 (ⅲ) 중 어느 하나의 형태로 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 단계(S30)로서, 상기 (ⅰ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 일부만 회전 통과시켜 선형과 회전형 스트랜드(801, 802)가 함께 병합된 혼합형 로드(8a), (ⅱ)는 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 회전 통과시켜 회전형 스트랜드(802)로만 이루어진 회전형 로드(8b), (ⅲ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 이동방향 그대로 통과시켜 선형 스트랜드(801)로만 이루어진 일방향 로드(8c)이다.
구체적으로는, 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 회전형 노즐(501)과 비회전 노즐(502)을 모두 포함하는 회전 조절 어셈블리(5a)를 통과시키게 되면 비회전 노즐(502)을 통과하여 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)와 회전형 노즐(501)을 통과하여 열가소성 복합재 회전형 스트랜드(802)가 혼합된 복합형 열가소성 복합재 로드(복합형 로드, 8a)를 제조할 수 있고,
일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 회전형 노즐(502)만으로 이루어진 회전 조절 어셈블리(5b)를 통과시키게 되면 열가소성 복합재 회전형 스트랜드(802)로만 이루어진 회전형 열가소성 복합재 로드(회전형 로드, 8b)를 제조할 수 있다.
반대로, 비회전 노즐(501)만으로 이루어진 회전 조절 어셈블리(5b)를 통과시키면 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)로만 이루어진 선형 열가소성 복합재 로드(일방향 로드, 8c)를 제조할 수도 있다.
즉, 회전 조절 어셈블리(5a)의 노즐 형태를 상이하게 조절함에 따라 복합재 로드(8)를 구성하는 각 스트랜드(801, 802)의 형태를 선택적으로 결정할 수 있는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 회전형 스트랜드(802)는 다음 도 8의 (d)와 (e)에서처럼 회전 어셈블리(5a)에 삽입된 회전 노즐(501)을 통과하며 스크류 형상으로 각 스트랜드를 꼬아주는 방법을 이용할 수 있다. 이때 바람직하게는 회전노즐 어셈블리(5a)의 회전속도를 제조방향의 속도와 단위 길이당 꼬임량을 고려하여 연동/제어한다. 즉, 회전속도를 빠르게 하면 (e)와 같은 형상이, 상대적으로 느리게 하면 (d)와 같은 형상의 꼬임을 가지는 스트랜드를 제조할 수 있다.
이 방법으로 제조된 열가소성 복합재 로드는 굽힘 하중에 의해 구부러질 수 있으며, 상기 열가소성 복합재 로드를 조합하면 와이어로프와 같이 축방향 인장하중에 저항하고 쉽게 구부릴수 있는 로드로 제작될 수 있다. 구부러짐의 정도는 회전형 스트랜드의 단위 길이당 회전수 및 비율 등을 조절하여 달성 가능하다. 즉, 상기 복합재 로드에서의 꼬임량은 소정의 요구에 따라 디자인될 수 있으며, 바람직하기로는 꼬임의 길이가 로드 직경의 5~10배가 좋으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서 상기 제3단계는 실질적으로 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 방향성(즉, 선형 또는 꼬임을 부여한 회전형인지의 결정)과 병합(다수의 스트랜드를 각각의 복합재 로드(8a, 8b, 8c)로 묶는 과정)이 동시에 이루어지는 단계라 할 수 있다. 이에 따라 제조 장치 측면에서는 본 발명의 제3단계가 진행되는 회전 어셈블리(5a)와 로드 형성 다이(5b)가 명확히 분리될 수도 있으나 하나의 장치로 일체화 되어 있을 수도 있다.
특히, 일방향 로드(8c)를 제조하는 경우에는 비회전 노즐(502)만이 필요하기 때문에 비회전 노즐(502)이 구비된 회전 어셈블리 일체형 로드 형성 다이를 이용할 수 있으며 이는 함침조를 거쳐 바로 로드 형성 다이(5b)를 통과하는 것과 같을 수 있다. 따라서 본 발명에 한해 비회전 노즐만 구비한 회전 어셈블리(5a)는 로드 형성 다이(5b)에 일체형으로 포함된 것 즉, 일반적인 로드 형성 다이(5b)까지 포괄적으로 의미하는 것이다.
이러한 제3단계에서 스트랜드 내부의 기포가 제거되면서 서로 병합되는 것으로, 이 단계를 거친 열가소성 복합재 로드는 아직 열가소성 수지의 고화가 일어나지 않아 부드러운 상태를 가진다.
본 발명에서 스트랜드를 로드 형상으로 병합시키는 일 예로, 36개의 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 조합하여 일방향 열가소성 복합재 로드(8c)를 제조하는 경우, 로드 형성 다이(5b)의 면적은 상기 함침노즐(401) 면적의 36배로 구성된 어셈블리를 이용한다. 즉, 하나의 비회전 노즐(502)만 필요하기 때문에 로드 형성 다이(5b)의 면적은 사용되는 스트랜드의 면적과 동일한 면적의 함침노즐(401)이 필요한 것이다.
또 다른 예로 도 5와 같이 하나의 비회전 노즐(502)에 선형 스트랜드(801) 6개가 통과하고, 6개의 회전형 노즐(501)에 회전형 스트랜드(802)가 각각 5개가 통과하여 총 30개의 회전형 스트랜드(802)를 조합하여 복합형 열가소성 복합재 로드(8a)를 제조하는 경우, 상기 비회전 노즐(502)의 면적은 함침 노즐 면적의 6배(회전 노즐의 면적은 함침 노즐의 5배)로 구성한다. 즉, 통과하는 스트랜드 개수를 고려하여 회전 어셈블리를 구성하는 각각의 노즐(비회전 및 회전) 면적을 결정해야 하며, 로드 형성 다이(5b)는 병합된 전체 스트랜드 개수를 고려하여 단면적이 결정될 수 있다. 이는 섬유와 수지의 비율이 조절된 스트랜드의 조성을 유지하기 위한 것으로, 회전 어셈블리를 구성하는 각 노즐의 단면적 또는 병합된 로드가 통과하는 로드 형성 다이 단면적이 각각을 통과하는 스트랜드의 면적보다 작을 경우 섬유의 함량이 올라가거나 단사가 발생하며, 스트랜드의 면적보다 클 경우 기공이 발생하여 병합이 제대로 이루어지지 않아 성능이 하락할 수 있다.
제4단계는, 상기 제조된 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각장치(6)을 이용해 냉각하는 단계(S40)를 포함한다. 상기 병합된 각 열가소성 복합재 로드(8)는 S40 단계를 지나 부드러운 상태로 냉각장치를 통과하며 고화된다. 이때 바람직한 냉각 방법은 공냉, 수냉의 방법이며 제조속도와 적용된 열가소성 수지의 흡습성 등을 고려해 전체적인 길이와 냉각 방법을 결정한다.
마지막으로 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취장치(7)을 이용해 권취하거나, 다음 도 9와 같이 절단장치(9)를 이용해 원하는 길이로 절단하는 단계(S50) 단계를 포함한다.
1: 압출기 101: 열가소성 수지
2: 크릴랙 201: 강화섬유
3: 함침조 301: 함침핀
4: 함침조절 어셈블리 401: 함침 노즐
5a: 회전노즐 어셈블리 501: 회전 노즐
502: 비회전 노즐 5b: 로드 형성 다이
6: 냉각장치 7: 권취장치
8: 열가소성 복합재 로드 801: 선형 스트랜드
802: 회전형 스트랜드 8a: 복합형 열가소성 복합재 로드
8b: 회전형 열가소성 복합재 로드
8c: 일방향 열가소성 복합재 로드
9: 절단장치

Claims (8)

  1. 열가소성 수지(101)를 용융 및 압출시키는 압출기(1);
    복수개의 강화섬유(201)가 보빈 형태로 감겨 있는 크릴랙(2);
    상기 강화섬유(201)에 열가소성 수지(101)를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조시키는 함침조(3);
    상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서 강화섬유(201)의 섬유 함량을 조절하는 함침조절 어셈블리(4);
    회전형 노즐(501), 또는 회전형 노즐(501)과 비회전 노즐(502)을 포함하여 상기 함침조절 어셈블리(4)를 통과한 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801) 일부 또는 전체의 방향성을 결정하는 회전 조절 어셈블리(5a);
    상기 회전 조절 어셈블리(5a)를 통과한 다수 개의 스트랜드를 병합시켜 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 로드 형성 다이(5b);
    상기 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각시키는 냉각장치(6);
    상기 냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취시키는 권취장치(7); 및
    이를 절단하는 절단장치(9)를 포함하는 열가소성 복합재 로드의 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 함침조(3) 내부에는 복수 개의 함침핀(301)을 배치시켜 강화섬유를 오므리고 펴는 기계적 움직임을 통해 용융된 열가소성 수지(101)를 강화섬유(201) 사이사이에 분산되도록 함침시키는 것인 제조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 함침조절 어셈블리(4)에는 함침 노즐(401)을 포함하며, 이를 통과하면서 상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서 강화섬유(201)의 섬유 함량을 조절하는 것인 제조 장치.
  4. 강화섬유(201)에 열가소성 수지를 함침시켜 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 제조하는 단계(S10);
    상기 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)에서의 강화섬유(201)의 함량을 조절하는 단계(S20);
    상기 강화섬유 함량이 조절된 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)를 병합시켜 하기 (ⅰ) 및 (ⅱ) 중 어느 하나의 형태로 열가소성 복합재 로드(8)를 제조하는 단계(S30)이며,
    (ⅰ)은 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 일부만 회전 통과시켜 선형과 회전형 스트랜드(801, 802)가 함께 병합된 혼합형 로드(8a),
    (ⅱ)는 일방향 열가소성 복합재 선형 스트랜드(801)의 전체를 회전 통과시켜 회전형 스트랜드(802)로만 이루어진 회전형 로드(8b)이며;
    상기 제조된 열가소성 복합재 로드(8)를 냉각시키는 단계(S40); 및
    냉각된 열가소성 복합재 로드(8)를 권취 및 절단하는 단계(S50);
    를 포함하는 열가소성 복합재 로드의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 기계적 특성, 열적 특성, 내광특성, 내스크래치성, 내가수분해성, 전기전도성, 열전도성 및 내약품성으로 구성된 군에서 선택되는 1 이상의 물성을 부여하기 위한 첨가제를 포함하는 것인 열가소성 복합재 로드의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 파우더, 혹은 펠렛 형태로 공급되는 것인 열가소성 복합재 로드의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 천연섬유, 보론섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 바잘트 섬유, 메탈릭 섬유 중에서 선택되는 1종 이상인 열가소성 복합재 로드의 제조방법.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 열가소성 복합재 로드.
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