KR102373111B1 - 섬유 복합 재료를 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 단계: a) 섬유 층을 확대 장치(20)에 의해 드로잉하여 이 방법에서 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2배만큼 더 크게 확대시키고, 여기서 섬유 층은 섬유 층의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배에 상응하게 되는 정도로 확대되는 단계; b) 확대된 상태에서, 적어도 하나의 도포 노즐(60)에 의해 용융물을 도포하는 단계; c) 공구의 단면의 협소화에 의해, 습윤된 섬유 층의 폭을 적어도 인취 노즐을 떠날 때의 생성물의 단면으로 만드는 단계; d) 이어서 반경에 의해, 습윤된 섬유를 5°내지 60°의 각도만큼 편향시키는 단계; e) 안정 대역(68)에 의해 섬유 분포를 균질하게 만들어 균일한 높이가 제공되는 단계; 및 f) 최초 성형 방법을 공구 단부에서 인취 노즐(70)에 의해 수행하는 단계를 갖는, 섬유 복합 재료의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

섬유 복합 재료를 제조하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 복합 재료를 제조하기 위한 방법, 및 또한 하나 이상의 섬유 다발을 용융물로 함침시킬 수 있는 장치에 관한 것이다. 특정한 디자인은 다양한 섬유 재료 및 섬유 유형, 심지어 비교적 높은 텍스 값을 갖는 것 (예를 들어 무거운 토우)을 처리하는 것을 허용한다. 특별한 특징은 매우 넓은 점도 범위에 걸친 견고한 개별-섬유 함침의 달성이다. 통상적으로 사용되는 선행 기술의 해결책과는 달리, 비교적 높은 점도의 시스템을 처리하는 것이 또한 가능하다.
용융 함침 동안의 섬유 다발의 스프레딩(spreading)은 공지되어 있다: EP 0 056 703 A1에는 강화-섬유 로빙을 스프레딩하기 위해 가열된 스프레더(spreader) 바의 형태의 적어도 하나의 가열된 표면이 침지되어 있는 열가소성 용융물을 통해 강화-섬유 로빙을 드로잉(drawing)하는 방법이 기술되어 있다. 그러나, 실제로 항상 복수의 스프레더 장치가 필요하다. 가해져야 하는 인취력(take-off force)은 스프레더 장치의 개수, 용융물의 점도 및 인취 속도에 따라 크게 증가한다. 결과적인 높은 인취력, 및 또한 바에 대한 기계적 마찰은 강화 섬유를 손상시켜 복합 재료의 특성을 해치므로, 이러한 방법은 매우 제한적으로 사용된다. 추가적인 인자는 함침 품질 및 또한 이로 인한 생성물의 품질이 용융물 점도의 증가 및 인취 속도의 증가에 따라 저하된다는 것이다. 그러므로 EP 0 056 703 A1의 방법은 30 Pas 이하의 용융물 점도 및 낮은 인취 속도 (0.3 m/min 미만)를 사용하는 경우에만 우수한 결과를 제공한다.
EP 0 364 829 A2에는 압력 챔버에서 1 내지 800 bar에서의 강화 섬유의 함침이 기술되어 있다. 상기 공보의 내용에 따르면 여기서는 섬유 다발의 스프레딩이 요구되지 않는다.
낮은 매트릭스 점도는 더 효과적인 함침을 제공할 수 있다. 점도가 높을수록, 함침은 덜 효과적이다. 이러한 효과를 경감시키는 방법은 체류 시간을 증가시키기 위해 매우 느린 처리 속도를 사용하는 해결책 또는 매우 많은 편향점의 사용을 초래하여, 높은 섬유 손상도 및 마찬가지로 공정의 감속을 초래한다. US 4 883 625에 예를 들어 기술된 바와 같이 금형의 기하학적 구조가 이들 편향점을 형성할 수 있거나, 도입된 편향 바가 존재할 수 있다 (예를 들어 JP 2007076224A). 결과적인 섬유 손상을 저감시키기 위해, 매우 정확한 매트릭스 도포 및 뒤이은 매우 작은 편향 각도를 갖는 많은 후속 편향점을 사용하는 것이 또한 가능하다 (DE 41 12 129 A1; WO 2012/149129). 다른 방법은 단순 매트릭스 도포 및 임의의 요망되는 배열의 캘린더 롤에 의한 후속 함침이다 (예를 들어 CN101474868A). 여기서 제약은 열-민감성이고/거나 열-산화적 열화에 취약한 조성물이 사용되는 경우에 적용되고 또한 결과적인 웹 속도에도 적용된다. 다른 기술적인 해결책은 함침 챔버 또는 함침욕 내의 많은 과량의 매트릭스를 요구하며, 이로 인해 사용된 중합체의 체류 시간이 크게 증가한다. 여기서도 역시 열화에 취약한 중합체를 처리하는 것은 불가능하다.
일본 특허 출원 JP 2006289714A에는 섬유를 함침 절차 동안에 스프레딩하는 함침 방법이 기술되어 있다. 여기서는 진동-보조된 함침에 중점이 두어진다. 한 실시양태에서 예비스프레딩이 용융물-충전된 챔버 내에서 진동 편향기 롤러에 의해 달성된다. 용융물의 긴 체류 시간은 불리한데, 왜냐하면 또한 진동에 의해 유발되는 섬유 손상의 위험이 있기 때문이다. 후자는, 복수의 편향점과 더불어, 빠른 처리 속도의 달성을 방해한다.
WO 2014140025 A1에는 섬유 다발을 매트릭스 중합체로 습윤시키기 전에 장력에 적용하고 확대시키는, 섬유-강화된 열가소성 반제품의 인발성형(pultrusion)을 위한 장치가 기술되어 있다. 금형 내의 복수의 편향기를 통해 장력이 증가하며 확대가 달성된다. 장치는 상이한 온도로 제어되는 두 개의 챔버인 예비함침용 챔버 및 성형용 챔버로 나누어진다. 이러한 장치는 비교적 미세한 구조물, 예를 들어 고도로 섬유-강화된 얇은 필름이 제조되는 경우에 중대한 문제를 야기한다. 금형 내의 많은 편향기는 필라멘트 장력을 섬유가 파단될 경향이 있을 정도로 크게 증가시킨다. 매트릭스 중합체의 첨가는 이러한 저항을 증가시킨다. 따라서, 역시 이러한 기술도 비교적 두꺼운 벽 두께 및 섬유의 제한된 부피 기준 비율을 갖는 반제품의 분야에서만 사용될 수 있다.
WO 2012149129 A1에는 로빙의 연속적 함침을 위한 함침 방법이 기술되어 있다. 함침 원리는 균일한 필름 도포 및 예비스프레딩된 로빙 내로의 용융물의 느린 마사징(massaging)이다. 함침을 보장하기 위해, 섬유-용융물 혼합물은 파형 또는 유사한 형상의 수많은 작은 프로파일에 걸쳐 드로잉된다. 작은 편향 각도에서의 짧은 접촉은 섬유 내로의 용융물의 꼼꼼한 침투, 및 또한 균질한 분포를 허용한다. 이러한 함침 기술의 중대한 단점은 함침 챔버 내에서의 용융물의 체류 시간이 때때로 매우 길다는 것이다. 짧은 시간이 흐른 후에, 기하학적 구조로 인한 공동이 막힐 수 있고 열-민감성 조성물은 열화 또는 응집을 겪는다. 더욱이 함침 효과는, 함침 챔버 내에 부착되고 특정한 속도로 설정될 수 있는, 가열되고 회전하는 롤을 통해 달성된다. 따라서 특정한 섬유 장력을 이러한 영역 내의 스프레딩된 섬유에 제공하는 것이 가능하다. 더욱이 후방 롤 쌍은 압력 하에 설정된 닙을 통해 추가적인 함침을 제공한다. 이러한 롤 쌍은 함침 금형 내에 위치하고 오랜 기간 동안 액체 용융물에 의해 둘러싸이기 때문에, 여기서도 역시 오염물이 빠르게 축적되어, 필라멘트 잔류물 및 중합체의 형상을 취하고, 이는 열화된다. 이러한 방법에 의한 열-민감성 조성물의 연속적 처리를 달성하는 것은 어렵다.
이와 대조적으로, 본 발명의 목적은 상기에 언급된 문제를 해결하는 것이고, 특히 섬유 손상을 회피할 수 있고 그럼에도 불구하고 빠른 인취 속도를 달성할 수 있는, 용융물의 짧은 체류 시간을 사용하여 높은 함침도를 달성하기 위한 단순한 방법을 포함하는 방법을 제공하는 것이다. 방법을 위해 사용되는 장치는, 더 짧은 중합체 체류 시간을 허용하기 위해, 데드존(dead zone)을 포함하지 않아야 하고 자체-세척되어야 한다. 방법은 특히 넓은 범위의 섬유 유형 및 또한 비교적 높은 매트릭스 점도에 대해 매우 우수한 함침 품질을 야기해야 한다. 매우 우수한 함침 품질이라는 표현은 매우 미세하게 분포된 개별 필라멘트 섬유가 존재하고, 이상적으로는 매트릭스가 이들 각각의 개별 필라멘트 섬유를 완전히 둘러싸고, 함침되지 않은 필라멘트 다발 또는 필라멘트 도메인이 거의 존재하지 않음을 의미한다. 더욱이 또한 생성물 내에 공기 봉입물이 거의 존재하지 않는다. 함침 품질은 마이크로섹션 또는 주사전자현미경에 의해 통상적인 방식으로 평가된다.
이러한 목적은 습윤 방법과 추가의 함침의 특정한 조합을 실현하는 복합 재료의 제조를 위한 방법을 통해 달성된다. 방법은
a) 섬유 층을 스프레더 장치를 통해 도입하여, 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2배, 바람직하게는 1.4배, 특히 바람직하게는 1.6배만큼 더 큰 폭으로 스프레딩하며, 여기서 섬유 층의 스프레딩 정도는 섬유 층의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배에 상응하게 되도록 하는 것인 단계;
b) 적어도 하나의 도포기 노즐에 의해 용융물을 스프레딩된 재료에 도포하는 단계;
c) 금형의 단면-협소화(cross-section-narrowing)에 의해, 습윤된 섬유 층의 폭을 적어도 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 만드는 단계;
d) 이어서, 습윤된 섬유 층을 5 내지 60°, 바람직하게는 8 내지 50°, 특히 바람직하게는 12 내지 40°, 특히 바람직하게는 15 내지 35°의 각도만큼 편향시키는 단계;
e) 완화 대역(relaxation zone)에 의해 섬유 분포를 더 균일하게 만들어 균일한 높이가 제공되는 단계;
f) 최초 성형을 금형의 단부에서 인취 다이에 의해 달성하는 단계
를 포함한다.
이어서 생성물은 캘린더링되고 냉각된다.
이러한 방법에서 섬유 층은 도입부로부터 인취 다이까지 연장되는 이송 덕트를 통해 드로잉된다.
바람직한 실시양태는 단계 c)에서 습윤된 섬유 층의 폭이 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면보다 더 작은 단면으로 감소되고, 추가적으로, 단계 d) 전에 또는 후에, 습윤된 섬유 층의 폭이 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 되도록 하는 것을 특징으로 한다. 단계 c)에서 습윤된 섬유 층의 폭은 일반적으로 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면의 99 내지 10%인 단면으로 감소된다. 특히 바람직한 값은 98 내지 16%이고, 특히 바람직한 값은 96 내지 24%이고, 매우 특히 바람직한 값은 96 내지 24%이다. 여기서 특히 하기 변형양태가 가능하다:
1. 단계 c)에서, 습윤된 섬유 층의 폭은 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면보다 더 작은 단면으로 감소되고, 이어서 곧바로 습윤된 섬유 층의 폭은 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 된다. 이어서 단계 d), e) 및 f)가 순차적으로 후속된다.
2. 단계 c)에서, 습윤된 섬유 층의 폭은 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면보다 더 작은 단면으로 감소된다. 이어서 곧바로 단계 d)가 수행된다. 이어서 습윤된 섬유 층의 폭은 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 된다. 이어서 단계 e) 및 f)가 후속된다.
3. 단계 c)에서, 습윤된 섬유 층의 폭은 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면보다 더 작은 단면으로 감소된다. 이어서 곧바로 단계 d) 및 e)가 후속된다. 이어서 습윤된 섬유 층의 폭은 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 되고, 단계 f)가 후속된다.
"섬유 층"이라는 표현은 비교적 많은 개별 필라멘트로 만들어진 다발을 의미한다. 여기서 통상적으로 수천 개의 개별 필라멘트가 포함된다. 섬유 층은 로빙 또는 아니면 복수의 로빙으로 구성될 수 있고, 그래서 그것은 바람직하게는 1 내지 최대 1000개의 로빙, 특히 바람직하게는 1 내지 최대 800 개의 로빙으로 구성된다. 본 발명의 방법에서, 이들 로빙은 보빈으로부터 개별적으로 풀리거나 인출되고, 스프레더 장치 전에 또는 스프레더 장치의 진입 단부에서 합쳐져서 단일 섬유 층을 제공한다. "로빙"이라는 표현은 여기서는 일반적인 용어로 개별 필라멘트의 다발을 의미하고, 그래서 이러한 다발은 단일 섬유 유형 또는 아니면 다양한 섬유 유형으로 구성될 수 있다. 원칙적으로 적절한 길이의 모든 섬유가 적합하고, 그래서 무기 섬유, 중합체 섬유, 및 또한 천연 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 적합한 섬유의 예는 금속 섬유, 유리 섬유 (예를 들어 E 유리, A 유리, C 유리, D 유리, AR 유리, R 유리, S1 유리, S2 유리 등으로 만들어진 것), 탄소 섬유, 금속화된 탄소 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유 (예를 들어 Al2O3 또는 SiO2로 만들어진 것), 현무암 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 (예를 들어 폴리부틸렌테레프탈레이트로 만들어진 것), 액정 폴리에스테르로 만들어진 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 및 또한 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤으로 만들어진 섬유, 및 또한 셀룰로스 섬유인, 비스코스 방법에 의해 방사되고 통상적으로 비스코스 섬유라고 불리는 것, 대마 섬유, 아마 섬유, 황마 섬유 등이다. 섬유의 단면은 예를 들어 원형, 직사각형, 달걀형, 타원형, 또는 불규칙하게 둥근 형상일 수 있다. 원형 형상으로부터 벗어나는 단면을 갖는 섬유 (예를 들어 편평 유리 섬유)의 경우에, 완성된 부품 내의 더 높은 섬유 충전 수준, 및 따라서 더 높은 강도를 달성하는 것이 가능하다.
단계 a)에서의 스프레딩은 최종 생성물의 기하학적 구조에 좌우된다. 최종 생성물이 테이프인 경우에, 섬유 층을 위한 스프레딩 인자는 비교적 높다. 이와 대조적으로, 최종 생성물이 비교적 두꺼운 경우에, 예를 들어 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는 경우에, 섬유 층을 위한 스프레딩 인자는, 최종 생성물의 폭을 기준으로, 비교적 낮을 수 있고, 그러므로 임의의 유용한 일반적으로 적용 가능한 상한을 말하는 것은 불가능하다. 수행되는 스프레딩은 최종 생성물의 기하학적 구조에 좌우되고, 스프레딩 인자는, 각각의 경우에 최종 생성물의 폭을 기준으로, 바람직하게는 최대 30, 특히 바람직하게는 최대 20, 특히 바람직하게는 최대 14, 매우 특히 바람직하게는 최대 8이다.
여기서 섬유 층의 스프레딩 정도는 그것의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배, 바람직하게는 필라멘트 직경의 1 내지 40배, 특히 바람직하게는 필라멘트 직경의 1.5 내지 35배, 매우 특히 바람직하게는 필라멘트 직경의 1.8 내지 30배에 상응하게 하는 정도이다. 여기서 평균은 섬유 층의 폭 전체에 걸쳐 산출된다. 비-원형 단면을 갖는 섬유의 경우에, 가장 짧은 단면 축이 필라멘트 직경으로서 선택된다. 섬유 단면에 대해서라면, 섬유 제조사에 의해 제공된 정보가 사용될 수 있다. 다양한 섬유의 혼합물의 경우에, 개별 필라멘트의 개수를 기준으로 하는 산술평균이 필라멘트 직경으로서 선택된다. 제조사의 정보가 이용 가능하지 않은 경우에, 또는 상이한 기하학적 구조를 갖는 동일한 유형의 섬유, 예를 들어 천연 섬유의 경우에, 평균 필라멘트 직경은 주사전자현미경 (SEM), 및 개별 필라멘트의 개수를 기준으로 하는 산술평균의 측정 및 계산을 통해 결정된다.
복합 재료의 매트릭스는 열가소성 성형 조성물, 열경화성 물질, 열가소성-열경화성 혼성 시스템, 열가소성 엘라스토머 또는 가교된 엘라스토머일 수 있다. 열가소성 성형 조성물은 주성분 또는 단일 성분으로의 열가소성 수지로 구성된다. 다른 성분은 예를 들어 안정화제, 가공 조제, 안료, 난연제, 블렌드 성분으로서의 다른 열가소성 수지, 충격 개질제 등일 수 있다. 적합한 열가소성 수지는 예를 들어 폴리올레핀 (예를 들어 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌), 폴리에스테르 (예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트 또는 액정 폴리에스테르), 폴리카르보네이트, 폴리에스테르카르보네이트, 폴리아미드 (예를 들어 PA46, PA6, PA66, PA610, PA612, PA1010, PA11, PA12), 반방향족 폴리아미드 (PPA) 및 투명 폴리아미드 (예를 들어 선형 또는 분지형 지방족, 시클로지방족 또는 방향족 디카르복실산 및 디아민을 기재로 하는 것), 폴리아릴렌 에테르 케톤 (예를 들어 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤 또는 폴리에테르에테르케톤케톤), 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 (SAN), 스티렌-아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 (ABS), 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐렌 옥시드 및 플루오로중합체 (예를 들어 PVDF 및 ETFE)이다.
적합한 열경화성 물질은 예를 들어 불포화된 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 아미노 플라스틱, 페놀계 플라스틱, 가교된 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 멜라민 수지, 비닐 에스테르 수지 및 비스말레이미드 수지이다. 단계 b)에서 도포되는 용융물은 이러한 경우에 수지-경화제 혼합물 또는 임의의 다른 적합한 전구체, 예를 들어 예비중합체이다.
적합한 열가소성 엘라스토머는 예를 들어 TPE O (올레핀을 기재로 하는 열가소성 엘라스토머, 예를 들어 PP/EPDM), TPE V (올레핀을 기재로 하는 가교된 열가소성 엘라스토머, 특히 PP/가교된 EPDM), TPE U (폴리우레탄을 기재로 하는 열가소성 엘라스토머), TPE E (열가소성 폴리에스테르 엘라스토머), TPE S (스티렌 블록 공중합체, 예를 들어 SBS, SEBS, SEPS, SEEPS 및 MBS), 및 또한 TPE A (폴리아미드 엘라스토머)이다.
적합한 가교된 엘라스토머는, 선행 기술에서와 같이, 가황제를 포함하고 또한 임의로 가황 보조제, 충전제, 오일, 및 또한 다른 통상적인 첨가제를 포함하는 배합 고무 재료로부터 수득된다. 이러한 유형의 엘라스토머의 예는 EPDM, 스티렌/부타디엔 고무, 부틸 고무, 실리콘 고무, 에폭시 고무, 클로로프렌 고무, 아크릴계 고무 등이다.
단계 c)에서의 단면-협소화는 습윤된 섬유 층의 스프레딩의 저감을 야기하며, 이는 그의 폭이 인취 다이의 폭 방향에서 변화한다는 것을 의미한다. 한 실시양태에서 습윤된 섬유 층의 폭은 인취 다이의 폭으로 된다. 또 다른 바람직한 실시양태에서, 습윤된 섬유 층의 폭은 인취 다이의 폭보다 더 작은 폭으로 된다. 이러한 경우에 습윤된 섬유 층의 폭은 또한 인취 다이로의 경로 상에서 재개된 스프레딩에 의해 증가한다. 단계 c)에서 단면-협소화가 이행되는 방식은 바람직하게는 여기서 고려되는 모든 실시양태의 경우에 습윤된 섬유 층의 폭이 적어도 1.2배, 특히 바람직하게는 적어도 1.4배만큼 감소되도록 하는 것이다.
후속 단계 d)에서 편향 반경은 바람직하게는 2 내지 90 ㎜, 특히 바람직하게는 3 내지 60 ㎜, 특히 바람직하게는 4 내지 40 ㎜, 매우 바람직하게는 4 내지 30 ㎜이다. 기하학적 구조의 변형이 가능하고, 그래서 예를 들어 편향점에서 반경은, 예를 들어 섬유에 크기의 분할을 제공하기 위해, 짧은 고도와 조합될 수 있다. 바람직하게는 단일 편향점이 존재하여, 방향의 단일 변화가 일어날 수 있다. 이는 불필요하게 높은 섬유 장력을 회피하여 섬유 파단을 효율적으로 억제한다.
인취 다이는 일반적으로 임의의 통합된 인취 장비를 포함하지 않는다. 대신에, 장력은 통상적으로 다이 직후에 인취에 의해 또는 캘린더 롤에 의해 섬유 복합 재료에 가해진다. 예를 들어 롤러 또는 롤의 형태의, 이러한 유형의 인취는 선행 기술이고 캘린더도 그러하다.
도 1은 시스템의 개념도이다.
도 2는 습윤된 섬유 층을 생성물의 후속 단면으로 만드는 단면-협소화 시스템을 도시한다.
도 3은 시스템의 한 실시양태를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 섬유 층은, 예를 들어 로빙의 형태로서, 보빈(10)으로부터 풀린다. 여기서 복수의 보빈(10)을 사용하는 것이 가능하다. 섬유 층은 스프레더 장치(20) 상에서 스프레딩되고 이어서 금형 내로 도입된다. 여기서 통상적인 스프레더 장치가 사용될 수 있다. 도 1에서 로빙의 이동 방향은 30으로 특징화되어 있다. 여기서 섬유 층은 임의로, 예를 들어 IR 복사에 의해 또는 공기의 순환에 의해 예열될 수 있다. 용융물이 두 개의 도포기 노즐(60)을 통해 위로부터 및 아래로부터 섬유 층에 도포된다. 이것의 대안으로서, 용융물이 위로부터만 또는 아래로부터만 도포되는 것이 또한 가능하다. 용융물 및 요구되는 도포 압력은 압출기(40 및 50)에 의해 공급된다 (이것의 대안으로서 가소화 유닛의 하류에 있는 용융물 펌프가 또한 사용될 수 있음). 도 1은 후속 단면-협소화 시스템, 편향 반경, 완화 대역 또는 인취 다이를 도시하지 않는다. 최종 성형을 위해, 프로파일은 인취 후에 또한 캘린더(80)에 의해 캘린더링될 수 있다. 이어서 결과적인 섬유 복합 재료는 냉각되고 감기거나 일정 길이가 되도록 절단되고, 그래서 이것의 대안으로서 그것은 즉시 예를 들어 코어 주위에 감긴 후에 (열가소성 매트릭스의 경우에) 냉각되거나 (열경화성 매트릭스의 경우에) 경화됨으로써 추가로 처리될 수 있다.
도 2는 스프레딩된 섬유 층이 어떤 방식으로 단면-협소화 시스템에 도입되는지를 도시한다. 용융물은 도포기 노즐(63)에 의해 도포된다. 대안적인 실시양태에서 도포 노즐(63)의 위치는 또한, 도 2에 도시된 것 대신에, 단면-협소화 시스템의 진입 단부에, 단면-협소화 전의 위치에 있을 수 있어서, 습윤의 제1 상이 완전히 스프레딩된 상태에서 수행된다. 단면-협소화 시스템의 단부에는 편향 시스템(66)이 존재하고, 그래서 섬유 층의 단면은 이러한 점에서 폭(67)으로 감소된다.
도 3은 장치를 옆에서 본 것이다. 스프레딩된 섬유 층은 도입부(61)에 의해 금형 내로 도입된다. 용융물은 투입 및 습윤 대역(62)에서 도포된다. 투입 및 습윤 대역의 길이는 64로 표시되어 있다. 매트릭스는 스프레딩된 상태에서 도포 노즐에 의해 도포되고, 그래서 섬유 변위 동안의 상대적 이동 때문에, 후속 단면-협소화는 매트릭스가 섬유들 사이의 층 내로 침투하는 것을 허용한다. 단면-협소화 시스템의 단부에서, 습윤된 섬유 층은 편향 시스템(65)에서 각도 α만큼 편향된다. 여기서 반경은 도시되어 있지 않다.
이러한 편향은 추가의 상대적 섬유 이동, 및 또한 편향점으로부터 나머지 공동으로의 국부적 압력 구배를 야기하여 추가의 매트릭스 침투를 허용한다. 단면-협소화의 완결 후의 편향 시스템의 배열은, 편향이 단면-협소화 동안에 실시되는 선행 기술의 실시양태에 비해, 특히 우수한 함침 품질을 달성한다.
길이(69)의 후속 완화 대역(68)은 섬유 분포를 더 균일하게 만들어 균일한 높이를 제공한다. 이러한 절차, 및 또한 추가의 함침은 이러한 챔버 영역이 용융물로 충전?瑛? 가능성의 뒷받침을 받는다. 후속 생성물의 초기 성형을 담당하는 다이(70)가 금형의 단부에 부착된다. 여기서 압력은 일반적으로 도포 대역으로부터 다이까지의 경로를 따라 증가하고, 그래서 정확한 압력 프로파일은 재료에 좌우된다. 여기서 최종 성형은 캘린더(80)에 의해 수행된다.
본 발명의 방법에서 도포되는 용융물의 바람직한 점도는 10 mPas 내지 400 Pas, 특히 300 Pas 이하이다. 경화 후에 열경화성 물질 또는 열가소성-열경화성 혼성 시스템을 제공하는 수지-경화제 시스템 또는 예비중합체의 경우에, 점도는 10 mPas 또는 심지어 그 미만까지의 더 낮은 범위이다. 열가소성 성형 조성물로 만들어진 용융물의 경우에, 열가소성 엘라스토머 또는 배합 엘라스토머 재료 점도는 일반적으로 적어도 1 Pas이다. 본 발명에 따라, 점도는 기계적 분광계에서 ASTM D4400에 따라 측정된, 방법의 온도에서의 영전단 점도이다.
용융물의 도포 동안의 작업은, 특히 비교적 높은 점도의 용융물의 경우에, 일반적으로 임의의 과량의 용융물을 회피하거나, 단지 적은 과량의 용융물을 사용한다. 과량의 용융물을 사용하는 작업의 경우에, 과량의 용융물이 유출 목적을 위해 주어진 개구를 통해 유출될 수 있는 것을 보장하도록 주의를 기울여야 한다. 섬유 대 용융물의 비는 완성된 부품 내의 섬유의 부피 기준 비율이 약 10 내지 85%, 바람직하게는 15 내지 80%, 특히 바람직하게는 20 내지 75%이도록 조절된다.
결과적인 복합 재료의 매트릭스가 열경화성 물질인 경우에, 경화 반응은 통상적으로 주로 완화 대역에서 일어난다. 그래서 드로잉된 섬유 복합 재료는 본질적으로 이미 경화되어 있다.
완화 대역의 길이는 예를 들어 용융물의 점도, 의도된 인취 속도 및 시스템의 크기에 좌우된다. 예를 들어, E 유리 또는 S 유리 및 PA12로 만들어진 폭 40 ㎜의 테이프를 제조하는 실험실 시스템의 경우에, 100 ㎜의 길이는 매우 우수한 결과를 제공한다. 그러나, 이는 단지 대략적인 지침일 뿐이다. 완화 대역은 또한 더 짧거나 아니면 훨씬 더 길 수 있다.
인취 속도는, 요구되는 경우에, 조절될 수 있다. 그것은 바람직하게는 0.1 내지 30 m/min, 특히 바람직하게는 0.5 내지 25 m/min이다.
본 발명의 방법에서 수득된 섬유 복합 재료는 임의의 요망되는 기하학적 구조를 가질 수 있다. 그것은 예를 들어 필름, 테이프, 시트, 둥근 프로파일, 직사각형 프로파일 또는 복합 프로파일일 수 있다. 그것은 바람직하게는 테이프 또는 시트이고, 그래서 이는 특히, 단계 c)에서 습윤된 섬유 층의 폭이 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면보다 더 작은 단면으로 감소되고 추가적으로 단계 d) 후에 습윤된 섬유 층의 폭이 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 되는 방법의 경우에 그러하다.
청구범위 제1항 또는 제2항에 따른 본 발명의 방법의 변형양태에서, 열가소성 매트릭스를 포함하는 결과적인 스트랜드는 4 내지 60 ㎜, 바람직하게는 5 내지 50 ㎜, 특히 바람직하게는 6 내지 40 ㎜, 특히 바람직하게는 5 내지 30 ㎜, 매우 특히 바람직하게는 6 내지 25 ㎜의 길이의 긴 장섬유-강화된 펠릿을 제공하도록 절단된다. 이어서 이들 펠릿은 사출 성형, 압출, 압축 성형 또는 다른 잘 알려진 성형 방법을 통해 성형물을 제조하는 데 사용될 수 있고, 여기서 성형물의 특히 우수한 특성은 비-공격적 처리 방법에 의해 달성된다. 이러한 문맥에서 비-공격적의 의미는 주로 불균등한 섬유 파단 및 부수적인 심한 섬유 길이 감소의 실질적인 회피이다. 사출 성형의 경우에 이는 큰 직경 및 낮은 압축비를 갖는 스크류 및 또한 넉넉한 치수를 갖는 채널을 노즐 및 게이트의 영역에서 사용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 보장되어야 하는 보충 조건은 긴 펠릿이 높은 실린더 온도의 도움을 받아 빠르게 용융되고 (접촉 가열), 섬유가 불균등한 수준의 전단에 의해 과도하게 분쇄되지 않는다는 것이다. 이들 조치에 주의가 기울여지는 경우에, 수득된 성형물은 단섬유-강화된 성형 조성물로부터 제조된 비교용 성형물보다 더 긴 평균 섬유 길이를 갖는다. 이는 특성, 특히 인장 탄성 계수, 극한 인장 점도 및 노치 충격 내성의 현저한 개선을 제공한다.
본 발명은 또한 섬유-복합 재료를 제조하도록 의도되고 하기 요소를 포함하는 장치를 제공한다:
a) 섬유 층을 도입시킬 수 있고 동시에 그것을 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2배, 바람직하게는 적어도 1.4배, 특히 바람직하게는 적어도 1.6배만큼 더 큰 폭으로 스프레딩할 수 있는 스프레더 장치;
b) 이송 방향을 따라, 용융물을 스프레딩된 섬유 층에 도포할 수 있는 하나 이상의 도포기 노즐;
c) 이송 덕트에서, 습윤된 섬유 층으로 하여금 적어도 인취 다이의 단면으로 되게 할 수 있는 후속 단면-협소화 시스템;
d) 5 내지 60°, 바람직하게는 8 내지 50°, 특히 바람직하게는 12 내지 40°, 특히 바람직하게는 15 내지 35°만큼의 편향을 제공하는 후속 편향점;
e) 완화 대역 및
f) 인취 다이.
상기 장치에 대한 상세한 사항은 상기 방법 설명에 명백히 드러나 있는데, 왜냐하면 장치는 본 발명의 방법을 수행하는 역할을 하기 때문이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 장치의 구성은 바람직하게는 그것이 요소 d)의 편향점에서 편향에 의해 결정된 각도만큼 경사진 투입구를 갖도록 되어 있고, 그래서 여기서 투입구의 경사 각도는 요소 d)에서의 편향 각도에 상응한다. 그렇지 않으면 인취 다이의 경사진 배열이 필요할 것이며, 이는 시스템의 더욱 어려운 조작을 요구할 것이다.
바람직한 실시양태에서 요소 c)의 단면-협소화 시스템의 디자인은, 습윤된 섬유 층의 폭이 인취 다이의 단면보다 더 작은 단면으로 감소될 수 있고, 추가적으로 요소 d)에 따른 편향점 전 또는 후에, 습윤된 섬유 층의 폭이 인취 다이의 단면으로 될 수 있게 하는 것이다.
기술된 형태에서, 장치는 섬유 층이 습윤되고 단면이 협소화되는 곳인 챔버를 포함한다. 그러나, 특히 제조를 위해 요구되는 규모에서, 장치는 복수의 챔버를 포함하고 서브스트랜드들이 편향점에서 또는 편향점 후에 합쳐지는 것이 유리하다. 그러므로 장치 및 방법의 하기 실시양태가 바람직하다:
- 상호 중첩된 두 개, 세 개 또는 그 초과의 챔버가 존재하고, 그래서 각각의 챔버 내에서 서브스트랜드가 용융물로 습윤되고 이송 덕트의 단면이 협소화된다. 이어서 서브스트랜드들은 편향점에서 또는 편향점 후에 합쳐지고 상호 중첩된다. 개별 서브스트랜드가 상이한 섬유들을 포함하는 경우에, 여기서 특정한 층 구조물이 복합 프로파일의 제조에서 달성될 수 있다.
- 상호 중첩된 두 개, 세 개 또는 그 초과의 챔버가 존재하고, 그래서 각각의 챔버 내에서 서브스트랜드가 용융물로 습윤되고 이송 덕트의 단면이 협소화된다. 이어서 서브스트랜드들은 편향점에서 또는 편향점 후에 서로 나란히 합쳐진다.
- 서로 나란한 두 개, 세 개 또는 그 초과의 챔버가 존재하고, 그래서 각각의 챔버 내에서 서브스트랜드가 용융물로 습윤되고 이송 덕트의 단면이 협소화된다. 이어서 서브스트랜드들은 편향점에서 또는 편향점 후에 합쳐지고 상호 중첩된다.
- 서로 나란한 두 개, 세 개 또는 그 초과의 챔버가 존재하고, 그래서 각각의 챔버 내에서 서브스트랜드가 용융물로 습윤되고 이송 덕트의 단면이 협소화된다. 이어서 서브스트랜드들은 편향점에서 또는 편향점 후에 서로 나란히 합쳐진다.
본 발명에 따른, 높은 정도의 스프레딩 후에 실시된 특정한 습윤 방법 및 단면-협소화에 의해 유발된 상대적 종방향 및 횡방향 이동을 통한 개별 섬유의 후속 함침, 후속 편향, 및 또한 임의적 후속 재개된 단면-확대는 이전의 해결책과는 현저히 상이하다. 이렇게 하여 매우 우수한 함침 품질이, 심지어 인취 속도가 빠른 경우에도, 매우 넓은 점도 범위에 걸쳐 달성된다.
10 보빈
20 스프레더 장치
30 섬유 층의 이동 방향
40 압출기
50 압출기
60 도포기 노즐
61 도입부
62 투입 대역 및 습윤 대역
63 도포기 노즐
64 투입 대역 및 습윤 대역의 길이
65 편향 시스템
66 편향 시스템
67 편향 후의 단면 폭
68 완화 대역
69 완화 대역의 길이
70 다이
80 캘린더

Claims (14)

  1. 하기 단계:
    a) 섬유 층을 스프레더 장치를 통해 도입하여, 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2배만큼 더 큰 폭으로 스프레딩하고, 여기서 섬유 층의 스프레딩 정도는 섬유 층의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배에 상응하게 되도록 하는 것인 단계;
    b) 적어도 하나의 도포기 노즐에 의해 용융물을 스프레딩된 재료에 도포하는 단계;
    c) 금형의 단면-협소화에 의해, 습윤된 섬유 층의 폭을 적어도 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 만드는 단계;
    d) 이어서, 습윤된 섬유를 5 내지 60°의 각도만큼 편향시키는 단계;
    e) 완화 대역에 의해 섬유 분포를 더 균일하게 만들어 균일한 높이가 제공되는 단계;
    f) 최초 성형을 금형의 단부에서 인취 다이에 의해 달성하는 단계
    를 포함하는, 섬유 복합 재료의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 c)에서, 습윤된 섬유 층의 폭을 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면보다 더 작은 단면으로 감소시키고, 추가적으로, 단계 d) 전에 또는 후에, 습윤된 섬유 층의 폭을 생성물이 인취 다이를 떠날 때에 갖는 단면으로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복합 재료의 매트릭스가 열가소성 성형 조성물, 열경화성 물질, 열가소성-열경화성 혼성 시스템, 열가소성 엘라스토머 또는 가교된 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 d)에서 편향 반경이 2 내지 90 ㎜인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 d)가 단일 편향을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수득된 섬유 복합 재료를, 인취 다이를 떠난 후에 캘린더링하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수득된 섬유 복합 재료를, 길이 4 내지 60 ㎜의 긴 장섬유-강화된 펠릿이 제공되도록 절단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수득된 섬유 복합 재료가 필름, 테이프, 시트, 둥근 프로파일, 직사각형 프로파일 또는 복합 프로파일인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 하기 요소:
    a) 섬유 층을 챔버 내에 도입시킬 수 있고 동시에 그것을 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2배만큼 더 큰 폭으로 스프레딩할 수 있는 스프레더 장치;
    b) 이송 방향을 따라, 용융물을 스프레딩된 섬유 층에 도포할 수 있는 하나 이상의 도포기 노즐;
    c) 이송 덕트에서, 습윤된 섬유 층을 적어도 인취 다이의 단면으로 만들 수 있는 후속 단면-협소화 시스템;
    d) 5 내지 60°만큼의 편향을 제공하는 후속 편향점;
    e) 완화 대역 및
    f) 인취 다이
    를 포함하는, 섬유 복합 재료의 제조를 위해 의도된 장치.
  10. 제9항에 있어서, 스프레더 장치가 섬유 층을, 그의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배에 상응하게 되도록 하는 정도로 스프레딩할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 요소 c)에서, 습윤된 섬유 층의 폭이 인취 다이의 단면보다 더 작은 단면으로 감소될 수 있고, 추가적으로, 요소 d)에 따른 편향점 전에 또는 후에, 습윤된 섬유 층의 폭이 인취 다이의 단면으로 만들어질 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 편향점에서의 편향 반경이 2 내지 90 ㎜인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 요소 d)가 단일 편향점을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서, 복수의 챔버를 포함하고, 여기서 서브스트랜드가 편향점에서 또는 편향점 후에 합쳐지는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
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