KR102437965B1 - 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

나노카본 복합재료 기반 경량 자전거 구동계 관련 부품 소재가 개시된다. 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조방법은, 크릴에서 탄소섬유를 해사(unwinding)하는 단계와; 상기 해사된 탄소섬유의 수분함량이 미리 설정된 기준 이하가 되도록 상기 해사된 탄소섬유에 고온의 공기를 공급함과 동시에 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계와; 상기 개섬된 탄소섬유를 롤러를 이용하여 이동시키는 단계와; 상기 개섬된 탄소섬유에 수지를 함침시키는 단계를 포함한다. 따라서, 고온(100℃/이상) 고압의 공기를 크릴에서 나온 직후의 탄소섬유에 공급함으로써, 탄소섬유에 함침되는 수분을 감소시키고, 부대설비를 감소시켜, 고온/고압의 에어를 통해 수분이 증발되어 기공감소 및 균일한 물성의 프리프레그를 제공할 수 있다.

Description

고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법{CARBON FIBER COMPOSITE MATERIAL BY HIGH TEMPERATURE AIR SUPPLY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 나노카본 복합재료 기반 경량 자전거 구동계 관련 부품 소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고내열성 프리프레그(Prepreg) 및 고탄성 카본 소재 개발과 이를 활용한 구동계 관련 핵심 부품에 관련된 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료는 고강도 및 고강성, 우수한 피로특성을 가지고 이방성의 기계적 물성을 가지기 때문에 제품 설계 시 요구되는 강도, 강성 등에 맞추어 설계가 가능한 설계 유연성을 가지므로 경량화가 요구되는 우주항공 산업, 방위산업, 자동차 산업 등의 제조업 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.
스포츠 산업에서의 복합재료의 이용은 세계적으로 빠르게 증가하는 추세로 국내에서도 2004년부터 단계적으로 시행에 들어간 주 5일 근무제의 영향으로 레저 스포츠 산업이 크게 성장하면서 복합재료를 이용한 고성능의 경량화 스포츠 용품 시장에 대한 요구가 커지고 있는 실정이다.
특히, 탄소강화 복합재료 제조기술을 이용한 소재의 초경량화, 에너지 친화성, 복합기능화는 매우 중요하며, 특히 탄소섬유의 나노화는 높은 비표면적과 aspect ratio에 따른 우수한 기계적 및 열적 특성, 경량성으로 인해 우주항공 산업뿐만 아니라 첨단 전자 정보 산업 등과 같은 여러 최첨단 산업분야에서 국제 경쟁력을 확보할 수 있는 것이다.
최근, 자전거 시장은 지속되는 고유가의 영향과 웰빙 열풍의 영향으로 빠르게 성장하고 있으며, 자전거 시장의 성장과 더불어 자전거 경량화에 대한 관심이 커지며 자전거 중량의 많은 부분을 차지하는 자전거 프레임 및 구동계의 경량화에 대한 연구가 요구되고 있다.
도로 경기용 사이클 자전거의 경기력 향상을 위하여, 나노카본 복합재료 기반 경량 자전거 구동계 관련 부품 소재 개발을 위한 고내열성 프리프레그(Prepreg) 및 고탄성 카본 소재 개발과 이를 활용한 구동계 관련 핵심 부품(크랭크 셋, 휠 림 등) 개발의 필요성이 시급하다.
그러나 국내 자전거 산업은 생산기반 및 부품 등에 대하여 수요를 충족시키지 못 하고 전량 수입에 의존하고 있기 때문에, 자전거 산업의 국내 설계 및 제조 기반 확보가 필요하며, 자체 개발을 통한 부품 국산화가 필요한 상황이다.
특히 카본 자전거의 경우 전량 수입에 의존함으로써 관련된 부품 산업조차 제대로 활성화되어 있지 못하며, 부품개발을 위한 소재 분야도 침체되어 있으므로, 국내 스포츠산업의 고도화 및 발전을 위하여 국내 자체 기술력으로 특성화된 소재 개발 및 부품개발이 필요하다.
자전거 부품이나 프레임 또는 림, 안장 등 특히 크랭크 셋의 바(고탄성율 프리프레그를 사용)를 제조 생산하기 위해 프리프레그를 먼저 제조해야 한다.
종래 특허 KR1568144는 비스페놀 A타입의 에폭시 수지에 탄소나노튜브(CNT)를 첨가하여 점착강도를 증가시키는 기술로, CNT 페이스트를 적용하여 CNT 입자의 비산정도를 극단적으로 낮춤으로서 인체에 대한 안정성 및 취급성이 향상되어 공정상의 작업환경을 개선할 수 있었다. 그러나, 에폭시 수지에 탄소나노튜브를 첨가시키기 위한 별도의 분산제가 투입되고 용매를 휘발시키기 위한 건조단계가 추가되어 공정이 늘어나 생산적/경제적 효율이 감소되는 문제가 있다.
또한, 섬유의 개섬 과정에서 크릴대에서 이물질을 흡습하여 에폭시 함침 시에 기포가 발생하여 물성의 변화가 발생하게 되는 문제를 해결하기 위해 에폭시 함침시에 진공압축(vacuum chamber)하면서 기포발생을 억제하는 방법이 이용되었으나, 이러한 방법은 부대설비비용이 증가되고 섬유흡착 수분을 감소시키는 한계가 있어 남아있는 기포에 의해 물성의 변화가 일어나는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조방법은, 크릴에서 탄소섬유를 해사(unwinding)하는 단계와; 상기 해사된 탄소섬유의 수분함량이 미리 설정된 기준 이하가 되도록 상기 해사된 탄소섬유에 고온의 공기를 공급함과 동시에 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계와; 상기 개섬된 탄소섬유를 롤러를 이용하여 이동시키는 단계와; 상기 개섬된 탄소섬유에 수지를 함침시키는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 미리 설정된 기준의 수분함량은, 0.5%일 수 있다.
여기에서, 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계는, 상기 해사된 탄소섬유의 이동 경로 상에 설치된 에어제트 노즐에 의해 상기 고온의 공기를 공급함과 동시에 수행될 수 있다.
여기에서, 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계는, 상기 고온의 공기에 의해 상기 해사된 탄소섬유에서 탈락된 이물질을 포집하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 고온의 공기는, 100℃ 이상일 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재는, 크릴에서 탄소섬유를 해사(unwinding)하고, 상기 해사된 탄소섬유의 수분함량이 미리 설정된 기준 이하가 되도록 상기 해사된 탄소섬유에 고온의 공기를 공급함과 동시에 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하며, 상기 개섬된 탄소섬유에 수지를 함침시켜 산출된다.
여기에서, 상기 미리 설정된 기준은, 0.5%일 수 있다.
여기에서, 상기 고온의 공기는, 상기 해사된 탄소섬유의 이동 경로 상에 설치된 에어제트 노즐에 의해 공급될 수 있다.
여기에서, 상기 고온의 공기에 의해 상기 해사된 탄소섬유에서 탈락된 이물질은, 포집되어 처리될 수 있다.
여기에서, 상기 고온의 공기는, 100℃ 이상일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유가 크릴에서 나온 직후 고온의 에어 공급함으로써, 수분을 줄이고, 부대설비를 감소시키고 수분감소에 따라 기공이 감소되어 프리프레그의 불량을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 카본나노튜브가 첨가되면 열발산력이 높아서 고속으로 회전하는 바퀴에 브레이크를 잡을 때 발생하는 열이 외부로 발산되어 온도가 낮아지고, 접착강도, 진동감쇄 및 충격흡수 등의 물성이 증가하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재를 제조하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
프리프레그(Prepreg)를 제조하는 방법은, 모재인 수지를 액상으로 하고 보강재인 Fiber/Fabrics를 함침시키는 Solvent Prepreg Process와 수지를 Film 형태로 만든 후 보강재에 함침시키는 Hot Melt Prepreg Process로 구분할 수 있다.
도 1을 참조하여 Hot Melt Prepreg Process를 설명한다.
Hot Melt Prepreg Process는 Fiber Creel로부터 Fiber Yarn을 직접 단일방향으로 가닥가닥 놓이게 하고, 수지의 공급은 Resin Hopper에서 이루어 지는데, 혼합된 수지와 경화제는 용제에 녹여져 있는 상태가 아닌 열에 의해 점도가 낮은 상태로 존재하며 종이 한쪽 면 위에 공급 접착된다. 이렇게 일방향으로 배열된 fiber 위에 한쪽 면에 수지가 접착된 종이가 부착되면서 진행된다. 이 때 종이에 접착된 수지와 섬유가 효과적으로 함침이 되도록 열과 압력을 가하여 압착하게 된다.
상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법은, Fiber Creel, Spreader, Resin Hopper, Guide Roll 및 Compaction Roll 등을 포함하여 구성된 장치에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 탄소섬유는 Fiber Creel에서 해사(unwinding)되고, Fiber Creel에서 해사된 탄소섬유는 Spreader에 의해 개섬(開纖, opening)될 수 있다.
Top Paper과 Bottom Paper는 각각 이형지(이형필름)를 공급할 수 있고, Top Paper에 의해 공급되는 이형지 상에는 (에폭시) 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 공급될 수 있다. 상세하게는, Resin Hopper는 Top Paper에 의해 공급되는 이형지 상에 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)를 공급할 수 있고, Knife는 이형지 상에 공급되는 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)의 두께 등을 조절할 수 있다.
Top Paper과 Bottom Paper에서 공급되는 이형지는 Guide Roll에 의해 가이드되어 복수의 Compaction Roll를 통과할 수 있다.
또한, Spreader에 의해 개섬된 탄소섬유는 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 공급된 이형지와 함께 복수의 Compaction Roll를 통과함으로써 탄소섬유에 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 함침될 수 있다. 상세하게는, Compaction Roll는 압력과 열을 가하여 탄소섬유에 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)를 함침시킬 수 있다.
수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 함침된 탄소섬유는 Slitter 및 Takeup 장치를 거치고 난 후, 후처리를 통해 프리프레그로 산출될 수 있다. 또한, 산출된 프리프레그에 대한 표면 처리가 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재를 제조하는 방법을 설명하기 위한 예시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조를 위한 장치는, Creel(10), Guide Roll(20, 50), Heater(30), Spreader(40), Consolidation(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
Creel(10)로부터 해사된 탄소섬유는 Guide Roll(20)를 따라 Heater(30)를 통과할 수 있다. Heater(30)를 통과한 탄소섬유는 Spreader(40)에 의해 개섬될 수 있고, Guide Roll(50)를 따라 Consolidation(60)를 통과하면서 수지의 함침이 수행될 수 있고, 이를 통해 Prepreg(70)가 산출할 수 있다.
이러한 과정에 있어서, Creel(10)에서 해사된 탄소섬유에 High Temperature Air(100)를 가함으로써 이물질을 제거할 수 있다.
보다 상세하게는, 도 3을 참조하면, Creel(10)에서 해사된 탄소섬유가 Guide Roll(20)을 통과하기 전에 고온의 공기를 가함으로써, 이물질을 제거할 수 있고, 이렇게 제거된 이물질은 별도로 포집될 수 있다.
본 발명은 탄소섬유에 고온 고압의 에어를 분출하여 스프레딩하여 탄소섬유에 대한 수분 감소 및 이물질을 제거하는 기술로서, 고온(100℃ 이상) 고압의 공기를 통해 수분이 증발되어 비중에 차이가 발생할 수 있다.
즉, 에어샤워 기술은 수지가 탄소섬유에 함침되기 전에 고온의 에어를 공급함으로서 부대설비를 감소하면서 탄소섬유에 흡착되는 수분을 줄이고 프리프레그의 함수율 제어를 통해 기포를 제거할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 섬유 스프레딩 도중 에어 공급을 통해 공기 공급, 퍼지(air road, fuzz)를 실시하여 섬유상의 수분 및 이물질을 제거할 수 있다.
여기에서, 상기 해사된 탄소섬유에 고온의 공기를 공급하는 방법은 탄소섬유의 상부에 설치된 에어제트 노즐에 의해 수행될 수 있다.
또한, 고온의 공기에 의해 탄소섬유에서 탈락된 이물질을 포집하면서 탄소섬유를 개섬할 수 있다.
예를 들어, 에어 노즐의 위치로서 크릴에서 나온 직후에 에어 노즐을 위치시켜 프리프레그의 기공율의 범위를 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조 방법은, 크릴에서 탄소섬유를 해사(unwinding)하는 단계(S410)와; 해사된 탄소섬유의 수분함량이 미리 설정된 기준 이하가 되도록 해사된 탄소섬유에 고온의 공기를 공급함과 동시에 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계(S420)와; 개섬된 탄소섬유를 롤러를 이용하여 이동시키는 단계(S430)와; 개섬된 탄소섬유에 수지를 함침시키는 단계(S440)를 포함한다.
여기서, 해사된 탄소섬유의 수분함량은 0.5이하로 조절될 수 있고, 고온의 공기는 100℃ 이상일 수 있다.
해사된 탄소섬유의 이동 경로 상에 설치된 에어제트 노즐에 의해 고온의 공기를 공급함과 동시에 해사된 탄소섬유를 개섬할 수 있다(S420).
예를 들어, 고온의 공기에 의해 해사된 탄소섬유에서 탈락된 이물질을 포집하면서 해사된 탄소섬유를 개섬할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 방법에 의해 제조되는 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재를 제공한다.
이와 같이 본 발명은, 고온(100℃/이상) 고압의 공기를 크릴에서 나온 직후의 탄소섬유에 공급함으로써, 탄소섬유에 함침되는 수분을 감소시키고, 부대설비를 감소시켜, 고온/고압의 에어를 통해 수분이 증발되어 기공감소 및 균일한 물성의 프리프레그를 제공할 수 있다.
본 발명은 나노카본 복합재료 기반 경량 자전거 구동계 관련 부품 소재 개발을 위한 고내열성 프리프레그(Prepreg) 및 고탄성 카본 소재 개발과 이를 활용한 구동계 관련 핵심 부품에 관련된 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법의 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: Creel
20, 50: Guide Roll
30: Heater
40: Spreader
60: Consolidation
70: Prepreg
100: High Temperature Air

Claims (10)

  1. 크릴에서 탄소섬유를 해사(unwinding)하는 단계;
    상기 해사된 탄소섬유의 수분함량이 미리 설정된 기준 이하가 되도록 상기 해사된 탄소섬유에 고온의 공기를 공급함과 동시에 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계;
    상기 개섬된 탄소섬유를 롤러를 이용하여 이동시키는 단계; 및
    상기 개섬된 탄소섬유에 수지를 함침시키는 단계를 포함하고,
    상기 해사된 탄소섬유를 개섬하는 단계는,
    상기 크릴로부터 나온 직후의 상기 해사된 탄소섬유에 에어제트 노즐을 통해 상기 고온의 공기를 공급하고,
    상기 해사된 탄소섬유에 상기 고온의 공기를 공급하는 동안 공기 공급 및 공기 퍼지를 실시하여 상기 해사된 탄소섬유로부터 수분 및 탈락된 이물질을 포집하고,
    상기 에어제트 노즐은,
    상기 크릴, 그리고 상기 크릴에 가장 가까이 위치되는 롤러 사이에서 상기 해사된 탄소섬유 상에 위치되는, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미리 설정된 기준은, 0.5%인 것을 특징으로 하는, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온의 공기는, 100℃ 이상인 것을 특징으로 하는, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재의 제조방법.
  6. 크릴에서 탄소섬유를 해사(unwinding)하고, 상기 해사된 탄소섬유의 수분함량이 미리 설정된 기준 이하가 되도록, 상기 크릴로부터 나온 직후의 상기 해사된 탄소섬유에 에어제트노즐을 통해 고온의 공기를 공급함과 동시에 상기 해사된 탄소섬유에 상기 고온의 공기를 공급하는 동안 공기 공급 및 공기 퍼지를 실시하여 상기 해사된 탄소섬유로부터 수분 및 탈락된 이물질을 포집하여 상기 해사된 탄소섬유를 개섬하며, 상기 개섬된 탄소섬유에 수지를 함침시켜 산출하면서, 상기 크릴 그리고 상기 크릴에 가장 가까이 위치된 롤러 사이의 상기 해사된 탄소섬유 상에 상기 에어제트노즐을 위치시키는, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 미리 설정된 기준은, 0.5%인 것을 특징으로 하는, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 고온의 공기는, 100℃ 이상인 것을 특징으로 하는, 고온 에어 공급에 의한 탄소섬유 복합재.
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