KR102459601B1 - 섬유 복합 재료를 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기 단계를 포함하는, 섬유 복합 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다:

a) 섬유 다발이 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부(2)를 갖는 적어도 1개의 편향 바(1) 위에서 안내되고, 그에 의해 상기 섬유 다발이 팽창되는 단계;

b) 팽창된 섬유 다발이 후속적으로 함침 챔버 내로 인발되는 단계;

c) 용융물이 팽창된 섬유 다발에 적용되는 단계;

Description

섬유 복합 재료를 제조하는 방법 및 장치

본 발명은 1개 이상의 섬유 다발이 완만하게 팽창되고, 후속적으로 용융물로 함침될 수 있는, 복합 재료를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법/상기 장치는 또한, 예를 들어 E 유리로 구성된 보다 비용-효과적인 섬유 유형이 최소 섬유 파단으로 최적으로 팽창되도록 한다.

함침 동안의 섬유 다발의 스프레딩은 공지되어 있다. 섬유 팽창의 관례는 다양한 편향 바를 통한 증가된 편향에 의한 섬유 다발의 스프레딩이다. 바의 수, 편향 각도 및 표면 품질에 따라, 이러한 방식으로 우수한 결과가 달성될 수 있다. 원칙적으로, 높은 수준의 섬유 팽창은 증가된 편향에 의해 달성된다. 그러나, 이러한 절차는 섬유 다발 내 개별 필라멘트의 파단을 촉진하여, 추가의 가공을 저해하고 가공 작업을 불안정하게 한다. 대조적으로, 보다 적은 편향은 완전한 섬유 스프레딩을 달성하지 않는다. EP 0 056 703 A1에는 로빙의 스프레딩을 위해 가열된 스프레더 바 형태의 적어도 1개의 가열된 표면이 침지되어 있는 열가소성 용융물을 통해 강화-섬유 로빙이 인발되는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 실제로는, 항상 복수의 스프레더 장치가 요구된다. 적용되어야 할 인취력은 스프레더 장치의 수, 용융물의 점도 및 인취 속도에 따라 현저히 증가한다. 그 결과로 나타나는 높은 인취력 및 바에 대한 기계적 마찰이 강화 섬유를 손상시키고, 따라서 복합 재료의 특성에 유해 효과를 미치므로, 이용가능한 작업 윈도우가 매우 좁다. 추가의 인자는 함침 품질 및 따라서 또한 생성물의 품질이 용융물의 증가하는 점도 및 증가하는 인취 속도에 따라 저하되는 것이다. 따라서 EP 0 056 703 A1의 방법은 단지 30 Pas 이하의 용융물 점도 및 낮은 인취 속도 (0.3 m/분 미만)에서만 우수한 결과를 달성한다.

EP 0 602 618 A1은 예비-스프레드 섬유 다발을 넓히고 균질화하는, 에어 제트를 통한 미세 섬유 팽창의 또 다른 수단을 제공한다. 이러한 절차의 단점은 비제어된 개별 섬유 팽창인데, 즉 전체 직물이 압축 공기에 의해 펼쳐진다. 이러한 방식으로 점착된 섬유 다발을 다루는 것이 항상 가능하지는 않다.

WO 92/21493에는 진동 바를 통한 섬유 팽창의 수단이 개시되어 있다. 이러한 기술은 특히 탄소 섬유를 위해 사용된다. 여기서도 역시 전체 공정을 불안정하게 하는, 비제어된 섬유 파단의 위험이 있다.

본 발명은 상기 언급된 문제를 해결하고, 특히 섬유 다발의 제어된 팽창이 심지어 점착된 섬유 다발도 스프레딩되도록 수행되며, 여기서 섬유 파단을 최대한 가능한 정도로 회피하도록 단지 낮은 인취력이 요구될 방법 및 장치를 제공하는 것을 그의 목적으로 갖는다.

놀랍게도, 본 발명에 이르러, 상기 목적은 섬유 다발이 라운딩된 융기부를 갖는 특별한 형상의 편향 바 위에서 안내되고, 그에 따라 팽창될 때 달성되는 것으로 밝혀졌다. 따라서 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 단방향성 섬유 및 매트릭스로부터 복합 재료를 제조하는 방법을 제공한다:

a) 섬유 다발이 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 갖는 적어도 1개의 편향 바 위에서 반경방향으로 안내되고, 그에 따라 편향 및 팽창되는 단계;

b) 팽창된 섬유 다발이 후속적으로 함침 챔버 내로 인발되는 단계;

c) 용융물이 팽창된 섬유 다발에 적용되는 단계,

d) 용융물로 함침된 섬유 다발이 장치의 단부에서 인취 다이를 통해 인발되는 단계.

이어서 생성물은 캘린더링되고 냉각될 수 있다.

공정 단계 a)는 복수의 섬유 다발이 각각 적어도 1개의 이러한 편향 바 위에서 안내될 수 있고, 이어서 섬유 다발이 늦어도 인취 다이 전에 수렴되도록 하는 것을 또한 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

표현 "섬유 다발"은 상대적으로 다수의 개별 필라멘트의 다발을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 여기서 통상적으로 수천 개의 개별 필라멘트가 수반된다. 섬유 다발은 1개의 로빙 또는 그밖에 복수의 로빙들로 구성될 수 있으며; 이는 바람직하게는 1 내지 1000개 이하의 로빙으로 구성되고, 특히 바람직하게는 1 내지 800개 이하의 로빙으로 구성된다. 본 발명의 방법에서, 이들 로빙은 패키지로부터 개별적으로 권출 또는 인출되고, 스프레더 장치 전에 또는 스프레더 장치의 초기에, 단일 섬유 다발을 제공하는 방식으로 수렴된다. 여기서 용어 "로빙"은 일반적으로 단일 필라멘트의 다발을 의미하는 것으로 이해되어야 하고; 이러한 다발은 단일 섬유 유형 또는 그밖에 다양한 섬유 유형들로 구성될 수 있다. 원칙적으로 적절한 길이의 모든 섬유가 적합하고; 무기 섬유, 중합체 섬유, 및 또한 천연 섬유가 사용될 수 있다. 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 제조된 것), 탄소 섬유, 금속화된 탄소 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유 (예를 들어 Al₂O₃ 또는 SiO₂로 제조된 것), 현무암 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 (예를 들어 폴리부틸렌테레프탈레이트로 제조된 것), 액정 폴리에스테르로 제조된 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 및 또한 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤으로 제조된 섬유, 및 또한 비스코스 공정에 의해 방사되고 통상적으로 비스코스 섬유라 명명되는 셀룰로스 섬유, 대마 섬유, 아마 섬유, 황마 섬유 등이다. 섬유의 단면은 예를 들어 원형, 직사각형, 광타원형, 타원형, 또는 고치-형상일 수 있다. 원형 형상에서 벗어난 단면의 섬유 (예를 들어 편평 유리 섬유)로, 완성 부품에서의 보다 높은 섬유 충전 수준, 및 따라서 보다 높은 강도를 달성할 수 있다.

복합 재료의 매트릭스는 열가소성 성형 조성물, 열경화성 물질, 열가소성-열경화성 혼성 시스템, 열가소성 엘라스토머 또는 가교 엘라스토머일 수 있다. 열가소성 성형 조성물은 주요 구성성분 또는 단독 구성성분으로서 열가소성 물질로 구성된다. 다른 구성성분은 예를 들어 안정화제, 가공 보조제, 안료, 난연제, 블렌드 성분으로서의 다른 열가소성 물질, 충격 개질제 등일 수 있다. 적합한 열가소성 물질은 예를 들어 폴리올레핀 (예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌), 폴리에스테르 (예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아릴레이트 또는 액정 폴리에스테르), 폴리카르보네이트, 폴리에스테르카르보네이트, 폴리아미드 (예컨대 PA46, PA6, PA66, PA610, PA612, PA1010, PA11, PA12, 반방향족 폴리아미드 (PPA) 또는 투명 폴리아미드 예를 들어 선형 또는 분지형 지방족, 시클로지방족 또는 방향족 디카르복실산 및 디아민을 기재로 하는 것), 폴리아릴렌 에테르 케톤 (예컨대 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 (예컨대 PVDF 또는 ETFE)이다. 이러한 용융물은 또한 후속적으로 다시 제거되는 용매를 포함할 수 있다. 그러나, 그 대신에 이어서 계내 중합되는 단량체를 용융물로서 적용할 수도 있고; 따라서 예를 들어 음이온성 락탐 중합을 통해 폴리아미드 매트릭스를 제조할 수 있다. 또 다른 변형법은 용융물로서 커플링제와 함께 비교적 저분자량을 갖는 중합체를 적용하고, 이어서 함침 절차 동안 및 특히 그 후에 쇄 연장을 수행하는 것을 포함한다.

적합한 열경화성 물질은 예를 들어 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 아미노 플라스틱, 페놀계 플라스틱, 가교 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 멜라민 수지, 비닐 에스테르 수지 및 비스말레이미드 수지이다. 공정 단계 b)에서 적용되는 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 가교 열가소성 엘라스토머, 특히 PP/가교 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 가교 엘라스토머는, 선행 기술에서와 같이, 가황제를 포함하고, 또한 임의로 가황 보조제, 충전제, 오일, 및 또한 다른 통상적인 첨가물을 포함하는 배합된 고무 재료로부터 수득된다. 이러한 유형의 엘라스토머의 예는 EPDM, 스티렌/부타디엔 고무, 부틸 고무, 실리콘 고무, 에폭시 고무, 클로로프렌 고무, 아크릴 고무 등이다.

본 발명의 목적상, 용어 "용융물"은 섬유 다발에 적용되어, 이어서 매트릭스를 제공하는, 상기에 예로서 언급된 임의의 유동가능한 재료에 대해 사용된다.

공정 단계 a)에서의 팽창은 최종 생성물의 기하구조에 좌우된다. 최종 생성물이 테이프라면, 섬유 다발은 비교적 큰 배수로 팽창된다. 대조적으로 최종 생성물이 상대적으로 두껍다면, 예를 들어 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는다면, 최종 생성물의 폭을 기준으로 하여 섬유 다발의 팽창은 현저하게 보다 낮을 수 있고; 따라서 임의의 유용한 일반적으로 적용가능한 상한치를 언급할 수 없다. 최종 생성물의 기하구조에 따라, 각 경우에 최종 생성물의 폭을 기준으로 하여, 바람직하게는 30 이하, 특히 바람직하게는 20 이하, 특히 바람직하게는 14 이하, 매우 특히 바람직하게는 8 이하의 팽창 배수가 실시될 수 있다.

섬유 다발이 그의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배, 특히 바람직하게는 필라멘트 직경의 1 내지 40배, 특히 바람직하게는 필라멘트 직경의 1.5 내지 35배, 매우 특히 바람직하게는 필라멘트 직경의 1.8 내지 30배가 되는 정도로 팽창되는 경우가 여기서 바람직하다. 여기서 평균은 섬유 다발의 폭에 대한 것이다. 비-원형 단면을 갖는 섬유의 경우에는, 최단 단면 축이 필라멘트 직경으로서 선택된다. 섬유 단면에 대해서는 섬유 제조업체에 의해 제공된 정보가 사용될 수 있다. 다양한 섬유의 혼합물의 경우에는, 개별 필라멘트의 수를 기준으로 하는 산술 평균이 필라멘트 직경으로서 선택된다. 제조업체 정보가 이용가능하지 않을 때, 또는 동일한 유형이지만, 상이한 기하구조를 갖는 섬유, 예를 들어 천연 섬유의 경우에는, 평균 필라멘트 직경은 스캐닝 전자 (SEM) 현미경사진, 측정 및 개별 필라멘트의 수를 기준으로 하는 산술 평균의 계산에 의해 결정된다.

편향 바는 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개, 특히 바람직하게는 적어도 4개의 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 갖는다. 융기부는 편향 바 상에 서로 인접하여 배열되고, 일반적으로 서로 동등하게 이격된다. 바람직한 실시양태에서, 융기부는 편향 바의 전체 폭에 걸쳐 배열된다. 추가의 바람직한 실시양태에서, 융기부는 그 위에서 섬유 다발이 안내되는 편향 바의 영역에 배열된다. 융기부 사이의 간격은 섬유의 유형 및 섬유에 부착된 사이징제의 유형 및 양에 따라 매우 현저히 달라질 수 있다.

2 또는 3개의 편향 바가 연속적으로 배열되는 경우가 바람직하지만, 상대적으로 두꺼운 섬유 다발 또는 고도로 사이징되고, 따라서 점착된 섬유 다발이 사용될 때는 4, 5, 6개 또는 그 초과의 편향 바가 또한 용이하게 연속적으로 배열될 수 있다. 제1 편향 바는 융기부가 상대적으로 짧은 간격으로 배열되고, 한편 후속 편향 바는 간격이 보다 넓을 수 있는 경우가 유리한 것으로 입증되었다. 본 발명은 또한 예를 들어 마지막 편향 바가 융기부를 갖지 않는 경우도 포함한다. 본 발명에 있어서 필수적인 것은 단지 편향 바 중 적어도 1개가 하기에 보다 구체적으로 기재된 융기부를 갖는 것이다.

편향 바에서 섬유 다발은, 특히 섬유의 유형 및 섬유에 부착된 사이징제의 유형 및 양에 좌우되는 각도로 편향된다. 편향 각도는 5° 내지 120°의 범위, 바람직하게는 10° 내지 110°의 범위, 특히 바람직하게는 15° 내지 100°의 범위, 특히 바람직하게는 20° 내지 90°의 범위이다. 편향은 일반적으로 다소 약하고, 많은 경우에 30°의 편향 각도가 적절한 가이드라인 값이다.

팽창된 섬유 다발은 후속적으로 함침 챔버 내로 인발된다. 이어서 용융물이 팽창된 섬유 다발에 적용된다. 이는 예를 들어 섬유 다발을 용융물 조를 통해 인발함으로써 실시될 수 있다. 그러나, 용융물이 어플리케이터 다이에 의해 또는 1개 이상의 분배기 바의 보조 하에 적용되는 경우가 바람직하다.

본 발명의 방법에서 적용되는 용융물의 바람직한 점도는 10 mPas 내지 400 Pas, 특히 바람직하게는 300 Pas 이하이다. 경화 후에 열경화성 물질 또는 열가소성-열경화성 혼성 시스템을 제공하는 단량체 또는 예비중합체/수지-경화제 시스템의 경우에, 점도는 10 mPas 또는 심지어 그 미만으로 떨어지는 보다 낮은 범위이다. 열가소성 성형 조성물, 열가소성 엘라스토머 또는 배합된 엘라스토머 재료로 구성된 용융물의 경우에, 점도는 일반적으로 적어도 1 Pas이다. 본 발명에 따르면, 점도는 기계적 분광계로 ASTM D4400에 따라 측정된, 공정 온도에서의 영점 전단 점도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

용융물의 적용은 바람직하게는, 특히 상대적으로 고점도 용융물의 경우에는, 용융물이 조금이라도 과량이 되지 않도록 하여, 또는 용융물의 단지 약간의 과량을 사용하여 실시된다. 용융물의 과량이 사용될 때, 과량의 용융물이 이러한 목적을 위해 제공된 개구를 통해 유출될 수 있도록 보장하는 예방조치가 취해져야 한다. 섬유 대 용융물의 비는 완성 부품에서의 섬유의 부피 분율이 약 10% 내지 85%, 바람직하게는 15% 내지 80%, 특히 바람직하게는 20% 내지 75%이도록 하는 방식으로 조정된다.

후속되는 함침 단계에서, 적용된 용융물은 섬유 사이의 공간으로 침투한다. 이는 국부적 차압 및 섬유의 상대적 이동에 의해 촉진된다. 그를 위한 적합한 조치는 예를 들어 단면 협소화, 반경 주위로의 편향 및/또는 인취 다이 전 및 인취 다이에서의 성형이다. 원칙적으로 선행 기술로부터 공지된 임의의 조치가 여기서 사용될 수 있다.

인취 다이는 일반적으로 임의의 통합된 인취 장비를 포함하지 않는다. 그 대신에, 통상적으로 장력이 다이 직후에 인취에 의해 또는 캘린더 롤에 의해 가닥에 적용된다. 예를 들어 롤러 또는 롤 형태의, 이러한 유형의 인취는 선행 기술이며, 캘린더도 마찬가지이다.

인취 속도는 필요에 따라 조정될 수 있다. 이는 바람직하게는 0.1 내지 30 m/분, 특히 바람직하게는 0.5 내지 25 m/분이다.

본 발명의 방법에서 수득된 가닥은 임의의 목적하는 기하구조를 가질 수 있다. 이는 예를 들어 얇은 시트 또는 다른 시트, 테이프, 둥근 프로파일, 직사각형 프로파일 또는 복합 프로파일일 수 있다.

상기 방법의 하나의 변형법에서, 열가소성 매트릭스를 포함하는 수득된 가닥은 세단되어, 4 내지 60 mm, 바람직하게는 5 내지 50 mm, 특히 바람직하게는 6 내지 40 mm, 특히 바람직하게는 5 내지 30 mm, 매우 특히 바람직하게는 6 내지 25 mm의 길이의 신장된 장섬유-강화 펠릿을 제공한다. 이어서 이들 펠릿은 사출 성형, 압출, 압축 성형 또는 다른 익숙한 성형 공정에 의해 성형물을 제조하는데 사용될 수 있고, 여기서 성형물의 특히 우수한 특성이 완만한 가공 방법으로 달성된다. 이와 관련하여 용어 "완만한"은 특히 과도한 섬유 파단 및 수반되는 섬유 길이의 극심한 감소가 거의 회피되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 사출 성형의 경우에, 이는 큰 직경 및 낮은 압축비의 스크류 및 또한 넉넉한 치수를 갖는 노즐 채널 및 게이트 채널을 사용하는 것이 바람직함을 의미한다. 보장되어야 하는 보충 조건은 신장된 펠릿이 높은 실린더 온도의 보조 하에 급속하게 용융되고 (접촉 가열), 섬유가 과도한 수준의 전단에 의해 지나치게 분쇄되지 않는 것이다. 이들 조치가 관찰될 때, 수득된 성형물은 단섬유-강화 성형 조성물로부터 제조된 비교용 성형물보다 더 긴 평균 섬유 길이를 갖는다. 이는 특성, 특히 인장 탄성률, 극한 인장 강도 및 노치 내충격성에 있어서 유의한 개선을 달성한다.

도 1은 본 발명의 편향 바를 도시한다.
도 2는 2개의 인접한 융기부를 상세히 제시한다.

도 1에 도시된 편향 바(1)는 이러한 경우에 그 위에서 섬유 다발이 안내되는 편향 바의 영역에 배열된, 3개의 반경방향 둘레의 융기부(2)를 갖는다.

도 2는 보다 구체적으로 2개의 융기부(2)를 예시한다. 융기부는 플랭크 각도 α, 높이 H 및 반경 R을 갖는 라운딩된 팁을 갖는다. 융기부 사이에는 길이 L의 직선 구획이 위치하며, 이는 예를 들어 원래 로빙 폭의 0.5배 내지 6배일 수 있다. 플랭크 각도 α는 바람직하게는 90.1° 내지 100°, 특히 바람직하게는 90.3° 내지 95°, 특히 바람직하게는 90.5° 내지 92°이고, 한편 높이 H는 바람직하게는 0.2 mm 내지 20 mm, 특히 바람직하게는 0.5 mm 내지 10 mm, 특히 바람직하게는 1 mm 내지 6 mm, 매우 특히 바람직하게는 2 mm 내지 4 mm이다. 반경 R은 바람직하게는 0.1 mm 내지 10 mm, 특히 바람직하게는 0.1 mm 내지 5 mm, 특히 바람직하게는 0.2 내지 2 mm이다. 반경은 팁의 라운딩을 기준으로 한다.

본 발명의 특히 유리한 실시양태는 2014년 12월 29일자 출원 번호 14200411.8의 유럽 특허 출원에 기재된 방법에 본 발명의 편향 바를 사용하는 것을 포함한다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다:

a) 섬유 다발이 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 갖는 적어도 1개의 편향 바 위에서 반경방향으로 안내되고, 그에 따라 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2 배수, 바람직하게는 적어도 1.4 배수, 특히 바람직하게는 적어도 1.6 배수 더 큰 폭으로 편향 및 팽창되는 단계;

b) 팽창된 섬유 다발이 후속적으로 함침 챔버 내로 인발되는 단계;

c) 팽창된 상태에서 용융물이 적어도 1개의 어플리케이터 다이에 의해 적용되는 단계;

c') 단면 협소화에 의해, 장치가 습윤된 섬유 다발이 이후의 생성물 단면이 되도록, 즉 생성물이 인취 다이에서 나올 때의 단면이 되도록 하는 단계;

c") 반경이 습윤된 섬유를 5° 내지 60°, 바람직하게는 8° 내지 50°, 특히 바람직하게는 12° 내지 40°, 특히 바람직하게는 15° 내지 35°의 각도로 편향시키는 단계;

c"') 완화 구역이 섬유 분포를 일관된 높이로 균일화하는 단계;

d) 용융물로 함침된 섬유 다발이 장치의 단부에서 인취 다이를 통해 인발되는 단계.

공정 단계 c')에서의 단면 협소화는 습윤된 섬유 다발의 스프레딩의 감소를 유도하며; 즉 그의 폭이 인취 다이의 폭이 된다. 바람직한 실시양태에서, 습윤된 섬유 다발의 폭은 인취 다이의 폭이 된다. 제2의 가능한 실시양태에서, 습윤된 섬유 다발의 폭은 인취 다이의 폭보다 더 큰 폭이 된다. 이러한 경우에 습윤된 섬유 다발의 폭은 인취 다이로 가는 중에 또는 인취 다이에서 추가로 감소된다. 제3의 가능한 실시양태에서, 습윤된 섬유 다발의 폭은 인취 다이의 폭보다 더 작은 폭이 된다. 이러한 경우에 습윤된 섬유 다발의 폭은 인취 다이로 가는 중에 재개된 스프레딩에 의해 다시 증가된다. 공정 단계 c')에서의 단면 협소화는 바람직하게는, 여기서 고려된 모든 실시양태에서 습윤된 섬유 다발의 폭이 적어도 1.2 배수, 특히 바람직하게는 적어도 1.4 배수 감소되도록 수행된다.

공정 단계 c")에서 편향 반경은 바람직하게는 2 내지 90 mm, 특히 바람직하게는 3 내지 60 mm, 특히 바람직하게는 4 내지 40 mm, 매우 바람직하게는 4 내지 30 mm이다. 기하구조에서의 변형이 가능하며; 예를 들어 편향점에서의 반경이 짧은 융기부와 조합될 수 있거나 또는 섬유 다발이 편향점에서 Z-형상 경로를 따라 안내된다. 기하구조에서의 이들 변형은 방향의 2회 변화가 바로 연속적으로 이어지고, 전환점이 그 사이에 있는 방식으로 기재될 수 있다. 이러한 경우에 청구범위의 반경 및 청구범위의 각도가 방향의 제2 변화 및 바람직하게는 또한 방향의 제1 변화에도 적용된다. 제1 및 제2 반경, 및 또한 제1 및 제2 각도는 상이할 수 있다.

편향점은 바람직하게는 단면 협소화가 끝나는 곳에 위치하고; 그러나 이는 또한 단면 협소화가 끝나기 전 또는 단면 협소화가 끝난 다음에 배치될 수도 있으나, 이어서 최적의 함침 품질이 달성되지 않을 수도 있음을 예상하여야 한다.

적용된 용융물이 수지-경화제 시스템, 단량체 또는 예비중합체를 포함한다면, 전형적으로 완화 구역에서 경화 반응이 우세하게 발생한다. 이어서 인출되는 가닥은 이미 실질적으로 경화되어 있다.

완화 구역의 길이는 예를 들어 용융물 점도, 의도된 인취 속도 및 플랜트 크기에 좌우된다. 예를 들어, E 유리 또는 S 유리 및 PA12로부터 폭 40 mm의 테이프를 제조하는 실험실 플랜트의 경우에, 100 mm의 길이가 매우 우수한 결과를 달성한다. 그러나, 이는 단지 지표일 뿐이다. 완화 구역은 또한 보다 짧거나 또는 그 밖에 현저하게 보다 길 수 있다.

방법, 장치 및 이점에 관한 추가의 세부사항에 대해, 2014년 12월 29일자 출원 번호 14200411.8의 유럽 특허 출원의 개시내용 및 그로부터 이루어진 공개를 참조하며; 이 개시내용은 명백히 본 특허 출원에 포함된다.

본 발명의 추가의 특히 유리한 실시양태는 2015년 4월 2일자 출원 번호 15162335.2의 유럽 특허 출원에 기재된 방법에 본 발명의 편향 바를 사용하는 것을 포함한다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다:

a) 1개 이상의 섬유 다발이 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 갖는 적어도 1개의 편향 바를 각각 포함하는 1개 이상의 스프레더 장치 위에서 반경방향으로 안내되고, 그에 따라 편향 및 팽창되는 단계;

b) 이어서 1개 이상의 팽창된 섬유 다발(들)이 적어도 2개의 중첩된, 공간적으로 분리되고 팽창된 섬유 웹을 제공하는 방식으로 함침 챔버 내로 인발되는 단계;

c) 용융물이 팽창된 섬유 다발에 적용되며, 용융물은 2개의 섬유 웹 사이에 각각 배열된 수평 분배기 바를 통해 공급되는 단계;

c') 개별 섬유 웹이 서로 중첩되고 접촉되는 방식으로 수렴되도록 하는 단계;

d) 용융물로 함침된, 수렴된 섬유 웹이 장치의 단부에서 인취 다이를 통해 인발되는 단계.

섬유 다발은 늦어도 용융물 적용 시에 적어도 2개의 중첩된 웹을 제공하는 방식으로 팽창되고 안내된다. 웹 분리는 장치에서 또는 그밖에 장치 전에 발생할 수 있다.

바람직한 실시양태에서, 적어도 2개의 섬유 다발은 각각 개별적으로 스프레더 장치를 통해 팽창되고, 개별 개구를 통해 함침 챔버 내로 인발된다. 따라서 2개의 공간적으로 분리된 섬유 웹이 직접적으로 수득된다.

섬유 다발, 스프레더 장치 및 흡입 개구는 유리하게는 섬유 웹이 편향될 필요가 없도록 중첩된다. 그러나, 특정한 경우에, 섬유 다발, 스프레더 장치 및 흡입 개구의 배열은 또한 상이하고, 따라서 섬유 웹이 적절한 위치로 편향될 수 있다.

추가의 바람직한 실시양태에서, 적어도 2개의 섬유 다발은 각각 개별적으로 스프레더 장치를 통해 팽창되고, 공통 개구을 통해 함침 챔버 내로 인발된다. 함침 챔버 내로 들어갈 때, 개별 섬유 웹은 다시 분할된다. 이미 분리된 웹의 분할은 개방된 장치에서의 수동 스레딩에 의해 달성될 수 있다. 따라서 개방하기 쉬운 적어도 2-파트 장치가 바람직하다.

또 다른 실시양태에서, 섬유 다발은 스프레더 장치를 통해 팽창되고, 여기서 또는 이후에 적합한 장치에 의해 복수의 중첩된, 공간적으로 분리되고 스프레딩된 섬유 웹으로 분리된다. 그러나, 분리된 섬유 웹은 여기서 편향을 요구한다. 이어서 섬유 웹은 함침 챔버 내로 인발된다. 이의 하나의 변형법에서, 2개 이상의 섬유 다발은 각각 개별적으로 스프레더 장치를 통해 팽창되고, 여기서 또는 이후에 각각 적합한 장치에 의해 복수의 중첩된, 공간적으로 분리되고 스프레딩된 섬유 웹으로 분리되고, 이들이 편향되고, 이어서 함침 챔버 내로 인발된다.

이들 다양한 실시양태의 임의의 바람직한 조합이 또한 가능한 것으로 인지될 것이다.

이제 습윤 절차가 각각의 섬유 웹 사이에 발생하고, 분배기 단면이 용융물 분획을 도입하는 기능을 한다. 이후의 목적하는 생성물 특성, 및 또한 사용된 출발 재료에 따라, 배열은 바람직하게는 중첩된 1개 이상의 용융물 분배기를 포함할 수 있다. 용융물은 압출기로부터 또는 가소화 유닛의 용융물 펌프 하류로부터, 웹의 단면 위로 중합체를 균일하게 계량하는 분배기 바로 공급된다. 이러한 균일한 계량은 어플리케이터 다이의 내부 단면에 의해 달성된다. 분배기 다이의 기하구조는, 바람직하게는 섬유 웹의 전체 폭에 걸쳐서 다이 개구 또는 복수의 인접한 다이 개구들이 존재한다는 점에서 용융물의 균일한 적용을 제공한다. T-바 분배기, 또는 매니폴드 분배기, 또는 제어되는 계량, 및 또한 용융물 필름의 균일한 적용을 가능하게 하는 유사한 유형이 여기서 사용될 수 있다. 이들 분배기 다이는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 적합한 매니폴드 분배기는 예를 들어 WO 2012/149129에 보다 상세히 기재되어 있다. 분배기 바의 단면은 예를 들어 둥근형, 광타원형, 타원형, 직사각형 또는 둥근 모서리-직사각형일 수 있다.

본 발명의 목적상, 1 또는 2개의 어플리케이터 다이를 통해 추가의 용융물을 적용하는 것이 추가적으로 가능하며, 여기서 배열은 최상위 섬유 웹 위의 어플리케이터 다이, 최하위 섬유 웹 아래의 어플리케이터 다이, 또는 각각 최상위 섬유 웹 위 및 최하위 섬유 웹 아래의 어플리케이터 다이를 갖는다.

후속되는 함침 단계에서, 다양한 웹이 수렴되고, 다이를 통해 인발된다. 용융물 적용과 다이 사이의 챔버 영역에서, 약간 과량의 용융물의 존재에 의해 보조가 제공될 수 있다. 이 영역에서 섬유 웹이 수렴되고, 적용된 용융물은 함침이 아직 발생하지 않은 섬유 사이의 공간으로 침투한다. 이러한 절차는 다이 영역에서의 수렴에 의해 유발될 수 있는 국부적 차압에 의해 촉진된다. 챔버의 영역에서, 수렴은 또한 챔버 기하구조에 의해, 또는 단면 협소화의 형태로 도입된 삽입물에 의해 보조될 수 있다. 이러한 경우에, 섬유는 예비 단계에서 용융물과의 예비압밀에 적용되고, 나머지 압밀은 이어서 다이에 의해 수행된다. 최종 생성물이 얇은 시트라면, 단면 협소화는 요구되지 않을 가능성이 크지만, 프로파일의 경우에는 단면이 팽창된 섬유 웹의 단면에서 프로파일의 형상에 상응하는 단면으로 감소된다.

인취 다이는 초기 성형을 수행하고, 웹 생성물의 추가의 함침을 유발한다. 이는 일반적으로 임의의 통합된 인취 장비를 포함하지 않는다. 그 대신에, 통상적으로 장력이 다이 직후에 인취에 의해, 또는 캘린더 롤에 의해 가닥에 적용된다. 예를 들어 롤러 또는 롤 형태의, 이러한 유형의 인취는 선행 기술이며, 또한 캘린더도 마찬가지이다. 이는 추가의 성형을 실시할 수 있다.

적용된 용융물이 수지-경화제 시스템, 단량체 또는 예비중합체일 때, 경화 반응이 다이 영역에서, 또한 그 후에 발생한다. 이러한 경우에, 다이 영역은 보다 길 수 있다. 정량적으로 적절하게 용융물이 적용되거나 또는 다이가 스트리퍼로서 작용하고, 그 후에만 경화가 발생한다. 온도 프로파일은 경화가 다이 영역 후에만 발생할 수 있도록 선택되어야 한다. 다이로부터의 인취 후에, 생성물은 임의로 경화의 완결을 위해, 예를 들어 오븐에서, 열 후처리에 적용된다.

방법, 장치 및 이점에 관한 추가의 세부사항에 대해, 2015년 4월 2일자 출원 번호 15162335.2의 유럽 특허 출원의 개시내용 및 그로부터 이루어진 공개를 참조하며; 이 개시내용은 명백히 본 특허 출원에 포함된다.

본 발명은 또한 하기 요소를 포함하는, 섬유-복합 재료를 제조하는 장치를 제공한다:

a) 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 가지며, 그 위에서 섬유 다발이 반경방향으로 안내되고, 편향되며, 팽창될 수 있는 1개 이상의 연속 편향 바를 포함하는 스프레더 장치;

b) 함침 챔버 내로의 1개 이상의 흡입 영역;

c) 용융물의 팽창된 섬유 다발에의 적용을 위한 하류 장치,

d) 섬유 다발의 함침을 위한 후속 구역 및

e) 인취 다이.

이 장치는 본 발명의 방법을 수행하기 위해 사용되는 것이므로, 장치의 세부사항은 상기 방법 기재로부터 명백하다.

그의 특히 유리한 실시양태에서, 장치는 하기 요소를 포함한다:

a) 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 가지며, 그 위에서 섬유 다발이 반경방향으로 안내되고, 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2 배수, 바람직하게는 적어도 1.4 배수, 특히 바람직하게는 적어도 1.6 배수 더 큰 폭으로 편향되며 팽창될 수 있는 1개 이상의 연속 편향 바를 포함하는 스프레더 장치;

b) 함침 챔버 내로의 1개 이상의 흡입 영역;

c) 용융물이 팽창된 섬유 다발에 적용될 수 있는 1개 이상의 하류 어플리케이터 다이,

d) 하기 연속 영역을 포함하는, 섬유 다발의 함침을 위한 후속 구역:

습윤된 섬유 다발이 이후의 생성물 단면이 되도록 할 수 있는, 수송 채널의 단면 협소화,

5° 내지 60°, 바람직하게는 8° 내지 50°, 특히 바람직하게는 12° 내지 40°, 특히 바람직하게는 15° 내지 35°의 편향을 제공하는 편향점 및

완화 구역 및

e) 인취 다이.

이러한 실시양태에 관한 세부사항은 상기 방법 기재, 2014년 12월 29일자 출원 번호 14200411.8의 유럽 특허 출원의 개시내용 및 그로부터 이루어진 공개로부터 명백하다.

추가의 특히 유리한 실시양태에서, 장치는 하기 요소를 포함한다:

a) 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 가지며, 그 위에서 섬유 다발이 적어도 2개의 중첩된, 공간적으로 분리된 섬유 웹을 제공하는 방식으로 반경방향으로 안내되고, 편향되며, 팽창될 수 있는 1개 이상의 연속 편향 바를 포함하는 스프레더 장치;

b) 함침 챔버 내로의 1개 이상의 흡입 영역;

c) 2개의 섬유 웹 사이에 위치하도록 배열되고 그에 의해 용융물이 적용될 수 있는 수평 분배기 바 형태의, 용융물의 팽창된 섬유 다발에의 적용을 위한 하류 장치;

d) 수렴 영역을 포함하는, 섬유 다발의 함침을 위한 후속 구역, 및

e) 인취 다이.

이러한 실시양태에 관한 세부사항은 상기 방법 기재, 2015년 4월 2일자 출원 번호 15162335.2의 유럽 특허 출원의 개시내용 및 그로부터 이루어진 공개로부터 명백하다.

본 발명의 편향 바는 특히 매우 점착된 영역도 파괴하면서, 심지어 고도로 사이징된 섬유 다발의 균일한 팽창을 달성한다. 따라서, 심지어 인취 속도가 빠를 때도 매우 광범위한 점도 범위에 걸쳐서 매우 우수한 함침 품질을 달성하기 위해 필요한 조건이 충족된다. 이는 최상의 가능한 섬유 습윤을 달성하기 위해 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 선택될 용융물 적용 및 후속 압밀 동안의 조치와 공동으로 더욱더 적용된다.

Claims (17)

1. 하기 단계를 포함하는, 단방향성 섬유 및 매트릭스로부터 섬유-복합 재료를 제조하는 방법:
   a) 섬유 다발이 적어도 2개의 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부 및 융기부 사이에 길이 L의 직선 구획을 갖는 적어도 1개의 편향 바 위에서 반경방향으로 안내되고, 그에 따라 편향 및 팽창되는 단계이며, 편향 각도는 10° 내지 110°이고, 섬유 다발이 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2 배수 더 큰 폭으로 팽창되는 단계;
   b) 팽창된 섬유 다발이 후속적으로 함침 챔버 내로 인발되는 단계;
   c) 용융물이 팽창된 섬유 다발에 적용되는 단계이며, 5° 내지 60°의 편향을 제공하는 편향점이 존재하는 단계;
   d) 용융물로 함침된 섬유 다발이 장치의 단부에서 인취 다이를 통해 인발되는 단계.
2. 제1항에 있어서, 복합 재료의 매트릭스가 열가소성 성형 조성물, 열경화성 물질, 열가소성-열경화성 혼성 시스템, 열가소성 엘라스토머 또는 가교 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 a)에서 섬유 다발이 그의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배가 되는 정도로 스프레딩되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수득된 가닥이 인취 다이에서 나온 후에 캘린더링되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수득된 가닥이 세단되어 4 내지 60 mm의 길이의 신장된 장섬유-강화 펠릿을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수득된 가닥이 얇은 시트 또는 다른 시트, 테이프, 둥근 프로파일, 직사각형 프로파일 또는 복합 프로파일인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 단계 c)에서 용융물이 적어도 1개의 어플리케이터 다이에 의해 적용되고;
   - 단계 c')에서 습윤된 섬유 다발이 단면 협소화에 의해 이후의 생성물 단면이 되고;
   - 단계 c")에서 반경이 습윤된 섬유를 5° 내지 60°의 각도로 편향시키고;
   - 단계 c"')에서 섬유 분포가 완화 구역에서 일관된 높이로 균일화되는 것
   을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 단계 a)에서 1개 이상의 섬유 다발이 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부를 갖는 적어도 1개의 편향 바를 각각 포함하는 1개 이상의 스프레더 장치를 통해 팽창되고;
   - 단계 b)에서 1개 이상의 팽창된 섬유 다발(들)이 이어서 적어도 2개의 중첩된, 공간적으로 분리되고 팽창된 섬유 웹을 제공하는 방식으로 함침 챔버 내로 인발되고;
   - 단계 c)에서 용융물이 2개의 섬유 웹 사이에 각각 배열된 수평 분배기 바를 통해 공급되고;
   - 단계 c')에서 개별 섬유 웹이 서로 중첩되고 접촉되는 방식으로 수렴되도록 하는 것
   을 특징으로 하는 방법.
9. 하기 요소를 포함하는, 섬유-복합 재료를 제조하는 장치:
   a) 적어도 2개의 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부 및 융기부 사이에 길이 L의 직선 구획을 가지며, 그 위에서 섬유 다발이 반경방향으로 안내되고, 편향되며, 팽창될 수 있는 1개 이상의 연속 편향 바를 포함하는 스프레더 장치이며, 편향 각도는 10° 내지 110°이고, 섬유 다발이 최종 생성물의 폭보다 적어도 1.2 배수 더 큰 폭으로 팽창되는 장치;
   b) 함침 챔버 내로의 1개 이상의 흡입 영역;
   c) 용융물의 팽창된 섬유 다발에의 적용을 위한 하류 장치,
   d) 5° 내지 60°의 편향을 제공하는 편향점을 포함하는, 섬유 다발의 함침을 위한 후속 구역 및
   e) 인취 다이.
10. 제9항에 있어서,
    - 요소 c)에서 용융물의 적용을 위한 장치가 1개 이상의 어플리케이터 다이의 형태이고;
    - 요소 d)가 하기 연속 영역:
    

    

    습윤된 섬유 다발이 이후의 생성물 단면이 되도록 할 수 있는, 수송 채널의 단면 협소화,
    

    

    5° 내지 60°의 편향을 제공하는 편향점 및
    

    

    완화 구역
    을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 장치.
11. 제9항에 있어서,
    - 요소 a)에서 섬유 다발이 적어도 2개의 중첩된, 공간적으로 분리된 섬유 웹을 제공하는 방식으로 팽창될 수 있고;
    - 요소 c)에서 용융물의 적용을 위한 장치가 2개의 섬유 웹 사이에 위치하도록 배열된 수평 분배기 바의 형태이고;
    - 요소 d)가 수렴 영역을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부의 플랭크 각도가 90.1° 내지 100°인 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제9항 또는 제10항에 있어서, 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부의 플랭크 각도가 90.1° 내지 100°인 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부의 높이가 0.2 mm 내지 20 mm인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제9항 또는 제10항에 있어서, 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부의 높이가 0.2 mm 내지 20 mm인 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 팁의 라운딩을 기준으로 한, 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부의 반경이 0.1 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제9항 또는 제10항에 있어서, 팁의 라운딩을 기준으로 한, 반경방향 둘레의 라운딩된 융기부의 반경이 0.1 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 장치.

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