KR102497365B1 - 정렬 및 배향된 섬유 강화 중합체 복합물 생성 - Google Patents

정렬 및 배향된 섬유 강화 중합체 복합물 생성 Download PDF

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Abstract

증착 노즐은 하우징, 무작위 배향된 섬유를 운반하는 용액을 수용하기 위한 하우징 입구, 입구에서 용액을 수용하고 예정된, 단일 방향으로 정렬된 섬유를 생산하도록 위치하는 하우징 내부의 배향 부품 (component), 및 정렬 섬유를 수용하고 기재에 증착하도록 배열되는 하우징 출구를 포함한다. 시스템은, 다공성 기재, 증착 노즐, 증착 노즐에 연결되는 용액 중 무작위 배향된 섬유의 저장소 및 진공을 포함하고, 증착 노즐은 다공성 기재에 인접하게 위치하고 저장소에 연결되고, 노즐은 무작위 배향된 섬유를 수용하여 정렬 섬유를 방출하고, 진공은 다공성 기재에 연결되어 증착 노즐이 정렬 섬유를 다공성 기재에 증착할 때 다공성 기재로부터 유체를 제거하여 정렬 섬유를 가지는 섬유 예비-성형체를 생산한다. 방법은 용액 중 무작위 배향된 섬유의 저장소를 제공하는 단계, 무작위 배향된 섬유 용액을 배향 부품을 가지는 노즐을 통해 정렬 섬유 용액으로서 다공성 기재에 분배하는 단계, 및 섬유 예비-성형체 형성을 위한 섬유 고정화 단계를 포함한다.

Description

정렬 및 배향된 섬유 강화 중합체 복합물 생성{CREATING ALIGNED AND ORIENTED FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITES}
본 발명은 섬유 복합 시트, 더욱 상세하게는 정렬되고 임의로 배향된 섬유 강화 섬유 복합 시트에 관한 것이다.
제조 공정에서 섬유 예비성형체 (preform)를 이용한다. 예비성형체는 전형적으로 섬유 시트 또는 매트로 이루어진다. 매트는 원하는 형태로 형상화되거나 또는 기지 (matrix)로서 몰드에 삽입된다. 이어 중합체 재료가 기지에 주입되고 원하는 물품이 형성된다. 이어 물품은 고화되고 몰드에서 꺼내진다.
섬유 예비성형체 형성은 전형적으로 고가 장비를 이용한 복잡하고 고가의 공정이 필요하다. 난제는 양호한 강도를 위해 섬유를 원하는 방향으로 배향하는 것이다.
인쇄기술 진보로 인하여 양호한 섬유 정렬화를 통한 비용 절감 및 공정 복잡성 해소에 대한 해결을 찾을 수 있을 수 있으나, 현재까지 이러한 방법은 존재하지 않는다.
일 실시태양은 적층 노즐로 이루어지고, 이는 하우징, 무작위 배향된 섬유를 운반하는 용액을 수용하기 위한 하우징 입구, 입구에서 용액을 수용하고 예정된, 단일 방향으로 정렬된 섬유를 생산하도록 위치하는 하우징 내부의 배향 부품 (component), 및 정렬 섬유를 수용하고 기재에 적층하도록 배열되는 하우징 출구를 가진다.
또 다른 실시태양은 다공성 기재, 적층 노즐, 적층 노즐에 연결되는 용액 중 무작위 배향된 섬유의 저장소, 및 진공을 포함하는 시스템으로 이루어지고, 상기 적층 노즐은 다공성 기재에 인접하게 위치하고 저장소에 연결되고, 노즐은 무작위 배향된 섬유를 수용하여 정렬 섬유를 배출하고, 상기 진공은 다공성 기재에 연결되어 적층 노즐이 정렬 섬유를 다공성 기재에 적층할 때 다공성 기재로부터 유체를 제거하여 정렬 섬유를 가지는 섬유 예비-성형체를 생산한다.
또 다른 실시태양은 방법으로서, 용액 중 무작위 배향된 섬유의 저장소를 제공하는 단계, 무작위 배향된 섬유 용액을 배향 부품을 가지는 노즐을 통해 정렬 섬유 용액으로서 다공성 기재에 분배하는 단계, 및 섬유 예비-성형체 형성을 위한 섬유 고정화 단계를 포함한다.
도 1은 배향 섬유를 가지는 예비성형체로부터 섬유 강화 복합물을 생산하는 방법의 실시태양 흐름도이다.
도 2는 배향 섬유를 가지는 예비성형체로부터 섬유 강화 복합물을 생산하는 시스템 실시태양을 도시한 것이다.
도 3은 4-롤 밀의 실시태양을 도시한 것이다.
도 4는 2-롤 밀을 가지는 섬유 배향 및 정렬화 헤드의 실시태양을 도시한 것이다.
도 5는 직교 신장흐름을 도시한 것이다.
도 6은 또 다른 직교 신장흐름을 도시한 것이다.
도 7-9는 배향 및 정렬화 헤드로부터 섬유 각도 변경의 실시태양들을 도시한 것이다.
도 10은 재활용 유동이 있는 섬유 배향 및 정렬화 헤드의 또 다른 실시태양을 도시한 것이다.
도 11-12는 섬유 고정화의 실시태양을 도시한 것이다.
도 13은 섬유 예비성형체를 기지로 침투하는 방법의 실시태양을 도시한 것이다.
도 1 및 2는 배향된 섬유 예비성형체를 생성하고 이어 예비성형체를 이용하여 섬유 강화 복합물을 생산하는 시스템 및 방법의 실시태양을 도시한 것이다. 도 1은 시스템의 실시태양들 및 변형들에 대한 정보를 제공하기 위하여 다른 도면들과 연관하여 설명될 것이다.
공정 초기에, 10에서 유체 중 섬유 현탁액이 생성된다. 현탁액은 용액에 분산된 저-부피율의 섬유로 이루어진다. 일 실시태양에서, 용액은 뉴턴 유체로 이루어진다. 일 실시태양에서, 용액은 바인더를 포함할 수 있다. 도 2의 시스템 도면에서, 시스템 (30)은 현탁액이 담긴 저장소 (32)를 포함한다.
도 2에서34로 도시되는 섬유 배향 및 정렬화 헤드는, 12에서, 섬유 현탁액을 일종의 기재에 분배한다. 도 2에 도시된 일 실시태양에서, 고정구 (36)로 유지되는 기재 (38)는 천공되거나 및/또는 다공성 기재이다. 기재는 흡인 시스템 예컨대 진공에 장착되거나 또는 달리 연결된다. 흡인 장치 예컨대 진공 (40)은 현탁액에서 과잉 유체를 제거하여 섬유를 남긴다. 이로써 고분율 조성 섬유 매트가 획득된다.
예비성형체 매트 형성에 충분한 용액이 분배되면, 또는 분배 중에, 14에서 예비성형체는 일종의 고정화 또는 부착 공정 처리되어 섬유를 제자리에 고정시키고 예비성형체를 고화 또는 반-고화시킨다. 고정화에는 상기된 바와 같이 용액 중 바인더가 관여되고, 용액이 제거되면서 바인더는 잔류되어 섬유를 제자리에 고정시킨다. 더욱 상세히 하기되는 바와 같이, 접착제 또는 바인더는 예비성형체 상에 분사될 수 있다.
본원의 실시태양은 특유한 섬유 배향 헤드를 이용하여 형성되는 배향된 섬유를 가지는 예비성형체 형성에 관한 것이다. 제조되면, 이러한 예비성형체는 고분자/수지인 기지를 수용하여 섬유 강화 복합물을 형성한다. 완전하도록, 예비성형체에 기지 침투가 수행되는 실시태양들이 논의되지만, 이러한 공정은 선택적이고 여러 상이한 형태를 취할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
예비성형체는 도 1의 16에서 기지를 수용한다. 기지는 제한되지 않지만, 다양한 유형의 고분자 예컨대 수지, 폴리우레탄 화합물 등을 포함하고 액체 형태 또는 열가소성 또는 기타 성형 가능한 재료의 시트 형태일 수 있는 많은 상이한 재료로 이루어진다. 많은 상이한 유형의 재료가 사용 가능하다. 일반적으로, 수지충전성형 (Resin Transfer Molding) (RTM) 또는 수지주입성형 (Resin Infusion Molding) (RIM)용 임의의 재료가 사용 가능하다. 점도 및 경화 특성이 주입 공정과 양립되도록 조정하는 것이 중요하고, 이는 제작되는 특정 예비-성형체에 따라 달라진다. 전형적인 점도 범위는 50-1000 센티포아즈이다. 일반적인 RTM 및 RIM 소재는 다음을 포함한다: 불포화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시, 폴리이미드, 페놀, 등. 고점도로 조정된다면 열가소성 수지를 가용하는 것이 가능하다. 또한 공정은 적당히 낮은 점도를 달성하도록 충분히 온도를 조절할 필요가 있다. 일반적인 열가소성 수지를 다음을 포함한다: 폴리프로필렌, 나일론, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 (ABS) 등. 도 2 실시예에서, 기지는 공급 기구 (44)를 통해 액체로서 예비성형체에 공급된다.
침투 공정으로 습식 기지는 섬유 예비성형체에 함유된다. 이러한 구조체는 경화되어 최종 강화 섬유 복합물을 형성한다. 도 1의 18에서 경화 조작은 열 및/또는 압력 인가를 포함하고, 이어 냉각 공정으로 예비성형체에서 기지를 고화시킨다. 후-공정은 주입 재료에 따라 달라진다 도 1의 20에서, 도 2의 섬유 강화 복합물 (42)이 얻어진다.
본원의 여러 양태들은 특유한 특징부들을 가진다. 이러한 하나의 특징부는 도 2에 도시된 섬유 배향 및 정렬화 헤드 (34)이다. 섬유 배향 헤드는 신장흐름을 생성하고, 신장흐름은 현탁액에서. 섬유 정렬화에 이상적이다. 도 3은 기계적 4 롤 밀의 실시예를 도시한 것이다. 기계적 4 롤 밀은 2개의 입구 (41, 43)를 가진다. 4 롤 밀은 반대로 회전되어, 액체를 출구 (45, 47)로 밀어낸다. 출구에서 이러한 유형의 신장흐름으로 현탁액 중의 섬유는 정렬할 수 있다.
도 4는 섬유 정렬화 및 배향 헤드로 칭할 수 있는 섬유 정렬화 헤드의 일 실시태양을 도시한 것이다. 정렬화 헤드는 하우징 (34)을 가지고 이하 더욱 상술되는 배향 부품이 포함된다. 도 4에서, 하우징 (34)은 회전 링 (48)을 가지고 이는 섬유가 헤드에서 나올 때 정렬화 각도를 조절할 수 있다. 본 실시태양에서, 하우징은 2-롤 밀을 가진다. 섬유 현탁액은 도면에 도시된 바와 같이 하우징 바닥에서 2-롤 밀로 흐른다. 롤러 운동으로 섬유는 출구 (48)에서 나올 때 정렬된다.
도 5 흐름도에서 흐름이 잘 이해될 수 있다. 하우징 (34)에서 입구 유동 (52)은 롤들 사이 경로 (54)로 좁아진 후 정렬 유동으로서 프린트헤드를 나온다. 롤 밀의 실시태양에서, 롤러는 도 6에 도시된 바와 같이 이분할 유동 (splaying flow)을 생성한다. 롤러는 영역 (54)에서 이들 사이에 섬유를 정렬한 후 유동 (60)으로 밀에서 나온다.
상기된 바와 같이 헤드는 회전하거나 또는 출구에서 회전 링 (48)을 가진다. 회전으로 섬유가 헤드를 나갈 때 섬유 각도가 변경된다. 도 7-9는 상이한 가능성을 보인다. 도 7에서, 섬유는 도면에 대하여 수평 정렬된다. 헤드 또는 링의 회전 속도가 커지면, 섬유에 대한 방출 (exit) 각도가 변경된다. 도 8은 제1 회전 속도에 의한 제1 방출 각도를 보이고, 도 9는 제2 회전 각도에 의한 제2 방출 각도를 보인다. 상이한 적용 분야에서는 상이한 각도 및 상이한 구조적 양태를 가지는 상이한 예비성형체가 적용된다. 출구 회전 성능으로 양호한 섬유 배향 조절이 가능하다.
하우징 내의 롤러에 대한 대안의 실시태양에서, 하우징은 내부에 이러한 이분할 유동을 생성하는 구조체를 가질 수 있다. 도 10은 대안의 하우징 (70)을 보인다. 하우징은 원통부 (72)를 가지고, 이는 출구부 (74)로 갈수록 좁아진다. 원통부가 출구부 (74)로 하향 경사를 이루므로, 출구부 치수는 화살표로 나타낸 유동 방향에서 더욱 커지거나 또는 ‘넓지만’, 직교유동 방향에 대하여는 더 작아진다. 도시된 실시예에서, 형성되는 출구부는 원통부보다 페이지 좌-우측으로 더욱 넓은 치수를 가지지만, 페이지 전후로 더욱 좁아진다. 이로써 하우징 출구부는 슬릿 (76) 폭보다 훨씬 넓지 않다
도 10은 재활용 흐름 추가뿐 아니라 본 실시태양의 하우징 내부를 상세히 도시한다. 재료가 저장소 (82)로부터 유동 방향 (52)으로 헤드에 진입하면, 입구는 수축부 (contraction, 78)로 좁아진다. 수축부 (78)는 용액 내의 섬유를 유동 축에 평행하게 정렬시키기 시작한다. 이로써 모든 섬유는 노즐 중앙에서 나오고 동일한 개시 배향을 가진 후 확장부 (74)로 처리된다. 수축부는 확장 출구부 (74)로 이어진다. 출구부는 수축부 (78)를 넘어 일 방향에서 확장되지만, 확장 방향에 직교하는 치수에서 좁아진다. 이로써 유동 축에 직교하는 정렬화가 유도된다.
이는 섬유가 정려되기에 충분하다. 향상을 위해, 정렬화 헤드는 재활용 흐름 출구 (84)를 가질 수 있고 부압이 인가되어 화살표 (86, 88)로 나타낸 방향에서 흐름을 인출한다. 이는 재활용 또는 2차 흐름이라고 칭한다. 주 흐름은 화살표 (80) 방향으로 노즐로부터 유출된다. 재활용 흐름은 섬유가 헤드에서 나갈 때 정렬화에 조력한다. 이로써 상기 이분할 유동은 향상된다.
사용되는 섬유 배향 헤드의 실시태양과 무관하게, 예비성형체는 기지로 침투되기 전에 추가 공정 처리된다. 섬유 적층 과정에서, 진공 압력이 작용하여 적층된 섬유를 압축하고 고정시키고 캐리어 유체를 제거한다. 추가로, 섬유는 더욱 고정 처리된다. 용액은 유체가 제거될 때 섬유를 제자리에 고정시키는 바인더를 포함할 수 있다. 대안으로, 섬유 예비성형체는 바인더 용액으로 분사되거나 달리 최소한 부분적으로 도포될 수 있다. 바인더는 다음 공정 단계를 위한 섬유 예비성형체 취급을 용이하게 한다. 또한 기지가 침투할 때 예비성형체의 열가소성 계면 품질을 개선시킬 수 있다.
도 11은 인가된 진공으로 적층된 섬유 예비성형체 (39) 단면도를 도시한 것이다. 기재 (38)는 다공성이므로, 진공은 예비성형체에 작용될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 예컨대 분사 헤드 (90)는 바인더 용액을 예비성형체에 분배한다. 바인더는 추가 경화 (setting) 공정 예컨대 건조 또는 가열이 필요할 수 있다.
상기된 바와 같이, 배향된 섬유로 예비성형체가 완료되면, 기지로 침투시킨다. 이러한 공정의 일 실시태양이 도 13에 도시된다. 도포기 (applicator, 92) 예컨대 커튼, 슬롯, 롤 코터 등을 이용하여 섬유 예비성형체 (39)는 용융 고분자 또는 수지 (94)로 도포하거나 침윤시킨다. 기지는 단지 냉각 및/또는 건조함으로써 고화될 수 있다. 대안으로, 섬유 강화 복합물 (42)을 획득하기 위하여 기지는 도 13에 도시된 바와 같이 열 및 압력이 인가될 필요가 있다.
이러한 방식으로, 특유한 노즐은 용액 중 섬유 배향을 유도하여 섬유 예비성형체를 생성한다. 예비성형체는 필요한 형태에 따라 배향되는 섬유를 가진다. 기지 침투 후, 형성된 섬유 강화 복합물 재료 또는 형상은 우수한 강도를 가지고 노즐로 인하여 상대적으로 저렴하고 간단한 제조가 가능하다.

Claims (10)

  1. 섬유 배향 및 정렬화 시스템으로서,
    섬유 배향 및 정렬화 헤드;
    상기 섬유 배향 및 정렬화 헤드에 연결된 저장소로부터 무작위 배향된 섬유를 갖는 용액을 수용하도록 배열된 입구;
    배향 부품(orientation component)으로서, 상기 배향 부품은 상기 입구로부터의 상기 용액을 수용하고 작동하여 상기 용액 내에서 예정된, 단일 방향으로 정렬된 섬유를 생산하도록 위치하는, 배향 부품;
    상기 정렬된 섬유를 갖는 상기 용액을 수용하고 이들을 정렬 방향으로 기재에 증착하도록 배열된 출구로서, 상기 출구는 추가로 상기 정렬 방향과 상이한 방향으로 용액의 2차 흐름을 생성시키도록 배열된, 출구;
    상기 출구로 통과하는 유체를 수집하고 사용되지 않은 유체를 용액의 상기 저장소로 반환하도록 위치하는 재활용 출구; 및
    단일 구조체에 상기 입구, 상기 배향 부품, 상기 출구 및 상기 재활용 출구를 함유하는 헤드 하우징
    을 포함하는, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배향 부품은 적어도 2개의 롤러를 포함하는, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 롤러는 상기 롤러에 연결되는 작동기를 포함하고, 상기 작동기는 상기 롤러를 서로 반대 방향으로 회전시키는, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 롤러에 인접한 입구의 좁아지는 부분을 추가로 포함하는, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출구에 부착된 회전 가능한 출구 링을 추가로 포함하는, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 헤드는 회전 가능한, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배향 부품은 상기 입구에 수축부를 포함하고, 상기 수축부는 상기 무작위 배향된 섬유가 유동 축에 평행한 방향으로 정렬하도록 하기에 충분히 좁고, 또한 일 방향으로 상기 수축부보다 넓고 상기 일 방향에 직교하는 방향으로 상기 수축부보다 좁아져서 상기 섬유가 상기 유동 축에 직교하는 정렬화를 유도하는 출구부를 포함하는, 섬유 배향 및 정렬화 시스템.

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  9. 삭제
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