KR20000015333A - 인발성형에 의한 섬유 강화 복합재 제조 방법 및 그 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유(직물) 강화 복합재를 제조하는 방법과 그 제조 장치에 관한 것으로, 인발성형에 의하여 연속적으로 기계적 물성이 우수한 섬유 강화 복합재를 제조하기 위하여, 1kHz 내지 30kHz의 초음파를 이용하고, 함침 온도를 50-70℃로 하여 강화섬유 또는 직물을 수지 함침시키는 함침단계(S1); 성형틀로써 제품의 형태를 성형하고 가열관에서 100-200℃로 가열하여 경화시키는 1차 성형단계(S2); 다시 성형틀로써 재성형하고 가열관에서 200-300℃로 가열하여 경화시키는 2차 성형단계(S3); 이를 상온으로 냉각시킨 후 일정한 길이로 재단하는 마감단계(S4)로 이루어진 섬유 강화 복합재를 제조하는 방법과 그 제조 장치를 제공하는 것이다.
Description
본 발명은 섬유 강화 복합재를 제조하는 방법과 그 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제품 수직 방향으로 일정한 형태를 갖는 섬유 강화 복합재를 연속적으로 대량 생산하는 인발 성형 공정 및 그의 장치에 관한 것이다.
일반적으로 섬유 강화 복합재는 강도가 우수한 섬유나 직물에 응력을 분담시키고 매트릭스는 섬유나 직물을 붙들어 섬유나 직물에 다시 응력을 전달하는 역할과 외부 환경으로부터 섬유나 직물을 보호하게 된 것으로 경량 구조재로 많이 사용되는 것이다.
이와 같은 섬유 강화 복합재를 제조하는 공정중의 하나인 인발 성형 공정은 연속적으로 강화섬유 또는 직물을 수지 함침 시킨 후, 수지 경화 반응을 거쳐 섬유 강화 복합재료를 제조하는 공정이다. 특히 이 공정은 섬유 부피비가 높은 복합재를 제조할 수 있으므로 고하중이 요구되는 구조재의 생산에 많이 사용되고 있다.
지금까지 인발 성형 공정은 도 1에 도시된 제조장치를 이용하여 섬유 강화 복합재를 제조하는데, 강화섬유 또는 직물(10)을 수지(12)에 단순 함침시킨 후 일정한 형태의 가열이 가능한 다이(14)를 통과시켜 수지 경화 후 원하는 길이로 절단하여, 섬유 강화 복합재를 제조하였다. 사용되는 수지는 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 사용하였으며 모노머 상태에서 점도가 낮은 열경화성 수지가 함침 효율성이 높기 때문에 열가소성 수지 보다 많이 사용되고 있다.
상기한 바와 같이 지금까지 인발 성형 공정은 강화섬유 또는 직물을 단순 수지 함침 후 다이를 통해 경화시켜 원하는 단면 형태를 갖는 성형체를 제조하였다.
그러나 종래의 성형체 제조 공정의 경우 수지 함침 효율 및 강화섬유 표면과 수지의 접착력이 약하며, 섬유 내부의 결합력 및 기공의 함량이 많아 섬유 강화 복합재의 물성 및 강도가 낮고, 다이를 통하여 경화 공정을 수행할 경우 다이의 온도 조절 및 경화 공정 중 발생하는 여러 가지 휘발성 물질로 인하여 제품의 손상 및 중간 작업에서 섬유가 끊어지는 현상이 발생하여 작업이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 수지 함침 공정 중 발생하는 섬유 사이의 기공을 제거하여 강화섬유와 수지간의 결합력을 증대시킴으로써 섬유 강화 복합재의 물성과 강도를 증가시킬 수 있는 인발성형에 의한 복합재 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
섬유 강화 복합재를 제조하는 방법에 있어서,
1kHz 내지 30kHz의 초음파를 이용하고, 함침 온도를 50-70℃로 하여 강화섬유 또는 직물을 수지 함침시키는 함침단계(S1);
성형틀로써 제품의 형태를 성형하고 가열관에서 100-200℃로 가열하여 경화시키는 1차 성형단계(S2);
다시 성형틀로써 재성형하고 가열관에서 200-300℃로 가열하여 경화시키는 2차 성형단계(S3);
이를 상온으로 냉각시킨 후 일정한 길이로 재단하는 마감단계(S4)로 이루어진 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.
이때 상기 함침단계(S1)전에 수지와 강화섬유 또는 직물간의 결합력을 향상시키기 위해 상기 강화섬유 또는 직물을 산성 또는 염기성 용액으로 처리하고 50℃ 내지 80℃로 예비 가열하는 함침예비단계(S10)가 부가된 것이 복합재의 강도면에서 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 섬유 강화 복합재 제조방법에 따라 제조된 복합재는 강화섬유 또는 직물과 수지간의 결합력이 향상되고, 내부의 기공이 줄어들어 물성과 강도가 개선되는 한편, 연속적으로 제조가 가능하여 작업성이 개선되는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 섬유 강화 복합재 제조장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재의 제조공정도,
도 3은 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 제조장치의 구성도,
도 4는 종래 섬유 강화 복합재 단면의 주사현미경 사진,
도 5는 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 단면의 주사현미경 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 강화섬유 또는 직물 12 : 수지
14 : 다이 20 : 강화섬유 또는 직물 다발
22 : 섬유공급기 24 : 표면활성장치
26 : 제 1 가열관 28 : 수지함침장치
30 : 제 1 성형틀 32 : 제 2 가열관
34 : 제 2 성형틀 36 : 제 3 가열관
38 : 냉각장치 40 : 풀링장치
42 : 자름장치 44 : 집진장치
46 : 수지함침용기 48 : 초음파발생장치
50 : 온도조절장치 52 : 과다수지제거장치
54 : 롤러 56 : 가이드
58 : 풀링벨트
이하, 본 발명의 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 섬유 강화 복합재의 제조공정도이고, 도 3은 본 발명의 제조방법에 적용될 수 있는 제조장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 섬유 강화 복합재의 제조방법이 함침단계(S1), 제 1 성형단계(S2), 제 2 성형단계(S3), 마감단계(S4)로 이루어짐을 알 수 있는데, 상기 함침단계(S1)는 연속적으로 공급되는 섬유나 직물을 용융된 수지로써 함침시키는 단계이고, 상기 제 1 성형단계(S2)는 일정한 모양의 성형틀로써 복합재의 형상을 1차 가공하여 예비 경화성형시키는 단계이며, 상기 제 2 성형단계(S3)는 성형틀로써 다시 형상을 가공한 후 완전 경화시키는 단계이고, 이후의 상기 마감단계(S4)는 경화된 복합재를 상온으로 냉각하여 복합재 형상에 따라 재단하여 제품을 만드는 단계이다.
상기 함침단계(S1) 이전에 강화섬유 또는 직물과 수지간의 결합력을 증대시키기 위해 섬유 표면을 약품처리하고 가온하는 것이 바람직하다. 약품처리에 사용되는 용액은 강화섬유나 직물의 종류에 따라 다양하게 선택하여 사용할 수 있는데, 예를 들면 산성용액이나 알코올류 등을 사용할 수 있다. 그리고 강화섬유 또는 직물을 가온하여 50℃ 내지 70℃로 되게 하는 것이 이후의 함침 수지와의 반응에서 보다 바람직하다.
이와 같이 예비 처리된 강화섬유 또는 직물과 함침 수지간의 반응을 위해 수지의 온도를 50℃ 내지 70℃로 유지하고, 1 내지 30kHz의 초음파를 사용한다. 이때 수지 온도를 상기 온도 범위내로 하는 것은 수지 점도를 조절하여 수지의 유동성을 확보하기 위함이고, 초음파를 사용하는 것은 수지 함침 효율을 증가시키며 수지와 강화섬유 또는 직물간의 강한 화학적 결합이 일어나게 하기 위함이다. 상기 함침단계(S1)에서 사용되는 함침 수지는 페놀계나 폴리에스터, 폴리비닐계, 에폭시계 등의 열가소성 및 열경화성 수지를 들 수 있다.
함침된 강화섬유 또는 직물을 소정 형상으로 성형한 후 경화시키는 상기 제 1 성형단계(S1)에서 초기 성형체를 형성하게 된다. 소정 형상을 성형하는 것은 성형틀로써 형상을 만든 후 온도조절에 의하여 경화시키는 과정을 통하여 이루어진다. 이러한 제 1 성형단계(S2)의 경화온도는 100℃ 내지 200℃ 범위내의 온도가 바람직하다.
이후 제 2 성형단계(S3)에서 초기 성형체을 다시 성형틀로써 재성형하고, 이를 가온하여 경화시키게 되는데, 이때의 경화온도는 200℃ 내지 300℃로 한다.
경화반응이 완전히 이루어진 섬유 강화 복합재를 상기 마감단계(S4)에서 상온으로 냉각하고 성형체의 형상에 따라 재단하여 마무리한다.
이와 같은 본 발명의 제조방법은 도 3의 제조장치를 이용하여 구체화할 수 있는 바, 이 제조장치를 제조방법에 따라 설명하면 다음과 같다.
우선 본 발명에 따른 제조장치는 여러개의 강화섬유 또는 직물 다발(20)이 장착되어 강화섬유 또는 직물을 연속적으로 공급하게 된 섬유공급기(22), 이 섬유공급기(22)로부터 공급된 강화섬유 또는 직물을 약품처리하는 표면활성장치(24), 표면활성장치(24)를 지난 강화섬유 또는 직물을 가열하는 제 1 가열관(26), 가열된 강화섬유 또는 직물을 함침시키기 위한 수지함침장치(28), 함침된 강화섬유 또는 직물을 성형하기 위한 제 1 성형틀(30), 이 제 1 성형틀(30)을 지난 초기성형체를 경화시키는 제 2 가열관(32), 제 2 가열관(32)을 지난 성형체를 재성형하는 제 2 성형틀(34), 재성형된 성형체를 경화시키는 제 3 가열관(36), 경화된 성형체를 냉각시키는 냉각장치(38), 성형체를 일정 속도로 당겨주는 풀링장치(40), 풀링장치(40)를 지난 성형체를 형상에 따라 재단하는 자름장치(42)로 이루어진다.
상기 제 2 가열관(32)과 제 3 가열관(36)에서 유해 가스가 발생하는 경우를 대비해 별도의 집진장치(44)를 설치하여 이를 제거할 수 있게 한다.
상기 표면활성장치(24)는 섬유에 약품용액을 뿌려주거나, 섬유를 용액에 잠기게 하여 표면처리할 수 있게 된 장치이고, 상기 함침장치(28)는 수지함침용기(46)와 초음파발생장치(48), 온도조절장치(50), 과다수지제거장치(52) 및 다수개의 롤러(54)와 가이드(56)로 이루어진다.
상기 가이드(56)는 수지함침장치(28)로 진입하는 강화섬유 또는 직물의 수평위치를 맞추기 위한 것이고, 롤러(54)는 방향을 전환하는 역할을 하는 것으로, 롤러(54)의 방향전환이 예각으로 되면 강화섬유 또는 직물이 손상을 입기 쉬우므로 둔각으로 되게 하는 것이 바람직하다. 상기 과다수지제거장치(52)는 수지의 양을 조절하는 장치이고, 수지함침용기(46)와 초음파발생장치(48), 온도조절장치(50)는 통상의 장치를 사용할 수 있다.
이때 사용되는 롤러(54)는 녹이 발생하지 않는 재질을 사용하여야 하고, 특히 표면 마찰계수가 낮고 섬유의 손상을 방지하기 위하여 경질 크롬계로 코팅된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 성형틀(30) 및 제 2 성형틀(32)은 성형체의 형상이 각인된 롤러를 활용하는 것이 연속적인 인발 성형 공정에 부합된다. 즉, 수지 함침된 강화섬유 또는 직물의 상하에 각인된 롤러를 위치시켜 이 사이를 지나면서 수지 함침된 강화섬유 또는 직물에 형상을 부여케 하는 것이다.
상기 냉각장치(38)은 통상의 냉각방법을 활용하는 장치를 사용할 수 있으며, 일례로 냉각수를 이용하여 냉각하거나, 냉풍을 이용하여 상온으로 냉각할 수 있다.
상기 풀링장치(40)는 냉각된 성형체를 자름장치(42)로 이송시키는 장치로서, 상하부에 대칭적으로 각각 롤러 두 개에 풀링벨트(58)가 체결되어 구동모터에 연결된 롤러의 회전에 의해 구동되게 된 것이다. 상기 풀링벨트(58)는 폴리우레탄계를 사용하는 것이 완제품의 손상을 최소화할 수 있으므로 바람직하다.
따라서 상기 제조장치를 이용하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 과정은, 섬유공급기(22)로부터 강화섬유 또는 직물이 공급되어, 표면활성장치(24)에서 강화섬유 또는 직물의 표면을 활성화시키고, 제 1 가열관(26)에서 강화섬유 또는 직물을 50℃ 내지 70℃로 가온한 후, 가이드(56)에서 강화섬유 또는 직물을 롤러(54)의 위치에 맞게 조정하고, 수지함침용기(46)내의 50℃ 내지 70℃의 온도로 유지되는 함침 수지로 강화섬유 또는 직물이 통과하면서 충분히 함침되게 한 다음, 과다수지제거장치(52)에서 함침량을 조절하고, 제 1 성형틀(30)에서 1차 성형시키며 100℃ 내지 200℃의 온도로 유지되는 제 2 가열관(32)을 통과하면서 1차로 경화되게 하고, 1차 경화된 성형체를 다시 제 2 성형틀(34)에서 재성형하며, 200℃ 내지 300℃로 유지되는 제 3 가열관(36)을 통과시켜 완전 경화시킨다. 이후 냉각장치(38)를 통과시켜 상온으로 냉각시킨 다음 이를 자름장치(42)로 이송시키고 이를 재단하여 완제품을 제조한다. 각 공정간의 이송속도는 상기 풀링장치(40)의 구동속도에 좌우되므로, 함침시간과 성형 및 경화시간에 적합한 이송속도를 유지할 수 있게 풀링장치(40)의 구동속도를 잘 조절하여야 한다. 바람직한 풀링속도는 약 분당 10 내지 500mm정도이다.
실시예 1 및 비교예 1
실시예 1은 상기 도 3의 제조장치를 이용하여 본 발명의 제조방법에 따라 탄소섬유 또는 탄소섬유로 된 직물을 폴리비닐알콜로 함침시켜 섬유 강화 복합재를 제조하였다. 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관, 제 3가열관의 온도를 각각 60℃, 50℃, 100℃, 200℃로 하였다. 수지함침장치의 초음파는 30kHz를 발생시켰으며, 풀링속도는 분당 500mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
이와 대비되는 비교예 1은 상기 도 1의 제조장치를 이용하여 종래의 제조방법에 따라 탄소섬유를 강화섬유로 하고 함침 수지로서 폴리비닐알콜을 사용하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 2.
상기 실시예 1과 같은 방법으로 복합재를 제조하였으며, 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관 2, 제 3 가열관의 온도를 각각 70℃, 80℃, 200℃ 및 300℃로 하였다. 그리고 초음파는 30kHz를 발생시켰으며, 풀링속도를 분당 500mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 3.
상기 실시예 1과 같은 방법으로 복합재를 제조하였으며, 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관 및 제 3 가열관의 온도를 각각 60℃, 50℃, 250℃ 및 350℃로 하였다. 그리고 초음파는 30kHz를 발생시켰으며, 풀링 속도를 분당 500mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 4.
상기 실시예 1과 같은 방법으로 복합재를 제조하였으며, 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관 및 제 3 가열관의 온도를 각각 90℃, 100℃, 200℃ 및 300℃로 하였다. 그리고 초음파는 30kHz를 발생시켰으며, 풀링속도를 분당 500mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 5.
상기 실시예 1과 같은 방법으로 복합재를 제조하였으며, 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관 및 제 3 가열관의 온도를 각각 90℃, 100℃, 250℃ 및 350℃로 하였다. 그리고 초음파는 30kHz를 발생시켰으며, 풀링 속도를 분당 500mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 6.
상기 실시예 1과 같은 방법으로 복합재를 제조하였으며, 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관, 제 3 가열관의 온도를 각각 60℃, 50℃, 200℃ 및 300℃로 하였다.
그리고 초음파는 40kHz를 발생시켰으며, 풀링 속도를 분당 500mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 7.
상기 실시예 1과 같은 방법으로 복합재를 제조하였으며, 이때 제 1 가열관, 수지함침장치, 제 2 가열관 및 제 3 가열관의 온도를 각각 60, 50, 200 및 300로 하였다. 그리고 초음파는 30kHz를 발생시켰으며, 풀링 속도를 분당 600mm로 하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
다음 표 1에 상기 실시예 1 내지 7과 비교예 1의 복합재의 기계적 물성을 나타내었다.
| 구분 | 인장강도(MPa) | 굴곡강도(MPa) |
| 실시예 1 | 90 | 130 |
| 실시예 2 | 87 | 131 |
| 실시예 3 | 65 | 100 |
| 실시예 4 | 82 | 113 |
| 실시예 5 | 75 | 106 |
| 실시예 6 | 85 | 120 |
| 실시예 7 | 69 | 104 |
| 비교예 1 | 80 | 115 |
상기 표 1에 나타난 바와 같이 실시예 1 및 실시예 2의 섬유 강화 복합재의 기계적 특성이 종래 방법보다 약 30 내지 50% 증가한 값을 나타내었다. 그러나 제 2 가열관 및 제 3 가열관의 온도가 각각 250, 350℃인 실시예 3의 복합재는 높은 온도에 의한 손상으로 층간 분리현상이 발생하였으며, 이로 인해 굴곡 및 인장 강도가 현저히 저하되었음을 알 수 있었다.
실시예 4 및 실시예 5의 경우 수지함침장치 및 제 1 가열관의 높은 온도로 인하여 섬유의 손상 및 함침전 수지의 경화도 및 점도 증가를 유발하여 수지 함침이 잘 진행되지 않아 수지와 섬유간의 결합력을 저하시켜 기계적 물성이 낮게 측정되었다.
초음파 주파수가 40MHz인 실시예 6을 통하여 높은 초음파로 인하여 수지 내부의 열 발생 및 내부 에너지 증가로 인하여 수지의 변화를 유발하여 낮은 기계적 물성을 가짐을 알 수 있었고, 실시예 7은 풀링속도를 분당 600mm로 수행하였는데, 섬유의 이송속도 증가로 인하여 몰드에서의 끊어짐 현상이 많이 발생하였고, 섬유의 손상 및 경화의 미진행으로 인하여 낮은 기계적 물성값을 나타내었다.
그리고 도 4는 비교예 1에 따른 섬유 강화 복합재 단면의 주사현미경 사진이고 도 5는 실시예 1에 따른 섬유 강화 복합재 단면의 주사현미경 사진으로서, 이에 의하면 종래의 방법에 따른 섬유 강화 복합재는 내부에 많은 기공(사진중의 검게 나타난 부분)이 많이 존재하였으나 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재는 기공이 거의 없는 것을 알 수 있다.
따라서 섬유 강화 복합재를 본 발명의 새로운 제조방법에 따라 제조할 경우 내부 기공이 현저히 줄어들고, 매트릭스인 함침 수지와 강화섬유 또는 직물과의 결합력이 향상되므로써 섬유 강화 복합재의 기계적 물성이 개선됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 섬유 강화 복합재 제조공정은 함침방법을 개선하고, 성형틀과 경화장치를 분리하여 완제품을 생산하기까지의 공정이 연속적으로 이루어질 수 있도록 하여 작업의 효율성을 증대시키는 효과가 있다.
또한, 함침효율 및 강화섬유 또는 직물과 수지간의 결합력이 보다 강화되어 섬유 강화 복합재의 물성을 개선할 수 있다.
Claims (4)
- 섬유 강화 복합재를 제조하는 방법에 있어서,1kHz 내지 30kHz의 초음파를 이용하고, 함침 온도를 50-70℃로 하여 강화섬유 또는 직물을 수지 함침시키는 함침단계(S1);성형틀로써 제품의 형태를 성형하고 가열관에서 100-200℃로 가열하여 경화시키는 1차 성형단계(S2);다시 성형틀로써 재성형하고 가열관에서 200-300℃로 가열하여 경화시키는 2차 성형단계(S3);이를 상온으로 냉각시킨 후 일정한 길이로 재단하는 마감단계(S4)로 이루어진 섬유 강화 복합재 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 함침단계(S1)전에 수지와 강화섬유 또는 직물간의 결합력을 향상시키기 위해 상기 강화섬유 또는 직물을 산성 또는 염기성 용액으로 처리하고 50℃ 내지 80℃로 예비 가열하는 함침예비단계(S10)가 부가된 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 제조방법.
- 섬유 강화 복합재를 연속적으로 제조하는 장치에 있어서,여러개의 강화섬유 또는 직물 다발(20)이 장착되어 강화섬유 또는 직물을 연속적으로 공급하게 된 섬유공급기(22), 이 섬유공급기(22)로부터 공급된 강화섬유 또는 직물을 약품처리하는 표면활성장치(24), 표면활성장치(24)를 지난 강화섬유를 가열하는 제 1 가열관(26), 가열된 강화섬유를 함침시키기 위한 수지함침장치(28), 함침된 강화섬유를 성형하기 위한 제 1 성형틀(30), 상기 제 1 성형틀(30)을 지난 초기성형체를 경화시키는 제 2 가열관(32), 제 2 가열관(32)을 지난 성형체를 재성형하는 제 2 성형틀(34), 재성형된 성형체를 경화시키는 제 3 가열관(36), 경화된 성형체를 냉각시키는 냉각장치(38), 성형체를 일정 속도로 당겨주는 풀링장치(40), 풀링장치(40)를 지난 성형체를 형상에 따라 재단하는 자름장치(42)로 이루어진 섬유 강화 복합재 제조장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 수지함침장치(28)는, 수지함침용기(46)와 초음파 발생장치(48), 온도조절장치(50), 과다수지제거장치(52), 강화섬유 또는 직물의 이동방향을 조절하는 다수개의 롤러(54)로 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 제조장치.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019980035201A KR20000015333A (ko) | 1998-08-28 | 1998-08-28 | 인발성형에 의한 섬유 강화 복합재 제조 방법 및 그 제조 장치 |
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| KR (1) | KR20000015333A (ko) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1998
- 1998-08-28 KR KR1019980035201A patent/KR20000015333A/ko not_active Application Discontinuation
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