KR20010019780A - 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리섬유, 탄소섬유, 아라마드 섬유와 같은 고강도 보강섬유에 폴리프로필렌 섬유와 같은 열가소성 섬유를 브레이딩(Braiding)함으로써, 상기 보강섬유와 열가소성 섬유를 일체화시키고 혼합시키기 위한 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 보빈(10)과, 상기 보빈(10)에서 공급되는 보강섬유(30)가 브레이딩되는 직조기계(15,21)와, 상기 직조기계(15,21)를 통해 만들어진 혼합섬유(31)가 통과하는 실린더(16) 및 캐터필러(17)와, 상기 혼합섬유(31)가 감겨지는 와인더(18)를 포함하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치에 있어서, 상기 보빈(10)과 직조부(15,21) 사이에 상기 섬유(30)가 브레이딩되는 섬유분기부가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 브레이딩 직조에 의하여 혼합섬유를 제조하는 방법에 있어서, 보강섬유를 종축방향의 섬유로, 열가소성 섬유를 브레이딩 섬유로 사용하여 직조하는 것을 특징으로 한다.

Description

브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치 및 방법{ A MANUFACTURING DEVICE ＆METHOD FOR MIXING FIBER BY USING BRADING WEAVING }

본 발명은 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 유리섬유, 탄소섬유, 아라마드 섬유와 같은 고강도 보강섬유에 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유, 폴리에틸렌 섬유와 같은 열가소성 섬유를 브레이딩(Braiding)함으로써, 상기 보강섬유와 열가소성 섬유를 일체화시키고 혼합시키기 위한 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치의 일예를 나타낸 측면도로서, 보빈(Bobbin)(10)에서 공급되는 보강섬유(30)가 직조기계(15,21)를 통해 브레이딩되어 혼합섬유(31)가 만들어진 후, 가열압착용 실린더(16)를 통해 프리프레그(32)화되어 캐터필러(17)를 타고 와인더(18)에 감겨지는 것을 나타내고 있다.

일반적으로 열가소성 복합재료는 열경화성 복합재료에 비하여 생산비가 낮고, 생산속도가 뛰어나며 연성이 우수하여 손상허용치나 충격강도 특성이 우수하다. 또한, 보수가 용이하여 제품의 수명이 향상되고 재활용이 가능하다는 점에서 최근 그 응용범위가 확대되고 있는 추세이다.

전술한 장점에도 불구하고 상기 열가소성 복합재료가 구조용으로서 적용이 활발하지 못한 이유는 이 재료의 점도가 매우 높아서 성형상의 많은 어려움이 있기 때문이다. 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 형태는 일방향 프리프레그(Unidirectional Prepreg)인데, 이것은 보강섬유에 열가소성 필름이나 분말을 입힌 것으로서, 비교적 딱딱하고 한 방향으로만 섬유배열이 되어 있기 때문에 복잡한 형상을 제조하기 어렵고 쉽게 쪼개지는 경향이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 보강섬유와 열가소성 섬유 각각을 서로 섞는 기술이 개발되어 있다. 이 기술에 의해 제조된 혼합섬유는 유연하고 작업성이 좋기 때문에 다양한 직조형태의 보강재를 제조할 수 있고, 복잡한 제품을 성형할 수 있으므로 그 응용이 확대되고 있다. 그러나, 이 방법은 보강섬유가 균일하게 분포되기 어렵고, 수지가 과다한 부분이 존재하므로 섬유체적율이 높은 복합재료 제품을 얻기 힘든 문제점이 있었으며, 도면 1중 미설명 부호 22는 베이스, 23은 프레임이다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 균일한 보강섬유 배열 분포와 함께 수지 함유량 조절에 의해 높은 섬유체적율을 얻을 수 있는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치의 일예를 나타낸 측면도,

도 2는 본 발명에 따른 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치를 나타내는 측면도,

도 3은 본 발명에 따른 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치의 구성을 나타내는 분해사시도,

도 4a는 본 발명에 의한 보강섬유와 열가소성 섬유의 브레이드 구조를 나타내는 평면도,

도 4b는 도 4a의 b-b'선 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 유리섬유와 폴리프로필렌 섬유의 브레이드 구조를 나타내는 도면,

도 6은 경화 사이클을 나타내는 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 복합재료 평판을 나타내는 사진,

도 8은 도 7에 도시된 복합재료 시편의 단면을 100배의 배율로 관찰한 사진이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 보빈 11 : 제 1분기부

12 : 제 2분기부 13,14 : 제 3분기부

15,21 : 직조기계 16 : 실린더

18 : 와인더 30 : 보강섬유

31 : 혼합섬유 32 : 프리프레그

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 보빈과, 상기 보빈에서 공급되는 보강섬유가 브레이딩되는 직조기계와, 상기 직조기계를 통해 만들어진 혼합섬유가 통과하는 실린더 및 캐터필러와, 상기 혼합섬유가 감겨지는 와인더를 포함하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치에 있어서, 상기 보빈과 직조기계 사이에 섬유분기부가 설치된 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치가 제공된다.

이와 같은 본 발명에서 상기 섬유분기부는 상기 섬유가 통과하는 제 1분기부와, 상기 제 1분기부를 통과한 섬유가 통과하는 제 2분기부와, 상기 제 2분기부를 통과한 섬유가 통과하는 제 3분기부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이와 같은 본 발명에서 상기 제 3분기부는 링 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 브레이딩 직조에 의하여 혼합섬유를 제조하는 방법에 있어서, 보강섬유를 종축방향의 섬유로, 열가소성 섬유를 브레이딩 섬유로 사용하여 브레이딩 하는 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조방법이 제공된다.

이와 같은 본 발명에서 상기 보강섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라마드 섬유로 하고, 상기 열가소성 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유, 폴리에틸렌 섬유로 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치를 나타낸 것으로서, 보빈(10)과 직조기계(15,21) 사이에 보강섬유(30)가 분기되는 섬유분기부가 설치되어 있다.

이때, 상기 섬유분기부는 상기 보빈(10)에서 공급되는 보강섬유(30)가 통과하는 제 1분기부(11)와, 상기 제 1분기부(11)를 통과한 보강섬유(30)가 통과하는 제 2분기부(12)와, 상기 제 2분기부(12)를 통과한 보강섬유(30)가 통과하는 제 3분기부(13,14)로 이루어져 있다.

상기 섬유분기부는 그 하부의 프레임(24)을 통하여 베이스(22)에 고정되고, 각각에 1개 및 2개의 구멍(11')(12')이 형성되어 있어서 보강섬유(30)가 제 1분기부(11)를 통과하면서 1/2로 분기되고, 제 2분기부(12)를 통과하면서 각각 1/2씩, 1/4로 분기된다.

또한, 상기 제 3분기부(13,14)는 대략 링 형태로서 각각에 4개와 8개의 구멍(13',14')이 형성되어 있어서, 보강섬유(30)가 제 3분기부(13,14)를 통과하면서 1/8과 1/16로 각각 분기되도록 되어 있다.

또한, 상기 직조기계(15)는 3축 브레이드(Triaxial Braid)를 제조할 수 있는 것으로서, 상기 제 3분기부(13,14)를 통과한 보강섬유(30)가 분기되는 구멍(20)이 다수개(16개) 형성되어 있다.

한편, 본 발명에 의한 혼합섬유 제조방법은 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 장치에서 행해지며, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 보빈(10)을 통하여 공급되는 보강섬유(30)는 전술한 섬유분기부를 통해 그 섬유가닥이 1/2씩 분기된다.

즉, 보강섬유(30)는 제 1 및 제 2분기부(11)(12)를 지나면서 점차 세분화되어 제 3분기부(13,14)에서는 원래 섬유 굵기의 1/16의 굵기로 되고, 최종 섬유 가닥수는 브레이딩 직조기계(15,21)의 종축섬유 갯수만큼 되도록 구성할 수 있다.

이러한 섬유분기부는 섬유다발이 큰 경우(예를 들어, 탄소섬유 12K 이상, K는 섬유 필라멘트 1000 가닥을 일컬음) 수지 함침을 용이하게 하기 위하여 섬유다발을 여러 가닥으로 분기할 필요가 있을 때 사용한다.

상기 함침공(11'∼20)을 통하여 종축섬유(A)가 관통되고(0도 방향), 직조기계(15,21)의 브레이딩 섬유(B)가 상기 종축섬유(A) 사이로 서로 엇갈리면서 ±θ 방향으로 직조된다.

본 발명에서는 종축섬유(A)로서 유리섬유, 탄소섬유, 아라마드 섬유와 같은 보강섬유를, 브레이딩 섬유(B)로서 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유, 폴리에틸렌 섬유와 같은 열가소성 섬유를 사용하였다. 이렇게 하여 직조된 혼합섬유(31)의 평면구조가 도 4a 와 도 4b에 나타나 있으며, 세 방향(0/±θ)의 섬유가 서로 교차되어 직조된 것을 알 수 있다.

또한, 도 4b에 도시된 바와 같이 브레이딩 섬유(B)가 종축섬유(A) 아래위를 지나서 종축섬유(A) 사이로 열가소성 수지가 완벽하게 함침될 수 있는 구조를 나타내고 있다.

혼합섬유(31)가 직조기계(15,21)를 지나면 사용하는 브레이딩 직조기계(15,21)의 종류에 따라 튜브 형태나 띠 형태가 직조되고, 브레이딩 섬유 (B) 캐리어 수를 조정하거나 사용섬유의 다발 크기에 따라 혼합섬유(31) 폭과 두께를 조정할 수 있다.

흔히, 열가소성 복합재료 성형에 필라멘트 와인딩이나 인발성형법이 사용되고 있는데, 이런 성형법은 띠 형상의 프리프레그를 주로 사용하고, 본 발명에 의한 제품을 프리프레그로 사용하고자 할 때는 도 2에서와 같이 직조된 혼합섬유(31)를 가열된 두 개의 실린더(16) 중간에서 압축하고, 이렇게 제조된 혼합섬유(31)나 프리프레그(32)는 캐터필러(17)를 통과시킨 후 와인더(18)를 이용하여 원하는 길이로 보빈(10)에 감아서 사용할 수 있다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

도 5는 유리섬유와 폴리프로필렌 섬유를 사용하여 브레이드된 혼합섬유를 보인 것으로서, 사용한 유리섬유는 202 Tex, 폴리프로필렌 섬유는 29 Tex 이며, 사용한 브레이딩 직조부는 종축섬유로서 16가닥의 유리섬유를, 브레이딩 섬유로서 폴리프로필렌 섬유를 32가닥 사용하였다.

이 혼합섬유를 평판위에 감아서 한 층을 만들고 여기에 여러 층을 적층하여 도 6과 같은 경화 사이클에 따라 복합재료로 제조한 것이 도 7에 나타나 있다.

이 복합재료의 단면을 관찰해보면 도 8에 도시된 바와 같이, 보강섬유의 분포가 매우 균일하고 기포 생성도 거의 없음을 알 수 있다.

기존의 혼합 섬유는 수지함유량이 많아서 섬유체적율이 대체로 20-30 %에 머물고 있으나 본 발명에 의한 혼합섬유를 사용한 복합재료는 약 50-60 % 까지 가능하므로 고성능 복합재료 제품에 응용 가능하다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 제조법보다 훨씬 저렴한 방법으로 혼합섬유를 제조할 수 있고, 브레이딩 각도나 이송 속도를 조절함으로써 열가소성 섬유의 포함량을 조절하여 복합재료의 압축 성형시 보강섬유 체적율을 높이기 위해 다량의 수지를 짜낼 필요가 없이 적정한 압력을 가하면 되므로 전체적인 복합재료 성형시간 공정을 단축할 수 있다.

또한, 기존 혼합 섬유의 보강섬유 체적율이 20-30 %임에 비하여 본 발명에 의한 혼합섬유는 약 50-60% 까지 가능하므로 고성능 복합재료의 중간재로 응용할 수 있고, 혼합섬유에 로울러에 의한 열과 압력을 가하여 다양한 폭의 프리프레그 스트립으로 제조할 수 있으므로 필라멘트 와인딩이나 인발성형에 직접 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 보빈(10)과, 상기 보빈(10)에서 공급되는 보강섬유(30)가 브레이딩되는 직조기계(15,21)와, 상기 직조기계(15,21)를 통해 만들어진 혼합섬유(31)가 통과하는 실린더(16) 및 캐터필러(17)와, 상기 혼합섬유(31)가 감겨지는 와인더(18)를 포함하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치에 있어서,

   상기 보빈(10)과 직조부(15,21) 사이에 섬유분기부가 설치된 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 섬유분기부는 상기 섬유가 통과하는 제 1분기부와, 상기 제 1분기부를 통과한 섬유가 통과하는 제 2분기부와, 상기 제 2분기부를 통과한 섬유가 통과하는 제 3분기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제 3분기부는 링 형태를 갖는 것을 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조장치.
4. 브레이딩 직조에 의하여 혼합섬유를 제조하는 방법에 있어서,

   보강섬유를 종축방향의 섬유로, 열가소성 섬유를 브레이딩 섬유로 사용하여 직조하는 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 보강섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라마드 섬유로 한 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 열가소성 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유, 폴리에틸렌 섬유로 한 것을 특징으로 하는 브레이딩 직조에 의한 혼합섬유 제조방법.