KR20010080309A - 벌집형 샌드위치 판넬의 충전 및 강화 방법 - Google Patents

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베르너 훽스트, 지크프리트 포트호프
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Abstract

본 발명은 실온에서 실행될 수 있으며, 간단한 형상 및 복잡한 형상의 공간을 모두 신속하고 효과적으로 충전시키기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 방법은 공간에 분말을 부어 넣은 후 가열하여 분말을 팽창, 유착 및 경화시킨 자유 유동 열적 팽창 및 경화 분말을 사용하여, 공간을 완전히 또는 부분적으로 필요에 따라 충전시키는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법은 특히, 벌집형 또는 예비-형성 포움 코어의 내부, 주변 및 그 사이의 필요한 공간을 충전시켜, 충전되거나 또는 부분적으로 충전된 벌집형 또는 포움형 코어, 또는 샌드위치 판넬 구조물에 사용되는 임의의 다른 물질을 제조하는 데 특히 적합하다. 이러한 방법은 또한, 셀 방식 물품 제조에 적합하게 사용될 수 있는 몰드를 충전하기에 간단하고 효과적인 방법이다. 충전되거나 부분적으로 충전된 몰드 또는 벌집형 코어를 경화시켜 결합된 샌드위치 판넬이나 성형된 셀 방식 물품을 제조할 수 있다. 샌드위치 판넬 구조물에 있어서, 코어 물질은 하나 이상의 표면에 의해 결합될 수 있으며, 경화 결합된 판넬을 절단하여 예비-밀봉된 에지를 가지는 판넬을 제공할 수 있다.

Description

벌집형 샌드위치 판넬의 충전 및 강화 방법{METHOD FOR FILLING AND REINFORCING HONEYCOMB SANDWICH PANELS}
샌드위치 판넬, 즉 견고한 표면과 표면들 사이에 결합된 저밀도의 물질에 의해 제조되는 판넬은 약 50년 간 고성능 버전으로 여러 응용 분야에 적용되어 왔다. 이러한 판넬의 기술적인 이점은 여러 가지가 있으나, 특히, 높은 경도와 그 계수를 제공하는 구조를 가지는 것으로, 즉, 판넬의 밀도에 따라 구분되는 높은 변형 강도와 그 계수가 각각의 성분 물질들에 의해 얻을 수 있는 것 보다 크다는 것이다. 이러한 판넬의 전형적인 예로는 : 트럭 보디를 제조하기 위한 알루미늄 또는 유리 강화 플라스틱 표면(표피)들 사이에 결합된 플라스틱 고정 포움 ; 도어 구조물에 있어 목재 표피 사이에 결합된 종이 벌집형 구조물; 및 특히, 항공 우주 산업 분야에서 전형적으로 사용되는 금속 또는 탄소 섬유/수지 표피 사이에 결합된 알루미늄 벌집형 구조물이 있다.
일반적으로, 고성능 판넬은 열경화성(용융되지 않음) 접착제에 의해 표피에 결합된 중심의 저밀도 물질(코어)을 가지며, 최고의 결합 성능을 얻기 위하여 흔히 높은 경화 온도를 적용한다. 이러한 판넬의 구조에 있어서, 흔히 판넬의 에지는 고체형으로 만들어지며, 다른 표면 또는 또 다른 판넬에의 결합을 용이하게 하거나 또는 외부 장식의 목적으로 평탄화한다. 평활한 에지의 다른 이점으로는 : 안전한 조작; 우발적 손상의 방지; 및 물, 먼지 및 다른 판넬의 외부 특성을 나쁘게 할 수 있는 다른 오염물질의 흡수 방지 등이 있다. 도어 판넬에 있어서, 나무와 같은 고체 에지 물질과 결합하기 전에 판넬을 조립하거나, 또는 일반적으로 항공 우주 산업용 벌집형 판넬의 경우와 같이 저밀도의 페이스트와 결합시킴으로써 이러한 이점들을 얻을 수 있다.
흔히, 판넬 구조물에 있어서, 코어 물질은 완전한 판넬이나, 또는 동일한 판넬 내에 사용될 필요가 있는 다른 코어 물질들을 만들기에 충분히 큰 크기로 이용할 수 없다. 이러한 경우, 구조적인 이유로, 판넬을 형성하기 위한 결합 전 또는 결합 중에 여러 코어 물질들을 함께 결합시킬 필요가 있다. 이는 고강도 접착 페이스트 또는 접착 필름 또는 판넬 결합(경화) 사이클 중 열에 의해 경화시키기 전에 바람직하게 팽창하는 테이프를 사용하여 이룰 수 있다.
고성능 판넬에 있어, 코어 물질이 판넬로 제조될 수 있는 임의의 고체 에지에 부착될 필요도 있다. 이러한 내부 부착은 일반적으로 고성능 접착 페이스트 또는 팽창 (포움) 필름을 사용하여 얻을 수 있다.
이러한 판넬에 있어서, 흔히 부가적인 구조물을 부착하는 것이 바람직하며, 그들 중 다수는 로드 베어링이다. 예컨대, 도어 샌드위치 판넬에 대한 코트 후크의 부착 또는 항공기 바닥 판넬에 있어 볼트 소켓이 있다. 일반적으로 가볍게 적재되는 코트 후크의 경우에는, 충분히 큰 플렌지 면적을 가지는 후크가 표피면 위에 결합되는 경우 충분히 필요한 적재 베어링 강도를 제공할 수 있다. 적재량을 높이기 위하여, 목재 블록이 적재 부착점으로 삽입할 수 있으며, 판넬이 제조되기 전에 삽입하는 것이 바람직하나, 제조 후에도 가능하기는 하다. 위험한 구조물에 있어 적재량이 큰 경우, 고강도 고체 블록이 제조 중 정확한 위치에 판넬 구조물로 설립될 수 있으며, 또는 삽입물을 고정하기 위해 판넬 내에 적합한 크기의 홀을 만든 후, 특히 높은 강도의 삽입물이 판넬에 결합하거나, 또는 판넬내의 벌집을 형태의 복잡성에 따라 견주어 강화시킬 필요가 있는 부분에 고성능 열경화 접착제 또는 캐스팅 페이스트를 사용하여 강화시킬 수 있다. 매우 특정한 분야로서 가장 괄목할 만한최근의 시도는 각각의 벌집 셀의 크기 이하로 벌집형 판넬 안을 강화시킬 수 있다는 것이다. 또한, 이러한 강화는 표피의 절단을 막기 위하여 판넬의 최종 경화단계 중 또는 경화단계 전에 수행될 것이다.
플라스틱 포움 코어를 가지는 샌드위치 판넬의 경우, 일반적으로 경화 사이클 중에 일정 위치에 위치하는 열경화성 페이스트를 사용함으로써 충분히 이들 연결, 결합강화 동작을 수행할 수 있다. 일반적으로 이들은 두개의 "틱소트로픽" 부분을 가지는 에폭시 수지 기재의 페이스트일 수 있다. 샌드위치 판넬의 최종 밀봉 및 마무리 공정이 필요한 경우라면, 유사한 페이스트 또는 합성 페이스트가 에지를 충전, 평탄화, 및 경화시킬 수 있다. 신탁틱(syntactic) 페이스트는 항공 우주 산업 분야에서 광범위하게 사용되는 용어로서 유리, 탄소, 실리케이트 또는 여러 플라스틱 물질로 이루어진 예비-형성된 작은 동공 스피어를 포함하는 하나 또는 두 부분(사용 전 혼합필요)을 나타낸다. 이들 마이크로-동공 스피어의 공통적인 특징은 낮은 밀도이며, 이는 페이스트에 부여되고, 그 사용의 주요한 목적이 된다. 부가적으로는 연마 또는 평탄화용 경화 조성물을 제공하기가 비교적 용이하다는 점이 고려된다.
고성능 지상 및 해양 운송 및 스포츠 용품, 특히 항공 우주선에 사용되는 벌집형 코어를 사용한 샌드위치 판넬의 경우, 강도, 경량 및 분해 내성이 매우 중요하며, 이들 신탁틱 페이스트는 지난 30년 간 상기한 바와 같은 대부분의 부착 및 강화 요구에 사용되어 왔다. 이러한 유형으로 전형적인 생성물로는 RENUX252(RTM)[Ciba Specialty Chemicals PLC사로 부터 구입가능], 및 EC 3524B/A(RTM)[3M Company사로 부터 구입가능]의 두 가지 팩 신탁틱 에폭시 페이스트가 있다.
포움 물질이 코어로서 사용되는 경우, 포움의 에지는 절단 및 포움내의 포어 또는 셀 구조물의 크기로 인해 불규칙하다. 벌집형 구조물이 사용되는 경우, 일반적으로 상황이 좋지 않아, 절단 또는 비절단된 벌집형 에지는 매우 불규칙하고, 따라서, 정확하게 충전하기가 어렵고 충전될 갭의 크기도 거의 개개의 셀 만큼 크게 될 수 있어, 그 자체가 일반적으로는 6 mm 미만이나, 흔히 더 크기도 하다.
따라서, 특히 갭 안의 정확하고 완전한 충전; 접착; 및 벌집 판넬의 강화와 관련하여 곤란한 문제들이 존재한다. 또한, 일반적으로 알루미늄, "Nomex"(RTM) 종이 코팅된 페놀 수지, 및 다른 금속 또는 섬유재 생성물로부터 만들어진 것들과 같은 고성능 벌집 판넬은 일반적으로 최소한의 중량으로 높은 성능을 얻기 위하여 사용되기 때문에, 구조적인 필요에 의해 최소한의 중량으로 판넬 요소 부분 및 다른 물질에 매우 잘 결합되도록 제조된다. 벌집형 구조물이 사용되는 항공 우주, 고성능 지상 및 해양 운송 및 스포츠 용품 분야에 있어서, 일반적으로, 신탁틱 페이스트가 강화 및 결합을 위한 주요 수단으로 사용되어져 왔다. 벌집형 구조물과 표피 사이의 불확실한 직접 결합을 피하기 위하여, 일반적으로 필름 또는 액체 접착제가 효과적이었다.
이러한 용도에 필요한 강도를 갖도록 최소한의 밀도를 가지는 신탁틱 페이스트를 얻기 위하여, 충분량의 마이크로-동공 스피어를 포함할 필요가 있다. 요구되는 밀도가 더 낮을 수록 결합에 필요한 마이크로-스피어는 더 많아진다. 정의에 의해 마이크로-스피어가 수지 및 신탁틱 페이스트에 사용되는 경화제 보다 더 낮은 밀도를 가지기 때문에, 액체 수지 또는 경화제의 상부까지 부유하는 경향을 나타내며, 따라서 보관이나 저장시에 불균일한 혼합물을 제공한다. 이를 방지하기 위하여, 혼합물의 점성도를 증가시키는 일반적 효과를 가지는 부가 혼합물을 포함하여, 전체 시스템을 매우 점도있게 하는 것이 일반적이다. 마이크로-스피어 부유를 방지하기 위하여 가해지는 전형적인 물질은 당해 기술분야의 업자에게 잘 알려져 있으며, 상품명 Aerosil(RTM)[Degussa에 의해 시판] 또는 Cabosil(RTM)[Cabot Group에 의해 시판]과 같은 미세하게 분쇄된 실리카 입자들이 있다.
이러한 경화 혼합 신탁틱 페이스트의 전형적인 밀도는 0.6 내지 0.8 gm/ml 범위이다. 이들은 손으로 혼합하기에는 어느 정도 어려운 점성이 있는 물질이다. 또는, 물질이 분산제 카트리지 또는 다른 더 큰 컨테이너 안에 미리 패킹되는 개개 성분에 적용되는 외압에 의해 정적 혼합기에 주입하여 혼합시킬 수 있다. 밀도가 0.6 gm/ml 이하로 감소하는 경우, 점도가 높아져 수동 또는 반죽 혼합기에 의한 니딩이 필요하게 된다. 후자의 경우, 바람직하지 못하게 밀도 상승을 유발하는 마이크로-동공 스피어의 비율을 깨지 않도록 주의하여 실행되어야만 한다. 이는 파이프 또는 튜브 또는 다른 압축 수단에 의해 펌프될 수 있는 고밀도 신탁틱 페이스트에 적용될 수도 있다.
이러한 점성 페이스트와 결부된 혼합 조작의 어려움을 극복하기 위하여, 단일 팩 신탁틱이 제조되었다. 이들은 반응성 혼합물, 즉, 수지 및 경화제는 미리 함께 혼합되어 있기 때문에, 냉각 상태, 일반적으로 "냉동"(-18℃)상태에서 운송 및저장되어야 한다. 이러한 냉각 저장 조건하에서도, 페이스트의 이용 가능한 수명은 혼합물의 반응성에 매우 의존적이다. 이러한 싱글 팩 신탁틱 접근 방식의 다른 결점은 혼합물에 습기의 응축, 즉 페이스트의 습윤 특성, 그 경화 반응 또는 판넬 경화 과정에서 과도한 휘발성을 생기게 하는 역효과를 나타내기 때문에 매우 바람직하지 못하다고 간주되는 효과를 방지하기 위하여 컨테이너로부터 제거되기 전에 실온으로 데우는 과정이 필요하다. 이들 휘발성 물질은 페이스트의 포지션을 방해할 수 있고, 과량으로 사용한 경우에는, 벌집형 코어에 손상을 주고, 코어와 표피 사이에 비틀림을 유발할 수 있다. 페이스트를 실온까지 데워야 한다는 부가적인 단점으로는 실온에서 높은 반응성을 가지는 페이스트가 그 수명이 단축된다는 점이다. 이러한 이유에서 단일 팩 페이스트의 일부는 높은 온도, 즉 일반적으로 판넬 결합 단계에서 사용되는 경화온도에서만 신속하게 반응하게 디자인된다. 그러나, 실온에서 경화되거나 높은 온도에서 경화하거나, 단일 팩 페이스트는 판넬에 의해 혼합될 필요는 없으나, 대부분의 고성능 샌드위치 판넬에 적용되는 경우에 필요한 일반적인 범위의 밀도 범위를 가지는 경우, 점성이 매우 높은 점착성 물질로 인해 여전히 어려움이 있다.
따라서, 종래의 벌집형 구조물을 그 자체 또는 주변 물질에 충전, 고정, 결합 및 강화하는 방법은 하나 또는 두 가지 팩 신탁틱 페이스트를 정확하고 완전하게 절단된 벌집형 에지들 사이 또는 절단 벌집 에지와 다른 주변 물질 사이에 존재하는 복잡한 공간에 적용하고, 및/또는 강화를 목적으로 벌집형 셀을 충전시키는 것이었다. 판넬 내에 구조적으로 약한 부분을 만들어지지 않도록 이들 공간을 완전히 충전하고, 궁극적으로 증가된 중량에서도 동일한 효과를 낼 수 있는 분해제를 도입하는 것이 매우 중요하다.
이러한 공간을 충전하고자 하는 과제는 예상할 수 있는 바와 같이, 대부분이 몇 센티미터 정도의 두께를 가지며, 벌집형 판넬에 결합하지 않은 상태에서 탄력있고 연약한 물질로서, 매우 점성이 있는 끈적한 물질이므로 작업이 어렵고 지저분하며, 시간이 많이 소요되고 고도의 기술을 요하며, 적절하게 조작하기 위하여는 조작자의 경험이 요구된다. 이러한 조작이 완전히 오염되지 않은 상태로 유지되기는 어려우며, 혼합된 물질 중 다량은 특정 작업이 완료될 때 폐기되거나 혼합된 물질의 반응에 의해 실제 사용 목적에 사용하기에는 너무 점도가 높아지게 된다. 또한, 이러한 신탁틱 페이스트로 충전하는 조작은 장치, 보호 의류, 컨테이너 및 그밖에 주의 깊고 합법적인 처리에서 요구되는 것들의 오염을 유발한다. 또한, 이러한 어려운 공정 내에서 접촉, 호흡 또는 증기접촉 등에 의해 이들 물질과 모든 개별적인 접촉을 피하는 것은 실질적으로 불가능하다. 신탁틱 페이스트의 일반적인 제조에 있어서, 그에 사용되는 물질의 주의 깊은 선택에 의해 이러한 어려움을 최소화한다고 하더라도, 또 다른 단점인 조작 감도의 위험은 잔재한다.
상기한 바와 같은 공정 및 기술적인 단점을 어느정도 극복하기 위하여, 샌드위치 및 특히 벌집형 샌드위치 판넬의 제조에 있어 요구되는 어느 정도의 강화 및/또는 결합 조작을 달성하기 위한 다른 방법들이 시도되고 있다.
한 가지 방법으로서, 수지 및 경화 성분을 미리 혼합하고, 조성물을 특정 벌집형 판넬 치수에 적합한 두께를 가지는 플랫 시이트(패티)로 미리 성형하며, 각측면을 릴리스 필름으로 피복하며, 동결하는 방법이 있다. 조성믈을 이용하기 위하여, 판넬 제조자는 응축을 방지하도록 실온에서 패티를 데우고, 하나의 방충 필름을 제거하며, 패티를 벌집형 판넬로 프레스 하거나, 이의 역과정을 행한다. 이러한 기술은 신탁틱 물질이 샌드위치 판넬 강화 분야에 응용되는 것을 간단하게 하기는 하지만, 벌집을 그 자체 또는 에지 등에 부착하는 경우에 용이하게 사용할 수는 없다. 그럼에도 불구하고, 이러한 기술은 벌집이 동일한 두께를 가지거나 간단한 복식의 패티 두께를 가지는 경우, 벌집을 강화하는 데는 이점이 있다. 이러한 접근에 있어, 사전 혼합된 동결 물질이 가지는 모든 다른 단점이 잔존한다.
다른 접근으로서, 열경화성, 발포성, 접착성을 가지는 예비-형성된 가요성 균일 두께의 필름을 사용한다. 이러한 물질은 절단 기술에 의해 크기별로 표시되어야 하며, 접착 필름에 의해 결합될 필요가 있는 판넬과 판넬 코어 구조물의 다른 부분 사이에 위치하여야 한다. 열경화 과정 중에, 필름이 연화, 용융, 팽창 및 경화한다. 필름이 정확하게 표시되고 위치하면, 삽입물 또는 에지 각편과 같은 다른 아이템들과 벌집을 부착시킬 수 있다. 이러한 팽창 필름 접착제는 유한한 두께, 일반적으로 약 1.5mm의 두께를 가지는 부착을 하도록 벌집을 강화시키는 데는 사용될 수 없으며, 개개의 셀 또는 실질적으로 갭 또는 공간에 위치시킬 수 없다. 일반적으로 가요성이 있고 점착성이 없으며, 혼합할 필요가 없기 때문에 취급에 있어 신탁틱 페이스트 보다 이점이 있으나, 성형을 위한 절단과 제 위치에 설정하는 일에 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되며 팽창 및 경화 시에 필요한 공간을 충전시키기가 거의 힘들며, 따라서 판넬이 적절한 구조의 강도 미만의 강도를 가지게 하고 갭의 충전이 거의 불충분하여 환경 분해제의 주입을 피할 수 없다.
따라서, 벌집형 구조물을 결합하고, 에지 및 삽입물에 벌집형 구조물을 부착하며, 적재 베어링 부착을 위해 강화하고, 판넬 에지 충전 및 밀봉하는 필수적인 과제는 매우 점성이 높은 접착제, 점착성 신탁틱 페이스트 또는 패티를 사용하거나 발포성 접착 필름을 맞추어 준비함으로써 수행되었다.
따라서, 강하고 가벼우며, 견고한 샌드위치 판넬을 제조하고 판넬을 충전하는 조작이 실온조건에서 수행되고; 충전 동작의 효율성이 증가하며; 혼합할 필요가 없고; 충전 조작의 폐기물이 적으며; 위험요소에의 접촉기회가 감소되고; 충전 조작이 충전 물질에 가요성을 부여하며 최종적으로 생성되는 샌드위치 판넬의 요소가 간단하고 효과적인 방식으로 결합되는 방법을 개발하는 것은 매우 현저한 기술적 이점을 제공할 것이다.
본 발명은 실온에서 실행될 수 있으며, 간단한 형상 및 복잡한 형상의 공간을 모두 신속하고 효과적으로 충전시키기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 방법은 공간에 분말을 부어 넣은 후 가열하여 분말을 팽창, 유착 및 경화시킨 자유 유동 열적 팽창 및 경화 분말을 사용하여, 공간을 완전히 또는 부분적으로 필요에 따라 충전시키는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법은 특히, 벌집형 또는 예비-형성 포움 코어의 내부, 주변 및 그 사이의 필요한 공간을 충전시켜, 충전되거나 또는 부분적으로 충전된 벌집형 또는 포움형 코어, 또는 샌드위치 판넬 구조물에 사용되는 임의의 다른 물질을 제조하는 데 특히 적합하다. 이러한 방법은 또한, 셀 방식 물품 제조에 적합하게 사용될 수 있는 몰드를 충전하기에 간단하고 효과적인 방법이다. 충전되거나 부분적으로 충전된 몰드 또는 벌집형 코어를 경화시켜 결합된 샌드위치 판넬이나 성형된 셀 방식 물품을 제조할 수 있다. 샌드위치 판넬 구조물에 있어서, 코어 물질은 하나 이상의 표면에 의해 결합될 수 있으며, 경화 결합된 판넬을 절단하여 예비-밀봉된 에지를 가지는 판넬을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 공정에 있어 주요한 단계를 설명하는 도면이다.
도1(a)은 알루미늄 시이트(ⅱ)상에 위치하는, 미충전된 벌집형 판넬(i)의 단면도이다.
도1(b)은 분말(ⅲ)로 충전된 알루미늄 시이트(ⅱ)상에 위치하는, 벌집형 판넬(i)의 단면도이다.
도1(c)은 다른 면에 알루미늄 시이트(ⅱ)를 가지는, 분말로 충전된 벌집형 판넬(i)의 단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 충전 경화 샌드위치 판넬의 내부 단면도이다.
선 A-A', B-B', C-C', D-D', E-E', F-F', G-G'는 4개의 별개 샌드위치 판넬(1,2,3,4)을 제조하기 위해 필요한 절단선을 나타낸다.
(ⅰ)는 비어진 미충전 벌집 셀을 나타낸다.
(ⅱ)는 경화 분말 X로 충전된 벌집 셀을 나타낸다.
(ⅲ)는 경화 분말 Y로 충전된 벌집 셀을 나타낸다.
(ⅳ)는 경화 분말 Z로 충전된 벌집 셀을 나타낸다.
(ⅴ)는 경화 페이스트 O로 충전된 벌집 셀을 나타낸다.
일단 절단하여, 4개의 각 샌드위치 판넬(1,2,3,및4)을 제조한다. 이들 판넬 조성물은 다음과 같다.
판넬(1)은 에지 셀이 경화 분말 X에 의해 충전되고 내부 셀이 동공인 에지충전 분말 경화 판넬이다.
판넬(2)는 에지 셀이 경화 분말 X에 의해 충전되고 내부 셀이 경화 분말 Y에 의해 충전된 에지 충전 분말 경화 판넬이다.
판넬(3)은 에지 셀이 경화 분말 X에 의해 충전되고 내부 셀이 경화 분말 Y 및 경화 분말 Z의 혼합물에 의해 충전된 에지 충전 분말 경화 판넬이다.
판넬(4)은 에지 셀이 경화 분말 X에 의해 충전되고 내부 셀이 경화 분말 Y 및 경화 페이스트 O의 혼합물에 의해 충전된 에지 충전 분말 경화 판넬이다.
본 발명의 발명자들은 종래의 문제점들을 극복하기 위한 신규한 방법을 발견하였다. 본 발명은 실온에서 수행될 수 있으며, 샌드위치 판넬을 신속하고 충분히 국소적으로 충전시킬 수 있는 방법을 제공한다. 또한 본 발명은 효과적으로 결합될 수 있는 고강도의 내구적인 경량의 샌드위치 판넬을 제공한다. 본 발명은 부가적으로 판넬 에지의 충전 및 밀봉을 위한 간단한 방법을 제공한다. 본 발명은 그대로 열에 의해 경화시키거나 열에 의해 다른 표피를 부가할 수 있는, 충전된 벌집형 구조물을 제조하기 위하여, 벌집 또는 예비-형성된 포움 코어의 내부, 사이 및 주변의 공간으로 열적으로 팽창하는 분말을 주입하는 열적으로 팽창하는 분말을 사용하는 방법으로 이루어진다. 쉽게 예상할 수 있는 바와 같이, 이러한 주입 가능한 건조 분말은 충전될 공간의 모양이 복잡하더라도 용이하고 신속하게 정확한 위치에 위치할 수 있다. 또한, 이러한 분말은 실온에서 수명이 길고; 혼합이 필요하지 않으며; 극미 입자를 포함하지 않아 환경오염을 유발하지 않으며, 폐기물을 제공하지 않도록 디자인될 수 있다. 따라서, 용이한 사용에 부가하여, 본 발명에 따른 방법은 작업장의 물질오염, 도구, 습윤 및 조작자 접촉을 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에서, 열적으로 팽창하는 분말은 방출된 몰드에 주입되고, 가열되어 몰드 모양에 상응하는 응집성 저밀도 경화 고형물을 형성하고 이형된다. 이형된 성형물의 제조에 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우의 이점은, 대상 물체가 이용의 용이성, 공정 효율성, 및 작업장의 물질 오염, 도구, 습윤 및 조작자의 접촉의 감소이다.
분말을 사용하는 경우와, 다양한 형태를 가지는 신탁틱 페이스트 및 발포성 접착 필름을 사용하는 경우에 차이가 있는 것은 명백하다. 신탁틱 페이스트의 경우, 이용 가능한 물리적 기술이 어떠한 것이든 필요한 공간을 충전하기 위하여는 구조물 내에 위치하여야 한다. 발포성 필름을 절단하고 사용할 공간에 끼워 맞추어야하나, 상기한 바와 같이 공간을 완전히 충전하는 경우는 드물다. 자유 유동 분말이 본 발명에 따른 방법에 이용되는 경우, 임의의 주입기술, 수동 주입 또는 로보트나 다른 방법을 사용한 임의의 간단한 주입 기술을 사용하여, 벌집 판넬내의 특정 셀과 같은 요구되는 공간에 분말을 운반할 수 있다. 요구되는 공간을 확실하게 완전히 분말로 채우기 위하여는 대략의 밀도 및 입자 크기 분포가 허용범위내이기만 하면 경화되지 않은 분말로 공간이 완전히 채워질 필요가 있으며, 경화 사이클 중에 분말 포움은 동일한 부피의 응집성 경화 포움을 형성하기에 충분하여야 한다. 분말은 경화 사이클 중 어떠한 역효과도 나타내지 않으면서 그 자체로 외압의 구속이 없는 상태에서 공간을 충전하며, 또는 공간을 과충전할 수도 있으나 표피에 적용되는 외부 압력에 의해 속박된다.
본 발명에 따라 예측되는 바와 같이, 포움 제조를 만족스럽게 수행하기 위하여, 발포 수준의 조정, 입자 크기의 선택 및 유동학적 제어가 가능함은 당해 기술분야에 있어 당연하다.
분말을 일단 결합 또는 미결합된 표피 및 코어에 가하면, 다른 표피가 부가되어 미경화된 샌드위치 판넬을 제공할 수 있다. 이러한 미결합된 판넬은 경화되어, 셀 벽에 대한 내부 접착 뿐 아니라 코어 물질과 표피 사이의 결합이 경화성 액체 또는 필름 접착제에 의해 행해지는 종래의 시스템에서도 이용될 수 있다. 이러한 경우, 표피는 액체 또는 필름 접착제에 의해 코팅될 수 있으며, 이는 경화 시에 표피와 코어 물질 사이의 결합과 주입 가능한 분말이 사용되어 판넬 코어내의 필요한 공간을 채우는 데 사용된다. 다른 접착성 코팅 표피가 부가될 수 있으며, 경화 결합 샌드위치 판넬을 형성하도록 경화되는 샌드위치 구조물이 완성될 수 있다.
열팽창 분말
이하에서, 열적으로 팽창하는 분말이란 열 에너지를 가하였을 때, 다수의 개별적이거나 구분되는 분말 입자가 실온에서 '고체'인 응집성 경화 포움(연속 또는 불연속)으로 변형되는 것을 의미한다. 열적으로 팽창하는 분말로부터 생성되는 고체 포움이란 실질적으로 균일한 분포를 가지는 공간을 포함하며, 포움 자체가 단단하거나 또는 가요성이 있을 수 있는 팽창되는 물질을 의미한다. 확실하게 하기 위하여, 팽창된 분말내의 공간은 팽창제의 작용, 또는 원래 팽창되지 않은 분말로 충전된 공간내의 공기의 존재, 또는 이들의 혼합에 의한 것이다.
본 발명에 따른 열적으로 팽창하는 분말은 소결되지 않고 도포 중 주입 가능한 것이 바람직하며, 분말은 온도 범위 및 저장 조건 하에서 소결하지 않는 것이 바람직하다. 소결이 일어나지 않는 분말을 제공하고 이러한 분말을 적용하기에 적합한 바람직한 온도는 분말이 저장 및 적용되는 중간 온도 조건에서 의존할 것이다. 분말은 적용 중 소결이 일어나지 않는 것이 바람직하며, 그 온도 범위는 0℃ 내지 약 50℃, 바람직하게는 약 10 내지 약 40℃, 보다 바람직하게는 약 15 내지 약 30℃, 보다 더 바람직하게는 약 20℃ 내지 약 25℃, 가장 바람직하게는 약 22℃ 내지 약 25℃ 범위이다.
본 발명에 따른 공정 중, 판넬 코어에 적용되는 분말은 경화시키기 위하여 가열된다. 강화하고 그 자체 및 판넬 코어 내의 주변 표면에 결합시키기 위하여, 분말은 충분한 액화과정을 필수적으로 수행하여야 한다. 분말은 용융시켰을 때, 유동성이 있거나 또는 유동성이 없는 경우에 모두 유용하다. 공정 중에 분말을 용융시키는 것이 바람직하다. (용융) 경화된 분말이 성형 물품을 제조하는 데 사용되는 경우를 제외하고는 그 것을 둘러싼 표면에 부착되는 것이 매우 바람직하다.
본 발명에 사용되는 열적으로 팽창하는 수지는 예컨대, 열적으로 팽창하는 고체 수지 조성물을 분쇄하여 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 공정에 사용되기에적합한 열적으로 팽창하는 수지는 열경화성, 적어도 팽창제를 포함하는 수지이며 , 가열에 의해 경화된다.
본 발명에 사용되기에 적합한 열경화성 팽창 분말은 팽창제 및 경화제와 결합한 고체 수지의 조합에 의해 제조되며, 이러한 혼합물을 분말화한다. 팽창제 및 경화제와 결합한 경우에 적합한 소결되지 않은 안정한 특성을 가지는 고체 수지 및 경화제의 선택은 통상적인 실험에 의해 이루어진다. 본 발명에 있어 적합한 고체 수지는 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 시아네이트 에스테르 수지, 및 폴리이미드 수지가 있다.
본 발명에 있어 사용되기에 적합한 에폭시 수지는 2,2-bis-(4-히드록시페닐)프로판 및 에피클로로히드린으로 부터 제조된 에폭시 수지를 포함한다. 적합한 에폭시 수지로는 Araldite GT 6071(RTM)[Ciba Specialty Chemicals PLC에 의해 시판]이 포함된다.
고체 수지는 용융될 수 있거나 또는 결합 또는 융화될 수 있으며, 충분히 낮은 점성도를 가져, 경화제, 팽창제, 및 다른 필요한 선택적인 첨가제와 같은 부가적인 물질과 반응을 일으키지 않고 조합될 수 있다. 일반적으로 실온에서 소결이 일어나지 않는 분말을 제조하기 위하여는, 융점이 적어도 약 55℃는 되어야 하며, 이는 적합한 용융 점성도(부가적인 물질과의 조합을 이룰 수 있는)는 (융점 온도에 대하여)비교적 높은 온도에서만 얻을 수 있기 때문에 발포 및 경화가 일어나기에 적합한 낮은 온도로 제한된다.
이하에서 본 발명을 실시예를 참고로 하여 상세히 설명하나, 이러한 실시예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명에 따른 방법에 있어 사용하기에 적합한 열적 발포성 분말의 제조 방법에 관한 것이다.
배합물
Araldite GY260(RTM) 100 중량부
(비스페놀 A 에폭시 수지 : Ciba SC )
디시안디아미드 4.3 중량부
클로로톨루론 2.2 중량부
3,3'-디메틸 4,4'-디아미노 디시클로헥실 메탄 10.6 중량부
시클로헥실아민 6.0 중량부
Expancel 551 DU(RTM) 3.0 중량부
(팽창하지 않는 열가소성 마이크로-스피어: Akzo Nobel)
Cabosil TS720(RTM)(발연 실리카 : Cabot) 4.0 중량부
배합 물질은 모두 약 23℃에서 혼합된다. 혼합은 수동 또는 기계적 방법으로 실행될 수 있다. 혼합물을 23℃에서 약 17시간 동안 방치한 후 약 60℃에서 2시간 동안 가열한다. 샘플을 23℃에서 냉각시키고 상이한 입자 크기 별로 되도록 체에 거른다.
다른 입자 크기를 가지는 분말은 팽창할 때, 다른 밀도를 가지는 포움이 생성되게 한다. 최종적으로 팽창된 포움의 바람직한 특성을 고려하여, 임의의 특정 응용분야에 사용되기에 적합한 입자 크기를 선택하는 것이 바람직하다.
실시예 2
실시예 1에 따라 제조된, 60℃의 융점을 가지며 입자 크기 범위가 직경 500mm 내지 1000mm인 체에 걸러진 열적으로 발포성이 있는 분말을 알루미늄 시이트 상에 차례로 마련된 직경 6 mm의 알루미늄 벌집형 판넬의 셀에 붓는다. 시각적 관찰에 의해 판단하여, 충분량의 발포성 분말이 각 벌집형 셀을 충전하도록 가해진다. 기계적 또는 컴퓨터로 제어되는 분산 수단이 이러한 동작을 수행하는 데 있어 동등하게 사용될 수 있다. 그 후, 다른 알루미늄 시이트를 충전된 벌집형 판넬의 상부에 위치시켜 결합되지 않은 샌드위치 판넬을 형성한다.
경화되지 않은 판넬을 유압 프레스에 위치시키고 300kPa의 압력을 적용한다. 프레스 플레이트의 온도는 실온에서 120℃까지 30분에 걸쳐 상승시키며, 판넬을 프레스 내에서 120℃의 온도로 1시간 동안 방치한다. 이후, 판넬을 실온까지 냉각시킨다.
샌드위치 판넬의 3요소(벌집 및 두개의 알루미늄 표피)가 함께 부착되어 있음을 알 수 있다. 판넬은 띠톱을 사용하여 단면으로 절단된다. 원래 분말로 충전된 각각의 셀은 이제 연속적이고 밀폐된 포움으로 완전히 충전되었으며, 이러한 시도는 종래의 습식 신탁틱 페이스트의 사용에 의존하지 않고 충전된 에지 및 밀봉된 판넬을 제공하는 데 용이하게 사용될 수 있다. 포움은 자연스럽게 열경화 되며, 알루미늄 시이트뿐 아니라 벌집 셀에 모두 부착된다. 판넬의 절단 에지는 매우 평활하고 균일하다. 팽창된 포움은 밀도가 0.57g/cm3이다.
실시예 2에서의 판넬 제조 단계는 도1에 도시되어 있다.
실시예 3
분말 입자 크기가 1000 내지 2000 mm 사이인 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하다. 팽창된 포움의 밀도는 0.55g/cm3이다.
실시예 4
분말 입자 크기가 500 mm 미만인 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하다. 팽창된 포움의 밀도는 0.60g/cm3이다.
실시예 5
적합한 포움(팽창)제 및 경화제와 함께, 고체 에폭시 수지를 사용하여 제조된 열적 발포 분말에 관한 것이다.
배합물
Araldite GT071(RTM) 100 중량부
(비스페놀 A 에폭시 수지 : Ciba Specialty Chemicals)
디시안아미드 4.24 중량부
Expancel 091 DU 80(RTM) 5.0 중량부
(팽창하지 않는 열가소성 마이크로-스피어: Akzo Nobel)
Araldite(RTM)는 액체상태가 되는 100℃로 가열한다. 디시안아미드 및 Expancel(RTM)은 수지에 결합되며, 블렌드는 약 23℃로 냉각한다. 생성되는 고체를 분말화하고 입자 크기별로 체에 거른다.
입자 크기가 500mm 내지 1000mm인 체에 걸러진 분말을 알루미늄 시이트 상에 차례로 마련되는 알루미늄 벌집 판넬(150mm 길이 X 150mm 너비 X 12½mm 깊이)의 셀에 붓는다. 시각적 관찰에 의해 판단하여, 충분량의 발포성 분말이 각 벌집형 셀을 충전하기 위해 가해진다. 다음, 다른 알루미늄 시이트를 충전된 벌집형 판넬의 상부에 위치시켜 결합되지 않은 샌드위치 판넬을 형성한다.
경화되지 않은 판넬을 유압 프레스에 위치시키고 300kPa의 압력을 적용한다. 프레스 플레이트의 온도를 실온에서 150℃까지 30분에 걸쳐 상승시킨 후, 판넬을 프레스 내에서 150℃의 온도로 3시간 동안 방치한다. 이후, 판넬을 제거하고 실온까지 냉각시킨다.
샌드위치 판넬의 3 요소(벌집 및 두개의 알루미늄 표피)가 함께 부착되어 있다. 판넬은 띠톱을 사용하여 단면으로 절단된다. 원래 분말로 충전된 각각의 벌집형 구조물은 이제 연속적이고 밀폐된 포움으로 완전히 충전되며, 이러한 시도는 종래의 습식 신탁틱 페이스트의 사용에 의존하지 않고, 충전 및 밀봉된 판넬의 에지를 제공하기 위해 용이하게 사용될 수 있다. 포움은 자연스럽게 열경화되며, 알루미늄 시이트뿐 아니라 벌집 셀에 모두 부착된다. 판넬의 절단 에지는 매우 평활하고 균일하다. 팽창된 포움은 밀도가 0.54g/cm3이다.
실시예 6
분말 입자 크기가 1000 내지 2000 mm 사이인 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하다. 팽창된 포움의 밀도는 0.52g/cm3이다.
실시예 7
분말 입자 크기가 500 mm 미만인 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하다. 팽창된 포움의 밀도는 0.58g/cm3이다.
실시예 8
실시예 1에 따라 제조된, 60℃의 융점을 가지며 입자 크기 범위가 500mm 내지 1000mm인 체에 걸러진 열적으로 발포성이 있는 분말을 Araldite(RTM) Mould 이형제 QZ13(Ciba Specialty Chemicals)로 피복된 금속 몰드에 붓는다. 내부 몰드의 치수는 12.5mm의 깊이 x 12.5mm의 너비 x 135mm의 길이를 갖는다. 시각적 관찰에 의해 판단하여, 충분량의 발포성 분말이 몰드를 완전히 충전하도록 가해진다. 발포성 분말은 수동으로 몰드에 부어진다. 기계적 또는 컴퓨터로 제어되는 분산 수단이 이러한 동작을 수행하는 데 동등하게 사용될 수 있다. 전체 몰드 표면을 커버하고이형제에 의해 코팅되기에 충분한 면적을 가지는 금속 시이트를 분말 충전된 몰드의 상부에 위치시키고, 경화 사이클 중에 위치를 고정시키기 위하여 충분한 외압을 적용하면서 몰드를 완전히 밀봉한다.
밀봉된 몰드를 실온에서 오븐에 넣는다. 오븐의 온도를 실온에서 120℃까지 60분에 걸쳐 상승시키고, 몰드를 프레스 내에서 120℃의 온도로 1시간 방치한다. 이후, 판넬을 실온까지 냉각시킨다.
몰드가 해체되었을 때 몰드와 동일한 치수를 가지는 고체 캐스팅이 제거된다. 캐스팅은 연속적이고 밀폐된 셀 포움이며, 밀도는 0.6g/cm3이고 압축 강도는 31 MPa(ASTM695)이다.
본 발명에 따른 방법은 실온에서 실행될 수 있으며, 간단한 형상 및 복잡한 형상의 공간을 모두 신속하고 효과적으로 충전시키는 벌집형 샌드위치 판넬의 충전 및 강화에 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 자유 유동 열적 팽창 및 경화 분말을 공간에 가하고, 분말을 열에 의해 팽창, 소성 및 경화시킴으로써, 응집성 저밀도 고체로 완전히 또는 부분적으로 공간을 채우는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 공간이 몰드내의 캐비티인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 코어 물질의 내부, 또는 동일하거나 상이한 코어 물질들 사이에 있는 적어도 얼마간의 공간을 포함하는 내부 코어 물질, 또는 샌드위치 판넬 내에 포함된 코어 물질 및 임의의 다른 고체 표면을 열적으로 발포, 소결 및 경화하는 자유 유동 발포성 분말 내에 부어 충전시키는 샌드위치 판넬 구조물 내에 코어 물질을 충전, 보강 및/또는 접합시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 코어 물질이 외장재에 의해 적어도 일면에 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 코어 물질과 외장재 사이에 접착제, 바람직하게는 필름 또는 액체 접착제가 부가적으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3 항 내지 5 항 중 어느 하나에 있어서, 충전 중 외부 압력이 작용하지 않는 조건 하에서, 판넬 코어 물질의 충전된 내부 셀이 발포성 분말에 의해 미충전, 완전 충전, 또는 과충전 상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 하나에 있어서, 발포성 분말이 열적으로 팽창하는 분말이고, 바람직하게는 열경화성 분말인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 하나에 있어서, 발포성 분말이, 0℃ 내지 약 50℃, 바람직하게는 약 10 내지 약 40℃, 보다 바람직하게는 약 15 내지 약 30℃, 보다 더 바람직하게는 약 20℃ 내지 약 25℃, 가장 바람직하게는 약 22℃ 내지 약 25℃ 범위의 온도에서 소결이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 2 항 내지 8 항 중 어느 하나에 있어서, 발포성 분말이, 적어도 약 55℃의 융점을 가지며 열적으로 팽창하는 고체 수지를 약 100 내지 2000㎛, 바람직하게는 약 500 내지 2000㎛, 보다 바람직하게는 500 내지 1000㎛의 입자 크기를 가지는 분말로 분쇄시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 9 항 중 어느 하나에 있어서, 공간의 충전에 사용되는 분쇄 분말이, 특히 100 내지 2000 마이크론의 입자 크기 범위를 가지거나, 또는 이러한 범위내의 더 좁은 분율 또는 이들 범위내의 좁은 분율들의 혼합물로 이루어지는 것을특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 10 항 중 어느 하나에 있어서, 열적으로 팽창하는 수지가, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 시아네이트 에스테르 수지 및 폴리이미드 수지로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 11 항 중 어느 하나에 있어서, 열적으로 팽창하는 수지가, 2,2-bis-(4-히드록시페닐)프로판 및 에피클로로히드린으로부터 제조되는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 3 항 내지 12 항 중 어느 하나에 있어서, 내부 판넬 코어 물질이 셀룰로스 종이 벌집, 폴리아미드 종이 벌집, 직물재 벌집, 금속 벌집 등의 견고한 포움으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 4 항 내지 13 항 중 어느 하나에 있어서, 외장재가 금속, 목재, 플레인, 또는 강화 플라스틱, 적층체, 및 이들의 조합으로 된 예비-형성 시이트, 또는 그 자체가 수지 프리프레그 또는 섬유로부터 형성되는 시이트이며, 액체 경화 수지가 이러한 유형 또는 이러한 유형들의 조합으로 된 외장재에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 3 항 내지 14 항 중 어느 하나에 있어서, 충전되고 결합되지 않은 샌드위치 판넬이 약 80℃ 내지 약 200℃, 바람직하게는 약 100℃ 내지 약 180℃, 보다 바람직하게는 약 120℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 경화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 명세서의 실시예에 기재된 바와 실질적으로 동일한 본 발명에 따른 방법.
  17. 제 1 항 및 3 항 내지 제 16항 중 어느 하나에 있어서, 본 발명에 따른 경화 팽창 분말로 충전된 공간이 예비-에지 충전 판넬을 얻기 위하여 절단되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 3 항 내지 17 항 중 어느 하나에 따라 얻어지는 샌드위치 판넬.
  19. 항공 우주, 고성능 지상 및 해양 운송, 건설, 상용 공학 및, 또는 스포츠 용품 적용 분야에 제 18 항에 따른 샌드위치 판넬을 사용하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 19 항 중 어느 하나에 있어서, 수동으로 또는 로보트나 다른 자동 또는 반자동 공정에 의해 발포성 분말을 공간에 주입하는 것을 특징으로 하는 방법.
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