KR20030080781A - 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고성능 복합재료제품의 생산을 위해 마련되는 섬유분섬을 이용한 복합재료의 제조방법과 그 장치에 관한 것으로, 특히 2종 이상의 장·단섬유를 혼합분섬한 후 이를 가열가압하거나 혹은 냉각시키는 공정을 통해 각종 다기능성 복합재료의 제조를 가능케 하는데, 필요에 따라 2종 이상의 열가소성수지계 섬유나 또는 선택적으로 어느 한 종에는 무기계 강화섬유를 사용하여 복합매트나 판재는 물론 상기 소재의 특성과 공정상의 로울러간 간격조절을 통해 별도의 화학 발포제를 사용하지 않아도 미 용융섬유나 강화섬유가 자체 탄성으로 발포형 셀을 형성한 경량의 단열판재가 제공될 수 있도록 한 발명이다.

이를 위해 본 발명은 매트릭스수지인 열가소성 섬유와 강화섬유가 혼합분섬된 복합매트를 제조하고, 이 복합매트를 가열압출하여 고강도의 복합재료를 제조함에 있어서, 열가소성 섬유와 강화섬유를 해섬·혼섬하는 원료공급단계; 상기 해섬·혼섬된 복합섬유를 분산·휘산시키는 단계; 및 배향된 강화섬유를 고정화하되, 강화섬유의 균일한 분산성을 향상시키고, 코일된 섬유의 완화방지와 3차원 구조가 유지될 수 있도록 한 니들펀칭단계 그리고 이들의 수단이 순차적으로 마련됨을 그 주된 특징으로 하고 있으며, 또한 상기 니들펀칭단계에서 고정화 된 복합매트는 예열존에서의 예열과정을 거쳐 가압존에서 용융가압성형되고, 다시 냉각과정을 거쳐 복합판재로 제조되거나 혹은 상기 용융가압성형 후 이를 재 가열하여 제품이 통과되는 두께 폭을 확장시킴으로 강화섬유의 자체 탄성력에 의해 유사 발포된 복합판재가 제조될 수 있음도 본 발명 기술의 특징으로 하고 있다.

Description

섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법 및 그 제조장치{Apparatus for processing fiber-reinforced composites using fiber mat and its manufacture}

본 발명은 고성능 복합재료제품의 생산을 위해 마련되는 섬유분섬을 이용한 복합재료의 제조방법과 그 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 2종 이상의 장·단섬유를 혼합분섬한 후 이를 가열가압하거나 혹은 냉각시키는 공정을 통해 각종 다기능성 복합재료의 제조를 가능케 하는데, 필요에 따라 2종 이상의 열가소성수지계 섬유나 또는 선택적으로 어느 한 종에는 무기계 강화섬유를 사용하여 복합매트나 판재는 물론 상기 소재의 특성과 공정상의로울러간 간격조절을 통해 별도의 화학 발포제를 사용하지 않아도 미 용융섬유나 강화섬유가 자체 탄성으로 발포형 셀을 형성한 경량의 단열판재가 제공될 수 있도록 한 복합재료의 제조방법과 그 제조장치에 관한 것이다.

이른바, 2종 이상의 서로 다른 소재를 혼합분섬하여 새로운 기능의 발현을 가능케 한 복합재료는 경량화는 물론 높은 비강도와 비탄성화 및 강화된 기계적 성질의 유지를 그 주된 목적으로 개발되어 항공기나 선박 및 자동차부품, 정밀 전기·전자부품 등 제품의 강도와 강성 및 내구성 등의 특성을 요구받는 각 산업분야에 널리 활용되고 있다.

이러한 복합재료의 대표적인 종류로는 현재 불포화 폴리에스테르수지를 유리섬유로 강화시킨 복합재료(FRP)와 열가소성수지를 사용한 섬유강화 복합재료(FRTP)가 제안되어 있다.

이때, 열경화성 불포화 폴리에스테르수지를 유리섬유로 강화시킨 섬유강화 열경화성수지 복합재료(FRP)는 금속을 초월하는 우수한 성능을 포함하는 관계로 전술한 각각의 용도에 사용되며, 특히 이를 일측방향으로 성형하면 탄성율이 매우 높은 고탄성의 재료로 기능할 수 있다는 유용함도 포함하고 있다.

반면, 이러한 FRP는 내충격성과 파괴인성 등의 물성면이 만족스럽지 못하였고, 재료변형시 허용될 수 있는 변형의 폭이 작음과 동시에 재활용이 곤란하다는 치명적인 문제점을 포함하고 있다.

이와는 달리 섬유강화 열가소성수지 복합재료(FRTP)는 상기의 문제점을 해결하기 위한 매우 유효한 대체품으로 기능하면서 최근 자동차부품을 기준으로 금속을대체하는 용도의 이용과 응용분야에서 그 기대감을 매우 크게하고 있다.

예컨대, 종래 자동차부품 용도로서 내장품과 비구조재부품으로 한정되던 용도에서 벗어나 내충격성과 고강도가 요구되는 새시 등의 구조물과 각종 외장품에도 광범위하게 적용되고 있으며, 더우기 이러한 FRTP는 FRP와는 달리 금속의 성형방법과도 같은 스탬핑 성형공법이 적용될 수 있는 관계로 생산성이 높고, 디자인 자유도가 금속보다 우수하다는 장점을 유지하여 각종 산업분야에서의 채용이 확산되고 있음이 현 실정이다.

상기의 용도에 적합하게 기능하기 위해서 FRTP는 먼저 각종 성형품의 성형가공에 적합하게 대응하는 원재료형태로서 판 상의 시트 즉, 스탬퍼블 시트의 형태로 제조되어야 하는데, 이를 위해 종래에는 강화섬유에 분말 또는 펠렛상태의 열가소성수지를 혼합하여 가열성형하는 방법을 채택하였으나, 매트릭스수지로서 분말 또는 펠렛상태의 열가소성수지를 강화섬유에 혼합하여 가열성형하는 관계로 두 종류의 재료가 균일하게 혼합되기가 곤란할 뿐만 아니라, 혼합 후 각종 처리과정에서도 분말 또는 펠렛상태의 수지가 쉽게 분리되며, 강화섬유가 매트릭스수지 중에 균일하게 분산되지 못함으로 품질의 항상성이 유지되는 고 품질의 제품은 기대하기 곤란하였다는 문제점에 봉착하였다.

이와 같은 스탬퍼블 시트의 제조방법과 관련하여 본 출원인이 선 출원하여 등록받은 특허등록 제10-296229호“성능이 강화된 복합재료 제조방법 및 그 제조장치”를 살펴보면, 매트릭스수지인 열가소성수지 섬유와 강화섬유를 원심력을 이용하여 매트릭스섬유가 랜덤 배향된 복합매트를 제조하고, 이 복합매트를 복수개의가열로울러와 냉각로울러로 구성된 시트제조장치에 의해 용융압착하며, 각각의 로울러 축 사이의 각도변화를 통해 용융 매트릭스수지가 강화섬유에 대해 균일하게 분포되어 함침될 수 있고, 이에 따라 매트릭스와 강화섬유간의 계면접착력이 개선되어 보다 우수한 성능의 물성과 균일한 두께 유지 및 표면 평활도를 갖는 복합재료의 스탬퍼블 시트가 연속적으로 제조 공급될 수 있도록 제공하되, 랜덤 배향의 강화섬유만에 의한 불충분한 강성의 특성향상을 보완하기 위해 제조된 복합매트의 상하측면에 스템퍼블 시트의 제조장치를 통해 시트와 일축 방향의 강화섬유를 적층함으로서 강화된 성능의 복합재료를 얻고 있다.

본 발명은 상기 선 출원 등록발명의 후속적인 개량발명의 형식을 갖으며, 또 다른 특허등록 제10-173440호“복합재료의 스탬퍼블 시트 제조장치”의 기술적 사상에 기초하여 용융수지에서 열이력 인자의 용융흐름 방향이 임의 가변적으로 조절될 수 있게 하여 균일한 두께 유지와 고른 표면 평활도를 확보하는 고성능의 발포형 복합재료가 제공될 수 있도록 배려한 것이다.

한편, 상기 선등록발명에도 언급되었다시피 일본국 특허공개 평6-47737호에 개시된 스템플러 시트 제조장치를 살펴보면, 유리 단섬유가 분산되어 있는 폴리프로필렌 시트와 연속 유리섬유 시트 사이에 용융 폴리프로필렌 수지를 압축/공급하는 수지압출기; 이 폴리프로필렌 시트와 용융 폴리프로필렌 수지 및 연속 유리섬유 시트를 동시에 같이 반송하면서 상하부에서 소정 압력으로 가압·적층하는 반송가압 이송부 밸트; 이 적층된 시트를 가열하여 용융 폴리프로필렌을 연속 유리섬유 시트내에 함침·적층하여 일체화 한 가열로; 및 상기 가열된 시트의 냉각로로 구성된 제조장치가 제안되어 있으나, 용융 폴리프로필렌이 시트 사이에서 압출되기 위해서는 별도의 수지 압출수단이 필요하고, 또 용융된 수지를 연속 시트의 전체 폭에 대해 균일하게 도포시키기가 매우 어렵다는 폐단을 포함하고 있다.

또한, 반송가압 컨베이어 벨트에 의해 시트의 임의 두께 조절은 물론 제품의 치밀한 결합조직과 균일한 표면 평활성을 확보하기가 곤란하였고, 가열로와 냉각로 자체가 쳄버형으로 가열과 냉각단계에서 제품의 두께를 재균일하게 해 줄 기구적인 수단이 마련되어 있지 못하였다.

또 다른 일본국 특허공개 평5-285947호에 개시된 복합판재 제조장치를 살펴보면, 열가소성수지 입자와 보강용 장섬유 및 글라스밸루운(중공입자)을 각각 수용하는 3개의 원료공급호퍼; 이들 원료공급호퍼에서 공급된 상기 원료들을 액체중에 분산/현착시키는 분산용기; 이러한 분산/현탄액으로부터 수분을 제거하는 헤드박스; 이 헤드박스속을 이동하면서 망위에 초지식으로 웨브를 형성하는 망; 이 웨브를 건조하는 열풍건조기; 및 연속프레스로 구성된 스탬퍼블 시트의 제조장치인바, 원료가 입자 혹은 단섬유로 이루어져 그 취급이 곤란하고, 연속섬유 또는 장섬유를 취급할 수 없다는 점과 함께 분진발생의 우려로 작업환경이 현저히 악화될 뿐 아니라 각 원료를 별도로 공급하여 분산/현탁시키는 구조는 탈수장치를 필요로 하고, 수질을 오염시킬 수 있다는 폐단을 포함하고 있다.

또 다른 일본국 특허 평5-16137호에 개시된 섬유 복합시트 제조장치를 살펴보면, 수지 부착 섬유속을 제조하는 상단, 중단 및 하단으로 별도로 구성된 유동층 장치; 상기 섬유속을 절단하는 상단 및 하단의 로터리 커터; 상기 중단의 유동층장치로 부터 나오는 연속 후직부착 섬유속에 절단된 수지부착 섬유 집착물을 상단 및 하단에 부착시켜 이송하는 연속벨트; 가열수단; 및 냉각수단으로 구성된 복합시트 제조장치인바, 가열수단이 전열식 또는 열풍 순환식으로 복수개의 가열로울러간 축이 고정되어 있어 용융된 열가소성 수지의 열이력 인자의 용융흐름 방향을 변화시킬 수 없음으로 용융수지의 균일한 침투가 불가능하며, 또한 시트 장력을 적절히 조절할 수 없어 두께 및 표면 평활성이 균일하지 못하였고, 냉각수단은 공기 취입식이거나 혹은 고정된 가이드 로울러의 냉각에 의한 방식을 채택함으로서 가열된 시트의 마무리 두께 조정이 곤란하다는 제 문제점을 포함한다.

따라서, 본 발명은 2종 이상의 매트릭스수지인 열가소성수지 섬유와 강화섬유를 고르게 혼합분섬한 후 복합매트를 제조하고, 이를 가열가압 혹은 냉각시키는 공정을 통해 각종 다기능성 복합재료의 제조를 가능하게 하되, 용융수지의 열이력 인자의 용융흐름 방향이 임의로 가변조절될 수 있게 하여 균일한 두께 유지와 고른 표면 평활도를 갖는 발포형의 복합매트 또는 판재를 제조하여 각종 산업분야에 고루 적용될 수 있도록 한 복합재료제품의 제조방법 및 그 제조장치를 제공함에 본 발명의 안출 목적이 있다.

상기의 목적달성을 위해 본 발명은 매트릭스수지인 열가소성 섬유와 강화섬유가 혼합분섬된 복합매트를 제조하고, 이 복합매트를 가열압출하여 고강도의 복합재료를 제조함에 있어서, 열가소성 섬유와 강화섬유를 해섬하여 공급하는 해섬유 원료공급단계; 상기 해섬유 원료를 분섬비동시켜 열가소성 섬유가 융착가공된 복합매트의 제조단계; 상기 복합매트의 상하측면을 선택하여 각종 시트를 순차적으로 적층시킨 적층복합매트의 제조단계; 및 상기 적층복합매트를 가열하여 강화섬유의 탄성으로 발포형태의 셀이 형성된 고성능 복합재료판재의 제조단계가 포함된 제조방법을 그 기술적 사상의 첫 번째 특징으로 하고 있으며,

이러한 방법상의 특징을 재현하기 위해 고강도의 복합재료를 제조함에 있어서, 매트릭스수지인 열가소성 섬유와 강화섬유를 해섬하여 공급하는 해섬유 원료공급수단; 상기 공급된 해섬유 원료를 가공처리하여 열가소성 섬유가 융착가공되는 복합매트 제조수단; 상기 복합매트의 상하측면에 각종 시트가 순차적으로 적층되도록 한 적층복합매트 제조수단; 및 상기 적층복합매트를 가열하여 섬유탄성으로 발포형 셀이 형성되도록 한 복합재료판재 제조수단이 포함된 제조장치를 그 기술적 사상의 두번째 특징으로 한다.

이때, 상기의 제조장치에 있어서, 해섬유 원료공급수단은 섬유를 소정 위치로 이송하는 이송부와, 상기 이송된 섬유를 해섬하는 해섬 실린더와, 상기 해섬 실린더의 회전을 위한 동력발생수단과, 상기 해섬된 섬유를 덕트내로 흡입하는 흡입기와, 상기 흡입된 해섬유를 균일하게 분산기로 낙하시켜 공급량을 조절하는 계량부와, 상기 계량부에 설치된 채 공급로울러의 해섬유 공급량 감지를 위해 제공되는 감지센서를 포함한다.

또한, 상기 복합매트 제조수단은 해섬된 열가소성 섬유를 소정 위치로 이송하는 이송부와, 상기 이송된 열가소성 섬유를 일정하게 공급하거나 잡아주기 위한 한 쌍의 피드로울러와, 상기 피드로울러에 근접 설치되며, 침포가 형성된 로울러가고속 회전하면서 피드로울러로부터 유입되어 섬유를 분섬하는 혼섬실린더와, 섬유의 혼섬율을 상승키 위해 제공되는 워커를 포함한다.

또한, 복합재료판재 제조수단은 제조된 복합매트를 안착키 위한 섬유 압착로울러와, 상기 섬유 압착로울러로 압착된 복합매트를 소정 위치로 이송키 위해 하측의 이송부 상단에 위치되는 구동실린더와, 상기 구동실린더에 근접 설치되는 시트로울러와, 섬유배합이 다른 종의 복합매트를 예열하는 예열존을 거쳐 복합매트를 가열 및 압착하는 가열용 압착로울러와, 상기 압착로울러를 거친 복합매트를 냉각 및 고발포시키도록 제공되는 냉각/고발포기를 포함한다.

도 1은 본 발명의 복합매트에 관한 공급장치를 도시해 보인 구성도.

도 2는 본 발명의 복합판재 및 단열판재의 제조장치를 도시해 보인 구성도.

도 3은 본 발명에 적용되는 복합매트의 예열장치를 도시해 보인 개략도.

도 4는 본 발명은 적용되는 가압존을 도시해 보인 개략도.

도 5는 본 발명에 적용되는 냉각존을 도시해 보인 개략도.

도 6은 본 발명에 적용되는 가압조절장치를 도시해 보인 개략도.

도 7은 본 발명의 부속적인 장치구성을 도시한 개략도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 섬유해섬기 12 : 해섬 실린더

13 : 흡입기 20 : 혼섬장치

21 : 분산기 22 : 흡입기

30 : 계량기 31 : 스트리퍼

40 : 정면기 41 : 피더

42 : 분섬 실린더 43 : 가압로울러

50 : 니들펀칭장치 52 : 타공판

A100 : 1차 예열존 A110 : 열풍순환부

A120 : 테프론 망 벨트 A130 : IR가열판

A200 : 2차 예열존 A210 : IR가열판

B100 : 1차 가압존 B110 : 상단로울러

B120 : 하단로울러 B130 : 스프링

B140 : 높이조절부 B160 : 슬라이드 블록

B170 : 슬라이드 B200 : 2차 가압존

B210 : IR가열판 C100 : 1차 냉각존

C110 : 마그네트 로울러 C120 : 냉각로울러

C130 : 공기냉각기 C140 : IR히터터널

C200 : 2차 냉각존

이하에서 설명되는 본 발명의 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법과 그 제조장치는 첨부도면을 통한 바람직한 실시예를 통해 그 양호한 재현성이 확인될 수 있다.

첨부된 도 1은 본 발명에 의한 복합매트 공급장치의 구성도인바, 이러한 복합매트 공급장치를 구성하는 주요 구성부분으로는 섬유해섬기(10)와, 혼섬장치(20)와, 계량기(30) 그리고 정면기(40) 및 니들펀칭장치(50)로 마련된다.

도시된 바와 같이, 상기 섬유해섬기(10)는 섬유를 소정위치로 이송하는 이송부를 포함하는데, 이 이송부는 상호 이종의 섬유가 각기 일정량분 계량되어 안착되는 이송용 콘베이어 벨트(11)로 구성되고, 이러한 콘베이어 벨트(11)로 이송된 섬유가 적절히 해섬되도록 한 해섬 실린더(12)와, 상기 해섬 실린더(12)에 의해 해섬된 섬유가 덕트(14)내로 원활하게 흡입될 수 있도록 마련된 흡입기(13)와,덕트(14)내로 흡입된 해섬유가 균일하게 낙하될 수 있도록 한 분산기(21)와, 분산되어 낙하되는 섬유를 후술하는 정면기(40)로 공급하기 위한 2차 동력발생수단 및 흡입기(22)라는 구성적 요소로 이루어진다.

이때, 본 발명에 의한 섬유 해섬기(10)는 원료의 공급측면에서 효율성과 연속성 그리고 원료생산비의 절감을 위해 연속섬유를 사용하지 않고 절단된 섬유를 일정 함량비로 공급할 수 있도록 제공됨이 바람직하다.

이러한 구성의 섬유해섬기(10)에 일정한 비율의 매트릭스섬유와 보강섬유를 무게비로 적재한 후 섬유해섬기(10)가 섬유를 일정비율로 혼합하기 위해 균질화존에서 원심력을 이용하여 고루 섞이게 공급하고, 이를 다시 분섬하여 일정량을 공급부에 이송한 후 정면기(40)로부터 섬유를 분산시키게 된다.

섬유해섬기(10)의 해섬·분섬시 단위면적당 복합매트의 요구량은 분당 0.5 ∼ 10kg이나 요망되는 적정량은 1 ∼ 6kg으로서 이러한 적정량을 통해 정면기(40)에 분섬섬유가 원활하게 공급될 수 있다.

본 발명은 종래 스탬퍼블 시트의 공정흐름을 전용하여 이를 정면기(40)로의 연계성을 고려하여 상호 유기적으로 구성하였는바, 정면기(40)에서는 계량기(30)에서 초과되는 이종섬유가 2차 흡입기(22)에 자동적으로 투입되는 방식을 채택하여 경제성 및 작업의 편익을 추구하고 있다.

또한, 호퍼에서 섬유의 분산성을 향상시키고, 편심현상을 막기 위해 분섬되어 흡입된 계량기(30) 호퍼의 상단을 선택하여 분급할 수 있는 스트리퍼(31)가 설치되도록 하였고, 복합매트 제조시 유기계 강화섬유는 정면기(40)의 분섬실린더(42) 회전수가 300 ∼ 1,000회전/min이나, 해섬과 분섬이 동시에 작용되고 있으며, 효율성 향상을 위해 고속 회전시에는 매트릭스수지 등 실린더 침포에 부착된 용융찌꺼기가 부착되는 등의 효율성 저하로 인해 일정 회전수 이상 가속하기가 곤란하게 된다.

따라서, 분섬실린더에서 요망되는 적정회전수는 500 ∼ 800회전/min이며, 무기계 강화섬유를 사용할 경우에는 회전속도비를 이용하여 분섬시키는 방법이 보다 효과적이어서 유기·무기계가 동시에 사용될 수 있는 회전수로는 800 ∼ 900 회전/min가 최적의 회전수로 선정될 수 있다.

복합매트 공급장치에서는 섬유가 랜덤하고 일측배향을 갖는 복합매트를 제조하기 위해 정면기(40)가 추가로 설치되는데, 이러한 추가적 설치는 제품의 물리적성질(인장강도, 충격강도 등)을 향상시킴에 있다.

복합매트 공급장치에서 이송된 섬유는 좌/우진동 스트리퍼(31)를 통해 정면기(40)의 호퍼 내에서 분산이 균일하게 이루어지고, 호퍼 상부에 설치된 별도의 근접센서에 의해 적정량까지 섬유가 공급될 수 있으며, 이렇게 공급된 섬유는 피더(41)에 의해 분섬 실린더(42)로 투입된 채 고속 회전하는 실린더로 균일한 분포를 갖는 매트를 형성하게 되며, 이 매트는 이송벨트를 타고 가압로울러(43)을 거쳐 니들펀칭장치(50)로 이송된다.

상기 니들펀칭장치(50)로 공급되는 매트의 두께조절은 분섬 실린더(42)의 회전수와 이송벨트의 회전수에 의해 임의 조절이 가능하고, 복합재료판재의 가장자리 부분을 재단할 때 남겨진 잔여 섬유들은 가압로울러(43)의 하단부에 별도로 부착되어진 흡입기를 통해 2차 섬유 공급장치내로 재 투입되는 순환과정을 거치게 된다.

또한, 고속회전시 엉켜진 섬유상의 마찰로 인해 회전체 벽면의 바늘에 섬유가 용융 부착될 경우 섬유중량분포의 균일성이 낮아지고, 장시간 구동시에는 용융된 섬유가 바늘에 대량 부착되는 관계로 이를 제거한 후 재 가동되어야 할 필요성이 있다.

따라서, 정면기(40)는 보다 효율적이면서도 대량생산에 적합하고 섬유의 휘산성이 용이해야 하며, 일정량이 혼합된 복합매트 섬유를 공급받아 회전량에 의한 복합매트의 무게가 산출될 수 있어야 한다.

일정한 회전 상태에서는 벨트속도에 따라 정면기(40)에서 해섬된 섬유뭉치의 두께는 150 ∼ 2000mm가 될 것인데, 이러한 섬유뭉치를 니들펀칭장치(50)에 투입할 경우 복합매트의 두께 폭이 너무 큰 관계로 공급이 불가능해져 가압로울러(43)을 거친 다음 섬유뭉치의 두께를 벨트(51)로 압착하여 부피를 축소시킨 후 용이하게 니들펀칭장치(50)로 이송·공급한다.

복합재료판재 및 경량단열판재의 제조장치에 투입되는 복합매트는 섬유를 효율적으로 혼섬하고 분산하여 균일한 분산성을 유지해야 하는데, 따라서 섬유의 분산과 분포의 균질화를 위해 2개의 복합매트 공급장치와 2개의 니들펀칭장치를 추가로 설치하여, 1차로는 복합매트 공급장치 내에서 실린더에 의해 섬유의 혼섬과 분섬이 이루어지게 하고, 2차로는 니들펀칭장치에서 부피가 균일하고 섬유의 혼섬이 균질화된 매트를 형성한다는 것이다.

연속벨트에 섬유뭉치를 직접투입할 경우 섬유의 유동으로 인해 균일한 판재의 제조가 곤란해짐으로 섬유의 유동을 방지하고 부피를 축소할 수 있는 니들펀칭장치(50)에서 이를 타공 펀칭하여 섬유뭉치의 부피축소와 섬유 시트상의 부피를 균일하게 한 후 가열존으로 공급하는데, 이때 로울러 가압을 통해 수지의 밀림현상도 제어할 수 있다.

니들펀칭장치(50)를 통과하지 않은 복합섬유매트는 솜처럼 부풀어 있는 상태로서 IR 가열판(A130)을 통과할 때 히터가 손상되거나 히터에 접촉되어 섬유가 발화될 우려가 매우 높은데, 상기 니들펀칭장치(50)를 이용할 경우 예열존과 가열판의 통과시 발생하는 섬유 고유의 수축을 대폭 감소시킴으로 복합재료시트의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 부피의 축소에 따라 복합매트가 히터에 손상을 주거나 혹은 히터접촉에 의한 발화의 위험성을 최소화할 수 있게 된다.

아울러, 니들로 타공함에 따라 정면기(40)를 거친 복합매트의 부피편차를 감소시키는 효과도 창출된다.

니들펀칭장치(50)에 있어 타공판(52)의 타공횟수는 500 ∼ 1000회/min로 섬유의 특성에 따라 임의로 타공횟수를 고정시켜 놓고 이송속도를 조정하면 평량과 두께 등이 조절이 자유로울 수 있다.

타공 펀칭후 복합매트에서는 밀도의 높고 낮음에 따라 기공의 크기, 섬유의 엉킴 현상 등에 크게 영향을 미치게 되는데, 예컨대 타공횟수가 많아질수록 줄음진 섬유가 수직방향으로 엉기는 현상을 볼 수 있고, 복합매트의 결착이 잘 이루어지는 관계로 연속벨트에 공급되면 섬유의 엉킴현상이 흐트러지지 않는 복합매트의 상태가 그대로 유지될 수 있다는 특성을 보인다.

도시하지 아니한 예열챔버의 예열온도가 매트릭스 섬유의 유리전이온도(Tg)이상일 경우 섬유가 가지고 있는 결정성이 완화되면서 섬유의 수축현상이 발생하게 되는데, 이때 타공횟수가 적을 경우 복합매트의 엉킴현상이 완화되어 해섬현상이 발생될 수 있다.

그러나, 복합매트가 단단히 결착되면 벨트(51)로 가압시 복합매트의 흐트러짐을 방지할 수 있고, 기공이 많을수록 예열존에서 내부 매트까지 더운 공기가 순환될 수 있어 가압 가열시 용융·침입이 원활해져 시트의 형성이 매우 우수해진다.

정면기(40)에서 투입되는 매트의 중량과 크기는 강화섬유의 종류와 양 및 회전수에 의해 조절될 것이며, 복합매트의 두께는 타공판(52)의 타공횟수에 따라 조절되고, 강성과 탄성은 타공판(52) 바늘의 호수와 관련이 크다.

이때, 타공판(52)에서 부러진 바늘을 검색하여 이를 제거하기 위해 1차 예열존(A100)에 강한 자성력의 전자석을 부착하여 혹여 발생될 수 있는 부러진 바늘을 제거하여 복합재료판재 및 경량단열판재의 품질과 안전성 그리고 연속 스테인레스벨트의 기기작동에 미치는 영향을 최소화하였다.

첨부된 도 2는 본 발명에 있어 복합재료판재 및 경량단열판재의 제조장치를 도시해 보인 전체구성도인바, 경량단열판재는 복합재료판재의 제조공정 후단부에서 제조 생산되며, 복합재료판재를 유사 발포시킨 판재를 지칭한다.

섬유의 탄성복원력 등은 상기에 도시된 바와 같으며, 복합재료판재 및 경량단열판재 제조장치는 상기 복합매트의 예열존(A100 ∼ A200), 가압존(B100 ∼ B300), 냉각존(C100 ∼ C200) 및 그 외의 부속장치(D100 ∼ 400)로 구성되어 있다.

예열존은 벨트 가압존에서 복합매트가 용이하게 용융·함침될 수 있도록 하는 준비단계이며, 섬유에 함유되어 있는 수분이나 유제를 제거하기 위한 설비가 1차 예열존(A100)인데, 이러한 예열존은 복잡한 형상의 복합매트 내부에 까지 충분한 열전달이 가능해야 함은 물론이다.

보다 효율적인 성형공정을 위해서는 가압하기 이전에 IR 가열판(A210)에 의한 충분한 예열이 필요하고 이러한 가열시간의 단축은 터널링의 길이를 축소할 수 있다.

전술한 바와 같이 예열존은 시트의 내부에 까지 열전달이 가능할 수 있도록 하였고, 또한 열풍순환부(A110)을 도입하여 IR 방식(가열)과 함께 투입되는 섬유의 균일한 열 전달을 도모하고 있다.

챔버의 온도는 80 ∼ 250℃를 사용할 수 있으나 복합매트 제조에 사용하는 수지섬유의 종류에 따라 차이가 있는데, 적정한 온도로는 100 ∼ 200℃정도의 예열 공기에 의해 복합매트 내의 수분이 탈수되어 수분함량이 0.01 ∼ 0.2% 이하가 되도록 하고, 역시 미도시된 열풍 배출덕트를 통해 폐열 회수 장치로 회수된 후 다시 재 사용될 수 있도록 한다.

복합매트가 탈수되고 열가소성 섬유가 예열 처리된 복합매트는 상하 이송부를 통과하게 되는데, 이때 사용되는 이송벨트로는 테프론 망 벨트(A120)를 사용하여 공기의 원활한 순환을 도모하되, 상부에서 하부로의 흡입순환방식을 사용하였고, 이때 예열장치에서 미세섬유가 착화되는 것을 방지하기 위해 필터를 부착하여 분진 및 미세섬유가 필터링되게 하며, 후부는 IR 히터로 직접 가열하는 방식을 적용한다.

이때, 고온이 사용될 경우 복합매트 표층의 유기계 매트릭스섬유, 예컨대 폴리프로필렌섬유나 나일론섬유가 용융되고 일부는 수지의 산화현상이 발생되어 복합매트의 주름이 수축되고 강화섬유가 배향된 구조가 파괴될 수 있음으로 오히려 복합재료판재의 물성을 저하시키는 요인으로 기능할 수 있다.

본 발명에서는 효율적인 에너지 관리와 연속작업을 통해 IR 히터의 가열시간을 단축시키며, IR 히터에 섬유나 미세 분진이 접촉하지 못하도록 내부에서 순환열풍을 IR 가열판(A130)의 상부에서 하부로 불어주는데, IR 가열판(A130)은 상하의 높이를 자유롭게 조정할 수 있도록 배려되어 있음으로 복합매트의 두께에 따라 IR 가열판(A130)의 높낮이를 조정하여 복합매트 내부로의 열 침입을 향상시킬 수 있고, 생산속도에 따라 그 높낮이를 가감할 수도 있다.

예컨대, 생산성을 높이기 위해 복합매트에 사용된 강화섬유가 열전도율이 낮은 탄소섬유(CF)인 경우 IR 가열판(A130)의 높이를 낮추어 급속 가열되도록 조절될 수 있다는 것이며, 여기서 발생되는 열손실의 최소화를 위해 열풍순환방식을 이용하여 사용한 열은 흡입 덕트로 순환되어 재 사용된다.

이때, 덕트구동의 안정성 확보를 위해 매트를 통과하여 흡입된 열풍에 포함된 단섬유나 미세 먼지 등의 불순물이 제거될 수 있도록 반영구적 성격의 거름망이 설치된다.

상기와 같이 제조되는 복합매트가 다양한 기능성을 부여받기 위해서는 그 표면층에 폴리프로필렌필름으로 라미네이팅하여 자동차의 내·외장용품인 부직포나천 등을 접착시킬 때 그 접착성을 향상시킬 수 있으며, 복합매트의 표면에 무늬목이나 대리석재료 등을 다층구조로 형성하여 미려한 표면을 제공하고, 건축재료로의 사용이 가능할 수 있도록 시트류가 삽입되게 와인더(D100)를 설치한다.

이상의 구성을 갖는 본 발명의 판재 제조장치에서는 복합재료 시트의 두께를 0.5 ∼ 10mm의 범위내에서 임의로 선택하여 제조할 수 있으며, 1분당 0.3 ∼ 10m의 제조 속도를 유지할 수 있음과 동시에 발포형 판재의 제조도 가능하다.

한편, 본 발명 장치에서 복합판재 제조시 사용되는 열가소성수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 나일론 6, 나일론 66, 나일론 10, 폴리아미드, 비닐론, 폴리에스테르 등을 비롯한 각종의 열가소성수지가 단독 또는 두 종류 이상 혼합되어 사용될 수 있고, 일반적으로 사용되는 가소제, 열안정제, 광안정제, 충전제, 착색제, 안료, 충격 개량제, 활제 등을 첨가하여 사용하여도 무방하다.

아울러, 본 발명의 단열판재 제조시 사용되는 강화섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 보론섬유 등의 무기질 섬유와 나일론 6, 나일론 66, 나일론 10, 비닐론, 아라미드, 폴리에스테르 등의 유기질 섬유가 단독으로 사용되는데, 필요한 경우 이들 섬유를 두 종류 이상 혼합하여 사용해도 무방하다.

한편, 본 발명에서는 열이력을 충분하게 유지하여 침입을 효율적으로 하기 위해 각 로울러 사이의 두께 폭을 표 1과 같이 임의로 조절하고, 약 200℃ 내외로 가열된 스테인레스연속벨트 매트릭스수지인 열가소성섬유가 벨트에 접촉되면서 용융된 열가소성수지의 열이력 인자를 용융흐름의 수직방향으로 변화시킴으로 용융된열가소성수지가 복합매트 내부 깊숙히 침투하는 현저한 효과를 발휘시킨다.

따라서, 용융된 열가소성수지가 엉켜진 강화섬유의 사이로 침입되면서 강화섬유 표면에 수지의 젖음성이 향상되고 복합매트 내부에 까지 함침되므로 고강도의 복합재료가 제조될 수 있다는 것이다.

또한, 강화섬유의 복원력을 이용하여 발포형 복합재료의 제조도 가능한 것인데, 즉 열가소성 매트릭스섬유를 분섬장치 내에서 혼섬 및 휘산시켜 2종의 섬유가 서로 엉켜짐으로 섬유의 배향구조는 3차원 형태의 배향구조를 띄게되고, 혼합된 복합매트는 침포에 타공되면서 고정화되며, 이러한 복합매트의 두께는 로울러의 간격이 점증적으로 축소되면서 로울러로 연속벨트에 가해진 힘이 유지되는 관계로 매트릭스수지는 융융되어 침입되고, 강화섬유는 벨트에 압착된 상태로 있다가 이 압력이 급속히 제거되면 엉켜져있던 강화섬유가 자체 탄성율에 의하여 마치 화학적으로 발포시킨 재료와 유사한 형태의 발포형 복합재료시트가 제조될 수 있다.

이 발포형 복합재료는 3 ∼ 20㎜의 시트두께로 제조가 가능하며, 비중은 0.5 ∼ 0.9g/㎤로 제조될 수 있어 경량단열판재로 사용될 수 있는데, 예컨대 1차 가압 존(B100)은 정면기(40)에서 분섬된 복합매트의 두께는 약 250mm정도이고, 로울러 가압후 부피를 줄이기 위해 니들펀칭장치(50)에서 부피를 약 50mm내외로 축소한 다음 동 소재에 직접 가압시 벨트에 걸리는 압력은 30bar이상의 압력이 유지됨으로 초기 두께의 변화에 따라 10%가압시 1bar이하로 형성된다.

복합매트의 매트릭스수지인 폴리프로필렌수지가 미용융시에는 두께조정이 미흡하여 연속공정에서 높은 압력이 벨트에 가해지고 이 힘은 다시 로울러에 가해지게 된다.

가압존은 이때 받은 압력을 완화시킬 수 있도록 디자인되었으며, 일정한 압력을 유지할 수 있도록 슬라이드 블록(B160)을 장착하여 수직운동을 용이하게 하였고, 이러한 수직운동 시 일정한 압력이 벨트에 가해지도록 스프링을 슬라이드 블록(B160)과 높이 조정부위에 설치하여 초기압력이 약 60kg/㎠으로 고정하는데, 그 이상일 경우 두께 조성이 압력과 비례되도록 한다.

고정 두께의 변화는 스프링의 장력으로 완충되며, 압축변화량에 따른 스프링의 장력은 가압 조건에 따라 차이가 있는데, 그 실시예는 표 1과 같다.

표 1. 두께 결정과 스프링 장력관계(최종제품두께 : 3mm기준)

	예열존	1차가압존	2차가압존	3차가압존	1차냉각존	2차냉각존
두께(mm)3T기준	50	35		13	11	9	5	3.5	3.3	3.2	3.15	3.1	3.05	3.0±0.2
스프링장력(kgf/㎠)		60	150	200	150	150
벨트표면온도(℃)	200	230	230	220	150	90	70	50

*PP/PET의 공정 조건임.

스프링의 장력은 로울러를 가압하고, 로울러는 벨트의 표면을 가압하는데, 스프링 장력으로 가압시 벨트의 표면에는 온도에 따라 복합매트의 용융정도에 차이가 발생한다.

벨트의 온도가 220℃ 정도 일 때 가압이 이루어지면, 초기 두께에 비해 상당량이 줄어들 것인데, 만일 미용융 매트릭스섬유와 강화섬유의 함량이 많을 경우 그 두께의 변화량은 매우 적게 되고, 이때 상하 로울러의 간격이 이를 초과할 때 높은 스프링의 장력을 받게 된다.

이때, 스프링의 압력을 고정하면 벨트의 이동이 곤란하므로 복합매트 용융수지의 용융속도에 벨트속도를 감안하여 가압력을 다소 낮추어 조정하여야 하는데, 벨트의 연속 가압방식을 로울러 방식으로 설계하여 가압하여야 할 압력의 분포에 대해서는 압력장치의 구성 등이 재설계 되어야한다.

예컨대, 고압방식에서는 로드바 타입으로 면 판을 가압하는 방식이 있는데,열가소성수지의 용융시 압력은 고압이 아니기 때문에 저압에서 가압할 수 있는 방식은 상호 대응하는 형식의 로울러 가압방식이 바람직하다.

첨부된 도 4는 본 발명에 적용되는 가압존을 개략적으로 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 1차 가압존(B100)을 통과한 복합매트가 가압로울러에 의해 일정한 두께를 유지하면서 벨트의 열을 복합매트로 전달하며, 2차 가압존(B200)은 매트릭스수지인 열가소성 수지 섬유가 용융되면서 강화섬유에 함침되는 구간이다.

2차 가압존(B200)에서는 가압로울러와 IR 가열판(B210)을 터널링과 같이 설치하고, 높게 설정된 온도에 의해 매트릭스수지가 강화섬유속으로 완전히 침투되어야하며, 3차 가압존(B300)에서의 온도는 그 상태를 유지하면서 압력만 가하면 공극율이 최소화되거나 열가소성수지의 함침성 및 젖음성이 충분하게 숙성되는 관계로 이를 두께조정부를 거쳐 냉각시킬 경우 고성능이 유지되는 복합재료판재가 제조될 수 있고, 이를 재가열하여 냉각존(C100∼C200)의 로울러 간격을 확대시킬 경우 강화섬유의 자체탄성율로 유사 발포형 고성능 경량단열판재가 제조될 수 있다.

한편, 종래의 복합재료에서 강화재로 섬유를 사용할 경우 수 ㎜이내, 섬유길이가 긴 것은 25㎜이내의 단섬유가 사용되어 왔으나, 보강섬유가 짧으면 일정 응력하에서의 응력전달이 효과적으로 이루어지지 못함으로 그 보강효과는 좋지않다.

따라서, 보강효과의 향상을 위해서는 단섬유보다 장섬유를 강화재로 사용하는 것이 바람직한데, 이때 장섬유의 길이는 30㎜이상, 특히 50㎜이상이 효과적이고, 적당한 섬유길이는 복합재료의 종류 또는 그 용도에 따라서 선택된다.

또한, 섬유의 길이에 따라 복합재료의 강성, 치수안정성, 내열성 등의 물성변화가 수반되고, 이러한 특성들은 섬유의 충진량, 성형후의 섬유길이, 섬유분산상태 및 배열상태 등에 영향을 받는데, 강화섬유가 랜덤하게 분산되어 있는 일반적인 복합재료에서는 강화섬유의 분포가 수평방향으로만 랜덤하게 분산되어 충격강도가 요구수치에 미달되지만 본 발명에서와 같이 원심력을 이용한 복합매트 공급장치를 이용하여 랜덤 배향시키면 강화섬유가 강하게 코일링 되어져서 3축 방향직조와 같은 효과를 발생시킨다.

즉, 섬유직조에 의해 강화된 복합재료의 제조방법은 생산성이 매우 낮기 때문에 직조와 유사한 기술을 이용하여 직조의 효과를 낼 수 있는 기술을 제안하는 것인데, 일반적으로 매트릭스수지에 랜덤하게 강화섬유가 배향되는 경우 섬유가 수평방향으로 형성되는 관계로 수직방향으로는 배향력이 거의 없어 강도가 제한적으로 발현되지만, 본 발명은 매트릭스와 강화섬유를 모두 섬유로 이용하고 원심력으로 이를 강하게 혼섬하는 관계로 수평방향은 물론이고 10∼20%는 수직방향으로 코일링되어 역학적으로 유사한 3차원 구조형태를 유지하게됨으로 고강도, 고장력의 특성을 나타낸다.

복합재료의 물성은 이를 구성하는 매트릭스와 강화재의 특성뿐만 아니라 매트릭스와 강화섬유 사이의 결합력, 즉 계면성질에 의해서도 상당한 영향을 받으며, 또한 복합재료의 계면은 외부에서 가해지는 충격에너지가 응력, 변형 등을 매트릭스에서 섬유로 전달해주는 역할을 담당하는 관계로 계면의 성질은 더욱 중요하다.

제조된 복합재료판재는 이를 재가열(가열온도 240℃이상)하여 수지를 용융시켜 팽창시킨 후 냉각하여 발포형 복합재를 제조할 수도 있으며, 성형에 사용한 복합매트는 강화섬유의 반발력이 큰 무기계 강화섬유의 체적분률이 20%∼40%의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 유기계 강화섬유는 30%이상 사용하는 것이 바람직하다.

첨부된 도 5는 본 발명에 적용되는 냉각존을 개략적으로 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 냉각존(C100∼C200)은 발포를 목적으로 냉각된 마그네트 로울러(C110)와, 냉각로울러(C120)와, 공기냉각기(C130) 및 IR 히터 터널(C140)의 유기적인 구성으로 마련된다.

복합재료판재의 제조시에는 2차 냉각존(C200)을 통과하여 제조되는데, 발포형 경량단열판재 제조시에는 마그네트 로울러(C110)를 강화 섬유의 자체탄성율에 의해 유사발포에 적합한 두께이상으로 확장할 경우 발포형태의 판재가 제조된다.

예컨대, 폴리프로필렌(PP)섬유의 탄성은 낮고, 탄소섬유(CF), 유리섬유(GF)의 탄성은 높은 관계로 상호 혼섬되어 있는 섬유의 엉김이 있어야 발포 탄성을 향상시킬 수 있으며, 또한 유기섬유와 유기섬유의 경량 발포형 단열판재 제조시에는 발포제의 적절한 투입과 조건을 파악하여 최적의 시트 형상이 구현되어야 함은 자명하다.

발포공정은 IR히터 터널링(C140)를 통과한 복합매트가 내부에 까지 충분하게 예열되도록 하여야만 효율적인 발포가 가능한 것인데, 발포시에는 섬유자체의 탄성력으로 팽창 발포되어 발포셀의 크기가 작고, 균일한 발포형태를 유지할 수 있다.

복합매트는 예열공정이 없는 관계로 용융가열압착부분의 공정시간이 길어지고, 아울러 발포의 효율성을 높히려면 압착 벨트의 온도를 상대적으로 높게 설정해야 하는데, 벨트의 온도를 상승시키면 폴리프로필렌 섬유와 혼합된 탄소섬유, 유리섬유가 자체탄성으로 발포되어 발포공정에는 무리가 없는 반면에 매트릭스수지인 폴리프로필렌섬유는 용융되는 가공온도 이상으로 온도가 상승되어 폴리프로필렌의 열화에 따른 매트릭스의 강도가 떨어져 단열판재로서의 기대치를 만족시킬 수 없게 된다.

발포형태의 단열재는 열전도율을 가지고 있어 냉각시 표층은 용이하게 냉각되나, 중심층에는 발포층의 두께에 따라 그 냉각속도에 차이가 있고, 따라서 상당한 시간이 소요되어 열흡수가 일어나는 것으로 알려져 있다.

종래의 로울러는 외부에서 공급되는 냉각수를 이용하여 소정의 냉각기능을 담당하였으나 로울러와 벨트의 접촉면이 작아 냉각효율이 낮음으로 단열판재가 시트형태를 유지하기가 곤란해져 본 발명에서는 벨트온도를 급냉시키는 방법을 채용하였다.

물론, 수냉방식도 사용이 가능하지만 벨트의 급냉시에는 표층과 중심층의 온도 차이가 크기 때문에 열팽창계수의 차이에 따라 결함이 발생되어 오히려 충격강도 등 물리적 강도가 저하된다는 우려감에 의해 벨트표면을 자연공기순환방식이라는 냉각방식을 통해 벨트의 냉각속도가 제어될 수 있도록 배려하였다.

이와는 달리 냉각속도를 급냉시키는 방법도 제안될 수 있으나, 급냉시 열팽창계수로 인해 형성되는 복합재료의 미세크랙에 따라 오히려 물성이 감소하는 관계로 일정속도로의 냉각을 위해 냉각공기 순환방식이 채용되는 것이다.

또한, 냉각속도는 생산속도와 연계되어 있는데, 즉 강화섬유의 재질에 따라 단열특성이 다르고, 냉각존의 길이도 단열성에 비례함으로 공기순환냉각기(C130)는 냉각효율성을 고려하여 3 ∼ 5대의 설치가 요망된다.

첨부된 도 6은 본 발명에 적용되는 가압조절장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 1차 가압존(B100)의 구성은 상하로울러(B110, B120)와, 스프링(B130)과, 높이조절부(B140)와, 웜 기어(B150) 그리고 슬라이드 블록(B160) 및 슬라이드(B170)로 구성되는바, 상단로울러(B110)가 슬라이드 블록(B160)내에서 상/하운동과 좌/우진동을 상쇄시키며, 상/하운동은 일정한 장력이 가해질 수 있도록 스프링(B130)을 장착하여 이 스프링(B130)의 압력에 의해 적당한 압력이 가해질 수 있도록 조절장치가 부설되어 있다.

상단로울러(B110)의 좌/우 흔들림방지와 진동감쇠 및 오버로드시 로울러의 구동이 원만하게 이루어지기 위해서 로울러의 좌우단에 스프링(B130)을 고정시키고, 이 스프링(B130)의 정수값 이상에서는 벨트에 고정된 가압보다 높은 압력이 작용하도록 설정하였다.

좌우 2개로 마련되는 스프링(B130)의 상수값은 토크메타를 이용하여 일정장력으로 고정하고, 가압부의 위치에 따라 전술한 표 1과 같이 설정하되, 각종 재료에 따라 그 설정값에 차이를 둔다.

복합매트의 두께 중량은 부분에 따라 차이가 있으나, 복합매트의 용융과 스프링(B130)의 장력으로 벨트를 가압하여 그 두께를 조정할 수 있는데, 복합매트의 매트릭스수지인 열가소성수지 섬유가 60wt% 이상 함유되어 있어 스프링(B130) 장력으로 가압시 용융수지의 분산과 침입으로 일정두께 및 중량분포의 균형이 유지될 수 있고, 만일 편차가 심한 과부하가 걸릴 경우에는 두께편차만큼 스프링(B130)의 장력을 높여 가압해주면 그만일 것이다.

예컨대, 정상 상태일 경우 기본적으로 복합매트는 10mm에서 벨트에 가해지는 스프링의 압력이 60kg/㎠인데, 두께편차가 있어 10.5mm일 경우 0.5mm증가로 벨트에 걸리는 압력은 약 80kg/㎠의 압력을 받게된다.

이와 같이 벨트에 높은 압력을 가해 주어 벨트 표면 층에 용융된 매트릭스수지가 복합매트 속으로 함침될 수 있으며, 외부 스프링에서는 스프링이 줄어드는 것을 확인하여 볼 수 있는데, 로울러의 가압과정을 통해 벨트의 진행 방향과 반대 방향으로 매트릭스수지의 용융, 침입이 용이하게 될 수 있다.

150kg/㎠이상의 높은 압력이 작용할 시에는 벨트 진행 방향의 반대 방향으로 섬유가 배향되거나 걸림 현상이 발생 할 수가 있는데, 이러한 걸림 현상을 방지하기 위해 베어링 블록은 슬라이드 타입으로 이루어져 이송이 용이해질 수 있도록 한다.

이런 조건을 만족하기 위해서 1차 가압존(B100)의 각 로울러간 간격을 표 1과 같이 조정하는데, 벨트표면의 온도와 복합매트 압착시 그 압력과 용융침입의 압력에 알맞게 그 두께가 조정된다.

가압존의 로울러에 의해 고정된 제품이 두께를 초과하여 힘을 받을 경우 각 로울러에 설치된 슬라이드 블록(B160)의 스프링 장력에 의해 고정된 제품의 두께로 가압하여 주는 방법이 채용되어 제품의 평활성이 유지되면서도 일정한 두께를 유지할 수 있게 된다.

첨부된 도 7은 본 발명의 각종 부속장치를 개략적으로 도시한 것인데, 기 도시된 첨부도면 2에서와 같이 그 외의 부속장치로서 와인더(D100)는 라미네이트 필름이나 부직포 등을 적층하여 기능성을 부여할 수 있도록 구성하였고, 가압냉각 로울러(D200)는 냉각된 복합매트의 안정성을 부여함과 동시에 냉각으로 복합매트의 절단이 용이하게 되도록 한 장치이며, 이를 일정 크기로 재단할 수 있는 재단기(D300)와, 재단된 복합재료판재의 이송장치(D400)도 부설된다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 매트릭스로서 분말상 혹은 펠렛상태의 열가소성수지를 사용하지 않고, 열가소성섬유를 매트릭스로 사용하여 강화섬유와 고속으로 이를 혼합분섬하여 매트상태로 제조하여, 이를 저장하거나 운송한 후에도 원하는 시점에 언제라도 복합재료판재의 성형이 가능함은 물론 본 발명에서와 같이 균일하게 섬유가 분산된 복합매트를 성형하여 얻은 복합재료판재는 강화섬유와 매트릭스수지 사이의 계면 접착부위 및 접착정도 역시 균일성을 유지하는 관계로 계면 접착력이 양호해져 결과적으로 고강도의 복합재료가 얻어질 수 있다는 것이다.

또한, 본 발명에서는 강화재로 섬유를 사용할 때 매트릭스가 섬유상이면 복합매트 공급장치의 고속회전에 의해서 강화섬유가 매트릭스섬유와 혼합될 때 섬유끼리 상호간 지지대 역할을 담당하게 되어 3차원적 구조와 유사한 배향을 갖게되고, 이 복합매트로 제조한 복합재료판재는 내충격강도 등이 강화될 수 있고, 또한 매트릭스로서 섬유상을 사용하고 강화재로서 섬유를 동시에 사용하여 복합재를 제조하면 섬유상의 매트릭스 분산상태가 양호할 뿐만 아니라, 처음 분산된 섬유물성 상태가 그대로 유지되어 있으므로 취급이 용이하고, 동시에 미세한 열가소성 섬유가 녹으면서 강화섬유를 골고루 접착시키게 됨으로 계면접착력이 향상되어 강도의 보강 효과도 그만큼 상승된다는 유용성을 갖는다.

따라서, 매트릭스수지인 열가소성수지 섬유와 강화섬유를 사용하여 복합매트를 제조하고, 제조된 복합매트는 복합재료판재의 제조장치를 통해 복합재료판재로 제조되며, 라미네이트 필름 등의 적층용 시트나 또는 일측방향의 강화섬유를 적층하여 성능이 강화된 복합재료를 얻을 수 있고, 또한 본 발명은 복합재료판재 제조공정중 벨트의 간격조절을 통해 복합재료판재가 자체 탄성력으로 팽창됨으로서 발포와 동일한 효과를 얻을 수 있음으로 발포의 크기 및 분포가 균일한 우수한 단열성의 경량발포형 단열판재도 제조될 수 있다는 실시상의 가치를 갖는다.

한편, 본 발명을 바람직한 실시예에 기초하여 도시하고 설명하였지만 이런 점에 굳이 한정되지 아니하고 청구범위의 기본적 사상을 견지하면서 자유롭게 응용되고 적용될 수 있다는 것을 당 업계 통상의 지식을 가진자이면 쉽게 알 수 있을것이다.

Claims (6)

1. 매트릭스수지인 열가소성 섬유와 강화섬유가 혼합분섬된 복합매트를 제조하고, 이 복합매트를 가열압출하여 고강도의 복합재료를 제조함에 있어서,

   열가소성 섬유와 강화섬유를 해섬·혼섬하는 원료공급단계; 상기 해섬·혼섬된 복합섬유를 분산·휘산시키는 단계; 및 배향된 강화섬유를 고정화하되, 강화섬유의 균일한 분산성을 향상시키고, 코일된 섬유의 완화방지와 3차원 구조가 유지될 수 있도록 니들펀칭단계가 순차적으로 마련됨을 특징으로 하는 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 니들펀칭단계에서 고정화 된 복합매트는 예열존에서의 예열과정을 거쳐 가압존에서 용융가압성형되고, 다시 냉각과정을 거쳐 복합판재로 제조될 수 있음을 특징으로 하는 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 용융가압성형 후 이를 재 가열하여 제품이 통과되는 두께 폭을 확장시킴으로 강화섬유의 자체 탄성력에 의해 유사 발포된 복합판재가 제조될 수 있음을 특징으로 하는 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 두께 폭의 확장은 연속 스테인레스 벨트를 마그네트 로울러로서 확장시킴을 특징으로 하는 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조방법.
5. 고강도의 복합재료를 제조함에 있어서,

   매트릭스수지인 열가소성 섬유와 강화섬유를 해섬·혼섬 원료공급수단; 상기 해섬·혼섬된 복합섬유를 분산·휘산시키는 수단; 및 배향된 강화섬유를 고정화하되, 강화섬유의 균일한 분산성을 향상시키고, 코일된 섬유의 완화방지와 3차원 구조가 유지될 수 있도록 니들펀칭수단이 구비됨을 특징으로 하는 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 니들펀칭수단을 거친 복합재료가 복합매트 상태로 연속 스테인레스 벨트에 의해 공급된 후 용융가압성형되기 위하여 상/하 대향 설치되는 한 쌍의 로울러와, 상기 로울러를 통해 열가소성수지가 용융되어 강화섬유에 함침/결착될 수 있도록 상기 로울러를 가열압착하여 가압정도를 제어하고, 미용융시 로울러의 과부하가 방지될 수 있도록 스프링장력수단을 갖는 가압조절장치가 더 구비됨을 특징으로 하는 섬유분섬을 이용한 복합재료 제조장치.