KR20110076269A - 샌드위치 복합 성형품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

비강도(specific strength) 및 비강성(specific stiffness) 특성이 우수한 섬유강화 샌드위치 복합 성형품의 제조 방법이 개시된다. 상기 샌드위치 복합 성형품의 제조방법은, 몰드의 내부공간에, 코어재로서 발포성 폼(foam) 재료를 위치시키고, 상기 코어재의 외면에, 열경화성 수지에 강화섬유를 함침시킨 프리프레그로 이루어진 스킨재를 위치시키는 단계; 및 상기 코어재 및 스킨재를 열경화시켜, 상기 코어재가 발포된 발포 코어(foam core) 및 상기 스킨재가 경화된 강화섬유 함침 수지 스킨을 포함하는 샌드위치 복합 성형품을 성형하는 단계를 포함한다.
섬유강화, 샌드위치, 성형품, 발포, 프리프레그

Description

샌드위치 복합 성형품의 제조방법{Method for producing sandwich composition article}
본 발명은 샌드위치 복합 성형품의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 비강도(specific strength) 및 비강성(specific stiffness) 특성이 우수한 섬유강화 샌드위치 복합 성형품의 제조 방법에 관한 것이다.
샌드위치 복합 성형품은, 경량의 코어재(core material)와 고강도의 스킨재(skin material)가 샌드위치 형태로 적층된 복합 패널(panel) 구조의 성형품으로서, 중량에 대한 강성비, 즉, 비강성(specific stiffness)이 우수할 뿐만 아니라, 중량에 대한 강도비, 즉, 비강도(specific strength)가 우수하여, 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 샌드위치 복합 성형품은, 일반적으로, 코어 프리폼을 형성한 후, 접착제를 이용하여 코어재와 스킨재를 접착하여 제조된다. 그러나, 접착제를 이용하여 코어재와 스킨재를 접착하는 방법은, 생산성이 낮을 뿐만 아니라, 코어재와 스킨재의 접착력이 저하되어, 코어재와 스킨재가 분리될 우려가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 강도와 강성이 우수할 뿐만 아니라, 경량의 샌드위치 복합 성형품을 간단하고 효율적으로 제조할 수 있는 샌드위치 복합 성형품의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 코어재와 스킨재의 접착력이 우수한 샌드위치 복합 성형품을 우수한 생산성으로 제조할 수 있는 샌드위치 복합 성형품의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 몰드의 내부공간에, 코어재로서 발포성 폼(foam) 재료를 위치시키고, 상기 코어재의 외면에, 열경화성 수지에 강화섬유를 함침시킨 프리프레그로 이루어진 스킨재를 위치시키는 단계; 및 상기 코어재 및 스킨재를 열경화시켜, 상기 코어재가 발포된 발포 코어(foam core) 및 상기 스킨재가 경화된 강화섬유 함침 수지 스킨을 포함하는 샌드위치 복합 성형품을 성형하는 단계를 포함하는 샌드위치 복합 성형품의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 샌드위치 복합 성형품의 제조방법에 의하면, 강도와 강성이 우수할 뿐만 아니라, 경량의 샌드위치 복합 성형품을 간단하고 효율적으로 제조할 수 있으며, 제조된 샌드위치 복합 성형품에 있어서, 코어재와 스킨재의 접착력이 우수한 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 샌드위치 복합 성형품의 제조방법에 사용될 수 있는 몰드의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 샌드위치 복합 성형품의 제조방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 샌드위치 복합 성형품의 단면도이다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 샌드위치 복합 성형품을 제조하기 위해서는, 먼저, 몰드(10)의 내부공간(18)에, 코어재(20)로서 발포성 폼(foam) 재료를 위치시키고, 상기 코어재(20)의 외면에, 열경화성 수지에 강화섬유를 함침시킨 프리프레그로 이루어진 스킨재(30)를 위치시킨다.
상기 몰드(10, mold)는, 상기 코어재(20) 및 스킨재(30)를 경화시켜, 목적하는 형상의 샌드위치 복합 성형품을 성형하기 위한 것으로서, 샌드위치 복합 성형품을 형성하는 재료인 코어재(20) 및 스킨재(30)가 투입되어 소정의 형상으로 성형되는 내부공간(18)을 형성한다. 예를 들면, 상기 몰드(10)는, 서로 결합되어, 패널(panel) 형태 등 성형품 형상의 내부 공간(18)을 형성하는 상부 몰드(12) 및 하부 몰드(14)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 몰드(10)에는, 상기 내부공간(18)으로부터, 과량의 코어재(20), 공기, 기포 등 불필요한 물질이 배출되는 코어재 수용 부(16) 및 상기 내부공간(18)과 상기 코어재 수용부(16)를 연결하여, 상기 내부공간(18)으로부터 코어재 수용부(16)로 불필요한 물질을 이송하는 이송관(16a)이 더욱 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 이송관(16a)은, 내부공간(18)으로부터 불필요한 물질을 배출하고, 내부공간(18)의 압력을 적절히 유지하는 기능을 한다. 상기 이송관(16a)은, 코어재(20), 즉, 발포성 폼 재료의 종류, 샌드위치 복합 성형품의 구조, 크기 등에 따라 달라질 수 있으나, 높이 0.1 내지 2mm, 바람직하게는 0.1 내지 1mm, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.8 mm의 슬릿(slit) 또는 튜브 형태를 가지는 것이 바람직하다. 상기 이송관(16a)의 단면 형상은, 내부공간(18)으로부터 과잉 또는 불필요한 물질을 원활히 배출할 수 있는 한 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 내부공간(18)의 측면 전체에 걸쳐, 길이 방향으로 형성된 슬릿(slit) 형태를 가질 수도 있고, 1개 이상의 원형, 타원형, 4각형 등의 단면 형상을 가질 수도 있다. 여기서, 상기 이송관(16a)의 높이가 0.1 mm 미만이면, 경화 중 팽창하는 내부 공기가 충분히 배출되지 못하여, 코어재(20) 내부에 기공(void)이 발생하고, 제품(성형품)의 기계적 강도가 저하되며, 코어재(20)와 스킨재(30)의 계면에 기공층이 형성되어, 코어재(20)와 스킨재(30)의 접착력이 저하될 수 있다. 또한, 과량으로 투입된 코어재(20)가 충분히 외부로 배출되지 않아, 제조되는 샌드위치 복합 성형품의 밀도가 불필요하게 증가될 우려가 있다. 또한, 상기 이송관(16a)의 높이가 너무 높으면, 경화 중, 발포성 코어재(20)가 과도하게 배출되어, 내부 압력이 부족하게 되고, 코어재(20)와 스킨재(30)의 접착력이 저하될 뿐만 아니라, 제조되는 샌드위치 복합 성형품에 핀홀(pin hole)이 발생될 수 있다. 상기 코어재 수용부(16) 및 이송관(16a)은 상기 상부 몰드(12) 및/또는 하부 몰드(14)에 형성될 수 있고, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상기 상부 몰드(12) 및 하부 몰드(14)가 결합되었을 때, 상기 상부 몰드(12) 및 하부 몰드(14) 사이에 형성될 수도 있으며, 제조되는 성형품의 크기에 따라, 1개 이상 설치될 수도 있다.
상기 코어재(20)는 발포 및 경화되어 발포 코어(22, foam core, 도 3 참조)를 형성하기 위한 것으로서, 형성되는 발포 코어(22)의 밀도는 1g/cm3 이하인 것이, 샌드위치 복합 성형품의 경량성 확보를 위하여 바람직하다. 상기 코어재(20)로 사용되는 발포성 폼 재료(수지)는, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 이들의 혼합물 등의 열경화성 수지로 이루어질 수 있으며, 사용된 수지의 경화 온도 부근에서 충분한 발포가 이루어질 수 있도록 적정량의 발포제를 포함한다.
상기 스킨재(30)는 열경화성 수지에 강화섬유를 함침시킨 프리프레그로 이루어진다. 상기 스킨재(30)에 사용되는 강화섬유로는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등이 단독 또는 혼합 사용될 수 있으며, 사용되는 강화섬유는 길이 1~100 mm의 단섬유, 장섬유, 펄프 등의 다양한 형태를 가질 수 있고, 상기 강화섬유가 일방향으로 배열되거나, 평직, 주자직 등 직물로 제직하거나, 부직포 형태로 구성되거나, 섬유 방향이 랜덤(Random)하게 배열된 시트 형태 등으로 가공되어 사용될 수 있다. 상기 스킨재(30)에 있어서, 프리프레그에 사용된 강화섬유의 중량은 5~500 g/m2 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 스킨재(30)에 사용되는 수지는, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지 등의 열경화성 수지인 것이 바람직하며, 80 내지 250℃의 온도에서 120분 이내에 경화되는 열경화성 수지이면 더욱 바람직하다. 또한, 코어재(20)와 스킨재(30)의 접착력을 향상시키기 위해서, 상기 코어재(20)와 스킨재(30)는 동일한 수지로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 스킨재(30)에 있어서, 상기 열경화성 수지의 체적함량은 20~70%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 강화섬유 및 열경화성 수지의 함량이 상기 범위를 벗어나면, 제조되는 샌드위치 복합 성형품의 강도가 저하될 우려가 있다.
이와 같이, 상기 하부 몰드(14)에 코어재(20) 및 스킨재(30)를 위치시키고, 상부 몰드(12)를 덮어, 내부공간(18)을 형성한 다음(도 2 참조), 필요에 따라 압력을 가하면서, 열경화시켜, 도 3에 도시된 바와 같이, 발포 코어(22, foam core) 및 상기 발포 코어(22)의 외부에 접착된 강화섬유 함침 수지 스킨(32)을 포함하는 샌드위치 복합 성형품을 성형한다. 이와 같은 열경화 성형 과정에서, 발포성 폼 재료인 코어재(20)가 발포되어, 발포 코어(22, foam core)를 형성하며, 발포 및 경화 과정에서 발생되는 공기, 기포, 과량의 코어재(20) 등의 불필요한 물질은, 발포 과정에서 발생하는 내부 압력에 의하여, 몰드(10)의 내부공간(18)으로부터 이송 관(16a)을 통하여 배출되어, 코어재 수용부(16)에 수용된다. 또한, 상기 열경화 과정에서, 상기 코어재(20)와 함께, 프리프레그로 이루어진 스킨재(30)도 동시에 경화되어, 강화섬유 함침 수지 스킨(32)를 형성한다. 이와 같이, 코어재(20) 및 스킨재(30)의 동시 경화에 의하여, 별도의 접착제를 사용하지 않고도, 전체 면적에 걸쳐, 코어재(20) 및 스킨재(30)를 견고하게 접착시킬 수 있다.
상기 코어재(20) 및 스킨재(30)의 발포 및 열경화에 있어서, 발포 및 열경화 온도는 발포제의 발포량, 코어재(20) 및 스킨재(30)의 경화 온도에 따라, 적절히 조절될 수 있다. 상기 열경화 온도가 코어재(20) 및 스킨재(30)의 경화 온도보다 많이 높으면, 발포가 충분히 이루어지기 전에, 코어재(20)가 경화되어, 성형 압력이 부족한 상태에서 제품이 성형된다. 이 경우, 코어재(20) 내부에 불균일한 기공이 발생하여, 성형품의 기계적 강도가 저하되거나, 코어재(20)와 스킨재(30) 사이에 기공이 형성되어, 코어재(20)와 스킨재(30)의 접착력이 저하되거나, 발포 코어(22)의 밀도가 과도하게 증가될 수 있다. 반면, 상기 열경화 온도가 너무 낮으면, 발포제의 발포량이 적어, 성형 압력이 부족한 상태에서 제품이 성형되므로, 상술한 문제점이 나타날 수 있으며, 또한 성형 시간이 불필요하게 길어져, 생산성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 따라 제조된 샌드위치 복합 성형품은, 도 3에 도시된 바와 같이, 발포 코어(22)의 양면에 강화섬유 함침 수지 스킨(32)이 적층된 샌드위치 3층 구조 를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 제조된 샌드위치 복합 성형품은, 강도와 강성이 우수할 뿐만 아니라, 무게가 가벼우므로, 건축물이 외벽 등, 비강도(specific strength) 및 비강성(specific stiffness) 특성이 필요한 분야에 특히 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 실시예 및 참고예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 샌드위치 복합 성형품의 제조
도 1에 도시된 바와 같은 몰드(이송관(16a)의 높이가 0.35 mm이고, 내부공간(18)의 양쪽 측면 전체에 걸쳐 길이 방향으로 형성됨)를 이용하고, SCM-350(에스케이케미칼 주식회사 제품, 발포 전 밀도가 0.35 g/cm3인 에폭시 수지 시스템)을 코어재로 사용하고, 유리섬유 직물 프리프레그(에스케이케미칼 주식회사 제품, 상품명: GEP132)를 스킨재로 사용하여, 두께 1 cm의 샌드위치 복합 성형품을 제조하였다. 이때, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 함량으로, 코어재(SCM-350)의 양면에 스킨재(유리섬유 직물 프리프레그)를 2겹(ply)씩 적층하였으며, 열경화 조건은 140℃의 경화 온도, 2 톤(ton)의 프레스 압력 및 20분의 열경화 시간이었다. 제조된 샌드위치 복합 성형품의 무게를 측정하여, 배출된 코어재의 무게를 산출하였으며, 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
[실시예 2] 샌드위치 복합 성형품의 제조
이송관(16a)의 높이가 1.1 mm인 몰드를 사용하고, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 함량의 코어재 및 스킨재를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 복합 성형품을 제조하였다. 제조된 샌드위치 복합 성형품의 무게를 측정하여, 배출된 코어재의 무게를 산출하였으며, 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
[실시예 2] 샌드위치 복합 성형품의 제조
이송관(16a)이 없는 몰드를 사용하고, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 함량의 코어재 및 스킨재를 사용한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 샌드위치 복합 성형품을 제조하였다. 제조된 샌드위치 복합 성형품의 무게를 측정하여, 배출된 코어재의 무게를 산출하였으며, 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
구분 코어재 배출
이송관 높이 (mm)		 코어재
투입량(g)		 스킨재
사용량(g)		 성형품
무게(g)		 배출된 코어재
무게 (g)
실시예 1 0.35 33 15 41.7 6.3
실시예 2 1.1 30 15 34 11
실시예 3 0 32 15 47 0
상기 표 1로부터, 이송관의 높이가 증가할수록, 코어재의 배출량이 증가함을 알 수 있다. 실시예 2의 경우, 코어재가 다량 배출되어, 내압이 부족하여, 성형품의 표면에 핀홀이 육안 관찰되었으며, 실시예 3의 경우, 내부 기포가 외부로 배출되지 못하여, 코어재와 스킨재 계면에 기공이 발생하였고, 성형품의 표면에 굴곡이 형성되었으며, 스킨재와 코어재의 접착력이 낮아, 코어제가 쉽게 떨어지는 부분이 존재하였다.
도 1은 본 발명에 따른 샌드위치 복합 성형품의 제조방법에 사용될 수 있는 몰드의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 샌드위치 복합 성형품의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 샌드위치 복합 성형품의 단면도.

Claims (6)

  1. 몰드의 내부공간에, 코어재로서 발포성 폼(foam) 재료를 위치시키고, 상기 코어재의 외면에, 열경화성 수지에 강화섬유를 함침시킨 프리프레그로 이루어진 스킨재를 위치시키는 단계; 및
    상기 코어재 및 스킨재를 열경화시켜, 상기 코어재가 발포된 발포 코어(foam core) 및 상기 스킨재가 경화된 강화섬유 함침 수지 스킨을 포함하는 샌드위치 복합 성형품을 성형하는 단계를 포함하는 샌드위치 복합 성형품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어재의 발포 및 경화 과정에서 발생되는 불필요한 물질을 상기 몰드의 내부공간으로부터 제거하는 단계를 더욱 포함하는 샌드위치 복합 성형품의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 코어재의 발포 및 경화 과정에서 발생되는 불필요한 물질은 발포 및 경화 과정에서 발생되는 공기, 기포 및 과량의 코어재로부터 선택되는 것인, 샌드위치 복합 성형품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 코어재에 사용되는 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 샌드위치 복합 성형품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스킨재에 사용되는 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 샌드위치 복합 성형품의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코어재와 스킨재는 동일한 수지로 이루어진 것인, 샌드위치 복합 성형품의 제조방법.
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