KR20120078455A

KR20120078455A - 일방향 프리프레그의 제조 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20120078455A
Application number: KR1020100140766A
Authority: KR
Inventors: 김진주; 김호연; 배만억; 정석호; 정성륜
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-10
Also published as: KR101179379B1

Abstract

본 발명은 수지필름을 섬유의 상하면에 입힌 후, 함침로울러 사이를 통과시켜 이 수지필름의 수지를 섬유의 상하면에 함침시키는 프리프레그 제조방법에 있어서, 수지필름 및 섬유가 함침로울러를 통과할 때, 함침로울러의 양측부의 온도를 중심부의 온도보다 낮게 제어하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법을 제공한다.

Description

일방향 프리프레그의 제조 방법 및 장치{Manufacturing method of one way prepreg and apparatus thereof}

본 발명은 일방향 프리프레의그 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유 함량이 균일한 일방향 프리그레그의 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

프리프레그(Prepreg)는 Preimpregnated Materials의 약어로 결합재(Matrix)를 강화섬유(Reinforced Fiber)에 미리 함침시킨 Sheet 형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료 입니다.

일반적으로 이러한 보강 섬유재인 프리프레그를 적용하면 경량으로써 우수한 기계적 특성, 예컨대 강도(strength), 강성도(stiffness), 내식성(corrosion resistance), 피로수명(fatigue), 내마모성(wear resistance), 내충격성(impact resistance), 경량화(weight reduction) 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 되므로 고강도와 강한 탄성이 요구되는 항공기나 자동차 부품, 스포츠, 레저 기구 및 보우트 등의 기타 여러 산업에서 널리 이용되고 있다.

이러한 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하고 있다.

강화섬유로는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합재로는 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 열가소성수지 등이 사용된다.

이 중 탄소섬유 (Carbon Fiber)는 탄소원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있는 강화섬유이다. 탄소섬유 제조전의 물질(Precursor)에 따라 PAN계와 Pitch계 탄소섬유로 구분하고 있으며, 주로 PAN계 탄소섬유가 많이 이용되고 있다.

이러한 프리프레그는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라섬유, 붕소섬유 등의 고탄성 보강재에 불포화 폴리에스터, 에폭시수지, 폴리아미드수지 등의 기지재를 균일한 함량으로 함침시켜 만든 시트(Sheet) 상의 제품을 말하며, 주로 섬유 강화 복합재료(fiber reinforced plastic)의 중간재료로써 넓게 활용되고 있다.

프리프레그는, 예를 들어, 경화제 등이 고르게 분산된 수지를 담체 위에 균일하게 코팅하고, 크릴로부터 가는 섬유가닥을 개섬하여 펼치고 배열하여 폭 방향으로 겹침과 갭이 없도록 당긴 후, 섬유가닥의 상하(한쪽면에만 투입하는 방식도 있음)면에 수지가 코팅된 이형지 담체를 투입하고 함침 공정(함침 공정에는 함침 롤러 및 Hot Plate, 냉각 Plate를 거치는 공정이 모두 포함된다)을 거쳐 권취기로 권취하여 제조한다.

이러한 종래의 프리프레그 제조방법에 있어서, 프리프레그의 편차를 균일하게 하기 위해서 수지가 섬유가닥에 함침될 때 양 말단의 섬유 함량을 증가시키거나 양측 선단부를 바(bar) 또는 로울러(roller)로 폭을 제한시키게 되는데, 이는 프리프레그의 중심부의 편차는 균일하게 하지만 양 말단은 섬유의 함량이 높아져 함량 편차가 심해지는 문제점이 있었다.

본 발명의 하나의 목적은 위와 같은 사항을 고려하여 안출된 것으로서, 섬유의 함량 편차를 균일하게 한 일방향 프리프레그 제조방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 하나의 측면은, 수지필름을 섬유의 적어도 일면에 입힌 후, 함침로울러 사이를 통과시켜 이 수지필름의 수지가 섬유에 함침되는 프리프레그 제조방법에 있어서, 수지필름 및 섬유가 함침로울러를 통과할 때, 함침로울러의 양측부의 온도를 중심부의 온도보다 낮게 제어하는 프리프레그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 함침로울러의 중심부 온도는 수지의 점도가 10~50cps(더 바람직하게는 20~30cps)가 되게 하고, 양측부의 온도는 수지의 점도가 50cps이상(더 바람직하게는 100cps이상)이 되도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 상하면에 수지필름이 입혀진 섬유를 통과시켜 이 수지필름의 수지가 섬유의 상하면에 함침되도록 하는 함침로울러를 포함하는 프리프레그 제조장치에 있어서, 상기 함침로울러는 양측부의 온도가 중심부의 온도보다 낮게 제어되는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 프리프레그 제조방법 및 장치에 따르면, 함침로울러의 양측부의 온도를 중심부의 온도보다 낮게 하여 온도에 따른 수지 점도 차이를 유도함으로써 양 말단에서의 프리프레그의 폭 변화를 제한하여 섬유함량의 변화가 없는 즉, 섬유의 함량편차가 감소된 고품질의 프리프레그를 제조할 수 있다.

그리고, 위와 같이 강화용 섬유의 함량편차를 일정하게 한 프리프레그를 이용하여 우수한 품질의 탄소재료 복합재료를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 수행하기 위한 프리프레그 제조장치를 도시한 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 제조방법을 수행하기 위한 프리프레그 제조장치는, 일측에 설치되어 프리프레그의 일 원료인 탄소섬유(100)를 공급하는 크릴(20)과, 크릴(20)로부터 공급된 탄소섬유(100)를 팽팽하게 당겨주는 인장봉(30)과, 크릴(20)의 반대편에 설치되어 제조된 프리프레그를 권취하는 권취로울러(80)와, 크릴(20)과 권취로울러(80)의 중간에 설치된 적어도 한 쌍 이상의 함침로울러(50)와, 탄소섬유(100)의 상하면에 입혀지는 수지필름(200)을 공급하는 상하 공급로울러(10)와, 탄소섬유(100)의 상면에 입혀있던 수지필름(200)을 회수하는 회수로울러(60)를 포함한다. 이때 수지필름(200)은 탄소섬유(100)는 상면 또는 하면 중 일측에만 입혀질 수도 있다.

이때, 함침로울러(50)의 앞부분에는 수지필름(200)이 입혀진 탄소섬유(100)를 1차로 가열시키는 가열판(40)이 설치된다.

함침로울러(50)는 탄소섬유(100)에 수지필름(200)을 가열 가압으로 함침시키는 것으로서, 복수개가 상하로 대향되게 설치되며, 이 함침로울러(50)와 권취로울러(80)의 사이에 이형지(300)를 공급하는 이형지로울러(70)가 설치된다.

이러한 제조장치를 이용하여 프리프레그를 제조하는 방법을 살펴보면, 먼저 경화제와 완전히 혼합하여 분산된 수지를 담체 위에 균일하게 일정량을 코팅하여 수지필름(200)으로 형성한 후 상하 공급로울러(10)에 각각 구비하고, 이와는 별도로 탄소섬유(100)를 가는 섬유가닥으로 일정 폭 배열하여 크릴(20)에 구비한다.

이후, 크릴(20)에 감겨있는 탄소섬유(100)를 인장봉(30)으로 겹침과 갭이 없도록 당기면서 함침로울러(50) 측으로 공급하여 이 탄소섬유(100)의 상하면에 공급로울러(10)를 통해 공급된 수지필름(200)을 입히게 된다.

이후, 탄소섬유(100)와 수지필름(200)은 가열판(40)과 함침로울러(50) 사이로 순차적으로 지나가게 되고, 이때 가열판(40)과 함침로울러(50)가 가열 및 가압을 시켜 수지필름(200)의 수지를 탄소섬유(100)의 상하면에 함침시키는 것이다.

위와 같이 탄소섬유(100)에 수지의 함침이 완료되면 탄소섬유(100)는 프리프레그로 제조되어 권취로울러(80)에 권취되고, 탄소섬유(100)의 상면에 입혀져 있던 수지필름(200)은 수지를 탄소섬유(100)에 함침시킨 후 별도로 분리되어 회수로울러(60)로 회수되고, 하면에 얹혀지는 수지필름(200)은 제조된 프리프레그와 함께 권취된다.

그리고, 제조된 프리프레그가 권취로울러(80)에 권취되기 직전에 이 프리프레그가 권취로울러(80)에서 서로 부착되는 것을 방지하기 위해 이형지로울러(70)에서 공급된 바람직하게 필름형태로 된 이형지(300)가 프리프레그의 상측에 입혀지게 된다.

한편, 탄소섬유(100)에 수지를 함침할 때 공급된 수지필름(200)은 함침로울러(50)의 고온/고압 하에서 유동성을 띄게 되는데 함침되는 중심부는 탄소섬유 끼리 서로 막아주는 역할을 하게 되어 프리프레그의 폭의 변화가 적은 반면, 함침되는 양 말단에서는 이 폭 변화를 제한하는 힘이 없게 되어 편차가 크게 발생할 수 있다.

이에 공급로울러(10)를 통해 공급된 수지필름(200) 및 탄소섬유(100)가 함침로울러(50)를 통과할 때, 함침로울러(50)의 온도 구배를 두어 온도에 따른 수지의 점도 차이를 통해 수지의 흐름성을 제어함으로써 탄소섬유(100)의 함량 편차가 감소되도록 한다.

즉, 함침로울러(50)의 양측부의 온도를 중심부의 온도보다 낮게 하여 온도에 따른 수지의 점도차이를 유도하는 것이다. 이때, 상기 함침로울러의 중심부 온도는 수지의 점도가 10~50cps, 더 바람직하게는 20~30cps가 되게 하고, 양측부의 온도는 수지의 점도가 50cps이상, 더바람직하게는 100cps이상이 되도록 함이 바람직하다.

본 실시 형태에서는 섬유를 탄소섬유를 사용하였으나, 이외에 경우에 따라 유리섬유, 케블라섬유, 붕소섬유 등 다양한 종류가 사용될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예들에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 ; 공급로울러 20 ; 크릴
30 ; 인장봉 40 ; 가열판
50 ; 함침로울러 60 ; 회수로울러
70 ; 이형지로울러 80 ; 권취로울러
100 ; 탄소섬유 200 ; 수지필름
300 ; 이형지

Claims

수지필름을 섬유의 상하면에 입힌 후, 함침로울러 사이를 통과시켜 이 수지필름의 수지를 섬유의 상하면에 함침시키는 프리프레그 제조방법에 있어서,
수지필름 및 섬유가 함침로울러를 통과할 때, 함침로울러의 양측부의 온도를 중심부의 온도보다 낮게 제어하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 함침로울러의 중심부 온도는 수지의 점도가 10~50cps가 되게 하고, 양측부의 온도는 수지의 점도가 50cps이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 함침로울러의 중심부 온도는 수지의 점도가 20~30cps가 되게 하고, 양측부의 온도는 수지의 점도가 100cps이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 케블라섬유, 붕소섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
상하면에 수지필름이 입혀진 섬유를 통과시켜 이 수지필름의 수지가 섬유의 상하면에 함침되도록 하는 함침로울러를 포함하는 프리프레그 제조장치에 있어서,
상기 함침로울러는 양측부의 온도가 중심부의 온도보다 낮게 제어되는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 함침로울러는, 중심부의 온도는 수지의 점도가 10~50cps가 되게 하고, 양측부의 온도는 수지의 점도가 50cps이상이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 케블라섬유, 붕소섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조장치.