KR20120111132A - Curing process of pressure or vacuum for pressure vessel of wet filament winding - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소섬유/미경화 수지를 이용한 복합재료 압력용기 제작에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필라멘트 와인딩 공법으로 적층된 것을 경화 공정 중에 탄소섬유/미경화 수지 쏠림 방지하고자 섬유/미경화 수지 구조물을 회전하면서 열을 공급과 함께 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 압력을 가할 수 있도록 하였다. 이에 따라 완성된 압력용기 내부에 공기층을 최소화하고 고온에서 수지의 산화를 방지 시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the production of a composite pressure vessel using a carbon fiber / uncured resin, and more particularly to a fiber / uncured resin structure to prevent the carbon fiber / uncured resin from being pulled during the curing process, which is laminated by a filament winding method. While rotating, heat was allowed to apply pressure in a vacuum or inert gas atmosphere with the supply. Accordingly, the present invention relates to a method of minimizing the air layer inside the completed pressure vessel and preventing oxidation of the resin at a high temperature.
통상의 습식 필라멘트 와인딩 공정 작업은 섬유를 수지에 함침하면서 회전하는 멘드릴(mandrel; 10) 위에 규칙적으로 적층하여 설계된 두께에 도달시킴으로서 완료한다. 상기 적층된 섬유/열경화성 미경화 수지(12)와 멘드릴(10), 맨드렐 회전축(23)을 오븐에 투입한 후 적절한 온도를 유지시켜 미경화 수지를 경화시킨다. 상기 경화 공정 중에는 온도 상승에 의한 미경화 수지의 점도가 낮아짐에 따라 아래로 수지가 쏠림을 방지 하고자 섬유/미경화 수지(12)는 계속적 회전시켜야 한다. 이렇게 미경화 수지의 경화가 완료된 성형품에서 멘드릴(10)을 분리 제거하여 섬유/수지(12)의 고압 파이프, 압력용기 등이 제작 된다.A typical wet filament winding process operation is completed by regularly laminating fibers onto a rotating
지금까지의 습식 필라멘트 와인딩 공정으로 제작된 압력용기는 경화 공정에서 연속적 회전을 요구되어 필라멘트 와인딩 적층 공정 중 들어간 공기층이 온도상승에 의한 미경화 수지의 점도 하강으로 움직여 공기층끼리 서로 합체되게 되며, 이로 인해 일정면적의 공기층이 있는 층간 박리가 생긴다. 압력 용기 내에 공기층에 의한 층간분리는 섬유/수지 압력용기의 기계적 성능 저하를 유발한다. 또한, 고온(200℃ 이상)에서 경화 공정에 따라 수지는 오븐 내의 산소와 반응하여 수지 자체 기계적 열적 성능 저하가 유발되고 이것은 곧 복합재 압력용기의 기계적 열적 성능의 저하되는 문제점이 발생하게 된다.Pressure vessels manufactured by the wet filament winding process up to now require continuous rotation in the curing process, and the air layers entered during the filament winding lamination process move to the viscosity drop of the uncured resin due to the temperature rise, and thus the air layers are coalesced with each other. Delamination occurs with a certain area of air layer. Delamination by the air layer in the pressure vessel causes a decrease in the mechanical performance of the fiber / resin pressure vessel. In addition, the resin reacts with oxygen in the oven at a high temperature (200 ° C. or higher) to cause a decrease in the mechanical and thermal performance of the resin itself, which causes a problem in that the mechanical and thermal performance of the composite pressure vessel is degraded.
섬유/미경화 수지를 이용한 필라멘트 와인딩 공법으로 적층된 반제품에 대해서 경화 공정 중 회전하면서 열의 공급과 함께 진공, 압력을 가할 수 있다. 이는 완성된 압력용기 내부의 공기층을 최소화 하고, 아울러 내열수지가 사용되는 경우에 내열수지 경화 중 발생되는 휘발분을 불활성 기체의 압력을 통해 억제하고, 고온 경화에서 내열 수지의 산화를 방지 시키는 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 열원 공급 장치에서 발생된 열이 외부 하우징을 통해 섬유/미경화 수지에 공급되어 제품 및 적은 공간에만 열 공급이 필요하게 되므로 에너지를 절약하는데 그 목적이 있다The semi-finished products laminated by the filament winding method using fiber / uncured resin can be subjected to vacuum and pressure along with heat supply while rotating during the curing process. This minimizes the air layer inside the completed pressure vessel, and also prevents the volatiles generated during the heat-resistant resin hardening through the pressure of inert gas when the heat-resistant resin is used, and prevents the oxidation of the heat-resistant resin at high temperature hardening. It has an effect. In addition, the heat generated from the heat source supply device is supplied to the fiber / uncured resin through the outer housing is required to supply heat only to the product and a small space is to save energy
본 발명은 필라멘트 와인딩 공법으로 제작되는 섬유/미경화 수지 성형에 있어서, 맨드렐 축에 각각의 외부 하우징을 적용하였다. 상기 조립품을 일반 선반에 설치 고정하고 외부 하우징에는 무기질 오일 순환 연결 라인을 설치시킨다. 외부 하우징 외면 전체를 경화 공정 중에 외부로 열손실 차단을 위해서 단열 섬유로 씌운다. 경화 공정 중에 섬유/미경화 수지와 연결된 맨드렐 축은 회전하지만 하우징는 고정상태로 있도록 하였다. 따라서, 정지된 외부 하우징을 통한 열 공급과 내부에 손쉽게 진공 또는 압력 가함과 함께 온도 측정을 할 수 있었다.The present invention applies each outer housing to the mandrel shaft in the fiber / uncured resin molding produced by the filament winding method. The assembly is installed and fixed on a general shelf and a mineral oil circulation connection line is installed on the outer housing. The entire outer surface of the outer housing is covered with insulating fibers to prevent heat loss to the outside during the curing process. During the curing process, the mandrel axis connected with the fiber / uncured resin was rotated but the housing was held stationary. Thus, it was possible to measure the temperature with a heat supply through the stationary outer housing and an easy vacuum or pressure application therein.
탄소섬유/미경화 수지를 이용한 필라멘트 와인딩 공법으로 적층된 것을 미경화 수지 쏠림 방지하고자 섬유/미경화 수지 구조물의 외부에 하우징을 설치하여 경화 공정 중에 열을 공급과 함께 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 압력을 가할 수 있도록 하였다. 이에 따라 완성된 압력용기 내부에 층간분리를 최소화함은 물론, 고온에서 수지의 산화를 방지할 수 있었다.The filament winding method using carbon fiber / uncured resin is installed on the exterior of the fiber / uncured resin structure to prevent the uncured resin from tipping, so that pressure is applied in a vacuum or inert gas atmosphere together with heat supply during the curing process. It could be added. Accordingly, it was possible to minimize the delamination inside the completed pressure vessel, as well as to prevent the oxidation of the resin at a high temperature.
도 1은 본 발명에 사용되는 복합재료 압력용기 형태를 섬유/수지로 제작하기 위한 경화 공법의 예를 나타내는 개략도Figure 1 is a schematic diagram showing an example of a curing method for producing a composite pressure vessel form used in the present invention fiber / resin
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 멘드릴(10)은 회전축(23)에 조립되고, 멘드릴(10)의 외면에는 미가황된 고무(11)를 적층한다. 이어서 필라멘트 와인딩 공정으로 별도 보관된 섬유를 미경화 수지를 함침시키고 섬유/미경화 수지(12)를 권선하듯이 회전축(23)을 회전시켜 가며 고무층(11)의 외면에 적절한 두께로 적층한다. 이어서 맨드렐 축(23)에 각각의 외부 하우징(40a, 40b)을 조립하고 외부 하우징(40a, 40b) 사이에 조립 연결 고정은 볼트(49)가 이용되고 외부 하우징 사이에 조립부위의 기밀은 일반 오링(41)이 적용하였다. 상기 조립품을 일반 선반(61, 62)에 설치 고정하고 외부 하우징(40a)에는 무기질 오일 순환 연결 라인(51)을 설치시킨다. 외부 하우징(40a, 40b) 외면 전체를 경화 공정 중에 외부로 열손실 차단을 위해서 고온에서도 물성 저하가 없는 무기질 단열 섬유(47)로 씌운다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. The
미경화 수지의 경화 공정에서는 맨드렐 축(23)과 기계적으로 연결된 맨드렐(10), 고무층(11) 및 섬유/미경화 수지(12)은 회전하지만 하우징(40a, 40b)는 고정 상태로 있도록 하였다. 따라서, 정지된 하우징(40a, 40b)에 진공 라인(32), 압력 라인(31) 및 열전대(66)가 쉽게 설치 될 수 있었다. 회전하는 맨드렐 축(23)과 고정된 하우징(40a, 40b) 사이에 기밀 유지는 회전체 기밀성능이 우수한 쿼드링(Quad Ring, 42)이며 재료는 고온에서 물성 저하가 적은 테프론 계열을 사용하였다. 하우징(40a, 40b) 회전 방지는 바닥에 고정된 앵커와 하우징(40a, 40b) 사이를 금속선으로 연결 고정하였다.In the curing process of the uncured resin, the
상기와 같이 준비된 조건에서 아래와 같은 절차에 따라 섬유/미경화 수지의 경화 공정을 수행한다. 설정된 온도 주기에 따라 섬유/미경화 수지에 온도를 유지시키기 위해서 무기질 오일 통(71)에 열원(73)을 가동시키서 무기질 오일(72)을 원하는 온도를 맞추고 외부 하우징(40a) 내부 공간을 연속적으로 순환 시킨다. 이에 따라 하우징(40a)은 오일 온도에 도달되고 열기는 외부 단열재에 의해 외부로 열전달 차단되고 내부로만 열전달 되게 되어서 섬유/수지가 원하는 온도에 도달 하게 된다. 이때 온도 상승에 의한 미경화 수지의 점도 값은 현저히 저하하게 된다. 따라서 수지가 중력 방향으로 쏠림이 발생되는 것을 방지 하고자 일반 선반 척(61) 회전에 의해서 맨드렐 축(23)은 회전시켜 미경화 수지가 중력 방향으로 쏠림을 방지 하였다. 설정된 온도 주기의 초기에는 온도 상승에 따른 미경화 수지의 점도 하강으로 섬유/수지층(12) 내에 공기 층들이 수지와 함께 움직임이 발생된다. 이때 하우징(40a, 40b)와 섬유/미경화 수지 사이에 공간에 진공을 가함에 따라 섬유/미경화 수지 층내에 있던 공기층이 커지게 되어서 쉽게 섬유/미경화 수지 표면층으로 제거가 가능해 진다. 이어서 진공으로 제거 못한 잔량 미세 공기층을 최소화시키기 위해서 진공을 유지시킨 공간에 가압 공기(3kg/㎠ 이상) 공급한다. 가압 공기를 가해지는 시점은 미경화 수지의 점도가 낮아서 흐름성이 있을 때 실행된다. 섬유/미경화 수지 층 사이에 존재하는 공기층은 가압 압력에 의해 공기층의 부피가 가압 압력에 반비례해서 줄어들게 된다. 아울러 가압 압력은 미경화 수지가 반응 중에 휘발분이 발생하는 것을 억제시키는 효과도 있다.Under the conditions prepared as above, a curing process of the fiber / uncured resin is performed according to the following procedure. In order to maintain the temperature in the fiber / uncured resin according to the set temperature cycle, the
섬유/수지 압력용기의 고온 사용 분위기에서 기계적, 열적 물성 저하가 없는 것이 요구되는 경우에는 내열 수지 (Tg 200℃ 이상)가 사용된다. 내열 수지가 적용되는 압력용기 제작 공법은 기존 일반 수지의 필라멘트 와인딩 공법과 동일하게 제작된다. 그러나 내열수지는 높은 내열성을 갖기 위해서는 높은 온도(200℃ 이상)에서 경화 시켜야 한다. 아울러 경화 공정에서 다량의 휘발분이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하고자 상기와 동일한 치구를 사용 할 수 있다. 그러나 고온 경화(200℃ 이상) 조건에서는 고온 분위기 공기 중 산소와 내열 수지가 산화 반응하게 되어서 경화된 내열 수지의 기계적, 열적 물성이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서 가압 시키는 기체로 공기가 아닌 불활성 기체를 적용하여 고온 경화(200℃ 이상) 에서도 내열 수지와의 산화반응을 차단하였다. 아울러, 내열수지의 경화 중에 다량 발생하는 반응 부산물을 억제하기 위해서 불활성 기체 가압 압력은 최소 20kg/㎠ 이상 유지되도록 하였다. 따라서 내열수지로 제작된 섬유/내열수지 압력용기 내부에 층간분리의 최소화가 이루어 질수 있다.Heat resistance resins (Tg 200 ° C. or more) are used when it is desired that there is no mechanical and thermal deterioration in the high temperature atmosphere of the fiber / resin pressure vessel. Pressure vessel manufacturing method to which the heat-resistant resin is applied is manufactured in the same way as the filament winding method of the existing general resin. However, heat-resistant resin should be cured at high temperature (over 200 ℃) in order to have high heat resistance. In addition, a large amount of volatile matter is generated in the curing process. To solve this problem, the same jig can be used. However, under high temperature curing conditions (200 ° C. or more), oxygen and heat-resistant resins in the high-temperature atmosphere air are oxidized to cause mechanical and thermal properties of the cured heat-resistant resins to deteriorate. Therefore, by applying an inert gas instead of air as the gas to pressurized to block the oxidation reaction with the heat-resistant resin even at high temperature curing (200 ℃ or more). In addition, in order to suppress the reaction by-products generated during the curing of the heat-resistant resin, the inert gas pressurization pressure was maintained at least 20 kg / cm 2 or more. Therefore, minimization of delamination can be achieved in the fiber / heat-resistance pressure vessel made of heat-resistant resin.
기존의 경화 방법은 섬유/수지 압력용기 제품에 국한해서 열을 공급하는 것이 불가능하고 제품보다 수십-수백배 큰 공간인 오븐 자체를 열원에 의해 압력용기 제품과 같은 온도를 올려주어야 하므로 에너지 낭비가 유발되었다. 그러나, 본 특허와 같은 장치에서는 열원(73)에 의해서 열원공급장치(71)내에 더워진 무기질 오일(72)이 외부 하우징(40a)을 통해 섬유/수지(12), 맨드렐 축(23), 맨드렐(10) 및 외부 하우징(40a, 40b)등 최소한의 공간에만 열을 공급하면 되어 에너지를 절약함과 동시에 별도 오븐 시설이 불필요하게 된다.Existing curing method is limited to fiber / resin pressure vessel products, and it is impossible to supply heat, and energy waste is caused because the oven itself, which is tens or hundreds of times larger than the product, must raise the same temperature as the pressure vessel products by heat source. It became. However, in the apparatus such as the present patent, the
10: 맨드렐 47: 무기질 섬유 단열재
11: 고무층 49: 볼트
12: 탄소섬유/열경화성 수지 50: 무기질 오일
23: 회전축 51: 고온 오일 호스
31: 가압 라인 52: 고온 오일 밸브
32: 진공 라인 53: 오일 펌프
40a, 40b: 외부 하우징 61: 선반 척
41: 오링 62: 선반 심압대
42: 퀴드링 66: 열전대
43: 진공 밸브 71: 무기질 오일 보관 통
45: 진공/압력 게이지 73: 열원
75: 열원 제어부10: mandrel 47: inorganic fiber insulation
11: rubber layer 49: bolt
12: carbon fiber / thermosetting resin 50: mineral oil
23: rotating shaft 51: high temperature oil hose
31: pressurized line 52: high temperature oil valve
32: vacuum line 53: oil pump
40a, 40b: outer housing 61: lathe chuck
41: O-ring 62: shelf tailstock
42: quid ring 66: thermocouple
43: vacuum valve 71: mineral oil reservoir
45: vacuum / pressure gauge 73: heat source
75: heat source control unit
Claims (4)
하우징(40a, 40b)와 섬유/미경화 수지 사이에 밀폐 공간에 진공을 가하여 섬유/미경화 수지 층내에 공기층을 외부로 이동시켜 제거한 후, 잔량 미세 공기층을 최소화시키기 위해서 진공을 유지시킨 공간에 가압 공기(3kg/㎠ 이상)를 공급하며, 가압 공기를 가하는 시점은 미경화 수지의 점도가 낮아서 흐름성이 있을 때 실행된다.The method of claim 1,
A vacuum is applied to the enclosed space between the housings 40a and 40b and the fiber / uncured resin to remove and remove the air layer in the fiber / uncured resin layer, and then pressurizes to the space where the vacuum is maintained to minimize the remaining fine air layer. Air (3 kg / cm 2 or more) is supplied, and the time point at which pressurized air is applied is performed when the viscosity of the uncured resin is low and flowable.
높은 온도(200℃ 이상)에서 경화 시켜야 하는 경우에 가압 시키는 기체가 공기가 아닌 불활성 기체를 적용하여 고온 경화(200℃ 이상) 에서도 수지와의 산화반응을 차단한다.The method of claim 1,
When hardening at high temperature (over 200 ℃), pressurized gas is applied to inert gas instead of air to block oxidation reaction with resin even at high temperature curing (over 200 ℃).
고온의 오일 순환 없이 별도 오븐에서 고온 공기에 노출을 통해서도 섬유/미경화 수지에 열을 공급한다.The method of claim 1,
Heat is also supplied to the fiber / uncured resin by exposure to hot air in a separate oven without hot oil circulation.
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- 2011-03-31 KR KR1020110029455A patent/KR20120111132A/en not_active Application Discontinuation
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