KR20120115665A - 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수지 함침 섬유 복합재료로 이루어진 전주나 풍력발전 타워 등의 중공형 구조재에 관한 것이다.
본 발명에서는 중공 복합재료 구조재의 성형시 보강섬유가 위치한 몰드 내로 주입된 수지의 내주면 전체 영역에 걸쳐 시트상의 유연 몰드를 통해서 점증적인 압력이 가해지도록 하는 한편 몰드를 회전시켜 보강섬유를 재정돈함으로써 원활한 수지의 함침이 이루어지도록 함에 기술적 특징을 두고 있다.
본 발명의 복합재료 구조재는 내면에 유연몰드가 일체로 융착 또는 부착되어 매끄러운 내부 표면을 확보할 수 있음과 아울러 그 내부 표면에 의해 수분의 침투가 방지됨으로써 제품의 내구성 향상을 도모할 수 있다.

Description

점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재 및 그 제조 방법{Hollow composite structural articles formed by incremental pressure assisted resin transfer molding and method for making the same}

본 발명은 수지 함침 섬유 복합재료로 이루어진 전주나 풍력발전 타워 또는 상,하수관 등의 대형의 중공 구조재에 관한 것으로, 특히 구조재의 성형시 보강섬유가 위치한 몰드 내로 주입된 수지의 내주면 전체 영역에 걸쳐 있는 고분자 플라스틱 필름(film)이나 시트(sheet) 상의 유연몰드를 통해서 점증적인 압력이 가해지도록 하여 수지의 원활한 함침이 이루어지도록 한 중공 복합재료 구조재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 전주로 대표되는 길이가 긴 중공형 복합재료 성형물의 제조방법으로는 인발법(pultrusion process), 필라멘트 와인딩법(filament winding process) 및 원심주조법(centrifugal casting process)이 알려져 있다.

먼저, 인발법은 연속 보강섬유에 수지를 함침시켜 단면이 일정한 형상의 가열된 다이(die)를 통과시켜 성형하는 방법으로, 자동화 및 대량생산에 유리함과 아울러 길이방향을 따라 단면이 일정한 파이프 형상의 제품에 적합하다. 그러나, 인발법에서는 제품 단면의 변화가 어렵고 보강섬유도 주로 길이방향으로 정렬되어 취약한 후프 응력(hoop stress)를 나타내기 때문에 길이방향을 따라 직경을 달리하는 테이퍼상의 전주나 타워의 제조방법으로는 적합하지 않다.

다음, 필라멘트 와인딩법은 완제품의 내주면 형상과 일치하는 외주면을 갖는 맨드렐의 표면부에 수지통을 통과시킨 보강섬유를 권회시키는 방식으로서, 테이퍼를 갖는 전주 등의 제품 생산에 주로 이용되고 있다. 필라멘트 와인딩법에서는 보강섬유의 권회각(helical degree) 조절을 통해서 주어진 범위 내에서 최적의 강도가 유지되도록 하게 되나, 그러한 권회각도는 일정 범위 내로 제한될 수밖에 없기 때문에 완성제품에서 요구되는 품질특성으로서의 굽힘하중에 저항할 수 있을 정도의 고강도를 유지하기 위해서는 필요 이상의 원료 소모가 불가피하게 된다.

또한, 필라멘트 와인딩법은 개방형 몰드를 사용하기 때문에 수지의 소모가 많고 휘발성 유기화합물(VOC)가 대기 중에 그대로 방출되어 환경문제를 초래하는 문제점이 있다. 이에 더하여, 상기 방법에서는 수지의 점성을 고려하여 권회공정 중에 원심력에 의해 수지가 비산되지 않을 정도의 권회속도를 유지하여야 함에 따른 생산효율의 저하라는 단점도 아울러 지적되고 있다.

한편, 원심주조법은 보강섬유가 권회된 맨드렐을 몰드에 장입하고, 이를 원심주조기에 장착하여 회전상태에서 몰드 내부로 수지를 주입함으로써 원심력에 의해 섬유와 수지의 일체화가 이루어지도록 하는 방식이다. 이와 같은 원심주조법에서는 테이퍼를 갖는 제품의 경우에는 길이방향 반경 변화로 인한 원심력의 차이로 수지의 쏠림현상이 초래되어 보강섬유에 수지를 원활하게 함침시키기 어려울 뿐만 아니라, 비교적 낮은 섬유체적율(fiber volume fraction)를 갖게 되어 고강도와 고강성의 실현이 어렵게 되어 고하중을 받는 구조재의 제조 방법으로는 적합하지 못한 것으로 지적되고 있다.

상기 종래의 필라멘트 와인딩법과 원심주조법에서 지적되고 있는 문제점들을 감안하여 본원인이 개발한 "공기압을 이용한 섬유강화 플라스틱재 전신주 및 그 제조방법"이 특허 제852682호에 개시되고 있다.

상기 본원인의 선등록 특허에서는 공기압을 이용하여 중공 구조재로 이루어진 섬유강화플라스틱재 전신주를 성형함에 있어서, 보강섬유가 권회된 상태로 몰드에 장입되는 맨드렐의 중공부에 튜브재를 삽입하고, 맨드렐을 몰드에서 이탈시킨 후 튜브재는 그대로 남겨두고, 상기 튜브재에 공기를 주입하여 팽창시킴으로써 수지의 내주면을 압착하도록 하는 데에 기술적 특징을 두고 있다.

상기 특허에서는 튜브재의 팽창에 의한 내주면 압착이 더해짐으로써 몰드와 튜브재 사이의 보강섬유로 주입된 수지의 보다 치밀한 함침이 이루어지게 되어 섬유체적율의 개선효과에 따른 보다 증대된 강도와 강성을 지닌 구조재를 제작할 수 있다는 장점이 기대되고 있다.

그런데, 상기 특허에서의 이러한 장점들은 어디까지나 튜브재가 제대로 역할을 수행하는 것을 전제로 할 때에 비로서 발현되는 것인바, 문제는 튜브재가 그와 같은 기능을 제대로 수행하도록 하는 데에는 아래와 같은 어려움이 있다는 데 있다.

먼저, 튜브재는 신축성이 있는 고분자수지 필름이나 시트로 제작되는데, 그 형상은 팽창시에 몰드의 내주면 형상과 정확하게 일치하여야할 것이 요구된다. 그러나, 튜브재를 몰드의 내주면 형상에 정확히 맞추어 제작하는 것은 사실상 불가능하다. 그리고, 튜브재는 공기주입에 의한 팽창시 길이방향의 몸체부와 양측단 커버부분에서 팽창 방향이 틀리고, 이로 인해서 가열경화시 열팽창 정도에 차이가 발생하는 이음부에서 파열의 빈도가 특히 높게 된다. 또한, 필름형 튜브재는 열에 의한 성능의 열화로 인해서 재사용이 불가능하여 폐기물의 발생이 불가피하며, 시트형 튜브재의 경우 수회 정도의 재사용은 가능하나 이 역시 폐기물의 발생을 피할 수는 없다.

본 발명은 상기 종래의 중공형 구조재 제조방법에서 제기되는 제반 단점과 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 폐쇄형 몰드를 이용한 중공형 구조재를 성형함에 있어서 몰드의 내부벽에 보강섬유를 위치시키고 고분자 플라스틱 필름이나 시트로 이루어진 유연몰드가 보강섬유의 내주면 영역 전체에 밀착되도록 몰드 내부로 공기를 주입한 상태에서 상기 몰드의 내벽과 유연몰드 사이로 수지를 주입한 다음 몰드 내부의 공기압을 점증적으로 증가시켜 유연몰드를 통해 주입수지에 가해지는 압착력의 변화를 유도하여 보강섬유 내로 수지의 함침이 원활하게 이루어지도록 한 점증 압력 수지 성형에 의한 중공 복합재료 구조재 및 그 제조방법을 제공하는 데 발명의 목적을 두고 있다.

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 중공 복합재료 구조재 제조방법은 다음과 같다.

본 발명의 제조방법은, 완성제품의 형상과 일치하는 형태의 맨드렐 외면에 보강섬유직물을 권회하는 공정; 맨드렐의 중공부 내로 유연몰드와 에어자켓을 삽입하는 공정; 맨드렐을 회전기 상에 장착된 몰드 내부에 장입하는 공정; 회전기 구동에 의한 몰드의 회전으로 보강섬유가 몰드 내벽에 정렬되도록 하는 1차 성형과 아울러 맨드렐을 몰드로부터 이탈시키는 공정; 유연몰드의 양측 단부를 몰드에 고정시키고 에어자켓을 몰드로부터 이탈시키는 공정; 몰드의 양측부에 밀폐용 커버를 체결하여 몰드 내부를 밀폐시키고 몰드의 일측으로부터 몰드 내부로 공기를 주입하는 공정; 몰드의 길이방향을 따라 구비된 다수 개의 에어벤트를 통해 몰드 내벽과 유연몰드 사이의 공간이 진공상태로 되도록 하는 공정; 몰드의 길이방향을 따라 구비된 다수개의 수지 주입구를 통해 상기 진공상태의 몰드 내부 영역으로 수지를 주입하는 공정; 수지의 주입 완료후 몰드의 일측으로부터 몰드 내부로 시차를 두고 점증적으로 압력이 증가되도록 단계적으로 공기를 주입하여 유연몰드를 통해 주입 수지로 점증 압력이 가해지도록 하는 공정; 몰드 내부의 압력을 낮추고 회전기를 통해 저속으로 회전시켜 보강 섬유의 재배열이 이루어지도록 하는 공정; 몰드 내부의 압력을 높여 수지 여유분과 에어 트랩을 에어벤트를 통해 배출시키는 공정; 경화로에서의 주입 수지의 고온경화가 이루어지도록 하는 공정을 포함하여 이루어진다.

상기의 본 발명 제조방법을 통해 제조되는 중공 복합재료 구조재는 내벽에 유연몰드가 일체로 융착 또는 부착되어 매끄러운 내면층을 형성하며, 보강섬유와 그 주위의 수지 사이에는 성형공정 중에 가해지는 유연몰드를 통한 점증 압력에 의해서 원활한 수지의 함침이 이루어짐에 기인하여 70% 이상의 높은 섬유체적율을 나타낸다.

본 발명의 일차적인 기술적 특징은 내부가 밀폐된 상태로 회전가능하게 설치된 몰드의 원통형 내벽면에 대하여 유연몰드가 균일한 압력을 점증적으로 가하도록 함으로써 보강섬유의 주위로 주입된 수지의 함침이 원활하게 이루어지도록 한 데에 있다.

이때, 상기 유연몰드가 몰드 내부의 보강섬유 배면에 위치하도록 하기 위한 운반수단으로서 에어자켓이 사용되는 바, 이때 사용되는 에어자켓은 유연몰드를 일시적으로 소정의 위치에 위치시키도록 하는 역할만을 수행하는 것으로서, 앞서 언급된 바의 본인의 선등록 특허에서의 튜브재와는 아래의 점에서 기술적 차이점을 보인다.

상기 선등록 특허에서의 튜브재는 그 자체가 공기 주입에 의한 팽창으로 몰드 내부의 주입수지 내면에 직접 접촉하여 수지에 대하여 압력을 가함에 따라 팽창상태의 튜브재 외주면 형상이 완성제품의 내주면을 형성하는 일종의 몰드로 작용하게 되나, 본 발명에서의 에어자켓은 유연몰드를 몰드 내부의 보강섬유 배면에 위치시키기 위한 운반 및 고정체로서의 역할을 하고 나서 몰드로부터 이탈되기 때문에 상기 선등록 특허에서의 튜브재와는 그 기능을 달리하고 있다.

즉, 본 발명에서는 주입 수지에 대하여 직접적인 압력을 가함과 아울러 완성제품의 내면을 형성하는 부재는 에어자켓이 아닌 유연몰드라는 점에서 선등록 특허와 차이가 있다. 이와 같이, 본 발명의 에어자켓은 단순히 유연몰드의 운반 및 고정체 역할만을 하기 때문에 선등록 특허에서의 튜브재와 같이 그 형상에 대한 정밀성을 요하지 않음은 물론 상대적으로 저압이 작용되기 때문에 재질특성이 우수한 고가의 시트나 필름의 사용을 필요로 하지도 않는다.

본 발명의 방법에서 유연몰드를 통해 주입 수지에 가해지는 압력의 변화를 통한 수지의 함침효율 증대 매커니즘을 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 섬유강화 복합재료는 보강섬유가 기지재료에 비해 우수한 물리적 특성을 지니고 있기 때문에 섬유함유율이 높을수록 바람직하다. 그러나 섬유함유율이 증가하면 섬유 사이의 미세관로(micro-channel)는 감소하여 수지가 섬유 사이로 채워지는 것이 어렵게 된다. 한편, 미세관로를 보상하기 위하여 높은 주입압력을 가하게 되면 파이버 와쉬(fiber wash) 현상이 발생할 수 있다. 이러한 파이버 와쉬는 압력구배가 충분히 커서 보강섬유를 원하는 위치 또는 방향으로 밀어낼 때 발생하게 되며, 그 결과로 최종 성형 제품에 불완전한 부분을 남기게 된다.

본 발명에서는 이러한 파이버 와쉬를 제거하기 위한 방편으로 수지 주입 후 유연몰드를 통해 고압을 작용시킴과 아울러 몰드 전체를 회전기에서 적절한 회전수로 회전시킴으로써 보강섬유를 재정돈시켜 파이버 와쉬를 근원적으로 제거하는 한편 고압에 의한 주입시간을 현저하게 단축시키고 있다.

한편, 주입된 수지가 최소 저항의 경로를 따를 때 흐름전선(flow fronts)이 건조부분 주위에서 정지하는 경우라면, 높은 섬유밀도와 낮은 섬유밀도 사이에서, 주입 발생하는 공간적으로 불균일한 흐름전선은 미소 공간과 기공을 증가시킬 수 있다.

통상적으로 파이버 와쉬를 피하기 위해 주입압력을 감소시키면서 신속한 주입을 위해 다중 주입구를 사용하게 되는데, 이와 같이 다중 주입구를 통해서 수지의 주입이 이루어지게 되면 다중 흐름전선이 발생하게 되고, 그에 따라 공기의 포집이 증가되어 기공이나 동공의 형성이 심해지게 된다.

본 발명에서는 상기와 같은 다중 주입에 따른 문제점을 제거하기 위하여, 수지 주입 전에 몰드를 진공상태로 유지시킨 후 고압력으로 수지를 주입한다. 주입된 수지는 초기에 주입구 근방에서 파이버 와쉬를 형성하면서 보강섬유와 몰드 사이로 빠르게 전달된다. 인접하는 주입구 사이에서 흐름전선의 합류가 이루어지면 주입압력을 1기압 정도로 증가시킨다.

이에 따라 기 형성된 파이버 와쉬가 소실되면서 수지는 더욱 빠르게 전체 보강섬유와 몰드 사이로 전달된다. 이후 압력을 증가시키게 되면 수지의 이동이 면내 이동에서 두께 방향으로 바뀌게 되어 신속한 수지의 함침이 가능하게 된다.

본 발명에서는 수지의 두께방향 이동에서도 더욱 신속한 수지의 함침이 이루어지도록 하기 위해 두께방향 수지 투과속도를 결정하는 아래의 다르시의 법칙 (Darcy's Law)에서 압력조절(ΔP)과 이로 인한 κ의 조절에 의하여 2변수 제어를 적절히 함으로써 두께방향 수지함침을 신속하고 완전하게 한다.

여기서, q는 보강수지를 통과하는 수지량

κ는 보강섬유의 유체 투과계수

μ는 수지 점성

ΔP는 압력구배

통상적인 수지 주입방법에서는 κ를 상수로 보고 오직 수지 주입압력 ΔP만에 의존한다. κ는 투과계수로서 물질 고유상수이지만 본 발명에서는 보강섬유의 투과계수를 유연몰드를 통한 압력조절로 조절할 수 있게 한다. 즉, 적층된 보강섬유에 압력이 가해지지 않으면 보강섬유 사이가 넓어져서 κ가 증가하고, 압력이 증가함에 따라 보강섬유 사이가 좁아져서 κ가 감소하게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 1기압의 압력 증감속도를 ΔP=±1기압/30sec 내외로 유지함으로써 유연몰드를 통한 압력 조절로 상수인 κ를 변수화할 수 있게 된다. κ와 ΔP의 적절한 조절에 의하여 수지 주입속도를 향상시키는 새로운 메커니즘으로, 수지 주입 직전의 몰드는 진공상태이므로 상기와 같이 유연몰드에 압력의 증감을 주어 κ를 조절하면 수지의 주기적 흐름이 발생하여 흐름전선 사이의 보강섬유에 수지는 쉽게 함침이 이루어지게 된다.

이후 유연몰드의 압력을 다시 1기압 이하로 낮추어 회전기 위의 몰드를 50rpm 정도로 회전시킴으로써 보강섬유의 위치를 재정돈하여 파이버 와쉬를 제거하고, 수지의 흐름전선에 나타날 수 있는 불완전 함침을 다시 한번 완전히 제거하여 완전함침이 이루어지게 한다.

다시 유연 몰드 내 압력을 3기압 이상으로 높여 닫혀 있던 에어벤트를 개방하여 수지 여유분을 배출시킴으로서 보강섬유 체적함유량이 70% 이상으로 향상된다.

상기의 본 발명 제조방법을 통해 제조되는 중공 복합재료 구조재는 내벽면에 유연몰드가 일체로 융착 또는 부착되어 매끄러운 내부 표면을 확보할 수 있음과 아울러 그 내부 표면에 의해 수분의 침투가 방지됨으로써 제품의 내구성 향상을 도모할 수 있다.

그리고 본 발명에서는 보강섬유와 그 주위의 수지 사이에는 성형공정 중에 가해지는 유연몰드를 통한 점증 압력에 의해서 원활한 수지의 함침이 이루어짐에 기인하여 70% 이상의 높은 섬유체적함유율을 나타냄으로써 중공의 길이가 긴 복합재료 구조재를 항공우주급의 품질로 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에서는 맨드렐과 함께 몰드 내부로 장입되는 에어자켓은 단순히 유연몰드를 몰드 내벽측에 운반하기 위한 운반 및 고정체로서의 역할을 하고 나서 수지 주입 전단계에서 몰드 외부로 이탈되기 때문에 특별히 고가의 재질로 제작될 필요가 없으며 또한 그 형상의 정밀성도 요하지 않음은 물론 반복 재사용이 가능하다는 점에서 본원인 선등록 특허에서의 튜브재에서 초래되는 문제점과는 무관하다.

첨부된 도면은 본 발명 방법의 단계별 공정을 설명하기 위하여 공정 순서에 따른 성형과정을 예시적으로 보여주는 것으로서, 본 발명의 기술적 사상이 이들 도면에 도시된 사항에 의해 한정되는 것은 아니다. 도시된 몰드 등을 포함한 장치는 본 발명의 방법을 수행함에 있어 바람직한 일실시예 구조를 보여주고 있는 것으로서, 그 구조는 공정 수행에 지장을 초래하지 않는 범위 내에서 본 발명이 속한 분야의 기술자에 의해 다양하게 변형 또는 수정되어 적용될 수 있을 것이다.
도1은 보강섬유가 적층된 맨드렐이 몰드 내부에 장착된 상태에 대한 단면도.
도2는 맨드렐 이탈 후 유연몰드와 에어자켓의 장착상태를 보인 단면도.
도3은 유연몰드의 양측 단부가 몰드에 고정된 상태를 보인 단면도.
도4는 에어자켓 이탈 후 밀폐구조의 몰드에 1차 압력이 가해진 상태에 대한 단면도.
도5는 수지 주입 초기의 유연몰드 상태를 보인 몰드에 대한 단면도.
도6은 압력 증가 후 유연몰드 상태를 보인 몰드에 대한 단면도.

이하, 본 발명의 일 실시예 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도1 내지 도6은 본 발명의 중공 복합재료 구조재 제조방법의 단계별 공정을

보인 것이다.

먼저 첫번째 공정으로서, 테이퍼상의 외주면을 갖는 길이가 긴 중공형의 맨드렐 외주면에 보강섬유를 적층권회한다. 이어서, 보강섬유의 적층이 완료되면 맨드렐의 중공부 내로 유연몰드와 에어자켓을 삽입한다.

도1은 중공부 내로 유연몰드와 에어자켓이 삽입되고 외주면에는 보강섬유가 적층된 맨드렐이 몰드 내부에 장착된 상태에 대한 단면도이다. 도시된 바와 같이 외표면 전 영역에 걸쳐 보강섬유(F)가 적층 권회되고, 그 내부의 중공부로는 유연몰드(2)와 에어자켓(3)이 삽입된 상태의 맨드렐(1)이 몰드(4) 내부에 장착된다.

이때, 맨드렐(1)의 외주면 형상은 최종 성형제품의 형태와 거의 일치된 외형을 취하도록 설계된다. 즉, 맨드렐(1)의 길이는 최종 성형제품의 길이와 대략 동일하도록 하고, 그 외주면 형태는 최종 성형 제품의 내주면 형상과 대략 동일하도록 설계되는 것이 바람직하다.

유연몰드(2)는 유연성을 지닌 고분자 플라스틱 필름이나 시트 재질로서,폴리프로필렌(PP), 피브이씨(PVC) 또는 폴리에틸렌(PE) 등으로 이루어지며, 그 형태는 대략 최종 성형제품의 내주면 형태와 근사한 테이퍼상의 원통형으로서 양 단부가 개방된 모양을 취하게 된다.

에어자켓(3)은 단순히 상기 유연몰드(2)에 대한 운반 및 고정체 역할을 하는 것으로서, 일측에 공기 주입구(3a)가 구비된 밀폐형으로서 고분자 플라스틱 필름 재질로 구성하는 것이 바람직하나, 공기가 주입된 상태가 일시적으로 유지되도록 하는 재질이라면 어떠한 재질이라도 적용이 가능하다.

한편, 몰드(4)는 최종 성형제품의 길이와 대략 동일한 길이로 설계되며, 그 내주면의 형태는 최종 성형제품의 외주면과 대략 동일한 형태를 취하게 된다. 몰드(4)에는 그 길이방향을 따라 다수 개의 수지주입구(5)가 대략 등간격으로 구비되고, 이들 수지주입구(5)의 반대편으로는 역시 다수 개의 에어벤트(6)가 형성된다. 그리고, 몰드(4)의 외주면 양편으로는 그 길이방향에 수직인 방향으로 휠(7)이 연장형성된다. 상기 휠(7)은 회전기(도면 미도시)로부터 회전구동력을 전달받아 몰드(4)를 회전시키기 위한 구성부재로서, 이들 휠(5)이 회전기의 한 쌍의 원통형 회전몸체와 접촉하여 회전구동력을 전달받게 되므로, 상대적으로 적은 직경부 상에 형성된 휠(7)은 그 연장길이가 길게 형성되도록 하여 회전기의 회전몸체 상에 장착되었을 때 양쪽 휠 모두가 회전몸체에 접촉하도록 하여야 한다.

한편, 회전기를 구동시켜 몰드(4)의 회전이 이루어지도록 함으로써 맨드렐 (1)상에 적층권회된 보강섬유(F)가 원심력에 의해서 맨드렐의 표면으로부터 떨어져 몰드(4)의 내면으로 이동시키는 1차 성형과 동시에 맨드렐(1)을 몰드(4)로부터 이탈시킨다.

도2는 맨드렐(1)이 이탈된 상태의 몰드(4)에서의 유연몰드(2)와 에어자켓(3)을 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, 맨드렐(1)이 제거되면 보강섬유(F)는 자중에 의해 위쪽에 위치하는 부분이 이에 접촉하고 있는 유연몰드(2)와 함께 중력방향으로 쳐지게 되는 데, 이를 방지하기 위하여 에어자켓(3)의 내부를 0.8기압 정도로 유지하게 된다.

도3은 유연몰드(2)를 몰드(4)에 고정시키는 과정을 보인 것으로서, 도시된 바와 같이, 몰드(4)의 대구경부측에 원통형상의 플랜지 커버(8)를 장착함과 아울러 그 플랜지 커버(8)의 내경에 비해 약간 적은 직경을 갖는 원판상의 조절판(9)을 설치하여 조절판(9)의 외측면과 플랜지 커버(8) 사이의 틈새에 유연몰드(2)의 단부측이 밀착상태로 끼워지도록 하여 유연몰드(2)의 일측(도면상에서는 좌측)을 고정시킨다. 이때 상기 플랜지 커버(8)는 몰드(4)의 일측단부 상에 수직으로 연장된 연결용 플랜지(4a) 상에 플랜지 커버(8)의 수직 연장단부(8a)가 결합되어 몰드(4)에 고정이 이루어지게 된다. 그리고 유연몰드(2)의 반대쪽 단부는 몰드(4)의 타단부상에 장착되는 커버(10)를 통해서 고정되도록 한다. 상기 커버(10)는 몰드(4)의 일측 단부상에 연장된 연결용 플랜지(4b)를 통해서 고정됨에 있어서 두 개의 분할편 (10a)(10b)으로 구성되어 이들 분할편의 결합면상에 유연몰드(2)의 단부가 압착고정된다.

이어서, 유연몰드(2)의 양측 단부에 대한 고정작업이 완료되면 에어자켓(3)을 몰드(4) 내부로부터 이탈시킨다. 도3에 도시된 구조에서는 몰드(4)의 우측단부상에 장착된 커버(10)로 둘러싸인 개구부를 통해서 에어자켓(3)을 빼내게 된다.

에어자켓(3)의 이탈이 완료된 후에는 몰드(4)의 소경부 단부상에 장착된 커버(10) 사이의 개구부에 밀폐용 커버(11)를 장착하여 몰드(4)의 소경부측이 밀폐상태가 되도록 한다. 이어서, 플랜지 커버(8)의 외측단부에 원판상의 밀폐용 커버 (12)를 장착하여 몰드(4)의 대경부측까지도 밀폐상태가 되도록 함으로써 결과적으로 몰드(4) 내부가 완전한 밀폐구조가 되도록 한다. 이와 같이, 몰드(4)의 내부가 완전한 밀폐구조가 되도록 하기 위해서는 몰드(4)의 양단부측에 결합된 커버들과 몰드의 결합부 사이에 씰링이 개재되도록 할 수 있을 것이다.

한편, 상기 조절판(9)은 그 중앙부에 공기주입관(13)과 연결된 공기주입공 (9a)이 형성되어 밀폐상태의 몰드(4) 내부로 공기의 주입 및 배출이 이루어지도록 구성되어 있다.

상기와 같이 밀폐된 상태를 유지하는 몰드(4)의 내부로 공기주입관(13)과 연결된 조절판(9)의 공기주입공(9a)을 통해서 공기를 주입하여 내부압력을 높이게 되면, 조절판(9)이 원래의 위치로부터 플래지 커버(8)의 원통형 내주면을 따라 외측으로(도면상으로는 좌측으로) 밀려나감으로써 느슨하게 쳐졌던 유연몰드(2)가 팽팽하게 당겨지면서 보강섬유(F)의 배면에 접촉하게 된다.

도4는 상기와 같이 몰드 내부에 위치하는 유연몰드가 공기주입의 결과로 보강섬유(F)의 배면 전체 영역에 걸쳐 구김이나 쳐짐이 없이 접촉된 상태를 보여주고 있다. 이때 몰드 내부의 압력은 0.8기압 정도로 유지하는 것이 바람직하다.

다음, 유연몰드(2)가 보강섬유(F)의 배면에 접촉된 상태로 정렬된 후에는, 몰드(4) 외측에 형성된 수지주입구(5)에 수지 주입장치를 연결함과 아울러 에어벤트(6)를 통해서 유연몰드(2)와 몰드 내면 사이의 공간이 진공상태가 되도록 공기를 빼내게 된다.

이어서, 진공상태에 이르게 되면 에어벤트(6)를 닫고, 수지주입구(5)를 통해서 진공상태의 공간에 고압으로 수지를 주입한다. 이때 수지의 주입압력은 3 내지 5기압 정도가 바람직하다. 수지의 주입이 완료되면 수지주입구(7)를 닫는다.

도5는 수지주입이 완료된 직후의 몰드 내부를 보인 단면도로서, 도시된 바와 같이 수지주입구(7) 부근의 파이버 와쉬가 발생하여 해당 부위의 유연몰드(2)와 강화섬유(F)가 몰드(4)의 내면으로부터 들떠있음을 알 수 있다.

다음, 몰드(4) 내부로 공기를 주입하여 주입 전 0.8기압 정도이던 내부압력이 1기압 정도가 되도록 하면 도6에서와 같이 유연몰드(2)를 통해 가해지는 압력에 의해서 파이버 와쉬가 소실되면서 주입된 수지는 더욱 빠르게 전체 보강섬유와 몰드 사이로 전달된다.

이후, 내부압력을 단계적으로 증가시키게 되는데, 먼저 2 내지 3기압 정도로 압력을 높여서 약 3분 내지 5분가량 유지하다가, 다시 압력을 3기압 이상으로 높여 적정시간(약 3분 내지 5분 가량) 유지하게 된다.

이와 같이 시차를 두고 행해지는 점증적인 압력의 증가에 의해서 수지의 면내 이동이 두께방향으로 바뀌게 되어 신속한 함침이 이루어지게 된다. 즉, 주입된 수지는 앞서 설명한 바의 다르시의 법칙에 따른 거동으로 신속한 함침이 이루어지게 된다. 도6은 이와 같은 점증적인 압력의 증가에 의해 주입 수지가 보강섬유 (F)에 함침된 상태를 보여주고 있다.

다음, 몰드 내부의 압력을 1기압 이하로 낮추고 회전기를 구동시켜 몰드가 30 내지 50rpm 정도의 회전속도로 회전하도록 함으로써 보강섬유(F)의 위치를 재정돈시킴과 아울러 파이버 와쉬를 제거하는 한편, 수지의 흐름전선에서 나타날 수 있는 불완전 함침을 완전히 제거하여 완전한 함침이 이루어지도록 한다.

이어서, 수지의 함침이 완료되면 다시 몰드 내부의 압력을 3기압 이상으로 높인 상태에서 에어벤트(6)를 열어 수지 여유분을 배출시키게 된다. 이와 같은 여유 수지분의 배출에 따라 섬유체적 함유량이 70% 이상으로 향상된다.

마지막 단계로서, 상기 몰드(4)를 경화로(도면 미도시)에 장입하여 수지의 경화가 이루어지도록 한다. 경화로에 장입되는 몰드 내부의 유연몰드로 가해지는 압력을 3기압 이상이며, 90?110℃ 정도의 온도에서 1시간 정도 유지함으로써 경화가 이루어지게 된다. 이때 유연몰드(2)를 이루고 있는 고분자 플라스틱은 수지의 경화온도보다 낮은 유리온도를 지님으로써 경화과정에서 수지와의 융착이 일어나게 되거나 일체로 접착된다.

경화가 완료되면 몰드로부터 성형물을 탈형함으로써 본 발명에 따른 중공 복합재료 구조재가 얻어지게 된다.

1. 맨드렐
2. 유연몰드
3. 에어자켓
4.몰드
5. 수지주입구
6. 에어벤트
7. 휠
8. 플랜지 커버
9. 조절판
10. 커버
11, 12. 밀폐용 커버
13. 공기주입관

Claims (11)

1. 맨드렐 외면에 보강섬직물을 권회하는 공정;
   맨드렐의 중공부 내로 유연몰드와 에어자켓을 삽입하는 공정;
   맨드렐을 회전기 상에 장착된 몰드 내부에 장입하는 공정;
   회전기 구동에 의한 몰드의 회전으로 보강섬유가 몰드 내벽에 정렬되도록 하는 1차 성형과 아울러 맨드렐을 몰드로부터 이탈시키는 공정;
   유연몰드의 양측 단부를 몰드에 고정시키고 에어자켓을 몰드로부터 이탈시키는 공정;
   몰드의 양 측부에 밀폐용 커버를 체결하여 몰드 내부를 밀폐시키고 몰드의 일측으로부터 몰드 내부로 공기를 주입하는 공정;
   몰드의 길이방향을 따라 구비된 다수 개의 에어벤트를 통해 몰드 내벽과 유연몰드 사이의 보강섬유가 위치한 공간이 진공상태로 되도록 하는 공정;
   몰드의 길이방향을 따라 구비된 다수 개의 수지 주입구를 통해 상기 진공상태의 공간으로 수지를 주입하는 공정;
   수지의 주입 완료 후 몰드의 일측으로부터 몰드 내부로 시차를 두고 점증적으로 압력이 증가되도록 단계적으로 공기를 주입하여 유연몰드를 통해 주입 수지로 점증 압력이 가해지도록 하는 공정;
   몰드 내부의 압력을 낮추고 회전기를 통해 몰드를 저속으로 회전시켜 보강 섬유의 재정돈이 이루어지도록 하는 공정;
   몰드 내부의 압력을 높여 에어벤트를 통해 수지 여유분을 배출시키는 공정; 경화로에서 수지의 고온경화와 함께 유연수지의 융착 또는 접착이 이루어지도록 하는 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유연몰드는 유연성을 갖는 고분자 플래스틱 필름이나 시트로서 최종 성형제품의 내주면 형태와 대략 동일한 형상을 구비함을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 에어자켓은 일측에 공기주입구가 구비된 밀폐형으로서 팽창시 형태가 몰드의 내부 공간과 유사한 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 진공상태의 공간으로 수지를 주입하는 공정에서 수지의 주입 압력은 3 내지 5기압이고, 유연몰드 내부의 압력은 대략 0.8기압인 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방 법.
5. 제1항에 있어서, 상기 점증적인 압력 증가 공정에의 유연몰드 내부 압력은 최종적으로 3기압 이상이 되도록 단계적으로 압력을 증가시키된 각 단계 마다 3분 내지 5분 정도를 유지하는 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 경화 공정에서 유연몰드 내부 압력은 3기압 내지 5기압인 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 경화공정에서 유연몰드 내부압력을 조절하는 조절판이 사용됨을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재의 제조방법.
8. 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재.
9. 제8항에 있어서, 상기 중공 복합재료 구조재는 필름 또는 시트상의 유연몰드가 중공부 내주면에 일체로 접착 또는 융착되어 구성됨을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재.
10. 제8항에 있어서, 상기 중공 복합재료 구조재의 섬유체적함유량은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 중공 복합재료 구조재.
11. 제8항에 있어서, 상기 중공 복합재료 구조재는 전주, 풍력발전 타워, 상수관 또는 하수관 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 점증 압력 수지 이송 성형에 의한 복합재료 구조재.

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