KR20130085163A - 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법 - Google Patents

연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 필라멘트가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법에 관한 것으로서, (ⅰ) 분산 로울러(Spreading roller : 3)로 연속상 탄소섬유 번들(Bundle)이 감겨진 로빙(1)으로부터 연속상 탄소섬유 번들을 구성하는 연속상 탄소섬유 1가닥씩 골고루 분산되게 해사하는 분산/해사 공정; (ⅱ) 분산/해사된 연속상 탄소섬유를 열가소성 수지 분말 사이로 통과시키면서 마이크로파를 조사하여 상기 연속상 탄소섬유 표면에 열가소성 수지를 코팅하는 열가소성 수지 코팅 공정; (ⅲ) 열가소성 수지가 코팅된 연속상 탄소섬유들을 진공압착(6)내로 통과시키면서 진공 상태하에서 압착하여 상기 열가소성 수지 내에 연속상 탄소섬유들이 함침되어 일체화된 테이프를 제조하는 진공 압착 공정; 및 (ⅳ) 진공 압착 처리된 테이프를 건조 및 권취하는 공정;들을 연속적으로 실시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연속상 탄소섬유를 손상하지 않고도 성형된 테이프 내부의 공극(Void)을 효과적으로 제거할 수 있으며, 열가소성 수지내에 연속상 탄소섬유가 함침되어 가공성과 물성이 우수하고, 연속상 탄소섬유 번들내 연속상 탄소섬유들을 1가닥씩 고르게 분산시킴으로써 연속상 탄소섬유 번들 내부에 열가소성 수지가 고르게 함침되어 상기 열가소성 수지의 미함침으로 인한 가공 발생을 줄여 연속상 탄소섬유 번들의 부피 분율을 높일 수 있고, 마이크로파를 조사함으로써 연속상 탄소섬유 표면 열가소성 수지를 고르게 코팅할 수 있다.

Description

연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법{Method of manufacturing for thermoplastic tape with impregnated continuous carbon fiber}
본 발명은 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연속상 탄소섬유가 함침되어 가공성과 물성이 우수하고, 연속상 탄소섬유의 손상 없이도 성형된 열가소성 수지 테이프 내에 공극(Void)을 효과적으로 제거하고, 연속상 탄소섬유 표면에 열가소성 수지를 고르게 코팅할 수 있는 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용하는 "연속상 탄소섬유"는 필라멘트와 같이 길이방향으로 연속되는 형태의 탄소섬유를 의미하고, "연속상 탄소섬유 번들"은 필라멘트 형태의 탄소섬유들이 다수개 모여진 집합체를 의미한다.
열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 인성이 우수하기 때문에 충격 흡수능력, 파괴인성, 크리프에 강하다. 또한 최근의 자원재활용에 대한 당위성의 증대로 인해 열가소성 수지 복합재료의 수요가 증대되고 있는 추세이다.
한편, 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프는 토목 분야, 인공위성 분야, 스포츠 분야, 해양구조물 분야, 풍력터번 분야, 레이싱카 분야, 전기전자통신 분야 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프를 성형하는 종래기술로는 탄소섬유 토우(Tow)를 열가소성 수지가 담겨진 가열 탱크내로 통과시키면서 상기 가열탱크에 열을 가해 상기 열가소성 수지를 용융시켜 탄소섬유 토우에 열가소성 수지를 함침시킨 다음, 열가소성 수지가 함침된 토우를 압착 로울러 사이로 통과시키면서 압착하여 탄소섬유 토우가 함침된 열가소성 수지 테이프를 제조하였다.
또 다른 종래기술로서는 익스트루더(Extruder) 내에서 열가소성 수지를 용융시킨 다음 탄소섬유 번들(Bundle)을 상기 익스트루더 내에 용융된 열가소성 수지 속으로 통과시켜 탄소섬유 번들(Bundle)내에 열가소성 수지를 함침시킨 다음, 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 번들(Bundle)을 압착 로울러 사이로 통과시키면서 압착하여 탄소섬유 번들이 함침된 열가소성 수지테이프를 제조하였다.
그러나, 상기 종래기술들에서는 가열탱크에 균일하게 열을 분산 시키는 것이 용이하지 않고, 익스트루더를 이용하더라도 탄소섬유 번들을 구성하는 탄소섬유 1가닥씩 분리하여 열가소성 수지를 함침시킬 수 없어서 탄소섬유 번들 내부의 열가소성 수지 미함침으로 인한 기공발생을 줄여 탄소섬유의 부피분율을 높이는데는 한계가 있는 문제점이 있었다.
또한, 상기 종래기술들은 열가소성 수지의 경우 용융시 열경화성 수지보다 점도가 높아지기 때문에 이를 탄소섬유 토우 또는 탄소섬유 번들내에 고르게 함침시킬 수 없는 문제점도 있었다.
또한, 상기 종래기술들은 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 토우 또는 탄소섬유 번들을 압착 로울러 사이로 통과시켜 압착처리하기 때문에 탄소섬유의 표면이 손상되며 성형된 테이프내 공극(Void)을 완벽하게 제거할 수 없는 문제점이 있었다.
이와 같은 종래기술의 문제점들을 해결할 수 있도록, 본 발명의 제1과제는 연속상 탄소섬유 번들 내 연속상 탄소섬유들을 1가닥씩 고르게 분산시켜 연속상 탄소섬유 번들 내부에 열가소성 수지가 고르게 함침되게 함으로써 열가소성 수지의 미함침으로 인한 기공 발생을 줄여 연속상 탄소섬유 번들의 부피부율을 높이는 것이다.
본 발명의 제2과제는 연속상 탄소섬유 표면에 열가소성 수지가 고르게 코팅되도록 하는 것이다.
본 발명의 제3과제는 연속상 탄소섬유를 손상하지 않고도 성형된 테이프 내부의 공극(Void)을 효과적으로 제거할 것이다.
본 발명의 제4과제는 열가소성 수지내에 연속상 탄소섬유가 함침되어 가공성과 물성이 우수한 연속상 탄소섬유 함침 열가소성 수지 테이프를 제공하는 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 분산 로울러(Spreading roller)를 이용하여 연속상 탄소섬유 번들이 감겨진 로빙으로부터 연속상 탄소섬유 번들을 구성하는 연속상 탄소섬유 1가닥씩 고루 분산되게 해사 및 분산한다.
또한, 본 발명에서는 연속상 탄소섬유를 열가소성 수지 분말 사이로 통과시키면서 마이크로파를 조사하여 상기 연속상 탄소섬유 표면상에 열가소성 수지를 코팅한다.
또한, 본 발명에서는 열가소성 수지가 코팅된 연속상 탄소섬유들을 진공압착기내로 통과시키면서 진공압착하여 열가소성 수지 내에 연속상 탄소섬유들이 함침되어 일체화된 테이프(Tape)를 제조한다.
본 발명은 연속상 탄소섬유를 손상하지 않고도 성형된 테이프 내부의 공극(Void)을 효과적으로 제거할 수 있으며, 열가소성 수지내에 연속상 탄소섬유가 함침되어 가공성과 물성이 우수하고, 연속상 탄소섬유 번들내 연속상 탄소섬유들을 1가닥씩 고르게 분산시킴으로써 연속상 탄소섬유 번들 내부에 열가소성 수지가 고르게 함침되어 상기 열가소성 수지의 미함침으로 인한 가공 발생을 줄여 연속상 탄소섬유 번들의 부피 분율을 높일 수 있고, 마이크로파를 조사함으로써 연속상 탄소섬유 표면 열가소성 수지를 고르게 코팅할 수 있다.
도 1은 본 발명의 공정개략도.
도 2는 본 발명으로 제조된 성형 테이프 일례의 사시 개략도.
이하, 첨부한 도면등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 (ⅰ) 분산 로울러(Spreading roller : 3)로 연속상 탄소섬유 번들(Bundle)이 감겨진 로빙(1)으로부터 연속상 탄소섬유 번들을 구성하는 연속상 탄소섬유 1가닥씩 골고루 분산되게 해사하는 분산/해사 공정; (ⅱ) 분산/해사된 연속상 탄소섬유를 열가소성 수지 분말 사이로 통과시키면서 마이크로파를 조사하여 상기 연속상 탄소섬유 표면에 열가소성 수지를 코팅하는 열가소성 수지 코팅 공정; (ⅲ) 열가소성 수지가 코팅된 연속상 탄소섬유들을 진공압착(6)내로 통과시키면서 진공 상태하에서 압착하여 상기 열가소성 수지 내에 연속상 탄소섬유들이 함침되어 일체화된 테이프를 제조하는 진공 압착 공정; 및 (ⅳ) 진공 압착 처리된 테이프를 건조 및 권취하는 공정;들을 연속적으로 실시하여 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프(이하 "성형 테이프"라고 약칭한다)를 제조한다.
도 1은 본 발명의 공정 개략도이다.
본 발명의 구현예 중 일례를 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 분산 로울러(3)로 연속상 탄소섬유 번들이 감겨진 로빙(1)으로부터 연속상 탄소섬유 번들내 연속상 탄소섬유(C) 1가닥씩 골고루 분산되게 해사한다.
본 발명에서는 분산 로울러(3)를 사용하여 로빙(1)에 감겨진 연속상 탄소섬유 번들내 연속상 탄소섬유를 1가닥씩 분산시킨 상태로 열가소성 수지 분말이 담겨진 용기(4)내로 통과시키기 때문에 연속상 탄소섬유 번들 내부에 열가소성 수지가 고르게 함침된다. 그로 인해 연속상 탄소섬유 번들 내부 중에 열가소성 수지가 함침 안되어 발생되는 기공을 줄여 연속상 탄소섬유 번들의 부피 분율을 상승시켜 준다.
연속해서, 분산/해사된 연속상 탄소섬유를 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 장치(5) 내에 있으며 열가소성 수지 분말이 담겨진 용기(4)내로 통과시키면서, 상기 마이크로파 장치(5)로 마이크로파를 조사하여 연속상 탄소섬유 표면에 열가소성 수지를 코팅한다.
본 발명에서는 연속상 탄소섬유를 열가소성 수지 분말이 담겨진 용기(4)로 통과시킬 때 마이크로파 장치(5)로 마이크로파를 조사해 주기 때문에 열가소성 수지를 용융시켜 연속상 탄소섬유(C) 표면에 고르게 코팅할 수 있다.
상기 마이크로파 장치(5)는 (ⅰ) 마이크로파를 생성하는 자전관(Magnetron), (ⅱ) 상기 자전관에 전격을 공급하는 전력공급장치, (ⅲ) 온도, 습도를 측정하는 센서 및 (ⅳ) 콘트롤 회로기판을 포함한다.
연속해서, 열가소성 수지가 코팅된 연속상 탄소섬유를 진공압착기(6) 내로 통과시키면서 진공상태에서 압착하여 상기 열가소성 수지내에 연속상 탄소섬유들이 함침되어 일체화된 성형 테이프를(T)를 제조한다.
본 발명에서는 열가소성 수지가 코팅된 연속상 탄소섬유들을 종래 압착로울러 대신에 진공압착기(6)로 진공상태에서 압착시켜줌으로써 연속상 탄소섬유를 손상하지 않고도 성형 테이프를 제조할 수 있고, 성형 테이프 내부에 공극(Void) 발생도 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 진공압착기(6)는 (ⅰ) 진공 쳄버, (ⅱ) 진공 쳄버를 통과하는 열가소성 수지가 코팅된 탄소섬유 모노필라멘트의 상부 및 하부 각각에 설치된 2개의 가열판, (ⅲ) 냉각수 장치 및 (ⅳ) 진공펌프를 포함한다.
연속해서, 진공압착 처리된 성형 테이프(T)를 냉각풍을 일으키는 냉각기구(7)로 건조한 후 트라벨러(8)를 거쳐 성형 테이프 권취보빈(9)에 권취한다.
1 : 연속상 탄소섬유 번들이 감겨진 로빙 2 : 텐션 로울러
3 : 분산 로울러(Spreading roller) 4 : 열가소성 수지가 담겨진 용기
5 : 마이크크로파 장치 6 : 진공압착기
7 : 냉각기구 8: 트라벨러
9 : 성형 테이프 권취 보빈 C : 연속상 탄소섬유
T : 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프(성형 테이프)

Claims (4)

  1. (ⅰ) 분산 로울러(Spreading roller : 3)로 연속상 탄소섬유 번들(Bundle)이 감겨진 로빙(1)으로부터 연속상 탄소섬유 번들을 구성하는 연속상 탄소섬유 1가닥씩 골고루 분산되게 해사하는 분산/해사 공정;
    (ⅱ) 분산/해사된 연속상 탄소섬유를 열가소성 수지 분말 사이로 통과시키면서 마이크로파를 조사하여 상기 연속상 탄소섬유 표면에 열가소성 수지를 코팅하는 열가소성 수지 코팅 공정;
    (ⅲ) 열가소성 수지가 코팅된 연속상 탄소섬유들을 진공압착(6)내로 통과시키면서 진공 상태하에서 압착하여 상기 열가소성 수지 내에 연속상 탄소섬유들이 함침되어 일체화된 테이프를 제조하는 진공 압착 공정; 및
    (ⅳ) 진공 압착 처리된 테이프를 건조 및 권취하는 공정;들을 연속적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법.
  2. 제1항에 있어서, 열가소성 수지 분말은 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 장치(5)내에 있는 용기속에 담겨져 있는 것을 특징으로 하는 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법.
  3. 제2항에 있어서, 마이크로파 장치(5)는 (ⅰ) 마이크로파를 생성하는 자전관(Magnetron), (ⅱ) 상기 자전관에 전격을 공급하는 전력공급장치, (ⅲ) 온도, 습도를 측정하는 센서 및 (ⅳ) 콘트롤 회로기판들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법.
  4. 제1항에 있어서, 진공압착기(6)는 (ⅰ) 진공 쳄버, (ⅱ) 진공 쳄버를 통과하는 열가소성 수지가 코팅된 탄소섬유 모노필라멘트의 상부 및 하부 각각에 설치된 2개의 가열판, (ⅲ) 냉각수 장치 및 (ⅳ) 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속상 탄소섬유가 함침된 열가소성 수지 테이프의 성형방법.
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