KR20130088033A

KR20130088033A - 보강된 인발성형 프로파일을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20130088033A
Application number: KR1020127032644A
Authority: KR
Inventors: 쉐리 엠 넬슨; 데이비드 더블유 이스텝; 티모시 에이 리건
Original assignee: 티코나 엘엘씨
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2013-08-07
Also published as: CA2800926A1; JP2013530855A; US9409347B2; MX2012014177A; BR112012032181A2; CN102947078A; CA2800926C; WO2011163349A2; US20130149521A1; RU2013102597A; CN102947078B; MX349378B; WO2011163349A3; EP2585277A2

Abstract

하나 이상의 연속 섬유 층 및 하나 이상의 불연속 섬유 층을 함유하는 프로파일을 제조하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 상기 방법은 다양한 특징을 선택적으로 제어하여 증가된 횡강도 및 굴곡 모듈러스를 갖는 프로파일을 획득한다. 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 섬유를 함유하는 하나 이상의 연속 섬유 보강된 리본("CFRT")(12)으로부터 연속 섬유 층을 제조함으로써 공극 분율을 최소화하여 굴곡 모듈러스를 최적화한다. 또한, 연속 섬유가 실질적으로 종방향(예를 들어, 인발성형 방향)으로 정렬된 상태로 고정되어 유지되도록 리본(들)을 통합한다. 프로파일의 인장 특성을 향상시키는 것 이외에도, 이러한 리본의 사용은 또한 연속 섬유 물질이 인발성형 다이 내에서 목적하는 위치에 위치될 때 더욱 용이하게 취급될 수 있도록 한다. 불연속 섬유도 열가소성 매트릭스 내에 매립되며, 이러한 방식으로, 목적하는 강도를 획득하기 위해 층을 접착하는데 도움을 줄 수 있다. 섬유의 적어도 일부는 횡방향으로 배향되어, 증가된 횡강도를 제공한다.

Description

보강된 인발성형 프로파일을 제조하는 방법{METHOD FOR FORMING REINFORCED PULTRUDED PROFILES}

본 발명은 보강된 인발성형 프로파일을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본원은 2010년 6월 22일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/357,289 호(이는 본원에 참고로 인용됨)에 기초한 우선권을 주장한다.

흔히 인발성형(pultrusion) 다이 내에서 수지를 통해 연속 섬유를 잡아당긴("인발성형") 후 섬유-보강된 수지를 성형함으로써 섬유 보강된 프로파일(profile)을 제조한다. 프로파일이 기계 방향(종방향)으로 배향된 연속 섬유를 갖기 때문에, 이들은 흔히 기계 방향에서 높은 인장 강도를 나타낸다. 그러나, 이러한 프로파일의 횡강도 특성은 종종 불량하고, 이는 응력이 교차-기계방향(횡방향)으로 적용될 때 물질이 찢어지도록 할 수 있다. 이와 관련하여, 횡방향에서 프로파일을 강화시키고자 다양한 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어, 데이비스(Davies) 등의 미국 특허 제 7,514,135 호는 인발성형 종방향으로 연장되는 보강 조방사(roving)의 제 1 층을 제공하고, 횡방향으로 연장되는 적어도 일부 보강 섬유를 함유하는 제 2 층을 제 1 층 상에 형성시킴으로써 제조되는 인발성형품을 기재한다. 그러나, 이 방법과 관련된 한 가지 문제점은 이 방법이 목적하는 강도 특성을 달성하는데 도움을 주는 열경화성 수지에 의존한다는 점이다. 이러한 수지는 제조 동안 사용하기 어렵고, 다른 물질과 층을 형성하는데 우수한 결합 특징을 항상 갖는 것은 아니다. 뿐만 아니라, 상기 특허에 기재된 방법은 또한 횡방향 섬유를 선택적인 위치(예를 들어, 이들이 필요한 곳)에 적용하기가 어렵다는 점에서도 문제가 있다.

따라서, 현재, 연속 섬유 층 및 불연속 섬유 층을 함유하는 인발성형된 프로파일을 제조하는 방법 및 장치에 대한 요구가 존재한다.

본 발명의 한 실시양태에 따르면, 일정 단면 형상을 갖는 인발성형된 프로파일을 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 인발성형 다이를 통해 연속 섬유 리본을 종방향으로 잡아당김을 포함하며, 이 때 상기 연속 섬유 리본은 실질적으로 종방향으로 배향되고 제 1 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 연속 섬유를 함유한다. 불연속 섬유 물질을 인발성형 다이 내로 도입하는데, 이 때 불연속 섬유 물질은 제 2 열가소성 매트릭스 내에 매립된 불연속 섬유를 함유한다. 인발성형 다이 내에서, 불연속 섬유 물질과 연속 섬유 리본을 합쳐서 프로파일의 제 1 층 및 제 2 층을 형성한다. 제 1 층은 제 2 층에 인접하여 위치되고 불연속 섬유 물질을 함유한다. 제 2 층은 연속 섬유 리본을 포함한다.

본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 프로파일을 제조하기 위한 인발성형 장치가 개시된다. 이 장치는 내부 공동부를 한정하는 인발성형 다이, 상기 인발성형 다이의 내부 공동부를 통해 하나 이상의 연속 섬유 리본을 잡아당기도록 구성된 당김(pulling) 장치, 상기 인발성형 다이의 내부 공동부 내로 불연속 섬유 물질을 압출시키도록 구성된 크로스-헤드(cross-head) 압출 장치, 및 상기 인발성형 다이의 내부 공동부 내에 위치된 맨드릴(mandrel)을 포함한다. 맨드릴은 제 1 구역 및 제 2 구역을 갖는데, 제 1 구역 위로 불연속 섬유 물질이 유동하여 프로파일의 제 1 층을 형성하도록 구성되고, 상기 제 2 구역 위로 상기 연속 섬유 리본이 유동하여 상기 프로파일의 제 2 층을 형성하도록 구성된다.

본 발명의 다른 특징 및 양태는 아래에 더욱 상세하게 기재된다.

당 업자에 대한 본 발명의 최상의 방식을 비롯한 본 발명의 충분하고 실행가능한 내용을, 첨부 도면을 참조함을 비롯하여 본원의 나머지 부분에 더욱 구체적으로 기재한다.
도 1은 본 발명에 사용될 수 있는 인발성형 시스템의 한 실시양태의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 사용하기 위한 함침 시스템의 한 실시양태의 개략도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 함침 다이의 단면도이다.
도 3b는 본 발명에 사용될 수 있는 함침 다이용 매니폴드 어셈블리 및 게이트 통로의 한 실시양태의 확대도이다.
도 3c는 본 발명에 사용될 수 있는 함침 대역을 적어도 부분적으로 한정하는 판의 한 실시양태의 사시도이다.
도 4는 연속 섬유 물질과 불연속 섬유 물질이 다이를 통해 통과할 때 이들의 유동이 도시된, 본 발명에 사용될 수 있는 예비 성형 및 인발성형 다이의 한 실시양태의 측면도이다.
도 5는 도 4의 다이의 사시도이다.
도 6은 불연속 섬유 물질이 맨드릴 위로 통과할 때 이의 유동이 또한 도시된, 불연속 섬유 층을 성형하기 위하여 본 발명에 사용될 수 있는 맨드릴의 한 실시양태의 평면도이다.
도 7은 도 6의 맨드릴 구역의 사시도이다.
도 8은 연속 섬유 물질이 맨드릴 위로 통과할 때 이의 유동이 또한 도시된, 연속 섬유 층을 성형하기 위하여 본 발명에 사용될 수 있는 맨드릴 구역의 한 실시양태의 확대 사시도이다.
도 9는 도 8의 맨드릴 구역의 사시도이다.
도 10은 도 8의 맨드릴 구역의 다른 사시도로서, 도 10a는 맨드릴 구역의 오른쪽 사시도를 도시하며, 도 10b는 맨드릴 구역의 왼쪽 사시도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 빈 직사각형 프로파일의 한 실시양태의 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 빈 직사각형 프로파일의 다른 실시양태의 단면도이다.
도 13은 도 12의 프로파일을 제조하는데 사용될 수 있는 예비 성형 및 인발성형 다이 시스템의 한 실시양태의 측면도이다.
도 14는 도 13의 예비 성형 및 인발성형 다이 시스템의 사시도이다.
도 15는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 빈 직사각형 프로파일의 또 다른 실시양태의 단면도이다.
도 16은 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 빈 L-형 프로파일의 한 실시양태의 단면도이다.
도 17은 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 꽉 찬 U-형 프로파일의 한 실시양태의 단면도이다.
도 18은 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 꽉 찬 직사각형 프로파일의 한 실시양태의 단면도이다.
도 19는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 속이 꽉 찬 I-형 프로파일의 한 실시양태의 단면도이다.
본원 및 도면에서 참조 부호를 반복해서 사용하는 것은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징부 또는 요소를 나타내고자 함이다.

정의

본원에 사용되는 용어 "프로파일"은 통상 인발성형품을 가리킨다. 프로파일은 속이 비거나 속이 꽉 찰 수 있으며, 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 삼각형, I-형, C-형, U-형, J-형, L-형, 슬롯을 갖는 형(slotted) 등과 같은 매우 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 창의 라인(window lineal), 데크 판자, 레일, 난간 동자, 기와, 벽체, 트리밍 보드, 파이프, 울타리, 기둥, 조명용 기둥, 고속도로 표지판, 노변 표시 기둥 등의 구조재(structural member)로서 이러한 프로파일을 사용할 수 있다.

본원에 사용되는 용어 "속이 빈"은 일반적으로 프로파일의 내부의 적어도 일부가 빈 공간임을 의미한다. 빈 공간은 임의적으로는 프로파일의 전체 길이만큼 연장될 수 있다.

본원에 사용되는 용어 "연속 섬유"는 보편적으로 부품의 길이에 의해서만 한정되는 길이를 갖는 섬유, 필라멘트, 얀 또는 조방사(예컨대, 섬유 다발)를 가리킨다. 예를 들어, 이들 섬유는 약 25mm보다 긴 길이, 일부 실시양태에서는 약 50mm 이상의 길이, 몇몇 실시양태에서는 약 100mm 이상의 길이를 가질 수 있다.

본원에 사용되는 용어 "불연속 섬유"는 통상적으로 연속적이지 않은 섬유, 필라멘트, 얀 또는 조방사를 가리킨다. 이러한 섬유는 전형적으로 약 25mm 이하의 길이를 갖는다. 예를 들어, 불연속 섬유는 단섬유 또는 장섬유를 포함할 수 있다. "장섬유"는 전형적으로 약 0.5 내지 약 25mm, 일부 실시양태에서는 약 0.8 내지 약 15mm, 몇몇 실시양태에서는 약 1 내지 약 12mm의 길이를 갖는 섬유이다. "단섬유"는 전형적으로 약 0.5mm 이하, 일부 실시양태에서는 약 0.01 내지 약 0.4mm, 몇몇 실시양태에서는 약 0.05 내지 약 0.3mm의 길이를 갖는 섬유이다.

상세한 설명

당 업자는 본 개시내용이 예시적인 실시양태를 기재한 것일 뿐이며 본 발명의 더욱 넓은 양태를 한정하고자 하지 않음을 알아야 한다.

일반적으로, 본 발명은 하나 이상의 연속 섬유 층 및 하나 이상의 불연속 섬유 층을 함유하는 프로파일을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 방법의 다양한 특징을 선택적으로 제어하여 증가된 횡강도 및 굴곡 모듈러스를 갖는 프로파일을 획득한다. 예를 들면, 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 섬유를 함유하는 하나 이상의 연속 섬유 보강된 리본("CFRT")으로부터 연속 섬유 층을 제조한다. 공극 분율을 최소화하여 굴곡 모듈러스를 최적화하는 방법에 의해 섬유를 매트릭스 내에 매립한다. 또한, 연속 섬유가 실질적으로 종방향(예를 들어, 인발성형 방향)으로 정렬된 상태로 고정되어 유지되도록 리본(들)을 통합한다. 프로파일의 인장 특성을 향상시키는 것 이외에도, 이러한 리본의 사용은 또한 연속 섬유 물질이 더욱 용이하게 취급될 수 있도록 하고 인발성형 다이 내에서 목적하는 위치에 위치되도록 한다. 불연속 섬유도 열가소성 매트릭스 내에 매립한다. 특히, 이는 목적하는 강도를 획득하는데 접착제가 필요하지 않도록 층을 접착하는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 섬유의 적어도 일부를 종방향으로 배향하기보다는 횡방향으로 배향하여, 증가된 횡강도를 제공한다.

본 발명의 방법 및 장치를 통해, 거의 어려움 없이 또한 생성되는 프로파일의 강도 특성에 불리하게 영향을 끼치지 않으면서, 매우 다양한 복잡한 형상 및 크기를 생성시킬 수 있다. 이제, 본 발명의 다양한 실시양태를 더욱 상세하게 기재한다.

프로파일에 사용되는 연속 섬유 및 불연속 섬유를 동일하거나 상이한 물질로부터 제조할 수 있다. 이러한 물질은 금속 섬유; 유리 섬유(예를 들어, E-유리, A-유리, C-유리, D-유리, AR-유리, R-유리, S1-유리, S2-유리), 탄소 섬유(예를 들어, 흑연), 붕소 섬유, 세라믹 섬유(예를 들어, 알루미나 또는 실리카), 아라미드 섬유[예를 들어, 델라웨어주 윌밍턴에 소재하는 이. 아이. 듀퐁 드 네모아(E. I. duPont de Nemours)에서 시판중인 케블러(Kevlar)®], 합성 유기 섬유(예를 들어, 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 파라페닐렌, 테레프탈아마이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리페닐렌 설파이드), 및 열가소성 조성물을 보강하는 것으로 공지되어 있는 다양한 다른 천연 또는 합성 무기 또는 유기 섬유상 물질 같은 당 업계에 공지되어 있는 임의의 통상적인 물질을 포함할 수 있다. 유리 섬유 및 탄소 섬유가 연속 섬유 및/또는 불연속 섬유에 사용하기 특히 바람직하다. 이러한 섬유는 흔히 약 4 내지 약 35㎛, 일부 실시양태에서는 약 9 내지 약 35㎛의 공칭 직경을 갖는다. 섬유는 꼬일 수 있거나 또는 직선일 수 있다. 요구되는 경우, 섬유는 단일 섬유 유형 또는 상이한 유형의 섬유를 함유하는 조방사(예컨대, 섬유 다발)의 형태일 수 있다. 상이한 섬유가 개별 조방사에 함유될 수 있거나, 또는 다르게는 각각의 조방사가 상이한 섬유 유형을 함유할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 특정 조방사는 연속 탄소 섬유를 함유할 수 있는 한편 다른 조방사는 유리 섬유를 함유할 수 있다. 각각의 조방사에 함유된 섬유의 수는 일정하거나 또는 조방사마다 다를 수 있다. 전형적으로, 조방사는 약 1,000개의 섬유 내지 약 50,000개의 개별 섬유, 몇몇 실시양태에서는 약 2,000개 내지 약 40,000개의 섬유를 함유할 수 있다.

다양한 열가소성 중합체중 임의의 것을 사용하여 연속 섬유 및 불연속 섬유가 매립되는 열가소성 매트릭스를 형성시킬 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합한 열가소성 중합체는 예를 들어 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌, 프로필렌-에틸렌 공중합체 등), 폴리에스터[예컨대, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트("PBT")], 폴리카본에이트, 폴리아마이드[예를 들어, 나일론(Nylon)™], 폴리에터 케톤[예를 들어, 폴리에터에터 케톤("PEEK")], 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤[예를 들어, 폴리페닐렌 다이케톤("PPDK")], 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드[예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드("PPS")], 플루오로 중합체(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로메틸비닐에터 중합체, 퍼플루오로-알콕시알케인 중합체, 테트라플루오로에틸렌 중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 중합체 등), 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리카본에이트, 스타이렌계 중합체[예를 들어, 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 스타이렌("ABS")] 등을 포함할 수 있다. ABS가 특히 적합한 열가소성 중합체이다. 연속 섬유 물질 및 불연속 섬유 물질을 제조하는데 사용되는 중합체(들)가 동일하거나 상이할 수 있음을 알아야 한다.

연속 섬유 리본의 공극 분유을 최소화하고 우수한 함침을 보장하기 위하여, 연속 섬유를 열가소성 매트릭스 내로 매립하는 압출 장치를 본 발명에 사용할 수 있다. 특히, 압출 장치는 열가소성 중합체가 섬유의 전체 표면에 도포되는 능력을 돕는다. 예를 들어, 공극 분율은 약 3% 이하, 일부 실시양태에서는 약 2% 이하, 몇몇 실시양태에서는 약 1% 이하일 수 있다. 당 업자에게 널리 공지되어 있는 기법을 이용하여 공극 분율을 측정할 수 있다. 예를 들어, 샘플을 오븐에 넣어(예를 들어, 600℃에서 3시간동안) 수지를 연소시켜 버리는 "수지 연소(resin burn off)" 시험을 이용하여 공극 분율을 측정할 수 있다. 이어, 잔류하는 섬유의 질량을 측정하여 중량 분율 및 부피 분율을 계산할 수 있다. 이러한 "연소" 시험을 ASTM D 2584-08에 따라 수행하여, 섬유 및 열가소성 매트릭스의 중량을 결정할 수 있으며, 이어 이를 이용하여 하기 방정식에 기초하여 "공극 분율"을 계산할 수 있다:

V_f=100*(ρ_t-ρ_c)/ρ_t

상기 식에서, V_f는 공극 분율(%)이고; ρ_c는 액체 또는 기체 피크노미터(예를 들어, 헬륨 피크노미터) 같은 공지 기법을 이용하여 측정되는 복합체의 밀도이며; ρ_t는 하기 방정식에 의해 결정되는 복합체의 이론적인 밀도이다:

ρ_t=1/[W_f/ρ_f+W_m/ρ_m]

상기 식에서, ρ_m은 열가소성 매트릭스(예를 들어, 적절한 결정화도에서의)의 밀도이고; ρ_f는 섬유의 밀도이고; W_f는 섬유의 중량 분율이며; W_m은 열가소성 매트릭스의 중량 분율이다.

다르게는, ASTM D 3171-09에 따라 수지를 화학적으로 용해시킴으로써 공극 분율을 결정할 수 있다. "연소" 및 "용해" 방법은 통상 용융 및 화학적 용해에 저항성인 유리 섬유에 특히 적합하다. 그러나, 다른 경우에는, ASTM D 2734-09(방법 A)에 따라, 열가소성 중합체, 섬유 및 리본의 밀도에 기초하여 공극 분율을 간접적으로 계산할 수 있으며, 상기 밀도는 ASTM D792-08 방법 A에 따라 결정할 수 있다. 물론, 통상적인 현미경 기기를 이용하여 공극 분율을 평가할 수도 있다.

도 2를 참조하면, 섬유를 열가소성 중합체로 함침시키는데 사용될 수 있는 압출 장치의 한 실시양태가 도시되어 있다. 더욱 구체적으로, 장치는 배럴(122) 내부에 장착된 스크류 축(124)을 함유하는 압출기(120)를 포함한다. 히터(130)(예를 들어, 전기 저항 히터)가 배럴(122) 외부에 장착되어 있다. 사용 동안, 열가소성 중합체 공급원료(127)를 호퍼(126)를 통해 압출기(120)에 공급한다. 열가소성 공급원료(127)를 스크류 축(124)에 의해 배럴(122) 내부로 운송하고, 배럴(122) 내부에서의 마찰력에 의해 또한 히터(130)에 의해 가열한다. 가열되면, 공급원료(127)는 배럴 플랜지(128)를 통해 배럴(122)에서 나가고, 함침 다이(150)의 다이 플랜지(132)에 들어간다.

연속 섬유 조방사(142) 또는 복수개의 연속 섬유 조방사(142)를 릴 또는 릴들(144)로부터 다이(150)로 공급한다. 조방사(142)는 통상 함침하기 전에 특정 거리만큼, 예컨대 약 4mm 이상, 일부 실시양태에서는 약 5mm 이상 떨어져 유지한다. 다이(150) 내에 또는 다이(150) 둘레에 장착된 히터(133)에 의해 공급원료(127)를 다이 내부에서 추가로 가열할 수 있다. 통상적으로 열가소성 중합체의 용융 및 함침을 야기하기에 충분한 온도에서 다이를 작동시킨다. 전형적으로, 다이의 작동 온도는 열가소성 중합체의 융점보다 높다(예를 들어, 약 200℃ 내지 약 450℃). 이러한 방식으로 가공할 때, 연속 섬유 조방사(142)는 중합체 매트릭스에 매립되기 시작하며, 상기 중합체 매트릭스는 공급원료(127)로부터 가공된 수지(214)(도 3a)일 수 있다. 이어, 혼합물을 함침 다이(150)로부터 압출시켜 압출물(152)을 생성시킨다.

압력 센서(137)(도 3a)가 함침 다이(150) 근처의 압력을 감지하여, 스크류 축(124)의 회전 속도 또는 공급기의 공급 속도를 제어함으로써 압출 속도를 제어하도록 한다. 즉, 압력 센서(137)를 함침 다이(150) 근처에 위치시켜, 섬유 조방사(142)와 상호작용하기에 알맞은 양의 수지(214)를 전달하도록 압출기(120)를 작동시킬 수 있다. 함침 다이(150)에서 나간 후, 압출물(152) 또는 함침된 섬유 조방사(142)는 2개의 인접한 롤러(190) 사이에서 형성된 닙(nip)에 들어가기 전에 임의적인 예비 성형 구역 또는 가이딩(guiding) 구역(도시되지 않음)에 들어갈 수 있다. 임의적이긴 하지만, 롤러(190)는 압출물(152)을 리본(또는 테이프) 형태로 통합시키는데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라 섬유 함침을 향상시킬 수 있고 임의의 과도한 공극을 압착시킬 수 있다. 롤러(190)에 덧붙여, 다이 시스템 같은 다른 성형 장치를 또한 사용할 수 있다. 생성된 통합된 리본(156)을 롤러 상에 장착된 트랙(162, 164)에 의해 잡아당긴다. 트랙(162, 164)은 또한 압출물(152)을 함침 다이(150)로부터 롤러(190)를 통해 잡아당긴다. 요구되는 경우, 통합된 리본(156)을 구역(171)에서 권취할 수 있다. 일반적으로, 리본은 비교적 얇고, 전형적으로 약 0.05 내지 약 1mm, 일부 실시양태에서는 약 0.1 내지 약 0.8mm, 몇몇 실시양태에서는 약 0.2 내지 약 0.4mm의 두께를 갖는다.

함침 다이 내에서는, 조방사(142)를 함침 대역(250)을 통해 횡단시켜 조방사를 중합체 수지(214)로 함침시켜야 한다. 함침 대역(250)에서는, 합침 대역(250)에서 발생된 전단 및 압력에 의해 중합체 수지를 조방사를 통해 통상 횡방향으로 밀어넣을 수 있으며, 이는 함침 정도를 상당히 향상시킨다. 이는 섬유 함량이 높은[예를 들어, 약 35% 이상의 중량 분율("Wf"), 몇몇 실시양태에서는 약 40% 이상의 Wf] 리본으로부터 복합체를 제조할 때 특히 유용하다. 전형적으로, 다이(150)는 예컨대 2개 이상, 3개 이상, 4 내지 7개, 2 내지 20개, 2 내지 30개, 2 내지 40개, 2 내지 50개 이상의 접촉 표면(252) 같은 복수개의 접촉 표면(252)을 포함하여, 조방사(142) 상에 충분한 침투 정도 및 압력을 생성시킨다. 이들의 구체적인 형태는 변할 수 있으나, 접촉 표면(252)은 전형적으로 구부러진 돌출부, 막대 등과 같은 곡선 표면을 갖는다. 접촉 표면(252)은 또한 전형적으로 금속 물질로 제조된다.

도 3a는 함침 다이(150)의 단면도를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 함침 다이(150)는 매니폴드 어셈블리(220), 게이트 통로(270) 및 함침 대역(250)을 포함한다. 매니폴드 어셈블리(220)는 이를 통해 중합체 수지(214)가 유동하도록 하기 위해 제공된다. 예를 들어, 매니폴드 어셈블리(220)는 채널(222) 또는 복수개의 채널(222)을 포함할 수 있다. 함침 다이(150)에 제공되는 수지(214)는 채널(222)을 통해 유동할 수 있다.

도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 채널(222)의 일부 구역은 곡선일 수 있으며, 예시적인 실시양태에서 채널(222)은 중심 축(224)을 따라 대칭적인 배향을 갖는다. 또한, 일부 실시양태에서, 채널은 복수개의 분지된 홈(branched running)(222)일 수 있으며, 이들은 제 1의 분지된 홈 군(232), 제 2 군(234), 제 3 군(236) 및 요구되는 경우 더 많은 분지된 홈 군을 포함할 수 있다. 각각의 군은 선행 군의 홈(222)으로부터 또는 최초 채널(222)로부터 분지된 2, 3, 4개 이상의 홈(222)을 포함할 수 있다.

분지된 홈(222) 및 이들의 대칭적인 배향은 통상적으로 수지(214)를 균일하게 분포시켜, 매니폴드 어셈블리(220)에서 나가서 조방사(142)를 코팅하는 수지(214)의 유동을 조방사(142) 상에 실질적으로 골고루 분포시키도록 한다. 이는 바람직하게는 조방사(142)를 대체적으로 일정하게 함침시키도록 한다.

또한, 매니폴드 어셈블리(220)는 일부 실시양태에서 출구 영역(242)을 한정할 수 있으며, 이는 통상 수지(214)가 나가는 채널 또는 홈(222)의 적어도 하류 부분을 포함한다. 일부 실시양태에서, 출구 영역(242)에 배치된 채널 또는 홈(222)의 적어도 일부는 수지(214)의 유동 방향(244)에서 증가되는 면적을 갖는다. 증가되는 면적은 수지(214)가 매니폴드 어셈블리(220)를 통해 유동할 때 수지(214)가 확산되고 추가로 분배되도록 하며, 이는 다시 수지(214)가 조방사(142) 상에 실질적으로 일정하게 분포되도록 한다.

도 3a 및 도 3b에 추가로 도시되어 있는 바와 같이, 매니폴드 어셈블리(220)를 통해 유동한 후, 수지(214)는 게이트 통로(270)를 통해 유동할 수 있다. 게이트 통로(270)는 매니폴드 어셈블리(220)와 함침 대역(250) 사이에 위치하고, 수지(214)가 매니폴드 어셈블리(220)로부터 유동하여 수지(214)가 조방사(142)를 코팅하도록 하기 위해 제공된다. 따라서, 예컨대 출구 영역(242)을 통해서 매니폴드 어셈블리(220)에서 나가는 수지(214)는 도시된 바와 같이 게이트 통로(270)에 들어가서 그를 통해 유동할 수 있다.

도 3a에 도시되어 있는 다이(150)의 매니폴드 어셈블리(220) 및 게이트 통로(270)에서 나갈 때, 수지(214)는 다이(150)를 통해 횡단하는 조방사(142)와 접촉한다. 상기에서 논의된 바와 같이, 수지(214)는 매니폴드 어셈블리(220) 및 게이트 통로(270)에서의 수지(214)의 분포로 인해 조방사(142)를 실질적으로 일정하게 코팅할 수 있다. 또한, 일부 실시양태에서, 수지(214)는 각 조방사(142)의 상부 표면에 또는 각 조방사(142)의 하부 표면에 또는 각 조방사(142)의 상부 표면과 하부 표면 둘 다에 충돌할 수 있다. 조방사(142)에 최초로 충돌하면 조방사(142)가 수지(214)로 추가로 함침된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 코팅된 조방사(142)는 조방사(142)를 수지(214)로 함침시키도록 구성된 함침 대역(250)을 통해 진행 방향(282)으로 횡단한다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 조방사(142)는 함침 대역에서 접촉 표면(252) 위를 횡단한다. 접촉 표면(252) 상에 조방사(142)가 충돌하면 조방사(142)를 수지(214)로 함침시켜 조방사(142)를 코팅하기에 충분한 전단 및 압력을 생성시킨다.

일부 실시양태에서는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 함침 대역(250)이 두 개의 이격된 대향 판(256, 258) 사이에서 한정된다. 제 1 판(256)은 제 1 내표면(257)을 한정하는 한편, 제 2 판(258)은 제 2 내표면(259)을 한정한다. 접촉 표면(252)은 제 1 내표면(257)과 제 2 내표면(259) 둘 다, 또는 제 1 내표면(257)과 제 2 내표면(259)중 하나 상에서만 한정되거나, 두 내표면 모두 또는 두 내표면중 하나만으로부터 연장될 수 있다. 도 3c는 이들 실시양태에 따른 함침 대역(250)의 적어도 일부를 형성하는 제 2 판(258) 및 그 위의 다양한 접촉 표면을 도시한다. 예시적인 실시양태에서는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 접촉 표면(252)이 제 1 표면(257) 및 제 2 표면(259) 상에서 교대로 한정되어 조방사가 제 1 표면(257) 및 제 2 표면(259) 상의 접촉 표면(252)에 교대로 충돌하도록 할 수 있다. 따라서, 조방사(142)는 물결 모양 경로, 구불구불한(tortuous) 경로 또는 S자형 경로로 접촉 표면(252)을 통과할 수 있으며, 이는 전단을 향상시킨다.

조방사(142)가 접촉 표면(252)을 횡단하는 각도(254)는 통상적으로 전단을 향상시키기에 충분히 높을 수 있으나, 섬유를 파단시키는 과도한 힘을 야기할만큼 높지는 않을 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 각도(254)는 약 1° 내지 약 30°, 일부 실시양태에서는 약 5° 내지 약 25°일 수 있다.

다른 실시양태에서, 함침 대역(250)은 복수개의 핀(도시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 각각의 핀은 접촉 표면(252)을 갖는다. 핀은 정적, 자유 회전 또는 회전 구동될 수 있다. 추가적인 다른 실시양태에서, 접촉 표면(252) 및 함침 대역(250)은 조방사(142)를 수지(214)로 목적하는 대로 또는 요구되는 대로 함침시키기에 적합한 임의의 형상 및/또는 구조를 포함할 수 있다.

조방사(142)의 함침을 추가로 촉진하기 위하여, 조방사를 또한 함침 다이 내에 존재하는 동안 장력하에 유지시킬 수 있다. 장력은 예를 들어 조방사(142)당 또는 섬유 다발(tow)당 약 5 내지 약 300N, 일부 실시양태에서는 약 50 내지 약 250N, 몇몇 실시양태에서는 약 100 내지 약 200N일 수 있다.

도 3a에 도시되는 바와 같이, 일부 실시양태에서는, 조방사(142)의 진행 방향(282)에서 함침 대역(250)의 하류에 랜딩 대역(land zone)(280)을 위치시킬 수 있다. 조방사(142)는 다이(150)에서 나가기 전에 랜딩 대역(280)을 통해 횡단할 수 있다. 도 3a에 추가로 도시되는 바와 같이, 일부 실시양태에서는, 면판(290)을 함침 대역(250)에 인접시킬 수 있다. 면판(290)은 일반적으로 과량의 수지(214)를 조방사(142)로부터 계량하도록 구성된다. 따라서, 면판(290)의 구멍[이를 통해 조방사(142)가 횡단함]은 조방사(142)가 이를 통해 횡단할 때 구멍의 크기가 과량의 수지(214)를 조방사(142)로부터 제거하도록 하는 크기를 가질 수 있다.

상기 도시되고 기재된 함침 다이는 본 발명에 사용될 수 있는 가능한 다양한 형태중 하나일 뿐이다. 다른 실시양태에서는 예를 들어 중합체 용융물의 유동 방향에 대해 일정 각도를 이루며 위치되는 크로스헤드 다이 내로 섬유를 도입할 수 있다. 섬유가 크로스헤드 다이를 통해 이동하고 중합체가 압출기 배럴로부터 나가는 지점에 도달할 때, 중합체를 섬유와 접촉시킨다. 또한, 2축 압출기 같은 임의의 다른 압출기 디자인도 사용할 수 있음을 알아야 한다. 또한, 섬유의 함침을 돕기 위하여 다른 구성요소도 임의적으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 특정 실시양태에서는 "기체 분사" 어셈블리를 사용하여 개별 섬유의 다발을 균일하게 펴는데 도움을 줄 수 있으며, 섬유 다발은 각각 한 덩어리의 다발의 전체 폭을 가로질러 24,000개의 섬유를 함유할 수 있다. 이는 리본에서 강도 특성의 균일한 분포를 달성하는데 도움을 준다. 이러한 어셈블리는 출구를 가로질러 통과하는 이동하는 섬유 다발에 통상 수직인 방식으로 충돌하는 압축 공기 또는 다른 기체의 공급원을 포함할 수 있다. 이어, 펴진 섬유 다발을 상기 기재된 바와 같이 함침하기 위하여 다이에 도입할 수 있다.

이용되는 기법에 무관하게, 연속 섬유를 종방향(도 1의 시스템의 기계 방향 "A")으로 배향하여 인장 강도를 향상시킨다. 섬유 배향 외에, 리본 및 인발성형 공정의 다른 양태도 제어하여 목적하는 강도를 달성한다. 예를 들어, 비교적 높은 비율의 연속 섬유를 리본에 사용하여 향상된 강도 특성을 제공한다. 예를 들면, 연속 섬유는 전형적으로 리본의 약 40중량% 내지 약 90중량%, 일부 실시양태에서는 약 50중량% 내지 약 85중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 55중량% 내지 약 75중량%를 구성한다. 마찬가지로, 열가소성 중합체(들)는 전형적으로 리본의 약 10중량% 내지 약 60중량%, 일부 실시양태에서는 약 15중량% 내지 약 50중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 25중량% 내지 약 45중량%를 구성한다.

뿐만 아니라, 함께 적층되어 목적하는 두께를 갖는 강한 일체형 구조체를 형성하는 복수개의 연속 섬유 리본의 조합을 사용할 수 있다. 사용되는 리본의 수는 프로파일의 목적하는 두께 및 강도뿐만 아니라 리본 자체의 특성에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 대부분의 경우, 리본의 수는 2 내지 40개, 일부 실시양태에서는 3 내지 30개, 몇몇 실시양태에서는 4 내지 25개이다.

상기 언급한 바와 같이, 불연속 섬유 물질도 열가소성 매트릭스 내에 매립한다. 예를 들어 불연속 섬유 물질은 장섬유 보강된 열가소성 플라스틱("LFRT") 또는 단섬유 보강된 열가소성 플라스틱("SFRT")일 수 있다. 당 업자에게 널리 공지되어 있는 바와 같이, 상기 기재된 방식으로 섬유를 함침시킨 후 함침된 섬유를 냉각시키고 약 25mm 이하의 길이를 갖는 펠렛으로 이들을 잘게 자름으로써, LFRT를 제조할 수 있다. 통상적인 압축 배합 방법을 이용하여 열가소성 중합체를 단섬유와 간단히 용융 블렌딩함으로써 SFRT를 제조할 수 있다. 열가소성 중합체(들)와 섬유의 상대적인 중량 백분율은 상기 나타낸 범위 내에 있을 수 있다. 이들이 제조되는 방법과 무관하게, 불연속 섬유의 적어도 일부는 종방향(즉, 인발성형 방향)에 대해 일정 각도로 배향되어 증가된 횡강도를 제공한다. 예를 들어, 섬유의 약 10% 이상, 일부 실시양태에서는 약 20% 이상, 몇몇 실시양태에서는 약 30% 이상이 종방향에 대해 일정 각도로 배향될 수 있다. 이 각도는 예를 들어 약 10° 내지 약 120°, 일부 실시양태에서는 약 20° 내지 약 110°, 하나의 실시양태에서는 약 90°일 수 있다. 섬유를 목적하는 방향으로 의도적으로 배향함으로써 또는 무작위적인 배치에 의해 이를 달성할 수 있다.

생성시킨 후, 연속 섬유 리본과 불연속 섬유 물질을 본 발명의 인발성형 시스템에 공급할 수 있다. 또한, 상기 단계를 프로파일의 제조와 인-라인으로 만들 수 있음을 알아야 한다. 이러한 실시양태에서는, 기재되고 도 2에 도시된 특정 구성요소를 사용하지 않을 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 예를 들어 함침 다이(150)에서 나오는 압출물(152)을, 본 발명의 프로파일을 제조하는데 사용되는 시스템에 바로 공급할 수 있다.

도 1을 참조하면, 하나 이상의 연속 섬유 리본(12)을 처음에는 크릴(20) 상에 권취된 패키지로 제공하는 시스템의 한 특정 실시양태가 도시되어 있다. 크릴(20)은 수평 회전 방추(22)(이들은 각각 패키지를 지지함)가 제공된 틀을 포함하는 풀림(unreeling) 크릴일 수 있다. 특히 섬유에 꼬임을 유도하고자 하는 경우에는 페이-아웃(pay-out) 크릴도 사용할 수 있다. 또한, 프로파일 제조와 인-라인으로 리본을 제조할 수도 있음을 알아야 한다. 한 실시양태에서는, 예를 들어 도 2의 함침 다이(150)에서 나가는 압출물(152)을 프로파일 제조에 이용되는 시스템에 바로 공급할 수 있다. 장력-조절 장치(40)를 또한 사용하여 리본(12)에서의 장력 수준을 제어하는데 도움을 줄 수 있다. 장치(40)는 크릴(20)의 회전 방추(22)에 평행한 수직면에 놓이는 입구 판(30)을 포함할 수 있다. 장력-조절 장치(40)는 엇갈린 구성으로 배열되는 원통형 바(41)를 함유하여, 리본(12)을 이들 바 위 아래로 통과시켜 물결 패턴을 한정하도록 할 수 있다. 바의 높이를 조정하여 물결 패턴의 진폭을 변화시키고 장력을 제어할 수 있다.

필요한 경우, 적외선 오븐, 대류 오븐 등에서과 같은 임의의 다양한 공지 형태를 갖는 오븐(45)에서 리본(12)을 가열할 수 있다. 가열 동안, 섬유를 일방향으로 배향하여 열에 대한 노출을 최적화시키고 전체 프로파일에 걸쳐 고른 가열을 유지시킨다. 리본(12)이 가열되는 온도는 통상 리본이 함께 결합될 수 있는 한도까지 열가소성 중합체를 연화시키기에 충분히 높다. 그러나, 온도는 물질의 일체성을 파괴할만큼 높지는 않다. 온도는 예를 들어 약 100℃ 내지 약 300℃, 일부 실시양태에서는 약 110℃ 내지 약 275℃, 몇몇 실시양태에서는 약 120℃ 내지 약 250℃일 수 있다. 하나의 특정 실시양태에서는, 예를 들어 아크릴로나이트릴-뷰타다이엔-스타이렌(ABS)을 중합체로서 사용하고, 리본을 ABS의 융점(이는 약 105℃임) 이상으로 가열한다. 다른 실시양태에서는, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트(PBT)를 중합체로서 사용하고, 리본을 PBT의 융점(이는 약 224℃임) 이상으로 가열한다.

가열시, 상이한 리본 층을 함께 결합시키는데 도움을 주기 위해, 또한 정렬시키고 프로파일의 초기 형상으로 만들기 위해, 연속 섬유 리본(12)을 통합 다이에 제공한다. 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 예를 들어 "속이 빈" 프로파일을 제조하는데 사용하기 위한 통합 다이(50)의 한 실시양태가 더욱 상세하게 도시되어 있다. 본원에서는 단일 다이로서 언급되지만, 복수개의 개별 다이(예컨대, 면판 다이)로부터 통합 다이(50)를 실제로 제조할 수 있음을 알아야 한다. 이 특정 실시양태에서, 통합 다이(50)는 입구 말단(56)에서 연속 섬유 리본의 제 1 층(또는 적층체)(12a) 및 연속 섬유 리본의 제 2 층(또는 적층체)(12b)을 받아들인다. 각 층 내의 리본을 함께 결합시키고, 방향 "A"에서 다이(50)의 채널(도시되지 않음)을 통해 인도한다. 채널은 목적하는 보강 계획을 생성시키기 위하여 임의의 다양한 배향 및 배열로 제공될 수 있다. 도시된 실시양태에서는, 예를 들어 층들(12a, 12b)을 처음에는 수직 방향에서 서로 이격시킨다. 이들이 다이(50)의 채널을 통해 통과할 때, 층(12a) 및/또는 층(12b)의 폭을 임의적으로 리본 형태로 만들어 압력의 V자 형 분포(pressure wedge)를 방지하는데 도움을 주고, 연속 섬유를 정렬되고 꼬임이 없는 상태로 유지시킨다. 다이(50) 내에서는 통상 리본에 사용되는 열가소성 매트릭스의 융점 이상에서 리본을 유지시켜 적절한 통합을 보장한다.

도 1, 도 4 및 도 5에 구체적으로 도시되지는 않았으나, 맨드릴을 통합 다이(50)의 내부에 또한 제공하여 적층체(12a, 12b)가 프로파일의 적어도 한쪽 면에서 서로 접촉하도록 인도하는데 도움을 줄 수 있다. 도시된 실시양태에서는, 예를 들어 제 1 층(12a)의 측부(57)와 제 2 층(12b)의 측부가 특정 각도를 이루어, 이들이 서로 접촉하여 속이 빈 프로파일의 한 면을 형성시키도록 할 수 있다. 그러나, 프로파일의 다른 면은 전형적으로 통합 다이(50) 내에서 노출된 상태로 유지되어, 불연속 섬유 물질이 통합 다이에서 프로파일의 내부에 뒤이어 적용될 수 있도록 한다. 물론, 불연속 섬유 물질이 속이 빈 프로파일의 내부에 적용되지 않는 실시양태의 경우에는, 전체 프로파일을 임의적으로는 인발성형 다이 내에서 성형시킬 수 있기 때문에 통합 다이(50)를 전혀 사용하지 않을 수 있다.

목적하는 위치에 있게 되면, 연속 섬유 물질의 층들(12a, 12b)을 인발성형 다이(60) 내로 잡아당긴다. 통상 통합 다이(50)에서 나간 후 인발성형 다이(60)에 들어가기 전에 층들을 잠시 냉각시키도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 시스템을 통해 추가로 가공되기 전에, 통합된 적층체가 그의 최초 형상을 보유하도록 한다. 간단히 층들을 주위 환경(예를 들어, 실온)에 노출시킴으로써, 또는 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 적극적인 냉각 기법(예를 들어, 수욕 또는 공기 냉각)을 통해, 이러한 냉각을 달성할 수 있다. 한 실시양태에서는, 예를 들어 공기를 층들 위로 불어넣는다(예컨대, 에어 링으로). 그러나, 이들 단계 사이의 냉각은 통상 층들이 추가로 성형되기에 충분히 연질이도록 보장하는 짧은 시간에 걸쳐 이루어진다. 예를 들어, 통합 다이(50)에서 나간 후, 제 2 다이(60)에 들어가기 전에 층들을 약 1초 내지 약 20초, 일부 실시양태에서는 약 2초 내지 약 10초동안 주위 환경에 노출시킬 수 있다.

인발성형 다이(60)의 구성은 부분적으로는 생성되는 프로파일의 목적하는 형상 및 특성에 따라 달라진다. 속이 빈 프로파일의 경우, 예를 들어 인발성형 다이는 흔히 그의 내부에 맨드릴을 함유함으로써 섬유 물질이 다이의 내표면과 맨드릴의 외표면 사이에서 유동하여 목적하는 형상을 형성시키도록 한다. 그러나, 속이 꽉 찬 프로파일은 전형적으로 맨드릴 없이 제조한다. 또한, 본원에서는 단독 다이로서 언급하였으나, 복수개의 개별 다이로부터 인발성형 다이(60)를 제조할 수 있음을 알아야 한다. 실제로, 인발성형 다이는 바람직하게는 불연속 물질이 공급되어 성형되는 제 1 다이 구역 및 연속 섬유 물질이 성형되는 제 2 다이 구역을 사용할 수 있다. 도 4 및 도 5에서는, 예를 들어 불연속 섬유 물질(61)을 공급하고 성형하는 제 1 다이 구역(62)을 사용하고, 연속 섬유 층(12a, 12b)을 성형하는 제 2 다이 구역(64)을 사용한다.

불연속 섬유 물질(61)을 제 1 다이 구역(62)에 공급하는 특정 방식이 도 6 내지 도 8에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 불연속 섬유 물질(61)은 제 1 다이 구역(62)에 들어가서 그의 내부 공동부 내로 구부러진다. 요구되는 것은 아니지만, 이러한 구부러진 입구는 불연속 섬유 물질(61)이 "A" 방향으로 다이 출구(67)를 향해 점진적으로 유동하도록 할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 불연속 섬유 물질이 연속 섬유 층(12a, 12b)의 유동 방향 "A"에 대해 제공되는 각도(β)는 통상 변할 수 있으나, 전형적으로는 약 45° 이상, 일부 실시양태에서는 약 60° 이상, 몇몇 실시양태에서는 약 75° 내지 약 90°이다. 특정 경우에는, 수직이 아닌 유동 각도가 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이 각도가 불연속 섬유 물질의 고압 유동에 의해 야기될 수 있는 다이에서의 배압(이는 종종 바람직하지 못한 역류를 야기할 수 있음)을 최소화하거나 극복하기 때문이다. 불연속 섬유 물질의 각이 진 입구 배향은 그의 구부러진 형태와 함께 다이 내부에서 정적인 반점(데드 반점)(이는 수지 열화, 섬유 정지 또는 파손을 야기할 수 있음)이 형성될 가능성도 감소시킬 수 있다.

제 1 다이 구역(62)에 들어가면, 불연속 물질(61)은 맨드릴(68) 위로 유동한다. 맨드릴(68)은 캔틸레버(cantilever) 방식으로 지지되어, 연속 물질이 맨드릴 둘레에서 그 위로 당겨지는 전방력에 저항하도록 할 수 있다. 또한, 본원에는 전체 맨드릴이 도시되지 않았으나, 그럼에도 불구하고 맨드릴이 전술한 통합 다이(50) 내로 연장되어 상기 기재된 방식으로 연속 섬유 물질을 "예비-성형"하는데 도움을 줄 수 있음을 알아야 한다. 여하튼, 도 6 내지 도 8에 도시된 맨드릴(68)은 프로파일의 목적하는 성형을 달성하기 위해 복수개의 구역을 갖는다. 더욱 구체적으로, 맨드릴(68)은 속이 꽉 차고 통상 단면이 직사각형인 제 1 맨드릴 구역(69)을 갖는다. 따라서, 불연속 물질(61)은 맨드릴 구역(69)의 근위 말단(71)으로부터 원위 말단(73)으로 맨드릴 구역 둘레에서 그 위로 통과한다. 이렇게 할 때, 물질(61)은 제 1 다이 구역(62)의 내표면과 맨드릴 구역(69)의 외표면(75) 사이에서 한정된 형상(이 실시양태에서는 속이 빈 직사각형)을 나타낸다.

인발성형 다이(60)의 제 2 다이 구역(64)에서, 도 9 및 도 10에 도시된 맨드릴(68)의 제 2 구역(79) 위의 둘레에서 연속 섬유 층의 최종 형상을 형성시킨다. 제 2 맨드릴 구역(79)은 제 1 맨드릴 구역으로의 연결을 위하여 제 1 맨드릴 구역(69)의 돌출부(77)와 맞물리는 U-형 오목부(103)를 갖는다. 이 실시양태에서, 제 2 맨드릴 구역(79)은 통상 물질 유동 방향 "A"와 수직인 상부 벽(83) 및 하부 벽(85)도 갖는다. 상향 표면(91)은 상부 벽(83)의 구부러진 가장자리(93)와 만나고 "A" 방향에서 축방향으로 기울어진다. 유사하게, 하향 표면(95)은 하부 벽(85)의 구부러진 가장자리와 만나고 "A" 방향에서 축방향으로 기울어진다. 표면(91, 95)은 둘 다 가장자리(97)에서 모인다. 프로파일의 제조 동안, 연속 섬유 물질의 제 1 층(12a)은 표면(91) 위로 잡아당겨지고, 인발성형 다이(60)의 내표면과 상부 벽(83) 사이에서 한정되는 형상을 나타낸다. 연속 섬유 물질의 제 2 층(12b)은 표면(95) 위로 잡아당겨지고, 마찬가지로 인발성형 다이(60)의 내표면과 하부 벽(85) 사이에서 한정되는 형상을 나타낸다. 층(12a, 12b)은 또한 가장자리(97)에서 점진적으로 서로 접촉하도록 잡아당겨져서 생성되는 프로파일의 한쪽 면을 형성한다. 필요한 경우, 물질을 랜딩 다이 구역(도시되지 않음) 같은 후속 압축 단계에 도입하여, 층들의 가장자리에서 이들 사이의 접착 정도를 추가로 증가시킬 수 있다.

다이(60) 내에서는, 리본(12)을 통상 리본에 사용되는 열가소성 매트릭스의 융점보다 높게 유지하여, 부품을 성형하고 불연속 섬유 물질과 함께 혼합하는 능력을 촉진한다. 그러나, 온도는 물질의 일체성을 파괴할만큼 높지는 않다. 온도는 예를 들어 약 100℃ 내지 약 350℃, 일부 실시양태에서는 약 120℃ 내지 약 320℃, 몇몇 실시양태에서는 약 150℃ 내지 약 300℃일 수 있다.

요구되는 경우, 생성되는 프로파일에 또한 캡핑(capping) 층을 도포하여 프로파일의 심미적 매력을 향상시키고/시키거나 프로파일을 환경 조건으로부터 보호할 수 있다. 도 1을 참조하면, 예를 들어 열가소성 수지를 캡핑 다이(72) 내로 도입하기 위한 임의의 목적하는 각도로 배향된 압출기를 통해 이러한 캡핑 층을 도포할 수 있다. 수지는 통상적으로 프로파일을 제조하는데 사용된 열가소성 중합체와 양립가능한 것으로 당 업계에 공지되어 있는 임의의 적합한 열가소성 중합체를 함유할 수 있다. 적합한 캡핑 중합체는 예를 들어 아크릴계 중합체, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트(PBT), ABS, 폴리올레핀, 폴리에스터, 폴리아세탈, 폴리아마이드, 폴리우레탄 등을 포함할 수 있다. 캡핑 수지는 일반적으로 섬유를 함유하지 않지만, 그럼에도 불구하고 프로파일의 최종 특성을 개선하기 위하여 캡핑 수지가 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 이 단계에서 사용되는 첨가제 물질은 연속 섬유 또는 불연속 장섬유 층에 혼입하기 적합하지 않은 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 안료를 복합 구조체에 첨가하여 성형된 제품의 마무리 노력을 감소시키는 것이 바람직할 수 있거나, 또는 난연제를 복합 구조체에 첨가하여 성형된 제품의 난연 특징을 향상시키는 것이 바람직할 수 있다. 다수의 첨가제 물질이 열에 민감하기 때문에, 과도한 양의 열은 이들 첨가제 물질을 분해할 수 있고 휘발성 기체를 생성시킬 수 있다. 따라서, 열에 민감한 첨가제 물질을 고온 가열 조건 하에서 함침 수지와 함께 압출하는 경우, 첨가제 물질이 완전히 분해될 수 있다. 첨가제 물질은 예를 들어, 광물 보강제, 윤활제, 난연제, 팽창제, 발포제, 자외선 저항성 약제, 열 안정화제, 안료 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 광물 보강제는 예컨대 탄산칼슘, 실리카, 운모, 점토, 활석, 규산칼슘, 흑연, 규산칼슘, 알루미늄 삼수화물, 아철산바륨 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.

본원에서 상세하게 도시하지는 않지만, 캡핑 다이(72)는 캡핑 층을 목적하는 대로 도포하는데 도움이 되는, 당 업계에 공지되어 있는 다양한 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캡핑 다이(72)는 들어오는 프로파일을 정렬시키는 입구 가이드를 포함할 수 있다. 캡핑 다이는 또한 캡핑 층을 도포하기 전에 프로파일을 예열하여 적절한 결합을 보장하는데 도움을 주는 가열 장치(예를 들어, 가열된 판)를 포함할 수 있다.

임의적인 캡핑 후, 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 냉각 시스템(80)을 사용하여, 성형품(15)을 최종적으로 냉각시킨다. 냉각 시스템(80)은 예를 들어 고온 형상이 냉각됨에 따라 진공이 고온 형상을 그의 벽에 대향하여 밀면서 프로파일을 완전히 둘러싸는 하나 이상의 블록(예를 들어, 알루미늄 블록)을 포함하는 진공 사이저(sizer)일 수 있다. 공기 또는 물 같은 냉각 매질을 사이저에 공급하여 프로파일을 올바른 형상으로 고화시킬 수 있다.

프로파일을 제조할 때 진공 사이저를 전형적으로 사용한다. 그러나, 진공 사이저가 사용되지 않는 경우에라도, 프로파일이 캡핑 다이(또는 캡핑이 도포되지 않는 경우에는 통합 또는 보정 다이)에서 나온 후 통상적으로 프로파일을 냉각시켜야 한다. 진공 물 탱크, 냉각 기류 또는 공기 분사, 냉각 재킷, 내부 냉각 채널, 냉각 유체 순환 채널 등과 같은 당 업계에 공지되어 있는 임의의 기법을 이용하여 냉각시킬 수 있다. 여하튼, 물질이 냉각되는 온도를 통상적으로 제어하여, 최적의 기계적 특성, 부품 치수 공차, 우수한 가공 및 심미적으로 보기 좋은 복합체를 달성한다. 예를 들어, 냉각 스테이션의 온도가 너무 높으면, 물질이 공구 내에서 팽윤되어 공정을 차단하게 된다. 반결정질 물질의 경우, 너무 낮은 온도는 물질을 너무 급속하게 냉각시키고 완벽하게 결정화시키지 않음으로써 복합체의 기계적 및 화학적 저항 특성을 위태롭게 할 수 있다. 독립적으로 온도가 제어되는 복수개의 냉각 다이 구역을 이용하여 가공 및 성능 특성의 최적 균형을 부여할 수 있다. 한 특정 실시양태에서는, 예를 들어 약 10℃ 내지 약 50℃, 일부 실시양태에서는 약 15℃ 내지 약 35℃의 온도에서 유지되는 진공 물 탱크를 사용한다.

알게 되는 바와 같이, 본 발명의 시스템의 임의의 구역을 통해 진행할 때 프로파일의 온도를 제어하여 최적의 제조 및 목적하는 최종 복합체 특성을 수득할 수 있다. 전기 카트리지 히터, 순환 유체 냉각 등 또는 당 업자에게 공지되어 있는 임의의 다른 온도 제어 장치를 사용하여, 어셈블리 구역중 임의의 구역 또는 모든 구역에서 온도를 제어할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 복합체의 최종 사이징을 위한 시스템을 통해 완성된(finished) 프로파일(16)을 잡아당기는 당김 장치(82)가 냉각 시스템(80) 하류에 위치한다. 당김 장치(82)는 공정 시스템을 통해 목적하는 속도로 프로파일을 잡아당길 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 전형적인 당김 장치는 예를 들어 캐터필러 풀러(caterpillar puller) 및 왕복 풀러를 포함한다. 요구되는 경우, 하나 이상의 보정 다이(도시되지 않음)를 또한 사용할 수 있다. 이러한 다이는 처음에는 큰 크기에서 최종 프로파일 형상으로 점진적으로 변하는, 정확한 프로파일 형상으로 절단하는 구멍을 함유한다. 프로파일이 이를 통해 통과할 때, 프로파일이 움직이거나 처지는 경향이 없어지고 그의 올바른 형상으로 되돌아간다(반복적으로). 사이징한 후, 단면 절단을 수행할 수 있는 절단 톱 같은 절단 스테이션(도시되지 않음)에서 프로파일을 목적하는 길이로 절단할 수 있다.

생성된 프로파일(16)이 도 11에 더욱 상세하게 도시된다. 도시되어 있는 바와 같이, 프로파일(16)은 일반적인 속이 빈 직사각형의 형상을 갖는다. 내층(4)은 전체 프로파일 둘레에서 연장되고 내표면(5)을 한정하는 불연속 섬유 물질에 의해 형성된다. 외층(6)은 마찬가지로 내층(4)의 주변부 둘레에서 연장되고 그에 인접하게 위치되는 연속 섬유 물질에 의해 형성된다. 이들 층의 두께 및 불연속 섬유 물질과 연속 섬유 물질의 상대적인 양은 프로파일의 특정 인장 강도 및 횡강도(예컨대, 굴곡 모듈러스)를 달성하는데 도움이 되도록 전략적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 불연속 섬유 물질의 백분율(및/또는 두께)이 더 높으면 통상 더 높은 횡강도를 생성시키는 한편, 연속 섬유 물질의 백분율(및/또는 두께)이 더 높으면 일반적으로 더 높은 인장 강도를 생성시킨다.

이들 특성을 최적화시키기 위하여, 불연속 섬유 층의 중량에 대한 연속 섬유 층의 중량의 비는 전형적으로 약 0.2 내지 약 10, 일부 실시양태에서는 약 0.4 내지 약 5, 몇몇 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 4이다. 예를 들어, 연속 섬유는 프로파일의 약 10중량% 내지 약 90중량%, 일부 실시양태에서는 약 20중량% 내지 약 70중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 30중량% 내지 약 60중량%를 구성할 수 있다. 마찬가지로, 장섬유는 프로파일의 약 0.5중량% 내지 약 50중량%, 일부 실시양태에서는 약 1중량% 내지 약 40중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 2중량% 내지 약 30중량%를 구성할 수 있다. 이와 관련하여, 내층(4)의 두께는 약 0.1 내지 약 2.0mm, 일부 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 1.5mm, 몇몇 실시양태에서는 약 0.6 내지 약 1.2mm일 수 있고, 외층(6)의 두께는 약 0.2 내지 약 4.0mm, 일부 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 3.0mm, 몇몇 실시양태에서는 약 1.0 내지 약 2.0mm일 수 있다. 층(4, 6)의 총 두께는 마찬가지로 약 1.0 내지 약 4.0mm, 일부 실시양태에서는 약 2.0 내지 약 3.0mm일 수 있다.

도 11의 프로파일(16)은 또한 외층(6)의 주변부 둘레에서 연장되고 프로파일(16)의 외표면(8)을 한정하는 캡핑 층(7)을 포함한다. 캡핑 층(7)의 두께는 부품의 의도되는 기능에 따라 달라지지만, 전형적으로는 약 0.1 내지 약 5mm, 일부 실시양태에서는 약 0.2 내지 약 3mm이다.

상기 기재되고 도시된 실시양태에서는, 불연속 섬유 물질이 프로파일의 실질적으로 전체 내부 주변부 둘레에 위치한다. 그러나, 이렇게 되어야 하는 것은 아니며, 특정 용도에서는 특정 디자인에 따라 유리한 특정 위치에만 물질을 적용할 필요가 있을 수 있음을 알아야 한다. 이러한 프로파일의 일례가 도 12에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 프로파일(216)은 일반적인 속이 빈 직사각형의 형상을 갖는다. 이 실시양태에서는, 전체 프로파일 둘레에서 연장되고 내표면(205)을 한정하는 연속 섬유 물질에 의해 내층(206)이 형성된다. 층(206)의 두께는 도 11을 참조하여 상기 기재된 연속 섬유 층과 유사할 수 있다. 그러나, 도 11과는 대조적으로, 프로파일(216)은 불연속 섬유 층을 함유하지 않는다. 대신, 불연속 섬유 물질은 프로파일(216)의 상부 표면(208) 및 하부 표면(209)에서 개별적인 층(204)에 위치된다. 불연속 섬유 물질의 이러한 개별적인 배치는 특정 용도에 필요한 위치에서만 향상된 횡강도를 제공할 수 있다. 캡핑 층(207)이 프로파일(216)의 주변부를 덮을 수 있다.

도 13 및 도 14는 프로파일(216)을 제조하는데 사용될 수 있는 통합 다이(250) 및 인발성형 다이(260)의 한 실시양태를 도시한다. 상기 기재된 실시양태와 유사하게, 이 실시양태의 통합 다이(250)는 입구 말단(256)에서 연속 섬유 물질의 제 1 층(212a) 및 제 2 층(212b)을 받아들인다. 층(212a, 212b)을 다이(250)의 채널(도시되지 않음)을 통해 "A" 방향으로 인도한다. 이들의 채널을 통해 통과할 때, 층(212a) 및/또는 층(212b)의 폭을 임의적으로는 리본 형태로 만들고 상기 기재된 바와 같이 한 면에서 연결한다. 목적하는 위치에 있게 되면, 제 1 다이 구역(262), 제 2 다이 구역(264) 및 이를 통해 연장되는 맨드릴(268)을 사용하는 인발성형 다이(260) 내로 층(212a, 212b)을 잡아당긴다. 이들 구성요소 각각은 함께 연속 섬유 물질의 성형을 돕는다. 더욱 구체적으로는, 연속 섬유 층이 맨드릴(268)의 근위 말단으로부터 원위 말단으로 맨드릴(268) 둘레에서 그 위로 통과할 때, 이들은 다이(260)의 내표면과 맨드릴의 외표면 사이에서 한정되는 형상(이 실시양태에서는, 속이 빈 직사각형)을 나타낸다. 이어, 입구부를 통해 불연속 섬유 물질(281)을 제 3 다이 구역(280) 내로 도입하는데, 이 제 3 다이 구역은 전형적으로 물질을 상기 언급된 바와 같이 일정 유입 각도로 압출하는 크로스-헤드 다이의 형태이다. 그러나, 이 특정 실시양태에서는, 불연속 섬유 물질(281)을 제 3 다이 구역(280) 내에서 상부 스트림(240) 및 하부 스트림(242)으로 나눈다. 스트림(240, 242)이 물질 유동 방향 "A"에서 모이고 다이 시스템을 통해 당겨질 때, 이들은 각각 프로파일(216)의 별도의 상부 층과 하부 층(204)을 형성한다. 이어, 도시된 바와 같은 캡핑 다이(272)를 사용하여 캡핑 층(207)을 적용할 수 있다.

물론, 다른 속이 빈 프로파일도 본 발명에서 제조할 수 있다. 도 15를 참조하면, 예를 들어 일반적인 속이 빈 직사각형 프로파일(316)의 다른 실시양태가 더욱 상세하게 도시되어 있다. 이 특정 실시양태에서는, 전체 프로파일 둘레에서 연장되고 내표면(305)을 한정하는 불연속 섬유 물질에 의해 내층(304)을 형성시킨다. 층(304)의 두께는 도 11을 참조하여 상기 기재된 불연속 섬유 층과 유사할 수 있다. 그러나, 도 11의 실시양태와는 대조적으로, 프로파일(316)은 프로파일의 주변부 둘레에 연속 섬유 층을 갖지 않는다. 대신, 연속 섬유 물질을 프로파일(316)의 내부에 별도의 수직 층(306a) 및 수평 층(306b)으로서 제공한다. 내층(304)의 주변부 둘레에서 연장되고 프로파일(316)의 외표면(308)을 한정하는 캡핑 층(307)을 마찬가지로 제공한다.

속이 빈 프로파일의 또 다른 실시양태가 도 16에 도시된다. 이 실시양태에서, 프로파일(416)은 일반적인 L-형 단면을 갖는다. L-형 프로파일(416)의 내층(406)은 연속 섬유 물질을 포함할 수 있고, 외층(404)은 불연속 섬유 물질을 포함할 수 있다. 별도의 연속 섬유 물질의 별도의 층(409)도 사용할 수 있다. 또한, 캠핑 층(407)이 프로파일(416)의 전체 주변부 둘레에서 연장될 수 있고, 이는 프로파일(416)의 외표면(408)을 한정한다.

속이 빈 프로파일에 덧붙여, 본 발명의 독특한 방법 및 시스템을 사용하여 속이 꽉 찬 프로파일도 제조할 수 있다. 하나의 이러한 실시양태는 도 17에 도시된 속이 꽉 찬 U-형 또는 C-형 프로파일(516)이다. 이 특정 실시양태에서, 프로파일(516)의 내층(506)은 연속 섬유 물질을 포함할 수 있고, 외층(504)은 불연속 섬유 물질을 포함할 수 있다. 각 층의 두께 및 상대적인 중량 백분율은 도 11에 도시된 실시양태와 관련하여 상기 기재된 범위 내에 있을 수 있다. 캡핑 층(507)이 또한 프로파일(516)의 전체 주변부 둘레에서 연장될 수 있고 프로파일의 외표면(508)을 한정할 수 있다. 또 다른 적합한 속이 꽉 찬 프로파일은 도 18에 도시된 바와 같이 일반적인 직사각형을 갖는다. 이 실시양태에서, 프로파일(616)은 전형적으로 불연속 섬유 물질로부터 제조되는 기본 층(604) 및 전형적으로 연속 섬유 물질로부터 제조되고 기본 층에 인접한 외층(606)을 갖는다. 이러한 프로파일의 또 다른 실시양태가 I-빔의 형태로 도 19에 도시되어 있다. 이 특정 실시양태에서, 프로파일(716)은 불연속 섬유 물질로부터 제조된 내층(704) 및 불연속 섬유 물질로부터 제조된 외층(706)을 포함할 수 있다.

알게 되는 바와 같이, 상기 기재된 특정 프로파일 실시양태는 본 발명에 의해 제조될 수 있는 다수의 디자인의 예일 뿐이다. 가능한 다양한 프로파일 디자인에서는, 상기 기재된 것에 덧붙여 연속 섬유 물질 및/또는 불연속 섬유 물질의 추가적인 층을 사용할 수 있음을 알아야 한다. 또한, 상기 기재된 실시양태는 이들이 프로파일의 전체 길이를 따라 실질적으로 동일한 단면 형상을 갖는 한도까지 "동형" 프로파일인 것으로 간주된다. 그러나, 구부러지고 꼬이는 등과 같이 변화되는 단면을 갖는 프로파일도 본 발명에서 제조될 수 있음을 알아야 한다.

임의의 특정 디자인으로 한정되지는 않지만, 본 발명의 프로파일은 상기 참조된 바와 같이 향상된 강도 특성을 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로파일은 동일한 형상 및 크기를 갖지만 본 발명의 선택적인 불연속 섬유 보강재가 없는 프로파일과 비교하여 비교적 높은 굴곡 모듈러스 및 최대 굴곡 강도(횡방향에서)를 나타낼 수 있다. 용어 "굴곡 모듈러스"는 일반적으로 굴곡 변형에서 응력 대 변형의 비(단위: 면적당 힘) 또는 물질이 구부러지는 경향을 가리킨다. 이는 "3개 지점 굴곡" 시험(예컨대, ASTM D790-10, 절차 A 또는 ISO 178)에 의해 생성되는 응력-변형 곡선의 기울기로부터 결정된다. 예를 들어, 본 발명의 프로파일은 약 2GPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 2 내지 약 25GPa, 몇몇 실시양태에서는 약 4 내지 약 20GPa, 일부 실시양태에서는 약 5 내지 약 15GPa의 굴곡 모듈러스를 나타낼 수 있다. 뿐만 아니라, 최대 굴곡 강도(파괴 모듈러스 또는 굽힘 강도로도 알려져 있음)는 약 12MPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 15 내지 약 50MPa, 몇몇 실시양태에서는 약 20 내지 약 40MPa일 수 있다. 용어 "최대 굴곡 강도"는 통상 실온 및 횡방향에서의 "3개 지점 굴곡" 시험(예컨대, ASTM D790-10, 절차 A 또는 ISO 178)에 의해 생성되는 응력-변형 곡선에서 도달하는 최대 응력을 말한다. 이는 물질이 적용되는 횡방향 응력을 파괴될 때까지 견디는 능력을 나타낸다. 최대 굴곡 강도에 대한 굴곡 모듈러스의 비를 또한 제어하여 횡강도와 모듈로스 사이의 균형을 달성한다. 예를 들어, 이 비는 약 50 내지 약 2200, 일부 실시양태에서는 약 100 내지 약 1000, 몇몇 실시양태에서는 약 200 내지 약 800, 일부 실시양태에서는 약 250 내지 약 600일 수 있다.

프로파일은 또한 약 3% 이하, 일부 실시양태에서는 약 2% 이하, 몇몇 실시양태에서는 약 1% 이하 같은 매우 낮은 공극 분율을 가질 수 있다. ASTM D 2584-08에 따라 "수지 연소" 시험을 이용하는 것과 같은 상기 기재된 방식으로 공극 분율을 결정할 수 있다.

하기 실시예를 참조하여 본 개시내용을 더 잘 이해할 수 있다.

실시예

상기 실질적으로 기재되고 도 2 및 도 3에 도시된 압출 시스템을 이용하여 먼저 연속 섬유 리본을 제조하였다. 유리 섬유 조방사(E-유리, 2200tex)를 연속 섬유로 사용하였으며, 각각의 개별적인 리본은 3개의 섬유 조방사를 함유하였다. 섬유를 함침시키는데 사용된 열가소성 중합체는 융점이 약 105℃인 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 스타이렌(ABS)이었다. 각각의 리본은 유리 섬유 60중량% 및 ABS 40중량%를 함유하였다. 생성된 리본은 0.2 내지 0.4mm의 두께 및 1% 미만의 공극 분율을 가졌다.

제조한 후, 리본을 5ft/분의 속도로 작동되는 압출/인발성형 라인에 공급하였다. 통합시키기 전에, 리본을 적외선 오븐(동력 세팅 160) 내에서 가열하였다. 이어, 가열된 리본을, 리본을 수용하고 프로파일의 최초 형상을 만들면서 이들 리본을 함께 통합하는 U-형 채널을 갖는 통합 다이에 공급하였다. 다이 내에서, 리본을 ABS 매트릭스의 융점 바로 위인 약 121℃에서 유지하였다. 통합시, 생성된 적층체를, 주위 공기로 잠시 냉각시켰다. 이어, 적층체를 도 1에 도시된 바와 같이 인발성형 다이를 통해 통과시켰다. 장섬유 펠렛을 246℃에서 U-형 프로파일의 내부 구역에 적용하였다. 이어, 생성된 부품을 1-인치 랜딩 구역으로 공급하여 최종적인 속이 꽉 찬 "U형" 형상을 부여하고, 약 26℃로 설정된 오일 냉각 사이징 단위장치를 사용하여 냉각시켰다. 이어, 공기 냉각을 이용하여 냉각 공정을 종결시켰다. 프로파일은 약 3.2mm의 두께 및 약 40mm의 폭을 가졌다.

상이한 양의 연속 섬유 및 장섬유를 사용하여 상기 기재된 바와 같이 10개의 상이한 U-형 프로파일 샘플을 제조하였다. 0중량% 내지 40중량%에 이르는 상이한 백분율의 장섬유를 펠렛에 사용함으로써 장섬유의 양을 변화시켰고, 2개 내지 7개에 이르는 상이한 수의 리본을 사용함으로써 연속 섬유의 양을 변화시켰다. 각 샘플이 제조된 방식이 아래 표 1에 반영되어 있다.

샘플	펠렛중 장섬유 (중량%)	연속 섬유 리본의 수	장섬유 물질에 대한 연속 섬유 물질의 중량비
1	0	7	-
2	20	2	1.21
3	20	3	1.99
4	20	4	3.20
5	30	2	0.72
6	30	3	1.54
7	30	4	2.34
8	40	2	0.57
9	40	3	0.95
10	40	4	1.52

프로파일의 강도 특성을 결정하기 위하여, ASTM D790-10, 절차 A에 따라 3개 지점 굴곡 시험을 수행하였다. 프로파일의 한 횡방향 가장자리를 내부 설비로 지지시키고, 인스트론(Instron) 미터로부터의 하중을 U형 프로파일의 자유로운 가장자리에 적용하였다. 부품 상의 최대 응력 부하를 계산하는데 하기 방정식을 사용하였다:

최대 응력 부하=(6*P_max*L)/w*t²

상기 식에서, P_max는 최대 하중이고, L은 레버 암의 길이이고, w는 샘플 폭이며, t는 샘플 두께이다.

샘플의 강도 특성이 아래 표 2에 기재된다.

샘플	최대 굴곡 강도(MPa)	굴곡 모듈러스(GPa)	굴곡 강도에 대한 굴곡 모듈러스의 비
1	11.73	26.6	2268
2	35.39	6.2	175
3	32.36	8.7	269
4	32.76	13.7	418
5	30.94	7.87	254
6	27.17	13.55	499
7	26.57	14.87	560
8	27.93	11.82	423
9	26.57	13.75	518
10	29.66	14.75	497

당 업자는 본 발명의 원리 및 영역에서 벗어나지 않으면서 본 발명의 이들 및 다른 변형 및 변화를 실행할 수 있다. 또한, 다양한 실시양태의 양태를 전체적으로 또는 부분적으로 교환할 수 있음을 알아야 한다. 뿐만 아니라, 당 업자는 상기 기재 내용이 예일 뿐이고 첨부된 특허청구범위에 추가로 기재되는 본 발명을 한정하고자 하지 않음을 알 것이다.

Claims

인발성형 다이를 통해 연속 섬유 리본을 종방향으로 잡아당기고,
불연속 섬유 물질을 상기 인발성형 다이 내로 도입하고,
상기 인발성형 다이 내에서 상기 불연속 섬유 물질과 상기 연속 섬유 리본을 합쳐서 프로파일의 제 1 층 및 제 2 층을 형성함
을 포함하는, 단면 형상을 갖는 인발성형된 프로파일을 제조하는 방법으로서, 이 때
상기 연속 섬유 리본이, 실질적으로 종방향으로 배향되고 제 1 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 연속 섬유를 함유하고,
상기 불연속 섬유 물질이, 제 2 열가소성 매트릭스 내에 매립된 불연속 섬유를 함유하며,
상기 제 1 층이 상기 제 2 층에 인접하여 위치되고 상기 불연속 섬유 물질을 함유하며,
상기 제 2 층이 상기 연속 섬유 리본을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연속 섬유, 상기 불연속 섬유, 또는 둘 다가 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 유리 섬유와 탄소 섬유의 조합을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 열가소성 중합체 매트릭스, 상기 제 2 열가소성 중합체 매트릭스, 또는 둘 다가, 폴리올레핀, 폴리에터 케톤, 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤, 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드, 플루오로 중합체, 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리카본에이트, 스타이렌계 중합체, 폴리에스터, 폴리아마이드 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 열가소성 매트릭스가 제 1 열가소성 중합체를 포함하고,
상기 제 2 열가소성 매트릭스가 제 2 열가소성 중합체를 포함하며,
상기 제 1 열가소성 중합체와 제 2 열가소성 중합체가 동일한, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연속 섬유 리본이 약 2% 이하의 공극 분율(void fraction)을 갖는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연속 섬유 리본이, 상기 연속 섬유를 제 1 열가소성 중합체 매트릭스로 함침시키기 위하여 구불구불한(tortuous) 경로를 한정하는 압출 장치를 통해 상기 연속 섬유를 통과시킨 다음 함침된 섬유를 통합하여 리본으로 만듦을 포함하는 방법에 의해 제조되는, 방법.
제 6 항에 있어서,
매니폴드 어셈블리가 상기 열가소성 매트릭스를 상기 압출 장치에 공급하고, 이 때 상기 매니폴드 어셈블리는 분지된 홈(branched running)을 포함하며, 이 홈을 통해 상기 열가소성 매트릭스가 유동하는, 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 연속 섬유가 열가소성 매트릭스로 함침될 때 장력 하에 있는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열가소성 중합체 매트릭스가 리본의 약 10중량% 내지 약 60중량%를 구성하고, 상기 연속 섬유가 리본의 약 40중량% 내지 약 90중량%를 구성하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 불연속 섬유가 장섬유를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법이 인발성형 다이 상류에 위치하는 통합 다이를 통해 연속 섬유 리본을 잡아당김을 추가로 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 불연속 섬유의 적어도 일부가 종방향에 대해 일정 각도로 배향되는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 불연속 섬유 물질이 종방향에 대한 일정 유입 각도로 인발성형 다이 내로 도입되며, 상기 유입 각도가 약 75° 내지 약 90°인, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 인발성형 다이의 내부에 제 1 맨드릴 구역이 위치하고, 상기 불연속 섬유 물질이 상기 제 1 맨드릴 구역 위로 유동하여 상기 제 1 맨드릴 구역의 외표면과 상기 인발성형 다이의 내표면 사이에서 한정되는 형상을 나타내는, 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 인발성형 다이의 내부에 제 2 맨드릴 구역이 또한 위치하고, 상기 연속 섬유 리본이 상기 제 2 맨드릴 구역 위로 유동하여 상기 제 2 맨드릴 구역의 외표면과 상기 인발성형 다이의 내표면 사이에서 한정되는 형상을 나타내는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 연속 섬유 리본의 복수개의 층을 인발성형 다이를 통해 잡아당기고 함께 합쳐 프로파일의 제 2 층을 형성하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법이 상기 제 1 층, 상기 제 2 층 또는 둘 다에 캡핑(capping) 층을 적용함을 추가로 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법이 성형된 프로파일을 냉각시켜 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층을 제 위치에 고화시킴을 추가로 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층의 중량에 대한 상기 제 2 층의 중량의 비가 약 0.2 내지 약 10인, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 층이 약 0.5 내지 약 3.0mm의 두께를 갖고, 상기 제 1 층의 두께가 약 0.5 내지 약 1.5mm인, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 프로파일이 속이 빈(hollow), 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 속이 빈 프로파일이 일반적인 직사각형의 형상을 갖는, 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 제 1 층이 상기 속이 빈 프로파일의 내층을 형성하는, 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 제 2 층이 실질적으로 상기 제 1 층의 주변부 둘레에서 연장되는, 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 제 2 층이 상기 제 1 층에 인접한 하나 이상의 별도의(discrete) 영역에 위치하는, 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 제 2 층이 상기 속이 빈 프로파일의 내층을 형성하는, 방법.
제 26 항에 있어서,
상기 제 1 층이 실질적으로 상기 제 2 층의 주변부 둘레에서 연장되는, 방법.
제 26 항에 있어서,
상기 제 1 층이 상기 제 2 층에 인접한 하나 이상의 별도의 영역에 위치하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 프로파일이 속이 꽉 찬(solid), 방법.
제 29 항에 있어서,
상기 속이 꽉 찬 프로파일이 U-형 또는 C-형인, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 프로파일의 단면 형상이 프로파일의 전체 길이를 따라 실질적으로 동일한, 방법.
제 1 항의 방법으로부터 제조되는 프로파일.
내부 공동부를 한정하는 인발성형 다이,
상기 인발성형 다이의 내부 공동부를 통해 하나 이상의 연속 섬유 리본을 잡아당기도록 구성된 당김(pulling) 장치,
상기 인발성형 다이의 내부 공동부 내로 불연속 섬유 물질을 압출시키도록 구성된 크로스-헤드(cross-head) 압출 장치, 및
상기 인발성형 다이의 내부 공동부 내에 위치된 맨드릴
을 포함하는, 프로파일을 제조하기 위한 인발성형 장치로서,
상기 맨드릴이 제 1 구역 및 제 2 구역을 갖고,
상기 제 1 구역 위로 상기 불연속 섬유 물질이 유동하여 상기 프로파일의 제 1 층을 형성하도록 구성되고,
상기 제 2 구역 위로 상기 연속 섬유 리본이 유동하여 상기 프로파일의 제 2 층을 형성하도록 구성된, 장치.
제 33 항에 있어서,
상기 장치가 인발성형 다이 상류에 위치하는 통합 다이를 추가로 포함하는, 인발성형 장치.
제 33 항에 있어서,
상기 크로스-헤드 압출 장치가 약 75° 내지 약 90°의 각도로 불연속 섬유 물질을 인발성형 다이 내로 도입하도록 구성되는, 인발성형 장치.
제 33 항에 있어서,
상기 제 1 맨드릴 구역이 외표면을 한정하고, 상기 제 1 층이 상기 제 1 맨드릴 구역의 외표면과 상기 인발성형 다이의 내표면 사이에서 생성되는, 인발성형 장치.
제 33 항에 있어서,
상기 제 2 맨드릴 구역이 상부 벽 및 하부 벽을 갖고, 상기 연속 섬유 리본의 하나 이상의 시트를 상기 상부 벽 및 하부 벽 위로 잡아당겨 상기 제 2 층의 적어도 일부를 생성시키는, 인발성형 장치.
제 33 항에 있어서,
상기 장치가, 상기 제 1 층, 상기 제 2 층 또는 둘 다에 캡핑 층을 적용하기 위하여 상기 인발성형 다이의 하류에 위치되는 캡핑 다이를 추가로 포함하는, 인발성형 장치.
제 33 항에 있어서,
상기 장치가, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층을 제 위치에 고화시키기 위하여 상기 인발성형 다이의 하류에 위치되는 냉각 시스템을 추가로 포함하는, 인발성형 장치.