KR20130088034A - 연속 섬유 및 장섬유를 함유하는 열가소성 프리프레그 - Google Patents

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KR20130088034A
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continuous
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제레미 제이 말리제프스키
애론 에이치 존슨
티모시 엘 티보
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티코나 엘엘씨
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Abstract

열가소성 중합체 매트릭스(127) 내에 매립된 복수개의 일방향으로 정렬된 연속 섬유(142)를 함유하는 프리프레그(prepreg)가 제공된다. 상기 프리프레그는 연속 섬유 외에 또한 열가소성 매트릭스 내에 무작위적으로 분포되는 복수개의 장섬유도 함유한다. 그 결과, 상기 장섬유의 적어도 일부는 연속 섬유의 방향에 대해 일정 각도로 배향되게 된다. 상기 장섬유는 횡방향에서의 프리프레그의 기계적 특성을 실질적으로 증가시킬 수 있다.

Description

연속 섬유 및 장섬유를 함유하는 열가소성 프리프레그{THERMOPLASTIC PREPREG CONTAINING CONTINUOUS AND LONG FIBERS}
본 발명은 연속 섬유 및 장섬유를 함유하는 열가소성 프리프레그에 관한 것이다.
본원은 2010년 6월 22일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/357,301 호(본원에 참고로 인용됨)에 기초한 우선권을 주장한다.
보강된 복합체 물질[또는 "프리프레그(prepreg)"]은 종래에 수지 매트릭스 내에 함침된 섬유(예컨대, 탄소 섬유 또는 유리 섬유)로부터 제조되어 왔다. 열경화성 수지(예를 들어, 불포화 폴리에스터, 에폭시 또는 폴리이미드)를, 특히 높은 수준의 강도를 요구하는 용도에서 매트릭스로서 흔히 사용한다. 그러나, 열경화성 수지로부터 제조된 프리프레그의 문제점중 하나는 이들이 흔히 깨지기 쉬우며(brittle) 불량한 내충격성을 갖는다는 것이다. 뿐만 아니라, 프리프레그는 종종 수지의 짧은 저장 수명 때문에 저장하기가 곤란하다. 이러한 문제를 극복하기 위한 시도로서, 최근 열가소성 프리프레그를 개발하는데 노력을 기울여왔다. 이러한 프리프레그중 하나는 열가소성 수지 및 일방향으로 정렬된 연속 섬유로부터 제조된다. 이러한 프리프레그는 섬유 축 방향에서의 탄성 모듈러스 및 강도 면에서 탁월한 성능을 갖는다. 그러나, 이러한 프리프레그는 이방성의 기계적 특성을 갖기 때문에, 사용하는 동안 상이한 방향(들)으로 배향된 복수개의 프리프레그 층이 필요하다. 이는 불가피하게 비용 증가 및 생성되는 부품의 두께 증가를 야기한다. 열경화성 프리프레그에 관련된 문제를 해결하기 위한 다른 시도는 열가소성 수지 및 일방향으로 정렬된 스트랜드를 절단함으로써 제조된 잘게 잘린(chopped) 섬유의 사용을 포함한다. 이러한 프리프레그가 더욱 우수한 등방성의 강도 특성을 나타내기는 하지만, 보강 섬유의 최대 부피 분율이 통상 낮아서 비교적 불량한 탄성 모듈러스 및 강도를 야기한다. 뿐만 아니라, 이러한 잘게 잘린 섬유의 부피를 조작함으로써 프리프레그의 기계적 특성을 조정하기가 어렵다.
따라서, 현재, 특정 용도에 따라 기계적 특성을 선택적으로 제어할 수 있는 열가소성 프리프레그의 제조 방법이 요구되고 있다. 또한 등방성의 기계적 특성을 갖는 열가소성 프리프레그에 대한 요구도 존재한다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 실질적으로 종방향으로 배향된 복수개의 연속 섬유 및 무작위적으로 분포된 복수개의 장섬유를 포함하되, 상기 장섬유중 적어도 일부가 상기 종방향에 대해 특정 각도로 배향된 열가소성 프리프레그가 개시된다. 연속 섬유는 프리프레그의 약 10중량% 내지 약 80중량%를 구성하고, 장섬유는 프리프레그의 약 2중량% 내지 약 35중량%를 구성한다. 프리프레그는 또한 하나 이상의 열가소성 중합체를 함유하는 수지 매트릭스를 포함하고, 이 수지 매트릭스 내에 상기 연속 섬유 및 상기 장섬유가 매립되며, 열가소성 중합체는 프리프레그의 약 10중량% 내지 약 80중량%를 구성한다. 횡방향에서의 프리프레그의 최대 인장 응력에 대한 종방향에서의 프리프레그의 최대 인장 응력의 비는 약 1 내지 약 40이다.
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 열가소성 프리프레그의 제조 방법이 개시된다. 이 방법은 연속 섬유 및 장섬유를 압출 장치에 공급하고, 열가소성 공급원료를 압출 장치에 공급함을 포함하며, 이 때 상기 공급원료는 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함한다. 연속 섬유, 장섬유 및 열가소성 중합체를 함침 다이 내에서 압출시켜, 연속 섬유가 장섬유와 혼합되고 열가소성 중합체의 매트릭스로 매립된 압출물을 생성시킨다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따르면, 열가소성 프리프레그의 제조 방법이 개시된다. 이 방법은 연속 섬유 및 열가소성 공급원료를 압출 장치에 공급함을 포함하며, 이 때 상기 공급원료는 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함한다. 연속 섬유 및 공급원료를 함침 다이에서 압출시켜, 연속 섬유가 열가소성 중합체의 매트릭스로 매립된 압출물을 생성시킨다. 그 후, 장섬유를 압출물에 적용하여 복합체를 제조한다.
본 발명의 다른 특징 및 양태는 아래에서 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 사용하기 위한 함침 시스템의 한 실시양태의 개략도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 함침 다이의 단면도이다.
도 2b는 본 발명에 사용될 수 있는 함침 다이용 매니폴드 어셈블리 및 게이트 통로의 한 실시양태의 확대도이다.
도 2c는 본 발명에 사용될 수 있는 함침 대역을 적어도 부분적으로 한정하는 판의 한 실시양태의 사시도이다.
도 3은 도 1의 시스템으로 제조된 프리프레그의 한 실시양태의 횡단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 프리프레그의 종방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 프리프레그로부터 프로파일(profile)을 제조하는데 사용될 수 있는 인발성형(pultrusion) 시스템의 한 실시양태의 개략도이다.
도 6은 본 발명에서 제조된 프리프레그의 다른 실시양태의 횡단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 프리프레그의 종방향 단면도이다.
도 8은 본 발명의 프리프레그를 제조하는데 사용하기 위한 함침 시스템의 또 다른 실시양태의 개략도이다.
도 9는 도 8의 시스템으로 제조된 프리프레그의 한 실시양태의 횡단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 프리프레그의 종방향 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따라 제조될 수 있는 프로파일의 한 실시양태의 단면도이다.
본원 및 도면에서 참조 부호를 반복해서 사용하는 것은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징부 또는 요소를 나타내고자 함이다.
당 업자는 본 개시내용이 예시적인 실시양태를 기재한 것일 뿐이며 본 발명의 더욱 넓은 양태를 한정하고자 하지 않음을 알아야 한다.
일반적으로, 본 발명은 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 복수개의 일방향으로 정렬된 연속 섬유를 함유하는 프리프레그에 관한 것이다. 연속 섬유 외에, 프리프레그는 또한 열가소성 매트릭스 내에 무작위적으로 분포되도록 연속 섬유와 합쳐지는 복수개의 장섬유도 함유한다. 그 결과, 장섬유의 적어도 일부는 연속 섬유의 방향에 대해 일정 각도로(예를 들어, 수직으로) 배향되게 된다. 이러한 배향을 통해, 장섬유는 횡방향에서의 프리프레그의 기계적 특성(예컨대, 강도)을 실질적으로 증가시킬 수 있고, 따라서 더욱 등방성인 물질을 획득할 수 있다. 독특한 등방성 프리프레그가 본 발명의 한 양태이기는 하지만, 이것이 필요 조건인 것은 아님을 알아야 한다. 실제로, 본 발명의 한 가지 주목할만한 특징은 사용되는 장섬유의 유형, 사용되는 연속 섬유의 유형, 장섬유의 농도, 연속 섬유의 농도, 사용되는 열가소성 수지(들) 등과 같은 특정 공정 매개변수를 선택적으로 제어함으로써, 의도되는 용도를 위해 프리프레그의 기계적 특성을 조정하는 능력이다.
이제, 본 발명의 다양한 실시양태를 더욱 상세하게 기재한다.
I. 연속 섬유
용어 "연속 섬유"는 통상적으로 부품의 길이에 의해서만 제한되는 길이를 갖는 섬유, 필라멘트, 얀 또는 조방사(roving)(예컨대, 섬유 다발)를 가리킨다. 예를 들어, 이러한 섬유는 약 25mm보다 긴 길이, 일부 실시양태에서는 약 50mm 이상의 길이, 몇몇 실시양태에서는 약 100mm 이상의 길이를 가질 수 있다. 연속 섬유는 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 물질로부터 제조될 수 있다. 유리 섬유 및 탄소 섬유가 연속 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.
II. 장섬유
용어 "장섬유"는 일반적으로 연속적이지 않고 약 0.5 내지 약 25mm, 일부 실시양태에서는 약 0.8 내지 약 15mm, 몇몇 실시양태에서는 약 1 내지 약 12mm의 길이를 갖는 섬유, 필라멘트, 얀 또는 조방사를 일컫는다. 장섬유는 연속 섬유와 관련하여 상기 기재된 물질, 형상 및/또는 크기중 임의의 것으로부터 제조될 수 있다. 유리 섬유 및 탄소 섬유가 장섬유로서 사용하기에 특히 바람직하다.
III. 열가소성 매트릭스
다양한 열가소성 중합체중 임의의 것을 사용하여 연속 섬유 및 장섬유가 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.
하나 또는 복수개의 열가소성 매트릭스를 프리프레그에 사용할 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서는, 아래에 기재되는 방식에서와 같이 장섬유를 먼저 제 1 열가소성 매트릭스로 함침시킨 다음 냉각시키고 약 25mm 이하의 길이를 갖는 펠렛으로 잘게 자른다. 이어, 연속 섬유를 제 2 열가소성 매트릭스로 함침시킬 때 이들 펠렛을 연속 섬유와 합칠 수 있다. 따라서, 이 실시양태에서는, 장섬유가 실제로 두 가지 열가소성 매트릭스 내에 매립된다. 장섬유에 대해 사용되는 제 1 열가소성 매트릭스는 제 2 열가소성 매트릭스와 동일하거나 상이할 수 있다. 다르게는, 장섬유를 미리 함침시키는데 사용되는 제 1 열가소성 매트릭스가 프리프레그에 존재하는 유일한 열가소성 매트릭스를 구성할 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 장섬유를 미리 함침시키지 않고, 장섬유와 연속 섬유 둘 다를 열가소성 매트릭스로 함침시키면서 간단히 연속 섬유와 합친다.
IV. 프리프레그 제조
상기 언급한 바와 같이, 통상 장섬유를 무작위적으로 분포시킬 수 있는 방식으로 프리프레그를 제조한다. 이는 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 한 특정 실시양태에서는, 예를 들어 장섬유 열가소성 펠렛을 압출 장치의 호퍼에 공급한 후 연속 섬유와 용융 블렌딩시킬 수 있다. 압출 공정의 압력 및 힘이 생성되는 프리프레그 내에서의 장섬유의 목적하는 무작위적인 배향을 야기한다. 도 1을 참조하면, 예컨대 이러한 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. 이 특정 실시양태에서는, 공급원료(127)가 장섬유도 함유한다. 장섬유는 예컨대 공급원료의 약 5중량% 내지 약 60중량%, 일부 실시양태에서는 약 10중량% 내지 약 50중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 20중량% 내지 약 40중량%를 구성할 수 있다. 다르게는, 공급원료(127)는 장섬유를 함유하지 않을 수 있고, 호퍼(126) 하류 및/또는 다른 공급 포트 같은 다른 위치(도시되지 않음)에서 이러한 장섬유를 공급할 수 있다.
여하튼, 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 시작하고, 그에 함유된 장섬유와 혼합되기 시작하는데, 이 때 상기 중합체 매트릭스는 공급원료(127)로부터 가공된 수지(214)(도 2a)일 수 있다. 이어, 혼합물을 함침 다이(150)로부터 압출시켜 압출물(152)을 생성시킨다.
압력 센서(137)(도 2a)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) 외에, 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 2a는 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 2b에 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(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 2a 및 도 2b에 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 2a에 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 2a에 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 2a 및 도 2c에 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 2a에 도시된 바와 같이, 합침 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 2c는 이들 실시양태에 따른 함침 대역(250)의 적어도 일부를 형성하는 제 2 판(258) 및 그 위의 다양한 접촉 표면을 도시한다. 예시적인 실시양태에서는, 도 2a에 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 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 2a에 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 2a에 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, 프리프레그 내의 장섬유의 적어도 일부는, 연속 섬유가 배향된 종방향(도 1의 시스템의 기계 방향 "A")에 대해 일정 각도로 배향된다. 예를 들어, 섬유의 약 10% 이상, 일부 실시양태에서는 약 20% 이상, 몇몇 실시양태에서는 약 30% 이상이 연속 섬유의 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. 도 3 및 도 4를 참조하면, 예컨대 연속 섬유(240)가 정렬된 종방향에 대해 다양한 각도로 배향된 복수개의 장섬유(220)를 함유하는 프리프레그(200)의 한 실시양태가 도시되어 있다. 특히, 배향 각도는 프리프레그의 횡강도를 제어하는데 도움을 준다.
또한, 프리프레그중 장섬유와 연속 섬유의 상대적인 백분율도 강도 특성을 제어하는데 도움을 준다. 인장 강도와 횡강도 사이의 우수한 균형을 달성하기 위하여, 장섬유의 중량에 대한 연속 섬유의 중량의 비를 전형적으로는 약 0.2 내지 약 10, 일부 실시양태에서는 약 0.4 내지 약 5, 몇몇 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 5로 제어한다. 예를 들면, 연속 섬유는 프리프레그의 약 10중량% 내지 약 80중량%, 일부 실시양태에서는 약 20중량% 내지 약 70중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 40중량% 내지 약 60중량%를 구성할 수 있다. 마찬가지로, 장섬유는 프리프레그의 약 2중량% 내지 약 35중량%, 일부 실시양태에서는 약 5중량% 내지 약 30중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 10중량% 내지 약 25중량%를 구성할 수 있다. 열가소성 중합체(들)는 프리프레그의 약 10중량% 내지 약 80중량%, 일부 실시양태에서는 약 20중량% 내지 약 70중량%, 몇몇 실시양태에서는 약 40중량% 내지 약 60중량%를 구성할 수 있다.
프리프레그는 또한 매우 낮은 공극 분율을 갖는데, 이는 프리프레그의 기계적 특성을 향상시키는데 도움이 된다. 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:
Vf=100*(ρt-ρc)/ρt
상기 식에서, Vf는 공극 분율(%)이고; ρc는 액체 또는 기체 피크노미터(예를 들어, 헬륨 피크노미터) 같은 공지 기법을 이용하여 측정되는 복합체의 밀도이며; ρt는 하기 방정식에 의해 결정되는 복합체의 이론적인 밀도이다:
ρt=1/[Wf/ρf+Wm/ρm]
상기 식에서, ρm은 열가소성 매트릭스(예를 들어, 적절한 결정화도에서의)의 밀도이고; ρf는 섬유의 밀도이고; Wf는 섬유의 중량 분율이며; Wm은 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.
상기 언급된 다양한 매개변수의 제어를 통해, 기계적 강도 특성을 목적하는 용도에 맞게 조정할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 예를 들어 프리프레그가 비교적 등방성의 강도 특성을 나타내는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로, 이러한 등방성 프리프레그에 있어서, 횡방향에서의 최대 인장 응력에 대한 종방향에서의 최대 인장 응력(또는 "극한 강도")의 비는 전형적으로 약 1 내지 약 40, 일부 실시양태에서는 약 2 내지 약 30, 몇몇 실시양태에서는 약 4 내지 약 20이다. 특정 실시양태에서, 본 발명의 프리프레그는 약 250 내지 약 3000MPa, 일부 실시양태에서는 약 400 내지 약 2500MPa, 몇몇 실시양태에서는 약 600 내지 약 2000MPa의 종방향에서의 최대 인장 응력, 및 약 0.5 내지 약 50MPa, 일부 실시양태에서는 약 1 내지 약 40MPa, 몇몇 실시양태에서는 약 2 내지 약 20MPa의 횡방향에서의 최대 인장 응력을 나타낼 수 있다.
상기 기재되고 도 3 및 도 4에 도시된 실시양태에서는, 장섬유가 함침동안 압출 장치 내로 혼입되고, 따라서 연속 섬유와 혼합되기 시작하며, 통상적으로 전체 프리프레그에 걸쳐 분포된다. 그러나, 이러한 구성이 요구되는 것은 아님을 알아야 한다. 예를 들어 특정 실시양태에서는, 장섬유와 연속 섬유가 별도의 층을 형성하도록 하는 방식으로 이들을 합칠 수 있다. 이 층들은 장섬유의 적어도 일부가 연속 섬유 층 내로 연장된다는 점에서 "분리되지 않을" 수 있다. 이러한 분리되지 않은 층상 프리프레그를 제조하기 위한 시스템의 한 실시양태는, 연속 섬유를 함침시키기 위한 다이 하류에, 장섬유를 적용하는데 사용되는 추가적인 장치(예컨대, 압출기)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 가해진 장섬유는 여전히 프리프레그 내에서 무작위적으로 분포되지만 별도의 층을 형성한다. 이는 도 6 및 도 7에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 장섬유(262)를 함유하는 층(260)이 형성되고, 연속 섬유(272)를 함유하는 층(270)이 형성된다. 부분적으로는 이들이 가해지는 방식 때문에, 장섬유(262)의 일부(230)는 연속 섬유 층(270) 내로도 연장될 수 있다.
물론, 층은 실질적으로 모든 장섬유가 층 내에 함유되어 있다는 점에서 "분리될" 수도 있다. 이러한 분리된 층상 프리프레그를 제조하기 위한 시스템의 한 실시양태가 도 8에 도시되어 있다. 이 특정 실시양태에서는, 미리 통합된 연속 섬유 프리프레그(320)를 릴(330)로부터 풀고, 오븐(340)(예컨대, 적외선 오븐) 내에서 열가소성 매트릭스의 연화점 이상으로 가열한다. 그 후, 연화된 프리프레그(320)를, 장섬유(도시되지 않음)가 가해질 수 있는 압출 장치(350)에 공급한다. 이어, 생성된 층상 프리프레그(360)를 상기 기재된 바와 같은 2개의 통합 롤(290) 사이에 공급할 수 있다. 다시 한 번, 이러한 방식으로 가해진 장섬유는 여전히 프리프레그 내에서 무작위적으로 분포되지만 별도의 "분리된" 층을 형성한다. 이는 도 9 및 도 10에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 장섬유(422)를 함유하는 층(420)이 형성되고, 연속 섬유(424)를 함유하는 층(430)이 형성된다.
V. 프리프레그로부터 제조되는 제품
본 발명의 프리프레그는 대체적으로 다양하고 상이한 용도 및 부품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 프리프레그는 프로파일, 사출 성형품, 압축 성형품 등으로 제조될 수 있다. "프로파일"은 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 삼각형, I-형, C-형, U-형, J-형, L-형, 슬롯(slot)을 갖는 형 등과 같은 매우 다양한 단면 형상을 가질 수 있는 속이 빈 또는 속이 꽉 찬 인발성형품이다. 속이 빈 프로파일에서는, 프로파일의 내부의 적어도 일부가 빈 공간이다. 빈 공간은 임의적으로는 프로파일의 전체 길이만큼 연장될 수 있다. 프로파일은 또한 프로파일의 전체 길이를 따라 실질적으로 동일한 단면 형상을 갖는 한도까지 "동형"일 수도 있거나, 또는 이들은 구부러지거나 꼬이는 등의 변화하는 단면 형상을 가질 수 있다. 여하튼, 창의 라인(window lineal), 데크 판자, 레일, 난간 동자, 기와, 벽체, 트리밍 보드, 파이프, 울타리, 기둥, 조명용 기둥, 고속도로 표지판, 노변 표시 기둥 등의 구재로서 이러한 프로파일을 사용할 수 있다.
당 업자에게 널리 공지되어 있는 바와 같이, 프리프레그로부터 프로파일을 제조할 수 있는 방식은 변할 수 있다. 프로파일을 제조하는데 하나 또는 복수개의 프리프레그 층을 사용할 수 있다. 도 5를 참조하면, 예를 들어 복수개의 프리프레그(12)를 사용하여 프로파일을 제조하는 시스템의 한 특정 실시양태가 도시되어 있다. 이 실시양태에서는, 프리프레그(12)를 크릴(20) 상에 권취된 패키지로 제공한다. 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 프리프레그를 제조할 수도 있음을 알아야 한다. 한 실시양태에서는, 예를 들어 도 1의 함침 다이(150)에서 나가는 압출물(152)을 프로파일 제조에 이용되는 시스템에 바로 공급할 수 있다.
장력-조절 장치(40)를 또한 사용하여 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, 프리프레그(12)를 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 등과 같은 임의의 다양한 공지 형태의 오븐을 사용하여 프리프레그(12)를 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. 본원에서는 단일 다이로서 언급되지만, 복수개의 개별 다이(예컨대, 면판 다이)로부터 통합 다이(50)를 실제로 제조할 수 있음을 알아야 한다. 통합 다이(50)는 프리프레그(12)가 방향 "A"에서 다이(50)의 채널(도시되지 않음)을 통해 인도되도록 이를 받아들일 수 있다. 채널은 목적하는 보강 계획을 생성시키기 위하여 임의의 다양한 형상 및/또는 크기로 제공될 수 있다. 다이(50) 내에서는 통상 리본에 사용되는 열가소성 매트릭스의 융점 이상에서 프리프레그를 유지시켜 적절한 통합을 보장한다.
요구되는 경우, 프리프레그를 압축시켜 프로파일의 최종 형상으로 만드는 인발성형 다이(60)를 또한 사용할 수 있다. 다이(60)의 구성은 생성되는 프로파일의 목적하는 형상 및 특성에 따라 달라진다. 속이 빈 프로파일을 제조하기 위하여, 인발성형 다이는 전형적으로 내부에 맨드릴(mandrel)을 함유함으로써 섬유 물질이 다이의 내표면과 맨드릴의 외표면 사이에서 유동하여 목적하는 형상을 형성시키도록 한다. 또한, 본원에서는 단독 다이로서 언급하였으나, 복수개의 개별 다이로부터 인발성형 다이(60)를 제조할 수 있음을 알아야 한다.
프로파일을 제조하는데 하나 또는 복수개의 층을 사용할 수 있다. 한 실시양태에서는, 예를 들어 복수개의 층을 사용하며, 이들은 원래 수직 방향에서 서로 이격되어 있다. 이들이 통합 다이(50)의 개별 채널을 통해 통과할 때, 층의 폭을 임의적으로 리본 형태로 만들어 압력의 V자 형 분포(pressure wedge)를 방지하는데 도움을 주고, 연속 섬유를 정렬되고 꼬임이 없는 상태로 유지시킨다. 구체적으로 도시되지는 않았으나, 맨드릴을 통합 다이(50)의 내부에 또한 제공하여 층이 프로파일의 적어도 한쪽 면에서 서로 접촉하도록 인도하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 프리프레그 층의 한쪽 면과 다른 프리프레그 층의 한쪽 면이 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, 장섬유 물질이 인발성형 다이에서 프로파일의 내부에 뒤이어 가해질 수 있도록 한다. 목적하는 위치에 있게 되면, 프리프레그 층을 상기 기재된 바와 같이 인발성형 다이(60) 내로 잡아당긴다.
필요한 경우, 생성되는 프로파일에 또한 캡핑(capping) 층을 도포하여 프로파일의 심미적 매력을 향상시키고/시키거나 프로파일을 환경 조건으로부터 보호할 수 있다. 도 5을 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 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, 성형품(15)을 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 냉각 시스템(80)에 공급할 수 있다. 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.
임의적인 캡핑 후, 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 냉각 시스템(80)을 사용하여, 성형품을 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 사이저일 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 5를 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.
상기 기재된 방법으로부터 제조된 프로파일의 한 실시양태가 도 11에 요소(516)로서 더욱 상세하게 도시된다. 도시되어 있는 바와 같이, 프로파일(516)은 일반적인 직사각형의 형상을 갖고, 복수개의 장섬유(518)가 분포된 리본(514)으로부터 제조된다. 리본(514)은 본 발명의 하나 이상의 프리프레그로부터 제조될 수 있다. 캡핑 층(519)이 또한 리본(514)의 경계 둘레에 연장되고, 프로파일(516)의 외표면을 한정한다. 리본의 두께는 프로파일의 특정 인장 강도 및 횡강도(예를 들어, 굴곡 모듈러스)를 달성하는데 도움이 되도록 전략적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 리본은 약 1.0 내지 약 4.0mm, 일부 실시양태에서는 약 2.0 내지 약 3.0mm의 두께를 가질 수 있다. 캡핑 층(519)의 두께는 부품의 의도되는 기능에 따라 달라지지만, 전형적으로는 약 0.1 내지 약 5mm, 일부 실시양태에서는 약 0.2 내지 약 3mm이다.
알게 되는 바와 같이, 상기 기재된 특정 프로파일 실시양태는 본 발명에 의해 제조될 수 있는 다수의 디자인의 예일 뿐이다. 가능한 다양한 프로파일 디자인 중에서는, 상기 기재된 것 외에 연속 섬유 물질 및/또는 장섬유 물질의 추가적인 층을 사용할 수 있음을 알아야 한다.
인발성형 외에, 프리프레그를 목적하는 제품을 가공하는데 다른 시스템도 이용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프리프레그를 배치할 수 있는 주형을 포함하는 사출 성형 시스템을 이용할 수 있다. 열가소성 수지가 미리 고화되지 않도록 사출기 내부에서의 시간을 제어 및 최적화할 수 있다. 사이클 시간에 도달하고 배럴이 유출물로 가득 차면, 피스톤을 사용하여 물질을 주형 공동부로 주입할 수 있다. 압축 성형 시스템도 본 발명에 이용할 수 있다. 사출 성형에서와 마찬가지로, 주형 내에서 프리프레그(들)를 목적하는 제품으로 성형시킨다. 자동화된 로봇 팔에 의해 집어올리는 것과 같은 임의의 공지 기법을 이용하여 프리프레그(들)를 압축 주형 내에 위치시킬 수 있다. 고화시키는데 필요한 시간 동안 주형의 온도를 열가소성 수지의 고화 온도 이상에서 유지할 수 있다. 이어, 성형된 제품을 융점 미만의 온도로 낮춤으로써 이를 고화시킬 수 있다. 생성된 제품을 주형에서 꺼낼 수 있다. 사용되는 수지에 잘 맞도록, 충분한 결합을 달성하도록, 또한 전체 공정 생산성을 향상시키도록, 각 성형 공정의 사이클 시간을 조정할 수 있다.
상기 기재된 시스템에 사용되는 주형은 단일 공동부 또는 다중 공동부 주형일 수 있다. 사용되는 수지, 사이클 시간 및 목적하는 산출 속도에 의해 공동부의 수를 결정할 수 있다. 벽체 패널, 울타리 피켓 부품, 말단 캡, 접합부, 경첩, 내장 및 외장용 트리밍 보드, 지붕 이는 합성 판자, 슬레이트, 지붕널 또는 패널 등과 같은 특정 용도를 위한 제품을 생성시키도록 주형의 형상을 선택할 수 있다.
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 (28)

  1. 실질적으로 종방향으로 배향된 복수개의 연속 섬유,
    무작위적으로 분포된 복수개의 장섬유, 및
    하나 이상의 열가소성 중합체를 함유하는 수지 매트릭스
    를 포함하는 열가소성 프리프레그(prepreg)로서,
    상기 장섬유중 일부가 상기 종방향에 대해 특정 각도로 배향되고,
    상기 수지 매트릭스 내에 상기 연속 섬유 및 상기 장섬유가 매립되며,
    상기 연속 섬유가 프리프레그의 약 10중량% 내지 약 80중량%를 구성하고,
    상기 장섬유가 프리프레그의 약 2중량% 내지 약 35중량%를 구성하며,
    상기 열가소성 중합체가 프리프레그의 약 10중량% 내지 약 80중량%를 구성하고,
    횡방향에서의 프리프레그의 최대 인장 응력에 대한 종방향에서의 프리프레그의 최대 인장 응력의 비가 약 1 내지 약 40인, 열가소성 프리프레그.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 횡방향에서의 프리프레그의 최대 인장 응력에 대한 종방향에서의 프리프레그의 최대 인장 응력의 비가 약 2 내지 약 30인, 열가소성 프리프레그.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리프레그가 종방향에서 약 250 내지 약 3000MPa의 최대 인장 응력을 나타내는, 열가소성 프리프레그.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리프레그가 횡방향에서 약 0.5 내지 약 50MPa의 최대 인장 응력을 나타내는, 열가소성 프리프레그.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 프리프레그의 약 20 내지 약 70중량%를 구성하는, 열가소성 프리프레그.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 장섬유가 프리프레그의 약 5 내지 약 30중량%를 구성하는, 열가소성 프리프레그.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 섬유, 장섬유, 또는 둘 다가 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 유리 섬유와 탄소 섬유의 조합을 포함하는, 열가소성 프리프레그.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체가 폴리올레핀, 폴리에터 케톤, 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤, 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드, 플루오로 중합체, 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리카본에이트, 스타이렌계 중합체, 폴리에스터, 폴리아마이드 또는 이들의 조합을 포함하는, 열가소성 프리프레그.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리프레그가 약 2% 이하의 공극 분율을 갖는, 열가소성 프리프레그.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장섬유가 상기 연속 섬유와 혼합되는, 열가소성 프리프레그.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 장섬유가 프리프레그의 제 1 층 내에 존재하고, 상기 연속 섬유가 프리프레그의 제 2 층 내에 존재하는, 열가소성 프리프레그.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 장섬유의 적어도 일부가 제 2 층 내로 연장되는, 열가소성 프리프레그.
  13. 제 1 항에 따른 프리프레그를 포함하는 동형(lineal) 프로파일(profile).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로파일이, 프로파일의 표면을 한정하는 캡핑(capping) 층을 추가로 포함하는, 동형 프로파일.
  15. 제 1 항에 따른 프리프레그를 포함하는 성형품.
  16. 연속 섬유 및 장섬유를 압출 장치에 공급하고,
    하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 열가소성 공급원료를 상기 압출 장치에 공급하고,
    상기 연속 섬유, 상기 장섬유 및 상기 열가소성 중합체를 함침 다이 내에서 압출시켜, 상기 연속 섬유가 상기 장섬유와 혼합되고 상기 열가소성 중합체의 매트릭스로 매립된 압출물을 생성시킴
    을 포함하는, 열가소성 프리프레그의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 공급원료가 장섬유를 포함하는, 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    롤러들 사이에 한정된 닙(nip)을 통해 상기 압출물을 잡아당겨 상기 압출물을 시트 형태로 통합시킴을 추가로 포함하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 프리프레그의 약 10 내지 약 80중량%를 구성하고, 상기 장섬유가 프리프레그의 약 2 내지 약 35중량%를 구성하는, 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 연속 섬유, 장섬유, 또는 둘 다가 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 유리 섬유와 탄소 섬유의 조합을 포함하는, 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체가 폴리올레핀, 폴리에터 케톤, 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤, 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드, 플루오로 중합체, 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리카본에이트, 스타이렌계 중합체, 폴리에스터, 폴리아마이드 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    매니폴드 어셈블리가 상기 열가소성 공급원료를 상기 압출 장치로 공급하며, 이 때 상기 매니폴드 어셈블리는 분지된 홈(branched runner)을 포함하고, 이 홈을 통해 열가소성 공급원료가 유동하는, 방법.
  23. 연속 섬유를 압출 장치에 공급하고,
    하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하는 열가소성 공급원료를 상기 압출 장치에 공급하고,
    상기 연속 섬유 및 상기 공급원료를 함침 다이 내에서 압출시켜, 상기 연속 섬유가 상기 열가소성 중합체의 매트릭스로 매립된 압출물을 생성시킨 후,
    상기 압출물에 장섬유를 적용하여 복합체를 제조함
    을 포함하는, 열가소성 프리프레그의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    롤러들 사이에 한정된 닙을 통해 상기 압출물을 잡아당겨 상기 압출물을 시트 형태로 통합시킴을 추가로 포함하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 프리프레그의 약 10 내지 약 80중량%를 구성하고, 상기 장섬유가 프리프레그의 약 2 내지 약 35중량%를 구성하는, 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 연속 섬유, 장섬유, 또는 둘 다가 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 유리 섬유와 탄소 섬유의 조합을 포함하는, 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체가 폴리올레핀, 폴리에터 케톤, 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤, 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드, 플루오로 중합체, 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리카본에이트, 스타이렌계 중합체, 폴리에스터, 폴리아마이드 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    매니폴드 어셈블리가 상기 열가소성 공급원료를 상기 압출 장치로 공급하며, 이 때 상기 매니폴드 어셈블리는 분지된 홈을 포함하고, 이 홈을 통해 열가소성 공급원료가 유동하는, 방법.
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