KR20130131389A - 복합 물품 제조를 위한 수지-용해성 베일 및 그 제조 방법 - Google Patents

복합 물품 제조를 위한 수지-용해성 베일 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 액체 수지 주입 프로세스에 사용하기 위한 수지-용해성 열가소성 베일과, 액체 수지 주입 프로세스에 사용하기 위한 수지-용해성 열가소성 베일을 제조하는 방법과, 액체 수지 주입 적용에 사용하기 위한 수지-용해성 열가소성 베일을 사용하여 복합 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 내부에 통합된 베일을 갖는 복합물에서 강화제로서 기능하는 본 발명의 실시예에 따른 수지-용해성 열가소성 베일은 종래 기술의 베일에 대해 증가된 균일도 및 감소된 두께를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 개선된 특성을 갖는다. 이들 특성은 경화 중 베일의 조기 용해의 실질적인 또는 완전한 제거를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 복합 물품의 프로세싱의 개선으로 나타난다. 또한, 결과적인 복합 물품은 복합물을 통한 강화제의 분포 균일도를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 개선을 구현한다.

Description

복합 물품 제조를 위한 수지-용해성 베일 및 그 제조 방법{RESIN-SOLUBLE VEILS FOR COMPOSITE ARTICLE FABRICATION AND METHODS OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 2010년 12월 1일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/418,473호의 장점을 청구하며, 그 내용 전체가 여기에 참조인용되었다.
본 발명은 복합 물품 제조를 위한 수지-용해성 베일의 제조 방법에 관한 것이다.
액체 수지 주입(liquid resin infusion: LRI)은 항공우주, 수송, 전자, 건축 및 레저 산업을 포함하는 상이한 산업의 범위에 사용하기 위해 섬유-보강된(fiber-reinforced) 복합 물품 및 부품을 제조하는데 사용되는 프로세스이다. LRI 기술의 일반적인 개념은 섬유 보강부(reinforcement), 주형[2부품 주형 또는 단측형(single-sided) 주형] 내로 물질 또는 프리폼(preform)을 배치함으로써 직물(fabric) 또는 예비(pre)-성형된 섬유성 보강부("프리폼") 내로 수지를 주입하는 단계, 및 그 후 고압 하에서 수지를 주형 공동 또는 진공 백(bag) 밀봉된 단측 주형 내로 주사(inject)하는 단계를 포함한다. 수지는 섬유-보강된 복합 물품으로 나타나는 물질 또는 프리폼 내로 주입된다. LRI 기술은, 종래의 기술을 사용하여 제조하기에는 어려운 복잡한 형상의 구조물의 제조 시 특히 유용하다. 액체 수지 주입 프로세스의 변형은 가요성 툴링에 의한 수지 주입(Resin Infusion with Flexible Tooling: RIFT), 정압 주입(Constant Pressure Infusion: CPI), 벌크 수지 주입(Bulk Resin Infusion: BRI), 제어된 대기 압력 수지 주입(Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion: CAPRI), 수지 이송 몰딩(RTM), 지만 복합물 수지 주입 몰딩 프로세스(Seemann Composites Resin Infusion Molding Precess: SCRIMP), 진공의 도움을 받는 수지 주입(Vacuum-assisted Resin Infusion: VARI) 및 진공의 도움을 받는 수지 이송 몰딩(Vacuum-assisted Resin Transfer Molding: VARTM)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
대부분의 수지 주입 시스템이 본질적으로 취성이기 때문에, 주입 프로세스를 달성하는데 필요한 점도 레벨은 강화제(toughening agent)의 사용을 배제한다. 상술한 바와는 달리, 인성(toughness) 및 저 점도의 특성은 종래의 수지 주입 시스템에서는 상호 배타적이다. LRI 시스템에 이런 강화제(toughener)의 첨가는 일반적으로 수지의 점도의 허용할 수 없는 증가 및/또는 용매(solvent)에 대해 경화된 물질의 저항의 감소로 나타난다. 이들 제한들은 LRI 적용에 일반적으로 적합하지 않은 프리프레그(prepreg)에 통상적으로 추가되는 강화제를 추가하게 한다.
액체 수지 주입 프로세스에 의해 제조된 복합 물품의 인성을 증가시키는 하나의 방법은, 건조한 구조적 보강 섬유의 플라이(ply)들 사이에 개재된 수지-용해성 열가소물의 부직포(non-woven) 베일의 사용을 포함한다. 베일은 연속적인 또는 잘게 썬(chopped) 폴리머 섬유의 무작위(random) 매트로 구성될 수 있다. 섬유는 회전하는 스트랜드의 얀(yarn) 또는 모노필라멘트일 수 있다. 서로 삽입(interleaf)될 때, 플라이 및 베일의 층들은 프리폼을 형성한다. 프리폼이 주형에 위치되어 경화성 수지로 주사될 때, 수지-용해성 열가소성 베일은 적어도 부분적으로 용해된다.
종래 기술의 수지-용해성 열가소성 베일은 헐거움(bulkiness), 저 강도, 불균일한 직물 면적 중량(fabric areal weight: FAW) 및 조기 용해를 포함하는 다양한 단점들로 인해 고통을 받는 것으로 알려져 있다. FAW 의 가변적인 균일도(uniformity) 및 베일을 포함하는 섬유의 그런 특징, 예를 들어 촘촘함(fineness)은 복합물의 강화제의 분포 균일도 뿐만 아니라 섬유의 용해의 비율에 직접적으로 영향을 끼친다. 헐거움은 복합물 경화 플라이 두께(cure ply thickness: CPT) 뿐만 아니라 복합물 제조에도 영향을 끼친다.
약 10 미크론 내지 16 미크론의 직경을 갖는 다수의 섬유로 구성되고, 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경을 갖는 부직포 가공된 베일이 여기에 서술되며, 상기 베일은 텍스타일(textile)의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 가지며, 상기 베일은 캘린더링(calendering) 프로세스에 의해 달성된 두께를 갖는다. 베일은 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량과, 20 ㎛ 내지 90㎛ 의 두께를 갖는다.
다수의 섬유를 포함하는 물질은 본래의 고형 상(native solid phase)을 가지며 경화 가능한 조성물(composition)의 부품과의 접촉 시 유체 상(fluid phase)으로의 적어도 부분적인 상 전이(phase transition)을 받도록 적용된 폴리머이며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작(onset)을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 텍스타일의 고유의 용융(melting) 온도 보다 낮다. 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 부직포 가공된 베일은 베일을 통한 다수의 관통부(perforation)를 추가로 포함한다.
베일은 용융 취입(melt blown) 또는 스펀본드(spunbond)와 같은 용융-압출 프로세스에 의해 제조된다. 프로세스가 용융-취입 프로세스일 때, 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는 미리 결정된 임계값(threshold) 위로 또는 미리 결정된 임계값 아래로 미리 결정된 범위 내에서 세팅되며, 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는 용융 펌프 속도, 콜렉터(collector) 비율 속도, 공기 흐름율, 및 공기 흐름 온도 중 하나를 포함한다.
(a)공기 흐름 지수를 감소시키는 동시에 용융 펌프 속도를 증가시키는 단계, (b)압출기 내로 물질을 로딩하는 단계, (c)폴리머를 다이 헤드로부터 섬유의 형태로 움직이는 콜렉터상에 압출되게 하는 단계를 포함하는 용융-취입 프로세스를 사용하여 부직포 가공된 베일을 제조하는 방법이 서술되며, 상기 물질은 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머이고, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 결과적인 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮으며, 상기 섬유는 부직포 가공된 베일을 형성하며, 공기 흐름 지수를 감소시키는 동시에 용융 펌프 속도를 증가시키는 단계는 10 미크론 내지 16 미크론의 직경을 갖는 섬유를 제공하며, 상기 섬유의 20% 미만은 8 미크론 이하의 직경을 가지며, 상기 베일은 베일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 갖는다.
상기 방법은 (d)부직포 가공된 베일을 캘린더링 프로세스를 받게 하는 단계를 추가로 포함한다. 베일은 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량과, 20 ㎛ 내지 90 ㎛ 의 두께를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 (e)베일을 오프라인(off-line) 관통 프로세스를 받게 하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 오프 라인 관통 프로세스는 바늘 또는 레이저 중 하나에 의해 실행된다.
(a)보강 섬유를 포함하는 적어도 하나의 구조적 부품; (b)상기 구조적 부품과 접촉하는 적어도 하나의 부직포 가공된 베일을 포함하는 복합 물품 제조를 위한 프리폼이 여기에 서술되며, 상기 베일은 약 10 미크론 내지 16 미크론의 직경을 갖는 다수의 섬유로 구성되며, 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경을 가지며, 상기 베일은 베일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 가지며, 상기 다수의 섬유는 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머로 구성되며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 텍스타일의 고유의 용융 온도 보다 낮다. 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는다.
상기 구조적 부품은 다수의 인접한 보강 섬유층의 형태일 수 있으며, 또한 부직포 가공된 베일은 인접한 보강 섬유층의 쌍들 사이에 개재된 다수의 수지-용해성 열가소성 베일의 형태일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 프리폼은 수지 주입을 위해 사용될 수 있다. 베일은 캘린더링 프로세스의 결과로서 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량과, 20 ㎛ 내지 90 ㎛ 의 두께를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 프리폼은 베일을 베일을 통한 다수의 관통부를 추가로 포함한다.
액체 수지 주입 프로세스를 사용하여 복합 물품을 제조하기 위한 방법이 여기에 서술되며, 상기 방법은 (a)보강 섬유를 포함하는 다수의 구조적 부품을 주형 내에 배치하는 단계, (b)다수의 부직포 가공된 베일을 다수의 구조적 부품에 삽입하는 단계, (c)프리폼을 수지에 접촉시키는 단계, (d)프리폼을 미리 결정된 온도 임계값으로 가열하는 단계, 및 (e)프리폼이 미리 결정된 시간 주기로 상기 미리 결정된 온도로 유지될 동안 프리폼을 경화시키는 단계를 포함하며, 상기 다수의 베일은 10 미크론 내지 16 미크론의 평균 직경을 갖는 다수의 섬유로 구성되며, 상기 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경과 텍스타일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 가지며, 삽입된 배치는 프리폼을 형성하며, 상기 수지는 75℃ 미만의 초기 온도에 있으며, 상기 섬유의 대부분은 상기 미리 결정된 온도 임계값에 도달하기 전에 용해된다.
일 실시예에 있어서, 상기 미리 결정된 온도 임계값은 약 180℃ 이다. 다수의 섬유는 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머를 포함하며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮다. 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는다. 텍스타일은 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량과, 20 ㎛ 내지 90㎛ 의 두께를 갖는다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 용융 취입 제조 프로세스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 제조 프로세스의 최적화(optimization) 전후의 베일 섬유 직경을 비교한 차트이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 제조 프로세스의 최적화 전후의 20 gsm 및 40 gsm 베일을 가로지르는 베일 크로스 웨브(cross-web) FAW 프로필을 비교한 차트이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 캘린더링 프로세스를 개략적으로 도시하고 있다.
도5는 캘린더링 전후의 40 gsm 베일을 가로지르는 두께 프로필을 비교한 차트이다.
도6은 캘린더링 전후의 40 gsm 베일의 기공도(air porosity) 프로필을 비교한 차트이다.
도7은 캘린더링되지 않은 베일의 복합 라미네이트(laminate), 본 발명의 실시예에 따라 캘린더링된 베일의 복합 라미네이트, 베일을 갖지 않는 복합 라미네이트를 비교한 사진이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 열가소성 수지-용해성 얀 및 열가소성 수지-용해성의 수지 주사 사이클을 비교한 그래프이다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 베일의 섬유의 용해의 그래프이다.
도10은 본 발명의 실시예에 따른 수지-용해성 열가소성 베일 및 구조적 부품의 레이업(lay-up)을 도시하고 있다.
하기의 상세한 서술은 본 발명을 실시하기 위한 가장 최근에 고려된 모드이다. 서술은 제한된 의미로 이해되지 않지만, 그러나 단순히 본 발명의 일반적인 원리를 나타내기 위해 이루어진다.
본 발명의 실시예는 액체 수지 주입 프로세스에 사용하기 위한 부직포의 수지-용해성 열가소성 베일을 포함하는 부직포 가공된 베일, 액체 수지 주입 프로세스에 사용하기 위한 부직포 가공된 베일을 제조하는 방법, 및 액체 수지 주입 적용에 사용하기 위한 부직포 가공된 베일을 사용하여 복합 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 내부에 통합되었을 때 복합물에서 강화제로서 기능함과 함께, 본 발명의 실시예에 따른 부직포 가공된 베일은 종래 기술의 베일에 관해 증가된 균일도 및 감소된 두께를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는다) 개선된 특성을 갖는다. 이들 특성들은 경화 중 베일의 조기 용해의 실질적인 또는 완전한 제거를 포함하는(그러나, 이제 제한되지 않는) 복합 물품의 프로세싱의 개선으로 나타난다. 또한, 결과적인 복합 물품은 복합물을 통한 강화제의 분포 균일도 및 감소된 복합물 플라이 두께를 포함하는 개선사항을 실현하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 부직포 가공된 베일은 하기의 특징들 중 적어도 하나, 즉 (a)(ⅰ)미리 결정된 임계값 보다 작은 직경을 갖는 섬유의 20% 로 미리 결정된 범위 내에서 평균 직경을 갖는 섬유 및 (ⅱ)미리 결정된 범위 내의 섬유 면적 중량을 갖는 베일의 결과로서 실질적인 균일도; (b)미리 결정된 범위 내의 두께를 갖는 베일; 및/또는 (c)베일의 오프-라인 관통부로 인한 투과성(permeability) 특징을 갖는 베일 중 적어도 하나를 갖는 다수의 수지-용해성 열가소성 섬유를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 부직포 가공된 베일을 제조하는 방법은 용융-취입 프로세스에 의해 수행되며, 용융 펌프 속도, 공기 흐름 지수, 콜렉터 속도, 공기 흐름 온도, 다이 헤드 온도, 다이헤드로의 컨베이어의 거리 및 다이 구멍 직경을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 적어도 하나의 프로세싱 조건 및/또는 설비 조건은 미리 결정된 매개변수 내로 제어 및/또는 조작된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 방법은 LRI 적용에 기본적인 프리폼 벌크 요소의 감소 뿐만 아니라 결과적인 부직포 가공된 베일을 베일의 개선된 강도 및 제어된 다공도(porosity)로 나타나는 캘린더링 프로세스를 받게 함으로써 추가로 개선된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 방법은 캘린더링된 베일을 LRI 적용에서 증가된 수지 확산을 위해 증가된 투과성으로 나타나는 오프-라인 관통을 받게 함으로써 추가로 개선된다.
일 실시예에 있어서, 부직포 가공된 베일을 사용하여 복합 물품을 제조하는 방법은 수지 주입 프로세스에 의해 수행되며, 베일의 용해는 조기 용해의 실질적인 또는 완전한 제거 및 복합물을 통한 강화제의 실질적인 또는 완전한 균일한 분포로 나타나는 제조된 베일의 하나 이상의 특징의 결과로서 제어된다.
본 발명의 내용에 있어서, 복합 물품을 형성하기 위해, "베일"은 유기 섬유로 구성되고 또한 하나 이상의 플라이와 조합되는 극도로 얇은 부직포 매트이다. 베일은 직물 레이업의 플라이들 사이에 개재될 때 강화를 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, "매트"는 잘게 썬 필라멘트(잘게 썬 스트랜드 매트를 생산하기 위해) 또는 소용돌이형(swirled) 필라멘트(연속적인 스트랜드 매트를 생산하기 위해)와 같은 섬유성 보강 물질로 구성된 부직포 텍스타일 직물이다.
본 발명의 내용에 있어서, "수지-용해성 폴리머"는 미리 결정된 온도 범위 내의 고형 상이며 또한 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉에 따라 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머이며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 겔화(gelling) 및/또는 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 수지-용해성 열가소성 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮다. 수지-용해성 폴리머의 예는 여기에 참조인용되고 로파로(LoFaro) 등의 미국 공개번호 제2006/0252334호에 게재된 것을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 부직포 가공된 베일을 제조하는 방법은 드라이레잉(drylaying), 공기레잉(airlaying), 용융 취입, 스펀본딩(spunbonding), 습식 레잉(wetlaying) 및 크로스랩핑(cross-lapping)을 갖거나 또는 갖지 않는 카딩(carding)을 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 베일은 용융 취입을 통해 제조된다.
일반적으로, 용융 취입 제조 프로세스는 분말 또는 과립 형태의 고형 상 폴리머로 시작한다. 폴리머는 약 200℃ 내지 400℃ 에서 용융되며 또한 다수의 스피너렛(spinneret)을 통해 압출된다. 스피너렛의 오리피스 크기는 약 0.1 미크론 내지 약 1000 미크론일 수 있다. 약 250℃ 내지 500℃ 범위의 온도를 갖는 공기는 섬유를 극도로 얇은 섬유로 얇게 하고 또한 섬유를 베일 내로 랜덤화(randomize)하기 위해 스피너렛으로부터 컨베이어상에 압출된 섬유를 통해 취입될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 개략적인 용융 취입 제조 프로세스이다. 일 실시예에 있어서, 폴리머 물질[예를 들어, 팰릿(pellet) 또는 과립(granule)]은 압출기 호퍼(104)를 통해 압출기(102) 내로 공급된다. 압출기(102)는 배럴(barrel)의 벽을 따라 폴리머 물질을 회전시키기 위해 압출기(102) 내에 나사(도시되지 않음) 및 배럴을 포함한다. 일반적으로, 압풀기(102)의 배럴이 가열된다. 폴리머 물질이 배럴의 벽을 따라 이동할 때, 이것은 열과, 점성 흐름의 마찰과, 나사와 배럴 사이의 기계적 동작으로 인해 용융된다. 그 후, 압력화된 용융된 폴리머 물질이 기어 펌프(106) 내로 공급된다.
기어 펌프(106)는 다이 조립체(108)로의 균일한 용융 전달을 위한 능동적인 변위(displacement) 및 일정한 체적 장치이다. 일반적으로, 기어 펌프(106)는 용융된 폴리머 물질의 일관된 흐름을 보장하며 또한 용융된 폴리머 물질의 계량 및 압력을 제공한다. 전형적으로, 기어 펌프(106)는 2개의 맞물리고 역회전하는 이빨형 기어(106a, 106b)를 포함한다. 능동적인 변위는 펌프[즉, 상향하여 흐르는 압출기(102)]의 흡입 입구상의 폴리머 물질로 각각의 기어 이빨의 채움(filling) 및 펌프의 배출구 둘레로의 폴리머 물질의 이송[즉, 다이 조립체(108)를 향해 하향하여]에 기인한다.
다이 조립체(108)는 일반적으로 공급 분포부(예를 들어, T 형 및 코트 행거(coat hanger) 타입], 다이 헤드 및 공기 매니폴드를 포함한다. 공급 분포는 다이의 폭을 가로질러 폴리머 물질의 흐름 및 잔류 시간 모두를 평형화하며; 다이 헤드는 용융된 폴리머 물질을 압출하기 위해 수백개의 오리피스를 갖는 금속의 일반적으로 넓고 중공이며 테이퍼진(tapered) 부재이며; 공기 매니폴드는 다이 헤드를 통해 압출될 때 용융된 폴리머 물질에 고점도 공기를 공급한다. 공기 압축기(112)는, 다이 조립체(108) 내로 공급되기 전에 일반적으로 히터(114)를 통과하는 고점도 공기를 공급한다.
용융된 폴리머 물질이 다이 조립체(108)의 다이 헤드를 통해 가압될 때, 가동형 콜렉터 스크린(116)은 냉각 물질을 수집한다. 콜렉터 스크린(116) 아래에 위치된 흡입 박스/흡입 취입기(blower)(118)는 결과적인 압출된 폴리머 섬유의 웨브 형성의 비율을 증가시키는 고점도 공기를 흡입한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용융 펌프 속도, 콜렉터 속도, 공기 흐름율, 공기 흐름 온도, 다이 헤드 온도, 다이 구멍 직경 및 다이 헤드로의 컨베이어의 거리를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 적어도 하나의 프로세싱 조건 및/또는 설비 조건은, 수지 이송 몰딩 적용에 사용하기 위해 부직포 가공된 베일을 생산하도록 미리 결정된 매개변수 내로 제어 및/또는 조작될 수 있다. 본 출원인은 결과적인 수지-용해성 열가소성 베일의 바람직한 특성을 생산하기 위한 하나의 매개변수의 조작은 다른 매개변수의 조작과 자주 상호의존적임을 예기치않게 발견하였다. 본 발명의 내용에 있어서, "바람직한 특성" 은 거친 섬유, 미세한 섬유의 낮은 백분율(즉, 8㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유의 20% 미만), 증가된 섬유 균일도(즉, 측정된 섬유 직경의 협소한 분포), 낮은 FAW 변화[즉, 롤 또는 배치(batch)를 통한 베일의 중량의 변화. 상기 중량은 크로스-웨브 또는 다운-웨브를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 베일의 상이한 위치에서 측정된다], 높은 베일 인장 강도[즉, 취급 및 제조를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 어떤 요구사항에 부응할 수 있는 베일의 능력]를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다.
본 출원인은 이들 바람직한 특성들의 하나 이상은 그 내부에 통합되고 또한 LRI 프로세스에 의해 제조된 베일을 갖는 복합물 및 라미네이트의 개선된 프로세싱으로 나타나는 결과적인 베일에 대해 어떤 장점으로 나타나는 것을 발견하였다. 예를 들어, 결과적인 베일에서 거친 섬유, 미세한 섬유의 낮은 백분율, 증가된 섬유 균일도 및 낮은 FAW 변화는 수지 주입 프로세스 중 베일의 조기 용해의 제어된 그리고 실질적인 또는 완전한 제거로 나타난다. 또한, 이들 특성들은 결과적인 복합물에 인성의 실질적인 또는 완전한 균등한 분포에 기여한다. 또한, 높은 균일도 및 높은 베일 강도는 LRI 프로세스를 위한 가공능력(processability)의 관점에서 베일의 매우 바람직한 특성인 고품질 베일로 나타난다(즉, 결함이 실질적으로 또는 완전히 없는). 더욱이, 균일한 베일 및 고품질 베일은 예를 들어 프리폼 제조 중 베일의 파열(tearing)이 적거나 또는 없고, 균일한 플라이 두께 등의 더욱 균일한 또한 고품질의 프리폼으로 나타나서, 직접적으로 더욱 균일한 수지 주입으로 나타나는, 즉 부품에 수지의 확산 및 더욱 부드럽고 또한 제어된 수지 전방부(front)로 나타난다.
본 출원인은 베일을 제조하는데 사용된 주어진(용융 취입) 프로세싱 시스템에 대해 목표로 하는 바람직한 특성, 특히 낮은 FAW 변화, 높은 베일 품질, 높은 베일 강도 및 섬유 직경 균일도를 달성하기 위해 어떤 프로세싱 매개변수의 세팅, 제어 및/또는 조작이 중요한지를 관찰하였다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 어떤 매개변수의 조작 및 제어는 1 미크론 내지 8 미크론 범위의 종래 섬유 직경에 비해 10 미크론 내지 16 미크론의 섬유 직경 범위로 나타났다. 본 출원인은 하나의 프로세싱 조건 및/또는 설비 매개변수를 조작함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 바람직한 특성으로 수지-용해성 열가소성 베일을 달성하기 위해 하나 이상의 다른 조건이 고려될 및/또는 설명될 필요가 있다는 것을 발견하였다.
일 실시예에 있어서, 용융 펌프 속도는 종래의 용융 펌프 속도에 비해 증가되었다. 본 출원인은 약 14 rpm 내지 약 16 rmp 사이의 용융 펌프 속도는 거친 섬유, 미세한 섬유의 낮은 백분율(즉, 8㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유의 20% 미만), 높은 FAW, 높은 베일 강도 및 높은 베일 품질을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 바람직한 특성을 제공하는 것을 발견하였다. FAW 변화(낮은)가 개선사항으로서 실행되었지만, 그러나 이전에 언급한 특성들과 동일한 정도는 아니다. 또한, 본 출원인은 용융 펌프 속도의 증가 또는 감소는 증가된 섬유 직경 균일도에 제한된 영향을 갖는 것을 발견하였다. 일반적으로, 증가된 용융 펌프 속도는 다이 헤드를 통한 용융된 폴리머 물질의 증가된 처리율(throughput) 및 거친 섬유와 관련된 적은 스트레치(stretch)로 나타난다.
일 실시예에 있어서, 공기 흐름율은 종래의 공기 흐름율에 관해 조정되었다. 본 출원인은 공기 흐름율을 약 40% 내지 50% 로 감소시키는 것은 거친 섬유 및 미세한 섬유의 낮은 백분율(즉, 8㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유의 20% 미만)을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 바람직한 특성을 제공하는 것을 발견하였다. 또한, FAW 변화(낮은) 및 베일 품질(높은)이 개선사항으로 실현되었지만, 전에 언급한 특성들과 동일한 정도는 아니다. 또한, 본 출원인은 공기 흐름율을 50% 로 증가시키는 것은 증가된 섬유 직경 균일도(제한된 영향) 및 높은 베일 강도를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 제한된 개선사항을 제공하는 것을 발견하였다. 또한, 본 출원인은 공기 흐름율의 증가 또는 감소는 FAW 에 제한된 영향을 갖거나 또는 전혀 영향을 갖지 않음을 발견하였다.
일 실시예에 있어서, 콜렉터 비율 속도는 용융 펌프 속도의 함수로서 조정되었다. 본 출원인은 약 12 내지 16 rpm 의 용융 펌프 속도에 대해 콜렉터 비율 속도를 분당 약 35 피트(FPM) 내지 40 FPM 으로 감소시키는 것은 거친 섬유, 섬유 직경 균일도 및 낮은 FAW 변화를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 바람직한 특성을 제공하는 것을 관찰하였다. 역으로, 본 출원인은 약 12 내지 16 rpm 의 용융 펌프 속도에 대해 콜렉터 속도 비율을 분당 약 70 (FPM) 내지 80 FPM 으로 증가시키는 것은 미세한 섬유의 낮은 백분율(즉, 8㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유의 20% 미만) 및 높은 베일 강도를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 제한된 개선사항을 제공하는 것을 발견하였다. 일부 실시예에 있어서, 콜렉터 속도 및 용융 펌프 속도는 처리율을 최적화하기 위해 동시에(in tandem) 조정될 수 있다. 특성들은 약 20 내지 40 gsm FAW 로 목표된 베일에 대해 관찰되었음을 인식해야 한다.
일 실시예에 있어서, 공기 흐름 온도는 종래의 공기 흐름 온도에 대해 조정되었다. 또한, 본 출원인은 공기 흐름 온도를 약 680℉ 로 증가시키는 것은 증가된 섬유 직경 균일도 및 낮은 FAW 변화를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 바람직한 특성을 제공하는 것을 발견하였다. 또한, 높은 베일 강도가 개선사항으로서 실현되었지만, 그러나 이전에 언급한 특성들과 동일한 정도는 아니다. 역으로, 본 출원인은 공기 흐름 온도를 약 650℉ 로 감소시키는 것은 거친 섬유 및 미세한 섬유의 낮은 백분율(즉, 8㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유의 20% 미만)을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 제한된 개선사항을 제공하는 것을 발견하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 20 내지 28 의 MFI(하기에 상세히 서술되는)를 갖는 폴리머 기반(based) 베일을 위한 감소된 공기흐름율(및 일부 실시예에서는 공기 온도의 증가)과 조합된 증가된 용융 펌프 비율은 종래 베일에 대해 우수한 특성을 갖는 부직포 가공된 베일의 제공 시 가장 큰 효과를 갖는다. 특히, 12 내지 16 rpm, 더욱 협소하기로는 14 내지 16 rpm 의 용융 펌프 비율과 40% 내지 50%의 공기 흐름율은 종래 베일에 대해 우수한 특성을 갖는 베일을 제공한다.
일 면(aspect)에 있어서, 이들 프로세싱 매개변수는 미세한 섬유의 낮은 백분율로(즉, 8㎛ 직경 섬유 미만의 20%) 10 ㎛ 이상의 평균 섬유 직경을 갖는 거친 섬유를 갖는, 특히 10 미크론 내지 16 미크론의 평균 직경을 갖는 섬유를 갖는 부직포 가공된 베일을 제공하며(종래 섬유의 8㎛ 미만에 비해), 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경을 갖는다(도2 참조). 또한, 거친 섬유의 분포는 베일의 균일도를 효과적으로 증가시켜 더욱 균일해졌다.
다른 면에 있어서, 이들 프로세싱 매개변수는 직물 면적 중량(FAW) 변화에 의해 측정된 개선된 균일도를 갖는 부직포 가공된 베일을 제공한다. FAW 는 그 폭을 따라(크로스-웨브) 또는 그 길이를 따라(다운-웨브) 다양한 지점에서 베일의 중량을 측정함으로써 측정된다. 그 값이 각각의 지점에서 더욱 밀접하게 매치될수록, 베일은 더욱 균일하다. 적어도 이들 프로세싱 매개변수들에 노출되는 부직포 가공된 베일의 FAW 는 종래 베일에 대해 FAW 변화의 40% 감소를 실현하였다. 특히, 베일의 폭을 가로질러(크로스-웨브) 10% 미만 직물 면적 중량 변화(도3 참조). 본 발명의 실시예에 따라 제조된 베일은 평방미터 당 약 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램, 더욱 협소하기로는 약 15 gsm 내지 60 gsm, 더욱 협소하기로는 약 20 gsm 내지 40 gsm의 FAW 를 갖는다.
또한, 최적화된 프로세싱 조건은 다이 구멍 직경, 인치 당 다이 구멍의 개수, 다이 헤드 온도(엣지), 다이 헤드 온도(중앙), 다이 헤드 스크린 메시 크기, 다이 헤드 스크린 압력과 같은 다이 특성; 공기 갭(gap); 세트 백(set back); 압출기 속도 및 압출기 온도와 같은 압출기 특성; 용융 펌프 온도; 콜렉터 진공과 같은 콜렉터 특성; 콜렉터로의 다이 헤드의 거리; 코트 행거(hanger) 및 다이 디자인을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는) 설비 특성 및 다른 매개변수와 상호의존적일 수 있음을 인식해야 한다.
또한, 이들 최적화된 프로세싱 매개변수는 부직포 가공된 베일의 제조에 사용된 폴리머의 타입에도 의존할 수 있음을 인식해야 한다. 일 실시예에 있어서, 폴리머는 고형 상이며 또한 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머이며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 겔화 및/또는 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮다.
또한, 폴리머의 MFI 는 용해 비율에 영향을 끼칠 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 폴리머는 약 18 MFI 내지 약 38 MFI, 바람직하기로는 약 20 MFI 내지 28 MFI 의 용융 흐름 지수를 갖는다. 즉, 폴리머는 높은 점도(η)를 가지며, 일부 실시예에서는 협소한(narrow) 분자 분포를 갖는다. 낮은 MFI, 즉 약 20 MFI 내지 28 MFI 는 높은 분자량을 갖는 폴리머를 나타낸다. 이 특성의 효과는 섬유의 용해율의 감소와 폴리머의 악화(degradation)의 감소로 나타난다.
본 발명의 실시예에 따라 부직포 가공된 베일의 제조에 사용될 수 있는 폴리머의 대표적인 예는 폴리에테르설폰과 같은, 더욱 바람직하기로는 폴리에테르설폰-에테르케톤 및 폴리에테르에테르설폰의 조합물과 같은 폴리아로마틱(polyaromatic) 열가소성 폴리머를 포함한다.
표1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포 가공된 베일의 그 영향과 관련된 프로세싱 매개변수를 요약하고 있다.
Figure pct00001
표1
++: 상당한 영향; 원하는 특성을 달성하기 위해 상향으로 세팅되어야 한다. 예를 들어 용융 펌프 속도는 거친 섬유 직경을 달성하기 위해 높은 세팅(setting)으로 세팅되어야 한다.
+: 적절한 영향; 원하는 특성을 달성하기 위해 높은 세팅으로 세팅되어야 한다.
0: 영향 없음
0/+: 미세한 영향. 원하는 특성을 달성하기 위해 높은 세팅을 향해 세팅되어야 한다.
-: 적절한 영향. 원하는 특성을 달성하기 위해 낮게 전환되어야 한다.
--: 상당항 영향. 원하는 특성을 달성하기 위해 낮게 전환되어야만 한다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 캘린더링 프로세스의 개략도이다. 일 실시예에 있어서, 부직포 가공된 베일의 롤(roll)이 캘린더(400)를 통해 작동된다. 캘린더(400)는 가공된 텍스타일이 통과되는 2개의 인접한 롤러(402, 404)를 포함한다. 롤러(402)는 스틸(steel)로 제조될 수 있으며, 롤러(404)는 스틸 또는 합성 물질로 제조될 수 있다. 캘린더(400)는 적어도 가열된 닙 롤(nip roll)을 포함할 수 있다. 캘린더(400)를 통과한 후 가공된 베일에 대한 온도와 적용된 압력의 조합은 예비-캘린더링된 가공된 베일에 대해 얇은 가공된 베일로 나타날 수 있다.
베일은 수지 주입 프로세스에서 프리폼을 형성하기 위해 주름 없는(non-crimp) 직물 또는 NCF에 삽입될 수 있다. 주름 없는 직물(NCF)은 스티칭(stitching) 프로세스를 통해 함께 합체된(consolidated) 무방향성 섬유의 플라이이다. 결과적인 층들은 실행 가능하게 얇아야 하며, 낮은 "프리폼 헐거움"으로 지칭된다. 낮은 베일 두께가 중요하며, 이런 두께는 프리폼 헐거움의 직접적인 함수가 된다. 폐쇄된 주형 RTM 적용에 있어서, 프리폼 치수는 주형 치수의 5% 내지 10% 를 초과하지 않아야 한다. 종래의 베일이 프리폼 헐거움에 20% 로 추가된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 부직포 가공된 베일은 수지 이송 몰딩 프로세스를 사용하여 완성된 물품을 제조하기 전에 캘린더링 단계를 받을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 부직포 가공된 베일은 2개의 스틸 롤러를 갖는 캘린더에 노출된다. 본 출원인은 2개의 스틸 롤러(베일에 특정한 다른 특성과 함께)는 스틸 롤러 및 합성 롤러를 갖는 종래의 캘린더 장치를 사용하여 실험적으로 캘린더링된 베일에 대해 40 내지 50% 의 두께 감소를 갖는 베일로 나타나는 것을 발견하였다.
또한, 캘린더링 프로세스 매개변수는 본 출원인에 의해 발견된 바와 같이 결과적인 캘린더링된 베일상에 영향을 갖는다. 이런 캘린더링 프로세스 매개변수는 캘린더 압력, 캘린더 온도, 캘린더 속도 등을 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않는다) 매개변수를 포함한다. 예를 들어, 본 출원인은 낮은 압력에 대해(즉, 300 psi) 500 psi 내지 860 psi, 바람직하기로는 700 psi 내지 750 psi 로의 압력의 증가는 결과적인 캘린더링된 베일에 긍정적인 영향을 갖는 것을 발견하였다. 결과적인 캘린더링된 베일에 긍정적인 영향을 갖는 다른 캘린더링 프로세스 매개변수는 200℉ 내지 400℉, 더욱 협소하기로는 200℉ 내지 300℉(캘린더링 속도에 따라)의 온도 및 분 당 5 내지 30 피트의 캘린더링 속도를 포함하였다.
이미 서술한 바와 같이 캘린더링 프로세스를 받는 베일이 본 발명의 실시예에 따라 제조되었다. 즉, 미세 섬유의 낮은 백분율(즉, 8㎛ 직경을 갖는 섬유의 20% 이하), 높은 인장 강도 및 실질적인 FAW 균일도(즉, 텍스타일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화)로 10㎛ 내지 16㎛ 범위의 섬유를 갖는 부직포 가공된 베일. 이들 베일은 20 gsm 내지 40 gsm 의 평균 FAW 를 가졌으며, 또한 이미 서술한 바와 같이 베일을 캘린더링 단계를 받게 함으로써 250㎛ 내지 500㎛ 사이로부터 20㎛ 내지 90㎛(캘린더링된) 두께로 감소되었다.
일반적으로, LRI 적용에 사용하기 위한 종래의 베일은 캘린더링에 노출되지 않는데, 그 이유는 이런 프로세스가 베일 다공도(즉, 감소된 다공도) 및 베일의 가요도(flexibility)(즉, 감소된 가요도)를 통해 공기 투과성에 악영향을 끼치기 때문이다. RTM 적용 시 베일의 다공도가 중요한데, 그 이유는 프리폼의 텍스타일들 사이에 층을 이룬 베일을 통해 균일하게 확산되기 위해 수지의 능력과 관련되기 때문이다. 가요도가 중요한데, 그 이유는 프리폼의 형성의 용이성[즉, 드레이프성(drapeability)]과 관련되기 때문이다. 본 출원인은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포 가공된 베일을 캘린더링 프로세스를 받게 하는 것이 다공도 또는 가요도에 상당히 악영향을 끼치지 않음을 예기치 않게 발견하였다. 예를 들어, 40 gsm 캘린더링된 베일에 대해, 공기 투과성이 약 175 cfm 으로 측정되었다. 20 gsm 캘린더링된 베일에 대해, 공기 투과성이 약 500 cfm 으로 측정되었다(도6 참조). 일반적으로, 최소한의 공기 투과성은 25 cfm 이상, 바람직하기로는 50 cfm 이상이어야 한다.
또한, 본 출원인은 본 발명의 실시예에 따른 캘린더링된 베일은 감소된 프리폼 벌크 요소로 나타나는 베일의 감소된 벌크로 나타나는 것을 발견하였다. 이것은 주형이 폐쇄되기 위해 프리폼이 주형에 적절히 삽입되어야만 하는 RTM 과 같은 밀착된 주형 적용시 특히 중요하다(이미 논의된 바와 같이). 또한, 이 감소된 프리폼 벌크는 베일 없이 제조된 복합물의 복합물 플라이 두께(composite ply thickness: CPT)와 등가인 복합물 플라이 두께(플라이 층 당 베일을 포함하는 복합물에 대해)로 나타난다(도7 참조). 도7에 있어서, 좌측의 사진은 캘린더링되지 않은 베일 층으로 제조된 복합물 라미네이트 횡단면을 도시하고 있으며, 중앙의 사진은 본 발명의 실시예에 따라 캘린더링된 베일로 제조된 복합물 라미네이트를 도시하고 있으며, 우측의 사진은 그 어떤 베일 없이 제조된 복합물 라미네이트를 도시하고 있다. 라미네이트의 비교는 캘린더링되지 않은 베일 보다 캘린더링된 베일의 경우 더욱 감소된 인터페이스 층이 있음을 나타내고 있다. 이 감소된 헐거움은 높은 섬유 체적 파괴(fraction)를 갖는 복합물로 나타난다.
본 발명의 실시예에 따른 캘린더링된 베일의 다른 개선은 프리폼 구성 중 취급을 촉진시키는 베일 인장 강도의 증가, 마찰을 감소시키고 또한 NCF 구성(하기에 상세히 서술되는) 중 탄소 토우(tow)의 양호한 레이업을 허용하는 매끄러운 베일 표면, 및/또는 최적화된 섬유 직경에 대해 무시할 수 있는 효과, 및 드레이프성에 대해 무시할 수 있는 효과를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 20 gsm 의 캘린더링되지 않은 베일의 인장 강도의 최소한의 값은 인치 당 약 0.1 파운드이지만, 본 발명의 실시예에 따라 20 gsm 의 캘린더링된 베일의 인장 강도의 최소한의 값은 인치 당 약 0.3 파운드 또는 3의 요소에 의한 증가이다.
일부 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 부직포 가공된 베일은 투과성을 증가시키고 또한 다시 두께 수지 확산을 증가시키는 수지 주입 중 수지가 프리폼을 통해 양호하게 확산되게 하기 위해, 복합 물품의 제조 이전에[예를 들어, 주름 없는 직물(NCF) 또는 유니베일(univeil) 물품의 통합을 통해] 오프라인 관통 기술에 노출될 수 있다. 이것은 수지가 프리폼 중간을 통해 통해 흐르지 않을 때 임의의 LRI 적용(예를 들어, VaRTM)에 적합하지 않으며 또한 낮은 투과성을 갖는 극도로 얇은 베일인 경우에 특히 중요하다.
일 실시예에 있어서, 관통부는 베일이 NCF 의 탄소층에 추가될 때 NCF 제조 시에 이루어질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 베일의 관통부는 별도의 작업에서 작은 구멍을 생성하기 위해 베일을 찌르는 매우 작은 바늘로 이루어질 수 있다. 관통부는 0.1 mm 내지 2.0 mm 의 구멍 직경과, 원하는 투과성에 따라 ㎠ 당 1 내지 100 의 구멍 밀도를 가질 수 있다. 오프라인 관통 기술의 예는 바늘 찌르기, 롤러 피닝(pinning) 및 레이저 관통을 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 작은 구멍을 생성하기 위해 물질을 증발시키거나 또는 태워버리기 위해 레이저 빔이 사용된다. 구멍 형상 및 밀도는 이 레이저 기술로 용이하제 조작될 수 있다.
이미 서술한 바와 같이 제조된 부직포 가공된 베일은 복합 물품으로 나타나는 경화가능한 조성물의 제조에 사용될 수 있다. 일반적으로, 이런 제조는 예를 들어 삽입, 함침(impregnating), 주사 또는 주입, 혼합 등에 의해 베일을 경화 가능한 수지 매트릭스와 접촉시키는 것을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 베일은 LRI 적용에 사용되는 바와 같은 주사에 의해 수지(즉, 에폭시)와 접촉된다. 베일을 포함하는 섬유는 전형적으로 경화 사이클 중 용해된다.
경화 사이클의 램프-업(ramp-up) 중 조기 용해는 종래 베일의 알려진 한계이다. 본 발명의 내용에 있어서, "용해"는 경화 사이클 중, 즉 베일이 수지와 접촉되고 열이 그에 가해진 후, 부직포 가공된 베일에서의 섬유의 용해를 지칭한다. 용해가 수지 주사 온도 아래에서 발생할 때, 조기 용해가 발생된다.
플라이와 상호직조되는 열가소성 수지-용해성 얀 섬유를 포함하는 LRI 프로세스에 있어서, 경화 사이클은 전형적으로 수지의 주사 후 온도 램프-다운 시간 주기에 이어지는 온도 드웰 시간 주기에 이어지는 온도 램프-업 시간 주기를 포함한다(도8 참조). 얀 섬유의 용해의 실질적인 양은 드웰 시간 주기 중 발생하는 것으로 알려져 있다. 용해된 얀 섬유는 결과적인 복합 물품에서 강화제로 된다.
수지 주사 및 경화 실험 중, 본 발명의 실시예에 따라 제조되고 또한 비교 가능한 셋업의 드웰 시간 주기 중에 대해 경화 사이클의 램프-업 시간 주기(예를 들어, 2℉/분, 8℉/분, 등) 중 용해된 수지와 접촉되는 부직포 가공된 베일, 즉 열가소성 수지-용해성 상호직조된 얀 섬유가 관찰되었다(도8 참조). 도9는 본 발명의 실시예에 따라 경화 사이클 온도 램프 업 중 베일 섬유의 용해의 광학 현미경 사진을 도시하고 있다. 80℃ 에서, 수지 온도가 시작되었고, 베일이 용해되지 않는다. 온도가 상승함에 따라, 베일 섬유가 서서히 용해된다. 모든 섬유가 110℃ 에서 완전히 용해된다. 그 결과, 짧은 수지 주사 경화는 낮은 제조 경비로 나타나는 생산을 증가시켰다(즉, 감소된 제조 시간).
또한, 본 출원인은 섬유의 용해는 종래 베일에 비해 주사 온도(예를 들어, 60-75℃) 위에서 적절한 마진(margin)으로 발생하는 것을 알게 되었다. 조기 용해는 결과적인 복합 물품의 일체성(integrity)을 포함할 수 있으며, 따라서 경화 중 베일의 조기 용해의 실질적인 또는 완전한 제거에 상당히 유리하다.
도10은 본 발명의 실시예에 따른 구조적인 부품 및 부직포 가공된 베일의 레이업을 도시하고 있다. 본 발명의 내용에 있어서, "구조적인 부품"은 유기 및 무기 폴리머, 탄소, 유리, 아라미드™ 와 같은 보강 섬유로 제조된 가공된 직물이다. 적절한 직물 타입 또는 형상의 예는 폴라 위브(polar weave), 평직물(plain woven fabric), 나선형 직물 및 유니위브(uniweave)와 같은 직조된 직물; 멀티-워프(multi-warp) 니트형 직물, 주름 없는 직물(NCF) 및 다방향 직물과 같은 다축 직물; 니트형 직물 꼬인 직물; 섬유 플레이스먼트(placement)와 같은 테일러형(tailored) 섬유 플레이스먼트; 매트-직물, 펠트(felt), 베일 및 잘게 썬 스트랜드 매트와 같은 부직포 직물 및 그 조합물로 구성된 직물을 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 도10에 도시된 바와 같이, 다수의 탄소 섬유는 프리폼을 생성하기 위해 RTM 툴(tool)에서 본 발명의 실시예에 따라 다수의 수지-용해성 열가소성 베일에 삽입될 수 있다. 이미 서술한 바와 같이 액체 수지 주입에 노출될 때 결과적인 복합 물품이 나타난다.
이미 서술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포 가공된 베일은 종래 베일에 비해 다양한 장점으로 나타난다. 예를 들어, 프로세스 최적화를 통해 달성된 제어된 베일 섬유 직경 및 분포는 적어도 하기의 장점, 즉 얀-기반 열가소성 물질에 대해 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열가소성 베일의 짧은 수지 주입 경화 사이클, 제어된 용해 프로세스(즉, 10 내지 16 미크론의 범위로 세심한 섬유 직경 선택 및 60 내지 75℃ 의 수지 주사 온도), 섬유의 더욱 균일화된 용해 및 그에 따른 강화제의 확산을 통해 개선된 복합 물품 특성 및 성능으로 나타나는 베일의 큰 FAW 균일도를 제공하는 것으로 관찰되었다.
또한, 캘린더링 단계를 통해 달성된 감소된 베일 두께는 적어도 하기의 장점, 즉 250 내지 500㎛ 범위의 두께를 갖는 캘린더링되지 않은 베일에 비해 20 내지 90㎛ 범위의 두께를 갖는 베일, 다공성 및 가요성과 같은 직조되지 않은 특성을 보유한 베일(즉, 필름과 같이 않은), 감소된 프리폼 벌크 요소(RTM 과 같은 폐쇄 주형 적용에 특히 중요한), 및 베일 없이 제조된 복합물과 등가인 CPT 를 제공하는 것으로 관찰되었다.
또한, 프로세스 최적화를 통해 달성된 다운-웨브 및 크로스-웨브에서의 제어된 파이버 면적 중량(FAW)은 적어도 하기의 장점, 즉 개선된 베일 특성 및 성능으로 나타나는 부직포 베일의 큰 균일도(예를 들어, 강도, 두께, 공기 투과성), 결과적인 복합 물품을 통해 강화제의 더욱 균일한 분포 및 개선된 복합물 성능을 제공하는 것으로 관찰되었다.
또한, 본 출원인은 제어된 섬유 직경과 얇은 베일과의 조합은 수지 확산 및 베일 용해에 영향이 없고(복잡한 및/또는 큰 부품인 경우에 중요한), 프리폼 드레이프성에 (심각한)영향이 없고(복잡한 물품인 경우에 중요한), 베일 투과성을 양호하게 제어하는 능력으로 나타나는 것을 발견하였다.
임의의 예시적인 실시예가 첨부의 도면에 도시되었지만, 이런 실시예는 단순히 예시적이고 폭넓은 발명을 제한하지 않으며 또한 다양한 다른 변형이 본 기술분야의 숙련자에게 발생할 수 있기 때문에, 본 발명은 도시된 및 서술된 특정한 구성 및 배치에 제한되지 않음을 인식해야 한다.
100: 압출기 106: 기어 펌프
108: 다이 조립체 112: 공기 압축기
114: 히터 116: 스크린
118: 취입기

Claims (22)

10 미크론 내지 16 미크론의 평균 직경을 갖는 다수의 섬유로 구성된 부직포 가공된 베일에 있어서,
섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경을 가지며, 텍스타일은 텍스타일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 가지며, 상기 텍스타일은 캘린더링 프로세스에 의해 달성되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제1항에 있어서,
상기 텍스타일은 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량 및 20㎛ 내지 90㎛ 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제1항에 있어서,
다수의 섬유를 포함하는 물질은 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머이며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제3항에 있어서,
상기 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제1항에 있어서,
상기 다수의 섬유는 열가소성 폴리머로 제조되는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제1항에 있어서,
상기 텍스타일을 통한 다수의 관통부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제1항에 있어서,
상기 텍스타일은 용융 취입 또는 스펀본드로부터 선택된 용융-압출 프로세스에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
제7항에 있어서,
상기 프로세스는 용융-취입 프로세스이며, 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는 미리 결정된 임계값 위로 또는 미리 결정된 임계값 아래로 미리 결정된 범위 내에서 세팅되며, 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는 용융 펌프 속도, 콜렉터 비율 속도, 공기 흐름율, 및 공기 흐름 온도 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일.
용융-취입 프로세스를 사용하여 부직포 가공된 베일을 제조하는 방법에 있어서,
공기 흐름율을 동시에 감소시키면서 용융 펌프 속도를 증가시키는 단계;
압출기에 물질을 로딩하는 단계; 및
폴리머가 다이 헤드로부터 섬유의 형태로 및 이동하는 콜렉터상에 압출되게 하는 단계를 포함하며
상기 물질은 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머이며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 결과적인 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮으며, 상기 섬유는 부직포 가공된 베일을 형성하며, 상기 공기 흐름율을 감소시킬 동안 용융 펌프 속도를 증가시키는 것은 10 미크론 내지 16 미크론의 평균 직경을 갖는 섬유를 제공하며, 상기 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경을 가지며, 상기 베일은 텍스타일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 부직포 가공된 베일을 캘린더링 프로세스를 받게 하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 베일은 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량과 20㎛ 내지 90㎛ 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일 제조 방법.
제9항에 있어서,
다수의 섬유를 갖는 물질은 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머이며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일 제조 방법.
제9항에 있어서,
텍스타일을 오프라인 관통 프로세스를 받게 하는 단계를 부가로 포함하며, 상기 오프라인 관통 프로세스는 바늘 또는 레이저 중 하나에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 부직포 가공된 베일 제조 방법.
제9항에 있어서,
용융-취입 프로세스의 적어도 하나의 매개변수는 미리 결정된 임계값 위로 또는 미리 결정된 임계값 아래로 미리 결정된 범위 내에서 세팅되며, 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는 용융 펌프 속도, 콜렉터 비율 속도, 공기 흐름율, 및 공기 흐름 온도 중 하나를 포함하는
부직포 가공된 베일 제조 방법.
복합 물품 제조를 위한 프리폼에 있어서,
보강 섬유를 포함하는 적어도 하나의 구조적 부품; 및
상기 구조적 부품과 접촉하는 적어도 하나의 부직포 가공된 베일을 포함하며,
상기 베일은 10 미크론 내지 16 미크론의 평균 직경을 갖는 다수의 섬유로 구성되며, 상기 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경을 가지며, 텍스타일은 베일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 가지며, 상기 다수의 섬유는 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머로 구성되며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조를 위한 프리폼.
제16항에 있어서,
상기 구조적 부품은 다수의 인접한 보강 섬유층의 형태이며, 부직포 가공된 베일은 인접한 보강 섬유 층의 쌍들 사이에 개재되며, 상기 부직포 가공된 베일은 인접한 보강 섬유층의 쌍들 사이에 개재되며, 상기 다수의 섬유는 열가소성 폴리머로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조를 위한 프리폼.
제16항에 있어서,
상기 베일은 캘린더링 프로세스의 결과로서 평방미터 당 5 그램 내지 평방미터 당 80 그램의 직물 면적 중량 및 20㎛ 내지 90㎛ 의 두께를 가지며, 상기 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조를 위한 프리폼.
제16항에 있어서,
상기 베일을 통한 다수의 관통부를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조를 위한 프리폼.
액체 수지 주입 프로세스를 사용하여 복합 물품을 제조하는 방법에 있어서,
주형 내에 보강 섬유를 포함하는 다수의 구조적 부품을 배치하는 단계;
상기 다수의 구조적 부품에 다수의 부직포 가공된 베일을 삽입하는 단계;
프리폼을 수지와 접촉시키는 단계;
상기 프리폼을 미리 결정된 온도 임계값으로 가열하는 단계; 및
상기 프리폼이 설정된 시간 주기로 미리 결정된 온도 임계값으로 유지될 동안 프리폼을 경화시키는 단계를 포함하며,
상기 다수의 베일은 10 미크론 내지 16 미크론의 평균 직경을 갖는 다수의 섬유로 구성되고, 상기 섬유의 20% 미만은 8 미크론 미만의 직경과 각각의 베일의 폭을 가로질러 10% 미만의 직물 면적 중량 변화를 가지며, 상기 삽입된 배치는 프리폼을 형성하며, 상기 수지는 75℃ 미만의 초기 온도이며, 상기 섬유의 대부분은 미리 결정된 온도 임계값에 도달하기 전에 용해되는 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 설정된 온도 임계값은 180℃ 이며, 폴리머는 18 내지 38 의 용융 흐름 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 다수의 섬유는 본래의 고형 상을 가지며 경화 가능한 조성물의 부품과의 접촉 시 유체 상으로의 적어도 부분적인 상 전이를 받도록 적용된 폴리머를 포함하며, 상기 폴리머는 경화 가능한 조성물의 경화의 실질적인 시작을 위한 온도 보다 낮은 온도에서 용해될 수 있으며, 그 온도는 부직포 가공된 베일의 고유의 용융 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 복합 물품 제조 방법.
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