KR20140027252A - 송전 케이블용 복합체 코어 - Google Patents

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KR20140027252A
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쉐리 엠 넬슨
데이빗 더블유 이스텝
티모시 엘 티보르
티모시 에이 레간
마이클 엘 웨슬리
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티코나 엘엘씨
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Abstract

전기 케이블(예컨대, 고압 송전 케이블)에 사용하기 위한 복합체 코어가 제공된다. 복합체 코어는 캡핑 층에 의해 둘러싸인 연속 섬유 구성요소를 포함하는 하나 이상의 봉을 함유한다. 연속 섬유 구성요소는 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 일방향으로 정렬된 복수개의 섬유 조방사로부터 제조된다. 본 발명자들은 함침 공정을 선택적으로 제어함으로써, 또한 봉의 제조 및 성형 동안 조방사에 부과되는 압축 정도를 제어함으로써, 뿐만 아니라 최종 봉 기하학적 형태의 캘리브레이션에 의해, 조방사가 열가소성 중합체 매트릭스로 함침되는 정도를 상당히 개선할 수 있음을 발견하였다. 이러한 잘 함침된 봉은 매우 작은 공극률을 가져서 탁월한 강도 특성을 야기한다. 특히, 봉에 상이한 섬유 유형을 필요로 하지 않으면서 목적하는 강도 특성을 달성할 수 있다.

Description

송전 케이블용 복합체 코어{COMPOSITE CORE FOR ELECTRICAL TRANSMISSION CABLES}
본원은 2011년 4월 12일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/474,423 호(발명의 명칭: "복합체 코어를 갖는 송전 케이블") 및 2011년 4월 12일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/474,458 호(발명의 명칭: "송전 케이블용 복합체 코어")에 관련되며, 이들 두 출원은 모두 본원에 참고로 인용된다.
복합체 와이어 구조체는 사용자에게 송전하기 위한 송전 라인 또는 케이블로서 통상적으로 사용된다. 복합체 송전 와이어 구조체의 예는 예를 들어 알루미늄 도체 복합체 코어(ACCC) 보강된 케이블 및 알루미늄 도체 강 보강된(ACSR) 케이블을 포함한다. ACSR 케이블은 전형적으로 강 내부 코어를 둘러싸는 알루미늄 외부 전도 층을 포함한다. 송전 라인은 효율적으로 송전할 뿐만 아니라 특히 송전 라인이 타워에 매달리거나 긴 거리에 걸쳐 연신될 때 강하고 온도 저항성이어야 한다. 실제로, 강에 기초한 송전 라인의 사용의 주된 단점중 하나는 케이블이 고온에서 작동될 때 허용불가능할 정도로 늘어지는 경향이 있다는 것이다.
송전 라인의 특성을 개선하기 위하여, 고강도 중합체로 케이블의 코어를 제작하고자 시도해 왔다. 예를 들어, 히엘(Hiel) 등의 미국 특허 제 7,179,522 호는 유리 섬유-보강된 에폭시 외부 코어에 의해 둘러싸인 탄소 섬유-보강된 에폭시 내부 코어로 제조된 복합체 코어를 기재한다. 히엘 등에 따르면, 강도, 강성 및 가요성의 조합을 달성하는 데에는 둘 이상의 상이한 섬유 유형(탄소 섬유 및 유리 섬유)을 사용하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 하나보다 많은 섬유 유형을 함유하는 복합체 코어로는 어려움을 겪고 있다. 예를 들어, 유리 섬유와 탄소 섬유가 상이한 열 팽창 계수를 갖기 때문에, 제조 동안 섬유에 가해지는 열로 인해 유리 섬유가 탄소 섬유와는 다른 속도로 팽창할 수 있다. 냉각시, 유리의 수축 때문에 탄소가 압축 상태에 놓이게 되어 코어 내에 잔류 응력을 야기한다. 단일 섬유 유형으로부터 코어를 제조하고자 몇 가지 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어 브라이언트(Bryant) 등의 미국 특허 공개 제 2005/0186410 호는 열가소성 수지 중에 탄소 섬유를 매립하여 단일 섬유 복합체 코어를 제조하고자 한 시도를 기재한다. 불행하게도, 이들 코어는 섬유의 부적절한 습윤으로 인해 흠집과 건조 부위를 나타내었고, 이는 불량한 내구성 및 강도를 야기하였다. 또한, 탄소는 알루미늄과의 갈바닉(galvanic) 반응을 일으키기 쉬웠고, 이로 인해 케이블이 부식되고 파손될 수 있다. 이러한 코어에서의 다른 문제점은 열가소성 수지가 고온에서 작동될 수 없다는 것이다. 이러한 이유 때문에, 브라이언트 등은 열경화성 에폭시 매트릭스에 매립된 S-2 유리 섬유를 함유한 단일 섬유 코어를 개발하였다. 이러한 코어는 2-섬유 시스템의 문제점을 없앴으나, 이들은 목적하는 수준의 강도를 갖지 못하였다. 뿐만 아니라, 열경화성 수지의 사용은 다수의 제조 공정에서 문제가 되며, 이러한 수지는 또한 다른 물질과 층을 형성하기 위한 우수한 결합 특징을 갖지 못한다.
이로써, 현재, 열가소성 물질로부터 제조되면서도 여전히 특정 용도에서 요구되는 목적하는 강도, 내구성 및 온도 성능을 달성할 수 있는 단일 섬유-유형의 복합체 코어가 요구되고 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따라, 종방향으로 연장되는 송전 케이블 코어가 개시된다. 이 코어는 복수개의 통합된 열가소성의 함침된 조방사(roving)를 포함하는 연속 섬유 구성요소를 함유하는 하나 이상의 봉을 포함한다. 조방사는 종방향으로 배향되는 연속 섬유 및 이 섬유를 매립하는 열가소성 매트릭스를 함유한다. 섬유는 약 1,000MPa/g/m보다 큰 극한 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비를 갖는다. 연속 섬유는 봉의 약 25중량% 내지 약 80중량%를 구성하고, 열가소성 매트릭스는 봉의 약 20중량% 내지 약 75중량%를 구성한다. 캡핑 층은 연속 섬유 구성요소를 둘러싸고, 연속 섬유를 함유하지 않는다. 봉은 약 10GPa의 최소 굴곡 모듈러스를 갖는다.
본 발명의 다른 실시양태에 따라, 송전 케이블 코어를 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 복수개의 조방사를 열가소성 매트릭스로 함침시키고 조방사를 통합하여 리본을 형성시킴을 포함하는데, 이 때 상기 조방사는 종방향으로 배향된 연속 섬유를 포함한다. 섬유는 약 1,000MPa/g/m보다 큰 극한 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비를 갖는다. 연속 섬유는 리본의 약 25중량% 내지 약 80중량%를 구성하고, 열가소성 매트릭스는 리본의 약 20중량% 내지 약 75중량%를 구성한다. 리본을 열가소성 매트릭스의 융점 이상의 온도로 가열하고, 하나 이상의 성형 다이를 통해 잡아당겨 리본을 압축시키고 리본을 봉으로 성형시킨다. 캡핑 층을 봉에 가한다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따라, 전기 케이블을 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 하나 이상의 복합체 코어를 포함하는 케이블 코어를 제공하고 이 케이블 코어를 복수개의 전도성 요소로 둘러쌈을 포함할 수 있다. 복합체 코어는 복수개의 통합된 열가소성의 함침된 조방사를 포함하는 하나 이상의 봉을 포함할 수 있다. 조방사는 종방향으로 배향된 연속 섬유 및 섬유를 매립하는 열가소성 매트릭스를 포함한다. 섬유는 약 1,000MPa/g/m보다 큰 극한 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비를 가질 수 있다. 전형적으로, 봉은 약 25중량% 내지 약 80중량%의 섬유 및 약 20중량% 내지 약 75중량%의 열가소성 매트릭스를 포함할 수 있다. 캡핑 층이 하나 이상의 봉을 둘러쌀 수 있고, 이 캡핑 층은 통상 연속 섬유를 함유하지 않을 수 있다. 이들 및 다른 실시양태에서, 복합체 코어는 약 10GPa보다 큰 굴곡 모듈러스를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 양태는 아래에 더욱 상세하게 기재된다.
당 업자에 대한 본 발명(그의 최선의 방식 포함)의 충분하고 실행가능한 개시내용이 첨부 도면에 대한 인용을 비롯한 명세서의 나머지 부분에 더욱 구체적으로 기재된다.
도 1은 본 발명에 사용하기 위한 통합된 리본의 한 실시양태의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 사용하기 위한 통합된 리본의 다른 실시양태의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 사용하기 위한 함침 시스템의 한 실시양태의 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 함침 다이의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 사용될 수 있는 함침 다이용 매니폴드 어셈블리 및 게이트 통로의 한 실시양태의 확대도이다.
도 6은 본 발명에 사용될 수 있는 함침 대역을 적어도 부분적으로 한정하는 플레이트의 한 실시양태의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 사용될 수 있는 인발 시스템의 한 실시양태의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 봉의 한 실시양태의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조되는 송전 케이블의 한 실시양태의 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따라 제조되는 송전 케이블의 다른 실시양태의 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 다양한 캘리브레이션(calibration) 다이의 한 실시양태의 상부 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 캘리브레이션 다이의 한 실시양태의 측부 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 캘리브레이션 다이의 한 실시양태의 일부의 정면도이다.
도 14는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 성형 롤러의 한 실시양태의 정면도이다.
본원 및 도면에서 인용 부호를 반복적으로 사용하는 것은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징부 또는 요소를 나타내고자 함이다.
당 업자는 본 개시내용이 예시적인 실시양태를 기재한 것일 뿐이고 본 발명의 더 넓은 양태를 한정하고자 하지 않음을 알아야 한다.
일반적으로, 본 발명은 고압 송전 케이블 같은 전기 케이블에 사용하기 위한 복합체 코어에 관한 것이다. 복합체 코어는 캡핑 층에 의해 둘러싸인 연속 섬유 구성요소를 포함하는 하나 이상의 봉을 함유한다. 연속 섬유 구성요소는 열가소성 중합체 매트릭스 내에 매립된 복수개의 일방향으로 정렬된 섬유 조방사로부터 제조된다. 본 발명자들은 함침 공정을 선택적으로 제어함으로써, 또한 봉의 제조 및 성형 동안 조방사에 부과되는 압축 정도를 제어함으로써, 뿐만 아니라 최종 봉 기하학적 형태의 캘리브레이션에 의해, 조방사가 열가소성 중합체 매트릭스로 함침되는 정도를 상당히 개선할 수 있음을 발견하였다. 이러한 잘 함침된 봉은 매우 작은 공극률을 가져서 탁월한 강도 특성을 야기한다. 특히, 봉에 상이한 섬유 유형을 필요로 하지 않으면서 목적하는 강도 특성을 달성할 수 있다.
본원에 사용되는 용어 "조방사"는 일반적으로 개별적인 섬유의 다발 또는 묶음(tow)을 가리킨다. 조방사 내에 함유되는 섬유는 꼬일 수 있거나 또는 곧을 수 있다. 상이한 섬유를 개별 조방사 또는 상이한 조방사에 사용할 수 있으나, 일반적으로는 각각의 조방사가 단일 섬유 유형을 함유하여 상이한 열 팽창 계수를 갖는 물질을 사용하는 임의의 불리한 효과를 최소화할 것이 요구된다. 조방사에 사용되는 연속 섬유는 그들의 질량에 비해 고도의 인장 강도를 갖는다. 예를 들어, 섬유의 극한 인장 강도는 전형적으로 약 1,000 내지 약 15,000MPa, 일부 실시양태에서는 약 2,000MPa 내지 약 10,000MPa, 일부 실시양태에서는 약 3,000MPa 내지 약 6,000MPa이다. 섬유가, 예를 들어 약 0.1 내지 약 2g/m, 일부 실시양태에서는 약 0.4 내지 약 1.5g/m의 단위 길이당 질량 같이 비교적 경량이어도, 이러한 인장 강도를 달성할 수 있다. 따라서, 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비는 약 1,000MPa/g/m 이상, 일부 실시양태에서는 약 4,000MPa/g/m 이상, 일부 실시양태에서는 약 5,500 내지 약 20,000MPa/g/m일 수 있다. 이러한 고강도 섬유는 예를 들어 금속 섬유, 유리 섬유(예컨대, E-유리, A-유리, C-유리, D-유리, AR-유리, R-유리, S1-유리, S2-유리 등), 탄소 섬유(예를 들어, 비정질 탄소, 흑연 탄소 또는 금속-코팅된 탄소 등), 붕소 섬유, 세라믹 섬유(예를 들어, 알루미나 또는 실리카), 아라미드 섬유[예컨대, 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 이 아이 듀퐁 드 네모아(E. I. duPont de Nemours)에서 시판중인 케블라(Kevlar: 등록상표)], 합성 유기 섬유(예를 들어, 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 파라페닐렌, 테레프탈아마이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리페닐렌 설파이드), 및 열가소성 조성물을 보강하는 것으로 공지되어 있는 다양한 다른 천연 및 합성 무기 또는 유기 섬유상 물질일 수 있다. 연속 섬유로서 사용하기 특히 적합한 것은, 전형적으로 약 5,000 내지 약 7,000MPa/g/m의 인장 강도 대 질량 비를 갖는 탄소 섬유이다. 연속 섬유는 종종 약 4 내지 약 35㎛, 일부 실시양태에서는 약 5 내지 약 35㎛의 공칭 직경을 갖는다. 각 조방사에 함유되는 섬유의 수는 일정할 수 있거나 조방사마다 다를 수 있다. 전형적으로, 조방사는 약 1,000개의 섬유 내지 약 100,000개의 개별적인 섬유, 일부 실시양태에서는 약 5,000개 내지 약 50,000개의 섬유를 함유한다.
임의의 다양한 열가소성 중합체를 사용하여 연속 섬유가 매립되는 열가소성 매트릭스를 형성할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합한 열가소성 중합체는 예를 들어 폴리올레핀(예컨대, 폴리프로필렌, 프로필렌-에틸렌 공중합체 등), 폴리에스터[예를 들어, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트("PBT")], 폴리카본에이트, 폴리아마이드[예컨대, 나일론(Nylon: 상표)], 폴리에터 케톤[예컨대, 폴리에터에터 케톤("PEEK")], 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤[예를 들어, 폴리페닐렌 다이케톤("PPDK")], 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드[예컨대, 폴리페닐렌 설파이드("PPS"), 폴리(바이페닐렌 설파이드 케톤), 폴리(페닐렌 설파이드 다이케톤), 폴리(바이페닐렌 설파이드) 등], 플루오로중합체(예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로메틸비닐에터 중합체, 퍼플루오로-알콕시알케인 중합체, 테트라플루오로에틸렌 중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 중합체 등), 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리카본에이트, 스타이렌계 중합체[예컨대, 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 스타이렌("ABS")] 등을 포함할 수 있다.
통상적으로 사용 동안 봉의 가공성과 성능의 목적하는 조합을 달성하도록 열가소성 매트릭스의 특성을 선택한다. 예를 들어, 열가소성 매트릭스의 용융 점도는 통상적으로 중합체가 섬유를 적절하게 함침시킬 수 있고 봉 형태로 성형될 수 있도록 하기에 충분히 낮다. 이와 관련하여, 용융 점도는 전형적으로 열가소성 중합체에 이용되는 작동 조건(예컨대, 약 360℃)에서 결정될 때 약 25 내지 약 2,000Pa-s, 일부 실시양태에서는 50 내지 약 500Pa-s, 일부 실시양태에서는 약 60 내지 약 200Pa-s이다. 마찬가지로, 봉을 고온에서 사용하고자 하는 경우(예컨대, 고압 송전 케이블)에는, 비교적 높은 융점을 갖는 열가소성 중합체를 사용한다. 예를 들어, 이러한 고온 중합체의 융점은 약 200℃ 내지 약 500℃, 일부 실시양태에서는 약 225℃ 내지 약 400℃, 일부 실시양태에서는 약 250℃ 내지 약 350℃일 수 있다.
폴리아릴렌 설파이드가 목적하는 용융 점도를 갖는 고온 매트릭스로서 본 발명에 사용하기 특히 적합하다. 예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드는 통상 하기 화학식으로 표시되는 반복 단량체 단위를 포함하는 반결정질 수지이다:
Figure pct00001
이들 단량체 단위는 전형적으로 중합체의 반복 단위의 80몰% 이상, 일부 실시양태에서는 90몰% 이상을 구성한다. 그러나, 폴리페닐렌 설파이드가 본원에 참고로 인용되는 고토(Gotoh) 등의 미국 특허 제 5,075,381 호에 기재되어 있는 것과 같은 추가적인 반복 단위를 함유할 수 있음을 알아야 한다. 사용되는 경우, 이러한 추가적인 반복 단위는 전형적으로 중합체의 약 20몰% 이하를 구성한다. 용융 점도가 높은 시판중인 폴리페닐렌 설파이드는 티코나, 엘엘씨(Ticona, LLC)(미국 켄터키주 플로렌스 소재)에서 상표명 포트론(FORTRON: 등록상표)으로 구입가능한 것을 포함할 수 있다. 이러한 중합체는 약 285℃의 융점(ISO 11357-1,2,3에 따라 결정함) 및 310℃에서 약 260 내지 약 320Pa-s의 용융 점도를 가질 수 있다.
본 발명에 따라, 통상적으로 압출 장치를 사용하여 조방사를 열가소성 매트릭스로 함침시킨다. 특히, 압출 장치는 열가소성 중합체가 섬유의 전체 표면에 도포되는 능력을 촉진한다. 함침된 조방사는 또한 매우 낮은 공극률을 갖는데, 이는 그의 강도를 향상시키는데 도움이 된다. 예를 들어, 공극률은 약 6% 이하, 일부 실시양태에서는 약 4% 이하, 일부 실시양태에서는 약 3% 이하, 일부 실시양태에서는 약 2% 이하, 일부 실시양태에서는 약 1% 이하, 일부 실시양태에서는 약 0.5% 이하일 수 있다. 당 업자에게 널리 공지되어 있는 기법을 이용하여 공극률을 측정할 수 있다. 예를 들어, 샘플을 오븐에 위치시켜(예컨대, 600℃에서 3시간동안) 수지를 연소시켜버리는 "수지 연소(resin burn off)" 시험을 이용하여 공극률을 측정할 수 있다. 이어, 나머지 섬유의 질량을 측정하여 중량 및 부피 분율을 계산할 수 있다. 이러한 "연소" 시험을 ASTM D 2584-08에 따라 수행하여 섬유 및 열가소성 매트릭스의 중량을 결정할 수 있고, 이어 이들을 사용하여 하기 방정식에 기초하여 "공극률"을 계산할 수 있다:
V f =100*(ρ t -ρ c )/ρ t
상기 식에서, V f 는 공극률(%)이고; ρ c 는 액체 또는 기체 비중병(예를 들어, 헬륨 비중병)을 사용하는 것과 같은 공지의 기법을 이용하여 측정되는 복합체의 밀도이며; ρ t 는 하기 방정식에 의해 결정되는 복합체의 이론적인 밀도이다:
ρ t =1/[ W f /ρ f + W m /ρ m ]
상기 식에서, ρ m 은 열가소성 매트릭스(예컨대, 적절한 결정화도에서)의 밀도이고; ρ f 는 섬유의 밀도이고; W f 는 섬유의 중량 분율이며; W m 은 열가소성 매트릭스의 중량 분율이다.
다르게는, ASTM D 3171-09에 따라 수지를 화학적으로 용해시킴으로써 공극률을 결정할 수 있다. "연소" 및 "용해 "방법은 특히 용융 및 화학적 용해에 대해 통상적으로 저항성인 유리 섬유에 특히 적합하다. 그러나, 다른 경우에는, ASTM D 2734-09(방법 A)에 따라 열가소성 중합체, 섬유 및 리본(또는 테이프)의 밀도에 기초하여 공극률을 간접적으로 계산할 수 있으며, 이 때 밀도는 ASTM D792-08(방법 A)에 따라 결정될 수 있다. 물론, 통상적인 현미경 장치를 사용하여 또는 메트로톰(Metrotom) 1500(2k×2k) 고해상도 검출기 같은 컴퓨터 단층촬영(CT) 주사 장치를 사용함으로써 공극률을 평가할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 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. 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(reel) 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 유지된다. 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 매립되며, 상기 중합체 매트릭스는 공급원료(127)로부터 가공된 수지(214)(도 4)일 수 있다. 이어, 혼합물을 함침 다이(150)로부터 압출시켜 압출물(152)을 생성시킨다.
압력 센서(137)(도 3)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, 일부 실시양태에서는 약 0.2 내지 약 0.4mm의 두께를 갖는다.
함침 다이 내에서는, 통상적으로 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"), 일부 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, 봉 등과 같은 곡선 표면을 갖는다. 접촉 표면(252)은 또한 전형적으로 금속 물질로 제조된다.
도 4는 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 5에 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 4 및 도 5에 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 4에 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 4에 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 4 및 도 6에 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 4에 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 6은 이들 실시양태에 따른 함침 대역(250)의 적어도 일부를 형성하는 제 2 판(258) 및 그 위의 다양한 접촉 표면을 도시한다. 예시적인 실시양태에서는, 도 4에 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 묶음당 약 5 내지 약 300N, 일부 실시양태에서는 약 50 내지 약 250N, 일부 실시양태에서는 약 100 내지 약 200N일 수 있다.
도 4에 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 4에 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 조방사를 도입할 수 있다. 조방사가 크로스헤드 다이를 통해 이동하고 중합체가 압출기 배럴로부터 나가는 지점에 도달할 때, 중합체를 조방사와 접촉시킨다. 이러한 크로스헤드 다이 압출기의 예는 예를 들어 본원에 참고로 인용되는 모이어(Moyer)의 미국 특허 제 3,993,726 호, 청(Chung) 등의 미국 특허 제 4,588,538 호, 오거스틴(Augustin) 등의 미국 특허 제 5,277,566 호, 및 아마이크(Amaike) 등의 미국 특허 제 5,658,513 호에 기재되어 있다. 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 조방사를 균일하게 펴는데 도움을 줄 수 있으며, 조방사는 각각 한 덩어리의 묶음의 전체 폭을 가로질러 24,000개 이하의 섬유를 함유할 수 있다. 이는 강도 특성의 균일한 분포를 달성하는데 도움을 준다. 이러한 어셈블리는 출구를 가로질러 통과하는 이동하는 조방사에 통상 수직인 방식으로 충돌하는 압축 공기 또는 다른 기체의 공급원을 포함할 수 있다. 이어, 펴진 조방사를 상기 기재된 바와 같이 함침하기 위하여 다이에 도입할 수 있다.
이용되는 기법에 무관하게, 연속 섬유를 종방향(도 3의 시스템의 기계 방향 "A")으로 배향하여 인장 강도를 향상시킨다. 섬유 배향 외에, 인발 공정의 다른 양태도 제어하여 목적하는 강도를 달성한다. 예를 들어, 비교적 높은 비율의 연속 섬유를 통합된 리본에 사용하여 향상된 강도 특성을 제공한다. 예를 들면, 연속 섬유는 전형적으로 리본의 약 25중량% 내지 약 80중량%, 일부 실시양태에서는 약 30중량% 내지 약 75중량%, 일부 실시양태에서는 약 35중량% 내지 약 60중량%를 구성한다. 마찬가지로, 열가소성 중합체(들)는 전형적으로 리본의 약 20중량% 내지 약 75중량%, 일부 실시양태에서는 약 25중량% 내지 약 70중량%, 일부 실시양태에서는 약 40중량% 내지 약 65중량%를 구성한다. 최종 봉 중의 섬유 및 열가소성 매트릭스의 백분율도 상기 나타낸 범위 내에 있을 수 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 목적하는 봉 형태로 성형하기 전에 조방사를 하나 이상의 리본 형태로 통합시킬 수 있다. 이어, 이러한 리본을 압축시키면, 조방사는 봉의 종방향 중심 주위에서 거의 균일한 방식으로 분포될 수 있다. 이러한 균일한 분포는 봉의 전체 길이에 걸쳐 강도 특성(예를 들어, 굴곡 모듈러스, 극한 인장 강도 등)을 향상시킨다. 사용되는 경우, 봉을 형성하는데 사용되는 통합된 리본의 수는 봉의 목적하는 두께 및/또는 단면적 및 강도뿐만 아니라 리본 자체의 특성에 기초하여 달라진다. 그러나, 대부분의 경우, 리본의 수는 1 내지 20개, 일부 실시양태에서는 2 내지 10개이다. 각 리본에 사용되는 조방사의 수도 마찬가지로 변할 수 있다. 그러나, 전형적으로, 리본은 2 내지 10개의 조방사, 일부 실시양태에서는 3 내지 5개의 조방사를 함유한다. 최종 봉에서 조방사의 대칭적인 분포를 달성하는데 도움을 주기 위해서는, 일반적으로 이들이 리본 내에서 서로 대략 동일한 거리만큼 이격되어야 한다. 예를 들어 도 1을 참조하면, x 방향에서 서로 동일한 거리만큼 이격된 3개의 조방사(5)를 함유하는 통합된 리본(4)의 한 실시양태가 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시양태에서는, 조방사의 섬유가 통상 리본(4) 전체에 걸쳐 균일하게 분포되도록 조방사를 합쳐야 할 수 있다. 이들 실시양태에서, 조방사는 통상 서로 구별될 수 없다. 예를 들어 도 2를 참조하면, 섬유가 대략 균일하게 분포되도록 합쳐진 조방사를 함유하는 통합된 리본(4)의 한 실시양태가 도시되어 있다.
조방사가 성형되는 구체적인 방식도 또한, 적절한 정도의 압축 및 강도 특성을 갖는 봉이 확실히 형성될 수 있도록 조심스럽게 제어된다. 예를 들어 도 7을 참조하면, 봉을 제조하는 시스템 및 방법의 한 특정 실시양태가 도시되어 있다. 이 실시양태에서는, 2개의 리본(12)을 처음에는 크릴(20) 상에 권취된 패키지로 제공한다. 크릴(20)은 수평 방추(22)(이들은 각각 패키지를 지지함)가 제공된 틀을 포함하는 풀림(unreeling) 크릴일 수 있다. 특히 원료 섬유를 1단계 형태로 사용하는 경우와 같이 섬유에 꼬임을 유도하고자 하는 경우에는 페이-아웃(pay-out) 크릴도 사용할 수 있다. 또한, 봉의 제조와 인-라인으로 리본을 제조할 수도 있음을 알아야 한다. 한 실시양태에서는, 예를 들어 도 3의 함침 다이(150)에서 나가는 압출물(152)을 봉 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 평행하고/하거나 들어오는 리본에 수직인 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.
통합 다이에 들어가기 전에 리본(12)을 오븐(45)에서 가열할 수 있다. 적외선 오븐, 대류 오븐 등에서과 같은 임의의 공지 유형의 오븐을 사용하여 가열을 수행할 수 있다. 가열 동안, 리본의 섬유를 일방향으로 배향하여 열에 대한 노출을 최적화시키고 전체 리본에 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 500℃, 일부 실시양태에서는 약 200℃ 내지 약 400℃, 일부 실시양태에서는 약 250℃ 내지 약 350℃일 수 있다. 하나의 특정 실시양태에서는, 예를 들어 폴리페닐렌 설파이드("PPS")를 중합체로서 사용하고, 리본을 PPS의 융점(이는 약 285℃임) 이상으로 가열한다.
가열시, 리본(12)을 예비 성형체(14)로 함께 압축시킬 뿐만 아니라 정렬시키고 봉의 초기 형상을 만들기 위해, 리본(12)을 통합 다이(50)에 제공한다. 예컨대 도 7에 일반적으로 도시된 바와 같이, 리본(12)을 방향 "A"에서 다이(50)의 유동 통로(51)를 통해 입구(53)로부터 출구(55) 쪽으로 인도한다. 통로(51)는 봉 형태를 획득하기 위하여 임의의 다양한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 채널 및 봉 형태는 원형, 타원형, 포물선 형태 등일 수 있다. 다이(50) 내에서는 통상 리본에 사용되는 열가소성 매트릭스의 융점 이상에서 리본을 유지시켜 적절한 통합을 보장한다.
하나 또는 다수개의 구역을 갖는 다이(50)를 사용함으로써 리본(12)의 목적하는 가열, 압축 및 성형을 달성할 수 있다. 예를 들면, 본원에 상세하게 도시되지는 않지만, 통합 다이(50)는 리본(12)을 목적하는 형태로 압축 및 성형하도록 함께 작용하는 다수개의 구역을 가질 수 있다. 예를 들어, 통로(51)의 제 1 구역은 물질이 다이(50) 내로 유동할 때 물질을 최초로 성형하는 테이퍼진(tapered) 대역일 수 있다. 테어퍼진 대역은 통상 그의 출구에서보다 그의 입구에서 더 큰 단면적을 갖는다. 예를 들어, 테이퍼진 대역의 입구에서 통로(51)의 단면적은 테이퍼진 대역의 출구에서의 단면적보다 약 2% 이상, 일부 실시양태에서는 약 5% 이상, 일부 실시양태에서는 약 10% 내지 약 20% 더 클 수 있다. 여하튼, 유동 통로의 단면은 전형적으로 테이퍼진 대역 내에서 점진적으로 또한 매끄럽게 변하여, 다이를 통한 복합체 물질의 균형을 이룬 유동이 유지될 수 있도록 한다. 물질을 압축하고 통상 그를 통한 균질한 유동을 제공하는 성형 대역이 또한 테이퍼진 대역 뒤에 이어질 수 있다. 성형 대역은 또한, 봉의 형상과 유사하지만, 전형적으로는 가열되는 동안 열가소성 중합체가 팽창되어 다이(50) 내에 정체될 위험을 최소화하도록 더 큰 단면적을 갖는 중간 형상으로 물질을 예비 성형할 수 있다. 성형 대역은 또한 예비 성형체에 지향성 변화를 부여하는 하나 이상의 표면 특징부를 포함할 수 있다. 지향성 변화는 물질을 재배치시켜 최종 형상 내에 섬유/수지가 더욱 균일하게 분포되도록 한다. 이는 또한 수지의 연소를 야기할 수 있는 다이에서의 정체부(dead spot)의 위험을 감소시킨다. 예를 들어, 성형 대역에서의 통로(51)의 단면적은 예비 성형체(14)의 폭보다 약 2% 이상, 일부 실시양태에서는 약 5% 이상, 일부 실시양태에서는 약 10% 내지 약 20% 더 클 수 있다. 성형 대역 뒤에는 다이 랜딩부가 이어져 통로(51)의 출구로서의 역할을 할 수 있다. 성형 대역, 테이퍼진 대역 및/또는 다이 랜딩부를, 열가소성 매트릭스의 유리 전이 온도 또는 융점 이상의 온도로 가열할 수 있다.
요구되는 경우, 예비 성형체(14)를 봉의 최종 형상으로 압축시키는 제 2 다이(60)(예를 들어, 캘리브레이션 다이)를 또한 사용할 수 있다. 사용되는 경우, 때때로 예비 성형체(14)가 통합 다이(50)에서 나온 후에 임의적인 제 2 다이(60)에 들어가기 전에 이를 잠시 냉각시켜야 한다. 이는 통합된 예비 성형체(14)가 시스템을 통해 추가로 가공되기 전에 그의 최초 형상을 보유하도록 한다. 전형적으로, 냉각은 봉의 외부의 온도를 열가소성 매트릭스의 융점 미만으로 감소시켜, 봉의 외표면에서 용융 파쇄가 일어나는 것을 최소화하고 실질적으로 방지한다. 그러나, 봉의 내부 구역은 용융된 채로 유지되어 봉이 캘리브레이션 다이 본체에 들어갈 때 압축되도록 보장할 수 있다. 예비 성형체(14)를 주위 대기(예컨대, 실온)에 노출시킴으로써, 또는 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 능동적인 냉각 기법(예컨대, 수욕 또는 공기 냉각)을 이용함으로써 이러한 냉각을 달성할 수 있다. 한 실시양태에서는, 예를 들어, 공기를 예비 성형체(14) 위로 불어넣는다[예를 들어, 에어 링(air ring)을 사용하여]. 그러나, 이들 단계 사이의 냉각은 통상 단시간에 걸쳐 이루어져서, 예비 성형체(14)가 여전히 추가로 성형되기에 충분히 연질이도록 보장한다. 예를 들어, 통합 다이(50)에서 나간 후, 제 2 다이(60)에 들어가기 전에, 예비 성형체(14)를 약 1 내지 약 20초, 일부 실시양태에서는 약 2 내지 약 10초 동안만 주위 환경에 노출시킬 수 있다. 다이(60) 내에서는, 예비 성형체를 통상적으로 리본에 사용되는 열가소성 매트릭스의 융점 미만으로 유지시켜, 봉의 형상을 유지시킬 수 있도록 한다. 상기에서는 단일 다이로 인용되지만, 다이(50, 60)는 실제로 복수개의 개별적인 다이(예를 들어, 면판 다이)로부터 형성될 수 있음을 알아야 한다.
따라서, 일부 실시양태에서는, 복수개의 개별적인 다이(60)를 사용하여 물질을 목적하는 형태로 점진적으로 성형시킬 수 있다. 다이(60)는 직렬로 위치되고, 물질의 치수를 점진적으로 감소시킨다. 이러한 점진적인 감소는 다양한 단계 동안, 또한 그러한 단계 사이에서 수축을 허용한다.
예를 들어, 도 11 내지 도 13에 도시되는 바와 같이, 제 1 다이(60)는 도시된 바와 같이 하나 이상의 입구(62) 및 상응하는 출구(64)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 4개, 1개, 2개, 3개, 5개 또는 6개 이상 같은 임의의 수의 입구(62) 및 상응하는 출구(64)가 다이(60)에 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서 입구(62)는 대략 난형 또는 원형일 수 있다. 다른 실시양태에서, 입구(62)는 구부러진 직사각형 형상, 즉 구부러진 모서리를 갖는 직사각형 형상 또는 더 긴 직선 측벽과 더 짧은 구부러진 측벽을 갖는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 또한, 출구(64)는 통상 난형 또는 원형일 수 있거나, 또는 구부러진 직사각형 형상을 가질 수 있다. 난형 입구가 사용되는 일부 실시양태에서, 입구(62)는 약 3:1 내지 약 5:1의 주축 길이(66) 대 부축 길이(68) 비를 가질 수 있다. 난형 또는 원형 입구가 사용되는 일부 실시양태에서, 출구(64)는 약 1:1 내지 약 3:1의 주축 길이(66) 대 부축 길이(68) 비를 가질 수 있다. 구부러진 직사각형이 이용되는 실시양태에서, 입구 및 출구는 약 2:1 내지 약 7:1의 주축 길이(66) 대 부축 길이(68) 비(종횡비)를 가질 수 있으며, 출구(64) 비는 입구(62) 비보다 작다.
추가적인 실시양태에서, 제 1 다이(60)의 입구(62)의 단면적 및 상응하는 출구(64)의 단면적은 약 1.5:1 내지 6:1의 비를 가질 수 있다.
따라서, 제 1 다이(60)는 통상 중합체로 함침된 섬유 물질이 생성되는 봉의 최종 형상(이는 예시적인 실시양태에서 원형 또는 난형 단면을 가짐)과 비교적 유사한 형상으로 매끄럽게 변형되도록 한다. 도 11에 도시되는 제 2 다이(60) 및 제 3 다이(60) 같은 후속 다이는 물질의 형상이 봉의 최종 단면 형상으로 전환되도록 물질의 치수를 추가로 점진적으로 감소 및/또는 변화시킬 수 있다. 이들 후속 다이(60)는 물질을 성형시킬 수도 있고 냉각시킬 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 각각의 후속 다이(60)는 이전 다이보다 더 낮은 온도에서 유지될 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 모든 다이(60)는 물질의 연화점보다 더 높은 온도에서 유지된다.
추가의 예시적인 실시양태에서는, 예를 들어 적절한 냉각 및 고화(이는 목적하는 봉 형상 및 크기를 획득하는데 결정적임)에 대한 요구 때문에 비교적 긴 랜딩 길이(69)를 갖는 다이(60)가 요구될 수 있다. 비교적 긴 랜딩 길이(69)는 응력을 감소시키고 최소한의 공극률 및 보우(bow) 특징을 가지면서 목적하는 형상 및 크기로 매끄럽게 변형되도록 한다. 일부 실시양태에서, 예를 들어 다이(60)의 출구(64)에서의 랜딩 길이(69) 대 출구(64)에서의 주축 길이(66)의 비는 약 0 내지 약 20, 예컨대 약 2 내지 약 6일 수 있다.
본 개시내용에 따른 캘리브레이션 다이(60)의 사용은 논의된 바와 같이 물질 단면이 점진적으로 변하도록 한다. 이들 점진적인 변화는 예시적인 실시양태에서 생성되는 생성물(예컨대, 봉 또는 다른 적합한 생성물)이 통상 비교적 최소한의 공극률을 가지면서 균일한 섬유 분포를 갖도록 보장한다.
임의의 적합한 수의 다이(60)를 사용하여 필요한 바와 같이 또는 다양한 용도에 의해 요구되는 바와 같이 물질을 임의의 적합한 단면 형상을 갖는 프로파일로 점진적으로 만들 수 있음을 알아야 한다.
하나 이상의 다이를 사용함에 덧붙여, 다른 장치를 또한 이용하여 예비 성형품(14)을 봉 형상으로 압축시키는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시되는 바와 같이 성형 롤러(90)를 통합 다이(50)와 캘리브레이션 다이(60) 사이에, 다양한 캘리브레이션 다이(60) 사이에, 및/또는 캘리브레이션 다이(60) 후에 사용하여 예비 성형체(14)가 그의 최종 형상으로 전환되기 전에 상기 예비 성형체를 추가로 압축시킬 수 있다. 롤러는 핀치 롤러, 중첩 롤러 등과 같은 임의의 형태를 가질 수 있으며, 도시되는 바와 같이 수직일 수 있거나 또는 수평 롤러일 수 있다. 롤러(90) 형태에 따라, 롤러(90)의 표면을 기계 가공하여 봉, 프로파일 또는 다른 적합한 생성물 같은 최종 생성물의 치수를 예비 성형체(14)에 부여할 수 있다. 예시적인 실시양태에서는, 최종 생성물의 품질을 최적화하도록 롤러(90)의 압력을 조정할 수 있어야 한다.
예시적인 실시양태에서 롤러(90), 예컨대 적어도 물질과 접촉하는 부분은 통상 매끈한 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 다수의 실시양태에서는 비교적 경질의 연마된 표면이 요구된다. 예를 들어, 비교적 매끈한 크롬 또는 다른 적합한 물질로부터 롤러의 표면을 형성시킬 수 있다. 이는 롤러(90)가 예비 성형체(14)를 손상시키거나 바람직하지 못하게 변화시키지 않으면서 예비 성형체(14)를 조작하도록 한다. 예를 들어, 이러한 표면은 물질이 롤러에 들러붙지 못하게 방지할 수 있으며, 롤러는 물질에 매끈한 표면을 부여할 수 있다.
일부 실시양태에서는, 롤러(90)의 온도를 제어한다. 롤러(90) 자체를 가열함으로써, 또는 롤러(90)를 온도 제어되는 환경에 위치시킴으로써, 이를 달성할 수 있다.
또한 일부 실시양태에서는, 롤러(90)에 표면 특징부(92)를 제공할 수 있다. 표면 특징부는 예비 성형체(14)가 롤러를 통해 통과할 때 이 예비 성형체를 하나 이상의 방향으로 인도 및/또는 제어할 수 있다. 예를 들면, 표면 특징부(92)를 제공하여 예비 성형체(14)가 롤러(90)를 통해 통과할 때 그 자체 위로 절첩되지 않도록 방지할 수 있다. 따라서, 표면 특징부(92)는 기계 방향(A)에 대해 횡 기계 방향에서 또한 기계 방향(A)에 대해 수직 방향에서 예비 성형체(14)의 변형을 인도 및 제어할 수 있다. 따라서, 예비 성형체가 기계 방향(A)에서 롤러(90)를 통해 통과할 때 예비 성형체(14)는 그 자체 상으로 절첩되기 보다는 횡 기계 방향으로 함께 밀릴 수 있다.
일부 실시양태에서는, 장력 조절 장치를 롤러와 연통되도록 제공할 수 있다. 이들 장치를 롤러와 함께 사용하여, 기계 방향, 횡 기계 방향 및/또는 수직 방향에서 예비 성형체(14)에 장력을 가하여 예비 성형체를 추가로 인도 및/또는 제어할 수 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 생성되는 봉에 캡핑 층을 도포하여 봉을 환경 조건으로부터 보호하거나 내마모성을 개선한다. 다시 도 7을 참조하면, 예를 들어 열가소성 수지를 캡핑 다이(72) 내로 도입하기 위하여 임의의 목적하는 각도로 배향된 압출기를 통해 이러한 캡핑 층을 도포할 수 있다. 갈바닉 응답을 방지하는데 도움을 주기 위하여, 캡핑 물질이 ASTM D149-09에 따라 결정될 때 약 1kV/mm 이상, 일부 실시양태에서는 약 2kV/mm 이상, 일부 실시양태에서는 약 3kV/mm 내지 약 50kV/mm, 일부 실시양태에서는 약 4kV/mm 내지 약 30kV/mm의 유전 강도를 갖는 것이 전형적으로 바람직하다. 이러한 목적에 적합한 열가소성 중합체는 예를 들어 폴리올레핀(예컨대, 폴리프로필렌, 프로필렌-에틸렌 공중합체 등), 폴리에스터[예를 들어, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트("PBT")], 폴리카본에이트, 폴리아마이드(예컨대, 나일론(상표)), 폴리에터 케톤[예를 들어, 폴리에터에터 케톤("PEEK")], 폴리에터이미드, 폴리아릴렌 케톤[예를 들어, 폴리페닐렌 다이케톤("PPDK")], 액정 중합체, 폴리아릴렌 설파이드[예컨대, 폴리페닐렌 설파이드("PPS"), 폴리(바이페닐렌 설파이드 케톤), 폴리(페닐렌 설파이드 다이케톤), 폴리(바이페닐렌 설파이드) 등], 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")], 아크릴산 중합체, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 등을 포함할 수 있다. 특히 적합한 고 유전 강도 캡핑 층 물질은 폴리케톤[예를 들어, 폴리에터에터 케톤("PEEK")], 폴리설파이드(예컨대, 폴리아릴렌 설파이드), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
캡핑 층은 통상 연속 섬유를 함유하지 않는다. 즉, 캡핑 층은 약 10중량% 미만의 연속 섬유, 일부 실시양태에서는 약 5중량% 이하의 연속 섬유, 일부 실시양태에서는 약 1중량% 이하의 연속 섬유(예를 들어, 0중량%)를 함유한다. 그러나, 캡핑 층은 봉의 최종 특성을 개선하기 위하여 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 이 단계에서 사용되는 첨가제 물질은 연속 섬유 물질 중으로 혼입하기에 적합하지 않은 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마무리 노력을 감소시키기 위하여 안료를 첨가하는 것이 바람직할 수 있거나, 또는 봉의 난연 특징을 향상시키기 위하여 난연제를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 다수의 첨가제 물질이 열에 민감하기 때문에, 과량의 열은 이들을 분해시키고 휘발성 기체를 생성시킬 수 있다. 그러므로, 열에 민감한 첨가제 물질이 높은 가열 조건하에서 함침 수지와 함께 압출되는 경우, 첨가제 물질의 완전한 분해가 야기될 수 있다. 첨가제 물질은 예를 들어 무기 보강제, 윤활제, 난연제, 팽창제, 발포제, 자외선 저항제, 열 안정화제, 안료 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 무기 보강제는 예컨대 탄산칼슘, 실리카, 운모, 점토, 활석, 규산칼슘, 흑연, 규산칼슘, 알루미나 삼수화물, 아철산바륨 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본원에 상세하게 도시되지는 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 봉을 정렬시키는 입구 가이드를 포함할 수 있다. 캡핑 다이는 또한 캡핑 층을 도포하기 전에 봉을 예열하여 적절한 결합을 보장하는데 도움을 주는 가열 장치(예를 들어, 가열된 판)를 포함할 수 있다. 캡핑 후, 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 냉각 시스템(80)을 사용하여, 성형된 부품(15)을 최종적으로 냉각시킨다. 냉각 시스템(80)은 예를 들어 고온 형상이 냉각됨에 따라 진공이 고온 형상을 그의 벽에 대향하여 잡아당기면서 봉을 완전히 둘러싸는 하나 이상의 블록(예를 들어, 알루미늄 블록)을 포함하는 사이징 시스템일 수 있다. 공기 또는 물 같은 냉각 매질을 사이저에 공급하여 봉을 올바른 형상으로 고화시킬 수 있다.
사이징 시스템이 사용되지 않는 경우에라도, 봉이 캡핑 다이(또는 캡핑이 도포되지 않는 경우에는 통합 또는 캘리브레이션 다이)에서 나온 후 통상적으로 봉을 냉각시켜야 한다. 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 마찬가지로 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 0℃ 내지 약 30℃, 일부 실시양태에서는 약 1℃ 내지 약 20℃, 일부 실시양태에서는 약 2℃ 내지 약 15℃의 온도에서 유지되는 물 탱크를 사용한다.
요구되는 경우, 예컨대 캡핑 후에 하나 이상의 사이징 블록(도시되지 않음)을 또한 사용할 수 있다. 이러한 블록은 정확한 봉 형상으로 절단되는 개구(처음에는 더 큰 크기로부터 최종 봉 형상으로 점차로 변함)를 함유한다. 봉이 그를 통해 통과할 때, 봉이 움직이거나 또는 처지는 경향이 없어지고 봉이 그의 올바른 형상으로 되돌려진다(반복적으로). 일단 사이징되면, 봉을 예컨대 단면 절단을 수행할 수 있는 절단 톱을 갖는 절단 스테이션(도시되지 않음)에서 목적하는 길이로 절단할 수 있거나 또는 연속 공정에서는 봉을 릴에 권취할 수 있다. 이어, 봉의 길이를 섬유 묶음의 길이로 한정한다.
알게 되는 바와 같이, 봉이 본 발명의 시스템의 임의의 구역을 통해 진행됨에 따라 봉의 온도를 제어하여 최적 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 이용하여 어셈블리 구역중 임의의 구역 또는 모든 구역에서 온도를 제어할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 복합체의 최종 사이징을 위한 시스템을 통해 완성된(finished) 봉(16)을 잡아당기는 당김 장치(82)가 냉각 시스템(80) 하류에 위치한다. 당김 장치(82)는 공정 시스템을 통해 목적하는 속도로 봉을 잡아당길 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 전형적인 당김 장치는 예를 들어 캐터필러 풀러(caterpillar puller) 및 왕복 풀러를 포함한다.
상기 기재된 방법으로부터 생성된 봉의 한 실시양태가 도 8에 요소(516)로 더욱 상세하게 도시된다. 도시되어 있는 바와 같이, 봉(516)은 대략 원형의 형상을 갖고, 하나 이상의 통합된 리본으로부터 제조된 연속 섬유 구성요소(514)를 포함한다. "대략 원형"이란, 일반적으로 봉의 종횡비(폭으로 나눈 높이)가 전형적으로 약 1.0 내지 약 1.5, 일부 실시양태에서는 약 1.0임을 의미한다. 조방사를 함침시키고 통합된 리본을 형성하는데 이용되는 공정 뿐만 아니라 리본을 압축 및 성형하는 공정을 선택적으로 제어하기 때문에, 봉은 그의 전체 길이에 걸쳐 열가소성 매트릭스의 비교적 균일한 분포를 가질 수 있다. 이는 또한, 연속 섬유가 봉(516)의 종방향 중심 축 "L" 주위에서 대체로 균일한 방식으로 분포됨을 의미한다. 예를 들어 도 8에 도시되는 바와 같이, 봉(514)은 열가소성 매트릭스(528) 내에 매립된 연속 섬유(526)를 포함한다. 섬유(526)는 종방향 축 "L" 주위에 대체로 균일하게 분포된다. 몇 개의 섬유만이 도 8에 도시되어 있고 봉이 전형적으로 균일하게 분포된 섬유를 실질적으로 더 많은 수로 함유함을 알아야 한다. 캡핑 층(519)은 연속 섬유 구성요소(514)의 경계 둘레에 연장되고 봉(516)의 외표면을 한정한다. 연속 섬유 구성요소(514)의 단면 두께("T")는 특정 강도를 획득하는데 도움이 되도록 전략적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 구성요소(514)는 약 0.1 내지 약 40mm, 일부 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 30mm, 일부 실시양태에서는 약 1 내지 약 10mm의 두께(예컨대, 직경)를 가질 수 있다. 캡핑 층(519)의 두께는 부품의 의도되는 기능에 따라 달라지지만, 전형적으로는 약 0.01 내지 약 10mm, 일부 실시양태에서는 약 0.02 내지 약 5mm이다. 여하튼, 봉의 총 단면 두께 또는 높이는 전형적으로 약 0.1 내지 약 50mm, 일부 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 40mm, 일부 실시양태에서는 약 1 내지 약 20mm이다. 봉이 길이 면에서 실질적으로 연속적일 수 있으나, 봉의 길이는 흔히 실제로 봉이 권취되어 저장되는 스풀 또는 연속 섬유의 길이에 의해 한정된다. 예를 들어, 길이는 흔히 약 1000 내지 약 5000m이지만, 더 긴 길이도 분명히 가능하다.
상기 언급된 다양한 매개변수를 제어함으로써 매우 높은 강도를 갖는 봉을 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 봉은 비교적 높은 굴곡 모듈러스를 나타낼 수 있다. 용어 "굴곡 모듈러스"는 통상 굴곡 변형에서 응력 대 변형의 비(단위: 힘/면적) 또는 물질이 구부러지는 경향을 일컫는다. 이는 전형적으로는 실온에서 "3개 지점 굴곡" 시험(예컨대, ASTM D790-10, 절차 A)에 의해 생성되는 응력-변형 곡선의 기울기로부터 결정된다. 예를 들어, 본 발명의 봉은 약 10GPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 12 내지 약 400GPa, 일부 실시양태에서는 약 15 내지 약 200GPa, 일부 실시양태에서는 약 20 내지 약 150GPa의 굴곡 모듈러스를 나타낼 수 있다. 뿐만 아니라, 극한 인장 강도는 약 300MPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 400MPa 내지 약 5,000MPa, 일부 실시양태에서는 약 500MPa 내지 약 3,500MPa일 수 있다. 용어 "극한 인장 강도"는 통상 물질이 가늘어지기 전에 연신되거나 잡아당겨지는 동안 견딜 수 있는 최대 응력을 가리키며, 실온에서 인장 시험(예컨대, ASTM D3916-08)에 의해 생성되는 응력-변형 곡선에서 도달되는 최대 응력이다. 탄성 인장 모듈러스는 또한 약 50GPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 70GPa 내지 약 500GPa, 일부 실시양태에서는 약 100GPa 내지 약 300GPa일 수 있다. 용어 "탄성 인장 모듈러스"는 일반적으로 인장 응력 대 인장 변형의 비를 말하며, 실온에서 인장 시험(예컨대, ASTM 3916-08)에 의해 생성되는 응력-변형 곡선의 기울기이다. 특히, 상기 인용된 복합체 봉의 강도 특성은 또한 약 -40℃ 내지 약 300℃, 특히 약 180℃ 내지 200℃ 같은 비교적 넓은 온도 범위에 걸쳐 유지될 수 있다.
본 개시내용에 따라 제조된 봉은 또한 비교적 긴 굴곡 피로 수명을 가질 수 있고, 비교적 높은 잔류 강도를 나타낼 수 있다. 굴곡 피로 수명 및 잔류 굴곡 강도는 전형적으로는 실온에서 "3개 지점 굴곡 피로" 시험(예컨대, ASTM D790)에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 봉은 160N 또는 180N 하중에서 백만 사이클 후 약 60kg/in2("ksi") 내지 약 115ksi, 일부 실시양태에서는 약 70ksi 내지 약 115ksi, 일부 실시양태에서는 약 95ksi 내지 약 115ksi의 잔류 굴곡 강도를 나타낼 수 있다. 또한, 봉은 굴곡 강도 면에서 비교적 최소한의 감소를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 약 4% 이하, 일부 실시양태에서는 약 3% 이하의 공극률을 갖는 봉은 3개 지점 굴곡 피로 시험 후 약 1%의 굴곡 강도 감소(예컨대, 약 106ksi의 원래의 최대 굴곡 강도에서 약 105ksi의 최대 잔류 굴곡 강도로)를 나타낼 수 있다. 굴곡 강도는 예를 들어 상기 논의된 3개 지점 굴곡 시험을 이용한 피로 시험 전 및 후에 시험될 수 있다.
복합체 봉의 선형 열 팽창 계수는 ppm/℃ 기준으로 약 5 미만, 약 4 미만, 약 3 미만, 또는 약 2 미만일 수 있다. 예를 들어, 계수(ppm/℃)는 약 -0.25 내지 약 5; 다르게는 약 -0.17 내지 약 4; 다르게는 약 -0.17 내지 약 3; 다르게는 약 -0.17 내지 약 2; 또는 다르게는 약 0.29 내지 약 1.18일 수 있다. 이 선형 열 팽창 계수에서 고려되는 온도 범위는 통상 -50℃ 내지 200℃, 0℃ 내지 200℃, 0℃ 내지 175℃, 또는 25℃ 내지 150℃일 수 있다. 종방향으로, 즉 섬유의 길이를 따라, 선형 열 팽창 계수를 측정한다.
복합체 봉은 또한 비교적 작은 "굽힘 반경"을 나타낼 수 있는데, 이는 봉이 파괴되지 않고 구부러질 수 있는 최소 반경이며 봉의 내부 곡률에 대해 측정된다. 더 작은 굽힘 반경은 봉이 더욱 유연하고 더 작은 직경의 보빈에 감길 수 있음을 의미한다. 이 특성은 또한 봉을 현재 금속 봉을 사용하는 공정에서 실행하기 더욱 용이하게 만든다. 본 발명의 개선된 공정 및 생성되는 봉 때문에, 약 25℃에서 결정될 때 봉의 외경의 약 40배 미만, 일부 실시양태에서는 봉의 외경의 약 1 내지 약 30배, 일부 실시양태에서는 봉의 외경의 약 2 내지 약 25배인 굽힘 반경이 획득될 수 있다. 예를 들어, 굽힘 반경은 약 25℃에서 결정될 때 약 15cm 미만, 일부 실시양태에서는 약 0.5 내지 약 10cm, 일부 실시양태에서는 약 1 내지 약 6cm일 수 있다.
복합체 봉은 또한 약 6% 이하, 일부 실시양태에서는 약 3% 이하, 일부 실시양태에서는 약 2% 이하, 일부 실시양태에서는 약 1% 이하, 일부 실시양태에서는 약 0.5% 이하의 낮은 공극률을 갖는다. 예를 들어, ASTM D 2584-08에 따른 "수지 연소" 시험을 이용하거나 또는 예컨대 메트로톰 1500(2k×2k) 고해상도 검출기 같은 컴퓨터 단층촬영(CT) 주사 장치를 사용함으로써, 상기 기재된 방식으로 공극률을 결정할 수 있다.
상기 나타낸 매개변수에 덧붙여, 복합체 봉은 또한 약 10MPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 15MPa 이상, 일부 실시양태에서는 약 20 내지 약 50MPa의 응력 매개변수도 나타낼 수 있다. 응력 매개변수를 결정하는 방법은 본원에 참고로 인용되는 존슨(Johnson) 등의 미국 특허 제 7,093,416 호에 더욱 상세하게 기재되어 있다. 예를 들어, 처짐 및 온도를 측정할 수 있고, 처짐 대 온도의 그래프로서 플로팅할 수 있다. 알코아 후지쿠라 리미티드(Alcoa Fuikura Ltd.)(미국 사우스 캐롤라이나주 그린빌 소재)로부터 상표명 SAG10(버전 3.0 업데이트 3.9.7)으로 구입가능한 소프트웨어 프로그램의 알코아 SAG10 그래픽 방법을 이용하여, 계산된 곡선을 측정된 데이터에 핏팅시킨다. 응력 매개변수는 "빌트-인(built-in) 알루미늄 응력"으로 라벨링된 SAG10의 핏팅 매개변수이며, 이는 알루미늄 외의 물질(예컨대, 알루미늄 합금)이 사용되는 경우 다른 매개변수를 핏팅시키기 위하여 변화될 수 있고 예측된 그래프 상에서 역치(knee-point)의 위치 및 고온의 역치 후 시스템에서 처짐의 양을 조정한다. 응력 매개변수에 대한 내용은 또한 알코아 SAG10 사용 설명서(버전 2.0)에도 제공된다.
알게 되는 바와 같이, 상기 기재된 특정 봉 실시양태는 본 발명에 의해 가능해지는 다수는 디자인의 예일 뿐이다. 다양한 가능한 봉 디자인 중에서는, 상기 기재된 것들에 덧붙여 물질의 추가적인 층을 사용할 수 있음을 알아야 한다. 특정 실시양태에서는, 예를 들어, 하나의 성분이 더 높은 강도의 물질로부터 제조되고 다른 성분이 더 낮은 강도의 물질로 제조되는 다성분 봉을 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 다성분 봉은 전체 봉에 더욱 값비싼 고강도 물질을 필요로 하지 않으면서 전체적인 강도를 증가시키는데 특히 유용할 수 있다. 열가소성 매트릭스 내에 매립된 연속 섬유를 함유하는 리본(들)으로부터 더 낮은 강도의 성분 및/또는 더 높은 강도의 성분을 제조할 수 있다.
본 발명은 결코 상기 기재된 실시양태로 한정되지 않음을 알아야 한다. 예를 들어, 봉은 목적하는 용도에 따라 다양한 다른 성분을 함유할 수 있다. 본원에 기재된 것과 같은 연속 섬유 리본 및 다른 유형의 물질로부터 추가적인 성분을 형성시킬 수 있다. 예를 들어 하나의 실시양태에서, 봉은 불연속 섬유(예컨대, 단섬유, 장섬유 등)의 층을 함유하여 그의 횡강도를 개선할 수 있다. 불연속 섬유의 적어도 일부가, 연속 섬유가 연장되는 방향에 대해 일정 각도로 위치되도록, 불연속 섬유를 배향할 수 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 전기 케이블(예컨대, 고압 송전 와이어)에 본 발명의 봉을 사용할 수 있다. 예시적인 송전 케이블 디자인 및 이러한 케이블용의 복합체 코어는 본원에 참고로 인용되는 헤일(Heil) 등의 미국 특허 제 7,211,319 호에 더욱 상세하게 기재되어 있다. 일반적으로, 이러한 송전 케이블은 복수개의 전도성 요소로 둘러싸인 코어를 함유한다. 코어는 도 8에 도시된 바와 같이 단일 봉만을 함유할 수 있거나, 또는 다수개의 봉을 함유할 수 있다. 특정 실시양태에서, 예를 들어, 코어는 동심 배열된 봉의 둘 이상의 층을 함유할 수 있으며, 이들 봉은 다양한 상이한 패턴(예컨대, 나선형)으로 함께 꼬일 수 있다. 하나의 구체적인 실시양태에서, 예를 들어, 코어는 중심 봉, 중심 봉 둘레에 동심 배치된 봉의 제 2 층(예컨대, 6개의 봉), 및 제 2 층 둘레에 동심 배치된 봉의 제 3 층(예컨대, 12개의 봉)을 함유한다. 전도성 요소는 임의의 적합한 전도성 물질, 예를 들어 금속(예컨대, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 합금), 탄소 등으로부터 제조될 수 있다. 전도성 요소가 배치되는 방식은 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이 변할 수 있다. 요구되는 경우, 전도성 요소도 상기 기재된 것과 같은 물질로부터 제조될 수 있다.
예를 들어 도 9를 인용하면, 일반적으로 송전 라인(420)의 한 실시양태가 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 송전 라인(420)은 대략 원통형 복합체 코어(400)(이는 본 발명에 따라 제조될 수 있음) 둘레에 방사상으로 배치된 복수개의 전도성 요소(422)(예컨대, 알루미늄)를 포함한다. 전도성 요소는 단일 층으로 또는 다수개의 층으로 배열될 수 있다. 도시된 실시양태에서, 예를 들어, 전도성 요소(422)는 제 1 동심 층(426) 및 제 2 동심 층(428)을 형성하도록 배열된다. 물론, 임의의 수의 동심 층이 사용될 수 있다. 전도성 요소(422)의 형상도 복합체 코어(400) 둘레에 배치될 수 있는 요소의 수를 최적화하도록 변할 수 있다. 도시된 실시양태에서는, 예를 들어, 전도성 요소(422)가 사다리꼴 단면 형상을 갖는다. 물론, 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 등과 같은 다른 형상도 사용될 수 있다. 전도성 요소(422)는 임의의 목적하는 기하학적 형태로(예컨대, 나선형 방식으로) 코어(400) 둘레에서 꼬이거나 덮일 수 있다.
예를 들어 도 10을 참조하면, 일반적으로 송전 라인(420)의 다른 실시양태가 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 송전 라인(420)은 본 발명에 따라 제조될 수 있는 대량 원통형 복합체 코어(400)의 다발 둘레에 방사상으로 배치되는 복수개의 전도성 요소(422)(예컨대, 알루미늄)를 포함한다. 도 10은 하나의 코어 봉(400)을 둘러싸는 6개의 코어 봉(400)을 도시하고 있으나, 임의의 적합한 배열의 임의의 적합한 수의 코어(400)는 본 발명의 영역 및 원리에 속한다. 캡핑 층(519)이 또한 각 코어(400)의 경계 둘레에 연장되고 각 코어(400)의 외표면을 한정한다. 전도성 요소는 단일 층 또는 다중 층으로 배열될 수 있다. 예를 들어 도시된 실시양태에서, 전도성 요소(422)는 제 1 동심 층(426) 및 제 2 동심 층(428)을 형성하도록 배열된다. 물론, 임의의 수의 동심 층을 사용할 수 있다. 전도성 요소(422)의 형상은 또한 복합체 코어(400) 둘레에 배치될 수 있는 요소의 수를 최적화하도록 변할 수 있다. 도시된 실시양태에서는, 예를 들어, 전도성 요소(422)가 사다리꼴 단면 형상을 갖는다. 물론, 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 등과 같은 다른 형상도 사용될 수 있다. 전도성 요소(422)는 임의의 목적하는 기하학적 형태로(예컨대, 나선형 방식으로) 코어 봉(400) 둘레에서 꼬이거나 덮일 수 있다.
본 발명의 복합체 코어는 특히 송전 와이어를 제작하는데 사용되는 경우 다양한 이점 및 이익을 제공한다. 예를 들면, 그의 구조로 인해, 코어는 용이하게 취급할 수 있을 뿐만 아니라 강도 및 일체성 면에서 다양한 이점을 제공하는 하나의 통합된 구조를 나타낼 수 있다.
하기 실시예를 참조하여 본 개시내용을 더 잘 이해할 수 있다.
실시예 1
실질적으로 상기 기재된 바와 같은 압출 시스템을 사용하여 2개의 연속 섬유 리본을 먼저 제조하였다. 탄소 섬유 조방사[토레이(Toray) T700SC, 이는 4,900MPa의 인장 강도 및 0.8g/m의 단위 길이당 질량을 갖는 12,000개의 탄소 필라멘트를 함유함]를 연속 섬유로 사용하였으며, 각각의 개별적인 리본은 4개의 조방사를 함유하였다. 섬유를 함침시키는데 사용되는 열가소성 중합체는 약 280℃의 융점을 갖는 폴리페닐렌 설파이드("PPS")(티코나, 엘엘씨에서 시판중인 포트론(등록상표) PPS 205)였다. 각 리본은 탄소 섬유 50중량% 및 PPS 50중량%를 함유하였다. 리본은 약 0.18mm의 두께 및 1.0% 미만의 공극률을 가졌다. 제조한 다음, 이어 리본을 20ft/분의 속도로 작동되는 인발 라인에 공급하였다. 성형하기 전에, 리본을 적외선 오븐(305의 동력 세팅) 내에서 가열하였다. 이어, 가열된 리본을, 리본을 받아들여 봉의 최초 형상을 형성하면서 이들 리본을 함께 압축하는 원형 채널을 갖는 통합 다이에 공급하였다. 다이 내에서는, 리본을 약 177℃에서 유지시켰다. 통합시, 생성되는 예비 성형체를, 1psi의 압력으로 주위 공기를 공급하는 에어 링/터널 장치로 잠시 냉각시켰다. 이어, 두 롤러 사이에 형성되는 닙을 통해 예비 성형체를 통과시킨 후, 최종 성형을 위해 캘리브레이션 다이로 보냈다. 캘리브레이션 다이 내에서는, 예비 성형체를 약 140℃에서 유지시켰다. 이 다이에서 나온 후, 프로파일을 350℃의 융점을 갖는 폴리에터 에터 케톤("PEEK")으로 캡핑하였다. 캡핑 층은 약 0.1mm의 두께를 가졌다. 이어, 생성되는 부품을 기류로 냉각시켰다. 생성되는 봉은 약 3.5mm의 직경을 가졌고, 탄소 섬유 45중량%, PPS 50중량% 및 캡핑 물질 5중량%를 함유하였다.
봉의 강도 특성을 결정하기 위하여, ASTM D790-10, 절차 A에 따라 3개 지점 굴곡 시험을 수행하였다. 지지체 및 노즈(nose) 반경은 0.250인치였고, 지지체 전장은 30mm였고, 시편 길이는 2인치였으며, 시험 속도는 2mm/분이었다. 결과적으로 수득된 굴곡 모듈러스는 약 31GPa였고, 굴곡 강도는 약 410MPa였다. 부품의 밀도는 1.48g/cm3였고, 공극 함량은 약 3% 미만이었다. 마찬가지로, 굽힘 반경은 3.27cm였다.
실시예 2
실질적으로 상기 기재된 바와 같은 압출 시스템을 사용하여 2개의 연속 섬유 리본을 먼저 제조하였다. 탄소 섬유 조방사(토레이 T700SC)를 연속 섬유로 사용하였으며, 각각의 개별적인 리본은 4개의 조방사를 함유하였다. 섬유를 함침시키는데 사용되는 열가소성 중합체는 포트론(등록상표) PPS 205였다. 각 리본은 탄소 섬유 50중량% 및 PPS 50중량%를 함유하였다. 리본은 약 0.18mm의 두께 및 1.0% 미만의 공극률을 가졌다. 제조한 다음, 이어 리본을 20ft/분의 속도로 작동되는 인발 라인에 공급하였다. 성형하기 전에, 리본을 적외선 오븐(305의 동력 세팅) 내에서 가열하였다. 이어, 가열된 리본을, 리본을 받아들여 봉의 최초 형상을 형성하면서 이들 리본을 함께 압축하는 원형 채널을 갖는 통합 다이에 공급하였다. 다이 내에서는, 리본을 약 343℃에서 유지시켰다. 통합시, 생성되는 예비 성형체를, 1psi의 압력으로 주위 공기를 공급하는 에어 링/터널 장치로 잠시 냉각시켰다. 이어, 두 롤러 사이에 형성되는 닙을 통해 예비 성형체를 통과시킨 후, 최종 성형을 위해 캘리브레이션 다이로 보냈다. 캘리브레이션 다이 내에서는, 예비 성형체를 약 140℃에서 유지시켰다. 이 다이에서 나온 후, 프로파일을 280℃의 융점을 갖는 포트론(등록상표) PPS 320으로 캡핑하였다. 캡핑 층은 약 0.1mm의 두께를 가졌다. 이어, 생성되는 부품을 기류로 냉각시켰다. 생성되는 봉은 약 3.5mm의 직경을 가졌고, 탄소 섬유 45중량%, PPS 50중량% 및 캡핑 물질 5중량%를 함유하였다.
봉의 강도 특성을 결정하기 위하여, ASTM D790-10, 절차 A에 따라 3개 지점 굴곡 시험을 수행하였다. 지지체 및 노즈 반경은 0.250인치였고, 지지체 전장은 30mm였고, 시편 길이는 2인치였으며, 시험 속도는 2mm/분이었다. 결과적으로 수득된 굴곡 모듈러스는 20.3GPa였고, 굴곡 강도는 약 410MPa였다. 부품의 밀도는 1.48g/cm3였고, 공극 함량은 약 3% 미만이었다. 마찬가지로, 굽힘 반경은 4.37cm였다.
실시예 3
실질적으로 상기 기재된 바와 같은 압출 시스템을 사용하여 2개의 연속 섬유 리본을 먼저 제조하였다. 유리 섬유 조방사[피피지(PPG)로부터의 터프로브(TUFRov: 등록상표) 4588, 이는 2599MPa의 인장 강도 및 2.2g/m의 단위 길이당 질량을 갖는 E-유리 필라멘트를 함유함]를 연속 섬유로 사용하였으며, 각각의 개별적인 리본은 2개의 조방사를 함유하였다. 섬유를 함침시키는데 사용되는 열가소성 중합체는 약 280℃의 융점을 갖는 폴리페닐렌 설파이드("PPS")(포트론(등록상표) 205, 티코나 엘엘씨 제품)였다. 각 리본은 유리 섬유 56중량% 및 PPS 44중량%를 함유하였다. 리본은 약 0.18mm의 두께 및 1.0% 미만의 공극률을 가졌다. 제조한 다음, 이어 리본을 20ft/분의 속도로 작동되는 인발 라인에 공급하였다. 성형하기 전에, 리본을 적외선 오븐(330의 동력 세팅) 내에서 가열하였다. 이어, 가열된 리본을, 리본을 받아들여 봉의 최초 형상을 형성하면서 이들 리본을 함께 압축하는 원형 채널을 갖는 통합 다이에 공급하였다. 통합시, 생성되는 예비 성형체를 주위 공기로 잠시 냉각시켰다. 이어, 두 롤러 사이에 형성되는 닙을 통해 예비 성형체를 통과시킨 후, 최종 성형을 위해 캘리브레이션 다이로 보냈다. 캘리브레이션 다이 내에서는, 예비 성형체를 약 275℃에서 유지시켰다. 이 다이에서 나온 후, 프로파일을 포트론(등록상표) 205로 캡핑하였다. 캡핑 층은 약 0.1mm의 두께를 가졌다. 이어, 생성되는 부품을 기류로 냉각시켰다. 생성되는 봉은 약 3.5mm의 직경을 가졌고, 유리 섬유 50중량% 및 PPS 50중량%를 함유하였다.
봉의 강도 특성을 결정하기 위하여, ASTM D790-10, 절차 A에 따라 3개 지점 굴곡 시험을 수행하였다. 지지체 및 노즈 반경은 0.250인치였고, 지지체 전장은 30mm였고, 시편 길이는 2인치였으며, 시험 속도는 2mm/분이었다. 결과적으로 수득된 굴곡 모듈러스는 약 18GPa였고, 굴곡 강도는 약 590MPa였다. 공극 함량은 약 0% 미만이었고, 굽힘 반경은 1.87cm였다.
실시예 4
실질적으로 상기 기재된 바와 같은 압출 시스템을 사용하여 2개의 연속 섬유 리본을 먼저 제조하였다. 유리 섬유 조방사(터프로브(등록상표) 4588)를 연속 섬유로 사용하였으며, 각각의 개별적인 리본은 2개의 조방사를 함유하였다. 섬유를 함침시키는데 사용되는 열가소성 중합체는 약 250℃의 융점을 갖는 나일론 66(PA66)이었다. 각 리본은 유리 섬유 60중량% 및 나일론 66 40중량%를 함유하였다. 리본은 약 0.18mm의 두께 및 1.0% 미만의 공극률을 가졌다. 제조한 다음, 이어 리본을 10ft/분의 속도로 작동되는 인발 라인에 공급하였다. 성형하기 전에, 리본을 적외선 오븐(320의 동력 세팅) 내에서 가열하였다. 이어, 가열된 리본을, 리본을 받아들여 봉의 최초 형상을 형성하면서 이들 리본을 함께 압축하는 원형 채널을 갖는 통합 다이에 공급하였다. 통합시, 생성되는 예비 성형체를 주위 공기로 잠시 냉각시켰다. 이어, 두 롤러 사이에 형성되는 닙을 통해 예비 성형체를 통과시킨 후, 최종 성형을 위해 캘리브레이션 다이로 보냈다. 캘리브레이션 다이 내에서는, 예비 성형체를 약 170℃에서 유지시켰다. 이 다이에서 나온 후, 프로파일을 나일론 66으로 캡핑하였다. 캡핑 층은 약 0.1mm의 두께를 가졌다. 이어, 생성되는 부품을 기류로 냉각시켰다. 생성되는 봉은 약 3.5mm의 직경을 가졌고, 유리 섬유 53중량%, 나일론 66 40중량% 및 캡핑 물질 7중량%를 함유하였다.
봉의 강도 특성을 결정하기 위하여, ASTM D790-10, 절차 A에 따라 3개 지점 굴곡 시험을 수행하였다. 지지체 및 노즈 반경은 0.250인치였고, 지지체 전장은 30mm였고, 시편 길이는 2인치였으며, 시험 속도는 2mm/분이었다. 결과적으로 수득된 굴곡 모듈러스는 약 19GPa였고, 굴곡 강도는 약 549MPa였다. 공극 함량은 약 0% 미만이었고, 굽힘 반경은 2.34cm였다.
실시예 5
상이한 공극률 수준을 갖는 8개의 봉의 3개 배치(batch)를 제조하였다. 각 봉의 경우, 실질적으로 상기 기재된 압출 시스템을 사용하여 2개의 연속 섬유 리본을 먼저 제조하였다. 탄소 섬유 조방사(토레이 T700SC, 이는 4,900MPa의 인장 강도 및 0.8g/m의 단위 길이당 질량을 갖는 12,000개의 탄소 필라멘트를 함유함)를 연속 섬유로 사용하였으며, 각각의 개별적인 리본은 4개의 조방사를 함유하였다. 섬유를 함침시키는데 사용되는 열가소성 중합체는 약 280℃의 융점을 갖는 폴리페닐렌 설파이드("PPS")(포트론(등록상표) PPS 205, 티코나 엘엘씨 제품)였다. 각 리본은 탄소 섬유 50중량% 및 PPS 50중량%를 함유하였다. 리본은 약 0.18mm의 두께 및 1.0% 미만의 공극률을 가졌다. 제조한 다음, 이어 리본을 20ft/분의 속도로 작동되는 인발 라인에 공급하였다. 성형하기 전에, 리본을 적외선 오븐(305의 동력 세팅) 내에서 가열하였다. 이어, 가열된 리본을, 리본을 받아들여 봉의 최초 형상을 형성하면서 이들 리본을 함께 압축하는 원형 채널을 갖는 통합 다이에 공급하였다. 다이 내에서는, 리본을 약 177℃에서 유지시켰다. 통합시, 생성되는 예비 성형체를, 1psi의 압력으로 주위 공기를 공급하는 에어 링/터널 장치로 잠시 냉각시켰다. 이어, 두 롤러 사이에 형성되는 닙을 통해 예비 성형체를 통과시킨 후, 최종 성형을 위해 캘리브레이션 다이로 보냈다. 캘리브레이션 다이 내에서는, 예비 성형체를 약 140℃에서 유지시켰다. 이 다이에서 나온 후, 프로파일을 350℃의 융점을 갖는 폴리에터 에터 케톤("PEEK")으로 캡핑하였다. 캡핑 층은 약 0.1mm의 두께를 가졌다. 이어, 생성되는 부품을 기류로 냉각시켰다. 생성되는 봉은 약 3.5mm의 직경을 가졌고, 탄소 섬유 45중량%, PPS 50중량% 및 캡핑 물질 5중량%를 함유하였다.
봉의 제 1 배치는 2.78%의 평균 공극률을 가졌다. 봉의 제 2 배치는 4.06%의 평균 공극률을 가졌다. 봉의 제 3 배치는 8.74%의 평균 공극률을 가졌다. CT 주사를 이용하여 공극률 측정을 수행하였다. 메트로톰 1500(2k×2k) 고해상도 검출기를 사용하여 봉 시편을 주사하였다. 낮은 확률 문턱치를 갖는 향상된 분석 모드를 이용하여 검출을 수행하였다. 시편을 공극률에 대해 주사한 후, 볼륨 그래픽스(Volume Graphics) 소프트웨어를 사용하여 데이터를 3D 주사로부터 해석하고, 각 시편에서 공극 수준을 계산하였다.
봉의 굴곡 피로 수명 및 잔류 굴곡 강도를 결정하기 위하여, ASTM D790에 따라 3개 지점 굴곡 피로 시험을 수행하였다. 지지체 전장은 2.2인치였고, 시편 길이는 3인치였다. 각 배치로부터 4개의 봉을 160N의 하중 수준에서 시험하였고, 각 배치로부터 4개의 봉을 180N의 하중 수준에서 시험하여, 각각 약 50% 및 55%의 봉의 원래(정적) 굴곡 강도를 나타내었다. 각 시편을 10Hz의 주파수에서 백만 사이클까지 시험하였다.
피로 시험 전 및 후에, 봉의 개별적인 원래 굴곡 강도 및 잔류 굴곡 강도 특성을 결정하기 위하여, ASTM D790-10, 절차 A에 따라 3개 지점 굴곡 시험을 수행하였다. 각 하중 수준에서 각 배치의 평균적인 원래 굴곡 강도 및 잔류 굴곡 강도를 기록하였다. 제 3 배치에 대해 결과적으로 수득된 원래 굴곡 강도는 107ksi였고, 제 3 배치에 대해 결과적으로 수득된 잔류 굴곡 강도는 75ksi여서, 약 29%의 감소를 나타내었다. 제 2 배치에 대해 결과적으로 수득된 원래 굴곡 강도는 108ksi였고, 제 2 배치에 대해 결과적으로 수득된 잔류 굴곡 강도는 72ksi여서, 약 33%의 감소를 나타내었다. 제 1 배치에 대해 결과적으로 수득된 원래 굴곡 강도는 106ksi였고, 제 1 배치에 대해 결과적으로 수득된 잔류 굴곡 강도는 105ksi여서, 약 1%의 감소를 나타내었다.
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 알게 될 것이다.

Claims (34)

  1. 복수개의 통합된 열가소성의 함침된 조방사(roving)를 포함하는 연속 섬유 구성요소를 함유하는 하나 이상의 봉 및 연속 섬유 구성요소를 둘러싸는 캡핑 층을 포함하는, 종방향으로 연장되는 송전 케이블 코어로서, 이 때 상기 조방사가 종방향으로 배향되는 연속 섬유 및 이 섬유를 매립하는 열가소성 매트릭스를 함유하며, 상기 섬유가 약 1,000MPa/g/m보다 큰 극한 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비를 갖고, 상기 연속 섬유가 봉의 약 25중량% 내지 약 80중량%를 구성하고, 상기 열가소성 매트릭스가 봉의 약 20중량% 내지 약 75중량%를 구성하며, 상기 캡핑 층이 연속 섬유를 함유하지 않으며, 상기 봉이 약 10GPa의 최소 굴곡 모듈러스를 갖는, 송전 케이블 코어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 약 5,500 내지 약 20,000MPa/g/m의 극한 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비를 갖는 코어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 탄소 섬유인 코어.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 매트릭스가 폴리아릴렌 설파이드를 포함하는 코어.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 폴리아릴렌 설파이드가 폴리페닐렌 설파이드인 코어.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 봉의 약 30중량% 내지 약 75중량%를 구성하는 코어.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 약 3% 이하의 공극률을 갖는 코어.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 약 15 내지 약 200GPa의 굴곡 모듈러스를 갖는 코어.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 약 300MPa 이상의 극한 인장 강도를 갖는 코어.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 약 50GPa 이상의 탄성 인장 모듈러스를 갖는 코어.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 4 내지 20개의 조방사로부터 제조되는 코어.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 봉의 종방향 중심 둘레에서 대략 균일하게 분포되는 복합체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 조방사가 약 1,000개 내지 약 100,000개의 개별적인 연속 섬유를 함유하는 코어.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 약 0.1 내지 약 50mm의 직경을 갖는 코어.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉이 원형 단면 형상을 갖는 코어.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡핑 층이 약 2kV/mm 이상의 유전 강도를 갖는 열가소성 중합체를 함유하는 코어.
  17. 복수개의 조방사를 열가소성 매트릭스로 함침시키고 상기 조방사를 통합하여 리본을 형성시킨 다음, 리본을 가열하고, 하나 이상의 성형 다이를 통해 가열된 리본을 잡아당겨 리본을 압축시키고 리본을 봉으로 성형시킨 후, 캡핑 층을 봉에 가함을 포함하는, 종방향으로 연장되는 송전 케이블 코어를 제조하는 방법으로서, 이 때 상기 조방사가 종방향으로 배향되는 연속 섬유를 포함하고, 상기 섬유가 약 1,000MPa/g/m보다 큰 극한 인장 강도 대 단위 길이당 질량의 비를 갖고, 상기 연속 섬유가 리본의 약 25중량% 내지 약 80중량%를 구성하고, 열가소성 매트릭스가 리본의 약 20중량% 내지 약 75중량%를 구성하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 봉이 원형 또는 타원형 단면 형상을 갖는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 봉을 크로스헤드 다이를 통해 통과시킴으로써 캡핑 층을 형성하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 탄소 섬유인 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 열가소성 매트릭스가 폴리아릴렌 설파이드를 포함하는 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 연속 섬유가 리본의 약 30중량% 내지 약 75중량%를 구성하는 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 리본이 약 2% 이하의 공극률을 갖는 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 개별적인 리본 1 내지 20개를 사용하여 예비 성형체를 제조하는 방법.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 리본을 적외선 오븐 내에서 가열하는 방법.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 조방사를 리본에서 서로 동일한 거리만큼 이격시키는 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 조방사를 압출 장치 내에서 함침시키는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 조방사가 구불구불한 통로에서 장치를 통해 가로지르는 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 열가소성 매트릭스를 매니폴드 어셈블리에 의해 압출 장치에 공급하고, 상기 매니폴드 어셈블리가 열가소성 매트릭스가 유동하는 분지된 홈을 포함하는 방법.
  30. 제 17 항에 있어서,
    상기 조방사가 열가소성 매트릭스로 함침될 때 장력하에 있는 방법.
  31. 제 17 항에 있어서,
    상기 통합 다이 및 후속 캘리브레이션 다이를 통해 가열된 리본을 잡아당겨 리본을 압축시키는 방법.
  32. 제 17 항에 있어서,
    상기 통합 다이에서 나온 후 캘리브레이션 다이에 들어가기 전에 상기 봉을 냉각시키는 방법.
  33. 제 17 항에 있어서,
    상기 캡핑 층이 연속 섬유를 함유하지 않는 방법.
  34. 제 17 항에 있어서,
    상기 리본이 약 3% 이하의 공극률을 갖는 방법.
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