KR20150067204A - 가요성 복합재 시스템들 - Google Patents

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Abstract

향상된 가요성 복합 재료들을 포함하여, 향상된 가요성 복합 재료들, 장비, 및 제작 프로세스를 제공하기 위한 시스템이 개시된다. 다양한 실시예에서, 가요성 라미네이트 복합재(flexible laminate composite)를 제작하는 방법은, 저표면에너지 패브릭(low-surface-energy fabric) 상에 표면에너지 개질을 수행하는 단계와, 저표면에너지 패브릭에 접착제를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은, 저표면에너지 패브릭에 접착제를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 적어도 부분적으로 경화시키는 단계는 가열된 롤들(heated rolls), 오븐들(ovens), 진공 오븐들, 빛의 사용, 적외선, 오토클레이빙(autoclaving) 또는 자외선 경화 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 또한 본 방법은, 접착재료가 완전히 또는 실질적으로 함침된 가요성 라미네이트 복합재를 생산할 수 있다. 가요성 라미네이트 복합재는, 표면에너지 개질을 받는 저표면에너지 패브릭과, 이 저표면에너지 패브릭 내에 함침된 접착재료를 포함할 수 있다. 저표면에너지 패브릭은 폴리에틸렌 자재일 수 있으며, 이것은 직물(woven fabric)이거나 직물이 아닐 수 있다.

Description

가요성 복합재 시스템들{FLEXIBLE COMPOSITE SYSTEMS}
본 건은 "가요성 복합재 시스템들(FLEXIBLE COMPOSITE SYSTEMS)"의 제목으로 2012년 9월18일 출원된 미국특허 가출원 번호 제61/702,702호의 우선권을 청구하는 정식 출원이며, 상기 미국특허 가출원 번호 제61/702,702호 전체는 참조에 의해 여기에 통합된다.
본 발명은 향상된 가요성 복합재 시스템들(improved flexible composite systems)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 향상된 가요성 복합 재료들, 장비, 및 제작 프로세스를 제공하기 위한 시스템에 관한 것이다.
가요성 복합 재료들은 기계적인 유연성과, 중량 대비 높은 강도 비율, 모두가 요구되는 분야들에 널리 사용된다. 가요성 복합 재료들은, 보다 큰 몸체인 복합 재료들 중에서 전문화된 하나의 부분집합으로 여겨질 수 있지만, 이들의 중요성은 여러 특정 기술분야에서 상당한 의미를 갖는다. 용어가 시사하는 바와 같이, 복합 재료들은 하나의 통일된 재질의 구성요소를 형성하기 위해 2개 또는 그 이상의 구성 재료들이 결합된 것이다. 가요성 복합 재료의 한 예로는, 가요성 섬유들의 배치가 심어진 폴리머 매트릭스(polymer matrix)가 있다. 가요성 복합 재료들의 용도로는, 간단한 소비재로부터 고도의 항공우주산업분야들에 이르는 많은 기술분야에 사용될 수 있을 것이다. 고품질의 가요성 복합 재료들을 빠르고 경제적으로 생산하는 시스템은 여러 방면에 있어서 이득이 될 것이다.
다양한 실시예들에 따르면, 가요성 라미네이트(laminate) 복합 재료를 생산하기 위해, 근본적으로 하나 이상의 연속적인 롤투롤(roll-to-roll) 생산 프로세스를 이용하는, 효율적이고 비용이 많이 들지 않으며 유용한 시스템이 여기에 개시된다. 가요성 라미네이트 복합재는, 표면에너지 개질(surface-energy modification)을 받는 저표면에너지 패브릭(low-surface-energy fabric)과, 상기 저표면에너지 패브릭 내에 함침된 접착 재료를 포함할 수 있다. 저표면에너지 패브릭은 폴리에틸렌 자재일 수 있으며, 이것은 직물(woven fabric)이거나 직물이 아닐 수 있다. 다양한 실시예들에서, 가요성 라미네이트 복합재는 오토클레이브 프로세스(autoclave process)에 의해 적어도 부분적으로 경화될 수 있다.
또한 다양한 실시예들에서, 가요성 라미네이트 복합재를 제조하는 방법은, 저표면에너지 패브릭 상에 표면에너지 개질을 수행하는 단계와, 저표면에너지 패브릭을 접착제로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한, 저표면에너지 패브릭에 접착제를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 포함한다. 이 적어도 부분적으로 경화시키는 단계는 가열된 롤들(heated rolls), 오븐들(ovens), 진공오븐들(vacuum ovens), 빛을 사용하는 것, 적외선, 오토클레이빙(autoclaving) 또는 자외선 경화를 사용한다. 또한 본 방법은, 접착재료가 완전히 또는 실질적으로 함침된 가요성 라미네이트 복합재를 생산할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 이루어지는 이하의 상세 설명으로부터 본 발명에 대한 특징들 및 장점들이 좀 더 분명해질 것이다.
도 1은, 다양한 실시예들에 따라, 적어도 하나의 가요성 복합 재료를 형성하기 위해 적어도 하나의 패브릭을 함침시키는 데 사용되는 예시적인 프로세스의 산물을 도식적으로 보여주는 부분 사시도이다.
도 2는, 다양한 실시예들에 따라, 접착제가 서브스트레이트(substrate) 재료에 입혀지는 시스템을 보여주는 사시도이다.
도 3은, 다양한 실시예들에 따라, 중첩된 접착시트들을 양측에 가지는 패브릭 서브트레이트에 대한 단면도이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따라, 연속적인 접착시트들을 양측에 가지는 패브릭 서브트레이트에 대한 단면도이다.
여기에서 사용된 용어들에 대한 간단한 해설
접착제: 복합 재료들을 결합시키는 데 사용되는 경화가능한 수지.
이방성: 등방성이 아님. 재료의 한 지점에서 방향에 따라 기계적 및 또는 물리적 성질이 변함.
면적중량(aerial weight): 단위면적당 섬유 중량, 보통 제곱미터당 그램 (g/m2)으로 나타냄.
오토클레이브: 화학 반응이나 또는 여타의 작업의 대상이 되는 폐쇄된 대상물에 대해, 열을 수반하거나 또는 열을 수반하지 않으면서 유체 압력 분위기를 생성하기 위한 밀폐된 용기.
B 단계(B-stage): 여기서는 일반적으로 어떤 열경화성 수지들의 반응에 있어서의 중간 단계로 정의됨. 재료들은 때때로 최종 경화 전에 핸들링 및 프로세싱을 용이하게 하기 위해 본 단계로 예비 경화되며, 이들을 "프리프레그들(prepregs)"로 함.
C 단계(C-stage): 어떤 수지들의 반응에 있어 마지막 단계로서, 재료가 비교적 용해되지 않고 용융되지 않는 단계.
경화(Cure): 화학적 반응에 의해 폴리머 수지의 성질들을 비가역적으로 변화시키는 것. 경화는 촉매를 수반하거나 수반하지 않고 그리고 열을 수반하거나 수반하지 않으면서 경화(교차결합)시키는 물질의 투입에 의해 이루어질 수 있음.
데시텍스(Decitex, DTEX): 연속적인 필라멘트(filament) 또는 얀(yarn)의 선형적 밀도(linear density)의 단위. 텍스(tex)의 1/10 또는 데니어(denier)의 9/10에 해당함.
다이니마®(Dyneema®): 디에스엠(DSM)에서 제조된 초고분자량 폴리에틸렌 섬유(Ultra-high-molecular-weight polyethylene fiber).
필라멘트(Filament): 섬유 함유 재료의 최소 구성단위. 필라멘트들은 대개 긴 길이와 작은 직경을 가짐.
폴리머(Polymer): 모노머들(monomers)의 분자들이 서로 연결되어 구성된 유기질 재료.
프리프레그(Prepreg): 경화 직전의 시트 또는 테이프 자재. 수지는 B-단계로 부분적 경화되고, 완전 경화 이전의 보존 단계로 제공됨.
토(Tow): 연속적인 필라멘트들의 꼬이지 않은 묶음.
UHMWPE: 초고분자량 폴리에틸렌. 폴리에틸렌의 극히 긴 사슬들로 만들어진 폴리올레핀 타입. 상표명들에는 스펙트라®(Spectra®), 다이니마®(Dyneema®)가 포함됨.
유니테이프(Unitape): 단방향 테이프(Uni-Directional tape, UD tape) - 평행하게 정렬되고 접착수지로 함침된 보강 섬유들의 균일한 밀도 배치(uniformly-dense arrangements)를 가지는 가요성 보강 테이프(시트라고도 함)들. UD 테이프들은 통상적으로 B 단계 상태이며, 대부분의 CT 복합 패브릭들의 기본 구성단위를 형성함.
여기서 당업자들이 본 발명을 실행할 수 있도록 예시적인 실시예들에 대해 충분히 상세하게 설명될 것인데, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 여타의 실시예들도 실현될 수 있으며, 타당한 재료, 프로세스 순서 및 기계적 변경들이 이루어질 수 있다. 따라서 이하에서의 상세한 기술 내용은 다만 설명을 위한 목적으로 제시되는 것임을 이해하여야 한다.
본 시스템의 바람직한 실시예들에 따르면, 그리고 도 1을 참조하면, 적어도 하나의 롤투롤 코팅 프로세스가, 적어도 하나의 가요성 복합 재료(100)를 형성하기 위해 적어도 하나의 패브릭을 함침시키는 데 바람직하게 사용된다. 본 시스템에서 사용될 수 있는 바람직한 패브릭들에는 바람직하게 폴리에틸렌, 나일론, 폴리에스터, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)(스펙트라, 다이니마), 파라-아라미드(para-aramids)(케블라(Kevlar), 노멕스(Nomex), 테크노라(Technora), 트와론(Twaron)), 액정고분자(liquid crystal polymer)(벡트란(Vectran)), 강력(high tenacity) 폴리프로필렌, 폴리이미드, 여타의 합성 폴리머들(PBO, PBI, PIBT, PBZT, PLA, PPTA), 금속섬유(metal fiber), 유리섬유(glass fiber) 또는 이들의 어떤 조합들이 포함된다.
어떤 저표면에너지 패브릭들은, 코팅의 결합을 촉진시키기 위해 코팅 전에 접착 적합성 개질(adhesion compatibility modification), 표면에너지, 접착력 촉진으로 더 잘 처리된다는 것을 알아야 한다.
부착력 촉진을 위한 메커니즘들은, 기름들, 직조(weaving) 또는 프로세싱에 의한 보호 풀칠들, 여타 코팅 또는 오염물질들을 제거하기 위한 표면 세척, 섬유 표면의 표면 산화, 섬유 표면의 미세 에칭(micro-etching), 케미컬 배스(chemical bath)를 통한 화학적 처리, 직접코팅(direct coating), 상압 또는 진공 증착에 의한 섬유 표면의 기능화(functionalization), 외측 섬유 표면에 케미컬 배스, 직접코팅, 상압 또는 진공 증착을 통해 유기질 또는 무기질 타이 층(tie layer) 또는 커플링제(coupling agent)의 입힘, 케미컬 배스, 직접코팅, 화학적 기상 처리, 상압 또는 진공 증착을 통해, 기능화되거나 기능화되지 않은 나노 섬유, 나노 입자 또는 그래핀 필름(grapheme film)과 같은 나노 필름의 입힘들을 포함한다.
바람직한 표면 처리 (또는 사전 처리) 방법들은 화염 처리, 코로나(corona), 진공 플라즈마 에칭, 표면 처리 또는 증착, 상압 플라스마 에칭, 표면 처리 또는 디스포지션(disposition), 및/또는 화학적 처리 프로세스, 또는 침지 코팅(immersion coating)을 위한 디프 탱크(deep tank), 슬롯 다이(slot die), 리버스 롤(reverse roll), 그라비어(gravure), 애니록스(anilox), 나이프오버 롤(knife over roll), 커튼 코팅(curtain coating), 갭 다이 코팅(gap die coating)을 통한 직접 표면코팅(direct surface coating), 압출 또는 공압출(extrusion or co extrusion), 에어나이프(air knife), 스크린, 도트 매트릭스(dot matrix) 또는 여타 인쇄 작업들, 또는 다양한 상압 또는 진공 증착 프로세스 또는 이들의 어떤 조합을 통한 직접 코팅을 포함한다. 그 다음의 폴리머 코팅 프로세스는 커튼 코팅, 갭 다이 코팅, 그라비어 코팅, 침지 코팅, 나이프오버 롤 코팅, 미터드로드 코팅(metered rod coating), 리버스 롤 코팅, 롤러 코팅, 압출 코팅, 스프레이 코팅, 오토클레이빙, 또는 이들의 어떤 조합들을 포함할 수 있다.
상술한 코팅을 부분적으로 또는 완전히 굳히거나 경화시키는 방법들은 바람직하게, 가열된 롤들, 오븐들, 벨트 프레스들(belt presses). 진공 오븐들, 또는 가시광선의 이용, 적외선, 무선주파수, 전자빔(e-beam), 대기 상태, 자외선(UV) 경화, 또는 이들의 어떤 조합을 사용하는 것을 포함한다. 본 시스템의 바람직한 일 실시예에서, 선정된 패브릭이 특히 온도에 민감한 저용융점을 가지기 때문에 저온 경화 접착제가 사용된다. 예컨대 UHMWPE 패브릭들은 300°F를 넘는 온도에서 분해되며, 권고되는 단기 내구온도 한계는 145°C이다. 다른 바람직한 실시예에서, 열경화성 또는 부분적 열경화성 접착제가 바람직하게 사용되는데, 이는 이 코팅이 더욱 강력할 수 있으며 열 및 자외선 노출에 대해 다른 접착제만큼 빨리 품질저하가 되지 않기 때문이다. 다른 바람직한 실시예에서, 후속의 본딩(bonding) 및 시밍(seaming) 프로세스들에 있어서 열가소성 코팅이 요구될 수 있을 때에는, 우레탄과 같은 탄성중합체의 열가소성 폴리머가 바람직하게 사용된다. 다양한 실시예들에서, 경화의 중간 단계에서 부분적으로 교차결합된(cross linked) 폴리머를 사용하고, 그 다음에 그 폴리머를 최종의 요구되는 중합 정도까지 경화시키는 것이 유리할 수 있다. 코팅 프로세스 중에 접착제가 단지 부분적으로만 경화되면, 제품을 완전히 교차결합 또는 중합시키기 위해 후속의 경화 단계가 바람직하게 사용되는데, 후속의 바람직한 경화 방법들은 여기서 논의된 바와 같이, 가열된 롤들, 오븐들, 진공 오븐들, 가시광 사용, 적외선, 블래더 프레스(bladder press), 자외선 경화, 또는 제어된 온도 프로파일의 오토클레이브들을 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 롤투롤 코팅 프로세스 다음에 오토클레이브 경화 프로세스가 이루어질 수 있다. 본 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 이전의 실시예들에서 설명된 경화되지 않거나 또는 부분적으로 경화된 코팅된 패브릭들은 오토클레이브 경화 프로세스로 진행된다. 바람직하게, 이 경화되지 않거나 또는 부분적으로 경화된 코팅된 패브릭은 이형 라이너(release liner)(바람직하게 불소폴리머 필름 또는 테프론을 포함함)의 층들 사이에 놓이고, 다음에 필 플라이(peel ply) 층들이 입혀지고 잠시 쉰다, 그리고 이 적층된 것은 바람직하게 진공 백 안에 밀봉되어 하드 카울(hard caul) 또는 롤 형태로 된다. 오토클레이브에는 바람직하게, 코팅으로부터의 휘발성 성분들 및 포획된 공기를 제거하고, 패브릭의 두께에 걸쳐 그리고 표면을 가로질러 코팅을 균등하게 유동시키고 강화시키기 위해, 제어된 온도, 압력, 진공이 사용된다. 결과적인 코팅은 패브릭 내로 완전히 또는 실질적으로 함침될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 결과적인 함침된 재료는 중량으로 약 10 % 내지 약 70 % 접착제일 수 있다. 다른 실시예에서, 결과적인 함침된 재료는 중량으로 약 25 % 내지 약 60 % 접착제일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 결과적인 함침된 재료는 중량으로 약 50 % 접착제일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 페브릭의 한 측에만 완전히 함침이 이루어지고, 다른 측은 함침이 이루어지지 않거나 함침이 부분적으로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 바람직한 오토클레이브 프로세스에서는 접착제의 균일한 재유동(re-flow)때문에, 전통적인 코팅 프로세스에서보다 더 얇은 코팅들이 이루어질 수 있다. 결과적으로 보다 경량의 패브릭들이 가능하다.
다양한 실시예들에서, 섬유강화 접착 시트(유니테이프) 또는 비섬유강화 접착 시트가 특정의 방향들로 층을 이루고, 패브릭 제품에 라미네이팅(laminating)되어, 오토클레이브 안 또는 바깥에서 경화될 수 있다. 바람직한 단방향(UD) 테이프는 바람직하게, 섬유들을 펼치고 이들을 이형지(release paper) 상에 접착제로 코팅하여 연속적인 시트를 형성함으로써 만들어진다. 함침되지 않은 또는 함침된 단방향 또는 다방향 천이 또한 사용될 수 있지만, 이 바람직한 단방향 테이프는 직조된 것이 아니다. 바람직하게, 이들 단방향 테이프 시트들은 크기에 맞춰 잘라지고 단방향 층들 내에 여러 방향으로 놓여져, 바람직한 2방향 섬유강화시트(예들로, 0°/90°, +45°/-45°, +30°/-30°) 또는 바람직한 4방향 논우븐(non-woven) 섬유강화시트(바람직한 예들로, 0°/90°/45°/-45°, 0°/90°/30°/-30°), 또는 많은 방향들 및 층 조합들을 지닌 여타의 바람직한 소비자 지향의 논우븐 섬유강화시트를 형성할 수 있다. 단방향 시트들은 한 층 한 층 또는 임의의 길이를 지닌 미리 조립된 다층 시트로서 패브릭에 입혀진다. 이들 논우븐 강화시트들은 바람직하게 패브릭의 적어도 한 측에 라미네이팅된다. 다른 바람직한 실시예에서, 논우븐 강화시트들은 패브릭의 양측에 라미네이팅된다. 다른 실시예에서, 논우븐 강화시트는 패브릭들의 여러 층들의 외측 표면들 사이 또는 그 위에 라미네이팅된다.
다른 실시예에서, 비강화 접착 시트 테이프는 이형지에 접착제를 코팅함으로서 만들어진다. 그 다음에, 패브릭 위에 접착시트들을 깔고 이형지를 제거함으로써, 접착 시트 테이프가 패브릭에 입혀진다. 다중 중첩 접착층들(multiple overlapping adhesive layers)이 패브릭의 한 측 또는 양측에 부가될 수 있다.
도 2에는 서브스트레이트 재료(이것은 직조된(woven) 상태 또는 논우븐 상태일 수 있으며, 처리된 상태 또는 처리되지 않은 상태일 수 있음)가 감긴 것을 푸는 것과, 서브스트레이트의 한 표면 상에, 약간 중첩된 접착 시트(202)들을 부가하는 것이 도시되어 있다. 다양한 실시예들에서, 접착 시트들은 중첩되지 않을 수 있으며 또는 접착 시트들 사이에 사전 정해진 갭들을 가질 수 있다. 접착 시트들은 필요에 따라 여러 가지 형상 또는 패턴이 될 수 있다. 접착 시트들은 한 세트의 핀치 롤러(pinch roller)(203)들로 서브스트레이트 상에 눌려질 수 있다. 하지만 어떤 실시예들에서는 핀치 롤러들이 없을 수 있으며, 롤러없는 상태, 벨트, 또는 그 밖의 유사한 것들로 대체될 수 있다. 핀치 롤러(203)들이 접착 시트(202)들을 서브스트레이트 재료에 가압한 후에 접착 시트지(백킹(backing))가 제거되고 접착 시트는 서브스트레이트에 달라붙는다. 다양한 실시예들에서, 층들이 감긴 뒤에 층들이 서로 달라붙지 않도록, 종이 백킹이 제거된 후(204) 이형 라이너(release liner)(205)가 접착 시트에 덧대진다. 다양한 실시예들에서, 접착 시트는 다양한 방식으로 입혀질 수 있다. 예를 들면, 서브스트레이트 웨브(substrate web)에 수직 또는 수평으로 한번에 서브스트레이트 양측에 또는 한번에 서브스트레이트 한 측에 입혀질 수 있으며, 또는 한 측에만 입혀지고 다른 측은 맨 상태로 둘 수 있다.
다양한 실시예들에서, 도 3을 참조하면, 패브릭 서브스트레이트(301)은 패브릭 서브스트레이트(301)의 제1 측 상에, 제2 접착 시트(303)와 겹치는 제1 접착 시트(302)를 가질 수 있다. 또한 패브릭 서브스트레이트(301)는 패브릭 서브스트레이트(301)의 제2 측 상에, 제4 접착 시트(305)와 겹치는 제3 접착 시트(304)를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 4를 참조하면, 패브릭 서브스트레이트(401)는 제1 측 상에 연속적으로 코팅된 제1 접착 시트(402)와, 제2 측 상에 연속적으로 코팅된 제2 접착 시트(403)를 가질 수 있다. 결과적인 코팅된 패브릭은, 섬유 강화 유니테이프 층들 또는 논우븐 강화 시트로 추가적인 보강이 있거나 또는 없이, 상술한 바와 같이 롤투롤 프로세스에서 또는 오토클레이브에서 경화될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 롤투롤 코팅 프로세스 또는 오토클레이브는 유사한 또는 유사하지 않은 패브릭들을 서로 결합시키는 데 사용될 수 있다. 패브릭들은 바람직하게 코팅되고, 유사한 또는 상이한 경화되지 않은 패브릭들 또는 부직포들(non-wovens)의 2개의 층들 또는 다중의 층들은 바람직하게 서로 라미네이팅된다. 최종 경화는 상술한 코팅을 강화시키거나 경화시키게끔 롤투롤 경화 방식 내에서 일어나며, 바람직하게, 가열된 닙(heated nip) 또는 다양한 형태의 가열된 롤들 또는 캘린더 롤들(calendar rolls), 오븐들, 벨트 프레스들, 진공 오븐들, 또는 가시광선, 적외선, 무선주파수, 전자빔 또는 자외선 에너지 작동되는 경화 시스템들을 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 복합재의 한 측 또는 양측에 플라스틱 필름 또는 패브릭이 부가될 수 있다. 다양한 실시예들에서, PET, PEN, 나일론, 불소폴리머, 우레탄, 실리콘, 폴리프로필렌, 폴리이미드 등과 같은 적어도 하나의 플라스틱 필름이, 라미네이션 및 경화 프로세스 이전에 또는 이후에, 상술한 실시예들의 한 측이나 양측에, 또는 대안적으로 바람직하게 상술한 실시예들의 층들 사이에 라미네이팅된다. 텍스처링(texturing)된 표면은, 사전 입혀진 패턴 또는 택스처(texture)로서 라미네이션 전에, 경화/라미네이션 중에 표면 필름 내에 통합될 수 있으며, 또는 엠보싱(embossing)이나 여타 패터닝(patterning)을 사용하는 최종 작업으로 또는 폴리싱(polishing) 작업들로 부가될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 함침되지 않은 패브릭이 바람직하게, 강화 및 경화 프로세스 이전에 또는 이후에, 상술한 실시예들의 한 측이나 양측에, 또는 상술한 실시예들의 층들 사이에 라미네이팅된다.
본 시스템의 바람직한 실시예들에서 사용되는 바람직한 패브릭들은 직물들(wovens), 편물들(knits), 온갖 스퀘어 위브(imaginable square weave), 단방향 및 다중방향의 스티칭(stitching)/본딩(bonding)된 부직물들, 논우븐 펠트들(non-woven felts), 바스켓 위브(basket weave), 종편들(warp knits), 플리스(fleece), 스펀본디드 부직물들(spun bonded non-wovens), 임의 방향성 논우븐 제품들(randomly oriented non-woven products), 방향성 논우븐 제품들 등을 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 가요성 라미네이트 복합재를 제작하기 위한 생산 방법 및 절차는 다음과 같을 수 있다.
1) 코로나 처리 직물 UHMWPE 패브릭 (Corona Treat Woven UHMWPE Fabric)
UHMWPE 섬유들(상표명 스펙트라® 및 다이니마®)는 사전 표면처리로 코팅의 접착력을 더욱 증진시킬 수 있다. 바람직하게, 직물 롤(woven fabric roll)은, 코로나 처리기를 통해 패브릭을 가압하는 기계 위에 적재되고, 패브릭은 다시 감기거나 또는 다시 감기지 않고 곧장 코팅된다. 출원자의 바람직한 코로나 처리기는 패브릭의 한 측만 활성화시켜서, 반대 측을 처리하기 위해 패브릭은 뒤집어져서 코로나를 두 번째 통과해야 한다. 다른 바람직한 처리기는 한 번 통과에 양 표면들을 표면 개질 및/또는 활성화시킨다. 출원인의 바람직한 기계 세팅은, 진행속도는 약 10 피트/분 그리고 코로나 에너지 수준은 약 1 KW로 된다.
2) 전구채 시트 접착제의 제작(Manufacture Precursor Sheet Adhesive)
본 용도를 위한 코팅은, 바람직한 소유권이 있는 부분적으로 열경화성인 폴리머인데, 이것은 저표면에너지 섬유들 및 필름들에 탁월한 접착력을 가지며, 일단 경화되면, 내천공성(puncture resistant)이 있고 자외선에 의한 품질저하에 견디는 강인한 완제품을 형성한다. 출원인의 이 코팅 접착제의 국내 상표명은 CT71이다. 주문에 따라 접착제의 시각적, 열적, 전기적 또는 물리적 성질을 만들기 위해, 접착제에는 바람직하게 착색제, 난연재 또는 자외선차단 첨가제들이 혼합된다. 이 바람직한 접착제는 액체 형태이며, 상부 및 하부 이형지들 사이에서 2개의 롤러 위로 펌핑되어 이들 2개의 롤러 사이로 압출될 수 있다. 바람직하게 상부 이형지는 하부 이형지보다 낮은 표면에너지를 가져서, 나중에 프로세스에서 접착제는 하부 이형지에 여전히 달라붙어 있으면서 상부 이형지가 쉽게 제거될 수 있다. 이 바람직한 접착 시트는, 접착제가 골고루 퍼지게 하고 부분적으로 경화되게끔 오븐 및 일련의 가열된 또는 냉각된 롤러들을 통과한다. 상부 및 하부 이형지 사이에서 샌드위치된 바람직한 접착 시트는, 바람직한 프로세스의 마지막 단계에서 바람직하게 약 10 인치 직경의 카드보드 코어(cardboard core) 위에 감겨진다. 바람직하게, 그 다음에 이 롤들은, 라미네이션이 일어날 때까지 추가적인 경화를 완화시키게끔 포대에 넣어져 저장된다. 바람직한 결과적 접착 시트는 약 13.5 인치 폭을 가진다. 접착제 면적중량의 목표는 바람직하게 약 100 g/m2 내지 125 g/m2이다.
3) 라미네이션 /코팅 프로세스(Lamination/Coating Process)
바람직한 처리된 직물 UHMWPE 패브릭은 바람직하게 라미네이팅 기계를 통해 두 번 당겨지며, 여기서 접착 시트가 바람직하게 패브릭의 한 측에 먼저 입혀지고 그 다음에 패브릭의 다른 측에 입혀진다. 이 패브릭은 바람직하게 기계의 전방 단부에서 언롤링(unrolling) 장비 위에 적재되고 기계의 후방 단부에서 업테이크 롤(uptake roll)로 견인된다. 접착 시트들은 바람직하게 전구체 시트 접착 롤로부터 필요한 길이로 절단되는데, 이 길이는 패브릭의 폭보다 약간 짧다. 접착 시트로부터 상부 이형지가 벗겨져 접착제가 노출된다. 작업자는 바람직하게 이 시트를, 접착제가 패브릭 상에 마주하게끔 놓는다. 바람직하게, 접착 시트의 긴 방향이 라미네이션 기계 방향에 대해 수직이 된다. 접착 시트는 바람직하게, 하부 이형지는 여전히 부착된 상태로, 코팅 내에 갭(gap)이 생기지 않도록 약 1/2 인치 정도 중첩되는 것이 바람직하다. 바람직한 패브릭 및, 하부 이형지가 있는 접착 시트들은, 접착제가 패브릭에 결합되게끔 가열된 롤러들 세트를 통과한다. 이 롤러들 세트를 통과한 후에, 작업자는 바람직하게 접착 시트로부터 하부 이형지를 제거한다. 작업자는 바람직하게 전구체 시트 접착 롤의 작은 조각들을 잘라내서, 접착제가 코팅된 패브릭 내의 코팅 갭이나 구멍들을 수리하기 위한 접착패치들(patchs)을 만든다. 기계의 후방 단부에서, 이 자재는 바람직하게, 코팅을 대면하는 0.5 밀리 ECTFE 이형 라이너를 지니고 다시 감긴다. 이 이형 라이너에 대한 국내 상표명은 FC3-0.5이다. 한 길이의 패브릭이 한 측에 코팅된 후에, 코팅된 롤은 바람직하게 기계의 후방으로부터 제거되고 뒤집혀져서 기계의 전방에서 언롤링 장비 위에 다시 적재된다(먼저, 코팅되지 않은 패브릭 롤을 제거함). 패브릭의 뒷면을 코팅하기 위해 프로세스가 바람직하게 반복된다. 바람직하게, FC3-0.5 이형 라이너가 또한 이 측면에 입혀진다. 대안적으로, 접착 시트가 길이방향의 스트립들로 패브릭에 입혀질 수 있으며, 이들 스트립들의 폭은 패브릭 웨브의 폭과 동일하거나, 패브릭 웨브 폭보다 좁거나 또는 패브릭 웨브 폭보다 크다. 만일 접착 시트들이 패브릭 웨브보다 좁으면, 다중의 접착 시트들이 웨브 방향으로 동시에 발라질 수 있다. 대안적으로, 접착 시트들이 두 번의 통과 대신 한 번의 통과로 패브릭의 양측에 추가될 수 있으며, 패브릭의 전체 면적, 또는 패브릭의 상부 면 및 하부 면의 일 부분만 덮을 수도 있다. 대안적으로, 패브릭이 라미네이팅 기계를 한 번 통과 또는 두 번 통과하면서, 접착 시트들이 패브릭 웨브의 길이방향으로 패브릭의 한 면에 입혀질 수 있고, 다른 접착 시트들은 패브릭 웨브 방향에 대해 수직으로 입혀질 수 있다.
4) 경화 프로세스(Cure Process)
바람직하게, 경화되지 않은 코팅된 패브릭은 오토클레이브 경화 프로세스로 진행된다. 알루미늄 카울(caul)이 바람직하게 경화 테이블의 길이를 덮는다. 다음에 필플라이(peel ply) 층이 풀리고, 바람직하게, 이미 FC3-0.5 이형필름 사이에 샌드위치된 경화되지 않은 코팅된 패브릭 층이 뒤를 따르게 된다. 바람직하게, 제2의 필플라이 층이 FC3-0.5 위에 펼쳐지고, 이 필플라이 층의 상부에 다른 알루미늄 카울이 놓인다. 카울/필플라이/FC3-0.5/코팅된 패브릭/FC3-0.5/필플라이/카울의 다중 층들이 스택(stack)될 수 있다. 이 스택의 상부에는 바람직하게 두꺼운 브리더(breather)가 있고, 그 후 바람직하게, 상기 스택을 밀봉하기 위해 진공 백이 사용된다. 이들 코팅된 패브릭 패널들의 길이는 경화 테이블의 길이로 제한될 수 있다. 현 실시예들에서 이 길이는 약 9 미터일 수 있다. 경화 테이블은 바람직하게 오토클레이브 속으로 밀려 들어간다. 오토클레이브에는 바람직하게, 코팅으로부터의 휘발성 물질 및 갇힌 공기를 제거하고, 패브릭의 두께에 걸쳐 그리고 표면을 가로질러 코팅이 균등하게 유동하게끔, 제어된 온도, 압력 및 진공이 사용된다. 바람직하게, 결과적인 코팅은 패브릭 내에 완전히 함침된다. 바람직한 오토클레이브 프로세스에서는 접착제의 균등한 재유동으로 인해, 전통적인 코팅 프로세스보다 더 얇은 코팅이 가능해서, 결과적으로 보다 경량의 패브릭들이 가능하다. 상세한 오토클레이브 프로세스 파라미터들은 출원인의 미국특허번호 US 5,470,632호에 좀더 상세히 기술되어 있는데, 이 미국특허번호 US 5,470,632호는 실행 엔지니어링의 더한 예들을 위해 참조에 의해 본 명세서에 통합된다. 일단 오토클레이브 경화 사이클이 완료되면, 경화된 코팅된 패브릭은 바람직하게 오토클레이브로부터 이동되어 감겨진다. 완제품 상에 있는 이형 라이너들은, 패브릭이 저장 또는 선적된 후 그 자신에 들러붙는 것을 방지하기 위해 그대로 놔두는 것이 추천된다.
바람직하게, 복합 재료는 착색제 또는 염료승화(dye sublimation)를 활용하여 매트릭스 또는 멤브레인들의 채색을 포함할 수 있다.
바람직하게, 내화성(flame resistance)을 향상시키기 위해, 난연성(fire retardant) 접착제 또는 폴리머가 사용될 수 있으며, 또는 가연성(flammable) 매트릭스 또는 멤브레인에 난연재가 추가될 수 있다. 난연성 또는 자기 소화성 매트릭스 수지들이나, 루브리졸 88111(Lubrizol 88111)과 같은 라미네이팅 또는 본딩 접착제들이 사용될 수 있다. 그 자신들 또는 난연성 첨가제들과 조합을 이루어 사용될 수 있다. 난연성 첨가제들에는 다우디이알 593(DOW D.E.R. 593), 브롬화 수지(Brominated Resin), 다우코닝3 난연성 수지(DOW Corning 3 Fire Retardant Resin) 및, 피디엠 넵텍사의 이엠씨-85/10A(EMC-85/10A from PDM Neptec ltd.)와 같은 삼산화 안티몬(Antimony Trioxide)을 지닌 폴리우레탄 수지가 포함되는데, 여타 난연 첨가제들도 적합할 수 있다. 내화성을 향상시키기 위해 사용될 수 있는 난연성 첨가제들에는 Fyrol FR-2, Fyrol HF-4, Fyrol PNX, Fyrol 6 및 SaFRon 7700이 포함되는데, 여타 첨가제들도 적합할 수 있다. 노맥스(Nomex) 또는 케블라(Kevlar)와 같은 난연성 섬유들을 사용하거나, 세라믹 또는 금속성 와이어 필라멘트들(wire filaments)을 사용하거나, 섬유 제조 프로세스 중 섬유 포뮬레이션(fiber formulation)에 난연성 화합물을 직접 첨가함으로써, 또는 사이징(sizing), 폴리머, 또는 상술한 난연성 화합물이나 여타 적절한 것을 포함하는 접착제를 섬유들에 코팅함으로써, 난연성 및 자기 소화성 특징들이 섬유들에 추가될 수 있다. 라미네이트에서 사용되는 직조된 재료들은 공급자에 의해 난연성을 위한 사전처리되거나, 또는 제조 프로세스 중에 난연성 화합물이 코팅 또는 주입될 수 있다.
바람직하게, 폴리머 수지들 또는 패브릭들 상에 하나 이상의 항균성 물질을 추가하거나 코팅하여 통합시킴으로써, 그리고 복합 재료용으로 사용되는 섬유들, 모노필라멘트들, 실들 또는 토(tow)들에 항균 처리함으로써, 항균/항병원체 내성이 복합 재료에 더해질 수 있다. 통상적인 이들 재료들에는 옥시티탄 항균제(OXiTitan Antimicrobial), 나노 은 화합물, 소듐 피리치온(Sodium pyrithione), 징크 피리치온 2-플루오르에탄올(Zinc pyrithione 2-Fluoroethanol), 1-브로모-2-플루오르에탄(-Bromo-2-fluoroethane), 벤지미다졸(BenzimidaZole), 플레록사신(Fleroxacin), 1,4-부탄디술폰산 디소듐 솔트(1,4-Butanedisulfonic acid disodium salt), 2-(2-피리딜)아이소티오우레아 엔-옥사이드 하이드로클로라이드(2-(2-pyridyl)isothiourea N-oxide hydrochloride), 4기 암모늄 솔트(Quarternary ammonium salt), 2-피리딘치올 1-옥사이드(2-Pyridinethiol 1-oxide), 합성 징크 피리치온(Compound Zinc pyrithione), 합성 카퍼 피리치온(Compound copper pyrithione), 마그네슘 피리치온(magnesium pyrithione), 비스피리치온(BISPYRITHIONE), 피리치온(pyrithione), 오트-브로모 시남 겔(ot-Bromo Cinnam-Gel), 제조된 케이에프오 에이비씨 실리카 겔(KFO ABC Silica Gel manufactured)이 포함된다. 실, 토 및 모노필라멘트와 같은 섬유 형태들이 은 나노입자들로 처리될 수 있으며, 또는 화학적이나 전기적 도금, 진공증착을 통해, 또는 폴리머, 접착제 또는 사이징을 함유하는 은 화합물로의 코팅을 통해 입혀지는 은 코팅들을 가질 수 있다. 또한 항균성/항병원체성 물질들도 적합할 수 있다.
멤브레인들의 채색, 난연성 첨가제들 및 항균성 첨가제들에 대한 추가적인 정보를 제공하기 위한 관련 개시 내용들은, "돛 및 여타 용품들 제작용 복합 재료(COMPOSITE MATERIAL FOR FABRICATION OF SAILS AND OTHER ARTICLES)"의 제목으로 1995년 11월 28일 공고된 미국특허번호 US 5,470,062호와, "돛 제작용 재료(MATERIAL FOR THE FABRICATION OF SAILS)"의 제목으로 1994년 8월 2일 공고된 미국특허번호 US 5,333,568호와, "가요성 멤브레인 및 여타 용품 제작용 방수 통기성 복합 재료(WATERPROOF BREATHABLE COMPOSITE MATERIALS FOR FABRICATION OF FLEXIBLE MEMBRANES AND OTHER ARTICLES)"의 제목으로 2011년 6월 24일 출원된 미국특허 출원 시리얼 번호 US 13/168,912호와, "라미네이트 복합 재료 및 여타 용품들에 색상 및 여타 물리적 성질들을 전송시키는 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR THE TRANSFER OF COLOR AND OTHER PHYSICAL PROPERTIES TO LAMINATE COMPOSITE MATERIALS AND OTHER ARTICLES)"의 제목으로 2011년 8월 3일 출원된 미국특허 출원 시리얼 번호 US 13/197,741호에서 찾아볼 수 있으며, 상기 특허 명세서들의 모든 것은 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 것이다.
여기서 출원인은 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 기술하였지만, 본 발명의 넓은 범위에는, 다양한 형상들(단일 및 이중의 컴플렉스 커베이처(complex curvature)를 지닌 형상들을 포함함), 사이즈들, 재료들에 대한 변형들이 포함된다. 이러한 본 발명의 권리범위는 앞에서의 기술한 내용들과 연계되어, 이하의 청구항들에 의해서만 제한된다. 또한 당업자는 상술한 기술 내용과 이하의 청구항들로부터 본 발명의 여타 많은 장점들에 대해 잘 알 수 있을 것이다.
앞에서 특정 실시예들에 관해서 이점들, 여타 장점들 및 문제 해결책들이 기술되었다. 그러나 이러한 이점들, 장점들, 문제 해결책들과, 그리고 어떤 이점, 장점 또는 해결책을 발생시키고 이들이 보다 분명해지게 할 수 있는 어떤 요소들이, 청구항들 일부 또는 전부에 대해 중대하고, 필요하고, 또는 필수적인 특징들 또는 요소들로 해석되어서는 안 된다. 여기서 사용된 용어들, "포함된다", "포함되는", "포함한다", "포함하는", 또는 이들의 여타 변형들은 배타적이 아닌 포함을 커버하는 것을 의미하여서, 한 목록의 요소들을 포함하는 프로세스, 방법, 용품 또는 장치는 이들 요소들만 포함하는 것이 아니라, 특별히 리스트되지 않은 여타 요소들 또는 이러한 프로세스, 방법, 용품 또는 장치에 내재하는 여타 요소들을 포함할 수 있다. 여기에서 기술된 요소에 대해 "중대한" 또는 "필수적인"처럼 분명하게 표시되지 않았으면, 여기에 기술된 어떤 요소도 본 발명을 실행하는데 꼭 요구되는 것은 아니다.

Claims (22)

  1. 가요성 라미네이트 복합재(flexible laminate composite)를 제작하는 방법으로서, 상기 방법은,
    저표면에너지 패브릭(low-surface-energy fabric) 상에 표면에너지 개질(surface-energy modification)을 수행하는 단계; 및
    저표면에너지 패브릭에 접착제를 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저표면에너지 패브릭에 접착제를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 경화시키는 단계는 가열된 롤들(heated rolls), 오븐들(ovens), 진공 오븐들, 빛의 사용, 적외선 또는 자외선 경화 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    부분 경화만 일어나는, 상기 적어도 부분적으로 경화시키는 단계에 부응하여, 그 다음에 저표면에너지 패브릭을 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그 다음에 경화시키는 단계는 가열된 롤들, 오븐들, 진공 오븐들, 빛의 사용, 적외선, 자외선 경화, 또는 오토클레이빙(autoclaving) 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 경화시키는 단계는 오토클레이빙을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 상기 가요성 라미네이트 복합재 내에 완전히 함침되는(impregnated) 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 열가소성 접착제이며, 상기 가요성 라미네이트 복합재는 열가소성 코팅을 이용하여 본딩 및 시밍 프로세스들(bonding and seaming processes)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 저온 경화 접착제이며, 상기 저표면에너지 패브릭는 온도에 민감한 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 적어도 부분적으로 열경화성 접착제인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 접착 시트 형태이며, 상기 접착 시트는 적어도 한 층의 이형지(release paper)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 저표면에너지 패브릭는 나일론, 폴리에스터, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 파라 아라미드(para-aramids), 액정 폴리머, 폴리이미드, 합성 폴리머, 금속섬유, 유리섬유 및 이들의 조합들 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 표면에너지 개질을 수행하는 단계는 화염 처리(flame treatment), 코로나(corona), 플라즈마 및/또는 화학적 처리 프로세스 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 코팅은 커튼 코팅(curtain coating), 갭 코팅(gap coating), 그라비어 코팅(gravure coating), 침지 코팅(immersion coating), 나이프오버 롤 코팅( knife-over-roll coating), 미터드로드 코팅(metered rod coating), 리버스 롤 코팅(reverse roll coating), 롤러 코팅(roller coating), 압출 코팅(extrusion coating), 스프레이 코팅(spray coating) 및 오토클레이빙 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 저표면에너지 패브릭 상에 표면에너지 개질을 수행하는 단계; 및
    저표면에너지 패브릭에 접착제를 코팅하는 단계;를 포함하는 프로세스에 의해 마련된 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 저표면에너지 패브릭에 접착제를 적어도 부분적으로 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 접착제는 상기 가요성 라미네이트 복합재 내에 완전히 함침되는 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  18. 표면에너지 개질을 받는 저표면에너지 패브릭; 및
    상기 저표면에너지 패브릭 내에 함침된 접착 자재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 저표면에너지 패브릭은 폴리에틸렌 자재인 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌 자재는 직물(woven fabric)인 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌 자재는 부직포(non-woven fabric)인 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 가요성 라미네이트 복합재는 오토클레이브 프로세스에 의해 적어도 부분적으로 경화되는 것을 특징으로 하는 가요성 라미네이트 복합재.
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