KR20150067283A - 섬유강화 폴리머 조성물의 제조 방법 및 디바이스 - Google Patents

섬유강화 폴리머 조성물의 제조 방법 및 디바이스 Download PDF

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다비 빌헬무스 안나 브란츠
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사우디 베이식 인더스트리즈 코포레이션
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Abstract

본 발명은, 복수의 연속 섬유 필라멘트들 (5) 을 포함하는 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드를 제공하는 단계; 상기 스트랜드에 함침제를 도포하여, 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 형성하는 단계; 및 상기 섬유 강화 폴리머 조성물을 제공하기 위해, 상기 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 열가소성 폴리머 재료 (3) 에 매립하는 단계를 포함하는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법에 관한 것이고, 상기 함침제는 도포 온도에서 낮은 점도를 갖고 또한 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 상기 함침제를 분사함으로써 도포된다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 사용하기 위한 디바이스 (20) 에 관한 것이다.

Description

섬유강화 폴리머 조성물의 제조 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING OF A FIBRE-REINFORCED POLYMER COMPOSITION}
본 발명은, 복수의 연속 섬유 필라멘트들을 포함하는 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드를 제공하는 단계; 상기 스트랜드에 함침제를 도포하여, 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 형성하는 단계; 및 상기 섬유 강화 폴리머 조성물을 제공하기 위해, 상기 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 주위에 열가소성 폴리머 재료의 시스 (sheath) 를 제공하는 단계를 포함하는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 그러한 방법에 사용하기 위한 디바이스 (다이) 에 관한 것이다.
장-유리 섬유-강화 폴리프로필렌 (LGF-PP) 과 같은 섬유 강화 폴리머는 차량의 구조 프레임의 다양한 부품과 같은 구조 부품에서의 사용으로 알려져 있다. 그러한 조성물은 예컨대 섬유 길이 또는 섬유를 매립하는데 사용되는 폴리머의 타입이 상이한 다양한 변형으로 이용될 수 있다. 이러한 재료는 보통, 적절하게 제조된 섬유 스트랜드로부터 제조되는 과립 또는 펠릿으로서 이용될 수 있게 되어 있다.
고급품에서, 펠릿 또는 과립에 걸쳐 섬유의 균일한 분포에 많은 노력이 이루어진다. 이는, 통상적으로 적어도 용융 폴리머 조성물에 멀티필라멘트 스트랜드의 섬유를 매립하는 단계로 구성되는, 제조 프로세스에서 몇몇의 기술적인 도전과제를 제기한다. 섬유는 예컨대, 폴리프로필렌 멜트에 침지되고, 침지 후에 냉각되고, 펠릿 또는 과립으로 절단될 수 있다. 침지 전에 그리고 침지 동안에, 펠릿 내에 분산된 섬유 분포를 얻도록 스트랜드의 개별 섬유 필라멘트를 퍼트릴 수 있기 위해 스트랜드에서의 당기는 힘 또는 부하가 저감 또는 해제될 수 있다.
이 방법의 단점은 적절한 분포를 달성하기 어렵다는 것이다. 섬유 분산을 향상시키기 위한 추가적인 단계는 다양한 이유로, 예컨대 개별 필라멘트가 전체적으로 스트랜드보다 파괴되는 경향이 더 크므로, 단지 저속으로 적절하게 행해질 수 있다. 그러므로, 그러한 고급품의 양질의 LGF-PP 펠릿을 제조하기 위한 제조 프로세스는 다소 느리고, 이는 프로세스의 수율을 크게 제한하고, 따라서 비용이 더 높아진다.
장-유리 섬유-강화 폴리프로필렌 (LGF-PP) 을 제조하기 위한 다른 방법이 국제출원 WO 2009/080281 에 개시되어 있다. 이 방법에서는, 복수의 연속 섬유 필라멘트들 (또는 섬유들) 을 포함하는 멀티필라멘트 스트랜드에 도포되는 함침제가 사용되고, 스트랜드(들)는 시딩 (sheathing) 단계에 의해 열가소성 폴리머 재료에 의해 둘러싸인다. 그리고 나서, 시딩된 매립 스트랜드는 펠릿으로 절단된다. 함침제는 사출 성형과 같은 하류 프로세싱 동안에 열가소성 폴리머 매트릭스 내에서의 섬유의 분산을 강화하기 위해 사용되고, 이는 펠릿을 제조하는 단계 동안에 분산을 강화하기 위한 임의의 추가적인 단계를 불필요하게 만든다. 결과적으로, 제조 프로세스는 양질의 펠릿을 제공하면서 훨씬 더 빠른 속도로 행해질 수 있다. 그러므로, LGF-PP 과립 또는 펠릿의 제조 비용이 훨씬 더 낮아진다.
그렇지만, 멀티필라멘트 스트랜드에 함침제를 도포하는 것은 여전히 도전과제이다. 함침제는 도포 온도에서 낮은 점도의 액체, 예컨대 파라핀 오일과 같은 탄화수소 오일 또는 왁스와 혼합된 고분지 (highly branched) 폴리에틸렌 왁스로 구성된다. 낮은 점도가 내측 필라멘트에의 도달을 위한 스트랜드의 적절한 침투를 보장하므로, 점도 레벨은 낮다.
광섬유와 같은 단일-필라멘트 섬유에 액체 코팅을 도포하는 공지의 방식은 섬유 필라멘트가 통과 전달되는 다이를 사용하는 것이다. 섬유 필라멘트가 퉁과 전달되는 압력 챔버에 코팅제를 공급함으로써 코팅제가 도포되고, 이로써 섬유 필라멘트가 가압 코팅제에 침지된다. 압력 챔버의 적용은 코팅 디바이스의 입구 및 출구 개구의 직경이 정확하게 제어될 것을 요구한다. 광섬유와 입구 또는 출구 다이 사이의 너무 큰 갭은 코팅이 코팅 디바이스 밖으로 나오게 할 수도 있다.
DE102010045428 에는, 매트릭스 재료로 함침된 섬유 스트랜드로 이루어진 복합재의 제조 방법이 개시되어 있다. 복합재는, 운송 채널을 통해 섬유 스트랜드를 공압식으로 (pneumatically) 전달하고 섬유 스트랜드가 운송되는 동안에 섬유 스트랜드에 매트릭스 재료를 추가함으로써 제조된다. 매트릭스 재료는 함침 채널을 통해 추가된다. 이 공보의 방법 및 디바이스는 물품 제조를 위한 (최종) 사용 준비된 복합재의 제조에 관한 것이다. 전형적으로 예컨대 폴리프로필렌과 같은 매트릭스 수지는 고분자량 재료이다. 본 발명은, 멀티필라멘트 스트랜드에 비교적 낮은 분자량의 함침제를 도포한 후에 함침 멀티필라멘트 스트랜드에 시스를 제공하는 것에 관한 것이다.
WO2006/119752 에는, 섬유 재료에 기능성 첨가제 또는 폴리머 매트릭스 재료의 일부를 도포하는 방법이 개시되어 있고, 주위 압력보다 높은 압력 하에서 20 m/s 보다 높은 속도로 기능성 첨가제 및/또는 폴리머 매트릭스 재료의 일부와 함께 섬유 재료가 블로잉 채널을 통해 전달된다.
섬유 강화 폴리머 조성물을 생산하는데 사용되는 멀티필라멘트 스트랜드의 문제는 스트랜드들의 형상과 직경이 그의 길이와 폭에서 달라진다는 것이다. 여기서 용어 멀티필라멘트 스트랜드는 복수의 번들 (buldled) 섬유 필라멘트를 의미하는 것으로서 폭넓게 이해되어야 하고, 섬유 필라멘트는 단일 개별 섬유를 가리킨다. 그러므로, 용어 스트랜드는 얀 (yarns) (함께 꼬인 필라멘트들 또는 스트랜드들의 수집품) 및 로빙 또는 로브 (함께 감긴 스트랜드들의 수집품) 를 또한 포함한다. 달라지는 형상과 직경에 대하여, 제조 방법에 스트랜드들이 보통 보빈에 감긴 채로 제공되는 것을 이해하여야 하고, 다중 상호연결된 보빈들에 감긴 단일 로빙을 형성하도록 다중 보빈의 스트랜드들의 단부들이 함께 묶인다. 래시 (lashes) 에서, 멀티필라멘트 스트랜드의 두께는 대략 두 배이다. 래시는 예컨대 각각의 다른 연장에서 스트랜드들의 단부들을 부착함으로써, 엔드-투-엔드 (직경 증가를 제한 내에 유지함) 로 제조될 수 없지만, 대신에 스트랜드들은 스트랜드들을 나란히 정렬시키고 그들을 래싱 라인을 사용하여 함께 바느질함으로써 보통 링크된다. 그리고, 멀티필라멘트 스트랜드는 보통 단면이 원형이 아니고, 일반적으로 직사각형 형상이다. 보빈의 풀림의 관점에서, 멀티필라멘트 스트랜드는 함침제의 도포를 위한 디바이스에 진입하기 전에 보통 꼬인다.
스트랜드들의 직경 변화의 결과로서, 함침제 또는 코팅제의 도포를 위한 장치는 단면에서 스트랜드들의 최대 예상 국부 직경보다 적어도 약간 더 큰 직경을 갖는 입구 및 출구 개구 그리고 운송 섹션을 가져야 한다. 그렇지 않으면, 스트랜드는 다이에 걸려 파괴될 수 있고, 이는 제조 프로세스의 지연 및 손실을 야기한다. 따라서, 멀티필라멘트 스트랜드의 섬유 필라멘트들에 코팅제 또는 함침제를 도포하기 위해 단일 필라멘트 섬유에 사용되는 상기한 방법을 사용하는 것은 불가능하다. 이해하는 바와 같이, (단일-필라멘트) 광섬유의 코팅 또는 표면 프로세싱을 위한 방법 및 장치는 보통, 그러한 섬유의 단면 형상에 정확히 끼워맞춰지는 치수를 갖는다. 원하는 광학 성능을 달성하기 위해, 광섬유의 단면 형상 및 직경은 보통 그 길이에 걸쳐 잘 규정되고 일정하다. 그러므로, 광섬유를 코팅하는 해법에서 변화를 설명할 필요는 없다.
멀티필라멘트 스트랜드의 내부 필라멘트들에 함침제를 또한 적절하게 제공하기 위해, 훨씬 더 높은 압력이 요구된다. 입구 및 출구 개구가 멀티필라멘트 스트랜드의 더 두꺼운 부분 (래시 등) 을 전달하기에 충분히 크게 형성되는 경우, 낮은 점도 코팅액 (또는 함침제) 을 도포하기에 다이의 운송 섹션에서의 충분히 큰 압력이 달성될 수 없고, 이로 인해 코팅액이 다이 개구 밖으로 흐를 수 있다.
본 발명의 일 목적은, 상기한 문제들을 적어도 부분적으로 경감하고, 스트랜드의 효과적인 함칭이 얻어지도록 섬유들의 멀티필라멘트 스트랜드에의 함침제의 도포를 포함하는 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법을 재공하는 것이다.
본 발명이 다른 목적은 섬유들의 멀티필라멘트 스트랜드에 함침제를 도포할 수 있는 디바이스를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법으로서,
- 복수의 연속 섬유 필라멘트들을 포함하는 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 제공하는 단계,
- 상기 스트랜드에 함침제를 도포하여, 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 형성하는 단계, 및
- 상기 섬유 강화 폴리머 조성물을 제공하기 위해, 상기 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 열가소성 폴리머 재료에 매립하는 단계를 포함하고,
상기 함침제는 도포 온도에서 2.5 내지 100 cS 의 낮은 점도를 가지며 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 상기 함침제를 분사함으로써 도포되고,
상기 분사는 상기 함침제를 가압하여 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 향해 적어도 2 개의 분사 채널들을 통해 또는 분사 슬릿을 통해 상기 함침제를 전달함으로써 행해지는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법이 제공됨으로써 달성된다.
본 발명의 방법의 내용 중의 용어 "매립 (embedding)" 은 열가소성 폴리머 재료의 시스의 제공으로서 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법으로서,
- 복수의 연속 섬유 필라멘트들을 포함하는 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 제공하는 단계,
- 상기 스트랜드에 함침제를 도포하여, 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 형성하는 단계, 및
- 상기 섬유 강화 폴리머 조성물을 제공하기 위해, 상기 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 주위에 열가소성 폴리머 재료의 시스를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 함침제는 도포 온도에서 2.5 내지 100 cS 의 낮은 점도를 가지며 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 상기 함침제를 분사함으로써 도포되고,
상기 분사는 상기 함침제를 가압하여 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 향해 적어도 2 개의 분사 채널들을 통해 또는 분사 슬릿을 통해 상기 함침제를 전달함으로써 행해지는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법을 제공한다.
펠릿은 매립된 (시딩된) 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 예컨대 5 - 25 ㎜, 더 바람직하게는 10 - 15 ㎜ 의 특정 길이를 갖는 펠릿으로 절단함으로써 제조된다.
본 발명은, 압력 하에서 함침제를 멀티필라멘트 스트랜드에 분사함으로써 개별 섬유 필라멘트들에 함침제가 제공될 수 있다는 통찰에 근거한다. 이런 식으로, 스트랜드에서 함침제의 제트가 수용되는 힘은 함침제가 스트랜드에 침투하여 개별 섬유 필라멘트에 도달하게 그리고 또는 멀티필라멘트 스트랜드의 표면을 더 잘 덮게 만드는데 사용될 수 있다. 이는 스트랜드의 직접 근방에 압력을 축적할 필요없이 함침제를 도포할 수 있고, 따라서 종래 코팅법, 특히 광섬유 코팅에 사용되는 코팅법의 문제를 극복한다. 본 발명은, 예컨대 다이 내에서의 운송 섹션, 즉 멀티필라멘트 스트랜드가 통과 전달되는 섹션의 치수 또는 실링에 대하여, 함침제를 도포하기 위한 디바이스 (이하에서, 종종 다이라고도 함) 내에서 멀티필라멘트 스트랜드 근방에서의 설계 제한을 해제한다. 그러한 운송 섹션은 단면에서, 스트랜드의 임의의 지경 변화를 허용하도록 하는 직경을 갖도록 설계될 수도 있다. 운송 섹션은 이러한 목적을 위해 충분히 넓은 입구 및 출구 개구들을 또한 포함할 수도 있다.
멀티필라멘트 스트랜드의 표면의 향상된 커버리지는, 유리 필라멘트를 친밀하게 둘러싸는 (매립하는) 열가소성 폴리머 시스를 포함하는 펠릿이 반복적인 기계적 부하를 받는 때에 또는 진동 컨베이어 수단에 의한 또는 파이핑 시스템을 통한 펠릿의 전달 시에 그러한 펠릿으로부터 분리되는 유리 필라멘트의 양을 감소시킨다는 추가적인 효과를 갖는다. 본 발명자들은 본 발명에 따른 방법 및 디바이스가 멀티필라멘트 스트랜드와 열가소성 폴리머 시스 사이의 기계적 커플링을 향상시키고 또한 섬유 필라멘트들 사이의 기계적 커플링을 향상시킨다고 생각한다.
저점도 함침제가 디바이스의 운송 섹션 주위에 배치된 환형 압력 챔버와 같은 압력 챔버에서 가압된다. 이해되는 것처럼, 다이 내에서 섬유에 함침제를 분사하기 위해, 충분한 압력에서 저점도 함침제를 다이에 제공하는 것도 또한 가능하다.
압력 챔버로부터 멀티필라멘트 스트랜드가 전달되는 운송 섹션까지, 복수의 분사 채널들 또는 분사 슬릿은 스트랜드를 향해 함침제가 압력 하에서 유동할 수 있게 한다. 함침제는 각 분사 채널의 단부의 오리피스들로부터, 또는 대안적으로는 분사 슬릿의 유출 개구로부터 스트랜드까지 제트 형태로 유동한다. 이 오리피스들 및/또는 유출 개구는 유동 조건을 최적화하도록 적절한 형상 및 치수를 가질 수도 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 적어도 2 개의 분사 채널들 및/또는 분사 슬릿은 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드 주위에 동심으로 배치되고, 운송 섹션에서 전달되는 적어도 하나의 스트랜드에 대해 반경방향으로 연장된다. 이로써, 여러 방향들로부터 함침제를 도포하기 위해, 스트랜드에서의 복수의 동심 배치된 방향들로부터 스트랜드에 함침제를 도포할 수 있다. 통상의 기술자는, 분사 슬릿이 반경방향으로 연속적이므로, 분사 슬릿이 의미상 균일하게 분포된 함침을 제공할 것임을 이해할 것이다.
분사 채널들 및/또는 분사 슬릿은 적어도 하나의 스트랜드의 축선방향을 가로지르게 또는 그와 각도를 갖게 연장될 수 있다. 제트가 다이에서의 스트랜드의 이동에 약간 반대 방향인 때에 스트랜드에서 제트가 수용되는 힘이 최대일 것임을 이해할 것이다. 그렇지만, 섬유를 통해 축선 방향에 대한 약간의 각도로 스트랜드에 저점도 함침제를 분사함으로써 매우 양호한 결과가 획득되었고, 각도는 함침제가 스트랜드의 이동 방향과 동일한 방향으로 약간 각도를 갖게 분사되도록 선택된다. 그러므로, 다른 실시형태에 따르면, 분사 채널들 및/또는 분사 슬릿은 스트랜드의 축선 방향과 각도를 갖게 연장되고, 각도는 스트랜드의 하류 방향 또는 상류 방향 중의 적어도 하나의 방향으로 함침제를 분사하도록 되어 있다. 이동 방향에 대해 반경 방향 (즉, 수직한 방향) 을 스트랜드의 축선 방향에 대해 90°(π/2) 인 것으로 정의하면, 각도는 예컨대 45°내지 135°(π/4 내지 3π/4), 더 바람직하게는 60°내지 120°(2π/6 내지 4π/6) 의 범위 내에서 최적으로 선택될 수 있고, 따라서 65°, 70°, 75°, 80°, 85°, 90°, 95°, 100°, 105°, 110°, 또는 115°, 또는 주어진 범위들 내의 임의의 다른 각도로 제한되지 않는다. 주어진 범위들 내에서, 각도는 최적화에 의해, 즉 예컨대 스트랜드의 내부 및 외부 섬유 필라멘트에 걸친 코팅 특성들의 균일성의 측면에서 획득되는 결과, 및 고장의 최소화에 대한 처리량의 측면에서 프로세스의 수율에 따라 각도를 조절함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 분사 채널들은 함침제를 적어도 하나의 스트랜드로 향하게 하는 유출 오리피스를 각각 포함하고, 유출 오리피스에서의 압력 (p0) 이 함침제가 가압되는 압력 (p1) 보다 더 작고, 압력차 (p1 - p0) 가 40 bar 미만 (< 4*106 Pa), 바람직하게는 30 bar 미만 (< 3*106 Pa), 더 바람직하게는 20 bar 미만 (< 2*106 Pa), 보다 더 바람직하게는 0.2 내지 4 bar (2*104 내지 4*105 Pa) 이다. 대안적으로, 분사 슬릿은 함침제를 적어도 하나의 스트랜드로 향하게 하는 유출 개구를 포함하고, 유출 개구에서의 압력 (p0) 이 함침제가 가압되는 압력 (p1) 보다 더 작고, 압력차 (p1 - p0) 가 40 bar 미만 (< 4*106 Pa), 바람직하게는 30 bar 미만 (< 3*106 Pa), 더 바람직하게는 20 bar 미만 (< 2*106 Pa), 보다 더 바람직하게는 0.2 내지 4 bar (2*104 내지 4*105 Pa) 이다.
분사 채널들 또는 분사 슬릿은 다이에서 스트랜드를 따라 단일 축선 위치에서 함침제를 분사하도록 배치될 수도 있다. 그렇지만, 다른 실시형태에 따르면, 스트랜드를 따라 다양한 축선방향 위치들에서 함침제를 분사하도록 분사 채널들 또는 분사 슬릿들이 또한 배치될 수도 있다. 그러므로, 다른 실시형태에 따르면, 적어도 2 개의 분사 채널들 또는 분사 슬릿을 각각 포함하는 복수의 분사 유닛들이 적어도 하나의 스트랜드에 함침제를 분사하기 위해 상기 연속 스트랜드를 따라 다양한 축선 위치들에 배치된다. 의심을 피하기 위해, 분사 유닛이 단 하나의 축선방향 위치에서 스트랜드에 함침제를 분사한다는 것을 이해하여야 한다. 바람직한 실시형태에서, 제 1 분사 유닛의 분사 채널들의 반경방향 위치는 제 2 분사 유닛의 분사 채널들의 반경방향 위치에 대해 오프셋되어 있다. 이러한 구성은 함침제가 더 효과적으로 도포될 수 있게 할 것이고, 스트랜드의 주변을 따른 표면의 향항된 커버리지를 허용할 것이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 함침제를 도포하는 단계는 디바이스 또는 다이 내부에서 행해지고, 다이는 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드를 전달하기 위한 입구 개구 및 출구 개구를 갖는 운송 섹션을 포함하고, 운송 섹션 및 입구 개구와 출구 개구는, 스트랜드(들)의 직경 변화의 통과를 허용하도록, 단면에서 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드의 최대 직경보다 더 큰 직경을 갖는다. 위에서 언급한 바와 같이, 멀티필라멘트 스트랜드의 단면에서의 직경은 종종 달라질 수 있고, 스트랜드의 단면의 형상은 보통 원형이 아니다. 본 발명에 따른 방법 및 디바이스의 중요한 이점은 멀티필라멘트 스트랜드가 통과 전달되는 운송 섹션의 치수에서의 제한을 해제할 수 있다는 것이다. 이러한 이점은 본 실시형태에서, 생산 프로세스 동안에 스트랜드의 막힘이나 파괴의 위험을 줄이기 위해, 입구 및 출구 개구의 직경 그리고 운송 섹션의 단면을 넓히는데 이용된다. 본 발명에 따른 방법 및 디바이스에서, 디바이스의 주위와 운송 섹션 사이의 압력차가 실질적으로 0 이므로, 함침제를 디바이스로부터 벗어나게 하는 구동력이 존재하지 않는다. 결과적으로, 출구 및/또는 입구 개구의 직경은, 사용 시에, 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드가 차지하지 않는 출구 및/또는 입구 개구의 총 표면적이, 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드로 함침제를 분사하는 오리피스들의 총 표면적보다 더 크도록 될 수 있다. 바람직하게는, 그러한 자유 표면적은 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드로 함침제를 분사하는 오리피스들 또는 유출 개구(들)의 총 표면적보다 5 내지 20%, 더 바람직하게는 5 내지 10% 더 크다.
본 발명에 따른 방법에서, 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드는 함침제를 도포하기 위한 디바이스를 통해 당겨진다. 그러므로, 본 방법은 DE 102010045428 에 개시된 방법과 크게 상이하다. 그 방법은 운송 채널을 통해 섬유 스트랜드를 운송하기 위해 에어 드래그의 사용을 필요로 한다. 그렇지만, 에어 드래그의 사용은 여러 가지 이유로 본 발명의 방법에 적합하지 않다. 첫번째로, 도포 온도에서의 함침제의 점도가 비교적 낮다. 멀티필라멘트 스트랜드를 위한 운송 메커니즘으로서 에어 드래그를 사용하면, 함침제를 출구 개구에서 함침 디바이스 밖으로 밀어냄으로써 상당량의 함침제의 손실이 발생할 것이다. 대조적으로, 본 발명의 목적들 중 하나는 바로 이것을 방지하는 것이다. 두번째로, 에어 드래그를 사용하면, 흐르는 에어가 멀티필라멘트 스트랜드 주위에 표면 층을 형성하여 멀티필라멘트 스트랜드에 분사되는 함침제의 속도를 감소시킬 것이므로, 멀티필라멘트 스트랜드의 함침이 불량해질 수 있다. 만약 상기 스피드가 저하되면, 멀티필라멘트 스트랜드에서의 함침제의 분산이 방해받을 것이다. 세번째로, 에어 드래그를 사용하면, 열가소성 폴리머 시스가 제공된 후에 조성물에 에어 버블이 개재될 것이다. 그리고, 조성물 중의 에어 버블은 상기 조성물을 물품으로 사출 성형할 때에 문제가 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 방법은 에어 드래그에 의한, 함침제를 공급하기 위한 디바이스를 통한 멀티필라멘트 스트랜드의 운송을 포함하지 않는다.
따라서, 본 발명의 제 2 양태에 따르면, 복수의 연속 섬유 필라멘트들을 포함하는 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 도포 온도에서 2.5 내지 100 cS 의 낮은 점도를 갖는 함침제를 도포하기 위한 디바이스 또는 다이가 제공되고, 상기 디바이스는, 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 수용 및 전달하기 위한 운송 섹션, 및 상기 함침제를 수용하고 또한 적어도 하나의 스트랜드에 함침제를 도포하기 위한 적어도 하나의 함침 섹션을 포함하고, 상기 함침 섹션은, 함침 연속 스트랜드를 형성하도록, 상기 적어도 하나의 스트랜드가 운송 섹션을 통해 전달되는 동안에 적어도 하나의 스트랜드에 가압 함침제를 분사하기 위한 분사 유닛을 포함하고, 분사 유닛은 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 향해 가압 함침제를 전달하기 위한 복수의 분사 채널들 또는 분사 슬릿을 포함한다.
디바이스는 본 발명의 방법에 따라 함침제를 도포하는데 사용될 수 있다.
디바이스의 분사 채널들 및/또는 분사 슬릿은 상기 운송 섹션의 축선방향을 가로지르게 또는 그와 각도를 갖게 연장되고, 상기 분사 채널들 또는 상기 분사 슬릿이 상기 운송 섹션의 축선 방향과 각도를 갖게 연장되는 경우, 상기 각도는 사용 시에 상시 스트랜드의 운송 방향에 대해 하류 방향 또는 상류 방향 중의 적어도 하나의 방향으로 함침제를 분사하도록 되어 있다.
바람직하게는, 복수의 분사 채널들 또는 분사 슬릿은 운송 섹션 주위에 동심으로 배치되고, 분사 채널들 및/또는 분사 슬릿은 운송 섹션에 대해 반경방향으로 연장되고, 사용 시에 연속 스트랜드는 운송 섹션을 통해 축선방향으로 전달된다.
본 발명에 따른 디바이스의 바람직한 실시형태에서, 디바이스는 운송 섹션을 따라 축선방향으로 연장되는 복수의 분사 유닛들 또는 함침 섹션들을 포함한다. 이러한 바람직한 구성에 의하면, 운송 섹션을 따라 여러 위치에서 함침제를 도포할 수 있고, 이는 더 효과적이고 더 완벽한 함침을 제공한다. 바람직하게는, 복수의 함침 섹션들 또는 분사 유닛들은 유출 오리피스를 갖는 분사 채널들을 각각 포함하고, 상기 분사 채널들은 상기 운송 섹션의 축선 방향에 수직하게 또는 각도를 갖게 연장되고, 제 1 함침 섹션 또는 분사 유닛의 (운송 섹션에서의 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 운송 방향에 수직한 디바이스 단면에서 바라본) 유출 오리피스들의 반경방향 위치가 제 2 함침 섹션의 유출 오리피스들의 반경방향 위치로부터 오프셋되어 있다. 이러한 바람직한 실시형태는 디바이스에서의 특정 설계 제한을 완화한다는 이점이 있다. 예컨대, 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드의 둘레에 걸쳐 양호한 함침을 여전히 가지면서 단지 2 개의 분사 채널들을 갖는 분사 유닛을 허용한다.
일 실시형태에서, 분사 유닛(들)은 반경 방향으로 연속적인 분사 슬릿을 포함한다. 사용 시에, 함침제는 슬릿을 통해 전달되어 멀티필라멘트 스트랜드(들)에 분사된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 전술한 방법을 이용하여 제조되며 또한 폴리머 재료 조성물에 매립된 복수의 섬유 필라멘트들 (섬유 필라멘트들은 함침제로 함침되어 있음) 을 포함하는 유리 섬유 강화 폴리머 조성물이 제공된다.
본 발명의 디바이스의 유출 오리피스 또는 유출 개구는 복수 (즉, 적어도 2 개) 의 분사 채널들 또는 상기 분사 슬릿을 통해 함침제를 가압하기 위한 압력 챔버와 연통한다.
이제, 비제한적인 도면에 기초하여 본 발명을 더 설명한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 몇몇 특정 실시형태들에 대한 설명에 의해 더 명료해질 것이다.
도 1 은 긴 유리섬유 강화 폴리프로필렌 조성물의 펠릿을 보여준다.
도 2a 는 선 A-A 를 따른 도 1 의 펠릿의 단면도를 보여준다.
도 2b 는 도 2a 의 섹션의 확대도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법에 사용되는 디바이스 (다이) 를 개략적으로 보여준다.
도 4 는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 디바이스의 개략적인 단면도이다.
도 5 는 선 C-C 에 따른 도 4 의 디바이스의 단면도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 디바이스의 다른 실시형태를 보여준다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 긴 유리섬유 강화 폴리프로필렌 (LGF-PP) 조성물의 펠릿 (1) 을 보여준다. 펠릿 (1) 은 외측에 보이는 시스를 형성하는 열가소성 폴리머 매트릭스 (3), 여기서는 폴리프로필렌으로 구성된다. 펠릿 (1) 의 코어는 복수의 유리 섬유 필라멘트 (5) 로 충전된다. 펠릿 (1) 의 섬유 필라멘트 (5) 는 통상적으로 그리고 바람직하게는 서로 정렬된다. 그렇지만, 섬유 필라멘트 (5) 의 특정 비정렬이 펠릿 (1) 에 존재할 수도 있다는 것을 통상의 기술자가 인식할 것이므로, 본 발명은 필라멘트들이 펠릿 내에 정렬되는 제조 프로세스로 제한되지 않는다. 유리 섬유 필라멘트 (5) 의 길이는 펠릿 (1) 의 길이에 부합한다. 펠릿 (1) 의 사출 성형 후, 펠릿 (1) 에서의 섬유 필라멘트 (5) 의 본래의 통상적인 정렬은 보통 사라지고, 따라서 폴리프로필렌 매트릭스 내에 균일하게 분포되는 섬유 필라멘트 (5) 의 다소 무작위한 배향이 발생한다. 그렇지만, 인식할 수 있는 바와 같이, 일부 애플리케이션은 사용자의 선택에 따라 적절한 사출 성형 조건에 의해 설정될 수 있는 소정의 배향을 필요로 할 수도 있다. 본 예에서 펠릿 (1) 내의 섬유 필라멘트 (5) 는 서로 정렬된다. 펠릿 (1) 은, 기초로서 유리 섬유 필라멘트의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 사용하고 그 섬유의 스트랜드를 열가소성 폴리머 (여기서는 폴리프로필렌) 재료에 매립함으로써 제조된다. 여기서 사용되는 용어 매립은 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 열가소성 폴리머 (본 예에서는 폴리프로필렌) 의 시스 (sheath) 가 제공되는 피복 (sheathing) 프로세스로서 이해되어야 한다.
멀티필라멘트 스트랜드는 많은 개별 섬유 필라멘트로 구성되고, 여기서 언급되는 전형적인 멀티필라멘트 스트랜드는 수천개의 섬유를 포함할 수 있다. 여기서 언급되는 멀티필라멘트 스트랜드 또는 조방사 (roving) 는 단일 스트랜드를 포함할 수 있고, 또는 2, 3, 4 또는 그 이상의 스트랜드로 형성될 수 있다. 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 는 스트랜드에서 시스를 형성한다. 일반적으로 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 는 개별 섬유 필라멘트들 사이에 존재하지 않을 것이다. 열가소성 폴리머는 용융 상태로 제공되고, 그 후에 피복 멀티필라멘트 스트랜드가 냉각된다. 냉각 후, 피복 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 소정 길이의 펠릿으로 절단함으로써 펠릿 (1) 이 형성된다. 펠릿의 일반적인 길이는 약 12 ㎜ 이다. 더 일반적으로는 펠릿 (1) 의 길이는 2 내지 50 ㎜, 바람직하게는 5 내지 30 ㎜, 더 바람직하게는 6 내지 20 ㎜, 가장 바람직하게는 10 내지 15 ㎜ 이다.
도 2a 는 도 1 의 선 A-A 를 따른 펠릿 (1) 의 단면을 개략적으로 보여준다. 도 2a 는 섬유 필라멘트 (7) 와 같은 복수의 정렬된 섬유 필라멘트가 매립된 폴리프로필렌 재료 (3) 를 보여준다. 본 발명자는 실제로 개별 섬유 필라멘트들 (5) 사이에 이용가능한 공간을 거의 전혀 남기지 않으면서 섬유 필라멘트들 (5) 이 조밀하게 패킹되는 것을 관찰하였다. 이러한 이유로, 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 는 단지 섬유 필라멘트 (5) 주위에 시스를 형성할 것이고, 개별 섬유 필라멘트들 (5) 사이의 간극에 전혀 침투하지 않거나 또는 단지 매우 적은 정도로만 침투할 것이다.
점선 사각형 (B) 은 도 2b 에서 확대되는 펠릿 (1) 의 섹션을 보여준다. 도 2b 는 섬유 필라멘트 (7) 의 각각이 유리 섬유 필라멘트 코어 (8), 제 1 코팅 (9) (일반적으로 실란) 및 제 2 코팅 (10) 을 포함하는 것을 보여준다. 제 2 코팅 (10) 은 본 발명의 방법에서 사용되는 함침제이고, 도포 온도에서 낮은 점도를 갖는다. 도 2b 는 각각의 섬유 필라멘트 (7) 가 함침제 (10) 의 층에 의해 완전히 둘러싸인 이상적인 상황을 보여준다. 통상의 기술자는, 본 발명의 방법의 툭성이 주어지더라도, 모든 섬유 필라멘트 (7) 가 함침제 (10) 의 층에 의해 완전히 둘러싸이지 않을 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
적절한 함침제가 국제출원 WO2009/080281 에 기재되어 있다. 상기 함침제는 비휘발성이고, 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 의 융점보다 적어도 약 20℃ 낮은 융점을 갖고, 도포 온도에서 2.5 내지 100 cS 의 점도를 갖는다. 함침제 (10) 의 점도는 도포 온도에서 100 cS 미만이어야 하고, 바람직하게는 75 cS 미만, 더 바람직하게는 25 cS 미만이다. 함침제 (10) 의 점도는 도포 온도에서 2.5 cS 초과이어야 하고, 바람직하게는 5 cS 초과, 더 바람직하게는 7 cS 초과이다. 100 cS 초과의 점도를 갖는 함침제는 연속 멀티필라멘트 스트랜드(들)에 도포하기 어렵다. 섬유의 양호한 젖음성 (wetting performance) 을 촉진하기 위해 낮은 점도가 필요하지만, 2.5 cS 미만의 점도를 갖는 함침제는 다루기 어렵고, 예컨대 도포되는 양을 제어하기 어려울 수도 있다. 함침제의 도포 온도는 희망 점도 범위가 획득되도록 선택된다.
함침제 (10) 의 융점은 바람직하게는 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 의 융점보다 적어도 약 20℃ 낮다. 어떠한 이론에도 구속되지 않기를 바라면서, 본 발명자들은 이러한 융점의 차이, 따라서 응고점 또는 결정점 (crystallisation point) 의 차이가 열가소성 시스의 제공과 피복 스트랜드의 냉각 후에도 섬유 필라멘트 (5) 의 함침을 촉진하고 후속하는 몰딩 동안에 섬유 분산을 촉진한다고 생각한다. 바람직하게는, 함침제 (10) 는 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 의 융점보다 적어도 25 또는 30℃ 낮은 융점을 갖는다. 예컨대, 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 가 약 160℃ 의 융점을 갖는 폴리프로필렌이면, 함침제 (10) 의 융점은 최대 약 140℃ 일 수도 있다.
본 발명에서 사용되는 함침제 (10) 는 적어도 2 개의 기능을 갖는다. 첫번째로, 섬유 필라멘트들 (5) 을 적어도 부분적으로 서로 그리고 펠릿 (1) 의 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) (즉, 시스) 에 기계적으로 커플링시킨다. 이 기능은 그러한 펠릿 (1) 이 반복적인 기계적 부하를 받는 때에 또는 예컨대 에어 드래그에 의한 파이핑 시스템을 통한 펠릿 (1) 의 전달 시에 또는 콘베이어 벨트와 같은 진동 컨베이어 수단에 의한 전달 시에 펠릿 (1) 으로부터 분리되는 섬유 필라멘트 (5) 의 양을 감소시키는 측면에서 중요하다. 두번째로, 함침제 (10) 는, 물품의 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 내에 섬유 필라멘트가 실질적으로 균일하게 분포되는 물품으로 펠릿 (1) 이 몰딩되는 몰딩 프로세스 동안에 열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 에서의 섬유 필라멘트 (5) 의 분산을 강화시키는 화합물이다.
함침제의 적절한 예는 낮은 몰 질량 화합물, 예컨대 낮은 몰 질량 또는 올리고머 폴리우레탄, 불포화 폴리에스테르와 같은 폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌과 고분지 폴리에틸렌과 같은 폴리(알파-올레핀), 나일론과 같은 폴리아미드, 및 다른 탄화수소 수지를 포함한다. 일반적으로, 극성 열가소성 폴리머 매트릭스는 극성 작용기를 함유하는 함침제의 사용을 필요로 하고; 비극성 폴리머 매트릭스는 각각 비극성 특징을 갖는 함침제의 사용을 수반한다. 예컨대, 폴리아미드 또는 폴리에스테르를 보강하기 위해, 함침제는 폴리카프로락톤과 같은, 저 분자량 폴리우레탄 또는 폴리에스테르를 포함할 수 있다. 폴리프로필렌을 보강하기 위해, 함침제는 폴리에틸렌 왁스와 같은 고분지 폴리(알파-올레핀), 개질 저분자량 폴리프로필렌, 파라핀 또는 실리콘과 같은 미네랄 오일, 및 이러한 화합물들의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 강화될 열가소성 폴리머가 폴리프로필렌인 경우, 바람직하게는, 함침제는 고분지 폴리(알파-올레핀)을 포함하고, 더 바람직하게는 함침제는 고분지 폴리에틸렌 왁스이고, 왁스는 선택적으로는, 희망 점도 레벨에 도달하도록, 예컨대 10 내지 80, 바람직하게는 20-70 mass% 의 탄화수소 오일 또는 왁스 (파라핀 오일 등) 와 혼합된다. 이와 관련하여, 스트랜드의 내부 섬유 필라멘트에 코팅을 도포하도록 액체가 스트랜드에 적절하게 침투하는 것을 보장하기 위해, 함침제가 낮은 점도 레벨을 갖는 것이 바람직하다는 것에 유의한다.
복수의 연속 섬유 필라멘트를 포함하는 연속 멀티필라멘트 스트랜드는 그것이 감겨있는 보빈으로부터 보통 제공된다. 바람직하게는, 섬유 필라멘트는 유리 필라멘트이다. 최대 2 wt% 의 사이징 조성물을 함유하는 유리 연속 필라멘트의 연속 멀티필라멘트 스트랜드가 본 발명의 프로세스에서 사용되는 것이 바람직하다. 유리 섬유 필라멘트의 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 유리 섬유 필라멘트 밀도는 폭넓은 범위 내에서 달라질 수 있다. 바람직하게는, 멀티필라멘트 스트랜드는 스트랜드당 500 내지 10000 개의 유리 필라멘트, 더 바람직하게는 스트랜드당 2000 내지 5000 유리 필라멘트를 함유한다. 멀티필라멘트 스트랜드의 선밀도는 바람직하게는 1000 내지 5000 tex 이고, 이는 1000 미터당 1000 내지 5000 그램에 해당한다. 유리 섬유 필라멘트의 두께는 바람직하게는 5 - 50 ㎛, 더 바람직하게는 10 - 30 ㎛, 보다 더 바람직하게는 15 - 25 ㎛ 이다. 보통 유리 섬유 필라멘트는 단면이 원형이고, 이는 전술한 두게가 직경을 나타냄을 의미한다.
열가소성 폴리머 매트릭스 (3) 용 재료의 적절한 예는, 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 또는 폴리아미드 46 과 같은 폴리아미드; 폴리프로필렌과 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀; 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르; 폴리카르보네이트; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리우레탄; 또한 임의의 타입의 폴리머 블레드와 화합물 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 더 구체적으로, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리아미드 6 가 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 피복 프로세스에 사용되는 열가소성 폴리머는 프로필렌 호모폴리머와 같은 결정성 폴리프로필렌, 랜덤 코폴리머, 또는 다른 알파-올레핀 및/또는 프로필렌과 에틸렌의 이른바 헤테로상 (heterophasic) 코폴리머이다.
본 발명의 원리에 따라 함침제를 도포하기 위한 다이 인서트 (20) 의 개략도가 도 3 에 제공되어 있다. 다이 인서트 (20) 는 입구 개구 (도 3 에서는 보이지 않지만, 도 4 에서는 보임; 도면부호 22) 및 출구 개구 (23) 로 구성된다. 사용 시, 입구 개구에서 연속 멀티필라멘트 스트랜드가 제공되어 운송 섹션을 통해 출구 개구 (23) 를 향해 전달된다. 운송 섹션은 다이 인서트 (20) 내에서 입구 개구 (22) 로부터 출구 개구 (23) 까지 연장되고, 도 3 에서는 보이지 않는다 (도 4 에서는 보임; 도면부호 25). 다이 인서트 (20) 는 함침제 (10) 를 도포하기 위한 디바이스의 하우징에 인서트를 고정시킬 수 있게 하는 복수의 고정 구멍 (24) 을 포함한다. 그렇지만, 본 발명은 이러한 구성으로 제한되지 않고, 다른 고정 수단이 또한 적용될 수 있다. 그리고, 다이 인서트 (20) 는 제 1 밀봉 슬롯(28) 및 제 2 밀봉 슬롯 (29) 을 포함한다. 실링 슬롯들 (28, 29) 사이에는, 사용 시에 함침제 (10) 가 가압될 환형 압력 챔버 (27) 가 제공된다. (통상의 기술자에게 알려지고 이용가능한 다른 실시형태 옵션의 관점에서 필수적이지는 않지만) 함침제를 도포하기 위해 하나 초과의 축선방향 위치가 사용되는 대안적인 실시형태에서, 여러 개의 환형 압력 챔버 (27) 가 다이 인서트에 존재할 수도 있다.
함침제를 도포하기 위한 디바이스 (또는 다이) 의 단면이 도 4 에 개략적으로 도시되어 있다. 디바이스는 내부 섹션을 갖는 하우징 (32) 을 포함하고, 고정 구멍 (24) 을 통해 하우징 (32) 내로 연장되는 볼트 (30) 에 의해 다이 인서트가 고정된다. 제 1 밀봉 슬롯 (28) 은 제 1 밀봉 링 (34) 을 포함하고, 제 2 밀봉 슬롯 (29) 은 제 2 밀봉 링 (35) 을 포함하고, 이들은 다이 인서트 (20) 의 링들 (34, 35) 사이에서 함께 밀봉 섹션을 형성한다. 하우징 (32) 은 함침제 공급 개구 (37), 및 함침제를 환형 압력 챔버 (27) 로 전달하기 위한 공급 채널 (38) 을 더 포함한다.
다이 인서트 (20) 의 운송 섹션 (25) 은 입구 개구 (22) 와 출구 개구 (23) 사이에, 바람직하게는 직선으로, 연장된다. 사용 시, 멀티필라멘트 스트랜드 또는 얀 (40) 이 입구 개구 (22) 를 통해 다이 인서트 (20) 에 제공되고, 운송 섹션 (25) 을 통해 출구 개구 (23) 를 향해 전달된다. 함침제 (10) 가 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드 (20) 상에 분사되는 위치를 함침 섹션으로 칭한다. 달리 말하면, 함침 섹션은 운송 섹션 (25) 중 함침제 (10) 가 도포되는 부분이다. 운송 섹션 (25) 은 하나 이상의 함침 섹션을 가질 수도 있다.
환형 압력 챔버 (27) 로부터, 복수의 동심으로 위치된 분사 채널들 (39) 이 다이 인서트 (20) 의 운송 섹션 (25) 을 향해 연장된다. 분사 채널 (39) 은 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 상에 함침제를 분사하기 위해 환형 압력 챔버로부터 운송 섹션까지 함침제를 압력 하에 강제할 수 있다.
함침제 (10) 압력 챔버 (27) 내의 유체의 압력 (p1) 과 스트랜드 (40) 가 전달되는 다이 인서트의 운송 섹션의 압력 (p2) 사이의 압력 차 (p1 - p0) 의 영향으로 강제된다. 이해하는 바와 같이, 분사 채널은 전부 동일한 길이 및 동일한 직경인 것이 바람직한데, 이것이 채널들을 따른 압력 구배가 동일해져서 분사 채널 (39) 의 오리피스들로부터의 동일한 유출 속도가 얻어지는 것을 보장하기 때문이다. 이는 균일하고 균질한 방식의 함침제 (10) 의 도포를 보장한다. 더욱이, 분사 채널이 그의 반경 방향으로 연장되면서 스트랜드 주위에 동심으로 배치되므로, 함침제는 스트랜드 (40) 의 둘레 주위에 전부 도포될 수 있다. 여기서 규정되는 분사 유닛은 함침제의 제트를 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 를 향하게 할 수 있는 유닛으로 이해되어야 한다. 도 4 에서, 그러한 분사 유닛은 분사 채널 (39), 환형 압력 챔버 (27), 공급 채널 (38) 및 공급 개구 (37) 를 포함한다. 통상의 기술자는 함침제 (10) 의 분사가 단지 그 함침제가 특정 압력 항서 분사 채널 (39) 을 통해 전달되는 때에만 가능하다는 것을 이해할 것이다. 분사 채널 (39) 의 설계, 특히 길이와 직경, 및 함침제 (10) 의 속도에 따라, 제트를 획득하기 위해 특정 오프셋 압력이 필요하다. 압력이 그러한 오프셋 압력 미만이면, 함침제 (10) 는 분사 채널로부터 단지 흐를 것이고, 원하는 효과가 얻어지지 않을 것이다.
적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 상에의 함침제 (10) 의 분사의 결과, 운송 섹션 (25) 의 압력은 주위의 압력과 동일할 수도 있다. 이는 특히 치수의 측면에서 운송 섹션에 더 유연한 설계 기준을 허용한다. 운송 섹션 (25) 은 가변 치수 및 불규칙한 형상을 갖는 멀티필라멘트 스트랜드의 통과를 허용할 정도로 충분히 큰 치수와 형상으로 만들어질 수도 있다. 물론 운송 섹션 (25) 을 위한 입구 개구 (22) 및 출구 개구 (23) 도 마찬가지이다. 달리 말하면, 운송 섹션 (25) 내부의 압력이 디바이스 주위의 압력과 동일할 수 있고, 따라서 입구 개구 (22) 와 출구 개구 (23) 의 치수가 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 의 최대 직경을 수용할 수 있을 정도인 때에도, 디바이스 밖으로의 함침제 누출의 위험이 최소로 감소된다.
운송 섹션 (25), 입구 개구 (22) 및 출구 개구 (23) 는 모두 적어도 하나의 멀티필라멘트 스트랜드를 전달하기에 적절한 단면 치수를 포함한다. 직경 2.8 ㎜ 의 운송 섹션을 사용하여 양호한 결과가 달성되더라도, 운송 섹션 (25) 의 직경은 예컨대 2.0 ㎜ 내지 4.0 ㎜ 의 범위 내에 있을 수 있다. 출구 개구 (23) 의 직경은 2.0 ㎜ 내지 4.0 ㎜ 의 범위 내에 있을 수 있고, 최적으로는 2.8 ㎜ 이다. 더욱이, 입구 개구 (22) 는, 도 4 에 도시된 것처럼, 제 1 테이퍼드 섹션 (22a) 및 제 2 테이퍼트 섹션 (22b) 를 포함하는 테이퍼드형일 수 있다. 테이퍼드 섹션 입구 개구 (22) 의 사용이 선택적이라고 생각할 수도 있고, 대안적으로 입구 개구는 출구 개구 (23) 와 같은 직선형 개구일 수도 있다. 도 4 에서, 입구 개구 (22) 의 제 1 테이퍼드 섹션 (22a) 은 6.0 ㎜ 의 제 2 직경까지 점차 감소하는 19.5 ㎜ 의 제 1 직경을 갖는다. 제 2 테이퍼드 섹션은 6.0 ㎜ 의 제 2 직경으로부터 2.8 ㎜ 의 제 3 직경을 향해 점차 감소한다. 제 1 직경에 대한 19.5 ㎜, 제 2 직경에 대한 6.0 ㎜, 그리고 제 3 직경에 대한 2.8 ㎜ 의 상기한 예들은 예로서 간주되어야 한다. 이 치수들은 시험되었고, 바람직한 결과를 제공한다. 일반적으로, 테이퍼드 입구 개구의 직경들은 다음의 범위 내에서 선택될 수 있다: 2.0 ㎜ 내지 30.0 ㎜ (최적으로 6.0 ㎜ 내지 20.0 ㎜) 의 제 1 직경, 최적의 직경 6.0 ㎜ 를 갖는 제 1 직경과 동일하거나 또는 적어도 2.0 ㎜ 더 작은 제 2 직경, 2.0 ㎜ 내지 4.0 ㎜ (최적으로 2.8 ㎜) 의 제 3 직경. 도 4 에 도시된 것과 같은 테이퍼드 입구 개구 (22) (22a, 22b) 의 경우, 제 1 직경은 제 2 직경과 동일하거나 그보다 더 크고, 제 2 직경은 제 3 직경과 동일하거나 그보다 더 크다. 직선형 입구 개구 (즉, 출구 개구 (23) 와 유사한 입구 개구) 가 적용되는 경우, 그의 직경은 2.0 ㎜ 내지 4.0 ㎜ 의 범위 내에서 선택될 수 있다.
선 C-C 를 따른 도 4 의 다이의 단면이 도 5 에 도시되어 있다. 도 5 는 함침제 공급 개구 (37), 공급 채널 (38), 및 환형 압력 챔버 (27) 를 개략적으로 보여준다. 환형 압력 챔버 (27) 로부터, 복수의 분사 채널들 (39) 이 다이 인서트 (20) 의 운송 섹션 (25) 을 향해 연장된다. 도 5 에서 볼 수 있는 것처럼, 운송 섹션 (25) 의 직경은 형상 및/또는 단면 직경의 측면에서 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 의 직경의 변화를 허용한다. 사용 시, 복수의 제트 (43) 가 운송 섹션 (25) 에서 분사 채널들 (39) 의 오리피스들로부터 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 로 향하게 된다.
도 6 은 본 발명에 따른 디바이스의 다른 실시형태를 개략적으로 보여준다. 공급 채널 (38) (도 6 에 도시 안 됨) 및 함침제 공급 개구 (37) 외에도, 도 6 의 디바이스는 추가 공급 채널 (49) 및 추가 공급 개구 (47) 를 포함한다. 추가 공급 채널 (49) 은 추가 환형 압력 챔버 (50) 에 함침제를 공급하고, 함침제는 추가 환형 압력 챔버로부터 추가의 복수의 분사 채널들을 통해 멀티필라멘트 스트랜드(들) (40) 에 분사된다.
도 6 에서 볼 수 있는 것처럼, 환형 챔버 (27) 및 환형 챔버 (50) 는 운송 섹션에 대해 상이한 축선방향 위치에 위치된다. 2 개의 분사 유닛들의 분사 채널들의 반경방향 위치는 함침제가 멀티필라멘트 스트랜드 (40) 에 더 균일하게 도포될 수 있도록 오프셋될 수 있다. 이는 다이 인서트 (20) 의 크기 및/또는 분사 채널들의 목표 직경으로 인해 분사 유닛의 분사 채널들의 양이 제한된다면 특히 중요하다. 예컨대, 구성 관점으로부터 분사 유닛이 단지 3 개의 분사 채널을 포함할 수 있는 경우, 반경방향 오프셋된 분사 채널들을 갖는 2 개의 분사 유닛을 사용하면, 6 개의 상이한 반경방향 위치에서 함침제를 도포할 수 있다.
또한, 도 4 및 도 6 쌍방으로부터, 분사 채널이 운송 섹션 (25) 의 축선방향에 대해 약간 각도를 가질 수도 있다. 본 발명자들은 그러한 실시형태가 멀티필라멘트 (40) 의 효과적인 커버리지를 제공한다는 것을 발견하였다. 도 4 및 도 6 에서, 출구 개구 (23) 에서 나오고 있는 함침 멀티필라멘트 스트랜드(들)가 도면부호 40' 로 표시되어 있다.
여기서 묘사되는 분사 유닛은 운송 섹션 (25) 주위에 동심으로 위치되는 다수의 2-10 분사 채널을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시형태에서, 분사 유닛은 복수의 분사 채널 대신에 반경 방향으로 연속적인 분사 슬릿을 포함한다. 이 실시형태는, 반경방향으로 또한 연속적인 제트를 제공하여, 복수의 분사 채널로부터 함침제가 분사되는 실시형태에 비해 함침제의 더 균일한 도포를 야기할 것이므로 바람직하다. 분사 채널에 유사하게, 분사 슬릿은 운송 섹션 (25) 에 대해 수직하게 또는 특정 각도로 위치될 수 있다. 그러한 분사 슬릿을 포함하는 여러 개의 분사 유닛이 운송 섹션 (25) 의 축선 방향을 따라 위치될 수도 있다. 분사 채널을 포함하는 분사 유닛과 분사 슬릿을 포함하는 분사 유닛의 조합도 또한 본 발명의 범위에 속한다. 의심을 피하기 위해, 분사 유닛이 분사 슬릿 또는 복수의 분사 채널의 쌍방이 아니라 일방을 포함할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 몇몇의 구체적인 실시형태의 관점에서 본 발명을 설명하였다. 도면에 나타내고 여기에서 설명한 실시형태들이 단지 설명의 목적을 위한 것일 뿐 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 여기서 개시된 본 발명의 내용은 단지 첨부된 청구항들의 범위에 의해 제한된다.

Claims (15)

  1. 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법으로서,
    - 복수의 연속 섬유 필라멘트들을 포함하는 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 제공하는 단계,
    - 상기 스트랜드에 함침제 (impregnating agent) 를 도포하여, 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 형성하는 단계, 및
    - 상기 섬유 강화 폴리머 조성물을 제공하기 위해, 상기 함침 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 주위에 열가소성 폴리머 재료의 시스 (sheath) 를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 함침제는 도포 온도에서 2.5 내지 100 cS 의 낮은 점도를 가지며 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 상기 함침제를 분사함으로써 도포되고,
    상기 분사는 상기 함침제를 가압하여 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 향해 적어도 2 개의 분사 채널들을 통해 또는 분사 슬릿을 통해 상기 함침제를 전달함으로써 행해지는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 분사 채널들 및/또는 상기 분사 슬릿은 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드 주위에 동심으로 배치되고, 상기 분사 채널들 또는 상기 분사 슬릿은 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 대해 반경방향으로 연장되는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분사 채널들 및/또는 상기 분사 슬릿은 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 축선방향을 가로지르게 또는 그와 각도를 갖게 연장되는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분사 채널들 및/또는 상기 분사 슬릿은, 하류 방향 또는 상류 방향 중의 적어도 하나의 방향으로 상기 함침제를 분사하도록, 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 대해 45°내지 135°의 각도로 연장되는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 채널들은 유출 오리피스를 각각 포함하고, 그리고/또는
    상기 분사 슬릿은 상기 함침제를 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드로 향하게 하기 위한 유출 개구를 포함하고,
    상기 유출 오리피스 또는 유출 개구에서의 압력 (p0) 은 상기 함침제가 가압되는 압력 (p1) 보다 더 작고,
    압력차 (p1 - p0) 가 40 bar 미만, 바람직하게는 30 bar 미만, 더 바람직하게는 20 bar 미만, 더 바람직하게는 0.2 내지 4 bar 의 범위 내인, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2 개의 분사 채널들 또는 분사 슬릿을 각각 포함하는 복수의 분사 유닛들이 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 상기 함침제를 분사하기 위해 상기 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 따라 다양한 축선 위치들에 배치되는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 함침제는 제 9 항 내지 제 14 항 중 하나 이상의 항에 따른 디바이스를 사용하여 도포되는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드는 상기 디바이스를 통해 당겨지는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  9. 복수의 연속 섬유 필라멘트들을 포함하는 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 도포 온도에서 2.5 내지 100 cS 의 낮은 점도를 갖는 함침제를 도포하기 위한 디바이스로서, 상기 디바이스는,
    적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 수용 및 전달하기 위한 운송 섹션. 및
    상기 함침제를 수용하고 또한 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 상기 함침제를 도포하기 위한 적어도 하나의 함침 섹션
    을 포함하고,
    상기 함침 섹션은, 함침 연속 스트랜드를 형성하도록, 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드가 상기 운송 섹션을 통해 전달되는 동안에 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드에 가압 함침제를 분사하기 위한 분사 유닛을 포함하고, 상기 분사 유닛은 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드를 향해 상기 가압 함침제를 전달하기 위한 복수의 분사 채널들 또는 분사 슬릿을 포함하는, 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 분사 채널들 및/또는 상기 분사 슬릿은 상기 운송 섹션 주위에 동심으로 배치되고, 상기 분사 채널들 및/또는 분사 슬릿은 상기 운송 섹션에 대해 반경방향으로 연장되고, 사용 시에 상기 연속 스트랜드는 상기 운송 섹션을 통해 축선방향으로 전달되는, 섬유 강화 폴리머 조성물의 제조 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 분사 채널들 및/또는 상기 분사 슬릿은 상기 운송 섹션의 축선방향을 가로지르게 또는 그와 각도를 갖게 연장되고,
    상기 분사 채널들 또는 상기 분사 슬릿이 상기 운송 섹션의 축선 방향과 각도를 갖게 연장되는 경우, 상기 각도는 사용 시에 상시 스트랜드의 운송 방향에 대해 하류 방향 또는 상류 방향 중의 적어도 하나의 방향으로 상기 함침제를 분사하도록 되어 있는, 디바이스.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 운송 섹션을 따라 축선방향으로 연장되는 복수의 분사 유닛들 또는 함침 섹션들을 포함하는, 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 함침 섹션들 또는 분사 유닛들은 유출 오리피스를 갖는 분사 채널들을 각각 포함하고, 상기 분사 채널들은 상기 운송 섹션의 축선 방향에 수직하게 또는 각도를 갖게 연장되고,
    상기 운송 섹션에서의 상기 적어도 하나의 연속 멀티필라멘트 스트랜드의 운송 방향에 수직한 디바이스 단면에서 바라본, 제 1 함침 섹션 또는 분사 유닛의 유출 오리피스들의 반경방향 위치가, 제 2 함침 섹션의 유출 오리피스들의 반경방향 위치로부터 오프셋되어 있는, 디바이스.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 분사 유닛은 반경방향으로 연속적인 분사 슬릿을 포함하는, 디바이스.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    유출 오리피스 또는 유출 개구는, 적어도 2 개의 분사 채널들 또는 상기 분사 슬릿을 통해, 상기 함침제를 가압하기 위한 압력 챔버와 연통하는, 디바이스.
KR1020157011594A 2012-10-04 2013-10-03 섬유강화 폴리머 조성물의 제조 방법 및 디바이스 KR20150067283A (ko)

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