KR20150120445A - 액체 및 고체 입자용의 섬유 기반 지지 구조물 - Google Patents

액체 및 고체 입자용의 섬유 기반 지지 구조물 Download PDF

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레나테 륏츠켄도르프
토마스 로이쓰만
마르틴 단쳐
볼프강 슈밋츠
코르넬리아 핀크
되르테 마를로우
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에스지엘 오토모티브 카본 파이버스 게임베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 공업용으로 생산된 보강 섬유 재료의 부분으로 이루어진 섬유 기반 지지 구조물에 관한 것으로서, 이 섬유 기반 지지 구조물은 무작위로 배열된 유한 섬유를 제1 보강 섬유 성분으로서 포함하고, 유한 섬유 다발을 제2 보강 섬유 성분으로서 포함하며, 이 경우 이 섬유 기반 지지 구조물은 또한 공극 시스템을 구비한다. 본 발명에 따라, 유한 개별 섬유 및 유한 섬유 다발은 바람직하게 섬유 기반 지지 구조물을 형성하기 위해 등방성으로 무작위로 배열된 혼합물로서 사용되며, 이 지지 구조물의 공극 시스템은 개방 셀 공극 시스템이고, 외부로부터 개방된 상태에서 접근할 수 있다. 이와 같은 섬유 기반 지지 구조물은, 유한 섬유 다발 및 유한 개별 섬유의 규정된 혼합 비율을 선택함으로써 액체 및/또는 고체 입자의 흡수를 가능하게 하며, 이 경우에는 이 규정된 혼합 비율을 통해서 액체 및/또는 고체 분말 재료의 침지 가능성 및 흡수 능력이 설정될 수 있다.

Description

액체 및 고체 입자용의 섬유 기반 지지 구조물{FIBER-BASED CARRIER STRUCTURE FOR LIQUIDS AND SOLID PARTICLES}
본 발명은, 무작위로 배열된 유한 섬유를 제1 보강 섬유 성분으로서 포함하고, 유한 섬유 다발을 제2 보강 섬유 성분으로서 포함하는, 공업용으로 생산된 보강 섬유 재료의 부분으로 이루어진 섬유 기반 지지 구조물에 관한 것으로서, 이 경우 이 섬유 기반 지지 구조물은 또한 공극 시스템을 구비한다.
WO 2012/072 405 A1호에는, 단일 방향성 슬리버(sliver)를 갖는 섬유 예비 성형품(fiber preform)이 기술되어 있으며, 이 섬유 예비 성형품은 서로 상이한 2개의 구역으로 구성되어 있다. 따라서, 이와 같은 공지된 섬유 예비 성형품은 이방성의 구조를 갖는다. 제1 구역 내에는 수지 조성물을 갖는 보강 섬유 다발이 배치되어 있는 한편, 제2 구역은 단일 방향으로 정렬된 보강 실 다발(reinforcing yarn strand)을 포함하고 마찬가지로 수지 조성물을 갖는다. 이 문서의 목적은, 부품 내에서의 국부적인 개별 응력(stress)에 대한 적응을 가능하게 하는 섬유 예비 성형품을 제공하는 것이다.
WO 2010/139077 A1호는, 서문에 언급된 유형의 특징들을 갖는 복합 재료를 제조하기 위한 방법을 기술한다. 이 복합 재료는, 20 용적% 이상의 공극률(air void)을 갖고 무배향 섬유(randomly oriented fiber)로 보강된 열가소성 플라스틱으로 이루어진 코어 층(core layer), 및 일 측에서 또는 양측에서 코어 층의 표면 내부에 새겨진, 연속하는 평행한 단일 방향성 보강 섬유로 이루어진 보강 스트립(reinforcement strip)을 포함한다. 외부 층의 보강 섬유는 열가소성 바인더(thermoplastic binder)에 의해서 코어 층 상에 열적으로 용접된다. 공극 함량이 코어 층 내에서 어떻게 의도한 바대로 조정될 수 있는지, 또는 이들 기공이 완전히 외부로부터 접근 가능한지의 여부는 분명하지 않다. 이 경우에는, 코어와 외부 층 사이에 높은 제품 이방성(product anisotropy)이 존재한다. 코어 층의 표면 내부에 새겨진 보강 섬유 스트립들은 서로에 대해 평행하게 정렬되어 있다. 이 문서는, 높은 강도 및 강성을 가지며 우수한 흡음(sound absorption) 능력을 갖춘 복합 재료의 제조와 관련이 있다. 기공은 액체 또는 고체 입자의 흡수를 위해서 중요치 않은데, 다시 말하자면 침지 가능성이 요구되지 않는다.
독일 공개 특허 출원서 DE 10 2007 012 608 A1호는, 힘 흐름에 적합한 섬유 복합 구조물용 예비 성형품을 제조하기 위한 방법과 관련이 있으며, 이와 같은 섬유 복합 구조물에서는 섬유 다발의 확장에 의해서 얻어지는 납작한 슬리버가 사전에 규정된 위치에 배치되고, 그 다음에 바인더 재료에 의해서 고정된다. 이 경우에는 부하에 적합한 슬리버의 배열 상태가 요구되기 때문에, 높은 제품 이방성이 나타난다. 개별 섬유와 섬유 다발의 규정된 혼합이 사용되지 않는다.
독일 공개 특허 출원서 DE 10 2008 026 161 A1호는, 섬유 복합 부품을 제조하기 위한 방법을 기술하며, 이 방법에서는, 성형 노즐 바로 가까이에서 침지된 섬유 재료를 형성하면서 매트릭스 재료와 결합되는 무한 보강 섬유로써 작업이 이루어진다. 이 경우에도 부하에 적합한 보강 섬유의 배열 상태가 다루어지고, 이와 같은 배열 상태는 섬유 배향(fiber orientation)과 관련해서 높은 이방성을 야기하며, 이 경우에는 무한 보강 섬유가 사용된다.
부직포 재료 또는 부직포와 유사한 충전제(filler) 분야의 전통적인 직물 산업에서 섬유 층을 제조하는 경우에는 항상, 사용된 유한 섬유 재료를 가급적 100%까지 완전히 분리하려는 노력이 이루어진다. 계속해서 존재하며 화학 섬유의 경우에 절단 다발(cut bundle)로서도 명명되는 잔류 섬유 다발은 결함(defect)으로서 규정되고, 가급적 발생하지 않아야 한다. 그에 상응하게, 현재의 선행 기술에 따라, 섬유로 이루어지고, 이들 섬유의 위치가 다만 통계학의 방법에 의해서만 기술될 수 있는 것을 특징으로 하는 부직포 재료가 언급된다. 부직포 재료들은 섬유 재료(예컨대 화학 섬유의 경우에는 중합체), 결합 방법, 섬유 유형[스테이플 파이버(staple fiber) 또는 무한 섬유], 섬유 섬도(fiber fineness) 및 섬유 배향에 따라 상이하다. 이때, 섬유들은 규정된 바대로 선호하는 방향으로 배치될 수 있거나, 무배향 층-부직포 재료 또는 무배향 부직포의 경우와 같이 완전히 확률론적으로 배향될 수 있다. 물질을 위한 지지 구조물로서 규정된 비율의 섬유 다발 및 개별 섬유를 갖는 부직포 재료, 및 이와 같은 부직포 재료를 섬유 복합 재료 분야에서 사용하는 것은 지금까지 공지되어 있지 않다. 이 경우, 지지 구조물은 예컨대 부직포 재료 = 2D와 같은 경화된 2D 형성체 및 3D 형성체에 이르기까지는 느슨한 섬유 퇴적물일 수 있다.
기계적으로, 열적으로 또는 화학적으로 결합 될 수 있는 종래의 부직포 재료들은, 액체 또는 분말 형태의 고체 입자들을 연결하기 위하여 섬유 재료, 섬유의 기하학적 구조(두께, 길이), 섬유 재료 혼합 및 제조 혹은 경화에 따라 입증할 수 있는 특성들을 갖는다. 액체의 경우에는 특정한 흡수 능력이 언급되는데, 이와 같은 능력은 어느 정도 크기의 액체의 양이 - 이 경우에는 대부분 폐기(disposal)의 목적으로 세척 또는 흡입 분야에 적용하기 위한 저점성(low viscosity)의 수성 시스템이 다루어짐 - 부직포 재료 내에서 내부 층까지 흡수되는 상황에서 분명하게 드러난다. 연성의 액체 또는 용융물은 추가의 보조 조치 없이 다만 부직포 표면에서만 흡수될 수 있다. 액체의 연성(ductility)/점성(viscosity)이 증가함에 따라, 액체를 부직포 재료 층의 코어 내부까지 운송하는 것은 그만큼 더 어려워진다. 이 경우에는, 긴 침지 시간에 의해서, 그리고 예컨대 진공을 이용한 또는 단지 제한적으로만 실행되는 압력 주입을 통한 부직포 재료의 추가적인 복잡한 흡인 작용에 의해서 도움이 제공된다.
그와 유사하게, 개별 섬유로 이루어진 상기와 같은 종래의 부직포 재료 내부에 분말 또는 미립자 형태의 고체 입자를 삽입하는 것도 문제가 된다. 이들 고체 입자는 대부분 부직포 표면에 남아 있고, 다만 표면에 가까운 층들 내부로만 침투한다. 개별 섬유를 사용할 때에 중간 공간으로 이루어지는 좁은 공극의 시스템은 부직포 코어 내부까지의 더 깊은 침투를 막는다. 입자를 계속해서 간직하는 이와 같은 종래 부직포 재료의 높은 입자 구속 능력은 예를 들어 먼지 여과 또는 에어졸 여과에서 바람직하게 활용되지만, 예컨대 추후에 경화될 연성의 액체 또는 분말 형태의 매트릭스 재료들이 보강 섬유 부직포 재료, 보강 섬유 퇴적물 또는 보강 섬유 매트 내부에 가급적 균일하게 삽입되어야만 하는 섬유 보강된 플라스틱을 제조할 때와 같은 다른 적용 분야에서는 이와 같은 높은 입자 구속 능력이 극도로 방해가 된다.
섬유 보강된 플라스틱 분야에서는, 추후의 섬유 복합 재료 내에서 제품 횡단면에 걸쳐 균일한 섬유 함량을 얻기 위하여, 분말 형태의 결합 물질 및 연·점성의 액체 바인더가 가급적 두꺼운 보강 섬유 층을 균일하게 관통할 필요가 있다. 이 경우에는, 때때로 100%의 절단 섬유 다발로 이루어진 매트를 사용함으로써 도움이 제공된다. 예를 들어 유리 섬유를 기본으로 하는 이와 같은 소위 절단 조방 매트(cut roving mat)는 고점성의 액체 및 결합 분말에 의해 우수한 관입성(penetrability)을 갖지만, 저장고(depot)를 형성할 목적으로 상기와 같은 결합 물질을 다량으로 결합시키면서 흡인하는 것 및 계속 유지시키는 것은 할 수 없다.
본 발명의 과제는, 예컨대 무작위로 배열/배향된 유한 섬유 재료로 이루어진 섬유 퇴적물로부터 제조되었고, 보강 섬유 반제품으로서 매트와 유사하게 또는 3차원적으로 형성되어 연성의 액체 및 분말로 완전히 침지될 수 있는 제어 가능한 높은 침지 가능성을 갖는 동시에, 이와 같은 다량의 물질을 균일하게 분포된 상태로 내부에 저장할 수 있는, 서문에 언급된 특징들을 갖는 섬유 기반 지지 구조물을 규정하는 데 있다.
주 청구항의 특징들을 갖는 서문에 언급된 유형의 섬유 기반 지지 구조물이 상기 과제의 해결책을 제공한다.
본 발명은, 무작위로 배치된 유한 섬유 다발 및 무작위로 배치된 유한 개별 섬유로 이루어진 규정된 혼합물을 사용함으로써 특히 액체, 용융물 및/또는 고체 입자의 흡수용으로 적합한, 섬유 보강된 복합 재료를 제조하기 위한 섬유 기반 지지 구조물을 제공하며, 이 경우에는 섬유 다발 대 개별 섬유의 혼합 비율을 통해서 액체 상태의, 또한 점성의 그리고/또는 고체 상태의 분말 형태 재료의 침지 가능성 및 흡수 능력이 조절될 수 있다. 이 경우, 섬유 지지 구조물은 길이, 폭 및 두께에 있어서 동일한 구조를 가지며, 외부로부터 개방된 상태에서 접근할 수 있는 개방 셀 형태의 공극 시스템을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 섬유 지지 구조물은 WO 2012/072405 A1호에 기술되어 있는 바와 마찬가지로 다양한 조성 및 배향의 2개 이상의 상이한 제품 구역으로 이루어지지 않거나, WO 2010/139077호에 기술되어 있는 바와 같이 코어 및 무한 섬유로 이루어지고 완전히 다르게 구성된 커버 층으로 이루어지지 않는다.
바람직하게, 본 발명에서 유한 섬유 다발은 원래 무한하지만 유한한 길이로 분쇄된 보강 섬유 다발 부재들 또는 다중 필라멘트 실 부재들로부터 결과적으로 얻어지며, 이 경우 개별 실들은 비-천연(non-natural) 결합제에 의해서 자신의 길이의 50% 이상에 걸쳐 평행하게, 기계적으로 해체 가능하게 서로 접착된다. 그러나 섬유 재료들이 본 발명의 의미에서 다발 형태로 얻어지는 경우에는, 이들 섬유 재료가 재활용 공정으로부터 얻어질 수도 있다.
상기와 같은 규정에서는 플렉스(flex), 헴프(hemp), 처리되지 않은 코튼(untreated cotton) 및 케나프(kenaf)와 같은 천연 섬유의 공지된 섬유 다발들은 제외된다.
이와 같이 길고 평행하게 기계적으로 해체 가능하게 섬유 다발로 서로 접착되는 섬유들은, 문헌에서 예를 들어 부직포 재료의 인터메싱(intermeshing) 또는 니들링(needling)의 경우에 언급된 섬유 다발들과는 현저히 다르며, 이때 이들 섬유 다발은, 예컨대 무배향 섬유들이 인터메싱 후크(intermeshing hook) 내에서 국부적으로 상호 결합 될 때에 또는 니들링의 경우 가시 후크(barbed hook) 내에서 국부적으로 상호 결합 될 때에는, 다만 섬유 길이의 50% 미만에 해당하는 짧은 구간에서만, 분리된 상태로 존재하는 개별 섬유들로부터 형성된다. 문헌에 기술된 이들 섬유 다발은 본 출원서에 기술된 유한 섬유 다발들과 달리, 외부로부터의 누르는 힘 또는 결합 점에 의해서 다만 국부적으로만 상호 고정된다. 이들이 직물 가공 공정 동안에 비로소 생성되고, 기술적 용어로서 기계적인 경화 점으로서도 명명되는 것과 달리, 기술된 발명의 섬유 다발들은 시재료(starting material), 즉 섬유 재료 내에 이미 존재하고, 가공 공정 동안에 의도한 바대로 형성되지 않는다.
사용된 혼합물 내에서 사용되는 개별 섬유들은 사용된 섬유 다발과 같거나 다른 중합체로 이루어질 수 있다. 2개의 섬유 시스템, 섬유 다발 및 개별 섬유로부터 형성되었고, 규정된 바와 같이 균일하거나 상이한 두께 및/또는 단위 면적당 질량을 갖는 이와 같은 특수한 지지 구조물은 기계적으로, 열적으로 그리고/또는 화학적으로 안정화되며, 결과적으로 얻어지는 경화된 섬유 지지체의 10% 이상, 최대 90%가 서로 평행하게 접착된 최소 10개의 개별 섬유를 갖는 섬유 다발로 이루어지도록 그리고 전체 구조물에 걸쳐 개방된 상태에서 접근할 수 있는 개방 셀 형태의 공극 시스템이 생성되도록 고정된다. 이 공극 시스템은 상호 결합 된 복수의 공동(void)을 포함하며, 이들 공동은, 외부로부터 제공되는 분말 및/또는 액체가 이들 공동 내부로 운송될 수 있도록 하기 위하여, 운송 채널에 의해 서로 연결되어 있다.
본 발명에 따라, 개별적인 유한 섬유 및 유한 섬유 다발로 이루어진 규정된 혼합물로부터 제품을 형성하는 것, 이 제품을 하나의 면(surface)으로 또는 3차원적으로 형성하는 것 그리고 그 다음에 고정시키는 것이 소개되어 있다. 이때, 사용된 섬유 다발의 비율은, 고점성의 그리고 분말 형태의 물질이 제품 층 내부로 침지될 수 있는 침지 가능성 또는 침투 깊이를 중대한 정도까지 결정한다. 이때, 개별 섬유의 비율은 저장 가능한 액체 또는 분말의 침투 가능성을 중대한 정도까지 결정한다. 구조물 내에서 섬유 다발의 비율이 높을수록, 거대 공극(macro pore) 및 부분적으로 연속하는 채널을 갖는 상대적으로 크기가 더 큰 공동의 비율이 그만큼 더 높아지며, 구조물 내에서 개별 섬유의 비율이 높을수록, 상대적으로 크기가 더 작은 공동의 비율이 그만큼 더 높아진다. 이때, 공동들은, 외부로부터 제공되는 분말 및/또는 액체 또는 용융물을 공동 내부로 운송할 수 있기 위하여, 운송 채널에 의해 서로 연결되어 있다. 놀랍게도, 개별 섬유 대 섬유 다발의 질량 비율에 따라 연성의 액체 및 분말로써 이와 같은 구조물을 침지할 수 있는 가능성이 변경된다는 사실이 드러났다. 개별 섬유의 비율이 높을수록, 침지 공정은 시간상으로 그만큼 더 길어지고, 이 구조물 내부로 침투하는 분말의 침투력은 그만큼 더 악화된다.
본 발명에 따라, 2개 성분으로 이루어지고 의도한 바대로 조정할 수 있는 혼합물을 통해서 상기와 같은 효과가 의도한 바대로 형성되고 제어된다는 내용이 소개되어 있다.
그렇기 때문에, 본 발명에 따른 제품에서는, 부직포 재료와 유사한 매트 또는 3차원 성형 부품 내에 사용된 섬유의 10% 이상, 하지만 최대 90%가 여전히 풀어지지 않은 다발로 남아 있어서 결정적으로 플라스틱을 보강하기 위한 섬유 반제품으로서의 추가적인 사용 가능성이 결정되도록, 동일하거나 상이한 유형의 유한 섬유 재료들이 두 가지 형태로, 즉 풀어지지 않은 다발 형태로 그리고 개별 섬유로 분리된 형태로, 규정된 양 비율에 따라 가공된다. 한 바람직한 실시 예에서, 섬유 다발 및 개별 섬유는 예컨대 무배향 퇴적물에 의해서 달성되는 바와 같은 무작위 배열 상태로, 즉 규정된 배향 없이 놓여 있다.
이와 같은 혼합물은 한 편으로는, 개별 섬유로 분리된 복수 또는 하나의 섬유 성분들을 갖는 하나 또는 복수의 다발 형태의 섬유 성분들을 중력계를 이용하여 무게 측정함으로써 그리고 그 다음에 예를 들어 규정된 바와 같이 직물 혼합 기술을 이용하여 혼합함으로써 제조될 수 있다. 다른 한 편으로는, 90%를 초과하는 섬유 다발 형태의 시재료로부터 출발해서, 오프너(opener)를 이용한 직물 섬유 개방(textile fibre opening) 공정, 티저(teaser), 피커(picker) 또는 유사한 방식으로 동작하는 장치들을 구비하는 제분기(DE 10 2009 023641호)를 이용한 처리 공정과 같은 후속적인 가공 공정에 의해서, 개방 강도에 따라 조정할 수 있는 섬유 다발과 개별 섬유 간 질량 비율을 형성하는 것이 가능하다. 이 경우에는, 연속 시험에서, 적용될 개방 기술, 관통부의 개수 및 파라미터들이 섬유 다발 형태의 시재료의 특징과 상호 작용하여 서로 조정될 수 있음으로써, 결과적으로 제품 내에서는 원하는 잔류 다발 비율이 얻어지게 된다. 시재료 내에서의 주요 영향 파라미터는 섬유 다발의 길이 및 제공된 섬유 다발 내에서의 개별 섬유의 접착 강도이다. 다발 내에 있는 개별 섬유 길이의 50%를 초과하는 길이에 걸쳐서 이루어지는 개별 섬유의 기계적으로 해체 가능한 평행한 상호 접착은 결정적으로, 예를 들어 아교 풀(size) 및 마감 칠(finish)과 같이 섬유 표면에 있고 섬유 중합체에 이질적이며 접착 작용을 하는 물질의 종류 및 양에 의해서 결정된다. 다발 내에 있는 결합제로서는, 교차 결합 되지 않은 그리고/또는 경화되지 않은 중합체들도 사용될 수 있다. 중요한 기준은, 이들 다발이 기계적으로 비교적 쉽게 분리되어야만 한다는 것이다.
이와 같은 유형 및 방식에 의해서는, 10% 내지 90%에 해당하는 일정한 비율의 섬유 다발 및 개별 섬유로서의 잔류물을 하나의 섬유 혼합체로 형성하는 것이 기술적으로 가능하며, 이 섬유 혼합체는 기계식 및/또는 압축 공기식 가공 공정에 의해서 추후에, 두께 및 단위 면적당 질량이 규정된 일정하거나 가변적인 하나의 섬유 층으로 구성될 수 있다. 이때, 섬유 다발은, 자체 길이의 50% 이상이 상호 접착되고 평행하게 상호 접착된 10개 이상의 개별 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 섬유 다발은 기계적으로 비교적 가볍고, 섬유 손상 없이 상대적으로 더 작은 다발 혹은 개별 섬유로 분리될 수 있다.
규정되어 있고 제조 시간에 걸쳐 일정하게 유지되는 비율의 섬유 다발 및 개별 섬유를 갖는 섬유 다발 및 개별 섬유로 이루어진 이 혼합물은 규정된 두께 프로파일 및 단위 면적당 질량 프로파일을 유도하며, 이 경우에는 두께뿐만 아니라 단위 면적당 질량도 섬유 퇴적물을 형성할 때에, 시간에 걸쳐서 그리고 표면에 따라 균일하게 형성될 수 있거나 의도한 바대로 상이하게 형성될 수 있다.
다발 형태의 섬유 성분 및 분리된 섬유 성분으로 이루어진 이와 같은 섬유 혼합물을 제조 및 가공하기 위해서는 오프너, 혼합 챔버, 충진 호퍼(filling hopper), 에어레이 설비(airlay system) 및 섬유 블로잉 설비(fiber blowing system)와 같은 직물 분야의 종래의 섬유 가공 장치들이 사용될 수 있지만, 이들 장치는, 다발 부분과 분리된 섬유의 얻고자 하는 혼합 비율이 보장될 수 있도록 기술적으로 그리고 과학 기술적으로 변형되어야만 한다. 이와 같은 변형은 섬유를 개방하는 관통부의 개수를 줄이는 것, 가공 공정에서 카딩(carding) 과정 및 롤러 카딩(roller carding) 과정을 생략하는 것, 개방 롤러 회전수를 줄이는 것, 혼합할 때에 더 굵은 롤러 커버링(roller covering)을 사용하는 것, 균질화 및 계량 그리고 분리 작용을 하는 작업 장치들의 간격을 확대시키는 것을 포함한다. 이와 같은 모든 조치들은 선행 기술에서와 달리, 최종 제품에서 바람직하게 작용하는 섬유 다발 부분을 전혀 분해하지 않거나 다만 적은 정도까지만 분해하기 위해서 이용된다. 그렇기 때문에, 한 바람직한 실시 예에서는 가공 공정에서 카딩 과정 및 롤러 카딩 과정의 사용이 생략된다. 변형의 유형은 사용되는 설비의 기술, 사용된 섬유 재료 및 최종 제품 내에서 필요한 섬유 다발 비율에 좌우된다. 그렇기 때문에, 여러 번의 테스트에서 모든 영향 파라미터들이 상호 매칭될 수 있고, 필수적인 설비 변형 및 과학 기술의 변형이 실행될 수 있다.
다발 형태의 부분 및 분리된 섬유 부분으로 이루어진 느슨한 섬유 층을 배치하기 위해서는, 충진 호퍼, 에어레이 설비 및 섬유 블로잉 설비와 같이 기본적으로 기계식으로 그리고/또는 압축 공기식으로 동작하는 장치들이 적합하다. 이 경우에도, 설비 및 방법이 한 편으로는 혼합 균질화 작용을 하도록, 그리고 다른 한 편으로는 자체의 섬유 개방/분리 강도가 규정되도록 그리고 다만 섬유 다발 비율 및 개별 섬유 비율의 얻고자 하는 목표 범위에 도달할 정도로만 섬유 개방 작용을 하도록, 이들 설비 및 방법이 특별히 전술된 조치들을 통해서 설계되어야만 한다는 사실이 적용된다. 특정 정도까지 섬유 개방 작용을 하는 장치들이 사용되면, 이들 장치의 분리 작용은 제공된 시재료 내에서의 더 높은 섬유 다발 비율에 의해서 고려되어야만 한다. 섬유 다발 및 개별 섬유로 이루어진 혼합물은 무작위로 배치된다.
혼합 및 균질화 공정 그리고 섬유 층 배치 공정 동안에는 이미, 사용된 섬유 및/또는 섬유 다발의 원래의 구성 성분이 아닌 분말 형태의 물질, 열적으로 결합시키는 성분 또는 액체 상태의 결합제가 동시에 제공될 수 있다. 이와 같은 결합 성분들은 공극 시스템 그리고 개별 섬유 및 섬유 다발로 이루어진 지지 구조물을 고정시키기 위해 사용되며 그리고/또는 섬유 보강된 복합 재료를 형성할 때에 결합 성분으로서 사용된다. 균일하게 분포된 규정된 비율의 섬유 다발 및 개별 섬유로 이루어진 느슨한 섬유 층을 형성한 후에는, 이와 같은 특수한 구조물을 고정시키는 과정 그리고 취급 응력에 대해 압력 안정적으로 그리고 장력 안정적으로 만드는 과정이 반드시 필요하다. 이와 같은 목적을 위해서는, 결합제를 함유하거나 열가소성 플라스틱을 함유하는 퇴적 층들의 니들링 또는 인터메싱 또는 결합제 경화와 같은 기계적인 방법이 적용될 수 있다.
접촉 열(contact heat) 또는 방사열(radiation heat)의 작용 또는 뜨거운 공기의 관류 현상은 용융 작용을 야기하거나 액체 결합 성분들을 건조시킨다. 공극 시스템 그리고 개별 섬유 및 섬유 다발로 이루어진 지지 구조물을 고정시키기 위해서 결합제를 제공하는 것 및/또는 분말 도포 또는 분무 형태로 퇴적 층을 형성한 후에 섬유 보강된 복합 재료를 형성할 때 결합 성분으로서 결합제를 제공하는 것은 마찬가지로 기술적으로 가능하며, 경화된 층의 사용 목적에 의해서 결정된다. 이 경우에도 경화는 일반적으로 결합제를 건조시키거나 용융 작용을 야기하는 열 처리에 의해서 이루어진다. 이와 같은 공정들에 의해서는, 의도한 바대로 형성된 공극 시스템이 부직포 반제품 내부에 고정된다. 부직포 형태 반제품의 개방된 공극 시스템은 작은 공동들 및 상대적으로 더 큰 공동들로 이루어지며, 이 경우 작은 공동들은 특히 무작위로 서로 교차하고 직경상 매우 얇은 개별 섬유들 사이에 있는 중간 공간으로서 형성되고, 상대적으로 더 큰 공동들은 무작위로 서로 교차하고 직경상 훨씬 더 큰 섬유 다발들 사이에 있는 중간 공간으로서 형성된다. 개별 섬유에서의 섬유 다발의 비율에 따라, 그에 상응하게 더 미세하거나 더 굵으며, 상이한 침지 가능성 및 물질 저장 능력을 갖춘 개방 공극형 공동 시스템 혹은 공극 시스템이 생성된다. 개별 섬유 및 섬유 다발의 비율에 상응하게 의도한 바대로 조정될 수 있는 이들 공극 혹은 공동은 후속하는 추가 처리 공정에서, 결합제 운송 기능, 혹은 부직포 반제품의 결합제 여과 기능 및 부직포 반제품 내부에 결합제를 고정시키는 기능을 담당한다. 더 굵은 개방형 공극 시스템은, 부직포 층의 중심부까지 도달하는 진한 액체 상태의, 연·점성의 결합 수지 및 분말을 위한 운송 채널을 형성한다. 따라서, 연성의 액체 및 분말로써 얻고자 하는 완전하고 연속적인 침지를 실질적으로 지원하는 것이 가능해지며, 이와 같은 지원 가능성은 침지 과학 기술을 비용 및 과학 기술 측면에서 간소화하고, 침지 시간을 단축시키며, 더 두꺼운 보강 섬유 반제품의 사용을 가능케 한다. 개별 섬유를 기본으로 하는 더 미세한 공극들은 제품 내에서, 침투된 결합 성분들이 제품 내부에 스폰지 형태로 고정되어 함침되도록 보장해준다.
미세 공극과 굵은 공극의 비율은, 부직포 재료 내에 있는 굵은 섬유 다발과 미세한 개별 섬유의 개별적인 비율에 의해서 결정된다. 부직포의 두께, 경화된 지지 구조물 또는 섬유 보강된 성형 부품을 형성하기 위해서 사용될 침지 매질 및 여과 과학 기술에 따라, 사용될 개별적인 섬유 재료를 위한 예비 시험 단계에서 섬유 다발과 개별 섬유의 비율이 시험 및 확정될 수 있다. 기계적인 니들링 또는 유사한 공정에 의해서는, 기존 공극 구조물에 추가적인 수직의 천자 채널(puncture channel)이 형성될 수 있으며, 이들 천자 채널은 부직포 층 내부로의 결합제 운송을 지원해주고, 침지 가능성의 기능에 영향을 미친다. 퇴적된 섬유 층을 압축함으로써는, 일반적으로 부직포의 완전 침지 가능성이 줄어들고, 저장 작용도 감소 된다. 부직포 두께를 줄이기 위한 그리고 적용된 부직포를 경화시키기 위한 압축 공정의 상호 작용에 의해서는, 형성된 침지 가능성이 재차 의도한 바대로 영향을 받게 되어 부직포의 최종 품질 및 최종 양이 확정된다.
규정된 섬유 다발 형태의 부분을 갖는 이와 같은 섬유 반제품의 사용은 섬유 복합 재료 분야에 집중된다. 그에 상응하게, 사용되는 섬유 재료는 통상적인 보강 섬유 재료 분야에서 정착되어 있다. 그와 같은 섬유 재료는 파라-아라미드와 같은 유기 섬유 재료일 수 있을 뿐만 아니라 다양한 재활용 공정으로부터 얻어지는 상기와 같은 섬유 재료들을 포함한 유리 섬유 재료 및 탄소 섬유 재료일 수도 있다.
[예]
실시 예 1
기계적으로 처리된 탄소 섬유 비-권축 직물(non-crimped fabric)을 기본으로 하고 섬유 다발의 비율이 높은 시재료로부터 출발하여, 롤러 오프너(재료 1) 및 카딩 머신(2)(재료 2) 상에서의 상이한 섬유 개방 강도에 의해, 상이한 섬유 다발 비율을 갖는 섬유 퇴적물을 형성하였고, 이 섬유 퇴적물을 일정한 퇴적 두께에서 500 g/m2의 균일한 단위 면적당 질량에 도달할 때까지 구성하였다. 기계적인 재활용 공정으로부터 얻어져서 사용되는 탄소 섬유는 45 mm의 평균 섬유 다발 길이를 가졌다.
2개의 섬유 재료에서, 수동 스크리닝(manual screening) 공정에 의해 질량을 기준으로 한 섬유 다발 비율을 결정하였고, 공기 관류 방법을 이용해서 개방 공극 특성 그리고 입자 및 액체에 대한 접근 가능성의 척도로서 공기 관류 저항을 검출하였으며, 점성이 더 높은 액체를 사용하는 경우에는 적가 검사(drop test)를 이용해서 TEGE-WA-적가 검사에 따라 액적이 스며드는 시간을 침지 가능성을 위한 척도로서 결정하였다.
다음과 같은 결과들을 얻었다:
파라미터 단위 재료 1 재료 2
섬유 다발의 비율* [%] 80.5 51.9
공극률 척도로서의 공기 관류 저항** [mm 이소프로판올] 377 430
적가 검사에서 액적이 스며드는 시간*** [s] 120 - 150 280 - 310
* 1 g의 섬유 샘플을 수동으로 스크리닝하고, 10개 이상의 개별 섬유로 이루어진 다발 성분의 무게를 달며, 질량 백분율로 비율을 산출함으로써, 섬유 다발의 비율을 결정하였다.
** 공기 관류 저항의 결정은 1964년에 "Faserforschung und Textiltechnik" 15 (1964) 1권, 21 내지 29페이지에 공개된 Geitel, K의 논문 "Zur Theorie der Luftstroemung durch Faserpfropfen"을 토대로 해서 이루어졌다. 이 논문에서는 섬유 패드(fiber pad)를 통과하는 공기 유동 이론이 기술된다. 그 이론에 따르면, 관류 된 섬유의 양 위에서의 압력 강하는
- 단위 시간당 흐르는 공기의 양,
- 측정 챔버의 치수(직경, 높이),
- 유동 매질의 점도,
- 섬유 양의 공극률 및
- 섬유 표면에 좌우된다.
Medimpex 사(社)(헝가리)의 4/15/1 타입의 양모 섬도 검사 장치(wool fineness tester)를 이용하여, 상기와 같은 공기 관류 방법을 이용해서 섬유 패드의 공극률을 결정하였다. 이 경우에, 섬유 패드는 본 실시 예에 따라 제조된 지지 구조물로부터 형성된 시험편(test specimen)이다. 이때에는 검사될 섬유 재료를 제외한 모든 파라미터를 일정하게 유지하였다. 섬유 패드에 의해서 발생 된 공기 저항을 측정 장치 내에서 이소프로판올 액체 칼럼의 [mm]로 판독하였다. 이때, [mm]로 나타낸 칼럼의 높이는, 형성된 공기 관류 저항에 직접적으로 비례하고, 이로써 공극률에는 간접적으로 비례한다. 공기 관류 속도가 400 l/min인 경우에 각각 1.4 g의 섬유 재료에서 검사를 실시하였다.
*** 변형된 적가 검사에서는, 1.7 Pas의 2/s의 전단 기울기(shear gradient)에서 점성(25℃)을 갖는 CMC 용액을 검사 액체로서 사용하였다. 이 검사 액적의 질량은 항상 0.5 g이었다.
실시 예 2
기계적으로 처리된 탄소 섬유 비-권축 직물을 기본으로 하고 섬유 다발의 비율이 높은 시재료로부터 출발하여, 혼합물을 개방하는 핀 롤러(pin roller)를 사용하는 경우에 그리고 롤러 쌍을 통해 재료를 공급하는 경우에, 굵은 오프너를 이용해서 하나의 혼합 베드 및 1개의 혼합 관통부를 통해, 열에 의해서 연화되는 7%의 결합 섬유 GRILON MS 6.7 dtex/Varioschnitt과 시재료를 혼합하였다. 그 다음에, 섬유 다발 비율이 높은 탄소 재활용 섬유와 열에 의해서 연화되는 결합 섬유의 혼합 비율이 93/7인 이와 같은 일정한 출발 섬유 혼합물의 절반을 Truetzschler 사(社)의 공급 장치(feeder) FBK 536 위에, 2 m/min의 속도에서 370 g/m2의 하나의 느슨한 퇴적물로 올려 놓았다. 이 시재료의 다른 절반을 비교 재료로서, 10 m/min 속도의 3 작업자/스트리퍼(stripper) 쌍을 사용할 때에 롤러 카드(roller card)를 이용하여 2회 카딩 함으로써 카드 웹(card web)으로 가공하고, 크로스 플레이터(cross plaiter)를 이용하여 느슨하게 위·아래로 적층 함으로써, 결과적으로 370 g/m2의 단위 면적당 질량을 얻었다.
그 다음에, 2개의 느슨한 섬유 층, 즉 공급 장치 층 및 카딩 처리되어 배치된 층을 Schott & Meissner 사(社)의 Thermofix를 이용하여, 2 m/min의 순환 속도, 190℃의 가열 온도 및 1.5 mm의 간극에서 하나의 매트로 부분적으로 경화시켰고, 이와 같은 방식으로 형성된 공동 구조물 및 공극 구조물을 고정 시켰으며, 이 경우 상기와 같은 1.5 mm의 간극에서는 2개의 섬유 층이 상부 운송 벨트와 하부 운송 벨트 사이에서 열적인 경화 설비를 통해 연속으로 가이드 된다.
그 다음에, 2개의 부직포 재료 매트에서 DIN 53923에 따른 물 흡수율을 액체 저장 능력의 척도로서 실시하였다. 열적인 경화 전에, 2개의 느슨한 섬유 층 내에서 섬유 다발의 질량 비율을 결정하였다.
다음과 같은 결과들을 얻었다:
샘플 부직포 재료 매트의 유형
공급 장치에 의해 배치됨 카딩 머신에 의해 배치됨
DIN 53923에 따른 물 흡수율
1 1202% 929%
2 1069% 930%
3 1097% 866%
4 1065% 846%
5 1097% 902%
평균 값 1106% 895%
섬유 다발 비율 85% 6.6%
본 발명에 따른 제1 섬유 기반 지지 구조물에서는 높은 비율의 섬유 다발이 사용된 한편(섬유 다발 대 개별 섬유의 비율 비는 약 5.66:1임), (상기 표의 우측에서) 비교 재료로서 사용되었고 카딩 머신에 의해 배치된 부직포 재료 매트의 경우에는 개별 섬유의 비율이 비교적 높다(개별 섬유 대 섬유 다발의 비율 비는 약 14.15:1임). 상기 표는, 본 발명에 따른 지지체 재료에서는 물 흡수율이 비교 재료에서보다 훨씬 더 높다는 사실을 보여준다.

Claims (11)

  1. 무작위로 배열된 유한 섬유를 제1 보강 섬유 성분으로서 포함하고, 유한 섬유 다발을 제2 보강 섬유 성분으로서 포함하며, 섬유 기반 지지 구조물이 또한 공극 시스템을 구비하며, 유한 개별 섬유 및 유한 섬유 다발이 1:9 내지 9:1의 규정된 혼합 비율을 갖는 혼합물로서 존재하고, 상기 공극 시스템이 개방 셀 형태의 그리고 외부로부터 개방된 상태에서 접근할 수 있는, 공업용으로 생산된 보강 섬유 재료의 부분으로 이루어진 액체, 용융물 및 고체 입자용 섬유 기반 지지 구조물에 있어서,
    상기 섬유 다발은 섬유 길이 분포를 갖는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 유한 개별 섬유 및 유한 섬유 다발은 등방성의 무작위 배열 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 퇴적물에 의해서 형성된 공극 구조물은 부분적으로 압축되고, 기계적으로, 열적으로 그리고/또는 화학적으로 안정화되어 고정되는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 다발이 불완전하게 개방됨으로써, 섬유 다발 및 개별 섬유로 이루어진 혼합물 속에 개별 섬유 부분이 포함되는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 다발은, 섬유 길이의 50% 이상에 걸쳐 서로 평행하게 접착된 10개 이상의 개별 섬유에 해당하는 다발 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 섬유의 하나 이상의 부분이 섬유 길이 분포를 갖는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 다발은 개별 섬유와 상이한 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 기반 지지 구조물은 섬유 층을 형성하기 전에, 균일하게 분포되어 혼합된 상태에서, 연화될 수 있는 결합 섬유 및/또는 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 시재료로서 사용된 섬유 재료는 균일한 재료 특성 및 기하학적 구조를 갖거나, 상이한 재료 및/또는 기하학적 구조의 섬유 재료들의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 섬유 기반 지지 구조물을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    하나 또는 복수의 다발 형태의 섬유 성분 및 하나 또는 복수의 개별 섬유 형태의 섬유 성분을 각각 중력계를 이용하여 무게 측정한 다음에 직물 혼합 기술을 이용하여 혼합하는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 섬유 혼합물은 용적 측정에 의해서 그리고/또는 압축 공기에 의해서 0.5 내지 20 cm, 바람직하게 2 내지 10 cm의 두께를 갖는 층 내부에 느슨하게 그리고 바람직하게는 우선하는 배향(prior orientation) 없이 배치되는 것을 특징으로 하는, 섬유 기반 지지 구조물의 제조 방법.
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