KR20150134866A - 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강화섬유를 준비하는 강화섬유준비단계와, 코팅지와 수지필름이 권취된 공급롤러에서 코팅지와 수지필름을 공급받아 상기 감화섬유와 함께 안내롤러들 사이로 인입시키는 가압안내하는 성형안내단계와, 상기 성형안내단계를 거친 복합재료를 한쌍의 발열롤러가 마련된 챔버로 인입시켜 가열압축시키는 가열압축단계와, 상기 가열압축단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 회수하는 코팅지회수단계와, 상기 코팅지회수단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 분리한 후 경화된 복합재료를 권취시키는 마감단계로 이루어져, 복합재료의 강도가 향상되고 경량화시킬 수 있게 되며 마모효율을 향상되고 대량생산이 가능하게 되는 효과가 있다.

Description

열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법 { METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE MATERIAL }

본 발명은 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강화섬유를 준비한 후 코팅지 및 수지필름과 함께 성형안내단계, 가열압축단계, 코팅지회수단계 및 마감단계를 거치면서 복합재료로 형성함으로서, 강도가 향상되고 경량화시킬 수 있게 되며 마모효율을 향상되고 대량생산이 가능하게 되는 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 강화섬유와 매트릭스수지로 이루어진 섬유강화복합재료는 경량으로 우수한 기계적 특성을 갖기 때문에 골프샤프트, 낚싯대 등의 레포츠용도, 항공우주용도 및 일반 산업용도에 널리 사용되고 있다.

이때, 섬유강화복합재료의 제조에는 여러 가지 방식들이 이용되어 왔다. 이러한 방식들 중에서도 특히 강화섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 시이트 중간기재인 프리프레그를 이용하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이 방법에서는 프리프레그를 여러장 적층한 후, 이것을 가압 가열함으로써 섬유강화 복합재료를 얻을 수 있다.

상기한 프리프레그에 이용되는 매트릭스수지로서는 열경화성 수지와 열가소성 수지의 양자가 모두 사용되지만 대개의 경우 열경화성 수지가 이용되고 그 중에서도 내열성, 경도, 치수안정성 및 내약품성 등과 같은 기계적, 화학적 특성이 우수한 에폭시수지가 주로 사용되고 있다. 여기서 열경화성 수지 혹은 에폭시수지라는 용어는 일반적으로 프리프레그상의 매트릭스 수지와 같은 경화반응 이전의 수지와 섬유강화복합재료상의 수지와 같은 반응 이후 경화물의 두 가지 의미로 모두 이용된다.

이때, 구분을 명확히 하기 위하여 여기서는 경화반응 이전의 수지는 열경화성 수지 혹은 에폭시수지라 하고, 경화반응후 형성되는 경화물은 열경화성 수지 경화물 혹은 에폭시수지 경화물이라고 표기하기로 한다.

열경화성 수지를 이용한 프리프레그를 사용하는 경우에 자주 문제가 되는 것은 수지의 부적절한 레올로지 특성과 수지 경화물의 기계적 특성이다. 이들 성질은 프리프레그와 섬유강화 복합재료를 제조하는데 있어 취급성, 가공성 및 기계적물성에 크게 영향을 미친다.

이러한 프리프레그와 섬유강화 복합재료의 성질들에 영향을 주는 레올로지 특성에는 열경화성수지의 점도(viscosity), 접착성(tack), 점탄성(viscoelasticity)과 같은 것들이 있다.

상기한 점도는 프리프레그 제조과정에서 공정성과 함침성에 크게 영향을 주는데 이것은 결국 섬유강화 복합재료의 최종물성에 관계된다. 열경화성 수지의 점도가 지나치게 높으면 프리프레그 제조시 수지의 유동에 큰 힘이 필요하게 되어 공정성과 함침성이 크게 떨어지며 지나치게 낮으면 함침성은 좋아지나 수지의 흘러내림 현상으로 인하여 공정성이 나빠지게 된다.

열경화성 수지의 접착성은 프리프레그의 적층공정에서 프리프레그를 맨드렐(mandrel)에 감았을 때 박리되지 않으면서 필요에 따라 적층한 프리프레그를 박리시켜 위치를 수정할 수 있을 정도가 좋다. 그러나 접착성은 점도와 밀접한 상관관계가있어 일반적으로 적절한 점도를 맞추면 접착성이 지나치게 크게되고 접착성을 적절히 조절하면 점도가 너무 높아지는 경향이 있다.

또한, 열경화성 수지의 점탄성을 적절히 조절하는 것은 수지의 온도구간별 유동특성과 관련하여 섬유강화 복합재료의 품질에 큰 영향을 준다. 온도상승에 따라 열경화성 수지는 흐르는 성질이 급격히 증가하게 되는데 최종 경화후 품질안정성을위해서는 이것을 완만하게 해 주는 것이 필요하다.

열경화성 수지 경화물의 경우 일반적으로 경도(hardness)는 높으나 상대적으로 깨지기가 쉽다(즉, 취성이 있다). 그런데 섬유강화 복합재료는 강화섬유 방향 이외로도 힘을 받을 경우가 많다. 이 경우에 열경화성 수지 경화물의 취성(brittleness) 때문에 복합재료는 쉽게 손상이 될 수 있다. 이것을 방지하기 위해서는 경화물에 질긴(tough) 성질을 부여해주는 것이 필요하다.

종래, 에폭시수지의 레올로지 특성 및 경화물의 기계적 강도를 향상시키는 방법으로 에폭시수지에 열가소성수지나 고무성질을 갖는 고분자화합물을 배합하는 것이 알려져 있다. 에폭시수지에 고분자화합물을 배합하는 예로서 폴리에스테르 폴리우레탄을 배합하는 방법(일본특허 JP-A-5-117423호 공보 참조), 폴리(메타)아크릴레이트계 중합체를 배합하는 방법(일본특허 JP-A-54-99161호 공보 참조), 폴리비닐에테르를 배합하는 방법(일본특허 JP-A-4-130156호 공보 참조), 니트릴고무를 배합하는 방법(일본특허 JP-A-2-20546호 공보 참조), 폴리에스테르 폴리아미도계 에라스토머를 배합하는 방법(일본특허 JP-A-8-337707호 공보 참조) 등이 알려져 있다. 그러나 고무 또는 에라스토머를 배합한 경우에는 매트릭스수지 경화물의 내열성이 저하되는 결점이 있다. 또한 상기한 종래의 방법들은 복합재료용 메트릭스 수지가 갖추어야할 여러가지 레올로지 특성들을 동시에 만족시키지 못하고 있는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 강화섬유를 준비한 후 코팅지 및 수지필름과 함께 성형안내단계, 가열압축단계, 코팅지회수단계 및 마감단계를 거치면서 복합재료로 형성함으로서, 강도가 향상되고 경량화시킬 수 있게 되며 마모효율을 향상되고 대량생산이 가능하게 되는 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 강화섬유를 준비하는 강화섬유준비단계와, 코팅지와 수지필름이 권취된 공급롤러에서 코팅지와 수지필름을 공급받아 상기 감화섬유와 함께 안내롤러들 사이로 인입시키는 가압안내하는 성형안내단계와, 상기 성형안내단계를 거친 복합재료를 한쌍의 발열롤러가 마련된 챔버로 인입시켜 가열압축시키는 가열압축단계와, 상기 가열압축단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 회수하는 코팅지회수단계와, 상기 코팅지회수단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 분리한 후 경화된 복합재료를 권취시키는 마감단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가열압축단계 이후에는 가열압축된 복합재료가 한쌍의 냉각롤러 사이에 안내되면서 압축시키는 냉각압축단계가 더 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 성형안내단계에서는 상기 강화섬유의 양면에 코팅지와 수지필름이 부착한 후 상기 챔버에 인입되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마감단계에서는 상기 수지필름의 양면에 부착된 코팅지를 제거하고, 상기 상기 복합재료의 양면에 부착된 수지필름 중 어느하나만 제거하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명인 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법은 강화섬유를 준비한 후 코팅지 및 수지필름과 함께 성형안내단계, 가열압축단계, 코팅지회수단계 및 마감단계를 거치면서 복합재료로 형성함으로서, 강도가 향상되고 경량화시킬 수 있게 되며 마모효율을 향상되고 대량생산이 가능하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 단지 예시로 제시하는 것이며, 본 기술 사상을 통해 구현되는 다양한 실시예가 있을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법를 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명인 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법(10)(이하 설명의 편의상 복합재료 제조방법이라 명명함)은 열경화성 수지를 활용하여 수지재가 포함된 복합재료를 제조하는 방법으로서, 이에 이와같은 복합재료 제조방법은 강화섬유를 준비하는 강화섬유준비단계(S1)와, 코팅지와 수지필름이 권취된 공급롤러에서 코팅지와 수지필름을 공급받아 상기 감화섬유와 함께 안내롤러들 사이로 인입시키는 가압안내하는 성형안내단계(S2)로 이루어진다.

또한, 상기 성형안내단계(S2)를 거친 복합재료를 한쌍의 발열롤러가 마련된 챔버로 인입시켜 가열압축시키는 가열압축단계(S3)와 상기 가열압축단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 회수하는 코팅지회수단계(S4)와, 상기 코팅지회수단계를 거친 복합재료에서 수지필름을 분리한 후 경화된 복합재료를 권취시키는 마감단계(S5)로 이루어진다.

상기 강화섬유준비단계(S1)는 강도가 큰 섬유로 금속을 강화한 복합재로서, 이를테면 보런(boron) 섬유를 알루미늄박(箔)이나 티탄박(箔) 사이에 넣고 롤(roll)을 통과시킨 다음 고온로에서 확산 접착시키거나 섬유를 용융 금속 속으로 통과시켜 꺼냄과 동시에 재빨리 냉각하여 응고시킨 것이 사용되며, 상술한 것 이외에 섬유의 강도를 향상시킨 강화섬유이면 어느것이 사용되어도 무방하다.

상기 성형안내단계(S2)는 상기 안내롤러가 상,하로 일정간격을 유지하며 배치되어, 모터에 의해 구동되고 안내롤러들 사이에 상술한 코팅지 및 수지필름을 강화섬유화 함께 관통시킴과 아울러 상호 가압시키게 된다.

이때, 상기 코팅지와 상기 수지필름은 상호 부착된 상태에서 상기 안내롤러로 공급되어 상기 강화섬유와 함께 압착되어 상호 고정된다.

여기서, 상기 코팅지는 일면에 접착층이 마련되어 상기 수지필름에 부착된다. 배치순서로는 강화섬유에 순차적으로 수지필름과 코팅지가 배치되며, 접착층이 없는 면이 상기 안내롤러 및 후술된 발열롤에서 맞닿아 달라붙는 것을 방지하게 된다.

상기 가열압축단계(S3)는 코팅지와 수지필름이 부착되고 압축된 강화섬유를 한쌍의 발열롤러가 마련된 챔버로 인입시켜 가열압축시키는 단계로서, 발열롤러 사이로 이동하면서 강화섬유와 코팅지 및 수지필름이 압착되면서 열기에 의해 압축되면서 상호 융착고정되어 복합재료를 형성시키게 된다.

이때, 상기 발열롤러는 내부에 히터가 내장되어 발열되며, 다르게는 챔버 내부에 히터를 마련하여 내부온도를 높임으로서, 강화섬유와 코팅지 및 수지필름이 상호 융착되도록 하는 것도 가능하다.

여기서, 상기 발열롤러는 모터에 의해서 구동되며 바람직하게는 상기 안내롤러들 사이의 간격보다 밀착되게 상기 발열롤러들의 사이 간격을 유지하여 가열압축되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 코팅지회수단계(S4)는 상기 챔버에서 가열압축된 복합재료에서 코팅지를 분리하는 단계이다. 상기 마감단계(S5)는 코팅지가 분리된 복합재료를 권취시킴과 아울러 수지필름을 분리시키는 단계이다.

이때, 상기 코팅지는 최소 이동되는 복합재료의 단부에서 작업자가 코팅지를 분리하여 회수롤러에 연결한 후 모터로 회수롤러를 회전시켜 코팅지가 회수되도록 하는 것이 바람직하며, 다르게는 회수되는 슬릿장치를 별도로 설치하여 코팅지가 회수되도록 하는 것도 가능하다.

상기에서는 강화섬유의 일면에 코팅지와 수지필름을 배치한 후 안내롤러로 1차 압축한 후 챔버에 투입하여 가열압축함으로서, 수지필름 및 강화섬유가 일부용융되어 상호 압축융착되도록 하여 복합재료를 형성시키는 것으로 설명하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 상기 성형안내단계(S2)에서는 상기 강화섬유의 양면에 코팅지와 수지필름이 부착한 후 상기 챔버에 인입되도록 함으로서, 양면에 수지필름과 코팅지가 부착된 복합재료를 형성시키는 것도 가능하다.

또한, 상기 마감단계(S5)에서는 상기 수지필름의 양면에 부착된 코팅지를 제거하고, 상기 복합재료의 양면에 부착된 수지필름 중 어느하나만 제거되도록 함으로서, 일면은 압축된 강화섬유로 다른면은 부착된 수지필름면으로 이루어지게 됨으로서, 사용범위와 적용범위가 넓어지게 된다.

상기와 같이 강화섬유에 순차적으로 성형안내단계(S2), 가열압축단계(S3), 코팅지회수단계(S4) 및 마감단계(S5)를 거치면서, 강화섬유를 이용하여 강도와 마모효율을 향상시키게 되고 대량생산이 가능하게 되는 복합재료 생산할 수 있게 된다.

상기 가열압축단계(S3) 이후에는 가열압축된 복합재료가 한쌍의 냉각롤러 사이에 안내되면서 압축시키는 냉각압축단계(S3-1)가 더 마련된다.

즉, 가열되어 챔버에서 배출되는 복합재료를 신속하게 건조시키도록 전기에 의해 냉각되는 쿨부재나 냉각수를 유동되게 설치되는 냉각롤러들 사이에 관통하며 재차 압축함과 아울러 냉각되도록 함으로서, 변형을 줄이고 일정한 형태를 유지시킴과 아울러 냉각에 따른 대기시간이 필요없이 바로 다른 공정을 진행할 수 있게 된다.

S1 : 강화섬유준비단계
S2 : 성형안내단계
S3 : 가열압축단계
S3-1 : 냉각압축단계
S4 : 코팅지회수단계
S5 : 마감단계

Claims (4)

1. 강화섬유를 준비하는 강화섬유준비단계;
   코팅지와 수지필름이 권취된 공급롤러에서 코팅지와 수지필름을 공급받아 상기 감화섬유와 함께 안내롤러들 사이로 인입시키는 가압안내하는 성형안내단계;
   상기 성형안내단계를 거친 복합재료를 한쌍의 발열롤러가 마련된 챔버로 인입시켜 가열압축시키는 가열압축단계;
   상기 가열압축단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 회수하는 코팅지회수단계; 및
   상기 코팅지회수단계를 거친 복합재료에서 코팅지를 분리한 후 경화된 복합재료를 권취시키는 마감단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열압축단계 이후에는 가열압축된 복합재료가 한쌍의 냉각롤러 사이에 안내되면서 압축시키는 냉각압축단계가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형안내단계에서는 상기 강화섬유의 양면에 코팅지와 수지필름이 부착한 후 상기 챔버에 인입되도록 하는 것을 특징으로 하는 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 마감단계에서는 상기 수지필름의 양면에 부착된 코팅지를 제거하고, 상기 상기 복합재료의 양면에 부착된 수지필름 중 어느하나만 제거하도록 된 것을 특징으로 하는 열경화성수지를 활용한 복합재료 제조방법.
   
   

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