KR20160090305A - 섬유를 함침하여 프리프레그를 형성하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

섬유를 함침하여 프리프레그를 형성하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

프리프레그(22)를 형성하기 위하여 경화성 수지로 섬유질 재료를 함침하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 이동식 지지 표면과 이동식 압력 롤러(54) 사이에 형성된 하나 이상의 이동식 압력 닙을 통하여 웨브 재료를 이송하는 단계를 포함하고, 이동식 압력 롤러(54)와 이동식 지지 표면은 서로에 대해 상이한 속도로 이동하여 압력 닙과 웨브 재료 사이에 상대 속도(Vrel)가 야기된다. 하나 이상의 이동식 압력 닙은 경화성 수지로 섬유질 재료의 함침을 수행하고 웨브 재료를 압축하기에 충분한 압력을 인가하면서 웨브 재료와 동일한 방향으로 이동한다. 또한, 개시된 함침 방법을 실시하기 위한 시스템이 개시된다.

Description

섬유를 함침하여 프리프레그를 형성하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR IMPREGNATING FIBERS TO FORM A PREPREG}
프리프레그 복합 재료는 다양한 고-성능 구조물, 예컨대 항공기 및 자동차 부품 및 스포츠 장비(예를 들어, 낚싯대, 골프 클럽 샤프트, 배드민턴 라켓, 테니스 라켓 등) 내에서 폭 넓게 사용된다. 프리프레그는 매트릭스 수지, 전형적으로 열경화성 수지로 사전-함침된 섬유 보강물이다. 섬유는 프리프레그 재료에 의해 지지되는 하중의 대부분을 지탱하는 매트릭스 수지를 보강하고 동시에 수지 매트릭스는 또한 잘린 섬유로부터 손상되지 않은 섬유로 하중을 전달하고 프리프레그 재료에 의해 지지되는 하중의 작은 부분을 지탱한다. 이 방식으로, 프리프레그 재료는 매트릭스 수지 또는 섬유가 단독으로 지지할 수 있는 것보다 더 큰 하중을 지지할 수 있다. 게다가, 특정 기하학적 형상 또는 배향으로 보강 섬유를 맞춤구성함으로써, 복합 재료가 강도를 최대화하면서 중량과 부피를 최소화하도록 효과적으로 설계될 수 있다.
프리프레그는 매트릭스 수지로 직물 또는 연속적인 섬유의 웨브를 함침함으로써 제조될 수 있고 이에 따라 재료의 유연하고 점착성 시트가 형성된다. 함침 중에, 보강 섬유는 제어 방식으로 매트릭스 수지로 함침된다. 섬유의 정밀 사양(precise specification), 이의 배향 및 수지 매트릭스의 배합물은 프리프레그의 의도된 사용을 위해 최적의 성능을 구현하도록 특수화될 수 있다. 또한, 제곱 미터당 섬유의 중량은 요구 조건에 따라 특수화될 수 있다.
용어 "함침하다"는 섬유를 수지로 부분적으로 또는 완전히 캡슐화하도록 매트릭스 수지를 보강 섬유에 주입하는 것을 지칭한다. 함침 공정은 섬유 베드의 표면에 그리고 섬유 베드 내에서 수지의 양을 제어한다. 게다가, 수지 함침 수준은 마무리된 복합 부분을 조립하기 위해 사용된 방법 및 부분의 품질에 영향을 미친다. 프리프레그 제조용 매트릭스 수지는 수지 필름 또는 액체의 형태를 취할 수 있다. 전형적으로, 함침은 열 및/또는 압력의 적용에 의하여 촉진될 수 있다. 프리프레그 제조 공정으로부터 제조된 결과적인 프리프레그는 비경화 또는 경화성 상태이고(즉, 경화되지 않음), 수지의 중합을 억제하기 위해 동결될 수 있다. 프리프레그로부터 복합 부분을 제조하기 위하여, 냉각된 프리프레그가 실온으로 해동되고 소정 크기로 절단되며 다양한 방법, 예컨대 핸드 레이업(hand layup), 자동식 테이프 레이업(ATL; Automated Tape Layup), 및 개선된 섬유 배치(AFP; Advanced Fiber Placement)를 통하여 몰딩 공구 상에서 조립된다. 각각의 조립 방법에 대한 프리프레그 재료는 다양한 함침 수준 및 다양한 점착 수준을 필요로 한다. "점착" 수준은 얼마나 잘 프리프레그들이 서로에 대해 그리고 공구 표면에 접착되는지를 지칭한다. 예를 들어, 핸드 레이업의 경우, 점착의 더 큰 요구 및 높은 수준의 함침에 대한 요구가 덜하고, AFP의 경우 섬유 베드는 상당히 높은 수준의 함침을 요구한다. 제 위치에 배치되면, 프리프레그는 최소의 공극으로 필요한 섬유 부피 분율을 달성하기 위하여 압력 하에서 압밀 및 경화된다.
현재에는, 연속적인 섬유 재료를 함침하기 위한 많은 종래의 방법이 정압-인가 기구의 사용을 수반한다. 예를 들어, 롤러 닙은 연속적인 웨브가 정적 닙을 통해 이동하는 중에 공간 내의 고정된 위치로부터 압력을 공급하기 위해 사용된다. 이들 종래의 공정은 일반적으로 두꺼운 수지 필름 및 섬유 재료의 고 함침을 위해 1 내지 4 m/분의 웨브 속도로 제한된다. 이 공정은 또한 이의 작동 온도에 제한되는데 이는 더 높은 온도가 열가소성 수지의 경우에 스웰링(swelling) 또는 수지의 조기 경화에 따른 위험성을 야기하는 경향이 있기 때문이다. 본질적으로, 프리프레그 분야(prepreg world)에 종속되는 것은 다시의 법칙(Darcy's law)에서 제시된 기본적인 물리적 제한 사항이며, 유체 유동 속도는 제공된 압력, 몸체의 두께, 당해 몸체의 투과성 및 유체의 점성의 함수이다. 탄소 섬유 웨브의 경우에, 몸체는 동적 투과성을 가지며 유체는 동적 점성, 즉 전단 속도와 온도에 따라 변화하는 점성을 갖는다. 이 법칙이 능가될 수는 없다. 상이한 섬유 재료, 상이한 수지, 상이한 압력 및 웨브 속도 모두는 함수의 형태 및 이동을 변화시키지만 이 법칙은 변화시키지 않는다. 특정 압력과 온도 하에서의 정적 닙 또는 벨트가 항시 재료의 제조 속도를 제한할 것이다. 웨브가 너무 빠르게 이동하는 경우, 정적 닙은 섬유 웨브 내로 수지를 충분히 압축하지 못할 수 있다. 수지에 가해진 온도가 너무 높으면, 재료는 뒤틀리고 파괴될 것이며, 너무 낮으면 수지를 섬유 웨브 내로 압축하기 위한 힘이 충분하지 못하다.
전술된 문제점을 고려하여, 함침 수준의 제어를 희생시키지 않고 프리프레그 제조 속도를 증가시킬 수 있는 개선된 수지 함침 기술에 대한 요구가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상대 속도 함침 기술의 일반적인 사상을 도시하는 도면이다.
도 2는 함침을 수행하기 위하여 정압 닙을 적용하는 종래의 기술을 도시하는 도면이다.
도 3은 함침 중에 적용된 압력 닙과 이동식 웨브 재료 사이의 상대 속도(Vrel)와 압력-시단 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4는 프리프레그 제조 시스템의 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 5는 웨브 재료에 대해 아이들러 롤러를 압축하기 위한 정압 도포기의 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 6은 웨브 재료에 대해 아이들러 롤러를 압축하기 위한 정압 도포기의 또 다른 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 7은 이동식 웨브 재료에 대해 압력을 인가하는 실시 형태에 따른 정압 도포기 하에서 롤러 체인 전진을 도시하는 도면이다.
개선된 수지 함침 기술 - 본 명세서에서 RSI(relative speed impregnation)로 지칭됨 - 을 이용한 프리프레그 제조 방법이 본 명세서에서 개시된다. 본 명세서에서 개시된 함침 기술은 섬유질 재료가 매트릭스 수지 내에 매립되는 연속적인 프리프레그를 제조하기 위하여 하나 이상의 수지 필름이 연속적인 섬유질 웨브의 각각의 상부 및 하부 표면에 대해 압축되는 수지 필름 함침에 관한 것이다. 섬유질 웨브는 보강 섬유로 구성되고 일방향 섬유 또는 직물(직포 또는 부직포)의 형태일 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 용어 "함침"은 매트릭스 수지로 섬유를 부분적으로 또는 완전히 캡슐화(encapsulate)하기 위하여 경화성 매트릭스 수지를 보강 섬유에 주입하는 것을 지칭한다.
RSI 기술의 목적은 목표 함침 수준을 구현하기 위하여 적어도 섬유 베드 뒤틀림 및 최소 압력으로 최대 프리프레그 제조 속도를 구현하는 데 있다. 이를 위해, 이동하는 웨브의 방향과 동일한 방향으로 그리고 압력이 제2 속도(Vn)로 이동하는 하나 이상의 이동식 압력 닙에 의해 인가되면서 수지-섬유 재료의 웨브가 함침 구역을 통하여 대개 "선속(line speed)"으로 불리는 제1 속도(Vw)로 이동하도록 함침 구역 형상이 설계된다. 이동식 압력 닙은 웨브 재료를 지지하는 이동식 표면과 이동식 압력 롤러 사이에 형성된다. 이동식 표면은 웨브 재료의 접촉 표면에 대한 마찰력을 감소시키도록 구성된다. 선호되는 실시 형태에 따라서, 이동식 표면은 비교적 큰 단면 직경을 갖는 회전식 드럼의 일부이다. Vw 및 Vn은 지면 상의 고정 지점에 대한 작동 속도이다. Vw는 Vn과 상이하며, Vw와 Vn 사이의 차이는 웨브 재료와 압력 닙 사이의 상대 속도(Vrel)이다. 함침 수준은 상대 속도(Vrel)에 영향을 받는다.
도 1은 RSI 기술의 일반적인 사상을 도시한다. 이 도면에서, 웨브 재료(W)(2개의 수지 필름들 사이에 개재된 층 보강 섬유로 구성됨)는 21 m/분의 선속으로 이동하는 동시에 압력이 롤러(1, 2)들 사이에 형성된 이동식 압력 닙에 의해 인가되고, 각각의 롤러는 이의 자체 중심 축 주위에서 회전한다. 압력 닙은 18 m/분의 속도로 웨브 재료(W)의 방향과 동일한 방향으로 이동한다. 이는 웨브 재료(W)와 이동식 압력 닙 사이의 상대 속도(Vrel)가 3 m/분인 것을 의미한다. 이와 같이, 웨브 재료의 선속(즉, 제조 속도)은 상대 속도(Vrel)의 7배이다. 본 명세서에서 언급된 바와 같이 선속 속도들은 회전속도계(tachometer)와 같은 종래의 속도 감지 장치를 이용하여 측정될 수 있다.
대조적으로, 종래의 프리프레그 제조 방법은 전형적으로 도 2에 도시된 바와 같이 함침을 구현하기 위하여 정압 닙(static pressure nip)을 적용하는 것을 포함한다. 도 2에서, 롤러(1, 2)에 의해 형성된 압력 닙은 웨브 재료가 닙을 통과함에 따라 정지 상태이다(즉, 속도는 0 m/분임). 이 경우에, 웨브 재료의 선속은 상대 속도(Vrel)와 동일하고, 이에 따라 웨브 재료의 선속은 상대 속도(Vrel)에 제한된다. 이와 같이, RSI 기술에서와 같이 3 m/분의 Vrel에서 동일 수준의 함침을 달성하기 위하여 웨브 재료의 선속이 3 m/분으로 제한된다.
RSI 공정의 이점은 함침의 물리적 성질이 웨브 재료의 선속으로부터 분리되어 정압 닙 또는 벨트를 사용하는 종래의 함침 방법에 비해 함침의 동일 수준에서 상당히 더 높은 프리프레그 제조 속도를 가능하게 하는데 있다. 이들 종래의 방법은 일반적으로 상당히 큰 힘 및 복잡한 제어 시스템을 필요로 한다.
함침을 제공하기 위하여, 압력-시간(pressure-at-time), 즉 웨브 재료에 적용된 압력(너무 높거나 또는 낮지 않음)과 저속에 의해 제공되는 시간이 요구된다. 압력-시간은 P/Vrel(상대 속도(Vrel)로 웨브 재료에 인가된 선형력(P)을 나눔)로 계산될 수 있고, kg/m/s와 동등한 파스칼-초(Paㆍs)의 단위로 측정될 수 있다. 선형력(P)은 웨브 재료의 폭을 따라 측정되는, 압력 롤러(도 1에서 상부 롤러(1))에 의해 가해지는 하향력/선형 폭(예를 들어 파운트/인치(PLI) 또는 뉴튼/미터(N/m))이다. 압력-시간과 상대 속도(Vrel) 간의 관계는 도 3에 도시된 바와 같이 쌍곡선이다. Vrel이 감소함에 따라 압력-시간은 급격히 증가한다. 함침 수준이 압력-시간에 따라 상승된다. 이와 같이, Vrel을 가능한 낮게 유지하는 것이 선호될 수 있다. 최적의 Vrel은 수지 특성(예를 들어, 점성)과 섬유 재료의 투과성(예를 들어, 섬유 층 내의 개구 또는 공극, 섬유들 간의 간격/간극 등)에 종속된다.
선호되는 실시 형태에 따라서, RSI 공정은 요구된 수준의 함침, 예를 들어 최대 100%의 함침 수준을 달성하기 위하여 특정 실시 형태에서 최대 10 MPaㆍs, 또는 최대 7 MPaㆍs의 압력-시간을 인가하는 하나 이상의 이동식 압력 닙을 갖는 함침 조립체를 통하여 웨브 재료(2개의 수지 필름들 사이에 개재된 섬유 층으로 구성됨)를 이동시킴으로써 실시된다. 이 문헌에서 압력-시간은 전체 함침 조립체에 의해 적용되는 것을 지칭한다. 함침의 수준은 수지가 섬유 층의 두께를 통하여 어느 정도까지 침투되는지를 지칭한다. 수지가 섬유 층의 전체 두께를 통해 침투되면, 이 내의 모든 간극/간격/개구가 충전되고, 섬유 층의 중심에는 실질적으로 무-수지 영역이 없고, 그 뒤에 100% 또는 최대 함침이 달성된다. 함침이 웨브 재료의 선속으로부터 분리되기 때문에, 선속은 단지 제조 설비의 크기에 의해서만 제한된다. 예시로서, 정적-닙 장치, s-랩, 또는 압력 벨트를 사용하는 종래의 함침 방법에서 두꺼운 섬유 베드를 포함한 고점성 웨브 재료의 선속은 최대 15 피트/분(3 m/분)일 수 있고, 동시에 RSI 공정은 10 초과의 폴드에 의해 선속을 증가시킬 수 있다.
RSI 공정을 실시하기 위한 수단을 갖는 프리프레그 제조 시스템의 실시 형태가 도 4에 도시된다. 도 4를 참조하면, 프리프레그 제조 공정은 섬유 공급 유닛(10)으로부터 섬유 스프레딩 섹션(fiber spreading section, 12)으로 연속적인 섬유 번들(11)를 이송시킴으로써 개시된다. 섬유 공급 유닛(10)은 섬유 번들을 와인딩하기 위한 복수의 스풀 및 스풀을 지지하기 위한 크릴(creel)을 포함한다. 각각의 섬유 번들은 복수의 섬유 필라멘트로 구성된다. 섬유 스프레딩 섹션(12)은 섬유를 수지 필름과 접촉시키기 전에 섬유 번들을 펼치기 위한 적합한 수단이 장착된다. 이와 같이, 펼쳐진 섬유들은 인접한 필라멘트들 간에 작은 간격이 있는 상태에서 일방향으로 정렬된 섬유 필라멘트의 시트로 보인다. 가이드 롤러는 섬유 번들을 유도하고 내부에서 필요한 인장력을 제공하기 위하여 섬유 번들의 이동 경로를 따라 배치된다. 섬유 스프레딩 섹션(12)으로부터의 펼쳐진 섬유 필라멘트가 그 뒤에 롤러(14)의 도움으로 상부 수지 필름(13a) 및 하부 수지 필름(13b)과 조합되어 섬유 필라멘트가 2개의 수지 필름들 사이에 개재된다. 각각의 수지 필름은 이의 자체 공급 롤로 공급되고 섬유 필라멘트와 접촉하지 않는 이의 표면은 이형지로 덮인다. 생성된 웨브 재료(15)가 다음에 예비-가열 롤(18)을 둘러싸는 단열 챔버(17), 회전식 드럼(19), 링킹 아이들러 롤러의 엔드리스 롤러 체인(20), 및 단열식 칠 롤(chill roll, 21)을 포함하는 함침 구역(16)을 통해 이송된다.
예비-가열 롤(18)은 드럼(19)의 업스트림 및 합침 구역의 개시부에 배치된다. 합침 구역(16)에 유입되기 전에, 수지 필름은 고체 상태이고 이의 고형화된 상태를 유지하기 위해 보관 중에 냉온으로 유지될 수 있다. 웨브 재료(15)가 챔버(17)에 유입된 바로 직후에, 예비가열 롤(18)이 수지 점성을 감소시키기에 충분한 정도로 웨브 재료에 열을 가하고 이에 따라 수지가 수지의 상당한 경화를 야기하기에 충분히 높지 않게 연화된다.
챔버(17)는 웨브 재료, 드럼(19), 롤러 체인(20)에 대한 온도 데이터뿐만 아니라 챔버(17)에 유입되고 이로부터 빠져나가는 웨브 재료의 인장력을 제공하기 위하여 챔버(17)의 측벽 상에 장착된 적합한 온도 제어 기구(도시되지 않음), 예를 들어 적외선 센서가 설치된다. 일 실시 형태에 따라서, 챔버(17) 내에서의 온도는 대부분의 상용 입수가능 수지 시스템에 대해 충분한 50°C 내지 120°C의 범위 내에서 유지될 수 있다. 함침 중에, 수지는 섬유 필라멘트들 사이의 간극/간격 내로 침투된다. 수지 점성은 웨브 재료가 챔버(17) 내의 온도 제어 기구의 도움으로 전체 함침 구역을 통과함에 따라 고정 및 원하는 수준으로 유지된다. 일 실시 형태에 따라서, 함침 중에 수지의 점성은 목표 수지 시스템에 종속되지만 0.03 Paㆍs 내지 7000 Paㆍs의 범위일 수 있다.
드럼(19)은 함침 중에 웨브 재료에 대한 이동식 지지 표면을 제공하고 웨브 재료가 통과하는 이동식 압력 닙을 형성하기 위해 롤러 체인(20)과 협력한다. 웨브 재료는 드럼이 회전함에 따라 드럼의 외부 표면의 일부 주위에 감겨진다. 드럼(19)의 큰 단면 직경은 가능한 최소 크기의 곡률로 닙 압력을 취급하기 위한 물리적 플랫폼을 제공한다. 롤러 체인(20)은 웨브 재료의 이동 방향에 대해 가로방향으로 연장된 길이를 포함한 신장된 원통형 몸체를 갖는 일련의 밀접 이격된 아이들러 롤러를 이동시키도록 구성되며, 각각의 아이들러 롤러는 이의 자체 축 주위에서 자유롭게 회전할 수 있다. 아이들러 롤러는 적합한 링킹 기구에 의해 서로 링크연결되고, 예를 들어 각각의 아이들러 롤러는 연결 링크의 엔드리스 체인 내에서 대응 링크에 연결된 일 축방향 단부에 핀(연결 기구)을 가질 수 있다. 롤러 체인(20)은 적합한 체인 드라이브에 의해 회전된다. 체인(20) 내의 아이들러 롤러의 개수는 힘 및 웨브 압력의 요구된 수준, 원하는 웨브 폭 및 상응하는 편향 요구와 같은 인자에 따라 변화할 수 있다.
작동 중에, 롤러 체인(20)은 드럼(19)의 회전 방향과 상반된 방향으로 회전하고 동시에 롤러 체인(20) 내의 아이들러 롤러의 일부가 드럼의 외부 표면의 일부에 대해 그리고 이들 사이를 이동하는 웨브 재료에 대해 압축되어 속도(Vn)로 이동하는 복수의 압력 닙이 형성된다. 적합한 구동 모터에 의해 구동되는 드럼(19)의 회전 속도는 웨브 재료가 함침 구역(16)을 통하여 이동함에 따라 웨브 재료의 선속(Vw)과 동일하고, 체인 롤러(20)의 회전 속도는 이동식 압력 닙의 속도(Vn)와 동일하다. 이와 같이, 웨브 재료는 함침을 구현하기 위하여 체인(20) 내의 이동식 아이들러 롤러와 회전식 드럼(19)의 외부 주변 표면에 의해 압축된다. 전술된 바와 같이, 웨브 재료의 선속(Vw)은 웨브 재료가 합침 구역(16)을 통하여 이동함에 따라 소정의 상대 속도(Vrel)가 정해질 수 있도록 롤러 체인(20)과 드럼(19)에 의해 형성된 이동식 압력 닙의 속도(Vn)와 상이하고, 여기서 Vrel = Vw - Vn이다. 이 장치에 의해, 최대 10 MPaㆍs의 압력-속도가 구현될 수 있다. 이 문헌에서 압력-시간은 체인 롤러(20)와 드럼(19) 사이에 형성된 압력 닙에 의해 적용되는 것으로 지칭된다.
도 4를 언급하면, 칠 롤(21)이 개별 단열 격실 내에서 드럼(19)으로부터 다운스트림에 배치되고, 함침 시에 고정되고 수지 점성을 증가시키기에 충분히 웨브 재료의 온도를 낮추도록 구성된다. 함침 구역(16)에서 빠져나가는 냉각된 웨브 재료는 설정 두께 및 고형화된 수지 성분을 갖는 프리프레그(22)이다. 프리프레그(22)가 함침 구역(16)에서 빠져나간 후에, 프리프레그(22)의 일 측면 상의 이형지(23)가 벗겨지고 그 뒤에 프리프레그(22)는 와인딩 롤(24)에 의해 권취된다. 아이들링 롤러가 드럼(19)의 외부 표면과 접촉함에 따라 아이들러 롤러에 압력 하중을 인가하기 위한 기구는 설비 설계에 따라 변화할 수 있다. 일부 예시가 도 5 및 도 6에 도시된다. 도 5는 정압 도포기를 이용하여 롤러 체인(20) 내의 아이들러 롤러에 연결된 체인 링크 상으로 하향 압축하기 위한 실시 형태를 도시한다. 도 5를 언급하면, 롤러 체인(20) 내에서 아이들러 롤러(51)는 엔드리스 링크 체인의 일부인 대응 링크(52)에 연결된 이의 축방향 단부에 샤프트 아이들러(51a)를 갖는 것으로 도시된다. 정압 도포기는 압력 롤러(54)의 움직임을 위 또는 아래로 구동하기 위하여 압력 롤러(54)에 연결된 피스톤(53)을 포함한다. 압력 롤러(54)는 이의 자체 축 주위에서 자유롭게 회전가능하고 체인 링크(52)와 결합 접촉하고 이 결합 접촉으로부터 벗어나게 이동하도록 구성된다. 피스톤(53)은 압력 롤러(54) 상에 배치되고 압력을 방출하거나 또는 체인 링크(52) 상으로 하향으로 필요한 압력을 제공하도록 제어된다.
도 6은 정압 도포기를 사용하여 아이들러 롤러에 연결된 체인 링크 상으로 강하하기 위한(pulling down) 실시 형태를 도시한다. 이 실시 형태에서, 체인 링크(52)와 결합하기 위한 압력 롤러(54)가 아이들러 롤러(51) 아래에 배치된 연장 암(56)을 통하여 피스톤(55)에 연결된다. 연장 암(56)과 함께 압력 롤러(54)의 운동은 피스톤(55)에 의해 구동된다. 이 장치에 의해, 압력 롤러(54)는 피스톤(55)에 의해 체인 링크(52)와 결합 접촉하도록 강하될 수 있거나 또는 이로부터 이격되도록 들어올려질 수 있다.
도 5 또는 도 6에 도시된 타입의 복수의 압력 도포기는 단지 아이들러 롤러(예를 들어, 모든 다른 아이들러 롤러)와 선택된 접촉을 하거나 또는 롤러 체인(20)과 드럼(19) 사이를 통과하는 웨브 재료와 접촉하는 롤러 체인(20) 내의 각각의 아이들러 롤러와 결합하도록 드럼(19)을 대향하는 롤러 체인(20)의 섹션에 인접하게 배치될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 체인 아이들러 롤러가 겪는 압력이 하나의 아이들러 롤러로부터 다음의 아이들러 롤러로 매끄럽게 전달되도록 정압 도포기의 어레이(도 5에 도시된 타입)가 드럼(19)에 걸쳐 압력을 인가하기 위하여 롤러 체인(20)과 협력하는 실시 형태에서의 롤러 체인 전진을 도시한다. 도 7a 내지 도 7c 각각은 롤러 체인 전진 시에 상이한 시간에서의 스냅샷을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 아이들러 롤러 상의 하중을 측정하기 위하여, 로드 셀(load cell)이 이용될 수 있거나 또는 유압/공압이 롤러의 로딩 시스템으로부터 유도될 수 있다.
도 4에 도시된 제조 시스템의 다양한 변형이 고려되는 것으로 이해되어야 한다. 대안의 실시 형태에서, 크릴-수용 유닛(10)과 스프레더 섹션(12)은 연속적인 자가-지지 직물 웨브를 공급하기 위한 기구로 대체된다. 자가-지지 직물 웨브는 보강 섬유로 구성된 직포 또는 부직포(예를 들어, 비-주름 직물)일 수 있다.
게다가, 도 4는 상부 수지 필름과 하부 수지 필름이 각각 섬유 웨브의 상부 및 하부 표면에 대해 압축되어 섬유 웨브가 2개의 수지 필름들 사이에 개재되는 2-필름 함침 방법을 도시한다. 그러나, 동일한 제조 시스템이 함침 중에 추가 수지 필름을 혼입시키기 위해 변형될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예시로서, 추가 함침 구역이 함침 구역(16)으로부터 다운스트림으로 추가될 수 있고 추가 수지 필름이 수지 필름(13a, 13b)을 도포하기 위한 동일한 방식이지만 함침 구역(16)으로부터 빠져나가는 웨브 재료의 양 측면으로부터 이형지의 제거 상태에서 함침 구역(16)으로부터 빠져나가는 함침된 웨브 재료의 상부 표면 및 하부 표면 둘 모두에 도포될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 RSI 공정은 웨브 재료와 닙이 빠르게 이동할지라도 웨브 재료가 더 오랜 기간 동안에 압력을 겪도록 웨브 재료와 함께 압력점(즉, 닙)을 이동시킴으로써 제조 속도로부터 수지 침투 속도(압력, 점성 및 시간 제한)를 분리시킨다. 종래 기술에 공지된 바와 같이 제2 벨트 또는 평평한 플레이트 대신에 도 4에 도시된 바와 같이 회전식 드럼의 사용은 이형지를 찢을 수 있는 정적 플레이트 마찰과 상부 및 하부 롤 정렬과 연계된 곤란성을 배제한다.
프리프레그를 제조하기 위한 보강 섬유는 연속 섬유, 토우(tow), 또는 자가-지지 직포 또는 부직포의 형태를 취할 수 있다. 섬유 구조물은 복수의 토우를 포함할 수 있고, 각각의 토우는 다수의 필라멘트, 예를 들어 3000 내지 12000개의 필라멘트로 구성된다. 부직포는 토우가 교차-토우 스티치(cross-tow stitch), 위사-삽입 니팅 스티치(weft-insertion knitting stitch), 또는 열가소성 수지와 같은 소량의 수지 결합제에 의해 제 위치에 고정될 수 있는 비-주름 직물을 포함할 수 있다.
섬유 재료에는 유리(전기 또는 E-유리 포함), 탄소, 흑연, 아라미드, 폴리아미드, 고강도 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤족사졸(PBO), 붕소, 석영, 현무암, 세라믹, 및 이들의 조합이 포함되지만 이에 제한되지 않는다. 고강도 복합 재료의 제조를 위하여, 예를 들어 항공우주 및 자동차 적용분야를 위하여, 보강 섬유가 3500 MPa 초과의 인장강도를 가지는 것이 바람직하다.
일반적으로, 보강 섬유를 함침하기 위한 매트릭스 수지는 경화 전 또는 후에 수지 매트릭스의 특성을 변경시키기 위한 소량의 첨가제, 예컨대 경화제, 촉매, 공단량체, 유변성 제어제, 점착제, 유변성 조절제, 무기 또는 유기 충전재, 열가소성 또는 탄성 강인화제, 안정화제, 억제제, 안료/염료, 방염제, 반응성 희석제, 및 당해 분야의 숙련가에게 공지된 다른 첨가제와 조합으로 주 성분으로서 열경화성 또는 열가소성 수지를 함유하는 경화성 수지 시스템을 기반으로 한다.
열경화성 수지에는 에폭시, 불포화 폴리에스테르 수지, 비스말레이미드, 폴리이미드, 시아네이트 에스테르, 페놀류 등이 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일 실시 형태에서, 수지 매트릭스는 주요 중합체성 성분으로서 하나 이상의 다작용성 에폭시 수지(즉, 폴리에폭사이드)를 함유하는 에폭시-기초 수지 배합물이다.
적합한 에폭시 수지에는 방향족 디아민의 폴리글리시딜 유도체, 방향족 모노 일차 아민, 아미노페놀, 다가페놀, 다가 알코올, 폴리카르복실산이 포함된다. 적합한 에폭시 수지의 예에는 비스페놀 A, 비스페놀 F, 비스페놀 S 및 비스페놀 K와 같은 비스페놀의 폴리글리시딜 에테르; 및 크레졸 및 페놀계 노볼락의 폴리글리시딜 에테르가 포함된다.
경화제(들) 및/또는 촉매(들)의 첨가는 매트릭스 수지의 경화 속도를 증가시키거나 및/또는 경화 온도를 저하시킬 수 있다. 열경화성 수지를 위한 경화제는 공지된 경화제, 예를 들어, 구아니딘(치환된 구아니딘 포함), 우레아(치환된 우레아 포함), 멜라민 수지, 구아나민 유도체, 아민(일차 및 이차 아민 포함, 지방족 및 방향족 아민), 아미드, 무수물(폴리카복시산 무수물 포함), 및 이들의 혼합물으로부터 적절하게 선택된다.
매트릭스 수지에는 강인화제, 예컨대 열가소성 및 탄성중합체성 중합체, 및 중합체성 입자, 예컨대 코어-쉘 고무 입자, 폴리이미드 입자, 및 폴리아미드 입자가 포함될 수 있다. 매트릭스 수지에는 또한 무기 충전재, 예컨대 흄드 실리카, 석영 분말, 알루미나, 판상 충전재 예컨대 운모, 활석 또는 점토(예를 들어, 카올린)가 포함될 수 있다.
프리프레그 제조용 수지 필름을 형성하기 위하여, 매트릭스 수지가 액체 형태로 제조될 수 있고 그 뒤에 적합한 면적 중량의 필름을 형성하기 위하여 이형지(즉, 캐리어) 상으로 코팅될 수 있다. 건조 이후에, 수지 필름이 그 뒤에 공급 롤 상으로 감겨진다.
예시
예시로서, 12.5 인치의 폭을 갖는 프리프레그가 하기 매개변수를 기초로 도 4에 도시된 함침 시스템을 이용하여 에폭시-계 수지 필름(예를 들어, 사이텍 인더스트리스 인코포레이티드(Cytec Industries Inc)로부터의 CYCOM 977-3; 측면 당 35 gsm의 필름 면적 중량)으로 일방향성 탄소 섬유의 층을 함침함으로써 제조될 수 있다:
선속 = 15 m/분 (또는 50 fpm)
압력-시간 = 7 MPaㆍs
예비-가열 롤에서의 온도 = 120°C
함침 중에 수지 점성 = 3000 cP
칠 롤에서의 온도 = 25°C

Claims (22)

  1. 프리프레그를 형성하기 위하여 경화성 수지로 섬유질 재료를 함침하는 방법으로서,
    경화성 수지의 2개의 필름들 사이에 섬유질 재료의 층을 포함하는 연속적인 웨브 재료를 형성하는 단계,
    이동식 지지 표면과 이동식 압력 롤러 사이에 형성된 하나 이상의 이동식 압력 닙을 통하여 그리고 이동 경로를 따라 웨브 재료를 이송하는 단계를 포함하고,
    이동식 압력 롤러와 이동식 지지 표면은 서로에 대해 상이한 속도로 이동하여 압력 닙과 웨브 재료 사이에 상대 속도(Vrel)가 야기되며,
    하나 이상의 이동식 압력 닙은 경화성 수지로 섬유질 재료의 함침을 수행하고 웨브 재료를 압축하기에 충분한 압력을 인가하면서 웨브 재료와 동일한 방향으로 이동하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 이동식 압력 닙은 완전 함침을 구현하기 위하여 최대 10 MPaㆍs의 압력-시간을 인가하고, 압력-시간은 P/Vrel로 정의되고 여기서 P는 웨브 재료에 인가된 선형력인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 웨브 재료는 함침 중에 최대 10 MPaㆍs의 압력-시간을 구현하도록 구성된 복수의 이동식 압력 닙을 통하여 이송되는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 압력-시간은 함침 중에 최대 7 MPaㆍs인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 웨브 재료는 15 m/분 이상의 속도로 이동하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 웨브 재료는 100 m/분 이상의 속도로 이동하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 이동식 지지 표면은 외부 주변 표면을 갖는 회전식 드럼에 의해 제공되고, 웨브 재료는 함침 중에 드럼이 회전함에 따라 드럼의 외부 주변 표면의 일부 주위에 감겨지고, 하나 이상의 이동식 압력 닙은 롤러 체인 내의 일부 아이들러 롤러가 드럼의 주변 표면의 일부에 대해 그리고 이들 사이를 통과하는 웨브 재료에 대해 압축되면서 회전식 드럼의 회전 방향에 대해 상반된 방향으로 회전하는 링킹 아이들러 롤러의 엔드리스 롤러 체인에 이해 형성되는 복수의 이동식 압력 닙을 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 이동식 압력 닙을 통하여 이송되기 전에 웨브 재료는 경화성 수지의 점성을 낮추기 위해 가열되고 이에 따라 수지가 용융된 상태이며, 함침 이후에 웨브 재료는 이 내의 수지의 점성을 높이기 위해 냉각되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 웨브 재료의 가열은 웨브 재료의 이동 경로를 따라 회전식 드럼으로부터 업스트림에 배치된 예비-가열 롤에 의해 제공되고, 웨브 재료의 냉각은 회전식 드럼으로부터 다운스트림에 배치된 칠 롤에 의해 제공되는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 경화성 수지는 주 성분으로서 하나 이상의 열경화성 수지를 포함하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유질 재료의 층은 인접한 섬유들 사이에 작은 공간이 있는 상태에서 서로에 대해 평행하게 배열된 연속적인 일방향성 섬유를 포함하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유질 재료의 층은 연속적인 자가-지지 직물이 형태인 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유질 재료의 층은 유리 섬유, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 고강도 폴리에틸렌(PE) 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리-p-페닐렌-벤족사졸(PBO) 섬유, 붕소 섬유, 석영 섬유, 현무암 섬유, 세라믹 섬유, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 섬유를 포함하는 방법.
  14. 프리프레그 제조 시스템으로서,
    섬유질 재료의 연속 층을 공급하기 위한 섬유 공급 유닛,
    제1 수지 필름과 제2 수지 필름을 공급하기 위한 수단,
    섬유질 재료의 층의 하나의 표면 상에 제1 수지 필름을 배치하기 위한 수단 및 섬유질 재료가 제1 수지 필름과 제2 수지 필름 사이에 개재되도록 섬유질 재료의 층의 마주보는 표면 상에 제2 수지를 배치하기 위한 수단,
    섬유질 재료의 층 상으로 제1 및 제2 수지 필름을 배치하기 위한 수단으로부터 다운스트림에 있는 함침 구역을 포함하고, 상기 함침 구역은:
    (i) 함침 중에 웨브 재료를 지지하기 위한 이동식 지지 표면,
    (ii) 복수의 링킹 회전식 아이들러 롤러를 이동시키는 엔드리스 롤러 체인 - 롤러 체인의 일부는 이동식 지지 표면을 대향함 - ,
    (iii) 압력 닙을 형성하기 위하여 지지 표면에 대해 지지 표면을 대향하는 아이들러 롤러의 적어도 일부를 압축하기 위한 압력 도포기, 및
    (iv) 압력 닙을 통하여 그리고 이동 경로를 따라 웨브 재료를 이송하기 위한 수단을 포함하고,
    이동식 지지 표면은 작동 중에 제1 속도로 이동하도록 구성되고 롤러 체인은 이동식 지지 표면과 회전식 롤러 체인 사이에 상대 속도를 형성하기 위하여 제1 속도와 상이한 제2 속도로 회전하도록 구성되며, 롤러 체인과 지지 표면의 상대 운동은 지지 표면의 이동 방향과 동일한 방향으로 이동하는 압력 닙을 형성하는 프리프레그 제조 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 이동식 지지 표면은 롤러 체인의 회전 방향과 상반된 회전 방향으로 회전하도록 구성되는 회전식 드럼에 의해 제공되는 프리프레그 제조 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 회전식 드럼과 엔드리스 롤러 체인을 둘러싸는 챔버를 추가로 포함하는 프리프레그 제조 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 함침 구역은 함침 이전에 웨브 재료를 가열하기 위하여 압력 닙으로부터 업스트림에 그리고 웨브 재료의 이동 경로를 따라 배치된 예비-가열 롤, 및 함침 이후에 웨브 재료를 냉각하기 위하여 압력 닙으로부터 다운스트림에 배치된 칠 롤을 추가로 포함하는 프리프레그 제조 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 엔드리스 롤러 체인, 회전식 드럼, 예비-가열 롤, 및 칠 롤을 둘러싸는 챔버를 추가로 포함하고, 칠 롤은 상기 챔버 내의 단열 격실 내에 배치되는 프리프레그 제조 시스템.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유질 재료의 연속적인 층이 인접한 섬유들 사이에 작은 공간이 있는 상태에서 서로에 대해 평행하게 배열된 연속적인 일방향성 섬유 필라멘트를 포함하는 프리프레그 제조 시스템.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 공급 유닛은
    연속적인 섬유 번들이 주변에 감겨지는 복수의 스풀을 지지하는 하나 이상의 크릴 - 각각의 섬유 번들은 복수의 섬유 필라멘트를 포함함 - , 및
    하나 이상의 크릴로부터 다운스트림에 배치된 섬유 스프레딩 유닛 - 섬유 스프레딩 유닛은 연속적인 일방향성 섬유 필라멘트로 섬유 번들을 펼치도록 구성됨 - 을 포함하는 프리프레그 제조 시스템.
  21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 공급 유닛은 섬유질 재료의 연속적인 층으로서 연속적인 자가-지지 직물을 공급하도록 설치되는 프리프레그 제조 시스템.
  22. 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 함침 구역에서 빠져나가는 웨브 재료를 권취하기 위하여 함침 구역으로부터 다운스트림에 배치된 권취 섹션을 추가로 포함하는 프리프레그 제조 시스템.
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