KR20170078676A

KR20170078676A - 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 제조하는 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20170078676A
Application number: KR1020177012199A
Authority: KR
Inventors: 브리기터 리트비츠; 우버 브리저
Original assignee: 프로텍 폴리머 프로세싱 게엠베하
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-07-07
Also published as: KR102340456B1; CN107000336B; EP3215354A1; PL3215354T3; JP6792560B2; DE102014016289A1; CN107000336A; WO2016071266A1; JP2017533994A; EP3215354B1

Abstract

본 발명은, 10 내지 70 부피% 범위의 섬유 함량을 갖는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법으로서, 적어도 하나의 섬유 가닥(6)을 0.1 내지 5.0㎜ 범위의 개방 통로 높이를 갖는 흐름 채널(10)을 통해 안내하고, 확산 요소(9.1, 9.2, 9.3)에 의해 확산시키고, 10³ mPa s 내지 10⁸ mPa s 범위의 점도를 갖는 용융된 열가소성 플라스틱으로 함침시키는, 상기 방법에 관한 것이다. 함침 동안, 상기 흐름 채널 내에 있는 상기 적어도 하나의 섬유 가닥과 플라스틱 용융물에 진동이 인가된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.

Description

단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 제조하는 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 장치{METHOD FOR PRODUCING UNIDIRECTIONALLY FIBER-REINFORCED PLASTIC MATERIAL AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}

본 발명은, 10 내지 70 부피% 범위의 섬유 함량을 갖는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법으로서, 적어도 하나의 섬유 가닥을 0.1 내지 5.0㎜ 범위의 개방 통로 높이를 갖는 흐름 채널(flow channel)을 통해 안내하고, 확산 요소(spreading element)에 의해 확산시키고, 10³ mPa s 내지 10⁸ mPa s 범위의 점도를 갖는 용융된 열가소성 플라스틱으로 함침시키는(impregnated), 상기 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 가열 요소, 용융물을 공급하기 위한 압출기 연결부, 및 상기 섬유 가닥을 위한 적어도 하나의 확산 요소를 갖고, 상기 섬유 가닥의 함침이 일어나는 0.1 내지 5.0㎜ 범위의 개방 통로 높이를 갖는 흐름 채널로 적어도 하나의 섬유 가닥을 전달하기 위한 적어도 하나의 개구를 갖는 하우징, 및 상기 적어도 하나의 함침된 섬유 가닥을 배출하기 위한 출구 노즐을 포함하는, 섬유 재료를 연속적으로 함침시키는 장치에 관한 것이다.

미국 특허 4,439,387 및 미국 특허 5,277,566은, 섬유 가닥을 플라스틱으로 함침시키는 일반 방법 및 장치로서, 섬유 가닥들을 여러 방향으로 방향 전환시키고, 섬유들에 장력을 생성하며, 이 섬유 가닥들을 이격 확산시켜, 섬유들 사이의 중간 공간에 중합체가 접근할 수 있게 하는, 상기 방법 및 장치를 개시한다. 상기 장치는 대향하는 확산 요소들을 갖는 분리가능한 함침 삽입물(impregnation insert)을 구비하고, 이 대향하는 확산 요소들은 폐쇄된 상태에서 낮은 통로 높이와 갭 폭을 갖는 중합체 흐름 채널을 형성하고, 이 대향하는 확산 요소들로 전달되는 섬유 가닥에 주입된 중합체를 확산시켜 침투시킨다. 그러나, 이 방법은 민감한 섬유들이 상당한 기계적 및 열적 응력에 노출된다는 단점을 갖고 있다. 중합체 재료가 섬유에 균일하게 분포하려면 매우 상당히 확산되어야만 가능한데, 이는 매우 높은 응력과 관련되어 섬유에 손상을 야기하거나 또는 최악의 경우 섬유가 찢어짐으로 인해 생산 중단을 야기한다. 또한, 플라스틱 용융물의 점도는 가능한 한 낮게 유지되어야 하는데, 이는 고온에서 작업할 것을 요구한다. 그러나 그 결과 플라스틱에 노출되는 온도/시간 경험이 증가하는 것으로 인해 플라스틱은 때때로 손상되거나 적어도 그 특성이 변경된다.

본 발명의 기술적 목적

따라서, 본 발명의 목적은, 섬유 가닥, 심지어 상대적으로 두꺼운 섬유 가닥을 더 낮은 기계적 및 열적 부하 하에서 열가소성 플라스틱으로 함침시킬 수 있고 그럼에도 불구하고 높은 생산 속도로 연속적인 동작으로 경제적으로 수행될 수 있는 방법을 개발하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 본 방법을 수행하는 대응하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일반적인 설명

본 방법과 관련하여, 상기 언급된 목적은 함침 동안 흐름 채널 내에 있는 적어도 하나의 섬유 가닥과 플라스틱 용융물에 진동을 인가하는 것에 의해 상기 언급된 유형의 방법으로 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명에 따른 방법에서, 하나 이상의 섬유 가닥은 낮은 통로 높이를 갖는 좁은 흐름 채널을 통해 지나가며 이 흐름 채널 내에서 열가소성 플라스틱 용융물로 함침이 발생한다. 섬유 가닥을 확산시키고 상기 섬유 가닥을 용융된 열가소성 플라스틱으로 둘러싸는 확산 요소는 상기 흐름 채널 내에 위치된다. 본 발명에 따라, 함침 동안 상기 섬유 가닥과 상기 플라스틱 용융물이 진동하게 만들어진다.

진동에 의해 타깃적으로 여기되는 것으로 인해, 확산된 섬유 가닥을 통해 용융된 플라스틱이 흐르는 것이 단순화되고 각 개별 섬유의 표면에 플라스틱이 부착되는 것이 상당히 가속된다. 이것은 또한 섬유 함량이 높고 실(yarn)의 두께가 큰 경우에도 적용되는데, 그 이유는 진동 때문에 중합체 용융물이 위와 아래로부터 뿐만 아니라 측면으로부터 섬유 가닥으로 침투할 수 있기 때문이다. 섬유 가닥을 확산시키고 균일한 함침을 위한 - 진동 없는 - 종래의 방법에 따라 필요한 높은 장력이 본 발명에 따른 방법에 의해 현저하게 감소될 수 있다. 동시에 상기 흐름 채널 내로 주입된 상기 플라스틱 용융물의 전단 응력이 진동에 의해 강화되기 때문에 더 낮은 온도에서 섬유 가닥으로 용융된 플라스틱이 침투하는 것이 가능하다. 따라서, 심지어 비교적 높은 점성의 용융물도 문제 없이 사용될 수 있으며, 이는 광범위하게 선택된 열가소성 플라스틱에 본 발명에 따른 방법을 적용하는 것을 보장한다. 본 발명에 따른 방법에서 문제 없이 사용되는 용융된 열가소성 플라스틱의 점도는 10³ mPa s 내지 10⁸ mPa s의 범위에 있다. 또한, 함침 동안 흐름 채널 내 체류 시간이 진동으로 인해 추가적인 에너지가 입력되는 것으로 인해 감소된다. 이것은 열가소성 플라스틱 용융물이 상대적으로 단시간에 증가된 온도에 이르게 되어서 균열 공정으로 인해 용융물에 온도와 관련된 변화가 일어날 위험이 없다는 장점을 제공한다.

본 발명에 따른 방법의 경제적 효율에 추가적으로 기여되는 사항은, 흐름 채널이 0.1㎜ 내지 5.0㎜의 범위의 실질적으로 일정한 낮은 통로 높이만을 가져서 단지 작은 부피의 플라스틱 용융물만이 함침하는데 요구되어, 흐름 채널이 좁은 것으로 인해 플라스틱 용융물에 사실상 미사용 부피(dead volume)가 없는 것에 의해 달성된다. 이 통로 높이는 상기 흐름 채널의 명확한 높이인 것으로 이해된다. 섬유 가닥을 전달하는 개구, 및 흐름 채널 내로 플라스틱 용융물을 주입하는 개구(이는 게이트라고도 함), 및 또한 함침된 섬유 가닥을 배출하는 출구 개구들이 이와는 다른 통로 폭 및 높이를 가질 수 있다. 흐름 채널의 배향은 통상적으로 수평이지만 흐름 채널을 수직으로 또는 비스듬히 배향시키는 것도 가능하며, 흐름 방향(섬유 가닥과 플라스틱 용융물이 통과하는 방향)은 상향 또는 하향으로 일어날 수 있다.

높은 생산 속도로 플라스틱을 섬유에 함침시키는데 있어 상당한 개선은 진동을 사용하는 본 발명에 따른 방법에 의해 달성되며, 이는 추가적으로 섬유 가닥을 특히 조심스럽게 취급함으로써 생산 신뢰성을 증가시키고, 찢어짐으로 인한 생산 중단을 0으로 감소시킨다.

유리하게는 상기 섬유 가닥은 상기 흐름 방향으로 파형 구조(undulating structure)를 갖는 흐름 채널 내에서 안내되며, 상기 파형 구조의 파형부 (undulation)는 상기 섬유 가닥을 위한 확산 요소로서 작용한다. 상기 파형 구조는, 2개의 평행한 실질적으로 정현파 프로파일을 갖고, 하나의 프로파일은 상기 흐름 채널의 기저부(base)를 형성하고, 다른 프로파일은 상기 기저부로부터 간격을 두고 상기 하나의 프로파일과 평행하게 배치되어 통로 높이를 형성하는, 파형 단면 프로파일로 이해되어야 한다. 상기 섬유 가닥이 상기 흐름 채널을 통과할 때 상기 섬유 가닥은 상기 파형부와 접촉하며 상기 파형부는 상기 섬유 가닥을 확산시킨다. 따라서, 상기 흐름 채널의 상기 파형 구조의 파형부는 확산 요소로서 작용한다.

본 발명의 다른 특징은 상기 섬유 가닥이 확산 요소로서 핀 삽입물(pin insert) 및/또는 둥근 봉(round rod)들을 갖는 흐름 채널 내에서 안내되는 경우에 제공된다. 이러한 핀 삽입물 또는 둥근 봉들은 또한 상기 흐름 채널 내에서 상기 섬유 가닥을 확산시킨다. 추가적으로, 이 핀 삽입물 및/또는 둥근 봉들은 상기 흐름 채널의 파형 구조 내에 삽입될 수 있지만, 또한 파형 구조가 없는 흐름 채널 내에 또는 파형 구조가 없는 흐름 채널의 일부에 단일 확산 요소로서 제공될 수도 있다.

실 두께가 작은 섬유 가닥 또는 프로파일 형태로 섬유-강화된 플라스틱 재료로부터 상이한 기하학적 구조를 갖게 섬유-강화된 플라스틱 재료를 또한 경제적으로 제조할 수 있기 위해, 복수의 함침된 섬유 가닥을 함침된 섬유 다발로 결합시키는 것이 가치 있는 것으로 입증되었다. 섬유 다발은 또한 섬유 스트립으로 제공될 수 있다. 이러한 요구조건을 위하여, 본 발명에 따른 장치와 관련하여, 흐름 채널의 단부에서, 출구 노즐은 복수의 함침된 섬유 가닥이 함침된 섬유 다발로 결합되는 출구 개구를 갖는다.

본 발명에 따라, 사용되는 섬유는, 유리, 탄소, 강철 또는 플라스틱 또는 광물(mineral) 또는 셀룰로스로 제조되고, 5 내지 50㎛ 범위의 직경을 갖는 연속적인 섬유이고, 200 내지 9600 텍스(tex)의 실 두께를 갖는 섬유 가닥으로 결합되어 유리하게는 릴(reel) 상에 꼬이지 않은(untwisted) 상태로 권취된다. 복수의 섬유 가닥은 또한 꼬이지 않은 상태로 함께 권취될 수 있는데, 즉 이들 실은 플라이 릴(plied reel) 상에 존재한다. 플라스틱은 예를 들어 폴리아마이드, 폴리에스터 또는 아라미드와 같은 고온 내성 플라스틱을 포함할 수 있다. 현무암(basalt)과 같은 광물 섬유를 포함하는 것으로 이해되어야 하는 천연 섬유, 및 아마(flax), 삼(hemp) 또는 사이잘삼(sisal)을 포함하는 것으로 이해되어야 하는 셀룰로스 섬유도 또한 본 발명에 따른 방법에 적합하다.

폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 모든 에틸렌-프로필렌 공중합체와 같은 모든 통상적인 열가소성 플라스틱은 섬유 가닥을 함침시키는 열가소성 플라스틱으로 적합하다. 또한, 본 발명에 따라, 폴리에스터와 중합체의 변형이 유리하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 또한 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 아크릴로나이트릴 부타다이엔 스타이렌 삼원공중합체, 폴리에터 케톤과 같은 고성능 플라스틱 또는 또한 폴리락트산 또는 폴리하이드록시알카노에이트와 같은 생분해성 플라스틱도 본 발명에 따라 사용될 수 있다.

본 발명에 따라 확산될 상기 섬유 가닥에 인가되는 전압은 20 내지 1000 N, 바람직하게는 20 내지 500 N의 범위에 있다. 함침 공정에 필요한 전압은 플라스틱 용융물의 점도에 따라 그리고 섬유 가닥의 재료와 특성에 적합하게 설정된다.

확산된 섬유 가닥과 용융된 플라스틱이 함침 공정 동안 본 발명에 따른 방법에서 노출되는 진동은 50 Hz 내지 100㎑, 바람직하게는 50 내지 2000 Hz의 넓은 주파수 범위에 있다. 이 경우, 0.1 내지 5㎜ 범위의 진폭, 즉 스프링 편향이 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법에서, 생산 속도는 5 내지 100 m/min의 범위에 있다. 이러한 속도에 의해 섬유-강화된 플라스틱 재료를 경제적으로 생산할 수 있다.

또한, 상기 흐름 채널에 작용하는 진동의 강도와 확산 요소의 위치에 따라, 함침 방법을 전-함침 단계(pre-impregnation phase)와 후-함침 단계(post-impregnation phase)로 나누는 것이 가능하다. 예를 들어, 전-함침된 섬유 가닥은 후속하는 확산 요소에 의해 후-함침될 수 있으며, 여기서 추가적으로 용융된 플라스틱이 하나 이상의 흐름 채널로부터 취해질 수 있다. 함침 품질이 추가적으로 개선되는 것은 진동의 작용으로 인해 일어난다.

생산 방법에 더하여, 본 발명은 또한 압출된 열가소성 플라스틱으로 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치에 관한 것이다. 장치와 관련하여, 도입부에서 언급된 일반적인 유형의 함침 장치로부터 시작하여, 앞서 제시된 목적은 상기 흐름 채널에 작용하는 진동을 발생시키는 유닛이 상기 하우징에 장착되는 것에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명의 목적은, 섬유 가닥, 심지어 비교적 두꺼운 섬유 가닥 또는 높은 섬유 함량을 갖는 섬유 가닥을 높은 생산 속도로 경제적이고 연속적인 동작으로 낮은 기계적 및 열적 부하 하에서 열가소성 플라스틱으로 함침시키는 것이다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 장치에서는 상기 장치의 흐름 채널에 작용하는 유닛이 진동을 발생시키는데 적합하다는 것이 중요하다. 개별 섬유를 높은 생산 속도로 플라스틱으로 함침시키는데 있어 상당한 개선은 진동에 의해 달성되며, 이는 추가적으로 섬유 가닥을 특히 조심스럽게 취급함으로써 생산 신뢰성을 증가시키고 찢어짐으로 인한 생산 중단을 0으로 감소시킨다.

본 발명에 따른 장치의 유리한 실시예는 종속 청구항에 제시된다. 종속 청구항에 제시된 장치의 실시예가 본 발명에 따른 방법과 관련된 종속 청구항에 언급된 절차를 구현하는 경우, 보충 설명을 위해, 대응하는 방법 청구항에 관한 상기 설명을 참조한다.

본 발명과 관련하여, 상기 유닛은 진동을 발생시키기 위해 회전 불균형 또는 진행파 모터 또는 슬라이더 크랭크 또는 전자기 또는 압전 진동 발생기 또는 초음파 발생기 또는 이들의 조합을 포함하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 소위 불균형 모터는 또한 회전 불균형을 갖는 진동 발생기라고도 언급된다.

진동을 발생시키는 상기 유닛은 유리하게는 반대 방향으로 동작될 때 방향성 진동을 발생시키는 2개의 진동 발생기를 포함한다. 따라서 원형 또는 방향성 또는 간헐적 또는 전진하는 움직임이 발생할 수 있다.

본 발명에 따라, 진동의 발생은 샤프트 단부들의 양측에 장착된 불균형 분동(imbalance weight)이 회전할 때 원형 진동을 발생시켜 모터 기저부를 통해 연결된 흐름 채널에 진동을 부여하는 것에 의해 일어날 수 있다.

예시적인 실시예

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 위에서 비스듬히 본 사시도이다.
도 2a는 파형 구조를 갖는 흐름 채널과 이 흐름 채널을 통해 지나가는 섬유 가닥을 갖는 함침 삽입물의 단면을 도시한다.
도 2b는 도 2a에 따른 흐름 채널과 이 흐름 채널을 통해 지나가는 섬유 가닥의 확대도를 도시한다.
도 3a는 핀 삽입물을 갖는 흐름 채널을 갖는 함침 삽입물을 도시한다.
도 3b는 도 3a에 따른 흐름 채널과 이 흐름 채널을 통해 지나가는 섬유 가닥의 확대도를 도시한다.
도 4는 원형 봉 삽입물을 갖는 흐름 채널을 갖는 함침 삽입물을 도시한다.
도 5는 진동을 발생시키는 불균형 구동부의 동작 모드를 도시한다.
도 6은 진동을 발생시키는 슬라이더-크랭크 기구의 동작 모드를 도시한다.
도 7은 진동을 발생시키는 전자기 진동 발생기의 동작 모드를 도시한다.
도 8은 진동을 발생시키는 압전 진동 발생기의 동작 모드를 도시한다.

도 1에는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 함침 장치가 사시도로 도시되어 있다. 상기 장치는 가열 요소 또는 가열 봉(2)을 갖는 분리가능한 하우징(1)을 구비한다. 또한, 하우징(1)은 용융물을 전달하기 위한 압출기 연결부(3)를 구비하고 하우징은 또한 파형 구조 또는/및 핀 삽입물 및/또는 둥근 삽입물을 갖는 흐름 채널을 갖는 분리가능한 함침부(도시하지 않음)를 구비한다. 불균형 모터 또는 초음파 발생기와 같은 진동을 발생시키는 유닛(4)은 도 1에서 하우징 위에 측방향으로 볼 수 있다. 섬유 가닥(6)은 여기서 볼 수 없는 입구 개구를 통해 함침 삽입물에 측방향으로 진입한다. 단방향으로 섬유-강화된 완성된 플라스틱 재료(7)는 바람직하게는 교체가능한 출구 노즐(5)에서 측방향으로 배출된다.

도 2a는 파형 구조를 갖는 함침 삽입물의 단면을 도시하며, 여기서 입구 개구(8)에서 섬유 가닥(6)이 진입하고 출구 노즐(5)에서 함침된 섬유 가닥(7)으로 함침된 플라스틱 재료가 배출되는 것을 볼 수 있다. 도 2a의 흐름 채널(10)의 상세는 도 2b에 도시되어 있다. 파형 흐름 채널(10)은 폐쇄된 상태에서 3㎜의 명확한 통로 높이를 갖는 균일한 갭을 형성하는 파형 구조(9)를 갖는 2개의 대향하는 판(이는 간단히 파형 판이라고도 함)으로 형성된다. 섬유 가닥(6)(또는 함침되지 않은 복수의 섬유 가닥(6))은 입구 개구(8)에서 흐름 채널(10) 내로 도입되고, 여기서 섬유 가닥(6)은 릴(보다 상세히 도시되지 않음)로부터 꼬이지 않은 상태로 연속적으로 전달된다. 섬유 가닥(6)이 입구 개구(8)로 도입될 때, 섬유 가닥(6)은 바람직하게는 이미 미리 가열되어 있고, 선응력(pretensioned)이 가해져서 특정 크기로 확장되어 있다. 도 2b에서 보다 상세히 도시된 바와 같이, 흐름 채널(10)에서 섬유 가닥(6)은 확산 요소(9.1)로 구성된 파형 판(9)의 파형부와 접촉하여 확산이 일어난다.

플라스틱 용융물을 전달하는 것은 연결된 용융물 분배 시스템과 압출기 연결부(3)를 통해 일어난다. 다수-지점 또는 또한 분기된 게이트 기하 구조도 가능하다; 또한 다른 분사 각도로 동작하는 것도 가능하다. 폴리프로필렌은 열가소성 플라스틱 용융물로서 흐름 채널(10)로 전달되고, 여기서 용융물은 확산된 섬유 가닥(6)에 침투하여 각 개별 섬유를 습윤시키고 함침시킨다. 이 함침은 섬유 가닥(6)과 흐름 채널(10)로부터 가스 상(gas phase)을 변위시키는 것에 의해 발생한다. 방출된 가스는 섬유 가닥(6)을 위한 입구 개구(8)를 통해 쉽게 빠져나올 수 있다. 흐름 채널(10)은 동시에 용융된 플라스틱으로 채워진다. 전단 응력을 받는 플라스틱 용융물의 점도는 10³ 내지 10⁸ mPa s 범위에 있다. 폴리프로필렌의 경우, 점도 값은 약 60 Pa s이다. 함침 공정은 진동에 의해 최적화되는데, 이 진동은 진동을 발생시키는 유닛(4)으로부터 흐름 채널(10), 및 그 내부에 위치된 플라스틱 용융물 내의 섬유 가닥(6)에 작용하고, 함침된 섬유 가닥(7)은 섬유-강화된 플라스틱 재료로 획득된다. 중합체와 섬유 가닥(6)을 주파수에 따라 여기시키는 것에 의해, 높은 확산 또는 장력 힘을 사용하지 않고도 두 매체가 깊이 침투하는 것이 달성된다. 진동 발생기로서, 예를 들어, 불균형 모터가 사용될 수 있다.

파형 판이 없는 함침 삽입물의 추가적인 가능한 구성이 도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b는 흐름 채널(10) 내에 있고 둥근 헤드를 갖는 편향 요소와 확산 요소로 구성된 일련의 핀 삽입물(9.2)을 도시한다. 이 핀 삽입물(9.2)은 삽입물에 교체가능하게 또는 고정식으로 장착되거나, 밀링 윤곽으로서 함침 삽입물에 직접 가공될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 흐름 채널(10) 내 둥근 봉(9.3)은 확산 요소와 편향 요소로서 작용한다. 또한 이 경우에 흐름 채널(10)은 낮은 개방 통로 폭을 갖는 것이 중요하다. 이 경우 이것은 4㎜이다.

흐름 채널(10)의 추가적인 변형 예(도시되지 않음)에서, 핀 삽입물(9.2) 및/또는 둥근 봉(9.3) 또는 상이하게 형성된 편향 요소를 갖는 파형 확산 요소(9.1)들이 결합될 수 있다.

핀 삽입물(9.2) 또는 둥근 봉(9.3)으로서 파형 확산 요소(9.1)로 구성될 수 있는 확산 요소는 섬유 구조물의 미리 결정된(최대가 아닌) 정도의 확장(확산)을 설정하는 방식으로 단면 크기를 갖는다. 확산 요소(9.1, 9.2, 9.3)들의 서로에 대한 상대적인 위치는, 흐름 채널(10)을 통해 안내되는 섬유 가닥(6)이 그 선형 경로로부터 단지 약간만 편향되고, 용융된 플라스틱의 부피가 가능한 한 작게 유지되도록 설정된다.

어떤 경우에도, 흐름 채널(10) 내에 위치된 용융된 플라스틱뿐만 아니라 확산된 섬유(6)를 여기시키는 것은 주파수로 제어되는 진동에 의해 일어나므로, 섬유를 플라스틱으로 함침시키는데 있어 상당한 개선이 섬유를 동시에 극히 부드럽게 취급하면서 달성된다.

본 발명에 따른 장치의 추가적인 실시예는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우 하우징(1)과 파형 판(9)을 갖는 함침 삽입물이 진동하도록 만들어진다. 이 도면은, 회전하는 불균형 디스크(12)의 원심력에 의해 균형 질량 구동부(11)가 진동을 발생시키고 이 진동을 연결 요소(13)에 의해 하우징(1)으로 및 그 내부에 위치된 섬유 가닥(6)으로 전달하고, 이 섬유 가닥을 파형 구조(9)의 파형 확산 요소(9.1)로 확산시켜 함침된 섬유 가닥(7)을 하우징(1) 밖으로 배출하는 방식을 도시한다.

도 6은 하우징(1)과 확산 요소(9.1)를 갖는 함침 삽입물이 슬라이더-크랭크 기구의 도움으로 진동하도록 만들어진 본 발명의 추가적인 실시예를 도시한다. 이 도면은 하우징(1)과는 별도로 장착된 편심 샤프트(14)에 의해 여기 힘을 발생시키고 이 힘을 구동 봉(15)을 통해 하우징(1)으로 직접 전달하고 파형 구조(9)를 갖는 함침 삽입물 내 플라스틱 용융물 내 섬유 가닥(6)으로 전달하는 방식을 도시한다.

도 7은 전자기 진동기를 사용하는 본 발명의 추가적인 실시예를 도시한다. 이 개략 도면은 전자기적으로 구동되는 하우징(1)을 전자석(17)의 전기자(16)와 자유 질량(18)에 고정 연결하고 이 자유 질량을 제2 질량으로서 선응력이 가해진 코일 또는 판 스프링(19)에 의해 하우징(1)으로 지지하는 것을 도시한다. 도면에 도시되지 않고 교류 전원(도시되지 않음)에 연결됨으로써 맥동 인장력과 전단력을 발생시키는 거울상(mirror image)으로 배열된 2개의 전자석에 의해 여기 힘이 인가된다. 전자석은 진동-방지 프레임(20)에 고정 연결되고, 이 프레임에는 하우징(1)이 또한 스프링(21)에 의해 지지되어 있다. 이 실시예의 장점은 전자석(17)의 주파수가 요구에 따라 주파수 제어 장치(도면에 도시되지 않음)에 의해 설정될 수 있다는 것이다.

도 8은 압전 구동부에 의해 진동을 발생시키는 본 발명의 추가적인 실시예를 도시한다. 이 도면은, 압전 트랜스듀서 형태의 능동 굴곡 요소(22)들이, 플라스틱 용융물 내의 섬유 가닥(6)이 확산 요소(9.1)를 갖는 함침 삽입물 내에 위치되어 있는 하우징(1), 및 가능한 추가적인 분동(24)을 갖는 지지 판(23)에 각각 고정 연결되는 것을 도시한다. 굴곡 요소(22)는, 도면에 도시되지 않은 지지 판, 탄성 재료, 및 상부에 장착된 압전 세라믹 재료로 만들어진 판으로 구성된 압전 세라믹 스프링이다. 굴곡 요소(22)는 교류 전압(도면에 도시되지 않음)에 연결되고, 이후 역 압전 효과 때문에 굴곡 요소는 교류 전압의 주파수에 따라 진동하기 시작하고, 이 진동은 도면 부호(25)로 화살표로 표시된다. 이 진동은 장착 판(26)을 통해 하우징(1)에 직접 전달되고 그리고 파형 구조(9)가 내부에 위치된 함침 삽입물로 전달된다.

본 도면에 도시되지 않았지만 도 1로부터 적응된 진동을 발생시키는 추가적인 가능성은 움직임을 발생시키는 압전 효과를 사용하는 진행파 모터(초음파 모터)에 의해 진동시키는 것이다. 이 경우 움직임은 고주파 진동에 의해 발생되며, 이 진동의 주파수는 비-가청 초음파 범위에 있다.

진동을 조절하는 유연성이 큰 것으로 인해, 본 발명에 따른 방법은 열적으로 극히 민감한 중합체 플라스틱과 섬유를 처리할 수 있고, 추가적인 실시예를 참조하여 아래에 설명된다.

실시예 1(본 발명에 따른 것)

평균 직경이 17㎛인 광섬유에 본 발명에 따른 방법에 따라 5 중량%의 에틸렌의 비율로 에틸렌/프로필렌 공중합체를 함침시켰다. 240℃의 처리 온도에서 이 중합체 용융물의 점도 및 이 경우에 발생하는 전단 속도는 약 60 Pa s이다. 진동은 불균형 모터에 의해 발생되었고 3000 rpm에서 50 Hz의 주파수와 0.3㎜의 스프링 편향을 가졌다.

실시예 2(비교 실시예)

실시예 1은 동일한 생산 속도로 반복되었지만 진동의 영향을 받지 않았다. 그러나, 동일한 조성(동일한 섬유 함량)과 거의 동일한 함침 품질을 갖는 제품을 얻기 위해서는, 확산 장력을 증가시켜야 했고, 용융물의 점도를 약 40 Pa s로 설정하기 위해서는 용융된 플라스틱의 온도를 상승시켜야 했다. 그 결과는 다음 표 1에 요약되어 있다.

제시된 예시적인 실시예로부터, 본 발명에 따른 방법은, 종래의 방법에 따른 함침보다 상당히 더 낮은, 섬유에 더 부드러운, 확산 장력, 및 종래의 방법에 따른 함침보다 더 낮은 온도에서 수행될 수 있으면서, 생산 속도는 거의 동일하게 유지되는 것이 명백하다.

1: 하우징 2: 가열 봉
3: 압출기 연결부 4: 진동 발생 장치
5: 출구 노즐 6: 함침되지 않은 섬유 가닥
7: 함침된 섬유 가닥 8: 입구 개구
9: 파형 구조, 파형 판 9.1: 파형 확산 요소
9.2: 핀 삽입물 9.3: 둥근 봉
10: 흐름 채널 11: 균형 질량 구동부
12: 불균형 디스크 13: 연결 요소
14: 편심 샤프트 15: 구동 봉
16: 전기자 17: 전자석
18: 자유 질량 19: 판 스프링
20: 진동-방지 프레임 21: 스프링
22: 굴곡 요소 23: 지지 판
24: 추가적인 분동 25: 화살표
26: 장착 판

Claims

10 내지 70 부피% 범위의 섬유 함량을 갖는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법으로서, 적어도 하나의 섬유 가닥(6)을 0.1 내지 5.0㎜ 범위의 개방 통로 높이를 갖는 흐름 채널(10)을 통해 안내하고, 확산 요소(9.1, 9.2, 9.3)에 의해 확산시키고, 10³ mPa s 내지 10⁸ mPa s 범위의 점도를 갖는 용융된 열가소성 플라스틱으로 함침시키되, 함침 동안 상기 흐름 채널(10) 내에 있는 상기 적어도 하나의 섬유 가닥(6)과 상기 플라스틱 용융물에 진동을 인가하는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항에 있어서, 상기 섬유 가닥(6)은 흐름 방향으로 파형 구조(9)를 갖는 흐름 채널(10) 내에서 안내되며, 상기 파형 구조(9)의 파형부는 상기 섬유 가닥(6)을 위한 확산 요소(9.1)로서 작용하는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섬유 가닥(6)은 확산 요소로서 핀 삽입물(9.2) 및/또는 둥근 봉(9.3)을 갖는 흐름 채널(10) 내에서 안내되는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 함침된 섬유 가닥(7)은 함침된 섬유 다발로 결합되는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 연속적인 섬유들은 5 내지 50㎛ 범위의 직경을 갖는 유리 또는 강철 또는 탄소 또는 플라스틱 또는 광물 또는 셀룰로스로 제조되고, 200 내지 9600 텍스(tex)의 실 두께를 갖는 섬유 가닥(6)으로 결합되는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 또는 에틸렌 프로필렌 공중합체, 또는 폴리아마이드 또는 폴리에스터의 변형체, 또는 폴리옥시메틸렌 또는 폴리페닐렌 옥사이드 또는 폴리페닐렌 설파이드 또는 폴리우레탄 또는 폴리카보네이트 또는 아크릴로나이트릴 부타다이엔 스타이렌 삼원공중합체 또는 폴리에터 케톤과 같은 다른 고성능 플라스틱, 또는 폴리락트산 또는 폴리하이드록시알카노에이트과 같은 생분해성 플라스틱을 상기 섬유 가닥(6)을 함침시키는 열가소성 플라스틱으로 사용하는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 가닥(6)이 함침 동안 확산될 때, 20 내지 1000 N, 바람직하게는 200 내지 500 N 범위의 기계적 장력이 설정되는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함침 동안 상기 흐름 채널(10) 내에서 확산된 상기 섬유 가닥(6)과 용융된 플라스틱이 노출되는 진동은 0.05 내지 100㎑, 바람직하게는 0.05 내지 20㎑의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 5 m/min 내지 100 m/min 범위의 생산 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 단방향으로 섬유-강화된 플라스틱 재료를 연속적으로 제조하는 방법.

제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 압출된 열가소성 플라스틱으로 섬유 가닥(6)을 연속적으로 함침시키는 장치로서, 가열 요소(2), 용융물을 전달하기 위한 압출기 연결부(3), 및 상기 섬유 가닥(6)을 위한 적어도 하나의 확산 요소(9.1; 9.2; 9.3)를 갖고 상기 섬유 가닥(6)의 함침이 발생하는 0.1 내지 5.0㎜ 범위의 개방 통로 높이를 갖는 흐름 채널(10) 내로 적어도 하나의 섬유 가닥(6)을 전달하기 위한 적어도 하나의 개구(8)를 갖는 하우징(1), 및 상기 적어도 하나의 함침된 섬유 가닥(7)을 배출하기 위한 출구 노즐(5)을 포함하되, 상기 흐름 채널(10)에 작용하는 진동을 발생시키는 유닛(4)이 상기 하우징(1)에 장착되는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.

제10항에 있어서, 상기 흐름 채널(10)은 흐름 방향으로 파형 구조(9)를 구비하고, 상기 파형 구조의 파형부는 상기 섬유 가닥(6)을 위한 확산 요소(9.1)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.

제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 흐름 채널(10)은 확산 요소로서 핀 삽입물(9.2) 및/또는 원형 봉(9.3)을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.

제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 채널(10)의 단부에서 상기 출구 노즐(5)은 복수의 함침된 섬유 가닥(7)이 함침된 섬유 다발로 결합되는 출구 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.

제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유닛(4)은 진동을 발생시키기 위해 불균형 모터 또는 진행파 모터 또는 슬라이더 크랭크 기구 또는 전자기 또는 압전 진동 발생기 또는 초음파 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.

제14항에 있어서, 상기 진동을 발생시키는 유닛(4)은 반대 방향으로 동작될 때 방향성 진동을 발생시키는 2개의 진동 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.

제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 진동은, 샤프트 단부들의 양측에 장착된 불균형 분동(imbalance weight)이 회전할 때 원형 진동을 발생시켜, 모터 기저부를 통해 상기 연결된 흐름 채널에 진동을 부여하는 것에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 섬유 가닥을 연속적으로 함침시키는 장치.