KR20170090309A - 탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프 - Google Patents

탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유를 이용하여 파이프를 제조하는 탄소섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프에 관한 것으로서, 보다 상세하면 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유층을 형성시키는 몰드를 관형으로 구성하고, 상기 관형 몰드의 중공에 냉각 유체를 주입하여 몰드를 수축시킴으로써 몰드의 외부에 형성된 탄소섬유층으로 이루어진 탄소섬유 파이프를 용이하게 분리시킬 수 있으며, 더불어 몰드에서 분리시킨 상기 탄소섬유 파이프를 진공압 처리하여 탄소섬유 파이프의 조직에 포함된 공기를 제거할 수 있는 탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프에 관한 것이다.
또한 본 발명은 몰드 냉각단계에서 복수의 탄소섬유의 적층으로 형성된 탄소섬유층의 안쪽에 위치하는 몰드를 냉각시켜 몰드를 수축시킴으로써, 탄소섬유층에서 몰드를 용이하게 분리시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있고; 탈형단계 이후 부가적으로 수행될 수 있는 진공처리단계를 통해, 탄소섬유 파이프의 조직에 포함된 공기를 제거 가능하여, 상기 공기로 인한 탄소섬유 파이프의 강도 저하문제를 해결할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프{Manufacturing method of carbon fiber pipe and carbon fiber pipe made by it}
본 발명은 탄소섬유를 이용하여 파이프를 제조하는 탄소섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프에 관한 것으로서, 보다 상세하면 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유층을 형성시키는 몰드를 관형으로 구성하고, 상기 관형 몰드의 중공에 냉각 유체를 주입하여 몰드를 수축시킴으로써 몰드의 외부에 형성된 탄소섬유층으로 이루어진 탄소섬유 파이프를 용이하게 분리시킬 수 있으며, 더불어 몰드에서 분리시킨 상기 탄소섬유 파이프를 진공압 처리하여 탄소섬유 파이프의 조직에 포함된 공기를 제거할 수 있는 탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프에 관한 것이다.
종래 탄소섬유를 이용하여 파이프를 제조할 때 금속 튜브 주위에 탄소섬유를 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 감는 방식으로 제조하였다.
또한 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Process)은 수지에 함침된 연속적인 탄소섬유를 적당한 몰드나 맨드렐 주위에 감는 방법이고, 상기 필라멘트 와인딩 기술에서의 탄소섬유는 액체 상태의 수지함침조를 통과하면서 수지로 코팅되고 몰드나 맨드렐에 감긴다.
필라멘트 권취 파이프의 경우에 예를 들면, 맨드렐의 길이방향을 따라 왕복 운동하는 기계장치를 통해 섬유들이 공급되는 동안 맨드렐이 회전한다. 이후 맨드렐이나 몰드는 가열되고, 부분 경화된다.
상술한 종래의 공법은 금속 파이프의 표면에 수지가 함침된 탄소섬유를 감고 경화시킨 것이기 때문에 강도, 내구성은 강해지지만 중량은 줄어들지 않는다.
다음은 탄소섬유 파이프를 제조하는 대표적인 종래기술이다,
대한민국 등록특허공보 제10-1223704호는 탄소섬유 파이프 제조방법에 관한 것으로서, 탄소섬유 파이프를 제조하는 방법에 있어서, 탄소섬유로 직조된 탄소섬유시트를 에폭시 수지에 함침시켜 프리프레그를 형성하는 1단계; 상기 프리프레그를 일정한 크기로 절단하고 적층하여 라미네이션을 형성하는 2단계; 원형봉 형상의 맨드렐에 상기 라미네이션을 감는 3단계; 상기 라미네이션이 감긴 상기 맨드렐을 다이 위에 배치하고, 프레스로 상측에서 가압한 상태에서 상기 다이가 좌우로 왕복함으로써, 상기 라미네이션이 상기 맨드렐에 일정한 두께로 압착되는 4단계; 압착된 상기 라미네이션을 건조하여 에폭시를 경화시키는 5단계; 및 건조된 상기 라미네이션으로부터 상기 맨드렐을 제거하는 6단계;를 포함하여 구성되었다.
하지만 상기 종래기술은 맨드렐을 라미네이션(본 발명의 탄소섬유 파이프에 대응됨.)에서 제거할 때, 관형태의 라미네이션의 중공이 손상될 수 있는 문제가 발생하여, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구개발이 요구되는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1223704호(2013.01.21.) 대한민국 등록특허공보 제10-0402973호(2003.10.10.) 대한민국 등록특허공보 제10-0366066호(2002.12.11.)
본 발명은 탄소섬유 파이프의 제조방법의 종래기술에 따른 문제점들을 개선하고자 안출된 기술로서, 종래 탄소섬유 파이프는 단순히 몰드의 상부에 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유 파이프를 만든 후, 몰드를 강제적으로 탄소섬유 파이프에서 빼내기 때문에, 탄소섬유 파이프이 내부가 손상되는 문제가 발생하였고;
그 결과 탄소섬유 파이프의 불량률이 높을 뿐만 아니라 제조된 탄소섬유 파이프의 내구성이 떨어지는 문제가 발생하였으며;
또한 몰드에 복수의 탄소섬유를 적층시킬 때 유입된 공기가 탄소섬유 파이프 조직에 내재된 상태로 유지되어, 탄소섬유 파이프의 강도가 저하되는 문제가 발생하여, 이에 대한 해결점을 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자,
길이 방향으로 중공이 형성된 관형 몰드의 외부에 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유층을 형성시키는 탄소섬유층 형성단계; 상기 탄소섬유층 형성단계에서 형성된 탄소섬유층을 가압하여 탄소섬유층을 압축시키는 압축단계; 상기 압축단계 처리된 관형 몰드의 중공에 냉각 유체를 주입하여 관형 몰드를 수축시키는 몰드 냉각단계 및; 상기 몰드 냉각단계 처리된 관형의 몰드에서 탄소섬유층을 분리시켜 탄소섬유 파이프를 취득하는 탈형단계;를 포함하여 구성되는 탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프를 제시한다.
상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법은 몰드 냉각단계에서 복수의 탄소섬유의 적층으로 형성된 탄소섬유층의 안쪽에 위치하는 몰드를 냉각시켜 몰드를 수축시킴으로써, 탄소섬유층에서 몰드를 용이하게 분리시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있고;
그 결과 탄소섬유 파이프의 내부 손상 문제를 해결함과 동시에 탄소섬유 파이프의 내부 손상으로 인한 불량률을 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며;
또한 탈형단계 이후 부가적으로 수행될 수 있는 진공처리단계를 통해, 탄소섬유 파이프의 조직에 포함된 공기를 제거가능하여, 상기 공기로 인한 탄소섬유 파이프의 강도 저하문제를 해결할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법의 공정순서를 나타내는 공정도.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법의 공정순서를 나타내는 공정도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법에서 사용하는 관형 몰드를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법의 압축단계 처리된 탄소섬유층을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법의 몰드 냉각단계 처리시의 몰드의 수축 상태를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄소섬유 파이프의 제조방법의 탈형단계 처리시의 탄소섬유 파이프에서 몰드를 분리시키는 상태를 나타내는 사시도.
본 발명은 탄소섬유를 이용하여 파이프를 제조하는 탄소섬유 파이프 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프에 관한 것으로서, 길이 방향으로 중공이 형성된 관형 몰드(10)의 외부에 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유층(20)을 형성시키는 탄소섬유층 형성단계(S100); 상기 탄소섬유층 형성단계(S100)에서 형성된 탄소섬유층(20)을 가압하여 탄소섬유층(20)을 압축시키는 압축단계(S200); 상기 압축단계(S200) 처리된 관형 몰드(10)의 중공에 냉각 유체를 주입하여 관형 몰드(10)를 수축시키는 몰드 냉각단계(S300) 및; 상기 몰드 냉각단계(S300) 처리된 관형의 몰드(10)에서 탄소섬유층(20)을 분리시켜 탄소섬유 파이프(30)를 취득하는 탈형단계(S400);를 포함하여 구성되는 탄소섬유 파이프의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소섬유 파이프에 관한 것이다.
이하 본 발명의 실시예를 도시한 도면 1 내지 6을 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명에 의한 탄소섬유 파이프(30)는 탄소를 주원료로 만들어진 섬유(이하, '탄소섬유'라 칭함.)를 복수층으로 적층시켜 만들어진 것으로서, 금속재질로 만들어진 일반적인 파이프와 비교하여 경량성이 요구되거나, 화학적인 안정성이 요구되는 유체물을 이송하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소섬유층 형성단계(S100)는 길이 방향으로 중공이 형성된 관형 몰드(10)의 외부에 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유층(20)을 형성시키는 과정으로서, 복수의 탄소섬유를 이용하여 탄소섬유 파이프(30)의 두께 및 길이를 형성시키는 공정이다.
즉, 상기 몰드(10)는 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 내경과 대응하는 외경을 가지는 관형의 구성으로서, 금속재질의 것으로 구성되어 하기의 압축단계(S200)에서 가해질 수 있는 열과 압축력에 대한 대응력을 가지는 것을 이용하는 것이 바람직하고, 몰드(10)의 길이는 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 길이와 동일하거나 긴 것을 이용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 몰드(10)에 형성되는 중공은 몰드(10)의 길이방향으로 길이를 가지며 형성되는 것이 바람직하고, 하기 몰드 냉각단계(S300)에서 몰드(10)의 중공에 주입되는 냉각 유체가 원활하게 이송가능하여 몰드(10)의 전체적인 부분이 냉각 유체에 의하여 균일하게 냉각될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 몰드(10)의 외부 형태는 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 내경과 동일한 형태로 구성된다. 즉, 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 중공 형태가 원형, 타원형 또는 다각형인 경우에는 그에 대응되는 원형, 타원형 또는 다각형의 외부 형태를 가지는 몰드(10)가 이용된다.
더불어 몰드(10)의 외부에 적층되는 상기 탄소섬유는 일반적으로 '탄소시트'라 알려진 것을 이용할 수 있다.
이때, 상기 탄소섬유는 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 외부를 한 번에 감쌀 수 있는 폭과 탄소섬유 파이프(30)의 길이에 해당하는 길이를 가진 것을 이용할 수도 있고, 조각 형태의 것을 상호 연결하여 이용할 수도 있으며, 띠 형태의 것을 이용할 수도 있다.
상기와 연관하여, 몰드(10)의 외부에 적층되는 탄소섬유는 몰드(10)의 외부를 균일하게 감쌀 수 있는 것이면 다양한 형태의 것을 이용할 수 있고, 탄소섬유를 몰드(10)의 외부에 적층시키는 방법은 탄소섬유를 몰드(10)의 외부에 단순 안착시켜 적층시키는 방법, 어느 하나의 탄소섬유를 가로 방향으로 적층시키고 상기 어느 하나의 탄소섬유의 상부에 다른 하나의 탄소섬유를 세로방향 또는 가로방향과 일정의 각도를 가지도록 적층시키는 방법 또는 띠 형태의 탄소섬유를 몰드(10)의 외부에 나선형으로 감아가며 적층시키는 방법 등과 같은 방법을 이용할 수 있다.
또한 몰드(10)의 상부에 적층되는 탄소섬유들은 몰드(10)와 탄소섬유층(20) 및 어느 하나의 탄소섬유층(20)과 상기 어느 하나의 탄소섬유층(20)의 상부에 적층되는 다른 탄소섬유층(20)이 상호 견고하게 적층될 수 있으면 다양한 방식으로 상호 적층될 수 있으나, 상기 탄소섬유들은 접착제가 도포 또는 함침된 것이 이용되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 접착제는 에폭시 수지, 우레탄 수지, PVC 수지 또는 아크릴 수지 등과 같은 조성물을 주원료로 포함된 것을 이용할 수 있고, 상기 종류의 접착제는 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 용도에 따라 다양한 종류의 것이 이용될 수 있다.
아울러 복수의 탄소섬유의 적층으로 형성된 탄소섬유층(20)은 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 두께를 형성하기 때문에, 상기 탄소섬유층(20)은 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 두께에 따라 당업자가 적절히 형성시킬 수 있다. 다만 탄소섬유층 형성단계(S100)에서 형성된 탄소섬유층(20)의 두께는 하기의 압축단계(S200)에서 얇아지기 때문에 최종적으로 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 두께보다는 두껍게 형성되어야 한다.
또한 상기 압축단계(S200)는 상기 탄소섬유층 형성단계(S100)에서 형성된 탄소섬유층(20)을 가압하여 탄소섬유층(20)을 압축시키는 과정으로서, 탄소섬유층(20)을 구성하는 복수의 탄소섬유를 최대한 밀착시켜 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 강도를 확보시키는 공정이다.
즉, 상기 압축단계(S200)는 몰드(10)의 외부에 형성된 탄소섬유층(20)을 몰드(10)의 중심방향으로 가압하여 탄소섬유층(20)을 압축시키는 과정으로서, 탄소섬유층(20)에 압축력을 가할 수 있는 방법이면 다양한 방식으로 처리될 수 있고, 보다 바람직하게는 탄소섬유층(20)이 외부에 형성된 몰드(10)의 외측에서 롤러 또는 가압판을 이용하여 탄소섬유층(20)을 가압하는 것이 바람직하다.
이때, 압축단계(S200)의 탄소섬유층(20)에 가해지는 압축력은 몰드(10)의 외부에 형성된 탄소섬유층(20)의 두께, 탄소섬유의 두께 또는 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 용도에 따라 다양한 크기로 가해질 수 있고, 바람직하게는 1,000~2,000 kg/cm2의 압축력으로서 압축단계(S200) 처리되는 것이 바람직하다.
즉, 압축단계(S200) 처리시에 탄소섬유층(20)에 가해지는 압축력이 1,000kg/cm2 미만이면 탄소섬유층(20)에 대한 압축력이 미흡하여 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 강도가 다소 약해지거나 내구성이 떨어질 수 있는 우려가 있고, 압축력이 2,000 kg/cm2를 초과하면 탄소섬유층(20)에 대한 압축력이 지나치게 강하여 몰드(10)가 찌그러지거나 탄소섬유의 적층으로 형성된 탄소섬유층(20)이 뭉개질 수 있는 우려가 있기 때문에, 압축단계(S200)시에 탄소섬유층(20)에 가해지는 압축력은 상기 범위 이내로 처리되는 것이 바람직하다.
또한 상기 압축단계(S200)는 상기와 같이 탄소섬유층(20)에 압축력만이 가해지며 처리될 수 있으나, 탄소섬유에 도포 또는 함침된 접착제의 경화성을 향상시키고 경화된 접착제의 강도를 향상시키기 위하여, 탄소섬유층(20)을 30~290℃의 온도로 가열하며 가압처리되도록 구성될 수 있다.
즉, 압축단계(S200) 처리시에 탄소섬유층(20)에 가해지는 가열온도는 접착제의 종류에 따른 이유로 주되게 달라질 수 있고, 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 용도에 따라서도 달라질 수 있다.
구체적으로, 상기 접착제가 열에 약한 종류의 것으로 구성되면 압축단계(S200)에서 가해지는 가열온도는 비교적 낮은 온도로 처리되는 것이 바람직하고, 접착제가 열에는 비교적 강하지만 경화속도가 느린 종류의 것으로 구성되면 압축단계(S200)에서 가해지는 가열온도는 비교적 높은 온도로 처리되는 것이 바람직하다.
즉, 압축단계(S200)시에 탄소섬유층(20)에 가해지는 가열온도가 30℃ 미만이면 접착제의 종류 및 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 용도와 무관하게 접착제의 경화속도가 지나치게 느려져 압축단계(S200) 처리시간이 지나치게 길어지는 우려가 발생하고, 290℃를 초과하면 접착제에 가해지는 열이 지나치게 높아 접착제의 물성이 저하되어 최종적으로 제조되는 탄소섬유 파이프(30)의 강도가 떨어질 수 있는 우려가 있다. 때문에, 압축단계(S200)시에 탄소섬유층(20)에 가해지는 가열온도는 상기 범위 이내로 처리되는 것이 바람직하다.
또한 압축단계(S200)시에 가해지는 압축력과 가열은 탄소섬유층(20)을 가압하기 위한 롤러 또는 가압판에 의하여 동시에 가해질 수 있고, 이를 위해서는 상기 롤러 또는 가압판에 가열장치가 더 구비될 수 있음은 자명할 것이다.
아울러 상기 몰드 냉각단계(S300)는 상기 압축단계(S200) 처리된 관형 몰드(10)의 중공에 냉각 유체를 주입하여 관형 몰드(10)를 수축시키는 과정으로서, 몰드(10)의 외부에서 경화된 탄소섬유층(20)을 몰드(10)와 분리시키기 위한 공정이다.
즉, 상기 몰드 냉각단계(S300)는 상기 탄소섬유층 형성단계(S100)에서 몰드(10)의 외부에 탄소섬유가 적층되고 상기 압축단계(S200)에서 압축력을 받아 압축되어 형성된 탄소섬유층(20)을 몰드(10)의 외부에서 분리시키기 위한 공정으로서, 몰드(10)와 탄소섬유층(20) 간의 비열 및 수축성 차이를 이용하여 탄소섬유층(20)을 몰드(10)의 외부와 분리시키는 공정이다.
구체적으로, 상기 냉각 유체는 냉각공기, 냉각수 또는 냉각유 등과 같은 유동성의 물질로서, 몰드(10)의 길이방향으로 형성된 중공으로 주입되어 몰드(10)의 온도를 낮추고, 낮아진 온도에 의하여 몰드(10)를 수축시키는 구성이다.
또한 상기와 같이 냉각 유체에 의하여 몰드(10)가 수축되면, 몰드(10)의 외부에 적층 형성된 탄소섬유층(20)은 금속재질로 구성되는 몰드(10)와의 비열차이로 인하여 몰드(10)보다 적게 수축되고, 그 결과 몰드(10)의 외부와 탄소섬유층(20)의 내부는 상호 분리될 수 있다.
더불어 상기 냉각 유체는 몰드(10) 중공 일측으로 주입된 후 중공 타측으로 배출될 수 있다.
이때, 상기 냉각 유체의 온도는 몰드(10)의 재질, 탄소섬유층(20)의 두께 또는 접착제의 종류에 따라 다양하게 조절될 수 있고, 바람직하게는 40~60℃를 가지도록 구성될 수 있다. 즉 상기 냉각 유체의 온도가 -5℃ 미만이면 냉각 유체의 온도가 지나치게 낮아 몰드(10)의 온도가 지나치게 낮아져 몰드(10)의 외부에 적층된 탄소섬유층(20)까지 냉각되어 수축될 수 있는 우려가 발생하고, 3℃를 초과하면 냉각 유체의 온도가 지나치게 높아 몰드(10)의 냉각에 의한 수축성이 떨어져 몰드(10)와 탄소섬유층(20)의 분리가 원활하지 못할 수 있는 우려가 발생하기 때문에, 냉각 유체의 온도는 상기 범위 내로 유지되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 탈형단계(S400)는 상기 몰드 냉각단계(S300) 처리된 관형의 몰드(10)에서 탄소섬유층(20)을 분리시켜 탄소섬유 파이프(30)를 취득하는 과정으로서, 비열차이로 인하여 탄소섬유층(20)보다 더 크게 수축되어 탄소섬유층(20)과 분리된 몰드(10)를 탄소섬유층(20)의 중공에서 분리시켜 탄소섬유 파이프(30)를 취득하는 공정이다.
이때, 작업자는 상기 몰드(10)를 탄소섬유 파이프(30)의 일측 또는 타측방향으로 잡아당겨 몰드(10)를 탄소섬유 파이프(30)의 중공에서 인출하는 방식으로 탈형단계(S400)를 수행할 수 있다.
즉, 상기 탈형단계(S400)에서 취득된 탄소섬유 파이프(30)는 탄소섬유 파이프(30)의 중공에서 몰드(10)를 강제적으로 빼내지 않았기 때문에, 탄소섬유 파이프(30)의 중공이 전혀 손상되지 않고, 그 결과 중공의 내부면 손상으로 인한 탄소섬유 파이프(30)의 불량률을 낮출 수 있음과 동시에, 내부면 손상으로 인한 탄소섬유 파이프(30)의 내구성 및 강도 저하문제를 해결하는 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기 탈형단계(S400)에서 취득된 탄소섬유 파이프(30)는 진공압 상태에서 탄소섬유 파이프(30)의 조직에 포함된 공기를 제거시키는 진공처리단계(S500)를 더 처리될 수 있다.
즉, 상기 탈형단계(S400)에서 만들어진 탄소섬유 파이프(30)의 조직에는 상기 탄소섬유층 형성단계(S100)에서 복수의 탄소섬유를 몰드(10)에 적층시키는 과정 또는 압축단계(S200)에서 탄소섬유층(20)을 압축시키는 과정에서 외부공기가 탄소섬유층(20) 사이로 유입될 수 있는데, 상기 탄소섬유 파이프(30)의 조직으로 유입된 공기는 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 조직의 치밀성을 저하시켜 탄소섬유 파이프(30)의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
이에 대하여, 상기 진공처리단계(S500)는 탄소섬유 파이프(30)의 조직에 포함된 공기를 제거하여 제조된 탄소섬유 파이프(30)의 강도를 향상시킬 수 있는 효과를 실현한다.
아울러 상기 진공처리단계(S500)는 탈형단계(S400)에서 만들어진 탄소섬유 파이프(30)를 진공압 상태의 환경에 놓아 탄소섬유 파이프(30)의 조직에서 공기를 빼낼 수 있는 방식으로 처리되면 다양한 처리방법에 의하여 수행될 수 있고, 바람직하게는 상기 탄소섬유 파이프(30)를 60~120bar의 진공압으로 일정시간 동안 유지시켜 처리할 수 있다.
이때, 상기 진공처리단계(S500)의 진공압이 40bar 미만이면 탄소섬유 파이프(30)의 조직에서 보다 빠르게 공기를 빼낼 수 있으나 진공압이 지나치게 낮아 탄소섬유 파이프(30)의 조직에서 외부로 빠르게 빠져나오는 공기로 인하여 탄소섬유 파이프(30)의 조직이 오히려 손상될 수 있는 우려가 발생하고, 130bar를 초과하면 진공처리단계(S500) 처리시간이 지나치게 길어지거나 탄소섬유 파이프(30)의 깊은 조직에 내재된 공기의 제거 효율이 저하될 수 있기 때문에, 상기 진공처리단계(S500)의 진공압은 상기 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
또한 상기 진공처리단계(S500)는 상온(약 25℃)에서 처리가능하나, 50~70℃의 온도로 3~24시간 동안 처리되도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 진공처리단계(S500)의 처리온도가 50℃ 미만이면 진공처리단계(S500) 처리시간이 지나치게 길어질 뿐만 아니라 탄소섬유 파이프(30)의 조직이 쉽게 열리지 않아 조직 내에 포함된 공기가 외부로 원활하게 빠져나오기 어렵고, 70℃를 초과하면 진공처리단계(S500)의 처리시간은 빨라지나 탄소섬유 파이프(30)가 지나치게 강한 열에 노출되어 열화될 수 있는 우려가 발생할 우려가 있기 때문에, 진공처리단계(S500)의 처리온도는 상기 범위 내를 유지하며 3~24시간 동안 처리되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 진공처리단계(S500)는 진공챔버 또는 진공압 형성용 튜브에 상기 탈형단계(S400)에서 만들어진 탄소섬유 파이프(30)를 내재시킨 후 처리될 수 있다.
다음은 본 발명의 제조방법에 의하여 탄소섬유 파이프(30)를 제조하는 바람직한 실시예이다.
1. 탄소섬유층 형성단계
길이×외경×내경이 5cm~200cm×6cm~90cm×89.5cm인 c54재질의 관형 몰드의 외부에 0.2mm 두께의 탄소섬유(제조사, 제품명)를 순차적으로 여러겹 적층시켜 몰드의 외부에 탄소섬유층을 형성시킨다. 이때, 순차적으로 적층되는 탄소섬유는 상호 격자형태를 이루도록 엇갈림 적층시킨다. 또한 상기 탄소섬유는 에폭시 수지를 주원료로 하는 접착제가 함침되어 있다.
2. 압축단계
상기 탄소섬유층 형성단계 처리된 탄소섬유층이 형성된 몰드를 판상의 다이스 상부에 안착시킨 후, 상기 다이스의 상부에 위치된 가압판이 구비된 가압프레스를 작동시켜 몰드의 외부에 형성된 탄소섬유층을 압축시킨다. 이때, 상기 가압판은 수평방향으로 왕복이동하며 탄소섬유층이 형성된 몰드를 1,500kg/cm2의 압축력으로 가압한다. 또한 상기 가압판 또는(및) 다이스에는 열선이 구비되어 압축되는 탄소섬유층을 40℃로 가열하며 압축처리한다.
3. 몰드 냉각단계
상기 압출단계 처리된 탄소섬유층이 형성된 몰드의 중공에 -3℃의 냉각 기체를 주입하여 몰드를 냉각시켜 몰드를 수축시킴으로써 탄소섬유층을 분리시킨다.
4. 탈형단계
상기 몰드 냉각단계 처리된 탄소섬유층에서 몰드를 분리시켜 탄소섬유 파이프의 제조를 완료한다.
1. 탄소섬유층 형성단계
길이×외경×내경이 200cm×90cm×89.8cm인 c54재질의 관형 몰드의 외부에 0.2mm 두께의 탄소섬유(제조사, 제품명)를 순차적으로 치수만큼 겹겹 적층시켜 몰드의 외부에 탄소섬유층을 형성시킨다. 이때, 순차적으로 적층되는 탄소섬유는 상호 격자형태를 이루도록 엇갈림 적층시킨다. 또한 상기 탄소섬유는 에폭시 수지를 주원료로 하는 접착제가 함침되어 있다.
2. 압축단계
상기 탄소섬유층 형성단계 처리된 탄소섬유층이 형성된 몰드를 판상의 다이스 상부에 안착시킨 후, 상기 다이스의 상부에 위치된 가압판이 구비된 가압프레스를 작동시켜 몰드의 외부에 형성된 탄소섬유층을 압축시킨다. 이때, 상기 가압판은 수평방향으로 왕복이동하며 탄소섬유층이 형성된 몰드를 1,500kg/cm2의 압축력으로 가압한다. 또한 상기 가압판 또는(및) 다이스에는 열선이 구비되어 압축되는 탄소섬유층을 30~180℃로 가열하며 압축처리한다.
3. 몰드 냉각단계
상기 압출단계 처리된 탄소섬유층이 형성된 몰드의 중공에 -3℃의 냉각 기체를 주입하여 몰드를 냉각시켜 몰드를 수축시킴으로써 탄소섬유층을 분리시킨다.
4. 탈형단계
상기 몰드 냉각단계 처리된 탄소섬유층에서 몰드를 분리시켜 탄소섬유 파이프를 취득한다.
5. 진공처리단계
상기 탈형단계 처리되어 취득된 탄소섬유 파이프를 40℃의 온도를 유지하고 60bar의 진공압이 형성되는 진공챔버에 수용시킨 후 2~8시간 동안 진공처리하여, 탄소섬유 파이프의 조직에 포함된 공기를 제거하여, 탄소섬유 파이프의 제조를 완료한다.
상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.
10 : 몰드 20 : 탄소섬유층
30 : 탄소섬유 파이프
S100 : 탄소섬유층 형성단계 S200 : 압축단계
S300 : 몰드 냉각단계 S400 : 탈형단계
S500 : 진공처리단계

Claims (8)

  1. 길이 방향으로 중공이 형성된 관형 몰드(10)의 외부에 복수의 탄소섬유를 적층시켜 탄소섬유층(20)을 형성시키는 탄소섬유층 형성단계(S100);
    상기 탄소섬유층 형성단계(S100)에서 형성된 탄소섬유층(20)을 가압하여 탄소섬유층(20)을 압축시키는 압축단계(S200);
    상기 압축단계(S200) 처리된 관형 몰드(10)의 중공에 냉각 유체를 주입하여 관형 몰드(10)를 수축시키는 몰드 냉각단계(S300) 및;
    상기 몰드 냉각단계(S300) 처리된 관형의 몰드(10)에서 탄소섬유층(20)을 분리시켜 탄소섬유 파이프(30)를 취득하는 탈형단계(S400);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축단계(S200)의 탄소섬유층(20)은,
    1,000~2,000 kg/cm2의 압축력으로 가압처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압축단계(S200)는,
    탄소섬유층(20)을 30~290℃의 온도로 가열하며 가압처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 냉각단계(S300)의 냉각 유체는,
    3 ~ -2℃의 온도를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탈형단계(S400)에서 취득된 탄소섬유 파이프(30)는,
    진공압 상태에서 탄소섬유 파이프(30)의 조직에 포함된 공기를 제거시키는 진공처리단계(S500)를 더 처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진공처리단계(S500)는,
    60~120bar의 진공압으로 처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 진공처리단계(S500)는,
    50~70℃의 온도로 3~24시간 동안 처리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 의한 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 파이프.
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