KR20170132182A - 섬유 복합 재료의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 단계를 포함하는, 섬유 복합 재료의 제조 방법에 관한 것이다: a) 1개 이상의 섬유 다발을 2개 이상의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 스프레드 섬유 웹을 제공하도록 1개 또는 복수개의 스프레더 장치 상에서 함침 챔버(62) 내로 연신하는 단계; b) 각각 2개의 섬유 웹 사이에 배열된 수평 배향 분배기 빔(70)에 의해 용융물을 도입하는 단계; c) 개별 섬유 웹을 이들이 상호 중첩되어 서로 접촉하도록 합치는 단계; d) 합쳐진 섬유 웹을 첫번째 성형이 일어나는 배출 노즐(65)를 통해 그 툴의 말단에서 연신하는 단계.

Description

섬유 복합 재료의 제조 방법 및 장치
본 발명은 복합 재료의 제조 방법, 및 또한 1개 이상의 섬유 다발을 용융물로 함침시킬 수 있는 장치에 관한 것이다. 특정한 디자인을 사용하면 다양한 섬유 재료 및 섬유 유형, 심지어 비교적 높은 텍스 값을 갖는 것 (예를 들어 무거운 토우)을 처리하는 것이 가능하다. 특별한 특징은 매우 넓은 점도 범위에 걸친 견고한 개별 섬유 함침의 달성이다. 따라서, 통상적으로 사용되는 선행 기술의 해결책과는 달리, 비교적 고점도의 시스템을 처리하는 것도 가능하다.
용융물 함침 동안의 섬유 다발의 팽창은 공지되어 있다. EP 0 056 703 A1에는 강화-섬유 로빙을 스프레딩하기 위해, 가열된 스프레더 바 형태의 1개 이상의 가열된 표면이 침지되어 있는 열가소성 용융물을 통해 강화-섬유 로빙을 연신하는 방법이 기술되어 있다. 그러나, 실제로 항상 복수개의 스프레더 장치가 필요하다. 인가되어야 하는 인취력은 스프레더 장치의 개수, 용융물의 점도 및 인취 속도에 따라 크게 증가한다. 그로 인한 높은 인취력, 및 또한 바에 대한 기계적 마찰은 강화 섬유를 손상시켜 복합 재료의 특성을 해치므로, 이러한 방법은 사용하기에 매우 제한적인 시간대를 갖는다. 추가적인 인자는 함침 품질 및 또한 이로 인한 생성물의 품질이 용융물 점도의 증가 및 인취 속도의 증가에 따라 저하된다는 것이다. 따라서 EP 0 056 703 A1의 방법은 30 Pas 이하의 용융물 점도 및 낮은 인취 속도 (0.3 m/min 미만)를 사용하는 경우에만 우수한 결과를 제공한다.
낮은 매트릭스 점도는 보다 효과적인 함침을 제공할 수 있다. 점도가 높을수록, 함침은 덜 효과적이다. 이 효과를 완화하는 가능한 방법은 매우 낮은 처리 속도로 처리하거나, 또는 아주 많은 수의 편향점을 이용하는 것이고, 이는 실질적인 섬유 손상의 원인이 되고 마찬가지로 공정을 지연시킨다. 일부 기술적 해결책은 매트릭스 도포를 위해 통합된 다이와 함께 둥근 편향기 유닛을 사용하고; 스프레드 섬유 로빙을 그 위에서 개별적으로 또는 웹 생성물로서 연신한다. 습윤과 함침은 여기서 하나의 단계로 일어난다. 매우 단순한 공정들 또는 매우 낮은 매트릭스 점도에 대해 이것은 적절한 함침 효과를 달성할 수 있다. 반면에 섬유 손상이 용납하기 어렵게 증가하거나 또는 함침이 부적절하기 때문에, 웹 속도는 롤러 배열에 따라 제한된다. 이 방법은 많은 특허 출원의 대상이고; 언급될 수 있는 예는 US 4 059 068, US 5 798 068, WO 2009/074490, US 2005/0221085 및 EP 0 397 506 A2이다. 이에 대한 대안으로서, 강성 편향점에 의해 도포를 달성하는 것이 가능하다 (EP 0 415 517 A1).
이와 대조적으로, 본 발명의 목적은 상기에 언급된 문제를 해결하고, 특히 섬유 손상을 회피할 수 있음에도 불구하고 빠른 인취 속도를 달성할 수 있는, 용융물의 체류 시간이 짧은 간단한 방식으로 높은 함침도를 달성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 특히 넓은 범위의 섬유 유형 및 또한 비교적 높은 매트릭스 점도에 대해 매우 우수한 함침 품질을 야기해야 한다. 매우 우수한 함침 품질이라는 표현은 매우 정교하게 분포된 개별 필라멘트 섬유가 존재하고, 이상적으로는 매트릭스가 이들 각각의 개별 필라멘트 섬유를 완전히 둘러싸고, 함침되지 않은 필라멘트 다발 또는 필라멘트 영역이 거의 존재하지 않음을 의미한다. 더욱이 또한 생성물 내에 공기 봉입물이 거의 존재하지 않는다. 함침 품질은 현미경용절편 또는 주사 전자 현미경사진을 이용하여 통상적인 방식으로 평가된다.
이러한 목적은 습윤 방법과 추가의 함침의 특정한 조합을 실현하는 복합 재료의 제조 방법을 통해 달성된다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다:
a) 1개 이상의 섬유 다발(들)을 2개 이상의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 스프레드 섬유 웹을 제공하는 방식으로 1개 이상의 스프레더 장치(들)에 의해 함침 챔버 내로 연신하는 단계;
b) 각각 2개의 섬유 웹 사이에 배열된 수평 배향 분배기 바에 의해 용융물을 도입하는 단계;
c) 개별 섬유 웹을 이들이 상호 중첩되어 서로 접촉하는 방식으로 수렴하도록 하는 단계;
d) 섬유 웹이 수렴한 후 이들을 작동 유닛의 말단에서 첫번째 성형이 일어나는 인취 다이를 통해 연신하는 단계.
이어서, 생성물은 캘린더링되고 냉각될 수 있다.
"섬유 다발"이라는 표현은 비교적 많은 수의 개별 필라멘트로 만들어진 다발을 의미한다. 여기에는 통상적으로 수천 개의 개별 필라멘트가 포함된다. 섬유 다발은 1개의 로빙 또는 복수개의 로빙으로 구성될 수 있고; 바람직하게는 1 내지 최대 1000개의 로빙, 특히 바람직하게는 1 내지 최대 800개의 로빙으로 구성된다. 본 발명의 방법에서, 이들 로빙은 개별적으로 패키지로부터 풀리거나 제거되고, 스프레더 장치 이전에 또는 스프레더 장치의 초기에, 단일 섬유 다발을 제공하는 방식으로 수렴하게 된다. "로빙"이라는 용어는 여기서는 일반적으로 단일 필라멘트들의 다발을 의미하고; 이러한 다발은 단일 섬유 유형 또는 다양한 섬유 유형으로 구성될 수 있다. 원칙적으로 적절한 길이의 모든 섬유가 적합하고; 무기 섬유, 중합체 섬유, 및 또한 천연 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 적합한 섬유의 예는 금속 섬유, 유리 섬유 (예를 들어 E 유리, A 유리, C 유리, D 유리, AR 유리, R 유리, S1 유리, S2 유리 등으로 만들어진 것), 탄소 섬유, 금속화된 탄소 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유 (예를 들어 Al2O3 또는 SiO2로 만들어진 것), 현무암 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 (예를 들어 폴리부틸렌테레프탈레이트로 만들어진 것), 액정 폴리에스테르로 만들어진 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 및 또한 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤으로 만들어진 섬유, 및 또한 비스코스 방법에 의해 방사되고 통상적으로 비스코스 섬유라고 불리는 셀룰로스 섬유, 대마 섬유, 아마 섬유, 황마 섬유 등이다. 섬유의 단면은 예를 들어 원형, 직사각형, 달걀형, 타원형, 또는 불규칙하게 둥근 형상일 수 있다. 원형 형상으로부터 벗어나는 단면을 갖는 섬유 (예를 들어 편평 유리 섬유)의 경우, 완성된 부품 내의 더 높은 충전 수준, 및 따라서 더 높은 강도를 달성하는 것이 가능하다.
섬유 다발은 늦어도 용융물 도포 동안, 2개 이상의 상호 중첩된 웹을 제공하는 방식으로 팽창되고 수행된다. 웹 분리는 작동 유닛에서 또는 작동 유닛 이전에 일어날 수 있다.
하나의 바람직한 실시양태에서, 2개 이상의 섬유 다발은 스프레더 장치에 의해 각각 개별적으로 스프레딩되고, 함침 챔버 내로 개별 개구를 통해 연신된다. 따라서 2개의 공간적으로 분리된 섬유 웹이 직접 수득된다.
여기서 배열은 유리하게는 섬유 다발, 스프레더 장치 및 섬유 웹의 어떠한 편향도 필요하지 않는 방식으로 서로에 대한 흡입 개구를 갖는다. 그러나, 특수한 경우, 섬유 다발, 스프레더 장치 및 흡입 개구의 배열은 또한 상이하여, 섬유 웹이 적절한 위치로 편향하는 것을 요구할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 2개 이상의 섬유 다발은 스프레더 장치에 의해 각각 개별적으로 팽창되고, 함침 챔버 내로 동일한 개구를 통해 연신된다. 함침 챔버 내로 진입 시, 개별 섬유 웹은 다시 분할된다. 이전에 분리된 웹의 분할은 개방된 작동 유닛에서 수동 스레딩에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 개방하기 쉬운 2개 이상의 부분으로 이루어진 작동 유닛이 바람직하다.
또 다른 실시양태에서, 섬유 다발은 스프레더 장치에 의해 팽창되고, 여기서 또는 이후에 적합한 장치에 의해 복수개의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 스프레드 섬유 웹으로 분리된다. 그러나, 분리된 섬유 웹은 여기서 편향을 요구한다. 이어서, 섬유 웹은 함침 챔버 내로 연신된다. 여기서 변형법으로, 2개 이상의 섬유 다발은 각각 스프레더 장치에 의해 개별적으로 팽창되고, 여기서 또는 이후에 적합한 장치에 의해 각각 복수개의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 스프레드 섬유 웹으로 분리되고, 이들은 편향된 다음 함침 챔버 내로 연신된다.
본 발명의 목적을 위해서는 목적하는 이들 다양한 실시양태를 합치는 것도 가능하다.
단계 a)에서의 팽창은 최종 생성물의 형상에 따라 좌우된다. 최종 생성물이 테이프인 경우, 섬유 다발을 위한 팽창 인자는 비교적 높다. 이와 대조적으로, 최종 생성물이 비교적 두꺼운 경우, 예를 들어 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는 경우, 섬유 다발을 위한 팽창 인자는 최종 생성물의 폭을 기준으로 하여 비교적 낮을 수 있고; 따라서 임의의 유용한 일반적으로 적용 가능한 상한을 말하는 것은 불가능하다. 팽창 인자는 최종 생성물의 형상에 따라 좌우되고, 각 경우에 섬유 다발의 최초 폭을 기준으로 하여 바람직하게는 최대 30, 특히 바람직하게는 최대 20, 특히 더 바람직하게는 최대 14, 매우 특히 바람직하게는 최대 8일 수 있다. 특히 비교적 두꺼운 최종 생성물의 경우, 수렴하도록 되는 상호 중첩된 웹의 개수가 2개 보다 많은 것이 유용할 수 있다.
여기서 섬유 다발의 팽창 정도는 섬유 다발의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배, 특히 필라멘트 직경의 1 내지 40배, 특별히 필라멘트 직경의 1.5 내지 35배, 매우 특히 필라멘트 직경의 1.8 내지 30배이기에 충분한 것이 바람직하다. 데이터는 여기서 섬유 웹의 폭에 걸친 평균이다. 비-원형 단면을 갖는 섬유의 경우, 가장 짧은 단면 축이 필라멘트 직경으로서 선택된다. 섬유 단면의 경우, 섬유 제조사에 의해 제공된 정보가 이용될 수 있다. 다양한 섬유의 혼합물의 경우, 개별 필라멘트의 개수를 기준으로 하는 산술 평균이 필라멘트 직경으로서 선택된다. 제조사의 정보가 이용가능하지 않은 경우, 또는 상이한 형상을 갖는 동일한 유형의 섬유, 예를 들어 천연 섬유의 경우, 평균 필라멘트 직경은 주사 전자 현미경사진 (SEM), 및 개별 필라멘트의 개수를 기준으로 하는 산술 평균의 측정 및 계산을 통해 결정된다.
섬유 다발(들)의 팽창에 적합한 스프레더 장치는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 예로서, 1개 이상의 편향기 바가 이 목적을 위해 사용된다. 실용적 배열은 연속적인 복수개, 예를 들어 2, 3 또는 4개의 편향기 바를 갖는다.
복합 재료의 매트릭스는 열가소성 성형 조성물, 열경화성 물질, 열가소성-열경화성 혼성 시스템, 열가소성 엘라스토머 또는 가교된 엘라스토머일 수 있다. 열가소성 성형 조성물은 주성분 또는 단일 성분으로서의 열가소성 물질로 구성된다. 다른 구성성분은 예를 들어 안정화제, 가공 조제, 안료, 난연제, 블렌드 성분으로서의 다른 열가소성 물질, 충격 개질제 등일 수 있다. 적합한 열가소성 물질은 예를 들어 폴리올레핀 (예를 들어 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌), 폴리에스테르 (예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아릴레이트 및 액정 폴리에스테르), 폴리카르보네이트, 폴리에스테르 카르보네이트, 폴리아미드 (예를 들어 PA46, PA6, PA66, PA610, PA612, PA1010, PA11, PA12), 반방향족 폴리아미드 (PPA) 및 투명 폴리아미드 (예를 들어 선형 또는 분지형 지방족, 시클로지방족 또는 방향족 디카르복실산 및 디아민을 기재로 하는 것), 폴리아릴렌 에테르 케톤 (예를 들어 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 케톤 또는 폴리에테르 에테르 케톤 케톤), 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르이미드, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 (SAN), 스티렌-아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 (ABS), 폴리아세탈, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐렌 옥시드 및 플루오로중합체 (예를 들어 PVDF 및 ETFE)이다. 열가소성 물질은 통상적으로 용융물로서 도포된다. 이 용융물은 또한 후속적으로 제거되는 용매를 포함할 수 있다. 그러나, 대신에 용융물로서 계내에서 나중에 중합되는 단량체를 도포하는 것도 가능하다; 따라서 예로서 음이온성 락탐 중합을 통해 폴리아미드 매트릭스를 생성하는 것이 가능하다. 또 다른 변형법은 용융물로서 커플링제와 함께 비교적 저분자량을 갖는 중합체를 도포한 다음, 함침 절차 동안 그리고 특히 그 후에 사슬 연장을 수행하는 것으로 이루어진다.
적합한 열경화성 물질은 예를 들어 불포화된 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 아미노 플라스틱, 페놀계 플라스틱, 가교된 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 멜라민 수지, 비닐 에스테르 수지 및 비스말레이미드 수지이다. 공정 단계 b)에서 도포되는 용융물은 이 경우 수지-경화제 혼합물 또는 임의의 다른 적합한 전구체, 예를 들어 예비중합체이다.
적합한 열가소성 엘라스토머는 예를 들어 TPEO (올레핀계 열가소성 엘라스토머, 예를 들어 PP/EPDM), TPEV (올레핀계 가교된 열가소성 엘라스토머, 특히 PP/가교된 EPDM), TPEU (폴리우레탄계 열가소성 엘라스토머), TPEE (열가소성 폴리에스테르 엘라스토머), TPES (스티렌 블록 공중합체, 예를 들어 SBS, SEBS, SEPS, SEEPS 및 MBS), 및 또한 TPEA (폴리아미드 엘라스토머)이다.
적합한 가교된 엘라스토머는, 선행 기술에서와 같이, 가황제를 포함하고 또한 임의로 가황 보조제, 충전제, 오일, 및 또한 다른 통상적인 첨가제를 포함하는 배합 고무 재료로부터 수득된다. 이러한 유형의 엘라스토머의 예는 EPDM, 스티렌/부타디엔 고무, 부틸 고무, 실리콘 고무, 에폭시 고무, 클로로프렌 고무, 아크릴계 고무 등이다.
본 발명의 목적을 위해, 용어 "용융물"은 섬유 다발에 도포되어 매트릭스를 제공하는 예로서 상기 언급한 임의의 유동가능한 물질에 사용된다.
공정 단계 a)에서, 복수개의 섬유 웹은 높이가 매우 조금 증가하도록 생성된다. 단위 면적 당 중량의 유의한 감소가 바람직하다. 단위 면적 당 정확한 중량 및 또한 웹의 개수는 목적하는 후속 생성물 구조 및 사용된 매트릭스 물질 및 각각 용융물의 점도에 따라 좌우된다. 웹의 폭이 후속 생성물의 폭에 해당하거나 또는 습윤 절차가 추가로 용이하게 되도록 더 높은 팽창도가 일어날 수 있는 것이 바람직하다. 섬유 웹이 함침 챔버 내로 진행할 때, 섬유 웹은 함께 공유된 흡입에 의해 또는 개별적으로 진행한다.
이어서, 습윤 절차는 각각의 섬유 웹 사이에 일어나며, 여기서 분배기의 단면은 용융물을 도입하는 역할을 한다. 후속 생성물에 바람직한 특성, 및 또한 사용되는 출발 물질에 의해 요구되는 바와 같이, 배열은 바람직하게는 상호 중첩된, 1개 이상의 용융물 분배기를 포함할 수 있다. 용융물은 압출기로부터 또는 가소화하는 유닛의 용융물 펌프 하류로부터 웹의 단면에 대해 중합체를 균일하게 계량하는 분배기 바로 공급된다. 이 균일한 계량은 도포기 다이의 내부 단면에 의해 달성된다. 분배기 다이의 형상은 다이 개구 또는 복수개의 인접한 다이 개구가 섬유 웹의 전체 폭에 대해 바람직하게는 존재한다는 점에서 용융물의 균일한 도포를 제공한다. T-바 분배기가 여기서 사용될 수 있거나, 또는 매니폴드 분배기 또는 제어된 계량 및 또한 용융물 필름의 균일한 도포를 허용하는 임의의 다른 유형이 사용될 수 있다. 이들 분배기 다이는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 적합한 매니폴드 분배기는 예를 들어 WO 2012/149129에 보다 상세하게 기술된다. 분배기 바의 단면은 예를 들어 원형, 계란형, 타원형, 직사각형 또는 둥근 사각형일 수 있다.
본 발명의 목적을 위해 배열이 최상의 섬유 웹 위에 도포기 다이를 갖거나, 최저의 섬유 웹 아래에 도포기 다이를 갖거나, 또는 최상의 섬유 웹 위와 최저의 섬유 웹 아래에 각각 도포기를 갖는 1개 또는 2개의 도포기 다이를 통해 용융물을 추가로 도포하는 것도 또한 가능하다.
그 다음의 함침 단계에서, 다양한 웹은 수렴하도록 되고, 다이를 통해 연신된다. 용융물 도포와 다이 사이의 챔버 영역에서는, 용융물이 약간 과량으로 존재하는 것이 도움이 될 수 있다. 이 영역에서 섬유 웹은 수렴하고, 도포된 용융물은 함침이 아직 일어나지 않은 섬유들 사이의 공간으로 침투한다. 이 절차는 다이의 영역에서 수렴에 의해 야기될 수 있는 국지적인 압력차가 도움이 된다. 챔버의 영역에서, 수렴은 또한 챔버의 형상에 의해, 또는 단면이 좁아지는 형태로 도입된 인서트에 의해 도움을 받을 수 있다. 이 경우, 섬유는 예비적 단계에서 용융물로 선행 압밀된다; 이어서 나머지 압밀은 다이에 의해 수행된다. 최종 생성물이 얇은 시트이면, 단면이 좁아지는 것이 전혀 필요하지 않을 것이다; 대조적으로, 그것이 프로파일이면 단면은 팽창된 섬유 웹의 단면으로부터 그 프로파일의 형상에 해당하는 단면으로 줄어든다.
인취 다이는 초기 성형을 수행하고, 웹 생성물의 추가적 함침을 초래한다. 인취 다이는 일반적으로 임의의 통합된 인취 장비를 포함하지 않는다. 대신에, 통상적으로 다이 직후에 인취에 의해 또는 캘린더 롤에 의해 스트랜드에 인장력이 인가된다. 예를 들어 롤러 또는 롤 형태의, 이러한 유형의 인취는 선행 기술이고 캘린더도 그러하다. 추가적 성형이 여기서 일어날 수 있다.
도 1은 2개의 상호 중첩된 섬유 웹으로의 분리가 일어나는 시스템의 한 실시양태를 도시한다.
도 2는 3개의 상호 중첩된 섬유 웹으로의 분리가 일어나는 시스템의 또 다른 실시양태를 도시한다.
도 3은 4개의 상호 중첩된 섬유 웹으로의 분리가 일어나는 시스템의 또 다른 실시양태를 도시한다.
도 4는 개별 섬유 웹의 흡입의 하나의 변형예를 나타낸다.
도 5는 다양한 분배기 단면을 갖는 분배기 바의 다양한 실시양태를 나타낸다.
도 6은 분배기 바가 용융물 도포를 변경하기 위해 배치될 수 있는 방식을 도시한다.
도 7은 인취 다이 이전에 섬유 웹의 수렴의 측면도이다.
도 1은 단순한 실시양태를 나타낸다. 개별 필라멘트 플라이의 이전에 규정된 개수를 갖는 스프레드 섬유 다발은 형상화된 흡입부(61)를 통해 함침 챔버(62)에 들어간다. 함침 챔버에서, 분배기 바(70) 이전에, 다발은 분할되어 그의 필라멘트 플라이의 개수를 이등분한다. 분배기 바(70)를 통해 후속 용융물 도포가 2개의 서브스트랜드 사이에서 일어난다. 임의의 특정한 실시양태에서, 여기서 중앙에서 상부 섬유 웹에 또는 하부 섬유 웹에 도포될 수 있다 (도 5의 71 참조). 중앙 도포의 첫번째 결과는 (필라멘트 플라이의 반감된 개수에 의해) 용융물이 섬유의 완전 침투를 달성하기 위해 커버해야 하는 거리를 이등분하는 것이다. 이어서, 2개의 플라이는 다시 수렴하여 1개의 플라이를 제공한다. 여기서 나타낸 단순한 실시양태에서, 이것은 도움 없이 달성된다. 그러나, 작동 유닛은 또한 물질이 챔버 부분(63)(첫번째 수렴 영역)을 떠나기 전에 이 수렴을 돕는 추가의 기하학적 설계 특징을 포함할 수 있다. 이것의 단순한 예는 플라이의 수렴의 원인이 되는 가이드 바 또는, 작동 유닛 내에, 협소화부일 것이다 (여기서는 도시되지 않음). 함침 챔버의 후방부의 압밀 영역(64)은 챔버의 기하구조에서 다이의 단면을 통한 후속 성형으로의 전이를 시작한다 (도 6을 또한 참조). 성형은 인취 다이(65)에서 일어난다. 좁아진 단면에 의해, 매트릭스 물질은 이어서, 강제로 섬유 층을 통과하게 된다. 용융물이 약간 과량으로 존재하는 경우, 이것 (다이의 말단에서의 각각의 형상에 따라 좌우됨) 직전에 발생하는 협소화는 국지적인 압력 상승의 원인이 되고, 이것은 이어서, 함침의 달성에서 일반적 보조를 제공한다. 따라서, 섬유는 중앙에서 위로부터, 아래로부터 매트릭스 물질에 의해 포화되고, 압밀된다. 다발의 수렴, 압력 증가 및 성형은 더욱이 개별 필라멘트의 일정한 상대적인 움직임의 원인이 되고, 이것은 최대 압밀을 허용한다. 최종 성형을 위해, 프로파일은 또한 인취 후에 캘린더(80)에 의해 캘린더링될 수 있다. 이어서 생성된 스트랜드는 냉각되고 권취되거나 일정 길이가 되도록 절단되고; 이것의 대안으로서 그것은 즉시 예를 들어 코어 주위에 권취된 다음 (열가소성 매트릭스의 경우) 냉각되거나 (열경화성 매트릭스의 경우) 경화됨으로써 추가로 처리될 수 있다.
도 2는 섬유 다발이 3개의 섬유 웹으로 분할되는 한 실시양태를 나타낸다. 용융물은 각각 2개의 섬유 웹 사이에 분배기 바를 통해 도포된다. 다른 점에서, 도 1과 관련되는 실시양태의 원칙이 적용 가능하다.
도 3은 섬유 다발이 4개의 섬유 웹으로 분할되는 또 다른 실시양태를 나타낸다. 용융물은 각각 2개의 섬유 웹 사이에 분배기 바를 통해 도포된다. 다른 점에서, 도 1과 관련되는 실시양태의 원칙이 적용 가능하다.
도 4는 스프레드 섬유 웹이 서로 접촉하면서 시스템 내로 함께 연신되는 도 1 내지 3에서와는 달리, 스프레드 섬유 웹이 개별적으로 시스템 내로 연신될 수 있는 방법을 나타낸다.
도 5는 개구가 용융물의 점도에 적절하도록 설계된 분배기 바의 다양한 실시양태를 나타낸다.
도 6은 특정한 실시양태에서 용융물이 분배기 바(71)를 통해 중앙에서 상부 섬유 웹에 또는 하부 섬유 웹에 도포될 수 있는 방법을 나타낸다. 분배기 바는 여기서 편향기로서 그리고 섬유 가이드로서 동시에 이용된다. 용융물이 분배기 바 이전에 공간 내로 계량되는 경우, 이것은 국지적인 압력 증가를 통해 함침의 달성에 도움을 준다.
도 7은 인취 다이 이전에 섬유 웹의 수렴을 설명한다. 여기서 공동 높이 대 다이 높이의 선택된 협소화 비 (H1:H2), 선택된 협소화 정도에 따라 좌우되고, 주로 길이(L1) 및 또한 선택된 전이 반경(R1 및 R2)에 의해 제어가능한, 정확한 압력 프로파일을 설정하는 것이 가능하다. 이는 생성물 압밀 과정에 중요하며, 이는 왜냐하면 (갑작스러운 협소화에 의해 수득된 유형의) 압력 피크 없이 느리고 제어가능한 압력 증가를 달성하는 것이 바람직하기 때문이다. L2는 인취 다이의 길이이다.
본 발명의 방법에서 도포되는 용융물의 바람직한 점도는 10 mPas 내지 400 Pas, 특히 300 Pas 이하이다. 경화 후에 열경화성 물질 또는 열가소성-열경화성 혼성 시스템을 제공하는 수지-경화제 시스템 또는 예비중합체의 경우, 점도는 10 mPas 또는 심지어 그 미만까지의 더 낮은 범위이다. 열가소성 성형 조성물로 만들어진 용융물의 경우, 열가소성 엘라스토머 또는 배합 엘라스토머 재료 점도는 일반적으로 1 Pas 이상이다. 본 발명에 따르면, 점도는 기계식 분광계에서 ASTM D4400에 따라 측정된, 공정의 온도에서의 영전단 점도이다.
용융물의 도포 동안의 작업은 특히 비교적 고점도의 용융물의 경우, 일반적으로 임의의 과량의 용융물을 회피하거나, 또는 단지 적은 과량의 용융물을 사용한다. 작업이 용융물의 과량으로 수행되는 경우, 과잉량은 다이를 향한 영역 내에 축적되고, 용융물 배스를 형성한다. 예방 측정은 과량의 용융물이 이 목적을 위해 제공된 개구를 통해 유출되는 것을 가능하게 하기 위해 이 경우에 행해져야 한다. 섬유 대 용융물의 비는 완성된 부품 내의 섬유의 부피 비율이 약 10 내지 85%, 바람직하게는 15 내지 80%, 특히 바람직하게는 20 내지 75%인 방식으로 조절된다.
도포된 용융물이 수지-경화제 시스템, 단량체 또는 예비중합체를 포함하는 경우, 경화 반응이 다이 영역에서 그리고 또한 이후에 일어난다. 이 경우, 다이 영역은 더 길도록 설계될 수 있다. 작업은 정량적으로 적절한 용융물 도포로 수행되거나, 그 후에까지 경화를 지연시키면서, 다이를 스트리퍼로서 사용한다. 선택된 온도 프로파일은 다이 영역이 도달되기 전에 경화가 일어나지 않도록 존재하여야 한다. 다이로부터의 제거 후에, 생성물은 임의로 경화의 완결을 위해 예를 들어 오븐에서, 열 후처리된다.
인취 속도는 요구되는 경우 조절될 수 있다. 그것은 바람직하게는 0.1 내지 30 m/min, 특히 바람직하게는 0.5 내지 25 m/min이다.
본 발명의 방법에서 수득된 스트랜드는 임의의 바람직한 형상을 가질 수 있다. 그것은 예를 들어 얇은 시트 또는 다른 시트, 테이프, 둥근 프로파일, 직사각형 프로파일 또는 복합 프로파일일 수 있다.
본 발명의 하나의 변형법에서, 열가소성 매트릭스를 포함하는 수득된 스트랜드는 4 내지 60 mm, 바람직하게는 5 내지 50 mm, 특히 바람직하게는 6 내지 40 mm, 특히 바람직하게는 5 내지 30 mm, 매우 특히 바람직하게는 6 내지 25 mm 길이의 세장형 장섬유-강화된 펠릿을 제공하도록 절단된다. 이어서 이들 펠릿은 사출 성형, 압출, 압축 성형 또는 다른 친숙한 성형 방법에 의해 성형물을 제조하는 데 사용될 수 있고, 여기서 성형물의 특히 우수한 특성은 비-공격적 처리 방법으로 달성된다. 이 문맥에서 비-공격적의 의미는 주로 불균형의 섬유 파단 및 부수적인 심한 섬유 길이 감소의 실질적인 회피이다. 사출 성형의 경우 이는 큰 직경 및 낮은 압축비를 갖는 스크류 및 또한 넉넉한 치수를 갖는 채널을 노즐 및 게이트의 영역에서 사용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 보장되어야 하는 보충 조건은 세장형 펠릿이 높은 실린더 온도의 도움을 받아 빠르게 용융되고 (접촉 가열), 섬유가 불균형 수준의 전단에 의해 과도하게 분쇄되지 않는 것이다. 이들 조치에 주의가 기울여지는 경우, 수득된 성형물은 단섬유-강화된 성형 조성물로부터 제조된 비교용 성형물보다 더 긴 평균 섬유 길이를 갖는다. 이는 특성, 특히 인장 탄성 계수, 극한 인장 강도 및 노치 충격 내성의 현저한 개선을 제공한다.
본 발명은 또한 섬유 복합 재료를 제조하도록 의도되고 하기 구성요소를 포함하는 장치를 제공한다:
a) 섬유 다발이 2개 이상의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 섬유 웹을 제공하도록 스프레딩될 수 있는 1개 이상의 스프레더 장치(들);
b) 1개 이상의 흡입 영역(들);
c) 분배기 다이를 포함하고, 그의 위치가 2개의 섬유 웹 사이에 존재하는 방식으로 배열되어 있으며, 분배기 다이에 의해 용융물을 도포하는데 사용될 수 있는 1개 이상의 수평 배향 분배기 바;
d) 분배기 바가 배열되어 있고 그를 통해 섬유 웹이 운반될 수 있는 용융물 챔버;
e) 임의로 단면 협소화부,
f) 수렴 영역 및
g) 인취 다이.
하나의 바람직한 실시양태에서, 장치는 각각 섬유 다발을 스프레딩하는 것이 가능한 2개 이상의 스프레더 장치 및 또한 동일한 개수의 흡입 영역을 포함한다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 장치는 각각 섬유 다발이 스프레딩될 수 있는 2개 이상의 스프레더 장치, 및 또한 1개, 특히 단지 1개의 흡입 영역을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 장치는 스프레더 장치에 의해 스프레딩된 섬유 다발을 복수개의 상호 중첩된 웹으로 분리하는 구성요소를 포함한다.
목적하는 이들 다양한 실시양태를 합치는 것이 또한 본 발명의 목적을 위해 가능하다.
상기 장치에 대한 상세사항은 상기 방법 설명에 명백히 드러나 있으며, 이는 왜냐하면 장치가 본 발명의 방법을 수행하는 역할을 하기 때문이다.
이 방법은 용융물의 점도 및 필라멘트 플라이의 개수에 따라 좌우되면서, 다양한 작업 모드로 수행될 수 있다. 따라서 매트릭스 물질로서 심지어 비교적 고점도의 시스템을 처리하는 것이 가능하다. 이전의 해결책들과는 다른 유의한 차이는 본 발명에 따르면, 고도의 팽창 후에 구현된 특정한 습윤 방법에 이어서 상대적인 종방향 및 횡방향 움직임에 의한 개별 섬유의 함침이다. 따라서 매우 우수한 함침 품질이 심지어 인취 속도가 빠른 경우에도, 매우 넓은 점도 범위에 걸쳐 달성된다.
61 흡입 영역
62 함침 챔버
63 첫번째 수렴 영역
64 압밀 영역
65 인취 다이
70 분배기 바
71 회전가능한 분배기 바
72 변형 형상의 분배기 바
73 변형 형상의 분배기 바
74 변형 형상의 분배기 바
80 캘린더

Claims (13)

  1. 하기 단계를 포함하는, 섬유 복합 재료의 제조 방법:
    a) 1개 이상의 섬유 다발(들)을 2개 이상의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 스프레드 섬유 웹을 제공하는 방식으로 1개 이상의 스프레더 장치(들)에 의해 함침 챔버 내로 연신하는 단계;
    b) 각각 2개의 섬유 웹 사이에 배열된 수평 배향 분배기 바에 의해 용융물을 도입하는 단계;
    c) 개별 섬유 웹을 이들이 상호 중첩되어 서로 접촉하는 방식으로 수렴하도록 하는 단계;
    d) 섬유 웹이 수렴한 후 이들을 작동 유닛의 말단에서 첫번째 성형이 일어나는 인취 다이를 통해 연신하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 단계 a)에서 2개 이상의 섬유 다발이 각각 스프레더 장치에 의해 개별적으로 스프레딩되고, 함침 챔버 내로 개별 개구를 통해 연신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 단계 a)에서 2개 이상의 섬유 다발이 각각 스프레더 장치에 의해 개별적으로 스프레딩되고, 함침 챔버 내로 동일한 개구를 통해 연신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 단계 a)에서 섬유 다발이 스프레더 장치에 의해 스프레딩되고, 여기서 또는 이후에 적합한 장치에 의해 복수개의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 스프레드 섬유 웹으로 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 재료의 매트릭스가 열가소성 성형 조성물, 열경화성 물질, 열가소성-열경화성 혼성 시스템, 열가소성 엘라스토머 또는 가교된 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a)에서 섬유 플라이는 그의 평균 두께가 필라멘트 직경의 1 내지 50배인 정도로 스프레딩되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수득된 스트랜드가 인취 다이를 떠난 후에 캘린더링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수득된 스트랜드가 4 내지 60 mm 길이의 세장형 장섬유-강화된 펠릿을 제공하도록 절단되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수득된 스트랜드가 얇은 시트 또는 다른 시트, 테이프, 둥근 프로파일, 직사각형 프로파일 또는 복합 프로파일인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 하기 구성요소를 포함하는, 섬유 복합 재료의 제조를 위해 의도된 장치:
    a) 섬유 다발이 2개 이상의 상호 중첩되고 공간적으로 분리된 섬유 웹을 제공하도록 스프레딩될 수 있는 1개 이상의 스프레더 장치(들);
    b) 1개 이상의 흡입 영역(들);
    c) 분배기 다이를 포함하고, 그의 위치가 2개의 섬유 웹 사이에 존재하는 방식으로 배열되어 있으며, 분배기 다이에 의해 용융물을 도포하는데 사용될 수 있는 1개 이상의 수평 배향 분배기 바;
    d) 분배기 바가 배열되어 있고 그를 통해 섬유 웹이 운반될 수 있는 용융물 챔버;
    e) 수렴 영역 및
    f) 인취 다이.
  11. 제10항에 있어서, 각각 섬유 다발을 스프레딩하는 것이 가능한 2개 이상의 스프레더 장치 및 또한 동일한 개수의 흡입 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제10항에 있어서, 각각 섬유 다발을 스프레딩하는 것이 가능한 2개 이상의 스프레더 장치 및 또한 1개의 흡입 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제10항에 있어서, 스프레더 장치에 의해 스프레딩된 섬유 다발을 복수개의 상호 중첩된 웹으로 분리하는 것이 가능한 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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