KR20180066396A - 토우프리프레그 생산 장치 및 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유 원사 대비 높은 강도전 이율을 유지하면서도 대량 생산이 가능하도록 하는 토우프리프레그 생산 장치 및 생산 방법를 제공한다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치는, 섬유가 감겨져서 구비되고 상기 섬유가 풀 려나갈 때 상기 섬유에 인가되는 장력을 조절하여 상기 섬유의 폭을 조절하는 브레이크를 포함하는 크릴부; 상기 크릴부를 통과한 섬유에 소정의 열을 가하는 가열 수단과 상기 섬유를 펼쳐주기 위한 스프래딩 수단을 구비하는 스프래딩부; 상기 스프래딩부를 통과한 섬유에 제1 수지를 코팅 및 부분 함침시키기 위해 상기 제 1 수지 공급을 위한 제1 수지 공급 수단, 코팅 수단 및 상기 제1 수지의 유동성 확보를 위한 제1 가열 수단 을 포함하는 코팅부; 상기 코팅부를 통과한 섬유에 제2 수지를 공급하는 제2 수지 공급 수단과 상기 제2 수 지 공급 수단을 통해 공급되는 제2 수지에 열을 가하는 제2 가열 수단을 포함하여 상기 섬유에 상기 제2 수 지를 함침시키는 함침부; 한 쌍의 롤러를 구비하여 상기 함침부를 통과한 섬유의 두께와 폭을 조절하는 형태 제어부; 상기 형태 제어부를 통과한 토우프리프레그를 감는 와인더를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

토우프리프레그 생산 장치 및 생산 방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR TOW PREPREG AND METHOD THEREOF}

본 발명은 토우프리프레그 생산 장치 및 생산 방법에 관한 것으로, 자세하게는 섬유에 함침되는 수지 함량을 정밀하게 제어할 수 있으면서도 단사가 적은 토우프리프레그를 대량 생산할 수 있는 토우프리프레그 생산 장치 및 생산 방법에 관한 것이다.

일반적으로 섬유 강화 복합재료는 탄소 섬유나 아라미드 섬유 등과 같은 보강재에 기지재인 에폭시 등의 수지를 함침시켜 제조한다. 섬유 강화 복합재료는 높은 비강도와 비탄성률을 가지며 이러한 이유로 항공기나 자동차 등의 산업용 구조재료로 이용되고 있다. 또한, 테니스 라켓, 골프 샤프트 및 낚싯대 등의 스포츠용품과 같은 일상제품의 재료로도 이용되고 있다.

또한 섬유 강화 복합재료는 환경오염을 막기 위한 일환으로, 화석연료를 대체하기 위한 풍력발전기의 블레이드로부터 자동차 유해물질 배출을 최소화하기 위한 연료전지인 자동차용 수소탱크 등의 핵심적 소재로 주목받고 있다.

이처럼 다양한 분야에서 사용되고 있는 섬유강화 복합재료는 이용 목적에 따라 알맞은 성능과 작업성 개선을 위해 다양한 수지 및 섬유가 적용되고 있다. 섬유의 경우 저비용을 위해서 유리섬유가 이용되기도 하고, 높은 강도와 탄성율을 가지는 탄소섬유가 이용되기도 한다.

또한, 탄소 및 유리섬유 등의 기지재에 에폭시 등의 다양한 수지를 함침시켜 사용하는 섬유강화 복합재료는 비강도와 비탄성률 등이 우수하여 최근에는 최첨단 항공우주 분야로부터 토목, 건축, 스포츠 등 일반 산업 분야에 까지 널리 사용되고 있다. 그 중에서 소위 프리프레그(prepreg)라 불리는 섬유강화 복합재료 중간재가 대표적으로 사용되고 있다. 프리프레그는 보강재인 강화 섬유에 부분적으로 경화된 수지가 함침되어 있는 시트 모양의 중간 재료이다.

여기서 프리프레그는 일반적으로 수지가 섬유에 함침되어 B-STAGE 상태로 제공되는 형태의 제품을 말하는데, 프리프레그는 일반적으로 시트 모양을 하고 있다.

또한, 프리프레그는 일방향의 연속섬유로 이루어진 시트나 연속섬유 직물로 된 것 이외에도 일방향의 시트 프리프레그를 가공하여 적당한 폭과 길이의 불연속 모양으로 만들고 임의 방향으로 배열시킨 형태 등 목적에 따라 다양하게 이용할 수 있어 매우 폭 넓은 응용분야에 적용할 수 있다.

또한, 프리프레그는 시트 모양뿐만 아니라 테이프 형상, 칩 형상으로도 응용할 수 있고, 다양한 형상으로 용이하게 가공할 수 있다. 또한, 목적에 따라 강화 섬유나 수지를 다양하게 적용할 수 있어 매우 폭넓은 분야에 응용할 수 있다. 이러한 이유로 최근 프리프레그에 대한 수요가 확대되고 있다.

또한, 시트 모양의 프리프레그 이외에 일 방향으로 배열된 한 가닥의 섬유에 수지를 함침시킨 토우프리프레그라는 형태가 있다. 토우프리프레그는 일방향 연속 섬유 형태로 연속섬유로서의 우수한 물성을 최대한 그대로 필요로 하는 로켓 연소관, 위성 발사체용 연료통, 자동차용 구동 축, 수소연료전지 자동차용 고압 압력용기와 같은 분야에서 특히 주목을 받고 있다.

또한, 토우프리프레그는 일반적인 시트 모양의 프리프레그가 적용되기 어려운 형상의 성형품에 적용된다. 토우프리프레그는 주로 로켓 추진관, 고압력 용기, 고온 고압용 파이프 등과 같은 와인딩 성형의 주재료로 사용된다.

또한, 토우프리프레그는 종래에 섬유를 수지에 적신 후 바로 감아 성형품을 제작하는 습식 필라멘트 와인딩 방법에 비해 와인딩 공정 중 제품의 표면이 미끄럽지 않아 더욱 정밀한 설계를 적용할 수 있는 특징이 있다. 그리고 토우프리프레그는 재현성이 뛰어나고, 곡면 가공성이 우수한 장점이 있다.

또한, 토우프리프레그는 기존의 습식 필라멘트 와인딩 공법을 대체하기 위한 소재로써 종래의 필라멘트 와인딩 공법이 갖는 한계인 환경오염 문제, 원사 대비 낮은 물성 및 낮은 재현성, 경량화의 한계 그리고 대량생산에 따르는 생산 속도 및 설비투자 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 소재로 대두되고 있다.

우선 종래의 필라멘트 와인딩 방법과 관련된 종래 기술인 미국 등록특허(US4211818)는 수지 배스에서 섬유를 함침 시키고 다이를 통해 과량의 수지를 제거한 후 맨드렐에 감아 성형품을 생산하는 공법을 개시하고 있다. 이 방법은 섬유에 함침 되는 수지의 양을 제어하기 위해 각 다이를 통과하는 과정에서 섬유 손상이 발생할 뿐 아니라, 유기용매의 사용으로 생산 환경이 나빠져 생산자의 건강에 유해하여 환경오염 측면에도 악영향이 있다. 또한 배스 내 용매의 휘발에 따라 수지의 함침양의 편차가 비교적 커서 재현성이 낮고 잔류하는 용매는 성형 후 성형품의 내부에 공극을 발생시키는 문제점이 있다. 또한 섬유에 수지가 잘 함침 될 수 있도록 수지의 점도가 제한되어 점도 상승을 야기할 수 있는 고성능 첨가제의 사용이 불가능할 뿐만 아니라 유기 용매에 용해되지 않는 첨가물의 사용 또한 제한된다는 단점이 존재한다.

게다가 와인딩 공법은 낮은 점도의 수지로 젖어있는 섬유는 와인딩 과정에서 미끌림 현상이 발생하기 때문에 최소한의 성능을 보장하기 위해 필요 이상의 와인딩 공정이 필요하며 이는 생산품의 단가를 상승시키고 생산 속도를 지연시킬 뿐만 아니라 무게를 증가시켜 경량화가 중요한 부품용 소재로써 치명적인 단점을 갖는 공법이다.

상기와 같은 단점을 극복하기 위해 개발된 소재로써 습식 토우프리프레그 공법이 개발되었으나 이는 필라멘트 와인딩 공정과 같이 유기용매로 용해시킨 수지가 담긴 수지조에 섬유를 담군 후, 수지를 함침시킨 섬유에서 유기용매를 제거하고 다시 지관에 감아 토우프리프레그를 생산하는 방식이다. 그러나 이러한 공법은 유기용매에 수지를 용해시켜 사용한다는 점에서 여전히 습식 필라멘트 와인딩 방법과 같이 고성능의 첨가제를 적용하기 어려워 성능에 한계가 있으며, 생산품의 재현성이 떨어지고, 용매를 제거하기 위해 가열하는 과정에서 수지의 보관 기간을 단축시키며 용매를 완전히 제거하기 어려워 성형 후 제품 내부의 미세 공극을 야기해 성형품의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

최근에는 습식 공정의 한계를 극복하기 위한 공법으로 무용매 타입 토우프리프레그에 대한 개발이 활발하다. 초기 무용매 타입 토우프리프레그는 테입 프리프레그 또는 슬릿 토우프리프레그라 일컬었으며, 시트 형태의 프리프레그를 일정한 폭으로 재단하여 다시 지관에 감은 형태였으나, 토우프리프레그의 양 말단 재단부에서 섬유 손상 발생이 필연적이며, 프리프레그를 재단하는 과정에서 프리프레그의 각 층간 접착을 방지하기 위해 사용되는 이형 필름이나 이형지가 작은 조각으로 제품에 섞여 제품의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 토우프리프레그는 기존의 프리프레그와 완전히 다른 공정으로 생산방법이 개발되었으며 초기에는 슬롯 다이를 통해 생산이 이뤄졌으나, 정밀한 압력제어 펌프 등이 필요하여 초기 투자비용이 높다는 점과 생산 전과 후의 설비 관리가 까다로워 대량 생산에 한계를 보여 점차 늘어가는 토우프리프레그 소모량을 맞추기 어려워 생산성이 높은 다이렉트 코팅 방법이 개발되고 있다.

일 예로 미국 등록특허(US 3908042)는 키스 롤러를 이용한 토우프리프레그 다이렉트 코팅 방법을 개시하고 있는데, 이 방법은 초기 설비 투자비용이 비교적 저렴하고 관리가 쉽다는 장점이 있으나 수지 배스에 담긴 코팅롤러를 통해 수지가 일정 박막을 형성시킬 수 있도록 수지의 점도를 낮추기 위해 배스를 가열하기 때문에 수지가 고온에 노출되지만 배스 안에 공급하는 수지를 순차적으로 소모하기 어려워 체류되는 수지의 경화가 발생할 수 있어 장시간 생산이 제한되는 단점이 있다.

또한, 최근 공개된 기술로 미국 공개특허(US 20120251823)의 공정은 상기와 같은 수지의 체류 문제가 비교적 해결된 방법으로 회전하는 두 개의 코팅 롤러를 이용해 수지를 함침시킴으로써 먼저 투입된 수지가 비교적 먼저 소모되기 때문에 장시간 생산에 유리하다는 장점이 있다. 그러나 앞의 키스 롤러 법과 달리 섬유가 수지에 담긴 후 코팅 롤러의 간격을 통해 수지를 짜내 함침양을 제어하는 방법을 제안하는데, 수지 함침양을 낮추기 위해 코팅 롤러의 간격을 좁게 조절할 경우 섬유 폭을 제한했을 때는 섬유에 손상을 야기하고, 제한하지 않을 때는 짜내지는 수지와 함께 섬유 또한 넓게 펴져 결국 섬유 가닥의 표면적이 넓어지고 이는 수지의 함침양을 낮추는데 한계가 있으므로 여전히 단점이 존재한다. 즉, 토우프리프레그가 적용되는 분야에서는 제품의 경량화가 매우 중요한 부분이어서 이 방법은 필요 이상의 수지 함침으로 인해 경량화에 한계점을 만들 뿐 아니라 생산비용을 높이는 문제점을 가진다.

이상에서 설명한 종래 기술들의 문제점을 볼 때, 높은 생산성을 갖으면서도 정밀한 수지 함침양 제어가 가능하고 재현성이 높으며 섬유 강도전이율 또한 우수한 토우프리프레그 생산 방법 및 그 생산 장치(설비) 개발이 요구되고 있는 실정이라 할 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 섬유 원사 대비 높은 강도전이율을 유지하면서도 대량 생산이 가능하도록 하는 토우프리프레그 생산 장치 및 생산 방법를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 토우프리프레그 생산 장치를 통해 수지가 미리 함침되어 있는 토우프리프레그를 제공하고, 이러한 토우프리프레그를 이용한 섬유 강화 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치는, 섬유가 감겨져서 구비되고 상기 섬유가 풀려나갈 때 상기 섬유에 인가되는 장력을 조절하여 상기 섬유의 폭을 조절하는 브레이크를 포함하는 크릴부; 상기 크릴부를 통과한 섬유에 소정의 열을 가하는 가열 수단과 상기 섬유를 펼쳐주기 위한 스프래딩 수단을 구비하는 스프래딩부; 상기 스프래딩부를 통과한 섬유에 제1 수지를 코팅 및 부분 함침시키기 위해 상기 제1 수지 공급을 위한 제1 수지 공급 수단, 코팅 수단 및 상기 제1 수지의 유동성 확보를 위한 제1 가열 수단을 포함하는 코팅부; 상기 코팅부를 통과한 섬유에 제2 수지를 공급하는 제2 수지 공급 수단과 상기 제2 수지 공급 수단을 통해 공급되는 제2 수지에 열을 가하는 제2 가열 수단을 포함하여 상기 섬유에 상기 제2 수지를 함침시키는 함침부; 한 쌍의 롤러를 구비하여 상기 함침부를 통과한 섬유의 두께와 폭을 조절하는 형태 제어부; 상기 형태 제어부를 통과한 토우프리프레그를 감는 와인더를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 브레이크는 파우더 브레이크인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스프래딩 수단은, 오목 또는 볼록 롤러로 이루어져 상기 섬유를 펼쳐주는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스프래딩 수단은, 상기 섬유에 바람을 제공하는 송풍기로 이루어져 상기 섬유를 펼쳐주는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코팅 수단은, 상기 섬유를 사이에 두고 서로 맞물려 돌아가는 제1 코팅롤과 제2 코팅롤을 포함하고, 상기 제1 수지는, 상기 제1 코팅롤에 제공되는 제1-1 수지와 상기 제2 코팅롤에 제공되는 제1-2 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 수지 공급 수단은, 상기 제1 코팅롤에 맞물려 돌아가며 상기 제1-1 수지를 상기 제1 코팅롤에 제공하는 제1 수지 공급용 롤, 상기 제2 코팅롤에 맞물려 돌아가며 상기 제1-2 수지를 상기 제2 코팅롤에 제공하는 제2 수지 공급용 롤을 포함하고, 상기 제1 코팅롤과 제1 수지 공급용 롤 사이의 간격 및 상기 제2 코팅롤과 제2 수지 공급용 롤 사이의 간격을 제어하고, 상기 제1 수지 공급용 롤 및 제2 수지 공급용 롤의 회전 방향을 제어하는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코팅부는, 상기 제1-1 수지의 양 조절을 위해 상기 제1 수지 공급용 롤에 구비되는 제1 나이프와 상기 제1-2 수지의 양 조절을 위해 상기 제2 수지 공급용 롤에 구비되는 제2 나이프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 수지 공급 수단은, 상기 제1 코팅롤에 제1-1 수지를 제공하는 제1 슬롯다이와 상기 제2 코팅롤에 제1-2 수지를 제공하는 제2 슬롯다이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 수지 공급 수단은, 상기 제1-1 수지의 공급량을 조절하기 위해 상기 제1 수지 공급용 롤과 맞물려 돌아가는 제1 서브 수지 공급용 롤과, 상기 제1-2 수지의 공급량을 조절하기 위해 상기 제2 수지 공급용 롤과 맞물려 돌아가는 제2 서브 수지 공급용 롤을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어 수단은, 상기 제1 수지 공급용 롤과 제1 서브 수지 공급용 롤 사이의 간격 및 상기 제2 수지 공급용 롤과 제2 서브 수지 공급용 롤 사이의 간격을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어 수단은, 상기 제1 서브 수지 공급용 롤의 회전 방향과 상기 제2 서브 수지 공급용 롤의 회전 방향을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 서브 수지 공급용 롤에는 상기 제1-1 수지의 양 조절을 위한 제1-1 나이프가 구비되고, 상기 제2 서브 수지 공급용 롤에는 상기 제1-2 수지의 양 조절을 위한 제1-2 나이프가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산방법은, 크릴부에 감겨진 섬유가 풀려나갈 때 상기 섬유에 인가되는 장력을 조절하여 상기 섬유의 폭을 조절하는 제1 단계; 상기 섬유에 소정의 열을 가하면서 상기 섬유를 펼쳐주는 제2 단계; 상기 펼쳐진 섬유가 제1 수지가 공급되는 한 쌍의 롤을 통과하도록 하되 상기 제1 수지에 소정의 열을 가하여 상기 섬유에 상기 제1 수지가 코팅 및 부분 함침이 되도록 하는 제3 단계; 상기 제3 단계를 통과한 섬유에 대해 제2 수지가 함침되도록 함침 수단을 이용하되 상기 함침 수단이 상기 섬유에 접촉하지 않도록 하고 상기 제2 수지에 소정의 열을 가하는 제4 단계; 상기 함침이 이루어진 섬유의 온도를 소정 온도로 낮춘 후 두께와 폭을 조절하는 제5 단계; 상기 제5 단계를 통과한 섬유(토우프리프레그)를 감는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 섬유의 진행 방향이 꺾이지 않고 각 롤러와 섬유 사이의 접촉이 선 접촉으로 이루어져 단사가 적게 발생하여 원사 대비 섬유 강도 전이율이 높은 토우프리프레그를 효과적으로 얻을 수 있다.

또한, 코팅되는 수지의 양을 정밀하게 제어하여 높은 재현성을 갖는 토우프리프레그를 제공할 수 있고, 장치(설비)가 복잡하지 않아 초기 투자비용이 비교적 낮으며 장비 유지보수가 수월하여 높은 생산성을 통해 토우프리프레그의 대량생산이 가능한 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 코팅부 구간을 이루는 구성을 상세히 도시한 도면.
도 3은 도 1의 코팅부 구간을 이루는 구성이 슬롯다이를 포함하는 실시예를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 코팅부 구간을 이루는 구성이 복수 개의 수지 공급용 롤을 포함하는 실시예를 도시한 도면.
도 5는 도 4에서 닥터나이프 구성을 추가로 가지면서 수지 공급용 롤의 회전 방향을 조절하는 실시예를 도시한 도면.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 방법에 따라 생산된 토우프리프레그의 측정 인장 강도를 도시한 그래프.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

토우프리프레그의 대량생산에 적합한 생산 설비 및 방법에 요구되는 것으로는 크게 아래와 같이 네 가지 조건이 있다.

첫째, 생산 설비의 초기 투자비용이 낮고 유지 보수가 어렵지 않아야 하며 둘째, 생산 과정 중 섬유에 손상이 일어나지 않아 원사 대비 높은 섬유 강도 전이율을 갖아야 하고, 셋째 코팅에 사용되는 수지에는 경화제가 포함되어 있어 제품의 긴 보존 기간을 위해 수지가 체류되는 공정이 아니어야 한다. 마지막으로 고성능, 경량화 및 단가절감을 위해 코팅되는 수지의 양이 정교하게 제어되어야 하며 이때 수지가 섬유에 잘 함침 되어야 한다.

본 발명은 2개의 코팅 롤을 이용하며 설비가 단순하여 초기 투자비용이 낮고, 코팅 롤의 압력을 이용한 함침효과로 이후 함침구간의 길이를 줄일 수 있으며 전체적인 섬유 진행방향에 꺾이는 부분이 없어 비교적 높은 장력이 인가되는 생산 과정에서도 섬유의 단사가 적어 높은 섬유 강도 전이율의 제품을 얻을 수 있다.

또한, 배스방식이 아닌 수지 저장 및 공급을 통하여 고온에 노출된 수지가 체류되는 양이 적어 생산 후 제품의 보존기간이 길 뿐만 아니라 정밀하게 제어된 양의 수지를 공급 및 코팅하기 때문에 제품의 수지 함침양을 정교하게 제어할 수 있는 생산 장치(설비) 및 방법에 관한 것이다.

또한, 토우프리프레그는 토우(Tow)를 수지에 일정한 체적비로 함침시켜 만든 중간재를 의미한다.

그리고 토우프리프레그에 적용되는 토우(Tow)는 100 내지 240,000 가닥의 기본 구성 섬유가닥 (모노필라멘트)의 집속체를 의미하며, 통상 50텍스 내지 10,000텍스의 연속된 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등이 적용될 수 있다. 이것을 토우라고 한다. 토우는 그대로 일정 길이마다 절단하는 것도 있고, 두 개의 롤러 사이에서 잡아 늘여 연속적으로 절단(이 경우에는 각종 길이로 절단된다)하는 경우도 있다. 토우는 특별히 가는 구멍이 많이 있는 노즐을 사용하여 방사되는 것도 있는데(특히 비스코스 레이온의 경우) 몇 개의 노즐에서 방사되는 실을 모아서 토우를 만들기도 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치의 전체적 구성에 대해 도 1을 기초로 이하에서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치(100)는 섬유(1)를 소정 장치에 통과시켜 처리하고 최종적으로 토우프리프레그를 생산한다. 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 장치(100)는 크릴부(10), 스프래딩부(20), 코팅부(30), 함침부(40), 형태 제어부(50) 및 와인더(60)를 포함한다.

크릴부(10)는 섬유가 감겨져서 구비되고 섬유가 풀려나갈 때 섬유에 인가되는 장력을 조절할 수 있다. 그리고 크릴부(10)는 섬유의 폭을 조절하는 브레이크를 포함할 수 있다. 바람직하게는 브레이크는 파우더 브레이크를 포함할 수 있고 풀려나가는 섬유에 인가되는 장력을 제어함으로써 섬유의 폭을 1차적으로 조절할 수 있다.

또한, 스프래딩부(20)는 크릴부(10)를 통과한 섬유에 소정의 열을 가하는 가열 수단과 섬유를 펼쳐주기 위한 스프래딩 수단을 구비하는데, 이는 섬유에 수지의 함침이 보다 쉽게 되도록 섬유를 펼쳐주기 위함이다. 구체적으로 가열 수단은 열풍기 또는 전열기 등 형태에 한정되지 않고 실시될 수 있고, 스프래딩 수단은 크게 두 가지 실시예로 실시될 수 있다.

첫 째로, 스프래딩 수단은 롤의 배치를 통해 섬유를 펼칠 수 있다. 이 때 롤은 오목 또는 볼록 롤로 이루어질 수 있으며 원하는 펼침 정도를 달성하기 위해 하나 이상의 오목 또는 볼록 롤을 배치하여 실시될 수 있다.

두 번째로, 스프래딩 수단은 바람을 섬유에 제공하는 송풍기 등의 바람 제공 수단으로 구현될 수 있다. 즉, 바람을 이용하여 섬유를 펼쳐주는 것으로 특히 상기 가열 수단의 효과로 인해 섬유는 적정한 높은 온도를 유지하면서 섬유를 펼쳐줄 수 있고 향후 코팅 및 함침 과정에서 수지의 함침성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

다음으로 코팅부(30)는 스프래딩부(20)를 통과한 섬유에 제1 수지를 코팅 및 부분 함침시키기 위한 구성이다. 구체적으로 코팅부(30)는 제1 수지 공급을 위한 제1 수지 공급 수단과, 코팅 수단 및 제1 수지의 유동성 확보를 위한 제1 가열 수단을 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 2 내지 도 5를 기초로 이하에서 상세히 살펴본다.

기본적으로 코팅부(30)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 코팅 수단으로 스프래딩부(20)를 통과한 섬유(1)를 사이에 두고 서로 맞물려 돌아가는(서로 반대 방향으로 회전) 두 개의 롤인 제1 코팅롤(31-1) 및 제2 코팅롤(31-2)을 구비한다.

또한, 코팅부(30)의 제1 수지 공급 수단은 다양한 실시예로 실시될 수 있는데 도 2 내지 도 5에 기초하여 이하에서 살펴본다.

먼저 도 2에 도시된 제1 수지 공급 수단의 실시예에 대해 살펴본다. 도 2는 도 1의 코팅부 구간을 이루는 구성을 상세히 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이 공급되는 제1 수지는 제1 코팅롤(31-1)에 제공되는 제1-1 수지(35-1)와 제2 코팅롤(31-2)에 제공되는 제1-2 수지(35-2)를 포함할 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 실시예는 제1 수지 공급 수단이 제1 수지 공급용 롤(33-1)과 제2 수지 공급용 롤(33-2)를 포함한다. 제1 수지 공급용 롤(33-1)은 제1 코팅롤(31-1)과 소정 간격(변경 가능)을 가지거나 또는 맞닿은 상태로 맞물려 회전하는데 이 때 서로 같은 방향으로 회전한다. 제2 수지 공급용 롤(33-2)은 제2 코팅롤(31-2)과 소정 간격(변경 가능)을 가지며 맞물려 회전하는데 이 때 서로 같은 방향으로 회전한다.

또한, 제1 수지 공급 수단은 제1 나이프(34-1), 제2 나이프(34-2) 및 제3 나이프(34-3)를 포함한다. 제1 나이프(34-1)는 제1 수지 공급용 롤(33-1)에 1차적으로 소정 양의 제1-1 수지(35-1)를 공급하고, 제2 나이프(34-2)는 제2 수지 공급용 롤(33-2)에 1차적으로 소정 양의 제1-2 수지(35-2)를 공급한다. 즉, 상기 두 나이프는 코팅량을 조절하는 기능을 수행한다. 또한, 제3 나이프(34-3)는 제1-2 수지(35-2)가 넘치는 것을 방지하는 기능을 수행한다.

제1 나이프(34-1)는 제1 수지 공급용 롤(33-1)에 제1-1 수지(35-1)를 공급하는데 공급되는 수지의 양을 조절할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 나이프(34-1)의 이동을 통해 제1 수지 공급용 롤(33-1)에 공급되는 제1-1 수지(35-1)의 양을 조절할 수 있다. 이러한 수지 양의 조절은 별도로 구비되는 제어 수단의 제어 동작을 통해 제1 나이프(34-1)가 이동하고 이러한 이동으로 조절될 수 있다.

또한, 제2 나이프(34-2)도 제2 수지 공급용 롤(33-2)에 제1-2 수지(35-2)를 공급하는데 공급되는 수지의 양을 조절할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 나이프(34-2)의 이동을 통해 제2 수지 공급용 롤(33-2)에 공급되는 제1-2 수지(35-2)의 양을 조절할 수 있다. 이러한 수지 양의 조절은 별도로 구비되는 제어 수단의 제어 동작을 통해 제2 나이프(34-2)가 이동하고 이러한 이동으로 조절될 수 있다.

또한, 제1 나이프(34-1) 및 제2 나이프(34-2)는 바람직하게는 닥터 나이프로 실시될 수 있다.

또한, 제1 수지 공급용 롤(33-1)은 제1 나이프(34-1)로부터 제1-1 수지(35-1)를 공급받고 공급 받은 수지를 제1 코팅롤(31-1)에 공급한다. 제1 수지 공급용 롤(33-1)은 제1 코팅롤(31-1)과 소정 간격을 유지하는데 이러한 간격은 제어 수단을 통해 조절될 수 있고 구체적으로 제어 수단이 제1 수지 공급용 롤(33-1)을 섬유 진행 방향의 수평 방향 또는 수직 방향으로 이동시켜 간격을 조절할 수 있다.

또한, 제2 수지 공급용 롤(33-2)의 경우에도 상기 제1 수지 공급용 롤(33-1)과 같은 방식으로 실시될 수 있다.

다음 실시예에 대해 도 3을 기초로 이하에서 설명한다. 도 3은 도 1의 코팅부 구간을 이루는 구성이 슬롯다이를 포함하는 실시예를 도시한 도면이다.

도 3의 실시예는, 제1 코팅롤(31-1) 및 제2 코팅롤(31-2) 각각에 제1 수지를 공급하기 위해 제1 슬롯다이(36-1) 및 제2 슬롯다이(36-2)가 구비된다. 이 실시예는 두 개의 슬롯다이를 통해 정밀하게 제1 수지를 두 개의 코팅롤에 제공할 수 있는 실시예이다.

다음으로 도 4의 실시예에 대해 설명한다. 도 4는 도 1의 코팅부 구간을 이루는 구성이 복수 개의 수지 공급용 롤을 포함하는 실시예를 도시한 도면이다.

도 4의 실시예는 제1 수지 공급용 롤(33-1) 및 제2 수지 공급용 롤(33-2) 각각에 맞물려 회전하는 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1) 및 제2 서브 수지 공급용 롤(37-2)이 구비되는 실시예이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1)은 제1 수지 공급용 롤(33-1)이 제1 코팅롤(31-1)에 적정양의 수지를 정밀하게 공급할 수 있도록 보조하는 기능을 수행한다. 제2 서브 수지 공급용 롤(37-2)도 제1 수지 공급용 롤(33-1)과 대응하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 도 3에서도 살펴본 바와 같이 제1 수지 공급용 롤(33-1)은 제어 수단의 제어에 의해 이동이 가능하며 이러한 이동을 통해 제1 코팅롤(31-1)에 공급하는 수지(제1 수지)의 양을 조절할 수 있으나, 보다 정밀한 수지의 양을 조절하기 위해서는 부가적인 구성이 필요하다. 이러한 부가적 구성으로 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1)이 구비될 수 있고 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1)은 제1 수지 공급용 롤(33-1)과 반대 방향으로 회전하고 소정 간격(제어 수단에 의해 조절 가능)을 유지하면서 제공하는 수지 양을 조절하는 기능을 수행한다.

또한, 제2 서브 수지 공급용 롤(37-2)도 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1)과 마찬가지로 제2 수지 공급용 롤(33-2)에 대해 같은 기능을 수행한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1) 및 제2 서브 수지 공급용 롤(37-2) 각각은 제1 수지 공급용 롤(33-1) 및 제2 수지 공급용 롤(33-2)과 동일 반경을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고 도 5에 도시된 실시예는, 도 4의 실시예에서 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1) 및 제2 수지 공급용 롤(37-2)의 회전 방향이 제1 수지 공급용 롤(33-1) 및 제2 수지 공급용 롤(33-2)의 회전 방향과 같고, 제1 나이프(34-1) 및 제2 나이프(34-2)가 각각 제1 서브 수지 공급용 롤(37-1)과 제2 서브 수지 공급용 롤(37-2)에 구비되는 실시예이다. 도 5는 도 4에서 닥터나이프 구성을 추가로 가지면서 수지 공급용 롤러의 회전 방향을 조절하는 실시예를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 실시예는, 서브 수지 공급용 롤(37-1, 37-2)의 회전 방향이 제1 수지(35-1, 35-2)의 토출 방향과 반대가 되도록 하는 것으로 보다 낮은 양의 수지가 정밀하게 공급될 수 있도록 하는 실시예이다. 또한, 도 2에 도시된 닥터 나이프와 달리, 도 5의 닥터 나이프(34-1. 34-2)는 제공되는 수지가 넘쳐 흐르는 것을 방지하기 위해 구비된다. 또한, 서브 수지 공급용 롤(37-1, 37-2)의 회전 방향 제어는 제어 수단에 의해 수행될 수 있다.

또한, 코팅부(30)는 제1 가열 수단을 포함하는데, 제1 가열 수단은 제1 수지가 일정한 유동성을 확보하여 섬유(1)에 코팅 및 부분 함침이 효과적으로 일어나도록 하기 위해 구비되는 것이다.

이상에서 살펴본 여러 실시예를 갖는 코팅부(30)의 코팅 과정이 종료되면 코팅된 섬유(2)는 함침 과정을 수행하는 함침부(40)로 이동한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 함침부(40)는 한 쌍으로 이루어져 코팅된 섬유(2)를 사이에 두고 서로 마주보는 유닛으로 이루어질 수 있고 다수의 가열 롤러를 이용한 접촉식 함침 방법도 적용 가능하나, 접촉식은 단사를 발생시킬수 있어서 바람직하게는 코팅된 섬유(2)를 비접촉 방식으로 수지(제2 수지)를 함침시킬 수 있다. 즉, 이러한 방법을 통해 짧은 구간 고온의 열을 통해 수지(제2 수지)의 점도를 낮추어 수지가 섬유 단사 사이사이를 적실 수 있는 효과가 있다. 또한 수지에 소정의 열을 가하기 위한 제2 가열 수단이 구비될 수 있다.

다음으로 함침이 이루어진 섬유는 형태 제어부(50)로 이동하게 되는데, 형태 제어부(50)는 한 쌍의 롤러를 포함하여 섬유의 두께와 폭을 조절할 수 있다. 형태 제어부(50)는 낮은 온도에서 섬유의 두께와 폭을 조절해야 효율성이 높으므로 빠른 진행을 위해 섬유의 온도를 낮추는 수단 또는 한 쌍의 롤러 자체의 온도가 낮게 유지되도록 하는 부가 수단이 구비될 수 있다.

마지막으로 두께와 폭이 조절된 섬유(토우프리프레그)는 와인더(60)에 감겨 최종적으로 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그가 얻어질 수 있다.

다음으로는 본 발명의 실시예에 따라 생산된 토우프리프레그의 품질에 대해 도 6 내지 도 7을 기초로 이하에서 설명한다. 도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산 방법에 따라 생산된 토우프리프레그의 측정 인장 강도를 도시한 그래프이다.

구체적으로 인장 강도를 측정하기 위해 아래와 같은 조건을 갖는 실험예를 실시하였다.

Toray T700 24K 섬유를 기본 섬유로 하여 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산방법으로 생산한 토우프리프레그는, 생산속도는 10m/min로 하였고, 수지 함침량은 28%로 하였으며, 두 코팅롤(31-1, 31-2)의 온도는 70℃로 하였으며, 함침부(40)는 비접촉 함침 IR 램프를 사용하여 온도 110℃에서 함침을 수행하였다.

그리고, 생산에 사용된 상기 섬유(탄소섬유)의 원사 정보는 인장강도가 5420 MPa이고, 인장탄성율이 232GPa이고, 파괴신율 2.3%이며, 밀도는 1.8 g/ml이다. 그리고 인장강도에 대한 기준 섬유강도 전이율은 99.5 %를 얻었다. ASTM D4018 토우프리프레그의 인장 시험 결과는 아래의 표 1(ASTM D4018 토우프리프레그의 인장 시험 결과)과 같다.

또한, 도 6은 ASTM D4018 토우프리프레그의 인장 시험 결과(Stress-Strain Curves)를 도시한 그래프이고, 도 7은 ASTM D4018 토우프리프레그의 인장 시험 결과(Load-Displacement Curves)를 도시한 그래프이다.

도 6에서는 Strain 비율에 따른 토우프리프레그의 Stress 수치가 소정 비율까지 증가하는 것을 알 수 있고, 도 7에서도 역시 Displacement 시간에 따라 Load 비율이 소정 값까지 증가하는 것을 알 수 있다. 표 1과 도 6 및 도 7을 볼 때, 결론적으로 본 발명의 실시예에 따른 토우프리프레그 생산방법에 의하면 원사 대비 섬유 강도 전이율이 높은 토우프리프레그를 효과적으로 생산할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 , 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

또한, 상기 도면들에 도시된 구성요소들은 설명의 편의상 확대 또는 축소되어 표시될 수 있으므로, 도면에 도시된 구성요소들의 크기나 형상에 본 발명이 구속되는 것은 아니며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1 : 섬유 2 : 수지가 코팅된 섬유
10 : 크릴부 20 : 스프래딩부
30 : 코팅부
31-1 : 제1 코팅롤 31-2 : 제2 코팅롤
33-1 : 제1 수지 공급용 롤 33-2 : 제2 수지 공급용 롤
34-1 : 제1 나이프 34-2 : 제2 나이프
35-1 : 제1-1 수지 35-2 : 제1-2 수지
36- 1 : 제1 슬롯다이 36-2 : 제2 슬롯다이
37-1 : 제1 서브 수지 공급용 롤 37-2 : 제2 서브 수지 공급용 롤
38-1 : 제1-1 나이프 38-2 : 제1-2 나이프
100 : 토우프리프레그 생산 장치

Claims (13)

1. 섬유가 감겨져서 구비되고 상기 섬유가 풀려나갈 때 상기 섬유에 인가되는 장력을 조절하여 상기 섬유의 폭을 조절하는 브레이크를 포함하는 크릴부;
   상기 크릴부를 통과한 섬유에 소정의 열을 가하는 가열 수단과 상기 섬유를 펼쳐주기 위한 스프래딩 수단을 구비하는 스프래딩부;
   상기 스프래딩부를 통과한 섬유에 제1 수지를 코팅 및 부분 함침시키기 위해 상기 제1 수지 공급을 위한 제 1 수지 공급 수단, 코팅 수단 및 상기 제1 수지의 유동성 확보를 위한 제1 가열 수단을 포함하는 코팅부;
   상기 코팅부를 통과한 섬유에 제2 수지를 공급하는 제2 수지 공급 수단과 상기 제2 수지 공급 수단을 통해 공급되는 제2 수지에 열을 가하는 제2 가열 수단을 포함하여 상기 섬유에 상기 제2 수지를 함침시키는 함침 부;
   한 쌍의 롤러를 구비하여 상기 함침부를 통과한 섬유의 두께와 폭을 조절하는 형태 제어부;
   상 기 형태 제어부를 통과한 토우프리프레그를 감는 와인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 브레이크는 파우더 브레이크인 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 스프래딩 수단은, 오목 또는 볼록 롤러로 이루어져 상기 섬유를 펼쳐주는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 스프래딩 수단은, 상기 섬유에 바람을 제공하는 송풍기로 이루어져 상기 섬유를 펼쳐주는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 코팅 수단은, 상기 섬유를 사이에 두고 서로 맞물려 돌아가는 제1 코팅롤과 제2 코팅롤을 포함하고,
   상기 제1 수지는, 상기 제1 코팅롤에 제공되는 제1-1 수지와 상기 제2 코팅롤에 제공되는 제1-2 수지로 이루 어지는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 수지 공급 수단은,
   상기 제1 코팅롤에 맞물려 돌아가며 상기 제1-1 수지를 상기 제1 코팅롤에 제공하는 제1 수지 공급용 롤, 상기 제2 코팅롤에 맞물려 돌아가며 상기 제1-2 수지를 상기 제2 코팅롤에 제공하는 제2 수지 공급용 롤을 포함하고,
   상기 제1 코팅롤 과 제1 수지 공급용 롤 사이의 간격 및 상기 제2 코팅롤과 제2 수지 공급용 롤 사이의 간격을 제어하고, 상 기 제1 수지 공급용 롤 및 제2 수지 공급용 롤의 회전 방향을 제어하는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 코팅부는, 상기 제1-1 수지의 양 조절을 위해 상기 제1 수 지 공급용 롤에 구비되는 제1 나이프와 상기 제1-2 수지의 양 조절을 위해 상기 제2 수지 공급용 롤에 구비 되는 제2 나이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 수지 공급 수단은, 상기 제1 코팅롤에 제1-1 수지를 제공하는 제1 슬롯다이와 상기 제2 코팅롤에 제1-2 수지를 제공하 는 제2 슬롯다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1 수지 공급 수단은,
   상기 제1-1 수지의 공급량을 조절하기 위해 상기 제1 수지 공급용 롤과 맞물려 돌아가는 제1 서브 수지 공급용 롤과, 상기 제1-2 수지의 공급량을 조절하기 위해 상기 제2 수지 공급용 롤과 맞물려 돌아가는 제 2 서브 수지 공급용 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 제1 수지 공급용 롤과 제1 서브 수지 공급용 롤 사이의 간격 및 상기 제2 수지 공급용 롤과 제2 서브 수지 공급용 롤 사이의 간격을 제어하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 ,
    상기 제1 서브 수지 공급용 롤의 회전 방향과 상기 제2 서브 수지 공급용 롤의 회전 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
    
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 서브 수지 공급용 롤에는 상기 제1-1 수지의 양 조절을 위한 제1-1 나이프가 구비되고, 상기 제2 서브 수지 공급용 롤에는 상기 제1-2 수지의 양 조절을 위한 제1- 2 나이프가 구비되는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 장치.
    
13. 크릴부에 감겨진 섬유가 풀려나갈 때 상기 섬유에 인가되는 장력을 조절하여 상기 섬유의 폭을 조절하는 제1 단계;
    상기 섬유에 소정의 열을 가하면서 상기 섬유를 펼쳐주는 제2 단 계;
    상기 펼쳐진 섬유가 제1 수지가 공급되는 한 쌍의 롤을 통과하도록 하되 상기 제1 수지에 소정의 열 을 가하여 상기 섬유에 상기 제1 수지가 코팅 및 부분 함침이 되도록 하는 제3 단계;
    상기 제3 단계를 통과한 섬유에 대해 제2 수지가 함침되도록 함침 수단을 이용하되 상기 함침 수단이 상기 섬유에 접촉하지 않도록 하고 상기 제2 수지에 소정의 열을 가하는 제4 단계;
    상기 함침이 이루어진 섬유의 온도를 소정 온도로 낮춘 후 두께와 폭을 조절하는 제5 단계;
    상기 제5 단계를 통과한 섬유(토우프리프레그)를 감는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토우프리프레그 생산 방법.
    

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