KR20180069949A - 복합재료 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열판과 상기 가열판으로부터 소정의 간격을 두고 대향하여 배치되는 보온판으로 구성되는 복합재료 가열장치로서, 상기 보온판의 하단에는 공회전하면서 가열장치 내로 유입되는 수지필름과 섬유 강화재료가 합지된 복합재료를 가열판쪽으로 가압하는 프리롤러가 설치된 것을 특징으로 하는 복합재료 가열장치에 관한 것으로, 본 발명의 복합재료 가열장치에 의하면, 열판 상부 보온판에 프리롤러를 설치하여, 수지 함침성을 향상시키고, 프리프레그와 이형지 사이의 공기를 배출시키고, 개섬된 섬유의 재집속을 방지할 수 있어, 가열판에 의해 열만 주는 종래의 장치보다 제조되는 프리프레그의 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

복합재료 가열장치 {APPARATUS FOR HEATING COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 복합재료 가열장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유 강화재료에 수지 재료를 함침시켜 제조되는 복합 재료에 있어서, 수지 함침 후 복합재료를 효과적으로 가열처리할 수 있는 복합재료 가열장치에 관한 것이다.

종래, 탄소 섬유나 유리 섬유를 강화 섬유로서 이용한 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)나 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)는 경량이고 높은 내구성을 갖는 것으로부터, 자동차나 항공기 등을 구성하는 각종 부재로서 이용된다. 이와 같은 CFRP나 GFRP를 성형하는 방법으로는, 우선, 강화 섬유와 수지로 이루어지는 두께 수십 내지 수백 ㎛ 정도의 프리프레그 시트를 복수 매 적층하여, 프리프레그 시트 적층체를 제조하고, 계속해서 외형이 조금씩 다른 프리프레그 시트 적층체를 복수 매 중첩해 원하는 3차원 형상으로 형성하는 방법이 알려져 있다.

프리프레그 제조 방법 중에는 액상 수지 혼합물에 디핑하는 방법과 수지를 고온으로 녹여 사용하는 핫멜트 방법이 많이 사용된다. 그 중에서 핫멜트 방법은 먼저 수지 필름을 만드는 공정과 배열된 섬유가 롤러를 통과하면서 수지필름과 합쳐지는 함침 공정으로 나누어진다. 함침 공정에서는 열과 압력을 받아 수지는 녹거나 점도가 낮아져 섬유 속으로 자리잡게 되고, 다음 상온에서 냉각되어 프리프레그가 만들어진다. 함침공정에서는 열판을 통과하면서 수지의 점도가 낮아지고 그 후 롤러를 통과하면서 함침이 이루어진다.

수지 함침 공정에서 프리프레그를 균일하게 가열하는 것이 보이드를 제어할 수 있는 방법이다. 보이드 발생 시 하중이 가해질 때 균열 발생으로 정적 강도를 떨어뜨리고, 피로수명을 단축시키며, 수분침투 등 환경조건에 민감하게 작용하여 프리프레그에 의해 제작되는 제품의 물성에 큰 영향을 끼치게 된다. 또한 함침 과정에서 균일하게 가열이 안 될 경우에는 프리프레그와 이형지 사이에 공기가 들어가게 되고, 개섬장치에 의해서 개섬된 섬유가 재집속되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 프리프레그의 품질을 개선하고 보이드를 제거하기 위한 복합재료의 가열장치가 필요한 실정이다.

따라서 본 발명은 위와 같은 기술적 요구에 부응하기 위한 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 수지 함침성을 향상시키고, 프리프레그와 이형지 사이의 공기를 배출시키고, 개섬된 섬유의 재집속을 방지할 수 있어, 프리프레그의 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 복합재료 가열장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수지 함침 후의 프리프레그에 보이드를 감소시키고, 표면 상태 개선에 의한 일정한 두께 제어가 가능하며, 프리프레그의 성능을 향상시켜 전체적으로 프리프레그로부터 제조되는 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 복합재료 가열장치를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

가열판과 상기 가열판으로부터 소정의 간격을 두고 대향하여 배치되는 보온판으로 구성되는 복합재료 가열장치로서, 상기 보온판의 하단에는 공회전하면서 가열장치 내로 유입되는 수지필름과 섬유 강화재료가 합지된 복합재료를 가열판쪽으로 가압하는 프리롤러가 설치된 것을 특징으로 하는 복합재료 가열장치 에 관한 것이다.

상기 프리롤러는 상기 복합재료의 폭방향으로 소정의 간격으로 이격되도록 1개 내지 10개 설치될 수 있다.

상기 보온판은 폴리우레판 폼으로 충진되어 구성될 수 있고, 상기 프리롤러는 열전도재인 금속 재료로 구성될 수 있다.

상기 소정의 간격으로 이격되게 배치되는 복수의 프리롤러들 사이에는 공기배출라인이 형성된다.

상기 복수의 프리롤러들 내부에는 히터가 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 복합재료 가열장치를 포함하는 프리프레그 제조장치에 관한 것이다.

본 발명의 복합재료 가열장치에 의하면, 가열판 상부 보온판에 프리롤러를 설치하여, 수지 함침성을 향상시키고, 프리프레그와 이형지 사이의 공기를 배출시키고, 개섬된 섬유의 재집속을 방지할 수 있어, 가열판에 의해 열만 주는 종래의 장치보다 제조되는 프리프레그의 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 수지 함침 후의 프리프레그에 보이드를 감소시키고, 표면 상태 개선에 의한 일정한 두께 제어가 가능하며, 프리프레그의 성능을 향상시켜 전체적으로 프리프레그로부터 제조되는 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 복합재료 가열장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 복합재료 가열장치를 포함하는 프리프레그 제조장치의 개략도이다.

이하에서 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우, "포함한다 (comprise)" 또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 복합재료 가열장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 본 발명의 복합재료 가열장치를 포함하는 프리프레그 제조장치의 개략도이다.

핫멜트법에 의해서 프리프레그를 제조하는 경우에는, 액체상의 고분자 수지가 코팅된 롤러의 원주면에 이형지를 연속적으로 공급 및 프레스하여 이형지 위에 수지를 도포하여 수지필름을 제조하고, 이를 냉각판(cold plate)에 통과시켜 수지층을 형성시키고, 이형지와 맞닿은 수지층의 반대 면에 이형지를 붙임으로써 제조한다. 또한, 상기 함침단계는 제조한 수지필름에서 이형필름을 벗긴 후, 이형필름과 맞닿았던 수지층의 한쪽 면을 보강섬유과 접촉시킨 다음, 이를 가열 및 프레스함으로써 보강섬유 내로 수지를 녹여 함침시킨다.

본 발명은 위와 같은 핫멜트 방식의 프리프레그 제조방법 중 함침 공정에서 사용되는 복합재료 가열장치에 관한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 복합재료 가열장치는 가열판(50)과 상기 가열판으로부터 소정의 간격을 두고 대향하여 배치되는 보온판(55)으로 구성되는 복합재료 가열장치로서, 상기 보온판(55)의 하단에는 공회전하면서 가열장치 내로 유입되는 수지필름과 섬유 강화재료가 합지된 복합재료를 가열판쪽으로 가압하는 프리롤러(57)가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 가열판(50) 위로 프리프레그가 지나가고 그 위에는 보온판(55)이 배치되며, 상기 보온판(55) 아래에 프리롤러(57)가 당접하게 배치되므로, 가열판(50)에서의 온도가 프리롤러(57)에도 전달되어 함침 효과가 배가될 수 있다.

함침 공정의 가열판에서 단순히 열에 의한 수지 점도 변화만 이루어지는 종래의 장치와 달리, 본 발명의 복합재료 가열장치는 가열판(50) 상부의 열의 누출을 막기 위한 보온판(55)에 프리롤러(57)를 설치하여 가압함으로써 가열판을 통과할 때 물리적 효과로 수지의 유동이 많이 발생하고, 섬유 사이로 침투가 미리 이루어지게 된다. 또한 프리프레그와 이형지 사이에 공기를 효과적으로 배출시킴으로써 공기에 의한 미함침 부분을 개선할 수 있다. 또한 가열판(50)내에 프리롤러(57)로 인하여 가열판 통과 시 섬유에 높은 텐션이 걸려서 개섬장치(2)에 의해서 개섬된 보강섬유 다발이 재집속되는 현상도 줄일 수 있다. 이와 같이 본 발명의 복합재료 가열장치는 가열판(50)에 대향하는 상부 보온판(55)에 프리롤러(57)를 설치함으로써 물리적인 함침, 함침을 방해하는 공기 배출, 개섬된 섬유의 재집속을 방지하여, 제조되는 프리프레그의 품질을 향상시킬 수 있다.

상기 프리롤러(57)는 상기 복합재료의 폭방향으로 소정의 간격으로 1개 내지 10개 정도 이격되게 설치될 수 있다. 상기 프리롤러(57)는 열전도재인 금속 재료로 구성될 수 있다. 상기 프리롤러(57)는 상기 보온판(55)과 당접하게 배치되어 상기 가열판(50) 위로 지나가는 프리프레그에 힘과 열을 인가할 수 있다.

상기 프리롤러(57)는 내부가 비어 있는 것으로 제작하며, 필요에 따라서 내부에 봉형 또는 유도가열 방식의 히터(미도시) 설치도 가능하게 하는 구조로 제작될 수 있다. 상기 프리롤러(57)의 내부에 히터가 설치되는 경우에 히팅존에서의 가열 효과를 더욱 더 향상시킬 수 있다.

상기 보온판(55)은 폴리우레판 폼으로 충진되어 제작되는 것으로, 가열판(50)에서 발산되는 열의 열분산을 방지하기 위해 가열판(50)과 대향하여 설치하여 열효율을 향상시킨다.

상기 보온판(55)의 하단에는 복수의 프리롤러들(57)이 소정의 간격으로 이격 배치되기 때문에, 프리롤러들 사이에는 공기배출라인이 형성된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 복합재료 가열장치는, 보온판의 하단에 프리롤러가 배치되어 제조되는 프리프레그의 보이드 감소 효과와 표면 상태를 개선시킴으로써, 프리프레그의 성능을 향상시켜 전체적으로 프리프레그에 의해 제조되는 최종 제품의 신뢰성을 향상시킨다.

본 발명의 다른 양상은 위에서 설명한 복합재료 가열장치를 포함하는 프리프레그 제조장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 실시예의 프리프레그 제조장치는 개섬장치(20), 수지 필름을 공급하는 상하부 공급롤러, 가열장치(50), 냉각판(60), 이형지공급롤러(70), 보호필름공급롤러(80), 닙 롤러(90), 프리프레그 권취롤러(100)로 구성될 수 있다.

도 2에 탄소섬유(2)에 수지를 함침시켜 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 장치가 도시되어 있다. 수지는 열경화성 수지 또는 열경화성 수지가 될 수 있다. 필요에 따라 열경화성 수지는 수지 필름(resin film) 형태로 제공될 수 있고, 열경화성 수지는 이형지에 코팅이 되어 용융 및 함침이 될 수 있다.

본 발명의 프리프레그 제조장치에서는, 보강섬유 다발(1)로부터 탄소섬유(2)가 롤 바와 회전 롤러를 통해서 개섬장치(20)로 공급된다. 상기 개섬장치(20)는 회전 롤러가 침지되어 있으며, 탄소섬유 사이징제를 용해시키기 위한 용제로서 아세톤, MEK 등의 용제로 채워져 있다. 개섬장치(20)를 통과한 탄소섬유의 상하면에 수지필름(5)이 함침될 수 있도록 수지필름을 공급하는 상하부 공급롤러가 설치되어 있으며, 이들의 전면에는 수지필름이 입혀진 탄소섬유를 1차로 가열하는 가열판 (50)이 설치되어 있고, 가열판(50) 위로 프리프레그가 지나가고 그 위에는 보온판(55)이 배치되며, 상기 보온판(55) 아래에 프리롤러(57)가 당접하게 배치되므로, 가열판(50)에서의 온도가 프리롤러(57)에도 전달되어 함침 효과가 배가될 수 있다. 가열판(50)의 전후에는 탄소섬유에 수지필름을 가열, 가압하기 위한 상부 가압 롤러(51)와 하부 가압 롤러(52)가 복수개가 서로 대향되게 설치되어 있다. 상기 가열판(50)의 전방에 냉각 영역으로서 냉각판(60)이 설치되어 있으며, 프리프레그가 후술하는 권취롤러(100)에 서로 부착되는 것을 방지할 수 있도록 프리프레그의 상측으로 이형지를 공급하는 이형지 롤러(70), 보호필름을 공급하는 보호필름공급롤러(80), 프리프레그에 장력을 걸어 인취할 수 있도록 하는 닙 롤러(90) 그리고 탄소섬유에 수지가 함침되어 된 프리프레그를 권취하는 롤러(100)가 이어서 각각 설치되어 있다.

이하에서 보강섬유로 탄소섬유를 예로 들어, 본 발명의 복합재료 가열장치의 동작에 대해서 설명한다.

함침이 되는 열경화성 수지는 예를 들어 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지 또는 페놀 수지가 될 수 있고 그리고 열가소성 수지는 폴리에틸렌 수지, 나일론 수지, 폴리아세틸수지, 염화비닐 수지, 폴리스티렌 수지 또는 아크릴 수지가 될 수 있다. 가열판(50)은 예를 들어 함침되는 수지의 종류에 따라 적절한 온도로 가열되고 가열판(50)의 온도는 다양한 형태로 조절될 수 있다. 예를 들어 열가소성 수지는 점도가 높은 폴리머 상태이기 때문에 고온 및 고압이 필요하다. 본 발명에서는 가열판(50) 위에 보온판(55)을 설치하고, 보온판 아래에 프리롤러 (57)를 배치하여 열효율을 향상시킬 수 있다.

가열장치에서 가열되면서 탄소섬유(1)에 수지가 함침이 되면, 냉각판(60)에서 냉각이 되는 탄소섬유 프리프레그 공정이 진행된다. 냉각판(60)은 탄소섬유 다발(2)에 함침된 수지를 냉각시키면서 일정한 압력을 가하여 탄소섬유(2)를 필름 형태로 만든다. 이와 같은 공정을 통하여 프리프레그 시트가 제조되고 그리고 제조된 프리프레그 시트는 보호필름(7) 및 이형지(6)와 함께 권취롤러(100)에 권취된다.

이상에서 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였지만, 이상에서 기술한 실시예들은 예시적인 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다양하게 변형 또는 변경 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 후술하는 청구범위에 기초해서 정해져야 할 것이다.

1 : 섬유다발 2 : 탄소섬유
20 : 개섬장치
40 : 상부 공급롤러 41 : 하부 공급롤러
50 : 가열판 55 : 보온판
57 : 프리롤러
51 : 상부 가압 롤러 52 : 하부 가압 롤러
60 : 냉각판 70 : 이형지공급롤러
80 : 보호필름공급롤러 90 : 닙 롤러
100 : 프리프레그 권취롤러

Claims (7)

1. 가열판과 상기 가열판으로부터 소정의 간격을 두고 대향하여 배치되는 보온판으로 구성되는 복합재료 가열장치로서, 상기 보온판의 하단에는 공회전하면서 가열장치 내로 유입되는 수지필름과 섬유 강화재료가 합지된 복합재료를 가열판쪽으로 가압하는 프리롤러가 설치된 것을 특징으로 하는 복합재료 가열장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 프리롤러가 상기 복합재료의 폭방향으로 소정의 간격으로 1개 내지 10개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료 가열장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 보온판은 폴리우레판 폼이 충진되어 구성되는 것임을 특징으로 하는 복합재료 가열장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 프리롤러는 열전도재인 금속 재료로 구성된 것임을 특징으로 하는 복합재료 가열장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프리롤러들 사이에는 공기배출라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료 가열장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프리롤러들 내부에는 히터가 설치된 것을 특징으로 하는 복합재료 가열장치.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 복합재료 가열장치를 포함하는 프리프레그 제조장치.
   
   
   

Images