KR20180080406A

KR20180080406A - 프리프레그 개섬장치

Info

Publication number: KR20180080406A
Application number: KR1020170000637A
Authority: KR
Inventors: 배만억; 방윤혁
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2017-01-03
Filing date: 2017-01-03
Publication date: 2018-07-12

Abstract

본 발명은 강화 섬유 다발의 사도가 지그재그가 되도록 배치된 복수 개의 롤러로 구성되는 개섬 부재를 포함하는 프리프레그 개섬장치로서, 상기 개섬장치가 크릴과 개섬부재 사이에 설치되어, 강화 섬유 다발이 개섬부재에 도입되기 전에 강화 섬유 다발의 장력을 완화시키는 구동롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 크릴과 개섬부재 사이의 장력을 완화하여 강화 섬유 다발의 사절이나 작업 효율의 저하 없이 개섬 효과를 극대화하여 프리프레그의 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

프리프레그 개섬장치{FIBER OPENING APPARATUS FOR PREPREG}

본 발명은 프리프레그 개섬장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유 프리프레그 제조 공정의 함침장치에 공급하는 탄소섬유 다발을 개섬하는 프리프레그 장치에 관한 것이다.

종래, 탄소섬유나 유리 섬유 다발에 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 등의 매트릭스 수지를 함침시킨 시트 형상의 프리프레그가 경량이고 높은 내구성을 갖기 때문에, 골프 샤프트, 낚싯대 등의 스포츠·레저 용도 또는 항공기 재료, 의료용재, 심지어 산업용 자재 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히 탄소 섬유를 이용한 프리프레그는 경량, 고강도 특성으로 그 수요가 급증하고 있다.

이와 같은 프리프레그를 성형하는 방법으로는, 탄소섬유 등의 강화 섬유 다발을 시트상으로 만든 상태에서 단사 사이에 매트릭스 수지를 함침하여 제조한다. 이때 수지를 함침시키기 전에 섬유 다발을 충분히 개섬하는 것이 바람직하다.

지금까지 알려진 탄소섬유 개섬 기술은, 일정속도로 섬유를 공급하고 축방향으로 진동시킨 환형봉 또는 회전볼을 여러 개 통과시켜 개섬하는 방법, 섬유에 일정한 장력을 부여한 상태에서 자유 회전롤 상을 통과시키면서 하나의 롤러를 진동시켜 개섬하는 방법, 탄소섬유 속을 미리 예열하고 진동 플랫 자유회전롤과 플랫 레이스회전롤의 편성에 따른 개섬 방법 등과 같이 다양하게 개시되고 있으나 개섬에 필요한 롤러가 다수 요구되고 있고, 고정롤러 통과 방식의 경우 섬유 마찰이 커져 섬유 표면의 손상으로 인한 모우가 많이 발생하고 사절이 발생하는 단점이 있었다.

또한 기존의 개섬장치에서는 진동롤러에 의한 물리적 효과로 개섬이 되는데 개섬 장치 내에 다수의 롤러로 인해서 크릴에서 개섬장치 통과까지 섬유에 높은 장력이 걸려서 개섬 효과가 반감되는 한계가 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 탄소섬유 다발을 개섬하는 경우에 크릴과 개섬장치 사이의 섬유의 장력을 완화시켜 강화 섬유 다발의 사절 등의 품질 저하, 및 작업 효율의 저하 없이 개섬 효과를 극대화할 수 있는 프리프레그의 개섬장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

강화 섬유 다발의 사도가 지그재그가 되도록 배치된 복수 개의 롤러로 구성되는 개섬 부재를 포함하는 프리프레그 개섬장치로서, 상기 개섬장치가 크릴과 개섬부재 사이에 설치되어, 강화 섬유 다발이 개섬부재에 도입되기 전에 강화 섬유 다발의 장력을 완화시키는 구동롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치에 관한 것이다.

상기 개섬 부재는 진동하지 않는 복수 개의 고정롤러와 상기 복수 개의 고정롤러 사이에 배치된 탄소섬유 다발의 진행 방향에 대해 좌우 방향으로 진동하는 복수 개의 좌우진동롤러로 구성될 수 있다.

상기 고정 롤러와 상기 좌우진동롤러의 내부에는 강화 섬유 다발의 사이징제의 접착력을 최소화하기 위해 열선이나 열매와 같은 가열 수단이 구비될 수 있다.

본 발명에서 상기 구동 롤러는 축박향으로 진동하는 진동 롤러로 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 양상은 복수 개의 단사가 나란히 정렬되어 이루어지는 강화 섬유 다발을 개섬 부재 내의 복수 개의 고정 롤러들 위를 차례로 굴곡시키면서 통과시켜 개섬하는 방법에 있어서, 개섬부재에 도입 시의 강화 섬유 다발의 장력을 15~100 g/섬유 다발로 제어하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에서 강화 섬유 다발은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다,

본 발명에 의하면 개섬부재 내의 섬유 장력(장력)으로 인하여 개섬효과가 감소되는 문제를 해소하여, 크릴과 개섬부재 사이의 장력을 완화함으로써, 강화 섬유 다발의 사절이나 작업 효율의 저하 없이 개섬 효과를 극대화시켜, 최종 프리프레그의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 프리프레그 개섬장치는 개섬 효과가 뛰어나기 때문에, 탄소섬유 12K 기준으로 종래의 방법은 폭 7 mm 내지 9 mm로 개섬 가능하지만, 본 발명에서는 폭 7mm 내지 20 mm로 개섬할 수 있어, 생산량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 프리프레그 개섬장치를 포함하는 프리프레그 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 탄소섬유 다발의 개섬장치의 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.

본 발명에서 이용되는 “강화 섬유 다발” (이하 "섬유 다발"이라 한다)라는 용어는 그 종류나 모양 등 특별히 제한되는 것은 아니지만, 형상으로 여러 가닥의 단사가 나란히 당겨진 1 본의 섬유 다발 또는 이러한 섬유 다발이 복수 개 서로 나란히 정결되어 구성되는 시트상의 섬유 다발을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 프리프레그 개섬장치의 개략도이다.

본 발명은 핫멜트 방식의 프리프레그 제조방법 중 함침 공정에서 사용되는 프리프레그 개섬장치에 관한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 프리프레그 개섬장치는 강화 섬유 다발의 사도가 지그재그가 되도록 배치된 복수 개의 롤러(21~27)로 구성되는 개섬 부재(20)를 포함하는 프리프레그 개섬장치로서, 상기 개섬장치가 크릴(10)과 개섬부재(20) 사이에 설치되어, 강화 섬유 다발이 개섬부재에 도입되기 전에 강화 섬유 다발의 장력을 완화시키는 구동롤러(200)를 구비한다.

이러한 구동 롤러(200)는 개섬부재에 도입되기 전에 강화 섬유 다발을 파지시키면서 구동 롤러 속도를 프리프레그 이송 속도보다 고속으로 회전시켜 장력을 완화시키는 것으로, 상하 방향으로 진동하는 부재에 의한 장력의 긴장 작용을 완화시키고, 강화 섬유 다발의 폭을 유지하면서 강화 섬유 다발을 개섬부재(20)까지 이송한다.

상기 구동 롤러(200)는 진동 롤러로 구성될 수 있다. 상기 구동 롤러(200)는 지그재그상으로 배치된 복수의 롤러로 구성되는데, 구동롤러(200)를 구성하는 롤러의 개수는 개섬 정도의 상하 방향으로 진동하는 부재에 의한 섬유 다발의 장력 완화 작용을 할 수 있는 수준이면 특별히 제한은 없지만, 장치의 복잡성과 비용의 관점에서 2 ~ 10 개가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3 ~ 5개이다.

상기 구동롤러(200)는 장력을 조절하기 위하여 속도 조절이 가능한 프리휠 구동장치로 구성되고, 상기 구동롤러의 표면은 섬유의 손상 없이 마찰력으로 섬유를 운반할 수 있도록 표면가공되어 있는 것이 좋다. 이러한 표면가공의 일례로서 크롬도금을 30 내지 50 마이크론 두께로 행할 수 있다.

상기 개섬부재(20)는 진동하지 않는 복수 개의 고정롤러(21, 23, 25, 28)와 상기 복수 개의 고정롤러 사이에 배치된 탄소섬유 다발의 진행 방향에 대해 좌우 방향으로 진동하는 복수 개의 좌우진동롤러(22, 24)로 구성될 수 있다.

개섬부재(20)는 강화 섬유 다발과의 접촉부가 회전축을 중심으로 회전가능한 롤러 등으로 구성된다. 개섬부재(20)는 4개 내지 32개의 롤러로 구성될 수 있다. 개섬부재(20)를 구성하는 소재로는 스테인레스 스틸, 세라믹, 일반 탄소강 등이 바람직하게 사용될 수 있지만, 휨 량이 적고, 강도가 충분한 것이면 다른 소재도 사용 수 있다.

상기 고정 롤러와 상기 좌우진동롤러의 내부에는 사이징제를 연화시키기 위한 열선 또는 순환 열매와 같은 가열수단이 포함될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 강화 섬유 다발을 형성하는 강화섬유의 종류는 특별히 한정되지 않고, 탄소섬유나 유리섬유, 아라미드섬유 등이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 의한 강화 섬유 다발의 개섬방법에 있어서, 개섬비는, 12 이상이 바람직하고, 25 이상이 더욱 바람직하다. 여기서 개섬비란, 개섬전의 강화 섬유 다발의 폭을 b1(mm), 두께를 a1(㎛), 개섬 후의 강화 섬유 다발의 폭을 b2(mm), 두께를 a2(㎛)로 한 경우, 개섬비=(b2/a2)/(b1/a1)로서 산출할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 프리프레그 개섬장치는, 구동롤러(200)에 의해 개섬부재에 도입되기 전에 장력을 완화하여 개섬 효과를 극대화시킴으로써, 프리프레그의 성능을 향상시켜 전체적으로 프리프레그에 의해 제조되는 최종 제품의 품질과 품위를 향상시킨다.

본 발명의 프리프레그 개섬장치를 포함하는 프리프레그 제조장치 및 이러한 장치에 의한 프리프레그 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 다른 실시예의 프리프레그 제조장치는 개섬부재(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 1에 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 탄소섬유보빈(미도시)으로부터 탄소섬유가 풀려 크릴로 제공되고, 상기 크릴로부터 롤 바와 회전 롤러를 통해서 개섬부재(20)로 공급된다.

본 발명에서는 개섬부재로 도입되기 전에 구동롤러(200)에 의해서 장력이 완화된 상태로 투입된다. 상기 개섬부재(20)에는 회전 롤러가 침지되어 있으며, 탄소섬유 사이징제를 용해시키기 위한 용제로서 아세톤, MEK 등의 용제로 채워져 있다. 개섬부재(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, 가열에 의해 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 권취롤 (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.

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.

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 200: 구동 롤러
40 : 상부 공급롤러 41 : 하부 공급롤러
50 : 가열판
51 : 상부 가압 롤러 52 : 하부 가압 롤러
60 : 냉각판 70 : 이형지공급롤러
80 : 보호필름공급롤러 90 : 닙 롤러
100 : 프리프레그 권취롤러

Claims

강화 섬유 다발의 사도가 지그재그가 되도록 배치된 복수 개의 롤러로 구성되는 개섬 부재를 포함하는 프리프레그 개섬장치로서, 상기 개섬장치가 크릴과 개섬부재 사이에 설치되어, 강화 섬유 다발이 개섬부재에 도입되기 전에 강화 섬유 다발의 장력을 완화시키는 구동롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치.
제1항에 있어서, 상기 개섬 부재는 진동하지 않는 복수 개의 고정롤러와 상기 복수 개의 고정롤러 사이에 배치된 탄소섬유 다발의 진행 방향에 대해 좌우 방향으로 진동하는 복수 개의 좌우진동롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치.
제1항에 있어서, 상기 고정 롤러와 상기 좌우진동롤러의 내부에 가열수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치.
제1항에 있어서, 상기 구동 롤러는 진동 롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치.
제1항에 있어서, 상기 구동롤러는 장력을 조절하기 위하여 속도 조절이 가능한 프리휠 구동장치로 구성되고, 상기 구동롤러의 표면은 섬유의 손상 없이 마찰력으로 섬유를 운반할 수 있도록 표면에 크롬 도금이 되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬장치.
복수 개의 단사가 나란히 정렬되어 이루어지는 강화 섬유 다발을 개섬 부재 내의 복수 개의 고정 롤러들 위를 차례로 굴곡시키면서 통과시켜 개섬하는 방법에 있어서, 개섬부재에 도입 시의 강화 섬유 다발의 장력을 15~100 g/섬유 다발로 제어하는 것을 특징으로 하는 프리프레그 개섬방법.
제6항에 있어서, 상기 강화 섬유 다발은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 프리프레그의 개섬방법.