KR20180092113A - 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 사이즈제를 이용하여 탄소 섬유를 사이징(sizing) 처리하는 단계, 상기 사이징 처리 된 탄소 섬유를 커팅하는 단계, 일면에 제1 수지가 코팅된 제1 캐리어 필름의 상기 제1 수지 상에 상기 커팅된 탄소 섬유를 뿌리는 단계, 및 제2 수지가 코팅된 제2 캐리어 필름의 상기 제2 수지와 상기 제1 수지의 면을 합치하는 단계를 포함하며, 상기 사이즈제, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는 동일한 화합물을 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법을 제공한다.

Description

탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치{MANUFACTURING METHOD AND DEVICE OF CARBON FIBER SHEET MOLDING COMPOUND}
본 발명은 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 섬유와 수지 간의 접착력과 분산성이 개선될 수 있는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
섬유 강화 플라스틱(FRP, Fiber reinforced plastics)은 섬유와 같은 강화재를 수지에 함침시켜 기계적 강도, 내열성, 장력이나 내충격성을 강화한 플라스틱을 의미하며, 이의 종류로는 벌크 몰딩 컴파운드(bulk molding compound)나 시트 몰딩 컴파운드(sheet molding compound) 등의 종류가 있다.
이 중, 시트 몰딩 컴파운드는 상온 상압에서 성형이 가능하고 산, 알칼리, 염, 용제류, 해수 등의 부식에 대해 강한 저항성을 지니고 있어 내식성이 우수할 뿐만 아니라, 강한 내식성과 강도, 내열성 및 내부식성이 우수해서 반영구적인 소재로서 각 공업 분야별 공정에 널리 사용되고 있다.
그 중 특히 강화 섬유로서 탄소 섬유를 사용하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 활용이 증대되고 있는데, 이는 탄소 섬유가 기타 강화 섬유와 비교할 때 경량과 고강성의 특징을 가지기 때문이다.
하지만, 일반적으로 탄소 섬유는 시트 몰딩 컴파운드의 수지로 사용되는 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르 수지 등과의 밀착성이 낮아 그 특성이 충분히 발현되지 않고 균일한 분산이 어려울 뿐만 아니라, 탄소 섬유가 수천~ 수만 가닥이 집속(集束)되어 있기 때문에 탄소 섬유의 커팅이 어려운 문제점이 있다.
이에 탄소 섬유를 시트 몰딩 컴파운드에 더욱 효과적으로 적용하기 위한 제조 공정이나 제조 장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소 섬유와 수지 간의 접착력과 분산성이 개선될 수 있는 동시에 우수한 기계적 물성을 가질 수 있는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따르면, 사이즈제를 이용하여 탄소 섬유를 사이징(sizing) 처리하는 단계, 상기 사이징 처리 된 탄소 섬유를 커팅하는 단계, 일면에 제1 수지가 코팅된 제1 캐리어 필름의 상기 제1 수지 상에 상기 커팅된 탄소 섬유를 뿌리는 단계, 및 제2 수지가 코팅된 제2 캐리어 필름의 상기 제2 수지와 상기 제1 수지의 면을 합치하는 단계를 포함하며, 상기 사이즈제, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는 동일한 화합물을 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법을 제공한다.
상기 사이즈제, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는 비닐에스테르, 불포화폴리에스테르 및 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 사이징 처리는 상기 탄소 섬유의 폭 대비 1.2~5배의 폭이 되도록 확사시킨 상태에서 수행할 수 있다.
상기 탄소 섬유의 사이징 처리는 상기 탄소 섬유 총 중량 대비 1~10중량%의 상기 사이즈제를 코팅할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탄소 섬유를 사이징 처리하기 위한 섬유 전처리부, 및 상기 섬유 전처리부로부터 전처리된 탄소 섬유를 이용하여 시트를 제조하기 위한 시트 제조부를 포함하며, 상기 섬유 전처리부는 상기 탄소 섬유를 공급하기 위한 섬유롤, 사이즈제를 담고 있는 저장조 및 탄소 섬유를 커팅하기 위한 커팅기를 순차적으로 포함하고, 상기 시트 제조부는 캐리어 시트를 공급하기 위한 시트롤 및 상기 캐리어 시트의 표면에 수지 코팅을 위한 수지를 포함하는 수지 코팅부를 포함하며, 상기 사이즈제 및 상기 수지는 동일한 화합물을 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 장치를 제공한다.
상기 저장조는 상기 탄소 섬유를 확사시키기 위한 복수개의 롤러를 포함하며, 상기 복수개의 롤러는 상기 저장조의 깊이 방향으로 상하 교대로 배치되어 있을 수 있다.
상기 섬유 전처리부 및 상기 시트 제조부는 각각 건조로를 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치에 따르면, 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 탄소 섬유와 수지 간의 접착력과 분산성이 개선될 수 있는 동시에 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 비교예(A) 및 실시예(B)에 따라 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 단면의 SEM 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제부터 도 1을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드 제조 장치의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드 제조 장치는 섬유 전처리부(1000) 및 시트 제조부(2000)를 포함한다.
먼저, 섬유 전처리부(1000)에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유 전처리부(1000)는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드에 포함될 탄소 섬유(13)를 사이징(sizing)하기 위한 구성으로서, 탄소 섬유(13)가 권취되어 있는 섬유롤(10), 사이즈제(50)를 담고 있는 저장조(100), 제1 건조로(200) 및 사이징 탄소 섬유(15)를 커팅하기 위한 커팅기(300)를 포함할 수 있다.
도 1에서는 편의상 탄소 섬유(13)가 권취되어 있는 섬유롤(10)을 하나만 도시하고 있으나, 섬유롤(10)은 복수개가 배치될 수도 있다.
섬유롤(10)에 권취되어 있는 탄소 섬유(13)는 필라멘트를 집속하여 스트랜드(strand)화 시키기 위해 이미 한번 이상의 사이징 처리가 되어 있는 탄소 섬유(13)일 수 있다.
섬유롤(10)에 권취되어 있는 탄소 섬유(13)는 사이징 처리를 위해 사이즈제(50)를 담고 있는 저장조(100)로 공급되어 사이징 처리될 수 있다.
저장조(100)는 섬유롤(10)로부터 공급된 탄소 섬유(13)의 스트랜드(strand)를 확사시켜 탄소 섬유(13)의 필라멘트 사이로 사이즈제(50)가 용이하게 함침될 수 있게 하기 위한 복수개의 롤러(110a, 110b, 110c)와 탄소 섬유(13)의 사이징 처리를 위한 사이즈제(50)를 포함할 수 있다.
복수개의 롤러(100a, 100b, 100c)는 저장조(100)의 깊이 방향으로 상하 교대로 배치될 수 있다.
도 1에서는 편의상 상대적으로 하부에 배치된 제1 롤러(100a) 및 제3 롤러(100c)와 제1 롤러(100a)와 제3 롤러(100c) 사이에서 상대적으로 상부에 배치된 제2 롤러(100b)를 도시하였으나, 공정상 필요에 따라 추가로 배치될 수도 있다.
저장조(100)의 사이즈제(50)는 추후 설명할 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 시 사용되는 수지와 동일한 수지를 포함할 수 있다.
이러한, 사이즈제(50)로는 비닐에스테르, 불포화폴리에스테르 및 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
저장조(100) 내에서 탄소 섬유(13)의 사이징 처리는 저장조(100) 내에서 탄소 섬유(13)를 공급되는 탄소 섬유(13)의 폭 대비 1.2~5배가 되도록 확사시켜 탄소 섬유(13)의 필라멘트 사이로 사이즈제(50)가 고르게 함침될 수 있도록 수행할 수 있다.
이는 탄소 섬유(13)를 1.2배 미만으로 확사시킬 경우 탄소 섬유(13)의 필라멘트 사이로 사이즈제(50)가 고르게 함침되기 어려울 수 있고, 5배 초과로 확사시킬 경우 탄소 섬유(13)의 장력이 높아져 탄소 섬유(13)의 손상이 발생할 수 있어 물성 저하나 공정 진행 상의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
탄소 섬유(13)를 사이징 처리할 때 탄소 섬유에 코팅되는 사이즈제(50)는 탄소 섬유(13) 총 중량 대비 1~10중량%일 수 있다.
이는 사이즈제(50)가 1중량% 미만으로 코팅될 경우 추후 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 수지와의 접착력이나 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 커팅 효율이 개선되기 어렵고, 10중량% 초과로 코팅될 경우 코팅된 사이즈제(50)의 건조가 어렵고 건조된 탄소 섬유(15)의 유연성이 떨어져 깨지는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
저장조(100)에서 사이즈제(50)에 의해 코팅 처리된 탄소 섬유(13)는 제1 건조로(200)를 통과하면서 건조될 수 있다.
제1 건조로(200)를 통과한 사이징 탄소 섬유(15)는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 공정에 알맞은 크기로 커팅하기 위해 커팅기(300)로 이송되어 커팅되어 시트 제조부(2000)로 공급될 수 있다.
이 때, 탄소 섬유(15)는 1~10cm의 길이로 커팅될 수 있다.
이어서, 시트 제조부(2000)에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 시트 제조부(2000)는 제1 캐리어 시트(23)를 공급하는 제1 시트롤(20)과 제1 캐리어 시트(23)의 표면에 제1 수지(27)를 코팅하기 위한 제1 수지 코팅부(25), 제2 캐리어 시트(33)를 공급하는 제2 시트롤(30)과 제2 캐리어 시트(33)의 표면에 제2 수지(37)를 코팅하기 위한 제2 수지 코팅부(35), 제2 건조로(400) 및 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드(50)를 회수하기 위한 회수조(500)을 포함할 수 있다.
먼저 제1 시트롤(20)에 권취되어 있는 제1 캐리어 시트(23)는 제1 수지 코팅부(25)를 통과하면서, 제1 캐리어 시트(23) 표면에 제1 수지(27)가 코팅되어 시트 제조부(2000)로 공급될 수 있다.
제1 수지(27)가 코팅된 제1 캐리어 시트(23) 위로 커팅기(300)에서 커팅된 탄소 섬유(17)가 뿌려져 제1 수지(27)로 함침될 수 있다.
다음으로, 제2 시트롤(30)에 권취되어 있는 제2 캐리어 시트(33)는 제2 수지 코팅부(35)를 통과하면서, 제2 캐리어 시트(33) 표면에 제2 수지(37)가 코팅되어 시트 제조부(2000)로 공급될 수 있다.
이 때, 제1 수지(27) 및 제2 수지(37)는 서로 마주하여 합치되도록 공급되며, 제1 수지(27) 및 제2 수지(37)는 서로 동일한 수지일 수도 있으나, 서로 상이한 수지일 수도 있다.
제1 수지(27) 및 제2 수지(37)는 앞서 설명한 사이즈제(50)와 동일한 화합물을 포함할 수 있으며, 비닐에스테르, 불포화폴리에스테르 및 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이렇게 제1 캐리어 시트(23)와 제2 캐리어 시트(33)가 아래 위로 합치된 시트(45)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 캐리어 시트(23)와 제2 캐리어 시트(33) 사이에서 제1 수지(27) 및 제2 수지(37)에 커팅된 탄소 섬유(17)가 함침된 형태를 이룰 수 있다.
시트(45)는 제2 건조로(400)로 이동되어 건조될 수 있다.
제2 건조로(400) 내부에는 필요에 따라 시트(45)를 압착하기 위한 벨트(420)와 같은 구조물을 더 포함할 수 있다.
제2 건조로(400)에서 필름(45)은 반경화 상태로 건조될 수 있으며, 제2 건조로(400)에서 건조 과정을 통해 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드(50)가 제조되어 회수조(500)로 보관될 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
도 1에 도시된 본 발명의 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드 제조 장치를 이용하여 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드를 제조하였다.
이 때, 탄소 섬유는 이미 사이징 처리가 되어 있는 탄소 섬유를 적용하였고, 사이즈제 및 수지는 서로 동일하게 비닐에스테르를 적용하여 제조하였으며, 탄소 섬유에 코팅되는 사이즈제는 탄소 섬유의 5중량%로 코팅하였고, 커팅되는 탄소 섬유의 길이는 2인치로 설정하였다.
비교예
탄소 섬유를 섬유 전처리부를 통과시키지 않아 추가적인 사이징 처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드을 제조하였다.
실험예
(1) 접착력 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 수지와 탄소 섬유 간의 계면 접착력을 층간전단강도 및 단면 SEM 촬영을 통해 확인하였다.
(2) 기계적 물성 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 기계적 물성으로서, 굴곡 강도 및 샤르피-충격 강도를 측정하였으며, 굴곡 강도는 JIS K6911에 의거하여 측정하였고, 샤르피-충격 강도는 JIS K7077에 의거하여 측정하였다.
(3) 탄소 섬유 분산성 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드에 포함된 탄소 섬유의 전처리를 통한 탄소 섬유 분산성을 측정하기 위해 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드를 50cmX 50cm 사이즈로 자르고, 표면을 하기와 같이 9등분하여 각 부분의 탄소 섬유 체적 함량을 측정하였다.
Figure pat00001
이의 결과를 하기 표 1, 표 2 및 도 3에 나타내었다.
굴곡 강도(Mpa) 충격 강도(KJ/m2) 층간전단강도(Mpa)
실시예 440 89 47
비교예 362 82 43
실시예(중량%) 비교예(중량%)
(1) 31.3 28.9
(2) 30.1 26.9
(3) 31.9 27.2
(4) 30.9 29.9
(5) 29.9 31.6
(6) 31.2 27.8
(7) 31.6 29.1
(8) 30.1 28.1
(9) 31.2 27.8
평균 30.9 28.6
편차 0.7 1.5
먼저, 표 1 및 도 3에 나타난 바와 같이 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드는 비교예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드에 비해 탄소 섬유와 수지 간의 접착력이 향상되었으며, 이에 따라 기계적 물성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드는 각 부분 별 탄소 섬유 함량이 비교예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드에 비해 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법 및 제조 장치에 따르면, 제조된 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 탄소 섬유와 수지 간의 접착력과 분산성이 개선될 수 있는 동시에 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1000: 섬유 전처리부 2000: 시트 제조부
10: 섬유롤 100: 저장조
200: 제1 건조로 300: 커팅기
20: 제1 시트롤 30: 제2 시트롤
400: 제2 건조로 500: 회수조

Claims (8)

  1. 사이즈제를 이용하여 탄소 섬유를 사이징(sizing) 처리하는 단계,
    상기 사이징 처리 된 탄소 섬유를 커팅하는 단계,
    일면에 제1 수지가 코팅된 제1 캐리어 필름의 상기 제1 수지 상에 상기 커팅된 탄소 섬유를 뿌리는 단계, 및
    제2 수지가 코팅된 제2 캐리어 필름의 상기 제2 수지와 상기 제1 수지의 면을 합치하는 단계를 포함하며,
    상기 사이즈제, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는 동일한 화합물을 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 사이즈제, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는 비닐에스테르, 불포화폴리에스테르 및 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 사이징 처리는 상기 탄소 섬유의 폭 대비 1.2~5배의 폭이 되도록 확사시킨 상태에서 수행하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 탄소 섬유의 사이징 처리는 상기 탄소 섬유 총 중량 대비 1~10중량%의 상기 사이즈제를 코팅하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 방법.
  5. 탄소 섬유를 사이징 처리하기 위한 섬유 전처리부, 및
    상기 섬유 전처리부로부터 전처리된 탄소 섬유를 이용하여 시트를 제조하기 위한 시트 제조부를 포함하며,
    상기 섬유 전처리부는 상기 탄소 섬유를 공급하기 위한 섬유롤, 사이즈제를 담고 있는 저장조 및 탄소 섬유를 커팅하기 위한 커팅기를 순차적으로 포함하고,
    상기 시트 제조부는 캐리어 시트를 공급하기 위한 시트롤 및 상기 캐리어 시트의 표면에 수지 코팅을 위한 수지를 포함하는 수지 코팅부를 포함하며,
    상기 사이즈제 및 상기 수지는 동일한 화합물을 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 사이즈제 및 상기 수지는 비닐에스테르, 불포화폴리에스테르 및 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 저장조는 복수개의 롤러를 포함하며,
    상기 복수개의 롤러는 상기 저장조의 깊이 방향으로 상하 교대로 배치되어 있는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 섬유 전처리부 및 상기 시트 제조부는 각각 건조로를 포함하는 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드의 제조 장치.
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