KR20180095151A - t-RTM 성형 장치 및 t-RTM 성형 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따른 섬유강화 플라스틱을 성형하기 위한 t-RTM 성형 장치 및 방법은 성형 몰드 내부에 위치하는 피성형체인 섬유재 프리폼에 반응성 ε-카프로락탐을 용융주입하여 상기 피성형체에 함침시켜 중합시킴으로써 섬유강화 플라스틱을 성형하는 t-RTM 장치에 있어서, 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합하는 것을 특징으로 하는 t-RTM 성형장치 및 성형방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)을 성형하기 위한 열가소성 수지 이송 성형(Thermoplastic Resin Transfer Moulding, t-RTM) 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 성형 몰드의 내부에 위치하는 피성형체인 섬유재 프리폼(preform)에 반응성 ε-카프로락탐을 용융주입하여 상기 피성형체에 함침시켜 중합시킴으로써 FRP를 성형하는 t-RTM 성형 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 반응기에서 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제를 순차적로 혼합되거나 또는 동시에 혼합되는 것을 특징으로 하는 t-RTM 성형 방법 및 장치에 관한 것이다.
FRP는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등과 같은 섬유재와 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 결합하여 만들어진 복합 소재의 한 종류이다. FRP는 전기전자 분야의 인쇄회로기판, 휴대폰 케이스, IT 기기 케이스 등의 원료로 사용되고 있다. 또한 FRP는 경량화 추세에 적합한 재료적 특징을 가지고 있어서, 최근에는 자동차 분야, 스포츠 레저 분야와 여러 공업 부품에서 큰 관심을 받고 있는 소재이다.
이런 FRP 성형품들을 제조하기 위한 성형방법의 한 가지로서 수지 이송 성형(Resin Transfer Moulding, RTM) 성형 방법이 알려져 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, RTM 성형 밥법은 일반적으로 섬유 원단을 재단한 섬유재 프리폼(preform, (a))을 RTM 성형 몰드 내에 안착시킨 다음(b) 성형 몰드를 닫아 잠그고(c) 성형 몰드 내부에 부압(진공)을 걸어준 상태에서, 수지와 경화제가 적정 비율로 혼합된 수지액(2액형 또는 3액형 수지)을 가압하여 그 RTM 성형 몰드 내부로 주입한 다음(d), 경화시킴으로써(e) FRP 성형물을 만드는 공정이다. 수지액의 주입 과정에서 공기는 성형 몰드 밖으로 배출되고, 수지의 종류에 따라 열을 가하거나 자외선(UV)을 가하여 상기 수지를 경화시킨다.
최근 신소재에 대한 관심이 높아지면서, 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있는데, 특히 저비중, 고강도의 복합 소재에 대한 관심이 증대되고 있다. 또한 복합소재를 이용한 제품의 양산 단계까지 연구가 진행되면서, 이를 위하여 성형품을 제조하는 공정시간을 단축하기 위한 공법의 개발에 초점이 모아지고 있다.
그런데 이러한 RTM 성형 방법은, 수작업의 핸드 레이업 공법에 비해 균일한 제품 생산이 가능하다는 장점이 있으나, 여전히 경화 시간이 오래 소요되는 문제점이 있다.
이에 따라 최근 수년동안 유럽의 자동차 메이커와 화학업체들은 RTM 공법을 열경화성 수지에서 열가소성 수지로 전환하기 위하여 많은 연구를 진행하였다. 즉, RTM 공정중 열경화성 수지와 경화제를 몰드 내부로 주입하여 경화시키는 공법 대신에 열가소성 수지의 모노머를 촉매 및 반응개시제를 함께 주입하여 중합시키는 공법에 연구를 집중하였다. 이에 따라 반응성 ε-카프로락탐 모노머를 이용하여 성형 몰드 내부에서 나일론 6를 중합하여 성형체를 제조하는 t-RTM(Thermoplastic-Resin Transfer Moulding) 성형 방법이 개발되었다.
특히 t-RTM 성형 방법은 반응성 ε-카프로락탐을 이용하여 자동차 부품 등의 성형체를 경제적으로 제조하기 위하여 폭스바겐과 BASF 등이 공동으로 개발한 방법이다. 상기 반응성 ε-카프로락탐을 이용하는 t-RTM 성형 방법도 기존의 RTM 성형 방법과 공정이 유사하다. 다만 성형 몰드 내부에 위치하는 섬유재 프리폼에 반응성 ε-카프로락탐을 함침한 후 중합하여 성형체를 제조한다는 점에서 통상의 RTM 성형 방법과 차이가 있다.
통상적인 t-RTM 성형 방법은 두 개의 용융탱크가 필요하다. 그 중 하나는 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매가 혼합되는 용융탱크며, 다른 하나는 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 반응개시제가 혼합되는 용융탱크이다. 상기와 같이 촉매와 반응개시제 등이 각각 혼합된 두 개의 용융탱크로부터 반응성 ε-카프로락탐 용융체의 흐름은 100 ℃ 정도의 온도로 가열된 상태에서 1:1로 혼합된다. 상기와 같이, 혼합이 완료된 후 105 ℃ 이상의 온도로 가열된 성형 몰드 내부로 주입된다. 상기와 같은 성형 몰드 내부로 주입된 후 중합이 이루어진다. 그 후 탈형을 거쳐 FRP 제품의 성형이 완료된다.
그런데 상기와 같은 종래의 t-RTM 성형 방법은 생산된 성형품에 보이드(void)가 다른 공정에 비해 2~3배 많고, 이러한 보이드로부터 섬유재 프리폼의 체적율의 불균일하게 되어 결국 성형체의 기본적인 물성치가 저하되며, 수분율이 증가된다는 문제점이 있다. 또한 성형 시간이 길어서 대량생산이 제한된다는 단점이 있다.
본 발명은 두 개의 용융탱크 즉, 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 반응개시제를 혼합하는 제 1 용융탱크와, 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매를 혼합하는 제 2 용융탱크가 필요한 종래의 t-RTM 성형 장치 및 성형 방법을 개선한 발명으로서, 하나의 용융탱크에서 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 용융한 후, 반응기에서 촉매와 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합함으로써 성형시간이 단축되고, 보이드율이 낮은 성형체를 제조하기 위한 t-RTM 성형 장치 및 성형 방법을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서의 성형체의 보이드율을 줄이고 성형시간을 단축하기 위한 t-RTM 성형 방법은 반응성 ε-카프로락탐 플레이크가 용융되어 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 형성하는 제 1 단계; 상기 반응성 ε-카프로락탐 용융체와 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합하는 제 2 단계; 하부 성형 몰드 및 상기 하부 성형 몰드 상측에 상보적인 형상으로 결합되는 상부 성형 몰드가 맞물림에 의해 형성되는 성형 공간 내부에 상기 촉매 및 반응개시제가 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 주입하는 제 3 단계; 상기 성형 몰드 내부에 진공을 부여하는 제 4 단계; 상기 성형 공간 내부에 위치하는 피성형체인 섬유재 프리폼에 상기 촉매 및 반응개시제가 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체가 함침되는 제 5 단계; 상기 반응성 ε-카프로락탐이 중합되는 제6 단계; 및 상기 각 단계의 사이에 상기 용융체와 수분의 접촉을 방지하기 위하여 공기를 제거하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 t-RTM 성형 방법은 상기 제 4 단계에서 진공도는 - 0.1 MPa 이하이며, 상기 제 3 단계에서 용융체의 주입압력은 1 내지 7 kgf/cm2인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 섬유강화 플라스틱 성형체는 보이드율이 15 % 이하인 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에서의 성형체의 보이드율을 줄이고 성형시간을 단축하기 위한 t-RTM 성형 장치는 반응성 ε-카프로락탐 플레이크가 용융되는 단일의 용융탱크; 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합하는 반응기; 상기 성형 공간을 형성하는 하부 성형 몰드 및 상기 하부 성형 몰드의 상측에 상보적인 형상으로 결합되는 상부 성형 몰드로 구성되는 성형 몰드; 상기 성형 공간 내부에 위치하는 피성형체인 섬유재 프리폼; 상기 성형 공간 내부로 촉매 및 반응개시제가 혼합되어 용융된 반응성 카프로락탐을 주입하는 수지주입관; 상기 성형 공간 내부의 공기를 제거하도록 설치되는 적어도 하나의 진공 흡입용 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 t-RTM 성형 장치 및 성형 방법에 따르면, 반응성 ε-카프로락탐의 중합이 진행되어 점도가 상승하기 전에 성형 몰드에 주입 되어 섬유재 프리폼에 함침이 완료되므로, 섬유재 프리폼 내부로의 함침이 용이하여 성형체의 보이드 발생을 저감할 수 있으므로, 섬유재 프리폼의 체적율이 균일하게 되어 결국 성형체의 물성치가 증가된다. 그리고 반응성 ε-카프로락탐 플레이크의 용융이 단일 용융탱크에서 이루어지므로, 에너지 사용량을 저감할 수 있고, 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 두개의 용융탱크에서 용융하여 혼합하는 공정이 불필요하므로, 공정의 시간을 단축할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 RTM 성형 방법의 모식도이며,
도 2은 종래의 t-RTM 성형 장치의 모식도이며,
도 3은 본 발명에 따른 t-RTM 성형 장치의 모식도이다.
도 2은 종래의 t-RTM 성형 장치의 모식도이며,
도 3은 본 발명에 따른 t-RTM 성형 장치의 모식도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실험예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실험예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 2에는 종래의 t-RTM 성형 장치를 나타내었다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 t-RTM 성형 장치는 반응성 ε-카프로락탐 플레이크(flake)를 용융하여 반응개시제와 혼합하는 제 1 용융탱크(21)와, 상기 반응성 ε-카프로락탐 플레이크(flake)를 용융하여 촉매와 혼합하는 제 2 용융탱크(22)를 구비한다. 그리고 상기 제 1 용융탱크(21) 및 제 2 용융탱크(22)에는 상기 제 1 용융탱크(21)에서 토출된 용융체 즉, 반응개시제와 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체와, 상기 제 2 용융탱크에서 토출된 용융체 즉, 촉매와 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 반응기(30)로 이송하는 수지이송관(71)이 연통된다. 상기 수지이송관(71)은 제 1 용융탱크(21)로부터 이송되는 반응성 ε-카프로락탐 용융체 및 제 2 용융탱크로부터 이송되는 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 반응기(30)로 이동시킨다. 상기 반응기(30)에서 반응성 ε-카프로락탐 용융체와 반응개시제 및 촉매의 혼합이 이루어진다. 상기 반응기(30)의 일단에는 상부 금형(41)과 하부 금형(42)로 이루어지는 성형 몰드(40) 내부에 위치한 섬유재 프리폼(50)으로 상기 용융체를 주입하는 수지주입관(60)이 구비된다. 그리고 상기 성형 몰드(40)의 일단에는 상기 성형 몰드(40) 내부에 진공을 형성하는 진공 흡입 밸브(80)를 구비한다.
반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 t-RTM 성형 장치는 반응성 ε-카프로락탐 플레이크(flake)를 용융하는 단일의 용융탱크(20)를 구비한다. 상기 단일의 용융탱크(20)에는 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 반응기(30)로 이송하는 수지이송관(71)이 구비되며, 상기 수지이송관(71)은 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 반응개시제 및 촉매와 순차적으로 또는 동시에 혼합하는 반응기(30)와 연통된다. 또한 상기 반응기(30)의 일측에는 반응개시제와 촉매를 상기 반응기 내부로 순차적으로 또는 동시에 투입하는 도입부 즉, 반응개시제 투입구(32) 및 촉매투입구(31)가 각각 형성된다.
그리고 상기 반응기(30)의 일단에는 상부 금형(41)과 하부 금형(42)로 이루어지는 성형 몰드(40) 내부에 위치한 섬유재 프리폼(50)으로 상기 용융체를 주입하는 수지주입관(60)이 구비된다. 그리고 상기 수지주입관(60)은 상기 성형 몰드(40)와 연통되며, 상기 성형 몰드의 일단에는 상기 성형 몰드 내부에 진공을 형성하는 진공흡입밸브(80)를 구비한다.
즉, 본 발명의 t-RTM 성형 장치는 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 단일의 용융탱크(20)에서 용융한 후 상기 용융체를 수지이송관(71)을 통해 반응기(30)로 이송한 후, 상기 반응기(30)에서 촉매와 반응개시제가 순차적으로 또는 동시에 혼합된다. 그 후에 이를 성형 몰드(40)에 주입하여 중합 과정을 거쳐 성형체를 완성하게 된다.
위에서 살핀 바와 같이, 종래의 t-RTM 성형 장치는 두 개의 용융탱크가 필요하다. 즉, 반응성 ε-카프로락탐을 용융하여 반응개시제와 혼합하는 제 1 용융탱크(21)와, 반응성 ε-카프로락탐을 용융하여 촉매를 혼합하는 제 2 용융탱크(22)가 구비된다. 이와 같이, 서로 다른 용융탱크에서 혼합되어 촉매 또는 반응개시제를 포함하는 반응성 ε-카프로락탐 용융체는 수지이송관(71)을 통해 반응기(30)로 이송되어 양 용융체는 혼합되게 된다. 이 때 상기 용융체와 촉매 및 반응개시제가 함께 혼합된다. 상기 반응기(30)에서 혼합된 용융체는 수지주입관(60)을 통해 성형 몰드(40) 내부로 주입된 후, 섬유제 프리폼(50)에 함침되고 중힙이 완료된 후 탈형하여 성형제를 제조한다. 이 때 성형 몰드 내부에 진공을 도입하기 위하여 진공흡입밸브(80)가 구비된다.
반면에 본 발명의 t-RTM 성형장치는 반응성 ε-카프로락탐 플레이크(flake)를 용융하여 용융체를 형성하는 단일의 용융탱크(20)를 구비하며, 상기 용융체는 수지이송관(71)을 통해 반응기(30)로 이송된다. 그 후 상기 반응기(30)에서 촉매와 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 투입하여 이들을 혼합하고, 혼합후 수지주입관(60)을 통해 성형 몰드(40) 내부로 주입한다. 즉, 상기 반응기(30)에서 촉매투입구(310을 통해 촉매가 먼저 투입되어 상기 용융체와 혼합되고, 이후에 반응개시제 투입구(32)를 통해 반응개시제가 반응기 내부로 투입되어 상기 용융체와 혼합된다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서 상기 반응기(30)에서 반응개시제와 촉매는 동시에 투입되어 용융체와 혼합하는 것도 가능하다. 이 후의 공정은 종래의 t-RTM 공정과 동일하다.
즉, 도 3를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 t-RTM 성형 장치는 단일의 용융탱크(20)에서 반응성 ε-카프로락탐 플레이크(flake)를 용융하여 용융체를 형성하고, 반응기(30)에서 촉매와 반응개시제를 순차적으로 투입하여 상기 용융체와 혼합한다.
즉, 종래의 t-RTM 성형 장치는 두 개의 용융탱크 즉, 제 1 용융탱크(21) 및 제 2 용융탱크(22)를 이용하여 각각 반응성 ε-카프로락탐 용융체와 반응개시제 또는 촉매를 혼합한 후, 반응기에서 반응개시제를 포함하는 반응성 ε-카프로락탐 용융체와 촉매를 포함하는 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 혼합하게 된다. 그러나 본 발명의 t-RTM 성형 장치는 단일의 용융탱크(20)에서 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 용융하여 용융체를 형성한 후, 반응기에서 순차적으로 또는 동시에 상기 용융체와 반응개시제 및 촉매를 혼합한다는 점에서 차이가 있다.
이하에서는 본 발명에서의 t-RTM 성형장치를 이용하여 성형품을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
우선 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 일정량 계량하여 용융탱크(20)에 투입한다. 상기 반응성 ε-카프로락탐 플레이크(flake)의 용융온도는 69 ℃이므로, 상기 용융탱크(20)는 상기 반응성 ε-카프로락탐 플레이크의 용융온도 이상의 온도를 유지하여 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 용융하여 용융체를 형성한다. 상기 용융체는 용융탱크(20)에 연통된 수지이송관(71)을 통해 반응기(30)로 이송되고, 이 때 상기 반응기(30)에는 촉매가 먼저 투입되고, 이후에 반응개시제가 투입되면서 상기 용융체와 혼합이 이루어진다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서 상기 반응기(30)에서 반응개시제와 촉매는 동시에 투입되어 용융체와 혼합되는 것도 가능하다. 상기와 같이 반응개시제 및 촉매와 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체는 상기 반응기(30)에 연통된 수지주입관(60)을 통해 성형 몰드(40) 내부로 주입되어 섬유제 프리폼(50)에 함침되게 된다. 상기 섬유재 프리폼(50)에 함침된 용융체는 중합이 진행되고, 상기 중합이 종료되면 탈형하여 성형체가 제조완료된다. 상기 제조공정에서 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 용융하여 용융체를 형성하는 단계부터 최종제품의 성형 완료시까지 상기 용융체와 공기중 수분과의 접촉을 방지하기 위하여 각 단계 사이에 공기를 제거하는 단계가 포함될 수 있다.
통상적인 t-RTM 성형 방법은 통상적으로 두 개의 용융탱크를 사용한다. 즉, 반응성 ε-카프로락탐이 용융되어 반응개시제와 혼합하는 제 1 용융탱크(21)와, 반응성 ε-카프로락탐이 용융되어 촉매와 혼합하는 제 2 용융탱크(22)를 사용한다. 이러한 기존의 t-RTM 성형방법은 성형에 막대한 시간이 필요로 한다는 점에서 생산성이 낮은 큰 문제가 있다. 이에 따라 생산성 향상을 위하여 상기 용융체의 주입 압력을 크게 하는 경우에는 용융체의 유속이 증가되므로 성형 몰드 내부에서 비교적 단시간에 성형 몰드 내부에 위치한 섬유재 프리폼에 용융체가 충전될 수 있다. 그러나 섬유재 프리폼 내부에 용융체의 불균일한 흐름이 생겨 성형체에 보이드(void)가 다수 발생하는 문제가 있다.
즉, 성형 몰드(40) 내부에서 섬유재 프리폼과 반응성 ε-카프로락탐 용융체로 이루어지는 복합체에는 어느 정도의 보이드(void)가 존재한다. 특히 섬유재 프리폼의 함유율이 큰 경우에는 보이드가 많아지게 된다. 일반적으로 FRP 성형체에서 보이드율은 20 %의 범위가 바람직하다. 보이드율이 전술한 바람직한 범위에 있으면, 섬유재 프리폼으로의 용융체의 함침 및 분산 속도가 우수하게 되며, 또한 용융체의 불균일한 흐름을 줄일 수 있다
본 발명에서는 기존의 t-RTM 성형방법과 달리 단일의 용융탱크(20)에서 용융된 반응성 ε-카프로락탐 용융체와 촉매 및 반응개시제가 반응기(30)에 순차적으로 투입되어 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명의 t-RTM 방법에서 사용되는 촉매와 반응개시제는 공지된 반응성 ε-카프로락탐의 중합용 촉매 및 반응개시제를 이용할 수 있다. 예를 들면 촉매는 sodium-ε-caprolactamate가 바람직하며, 상기 반응개시제는 toluene diisocyanate이 바람직하다. 그 이유는 반응성 ε-카프로락탐의 음이온 중합시 sodium을 첨가하여 생성되는 sodium-ε-caprolactamate가 촉매로 작용하는데 sodium만으로 중합을 진행하는 경우에 중합이 원활하게 진행되지 않는다. 따라서 중합반응을 빠르게 진행하기 위하여 반응성 ε-카프로락탐과 반응하여 N-acyl caprolactam을 생성할 수 있는 반응개시제가 포함되는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 t-RTM 성형장치를 이용하여 성형체의 성형시 촉매로 sodium-ε-caprolactamate를 사용하고 반응개시제로 toluene diisocyanate를 사용하여 중합할 때, 상기 sodium-ε-caprolactamate와 toluene diisocyanate 간에 복합체(complex)를 형성하여 유도시간(Induction time)가 존재하지 않는다. 상기 유도시간은 촉매가 활성화되는 시간을 의미하며, 상기 유도시간동안에는 중합이 전혀 일어나지 않는다. 이에 따라 본 발명에서 상기와 같은 촉매와 반응개시제를 사용시 중합반응의 속도를 증가시켜 성형 공정의 효율을 최적화할 수 있다.
그리고 본 발명에서 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합시에 촉매는 0.1 내지 1.0 mol%로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 촉매가 0.1 mol% 이하로 혼합되는 경우에 반응개시제와 촉매의 낮은 접촉빈도로 인하여 개시제의 효율이 저하되어 중합속도가 떨어지게 된다. 반면에 상기 촉매가 1.0 mol% 이상 혼합되는 경우에는 촉매의 활동이 활발하여 효율이 포화되므로 더 이상 중합속도가 증가되지 않는다.
또한 본 발명에서 용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합시에 반응개시제는 0.2 내지 0.6 mol%로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 반응개시제가 0.2 mol% 이하로 혼합되는 경우에 반응전환율이 급격하게 저하되어 중합반응이 종결될 가능성이 있다. 반면에 상기 반응개시제가 0.6 mol% 이상 혼합되는 경우에는 분자량이 최대치를 지나 점차로 감소하게 된다. 즉, 이는 반응개시제의 함량이 증가하게 되면 고분자 사슬의 숫자가 증가하게 되어 중합된 후 분자량이 감소하게 된다.
상기와 같이 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체는 반응기(30)에 연통된 수지주입관(60)을 통해 성형 몰드 내부로 주입되어 상부 금형(41)과 하부 금형(42)로 이루어지는 성형 몰드(40) 내부에 위치한 섬유재 프리폼(50)에 함침된다.
상기 성형 몰드 내부에는 섬유재 프리폼(preform)이 구비되어 있다. 본 발명에서 사용되는 섬유재 프리폼은 탄소섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber), 아라미드 섬유(aramid fiber), 보론 섬유, 금속섬유 등 통상의 섬유 강화재에 이용하는 재료를 사용할 수 있다. 그 중에서도, 탄소섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber), 아라미드 섬유(aramid fiber)가 바람직하다. 섬유 재 프리폼(50)의 형태로서는 특별히 제한되지 않고, 직물 또는 부직포 등을 이용할 수 있다.
상기 수지주입관(70)을 통해 반응성 ε-카프로락탐의 용융체를 성형 몰드(40) 내부로 주입시 상기 성형 몰드의 일단에 형성된 진공 흡입 밸브(80)로부터 성형 몰드(40) 내부의 공기를 흡인하여 진공도를 - 0.1 MPa 이하로 하는 것이 바람직하다. 성형 몰드 내부의 진공도가 - 0.1 MPa 이하인 경우에서 섬유재 프리폼으로부터 공기가 최대로 제거되어 성형체에 보이드율을 최소화할 수 있다
상기와 같이 성형 몰드 내부에 진공을 걸어준 후 상기 성형 몰드의 일단에 형성된 수지 도입관으로 통해 성형 몰드 내부로 반응성 ε-카프로락탐의 용융체를 1 ~ 7 kgf/cm2의 주입 압력(transfer pressure)으로 가압한 상태에서 주입하는 것이 바람직하다. 상기 용융체의 주입압력이 1 kgf/cm2
이하인 경우에는 상기 용융체의 섬유재 프리폼 내부로의 함침 속도가 낮아지게 되어 상형 시간 많이 소요된다. 반대로 주입압력이 7 kgf/cm2
이상인 경우에는 용융체의 흐름속도가 빨라서 섬유제 프리폼의 표면에 다수의 보이드가 발생하게 된다.
상기와 같은 이유로 성형 몰드 내부로의 용융체의 주입 압력과 진공도 등은 반응성 수지의 특성을 충분히 고려한 후 적절한 값으로 설정될 필요가 있다. 상기 용융체가 섬유재 프리폼에 함침된 후에 진공 흡인을 정지하고, 그 후 상기 성형 금형에서 중합이 완료된 후 탈형하여 성형체 제조가 완료된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 FRP를 성형하는 t-RTM 성형장치 및 이를 이용한 t-RTM 성형방법에 따르면, 촉매 및 반응개시제가 순차적으로 혼합된 반응성 ε-카프로락탐의 용융체가 중합이 진행되어 점도가 상승하기 전에 성형 몰드 내부로 주입되게 되므로 섬유재 프리폼에 함침이 용이하다. 또한 반응성 ε-카프로락탐 플레이크의 용융이 단일 용융탱크에서 이루어지므로, 에너지 사용량을 저감할 수 있고, 반응성 ε-카프로락탐 플레이크를 두개의 용융탱크에서 용융하여 혼합하는 공정이 불필요하므로, 성형체 제조시 공정시간을 크게 단축할 수 있다. 따라서 발명의 t-RTM 방법은 공정 시간을 약 15분 이상 단축시키는 효과를 갖는다. 이와 같이, 성형 시간을 단축하여 생산량을 크게 증대시킬 수 있다. 또한 제조된 성형체의 보이드율이 감소되어 품질이 균일하고 물성이 향상된 성형체의 제조가 가능하게 된다.
본 발명을, 이하의 실시예 및 비교예를 이용해서 더욱 상세히 설명한다. 단, 본 발명의 기술적 범위가 이하의 실시예로 인하여 제한되는 것은 아니다.
종래의 t-RTM 성형 방법으로 제조된 성형제품과 본 발명의 t-RTM 성형 방법으로 제조된 성형제품의 보이드율 및 성형시간을 비교하기 위하여 탄소섬유 직물제 프리폼을 이용하여 반응성 ε-카프로락탐을 이용한 탄소섬유 복합재료를 제조하였다.
(실시예 1, 2, 3)
본 발명의 t-RTM 장치의 단일의 용융탱크(20)에서 반응성 ε-카프로락탐을 용융한 후, 수지이송관(70)을 통해 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 반응기에 주입한다. 동시에 상기 반응기 내부로 촉매와 반응개시제를 투입하여 상기 용융체와 혼합한다. 이 때 촉매는 0.5 mol%, 반응개시제는 0.4 mol%를 혼합하였다.
이 ? 본 발명의 t-RTM 장치의 성형 몰드를 105 ℃로 가열하고, 상기 성형 몰드 내부에 탄소섬유제 프리폼을 배치하고, 상기 성형 몰드를 체결한 후, 상기 용융체를 주입한다. 그 후에 중합을 진행하고 제품을 탈형하여 제품을 완성한다. 상기 용융체의 주입압력은 5 kgf/cm2 이며, 진공도는 0.05 MPa로 유지하였다. 상기와 같은 성형과정에서 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 수분과의 접촉을 방지하기 위하여 각 단계에서 공기를 제거한 후 실시하였다.
그 후 일정 시간 중합을 진행하고, 자연냉각에 의해 제품을 냉각시키고 유압실린더를 이용하여 상부 금형(41)을 개방하여 성형품을 탈형하여 제품을 완성하게 된다.
상기 탄소섬유제 프리폼은 도레이(주)제 CK6252C(평직물, 단위 면적당 중량 315g/㎡, 강화 섬유 T700SC-12K)를 4매 적층한 것을 사용했다.
상기와 같은 수순으로 성형 공정을 3회 반복하고, 각각에서 얻어진 성형품을 실시예 1 내지 3으로 사용하였다.
(비교예 1, 2, 3)
비교예 1 내지 3은 종래의 t-RTM 장치를 이용하여 상기 실시예와 동일한 방법으로 성형 공정을 3회 반복하고, 각각에서 얻어진 성형품을 비교예 1 내지 3으로 사용하였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 성형품으로부터 보이드율 및 성형시간을 측정하여 표 1에 나타내었다. 이 때, 상기 보이드율은 성형체를 ASTM D 2734(1997, Standard Test Methods for Void Content of Reinforced Plastics) 시험법에 의해 측정하였고, 상기 성형시간은 성형공정의 1 사이클(cycle)에 소요되는 시간을 측정하였다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | |
| 보이드율(%) | 12 | 14 | 11 | 35 | 29 | 33 |
| 성형시간(분) | 22 | 37 | ||||
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 t-RTM 방법으로 제조된 성형품의 보이드율(%)이 기존의 t-RTM 성형방법으로 제조된 성형품 대비 보이드율이 매우 적은 것을 알 수 있다. 이는 위에서 살핀 바와 같이, 본 발명의 t-RTM 방법이 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제가 혼합된 후 빠른 시간 내에 성형 몰드에 주입됨으로써, 반응성 ε-카프로락탐의 중합이 진행되기 전 즉, 점도가 작아 유동이 용이할 때 섬유 기재 내부로 함침이 이루어지므로 보이드 발생이 적은 것으로 생각된다.
또한 본 발명의 t-RTM 성형방법은 성형시간이 22분으로서, 비교예의 성형시간인 37분 보다 약 15분 정도가 단축되는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 t-RTM 방법이 반응성 ε-카프로락탐의 중합 반응 속도를 증가시켜 성형 시간을 상기와 같이 단축시키는 효과를 갖는다. 이와 같이, 성형 시간을 단축하여 생산량을 약 2배 가까이 늘릴 수 있도록 함으로써, 대량 생산이 가능한 효과를 갖는다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
20 : 용융탱크
21 : 제 1 용융탱크
22 : 제 2 용융탱크
30 : 반응기
41 : 상부금형
42 : 하부금형
40 : 성형 몰드
80 : 진공흡입밸브
50 : 섬유재 프리폼
31 : 촉매 투입구
32 : 반응개시제 투입구
21 : 제 1 용융탱크
22 : 제 2 용융탱크
30 : 반응기
41 : 상부금형
42 : 하부금형
40 : 성형 몰드
80 : 진공흡입밸브
50 : 섬유재 프리폼
31 : 촉매 투입구
32 : 반응개시제 투입구
Claims (6)
- 성형체의 보이드율을 줄이고 성형시간을 단축하기 위한 t-RTM 성형 방법에 있어서,
반응성 ε-카프로락탐 플레이크가 용융되어 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 형성하는 제 1 단계;
상기 반응성 ε-카프로락탐 용융체와 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합하는 제 2 단계;
하부 성형 몰드 및 상기 하부 성형 몰드 상측에 상보적인 형상으로 결합되는 상부 성형 몰드가 맞물림에 의해 형성되는 성형 공간 내부에 상기 촉매 및 반응개시제가 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체를 주입하는 제 3 단계;
상기 성형 몰드 내부에 진공을 부여하는 제 4 단계;
상기 성형 공간 내부에 위치하는 피성형체인 섬유재 프리폼에 상기 촉매 및 반응개시제가 혼합된 반응성 ε-카프로락탐 용융체가 함침되는 제 5 단계;
상기 반응성 ε-카프로락탐이 중합되는 제 6 단계;
및 상기 각 단계의 사이에 상기 용융체와 수분의 접촉을 방지하기 위하여 공기를 제거하는 단계;
를 포함하는 t-RTM 성형방법
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 4 단계에서 진공도는 - 0.1 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 t-RTM 성형방법
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 3 단계에서 용융체의 주입압력은 1 내지 7 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 t-RTM 성형방법
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 t-RTM 성형방법에 의해 성형된 섬유강화 플라스틱 성형체
- 청구항 4에 있어서
상기 섬유강화 플라스틱 성형체는 보이드율이 15 % 이하인 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱 성형체
- 성형체의 보이드율을 줄이고 성형시간을 단축하기 위한 t-RTM 성형 장치에 있어서,
반응성 ε-카프로락탐 플레이크가 용융되는 단일의 용융탱크;
용융된 반응성 ε-카프로락탐과 촉매 및 반응개시제를 순차적으로 또는 동시에 혼합하는 반응기;
상기 성형 공간을 형성하는 하부 성형 몰드 및 상기 하부 성형 몰드의 상측에 상보적인 형상으로 결합되는 상부 성형 몰드로 구성되는 성형 몰드;
상기 성형 공간 내부에 위치하는 피성형체인 섬유재 프리폼;
상기 성형 공간 내부로 촉매 및 반응개시제가 혼합되어 용융된 반응성 카프로락탐을 주입하는 수지주입관;
상기 성형 공간 내부의 공기를 제거하도록 설치되는 적어도 하나의 진공 흡입용 밸브;를 포함하는 t-RTM 성형장치
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170020906A KR101940899B1 (ko) | 2017-02-16 | 2017-02-16 | t-RTM 성형 장치 및 t-RTM 성형 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170020906A KR101940899B1 (ko) | 2017-02-16 | 2017-02-16 | t-RTM 성형 장치 및 t-RTM 성형 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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