KR20190075568A - 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 섬유로의 열가소성 수지의 함침을 증가시킬 수 있는 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법은, 섬유와 열가소성 수지를 적층하여 프리폼을 형성하는 프리폼 형성 단계; 상기 프리폼을 몰드 사이에 장착하는 프리폼 장착 단계; 상기 프리폼을 제1 온도에서 제1 압력으로 가압하는 1차 가압 단계; 상기 프리폼을 상기 제1 압력에 비하여 높은 제2 압력으로 가압하는 2차 가압 단계; 및 상기 프리폼을 상기 제1 온도에 비하여 낮은 제2 온도로 냉각하는 냉각 단계;를 포함한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 섬유 복합재가 여러 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있다. 이러한 섬유 복합재는 수지로 사용되는 고분자를 다양한 방법으로 강화시킴으로써 복합재의 물성을 월등히 향상시킬 수 있으므로, 고성능 소재 산업분야에서 각광받고 있다. 상기 섬유 복합재는 섬유와 고분자 수지 사이의 계면이 하중전달을 용이하도록 유지하여야 기계적 특성이 향상될 수 있다. 이를 위하여, 섬유의 표면을 화학적 방법 등으로 개질시키거나, 탄소나노튜브 등과 같은 탄소나노물질을 이용하여 계면을 강화시키는 연구가 많이 진행되어 왔다. 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 짧은 공정시간과 재활용이 가능한 장점을 가지므로, 복합재 제조에 많이 사용되고 있다. 그러나, 열가소성 수지는 용융점도가 높아 섬유로의 함침에 한계가 있다. 따라서, 섬유로의 열가소성 수지의 함침을 증가시키고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 제공하는 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법이 요구된다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 섬유로의 열가소성 수지의 함침을 증가시킬 수 있는 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법은, 섬유와 열가소성 수지를 적층하여 프리폼을 형성하는 프리폼 형성 단계; 상기 프리폼을 몰드 사이에 장착하는 프리폼 장착 단계; 상기 프리폼을 제1 온도에서 제1 압력으로 가압하는 1차 가압 단계; 상기 프리폼을 상기 제1 압력에 비하여 높은 제2 압력으로 가압하는 2차 가압 단계; 및 상기 프리폼을 상기 제1 온도에 비하여 낮은 제2 온도로 냉각하는 냉각 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 가압 단계에서 상기 열가소성 수지는 상기 섬유 사이의 공간에 표면함침될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 가압 단계에서 상기 열가소성 수지는 상기 섬유 내부에 내부함침될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 온도는 상기 제1 온도는 상기 열가소성 수지의 용융 온도 이상 내지 상기 용융 온도보다 40℃ 높은 온도 이하의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 온도는 265℃ 내지 300℃ 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 압력은 0 Pa 초과 내지 50 Pa 이하의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 압력은 2분 초과 내지 3 분 이하의 범위의 가압 시간을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 2차 가압 단계에서, 상기 제2 압력은 0.1 MPa 이상 내지 2 MPa 이하의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 2차 가압 단계는 상기 제1 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 2차 가압 단계에서, 상기 제2 압력은 2분 초과 내지 3 분 이하의 범위의 가압 시간을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각 단계에서, 상기 제2 온도는 100℃ 내지 130℃ 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각 단계는, 상기 제2 압력에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 프리폼 형성 단계에서, 상기 프리폼은 상기 열가소성 수지로 구성된 두 개의 층 사이에 상기 섬유가 개재된 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 프리폼 형성 단계에서, 상기 프리폼은 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 교차 적층한 샌드위치 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 프리폼 형성 단계에서, 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 회전하는 칼날을 이용하여 각각 절단하고, 교차하도록 적층시켜 상기 프리폼을 구현할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 섬유는 직조형 섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 섬유는 섬유 묶음의 토우 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 섬유는 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에스터, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 멜라민, 폴리페닐설폰, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아미드6, 폴리아미드66, ABS 공중합체, 아크릴, 불소수지, 폴리에텔에텔 케톤, 폴리페닐렌 설파이드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 및 폴리페닐렌 옥시드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 프리폼은 상기 몰드와 접촉하는 양쪽 표면에 상기 열가소성 수지를 보호하는 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 보호층은 상기 열가소성 수지의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법은 직조형 섬유에 열가소성 수지를 상기 열가소성 수지의 용융 온도 이상에서 두 단계로 가압함으로써, 섬유-열가소성 수지 복합재를 형성할 수 있다. 1차 가압에서 상대적으로 낮은 압력으로 상기 열가소성 수지를 상기 섬유에 대해 가압하여 상기 섬유 사이의 공간에 열가소성 수지를 표면함침시키고, 이어서 2차 가압에서 상대적으로 높은 압력을 상기 열가소성 수지를 상기 섬유에 대해 가압하여 상기 섬유 내부로 열가소성 수지를 내부함침시킴으로서, 상기 섬유로의 열가소성 수지의 함침속도를 향상시키고, 기공을 감소 시킬 수 있다. 또한, 냉각 단계에서 가압 압력을 유지시킴으로써, 상기 섬유로의 열가소성 수지의 함침을 유지시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법은 섬유로의 열가소성 수지의 함침을 증가시키고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 제공하는 효과를 가진다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 설명하는 개략도 및 사진들이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 가압 단계를 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 1차 및 2차 가압 단계에서의 공정시간, 온도 및 압력 조건을 나타내는 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 1차 및 2차 가압단계에서의 표면 형상과 미세구조를 나타내는 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 섬유-열가소성 수지 복합재의 사진들이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 설명하는 개략도 및 사진들이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 가압 단계를 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 1차 및 2차 가압 단계에서의 공정시간, 온도 및 압력 조건을 나타내는 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 1차 및 2차 가압단계에서의 표면 형상과 미세구조를 나타내는 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 섬유-열가소성 수지 복합재의 사진들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
종래에는, 열경화성 수지를 이용하여 섬유 복합재를 형성하였다. 또한, 열가소성 수지 복합재의 성형은 단향성(uni-directional, UD) 테이프를 이용한 ATL(Automated Tape Laying) 또는 테이프를 이용한 직조, 인발 성형(pultrusion) 공법이 있으며, 직조섬유를 이용하는 방법은 열가소성 수지 전사 몰딩 공정(thermoplastic resin transfer molding, T-RTM) 등이 있다. 본 발명의 기술적 사상은 열가소성 수지를 이용하여 섬유-열가소성 수지 복합재를 간단한 장비와 공정 조건으로 제조하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 설명하는 개략도 및 사진들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법(S100)은, 섬유와 열가소성 수지를 적층하여 프리폼을 형성하는 프리폼 형성 단계(S110); 상기 프리폼을 몰드 사이에 장착하는 프리폼 장착 단계(S120); 상기 프리폼을 제1 온도에서 제1 압력으로 가압하는 1차 가압 단계(S130); 상기 프리폼을 상기 제1 압력에 비하여 높은 제2 압력으로 가압하는 2차 가압 단계(S140); 및 상기 프리폼을 상기 제1 온도에 비하여 낮은 제2 온도로 냉각하는 냉각 단계(S150);를 포함한다.
상기 프리폼 형성 단계(S110)에서, 상기 프리폼(Preform)은 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 교차 적층한 샌드위치 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 열가소성 수지로 구성된 두 개의 층 사이에 섬유가 개재된 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 열가소성 수지, 섬유, 및 열가소성 수지와 같이 3단으로 적층할 수 있고, 열가소성 수지, 섬유, 열가소성 수지, 섬유, 및 열가소성 수지와 같이 5단으로 적층할 수 있다. 또한, 적층 단수가 5단 이상으로 다단으로 구성된 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 프리폼 형성 단계(S110)는 예를 들어, 섬유와 열가소성 수지를 자동 섬유 재단기의 고속으로 회전하는 칼날을 이용하여 각각 절단하고, 교차하도록 적층시켜 상기 프리폼을 구현할 수 있고, 이러한 프리폼에 의하여 원하는 복합재의 두께를 가질 수 있다. 스풀 라인(spool line)과 컨베이어 벨트가 구축된 경우에는 연속 공정 형태의 양산이 가능할 수 있다. 이와 같이, 칼날에 의하여 절단된 경우에는, 칼날의 고속 회전에 의하여 발생한 열에 의하여, 절단 부분의 섬유 및 열가소성 수지가 가열 및 냉각되므로, 이후의 공정 단계로의 이송 시에 뒤틀림이나 흐트러짐이 방지될 수 있다. 체적률은 섬유의 특성에 맞게 열가소성 수지 필름의 두께 또는 매수를 제어하여 조절할 수 있다. 열가소성 수지 필름을 짝수로 적층하는 경우에, 섬유 재단기의 사양 두께를 벗어나면 가장 끝단은 절반으로 적층하여 그 두께를 감소시켜 사양 두께 이내로 할 수 있다.
상기 섬유는 직조형 섬유(woven carbon fiber, WCF)를 포함할 수 있다. 상기 섬유는 섬유 한 가닥의 필라멘트 구성을 가지거나 또는 섬유 묶음의 토우(tow) 구성을 가질 수 있다. 상기 섬유는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 상기 섬유는 예시적이며, 이에 한정되는 것은 아니고, 그래핀(grapheme), 탄소나노튜브(carbon nano tube)나 X-GNP(X-graphene nano plate) 등인 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 본 발명의 기술적 사상은 직조형 섬유에 적용될 수 있으며, 장/단 섬유 또는 단방향(UD) 직물 형태의 섬유에의 적용은 제한될 수 있다. 또한, 섬유를 대신하여 다른 물질로 구성된 다양한 섬유인 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 열가소성 수지는 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에스터(polyester), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 멜라민(melamine), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone, PPSU), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 폴리설폰(polysulfone, PSU), 폴리아미드6(polyamide6, PA6), 폴리아미드66(polyamide66, PA66), ABS 공중합체(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 아크릴(acrylic), 불소수지(fluoroplastics), 폴리에텔에텔 케톤(polyetherether ketone, PEEK), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutylene terephthalate, PBT), 폴리옥시메틸렌(polyoxy methylene, POM), 및 폴리페닐렌 옥시드(polyphenylene oxide, PPO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프리폼은, 상기 몰드와 접촉하는 양쪽 표면에 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 상기 열가소성 수지가 상기 몰드와 직접 접촉하여 손상되는 것을 방지할 수 있다. 상기 보호층은 상기 열가소성 수지의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가지는 물질로 구성될 수 있다. 상기 보호층은 상기 열가소성 수지와 화학적으로 또는 물리적으로 결합하지 않는 물질로 구성될 수 있고, 이에 따라 완성된 상기 섬유-열가소성 수지 복합재로부터 용이하게 분리될 수 있다. 상기 보호층은 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 수지, 폴리비닐알코올, 파라핀, 왁스, 테플론 디스퍼젼(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌의 분산상) 등을 온도 수지의 종류 및 가공 온도에 따라 다양하게 포함할 수 있다.
상기 프리폼 장착 단계(S120)에서, 상기 프리폼의 상측과 하측에 몰드를 장착한다. 상기 몰드는 금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어, 철, 철합금, 스테인레스 스틸, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 등으로 형성될 수 있다.
상기 1차 가압 단계(S130)에서, 상기 프리폼을 제1 온도에서 제1 압력으로 가압할 수 있다. 이에 따라 상기 열가소성 수지는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 섬유 사이의 공간에 표면함침될 수 있다. 다시 말하면, 각각 토우로 구성된 섬유들 사이의 공간에 상기 열가소성 수지가 함침될 수 있다. 상기 제1 온도는, 예를 들어 상기 열가소성 수지의 용융 온도 이상 내지 상기 용융 온도보다 40℃ 높은 온도 이하의 범위일 수 있다. 상기 제1 온도는, 예를 들어 약 265℃ 내지 약 300℃ 범위일 수 있다. 상기 1차 가압 단계(S130)에서, 상기 제1 온도가 너무 낮으면 상기 열가소성 수지의 점도가 높아, 상기 열가소성 수지가 상기 섬유에 높은 점도로 인하여 표면함침되지 못하게 되고, 상기 제1 온도가 너무 높으면 상기 열가소성 수지의 점도가 낮아지게 되어 상기 열가소성 수지가 상기 섬유에 표면함침되지 못하게 되고, 표면에서 표면유동하여 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 상기 제1 온도의 온도 최적 범위를 확보할 필요가 있으며, 열가소성 수지의 종류에 따라 상기 온도 최적 범위는 달라질 수 있다.
상기 제1 압력은, 예를 들어 0 Pa 초과 내지 50 Pa 이하의 범위일 수 있다. 상기 제1 압력은 프레스 인가 방식으로 수행될 수 있거나, 추가적인 압력 인가 없이 몰드의 무게만으로 수행될 수 있다. 여기에서, 상기 제1 압력이 너무 높은 경우에는, 상기 열가소성 수지가 상기 섬유에 표면함침되지 못하게 되고, 표면에서 표면유동하여 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 상기 제1 압력의 압력 최적 범위를 확보할 필요가 있으며, 열가소성 수지의 종류 및 복합재의 두께에 따라 상기 압력 최적 범위는 달라질 수 있다.
상기 1차 가압 단계(S130)에서, 상기 제1 압력은 2분 초과 내지 3분 이하의 범위의 가압 시간을 가질 수 있다. 상기 1차 가압 단계(S130)에서 가압 시간이 부족한 경우, 함침되지 않는 영역이 발생 할 수 있고, 반면 가압 시간이 과다한 경우에는, 양산성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 1차 가압 단계(S130)에서 상기 가압 시간의 최적 범위를 확보할 필요가 있으며, 열가소성 수지의 종류 및 복합재의 두께에 따라 상기 가압 시간 최적 범위는 달라질 수 있다.
상기 2차 가압 단계(S140)에서, 상기 프리폼을 상기 제1 압력에 비하여 높은 제2 압력으로 가압할 수 있다. 이에 따라 상기 열가소성 수지는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 섬유 내부에 내부함침될 수 있다. 다시 말하면, 각각 토우로 구성된 섬유들의 상기 토우 내부의 상기 섬유 필라멘트 사이의 공간에 상기 열가소성 수지가 함침될 수 있다. 상기 2차 가압 단계(S140)는 상기 제1 온도에서 수행될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 상기 2차 가압 단계(S140)는 상기 제1 온도에 비하여 높거나 낮은 온도에서 수행되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 제2 압력은, 예를 들어 0.1 MPa 이상 내지 2 MPa 이하의 범위일 수 있고, 예를 들어 0.1 MPa 이상 내지 0.5 MPa 이하의 범위일 수 있다. 상기 제2 압력은 상기 제1 압력에 비하여 높은 압력으로서, 프레스 인가 방식으로 수행될 수 있다.
여기에서, 상기 제1 압력이 너무 높은 경우에는, 상기 열가소성 수지가 상기 섬유에 표면함침되지 못하게 되고, 표면에서 표면유동하여 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 상기 제1 압력의 압력 최적 범위를 확보할 필요가 있으며, 열가소성 수지의 종류 및 복합재의 두께에 따라 상기 압력 최적 범위는 달라질 수 있다.
상기 2차 가압 단계(S140)에서, 상기 제2 압력은 2분 초과 내지 3분 이하의 범위의 가압 시간을 가질 수 있다. 상기 2차 가압 단계(S140)에서 가압 시간이 부족한 경우, 함침되지 않는 영역이 발생 할 수 있고, 반면 가압 시간이 과다한 경우에는, 양산성이 저하될 수 있다. 상기 2차 가압 단계(S140)에서, 상기 가압 시간은 최소한의 낮은 범위가 필요하며, 상기 1차 가압 단계(S130)의 가압 시간의 범위를 최적화하면, 복합재의 두께의 변화에도 수지의 종류에 따른 상기 2차 가압 단계(S140)에서 가압 시간의 범위가 변경되지 않을 수 있다.
상기 냉각 단계(S150)에서, 상기 프리폼을 상기 제1 온도에 비하여 낮은 제2 온도로 냉각할 수 있다. 상기 제2 온도는 상기 열가소성 수지의 용융 온도 이하의 온도일 수 있고, 원하지 않는 유동을 방지할 수 있는 온도일 수 있다. 상기 제2 온도는, 예를 들어 100℃ 내지 130℃ 범위일 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 상기 열가소성 수지의 종류에 따라 상기 제2 온도의 범위는 달라질 수 있다. 상기 냉각 단계(S150)에서, 가압하지 않고 냉각하는 경우에는 상기 열가소성 수지가 유동하여 뭉치는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 제2 압력으로 상기 프리폼을 가압하여 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 냉각 단계(S150)는 상기 제2 압력에서 수행될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 상기 냉각 단계(S150)는 상기 제2 압력에 비하여 높거나 낮은 압력에서 수행되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 단계들이 수행되면, 상기 섬유-열가소성 수지 복합재가 형성된다. 상기 섬유-열가소성 수지 복합재는 섬유의 사이의 공간 뿐만 아니라 상기 섬유 내부의 공간에도 상기 열가소성 수지가 함침된 구성을 가질 수 있다. 상기 섬유-열가소성 수지 복합재는 다양한 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 0.1 mm 내지 5 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 상기 1차 가압 단계(S130) 및 상기 2차 가압 단계(S140)의 압력 및 온도 조건 등의 조건 변동을 통하여 원하는 두께의 복합재를 제조 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 가압 단계를 설명하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 몰드 사이에 프리폼이 개재되고, 상기 몰드를 프레스에서 고온 가압하며, 이러한 방식으로 상기 1차 가압 단계 및 상기 2차 가압 단계가 수행될 수 있다. 상기 프리폼은 열가소성 수지 사이에 섬유가 개재되고, 상기 열가소성 수지 양쪽 외측에 보호층이 위치한다. 상기 프리폼이 상기 열가소성 수지에 각각 개재된 복수의 섬유 층들을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
실시예
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법의 구체적인 일실시예를 설명하기로 한다.
섬유로서 직조형 섬유를 사용하였고, 유리 섬유 및 탄소 섬유를 사용하였다. 상기 열가소성 수지로서 PET 필름을 사용하여 프리폼을 형성하였다. 상기 프리폼은 가로 150 mm 및 세로 150 mm이었고, 두께는 0.5 mm 및 1.5 mm 이었다. 섬유 체적률은 45 wt%이었다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 1차 및 2차 가압 단계에서의 공정시간, 온도 및 압력 조건을 나타내는 그래프들이다. 도 4에서 (a)는 0.5 mm 두께의 경우이고, (b)는 1.5 mm 두께의 경우이다.
도 4를 참조하면, 1차 및 2차 가압 시의 온도는 두께에 무관하게 265℃로 동일하였다. 반면, 압력은 두께가 두꺼운 경우 더 큰 값을 가졌다. 즉, 0.5 mm 두께의 경우에는 1차 가압시 500 Pa이었고, 2차 가압시 0.5 MPa 이었고, 1.5 mm 두께의 경우에는 1차 가압시 150 Pa이었고, 2차 가압시 1.5 MPa 이었다. 냉각 시에 냉각 속도는 두 경우 모두 약 50℃/분으로 동일하였고, 2차 가압의 압력이 유지되었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법에서 1차 및 2차 가압단계에서의 표면 형상과 미세구조를 나타내는 사진들이다.
도 5를 참조하면, 상기 섬유는 탄소 섬유를 사용하였다. 상술한 제조 방법에 따라 1차 가압 후에는, 상기 복합재는 육안으로 흰색 반투명 섬유 가닥을 나타내었고, 미세구조에서 섬유 내부로의 PET의 함침이 이루어지지 않은 것이 관찰되었다. 반면, 상술한 제조 방법에 따라 2차 가압 후에는, 상기 복합재는 육안으로 투명성이 높아짐을 알 수 있고, 미세구조에서 섬유 내부로의 PET의 함침이 이루어진 것이 관찰되었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 섬유-열가소성 수지 복합재의 사진들이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예들로서, 0.5 mm 두께의 유리 섬유-열가소성 수지 복합재(GFRP), 1.5 mm 두께의 유리 섬유-열가소성 수지 복합재(GFRP), 및 1.5 mm 두께의 탄소 섬유-열가소성 수지 복합재(CFRP)가 나타나 있다. 상기 열가소성 수지로서 PET를 사용하였다. 상기 실시예들은 상기 열가소성 수지가 상기 섬유에 대하여 전체적으로 균일하게 분포되어 있고, 상기 섬유 내로 함침도 균일하고 원하는 수준으로 이루어졌다. 또한, 상기 열가소성 수지가 수축되거나 뭉치는 현상이 발견되지 않았다.
도 6에는, 원하는 특성을 만족하지 못하는 비교예들이 함께 도시되어 있다. 가압 온도가 용융 온도 보다 낮은 250 ℃인 경우에는, 상기 열가소성 수지의 섬유 내부로의 함침이 원하는 수준으로 이루어지지 않았다. 이는 낮은 온도에 따른 상기 열가소성 수지의 높은 점도에 기인된 것으로 분석된다. 또한, 가압 온도가 용융 온도에 비하여 상대적으로 매우 높은 310 ℃인 경우에는, 상기 열가소성 수지의 점도가 너무 낮아져서 표면 유동을 활발히 하게 되어 서로 뭉치게 되고, 이에 따라 일부 영역에서는 상기 열가소성 수지가 제거되는 불량 영역이 발생하였다. 또한, 냉각 시 압축하지 않은 경우 상기 열가소성 수지가 용융 온도 이하임에도 불구하고 유동상 고체로서 표면 유동하게 되어 서로 뭉치게 되는 현상이 발견되었다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (21)
- 섬유와 열가소성 수지를 적층하여 프리폼을 형성하는 프리폼 형성 단계;
상기 프리폼을 몰드 사이에 장착하는 프리폼 장착 단계;
상기 프리폼을 제1 온도에서 제1 압력으로 가압하는 1차 가압 단계;
상기 프리폼을 상기 제1 압력에 비하여 높은 제2 압력으로 가압하는 2차 가압 단계; 및
상기 프리폼을 상기 제1 온도에 비하여 낮은 제2 온도로 냉각하는 냉각 단계;를 포함하는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 가압 단계에서 상기 열가소성 수지는 상기 섬유 사이의 공간에 표면함침되는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 가압 단계에서 상기 열가소성 수지는 상기 섬유 내부에 내부함침되는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 온도는 상기 제1 온도는 상기 열가소성 수지의 용융 온도 이상 내지 상기 용융 온도보다 40℃ 높은 온도 이하의 범위인, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 온도는 265℃ 내지 300℃ 범위인, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 압력은 0 Pa 초과 내지 50 Pa 이하의 범위인, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 가압 단계에서, 상기 제1 압력은 2분 초과 내지 3 분 이하의 범위의 가압 시간을 가지는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차 가압 단계에서, 상기 제2 압력은 0.1 MPa 이상 내지 2 MPa 이하의 범위인, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차 가압 단계는 상기 제1 온도에서 수행되는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차 가압 단계에서, 상기 제2 압력은 2분 초과 내지 3 분 이하의 범위의 가압 시간을 가지는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 냉각 단계에서, 상기 제2 온도는 100℃ 내지 130℃ 범위인, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 냉각 단계는, 상기 제2 압력에서 수행되는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리폼 형성 단계에서, 상기 프리폼은 상기 열가소성 수지로 구성된 두 개의 층 사이에 상기 섬유가 개재된 구성을 가지는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리폼 형성 단계에서, 상기 프리폼은 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 교차 적층한 샌드위치 구조를 가지는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리폼 형성 단계에서, 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 회전하는 칼날을 이용하여 각각 절단하고, 교차하도록 적층시켜 상기 프리폼을 구현하는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 섬유는 직조형 섬유를 포함하는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 섬유는 섬유 묶음의 토우 구성을 가지는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 섬유는 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함하는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에스터, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 멜라민, 폴리페닐설폰, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아미드6, 폴리아미드66, ABS 공중합체, 아크릴, 불소수지, 폴리에텔에텔 케톤, 폴리페닐렌 설파이드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 및 폴리페닐렌 옥시드 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리폼은 상기 몰드와 접촉하는 양쪽 표면에 상기 열가소성 수지를 보호하는 보호층을 더 포함하는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법. - 청구항 20에 있어서,
상기 보호층은 상기 열가소성 수지의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가지는, 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170177260A KR20190075568A (ko) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170177260A KR20190075568A (ko) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법 |
Publications (1)
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| KR20190075568A true KR20190075568A (ko) | 2019-07-01 |
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ID=67255476
Family Applications (1)
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| KR1020170177260A KR20190075568A (ko) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | 섬유-열가소성 수지 복합재의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20190075568A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230075901A (ko) * | 2021-11-23 | 2023-05-31 | 금오공과대학교 산학협력단 | 열적 유도 모세관 작용에 의한 계면 접합 기술 및 이로부터 형성된 다층 소재 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170121920A (ko) | 2016-04-26 | 2017-11-03 | 전북대학교산학협력단 | 탄소섬유 강화 열가소성 복합재 및 이의 제조방법 |
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2017
- 2017-12-21 KR KR1020170177260A patent/KR20190075568A/ko active Search and Examination
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| KR20230075901A (ko) * | 2021-11-23 | 2023-05-31 | 금오공과대학교 산학협력단 | 열적 유도 모세관 작용에 의한 계면 접합 기술 및 이로부터 형성된 다층 소재 |
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