KR20200102653A - 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료 - Google Patents

Abstract

중공 단면을 가진 섬유강화복합재료가 제공된다. 상기 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료는 파이프와 상기 파이프의 외주면에 배치된 보강층을 포함한다. 상기 파이프는 수지 기지재료와 중공을 따라 일방향 배향된 연속섬유들을 포함한다. 상기 보강층은 상기 수지 기지재료, 단섬유형 보강재료 및 구형 보강재료를 포함한다.

Description

중공 단면을 가진 섬유강화복합재료{FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL HAVING A HOLLOW SECTION}

본 발명은 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료에 관한 것이다.

섬유강화복합재료는 유리섬유 또는 탄소섬유가 단섬유, 장섬유, 연속섬유의 형상으로 수지에 함침된 소재를 일컫는다. 섬유강화복합재료는 두 가지 이상의 재료를 조합시켜, 소재 단독으로는 가질 수 없는 기능을 발휘하는 재료로 강화재의 역할을 하는 섬유와 수지 기지재료(matrix)를 포함하여 구성된다.

널리 쓰이고 있는 섬유 강화재로는 유리섬유(Glass Fiber: GF) 또는 탄소섬유(Carbon Fiber: CF) 등이 있으며, 단섬유 강화재, 장섬유 강화재, 연속섬유 강화재 등이 있다. 수지 기재재료로는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 등이 사용되고 있다.

섬유 강화재들이 일방향으로 배향된 UD(Unidirctional) 프리프레그 시트들이 적층된 적층형 섬유강화 복합재는, 복수 개의 UD 프리프레그들을 높이 방향으로 적층해나가므로, 3차원 형상을 구현하는데 있어서 제한이 있다.

본 발명은 3차원 형상 구현성과 생산성이 우수하고, 굴곡강성이 개선된 중공 단면을 가진 복합재료를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료는 파이프와 상기 파이프의 외주면에 배치된 보강층을 포함한다. 상기 파이프는 수지 기지재료와 중공을 따라 일방향 배향된 연속섬유들을 포함한다. 상기 보강층은 상기 수지 기지재료, 단섬유형 보강재료 및 구형 보강재료를 포함한다.

본 발명은 3차원 형상 구현성과 생산성이 우수하고, 굴곡강성이 개선된 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료를 제공할 수 있다.

도 1은 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료의 모식도이다.
도 2는 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료의 단면도이다.
도 3은 파이프의 모식도이다.
도 4는 연속섬유의 일방향 배향방향에 수직한 방향으로 도 3의 파이프가 압축된 때, 파이프가 파단되어 둘 이상으로 쪼개지는 과정을 모식적으로 보여준다.
도 5는 연속섬유의 일방향 배향방향에 수직한 방향으로 도 1의 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료가 압축된 때, 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료의 형상이 변화하는 과정을 모식적으로 보여준다.

발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시형상들과 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.

또한, 발명은 이하에서 개시되는 내용에 한정되는 것이 아니라 다양한 형상으로 구현될 수 있으며, 이하에서 개시되는 내용은 발명의 개시가 완전하도록 하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이고, 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함하는(including)", "가진(having)" 이라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참고하여, 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 모식도이다. 도 2는 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 단면도이다. 도 3은 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 프레임(frame)을 제공하는 파이프(10)의 모식도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)는 장축(LA)와 단축(SA)을 포함하는 튜브형 부재이며, 장축(LA)을 따라 형성된 중공(TH)을 포함한다. 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)는 파이프(10)와 파이프(10)의 외주면에 직접 배치되어 파이프(10)의 외주면을 감싸고 있는 보강층(20)을 포함한다.

파이프(10)는 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)에 기본 골격을 제공한다. 파이프(10)는 장축(LA)와 단축(SA)을 포함하고, 단축(SA)에서의 단면의 형태가 일정하며, 중공(TH)이 장축(LA)을 따라 형성되어 있다.

파이프(10)는 수지 기지재료(P)와 장축(SA)을 따라 일방향 배향된 연속섬유(F)를 포함한다. 파이프(10)는 인발 성형공정을 통해 얻어질 수 있으며, 인발 성형공정은 막대, 파이프, I형 빔 등 단면의 형상이 일정한 긴 성형품을 대량으로 생산하는데 적합한 성형공정이다.

일반적인 인발 성형공정은 연속섬유에 수지 기지재료를 함침시킨 후, 금형 내에서 경화 또는 고화시켜 성형품을 연속적으로 생산하는 공정으로, 수지 함침 과정, 예열 과정, 경화 과정(또는 고화 과정), 인취 과정 및 절단 과정을 포함한다. 수지 기지재료는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지일 수 있다.

소재의 특성에 따라 프리프레그 또는 토우프레그가 인발 성형공정에 적용되기도 하며, 이 경우에는 전술한 일반적인 인발 성형공정에서 수지 함침 과정이 생략되고, UD 프리프레그의 언와인딩(unwiding) 과정이 수지 함침 과정을 대신한다. 따라서, UD 프리프레그를 이용한 인발 성형공정은 UD 프리프레그의 언와인딩 과정, 예열 과정, 경화 과정(또는 고화 과정), 인취 과정 및 절단 과정을 포함한다.

파이프(10)는 연속섬유(F)가 일방향 배향된 방향으로 인가된 외력(AF)에 대해서는 우수한 기계적 물성을 보인다. 하지만, 연속섬유(F)의 일방향 배향방향의 수직 방향으로 가해진 외력(SF)에 대해 파이프(10)는 기계적 물성이 취약하다.

도 4는 연속섬유(F)의 일방향 배향방향에 수직한 방향으로 도 3의 파이프(10)가 압축된 때, 파이프(10)가 파단되어 둘 이상으로 쪼개지는 과정을 모식적으로 보여준다.

도 4 를 참조하면, 연속섬유(F)의 일방향 배향방향에 수직한 방향, 예를 들어, 파이프(10)의 단축(SA) 방향으로 파이프(10)가 압축된 때, 파이프(10)의 단축 단면의 형상은 (A)와 같은 원 형상에서 (B)와 같은 타원 형상으로 바뀌게 된다. 하지만, 종국에는 수지 기지재료(P) 만으로 이루어진 부분에서 (C)에서와 같이 파단이 발생되어 파이프(10)가 두 조각으로 분리될 수 있다.

보강층(20)은 수지 기지재료, 단섬유형 보강재료 및 구형 보강재료를 포함한다. 보강층(20)은 연속섬유(F)의 일방향 배향방향에 수직한 방향에서 파이프(10)에 가해지는 외력에 대해 파이프(10)의 굽힙 강도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.

보강층(20)을 활용하여 연속섬유(F)의 일방향 배향방향에 수직한 방향에서 파이프(10)에 가해지는 외력에 대해 파이프(10)의 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, 연속섬유(F)의 일방향 배향방향에 수직한 방향에서 파이프(10)에 가해지는 하중을 고르게 분산시켜야 하며, 이를 위해 단섬유형 보강재료는 파이프(10)의 외주면에 고르게 분포되어 있어야 한다. 구형 보강재료는 단섬유형 보강재료의 사이사이에 배치되어 단섬유형 보강재료의 응집을 최소화함으로써 단섬유형 보강재료가 보강층(20) 내의 수지 기지재료 내에서 보다 용이하게 분산될 수 있도록 한다.

도 5는 연속섬유의 일방향 배향방향에 수직한 방향으로 도 1의 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)가 압축된 때, 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 형상이 변화하는 과정을 모식적으로 보여준다.

도 5를 참조하면, 연속섬유(F)의 일방향 배향방향에 수직한 방향, 예를 들어, 단축(SA) 방향으로 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)가 압축된 때, 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 단축 단면의 형상은 (A)에서와 같은 원 형상에서 (B)와 같은 타원 형상으로 바뀌게 된다. 하지만, 보강층(20)에 고루 분포된 단섬유형 보강재료에 의해 보강층(20)에 가해진 굴곡 하중이 분산되기 때문에, 파이프(10)와 달리 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)에서는 파단 현상이 발생하지 않는다.

구형 보강재료가 단섬유형 보강재료의 사이사이에 보다 용이하게 위치될 수 있도록, 구형 보강재료는 단섬유형 보강재료의 동종의 소재로 이루어진 것이 바람직하다. 예를 들어, 섬유형 보강재료로 유리 단섬유가 사용된 경우, 구형 보강재료로는 유리 구슬(glass bead)이 사용될 수 있다.

또한, 구형 보강재료가 단섬유형 보강재료의 사이사이에 보다 용이하게 위치될 수 있도록, 구형 보강재료는 단섬유형 보강재료에 비해 크기가 작은 것이 바람직하다. 보강층(20)에 함유된 단섬유형 보강재료의 길이는 3 mm 내지 12 mm 일 수 있고, 구형 보강재료는 평균 직경이 25 ㎛ 내지 35 ㎛ 일 수 있다.

보강층(20)의 전체 중량 대비 단섬유형 보강재료의 함량은 10 중량% 내지 30 중량% 일 수 있으며, 단섬유형 보강재료의 함량이 10 중량% 보다 낮은 경우에는 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 굴곡하중 향상 효과가 미비하며, 단섬유형 보강재료의 함량이 30 중량% 보다 높은 경우에는 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 무게가 무거워지고, 단섬유형 보강재료의 분산 및 굴곡하중 향상효과가 감소한다.

보강층(20)의 전체 중량 대비 구형 보강재료의 함량은 단섬유형 보강재료의 응집을 최소화하는 범위 내에서 단섬유형 보강재료의 함량에 따라 달라질 수 있다.

한편, 보강층(20)의 수지 기지재료는 파이프(10)의 수지 기지재료와 동일한 것이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜이 보강층(20)의 수지 기지재료로 사용될 수 있고, 이 때, 파이프(10)의 수지 기지재료로도 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜이 사용될 수 있다.

보강층(20)은 공압출 공정을 통해 파이프(10)의 외주면 상에 직접 형성될 수 있다. 공압출 공정은 인발 성형공정의 후단에 도입되며, 구체적으로 인발 성형공정의 당김 과정과 절단 과정의 사이에 도입될 수 있다.

공압출 공정은 압출 과정, 냉각 과정 및 인취 과정을 포함하며, 압출 과정은 보강층 형성용 코팅 조성물을 파이프의 외주면에 도포하여 도막을 형성하는 것이고, 냉각 과정은 도막을 냉각 및 성형하여 보강층의 형상을 제어하는 것이다. 예를 들어, 압출 과정에는 사이드 피더를 가진 이축 스크류 압출기가 사용될 수 있다. 이 때, 단섬유 보강재료는 압출기의 메인 호퍼에 넣어 혼련시키고, 구형 보강재료는 다이 근처에 있는 사이드 피더에 투입할 수 있다. 이 때, 혼련 속도 및 성형 온도는 파이프(10)의 생산 선속도에 맞춰 조절될 수 있다. 한편, 냉각 과정에는 캘리브레이션 금형과 냉각 수조가 사용될 수 있다.

보강층 형성용 코팅 조성물은 수지 기재재료, 단섬유형 보강재료 및 구형 보강재료를 포함한다. 이 때, 보강층 형성용 코팅 조성물에는 길이가 6 mm 내지 25 mm 인 단섬유형 보강재료가 사용된다. 보강층 형성용 코팅 조성물에 길이가 6 mm 내지 25 mm 인 단섬유형 보강재료가 사용된 때, 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료(100)의 보강층(20)에는 길이가 3 mm 내지 12 mm인 단섬유형 보강재료가 존재한다. 공압출 공정의 혼련 과정에서 단섬유형 보강재료는 절단되어 그 길이가 절반 이상으로 감소되기 때문이다.

본 출원의 발명자들은 확인한 바에 따르면, 길이가 6mm 미만인 단섬유의 경우, 섬유의 절단이 심한 수준으로 발생하게 되어 보강재료로서의 역할 수행이 효과적이지 못하며, 길이가 25 mm 초과인 단섬유의 경우, 단섬유의 길이가 보강층의 두께에 비해 길어질 수 있어 표면 품질 저하가 야기되고, 또한 단섬유가 보강층 내에서 골고루 분산되지 않고 서로 엉킬 수 있다.

한편, 구형 보강재료는 평균 직경이 25 ㎛ 내지 35 ㎛ 일 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나, 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예에 개시된 내용들을 조합하여 서로 다른 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형상으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료
10: 파이프
20: 보강층
F: 연속섬유
P: 수지 기지재료

Claims (5)

1. 수지 기지재료와 중공을 따라 일방향 배향된 연속섬유들을 포함하는 파이프; 및
   상기 수지 기지재료, 단섬유형 보강재료 및 구형 보강재료를 포함하며, 상기 파이프의 외주면에 배치된 보강층;
   을 포함하는 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 단섬유형 보강재료는 길이가 3 mm 내지 12 mm 인 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 보강층의 전체 중량 대비 상기 단섬유형 보강재료의 함량은 10 중량% 내지 30 중량% 인 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 구형 보강재료는 평균 직경이 25 ㎛ 내지 35 ㎛ 인 중공 단면을 가진 섬유강화복합재료.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 단섬유형 보강재료는 유리 단섬유이고,
   상기 구형 보강재료는 유리 구슬(glass bead)인
   중공 단면을 가진 섬유강화복합재료.

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