KR20200141725A - 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보강용 섬유(reinforcement fiber)와 열가소성 수지 섬유(thermoplastic resin fiber)를 이용하여 혼섬 공정을 거쳐 제조되는 혼섬사(50)를 이용하여 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조하고, 이를 이용한 섬유강화 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법 { Fabric for fiber reinforced plastic and manufacturing method thereof using the same }

본 발명은 보강용 섬유(reinforcement fiber)와 열가소성 수지 섬유(thermoplastic resin fiber)가 혼섬된 혼섬사를 이용하여 제조되는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 혼섬사를 제조하고, 상기 혼섬사를 이용하여 섬유강화 복합재료 제조용 원단을 제조함으로써, 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 관한 것이다.

최근 항공ㆍ우주 분야로부터 기계, 전자, 건축 산업 등 광범위한 산업 분야에 이르기까지 새로운 특성을 지닌 재료가 요구되어 이에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 그 중 고분자 수지를 매트릭스로 하는 섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Composite Materials)는 중량 대비 높은 강도와 역학특성, 내식성, 내피로성, 난연성 등이 우수하여 널리 이용되고 있다.

섬유강화 복합재료는 매트릭스 수지의 조성 및 보강용 섬유의 조합 등에 의해 다양한 물성의 발현이 가능한 소재로서, 강도 등의 물성을 개선하기 위하여 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등의 보강용 섬유와, 상기 보강용 섬유에 함침되어 하중이 골고루 전달되게 하면서 상기 보강용 섬유를 외부환경으로부터 보호하여 주는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 등으로 이루어져 있다.

상기와 같은 섬유강화 복합재료의 제조에는 여러 가지 방식들이 이용되어 왔다. 이러한 방식들 중에서도 특히 보강용 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 중간기재인 프리프레그(prepreg)를 이용하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이 방법에서는 상기 프리프레그를 여러 장 적층한 후, 이것을 가압가열함으로써 섬유강화 복합재료를 얻을 수 있다.

이러한 섬유강화 복합재료와 관련되는 선행기술로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0114275호(이하, 선행문헌 1), 대한민국 등록특허공보 제10-1321651호(이하, 선행문헌 2)등을 참조할 수 있다.

상기의 선행문헌 1에는 융점이 200 ℃ 이상인 유기 장섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 복합 재료로서, 상기 유기 장섬유가 제직준비공정에서 꼬임이 부여된 연사 코드로 구성되는 직물 혹은 편물에 상기 열가소성 수지를 복합화하여 제조된 복합재료가 개시되어 있다.

또한 상기 선행문헌 2에는 시트상으로 형성된 복수의 보강 섬유가 사이징제 등에 의해 흩어지지 않도록 집속하고 있는 보강 섬유속을 복수개, 시트상으로 가지런히 하여 형성된 보강 섬유 시트재의 편면에 열가소성 수지 시트재가 부착하여 구성된 열가소성 수지 보강 시트재가 적층된 상태로 일체화된 열가소성 수지 복합 재료 성형품이 개시되어 있다.

상기 선행문헌 1, 2에서 살핀 바와 같이, 보강용 섬유는 통상적으로 제직공정을 거쳐 원단으로 제조된 후, 상기 원단에 열가소성 수지가 함침됨으로써 제조된다. 그런데 섬유강화 복합재료 제조용 원단의 제직시 사용되는 보강용 섬유는 제직공정의 효율을 높이기 위하여 제직준비공정에서 연사공정을 통해 원사에 꼬임을 부여하거나 또는 가호공정을 통해 호제를 처리하게 된다. 상기와 같이 보강용 섬유에 부여되는 꼬임 및 호제는 제직공정에서 상기 보강용 섬유 간의 접촉에 의한 마찰을 최소화하고, 원사간의 마찰로부터 원사를 최대한 보호하기 위하여 실시하게 된다. 그러나 호제를 처리하여 원사를 이용하여 제직된 원단은 제직공정 이후에 발호공정을 통해 상기 호제를 제거하게 되는데, 상기 발호공정에서 사용하는 약품에 의하여 원사 및 원단에 손상이 가해질 뿐만 아니라, 프리프레그 제조 및 성형 공정에서 문제점을 야기하게 된다.

또한 연사공정을 통해 꼬임이 부여된 원사를 사용하여 제직된 원단은 열가소성 수지를 이용하여 함침공정을 진행할 때, 용융된 열가소성 수지가 원단 내부로의 함침이 원활하지 못하여 최종 제품에서의 물성 저하를 일으키는 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 의해 제조된 섬유강화 복합재료 제조용 원단은 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지가 균일하게 분산되지 아니하여 분산도가 불량하고, 특히 열가소성 수지는 열경화성 수지 대비 용융점도가 높아 상기 섬유강화 복합재료 제조용 원단은 내부로의 함침성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 따라서 열가소성 수지를 이용한 수지 섬유로서, 분산도가 불량한 혼섬사를 이용하여 섬유강화 복합재료를 제조하는 경우에는 상기 FRP에 공극 즉, 보이드(void)가 많이 생성되고, 용융된 열가소성 수지가 보강용 섬유 내부로의 함침 시간이 오래 걸리며, 이에 따라 성형 후 섬유강화 복합재료의 기계적 물성이 불량하게 된다.

따라서 섬유강화 복합재료 제조용 원단의 제조시에 섬유강화 복합재료의 물성을 개선할 수 있는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단과 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)의 제조시 열가소성 수지의 분산도를 개선함으로써, 성형된 섬유강화 복합재료에 공극 즉, 보이드(void)의 발생을 억제하고, 또한 성형후 섬유강화 복합재료의 기계적 물성을 개선하기 위한 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10) 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 관한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)은, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직된 원단;으로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 보강용 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 고강력 폴리에스테르 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유, 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이고, 또한 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 열가소성 폴리우레탄 섬유, 나일론 6 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유 및 저융점 폴리에스테르 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 섬유강화 복합재료는, 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직된 원단으로 구성되는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10); 및 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 함께 적층물(15);을 적층한 후 압력 및 열을 가하여 제조하며, 상기 적층물(15)은 섬유구조체, 프리프레그, 열가소성 필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 열가소성 수지 섬유와 적층물(15)은 동일 소재이거나, 또는 이종 소재일 수 있으며, 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)의 사이에는 필름 또는 파우더 또는 펠릿 형상의 접착제 수지가 개재될 수 있다.

그리고, 본 발명의 섬유강화 복합재료의 성형방법은 ⅰ) 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 혼섬하여 혼섬사(50)를 제조하는 혼섬사 제조 단계(S10); ⅱ) 상기 혼섬사 제조 단계(S10)에서 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직하여 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조하는 복합섬유 원단 제조 단계(S20); ⅲ) 상기 복합섬유 원단 제조 단계(S20)에서 제조된 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과, 적층물(15)을 금형의 내부에서 이형제를 도포한 후 적층하여 적층 복합재(100)를 형성하는 단계; ⅳ) 상기 적층 복합재(100)에 압력 및 열을 가하여 일체로 성형하는 성형 단계(S40); 및 ⅴ) 설정시간 경과 후 상기 금형을 탈형하는 탈형 단계(S50);를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 이용하여 섬유강화 복합재료를 성형하게 되면, 제조되는 섬유강화 복합재료에 보이드(void) 등이 생성되지 않고, 용융된 열가소성 수지 섬유가 보강용 섬유 내부로 단시간에 함침됨으로써 섬유강화 복합재료의 기계적 물성이 향상되는 효과를 갖는다.

또한, 섬유강화 복합재료의 제조시 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)을 교호로 적층한 후, 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)에 포함된 열가소성 수지 섬유를 용융하여 상기 보강용 섬유 내부로 함침시키게 되므로, 상기 용융된 열가소성 수지가 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10) 내부로의 함침을 위해서 이동하는 유동거리가 짧아지게 된다. 이에 따라 용융된 열가소성 수지의 함침속도가 크게 증가하여 섬유강화 복합재료의 성형 시간이 크게 단축됨으로써 생산성이 크게 증가하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혼섬공정을 통해 제조된 혼섬사(50)의 모식도이고,
도 2는 권취롤러(70)에서 혼섬사(50)를 권취하는 단계를 설명하기 위한 모식도이며,
도 3은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)이 적층된 적층 복합재(100)의 모식도이며,
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10)을 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 대한 공정을 나타내는 블록도이다.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10) 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혼섬공정을 통해 제조된 혼섬사(50)의 모식도이고, 도 2는 권취롤러(70)에서 혼섬사(50)를 권취하는 단계를 설명하기 위한 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)이 적층된 적층 복합재(100)의 모식도이며, 도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10)을 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 대한 공정을 나타내는 블록도이다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)은, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직된 원단;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 보강용 섬유는 하중을 견디는 요소로서, 섬유강화 복합재료의 제조시 상기 섬유강화 복합재료의 강도 등의 물성을 개선하기 위한 것으로써, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 고강력 폴리에스테르 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유, 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

또한 열가소성 수지 섬유는 상기 보강용 섬유에 함침되어 하중이 골고루 전달되게 하면서 상기 보강용 섬유를 외부환경으로부터 보호하기 위한 것으로써, 폴리프로필렌 섬유, 열가소성 폴리우레탄 섬유, 나일론 6 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유 및 저융점 폴리에스테르 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 상기 열가소성 수지 섬유의 융점은 80 ~ 400 ℃ 의 범위인 것이 섬유강화 복합재료 제조시 공정성 측면에서 바람직하다.

상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조하기 위한 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 이용한 혼섬사(50)의 제조방법은 보강용 섬유를 준비하는 단계;와, 열가소성 수지 섬유를 준비하는 단계;와, 상기 보강용 섬유와, 열가소성 수지 섬유를 이용하여 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 혼섬사(50)를 제조하는 혼섬 공정 단계; 및 상기 혼섬사(50)를 권취하는 권취 단계;를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 단계를 거쳐 혼섬사(50)를 제조함으로써, 혼섬 공정시 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 분산도가 개선될 수 있다. 즉, 섬유강화 복합재료의 성형시 사용되는 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유로 구성되는 혼섬사(50)는 최종적으로 제조되는 성형물의 기계적 물성을 개선하기 위하여 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 충분히 높은 분산도를 갖는 것이 요구된다.

따라서 본 발명에 따른 혼섬사(50)를 이용하여 제조되는 섬유강화 복합재료의 굴곡탄성율, 충격강도, 인장강도 등의 기계적 물성이 종래의 섬유강화 복합재료보다 크게 향상되므로, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 적용분야를 다양하게 확장할 수 있게 된다.

본 발명의 혼섬사(50)는 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 균일하게 분산될 수 있도록 혼섬하는 혼섬 공정을 통해 제조되는 것이 바람직하다. 상기 혼섬 공정은 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 중 어느 하나일 수 있다. 즉, 본 발명의 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 혼섬하기 위한 혼섬 공정은 상기 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 공급하여 혼섬 장치에서 혼섬 공정을 수행하게 된다.

상기 혼섬 공정이 완료된 후에는 권취롤러(70)에 권취하여 혼섬사(50)의 제조를 완료하게 된다. 상기 권취롤러(70)에 혼섬사(50)의 권취시 트레버스 가이드(80)에 의해 상기 혼섬사(50)의 권취 위치 및 권취각을 조절하면서 권취할 수 있다.

즉, 도 2를 살펴보면, 상기 도 2는 권취롤러(70)에 혼섬사(50)를 권취하는 단계를 설명하기 위한 모식도이다. 상기 도 2를 참조하면, 권취롤러(70)가 회전하는 동안 트레버스 가이드(80)가 좌우로 이동하여 상기 혼섬사(50)가 권취되는 위치 및 권취각(θ)을 제어하게 된다. 상기 권취각(θ)은 트레버스 가이드(80)와 권취되는 혼섬사(50)가 이루는 직선이 권취롤러(70)의 회전축에 수직인 방향에 대하여 기울어진 각을 의미한다. 본 발명의 혼섬사(50)는 권취시 표면 특성이 변화하지 않고, 사층이 붕괴되지 않고, 사절 현상이 발생하지 아니하여 권취작업성 및 생산성을 제고하기 위하여 혼섬 공정 즉, 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정 후 권취롤러(70)에 권취시 트레버스 가이드(80)를 통해 권취각(θ)을 30 ~ 80 º로 제어하는 것이 특히 바람직하다.

상기 혼섬 공정 중 커버링 공정은 내부에 위치하는 심사(30)의 외측으로 커버링사(35)를 나선상으로 권회시켜 형성하는 공정을 가리킨다. 본 발명에 따른 커버링 공정시 심사(30)는 보강용 섬유이며, 커버링사(35)는 열가소성 수지 섬유인 것이 바람직하다. 상기 커버링사(35)는 도 1의 (a)와 같이 심사(30)를 커버링사(35)가 한 방향으로 감아 준 싱글 커버링 사와, 도 1의 (b)와 같이 심사(30)를 커버링사(35)가 좌우에서 두 방향으로 감아준 더블 커버링 사의 형태로 제조할 수 있다.

특히 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 싱글 커버링 공정을 통해 제조되는 혼섬사(50)는 인치당 꼬임수(twist per inch, 이하 TPI)가 50 ~ 800 인 것이 바람직하며, 사속은 10 ~ 30 m/min 이며, 스핀들 회전속도는 8,000 ~ 10,000 RPM 인 것이 바람직하다. 또한 더블 커버링 공정을 통해 제조되는 혼섬사(50)의 TPI는 70 ~ 600 인 것이 바람직하며, 사속은 10 ~ 30 m/min 이며, 상부 및 하부의 스핀들 회전속도는 3,000 ~ 5,000 RPM인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 혼섬사(50)를 제조하기 위한 편조 공정은 편조기를 이용하여 제조되며, 통상적으로 모노 필라멘트를 서로 교차하여 제조되는 편조사의 길이 방향으로 섬유가 경사져 배향하고, 끝부분에서 되접어 꺽어 절단됨이 없이 연속된 상태로 도 1의 (c)와 같이 제조하는 공정을 가리킨다,

본 발명에서 보강용 섬유와 열가소성 수지 삼유를 이용하여 편조 공정을 통해 혼섬사(50)의 제조시 사속은 0.1 ~ 0.5 m/min 이며, 인치당 교착점수는 30 ~ 50 개인 것이 바람직하다.

그리고 상기 혼섬사(50)를 제조하기 위한 합사 공정은 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 공기 교락을 통해 합사하고, 권취하여 도 1의 (d)와 같은 형태로 혼섬사(50)를 제조하는 공정을 가리킨다.

본 발명의 혼섬사(50)의 제조하기 위한 합사 공정시 사속은 10 ~ 20 m/min이며, 교락 개수는 0 ~ 5 개/m이며, 공기압은 2 ~ 10 kg/cm² 인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기와 같이 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)는 권취시 권취각(θ)은 상기 혼섬사(50)의 표면장력과 밀접한 관계를 나타낸다. 즉, 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 혼섬된 혼섬사(50)의 표면장력이 낮으면 권취각(θ)을 크게 설정해야 하고, 표면장력이 큰 경우에는 권취각(θ)을 작게 설정하여야 한다.

본 발명의 혼섬 공정 즉, 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)는 권취롤러(70)에 권취시 권취각(θ)은 30 ~ 80 º인 것이 가장 바람직하다. 상기와 같은 권취각(θ)을 유지하면서 혼섬사(50)를 권취할 때, 혼섬사(50)의 표면 특성이 변화하지 않고, 사층이 붕괴되지 않으며, 또한 권취중 사절 현상이 발생하지 않는다. 따라서 본 발명의 혼섬사(50)의 권취 작업성 및 생산성을 극대화할 수 있게 된다.

또한 상기와 같이 본 발명의 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 이용하여 혼섬 공정 즉, 커버링 공정 또는 편조 공정 또는 합사 공정을 통해 제조되는 섬유강화 복합재료 제조용 혼섬사(50)의 굵기는 100 ~ 5,000 데니어인 것이 바람직하다. 또한 상기와 같은 혼섬사(50)의 굵기 범위에서 성형품의 물성변화가 적고, 외력이 가해질 때 휨 등의 형상 변화가 적어진다. 또한 성형 가공이 용이하며, 제조되는 섬유강화 복합재료의 탄성율 및 강도 등이 우수하게 된다.

본 발명에 일실시예에 따른 혼섬사(50)를 제조하기 위한 혼섬 공정시 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 중량비는 1 : 9 ~ 9 : 1 인 것이 바람직하다. 상기와 같은 중량비에서 혼섬사(50)의 집속성이 우수하고, 높은 분산도를 유지하면서, 공극율이 적은 혼섬사(50)의 제조가 가능하여, 향후 제조되는 섬유강화 복합재료의 물성과 질감이 보다 우수한 제품의 제조가 가능하게 된다.

상기와 같이 제조된 혼섬사(50)는 이후에 통상의 제직 또는 편직 공정을 거쳐 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)으로 제조될 수 있다.

상기 제직 공정은 세로 방향으로 나열된 경사를 상하로 개구(開口)시킨 후, 위사를 그 사이에 끼우는 작업을 반복하여 원단(10)을 제조하는 공정을 의미하며, 편직 공정은 길게 이어진 한 올의 실을 얽어 매고, 이러한 공정을 반복하여 원단(10)을 제조하는 공정을 가리킨다.

상기 원단(10)은 직물 또는 편물 즉, 위편물, 경편물, 또는 환편물로 제조되어 섬유강화 복합재료로 성형될 수 있다.

직물의 형태로는 특별히 제한은 없고, 평직, 8매 주자직, 4매 주자직, 능직 등 어느 형태도 가능하다. 또한 편물의 형태도 특별히 제한은 없으며, 위편물, 경편물, 또는 환편물 중 어느 형태도 가능하다.

또한 본 발명의 혼섬사(50)를 단섬유화하여 이를 건식 또는 습식의 공지된 부직포 제조 방법을 통해 부직포로 제조하여 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)으로 제조하는 것도 가능하다.

상기 혼섬사(50)를 이용한 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)의 제조는 본 기술 분야에서 공지된 기술이므로 이와 관련한 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 제조된 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)은 이후에, 섬유강화 복합재료를 형성하게 된다. 즉, 상기와 같이 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직 공정을 통해 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 상기와 같이 제조된 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 함께 적층물(15);을 교호로 적층하여 적층 복합재(100)를 형성한 후 압력 및 열을 가하여 제조하게 된다.

상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)을 적층하여 적층 복합재(100)의 형성시 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)을 단독으로 적층할 수 있다. 또한 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)을 복수 개의 층을 형성하여 적층하는 것도 가능하다.

상기 적층시 섬유강화 복합재료의 요구되는 성능 및 제품에 따라 적절한 매수로 상기 원단과 적층물을 적층하여 적층 복합재(100)를 형성하게 된다. 상기와 같이 얻어진 적층 복합재(100)를 두께방향으로 열과 압력을 가하여 압착하는 성형 공정을 통해 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 오토클레이브 성형(Autoclave molding)과 핫프레스 성형(Hot press molding)에 의하여 제조할 수 있다. 오토클레이브 성형은 압력과 열을 부여하여 진공상태에서 구조물을 제작하는 방법이다. 핫 프레스 성형은 히터가 설치되어 있는 가압판의 가압에 의하여 구조물을 성형하는 방법이다. 이와 같이 오토클레이브 성형과 핫프레스 성형 각각은 성형을 위하여 적절한 온도와 압력의 제어가 요구된다.

또한, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 레진트랜스퍼몰딩(Resin transfer molding, RTM), 압축성형(Compression molding), 시트몰딩컴파운드(Sheet Molding Compound, SMC), 벌크몰딩컴파운드(Bulk Molding Compound, BMC) 등의 공정에 의하여 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 섬유강화 복합재료의 오토클레이브 성형과 핫프레스 성형시 프리프레그(Prepreg)를 이용하거나 또는 핸드레이업 성형 공정(Hand lay-up molding process)에 의하여 실시할 수 있다. 프리프레그는 다수의 보강섬유들을 매트릭스에 함침한 후, 비-스테이지(B-stage)로 경화시켜 층(Laminate), 시트(Sheet), 매트(Mat), 직물(Fabric) 등 다양한 형태와 구조로 제조할 수 있다.

핸드레이업 성형 공정은 보강섬유 매트나 직물을 미리 이형 처리한 몰드(Mold)에 넣은 후, 작업자가 직접 매트릭스, 즉 수지를 브러시나 롤러에 의하여 함침 및 탈포하면서 적층하여

구조물을 제조하는 공정을 가리킨다.

본 발명에 따르면 상기 섬유강화 복합재료의 제조시 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 함께 적층되는 적층물(15)은 섬유구조체, 프리프레그, 열가소성 필름으로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상으로 선택될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 섬유구조체, 프리프레그 및 열가소성 필름 등을 일방향으로 적절하게 배열한 후, 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층한 후 열과 압력을 가하여 제조할 수 있다.

이때, 상기 섬유구조체는 직물 또는 편물일 수 있으며, 상기와 같은 섬유구조체를 적층물(15)로 사용하는 경우에는 섬유강화 복합재료의 제조후 상기 섬유구조체 표면의 텍스처(texture)가 외부로 발현되는 섬유강화 복합재료의 제조가 가능하다.

상기 적층물(15)로 사용되는 프리프레그(prepreg)는 열가소성 폴리우레탄(Thermo Plastic Polyurethane) 또는 적절한 열가소성 수지를 이용하여 제조된 프리프레그 등을 이용할 수 있다.

상기 프리프레그는 섬유 강화재에 열가소성 수지를 함침시킨 복합재료 제조용 중간재로서, 열과 압력을 받으면 기계적, 열적 물성이 뛰어난 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.

상기 프리프레그를 제조하기 위한 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리아미드 등이 적용가능하며, 본 발명에서 상기 프리프레그를 제조하기 위한 열가소성 수지는 특별히 제한되지는 않는다.

또한 본 발명에 따른 상기 적층물(15)은 열가소성 필름을 적용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 적층물(15)로 열가소성 필름을 사용하는 경우에는 열가소성 수지를 이용하여 필름을 제조 한 후, 상기 본 발명의 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 함께 적층시킨 다음 Double belt press를 이용하거나 Roll to roll 연속공정을 통해 고온, 고압 조건에서 상기 열가소성 필름을 용융하여 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)에 함침시켜 섬유강화 복합재료를 제조하게 된다.

이때 상기 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10)을 제조하기 위한 혼섬사(50)에 포함되는 열가소성 수지 섬유와 상기 적층물(15)은 동일 소재를 사용하는 것도 가능하고, 이종의 소재를 적용하는 것도 가능하다.

상기 혼섬사(50)에 포함되는 열가소성 수지 섬유와 적층물(15)이 동일 소재인 경우에는 섬유강화 복합재료의 제조시 상기 열가소성 수지 섬유와 적층물(15)이 각각 용융되어 접착력이 우수하다.

또한, 상기 혼섬사(50)를 구성하는 열가소성 수지 섬유와 상기 적층물(15)이 이종의 소재를 사용하는 경우에는 상기 열가소성 수지 섬유와 적층물(15)의 접착력을 높이기 위하여 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)의 사이에 접착제 수지를 개재할 수 있다.

즉, 상기와 같이 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)의 사이에 접착제 수지를 개재한 후, 열과 압력을 가하여 섬유강화 복합재료를 성형하게 되면, 용이하게 이종재료를 접착력을 증대시킬 수 있게 된다. 이에 따라 제조되는 섬유강화 복합재료의 기계적 물성을 증대할 수 있게 된다.

상기와 같이 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)와 적층물(15)의 사이에 개재되는 접착제 수지는 폴리비닐아세테이트(Poly vinyl acetate), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride), 폴리에틸렌(Polyethylene) 등의 공지된 접착제 수지를 이용할 수 있으며, 필름 또는 파우더 또는 펠릿(Pellet) 형상으로 개재될 수 있다.

상기와 같이 제조되는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10)은 용융된 열가소성 수지가 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10) 내부로의 함침을 위해서 흐르는 유동거리가 짧아지고, 성형시 보이드 등의 생성이 없어 기계적 물성이 우수한 섬유강화 복합재료의 제조가 가능하며, 이에 따라 섬유강화 복합재료의 성형 시간이 크게 단축되어 생산성이 크게 증가하는 효과를 갖는다.

상기와 같이 본 발명의 혼섬사(50)를 이용하여 제조된 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)은 이후에 가열프레스 공정에서 상기 열가소성 수지 섬유의 융점 이상의 온도로 가열 및 가압하여 용융된 수지 섬유가 보강용 섬유의 내부로 함침되어 냉각됨으로서 섬유보강 복합재료를 제조할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 혼섬사(50)는 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유의 혼섬 공정에서 분산도를 개선하여 섬유강화 복합재료의 강성, 강도, 내열성, 내충격성 등과 같은 기계적 성능을 개선할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10)과 혼섬사(50)로부터 제조되는 상기 섬유강화 복합재료의 적용분야를 다양하게 늘릴 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)를 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 대하여 설명한다.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합재료 제조용 원단(10)을 이용한 섬유강화 복합재료의 성형방법에 대한 공정을 나타내는 블록도이다. 상기 도 4을 참조하여 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 성형방법을 살펴보면, 먼저 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 혼섬 공정을 통해 혼섬사(50)를 제조하는 단계 즉, 혼섬사 제조 단계(S10)를 거치게 된다. 이때 상기 혼섬 공정은 위에서 살핀 바와 같이 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 공정을 이용할 수 있다.

상기 혼섬사 제조 단계(S10)를 통해 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유가 혼섬된 혼섬사(50)를 제조한 후에는 상기 혼섬사(50)를 이용하여 섬유강화 복합ㅈ재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조하는 복합섬유 원단 제조 단계(S20)를 거치게 된다. 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)은 상기 혼섬사 제조 단계(S10)에서 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직 공정을 통해 제조할 수 있다.

상기와 같이 복합섬유 원단 제조 단계(S20)를 통해 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조한 후에는, 상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과, 적층물(15)을 금형의 내부에서 적층하고, 이형제를 도포하여 적층 복합재(100)를 형성하는 적층 복합재 형성 단계(S30)를 거치게 된다. 이때 상기 적층물(15)은 섬유구조체, 프리프레그, 열가소성 필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기와 같이 적층 복합재 형성 단계(S30)에서 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과, 적층물(15)이 적층된 적층 복합재(100)는 이후에 압력 및 열을 가하여 일체로 성형하는 성형 단계(S40)를 거친다.

상기와 같은 성형 단계(S40)는 레진트랜스퍼몰딩(Resin transfer molding, RTM), 압축성형(Compression molding), 시트몰딩컴파운드(Sheet Molding Compound, SMC), 벌크몰딩컴파운드(Bulk Molding Compound, BMC)에 의하여 수행될 수 있다.

상기와 같이 성형 단계(S40)를 거친 후에는 금형으로부터 성형된 섬유강화 복합재료를 탈형하는 탈형 단계(S50)를 거치게 된다.

상기 탈형 단계(S50)를 통해 성형된 섬유강화 복합재료가 탈형되면, 본 발명의 섬유강화 복합재료가 제조완료된다.

상기와 같이 제조된 섬유강화 복합재료는 기계적 물성이 향상되며, 용융된 열가소성 수지가 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10) 내부로의 함침을 위해서 이동하는 유동거리가 짧아지게 된다. 이에 따라 용융된 열가소성 수지의 함침속도가 크게 증가하여 섬유강화 복합재료의 성형 시간이 크게 단축됨으로써 생산성이 크게 증가하는 효과를 갖는다.

이상으로 본 발명의 실시예를 바탕으로 상세하게 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

10 : 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단
15 : 적층물
30 : 심사
35 : 커버링사
50 : 혼섬사
100 : 적층 구조재

Claims (8)

1. 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)으로서,
   보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직된 원단;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10).
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강용 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 고강력 폴리에스테르 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유, 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10).
   
3. 청구항 1에 있어서
   상기 열가소성 수지 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 열가소성 폴리우레탄 섬유, 나일론 6 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유 및 저융점 폴리에스테르 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10).
   
4. 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직된 원단으로 구성되는 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10); 및
   상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 함께 적층물(15);을 적층한 후 압력 및 열을 가하여 제조되는 섬유강화 복합재료.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 적층물(15)은 섬유구조체, 프리프레그, 열가소성 필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과 적층물(15)의 사이에 개재되는 접착제 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 접착제 수지는 필름 또는 파우더 또는 펠릿 형상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.
   
8. 섬유강화 복합재료의 성형방법에 있어서,
   ⅰ) 보강용 섬유와 열가소성 수지 섬유를 커버링 공정 또는 합사 공정 또는 편조 공정 중 어느 하나의 혼섬 공정을 통해 혼섬하여 혼섬사(50)를 제조하는 혼섬사 제조 단계(S10);
   ⅱ) 상기 혼섬사 제조 단계(S10)에서 제조된 혼섬사(50)를 이용하여 제직 또는 편직하여 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)을 제조하는 복합섬유 원단 제조 단계(S20);
   ⅲ) 상기 복합섬유 원단 제조 단계(S20)에서 제조된 섬유강화 복합재료 제조용 복합섬유 원단(10)과, 적층물(15)을 금형의 내부에서 이형제를 도포한 후 적층하여 적층 복합재(100)를 형성하는 적층 복합재 형성 단계(S30);
   ⅳ) 상기 적층 복합재(100)에 압력 및 열을 가하여 일체로 성형하는 성형 단계(S40); 및
   ⅴ) 설정시간 경과 후 상기 금형을 탈형하는 탈형 단계(S50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료의 성형방법.

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