KR910005200B1 - 봉상 성형물의 연속 성형방법 - Google Patents

봉상 성형물의 연속 성형방법 Download PDF

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우베닛토오카세이 가부시기가이샤
키따노 코오이찌
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Description

봉상 성형물의 연속 성형방법
제1도 및 제2도는 각각 본 발명의 봉상 성형물의 연속 성형방법을 실시하는 실시예를 도시하는 개략도.
제3도는 본 발명의 방법에 있어서 불소계수지에 의한 피복공정의 한 실시에를 도시하는 확대도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 보빈 2 : 다심 광 파이버 유니트
3 : 보강섬유 4 : 안내가이드
5 : 수지조 입구 가이드 6 : 파이프
7 : 수지조 8 : 출구가이드
9 : 교축(絞縮) 가이드 10 : 안내가이드
11 : 섬유속 12 : 유리장섬유
13 : 수지조 15 : 교축 노즐
16 : 미경화 봉상물 17 : 크로스 헤드
18 : 원 환상다이 19 : 냉각조
20 : 중간제품 21 : 경화조
22 : 피복박리장치 23 : 인취장치
24 : 최종제품 25 : 보감섬유
26 : 수지조 27 : 교축 노즐
28 : 미경화 봉상물
본 발명은 섬유 강화 열경화성 수지로 구성되는 봉상 성형물을 연속적으로 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 외경이 5mm 정도 이하인 가는 봉상 성형물의 제조에 적합한 방법에 관한 것이다.
섬유 강화 열경화성 수지(FRP)제의 봉상물은 제조재료나 전기분야등에서 널리 사용되고, 최근에 있어서는 특히 광통신에의 응용이 주목되고 있고, 예를 들면 광파이버를 버퍼층으로 에워싼 광 파이버소선(素線)을 섬유강화 열경화성 수지로 피복하여 구성되는 광 파이버심선이나, 이와 같은 광 파이버심선(心線)을 케이블화할때의 인장부재로 FRP 봉상물을 사용하는 것 등이 실용화되고 있다.
FRP 봉상물을 연속적으로 성형하는 방법으로는 유리섬유등의 보강섬유에 미경화의 열경화성 수지를 함침(含浸)하여 교축(絞縮) 노즐을 통해서 여분의 수지를 제거하여 가열된 금형속에 삽입하여 이 금형을 통과하는 사이에 경화반응을 진전시키면서 소정의 형상으로 성형하는 이른바 연속 펄트루숀방법(Continuous Pultrusion Method)이 전형적이다. 이 방법에 의하면, 수지를 금형내에서 완전히 경화시키면 금형내면에 잔류수지가 부착하여 제품표면의 평활성이 손상되거나, 제품의 인발(引拔) 저항이 증대하여 극단적인 경우에는 인발 불능이 되는 일이 있으므로, 실제로는 금형내에서의 경화반응을 예비적인 것으로 하고, 다시 경화조에 도입하여 완전히 경화시키는 공정이 추가되고 있다. 그러나, 금형내에서의 경화 반응을 경화조내에서 형상이 변화하지 않는 정도로 제어하는 것은 극히 곤란하고, 그로 인해 연속성형의 효율성이나 제품치수의 정밀도 등의 점에서 반드시 만족한 것이 못되었다. 특히 직경이 가는 것일수록 금형의 정밀도를 향상시키기가 곤란한 동시에 상기한 제조공정상의 문제가 현저하고 특히 광 파이버케이블에 관련되는 용도에 있어서는 약간의 치수오차로도 전송손실로 영향을 주므로 연속 펄트루숀방법으로 긴 것에 있어서 만족할 만한 제품을 성형하기가 어렵고, 특히 매우 가는 직경에 있어서는 불가능했었다.
FRP 봉상물을 연속적으로 성형하는 다른 방법은, 본원 출원인이 출원한 일본 특공소 56-20188호 공보에도 제시되고 있다. 이 방법은 미경화 봉상물의 외주를 용융된 열가소성수지로 피복하고, 이 피복층을 냉각·고화시킨후에 가열조내에서 내부의 열경화성 수지를 경화시키는 것으로, 경화시에 피복층이 일종의 성형형(型)으로서의 역할을 하므로 비교적 고속도로 제조할 수 있는 이점이 있다. 이 방법으로 성형된 봉상물은 필연적으로 열가소성 수지 피복층이 함유되는 것이나 이 피복층이 있으면, 예를 들어 봉상물의 중심에 광파이어소선을 배치한 상기 광 파이어 심선의 경우, 그 복수 개를 모아서 케이블을 구성할 때, 항장력에 기여하지 않는 피복층에 의한 점유공간이 증대되어 케이블의 고밀도화 내지 세경화에 부적당하다. 또 상기의 광파이어심선을 수납한 케이블관을 가공지선(地線)으로 사용했을 경우, 낙뢰등에 의한 단락(短絡)사고로 피복층의 열가소성 수지가 용융유동하여 케이블관로(管路)내에 퇴적되면 같은 관로내에 심선을 재부설할 때에 지장을 주는 등, 광파이버에 대한 응용에 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상기의 문제를 해소하고, 특히 직경이 5mm 정도 이하의 섬유 강화 봉상 성형물에 대하여 생산성을 손상시키는 일없이 치수의 정밀도가 양호한 제품을 연속적으로 얻을 수 있는 신규의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 특히 광파이버에 대한 응용에 적합한 봉상 성형물을 연속적으로 성형할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 경제적으로 저 원가로 실시할 수 있는 봉상물의 연속 성형방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면 미경화의 열경화성 수지를 함침시킨 보강섬유를 소정의 형성의 교축 노즐을 통과시키므로써 미경화 봉상물을 형성하는 공정과 이 미경화 봉상물을 에워싸도록 용융시킨 불소계 열가소성 수지를 환상으로 압출하는 공정과, 압출된 열가소성 수지를 미경화 봉상물의 외주에 접촉시키는 동시에 강제적으로 냉각해서 고화시키고, 열가소성 수지에 의하여 피복층을 형성하는 공정과, 이것을 로(爐)내에 도입하여 내부의 열 경화성 수지를 경화시키는 공정과, 피복층을 박리제거하여 섬유 강화 열경화성 수지 표면을 가지는 봉상 성형물을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 봉상 성형물의 연속 성형법이 제공된다.
바람직하기로는 열가소성 수지가 미경화 봉상물과 접촉할 때의 각도를 5-30°의 범위 내로 설정하는 일이고, 또 열가소성 수지의 냉각 개시점을 미경화 봉상물과의 접촉지점과 실질적으로 일치시키는 것이 좋다.
피복층의 두께는 미경화 봉상물의 직경이나 열가소성수지의 종류 등에 따라 다르나, 0.07mm-0.6mm의 범위가 되도록 형성하는 것이 좋다.
[실시예]피
이하에 본 발명의 적절한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 방법은 우선, 보빈등에서 공급되는 장(長) 섬유상의 보강섬유를 다수의 줄로 결속하여 이것에 미경화의 열경화성 수지를 함침시키는 공정에서 시작된다. 보강섬유로는 유리섬유가 가장 일반적이다. 그러나 이것에 한정되는 것이 아니고, 카본, 세라믹, 방향족 폴리아미드, 폴리에스테르, 비닐론 등의 각 섬유를 사용할 수 있다. 또 열경화성 수지의 한 예로는 불포화 알키드와 각종의 중합성 단량체로 구성되는 각종 불포화폴리에스테르수지 등이 있다. 그러나 하기의 불소계 열가소성 수지와의 화학적 친화성이 결핍되고 서로 융화가 잘 안되는 그 밖의 에폭시계, 페놀계등의 열경화성 수지의 사용도 가능하다. 본 발명에 의하여 상기한, 광 파이버심선을 형성하는 경우에는 광 파이버소선이 보강섬유의 중앙에 위치되도록 이것을 연속적으로 공급한다.
다음에 수지를 함침시킨 보강섬유속(束)을 소정의 단면 형상을 가지는 교축 노즐에 통과시켜서 여분의 수지를 제거하면서 모양을 형성하여 미경화의 봉상물을 형성한다. 교축 노즐은 보통, 섬유속의 진행방향으로 연속적으로 여러곳 배치된다. 이와 같이 형성된 미경화 봉상물을 열가소성 수지의 압출 다이스를 통과시켜서, 이 다이스로부터 미경화 봉상물을 에워싸도록 열가소성수지를 용융상태로 환상으로 압출한 후, 용융수지를 미경화 봉상물의 바깥주위에 접촉시키는 동시에 수조 등에 도입시켜서 열가소성수지를 냉각·고화시켜서 미경화 봉상물의 바깥쪽에 피복층을 형성한다. 본 발명에서는 이 피복층을 형성하는 열가소성 수지를 용융압출이 가능한 불소계 수지에서 선택한다. 불소계 열가소성 수지는 미경화의 열경화성 수지와의 친화성이 강하지 않아서, 후기하는 박리공정을 쉽게 할 수 있고, 내열성이 있으므로 후기하는 열경화성 수지의 가열공정중에 피복층의 소정형상을 유지할 수 있기 때문에 본발명에서 특별히 사용되는 것이다. 불소계 열가소성수지의 예는 불화비닐리덴 수지(PVDF), 4불화에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE), 1불화비닐수지(PVF), 4불화에틸렌-6불화프로필렌공중합수지(FEP), 3불화염화에틸렌수지(PCTFE), 3불화염화에틸렌-에틸렌공중합수지(ECTFE), 4불화에틸렌-퍼플로로알콕시에틸렌 공중합수지(PFA), 불화에틸렌-프로필렌에테르수지등이다.
다이스로부터 압출된 환상의 용융수지는 두께 및 직경이 감소되면서 소정의 각도로 미경화 봉상물의 외주면에 접촉하는데, 이때의 각도는 5°-30°의 범위내에서 설정하는 것이 좋고, 특히 바람직한 각도는 5°-15°이다. 접촉각도가 30°를 초과하면 열가소성 수지가 미경화 봉상물에 접촉한 후 냉각, 고화되는 과정에서 미경화의 열경화성수지를 교축하는 정도가 변동되기 쉽고, 경화후의 봉상 성형물의 표면상태가 불량해지는 일이 있다. 한편, 5°이하의 각도에서는 용융수지가 압출된 후 미경화 봉상물과 접촉하기까지의 거리가 지나치게 길어져서 용융수지의 열복사(輻射)에 의하여 봉상 경화반응이 개시되고 마는 경향이 있다.
본 발명에 있어서는 또, 용융수지의 냉각을 미경화 봉상물과의 접촉후 즉시 개시시키는 것이 좋고, 냉각 개시시점이 접촉지점에서 전후되면, 후기하는 봉상물의 경화후에 있어서 그 형상이나 치수의 정밀도가 저하되거나, 표면에 이상 돌부가 발생되는 등의 결함이 발생되기 쉽다. 냉가과정에서 열가소성 수지는 수축하면서 고화하기 때문에 미경화 봉상물중의 액상 경화성 수지를 약간 교축하도록 작용하고, 또 불소계 수지는 이 열경화성 수지와 화학적 친화성이 약하고 융화되지 아니하므로 경화 봉상물의 표면에서는 수지의 밀도가 높아진다. 이 사실은 최종 제품의 표면을 극히 평활한 것으로 하는데에 중요하다. 열가소성 수지가 고화되어 형성된 피복층의 두게는 대략 0.07-0.6mm의 범위내가 좋고, 특히 0.1-0.3mm로 하는 것이 좋다. 두께가 0.6mm 이상이 되면 미경화 봉상물에 접촉하는 이전에 용융수지로부터의 열복사가 크기 때문인지 열경화성 수지가 부분적으로 경화된 것으로 보이는 이상 돌부의 발생이 많아지고, 0.07mm 이하에서는 핀구멍등이 발생하여 이 부분이 물성불량이 되는 가능성이 크다. 따라서 피복층의 두께가 0.07-0.6mm가 되도록 다이스의 외경 및 내경 및 용융수지의 훑어내리기율 또는 훑어내리기 밸런스등을 설정한다.
상기와 같이 피복층이 형성된 미경화 봉상물은 계속 가열된 경화조내로 도입되어 내부의 열경화성 수지의 경화 반응이 실행된다. 이때, 피복층이 일종의 성형형(型)으로서의 역할을 하여 경화반응에 의하여 내부봉상물이 변형되는 것을 저지한다. 그리고 경화 반응이 종료되어 열경화성 수지가 완전 경화된 후 피복층을 가지는 FRP 봉상 성형물을 경화조로부터 꺼내고, 피복층을 박리제거하여 FRP 표면을 고정시켜서 최종제품으로 드럼 등에 감는다. 피복층의 제거는 예를 들면 예리한 절단칼날을 설치한 박리장치에 의하여 연속적으로 실시할 수 있고, 불소계 열가소성 수지의 피복층은 FRP 표면으로부터 원활한 박리가 가능하다. 이와 같이 성형된 FRP 봉상 성형물은 높은 치수 정밀도와 극히 매끈한 표면을 가지는 것이 시험에 의하여 확인되었다.
본 발명 방법에 의하면 종래의 연속 펄프루숀방법에 비해서 FRP 봉상물을 2-3배의 속도로 연속적으로 성형할 수 있으므로 제조효율의 향상은 현저하고, 특히 직경이 가늘고 표면이 매끈하고, 높은 치수정밀도가 요구되는 제품의 성형에 적합하다. 또 불소계 열가소성 수지는 일반적으로 값이 비싸지만, 경화된 봉상물에서 박리한 후 재생하여 반복사용이 가능하므로 가격면에 큰 영향을 주지 않는다.
본 발명으로 얻어지는 잇점은 이하의 구체적 실시예 및 비교예에서 더욱 명확할 것이다.
[실시예 1]
제1도의 도시와 같이, 코어 외경이 50μm, 클래드 경 125μm의 석영계 광파이버의 외주에 실리콘 고무의 버퍼 층을 형성한 광 파이버소선을 7줄을 연선(燃線 : 선을 꼬다)한 외경이 1.2mm의 다심(多心) 광 파이버 유니트(2)를 보빈(1)에서 공급하고, 그 외주에 단사경이 약 10μm이고 80텍스의 유리장섬유로 된 보강섬유(3)를 안내가이드(4)에 통과시켜서 수렴(收斂 : 수축시킴)하여 길게 세로로 떼고, 수지조 입구 가이드(5)에 의하여 외경을 1.7mm로 하고, 즉시 비스틸렌계의 중합성 단량체를 함유하는 미경화의 불포화 폴리에스테르 수지 재료가 파이프(6)으로부터 적하 공급되는 수지조(7)를 통과시켜서, 섬유층의 외주로부터 수지를 함침시키고, 이것을 출구가이드(8)에 의하여 1.7mm의 외경이 되도록 교축하고, 또 적절한 수 및 내경의 교축 가이드(9) 및 안내가이드(10)의 중앙부의 노즐에 의하여 성형하고, 외경이 1.6mm의 수지함침섬유속(11)을 얻는다. 또 이 섬유속(11)의 외주에는 단사경이 약 10μm이고 160텍스의 유리장섬유(12)에 스티렌사 중합성 단량체를 함유하는 미경화의 불포화 폴리에스텔수지를 수지조(13)속에서 함침시킨 재료를 교축가이드(14) 및 안내가이드(10)의 외주부의 투공으로 교축 성형하여 수렴하여 세로로 덧데서 교축 노즐(15)로 모양을 형성하여, 외경이 약 2mm의 미경화 봉상물(16)을 얻는다.
다음에 이 미경화 봉상물(16)을 크로스헤드(17)에 삽통(揷通)하여 용융상의 4불화에틸렌-6불화프로필렌공중합수지(미쓰이 듀퐁 플로로 케미칼 주식회사 제품)(이하 FEP로 칭한다)를 내경 2mm, 외경 23mm, 경사각도 45°, 설정온도 380℃의 원 환상다이(18)로 압출하여, 감압도가 약 30m 수주(水柱)의 감압하에서 미경화 봉상물(16)을 피복한다. 여기에서 다이(18)의 경(외경 A1, 내경 A2)과 피복층의 경(외경 B1, 내경 B2)의 사이의 훑어내리기율[A1 2-A2 2/B1 2-B2 2]을 30-150으로 하고, 훑어내리기 밸런스[(A1/B1)/(A2/B2)]을 0.95-1.05로 설정하는 것이 경과후의 FRP 봉상물의 치수정밀도를 높이는데 있어서 바람직하다. 제3도에 확대 도시한 이 실시예에서는 상기 훑어내리기율은 100, 훑어내리기 밸런스는 1이 되도록 설정되어 있다. 또 용융수지(29)가 미경화 봉상물(16)과 접촉하는 점 D는 다이면(18a)에서 축선거리를 40mm의 위치로하고, 접촉각도 θ는 14.0°로 설정했다. 봉상물(16)은 지점 D에서 즉시 냉각조(19)에 들어가고, 이 냉각조(19)를 통과하는 동안에 수지(29)가 냉각고화되어 피복층의 두께가 0.15mm이고, 또 내부가 미경화된 중간제품(20)을 얻었다.
계속해서, 이것을 증기압 4.2kg/cm2의 145℃로 가열된 경화조(21)에 도입하여 내부의 열경화성 수지를 경화시키고, 예리한 절단칼날을 설치한 피복박리장치(22)에 의하여 FEP 피복층을 절개박리하여 FRP 표면이 노정된 최종제품(24)을 얻어 이것을 인취(引取)장치(23)를 통해서 도시를 생략된 제품용 드럼에 감는다.
이와 같이 얻은 제품(24), 즉 FRP 피복의 다심강화 광 파이버심선은 외경이 2.0±2/100mm의 정밀도를 가지고, 또한 표면은 열경화성 수지밀도가 높고 매끈한 상태이고, FRP 피복에 의한 광 파이버의 전송손실의 증가는 0.85μm 파장에서의 측정에서 0-0.1dB/km, 1.3μm 파장에서의 측정에서도 0-0.1dB/km이고, 제품(24)을 50mm의 길이에 대하여 압축 속도 1mm/분으로 측정한 압괴강력(壓壞强力)은 40kg이고, 가공지선용의 다심 광 파이버심선으로 실용이 가능한 제품이다.
[비교예 1]
상기 실시에 1과 비교하기 위하여 실시예 1의 FEP 수지 대신에 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(일본 유니커 제품; GRSN-7047)을 사용한 이외는 동일한 방법 및 동일한 재료로 성형한 제품을 얻었다. 이 제품을 측정한 결과에 의하면 피복층을 박리한 후의 FRP부의 외경밀도는 ±10/100mm에 달하고, 그 때문에 이 다심 광파이버를 굽혔을 때는 방향성이 있고, 또 그 표면에는 유리섬유가 근상(筋狀)으로 부각되어 만족할만한 제품은 아니었다.
[실시예 2]
제2도의 도시와 같이, 제1도의 보강섬유(3)에 상당하는 유리장섬유로 구성되는 부강섬유(25)를 사용하여 이것을 수시조(26)에 통과시켜서 불포화 폴리에스테르수지를 함침시키고, 복수개의 교축 노즐(27)에 의하여 최종적으로 0.4mm의 외경의 미경화 봉상물(28)을 구성하였다. 이것을 실시예 1과 동일하게 크로스헤드(17)에 통과시키고 실시예 1과 동일한 FEP를 외경 6.5mm, 내경 4.5mm, 경사각도 45°, 설정온도 380℃의 원 환상다이(18)로 압출하여, 감압도가 10mm 수주의 감압하에서 미경화 봉상물(28)과 접촉시키고, 계속해서 냉각조(도시생략)에 도입하여 두께 0.1mm의 피복층을 형성했다. 이때의 훑어내리기율은 110, 훑어내리기 밸런스 0.96, 접촉각도 5.6°로 설정하고, 접촉지점은 다이면(18a)에서 30mm의 위치에 있다. 이하 실시예 1과 동일한 공정으로 열경화성 수지를 경화시키고, 계속 FEP 피복층을 절개박리해서 외경이 0.4mm이고 유리섬유 부피 함유울이 60부피%인 세 개의 봉상물을 얻었다. 이것은 외경이 0.4mm, 외경밀도가 ±2/100mm이고, 단위중량은 0.25g/m이었다. 이 세 개의 봉상물에서 150mm 길이의 시료를 작성하여 측정한 결과, 인장속도 5mm/분일때의 인장강도가 23kg, 인장탄성률은 5100kg/mm2이었다. 이것을 예를 들어 광 파이버소선을 연선한 광 파이버 유니트의 중심, 또는 외주의 일부에 사용하므로써 내열성이 좋고, 또한 인장특성이 우수한 광 파이버 유니트를 얻을 수 잇다. 또 이것을 광 파이버소선의 외주에 길이방향에 걸쳐서 필요한 줄수를 평행으로 또는 소정의 피치로 감아서 배치하면 매우 작은 굴곡반경으로 굴곡할 수 있다. 또 굴곡력에 대하여 직선상으로의 회복성을 가지는 광케이블 또는 광코오드를 얻을 수 있는 등, 항장력성과 탄성회복성등을 겸비한 인장부재등으로 사용하기에 적합하다.

Claims (4)

  1. 미경화의 열경화성 수지를 함침시킨 보강섬유를 교축 노즐을 통과시키므로써 소정의 형상으로 모양을 부여하여 미경화 봉상물을 형성하는 공정과, 상기 미경화 봉상물을 에워싸도록 용융된 불소계 열가소성 수지를 환상으로 압출하는 공정과, 상기 열가소성수지를 이 미경화 봉상물의 외주에 접촉시키는 동시에 강제적으로 냉각하여 고화시키고, 상기 열가소성수지에 의하여 피복층을 형성하는 공정과, 이것을 로내에 도입하여 내부의 상기 열경화성 수지를 경화시키는 공정과 상기 피복층을 박리제거하여 섬유강화 열경화성 수지표면을 가지는 봉상 성형물을 형성하는 공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 봉상 성형물의 연속성형방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성수지가 상기 미경화 봉상물과 접촉할 때의 각도를 5°-30°의 범위 내에 설정하여 구성되는 것을 특징으로 하는 봉상 성형물의 연속 성형방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열가소성 수지의 냉각 개시점을 상기 미경화 봉상물과의 접촉지점과 실질적으로 일치시켜서 구성하는 것을 특징으로 하는 봉상 성형물의 연속 성형방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복 층이 0.07mm-0.6mm의 두께를 가지도록 형성한 것을 특징으로 하는 봉상 성형물의 연속 성형방법.
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