KR940006977B1 - 입자들로 섬유를 코팅하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

입자들로 섬유를 코팅하는 방법 및 그 장치
제1도는 본 발명의 개략적인 정단면도이며 섬유(10)의 전달된 토우를 위한 스프레더(14), 입자 코팅 챔버(17), 그리고 입자를 섬유(10)에 접착하기 위한 헤더(19)를 도시한 도면.
제1a도는 제1도의 1A-1A선 단면도이며 입자 P를 에어러솔 하기 위한 챔버 단면(17d)의 단면을 도시한 도면.
제1b도는 제1도의 섹션 17a의 1B-B선 단면도.
제1c도는 제1도 헤더(19)의 1C-1C선 단면도.
제1d도는 스피커(14a)를 도시한 제1도 스프레더(14)의 1D-1D선 단면도.
제1e도는 하우징(17c)내의 스피커(17b)를 도시한 제1도의 1E-1E선 단면도.
제2도는 제1도에 도시된 스프레더(14)의 확대도면 사시도이며 특히 스피커(14a)와 관련된 로드(14b)의 마운팅을 도시한 도면.
제3도는 특히 키이싱(31)내의 챔버(30)의 장착을 설명하는, 입자 P₁를 분무하기 위한 또 다른 형태 챔버(30)의 정면 단면도.
제3a도는 제3도의 3-3선 단면도.
제4a-4b도는 포화된 토우섬유의 포토마이크로프래그(4a도)이며 가열 및 응고뒤에 형성된 혼합물(제4b도).
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 토우 섬유(tow of fiber) 11 : 스풀(spool)
12 : 안내링 14 : 스프레더(spreader)
13,15 : 닙(nip)롤러 17 : 챔버(chamber)
17a : 코팅 섹션 17b : 2차 스피커
17d,17d : 하우징 17e,17f : 격막
17g : 케이싱 17i : 개구
18 : 필터 19 : 가열기
21 : 안내장치 23 : 당겨감기 드럼
25 : ; 전력 증폭기 30 : 챔버
31 : 케이싱 32 : 유입구(파이프)
33 : 확산기 스크린
본 발명은 코팅된 섬유의 생산 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특히 비용, 속도 및 환경문제에 있어서 유리한 일차 및 이차의 구조적 프리포옴(preform) 방법에 사용하기 적합한 토우(tow) 섬유에 열가소성 또는 열경화성 매트릭스가 있는 혼합 수지침투기 공재에 관한 것이다. 본 발명은 특히 입자들을 변화시키고 이들을 섬유에 코팅시키기 위해 하우징에서 진동 수단을 사용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
고속이며 저렴한 처리방법은 토우 섬유에 퍼져있는 열경화성 또는 열가소성 매트릭스가 있는 큰 체적에 적용시키기 위한 혼합수지침투가공재를 생산하는데 요구된다. 고온 용융 프리프레깅(prepregging)과 같은종래의 방법은 고압에서 토우 섬유 둘레에 가해지는 처리의 이른 단계에 낮은 점도의 매트릭스 상을 발생시킴에 달려있다. 열경화성재의 경우 혼합생산은 또는 반응윈도우가 충분히 길다면, 용매의 희석에 달려있게되며, 상승된 온도가 사용되어 수지의 점도를 낮추도록 한다. 열가소성 매트릭스는 성질상 점도가 높으며 고온 및 고압이 항상 사용될 수는 없다. 용액 방법이 통상 사용된다. 고온에서 끓는 용매사용 을 요구함과 관련이 있는 비용과 환경 및 건강문제는 이들 방법을 사용함이 바람직하지 않게 하고 있다. 많은 높은 성능의 매트릭스 수지는 어떠한 용제에서도 용융하지 않으며, 따라서 현재와 같이 높은 체적의 적용에서는 사용될 수가 없다.
성공적인 처리 방법의 주요한 특징은 수지침투가공재를 형성시키기 위해 섬유둘레에 중합체를 위치시키는 능력이다. 이용가능한 처리방법은 중합체를 섬유표면위의 최종 위치에 위치시키는 것이며 어떤 매트릭스로 적용가능해야만 한다.
(1) 용액처리
이 방법은 열경화성 및 열가소성 매트릭스 모두로 사용된다. 중합체는 용매속에서 용해되며 토우 섬유에결과의 저 점도 용액(Turton, N., 및 J. McAinsh의 미국특허 제 3,785,916호)이 스며들게 된다. 이같은 침투가 있은후에 용매를 완전히 제거하는 겻은 엄격한 요구조건이다. 염화메틸렌, 아세톤 및 N-메틸 피롤리딘은 용매로서 널리 사용된다. 에폭시, 폴리아미드, 폴리살폰산, 폴리페닐 살폰산 및 폴리에테르 살폰산은 용액이 스며들은 매트릭스중 몇가지이다.
(2) 슬러리 처리
폴리머 입자들은 액체캐리어속에 떠있으며 토우 섬유가 폴리머 입자를 담고 있는 슬러리 탱크를 통과한다. 폴리머 입자들은 로우 섬유내에서 트랩된다. Teylor(Taylor, G. J.의 미국특허 제 429,105호)는 한가지 처리방법을 설명하고 있으머, 이 방법에 의해 입자들이 25℃에서 점도를 400-300CP로 증가시키기 위해 폴리에틸렌 산화물과 같은 재료로 잔해진 물에서 떠있게 된다. O'Commor(O'Conner, J.E.의 미국특허 제4,680,224호)는 이같은 방법에서 슬러리의 적합한 농도를 발견하고 수지 탱크에서의 최적농도를 유지시키며 그리고 다이 입구(여기서 용액의 스며든 토우가 테이프 또는 박판의 시이트로 굳어진다) 과도한 수지의 축적을 유지시킴을 포함한다. 처리된 테이프내 최소의 무표 내용물은 약 2-4%이다. 또 다른 방법(Dyksterhouse, R. Dyksterhouse, J.A.의 미국특허출원 제 114,362호, 1987년 11월)은 교질화된 침투탕(impregnation bath)속 섬유에 플라스틱 흐름 특성, 전단-솎음(shear-thinning) 특성 및 중합체 입자가 균일하게 떠있는 중합체 바인더가 침투된다. PEEK-탄소 섬유의 무효가 없는 혼합물은 81000CP 점도를 갖는 교질화된 침투 탕속의 G30-500 탄소섬유를 침투시키므로써 만들어진다.
(3) 용융 침투
토우섬유에 용융된 중합체를 직접 침투시킴이 가능하다. 에폭시와 같은 열경화성 매트릭스의 경우 온도와 반응 운동학은 반응전에 게속적인 용융 침투를 허용한다. 열가소성 물질의 경우에는 두가지 접근방법이 사용되어 왔다 ; (a) 크로스 헤드 돌출부는 용융된 중합체를 다이(die)내로 공급하며 이를 통해 거친실(rovings)이 통과하게 된다(Moyer, R.L., 의 미국특허 제 3,993,726호. (b) 섬유가 침투 핀들이 고정된 용융된 수지 탕을 통과하며 토우내로의 중합체 투과도를 증가시키도록 한다. 침투 팬들은 가열되어 부분적으로 점도를 떨어뜨리므로써 침투처리를 더욱더 개선시키도록 한다(Cogswell, F.N., 등의 미국특허 제 4,559,262호). 어느경우에서나, 예를들어 크로스헤드 돌출부를 위한 다이 압력과 같이 섬유에 가해진 힘은 극히 높으며 섬유에 위험을 초래한다. 결과의 수지침투 가공재는 통상 접착성과 트레프트가 부족하다.
(4) 박막 스택 킹(stacking)
단일방향 토우 또는 짠 직물 형태의 섬유 보강층은 매트릭스재로서 열가소성 시이트로 싸아 올려지며 오랜시간동안 압력을 받아 굳어진다(Lind., D.J. 및 Coffey, V.J. 의 영국특허 제 1,485,586호). 이 방법은 생사이 비교적 용이하기 때문에 널리 사옹되고 있다. 그러나 수지함량이 높고, 토우 섬유에 높은 점도의 매트릭스재를 침투시키기(섬유에 고압을 가한다)가 어려우며 노동집약적인 이같은 처리방법이 자연히 비경제적인 단점들을 갖는다.
(5) 섬유의 공통-혼합(Co-mingling)
열가소성 매트릭스가 공동-혼합된 하이브리드 실(C1Emans, S.R. 매티리얼 엔지니어링, 105, 27-30(1988년 3월)을 생산하기 위해 가는 실로 방적될 수 있으며 보강의 로우 섬유로 공동-혼합된다. 이들 하이브리드 실은 합성 부분을 형성시키기 위해 응고된다. 이같은 기술의 단점은 하이브리드 실의 드레이프 가능성이다. 열가소성 실은 생산하고 이를 보강섬유로 직조하는 것은 하나의 단점이다.
(6) 건조 분말 주입
건조한 열가소성재 분말이 토우 섬유내로 삽입되며 가열에 의해 분말 입자를 섬유로 탕화하도록 토우 섬유가 처리된다. 이같은 기술은 열가소성 분말의 베드(흐르도록 되거나 느슨하게 포장된)를 통해 유리 조방(glass roving)을 통과하는 "프라스"의 특허(Price, R.V. 의 미국특허 제 3,742,106호)에 의해 처음 사용되었다. 평균 직경이 250마이크론인 폴리프로필렌 입자가 사용되었다. 입자들은 정전 인력으로 인해 섬유에 달라붙는다. 다음에 토우가 가열되며 다이를 통과하여 스며들게된 토우를 생성하도록 한다.
이같은 포화는 거시적이다. 즉 개별 섬유가 아닌 섬유의 입자 코팅 덩어리가 적셔지지 않은 부분과 빈틈을 남기게 된다. 이같은 처리방법은 주로 짧은 섬유로 보강된 열가소성 플라스택제를 만드는데 목적이 있다. Ganga(Ganga, R.A. 의 "가요성 혼합재 및 이를 생산하는 방법 및 장치", AT0113(DPI 8176) : "Procede de Fabrication d'objects Composites Obtenus", FR 2548084-A1, 1983년 6월) 는 유체화 챔버에서 20마이크론 이하의 폴리마이드 입자를 유체화하고 유리 조방을 포화시키며 이를 포화된 입자보다 낮은용융점의 이차재인 바같측 외장으로 커버한다. 두번째 외장은 토우위로 돌출되었다. Muzzy(Muzzy, J.D., 의 ASME Symposium on Manufacturing Science of composites, R27-39(1988년 4월) 최근에 PEEK 분말(50마이크론)의 정젼 유체화 베드를 통과하는 스프레드 토우를 통과시키므로써 프리프레그(prepreg)를 생산하는 능력을 설명했다.
건조한 분말 처리는 조절가능한 체적 파편으로 빈공간이 없는 혼합들을 만듦이 달성될 수 있다면 고속이며 저렴한 처리방법의 발생을 위해 최적의 가능성을 제공하게 된다. 이상적인 처리는 다음의 특성을 갖게된다.
i) 이는 매트릭스 점도없는 무관해야 한다. 최고 성능의 열경화성 및 열가소성 매트릭스는 이들의 점도를 줄이기 위해 필요한 높은 온도에서 매우 반응성이 있으며 이들의 연화점(무정형) 또는 용융온도(반-수성)이상에서 점도가 높다(10-10평형). 이용가능한 건조 분말 처리가 섬유를 개별적으로 필요한 양의 매트릭스로 코팅하여 중합체의 흐름이 토우 섬유의 바같측에서 안쪽으로 센티메타 거리가 아닌 마이크론 이하거리에서 발생되도록 하므로써 이같은 문제를 피해나가게 된다.
ii) 이는 처리 사이클의 나중 단계중에 증발되어야 하는 바인더 또는 용제의 사용을 피해야 한다. 이는 항상 혼합물의 기계적인 특성에 유해한 영향을 끼치는 빈공간의 근원이 된다.
iii) 사용된 재료의 평균 입자 크기는 최적의 포화를 위한 섬유의 크기와 대략 크기가 같은 것이 좋다. 상당히 크기가 큰 입자 크기는 브리징(bridging)을 일으키게하며 결국 섬유들 사이에서 수지의 불균일한 분산을 일으키게할 물리적인 제한으로 포화를 제한하게 될 것이다.
iv) 이들이 섬유와 접하게 되는 "포화 챔버"에서의 분말 입자농도는 항상 일정하고 조절가능해야 한다.
v) 입자를 섬유에 부착시키는 장치는 조절가능하며 환경 조건과는 무관해야 한다.
vi) 결과의 프리프레그 테이프는 가요성이 있으며 드레이프가 가능해서 복잡한 부분이 쉽게 형성될 수 있도록 형성되어야 한다.
vii) 이같은 처리방법은 최소에너지 사용을 필요로하며 노동집약적인 단계에서 벗어날 수 있고, 고속도로작업될 수 있으며 큰 크기로 확장시킬 수가 있다.
섬유를 다루는 것과 관련이 있는 특허로는 Kern에게로의 미국특허 제 2,244,203호 Crawford로의 제 3,017,309호, Burklund로의 제 3,304,593호, McAli1Ey 등으로의 제 4,534,919호, MeAli1Ey 등으로의 미국특허 제 4,714,642호 등이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 앞서 설명된 모든 기준들을 만족시키는 재료의 입자로 균일한 섬유 코팅을 달성하기 위한 건조 분말 처러를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 비교적 간단하며 경제적인 처리를 제공하는 것이다. 하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 섬유상에 침착될 입자들을 담아두기 위한 섬유둘레의 챔버수단, 그리고 입자들이 흐를수 있도록 되며 진동 장치가 작동되는 때 섬유에 침착되도록 상기 챔버 수단내에 장착된 진동장치를 포함하는 섬유위에 재료의 입자들을 코팅하기 위한 개선된 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 섬유상에 침착될 입자들을 담아두기 위한 섬유 둘레의 챔버수단, 그리고 입자들이 흐를수 있도록 되며 진동장치가 작동되어 섬유가 이 장치를 통과하는때 섬유바 침착되도록 상기 챔버 수단내에 장착된 진동 장치를 포함하는 섬유위에 재료의 입자들을 코팅하기 위한 개선된 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 본 발명 장치를 통과하여 이동하여질 토우 섬유의 섬유를 펼치고 분말을 코팅시킬 장치에 관한 것이며, 이같은 장치가 로우 섬유를 공급하기 위한 공급장치, 공급장치로부터 토우섬유를 펼치기 위한 스프레더 장치, 섬유에 침작되어질 분말을 담고있기 위한 토우 섬유 주위의 챔버장치, 스피커가 작동되는때 흐르도록 되고 토우 섬유를 향하도록 된 챔버수단, 그리고 코팅된 토우 섬유를 위한 당겨감기 장치를 포함한다.
본 발명은 또한 입자를 섬유에 코팅하기 위한 방법에 관한 것이며, 그 방법이 섬유에 한 재료의 입자들을 코팅하기 위한 장치를 제공하며, 섬유에 침착되어질 입자들을 담고 있기 위한 섬유둘레의 하우징과 그리고 챔버수단내에 장착되어 입자가 흐르도록 되고 진동기가 작동되는 때 섬유에 침착되도록 하는 장치를 포함하며, 본 발명 장치내 챔버속에 섬유를 제공하여 진동 장치가 작동되는 때 섬유가 입자들로 코팅되도록 하고섬유를 코팅시키기 위해 진동기를 작동시키는 방법에 관 것이다.
본 발명은 토우 섬유내 각 섬유 길이를 따라 열가소성 중합체 비이드(bead)를 가지는 토우 섬유를 포함하는 박판 제품을 위한 프리페그에 관한 것이다.
본 발명은 어떠한 프리포옴 처리 방법에 사용하는 경우에도 적합한 합성 프리페그를 생산하기 위한 저렴한 분말 처리 방법을 제공한다. 중합체 분말 입자는 커다란 챔버내에서 음향학적으로 유체화되며 퍼뜨려지는 것이 좋다. 섬유는 음향학적으로 분리되며 다음에 챔버를 통해 유체화된 분말내로 흡입된다. 개별 입자는 입자들로 규일하게 코팅되며 입자들이 이들의 최종 위치에서 개별섬유에 부착되어 가열시키어 입자들을 제위치에 고정시키도록 한다. 결과의 바람직한 프리페그는 유연하며 드레이프가 가능한 재료로서 이는 빈공간이 없으며 완전히 밀집한 혼합물을 만들도록 뒤이어 처리된다.
이같은 처리는 대량 생산될 수 있으며 자동화 기술로 제어된다. 이는 분말 형태로 생산될 수 있는 어떠한 중합체, 금속재 또는 세라믹재 매트릭스로도 사용될 수 있다. 프리페그 재료는 광범위한 농도에 대해 섬유체적분이 총 파생부의 2퍼센트로 조절된다. 이 방법은 10mm-50mm 너비를 갖는 프리페그 견본을 생산하는데 사용된다.
본 발명은 저렴하며/고속의 혼합 프리페그 방법에 관한 것이다. 이같은 방법은 섬유 체적분을 1퍼센트내로 조졀가능한 연속된 섬유 혼합 프리페그를 생산하는 것이다. 이같은 방법은 연속적이며 어떠한 용매도 필요로하지 않으며, 어떠한 섬유 매트릭스 컴비네이션과도 함께 사용될 수 있고 어떠한 프리페그 크기로도 크기가 조정될 수 있다. 주요한 장치와 이같은 처리를 위한 에너지 입력은 낮으며 따라서 저렴한 처리 방법을가능하게 한다. 이 방법은 통상의 유동화에서 가스 흐름에 거슬르게 되는때 중력을 극복하기 위한 음향학적에너지의 사용을 기초로 하고 있다. 접착성 분말(20마이크론 이하의 크기)의 접합과 채널링은 통상의 가스유동화 기술로는 달성하기 극히 어려운 이들의 유동화를 만든다. 그러나 본 발명은 유동화를 가능하게 하며 어떠한 크기의 입자도 바람직한 농도에서 싣을 수 있다.
음향 스피커는 섬유 토우를 개별 섬유로 분리하도록 하며 섬유가 통과하게 되는 챔버에서 반응성(예를들어 산소)이는 비반응성(니트로겐)이든 공기 또는 어떤 적절한 가스 속에서 작은 매트릭스 입자를 싣도록 한다. 입자는 각 섬유 필라멘트에 부착되며 프리페그가 하류에서 어느정도 응고하도록 처리할 수 있기 위해 가열 되는때 균일한 코팅을 제공한다. 결과의 프리페그는 트레이프가 가능하며 방적 또는 프리포옴 작업에서 사용될 수 있다.
음향학적 스피커는 약 8오옴 및 100와드 약 80-130dB의 음향 크기를 갖는 것이 바람직하다. 주파수는11.5-12Hz인 것이 바람직하다. 기본적으로 어떠한 주파수도 사용될 수 있으나 단부 패쇄부 및 분말을 포함하는 코팅 챔버의 고유 주파수에 상응하는 것이 바람직하다. 주파수는 가청 주파수에서 극초음파 범위 어디에서나 가능하나 가청범위를 포함하는 1-20,000Hz 사이인 것이 바람직하다.
카본 섬유(7.2마이크론 직경)과 작은 직경의 폴리아미드 분말입자(9.2±4 마이크론 평균직경 및 20마이크론 이하5-15마이크론 범위가 사용된다. 음향학적 에너지는 입자의 에어로졸화에 책임이 있다.
시스템(장치)의 개략도가 제1도 및 제1A-1E도에 도시된다. 토우 섬유(10)는 스풀(11)로부터 풀린다. 토우(10)가 안내링(12)을 통해 통과되며 스프레더(l4)로 보내지기전에 닙 롤러(13)사이를 통과한다. 스프레더(14)는 토우(10)의 섬유에 손상을 주지 않고 토우(10)를 그 개별 필라멘트들로 분리시키기 위해 고음 크기(80-130dB) 오디오 스피커(14a)를 갖는다. 닙 롤러(13)와 닙 롤러(15)은 스피커 이상의 영역 스프레드로우(10a)에서 일정한 슬랙을 유지시킨다. 토우(10a)는 로드(14b) 위 아래에서 지그-재그로 이동한다.
제2도는 스프레드 토우(10a)의 확대된 도면이며 간격이 떨어져 위치한 홀더(14c)에서 평행하게 축에 장착된 로드(14b)를 도시한다. 도시된 바와같이 스피커(14a)는 로드(14b)에 인접하여 그 아래에서 장착된다.
섬유의 스프레드 토우(10a) 폭은 안내장치(16)에 의해 조정되며, 스프레드 토우(10a)는 코팅 섹션(17a)에서 코팅 챔버(17)를 통과하게 된다. 이때 분무된 입자(P₁)입자들이 스프레드 토우 개별 섬유(10a)에 충돌하고 이를 코팅시킨다. 입자 P₁는 챔버(17)의 저부에서 페쇄된 하우징(17c)내이 장착된 2차 스피커(17b)에 의해 분무된다. 고무로 만들어진 격막(17e)은 스피커(17b)를 챔버(17)내 압자 P로부터 분리시킨다. 고무 격막(17f)은 반대편 단부에서 잼버(17)를 위한 폐쇄부를 제공한다.
하우징(17d)의 챔버내 입자와 함께 격막(17e)(17f)은 스피커(17b)에 의해 배치되는 것이 바람직한 고유주파수를 갖는다. 공진은 코팅 섹션(17a)에서 입자의 일정한 조정가능한 분무를 제공한다. 챔버(17)의 고유 주파수는 길이와 챔버의 직경 그리고 가요성인 격막(17e)(17f)인 것이 바람직한 탄성도 또는 단부 폐쇄의 결여의 함수로 변경될 수 있다. 입자의 P의 무게는 입자의 분무 Pl에 영향을 끼친다.
분말 P₁은 수집되어 재사용될 수 있다. 케이싱(17g)는 개구(17b)를 통해 챔버(17)로부터 달아나는 분말을 수집한다. 케이싱(l7g)은 분말 P₁이 대기로 달아나는 것을 막기위해 커버되는 개구(17i)를 갖는다.
챔버 섹션(17d)에는 가스 주입구(26)가 제공된다. 케이싱(17g)에는 필더(18)를 통해 가스 유출구(2l)가 제공된다. 이때의 가스로는 물론 다른 가스가 사용될 수도 있으나 건조한 공기이거나 니트로겐 가스인 것이 바람직하다. 가스는 챔버 섹션(l7d)과 코팅섹션(17a)에서 격막(17e)과 스피커(17b)와 함께 분말을 분무하는데 도움이 된다. 분말 P는 스피커(17b)에 의해 P₁으로 분무된다.
스며들여진 토우(10b)는 온도 조절기(20)에 의해 조절된 가열기(19)를 통과하며 다음에 당겨감기 드럼(23)에서 감기기전에 프리페그 테이프(10c)의 폭을 조절하는 안내장치(21)와 니프롤러(22)를 통과한다.
스피커(14a)(17b)는 주파수 발생기(24)와 전력 증폭기(25)에 의해 분리해서 조절된다. 스피커(14a)(17b)는 분리된 발생기와 증폭기(도시되지 않음)를 가질 수 있다.
제3도는 섬유(10b)의 토우를 코팅하기 위한 코팅 챔버의 또다른 타임을 보여준다. 이 챔버(30)는 정사각 단면의 케이싱에 의해 커버된다. 케이싱(31)는 가스 통기(31a)를 하나 갖는다. 챔버(30)는 가스를 위한한 유입구(32)와 입자들이 파이프(32)로 되흐르는 것을 막기위한 확산기 스크린(33)을 갖는다. 챔버(30)는 스피커(17b)에 의해 진동되는 단부에서 격막(30a)(30b)을 갗는다. 케이싱(31)에는 슬롯(31b)이 제공되며 챔버에는 토우(10b)를 위한 슬롯(30c)이 제공된다. 스피커(17b)는 제1도에서 처럼 하우징(17c)내에 장착된다.
다음의 실시예가 처리의 능력을 설명한다.
i) 실시예 1은 본 발명 방법에 의해 만들어진 프리페그 테이프가 수동 조정에 의해서 조차 재생가능함을 밝혀준다.
ii) 실시예 2는 바람직한 섬유-매트릭스 체적분으로 프리프레그(수지침투 가공재) 테이프를 주문생산할수 있음을 밝혀준다.
iii) 실시예 3은 본 발명 방법의 예비 단계로 수행되었으며, 코팅섹션은 분무기로부터 분리되며 파이프(도시되지 않음)에 의해 연결된다. 토우 섬유는 단계식으로 입자가 침투된다.
iv) 실시예 4는 빈공간이 없는 합성물을 만들도록 굳어질 수 있는 프리프레그 테이프를 보여준다. 이는 균일한 합성부분을 만들기 위해 굳어지는 단계가 프리프레그 테이프에서 섬유-패트릭스 체적분내 부분적변화를 평균해내는 영향을 갖는다.
제4a도 및 4b도는 본 발명 방법의 두 단계에서 취해진 포토마이크론그래프이다. 제4a도는 섬유의 프리프레그(10c)를 도시한다. 제4b도는 프리프레그(10c)의 빈 공간이 없는 응고가 용이하게 달성될 수 있다.
한 세트의 6개 프리프레깅 주행거리는 바람직한 처리 변형으로 수행되었다. 사용된 재료는 탄소섬유 토우(10)(3000 섬유/토우, Hercu1Es AS4 fibers, Hercu1Es, Inc., Magna, Utah) 및 폴리아미드 분말 P(9.2+/-4마이크론, Orgasol, made by ATOCHEM Inc., G1En Rock, New Jersey). 탄소 섬유 토우(10)는 니프(nip) 롤러(13)의 도움으로 섬유 스풀(11)로부터 풀린다.
다음에 토우(10)가 합판 하우징(14d)내에 장착된 10" 스피커(8오옴, 100와트)로 되어있는 스프레더(14)에 의해 펼쳐진다. 토우섬유(fiber tow)(10)는 스피커(14a)위를 통과하며 스피커 상측에는 1" 간격이 떨어져 있는 연마된 강철봉(14b)(3/8" 직경)이 있다. 강철봉(14b)은 일단 이들이 스피커(14a)에 의해 펼쳐지기만 하면 펼쳐진 토우(10a)를 그 상태로 유지하도록 되어 있다. 분무기는 합판 스피커상자(17c)(15" 스피커(17b), 8오옴,10와트)로 되어 있으며 그위로 원통형 플렉시글라스 칼럼(P₁Exiglass column)(8.2" 내부 직경, 15'' 길이)가 장착되게 된다. 진동하는 고무격막(30a)(30b)이 챔버(30)의 단부위 스피커상자(17c)위에 놓인다.
분무기가 세척되며 처음 운전이 시작되는 때 분말 P의 225그램으로 채워진다. 분무기와 스프레더(14) 모두는 각 시스템의 고유 주파수로 작동된다. 토우(10b)는 분무기내 입자 P로 침투되며 입자가 탕화되고 섬유상에서 합체되는 가열기(12" 길이)내로 들어간다. 다음에 결과의 프리프레그 테이프가 당겨감기 드럼(23)에 감긴다. 섬유 스풀(11)로부터 당겨강기 드럼(23)까지의 로우 섬유에 의해 이동된 거리는 65인치이다. 표I은 이같은 방법에서 모니터된 여러가지 크기의 변수들을 보여준다. 체적분은 프리프레그 테이프(10c)의 28" 길이를 중량을 달아보고 동등한 길이의 침투되지 않은 토우 섬유 무게를 비교하므로써 계산되었다.
[표Ⅰ] 프리프레그 실험-동일한 분무기 및 스프레더 조건
(I) 체적분은 무게 측정으로부터 재료의 밀도를 사용해서 계산된다.
매 운전시 동일한 오븐 온도, 분무기 및 스프레더 조건을 갖는다. 운전 1은 깨끗한 챔버로 시작되며 벽이 점차로 분말로 점결되어가며 더이상 점결이 일어나지 않는 포화 수준까지로 점결된다. 결과적으로 입자의 픽엎은 다른 5회의 운전과 비교할때 운전 1에서 보다 높다. 운전 2의 가스 속도는 제로이며 체적분 매트릭스는 다른 5회의 운전보다 보다 높은 표준편차를 보여준다. 이는 가스흐름이 최적의 입자동반을 위해 바람직함을 나타낸다. 모든 운전의 토우(10)속도는 당해 처리방법에서 사용된 모터의 수동 속도 조절 덕택에 다소 상이하다. 운전 6은 챔버가 분말 P로 다시 채워질 것을 필요로 한다. 이들의 불일치에도 불구하고, 평균 체적분 매트릭스는 22.5이며 표준 편차는 3.5이다. 상응하는 숫자는 보다 공정한 처음과 마지막 운전을 제외한다면 22.4 및 1.5이다
[실시예 2]
표 II는 한 세트의 4가지 프리페그 운저을 도시한 것이며 이들 모두가 실시예 1에서와 같은 섬유-매트릭스 컴비네이션과 같은 처리 방식으로 각기 다른 조건에서 수행된다. 획득된 체적분은 부무기 조건과 토우속도의 적절한 컴비네이션이 사용되어 프리페그 테이프가 적절한 체적분의 매트릭스를 만들도록 된다.
[표Ⅱ] 프리프레그 실험-각기 다른 조건
[실시예 3]
한 세트의 21프리프레그 운전이 선택적 처리 방법으로 수행된다. 이 방법에서 스프레딩 이후에 토우섬유가 분리된 침투챔버를 통과하며 이 침투챔버가 분무기로부터 동반된 입자를 공급받는다. 챔버(30)(3.15'' 내부 직경,6.50" 스피커, 8오옴, 50와트) 및 스프레더(14)(6.50'' 스피커, 8오옴, 50와트)는 동일한 주파수발생기와 증폭기(39Hz, 최고시 진폭이 24V 보다 크다)로 전원공급을 받는다. 챔버(30)에서의 프리프레징은 반-연속적 방식으로 행해진다. 즉 토우가 때때로 정지되어 침투 챈버내에서 2분간의 효과적인 잔류시간을 주도록 하다. 가열기는 200℃로 고정된다. 이같은 방법에서 니프 롤러는 사용되지 않는다. 매트럭스의 체적분은 표준편차 3.9의 51.8인 것으로 계산되며 섬유의 이동에 문제가 있는 4번의 운전을 배제시킨다.
[실시예 4]
프리프레그 테이프가 두-부분의 주형내에 수동으로 높이게 되머 195-200℃에서 각각 20분동안 압력을 받아 굳어진다. 결과의 표본은 상 분석 기술을 사용해서 광학 현미경 아래에서 섬유 체적분에 대해 분석된다. 이 기술은 표 Ⅲ에서 요약되어 있다. 350psi(2 : 414메가파스칼(MPa))에서 굳어진 처음 세 샘플은 몇몇 빈 공간을 보여주며 제4b도에서 도시된 바와같은 빈공간이 없는 875psi(6.034MPa)에서의 마지막 두 샘플보다 체적분 섬유에서 보다 높은 표준편차를 보여준다. 분말이 침투되어진 프리프레그 테이프의 최적 응고 주기 디자인은 결국 전체 합성물에서 섬유의 매우 균일한 분산이 제공되는 빈 공간이 없는 혼합물의 생산을 가능하게 한다.
[표 Ⅲ] 응고실험
이같은 방법에는 생산비의 이점이 있다. 우선 자본의 투자가 거의 없다. 이 시스템은 스피커(14a)(17b)와 발생기 그리고 증폭기(24)(25)와 닙 롤러(13),(15),(22)를 위한 표준 동기식 구동 모터를 포함하는 표준음향 컴포넌트를 사용한다. 작은 에너지가 이 시스템을 움직이기 위해 필요하다. 필요한 분말은 적다.
중합체 입자를 응고전에 분무기로 섬유표면에 고정시키기 위한 방법은 이 방법의 중요한 부분이며 다양한방법이 사용될 수 있다. 일반적으로 작은 중합체 입자 P₁를 자연적으로 충전시키므로써 섬유(10b)으로의 접착을 일으키게될 정전 흡입을 발생시킨다. 분말 P의 충전 특성은 이들의 성분, 환경적 및 대기적 조건에 따라 다양하며, 입자를 섬유(10b)로 끌어들이고 부착시키기 위한 선택적 방법을 개선하고 발전시키는 것이 바람직하다.
부과된 정전작용, 섬유의 사전가열 그러고 이들이 개별섬유(10b)에 충돌하는 동안 또는 그후에 입자를 고정시키기 위해 접착제로서 섬유 코팅을 사용하는 것이 사용될 수 있다. 만약 큰 정전전하가 중합체 입자P₁을 끌어들이기 위해 사용된다면, 분말의 정전 운반 용량의 변동 및 대기조건은 무시될 수 있다. 선택에 따라서는, 코팅 챔버(17) 입구에 놓인 관련령 노(도시되지 않음)가 사용되어 코팅챔버(17)로 이들이 들어가기전에 섬유(10b)를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 열 입력, 토우 섬유(10)의 속도 및 중합체 용해열의 컴비네이션은 입자 P₁가 충돌후에 부분적으로 용융하게 되며 섬유(10b)에서의 위치에서 응고하게될 조건들을 제공한다. 토우(10)에서의 코팅 또한 사용될 수 있다. 직물 산업으로부터의 공통된 실시는 100나노미터두개의 수지 코팅을 섬유(10b)에 적용하도록 사용된다. 만약 중합체 입자 Pl이하에서의 용융점을 갖는 재료가 코팅으로 사용된다면, 수동작업을 위해 실온에서는 건조하거나 들어붙지 않는다. 토우섬유는 펼쳐질수 있으며 정상적으로 다투어진다. 일단 펼쳐지기만 하면, 토우(10a)는 코팅챔버(17)로 들어가기전에 용융온도 이상으로 코팅의 온도를 상승시키도록 가열될 수 있다. 충돌시키는 분말 입자 P₁는 코팅 챔버(17)내에서 이같은 코팅에 부착되며 그 상태로 남아있게 된다.
입자의 유동화 및 운반은 이들의 재료 특성과 크기에 따라 변화한다. 토우섬유내의 이들의 분산성뿐아니라 그 크기에 의해 입자들의 음향학적 유동이 현재 발명의 방법에 의해 가변적이다, 10-50mm 프리프레그(10c)는 실시예에서 생산되나, 너비에 대한 이론적인 제한은 없다.
처리는 자동화된 제어에 의해 조절가능하다. 측정장비 및 음향 에너지, 열 에너지, 입자크기, 흐름 속도및 토우속도의 조정이 처리방법에 추가될 수 있다. 이같은 시스템은 재료의 물리적 특성(밀도,크기,음향 파우어,토우속도 등)이 이들 조정 산술을 위한 입력으로 사용될 수 있기 때문에 합성재를 위해 사용된 어떤 분말 매트릭스로 적용될 수 있다.
이를 시스템의 장점은 프리페그를 만드는 능력에 있으며 분말 입자는 서로 인접해 있고 굳어지기 위해 현미경적인 거리만을 흐르도록 되어야 한다.
마이크론파 처리 및 개발된 열 접근은 입자들로 코팅된 섬유를 가열하도록 사용될 수 있다.
이같은 시스템의 중요한 장점은 절단된 섬유로의 적용에 있다. 음향학적 유동화는 분말과 함께 절단된 섬유를 떠있도록 하기 위해 사용될 수 있다. 다음에 혼합된 섬유/분말 컴비네이션이 이동하는 표면위로 부착되며 절단된 섬유 합성물을 생산하기 위해 처리될 수 있다. 절단된 섬유는 또한 지지 스키린(도시되지 않음)상에도 제공될 수 있으며, 분말은 이들이 챔버(17)(30)를 통해 운반되는때 섬유위에 침착된다. 절단된섬유 방향은 조정될 수 있으며 따라서 절단된 섬유 프리프레그가 정돈되도록 만들 수 있다. 이는 무작위의 섬유 합성물에서보다 높은 강도의 합성물을 만드는 중요한 장점을 갖는다.
섬유에 접착된 입자는 섬유 체적의 약 10%-65%를 차지한다. 바람직한 체적은 섬유체적의 20-40%이다. 프리프레그는 각 섬유 또는 섬유 그룹을 따라 입자로부터의 중합체 비이드(bead)를 갖는다. 이들 비이드들은 섬유를 따라 섬유 직경 및 입자 크기에 따라 평균 1-1000마이크론씩 균일하게 떨어져 있다.

Claims (9)

  1. (a) 섬유에 부착되어질 입자들을 담기위한 섬유둘레의 챔버수단, 그리고 (b) 입자가 유동되고 진동수단이 작동되는때 섬유에 부착되도록 챔버수단내에 장착될 진동수단을 포함함을 특징으로 하는 섬유에 한 재료의 입자들을 코팅하기 위한 장치.
  2. (a) 섬유에 부착되어질 입자들을 담기 위한 섬유둘레의 챔버 수단, 그리고 (b) 스피커 수단이 작동되는 때 입자가 유동화되고 섬유에 부착되도록 챔버수단내에 장착된 음향학적 스피커 수단을 포함함을 특징으로 하는 섬유상에 한 재료의 입자를 코팅하기 위한 장치.
  3. (a) 섬유의 토우(토우섬유)를 공급하기 위한 공급수단,(b) 토우섬유를 공급수단으로부터 펼치기 위한 스프레더 수단, (c) 섬유에 부착되어질 분말을 담기위한 토우섬유 둘레의 챔버수단, (d) 분말이 유동화되고 스피커가 작동될때 로우섬유를 향하게 되도록 챔버수단내에 장착된 음향학적 스피커수단, 그리고 (e)코팅될 토우 섬유를 위한 당겨감기 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치를 통과하여 운반되어질 토우섬유의 섬유를 펼치고 섬유상에 분말을 코팅하기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서, 스프레더 수단이 토우섬유에 인접하여 장착된 스피커 수단이며, 이때에 챔버수단이 토우섬유 주위에서 분말을 유동화하고 퍼뜨리는데 도움이 되는 가스를 위한 한 유입구와 유출구를 가지며,가열기 수단이 당겨감기 수단과 챔버수단 사이의 로우 섬유둘레에 제공되어 토우섬유에 분말을 접착시키는데 도움이 되도록 함을 특징으로 하는 장치.
  5. (a) 섬유상에 부착되어질 입자들을 담기위한 섬유둘레의 챔버수단, 그리고 챔버수단상에 장착되어 진동수단이 작동되는때 입자들이 유동되고 섬유상에 부착되도록 하는 진동수단을 포함하는 섬유상에 한 재료의 입자들을 코팅시키기 위한 장치를 제공하며, (b) 진동수단이 작동되는때 섬유가 입자들로 코팅되는 장치내 챔버수단속으로 섬유를 제공하고, (c) 섬유를 코팅하기 위해 진동기 수단을 작동시킴을 포함함을 특징으로 하는 섬유에 입자들을 코팅하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 가열기 수단이 섬유둘레에 제공되어 분말을 토우 섬유에 접착시키는데 도움이 되도록 함을 특징으로 하는 방법.
  7. (a) 토우 섬유를 펼치기 위한 스프레더 수단, 토우섬유에 부착될 입자들을 담기위한 펼쳐진 토우섬유둘레의 챔버수단, 그리고 진동기 수단이 작동되는때 토우섬유가 장치를 통과하여 이동됨에 따라 입자가 유동화되고 토우 섬유상에 부착되도록 챔버수단내에 장착될 진동수단을 포함하는, 장치를 통과하여 운반될 토우섬유상에 재료의 입자들을 코팅하기 위한 장치(시스템)을 제공하며, (b) 이같은 장치속에 토우섬유를 제공하여 토우섬유가 진동수단이 작동되는때 입자들로 코팅되도록 하고, 그리고(c)토우 섬유를 코팅하기 위해 진동기 수단을 작동시킴을 포함하는 섬유에 입자들을 코팅하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 스프레더 수단이 토우 섬유를 펼치도록 작동되는 토우섬유에 인접하여 장착된 스피커 수단이고, 챕버수단이 토우 섬유 주위에서 분말을 유동화하고 퍼뜨리는데 도움이 되도록 챔버수단내로 공급되는 가스를 위한 유입구와 유출구를 가지며, 그리고 가열기 수단이 토우섬유 주위에 제공되어 분말을 토우섬유에 접착시키는데 도움이 됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제4a도에서 도시된 바와 같은 토우섬유상에서 각 섬유 또는 그 섬유그룹 길이를 따라 열가소성 중합체의 비이드(bead)를 갖는 토우섬유를 포함하며 제4b도에서 도시된 바와같은 적층물을 형성시키기 위해 결합될 수 있는 적층물용의 프리프레그(prepreg)로서, 이 프리프레그가 토우섬유 분말을 부착시키기 위해 챔버내에서 음향주파수를 발생시키는 진동수단을 사용하여 챔버내에서 토우섬유 둘레에 열가소성 중합체의 상기 토우섬유 분말을 분무하고 비이드를 갖는 프리프레그를 발생시키기 위해 상기 부착된 분말로 토우섬유를 가열하므로서 형성됨을 특징으로 하는 프리프레그.
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