KR950012846B1 - 유동성 고체입자형 중합체 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

유동성 고체입자형 중합체

제 1 도는 피스톤과 같은 기계적 수단에 의해 성형될 제품상에 가해지는 압력을 제어하기 위한, 그리고 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치의 개략도.

제 2 도는 주성형체임버에 중합체를 추가로 제공하거나 주성형체임버로부터 과잉의 중합체를 받아들이는 오버플로우(overflow)의 역할을 하는 보조체임버를 경우에 따라 포함할 수 있는, 그리고 가열에 의해 제품상에 가해지는 압력을 제어하는 것을 통해 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치의 개략도.

제 3 도는 성형될 제품상에 가해지는 압력을 제어하기 위해 중합체를 가열해주는 가열수단 및 중합체를 냉각시켜주는 냉각수단을 이용한, 그리고 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치도.

제 4 도는 성형될 제품 및 이 제품에 인접한 중합체에 열을 가해주기 위해 성형될 제품의 인접부에 설치한 가열수단을 포함한, 그리고 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치의 개략도로서, 도면에는 주체임버에 공급되는 중합체를 수용하거나 주체임버로부터 과잉의 중합체를 수용하거나 주체임버로부터 과잉의 중합체를 받아들이기 위한 체임버가 도시되어 있다.

제 5 도는 성형될 제품에 가해지는 중합체의 압력을 제어하기 위한 냉각수단을 포함한 제 4 도의 유사도.

제 6 도는 성형될 제품상에 가해지는 중합체의 압력을 제어하기 위해 성형체임버의 외측에 설치한 가열수단을 포함한, 그리고 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치의 개략도.

제 7 도는 제품상에 가해지는 압력을 제어하기 위한 가열수단 및 냉각수단을 포함한, 그리고 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치도.

제 8 도는 본 발명에 따라 성형될 제품에 대한 전형적인 압력, 온도, 시간 그래프.

제 9 도는 제품상에 가해지는 압력을 제어하기 위해 제품의 인접부 및 제품으로부터 이격된 부분에 설치한 가열수단을 포함한 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 장치도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 성형될 제품 2 : 압력용기

3 : 중합체 매개물 4 : 가열수단

5 : 보조용기 6 : 밸브

7 : 냉각관 8 : 외부의 가열수단

본 발명은 성형방법 및 조성물, 특히 제품을 가압성형하는데 유용한 조성물에 관한 것이다.

복합물질은 고강도 및 저밀도를 동시에 구비하므로 최근 관심의 대상이 되고 있는 물질이다. 통상 복합물질은 에폭시, 페놀수지의 기지(matrix) 또는 기타 중합체수지의 기지내에 혹연섬유, 붕소섬유, 유리섬유등을 개재시킨 것으로서, 특히 강도/밀도의 비가 우수한 복합물질은 항공재료로 사용된다. 그러나 항공재료로 사용되는 복합물질은 제조공정이 비교적 까다로우며, 섬유질과 실온에서 고화하는 수지를 단순히 적층시키는 수단으로는 제조할 수가 없다. 이와 같이 항공재료로 사용되는 복합물질은 수지와 결합시키기가 곤란할뿐만 아니라 결함이 없어야 하므로, 통상 고온고압하에서 성형 및 고화시키게 된다.

성형방법으로서는 복합프리프레그(prepreg)를 일방향으로 작동하는 프레스의 가열반(heated platen)들 사이에 설치하여 가압성형하는 방법이 바람직하지만, 금속제 가압성형다이의 경우는 그 가격이 고가이고, 고무제 가압성형다이의 경우에는 가격은 저렴하지만 다이가 두껍고 절연성을 가지므로 고화시간(cure time)이 지연되는 문제점이 있다. 더욱 문제가 되는 것은 상기 금속제다이나 고무다이 모두 그 복잡한 형상의 표면으로부터 균일한 압력을 얻는 것은 기대할 수가 없다는 점이다.

이러한 문제점을 해소하기 위해 제품에 등압을 가하면서 성형하는 방법이 있다. 제품의 프리프레그를 불투성의 가요성 진공 백(bag)내에 설치한 다음, 가열과 동시에 기체나 유체에 의해 등압을 가해주는 방법이 널리 사용되는 등압성형방법이다. 복합제품에 형태를 부여하기 위해서는 프리프레그를 강성구조물(금속)에 고착시키게 되는데, 문제는 여기서 발생하게 된다. 즉, 진공백에서 누출이 발생함으로써 제품에 가해지는 필요한 압력이 감소하게 되거나 가압매체와 부분적으로 고화된 중합체사이에 상호반응이 발생하는 것이다. 실제로 이와 같은 누출현상은 특히 고온고압하의 성형시 빈번히 발생하게 되며 이에따라 제품의 불량율이 매우 증가하게 된다.

전술한 문제점을 해소하기 위해 압력패드(pad) 성형법을 이용하게 되었다(참조 : "Silicone Rubber Puts on the Squeeze for High quality Cornposite Layups, Plastics World 1975년 6월 16일 매사추세츠, 보스톤의 Cahners Publishing Co.,Inc. 간행).

여기서는 미합중국, 미시간, 미드랜드의 Dow corning사 제품의 "Silastic J type" 공구용 고무와 같은 열팽성이 높은 실리콘 고무로 구성된 성형패드를 이용하고 있으며, 비고화 상태의 프리프레그를 인접한 패드들사이의 공간내에 수용시킨 조립체를 밀폐된 금속제용기내에 장입한 다음, 상기 금속제용기와 그 안에 장입된 조립체를 고온으로 가열하여 제품을 고화시킴과 동시에 상기 고무를 팽창시킨다. 통상 실리콘 고무의 열팽창계수는 전형적인 강철제 용기 및 전형적인 복합체 제품의 열팽창계수에 비해 약 18배이상 크므로 가열시 상기 고무는 그 팽창력에 의해 상기복합물질에 상당한 압력을 가하게 되고, 이에따라 소정형상으로 제품을 성형하게 된다.

이와 같은 압력패드 성형기술은 등압가압에 따른 누출문제를 해소할 수 있는 장점(즉, 백의 누출이 발생하더라도 성형압력에 악영향을 주지않으며 전술한 상호반응의 문제가 발생하지 않는다)이 있으나 소정의 온도-압력관계(예, 냉각시 압력을 일정하게 유지하는 것)를 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 이와 같은 온도-압력관계는 여러가지 구성요소사이의 기계적 결합상태와 함수관계에 있으므로 구성요소의 치수가 조금만 변화해도 선택된 온도-압력관계는 변화하게 되는 문제가 있다. 예를들면, 실온에서 패드의 체적은 금속제용기의 내부의 체적보다 6-8% 작게하여 급격한 압력증가(peak pressure)를 방지하게 되지만, 최고점(peak) 온도에서 상기 체적의 차이는 7-8.2%로 변화하게 됨으로써 그 최대압력은 7.2MPa로부터 1.7MPa로 감소하게 된다. 따라서 압력패드를 치수가 정확하게 일치하지 않는 새로운 압력패드로 교체한 경우, 또는 영구적으로 사용하는 고무가 설치되어 있는 경우에는 바람직한 온도-압력관계를 얻을 수가 없게된다.

또한 성형용 등압용기를 이용한 방법이 널리 이용되고 있는데, 통상 등압용기는 펠러(pfeiler) 등에 허여된 미합중국 특허 제 3,419,935호에 기재되어 있는 바와 같이 강력하게 제조된 것이며, 외부에 설치한 기체공급원으로부터 진공백내에 수용된 제품에 성형압력을 가하게 된다. 기체는 열전도도가 비교적 낮지만, 상기 특허에도 기재되어 있는 바와 같이 대류에 의한 열전달에 의해 온도변화가 발생한다. 유체에 의한 등압가압방법에 있어서는 물과 같은 유체를 이용하여 기체를 이용한 것과 동일한 방법으로 제품에 압력을 가하게 되지만 이 경우에도 열전달 현상을 기체의 경우와 마찬가지로 발생한다.

등압가압방법은 중합체기술분야 뿐 아니라 분말야금기술분야에서도 널리 이용되는 기술이다(예로써, 애스버리(Asbury)에게 허여된 미합중합체중국 특허 제 3,462,797호 및 볼라드(Ballard) 등에게 허여된 미합중국특허 제 3,279,917호를 참조). 가열방법에 따라서 여러가지 등압가압장치가 존재하지만 일반적으로 고온작동시스템의 벽부를 가열하는 것은 방지되고 있다.

전술한 압력패드방법은 특히 개량된 유체등압가압법이므로 중합체의 성형이 이용되어 오고 있다. 압력패드 성형방법에서는 압력용기를 사용하는데, 이 압력용기는 기체나 액체에 대해 기밀성을 가지지 않아도 된다. 압력용기내에는 성형될 제품이 위치하는 공동부를 구비한 실리콘 공구용 고무로 채워진다. 상기 공동부에 이해 제품이 성형되게 되므로 상기한 공구용 고무를 이용하는 것이다. 공구용 고무는 강도, 내마모성,내변형성이 비교적 우수한 필드(filled) 탄성중합체이다. 상기 압력용기, 고온 및 이 고무내에 수용되어 있는 제품을 가열해주면 고무(고팽창계수를 가짐)와 강(저팽창계수를 가짐)의 팽창의 정도가 다르므로 고무는 압력용기의 한계를 넘어 팽창하려는 경향을 나타내게 되며, 이것에 의해 고무내에 수용되어 있는 제품에 가해지는 압력은 증가하게 된다. 그러나 본 공구용 고무의 강도특성 때문에 이러한 성형방법에서는 제품상에 등압을 가할 수가 없으며, 압력용기와 고무 및 제품의 예비형태(precursor)사이의 결합상태 및 형상의 국부적인 변화에 따라 불균일한 압력이 발생하게 된다.

쿠마(Kumar) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 4,264,556호에는 특수한 등압가압용기 및 등압가압방법이 기재되어 있는테, 여기서는 용기내의 제품의 예비형체를 물 또는 액체 비스무스와 같은 매체로 둘러싸고, 압력변화는 상기 매체에 열에너지를 가감함에 따른 그 부피변화 또는 상태변화에 의해 이루어진다.

전술한 바와 같이 제품에 압력을 가함에 있어 기체나 유체를 사용하는 경우, 제품의 예비형태를 수용하는 백(bag) 또는 용기가 누설하면 제품의 예비형태에 가해진 압력이 손실되는 문제가 있다. 누출의 정도가 매우 소량인 경우 상기 백을 연속적으로 배출(evacuation)시켜 누출을 보상할 수 있으나 이 경우에도 압력기울기가 발생하게 되고 성형될 물질과의 화학반응이 발생할 수 있다. 또한 압력패드 성형방법에서는 용기와 이 용기내의 내용물을 한꺼번에 가열하는 불편한 방식을 취하고 있다. 전술한 바와 같이 압력패드 성형방법에서는 제품의 예비형태에 등압을 가할 수가 없으며, 또한 압력용기내에 설치한 공구용 고무는 최고점온도에서는 사용할 수가 없으며, 고무의 평균온도를 이용하는 것 외에는 독립적인 압력제어가 불가능하므로, 특히 냉각시 온도-압력관계의 선택폭이 제한되는 문제가 있다.

본 발명의 유동성 고체입자 중합체는 직경이 1.1cm, 길이가 7.56cm인 관을 통해 10.34MPa의 압력하에서 적어도 0.6g/sec의 공칭유동율을 가지는 것으로서, 열 및/ 또는 압력에 응동하여 밀폐된 압력용기내에 설치된 성형될 제품의 표면상에 균일한 압력을 가할 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본원 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 성형용 매개물은 그 온도와 압력에 대한 감응성(responsivenece)과 유동성 및 고체특성에 의해 제품의 예비형태의 표면상에 균일하고 제어가능한 압력을 가할 수 있는 매개물이다. 본 발명의 일실시예의 매개물은 -4+30U.S.mesh(4.7-0.42mm)의 입도를 가진 언필드(unfilled)고무입자로서, 이것을 69kPa(10psi)의 압력으로 가압해주면 응집하여 공공(void)이 없는 매개물이 된다. 이밖에 350kPa 이하의 압력하에서 응집하는 것도 있다.

본 발명의 일실시예의 중합체의 쇼어 A경도는 약 15이하, 통상적으로 8이하, 바람직하게는 1이하이며, 그 압축강도는 1MPa 이하, 바람직하게는 0.2MPa 이하이다.

본 발명에서 매개물의 유동특성은 매우 중요한 인자로서, 10.34MPa(1500psi)의 입력을 가해주었을때, 직경이 1.1cm이고 길이가 7.6cm인 관을 통해 적어도 0.6g/sec의 공칭유동 속도를, 통상적으로는 6g/sec의 유동속도를 가진다.

특히, 실리콘 고무는 성형장치의 일부로서, 그리고 바람직한 가압매개물로 사용된다. 가장 바람직한 고무는 부루너(Bruner)에게 허여된 미합중국 특허 제 3,843,601호에 기재된 고무를 개량한 것이며, 또한, 제람(Jeram) 등에 허여된 미합중국 특허 제 4,011,929호의 것도 참고가 될 것이다. 일반적으로 채택되는 물질은 비닐기를 가지는 디메틸실리콘류(dimethylsilicones)로서, 이 물질은 여러가지 고무경화기술을 이용한 폴리실록사인류(polysiloxanes)의 제조방법을 포함한 종래의 제조기술로서 제조한다. 종래로부터 사용되어오던 물질로서는 미국, 미시간, 미드랜드의 다우코닝사(Dow Corning Corporation)에서 제조한 X5-8017로 표시(종전에는 NO.6360 81로 표시하던 물질이며, 이하 간단히 8017로 표시함)되는 언필드 실리콘 고무가 있다. 이 8017 실리콘 고무의 특징은 저강도 및 고파쇄성으로서, 2.5㎠(넓이)×1.27㎝(두께)의 시편으로 실험했을때 이것의 쇼어 A경도는 1이하(쇼어 ○○경도로는 50-55), 압축강도는 70kPa이고, 약 40%의 압축변형시 입자형태로 잘게 부서지는 성질이 있다.

8017실리콘 고무의 이와 같은 특성은 고강도이고, 변형에 대한 저항력이 크고, 신축성이 큰 종래의 고무의 특성에 비교가 되는 성질이다. 예로서, 다우 코닝 실래스틱 E 고무(Dow Coming Silastic E rubber)는 필드(filled)처리된 것으로서, 그 압축강도는 200MPa 이상이고 약 80%의 압축시 파괴가 개시된다. 또한 본 발명에 유용한 중합체 매개물을 직경이 1.1cm인 관내로 강제로 집어넣으면 작은 입자로 잘게 분쇄되는 현상이 발견되었다. 약 50중량%의 30메시(공칭)의 분말을 40메시의 스크린상에 올려놓으면 약 25중량%만이 스크린상에 잔류하게 된다. "고파쇄성(high friability)"이라함은 적절한 치수의 고형물에 적절한 기계적인 힘을 가했을때, 또는 손가락사이에 넣고 비볐을 경우에도 작은 입자로 분쇄될 수 있는 저강도를 가지는것을 의미한다.

본 발명에서는 통상적으로 입자형 탄성중합체를 사용한다. 상기한 8017 매개물을 입자형 고형물로서 이용하는 경우, 압력을 가하기 전에는 입자들이 제품의 예비형체의 표면으로부터 이격되어 존재하게 되지만, 압력을 가해주면 입자들이 상호응집하여 연속적인 그리고 기공이 없는 매개물이 형성되며, 그 고유의 탄력성에 기인하여 제품의 예비형체의 표면상에 수압(hydranlic pressure)과 같은 균일한 압력을 가하게 된다. 실험에 의하면 이 8017 물질은 70kPa의 압력을 가해주었을때 응집하게 되며, 이때 입자들간의 계면이 밀착결합함으로써 압축된 고무는 불투명이 아니고 반투명상태가 된다. 상기 8017물질은 이것이 -30메시의 분말인 경우 실제밀도는 0.97g/cc, 겉보기 체적밀도는 0.5g/cc이며, 약 70kPa의 압력을 가해주면 응집하여 밀도가 0.94-0.97g/cc인 반투명물질이 된다(또한,70kPa 내지 13.8MPa의 압력을 더 가해주면 10MPa의 압력당 약 0.4체적%의 체적변화가 발생한다).

전술한 바와 같이 응집상태하에서는 공공이나 기포(흡수된 기포는 제외)가 거의 존재하지 않는다고 생각된다.

따라서 응집성을 가지는 물질이라 함은 입자의 형태에서 성형압력을 가해주었을때 상기한 특성을 나타내는 것을 의미하는 것으로서, 이와 같은 본원 발명에 사용되는 물질의 응집성은 미합중국 특허 제 4,041,123호에 기재되어 있는 바와 같이 소위 위등압(psuedoisostatic) 가압하에서 균일한 압력을 발생할 수 없는 입자상의 강성(rigid)금속 및 세라믹물질과 구별되는 특성이다.

다양한 성형실험 및 물질의 특성실험결과 바람직한 성과는 매개물이 그 강도가 작고, 성형압력하에서 응집성이 있으며, 물과 같은 유동특성을 가졌을때 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 상기한 실래스틱(silastic)공구용 고무의 특성과는 대조가 되는 파쇄성(friability)은 유동특성과 관련이 있는 것이라고 생각된다. 본 발명 이전에는 상기 8017 대신 다른 실리콘 고무가 사용되어져 왔으며, 그밖에도 본 발명에 이용할 수 있는이미 개발되거나 앞으로 개발될 수 있는 유기질 중합체가 있다. 양호한 성형성과와 관계되는 바람직한 특성을 설정하기 위해 전술한 유동실험장치와 표준장치에서 다양한 고무를 사용하여 성형실험을 실시했다.

실래스틱 공구용 고무로 구성된 고체 압력패드를 사용했을 경우, 소정의 평균온도 및 평균압력을 얻을 수 있을지라도 제품상의 여러 지점 및 고무내에서 상당한 압력차이가 존재했으며, 이와 같은 압력차는 불규칙한 형상의 제품의 예비형태를 사용했을때 특히 심하게 나타난다. 입자상의 8017물질을 사용한 비교 실험에서는 약 6.9MPa의 공칭압력하에서 최대압력차가 2%에 불과했다. 또한 그밖의 유용한 물질에서는 10% 이하의 압력차가 발생했다.

성형압력하에서 나타내는 본 발명의 매개물의 상기한 유동특성은 이 매개물이 우수한 특성을 가진다는 것을 반영하는 것으로서, 이와 같은 유동특성에 의해 상기 매개물은 용기내에서의 자유로운 유동에 의한 재분포가 가능하며, 또한 절대치 압력과 다양한 압력으로 제어할 수 있다. 실험결과 이와 같은 유동특성이 본 발명의 매개물과 압력패드 성형방법에서 종래에 사용하던 매개물의 차이점이라는 것이 밝혀졌다. 이와 같은유동특성은 점성과 유사한 것으로 추측할 수 있다. 그러나 이와 같은 본 발명의 중요한 특성을 측정하기 위한 표준적인 실험방법이 존재하지 않기 때문에 전술한 바와 같이 하향운동이 가능한 피스톤을 가지는 실린더로 구성된 실험장치를 고안했다. 실린더내에는 실험대상인 고무 또 기타 매개물로 채워지며, 이 실린더의 측면에 설치한 착탈가능한 관을 통해 중량계위로 방출된 고무는 변환기에 의해 측정된 고무에 가해진 압력과 시간의 함수로써 그 중량이 기록된다. 상기 관은 스텐레스강으로 제조한 것으로서 내경이 1.1cm, 길이가 7.6-15.2cm이며, 32-64RMS(Root Mean Squeare) 정도의 표면마무리가공을 하여 매끈한 표면을 가지는 것이다.

충전재를 함유하지 않은 다우 코닝 실리콘 고무(NO.93-104)도 또한 유용한 물질이며, 또한 상기한 부루너의 특허 제 3,843,601호에 기재되어 있는 폴리겔 c-1200 실리콘 고무(Polyege C-1200 Silicone rubber)도 본 발명에 유용한 물질이다.

상기 물질물은 또한 완성된 성형제품의 품질의 양불량정도에 따라 그 유용성을 평가할 수도 있는데, 예를들면 완성된 성형제품에 있어서 가열단계나 냉각단계시 온도와 압력이 적절하게 가해지지 않는 부분은 그밀도가 낮아지거나 균열이 발생한다는 사실로부터 물질의 유용성을 평가한다.

일반적으로 중합체 매개물은 유동성을 가진다. 즉 성형압력이 가해졌을때 질량이동(mass transport)이 발생할 수 있다. 전술한 바와 같이 15.2cm의 관 및 10.3MPa의 압력을 사용한 장치를 사용하여 실험했을경우, 바람직한 매개물의 유동속도는 적어도 0.6g/sec, 통상적으로는 6g/sec, 바람직하게는 25g/sec이며, 그 쇼어 A경도는 약 15이하, 통상적으로는 8이하, 바람직하게는 1이하이며, 그 압축강도는 1MPa(145psi)이하, 바람직하게는 약 0.2MPa이다.

전술한 바와 같이 채택된 고무의 파쇄성은 바람직한 특성으로서, 파쇄성을 가진다고함은 실래스틱 E 고무 또는 실래스틱 J 고무보다 분쇄되는 경향이 큰 것을 의미한다.

또한, 전술한 바와 같이 채택된 물질은 350kPa 이하의 압력하에서, 바람직하게는 240kPa 이하의 압력하에서, 더욱 바람직하게는 69kPa의 압력하에서 응집하여 공공이 없는 압분체를 형성할 수 있는 것이다.

본 발명은 현재 구득할 수 있는 몇몇 물질들의 특성에 대해서만 특정되며, 측정된 전체적인 특성이 필요하다는 것을 입증하기 위해서는 데이타가 불충분하다.

상기한 입자들이 유한치수의 고체이고, 기체나 액체를 도입시킬 필요가 없으므로, 등압조건이 달성되는 경우에도 진공백(bag)을 기밀(gas tight)로 유지시킬 필요가 없다. 여기서는 소형의 개구들이 소형입자들에 의해 폐쇄되게 된다. 즉, 입자 및 입자의 압력에 의해 백의 기밀이 형성된다. 또한 고압을 가하는 단계 이후에 실리콘 고무입자의 압분체가 대기압하에 놓이게 되면, 고무입자들은 약한 결합력으로 응결되어 있으며, 이것들은 종래의 진공수단과 같은 수단에 의해 상기 용기로부터 쉽게 제거된다.

성형장치내에 입자상의 중합체를 도입시키는 것이 바람직하기는 하지만, 부분적으로 또는 전체가 하나의 커다란 고체인 물질을 도입시키는 것도 가능하다. 성형시 용기 및 이 용기의 부속설비(단 이 부속설비를 사용하는 경우)내에서 상기 매개물은 유동 가능하게 되며, 이와 같은 유동의 결과 매개물은 많은 입자형태로 분쇄된다. 따라서 하나의 고체물질을 사용하는 경우에도 입자상의 중합체를 사용할 때와 같은 현상을 관찰할 수 있다.

용기내에는 상기한 중합체 매개물과 성형될 제품이 수용되지만, 상기 매개물내에 기타의 물체, 입자, 물질 등을 수용시킬 수도 있다. 성형시 물질내에 공공이 제거된다고 하는 것은 중합체의 성형시 그 제조특성에 기인되어 존재해 있던 공공이 제거되는 것을 의미하는 것이 아니고 각 중합체입자 사이의 공간이 제거됨을 의미하는 것이다.

충전재를 함유하지 않은, 소위 언필드 실리콘 고무가 본 발명의 바람직한 물질이지만 그밖의 소정의 특성을 구비하는 물질도 사용할 수 있다. 대부분의 실리콘 고무는 장기간 사용시 사용온도에 한계(예, 약 288℃(550°F))가 있으나, 비닐메틸실록사인(vinylmethylsiloxane) 실리콘 수지 및 실페닐린(silphenylene) 실리콘 수지의 경우는 약 482℃(900。F)의 온도까지 사용할 수 있다.

제 1 도는 본 발명의 방법 및 장치를 개략적으로 도시한 것으로서, 스텐레스강과 같은 재료의 압력용기(2)내에 제품(1)의 예비형체가 중합체 매개물(3)내에 매립되어 있다. 이와 같은 실시예의 경우, 압력용기에 가열원(heating source)를 설비할 필요가 없고, 실온에서 압력을 가하는 것만으로 물체의 성형 또는 적층을 달성할 수 있는 경우에 적합하다. 플런저(4)는 성혈될 제품에 균일한 압력을 가해주기 위한 설비이고, 이 압력을 검출하기 위한 주지의 압력변환기를 압력용기내의 여러곳에 설치할 수 있다.

본 발명에서는 임의의 압력을 사용할 수도 있으나 복합물질과 같은 물체의 성형시에는 통상 l3.7MPa(2000psi) 까지의 압력을 사용하며, 탄소-탄소복합체의 성형시에는 27.6MPa(4000psi)까지의 압력을 사용할수 있다.

제 2 도는 성형될 제품(1)이 압력용기(2)내의 고체의 유동성 중합체 매개용(3)내에 매립되어 있는 것을 도시한 것으로서, 이 실시예에서는 성형될 제품상에 가해지는 중합체 매개물의 압력을 증가시키기 위해 가열수단(4)을 사용하고 있다. 즉, 매개물의 온도를 상승시킴에 의해 제품에 가해지는 압력을 증가시키는 것이다. 때에 따라서는 밸브(6)을 구비한 보조용기(5)를 추가로 설비할 수도 있다.

상기 밸브(6)은 일방향밸브, 오버플로우식 밸브 또는 주성형체임버에 중합체를 공급하거나 과잉의 중합체를 주성형체임버로부터 받아들이기 위한 양방향밸브로 한다. 가열수단으로서는 저항가열식, 중기가열식 또는 기체나 오일과 같은 열전달매체를 통한 가열식 등을 이용한 주지의 가열반 또는 코일로 구성할 수 있다.

제 3 도는 제 2 도의 구성에 냉각관(7)을 추가로 설치한 것으로서, 이 냉각관(7)에 의해 매개물의 온도를 더욱 양호하게 제어할 수 있게 되며, 이에따라 성형될 제품에 가해지는 압력도 더욱 양호하게 제어할 수 있게 되어 있다. 만일 매개물의 온도가 제품상에 가해지는 압력을 균일하게 유지할 수 없을 정도로 지나치게 빠르게 그리고 높게 상승하는 경우에는 냉각관(7)의 온도를 조절하여 매개물에 의해 발생하는 압력을 조절할 수 있다. 상기 냉각관(7)은 주지의 금속관 또는 플래스틱관으로서, 냉각제로서는 물, 프레온 솔벤트(Freon

solvents(듀퐁사 제품)), 여러가지 기체(질소 등)등을 사용한다. 제 4 도는 제 2 도와 유사한 구조이나 이 실시예에서는 가열코일 또는 가열반(4)를 도시한 바와 같이 성형될 제품에 더욱 가깝게 배치하여 성형될 제품에 직접 열을 가해주는 구성으로 되어 있다. 이 실시예는 에폭시수지와 같은 열경화성 재료로 제품을 성형하고, 또 고화(curing)가 요구되는 경우에 적합하다. 또한 상기 가열코일이나 가열반으로부터 발생된 열은 성형될 제품상에 가해지는 압력을 조절하는 데도 역시 사용된다. 보조체임버(5) 및 밸브(6)은 제 2 도와 동일한 것이다.

제 5 도는 제 4 도의 구성에 냉각수단(7)을 추가로 설비하여 성형될 제품과 매개물의 온도를 조절함으로써 성형단계를 통해 매개물의 압력을 더욱 양호하게 제어하도록 한 것이다.

제 6 도는 내부에 가열수단을 설치하지 않은 실시예로서, 압력용기(2)내의 중합체 매개물(3)내에 성형될제품(1)이 매립되어 있으며, 제품(1)상에 가해지는 압력을 적절히 조절해 주기 위한 보조체임버(5)가 밸브(6)을 경유하여 추가로 설비되어 있다. 앞에서는 압력을 조절해주기 위한 수단의 하나로서 보조체임버와 밸브 등을 제시하였으나 스프링가압밸브 또는 제 1 도에 도시한 플런저 등과 같은 그밖의 수단도 가능하다. 본실시예는 상기한 조립체를 오븐과 같은 외부가열수단(8)을 통해 가열시키도록 되어 있다.

제 7 도는 제 5 도의 구성과 유사하지만 이 실시예에서는 가열수단을 제품(1)으로부터 이격설치함으로써 제품(1)보다는 중합체를 우선적으로 가열해주고, 이에의해 제품(1)상에 가해지는 압력을 증가시켜준다. 이 냉각수단(7)은 기능은 중합체 매개물의 압력을 감소시키는 제 5 도의 냉각수단(7)의 기능과 동일하다.

제 8 도는 전술한 실시예들을 통해 수시간에 걸쳐 측정한 매개물의 온도 및 압력변화에 관한 데이타를 도시한 것이다.

제 9 도는 제 5 도의 구성에 추가의 가열수단(4)를 설치한 실시예로서, 이 가열수단(4)는 제품(1)과 이격설치되어 있으므로 우선적으로 중합체 매개물을 가열하여 제품(1)상에 가해지는 압력을 증가시키게 되어 있다. 본 발명은 기계적 수단이나 매개물의 열팽창과 같은 수단에 의해 제품의 예비형체로부터 이격된 위치의 매개물에서 발생하는 압력을 이용하는 것이다.

균일한 압력 및 온도를 제어가능하게 부여할때 발휘되는 전술한 바와 같은 매개물의 특성에 의해 균일한특성을 가지는 복합중합체 제품을 성형할 수 있다.

본 발명의 매개물은 열절연성 물질이므로 성형될 제품상에 가해지는 온도 및 압력을 독립적으로 제어할수 있고, 균일한 압력을 발생할 수 있으며, 냉각시 압력을 유지할 수 있다. 또한 본 매개물이 고체이므로 종래기술의 문제점이었던 성형될 제품의 기체나 액체에 대한 기밀처리(seal)가 불필요하게 된다. 또한 완성된 제품이 특히 복잡한 형상의 제품인 경우에는 종래의 압력패드방법에 의해 제조한 제품보다 그 특성이 매우 균일하다. 또한 본 매개물이 유동성이 있고, 압력용기내에 수용된 물체가 성형시 변화될 수 있도록 하기 때문에 압력패드기술에서 영구적인 고무를 사용함으로써 발생하는 문제점을 해소하게 된다.

본 발명의 일반적인 실시방법에 의하면 성형시킬 제품을 압력용기내에 설치하고, 특별한 특성을 가지는 중합체 매개물을 통해 성형될 제품에 압력을 가하게 된다. 통상, 제품이 가열되면 공구에 의해 제품의 일면에 형상을 부여하게 된다. 상기 공구는 압력용기의 중앙부에 설치한 제품의 예비형체와 접촉시킨 어떤 면으로 구성하고, 이 면에 매개물의 압력을 가하거나, 상기 공구를 용기의 벽면으로 구성하고 이 용기의 벽면에 직접 매개물의 압력을 가하게 한다. 또한 이들의 조합으로 구성할 수도 있다. 본 중합체 매개물은 고체이고 또 유동성이 있으므로 어떠한 방향으로나 균일한 압력을 가할 수 있는 장점이 있다. 이는 특히 복잡한 형상의 제품을 성형함에 있어 종래에는 복잡한 장치를 사용하면서도 성형이 곤란했다는 점에 비추어볼때 중요한 장점이 된다.

복합제품을 성형하고자 하는 경우, 제품의 프리프레그(prepreg)(충전재 또는 섬유, 그리고 수지로 구성된 고화되지 않은 합성물)를 압력용기내에 설치하고, 그 주위에 매개물을 채운후 소정의 온도-압력관계에 따라 매개물을 가압하는 동시에 성형될 제품을 가열한다.

상기 압력용기, 매개물, 제품 및 기타 부속설비 등의 열적안정성에 따라 제한되기는 하지만 상기 매개물 및 사용한 장치의 특성에 의해 소정의 온도와 압력의 조합을 달성할 수 있다.

이하 본원 발명의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.

페놀수치 SE l008(미합중국, 오하이오, 콜럼버스의 보든 케미칼 컴패니사 제품)과 CCA 탄소(미합중국, 캘리포니아, 가드나의 HlTCO사 제품)으로 제조한 복합체를 프리프레그로서 강철제 용기내에 설치한다. 상기 복합체는 0.15mm 두께의 불투성 나일론백으로 포장되어 내부 가열체를 구비한 다이위에 설치된다. 상기 나일론백은 기밀울 유지한 것으로서 압력용기를 통하는 도관과 연통해 있으며, 도관의 단부는 대기나진공펌프와 연결된다. 상기 압력용기내에는 8017 탄성중합체로 채운다. 이 8017 탄성중합체의 입도는 -4+35U.S.sieve size(4.7-0.42mm의 평균입도)이며, 그 열팽창계수는 강철제 용기의 열팽창계수에 비해 약 18이상 크다.

상기 제품의 예비형체는 예로써 제 8 도에 도시한 바와 같은 소정의 온도-압력관계로 처리된다. 상기 온도-압력관계는 실온 및 대기압에서 출발하여 실온 및 대기압에서 종결한다. 제 1단계 공정은 상기 프리프레그가 응결하도록 70-350kPa의 비교적 저압으로 가압하는 동시에 프리프레그에 점차적으로 열을 가하여 유연하게 만드는 것이다. 초기의 압력을 고압으로 할 수도 있으나 복합물질내의 보강용 섬유가 파괴되지 않도록 주의해야 한다.

상기 제품의 예비형체의 온도가 82℃에 도달하면 분당 7-14kPa의 비율로 압력을 증가시켜 최대압력이 약 10.3MPa이 되도록 한다. 다음에 온도를 116℃까지 상승시켜 수지를 겔화(gelation)시킨다. 이때 수지의 점성의 비교적 저하되며, 수지는 유동하여 치밀한 제품을 형성한다. 이와동시에 프리프레그로부터 휘발성 물질이 도관을 통해 제거된다. 상기 겔화단계의 종료후에는 압력은 일정하게 유지하고 온도를 분당 약 1-1.5℃의 비율로 증가시킨다. 다음에 상기 예비형체를 1-6시간동안 160℃의 최종 고화온도에 유지하여 수지를 중합시킨다. 소정의 중합상태를 얻은 후에는 냉각단계를 실시한다. 먼저, 압력을 일정하게 유지한상태에서 제어된 속도로 온도를 82℃까지 저하시키고, 이어서 분당 21-35kPa의 비율로 대기압까지 압력을 감소시킨 다음, 용기로부터 완성된 제품을 제거해낸다. 실험에 의하면 용기내의 열구배에도 불구하고 그 압력구배는 350kPa 이하, 통상적으로는 210kPa 이하에 불과하다는 것이 밝혀졌다.

제 4,5도에 의하면 제품의 예비형체를 지지하는 공구를 가열하고, 이에 의해 제품의 예비형체를 가열시키는 것을 알 수 있다. 언필드고무의 열전달율은 비교적 작지만, 이에대한 대안으로서 용기전체를 가열시키거나 제품근처의 매개물내에 가열체를 설치한다. 상기 고무는 비교적 높은 열팽창계수를 가지므로 고무를 가열해주면 팽창하여 용기내의 압력이 상승한다. 압력이 지나치게 상승하는 것을 방지하기 위해서는 제품의 예비형체로부터 이격된 부위의 매개물을 냉각시키거나(제 3, 5, 7 도 참조), 용기를 보조용기와 연통시킨다. 반대로 용기내의 압력이 불충분한 경우에는 제품의 예비형체의 근처 및/ 또는 이격된 부분의 매개물을 더욱 가열하거나 용기내에 매개물을 강제로 추가시켜준다. 이와 같이 매개물을 강제로 추가시켜주는 것은 특히 냉각단계시 소형의 압력을 얻는데 유용한 방법이다.

도면에서는 성형용기 내외로의 중합체 매개물의 유동을 제어해 주기 위한 수단으로서 밸브를 사용한 것으로 도시하고 있으나, 주지의 플런저 또는 펌프와 같은 수단을 사용할 수도 있다.

압력용기내의 중합체 매개물의 압력은 피스톤을 이용한 수단이외에도 용기를 가열하거나 냉각시키는 방법에 의해 제어할 수 있으며, 본 발명의 전형적인 실시예에서도 실리콘 고무의 열팽창성을 이용하여 용기내의 압력을 제어하고 있다, 상기 매개물은 고체이지만 실래스틱 E 공구용 고무나 실래스틱 J 공구용 고무와 같은 종래의 매개물에 비해 거의 균일하게 압력을 전달할 수 있는 것이 그 특징으로서, 6.9MPa의 압력하의 용기내의 제품의 예비형체상에 가해지는 압력변화는 약 0.7MPa 이하, 통상적으로는 약 0.25이하이다.

이상에서는 복합중합물질(예, 주지의 폴리아미드, 폴리이미드, 에폭시수지, 폴리에테르에테르케톤, 폴리설폰수지 등에 주지의 유리섬유, 흑연섬유 등의 충전재를 복합시킨 것)을 성형에 관해서만 기재하였으나,기타의 중합체물질, 적층재의 성형에도 이용할 수 있으며, 금속(예, 알루미늄 분말로 구성된 예비형체)과 세라믹을 포함한 다른 물질의 성형에도 이용할 수 있다. 본 명세서에서 사용한 "성형"이라함은 성형될 제품의 표면상에 압력을 가하는 모든 처리방법을 포함하는 용어이다.

또한, 이상에서는 밀폐된 용기를 통한 방법에 대해서만 기재하고 있으나, 로케트 모터 케이스의 라이닝성형의 경우와 같은 변경된 방법도 가능하다. 또한, 성형용 공동부를 구비한 하부의 메일다이(male die)와 이 메일다이를 감싸고 있는 상부의 피메일다이(female die)로 구성된 장치내에 성형될 제품의 예비형체를 설치하고 그 상부의 공간에 실리콘 고무로 구성된 매개물을 채우고, 상기 양 다이를 결합시키면 매개물의 체적이 변하게 되고, 이에따른 가압에 의해 제품을 성형하는 방법도 있다. 이상의 변경예에서도 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 다양한 성형방법에 이용할 수 있다.

이상은 본 발명의 특정실시예에 대해서만 기재하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경 및 개조가 가능하다.

Claims (5)

10.34MPa의 압력에 의해 직경이 1.1cm이고 길이가 7.6cm인 관을 적어도 0.6g/s의 공칭유동속도로 통과하며, 밀폐된 압력용기내에 설치한 성형될 제품의 표면상에 열 및/ 또는 압력에 응동하여 소정의 균일한 압력을 가할 수 있는 것을 특징으로 하는 유동성 고체입자형 중합체.

제 1 항에 있어서, 상기 중합체가 실리콘 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동성 고체입자형 중합체.

제 2 항에 있어서, 상기 실리콘 고무가 낮은 영율(Young's modulus)과 낮은 전단강도를 가지는 것을 특징으로 하는 유동성 고체입자형 중합체.

제 2 항에 있어서, 상기 실리콘 고무가 양의 열팽창계수를 가지는 것을 특징으로 하는 유동성 고체입자형 중합체.

제 2 항에 있어서, 상기 실리콘 고무가 디메틸실리콘 및 비닐기를 가지는 것을 특징으로 하는 유동성고체입자형 중합체.

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