KR101915932B1 - 현무암 섬유 및 탄소 섬유를 포함하는 직물 복합재 - Google Patents

현무암 섬유 및 탄소 섬유를 포함하는 직물 복합재 Download PDF

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Abstract

직물 복합재의 제조 방법이 제공된다. 상기 하이브리드 섬유 복합재의 제조 방법은, 소스 섬유들을 스프레딩(spreading)하는 단계, 스프레딩된 상기 소스 섬유들에 계면 활성제를 제공하는 단계, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 소스 섬유들에 바인더를 제공하는 단계, 상기 바인더가 제공된 상기 소스 섬유들에 열 가소성 수지를 제공하여, 상기 소스 섬유에 상기 열 가소성 수지를 함침시키는 단계, 상기 열 가소성 수지가 함침된 상기 소스 섬유들이 슬릿(slit)을 통과하여 소스 섬유 테이프를 제조하는 단계, 상기 슬릿을 통과한 상기 소스 섬유 테이프에 열을 제공하고, 롤러(roller)에 통과시키는 단계, 및 복수개의 상기 소스 섬유 테이프를 제조하고, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프로 직조(織造)하여, 테이프 직물(tape fabric)을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

현무암 섬유 및 탄소 섬유를 포함하는 직물 복합재{Fabric composite comprising basalt fiber and carbon fiber}
본 발명은 직물 복합재, 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 현무암 섬유를 포함하는 직물 복합재 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
탄소 섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열 팽창율 등의 특성으로 인해, 항공 우주산업, 자동차, 군사, 토목 건축 및 각종 스포츠 분야의 소재로 널리 사용되고 있는 첨단 소재이다. 하지만, 탄소 섬유는 이러한 우수한 특성에도 불구하고 가격이 비싸기 때문에, 다양한 산업에 활용하는데 한계가 있다.
이에 반해, 현무암 섬유는 천연 현무암을 용융시켜 섬유를 방사하기 때문에, 친환경적이고 제조 공정이 매우 간단하여 여러 산업 분야에서 고성능 산업용 섬유로서 관심이 커지고 있다. 또한, 현무암 섬유의 기계적 특성은 탄소 섬유보다는 낮고, 유리 섬유보다는 우수하다는 것이 연구결과를 통해 발표된바 있다.
대한민국 실용신안 등록 공보 20-0290499(출원번호 20-2002-0020783, 출원인 쎄코텍)에 따르면, 황토 및 현무암 섬유를 포함하여, 원적외선 방출량을 증가시키고, 높은 기계적 강도를 갖는 건축용 황토 패널이 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 높은 강도의 직물 복합재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 직물 복합재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 직물 복합재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 직물 복합재의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 직물 복합재의 제조 방법은, 제1 방향으로 연장하고, 현무암 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 소스 섬유(source fiber)들을 준비하는 단계, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로, 상기 소스 섬유들을 흔들어 상기 소스 섬유들을 스프레딩(spreading)하는 단계, 스프레딩된 상기 소스 섬유들에 계면 활성제를 제공하여, 상기 소스 섬유들 사이의 간격을 균일화시키는 단계, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 소스 섬유들에 바인더를 제공하는 단계, 상기 바인더가 제공된 상기 소스 섬유들에 열 가소성 수지를 제공하여, 상기 소스 섬유에 상기 열 가소성 수지를 함침하되, 상기 바인더에 의해 상기 소스 섬유들과 상기 열 가소성 수지의 결합력이 향상되는 단계, 상기 열 가소성 수지가 함침된 상기 소스 섬유들이 슬릿(slit)을 통과하여, 상기 제1 방향으로 연장하는 상기 소스 섬유들이 상기 열 가소성 수지에 의해 둘러싸인, 소스 섬유 테이프를 제조하는 단계, 상기 슬릿을 통과한 상기 소스 섬유 테이프에 열을 제공하고, 롤러(roller)에 통과시키는 단계, 및 복수개의 상기 소스 섬유 테이프를 제조하고, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프로 직조(織造)하여, 테이프 직물(tape fabric)을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 직물 복합재의 제조 방법은, 복수개의 상기 테이프 직물을 제조하고, 복수개의 상기 테이프 직물을 적층하여, 테이프 직물 적층체(tape fabric stacked structure)를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수개의 상기 테이프 직물은, 상기 소스 섬유가 상기 현무암 섬유인 현무암 테이프 직물, 및 상기 소스 섬유가 상기 탄소 섬유인 탄소 테이프 직물을, 적어도 하나씩 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 테이프 직물 적층체를 제조하는 단계는, 복수개의 상기 테이프 직물을 적층하여 열압착하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 테이프 직물 적층체를 제조하는 단계는, 복수개의 상기 테이프 직물 사이에, 수지 필름을 제공한 후, 적층된 복수개의 상기 테이프 직물을 열압착하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프는, 상기 소스 섬유가 상기 현무암 섬유인 현무암 섬유 테이프, 및 상기 소스 섬유가 상기 탄소 섬유인 탄소 섬유 테이프를, 적어도 하나씩 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프는, 서로 다른 종류의 상기 열 가소성 수지를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 섬유들을 스프레딩하고, 상기 소스 섬유들에 계면 활성제를 제공하는 단계는, 상기 소스 섬유들 1차 스프레딩하는 단계, 1차 스프레딩된 상기 소스 섬유들에 상기 계면 활성제를 제공 및 건조하는 단계, 및 상기 계면 활성제가 제공된 상기 소스 섬유들을 2차 스프레딩하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 섬유들을 스프레딩하는 단계는, 제1 온도에서, 상기 소스 섬유들을 1차 스프레딩하는 단계, 및 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서, 상기 소스 섬유들을 2차 스프레딩하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는, 상기 현무암 섬유들과 결합되는 가수분해성 기능 그룹(hydrolyzable functional group), 및 상기 열 가소성 수지와 결합되는 유기 기능 그룹(organic functional group)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 계면 활성제는, 양이온 계면 활성제를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 직물 복합재를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 직물 복합재는, 제1 방향으로 연장하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되어 배열된 소스 섬유들, 및 상기 소스 섬유들을 둘러싸는 열 가소성 수지를 포함하는 소스 섬유 테이프를 포함하고, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프로 직조하여 제조된 테이프 직물을 포함하되, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지들의 종류는 서로 다른 것을 포함하고, 상기 소스 섬유는, 현무암 섬유 또는 탄소 섬유 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 직물 복합재의 제조 방법은, 스프레딩된 소스 섬유들에 계면 활성제를 제공하고, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 소스 섬유들에 바인더를 제공하고, 상기 바인더가 제공된 상기 소스 섬유들에 열 가소성 수지가 함침되는 것을 포함할 수 있다. 상기 소스 섬유들에 상기 계면 활성제가 제공되어 상기 소스 섬유들이 실질적으로 균일하여 배열될 수 있고, 상기 바인더에 의해 상기 소스 섬유들과 상기 열 가소성 수지의 결합력이 향상될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유 및 상기 열 가소성 수지를 포함하는 소스 섬유 테이프의 강도가 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 열 가소성 수지가 함침된 상기 소스 섬유들이 슬릿을 통과하여 상기 소스 섬유 테이프가 제조되고, 상기 소스 섬유 테이프에 열을 제공하고 롤러에 통과될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지가 바로 경화되지 않아, 상기 소스 섬유 테이프가 상기 롤러를 통과하는 과정에서 상기 소스 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 비율이 감소하여, 상기 소스 섬유 테이프의 강도가 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프를 제조하고, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프를 직조하여 테이프 직물이 제조될 수 있다. 상술된 바와 같이, 높은 강도의 상기 소스 섬유 테이프를 이용하여 상기 테이프 직물이 제조되어, 상기 테이프 직물의 강도가 향상될 수 있다. 또한, 상기 테이프 직물의 제조에 사용되는 복수개의 상기 소스 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지의 종류는 상기 테이프 직물의 사용 목적, 기능에 따라서 다양하게 변형될 수 있고, 이에 따라, 상기 테이프 직물의 적용 분야에 따라 고강도를 갖는 직물 복합재가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직물 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직물 복합재의 제조 방법에 따라 제조된 현무암 섬유 테이프 및 탄소 섬유 테이프를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물을 설명하기 위한 제1 실시 예이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물을 설명하기 위한 제2 실시 예이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제1 내지 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제5 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제6 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프(좌), 및 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프(좌), 및 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프(좌), 및 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프를 혼합하여 직조한 하이브리드 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따라 polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따라 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 17은 본 발명이 실시 예에 따라 polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프를 혼합하여 직조한 하이브리드 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따라 polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따라 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따라 polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프를 혼합하여 직조한 하이브리드 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 적층하여 제조된 테이프 직물 적층체를 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직물 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직물 복합재의 제조 방법에 따라 제조된 현무암 섬유 테이프 및 탄소 섬유 테이프를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물을 설명하기 위한 제1 실시 예이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물을 설명하기 위한 제2 실시 예이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 소스 섬유들이 준비된다(S110). 상기 소스 섬유들은 제1 방향으로 연장할 수 있다. 상기 제1 방향은, 상기 소스 섬유들의 길이 방향일 수 있다. 상기 소스 섬유들은, 현무암 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다.일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유는, 현무암 원광을 용융 방사하여 현무암 필라멘트를 제조하고, 상기 현무암 필라멘트를 용도에 맞게 텍스(tex) 또는 데니아(denier)를 조절하여 제조될 수 있다.
상기 소스 섬유들이 스프레딩(spreading)될 수 있다(S120). 상기 소스 섬유들을 제2 방향으로 흔들어, 상기 소스 섬유들이 스프레딩될 수 있다. 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 교차하는 방향일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 소스 섬유들이 롤러를 통해 이동하고, 상기 소스 섬유들이 이동하는 방향(상기 소스 섬유들의 길이 방향)과 직각인 방향으로 상기 롤러가 진동하면서, 상기 소스 섬유들이 스프레딩될 수 있다. 상기 소스 섬유들이 스프레딩되는 동안, 상기 소스 섬유들에 열풍이 가해질 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유들이 균일한 간격으로 용이하게 스프레딩될 수 있다.
상기 소스 섬유들을 스프레딩하는 단계는, 제1 온도에서 상기 소스 섬유들을 스프레딩하는 단계, 및 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 상기 소스 섬유들을 스프레딩하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유들이 보다 균일하게 스프레딩될 수 있다.
만약, 상술된 실시 예와 달리, 상기 소스 섬유들이 고온에서 스프레딩된 직후, 후술되는 바와 같이, 계면 활성제가 제공되는 경우, 상기 소스 섬유들이 상기 계면 활성제에 의해 코팅되는 것이 용이하지 않다. 하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 온도에서 상기 소스 섬유들이 스프레딩되고, 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서 상기 소스 섬유들이 스프레딩되는 경우, 상기 계면 활성제가 상기 소스 섬유에 용이하게 코팅될 수 있다.
상기 소스 섬유들을 표면에 불순물들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물들은, 실란 화합물일 수 있다. 상기 소스 섬유들을 스프레딩하기 전, 상기 소스 섬유들을 열처리하여, 상기 소스 섬유들의 표면에 잔존된 불순물들이 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유들이 용이하게 스프레딩될 수 있다.
스프레딩된 상기 소스 섬유들에 계면 활성제가 제공될 수 있다(S130). 이에 따라, 상기 소스 섬유들 사이의 간격이 보다 균일해질 수 있다. 상기 소스 섬유(예를 들어, 현무암 섬유)들의 표면은 알카리 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 일 실시 예에 따르면, 상기 계면 활성제는 양이온 계면 활성제일 수 있고, 이로 인해, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 소스 섬유들의 간격이 보다 균일해질 수 있다. 예를 들어, 상기 계면 활성제는, 제4급 암모늄염(quaternary ammoniums), 아민염(amine salts), 또는 피리딘염(pyridium salts) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 계면 활성제는 상술된 바와 같이 스프레딩된 상기 소스 섬유들에 제공될 수도 있고, 이와 달리, 상기 소스 섬유들이 스프레딩되는 공정에서 상기 소스 섬유들에 제공될 수도 있다. 구체적으로, 일 실시 예에 따르면, 상기 소스 섬유들은 1차 스프레딩된 후, 상기 계면 활성제가 상기 소스 섬유들에 코팅 및 건조되고, 다시 상기 소스 섬유들이 2차 스프레딩되고 건조된 후, 후술되는 바와 같이 바인더가 상기 소스 섬유들에 제공될 수 있다.
상기 계면활성제가 제공된 상기 소스 섬유들에 바인더가 제공될 수 있다(S140). 상기 바인더는, 가수분해성 기능 그룹(hydrolyzable functional group), 및 결합되는 유기 기능 그룹(organic functional group)을 포함할 수 있다. 상기 가수분해성 기능 그룹은 상기 소스 섬유들의 표면과 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 소스 섬유(예를 들어, 현무암 섬유)들의 표면에 존재하는 OH---와 상기 가수분해성 기능 그룹이 반응하여, 상기 바인더가 상기 소스 섬유들과 강력하게 결합될 수 있다. 또한, 상기 유기 기능 그룹은 후술되는 열 가소성 수지와 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 가수분해성 기능 그룹은, methoxy, 또는 ethoxy 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 유기 기능 그룹은, vinyl, epoxy, amino, 또는 methacryl 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 계면활성제가 제공된 상기 소스 섬유들에 상기 바인더가 제공되기 전, 상기 계면활성제가 제공된 상기 소스 섬유들이 건조될 수 있다. 예를 들어, 상기 계면활성제가 제공된 상기 소스 섬유는 열풍을 이용하여 건조될 수 있다.
상기 바인더가 제공된 상기 소스 섬유들에 열 가소성 수지를 제공하여, 상기 열 가소성 수지가 상기 소스 섬유들에 함침될 수 있다(S150). 예를 들어, 상기 열 가소성 수지는, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyurethane, 또는 polyamide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 소스 섬유들에 상기 바인더가 제공될 수 있고, 상기 바인더는 상기 소스 섬유들의 표면과 결합되는 상기 가수분해성 기능 그룹, 및 상기 열 가소성 수지와 결합되는 유기 기능 그룹을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유들과 상기 열 가소성 수지의 결합력이 향상될 수 있고, 이로 인해, 상기 열 가소성 수지로부터 상기 소스 섬유가 뽑히는 현상이 최소화될 수 있다.
상기 열 가소성 수지가 함침된 상기 소스 섬유들이 슬릿(slit)을 통과하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 소스 섬유 테이프(현무암 섬유 테이프(100), 탄소 섬유 테이프(200))가 제조될 수 있다(S160). 상기 소스 섬유 테이프(100, 200)는, 상기 제1 방향(도 2에서 x 방향)으로 연장하는 상기 소스 섬유들(현무암 섬유(110), 탄소 섬유(210))이 상기 열 가소성 수지(120, 220)에 의해 둘러싸인 것일 수 있다. 상기 소스 섬유 테이프(100, 200) 내에서, 상기 소스 섬유들(110, 210)은 상기 제2 방향(도 2에서 y 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 슬릿을 통과한 상기 소스 섬유 테이프에 열을 제공하고, 롤러에 통과시킬 수 있다(S170). 이에 따라, 상기 슬릿을 통과한 상기 소스 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지는 바로 경화되지 않을 수 있다. 이로 인해, 상기 소스 섬유 테이프가 상기 롤러를 통과하는 과정에서 상기 소스 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 비율이 감소하고 상기 소스 섬유의 비율이 증가하여, 상기 소스 섬유 테이프의 강도가 증가될 수 있다.
상술된 방법에 따라서, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프가 제조될 수 있다. 복수개의 상기 소스 섬유 테이프로 직조하여, 테이프 직물(tape fabric)이 제조될 수 있다(S180). 예를 들어, 상기 소스 섬유 테이프를 이용하여 평직, 능직, 수자직으로 제직될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 테이프 직물은, 제1 방향(도 3에서 x 방향)으로 연장하는 제1 소스 섬유를 갖는 제1 소스 섬유 테이프(12), 제2 방향(도 3에서 y 방향)으로 연장하는 제2 소스 섬유를 갖는 제2 소스 섬유 테이프(14)를 이용하여 직조될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 소스 섬유 테이프(12) 및 상기 제2 소스 섬유 테이프(14)에 포함된 상기 제1 소스 섬유 및 상기 제2 소스 섬유는 서로 동일한 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 예를 들어, 상기 테이프 직물은, 상기 소스 섬유가 상기 현무암 섬유인 현무암 섬유 테이프를 이용하여 직조된 현무암 테이프 직물일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 테이프 직물은, 상기 소스 섬유가 상기 탄소 섬유인 탄소 섬유 테이프를 이용하여 직조된 탄소 테이프 직물일 수 있다.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 테이프 직물은, 제1 방향(도 3에서 x 방향)으로 연장하는 제1 소스 섬유를 갖는 제1 소스 섬유 테이프(12), 제2 방향(도 3에서 y 방향)으로 연장하는 제2 소스 섬유를 갖는 제2 소스 섬유 테이프(14)를 이용하여 직조되되, 상기 제1 소스 섬유 테이프(12) 및 상기 제2 소스 섬유 테이프(14)에 포함된 상기 제1 소스 섬유 및 상기 제2 소스 섬유는 서로 다른 종류일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소스 섬유가 탄소 섬유이고, 상기 제2 소스 섬유가 현무암 섬유이거나, 또는 상기 제1 소스 섬유가 현무암 섬유이고, 상기 제2 소스 섬유가 탄소 섬유일 수 있다. 다시 말하면, 상기 테이프 직물은, 서로 다른 종류의 소스 섬유 테이프를 이용하여 제조된 하이브리드 테이프 직물(hybrid tape fabric)일 수 있다.
또는, 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 테이프 직물에 포함된 상기 소스 섬유는 서로 동일하되, 복수개의 상기 소스 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 고분자 수지의 종류가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, polyurethane이 함침된 현무암(또는 탄소) 섬유 테이프 및 polyamide가 함침된 현무암(또는 탄소) 섬유 테이프를 직조하여, 상기 테이프 직물이 제조될 수 있다. 다시 말하면, 상기 테이프 직물에 포함된 상기 열 가소성 고분자 수지의 종류를 적용 분야에 따라 다양하게 조절할 수 있다.
복수개의 상기 테이프 직물이 적층되어, 테이프 직물 적층체가 제조될 수 있다. 이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체가 설명된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제1 내지 제3 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 상기 테이프 직물이 복수개로 제조되고, 복수개의 상기 테이프 직물을 적층시키고, 열 압착하여, 테이프 직물 적층체(tape fabric stacked structure)가 제조될 수 있다. 적층된 상기 테이프 직물 열 압착되는 과정에서, 상기 테이프 직물 내의 상기 열 가소성 수지가 녹아, 복수개의 상기 테이프 직물로부터 상기 테이프 직물 적층체가 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 테이프 직물 적층체에 포함된 복수개의 상기 테이프 직물(10)의 종류는 서로 동일할 수 있다. 다시 말하면, 복수개의 상기 테이프 직물(10)은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 것과 같이, 복수개의 상기 현무암 테이프 직물이 적층된 것이거나, 또는, 복수개의 상기 탄소 테이프 직물이 적층된 것이거나, 또는 복수개의 상기 하이브리드 테이프 직물이 적층된 것일 수 있다.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 테이프 직물 적층체는, 상기 소스 섬유의 종류가 서로 다른 복수개의 상기 테이프 직물(10, 20)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제1 테이프 직물(10)이 상기 현무암 테이프 직물이고, 제2 테이프 직물(20)이 상기 탄소 테이프 직물이거나, 또는 상기 제1 테이프 직물(10)이 상기 탄소 테이프 직물이고 상기 제2 테이프 직물(20)이 상기 현무암 테이프 직물일 수 있다.
또는, 또 다른 실시 예에 따르면, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 테이프 직물 적층체는, 탄소 또는 현무암 테이프 직물(10) 및 상기 하이브리드 테이프 직물(30)을 포함할 수 있다.
또한, 도 5의 (b) 및 (c)에서 서로 다른 종류의 테이프 직물들이 교대로 적층되는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않고, 상기 현무암 테이프 직물, 상기 탄소 테이프 직물, 및 상기 하이브리드 테이프 직물을 다양한 형태로 적층할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기 테이프 직물 적층에 포함된 복수개의 상기 테이프 직물은, 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 소스 섬유가 다를 수도 있고, 또는, 복수개의 상기 테이프 직물에 포함된 상기 열 가소성 수지의 종류가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, polyamide 함침 현무암(또는 탄소) 섬유 테이프로 직조된 polyamide 함침 테이프 직물과 polyurethane 함침 현무암(또는 탄소) 섬유 테이프로 직조된 polyurethane 함침 테이프 직물을 적층하여 상기 테이프 직물 적층체가 제조될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 테이프 직물 적층체를 제조하는 단계는, 복수개의 상기 테이프 직물 사이에, 수지 필름을 제공한 후, 적층된 복수개의 상기 테이프 직물을 열압착하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 수지 필름은, 복수개의 상기 테이프 직물에 포함된 상기 열 가소성 수지와 다른 종류의 수지를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 상기 수지 필름의 종류를 변경하여, 상기 테이프 직물 적층체의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 높은 유연성을 요구하는 적용 분야에 사용되는 경우, 상대적으로 유연성이 높은 수지를 상기 수지 필름으로 사용하고, 다른 예를 들어, 높은 강도를 요구하는 적용 분야에 사용되는 경우, 상대적으로 강도가 높은 수지를 상기 수지 필름으로 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제4 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 제1 테이프 직물(10a) 및 제2 테이프 직물(10b)이 제공된다. 상기 제1 테이프 직물(10a) 및 상기 제2 테이프 직물(10b)이 적층되어, 상기 테이프 직물 적층체가 제조되되, 상기 제1 테이프 직물(10a)과 상기 제2 테이프 직물(10b)의 소스 섬유들의 연장 방향이 평행한 부분끼리 서로 접합될 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 테이프 직물(10a)의 A1, B1, C1, D1이, 각각 상기 제2 테이프 직물(10b)의 A2, B2, C2, D2와 각각 접합될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제5 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 제1 테이프 직물(10a) 및 제2 테이프 직물(10b)이 제공된다. 상기 제1 테이프 직물(10a) 및 상기 제2 테이프 직물(10b)이 적층되어, 상기 테이프 직물 적층체가 제조되되, 상기 제1 테이프 직물(10a)과 상기 제2 테이프 직물(10b)의 소스 섬유들의 연장 방향이 직각인 부분끼리 서로 접합될 수 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 테이프 직물(10a)의 A1, B1, C1, D1이, 각각 상기 제2 테이프 직물(10b)의 A2, B2, C2, D2와 각각 접합될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 테이프 직물 적층체의 제6 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 제1 테이프 직물(10a) 및 제2 테이프 직물(10b)이 제공된다. 상기 제1 테이프 직물(10a) 및 상기 제2 테이프 직물(10b)이 적층되어, 상기 테이프 직물 적층체가 제조되되, 상기 제1 테이프 직물(10a)과 상기 제2 테이프 직물(10b)의 소스 섬유들의 연장 방향이 서로 교차하도록 접합될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 섬유 복합재의 특성 평가 결과가 설명된다.
탄소 섬유 테이프 및 현무암 섬유 테이프 제조
24K, 12K 탄소 섬유, 2400 Tex 현무암 섬유, 및 열 가소성 수지로 polypropylene, polyurethane 및 polyamide 6를 준비하였다.
상기 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유에 사이징된 실란을 제거하기 위해, 석영관 전기로에서 200℃로 탈호시키고, 상기 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유의 펼침성을 향상시키기 위해 250℃로 스프레딩시키고, 다시 190℃로 스프레딩시켜, 섬유의 폭이 약 7mm에서 20mm로 펼쳐진 현무암 섬유 spread tow 및 섬유의 폭이 약 5mm에서 18mmm로 펼쳐진 탄소 섬유 spread tow를 제조하였다.
spreading 공정 후, polypropylene에 상기 12K 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시키기위해, 함침조에 polypropylene 를 채우고 열을 가하여 polypropylene 을 녹였다. 녹은 상태의 polypropylene 에 상기 12K 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시켜, polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프(수지 함량 66wt%), 및 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프(수지 함량 38.1wt%)를 제조하였다.
또한, polyurethane을 상기 24K 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시키기위해, 함침조에 polyurethane을 채우고 열을 가하여 polyurethane을 녹였다. 녹은 상태의 polyurethane에 상기 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시켜, polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프(수지 함량 64.5wt%), 및 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프(수지 함량 50.7wt%)를 제조하였다.
또한, polyamide 6을 상기 24K 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유에 함침시키기위해, 함침조에 polyamide 6을 채우고 열을 가하여 polyamide 6을 녹였다. 녹은 상태의 polyamide 6에 상기 24K 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시켜, polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프(수지 함량 80.9wt%), 및 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프(수지 함량 57.6wt%)를 제조하였다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프(좌), 및 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프(좌), 및 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프(좌), 및 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
테이프 직물 제조
상술된 실시 예들에 따른, polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프, polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프, polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프, polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프, polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프를 이용하여 테이프 직물을 제조하였다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이고, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이고, 도 14는 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polypropylene 함침 현무암 섬유 테이프를 혼합하여 직조한 하이브리드 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
또한, 도 15는 본 발명의 실시 예에 따라 polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이고, 도 16은 본 발명의 실시 예에 따라 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이고, 도 17은 본 발명이 실시 예에 따라 polyurethane 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polyurethane 함침 현무암 섬유 테이프를 혼합하여 직조한 하이브리드 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
또한, 도 18은 본 발명의 실시 예에 따라 polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이고, 도 19는 본 발명의 실시 예에 따라 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 촬영한 사진이고, 도 20은 본 발명의 실시 예에 따라 polyamide 6 함침 탄소 섬유 테이프, 및 polyamide 6 함침 현무암 섬유 테이프를 혼합하여 직조한 하이브리드 테이프 직물을 촬영한 사진이다.
테이프 직물 적층체 제조
상술된 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 적층하고 열압착하여, 테이프 직물 적층체를 제조하였다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따라 polypropylene 함침 탄소 섬유 테이프로 직조한 테이프 직물을 적층하여 제조된 테이프 직물 적층체를 촬영한 사진이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 현무암 섬유 테이프
110: 현무암 섬유
120, 220: 열 가소성 수지
130: 수지 필름
200: 탄소 섬유 테이프
210: 탄소 섬유

Claims (5)

  1. 제1 방향으로 연장하고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되어 배열된 소스 섬유들, 및 상기 소스 섬유들을 둘러싸는 열 가소성 수지를 포함하는 소스 섬유 테이프를 포함하고,
    복수개의 상기 소스 섬유 테이프로 직조하여 제조된 테이프 직물을 포함하되,
    복수개의 상기 소스 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지들의 종류는 서로 다른 것을 포함하고,
    상기 소스 섬유 테이프는,
    상기 소스 섬유가 현무암 섬유를 포함하는 현무암 섬유 테이프; 및
    상기 소스 섬유가 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 테이프를 포함하고,
    상기 테이프 직물은, 상기 현무암 섬유 테이프 및 상기 탄소 섬유 테이프가 직조되어 제조된 것을 포함하는 직물 복합재.
  2. 제1 항에 따른 직물 복합재가 복수로 제공되고, 복수의 상기 직물 복합재가 적층된 직물 적층체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 테이프 직물은 복수개로 제공되고,
    복수개의 상기 테이프 직물이 적층된 테이프 직물 적층체(tape fabric stacked structure)를 포함하는 직물 복합재.
  4. 제3 항에 있어서,
    복수개의 상기 테이프 직물은 열압착된 것을 포함하는 직물 복합재.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열 가소성 수지는, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyurethane, 또는 polyamide 중에서 어느 하나를 포함하는 직물 복합재.
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