KR101928847B1 - 열가소성 프리프레그 제조방법 - Google Patents
열가소성 프리프레그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 열가소성 프리프레그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은, 시트 형태의 제1 보강 섬유에 1차 표면 처리를 진행하여 제2 보강 섬유를 형성하는 단계; 상기 제2 보강 섬유를 수지 용액에 투입하여 표면에 제1 수지층이 형성된 2차 표면 처리를 진행하여 제3 보강 섬유를 형성하는 단계; 및 상기 제3 보강 섬유에 수지 필름을 함침하여 상기 제1 수치층 상에 제2 수지층이 형성된 프리프레그를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 수지를 보강 섬유에 코팅한 후, 수지 필름을 적층함으로써, 수지 필름의 보강 섬유 함침성을 향상시킨 효과가 있다.
본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 수지를 보강 섬유에 코팅한 후, 수지 필름을 적층함으로써, 수지 필름의 보강 섬유 함침성을 향상시킨 효과가 있다.
Description
본 발명은 열가소성 프리프레그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 열가소성 수지(thermoplastic resin)가 보강 섬유(reinforced fiber)에 함침(impregnation)되어 있으며, 함침도 및 기계적 강도가 우수한 열가소성 프리프레그 제조방법에 관한 것이다.
프리프레그(prepreg)는 "Preimpregnated Material"의 약어로서, 결합재 (matrix)를 보강 섬유에 미리 함침시킨 시트(sheet)형태의 제품을 의미하며, 복합재료 성형을 위한 중간재료로 사용된다.
도1은 일반적인 프리프레그 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1의 (A)를 참조하면, 보강 섬유(12)와 결합재(11)가 일체화되어, 프리프레그(13)를 형성하고, (B)를 참조하면, 프리프레그(13)는 시트(sheet) 형태로 제조되어, 페이퍼롤(paper roll, 14)에 감겨 공급되고, 사용시 원하는 길이만큼 재단되어 사용된다.
상기 프리프레그(13)는, 보강 섬유(12)가 일방향으로 정렬된 형태의 일방향(unidirectional) 프리프레그와, 보강 섬유(12)가 직물형태로 이루어진 직물형(woven) 프리프레그로 구분될 수 있고, 도 1의 (B)는, 일방향 프리프레그의 일 예를 보여준다.
통상의 프리프레그(13)에 있어서, 상기 보강 섬유(12)로는 강도와 탄성이 높은 탄소(carbon) 섬유 등을 이용하고, 상기 결합재(11)로는 주로, 고분자 수지를 사용하며, 예를 들면, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 멜라민 수지, 시아네이트에스테르 수지 등의 열경화성(thermosetting) 수지와, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아마이드, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 폴리아세탈, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레트탈레이트, ABS 수지, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌설파이드, 폴리락틱에시드 등 다양한 열가소성 수지를 이용할 수 있다.
복합재료 성형에 프리프레그가 적용되는 이유는, 크게 성능과 가격에서 찾을 수 있는데, 물성 측면에서는 보강재(보강 섬유)의 함량과 배열을 정확히 제어할 수 있어, 설계한 소재의 물성을 최대한 구현할 수 있으며, 높은 섬유 체적비를 가지는 성형물을 제조할 수 있어, 성형물의 기계적 강도가 우수하고, 이로 인해 최적의 물성 구현이 가능하며, 부품의 경량화가 가능한 장점이 있다.
타 복합재 성형 공정과 비교하여, 프리프레그를 이용한 복합재료 성형공정은, 중간재를 사용하므로 원료의 가격이 높은 편이나, 성형 공정이 깨끗하고 단순해져, 프로세스(process) 비용을 절감할 수 있다는 특징이 있다. 프리프레그는 주로 시트 형태를 가지므로, 취급이 쉽고, 성형 시 에너지 비용이 절감되고, 재단 성형의 특성상 가공에 필요한 부품의 수를 줄일 수 있어, 항공/우주, 자동차, 스포츠/레저, 토목/건축 등 여러 산업 분야에서 복합재 성형을 위한 중간재로 널리 사용되고 있다.
전술하였듯이, 프리프레그는 열경화성 수지가 적용된 열경화성 프리프레그와, 열가소성 수지가 적용된 열가소성 프리프레그로 구분될 수 있고, 프리프레그 개발 초기에는 비교적 제조가 용이한 열경화성 프리프레그가 주로 사용되었으나, 최근에는 대량생산에 적합하고, 재활용(recycle)이 가능한 열가소성 프리프레그의 사용이 증가하고 있다.
열가소성 프리프레그를 제조하는 방식은 열가소성 수지 공급 방식에 따라, 열가소성 수지 필름과 보강 섬유를 열융착하여 제조하는 필름법(Film process), 열가소성 수지를 녹여서 보상 섬유에 직접 함침하는 직접 용융법(Direct melt process) 등 다양하나, 경제성, 생산 용이성, 성형물의 품질 등을 감안할 때, 필름법이 가장 널리 이용되고 있다.
그러나 필름법을 이용한 열가소성 프리프레그 제조 공정의 경우, 열가소성 수지의 용융 점도(점성도, viscosity)가 매우 높아, 보강 섬유에 수지를 균일하게 함침 시키기 어려운 단점이 있다.
또한, 보강 섬유의 함침도가 높은 고품위 열가소성 프리프레그를 생산하기 위해서는, 생산 온도를 과도하게 높이거나, 생산 속도를 낮게 설정해야 하는 문제가 있다.
특히, 열가소성 수지의 용융 점도를 낮추기 위해 수지 필름의 융점보다 훨씬 높은 온도로 가열하거나 생산 속도를 늦춰 고온 체류 시간을 증가시키게 되면, 수지가 열분해(thermal decomposition)되어, 프리프레그의 물성이 저하될 우려가 있다.
또한, 프리프레그의 물성 저하에도 불구하고, 용융 점도가 낮은 저분자량의 수지 필름을 사용하는 경우, 생산에는 유리하지만, 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 수지를 보강 섬유에 코팅한 후, 수지 필름을 적층함으로써, 수지 필름의 보강 섬유 함침성을 향상시킨 열가소성 프리프레그 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 점도가 높은 수지 또는 수지 필름을 보강 섬유에 함침하기 전에 보강 섬유에 표면처리 함으로써, 함침성과 기계적 물성(강도 등)이 우수한 프리프레그를 제조할 수 있도록 한 열가소성 프리프레그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명읜 목적은, 보강 섬유에 제1 및 제2 표면처리로 구성된 표면 처리 공정을 진행한 후, 점도가 높은 수지 필름의 보강 섬유에 대한 함침 특성을 개선한 열가소성 프리프레그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은, 시트 형태의 제1 보강 섬유에 1차 표면 처리를 진행하여 제2 보강 섬유를 형성하는 단계; 상기 제2 보강 섬유를 수지 용액에 투입하여 표면에 제1 수지층이 형성된 2차 표면 처리를 진행하여 제3 보강 섬유를 형성하는 단계; 및 상기 제3 보강 섬유에 수지 필름을 함침하여 상기 제1 수치층 상에 제2 수지층이 형성된 프리프레그를 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 수지 용액은 수지 고형분과 용매로 구성되고, 상기 수지 고형분은 상기 수지 용액의 20% 비율을 갖고, 상기 수지 용액에 포함되는 수지는 열가소성 수지인 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일로(Nylon), 폴리아마이드(PA), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르(PES), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리아세탈(polyacetal, POM), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레트탈레이트(PBT), ABS(acrylonitrile butadiene styrene resin) 수지, 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketon, PEEK), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS), 폴리락틱에시드(polylactic acid, PLA) 및 폴리아마이드-나일론(Nylon) 다중고분자 레진으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 상기 제1 수지층에 함유된 수지는 상기 프리프레그의 5%이고, 상기 제2 수지층에 함유된 수지는 상기 프리프레그의 35%인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 1차 표면 처리는 상기 수지 용액에 포함된 수지가 친수성인 경우에는 상기 제1 보강 섬유에 친수성 처리를 하고, 상기 1차 표면 처리는 상기 수지 용액에 포함된 수지가 소수성인 경우에는 상기 제1 보강 섬유에 소수성 처리를 하며, 상기 수지 용액에 포함되는 용매는, 1,2-디클로로벤젠 (1,2-dichlorobenzene), 사이클로헥산 (cyclohexane), 에틸 벤젠 (Ethyl benzene), 메틸사이클로헥산 (Methylcyclohexane), 에탄올(Ethanol), 아세톤 (Acetone), 메탄올 (Methanol) 메틸렌 클로라이드 (MethyleneChloride), 디메틸포름아미드 (Dimethylformamide), 트리클로로벤젠 (Trichlorobenzene), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran), 디메틸아세트아마이드 (Dimethylacetamide)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은, 시트 형태의 제1 보강 섬유에 1차 표면 처리를 진행하여 제2 보강 섬유를 형성하는 단계와, 상기 제2 보강 섬유를 수지 용액에 투입하여 표면에 제1 수지층이 형성된 2차 표면 처리를 진행하여 제3 보강 섬유를 형성하는 단계와, 상기 제3 보강 섬유에 수지 필름을 함침하여 상기 제1 수치층 상에 제2 수지층을 형성하여 프리프레그를 형성하고, 형성된 프리프레그를 복수개 제공하는 단계; 상기 복수의 프리프레그를 적층하는 단계; 및 상기 적층된 복수의 프리프레그를 가열, 가압 및 냉각하여 복수의 프리프레그로 구성된 멀티 프리프레그를 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 수지 용액은 수지 고형분과 용매로 구성되고, 상기 수지 고형분은 상기 수지 용액의 20% 비율을 갖고, 상기 제1 수지층에 함유된 수지는 상기 프리프레그의 5%이고, 상기 제2 수지층에 함유된 수지는 상기 프리프레그의 35%이며, 상기 1차 표면 처리는 상기 수지 용액에 포함된 수지가 친수성인 경우에는 상기 제1 보강 섬유에 친수성 처리를 하고, 상기 1차 표면 처리는 상기 수지 용액에 포함된 수지가 소수성인 경우에는 상기 제1 보강 섬유에 소수성 처리를 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 수지를 보강 섬유에 코팅한 후, 수지 필름을 적층함으로써, 수지 필름의 보강 섬유 함침성을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 점도가 높은 수지 또는 수지 필름을 보강 섬유에 함침하기 전에 보강 섬유에 표면 처리 함으로써, 함침성과 기계적 물성(강도 등)이 우수한 프리프레그를 제조할 수 있도록 한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 보강 섬유에 제1 및 제2 표면처리로 구성된 표면 처리 공정을 진행한 후, 점도가 높은 수지 필름의 보강 섬유에 대한 함침 특성을 개선한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 프리프레그 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그 제조공정을 도시한 플로차트이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 프리프레그 제조에서 보강 섬유에 1차 표면 처리 하는 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 프리프레그 제조에서 보강 섬유에 2차 표면 처리를 하는 방법을 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 처리된 보상 섬유의 확대도 및 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 처리된 보상 섬유를 이용하여 프리프레그를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6b는 상기 도 6a에서 제조된 프리프레그의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 프리프레그의 제조방법을 도시한 도면이다.
도 7b는 상기 도 7a의 멀티 프리프레그의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 프리프레그의 제조방법을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그 제조공정을 도시한 플로차트이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 프리프레그 제조에서 보강 섬유에 1차 표면 처리 하는 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 프리프레그 제조에서 보강 섬유에 2차 표면 처리를 하는 방법을 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 처리된 보상 섬유의 확대도 및 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 처리된 보상 섬유를 이용하여 프리프레그를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6b는 상기 도 6a에서 제조된 프리프레그의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 프리프레그의 제조방법을 도시한 도면이다.
도 7b는 상기 도 7a의 멀티 프리프레그의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 프리프레그의 제조방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레그 제조공정을 도시한 플로차트이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은, 보강 섬유에 대해 표면 처리를 진행하는 단계와 표면 처리가 진행된 보강 섬유에 수지 필름을 함침시키는 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법에서는 수지 필름을 보강 섬유에 함침 시키기 전, 수지 용액에 보강 섬유를 담구는 표면 처리 공정을 진행한다.
또한, 보강 섬유에 대한 표면 처리 공정은 1차 표면 처리와 2차 표면 처리로 구분될 수 있다.
예를 들어, 본 발명에서는 보강 섬유를 수지 용액에 담그기 전에 수지 용액에 포함된 수지 분자들이 보강 섬유에 잘 부착될 수 있도록 1차 표면 처리를 진행할 수 있다(S201). 수지 용액에 포함되는 수지 분자들이 친수성을 띠는 경우, 보강 섬유에 친수성 처리를 하면, 수지 용액에 보강 섬유를 담글 때, 수지 분자들이 잘 보강 섬유에 부착될 수 있기 때문이다.
반대로 수지 용액에 포함되는 수지 분자들이 소수성을 띠는 경우, 보강 섬유에 소수성 처리를 하면, 수지 용액에 보강 섬유를 담글 때, 수지 분자들이 잘 보강 섬유에 부착된다.
그런 다음, 1차 표면 처리가 된 보강 섬유를 수지 용액에 담구어 보강 섬유 표면에 수지 코팅막을 형성하는 2차 표면 처리를 진행한다(S202).
이와 같이, 상기 보강 섬유에 수지막이 코팅되면 수지 필름을 보강 섬유에 가열 및 가압하여 수지 필름을 보강 섬유에 함침 시킨다(S203).
이와 같이, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 수지를 보강 섬유에 코팅한 후, 수지 필름을 적층함으로써, 수지 필름의 보강 섬유 함침성을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 점도가 높은 수지 또는 수지 필름을 보강 섬유에 함침하기 전에 보강 섬유에 표면 처리함으로써, 함침성과 기계적 물성(강도 등)이 우수한 프리프레그를 제조할 수 있도록 한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 보강 섬유에 제1 및 제2 표면처리로 구성된 표면 처리 공정을 진행한 후, 점도가 높은 수지 필름의 보강 섬유에 대한 함침 특성을 개선한 효과가 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 프리프레그 제조에서 보강 섬유에 1차 표면 처리하는 방법을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은, 수지 필름을 보강 섬유에 함침 하기 전에 보강 섬유에 표면 처리를 진행한다. 표면 처리는 1차와 2차로 이루어질 수 있는데, 1차 표면 처리는 2차 표면 처리를 위한 전단 공정일 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 수지가 보강 섬유에 잘 함침될 수 있도록 하기 위해 수지 용액(25)을 형성한다. 도면에 도시된 바와 같이, 수지와 에탄올을 용기(20) 혼합하여 수지 용액(25)을 형성한다.
상기 수지는 열가소성 수지일 수 있고, 결정성 고분자일 수 있다. 또한, 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일로(Nylon), 폴리아마이드(PA), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르(PES), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리아세탈(polyacetal, POM), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레트탈레이트(PBT), ABS(acrylonitrile butadiene styrene resin) 수지, 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketon, PEEK), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS), 폴리락틱에시드(polylactic acid, PLA) 및 폴리아마이드-나일론(Nylon) 다중고분자 레진으로 이루어진 군으로부터 선택되는 수지로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 폴리아마이드-나일론(Nylon) 다중고분자 레진을 활성화 시키기 위해 아세톤으로 세척한 후 80도에서 4시간 동안 건조 시켜 고형 수지를 형성한다. 이후, 고형 수지를 에탄올과 혼합하는데, 도면에 도시된 용기(20)에 투입하여 혼합 과정이 이루어진다.
이때, 고형 수지와 에탄올의 비율은 25g: 75으로 고형 수지 약 20%의 비율로 혼합되고, 용매의 끓는점까지 가열 공정을 진행한다. 예를 들어, 에탄올의 끓는점이 약 80도라면 70도~80도가 되도록 가열한다.
도면에 도시된 21은 냉각콘덴서로써, 용매(에탄올: 22)이 끓어 증발하면 냉각콘덴서에서 온도를 낮추어 혼합 공정이 진행되는 용기(20)에 떨어뜨려 용매를 재사용할 수 있도록 한다.
이와 같이, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법에서는 수지 분자들이 혼합된 수지 용액을 만든 후, 보강 섬유 표면에 수지막을 코팅하여 수지의 함침성을 향상시켰다.
특히, 본 발명에서는 수지 용액을 사용하기 때문에 보강 섬유의 표면 처리 공정을 보다 세분화할 수 있다. 즉, 간단히 수지 용액을 보강 섬유를 담궈 보강 섬유 표면에 수지막 코팅을 하는 표면 처리를 할 수 있지만, 수지 용액 내에서 수지 분자들이 보강 섬유에 보다 견고히 부착될 수 있도록 추가적인 표면 처리를 진행할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법에서는 표면 처리가 되어 있지 않은 제1 보강 섬유(26)가 제1롤(28)에 감겨져 있고, 이를 제2롤(29)에 되감으면서 1차 표면 처리를 진행할 수 있다. 표면 처리는 제1 보강 섬유(26)의 표면에 수지 용액에 용해되어 있는 수지 분자들이 제1 보강 섬유(26)에 잘 부착되도록 하기 위한 공정일 수 있다. 예를 들어, 수지 용액에 용해되어 있는 수지 분자들이 친수성 성질을 띠는 경우에는 제1 보강 섬유(26)에 친수성 처리를 진행할 수 있고, 반대로 수지 분자들이 소수성 성질을 띠는 경우에는 제1 보강 섬유(26)에 소수성 처리를 진행할 수 있다.
이렇게 1차 표면 처리가 완료된 제1 보강 섬유(26)는 제2롤(29)에 제2 보강 섬유(27) 형태로 감긴다. 그런 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 수지 용액에 제2 보강 섬유(27)를 담근 후 가압 및 가열 공정을 진행하여 제2 보강 섬유(27)에 수지막이 코팅된 제3 보강 섬유(37)를 완성한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 프리프레그 제조에서 보강 섬유에 2차 표면 처리를 하는 방법을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 3b에서와같이, 1차 표면 처리가 완료된 제2 보강 섬유(27)는 롤에서 풀린 후, 수지 용액 배쓰(30)에 투입된다. 제2 보강 섬유(27)에는 1차 표면 처리가 되어 있기 때문에 에탄올 용매에 녹아 있는 수지 분자들은 제2 보강 섬유(27)의 직물들에 부착된다.
그런 다음, 상기 수지 용액 배쓰(30)로부터 수직 방향으로 제2 보강 섬유(27)를 이동 시키는데, 상기 수지 용액 배쓰(30) 상에 배치된 가압 롤러(34)에 의해 제2 보강 섬유(27)에 함침되는 수지 양을 조절한다.
상기 가압 롤러(34)를 통과한 제2 보강 섬유(27)는 히팅 챔버(35)에서 70~120도로 가열되어, 수지 용액에 포함되어 있는 용매를 휘발 시킨다.
이와 같이, 상기 히팅 챔버(35)를 통과하게 되면 제2 보강 섬유(27)에는 수지막이 코팅된 제3 보강 섬유(37)가 형성된다. 상기 제3 보강 섬유(37)는 롤에 감겨 이후, 프리프레그 제조를 위한 공정에 투입된다.
이와 같이, 본 발명에서는 열가소성 수지의 높은 점도가 함침성을 어렵게 하는 문제를 해결하기 위해 프리프레그 제조 전 단계에 보강 섬유에 수지막을 코팅하여, 열가소성 수지의 함침성을 높인 효과가 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 처리된 보상 섬유의 확대도 및 단면도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전술한 본 발명의 표면 처리 공정을 진행하면, 보강 섬유(제3 보강 섬유)를 구성하는 직물(40)에는 수지 분자들(41)이 견고히 부착된다. 1차 표면 처리로 인하여 수지 분자들(41)의 직물(40)에 부착되는 양도 증가할 뿐만 아니라 공정 중 보강 섬유 이동으로 인하여 수지 분자들(41)이 직물(40)에서 분리되는 것을 최소화할 수 있다.
도 5b에서와 같이, 도 4의 2차 표면 처리가 완료되면 제2 보강 섬유(27)의 표면에는 수지막(41a)이 코팅된 제3 보강 섬유(37)가 완성된다. 이와 같이, 본 발명에서는 보강 섬유에 미리 수지 용액을 이용하여 수지막(41a)을 코팅함으로써, 이후, 수지의 함침 정도를 높일 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따라 표면 처리된 보상 섬유를 이용하여 프리프레그를 제조하는 방법을 도시한 도면이고, 도 6b는 상기 도 6a에서 제조된 프리프레그의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은, 도 4에서 표면 처리된 제3 보강 섬유(37)와 수지 필름(55)을 제공한다. 상기 제3 보강 섬유(37)와 수지 필름(55)이 각각 롤에서 풀려나오며, 상기 제3 보강 섬유(37)의 양면(상부면 및 하부면) 혹은 단면에 수지 필름(55)이 적층된다.
적층된 수지 필름(55)과 제3 보강 섬유(37)는 가압 롤러에 의해 서로 합지되고, 이후 히팅 챔버(50)에 배치된 히팅 롤러(HR)에서 수지 필름(55)을 상기 제3 보강 섬유(37)에 함침하여 열가소성 프리프레그(100)를 완성한다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 수지 필름(55) 상면과 상기 제3 보강 섬유(37) 하면에 가압 및 가열에 의해 롤러와 수지 필름(55) 또는 제3 보강 섬유(37)가 들러붙는 것을 방지하기 위한 이형재를 공급할 수 있다. 상기 수지 필름(55)은, 일반적으로 무연신 필름(casting film)이 사용되지만, 경우에 따라서는 연신 필름(stretched film), 수지사 직물(resin fiber fabric), 수지 부직포(non woven fabric) 등의 변형된 필름이 사용될 수도 있다.
도 6b를 참조하면, 본 발명의 열가소성 프리프레그(100)는 보강 섬유의 직물들(40) 사이로 수지들이 함침 되어 있는데, 수지 용액에 의해 함침된 제1 수지층(141)과 수지 필름(55)에 의한 제2 수지층(155)을 포함한다.
이와 같이, 본 발명의 열가소성 프리프레그 제조방법은 수지 코팅막에 의해 제1 수지층(141)이 보강 섬유의 직물들(40)에 함침된 상태에서 수지 필름(55)에 의해 제2 수지층(155)이 함침되기 때문에 수지의 함침성과 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 프리프레그의 제조방법을 도시한 도면이고, 도 7b는 상기 도 7a의 멀티 프리프레그의 단면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에서는 복수의 프리프레그가 적층된 멀티 프리프레그(700)를 형성할 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 도 6a에서 완성된 프리프레그(100)를 복수의 롤에 감고, 각각의 롤로부터 프리프레그(100)들을 공급하면서 2개의 프리프레그를 합착시킨 다음, 합착된 프리프레그 상면과 하면에 다시 프리프레그를 합착시키는 공정을 반복한다.
그런 다음, 복수층으로 적층된 프리프레그를 히팅 챔버(600)에 투입한 후, 가압 및 가열 함으로써, 멀티 프리프레그(700)가 형성된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 멀티 프리프레그(700)는 도 6b와 동일한 구조를 갖는 프리프레그들(100-1, ...,, 100-N)이 적층된 구조를 갖는다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 프리프레그의 제조방법을 도시한 도면이다
도 8을 참조하면, 본 발명의 멀티 프리프레그(700)는 더블 벨트 시스템에 의해 구현될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 더블 벨트 시스템은 두 개의 벨트(B1, B2)를 포함하고 있고, 이들 사이에는 제1롤러(R1), 제2롤러(R2) 및 제3롤러(R3)를 포함한다. 더블 벨트 시스템의 투입구 영역에는 복수의 프리프레그(100-1, ..., 100-N)가 배치되어 있고, 이들로부터 복수의 프리프레그들(100-1, ..., 100-N)이 시스템에 투입된다.
상기 복수의 프리프레그들(100-1, ..., 100-N)은 두 개의 벨트(B1, B2) 사이에 배치된 제1롤러(R1)에 의해 가열되고, 상기 제2롤러(R2)로 이송된다. 상기 제2롤러(R2)로 이송된 상기 복수의 프리프레그들(100-1, ..., 100-N)은 가압 공정에 의해 합착된다. 합착된 상기 복수의 프리프레그들(100-1, ..., 100-N)은 제3롤러(R3)에서 냉각 공정을 진행한 후, 멀티 프리프레그(700)로 완성된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 수지를 보강 섬유에 코팅한 후, 수지 필름을 적층함으로써, 수지 필름의 보강 섬유 함침성을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 점도가 높은 수지 또는 수지 필름을 보강 섬유에 함침하기 전에 보강 섬유에 표면 처리 함으로써, 함침성과 기계적 물성(강도 등)이 우수한 프리프레그를 제조할 수 있도록 한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 제조방법은, 보강 섬유에 제1 및 제2 표면처리로 구성된 표면 처리 공정을 진행한 후, 점도가 높은 수지 필름의 보강 섬유에 대한 함침 특성을 개선한 효과가 있다.
이상에서의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 나타낸 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성의 결합, 분리, 치환 및 변경 등의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
20: 혼합용기
21: 냉각콘덴서
22: 에탄올
100: 프리프레그
141: 제1 수지층
155: 제2 수지층
600: 히팅 챔버
700: 멀티 프리프레그
21: 냉각콘덴서
22: 에탄올
100: 프리프레그
141: 제1 수지층
155: 제2 수지층
600: 히팅 챔버
700: 멀티 프리프레그
Claims (5)
- 결정성 고분자인 열가소성 수지와 에탄올을 용기 혼합하여 수지 용액을 형성하는 단계;
시트 형태의 제1 보강 섬유에 상기 수지 용액의 성질에 따른 1차 표면 처리를 진행하여 제2 보강 섬유를 형성하는 단계;
상기 제2 보강 섬유에 2차 표면 처리를 진행하여 제1 수지층이 형성된 제3 보강 섬유를 형성하는 단계; 및
상기 제3 보강 섬유에 수지 필름을 함침하여 상기 제1 수지층 상에 제2 수지층이 형성된 프리프레그를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 1차 표면 처리는 상기 2차 표면 처리를 진행시 상기 수지 용액 내에서 수지 분자들이 상기 제1 보강 섬유에 견고하게 부착되도록 하기 위한 선행 과정으로, 상기 수지 용액에 포함된 수지가 친수성인 경우에 상기 제1 보강 섬유에 친수성 처리를 수행하고, 상기 수지 용액에 포함된 수지가 소수성인 경우에는 상기 제1 보강 섬유에 소수성 처리를 하는 것을 특징으로 하며,
상기 수지 용액을 형성하는 단계는, 폴리아마이드-나일론 다중고분자 레진을 활성화시키기 위해 아세톤으로 세척한 후 80도에서 4시간 동안 건조시켜 고형 수지를 형성하고, 상기 고형 수지를 에탄올과 혼합하는 과정을 포함하며,
상기 2차 표면 처리는 상기 제2 보강 섬유를 상기 수지 용액이 담긴 배쓰에 투입하고, 상기 수지 용액이 담긴 배쓰 상에 배치된 가압 롤러를 통과한 제2 보강 섬유를 히팅 챔버에서 소정의 온도로 가열하여 수지막을 코팅하는 과정을 포함하는 열가소성 프리프레그 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 수지 용액에 포함되는 수지는 열가소성 수지인 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일로(Nylon), 폴리아마이드(PA), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르(PES), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리아세탈(polyacetal, POM), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레트탈레이트(PBT), ABS(acrylonitrile butadiene styrene resin) 수지, 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketon, PEEK), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS), 폴리락틱에시드(polylactic acid, PLA) 및 폴리아마이드-나일론(Nylon) 다중고분자 레진으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열가소성 프리프레그 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 수지 용액에 포함되는 용매는, 1,2-디클로로벤젠 (1,2-dichlorobenzene), 사이클로헥산 (cyclohexane), 에틸 벤젠 (Ethyl benzene), 메틸사이클로헥산 (Methylcyclohexane), 에탄올(Ethanol), 아세톤 (Acetone), 메탄올 (Methanol) 메틸렌 클로라이드 (MethyleneChloride), 디메틸포름아미드 (Dimethylformamide), 트리클로로벤젠 (Trichlorobenzene), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran), 디메틸아세트아마이드 (Dimethylacetamide)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열가소성 프리프레그 제조방법. - 결정성 고분자인 열가소성 수지와 에탄올을 용기 혼합하여 수지 용액을 형성하는 단계;
시트 형태의 제1 보강 섬유에 상기 수지 용액의 성질에 따른 1차 표면 처리를 진행하여 제2 보강 섬유를 형성하는 단계;
상기 제2 보강 섬유에 2차 표면 처리를 진행하여 제1 수지층이 형성된 제3 보강 섬유를 형성하는 단계;
상기 제3 보강 섬유에 수지 필름을 함침하여 상기 제1 수지층 상에 제2 수지층이 형성된 프리프레그를 복수개 형성하는 단계;
복수개의 프리프레그를 적층하는 단계; 및
상기 적층된 복수개의 프리프레그를 가열, 가압 및 냉각하여 복수개의 프리프레그로 구성된 멀티 프리프레그를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 1차 표면 처리는 상기 2차 표면 처리를 진행시 상기 수지 용액 내에서 수지 분자들이 상기 제1 보강 섬유에 견고하게 부착되도록 하기 위한 선행 과정으로, 상기 수지 용액에 포함된 수지가 친수성인 경우에 상기 제1 보강 섬유에 친수성 처리를 수행하고, 상기 수지 용액에 포함된 수지가 소수성인 경우에는 상기 제1 보강 섬유에 소수성 처리를 하는 것을 특징으로 하며,
상기 수지 용액을 형성하는 단계는, 폴리아마이드-나일론 다중고분자 레진을 활성화시키기 위해 아세톤으로 세척한 후 80도에서 4시간 동안 건조시켜 고형 수지를 형성하고, 상기 고형 수지를 에탄올과 혼합하는 과정을 포함하며,
상기 2차 표면 처리는 상기 제2 보강 섬유를 상기 수지 용액이 담긴 배쓰에 투입하고, 상기 수지 용액이 담긴 배쓰 상에 배치된 가압 롤러를 통과한 제2 보강 섬유를 히팅 챔버에서 소정의 온도로 가열하여 수지막을 코팅하는 과정을 포함하는 열가소성 프리프레그 제조방법.
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