KR20050108834A - Method of molding fiber-resin composite using plane heater - Google Patents
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Abstract
기계적 물성이 우수한 섬유-수지 복합체를 성형할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 열풍 가열 경화 방식보다 열효율이 높고, 공정시간이 짧으며, 작업환경이 우수한, 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 성형방법이 개시된다. 상기 성형방법은 소정 형상의 몰드에 섬유-수지 복합체를 적층하는 단계; 상기 적층된 섬유-수지 복합체의 적어도 어느 일면에 면상발열체를 위치시키는 단계; 및 상기 면상발열체를 가열하는 단계를 포함한다.Not only can the fiber-resin composite with excellent mechanical properties be formed, but the method of forming the fiber-resin composite using a planar heating element, which has higher thermal efficiency, shorter processing time, and excellent working environment than the conventional hot air heating and curing method, Is initiated. The molding method comprises the steps of laminating a fiber-resin composite in a mold of a predetermined shape; Placing a planar heating element on at least one surface of the laminated fiber-resin composite; And heating the planar heating element.
Description
본 발명은 면상발열체를 가열원으로 사용한 섬유-수지 복합체의 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 면상 발열체를 가열원으로 사용하여 간단한 장치로도 섬유-수지 복합체를 성형할 수 있고, 기존의 열풍 가열 경화 방식보다 열효율이 높아 공정시간이 짧으며, 작업환경이 안정될 뿐만 아니라, 균일한 온도로 성형할 수 있어 기계적 물성 등이 우수한 섬유-수지 복합체의 성형방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a fiber-resin composite using a planar heating element as a heating source, and more particularly, to form a fiber-resin composite using a simple device using a planar heating element as a heating source, and to a conventional hot air. The present invention relates to a method of forming a fiber-resin composite having excellent mechanical properties because it has a higher thermal efficiency than the heat curing method, and thus a short process time, a stable working environment, and a uniform temperature.
높은 비강도(strength-weight ratio)를 가지는 섬유-수지 복합체는 낚시대, 골프채와 같은 스포츠 레져용 소형 구조물은 물론, 풍력발전기용 블레이드, 항공기 기재 등 대형구조물에 널리 이용되고 있다. 이러한 섬유-수지 복합체의 성형방법으로는 SMC(Sheet Molding Compound) 성형방법, RTM(Resin Transfer Molding)성형방법, 인발(pultrusion) 성형방법, 열프레스 성형방법, 오토클레이브(autoclave) 성형방법, 오픈 몰드 (open mold) 성형방법 등이 있으며, 선박, 항공기, 풍력발전기용 블레이드 기재 등의 복잡한 대형 구조물의 성형에는 오토클레이브 성형방법이나 오픈 몰드 성형방법이 주로 사용되고 있다. Fiber-resin composites having a high strength-weight ratio are widely used in large structures such as wind turbine blades and aircraft substrates, as well as small structures for sports leisure such as fishing rods and golf clubs. Such fiber-resin composite molding methods include sheet molding compound (SMC) molding, resin transfer molding (RTM) molding, pultrusion molding, hot press molding, autoclave molding, and open mold. (open mold) molding method, and the like, the autoclave molding method or the open mold molding method is mainly used for the molding of complex large structures such as blade substrates for ships, aircraft, wind turbines.
오토클레이브 성형방법은 열과 압력을 동시에 가할 수 있는 가압로인 오토클레이브를 사용하여 성형하는 방법으로서, 도 1은 오토클레이브 성형장치(1)의 모식도를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 지지대(8) 위에, 성형하고자하는 소정 형상의 몰드(9)를 놓고, 그 위에 열경화성 수지 및/또는 열가소성 매트릭스 수지에 유리섬유, 케블라섬유, 탄소섬유 등의 보강섬유가 일방향(uni-directional) 또는 직물(wooven) 형태로 함침된 프리프레그 섬유-수지 복합체(10)를 원하는 플라이만큼 적층한 후, 몰드(9)와 코르크 댐(6, 6')을 위치시키고, 그 위에 프리프레그 섬유-수지 복합체 성형물(10)의 섬유, 수지 비율을 조절하기 위한 블리더(bleeder)(11), 및 섬유-수지 복합체(10)에 포함된 공기와 휘발성분을 제거하고 진공을 용이하게 형성하기 위한 브레더(breather)(12)를 차례로 적층한 후, 상기 적층물을 진공백(vacuum bag)(13)으로 감싸고, 진공백(13) 가장자리에 봉합제(sealant)(7, 7')를 접착하여 지지대(8)와 진공백(13) 사이에 공기가 새어 들어가거나 나가지 않도록 밀폐시킨다. 진공백(13)의 적절한 위치에 지름 5 ~ 7 mm 정도의 구멍을 만들고, 이를 진공라인(5)과 연결한 후, 진공라인(5)과 연결된 진공펌프(도시하지 않음)를 작동하여 진공백(13) 내에 진공(통상적으로는 대기압보다 낮은 압력)을 만들어주고, 동시에 외부 가압장치(도시하지 않음)의 작동으로 압력라인(4)을 통하여 질소 등의 불활성 기체를 유입시켜 오토클레이브(1) 내의 압력을 높이면서, 팬(2)과 히터(3)으로 구성되는 가열원을 작동하여 열풍을 진공백(12) 내의 프리프레그 섬유-수지 복합체(10)로 방사한다. 프리프레그 섬유-수지 복합체(10)는 처음에는 온도가 올라가면서 점도가 낮아지고 용융도가 증가하면서 오토클레이브(1)내의 압력에 의해 몰드에 밀착하다가, 섬유-수지 복합체(10) 내의 화학결합반응 등으로 서서히 경화하게 되고, 소정의 몰드(9) 형상으로 경화된 섬유-수지 복합체(10) 성형물은 몰드(9)로부터 분리된다. 오토클레이브 성형방법은 고품위 항공기 부품 중 판재 및 샌드위치 구조물 등의 크거나 복잡하여 열프레스 성형방법으로는 제작할 수 없거나, 생산수량이 적어 금형을 제작하면 경제적 부담이 큰 성형물의 제조에 적합하나, 열풍 발생장치 등 고가이며 관리가 어려운 많은 부자재를 필요로 하고, 공정이 복잡하며 장시간이 소요되고 오토클레이브(1)보다 큰 구조물을 제작할 수 없는 문제가 있다. The autoclave molding method is a method of molding using an autoclave which is a pressurizing furnace capable of simultaneously applying heat and pressure, and FIG. 1 shows a schematic diagram of the autoclave forming apparatus 1. As shown in Fig. 1, a mold 9 of a predetermined shape to be molded is placed on a support 8, and thereon reinforcing fibers such as glass fibers, kevlar fibers, carbon fibers, etc., on a thermosetting resin and / or a thermoplastic matrix resin. After stacking the prepreg fiber-resin composite 10 impregnated in a uni-directional or woven form as desired ply, the mold 9 and cork dams 6 and 6 'are positioned, The air and volatiles contained in the fiber of the prepreg fiber-resin composite molding 10, the bleeder 11 for adjusting the resin ratio, and the fiber-resin composite 10 are removed and a vacuum is applied. After stacking a breather 12 for easy formation, the stack is wrapped with a vacuum bag 13 and a sealant 7 at the edge of the vacuum bag 13. 7 ') to bleed air between the support (8) and the vacuum bag (13) or Prevent and seal. Make a hole with a diameter of about 5 to 7 mm at an appropriate position of the vacuum bag 13, connect it with the vacuum line 5, and then operate the vacuum pump (not shown) connected with the vacuum line 5 to operate the vacuum bag. (13) creates a vacuum (typically lower than atmospheric pressure), and at the same time operates an external pressurization device (not shown) to introduce an inert gas such as nitrogen through the pressure line (4) to autoclave (1). While raising the pressure inside, the heating source consisting of the fan 2 and the heater 3 is operated to radiate hot air into the prepreg fiber-resin composite 10 in the vacuum bag 12. The prepreg fiber-resin composite 10 initially adheres to the mold by the pressure in the autoclave 1 as the temperature increases and the viscosity decreases and the meltability increases, and then the chemical bonding reaction in the fiber-resin composite 10 And the fiber-resin composite 10 molding cured to a predetermined mold 9 shape are separated from the mold 9. Autoclave molding method is not suitable to manufacture by hot press molding method because of large or complicated plate material and sandwich structure among high-grade aircraft parts, or it is suitable for manufacturing moldings with high economic burden if mold is produced due to low production quantity. It requires a lot of subsidiary materials, such as equipment and expensive and difficult to manage, the process is complicated, takes a long time and there is a problem that can not produce a structure larger than the autoclave (1).
상기와 같은 문제를 보완하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같은 오픈몰드 성형방법이 사용되고 있다. 오픈몰드 성형장치는 오토클레이브(1), 가압장치(도시안함) 및 압력라인(4)이 없는 것을 제외하고 오토클레이브 성형장치와 동일하며, 섬유-수지 복합체(10), 코르크 댐(6,6'), 블리더(11), 브레더(12) 및 진공백(13)의 적층공정, 진공백(13) 내부의 진공압 형성 공정, 가열원(2,3)의 열풍방사공정, 섬유-수지 복합체(10) 성형물의 분리공정 등은 오토클레이브 성형방법과 동일하다. 오픈몰드 성형방법은 상압 하에서 작업할 수 있고, 설비가 간단하며, 성형물의 크기에 제한 받지 않는다는 장점이 있으나, 성형물의 품질관리를 위해 수시로 작업자가 열풍 속에서 작업을 해야 하므로 안전성이 저하되고, 열풍에 의한 간접 가열로 인해 성형물에 가해지는 열전달 효율이 떨어져 성형 시간이 길며, 두꺼운 성형물을 제작할 경우에 용융 및 경화가 불완전하여 성형물의 물성이 저하되고, 열풍이 가해지는 위치 및 성형물의 두께 방향에 따른 온도 편차로 인해 성형물의 물성이 불균일하다는 문제가 여전히 남는다. In order to supplement the above problems, an open mold forming method as shown in FIG. 2 is used. The open mold forming apparatus is the same as the autoclave forming apparatus except that there is no autoclave 1, pressurization device (not shown), and pressure line 4, and the fiber-resin composite 10, cork dam 6, 6 '), Bleeder 11, breather 12 and vacuum bag 13 lamination process, vacuum pressure forming process inside vacuum bag 13, hot air spinning process of heating source 2, 3, fiber- The separation step of the molded article of the resin composite 10 is the same as the autoclave molding method. The open mold molding method has the advantage of being able to work under normal pressure, simple equipment, and not limited to the size of the molding, but for the quality control of the molding, the worker has to work in the hot air from time to time, so the safety is reduced, The heat transfer efficiency applied to the molding due to indirect heating by the molding is long, and the molding time is long, and when the thick molding is manufactured, the properties of the molding are deteriorated due to incomplete melting and curing, and according to the position where the hot air is applied and the thickness direction of the molding. The problem remains that the properties of the moldings are nonuniform due to temperature variations.
따라서 본 발명의 목적은 간단한 장치로도 섬유-수지 복합체를 성형할 수 있는 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 성형방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 열효율로 성형할 수 있어 공정시간이 짧은 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 성형방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 균일한 온도로 성형할 수 있어 기계적 물성 등이 우수하고, 작업환경의 안정성이 개선된 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 성형방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a fiber-resin composite using a planar heating element which can form a fiber-resin composite even with a simple device. Another object of the present invention is to provide a method for forming a fiber-resin composite using a planar heating element which can be molded with high thermal efficiency and has a short process time. Still another object of the present invention is to provide a method for forming a fiber-resin composite using a planar heating element which can be molded at a uniform temperature, has excellent mechanical properties, and the stability of a working environment.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정 형상의 몰드에 섬유-수지 복합체를 적층하는 단계; 상기 적층된 섬유-수지 복합체의 적어도 어느 일면에 면상발열체를 위치시키는 단계; 및 상기 면상발열체를 가열하는 단계를 포함하는 섬유-수지 복합체의 성형방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of laminating a fiber-resin composite in a mold of a predetermined shape; Placing a planar heating element on at least one surface of the laminated fiber-resin composite; And it provides a method of forming a fiber-resin composite comprising the step of heating the planar heating element.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따라 성형되는 섬유-수지 복합체를 포함하는 적층 구조의 일 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 오토클레이브 성형방법의 일 모식도이며, 도 5는 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 오픈몰드 성형방법의 일 모식도이다. 3 is a schematic diagram of a laminated structure including a fiber-resin composite molded according to the present invention, Figure 4 is a schematic diagram of an autoclave molding method of the fiber-resin composite using a planar heating element according to the present invention, Figure 5 Is a schematic diagram of an open mold forming method of a fiber-resin composite using a planar heating element according to the present invention.
본 발명에 따른 성형방법은 도 3 내지 5에서 알 수 있는 바와 같이 가열원으로서 고온의 열풍 대신에 면상발열체(28,28')를 사용하는 것을 제외하고는, 통상적인 오토클레이브 성형방법 및 오픈 몰드 성형방법과 동일하다. The molding method according to the present invention is a conventional autoclave molding method and an open mold, except that planar heating elements 28 and 28 'are used instead of high temperature hot air as a heating source as shown in FIGS. 3 to 5. Same as the molding method.
먼저 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 지지대(26) 위에 성형하고자하는 소정 형상의 몰드(27)를 놓고, 면상발열체(28)를 적층한 후, 적층된 면상발열체(28)에 섬유-수지 복합체(29)를 재단하여 원하는 두께만큼 적층하고, 면상발열체(28) 및 섬유-수지 복합체(29)의 가장자리에 코르크 댐(24,24')을 위치시킨 후, 적층된 섬유-수지 복합체(29) 및 코르크 댐(24,24')에 필요에 따라 블리더(30) 및 브레더(31)를 차례대로 적층하고, 적층된 블리더(30) 및 브레더(31)에 면상발열체(28')를 적층한 후, 진공백(32)으로 전체 적층물을 감싼다. 본 발명에 따른 성형방법에 있어서, 면상발열체(28,28')는 도 3과 같이 섬유-수지 복합체(29)의 아랫면(몰드(26)와 섬유-수지 복합체(29)의 사이) 및 윗면(섬유-수지 복합체(29)의 위 또는 브레더(31)의 위)에 모두 적층될 수도 있고, 어느 한 면에만 적층될 수도 있다. First, as shown in FIGS. 3 and 4, a mold 27 having a predetermined shape to be molded is placed on the support 26, the planar heating elements 28 are laminated, and then the fiber-resin is stacked on the laminated planar heating elements 28. The composite 29 is cut and laminated to a desired thickness, the cork dams 24 and 24 'are positioned at the edges of the planar heating element 28 and the fiber-resin composite 29, and then the laminated fiber-resin composite 29 ) And the bleeder 30 and the breather 31 are sequentially stacked on the cork dams 24 and 24 'as necessary, and the planar heating element 28' is stacked on the stacked bleeder 30 and the breather 31. ), The entire stack is wrapped with a vacuum bag (32). In the molding method according to the present invention, the planar heating elements 28 and 28 'are formed on the bottom surface (between the mold 26 and the fiber-resin composite 29) and the top surface (fiber-resin composite 29) as shown in FIG. Both on the fiber-resin composite 29 or on the breather 31), or on only one side.
본 발명의 가열원으로 사용되는 면상발열체(28,28')(plain heater)는 소정의 패턴으로 탄소섬유 등의 일정 저항을 갖고 있는 도전성 물질을 얇은 시이트 형태로 절연체에 고르게 도포하고, 시이트의 양 끝에 금속 통전선(33)을 삽입한 후, 통전하면 열을 발생하는 발열체를 말한다. 상기 도전성 물질의 비한정적인 예로는 탄소섬유 부직포, 탄소섬유 직물, 탄소섬유 단섬유 등의 탄소섬유, 카본블랙 반죽, 카본블랙 파우더, 카본 도전성 도료, 전도성 폴리머, 금속 박막 시이트, 금사, 은사 등의 각종 금속사를 얇은 시이트 형태로 고루 분산하여 제조한 물질을 예시할 수 있다. 면상발열체(28,28')는 그 특성상 얇은 시트 형태로 구성되어 있으며, 곡면을 따라 적층할 만큼의 드레이프(drape) 성이 있는 재질로 제조되는 것이 바람직하며, 면상 발열체 및 그의 제조방법은 대한민국 특허등록 제0337609호, 실용신안등록 제0226764호, 미국특허등록 제3,367,851호, 제3,839,134, 일본국 특공소 제62-281293호, 특개평 공보 제5-144554호 등에 상세히 개시되어 있다. The planar heating elements (28, 28 ') used as the heating source of the present invention is applied to the insulator evenly in the form of a thin sheet of conductive material having a certain resistance, such as carbon fiber in a predetermined pattern, the amount of sheet Refers to a heating element that generates heat when the metal conducting wire 33 is inserted at the end and energized. Examples of the conductive material include, but are not limited to, carbon fiber nonwoven fabric, carbon fiber fabric, carbon fiber such as carbon fiber short fiber, carbon black dough, carbon black powder, carbon conductive paint, conductive polymer, metal thin sheet, gold yarn, silver yarn, etc. The material manufactured by disperse | distributing various metal yarn evenly in the form of a thin sheet can be illustrated. The planar heating elements 28 and 28 'are formed in a thin sheet form due to their characteristics, and are preferably made of a material having a drape enough to be laminated along a curved surface. The planar heating element and its manufacturing method are Korean patents. Patent No. 0337609, Utility Model Registration No. 0262764, US Patent Nos. 3,367,851, 3,839,134, Japanese Patent Application No. 62-281293, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-144554, and the like.
본 발명에 의해 성형되는 성형물의 재료인 섬유-수지 복합체(29)는 보강 섬유와 매트릭스 수지를 복합하여, 섬유 및 수지의 우수한 성질을 모두 발현하는 고분자재료를 말하는 것으로, 섬유강화플라스틱(fiber reinforced plastic: FRP), 및 보강 섬유에 매트릭스 수지를 균일한 함량으로 함침시켜 만든 시트(sheet)상의 중간제인 프리프레그(prepreg)를 포함한다. 상기 보강섬유는 FRP 등의 섬유-수지 복합체(29)를 제작하는데 통상적으로 사용되는 보강섬유를 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유리섬유, 케블라섬유, 탄소섬유, 보론 섬유 또는 이들의 혼합물로서, 인장탄성계수(tensible modulus)가 1,000 ~ 40,000 kgf/mm2이고, 인장강도(tensible strength)가 50 ~ 500 kgf/mm2인 것을 사용할 수 있다. 인장탄성계수가 1,000 kgf/mm2 미만이거나 인장강도가 50 kgf/mm2 미만이면, 제조된 섬유-수지 복합체의 물성이 저하될 염려가 있고, 인장탄성계수가 40,000 kgf/mm2를 초과하거나 인장강도가 500 kgf/mm2를 초과하면, 경제적으로 불리할 뿐 특별한 이익이 없다.The fiber-resin composite 29, which is a molding material formed by the present invention, refers to a polymer material which expresses both fiber and resin excellent properties by combining reinforcing fibers and matrix resin, and fiber reinforced plastics. : FRP), and prepreg, which is a sheet-like intermediate made by impregnating the reinforcing fibers with a matrix resin in a uniform content. The reinforcing fibers may be used without limitation, reinforcing fibers conventionally used to make a fiber-resin composite 29, such as FRP, preferably glass fiber, Kevlar fiber, carbon fiber, boron fiber or a mixture thereof, Tensile modulus (tensible modulus) of 1,000 to 40,000 kgf / mm 2 , the tensile strength (tensible strength) may be used 50 to 500 kgf / mm 2 . If the tensile modulus of elasticity is less than 1,000 kgf / mm 2 or the tensile strength is less than 50 kgf / mm 2 , there is a possibility that the physical properties of the manufactured fiber-resin composite may be deteriorated, and the tensile modulus of elasticity exceeds 40,000 kgf / mm 2 or the tensile If the strength exceeds 500 kgf / mm 2 , it is economically disadvantageous and there is no particular benefit.
상기 매트릭스 수지는 FRP 등의 섬유-수지 복합체(29)를 제작하는데 통상적으로 사용되는 수지를 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에폭시 수지, 불포화폴리에스테르수지 , 비닐에스터수지, 멜라민 수지, 페놀수지 등의 열경화성 수지, 폴리이미드수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리아미드수지, 폴리카보네이트수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트수지, ABS 수지, 폴리페닐렌설파이드수지, 폴리에테르에테르케톤수지, 폴리에테르이미드수지 등의 열가소성 수지, 및 이들의 혼합물을 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 프리프레그(29)는 직물형 보강섬유에 수지가 함침되어 있는 프리프레그, 일방향 보강섬유에 수지가 함침되어 있는 프리프레그, 보강섬유 매트에 수지가 함침되어 있는 프리프레그 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The matrix resin can be used without limitation, a resin commonly used to fabricate a fiber-resin composite 29, such as FRP, preferably epoxy resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, melamine resin, phenol resin, etc. Thermoplastics such as thermosetting resins, polyimide resins, polyethylene resins, polypropylene resins, polyamide resins, polycarbonate resins, polyethylene terephthalate resins, ABS resins, polyphenylene sulfide resins, polyether ether ketone resins, polyetherimide resins, and the like. Resins, and mixtures thereof, can be used without limitation. The prepreg 29 may be a prepreg impregnated with a resin in the textile reinforcement fiber, a prepreg impregnated with the resin in the one-way reinforcement fiber, a prepreg impregnated with the resin in the reinforcing fiber mat or a mixture thereof have.
섬유-수지 복합체(29)를 구성하는 매트릭스 수지의 함량은 전체 섬유-수지 복합체(29)에 대하여 5 ~ 80 중량% 범위 내에서, 보강섬유의 종류 및 성형방법에 따라 적정한 비율로 혼합할 수 있다. 수지 함량이 5 중량% 미만이면 성형 중에 수지 유동이 적어 층간 완전한 접착이 이루어지지 않을 염려가 있으며, 80 중량%를 초과하면 과잉의 수지로 인해 성형물 본체의 무게가 증가하는 문제가 있다. 직물형 탄소섬유를 보강섬유로 하는 프리프레그인 섬유-수지 복합체(29)를 진공백(32)을 사용하여 성형하는 경우, 낮은 압력에서도 직물형 보강섬유 사이에 매트릭스 수지가 함침될 수 있도록, 통상적인 함량인 37 ~ 40 중량% 보다 많은 40 ~ 50 중량%의 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 일방향 탄소섬유 또는 일방향 유리섬유를 보강섬유로 하는 프리프레그 섬유-수지 복합체(29)인 경우, 성형 중에 발생할 수 있는 핀홀을 최소화하고, 층간 분리를 방지하기 위하여 수지함량이 27 ~ 37 중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.The content of the matrix resin constituting the fiber-resin composite 29 may be mixed in an appropriate ratio depending on the type and forming method of the reinforcing fiber within the range of 5 to 80% by weight based on the total fiber-resin composite 29. . When the resin content is less than 5% by weight, there is a concern that the resin flow may be insufficient during the molding, so that perfect adhesion between the layers may not be achieved. When the resin content exceeds 80% by weight, the weight of the molded body may increase due to the excess resin. When the prepreg fiber-resin composite 29, which is made of woven carbon fibers as a reinforcing fiber, is molded using the vacuum bag 32, the matrix resin can be impregnated between the woven reinforcing fibers even at low pressure. It is preferable to use 40 to 50% by weight resin which is higher than the phosphorus content of 37 to 40% by weight, and in the case of the prepreg fiber-resin composite 29 having unidirectional carbon fiber or unidirectional glass fiber as reinforcing fiber, In order to minimize pinholes that may occur and to prevent interlayer separation, the resin content is preferably 27 to 37% by weight.
섬유-수지 복합체(29)의 적층 두께와 적층 방향은 보강섬유 및 매트릭스 수지의 종류, 성형물에 요구되는 강도 및 내충격성에 따라 조절할 수 있으며, 프리프레그(29)를 적층하는 경우, 프리프레그(29) 플라이 사이에 공기가 새어 들어가지 않도록 주의하면서 원하는 만큼의 플라이를 적층한다. The thickness and lamination direction of the fiber-resin composite 29 can be adjusted according to the type of reinforcing fiber and matrix resin, the strength and impact resistance required for the molding, and when the prepreg 29 is laminated, the prepreg 29 ) Lay as many plies as you want, taking care not to let air in between them.
상기 섬유-수지 복합체(29)에 필요에 따라 적층되는 블리더(30)는 성형 공정 동안 섬유-수지 복합체(29) 적층물로부터 과잉수지를 흡수하여 섬유-수지 복합체(29) 내의 섬유 및 수지 함량을 조절하는 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 사용되는 블리더(30)를 제한 없이 사용할 수 있고, 상기 섬유-수지 복합체(29) 위에 필요에 따라 적층되는 브레더(31)는 성형공정 중에 섬유-수지 복합체(29) 적층물에 오토클레이브(21) 압력이 전달되도록 하고, 진공압 형성을 용이하게 하며, 적층물에 갖혀 있는 공기 및 휘발성 물질이 외부로 새어나갈 수 있게 하는 역할을 하는 것으로서, 에어 브레더(air breather) 등의 통상적으로 사용되는 브레더(31)를 제한 없이 사용할 수 있다. The bleeder 30, which is laminated to the fiber-resin composite 29 as necessary, absorbs excess resin from the fiber-resin composite 29 stack during the molding process, so that the fiber and resin content in the fiber-resin composite 29 As a function of controlling the temperature, the bleeder 30 which is commonly used may be used without limitation, and the breather 31 laminated as needed on the fiber-resin composite 29 may be a fiber-resin during the molding process. The air braid serves to allow the autoclave 21 pressure to be transferred to the composite 29 stack, facilitate the formation of a vacuum pressure, and allow the air and volatiles contained in the stack to leak out. A commonly used breather 31 such as an air breather may be used without limitation.
상기 진공백(32)은 섬유-수지 복합체(29) 적층물에 오토클레이브(21)의 압력 및 진공압을 전달하고, 오토클레이브(21)의 내의 불활성기체 또는 공기가 적층물에 투과되어 기공이 발생하거나 성형물의 물성이 저하되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 사용되는 진공백(32)을 제한 없이 사용할 수 있으며, 비한정적으로는 몰드(9) 등의 날카로운 가장자리에도 찢기지 않는 나일론 및 실리콘고무 재질로 된 진공백 필름을 예시할 수 있다. The vacuum bag 32 transmits the pressure and the vacuum pressure of the autoclave 21 to the fiber-resin composite 29 stack, and inert gas or air in the autoclave 21 is permeated through the stack to allow pores. As a function of preventing the deterioration of the physical properties of the molding or molding, it is possible to use a vacuum bag 32 that is commonly used without limitation, without being limited to nylon that does not tear on the sharp edge of the mold (9) and the like; A vacuum bag film made of silicone rubber may be exemplified.
또한, 필요에 따라 절연필름 및 이형필름(release film)을 섬유-수지 복합체(29)와 면상발열체(28,28') 사이에 삽입할 수도 있고, 전도성 물질과 절연필름이 라미네이트된 면상발열체(28,28')를 사용할 수도 있다. 상기 절연필름(도시안함)은 통상적으로 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 비한정적으로는 성형온도 및 이형특징을 고려하여 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리이미드 필름 등의 열가소성 필름을 예시할 수 있다. 상기 이형필름(도시안함)은 성형물의 표면을 매끈하게 하고, 성형물이 쉽게 몰드(26)에서 분리되도록 하며, 필요에 따라 섬유-수지 복합체(29) 적층물 내의 공기와 휘발성 기체가 빠져나가도록 하고, 경화 공정시 섬유-수지 복합체(29)의 과잉 수지가 이형필름의 천공을 통해 블리더(30)로 빠져나가도록 하는 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 상기 전도성 물질(도시안함)도 통상적으로 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. In addition, if necessary, an insulating film and a release film may be inserted between the fiber-resin composite 29 and the planar heating elements 28 and 28 ', and the planar heating element 28 in which the conductive material and the insulating film are laminated. , 28 '). The insulating film (not shown) may be used without limitation, and may be used, without limitation, thermoplastic films such as polypropylene film, polyethylene film, and polyimide film in consideration of molding temperature and release characteristics. . The release film (not shown) smoothes the surface of the molding, allows the molding to be easily separated from the mold 26, and allows the air and volatile gases in the fiber-resin composite 29 stack to escape as needed. In the curing process, the excess resin of the fiber-resin composite 29 acts to escape to the bleeder 30 through the perforation of the release film, and can be used without limitation, and the conductive material may be used. (Not shown) can also be used without limitation.
상기 방법대로 적층을 한 후, 도 4 및 5에 도시한 바와 같이 진공백(32)과 지지대(26) 사이를 봉합제(25,25')로 밀폐한다. 상기 밀폐는 보통 부틸계 고무 등의 실란트 고무 테입인 봉합체(25,25')를 지지대(26)와 진공백(32)에 압착하여 수행한다. 특히, 몰드(26)의 형상이 복잡한 경우에는 진공백(32) 필름에 큰 주름이 생겨 성형물에 주름 문양이 새겨지지 않도록 진공백의 여분을 조절하여 접어서 싸는 것이 중요하다. 상기 밀폐 공정 후, 도 4의 오토클레이브 성형방법으로 섬유-수지 복합체(29)를 성형할 수 있다. 먼저 통상의 오토클레이브 성형방법과 같이, 진공라인(23)에 연결된 진공펌프(도시안함)를 작동하여 진공백(32) 내부를 감압하고, 압력라인(22)과 연결된 가압장치(도시안함)를 작동하여 오토클레이브(21) 내부의 압력을 높인 후에, 면상발열체(28,28')의 통전선(33)을 통해 전류를 통전하면서 섬유-수지 복합체(29)를 가열하고 소정의 몰드 형상으로 경화하여 섬유-수지 복합체(29) 성형물을 제조할 수 있다. 진공압은 700mmHg ~ 750mmHg인 것이 바람직하고, 오토클레이브내 압력은 500 ~ 600 kPa인 것이 바람직하며, 면상발열체(28,28')의 온도는 60 ~ 160℃인 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나면 성형물의 물성이 저하될 염려가 있으며, 특히 온도가 상기 범위를 벗어나면 성형물의 경화가 곤란하고, 오토클레이브 내의 압력이 600 kPa을 초과하면 작업의 안정성이 저하될 염려가 있다. 도 5의 오픈몰드 방법으로 성형하는 경우에는, 통상의 오픈몰드 성형방법과 같이 먼저 진공라인(23)에 연결된 진공펌프(도시안함)를 작동하여 진공백(32) 내부를 감압한 후, 면상발열체(28,28')의 통전선(33)을 통해 직류 또는 교류 전류를 통전하면서 섬유-수지 복합체(29)를 가열하고 소정의 몰드 형상으로 경화하여 섬유-수지 복합체(29) 성형물을 제조할 수 있다. 진공압은 650~ 700 kPa이 바람직하고, 면상발열체(28,28')의 온도는 60 ~ 160℃인 것이 바람직하다. 진공압이 650 kPa 미만이면 성형물의 물성이 저하되고, 700 kPa를 초과하는 압력은 오픈몰드의 특성상 가해주기 어렵고, 경제적으로 불리할 뿐 별다른 장점이 없다. 온도는 상기 범위를 벗어나면 성형물이 경화하기 어렵다는 문제가 있다. After lamination according to the method described above, the sealing bag 25, 25 'is sealed between the vacuum bag 32 and the support 26 as shown in Figs. The sealing is carried out by compressing the seals 25 and 25 ', which are usually sealant rubber tapes such as butyl rubber, to the support 26 and the vacuum bag 32. In particular, when the shape of the mold 26 is complicated, it is important to fold and wrap the vacuum bag by adjusting the excess of the vacuum bag so that a large wrinkle occurs in the film of the vacuum bag 32 and the wrinkle pattern is not engraved on the molding. After the sealing process, the fiber-resin composite 29 can be formed by the autoclave molding method of FIG. First, as in a conventional autoclave molding method, a vacuum pump (not shown) connected to the vacuum line 23 is operated to depressurize the inside of the vacuum bag 32, and a pressurization device (not shown) connected to the pressure line 22 is operated. After operating to increase the pressure inside the autoclave 21, the fiber-resin composite 29 is heated and cured to a predetermined mold shape while energizing current through the conducting wire 33 of the planar heating elements 28 and 28 '. To form a fiber-resin composite 29. The vacuum pressure is preferably 700 mmHg to 750 mmHg, the autoclave pressure is preferably 500 to 600 kPa, and the temperature of the planar heating elements 28 and 28 'is preferably 60 to 160 ° C. If outside the above range, there is a concern that the physical properties of the molded article is lowered, in particular, if the temperature is outside the above range, it is difficult to harden the molded article, and if the pressure in the autoclave exceeds 600 kPa, the stability of the work may be lowered. In the case of molding by the open mold method of FIG. 5, the vacuum pump (not shown) connected to the vacuum line 23 is first operated to depressurize the inside of the vacuum bag 32 in the same manner as a conventional open mold molding method. The fiber-resin composite 29 molding can be prepared by heating the fiber-resin composite 29 and curing it to a predetermined mold shape while energizing a direct current or alternating current through the conducting wire 33 of (28, 28 '). have. It is preferable that vacuum pressure is 650-700 kPa, and the temperature of planar heating elements 28 and 28 'is 60-160 degreeC. If the vacuum pressure is less than 650 kPa, the physical properties of the molded product is lowered, and the pressure exceeding 700 kPa is difficult to add due to the characteristics of the open mold, it is economically disadvantageous, there is no particular advantage. If the temperature is out of the above range, there is a problem that the molding is difficult to cure.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The following examples are intended to illustrate the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.
[실시예 1] 면상발열체를 이용한 직물형 유리섬유 프리프레그 섬유-수지 복합체 성형물의 제조 Example 1 Fabrication of Woven Glass Fiber Prepreg Fiber-Resin Composite Molded Material Using Plane Heating Element
도 5에 도시한 바와 같이, 평판 형상의 알루미늄 몰드(27) 위에 면상발열체(SK케미칼㈜, SKCPH-01)(28) 및 폴리프로필렌 필름(도시안함)을 차례대로 적층하고, 하기 표 1에 기재된 바와 같은 직물형 유리섬유 프리프레그(SK케미칼㈜, GEP224)(29) 5플라이를 각각 50 x 50cm 크기로 재단한 후, 같은 방향으로 면상발열체(28)에 적층하고, 상기 적층된 프리프레그(29)에 블리더(30), 브레더(미국 National Aerospace Supply Co사, Ultraflo 3000)(31), 폴리프로필렌 필름(미국 National Aerospace Supply Co사, NA 7)(도시안함) 및 면상발열체(SK케미칼㈜, SKCPH-01)(28')를 차례로 적층한 후, 상기 적층물을 진공백(미국 National Aerospace Supply Co사, NA1350 Bagging Film)(32)으로 덮고 봉합제(25,25')로 밀폐하였다. 밀폐한 후, 진공라인(23)에 연결된 진공펌프(도시안함)를 작동하여 진공백(32) 내부의 압력을 700mmHg으로 하면서, 면상발열체(28,28')에 90분 동안 20V 및 2A의 전원을 인가하여 프리프레그의 표면온도를 125℃(비접촉온도계로 측정)로 유지하면서, 프리프레그(29)를 가열하고 경화시킨 후, 면상발열체(28,28')의 전원을 차단하고, 진공펌프(도시안함)의 작동을 멈춘 후, 진공백(32), 면상발열체(28'), 폴리프로필렌 필름(도시안함), 블리더(30) 및 브레더(31)를 걷어내고, 평판 몰드(27)에서 프리프레그 성형물을 분리, 제조하였다.As shown in Fig. 5, a planar heating element (SK Chemical Co., SKCPH-01) 28 and a polypropylene film (not shown) are sequentially stacked on a flat aluminum mold 27, and the results are shown in Table 1 below. After cutting five plies of each type of fiberglass prepreg (SK Chemical Co., Ltd., GEP224) (29) to 50 x 50 cm size, respectively, laminated to the planar heating element 28 in the same direction, and the laminated prepreg 29 Bleeder (30), breather (U.S. National Aerospace Supply Co., Ultraflo 3000) (31), polypropylene film (U.S. National Aerospace Supply Co., NA 7) (not shown) and planar heating element (SK Chemical Co., Ltd.) After stacking, SKCPH-01) 28 ', the stack was covered with a vacuum bag (Na1350 Bagging Film, National Aerospace Supply Co., USA) 32 and sealed with sutures 25, 25'. After sealing, the vacuum pump (not shown) connected to the vacuum line 23 was operated to set the pressure inside the vacuum bag 32 to 700 mmHg while supplying power of 20V and 2A to the planar heating elements 28 and 28 'for 90 minutes. While heating and curing the prepreg 29 while maintaining the surface temperature of the prepreg at 125 DEG C (measured with a non-contact thermometer), the power supply of the planar heating elements 28, 28 'was cut off, and the vacuum pump ( (Not shown), the vacuum bag 32, the planar heating element 28 ', the polypropylene film (not shown), the bleeder 30 and the breather 31 are removed, and the flat mold 27 The prepreg moldings were separated and prepared.
상기 제조된 성형물을 25℃에서 200℃까지 10℃/min로 가열하면서 발열되는 열플럭스(heat flux)를 DSC(미국 Perkin Elmer사, 1020 Series DSC7)로 측정하여 표 6의 그래프에 선 1로 도시하였다.The heat flux generated by heating the prepared molding at 10 ° C./min from 25 ° C. to 200 ° C. was measured by DSC (Perkin Elmer, USA, 1020 Series DSC 7), and is shown as line 1 in the graph of Table 6. It was.
[표 1]TABLE 1
[실시예 2] 면상발열체를 이용한 직물형 탄소섬유 프리프레그 및 일방향 탄소섬유 프리프레그 섬유-수지 복합체 성형물의 제조 Example 2 Fabrication of Woven Carbon Fiber Prepreg and Unidirectional Carbon Fiber Prepreg Fiber-Resin Composite Molded Material Using Plane Heating Element
상기 표 1에 기재된 바와 같은 일방향 탄소섬유 프리프레그 섬유-수지 복합체(SK 케미칼(주), USN150A)(29) 6플라이를 0도 방향으로 적층한 후, 윗면 및 아랫면 양쪽에 직물형 탄소섬유 프리프레그 섬유-수지 복합체(SK 케미칼(주), WSN3K)(29)를 0도 방향으로 각각 1플라이를 적층한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 성형온도, 시간, 압력 등의 공정조건으로 성형물을 제조하였으며, 제조된 성형물로부터 발열하는 열플럭스를 도 6의 그래프에 선 2로 나타내었다. 6 ply of one-way carbon fiber prepreg fiber-resin composite (SK Chemical Co., Ltd., USN150A) 29 as described in Table 1 was laminated in the 0 degree direction, and then fabricated carbon fiber prepreg on both the top and bottom surfaces thereof. The molded article was manufactured under the same process conditions as the molding temperature, time, and pressure as in Example 1, except that one ply of the fiber-resin composite (SK Chemical Co., Ltd., WSN3K) 29 was laminated in the 0 degree direction. It was prepared, and the heat flux generated from the produced molding is shown by the line 2 in the graph of FIG.
[비교예 1] 통상의 오토클레이브 성형방법을 이용한 직물형 유리섬유 프리프레그 섬유-수지 복합체 성형물의 제조 [Comparative Example 1] Fabrication of Woven Glass Fiber Prepreg Fiber-Resin Composite Molded Products Using a Common Autoclave Forming Method
실시예 1과 동일한 프리프레그(29)를 도 5의 오픈몰드 성형방법 대신에 도 1의 통상의 오토클레이브 성형방법을 이용하였고, 진공압은 570 mmHg이고, 오토클레이브(1) 내부의 압력은 500 kPa으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 적층 구조, 성형 온도, 시간 등의 공정 조건 하에서 실시예 1과 동일한 형상 및 크기의 성형물을 제조하였고, 제조된 성형물로부터 발열하는 열플럭스를 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하여 도 6에 선(3)으로 나타내었다. The same prepreg 29 as in Example 1 was used in the conventional autoclave molding method of FIG. 1 instead of the open mold molding method of FIG. 5, the vacuum pressure was 570 mmHg, and the pressure inside the autoclave 1 was 500. Except for kPa, a molded product having the same shape and size as in Example 1 was manufactured under the same laminated structure as in Example 1, molding temperature, time, and the like, and a heat flux that generates heat from the manufactured molding was measured. It measured by the same method as 1, and is shown by the line 3 in FIG.
실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 성형물의 경화도 평가Evaluation of the Curing Degree of Molded Products Prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1
도 6에 도시된 그림에 의해, 실시예 1 및 2에 의해 제조된 성형물은 비교예 1에 의한 성형물과 동등한 수준으로 경화가 완전히 일어났음을 알 수 있다. 6, it can be seen that the moldings produced in Examples 1 and 2 were completely cured to the same level as the moldings according to Comparative Example 1.
본 발명에 따른 면상발열체를 가열원으로 사용한 섬유-수지 복합체의 성형방법은 간단한 장치로도 섬유-수지 복합체를 성형할 수 있다는 장점이 있고, 높은 열효율로 성형할 수 있어 공정시간이 짧다는 장점이 있으며, 또한 균일한 온도로 성형할 수 있어 기계적 물성 등이 우수한 섬유-수지 복합체를 성형할 수 있다는 장점이 있고, 아울러 작업환경의 안정성을 개선할 수 있다는 장점이 있다.The method of forming the fiber-resin composite using the planar heating element as a heating source has the advantage that the fiber-resin composite can be molded even with a simple device, and the process time can be shortened because it can be molded with high thermal efficiency. In addition, it can be molded at a uniform temperature has the advantage of forming a fiber-resin composite having excellent mechanical properties and the like, and also has the advantage of improving the stability of the working environment.
도 1은 통상적인 오토클레이브 성형 장치의 모식도1 is a schematic view of a conventional autoclave forming apparatus
도 2는 통상적인 오픈몰드 성형 장치의 모식도2 is a schematic view of a conventional open mold forming apparatus
도 3은 본 발명에 따라 성형되는 섬유-수지 복합체를 포함하는 적층 구조의 일 모식도3 is a schematic diagram of a laminated structure including a fiber-resin composite molded according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 오토클레이브 성형방법의 일 모식도Figure 4 is a schematic diagram of an autoclave molding method of the fiber-resin composite using the planar heating element according to the present invention
도 5는 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 오픈몰드 성형방법의 일 모식도5 is a schematic diagram of an open mold forming method of a fiber-resin composite using a planar heating element according to the present invention
도 6은 본 발명에 따라 제조된 섬유-수지 복합체로부터 발열되는 열플럭스(heat flux)와 성형 온도의 관계를 도시한 그래프 Figure 6 is a graph showing the relationship between the heat flux (heat flux) and the molding temperature generated from the fiber-resin composite prepared according to the present invention
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