KR20160011263A

KR20160011263A - 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치

Info

Publication number: KR20160011263A
Application number: KR1020140091758A
Authority: KR
Inventors: 정재훈; 방윤혁; 왕영수; 정성륜
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2016-02-01

Abstract

본 발명은 종래의 개섬장치에 서로 다른 주파수로 진동하는 복수개의 진동롤러 및 고압의 공기를 분사하는 에어스프레이를 추가적으로 설비하여 기존의 설비시설을 이용할 수 있고, 설치과정이 간단하며, 탄소섬유의 섬유다발을 더 넓고 균일하게 개섬할 수 있는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치를 제공한다.
따라서 개섬된 탄소섬유에서 일정부분에서 섬유다발들이 서로 모이는 현상을 방지뿐만 아니라 개섬된 섬유를 보다 더 균일한 분포로 분산시켜 최종 프리프레그 제품의 위치별 섬유중량편차를 줄여주게 되어 품질을 향상시키는 효과가 있다.

Description

진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치{FIBER OPENING APPARATUS OF CARBON FIBER USING AIR SPRAY}

본 발명은 탄소섬유의 개섬장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 주파수로 진동하는 진동롤러를 통과하여 뭉쳐짐이 방지된 탄소섬유가 에어스프레이의 에어분사를 통해 더 균일하게 개섬될 수 있는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치에 관한 것이다.

프리프레그는 섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 후 반경화시킨 섬유강화 열가소성 수지복합체를 의미한다. 이는 경량이면서 우수한 기계적 특성을 갖기 때문에, 항공기나 자동차 부품, 스포츠(sports), 레저(leisure) 와 같은 각종 산업분야에 있어서 넓게 이용되고 있다.

프리프레그 제조에는 보통 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아로마틱 폴리아미드 섬유 등이 사용되는데, 탄소섬유나 유리섬유로 된 강화섬유의 단사를 복수개 나란히 하여 이루어진 강화섬유속 복수개를 서로 평행하게 나란하게 놓은 후, 에폭시수지나 불포화폴리에스테르 등의 열경화성 수지를 함침시켜서 시트화한다.

이 경우 강화섬유에 열경화성 수지를 함침하기 전 강화섬유에 대한 개섬(Opening) 공정이 거치게 되는데 강화섬유속을 개섬하는 것에 의해 그 두께를 얇게 하고, 강화섬유속의 단사 사이까지 열경화성 수지를 충분하게 함침시키는 것이 필요하다.

지금까지 알려진 탄소섬유 개섬 기술은, 일본공개특허 제2006-257593호, 제2006-297889호 등에 나타나 있듯이, 일정속도로 섬유를 공급하고 축방향에 진동시킨 환형봉 또는 회전볼을 여러개 통과시켜 개섬하는 방법, 섬유에 일정한 장력을 부여한 상태에서 자유 회전롤 상에 통과시키면서 하나의 롤러를 진동시켜 개섬하는 방법, 탄소섬유 속을 미리 예열하고 진동 플랫 자유회전롤과 플랫 레이스회전롤의 편성에 따른 개섬 방법 등과 같이 다양하게 개시되고 있으나 개섬에 필요한 롤러가 다수 요구되고 있고, 고정롤러 통과 방식의 경우 섬유 마찰이 커져 섬유 표면의 손상으로 인한 모우가 많이 발생하는 단점이 있었다.

따라서 이러한 단점을 해결하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 등록특허 제10-1180504호에서는 공기 분사장치(3)을 이용하여 개섬에 필요한 롤러(1, 2) 개수를 최소화하면서 탄소섬유(100)의 개섬 시 장력과 속도 조건을 모두 충족시킬 수 있는 탄소섬유의 개섬장치에 대하여 개시되어 있다.

그러나 이러한 공기 분사 방식의 경우 고가의 설비 비용이 발생하고, 기존 설비 시설을 이용하기 어려워 설치과정이 복잡하며, 고장 시 수리가 어려운 문제가 있었다.

(특허 문헌 1) 본 출원인에 의해 선출원된 등록특허 10-1180504호에서는 공기 분사방식을 이용한 탄소섬유의 개섬장치에 대하여 개시되어 있다. (특허 문헌 2) 본 출원인에 의해 선출원된 등록특허 10-1179379호에서는 프리프레그의 제조 방법 및 제조 장치에 대하여 개시되어 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 종래의 개섬장치에 서로 다른 주파수로 진동하는 복수개의 진동롤러 및 고압의 공기를 분사하는 에어스프레이를 추가적으로 설비하여 기존의 설비시설을 이용할 수 있고, 설치과정이 간단하며, 탄소섬유의 섬유다발을 더 넓고 균일하게 개섬할 수 있는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치는 크릴에서 탄소섬유를 받아 탄소섬유에 걸리는 장력을 조절하고 공정속도에 맞춰 개섬하되, 순차로 굴곡되어 통과시켜 개섬되도록 서로 다른 주파수로 진동하여 개섬하는 복수개의 로울러로 구성되는 진동로울러; 및 상기 진동로울러로부터 공급받은 탄소섬유에 공기를 분사하여 개섬되도록, 공기주입구의 입구는 좁게 형성되고, 공기 분사 방향으로 노즐이 넓어지도록 형성된 에어스프레이; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 진동로울러는, 상기 탄소섬유를 2 내지 12.5 헤르쯔의 범위에서 서로 다른 주파수로 진동하여 개섬하는 복수개의 로울러로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 진동로울러는, 상기 탄소섬유를 4 내지 12.5 헤르쯔로 진동하여 개섬하는 첫째로울러; 및 상기 첫째로울러에서 개섬된 탄소섬유를 5 내지 12 헤르쯔로 진동하여 개섬하는 둘째로울러; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 에어스프레이는, 공기 분사 방향으로 노즐이 넓어지도록 형성되되, 그 넓어지는 각도는 5˚ 내지 15˚로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치에 의하면, 개섬된 탄소섬유에서 일정부분에서 섬유다발들이 서로 모이는 현상을 방지뿐만 아니라 개섬된 섬유를 보다 더 균일한 분포로 분산시켜 최종 프리프레그 제품의 위치별 섬유중량편차를 줄여주게 되어 품질을 향상시키는 효과가 있다.

또한 기존 설비 시설을 이용하여 별다른 복잡한 장비의 설치 없이 본 발명에 의한 진동로울러 및 에어스프레이를 상호 조립 설치하도록 구성되어 분리와 조립이 더욱 용이하여 작업효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 탄소섬유의 개섬장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명이 적용되는 탄소섬유의 개섬장치를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 의한 진동롤러 및 에어스프레이를 통과한 탄소섬유의 개섬정도를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 의한 에어스프레이를 도시한 개략도.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

우선 본 발명이 적용되는 프리프레그의 제조장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 일측에 설치되어 프리프레그의 일 원료인 탄소섬유(100)가 감긴 탄소섬유보빈(10)으로부터 탄소섬유가 풀려 크릴(20)로 제공되고, 상기 크릴(20)로부터 공급되는 탄소섬유(100)를 팽팽하게 당겨주는 인장봉(30)과, 탄소섬유(100)의 상하면에 입혀지는 수지필름(40)을 공급하는 공급로울러(50)와, 상기 크릴(20)의 반대편에 설치되어 제조된 프리프레그를 권취하는 권취로울러(80)와, 상기 크릴(20)과 권취로울러(80)의 중간에 설치된 적어도 한 쌍 이상의 함침로울러(70)와, 상기 함침로울러(70)의 앞부분에 수지필름(40)이 입혀진 탄소섬유(100)를 가열시키는 가열판(60)을 포함한다.

이때 상기 수지필름(40)은 탄소섬유(100)는 상면 또는 하면 중 일측에만 입혀질 수도 있고, 상기 함침로울러(70)는 탄소섬유(100)에 수지필름(40)을 가열 가압으로 함침시키는 것으로서, 복수개가 상하로 대향되게 설치될 수 있다.

상기 인장봉(30)은 상기 크릴(20)에 감겨있는 탄소섬유(100)를 겹침과 갭이 없도록 당기면서 함침로울러(50) 측으로 공급하여 이 탄소섬유(100)의 상하면에 공급로울러(10)를 통해 공급된 수지필름(40)을 입히게 된다.

이후, 상기 탄소섬유(100)와 수지필름(40)은 상기 가열판(60)과 함침로울러(70) 사이로 순차적으로 지나가게 되고, 상기 가열판(60)과 함침로울러(70)가 가열 및 가압을 시켜 수지필름(40)의 수지를 탄소섬유(100)의 상하면에 함침시키게 된다.

이 후 상면에 입혀져 있던 수지필름(40)은 탄소섬유(100)에 수지의 함침이 완료되면, 탄소섬유(100)는 프리프레그로 제조되고, 수지필름(40)은 별도로 분리되거나, 제조된 프리프레그와 함께 상기 권취로울러(80)에 의해 권취된다.

한편, 상기 인장봉(30)은 상기 크릴(20)에 감겨있는 탄소섬유(100)의 겹침과 갭이 없도록 당겨서 개섬역할을 하게되나, 상기 탄소섬유(100)가 인장봉(30)에 공급되기 전 섬유다발이 서로 뭉쳐져 섬유중량 편차가 높아지는 현상이 발생할 수 있다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치는 상기 탄소섬유(100)가 인장봉(30)에 공급되기 전 뭉쳐지는 현상을 방지하고, 더욱 균일하게 분산시키도록 상기 인장봉(30)의 전 단계에 복수개의 진동로울러(200) 및 에어스프레이(300)가 구비된다.

이는 기존의 설비를 이용하여 별다른 복잡한 장비의 설치없이 상기 인장봉(30)의 전 단계에 복수개의 진동로울러(200) 및 에어스프레이(300)를 상호 조립 설치하도록 구성되어 분리와 조립이 더욱 용이하여 작업효율을 높일 수 있다.

상기 복수개의 진동로울러(200)는 상기 크릴(20)에서 탄소섬유(100)를 받아 탄소섬유(100)에 걸리는 장력을 조절하고 공정속도에 맞춰 개섬하되, 서로 다른 주파수로 진동하는 복수개의 로울러를 차례로 굴곡시키면서 통과시켜 개섬시킨다.

즉, 상기 복수개의 진동로울러(200)는 2 내지 12.5 헤르쯔로 진동하여 두꺼운 섬유다발을 얇게 펼쳐주는 개섬기능을 갖는다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 진동로울러(200)가 2이하의 헤르쯔로 진동을 하게되면, 개섬성이 저하되어 상기 탄소섬유(100) 섬유다발의 섬유와 섬유 사이에 틈이 발생되는 단점이 있고, 12.5를 초과하는 헤르쯔로 진동을 하게되면, 섬유다발이 손상되어 모우가 발생되는 단점이 있다.

자세하게는 일 실시예로서, 상기 복수개의 진동로울러(200)는 첫째로울러(201) 및 둘째로울러(202)로 구성되어, 크릴(20)로부터 공급되는 탄소섬유(100)를 받아 상기 첫째로울러(201) 및 둘째로울러(202)를 순차적으로 경유하여 개섬과정이 이루어진다.

또한 상기 첫째로울러(201) 와 둘째로울러(202) 사이에는 진동기능을 갖지 않는 로울러가 설치될 수 있다.

이때, 상기 첫째로울러(201)는 4 내지 12.5 헤르쯔로 진동하고, 둘째로울러(202)는 5 내지 12헤르쯔로 진동하게 된다면, 서로 다른 진동 주파수로 인하여 지그재그 형태로 진동하게 되어 섬유다발을 효과적으로 분산시키고 이로 인해 개섬효과를 향상시키는 효과가 있다.

상기 에어스프레이(300)는 상기 복수개의 진동로울러(200)로부터 탄소섬유(100)를 받아, 상기 탄소섬유(100)의 섬유다발을 더 넓고 균일하게 개섬하는 특징이 있다.

이 경우 상기 에어스프레이(300)의 노즐 모양은 에어분사 방향으로 노즐이 점점 넓어지며 그 넓어지는 각도는 5˚ 내지 15˚ 정도로 형성되는 것을 특징으로 한다.

즉 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 에어스프레이(300)의 공기주입구(도면에 도시되지 않음.)의 입구는 좁게 형성되어 고압의 공기가 빠르게 이동되다가 순간적으로 넓은 공간에서 퍼지면서 상기 탄소섬유(100)를 더 균일하게 개섬할 수 있게 되는 것이다.

즉 상기 진동로울러(200)를 이용한 방식 뿐만 아니라, 상기 에어스플레이(300)의 압축공기를 이용하여 압축공기의 분사 시 그 분사압에 의한 개섬 효과를 더욱 높일 수 있도록 하기 위함이다.

따라서 상기 복수개의 진동로울러(200) 및 상기 에어스프레이(300)의 압축공기의 분사를 통하여 개섬이 이루이지므로 보다 균일하고 얇은 개섬이 가능하고, 상기 복수개의 진동로울러(200)의 진동 주파수 조절 및 상기 에어스프레이(300)의 공기압 조절을 통해 개섬 정도도 조절할 수 있어 매우 고효율적이다.

본 발명에 의한 진동롤러 및 에어스프레이로 개섬되어 적용된 탄소섬유를 평판에 8장 적층시키고, 오븐에서 80℃의 온도로 25분 동안, 120℃의 온도로 120분 동안 가열 경화시켜 프리프레그 구조체를 제조하였다. 정형자를 사용하여 제조된 프리프레그 구조체의 개섬비를 측정하였다.

개섬도 비교

구분	개섬비
실시예(진동로울러 및 에어스프레이를 이용한 개섬장치)	16
비교예(종래 개섬장치)	6.3

본 발명의 일 구현예에 의한 개섬장치에 있어서 개섬비는 12이상이 바람직하다. 여기서 개섬비란 개섬 전의 강화섬유다발의 폭을 b1(mm), 두께를 a1(㎛), 개섬 후의 강화섬유다발의 폭을 b2(mm), 두께를 a2(㎛)로 한 경우, 개섬비=(b2/a2)/(b1/a1)로서 산출할 수 있다.

표 1에 도시된 바와 같이, 종래의 개섬장치보다 본 발명에 의한 진동롤러 및 에어스프레이를 적용하여 개섬효과가 증진됨을 볼 수 있다.

정리하자면, 본 발명에 따른 탄소섬유 개섬장치는 상기 인장봉(30)에 공급되는 개섬된 탄소섬유에서 일정부분에서 섬유다발들이 서로 모이는 현상이 발생하게 되는데, 상기 복수개의 진동로울러(200) 및 에어스프레이(300) 장치를 통해, 상술한바와 같이 섬유가 모이는 현상을 방지뿐만 아니라 개섬된 섬유를 보다 더 균일한 분포로 분산시켜 최종 프리프레그 제품의 위치별 섬유중량편차를 줄여주게 되어 품질을 향상시키는 역할을 한다.

이상에서 설명된 본 발명의 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 탄소섬유보빈 20 : 크릴
30 : 인장봉 40 : 수지필름
50 : 공급로울러 60 : 가열판
70 : 함침로울러 80 : 권취로울러
100 : 탄소섬유 200 : 진동로울러
300 : 에어스프레이

Claims

크릴(20)에서 탄소섬유(100)를 받아 탄소섬유(100)에 걸리는 장력을 조절하고 공정속도에 맞춰 개섬하되, 순차로 굴곡되어 통과시켜 개섬되도록 서로 다른 주파수로 진동하여 개섬하는 복수개의 로울러로 구성되는 진동로울러(200); 및
상기 진동로울러(200)로부터 공급받은 탄소섬유(100)에 공기를 분사하여 개섬되도록, 공기주입구의 입구는 좁게 형성되고, 공기 분사 방향으로 노즐이 넓어지도록 형성된 에어스프레이(300);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치.
청구항 1에 있어서,
상기 진동로울러(200)는,
상기 탄소섬유(100)를 2 내지 12.5 헤르쯔의 범위에서 서로 다른 주파수로 진동하여 개섬하는 복수개의 로울러로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치.
청구항 1에 있어서,
상기 진동로울러(200)는,
상기 탄소섬유(100)를 4 내지 12.5 헤르쯔로 진동하여 개섬하는 첫째로울러(201); 및
상기 첫째로울러(201)에서 개섬된 탄소섬유(100)를 5 내지 12 헤르쯔로 진동하여 개섬하는 둘째로울러(202);
로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치.
청구항 1에 있어서,
상기 에어스프레이(300)는,
공기 분사 방향으로 노즐이 넓어지도록 형성되되, 그 넓어지는 각도는 5˚ 내지 15˚로 형성되는 것을 특징으로 하는 진동롤러 및 에어스프레이를 이용한 섬유다발의 개섬장치.