KR20170047374A - 몰딩 재료 및 이를 형성하기 위한 방법 - Google Patents

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데니스 그랜저
잔 크로투
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헥셀 컴포지츠 에스.아.에스.
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Abstract

서로 접촉하는 다중 엘리먼트들(12)을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법이 개시된다. 각각의 엘리먼트(12)는 보강 섬유들 및 비경화된 수지 매트릭스를 포함하며, 그리고 본 방법은 스택을 온도 처리하며, 그리고/또는 엘리먼트들을 분리하기 위해 스택에 응력을 적용하는 단계들을 포함한다.

Description

몰딩 재료 및 이를 형성하기 위한 방법 {MOULDING MATERIAL AND METHOD OF FORMING SAME}
본 발명은 복합 재료를 분리하는 방법, 그리고 분리된 복합 재료, 몰딩 및 복합 엘리먼트에 관한 것이며, 특히 하지만 배타적이지 않게, 복합 재료 스택을 분리하는 방법에 관한 것이다.
섬유 강화된 재료들을 포함하는 복합재들 및 특히 섬유들 및 열경화성 수지들을 포함하는 프리프레그들(prepregs)은 프리폼들(preforms)을 형성하기 위해 스태킹될(stacked) 수 있다. 이러한 프리폼들은 보강된 복합 재료를 형성하기 위해 후속하여 경화된다. 이러한 복합 재료들은 공지되어 있으며, 이 복합 재료들은 경량(lightweight)이고 높은 강도를 가지고, 많은 구조적인 적용들에서, 예컨대 자동차 및 항공우주 산업들에서 그리고 산업적인 적용들에서, 예컨대 블레이드들(blades)을 만드는데 사용되는 날개 보들(spars) 및 쉘들(shells)과 같은 윈드 터빈 컴포넌트들(wind turbine components)에서 사용된다.
프리프레그는 섬유들 및 비경화된 상태의 수지로 함침되고 경화될 준비가 된 섬유 및 직물을 설명하는데 사용되는 용어이다. 섬유들은 토우들(tows) 또는 직물들(fabrics)의 형태일 수 있다. 토우들 또는 직물들은 필라멘트들(filaments)로 불리는 복수의 얇은 섬유들을 일반적으로 포함한다. 프리프레그들에서 이용되는 섬유 재료들 및 수지들의 선택은 경화된 복합 재료에서 요구되는 특성들 및 또한 복합재가 투입될 용도에 의존한다.
다양한 방법들은 프리프레그들의 제조를 위해 제안되어 있으며, 바람직한 방법들 중 하나의 방법은 액체, 용융된 또는 반고체(semi-solid) 비경화된 열경화성 수지에 의한 움직이는 섬유 웨브(moving fibrous web)의 함침이다. 이러한 방법에 의해 제조된 프리프레그는 그 후 요망되는 치수들의 섹션들(sections)로 절단되며, 그리고 섹션들의 스택은 최종 섬유 보강 적층체를 생성하기 위해 가열함으로써 경화된다. 경화는, 블레이드들 및 날개 보들을를 위한 쉘들(shells)과 같은 풍력 에너지(wind energy) 구조물들의 제작에서 바람직한 바와 같이, 경화를 위해 금형 내에 배치되는 진공 백(vacuum bag)에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 스택은 폐쇄된 금형에서의 압축에 의해 형성될 수 있고 가열(압축 몰딩)함으로써 금형 내에 직접적으로 경화될 수 있다.
이러한 적용들에서의 사용을 위한 바람직한 군(family)의 수지들은 경화가능한 에폭시(epoxy) 수지들이며, 그리고 경화제들(curing agents) 및 경화 촉진제들(curing agent accelerators)은 경화 사이클 시간을 단축하기 위해 수지 내에 보통 포함된다. 비록 에폭시 수지들이 최종 적층체가 충격에 대해 균열되거나 파괴되는 것을 유발하는 경화 후에 쉽게 부서질 수 있지만, 에폭시 수지들은 매우 적합한 수지들이며, 그리고 따라서 에폭시 수지에 열가소성 수지(thermoplastics) 또는 고무들과 같은 강인화(toughening) 재료들을 포함하는 것은 시키는 것이 관례(common practice)이다.
프리프레그는 보강 재료의 통합형 층의 형태일 수 있거나, 이 프리프레그는 준등방성(quasi-isotropic) 재료 층을 형성하기 위해 임의의 방향들로 배향된 엘리먼트들의 형태일 수 있다. 다중 프리프레그 층들 또는 엘리먼트들은 복합 적층 구조물들을 형성하도록 통상적으로(conventionally) 조합된다. 프리프레그 층들은 평면 방향에서 임의로(준등방성) 또는 등방성(isotropic) 또는 준등방성 프리프레그 엘리먼트로서 평행하게 배열될 수 있다.
적층체의 형성 후에, 이 적층체는 절단될 수 있다. 이는 오프-컷들(off-cuts)을 제조한다. 그러나, 다른 목적들을 위한 오프-컷들의 이용은, 적층체의 구성이 특정한 목적 또는 적용에 맞춰지는 것과 같은 과제를 제시한다. 재사용을 위한 기회들을 증가시키기 위해, 다중 프리프레그 층들 또는 엘리먼트들로의 적층체의 분리가 바람직하다. 또한, 적층체의 분리는 프리폼들(preforms)이 재작업되거나 재사용되는 것을 허용하기 위해 일반적으로 바람직하다.
본 발명은 전술된 과제들을 제거하며 그리고/또는 완화시키는 것, 및/또는 개선예들을 일반적으로 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따라, 첨부 청구항들 중 어느 한 항에서 규정되는 바와 같이, 방법, 몰딩, 및 몰딩 화합물 및 엘리먼트가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 서로 접촉하는 다중 엘리먼트들(multiple elements)을 포함하는 복합 재료 스택(composite material stack)을 분리하는 방법이 제공되며, 상기 각각의 엘리먼트는 보강 섬유들(reinforcement fibers) 및 수지 매트릭스(resin matrix)를 포함하며, 본 방법은 스택을 온도 처리하고, 엘리먼트들을 분리하기 위해 상기 스택에 응력을 적용하는 단계들을 포함한다.
온도 처리 및 스택에 적용된 응력 또는 힘의 조합은 조합된 엘리먼트들 및/또는 개별 엘리먼트들의 분리를 초래한다. 조합된 엘리먼트들은, 조합된 엘리먼트들을 개별적인 엘리먼트들 또는 조합된 엘리먼트들로 추가적으로 분리하기 위해 추가적인 온도 처리 및/또는 응력을 받는다.
응력은 다음의 응력들 중 하나 또는 그 초과의 응력으로부터 선택될 수 있다:
a. 휨 응력(flexural stress)
b. 비틀림 응력(torsional stress)
c. 압축 응력(compression stress)
d. 전단 응력(shear stress)
e. 박리 응력(peel stress)
f. 인장 응력(tensile stress) 및
g. 진동 응력(vibrational stress).
일 실시예에서, 휨 응력은 엘리먼트들이 서로에 대해 벤딩하는(bend) 것을 허용하는 응력의 적용이다. 비틀림 응력은 엘리먼트들이 서로에 대해 회전하는 것을 허용하는 응력이다. 압축 응력은 엘리먼트들이 서로에 대해 압축되는 것을 허용하는 응력이다. 전단 응력은 엘리먼트들이 서로에 대해 미끄러지거나 전단하는 것을 허용하는 응력이다. 박리 응력은 엘리먼트들이 서로에 대해 박리하는(unpeel) 것을 허용하는 응력이다. 인장 응력은 엘리먼트들이 서로에 대해 연장되는 것을 허용하는 응력이다. 진동 응력은 엘리먼트들에 진동을 받게 한다.
바람직한 일 실시예에서, 적용된 응력은 상기 기술된 응력들(a 내지 g) 중 2 개 또는 그 초과의 응력들의 조합을 포함한다. 응력은 스택에 대해 하나 또는 그 초과의 방향들로 개별 엘리먼트에, 조합된 엘리먼트들에 및/또는 이의 조합들에 적용될 수 있다. 이는 엘리먼트들이 연속적으로 분리되는 것을 허용한다.
엘리먼트들은 바람직하게는 적층 스택을 형성하기 위해 서로 평행하게 배열된다. 응력들(a 내지 f)은 바람직하게는 적층 스택에 수직한 방향으로 적용된다. 이러한 방식으로, 응력은 조합된 그리고/또는 개별적인 엘리먼트들에 수직으로 가해진다. 진동 응력(g)은 바람직하게는 적층체 또는 조합된 그리고/또는 개별 엘리먼트들에 평행한 방향으로 적용된다.
엘리먼트들은 보강 섬유들 및 비경화된 수지 매트릭스를 포함할 수 있다. 섬유들은 바람직하게는 프리프레그를 형성하기 위해 매트릭스로 사전함침된다(preimpregnated).
바람직하게는, 응력들은 연속으로, 동시에 또는 순환적으로(cyclically) 적용된다.
추가적인 실시예에서, 온도 처리 및 응력 적용은 적어도 부분적으로 동시에 발생한다. 이들은 온도 처리 및/또는 응력 적용의 하나 또는 그 초과의 사이클들로 연속으로 그리고/또는 순환 방식으로 또한 적용될 수 있다. 사이클들은, 엘리먼트들이 분리될 때까지, 반복될 수 있다.
바람직하게는, 응력 적용은 온도 처리를 뒤따른다. 출원인은, 이것이 엘리먼트들을 분리하는 성공적인 방식을 제공하는 것을 발견하였다.
추가적인 일 실시예에서, 온도 처리는 각각 매트릭스를 가열하거나 냉각함으로써 수지 매트릭스의 Tg(유리 전이 온도)를 증가하거나 줄일 수 있다. 출원인은, -80℃ 내지 10℃, 바람직하게는 -60℃ 내지 7℃, -40℃ 내지 5℃, -30℃ 내지 3 ℃, -20℃ 내지 0 ℃의 감소된 온도에서 및/또는 전술한 온도들의 조합들에서의 응력(a 내지 g)의 적용이 조합된 및/또는 개별 엘리먼트를 분리하는데 있어서의 이들의 효능(efficacy)을 증가시키는 것을 발견하였다. 감소된 온도는 수지 매트릭스의 Tg를 감소시킨다.
다른 실시예에서, 온도 처리는 -30℃ 내지 10℃, 또는 -20℃ 내지 5℃, 또는 -10℃ 내지 0℃ 또는 -5℃ 내지 0℃ 및/또는 상기 온도의 조합들의 범위의 온도로 수지 매트릭스를 냉각시키는 것을 포함한다. 매트리스의 냉각은 수지 매트리스 점착성(tack)을 감소시키는 효과를 가진다. 출원인은, 이것이 분리의 효능을 또한 증가시키는 것을 발견하였다.
수지 매트릭스는, 실온에서 수지의 점착성 값의 40% 미만, 또는 30% 미만, 또는 20% 미만, 또는 10% 미만, 또는 바람직하게는 5% 미만의 값으로 수지의 점착성을 감소시키도록 냉각될 수 있다. 수지의 점착성 값 또는 점착성은 공구 표면에 대한 또는 조립체에서의 다른 프리프레그 파일들(piles)에 대한 수지의 접착의 치수이다. 점착성은, ["프리프레그 점착성의 실험 분석(Experimental analysis of prepreg tack)", Dubois 등, (LaMI)UBP/IFMA, 2009년 3월 5일]에서 개시된 바와 같은 방법에 따라 수지 자체에 대해 또는 프리프레그에 대해 측정될 수 있다. 이러한 공보는, 점착성이 본원에서 설명되는 바와 같은 장비를 사용함으로써 그리고 30℃의 일정한 온도에서 30N의 초기 압력으로 수지 또는 프리프레그와 접촉하게 되고 5 mm/min의 속도로 후속하여 변위되는 탐침(probe)에 대한 최대 탈결합 힘을 측정함으로써 객관적으로(objectively) 그리고 반복가능하게 측정될 수 있는 것을 개시한다. 이러한 탐침 접촉 매개변수들에 대해, 수지에 대한 점착성(F/Fef)은 0.1 내지 0.6의 범위에 있으며, 여기서 Fref = 28.19N 및 F은 최대 탈결합 힘이다. 프리프레그에 대해, 점착성(F/Fef)은 F/Fef에 대해 0.1 내지 0.45의 범위에 있으며, 여기서 Fref = 28.19N 및 F은 최대 탈결합 힘이다.
다른 실시예에서, 온도 처리는 수지 매트릭스의 가열을 포함한다. 가열은 수지 매트릭스의 점도(viscosity)를 감소시키는 효과를 가진다.
수지 매트릭스는 실온(20℃)에서 수지의 점착성 값의 60% 미만, 바람직하게는 45% 미만인 값으로 수지의 점도를 감소시키도록 가열될 수 있다.
온도 처리 및/또는 응력의 적용은, 온도 및/또는 적용된 응력들이 변경될 수 있는 중에, 동시에, 부분적으로 동시에, 계속하여, 또는 순환적으로 수행될 수 있다. 온도 처리 및/또는 응력 적용은, 엘리먼트들이 분리될 때까지 연속될 수 있다.
다른 실시예에서, 스택은 수지 매트릭스(프리프레그(prepreg))에 의해 사전함침된(preimpregnated) 섬유 보강 재료의 층들의 비경화된 몰딩 또는 적층체 및/또는 수지 함침된 초핑형(chopped) 보강 섬유들로 형성된 몰딩 및/또는 이의 조합들로 형성된다. 엘리먼트는 프리프레그를 포함할 수 있다.
추가적인 일 실시예에서, 복합 엘리먼트들이 제공되며, 각각의 엘리먼트는 보강 섬유들 및 수지 매트릭스를 포함하며, 상기 엘리먼트는 엘리먼트를 분리하기 위해 온도 처리 및 응력 적용 후에 결합된(conjoined) 엘리먼트들의 스택으로 형성된다.
스택은 수지 매트릭스(프리프레그(prepreg))에 의해 사전함침된(preimpregnated) 섬유 보강 재료의 층들의 비경화된 몰딩 또는 적층체 및/또는 수지 함침된 초핑형(chopped) 보강 섬유들로 형성된 몰딩 및/또는 이의 조합들의 절단 후에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 몰딩은 다중 엘리먼트들을 포함할 수 있으며, 각각의 엘리먼트는 보강 섬유들 및 수지 매트릭스를 포함하며, 상기 엘리먼트들은 본원에서 전술된 바와 같은 방법들 중 어느 한 방법에 따라 스택을 분리함으로써 형성된다.
스택은, 다중 엘리먼트들로의 분리 전에, 보다 작은 스택들로 절단될 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 분리된 엘리먼트들은 이들의 분리 후에 보다 작은 엘리먼트들로 절단될 수 있다.
본 발명은, 오직 예로써 그리고 다음의 도면을 참조로 하여 이제 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 적층 제품을 분리시키기 위한 프로세스에 대한 개략도를 도시한다.
적층 레이업들(laminate lay-ups)은 수지 매트릭스(resin matrix)가 함침된 섬유 보강의 조합된 층들로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 섬유 보강 층들(fibrous reinforcement layers)은 단향성 섬유 토우들(unidirectional fiber tows)을 포함하며, 그리고 층들은 준등방성(quasi-isotropic) 레이-업을 형성하도록 서로에 대해 배열된다. 바람직하게는, 층들은 +90/+45/0/-45/-90의 방향들로 연장하며, 그리고 이 층들은 이의 배수들로 배열될 수 있다.
이러한 레이업들은 압축 몰딩들로서 후속하여 프로세싱되는 적층 부품들로 (다이(die)) 절단될(cut) 수 있다. 절단 프로세스는 불필요한 적층 레이업 재료를 초래한다. 이러한 불필요한 재료는 다른 목적을 위해 사용가능할 수 있으며, 그리고 본 발명은 일반적으로 개선예들을 제공할 뿐만 아니라 이를 다루는 것을 추구한다.
도 1은 재사용 프로세스(10)를 나타낸다. 다이 컷 적층된 프리프레그 시이트들(die cut laminated prepreg sheets)로부터의 오프컷들(offcuts)(12)은 더 작은 적층 엘리먼트들(14)로 절단되거나, 이 오프컷들은 프로세스(10)의 완료 후에 절단될 수 있다. 이러한 엘리먼트들은 가열 또는 냉각에 의해 또는 온도 처리들 양자 모두의 조합에 의해 온도 처리된다(16, 18). 가열(18)은 수지의 점도(viscosity)를 감소시키고, Tg를 증가시키고, 그리고 분리를 도울 수 있는 반면, 냉각은, 층들이 보다 용이하게 분리되는 것을 허용하는 Tg 및/또는 수지 매트릭스의 점착성(tack)을 감소시킨다.
온도 처리 후에, 엘리먼트들은 응력의 적용에 의해 분리된다(20). 응력은 상이한 방향들로 적용될 수 있으며, 그리고/또는 적층 엘리먼트들에 대해 형성된다. 단계들(20, 16 및 18)은, 엘리먼트들이 분리될 때까지, 조합되거나 동시에 부분적으로 또는 순환적으로(cyclically) 수행될 수 있다. 분리(20) 후에, 임의로 분산된 단일 층 프리프레그 엘리먼트들(22)은 시이트 몰딩 화합물(sheet moulding compound, SMC)(24)로서 시이트 형태로 함께 조합된다. 이러한 SMC는, 그 후, 복합 부품들을 제조하기 위해 재사용에 대해 적합하다.
따라서, 본원에서 전술된 바와 같은 방법 및 몰딩 화합물이 제공된다.

Claims (16)

  1. 서로 접촉하는 다중 엘리먼트들(multiple elements)을 포함하는 복합 재료 스택(composite material stack)을 분리하는 방법으로서,
    상기 각각의 엘리먼트는 보강 섬유들(reinforcement fibers) 및 수지 매트릭스(resin matrix)를 포함하며, 상기 방법은 상기 스택을 온도 처리하며, 그리고/또는 엘리먼트들을 분리하기 위해 상기 스택에 응력을 적용하는 단계들을 포함하는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적용된 응력은 다음의 응력들:
    a. 휨 응력(flexural stress),
    b. 비틀림 응력(torsional stress),
    c. 압축 응력(compression stress),
    d. 전단 응력(shear stress)
    e. 박리 응력(peel stress)
    f. 인장 응력(tensile stress)
    g. 진동 응력(vibrational stress) 중 하나 또는 그 초과의 응력으로부터 선택되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 응력은 상기 스택에 대해 하나 또는 그 초과의 방향들로 적용되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 응력들은 연속으로 또는 동시에 적용되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 처리 및 응력 적용은 적어도 부분적으로 동시에 발생하는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    응력 적용은 온도 처리를 뒤따르는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 처리는 수지 매트릭스를 냉각하는 단계를 포함하는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수지 매트릭스는 실온에서 수지의 점착성(tack) 값의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만인 값으로 수지의 점착성을 감소시키도록 냉각되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 처리는 상기 수지 매트릭스의 가열을 포함하는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수지 매트릭스는 실온에서 수지의 점착성 값의 60% 미만, 바람직하게는 45% 미만인 값으로 수지의 점도(viscosity)를 감소시키도록 가열되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택은 수지 매트릭스(프리프레그(prepreg))에 의해 사전함침된(preimpregnated) 섬유 보강 재료의 층들의 비경화된 몰딩 또는 적층체 및/또는 수지 함침된 초핑형(chopped) 보강 섬유들 및/또는 이의 조합들로 형성되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엘리먼트는 비경화된 수지 매트릭스 또는 프리프레그를 포함하는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수지 매트릭스(프리프레그(prepreg))에 의해 사전함침된(preimpregnated) 섬유 보강 재료의 층들의 비경화된 몰딩 또는 적층체 및/또는 수지 함침된 초핑형(chopped) 보강 섬유들로 형성된 몰딩 및/또는 이의 조합들의 절단 후에, 상기 스택은 형성되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 적용 및 온도 처리는 순환되거나(cycled) 반복되는,
    서로 접촉하는 다중 엘리먼트들을 포함하는 복합 재료 스택을 분리하는 방법.
  15. 다중 엘리먼트들을 포함하는 몰딩으로서,
    각각의 엘리먼트는 보강 섬유들 및 수지 매트릭스를 포함하며, 상기 엘리먼트는 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 엘리먼트를 분리하기 위해 온도 처리 및 응력 적용 후에 결합된(conjoined) 엘리먼트들의 스택으로 형성되는,
    다중 엘리먼트들을 포함하는 몰딩.
  16. 다중 엘리먼트들을 포함하는 몰딩으로서,
    각각의 엘리먼트는 보강 섬유들 및 수지 매트릭스를 포함하며, 상기 엘리먼트들은 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따라 스택을 분리함으로써 형성되는,
    다중 엘리먼트들을 포함하는 몰딩.
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