KR20230046597A - 열가소성 수지 파우더를 이용한 섬유강화 복합재료 제조방법 및 이로부터 제조된 섬유강화 복합재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직물과 열가소성 수지 파우더를 이용하여 열가소성 프리프레그를 제조하고, 이를 열가소성 수지 파우더 만으로 제조되는 열가소성 수지 시트(30)와 적층하여 가열 및 가압함으로써 성형성과 경량성이 우수하고, 우수한 기계적 물성을 갖는 섬유강화 복합재료의 제조방법 및 이를 통해 제조된 섬유강화 복합재료에 관한 것이다.
Description
본 발명은 직물과 열가소성 수지 파우더를 이용하여 열가소성 프리프레그를 제조한 후, 열가소성 수지 파우더 만으로 제조되는 열가소성 수지 시트와 적층하여 가열 및 가압함으로써 성형성과 경량성이 우수하고, 특히 우수한 기계적 물성을 갖는 섬유강화 복합재료의 제조방법 및 이를 통해 제조된 섬유강화 복합재료에 관한 것이다.
최근 항공ㆍ우주 분야로부터 기계, 전자, 건축 산업 등 광범위한 산업 분야에 이르기까지 새로운 특성을 지닌 재료가 요구되어 이에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 그 중 고분자 수지를 매트릭스로 하는 섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Composite Materials)는 중량 대비 높은 강도와 역학특성, 내식성, 내피로성, 난연성 등이 우수하여 널리 이용되고 있다.
상기 섬유강화 복합재료는 매트릭스 수지의 조성 및 보강용 섬유의 조합 등에 의해 다양한 물성의 발현이 가능하다.
상기 섬유강화 복합재료에서 보강용 섬유가 하중을 견디는 요소라면, 이들 각각의 보강용 섬유를 제자리에 고정시켜 구조적인 형태를 형성하기 위한 매트릭스(matrix) 수지의 필요성이 절대적이다. 이러한 매트릭스 수지로는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin) 등이 많이 사용되며, 고온용으로는 페놀 수지 또는 폴리이미드 수지 등이 주로 사용된다. 특히, 최근에는 나일론, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤 등의 열가소성 수지의 사용량이 점차로 증가되고 있다.
상기와 같은 섬유강화 복합재료의 제조에는 여러 가지 방법들이 이용되어 왔다. 이러한 방법들 중에서도 특히 보강용 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 중간기재인 프리프레그(prepreg)를 이용하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이 방법에서는 상기 프리프레그를 여러 장 적층한 후, 이것을 가압가열함으로써 섬유강화 복합재료를 얻을 수 있다.
이러한 섬유강화 복합재료와 관련되는 선행기술문헌으로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0009128호(이하, 선행문헌 1) 및 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0126762호(이하, 선행문헌 2)등을 참조할 수 있다. 상기의 선행문헌 1에는 날실 방향 섬유다발과 씨실 방향 섬유다발로 직조된 내부 직물층, 내부 직물층의 양쪽 면 중에서 적어도 어느 한쪽 면에 배치되는 미세 섬유층을 포함하되, 상기 미세 섬유층은 미세 섬유 들이 3차원적으로 배열된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 프리프레그가 개시되어 있고, 상기 선행문헌 2에는 적어도 하나 이상의 제 1 시트 및 적어도 하나 이상의 제 2 시트의 적층체를 포함하고, 상기 제 1 시트는 제 1 열가소성 수지 및 랜덤방향 또는 제 1 단일방향으로 배향성을 갖는 장섬유를 포함하고, 상기 제 2 시트는 제 2 열가소성 수지 및 제 2 단일방향으로 배향성을 갖는 연속섬유를 포함하며, 상기 제 1 단일방향과 제 2 단일방향이 이루는 각도는 85 ~ 185˚인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 섬유강화 복합재가 개시되어 있다.
상기 선행문헌에 따르면, 섬유강화 복합재료의 제조시 사용되는 매트릭스 수지의 용융시 점도가 높고, 직물 내부로의 함침속도가 낮아 생산성이 저하되는 문제가 있다. 이에 따라 성형 후 섬유강화 복합재료의 기계적 물성이 불량하게 되고, 또한 연속공정으로 제조되지 못함으로써 생산성과 경쟁력이 낮게 된다. 따라서 매트릭스 수지로 사용되는 열가소성 수지의 함침성과 생산성을 개선된 섬유강화 복합재료의 제조방법 및 이를 이용한 섬유강화 복합재료의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 열가소성 수지 파우더를 이용하여 성형성과 경량성이 우수하고, 우수한 기계적 물성을 갖는 열가소성 수지 파우더를 이용한 섬유강화 복합재료 제조방법 및 이로부터 제조된 섬유강화 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료를 제조하기 위한 열가소성 수지의 파우더를 이용한 섬유강화 복합재료 제조방법은, 2차원 형태의 보강용 직물(10)을 제직하는 제 1 단계(S100); 열가소성 수지의 파우더(20)를 준비하는 제 2 단계(S200); 상기 제 1 단계(S100)에서 제직된 보강용 직물(10)의 상부에 제 2 단계(S200)에서 준비된 열가소성 수지의 파우더(20)를 스캐터링하는 제 3 단계(S300); 상기 제 3 단계(S300)에서 상부에 열가소성 수지의 파우더(20)가 스캐터링된 보강용 직물(10)을 가열 및 가압하여 상기 열가소성 수지의 파우더(20)를 용융하여 상기 보강용 직물(10)의 내부로 함침하는 제 4 단계(S400); 상기 제 4 단계(S400)에서 가열 및 가압하여 열가소성 수지의 파우더(20)가 용융되어 함침된 보강용 직물(10)을 냉각하여 열가소성 프리프레그를 제조하는 제 5 단계(S500); 열가소성 수지 파우더(20)만을 별도로 스캐터링하는 제 6 단계(S600); 상기 제 6 단계(S600)에서 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)를 가열 및 가압하여 열가소성 수지 시트(30)를 제조하는 제 7 단계(S700); 상기 제 5 단계(S500)에서 제조되는 열가소성 프리프레그와 제 7 단계(S700)에서 제조되는 열가소성 수지 시트(30)를 적층하는 제 8 단계(S800); 및 상기 제 8 단계(S800)에서 적층된 열가소성 프리프레그와 열가소성 수지 시트(30)를 가열 및 가압하는 제 9 단계(S900);를 포함하고, 상기 열가소성 수지 파우더(20)분말의 평균 입자직경은 80 내지 500 ㎛ 이고, 제 4, 7, 9 단계에서 가열온도는 열가소성 수지의 용융온도보다 20 내지 30 ℃ 높은 온도에서 수행되고, 1 내지 52 N의 압력하에서 수행될 수 있으며, 상기 상기 제 3 단계(S300)와 제 6 단계(S600)에서 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)의 두께는 0.1 내지 150 mm 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 보강용 직물(10)은 탄소섬유, 현무암섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 및 금속섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유를 이용하여 제직될 수 있고, 상기 열가소성 수지 파우더(20)는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 열가소성 폴리우레탄, 설린, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 열가소성 수지 파우더(20)이며, 상기 보강용 직물(10)은 도비직, 평직, 능직, 및 주자직 중 어느 하나이며, 상기 제 8 단계(S800)에서 적층되는 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)는 복수 개가 적층될 수 있고, 상기와 같이 제조되는 섬유강화 복합재료(100)의 제조 폭(width)은 최대 1,800 mm 인 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 열가소성 수지 파우더를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법에 따르면, 섬유강화 복합재료(100)의 제조시 보강용 직물(10)과 열가소성 수지 파우더(20)를 제조하여 적층한 후, 가열 및 가압함으로써 용융된 열가소성 수지의 함침속도가 크게 증가하여 섬유강화 복합재료(100)의 성형 시간이 크게 단축됨으로써 생산성이 크게 증가하는 효과를 갖는다. 또한 용융된 열가소성 수지의 함침속도가 크게 증가하므로 단시간에 보이드(공극)가 적은 성형품의 생산이 가능하게 되어 최종적으로 물성이 우수한 섬유강화 복합재료(100)의 제조가 가능하게 된다.
그리고 섬유강화 복합재료(100)의 내부에 보강용 직물(10)을 구비함으로써, 성형성과 경량화가 우수하고, 기계적인 물성의 확보가 용이하며, 외곽부분에 열가소성 수지 시트(30)를 사용함으로써, 섬유강화 복합재료(100)의 디자인의 자유도가 증대되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 제조공정의 흐름도이고,
도 2는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)를 제조하기 위한 더블벨트프레스(200)의 단면 모식도이고,
도 3은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)를 제조하기 위한 더블벨트프레스(200)의 단면 모식도이고,
도 3은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 사진이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100) 제조방법 및 이로부터 제조된 섬유강화 복합재료(100)에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 제조공정의 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)를 제조하기 위한 더블벨트프레스(200)의 단면 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 사진이다.
본 발명의 일실시예에 따른 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 2차원 형태의 보강용 직물(10)을 제직하는 제 1 단계(S100); 열가소성 수지 파우더(20)를 준비하는 제 2 단계(S200); 상기 제 1 단계(S100)에서 제직된 보강용 직물(10)의 상부에 제 2 단계(S200)에서 준비된 열가소성 수지 파우더(20)를 스캐터링하는 제 3 단계(S300); 상기 제 3 단계(S300)에서 상부에 열가소성 수지 파우더(20)가 스캐터링된 보강용 직물(10)을 가열 및 가압하여 상기 열가소성 수지 파우더(20)를 용융하여 상기 보강용 직물(10)의 내부로 함침하는 제 4 단계(S400); 상기 제 4 단계(S400)에서 가열 및 가압하여 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되어 함침된 보강용 직물(10)을 냉각하여 열가소성 프리프레그를 제조하는 제 5 단계(S500); 열가소성 수지 파우더(20)만을 별도로 스캐터링하는 제 6 단계(S600); 상기 제 6 단계(S600)에서 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)를 가열 및 가압하여 열가소성 수지 시트(30)를 제조하는 제 7 단계(S700); 상기 제 5 단계(S500)에서 제조되는 열가소성 프리프레그와 제 7 단계(S700)에서 제조되는 열가소성 수지 시트(30)를 적층하는 제 8 단계(S800); 및 상기 제 8 단계(S800)에서 적층된 열가소성 프리프레그와 열가소성 수지 시트(30)를 가열 및 가압하는 제 9 단계(S900);를 포함하는 것이 바람직하다.
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제 1 단계
(S100)>
본 발명에 따른 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료의 제조시 제 1 단계(S100)는 2차원 형태의 보강용 직물(10)을 제직하는 단계로서, 본 발명에 따르면 상기 보강용 직물(10)은 도비직, 평직, 능직, 및 주자직 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 도비직은 표면에 반복되는 무늬가 형성된 보강용 직물(10)로서, 도비장치가 구비되는 도비직기를 이용하여 제직하게 된다. 또한, 평직은 보강용 직물(10)의 조직 중에서 가장 간단한 조직으로, 경사와 위사가 한 올씩 상하로 번갈아 교차되어 제직된 보강용 직물(10)을 가리킨다.
그리고 능직은 경사 또는 위사가 연속해서 2올 또는 그 이상의 올과 상하로 교차되어 조직점이 능선으로 나타나는 보강용 직물(10)을 가리키고, 주자직은 경사 또는 위사가 연속해서 2올 또는 그 이상의 올과 상하로 교차되어 조직점이 능선으로 나타나는 보강용 직물(10)을 가리킨다.
본 발명에서 보강용 직물(10)의 조직은 특별히 제한되지 않으나, 특히 도비직, 평직, 능직, 및 주자직 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기와 같은 보강용 직물(10)의 제직은 본 기술 분야에서 공지된 기술이므로 이와 관련한 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 제 1 단계(S100)에서 준비되는 보강용 직물(10)은 탄소섬유, 현무암섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 및 금속섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유를 이용하여 제직되는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유는 유기(有機) 고분자 섬유를 약 1,000 ~ 3,000 ℃로 소성하여 제조하는데, 현재 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 또는 피치(Pitch) 등으로부터 제조된다. 탄소섬유는 가공성이 우수하고 수지 함침이 용이하며, 토목건설 보강재나 자전거 등 스포츠 용도 외에도 항공기 부재료로도 사용되며 그 용도가 더욱 확대되고 있다. 본 발명에 따르면, 상기 보강용 직물(10)을 제직하기 위한 탄소섬유는 PAN 또는 PITCH 계 탄소섬유일 수 있다.
그리고 현무암섬유는 화산활동으로 생성되는 현무암을 1,500 ℃로 용융방사하여 제조되는 무기섬유로서, 자연친화적일 뿐만 아니라 우수한 내화학성 고강도, 내열성, 내수성, 흡음성 및 높은 원적외선 방사율을 나타낸다. 따라서 의료기기 및 침구류, 주방기기 등 생활용품 전반에 걸쳐 활용할 수 있으며, 900 ℃ 이상의 고온에서도 원형을 유지할 수 있어 방염복과 방화문 등 화재 관련 제품 또는 군수산업이나 우주/항공산업으로 그 적용이 활발하게 진행되고 있다.
또한, 상기 아라미드 섬유는 전방향족(全芳香族) 폴리아미드(aromatic amide) 섬유로서, 아미드 결합(-CONH-)이 벤젠고리와 같은 방향고리와 결합하여 제조된다. 아라미드 섬유는 방향족 디아민(diamine)과 방향족 디애시드클로라이드(diacid chloride)를 중합용매 중에서 중합시킴으로써 방향족 폴리아미드 중합체를 제조하는 공정과, 상기 방향족 폴리아미드 중합체를 용매에 용해시켜 방사도프(dope)를 제조하는 공정 및 상기 방사도프를 방사구금을 통해 방사한 후 응고시켜 섬유를 제조하는 공정을 거쳐 제조된다.
이러한 아라미드 섬유는 메타-아라미드 섬유와 또는 파라-아라미드 섬유가 있으며, 상기 파라-아라미드 섬유는 특히 인장강도, 강인성, 및 내열성이 우수한 섬유로서, 방탄복, 방탄헬멧, 방탄차량의 핵심 소재로 활용되고 있다. 또한 메타-아라미드 섬유는 고온과 화염에 대한 보호력이 우수한 섬유로서, 소방복 등으로 사용되고 있다.
유리섬유는 유리원료를 1,500 ~ 1,600 ℃의 고온으로 용융 방사하여 얻어지는 무기 섬유로서, 유리섬유는 각종 유기재료와 복합을 통하여 항공소재, 건축자재, 자동차 부품 또는 스포츠 용품 등 많은 응용분야에 사용되고 있다.
상기 금속섬유는 알루미늄, 베릴륨, 스테인리스, 은, 철 또는 알루미늄 등의 금속을 용융방사법 또는 다이스 압출법 등을 이용하여 제조한 섬유로서, 전기 도전성과 내열성이 우수한 특징을 갖는다.
본 발명에 따르면, 상기 보강용 직물(10)은 경사 및 위사가 탄소섬유, 현무암섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 및 금속섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유를 이용하여 제직되되, 평량은 100 ~ 400 g/㎡인 것이 바람직하다.
상기와 같이 제 1 단계(S100)를 통해 탄소섬유, 현무암섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 및 금속섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유를 이용하여 보강용 직물(10)을 제직한 이후에는 제 2 단계(S200)로서 열가소성 수지 파우더(20)를 준비하게 된다.
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제 2 단계
(S200)>
본 발명에 따르면, 상기 열가소성 수지 파우더(20)를 제조하기 위한 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 열가소성 폴리우레탄, 설린, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 열가소성 수지는 분리 선별되어 압축분쇄기의 투입구를 통해 내부로 투입된 후, 상기 열가소성 수지를 완전히 분쇄하여 미세한 분말로 제조하게 된다.
상기 열가소성 수지가 압축분쇄기의 내부로 투입된 후에는 상기 압축분쇄기의 내부 저면에 구비되는 고속 회전 커터에 의해 분말 형태로 분쇄된 후 하부에 위치하는 수집조에 수집됨으로써, 열가소성 수지 파우더(20)가 제조될 수 있다.
이때 상기 열가소성 수지 파우더(20)는 섬유강화 복합재료(100)의 제조공정을 원활하게 수행하고, 용융속도를 증대시키기 위하여 평균입도는 80 내지 500 ㎛로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 열가소성 수지중 중 썰린(surlyn®)은 미국 듀폰(DuPont)사에서 개발하여 판매하고 있는 에틸렌-메타아크릴산 공중합체(ethylene-metacrylic acid copolymer)에 아연 또는 나트륨 등의 금속 이온을 가교시켜 제조된 아이오노머(Ionomer) 수지의 상품명이다. 상기 썰린(surlyn®)은 70 ~ 100 ℃ 범위에서 용융될 수 있고, 내충격성이 강하고 내마모성이 탁월하여 내구성을 필요로 하는 골프공 등의 제조에 주로 사용되는 수지이다.
또한 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene Sulfide, 이하 PPS)는 벤젠고리에 황(S)이 결합한 구조로 안정적인 화학 구조를 띠고 있어 융점이 약 280 ℃를 나타낸다. 특히, PPS는 내화학성과 내열성이 뛰어나고, 특하 난연성이 우수하여 전기, 전자, 및 기계 분야에서 금속을 대신하여 널리 쓰이고 있다.
그리고 폴리에테르에테르케톤(Polyether Ether Ketone, 이하 PEEK)은 내열성이 특히 우수하며, 강인성, 내염성, 내약품성 등이 뛰어나다. 이에 따라 케이블 또는 와이어의 피복분야 또는 필름 등과 같은 분야에 널리 사용되고 있고, 융점은 약 344 ℃를 나타낸다.
상기 폴리카보네이트(polycarbonate)는 비스페놀 A(Bisphenol A)와 포스젠(Phosgene)의 연쇄 구조로 이루어진 무색 투명한 무정형의 열가소성 플라스틱 중합체이다. 상기 폴리카보네이트는 절연성, 내충격성, 가공성 등 기계적 성질이 우수하여 각종 기계, 전기 제품에 많이 사용되며, 융점이 230 ~ 260 ℃로서 쉽게 가공이 가능하다.
또한, 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane)은 폴리우레탄계 열가소성 탄성체로서 열가소성 탄성체 중 가장 뛰어난 인장강도, 인열강도, 내마모성 등의 기계적 물성을 지닌 재료로써 높은 내구도가 필요로 하는 용도에 널리 적용되고 있다. 상기 열가소성 폴리우레탄의 융점은 약 140 ~ 175 ℃로서 산업용 시트, 스크린 보호 필름, 위생 도마 및 자동차 ABS 브레이크 센서 또는 케이블 등으로 널리 사용되고 있다.
상기 폴리프로필렌은 프로필렌 모노머의 중합으로 제조되는 열가소성 수지로서, 소비재 포장재, 자동차 산업을 포함한 다양한 산업 분야의 플라스틱 부품, 포함하여 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 상기 폴리프로필렌의 용융온도는 220℃ - 280℃이다.
상기 폴리아미드는 아미드 결합(-CONH-)의 반복으로 주쇄를 구성하는 선상고분자 물질로서, 내충격성이 뛰어나고 특히 마찰계수가 적은 자기윤활성 수지이다. 상기 폴리아미드는 220 ~ 270 ℃ 범위의 용융온도를 갖는다.
상기와 같이 압축분쇄기를 통해 열가소성 수지를 분쇄하여 열가소성 수지 파우더(20)를 제조하는 제 2 단계(S200)의 이후에는 도 1에 도시된 바와 같이 장기 제 1 단계(S100)에서 준비된 직물의 상부에 제 2 단계(S200)에서 준비된 열가소성 수지 파우더(20)를 스캐터링하는 제 3 단계(S300)를 수행하게 된다.
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제 3 단계
(S300)>
상기와 같이 열가소성 수지 파우더(20)를 보강용 직물(10)의 상부로 스캐터링하는 제 3 단계(S300)는 도 2에 도시된 바와 같이 호퍼(160)에 충진된 열가소성 수지 파우더(20)를 스캐터링 롤(250)에 의해 상기 보강용 직물(10)의 상부로 공급하고, 이때 진동 브러시(251)가 상기 열가소성 수지 파우더(20)를 상기 보강용 직물(10)의 상부로 스케터링하게 된다.
이때 상기 열가소성 수지 파우더(20)는 상기 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링되어 안착되게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 제 3 단계(S300)에서 보강용 직물(10)의 상부로 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)의 두께는 0.1 내지 150 mm 인 것이 바람직하다.
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제 4 단계
(S400)>
상기와 같이 제 3 단계(S300)를 통해 상부에 열가소성 수지 파우더(20)가 스캐터링된 보강용 직물(10)은 이후에 1차로 가열 및 가압하여 상기 열가소성 수지 파우더(20)를 용융하여 상기 보강용 직물(10)의 내부로 함침하는 제 4 단계(S400)를 거치게 된다.
본 발명에 따른 상기 제 4 단계(S400)는 도 2에 도시된 바와 같은 더블벨트프레스(200)를 이용하여 수행될 수 있다.
섬유강화 복합재료(100)의 성형시에 주로 사용되는 더블벨트프레스(200)는 열가소성 프리프레그(prepreg)의 제조에 주로 사용되는 가열 및 가압 장치를 가리킨다. 특히, 상기 더블벨트프레스(200)는 금속재질의 엔드리스벨트를 상하부에 위치시켜, 온도와 압력을 연속적으로 가할 수 있는 장치이다. 상기 더블벨트프레스(200)는 섬유강화 복합재료(100)의 제조시 연속 공정에 주로 이용된다.
도 2는 본 발명에 따른 제 4 단계(S400)에서 사용되는 더블벨트프레스(200)의 확대 모식도이다.
도 2를 살펴보면, 본 발명에 따른 더블벨트프레스(200)는 상부 엔드리스벨트(310)와 하부 엔드리스벨트(315)와, 상기 상부 엔드리스벨트(310) 및 하부 엔드리스벨트(315)로 보강용 직물(10)과 상기 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)를 공급하는 상부 인입롤(320)과 하부 인입롤(325) 및 가열 및 가압되어 성형된 열가소성 프리프레그(150)를 배출하는 상부 배출롤(330)과 하부 배출롤(335)을 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 더블벨트프레스(200)의 내부 일측에는 인입되는 상기 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)를 가열하여 용융하기 위하여 상부 히팅 존(351) 및 하부 히팅 존(352)을 구비할 수 있다.
상기 상부 히팅 존(351)과 하부 히팅 존(352)은 상기 더블벨트프레스(200)의 내부로 공급되는 열가소성 수지 파우더(20)가 상부에 스캐터링된 보강용 직물(10)을 가열하여 상기 열기소성 수지 파우더(20)를 용융하게 된다.
상기와 같이 용융된 열가소성 수지 파우더(20)는 상부 엔드리스벨트(310)와 하부 엔드리스벨트(315)의 가압에 의해 상기 보강용 직물(10)의 내부로 함침하게 된다.
,
도 2에는 상부 히팅 존(351)과 하부 히팅 존(352)을 하나씩 구비되는 것으로 도시하였으나, 이는 성형되는 열가소성 프리프레그(150)에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
즉, 상기 상부 히팅 존(351)과 하부 히팅 존(352)을 복수 개의 구간으로 형성함으로써, 각 구간마다 상이한 온도조건을 부여할 수 있고, 이에 따라 다양한 종류의 열가소성 수지를 이용하여 상기 열가소성 프리프레그(150)를 연속식으로 제조할 수 있게 된다.
위에서 살핀 바와 같이, 더블벨트프레스(200)에 연속으로 인입되는 보강용 직물(10)과 상기 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)의 상부와 하부에 각각 위치된 상부 엔드리스벨트(310)와 하부 엔드리스벨트(315)에 의해 가열 및 가압함으로써 제 4 단계(S400)를 수행하게 된다.
상기 더블벨트프레스(200)에 의해 수행되는 상기 제 4 단계(S400)는 상부 엔드리스벨트(310)와 하부 엔드리스벨트(315) 사이로 연속으로 인입되는 보강용 직물(10)과 상기 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)를 연속적으로 가열 및 가압되게 된다. 이때 상기 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되면서 상기 직물의 내부로 함침작용이 일어나게 된다.
이때 상기 제 4 단계(S400)에서 보강용 직물(10)의 상부에 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)의 가열시 가열온도는 상기 열가소성 수지 파우더(20)의 녹는점보다 20 내지 30 ℃ 높은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 4 단계(S400)에서 가열되어 용융된 열가소성 수지의 보강용 직물(10) 내부로의 함침을 용이하게 수행하기 위하여 1 내지 52 N의 압력하에서 수행되는 것이 특히 바람직하다.
상기와 같이 제 4 단계(S400)가 1 내지 52 N의 압력하에서 수행됨으로써, 제조되는 열가소성 프리프레그(150)의 치수변화가 최소화되고, 용융된 열가소성 수지가 보강용 직물(10)의 내부로의 함침속도가 향상될 수 있다. 특히 상기 열가소성 프리프레그(150)의 내부에 형성될 수 있는 공극(void)이 감소함으로써, 제조되는 섬유강화 복합재료(100)의 기게적 물성이 개선될 수 있다.
또한 상기 제 4 단계(S400)에서 보강용 직물(10)의 이동속도를 증가하게 되면 용융된 열가소성 수지가 상기 보강용 직물(10)의 내부로 침투가 되지 않는 부분이 간헐적으로 생길 수 있다. 따라서 더블벨트프레스(200)의 내부에서 보강용 직물(10)의 이동속도는 30 ~ 35 m/min의 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제 4 단계(S400)를 거쳐 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되어 내부로 함침된 보강용 직물(10)은 이후에 상기 더블벨트프레스(200)의 후방 일측에 구비되는 상부 냉각 존(361)과 하부 냉각 존(362)을 통과하면서 냉각되는 제 5 단계(S500)를 거치게 된다.
<
제 5 단계
(S500)>
상기와 같이 더블벨트프레스(200)를 이용하여 가열 및 가압함으로써 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되어 내부로 함침된 보강용 직물(10)은 이후에 제 5 단계(S500)로서 상기 열가소성 수지 파우더(20)를 용융하여 내부로 함침된 보강용 직물(10)을 냉각하여 열가소성 프리프레그(150)를 제조하게 된다.
상기와 같이 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되어 내부로 함침된 보강용 직물(10)의 냉각은 도 2에 도시된 바와 같이 더블벨트프레스(200)의 후방에 구비되는 상부 냉각 존(361) 및 하부 냉각 존(362)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 상부 냉각 존(361) 및 하부 냉각 존(362)은 15 내지 30 ℃의 온도를 유지할 수 있다. 이를 위해 상기 상부 냉각 존(361) 및 하부 냉각 존(362)에는 냉각을 위한 냉각기(Chiller) 등과 연결될 수 있다.
상기와 같이 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되어 내부로 함침된 보강용 직물(10)은 상부 냉각 존(361) 및 하부 냉각 존(362)에서 냉각됨으로써 열가소성 프리프레그(150)의 제조가 완료될 수 있다.
<
제 6 단계
(S600)>
본 발명에 따른 제 6 단계(S600)는 도 1에 도시된 바와 같이 열가소성 수지 파우더(20)만을 별도로 스캐터링하여 가열 및 가압함으로써 이후에 열가소성 수지 시트(30)를 제조하는 단계를 가리킨다.
즉, 본 발명에 따른 제 3 단계(S300)와 달리 상기 더블벨트프레스(200)를 이용하여 보강용 직물(10)없이 열가소성 수지 파우더(20) 만을 별도로 스캐터링한 후 제 7 단계(S700)를 통해 이를 가열 및 가압하여 열가소성 수지 시트(30)를 제조하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 제 6 단계(S600)에서 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)의 두께는 제 3 단계(S300)와 동일하게 0.1 내지 150 mm 인 것이 바람직하다.
<
제 7 단계
(S700)>
상기와 같이 제 6 단계(S600)에서 열가소성 수지 파우더(20)만을 스캐터링한 후, 제 7 단계(S700)로서 더블벨트프레스(200)를 이용하여 이를 2차로 가열 및 가압하게 된다.
상기와 같이 열가소성 수지 파우더(20)만을 스캐터링한 후 가열 및 가압함으로써 열가소성 수지 시트(30)를 제조하게 된다.
이때 열가소성 수지 파우더(20)만을 가열 및 가압하여 열가소성 수지 시트(30)의 제조시 가열온도는 상기 열가소성 수지 파우더(20)의 녹는점보다 20 내지 30 ℃ 높은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 7 단계(S700)에서 열가소성 수지 파우더(20)를 가열하여 용융한 후, 열가소성 수지 시트(30)의 제조를 용이하게 하기 위하여 1 내지 52 N의 압력하에서 수행되는 것이 특히 바람직하다.
상기 제 7 단계(S700)에서 제조되는 열가소성 수지 시트(30)는 냉각 단계를 선택적으로 거칠 수 있다. 즉, 상기 제 5 단계(S500)와 같이 더블벨트프레스(200)의 후방에 구비되는 상부 냉각 존(361)과 하부 냉각 존(362)을 거침으로써 냉각하는 것도 가능하고, 가열 및 가압된 후 실온에 방치하여 냉각하는 것도 가능하다.
<
제 8 단계
(S800)>
상기와 같이 제 7 단계(S700)를 통해 제조된 열가소성 수지 시트(30)는 제 8 단계(S800)로서, 상기 제 5 단계(S500)에서 제조된 열가소성 프리프레그(150)과 제 7 단계(S700)에서 제조된 열가소성 수지 시트(30)를 적층하는 단계를 수행하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 제 8 단계(S900)에서 적층되는 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)는 복수 개를 적층함으로써, 제조되는 섬유강화 복합재료(100)의 두께를 다양하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 최종 두께 또는 경도(Hardness)에 따라 상기 적층되는 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)의 적층 수를 조절하는 것도 가능하다.
즉, 상기 섬유강화 복합재료(100)의 두께와 경도를 조절하기 위해서는 상기 적층되는 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)의 적층수를 가감함으로써 상기 섬유강화 복합재료(100)의 두께와 경도의 조절이 가능하게 된다.
<
제 9 단계
(S900)>
상기와 같이 제 8 단계(S800)를 통해 열가소성 프리프레그(150)과 열가소성 수지 시트(30)를 적층한 후에 제 9 단계(S900)로서 이를 더블벨트프레스(200)의 내부로 공급하여 3차로 가열 및 가압하여 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)를 제조하게 된다.
상기 제 9 단계(S900)에서 가열온도는 사용된 열가소성 수지 파우더(20)의 녹는점보다 20 내지 30 ℃ 높은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 제 9 단계(S900) 또한 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)의 접착을 용이하게 하기 위하여 1 내지 52 N의 압력하에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제 9 단계(S900)에서 제조되는 섬유강화 복합재료(100)는 냉각 단계를 선택적으로 거칠 수 있다. 즉, 상기 제 5 단계(S500)와 같이 더블벨트프레스(200)의 후방에 구비되는 상부 냉각 존(361)과 하부 냉각 존(362)을 거침으로써 냉각하는 것도 가능하고, 가열 및 가압된 후 실온에 방치하여 냉각하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 제 9 단계(S900)를 거쳐 제조되는 섬유강화 복합재료(100)의 제조 폭(width)는 최대 1,800 mm인 것이 특히 바람직하다.
상기와 같이 제 5 단계(S500)에서 제조되는 열가소성 프리프레그와 제 7 단계(S700)에서 제조되는 열가소성 수지 시트(30)를 적층한 후, 상기 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)에 포함된 열가소성 수지의 용융온도보다 20 내지 30 ℃ 높은 온도로 가열하면서 가압 함으로써, 상기 열가소성 수지가 용융되어 상기 열가소성 프리프레그의 내부로 함침된다. 이후에 냉각됨으로서 도 3과 같이 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)를 연속적으로 제조할 수 있다.
상기와 같은 단계를 거쳐 제조되는 섬유강화 복합재료(100)는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용하여 제조됨으로써, 용융시간이 단축되어 더블벨트프레스(200)에서 수행되는 제조단계의 소요시간을 대폭적으로 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기와 같은 단계를 거쳐 제조되는 섬유강화 복합재료(100)는 보강용 직물(10)의 상부에 열가소성 수지 파우더(20)를 스캐터링한 후, 가열 및 가압하여 제조됨으로써, 열가소성 수지의 분산도가 개선되며, 이에 따라 굴곡탄성율, 충격강도, 인장강도 등의 기계적 물성이 종래의 섬유강화 복합재료(100)보다 크게 향상되므로, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료(100)의 적용분야를 다양하게 확장할 수 있게 된다.
특히 높은 기계적 강도를 가지면서 저렴하게 제조할 수 있고 디자인 자유도가 우수한 시트상의 섬유강화 복합재료(100)를 구현할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예를 바탕으로 상세하게 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
10 : 직물
20 : 열가소성 수지 파우더
30 : 열가소성 수지 시트
100 : 섬유강화 복합재료
150 : 열가소성 프리프레그
200 : 더블벨트프레스
310 : 상부 엔드리스벨트
315 : 하부 엔드리스벨트
351 : 상부 히팅 존
352 : 하부 히팅 존
20 : 열가소성 수지 파우더
30 : 열가소성 수지 시트
100 : 섬유강화 복합재료
150 : 열가소성 프리프레그
200 : 더블벨트프레스
310 : 상부 엔드리스벨트
315 : 하부 엔드리스벨트
351 : 상부 히팅 존
352 : 하부 히팅 존
Claims (8)
- 경사와 위사로 제직한 섬유강화 복합재료 제조용 보강용 직물(10)로서,
상기 직물(10)의 경사 및 위사가 탄소섬유, 현무암섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 및 금속섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유를 이용하여 제직되되, 평량은 100 ~ 400 g/㎡인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 제조용 보강용 직물(10).
- 2차원 형태의 보강용 직물(10)을 제직하는 제 1 단계(S100);
열가소성 수지 파우더(20)를 준비하는 제 2 단계(S200);
상기 제 1 단계(S100)에서 제직된 보강용 직물(10)의 상부에 제 2 단계(S200)에서 준비된 열가소성 수지 파우더(20)를 스캐터링하는 제 3 단계(S300);
상기 제 3 단계(S300)에서 상부에 열가소성 수지 파우더(20)가 스캐터링된 보강용 직물(10)을 가열 및 가압하여 상기 열가소성 수지 파우더(20)를 용융하여 상기 보강용 직물(10)의 내부로 함침하는 제 4 단계(S400);
상기 제 4 단계(S400)에서 가열 및 가압하여 열가소성 수지 파우더(20)가 용융되어 함침된 보강용 직물(10)을 냉각하여 열가소성 프리프레그를 제조하는 제 5 단계(S500);
열가소성 수지 파우더(20)만을 별도로 스캐터링하는 제 6 단계(S600);
상기 제 6 단계(S600)에서 스캐터링된 열가소성 수지 파우더(20)를 가열 및 가압하여 열가소성 수지 시트(30)를 제조하는 제 7 단계(S700);
상기 제 5 단계(S500)에서 제조되는 열가소성 프리프레그와 제 7 단계(S700)에서 제조되는 열가소성 수지 시트(30)를 적층하는 제 8 단계(S800); 및
상기 제 8 단계(S800)에서 적층된 열가소성 프리프레그와 열가소성 수지 시트(30)를 가열 및 가압하는 제 9 단계(S900);를 포함하는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 열가소성 수지 파우더(20)의 평균 입자직경은 80 내지 500 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 보강용 직물(10)은 탄소섬유, 현무암섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 및 금속섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 섬유를 이용하여 제직되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 열가소성 수지 파우더(20)는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 열가소성 폴리우레탄, 설린, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 열가소성 수지 파우더(20)인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서
상기 보강용 직물(10)은 도비직, 평직, 능직, 및 주자직 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제 8 단계(S800)에서 적층되는 열가소성 프리프레그(150)와 열가소성 수지 시트(30)는 복수 개가 적층되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법.
- 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 열가소성 수지 파우더(20)를 이용한 섬유강화 복합재료(100)의 제조방법에 의해 제조된 섬유강화 복합재료(100).
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| KR1020210129765A KR102531610B1 (ko) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 열가소성 수지 파우더를 이용한 섬유강화 복합재료 제조방법 및 이로부터 제조된 섬유강화 복합재료 |
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| KR20230046597A true KR20230046597A (ko) | 2023-04-06 |
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2021
- 2021-09-30 KR KR1020210129765A patent/KR102531610B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
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