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KR101551067B1 - Novel System for impregnating Thermo-hardening Resin - Google Patents

Novel System for impregnating Thermo-hardening Resin Download PDF

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KR101551067B1
KR101551067B1 KR1020140025621A KR20140025621A KR101551067B1 KR 101551067 B1 KR101551067 B1 KR 101551067B1 KR 1020140025621 A KR1020140025621 A KR 1020140025621A KR 20140025621 A KR20140025621 A KR 20140025621A KR 101551067 B1 KR101551067 B1 KR 101551067B1
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tube
resin
fiber
impregnating
thermosetting
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KR1020140025621A
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강현민
장준호
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 신개념 열경화성 수지 함침 시스템으로서 기존의 열린 계가 아닌 닫힌계로 구성된 수지 함침 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a novel concept of a thermosetting resin impregnation system, and more particularly to a resin impregnation system comprising a closed system rather than an open system.

Description

신개념 열경화성 수지 함침 시스템 {Novel System for impregnating Thermo-hardening Resin}Novel System for Impregnating Thermo-hardening Resin "

본 발명은 신개념 열경화성 수지 함침 시스템으로서 기존의 열린 계가 아닌 닫힌계로 구성된 수지 함침 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a novel concept of a thermosetting resin impregnation system, and more particularly to a resin impregnation system comprising a closed system rather than an open system.

종래의 섬유 다발에 수지 함침하는 장비 및 관련 공정 기술(도 1 및 2 참조)로서, 연속 섬유 다발 (continuous fiber bundle)에 수지(resin)를 함침(impregnation)하는 공정은 딥 타입 또는 드럼 타입과 같이 함침조에 통과시키는 방식으로 진행되어 수많은 문제점을 가지고 있다. 첫째, 수지 손실 많고, 둘째, 함침조에서 공기 접촉으로 인한 수지의 고화 및 변질 문제, 셋째, 함침량을 제어하기 어렵고, 넷째, 섬유 다발 변경 시에 공정변수 최적화를 위한 재실행이 필요하기 때문에 시행착오 기반의 공정 최적화를 실현해야 하며, 다섯째, 개방된 함침조에서 저분자량의 VOCs 배출로 인한 환경 오염, 체내 유해성 및 수지 조성이 변화하는 문제가 그것이다.As an apparatus and related process technology (see FIGS. 1 and 2) for impregnating conventional fiber bundles with resin, the process of impregnating a continuous fiber bundle with a resin may be carried out in the form of a dip or drum type And it is passed through the impregnation tank. First, there is a lot of resin loss. Second, there is a problem of resin solidification and deterioration due to air contact in the impregnation tank. Third, it is difficult to control the impregnation amount. Fourth, since re- Based process optimization; and, fifth, the problem of changing environmental contamination, toxicity, and resin composition due to low-molecular-weight VOC emissions from open dipping baths.

본 발명은 기존 열경화성 수지 함침 시스템의 문제점을 해결하기 위하여 닫힌 계의 신개념 수지 함침 시스템 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a novel concept of a resin impregnation system of a closed system in order to solve the problems of the conventional thermosetting resin impregnation system.

본 발명은, 연속 섬유에 열경화성 수지를 함침시키는 방법으로서,The present invention relates to a method for impregnating a continuous fiber with a thermosetting resin,

a) 연속섬유를 스프레딩하는 단계;a) spreading the continuous fibers;

b) 섬유 표면에 수지와의 화학적 친화력을 높이는 처리를 하는 단계;b) treating the fiber surface with a chemical enhancing chemical affinity with the resin;

c) 호(弧) 형상의 구간을 가지는 튜브 안에 섬유 다발이 통과하도록 하고, 그 안에 열경화성 수지를 시린지(syringe)로 섬유 다발의 이동방향과 같은 방향으로 투입하여 함침시키는 단계; 및c) impregnating a bundle of fibers in a tube having an arcuate section and injecting a thermosetting resin in the same direction as the moving direction of the bundle of fibers with a syringe; And

d) 함침된 섬유를 회수하는 단계를 포함하고 상기 함침 단계가 닫힌 계(closed system)에서 수행되는 것을 제공한다.d) recovering the impregnated fibers, wherein the impregnating step is performed in a closed system.

본 발명의 닫힌 계 함침 시스템(도 3 참조)을 적용한 수지 함침 방법은 공기 접촉으로 인한 수지의 변질/고화를 문제를 해결하고, 함침량 제어가 용이하여 수지 손실분 발생이 최소화되며, VOCs 방출로 인한 환경 문제 및 인체 유해 문제가 최소화되었다. The resin impregnation method using the closed system impregnation system (see FIG. 3) of the present invention solves the problem of degradation / solidification of the resin due to air contact, facilitates the control of the impregnation amount, minimizes the occurrence of resin loss, Environmental and human health problems are minimized.

구체적으로는, 본 발명의 튜브 안에 섬유 다발이 통과하도록 하고, 그 안에 열경화성 수지를 투입함으로써 닫힌 계(closed system)의 섬유 함침 시스템은 1) 섬유 다발 이동 속도에 따른 수지 투입량 제어로 수지 손실이 거의 없고, 2) 수지와 공기의 접촉이 없어, 이로 인한 수지 고화 및 변질의 문제가 없으며, 3) 함침량의 제어가 용이하고, 섬유 다발 변경 시에도 계산을 통한 함침량 제어가 가능하며, 4) 저분자량의 VOCs 배출의 문제가 없어 환경 오염 및 공정 진행 중 수지 조성 변화의 문제가 없다. Specifically, a closed system fiber impregnation system by allowing a fiber bundle to pass through the tube of the present invention and injecting a thermosetting resin into the fiber bundle is characterized in that 1) 3) it is easy to control the amount of impregnation, and it is possible to control the amount of impregnation by calculation even when the fiber bundle is changed, and 4) There is no problem of emission of low molecular weight VOCs and there is no problem of environmental pollution and resin composition change during the process.

도 1은 종래의 수지함침 기술로서 딥 타입(dip type) 장비를 모식화한 것이다.
도 2는 종래의 수지함침 기술로서 드럼 타임(drum type) 장비를 모식화한 것이다.
도 3은 본 발명의 닫힌 계 시스템의 수지함침 기술을 모식화한 것이다.
도 4는 본 발명의 닫힌 계 시스템의 수지함침 기술을 구현하는 공정을 순서대로 나타낸 것이다.
Figure 1 is a schematic representation of dip type equipment as a conventional resin impregnation technique.
FIG. 2 is a schematic view of drum type equipment as a conventional resin impregnation technique.
3 is a schematic representation of the resin impregnation technique of the closed system of the present invention.
Figure 4 shows a sequence of steps for implementing the resin impregnation technique of the closed system of the present invention.

기존의 연속섬유(continuous fiber) 다발(bundle)에 수지(resin)를 함침(impregnation)하는 공정은 수지를 열린(open) 함침조 부어 넣고 섬유 다발을 통과시키는 방식으로 진행되어 수지의 손실이 많고, 함침조 내 공기 접촉으로 인한 수지의 고화 및 변질의 문제점이 발생하며, 함침량의 제어가 어렵고, 저분자량의 VOCs 배출로 인한 환경 오염 및 수지 조성 변화의 문제가 있는 실정이다. 이와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 일정 형상으로 구부러진 저마찰 튜브 안으로 섬유 다발이 통과하도록 하고, 그 안에 열경화성 수지를 투입함으로써 닫힌 계(closed system)의 섬유 함침 시스템을 제시(도 3 참조)한다.A process of impregnating a resin into a continuous fiber bundle is a process in which a resin is poured into an open impregnation tank and the fiber bundle is passed through the resin, There is a problem of resin solidification and deterioration due to air contact in the impregnation tank, control of impregnation amount is difficult, and there is a problem of environmental pollution and change of resin composition due to emission of low molecular weight VOCs. In order to solve such a problem, the present invention proposes a closed system fiber impregnation system (see FIG. 3) by allowing a fiber bundle to pass through a low friction tube bent into a constant shape and introducing a thermosetting resin into the fiber bundle .

이하, 도 4를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIG.

첫번째 공정은 스프레딩 단계이다. 섬유 다발은 수~수십 μm의 한 가닥(filament)이 수백~수만 가닥 합사되어 있는 형태로서 수지 함침 작업 전에 반드시 고르게 분산시키는 스프레딩 단계가 필요하다. 스프레딩 방법은 기계적인 전단력을 가하거나, 공기압으로 분산 시키는 과정이 있으며, 두 공정을 순차적으로 또는 동시에 적용 가능하다.The first step is the spreading step. The fiber bundle is a form in which several hundreds to tens of thousands of filaments are several to several tens of micrometers in length, and a spreading step is required to disperse evenly before the resin impregnation operation. The spreading method has a process of applying a mechanical shearing force or dispersing it by air pressure, and both processes can be applied sequentially or simultaneously.

두번째 공정은 섬유의 표면처리 단계이다. 수지 함침성을 향상시키기 위해서는 수지와 화학적 친화성(affinity)가 높도록 섬유의 표면을 처리하는 공정이 중요한데, 이는 용액을 코팅하는 방식의 습식법과 플라즈마 표면 처리 등과 같은 건식법으로 크게 나눌 수 있다. 효과적인 공정을 위해서는 섬유 다발의 스프레딩 이후에 표면처리를 실시하는 것이 바람직하다.The second step is the surface treatment of the fibers. In order to improve the resin impregnability, a process of treating the surface of the fiber with high chemical affinity is important. This can be roughly classified into a wet process in which a solution is coated, and a dry process such as a plasma surface treatment. For effective processing, it is desirable to perform surface treatment after spreading of the fiber bundle.

세번째 공정은 본 발명의 특징인 신 개념의 열경화성 수지함침 단계(도 3을 함께 참조)이다. 이 단계는 호(弧) 형상의 구간을 가지는 튜브 안에 섬유 다발이 통과하도록 하고, 그 안에 열경화성 수지를 시린지(syringe)로 섬유 다발의 이동방향과 같은 방향으로 소량 투입한 후 선택적으로 튜브 상에서 기계적인 압력(일종의 하중 수단)을 부여하도록 한다. 튜브는 바람직하게는 테플론 튜브를 이용하며, 수지의 투입량과 테플론 튜브 상으로 가해지는 압력을 조절하여 함침량을 조절할 수 있다. 이러한 닫힌 계(closed system)의 섬유 함침 시스템 구현하여 기존 열린 계(open system)의 문제점을 해결할 수 있다.The third process is a new concept thermosetting resin impregnation step (see FIG. 3), which is a feature of the present invention. In this step, a fiber bundle is passed through a tube having an arc-shaped section, a small amount of a thermosetting resin is injected into the tube in the same direction as the moving direction of the fiber bundle with a syringe, Pressure (a kind of load means). The tube is preferably a Teflon tube, and the amount of resin to be injected and the pressure to be applied to the Teflon tube can be adjusted to control the impregnation amount. Such a closed system fiber impregnation system can solve the problems of the existing open system.

네 번째 공정은 추가적인 공정으로서 열가소성 수지(또는 필름)를 함침시키는 단계이다. 더블벨트 라미네이션(double-belt lamination) 함침 장비를 이용하여 열경화성 수지 함침된 섬유 로빙을 열가소성으로 추가 함침시키므로써, 열경화성-열가소성의 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조의 소재를 제조할 수 있다. 또한, 네 번째 공정을 거침으로서 함침된 열경화성 수지는 열가소성 수지(또는 필름) 함침 시의 온도로 경화(열 가소 온도를 열 경화 온도로 이용)되기 때문에 추가적인 경화 공정을 생략할 수 있다.The fourth step is a step of impregnating the thermoplastic resin (or film) as an additional step. A thermosetting-thermoplastic core-sheath structure material can be produced by thermoplasticly impregnating the thermoplastic laminates with the thermosetting resin using a double-belt lamination impregnation apparatus. Further, since the thermosetting resin impregnated through the fourth step is hardened at the temperature at the time of impregnation with the thermoplastic resin (or film) (the thermosetting temperature is used as the thermosetting temperature), the additional curing step can be omitted.

다섯 번째 공정은 회수 단계이다. 위와 같은 장치를 거치면서 함침된 연속섬유 소재의 회수를 위해 드럼에 연속섬유 형태로 감는 방법을 수행하거나 일정 길이로 균일하게 잘라서 회수할 수도 있다.The fifth step is the recovery step. In order to recover the impregnated continuous fiber material while passing through the above apparatus, the drum may be wound in a continuous fiber form, or it may be uniformly cut and recovered at a predetermined length.

상기 장비들의 조합은 본 발명에서 제시된 신개념 열경화성 수지 함침 장치의 장점을 최대화할 수 있도록 기존의 공지된 기술들과 조합하는 실시 예를 기술한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하거나 한정하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 신개념 열경화성 수지함침 장치 및 이의 수행 방법은 본 기술분야의 통상의 기술자가 이용 내지 응용할 수 있는 모든 범위의 구현 장치 및 실시 행위를 포함한다.The combination of the above-described equipments is an embodiment that combines with the existing known techniques so as to maximize the advantages of the new concept thermosetting resin impregnation device proposed in the present invention, and does not limit or limit the scope of the present invention. The new concept of thermosetting resin impregnation apparatus and method of the present invention includes a whole range of implementation apparatuses and practices that can be used or applied by those skilled in the art.

이하 본 발명의 신개념의 열경화성 수지함침 장치 및 이를 수행하는 방법을 더욱 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the novel concept of a thermosetting resin impregnating apparatus and a method of performing the same will be described in detail.

본 발명의 장치는 섬유 다발의 직경보다 1.1 ~ 20배의 크기(튜브의 직경은 0.5 ~ 50mm)를 가진 튜브가 5~90° 사이로 구부러진 형상(호(弧)형상)을 가지게 함으로써, 구부러진 구간을 섬유 다발이 통과할 시에 발생되는 압력으로 인하여 열경화성 수지가 섬유 다발 사이로 침투할 수 있게 되고, 이후 섬유 내 수지 이동은 모세관 현상에 의해 추가적인 함침 진행되도록 고안된 것이다.The apparatus of the present invention has a tube having a size 1.1 to 20 times the diameter of the fiber bundle (tube diameter 0.5 to 50 mm) having a bent shape (arc shape) between 5 and 90 degrees, The pressure generated when the fiber bundle passes allows the thermosetting resin to penetrate through the bundles of fibers, and then the resin movement in the fiber is designed to be further impregnated by the capillary phenomenon.

튜브의 구부러진 구간은 1개 이상 존재할 수 있으며, 구부러진 구간이 많을수록 수지 함침성은 높아지나 섬유 다발에 손상없이 인장할 수 있는 최대 인장력이 낮아져서 생산성 저하 문제가 발생 가능하므로 상기 구간은 함침되는 연속섬유 고유의 인장력과 함침수지의 양을 조절하여 최적화된 개수의 구부러진 구간을 정할 수 있다.The number of bent sections of the tube may be one or more, and the more the bent section is, the higher the resin impregnation property is. However, since the maximum tensile force which can be pulled without damaging the fiber bundle is lowered, the productivity may be lowered. By adjusting the amount of tensile force and impregnation resin, an optimized number of bent sections can be determined.

튜브의 재질은 섬유 다발 및 열경화성 수지와 마찰 발생이 가장 적은 poly(tetrafluorehtylene)(PTFE)와 같은 Perfluoriated polymers 계통을 사용하는 것이 가장 바람직하나, 유연성 및 저마찰 특성을 지닌 다른 고분자 재질 기반의 튜브도 적용이 가능하다.The tube material is most preferably a perfluoriated polymer system such as poly (tetrafluorehtylene) (PTFE), which has the least friction with fiber bundles and thermosetting resins, but other polymer-based tubes with flexibility and low friction characteristics are also applicable This is possible.

수지의 투입방향은 연속섬유의 도입 방향과 동일하며, 수지가 투입된 후 선택적으로 튜브 상에서 기계적인 압력을 부여할 수 있다. 따라서 튜브의 구부러진 구간의 개수와 함께 수지의 투입량과 테플론 튜브 상으로 가해지는 압력을 조절하여 함침량을 더욱 조절할 수 있다.
The injection direction of the resin is the same as the introduction direction of the continuous fibers, and mechanical pressure can be selectively applied to the tube after the resin is injected. Therefore, the amount of resin to be injected and the pressure to be applied to the Teflon tube can be adjusted in addition to the number of bent sections of the tube to further control the impregnation amount.

Claims (14)

연속 섬유에 열경화성 수지를 함침시키는 방법으로서,
상기 방법은 함침 단계가 닫힌 계(closed system)에서 수행되는 것이고, 하기 단계를 포함하는 방법.
a) 연속섬유를 스프레딩하는 단계;
b) 섬유 표면에 수지와의 화학적 친화력을 높이는 처리를 하는 단계;
c) 호(弧) 형상의 구간을 가지는 튜브 안에 섬유 다발이 통과하도록 하고, 그 안에 열경화성 수지를 시린지(syringe)로 섬유 다발의 이동방향과 같은 방향으로 투입하며, 상기 튜브 상으로 기계적인 압력을 가하는 함침 단계; 및
d) 함침된 섬유를 회수하는 단계:
As a method for impregnating a continuous fiber with a thermosetting resin,
Wherein the impregnation step is performed in a closed system, comprising the steps of:
a) spreading the continuous fibers;
b) treating the fiber surface with a chemical enhancing chemical affinity with the resin;
c) passing a bundle of fibers through a tube having an arc-shaped section, placing a thermosetting resin in the same direction as the direction of movement of the fiber bundle with a syringe, and applying mechanical pressure ; And
d) recovering the impregnated fiber:
삭제delete 제1항에 있어서, 단계 c)는 호 형상의 구간이 1개 이상, 투입되는 연속섬유의 최대 인장력이 저하되지 않는 범위 내에서의 갯수 이하의 호 형상 구간이 존재하는 것인 방법.The method according to claim 1, wherein in step c), there is at least one arc-shaped section and a number of arc-shaped sections within a range in which the maximum tensile force of the continuous fibers is not decreased. 제1항에 있어서, 단계 c)는 수지의 투입량과 튜브 상으로 가해지는 압력으로 함침량을 조절하는 것인 방법.The method according to claim 1, wherein the step c) adjusts the amount of the resin to be injected and the pressure to be applied to the tube. 제1항에 있어서, 단계 c) 이후, 단계 d) 수행 전 열가소성 수지 또는 필름을 함침시키는 단계를 더욱 포함하는 것인 방법.The method according to claim 1, further comprising the step of impregnating the thermoplastic resin or film after step c) and before step d). 제5항에 있어서, 회수된 섬유는 열경화성-열가소성의 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 가지는 것인 방법.6. The method of claim 5, wherein the recovered fibers have a thermosetting-thermoplastic Core-Sheath structure. 제5항에 있어서, 열 가소 온도는 열 경화 온도로 이용되는 것인 방법.6. The method of claim 5, wherein the thermogravimetric temperature is used as the thermosetting temperature. 제1항에 있어서, 튜브는 퍼플루오르계 폴리머로 이루어진 것인 방법.The method of claim 1, wherein the tube comprises a perfluorinated polymer. 제8항에 있어서, 튜브는 테플론 튜브인 것인 방법.9. The method of claim 8, wherein the tube is a Teflon tube. 호 형상의 구간을 가지는 튜브, 수지 투입구와 같은 방향의 연속섬유 도입구 및 상기 튜브 상으로 기계적인 압력을 가하는 하중 수단을 포함하고,
상기 튜브의 직경은 섬유의 1.1 배 내지 20배 인 것이고, 호의 각도는 5 내지 90° 연속섬유에 열경화성 수지를 함침시키는 장치.
A continuous fiber inlet in the same direction as the resin inlet, and a load means for applying a mechanical pressure to the tube,
Wherein the diameter of the tube is 1.1 to 20 times the diameter of the fiber and the angle of the arc is 5 to 90 degrees continuous fiber impregnated with the thermosetting resin.
삭제delete 제10항에 있어서, 호 형상의 구간은 1개 이상, 연속섬유의 최대 인장력이 저하되지 않는 범위 내에서의 갯수 이하인 것인 장치.11. The device according to claim 10, wherein the arcuate section is at least one section, the number of sections within the range in which the maximum tensile force of the continuous fibers is not lowered. 제10항에 있어서, 튜브는 퍼플루오르계 폴리머로 이루어진 것인 장치.11. The apparatus of claim 10, wherein the tube comprises a perfluorinated polymer. 제13항에 있어서, 튜브는 테플론 튜브인 것인 장치.

14. The apparatus of claim 13, wherein the tube is a Teflon tube.

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