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KR102202377B1 - 섬유강화 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

섬유강화 복합재 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR102202377B1
KR102202377B1 KR1020170163482A KR20170163482A KR102202377B1 KR 102202377 B1 KR102202377 B1 KR 102202377B1 KR 1020170163482 A KR1020170163482 A KR 1020170163482A KR 20170163482 A KR20170163482 A KR 20170163482A KR 102202377 B1 KR102202377 B1 KR 102202377B1
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reinforced composite
reinforcing
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조수정
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Abstract

섬유강화 복합재 및 이의 제조방법이 개시된다. 상기 섬유강화 복합재는, 제1 UD 프리프레그 및, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그를 포함한다.
상기 제1 UD 프리프레그는, 열가소성 수지와 보강섬유들을 포함한다. 상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 열가소성 수지와 상기 보강섬유들을 포함한다.
상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 보강섬유들의 배향 방향이 서로 상이하다.

Description

섬유강화 복합재 및 이의 제조방법{FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND METHODE FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 섬유강화 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
섬유 강화 복합 재료는 유리섬유 또는 탄소섬유가 단섬유, 장섬유, 연속섬유의 형상으로 수지에 함침된 소재를 일컫는다.
섬유 보강 복합 재료는 두 가지 이상의 재료를 조합시켜, 소재 단독으로는 가질 수 없는 기능을 발휘하는 재료로 강화재의 역할을 하는 섬유와 고분자 기지재료(matrix)를 포함하여 구성된다. 널리 쓰이고 있는 섬유 강화재로는 유리섬유(Glass Fiber: GF) 또는 탄소섬유(Carbon Fiber: CF) 등이 있으며, 단섬유 강화재, 장섬유 강화재, 연속섬유 강화재 등이 있다. 고분자 기재재료로는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 등이 사용되고 있다.
섬유 강화재들이 일방향으로 배향된 UD 프리프레그 시트들이 적층된 적층형 섬유강화 복합재는, 복수 개의 UD 프리프레그들을 높이 방향으로 적층해나가므로, 3차원 형상을 구현하는데 있어서 제한이 있다.
본 발명은, 3차원 형상 구현성과 생산성이 우수하고, 다축방향으로 강화된 섬유강화 복합재 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재는, 제1 UD 프리프레그 및, 상기 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그를 포함한다.
상기 제1 UD 프리프레그는, 열가소성 수지와 보강섬유들을 포함한다. 상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 열가소성 수지와 상기 보강섬유들을 포함한다. 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 보강섬유들의 배향 방향이 서로 상이하다.
상기 제1 UD 프리프레그에는, 중공이 구비될 수 있다.
예를 들어, 상기 보강섬유는 연속 보강섬유일 수 있다. 이 때, 상기 중공의 직경 방향으로 하중을 가하는 굴곡물성 평가법을 이용하여 측정된 측정값들이 하기 1) 내지 4) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다:
1) 최대 굴곡하중이 2.5 kN 이상
2) 굴곡 연신위치가 9.5 mm 이상
3) 시험이 종료된 지점에서의 하중이 2.0 kN 이상
4) 시험이 종료된 지점엣의 하중 감소율이 28.0 % 이하
본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유강화 복합재의 제조방법은, 상기 제1 UD 프리프레그 상에, 상기 제2 UD 프리프레그를 감는 권취 공정, 및
상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그가 감길 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 가열가압 공정을 포함한다.
상기 제1 UD 프리프레그에는, 중공이 구비될 수 있다.
상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 나선형으로 감길 수 있다.
상기 권취 공정에서, 제2 UD 프리프레그는, 기 설계된 장력을 유지한 상태에서, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 순차적으로 감길 수 있다. 이 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면은, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동된다. 또한, 이 때, 상기 가열가압 공정에서는, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동하는 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력이 인가된다.
본 발명은, 3차원 형상 구현성과 생산성이 우수하고, 다축방향으로 강화된 섬유강화 복합재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 섬유강화 복합재의 제조공정을 모식적으로 도시한다.
도 2는, 섬유강화 복합재의 모식적인 사시도이다.
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시형상들과 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
또한, 발명은 이하에서 개시되는 내용에 한정되는 것이 아니라 다양한 형상으로 구현될 수 있으며, 이하에서 개시되는 내용은 발명의 개시가 완전하도록 하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이고, 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함하는(including)", "가진(having)" 이라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참고하여, 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은, 섬유강화 복합재의 제조공정을 모식적으로 도시한다.
섬유강화 복합재의 제조방법은, 권취 공정과 가열가압 공정을 포함한다.
권취 공정은, 제1 UD 프리프레그(2) 상에, 제2 UD 프리프레그(6)를 감는 공정이다. 제1 UD 프리프레그(2)는, 열가소성 수지와 제1 방향으로 일방향 배향된 제1 보강섬유들을 포함한다. 상기 제2 UD 프리프레그(6)는, 열가소성 수지와 제2 방향으로 일방향 배향된 제2 보강섬유들을 포함한다.
제1 보강섬유들과 제2 보강섬유들의 배향방향은 서로 상이하다. 예를 들어, 제1 보강섬유들의 제1 배향방향은, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향일 수 있으며, 제2 보강섬유들의 제2 배향방향은, 제1 보강섬유들의 제1 배향방향과 엇갈려서, 제1 보강섬유들과 제2 보강섬유들의 사이의 끼인각이 0° 초과이고 180° 미만이 될 수 있다. 제1 보강섬유들과 제2 보강섬유들의 사이의 끼인각이 0° 초과이고 180° 미만이 되는 것에 의해, 섬유강화 복합재의 제조방법은, 다축 방향으로 강화된 섬유강화 복합재를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제2 UD 프리프레그(6)는, 제1 UD 프리그레그 상에 나선형으로 감길 수 있다.
제1 UD 프리프레그(2)의 형상은, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 장축과 단축을 가진 기둥형상일 수 있으며, 보다 구체적으로, 다각기둥 형상 또는 원기둥 형상 등일 수 있다. 또한, 제1 UD 프리프레그(2)는, 중공이 구비된 관 형상으로 설계될 수도 있다. 제1 UD 프리프레그(2)가 중공형 관으로 설계된 때, 섬유강화 복합재의 제조방법은, 중공이 형성되지 않은 경우에 비해 경량의 섬유강화 복합재를 제공할 수 있다.
제2 UD 프리프레그(6)는, 끈 형상의 시트로서, 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여, 제1 UD 프리프레그(2)의 표면에 감길 수 있다.
가열가압 공정은, 제1 UD 프리프레그(2) 상에 제2 UD 프리프레그(6)가 감길 때, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 공정이다.
제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)가, 기재재료로 열가소성 수지를 포함하고 있는 것에서, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6) 간의 접착이 경계면 없이 컨솔리데이션(consolidation)을 이루도록 가열장치(5)와 가압장치(1)가 요구된다.
섬유강화 복합재의 제조방법은, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 경계면을 가열장치(5)로 가열하는 가열공정과, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 경계면을 가압장치(1)로 가압하는 가압공정을 포함한다.
가열공정과 가압공정은 실질적으로 동시에 이루어지는 것이 바람직하며, 가열공정과 가압공정 간의 시간 차가 존재하는 경우, 가열공정이 가압공정에 비해 먼저 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 UD 프리프레그(2)가 중공이 구비된 관 형상으로 설계된 경우를 예로 들면, 제1 UD 프리프레그(2)의 중공에는, 멘드릴(3)이 삽입되고, 멘드릴의 운동에 의해 제1 UD 프리프레그(2)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다.
제2 UD 프리프레그(6)는, 일정한 장력을 유지하면서, 가이드바(4)를 경유하여 제1 UD 프리프레그(2) 측으로 안내되어, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 제1 UD 프리프레그(2)의 표면에 감길 수 있다. 예를 들어, 제2 UD 프리프레그(6)는, 제1 UD 프리그레그 상에 나선형으로 감길 수 있다.
권취 공정에서, 제2 UD 프리프레그(6)는, 기 설계된 장력을 유지한 상태에서, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 순차적으로 감길 수 있다. 이 때, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 경계면은, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 이동된다. 또한, 이 때, 가열가압 공정에서는, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 이동하는 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 경계면에 열과 압력이 인가된다.
제1 UD 프리프레그(2)의 상부에는, 가압장치(1), 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은, 가압롤(1)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 멘드릴(3)과 가압롤(1)의 사이에는, 제1 UD 프리프레그(2)가 배치될 수 있으며, 제1 UD 프리프레그(2)와 가압롤(1)의 사이에는, 제2 UD 프리프레그(6)가 배치될 수 있다.
제2 UD 프리프레그(6)는, 일정한 장력을 유지하면서, 가이드바(4)를 경유하여, 제1 UD 프리프레그(2)와 가압롤(1)의 사이로 투입되어, 제1 UD 프리프레그(2) 상에 배치될 수 있다. 제2 UD 프리프레그(6)가, 제1 UD 프리프레그(2)와 가압롤(1)의 사이로 투입되어, 제1 UD 프리프레그(2)의 표면과 접한 때, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)는 각각 가열장치(5)에 의해 용융점 이상의 온도로 열처리될 수 있다.
이렇게 함으로써, 제1 UD 프리프레그(2)의 표면에 감긴 제2 UD 프리프레그(6)는, 제1 UD 프리프레그(2)와 접합될 수 있으며, 가압롤(1)은, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접촉점에서의 보이드 제거 및 원활한 접합을 위해, 제2 UD 프리프레그(6)의 상부에서 제1 UD 프리프레그(2)의 회전방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다.
가이드바(4)는, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향 또는 길이 방향을 따라 이동할 수 있다. 가열장치(5)는, 가이드바(4)와 연동하여, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향 또는 길이 방향을 따라 이동할 수 있다.
가열장치(5)는, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면을 추적하도록 설계될 수 있다. 가열장치(5)는, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면을 추적하며, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)를 동시에 국부적으로 가열할 수 있다.
다시 말하면, 가열장치(5)는, 제2 UD 프리프레그(6)가, 일정한 장력을 유지한 상태에서, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 순차적으로 감김으로써, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 이동하는 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면을 추적하며, 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 경계면에 열을 가하여, 제1 UD 프리프레그(2)를 국부적으로 순차 가열한다.
이와 반대의 경우, 예를 들어, 멘드릴(3)에 삽입된 제1 UD 프리프레그의 길이 전부에 열을 가하게 되는 경우, 컨솔리데이션이 이루어져야 할 경계면 외 다른 지점에서는 지속적으로 가열되어 소재의 형상이 변형되거나 심각하게는 소재가 산화될 수 있다. 따라서, 가열장치(5)의 예로는, 일정한 온도를 유지하면서, 국부적으로 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면에 열을 가할 수 있는, 레이저 조사장치, 핫 가스(hot gas) 분사장치, 자외선 조사장치, 직화 장치 중 적어도 하나를 들 수 있다.
한편, 가압장치(1), 예를 들어, 가압롤(1)은, 가이드바(4)와 연동하여 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향 또는 길이 방향을 따라 이동할 수도 있고, 또는, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축의 길이보다 긴 장축을 가지고, 중공에 멘드릴(3)이 삽입된 제1 UD 프리프레그(2)의 상부에 고정되게 배치될 수 있다. 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면의 컨솔리데이션을 위해, 가압장치(1)는 공압을 이용하여 제2 UD 프리프레그(6)를 일정한 압력으로 가압할 수 있어야 한다. 한편, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면의 컨솔리데이션을 위해, 제2 UD 프리프레그(6)가 감겨진 보빈이 풀릴 때도 일정한 장력이 유지되어야 한다.
제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)는 섬유강화 복합재의 제조방법의 공정과 별개의 공정에서 준비되는 것이 바람직하다.
제2 UD 프리프레그(6)가 섬유강화 복합재의 제조방법 내의 공정 중에 제조되는 경우를 예로 들면, 일정한 장력을 유지하면서 보강섬유 매트를 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면으로 안내하는 과정에서, 보강섬유 매트가 열가소성 수지가 담긴 수지조(bath)을 경유하게 함으로써, 보강섬유를 열가소성 수지에 함침시키는 방법이 고려될 수 있다. 그러나, 전술한 방법으로는, 보강섬유가 열가소성 섬유에 완전히 함침되지 않는 문제가 있다. 또한, 보강섬유를 열가소성 수지에 함침시킬 때, 수지함침공정이 대기 중에서 행해지므로, 대기 중의 공기에 의해 보강섬유가 함침된 열가소성 수지에는 미세한 보이드가 포함될 수 있다.
제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)가, 기재재료로 열경화성 수지를 포함하는 경우, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면에 열을 가하는 경우에도, 열경화성 수지의 특성으로 인해, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합이 어려운 문제가 있다.
필라멘트 와인딩 공법을 이용하여, 열경화성 수지 기반 섬유강화재를 제조하는 경우, 제1 UD 프리프레그(2) 대신에 금속 재질의 멘드릴 또는 라이너(liner)를 사용하고, 보강섬유 매트를 일정한 장력을 유지하면서 멘드릴 또는 라이너로 안내하는 과정에서, 보강섬유 매트가 열경화성 수지가 담긴 수지조(bath)를 경유하게 함으로써, 보강섬유가 함침된 열경화성 수지를 얻은 뒤, 이것을 멘드릴 또는 라이너에 감고, 후속하여 열경화성 수지를 경화하는 방법이 고려될 수 있으나, 이 방법은, 후속하는 열경화성 수지의 경화공정으로 인해 생산성이 저하되는 문제가 있으며, 멘드릴 또는 라이너의 길이방향으로의 인성이 취약한 단점이 있다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재의 제조방법은, 예를 들어, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향으로 제1 보강섬유들이 일방향 배향된 제1 UD 프리프레그(2) 상에, 제2 보강섬유들의 배향방향이 제1 보강섬유들의 배향방향과 엇갈리도록, 제2 UD 프리프레그(6)를 와인딩함으로써, 장축 방향 및 단축 방향의 다축 방향에서 강화되어 인성이 강화된 섬유강화 복합재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재의 제조방법은, 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 다축 강화 섬유강화 복합재를 제조하는 데에 있어서, 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 기재재료로 열가소성 수지를 포함함으로써, 열경화성 수지가 사용된 경우와 달리 후속하는 경화공정이 필요치 않아, 열경화성 수지가 사용된 경우에 비해 생산성을 향상시킬 수 있다.
제1 보강섬유 및 제2 보강섬유는, 장섬유 보강섬유, 단섬유 보강섬유, 연속 보강섬유 중 하나일 수 있다. 장섬유 보강섬유, 단섬유 보강섬유, 연속 보강섬유는, 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유 또는 천연 섬유 등일 수 있으나, 이들 만으로 제한되지 않는다.
예를 들어, 제1 보강섬유 및 제2 보강섬유는, 연속 보강섬유일 수 있다. 제1 UD 프리프레그(2) 및 제2 UD 프리프레그(6)가 연속 보강섬유를 포함하는 경우, 단섬유 보강섬유 또는 장섬유 보강섬유와 달리, 단일방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성이 크게 향상될 수 있다. 연속 보강섬유의 예로는, 유리 섬유를 들 수 있으며, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리한 장점이 있다.
제1 보강섬유 및 제2 보강섬유는, 단일 가닥의 섬유들이 모여서 만들어진 집합체일 수 있다. 보강섬유의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 또는, 약 1㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다. 제1 보강섬유 및 제2 보강섬유의 단일 가닥은, 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 기재재료로의 함침성을 향상시킬 수 있다.
제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 기재재료로는, 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
한편, 전술한 내용에 덧붙여, 제1 UD 프리프레그(2) 상에는, 제2 보강섬유들의 제2 배향방향이 서로 상이한 2 층 이상의 제2 UD 프리프레그(6)가 감겨질 수 있다. 다시 말하면, 제2 UD 프리프레그(6)는 다층구조로 제1 UD 프리프레그(2) 상에 감겨질 수 있고, 이 경우, 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조는, 제2 보강섬유들의 제2 배향방향이 서로 다른 층을 포함할 수 있다. 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조에서, 서로 다른 층의 제2 보강섬유 간의 끼인각은, 예를 들어, 0° 초과 180° 미만일 수 있다.
제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조는, 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면에 제2 UD 프리프레그(6)가 단층으로 감긴 때, 외부 힘에 대해 취약한 부분에 대한 인성을 더욱 보강하기 위한 것으로, 제1 UD 프리프레그(2)의 제1 보강섬유의 제1 배향방향과 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층의 제2 보강섬유 간의 제2 배향방향은 각각 서로 다른 것이 바람직하다.
따라서, 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면 상에 제2 UD 프리프레그(6)가 다층구조로 감긴 때, 섬유강화 복합재는, 제1 UD 프리프레그(2)의 제1 보강섬유의 제1 배향방향과 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층의 제2 보강섬유의 제2 배향방향이 각각 서로 다른 영역을 하나 이상 포함할 수 있다.
도 2는, 섬유강화 복합재의 모식적인 사시도이다.
섬유강화 복합재는, 도 1의 섬유강화 복합재의 제조방법에 의해 얻을 수 있다. 섬유강화 복합재는, 제1 UD 프리프레그(2) 및, 제1 UD 프리프레그(2) 상에 의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그(6)를 포함한다. 제2 UD 프리프레그(6)는, 제1 UD 프리프레그(2) 상에 감겨진 형태로 제1 UD 프리프레그(2) 상에 권취된 제2 UD 프리프레그(6)들 간의 경계가 존재할 수도 있고, 또는, 도 1의 섬유강화 복합재의 제조방법의 가열가압 공정에 의해, 제1 UD 프리프레그(2) 상에 권취된 제2 UD 프리프레그(6)들 간의 경계가 부존재할 수도 있다.
제1 UD 프리프레그(2)는, 열가소성 수지와 제1 방향으로 일방향 배향된 제1 보강섬유들을 포함한다. 상기 제2 UD 프리프레그(6)는, 열가소성 수지와 제1 방향으로 일방향 제2 보강섬유들을 포함한다.
제1 보강섬유들과 제2 보강섬유들의 배향방향은 서로 상이하다. 예를 들어, 제1 보강섬유들의 제1 배향방향은, 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향일 수 있으며, 제2 보강섬유들의 제2 배향방향은, 제1 보강섬유들의 제1 배향방향과 엇갈려서, 제1 보강섬유들과 제2 보강섬유들의 사이의 끼인각이 0° 초과이고 180° 미만이 될 수 있다. 제1 보강섬유들과 제2 보강섬유들의 사이의 끼인각이 0° 초과이고 180° 미만이 되는 것에 의해, 섬유강화 복합재의 제조방법은, 다축 방향으로 강화된 섬유강화 복합재를 제공할 수 있다.
섬유강화 복합재의 형상은, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 장축과 단축을 가진 기둥형상일 수 있고, 보다 구체적으로, 다각기둥 형상 또는 원기둥 형상 등일 수 있다. 섬유강화 복합재의 형상은, 제1 UD 프리프레그(2)의 형상에 의해 결정될 수 있다.
예를 들어, 제1 UD 프리프레그(2)가, 중공(H)이 구비된 관 형상으로 설계된 경우, 섬유강화 복합재는, 중공(H)이 구비된 관 형상의 내부층과 내부층의 외피에 접합된 외부층을 포함하는 구조로 제작될 수 있다. 내부층과 외부층은 각각 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)에 대응된다. 내부층과 외부층은 보강섬유를 포함하고, 내부층의 보강섬유의 배향방향과 외부층의 보강섬유의 배향방향이 서로 다름은 전술한 바와 같다. 중공(H)이 구비된 관 형상의 섬유강화 복합재는, 도 1의 섬유강화 복합재의 제조방법에서, 권취공정 및 가열가압 공정이 완료된 이후, 제1 UD 프리프레그(2)의 중공에 삽입된 멘드릴(3)을 탈형하는 것에 의해 얻어질 수 있다.
섬유강화 복합재는, 시트형상 혹은 패널형상이 아닌 기둥형상으로 제작될 수 있으므로, 시트형상 혹은 패널형상의 섬유강화 복합재와 달리, 성형금형에 따라 3차원 형상으로 제작될 수 있다.
제1 보강섬유 및 제2 보강섬유는, 장섬유 보강섬유, 단섬유 보강섬유, 연속 보강섬유 중 하나일 수 있다. 장섬유 보강섬유, 단섬유 보강섬유, 연속 보강섬유는, 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유 또는 천연 섬유 등일 수 있으나, 이들 만으로 제한되지 않는다.
예를 들어, 제1 보강섬유 및 제2 보강섬유는, 연속 보강섬유일 수 있다. 제1 UD 프리프레그(2) 및 제2 UD 프리프레그(6)가 연속 보강섬유를 포함하는 경우, 단섬유 보강섬유 또는 장섬유 보강섬유와 달리, 단일방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성이 크게 향상될 수 있다. 연속 보강섬유의 예로는, 유리 섬유를 들 수 있으며, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리한 장점이 있다.
제1 보강섬유 및 제2 보강섬유는, 단일 가닥의 섬유들이 모여서 만들어진 집합체일 수 있다. 보강섬유의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 또는, 약 1㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다. 제1 보강섬유 및 제2 보강섬유의 단일 가닥은, 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 기재재료로의 함침성을 향상시킬 수 있다.
제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 기재재료로는, 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
한편, 전술한 내용에 덧붙여, 섬유강화 복합재는, 제2 보강섬유들의 제2 배향방향이 서로 상이한 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조가, 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면 상에는, 감겨진 상태로 접합된 구조를 가질 수도 있다. 이 때, 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층은 서로 접합된 상태일 수 있으며, 다층구조의 제1 층의 외주면의 적어도 일부분이 제2 층으로 피복될 수 있다.
제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조는, 제2 보강섬유들의 제2 배향방향이 서로 다른 층을 포함할 수 있다. 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조에서, 서로 다른 층의 제2 보강섬유 간의 끼인각은, 예를 들어, 0° 초과 180° 미만일 수 있다.
제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조는, 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면에 제2 UD 프리프레그(6)가 단층으로 감긴 때, 외부 힘에 대해 취약한 부분에 대한 인성을 더욱 보강하기 위한 것으로, 제1 UD 프리프레그(2)의 제1 보강섬유의 제1 배향방향과 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층의 제2 보강섬유 간의 제2 배향방향은 각각 서로 다른 것이 바람직하다.
따라서, 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면 상에 제2 UD 프리프레그(6)가 다층구조로 감긴 때, 섬유강화 복합재는, 제1 UD 프리프레그(2)의 제1 보강섬유의 제1 배향방향과 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층의 제2 보강섬유의 제2 배향방향이 각각 서로 다른 영역을 하나 이상 포함할 수 있다.
제조예
중공에 멘드릴이 삽입되어, 반시계 방향으로 회전하는 제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프와 제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프의 상부에 배치되어 시계 방향으로 회전하는 가압롤의 사이로, 제2 열가소성 UD 프리프레그 시트를 공급하였다.
제2 열가소성 UD 프리프레그 시트는 반시계 방향으로 회전하는 공급롤, 반시계 방향으로 회전하는 제1 UD 프리프레그 중공 파이프, 및 시계 방향으로 회전하는 가압롤에 의해 일정한 장력이 유지된 상태로, 가이드바를 경유하여, 제1 열가소성 UD 프리프레그의 장축 방향을 따라 제1 열가소성 UD 프리프레그 파이프와 가압롤의 사이로 투입되었다.
제1 열가소성 UD 프리프레그 파이프의 외주면과 제2 열가소성 UD 프리프레그가 서로 접하는 경계면을 제1 열가소성 UD 프리프레그 파이프와 제2 열가소성 UD 프리프레그 시트의 용융점 이상의 온도로 가열장치를 이용하여 가열하였다.
가열장치 및 가압롤에 의해, 제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 열가소성 UD 프리프레그 시트를 포함하는 섬유강화 복합재 중공 파이프를 얻었다.
제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프는 보강섬유들이 장축 방향을 따라 일방향 배향된 것이 사용되었다. 제2 열가소성 UD 프리프레그 시트는 보강섬유들이 길이 방향(제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프로의 투입 방향)을 따라 일방향 배향된 것이 사용되었다.
실시예
하기 표 1의 조건으로 제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프의 외주면 상에 제2 열가소성 UD 프리프레그 시트를 권취하여 실시예에 따른 섬유강화 복합재를 얻었다.
와인딩 패턴 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
감긴 층수 1층 1층 2층 2층
제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프와 제2 열가소성 UD 프리프레그 시트 간의 보강섬유의 배향방향의 끼인 각 45° 80° 45° 45°
제2 열가소성 UD 프리프레그 시트와
제2 열가소성 UD 프리프레그 시트 간의 보강섬유의 배향방향의 끼인 각		 - - 45° 80°
비교예
제1 열가소성 UD 프리프레그 중공 파이프의 상부에 가압롤이 설치되지 않은 것을 제외하고는, 제조예에 따라 비교예에 따른 섬유강화 복합재를 제조하였다.
실험예
하기 표 2에서와 같이, 최대 굴곡하중, 굴곡연신위치, 시험종료 지점 하중, 하중 감소율 등을 측정하였다. 실시예들의 섬유강화 복합재는, 일방향 연속섬유의 구성으로 길이방향 기계적 물성이 매우 뛰어나다. 이에 횡방향 하중을 가하는 굴곡 물성 평가법을 이용하여, 실시예들의 섬유강화 복합재의 기계적 물성을 측정하였다. 표 2로부터, 실시예들의 섬유강화 복합재는, 측면부 충격 등에 의해 파손되기 쉬운 비교예의 섬유강화 복합재의 단점을 개선할 수 있음이 확인된다.
비교예의 섬유강화 복합재의 경우, 가압롤 부재로 인해, 제1 및 제2 UD 프리프레그들의 접합면에서의 컨솔리데이션이 충분하지 않았기 때문에, 제1 및 제2 UD 프리프레그가 서로 쉽게 박리되어 횡방향 물성이 실시예의 섬유강화 복합재에 비해 취약했다.
비교예 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
최대 굴곡하중(kN) 2.3 2.5 2.9 3.2 3.4
굴곡 연신위치(mm) 6.5 9.5 11 11 12.7
시험종료 지점 하중(kN) 1.3 2.0 2.2 2.3 2.6
하중 감소율(시험종료지점 기준, %) 40.9 28.0 24.1 21.9 23.5
이상 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나, 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예에 개시된 내용들을 조합하여 서로 다른 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형상으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 가압장치
2: 제1 UD 프리프레그
3: 멘드릴
4: 가이드바
5: 가열장치
6: 제2 UD 프리프레그
7: 섬유강화 복합재

Claims (7)

  1. 열가소성 수지와 보강섬유들을 포함하는 제1 UD 프리프레그;
    상기 열가소성 수지와 상기 보강섬유들을 포함하고, 상기 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그;를 포함하고,
    상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 보강섬유들의 배향 방향이 서로 상이하고,
    상기 제1 UD 프리프레그에는, 중공이 구비되고,
    상기 보강섬유는 연속 보강섬유이며,
    상기 중공의 직경 방향으로 하중을 가하는 굴곡물성 평가법을 이용하여 측정된 측정값들이 하기 1) 내지 4) 중 적어도 하나를 만족하는, 섬유강화 복합재:
    1) 최대 굴곡하중이 2.5 kN 이상
    2) 굴곡 연신위치가 9.5 mm 이상
    3) 시험이 종료된 지점에서의 하중이 2.0 kN 이상
    4) 시험이 종료된 지점엣의 하중 감소율이 28.0 % 이하
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 UD 프리프레그 상에, 제2 UD 프리프레그를 감는 권취 공정; 및
    상기 제1 UD 프리프레그 상에 제2 UD 프리프레그가 감길 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 가열가압 공정;을 포함하고,
    상기 제1 UD 프리프레그는, 열가소성 수지와 보강섬유들을 포함하고,
    상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 열가소성 수지와 상기 보강섬유들을 포함하며,
    상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 보강섬유들의 배향 방향이 서로 상이하고,
    상기 보강섬유는 연속 보강섬유이며,
    상기 제1 UD 프리프레그에는, 중공이 구비되고,
    상기 가열가압 공정은
    가열장치가 상기 제2 UD 프리프레그의 상부에서 상기 제1 UD 프리프레그의 회전방향과 반대 방향으로 회전하고,
    가열장치가 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 접합면을 추적하며, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열을 가하여 국부적으로 가열하는
    섬유강화 복합재의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 UD 프리프레그는, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 나선으로 감겨진,
    섬유강화 복합재의 제조방법.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 권취 공정에서, 제2 UD 프리프레그는, 기 설계된 장력을 유지한 상태에서, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 순차적으로 감기며, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면은, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동되고,
    상기 가열가압 공정은, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동하는 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 것인,
    섬유강화 복합재의 제조방법.
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