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KR102526399B1 - 섬유강화 복합재 및 이를 이용한 반잠수정용 선체 제조방법 - Google Patents

섬유강화 복합재 및 이를 이용한 반잠수정용 선체 제조방법 Download PDF

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KR102526399B1
KR102526399B1 KR1020210140059A KR20210140059A KR102526399B1 KR 102526399 B1 KR102526399 B1 KR 102526399B1 KR 1020210140059 A KR1020210140059 A KR 1020210140059A KR 20210140059 A KR20210140059 A KR 20210140059A KR 102526399 B1 KR102526399 B1 KR 102526399B1
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배성열
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은 섬유강화 복합재 및 이를 이용하여 제조한 반잠수정용 선체 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 접착부를 최소화하거나 접착부 없이 구조적으로 이상적인 반잠수정, 선박, 위그선 등의 선체를 제조할 수 있는 섬유강화 복합재 및 이를 이용하여 제조한 반잠수정용 선체 제조방법에 관한 것이다.

Description

섬유강화 복합재 및 이를 이용한 반잠수정용 선체 제조방법{Fiber reinforcement complex materials and Manufacturing method of hull for semi-submarine boat}
본 발명은 접착부를 최소화하거나 접착부 없이 구조적으로 이상적인 반잠수정, 선박, 위그선 등의 선체를 제조할 수 있는 섬유강화 복합재 및 이를 이용하여 제조한 반잠수정용 선체 제조방법에 관한 것이다.
현재의 반잠수정이나 위그선의 선체는 상부, 하부 부품으로 각각 제작되어, 접합부가 접합되는 형태로 구성되어 있는데, 특히, 잠수정의 경우에는 수밀이 필수적이기 때문에 상부, 하부 부품이 각각 제작되어 수밀이 가능하도록 에폭시 등의 접착제로써 접합되어 제작된다. 이러한 종래의 선체에서의 구조적으로 가장 취약부는 상부와 하부 간 접착부이며, 제작공정에서 접착부를 최소화 하거나 없앨 수 있다면 구조적으로 가장 이상적인 선체를 제작할 수 있다.
또한, 기존 반잠수정 및/또는 위그선 선체의 제작은 대부분 수작업에 의존되어 생산 시간이 오래 걸리고, 경화 시간이 수시간 걸리기 때문에 생산성 면에서 좋지 못하다. 특히 기존 반잠수정 선체 제작방법은 상부 부품 제작과 하부 부품 제작이 각각 진행된 후, 결합(bonding)되기 때문에 상부 부품 제작, 하부 부품 제작, 본딩에 각각의 시간이 소모되어 생산성이 매우 좋지 못한 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0011913호 (공개일 2018.02.05) 대한민국 공개특허 제10-201200088959호 (공개일 2012.08.09)
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 섬유강화복합재료 선박을 제조하는 공정에서 구조적 취약부를 발생시킬 수 있는 접합부를 없애고, 접착제를 사용하지 않으며, 섬유강화복합재를 이용한 선체 제조 중 프리폼공정(섬유직물을 몰드에 적층하는 공정)을 자동화 장비를 통해 수행함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 제조방법을 제공하고자 한다.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 반잠수정용 선체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 내부몰드, 하형몰드, 상형몰드, 하부 진공백, 상부 진공백을 포함하는 몰드-진공백 일체형 장치로 제조하며, 하부 진공백이 구비된 하형몰드의 하부 진공백 상부에 섬유 직물을 적층시킨 후, 상기 섬유 직물 상부에 내부몰드를 배치시키는 1단계; 상부 진공백이 구비된 상형몰드의 상부 진공백 상부에 섬유직물을 적층시키는 2단계; 상형몰드의 상부 진공백과 하형몰드의 하부 진공백이 마주보는 방향으로 상형몰드와 하형몰드를 결합하는 3단계; 결합된 상부 및 하부 진공백의 결합에 의해 형성된 내부 공간을 진공 처리하는 진공백 공정을 수행하는 4단계; 상부 진공백과 하부 진공백이 접합되는 접합부를 통해서 섬유강화 수지를 주입하는 5단계; 및 열처리하여 섬유강화 수지를 경화시킨 후, 경화물을 탈형시키는 6단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 제조방법으로 제조한 섬유강화 복합재 또는 상기 반잠수정용 선체 제조용 섬유강화 복합재에 관한 것으로서, 섬유강화 수지의 경화물; 및 상기 경화물 내부에 섬유 직물;을 포함하고, 상기 섬유강화 수지와 상기 섬유 직물은 일체화되어 있다.
본 발명의 섬유강화 복합재는 기계적 물성이 우수하면서도 해수 등에 의한 경시변화가 거의 없는 등 내화학성이 우수하다. 또한, 상기 섬유강화 복합재는 열 결합시 복합재가 간에 결합력이 매우 우수한 바, 별도의 에폭시계 접착제 등의 접착제 없이 결합이 가능하다. 그리고, 본 발명의 상기 복합재를 이용한 반잠수정 선체 제조방법은 접착부를 형성하지 않기 때문에 기밀성이 좋고, 자동화 공정이 가능하여 생산성이 매우 높다.
도 1은 몰드-진공백 일체형 장치을 이용한 본 발명의 반잠수정 선체 제조 방법의 일구현예에 대한 개략도이다.
도 2는 제조예 1에서 제조한 타원형 반잠수정용 일체형 선체의 개략도이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명의 섬유강화 복합재는 섬유강화 수지의 경화물; 및 상기 경화물 내부에 섬유 직물;을 포함하고, 상기 섬유강화 수지와 상기 섬유 직물은 일체화되어 있는 복합재이다.
상기 섬유강화 수지는 바인더 수지, 오르가노폴리실록산, 강화섬유 및 첨가제를 포함할 수 있다.
섬유강화 수지 조성 중 상기 바인더 수지는 폴리에틸렌계 수지 및 폴리아미드계 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌계 수지 및 폴리아미드계 수지를 1 : 0.2 ~ 0.3 중량비로 포함할 수 있다. 그리고, 상기 폴리에틸렌계 수지는 저밀도 폴리에틸렌 수지를 포함할 수 있고, 바람직하게는 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 포함할 수 있다. 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지는 밀도는 약 0.91~0.94 g/cm3로 물보다 가벼운 특징이 있다. 그리고, 상기 폴리아미드계 수지는 폴리에틸렌계 수지와 혼합 사용시 폴리에틸렌계 수지의 부족한 기계적 물성을 보완하는 역할을 할 수 있으며, 상기 폴리아미드계 수지는 폴리아미드6 및/또는 폴리아미드66을 포함하는 폴리아미드를 무수말레인산으로 개질시켜서 제조한 무수말레인산 그라프트 폴리아미드 수지를 포함할 수 있다. 이때, 상기 무수말레인산 그라프트된(grafted) 폴리아미드 수지의 무수말레인산의 그라프트율은 5 ~ 10%일 수 있다.
섬유강화 수지 조성 중 상기 오르가노폴리실록산은 섬유 직물과의 결합력 및 복합재 간의 결합력을 증대시키는 역할을 하는 것으로서, 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112021120068521-pat00001
화학식 3에 있어서, R1은 CH2=CH-R5-이다. 그리고, 상기 R5는 C2 ~ C10의 직쇄형 알킬렌기이고, 바람직하게는 R5는 C2 ~ C6의 직쇄형 알킬렌기, 더욱 바람직하게는 R5는 C3 ~ C6의 직쇄형 알킬렌기이다. 그리고, 화학식 3의 상기 R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자 또는 C1 ~ C3의 직쇄형 알킬기이며, 바람직하게는 수소원자 또는 C1 ~ C2의 직쇄형 알킬기이고, 더욱 바람직하게는 C1 ~ C2의 직쇄형 알킬기이다.
또한, 화학식 3의 m, n은 몰비를 의미하며, m은 1 ~ 5의 정수이고, n은 3 ~ 10의 정수이며, 바람직하게는 m은 2 ~ 4의 정수이고, n은 4 ~ 8의 정수이다.
섬유강화 수지 조성 상기 오르가노폴리실록산의 함량은 상기 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 10 ~ 30 중량부, 바람직하게는 20 ~ 30 중량부이며, 이때, 오르가노폴리실록산 사용량이 10 중량부 미만이면 복합재가 섬유 직물 및/또는 복합재간 결합력이 부족할 수 있으며, 30 중량부를 초과하여 사용하면 섬유강화 수지의 점도가 너무 높아서 가공성이 떨어지고, 조성물간 상용성이 부족하여 오히려 복합재의 물성을 저해할 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
섬유강화 수지 조성 중 상기 강화섬유는 복합재의 충격강도, 인장강도, 내마찰성 등의 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르술폰 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 탄소섬유, 유리섬유, 스테인리스 섬유 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리아미드 섬유, 탄소섬유, 유리섬유, 스테인리스 섬유 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리아미드 섬유, 탄소섬유, 유리섬유 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 세라믹 섬유의 바람직한 일례를 들면, 탄화규소-탄화티탄 복합 섬유, 탄화규소-탄화지르코늄 복합 섬유 및 알파-알루미나 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 강화섬유는 섬유장 0.5 ~ 5 mm 및 섬도 1 ~ 10 데니어인 것이 좋으며, 바람직하게는 섬유장 1.0 ~ 3.0 mm 및 섬도 3 ~ 8 데니어 정도인 것이 다른 조성과의 혼화성, 강화섬유의 섬유강화 수지 내 분산성 측면에서 유리하다. 상기 강화섬유의 사용량은 상기 바인더 수지 100 중량부에 대하여 1 ~ 10 중량부, 바람직하게는 2.5 ~ 8.0 중량부, 더욱 바람직하게는 3.0 ~ 6.5 중량부이며, 그 사용량이 1 중량부 미만이면 복합재의 기계적 물성 향상 효과가 미비할 수 있고, 10 중량부을 초과하여 사용하는 것을 과량 사용이며 오히려 강화섬유간 뭉쳐서 이로 인한 물성 저하 문제, 섬유직물에 대한 코팅력 저하 등의 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
섬유강화 수지 조성 상기 첨가제는 내구성 향상제, 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료, 염료 및 점도조절제 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이들 첨가제 각각은 본 발명의 섬유강화 복합재의 물성을 저해시키지 않는 범위 내에서 당업계에서 사용하고, 구입이 가능한 일반적인 첨가제를 제한 없이 사용할 수 있다.
일례를 들면, 첨가제 중 상기 분산제는 섬유의 분산성을 증대시키는 성분으로서, 리그닌술폰산 칼슘, 리그닌술폰산 마그네슘, 리그닌술폰산 나트륨 및 리그닌술폰산 칼륨 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 그 사용량은 바인더 수지 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 1.0 중량부를 사용하는 적절하다.
첨가제 중 상기 용제는 에탄올, 초산에틸, 아세톤, 메틸에틸케톤, 디에틸에테르, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌 글리콜 및 DMF(dimethylformamide) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 그 사용량은 바인더 수지 100 중량부에 대하여 20 ~ 50 중량부를 사용하는 것이 적정 점도확보 측면에서 바람직히다.
본 발명의 섬유강화 복합재 구성 중 상기 섬유 직물은 앞서 설명한 섬유강화 수지의 경화물 내부에 형성되어 있으며, 상기 섬유 직물은 시스부 및 코어부로 구성된 시스-코어 섬유로 제직된 직물을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 섬유 직물의 직물 형태는 특별하게 한정하지 않는다.
상기 시스-코어 섬유의 코어부는 열경화성 수지를 포함하고, 상기 시스부는 열가소성 수지를 포함하며, 상기 시스부의 융점은 앞서 설명한 섬유강화 수지의 융점 보다 낮은 열가소성 수지로 구성된다. 이와 같이 섬유 직물을 구성하는 시스-코어 섬유의 시스부를 섬유강화 수지 보다 낮은 융점을 가지는 수지로 적용함으로써, 섬유강화 수지의 경화를 위한 열 경화 처리시, 상기 시스-코어 섬유의 시스 부분이 열적으로 용융되어 섬유강화 수지와 결합 및 함께 경화되어서 일체화된 복합재를 용이하게 형성할 수 있게 된다.
상기 시스-코어 섬유는 코어부 및 시스부를 1 : 0.2 ~ 0.3 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.25 ~ 0.30 중량비로 포함하는 것이 좋으며, 이때, 시스부가 0.2 중량비 미만이면 섬유강화 수지와의 결합력이 부족할 수있고, 0.3 중량비를 초과하면 열 경화 후 시스부가 용융되어 코어부로 형성된 직물 내 섬유가 상대적으로 너무 얇게 존재하여 복합재의 기계적 물성을 약화되어 복합재의 응용범위를 줄일 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
그리고, 시스-코어 섬유의 코어부는 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여, 트리(C2~C5 의 알킬렌)테트라민 10 ~ 20 중량부, 폴리티오에테르 수지 20 ~ 50 중량부 및 저밀도 충전제 1 ~ 5 중량부를 포함하는 혼합 수지를 중합반응시킨 중합체를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여, 트리(C2~C5 의 알킬렌)테트라민 12 ~ 18 중량부, 폴리티오에테르 수지 20 ~ 35 중량부 및 저밀도 충전제 2 ~ 4 중량부를, 더욱 바람직하게는 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여, 트리(C2~C5 의 알킬렌)테트라민 14 ~ 18 중량부, 폴리티오에테르 수지 20 ~ 30 중량부 및 저밀도 충전제 2.5 ~ 4.0 중량부를 포함하는 혼합 수지를 중합반응시킨 중합체를 포함할 수 있다.
코어부 조성 중 상기 폴리에스테르 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지 및 폴리프로필렌 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 PET 수지를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 PET 수지는 고유점도(IV)는 0.60 ~ 0.80 dL/g일 수 있다.
그리고, 트리(C2~C5 의 알킬렌)테트라민은 폴리티오에테르, 저밀도 충전제 등의 조성이 폴리에스테르 수지와의 상용성 증대 역할을 하는 것으로서, 그 사용량이 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만으로 사용하면 이의 사용 효과가 미비하고, 20 중량부를 초과하여 사용하면 섬유의 유연성을 크게 감소시키는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
코어부 조성 중 상기 폴리티오에테르는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 수 있으며, 섬유의 탄력성, 기계적 강도 향상 역할을 한다. 이의 사용량이 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 20 중량부 미만이거나 50 중량부를 초과하여 사용하면 기계적 강도 향상이 미비하거나 과량 사용시 오히려 섬유 탄력성이 저해되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
[화학식 1]
Figure 112021120068521-pat00002
화학식 1에 있어서, R1은 C4~C10의 직쇄형 알킬렌기 또는 C4~C10의 분쇄형 알킬렌기이며, 바람직하게는 C4~C6의 직쇄형 알킬렌기 또는 C4~C6의 분쇄형 알킬렌기이다. 또한, 화학식 1의 R2는 C6~C10의 아릴렌기이고, 바람직하게는 C6의 아릴렌기이다. 그리고, 화학식 1의 n은 1 ~ 5의 정수이며, 바람직하게는 n은 1 ~ 3의 정수이다.
코어부 조성 중 저밀도 충전제는 섬유의 밀도 감소 및 충격 강도 향상 역할을 하는 것으로서, 섬유의 밀도 증가를 방지하기 위해서 다공성 충전제를 사용하는 것이 좋으며, 바람직하게는 다공성 SiO2 에어로겔을 사용할 수 있으며, 상기 다공성 SiO2 에어로겔은 다공률 60 ~ 80%, 밀도 150 g/L 이하이고, 입자 직경(D50)은 0.1 ~ 10μm일 수 있다. 저밀도 충전제의 사용량이 폴리에스테르 수지 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만이면 이의 사용량이 너무 적어서 섬유 자체의 밀도 감소 효과 및 충격 강도 향상 효과가 미비할 수 있고, 5 중량부를 초과하여 사용하면 오히려 시스-코어 섬유의 기계적 강도를 약화시킬 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 시스부는 주 수지; 인계 난연성 수지; 가소제; 및 산화방지제;를 포함할 수 있다.
코어부 성분 중 상기 주 수지는 고무질계 공중합체 30~60 중량%, 시안화 비닐화합물 10~30 중량% 및 잔량의 방향족 비닐화합물을 포함하는 혼합물을 공중합 반응시켜 제조한 공중합체 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 고무질계 공중합체 30~40 중량%, 시안화 비닐화합물 15~20 중량% 및 잔량의 방향족 비닐화합물을 포함하는 혼합물을 공중합 반응시켜 제조한 공중합체 수지를 포함할 수 있다.
주 수지 조성 중 상기 고무질계 공중합체는 폴리부타디엔 라텍스에 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체가 10 ~ 25 중량% 그라프트된 그라프트 공중합체를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리부타디엔 라텍스에 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체가 10 ~ 18 중량% 그라프트된 그라프트 공중합체를 사용할 수 있다.
또한, 주 수지 조성 중 상기 시안화 비닐화합물은 메타크릴로니트릴 및 에타크릴로니트릴 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며, 바람직하게는 에타크릴로니트릴을 포함할 수 있다.
또한, 주 수지 조성 중 상기 방향족 비닐화합물은 알킬스티렌을 포함할 수 있고, 바람직하게는 알파-메틸스티렌을 포함할 수 있다.
시스부 조성 중 상기 인계 난연성 수지는 시스부가 용융되어 섬유강화 수지와 혼화 및 결합되면서 복합재의 난연성을 증대시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 주 수지 100 중량부에 대하여, 2 ~ 8 중량부를, 바람직하게는 3.0 ~ 7.0 중량부를 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112021120068521-pat00003
화학식 2에 있어서, R1 내지 R3 각각은 독립적으로, 수소원자, C1~C5의 직쇄형 알킬기, C3~C5의 분쇄형 알킬기 또는
Figure 112021120068521-pat00004
이며, 바람직하게는
Figure 112021120068521-pat00005
이다. 그리고, 화학식 2의 R4는 C1~C3의 직쇄형 알킬기, -COOH 또는 -COH이며, 바람직하게는 -COOH이다. 그리고, 화학식 2의 n은 0 ~ 3이고, 바람직하게는 1이며, *은 결합부위를 의미한다.
시스부 조성 중 가소제는 당업계에서 사용하는 일반적인 가소제를 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리올 하이드록시스테아레이트, 폴리글리콜산, 폴리부틸아디페이트, 디옥틸 프탈레이트, 디이소노닐 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 디옥틸 아디페이트, 디이소노닐아디페이트 및 디옥틸 말레이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 가소제의 사용량은 상기 주 수지 100 중량부에 대하여 2 ~ 15 중량부, 바람직하게는 3 ~ 10 중량부, 더욱 바람직하게는 3.5 ~ 9.0 중량부를 사용할 수 있다.
시스부 조성 중 상기 산화방지제는 글리콜-비스-3-(3-터셔리-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트, 1,3,5-트리스(2,6-디메틸-3-히드록시-4-터셔리-부틸벤질)이소시아누레이트, 1,3,5-트리스(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시벤질)-1,3,5-트리아진-2,4,6(1H,3H,5H)-트리온, 2.2-메틸렌비스(4-메틸-6-t-부틸페놀), 2.6-디-t-부틸-4-메틸페놀, 트리스(2,4-디터트-부틸페닐)포스파이트, 비스(4-이소시아네이트시클로헥실)메탄, 및 N-N-비스(2-하이드록시에틸)-터셔리-부틸아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 산화방지제의 적정 사용량은 상기 주 수지 100 중량부에 대하여, 0.5 ~ 3.0 중량부, 바람직하게는 0.5 ~ 2.0 중량부이며, 산화방지제 사용량이 0.5 중량부 미만이면 산화방지 효과가 미비할 수 있고, 3.0 중량부를 초과하여 사용하는 것은 과량 사용으로서 더 이상의 산화방지 효과 증대가 없으므로 비경제적이다.
시스부는 앞서 설명한 조성 외에 상용화제, 강도증진제, 점도 조절제 등의 기타 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 상기 상용화제의 일례를 들면, 산화아연, 스테아르산아연, 붕산아연, 라우르산아연, 타타르산아연, 올레산아연, 유산아연 등이 있다.
앞서 설명한 섬유강화 복합재를 이용하여 반잠수정용 선체를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1에 개략도로 도시한 바와 같이 내부몰드(30), 하형몰드(10), 상형몰드(20), 하부 진공백(21), 상부 진공백(11)을 포함하는 몰드-진공백 일체형 장치를 이용하여 반잠수정용 선체를 제조할 수 있으며, 좀 더 구체적으로 설명하면, 하부 진공백(21)이 구비된 하형몰드(10)의 하부 진공백 상부에 섬유 직물(40)을 적층시킨 후, 상기 섬유 직물 상부에 내부몰드를 배치시키는 1단계; 상부 진공백(21)이 구비된 상형몰드(20)의 상부 진공백 상부에 섬유직물(40)을 적층시키는 2단계; 상형몰드(20)의 상부 진공백(21)과 하형몰드(10)의 하부 진공백(11)이 마주보는 방향으로 상형몰드와 하형몰드를 결합하는 3단계; 결합된 상부 및 하부 진공백의 결합에 의해 형성된 내부 공간을 진공 처리하는 진공백 공정을 수행하는 4단계; 상부 진공백과 하부 진공백이 접합되는 접합부를 통해서 섬유강화 수지를 주입하는 5단계; 및 열처리하여 섬유강화 수지를 경화시킨 후, 경화물을 탈형시키는 6단계;를 포함하는 공정을 수행할 수 있다.
1단계와 2단계의 상기 섬유 직물은 앞서 설명한 시스-코어 섬유로 구성된 섬유 직물이다. 1단계 및 2단계의 하부 및/또는 상부 진공백의 상부에 섬유 직물을 적층시키는 공정은 기존에는 수작업으로 수행하여 공정 시간이 매우 길었으나, 본 발명은 프리폼 자동화 장비를 통해 로봇팔을 이용하여 수행하기 때문에 매우 빠르고 정확하게 수행할 수 있다.
또한, 5단계의 상기 섬유강화 수지 역시 앞서 설명한 바와 같다.
그리고, 6단계의 경화는 고온, 고압 하에서 수행하게 되며, 섬유강화 수지와 섬유 직물의 시스부가 용융 및 혼합되어 결합되어, 섬유강화 수지가 섬유 직물에 고르게 코팅되고, 상부의 섬유 직물과 하부의 섬유 직물의 접합부에서 수지간 결합되면서 별도의 접착제 없이도 상하부의 섬유 직물이 일체화되는 것이다.
이러한 본 발명의 반잠수정용 선체 제조방법은 기존 선체 제공공정 대비 30 ~ 50%의 공수 절감 효과가 있는 바, 생산성, 경제성이 매우 우수하다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 권리범위를 한정하여 해석해서는 안된다.
[실시예]
실시예 1 : 섬유직물의 준비
코어부와 시스부가 1 : 0.27~0.28 중량비인 시스-코어 섬유로 50본/inch의 밀도로 평직으로 직조한 섬유직물을 준비하였다.
섬유직물을 구성하는 상기 시스-코어 섬유는 코어부용 칩과 시스부용 칩을 용융 및 복합방사하여 제조한 것으로서, 상기 코어부용 칩은 고유점도(IV) 0.72 ~ 0.75 dL/g인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 100 중량부에 대하여, 트리프로필렌테트라민 14 중량부, 하기 화학식 1-1로 표시되는 폴리티오에테르 27 중량부, 저밀도 충전제로서 다공성 SiO2 에어로겔(다공률=72~74%, 밀도=120 g/L 이하, 입자 직경(D50)=0.5 ~ 1.3μm) 2.7 중량부를 포함하는 수지를 칩화한 것이다.
[화학식 1-1]
Figure 112021120068521-pat00006
화학식 1-1에 있어서, R1은 C4의 직쇄형 알킬렌기이고, R2는
Figure 112021120068521-pat00007
이다.
또한, 상기 시스부용 칩은 주 수지 100 중량부에 대하여, 하기 화학식 2-1로 표시되는 인계 난연성 수지 4.5 중량부, 가소제인 폴리부틸아디페이트 7.0 중량부, 산화방지제인 1,3,5-트리스(2,6-디메틸-3-히드록시-4-터셔리-부틸벤질)이소시아누레이트 0.9 중량부를 포함하는 수지를 칩화한 것이다.
이때, 상기 주 수지는 폴리부타디엔 라텍스에 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체가 14~15 중량% 그라프트된 그라프트 공중합체(고무질계 공중합체) 33 중량%, 시안화 비닐화합물인 에타크릴로니트릴 18 중량% 및 나머지 잔량의 알파-메틸스티렌을 포함하는 혼합물을 용매인 메틸에틸케톤과 혼합한 다음 공중합 반응시켜 제조한 공중합체 수지이다.
[화학식 2-1]
Figure 112021120068521-pat00008
화학식 2-1에 있어서, R1 내지 R3은 모두
Figure 112021120068521-pat00009
이며, n은 1이며, R4는 파라(para)위치에 결합된 -COOH이다.
실시예 2-1 : 섬유강화 수지의 제조
선형 저밀도 폴리에틸렌 수지 및 무수말레인산 그라프트된 폴리아미드 66 수지(그라프트율 7.2~7.4%)를 1 : 0.23 중량비로 혼합하여 바인더 수지를 준비하였다.
상기 바인더 수지 100 중량부에 대하여 하기 화학식 3-1로 표시되는 오르가노폴리실록산 22 중량부, 알파 알루미나 섬유(섬유장 0.5 ~ 1.0 mm, 섬도 3 ~ 5데니어) 4.0 중량부, 분산제인 리그닌술폰산 칼륨 0.3 중량부 및 용제인 DMF(dimethylformamide) 35 중량부를 혼합 및 교반하여 섬유강화 수지를 제조하였다.
[화학식 3-1]
Figure 112021120068521-pat00010
화학식 3-1에 있어서, R1은 CH2=CH-R5-이고, R5는 C6의 직쇄형 알킬렌기이며, R2, R3 및 R4는 메틸기이고, m은 2이며, n은 6이다.
실시예 2-2 ~ 2-3 및 비교예 2-1
상기 실시예 2-1과 동일한 성분을 이용하여 섬유강화 수지를 제조하되, 하기 표 1과 같이 사용량을 달리하여 섬유강화 수지를 각각 제조하였다.
구분
(중량부)		 바인더 수지 오르가노
폴리실록산		 알파
알루미나
섬유		 분산제 용제
실시예 2-1 100 22 4.0 0.3 35
실시예 2-2 100 15 4.0 0.3 35
실시예 2-3 100 30 4.0 0.3 35
비교예 2-1 100 8.0 4.0 0.3 35
실험예 1 : 섬유강화 복합재의 물성 측정
금형에 실시예 1에서 제조한 섬유직물을 투입한 후, 실시예 2-1 에서 제조한 섬유강화 수지를 주입한 다음 고압 및 고온을 가하여 열경화시킨 후, 냉각 및 탈형시켜서 섬유강화 수지의 경화물 내부에 섬유직물이 형성되어 있는 섬유강화 복합재를 제조하였다. 이때 섬유강화 복합재의 평균두께는 약 5mm였다.
실시예 2-2 ~ 2-3 및 비교예 2-1에서 제조한 섬유강화 수지 각각을 이용하여 동일한 방법으로 평균두께 5mm 정도의 섬유강화 복합재를 하기 표 2와 같이 각각 제조하였다.
제조한 섬유강화 복합재 각각에 대한 굴곡강도, 굴곡탄성율, 낙구 충격 강도를 측정하였으며, 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
이때, 굴곡강도 및 굴곡탄성율은 ASTM D790에 따라 23℃에서 실시하였다. 또한, 낙구 충격 강도는 ASTM D256에 따라 23℃에서 실시하였다. 인장강도는 ASTM D638에 따라 실시하였다.
섬유직물 섬유강화
수지		 굴곡강도
(kg/cm2)		 굴곡탄성율
(Gpa)		 낙구
충격강도
(J/mm)		 인장강도
(MPa)
실시예 1 실시예 2-1 246 22.4 18.4 95.1
실시예 1 실시예 2-2 213 19.2 15.3 88.6
실시예 1 실시예 2-3 265 24.6 20.1 103.4
실시예 1 비교예 2-1 186 10.3 8.5 53.7
상기 표 2의 물성 측정 결과를 살펴보면, 실시예 2-1 ~ 2-3의 섬유강화 수지를 사용한 복합재는 200 kg/cm2 이상의 굴곡강도, 15.0 Gpa 이상의 높은 굴곡탄성율, 12.0 J/mm 이상의 우수한 충격강도, 80 MPa 이상의 인장강도를 가짐을 확인할 수 있었다.
이에 반해, 섬유강화 수지 조성 중 오르가노실록산을 10 중량부 미만으로 사용한 비교예 2-1의 섬유강화 수지로 제조한 복합재는 실시예 2-1 ~ 2-3의 섬유강화 수지를 사용한 복합재와 비교하여 전반적으로 낮은 물성을 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 섬유강화 수지와 섬유 직물 및/또는 복합재 내 조성간 결합력이 부족하기 때문으로 판단된다.
제조예 1 : 타원형 반잠수정용 일체형 선체 제조
도 1에 개략도에 도시된 내부몰드(30), 하형몰드(10), 상형몰드(20), 하부 진공백(21), 상부 진공백(11)을 포함하는 몰드-진공백 일체형 장치를 이용하여 타원형 반잠수정용 일체형 선체를 제조하였다.
하부 진공백(21)이 구비된 하형몰드(10)의 하부 진공백 상부에 실시예 1-1의 섬유 직물(40)을 적층시킨 후, 상기 섬유 직물 상부에 내부몰드를 배치시키는 프리폼공정을 수행하였다. 이때, 상기 섬유직물의 적층은 프리폼 자동화 장비를 통해서 로봇팔을 이용하여 자동화 공정을 통해 수행하였다.
또한, 상부 진공백(21)이 구비된 상형몰드(20)의 상부 진공백 상부에 실시예 1-1의 섬유직물(40)을 적층시켰다. 이때, 상기 섬유직물의 적층은 프리폼 자동화 장비를 통해서 로봇팔을 이용하여 자동화 공정을 통해 수행하였다.
다음으로, 상형몰드(20)의 상부 진공백(21)과 하형몰드(10)의 하부 진공백(11)이 마주보는 방향으로 상형몰드와 하형몰드를 결합하였다.
다음으로, 결합된 상부 및 하부 진공백의 결합에 의해 형성된 내부 공간을 진공 처리하는 진공백 공정을 수행하였다. 이때, 상부 및 하부 진공백 결합부(또는 접합부)의 일 부위에는 진공 형성을 위한 진공 유도구가 형성되어 있으며, 또한 상부 및 하부 진공백 결합부의 일부위에는 섬유강화 수지를 주입할 수 있는 주입구가 구비되어 있다.
다음으로, 상기 주입구를 통해서 진공 상태인 내부에 실시예 2-1에서 제조한 섬유강화 수지를 주입하였다.
다음으로, 고압 및 고온을 통한 열처리를 수행하여 섬유강화 수지 및 섬유직물의 시스부를 용융 및 경화시킨 후, 냉각시킨 다음, 경화물을 탈형하여 도 2에 개략도로 나타낸 바와 같은 형태의 타원형 반잠수정용 선체를 제조하였다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 상형몰드 11 : 상부 진공백
20 : 하형몰드 21 : 하부 진공백
30 : 내부몰드 40 : 섬유직물
50 : 진공백 접합부

Claims (12)

  1. 내부몰드, 하형몰드, 상형몰드, 하부 진공백, 상부 진공백을 포함하는 몰드-진공백 일체형 장치로 제조하며,
    하부 진공백이 구비된 하형몰드의 하부 진공백 상부에 섬유 직물을 적층시킨 후, 상기 섬유 직물 상부에 내부몰드를 배치시키는 1단계;
    상부 진공백이 구비된 상형몰드의 상부 진공백 상부에 섬유직물을 적층시키는 2단계;
    상형몰드의 상부 진공백과 하형몰드의 하부 진공백이 마주보는 방향으로 상형몰드와 하형몰드를 결합하는 3단계;
    결합된 상부 및 하부 진공백의 결합에 의해 형성된 내부 공간을 진공 처리하는 진공백 공정을 수행하는 4단계;
    상부 진공백과 하부 진공백이 접합되는 접합부를 통해서 섬유강화 수지를 주입하는 5단계; 및
    열처리하여 섬유강화 수지를 경화시킨 후, 경화물을 탈형시키는 6단계;를 포함하는 공정을 수행하고,
    상기 섬유 직물은 시스-코어 섬유로 구성된 섬유 직물이며,
    상기 시스-코어 섬유는 코어부; 및 시스부;를 포함하며,
    상기 코어부는 폴리에스테르 수지 100 중량부에, 트리(C2~C5 의 알킬렌)테트라민 10 ~ 20 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 폴리티오에테르 수지 20 ~ 50 중량부 및 저밀도 충전제 1 ~ 5 중량부를 포함하는 혼합 수지를 중합반응시킨 중합체를 포함하며,
    상기 시스부는 고무질계 공중합체 30~60 중량%, 시안화 비닐화합물 10~30 중량% 및 잔량의 방향족 비닐화합물을 포함하는 혼합물을 공중합 반응시켜 제조한 공중합체 수지; 하기 화학식 2로 표시되는 인계 난연성 수지; 가소제; 및 산화방지제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반잠수정용 선체의 제조방법;
    [화학식 1]
    Figure 112022091330879-pat00021

    화학식 1에 있어서, R1은 C4~C10의 직쇄형 알킬렌기 또는 C4~C10의 분쇄형 알킬렌기이며, R2는 C6~C10의 아릴렌기이고, n은 1 ~ 5의 정수이며,
    [화학식 2]
    Figure 112022091330879-pat00022

    화학식 2에 있어서, R1 내지 R3 각각은 독립적으로, 수소원자, C1~C5의 직쇄형 알킬기, C3~C5의 분쇄형 알킬기 또는
    Figure 112022091330879-pat00023
    이며, R4는 C1~C3의 직쇄형 알킬기, -COOH 또는 -COH이며, n은 0 ~ 3이고, *은 결합부위를 의미한다.
  2. 제1항에 있어서, 1단계 및 2단계의 섬유직물의 적층은 프리폼 자동화 장비로 수행하는 것을 특징으로 하는 반잠수정용 선체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 고무질계 중합체는 폴리부타디엔 라텍스에 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체가 10 ~ 25 중량% 그라프트된 그라프트 공중합체를 포함하고,
    상기 시안화 비닐화합물은 메타크릴로니트릴 및 에타크릴로니트릴 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 방향족 비닐화합물은 알파-메틸스티렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 반잠수정용 선체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 시스-코어 섬유는 코어부 및 시스부를 1 : 0.2 ~ 0.3 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 반잠수정용 선체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 섬유강화 수지는 바인더 수지, 화학식 3으로 표시되는 오르가노폴리실록산, 섬유장 0.5 ~ 5 mm 및 섬도 1 ~ 10 데니어의 강화섬유 및 첨가제를 포함하며,
    상기 바인더 수지는 폴리에틸렌계 수지 및 폴리아미드계 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 강화섬유는 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르술폰 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 탄소섬유, 유리섬유, 스테인리스 섬유 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 첨가제는 내구성 향상제, 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료, 염료 및 점도조절제 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반잠수정용 선체의 제조방법.
    [화학식 3]
    Figure 112021120068521-pat00014

    화학식 3에 있어서, R1은 CH2=CH-R5-이며, R5는 C2 ~ C10의 직쇄형 알킬렌기이고, R2, R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자 또는 C1 ~ C3의 직쇄형 알킬기이며, m은 1 ~ 5의 정수이고, n은 3 ~ 10의 정수이다.
  7. 섬유강화 수지의 경화물; 및
    상기 경화물 내부에 섬유 직물;을 포함하고,
    상기 섬유강화 수지와 상기 섬유 직물은 일체화되어 있으며,
    상기 섬유 직물은,
    열경화성 수지를 포함하는 코어부 및 열가소성 수지를 포함하는 시스부를 포함하는 시스-코어 섬유를 포함하고,
    상기 시스부의 융점은 섬유강화 수지의 융점 보다 낮으며,
    섬유강화 수지의 경화를 위한 열 경화 처리시, 상기 시스-코어 섬유의 시스 부분은 열적으로 용융되어 섬유강화 수지와 결합 및 경화되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 코어부는 저밀도 폴리에틸렌 수지 100 중량부에, 트리(C2~C5 의 알킬렌)테트라민 10 ~ 20 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 폴리티오에테르 수지 20 ~ 50 중량부 및 저밀도 충전제 1 ~ 5 중량부를 포함하는 혼합 수지를 중합반응시킨 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재.
    [화학식 1]
    Figure 112022091330879-pat00015

    화학식 1에 있어서, R1은 C4~C10의 직쇄형 알킬렌기 또는 C4~C10의 분쇄형 알킬렌기이며, R2는 C6~C10의 아릴렌기이고, n은 1 ~ 5의 정수이다.
  10. 제7항에 있어서, 상기 시스부는 고무질계 공중합체 30~60 중량%, 시안화 비닐화합물 10~30 중량% 및 잔량의 방향족 비닐화합물을 포함하는 혼합물을 공중합 반응시켜 제조한 공중합체 수지; 하기 화학식 2로 표시되는 인계 난연성 수지; 가소제; 산화방지제; 및 기타 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재.
    [화학식 2]
    Figure 112022091330879-pat00016

    화학식 2에 있어서, R1 내지 R3 각각은 독립적으로, 수소원자, C1~C5의 직쇄형 알킬기, C3~C5의 분쇄형 알킬기 또는
    Figure 112022091330879-pat00017
    이며, R4는 C1~C3의 직쇄형 알킬기, -COOH 또는 -COH이며, n은 0 ~ 3이고, *은 결합부위를 의미한다.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고무질계 중합체는 폴리부타디엔 라텍스에 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체가 10 ~ 25 중량% 그라프트된 그라프트 공중합체를 포함하고,
    상기 시안화 비닐화합물은 메타크릴로니트릴 및 에타크릴로니트릴 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 방향족 비닐화합물은 알파-메틸스티렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재.
  12. 삭제
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