KR20160083549A

KR20160083549A - 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법

Info

Publication number: KR20160083549A
Application number: KR1020140195673A
Authority: KR
Inventors: 박은하; 김주홍; 서성원
Original assignee: 코오롱플라스틱 주식회사
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2016-07-12

Abstract

본 발명은 (S1) 다발형태의 섬유사를 공급하는 섬유공급단계; (S2) 공급된 다발형태의 섬유사를 폭 방향 기준, 공급된 폭의 5 내지 20배의 폭으로 개섬하는 섬유개섬단계; (S3) 개섬된 섬유사를 수지에 함침하는 수지함침 단계; 및 (S4) 수지함침된 섬유사를 냉각하는 냉각단계를 포함하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법에 관한 것이다.

Description

인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법{Method Of Manufacturing Composites By Pultrusion Process}

본 발명은 복합소재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인발성형 공정을 이용하여 열가소성 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

복합소재(Compostie)란 서로 다른 성분 및 물성을 갖는 물질들을 인위적으로 혼합 또는 결합시켜 각각의 물질의 특성을 극대화하거나 단일 물질에서는 발현되지 않는 새로운 특성을 갖도록 만든 소재를 의미한다. 복합소재는 기본적으로 강도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량성 등의 물성이 기존 소재에 비해 월등히 우수하므로 우주항공 분야를 비롯해 스포츠 용품, 선박, 건설, 자동차, 에너지 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 각광받고 있는 대표적인 21세기 산업용 소재이다.

복합소재는 소재에 걸리는 하중을 담당하는 강화재(reinforced material) 및 강화재와 결합하여 하중을 강화재에 전달하는 모재(matrix)를 기본 구조로 하는 것이 일반적이며, 강화재로는 보통 유리섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등의 섬유형 강화재가 많이 사용되고, 모재로는 페놀수지, 에폭시 수지 등을 포함하는 열경화성 수지나 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드 수지 등을 포함하는 열가소성 수지와 같은 수지(resin)형 모재가 많이 사용된다.

이러한 복합재료는 어떤 소재를 서로 접목하여 제조하는가에 따라 성형방법이 여러 가지로 구분된다. 그 중 인발성형(Pultrusion)은 공급된 섬유사를 함침조(Die)에서 수지함침하여 일정한 형상을 지닌 제품을 연속적으로 성형하는 공정을 가리키는데, 생산성이 높고 제품의 섬유 부피 함유율이 높은 제품의 생산이 가능하며 제품의 길이가 무제한인 제품을 생산할 수 있는 장점이 있다. 인발성형 공정을 통해서는 섬유사를 다발 형태 그대로 공급하여 펠렛(pellet)으로 성형할 경우 장섬유강화 열가소성수지(LFT, Long-fiber reinforced Thermoplastics)를 제조할 수 있고, 섬유사를 개섬(Spreading)시켜 공급할 경우 일방향테이프(UD Tape, Unidrection Tape)를 제조할 수 있다.

일반적으로 인발성형에 의한 섬유강화복합소재의 성형품 제조시에는 섬유에 대한 수지의 함침성 및 함침 함량이 최종 제품의 물성에 많은 영향을 준다. 특히, 수지의 함침 균일성의 결핍 및 이에 따른 공극 발생은 최종 제품에 있어 기계적 특성의 결함 원인으로 작용할 수 있으며, 이러한 현상은 공급되는 섬유의 개수 및 함침량의 증가, 또는 연속·대량 생산일수록 더욱 현저해진다. 이에 따라, 크릴에서 공급된 섬유가 함침조에서 수지에 함침될 때 수지가 잘 분산되어 섬유의 모든 부분에 스며들고 섬유 내부까지의 균일한 함침이 이루어질 수 있도록 제어하는 것이 무엇보다도 중요하게 요구된다.

복합소재 제조와 관련하여, 대한민국 등록특허 10-0880805호에서는 직물배열기를 통해 적층된 섬유사를 공급받아 섬유사에 수지를 분사함으로써 수지가 항상 일정량 도포 되도록하여 수지 성형제품에서 수지 균일성을 유지하는 기술이 개시되어 있고, 대한민국 등록특허 10-0574608에는 섬유 다발을 세로로 세워 섬유 다발이 움직이지 않고 자연스럽게 풀리도록 한 후 수지 함침시키는 단계가 포함된 인발성형방법이 개시되어 있다.

그러나 여전히 인발성형에 의해 복합소재를 제조하는 현장에서는 수지 함침의 균일성을 향상시키는 것이 가장 큰 해결과제로 남아 있으며, 여기에 인발성형에서 경화성 수지를 이용할 경우, 경화공정이 추가적으로 요구되거나 수지의 회수 등의 부수적인 문제까지 발생하게 된다. 더욱이 UD Tape 제조 분야에서는 섬유의 개섬 정도에서 수지 함침성 및 균일성을 좌우될 수 있음에도 불구하고, 섬유를 배열하는 기술이 부족하여 최종 제품의 물성을 보다 향상시키는데 한계가 있는 실정이다.

이에 본 발명은 인발성형 공정에서 수지함침되는 강화 섬유사의 배열도 및 단위 면적당의 섬유 밀도 균일성을 향상시킬 수 있도록, 함침조(Die)에 투입하기전 섬유사를 개섬(spreading), 즉, 여러 가닥으로 뭉쳐진 상태의 섬유사를 넓은 면적으로 고루 펼쳐 준 다음 수지함침함으로써, 수지 함침율 및 섬유 투입량은 물론 최종 제품의 물성을 끌어올릴 수 있는 섬유강화 복합소재의 제조방법을 제공하고자 한다.

상기 문제를 해결할 수 있는 본 발명에 따른 바람직한 구현예는 하기 단계를 포함하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법이다.

(S1) 다발형태의 섬유사를 공급하는 섬유공급단계;

(S2) 공급된 다발형태의 섬유사를 폭 방향 기준, 공급된 폭의 5 내지 20배의 폭으로 개섬하는 섬유개섬단계;

(S3) 개섬된 섬유사를 수지에 함침하는 수지함침 단계; 및

(S4) 수지함침된 섬유사를 냉각하는 냉각단계.

상기 구현예에서 섬유개섬단계는 공급된 다발형태의 섬유사를 예열하는 1차 개섬단계; 상기 1차 개섬된 섬유사에 진동을 부여하는 2차 개섬단계; 및 상기 2차 개섬된 섬유사에 진동을 더 부여하는 3차 개섬단계를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로 상기 구현예에서 섬유개섬단계는 공급된 다발형태의 섬유사를 150 내지 200 ℃의 온도 및 0.3 내지 0.7 MPa의 공기압하에서 예열하는 1차 개섬단계; 150 내지 200 ℃의 온도 및 0.5 내지 1 MPa의 공기압 하에서 상기 1차 개섬된 섬유사에 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동을 부여하는 2차 개섬단계; 및 160 내지 220 ℃의 온도 및 0.8 내지 1.5 MPa의 공기압 하에서 상기 2차 개섬된 섬유사에 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동을 더 부여하는 3차 개섬단계를 포함하는 것일 수 있다.

한편, 상기 구현예의 (S1)단계에서 공급되는 섬유사는 카본 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유 중 선택된 1 종 이상의 고강도 섬유인 것이 바람직하며, 상기 (S1) 내지 (S4)단계를 포함하는 인발성형 공정은 공정 속도가 2 내지 20 m/min일 수 있다.

또한 상기 구현예에서 (S3)단계의 수지는 폴리올레핀, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리설폰 및 폴리아세탈 중 선택된 1 종 이상의 열가소성계 수지일 수 있으며, (S4)단계의 냉각은 10 내지 60℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

나아가 상기 복합소재는 복합소재의 폭 방향의 절단 단면을 기준으로 임의의 두 구간에서 측정된 섬유 비중 편차가 0.05미만인 것이 바람직하다.

공급되는 섬유의 배열도가 향상되어 인발성형 공정에서의 수지의 함침성 및 균일성을 극대화 할 수 있고, 이에 따라 섬유강화 복합소재 최종 제품의 물성을 크게 향상시켜 고강도 및 고정밀성을 요구하는 제품 제조에 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 얇은 두께의 제품을 만들 수 있어 추가 경량화를 기대할 수 있다.

도 1은 2400TEK 유리섬유를 강화섬유로 사용하여 개섬하지 않고 제조한 UD tape(좌)과 개섬하여 제조한 UD tape(우)의 표면을 촬영한 사진이다.
도 2는 12K 탄소섬유를 강화섬유로 사용하여 개섬하지 않고 제조한 UD tape(좌)와 개섬하여 제조한 UD tape(우)의 표면을 촬영한 사진이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, (S1) 다발형태의 섬유사를 공급하는 섬유공급단계; (S2) 공급된 다발형태의 섬유사를 폭 방향 기준, 공급된 폭의 5 내지 20배의 폭으로 개섬하는 섬유개섬단계; (S3) 개섬된 섬유사를 수지에 함침하는 수지함침 단계; 및 (S4) 수지함침된 섬유사를 냉각하는 냉각단계를 포함하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법을 제공할 수 있다.

본 명세서에서 상기 "개섬(spreading)"이라는 용어는 뭉쳐진 것을 펼쳐낸다는 의미에서 본 발명에서는 기술상 다수개의 필라멘트가 다발형태로 뭉쳐져있는 것을 폭방향으로 넓게 풀어 헤친다는 의미와 상통하며 명세서 전체에 걸쳐 스프레딩으로 기재될 수 있다. 또한 개섬단계는 스프레딩 공정으로 기재될 수 있으며, 개섬장치는 스프레더(spreader)로 기재될 수 있다.

통상 인발성형에서는 섬유를 함침조에 투입하게 되고, 함침조에 투입된 섬유는 Extruder에서 함침조로 공급이 되는 수지와 만나서 수지함침된다, 이때, 다발형태의 섬유를 그대로 함침조에 투입하게 될 경우, 섬유 내부까지 수지가 고르게 스며드는 함침 분산성 및 효율성이 불량하게 되어 과다한 함량 또는 함침 불균일성이 발생한다. 그러나 섬유를 개섬시켜 수지함침할 경우에는 섬유 사이 사이까지 수지가 용이하게 접촉할 수 있으므로 함침효율이 향상된다. 그 결과 최종 제조된 복합소재의 물성을 극대화할 수 있음은 물론, 섬유를 개섬시킬 경우 폭이 증가함에 따라 두꼐가 감소하므로 얇은 두께의 우수한 물성을 갖는 복합소재를 제조할 수 있게 된다.

다만, 종래에는 연속적 인발성형 공정에서 섬유를 폭 방향으로 균일하고 고르게 개섬하는데 한계를 보여왔으며, 이로 인하여 수지의 함침 분산성 및 효율성을 극대화하지 못하였다. 반면, 본 발명에 따르면, 다발 형태로 공급된 섬유사를 폭 방향 기준, 공급된 폭의 5 내지 20배의 폭으로 개섬함으로써, 우수한 섬유 배열도를 갖도록 제어할 수 있게 된다. 이에 따라 수지의 함침성을 좋게하여 최종 제품의 물성을 향상시킬 수 있고 얇은 두께의 제품을 만들 수 있어 추가적으로 제품의 경량화까지 기대할 수 있다. 이때, 폭 방향으로 20배 이내에서는 개섬에 의한 우수한 수지 함침 효과를 충분히 얻을 수 있으나, 5배에 미치지 못하면 개섬이 충분하지 못하여 섬유사가 서로 뭉친상태로 함침될 수 있다.

본 발명에서 상기 수준의 섬유 배열도, 즉 폭 방향으로 5 내지 20배의 개섬이 이루어질 수 있도록 하기 위해서 상기 (S2)단계인 섬유개섬 단계는 공급된 다발형태의 섬유사를 예열하는 1차 개섬단계; 상기 1차 개섬된 섬유사에 진동을 부여하는 2차 개섬단계; 및 상기 2차 개섬된 섬유사에 진동을 더 부여하는 3차 개섬단계를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로 본 발명에서 상기 (S2)단계인 섬유개섬단계는 공급된 다발형태의 섬유사를 150 내지 200 ℃의 온도 및 0.3 내지 0.7 MPa의 공기압하에서 예열하는 1차 개섬단계; 150 내지 200 ℃의 온도 및 0.5 내지 1 MPa의 공기압 하에서 상기 1차 개섬된 섬유사에 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동을 부여하는 2차 개섬단계; 및 160 내지 220 ℃의 온도 및 0.8 내지 1.5 MPa의 공기압 하에서 상기 2차 개섬된 섬유사에 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동을 더 부여하는 3차 개섬단계를 포함하는 것일 수 있다.

상기 1차 개섬 단계의 경우 전체 스프레딩 과정에서 섬유에 가해지는 여러가지 외부 조건에서 섬유가 적응할 수 있도록 섬유사를 1차적으로 예비 가열시키는 단계이자, 이후 함침조에서 용융상태의 수지가 섬유 가닥 사이로 용이하게 침투할 수 있도록 섬유 표면의 온도를 미리 올려두기 위한 단계이다. 섬유를 예열하지 않을 경우, 고온에서 용융된 수지가 온도차이로 인해 섬유 다발 내부까지 균일하게 침투하지 못한 채 경화될 수 있다. 또한, 상기 1차 개섬에 의한 예열은 섬유에 묻은 수분과 휘발성 물질을 제거하기 위해서도 반드시 필요한 과정으로서, 이를 효율적으로 제거하지 못할 경우 수지와의 접착력 저하는 물론 함침조 내에서 가스 등이 과다 발생하여 함침도가 불균일해질 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 1 차 개섬 단계에서 온도는 150 내지 200 ℃로 유지되는 것이 충분한 수분 및 휘발물질 제거, 섬유간 응집력을 제거해 주는 측면에서 바람직하며, 압력은 응집된 섬유사를 효율적으로 개섬하기 위해 위하여 0.3 내지 0.7 MPa를 유지하는 것이 바람직하다. 너무 낮은 압력을 제공할 경우 개섬의 효과가 미미하고, 지나치게 높은 압력을 부여할 경우 섬유가 오히려 다시 뭉치게 될 수 있다. 이와 같이 1차 개섬단계에서 예열된 섬유사는 제 1 스프레더에 구비된 롤러를 통해 제 2 스프레더로 이송된다.

제 2 스프레더에는 600 내지 1,200RPM의 속도로 회전하며 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동하는 롤러가 구비되어 있어, 상기 롤러를 통과하는 섬유사에 진동을 부여하게 되며, 이로 인해 2차 스프레더로 이송된 섬유사는 본격적으로 개섬이 진행되게 된다. 이때, 2차 개섬시 온도는 150 내지 200 ℃로 유지되는 것이 추가적인 섬유 내부의 수분이나 휘발 물질을 제거하는데 바람직하며, 점차적으로 폭 방향의 개섬이 더 진행될 수 있도록 1차 개섬시 부여한 압력보다 좀 더 높은 0.5 내지 1 MPa의 압력범위로 압력을 유지하는 것이 바람직하다.

제 2 스프레더를 통과하여 마지막 제 3 스프레더로 이송된 섬유사는 계속하여 제 3 스프레더에 구비된 롤러를 통과하며 폭방향의 개섬이 진행될 수 있다. 제 3 스프레더에도 800 내지 1500 RPM의 속도로 회전하며 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동하는 롤러가 구비되어 있으며, 이때, 제 3 스프레더의 롤러는 섬유사의 개섬 상태를 효율적으로 유지 또는 점차적인 개섬이 이루어지도록 하면서 함침조로 들어가는 섬유에 장력에 의한 영향을 최소화하기 위해 제 2 스프레더의 롤러보다 빠른 속도로 회전하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 제 3 스프레더는 함침조로 섬유사를 공급하기 바로 직전 단계이므로 함침조의 온도와 비슷한 수준인 160 내지 220 ℃로 유지되는 것이 섬유사가 함침조에서 고온의 수지와 만날 때 수지의 온도 강하를 방지할 수 있는 측면에서 바람직한다. 3차 개섬시 압력은 1, 2차 개섬 단계에서 개섬된 상태를 충분히 유지하고, 추가 개섬 및 함침조에서의 균일한 함침이 이루어질 수 있도록 0.8 내지 1.5 MPa를 유지하는 것이 바람직하다.

이와 같이 섬유 사는 상기 1, 2 및 3차에 걸친 개섬단계를 거치며 점차적으로 개섬되어 최종적으로는 초기 투입 폭의 5 내지 20배의 폭으로 개섬될 수 있다. 이때, 상기 제 2 스프레더와 제 3 스프레더에 구비된 롤러는 섬유의 개섬효율을 더욱 향상시키고, 섬유사에 가해지는 마찰력을 최대한으로 감소시킬 수 있도록 표면이 테프론으로 처리된 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 구현예의 (S1)단계에서 공급되는 섬유사는 아라미드 섬유, 카본 섬유 및 유리 섬유 중 선택된 1 종 이상의 고강도 섬유인 것이 바람직하다. 섬유사의 구체적인 종류에는 특별한 제한은 없으나 통상 유리섬유인 경우 로빙(Roving) 되어 있는 E-glass, 카본 섬유의 경우엔 역시 로빙된 상태의 3K, 12K, 24K, 48K 등의 PAN계 탄소섬유를 적용할 수 있으며, 아라미드 섬유는 헤라크론(코오롱인더스트리㈜ 사)과 같은 파라배향 아라미드를 적용할 수 있다. 이때, 로빙된 섬유는 크릴 랙(Creel rack)에 붙어 있는 상태로 하여 가능한 단사가 없는 것이어야 개섬시 절사 문제가 발생하지 않는다. 또한, 직경은 바람직하게 필라멘트당 1 내지 20㎛의 범위이나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 (S1) 내지 (S4)단계를 포함하는 인발 성형 공정은 개섬효율, 함침조에서의 섬유사의 체류 시간, 수지 함침율, 섬유사에 걸리는 장력 등의 여러 공정 요소를 고려하여 2 내지 20 m/min의 인발속도로 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3 내지 15 m/min인 것이 함침율을 보다 향상시키기 위해 바람직하다. 상기 인발속도는 인발장치에 장착된 회전 롤러의 속도 및 함침후에 냉각을 거쳐 만들어지는 UD Tape의 풀러(Puller) 등의 속도에 의해 제어할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 (S3) 수지함침 단계에서 수지는 폴리올레핀, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리설폰 및 폴리아세탈 중 선택된 1 종 이상의 열가소성계 수지로서, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 얼로이로부터 선택된 폴리올레핀 수지; 폴리아미드6, 폴리아미드66, 폴리아미드12 또는 이들의 얼로이로부터 선택된 폴리아미드 수지; 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 코폴리에스테르 엘라스토머, 또는 이들의 얼로이로부터 선택된 폴리에스테르 수지; 폴리페닐렌설파이드 수지와 같은 폴리설폰 수지; 및 폴리아세탈 호모 혹은 코폴리머 수지로 구성된 군에서 선택된 1 종이상의 열가소성계 수지인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 수지는 통상적으로 사용하는 열가소성 수지라면 크게 제약은 없으나, 수지의 흐름성 확보 및 함침 효율을 향상시키기 위해서 용융 상태에서의 수지의 유동지수(M.I)는 ASTM D1238 기준 40 내지 200 인 것이 바람직하다. 수지는 함침조로 들어갈 때 충분히 용융된 상태에서 투입되어야 하며, 함침조 옆에 압출기(Extruder)를 설치하여 열가소성 수지와 함께 통상적으로 사용되는 기타 첨가제를 배합하여 수지와 함께 투입할 수도 있다. 이때, 통상의 첨가제는 산화방지제, 2차 내열제, 이형제, 가소제, 내후제, 안료, 염료, 카본블랙 등이 있으나, 이에 제한되지 않으며 최종 복합재료 용도에 따라 추가 기능성을 부여할 수 있다.

본 발명에서 수지는 상기 개섬된 섬유사에 대하여 30중량% 이상의 함침량으로 함침되는 것이 바람직하다. 함침량이 30중량% 미만일 경우 제조한 UD Tape로 최종제품의 용도에 적용할 ? 물성이 낮은 문제가 발생할 수 있다. 함침량의 경우 공정 전체의 속도에 의해 영향을 받기도 하지만, 함침조 끝 구간에 설치된 닢(Nip)의 두께를 제어함으로써 결정될 수 있다. 이때, 닢의 두께는 최종 제품의 두께와 물성을 고려하여 공정에 맞게 유동적으로 조절할 수 있다.

나아가 상기 함침조의 닙을 통과하여 수지의 함침량이 제어된 섬유사(수지함침 섬유사, 즉, 섬유강화 수지 복합체)는 냉각되어 복합소재의 형태로 고화 되며, 제조된 복합소재는 풀러(Puller)에 의해 권취롤로 이송, 권취롤(Winder)에 의해 최종 회수된다. 이때, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 (S4)단계의 냉각은 10 내지 60℃의 냉각온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 냉각온도가 10℃미만이면, 내부까지의 충분한 냉각이 이루어지지 않아 결과적으로 최종 제조된 UD Tape 표면이 불량해지고 60℃를 초과하면 냉각 시간이 길어지어 생산성이 떨어질 뿐만 아니라, 제품이 냉각 롤러에 달라붙는 현상이 발생할 수 있다. 냉각은 칠러(Chiller)가 있는 롤러(Roller)가 2개 이상 부착된 장치를 이용할 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 상기 복합소재는 바람직하게 일방향 테이프(UD tape)형태로 제조되는 것이며, 상기 UD tape의 두께는 0.1 내지 0.5mm 이고, 폭은 하나의 섬유 로빙상태에서 나오는 것을 기준으로 할 경우 10mm 이상 일 수 있으며 섬유의 상태나 종류에 따라 다를 수 있기에 반드시 이에 제한 되는 것은 아니다. 다만, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 방법에 의해 제조된 UD tape형태의 복합소재는 폭방향으로의 절단 단면을 기준으로 임의의 지점에서도 섬유 분포가 균일한 것이 바람직하며, 정량적으로 보았을 때, 임의의 두 지점간 섬유 비중 편차가 0.05미만인 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

강화 섬유로서 크릴에 권취된 2200 TEK의 E-유리 섬유(SE1200-2200TEX, OCV사) 를 준비한 후, 상기 크릴에 권취된 유리섬유 필라멘트를 15m/min의 속도로 제 1 스프레더에 공급하였다. 이때, 제 1 스프레더에 공급된 섬유의 폭은 3mm였으며, 제 1 스프레더의 온도와 공기압은 각각 170℃ 및 0.5MPa로 제어하였다. 또한 제 1 스프레더에 공급된 필라멘트는 연속적으로 제 1 스프레더에 구비된 롤러를 통해 제 2 스프레더로 이송되게 하였다.

동일한 방식으로, 제 2 스프레더에 이송된 필라멘트가 제 2 스프레더에 구비된 롤러를 통과하여 제 3 스프레더로 이송되도록 하되, 제 2 스프레더의 온도와 공기압을 각각 170℃ 및 0.7MPa로 제어하였으며, 특히 제 2 스프레더의 롤러(회전속도 1,000 RPM)에 초당 수직진폭 10mm의 진동을 부여하여 필라멘트가 진동에 의해 자연 개섬되도록 유도하였다. 또한, 제 3 스프레더를 통과시킬 때는 온도와 공기압을 각각 200℃ 및 0.7MPa로 제어하며 제 3 스프레더의 롤러(회전속도 1,200 RPM)에 초당 수직진폭 10mm의 진동을 부여하여 필라멘트가 계속하여 개섬되도록 하였다.

이어서 상기 3단계의 스프레딩 단계를 통과한 필라멘트를 함침조(Die)로 이송하여 수지 함침을 실시하였다. 이때, 함침조에는 용융지수(MI)가 140인 폴리프로릴렌 수지(HP5035, 폴리미래사)를 공급하였다, 이 때 함침조의 온도는 260 ^oC로 하였다. 마지막으로 함침조를 통과한 수지함침 필라멘트는 30℃냉각롤을 통과한 후 와인더에 권취되어 UD tape으로 제조되었다. 최종 제조된 UD tape의 폭은 15mm였고, 두께는 0.3T였다.

실시예 2

함침조에 용융지수가 40인 폴리아미드 6 수지(KN120, 코오롱플라스틱㈜사) 를 공급하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1와 동일하게 UD tape을 제조하였다.

실시예 3

함침조에 용융지수가 45인 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(KP210, 코오롱플라스틱㈜사)를 공급한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1와 동일하게 UD tape을 제조하였다.

실시예 4

함침조에 용융지수가 45인 폴리아세탈 수지 (K900, 코오롱플라스틱㈜사)를 공급한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1와 동일하게 UD tape을 제조하였다.

실시예 5

E-유리 섬유 대신 12K 탄소섬유 (Torayca, Toray사) 강화섬유로 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 UD tape을 제조하였다.

비교예

제 2 스프레더 및 제 3 스프레더에 의한 스프레딩 공정을 생략한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 UD Tape을 제조하였다.

측정예 1

상기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 UD Tape의 섬유 배열도를 측정하기 위하여 각각의 시편의 폭 방향으로 절단한 절단 단면 SEM 사진을 촬영한 후, 각각의 SEM 사진에서 임의로 10개 구간을 찍어 10개 구간 모두 균일한 섬유밀도를 보이는지를 확인하였다. 또한, 좀 더 정확한 정량값을 얻기 위해 임의의 10개의 구간을 시료 채취하여 ASTM D792에 의거하여 섬유의 비중을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 반영하였다. 이때, 최고 비중을 나타나는 구간과 최저 비중을 나타나는 구간의 비중 값을 측정한 후, 비중 차이가 0.05보가 큰 경우는 불균일 함침으로 간주하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예
최고 비중	1.43	1.55	1.68	1.78	1.4	1.5
최저 비중	1.40	1.51	1.65	1.74	1.39	1.35
비중 차이	0.03	0.04	0.03	0.04	0.01	0.15
균일도	양호	양호	양호	양호	양호	불량

상기 표 1로부터 본 발명에 따라 섬유를 개섬하게 될 경우 섬유의 배열도가 향상되어 최종 제품으로 수득된 UD-Tape에서의 섬유 균일도가 모두 양호한 것으로 나타났다. 반면, 비교예의 경우 통상의 공정과 같이 1차 개섬만 진행할 경우, 최종 제품으로 제조된 UD-Tape에서 섬유가 균일하게 분포하지 못하여 비중차이가 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 통하여, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1 내지 5의 경우 섬유의 배열도, 즉 균일도가 우수하므로 그만큼 수지도 균일하게 함침될 수 있는 것으로 파악되었다.

특히, 하기 도 1에 반영된 사진에서 확인할 수 있듯이, 본 발명과 같이 개섬단계를 적용한 제품(실시예 1, 도 1의 우측사진)의 경우 수지함침된 섬유의 배열이 균일하게 나타난 반면, 개섬단계를 충분히 적용하지 않고 제조한 제품(비교예, 도 1의 좌측사진)은 수지함침된 섬유의 상태가 다발이 충분히 풀리지 않고 서로 응집되어 있어 개섬 유무에 따라 최종 제품에 나타나는 차이가 현저함을 확인할 수 있었다.

측정예 2

상기 실시예 및 비교예를 통해 제조한 UD Tape을 동일한 방향 (O^o) 으로 적층(Ply)한 후, 3Bar의 압력, 280℃ 온도를 가하여 두께 3.2t의 Sheet로 제작한 다음 하기 실험방법에 의해 물성 테스트를 진행하였고, 측정한 물성 테스트 결과값은 하기 표 2에 반영하였다.

- 인장강도: 제조한 Sheet를 이용하여 규격에 맞는 시험편을 제작한 후 ASMT D640에 의거하여 인스트롱(Instron)사의 인장시험기를 이용하여 상온에서 측정을 하였다

- 굴곡강도/탄성율: 굴곡강도/탄성율의 경우 미국의 United Co.사에서 제작한 Universal testing Machine(model SFM-10)을 사용하여 ASTM D 638에 의거하여 23℃에서 측정하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예
인장강도 ( MPa )	650	750	730	700	1,600	600
굴곡강도 ( MPa )	710	900	820	800	1,100	660
굴곡탄성율 ( GPa )	25	31	28	27	80	20

물성테스트 결과, 표 2에서 확인할 수 있듯이 적용한 수지에 따라 어느정도의 차이는 발생하였으나 동일한 유리섬유를 사용한 것을 기준으로 보았을 때, 비교예에 비해 실시예 1 내지 4의 물성이 모두 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 동일한 수지를 사용한 실시예 1과 비교예를 비교해 보면, 본 발명과 같이 개섬단계를 수행할 경우 개섬을 하지 않는 경우보다 물성에서 평균 약 10% 이상 증가하였다, 이러한 결과를 통해 인발성형 시, 효율적인 개섬은 최종제품의 물성향상에 유리한 영향을 미친다는 것을 파악할 수 있었다.

Claims

(S1) 다발형태의 섬유사를 공급하는 섬유공급단계;
(S2) 공급된 다발형태의 섬유사를 폭 방향 기준, 공급된 폭의 5 내지 20배의 폭으로 개섬하는 섬유개섬단계;
(S3) 개섬된 섬유사를 수지에 함침하는 수지함침 단계; 및
(S4) 수지함침된 섬유사를 냉각하는 냉각단계를 포함하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유개섬단계는 공급된 다발형태의 섬유사를 예열하는 1차 개섬단계; 상기 1차 개섬된 섬유사에 진동을 부여하는 2차 개섬단계; 및 상기 2차 개섬된 섬유사에 진동을 더 부여하는 3차 개섬단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 섬유 개섬단계는 공급된 다발형태의 섬유사를 150 내지 200 ℃의 온도 및 0.3 내지 0.7 MPa의 공기압하에서 예열하는 1차 개섬단계; 150 내지 200 ℃의 온도 및 0.5 내지 1 MPa의 공기압 하에서 상기 1차 개섬된 섬유사에 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동을 부여하는 2차 개섬단계; 및 160 내지 220 ℃의 온도 및 0.8 내지 1.5 MPa의 공기압 하에서 상기 2차 개섬된 섬유사에 초당 5 내지 15 mm의 수직 진폭으로 진동을 더 부여하는 3차 개섬단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (S1)단계에서 공급되는 섬유사는 아라미드 섬유, 카본 섬유 및 유리 섬유 중 선택된 1 종 이상의 고강도 섬유인 것을 특징으로 하는 인발성형공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (S1) 내지 (S4)단계를 포함하는 인발성형 공정은 공정 속도가 2 내지 20 m/min인 것을 특징으로 하는 인발성형공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (S3)단계의 수지는 폴리올레핀, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리설폰 및 폴리아세탈 중 선택된 1 종 이상의 열가소성계 수지인 것을 특징으로 하는 인발성형공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (S4)단계의 냉각은 10 내지 60℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 복합소재는 복합소재의 폭 방향의 절단 단면을 기준으로 임의의 두 구간에서 측정된 섬유 비중 편차가 0.05 미만인 것을 특징으로 하는 인발성형 공정에 의한 복합소재 제조방법.