KR101961103B1 - 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법 - Google Patents
탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101961103B1 KR101961103B1 KR1020170072986A KR20170072986A KR101961103B1 KR 101961103 B1 KR101961103 B1 KR 101961103B1 KR 1020170072986 A KR1020170072986 A KR 1020170072986A KR 20170072986 A KR20170072986 A KR 20170072986A KR 101961103 B1 KR101961103 B1 KR 101961103B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon fiber
- fiber fabric
- thermoplastic resin
- metal
- fabric
- Prior art date
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 133
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 133
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 132
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 title description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title description 4
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 176
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 109
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 109
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 51
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 claims abstract description 42
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 claims abstract description 42
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000011162 core material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 15
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims abstract description 14
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000011145 styrene acrylonitrile resin Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000009941 weaving Methods 0.000 claims description 4
- 239000000088 plastic resin Substances 0.000 claims description 2
- NTXGQCSETZTARF-UHFFFAOYSA-N buta-1,3-diene;prop-2-enenitrile Chemical compound C=CC=C.C=CC#N NTXGQCSETZTARF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 claims 1
- 229920000120 polyethyl acrylate Polymers 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 24
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 abstract description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 44
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 44
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 18
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 10
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 10
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 4
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 3
- 238000009730 filament winding Methods 0.000 description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 3
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 2
- 239000004645 polyester resin Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 238000001721 transfer moulding Methods 0.000 description 2
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000002648 laminated material Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000011417 postcuring Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/06—Fibrous reinforcements only
- B29C70/08—Fibrous reinforcements only comprising combinations of different forms of fibrous reinforcements incorporated in matrix material, forming one or more layers, and with or without non-reinforced layers
- B29C70/088—Fibrous reinforcements only comprising combinations of different forms of fibrous reinforcements incorporated in matrix material, forming one or more layers, and with or without non-reinforced layers and with one or more layers of non-plastics material or non-specified material, e.g. supports
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
- B29C70/36—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and impregnating by casting, e.g. vacuum casting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/02—Layer formed of wires, e.g. mesh
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/08—Impregnating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/16—Drying; Softening; Cleaning
- B32B38/164—Drying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/24—Impregnating materials with prepolymers which can be polymerised in situ, e.g. manufacture of prepregs
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
- B32B2260/04—Impregnation, embedding, or binder material
- B32B2260/046—Synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
- B32B2262/10—Inorganic fibres
- B32B2262/106—Carbon fibres, e.g. graphite fibres
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
본 발명은 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유 원단에 금속 그물 구조물을 부착하여 형상을 유지하여 경화제 도포 후 자연경화의 방법으로 형성된 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 제조방법은, 복수개의 가닥으로 이루어진 금속을 엮어 일정 직경을 가지는 금속을 서로 교차시켜 그물 형상의 망상체를 만들어 심재를 형성하는 망상체 형성단계(s10);와, 상기 망상체 형성단계에 의해 만들어진 망상체를 열가소성 수지인 예를 들면, polyethylene(PE), Poly vinyl chloride(PVC), Polypropylene(PP), Polystyrene(PS), Polyacrylonitrile, Styrene-acrylonitrile(SAN), Acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS), Polymethyl metacrylate(PMMA), Polytetrafluroethylene(PTFE Teflon), 또는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) 함침조에 넣어 상기 열가소성 수지를 함침시키거나, 또는 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속 그물 망상체로 이루어진 망상체에 열을 가하여 상기 열가소성 수지로 이루어진 코팅부분을 용융시킴으로써 금속 그물망 외부에 상기 열가소성수지를 부착시켜 심재를 제조하여 심재의 강도를 향상시키는 동시에 망상체 형태를 그대로 유지할 수 있게 되어 구조체 형성이 쉽게 수행될 수 있도록 하되, 상기 금속의 외부에 상기 열가소성 수지를 부착시킬 때에는 상기 열가소성 수지 함침조에 수용되는 상기 열가소성 수지 용액은 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydro Furan)이라는 용매에 의해서 희석된 것이 사용되며, 상기 테트라하이드로퓨란이라는 희석용액에 의해 상기 열가소성 수지가 망상체를 구성하는 복수개의 금속 사이에 쉽게 스며들면서 건조되어 상기 열가소성수지에 함침된 후의 망상체의 직경도 균일하게 되고, 상기 심재의 단면의 직경도 균일하게 되거나, 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 전자레인지의 가열체로 가열하여 상기 금속으로 이루어진 망상체에 상기 열가소성 수지를 용융시킴으로써 금속의 외부에 상기 열가소성수지 용융체를 부착하는 단계(s20);와, 제1 탄소섬유 원단 패브릭을 제1롤러를 통해서 컨베이어벨트 쪽으로 이동시키는 단계(s30);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 상기 열가소성수지가 코팅된 금속으로 구성된 망상체를 제2 롤러로부터 공급하고 제1 프레스로 가압하여 탄소섬유 원단 패브릭과 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 결합시키는 단계(s40);와, 상기 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체에 대하여 폴리머 수지로 이루어진 용제 또는 필름을 공급하는 단계(s50);와, 상기 폴리머 수지가 공급된 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체와 탄소섬유 원단 패브릭의 접합체 상으로 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 제2 탄소섬유 원단 패브릭을 공급하는 단계(s60);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속, 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체에 대하여 표면건조를 수행하는 단계(s70); 및 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체 대하여 제3프레스로 가압하여 경화시키는 단계(s80)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 제조방법은, 복수개의 가닥으로 이루어진 금속을 엮어 일정 직경을 가지는 금속을 서로 교차시켜 그물 형상의 망상체를 만들어 심재를 형성하는 망상체 형성단계(s10);와, 상기 망상체 형성단계에 의해 만들어진 망상체를 열가소성 수지인 예를 들면, polyethylene(PE), Poly vinyl chloride(PVC), Polypropylene(PP), Polystyrene(PS), Polyacrylonitrile, Styrene-acrylonitrile(SAN), Acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS), Polymethyl metacrylate(PMMA), Polytetrafluroethylene(PTFE Teflon), 또는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) 함침조에 넣어 상기 열가소성 수지를 함침시키거나, 또는 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속 그물 망상체로 이루어진 망상체에 열을 가하여 상기 열가소성 수지로 이루어진 코팅부분을 용융시킴으로써 금속 그물망 외부에 상기 열가소성수지를 부착시켜 심재를 제조하여 심재의 강도를 향상시키는 동시에 망상체 형태를 그대로 유지할 수 있게 되어 구조체 형성이 쉽게 수행될 수 있도록 하되, 상기 금속의 외부에 상기 열가소성 수지를 부착시킬 때에는 상기 열가소성 수지 함침조에 수용되는 상기 열가소성 수지 용액은 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydro Furan)이라는 용매에 의해서 희석된 것이 사용되며, 상기 테트라하이드로퓨란이라는 희석용액에 의해 상기 열가소성 수지가 망상체를 구성하는 복수개의 금속 사이에 쉽게 스며들면서 건조되어 상기 열가소성수지에 함침된 후의 망상체의 직경도 균일하게 되고, 상기 심재의 단면의 직경도 균일하게 되거나, 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 전자레인지의 가열체로 가열하여 상기 금속으로 이루어진 망상체에 상기 열가소성 수지를 용융시킴으로써 금속의 외부에 상기 열가소성수지 용융체를 부착하는 단계(s20);와, 제1 탄소섬유 원단 패브릭을 제1롤러를 통해서 컨베이어벨트 쪽으로 이동시키는 단계(s30);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 상기 열가소성수지가 코팅된 금속으로 구성된 망상체를 제2 롤러로부터 공급하고 제1 프레스로 가압하여 탄소섬유 원단 패브릭과 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 결합시키는 단계(s40);와, 상기 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체에 대하여 폴리머 수지로 이루어진 용제 또는 필름을 공급하는 단계(s50);와, 상기 폴리머 수지가 공급된 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체와 탄소섬유 원단 패브릭의 접합체 상으로 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 제2 탄소섬유 원단 패브릭을 공급하는 단계(s60);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속, 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체에 대하여 표면건조를 수행하는 단계(s70); 및 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체 대하여 제3프레스로 가압하여 경화시키는 단계(s80)를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유 원단에 금속 그물 구조물을 부착하여 형상을 유지하고, 후가공으로 경화제 도포 후 경화시키는 방법으로경화시키는 방법으로 형성된 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물, 수지를 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유 원단 강화 복합재료(carbon fibers-reinforced composites)는 항공, 우주 산업 뿐만 아니라, 핵 및 일반기술과 관련된 고도의 기술분야 및 베어링, 기어, 캠, 자동차 동체 등과 같은 운송 분야에서 주로 사용되어 왔으며, 최근에는 그 응용범위가 전기, 전자, 재료, 토목, 건축 재료, 자동차, 선박, 군사장비, 스포츠 용품 등 다양한 분야로 확대되고 있어 유망한 신소재로서 주목받고 있다.
이러한 탄소섬유 원단 강화 복합재료는 제작시 내부에 잔존하는 공기 방울의 존재가 최종 복합 재료의 기계적 물성에 치명적인 영향을 미치기 때문에 오토클레이브(autoclave)나 진공 백 몰딩(vacuum bag molding)과 같은 방법의 경화 과정에서의 압력차이를 이용하여 잔존 내부 기포를 제거하는 공정을 거쳐 제조된다.
또한 열경화성 수지를 매트릭스로 사용할 경우, 일반적으로 경화 온도는 150 ℃ 이상이며, 그 결과 내부 수지의 점도는 매우 낮아지게 된다. 이렇게 낮아진 수지는 압력차이에 의해 브리더(breather)를 통해 외부로 빠져나가게 되고, 과량의 수지가 빠져나갈 경우 복합재료의 물성저하로 이어지게 되므로, 탄소섬유 원단 강화 복합재료를 경화 전에 반경화 상태(b-stage)로 유도하여 고온 경화시 과도한 수지의 제거현상을 방지하고 있다.
또한 탄소섬유 원단이 장섬유형 탄소섬유 원단일 경우에는 탄소섬유 원단을 필라멘트 와인딩(filament winding)기법으로 에폭시 수지와 같은 수지에 함침하여 이를 반경화시킨 다음 일정한 크기로 절단하여 가공한다. 그러나, 특정 수지는 상온에서 접착성을 나타내지 않는 의소성 유체(pseudo plastic)의 성질을 보이기 때문에 반경화상태를 확인하기가 매우 어렵다. 이와 같이 반경화 상태로 오인하고 고온 경화를 실시하는 경우, 경화중 수지의 점도가 급격히 하락하여 내부수지의 과도한 제거현상에 의한 물성저하가 발생한다.
고분자 복합재료는 성질이 다른 두 가지 이상의 재료가 혼합되어 각 재료에서 얻을 수 없는 새로운 성질을 갖는 유용한 재료이다. 고분자 복합 재료는 보강재료와 기지재료로 분류할 수 있다. 보강재는 형태에 따라 섬유 입자등이 있으며, 고분자 복합 재료에서 가장 널리 사용되는 섬유는 유리섬유, 탄소섬유 원단 아마미드 섬유 등이다.
매트릭스 재료는 열경화성 수지와 열가소성 수지로 분류되며, 열경화성 수지로는 폴리에스터 수지와 에폭시 수지가 가장 널리 사용된다.
복합재료를 다양한 분야에 활발하게 적용하기 위해서는 최고의 성능과 낮은 제품 가격, 그리고 높은 생산성을 만족하는 균형잡힌 선택을 해야 한다.
고분자 복합재료를 제조하는 방법은 매우 다양하나 모든 공정은 몇가지 공통적인 기본단계를 포함한다. 공통단계는 특별한 제품형상과 미세구조를 가지도록 보강섬유로 형태를 갖추는 단계와 이러한 섬유 보강재를 고분자 수지로 함침시키는 단계, 그리고 금형 등에 의해 형상이 유지되면서 수지가 경화(고체화)되는 단계이다.
섬유 보강구조는 일방향 섬유인 선형과 2차원 및 3차원 구조의 직조형으로 대별할 수 있는데, 복합재료 제조방법에 따라 서로 다른 형태를 사용하며, 최종제품의 특성도 달라진다.
보강섬유의 함침은 제품을 만들기 이전에 수지로 미리 함침된 프리프레그(prepreg) 형태로 이루어지거나, 제품을 성형할 때 수지 주입에 의해 일어난다. 많이 사용되는 열경화성 프리프레그는 약간 끈적 거리며, 부분적으로 경화된 토우(tow), 테이프(tape), 혹은 시트(sheet) 형태다. 함침 과정에서는 원하는 제품 형상과 두께를 가질 때까지 적층하는 공정을 사용한다.
열경화성 수지를 사용하는 경우의 함침 공정에서는 제품 형상에 맞게 보강 섬유로 제품 형태를 갖춘 후 수지 경화제 첨가제 등을 섞어 함침하거나 주입을 한다.
수지가 함침된 섬유 보강재를 고체화하는 과정은 열경화성 수지의 경우 화학반응 공정에 의해서, 열가소성 수지의 경우에는 냉각 공정에 의해서 일어난다.
복합재 제품을 성형하는 공정은 보강섬유 구조 및 수지 선택에 따라 매우 다양한 제조 공정이 존재한다.
이러한 복합재료의 성형 공정으로는 RTM(Resin Transfer Molding), 오토 클레이브 성형, 자동섬유 적층성형, 필라멘트 와인딩 성형, 프리폼(preform textile)성형이 있다.
수지충전몰딩(Resin Transfer Molding) 공정은 암수 금형 내에 수지가 미함침된 드라이매트(Dry mat) 상태의 보강재를 미리 적층한 후 수지(주로 열경화성 수지)에 압력을 가해 섬유 매트 내부로 함침시키고 가열해 제품을 제조하는 공정이다. 기존의 복합재 제조 공정은 성형 시간이 매우 길고, 노동집약적 특징을 보이는 반면, RTM 성형은 작업의 편의성으로 인해 부품 일체화 및 성형시간 단축이 용이하다.
오토클레이브(autoclave) 성형법은 생산성보다 고품질을 요구하는 우주항공용 복합재료를 제조할 때 사용되는 성형법이다. 오토클레이브 성형법은 기본적으로 진공백(vacuum bag) 성형 공정에 기반을 두고 있다. 진공백 성형 공정에서 사용하는 소재는 수지를 섬유에 미리 함침시켜 시트 형태로 제조한 프리프레그를 적층한 적층 소재를 사용한다.
진공백 성형 공정에서는 금형의 표면에 이형 필름(release film)을 이용해 프리프레그에서 나오는 수지가 금형에 붙는 것을 방지한다. 이형 필름 위에 제조하려는 프리프레그가 놓이게 된다. 프리프레그 위에는 필-플라이(peel ply)라는 천을 놓기도 하는 데 상기 필-플라이는 복합재료의 표면 조도를 조절하거나 복합소재가 접합(joining)되기 전까지의 표면 오염을 방지하기 위해서 사용되며 또는 접합에 필요한 표면 조도를 제공하기도 한다.
필-플라이 위에는 수지를 흡수할 수 있는 흡수제(bleeder)를 놓고 그 위에는 다시 이형필름을 다시 사용한다. 이형필름 위에는 진공백 내부의 공기의 흐름 통로가 되는 브리더(breather)를 사용하고 진공백 역할의 진공백 필름(bagging film)을 사용해 전체를 감싼다. 오토 클레이브 성형법은 진공백 성형 공정에서 수지의 압착을 위해 필요한 압력을 공급하고 온도를 조절하기 위한 장비로서 진공백 성형 공정에 필수적인 진공라인을 갖추고 있다.
필라멘트 와인딩 기술에서는, 다양한 와인딩이 가능한 프로그램 개발과 컴퓨터 수치제어 기술이 발달하면서 제조가능한 복합재형상과 크기는 과거에 비해 크게 확대되었다. 최대 6축 모션(motion)제어에 의한 와인딩 기계를 사용해 고성능 압력용기와 비대칭 부품(파이프 엘보(elbow)나 굴곡형상)을 개발하고 있으며, 더욱 복잡한 형상의 제품을 제조하기 위해 로봇기술을 접목한 8축 모션 제어기계도 개발되고 있다. 생산성을 극대화하기 위해 기존의 12k 카본 섬유대신 다량의 섬유를 가지는 50K 카본 섬유를 사용할 수 있는 와인딩 보조 장치도 개발되었다.
탄소 섬유 패브릭만으로 형태를 유지하려면 기본 모양(matrix)이 필요하며, 가공시 일반적으로 수지를 함침시켜 사용하게 된다. 하지만 아직까지 몰드가 필요없는 형상 제작시 시간 절약과 자유로운 형상 제작을 하기에 용이한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법은 개발되지 못하고 있는 상황이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 탄소섬유 원단 패브릭만으로 형태를 유지하기 위해 기본 모양이 필요한데, 프리프레그 만으로도 일정한 두께와 강성을 유지하면서도 부드럽게 휘어지며, 고정되는 특성으로 인해 수작업만으로도 절곡, 절단하여 고정된 형상을 유지할 수 있고, 추가적인 가공(경화제 함침 공정) 작업 만으로도 몰드의 사용없이 탄소섬유 원단 제품을 제조할 수 있는 탄소섬유 원단 프리프레그와 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 제조방법은, 복수개의 가닥으로 이루어진 금속을 엮어 일정 직경을 가지는 금속을 서로 교차시켜 그물 형상의 망상체를 만들어 심재를 형성하는 망상체 형성단계(s10);와, 상기 망상체 형성단계에 의해 만들어진 망상체를 열가소성 수지인 예를 들면, polyethylene(PE), Poly vinyl chloride(PVC), Polypropylene(PP), Polystyrene(PS), Polyacrylonitrile, Styrene-acrylonitrile(SAN), Acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS), Polymethyl metacrylate(PMMA), Polytetrafluroethylene(PTFE Teflon), 또는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) 함침조에 넣어 상기 열가소성 수지를 함침시키거나, 또는 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속 그물 망상체로 이루어진 망상체에 열을 가하여 상기 열가소성 수지로 이루어진 코팅부분을 용융시킴으로써 금속 그물망 외부에 상기 열가소성수지를 부착시켜 심재를 제조하여 심재의 강도를 향상시키는 동시에 망상체 형태를 그대로 유지할 수 있게 되어 구조체 형성이 쉽게 수행될 수 있도록 하되, 상기 금속의 외부에 상기 열가소성 수지를 부착시킬 때에는 상기 열가소성 수지 함침조에 수용되는 상기 열가소성 수지 용액은 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydro Furan)이라는 용매에 의해서 희석된 것이 사용되며, 상기 테트라하이드로퓨란이라는 희석용액에 의해 상기 열가소성 수지가 망상체를 구성하는 복수개의 금속 사이에 쉽게 스며들면서 건조되어 상기 열가소성수지에 함침된 후의 망상체의 직경도 균일하게 되고, 상기 심재의 단면의 직경도 균일하게 되거나, 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 전자레인지의 가열체로 가열하여 상기 금속으로 이루어진 망상체에 상기 열가소성 수지를 용융시킴으로써 금속의 외부에 상기 열가소성수지 용융체를 부착하는 단계(s20);와, 제1 탄소섬유 원단 패브릭을 제1롤러를 통해서 컨베이어벨트 쪽으로 이동시키는 단계(s30);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 상기 열가소성수지가 코팅된 금속으로 구성된 망상체를 제2 롤러로부터 공급하고 제1 프레스로 가압하여 탄소섬유 원단 패브릭과 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 결합시키는 단계(s40);와, 상기 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체에 대하여 폴리머 수지로 이루어진 용제 또는 필름을 공급하는 단계(s50);와, 상기 폴리머 수지가 공급된 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체와 탄소섬유 원단 패브릭의 접합체 상으로 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 제2 탄소섬유 원단 패브릭을 공급하는 단계(s60);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속, 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체에 대하여 표면건조를 수행하는 단계(s70); 및 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체 대하여 제3프레스로 가압하여 경화시키는 단계(s80)를 포함한다.
또한 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 결합하여 이루어진 탄소섬유 원단 프리프레그는, 상기 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체를 구성하는 망상체의 직경과 상기 금속 그물 망상체를 구성하는 직사각형 모양의 기공의 크기로 강성과 유연성을 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그는, 외장재로서, 제1, 2 탄소섬유 원단 패브릭을 포함하고, 상기 2개의 제1, 2 탄소섬유 원단 패브릭 사이에는, 상기 열가소성 수지가 테트라하이드로퓨란이라는 용매에 용해된 함침 용액에서 복수개의 가닥으로 이루어진 금속이 엮여 일정 직경을 가지는 금속들이 교차하여 형성된 금속 그물 망상체에 코팅된 구조체이거나, 외주면에 상기 열가소성 수지가 코팅된 복수개의 가닥으로 이루어진 금속 그물 망상체에 대하여 전자 레인지에 의하여 가열 경화된 구조체가 가압과 건조라는 공정을 통해서 일체화된 것일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체와 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭 사이에는, 상기 열가소성수지가 코팅된 금속 그물 망상체와 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭의 결합력을 향상시킬 수 있는 폴리머 수지로 이루어진 필름층을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 탄소섬유 원단과 메쉬 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그는 탄소섬유 원단 패브릭 또는 직물형 프리프레그에 그물구조 금속망을 밀착시켜 금속 그물망을 심지로 하여 원하는 형상을 수작업으로도 쉽게 만들며 만들어진 형상은 고정되어 있어 경화제가 굳을 때까지 형상을 유지할 수 있다.
그물망 구조는 탄소섬유 원단과 같이 늘어나는 면적이 넓어 수작업 및 프레스 가공시 다양한 형상을 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 세미프리프레그의 구성을 보여주는 도면이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직물형 패브릭의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패브릭의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공하여 탄소섬유 원단 프리프레그를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직물형 패브릭의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패브릭의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공하여 탄소섬유 원단 프리프레그를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
탄소섬유 원단 강화 복합재료는 강화섬유인 탄소섬유 원단과 매트릭스 수지를 필수적인 구성요소로 하는 불균일한 재료이며, 탄소섬유 원단의 배열방향의 물성과 그 이외의 방향의 물성에 큰 차이가 존재한다. 예를 들면, 탄소섬유 원단 강화 복합 재료의 층간 파괴인성이나, 충간 파괴인성에 의해 지배되는 낙추 충격에 대한 저항성으로 나타내어지는 내충격성은 강화섬유의 강도를 증가시키는 것만으로는 발본적인 개량에 결부되지 않는다.
특히 열경화성 수지를 매트릭스 수지로 하는 탄소섬유 원단 강화 복합재료는 매트릭스 수지의 낮은 인성을 반영하고, 강화 섬유의 배열방향 이외로부터의 응력에 대하여 파괴되기 쉬운 성질을 갖고 있다. 그 때문에, 강화섬유의 배열 방향 이외로부터의 응력에 대응할 수 있는 탄소섬유 원단 강화 복합재료의 물성의 개량을 목표로 여러가지 기술이 제안되어 있다.
그 중 하나로, 표면부분에 열가소성 수지의 입자, 섬유, 또는 필름을 배치한 프리프레그나 프리폼을 사용함으로서 층간 파괴인성을 향상시켜 낙추 충격 후의 압축 강도를 향상시킨 탄소 섬유 강화 복합 재료가 제안되어 있다.
그런데 열가소성 수지를 층간강화재로서 사용하면, 고도의 층간 파괴 인성을 부여하는 한편, 층간이 취약층이 되므로 정적강도가 저하된다. 또한 열경화성 수지와 열가소성수지의 계면접착이 부족하게 되고, 계면 박리에 의한 파괴가 진행되고, 층간 파괴 인성 향상 효과가 부족하게 된다. 또한, 층간에 절연층이 되는 수지층이 존재하게 되므로 탄소 섬유 강화 복합재료의 특징의 하나인 도전성 중 두께 방향의 도전성이 현저하게 저하된다.
정적 강도란 탄소섬유 원단 강화 복합 재료에 구부림이나 인장의 힘을 가했을 때의 파괴에 필요한 응력을 가리킨다. 예를 들면, 0도 구부림 강도나 0도 인장강도를 들 수 있다.
프리프레그(prepreg)는 강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 첨단소재로 다양한 산업에서 활용되고 있다. 프리프레그(prepreg)는 preimpregnated Materials)의 약어로 결합재(Matrix)를 강화섬유(Reinforced Fiber)에 미리 함침시킨 sheet형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료이다.
강화섬유로는, 주로 탄소섬유 원단, 유리섬유, 아라미드 섬유 등이 이용되고 있으며, 결합재로는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성수지 등이 사용되고 있다. 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하고 있다.
일반적으로 프리프레그에 사용되는 열경화성 수지의 경화는 다음의 A,B,C-Stage 3단계로 진행된다. 여기서 A-stage는 수지와 경화재가 배합비에 따라 단순히 혼합된 상태로 경화반응이 전혀 진행되지 않은 상태를 말한다. 그리고 B-stage는 수지와 경화재가 어느 정도 반응이 진행되어 점도가 급상승하여 용제(solvent)에 의해 용해되지 않고 열에 의해 용융되어 플로우(flow)를 형성하는 상태를 말한다.
C-stage는 수지와 경화재의 반응이 거의 끝나거나 완료된 단계로서 용제나 열에 의한 영향을 받지 않으며, 소재의 경화가 이루어지는 단계를 말한다. 이와 같이 프리프레그는 레진인 매트릭스(matrix)와 섬유(fiber)의 조합으로 구성되어 있어서, 제품의 생산 공정에 바로 사용할 수 있는 상태의 제품을 말한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단 프리프레그 중 일방향 탄소섬유 원단을 사용한 프리프레기그의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일방향 세미프리프레그 시트(unidirectional Form)가 형성되어 있는 데, 상기 일방향 세미프리프레그는, 지지대(110)에 감겨진 형태로 외피에는 실리콘 페이퍼 보호층(120)이 형성될 수 있다. 상기 실리콘 페이퍼 보호층(120)은 일방향 탄소섬유 원단층(130)의 상면과 하면을 덮고 있어서, 후술할 직물형 페브릭 프리프레그보다 얇게 만들 수 있고, 테이프로 만들어 사용하기가 용이하다. 또한 용제에 대한 함침성이 우수하다고 알려져 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단 프리프레그 중 직물형프리프레그의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 지지대(110)에 감겨 있는 형태로, 폴리에틸렌 보호층(140)이 평직, 능직 등 직조에 따라 패턴을 변화시킬 수 있고 유리 섬유(glass fiber)와 복합 적용이 가능한 패브릭 형태의 직조형 섬유층(150)이 배치된 것을 알 수 있다.
이러한 프리프레그 제조방법에서는 모재인 수지를 액상으로 하고, 보강재인 Fiber나 Fabric을 함침시키는 용제 프리프레그 과정(Solvent Prepreg Process)와, 수지를 필름(Film) 형태로 만들어 보강재에 함침시키는 Hot Melt Process가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단 프리프레그의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 탄소섬유 원단 프리프레그는, 외장재로서, 제1, 2 탄소섬유 원단 패브릭(210, 220)을 포함하고, 상기 2개의 제1, 2 탄소섬유 원단 패브릭(210, 220) 사이에는, 열가소성 수지, 예를 들면, polyethylene(PE), Poly vinyl chloride(PVC), Polypropylene(PP), Polystyrene(PS), Polyacrylonitrile, STyrene-acrylonitrile(SAN), Acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS), Polymethyl metacrylate(PMMA), Polytetrafluroethylene(PTFE Teflon), 폴리카프로락톤이 테트라하이드로퓨란이라는 용매에 용해된 함침 용액에서 복수개의 가닥으로 이루어진 금속(예를 들면 철사)이 엮여 일정 직경을 가지는 금속들(철사들)이 교차하여 형성된 금속 그물 망상체에 코팅된 구조체이거나, 외주면에 상기 폴리카프로락톤이 코팅된 복수개의 가닥으로 이루어진 금속 그물 망상체에 대하여 전자 레인지에 의하여 가열 경화된 구조체(230)가 가압과 건조라는 공정을 통해서 일체화된 것일 수 있다.
또한 다른 실시예로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210)과 상기 폴리카프로 락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230) 사이에는 상기 제1탄소섬유 원단 패브릭(210)과 상기 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230)의 가압(pressing) 공정과 건조(drying) 공정에서 결합력을 향상시킬 수 있는 폴리머 수지로 이루어진 필름층(240)을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 폴리머 수지로 이루어진 필름층(240)은 전술한 바와 같이, 필름의 형태로 공급될 수도 있지만 용제(용액)의 형태로 상기 제2 탄소섬유 원단 패브릭(220) 층 상에 형성된 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230)의 위에 뿌려져 상술한 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210)과의 결합력을 상승시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 탄소섬유 원단 프리프레그는 외장층으로서, 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210), 제2 탄소섬유 원단 패브릭(220)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 2 탄소섬유 원단 패브릭(210, 220) 사이에는, 상기 탄소섬유 원단 프리프레그의 형상을 유지하고 지탱할 수 있는 역할을 할 수 있는 금속 망사체가 형성될 수 있다. 상기 금속 망사체는 복수개의 가닥으로 이루어진 금속들을 엮어 일정 직경을 가지는 금속을 서로 교차시키는 방식으로 형성된 그물망 구조체일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 그물 망사체는 철사 망사체일 수 있다.
이와 같이 형성된 탄소섬유 원단 프리프레그는 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체를 구성하는 망상체의 직경에 따라 강도와 유연성이 결정될 수 있다. 원칙적으로 탄소섬유 원단패브릭만으로는 강도를 유지할 수가 없어서, 형태를 유지하기 위해서는 기본 매질 역할을 할 수 있는 매트릭스(matrix)가 필요할 수 있다.
일반적으로 이와 같이 형태를 유지하기 위해서 섬유상물질에 대해서 많이 사용되는 방법이 함침(impregnation)이다 본 발명에서도 이와 같은 방법을 사용하여 금속 그물 망상체에 대하여 함침이라는 공정을 사용하여 폴리카프로락톤이라는 섬유상 물질을 상기 금속 그물 망상체상에 코팅할 수 있다.
따라서 이와 같이 형성된 제1,2 탄소섬유 원단 패브릭(210, 220) 사이에 형성된 폴리카프로락톤이 코팅된 금속망상체(230)는, 상기 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체를 구성하는 망상체의 직경과 상기 금속 그물 망상체를 구성하는 직사각형 모양의 기공의 크기로 강성과 유연성을 조정될 수 있다.
이와 같은 구성으로 이루어진 탄소섬유 원단과 금속 그물구조물을 밀착 결합시킨, 탄소섬유 원단 프리프레그는, 일정한 두께와 강성을 유지하면서도, 부드럽게 휘어지는 특성을 가지기 때문에, 2차적으로 진행되는 수지에 대한 가공이나, 프레스 가공과정을 줄여서 탁월한 기계적 성질을 보여줄 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단과 메쉬 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그의 제조방법은 이하와 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단 프리프레그를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 단계(s10)는 망상체 형성단계라고 할 수 있다. 이 단계는 복수 개의 이루어진 금속(예를 들면, 철사)을 엮어 일정한 직경을 가지는 금속을 서로 교차시켜 연결하여 그물 형상의 망상체를 형성할 수 있다. 이와 같은 망상체를 형성하는 물질로서 일반적으로, 일반사, 폴리에틸렌테레프탈레이트섬유와 폴리카프로락톤이 섞인 혼방사 등이 사용될 수 있지만, 이와 같은 구성으로는 일정한 강도를 확보하는 것이 어려울 수 있다.
하지만 본 발명의 일 실시예와 같이, 강도를 유지하기 위한 구조체로 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230)를 사용하게 되면, 가공시에 가위로 자르고, 접착제 및 미싱 작업만으로도 완성품인 프레스 가공과정을 줄인 탄소섬유 원단 프리프레그를 만들 수 있다.
특히 접착방식으로 사용시에는, 건축 및 가구의 보강재로 사용할 수 있다.
이와 같이, 탄소섬유 원단 패브릭(210, 220) 또는 직물형 프리프레그에 그물 구조를 갖는 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230)를 결합하여, 형상을 유지하도록 할 수 있으며 접착제의 일종인 경화제를 도포하여 경화시키는 방법을 사용할 수 있다.
이와 같은 금속 그물 망상체와 같은 구조는 탄소섬유 원단과 같이 늘어나는 면적이 넓어 수작업 또는 프레스 가공의 방법으로 다양한 형상의 제품을 만들 수 있다.
제2 단계(s20)는 상기와 같은 금속으로 이루어진 망상체를 폴리카프로락톤 함침조에 넣어 폴리카프로락톤을 함침시키거나, 또는 외주면에 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체가 사용되며 이에 의해 심재의 강도가 향상되는 동시에 심재가 망상체 형태를 그대로 유지할 수 있게 되어 구조체(230)를 형성하는 과정이 쉬워질 수 있다.
여기서 상기 심재는, 금속 그물망 외부에 상기 열가소성수지를 부착한 상태의 물질일 수 있다.
이와 같이 금속 그물 망상체에 폴리카프로락톤을 부착시켜 심재를 가공하는 방법으로는, 첫 번째로, 내부에 용매에 의해 녹은 폴리카프로락톤 용액이 수용되며, 일정 온도로 유지되는 폴리카프로락톤 함침조에 금속으로 이루어진 망상체를 담가 함침시킴으로써, 금속 그물 망상체의 외부에 폴리카프로락톤을 부착시키는 방법이고, 두번째로, 외주면에 폴리카프로락톤이 코팅된 금속망상체에 전자레인지와 같은 가열수단을 사용하여 상기 망상체에 열을 가하여, 금속 그물 망상체의 외부에 폴리카프로락톤을 부착시키는 방법이다. 이 두번째 방법은, 첫 번째 방법에 비해, 폴리카프로락톤이 금속 그물 망상체의 외면 전체에 걸쳐 고르게 부착될 수 있는 특성을 갖는다. 세번째 방법으로는 금속 그물 망상체에 폴리카프로락톤이라는 섬유로 코팅된 상황에서 전자 레인지와 같은 가열수단에 삽입하여 상기 금속 그물 망상체에 열을 가하여 폴리카프로락톤 섬유를 용융시켜 금속 그물 망상체 외부에 폴리카프로락톤을 부착시키는 방법이다.
상기와 같이 함침에 의해 금속 그물 망상체의 외부에 폴리카프로락톤을 부착할 때에는, 폴리카프로락톤 함침조에 수용되는 용액은 테트라하이드로퓨란(THF, TetraHydroFuran) 등의 용매에 의해 희석된 것이 사용될 수 있으며, 이와 같은 방법에 의해 폴리카프로락톤이 금속 그물 망상체를 구성하는 복수개의 가는 금속 (철사) 사이에 쉽게 스며들면서 건조되어 폴리카프로락톤이 함침된 후의 망상체, 즉 심재의 단면도 균일하게 될 수 있다.
이와 같이 금속 그물 망상체금속 그물 망상체의 외부에 폴리카프로락톤을 코팅하여 탄소섬유 원단 패브릭(210,. 220)과의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 망형상을 그대로 유지하도록 하여 결합성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 폴리카프로락톤을 부착시킨 이후로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210)을 제1롤러(310)를 통해서 컨베이어벨트(400) 쪽으로 이동시키는 단계(s30);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210) 상에 상기 폴리카프로락톤이 코팅된 금속으로 구성된 망상체(230)를 제2 롤러(320)로부터 공급하고 제1 프레스(410)로 가압하여 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210)과 폴리카프로락톤이 코팅된 금속으로 이루어진 망상체(230)를 결합시키는 단계(s40);와, 상기 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230)에 대하여 폴리머 수지로 이루어진 용제 또는 필름(240)을 공급하는 단계(s50);와, 상기 폴리머 수지가 공급된 폴리카르포락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230)와 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210)의 접합체 상으로 제2 탄소섬유 원단 패브릭(220)을 공급하는 단계(s60);와, 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210), 폴리카프로락톤이 코팅된 금속망상체(230), 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭(220)이 겹쳐진 집합체에 대하여 표면건조를 수행하는 단계(s70); 및 상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭(210), 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체(230) 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭(220)이 겹쳐진 집합체 대하여 제3프레스(430)로 가압하여 경화시키는 단계(s80)를 수행할 수 있다. 예를 들면, 상기 폴리머 수지로는 에폭시 수지를 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 지지대 120: 실리콘 페이퍼 보호층
130: 일방향 섬유층 140: 폴리에틸렌 보호층
150: 직조형 섬유층 210: 제1 탄소섬유 원단 패브릭
220: 제2 탄소섬유 원단 패브릭 230: 구조체(금속 그물 망상체금속 그물 망상체)
240: 폴리머 섬유 필름
130: 일방향 섬유층 140: 폴리에틸렌 보호층
150: 직조형 섬유층 210: 제1 탄소섬유 원단 패브릭
220: 제2 탄소섬유 원단 패브릭 230: 구조체(금속 그물 망상체금속 그물 망상체)
240: 폴리머 섬유 필름
Claims (4)
- 복수개의 가닥으로 이루어진 금속을 엮어 일정 직경을 가지는 금속을 서로 교차시켜 그물 형상의 망상체를 만들어 심재를 형성하는 망상체 형성단계(s10);
상기 망상체 형성단계에 의해 만들어진 망상체를 열가소성 수지인 polyethylene(PE), Poly vinyl chloride(PVC), Polypropylene(PP), Polystyrene(PS), Polyacrylonitrile, Styrene-acrylonitrile(SAN), Acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS), Polymethyl metacrylate(PMMA), Polytetrafluroethylene(PTFE Teflon), 또는 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) 함침조에 넣어 상기 열가소성 수지를 함침시키거나, 또는 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속 그물 망상체로 이루어진 망상체에 열을 가하여 상기 열가소성 수지로 이루어진 코팅부분을 용융시킴으로써 금속 그물망 외부에 상기 열가소성수지를 부착시켜 심재를 제조하여 심재의 강도를 향상시키는 동시에 망상체 형태를 그대로 유지할 수 있게 되어 구조체 형성이 쉽게 수행될 수 있도록 하되, 상기 금속의 외부에 상기 열가소성 수지를 부착시킬 때에는 상기 열가소성 수지 함침조에 수용되는 상기 열가소성 수지 용액은 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydro Furan)이라는 용매에 의해서 희석된 것이 사용되며, 상기 테트라하이드로퓨란이라는 희석용액에 의해 상기 열가소성 수지가 망상체를 구성하는 복수개의 금속 사이에 쉽게 스며들면서 건조되어 상기 열가소성수지에 함침된 후의 망상체의 직경도 균일하게 되고, 상기 심재의 단면의 직경도 균일하게 되거나, 외주면에 상기 열가소성 수지로 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 전자레인지의 가열체로 가열하여 상기 금속으로 이루어진 망상체에 상기 열가소성 수지를 용융시킴으로써 금속의 외부에 상기 열가소성수지 용융체를 부착하는 단계(s20);
제1 탄소섬유 원단 패브릭을 제1롤러를 통해서 컨베이어벨트 쪽으로 이동시키는 단계(s30);,
상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 상기 열가소성수지가 코팅된 금속으로 구성된 망상체를 제2 롤러로부터 공급하고 제1 프레스로 가압하여 탄소섬유 원단 패브릭과 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속으로 이루어진 망상체를 결합시키는 단계(s40);
상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체에 대하여 폴리머 수지로 이루어진 용제 또는 필름을 공급하는 단계(s50);
상기 폴리머 수지가 공급된 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체와 탄소섬유 원단 패브릭의 접합체 상으로 제1 탄소섬유 원단 패브릭 상에 제2 탄소섬유 원단 패브릭을 공급하는 단계(s60);
상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속, 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체에 대하여 표면건조를 수행하는 단계(s70); 및
상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 상기 열가소성 수지가 코팅된 금속 그물 망상체 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 겹쳐진 집합체 대하여 제3프레스로 가압하여 경화시키는 단계(s80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 탄소섬유 원단 패브릭, 폴리키프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체 및 제2 탄소섬유 원단 패브릭이 결합하여 이루어진 탄소섬유 원단 프리프레그는,
상기 폴리카프로락톤이 코팅된 금속 그물 망상체를 구성하는 망상체의 직경과 상기 금속 그물 망상체금속 그물 망상체를 구성하는 직사각형 모양의 기공의 크기로 강성과 유연성을 조정하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 제조방법. - 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170072986A KR101961103B1 (ko) | 2017-06-12 | 2017-06-12 | 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170072986A KR101961103B1 (ko) | 2017-06-12 | 2017-06-12 | 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180135203A KR20180135203A (ko) | 2018-12-20 |
| KR101961103B1 true KR101961103B1 (ko) | 2019-03-25 |
Family
ID=64952919
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170072986A KR101961103B1 (ko) | 2017-06-12 | 2017-06-12 | 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101961103B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021107718A1 (ko) | 2019-11-28 | 2021-06-03 | 한국생산기술연구원 | 온감 및 탄성감 금속 아키텍처링 판재 및 이의 제조방법 |
| KR20210066191A (ko) | 2019-11-28 | 2021-06-07 | 한국생산기술연구원 | 온감 금속 아키텍처링 판재 및 그 제작 방법 |
| KR20210066967A (ko) | 2019-11-28 | 2021-06-08 | 한국생산기술연구원 | 탄성감 금속 아키텍처링 판재 및 그 제작방법 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110884163B (zh) * | 2019-12-16 | 2021-09-07 | 河南牧业经济学院 | 一种用于静电除尘器的cfrp驻极体滤波器及其制造方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001240815A (ja) * | 2000-02-25 | 2001-09-04 | Nippon Shokubai Co Ltd | 複層材料の製造方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH091741A (ja) * | 1995-06-21 | 1997-01-07 | Kanebo Ltd | 網状構造物への樹脂被覆方法 |
| JP2933310B1 (ja) * | 1998-04-20 | 1999-08-09 | 東北ムネカタ株式会社 | 熱可塑性樹脂成形品の熱溶着に際して用いられる発熱体 |
| KR101248168B1 (ko) * | 2011-05-23 | 2013-03-28 | 주식회사씨앤에프 | 고강도 내열 섬유 그리드 제조 방법 |
-
2017
- 2017-06-12 KR KR1020170072986A patent/KR101961103B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001240815A (ja) * | 2000-02-25 | 2001-09-04 | Nippon Shokubai Co Ltd | 複層材料の製造方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021107718A1 (ko) | 2019-11-28 | 2021-06-03 | 한국생산기술연구원 | 온감 및 탄성감 금속 아키텍처링 판재 및 이의 제조방법 |
| KR20210066191A (ko) | 2019-11-28 | 2021-06-07 | 한국생산기술연구원 | 온감 금속 아키텍처링 판재 및 그 제작 방법 |
| KR20210066967A (ko) | 2019-11-28 | 2021-06-08 | 한국생산기술연구원 | 탄성감 금속 아키텍처링 판재 및 그 제작방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180135203A (ko) | 2018-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10596730B2 (en) | Hybrid lay-up mold | |
| Edwards | An overview of the technology of fibre-reinforced plastics for design purposes | |
| JP4803028B2 (ja) | プリフォーム、ｆｒｐおよびそれらの製造方法 | |
| KR101961103B1 (ko) | 탄소섬유 원단과 금속 그물 구조물을 밀착가공한 탄소섬유 원단 프리프레그 및 그 제조방법 | |
| JP6630480B2 (ja) | 一時的に縫合されたプリフォームを用いた複合積層体の製造 | |
| JP5999721B2 (ja) | 繊維強化樹脂中間体及びその製造方法 | |
| RU2483885C2 (ru) | Улучшенный полуфабрикат и преформа из композитного материала для изготовления его части | |
| US8623252B2 (en) | Method for manufacturing thermoplastic resin pre-impregnated fiber structure | |
| KR20120078345A (ko) | 섬유보강 복합재료의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 섬유보강 복합재료 | |
| JP2017190439A (ja) | 繊維強化樹脂中間材及びその製造方法 | |
| KR101447136B1 (ko) | 섬유 강화 복합재의 성형방법 | |
| CN109843564A (zh) | 复合片材及其制造方法 | |
| JP2018507128A5 (ko) | ||
| KR101928847B1 (ko) | 열가소성 프리프레그 제조방법 | |
| US20130330991A1 (en) | Composite material and method for preparing the same | |
| JP2011255619A (ja) | 繊維強化プラスチック成形体の製造方法 | |
| KR20170133769A (ko) | Rtm 성형 방법 및 장치 | |
| KR101263976B1 (ko) | 경제성 및 기계적 물성이 뛰어난 복합시트의 제조방법, 제조장치 및 이로부터 제조된 복합시트 | |
| JP2002248620A (ja) | 繊維強化プラスチック成形用基材および繊維強化プラスチックの成形方法 | |
| Kesarwani et al. | Composites: Classification and its manufacturing process | |
| Ghosh et al. | Processability in open mould processing of polymeric composites | |
| JP2020063334A (ja) | 炭素繊維プリプレグの製造方法、炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法、及び、炭素繊維強化樹脂成形品 | |
| US20220009128A1 (en) | Method for manufacturing a fibre preform | |
| JP6368748B2 (ja) | 繊維強化樹脂を成形する成形加工方法 | |
| DE102014119160A1 (de) | Formmasse |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |