KR20150020827A

KR20150020827A - 직접함침법 및 더블 벨트 프레스 장치를 이용한 연속 섬유 강화 폴리유산 복합소재의 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR20150020827A
Application number: KR20130097757A
Authority: KR
Inventors: 이우일; 노정우
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-27
Also published as: KR101517477B1

Abstract

본 발명은 복합소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지그재로 배치로 이루어진 다수의 함침핀이 함침조에 마련되고, 더블벨트프레스가 마련되어 생분해성 폴리유산 수지와 연속섬유의 함침작용이 양호하게 하는 복합소재의 제조장치 및 제조방법, 그리고 복합소재를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 특징은 연속섬유를 공급하는 연속섬유공급단계; 공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 연속섬유광폭화단계; 용융 수지가 담겨진 함침조로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 연속섬유함침단계; 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재의 상부와 하부에 각각 위치된 상측 및 하측의 더블 벨트프레스에 의해 연속으로 지나는 복합소재를 가압하는 더블벨트프레스단계; 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 냉각하는 복합소재냉각단계; 연속섬유가 소정 속도로 지나도록 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 당기는 연속복합소재당김단계; 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 소정 속도로 감는 연속복합소재감김단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직접함침법 및 더블 벨트 프레스 장치를 이용한 연속 섬유 강화 폴리유산 복합소재의 제조방법 및 제조장치{Manufacturing method of continuous fiber reinforced polylactic acid composite by using direct melt impregnation method and double belt press and manufacturing apparatus thereof}

본 발명은 복합소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지그재로 배치로 이루어진 다수의 함침핀이 함침조에 마련되고, 더블벨트프레스가 마련되어 생분해성 폴리유산 수지와 연속섬유의 함침작용이 양호하게 하는 복합소재의 제조장치 및 제조방법, 그리고 복합소재에 관한 것이다.

일반적인 복합소재는 강화재와 모재로 이루어지는데, 강화재로는 유리섬유나 탄소섬유가 사용되고, 모재로는 크게 열경화성 수지와 열가소성 수지로 분류되어 사용된다.

열경화성 수지는 재료 가공 시 수지의 점도가 낮아 재료의 가공이 용이하지만, 경화 후 재활용이 어려워 친환경적이라 할 수 없다. 반면에, 열가소성 수지는 녹는 점 이상의 온도에서 용융시켜 재활용이 가능한 비교적 친환경적 소재이므로 복합소재의 재료로 널리 이용된다.

열가소성 수지를 이용한 복합소재의 경우 수지 내에서 2 ~ 30mm 정도의 섬유로 강화된 장섬유 강화 열가소성 복합소재는 섬유의 물성 증가 및 열 안정성의 향상에 기여한다.

그러나 생분해성 수지로 이루어진 열가소성 수지를 이용한 복합소재로 자동차용 소재 등으로 사용하기에는 장섬유 강화 열가소성 복합소재는 기계적 물성과 열 안정성 기준을 만족하기에는 부족한 점이 있다.

특히 생분해성 수지의 열가소성 수지를 이용한 복합소재로서 연속섬유강화 열가소성 복합소재의 경우 기존의 제조방식으로 제조할 경우 열가소성 수지의 높은 용융점도와 연속섬유의 낮은 투과성 계수 등에 의해, 섬유로 수지의 함침이 어려워, 분당 10m 이상의 공정속도를 얻기가 어렵다.

따라서 공정속도를 증가시키면서도 물성이 양호한 연속 복합소재의 제조가 절실히 요구되는 것이다.

특허출원번호 제10-2007-0117680호 특허출원번호 제10-2011-0040831호 특허출원번호 제10-2012-0003602호

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 지그재로 배치로 이루어진 다수의 함침핀이 함침조에 마련됨으로써 수지의 섬유로의 함침작용이 월등하도록 하는 목적이 있다.

그리고 본 발명의 다른 목적은, 이를 위한 용융된 수지의 온도와 압력을 알맞게 하여 수지의 알맞은 함침조건을 이루는 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은, 열가소성 수지로써 폴리유산(PLA) 수지를 이용하여 생분해성의 복합소재를 제공하는 것이다.

아울러 본 발명의 또 다른 목적은, 폴리유산의 높은 용융점도와 생산시 열분해가 일어나지 않도록 함침조의 온도 및 조건을 제공하는 것이다.

나아가 본 발명의 또 다른 목적은, 함침조에서 지그재그 배열로 이루어진 함침핀들에 의해 연속섬유와 폴리유산 수지의 함침에 더하여, 상하의 엔드리스벨트 사이를 가압력을 받으면서 지나도록 하여 연속섬유와 폴리유산 수지의 2단계 함침이 형성되어 함침작용이 더욱 잘 이루어지게 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연속섬유를 공급하는 연속섬유공급단계; 공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 연속섬유광폭화단계; 용융 수지가 담겨진 함침조로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 연속섬유함침단계; 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재의 상부와 하부에 각각 위치된 상측 및 하측의 더블 벨트프레스에 의해 연속으로 지나는 복합소재를 가압하는 더블벨트프레스단계; 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 냉각하는 복합소재냉각단계; 연속섬유가 소정 속도로 지나도록 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 당기는 연속복합소재당김단계; 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 소정 속도로 감는 연속복합소재감김단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법을 제공한다.

이에 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속섬유함침단계는, 함침조 일측으로 연결된 압출기를 통하여 용융 수지가 유입되고, 함침조를 지나는 연속섬유는 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀 사이를 지나는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법을 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속섬유함침단계는, 함침조로 용융 수지를 유입시키는 압출기에서는, 180℃ ~ 260℃의 온도를 유지하고 압출조건 L/D : 35 ~ 45로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 더블벨트프레스단계는, 연속으로 지나는 복합소재의 진행방향에 대하여, 선단 방향과 후단 방향으로 복합소재의 상부의 선단상롤러 및 후단상롤러에 걸쳐 회전되는 상엔드리스벨트와, 복합소재의 하부의 선단하롤러 및 후단하롤러에 걸쳐 회전되는 하엔드리스벨트가 작동하여, 상엔드리스벨트와 하엔드리스벨트 사이로 복합소재가 연속으로 지나면서 가압되는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법을 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 수지는 폴리유산(PLA) 수지이고, 용융지수(MI)는 30 ~ 100으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법을 제공한다.

이에 더하여 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 연속섬유가 감겨진 연속섬유권취롤러로부터 연속섬유를 공급하는 섬유풀림장치; 연속 공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 섬유광폭화장치; 용융 수지가 담겨진 함침조로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 핀함침장치; 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재의 상부와 하부에 각각 위치된 상측 및 하측의 더블 벨트프레스에 의해 연속으로 지나는 복합소재를 가압하는 더블벨트프레스; 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 냉각하는 냉각장치; 연속섬유가 소정 속도로 지나도록 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 당기는 당김장치; 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 소정 속도로 감는 감김장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치를 제공한다.

이에 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 핀함침장치는, 연속섬유가 지나면서 용융된 수지가 포함된 함침조; 함침조로 용융된 수지를 유입시키는 압출기; 함침조에 용융 수지가 담겨지고 연속으로 지나는 연속섬유가 지그재그로 지나도록 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 함침조로 용융 수지를 유입시키는 압출기에서는, 180℃ ~ 260℃의 온도를 유지하고 압출조건 L/D : 35 ~ 45로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 더블벨트프레스는, 연속으로 지나는 복합소재의 상부에 위치된 상엔드리스벨트; 상엔드리스벨트의 선단 방향과 후단 방향에 위치되어 상엔드리스벨트가 회전되게 하는 선단상롤러 및 후단상롤러; 연속으로 지나는 복합소재의 하부에 위치된 하엔드리스벨트; 하엔드리스벨트의 선단 방향과 후단 방향에 위치되어 하엔드리스벨트가 회전되게 하는 선단하롤러 및 후단하롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 수지는 폴리유산(PLA) 수지이고, 용융지수(MI)는 30 ~ 100으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치를 제공한다.

이에 더하여 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 연속으로 공급되는 연속섬유에 용융된 폴리유산(PLA) 수지를 함침하여 연속 복합소재를 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재를 제공한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴리유산(PLA) 수지는 용융지수(MI)가 30 ~ 100으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재를 제공한다.

나아가 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속섬유는 폭 4 ~ 20mm, 800 ~ 4800 tex 조건의 섬유다발로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재를 제공한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 지그재로 배치로 이루어진 다수의 함침핀이 함침조에 마련됨으로써 수지의 섬유로의 함침작용이 월등한 효과를 갖는 것이다.

그리고 본 발명의 다른 효과는, 이를 위한 용융된 수지의 온도와 압력을 알맞게 하여 수지의 알맞은 함침조건을 이루어, 열가소성 수지로써 폴리유산(PLA) 수지를 이용하여 생분해성의 복합소재가 양호한 특성을 갖는다.

아울러 본 발명의 또 다른 효과는, 폴리유산의 높은 용융점도와 생산시 열분해가 일어나지 않도록 함침조의 온도 및 조건을 제공하여, 생분해성 폴리유산 수지의 특성을 갖는다.

나아가 본 발명의 또 다른 효과는, 함침조에서 지그재그 배열로 이루어진 함침핀들에 의해 연속섬유와 폴리유산 수지의 함침에 더하여, 상하의 엔드리스벨트 사이를 가압력을 받으면서 지나도록 하여 연속섬유와 폴리유산 수지의 2단계 함침이 형성되어 함침작용이 더욱 잘 이루어지는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 대한 제조과정의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합소재 제조장치의 핀함침장치에 대한 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치의 더블벨트프레스에 상세 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 의한 제조과정의 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 복합소재 제조장치의 섬유광폭화장치에서 일실시 롤러들의 배치상태에 따른 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치의 섬유광폭화장치에서 일실시 롤러들 사이를 연속섬유가 지나는 과정에 대한 설명도이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 의해 제조된 복합소재의 인장강도 시험결과 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 의해 제조된 복합소재의 굽힘강도 시험결과 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 의해 제조된 복합소재의 굽힘탄성률 시험결과 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 의해 제조된 복합소재의 열변형온도 비교 예시표이다.
도 11은 본 발명에 따른 복합소재 제조장치에 의해 제조된 복합소재에 대한 실시사진이다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉 본 발명에 따른 직접합침법 및 더블벨트프레스장치를 이용한 연속섬유강화 폴리유산 복합소재의 제조방법 및 복합소재 제조장치(10)는 첨부된 도 1 내지 도 11 등에서와 같이, 일측으로부터 연속해서 공급되는 연속섬유에 대해 열가소성수지인 폴리유산(PLA, Polylactic acid) 수지(resin)가 함침되어 복합소재를 제조하는 것이다.

이러한 복합소재의 제조를 위한 장치인 복합소재 제조장치(10)에 대해 도 1과 같이 일실시예시의 개략적인 장치 구성을 보면, 일측으로 섬유풀림장치(20, Unwinding devices)의 연속섬유권취롤러(21)에 권취된 연속섬유가 이후의 과정의 장치들 측으로 연속공급된다.

이에 단일 연속섬유가 공급될 수도 있고 첨부의 도면에서처럼 다수의 권취된 롤러들로부터 다층을 이루어 연속섬유가 공급될 수도 있다.

이후 도 1 및 도 5, 도 6 등의 예시에서와 같은 섬유광폭화장치(30, Tow spreading device)로 연속섬유가 공급되어 연속섬유가 넓게 광폭화되는 것이다. 그리고 핀함침장치(40)(Pin Impregnation)로 광폭화된 연속섬유에 압출기(42, extrude)로 공급된 용융수지를 함침하여 복합소재를 이루게 된다.

이후 더블벨트프레스(50, double belt press)를 복합소재가 지나면서 압력에 의해 수지의 함침을 더욱 유도하고, 그리고 냉각장치(60)에 의해 냉각되고 당김장치(70)에 의해 당겨지면서 감김장치(80)에 연속으로 지나는 복합소재가 감기는 것이다.

이와 같은 복합소재 제조장치(10)를 통하여 용융 수지를 연속섬유에 함침하여 이루어지는 복합소재를 제조하게 되는 것이며, 이하에서는 이러한 복합소재의 제조방법 그리고 제조장치(10) 등을 좀더 상세히 살펴보기로 한다.

우선 복합소재 제조방법에 있어서, 섬유풀림장치(20)의 연속섬유권취롤러(21)에 권취된 연속섬유를 공급하는 연속섬유공급단계(S01)를 수행한다.

즉 연속섬유가 감겨진 연속섬유권취롤러(21)로부터 연속섬유를 공급하는 섬유풀림장치(20)가 마련된다.

이러한 연속섬유는 제시된 도 1에서처럼 다수 권취롤러로부터 공급되는 다수의 연속섬유로 이루어질 수 있다.

그리고 연속 공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 연속섬유광폭화단계(S02)를 수행한다.

이러한 연속섬유광폭화단계(S02)는 연속 공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 섬유광폭화장치(30)에 의하여 수행된다. 이러한 섬유광폭화장치(30)는 다수의 롤러들 사이를 연속섬유가 지나면서 넓게 펼쳐지는 것이다. 특히 도 5, 도 6 등에서와 같이 다수의 테이퍼롤(31), 다수의 곡면롤(32) 등이 서로 순차적으로 배치되어 이들 롤러들 사이를 연속섬유가 지나는 것이다. 테이퍼롤(31)을 지날 경우 연속섬유는 일측으로 밀리게 되고 곡면롤(32)을 지날 때에는 연속섬유가 양측으로 넓게 펼쳐지는 것으로, 도 6에서처럼 이들 롤러들을 지남으로써 연속섬유가 넓게 펼쳐진다.

다음으로 용융 수지가 담겨진 함침조로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 연속섬유함침단계(S03)를 수행한다.

이러한 연속섬유함침단계(S03)는 핀함침장치(40)에 의한 것으로, 용융 수지가 담겨진 함침조(41)로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 것이다.

이를 위한 상기 핀함침장치(40)는, 도 1 및 도 2에서와 같이 연속섬유가 지나면서 용융된 수지가 포함된 함침조(41), 그리고 함침조(41)로 용융된 수지를 유입시키는 압출기(42) 등이 마련된다. 따라서 함침조(41) 일측으로 연결된 압출기(42)를 통하여 용융 수지가 유입되고, 함침조(41)를 지나는 연속섬유는 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀(43) 사이를 지나는 것이다. 특히 함침조(41)에 용융 수지가 담겨지고 연속으로 지나는 연속섬유가 지그재그로 지나도록 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀(43)이 마련된다.

따라서 함침조(41) 내부에 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀(43) 사이로 연속섬유가 지나면서, 용융된 수지에 대한 함침작용이 더욱 잘 이루어지는 것이다.

이에 이러한 상기 연속섬유함침단계(S03)에 있어서 함침조(41)로 용융 수지를 유입시키는 압출기(42)에서는, 180℃ ~ 260℃의 온도를 유지하고 압출조건 L/D : 35 ~ 45로 이루어지는 것이다.

이처럼 함침조(41) 내의 지그재그로 배열된 다수의 함침핀(43) 등에 의해 연속섬유에 용융된 수지를 함침하여 복합소재를 이루고, 이후 복합소재를 가압하는 단계를 수행한다.

즉 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재의 상부와 하부에 각각 위치된 상측 및 하측의 더블 벨트프레스에 의해 연속으로 지나는 복합소재를 가압하는 더블벨트프레스단계(S04)를 수행한다.

이러한 더블벨트프레스단계(S04)는 더블벨트프레스(50)에 의하여 이루어지는 것이다. 이에 더블벨트프레스(50)는 도 1 및 도 3에서와 같이, 상하로 각각 엔드리스 벨트(endless belt)에 의해 그 사이의 연속으로 지나는 연속 복합소재를 상하로 가압하는 것이다.

이러한 상기 더블벨트프레스(50)는, 연속으로 지나는 복합소재의 상부에 위치된 상엔드리스벨트(53), 그리고 상엔드리스벨트(53)의 선단 방향과 후단 방향에 위치되어 상엔드리스벨트(53)가 회전되게 하는 선단상롤러(51) 및 후단상롤러(52)가 마련된다.

또한 연속으로 지나는 복합소재의 하부에 위치된 하엔드리스벨트(56), 그리고 하엔드리스벨트(56)의 선단 방향과 후단 방향에 위치되어 하엔드리스벨트(56)가 회전되게 하는 선단하롤러(54) 및 후단하롤러(55)가 마련된다.

이러한 더블벨트프레스(50)에 의한 더블벨트프레스단계(S04)는, 연속으로 지나는 복합소재의 진행방향에 대하여, 선단 방향과 후단 방향으로 복합소재의 상부의 선단상롤러(51) 및 후단상롤러(52)에 걸쳐 회전되는 상엔드리스벨트(53), 그리고 복합소재의 하부의 선단하롤러(54) 및 후단하롤러(55)에 걸쳐 회전되는 하엔드리스벨트(56) 등이 상하 측에서 작동하여, 상엔드리스벨트(53)와 하엔드리스벨트(56) 사이로 복합소재가 연속으로 지나면서 가압되는 것이다. 따라서 용융된 폴리유산(PLA) 수지에 대하여 연속으로 지나는 연속섬유에 대한 함침작용이 더욱 잘 이루어지는 것이다.

이후 도 1에서와 같이, 냉각장치(60)에 의하여 연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 냉각하는 복합소재냉각단계(S05)를 수행한다. 또한 당김장치(70)에 의하여 연속섬유가 소정 속도로 지나도록 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 당기는 연속복합소재당김단계(S06)를 수행한다. 그리고 감김장치(80)에 의하여 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 소정 속도로 감는 연속복합소재감김단계(S07)를 수행한다.

이처럼 연속섬유 및 용융된 폴리유산(PLA) 수지 등에 의한 함침 및 가압에 의하여 복합소재가 복합소재 제조장치(10) 및 복합소재의 제조방법에 의하여 제조되는 것이다.

따라서 상기에서와 같이 핀함침장치(40) 및 연속섬유함침단계(S03) 등에 의한 직접함침법, 그리고 더블벨트프레스(50) 및 더블벨트프레스단계(S04) 등을 이용한 복합소재 제조장치(10) 및 제조방법에 의하여 연속으로 공급되는 연속섬유에 용융된 폴리유산(PLA) 수지를 함침하여 연속 복합소재를 이루어지는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재가 제조된다.

이러한 연속섬유강화 폴리유산 복합소재에 이용되는 상기 폴리유산(PLA) 수지는 용융지수(MI)가 30 ~ 100으로 이루어지는 것이다.

또한 상기 연속섬유는 폭 4 ~ 20mm, 800 ~ 4800 tex 조건의 섬유다발로 이루어지는 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 복합소재 제조장치 및 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 직접함침법 및 더블벨트프레스장치를 이용한 연속섬유강화 폴리유산(PLA)의 열가소성 수지의 복합소재 제조방법 및 제조장치에 의하여, 용융 수지 내에 연속섬유로 강화된 연속 섬유 강화 열 가소성 복합소재를 제조하는 것이다. 이러한 연속섬유강화 폴리유산 열가소성 수지의 복합소재의 경우, 섬유의 길이 증가로, 보다 높은 물성 증가와 열 안정성 향상을 기대할 수 있다. 특히 생 분해성 수지인 폴리유산(PLA) 수지의 경우, 용융된 폴리유산 수지를 연속섬유에 직접 함침하는 직접 함침법을 이용하였다. 특히 직접함침을 위한 함침조(41) 내에 지그재그로 위치한 다수의 함침핀(43)을 구비함으로써, 섬유의 장력에 의한 수지의 함침을 유도한 것이다. 또한 압출기를 이용하여 수지를 연속적으로 공급하고 높은 공정속도에서 생 분해성 수지로 사용된 폴리유산(PLA) 수지의 압출조건과 수지 함침조의 온도를 제어하여 분당 10 m 이상의 높은 생산공정조건에서 최적 함침 조건을 형성한 것이다.

이처럼 본 발명에 따른 복합소재의 제조장치 및 제조방법에 있어서, 압출조건과 수지 함침조의 온도는 폴리유산의 높은 용융점도를 유지하고, 생산 시 열 분해가 일어나지 않도록 하여 공정속도와 제품의 품질을 향상시키는데 매우 중요한 요소를 이루게 된다.

또한 섬유의 투입 조건도 중요한 변수이기에, 수지 함침조에 섬유가 들어가기 전, 폭 4~20 mm, 800~4800tex 연속섬유를 투입하는 경우 고속 생산을 이룰 수 있었으며, 섬유의 파손을 최소화할 수 있는 실시 조건에 해당된다. 또한 더블벨트프레스를 수지 함침조 후방에 위치하여 보다 높은 생산속도에서 좋은 상품으로 가공할 수 있다.

이를 위한 함침조에서의 일실시 예시의 압출조건을 살펴보면 온도는 180~260 ℃를 이룸이 바람직하다. 이에 180℃ 이하일 경우, 수지점도가 과도하게 상승하여 함침이 어려울 수 있다. 또한 260℃ 이상일 경우 열분해에 의한 수지 물성이 저하될 우려가 있다. 기타 압출기 조건으로 L/D : 35 ~ 45, 생산 시 모터 RPM : 100 ~ 250 정도로 실시함이 바람직하다.

그리고 핀함침장치(40)에 있어서 함침조(41)는, 온도가 180~260℃를 형성함이 바람직하다. 이에 핀 함침조의 상판 온도는 180℃~ 240℃, 핀 함침조의 하판 온도는 180℃ ~ 260℃를 형성함이 바람직하다.

아울러 핀함침장치(40)에 구비된 함침핀(43)에 있어서의 조건을 보면, 핀 함침조(41) 내에 연속섬유가 지나는 경로중에, 지그재그 배치로 설치된 함침핀(43)을 마련한 것으로, 이러한 함침핀(43)은 대체로 직경이 10 - 50 mm 사이를 갖고, 2개 이상의 함침핀을 지그재그로 배치하여 섬유가 지그재그로 지나며 섬유에 수지가 함침되게 한다. 이에 함침핀은 대체로 원형봉형상, 원형 파이프 형상이나 실린더 형상을 갖는 등, 대체로 연속섬유가 접하는 부분이 둥근면을 형성함이 바람직하다.

이에 연속섬유는, 직접함침법을 이용한 수지함침을 수행하게 되며, 폴리유산(PLA, polylactic acid) 수지(resin)의 분당 10 m 이상의 섬유 당김 속도에서의 함침도 90% 이상의 좋은 품질의 프리프레그(prepreg)를 얻기 위해서 핀 함침조에 섬유가 들어가기 전, 폭 4~20mm, 800~4800 tex 조건의 섬유다발을 사용하는 것이 바람직하다.

이에 저tex(800tex미만)의 경우 섬유분산 및 함침성에는 유리하나, GF 파손에 의한 물성저하의 단점을 가지고 있다. 그리고 고tex(2400tex초과)의 경우 GF 파손에 의한 물성저하는 적으나, 섬유분산 및 함침성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

그리고 더블벨트프레스를 수지 함침과정의 후방에 위치하여 높은 생산속도에서 함침도와 섬유 파손을 줄일 수 있는 것이다.

따라서 섬유광폭화 장치가 핀 함침조 앞에 놓여 수지 함침도를 향상시키며, 함께 핀 함침조 후방에 더블벨트프레스를 설치하여 더 높은 가공 속도에서도 섬유에 장력이 발생하지 않도록 하여 섬유 파괴를 방지하면서 수지의 함침도를 높일 수 있는 것이다.

이에 도 1의 세부 장치들을 간략하게 설명하면, 섬유풀림장치(20, Unwinding device)는 보빈 상태로 있는 연속 섬유를 일정한 장력으로 풀어주는 장치이다.

그리고 섬유광폭화장치(30, Tow spreading device)는 다수의 기하학적 롤들을 지그재그로 배치하여 이들 롤들 사이를 지나는 연속 섬유의 폭을 넓게 펼치는 장치이다.

또한 핀함침장치(40)는 함침조(41, Pin Impregnation Die)에서 수지의 용융점 이상을 유지하는 것이며, 함침조 내에 다수의 함침핀을 지그재그로 배치하고, 압출기를 통해 용융된 열 가소성 수지인 폴리유산(PLA) 수지를 연속적으로 공급받아 연속섬유가 함침핀을 지그재그로 지나면서 수지와의 함침작용을 이루는 것이다.

그리고 더블벨트프레스(50, Double belt press)는 상하 한 쌍으로 배치된 엔드리스 벨트인 상엔드리스벨트(53), 하엔드리스벨트(56) 등을 마련한 것이다. 이러한 엔드리스 벨트는 열압착이 이루어지도록 설치되는 것으로, 이러한 장치에 의해 벨트 사이의 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 열압착하며, 섬유 진행 방향으로 장력을 추가시키지 않고 수지 함침을 유도할 수 있는 것이다.

아울러 냉각장치(60, Cooling Unit)는 함침된 연속 섬유 강화 PLA 복합소재를 물을 이용해 복합소재를 당기기 전에 냉각시켜주는 장치이고, 당김장치(70, Puller)는 상하 한 쌍의 롤 혹은 엔드리스 벨트를 이용해 연속 섬유 강화 PLA 복합소재를 일정한 속도로 당겨주는 장치이며, 감김장치(80, Winding device)는 완성된 테이프 형의 재료를 일정한 장력으로 감아주는 장치이다.

이러한 복합소재의 제조에 이용되는 폴리유산(PLA) 수지의 조건으로, Melt Index (MI) (용융지수) : 30~100 범위가 적당하다.

이러한 범위 외에서는 수지의 함침이 어렵거나 유리섬유 파손 등 tape 제조공정 시 어려움이 많고, 100 이상의 높은 MI 값을 갖는 수지의 경우, 함침은 잘 이루어지나 물성이 낮아지는 문제가 있다.

[실시예]

1. 폭이 6mm, 2400tex 조건인 다 수의 연속 섬유는 섬유풀림장치에 의해 일정한 장력으로 풀어졌다.

2. 다수의 연속 섬유는 섬유 광폭화 장치에 의해 광폭화되었다.

3. 광폭화 된 섬유에 수지를 핀 함침조에서 1차적으로 함침시켰다.

압출기에서 수지의 압출 조건은 200도로 유지하였으며, L/D는 40인 압출기를 사용하였으며, 생산 시 모터의 RPM은 200을 사용하였다.

핀 함침조 상판의 온도는 210도, 하판의 온도는 210도로 설정하였다.

사용된 PLA 수지의 용융지수 (Melt Index)는 40을 사용하였다.

4. 더블 벨트 프레스를 이용하여 2차 함침을 유도하였으며, 벨트의 온도는 200도로 설정하였다.

5. 함침된 연속 섬유 강화 PLA 복합소재는 수조에서 냉각된다.

6. 당김장치에 의해 분당 10m 의 일정한 속도로 설정되어 작동되었다.

7. 제조된 소재는 일정한 장력으로 감김장치에 감겨진다.

이상에서와 같은 제조 과정으로 제조된 연속섬유강화 폴리유산 복합소재는, 도 7의 인장강도특성, 도 8의 굽힘강도 특성, 도 9의 굽힘탄성률 특성을 갖는다.

이러한 특성 실험에 있어서, 인장강도(Tensile strength) : ASTM D 3039/D3039M, 굽힘강도(Flexural strength)/굽힘탄성률(Flexural Modulus) : ASTM D 790, 열변형온도(Heat deflection temperature(HDT) : ASTM D 648 등에 의한 것이다.

이러한 시험에 의하여 살펴보면 아래의 설명 및 도 7 내지 도 11 등에서와 같은 특성을 갖는 것이다.

도 7에서는 인장강도에 관한 것으로, 연속 유리섬유 강화 PLA 복합소재의 경우, PLA 수지와 장섬유 강화 PLA 복합소재와 비교하여, 높은 섬유체적분율을 가지며, 또한 높은 인장강도를 갖음을 확인한 것이다.

일방향으로 인장강도 평가시 약 560MPa(■로 표시됨)의 인장강도를 보였으며, 0도/90도로 교차적층한 복합소재의 경우 약 310MPa(▲로 표시됨)의 인장강도를 보였다.

도 8은 굽힘강도에관한 것으로, 일방향 적층한 연속 유리섬유 강화 PLA 복합소재는 PLA 수지보다 굽힘강도가 약 630MPa(■로 표시됨)로 6.6배 높게 나타났으며, 0도/90도로 교차적층한 복합소재의 경우 약 400MPa(▲로 표시됨)로 4.2배 높게 나타났다.

도 9는 굽힘탄성률의 경우에 대한 것으로, 일방향 적층한 연속 유리섬유 강화 PLA 복합소재는 PLA 수지보다 굽힘탄성률이 약 20GPa(■로 표시됨)로 5.6배 높게 나타났으며, 0도/90도로 교차적층한 복합소재의 경우 약 14GPa(▲로 표시됨)로 3.8배 높게 나타났다.

도 10은 열 변형 온도의 경우에 대한 것으로, 연속 유리섬유 강화 PLA 복합소재가 PLA 수지와 비교하여 약 118도 향상된 열변형 온도가 확인되었으며, 이는 장 유리섬유 강화 폴리프로필렌소재와 비교하여 약 5도 차이가 나는 정도로 확인되었다.

도 11은 테이프 형식으로 제작된 연속섬유 강화 PLA 복합소재에 대한 것으로, 높은 투명도를 확인할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.

10 : 복합소재 제조장치
20 : 섬유풀림장치 21 : 연속섬유권취롤러
30 : 섬유광폭화장치 40 : 핀함침장치
41 : 함침조 42 : 압출기
43 : 함침핀 50 : 더블벨트프레스
53 : 상엔드리스벨트 56 : 하엔드리스벨트
60 : 냉각장치 70 : 당김장치
80 : 감김장치

Claims

연속섬유를 공급하는 연속섬유공급단계;
공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 연속섬유광폭화단계;
용융 수지가 담겨진 함침조로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 연속섬유함침단계;
연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재의 상부와 하부에 각각 위치된 상측 및 하측의 더블 벨트프레스에 의해 연속으로 지나는 복합소재를 가압하는 더블벨트프레스단계;
연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 냉각하는 복합소재냉각단계;
연속섬유가 소정 속도로 지나도록 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 당기는 연속복합소재당김단계;
연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 소정 속도로 감는 연속복합소재감김단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 연속섬유함침단계는,
함침조 일측으로 연결된 압출기를 통하여 용융 수지가 유입되고,
함침조를 지나는 연속섬유는 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀 사이를 지나는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법.
제 2항에 있어서,
상기 연속섬유함침단계는,
함침조로 용융 수지를 유입시키는 압출기에서는, 180℃ ~ 260℃의 온도를 유지하고 압출조건 L/D : 35 ~ 45로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 더블벨트프레스단계는,
연속으로 지나는 복합소재의 진행방향에 대하여,
선단 방향과 후단 방향으로 복합소재의 상부의 선단상롤러 및 후단상롤러에 걸쳐 회전되는 상엔드리스벨트와, 복합소재의 하부의 선단하롤러 및 후단하롤러에 걸쳐 회전되는 하엔드리스벨트가 작동하여, 상엔드리스벨트와 하엔드리스벨트 사이로 복합소재가 연속으로 지나면서 가압되는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수지는 폴리유산(PLA) 수지이고,
용융지수(MI)는 30 ~ 100으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조방법.
연속섬유가 감겨진 연속섬유권취롤러로부터 연속섬유를 공급하는 섬유풀림장치;
연속 공급되는 연속섬유의 폭을 넓게 펼치는 섬유광폭화장치;
용융 수지가 담겨진 함침조로 넓게 펼쳐진 연속섬유가 지나면서 연속섬유에 수지를 함침하여 복합소재를 이루는 핀함침장치;
연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재의 상부와 하부에 각각 위치된 상측 및 하측의 더블 벨트프레스에 의해 연속으로 지나는 복합소재를 가압하는 더블벨트프레스;
연속으로 지나는 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 냉각하는 냉각장치;
연속섬유가 소정 속도로 지나도록 연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 당기는 당김장치;
연속섬유 및 수지를 포함한 복합소재를 소정 속도로 감는 감김장치;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
제 6항에 있어서,
상기 핀함침장치는,
연속섬유가 지나면서 용융된 수지가 포함된 함침조;
함침조로 용융된 수지를 유입시키는 압출기;
함침조에 용융 수지가 담겨지고 연속으로 지나는 연속섬유가 지그재그로 지나도록 지그재그 교차배열된 다수의 함침핀;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
제 6항에 있어서,
상기 함침조로 용융 수지를 유입시키는 압출기에서는, 180℃ ~ 260℃의 온도를 유지하고 압출조건 L/D : 35 ~ 45로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
제 6항에 있어서,
상기 더블벨트프레스는,
연속으로 지나는 복합소재의 상부에 위치된 상엔드리스벨트;
상엔드리스벨트의 선단 방향과 후단 방향에 위치되어 상엔드리스벨트가 회전되게 하는 선단상롤러 및 후단상롤러;
연속으로 지나는 복합소재의 하부에 위치된 하엔드리스벨트;
하엔드리스벨트의 선단 방향과 후단 방향에 위치되어 하엔드리스벨트가 회전되게 하는 선단하롤러 및 후단하롤러;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수지는 폴리유산(PLA) 수지이고,
용융지수(MI)는 30 ~ 100으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
연속으로 공급되는 연속섬유에 용융된 폴리유산(PLA) 수지를 함침하여 연속 복합소재를 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재.
제 11항에 있어서,
상기 폴리유산(PLA) 수지는 용융지수(MI)가 30 ~ 100으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재.
제 11항에 있어서,
상기 연속섬유는 폭 4 ~ 20mm, 800 ~ 4800 tex 조건의 섬유다발로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 폴리유산 복합소재.