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KR20240119482A - 탄소섬유 컨베이어 벨트 - Google Patents

탄소섬유 컨베이어 벨트 Download PDF

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KR20240119482A
KR20240119482A KR1020230011584A KR20230011584A KR20240119482A KR 20240119482 A KR20240119482 A KR 20240119482A KR 1020230011584 A KR1020230011584 A KR 1020230011584A KR 20230011584 A KR20230011584 A KR 20230011584A KR 20240119482 A KR20240119482 A KR 20240119482A
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KR
South Korea
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carbon fiber
carbon
fiber sheet
conveyor belt
unidirectional
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KR1020230011584A
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김재복
김수아
김연희
김대훈
김대영
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주식회사 덕진신소재
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Abstract

본 발명은 “(주)덕진신소재 발전전략체계 구축 및 사업 확장 컨설팅“의 연구결과로 창안된 것으로서, 탄소섬유들이 길이 방향으로 배열된 일방향 탄소섬유시트(unidirectional carbon fabric)와, 상기 일방향 탄소섬유시트의 상면과 하면에 결합된 접착고무로 구성된 탄소 코어를 구비한다. 따라서 탄소섬유의 높은 탄성계수로 인해 컨베이어 벨트의 낮은 신율 확보가 가능할 뿐만 아니라 경량화도 가능하다. 또한 일방향 탄소섬유시트를 사용함으로써 길이 방향의 인장이 주응력으로 작용하는 컨베이어 벨트에 있어서 더 높은 물성치를 확보할 수 있다.

Description

탄소섬유 컨베이어 벨트{Carbon fiber conveyor belt}
본 발명은 탄소섬유 컨베이어 벨트에 관한 것이다.
컨베이어 벨트는 운반 및 물류 시스템에서 다양하게 사용되고 있다. 특히 발전소, 석산, 광산 등에서 취급하는 중량물을 운반하는 데 사용되는 컨베이어 벨트의 경우에는 강한 인장력과 내구성이 요구되기 때문에 스틸 코드(steel cord)를 보강재로 사용한 스틸 코드 컨베이어 벨트가 주로 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스틸 코드 컨베이어 벨트는 탄소강으로 이루어진 스틸 코드(41) 주위를 접착고무(42)들이 감싸고 있는 스틸 코어(40)가 상부 커버고무(20)와 하부 커버고무(30) 사이에 개재된 구조로 형성된다.
그런데 기존의 스틸 코드 컨베이어 벨트는 높은 무게 및 스틸 코드(41)와 접착고무(42) 간의 접착이 약하여 섬유 뽑힘 등이 발생하는 단점이 있다. 이에 대한 대응으로 나일론이나 폴리에스터를 활용한 컨베이어 벨트가 시제품으로 존재하나 신율(Elongation )이 높은 단점이 있다.
또한 일반적으로 컨베이어 벨트는 생산 시 롤 형태로 연속 생산되나 컨베이어에 장착하기 위해서는 절단, 장비 장착 후 다시 접착하여 사용되는데, 스틸 코드 컨베이어 벨트는 이러한 과정이 매우 복잡한 단점이 있다.
한국등록실용신안(20-0202844)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 탄소섬유 컨베이어 벨트를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄소섬유 컨베이어 벨트는,
탄소섬유들이 길이 방향으로 배열된 일방향 탄소섬유시트(unidirectional carbon fabric)와, 상기 일방향 탄소섬유시트의 상면과 하면에 결합된 접착고무로 구성된 탄소 코어;
상기 탄소 코어의 상면에 결합되는 상부 커버고무; 및
상기 탄소 코어의 하면에 결합되는 하부 커버고무를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 “(주)덕진신소재 발전전략체계 구축 및 사업 확장 컨설팅“의 연구결과로 창안된 것으로서, 탄소섬유들이 길이 방향으로 배열된 일방향 탄소섬유시트(unidirectional carbon fabric)와, 상기 일방향 탄소섬유시트의 상면과 하면에 결합된 접착고무로 구성된 탄소 코어를 구비한다. 따라서 탄소섬유의 높은 탄성계수로 인해 컨베이어 벨트의 낮은 신율 확보가 가능할 뿐만 아니라 경량화도 가능하다. 또한 일방향 탄소섬유시트를 사용함으로써 길이 방향의 인장이 주응력으로 작용하는 컨베이어 벨트에 있어서 더 높은 물성치를 확보할 수 있다.
본 발명은 복수 개의 단위 일방향 탄소섬유시트와 접착고무를 적층하여 목표 성능의 탄소 코어를 구현한다. 이로 인해, 각 플라이(ply) 별로 계단(stepped) 형상으로 절단할 수 있어 컨베이어 벨트의 장착 및 수리 시 계단 방식 접합을 시행하는데 용이하다. 또한 단위 일방향 탄소섬유시트와 접착고무의 적층 개수에 따라 탄소 코어의 두께와 강도를 자유롭게 조절할 수 있어 컨베이어 벨트의 주문 제작이 용이해진다.
도 1은 기존 스틸 코드 컨베이어 벨트를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소섬유 컨베이어 벨트를 나타낸 도면이다.
도 3은 탄소섬유시트를 나타낸 도면으로, (a)는 능직 탄소섬유시트, (b)는 평직 탄소섬유시트, (c)는 스티칭된 일방향 탄소섬유를 나타낸다.
도 4는 드래프팅이 발생한 능직 탄소섬유시트를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소섬유 컨베이어 벨트의 탄소 코어를 나타낸 도면이다.
도 6은 RVE(representative volume element) 모델을 나타낸 도면이다.
도 7은 탄소 코어의 부피율(Vf)에 따른 강도를 나타낸 그래프다.
도 8은 탄소 코어의 부피율(Vf)에 따른 강성을 나타낸 그래프다.
도 9는 탄소 코어의 부피율(Vf)에 따른 두께를 나타낸 그래프다.
도 10은 탄소 코어의 부피율(Vf)에 따른 밀도를 나타낸 그래프다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소섬유 컨베이어 벨트를 자세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소섬유 컨베이어 벨트는 탄소 코어(10), 상부 커버고무(20), 하부 커버고무(30)로 구성된다.
[탄소 코어(10)]
탄소 코어(10)는 상부 커버고무(20)와 하부 커버고무(30) 사이에 개재된다.
탄소 코어(10)는 탄소섬유들이 길이 방향으로 배열된 일방향 탄소섬유시트(unidirectional carbon fabric)(11)와, 일방향 탄소섬유시트(11)를 둘러싼 접착고무(12)로 구성된다. 일방향 탄소섬유시트(11)는 보강재로 기능하며, 접착고무(12)는 일방향 탄소섬유시트(11)를 상부 커버고무(20)와 하부 커버고무(30)에 결합시킨다. 접착고무(12)는 점성이 낮은 2형 고무 접착제가 경화되어 형성된다. 1형 고무 접착제는 점성이 높아 일방향 탄소섬유시트(11)로 함침성이 좋지 않기 때문이다.
한편, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 탄소 코어(10)의 보강재로 탄소섬유를 능직으로 직조한 능직 탄소섬유시트, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 탄소섬유를 평직으로 직조한 평직 탄소섬유시트, 도 3(c)에 도시된 바와 같이 스팅칭된 일방향 탄소섬유시트(11)를 사용할 수 있다.
능직 탄소섬유시트
그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 탄소 코어(10)의 보강재로 능직 탄소섬유시트를 사용할 경우, 상부 커버고무(20), 탄소 코어(10), 하부 커버고무(30)를 적층한 후 열판프레스로 압축하여 경화 시, 고무의 눌림으로 인해 탄소섬유시트의 드래프팅(drafting)이 심하게 발생한다. 따라서, 능직 탄소섬유시트는 탄소 코어(10)의 보강재로 사용하기에 한계가 있다.
평직 탄소섬유시트, 일방향 탄소섬유시트
한편, 평직 탄소섬유시트는 능직 탄소섬유시트에 비해 드래프팅에 높은 저항성을 있으므로, 탄소 코어(10)의 보강재로 사용할 수 있으나, 컨베이어 벨트는 길이 방향 인장이 주응력이기 때문에, 일방향 탄소섬유시트(11)를 탄소 코어(10)의 보강재로 적용 시 더 높은 기계적 물성치를 확보할 수 있다. 따라서 평직 탄소섬유시트보다는 일방향 탄소섬유시트(11)를 탄소 코어(10)의 보강재로 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 일방향 탄소섬유시트(11)를 구성하는 일방향 탄소섬유들은 드래프팅 되지 않도록 바느질 실에 의해 서로 스티칭(stitching)되어 있다. 제1실시예에서 일방향 탄소섬유시트(11)는 1장이며, 탄소 코어(10)가 목표 인장 성능에 부합하도록, 설정된 개수(3K,5K,8K,12K,15K 등)의 일방향 탄소섬유들로 구성된다.
[상부 커버고무(20), 하부 커버고무(30)]
상부 커버고무(20)는 탄소 코어(10)의 상면에 접착고무(12)에 의해 결합된다. 하부 커버고무(30)는 탄소 코어(10)의 하면에 접착고무(12)에 의해 결합된다. 상부 커버고무(20)와 하부 커버고무(30)의 두께는 이송해야 할 제품에 따라 다르게 형성된다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소섬유 컨베이어 벨트를 자세히 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 탄소섬유 컨베이어 벨트는 탄소 코어(10)의 구성에 있어서 제1실시예와 차이가 있다. 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다. 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 적용한다.
[탄소 코어(10)]
도 5에 도시된 바와 같이, 제2실시예에서는 탄소 코어(10)의 일방향 탄소섬유시트가 복수 개의 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)들로 구성된다.
제1실시예에서는 탄소 코어(10)가 15K 탄소섬유로 형성된 한 장의 일방향 탄소섬유시트(11)로 이루어진다면, 제2실시예에서는 탄소 코어(10)가 3K 탄소섬유로 형성된 단위 일방향 탄소섬유시트(11a) 5장으로 이루어지거나 5K 탄소섬유로 형성된 단위 일방향 탄소섬유시트(11a) 3장으로 이루어진다. 따라서, 보다 다양하게 두께 및 강도 조절이 가능하다.
단위 일방향 탄소섬유시트(11a)는 제1실시예의 일방향 탄소섬유시트(11)와 마찬가지로 탄소섬유들이 길이 방향으로 배열되며, 탄소섬유들은 바느질실로 서로 스티칭된다.
제2실시예에서는 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)의 상면과 하면에 접착고무(12)를 적층한 후 압축 및 가열된 단위 적층체(lamina)를 우선 만든다. 그런 다음, 단위 적층체들을 쌓아 탄소섬유 컨베이어 벨트를 제작한다.
그 이유는 다음과 같다.
단위 일방향 탄소섬유시트(11a) 상면에 2형 고무 접착제를 바르고, 그 2형 고무 접착제 위에 다른 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)를 쌓고, 이를 반복한 후 한꺼번에 가압하여 탄소섬유 컨베이어 벨트를 제작하는 핸드 레이업(hand lay-up) 방식은, 가압시 2형 고무 접착제가 적층된 단위 일방향 탄소섬유시트(11a) 사이로 쉽게 빠져나와, 2형 고무 접착제가 경화되어 만들어지는 접착고무(12)의 두께가 얇아지게 된다. 이렇게 접착고무(12)의 두께가 얇아질 경우, 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)들과 접착고무(12)의 층간 결합이 낮아 층간 분리가 쉽게 발생하거나, 층간 분리가 발생하지 않더라도 충분한 층간 결합 강도가 확보되지 않는다. 왜냐하면 접착고무(12)의 두께가 두꺼울수록 높은 층간 결합 강도를 가지는데, 핸드 레이업(hand lay-up) 방식의 경우 층 사이의 거리가 좁아 층간 결합 강도가 낮아지기 때문이다.
제2실시예는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)의 상면에 2형 고무 접착제를 발라, 2형 고무 접착제가 충분히 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)로 함침되고 경화되어 형성된 접착고무(12)와, 단위 일방향 탄소섬유시트(11a)로 구성된 단위 적층체를 먼저 만든다.
이렇게 만든 단위 적층제들을 설정된 컨베이어 벨트 두께가 되게 쌓고 가압하면, 단위 적층제들이 접촉하는 면에서만 접착고무(12)가 살짝 용융되어, 그 용융된 접착고무(12)에 의해 단위 적층제들이 결합된다. 이 경우, 접착고무(12)가 외부로 거의 빠져나가지 않아, 접착고무(12)의 두께는 거의 변하지 않게 된다. 결국 적층된 단위 적층제들로 구성된 탄소섬유 컨베이어 벨트에서 접착고무(12) 두께는 설정된 두께와 거의 동일하여, 층간 결합 강도는 그대로 유지된다.
비교예
일반적으로 스틸 코드 컨베이어 벨트의 규격은 ST - XXXX 로 이루어져 있으며, 뒤 숫자는 벨트의 단위 길이당 인장력(N/mm)을 나타낸다.
ST 2500의 경우, 코드의 직경은 6.8mm, 코드의 간격은 15mm, 코드의 구조는 7x19 이며, 스틸 코드의 단위 면적당 인장력은 367.6MPa로 계산된다.
탄소강의 부피와 고무의 부피를 고려 시 도출되는 스틸 코드로 구성된 스틸 코어의 밀도는 아래 표와 같다.
고무 탄소강 스틸 코어
밀도(g/cm3) 1.3 8 3.69
<스틸 코어의 밀도>
실험예
스티칭된 일방향 탄소섬유시트를 보강재로 사용한 탄소섬유 컨베이어 벨트의 기계적 물성치 예측을 위해 상용 프로그램 Digimat을 활용하여 Multi scale Modeling 해석을 진행하였다.
물성치의 획득 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, Micro 및 Meso 모델링을 통해 대표 단위군인 RVE(representative volume element) 모사하며 구조 해석 후 획득하였으며, 대표 부피율(Volume fraction, Vf)은 60% 선정하였으며, 해석에 적용된 탄소섬유 및 고무의 물성치는 아래 표 2, 표 3과 같다.
<탄소섬유의 물성치>
<고무의 물성치>
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 해석을 통해 획득된 부피율(Vf) 60%일 때 탄소 코어의 극한 인장 강도(Ultimate tensile Strength)는 2491.1MPa, 강성(Stiffness)은 138,397MPa이며, 이때 적층체의 두께는 0.2mm며, 이는 건조 섬유(Dry fabric) 두께에 근접한다.
초탄성체인 고무의 두께가 두꺼울수록 전단강도(strength)가 증가하는 영향을 보인다. 일반적인 고무의 접합을 위해서는 50μｍ 이상의 접착제 두께가 권장된다. 이후 접합을 위해서는 탄소 코어를 계단(stepped) 형상으로 절단을 해야 접착이 용이하기 때문에 각 플라이(ply) 별로 일정 이상 두께가 필요하며 부피율(Vf)에 따른 두께는 도 9에 도시된 바와 같다. 탄소섬유의 밀도는 1.7g/cm3 이며, 이때 부피율(Vf)에 따른 탄소 코어의 밀도는 도 10에 도시된 바와 같다. 최종 탄소 코어의 물성치는 아래 표 4와 같다.
1Ply 두께
(mm)		 부피율(Vf) 인장 강도
(MPa)		 밀도
(g/cm3)
1.35 0.092 381.2 1.363
<최종 탄소 코어의 물성치>
성능 분석결과
기존 ST 2500과 동일한 인장력을 가지기 위해서 탄소 코어의 두께는 6.56mm이고, 이때의 탄소 코어의 플라이 수는 5이다. 기존 스틸 코드 컨베이어 벨트 ST 2500와 탄소섬유 컨베이어 벨트의 성능비교는 아래 표 5와 같다.
ST 2500 탄소섬유 컨베이어 벨트 비교
인장력(N/mm) 2500 2573.1 103%
코어 두께 6.8 6.75 99.3%
무게
(100mmX100mm 기준)		 250.92 92 37%
<스틸 코어와 탄소 코어 비교>
10: 탄소 코어
20: 상부 커버고무
30: 하부 커버고무
40: 스틸 코어

Claims (5)

  1. 탄소섬유들이 길이 방향으로 배열된 일방향 탄소섬유시트(unidirectional carbon fabric)와, 상기 일방향 탄소섬유시트의 상면과 하면에 결합된 접착고무로 구성된 탄소 코어;
    상기 탄소 코어의 상면에 결합되는 상부 커버고무; 및
    상기 탄소 코어의 하면에 결합되는 하부 커버고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 컨베이어 벨트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일방향 탄소섬유시트는 상기 탄소섬유들이 바느질 실에 의해 서로 스티칭되어(stitching) 있는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 컨베이어 벨트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 코어는 한 장의 일방향 탄소섬유시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 컨베이어 벨트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일방향 탄소섬유시트는 복수 개의 단위 일방향 탄소섬유시트들로 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 컨베이어 벨트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단위 일방향 탄소섬유시트는 상면과 하면에 접착고무를 적층한 후 압축 및 가열한 적층체(lamina)로 성형된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 컨베이어 벨트.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200202844Y1 (ko) 2000-05-31 2000-11-15 송인혁 스틸코드 컨베이어 벨트

Patent Citations (1)

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