복합 재료용 강화 텍스타일 구조체 {REINFORCING TEXTILE STRUCTURE FOR COMPOSITE MATERIALS}
본 발명은 직물 산업, 보다 구체적으로는 복합 재료용 보강재로서 사용되는 직물에 관한 것이다. 보다 구체적으로 그것은 폴리머 수지, 특히 열가소성 수지에 의해 함침되어지는 강화 층의 스택 (stack)에 의해 형성되는 복합체를 목표로 한다. 그것은 보다 구체적으로 그 층들 중 하나를 기계적인 강화 및 폐쇄형 몰드용 함침 수지의 배수 양자의 기능을 갖도록 하는 이러한 타입의 복합체의 구성에 관한 것이다.
일반적으로, 섬유 보강재에 기반한 복합 재료의 제조는 주입 기술 (infusion techniques)에 의해 수행될 수 있으며, 여기서 수지는 특정 지점에서 몰드 내로 도입되고, 흡입 지점을 향하여 섬유층의 내부 또는 주변으로 이동한다. 상기 주입 방법은 압력 차이, 수지의 점도, 및 투과성 (permeability)인 세 가지 기본적인 물리적 원리에 기초한다. 실제로, 투과성이 충분하지 않은 경우와 몰드 내의 압력이 일정한 경우에 텍스타일 구조체 (함침)를 통한 수지 이동이 발생할 수 없다. 보강재의 투과성은 유체, 이 경우, 수지가 통과할 수 있는 능력을 나타낸다. 미시적 규모에서, 그것은 미소 가공도 (microporosities)의 스트랜드 (섬유 어셈블리)로 연결되어 있다. 중시적 규모에서, 그것은 보강재 위브 (weave)를 형성하는 스트랜드를 분리하는 공간으로 연결되어 있다. 거시적 규모에서, 그것은 보강재 위브에 의해 결정된다. 상기 투과성은 m 2 로 표현된다. 주입 방법에서 사용되는 기존의 섬유의 로빙 타입 (능직, 캔버스, 표준 거즈...), 또는 비 권축 직물 (Non Crimp Fabrics: NCF)은 유리 (glass)에 대하여 10 -10 내지 10 -11 m 2 범위 내의 투과성을 갖는다. 이러한 투과성은 일반적으로 큰 크기를 갖는 부분의 적절한 충전을 보장하기에 일반적으로 충분하지 않다. 투과성을 개선하기 위해, 두 가지 타입의 주입이 일체식 구조를 위하여 사용될 수 있다. 외부 배수로의 주입이 따라서 수행될 수 있다. 이 경우, 수지는 예비-형성된 섬유의 스택 위에 위치한 고-투과성 배수 섬유를 사용하여 흐른다. 배수 레벨에 위치한 수지 유입구와 프리폼의 바닥에 위치한 벤트 (vent) 사이의 압력 차이는 우선 배수 섬유에서 이후에 건조 프리폼의 두께 전체에 걸쳐 수지의 주입을 야기한다. 외부 배수 섬유는 그 후에 필 플라이 (peel ply)를 사용하여 그 부분으로부터 제거된다. 이 방법의 주요 단점은 다량의 폐기물 (필 플라이, 외부 배수망) 및 소모성 품목의 설치를 위해 필요한 시간이다. 내부 배수를 갖는 주입 방법이 또한 알려져있다. 폐기물을 제한하기 위하여, 배수 섬유는 텍스타일 구조체 내에 위치된다. 그것은 프리폼을 통해 우수한 수지 흐름을 가능하게 하는 매우 다공질인 층이다. 그것은 일반적으로 실내에 체류하는 연속 필라멘트 매트 (Continuous Filaments Mat) 또는 합성망 (synthetic net)이다. 이러한 타입의 제품의 주요 단점은 최종 라미네이트 중의 수지 함량의 증가로 인해 기계적 특성에 영향을 미치는 것이다. 따라서, 본 출원인은 EP 0 395 548의 문서에서 비교적 얇고 물결 모양의 합성사로부터 형성된 기포층을 그들 사이에 가두는, 예를 들면 유리로 구성된 고-강력사로 거의 독점적으로 형성된 두 개의 강화 층의 스택으로 형성된 텍스타일 구조체를 개시하였다. 스택의 코어를 형성하는 중심층은 따라서 상대적으로 투명세공되었고 (open-worked), 두 개의 강화층 사이에 수지에 대한 통로를 제공하였는데, 이것은 수지를 훨씬 덜 투과하도록 하였다. 비록 그것은 상당한 장점을 가지고 있지만, 그러나 이 해결책은 외부 층들보다 훨씬 더 불량한 기계적 특성을 갖는 수지 축적 영역을 생성하는 단점을 가지고 있으며, 이것은 더욱이 코어를 형성하는 섬유 물질로 고-강력사가 형성되지 않았다. 주입하기 위한 대안적인 해결책이 문서 FR 2870861에서 본 출원인에 의해 제공되었다. 전자로부터 파생된 이 해결책은 코어로서 폴리에스테르 편물 (knitting)을 사용한다. 다른 해결책은 문서 EP 0 672 776에서 출원인에 의해 또한 제공되었다. 이 해결책에서, 섬유 가닥들은 고-번수(high-count) 및 고-강력사 (high-tenacity yarns)를 포함하는 단방향 구조로 형성되었다. 씨실이 날실 방향에 수직이 아닌 기울기를 가질 수 있도록 각각의 가닥들이 변형된다. 다수의 이러한 가닥들은 강화 실들의 상이한 기울기를 조합함으로써 조합되었다. 상기 어셈블리는 흐름이 용이하도록 코어 층을 삽입하지 않고 형성된다. 스택된 가닥들의 상이한 실들의 기울기는 수지가 유동하는 것을 가능하게 한다. 비록 이 해결책은 강화층을 제외한 섬유 재료들을 포함하지 않는 장점을 갖지만, 그것은 날실 방향에서 수지에 대하여 비교적 낮은 투과성인 단점을 갖는다. 따라서, 절충 (compromise)은 얻어진 복합 재료의 기계적 성능과 수지 유동 속도 사이에서 이루어져야 한다는 것을 이해해야만 한다.
따라서, 본 발명은 얻어진 복합 재료에 대한 높은 기계적 성능과 결합된 주입 공정 동안 용이한 함침을 위한 수지에 대한 우수한 경도 투과성 (longitudinal permeability) 양자를 갖는 해결책을 제공하고자 한다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명은 폴리머 수지에 의한 함침을 위하여 텍스타일 층의 스택으로 형성된 텍스타일 복합체에 포함되어지는 중간층을 형성하도록 하는, 복합 재료용 텍스타일 강화 구조체에 관한 것이다. 상기 중간층은 하기를 포함하는 것을 특징으로 한다: ● 씨실 (weft yarns)의 어셈블리; 및 ● 쌍으로 조합된 날실 (warp yarns)의 어셈블리로, 각각의 쌍은 상이한 타입의 두 가닥의 실 (yarns)을 포함하며, 이들 중 적어도 하나는 고-강력사를 기반으로 하고, 동일한 쌍의 두 가닥의 실은 레노 위브 (leno weave) 내의 씨실과 함께 직조된다. 다시 말해서, 본 발명은 고-강력사로 구성되는 사실로 인해, 우수한 기계적 특성을 갖는 중간층을 형성하는 것을 포함하고, 이것은 날실 및/또는 씨실 방향을 따라서 수지에 대하여 우수한 투과성을 갖는다. 따라서, 이 층은 "구조적 내부 배수"로서 사용되고, 따라서 표준 보강재와 유사한 합성 내부 배수의 투과성 및 기계적 특성의 관점에서 장점들을 조합한다. 실제로, 상이한 특성의 두 가닥의 실을 갖는 레노 구성은, 이들 실 즉, 고-강력사의 일부가, 제한된 크림프(crimp)를 갖거나 심지어 크림프가 없도록, 그리고 수지가 용이하게 흐를 수 있는 채널을 함께 정의하도록 야기한다. 상기 채널은 즉, 고-강력사인 날실의 일부로서 그만큼 더욱더 정의되고, 모든 것은 씨실 플라이의 동일한 측면에 있다. 단지 제2 타입의 날실만이 메인사 (main yarns)을 함께 잡고 있다. 두 가지 타입의 날실 사이의 장력 차이가 현저하기 때문에, 고-강력 날실의 낮은 크림프는 더욱더 중요하다. 그것은 또한 두 가지 타입의 실들 사이의 번수 차이의 보다 적은 기능 (function)이다. 가장 낮은 번수를 갖는 실이 가장 큰 크림프를 지원하도록, 이는 실제로 두 가지 타입의 날실에 대하여 장력 차이를 갖는 작업을 가능하게 한다. 실제로, 씨실 중의 또한 고 강력사를 사용함으로써 배수 층의 강화 특성을 현재 조절할 수 있고, 따라서 날실과 씨실 방향 모두에서 양방향 강화를 제공한다. 그러나 특정 적용에서, 날실 방향에서 고-강력사를 사용하는 것만이 유용할 수 있다. 날실에 대하여, 즉, 가장 낮은 번수를 갖는 제2 타입의 실들은 상이한 특성일 수 있고, 즉, 유기 합성사 또는 고-강력사 중 어느 하나는 메인사와 유사하다. 후자의 경우에, 전체 특성 층은 따라서 고-강력사로 형성될 수 있는데, 비록 제2 타입의 실이 제품의 기계적 내성에 관여하지는 않지만, 이것은 특정 호환성 또는 내열성에 대한 이점을 가질 수 있다. 이러한 층의 구조체로 인하여, 날실 및 씨실 방향에서 기계적 강화 특성은 씨실 및 날실의 단위 면적 당 질량을 선택하는 것에 따라서 매우 미세하게 조정될 수 있다. 씨실의 단위 면적 당 질량이 날실의 단위 면적 당 질량과 실질적으로 동일한 경우, 강화는 실질적으로 균형을 이룬다. 이는 날실 방향 뿐만 아니라 씨실 방향에서도 채널을 형성하도록 하는데, 이것은 양 방향에서 상당한 투과성을 제공한다. 그러나 즉, 날실 방향인 단방향에서 증가된 투과성이 필요한 경우, 더 낮은 번수의 씨실이 사용될 수 있다. 즉, 제2 타입의 날실인 결합하는 실의 영향은, 제1 타입의 날실의 단위 면적 당 질량이 제2 타입의 날실의 그것보다 8배 초과만큼 더 크거나 또는 적어도 3배 내지 4배인 것만큼, 모두 더 작을 수 있다. 수지 유동 용량 (resin flow capacity)은 메인사들 사이에 정의된 채널의 폭에 따라 조절될 수 있다. 따라서, 첫번째 경우에, 그것은 실의 폭의 크기의 순서로 실들 사이의 채널에 대하여 제공될 수 있다. 따라서, 날실 (및 씨실) 사이의 간격은 이들 실 중 하나의 폭의 2배 내지 3배 일 수 있다. 예를 들면 실의 4배의 폭보다 큰 실들 사이의 간격을 제공함으로써 더 큰 폭의 채널을 공급하는 것이 또한 가능하다. 실제로, 가장 높은 번수 (highest count)의 날실들 사이의 채널의 크기는 날실 방향에서 우수한 투과성을 위하여 바람직하게는 0.5 내지 3 mm의 범위 일 수 있다. 실제로, 0.5 mm 미만이면, 간격은 수지가 통과하기에 충분하지 않고, 3 mm 초과이면, 진공이 생성되는 경우, 보강재의 인터로킹 (interlocking) 현상을 관찰할 수 있다. 따라서 이것은 배수 섬유의 양측에 배치된 텍스타일 구조체에 진공을 적용함으로써 채널을 막을 수 있고 제품의 투과도 저하를 유발함이 관찰될 수 있다. 유동 용량을 증가시킬 수 있도록, 중간층은 하나 또는 복수의 추가층으로 조합될 수 있다. 바람직하게는, 상기 추가층은 복합체의 강화층의 그것과 동일한 조성을 갖는 고-강력사로부터 형성된다. 그것은 예를 들어 베일 (veil), 또는 유리 섬유의 매트일 수 있고, 이것은 그 자체의 부피로 몰딩 동안에 수지의 유동을 용이하게 하고, 합성 재료의 첨가 없이 특징적인 중간층의 배수 효과를 향상시킨다. 유리 매트의 사용은 구조적 배수층의 보강재 실들의 방향에 의해 유도된 이방성 (anisotropy)을 약화시킴으로써, 복합체의 등방성을 또한 향상시킨다. 중간층의 표면 중 일측 상에 추가층을 추가하거나, 또는 중간층의 각각의 표면의 일측 상에 동일하거나 상이한 조성을 갖는 하나의 추가층으로부터 다른 하나의 추가층까지 두 개의 추가층을 추가하는 것이 가능하다. 물론, 필요한 경우 이러한 추가층 자체는 기본 (elementary) 층의 스택으로 형성될 수 있다. 이러한 중간층은 높은 기계적 특성과 조합하여, 적어도 일 방향에서 현저한 투과적 특성을 갖는다. 따라서, 그것은 필요에 따라 다수의 강화층으로 적층 (lamination)에 의해 조합될 수 있다. 다수의 강화층의 스택에서, 그것은 강화층을 대체할 수 있고, 따라서 높은 기계적 성능 수준을 유지하면서도 배수 효과를 얻는다. 적층은 하나 또는 다수의 오버레이 (overlays)를 갖는 가능한 어셈블리에 의해 통상적으로 봉제 (sewing), 글루잉 (gluing) 또는 니들펀칭(needlepunching)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명을 구현하는 방식 뿐만 아니라 얻어진 이점은 첨부된 도면과 관련된 하기의 실시 형태의 설명으로부터 잘 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 복합체의 중간 배수 층을 형성하는 텍스타일 구조체의 평면도이다.
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 평면 II-II' 및 III-III'에 따른 단면도들이다.
도 4는 도 1의 중간층을 포함하는 본 발명에 따른 복합체의 단면도이다.
일반적으로, 도 1에서 도시된 것과 같은 배수 및 구조 중간층은 씨실 2 및 날실 3, 4 를 포함한다. 씨실 2 는 서로 평행하게 배열되고 크림프를 거의 갖지 않는다. 날실 3, 4 는 쌍으로 조합된다. 직조는 한편으로는 두 가닥의 날실 4 및 3 과 다른 한편으로는 씨실 2 사이의 레노 위브 (leno weave)를 사용함으로써 수행된다. 두 가닥의 날실 3 , 4 은 프레임 주위에 인터로킹된다. 두 가닥의 날실 사이의 장력 차이 및 그들의 번수 차이로 인하여, 씨실 2 의 플라이 (ply) 상의 제1 타입 나머지의 날실 3 인 구성을 얻었다. 제2 타입의 각각의 날실 4 는 따라서 씨실 2 의 아래로 그리고 날실 3 의 위로, 그것과 함께 조합된 메인 날실 (main warp yarn) 3 의 일 측면 및 다른 측면 상으로 교대로 통과하였다. 따라서, 도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 메인 날실 3 은 씨실 2 의 플라이의 동일 측면에 모두 배열되어 있고, 즉, 가장 낮은 번수인 제2 타입의 날실 4 는 상당한 크림프를 갖는 구조의 일 측면에서 다른 측면을 연결한다. 물론, 도면에 도시된 상이한 실들의 비율은 단지 예로서 주어진 것이고, 각종 실들은 이러한 표현으로부터 실제로 상이할 수 있다. 날실 방향 및 씨실 방향에서 길이 단위 당 실의 개수를 변경하고, 미래 보강재의 기계적 특성 뿐만 아니라 수지 유동 용량을 조절하는 것이 추가로 가능하다. 상이한 실현 가능한 실시 형태가 따라서 형성되었다. 실시예 1 ● 씨실 2 : 1,200-텍스 글라스 얀 (glass yarn), 468-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제1 타입의 날실 3 : 1,200-텍스 글라스 얀, 438-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제2 타입의 날실 4 : 28-텍스 폴리에스테르 얀 (polyester yarn), 16-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 씨실 사이의 1-mm의 간격 ● 날실 사이의 간격: 두 가닥의 실이 4 mm로 분리되고 이후 네 가닥의 실이 0.5 내지 0.7 mm로 분리된 반복된 패턴. 실시예 2 ● 씨실 2 : 600-텍스 글라스 얀, 240-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제1 타입의 날실 3 : 600-텍스 글라스 얀, 240-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제2 타입의 날실 4 : 28-텍스 폴리에스테르 얀, 20-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 씨실 사이의 간격: 1.5 mm (대략) ● 날실 사이의 간격: 1.5 mm (대략) 실시예 3 ● 씨실 2 : 600-텍스 글라스 얀, 276-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제1 타입의 날실 3 : 1,200-텍스 글라스 얀, 280-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제2 타입의 날실 4 : 28-텍스 폴리에스테르 얀, 8-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; 이 실시예에서, 씨실 글라스 얀 2 이 더 가늘지만, 씨실의 폭에 상당하는 대략 1 밀리미터의 간격을 형성하도록 보다 작은 피치 (pitch)로 배열된다. 실시예 4 ● 씨실 2 : 600-텍스 글라스 얀, 276-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제1 타입의 날실 3 : 600-텍스 글라스 얀, 240-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐; ● 제2 타입의 씨실 4 : 28-텍스 폴리에스테르 얀, 18-g/m 2 단위 면적 당 질량을 가짐. ● 씨실 사이의 간격: 1 mm ● 날실 사이의 간격: 1.5 mm 이들 상이한 실시예들의 특성은, 500-g/m 2 유리 섬유로 형성된 두 개의 레퍼런스 강화층, 및 110-g/m 2 일반 중량을 갖는 110-데시텍스 (dtex) 폴리에스테르 얀을 기반으로 하여 세로 짜기 (warp knitting)로 형성된 레퍼런스 배수 코어 (reference draining core)를 포함하는, 특허 FR 2870861의 교시에 따라 구성된, 레퍼런스 복합체 (reference complex)와 비교하여 측정되었다. 이들 4개의 실시예의 성능은 하기 표로 요약될 수 있다: 투과성은 연결된 네트워크를 통한 유체의 이동을 허용하는 재료의 능력을 표시하는 물리적 특성이다. 달시의 법칙 (Darcy's law)은 가로지르는 (crossed) 매질의 특징적인 파라미터인, 즉, 투과성 k로 인하여 유체에 적용되는 압력 구배 (pressure gradient)로 유량을 연결할 수 있다. 달시의 법칙은 다음과 같이 표현될 수 있다: 여기서: - k는 투과성이고 (m 2 으로), - Q는 시험편을 통한 유량이고 (m 3 /s 으로), - S는 시험편의 단면적이고 (m 2 으로), - η 은 유체의 점성 계수이고 (Pa.s 로) - ΔP는 시험편의 말단들 사이에서 측정된 압력 강하이고 (Pa 로) - 그리고 ΔL는 시험편의 길이이다. 투과성은 3개의 축을 따라 측정할 수 있다. 투과성은 날실 방향을 따라 보강재의 면에서 측정된 투과성에 상응하는 상기 표를 나타낸다. 이러한 특징적인 층의 배수 특성은 복합 부품을 제조하도록 사용되는 복합체에서 나타날 수 있다. 이러한 복합체들은 그들의 기계적 특성에 대하여 선택된 다수의 강화층을 포함한다. 따라서, 개략적으로 도 4에서 도시한 바와 같이, 배수층 1 은 날실 20 및 씨실 21 로 직조되고, 최종 복합 부품이 요구하는 일반적인 기계적 특성에 따라 결정된 개수와 방향을 갖는 것에 의해 형성된 다수의 강화층 11-16 의 스택 내에 통합될 수 있다. 본 발명에 따른 강화 구조는 우수한 투과성을 갖는 구조적 강화 특성과 결합할 수 있도록 하고, 따라서 배수 구조의 강화를 제공하는 것을 전술한 것으로부터 나타낸다. |
