기술 지원 | 핸드 레이업 유리섬유 성형 공정 상세 설명

                                           

I. 젤 코트의 분사 및 도포

FRP(Fiber Reinforced Plastic, 섬유 강화 플라스틱) 제품의 표면 상태를 개선시키고 미관을 향상시켜 제품의 가치를 높이고, 내부 FRP 층을 침식으로부터 보호하며 제품의 수명을 연장시키기 위해 일반적으로 색소 페이스트와 혼합된 고수지 함량의 젤 층을 제품의 작업 표면에 형성합니다. 이 층은 순수 수지로만 구성되거나 표면 매트로 보강될 수 있으며, 젤 코트 층(표면 층 또는 장식 층이라고도 함)이라고 불립니다. 젤 코트 층의 질은 제품의 외관 품질과 내후성, 내수성, 내화학성 매질 침식 저항성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 젤 코트 층을 분사하거나 도포할 때 다음 사항들을 주의 깊게 고려해야 합니다:

(1) 젤코트 수지를 준비할 때는 색소 페이스트를 사용할 경우 특히 철저하게 혼합해야 합니다. 혼합이 고르지 않으면 제품 표면에 반점과 줄무늬가 생기는데, 이는 외관에 영향을 줄 뿐만 아니라 물성까지 저하시키게 됩니다. 따라서 가능하면 기계적 교반기를 사용하는 것이 좋으며, 와류를 생성하지 않는 교반기 사용이 더욱 이상적입니다. 이는 공기가 혼입되는 것을 방지하기 위함입니다.

(2) 젤코트는 붓이나 전용 스프레이 총을 사용하여 도포할 수 있습니다. 스프레이 작업 중에는 수지의 점도 조절과 스프레이 과정에서 휘발되는 스티렌을 보상하기 위해 5-7%의 스티렌을 첨가해야 합니다.

(3) 젤코트 층의 두께는 정확하게 0.3-0.5mm 사이로 관리해야 하며, 일반적으로 단위 면적당 사용되는 젤코트의 중량으로 두께를 관리합니다. 즉, 젤코트의 사용량을 350-550g/㎡로 하면 위에서 언급한 두께 기준을 만족시킬 수 있습니다.

젤코트 층의 두께는 적절해야 한다: 너무 얇지 않아야 하며, 그렇다고 너무 두꺼워서도 안 된다. 젤코트가 너무 얇을 경우 완전히 경화되지 않을 수 있고, 젤코트 뒷면의 유리 섬유가 노출되어 외관 품질에 영향을 미치며 FRP 제품의 미관 및 보호 기능이 저하될 수 있다. 젤코트가 너무 두꺼우면 균열이 발생하기 쉬우며 충격 저항성이 떨어져 특히 제품의 반대 방향에서 오는 충격을 견디지 못할 수 있다. 젤코트를 고르지 않게 발라서도 탈형 시 수지의 표면 경화 속도가 고르지 않아 내부 응력으로 인해 균열이 발생하기 쉬우며, 이 또한 제품 품질에 영향을 줄 수 있다.

(4) 젤코트를 고르게 발라 지역적으로 젤코트가 쌓이는 현상을 최대한 피해야 한다.

(5) 젤코트 층의 경화 정도는 적절히 조절되어야 한다.

젤코트 층이 제대로 경화되었는지 확인하는 가장 좋은 방법은 손으로 만져보는 것입니다. 깨끗한 손가락으로 젤코트 층의 표면을 만져보세요. 표면이 약간 끈적거리는 느낌은 나지만 찐득거리지 않는다면, 젤코트 층이 기본적으로 경화되었음을 나타내며, 이때 다음 레이업 작업을 진행함으로써 젤코트 층과 받침층의 일체성을 보장할 수 있습니다.

II. 공정 경로의 결정

공정 경로는 제품 품질, 제품 원가, 생산 주기(생산성) 등의 요인과 관련이 있습니다. 따라서 생산을 조직하기 전에 제품 사용 시 요구되는 기술 조건(환경, 온도, 매질, 하중 등), 제품 구조, 생산 수량 및 시공 조건 등을 종합적으로 파악해야 합니다. 분석 및 검토를 거친 후 성형 공정 계획을 수립하게 되며, 일반적으로 다음 몇 가지 사항을 고려해야 합니다:

(1) 제품 사용 요구사항에 따라 원재료 및 보조 재료, 배합 비율, 적층 방법을 합리적으로 선택합니다.

(2) 제품의 기하학적 형태 및 생산 수량에 따라 금형 구조 및 금형 재료를 결정합니다.

(3) 기후 조건과 작업의 긴급성에 따라 경화 방법을 결정합니다.

III. 공정 설계의 주요 내용

(1) 제품의 기술 요구사항에 따라 적절한 재료(강화 재료, 구조 재료 및 기타 보조 재료)를 선택합니다. 원재료를 선택할 때는 다음 측면을 주로 고려해야 합니다.
① 제품이 산성 또는 알칼리성 매질과 접촉하는지 여부, 매질의 종류, 농도, 사용 온도 및 접촉 시간 포함.
② 광투과율 및 난연성과 같은 성능 요구사항이 있는지 여부.
③ 기계적 특성 측면에서 동하중 또는 정하중 여부.
④ 누출 방지 및 기타 특수 요구사항이 있는지 여부.

(2) 금형 구조 및 재질 결정

(3) 탈형제 선택

(4) 수지 경화 조성 및 경화 시스템 결정

(5) 주어진 제품 두께 및 강도 요구사항에 따라 보강재의 종류, 규격, 적층 층수 및 적층 방법을 결정함.

(6) 성형 공정 규정 수립

Ⅳ. FRP 층 적층

적층은 수작업 적층 성형 공정의 중요한 공정입니다. 작업자는 신속하면서도 정확하게 작업하여 수지 함량이 균일하고, 눈에 띄는 기포가 없으며, 침투 불량이나 섬유 손상이 없고, 제품 표면이 평탄하도록 해야 하며, 제품 품질을 보장하기 위해 세심하게 작업해야 합니다. 제품 품질은 작업자의 숙련도와 근무 태도와 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 적층 작업은 간단하지만 잘 수행하기는 어렵기 때문에 진지하게 임해야 합니다.

(Ⅰ) 두께 관리

FRP 제품의 두께 조절은 핸드 레이업 기술의 설계 및 제작 과정 모두에서 직면하는 기술적 문제입니다. 제품에 요구되는 두께를 알고 있는 경우, 사용되는 수지 및 필러 함량과 보강재의 사양 및 적층 수를 결정하기 위한 계산이 필요합니다. 이후 다음 공식에 따라 대략적인 두께를 계산할 수 있습니다.

t＝(G1n1＋G2n2＋……)×(0.394＋0.909k1＋0.4×k1k2)

여기서:
t — FRP의 계산된 두께(mm);
G1, G2 — 다양한 사양의 천 또는 매트의 단위면적질량(kg/㎡);
n1, n2 — 다양한 사양의 천 또는 매트의 적층 수;
0.394 — 섬유 기재의 두께 상수;
0.909 — 폴리에스터 수지의 두께 상수;
0.400 — 필러의 두께 상수;
k1 — 수지 함량 대 유리섬유 함량 비율;
k2 — 필러 함량 대 수지 함량 비율.

(Ⅱ) 수지 혼입량 계산

FRP의 수지 혼입량은 중요한 공정 파라미터이며, 다음 두 가지 방법으로 계산할 수 있습니다:

(1) 공극 충진 원리에 따라 계산하고 겔 함량의 계산식을 유도합니다. 유리 천의 단위 면적 질량과 동등 두께(유리 천 1층이 차지하는 제품 두께)를 알고 있다면 FRP의 겔 함량을 계산할 수 있습니다.

(2) 먼저 제품의 질량을 결정한 후 유리 섬유의 질량 백분율을 계산합니다:
① 제품 표면적 × 두께 × 섬유강화플라스틱의 밀도 = 제품 질량;
제품 질량 × 유리 섬유의 질량 백분율 = 유리 섬유 질량;
제품 질량 － 유리 섬유 질량 = 수지 질량.

② 제품 표면적 × 유리 섬유 층 수 × 유리 섬유의 단위 면적 질량 = 유리 섬유 질량;
유리 섬유 질량 ÷ 유리 섬유의 질량 백분율 = 제품 질량;
제품 질량 － 유리 섬유 질량 = 수지 질량.

적층에 필요한 수지량은 유리 섬유의 중량을 기준으로 추정할 수 있습니다. 챌 스트랜드 매트를 사용할 경우, 그 젤 함량은 일반적으로 65-75% 사이로 관리되며, 유리 천을 보강재로 사용할 경우 제품 품질을 보장하기 위해 젤 함량은 일반적으로 45-55% 사이로 관리됩니다.

(Ⅲ) 유리 천 적층

젤코트층이 있는 제품의 경우 젤코트에 불순물이 혼입되어서는 안 됩니다. 적층 전 젤코트층과 배면층 사이의 오염을 방지하여 층간 접착력 저하로 인한 제품 품질 저하를 피해야 합니다. 젤코트층은 표면 매트로 보강할 수 있습니다.

레이업(lay-up) 시에는 유리섬유에 수지가 충분히 침투되도록 주의를 기울여야 한다. 먼저 수지가 섬유 번들의 전 표면에 스며들게 한 후, 섬유 번들 내부의 공기를 완전히 수지로 대체시켜야 한다. 특히 고온 조건에서 사용될 제품의 경우, 보강재의 첫 번째 층이 수지로 완전히 침투되어 밀착 결합되는 것이 매우 중요하다. 침투 및 접착 상태가 불량할 경우 겔코트 층 주변에 공기가 잔류하게 되며, 이 잔류 공기는 제품의 경화 및 사용 과정에서 열에 의해 팽창하여 기포가 발생할 수 있다.

레이업(lay-up) 시 먼저, 준비된 수지를 브러시, 긁개 또는 침투 롤러와 같은 수작업 레이업 도구를 사용하여 겔 코트 층 또는 금형 성형면에 고르게 발라줍니다. 그런 다음 절단된 보강재(예: 대각선 스트립, 얇은 천 또는 표면 매트)의 한 층을 깔아주고 성형 도구로 골고루 눌러서 기포를 제거하면서 유리천이 충분히 침투되도록 단단히 밀착시켜야 합니다. 보강재를 두 장 이상 동시에 레이어하지 않도록 주의해야 합니다. 설계된 두께에 도달할 때까지 위의 작업을 반복합니다.

제품의 형상이 비교적 복잡하여 보강재를 일부 부위에 평탄하게 레이업하기 어려우며, 기포 제거가 힘든 경우, 평탄하게 맞추기 위해 가위로 해당 부위를 잘라줍니다. 각 층의 절단 부위는 강도 저하를 방지하기 위해 서로 어긋나게 배치해야 합니다.

일정한 각도가 있는 부품의 경우 유리 섬유와 수지를 충전재로 사용할 수 있습니다. 제품의 일부 부위가 상대적으로 큰 경우에는 사용 조건을 만족시키기 위해 해당 부위를 적절히 두껍게 하거나 리브를 이용해 보강할 수 있습니다.

직물의 섬유 방향이 다르기 때문에 강도도 서로 다릅니다. 사용되는 유리 섬유 직물의 적층 방향 및 적층 방법은 공정 요구사항에 부합해야 합니다.

(Ⅳ) 겹침 이음 처리

동일 레이업층의 섬유는 가능하면 연속적으로 배치하고, 무작위 절단이나 이음은 피해야 합니다. 그러나 제품의 크기 및 복잡성 등의 제약으로 인해 이를 달성하는 것이 어려운 경우가 있습니다. 레이업 과정에서 버트 조인트 형식의 레이업을 채택할 수 있으며, 각 층의 겹침 이음은 제품의 요구 두께에 도달할 때까지 서로 어긋나게 배치되어야 합니다. 레이업 시 브러시, 울 롤러, 기포 압착 롤러와 같은 도구를 사용하여 수지가 충분히 침투되도록 하고 기포를 제거해야 합니다.

강도 요구 사항이 높은 경우 제품의 강도를 보장하기 위해 천 두 조각을 약 50mm의 겹침 폭으로 이어붙여야 합니다. 동시에 각 층의 겹침 위치는 최대한 서로 어긋나게 배치해야 합니다.

(Ⅴ) 쇼트 스트랜드 매트 적층

쇼트 스트랜드 매트를 보강재로 사용할 때는 침투 롤러를 다양한 규격으로 사용하는 것이 가장 좋습니다. 침투 롤러는 특히 수지 내의 공기 방울 제거에 매우 효과적입니다. 이러한 도구를 사용할 수 없고 붓으로 침투 작업을 해야 할 경우에는 점도식(닷 브러싱)으로 수지를 발라야 합니다. 그렇지 않으면 섬유가 엉키거나 위치가 이동하여 분포가 고르지 못하고 두께가 일정하지 못할 수 있습니다. 깊은 내각부에 놓인 보강재의 경우, 붓이나 침투 롤러로 밀착시키기 어려울 때는 손으로 문질러 평탄하게 하고 눌러주는 방법을 사용할 수 있습니다.

비계 상태에서 접착제를 롤러를 사용하여 몰드 표면에 발라준 후, 절단된 매트 조각들을 손으로 몰드 위에 펼쳐서 부착하고 매트를 고르게 펴줍니다. 그런 다음 다시 롤러로 접착제를 발라주고, 앞뒤로 반복적으로 굴려서 수지 접착제가 매트 속까지 충분히 스며들게 합니다. 이후 공기방울이 생긴 부분은 버블 롤러를 사용하여 매트 내부의 접착제를 표면으로 짜내면서 공기를 제거한 후 두 번째 층을 덧대어 줍니다. 모서리 부분의 경우, 감싸기 쉽도록 매트를 손으로 찢어 사용할 수 있으며, 매트 두 조각 사이에는 약 50mm 정도 겹쳐서 붙여줍니다.

다양한 제품의 경우, 채드 스트랜드 매트와 유리천을 번갈아 사용하는 적층 방식도 적용할 수 있습니다. 예를 들어 일본 여러 회사에서 제작한 낚시보트는 이러한 번갈아 적층하는 방식을 사용하며, 이 방식으로 제작된 제품은 우수한 성능을 보이는 것으로 알려져 있습니다.

(Ⅵ) 두꺼운 벽 제품의 적층
두께가 8mm 미만인 제품은 한 번에 성형이 가능하지만, 두께가 8mm를 초과하는 제품은 여러 단계로 나누어 성형하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 경화 중 열 배출이 원활하지 않아 제품이 타거나 변색되어 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 여러 단계로 나누어 성형하는 제품의 경우, 두 번째 적층 시 첫 번째 적층 및 경화 후 발생한 버와 기포는 제거한 후 다음 층을 적층하는 것이 좋습니다. 일반적으로 한 번에 성형하는 경우, 두께가 5mm를 초과하지 않는 것이 권장됩니다. 물론 두꺼운 벽 제품 성형을 위해 발열량이 낮고 수축률이 낮은 수지가 개발되어 있어 한 번에 더 큰 두께를 성형할 수 있는 경우도 있습니다.