KR0182308B1 - 장섬유 강화 프로필렌 결정성 수지 조성물로 이루어진 장섬유 강화 주상체 및 이로부터 제조된 프로펠러형 팬 - Google Patents

장섬유 강화 프로필렌 결정성 수지 조성물로 이루어진 장섬유 강화 주상체 및 이로부터 제조된 프로펠러형 팬 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물로 개질된 개질 프로필렌 결정성 수지(A), 평균 섬유 길이가 3 내지 30㎜이고 평균 직경이 3 내지 21㎛인 장섬유 강화재(B) 10 내지 80중량%(조성물 기준) 및 엘라스토머(C) 3 내지 20중량%(조성물 기준)를 포함[여기서, 장섬유 강화재(B)는 길이가 이의 평균 섬유 길이와 사실상 같은 장섬유 강화 주상체(D)의 주축 방향으로 배열되어 있다]하는 장섬유 강화 주상체(D)에 관한 것이다. 이러한 장섬유 강화 주상체를 사출 성형하면 파괴되지 않으며 단섬유 함유 수지 재료의 경우에는 좀처럼 달성할 수 없는 고속 회전에서도 회전 크리프가 낮은 프로펠러형 팬을 제공할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
장섬유 강화 프로필렌 결정성 수지 조성물로 이루어진 장섬유 강화 주상체 및 이로부터 제조된 프로펠러형 팬
[기술 분야]
본 발명은 기계적 특성과 물리적 특성 중에서 크리프 특성과 파괴 강도가 탁월할 뿐만 아니라 치수 안정성이 탁월한 성형품을 제공할 수 있는 장섬유 강화 수지 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 유체를 고속 회전으로 교반하거나 수송하기 위해 사용하는 경우에도 거의 파괴되지 않고, 회전 크리프 현상이 거의 없으며, 이에 따라 치수 안정성이 높은 프로펠러형 팬에 관한 것이다.
[배경 기술]
강화 수지 조성물 및 이로부터 제조되고 성형품에서 섬유 강화재로서 길이가 1㎜ 미만인 단섬유를 함유하는 각종 섬유 강화 성형품은 이미 주지되어 있다. 강화 성형품은 강화되지 않은 성형품에 비해 각종 특성, 특히 내열변형성, 굴국강도, 인장강도, 크리프 특성, 내충격성 및 치수 안정성이 훨씬 우수하다. 또한, 단섬유 강화재를 사용하는 선행기술 분야에서도 위의 특성들을 향상시키기 위해 다양한 개선 노력이 있어 왔다. 예를 들면, 다음 선행기술(1) 및 (2)를 언급할 수 있다.
(1) 일본국 특허공보 제2294/1984호(선행기술 1)
극성 비닐 단량체 10중량% 이하로 완전히 또는 부분적으로 그라프트 개질시킨 결정성 폴리올레핀 40 내지 80중량부, 유리 섬유 5 내지 50중량부 및 선형 무정형 엘라스토머 5 내지 35중량부를 균질하게 혼합시켜 수득한 유리섬유 강화 폴리올레핀 조성물(총량: 100중량부).
상기 선행기술(1)은 구성 성분과 이들의 중량비 측면에서 본 발명과 유사하지만, 선행기술의 목적은 성형 후 왜곡(warpage)으로 인한 변형을 억제하는 것이고, 이 점은 본 발명의 목적과는 전혀 상이하다. 상기 선행기술에 있어서, 사출성형에 의해 형성된 정방형 플레이트는 단지 시험편으로서만 평가되기 때문에 당연히 회전 시험은 수행되지 않았다. 따라서 회전 파괴 강도와 회전 크리프 변형량에 대해서는 언급되어 있지 않다.
(2) 일본국 특허공보 제35783/1993호(선행기술 2)
특정량의 불포화 극성 비닐 단량체로 그라프트 개질된 결정성 프로필렌 단독중합체 또는 당해 프로필렌 단독중합체와 개질되지 않은 결정성 프로필렌 단독중합체와의 혼합물, 특정량의 비평균 직경을 갖는 표면 처리 강화 섬유 및 특정량의 불포화 카복실산으로 그라프트 개질된 에틸렌-프로필렌 고무 또는 당해 고무와 개질되지 않은 에틸렌-프로필렌 고무의 혼합물을 포함하는, 내마모성이 개량된 강화 폴리프로필렌 조성물.
상기 선행기술(2)은 성형품의 내마모성을 개량시키는데 목적이 있다. 당해 선행기술에 있어서, 원형 플레이트는 사출성형에 의해 형성되고 플레이트는 단지 테이버 마모량(Taber abrasion)을 측정하기 위한 시험편으로서만 사용된다. 즉, 어떠한 블레이드 회전기(본 발명의 목적)도 제조하지 않았으며, 더욱이 회전 파괴 한계에 대한 연구 또는 회전 크리프 변형량의 측정도 전혀 수행하지 않았다.
(3) 일본국 특허공개공보 제298553/1992호(선행기술 3)
용융지수가 5g/10min 이상인 폴리프로필렌 수지(A) 45 내지 85중량%; 밀도가 0.89 내지 0.93g/㎤이고, 용융지수가 5g/min 이상이며 하기식의 MI비가 0.5 내지 5인 저밀도 폴리에틸렌(B) 5 내지 25중량%; 및 성형품 중의 섬유 직경 및 평균 섬유 길이가 1 내지 6㎜인 특정량의 유리섬유(C)를 포함하는, 특정량의 개질된 폴리올레핀을 염기에 가하여 수득한 유리섬유 강화 폴리올레핀 수지 조성물.
상기 선행기술(3)은 에틸렌-프로필렌 공중합체엘라스토머의 첨가가 유해하다고 간주하는 것으로 보인다. 즉, EPR을 10중량%의 양으로 함유하는 조성물은 비교실시예 2에 기재되어 있다. 더욱이, 당해 조성물로부터의 프로펠러형 팬과 같은 고속 회전기의 제조, 성형품의 우수한 회전 파괴 강도 및 고속 회전에서조차 낮은 크리프 변형의 발생에 대해서는 전혀 언급되어 있지 않다.
이들 공보에는 상기한 바와 같은, 성형품의 회전으로 인한 부하(load)와 이러한 부하로 인한 성형품의 크리프 변형 등에 대해서도 전혀 언급되어 있지 않다. 그러나 이들 통상적인 단섬유 강화 올레핀 수지 조성물로부터 제조된 프로펠러형 팬과 같은 회전 부재는 팬이 특히 고속으로 회전하는 경우 크리프 변형이 발생되고 극단적인 경우에는 팬이 파괴되어 목적하는 기능을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 수지 매트릭스 내에 초기 섬유 길이를 갖는 장섬유를 함유하는 장섬유 강화 주상체를 제조하기 위해 새롭게 개발된 공정 및 장섬유 강화 원주형 생성물을 사용하는 적합한 성형 공정, 예를 들면, 사출성형에 의해, 크리프 변형이 발생하지 않고 부하가 회전 방향으로 가해짐으로 인한 파괴가 일어나지 않는 회전 부재를 형성시킬 수 있는 장섬유 강화 주상체를 개발하였다.
본 발명자들은 또한 다양한 회전 부재 중에서 특히 중요한 필요 조건을 충족시키는 프로펠러형 팬을 개발하였다. 본 발명은 다음 주상체의 기본적 구성, 주상체의 개량 구성(1) 내지 (9) 및 성형품의 기본적 구성을 포함한다.
[주상체의 기본적 구성]
오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물로 개질된 개질 프로필렌 결정성 수지(A), 평균 섬유 길이가 3 내지 30㎜이고 평균 직경이 3 내지 21㎛인 장섬유 강화재(B)[당해 장섬유 강화재(B)는 장섬유 강화재(B)의 평균 섬유 길이와 거의 동일한 길이를 갖는 장섬유 강화 주상체(D)의 주축방향으로 배열된다] 10 내지 60중량%(조성물 기준) 및 엘라스토머(C) 3 내지 20중량%(조성물 기준)를 포함하는 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(1)]
장섬유 강화재(B)의 평균 섬유 길이가 5 내지 25㎜인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성에 따른 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체 개량 구성(2)]
장섬유 강화재(B)가 무기 장섬유인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성(1)에 따른 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 진보된 개념(3)]
장섬유 강화재(B)가 유리 장섬유인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성, 주상체의 개량 구성(1) 및 주상체의 개량 구성(2)에 따른 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(4)]
장섬유 강화재(B)가 유기 섬유인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성(1) 내지 주상체의 개량 구성(3)에 따른 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(5)]
개질제로서 작용하는 오가노실란 화합물이 아니노실란, 에폭시실란, 비닐실란 및 메타크릴옥시실란 중에서 선택된 하나 이상의 화합물인, 위에서 언급한 상기 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성(1) 내지 주상체의 개량 구성(4)에 따른 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(6)]
개질제로서 작용하는 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물이 말레산 또는 말레산 무수물인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성(1) 내지 주상체의 개량 구성(5)에 따른 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(7)]
개질된 프로필렌 결정성 수지(A)의 기재로서 작용하는 프로필렌 결정성 수지가 프로필렌 결정성 공중합체인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성 1 내지 주상체의 개량 구성 6에 따르는 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(8)]
엘라스토머(C)가 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머 및 에틸렌-프로필렌-비공액 디엔 공중합체 엘라스토머로부터 선택된 하나 이상의 올레핀계 엘라스토머인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성 1 내지 주상체의 개량 구성 7에 따르는 장섬유 강화 주상체(D).
[주상체의 개량 구성(9)]
엘라스터머(C)의 비공액 디엔이 5-에틸리덴-2-노르보르넨, 1,4-헥사디엔 및 디사이클로펜타디엔으로부터 선택된 하나 이상의 비공액 디엔인, 위에서 언급한 주상체의 기본적 구성 및 주상체의 개량 구성 1 내지 주상체의 개량 개념 8에 따르는 장섬유 강화 주상체(D).
[성형품의 기본적 구성]
장섬유 강화 주상체(D)의 사출성형에 의해 제조된 프로필렌 팬은 오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산무수물로 개질된 프로필렌 결정성 중합체와 프로필렌-에틸렌 결정성 공중합체를 포함하는 개질 프로필렌 결정성 수지(A); 평균 섬유 길이가 3 내지 30㎜이고, 평균 직경이 3 내지 21㎛이며, 성분(A)에 분산되어 있는 유리 장섬유 강화재(B) 10 내지 60중량%(조성물 기준); 및 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머 및 에틸렌-프로필렌 비공액 디엔 공중합체 엘라스토머로부터 선택되며, 성분(A)에 분산되어 있는 하나 이상의 올레핀 엘라스토머(C) 3 내지 20중량%(조성물 기준)를 포함하며, 장섬유 강화재(B)는 실질적으로 장섬유 강화 주상체(D)의 주축 방향으로 배열되어 있으며, 이의 길이는 장섬유 강화 주상체(D)의 길이와 같다.
[도면의 간단한 설명]
제1a도는 본 발명에 따르는 프로펠러형 팬의 바람직한 양태의 모식적 평면도이다.
제1b도는 제1a도에 도시된 양태의 모식적 측면도이다.
[본 발명을 수행하기 위한 최선의 양태]
본 발명에 따르는 장섬유 강화 주상체(D)는 특정의 개질된 프로필렌 결정성 수지(A), 장섬유 강화재(B) 및 엘라스토머(C)를 포함한다. 먼저 성분(A) 내지 (C)를 아래에 상세히 기술한다.
[개질된 프로필렌 결정성 수지(A)]
본 발명의 강화된 주상체에 함유된 개질된 프로필렌 결정성 수지(A)는 결정성 폴리프로필렌(기재)을 오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물(개질제)로 개질시키거나 그라프트 개질된 결정성 폴리프로필렌과 개질되지 않은 결정성 폴리프로필렌으로 이루어진 조성물(혼합물)로 개질시켜 수득한 그라프트 개질된 결정성 폴리프로필렌이다. 개질된 프로필렌 결정성 수지(A)에 있어서, 개질시키지 않은 결정성 폴리프로필렌에 대한 개질시킨 결정성 폴리프로필렌의 비(개질시킨 결정성 폴리프로필렌; 개질시키지 않은 결정성 폴리프로필렌)는 0.5/99.5 내지 100/0(중량/중량), 바람직하게는 5/95 내지 80/20(중량/중량)이다.
기재로서의 결정성 폴리프로필렌은 프로필렌 결정성 단독 중합체 또는 프로필렌과 하나 이상의 기타 α-올레핀의 결정성 공중합체일 수 있거나, 결정성 단독중합체와 프로필렌과 하나 이상의 기타 α-올레핀의 결정성 공중합체로 이루어진 조성물일 수 있다.
본 발명에서 개질된 프로필렌 결정성 중합체(A)를 형성하는 오가노실란 화합물은 아미노실란, 에폭시실란, 비닐실란 및 메타크릴옥시실란으로부터 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다.
본 발명에 개질된 프로필렌 결정성 중합체(A)를 형성시키기 위한 불포화 카복실산은 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 이타콘산, 테트라하이드로프탈산 및 노르보르넨디카복실산으로부터 선택된 하나 이상의 산이다. 불포화 카복실산의 산 무수물은 말레산 무수물, 이타콘산 무수물, 테트라하이드로프탈산 무수물 및 노르보르넨디카복실산 무수물로부터 선택된 하나 이상의 무수물이다. 이들 중에서 실용적 성능면에서 말레산 무수물이 가장 바람직하다. 이들 산의 유도체도 사용할 수 있다.
통상의 목적을 위해, 장섬유 강화 조성물 중의 개질된 프로필렌 결정성 수지(A)에 함유된 그라프트 성분의 양은 기재 수지의 중량을 기준으로 하여, 통상적으로 0.01 내지 1중량%, 바람직하게는 0.05 내지 0.5중량%이다. 개질된 수지 및 개질되지 않은 수지의 배합물이 성분(A)로서 사용되는 경우, 개질된 수지 속의 그라프트 성분으로서 함유된 개질제의 양은 배합 시스템을 기준으로 위에서 한정한 범위 이내이어야 한다.
[장섬유 강화재(B)]
본 발명의 장섬유 강화 주성체(D)를 구성하는 장섬유 강화재(B)의 경우, 평균 섬유 길이는 통상적으로 3 내지 30㎜, 바람직하게는 5 내지 25㎜이고, 이의 단섬유의 평균 직경은 3 내지 21㎛, 바람직하게는 9 내지 21㎛이다. 강화재는 통상적으로 약 500 내지 4000개의 단섬유 집속체 형태로 제공된다. 이러한 집속체는 일반적으로 로빙(roving) 또는 엔드(end)라고 한다. 로빙 2개 이상이 합사된 형태의 장섬유 강화재(B)도 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 장섬유 강화재(B)는 주상체(D)의 주축과 거의 평행해야 하며, 강화재의 평균 길이는 주상체 길이와 거의 같아야 한다. 이러한 장섬유 강화재(B)는 무단(연속적인) 섬유 재료(섬유속)를 이후에 기술하는 방법으로 주상 형태로 가공시킴으로써 수득할 수 있다.
위의 전제 조건을 충족시키는 무단 섬유의 예에는 인공섬유(예: 유리 섬유, 탄소 섬유, 합성수지 섬유 및 금속 섬유)가 포함된다. 이들 중에서, 유리 섬유가 이의 특성 및 비용면에서 가장 널리 사용되는 섬유 강화재이다. 유리 섬유는 비교적 무겁고(이는 비강도에 있어서 불리하다) 쉽게 파단되고 알칼리성 물질에 약하다는 단점이 있다. 다른 섬유와 비교하여, 탄소섬유는 특히 비강도면에서 상당히 우수하다. 비강도가 비용면에서 보다 중요하게 여겨지는 용도의 경우, 탄소 섬유가 가장 우수하다. 탄소 섬유는 항공기, 고속 차량 및 고속 회전기에 사용되는 경우 이러한 장점이 충분히 발휘된다.
본 발명은 전술한 섬유 강화재 중에서 통상적 용도로 사용하기에 가장 유용한 것으로 유리섬유에 대해 언급한다. 본 발명의 장섬유 강화 주상체(D)를 구성하는 장섬유 강화재(B)로서 전형적으로 사용되는 유리섬유 재료는 일반적으로 경질유리(통상 E 유리라고 하는 칼륨 유리)이다.
[엘라스토머(C)]
본 발명의 장섬유 강화 주상체(D)를 구성하는 엘라스토머(C)는 결정성이 낮거나 비결정성의 연질 재료라는 면에서 일반적으로 고무상 재료라고 한다. 본 발명의 장섬유 강화 주상체(D)의 엘라스토머(C)는 결정성 프로필렌 수지 기재와의 혼화성을 갖거나 엘라스토머가 중합체 내에서 불연속 상으로서 존재해도 엘라스토머와 중합체 사이의 계면 분리가 없도록 하는 정도의 친화력을 가져야 한다.
위의 요건을 충족시키기 위해서는, 올레핀 엘라스토머(고무)가 디엔 고무보다 더욱 적합하다. 그러나 엘라스토머는 이를 가하기 전에 반 가교결합(부분적으로 가교 결합됨) 상태 또는 가교결합(완전히 가황처리)된 상태인 경우, 이는 종종 올레핀 중합체에 대한 친화력이 불충분하다. 즉, 계면분리가 쉽게 발생한다.
올레핀 엘라스토머는 일반적으로 에틸렌 및 하나 이상의 α-올레핀(특히 프로필렌 및/ 또는 1-부텐)의 공중합에 의해 형성된 결정성이 낮은 또는 비결정성 탄성 물질이거나, 3가지 단량체와 제3의 성분으로서의 소량의 비공액 디엔을 공중합시켜 형성시킨 3가지 이상의 단량체의 공중합체일 수 있다.
이러한 올레핀 엘라스토머의 예는 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머(EPM), 에틸렌-프로필렌-비공액 디엔 공중합체 엘라스토머(EPDM), 에틸렌-1-부텐 공중합체 엘라스토머(EBM), 에틸렌-1-부텐-비공액 디엔 공중합체 엘라스토머(EBDM) 및 에틸렌-프로필렌-1-부텐-비공액 디엔 공중합체 엘라스토머(EPBDM)를 포함한다. 일반적으로 엘라스토머를 제조하기 위해 비공액 디엔으로서 사용되는 것은 5-에틸디덴-2-노르보넨(ENB) 및 1,4-헥사디엔이다. 또한 디사이클로펜타디엔(DCPD)도 사용할 수 있다.
[장섬유 강화 조성물(D)]
본 발명의 장섬유 강화 주상체(D)를 형성시키기 위한 장섬유 강화 조성물은 장섬유 강화재(B) 및 엘라스토머(C)가 개질된 프로필렌 결정성 수지(A) 내에 분산되어 있는 조성물이다. 조성물에 있어서, 장섬유 강화재(B)는 조성물을 기준으로 하여 10 내지 60중량%, 바람직하게는 15 내지 60중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 50중량%의 양으로 함유되며, 에라스토머(C)는 조성물을 기준으로 하여 3 내지 20중량%, 바람직하게는 5 내지 15중량%의 양으로 함유된다.
본 발명의 장섬유 강화 주상체(D)를 유리하게 형성시키기 위해, 수득된 주상체의 주축과 거의 평행하게 배열되고, 주상체의 길이와 거의 동일한 길이의 강화 섬유(C)를 수지 성분 내에 균일하게 분산시켜야 한다. 이러한 상태를 실현시키기 위한 유용한 성형 방법은, 예를들면, 이완(개섬)된 장섬유 속이 수지 성분으로 균일하게 함침될 수 있는 이완(개섬) 함침법(즉, 인발 성형법)을 포함한다.
인발 성형법이 있어서, 개질된 프로필렌 결정성 수지(A) 및 엘라스토머(C)의 용융 혼합물의 규정량은 추출기로부터 추출되어 이완(개섬) 침전조(다른 명칭: 인발성형 장치) 속으로 도입된다. 이완 침전조로 장섬유 로빙이 원래의 장섬유 로빙으로부터 별도로 공급된다. 이러한 이완 침전조 속에서 각각의 주축이 용융 수지 또는 장섬유 속의 주행 방향에 대해 거의 직각으로 만나는 다수의 이완(개섬) 핀은 주행 방향으로 따라 배열된다. 개섬 핀은 서로 떨어져 위치하며 축 방향에서 보면 지그재그 경로로 배열되며, 이들은 용융 수지 속에 함침된 상태로 유지된다.
한편, 따로 공급된 장섬유 로빙은 제1개섬 핀과 접촉하여 이의 주행 방향을 바꾼 다음, 제2 개섬 핀과 접촉하여 이의 주행 방향을 추가로 변경시킨다. 주행 방향 변경이 반복됨에 따라 장섬유 로빙은 핀을 굽이쳐 나가면서 점차 이완됨으로써 섬유가 용융 수지로 함침된다. 결과로서, 균일하게 이완된 무단 장섬유(강화된 수지 스트랜드)로 강화된 무단(연속) 수지 섬유가 추출된다.
냉각시킨 후, 강화된 무단 수지 스트랜드를 규정된 길이로 절단함으로써, 주상체의 길이와 거의 동일한 길이이고 주상체의 주축과 거의 평행하게 배열된 장섬유 강화 주상체(D)를 수득한다.
[프로펠러형 팬(F)]
본 발명에 따르는 프로펠러형 팬은 위에서 기술한 장섬유 강화 주상체(D)를 사출성형하여 제조한다.
예를 들면, 제1a도 및 제1b도에 나타낸 프로펠러형 팬(F)은 장섬유 강화 주상체(D)를 L/D[스크류의 직경(D)에 대한 스크류 전장 길이(L)의 비]가 20이고 압축비가 1.8인 저압축형 사출성형기로 공급한 다음, 적절하게 결정된 온도, 예를 들면, 250℃에서 금형 속으로 수득한 용융 수지를 사출시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다. 사출성형은 바람직하게는 8 내지 25의 L/D 및 1.5 내지 2.5의 압축비 조건하에서 수행한다.
제1a도에 나타낸 4개의 블레이드 프로펠러형 팬(F)은 도면에서 좌회전 팬이다. 블레이드(11, 12, 13 및 14)는 중심축(1)의 원주로부터 반경 방향으로 연장된다. 각각의 블레이드는 빈(bean)의 형태이며, 블레이드가 중심축(1)과 접촉하는 위치(보이지 않음)에서 가장 좁은 폭이 되도록 설계된다.
1. 각각의 블레이드(11 내지 14)는 이의 단면에서 거의 방추형이며 주변 부분에서 얇은 날 형태이다. 블레이드(11)은 회전 방향의 블레이드 끝에서 가장 얇은 두께 부분(11b)을 가지며, 외면의 접선과 직각으로 만나는 블레이드(11)의 반경선을 포함하는 영역에서 가장 큰 두께 부분(11d)를 갖는다.
본 발명에 따르는 장섬유 강화재(B)를 사용함으로써, 이와 같은 형상의 프로펠러형 팬(F)는 회전하의 부하가 가해짐으로써 발생하는 크리프 및 회전 파괴를 효과적으로 방지할 수 있다.
이러한 양태의 프로펠러형 팬(F)의 크리프 또는 회전 파괴는 부분(11b 및 11d)를 조사함으로써 측정할 수 있다. 당연한 것으로서, 기타 블레이드 12, 13 및 14에도 동일하게 적용된다.
제1b도는 회전축에 대해 직각으로 가로지르는 단면으로부터 특히 제1a도에서 화살표 V로 나타낸 방향으로부터 취한 본 발명의 프로펠러형 팬(F)의 측면도이다. 프로펠러형 팬(F)의 회전 크리프를 측정하기 위해, 제1b도에서 길이 h 및 길이 b를 회전 시험 전 또는 후에 실측한다. 길이 h는 부분 43d(블레이드 11의 11d에 상응한다) 및 중심 축 1의 바닥(상부, 바닥, 오른쪽, 왼쪽 등의 용어는 도면에서 위치 관계를 나타내기 위해 편의상 사용된다)과 접촉하는 수평면 사이의 거리이다. 길이 b는 부분(13b)(블레이드 11의 11b에 상응한다)와 위에서 언급한 수평면 사이의 거리이다. 그런 다음, 회전 시험 전후에 수득한 길이 h 또는 길이 b에 대한 값을 서로 비교한다.
회전 크리프 변형은 부분 13b에서 가장 분명하게 관찰되기 때문에 회전 시험 전과 시험 후의 길이 b의 차이의 측정으로 충분하고 길이 h의 차이의 측정은 필요치 않은 것으로 보인다. 길이 h는 기본적으로 변하지 않지만, 변화되는 경우, 회전 시험 전과 회전 시험 후의 길이 h의 차이를 사용하여 길이 b를 보정한다.
[실시예]
본 발명은, 다음 실시예, 효과적인 경우, 다음 참조 실시예에 제한되지 않는 것으로 이해해야 한다. 회전 크리프 변형량 및 강도는 시험 방법으로 측정한다.
(1) 회전 파괴 강도
제1도에 나타낸 4개 블레이드 팬(직경: 450㎜, 블레이드 두께의 최소치 0.5㎜, 블레이드 두께의 최대치: 4.0㎜)을 회전시킨다. 팬(블레이드)이 파괴되는 회전수가 회전 파괴 강도이다.
(2) 회전 크리프 변형량
제1a도 및 제1b도에 나타낸 프로펠러형 팬의 블레이드의 높이는 프로펠러형 팬이 65℃에서 항온조에서 1,000시간 동안 1,000rpm으로 회전하기 전 및 후에 측정한다. 회전 전 및 회전 후의 높이 차이가 회전 크리프 변형량이다.
(3) 개질되지 않은 결정성 폴리프로필렌
프로필렌-에틸렌 공중합체 형태; 에틸렌 성분의 총량(에틸렌의 총량): 9.0중량%, 결정 융점(Tm): 160℃, MFR(230℃, 2.16kgf): 2.6g/10min
(4) 에틸렌-프로필렌 비결정성 공중합체(엘라스토머)
에틸렌 성분의 양: 74중량%, MI(190℃, 2.16kgf); 3.2g/10min, 무니 점도[ML1+4(100℃)]: 24
(5) MFR
MFR을 JIS K6758에 따라 측정한다.
(6) 결정 융점(Tm)
시료를 20℃/min으로 가열하면서, 시차 주사 열량계(DSC)를 사용해서 관찰하여 얻은 흡열 곡선에서 피크(peak)가 관찰될 경우, 가장 큰 영역을 갖는 피크를 결정 융점을 측정하는데 사용한다.
[실시예 1 내지 6]
헨셀 믹서(상표명)에서 개질되지 않은 폴리프로필렌 분말 99.2중량%, 말레산 무수물(불포화 산 유도체, 개질제로 작용) 0.5%, 1,3-비스(3급-부틸-퍼옥시이소프로필)벤젠(유기 과산화물) 0.1중량% 및 스테아르산 칼슘(윤활제로 작용) 0.1중량%를 교반 혼합하여 수지 혼합물(1)을 제조한다. 수지 혼합물을 공급구를 통해서 압출기로 공급한 다음, 200℃에서 용융 혼련시키고 압출시켜 스트랜드를 수득하고, 절단하여 펠릿을 수득한다. 수득한 개질 폴리프로필렌은 MFR(230℃, 2.16kgf)이 130g/10min이고 그라프트 개질제 함량이 0.3중량%이다.
수지 혼합물(1)과 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머(EPM)를 헨셀 믹서(상표명)에서 혼합하여 수지/엘라스토머 혼합물(수지 혼합물(2))를 수득한다. 혼합물을 공급구를 통해서 진공 배출 압출기로 공급하고 감압배기하면서 용융 혼련시킨다. 수득한 용융 수지 혼합물을 압출기의 배럴의 하류측 말단에 제공되어 있는 이완(개섬) 함침 다이(상기 인발성형 장치)로 연속해서 공급한다.
한편, 원반 로빙으로서의 유리 섬유 로빙을 이완(개섬) 함침 다이로 공급한다. 로빙을 다수의 이완 핀의 주위를 따라 활주시키고 로빙을 지그재그로 주행하게 주행 방향을 변화시킴으로써 로빙을 이완시켜 용융 수지 혼합물(2)로 10분 동안 함침시킨다. 이렇게 이완(개섬) 함침된 복합체를 압출시켜 스트랜드를 수득한다. 스트랜드를 냉각조에서 물로 냉각시켜 실온으로 온도를 낮추고, 스트랜드 절단기를 사용하여 절단하여 평균 길이가 10㎜인 강화 주사어체(강화 펠릿)를 수득한다.
여기서 사용된 유리 섬유 로빙은 단섬유 직경이 17㎛이고 4,000개의 단섬유의 집속체를 이루며 텍스사 번수가 2,310인 폴리프로필렌용 로빙이다. 강화 주상체의 조성 및 특성을 표 1에 나타낸다.
강화 주상체를 원료 공급구를 통해서 사출성형기(스크류의 L/D: 20, 압축비: 1.8)에 공급하고 250℃에서 용융시킨다. 그런 다음, 용융 수지를 금형 안으로 사출하여 제1도의 형상(직경: 450㎜, 날 두께의 최소치: 0.5㎜, 날 두께의 최대치: 4.0㎜)을 갖는 블레이드가 4개인 스크류를 수득한다. 이렇게 수득한 프로펠러형 팬의 특성을 또한 표 1에 나타낸다.
[비교 실시예 1 및 2]
헨셀 믹서(상표명)에서 개질되지 않은 폴리프로필렌 분말 99.2중량%, 말레산 무수물(불포화 산 유도체, 개질제로서 작용) 0.5중량%, 1,3-비스(3급-부틸-퍼옥시이소프로필)벤젠(유기 과산화물) 0.1중량% 및 스테아르산 캄슘(윤활제로서 작용) 0.1중량%를 교반 혼합하여 수지 혼합물(1)을 제조한다. 수지 혼합물을 공급구를 통해서 압출기로 공급한 다음, 200℃에서 용융 혼련시키고 압출시켜 스트랜드를 수득하고, 이를 절단하여 펠릿을 수득한다. 수득된 개질 폴리프로필렌은 MFR(230℃), 2.16kgf)가 130g/10min이고 그라프트 개질제 함량이 0.3중량%이다.
이어서, 개질 폴리프로필렌만을 수지/엘라스토머 혼합물 대신에 사용하는 것을 제외하고는, 강화 주상체(강화 펠릿)를 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한다. 이렇게 제조된 강화 주상체의 조성 및 특성과 프로펠러형 팬의 특성을 표 1에 나타낸다.
[비교 실시예 3]
헨셀 믹서(상표명)에서 개질되지 않은 폴리프로필렌 분말 99.2중량%, 말레산 무수물(불포화 산 유도체, 개질제로서 작용) 0.5중량%, 1,3-비스(3급-부틸-퍼옥시이소프로필)벤젠(유기 과산화물) 0.1중량% 및 스테아르산 칼슘(윤활제로서 작용) 0.1중량%를 교반 혼합시켜 수지 혼합물(1)을 제조한다. 수지 혼합물을 공급구를 통해서 압출기로 공급한 다음, 200℃에서 용융 혼련시키고 압출시켜 스트랜드를 수득하고, 이를 절단하여 펠릿을 만든다. 수득한 개질 폴리프로필렌은 MFR(230℃, 2.16kgf)이 130g/10min이고 그라프트 개질제 함량이 0.3중량%이다.
수지 혼합물(1)과 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머를 헨셀 믹서에서 혼합하여 수지/엘라스토머 혼합물(수지 혼합물(2))을 수득한다. 혼합물을 제1 공급구를 통해서 진공 배출 압출기로 규정량으로 공급하면서 유리 단섬유(전달된 스트랜드, 평균 섬유 직경: 13㎛, 평균 섬유 길이: 3.0㎜)를 제2 공급구를 통해서 규정량으로 공급한 다음 감압배기하면서 용융 혼련시킨다. 이어서, 강화된 복합체를 압출시켜 스트랜드를 수득한다.
스트랜드를 절단하여 펠릿화하여 평균 길이가 3㎜인 펠릿을 수득한다. 수득한 개질 폴리프로필렌은 MFR(230℃, 2.16kgf)이 130g/10min이고 그라프트 개질제 함량이 0.3중량%이며 이 수치는 앞의 실시예에서와 동일하다.
이렇게 제조한 과립의 조성 및 특성과 프로펠러형 팬의 특성을 표 1에 나타낸다.
[비교 실시예 4 내지 7]
실시예 1 내지 6의 조건 중에서 하나 이상의 조건을 특허청구의 범위를 벗어나게 설정하여 실험을 수행한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교 실시예의 결과에 대한 견해]
[비교 실시예 1 및 2]
이들 비교 실시예는 EPM을 포함하지 않은 결정성 프로필렌-에틸렌 공중합체와 EPM을 포함하지 않는 결정성 프로필렌 단독중합체를 각각 기재로 사용하는 실시예이고, 이들을 장섬유 강화재로 각각 강화시켜 강화 장섬유 폴리프로필렌을 제조한다. 강화 장섬유 폴리프로필렌은 여전히 회전 파괴 강도 및 회전 크리프 특성(변형량)이 약하다. 이 원인은 강성의 부족에 있다.
[비교 실시예 3]
단섬유 강화재를 섬유 강화재로 사용한다. 수지 조성물과 섬유 강화재의 양은 본 발명의 실시예의 범위에 속하지만 이런 배합의 복합체로 제조된 프로펠러형 팬은 여전히 회전 파괴 강도 및 회전 크르프성(변형량)이 약하다. 이 원인은 경도의 부족과 강성의 부족에 있다.
[비교 실시예 4]
EPM 함량이 2중량%인 배합의 복합체로 제조된 프로펠러형 팬은 회전 파괴 강도가 저하된다. 이 원인은 경도의 부족에 있다.
[비교 실시예 5]
EPM 함량이 25중량%인 배합의 복합체로 제조된 프로펠러형 팬은 회전 크리프 특성(변형량)이 저하된다. 이 원인은 강성의 부족에 있다.
[비교 실시예 6]
장섬유 강화재 함량이 70중량%인 배합의 복합체로 제조된 프로펠러형 팬은 회전 파괴 강도가 저하된다. 이 원인은 성형 과정에 섬유의 상호 억제 효과 때문에 유리 섬유의 중첩이 증가하는데 있다.
[비교 실시예 7]
장섬유 강화재 함량이 5중량%인 배합의 복합체로부터 형성된 프로펠러형 팬은 회전 크리프 특성(변형량)이 저하된다. 원인은 강성의 결여에 있다.
[발명의 효과]
본 발명에 따르는 장섬유 강화 주상체(D)는 오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물로 개질된 프로필렌 결정성 수지(A), 평균 섬유 길이가 3 내지 30㎜이고 평균 직경이 3 내지 20㎛인 장섬유 강화재(B) 10 내지 60중량%(조성물 기준) 및 엘라스토머(C) 3 내지 20중량%를 포함한다.
또한 장섬유 강화재(B)의 평균 섬유 길이는 장섬유 강화 주상체(D)의 길이와 사실상 동일하며, 장섬유 강화재(B)는 주상체(D)의 주축 방향으로 배열되어 있다. 장섬유 강화 주상체(D)를 사용하여 사출성형함으로써, 파괴되지 않고 고속 회전에서도 회전 크리프 변형량이 낮은 프로펠러형 팬을 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물로 개질된 개질 프로필렌 결정성 수지(A), 평균 섬유 길이가 3 내지 30㎜이고 평균 직경이 3 내지 21㎛인 장섬유 강화재(B) 10 내지 60중량%(조성물 기준) 및 엘라스토머(C) 3 내지 20중량%(조성물 기준)를 포함[여기서, 장섬유 강화재(B)는 길이가 장섬유 강화재의 평균 섬유 길이와 사실상 같은 장섬유 강화 주상체(D)의 주축 방향으로 배열되어 있다]하는 장섬유 강화 주상체(D).
  2. 제1항에 있어서, 장섬유 강화재(B)의 평균 섬유 길이가 5 내지 25㎜인 장섬유 강화 주상체(D).
  3. 제1항에 있어서, 장섬유 강화재(B)가 무기 장섬유인 장섬유 강화 주상체(D).
  4. 제1항에 있어서, 장섬유 강화재(B)가 유리 장섬유인 장섬유 강화 주상체(D).
  5. 제4항에 있어서, 개질제인 오가노실란 화합물이 아미노실란, 에폭시실란, 비닐실란 및 메타크릴옥시실란으로부터 선택된 화합물 1종 이상인 장섬유 강화 주사체(D).
  6. 제1항에 있어서, 장섬유 강화재(B)가 유기 섬유인 장섬유 강화 주상체(D).
  7. 제1항에 있어서, 개질제인 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물이 말레산 또는 말레산 무수물인 장섬유 강화 주상체(D).
  8. 제7항에 있어서, 개질된 프로필렌 결정성 수지(A)의 기재인 프로필렌 결정성 수지가 프로필렌-에틸렌 결정성 공중합체인 장섬유 강화 주상체(D).
  9. 제1항에 있어서, 엘라스토머(C)가 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머 및 에틸렌-프로필렌-비공액 디엔 공중합체 엘라스토머로부터 선택된 올레핀 엘라스토머 1종 이상인 장섬유 강화 주상체(D).
  10. 제9항에 있어서, 엘라스토머(C) 속의 비공액 디엔이 5-에틸리덴-2-노르보넨, 1,4-헥사디엔 및 디사이클로펜타디엔으로부터 선택되는 비공액 디엔 중의 하나 이상인 장섬유 강화 주상체(D).
  11. 오가노실란 화합물, 불포화 카복실산 또는 이의 산 무수물로 개질된 개질 프로필렌 결정성 중합체와 프로필렌-에틸렌 결정성 공중합체를 포함하는 개질 프로필렌 결정성 수지(A), 성분(A) 속에 분산되어 있으며 평균 섬유 길이가 3 내지 30㎜이고 평균 직경이 2 내지 21㎛인 유리 장섬유 강화재(B) 10 내지 60중량%(조성물 기준) 및 성분(A) 속에 분산되어 있으며 에틸렌-프로필렌 공중합체 엘라스토머 및 에틸렌-프로필렌-비공액 디엔 공중합체 엘라스토머로부터 선택된 올레핀 엘라스토머(C) 1종 이상 3 내지 20중량%(조성물 기준)를 포함[여기서, 장섬유 강화재(B)는 사실상 장섬유 강화 주상체(D)의 주축 방향으로 배열되어 있으며 길이가 장섬유 강화 주상체(D)의 길이와 사실상 동일하다]하는 장섬유 강화 주상체(D)를 사출 성형하여 제조한 프로펠러형 팬.
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