KR100352468B1

KR100352468B1 - 충전 복합물질

Info

Publication number: KR100352468B1
Application number: KR1019990003010A
Authority: KR
Inventors: 왈트에치. 바쎄트; 에나멀 하큐
Original assignee: 아즈델, 인코포레이티드
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2002-09-11
Also published as: EP0945253A3; DE69831854T2; EP0945253B1; EP0945253A2; TW557315B; ATE306390T1; DE69831854D1; KR19990077398A; JPH11323036A

Abstract

본 발명은 충전 유리 매트를 구비한 열가소성(GMT) 복합물질에 관한 것으로, 이러한 복합물질은 폴리올레핀, 유리 섬유 매트 및 충전재를 포함한다. 이러한 복합 물질은 유사한 비충전 GMT 복합물질과 동일하거나 또는 상당히 개선된 기계적인 특성을 갖는다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸펜틴 및 이들의 코폴리머 홈합물를 포함한다. 상기 유리 섬유의 길이는 1/4 인치(6.4mm) 보다 크나 최소한 1/2 인치(12.7mm)가 바람직하다. 또한, 상기 유리 섬유는 단일 방향 또는 랜덤 매트 및 직물 또는 비직물 매트, 또는 절단 섬유와 같은 연속한 유리 매트일수 있다. 상기 충전재는 광물, 합성 및 식물성 충전재로 이루어진 군에서 선택되나, 운모, 활석, 탄산칼슘 및 황산 바륨에서 선택되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 충전 GMT 복합 물질은 충격 및 인장강도의 특성이 감소되지 않고 비충전 GMT 복합물질보다 저가로 제조되며, 차량용 범퍼 비임에 사용될 수 있다.

Description

충전 복합물질{FILLED COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 복합 물질의 물리 및 기계적인 특성을 개선시키기 위한 것으로, 특히 충전재(fillers)를 이용하여 유리 매트 열가소성(Glass Mat Thermoplastic, GMT) 복합물질의 물리 및 기계적인 특성을 개선시키기는 것에 관한 것이다.

산업 및 정부 규제 기관 또는 소비자들은 자연 환경에 영향을 최소로 미치는 내구성이 있는 저가의 제품을 요구하고 있다. 예컨대, 그러한 요구에 응하는, 한 접근방법은 가벼운 재료로 된 구성부품을 갖는 차량 또는 항공기를 개발하여 제조하는 것이다. 경량재의 구성부품을 갖는 차량 또는 항공기는 비교적 중량의 금속으로 된 구성부품을 갖는 차량 또는 항공기 보다 에너지를 덜 소비한다. 따라서, 경량재의 구성부품을 갖는 차량 또는 항공기는 배출물 또는 부산물을 덜 생성하고, 그에 따라 자연 환경에 미치는 영향을 최소화한다. 그러나, 그러한 제품의 개발자 및 제조자들은 다양한 힘(예컨대, 충격, 굽힘, 인장, 비틀림 등)이 외부에서 상기한 제품들에게 가해진다는 사실을 염두에 두어야 하며, 이러한 가해진 힘에 견디기 위하여 상기한 제품들은 고강도의 재료로 제조되는 것이 요구된다. 과거에 있어서, 상기한 제품들은 스틸 또는 다른 고강도의 금속을 이용하여 제조되었지만, 이러한 금속들은 비교적 중량이다. 주로 중량의 금속으로 제작된 구성부품으로 조립된 차량 또는 항공기는 연료의 비효율성으로 인해 자연환경에 부정적인 영향을 미치게 된다.

또한, 합성 중합 물질(Synthetic polymeric material)이 다른 중량재, 특히 무거운 금속을 대신하여 상기한 제품에 종종 이용되는데, 이러한 합성 중합 물질은 고강도의 금속과 비교하여 볼 때 비교적 양호한 강도를 가지면서도 고강도의 금속보다는 가볍다. 또한, 합성 중합 물질은 부식 또는 극온상에 대하여 양호한 내성을 갖는다. 이러한 특성으로 인해, 합성 중합 물질은 전술한 다양한 힘을 받는 제품에 있어서 고강도의 금속의 바람직한 대체물이 된다.

내구성이 있고 값싼 제품을 제공하고 자연환경에 최소한의 영향을 미치는 경량재에 대한 지속적인 수요자의 요구를 총족하기 위하여, 복합 재료 산업 분야에서는 생산 제품의 강도 특성이 유지되거나 또는 증가되는 동시에 이러한 제품의 전체적인 생산 단가가 유지되거나 감소되는 새로운 방법 및 중합 물질을 찾게 된다. 합성 중합 물질의 부상하는 카테고리인 열가소성 수지는 경량이며 높은 인성 및 충격강도를 나타낸다. 폴리프로필렌(polypropylene)은 다양한 제품에 널리 이용되는 열가소성 수지중의 하나인데, 이는 경량이면서도 강성을 가지며, 화학 약품 및 열에 강할 뿐만 아니라 반복되는 굴곡에도 오래 견디기 때문이다. 또한, 상기 폴리프로필렌은 다른 열가소성 수지보다 저가이다. 따라서, 신물질을 찾는 제조업자들에게는 상기한 폴리프로필렌이 열가소성 응용 물질에서 선두를 차지하게 된다. 이러한 폴리프로필렌을 사용함으로써 최종 제품의 재생 성능을 개선함과 동시에 최종 제품의 단가 및 중량을 감소하게 된다. 비록 상기한 폴리프로필렌이 경량 및 저가인 것으로 알려져 있으나, 그 자체로는 강도면에서 다른 합성 중합 물질이나 금속보다 낮은 강도를 갖는다.

일반적으로, 복합 재료 산업 분야에서는 합성 중합 물질을 보강하기 위하여 섬유, 예를 들어 유리 섬유를 이용하게 된다. 이러한 섬유 보강 물질로 제조된 최종 제품은 유리 섬유와 플라스틱의 혼합 결과 높은 강도 대 중량 비를 얻을 수 있다. 폴리프로필렌에 혼합된 유리 섬유는 개선된 강도를 갖는 폴리프로필렌 복합체가 된다. 예를 들어, 미합중국 특허 제 5,643,989 호는 섬유가 보강되고 기능화된(functionalized) 폴리올레핀 복합체를 개시하고 있다. 그러나, 유리 섬유를 갖는 보강재는 폴리프로필렌의 강도 및 강성을 크게 증가시킬 수 있으나, 특정 영역에서의 이러한 보강재의 사용은 제한적이다.

종래 기술에 있어서, 보강된 폴리프로필렌은 물론 다른 플라스틱도 사용하지 않은 영역은 차량용 범퍼 비임의 영역이다. 전통적으로 차량용 범퍼는 금속으로 제조되며, 저속 충격에 대한 요구 사항에 대한 관련법이 1974년도에 통과되기 전까지는 대부분 금속으로 제조되었다. 새로운 규정이 통과되자 제조업자들은 새로운 요구 사항에 적합한 방법을 모색하였다. 관심을 끄는 대체물은 플라스틱으로 제조된 범퍼임이 입증되었다. 이러한 새로운 범퍼는 내식성과 감소된 중량을 가지며, 또한 충격에 대하여 양호한 보호 성능을 제공하였다.

자동차 제조업자는 강하고 가벼우며 대형으로 성형될 때도 소정의 형상을 유지할 수 있는 새로운 범퍼재료를 찾았다. 폴리올레핀계의 열가소성 수지, 특히 폴리프로필렌이 양호한 형성자이다. 그러나, 범퍼 비임 또는 계기판과 같이 대형으로 성형될 때 상기 폴리프로필렌은 자동차로부터 5 mph 의 충격에 견디는 충분한 강성을 갖고 있지 않다. 범퍼 비임에 사용된 폴리프로필렌은 그 성능을 개선하고 차량제조 업계에서 원하는 충격 요구조건에 충족하기 위하여 미합중국 특허 제 5,269,574 호(이하 '특허 제 574 호'라 함)에 개시된 바와 같이 유리섬유로 보강될 수 있다. 특허 제 574 호는 저속의 충격에 견딜 수 있는 경량의 범퍼 비임을 개시하고 있다.

유리 섬유가 양호한 보강의 재료임에도 불구하고, 유리 섬유의 극성 표면과 비극성 폴리프로필렌 또는 비극성 표면 특성을 나타내는 다른 비극성 열가소성 수지 사이의 상호 작용의 부족으로 인하여 주요한 결점을 갖는다. 이러한 상호 작용의 부족은 매우 취약한 섬유/폴리머 경계면을 생성하여 폴리머에서 섬유가 분리되는 결과를 초래하며, 그에 따라 표면 불완전과 취약한 구조가 초래된다. 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 제조업자들은 유리섬유가 형성된 직후에, 소위 사이즈(size)라 불리는, 조성물을 유리섬유를 처리하여, 유리섬유에 윤활 및 보호 특성을 제공하였다. 이러한 사이즈 또는 사이징 작용제(sizing agent)는 유리섬유를 섬사간 마멸로부터 보호하고 폴리머와 섬유의 상호 작용 또는 결합력을 증가시킨다. 상기 사이징 작용제는 보강된 폴리머와 이들로 제조된 제품에 강도를 부여하는 것을 조장한다.

일반적으로, 많은 양의 보강 유리 매트가 산업상 수용할 수 있는 기계적인 강도 특성을 갖는 열가소성 시이트를 생산하기 위하여 요구된다. 예컨대, 보강된 열가소성 물질의 압축 스트레스와 병진 운동은 유리섬유매트로 보강된 열가소성 물질을 스템핑(stamping)할 때 일어난다. 상기 스템핑은 유리 섬유의 전체 필라멘트 다발(bundle) 또는 스트랜드(strand))의 유동을 초래시킨다. 열가소성 수지에 매입된 유리 섬유 다발 또는 유리 매트의 일 영역의 유동은 최종적으로 스템프된 제품상에 거칠음, 웨이브, 잔결 또는 주름과 같은 표면 결함을 일으킨다. 또한, 보강 유리 매트 농도의 증가는 상기한 좋지 않은 표면 결함이 발생될 가능성을 증가시킨다.

플라스틱 산업 분야의 연구원들은 유리 보강 중합 물질의 특성을 보다 개선하기 위한 방법을 찾고 있다. 일반적으로 충전재(filler)와 증량제(extender)가 가소성 물질을 보강시키기 위하거나 또는 증량제로서 상당히 높은 농도(예컨대, 5% 이상)로 이용된다. 보강 충전재는 중합 물질의 중합체 매트릭스에 기계적인 개선 또는 열적 특성의 향상을 제공하여야 한다. 증량제는 제조비용을 저가시키거나 중합 물질의 공정을 개선시키기 위하여 중합 물질에 첨가되는 일반적인 저가의 충전제이다.

또한, 충전재는 열경화성 중합체 계통에서 유리 섬유와 관련하여 사용되어 진다. 그리고, 시이트 몰딩 복합체(Sheet Molding Compound, SMC)와 섬유 보강 플라스틱(FRP)은 수축률과 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)의 개선과 제조비용 감소를 위하여 일반적으로 많은 양의 광물성 충전재를 이용한다. 열경화성 폴리머를 이용하는 상기 시이트 몰딩 복합체와 섬유 보강 플라스틱에 있어서, 충격 강도에 있어서는 거의 변하지 않고 강성에 있어서는 약간의 개선이 있다. 이것은 부분적으로 시이트 몰딩 복합체와 섬유 보강 플라스틱과 결부된 고유의 낮은 충격특성과 열경화성 폴리머에 보강 성질에 기인한다.

그러나, 열가소성 물질에 충전재의 첨가는, 열경화성 폴리머 계통에 비하여, 일반적으로 최종제품에서의 충격강도의 감소를 초래한다. 다음의 표 1에 실시예로서 폴리브틸렌 테레프타레이트((polybutylene terephthalate, PBT)를 이용하는 이것이 나타나 있다.

최종 제품의 강도 특성에 미치는 충전재의 첨가 영향이 최소로 되도록 충전재와 유리 함유량 사이에 균형이 이루어져야 한다.

충전재를 첨가함으로써 충격강도가 유사하게 감소되는 것을 표 2 에 도시된 것처럼 폴리프로필렌(polypropylene, PP)을 기질로 하는 최종제품에서 관찰되었다.

요구되는 것은 비충전 GMT 복합 물질보다 양호한 물리 및 기계적인 특성을 갖는 충전재를 구비한 GMT 복합 물질이다. 또한 비충전 GMT 복합 물질과 유사하거나 양호한 충격 및 인장강도를 제공하고 단가가 상당히 저감될수 있는 GMT 복합물질이 요구된다. 또한, 차량용 범퍼 비임에 사용될 수 있도록 충전재를 포함한 GMT 복합물질이 요구된다.

따라서, 본 발명은 비충전된 GMT 복합물질보다 개선된 물리 및 기계적인 특성을 갖도록 충전재를 포함한 GMT 복합물질을 제공한다. 또한, 본 발명은 비충전된 GMT 복합물질과 유사하거나 또는 큰 충격 강도 및 인장 강도를 구비할 뿐만 아니라 단가가 현저히 저감되는 GMT 복합물질을 제공한다. 또한 본 발명은 차량 범퍼 빔에 사용될 수 있는 충전재를 갖는 GMT 복합물질을 제공한다. 또한, 본 발명은 비광물로 충전된 GMT 물질보다 높은 리브(rib) 강도를 갖는 GMT 복합 물질을 제공한다. 그리고, 본 발명은 비광물로 충전된 GMT 물질보다 양호한 장기 열시효(long term heat aging)(LTHA) 특성을 갖는 GMT 복합 물질을 제공한다.

상기 GMT 복합물질은 그 기질에서 폴리올레핀(polyolefin), 유리 섬유 및 충전재를 가진다. 바람직한 복합물질은 폴리올레핀, 적어도 길이가 1/2 인치로 절단된 유리 섬유로 된 유리 섬유 매트, 및 바람직한 활석, 운모, 탄산칼슘 또는 중정석(重晶石)의 충전재를 포함하고 있다. 수지가 주입된 유리 매트에 라미네이션없이 형성되는 충전 GMT 복합물질은 비충전복합물질보다 높은 Izod 충격강도를 가진다.본 발명의 복합 물질은 단일 매트 수지 시이트 또는 적층 구조의 제품으로 제조될 수 있으며, 차량용 범퍼 비임, 내부 대쉬(interior dash) 또는 트럭 베드라이너(bedliner)와 같은 부품으로 형성되어 사용될 수 있다.

상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸펜틴 및 이들의 코폴리머(copolymer) 혼합물에서 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 폴리올레핀은 비결정질 폴리올레핀, 결정질 폴리올레핀(예, 어택틱(atactic), 아이소택틱(isotactic) 또는 신택틱(syntactic) 폴리올레핀), 산변성 폴리올레핀(acid-modified polyolefin)(예, 말레인 산 무수물(maleic anhydride)), 이들의 호모폴리머(homopolymer) 또는 코폴리머(copolymer) 혼합물일 수 있다. 상기 유리 섬유 길이는 약 1/4 인치(6.4mm)보다 크나 최소한 약 1/2 인치(12.7mm)의 길이가 바람직하다. 또한 상기 유리 섬유는 단일 방향 또는 랜덤 매트와 직물 또는 비직물 매트, 또는 전술한 바와 같은 절단 섬유와 같은 연속한 유리 매트일 수 있다. 충전 복합 물질에 포함된 유리 섬유 함유량은 약 10% 내지 70% 이나 약 10% 내지 60% 가 바람직하다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 복합물질에 혼합되기 전에 공지된 사이징 작용제로 준비된 사이즈된 섬유가 사용된다.

상기 충전재는 광물성 충전재, 합성 충전재 또는 식물성 충전재일 수 있으며, 바람직하기로는 섬유 유리, 고령토, 운모, 규회석, 탄산칼슘, 활석, 침강(Precipitated, ppt) 탄산칼슘, 목재 가루, 플라이 애쉬(fly ash), 셀룰로오스 섬유, 쌀외피, 견과 껍질, 흑연, MoS₂, 페라이트, 산화철, 중공의 구형체, 플래스틱 구형체, 알루미늄 삼수화물(ATH), Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, 중정석, 새틴 화이트(satin white), 카본 블랙, 산화철, 금속 분말, 산화물, 크롬산염, 카드뮴, 유기 안료, 흄드(fumed) 실리카, 유리 구형체 및 염기성 규산 납으로 이루어진 군에서 선택되어진다. 이러한 충전재는 약 2 내지 500 마이크론의 입자 크기를 가지며, 충전 복합물질 중량의 약 5 내지 50% 이다.

본 발명의 목적은, 비충전 복합물질과 유사하거나 또는 큰 충격 강도 및 인장 강도를 구비할 뿐만 아니라 전체적인 단가가 현저히 저감되는 충전 복합물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 비충전된 복합 물질과 유사하거나 또는 큰 충격 강도 및 인장 강도를 갖고 연속성의 랜덤 글래스 매트를 포함한 충전 복합물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비충전된 복합물질과 유사하거나 또는 큰 충격 및 인장강도를 갖고 절단된 유리 섬유를 포함한 충전 복합물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 열성형 및 스탬핑할 수 있는 유리 섬유 보강물을 포함하는 충전 복합물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비광물로 충전된 GMT 물질보다 높은 리브 강도를 갖는 GMT 복합 물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비광물로 충전된 GMT 복합 물질보다 양호한 장기 열노화(LTHA) 특성을 갖는 GMT 복합 물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 비충전된 복합 물질과 유사하거나 큰 충격 및 인장 강도를 갖고, 충전 복합 물질로 형성된 제품의 수축 및 뒤틀림이 최소로 되도록 절단된 유리 섬유를 포함한 충전 복합물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기계적인 특성이 개선되고 저가인 유리 매트 열가소성 복합 물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 차량용 범퍼 비임에 사용할 수 있고 충전 유리 매트 열가소성 복합물질을 제공하는데 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 이하 상술한다.

본 명세서의 전반에 걸쳐 폴리프로필렌이 반복하여 언급되는데, 본 발명에 따른 충전 복합 물질은 폴리프로필렌 수지에 제한된 것이 아니며, 폴리프로필렌의 파생 물질, 폴리에틸렌 및 다른 열가소성 수지 물질도 포함된다. 또한, 폴리에틸렌의 파생 물질을 사용할 수 있는데, 폴리에틸렌에 기능성(functionalization)을 부가하여 우수한 성능특성을 갖는 복합 물질을 제공할 수 있다.

본 발명은 폴리올레핀 복합물질, 특히 유리 매트 열가소성(GMT) 물질의 기계적인 특성을 개선시키는 것에 관한 것이다. 본 발명은 그 기본 형태로 폴리올레핀, 유리 섬유 및 충전재를 가즌 충전 복합 물질을 제공한다. 바람직한 충전 복합물질은 폴리올레핀, 유리 섬유 매트 또는 적어도 길이가 1/4 인치로 절단된 유리 섬유 및 바람직한 활석, 운모, 탄산칼슘 또는 중정석(重晶石)의 충전재를 포함한다.

본 발명의 복합 물질을 제조하는데 이용될 수 있는 적절한 열가소성 수지 물질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸펜틴(polymethylpentene) 및 이들의 코폴리머 혼합물과 같은 폴리올레핀를 포함한다. 상기 폴리올레핀은 비결정질 폴리올레핀, 결정질 폴리올레핀(예, 어택틱(atactic), 아이소택틱(isotactic) 또는 신택틱(syntactic), 폴리올레핀), 산변성 폴리올레핀(acid-modified polyolefin)(예, 말레인 산 무수물(maleic anhydride)), 이들의 호모폴리머(homopolymer) 또는 코폴리머(copolymer) 혼합물일 수 있다.

본 발명에 따라 열가소성 매트릭스를 보강시키는 유리 섬유는 약 1/4 인치(6.4mm)에서 무한 길이, 즉 연속한 유리 매트까지의 길이 범위를 가지나, 적어도 1/2 인치(12.7mm)의 길이가 바람직하다. 유리 매트는 공지된 방법에 따라 균일한 섬유 크기(예컨대, K 또는 T)를 갖는 유리 섬유로 마련된다. 유리 섬유에 사용되는 상기한 "K" 와 "T" 라 표기된 용어는 섬유의 직경을 나타내며, 상기한 섬유의 직경은 각각 13 및 23 마이크론이다. 상기한 매트, 특히, 연속한 침상의 스트랜드 매트는 본 발명에 따른 보강 열가소성 폴리올레핀 수지 시이트를 제조하는데 특히 유용하며, 단일 방향 또는 랜덤 매트와 직물 또는 비직물 매트일수 있다. 충전 복합 물질에 포함된 유리 섬유량은 약 10% 내지 70% 이나 약 25% 내지 50% 가 바람직하다. 상기한 섬유는 복합물질에 혼합되기 전에 공지된 사이징 작용제로 사이즈되며, 일반적인 실란기(silane-based) 사이징 조성물이 유리 섬유에 첨가될 수 있다.

상기 섬유 보강 복합물질에 충전재를 부가함으로써 섬유 제품의 수축과 뒤틀림이 감소된다. 예를 들어, 폴리프로필렌은 표면 인장의 극성 성분이 약 0 인, 낮은 표면에너지 물질이다. 폴리프로필렌의 극성 기능성의 부족은 그 불활성, 낮은 접착성, 낮은 습윤성 및 낮은 용매 저항성의 주요 원인으로 기인하다. 활석(talc)은 높은 극성 성분을 갖는 높은 표면 에너지 물질이다. 상기한 활석 또는 다른 광물을 첨가함으로써 폴리프로필렌의 표면 에너지가 증가되고, 폴리프로필렌을 포함하는 섬유 제품의 수축 및 뒤틀림이 최소로 된다. 특히, 이하 후술되는 본 발명의 복합물질의 극성 성분이 증가된다.

본 발명의 복합물질에 사용되는 적절한 충전재는 광물, 합성물 또는 식물에서 우선 얻을 수 있다. 추가적으로 다양한 화학 조성물의 충전재가 본 발명에 사용하는데 적절한데, 예를 들면 탄산염(천연 또는 인조), 실리카(천연 또는 인조), 규산염, 황산염, 산화물, 크롬산염, 탄소 및 유기 안료 등이 있다. 광물성 충전재는 고령토, 운모, 탄산칼슘, 활석, TiO₂, 흄드(fumed) 실리카 및 침강(Precipitated(ppt)) 실리카, 플래스틱 섬유 및 구형체, 침강(ppt) 탄산칼슘, 목재 가루, 셀룰로오스 섬유, 쌀 외피 및 견과 껍질 등으로 이루어진 군에서 선택된다. 상기 고령토는 점토 또는 알루미늄 규산염의 일반적인 명칭이다.

섬유 유리, 운모, 규회석 및 고령토는 복합 물질의 보강물로 이용될 수 있고, 상기 규회석은 결정질의 섬유 조직으로 된 칼슘 규산염에 대한 일반적인 명칭이다. 목재 가루, 플라이 애쉬(fly ash) 및 탄산칼슘은 복합 물질의 단가를 저감시키기 위하여 사용될 수 있다. 흑연과 MoS₂윤활제로서 사용될 수 있다. 페라이트(ferrite)와 산화철은 자성 특성을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 중공의 구형체와 플래스틱 구형체는 중량을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 알루미늄 삼수화물(Aluminum trihydrate "ATH")와 Mg(OH)₂은 화염 지연 특성을 부여하기 위하여 사용될 수 있다. TiO₂, ZnO, 고령토, 중정석 및 새틴 화이트(satin white)는 백색화(whitening) 충전재로서 사용될 수 있다. 카본 블랙과 산화철은 흑화(blackening) 충전재로서 사용될 수 있다. 금속 분말이 전기 전도성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 고령토와 활석은 전기 저항성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. TiO₂와 ZnO 이 불투명성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 산화물, 크롬산염, 카드뮴 및 유기 안료가 색상을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 흄드(fumed) 실리카와 유리 구형체가 유동 작용제(rheological agent)로서 사용될 수 있다. 부식을 방지하기 위해 염기성 규산 납이 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 상기한 충전재는 활석, 운모, 탄산 칼슘 및 황산 바륨의 군에서 선택된다.

본 발명에 사용되는 충전재 입자의 크기 직경은 약 2 마이크론에서 500 마이크론의 범위이나, 약 5 마이크론에서 200 마이크론 사이가 바람직하다. 충전 복합 물질에 포함된 충전재 함유량은 약 5 내지 50 중량% 까지이나, 약 20 내지 40 중량%가 바람직하다. 또한, 사이징 작용제들이 복합 물질과 충전재의 바인딩 보조물로서 충전재와 함께 사용될 수 있다. 단일 매트 시이트는 가변 두께를 갖는 충전 복합 물질로부터 형성될 수 있다. 전술한 성분들은 건식 및 습식 혼합 방법과 같은 공지된 방법에 따라 혼합될 수 있다.

본 발명에 따른 복합 물질에 충전재들의 혼합은 예기치 않게 복합 물질의 충격 및 인장 강도가 유지되거나 또는 개선되는 결과를 가져 왔다. 예컨대, 이하 상세히 후술되는 충전재를 포함한 폴리프로필렌기질의 복합물질은 놀랍게도 비충전 폴리프로필렌기질의 복합물질보다 충격 강도 및 인장 강도가 유사하거나 양호하게 나타내었다.

본 발명에 따른 충전 복합물질의 충격강도는 DYNATUP 기계 충격 시험에서 현저한 개선을 보였으며, 인장 강도 시험에서 인장 강도가 유지 또는 개선을 나타내었다. 상기 "DYNATUP" 이란 용어는 충격 시험을 행할 수 있는 장치의 상표명이다. 약 30 내지 40% 유리 섬유 함유량을 갖는 비충전 랜덤 복합물질은 약 15 내지 16 피트 파운드의 DYNATUP 기계의 충격 강도를 나타내는 반면, 약 32 내지 40% 유리 섬유 함유량을 갖는 비충전 절단 섬유 복합물질은 약 15 내지 16 피트 파운드의 DYNATUP 기계의 충격 강도를 나타낸다. 예기치 않게, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀 복합체에 충전제의 부가를 통하여, 충전 복합물질은 비충전 복합 물질보다 유사하거나 큰 DYNATUP 강도를 나타내고 있다. 약 30 내지 40% 의 유리 섬유 함유량을 갖는, 본 발명에 따라 제조된 충전 랜덤 복합 물질은 약 16 내지 20 피트 파운드 범위의 DYNATUP 충격 강도를 나타낸다. 약 26 내지 33% 의 유리 섬유 함유량을 갖는, 본 발명에 따라 제조된 충전 절단 복합 물질은 약 15 내지 18 피트 파운드의 DYNATUP 충격 강도를 나타내었다.

본 명세서에 기재된 충전 복합물질은 비충전 복합물질과 유사하거나 현저히 개선된 기계적인 특성을 구비한다. 중량 퍼센트로 상당한 양의 충전재의 사용은 합성 중합물질이 복합물질의 기계적인 특성을 유지하거나 또는 개선하면서도 동시에 저가로 제조될 수 있게 한다.

충전 폴리올레핀 복합 제품이 제조된 후, 이것은 블랭크(blank)라 불리는 시이트로 미리 절단될 수 있다. 이러한 블랭크는 연화점 바로 위의 온도로 예열된다. 이는 일반적으로 조럴된 기계적인 스탬핑 프레스에 연결된 홀딩 장치내에서 적외선 히터로 행해진다. 그후, 연화된 블랭크는 상기 프레스에 장착된 열린, 냉각 금속 다이에 배치된다. 그리고 상기 금속 다이는 신속하게 닫히며 상기 프레스는 5 내지 15 초 동안 정지되어 상기 시이트가 냉각되게 한다. 그후, 상기 프레스는 다시 열리고 형성된 부품은 제거된다. 트리밍(trimming)이 필요없는 비교적 복잡한 등방성 부품은 하나의 다이에서 매우 높은 생산 속도로 형성될 수 있다. 이것은 필적하는 사이트를 스탬핑하기 위하여 다수의 금속 다이 및 프레스에서 몇번의 "스트라이크(strike)"가 요구되는 스틸 스탬핑보다 나을지언정 뒤지지 않는다.

본 발명에 따른 충전 폴리올레핀 복합 제품은 차량용 범퍼 비임과, 차량 패널, 인테리어 대시 및 트럭 베드라이너 등 다른 형상 부품에 이상적으로 사용될 수 있다. 특히, 상기 충전 폴리올레핀 복합 제품은 전술한 미합중국 특허 제 574 호에 공지된 범퍼 비임에 이상적으로 적합한다. 예컨대, 폴리올레핀, 적어도 약 1/4 인치(6.4mm) 길이의 유리 섬유 및 충전재를 포함하는 GMT 복합 물질은 압축성형 공정을 이용하여 형성된다. 이러한 충전 GMT 복합 물질은 예열되고 범퍼가 형성되는 압축성형 장치로 이송된다. 충전 GMT 복합 물질로 형성된 범퍼 비임은 전방벽, 후방벽, 전후방벽에 연결하는 연결부재 및 상기 전방벽에서 후방벽으로 이어지는 적어도 하나의 보강 리브로 이루어진 I-비임이다. 상기 리브는 상기 전방벽에 지지를 제공하는 어떠한 패턴 또는 방향으로 배열될 수 있는데, 상기 연결부재에 대하여 수직으로 위치된 축선을 갖는 교차형태로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 I-비임은 내부를 보호하고 범퍼 빔의 스타일링을 제공하기 위하여 커버 부재를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 충전 GMT 복합물질로 형성된 범퍼 비임은 그 단면이 C 형상이거나 또는 클로드 섹션 빔으로 될 수 있다.

실시예

아홉 개의 재료 샘플을 폴리프로필렌 수지를 사용하여 ASTM(American Society for Testing Materials, 미국 재료 시험 협회)와 ISO(국제 표준화 기구) 표준의 절차에 따라 마련하였다. 상기한 재료 샘플들은 활석으로 충전된 연속 랜덤 GMT 복합체와 샘플 3 과 4 에 대한 비교를 위하여 대조물로서 사용되는 연속 랜덤 GMT 복합체의 샘플 1 과 2, 황산 바륨으로 충전된 연속 랜덤 GMT 복합체의 샘플 5 를 포함하였다. 인장 강도, 굽힘 강도, 리브 강도, 압축 강도, 및 충격 강도를 시험한 결과 샘플 5 에서는 압축 강도를 제외한 모든 영역에서 개선되었다(표 3 참조). 전혀 예상하지 못했던 점은 인장 강도, 리브 강도, Izod 충격강도 및 DYNATUP 충격강도를 시험한 결과 충전 연속 랜덤 섬유 샘플(즉, 샘플 3, 4 및 5)에서 성능의 유지 또는 현저한 증가이다. 충격 시험은 DYNATUP 장치에서 실행되었으며, 충전재를 포함하지 않은 샘플 1 과 2 보다 성능에서 약 7 내지 35%의 증가를 나타내었다.

표 3

추가적으로, 재료 샘플들은 활석으로 충전 절단 섬유 GMT 복합체의 샘플 8 과 9 에 대한 비교를 위한 대조물로 사용되는 절단 섬유 GMT 복합체의 샘플 6 과 7 를 포함하였다. 인장 강도, 굽힘 강도, 리브 강도, 압축 강도, Izod 충격강도 및 DYNATUP 충격 강도를 시험한 결과 샘플 9 에서는 압축 강도를 제외한 모든 영역에서 성능이 개선되었다(표 4 참조). 전혀 예기치 못한 점은 인장 강도, 리브 강도 및 충격 강도를 시험한 결과 충전 절단 섬유 복합체, 즉 샘플 9 의 성능은 유지되거나 현저히 증가되었다는 것이다. 샘플 8 은 충전재를 포함하지 않고 유리 섬유 함유량이 많은 샘플 6 보다 DYNATUP 충격 강도가 약 40% 증가되고, 인장강도가 약 23% 증가되었다. 또한, 충전재의 농도가 대략 동일하고 보다 많은 양의 유리 섬유를 포함하는 샘플 9 는 샘플 6 보다 DYNATUP 충격 강도가 약 18% 증가되고, 약 47% 의 인장 강도가 증가되었다.

표 4

전술한 바와 같이, 본 발명자는 전체적으로 단가를 현저하게 감소하면서도 비충전 복합물질과 유사하거나 양호한 충격 및 인장강도를 제공하는 충전 복합물질을 발명한 것이 명백하다. 본 발명은 유사한 비충전 복합물질과 동일하거나 큰 충격 및 인장 강도를 가지는 연속 랜덤 유리 매트를 갖는 충전 복합물질을 제공한다. 본 발명은 유사한 비충전 복합물질과 동일하거나 큰 충격 및 인장강도를 가지는 절단 유리 섬유를 포함하는 충전 복합물질을 제공한다. 또한, 본 발명은 열성형 및 스탬핑을 할 수 있는 유리 섬유 보강물을 포함하는 충전 복합물질을 제공한다. 그리고, 본 발명은 비광물성 충전 GMT 복합체보다 높은 리브강도를 가지는 GMT 복합체를 제공한다. 본 발명은 비광물성으로 충전된 GMT 물질보다 큰 장기 열시효(LTHA) 특성을 갖는 GMT 복합 물질을 제공한다. 본 발명은 유사한 비충전 복합제와 동일하거나 큰 충격 및 인장강도를 갖는, 충전 복합물질로부터 형성된 제품의 수축 및 뒤틀림을 최소화하는 절단(chopped) 유리 섬유를 갖는 충전 복합 물질을 제공한다. 본 발명은 개선된 기계적인 특성을 갖는, 저가의 유리 매트 열가소성 복합물질을 제공한다. 본 발명은 차량용 범퍼 비임에 사용될 수 있는 충전 유리 매트 열가소성 복합물질을 제공한다.

진술한 설명 및 실시예들은 본 발명 및 그 원리들의 바람직한 예를 나타내는 것에 불과한 것이고, 본 발명의 사상이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 다양하게 개조 및 변경될 수 있으므로 이들은 첨부된 특허청구의 범위에 포함된다 하여야 할 것이다.

Claims

폴리올레핀(polyolefin);

적어도 1/4 인치(6.4mm)의 길이를 갖는 유리 섬유; 및

상기 유리 섬유의 상대 퍼센트를 감소시키고, 장기 열 시효(long term heat aging)를 부여하는 충전재들로 구성되는 군으로부터 선택된 충전재로 이루어져 있으며;

수지가 주입된 유리 매트에 라미네이션없이 형성되며 비충전 복합물질보다 높은 Izod 충격강도를 가지며;

차량용 범퍼에 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리메틸펜틴(polymethylpentene)으로 이루어진 군에서 선택되며, 바람직한 폴리올레핀은 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 어택틱(atactic) 폴리올레핀, 아이소택틱(isotactic) 폴리올레핀 및 신택틱(syntactic) 폴리올레핀으로 이루어진 군에서 선택되는 결정질 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 1/2 인치(12.7mm) 이상의 길이로 절단된 유리 섬유인 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 연속한 단일 방향 유리 매트인 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 연속한 랜덤 유리 매트인 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 GMT 복합물질의 중량의 적어도 10 % 이고 GMT 복합물질의 중량이 60% 이하인 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 충전재는 광물성 충전재, 합성 충전재 및 식물성 충전재로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 충전재는 섬유 유리, 고령토, 운모, 규회석, 탄산칼슘, 활석, 침강(Precipitated, ppt) 탄산칼슘, 황산 바륨, 목재 가루, 플라이 애쉬(fly ash), 셀룰로오스 섬유, 쌀외피, 견과 껍질, 흑연, MoS₂, 페라이트, 산화철, 중공의 구형체, 플래스틱 구형체, ATH, Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, 중정석, 새틴 화이트(satin white), 카본 블랙, 산화철, 금속 분말, 산화물, 크롬산염, 카드뮴, 유기 염료, 흄드(fumed) 실리카, 유리 구형체 및 염기성 규산 납으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 충전재는 2 내지 500 마이크론의 입자 크기인 것을 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 사이징 작용제(sizing agent)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
제 1 항에 있어서, 상기 충전재는 충전 GMT 복합물질 중량의 적어도 5% 이고 충전 GMT 복합물질 중량의 50% 보다 많지 않은 것을 특징으로 하는 충전 GMT 복합물질.
폴리올레핀;

사이징 작용제(sizing agent)로 처리된 유리 섬유를 갖는 유리 섬유 매트; 및

상기 유리 섬유의 상대 퍼센트를 감소시키며, 장기 열 시효를 부여하는 충전재를 포함하며,

수지가 주입된 유리 매트에 라미네이션없이 형성된 충전 GMT 복합물질은 비 충전복합물질보다 높은 Izod 충격강도를 가지는,

차량용 범퍼에 사용하기 위한 단일 구조의 충전 GMT 복합물질 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리메틸펜틴으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 어택틱 폴리올레핀, 아이소택틱 폴리올레핀 및 신택틱 폴리올레핀으로 이루어진 군에서 선택되는 결정질 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 충전재는 광물성 충전재, 합성 충전재 및 식물성 충전재로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 충전재는 활석, 운모, 탄산 칼슘 및 황산 바륨으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 유리 섬유 매트는 직물 유리 섬유 매트와 비직물 유리 섬유 매트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 충전재는 섬유 유리, 고령토, 규회석, 탄산 칼슘, 침강(Precipitated, ppt) 탄산 칼슘, 목재 가루, 플라이 애쉬, 셀룰로오스 섬유, 쌀외피, 견과 껍질, 흑연, MoS₂, 페라이트, 산화철, 중공의 구형체, 플래스틱 구형체, ATH, Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, 중정석, 새틴 화이트, 카본 블랙, 산화철, 금속 분말, 산화물, 크롬산염, 카드뮴, 유기 염료, 흄드 실리카, 유리 구형체 및 염기성 규산 납으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 충전재는 2 내지 500 마이크론의 입자 크기인 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 유리 섬유 매트는 연속한 단일 방향 유리 매트인 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 유리 섬유 매트는 연속한 랜덤 유리 매트인 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
제 13 항에 있어서, 상기 충전재의 양은 상기 복합 물질의 중량에 15 내지 50% 인 것을 특징으로 하는 단일 구조의 충전 매트 수지 시이트.
폴리올레핀(polyolefin);

적어도 1/4 인치(6.4㎜)의 길이를 갖는 유리 섬유; 및

상기 유리 섬유의 상대 퍼센트를 감소시키며, 장기 열 시효를 부여하는 충전재를 포함하며;

수지가 주입된 유리 매트에 라미네이션없이 형성되고, 비충전복합물질보다 높은 Izod 충격강도를 가지는,

충전 GMT 복합물질로 형성된 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리메틸펜틴(polymethylpentene)으로 이루어진 군에서 선택되며, 바람직한 폴리올레핀은 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 어택틱(atactic) 폴리올레핀, 아이소택틱(isotactic) 폴리올레핀 및 신택틱(syntactic) 폴리올레핀으로 이루어진 군에서 선택되는 결정질 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 1/2 인치(12.7mm) 이상의 길이로 절단된 유리 섬유인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 연속한 단일 방향 유리 매트인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 연속한 랜덤 유리 매트인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 상기 복합물질의 중량에 10 내지 60% 인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 충전재는 광물성 충전재, 합성 충전재 및 식물성 충전재로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 충전재는 섬유 유리, 고령토, 운모, 규회석, 탄산 칼슘, 활석, ppt 탄산 칼슘, 황산 바륨, 목재 가루, 플라이 애쉬(fly ash), 셀룰로오스 섬유, 쌀외피, 견과 껍질, 흑연, MoS₂, 페라이트, 산화철, 중공의 구형체, 플래스틱 구형체, ATH, Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, 중정석, 새틴 화이트(satin white), 카본 블랙, 산화철, 금속 분말, 산화물, 크롬산염, 카드뮴, 유기 염료, 흄드 실리카, 유리 구형체 및 염기성 규산 납으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 충전재는 2 내지 500 마이크론의 입자 크기인 것을 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 사이징 작용제(sizing agent)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.
제 24 항에 있어서, 상기 충전재는 상기 충전 GMT 복합물질 중량의 5 내지 50% 인 것을 특징으로 하는 범퍼 비임.