KR100482443B1

KR100482443B1 - 열가소성 수지 조성물의 제조 방법

Info

Publication number: KR100482443B1
Application number: KR10-2002-0039660A
Authority: KR
Inventors: 최민호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2005-04-14
Also published as: KR20040006125A

Abstract

본 발명은 열가소성 수지 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기지재 (MATRIX)를 폴리프로필렌(PP)로 하여 여기에 보강재로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용하여 실타래 형태로 방사시켜 일정 비로 혼합/혼련하는 단계; 일정 압력과 온도에서 쉬트 상으로 제작하는 단계; 및 얻어진 쉬트를 제품금형에서 열간 프레스 공정을 수행함으로써, 종래 일차적으로 기지재에 보강재를 함침시킨 후 펠렛 상태 등으로 가공한 후 이를 이용하여 제품을 제작하는 것이 아니라, 기지재와 보강재를 모두 실타래 형태로 구성/혼합하고 용융점 차이를 이용하여 가공함으로써, 저온에서의 충격 강도, 흡차음성능이 개선되고, 공정상의 물리적 발포 효과에 따라 저비중 소재를 얻을 수 있을 뿐 만 아니라 열가소성 수지의 이용에 따른 원가 절감 및 리싸이클이 용이함에 따라 자동차의 언더커버로 용이하게 적용될 수 있다.

Description

열가소성 수지 조성물의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACURING THERMOPLASTIC RESIN COMPOSITION}

본 발명은 열가소성 수지 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기지재 (MATRIX)를 PP로 하여 여기에 보강재로 PET를 사용하여 실타래 형태로 방사시켜 일정 비로 혼합/혼련하는 단계; 일정 압력과 온도에서 쉬트 상으로 제작하는 단계; 및 얻어진 쉬트를 제품금형에서 열간 프레스 공정을 수행함으로써, 종래 일차적으로 기지재에 보강재를 함침시킨 후 펠렛 상태 등으로 가공한 후 이를 이용하여 제품을 제작하는 것이 아니라, 기지재와 보강재를 모두 실타래 형태로 구성/혼합하고 용융점 차이를 이용하여 가공함으로써, 저온에서의 충격 강도, 흡차음성능이 개선되고, 공정상의 물리적 발포 효과에 따라 저비중 소재를 얻을 수 있을 뿐 만 아니라 열가소성 수지의 이용에 따른 원가 절감 및 리싸이클이 용이함에 따라 자동차의 언더커버로 용이하게 적용될 수 있다.

언더커버(Under Cover)는 자동차 하단면에 위치하는 부품으로, 자동차 주행중 도로 사정에 의해 돌맹이, 물, 오염 물질 등이 차체로 튀거나 묻는 것을 방지하고자 고안된 부품이다. 특히 자동차 전면 하단부의 언더커버는 돌맹이 등 이물질이 차체로 자주 튀어 오르기도 하고, 아파트 단지내 둔덕을 지날 때 차체 하단면이 자주 부딪히기 때문에 엔진룸 내의 엔진이나 트랜스미션등과 같은 파워트레인 부품에 치명적인 손상을 방지하도록 부착되기 때문에 내충격성 등 충분한 강성이 요구된다. 이러한 언더커버는 종전까지는 스틸제품을 주로 적용하여 상기 목적에 대응하였지만, 최근 경량화 요구가 커짐에 따라 신규 소재들이 적용이 되고 있는 실정이다.

최근 자동차 언더커버로는 GMT 소재나 고충격 PP 사출물이 주로 적용되고 있으며, 특히 GMT 적용이 많은편이다. GMT (Glass Mat thermoplastics) 소재는 여러종류의 열가소성 수지를 기지로 하고 서로 다른 길이와 방향을 가진 유리섬유를 보강한 복합재료로써, 자동차 언더커버에는 범용PP소재를 기지로 주로 적용하고 있다.

GMT는 일반적으로 라미네이트 법을 이용하여 제조되며, 구체적으로 더블 벨트 프레스를 이용하여 유리섬유 매트에 T-Die를 통해 압출된 용융상태의 PP를 오븐에서 가열 함침한 후 냉각시켜 연속적인 Sheet를 제조하여 얻어진다. 상기 GMT는 비중이 1.4정도로 기존의 스틸제품에 비해 상당한 경량화를 이룰 수 있으며, 인장, 굴곡강도가 우수하고, 특히 저온에서의 충격성도 우수하여 자동차 언더커버에 주로 적용되어 왔다.

그러나 GMT는 유리섬유를 함유하고 있기 때문에 작업환경이 좋지 않으며, 재활용성이 있기는 하지만, 1차 재생을 하게 되면 유리섬유의 파손이 발생하여 초기 GMT 제품의 물성을 얻기는 어렵다. 그리고 비교적 장섬유의 유리강화 섬유가 포함되기 때문에 제품 설계시 디자인의 제약이 있을 뿐만 아니라, 비중이 1.4정도로 일반적인 플라스틱 보다 비중이 높기 때문에 추가 경량화의 요구가 따르고 있다.

상기한 단점을 해결하고자 최근에는 내충격 PP 사출물을 몇몇 차종에 적용하고 있다. 그러나 이러한 내충격 PP사출물은 폴리프로필렌 수지 자체가 갖는 낮은 유리전이온도로 인해 저온에서의 충격 강도가 현저히 떨어져 자동차 언더커버로 적용하는 경우, 저온 지역에서의 물성이 현저히 떨어짐에 따라 주행중 파손 발생 가능성이 높고 따라서 이러한 저온 충격성의 취약함은 겨울철 자동차 주행시 안정성 확보에 문제가 될 수 있다.

이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 열가소성 복합재료를 이용하여 자동차용 언더커버를 제작하고자 하였으며, 특히 기지재 (MATRIX)를 PP로 하여 여기에 보강재로 PET를 사용하여 실타래 형태로 방사시켜 일정 비로 혼합/혼련하는 단계; 일정 압력과 온도에서 쉬트 상으로 제작하는 단계; 및 얻어진 쉬트를 열간 프레스 공정을 수행함하여 제조하였으며, 물성시험결과 저온에서의 충격 강도, 흡차음성능이 개선되고, 공정상의 물리적 발포 효과에 따라 저비중 소재를 얻을 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 온도와 압력을 가하면 용융점이 낮은 소재가 먼저 용융되어 기지상이 되고, 보다 높은 용융점의 소재가 기존 형상을 유지하여 보강재가 되는 것을 원리를 이용하여 제작되는 열가소성 수지 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 물리적 발포효과를 유도함으로써 보강재와 기지재 사이에 기공을 형성시켜 경량화를 극대화하고 따라서 강성보강과 경량화를 얻을 수 있는 열가소성 수지 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 상기한 제조방법에 의해 얻어지는 열가소성 수지 조성물을 자동차 언더커버에 적용하는 용도를 제공하는 것이다.

본 발명은

기지재 (MATRIX)를 폴리프로필렌(PP)로 하고, 여기에 보강재로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용하여 실타래 형태로 방사시켜 7:3 ∼ 6:4의 비로 혼합/혼련하는 단계;

50 ∼ 70 Kg/cm² 압력과 100 ∼ 220 ℃ 온도에서 열간압착에 의해 쉬트 상으로 제작하는 단계; 및

얻어진 쉬트를 150 ∼ 250 Kg/cm² 압력과 170 ∼ 190 ℃ 온도에서 열간 프레스 단계를 포함하는 자동차 언더커버용 열가소성 수지 조성물의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 제조방법 더욱 상세히 설명한다 (도 1).

본 발명의 제1공정에서는, 기지재 (MATRIX)를 PP로 하여 여기에 보강재로 PET를 사용하여 실타래 형태로 방사시켜 일정 비로 혼합/혼련한다.

상기 기지재 및 보강재로 사용하는 PP수지와 PET수지는 펠렛 형태로 제조된 것을 방사기를 이용하여 방사시켜 실타래 형태로 일차 가공을 한다. 얻어진 실뭉치의 PP수지와 PET수지를 약 7:3 ∼ 6:4의 비율로 혼합하여 교반기를 통해 균일하게 섞이도록 한다. 일차적으로 혼합된 PP/PET 실뭉치를 연속공정을 통해 훈련기로 보내고, 훈련기에서는 원심력을 이용하여 보다 랜덤한 방향으로 실타래들이 균일하게 분포하도록 한다.

상기 PP 및 PET의 함량 비는 최종제품의 물성에 영향을 주는 바 기지재인 PP소재와 보강재인 PET의 계면에서의 접착강도, PP 고유의 인장강도 및 PET 고유의 취성으로 인하여 본 발명자들은 다양한 실험을 통해 최적의 함량을 제시하였다. 바람직한 실시예에 따르면, 다양한 함량에서 인장강도, 충격강도 및 굴곡강도 등을 시험한 결과 기지재 및 보강재의 최적의 혼합비를 얻을 수 있었으며, 구체적인 사항은 실험예에서 설명한다.

상기 공정에서 사용되는 방사기, 교반기 및 혼련기 등은 이분야에서 널리 사용되는 것이면 어떤 것이든 사용가능하며, 각각의 세부적인 공정 조건은 이분야의 통상적인 지식을 가진자에 의해 적절히 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 각각을 한정하지는 않는다.

본 발명의 제2공정에서는, 상기 혼련된 조성물을 50 ∼ 70 Kg/cm² 압력과 100 ∼ 220 ℃ 온도에서 열간압착에 의해 쉬트 상으로 제작한다.

본 공정에서는 기존의 제조방법과 달리, 기지재와 보강재를 모두 실타래 형태로 구성/혼합하고 온도와 압력을 변수로 기지재와 보강재의 용융점 차이를 이용하여 온도와 압력을 가하면 용융점이 낮은 소재가 먼저 용융되어 기지상이 되고 보다 높은 용융점의 소재가 기존 형상을 유지하여 보강재가 되는 것을 기본원리로 이용한다.

구체적으로, 상기 소재를 매트형상으로 연속적으로 니들펀칭 머신으로 이송하고, 니들펀칭 공정에 의해 섬유간의 배향성이 더욱 랜덤하게 가공하고 일정한 형태의 연속상 매트로 제작한다. 이러한 매트를 이중 압착롤러를 통해 일정 두께로 일차 가공하고 가장자리를 트림 처리하여 일정규격의 매트상이 되도록 한다.

상기 매트는 IR Heater 터너링 공정을 통해 보다 더 압착되며 더욱 균일한 두께의 매트상으로 제조되며, 본 발명에서는 IR Heater부에는 열풍에 추가로 하여 보다 예열 효과를 높였다. 예열되는 동안 혼합된 두 수지상 중 용융점이 낮은 PP소재가 먼저 융용상태로 변하고, 이러한 용융상태의 PP소재는 실타래 형태의 PET 소재 사이사이로 융착되어 들어감으로써 기재상(MATRIX)을 형성하고 실타래 형태의 PET소재는 보강사로써 보강재료 역할을 수행하여 복합재료의 성능을 지니게 된다.

즉, 기존의 열경화성 복합재료나 GMT처럼 일차적으로 기지재에 보강재를 함침시킨 후 팰렛 상태 등으로 가공한후 이를 이용하여 제품을 제작하는 것이 아니라, 고체상의 기지재를 가공공정에서 용융시켜 함침시켜 제조하게 되는 것이다.

예열된 쉬트는 열간 압착을 통하여 보다 밀도가 높은 상태로 제조되는 데, 밀도 조정은 압출속도와 롤러간격을 조정하여 쉬트의 두께를 조절함으로써 밀도를 조정하게 된다. 이때 압출속도는 3 ∼ 10 M/분 속도이며, 롤러간격은 제품 두께에 맞추어 변경하게 된다.

본 발명의 제3공정에서는 상기 단계에서 얻어진 쉬트를 170 ∼ 190 ℃에서 150 ∼ 250 Kg/cm² 압력하에 40 ∼ 60 초 동안 열간 프레스 공정을 수행하여 제품을 제작함으로써 본 발명을 완성한다.

본 공정에서는 상기 단계에서 얻어진 일정크기의 매트상을 제품금형에 장착하고 열간프레스를 가하여 보강재료인 PET의 복원력(압축공정시 프레스에 의해 압력을 받고 있다가, 압력이 제거되면 다시 원형 상태로 되돌아 가고자하는 반발력)을 이용하여 물리적 발포효과를 유도한다. 구체적으로, PET상은 원래 상태를 유지하고 있으나 금형 압착력에 의해 일정 하중을 받는 상태가 되므로, 기지상인 PP수지가 50 ∼ 70% 고화가 된 상태에서 금형의 압력을 일부 제거하여 주면PET소재의 보원력에 의해 제품은 다소 팽창이 발생하게 되고, 미세적으로 보면 부분적으로 PET 소재와 PP 소재사이에 코어(기공)가 형성된다. 따라서, 이러한 기공의 체적만큼 경량화가 가능하며, 아울러 이러한 기공에 의해 흡차음 성능이 개선되는 잇점이 있다.

본 발명의 제3공정의 열간 프레스 공정은 최종 얻어진 제품의 물성에 직접적인 영향을 주는 바, 여러 번의 실험을 통해서 최적의 조건을 얻을 수 있었다.

본 공정에서 가열온도는 170 ∼ 190 ℃, 바람직하게는 180 ℃로서, 이때 상기 온도 미만이면 Sheet상에 충분한 열전달이 되지 않아 성형가공이 어려우며, 상기 온도를 초과하게 되면 기지재인 PP소재의 유출현상이 발생하게 되어 바람직하지 못하다. 실시예에 따르면 200 ℃에서 가열한 경우 기지재의 용융현상이 심하게 발생하여 성형가공시 기지재인 PP 소재가 유출되는 현상이 발함을 확인할 수 있었다.

또한 최적의 압력은 150 ∼ 250 Kg/cm² 으로, 상기 압력보다 낮은 압력에서는 제품성형이 이루어지지 않고, 상기 압력범위를 초과하게 되면 제품 파손 및 밀도가 높아지고 물리적 발포가 발생하지 않게 되는 문제점이 발생하여 바람직하지 못하다.

이때, 가압시간은 40 ∼ 60초, 바람직하게는 50 ∼ 55초 정도로서, 가압시간이 40 초 이하일 경우 충분히 가압이 되지 않기 때문에 초기 제품디자인 형상이 나오지 않고, 60 초 이상이면 가압시 발생하는 응력이 제품에 계속 남게 되므로, 향후 잔류응력에 의한 후변형의 원인이 될 수 있다.

또한 sheet 표면온도와 예열온도는 각각 155 ∼ 185 ℃, 135 ∼ 170 ℃가 유리하며 제품 형상이나 크기에 따라 상기 범위내에서 최적온도 조건을 다르게 하여 제작할 수 있다.

상기한 공정을 거쳐 제조된 열가소성 수지 조성물은 인장강도, 충격강도 및 굴곡강도 등 물성이 우수하고, 보강재와 기지재 사이에 기공을 형성시켜 경량화를 이룰 수 있게 되었으며, 열가소성 수지를 사용함에 따라 사용후 회수하여 재사용이 가능하며, 여러가지 산업제품, 특히 자동차의 언더 커버에 적절히 적용될 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

본 발명의 열가소성 수지 조성물의 섬유매트(보강재)로 구성되는 PET소재의 함량과 물성과의 상관관계를 확인하고 최적상의 조성비를 얻기위해, 하기와 같이 실시하였다.

하기 표 1에 나타낸 바의 조성비로 PP 및 PET를 혼합, 혼련한 다음, 60 Kg/cm² 압력과 220 ℃온도에서 압력하에 열간압착 공정을 수행한 다음, 다시 180 ℃, 200 Kg/cm² 압력하에 열간 프레스 공정을 수행하여 열가소성 수지 조성물을 제조하고, 시편제작용 쉬트를 제조하여 하기와 같이 물성을 측정하였다.

1. 인장강도 (kgf/cm²) : ASTM D638법에 의거하여 측정하였다.

2. 굴곡강도 (kgf/cm²) : ASTM D79법에 의거하여 측정하였다.

3. 충격강도 (kgf/cm²) : ASTM D256법에 의거하여 측정하였다.

상기 표 1에 따르면, PET함량이 40%일 때 가장 우수한 인장강도를 나타내었다. 인장강도는 기지재인 PP소재와 보강재인 PET와의 계면의 접착강도에 의존하게 되는데, 인장강도에 중요한 영향을 미치는 PP의 함량이 30% 이하이면 취성을 지니게 됨에 따라 인장강도가 떨어지고, PP의 함량이 50% 이상이면 PP소재의 고유특성이 많이 나타나고 복합재료의 효과가 저감됨에 따라 인장강도가 PP소재의 고유특성을 대표하는 경향으로 나타나기 때문에 인장강도 역시 저하된다. 따라서 기지재인 PP소재의 함량이 60%, 보강재인 PET의 함량이 40%일 때 최고의 인장강도를 나타냄을 알 수 있다.

상기와 유사한 이유로 충격강도 또한 보강재인 PP 소재에 영향을 많이 받기 때문에 PET 소재의 함량이 많을수록 취성이 강해지며 PET소재의 함량이 50%이상이 되면 충격강도의 급격한 저하가 발생하였다. 다시 말하면, 충격성이 약한 기지층의 취약점을 보강재가 보강해주기 때문에 보강재의 함량이 증가하면 충격흡수능이 발현되어 충격강도가 증가하나, 최대 충격강도를 나타내는 PET30% 함량을 기준으로, PET 소재의 함량이 많을수록 취성이 강해지기 때문에 충격강도가 저하되기 시작하며 PET소재의 함량이 50%이상이 되면 충격강도의 급격한 저하가 발생하였다.

한편 굴곡강도는 기지재와 보강재의 최적혼합비에 영향을 받게 되는데 굴곡강도에 가장 유리한 조성은 PP 70%에 PET 30% 임을 알 수 있다.

<실시예 2>

상기 실시예 1에서 얻어진 최적의 PP 수지 및 PET수지의 조성비로, 상기와 동일한 제조방법에 의해 시편을 제조하고 물성을 측정하였다.

이러한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

1. 인장강도 및 신율 : ASTM D638법으로 측정하였으며, 인장강도는 항복점에서의 값이고 신율은 파단 시의 값이다. (시험속도 : 50 mm/min)

2. 굴곡강도 및 굴곡탄성율 : ASTM D790법으로 측정하였다. (시편규격 : 127 × 6.4mm, 시험속도 : 10 mm/min)

3. IZOD충격강도 : ASTM D256법으로 측정하였다. (시편규격: 63.5 ×12.7 × 3mm)

4. 열변형온도 : ASTM D648법으로 측정하였으며, 하중은 4.6 kgf이다.

<실시예 3>

제품 금형상에서 최적의 성형조건을 구하고자 하기 표 3에 나타낸 바와 같은 조건으로 제품 성형을 실시하였다. 하기 성형 조건은 300톤 가압프레스를 이용하였고 금형온도는 40 ∼ 50 ℃로 하였다. 이때 수지 조성비는 PP 70%, PET 30% 였다.

상기 표 3에 따르면, 가열온도가 200 ℃일 경우 기지재의 용융현상이 심하게 발생하여 성형가공시 기지재인 PP 소재가 유출되는 현상이 발생하였다. 가열온도를 180 ℃로 하고 가압시간과 표면온도 및 예열온도를 달리하면 성형한 결과 가장 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

가압시간은 55 초 이상인 경우 상기 와 마찬가지로 표면에 PP가 유출되는 현상이 나타났으며, 응력 또한 제품에 과량 잔류함을 확인하였다. 이러한 잔류응력은 추후 외부의 영향에 의해 후변형의 원인이 될 수 있어 바람직하지 못하다.

또한 상기 표의 결과, 쉬트 표면온도와 예열온도는 각각 155 ∼ 185 ℃, 135 ∼ 170 ℃가 유리하며 제품 형상이나 크기에 따라 상기 범위내에서 최적온도 조건을 다르게 하여 제작할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 열가소성 수지 조성물을 제조하였으며 상기 제조된 수지 조성물은 하기의 특징을 지닌다.

1. 기지재로 PP를 사용하고 보강재로 PET를 사용함에 따라 복합재료에의 특성에 의한 우수한 저온에서는 내충격성을 확보할 수 있다.

2. PET의 물리적 발포효과에 따라 PP 및 PET 소재 사이의 기공에 의해 흡차음성능이 개선됨과 동시에 저비중 소재를 제작할 수 있다.

3. 기존 GMT사양 대비 동등 또는 원가절감을 유도할 수 있다.

4. 열가소성 수지 이용에 따라 거의 100%에 가까운 리싸이클성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 가공 방법을 간략히 도식화한 것이다.

Claims

기지재 (MATRIX)를 폴리프로필렌(PP)로 하고, 여기에 보강재로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용하여 실타래 형태로 방사시켜 7:3 ∼ 6:4의 비로 혼합/혼련하는 단계;

50 ∼ 70 Kg/cm² 압력과 100 ∼ 220 ℃ 온도에서 열간압착에 의해 쉬트 상으로 제작하는 단계; 및

얻어진 쉬트를 150 ∼ 250 Kg/cm² 압력과 170 ∼ 190 ℃ 온도에서 열간 프레스 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 언더커버용 열가소성 수지 조성물의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 열간 압착공정은 섬유간의 배향성을 랜덤하게 하기 위해서 니들 펀칭 공정 후 균일한 조직의 쉬트를 제조하기 위해 IR Heater 터너링 공정을 전 단계에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 열간 프레스 공정은 40 ∼ 60 초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.