KR100532636B1 - 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 및 그제조방법 - Google Patents

유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

1종 이상의 열가소성 수지와 열가소성 섬유(VF/PP, PETF/PP, PAF/PP 등)로 구성된 기지재와 1종 이상의 열가소성 유기섬유(VF, PETF, PAF계 등)가 적정비율로 강화된 일체형 초경량 발포복합 신소재를 자동차용 천정재의 구성소재로 적용하여 재활용이 가능하도록 한 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명의 천정재는 열가소성 수지와 열가소성 섬유(VF/PP, PETF/PP 및 PAF/PP)로 이루어진 2종 이상의 기지재 50∼70 중량%와, 1종 이상의 열가소성 유기섬유(VF, PETF 및 PAF계) 30∼50 중량%의 비율로 강화하여 다층 일체형으로 발포 성형한 발포 복합소재 시트를 제조하되, 발포 복합소재 시트를 구성하는 소재의 용융온도 이하에서 금형내 가열압축을 통해 성형하여 이루어진다. 한편, 전술한 바와 같은 천정재의 제조방법은 강화한 유기섬유 강화 복합소재 시트를 제조하는 공정; 유기섬유 강화 복합소재 시트를 예열로를 이용하여 매트릭스의 융점 이상으로 예열시키는 예열공정; 예열된 유기섬유 강화 복합소재 시트를 금형에 넣어 프레스로 100∼130초간 가압하여 성형하는 압축공정; 유기섬유 강화 복합소재 시트를 100∼130초간 가압한 후 프레스의 압력을 20∼40초간 줄여 충분히 발포 성형될 수 있도록 하는 압력제거 공정; 발포 성형된 유기섬유 강화 복합소재 시트의 불필요한 부분을 잘라내거나 따내어 정형(整形)하는 트리밍공정; 및 정형된 유기섬유 강화 복합소재 시트에 필용한 부착물을 조립하여 제품을 완성하는 부착물조립공정을 포함하여 이루어진다.

Description

유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 및 그 제조방법{Roof material car of light weigt composition material organic fiber reinforced and manufacture thereof}
본 발명은 자동차용 천정재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1종 이상의 열가소성 수지와 열가소성 섬유로 구성된 기지재와 1종 이상의 열가소성 유기섬유가 적정비율로 강화되어 다층의 일체형으로 발포 성형된 열가소성 유기섬유강화 복합소재를 기재층에 적용한 자동차용 천정재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차용 천정재라 함은 자동차의 실내 천정 부분에 부착되어 자동차 외부로부터의 소음을 흡수 및 차단하는 기능 그리고 자동차 실내를 단열할 수 있도록 한 것이다. 다음은 종래의 장동차용 천정재를 보인 것이다.
도 1a 는 종래의 자동차용 천정재 구조를 보인 단면 구조도, 도 1b 는 종래의 자동차용 천정재 구조를 보인 다른 예의 단면 구조도이다.
도 1a 및 도 1b 에 도시된 바와 같이 종래 자동차용 천정재의 구조는 표피재(Polyester 부직포, PVC Sheet), 쿠션재(PP, PE 등의 Foam) 및 기재(Resin Felt, Glass Wool, Paper Board) 등의 3중 구조로 이루어진다. 이러한 구조의 종래 자동차용 천정재는 각 이종재질간의 접합시 접착제 사용으로 재활용이 어려운 문제가 있다.
또한, 전술한 종래 자동차용 천정재의 문제점으로는 이종소재 적층에 의한 자체 중량 증가와 유독성분이 함유된 소재 및 열경화성 수지류 사용에 의한 작업시 악취, 분진, 소음이 발생하는 문제가 있다. 특히, 종래의 자동차용 천정재 제조공정은 다수의 공정으로 이루어지므로 작업시간, 인원, 공간, 설비 및 반제품 적재공간 등의 소요량이 증가하게 되고, 흡음성, 차음성, 단열성 등의 물성이 열악하게 되며, 폐차 및 내장재 제조과정에서 발생하는 스크랩 재활용이 불가능하여 위탁소각에 의한 대기오염이 발생한다는 문제가 있다.
전술한 종래의 자동차용 천정재 제품에 널리 사용되는 재질로는 페놀수지에 열경화성수지를 함침하여 열간 프레스로 성형하는 합성수지 펠트(Resin Felt)와 종이 골판지를 열간 프레스로 성형한 페이퍼 보드(Paper Board) 등이 활용되고 있으나, 이러한 소재들은 다단계의 작업공정이 필요하고, 페놀수지의 사용으로 인한 공해유발 및 작업공정이 열악하여 재활용이 어려운 문제점을 가지고 있다.
또한, 종래의 자동차용 천정재로 폴리우레탄 폼(Ployurethane Foam)과 글라스 매트(Glass Mat)의 조합 및 폴리프로필렌 시트/폴리프로필렌 폼 시트(PP Sheet/PP Foam Sheet)의 샌드위치(Sandwich) 구조로 이루어진 제품도 있다.
전술한 종래의 자동차용 천정재 중 폴리우레탄 폼(Ployurethane Foam) 천정재의 경우는 흡음성은 좋으나 내후성이 나빠서 장시간 사용할 때 변색이나 폼 셀(Foam Cell)의 바스러짐이 발생되는 등 내구력이 떨어지는 문제가 있다.
한편, 자동차용 천정재 제조업체는 패널(Panel)층용으로 촉감, 성형성 및 층격흡수성을 갖도록 전자선 가교 폴리프로필렌 폼 시트(PP Foam sheet)를 적용하여 발포 배율 20배, 두께 5mm, 내열성 110℃ 이상의 성능, 강성, 치수 안정성 등을 모두 만족하는 제품을 개발 채택하고 있다. 특히, 각 재질의 접착·적층시 가격이 저렴하고 다양한 공법의 적용이 용이한 변성 EVA계 핫 멜트 필름(Hot Melt Film)을 적용하였으나, 계면 접착력, 내열성, 공정 적용성이 좋고 주 재질과 성분이 유사하여 재활용을 극대화 할 수 있는 PP계 재질로 변경한 예도 있다.
그리고, 쿠션(Cushion)층은 전자선 가교 폴리프로필렌 폼 시트(PP Foam Sheet)를 이용하여 패널층과 동일 재질화하여 재활용 용이성을 부여하고자 노력 중이다. 표피(Skin)층은 표피재의 소재 선정시 난연성과 내열성 등의 물리적 성질 및 광택이나 색상 등의 시각적 특성을 고려하고 있다. 재활용성이 우수한 PP 부직포는 내광성(내광 견뢰도) 등이 다소 미흡하고, TPO Sheet 계열의 표피제는 표면 내 긁힘(Scratch)성이 부족하여 개선이 요구되고 있다. 특히, 완전재활용을 위한 동일 재질화는 제품가격의 상승이 예상되어 PP 부직포 사양과 PET 부직포 사양을 동시에 적용 중이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 자동차용 천정재의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 열가소성 수지와 열가소성 섬유(VF/PP, PETF/PP, PAF/PP 등)로 구성된 2종 이상의 기지재와, 1종 이상의 열가소성 유기섬유(VF, PETF, PAF계 등)가 적정비율로 강화된 일체형 초경량 발포복합 신소재를 자동차용 천정재의 구성소재로 적용하여 재활용이 가능하도록 한 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF) 및 나일론 섬유(PAF) 등의 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공하여 재활용이 용이하도록 함으로써 환경오염을 저감시킬 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF), 나일론 섬유(PAF) 등 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 비중이 0.7 내외인 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공함으로써 초경량화를 실현할 수 있도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적으로는 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF), 나일론 섬유(PAF) 등 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공함으로써 고흡·차음성을 실현할 수 있도록 함에 있다.
아울러, 본 발명은 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF), 나일론 섬유(PAF) 등 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공함으로써 고강도를 실현할 수 있도록 함에 있다.
나아가, 본 발명은 전술한 목적들 이외에 재활용 용이성, 초경량화, 고흡·차음성, 고강도를 갖는 다기능 열가소성 복합신소재를 이용한 공정의 단일화를 통하여 작업능률의 향상 및 제조원가를 절감시킬 수 있도록 함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등으로 구성되는 열가소성 수지와, 나일론섬유(PAF), 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF) 등으로 구성되는 열가소성 섬유가 상기 열가소성 섬유의 용융온도 이하에서 가열 및 압축되어 제조되는 복합재료에 있어서, 상기 1종 이상의 복합재료 50∼70 중량% 와, 적어도 1종 이상의 유기계 열가소성 섬유 30∼70 중량% 가 배합되어 발포 성형되고, 발포된 복합소재가 평균 20∼50㎛ 의 균일한 입자 분포를 갖는 구상형의 클로즈 셀(close cell) 형상이며 그 비중이 0.7 내외인 것을 특징으로 한다.
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이때, 전술한 유기계 열가소성 섬유는 비닐론(PAF), 나일론 섬유(VF) 및 폴리에스터(PETF)이거나, 이들 섬유가 조합된 구성으로 이루어질 수 있다.
그리고, 전술한 기지재와 열가소성 유기섬유의 종류에 따라 적정비로 혼합하여 다층의 일체형으로 발포 성형된 발포 복합소재 시트는 다공성 경량 구조로 이루어진다.
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그리고, 천정재의 표피재, 쿠션재 및 기지재의 각 구성층 모두 또는 일부가 발포 복합소재 시트로 일체 성형될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재의 제조방법은, 열가소성 수지 및 열가소성 섬유로 이루어지는 기지재로 시트를 제작하는 과정과, 상기 시트를 상기 열가소성 수지의 용융점 이상으로 예열시키는 과정, 상기 예열된 시트를 금형에 넣고 프레스로 가압하여 성형하는 압축 과정, 상기 압축된 시트를 발포 성형하는 과정, 상기 발포 성형된 복합재료를 트리밍하고 필요한 부착물에 조립하여 시트를 제조하는 유기섬유강화 복합재료 시트의 제조 방법에 있어서, 상기 시트를 제작하기 전 상기 기지재에 적어도 1종 이상의 열가소성 유기섬유를 상기 열가소성 유기섬유의 용융온도 이하로 가열 및 압축하여 복합소재를 제조하는 한편, 상기 예열시에는 온도를 140∼220℃의 범위내로 설정하여 가열시키고, 상기 압축 과정에서는 50℃이하의 금형온도에 0.1∼1.0 ㎏f/㎠의 프레스 압력으로 100∼130초간 가압시키고, 상기 발포 성형 과정에서는 100∼130초간 가압한 후 상기 프레스의 압력을 20∼40초간 줄여 제조함으로써 이루어진다.
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이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 및 그 제조방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재와 종래의 자동차용 천정재 구조를 비교하여 보인 단면 구조도, 도 3a 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 PAF(30)/PPF(70)/PP발포 시트를 보인 사진, 도 3b 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 PAF(30)/PPF(70)/PE발포 시트를 보인 사진, 도 3c 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 PETF(30)/PPF(70)/PP발포 시트를 보인 사진, 도 3d 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 VF(30)/PPF(70)/PP발포 시트를 보인 사진, 도 4a 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 PETF/PP의 계면 전자현미경 사진, 도 4b 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 VF/PP의 계면 전자현미경 사진, 도 4c 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 PAF/PP의 계면 전자현미경 사진, 도 4d 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 PETF/PP의 다층구조 전자현미경 사진, 도 4e 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 클로즈 셀, PETF/PP의 발포 셀 전자현미경 사진, 도 5 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 이용한 천정재의 성형조건을 보인 그래프이다.
도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재(100)는 다층의 일체형으로 발포 성형된 초경량 신소재로 천정재 각 구성층을 단일 동종소재로 통일사양을 적용한 대체생산이 가능하므로 실적용시 기존제품의 가격, 성형 용이성 및 성능비교 우위성을 확보할 수 있다. 이러한 유기 섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재(100)는 VF/PP, PETF/PP 및 PAF/PP 중 1종으로 구성된 초경량 판재형 기지재와 1종 이상의 열가소성 유기섬유를 50∼70 : 30∼50 중량%의 비율로 다층의 일체형으로 발포 성형된다. 이때, 전술한 1종 이상의 열가소성 유기섬유는 나일론섬유(VF), 폴리에스터(PETF) 및 비닐론(PAF)이나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있는 한편, 전술한 바와 같이 기지재에 사용되는 열가소성 수지의 폴리프로필렌(PP) 및 열가소성 유기섬유의 나일론섬유(VF), 폴리에스터(PETF) 및 비닐론(PAF)는 일 실시예에 해당되는 것으로 이에 한정되지 않고 임의의 열가소성 수지 및 유기섬유를 선택하여 사용할 수 있음은 물론이다.
도 2 에서와 같이 본 발명의 발포 성형된 복합소재로부터 제조한 천정재(100)와 기존 천정재의 구조적 차이점은 먼저, 기존 천정재는 다층의 분리형으로 이루어진 구조로 이루어진 반면, 본 발명의 발포 성형된 복합소재로부터 제조한 천정재(100)는 다층의 일체로 이루어진 구조이다.
본 발명에 따른 다층의 일체형으로 발포 성형된 천정재(100)는 초경량화(약 800g/㎡), 고강도이면서 저비중(0.72∼0.78), 단열성과 흡·차음성의 획기적 개선, 생산성 향상(일체성형으로 공정단축), 원가절감(전자동화 공정 및 인력절감 등으로 생산비용 20% 정도감소), 인력절감(공정의 단일화 및 자동화에 따른 50% 정도감소), 재활용성 극대화(유기계 섬유사용, 폐기시 그대로 용융하여 polymer blend화 가능), 최초의 독자적 국산화 복합소재 적용 천정재 개발 등의 장점을 갖는다. 본 발명에 실시예에 따라 개발된 다양한 조성의 다층구조 판재형 경량 신소재 중 제물성의 일예는 다음의 표 1 과 같다.
시험항목 요구기준 실험값 시험조건 비고
PAF PETF VF
인장강도(kgf/㎠) 650 380 470 660 20mm/min -
굴곡강도(kgf/㎠) 200 211 151 253 2mm/min -
굴곡탄성율(kgf/㎠) 6,000 6,540 7,980 11,040 2mm/min -
1zod 충격강도(kgf·㎝/㎠) N/B 78 91 109 30kgf/cm -
고속총격강도 Force(N) 5,000 2,840 2,640 5,075 3m/sec 최대값
Energy(J) 10.2 03.1 12.2 23.3 3m/sec Force:최대일때
Energy(J) 12.5 15.6 9.3 16.4 3m/sec Force:0일때
단열성(Thermal conductivity)(kcal/m·h·℃) 0.030 0.023 0.024 0.022 35~45℃ 평판비교법
비중(g/㎤) 0.6~0.7 0.75 0.72 0.78 - 고체비중측정방법(KSA062)
삭제
한편, 기지재와 열가소성 유기섬유 종류에 따라 70/30 중량%의 비율로 다층의 일체형으로 발포 성형된 복합소재 시트의 단면 적층 Morphology는 도 3a 내지 도 3d 에 도시된 바와 같이 모두 각 층간 계면 접착력이 양호하였으며, 발포에 의한 다공성 경량 구조를 보였다. 각 열가소성 유기섬유를 함유시켜 제조한 VF/PP, PETF/PP, PAF/PP 초경량 단열판재 소재의 기지재와 열가소성 유기강화섬유간의 계면 접착특성 및 발포층의 형상을 관찰하기 위한 전자 현미경사진은 도 4a 내지 도 4e 에 도시된 바와 같다.
전술한 PETF/PP 시료는 PETF가 X, Y방향으로 교차되어 있으며, 부분적으로 박음질(Needling)에 의해 섬유가 Z방향으로 결착된 것으로 판단된다. 파단시 표면에 섬유가 박혀 있는 것으로 보아 결착 중 습윤성(Wetting)이 우수한 것으로 사료된다. VF/PP의 경우는 VF가 PP 기지재에 함침되어 있는 상태를 볼 수 있으며, PAF/PP 시료는 박음질(Needling)하기 전에 정면기에서는 섬유의 엉킴(Coiling) 형태가 다소 미흡하여 X, Y 방향으로 방향성을 가지고 있다. Z 방향의 섬유는 박음질(Needling) 횟수에 영향을 받으며, Z 방향의 섬유 배향은 전체의 2∼3% 정도 함유 된 것으로 판단된다. 그리고, 다층구조 발포체에서는 셀(Cell)의 형태가 구상형태를 갖는 클로즈(Closed cell)로서 2차 성형시 가압조건에 따라 셀(Cell)의 형태가 타원형으로 된 것으로 판단되며, 셀(Cell) 벽면에는 결정화 형태를 유지하고 있다. 도 4 에서와 같이 발포 셀(Cell)의 평균 입자경은 20∼50㎛정도의 클로즈 셀(Closed Cell)을 이루고 있고, 균일한 분포를 나타내고 있어 열전도율이 낮게 즉 단열성의 개선에 기여하였다.
본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재(100)는 경량화 효과가 높으나 그에 따른 강도의 약화가 예상될 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 적절한 발포 두께를 유지하면서 최적 형태의 열가소성 유기섬유를 선정하여 제품을 보강하였다. 성능개선을 위해 열가소성 유기섬유로 열가소성 기지재와의 친화력 보강, 촉감과 탄력성 향상 및 재활용성을 극대화 시켰다.
한편, 기존의 표피재는 난연성과 내열성 등의 물리적 성질 및 광택이나 색상 등의 시각적 특성을 함께 고려하여 소재선정을 하였다. 그러나, 재활용성이 우수한 기존PP 부직포는 내광성(내광 견뢰도) 등이 기존제품 보다 다소 미흡하고, TPO 시트 계열의 표피재는 표면 내 스크래치(Scratch)성이 부족하여 이에 대한 개선이 요구되어 왔다. 기존제품 중 가장 널리 쓰이는 레진 펠트(Resin Felt) 공정은 폐섬유 70%에 페놀(Phenol)수지를 함침시켜 분말화 한 초기제품을 열간금형으로 성형하고 불필요한 부위를 제거하여 완성한 기재를 예열한 후 핫 멜트(Hot melt)형 접착제를 이용하여 기재와 표피재를 냉간 프레스로 열접착한다. 이때 진공·압공이 가능한 냉간 프레스에 의해 진공 성형하여 제품을 취출하고 부착물을 조립하여 완성품을 만든다. 기존 공정은 열경화성 수지를 열간 성형하므로 작업환경이 열악하여 작업자의 건강을 위협하고 표피재의 접착 공정이 복잡하여 제조비용 상승의 원인이 되고 있다.
본 발명에서는 재활용이 쉽고 중량이 가벼운 열가소성 유기섬유 강화 PP 발포소재를 재질로 천정재(100)의 각 구성부분을 일체 성형하였으며, 기존 10단계의 천정재 제조공정을 6단계로 감소시켜 생산비용 및 인건비 절감에 의한 제조원가 절감 과 연속공정에 의한 생산성 증대를 기대할 수 있다. 기존 공정에 비해서 성형공정이 간단하고 열간성형 공정의 생략에 의한 작업환경 개선 및 연속공정을 이용한 공정 자동화와 대량생산이 가능하다.
본 발명에 따른 자동차용 천정재(100)의 제조공정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재는 열가소성 수지와 열가소성 섬유(VF/PP, PETF/PP 및 PAF/PP 등)로 구성된 2종 이상의 기지재 50∼70 중량%와 1종 이상의 열가소성 유기섬유(VF, PETF 및 PAF계 등) 30∼50 중량%의 비율로 강화한 시트를 제조하는 공정, 시트를 예열하는 공정, 압축공정(발포개시), 압력제거 공정(발포성형), 트리밍(Trimming)공정 및 부착물조립공정을 통해 제품을 완성하게 된다.
예열공정에 사용되는 예열로의 열원은 전기히터방식으로 발생되는 열원을 이용하여 시트를 먼저 매트릭스의 융점 이상으로 충분히 예열한다. 그 후 프레스에 넣어 가압하여 120초간 성형시킨 후 약 30초간 압력을 줄여 충분히 발포성형될 수 있도록 한 후 탈형시켜 성형품을 제조한다. 이러한 천정재(100)의 일체성형조건의 일례를 도 5 에 나타내었다.
본 발명에서는 열가소성 유기섬유(VF, PETF, PAF계 등) 1종 이상이 강화된 일체형 초경량 발포 복합소재로부터 천정재(100)의 성형시 예열조건은 매우 중요하다. 적용소재는 적외선 오븐 또는 열풍식 오븐을 사용하여 소재의 중간부위에서의 온도를 150∼170℃까지 예열하였다. 금형온도와 냉각시간은 일관공정을 유지하기 위한 중요한 요소이었으며, 본 발명에서는 프레스압 0.1∼1.0 kgf/㎠, 금형온도 50℃이하, 냉각시간은 50∼120sec 이었다.
[실시예]
열가소성 VF가 강화된 일체형 초경량 발포 복합소재로 성형된 천정재(100)를 본 발명의 일예로 선정하여 자동차용 천정재(100)로 실적용시의 다양한 요구성능을 평가하였다.
천정재(100)로 성형시의 예열, 금형온도, 프레스압 및 냉각시간은 매우 중요하다. 적용소재는 적외선 오븐 또는 열풍식 오븐을 사용하여 소재의 중간부위에서의 온도를 145℃까지 예열하였다. 금형온도와 냉각시간은 일관공정을 유지하기 위한 중요한 요소이었으며, 본 발명에서는 프레스압 0.5 kgf/㎠, 금형온도 50℃이하, 냉각시간은 120sec 이었다.
성형 수축율은 가열 수축율 데이터와 함께 제품의 설계 및 개발시 중요한 인자이다. 성형제품의 수축율은 연화점 이전의 온도로 충분히 성형이 가능하기 때문에 일반적인 열가소성 수지의 성형수축율에 비해 비교적 양호하였으며 성형수축율 결과는 표 2 와 같다.(단위는 mm이다.)
개발 천정재 금형치수 성형직후 치수 최종변화량 최종변화율(%)
길이방향 1030.42 1026.77 3.65 0.35
폭 방향 786.72 783.04 3.68 0.47
본 발명에 따른 천정재(100)와 기존 천정재의 소재구성 및 중량을 비교하여 표 3 에 나타내었다.
천정재구성층 구조 및 중량(g/㎡)
기존 고급차종용 중량 기존 저급차종용 중량 발명제품 중량
Panel 층 부직포 32 RESIN FELT 1,450 일체형 800
Hot Melt Film 40
Glass fiber 80
Hot Melt film 40
PP Foam 250
Hot Melt film 40
Glass fiber 80
Hot Melt film 40
Cushion 층 PP Foam 120 PE Foam 150 일체형
Skin 층 TPO Sheet 320 연질 PVC Sheet 500 일체형
PET Cloth 120 PET Cloth 120
PP 부직포 200 PET 부직포 2,100
전체 TPO Sheet 사양 1,042 연질 PVC S/T 사양 1,720 일체형 800
PET Cloth 사양 842 PET Cloth 사양 1,720
PP 부직포 사양 922 PET 부직포 사양 1,700
특성평가로서 물성치는 각 천정재의 특성을 해석함에 있어 많은 객관성을 부여해주므로 이 물성치에 근거하여 기존의 천정재와 개발 천정재를 각 시험항목별로 비교해 보았다. 시험편의 형상은 실제품에 사용되는 기재의 두께를 표준으로 하되 평활성이 좋은 평판형으로 하였다. 단, 개발소재 시험편의 경우 기재층만의 시편제작이 불가능하므로 전체를 시편으로 사용하였다.
실제 시험편의 결과로부터 경량화의 이론상 수치를 확인할 수 있었고, 경량화 정도를 파악할 수 있다. 본 발명에 따른 천정재(100)와 기존의 레진 펠트(Resin felt)의 소재구성 및 중량을 비교하면 기존의 레진 펠트(Resin felt;1,720g/㎡)대비 본 발명의 천정재(800g/㎡)는 약 53%의 경량화를 달성하였고 패널(Panel)층 만으로 비교하여도 레진 펠트(Resin Felt;1,450g/㎡)에 비해 45%, 페이퍼 보드(Paper Board;980g/㎡)에 비해서는 18%의 경량화를 달성하였다.
두께는 단위중량 대비 형상유지력을 갖추기 위한 스티프니스(Stiffness)를 만족시키기 위하여 천정재의 두께(6.0mm)를 기존제품(4.0mm∼5.0mm)에 비해 비교적 두껍게 설계하였다. 기존제품과 달리 발포체로 구성된 본 발명에 따른 천정재(100)의 특성상 패널층 부분에 해당하는 두께가 5.0mm 이상이 되는 것이 굴곡강성 및 단열특성을 향상시킬 수 있다.
최대굴곡하중을 측정함으로써 재료의 강성(Stiffness), 내습, 내열특성 등을 비교평가 하였다. ASTM D 790을 기준으로 한 시험결과 레진 펠트(Resin felt)의 내습특성이 떨어져 수분의 접촉으로 인한 특성저하 및 형상변형 방지를 위한 보완이 필요하고, 페이퍼 보드 역시 수분의 접촉으로 인한 형상변화 가능성 및 폭과 길이방향의 물성편차에 의한 변형우려가 높았다. 한편, 본 발명에 따른 제품은 내습성이 우수하고, 방향별 굴곡하중의 편차 및 조건별 시험치도 비교적 안정적이었으며, 제품자체의 물성 변화가 적어 기존소재를 이용한 제품에 비해 우수하였다.
·시험장비명 : INSTRON Model No 4302,
·시험편 : 50mm × 150mm 평판
·내열시험방법 : 표준상태는 20℃, 55RH%로 유지하고 100℃ 열풍순환식 오븐 내에서 3시간 방치 후 시험
·내습시험방법 : 표준상태는 20℃, 55RH%로 유지하고 50℃ 열풍순환식 오븐 내에서 55RH%의 습도를 유지하며 24시간 방치 후 시험
평균변화율은 길이, 폭방향의 평균값으로써 상태시험의 값을 기준으로 나타낸 변화정도의 백분율값이며 방향편차율은 길이, 폭의 평균값에서 벗어남의 정도를 평균값을 기준으로 나타낸 백분율값으로 나타낸다. 표 4 에서와 같이 내습, 내열시의 평균변화율을 보면 페이퍼 보드(Paper board)가 -45%로 제일 크고 본 발명에 따른 천정재의 경우 비교적 안정된 -23%를 나타내었다. 방향별 편차율도 페이퍼 보드에 비해 작아 변형 가능성이 적을 것으로 기대된다. 또한, 가열수축율을 측정한 결과를 표 5 에 나타내었다.
각 시편의 내열, 내습상태에서의 평균변화율 결과
시편 표준상태 내열 내습
Resin Felt 100% +8% -31%
Paper Board 100%(±18%) 455(±2.8%) -45%(±2.8%)
발명 천정재 100%(±7.5%) -12%(±25%) -23%(±7.0%)
각 시편의 가열 수축률
Resin Felt Paper Board 발명 천정재
길이방향 -0.17 -0.3 -0.28
폭 방향 - -0.56 -0.21
3ℓ용량의 데시케이트 용기에 100mm × 100mm의 시험편 3개를 넣고 밀폐된 용기를 80℃에 3시간 방치후 냄새의 정도를 확인하였다. 판정은 1∼5급까지로 구분하며 냄새가 없는 쪽이 5급이며, 판정은 3인 이상의 인원이 객관적으로 비교평가하였다. 시험결과 기존의 소재에 대해서는 3급(냄새발생, 불합격 수준)이나 본 발명에 따른 천정재의 경우 4급이상(냄새 미발생, 합격수준)으로 자동차 실내의 쾌적성을 보장할 수 있었다.
KS F 2814 관내법(수직입사흡음율/잔향법)에 의한 흡음율 측정을 시도하였다. 관내법에 의한 측정은 충분한 크기의 시편을 확보하기 어려울 때 시도할 수 있는 간이방법으로 시편의 크기를 정확히 제작한후 반복시험하여 측정오차를 최소화한 결과를 얻었다.
* 흡음율의 계산
(α는 관내법에서의 흡음율, n 은 (A+B)-(A-B)이다.)
다음의 표 6 은 800Hz 이상의 주파수 대역에서 본 발명에 따른 소재의 흡음율을 보인 것으로, 본 발명에 따른 소재의 흡음율이 매우 높은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
관내법에 의한 1차 흡음시험 결과
기존 천정재 발명 천정재
주파수(Hz) R/FELT Paper Board 유기섬유강화 소재
125 0.185 0.168 0.162
250 0.109 0.094 0.089
400 0.144 0.132 0.129
800 0.023 0.042 0.03
1000 0.257 0.201 0.309
1600 0.308 0.245 0.543
Average 0.171 0.147 0.21
관내법에 의한 2차 음향측정 시험결과 지금까지의 흡음율 값에 의한 각 시편의 흡·차음 성능의 비교평가가 어려우므로 각 주파수 대역의 평균값을 비교하는 방법을 이용하였다. 사람이 들을 수 있는 소음(Noise)은 (자동차 실내에서 감지할 수 있는 주파수: 20∼10,000Hz) 아주 다양하고 넓은 주파수의 영역에 있기 때문에 표 7 에와 같이 평균값에 의해 보다 객관적인 제품의 성능을 파악할 수 있었다.
각 시험의 흡음율 비교
순위 1 순위 2
1차 (관내법) 0.13(Resin Felt) 0.10(Paper Board)
2차 (관내법) 표피면 0.20(Paper Board) 0.12(Resin Felt)
기재면 0.25(Paper Board) 0.19(Resin Felt)
표 7 에서와 같이 페이퍼 보드(Paper Board) > 레진 펠트(Resin Felt) > 본 발명에 따른 제품의 순으로 흡음율이 크다고 할 수 있다.
차음성 평가를 위한 음향투과손실은 잔향실 2개(수음실, 음원실)가 접하는 면에 있는 시료 설치부위에 시험하고자 하는 판 형태의 시료를 설치한 후, 음원실에서 스피커로 음을 발생시키고 음원실과 수원실의 음압레벨을 측정하여 구하였다. 음원실의 음파는 오직 시료를 통해서만 수음실로 전파된다. 이러한 시험방법은 KS F 2808 (시험실에서의 음향투과손실 측정방법)을 참고로 하였다.
* 시험장비의 제원은 다음과 같다.
잔향실 - 용적: 100㎥이상, 모양 : 6면이나 8면, 개구면적 : 10㎡의 장방형
음 원 - 주파수 범위: 125∼400Hz, 발생음 : 10/t∼20/t (t는 잔향시간)
시 편 - 실제 사용되는 정도의 크기
* 투음율은 아래식에 의해 구하였다.
TL = D + 10log(S/A) D = L 1 + L 2
(여기서, TL은 음향투과손실(dB), D는 실간의 음압 레벨차(dB), S는 시편면적(㎡), A는 수음용 장향실 흡음력(㎡), L1은 음원용 잔향실 평균음압 레벨(dB) 및 L2는 수음용 잔향실 평균음압 레벨(dB)이다.)
음향투과손실 즉, 차음성능의 시험결과에서 각 주파수 대역의 차음효과는 1,000Hz 이하 영역의 경우 레진 펠트(Resin Felt)가 우수하였으며 1,000∼3,150Hz 영역에서는 페이퍼 보드(Paper Board) > 본 발명의 제품 > 레진 펠트(Resin felt)의 순이었다. 한편, 차음성능은 재료의 밀도에 비례하므로 본 발명에 따른 초경량 발포복합 신소재 시트는 다공성 구조를 가져 흡음성은 우수하나 차음성(음향투과손실)은 상대적으로 낮았다. 음향투과 손실의 평균치는 표 8 과 같다.
음향투과 손실의 평균값
순위 1 순위 2 순위 3
1차 1차 4.95(Resin Felt) 12.92(Paper Boad) 10.91(본 발명)
2차 6.69(Resin Felt) 6.36(Paper Boad) 4.74(본 발명)
2(관내법) 표피면 12.70(Resin Felt) 12.20(Paper Boad) 9.00(본 발명)
기재면 12.40(Resin Felt) 11.90(Paper Boad)
자동차 천정재의 단열특성은 대단히 중요하다. 이와 같은 많은 문제점을 일으키는 자동차 실내의 승온현상은 지붕(Root) 부위의 단열성에 크게 영향을 받으므로 헤드 라이너(Head Liner)의 단열문제는 자동차의 품질에 직접적 관계가 있다. 단열성능을 평가하기 위한 열전도도 계산식은 다음과 같다.
TC(열전도도) = t(재료의 두께) / HR(열저항)
재료의 단열효과는 열저항(HR)이 클수록 또는 열전도도(TC)가 작을수록 우수하다고 할 수 있다. 자동차 천정재의 단열효과의 판정시 TC보다는 단위두께가 아닌 실제두께로써 효과가 발생되는 HR을 검토하는 것이 적당하다.
KS L 9016(보온재의 열전도율 측정방법)을 기준으로 평판열류계법을 이용한 1매열류방식을 채택하여 시험을 실시하였다. 측정치를 비교하기 위해서 각기 다른 2개의 시편을 준비하여 시험을 실시하였다. 1차 시험중의 고열판과 저열판의 온도차이는 20℃(20∼40℃) 였으며 시편의 두께가 얇아서 오는 오차를 줄이기 위해 온도의 승온속도를 세밀히 조절하였다.
2차 시험시 온도구간을 25∼15℃, 35∼25℃, 45∼35℃등으로 나누어 세분화된 시험을 시도하였으며 이에 따른 시험결과를 각각 얻을 수 있었다.
1, 2차에서 실시한 시험결과를 표 9 와 10 에 나타내었다. 본 발명에 따른 소재의 열저항 및 열전도도의 값이 우수하였다. 그리고, 2차 Test에서의 HR, TC의 값이 고열판의 온도가 고온일수록 기존소재와 개발소재의 값의 차이가 더욱 커졌으며, 이는 개발된 재질의 우수성과 두께가 다른 시편에 비해 두꺼운데 그 원인이 있는 것으로 생각된다. 그러므로, 고열판의 온도가 더 올라갈수록 저항값의 차이가 더 커질 수 있을 것으로 예상된다.
Heat Resistance(m2.h.℃/kcal) →HR
Thermal Conductivity(kcal/m.h.℃) → TC
각 시편의 1차 단열시험결과
시료명 두께(mm) Heat Resistance(㎡.h.℃/kcal) Thermal Conductivity(kcal/m.h.℃)
Resin Felt 4.5 0.274 0.017
Paper boad 4 0.278 0.014
개발 소재 6.4 0.372 0.017
각 시편의 2차 단열시험결과
TD시료명 15 ∼ 25℃ 25 ∼ 35℃ 35 ∼ 45℃
HR TC HR TC HR TC
Resin Felt (4.5mm) 0.279 0.016 0.238 0.019 0.191 0.024
Paper Boad (6.3mm) 0.329 0.019 0.286 0.022 0.241 0.026
발명 천정재 (6.5mm) 0.372 0.017 0.343 0.019 0.325 0.022
자동차 천정재의 환경시험으로 내열과정: ( 110℃, 3hr ) → 상온 1hr, 내한과정: ( -40℃, 30hr ) → 상온 1hr, 내습과정: ( 40℃, 95% 상대습도, 15hr ) → 상온 1hr의 3개 과정을 1Cycle로 하여 3Cycle 실시후에도 변형, 박리, 틈새, 열화등 외관 및 기능의 저하가 없었다.
다음의 표 11 은 기존제품과 본 발명에 따른 제품의 성능을 비교한 것이다.
기존천정재 1 기존천정재 2 본 발명의 천정재
전중량 R/Felt형:1,700∼1,720 g/m2 Paper board:1,270 g/m2 PPF형:842∼1,042 g/m2 800∼900g/m2
재활용성 불가능 i)PET Cloth 사양의 경우:Cloth 제거후 재활용ii)PP 부직포 및 TPO 시트 적용시 재활용성 우수 동일소재 일체성형 제품으로 100% 재활용
품질고급화 장점 고강성 단열성 우수, 내후성 양호, 성형성 우수, 촉감 우수 단열, 흡음, 차음성 만족
단점 단열성 부족 흡음성, 차음성 부족 가격상승
전술한 표 11 의 성능 비교에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 자동차용 천정재(100)는 기존천정재에 비해 중량면에서 가벼울 뿐만 아니라, 재활용면에서 기존천정재에 비해 월등한 재활용성을 가지고 있어 환경친화적이라 할 수 있다. 또한, 단열성, 흡음성, 차음성 면에서도 기존천정재에 비해 우수함을 알 수 있다.
본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면 1종 이상의 열가소성 수지와 열가소성 섬유(VF/PP, PETF/PP, PAF/PP 등)로 구성된 기지재와 1종 이상의 열가소성 유기섬유(VF, PETF, PAF계 등)가 적정비율로 강화된 일체형 초경량 발포복합 신소재를 자동차용 천정재의 구성소재로 적용함으로써 재활용이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 다른 효과는 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF) 및 나일론 섬유(PAF) 등의 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공하여 재활용이 용이하도록 함으로써 환경오염을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF), 나일론 섬유(PAF) 등 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 비중이 0.7 내외인 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공함으로써 초경량화를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로는 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF), 나일론 섬유(PAF) 등 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공함으로써 고흡·차음성을 실현할 수 있다.
아울러, 본 발명은 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF), 나일론 섬유(PAF) 등 유기섬유(Organic Fiber)가 강화된 초경량 복합신소재를 이용한 자동차용 천정재를 제공함으로써 고강도를 실현할 수 있다.
나아가, 본 발명은 전술한 효과들 이외에 재활용 용이성, 초경량화, 고흡·차음성, 고강도를 갖는 다기능 열가소성 복합신소재를 이용한 공정의 단일화를 통하여 작업능률의 향상 및 제조원가를 절감시킬 수 있다.
도 1a 는 종래의 자동차용 천정재 구조를 보인 단면 구조도.
도 1b 는 종래의 자동차용 천정재 구조를 보인 다른 예의 단면 구조도.
도 2 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재와 종래의 자동차용 천정재 구조를 비교하여 보인 단면 구조도.
도 3a 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 PAF(30)/PPF(70)/PP발포 시트를 보인 사진.
도 3b 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 PAF(30)/PPF(70)/PE발포 시트를 보인 사진.
도 3c 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 PETF(30)/PPF(70)/PP발포 시트를 보인 사진.
도 3d 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유 발포 시트의 층간 단면을 보인 것으로 VF(30)/PPF(70)/PP발포 시트를 보인 사진.
도 4a 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 PETF/PP의 계면 전자현미경 사진.
도 4b 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 VF/PP의 계면 전자현미경 사진.
도 4c 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 PAF/PP의 계면 전자현미경 사진.
도 4d 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 PETF/PP의 다층구조 전자현미경 사진.
도 4e 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 구성하는 기지재와 열가소성 유기섬유의 계면 및 발포 셀을 보인 것으로 클로즈 셀, PETF/PP의 발포 셀 전자현미경 사진.
도 5 는 본 발명에 따른 유기섬유강화 경량 복합소재를 이용한 천정재의 성형조건을 보인 그래프.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100. 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재

Claims (11)

  1. 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등으로 구성되는 열가소성 수지와, 나일론섬유(PAF), 비닐론(VF), 폴리에스터(PETF) 등으로 구성되는 열가소성 섬유가 상기 열가소성 섬유의 용융온도 이하에서 가열 및 압축되어 제조되는 복합재료에 있어서,
    상기 1종 이상의 복합재료 50~70 중량% 와, 적어도 1종 이상의 유기계 열가소성 섬유 30~70 중량% 가 배합되어 발포 성형되고, 발포된 복합소재가 평균 20~50㎛ 의 균일한 입자 분포를 갖는 구상형의 클로즈 셀(close cell) 형상이며 그 비중이 0.72~0.78인 것을 특징으로 하는 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재.
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  8. 열가소성 수지 및 열가소성 섬유로 이루어지는 기지재로 시트를 제작하는 과정과, 상기 시트를 상기 열가소성 수지의 용융점 이상으로 예열시키는 과정, 상기 예열된 시트를 금형에 넣고 프레스로 가압하여 성형하는 압축 과정, 상기 압축된 시트를 발포 성형하는 과정, 상기 발포 성형된 복합재료를 트리밍하고 필요한 부착물에 조립하여 시트를 제조하는 유기섬유강화 복합재료 시트의 제조 방법에 있어서,
    상기 시트를 제작하기 전 상기 기지재에 적어도 1종 이상의 열가소성 유기섬유를 상기 열가소성 유기섬유의 용융온도 이하로 가열 및 압축하여 복합소재를 제조하는 한편,
    상기 예열시에는 온도를 140~220℃의 범위내로 설정하여 가열시키고, 상기 압축 과정에서는 50℃이하의 금형온도에 0.1~1.0 ㎏f/㎠의 프레스 압력으로 100-~130초간 가압시키고, 상기 발포 성형 과정에서는 100~130초간 가압한 후 상기 프레스의 압력을 20~40초간 줄여 제조하는 것을 특징으로 하는 유기섬유강화 경량 복합소재의 자동차용 천정재 제조방법.
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