KR100569201B1 - 복합섬유매트 및 자동차 부품을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 합성수지 내에 보강섬유가 균일하게 분산되어 물리적 강도가 개선된 복합섬유매트를 제조하는 방법에 관한 것으로 열가소성 합성섬유 30 ~ 80 중량부와 상기 열가소성 합성섬유 보다 녹는점이 높은 보강섬유 20 ~ 70 중량부를 혼합하여 복합섬유매트를 가공하는 단계(S1); 상기 복합섬유매트를 니들로 타공하는 단계(S2); 및 상기 복합섬유매트 중 상기 열가소성 합성섬유를 부분용융시키는 단계(S3);로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 복합섬유매트를 예열한 후 금형 내에서 가압하여 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 내열성이 개선되었고 내수축성이 뛰어나며 보온, 차음, 충격흡수 등에 있어 우수한 효과가 있다.

합성수지, 복합섬유매트, 데니아, 모듈화, 매트릭스

Description

복합섬유매트 및 자동차 부품을 제조하는 방법{The method of manufacturing a mixed fiber mat and parts for a car}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합섬유매트를 제조하는 방법에 관한 순서도이다.

도 2는 본 방법발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합섬유매트를 금형에서 성형 제조한 자동차부품의 사시도이다.

도 3은 본 방법발명의 다른 실시예에 따라 제조된 복합섬유매트를 금형에서 성형 제조한 자동차부품의 사진도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

S1 : 열가소성 합성섬유와 보강섬유를 혼합한다.

S2 : 복합섬유매트를 니들로 타공한다.

S3 : 열가소성 합성섬유를 용융시킨다.

본 발명은 복합섬유매트를 제조하는 방법 및 상기 방법에 따라 제조된 복합섬유매트로부터 성형한 자동차부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 는 열가소성 합성수지 내에 보강섬유가 균일하게 분산되어 물리적 강도가 개선된 복합섬유매트를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법에 따라 제조된 복합섬유매트를 부품의 금형에서 성형제조한 자동차부품의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 합성수지에 보강섬유를 혼합하는 방법으로서는 장섬유상에 보강섬유를 합성수지 내에 분포시키는 방법과 보강섬유를 mm단위 이하로 미세한 단섬유로 가공하여 합성수지 내에 분말상으로 분산시켜서 사출 또는 압출가공용 복합재료를 제조하는 방법을 들 수 있다.

장섬유 상태의 보강섬유를 사용하는 예로서는 섬유강화 플라스틱(fiber reinforced plastic) 재료의 가공방법과 같이 유리섬유를 제품의 형틀 속에 깔아두고 그 위에 열경화성 플라스틱 수지를 도포하여 경화시키는 방법과 GMT(glass mat thermoplastics)처럼 보강섬유인 유리섬유를 제직하거나 부직포 상태로 가공하여 소재의 보강심재로 사용하는 방법이 있는 바, 전자의 경우 중량이 큰 단점이 있다. 미세한 단섬유의 보강섬유로 사용하는 사례는 일반적인 사출용 또는 압출용 수지의 고강성 특수 그레이드로 콤파운딩하여 사용한다.

상기와 같이 장섬유상의 보강섬유를 합성수지 내에 분포시키는 방법은 균일한 분포가 이루어지지 않아 부분적으로 물성이 약하며, 장섬유는 사출 또는 압출가공이 곤란한 문제점이 있다. 또한, 보강섬유를 분말상으로 분산시키는 방법은 분말상의 보강섬유의 강도가 약하며 외부의 충격으로부터 완충작용이 약한 문제점이 있다.

한편, 자동차의 부품은 약 2만개 이상의 부품으로 구성이 되어 있고 이 부품 을 조립하는 데는 자동화라인을 이용하더라도 많은 인원과 공수가 소요되며, 이 부품의 관리 또한 많은 경비가 소요된다. 이에 자동차의 부품의 모듈화가 이루어지고 있는 바, 모듈이란 여러 가지 부품들이 부위별로 정리되어 조립된 부품의 집합체라고 할 수 있으며 모듈화란 기존의 모든 부품을 별도로 생산, 조립하는 것과 달리 연관성이 높은 부품을 함께 묶어 한 덩어리로 제작하는 방식을 말한다.

자동차의 모듈화 기술은 도어 모듈, 샤시 모듈, 계기판 모듈, 프론트엔드 모듈 등이 있다. 대표적인 것으로서는 프런트엔드 쿨링 팩 시스템이 있으며 이 모듈화를 구성하는 부품 중 캐리어 시스템의 경우에는 쿨링팩과 전면 범퍼 시스템을 장착하는 차체의 한 부분으로, 쿨링팩 모듈을 위한 기본 골격을 이루게 된다. 이를 위한 캐리어 재질로서는 경량소재를 이용한 플라스틱 제품이 주로 이용된다.

종래의 기술로 해외 자동차 업체에서 개발한 플라스틱 캐리어부품으로 적용가능한 공법인 사출성형, 스탬핑 기술이 있으나, 국내의 플라스틱 가공기술은 단순한 형상 또는 저강도, 중강도의 가공기술이 공지되어 있다. 그러나, 고강성의 대형부품 가공기술은 취약한 수준이며 사출가공의 경우는 정밀한 사출성형 설비확보와 복잡한 구조의 정밀가공을 위한 정밀금형기술 및 고강성의 원소재 개발이 이루어져야 하는 과제를 안고 있다.

판재 스탬핑 가공분야에서도 일반적으로 PP(polypropylene)재료를 이용한 GMT(glass mat reinforced thermo-plastic) 소재가 사용되고 있다. GMT 소재는 해외에서 생산 플랜트를 도입, 해외기술을 연수받아 생산되고 있으나 고강성 부품가공용으로는 소재기술이 보완, 개발되어야만 하는 실정이다. GMT 소재의 주성분으로 는 주로 폴리프로필렌계의 판소재만 공급되고 있어 자동차의 엔진룸에 사용되는 캐리어 부품용소재로는 내열성이 약한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내열성이 우수하고 내열수축성이 우수한 특성과 물리적 강도가 보완된 복합섬유매트를 제조하는 방법과 본 방법에 따라 제조된 복합섬유매트를 자동차의 부품의 모듈화에 이용함으로써 단열, 보온, 차음, 충격흡수 등의 기능성이 우수한 자동차부품을 제조하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 열가소성 합성섬유 30 ~ 80 중량부와 상기 열가소성 합성섬유 보다 녹는점이 높은 보강섬유 20 ~ 70 중량부를 혼합하여 복합섬유매트를 가공하는 단계(S1); 상기 복합섬유매트를 니들로 펀칭타공하는 단계(S2); 및 상기 복합섬유매트 중 상기 열가소성 합성섬유인 용융온도가 낮은 기초섬유를 부분용융시키는 단계(S3);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합섬유매트를 제조하는 방법에 의하여 달성된다.

본 개발소재는 조성이 섬유상의 유기계 기초 수지와 보강섬유를 균일하게 혼합하여 고온의 가열롤을 통과하면서 기초수지를 용융시키고 보강수지는 섬유상으로 분산된 경량 강화판상 플라스틱 소재로서 이를 자동차의 부품에도 적용하고자 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부한 도면들과 연관되어지는 이하의 발명의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하 본 발명에 따른 복합섬유매트를 제조하는 방법 및 모듈화된 자동차부품의 구성에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합섬유매트를 제조하는 방법에 관한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, S1 단계는 열가소성 합성섬유와 보강섬유를 혼합하여 보강섬유매트를 가공하는 단계이다. 상기 보강섬유라 함은 상기 열가소성 합성섬유 보다 녹는점이 높은 고강성, 고강도의 유기계 또는 무기계 섬유를 지칭한다.

상기 열가소성 합성섬유는 매트릭스 수지인 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드 등을 사용하며 적용용도에 따라 6 ~ 60 데니아(Denia)의 굵기로 섬유상으로 가공하여 54 ~ 100mm의 길이로 가공된 스테이플 파이버를 사용한다. 상기 보강섬유도 매트릭스 섬유와 유사하게 6 ~ 60Denia의 굵기로 섬유상으로 만들어서 54 ~ 100mm의 길이로 가공된 스테이플 파이버를 사용한다.

상기 열가소성 합성섬유는 30 ~ 80 중량부, 상기 보강섬유는 20 ~ 70 중량부 배합되며 이는 적용되는 요구물성의 필요에 따라 적절하게 배합된다. 상기 열가소성 합성섬유가 80 중량부 이상 배합되면 기본소재의 내열성 수준의 소재가 제조되고, 30 중량부 이하 배합되면, 결합력이 저하되어 복합섬유의 강도가 약해지는 문제점이 있다.

상기 열가소성 합성섬유와 보강섬유의 혼합가공 공정은 일반적인 해섬, 혼섬 단계 및 이를 분산시키는 단계를 거쳐 복합섬유가 제조된다.

S2 단계는 상기 복합섬유매트를 수많은 바늘이 꽂혀 있는 니들로 타공하는 단계이다. 이 때 타공회수는 분당 500 ~ 1000회로 섬유의 특성과 혼합된 섬유의 조성에 따라 섬유의 이동속도, 타공회수를 조정하여 재료의 중량과 두께 분포를 조정할 수 있다. 연속벨트에서 부피가 큰 섬유뭉치를 직접투입할 경우 섬유의 층간밀림 등 부분적인 유동으로 인해 균일한 판재의 제조가 곤란해짐으로 섬유의 유동을 방지하고 부피를 축소할 수 있는 니들펀칭장치에서 이를 바늘간 타공하여 섬유뭉치의 부피축소와 섬유 시트상의 부피를 균일하게 한 후 다음단계로 진행된다.

S3 단계는 상기 복합섬유매트 중 상기 용융온도가 낮은 매트섬유 소재만 직접 부분용융시키는 단계이다. 본 용융공정 단계에서, 강화섬유는 그대로 섬유상으로 존재하면서 매트릭스 섬유만 용융될 수 있도록 복합섬유매트를 120 ~ 250℃의 고온과 고압롤에 통과시킨다. 이에 따라 열가소성 수지는 용융되며 그 중에 혼합된 강화섬유는 섬유상으로 수지 내에 존재하게 되어 고강도, 고강성의 열가소성 복합소재가 제조된다.

도 2는 본 방법발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합섬유매트를 부품의 금형 내에서 스탬핑성형하여 제조한 자동차부품의 사시도이다. 도 2에서는 자동차의 부품 중 내부의 주요골격을 이루는 프런트엔드 캐리어를 일 예로 나타내었다.

도 3은 본 방법발명의 다른 실시예에 따라 제조된 복합섬유매트를 금형에서 성형 제조한 자동차부품의 사진도이다. 도 3에서도 프런트엔드 캐리어의 다른 예를 사진으로 나타내었다.

이하 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 복합섬유매트를 제조하는 방법 및 모듈화된 자동차부품의 작용에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 복합섬유매트를 제조하는 방법에 있어서, 복합섬유매트를 니들로 타공하는 것은 섬유매트의 균일한 혼합과 조직을 조밀하게 하고 섬유매트의 부피를 감소시키기 위함이다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 용융단계에서 열가소성 수지는 용융되어 존재하며 그 중에 혼합된 강화섬유는 섬유상으로 수지 내에 존재하게 되는 바, 이는 열가소성 수지와 강화섬유의 녹는점 차이에 따라 수지소재 내에 강화섬유가 존재하는 원리를 이용한 것이다.

본 발명에 따라 제조된 복합섬유매트는 균일한 혼합으로 인하여 충격으로부터 완충작용이 뛰어나다. 이는 매트 내부에 기포와 같은 공간이 존재하기 때문이다.

본 발명에 따른 자동차부품은 주로 유기계 합성수지로 구성되어 부품 성형성이 우수하며, 부위별 보강섬유의 균일한 분포로 강도가 전체적으로 일정하여 대형 성형 부품의 소재로 적합한 특징이 있다.

또한, 부품의 요구 물성에 따라 합성수지의 원소재인 섬유재질을 변경하여 용도에 적합한 특정 소재개발이 용이하며, 섬유의 탄성을 이용한 소재의 가공기술로 경질의 발포구조로 된 경량판상 소재개발도 가능하다.

본 발명에 따른 부품화 성형은 일반 판상 플라스틱 소재와 같은 공정으로 소 재의 예열과 가압성형의 스탬핑 공정으로 복잡한 형상까지도 짧은 성형시간에 저에너지로 성형이 이루어진다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 모듈화된 자동자의 부품의 예로서 프런트엔드 캐리어를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이에 국한되는 것이 아니고, 그 외에 범퍼 빔(bumper beam), 헤드라이너(head liner), 도어트림(door trim) 등 자동차 전반에 걸친 부품에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함됨은 물론이다.

상기 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 복합섬유매트를 제조하는 방법 및 이로부터 생산된 모듈화된 자동차부품에 의하면, 소재의 제조공정 중에 보강섬유층을 다양하게 설계함으로써 단열, 차음, 충격흡수 등에 있어 우수한 효과가 있으며, 수축이 방지되는 특징이 있다. 또한, 상기 복합섬유매트 및 자동차부품은 제조설비의 콤팩트한 구성으로 설비의 투자비용이 저렴하고 부품의 재활용이 용이한 장점이 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 용도에 따라 다양한 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 굵기 6~25 Denier, 길이 64~100mm 인 것을 특징으로 하는 열가소성 합성섬유 30 ~ 80 중량부와 상기 열가소성 합성섬유보다 녹는점이 높은 굵기 10~25 Denier, 길이 64~100mm 인 것을 특징으로 하는 보강섬유 20 ~ 70 중량부를 혼합하여 복합섬유매트를 가공하는 단계(S1);

   상기 복합섬유매트를 니들로 타공하는 단계(S2); 및

   상기 복합섬유매트 중 상기 열가소성 합성섬유를 부분용융시키는 단계(S3);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합섬유매트를 제조하는 방법.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,

   상기 열가소성 합성섬유는 굵기 10 Denier, 길이 64mm 이고, 상기 보강섬유는 굵기 15 Denier, 길이 64mm의 섬유인 것을 특징으로 하는 복합섬유매트를 제조하는 방법.

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