KR101015513B1

KR101015513B1 - 자동차 내장재용 경량복합판재

Info

Publication number: KR101015513B1
Application number: KR1020077021840A
Authority: KR
Inventors: 김승규
Original assignee: (주)리앤에스
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-02-16
Also published as: EP1851091B1; JP2008531325A; CN100591549C; DE602006013420D1; EP1851091A4; EP1851091A1; JP5028280B2; CN101132952A; ATE463390T1; WO2006112599A1; KR20070120504A

Abstract

본 발명은 자동차 내장재용 경량복합판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가소성섬유로 이루어진 기지재와 열가소성 유기섬유 및 천연섬유를 보강섬유로 사용하여 이들을 다양한 조성비로 혼합하여 멀티층을 이루고, 연속식 복합판재 제조장치에 의해 압축·발포되어 경량화된 복합판재를 제공하는 천연섬유를 함유한 자동차 내장재용 경량복합판재에 관한 것으로서, 열가소성 섬유로 구성된 기지재 섬유와 보강섬유인 천연섬유 및 열가소성 섬유를 적정비율로 강화하여 멀티층의 구조를 설계하고, 열융착 시 열의 분산을 조절하면서 연속식 복합판재 제조장치에서 압축, 경량화된 경량복합판재를 자동차 내장재 및 산업용 소재로 적용함으로서, 뛰어난 소음차단 및 흡수, 단열성, 내구성, 경량성, 재활용성 및 높은 비강성을 특징으로 하는 친환경적인 천연섬유를 함유한 팩케이지 트레이(package tray), 도어 트림(door trim), 헤드라이너(headliner), 시이트백 판넬(seat back panel) 등과 같은 자동차 내장재용 경량복합판재를 제공한다.

Description

자동차 내장재용 경량복합판재 {THE MEMBER FOR INTERIOR PRODUCTS OF MOTOR VEHICLES WITH MULTILAYER STRUCTURE}

본 발명은 자동차 내장재용 경량복합판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가소성섬유로 이루어진 기지재와 열가소성 유기섬유 및 천연섬유를 보강섬유로 사용하여 이들을 다양한 조성비로 혼합하여 멀티층을 이루고, 연속식 복합판재 제조장치에 의해 압축·발포되어 경량화된 복합판재를 제공하는 천연섬유를 함유한 팩케이지 트레이(package tray), 도어 트림(door trim), 헤드라이너(headliner), 시이트백판넬(seat back panel) 등과 같은 자동차 내장재용 경량복합판재에 관한 것이다.

최근 원유 고갈에 대한 우려감으로 대체에너지의 개발과 심각한 환경오염의 예방에 국가적 운명을 걸고 있다. 이에 따라 자동차 산업에서도 자동차의 연비개선과 환경오염의 주 원인인 배기가스 절감을 목적으로 경량화가 추진되면서 금속을 대체하는 물질로서 고분자 복합재료의 사용이 급증하는 추세이다. 지금까지 자동차 내장재용 복합소재로는 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 열가소성 올레핀(TPO, thermoplastic olefin) 등과 같은 고분자 물질에 보강소재로서 유리섬유, 탄소섬유 등으로 강화시킨 고내열성/고강성 복합재료 또는 불포화 폴리에스테르계(PET) 수지 및 열가소성 고분자의 고무화를 통한 열경화성 복합재료 등의 재료들이 금속을 초월하는 성능을 가지고 있어 다양한 용도에 사용되어지고 있다.

그러나 이러한 FRP(fiber reinforced plastic)는 내충격성과 파괴인성 등의 물성면이 만족스럽지 못하였고, 재료 변형 시 허용될 수 있는 변형의 폭이 작음과 동시에 재활용이 불가능하여 치명적인 환경오염의 문제점을 포함하고 있다. 따라서 FRP의 대체 소재로 최근 열가소성 고분자 수지에 보강재로서 탈크, 목분, 천연섬유, 유리섬유 등을 첨가한 사출 제품, 열가소성 섬유와 천연섬유를 혼섬 후 부직포 형태로 제조하여 열 프레스를 이용한 성형 제품이 있다. 특별히, 후자의 제품들은 바이오성 및 경량화라는 이유로 각광을 받고 있으며 기존의 FRP와는 달리 금속의 성형 방법과도 같은 스탬핑 성형공법이 적용될 수 있는 관계로 생산성이 높고, 디자인 자유도가 금속보다 우수하다는 장점을 유지하여 각종 산업분야에서의 채용이 확산되고 있음이 현 실정이다.

그러나 상기 열가소성 섬유에 천연섬유를 혼섬하여 제조하는 자동차 내장재용 부직포는 열가소성 고분자 수지에 강화섬유나 목분과 같은 분말을 첨가 시 균일하게 분산하기가 어려운 문제점이 발생하여 품질의 항상성이 유지되는 고품질의 제품은 기대하기 곤란하고, 열가소성 부직포 상태로 제조 및 유통되어 이를 후발적으로 열프레스를 이용한 고온에서 직접 성형하는 것은 표면과 내부층의 불균일한 융착을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 강도의 증진에도 한계성을 가진다.

기술적 과제

상기한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 본 발명은 열가소성 섬유로 구성된 기지재 섬유와 보강섬유인 천연섬유를 적정비율로 강화하여 멀티층의 구조를 설계하고, 열융착 시 열의 분산을 조절하면서 연속식 복합판재 제조장치에서 압축, 발포하여 경량화된 경량복합판재를 제공함으로서 열가소성 유기소재들의 낮은 내열성으로 인한 자동차 내장재 용도의 한계성을 천연섬유를 이용한 벌키 다층구조 설계로 극복하고 열가소성 유기섬유와 천연섬유를 이용함으로써 경량성, 내구성 및 재활용성의 효과가 있으며, 멀티층의 구조설계 및 열융착 시 열 분산을 조절함으로써 동일한 중량 및 두께의 제품에 대해서 다양한 수분흡수율 및 강도를 가지는 복합판재의 제조가 가능하고, 다층구조로 설계된 부직포를 자체 설계된 연속식 복합판재 제조장치를 사용하여 미세한 기공층을 가지는 고성능 복합판재를 제조하여 성형성, 단열성, 흡음성, 충격 흡수성이 우수한 천연섬유를 함유한 자동차 내장재용 경량복합판재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

기술적 해결방법

상기와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은 고성능 경량복합판재에 있어서, 기지재 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％가 일체형으로 구성된 내부층(2);과 상기 내부층(2)의 적어도 일표면에 부착되며, 기지재 60-90중량％와 폴리에스테르 10-40중량％ 또는 기지재 60-80중량％와 폴리에스테르 15-25중량％ 및 천연섬유 5-15중량％가 일체형으로 구성된 표피층(1, 3)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 고성능 경량복합판재의 제조방법에 있어서, 기지재 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％를 균일하게 혼합/개섬하고, 기지재 60-90중량％와 폴리에스테르 10-40중량％ 또는 기지재 60-80중량％와 폴리에스테르 15-25중량％ 및 천연섬유 5-15중량％를 균일하게 혼합/개섬하는 혼합/개섬 단계;

상기 혼합/개섬한 섬유들을 원통형 실린더형의 카드기를 통과시켜 섬유상의 얇은 웹을 형성하는 소면단계;

상기 섬유상 얇은 웹을 여러 층으로 겹치는 더블링 단계;

상기 더블링 단계에서 여러 웹으로 형성된 멀티층을 니들펀칭으로 고정하여 부직포를 제조하는 단계;

상기 부직포를 연속식 복합판재 제조 장치로 공급하여 예열, 열융착, 가압, 냉각, 발포, 그리고 커팅이 연속 공정에 의해 이루어지도록 하여 경량복합판재를 제조하는 단계를 거쳐 상기의 자동차 내장재용 경량복합판재를 제조함을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재의 제조방법을 제공하는 것이다.

바람직하게는 상기 혼합/개섬 단계 및 소면단계에서 상기 기지재와 천연섬유를 혼합/개섬 후 형성된 웹을 내부층(2)으로 하고, 상기 기지재와 폴리에스테르 또는 기지재와 폴리에스테르 및 천연섬유를 혼합/개섬 후 형성된 웹을 표피층(1,3)으로 하여 상기 더블링 단계에서 상기 내부층(2)의 적어도 일표면에 표피층(1,3)이 부착되도록 겹쳐 더블링하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 천연섬유를 함유한 자동차 내장재용 경량복합판재를 제공하는 것이다.

바람직하게는 상기 기지재는 폴리프로필렌 또는 고융점의 심성분과 저융점의 초성분으로 구성된 심초형 복합섬유인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 천연섬유는 대마(hemp), 황마(jute), 아마(flax), 케냐프(kenaf), 아바카(abaca) 및 바나나섬유 중 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 심초형 복합섬유는 고융점이 240-270℃인 심성분 50-70 중량％와 저융점이 110-180℃인 초성분 30-50 중량％가 배합된 것으로, 초성분이 폴리에스테르 공중합체이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 폴리에스테르 글리콜이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리프로필렌인 복합섬유, 초성분이 폴리프로필렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유 중 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 자동차 내장재용 경량복합판재를 이용한 자동차용 내장재를 제공하는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 폴리프로필렌 또는 고융점의 심성분과 저융점의 초성분으로 이루어진 심초형 복합섬유로 구성된 기지재와 폴리에스테르 또는 천연섬유로 구성된 보강재를 다양한 조성비로 혼합하여 멀티층을 이루고, 연속식 복합판재 제조장치에 의해 압축하여 경량화된 복합판재를 제공하는 자동차 내장재용 경량복합판재에 관한 것이다.

본 발명은 첫째, 열가소성 유기소재들의 낮은 내열성으로 인한 자동차 내장재 용도의 한계성을 천연섬유를 이용한 벌키 다층구조 설계로 극복하고 폴리프로필렌, 폴리에스테르 섬유와 천연섬유를 이용함으로서 자동차의 경량성, 내구성 및 재활용성을 가지는 친환경성 소재를 특징으로 한다. 둘째, 본 발명은 벌키한 다층구조로 설계된 부직포를 자체 설계된 연속식 복합판재 제조장치를 사용하여 미세한 기공층을 가지는 고성능 경량복합판재를 제조함으로서 경량화 및 성형 용이성을 제공하는 것을 특징으로 한다. 셋째, 본 발명은 멀티층의 적절한 구조설계 및 열융착 시 열의 분산을 조절함으로서 동일한 중량의 제품에 대해서 적게는 1％에서 높게는 30％의 다양한 수분흡수율을 가지는 다양한 종류의 복합판재를 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한 넷째, 상기 멀티층의 구조설계 및 열융착 시 열 분산을 조절함으로서 동일한 중량의 제품에 대해서 25 MPa 이하의 저강도, 25-50 MPa의 중강도, 그리고 50 MPa 이상의 고강도 복합판재를 제조하는 것을 특징으로 한다. 다섯째, 본 발명에 의해 제조된 복합판재는 멀티 복합 구조 및 높은 기공성으로 인해 우수한 성형성, 단열성, 흡음성, 충격 흡수성 등의 특성을 가지고 있어 자동차용 내장재 및 산업용 소재 등의 다양한 용도를 가지는 것을 특징으로 한다. 마지막으로, 본 발명은 10-50％의 천연섬유를 이용함으로서 원가 절감이라는 경제적인 가치를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특성을 지닌 본 발명은 기지재 섬유와 보강섬유들의 다양한 조성비의 선택에 의해 표피층과 내부층을 설계할 수 있고 조성비에 따라 물성 및 특성을 달리 한다. 본 발명에서는 표피층(1,3)으로 기지재, 바람직하게는 폴리프로필렌(PP) 또는 심초형복합섬유(sheath/core bicomponent fiber)와 폴리에스테르 또는 상기 기지재와 폴리에스테르 및 천연섬유, 바람직하게는 대마(hemp), 황마(jute), 아마(flax), 케냐프(kenaf) 또는 바나나섬유를 일체형으로 혼합/개섬하여 얇은 웹층을 형성하고 한편, 내부층(2)은 폴리프로필렌(PP) 및 천연섬유, 바람직하게는 대마(hemp), 황마(jute), 아마(flax), 케냐프(kenaf) 또는 바나나섬유를 일체형으로 혼합/개섬하여 얇은 웹층을 형성한 후 멀티층을 형성하도록 서로 겹쳐 더블링하고, 이를 니들펀칭으로 고정하여 부직포를 제조한 후, 연속식 복합판재 제조 장치로 공급하여 예열, 열융착, 가압, 냉각, 발포, 그리고 커팅의 일련의 공정에 의해 고성능 경량복합판재를 제조한다.

본 발명에 따르면 상기 표피층(1,3)은 기지재의 비율이 높도록 기지재 60-90중량％와 폴리에스테르 10-40중량％를 혼합 구성하거나 또는 기지재 60-80중량％와 폴리에스테르 15-25중량％ 및 천연섬유 5-15중량％를 혼합 구성하여 표피층(1,3)의 표면을 매끄럽고 균일하게 하는데 이는 표면을 미세하고 매끄럽게 하여 수분흡수에 대한 저항성, 단열 및 차음 효과를 주는 동시에 마감처리용 부직포와의 접착성을 증진시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면 상기 내부층(2)은 보강섬유의 비율을 높여 기지재 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％를 혼합 구성하는데, 이는 보강섬유의 비율을 높여 강도유지, 벌키 또는 많은 미세기공을 형성함으로서 보온, 단열, 및 열에 대한 안정성을 부여하고 흡음효과를 줌과 동시에 우수한 충격 흡수성을 유지하기 위한 것이다. 또한 천연섬유의 높은 수분함유율과 흡습성으로 인한 냄새, 곰팡이 생성, 취화 등의 문제점을 해결하고, 기지재와 보강섬유로 사용되는 천연섬유사이에 균일한 열융착을 유도할 수 있다.

한편, 상기 내부층(2)의 천연섬유 비율을 10중량％ 이하로 할 경우 기공층의 감소로 복합판재의 흡음성, 충격특성 등의 악화로 이어지고 이는 열가소성 복합판재의 고유의 특성을 상실하고 경제적인 단가를 상승시키는 문제점이 있다.

또한 상기 내부층(2)의 천연섬유 비율을 60중량％ 이상으로 할 경우 바인더 역할을 하는 기지재의 함량이 상대적으로 줄어 들게 되어 기지재와 천연섬유사이의 결합력이 약해지므로 높은 수분율, 강도 저하, 층간 박리 등 기지재와의 융착에 의한 함침 및 결합에 문제를 유발시킨다.

따라서 높은 기공층으로 인한 흡음성, 보온성, 및 충격성을 유지하기 위해서는 내부층(2)의 경우 10-60중량％의 천연섬유가 함유되는 것이 바람직하다.

또한 상기 내부층(2)은 기지재로 폴리프로필렌 또는 심초형 복합섬유 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％의 범위 내에서 기지재 50-60중량％와 천연섬유 40-50중량％로 구성된 내부중층(2-2), 기지재 60-70중량％와 천연섬유 20-30중량％로 구성된 내부상층(2-1) 및 내부하층(2-3)등으로, 각각의 내부층(2-1,2-2,2-3)의 성분비율이 기지재로 폴리프로필렌 또는 심초형 복합섬유 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％의 범위 내에서 서로 다르게 구성된 것을 더 포함 하는 자동차 내장재용 경량복합판재를 제공함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 기지재 중 하나로 사용되는 심초형 복합섬유(sheath/core 형 bicomponent fiber)는 초성분이 약 30-50중량％로 용융점은 110-180℃이고 심성분은 약 50-70중량％로 용융점이 230-270℃로 구성되어 있어 결합제 및 보강섬유의 역할을 동시에 하는 것을 특징으로 한다. 따라서 복합판재 제조 시 가해지는 180-220℃의 온도는 우선적으로 기지재의 초성분만을 서서히 용융시켜 보강섬유와의 융착에 의한 삼차원적인 네트워크 구조를 형성하고 심성분은 초성분의 부분적인 열차단 효과로 급격한 물성저하를 방지할 수 있는 특징을 가짐으로서 보강섬유의 역할을 할 수 있다. 이러한 심초형 복합섬유로 초성분이 폴리에스테르 공중합체이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 폴리에스테르 글리콜이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리프로필렌인 복합섬유, 초성분이 폴리프로필렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유 중 선택된 하나를 사용할 수 있다.

또한, 보강섬유로는 천연섬유를 사용하는데, 복합판재의 열안정성, 치수안정성, 내충격성, 강도, 및 경량화를 목적으로 대마(hemp), 황마(jute), 아마(flax), 케냐프(kenaf), 아바카(abaca) 또는 바나나섬유(banana fiber) 중 선택된 하나를 사용한다.

본 발명의 제조방법은 압축 상태의 원료들을 풀어서 요구되는 층들의 특성에 따라 기지재 섬유와 보강재 섬유를 균일하게 혼합/개섬하는 혼합/개섬 단계; 상기 혼합/개섬한 섬유들을 원통형 실린더형의 카드기를 통과시켜 섬유상의 얇은 웹을 형성하는 소면단계; 균일한 부직포의 제조를 위해 요구되는 제품의 중량에 따라 섬유상 얇은 웹을 여러 층으로 겹치는 더블링(doubling)단계; 상기 더블링 단계에서 여러 웹으로 형성된 멀티층을 니들펀칭(needle punching)으로 고정하여 용도에 따라 다양한 조성 및 중량을 가지는 부직포를 제조하는 단계; 상기 부직포를 연속식 복합판재 제조 장치로 공급하여 예열, 열융착, 가압, 냉각, 발포, 그리고 커팅이 연속 공정에 의해 이루어지도록 하여 경량복합판재를 제조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 혼합/개섬 단계에서는 기지재, 바람직하게는 폴리프로필렌 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％를 균일하게 혼합/개섬하고, 또한, 기지재, 바람직하게는 폴리프로필렌 또는 심초형 복합섬유 60-90중량％와 폴리에스테르 10-40중량％ 또는 상기 기지재 60-80중량％와 폴리에스테르 15-25중량％ 및 천연섬유 5-15중량％를 균일하게 혼합/개섬한다. 이 때, 상기 혼합/개섬 단계 및 소면단계에서 폴리프로필렌과 천연섬유를 혼합/개섬 후 형성된 웹을 내부층(2)으로 하고, 기지재와 폴리에스테르 또는 기지재와 폴리에스테르 및 천연섬유를 혼합/개섬 후 형성된 웹을 표피층(1,3)으로 하여 상기 내부층(2)의 적어도 일표면에 표피층(1,3)이 부착되도록 더블링 단계에서 상기 섬유상 얇은 웹을 여러층으로 겹친다.

본 발명에 따르면, 상기 부직포 제조 단계에서 제조된 다층구조의 복합부직포는 연속식 복합판재 제조 장치로 공급되어 진다. 그 장치는 "성능이 강화된 복합재료 제조방법 및 그 제조장치(국제출원 제PCT/KR02/00658호)"에 개시되어 있으며, 예열부, 열융착부, 가압부, 발포부, 냉각부, 그리고 커팅부로 구성된 연속 공정으로 용도에 따라 밀도, 강도 및 두께를 자유롭게 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 연속식 복합판재 제조장치를 이용한 경량복합판재 제조에 있어, 크림프(8-12개/inch)가 주어진 단섬유 (기지재 섬유와 보강섬유 : 50-80mm)들은 섬유해섬기의 해섬실린더에 의해 해섬되며, 해섬된 섬유는 분산기에 의해 균일하게 분산 및 혼합되는 혼합/개섬 단계를 거치고, 혼합/개섬된 섬유들은 랜덤하고 일축방향을 갖는 복합섬유판재를 제조하기 위해 물리적 성질 즉, 인장강도나 충격강도 등을 향상시키는 역할을 하는 정면기를 거치게 된다. 상기 혼합/개섬한 섬유들은 원통형 실린더형의 카드기를 통과시켜 섬유상의 얇은 웹을 형성하고 이러한 섬유상 얇은 웹을 여러 층으로 겹치는 더블링(doubling) 단계를 거쳐 다층의 웹을 형성한다. 상기 다층의 웹은 이송벨트를 타고 가압 로울러를 거쳐 니들펀칭(needle punching)장치로 이송되고 니들펀칭에 의해 부직포가 제조된다. 니들펀칭장치는 공급되는 매트의 두께 조절 및 밀도를 조절하는 중요한 역할을 하는 장치로, 니들펀칭장치를 통과하지 않으면 솜처럼 부풀어 있는 상태로서 가열판을 통과할 때 히터가 손상되거나 히터에 접촉되어 섬유가 발화될 우려가 매우 높다. 니들펀칭에 의해 예열 존과 가열판을 통과 시 발생하는 섬유 고유의 수축을 대폭 감소시킴으로서 복합판재의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 부피의 축소에 따라 복합판재가 히터에 손상을 주거나 혹은 히터 접촉에 의한 발화의 위험성을 최소화할 수 있게 된다.

상기 니들펀칭에 의해 제조된 복합부직포는 연속식 복합판재 제조장치로 이송된다. 연속식 복합판재 제조장치는 예열 및 열융착을 위한 1,2차예열존, 1,2,3차용융가압/발포존, 냉각존, 및 커팅부를 구비하고 있다. 우선 상기 복합부직포는 1차예열존과 2차예열존을 통과시켜 부직포 내부까지 열을 전달하여 열가소성 유기섬유 즉, 폴리프로필렌 또는 저융점 심초형 복합섬유가 용융가압/발포존에서 용이하게 보강섬유의 사이로 침투될 수 있게 하는 단계이다. 이와 같은 예열 단계를 거침으로서 강화섬유의 표면에 수지의 젖음성이 향상되고 복합판재 내부에까지 함침되므로 고강도의 복합판재가 제조될 수 있다. 예열된 복합부직포는 가열/가압존의 가압롤러들을 통과하여 용융/가압되어 일정한 두께의 복합판재로 제조된다. 즉, 1차 용융가압/발포존을 통과한 복합부직포가 가압 로울러에 의해 일정한 두께를 유지하면서 컨베이어벨트의 열을 복합부직포로 전도하여 용융시키며 가압하고, 2차 용융가압/발포존은 기지재인 열가소성 유기섬유를 용융시켜 보강섬유에 함침시키며, 또한 3차 용융가압/발포존을 지나며 온도는 그 상태를 유지하며 압력만을 가하여 공극율을 최소화시키기에 열가소성수지의 함침성 및 젖음성이 충분하게 숙성된다. 또한 상기 가열/가압단계를 거쳐 냉각시킬 경우 고성능이 유지되는 복합판재가 제조될 수 있고, 이를 재가열하여 냉각존의 상하 로울러간 간격을 넓힐 경우 보강섬유의 자체 탄성률에 의해 유사 발포형 고성능 경량복합판재가 제조될 수 있다.

유리한 효과

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 천연섬유를 함유한 자동차 내장재용 경량복합소재를 제공함으로써 열가소성 유기소재들의 낮은 내열성으로 인한 자동차 내장재 용도의 한계성을 천연 섬유를 이용한 벌키 다층구조 설계로 극복하고 열가소성 유기섬유와 천연섬유를 이용함으로서 경량성, 내구성 및 재활용성의 효과가 있으며, 벌키한 다층구조로 설계된 부직포를 자체 설계된 연속식 복합판재 제조 장치를 사용하여 미세한 기공층을 가지는 고성능 복합판재를 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 멀티층의 구조설계 및 열융착 시 열 분산을 조절함으로서 동일한 중량 및 두께의 제품에 대해서 다양한 수분흡수율 및 강도를 가지는 복합판재의 제조가 가능하여 다양한 자동차 내장재 및 파티션, 가구, 합판 등과 같은 건축용 및 산업소재로 이용이 가능하고, 멀티 복합 구조 및 높은 기공성으로 인해 성형성, 단열성, 흡음성, 충격 흡수성이 우수하다. 천연섬유의 이용은 친환경적인 복합판재를 제공할 뿐만 아니라 원가 절감의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2층구조의 자동차 내장재용 복합판재의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 3층구조의 자동차 내장재용 복합판재의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 5층구조의 자동차 내장재용 복합판재의 단면도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1,3 : 표피층 2-1 :내부상층

2 : 내부층 2-2 :내부중층

2-3 :내부하층

발명의 실시를 위한 최선의 형태

이하, 본 발명을 실시예를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

＜실시예 1＞

폴리프로필렌(PP) 80중량％와 황마(jute)20중량％, 폴리프로필렌(PP) 70중량％와 황마(jute)30중량％, 폴리프로필렌(PP) 60중량％와 황마(jute)40중량％, 폴리 프로필렌(PP) 50중량％와 황마(jute)50중량％, 폴리프로필렌(PP) 40중량％와 황마(jute)60중량％으로 하여 혼합/개섬 후 원통형 실린더형의 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하여 내부층(2)으로 하였다. 또한 폴리프로필렌(PP) 70중량％, 폴리에스테르(PET) 22 중량％ 및 황마(jute) 8중량％를 균일하게 혼합/개섬 후 역시 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하도록 하여 표피층(1,3)으로 하였다. 상기 표피층들(1,3)이 내부층(2)의 양쪽 표면에 부착되도록 위치시켜 각 층들이 겹쳐지도록 더블링하고 니들펀칭에 의해 고정하였다. 니들펀칭에 의해 제조된 복합부직포의 중량은 2100 g/m²이고, 연속식 복합판재 제조 장치로 분당 6 m/min 속도로 통과시켜 두께 2.5±0.1 mm 복합판재들을 제조하였다. 연속식 복합판재 제조장치의 내부 구조는 예열부, 용융가압부/발포부, 냉각부, 커팅부로 구성되어 있으며, 예열부의 온도는 180 ℃, 용융가압부/발포부는 또 다시 4개 존으로 구성되어 그들의 온도는 210-250 ℃들로 분포되고, 냉각부도 또한 2개 존으로 각각 60 ℃와 30 ℃로 온도가 자동 조절되어 졌다. 상기 복합판재 내부층(2)에 있어 천연섬유(황마)의 함량에 따른 물성의 변화를 표 1에 나타냈다.

여기서, MD(machine direction)는 제품이 나오는 기계적 방향의 값이고, AMD(across-machine direction)는 기계적 방향에 대한 수직방향이다.

표 1

＜실시예 2＞

폴리프로필렌(PP) 60중량％와 황마(jute) 40중량％를 혼합/개섬 후 원통형 실린더형의 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하여 내부층(2)으로 하였다. 또한 폴리프로필렌(PP) 70중량％, 폴리에스테르(PET) 22 중량％ 및 황마(jute) 8중량％를 균일하게 혼합/개섬 후 역시 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하도록 하여 표피층(1,3)으로 하였다. 상기 표피층(1,3)이 내부층(2)의 양쪽 표면에 부착되도록 위치시켜 각 층들이 겹쳐지도록 더블링하고 니들펀칭에 의해 고정 하였다. 니들펀칭에 의해 제조된 복합부직포의 중량들은 1600, 1800, 2100, 2500, 3200 g/m²이고, 이들은 연속식 복합판재 제조 장치로 분당 6 m/min 속도로 통과시켜 두께 3.0±0.1mm 복합판재들을 제조하였다. 연속식 복합판재 제조장치의 내부 구조는 예열부, 용융가압부/발포부, 냉각부, 커팅부로 구성되어 있으며, 예열부의 온도는 180 ℃, 용융가압부/발포부는 또 다시 4개 존으로 구성되어 그들의 온도는 200-240 ℃들로 분포되고, 냉각부도 또한 2개 존으로 각각 60 ℃와 30 ℃로 온도가 자동 조절되어 졌다. 상기 복합판재의 중량에 따른 물리적 특성을 표 2에 나타내었다.

표 2

＜실시예 3＞

폴리프로필렌(PP) 60중량％와 황마(jute) 40중량％를 혼합/개섬 후 원통형 실린더형의 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하여 내부층(2)으로 하였다. 또한 폴리프로필렌(PP) 70중량％, 폴리에스테르(PET) 22중량％ 및 황마(jute) 8중량％를 균일하게 혼합/개섬 후 역시 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하도록 하여 표피층(1,3)으로 하였다. 상기 표피층(1,3)이 내부층(2)의 양쪽 표면에 부착되도록 위치시켜 각 층들이 겹쳐지도록 더블링하고 니들펀칭에 의해 고정하였다. 니들펀칭에 의해 제조된 복합부직포의 중량은 1800 g/m²이고, 연속식 복합판재 제조 장치로 분당 6 m/min 속도로 통과시켜 복합판재들을 제조하였다. 연속식 복합판재 제조장치의 내부구조는 예열부, 용융가압부/발포부, 냉각부, 커팅부로 구 성되어 있으며, 예열부의 온도는 180 ℃, 용융가압부/발포부는 또 다시 4개 존으로 구성되어 그들의 온도는 200-240 ℃들로 분포되고, 냉각부도 또한 2개 존으로 각각 60 ℃와 30 ℃로 온도가 자동 조절되어 졌다. 이때 용융가압부/발포부 및 냉각부에 위치한 상하 롤러 및 벨트의 갭(gap)을 조절함으로서 복합판재의 두께 및 밀도를 조절하였고, 그 결과는 표 3에 나타냈다.

표 3

＜실시예 4>

(주)휴비스사 심초형 저융점 폴리에스테르섬유(LM) 50중량％와 천연섬유 50중량％를 혼합/개섬 후 원통형 실린더형의 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하여 기재 내부의 중층부(2-2)로 하고, 심초형 저융점 폴리에스테르섬유(LM) 65중량％와 천연섬유 35중량％를 기재 내부의 상층부(2-1) 및 하층부(2-3)로 하였다. 또한 심초형 저융점 폴리에스테르섬유(LM) 80중량％, 폴리에스테르(PET) 15중량％ 그리고 천연섬유 5중량％를 균일하게 혼합/개섬 후 역시 카드기를 통과하여 섬유상의 얇은 웹을 형성하도록 하여 표피층(1,3)으로 하였다. 이것은 5개의 멀티층으로 구성되었다.

상기 표피층(1,3)이 기재 내부층들(2-1,2-2,2-3)의 양쪽 표면에 부착되도록 위치시켜 각 층들이 겹쳐지도록 더블링하고 니들펀칭에 의해 고정하였다.

니들펀칭에 의해 제조된 복합부직포의 중량은 2100 g/m²이고, 연속식 복합판재 제조 장치로 분당 6 m/min 속도로 통과시켜 두께 2.6±0.1mm 복합판재들을 제조하였다. 예열부의 온도는 180 ℃, 용융가압부/발포부는 또 다시 4개 존으로 구성되어 그들의 온도는 210-250 ℃들로 분포되고, 냉각부도 또한 2개 존으로 각각 60 ℃와 30 ℃로 온도가 자동 조절되어 졌다. 상기 복합판재의 천연섬유의 종류 즉, jute, kenaf 그리고 abaca의 사용에 따른 물리적 특성을 표 4에 나타내었다.

표 4

이상의 상기의 실시예들의 시험에서 확인된 바와 같이, 우리가 가지고 있는 연속식 복합판재 제조장치는 동일한 중량에 대해 다양한 두께 및 물성(저강도, 중강도, 고강도 등)의 판재를 제조할 수 있다. 자동차 내장재 중에서도 헤드라이너(headliner) 등은 저강도, 내충격 흡수성이 우수한 판재가 적용될 수 있고, 팩케이지 트레이 등은 중강도 판재를 적용할 수 있고, 도어트림 (door trim), 시이트백 판넬(seat back panel) 등은 고강성의 물성이 요구되어 고강도 판재가 적용될 수 있다. 특히, 철을 대체하고자 하는 백빔(back beam), 펜더(fender)등의 자동차 외판용은 고강성의 물성이 필수적이라고 할 수 있다.

이상, 상기의 실시 예에 국한되지 않고, 상기 기지재로 사용되는 폴리프로필렌과 유사한 물성을 가지는 심초형 복합섬유를 사용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 보강섬유로 사용되는 황마(jute)와 동일한 물성을 가진 대마(hemp), 아마(flax), 케냐프(kenaf), 아바카(abaca) 또는 바나나섬유(banana fiber)를 사용하여도 역시 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 연속식 복합판재 제조 장치를 거쳐 제조된 경량복합판재는 자동차 내장재용 성형기를 이용하여 제품화되어 팩케이지 트레이(package tray), 도어 트림(door trim), 헤드라이너(headliner), 시이트백 판넬(seat back panel) 등의 자동차 내장재 및 파티션, 가구, 합판 등과 같은 건축용 및 산업용 소재로도 이용되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 경량복합판재는 멀티층의 구조설계 및 열융착 시 열 분산을 조절함으로서 동일한 중량 및 두께의 제품에 대해서 25 MPa 이하의 저강도, 25-45 MPa의 중강도, 또는 45 MPa 이상의 고강도 복합판재를 제조할 수 있어 용도에 따라 응용이 가능하고, 경량성, 비강도, 비탄성화 및 강화된 기계적 성질로 인해 항공기나 선박 및 자동차 부품, 정밀 전기. 전자제품 등 제품의 강도와 강성 및 내구성 등의 특성을 요구받는 각 산업분야에 널리 활용될 수 있다.

Claims

고성능 경량복합판재에 있어서,

기지재 40-90중량%와 천연섬유10-60중량%가 일체형으로 구성된 내부층(2);과 상기 내부층(2)의 적어도 일표면에 부착되며, 기지재 60-80중량%와 폴리에스테르 15-25중량% 및 천연섬유 5-15중량%가 일체형으로 구성된 표피층(1,3)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제1항에 있어서, 상기 내부층(2)은 기지재 40-90중량％와 천연섬유 10-60중량％의 범위 내에서 기지재와 천연섬유의 성분비율이 기재상층(2-1)과 기재하층(2-3)은 서로 같고 기재중층(2-2)과는 다른 세개의 층으로 구성된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제2항에 있어서, 상기 기재상층(2-1)과 기재하층(2-3)은 기지재 60-70중량％와 천연섬유 30-40 중량％로 구성되며, 상기 기재중층(2-2)은 기지재 50-60 중량％와 천연섬유 40-50 중량％로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제1항에 있어서, 상기 기지재는 폴리프로필렌 또는 고융점의 심성분과 저융 점의 초성분으로 구성된 심초형 복합섬유인 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제1항에 있어서, 상기 천연섬유는 대마(hemp), 황마(jute), 아마(flax), 케냐프(kenaf), 아바카(abaca) 및 바나나섬유(banana) 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제4항에 있어서, 상기 심초형 복합섬유는 고융점이 240-270℃인 심성분 50-70 중량％와 저융점이 110-180℃인 초성분 30-50 중량％가 배합된 것으로, 초성분이 폴리에스테르 공중합체이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 폴리에스테르 글리콜이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리프로필렌인 복합섬유, 초성분이 폴리프로필렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 자동차 내장재용 경량복합판재를 이용한 자동차용 내장재.
고성능 경량복합판재의 제조방법에 있어서,

기지재 40-90중량%와 천연섬유 10-60중량%를 균일하게 혼합/개섬하고, 기지재 60-80중량%와 폴리에스테르 15-25중량% 및 천연섬유 5-15중량%를 균일하게 혼합/개섬하는 혼합/개섬단계;

상기 혼합/개섬한 섬유들을 원통형 실린더형의 카드기를 통과시켜 섬유상의 얇은 웹을 형성하는 소면단계;

상기 섬유상 얇은 웹을 여러 층으로 겹치는 더블링 단계;

상기 더블링 단계에서 여러 웹으로 형성된 멀티층을 니들펀칭으로 고정하여 부직포를 제조하는 단계;

상기 부직포를 연속식 복합판재 제조 장치로 공급하여 예열, 열융착, 가압, 냉각, 발포, 그리고 커팅이 연속 공정에 의해 이루어지도록 하여 경량복합판재를 제조하는 단계를 거쳐 상기 제1항의 자동차 내장재용 경량복합판재를 제조함을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 혼합/개섬 단계 및 소면단계에서 상기 기지재와 천연섬유를 혼합/개섬 후 형성된 웹을 내부층(2)으로 하고, 상기 기지재와 폴리에스테르 및 천연섬유를 혼합/개섬 후 형성된 웹을 표피층(1, 3)으로 하여 상기 더블링 단계에서 상기 내부층(2)의 적어도 일표면에 표피층(1, 3)이 부착되도록 겹쳐 더블링하는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 기지재는 폴리프로필렌 또는 고융점의 심성분과 저융점의 심성분으로 구성된 심초형 복합섬유인 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 천연섬유는 대마(hemp), 황마(jute), 아마(flax), 케냐프(kenaf), 아바카(abaca) 및 바나나섬유 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 심초형 복합섬유는 고융점이 240-270℃인 심성분 50-70중량％와 저융점이 110-180℃인 초성분 30-50중량％가 배합된 것으로, 초성분이 폴리에스테르 공중합체이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 폴리에스테르 글리콜이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유, 초성분이 고밀도 폴리에틸렌이고 심성분이 폴리프로필렌인 복합섬유, 초성분이 폴리프로필렌이고 심성분이 폴리에스테르인 복합섬유 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재의 제조방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고,

기지재 40-90중량%와 천연섬유10-60중량%가 일체형으로 구성된 내부층(2);과 상기 내부층(2)의 적어도 일표면에 부착되며, 기지재 60-80중량%와 폴리에스테르 15-25중량% 및 천연섬유 5-15중량%가 일체형으로 구성된 표피층(1,3)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 경량복합판재.
제13항의 자동차 내장재용 경량복합판재를 이용한 자동차용 내장재.