KR101090886B1

KR101090886B1 - 저비중 열가소성 복합재의 제조방법

Info

Publication number: KR101090886B1
Application number: KR1020050047153A
Authority: KR
Inventors: 김남형; 허철; 이재섭
Original assignee: 한화엘앤씨 주식회사
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2011-12-08
Also published as: KR20060125222A

Abstract

본 발명은 차량의 헤드라이닝, 도어트림 등 내장재와 언더바디스트럭쳐 등의 외장재로 사용되는 열가소성 복합재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 저비중 및 균일한 물성을 가지며, 치수안정성 및 표면성질 등이 우수한 열가소성 복합재 제조방법을 제공한다.

이를 위한 본 발명에 따른 저비중 열가소성 복합재의 제조방법은, 소정길이의 열가소성 수지 섬유와 보강섬유를 블렌더에 공급하여 혼합하는 단계; 웹 성형기를 이용하여 블렌더에서 혼합된 혼합물로부터 웹을 형성하는 단계; 제조된 웹을 니들펀칭기를 통과시켜 안정화시키는 단계; 니들펀칭기를 통과한 웹을 가열하여 웹 중의 열가소성 수지를 용융시키는 단계; 열가소성 수지가 용융된 웹을 압착하여 소정두께를 갖는 판상의 반제품을 형성하는 단계; 및 제조된 판상의 반제품을 가열한 후 제품형상으로 가압성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

저비중, GMT, 유리섬유, 열가소성수지, 복합재, 내장재, 외장재

Description

저비중 열가소성 복합재의 제조방법{Method for making a fiber-reinforced thermoplastic compound having low density gravity}

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저비중 열가소성 복합재의 제조공정을 나타낸 모식도로서, 도 1은 제1실시예에 따른 웹 제조공정, 도 2는 제2실시예에 다른 웹 제조공정, 도 3은 웹 제조공정의 후 공정으로서 판상의 반제품 제조공정, 도 4는 제조된 판상의 반제품을 프레스 성형하여 완제품을 제조하는 공정을 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 베일오프너 2: 베일호퍼

3: 커터 4: 계량기

10: 웹 11: 블렌더

12: 공급장치 13: 카딩기

14: 성형기 15: 니들펀치

16: 컨베이어 18: 송풍기

20: 반제품 22, 31: 오븐

23: 표면층 24: 이면층

27: 적층기 32: 프레스

본 발명은 차량의 헤드라이닝, 도어트림 등 내장재와 언더바디스트럭쳐 등의 외장재로 사용되는 열가소성 복합재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제품 성형과정에서 열가소성수지섬유에 혼합된 보강섬유의 스프링백효과가 최대한 유도될 수 있도록 함과 아울러 저압성형이 가능하도록 구성하여 저비중의 치수안정성이 우수한 열가소성 복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 산업분야에서는 환경문제가 부각되면서 연비향상을 위한 경량소재의 개발이 활발히 추진되고 있는 바, 그 소재 중 하나가 열가소성 복합재이다.

열가소성 복합재는, 열경화성 재료와 동등한 정도의 강도를 가지고 있으면서도, 보관이 용이하며 제품으로 성형되기 까지의 시간이 짧고 접합성이 우수하며 보수성이 용이한 장점이 있어, 경량성, 높은 비강성, 흡음성 등의 특성이 요구되는 차량의 내,외장재용 재료로서 일부 사용되고 있다.

그러나, 열가소성 복합재는 이러한 장점에도 불구하고 보강섬유로 인하여 비중이 증가하며 높은 성형압력으로 인하여 치수안정성이 떨어진다는 문제점이 있다.

본 발명과 관련된 열가소성 복합재를 제조하기 위한 방법으로서, 한국특허 제10-0242375호의 '섬유강화 열가소성 수지시이트와 그 제조방법 및 장치'에는 웹 중의 보강용 섬유의 평면내 배향을 조절하여 고강성 및 저비중의 열가소성 복합재를 제조하는 방법이 소개되어 있으나, 사용되는 원료가 고가이며 많은 장치 및 투 자비가 소요되고, 단섬유를 사용하기 때문에 충격강도가 취약해지는 문제점이 있다.

또 다른 예로서, 한국특허 제10-0230137호의 '자동차용 성형 내장재의 제조방법'에는 건식법에 의한 열가소성 복합재의 제조방법이 소개되어 있으나, 열가소성섬유와 유리섬유의 불균일한 혼합과 제품의 두께 및 중량편차로 등으로 인한 제품변형이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 제품 성형과정에서 열가소성수지섬유에 혼합된 보강섬유의 스프링백효과가 최대한 유도될 수 있도록 하여 저비중의 열가소성 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.

아울러, 저압성형이 가능하도록 하여 치수안정성이 우수한 열가소성 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저비중 열가소성 복합재의 제조방법은, 소정길이의 열가소성 수지 섬유와 보강섬유를 블렌더에 공급하여 혼합하는 단계; 웹 성형기를 이용하여 블렌더에서 혼합된 혼합물로부터 웹(Web)을 형성하는 단계; 제조된 웹을 니들펀칭기를 통과시켜 안정화시키는 단계; 니들펀칭기를 통과한 웹을 가열하여 웹 중의 열가소성 수지를 용융시키는 단계; 열가소성 수지가 용융된 웹을 압착하여 소정두께를 갖는 판상의 반제품을 형성하는 단계; 및 제조된 판상의 반제품을 가열한 후 제품형상으로 가압성형하는 단계;를 포함하는 것을 특 징으로 한다.

종래의 경우 웹을 오븐에서 가열한 후 곧 바로 프레스 성형함으로써 완제품을 제조하였으나, 이 경우 프레스 성형을 위한 웹의 두께가 두꺼워(통상 10∼20mm) 성형작업의 핸들링이 어려울 뿐만 아니라 제품의 표면성질을 좋게 하기 위하여 과도하게 압착하여야 하므로 저비중의 제품을 얻을 수 없다. 또한, 오븐에서 가열되는 동안 열가소성수지가 수축변형됨으로 인하여 제품품질이 저하된다.

이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 완제품을 성형하기 전에 완전압착두께의 1.5∼4배 정도 압착된 판상의 반제품을 만들고 이를 다시 재가열하여 스프링백 효과를 극대화시킨 후 프레스에 의해 제품성형을 한다. 이에 따르면, 저압하에서의 제품성형이 가능하여 치수안정성이 향상되며 저비중화가 가능할 뿐만 아니라 2차례의 가열 및 압착과정을 거치므로 완제품의 표면이 매끄러워진다.

또한, 웹 성형기는 웹 제조라인을 따라 병렬로 배치될 수 있으며, 제조된 웹은 다수의 섬유레이어가 적층된 구조를 갖도록 하거나, 송풍기를 사용하여 카딩기에서 해섬된 섬유가 수직배향되도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 과정을 통하여 웹의 섬유는 3차원적으로 배열된 구조를 갖게 되며, 보강재의 함량과 두께가 균일해진다. 이는 제품의 물성을 균일하게 하며 스프링백 효과를 극대화시킨다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저비중 열가소성 복합재의 제조방법에 대하여 살펴본다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 저비중 열가소성 복합재의 제조는 부직포 제조장치가 이용된다.

제조공정으로는 크게, 웹 성형기를 사용하여 열가소성 수지 섬유와 보강유의 혼합물로부터 웹(Web)을 제조하고 제조된 웹을 니들펀칭기(15)를 이용하여 안정화시키는 단계(도 1과 도 2 참조), 니들펀칭기에서 안정화된 웹(10)을 가열 및 가압함으로서 판상의 반제품을 제조하는 단계(도 3 참조), 판상의 반제품을 재가열한 후 프레스 성형하여 완제품을 제조하는 단계(도 4 참조)로 구성된다. 각각의 공정에 대하여 살펴본다.

[웹 제조공정]

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 웹 제조공정에 사용되는 장치들 중 베일오프너(1)로부터 웹 성형기(13, 14)까지의 장치는 2개씩 병렬배치될 수 있다. 각 공정라인에서는 각각의 웹이 제조되며 이들은 컨베이어(16) 상에서 서로 적층된다. 일례로, 혼합된 열가소성 수지 섬유와 보강섬유가 각각 제1 공정라인('가')과 제2 공정라인('나')으로 공급되며, 제1 공정라인에서 제조된 웹은 컨베이어(16)을 따라 이동되어 제2 공정라인에서 제조된 웹과 적층된다.

이와 같이 복수개의 공정라인을 구성한 것은, 병렬배치된 웹 성형기에서 각각 제조된 웹이 서로 적층되도록 하여 웹의 방향성을 최소화하며 섬유가 균일하게 혼합되도록 함과 제품 생산량을 증가시키기 위함이다. 이때, 섬유의 균일한 혼합은 성형시 스프링백 효과를 증대시킨다.

웹 성형기가 병렬배치되도록 하여 각 웹성형기에서 제조된 웹이 서로 적층되도록 구성하는 한, 재료공급라인의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 이때, 병렬배치되는 웹 성형기의 수는 1∼4개 정도가 되도록 함이 바람직하다.

한편, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 웹 제조공정에 사용되는 장치들은 병렬로 설치되지 않을 수 있다. 이때, 사용되는 웹 성형기(13a, 18)는 최근 사용되고 있는 에어레이드 카딩기로서, 카딩기(13a)와 카딩기 출구측 상부에 설치되는 송풍기(18)의 조합으로 구성된다. 이 경우 종래의 성형기(14)가 필요하지 않다.

이하, 도 1을 참조하여 먼저 제1 실시예에 따른 웹 제조공정을 살펴본다.

재료 공급 및 혼합단계

통상적으로 열가소성 수지 섬유는 40∼100mm의 박스형태로 압축되어 제공되는데 이를 베일오프너(1)에서 개면, 개섬한 후 베일호퍼(2)에 투입하여 표면사이징 처리된 보강섬유 로빙과 함께 블렌더(11)로 공급하면, 블렌더(11)에서는 공급된 섬유 혼합물을 해면하면서 균일하게 혼합시킨다 이때, 보강섬유는 커터(3)로 미리 30∼100mm로 절단하여 열가소성 수지 섬유와의 혼합비에 따라 적정하게 계량(4)된 양만큼 블렌더(11)에 공급한다.

열가소성 수지 섬유로는 폴리프로필렌 수지 섬유, 폴리아마이드 수지 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지 섬유 등이 사용될 수 있으며, 보강섬유로는 유리섬유, 바잘트섬유(Basalt Fiber), 탄소섬유 등이 사용될 수 있다.

웹제조 단계

블렌더(11)에서 혼합된 섬유 혼합물을 공급장치(12)를 통해 카딩기(Carding Machine)(13)에 공급하여 카딩기에서 섬유 혼합물을 해섬 및 혼합한 후, 성형기(크로스 레이어링머신: Cross Layering Machine)(14)에서 얇은 두께로 가공된 레이어를 적층하여 800∼2,000g/㎡의 웹(Web)을 제조한다. 바람직하게는 웹은 레이어를 20∼50층 적층하여 제조한다. 섬유가 균일하게 혼합하여 스프링백 효과가 극대화되도록 하고, 이에 의해 저비중의 제품을 생산할 수 있도록 하기 위함이다.

니들펀칭단계

성형기(14)에서 제조된 웹을 니들펀칭기(15)에 통과시켜 섬유가 서로 얽혀 결합되도록 한다. 즉 다수의 레이어가 서로 적층된 구조를 갖는 웹을 안정화시킨다. 이때, 제품의 균일한 물성을 얻기 위해서는 양축 니들펀칭기를 1∼2개 사용하거나 단축 니들펀칭기를 2개 사용하는 것이 바람직하다.

니들펀칭에 의한 웹의 균일한 혼합은 스프링백 효과를 증대시킬 뿐만 아니라 이후 제조되는 판상 반제품의 치수안정성을 향상시킨다.

와인딩 단계

니들펀칭이 완료된 웹을 와인더(17)로 와인딩하여 롤 상태로 만든다. 성형기에서 제조된 웹을 이후 공정에서 연속적으로 가공하도록 구성한 경우에는 웹을 롤 상태로 제작할 필요는 없을 것이다.

이하, 도 2를 참조하여 제2 실시예에 따른 웹 제조공정을 살펴본다.

제2 실시예에 따른 웹 제조공정 중 웹제조 단계를 제외한 나머지 단계는 앞서 살펴본 제1 실시예에서와 동일하다. 다만, 베일오프너(1a)로부터 웹 성형기(13a, 18)까지의 장치가 병렬배치될 필요는 없다.

웹제조 단계

블렌더(11a)에서 혼합된 섬유혼합물을 공급장치(12a)를 통해 카딩기(13a)에 공급하여 섬유혼합물을 해섬 및 혼합한 후, 섬유가 수직한 방향으로 배향되도록 카 딩기(13a) 상측에 설치된 송풍기(18)를 이용하여 카딩기에서 해섬되어 나오는 섬유층 상부에 강제송풍을 하면서 800∼2,000g/㎡의 웹을 제조한다. 이 방법을 사용하면 섬유가 균일하게 혼합되며, 섬유가 수직방향으로 정렬되어 반제품 가열시 부피의 증가로 인한 스프링백 효과가 극대화된다.

[판상의 반제품 제조공정]

1차 가열단계

롤 상태의 웹(10)을 언와인더(22)에서 언와인딩하여 180∼240℃의 오븐(22)에 통과시킴으로써, 웹 중의 열가소성 수지를 용융시킨다.

반제품 제조단계

열가소성 수지가 용융된 상태의 웹을 연속프레기(25)를 이용하여 압착함으로써 소정두께의 판상 반제품(20)을 제조한다. 이때 반제품의 두께는 열가소성 수지가 용융된 상태의 웹에 대하여 이론적으로 계산하여 얻어지는 완전압착두께의 1.5∼4배가 되도록 함이 바람직한데, 대체로 1∼10bar의 압력으로 압착한다. 이에 의해 반제품을 오븐에서 재가열시 스프링백 효과가 극대화되며 제품의 저비중화가 가능해진다.

연속프레스기(25)로는 더블벨트프레스(Double Belt Press)나 캘린더(Calender)를 사용하되, 실리콘벨트 등과 같이 소프트한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 통상적으로 표면장식층이나 이면자재는 제품 프레스성형시 합지시키는데, 부직포나 직물(Fabric)을 사용하여 앞서의 웹 형성시 또는 판상 반제품 제조시 결합시킬 수 있다. 도 2에 도시된 도면부호 23은 부착되어 반제품의 표면을 형성하는 층으로서, 일례로 폴리프로필렌 필름일 수 있다. 도면부호 24는 부착되어 반제품의 이면을 형성하는 층으로서, 일례로 폴리에틸렌테레프탈레이트 부직포일 수 있다.

연속프레스기(25)를 통과한 웹은 제품성형을 위하여 커터(26)에 의해 절단되어 적층기(27)에 적층된다.

[완제품 제조공정]

2차 가열단계

위와 같이 제조된 반제품(20)을 다시 오븐(31)에서 가열하면 반제품 내의 열가소성 수지 섬유가 용융됨과 함께 보강섬유가 스프링백 효과에 의해 자유팽창된다. 자유팽창율이 크면 클수록, 즉 스프링백 효과가 크면 클수록 동일 중량당 생산되는 제품의 두께는 두꺼워지게 되고, 제품의 저비중화 정도는 반제품의 자유팽창율에 의존한다. 동일 중량당 제품의 두께가 커지면 제품의 강성이 커지므로, 궁극적으로는 동일 성능에 대하여 저중량의 원료를 사용할 수 있다.

한편, 저압 열성형시 표면장식재를 적층하여 동시에 성형할 수 있으며, 저압 열성형 대신에 반제품을 고압 플로우몰딩하여 고강성 제품을 생산할 수도 있다.

제품 성형단계

오븐(31)에서 자유팽창된 반제품을 저압 열성형(Thermoforming)하여 비중 0.3∼1.2g/㎤ 정도의 저비중 제품을 생산한다.

아래의 표는 2차 가열시 발생되는 스프링백 효과를 반제품의 두께에 따라 비 교한 데이터이다.

구분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
G/F 함량(%)	50	50	50	50	50	50
단위중량(GSM)	2,000	2,000	2,000	2,000	2,000	2,000
완전압착두께(mm)	1.51	1.51	1.51	1.51	1.51	1.51
반제품 두께(mm)	1.8	2.3	3.0	4.5	6.2	6.8
압착률	1.2	1.5	2.0	3.0	4.1	4.5
자유팽창두께(mm)	5.8	8.0	10.5	8.2	7.2	7.0
자유팽창률	3.8	5.3	7.0	5.4	4.8	4.6

각 실시예에 따른 반제품은, 50mm로 절단된 유리섬유 로빙을 50mm의 폴리프로필렌 수지의 권축인조섬유(Crimped Staple Fiber)와 블렌더에서 혼합하여 40층의 레이어를 갖는 웹을 제조한 후, 오븐을 통과한 웹을 더블벨트프레스로 압축함에 의해 제조되었다. 이때, 폴리프로필렌 수지 섬유와 유리섬유의 함량비는 50:50이 되도록 하였으며, 반제품의 중량은 2,000g/㎡이 되도록 하였다.

이때, 유리섬유의 비중은 2.54g/㎤, 폴리프로필렌의 비중은 0.9g/㎤이므로, 폴리프로필렌 수지 섬유가 1,000g, 유리섬유가 1,000g일 때 반제품의 이론비중은 1.33g/㎤이며 이에 따른 반제품의 이론적인 완전압착두께는 1.51mm가 된다.

실시예 1은 완전압착두께의 1.2배(즉, 1.8mm), 실시예 2는 완전압착두께의 1.5배(즉, 2.3mm), 실시예 3은 완전압착두께의 2.0배(즉, 3.0mm), 실시예 4는 완전압착두께의 3.0배(즉, 4.5mm), 실시예 5는 완전압착두께의 4.1배(즉, 6.2mm), 실시예 6은 완전압착두께의 4.5배(즉, 6.8mm)로 압착하여 반제품을 제조한 것이며, 2차 가열시 각 실시예에 따른 자유팽창율은 각각 3.8배, 5.3배, 7.0배, 5.4배, 4.8배, 4.6배로 나타났다. 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 가장 큰 자유팽창율은 반제품을 완전압착두께의 2.0배 정도로 압착할 경우에 나타났다. 이외에 반제품의 압착률이 1.5배 보다 작거나 4배 보다 큰 경우에는 자유팽창율이 상당히 작아지는 것으로 나타났다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 저비중 열가소성 복합재의 제조방법에 따르면, 완제품 성형을 위하여 반제품을 오븐에서 가열시 열가소성수지섬유에 혼합된 보강섬유의 스프링백효과가 극대화되어 저비중의 열가소성 복합재를 제조할 수 있게 된다.

또한, 2단계의 가열 및 압착단계를 거치므로 저압성형이 가능하여 제품의 치수안정성이 우수하며, 제품표면 성질이 향상된다.

또한, 열가소성 수지 섬유와 보강섬유가 균일하게 혼합되므로 제품의 물성이 균일해지며, 저비중에도 불구하고 강도의 변화가 적다.

Claims

소정길이의 열가소성 수지 섬유와 보강섬유를 블렌더에 공급하여 혼합하는 단계;

웹 성형기를 이용하여 블렌더에서 혼합된 혼합물로부터 웹(Web)을 형성하는 단계;

제조된 웹을 니들펀칭기를 통과시켜 안정화시키는 단계;

니들펀칭기를 통과한 웹을 가열하여 웹 중의 열가소성 수지를 용융시키는 단계;

열가소성 수지가 용융된 웹을 압착하여 소정두께를 갖는 판상의 반제품을 형성하는 단계; 및

제조된 판상의 반제품을 가열한 후 제품형상으로 가압성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저비중 열가소성 복합재 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 웹 성형기는, 블렌더에서 혼합된 혼합물 해섬하는 카딩기(Carding Machine)와, 해섬된 섬유레이어를 적층하는 성형기를 포함하는 것을 특징으로 하는 저비중 열가소성 복합재 제조방법.
제 2 항에 있어서,

상기 카딩기 및 상기 성형기를 통과하여 형성된 웹은, 열가소성 수지 섬유와 보강섬유의 혼합물로 이루어진 섬유레이어가 20∼50층 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 저비중 열가소성 복합재 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 웹 성형기는 웹 제조라인을 따라 2개 이상 병렬배치되며, 병렬배치된 각 웹 성형기에서 제조된 웹은 서로 적층되어 니들펀칭기로 공급되는 것을 특징으로 하는 저비중 열가소성 복합재 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 웹 성형기는, 블렌더에서 혼합된 혼합물을 해섬하는 카딩기와, 이 카딩기에서 해섬되어 나오는 섬유가 수직한 방향으로 배향되도록 섬유층 상부에서 강제송풍을 하는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 저비중 열가소성 복합재 제조방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판상의 반제품은, 이론비중을 기초로하여 계산된 완전압착두께의 1.5∼4배 두께로 열가소성 수지가 용융된 웹을 압착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 저비중 열가소성 복합재 제조방법.