KR101213356B1 - 겔 코팅된 보강된 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보강된 열가소성 기판 시트를 목적하는 형상으로 열성형시킴(이 때, 생성되는 목적하는 형상은 적어도 그의 표면에 잔류 공극 함량을 가짐)을 포함하는 겔 코팅된 제품의 제조 방법에 관한 것이다. 목적하는 형상을 겔 코팅 물질과 함께 주조하여, 상기 겔 코팅 물질과 목적하는 형상 사이에 접착성 결합을 형성시키는데, 이 때 상기 겔 코팅 물질이 상기 목적하는 형상 내로 침투하고 경화되어 이들 사이에 기계적 결합이 형성된다.

Description

겔 코팅된 보강된 복합체{GEL COATED REINFORCED COMPOSITE}

기판 및 심미적인 표면 층을 포함하는 심미적인 복합체 구조체에 대한 시장의 경제적 측면에서는 종종 기판으로 열경화성 수지 시스템을 사용하는 것이 선호된다. 낮은 원료 및 공구 비용이 열경화성 물질의 선택을 뒷받침하는 요인으로 흔히 인용된다. 그러나, 열경화성 물질의 사용은 휘발성 유기 화합물(VOC) 방출물을 생성시킬 수 있고, 일반적으로 사이클 시간이 길다.

예를 들어, 심미적 부품을 제조하는데 통상적으로 이용하는 방법은 2단계 절차를 포함하는데, 이는, 전통적인 열성형 방법을 이용하여 열가소성 표면 층을 생성시키고, 이 표면 층 뒤에 열경화성 물질을 주입 또는 분무한 다음 제자리에서 경화시켜, 보강된 하부 층(sub-layer) 및 열가소성 표면 층을 갖는 2층 구조체를 생성시킨다. 다수의 열경화성 시스템 및 방법이, 보강된 하부-층을 제조하는데 사용된다. 이들은 예를 들어 분무 유리 섬유-보강된 플라스틱(FRP), 수지 전달 주조(molding), 진공-주입 및 다양한 보강된 포움 제자리 기술을 포함한다.

에마뉴엘(Emanuel) 등의 미국 특허 제 4,356,230 호에는 주조 작업 및 주조된 부품의 고화 동안 주형(mold) 표면으로부터 기판으로 코팅을 전달하는 방법이 기재되어 있다. 토먼(Toman)의 미국 특허 제 4,742,121 호에는 전형적으로 분무에 의해 도포되는 겔 코팅 제제가 기재되어 있다.

다수의 구조 용도에 요구되는 강성 및 낮은 CTE를 갖는 복합체 겔 코팅된 복합체 물질을 생성하는 것이 바람직하다. VOC를 적게 방출하고 사이클 시간이 짧은 방법에 의해 접착성 겔 코팅된 제품을 제조하는 것이 바람직하다. 다른 바람직한 특성은 높은 표면 품질, 탁월한 기계적 접착성 및 최소화된 주름 및 부품 결함을 갖는 심미적 층으로서의 겔 코팅이다.

발명의 개요

겔-코팅된 제품을 제조하는 방법의 실시양태는 보강된 열가소성 기판 시트를 목적하는 형상으로 열성형시킴을 포함한다. 한 실시양태에서, 상기 형상은 표면 구역으로부터 안쪽으로 연장되는 초기 공극을 갖는다. 제품과 겔 코팅을 기계적으로 결합시키기 위해 열경화성 겔 코팅 물질을 경화시키기 전에, 제품에 공극을 갖게 하는 것이 바람직하다. 표면 구역을 겔 코팅 물질과 접촉시킨다. 공극은 상기 겔 코팅 물질이 적어도 표면 영역 내로 침투할 수 있도록 하기에 충분해야 한다. 목적하는 형상과 겔 코팅 물질을 함께 주조하여 목적하는 형상과 겔 코팅 물질 사이에 접착성 결합이 형성되도록 한다. 겔 코팅 물질은 목적하는 형상 내로 침투하고 경화되어 그와의 기계적 결합을 형성한다. 한 실시양태에 따라, 섬유-보강된 물질은 성형된 기판을 통해 진공이 가해지도록 하기에 충분한 공극 함량을 갖는 경량의 섬유-보강된 플라스틱 물질일 수 있다. 다른 실시양태에 따라, 섬유-보강된 물질은 처음에는 표면 공극이 적거나 없을 수 있으나 성형 또는 주조 공정 동안 표면 공극을 획득하게 되는 밀집화된 물질일 수 있다. 전형적으로, 이러한 표면 공극 또는 표면 조도는 기판 물질에 함유된 섬유의 로프팅(lofting)을 통해 달성될 수 있다. 성형된 기판을 인접한 겔 코팅 물질과 함께 주조하여 겔 코팅 물질과 성형된 기판 사이에 접착성 결합을 생성시킨다. 한 실시양태에 따라, 보강된 열가소성 기판 시트는 그를 통해 진공이 가해지도록 하기에 충분한 공극 함량을 갖는다. 한 실시양태에 따라, 성형된 기판을 제조하는데 차동(differential) 기체 압력을 이용한다.

층상 제품을 제조하는 방법의 다른 실시양태는, 기판 시트를 기판 시트의 섬유를 로프팅시키기에 충분한 온도까지 가열하고; 기판 시트를 멤브레인 보조된 압력 박스(membrane assisted pressure box)에 대향하여 배치시킨 다음; 기판 시트를 주형 위로 밀어 성형된 기판을 생성시키고; 겔 코팅 물질을 성형된 기판에 인접하게 배치시키고; 성형된 기판과 겔 코팅 물질을 함께 주조하여 접착성 결합을 형성함을 포함한다. 다른 실시양태는 그러한 제조에 정합되는(matched) 공구를 사용함을 포함한다.

당해 분야의 숙련자는 하기 상세한 설명, 도면 및 첨부된 청구의 범위로부터 상기 기재된 특징 및 다른 특징을 인지 및 이해할 것이다.

이제 도면을 참조하는데, 이들 도면은 예시적인 실시양태이며, 유사한 요소는 비슷하게 번호를 매긴다.

도 1은 예시적인 겔 코팅된 플라스틱-보강된 제품의 단면도이다.

도 2는 정합되는 공구와 열성형되어야 하는 예시적인 기판의 단면도이다.

오른쪽 부분인 도 2A는 열성형되어야 하는 예시적인 기판과 멤브레인 보조된 진공/압력 설비의 단면도이다.

도 3은 성형된 기판으로의 주조를 위해 겔 코팅 물질을 사용하는 주조 시스템이다.

본원에 개시된 것은 개방 셀(open-cell) 구조를 갖는 기판을 포함하는 겔 코팅된 층상 제품의 제조 방법이다. 본원에 사용되는 용어 "개방 셀"은 그의 통상의 의미를 가지며, 한 표면으로부터 반대쪽 표면으로 유체가 연통되도록 인접한 셀과 유체 연통되는 셀을 기술하는 것임에 주목해야 한다. 용어 "열성형(thermoforming)" 및 그의 다양한 변형은 이들의 통상의 의미를 가지며, 본원에서는 시트를 가열 및 성형시켜 목적하는 형상으로 만드는 방법을 일반적으로 기술하기 위해 사용된다. 열성형 방법 및 공구는 두뷔스(DuBois) 및 프리블(Pribble)의 문헌["Plastics Mold Engineering Handbook", 제5판, 1995, 페이지 468 내지 498]에 상세하게 기재되어 있다.

용어 "층"은 본원에서 편의를 위해 사용되며, 시트 및 필름뿐만 아니라 불규칙한 형상을 갖는 물질도 포함한다. 용어 "제 1", "제 2" 등은 임의의 순서, 품질 또는 중요도를 나타내기보다는 한 요소를 다른 요소와 구분하기 위해 사용되며, 단수형은 본원에서 수량을 한정하는 의미가 아니라 인용된 품목이 하나 이상 존재함을 나타내는 것임에 주목해야 한다. 뿐만 아니라, 본원에 개시된 모든 범위는 끝값을 포함하며 조합될 수 있다(예를 들어, "약 25중량% 이하, 바람직하게는 약 5 내지 약 20중량%, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 15중량%"라는 범위는 끝값 및 이 범위의 모든 중간 값, 예컨대 "약 5 내지 약 25중량%, 약 5 내지 약 15중량" 등을 포함한다).

본원에 개시된 방법은 개방 셀형의 섬유-보강된 열성형가능한 기판 위에 배치된 겔 코팅 물질을 포함하는 제품을 제조하는데 특히 유용하다. 겔 코팅은 바람직하게는 기판의 표면 층으로서 작용하며, 기판과 상용성이도록 선택된다.

기판 물질은 열가소성 물질을 포함한다. 예시적인 열가소성 물질은 폴리프로필렌, 폴리카본에이트(PC), 폴리에스터, 폴리에터이미드(PEI), 폴리아릴렌 에터 등, 및 상기 열가소성 물질중 하나 이상을 포함하는 조합물, 예컨대 PC/PET 블렌드를 포함한다. 선형 또는 분지형 방향족 폴리카본에이트를 사용할 수 있다. 한 실시양태에서는, 2,2-비스(4-하이드록시페닐) 프로페인("비스페놀 A"), 비스(2-하이드록시페닐) 메테인, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)-3,3,5-트라이메틸사이클로헥세인, 플루오렌온 비스페놀, 1,1-비스(4-하이드록시페닐) 에테인, 2,6-다이하이드록시나프탈렌, 비스(3,5-다이에틸-4-하이드록시페닐) 설폰, 2,2-비스(3,5-다이브로모-4-하이드록시페닐) 프로페인, 4,4'-다이하이드록시다이페닐 에터, 스피로 바이인데인 비스페놀 등중 하나 이상으로부터 유도되는 단위를 포함하는 폴리카본에이트를 사용할 수 있다. 적합한 열가소성 폴리에스터는 예를 들어 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리(1,4-뷰틸렌 테레프탈레이트)(PBT), 폴리(트라이메틸렌 테레프탈레이트)(PTT), 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN), 폴리(뷰틸렌 나프탈레이트)(PBN), 폴리(사이클로헥세인다이메탄올 테레프탈레이트), 폴리(사이클로헥세인다이메탄올-코-에틸렌 테레프탈레이트)(PETA) 및 폴리(1,4-사이클로헥세인다이메틸-1,4-사이클로헥세인다이카복실레이트)(PCCD) 같은 폴리(알킬렌 다이카복실레이트); 폴리(알킬렌 아렌다이오에이트); 및 상기 폴리에스터중 하나 이상을 포함하는 조합물을 포함한다.

예시적인 실시양태에서, 겔 코팅(10)은, 전형적으로 분무될 수 있고, 착색되고 사전-촉진된 수지를 포함한다. 불포화 방향족 단량체(예: 스타이렌)와 혼합된 불포화 폴리에스터를 과산화물에 의해 개시되는 가교결합된 중합체의 제조에 사용할 수 있다. 불포화 산 또는 산 무수물과 폴리올의 축합으로부터 불포화 폴리에스터를 제조할 수 있다. 사용되는 가장 통상적인 불포화 산은 말레산 무수물 또는 퓨마르산이다. 가수분해 내성을 개선시키기 위해서는, 방향족 폴리에폭사이드와 불포화 모노카복실산의 반응으로부터 생성되는 비닐 에스터를 사용할 수 있다. 토먼의 미국 특허 제 4,742,121 호에 기재된 다른 시스템은 다양한 펜던트 불포화를 갖는 우레탄 폴리에스터, 아이소사이아네이트-작용성 아크릴 시스템, 아크릴 주쇄 및 알키드 수지 쇄를 갖는 그라프트 공중합체 시스템, 및 방향족 폴리에폭사이드 수지를 기제로 하는 비닐 에스터를 포함한다. 상기 특허는 중합체 쇄에 부착된 다수의 탄소-대-탄소 불포화 결합을 갖는 아크릴레이트 수지를 기재하고 있다. 미국 특허 제 4,742,121 호의 칼럼 1 내지 10에 기재되어 있는 겔 코팅 수지에 대한 기재내용을 본원에 참고로 인용한다. 다른 겔 코팅 시스템은 에폭시 중합체를 기제로 할 수 있다.

기판의 플라스틱 물질은, 열성형이 가능한 정도로 기판에 충분한 구조적 일체성을 제공하기에 충분한 결합능을 갖는다. 예를 들어, 기판은 기판이 열성형 시스템에 배치되어 열성형될 수 있도록, 섬유 및 열가소성 물질(들)을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시양태에서, 기판은 기판이 열성형 시스템에 배치되어 열성형될 수 있도록, 섬유, 열경화성 물질(들), 및 기판의 구조를 목적하는 형태(예컨대 시트)로 유지하는 시약을 포함할 수 있다.

기판에 사용되는 섬유는 섬유-보강된 플라스틱, 임의적으로는 개방 셀형 섬유-보강된 플라스틱 물질이 제조되도록 선택된다. 섬유 유형, 크기, 양 등은 기판을 제조하는데 사용되는 플라스틱 물질에 따라 변화될 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 섬유는 기판에 목적하는 공극 부피를 부여하도록 선택된다. 목적하는 주형 복제 및 목적하는 공극 부피를 획득하기 위하여, 섬유를 로프팅시킬 수 있다(예를 들어, 가열될 때 z-방향으로 팽창시킬 수 있다). 예시적인 섬유 유형은 유리 섬유[예컨대, E-유리("전기 유리", 예를 들어 보로실리케이트 유리), S-유리("구조 유리", 예를 들어 마그네시아/알루미나/실리케이트 유리) 등], 광물 섬유, 중합체 섬유, 천연 섬유 등, 및 상기 섬유중 하나 이상을 포함하는 혼합물을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 임의적으로, 섬유 직경(폭)은 약 6 내지 약 25㎛일 수 있다. 임의적으로, 섬유 길이는 약 2 내지 약 75mm일 수 있다.

기판의 섬유-보강된 플라스틱 물질은 기판에 목적하는 구조적 일체성 및 공극 부피를 제공하기에 충분한 양의 플라스틱 물질 및 섬유를 포함한다. 예를 들어, 섬유-보강된 플라스틱 기판은 플라스틱 물질을 약 25 내지 약 75중량%, 특히 약 35 내지 약 65중량%로 포함할 수 있고, 더욱 특히 약 40 내지 약 60중량%의 플라스틱 물질을 사용할 수 있다. 플라스틱 물질과 함께, 섬유를 약 25 내지 75중량%, 특히 약 35 내지 약 65중량%, 더욱 특히 약 40 내지 약 60중량%로 사용할 수 있다. 중량%는 섬유-보강된 플라스틱 기판의 총 중량에 기초한다.

적합한 시판중인 기판 물질의 예는 폴리프로필렌, 폴리카본에이트[예컨대, 제네랄 일렉트릭 캄파니(General Electric Company)의 렉산(LEXAN; 등록상표)], 폴리에스터[예컨대, 제네랄 일렉트릭 캄파니의 발록스(VALOX; 등록상표)], 폴리에터이미드[예컨대, 제네랄 일렉트릭 캄파니의 울템(ULTEM; 등록상표)], 폴리아릴렌 에터[예컨대, 폴리페닐렌 에터; 제네랄 일렉트릭 캄파니의 PPO(등록상표) 수지], 폴리스타이렌, 폴리아마이드 및/또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 혼합물을 비롯한(이들로 국한되지는 않음) 다양한 매트릭스를 갖는, 아즈델, 인코포레이티드(AZDEL, Inc.)(노쓰 캐롤라이나주 쉘비)에서 시판중인 아즈델(AZDEL; 등록상표) 슈퍼라이트(SuperLite; 등록상표) 및 아즈델(등록상표) 유리 매트 열가소성 플라스틱(GMT)을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다.

예를 들어, 위긴스 티프(Wiggins Teape) 방법(예컨대, 미국 특허 제 3,938,782 호; 제 3,947,315 호; 제 4,166,090 호; 제 4,257,754 호; 및 제 5,215,627 호에 논의됨)에 따라 기판을 제조할 수 있다. 예를 들어, 위긴스 티프 또는 유사한 방법에 따라 매트를 제조하기 위해서는, 섬유, 열가소성 물질(들) 및 임의의 첨가제를 계량하고 임펠러가 장치된 혼합 탱크 내로 분산시켜, 혼합물을 제조한다. 혼합물을 분배 매니폴드를 거쳐 헤드-박스(head-box)로 펌핑시킨다. 헤드 박스는 제지에 사용되는 유형의 기계의 와이어 구역 위에 위치한다. 진공을 이용하여, 분산된 혼합물을 움직하는 와이어 스크린에 통과시켜 균일한 섬유상 습윤 웹을 생성시킨다. 습윤 웹을 건조기에 통과시켜 수분 함량을 감소시키고, 열가소성 플라스틱이 사용되는 경우에는 열가소성 물질(들)을 용융시킨다. 부직 스크림 층을 웹의 한 면 또는 양면에 부착시켜 기판의 취급을 용이하게 한다(예를 들어, 기판에 열경화성 물질과의 구조적 일체성을 부여한다). 이어, 기판을 인장 롤에 통과시키고 목적하는 크기로 절단(재단)할 수 있다.

본 방법에 따라, 기판을 목적하는 최종 제품의 형상에 실질적으로 상응하는 형상으로 열성형시킨다. 일반적으로, 열성형은 연속적으로 또는 동시에 물질을 가열하고 주형 상에서 성형시킴을 포함하며, 이 때 물질은 원래 시트 형태이고 목적하는 형상으로 성형된다. 목적하는 형상을 수득한 후에는, 성형된 제품을 그의 고화 온도 또는 유리 전이 온도 미만으로 냉각시킨다. 일반적으로, 진공을 끌어들일 수 있기에 충분한 공극 함량, 예를 들어 약 5부피% 이상의 공극 함량을 갖는 성형된 기판을 제조할 수 있는 임의의 열성형 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 적합한 열성형 방법은 기계적 성형(예컨대, 정합되는 공구 성형), 멤브레인 보조된 압력/진공 성형, 플러그의 보조를 받는 멤브레인 보조된 압력/진공 성형 등을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다.

기판을 성형하는 정합되는 공구 방법에서는, 기판이 물리적으로 목적하는 형상이 될 수 있도록(즉, 작업-성형될 수 있도록) 기판을 연화점(성형 온도로도 지칭될 수 있음)에 도달시키기에 충분한 온도 및 충분한 시간동안 가열한다. 기판을 예컨대 방사 열성형 오븐(이는 상부 및/또는 바닥부 히터를 포함할 수 있음)에서와 같이 다양한 방식으로 가열할 수 있음에 주목한다. 이어, 기판을 숫형(male) 성형 공구 및 암형(female) 성형 공구 사이에 배치시킨다. 앞서 언급된 범위의 공극 함량을 유지하면서, 기판을 목적하는 형상으로 성형하기에 충분한 압력하에, 걸리개(stop)(각 공구의 둘레 가장자리에 배치됨)를 통해 숫형 성형 공구 및 암형 성형 공구를 서로 물리적으로 접촉시킨다. 적합한 압력은 특정 기판 조성에 따라 달라지며, 당해 분야의 숙련자는 과도하게 실험하지 않고도 이를 용이하게 결정한다. 그러나, 과도한 압력을 사용하면 셀중 일부 또는 모두가 목적하는 공극 함량 미만에 가까와져서 기판의 다공성을 불충분하게 만들 수 있으므로, 과도한 압력의 사용은 피해야 함에 주목한다.

이제 도 2를 참조하면, 정합되는 공구 성형의 단면도가 도시되어 있다. 전형적으로는 클램프를 사용하여, 가열된 기판 시트(50)를 숫형 성형 공구(52) 및 암형 성형 공구(54)에 대해 제 위치에 유지시킨다. 숫형 성형 공구 및 암형 성형 공구는 서로 "정합되도록"(즉, 상보적이도록) 구성된다. 숫형 성형 공구 및 암형 성형 공구는 각각 임의적으로 복수개의 구멍을 포함할 수 있다. 숫형 성형 공구 및 암형 성형 공구의 둘레에는 걸리개(스페이서)가 배치되어 있으며, 이는 성형된 기판의 두께를 결정하는데 사용된다. 걸리개는 성형 구역 바깥쪽에 위치한다. 숫형 공구 및 암형 공구는 기판 물질과 상용성인 물질로 구성된다. 예를 들어, 공구는 알루미늄, 강, 에폭시, 실리콘 고무, 충전된 공구 수지 등(이들로 한정되지는 않음)으로 구성될 수 있다.

성형하는 동안, 열성형시키기에 충분하고 바람직하게는 기판의 섬유를 로프팅시키기에 충분한 온도까지 기판을 가열한다. 예를 들어, 약 450℉(약 232℃) 내지 약 700℉(약 371℃), 더욱 구체적으로는 약 550℉(약 288℃) 내지 약 650℉(약 343℃)의 온도가, 유리 섬유-보강된 폴리카본에이트 기판 시트를 열성형시키는데 적합하다. 이어, 걸리개들이 접촉하도록 숫형 공구와 암형 공구를 상대적으로 이동시킴으로써 가열된 기판을 성형시킨다. 숫형 공구와 암형 공구 사이에 기판 시트를 끼움으로써 기판 시트를 숫형 공구와 압형 공구의 형상과 같은 모양이 되게 만든다. 이어, 기판을 냉각시켜 성형된 기판을 생성시킬 수 있다. 약 1기압(약 101kPa) 내지 약 10기압(약 1013kPa), 더욱 특히 약 1기압(약 101kPa) 내지 약 5기압(507kPa)의 압력을 이용하여 아즈델(등록상표) 슈퍼라이트(등록상표) 기판을 성형시킨다.

멤브레인 보조된 진공/압력 성형 방법에서는, 가열된 기판을 압력 박스(58)에 대향하게 배치한다. 진공 및 압력을 기판에 동시에 걸어준다. 더욱 구체적으로는, 성형 공구를 통해 진공을 끌어들이고, 성형 공구에 가장 근접한 면의 반대쪽 멤브레인(56)면에 양압을 가한다. 진공 및 압력의 방향은 도 3에서 화살표로 개략적으로 표시되어 있다. 주형을 통해 가해지는 진공은 시트를 주형 내로/위로(이후 위로) 잡아당긴다. 적합한 압력(양압 및 음압)은 특정 기판에 따라 달라지며, 당해 분야의 숙련자는 과도하게 실험하지 않고도 이를 용이하게 결정한다. 또한, 상기 나타낸 바와 같이, 과도한 압력은 피해야 하는데, 이는, 과도한 압력이 셀의 일부 또는 전부를 근접시켜 기판의 다공성을 불충분하게 만들 수 있기 때문이다.

도 3은 멤브레인 보조된 진공/압력 성형 방법을 개략적으로 도시한다. 가열된 기판(24)을 압력 박스(22)와 성형 공구(20) 사이에 배치시킨다. 성형 공구는 숫형 성형 공구 또는 암형 성형 공구일 수 있지만, 성형 공구는 숫형 성형 공구로 도시되어 있다. 성형 공구는 성형 공구를 통해 진공이 가해질 수 있도록 구멍을 포함한다. 클램프를 사용하여 기판 시트를 압력 박스 및 성형 공구에 대해 제 자리에 유지시킬 수 있다. 멤브레인, 더욱 구체적으로는 비-투과성 멤브레인(26)을 압력 박스의 개구를 가로질러 연신시킨다. 상기 논의된 바와 같이, 성형 공구를 통해 끌어들여지는 진공에 의해 기판의 제 1 표면이 성형 공구와 물리적으로 접촉되고, 제 2 표면이 멤브레인과 물리적으로 접촉된다. 압력을 멤브레인 측면으로부터 멤브레인에 가한다. 논의된 바와 같이, 기판은 약 5부피% 이상의 공극 함량을 갖는 개방 셀형의 섬유-보강된 열가소성 물질이기 때문에, 진공은 기판을 통해 직접 끌어들여진다. 그 상태에서, 멤브레인을 이용하여 기판을 성형 공구 상으로 민다(즉, 진공이 기판을 통해 끌어들여지고, 압력 박스로부터의 양압이 멤브레인을 공구 쪽으로 밂에 따라, 멤브레인 이에 따라 기판을 공구 쪽으로 끌어당긴다). 달리 말해, 진공은 멤브레인을 통해 끌어들여질 수 없다. 그보다는, 멤브레인에 가해진 압력이 멤브레인을 성형 공구 쪽으로 밂에 따라 진공이 멤브레인을 성형 공구 쪽으로 끌어당긴다. 기판이 성형 공구 상에 놓인 후에는, 냉각되어 성형된 기판을 형성한다.

예를 들어, 아즈델(등록상표) 슈퍼라이트(등록상표)가 기판인 경우에는, 성형 공구(30)를 통해 진공을 끌어들이면서, 멤브레인에 약 0.5 내지 약 8기압을 가하여 기판을 성형 공구(20) 쪽으로 민다. 더욱 구체적으로는, 약 1기압(약 101kPa) 내지 약 3기압(약 304kPa)을 멤브레인에 가할 수 있다.

상기 기재된 열성형 방법은 단순히 예시 목적으로 제공된다. 임의의 열성형 방법에 의해 기판을 제조할 수 있으며, 생성된 성형 기판은 기판을 통해 진공이 가해질 수 있는 공극 함량을 가짐을 이해해야 한다.

기판을 열성형시켜 성형된 기판을 제조한 후, 성형된 기판을 실질적으로 목적하는 제품의 최종 형상으로 임의적으로 트리밍할 수 있다. 성형된 기판 상에 겔 코팅을 배치하기 전에 또는 배치한 다음 트리밍을 수행할 수 있다. 트리밍 방법은 예컨대 레이저 트리밍, 워터 제트 트리밍, 트림 프레스 트리밍 등, 및 상기 방법중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함할 수 있다.

열성형된 보강된 수지 물질을 주조시켜, 보강된 수지 물질과 겔 코팅 사이에 구조적 결합을 생성시킨다. 바람직하게는, 보강된 수지 물질의 개방 셀 구조 내로 겔 코팅이 침투하여 보강된 수지와 겔 코팅 사이에 접착성 결합을 생성시킴으로써, 일체형 적층체를 형성한다. 열성형된 적층체를 적어도 최종 제품의 대략적인 형상으로 트리밍시킨다. 트리밍된 형상을 주조 공구의 강(cavity)에 넣거나 상기 강 내에 위치시킨다. 경화되지 않거나 또는 약간 경화된 형태의 겔 코팅 물질을 주형 강의 다른 부분 내로 또는 위로 도입한다. 보강된 수지 물질 내로 겔 코팅 물질이 유동하고, 겔 코팅 물질이 경화되어, 보강된 수지 물질과 결합할 때까지 주형을 폐쇄시킨다. A 등급 표면을 보유하여 유리 리드 쓰루(read through) 및 다른 표면 결함을 최소화시키는 것이 바람직하다. 계면은 겔 코팅 물질 및 보강된 수지 물질을 포함한다. 주형을 열고 구조 부품을 제거한다. 주형은 전형적으로 높은 열전도성을 갖는 금속(예: 알루미늄)으로 제조된다. 경화 공정에 고온이 필요하지 않기 때문에 겔 코팅용 주형은 폴리에스터계일 수 있다.

본원에 개시된 물질 및 방법을 이용하여 제조되는 구조적 제품은 층상 플라스틱 제품이 유리할 수 있는 임의의 용도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제품은 비행기, 자동차(예컨대, 승용차, 트럭, 오토바이 등)용 내외장재를 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 구성 요소는 패널, 쿼터 패널, 락커 패널, 수직 패널, 수평 패널, 펜더, 헤드 라이너, 문짝 등을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다.

유리하게, 본원에 개시된 방법은 열경화성 물질을 사용하는 방법에 비해 장식적인 구조적 부품의 제조를 단순화시킨다. 다양한 실시양태에서, 이들 부품의 제조는 현재 가능한 것보다 더 큰 효율로 단일 성형 스테이션에서 진행될 수 있다. 열성형을 이용하는 방법은 성형된 층(예컨대, 성형된 겔 코팅) 상에 기판 또는 하부-층을 예컨대 분무에 의해 배치시키는 별도의 비-열성형 단계를 필요로 해왔다. 그러나, 성형된 기판을 통해 진공을 끌어들여 다른 층을 기판 상으로 끌어당기기에 충분한 공극 부피를 갖는 기판을 사용함으로써, 열성형을 이용하여 겔 코팅도 적용할 수 있다. 성형된 기판이 숫형 또는 암형 주형 상에서 제조될 수 있기 때문에, 후속 층(예를 들어, 겔 코팅)은 성형된 기판의 외표면에 가해지는 심미적 층일 수 있다.

본 방법은, 이러한 층상 생성물을 생성시키는데 사용되는 설비의 유형을 감소시키고, 제조 시간을 감소시키며 층상 제품 제조 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 본 열성형 방법이 열경화성 물질을 사용하지 않는 경우에는, VOC 방출이 열경화성 물질을 사용하는 다른 방법에 비해 완전히 제거되지는 않지만 격감된다. 본원에 개시된 방법에서 사용되는 비교적 낮은 압력은 또한 비교적 저렴한 공구 비용을 가능케 한다. 마지막으로, 하부 기판 구조물의 다공성은 표면 층을 부착하는 동안 발생되는 열-탄성 응력을 감소시키는데 도움이 된다.

본 발명을 한정하지 않는 예로서, 최종 구조적 심미적 부품을 제조하는 방법은 압력, 정합되는 공구, 진공 또는 진공 백 공정을 통해 아즈델 인코포레이티드의 슈퍼라이트(등록상표) 시트를 제조함을 포함한다. 압력을 조절함으로써, 상당한 공극이 기판에 남게된다. 이어, 복합체 예비 성형품을, 공구중 한쪽 또는 양쪽에 열경화성 겔 코팅이 적용된 정합되는 공구 내로 위치시킨다. 이어, 공구를 폐쇄시키고, 겔 코팅이 경화될 때 1 내지 500psi의 압력을 가한다. 기판의 다공성 때문에, 상당한 겔 코팅이 기판을 통해 침투하여 두 층을 기계적으로 상당히 결합시킬 수 있다.

폴리프로필렌, 나일론, 렉산(등록상표) 폴리카본에이트, 발록스(등록상표) 폴리에스터, 울템(등록상표) 폴리에터이미드, 노릴(NORYL; 등록상표) 폴리페닐렌 에터 수지 또는 블렌드 같은 다양한 열가소성 매트릭스로 슈퍼라이트(등록상표) 시트를 제조할 수 있다. 완전히 분산된 습윤 적층 세절(chopped) 매트를 전형적으로 사용하여 열가소성 복합체용의 다공성 개방 셀형 보강재를 제조한다. 복합체의 목적하는 공극율을 달성하기 위해서는 섬유 유형 및 기하학적 형태의 적절한 선택이 필요하다. 이들 매개변수는 이용되는 특정 시스템에 따라 달라진다. 또한, 제조하는 동안 가공 조건 및 공구를 조절하여 부품 공극율과 기판의 세부사항 및 기계적 일체성의 균형을 맞춘다. 전형적인 섬유 유형은 E-유리, S-유리 및 현무암을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 섬유 직경은 6 내지 25㎛이다. 섬유 길이는 통상적으로 사용되는 습윤 적층 보강재 구조에서 2 내지 50mm이다. 수지 함량은 사용되는 수지와 보강재의 조합에 따라 30 내지 70중량%이다. 주조 또는 성형 압력은 이들 물질에서 1 내지 10기압이며, 반-결정질 시스템에는 보다 낮은 압력이 가장 유용하다. 비정질 구조체에는 더 높은 압력이 필요할 수 있다. 진공 보조를 종종 이용하여 성형된 부품의 세부사항을 개선시키고 제조하는 동안의 공기의 동반을 방지한다.

더욱 상세하게, 상기 제품은 보강된 다공성 열가소성 기판(14, 16) 상의 겔 코팅(10)으로 이루어진다. 상기 열가소성 기판의 다공성 및 상기 제품의 제조 방법 때문에, 상기 겔 코팅과 상기 기판간의 상당한 조합(intermingle)은 강한 기계적 결합을 형성한다. 상기 시스템은 구조체의 배면상의 필름 또는 겔 코팅(12)을 사용하여 "균형을 맞출" 수 있거나 맞추지 않을 수 있다.

도 1은 다층 물질 시스템의 단면도를 도시한다. 상부(10) 및 필요한 경우 바닥부(12)에서 겔 코팅의 전형적인 두께는 0.025 내지 2.5mm, 더욱 특히는 0.25 내지 1mm이다. 다공성의 보강된 열가소성 기판(14, 16)의 전형적인 두께는 1 내지 10mm, 더욱 구체적으로는 2 내지 5mm이다. 가해지는 겔 코팅의 양, 공구 치수 및 가공 조건에 따라, 겔 코팅은 다공성 열가소성 복합체(14)의 두께의 1 내지 100%를 통해 주입될 수 있다.

유리 섬유 및 울템(등록상표) 수지와 렉산(등록상표) 폴리카본에이트 수지 블렌드를 포함하는 슈퍼라이트(등록상표) 시트를 열성형 오븐에서 450 내지 700℉로 가열하고, 주조 스테이션으로 전달하여, 거기서 정합되는 공구 또는 압력 성형 기법을 이용하여 물질을 성형시킨다. 1 내지 500psi의 양압을 가하고, 0 내지 14.7psi의 진공을 끌어들인다. 도 2는 정합되는 공구 기법 및 압력 성형 기법을 도시한다.

이어, 슈퍼라이트(등록상표) 수지 예비 성형체를 공구로부터 제거하고 냉각시킨 다음 겔 코팅 단계로 옮긴다. 물질 및 공정 조건 때문에, 예비 성형체는 약간의 공극을 유지한다. 겔 코팅을, 예비 성형체와 같은 크기의 정합되는 공구의 한쪽 또는 양쪽에 분무한다. 예비 성형체를 공구로 전달하고 공구를 폐쇄한 다음 1 내지 250psi의 압력을 가한다. 가압하에 최종 부품이 즉시 제거될 수 있을 때까지 겔 코팅을 경화시킨다. 도 3은 겔 코팅 공정을 도시한다.

예시적인 실시양태를 참조하여 본 발명을 기재하였으나, 당해 분야의 숙련자는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변화를 이룰 수 있고 본 발명의 요소를 등가물로 대체할 수 있음을 알 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주로부터 벗어나지 않으면서 특정 상황 또는 물질을 본 발명의 교시내용에 적용시키려는 다수의 변경도 가능할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최선의 방식으로서 개시된 특정 실시양태로 한정되지 않으며, 첨부된 청구의 범위 내에 속하는 모든 실시양태를 포함하고자 한다.

Claims (14)

1. 섬유-보강된 열가소성 기판 시트를 목적하는 형상으로 성형하여 성형된 기판을 제조하되, 상기 성형된 기판이 5 부피% 이상의 공극 함량을 갖고;

   목적하는 형상의 표면 구역을 열경화성 겔 코팅 물질과 접촉시키고;

   상기 목적하는 형상 및 겔 코팅 물질을 함께 주조하여, 상기 겔 코팅 물질과 상기 목적하는 형상 사이에 접착성 결합을 형성시킴을 포함하며, 이 때

   상기 겔 코팅 물질이 상기 목적하는 형상의 표면 구역의 다공성 영역 내로 침투하여, 그들 사이에 기계적 결합을 형성하고,

   상기 다공성 영역이 잔류 공극 또는 섬유의 로프팅으로부터 생성되는 공극을 포함하는,

   겔 코팅된 제품의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   주형 구역을 폐쇄시킴으로써 상기 주조를 수행하고, 상기 주형 구역중 하나가 상기 겔 코팅 물질을 포함하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   섬유가 6 내지 25㎛의 섬유 직경 및 2 내지 75mm의 섬유 길이를 갖는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   겔 코팅 물질이 열경화성 수지 물질이고, 주조하는 동안 상기 겔 코팅 물질이 경화되는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   성형된 기판이 개방 셀형(open-celled)의 섬유-보강된 플라스틱 물질인 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   성형된 기판이, 성형된 기판의 총 중량을 기준으로 플라스틱 물질 25 내지 75중량%, 및 섬유 25 내지 75중량%를 포함하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   성형된 기판이 플라스틱 물질 35 내지 65중량%, 및 섬유 35 내지 65중량%를 포함하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   플라스틱 물질이 폴리카본에이트, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리에터이미드, 폴리페닐렌 에터, 폴리스타이렌, 폴리아마이드 및 이들중 하나 이상을 포함하는 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   멤브레인 보조된 진공/압력 성형 방법(membrane assisted vacuum/pressure forming method)으로 기판 시트를 열성형하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    플러그-보조되는 멤브레인 보조된 진공/압력 성형 방법으로 기판 시트를 열성형하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    기판 시트의 성형이 232℃ 내지 371℃의 온도로 기판을 가열하여 섬유를 로프팅 시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 온도가 288℃ 내지 343℃인 방법.
13. 제 1 항에 있어서,

    기판 시트가 기판 시트의 표면 상에 배치된 부직 스크림(non-woven scrim)을 추가로 포함하는 방법.
14. 제 5 항에 있어서,

    기판의 개방 셀을 통해 진공을 직접 끌여들이는 방법.

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