KR101303973B1 - 3차원 목섬유 웹의 건조 성형법 - Google Patents

3차원 목섬유 웹의 건조 성형법 Download PDF

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Abstract

심층 연신된(deep drawn) 3차원 목섬유 코어 구조물을 건조 성형하는 방법이 개시된다. 이 방법은 예비성형되고 평탄하며 건조 성형된 목섬유 매트를 제공하는 단계와, 3차원 몰드를 제공하는 단계와, 건조 성형된 목섬유 매트를 3차원 몰드에 투입하는 단계와, 목섬유 매트를 3차원 목섬유 코어 구조물로 연신 성형하는 단계를 포함한다.
목섬유 웹(wood fiber web), 목섬유 매트, 목섬유 코어 구조물

Description

3차원 목섬유 웹의 건조 성형법{Dry-Forming Three-Dimensional Wood Fiber Webs}
목섬유(wood fiber)는 다양한 임산물(forest product)을 만드는 재료로 사용된다. 미국 특허 제5,900,304호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)는 열과 압력 조건에서 3차원으로 성형되어 목섬유 웹 구조물을 생산하는 목섬유 제품군에 관한 것으로, 이렇게 생산된 목섬유 웹 구조물은 복합 섬유판 패널 구조물의 주요 구조적 성분의 역할을 한다. 목섬유 웹 구조물의 형상 때문에, 일차원 힘으로 압착될 수 있는 간단한 경성 몰드를 사용할 수 있다. 섬유 웹을 판재 덮개 또는 페이싱(facing)에 접착하여 복합 패널 제품을 만들면, 이 복합 구조는 강하고 가벼우며 단단한 3차원 트러스(truss)를 형성한다.
3차원 요소를 갖는 다른 섬유판 제품으로 예컨대, 미국 특허 제4,702,870호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)에는 목섬유로 된 3차원 구조 성분을 형성하는 방법과 장치가 설명되어 있다. 이 방법과 장치는 최종 섬유판 제품에 3차원 구조가 형성되도록 하기 위해 탄성 사출 성형을 사용해야 한다. 탄성 사출 성형은 탄성중합체 돌기 어레이로 구성하는 것이 가장 보편적이다. 이 탄성중합체들은 단단한 지지판에 부착된다. 목섬유 제품의 대량 생산에서, 탄성중합체 몰드 요소는 제품의 굳힘(consolidation)과 건조에 필수적인 열과 압력 하에서 상대적으로 빠른 열 화를 나타내며 영구 압착률(compression set)에 문제점을 드러낸다. 그 결과 탄성중합체 몰드 요소는 수명이 짧아 고속 생산 설비에서 자주 교체를 해야 한다. 이러한 몰드의 짧은 수명에 더하여, 위 미국 특허에 개시되어 있는 3차원 섬유판 대상물은 평탄한 면을 가지고, 이 면에 거의 수직으로 뻗은 웹으로 지지되고, 동일한 섬유 성분의 웹으로 지지되는 대상물로 한정된다.
사출 성형물의 탄성중합체 성분의 낮은 열 전도성 및 탄성중합체 몰드 요소들 사이에 있는 섬유 영역에 이르는 긴 열 전도 경로 때문에, 미국 특허 제4,702,870호의 탄성 사출 성형으로부터 섬유 매트로 전달되는 열 전사는 느리게 일어난다. 느린 열 전사로 인해 프레스 내에서 건조 시간이 길어지는데, 이것은 특히 두께가 큰 제품의 생산에서 치명적인 문제가 된다. 섬유 매트를 전자파로 가열하면 건조 속도를 높일 수 있지만, 이것은 섬유판 제품을 형성하고 건조하는 장비의 비용과 복잡성을 높인다.
미국 특허 제5,277,854호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)에 설명되어 있는 섬유로부터 그리드(grid)를 만드는 공정은 대상물을 3차원으로 형성할 수 있는 탄성 사출 몰드를 사용하는 기술적 사상을 따른다. 탄성 사출 몰드를 사용하기 때문에, 미국 특허 제5,277,854호의 발명도 미국 특허 제4,702,870호의 문제점을 그대로 드러낸다. 또한, 이 사출 몰드는 3차원을 힘을 생성할 수 있지만, 전체적으로 2차원에 지나지 않는 형상의 섬유 제품을 생성하는 데에 사용되었다.
미국 특허 제5,198,236호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)와 제5,314,654호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)는 섬유판 제품 구조물에 3차원 형상을 형성하기 위해 경성 몰드를 사용한다. 이러한 섬유판 제품들은 면이 평탄한 대상물로서 이 평탄한 면에 거의 수직으로 뻗은 웹에 의해 지지되는 평면 대상물로만 한정된다. 또한, 이 특허들에 개시되어 있는 경성 몰드 요소들은 섬유의 굳힘 공정 동안 철회(retract)되어야만 한다. 미국 특허 제5,314,654호에서는 미국 특허 제4,701,870호의 탄성 사출 몰드와 유사한 것을 이용하는 2차 성형 단계가 필요하다. 따라서, 이 섬유판 제품 구조물의 제조에는 미국 특허 제4,701,870호에 대해 언급했던 것과 동일한 문제점이 발생한다. 또한, 철회할 수 있는 몰드 요소가 필요하기 때문에, 이 방법은 복잡하고 비용이 많이 든다.
미국 특허 제5,316,828호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)는 3차원 요소에 물결주름지고 단순한 섬유판 구조를 추가함으로써 종래 물결주름진 섬유판에 비해 강도와 경도를 개선한 세로홈이 진 매체와 물결주름진 강화 섬유판에 관한 것이다. 이 3차원 요소는 세로홈(flut)을 가로지르는 선을 따라 도포된 접착제와 같은 형태를 가진다. 이 접착제는 홈의 골(valley)을 부분적으로 채우고 메워서, 물결주름 방향과 이 물결주름과 수직 방향의 압착성 구부림 스트레스에 대해 상기 물결주름진 섬유판을 좀 더 강하게 지지한다.
따라서, 미국 특허 제5,316,828호의 구조는 하나의 조각으로 형성되지 않고 여러 제조 단계를 필요로 한다. 또한, 홈의 골을 끝까지 채우려면 상당한 양의 접착제가 필요하다. 이 접착제는 두께가 두꺼운 물결주름진 섬유판인 경우에는, 홈의 일부분만을 재울 수 있으므로, 이러한 기술은 두께가 두꺼운 물결주름진 패널에는 적합하지 않다. 마지막으로, 접착제를 세로홈이 진 매체의 양면에 바르면, 제 품의 무게가 늘어나고 재료 비용이 증가하며, 섬유판 제조를 복잡하게 만든다.
미국 특허 제4,726,863호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)는 고강도 복합 종이판 패널을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 패널은 하부층과 상부층이 접착제로 부착되어 있는 파상형(undulated) 중간층으로 구성되어 있다. 파상(undulation)에 의해 형성된 세로홈을 따라서는 구조에 변환가 없고, 따라서 이러한 구조는 전체적으로 2차원이며 본 발명과는 구조적으로 다른 부류에 속한다. 이 패널 제품은 종래의 물결주름진 판의 구조와 유사한 2차원 구조이기 때문에, 파상 방향에 비해 파상 수직 방향으로는 경도와 강도가 약하다.
미국 특허 제5,900,304호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)는 습식 성형된 3차원 복합 코어 구조물에 관한 것이다. 이러한 3차원 목섬유 웹은 1차원의 압착력으로 압착될 수 있는 간단한 경성 몰드를 사용하여 제조할 수 있다. 섬유와 물을 혼합하여 목섬유를 만들어 슬러리(slurry)를 형성하도록 하는 습식 성형 공정을 통해 섬유 웹을 만든다. 경성 몰드가 압착되면서 대부분의 캐리어 유체(carrier fluid)를 슬러리에서 고갈시키거나 짜 낸 다음 열과 압력 조건에서 하나의 조각으로 형성한다. 경성 몰드를 사용하여 만든 섬유 웹에는 웹의 양면에서 물결주름의 마루를 따라 물결주름의 마루를 따라 일정한 간격으로 향사 만입부(syncline indentation) (V자 형상)가 생긴다. 만입부의 반대면은 배사 융기부(anticline protrusion) (역 V자 형상)를 형성하는데, 이 융기부는 만입부의 고랑(furrow)을 걸쳐 만입부 보강재의 역할을 한다. 이러한 요소들로 인해 경사진 웹 표면이 생성된다. 이 요소들의 골과 마루들은 평탄할 수 있다. 평탄한 마루는 웹을 다른 성 분에 부착하는 접착제를 도포하는 면을 제공한다. 경사진 면이나 평탄한 면으로 인하여, 1차원 압착력으로 압착될 수 있는 단순 경성 몰드를 이용하여 웹을 만들 수 있다.
패널 구조물을 실제 적용할 때에는, 판재 재료들을 웹의 한쪽 면이나 양면에서 평탄 마루에 접착제로 부착하여, 웹을 덮는 굴곡없는 페이싱(facing)을 제공한다. 따라서 이 웹은 단단하고 가벼운 코어 구조물의 역할을 하는데, 이것은 판재 페이싱 사이에 끼어 합성 패널을 형성한다. 이러한 조합된 구조는 판재 재료에 부착된 3차원 웹으로 구성된다.
미국 특허 제6,451,235호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)는 강한 코어 구조물을 생산하기 위하여 프레스 건조법을 이용하여 섬유의 수성 슬러리로부터 3차원 코어를 성형하는 습식 공정에 관한 것이다. 습식 섬유의 자연적 가소성과 정합성으로 알려진 것을 이용하여 심층 연신된(deeply drawn) 3차원 코어 구조물을 생산하는 데에 습식 성형 기술을 사용할 수 있다. 습식 섬유를 사용하면, 복잡한 몰드 디자인과 복잡한 성형 공정을 이용하지 않고서도, 그러한 구조들의 성형과 연신 및 본딩이 가능하다.
미국 특허 제4,702,870호(본 명세서의 일부분으로 포함됨)에 개시된 기술에 기초한 상품 'SONOBoard'는 섬유의 수성 슬러리를 평탄면이 하나인 3차원의 벌집 모양으로 만들 수 있는 복합 변형 몰드를 이용할 수 있다. 예비성형 합성체는 습식 압착될 수 있고 고온 프레스로 이송되어 프레스 건조되어 반경성의 합성체 구조를 형성한다. 이러한 2가지 구조물을 벌집 면을 따라 얇은 판으로 자르면, 평탄한 경성 패널이 생성된다. 이러한 제품의 또 다른 형태는 상품명 'Gridcore'로 알려져 있다.
습식 성형된 3차원 코어는 건조에 시간이 너무 많이 걸려서 비효율적인 방법이다. 습식 성형된 재료의 건조 공정을 수행하는 데에는 과도한 양의 열 에너지가 필요하다. 또한, 습식 성형에는 많은 양의 물이 되풀이 사용되어야 한다. 폐수에는 미세한 섬유 잔류물과 용해되지 않은 고체물을 포함하고 있으므로 이것은 하수를 오염시킬 수 있어서 오염 방지책이 필요하다.
앞에서 언급한 것처럼, 미국 특허 5,900,304호에 설명된 유형의 3차원 코어 구조물은 습식 성형 몰드를 이용하여 생산된다. 습식 성형 공정이 진행되는 몰드의 예는 미국 특허 제5,900,304호의 칼럼 5, 1∼52줄과 칼럼 5, 65줄 내지 칼럼 6, 6줄에 나타나 있다.
심층 연신된 복합 3차원 코어 구조물을 건식 성형된 섬유로부터 생산하는 것은, 정합성의 부족과 건조 섬유의 스프링백(spring-back)으로 인하여 건식 성형된 패널에 나타나는 나쁜 치밀성과 기계적 특성의 열등한 발전이 종래 기술에 언급되어 있기 때문에, 이러한 종래 기술로부터는 등장하지 못하였다. 종래 기술에 따르면, 혼성 3차원 구조물에 필요한 결합 강도를 달성하기 위하여 심층 연신과 섬유-섬유 사이의 밀접한 접촉을 형성하는 데에 요구되는 유연성(flexibility)과 유동성(mobility)이 부족하기 때문에, 건조된 섬유를 치밀화하고 성형하는 데에는 복잡하고 비싼 장비와 방법이 필요하다는 것이다.
그러나, 습식 성형 공정을 채용하는 것은 이러한 3차원 코어를 생산하는 데에 비용 효과적이거나 시간 효율적인 방법이 아니다. 따라서, 특히 수성 섬유 슬러리로부터 습식 프레스 건조를 하는 과정(즉, 습식 성형 과정)에서 습식 섬유성 매스(fibrous mass)의 상당양의 배수가 일어나는 상황에 사용하기 위한 미국 특허 제5,900,304호에 사용된 유형의 몰드를 건조 성형법에 사용하기로 결정하였다. 따라서, 3차원 코어의 습식 성형에 필수적인 습식 성형 섬유 유동과, 높은 섬유 가소성 및 붕괴(collapse)가 상당히 배출되지 않음에도 불구하고, 건식 성형 공정을 이용하여 균일하고 강한 혼성 코어 구조를 생산할 수 있다. 이러한 건조 성형 방법은 습식 성형 기술로 생산한 것에 비해 고품질의 3차원 코어 구조물을 만들 수 있다. 또한, 미국 특허 제5,900,304호의 몰드 디자인을 수정하면, 패널 페이싱을 통한 코어 패턴의 텔레그래프를 하지 않고서도 구조적 완결성과 고강도 및 우수한 적측 특성을 유지하면서도, 딥 코어(deep core)의 건조 성형 생산성을 높일 수 있다.
본 명세서의 일부분인 첨부 도면을 참조하면 본 발명을 더 쉽게 이해할 것이다. 첨부 도면에서,
도 1은 웹의 한쪽 면에 물결주름과 향사 만입부를 도시한 성형된 섬유 웹의 제1 실시예의 사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 웹의 앞쪽 마루를 지나가는 섬유 웹의 단면을 보여주는 사시도.
도 3은 도 1에 나타낸 섬유 웹의 단일 물결주름을 절개한 사시도로서, 물결 주름을 물결주름의 피크 또는 마루를 지나가는 면을 따라 절단한 사시도.
도 4는 물결주름 사이에서 엇갈린 향사 만입부와 배사 융기부를 갖는 섬유 웹의 윗면(4A), 끝면(4B) 및 측면(4C)을 보여주는 도면.
도 5는 웹에 걸쳐 늘어선 향사 만입부와 배사 융기부를 보여주는 본 발명의 제2 실시예의 윗면(5A), 끝면(5B) 및 측면(5C)를 보여주는 도면.
도 6은 단단한 3차원 트러스 구조를 형성하는 섬유 웹의 마루에 판재 페이싱이 부착된 패널 실시예를 보여주는 도면.
도 7은 마루를 따라 적층되고 부착되어 단단한 섬유 구조를 형성하는 복수의 섬유 웹의 윗면(6A), 끝면(6B) 및 측면(6C)를 보여주는 도면으로서, 적층된 각각의 웹은 도 5에 나타낸 웹의 제2 실시예 형태인데, 적층 구조에 다른 웹 실시예를 적용할 수도 있다.
도 8은 외부 웹의 외부 마루에 부착되어 평탄 외부면을 갖는 단단한 구조를 형성하는 판재 페이싱과 도 7에 나타낸 적층 웹을 복합적으로 나타낸 도면.
도 9는 비교적 많은 수의 웹 섹션을 이용하여 웹을 수평으로 적층한 다음, 적층된 웹의 수직 모서리에 판재 페이싱을 부착하여 만든 패널 제품을 나타내는 도면으로서, 도 9에 나타낸 적층 구조의 개별 웹은 도 5에 나타낸 제2 실시예의 웹과 동일한 형태이지만, 적층 구조에 다른 형태의 웹 실시예를 적용하는 것도 가능하다.
도 10은 연속적인 직선의 뚜렷한 시야선들을 제거한 3차원 코어의 평면도.
본 명세서에서 설명하는 구조물은 습식 성형 방법이 아니라 건식 성형 방법을 사용한다는 것을 제외하면 미국 특허 제5,900,304에서 제조된 구조물과 형태가 유사하다. 본 발명에 따른 웹(web)의 기본 구조를 명확히 하기 위해 구현예를 다른 각도에서 묘사한 도면이 도 1 내지 도 3에 나타나 있다. 도 1은 압착 섬유 웹을 위에서 바라본 평면도인데, 이 웹은 일련의 물결주름의 마루(ridge)로 하향하는 다수의 브이(V)자형 개구부(이하, 향사 만입부(syncline indentations) (4)라 함)와 물결주름의 골로부터 상향하는 역브이자형 융기부(이하 배사 융기부(anticline protrusions) (5)라 함)를 따라 일련의 물결주름 모양 또는 물결 모양을 이루고 있다. 배사 융기부(5)는 도 1에 나타낸 것처럼 물결주름과 같은 높이를 갖거나 그 물결주름의 마루로부터 후퇴하여 형성될 수 있다.
물결주름의 축 방향은 도 1에서 화살표 3으로 표시되어 있다. 웹은 한 평면에 대해 형성되기 때문에 웹의 중심면(midplane)은 낮은 전체 높이에서 구조물의 중심을 통과하는 수평면으로 정의될 수 있다. 일반적으로 중심면은 웹을 형성하기 위해 적용되는 힘의 방향에 수직이다.
향사 만입부(4)의 골과 배사 융기부(5)의 마루 방향은 물결주름 축에 대략 수직이다. 원한다면 다른 각도를 이용할 수도 있다. 배사 융기부(5)는 도 1에 도시된 구조물의 아랫면으로부터 물결주름의 골을 만입시킴으로써 형성된다. 향사 만입부(4)와 배사 융기부(5)는 섬유 웹 구조물의 마주보는 면에서 같은 방식으로 만들어진 물결주름 마루를 향한 만입부이다.
향사 만입부(4)와 배사 융기부(5)에 의해 형성된 벽면들은 물결주름 배열에 서 인접한 벽면들 사이의 공간을 연결한다. 이 공간을 연결함으로써 향사 만입부(4)와 배사 융기부(5)는 물결주름에 대한 보강재의 역할을 할 수 있다. 또한 이들은 물결주름의 축에 수직 방향으로 강도와 경도를 부여할 수 있다. 섬유 웹은 추가적인 지지대가 필요 없이 위와 같이 성형된 형태를 유지할 수 있다. 본 발명에 따른 섬유 웹의 자가지지(self-supporting) 특성으로 인해 매우 간단하고 간편하게 조립체를 적층 구조로 만들 수 있다. 또한 자가지지 특성으로 인해 본 웹은 위와 같이 성형된 상태로 사용될 수 있으며, 따라서 다양한 포장 분야에 적용될 수 있다.
웹의 상하 양면 위의 구조물의 피크 또는 마루(6)는 평탄할 수 있다. 마루의 이러한 평탄한 특징은 여러 가지 형태의 판재 덮개 또는 페이싱(facing)과 구조물을 연결하기 위해 또는 여러 웹을 함께 연결하여 적층 배열을 형성하기 위해 사용되는 접착제를 도포하기에 유용한 부분이 될 수 있어 편리하다. 도 1에 나타낸 것처럼, 이들 평탄한 상부 마루에는 물결주름(1)의 피크 또는 마루뿐만 아니라 배사 융기부(5)의 피크 또는 마루도 포함될 수 있다.
도 2는 제1 구현예의 또 다른 투시도를 나타낸다. 여기서는 도 1에 도시된 구조물을 도 1의 절단면 2--2를 따라 절개한 구조물의 절단면과 하부면의 특징을 일부 나타낸다. 도 3은 물결주름의 중심을 통해 한 평면에서 서로 나뉜 단일 물결주름을 보여주는 또 다른 투시도이다. 물결주름의 골의 만입에 의해 배사 융기부(5)를 형성하는 것은 도 2와 도 3에서 명확히 알 수 있다. 본 구조물은 경사면과 평탄한 마루를 갖는 상대적으로 얇은 3차원 웹이다.
본 발명에 따른 구조물의 3차원 형상 때문에, 1차원적인 성형력으로 압착되는 단순 구조의 마루 몰드를 사용한 단일 성형 작업을 통해 하나의 연속적인 단편인 3차원 웹을 형성할 수 있다. 본 발명품을 형성하는 데 사용되는 상하 몰드의 표면은 구조물의 각 상하면의 음각을 포함하고 있다. 웹 구조물의 평면축 또는 중심면에 수직으로 일정 방향의 성형 압력이 적용된다.
경성 몰드를 사용한 단일 성형 공정으로 섬유 웹을 단일 조각(a single piece)으로 성형할 수 있게 되면, 웹 표면이 구조물 중심면의 좌표에 대한 단일값 함수(single-valued functions)를 포함한다는 특이점이 생긴다. 따라서 몰드가 최종 형태의 웹을 향해 움직일 때 웹의 어떤 부분도 1회 이상 교차되지 않는다. 웹의 어떤 부분도 그 자체로 접히거나 움푹 파인 영역을 갖지 않는데, 그렇지 않다면 단일한 연속성 웹을 형성하기 위한 단일 성형 과정에서 경성 몰드 접근이 불가능해질 것이다.
웹의 각진 또는 경사진 표면이 3차원 웹 구조물의 즉시 성형을 가능하게 하는 것과 같이, 이는 웹 형성 후에 웹으로부터 몰드를 즉시 분리하는 것도 가능하게 한다. 즉, 몰드 분리성이 뛰어나다.
도 4A는 도 1과 도 2에 나타낸 웹과 유사한 3차원 섬유 웹의 단면도를 나타낸다. 이 경우에는 약간 큰 웹이 더 많은 만입부와 융기부를 갖는다는 것을 보여준다. 단면도는 의도적으로 비스듬한 형태를 보여주는데 이는 웹 구조물 또는 패턴을 명확하게 하기 위한 것이다. 원하는 가장자리 형태를 갖는 웹을 성형하거나 가장자리를 잘라서 다듬어 웹이 직사각형 가장자리 또는 다른 형태의 가장자리를 갖도록 만들 수 있다.
도 4A에서 구조물의 상부가 평탄한 마루(7)는 단면도에서 굵은 실선으로 표시되어 있으며, 바닥이 평탄한 골(8)은 단면도에서 마름모 패턴으로 표시되어 있다. 도 1 내지 도 3를 참조로 전술한 것처럼, 마루(7)의 평탄한 부분은 웹을 페이싱이나 다른 섬유 웹과 연결하는 데 사용되는 접착제를 도포하기에 매우 좋은 표면을 형성한다. 단면도에서 얇게 각을 이루고 있는 선은 도면의 종이면으로 향하는 향사 만입부와 도면의 종이면에서 나오는 배사 융기부의 경계면이다. 따라서 도 4에서 마름모 패턴의 수평선을 포함하는 다이아몬드 형태의 구성요소는 향사 만입부(9)를 나타내며, 굵은 실선을 포함하는 구성요소는 배사 융기부(10)를 나타낸다.
도 4B는 도 4A에 기재된 구조물의 하부 경계의 단면도를 나타낸다. 도 4B에 제시된 것은 도 4A에 표시된 4B-4B의 횡단면도이다. 이 도면에는 물결주름(11)의 종단면과 배사 융기부(10)의 측면이 나타나 있다. 도 4C는 향사 만입부(9)와 배사 융기부(10)의 또 다른 단면을 보여주는 웹의 우측경계면의 단면도이다. 도 4C의 우측 가장자리 단면도는 도 4A에 표시된 4C-4C를 따라 절단한 횡단면을 나타낸다.
도 4에서, 향사 만입부(9)와 배사 융기부(10)의 위치는 인접한 물결주름 배열을 따라 엇갈리게 이루어져 있다. 이와 같은 구성 요소의 교차로 인해 물결주름의 종렬과 횡렬을 따라 구조물에 굴절 강도와 경도가 부여된다.
도 5A는 향사 만입부(12)와 배사 융기부(13)가 물결주름 배열에 수직이 되는 방향에서 이어지는 웹의 평면도로서, 그 물결주름 배열을 가로지르는 방향으로 웹이 쉽게 굴절되거나 접힐 수 있다. 이런 구현예의 하부 경계 면은 도 5B에 나타나 있으며, 우측 경계면은 도 5C에 나타나 있다. 이런 특정 구현예의 3차원 형상은 견고한 재질의 단편에 대해 3축 밀링 기계에서 쉽게 작동할 수 있는 몰드를 사용할 수 있게 한다. 도 4에 비해 도 5에서는 만입부와 융기부 사이의 거리가 다소 크게 보이는데, 이는 향사 만입부(12)와 배사 융기부(13)의 위치와 간격이 달라질 수 있다는 사실을 나타낸다. 적절한 위치와 간격은 물결주름을 가로지르는 강도, 몰드 제조의 경제성, 최종 제품의 형태 및 최종 용도와 같은 제품에 적용하기 위한 필수적인 요소들에 의해 결정된다.
웹의 굴절성은 수많은 응용 제품에서 유용하다. 예를 들어, 상자를 제조할 경우 본 발명의 웹은 모서리에서 접힐 수 있고, 따라서 굴곡없는 매끈한 표면을 생성하는 페이싱으로 덮일 수 있다. 이런 순서로 제조된 상자 조립체는 웹이 성형된 상태에서 자가지지성(self-supporting)을 갖는다는 사실을 고려하면 매우 유용하다. 목재, 금속 및 단단한 플라스틱과 같은 경직성 시트재 또는 얇은 섬유판이나 종이판과 같은 좀 더 유연한 판재에 본 웹을 적용하여 이런 방식의 상자 표면을 형성할 수 있다. 다른 조립 순서를 이용하면, 통상의 물결주름 구조로 된 보드 제조 과정에서와 같이, 웹에 페이싱을 적용한 후에 굴절시킬 수도 있다. 이런 경우 접기 전에 접힐 선을 따라 굴절될 수 있도록 페이싱은 유연성이 있어야 한다.
굴절선을 제외한 웹의 대부분의 면에서 만입부와 융기부가 엇갈린 섬유 웹을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우 만입부와 융기부는 굴절선을 따라 늘어서 있다. 직선형 웹 구조와 엇갈린 웹 구조를 조합하여 사용하면, 물결주름을 따른 방향 뿐만 아니라 물결주름과 수직인 방향 모두에 대해 견고하며 쉽게 접을 수 있는 패널 을 생산할 수 있다.
도 6은 섬유 웹(19)의 마루(18)에 부착되는 굴곡없는 평탄면 판재(17)를 보여준다. 도 5에 나타낸 바와 마찬가지로 웹(19)은 연신될 수 있다. 이 복합 구조물은 섬유 웹(19)이 보강된 평탄면 패널이거나 코어가 된다. 웹(19)에 적용되는 판재(17)는 단단한 3차원 트러스를 형성하는 향사 만입부(12)의 꼭대기 부분에 걸쳐 있는 갭의 양 끝에 걸친다. 이러한 방식으로 만든 3차원 트러스는 복합 패널이 상당한 경도를 가지도록 한다.
상기 웹에 적용된 굴곡없는 면 판재(17)는 텍스트와 그래픽을 인쇄하고 화면표시할 수 있는 훌륭한 면을 제공하는데, 이것은 정보를 전단하고 광고하는 데에 유용하다. 인쇄는 웹에 판재를 결합하기 전이나 후에 할 수 있다. 도 5에는 전체적으로 평탄한 패널을 나타내었지만, 웹(19)을 원호 모양으로 구부리거나 원호 모양으로 만들고 유연성 판재를 웹(19)에 부착하여 판재가 섬유 웹(19)의 곡률을 따라가도록 함으로써, 만곡 형상의 패널을 쉽게 만들 수도 있다.
여러 섬유 웹의 실시예에 서로 다른 재료를 판재 페이싱으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 나무 널빤지(veneer)나 목섬유 기반 재료로 된 판재, 나무 입자 기반 패널(wood-based-particle panel) 재료, 플라스틱이나 금속 판재로 페이싱을 구성할 수 있다.
도 7A는 여러 개별 섬유 웹(19)들을 적층 구조로 부착한 실시예의 윗면을 보여준다. 도 7B는 이러한 적층 웹의 바닥 모서리를 나타내며, 도 7C는 적층 웹의 우측 모서리를 나타낸다. 웹(19)은 개별 웹(19)의 마루(14)에 형성된 면들을 따라 쉽게 부착될 수 있다. 도 7B에 나타낸 것처럼, 웹(19)을 엇갈리게 하면, 향사 만입부(12)의 꼭대기에 있는 갭들은 인접 웹(19)의 마루(14)의 단단한 부분에 의해 연결된다. 이렇게 하면, 상기 구조물은 모든 방향에서 견고성이 좋은 복합 경성 3차원 트러스가 된다. 이 경우 견고성은 판재 페이싱을 이용하지 않고도 유지된다.
도 5에 나타낸 것처럼 늘어선 만입부를 갖는 웹의 경우에도, 웹을 적층함으로서 모든 방향(만입부의 절곡선을 가로지르는 방향 포함)에 대해 견고하게 만들 수 있다. 이것이 가능한 이유는, 제대로 적층된 구조물에서 만입부들의 갭에 걸치도록 형성된 견고한 브리지(bridge)는 굽힘력이 작용할 때 만입부의 폐쇄를 방지하기 때문이다. 웹을 따라 만입부들이 늘어서게 하면, 상기 적층 구조에서 물결주름을 따른 방향과 물결주름을 가로지르는 방향 모두에 대해 견고성을 유지할 수 있다.
패널 두께가 동일한 경우, 하나의 대형 웹으로 구성된 패널에 비해 적층 웹이 열적 절연 특성이 우수한 것이 보통이다. 그 이유는 적층된 웹의 두께 방향으로 공극에 의한 분리 또는 구획화가 되기 때문이다. 공극을 구획화하면, 기류의 순환이 각각으로 분리되고 구획화된다. 따라서, 이러한 기류를 따라 일어나는 열 대류(heat convection)로 인해 적층 웹의 두께 방향의 열 전사는 최소로 된다.
도 7에는 나타내지 않았지만, 적층 웹의 내부에서 웹(19)과 웹 사이에 판재를 적용할 수도 있다. 이러한 판재를 적층하면, 복합 판재의 강도와 경도를 추가할 수 있고, 패널을 통한 대류성 열 전사 저항을 높일 수 있다. 이처럼, 대류성 열 전사 저항이 높아지는 것은 적층 웹 내부의 공극을 추가로 분리하고 구획화하기 때문이다.
적층 구조의 웹(19) 사이에 판재를 추가하는 또 다른 장점은 여러 개의 층들을 접착제로 부착하는 것을 더욱 단순화할 수 있다는 것이다. 이러한 장점은 판재는 넓은 부착면을 제공하기 때문에 생긴다. 이 경우 적층된 인접 층들은 판재 층들이 없을 경우에 필요한 것처럼 정확한 정렬이 필요하지 않다. 판재 층들이 없는 경우 웹의 마루(7, 14)들은 부착하기 전에 정확하게 정렬해야 한다.
도 8은 적층 구조의 외부 웹의 마루(14)에 판재 페이싱(17)을 적용하여 적층 구조체의 견고성을 높이고 굴곡없는 매끈한 면이 생기도록 한 것을 나타낸다. 판재는 적용 분야에 따라 적층 구조 내부의 웹(19) 사이에 놓일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
도 9는 여러 웹(19)을 수평 방향으로 적층한 실시예를 보여준다. 여기서는 판재 페이싱을 외부 웹 마루(14)가 아닌 적층체 모서리에 적용한 것이다. 이러한 구성에 대해서, 개별 웹은 웹의 전체 길이(도 9에서 종이 안쪽으로 들어가는 방향)에 비해 폭(도 9에서 높이 방향)이 좁은 것이 보통이다. 도 9에 나타낸 적층 웹과 판재 페이싱은 무거운 하중이 웹(19)의 모서리에 걸리는 두께가 비교적 두꺼운 빔(beam)이나 플랫폼(platform)의 형성에 유용하다. 또한, 적층 패널의 모서리를 따른 판재 덮개는 파편이 적층 웹에 들어오지 못하도록 한다.
도 9에 나타낸 적층체 내부에서 웹들 사이에 판재를 배치하여 복합 구조물에 강도와 경도를 추가할 수 있다. 도 9에는 나타내지 않았으나, 도 9의 구조물에서 우측, 좌측, 전방 방향으로 패널 모서리에 판재 페이싱을 쉽게 적용할 수도 있다. 이러한 판재 페이싱을 추가하면, 패널은 굴곡없는 매끈한 면으로 모든 면들이 완전히 폐쇄된 구조로 된다.
섬유 웹을 둥지화(nest)하는 것도 가능하다. 여러 웹을 둥지 구조로 부착하면, 웹의 강도와 경도는 단일 웹의 강도와 경도에 비해 훨씬 더 좋아진다. 이러한 둥지화는 단일 웹 구성과 단일 성형 장치를 사용하면서도 웹의 두께와 강도 및 경도를 다양한 범위로 변경할 수 있게 한다.
본 발명은 여러 가지 형태로 포장, 하역, 건설 및 가구 산업에서 다양한 구조물을 만드는 데 사용될 수 있다. 이런 구조물로는 팔레트, 벌크 저장소, 내구성이 강한 박스, 선적용 컨테이너, 벽 패널, 지붕 패널, 시멘트 폼, 칸막이, 포스터 전시물, 릴(reel), 책상, 캐스킷(caskets), 선반, 테이블 및 도어 등을 들 수 있다.
본 발명은 어떤 종류의 목섬유로도 만들 수 있다. 어떠한 화학첨가제도 포함하지 않아 쉽게 재활용이 될 수 있는 목섬유만으로도 형성될 수 있다. 또한 성능을 향상시키기 위한 수지나 바인더 첨가제와 함께 제조할 수도 있다. 또한 본 발명은 방수, 방재 또는 방충 등의 특성을 제품에 부여하기 위해 여러 가지 다른 첨가제나 처리제를 포함할 수도 있다.
미국 특허 제5,900,304호에 기재된 몰드를 사용하여 다음과 같이 예시된 건식-성형 방법을 수행할 수 있다. 먼저 처리된 목섬유로부터 예비성형된 실질적으로 평탄한 매트를 건식으로 형성한다. 이런 목섬유는 예를 들어 나무 조각, 톱밥 또는 대팻밥, 재생 크래프트(kraft) 또는 오래된 골판지, 오래된 신문지 또는 다른 형태의 재생지를 회전식 원반형 정련 장치에서 분쇄하여 만든 목섬유를 들 수 있다.
목섬유는 재생된 또는 재생되지 않은 가소성 물질 및 최종 제품에 특별한 성질을 부여하기 위해 선택된 다른 성분과 혼합할 수 있는데, 이런 성분에는 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 방화재, 클레이, 습식강화첨가제, 왁스 및/또는 살생물제가 포함될 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 또한 예를 들어 우레아 포름알데히드 또는 페놀 포름알데히드 수지, 메틸렌 디이소시아네이트 수지 또는 관련 바인더를 목섬유에 첨가할 수도 있다.
일반적으로 접착제는 접착제를 혼합하고 분산하는 방법으로 목섬유와 섞는다. 이런 접착제는 목섬유를 예비성형된, 실질적으로 평탄한 목섬유의 건식 성형 매트, 궁극적으로는 3차원 목섬유 구조의 코어로 결합하는 데 사용한다. 일반적으로 본 발명의 접착제는 이소시아네이트 중합체 및/또는 알데히드 중합 수지를 포함한다. 또한 접착제는 이소시아네이트/라텍스 공중합체 또는 페놀-포름알데히드/라텍스 공중합체일 수도 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 또 다른 접착제는 단일한 혼합 첨가 방법 또는 2성분 접착제를 연속적으로 첨가하는 방법으로 목섬유에 적용할 수 있는, 비알데히드성 습식강도첨가제를 포함하는 콩을 베이스로 한 접착제가 있다. 일반적으로 접착제를 형성하는 중합체는 액상이며, 이에 따라 목질섬유소로 이루어진 층의 주요 표면에 직접 적용할 수 있다. 중합체 수지들은 도포하기 전에 미리 혼합할 수 있다.
알데히드 중합체 수지에는 페놀-포름알데히드, 레조시놀-포름알데히드, 멜라 민-포름알데히드, 우레아-포름알데히드, 변성 리그노설포네이트, 우레아-퍼퓨럴 및 축합된 퍼퓨릴 알코올 수지가 포함된다. 페놀 성분으로는 중합 반응에 필요한 비치환 위치로서, 2개의 오르소 위치 또는 하나의 오르소 및 파라 위치에서 치환이 이루어지지 않은 페놀성 수지의 형성에 사용되는 1종 이상의 페놀을 들 수 있다. 페놀 링에 남아있는 탄소 원소는 그 중 하나 또는 모두가 치환될 수도 있고 또는 전혀 치환되지 않을 수도 있다. 치환체의 성질은 매우 광범위하며, 치환체는 오르소 및/또는 파라 위치에서 페놀과 알데히드가 중합된 치환체가 아니기만 하면 된다. 페놀성 수지의 형성에 사용되는 치환된 페놀에는 알킬-치환 페놀, 아릴-치환 페놀, 사이클로-알킬-치환 페놀, 알케닐-치환 페놀, 알콕시-치환 페놀, 아릴옥시-치환-페놀, 및 할로겐-치환 페놀을 들 수 있으며, 이들 치환체는 1 내지 26개의 탄소 원자를 포함하고, 1 내지 12개의 탄소 원자를 포함하는 것이 바람직하다. 적합한 페놀의 구체적인 예를 들면, 페놀, 2,6 크실렌올, 오르소-크레졸, 메타-크레졸, 파라-크레졸, 3,5-크실렌올, 3-4-크실렌올, 2,3,4-트리메틸 페놀, 3-에틸 페놀, 3,5-디에틸 페놀, 파라-부틸 페놀, 3,5-디부틸 페놀, 파라-아밀 페놀, 파라-사이클로헥실 페놀, 파라-옥틸 페놀, 3,5-디사이클로헥실 페놀, 파라-페닐 페놀, 파라-크로틸 페놀, 3,5-디메톡시 페놀, 3,4,5-트리메톡시 페놀, 파라-에톡시 페놀, 파라-부톡시 페놀, 3-메틸-4-메톡시 페놀, 및 파라-페녹시 페놀을 들 수 있다.
페놀과 반응하는 알데히드에는 포름알데히드, 아세틸알데히드, 프로피온알데히드, 퍼퓨릴알데히드 및 벤즈알데히드와 같은 페놀성 수지의 형성에 사용되는 임의의 알데히드를 들 수 있다. 일반적으로 사용되는 알데히드의 분자식은 R'CHO이 며, 여기서 R'은 수소 또는 탄소원자의 수가 1 내지 8개인 탄화수소 라디칼이다. 가장 바람직한 알데히드는 포름알데히드이다.
이소시아네이트 중합체는 분자당 적어도 2개의 활성 이소시아네이트기를 포함하는 임의의 유기 이소시아네이트 중합체 화합물 또는 이런 화합물의 혼합물이 적합하다. 일반적으로 본 발명에 따른 방법에 사용되는 이소시아네이트 중합체는 적어도 약 2개의 이소시아네이토 작용기를 갖는 것들이다. 이런 작용기의 범위는 당량이 132 내지135인 이소시아네이트에 대해 2.3 내지 3.5인 것이 바람직하다. 이소시아네이토 작용기는 이소시아네이트 중합체 조성물의 평균 분자량과 이용가능한 NCO기의 퍼센트로부터 결정된다. 이용가능한 NCO기의 퍼센트는 ASTM 테스트 방법 D1638에 의해 결정할 수 있다.
본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 이소시아네이트 중합체는 접착제 조성물에 통상적으로 사용되는 것으로서, 전형적인 방향족, 지방족 및 사이클로지방족 이소시아네이트 중합체를 들 수 있다. 대표적인 방향족 이소시아네이트 중합체로는 2,4-토일렌 디이소시아네이트, 2,6-토일렌 디이소시아네이트, 4,4'-메틸렌 비스(페닐 이소시아네이트), 1,3-페닐렌 디이소시아네이트, 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 2,4,4'-트리이소시아네이토디페닐 에테르, 2,4-비스(4-이소시아네이토벤질) 페닐이소시아네이트 및 연관된 폴리아릴 폴리이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트 및 그 혼합물을 들 수 있다. 대표적인 사이클로지방족 이소시아네이트 중합체로는 4,4'-메틸렌비스(사이클로헥실 이소시아네이트), 1,4-사이클로헥실렌 디이소시아네이트, 1-메틸-2,4-사이클로헥실렌 디이소시아네이트 및 2,4-비스(4-이 소시아네이토사이클헥실메틸) 사이클로헥실 이소시아네이트를 들 수 있다.
이소시아네이트 중합체는 일반적으로 액상 형태로 적용된다. 일반적으로 페놀-포름알데히드 수지가 페놀성 수지로서 사용되는 경우, 본 발명의 방법에 사용되는 접착제 조성물 내에 접착제 총 중량에 대하여 약 50 내지 90 중량%로 존재하며, 약 60 내지 80 중량%의 범위로 존재하는 것이 바람직하다. 일반적으로 목섬유 매트의 총 중량을 기준으로 하여, 존재하는 이소시아네이트 중합체 범위의 하한은 약 3 중량%가 바람직하며, 약 5 중량%가 더욱 바람직하고, 약 7 중량%가 가장 바람직하며, 상한은 약 30 중량%가 바람직하고, 약 25 중량%가 더욱 바람직하며, 약 20 중량%가 가장 바람직하다. 접착제를 이런 %범위에 따라 사용할 경우, 원하는 보드의 성질과 경제적인 이익의 고려하여 상업상 효과적인 조합을 이룰 수 있다.
예비성형된 실질적으로 평탄한 건조 매트는 처리된 건조 목섬유 또는 그 혼합물을 조절된 속도로 중력에 의해 공중에서 공급함으로써 형성할 수 있다. 이와 같이 중력으로 공급되는, 처리된 건조 목섬유 또는 그 혼합물은 평면의 성형 영역 또는 진공 성형 베드 위에 균일하게 분포되어 예정된 기준 중량(단위 영역 당 중량)을 갖는 매트를 형성한다. 그 다음 매트를 예비적으로 압착시켜, 미국 특허 제5,900,304호에 나타나 있는 형태의 3차원 몰드가 갖춰진 불연속적 또는 연속적인 고온 프레스에 공급하고 조절하기에 충분할 정도로 역학적 응집력을 증가시킨다.
그 다음 1회 압착에 의해 3차원 구조물로 성형될 수 있기에 충분한 압착 방식을 사용하여 예비성형되고, 예비적으로 압착된 평탄한 건조 매트를 예정된 시간 동안 3차원 몰드 사이에서 압착시킨다. 목적하는 코어를 형성하기 위한 1회 압착 방법은 간헐적 또는 연속적인 몰드 배열 속에서 이루어질 수 있다.
이러한 매트들은 매트의 종/횡축에 평행한 평면 형태로 몰드에 도입될 수 있다. 압착 사이클 동안, 매트가 몰드의 3차원적 윤곽에 따라 성형될 때, 열경화성 바인더, 왁스 및 기타 첨가제도 경화된다. 또한 존재하는 수분은 압착 사이클의 마지막에 압력이 풀릴 때 합체된 열결합성 코어를 분열시키지 않고 수증기 방출 방식으로 증발된다. 오븐 건조 목재 고형체의 총 중량을 기준으로, 몰드에 공급된 매트의 수분 함량의 하한은 약 5 중량%가 바람직하며, 약 6 중량%가 더욱 바람직하고, 약 8 중량%가 가장 바람직하며, 상한은 약 20 중량%가 바람직하고, 약 16 중량%가 더욱 바람직하며, 약 12 중량%가 가장 바람직하다. 반대로, 탈수, 건조 및 합체를 위해 예비적으로 압착한 후 고온 프레스 스테이지에 도입하기 전의 같은 오븐 건조 베이스에서 압착된 습식 성형 매트의 수분 함량의 통상적인 범위는 건조 매트보다 적어도 약 5배, 다른 구현예에서는 약 7배, 또 다른 구현예에서는 적어도 약 8배, 심한 경우는 적어도 약 10배나 높다.
예비성형되고, 압착된 건조 매트를 사용할 경우, 압착 사이클 과정에서, 매트가 본 명세서에 기재된 가열된 3차원 몰드와 접촉하는 시간 범위의 하한은 약 30초가 바람직하며, 약 35초가 더욱 바람직하고, 약 40초가 가장 바람직하며, 상한은 약 120초가 바람직하고, 약 100초가 더욱 바람직하며, 약 70초가 가장 바람직하다. 반대로 미국 특허 제5,900,304호 또는 미국 특허 제4,702,870호의 방법에 의해 습식 성형된 매트를 동일한 3차원 몰드를 이용하여 압착할 경우에는 대응하는 온도와 압력에서 압착 사이클의 시간 범위가 통상 적어도 약 200초 내지 약 800초가 된다. 달리 말하면, 본 발명에 따른 건식 성형 매트에 대한 압착 사이클의 시간이 습식 성형된 매트의 프레스 사이클 보다 적어도 약 2배, 다른 구현예에서는 적어도 약 3배, 또 다른 구현예에서는 적어도 약 4배 정도 줄어든다.
습식 성형 매트의 압착 시간의 감소는 본 명세서에 기재된 몰드를 사용하여 약 500 ℉ 정도의 극한 온도와 2,500 p.s.i.에 이르는 극한 압력 하에서 건조될 수 있다는 가정에 의하면 이론적으로도 가능하다. 그러나 건조 매트의 발화점은 통상 약 450℉이다. 따라서 건식 성형 매트가 압착되는 온도 범위의 하한은 약 260℉가 바람직하며, 약 280℉가 더욱 바람직하고, 약 300℉가 가장 바람직하며, 상한은 약 410℉가 바람직하고, 약 380℉가 더욱 바람직하며, 약 340℉가 가장 바람직하다. 건식 성형 매트가 압착되는 압력 범위의 하한은 약 500 p.s.i.가 바람직하며, 약 700 p.s.i.가 더욱 바람직하고, 약 800 p.s.i.가 가장 바람직하며, 상한은 약 1,400 p.s.i.가 바람직하고, 약 1,200 p.s.i.가 더욱 바람직하며, 약 1,000 p.s.i.가 가장 바람직하다.
3차원 코어 컴플렉스는 건식 성형된 섬유로부터 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 이들 건식 성형된 코어는 통상 구조적으로도 습식 성형 코어에 비해 강하다. 이 방식은 전체적인 에너지 효율도 매우 크고, 습식 성형 과정과 관련된 수질 오염 문제도 전혀 없다. 건식 성형 방법과 관련된 장점은 높은 생산성이며, 이에 따라 습식 성형 방법에 비해 산업상 생산성 및 장치를 고려할 때 산업 규모가 경제적이다.
일반적으로, 습식 성형 방법은 우수한 몰딩 특성과 증진된 섬유와 섬유의 결 합성을 제공한다고 알려져 있다. 이러한 관점은 나중에 적층되어(laminated) 스트레스 표면을 가진 샌드위치 패널을 생성하는 코어와 페이스 구성 요소를 통합적으로 서브-패널로 형성함으로써 효율성을 높이기 위한 시도로서 SONOBoardTM 및 GridcoreTM과 같은 제품의 생산 과정에서 구현되고 있다. 이 제조 방법에서, 습식 성형의 여러 다양성은 필수적인 두께 교정을 이루기 위해 샌드되는(sanded) 페이스 구성 요소에서 구현된다. 따라서 이런 제조 방식에서 페이스의 겹(plies)에 부여되는 면대면(side-to-side) 변이는 스트레스 표면을 갖는 제품을 불균형하게 만들어 사용시 패널이 뒤틀리고(warpage) 굴절되는 경향을 초래한다.
본 발명은 박판 MDF를 이용하여 위와 같은 면대면의 불균형성 등을 제거한다. 또한 HDF 페이스 또는 우수한 균일성과 일관성을 갖는 페이싱 재료를 사용할 수 있다. 주 제조 과정에서, 최종 제품의 두께는 스트레스 표면 패널의 페이스와 독립적으로 코어를 교정함으로써 조절하며, 또한 원한다면 스트레스 표면 요소에 불균형성을 부여하지 않고, 교정하거나 표면을 마감할 수도 있다. 또한 박판 페이스 패널의 앞면 대 뒷면의 불균형성도 상당히 감소한다.
박판 MDF 또는 HDF 페이스 건식 성형 패널을 사용하는 다른 중요한 장점은 페이스를 통한 코어 패턴의 텔레그래핑(telegraphing)을 피할 수 있다는 것이다. 이는 통합된 코어와 페이스 서브-패널을 사용하는 종래의 습식 성형 방법에서는 본질적이고 필연적인 것이다. 습식 성형 기법에서는 벌집 형태의 코어 구조를 형성하기 위해 사용되는 각각의 변형 너비(nubby) 몰드 삽입물의 주변 영역에서 습식 성형 섬유가 외각면에 대해 평행을 이루는 경우부터 어떤 각도를 이루는 배치까지 방향이 변할 때 섬유의 굴절율도 달라진다. 통합된 코어/페이스 습식 성형 방법에서의 방향적인 변화는 SONOBoardTM 및 GridcoreTM과 같은 제품의 제조에 사용되는 종래 기술에서 나타나는 지워지지 않는 텔레그래프 코어 패턴을 형성한다. 본 발명에서 3차원 코어의 건식 성형과 함께 박판(thin-board) 페이스 기법을 이용하면, 박판 페이스 패널을 통해 실질적으로 텔레그래핑 없이 성형할 수 있으므로, 정확도, 평탄도 및 강도가 우수한 패널을 제조하면서 종래 기술에 내재된 텔레그래핑 문제를 극복할 수 있다.
건조 성형법은 단일 단계나 다단계로 열 성형하는 공정 어느 경우에도 굴곡 패널을 생산하는 데에 습식 성형법보다 유리하다. 또한 본 발명의 건조 성형된 코어에 사용되는 몰드 디자인은 코어의 대각선 부하 수용 요소에서 강도를 독립적으로 최적화하고 적층 플랫폼 요소에 의한 접착제의 수용성을 최적화할 수 있는 기회를 제공함으로써, 아교접착 라인을 강하게 하여 결국 패널을 강하게 한다. 이에 비해, 습식 성형에 사용되는 3차원 탄성중합체 몰드와 배수 요소에서는 최종 패널의 접착선을 따라 생기는 취약면을 피할 수 없는데, 이 취약면은 중앙 적층 패널은 면에 수직인 휨 스트레스가 가해졌을 때 생기는 전단 응력이 최대인 면과 일치한다. 이처럼 내재적 결함은 탄성중합체 너비(nubby) 요소의 배수 요소의 면에 대한 부착면(및 유통정지(immobilization))을 따른 섬유 웹의 점차 줄어드는 치밀화의 결과로 생긴다. 섬유 치밀화의 감소면은 이 면의 수직인 면의 휨 부하가 작용하는 동안의 최대 전단 응력 및 적층 면과 일치하기 때문에, 패널 강도를 제약한다.
건조 성형된 섬유 매트로부터 강한 적층 복합물과 심층 연신된 3차원 구조의 형성을 용이하게 하기 위하여, 본 발명에 일정한 수정을 가할 수 있다. 이러한 수정을 하면, 미국 특허 제5,900,304호의 몰드 디자인을 이용할 때 생기는 결과를 개선할 수 있다 이러한 수정에는 몰드의 형태 변수를 연신(draw) 깊이에 대해 일정한 각도 이내로 유지하여 예비성형된 매트가 찢어지기 않고 섬유 연신을 유지하면서 응력 집중면(stress-skin faces)를 통해 패턴을 텔레그래프하지 않는 적층 마루를 갖는 코어를 제조할 수 있다. 대각선 부하 수용 요소의 각도는, 3차원 코어의 세로횡단선에서 측정했을 때, 약 35도인 것이 바람직하고, 약 40도인 것이 더 바람직하며, 약 45도인 것이 가장 바람직하고, 최대 약 70도인 것이 바람직하고, 최대 약 65인 것이 더 바람직하며, 최대 약 60도인 것이 가장 바람직하다. 코어의 수직축에 대한 깊이는 약 1/4인치인 것이 바람직하고, 약 3/8인치인 것이 더 바람직하며, 약 1/2인치인 것이 가장 바람직하고, 최대 약 1-1/2인치인 것이 바람직하고, 최대 약 1-1/4인치인 것이 더 바람직하며, 최대 약 1인치인 것이 가장 바람직하다.
앞에서 언급한 수정에는 몰드 디자인에 필렛(fillet)과 굴곡 코너를 일체화하여 제품에서 구조적 스트레스가 집중되는 것을 완화하여, 몰딩 공정이 진행되는 동안 적층 플랫폼과 몰드 디자인의 부하 수용 대각선 요소의 교차점에서 섬유 연신을 용이하게 하는 것이다. 페이싱을 위한 적층 플랫폼을 포함하는 골과 마루-꼭대기의 폭은 두께가 정해졌을 때 최종 패널 제품을 생산하는 데에 필요한 대각선 요소의 깊이와 각도에 따라 변한다. 적층 플랫폼은 정확한 최종 패널 두께, 적층면 의 충분한 전단 강도 및 페이싱 보드를 통한 텔레그래핑의 부재를 제공하도록 크기가 정해질 수 있다. 패이싱 보드의 수평면의 비율에 따라서, 상기 적층 플랫폼의 크기는 접촉면의 약 10%에서 최대 30%인 것이 바람직하고, 약 12%에서 25%인 것이 더 바람직하며, 약 15%에서 23%인 것이 가장 바람직하다. 또한, 섬유 연신을 용이하게 하기 위한 곡률 반경은 각 모서리에 대한 접선점(point of tangency)을 중심으로, 마루-꼭대기 또는 골의 각 면에서 수평 적층 플랫폼을 따라 마루 또는 골을 가로지르는 거리의 약 5%에서 35%인 것이 바람직하고, 약 10%에서 30%인 것이 더 바람직하며, 약 15%에서 25%인 것이 가장 바람직하다.
이러한 수정은 3차원 코어의 부하 수용 요소와 적층 요소의 두께와 밀도가 독립적으로 변하게 하는 것을 포함한다. 벽 두께의 범위는 약 0.080인치에서 최대 0.180인치인 것이 바람직하고, 약 0.090인치에서 0.150인치인 것이 더 바람직하며, 약 0.10인치에서 0.120인치인 것이 가장 바람직하다. 앞에서 설명한 밀도는 평방 피트당 약 45파운드에서 70파운드인 것이 바람직하고, 평당 피트당 약 50 파운드에서 65 파운드인 것이 더 바람직하며, 평당 피트당 약 55 파운드에서 60 파운드인 것이 가장 바람직하다.
인접 마루의 수평 방향 크기는 길고 짧은 부분이 엇갈려서, 마루의 수평면에 대한 향사 만입부(102)와 배사 융기부(103)의 교차점(즉, 도 10의 브리지(105))에 의해 형성되는 인접 마루(104) 또는 골의 교열(transverse row)를 따른 연속적인 직선의 뚜렷한 시야선을 제거할 수 있는 정도가 바람직하다. 도 10에 나타낸 구조물은 습식 성형/건식 건조 공정 대신에 건식 성형 공정을 이용하여, 박판 페이스 패널을 통한 상기 코어의 실질적인 텔레그래핑이 생기지 않도록 심층 연신된 3차원 코어 구조물을 효과적으로 생산할 수 있다.
본 명세서에서 설명한 변수로 여기서 설명한 방법을 이용하여 건조 성형법에 대한 실험을 수행했다. 평면압 파괴 강도(Flat Crusch strength) 데이터를 본 발명의 건조 성형법을 이용하여 생산된 패널에 대해 수집했다. 동일한 중량에서 습식 성형한 패널에 대해 공개된 평면압 파괴 강도 데이터도 얻었다. 이 데이터들로부터, 본 명세서에 개시된 방법으로 생산된 패널의 평면압 파괴 강도는 동일한 중량의 습식 성형된 패널의 공개된 평면압 파괴 강도에 비해 최소한 약 2배, 바람직하게는 약 3배, 좀 더 바람직하게는 약 4배, 가장 바람직하게는 약 5배 더 크다.

Claims (23)

  1. 심층 연신된(deep drawn) 3차원 목섬유 코어 구조물의 건식 성형 방법으로서,
    목섬유로 된 예비성형되고 평탄하며 건식 성형된 매트를 제공하는 단계;
    3차원 몰드를 제공하는 단계, 상기 3차원 몰드는 웹들이 적층되는 플랫폼, 부하 수용 대각선 요소, 마루를 구비하는 배사 융기부, 필렛(fillet) 및 만곡 코너를 포함하며, 상기 플랫폼과 부하 수용 대각선 요소의 교차점에서 성형 공정 동안 섬유 연신을 수월하게 만들고, 인접한 마루의 수평 방향 크기는 길고 짧은 부분이 엇갈려서 마루의 수평면에 대한 향사 만입부와 배사 융기부의 교차점에 의해 형성되는 인접한 마루 또는 골의 교열(transverse row)을 따른 연속적인 직선의 뚜렷한 시야선을 제거함;
    상기 건식 성형된 목섬유 매트를 상기 3차원 몰드에 투입하는 단계; 및
    상기 건식 성형된 매트를 상기 3차원 몰드들 사이에서 1회 압착함으로써 상기 목섬유 매트를 3차원 목섬유 코어 구조물로 연신(drawing) 성형하는 단계, 상기 코어는 0.5-1인치의 수직축을 따른 깊이를 가짐;
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목섬유로 된 예비성형되고 평탄하며 건식 성형된 매트를 미리 압착하여 상기 매트의 기계적 응집력을 높여 상기 3차원 몰드에 적재하고 취급하는 후속 공정을 손쉽게 만드는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 목섬유로 된 예비성형되고 평탄하며 건식 성형된 매트의 수분 함유량은 오븐 건조 섬유를 기준으로 20%를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 건식 성형된 매트가 상기 3차원 몰드들과 접촉하는 시간은 120초를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    박판 페이스 패널을 상기 건식 성형된 3차원 목섬유 코어 구조물에 접착하는 것을 특징으로 하는 심층 연신된(deep drawn) 3차원 목섬유 코어 구조물의 건식 성형 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 목섬유의 건식 성형된 매트가 압착되는 온도 범위는 260℉ 내지 410℉인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 코어의 세로횡단선에서 측정했을 때, 상기 부하수용 대각선 요소의 각도는 35도 내지 70도인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 목섬유의 건식 성형된 매트가 압착되는 압력 범위는 500 p.s.i. 내지 1,400 p.s.i.인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    박판 페이스 패널은 상기 3차원 목섬유 코어 구조물에 적용되고, 상기 박판 페이스 패널의 수평면의 접촉 면적의 비율로, 상기 적층 플랫폼의 크기는 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 심층 연신된(deep drawn) 3차원 목섬유 코어 구조물의 건식 성형 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 목섬유 코어 구조물의 벽 두께는 0.080인치 내지 0.180인치인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 3차원 목섬유 코어 구조물의 밀도는 평방피트당 45 파운드 내지 70 파운드인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 삭제
  15. 심층 연신된 3차원 목섬유 코어 구조물의 건식 성형 방법으로서,
    목섬유를 제공하는 단계;
    상기 목섬유로 된 예비성형되고 평탄하며 건식 성형된 매트를 형성하는 단계;
    3차원 몰드를 제공하는 단계, 상기 3차원 몰드는 웹들이 적층되는 플랫폼, 부하 수용 대각선 요소, 마루를 구비하는 배사 융기부, 필렛(fillet) 및 만곡 코너를 포함하며, 상기 플랫폼과 부하 수용 대각선 요소의 교차점에서 성형 공정 동안 섬유 연신을 수월하게 만들고, 인접한 마루의 수평 방향 크기는 길고 짧은 부분이 엇갈려서 마루의 수평면에 대한 향사 만입부와 배사 융기부의 교차점에 의해 형성되는 인접한 마루 또는 골의 교열(transverse row)을 따른 연속적인 직선의 뚜렷한 시야선을 제거함;
    상기 건식 성형된 목섬유 매트를 상기 3차원 몰드에 투입하는 단계;
    상기 건식 성형된 매트를 상기 3차원 몰드들 사이에서 1회 압착함으로써 상기 목섬유 매트를 상기 3차원 목섬유 코어 구조물로 연신 성형하는 단계. 상기 코어는 0.5-1인치의 수직축을 따른 깊이를 가짐;
    를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 목섬유로 된 예비성형되고 평탄하며 건식 성형된 매트를 미리 압착하여 상기 매트의 기계적 응집력을 높여 상기 3차원 몰드에 적재하고 취급하는 후속 공정을 손쉽게 만드는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 목섬유로 된 예비성형되고 평탄하며 건식 성형된 매트는 수분 함유량이 20%를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 건식 성형된 매트가 상기 3차원 몰드들과 접촉하는 시간은 120초를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 삭제
  20. 제15항에 있어서,
    상기 목섬유의 건식 성형된 매트가 압착되는 온도 범위는 260℉ 내지 410℉인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 목섬유의 건식 성형된 매트가 압착되는 압력 범위는 500 p.s.i. 내지 1,400 p.s.i.인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 3차원 목섬유 코어 구조물의 밀도는 평방피트당 45 파운드 내지 70 파운드인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 삭제
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