KR101328089B1 - 샌드위치 패널의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 샌드위치 패널은 (a) 흡음성 코어시트; 및 (b) 상기 코어시트의 양면에 각각 접착되어 있으며, 섬유로 이루어진 매트상 보강재가 고분자 매트릭스에 내재된 복합재료로 이루어진 스킨시트를 구비한다.
본 발명의 샌드위치 패널은 강도가 우수하여 외부충격 등에 대한 형태 안정성이 양호하고, 샌드위치 패널의 형태 안정성을 보강하기 위한 인서트나 다른 물체를 고정시키기 위한 폴더를 샌드위치 패널에 드릴링하여 고정하는 경우에도 체결이 견고하게 장기간 동안 유지된다.
본 발명의 샌드위치 패널은 강도가 우수하여 외부충격 등에 대한 형태 안정성이 양호하고, 샌드위치 패널의 형태 안정성을 보강하기 위한 인서트나 다른 물체를 고정시키기 위한 폴더를 샌드위치 패널에 드릴링하여 고정하는 경우에도 체결이 견고하게 장기간 동안 유지된다.
Description
본 발명은 집, 사무실 등의 간이벽과 같은 건축자재, 컨테이너 트럭의 칸막이나 바닥재와 같은 차체 등에 사용되는 샌드위치 패널에 관한 것이다.
가볍고 제조단가가 비교적 저렴한 샌드위치 패널은 집, 사무실 등의 간이벽과 같은 건축자재, 컨테이너 트럭의 칸막이나 바닥재와 같은 차체 등에 범용적으로 사용되고 있다.
통상적으로 샌드위치 패널은 흡음성이 있는 코어시트의 양면에 스킨시트를 접착시켜 제조된다.
코어시트로는 폴리우레탄 등의 수지를 발포시켜 경량화한 발포시트나, 수지나 알루미늄 등의 경금속으로 허니컴 형상의 셀을 형성하여 제조한 허니컴시트가 이용된다. 또한, 스킨시트로는 통상적으로 알루미늄시트가 이용된다.
샌드위치 패널은 사용용도의 특성상 양호한 형태안정성과 강도를 구비해야 한다. 샌드위치 패널에 가해지는 힘은 패널의 모서리나 표면에 국부적으로 발생하는데, 이에 따라 패널을 구성하고 있는 스킨시트와 코어시트의 국부적인 파괴(Local failure), 박리(Delamination), 좌굴(Buckling)이 발생할 수 있기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 샌드위치 패널의 두께 방향으로 적어도 1개의 스킨시트와 코어시트의 일부를 관통하도록 리벳이나 나사못과 같은 인서트를 드릴링을 통해 삽입하기도 한다. 또한, 옷이나 액자 등과 같은 다른 물체를 고정시키기 위한 폴더를 샌드위치 패널에 드릴링하여 삽입하기도 한다.
그러나, 전술한 바와 같이 발포시트나 허니컴시트로 구성된 코어시트와 알루미늄시트로 구성된 스킨시트는 강도가 낮아 드릴링시 구멍이 원하는 형상으로 유지되기 어려우며, 외부에서 가해지는 힘이나 하중에 대한 내구성이 좋지 않아 체결이 견고하게 장기간 동안 유지되지 못한다. 이에 따라 코어시트와 스킨시트 사이에 나무를 덧대는 방법을 사용하기도 하며, 접착용 충전제를 인서트 주위에 채워서 이를 보완하고자 하였다. 그러나, 나무를 덧대면 경량이라는 샌드위치 패널의 장점을 훼손하게 되며, 접착용 충전제를 채우는 방법은 드릴링후 접착제 충전이라는 추가적인 공정이 요구될 뿐만 아니라 내구성을 충분히 보완하지 못한다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 문제점을 해결하여, 강도가 우수하여 외부충격 등에 대한 형태 안정성이 양호하고, 샌드위치 패널의 형태 안정성을 보강하기 위한 인서트나 다른 물체를 고정시키기 위한 폴더를 샌드위치 패널에 드릴링하여 고정하는 경우에도 체결이 견고하게 장기간 동안 유지될 수 있는 샌드위치 패널을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 샌드위치 패널은
(a) 흡음성 코어시트; 및
(b) 상기 코어시트의 양면에 각각 접착되어 있으며, 섬유로 이루어진 매트상 보강재가 고분자 매트릭스에 내재된 복합재료로 이루어진 스킨시트를 구비한다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널에 있어서,
상기 흡음성 코어시트는 발포시트 또는 허니컴시트인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널에 있어서, 흡음성 코어시트로서 발포시트를 사용하는 경우, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 가교된 폴리스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 수지의 발포시트를 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널에 있어서, 섬유로 이루어진 매트상 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유로 이루어진 매트상 보강재를 사용하는 것이 바람직하고,매트상 보강재의 부피는 스킨시트 총 부피를 기준으로 45 내지 65 부피%일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 샌드위치 패널에 있어서, 섬유로 이루어진 매트상 보강재는 cm당 3개 이상의 섬유 번들(경사 또는 위사)을 갖도록 직조된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널에 있어서 스킨시트는, 열중합 촉매를 포함하며 열가소성 고분자의 단량체로 된 파우더들을 섬유로 이루어진 매트상 보강재 위에 산포시킨 다음 이를 가열처리하여, 상기 파우더들이 용융되어 상기 매트상 보강재에 함침되도록 하면서 상기 열가소성 고분자의 단량체를 열가소성 고분자로 열중합시키는 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널에 있어서, 샌드위치 패널의 두께 방향으로 적어도 1개의 스킨시트와 코어시트의 일부를 관통하는 인서트를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 샌드위치 패널은 섬유로 이루어진 매트상 보강재가 고분자 매트릭스에 내재된 복합재료로 이루어진 스킨시트를 구비함으로서, 스킨시트의 형태안정성과 강도가 크게 보강된다.
이에 따라, 외부충격이 가해질 경우에도 샌드위치 패널의 형태 안정성이 양호하게 유지되며, 샌드위치 패널의 형태 안정성을 보강하기 위한 인서트나 다른 물체를 고정시키기 위한 폴더를 샌드위치 패널에 드릴링하여 고정하는 경우에도 구멍이 원하는 형상으로 깨끗하게 유지되며 외부에서 가해지는 힘이나 하중에 대한 내구성이 양호하여 체결이 견고하게 장기간 동안 유지된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 샌드위치 패널의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 샌드위치 패널에 사용되는 복합재료(스킨시트)의 바람직한 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 샌드위치 패널의 낙구 충격 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 샌드위치 패널의 드릴링 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 샌드위치 패널에 사용되는 복합재료(스킨시트)의 바람직한 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 샌드위치 패널의 낙구 충격 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 샌드위치 패널의 드릴링 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널은,
(a) 흡음성 코어시트; 및
(b) 상기 코어시트의 양면에 각각 접착되어 있으며, 섬유로 이루어진 매트상 보강재가 고분자 매트릭스에 내재된 복합재료로 이루어진 스킨시트를 구비한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 샌드위치 패널의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 샌드위치 패널(10)은 흡음성 코어시트(5)를 구비한다. 흡음성 코어시트(5)는 잘 알려진 바와 같이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 가교된 폴리스티렌폴리우레탄 등의 수지를 발포시켜 경량화한 발포시트나, 폴리프로필렌과 같은 수지나 알루미늄 등의 경금속으로 허니컴 형상의 셀을 형성하여 제조한 허니컴시트가 이용된다. 이와 같은 코어시트(5)는 가볍고 흡음성(본 명세서에서는 차음성도 흡음성과 동일한 의미로 해석되어야 한다)이 우수하다. 특히 코어시트로서 발포시트를 사용하는 경우 경량화는 물론 단열성도 양호하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 샌드위치 패널(10)은 섬유로 이루어진 매트상 보강재(7)가 고분자 매트릭스(9)에 내재된 복합재료로 이루어진 스킨시트(3a, 3b)를 구비한다. 스킨시트(3a, 3b)는 코어시트(5)의 양면에 접착제 또는 열접착을 통해 각각 접착되어 있다. 스킨시트(3a, 3b)를 구성하는 매트상 보강재(7)는 보강재로서 작용할 수 있는 물질로 제조된 섬유로 매트상으로 형성한 것이라면 모두 사용이 가능하다. 즉, 이 섬유를 이용하여 제직한 직물형 매트상 보강재는 물론, 섬유들이 상호 결착된 격자형 매트 등 매트상으로 형성되어 충분한 보강재 역할을 수행할 수 있는 것이라면 모두 포함된다. 바람직하게는 내열성과 기계적 물성이 우수한 유리 섬유 또는 탄소 섬유로 이루어진 매트상 보강재를 사용한다. 특히 유리섬유와 탄소섬유는 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 열팽창계수가 낮아 열에 의한 수축 및 팽창 현상이 거의 없다. 따라서, 이러한 섬유들로 형성된 매트상 보강재(7)는 고분자 매트릭스(9)에 내재되어 스킨시트(3a, 3b)의 기계적 물성을 양호하게 유지하는 기능을 한다. 단섬유로 이루어진 복합재료와 달리, 매트상 보강재(7)는 스킨시트의 형태안정성과 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 샌드위치 패널의 형태 안정성을 보강하기 위한 인서트나 다른 물체를 고정시키기 위한 폴더를 샌드위치 패널에 드릴링하여 고정하는 경우에도 구멍이 원하는 형상으로 깨끗하게 유지되며 외부에서 가해지는 힘이나 하중에 대한 내구성이 양호하여 체결이 견고하게 장기간 동안 유지된다.
매트상 보강재(7)는 필요에 따라 2개 이상을 적층하여 사용할 수 있다. 상기 매트상 보강재(7)의 부피는 최종적으로 생산되는 스킨시트(3a, 3b) 총 부피를 기준으로 45 내지 65 부피%로 조절하는 것이 바람직하다.
특히, 섬유로 이루어진 매트상 보강재(7)가 cm당 3개 이상의 섬유 번들을 갖도록 직조된 것을 사용하면, 짜여진 섬유번들들이 인서트나 폴더가 외부에서 가해지는 힘이나 하중에 의해 유동하거나 외부로 빠지는 것을 잡아주는 역할을 수행하여 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명의 샌드위치 패널은 상기 샌드위치 패널의 두께 방향으로 적어도 1개의 스킨시트와 코어시트의 일부를 관통하는 인서트를 더 구비할 수 있음은 물론이다.
한편, 스킨시트(3a, 3b)를 구성하는 고분자 매트릭스(9)에 내재된 복합재료로는 기계적 물성이 양호한 고분자라면 모두 사용이 가능하며, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드 등 FRP(Fiber Reinforced Plastic)에 사용되는 고분자들을 들 수 있다. 다만, 매트상의 보강재(7)와 열가소성 고분자로 된 매트릭스를 복합화하여 스킨시트(3a, 3b)를 제조하는 경우, 열가소성 고분자의 높은 용융 점도로 인하여 매트상의 보강재에 고분자 매트릭스를 함침시키는 것이 용이치 않으므로, 다음과 같은 방법을 선택하는 것이 바람직하다.
즉, 스킨시트는, 열중합 촉매를 포함하며 열가소성 고분자의 단량체로 된 파우더들을 섬유로 이루어진 매트상 보강재 위에 산포시킨 다음 이를 가열처리하여, 상기 파우더들이 용융되어 상기 매트상 보강재에 함침되도록 하면서 상기 열가소성 고분자의 단량체를 열가소성 고분자로 열중합시키는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 대하여 상술하면 다음과 같다.
먼저, 열중합 촉매를 포함하며 열가소성 고분자의 단량체로 된 파우더들을 섬유로 이루어진 매트상 보강재 위에 산포시킨다.
파우더는 열가소성 고분자의 단량체를 매트릭스로 한다. 단량체는 파우더에 분산된 공지의 열중합 촉매에 의해 후술하는 가열처리에 따라 고분자로 중합되며, 이 고분자는 열가소성을 갖는다. 파우더의 매트릭스로서 단량체를 사용하는 이유는, 전술한 바와 같이 고분자를 사용하는 경우 높은 용융 점도로 인하여 섬유로 이루어진 매트상의 보강재에 함침이 어렵기 때문이다. 모노머는 낮은 분자량으로 인해 용융 점도가 낮다. 따라서, 단량체는 매트상의 보강재에 잘 함침될 수 있도록 낮은 용융점도를 갖는 것이라면, 단량체는 물론 올리고머나 프레폴리머도 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 열가소성 고분자의 단량체로는 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트, 카프로락탐 등을 예시할 수 있다. 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트는 중합되어 폴리부틸렌테레프탈레이트가 되며, 카프로락탐은 중합되어 폴리아미드가 된다. 이들 고분자는 모두 내열성 및 기계적 강도가 우수한 엔지니어링 플라스틱으로 잘 알려져 있다.
전술한 구성의 파우더는 열중합 촉매를 열가소성 고분자의 단량체의 용융액에 첨가하여 분산시킴으로서 용이하게 준비할 수 있으며, 파우더는 후술하는 산포 공정을 통해 매트상 보강재의 표면에 분산될 수 있으면 되므로, 그래뉼, 펠렛 등 모든 형태를 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
준비한 파우더들은 섬유로 이루어진 매트상 보강재 위에 산포시킨다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 파우더들(2)을 매트상 보강재(1) 위에 균일하게 산포시킴에 따라 매트상 보강재(1)의 표면은 파우더들(2)로 덮이게 된다. 파우더들(2)의 산포 두께에 따라 매트상 보강재(1)와의 부피비를 조절할 수 있다.
그런 다음, 파우더들이 산포된 매트상 보강재를 가열처리하여, 상기 파우더들이 용융되어 상기 매트상 보강재에 함침되도록 하면서 상기 열가소성 고분자의 단량체를 열가소성 고분자로 열중합시킨다.
파우더들이 산포된 매트상 보강재를 가열처리하면, 파우더의 매트릭스 성분인 단량체가 용융되는데, 단량체의 용융액은 점도가 낮으므로 매트상 보강재에 잘 함침된다. 또한, 매트상 보강재에 함침된 단량체 용융액은 분산된 열중합 촉매에 의해 고분자로 중합된다. 가열처리는 예를 들어 150 내지 210℃와 같이 단량체의 용융과 중합이 가능한 온도로 적절히 선택할 수 있으며, 필요에 따라 가열처리 온도를 단계적으로 조절할 수도 있음은 물론이다.
이러한 제조방법에 따라 형성된 복합재료는 도 1에 도시된 바와 같이 섬유로 이루어진 매트상 보강재(7)가 고분자 매트릭스(9)에 내재된 구조를 갖게 되된다. 복합재료로 이루어진 스킨시트(3a, 3b)는 매트상의 보강재(7)에 고분자 매트릭스(9)가 잘 함침되어 서로 일체화되어 있다.
이와 같이 제조된 복합재료는 전술한 바와 같이, 코어시트의 양면에 적층한 후 고분자 매트릭스(9)의 융점보다 높은 온도로 처리하여 코어시트와 열융착시키거나, 접착제층을 개재시켜 코어시트와 접착시키는 방법으로 샌드위치 패널을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.
실시예 1
weave(0/90도)+biax(+45/-45도)+biax(+45/-45도)+weave(0/90도)의 4층의 구조를 갖으며, cm당 5개인 섬유 번들을 갖도록 직조된 유리 섬유 매트를 겹쳐서 보강재를 구성하였다.
보강재에 0.4 mol%의 촉매와 클레이 나노 미립자(Nanocor사 제품)를 6wt% 함유한 사이클릭 부틸렌 테레프탈레이트(CBT, Cyclics사 제품)를 고르게 분산 배합한 후 pellet형태로 제조하였다. 제조된 펠렛을 준비한 보강재의 표면에 고르게 도포한 다음, 190도에서 10분간 열처리하여 함침 및 중합반응을 진행하였다.
제조된 스킨시트의 두께는 1.0mm 이었으며, 매트상 보강재의 부피는 45 vol%이었다.
Crosslinked Polystyrene(XPS)로 된 두께 50mm인 발포시트의 양면에 접착제를 도포한 다음, 전술한 방법으로 제조된 스킨시트를 발포시트의 양면에 각각 적층시켜 접착함으로서 샌드위치 패널을 제조하였다.
비교예 1
스킨시트로서 두께 1.0mm인 알루미늄 시트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 패널을 제조하였다.
낙구 충격 테스트
직경 25mm인 철구슬을 2m의 높이로 실시예 1 및 비교예 1에 따른 샌드위치 패널 위에 위치시킨 다음, 자유낙하시키고, 그에 따라 샌드위치 패널의 변형여부를 확인하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 샌드위치 패널은 표면에 별다른 변형이 일어나지 않은 반면, 비교예 1의 샌드위치 패널은 변형되어 흠집이 발생하였음을 확인하였다.
드릴링
테스트
실시예 1 및 비교예 1에 따른 샌드위치 패널의 표면에 직경 8mmm인 드릴을 이용하여 관통공을 형성하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 샌드위치 패널은 관통공의 형상이 파괴되지 않고 깨끗한 단면을 유지한 방면, 비교예 1의 샌드위치 패널은 관통공의 주변이 깨지는 현상이 발행하였다.
Claims (8)
- 열중합 촉매를 포함하며 열가소성 고분자의 단량체로 된 파우더들을 섬유로 이루어진 매트상 보강재 위에 산포시키는 단계;
상기 파우더들이 산포된 매트상 보강재를 가열처리하여, 상기 파우더들이 용융되어 상기 매트상 보강재에 함침되도록 하면서 상기 열가소성 고분자의 단량체를 열가소성 고분자로 열중합시켜 스킨시트를 제조하는 단계; 및
상기 스킨시트를 흡음성 코어시트의 양면에 적층한 후 열융착시켜 접착시키거나, 또는 상기 스킨시트와 흡음성 코어시트의 양면 사이에 각각 접착제층을 개재시켜 접착시키는 단계를 포함하는,
흡음성 코어시트; 및
상기 코어시트의 양면에 각각 접착되어 있으며, 섬유로 이루어진 매트상 보강재가 열가소성 고분자 매트릭스에 내재된 복합재료로 이루어진 스킨시트를 구비하는 샌드위치 패널의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 흡음성 코어시트는 발포시트 또는 허니컴시트인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 발포시트는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 가교된 폴리스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 수지의 발포시트인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 섬유로 이루어진 매트상 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유로 이루어진 매트상 보강재인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 섬유로 이루어진 매트상 보강재의 부피는 스킨시트 총 부피를 기준으로 45 내지 65 부피%인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 섬유로 이루어진 매트상 보강재는 cm당 3개 이상의 섬유 번들을 갖도록 직조된 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 샌드위치 패널의 두께 방향으로 적어도 1개의 스킨시트와 코어시트의 일부를 관통하는 인서트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법.
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