KR101348269B1

KR101348269B1 - 열가소적으로 변형가능한 섬유 강화 반제품의 생산방법

Info

Publication number: KR101348269B1
Application number: KR1020077025458A
Authority: KR
Inventors: 칼-루드비그 브렌트럽; 하리 디트마
Original assignee: 쿼드란트 플라스틱 컴포지츠 아게
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2014-01-08
Also published as: WO2006105682A1; DE502006002749D1; US20060244170A1; US20100116407A1; JP2008534813A; ES2318720T3; CN101189117B; EP1868796A1; CN101189117A; JP5215841B2; CN101838473A; US20120181716A1; KR20070120570A; EP1868796B1; ATE421920T1; US8540830B2; CN101838473B

Abstract

본 발명은 열가소성 물질 및 강화섬유로 구성된 열가소적으로 변형가능한 반제품의 연속적인 생산방법에 관한 것이다. 본 발명은 다음과 같은 단계: A. 열가소성 섬유들 및 강화 섬유들을 혼방 부직포(blended nonwoven)를 형성하도록 블렌딩 하는 단계; B. 상기 혼방 부직포가 니들링(needling)에 의해 압축되거나 열적으로 응고되는 단계; C. 상기 압축된 혼방 부직포를 상기 열가소성 물질의 연화점보다 높은 온도로 가열하는 단계; D. 상기 혼방 부직포를 0.8 바(bar)보다 작은 압력을 가진 가열된 가압 수단 및 냉각된 가압 수단으로 적어도 3초 동안 가압하고, 기능성 층들이 선택적으로 상기 반제품으로 가압되는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 열가소성 물질 및 강화 섬유들을 포함하는 열가소적으로 변형가능한 반제품에 관한 것인데, 상기 강화섬유들은 평균길이 25 내지 50mm, 부피당 35 내지 65% 범위의 공기구멍(air voids)함량을 가지고 서로 니들(needled)되고, 그들의 80% 이상이 개별적인 필라멘트(filaments)의 형태로 존재한다.

Description

열가소적으로 변형가능한 섬유 강화 반제품의 생산방법{METHOD FOR PRODUCING A THERMOPLASTICALLY DEFORMABLE FIBER-REINFORCED SEMIFINISHED PRODUCT}

본 발명은 열가소성 섬유들 및 강화 섬유들을 함유하는 혼방 부직포(a blended nonwoven)로부터 열가소적으로 변형가능한 섬유 강화 반제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

강화섬유들 특히 유리섬유들을 함유하는 열가소적으로 변형가능한 반제품은 몰딩의 제조 특히 자동차부품(automotive parts)을 위한 증가된 범위에 사용되고 있다. 그러한 “플라스틱 패널”은 고강도 및 내구성에 의해 특징 지워진다. GMT 반제품들은 이중 밴드 프레스에서 연속적인 유리 섬유 스트랜드 매트 및 용융된 열가소성 필름들을 결합시킴으로써 산업적으로 대량 생산된다. 이 공정은 점성의 융해물이 1바보다 상당히 큰 압력에서 매트로 가압되어야만 하기 때문에 상당한 량의 에너지가 소모된다. 따라서, 실제로 이 방법에 의해 45중량%보다 더 큰 섬유 함량 및 2000g/㎡보다 작은 면적중량(an areal weight)을 얻는 것이 극히 어렵다. 상기 글래스 매트들은 일반적으로 섬유 번들들 또는 스트랜드들로부터 제조되기 때문에, 열가소성 물질로 주입시키는 것(impregnation)이 결코 완전히 완성되거나 균일할 수 없다. 그러므로 미시적으로 이종 부분(heterogenous region)이 존재하고, 따라서 기계적인 특성들에서 고 표준편차를 갖게 된다. 또한 이것은 열적으로 팽창된 GMT 패널들을 가진 경우로서, 서로 니들된 유리섬유들의 복원력들 때문에 공기구멍들을 함유하는데, 상기 공기구멍들은 매트릭스 안에 불규칙적으로 분포된다.

DE-A 36 14 533은 강화 삽입물을 함유하는 열가소성의 몰드 제품들을 제조하는 방법을 개시한다. 텍스타일 섬유 기술에 따라 열가소성섬유들 및 강화섬유들의 혼방 부직포가 카딩공정(carding method) 또는 공기배향공정(air-laying method)에 의해 제조되고, 예들 들어 니들링(needling)에 의해 통합된다(consolidated). 이 혼방 부직포의 단면들(cut sections)이 선 통합공정(prior consolidation)없이 3차원 몰드 된 제품들을 형성하도록 가열되고 직접 가압된다. 완전한 주입 특히 복합체 형상을 가진 구성부분들을 가지도록 하는 것이 얻어지는 것은 매우 어려운데, 그 결과 상기 몰딩들의 기계적인 특성들은 많은 개선점이 남게된다.

WO 98/3508에 따르면, 복합체 공정에서 강화섬유들 및 열가소성 섬유들의 혼방 스트랜드들이 먼저 제조되고, 그 다음 부직포가 그들로부터 제조된다. 이 부직포가 고온 및 고압으로 이중 밴드 프레스에서 가압되어 반제품을 형성한다.

WO 02/062563은 열가소성 및 긴 강화 섬유들로부터 열가소적으로 변형가능하고 얇은 반제품을 생산하는 연속적인 방법을 개시한다. 그것은 하기의 단계들을 포함한다.

A. 혼방 부직포를 형성하기 위해 열가소성섬유들과 강화섬유들을 건조 블렌 딩(dry blending)하는 단계,

B. 니들링에 의해 상기 혼방 부직포를 압축하는 단계,

C. 상기 압축된 혼방 부직포를 가열하는 단계, 및

D. 반제품을 형성하기 위해, 캘린더(calender) 또는 가압장치에서 압축하는 단계,

E. 선택적으로 기능성 층들을 가압하는 단계.

WO 02/076711은 두꺼운 혼방 부직포들을 생산하기 위해 유사한 방법을 개시하는데, 여기서는 D단계에서의 가압이 또한 1 바에서 10바 사이의 압력으로 적층 장치에서 수행될 수 있다. 하지만 그러한 고압력에서는 공기구멍들이 상기 연화된 혼방 부직포에서 거의 완전하게 없어지게 되고, 상기 융해물은 길이 및 폭에서 별개로 흐르게 되어, 결과적으로 반제품의 면적중량 및 비틀어짐(distortion)에서 제어되지 않은 변화량을 가져와서, 상기 반제품의 경계들이 매끈하고 일직선을 이루기보다는 굽이치는 물결모양이 된다.

유사한 문제들이 EP-B 593 716 및 US-A 4,978,489에 따른 방법들에서 발생한다. 즉 상기 혼방 부직포가 서로 접한 압력 롤러들에 의해 압축몰딩 되는데, 이 과정에서 매트가 너무 강하게 압축되어 최종 반제품은 단지 최대 20부피%, 바람직하게는 10-15부피%의 공기구멍들을 함유한다. US-A 4,948,661에 의한 방법에서, 혼방 부직포는 공기가 상기 통합되는 제품(the consolidated product)으로부터 완전히 제거될 때까지 가열된 플래튼(platten) 또는 이중 밴드 프레스(a double band press) 사이에서 가압된다.

캘린더(calender)에서 또는 압력 롤러들에 의한 혼방 부직포의 압축은 다른 불이익을 갖는데, 단지 낮은 생산 속도가 사용될 수 있는 점만이 아니라 팽창부(bulge)가 롤러들 사이의 갭(gap)에서 돌발적인 압력에 의해 형성되어 강한 비틀어짐을 가져오고, 심지어 구멍들이 형성될 수조차 있다.

WO 03/086725는 강화섬유 복합물(composites)을 만들기 위한 장치 및 공정을 개시한다. 상기 공정에서 열가소성 섬유 및 강화섬유의 니들된 혼방 부직포 매트가 가열되고, 예를 들어 연속적인 밴드 프레스에서 몰드 된다. 사용되어야만 하는 압력에 대한 신뢰할 만한 정보는 개시되지 않는다. 반면 가발포된 복합물 시트(pseudofoamed composites sheets)가 형성될 수 있다고 언급하고 있지만 공기구멍들의 함량에 대한 정보도 없다. 더욱이 상기 복합물은 60중량% 이상의 열가소성 섬유 함량을 가진다.

그러므로, 본 발명의 목적은 균일한 분포를 갖는 공기구멍들을 함유하고 모든 방향으로 우수하고 높은 재생 특성을 가진 완성 부품들을 제공하기 위해 쉽게 새로운 모양으로 고쳐질(reshaped) 수 있는, 열가소성 물질과 강화섬유로 된 비틀어짐 없는 반제품을 제조하기 위한 연속적인 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명의 진보된 방법에 의해 달성된다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함 한다:

A. 열가소성 섬유 및 개별적이고 무제한의 강화 섬유(individual, nonbounded reinforcing fibers)가 서로 혼방된다. 적절한 열가소성 섬유는 예를 들어 폴리아릴레이트, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드 및 폴리에테르 케톤과 같이 높은 열적 안정성을 가진 폴리머뿐만 아니라, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴리아마이드, 선형의 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아세탈 및 그에 상응하는 혼성폴리머 및 열가소성 혼합물 같은 모든 방적가능한 열가소성물질을 포함한다. 특히 20g/10min보다 큰 보다 구체적으로는 25 내지 150 g/10min 사이의 DIN 53735에 따른 MFI(230℃, 2.16kp)를 가진 폴리프로필렌이 바람직한다. 상기 열가소성 섬유는 일반적으로 20mm 내지 120mm의 평균길이(중량 평균 길이)를 가진다.

바람직한 강화섬유는 유리섬유이지만 탄소섬유, 버솔트섬유(basalt fibers) 및 아라미드섬유 또한 사용될 수 있다. 또한 예를 들어 아마(flax), 황마(jute), 대마(hemp), 양마(kenaf), 사이잘초(sisal) 및 면화로부터 제조된 것들도 유용하다. 유리섬유와 대비하여 섬유 강화 반제된 부품이 열적으로 처리될 때 용융되지 않고 슬래그(slag)를 형성하지 않는 버솔트섬유가 특히 흥미로운 것이다. 상대적으로 비싼 버솔트 섬유는 천연섬유와 10:90 내지 50:50의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 일반적으로 강화섬유는 20mm 내지 120mm의 평균길이(중량평균길이)를 가진다. 열가소성 섬유와 쉽게 혼방될 수 있도록 실질적으로 개별적인 무제한 섬유(nonbounded fibers)의 형태가 되어야 하는데, 즉 폴리머 바인더에 의해 서로 묶여져 있는 상태여서는 안 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 열가소성 섬유 및 강화섬유의 평균길이는 최대 25%, 바람직하게는 최대 10%, 특히 최대 3%가 상이하다. 바람직한 유리 섬유는 연속적인 섬유(endless fibers) 또는 0.5인치(12.7mm)의 길이를 가진 절단섬유(cut fibers)로서 상용으로 이용할 수 있다. 부가적으로 1인치(25.4mm) 또는 2 인치(50.8mm)의 길이를 가진 절단섬유가 또한 이용된다. 실제로 상기 열가소성섬유는 상기 유리 섬유와 거의 동일 길이로 절단된다 ; 즉 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 거의 동일 길이를 갖고 25mm 내지 55mm의 범위내의 평균 길이(중량평균길이)를 갖는 폴리프로필렌 섬유 및 유리섬유의 양자가 채택된다.

이러한 섬유 길이의 매칭은 상기 반제품의 생산 동안, 상기 반제품에서의 이질성(inhomogeneities) 즉 글래스-리치 및 폴리머-리치 영역(in glass-rich and polymer-rich domains)으로 인해 유발되는 상기 섬유들의 디믹싱(demixing)이 일어나지 않는다는 이점을 갖게 한다. 이것은 상기 섬유들이 에어레이 공정(airlay process)에 의해 블렌드 된다면 특히 중요하다.

상기 열가소성 섬유들 및 강화섬유들은 10:90 내지 80:20의 중량비로 사용되는데, 바람직하게는 20:80 내지 65:35이고, 특히 25:75 내지 55:45이다. 블렌딩 공정에서, 상기 유리섬유들은 상대적으로 건조된 상태여야 하는데, 그들의 물 함량은 6중량%이하여야 하고, 바람직하게는 0.5 내지 4중량%이다. 상기 블렌딩은 에어레이 또는 카딩(carding) 공정들에 의해 수행될 수 있다. 이들 공정들은 텍스타일 기술에서 공지된 것이다. 상기 카딩공정 동안 섬유들은 또한 더 많은 양의 물 예를 들어 15%까지 함유할 수 있는 것이 알려져 있다. 블렌딩은 200 내지 2500g/㎡, 특히 250 내지 1800g/㎡의 면적중량(areal weight)을 가진 연속적인 부직포 밴드(a non-woven continuous band)를 생산한다. 상기 섬유들을 혼합할 때, 유리 섬유 번들이 큰 범위로 또는 완전히 개방되고 그 결과 상기 유리 섬유들의 대부분 또는 모두가 개별적인 필라멘트들로 존재한다.

B. 따라서 상기 얻어진 혼방 부직포는 그 다음에 바람직하게는 니들링에 의해 한 측면 또는 양 측면에서 통합된다(consolidated). 이것은 종래의 니들링 직기(conventional needing looms)상에서 펠팅 니들(felting needles)로 이루어진다. 니들링은 상기 강화 섬유들의 약간의 파손을 야기하고 그 결과 평균 섬유 길이가 감소된다; 다른 한편으로는 니들링이 상기 혼방 부직포를 통합시키고 그 결과 상기 공정의 후속 과정에서 문제없이 처리될 수 있다. 더구나 니들링은 상기 강화 섬유들의 방향(orientation)이 부분적으로 z-방향(z-direction)으로 되는 결과를 가져와서 상기 로프트(loft)[재가열에 따라 상기 압축된 반제품의 복원(restoration)]가 제어될 수 있다. 상기 강화 섬유들의 이러한 z-방향으로의 지향성의 또 다른 결과로서 본 발명의 상기 반제품으로부터 형성되는 완제품(finished products)이 또한 이 방향으로 강화된다. 또한 원칙적으로 열적 수단, 예를 들어 적외선조사(IR irradiation) 또는 고온의 공기에 의해 상기 통합(consolidation)을 수행하는 것이 가능하다. 그러나 이 경우 상기 열가소성 섬유들은 완전히 용융되어서는 안 되고, 오히려 반제품이 용이한 처리 및 이동성(transportability)을 위한 충분한 점착(cohesion)을 갖게 할 수 있을 정도로 표면적으로만 용융되어야 한다.

C. 상기 통합된 혼방 부직포는 그 후에 상기 열가소성 물질의 연화점(the softening temperature)이상의 온도로 가열되는데, 바람직하게는 연속 오븐에서 또는 적외선 조사에 의해서 이루어진다. 상기 온도는 바람직하게는 상기 연화점 이상인 20℃ 내지 60℃이어야한다; 폴리프로필렌 섬유들의 경우 상기 온도는 바람직하게는 180℃ 내지 220℃ 사이이고, 특히 190℃ 내지 210℃이다. 상기 열가소성 용융물은 쉽게 상기 개별적인 필라멘트들에 스며들 수 있고, 위에서 언급된 유리섬유 번들들의 대다수가 개별적인 필라멘트들로 개방되지 않는 GMT방법 보다 유리섬유들의 보다 우수하고 균일한 침투(impregnation)를 실질적으로 얻는다. 상기 후자는 예를 들어 GMT 반제품으로부터 제조된 완제품 특성들의 균질성(homogeneity)이 떨어지는 결과를 가져온다.

D. 가열 후에 즉시, 상기 가열된 혼방 부직포가 가압된다. 본 발명에 따라, 가열된 가압수단(a heated press tool) 및 냉각된 가압수단(a cooled press tool)이 연속적으로 채택되어, 상기 혼방 부직포는 0.8바 보다 작은 압력, 바람직하게는 0.05 내지 0.5바에서 적어도 3초 동안 압축된다. 상기 가열된 가압수단에서 거류시간(residence time)은 5 내지 60초사이가 바람직한 반면, 상기 냉각된 가압수단에서는 수분 이상일 수 있다. 상기 0.8바라는 상한은 임계적(critical)이다: 더 높은 압력에서는 상기 공기구멍 함량이 너무 낮게 된다. 바람직하게는 가압을 위해 사용되는 압력 플레이트는 예를 들어 테플론 코팅된 유리 또는 아라미드 직물로 제조된 두 개의 회전식 직물 벨트(revolving fabric belts)상에서 사용되는데 상기 압력 플레이트를 끼고 슬라이드됨으로써 상기 혼방 부직포를 끌고 간다(entrain ). 상기 가열된 가압수단은 80℃이상으로 가열되는데, 특히 100 내지 220℃이 바람직하고, 상기 냉각된 가압수단은 30℃이하로 유지되는데 특히 15℃ 내지 25℃가 바람직하다.

단계 D에서 가열된 롤 쌍(a heated roll pair)이 부가적으로 상기 가열된 가압수단으로부터 상류에 위치되고, 냉각된 롤 쌍(a cooled roll pair)이 부가적으로 상기 가열된 가압수단으로부터 하류에 위치되는 것이 바람직하다.

상기 가열된 롤 쌍은 주로 기능성 층들을 제공하고 상기 가열된 혼방 부직포에 그들을 도포하는 역할을 한다. 10N/mm 이하의 낮은 선형 압력이 이 목적을 위해서 충분하다. 상기 가압수단 특히 150 내지 200℃로 가열된 것은 상기 강화 섬유들이 상기 열가소성 용융물로 가압되도록 하고 충분한 정도로 젖게 하며 또한 약간의 공기가 빠져나가도록 강제한다. 상기 냉각된 롤 쌍은 상기 기능성 층들을 타이트하게 상기 부분적으로 통합된 반제품상에 바람직하게는 10 내지 50N/mm의 선형압력으로 가압하고, 그 결과 상기 기능성 층(들)이 거기에 접착된다. 또한 필요하다면 상기 냉각된 롤 쌍들이 두께를 더 감소시키기 위해 배치(set)될 수 있다. 상기 열가소성 용융물(the thermoplastic melt)은 상기 냉각된 가압수단에 의해 완전히 응고되고 그 결과 복원력(restoring forces)이 더 이상 작용할 수 없고, 임의의 기능성 층들은 단단하게 상기 제품에 융합되고 따라서 상기 반제품이 통합된다.

상기 가압 작용(the pressing operation)은 상기 최종 반제품이 여전히 25 내지 75부피%, 특히 35 내지 65부피% 사이의 공기구멍[“void(공간)”]함량을 갖는 것과 같은 완만한 조건들 하에서 수행된다. 이러한 사실 때문에, 압축 또는 거의 압축된 반제품들과 대비하여 이 제품은 보다 용이하게 예를 들어 가압수단들에서의 열성형(thermoforming)에 의해 처리될 수 있다. 위에서 언급된 상기 유리섬유들에의 열가소성 매트릭스의 균일한 침투(impregnation) 때문에, 상기 공기구멍들은 균질하게 상기 반제품 내에 분포된다. 이것은 공기구멍들의 불균칙한 분포를 갖고, 미개방 유리섬유번들(unopened glass fiber bundles) 및 매트릭스 덩이를 갖는 팽창된 GMT와는 현저히 다르다.

필요하다면 기능성 층들이 상기 가열된 혼방 부직포의 일측 또는 양측면에 접촉하여 상기 가압작용과 동시에 가져와져서 공동으로 압축된다. 이들 부가적인 층들은 장식적인 층들, 얇은 섬유 부직포들, 열가소성 필름 또는 직물 시트(fabric sheeting)이다.

상기 최종 플랫(flat) 반제품은 0.5mm 내지 10mm의 두께를 갖는 것이 바람직한데, 특히 1.0mm 내지 5.0mm이다. 특별한 도포들을 위한, 상기 두께는 5.0mm이상의 함량일 수 있다. 상기 반제품에서 상기 강화섬유들의 평균 길이(중량 평균 길이)는 20mm 내지 120mm이고, 바람직하게는 25mm 내지 100mm이고 특히 25mm 내지 50mm이다.

본 발명의 또 다른 목적은 25 내지 55중량%의 열가소성 물질과 중량에 대한 평균길이 25mm 내지 50mm 가진 75 내지 45중량%의 강화 섬유들의, 35 내지 65부피%, 바람직하게는 45 내지 55부피%의 공기구멍들을 균일한 분포로 함유하는 열가소적으로 변형가능한 반제품을 제공하는 것인데, 여기서 상기 강화섬유들은 서로 니들 되고, 80%이상 정도로 개별적인 필라멘트들로 존재하는데 바람직하게는 90%이상 이다. 상기 반제품은 바람직하게는 250 내지 1800g/㎡의 면적중량을 갖고 폴리프로필렌 25중량% 내지 55중량%를 함유하며, 따라서 75중량% 내지 45중량%의 유리섬유를 함유한다.

DE-A 195 20 477은 열적으로 팽창되고 따라서 공기구멍들을 함유하는 섬유 강화된 시트 또는 패널을 개시한다. 이하에서 상술되는 바와 같이 이들 공기구멍들은 상기 패널에서 매우 불규칙적으로 분포되는 반면, 본 발명의 반제품에서는 상기 공기구멍들이 균일하게 분포된다. 또한, 팽창된 GMT 플레이트에서 상기 유리섬유들은 현저하게 미개방된 섬유 번들로서 존재한다. 양 경우에서의 차이점은 스캐닝 전자 현미경(SEM-)사진들에서 쉽게 인식될 수 있다. 실시예1은 팽창된 패널의 면적중량이 2000g/㎡보다 더 큰 것을 보여준다. 상기 유리 섬유들의 길이는 100mm이고 유리섬유들의 함량은 30중량%이다.

US-A 2004/011 2501은 열가소성 섬유들 및 강화섬유들을 함유하는 혼방 부직포를 1 내지 10 바 사이의 압력에서 가압하고 가열함으로써 준비되는 변형가능한 반제품을 개시한다. 그러나 그와 같은 높은 압력에서는 공기구멍들이 거의 완전히 연화된 혼방 부직포로부터 빠져나가도록 강제되고 그 결과 상기 반제품에서 공기구멍들의 함량은 35부피%보다 상당히 미만이다.

EP-A-758577은 "종이제조(papermaking)"공정에 의해 준비된 변형가능한 선형 반제품을 개시하는데, 여기서 저며진 스트랜드들 및 열가소성 입자들은 유화제의 액상 용액에서 분산되고, 그 다음 가압되고 건조된 후 열가압 된다. 상기 최종 플레이트는 열적으로 1.1 내지 15의 팩터(factor)에 의해 다공성 반제품으로 팽창된다. 상기 반제품에서 유리섬유들은 니들되지 않는다; “개별적인 필라멘트들”에 대한 언급이 없다. 니들링이 없기 때문에, 그들은 파괴되지만 오히려 균일한 길이를 가진다; 더구나 그들은 모두 2차원적인 평면에서 배열된다. 이것은 결과적으로 그러한 반제품으로부터 생산된 완제품들의 불충분한 기계적인 특성들을 가져온다.

EP-A 888 856은 100 내지 1000 kg/㎥의 밀도를 가질 수 있는 예를 들어 열가소성 섬유들과 천연 섬유들의 혼합물과 같은 저며진 플라스틱 폐기물(chopped plastic waste)을 개시한다.

본 발명에 따라 생산된 상기 반제품은 감겨서 보관되거나 즉시 플레이트들로 절단될 수 있는데, 예를 들면 400 내지 3000mm × 300 내지 2300mm의 치수이다. 3차원적인 완제 부품들을 형성하기 위해서는 열적으로 처리될 것이다. 그렇게 하기 위해, 대략적으로 절단된 섹션들이 먼저 상기 열가소성물질의 연화점 이상의 온도로 가열되고, 그 다음 재형성(reshape)된다. 그러한 과정에서, 상기 반제품은 상기 니들된 섬유 부직포의 복원력 때문에 팽창된다; 공기구성함량이 클수록 더 많이 팽창된다. 예를 들어 원래 두께의 2배 이상으로 바람직하게는 3배 이상으로 팽창된 반제품은 압축된 플레이트보다 열성형 동안 상당히 용이하게 재형성될 수 있다. 재형성(reshaping)하는 동안, 상기 반제품은 통상적인 두 부분 몰드들에 의해 압축되거나 딥드로잉(deep drawing)에 의해 구체화된다.

상기 완제 부품들은 자동 추진되는 철도 및 항공기 부품들과 같은 운송 부분에서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 차량 바디 부품들로서 또는 큰 면적 패널들 및 가구 부품들로서도 사용될 수 있다. 또한 그들은 방음부품들(acoustic parts) 및 쉘 요소들 및 파티션들을 위한 샌드위치 라미네이트에서 커버 레이어들로서 사용될 것이다.

도1은 실시예1의 반제품 샘플의 32배 확대 단면도를 가진 충동 광 현미경(impinging light microscopy picture)사진을 도시한 것이고,

도2는 실시예1의 반제품 샘플을 통해 완성된 단면(polished section)의 200배 확대된 SEM 사진을 도시한 것이며,

도3은 비교실시예4의 반제품 샘플의 32배 확대 완성된 단면을 가진 충동 광 현미경사진을 도시한 것이고,

도4는 비교실시예4의 반제품 샘플을 통해 200배 확대 단면을 가진 SEM사진을 도시한 것이다.

실시예1

25g/10분의 용융흐름지수(a melt flow index)[230℃, 2.16kg) 및 약 40mm의 길이를 갖는 폴리프로필렌의 재료섬유(staple fibers)가 50.8mm의 길이 및 약 1%의 물 함량을 가진 저며진 유리섬유들과 함께 혼합되었고, 균질하게 혼합된 다음 연속적인 에어레이 공정에서 필라멘트화 되었다. 폴리프로필렌 섬유들과 유리섬유들의 중량비는 60:40이었다. 면적 중량 1200g/㎡을 갖는 상기 최종 부직포 플리스(the resulting nonwoven fleece)가 종래의 니들 직기상에서 일측면으로부터 니들되었다. 2m보다 약간 큰 넓이를 가진 상기 미리 압축된 플리스(the precompacted fleece)가 폴리프로필렌을 용융시키기 위해 약 190℃까지 공기 흐름 오븐에서 가열되었고, 그 후에 즉시 가열된 이중 벨트 적층기(a heated double belt laminator) 로 운반되었다. 거기에서 0.5바의 압력으로 약 15초 동안 압축되었다. 상기 적층기 온도는 상기 폴리프로필렌의 연화점 이상으로 상기 플리스의 코어를 유지하고, 그것이 상기 유리섬유들에 균질하게 침투하는 것이 가능하도록 하기 위해 약 150℃였다. 한편, 상대적으로 낮은 압력 때문에 상기 3차원적으로 랜덤한 지향성의 유리섬유들은 부분적으로 상기 압력에 저항했고, 그 결과 공기 공간들의 일정 부분이 상기 플리스 안에 유지되었다. 후속해서, 상기 플리스는 약 20℃가 유지된 냉각된 이중 벨트 적층기로 삽입되었고, 거기서 상기 폴리프로필렌을 응고하기 위해 90초 동안 0.2바의 압력으로 유지되었다.

2.3mm두께를 가진 상기 최종 반제품은 2m×2m 크기를 가진 블랭크(blanks)로 절단되었다. 상기 평균 유리 섬유 길이는 50mm보다 약간 작았다. 완전 통합의 경우에, 상기 두께는 1.0mm였다. 결과적으로 상기 계산된 공간 함량은 55부피%이다. 도1은 반제품 샘플의 32배 확대 단면도를 가진 충동 광 현미경(impinging light microscopy picture)사진을 도시한다. 보다 균질한 공간 분포가 보여질 수 있다. 도2는 상기 반제품 샘플을 통해 완성된 단면(polished section )의 200배 확대된 SEM 사진을 보여준다. 상기 개별적인 섬유들의 높은 정도의 필라멘트화(90%이상)가 보여질 수 있다. 상기 플레이트들은 높은 경직성(stiffness)을 가지고 있었고 비틀어짐이 없었으며, 예를 들어 로보틱 처리 장비(robotic handling equipment)에 의해 쉽게 처리되고 운송되었다.

비교 실시예 2

가압이 상기 가열된 이중 벨트 적층기에서 3바의 압력으로 90초 동안 수행되었고, 상기 냉각된 이중 벨트 적층기에서 2바로 100초 동안 수행된 것을 제외하면 실시예1이 반복되었다. 상기 최종 반제품은 1.1mm의 두께만을 가졌다. 따라서 상기 계산된 공간 함량은 단지 9부피%였다. 상기 높은 압력 때문에, 얇은 필름들 또는 스크림(scrims) 중 어느 것도 함께 가압될 수 없었다. 상기 얇고 압축된 플레이트들의 처리 및 운반은 어려운 것으로 밝혀졌다.

비교 실시예 3

실시예1에서와 동일한 부직포 플리스가 200×300mm의 드럼치수를 가진 실험실 캘린더 머신에 상기 넓이가 적합하도록 250mm 넓이 롤로 절단되었다. 상기 플리스가 공기 흐름 오븐을 통해 지나감으로써 약 180℃까지 가열되었고, 그 후에 상기 캘린더 실트(the calender silt)안으로 삽입되었다. 상기 2개의 롤러들은 40℃ 표면온도로 조절되었고, 상기 선형 압력은 300N/mm였으며, 상기 회전속도는 5m/min이었다. 상기 가압된 플리스는 고압에 의해 원인되는 100%의 길이연장(lengthening)을 보여주었고, 극도의 형상 비틀어짐 및 섬유 지향성 때문에 사용될 수 없었다.

다른 시험에서, 상기 선형적인 하중이 50N/mm로 감소되었고, 상기 회전 속도는 2m/min으로 감소되었다. 상기 압축된 플리스는 또한 극도의 형상 비틀어짐 및 섬유 지향성 때문에 사용할 수 없었다.

또 다른 시험들이 온도, 압력 및 회전속도가 변경되어 수행되었다. 그러나 형상 비틀어짐 및 내부 텐션 없는 플레이트들의 생산은 가능하지 않았다.

비교 실시예4

DE-A 195 20477의 실시예1에 따른 GMT 공정을 기초로, 1240g/㎡의 면적중량과 100mm의 유리섬유 길이를 가진, 두 개의 니들된 유리 섬유 매트는 이중 밴드 프레스의 상기 가열된 영역에서 3바의 압력 하에서 폴리프로필렌 용융물(면적중량 2860g/㎡)로 침투되었다. 후속하는 냉각 영역에서, 상기 라미네이트는 거의 압력 없이 상기 스틸 밴드들과 상기 기질(substrate)사이의 접촉으로 냉각되었다. 이것은 상기 유리섬유 매트로 하여금 상기 금속 밴드들 사이에서 상기 이미 용융된 폴리프로필렌과 함께 팽창하게 하였다. 상기 다공성 라미네이트의 표면온도는 110℃ 아래로 감소되었고, 그 결과 상기 라미네이트는 쉽게 제거되었다. 상기 최종 팽창된 GMT 반제품은 30중량%의 유리섬유 함량 및 50부피%의 공기구멍들의 함량에 대응하는 0.6g/㎤의 밀도를 가졌다. 상기 4100g/㎡의 면적중량은 가벼운 중량의 부품 또는 차 인테리어 부품들로서 적용되기에는 너무 크다. 도3은 상기 반제품 샘플의 32배 확대된 완성된 단면을 가진 충동 광 현미경사진을 보여준다. 도1과 비교하여, 실질적으로 상기 공기구멍들의 분포가 보다 불균질하다. 도4는 상기 반제품 샘플을 통해 200배 확대 단면을 가진 SEM사진을 보여준다. 상기 섬유번들들이 거의 개방되어 있는 않은 것이 보여 질 수 있다.

상술한 기재가 특정한 상세함을 포함함에도 불구하고, 어떤 방식으로든 특허 청구범위를 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 상술된 실시예들의 다른 구성은 본 발명의 범위의 일부이다. 따라서, 주어진 임의의 특정 실시예가 아니라 첨부되는 특허청구범위 및 이들과 법적인 균등물에 의해서만 본 발명이 제한되어야 한다.

Claims

10 내지 80중량%의 열가소성 물질 및 90 내지 20중량%의 강화섬유를 함유하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법에 있어서,

상기 방법은 :

A. 연속적인 매트(an endless mat)를 형성하기 위해 열가소성 섬유들 및 개별적인 무제한(individual non-bounded) 강화 섬유들을 블렌딩 하는 단계;

B. 열적 처리 또는 니들링(needling)에 의해 상기 단계A에서의 혼방 부직포(the resulting blended nonwoven)가 압축되는 단계;

C. 상기 단계B에서 압축된 혼방 부직포가 상기 열가소성 물질의 연화점보다 높은 온도로 가열되는 단계;

D. 상기 가열된 혼방 부직포를 반제품을 형성하기 위해 압축하는 단계를 포함하는데,

상기 단계D에서의 압축은 가열된 가압수단 및 냉각된 가압수단 상에서 연속적으로 수행되고 상기 혼방 부직포는 적어도 3초 동안 0.8 바(bar)보다 작은 압력에서 압축되는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제1항에 있어서, 상기 단계D에서의 압축과 동시에 상기 가열된 혼방 부직포 상에 기능성 층들이 프레스 되는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제1항에 있어서, 상기 열가소성 섬유들 및 강화 섬유들의 중량평균길이는 20 내지 120mm이고, 상기 두 섬유의 길이는 단지 25%이하로 상이한 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제1항에 있어서, 상기 가압수단에서 압축하는 동안 0.05 내지 0.5바 사이의 압력이 가해지고, 상기 가열된 가압수단에 존재하는 시간은 5 내지 60초이며, 그 결과로서 얻어지는 상기 반제품은 공기구멍들(air pores)이 25 내지 75부피%의 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제1항에 있어서, 상기 가압수단은 압축 플레이트들과, 상기 압축플레이트들을 따라 슬라이딩하면서 상기 혼방 부직포를 끌고 가는 회전식 직물 밴드(revolving fabric bands)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제1항에 있어서, 상기 가열된 가압수단에서 온도는 80℃보다 크고, 상기 냉각된 가압수단에서 온도는 30℃보다 작은 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제1항에 있어서, 상기 단계D동안 상기 가열된 가압수단 이전에 가열된 롤 쌍이 더 배열되고, 상기 가압수단의 가열된 구간 다음에 냉각된 롤 쌍이 더 배열되는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제7항에 있어서, 10N/mm보다 작은 선형 압력(lineal pressure)이 상기 가열된 롤 쌍들에 인가되는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

제7항에 있어서, 10 내지 50N/mm의 선형 압력(lineal pressure)이 상기 냉각된 롤 쌍들에 인가되는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.

25 내지 55중량%의 열가소성 물질 및 중량평균길이는 25 내지 50mm이며 매트릭스에 균일하게 분포된 공기구멍들의 함량은 35 내지 65부피%인 75 내지 45중량%의 강화섬유를 함유하는 열가소적으로 변형가능한 반제품에 있어서, 상기 강화섬유들은 개별적인 무제한(individual non-bounded) 상태로 서로 니들(needled)된 것이고 80%이상의 함량이 존재하는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품.

제10항에 있어서, 25 내지 55중량%의 폴리프로필렌 및 75 내지 45중량%의 유리섬유들로 구성되고 250 내지 1800g/㎡의 면적중량(an areal weight)을 갖는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품.

제4항에 있어서, 상기 반제품은 공기구멍들(air pores)이 35 내지 65부피%의 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산 방법.

제6항에 있어서, 상기 가열된 가압수단에서 온도는 100 내지 220℃이고,

상기 냉각된 가압수단에서 온도는 15℃ 내지 25℃인 것을 특징으로 하는 열가소적으로 변형가능한 반제품의 생산방법.