KR101349162B1 - 경량화 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물 - Google Patents

경량화 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경량화 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재의 GMT 시트를 제공하는 것이다. 보다 구체적으로는 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재의 조성물로 폴리프로필렌, 유리섬유, 가교제, 퍼옥사이드 및 산화방지제을 포함한다.
이에 본 발명은 경량화 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재의 GMT 시트를 제공하여 범퍼 백 빔의 중량을 저감할 수 있으며, 폴리프로필렌 시트 사이에 단일방향 유리섬유 및 임의방향 유리섬유의 복합체를 끼워 넣고 유리 섬유의 방향을 조절하여 종래의 GMT 시트와 동등한 수준의 강도를 가진다.

Description

경량화 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물 {Composition of GMT for Light Weight Bumper Back Beam}
본 발명은 내충격 특성이 우수한 유리섬유강화복합소재(유리섬유 Mat reinforced Thermoplastic, GMT) 복합소재에 관한 것으로, 주로 충돌용 범퍼 백빔에 사용되고 있는 복합소재인 GMT에 관한 것이다.
GMT는 범용 수지인 폴리프로필렌(Polypropylene, 폴리프로필렌(PP))에 길이 방향으로는 Long 유리섬유를 RD(Random Direction)방향으로는 Cho폴리프로필렌(PP)ed 유리섬유를 함침하여 프레스로 성형한 Plate 형태의 복합소재이다. 지금까지 범퍼 백 빔에 사용하고 있는 GMT는 유리섬유 함량 45%로 내충격 특성이 우수한 재료이다.
일반적으로 GMT 복합재료는 우수한 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 충격강도로 인해 충돌성능을 요구되는 제품 혹은 내구성능이 필요한 제품에 사용한다.
그러나 GMT 복합재료는 유리섬유의 함량으로 비중이 증가하는 단점이 있고 강성증대 향상의 한계가 있다.
기존에 사용하고 있는 범퍼 백 빔용 GMT는 충돌성능이 우수하고 리싸이클링이 가능한 복합소재이나 충돌성능을 유지하면서 제품 경량화를 달성하는데는 한계가 있다. 또한 복합소재의 특성상 서로 상이한 재질이 결합하는 구조로 두 재질의 결합구조가 약할 경우 충돌시 결합부에서 크랙이 발생할 수 있는 문제가 있다.
또한 복합소재의 특성상 서로 상이한 재질이 결합하는 구조로 두 재질의 결합구조가 약할 경우 충돌시 결합부에서 크랙이 발생할 수 있다.
본 발명은 유리섬유의 함량 구조를 개선하여 복합소재의 비중을 낮춰 제품(범퍼 백 빔)의 중량을 저감하면서 상기와 동등수준의 물성특성을 갖는 신소재 개발에 목적이 있다.
또한 본 발명은 GMT 복합소재의 주요 성분인 유리섬유의 함량과 배열을 최적화하여 소재의 비중은 낮추면서 동등이상의 충돌성능을 나타낼 수 있는 GMT 경량화 조성물을 목적으로 한다.
본 발명은 유리섬유의 함량 구조를 개선하여 복합소재의 비중을 낮춰 제품(범퍼 백 빔)의 중량을 저감하면서 상기와 동등수준의 물성특성을 갖는 신소재 개발을 위해 유리 섬유의 양을 줄이는 것을 특징으로 하는 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물 및 유리 섬유의 방향을 조절하여 GMT 시트를 제조하였다.
이에 본 발명은 폴리프로필렌, 유리섬유, 가교제, 퍼옥사이드 및 산화방지제을 포함하는 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 유리섬유강화복합소재 조성물을 포함시켜 제조한 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합시트를 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
(i) 본 발명은 경량화 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재의 GMT 시트를 제공하여 범퍼 백 빔의 중량을 저감할 수 있다.
(ii) 보다 구체적으로는 폴리프로필렌 시트 사이에 단일방향 유리섬유 및 임의방향 유리섬유의 복합체를 끼워 넣고 유리 섬유의 방향을 조절하여 종래의 GMT 시트와 동등수준의 물성특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 GMT 시트의 개략도이며, 구체적으로는 폴리프로필렌 사이에 유리 섬유가 끼워진 형태임을 보여준다. 유리섬유는 단일방향유리섬유 및 임의방향유리섬유의 혼합물로 구성된다.
본 발명의 일 양태에 따르면 본 발명은 폴리프로필렌 50-60 중량%, 유리섬유 35-40 중량%, 가교제 0.1-10 중량%, 퍼옥사이드 0.1-4 중량% 및 산화방지제 0.1-4 중량%을 포함하는 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 유리섬유강화복합소재 조성물을 포함시켜 제조한 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 유리섬유강화복합소재를 구성하는 유리섬유는 단일방향 (Uni-Direction, UD)유리섬유에 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 단일방향 (Uni-Direction, UD)유리섬유와 상기 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유의 함량비는 각각 전체 유리섬유강화복합소재를 구성하는 조성물 대비 15-25 중량% 및 25-15 중량%이다. 보다 바람직하게는 18-22 중량% 및 22-18 중량%이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 유리섬유에 사이징제(coating material)를 추가적으로 처리한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 유리섬유강화복합소재를 구성하는 폴리플로필렌 및 유리섬유는 그 구조가 폴리프로필렌 사이에 단일방향 (Uni-Direction, UD)유리섬유와 상기 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유가 적층된다.
이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.
본 발명의 GMT 복합수지 조성물은, (A) 유리섬유의 함량을 45%(±1%)에서 40%(±1%)로 축소하고 유리섬유 Mat의 직조밀도를 증가하여 충돌성능을 개선하면서 소재 비중을 1.279에서 1.224로 낮추어 경량화를 달성하였다. 유리섬유 함량은 각 재질별 물성특성에 영향을 주지 않는 범위에서 상하 오차범위를 지정하였다. (B) 폴리프로필렌(PP)와 유리섬유의 결합력 증대를 위한 유리섬유 Filament Coating Material을 적용하여 유리섬유의 함침구조를 개선하였다. 또한, (C) 폴리프로필렌(PP) 수지에 결합제(Coupling Agent)를 10% 증가하여 유리섬유와 폴리프로필렌(PP)의 결합력을 증대하여 충돌성능을 개선하였다. 결합제의 경우 재질 특성에 중요인자로 작용하기 때문에 오차 범위 없이 정확하게 관리를 해야 한다. 본 발명에서 개발한 복합수지 조성물에는 경량화 및 충돌성능 개선의 특징이 있다. 그리고, 본 발명에서 개발한 GMT 경량화 소재를 GMT Plus+로 명하기로 했다.
일반적으로 컴포지트는 일정 범위 내에서는 보강재(GF) 함량이 올라갈 수록 물성이 증대되나 하기 표 1에 나타낸 것처럼 (A) GMT Plus+개발 컨셉은 GMT 대비 전체 GF 함량을 낮추어 경량화를 달성하고, 유리섬유 Mat 최적 직조 설계를 통하여 GMT 범퍼 백 빔의 충돌성능을 개선하고자 하였다. Mat 최적 직조 설계는 기계방향 (Machine Direction, MD), 방향으로는 단일방향 (Uni-Direction, UD) 유리섬유의 투입량은 유지하면서, 임의방향(Random Direction, RD) 방향의 폴리프로필렌(PP) 유리섬유 투입량은 증가(18%)하여 가로축방향(Transverse Direction, TD) 방향의 물성을 향상시켰으며, 유리섬유 Mat 전체 직조밀도는 증가(6%)되었다.
　 GMT GMT Plus+
GF 함량 45% 40%
비중 1.279 1.224
두께(mm) 3.8T 4.7T
Sheet 중량 (g/m2) 4,862 5,754
GF 중량 (g/m2) 2,188 2,302
UD GF 중량 (g/m2) 1,200 1,200
UD GF 조성비 54.8% (24.7%) 52.1% (20.8%)
RD GF 중량 (g/m2) 988 1,102
RD GF 조성비 45.2% (20.3%) 47.9% (19.2%)
Uni-Direction 유리섬유를 MD(Machine Direction) 방향으로 하고 폴리프로필렌(PP) 유리섬유를 Random하게 UD GF와 직조를 하여 GF Mat를 만들어 용융상태의 폴리프로필렌(PP) 수지에 GF Mat를 함침하여 도 1과 같이 적층 시킨다. 적층 시킨 소재를 프레스로 압축하여 GF가 폴리프로필렌(PP) 수지에 결합하도록 하여 원하는 두께의 GMT Sheet를 생성한다.
GMT는 보강재인 유리섬유와 Polypropylene의 결합에 의하여 물성을 증대를 도모한다. 그러나 유리섬유는 무기물로서, 유기물인 Polypropylene 수지와의 표면 결합력이 강하지 않아, 유리섬유에는 사이징제(Coating Material)를 코팅하고, 폴리프로필렌에는 결합제(Coupling Agent)를 첨가하여 GF와 폴리프로필렌(PP)간의 결합력을 강화한다.
(B) 이에 본 GMT Plus+ 개발에서는 GF 사이징제(sizing material)중 아미노 실란(-NH2)의 함량을 조절하여, 유리섬유와 폴리프로필렌의 함침(Impregnation)을 개선하였다. 상기에 설명한 폴리프로필렌에 부여하는 결합제(Coupling Agent)에는 MAH(Maleic Anhydride)를 사용한다.
(C) 본 GMT Plus+ 개발에서는 유리섬유 Mat의 중량이 증가함에 따라 결합제의 비율을 증가하여(10%) 유리섬유와 폴리프로필렌의 결합력을 증대하였다. 또한 GMT Sheet의 두께 증대를 통하여 금형내에서의 유동성(Flowability)을 증가토록 하여 결합제 증가에 따른 함침(Impregnation) 개선 효과를 극대화하였다.
이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예 이며 하기의 내용에 국한되지 않는다.
실시예 1
Homo Grade 폴리프로필렌 약 56wt%, 말레이산 무수물 1~2wt%, 퍼옥사이드 0.5~1wt%, Stabilizer 1~2 wt%를 첨가한 매트릭스를 40wt%의 직조된 유리섬유 Mat에 함침시켜 두께 4.7mm의 GMT 시트를 제조하였다. 이 때, 말레이산 무수물은 비교예1에서의 양보다 10% 증가하여 투입하고, 사이징이 제 개선된 유리섬유를 투입하였다. 하기 표 2는 본 발명의 실시예에 기재된 물질 및 그의 함량을 기재하였다.
물 질　 함 량 역 할
폴리프로필렌(PP)(Homo Grade) 55~58wt% Base Resin
유리섬유 40wt% 보강재
말레이산 무수물(가교제) 1~2wt% 폴리프로필렌(PP)와 유리섬유 간의 결합(가교제)
Peroxide 0.5~1wt% 폴리프로필렌(PP)의 MI조절제
Stabilizer 1~2wt% 폴리프로필렌(PP)의 산화방지제
비교예 1
Homo Grade 폴리프로필렌 약 52wt%, 말레이산 무수물 1~2wt%, 퍼옥사이드 0.5~1wt%, Stabilizer 1~2wt%를 첨가한 매트릭스를 45wt%의 직조된 유리섬유 Mat에 함침시켜 두께 3.8mm의 GMT 시트를 제조하였다.
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실험 결과
하기 표 3에서 비교예 1 및 실시예 1의 물성 특성을 비교하였다.
하기 표 3의 데이터를 보면 현 GMT 대비 보강재의 함량을 줄였음에도(45% → 40%) 굴곡강도는 비슷한 물성을 가짐을 알 수 있었다. 또한, TD 방향 인장강도는 증가하였다. 이를 통해 MD/TD 방향의 물성을 최적화 시켰다.
GMT Plus+는 비중을 낮춰(4%) 동일 부피의 제품을 성형하여 경량화를 달성할 수 있다. 이는 TD 방향의 인장강도 증가와 MD/TD 방향의 물성 최적화, GF Sizing제 개선을 통해 이뤄졌다. 결론적으로 비중감소를 통한 제품중량 절감효과와 물성개선을 통한 충돌성능 개선을 동시에 만족할 수 있는 발명의 효과를 가진다.
구분 비교예 1 실시예 1
비중 1.279 1.224
인장강도
(Mpa)		 MD 260 230
TD 45 55
굴곡강도(Mpa) 230 220

Claims (6)

  1. 폴리프로필렌 50-60 중량%, 단일방향(Uni-Direction, UD) 유리섬유에 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유가 첨가된 유리섬유 35-40 중량%, 가교제 0.1-10 중량%, 퍼옥사이드 0.1-4 중량% 및 산화방지제 0.1-4 중량%를 포함하는 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 조성물.
  2. 폴리프로필렌 50-60 중량%, 단일방향(Uni-Direction, UD) 유리섬유에 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유가 첨가된 유리섬유 35-40 중량%, 가교제 0.1-10 중량%, 퍼옥사이드 0.1-4 중량% 및 산화방지제 0.1-4 중량%를 포함하는 유리섬유강화복합소재 조성물을 포함시켜 제조한 범퍼 백 빔용 유리섬유강화복합소재 시트.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 단일방향 (Uni-Direction, UD)유리섬유와 상기 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유의 함량비는 각각 전체 유리섬유강화복합소재를 구성하는 조성물 대비 15-25 중량% 및 25-15 중량%인 것을 특징으로 하는 유리섬유강화복합소재 시트.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 유리섬유에 사이징제(coating material)를 추가적으로 처리한 것을 특징으로 하는 유리섬유강화복합소재 시트.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 유리섬유강화복합소재를 구성하는 폴리플로필렌 및 유리섬유는 그 구조가 폴리프로필렌 사이에 단일방향 (Uni-Direction, UD) 유리섬유와 임의방향(Random Direction, RD) 유리섬유가 적층된 것을 특징으로 하는 유리섬유강화복합소재 시트.
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