KR101434338B1 - 증가된 강도를 갖는 복합 부재의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 특히 복합체의 부하 지지력 및 전반적 강도의 증가에 초점을 맞춘 압출된 복합 부재에 관한 것이다. 사출가능한 상응하는 구조적 코어재는 압출된 복합재 내에 발포 셀을 대신하여 사용되며, 상기 코어재를 사용함으로써, 전반적인 부하 지지 안정성 및 강도를 증가시킬 수 있다. 상기 코어재는, 상기 구조재와 관련하여 바람직한 CTE를 가지도록 맞춤화된다. 또한, 상기 복합 부재의 강도를 증가시키기 위해, 상기 코어재에 섬유 및 고상의 구조적 충전재를 더 혼입할 수 있다. 본 발명의 목적은, 항공우주 용도에서 및 기타 목적을 위해, 목재를 대신하여 이들 기법의 사용이 가능하도록, 복합 재료가 높은 구조적 부하 지지력을 가질 수 있도록 하는 것이다.
코어재, 구조재, 복합 부재, 강도, 압출, 사출, 보이드

Description

증가된 강도를 갖는 복합 부재의 제조 방법 {METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MEMBERS HAVING INCREASED STRENGTH}
본 발명은 일반적으로 복합체 매트릭스의 내부에 구조적 코어재(core material)를 가진 구조체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 압출된 부재의 강도를 증가시키도록 맞추어진(tailored) 선택된 코어재를 가진 압출된 복합 건축재(composite building material)에 관한 것이다.
압출 공정은 엔지니어링 구조재를 생산하기 위한 가장 경제적 제조 방법 중 하나이다. 전형적으로, 압출 공정은 균일한 단면을 가진 매우 긴 압출 부재를 제조하는 데 이용된다. 상기 부재의 단면은 원형, 환형 또는 직사각형과 같은 여러 가지 간단한 형상으로 되어 있을 수 있다. 상기 부재의 단면은 또한 내부 지지 구조를 포함하고 및/또는 불규칙한 외주를 가진 매우 복잡한 구조일 수 있다.
전형적으로, 압출 공정은 피드 호퍼(feed hopper) 내로 도입되는 열가소성 폴리머 콤파운드(compound)를 활용한다. 열가소성 콤파운드는 분말 형태, 액체, 입방체, 펠릿화 및/또는 임의의 다른 압출 가능한 형태로 되어 있을 수 있다. 열가소성 폴리머는 새 것, 재생된 것, 또는 그 두 가지의 혼합물일 수 있다. 또한, 열가소성 재료는 셀형 발포체 구조 코어(cellular foam structure core)를 만들기 위해 압출 공정중에 발포제(blowing agent)(들) 또는 기계적으로 사출된 가스로 혼입될 수 있다.
상기 코어를 형성하는 데 사용되는 바람직한 재료는, 처리하기에 용이하고, 양호한 충격 강도, 높은 압출률, 양호한 표면 성질, 양호한 치수 안정성 및 압흔 내구성(indentation resistance)을 가진 강성 PVC 분말 콤파운드이다.
또한, 바람직한 압출 포뮬레이션은 하나 이상의 처리 보조제를 함유할 수 있다. 바람직한 처리 보조제의 일례는, Rohm and Haas사 제품인 Acryloid K-125 또는 K-175와 같은, 저분자량의 아크릴계 수지이다. 또한, 하나 이상의 윤활제를 사용할 수도 있다. 내부 윤활제 및 외부 윤활제가 제공될 수 있다. 바람직한 내부 윤활제는 스테아르산의 칼슘염 및 아연염과 같은 금속 스테아르산염을 포함한다. 바람직한 외부 윤활제는 파라핀을 포함한다.
이에 더하여, 생산비를 절감하고 충격 성질을 개선하기 위해 충전재를 열가소성 포뮬레이션에 첨가할 수 있다. 여러 가지 형태의 충전재가 열가소성 수지와 상용성을 갖지만, 전형적인 충전재는 탄산칼슘이다.
압출된 부재의 용도의 예로는 압출된 복합 건축재가 포함된다. 압출된 복합 건축재는 가옥 측면부(house siding), 건축 몰딩, 울타리(fencing), 덱킹(decking), 기타 응용 등의 응용 분야에 사용되어 왔다. 기존의 압출된 복합 건축재와 관련된 하나의 단점은, 기존 재료가 구조적 목재, 예를 들면 다양한 크기의 목재 빔, 즉 2×4, 2×6, 2×8, 4×4, 4×6, 4×8, 등의 목재 빔으로 직접 완결시키거나 이들을 대체하는 데 필요한 강도를 갖지 못한다는 점이다. 복합재의 환경 적 안정성, 즉 건조 부패의 부재, 테르마이트(termite)의 부재, 휨(warping)의 부재, 갈라짐(splitting)의 부재 등은 복합 덱킹 및 울타리 재료의 증가된 개수를 초래하였다. 그러나, 복합재는 전형적으로 구조적 강도를 위한 목재 지지 구초제를 필요로 한다.
예를 들면, 복합체 재목은 현재 덱킹, 레일링 시스템 및 놀이터 장치용으로 사용된다. 자료에 의하면 현재 미국에서 복합 목재용을 연간 3억불의 시장이 존재하는 것으로 나타난다. 현재 시장의 80%는 목재 플라스틱 복합체(wood plastic composite; WPC)의 형태를 이용하는 것으로 추정된다. 그 밖의 30%는 고체 플라스틱인 것으로 추정된다. 목재 플라스틱 복합체(WPC)는 열경화성 물질 또는 열가소성 물질과 혼합된 목재 입자를 함유하는 임의의 복합체를 의미한다. WPC 산업은 소나무, 단풍나무, 참나무, 기타를 포함하는 미국에서의 영역에 관계된 통상적 목재 종을 사용한다. 전형적으로 WPC에 결부되는 입자 크기의 범위는 10~80% 메쉬(mesh)이다. 목재 섬유의 존재는 예를 들면 목재 플라워(wood flower)에 비해 복합체의 내부 강도 및 기계적 성질을 증대시킨다. WPC는 전형적인 제조 공정에서 약 20~70 질량%의 플라스틱에 대한 목재의 비를 이용한다.
WPC는 플라스틱 시스템에 비해 바람직한 특징을 가진다. 예를 들면, 플라스틱 내에 목재 충전재를 첨가하면 일반적으로 경직성을 향상시키고, 열 팽창 계수를 감소시키고, 비용을 절감하며, 실제 목재의 느낌을 자극하고, 스키드 저항(skid resistance)을 향상시키는 거친 텍스쳐(rough texture)를 생성하고, 목재와 유사한 방식으로 WPC를 절단하고 성형하고 묶을 수 있게 한다.
플라스틱에 목재 입자를 첨가하면 또한 몇 가지 바람직하지 않은 특성을 초래한다. 예를 들면, 목재 입자는 부패될 수 있고, 곰팡이의 공격을 받을 수 있고, 목재 입자는 수분을 흡수할 수 있고, WPC 부재의 표면 상에서 결빙과 해동 사이클에 의해 파괴될 수 있고, 목재 입자는 예를 들면 나뭇잎으로부터의 환경적 얼룩을 흡수할 수 있고, 목재 입자는 WPC 재료에 부적절하게 분해될 경우 포켓을 생성할 수 있으며, 이 포켓은 육안 검사로는 검출될 수 없는 파손 위험을 초래할 수 있고, 다양한 목재 종의 색 흡수가 일정하지 않기 때문에 목재 입자는 일관된 색상을 유지하는 데 있어서 제조상 곤란을 초래한다. 플라스틱은 시간이 경과되면 사라지는 UV 안정화제를 사용한다. 그 결과, 표면 상의 목재 입자는 주변의 표백 작용을 받기 쉽다. 따라서, 덱크의 수리는 6개월 내지 1년 후의 일광 노출 후 변색으로 인해 어렵다.
전형적인 압출 복합체 디자인에서, 증가된 지지력(load bearing capacity) 능력은 내부 발포체 코어로 내부 지지 구조를 결합시킴으로써 중량을 최소화하면서 증가시킬 수 있다. 그러한 디자인은 미국 특허 제4,795,666호; 제5,728,330호; 제5,972,475호; 제6,225,944호; 및 제6,233,892호에 기재되어 있다.
비압출 복합체의 증가된 부하 지지력, 안정성 및 강도는 구조적 층들 사이에 기하학적 형상을 가진 코어재를 위치시킴으로써 달성되었다. 예비 성형된 기하학적 형상을 가진 코어재의 예는 육각형 시트재 및 경량급 목재 및 발포체를 포함한다. 전형적인 예비 성형된 코어재와 관련된 문제점으로는 상기 재료의 예비 성형된 형상으로 인해 압출 공정 내로 상기 재료를 혼입하는 것과 관련된 어려움이 포 함된다.
복합체 섬유 디자인으로 강도를 증가시키려는 다른 노력은 플렉스 비율(flex ratio)에 대해 증가된 강도를 얻기 위해 복합체에서의 섬유 배향(fiber orientation)에 초점이 맞추어졌다. 전형적인 압출 복합체 공정에서, 섬유/충전재는 수지/플라스틱 전반에 걸쳐 무작위로 설치된다. 따라서, 섬유 배향에 의한 강도의 증가는 압출 공정에는 적용되지 않는다.
발포체 코어재는, 예를 들면 1930년대 및 1940년대 이래 해양 산업에서, 그리고 섬유 강화 플라스틱의 혼입 이래 우주 산업에서의 복합체 재료 경직화(stiffening)를 위한 복합체에서 사용되었다.
최근, 코어재용 구조적 발포체는 강도 및 환경정 안정성 측면에서 크게 향상되었다. 구조적 코어재 강도는 섬유의 첨가에 의해 현저히 향상될 수 있다. 폴리우레탄 발포체는 가요성 항복 강도(flexible yield strength)를 8,900 psi로부터 62,700 psi로 증가시키기 위해 파쇄된 유리 섬유에 의해 개질될 수 있다.
종래 기술의 특허는 발포체 코어재를 강성인 것 또는 고밀도를 가진 것으로 설명하는 경향이 있다. 그러나, 발포체 코어의 구조상 기계적 성질은 언급되지 않는 경향이 있다. 부하 능력에서의 변화를 얻는 통상적 방법은 재료의 밀도를 변화시키는 것이다. 예를 들면, 이것은 발포제로서 물이 사용되는 폴리우레탄에서 행해질 수 있다. 폴리우레탄의 밀도는 수분 농도가 증가됨에 따라 감소된다.
코어재 및 구조적 재료가 화학적 및 물리적으로 상용성이 없을 때 일어날 수 있는 문제 중 하나는 층분리(delamination)이다. 화학적 및 물리적 불일치 성(incompatibility)은 코어재 및 구조적 재료가 서로 분리될 때 구조적 파괴가 일어나는 복합체 구조를 초래할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 부하 지지력, 안정성 및 강도가 새로운 수지/플라스틱, 섬유/충전재 및 내부 구조적 지지 부재를 사용하여 엔지니어링 개선에 의해 증가될 수 있지만, 부하 지지력은 압출 공정의 역학(mechanics)에 의해 여전히 제한된다. 엔지니어링된 건축재와 관련된 이점, 즉 건조 부패, 테르마이트, 휨, 갈라짐 등과 관련된 문제의 배제에도 불구하고, 목재의 기계적 특성을 얻기 위한 압출된 복합체 구조재의 실패는 엔지니어링된 건축재의 잠재적 경제적 시장 가치로부터 저감되었다.
또한, 우주 응용과 같은 다른 응용 분야는 복합체 구조를 활용하고, 코어재와 구조적 재료의 층분리와 관련된 문제가 있었다.
따라서, 복합체 코어재가 층분리되지 않도록 개선하는 데 도움을 주기 위해 복합체 코어를 안정화함으로써 목재 부하 지지 구조체를 대체하고 복합체 산업 전반을 개선하기 위해, 이들 기술이 압출된 복합체에 혼입될 수 있도록, 구조적 코어재로 하여금 가능한 한 가장 높은 구조적 부하 지지력을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 특히 복합체의 부하 지지력 및 전반적 강도의 증가에 초점을 맞춘 압출된 복합재에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양은 구조적 재료의 기계적 성질에 관해 원하는 열 팽창 계수(CTE)를 갖도록 코어재를 맞추는 것에 관한 것이다.
본 발명의 일 태양은 맞추어진 코어재를 압출된 구조적 부재 내에 혼입하는 제조 방법을 목표로 한다. 일 실시예에서, 본 발명은 복합체 부재가, 건설 프로젝트에 사용되는 목재, 예를 들면, 가정용 덱크 건설 및 기타 프로젝트에서 사용되는 판재(plank) 및 지주(post)와 경쟁할 수 있도록 증가된 부하 지지력 및 전반적 강도를 가진 복합체 부지에 관한 것이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 증가된 강도를 가진 항공우주 구성 요소를 구축하는 데 이용될 수 있다. 본 발명의 범위에 포함되는 부가적 용도를 도모할 수도 있다.
본 발명의 하나의 목적은, 발포체와 같은 상응하는(conformable) 코어재를 압출된 부재로 사출함으로써 압출된 부재의 부하 지지력 및 강도를 증가시키는 것이다. 본 발명은 제조자의 기존 압출 장치에 결부될 수 있는 사출 시스템을 활용하는 압출 다이를 상정한다.
상응하는 코어재는 압출된 부재의 내부 구조적 지지 부재 내 및 주위로 사출된다. 바람직하게는, 상기 부재는 압출되지만, 코어재는 상기 부재 내의 공기 공극(void)을 대체하도록 사출된다. 상응하는 구조적 코어재의 사출은 구조적 부재가 압출됨과 동시, 및 그와 동일한 속도로 부하 지지력, 안정성 및 전반적 강도를 증가시킴으로써, 그리고 경제적 적합성을 향상시킴으로써 유의적 개선을 산출한다. 예를 들면, 강성 폴리우레탄 발포체의 가격은 PVC에 비해 단위 체적당 약 10배 저렴하다. 따라서, 압출된 부재의 내부 체적 중 일부를 발포체로 대체함으로써, 동일한 구조적 강도 또는 더 큰 강도를 유지하면서도 PVC 체적이 감소된다. 따라서, 상응하는 발포체의 사출은 유의적 비용 절감을 가져온다. 몇몇 응용에서, 사출 가능형 상응하는 구조적 코어재는 앞서서 경화된 압출된 부재에 적용될 수 있다.
사출가능형 상응하는 구조적 코어재의 이점 중 하나는 상기 코어재가 구조체에 존재하는 기하학적 형상에 상응하기 때문에 복합재의 구조적 디자인에 의해 제한되지 않는다는 점이다.
코어재 및 구조적 재료가 초기에는 각각의 CTE에 무관하게 복합 부재 내에 결합될 수 있지만, 이것은 장기간에 걸쳐 구조적 일체성(integrity)을 보장하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 원하는 재료의 CTE를 얻기 위해 최적량의 구조적 충전재를 선택함으로써 상응하는 구조적 코어재를 맞추는 단계를 포함한다. 구조적 코어재를 맞추는 단계는 재료의 조성에 관계없이 복합 구조적 디자인에 대한 해법을 제공한다.
본 발명의 일 태양은 선택된 열적 플라스틱(thermal plastic)과 선택된 발포체 코어재 사이의 기계적 상호작용 및 관계를 제공한다. 열적 플라스틱은 주변 온도에 의해 영향을 받는 기계적 성질을 가진다. 예를 들어, 열적 플라스틱은 저온일수록 더 강한 반면 더 깨지기 쉽다. 열적 플라스틱은 상대적으로 더운 기후에서는 강도가 약하지만, 가요성은 더 크다.
열적 플라스틱 재료 내부의 코어재를 위한 발포체는 열적 플라스틱의 구조적 강도의 변동을 극복하도록 맞추어질 수 있다. 예를 들면, 이상적인 코어재는, 주위 환경에서의 열적 가열로 인해 구조재가 받게 되는 열적 플라스틱 구조재의 열적 침하 특성(thermal sag characteristics)을 상쇄하는 열적 팽창성을 가지도록 선택된다. 코어의 열적 팽창 및 복합체의 기계적 강성도(stiffness)는 원하는 강도와 내부 압력을 얻도록 맞추어질 수 있어 복합체의 기계적 보강이 얻어질 수 있다.
내부 코어재의 열적 팽창과 관련하여 열적 플라스틱 재료의 열적 침하의 상호작용은 특별한 플라스틱과 함께 사용하기 위한 이상적 발포체를 선택하기 위해 고려될 수 있다. 이상적으로는, 상기 재료는 참 복합체(true composite)로서 기능할 것이다. 복합체 디자인과 관련한 본 발명의 엄청난 용도 및 재료의 무한한 선택을 수반한 그의 용도, 및 그 조합 때문에, 본 명세서에 기재된 방법은 최적의 재료 편성(material pairing)을 결정할 수 있게 한다. 구조적 부재의 내부 코어 부재 및 외부 구조체는 온도의 상승에 따라 기계적으로 약화되기 때문에, 최적의 열적 팽창과 아울러 향상된 열적 기계적 성질을 가진 선택된 내부 코어재는, 고무의 기계적 강직성을 증가시키기 위해 자동차 타이어를 팽창시키는 것과 유사한 방식으로, 조합된 복합체의 강성 및 기계적 강도를 향상시킬 것이다.
발포체와 같은 코어재를 사용하는 것과 관련된 또 다른 이점은 발포체의 단열성이다. 구조적 부재의 표면으로부터 복합체의 내부 지지 구조체까지의 열전달 속도를 감소시킴으로써 현저한 기계적 이점이 얻어지고, 그 결과 열 변동으로부터 내부 지지 구조체를 열적으로 보호하고, 온도가 상승되어 있는 동안 복합체에 있는 셀 구조의 내부 강도를 증가된 상태로 유지시킨다.
CTE는 복합체 매트릭스 내에서 구조재와 코어 사이의 표면 기능성을 향상시키도록 맞추어질 수 있고, 그 결과 두 재료의 접촉 계면에서 열적 사이클링에 의해 발생되는 전단 응력을 감소시킬 수 있다. 폴리우레탄 발포체의 밀도는 발포제, 전형적으로는 물에 정비례한다. 물이 적을수록 셀 구조는 더 치밀하여, 더 높은 밀도의 발포체가 얻어진다.
폐쇄된 셀 구조에서, 코어재에 의해 생성된 열적 사이클링에 의해 초래되는 내부 힘을 제어하는 것은 CTE의 맞춤에 의해 달성될 수 있다. 코어재의 CTE는 코어재 내 충전재의 양을 조절함으로써 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 촙 섬유(chop fiber)와 미소 구체(micro sphere)와 같은 충전재는 구고적 발포체 내에서 훨씬 낮은 CTE를 가진다. 유리 구체의 CTE는 대부분의 수지 재료보다 100배 더 작다.
유리 구체 또는 세라믹 구체는 발포제에 의해 생성되는 발포 셀에 비해 엄청난 압축 강도를 가진다. 따라서, 미소 구체의 첨가는 발포체의 CTE를 맞출 수 있는 능력뿐 아니라 저압축 강도 셀 구조를 더 높은 강도의 셀 구조로 대체할 것이다.
촙 섬유의 혼입은 발포체 전체에 걸쳐 교차 구조적 강도(cross structural strength)를 현저히 가중시킨다. 출원인의 기계적 모델 분석은 기계적 구조와 무관하게 코어재의 존재로부터 재료의 강도가 증가됨을 명확히 나타낸다. 상기 분석은 압출된 PVC에 대한 것이었다. 압출된 PVC 부재의 일부는 촙 섬유로 채워졌고, 일부는 그렇지 않았다. 촙 섬유는 구조적 부재의 강도를 증가시켰고, CTE를 감소시켰다. 발포체 코어재에 대한 선택된 충전재의 첨가제는 유사한 특징을 나타낸다. 복합체에 대한 적절한 재료를 선택하는 것은 복합체가 균질한 재료가 아니기 때문에 복잡한 일이다. 그러나, 복합체는 구조적 변동 없이 균질한 구조체로서의 기능을 갖는 것이 요구된다. 그 모델들은 복합재 내에서 보강 섬유가 부하 지지력을 어떻게 증가시키는가를 명확히 나타낸다.
인조 섬유 및 충전재는 코어재의 기계적 성질을 향상시키는 동시에 코어재의 CTE를 낮추기 위해 사용될 수 있다. 이상적으로는, 충전재가 환경적으로 안정하고 구조적 디자인에 내포될 수 있도록 원하는 기하학적 형상으로 조작될 수 있어야 한다. 섬유 재료의 예는 유리 섬유, 탄소 및 나일론을 포함한다. 이들 섬유는 원하는 재료가 발포체 플라스틱인 경우에 플라스틱 제조자로부터 사출 성형 공정에 혼입될 수 있는, 원하는 직경을 가진 특정 길이로 절단될 수 있다. 수지가 폴리우레탄 발포체와 같은 반응성 재료인 경우에, 충전재 및 섬유는 반응성 성분들을 혼합하기 전에 액체 단계에서 혼합되거나, 압출되기 이전에 발포체 혼합 챔버 내에서 혼합될 수 있다. 열 팽창 계수는 플라스틱에 대한 충전재의 체적비에 정비례한다.
고체 코어재는 높은 강도와 빠른 경화 시간을 가진 고밀도 폴리우레탄, 폴리우레아 및 에폭시 물질로부터 제조될 수 있다. 이들 재료는 충전재 또는 미소 구체와 함께 충전되어 고강도 사출 가능한 코어재를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 방법은 덱킹 및 건설 목적의 복합체 판재를 형성하는 데 이용된다. 판재의 상부 표면은, 조면화, 홈 형성, 크로스-해치 형성, 줄무늬 형성, 피트 형성, 크랙 형성 또는 목재 그레인 텍스쳐(wood grain texture)와 같은 텍스쳐 마감처리를 갖도록 처리되거나 성형될 수 있다. 압출된 코어의 표면 텍스쳐링을 달성하기 위해 냉각 캘리브레이터(cooling calibrator)의 후방 및 압출 다이 다음에 기계적 엠보싱 롤러(embossing roller)를 설치할 수 있다. 이 방법에 의해 코어 상에 목재 그레인 등과 같은 임의의 다양한 텍스쳐를 생성할 수 있다.
도 1은, 기계적 안정성 및 강도를 추가하기 위한 내부 지지 구조를 가지는 압출 다이의 단면도이다.
도 2는, 도 1의 다이로부터 압출된 압출 부재의 단면도이다.
도 3은, 압출 부재의 보이드 영역을 상응하는 코어 구조재로 충전하기 위한 사출 시스템을 가지는 압출 다이의 단면도이다.
도 4는, 사출 가능한 상응하는 구조적 코어재로 충전된 보이드 영역을 가지는 압출 부재의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는, "모델 1(Model 1)"이라고 칭하는 구조를 가지는 압출 부재의 단면도로서, 도 5a는, 빈 보이드를 가진 압출 부재를 도시한 도면이고, 도 5b는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가지는 압출 부재를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는, "모델 2(Model 2)"라고 칭하는 구조를 가지는 압출 부재의 단면도로서, 도 6a는, 빈 보이드를 가진 압출 부재를 도시한 도면이고, 도 6b는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가지는 압출 부재를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는, "모델 3(Model 3)"이라고 칭하는 구조를 가지는 압출 부재의 단면도로서, 도 7a는, 빈 보이드를 가진 압출 부재를 도시한 도면이고, 도 7b는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가지는 압출 부재를 도시한 도면이다.
도 8은, 지지 포스트(support post)로서 사용하기에 적절한 압출 부재의 단면도로서, 여기서, 상기 포스트는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가진다.
도 9는, 지지 포스트로서 사용하기에 적절한 압출 부재의 단면도로서, 여기서, 상기 포스트는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가진다.
도 10은, 지지 포스트로서 사용하기에 적절한 압출 부재의 단면도로서, 여기서, 상기 포스트는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가진다.
도 11은, 지지 포스트로서 사용하기에 적절한 압출 부재의 단면도로서, 여기서, 상기 포스트는 상응하는 코어재로 충전된 보이드를 가진다.
도 12는, 도 8의 고체 빔을 대상으로 한 응력 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 13은, 미소 구체 발포 매트릭스를 통한 발포체 상호작용이 존재하는 경우의 구조적 코어재의 단면도이다.
(본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명)
본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시예 및 단계에 대한 설명으로 제한되지 않는다는 점을 유의해야 한다. 본 발명은 기타 실시예에 따를 수 있고, 다양한 방법으로 실시 또는 수행될 수 있다. 본 명세서에 사용된 표현 및 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들로 제한되지는 않는다는 것 또한 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술의 압출 다이(10)의 단면도이다. 압출 다이(10)은, 다이 벽(16)을 한정하는 내부 다이 엘러먼트(14) 및 외부 다이 엘러먼트(12)를 포함한다. 다이 벽(16)은 용융된 재료가 통과하는 채널(18)을 한정한다. 일단, 상기 용융된 재료가 다이(10)의 외부로 빠져 나가면, 상기 재료가 냉각됨으로써, 압출 부재, 예컨대, 도 2의 단면도에 도시된 압출 부재(19)가 얻어진다.
도 3은, 특성이 향상된 압출 다이(20)를 도시한 도면이다. 압출 다이(20) 은, 다이 벽(26)을 한정하는 내부 다이 엘러먼트(24) 및 외부 다이 엘러먼트(22)를 포함한다. 다이 벽(26)은 채널(28)을 한정하며, 재료는 상기 채널을 통과한다. 발포체 또는 기타 재료와 같은 코어재의 도입을 촉진하기 위해, 내부 다이 엘러먼트(24) 내에 인젝터 경로(30)가 제공된다. 따라서, 용융된 재료는 채널(28)을 통과하여, 다이의 외부(20)로 빠져 나가는 한편, 이와 동시에, 상기 압출된 부재는 코어재로 충전된다. 그 결과로 얻어지는 것은, 상기 압출 부재 내에 위치한 코어재(34)를 가지는 압출 부재(32)(도 4)이다.
도 5a∼7b에 대해 설명하면, 각각의 도 5b, 도 6b 및 도 7b에는 코어재(34)로 충전된 보이드를 가지는 복합 부재(36, 38, 40 및 42)가 도시되어 있다. 복합 부재(36, 38, 40 및 42)는 다양한 내부 지지 구조를 가지는 부재로서 압출될 수 있다. 예를 들면, 도 5b에는, 수직형 지지체(42) 및 대각선형 지지체(44)를 가지는 내부 구조의 복합 부재(36)가 도시되어 있으며, 여기서, 보이드는 코어재(34)로 충전되어 있다. 또한, 도 6b에는, 코어재(34)로 충전된 보이드를 형성하는 대각선형 지지체(46)을 가지는 복합 부재(38)이 도시되어 있다. 도 7b에는, 코어재(34)로 충전된 복수 개의 수직형 내부 지지체(48)를 가지는 복합 부재(40)이 도시되어 있다. 본 발명에서는 기타 구조 역시 가능하다.
도 8∼도 11에는 다양한 내부 지지 구조를 가지는 복합 구조 빔(50, 52, 54 및 56)이 도시되어 있으며, 여기서, 각각의 빔은 코어재(34)로 충전되어 있다. 예를 들면, 도 8에는, 내부 지지체를 가지지 않으며, 코어재(34)로 충전된 빔(50)이 도시되어 있다. 도 9에는, 대각선형 지지체(58) 및 직각형 지지체(60)를 가지며, 코어재(34)로 충전된 빔(52)가 도시되어 있다. 도 10에는, 코어재(34)로 충전된 서로 동일한 크기의 4개의 보이드를 한정하는 제1 및 제2 직각형 지지체(62)를 가지는 빔(54)가 도시되어 있다. 도 11에는, 4개의 직각형 지지체(64)를 한정하는, 코어재(34)로 충전된 9개의 보이드를 포함하는 빔(64)가 도시되어 있다. 본 발명에 따르면, 기타 내부 지지 구조를 적용하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예, 예컨대, 도 2 및 도 4의 실시예에 따르면, 사출 가능한 상응하는 구조적 코어재(34)는 인젝터 경로(30)를 통과하여 압출 다이(20) 내로 제공되는 한편(도 3), 구조재는 다이(20)을 통과한다. 압출 공정을 수행하는 동안에는 최적 공급 속도를 결정해야 한다. 일례를 들면, 압출 부재의 구조적 기하는 치수가 1 인치×1 인치이고, 벽 두께가 0.2 in.인 정사각형 튜브이다. 바람직한 압출 공정에서는, 상기 복합 부재에 대한 응력이 바람직하지 않게 증가하지 않는 최적 성능을 얻기 위해, 사출 가능한 상응하는 구조적 코어의 공급 속도를 산출한다. 일례를 들면, 상기 사출 가능한 상응하는 구조적 코어재로서, 경질 폴리우레탄 폼 또는 스티렌 폼, 즉, Bayer에서 제조한 발포체 Baydur 726 IBS를 사용할 수 있다. 또한, 이하에 기재하는 바와 같은 기타 재료를 사용할 수도 있다. 하기 단계에 따라 상기 최적 공급 속도를 산출한다.
단계 1: 발포체의 액체로부터 고체로의 발포 속도를 계산한다. 발포체의 특성과 관련하여, 하기 가정을 이용할 수 있다.
발포체의 자유 발포 밀도(free rise density)를 기준으로, 1 g= 약 4.0 ㎤
1 g= (4.0 ㎤(1 in3/(2.45 ㎝)3))=0.27 in3
단계 2: 선형 피트(feet) 기준 당 충전되고 있는 보이드 부피를 계산한다.
1 ft= 12 in
피트 당 보이드 부피= (12 in)(1 in)(1 in)= 12 in3
단계 3: 상기 복합 재료의 피트 당 압출 속도를 계산한다. 이 계산은 장치 구동 파라미터를 기준으로 한다. 상기 복합 재료의 압출 속도는 10 ft/min인 것으로 가정한다.
단계 4: 상기 복합 재료의 압출 속도와 매칭시키기 위해, 발포되지 않은 발포체의 액체 사출 속도를 정한다. 단계 1에서의 발포 속도 산출값, 단계 2에서의 보이드 부피 산출값 및 단계 3에서의 압출 속도 산출값을 단계 4에 이용한다. 이렇게 하여 계산된 액체 유속을 적용함으로써, 부피 팽창 미스매치(mismatch)로 인한 팽윤이나, 상기 내부 구조 내 보이드의 생성 없이, 상기 구조체에 상기 복합 구조를 완전히 충전시킬 수 있다. 또한, 상기 복합 재료의 압출 속도와 매치시키기 위해서, 단계 1에서의 발포 속도 산출값, 단계 2에서의 산출값 및 단계 3에서의 압출 속도 산출값을 이용하여, 발포되지 않은 발포체의 액체 사출 속도를 계산한다.
10 ft/min(12 in3/1 ft)(1 g/0.27 in3)=444 g/min
분 당 10 압출 보드 피트를 충전하기 위해, 전술한 바와 같이 산출된 미반응 발포 재료의 액체 유입 속도 444 g/min를 적용하는 경우에는, 상기 구조적 복합 재료 내에 보이드가 생성되지 않고, 부피 팽창 미스매치로 인한 팽윤이 일어나지 않 으면서, 상기 구조체에 상기 복합 재료를 완전히 충전시킬 수 있다. 전술한 예는, 사출 시, 물리적 부피가 변화하지 않기 때문에, 섬유 및 구조적 충전재를 가지지 않는 발포체의 발포 특성에 초점을 둔 것이다.
대부분의 발포체는 2부분이며, 반응성이 상당히 높다. 따라서, 상기 공정의 제어 또는 임의의 시점에서의 상기 공정의 중단이 가능하도록 상기 사출 시스템을 제어하기 위해, 상기 압출 재료와 함께 질량 유량 조절기(mass flow controller) 또는 부피 유량 조절기를 사용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 코어재(34)는 구조 보이드 또는 돌출 부재의 채널에 수동으로 주입되며, 잉여 코어재(34)는 공정의 마지막에서 제거된다. 폐쇄 구조를 수작업으로 충전할 경우, 주입되는 코어재(34)가 돌출 부재의 내부에서 지나치게 팽창됨으로써, 상기 돌출 부재가 변형될 가능성이 있다. 발포체 등과 같은 반응성 재료가 주입가능한 구조 코어재(34)로서 사용될 수 있지만, 겔과 같은 비반응성 재료 또한 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 생각된다.
표 1-12를 참조하여, 다양한 구조재의 돌출 부재에 대하여, 코어재가 있을 경우 및 없을 경우의 여러 조건에서 응력 시험을 수행하였다. 플랭크(plank)를 16인치 이격된 서포트로 지지하였다. 각 부재의 외부 치수는 5·1/2인치×1·1/2인치이다. 부재의 내부 구조 및 벽은 0.2인치의 벽 두께를 가진다. 돌출 부재는 엄밀하게 고정된 단부로 안전하게 하였으며, 서포트의 중심에 있는 플랭크의 폭에 대하여, 길이 5·1/2인치이며 폭 1·1/2인치의 부재에 의해 500lbf의 하중 시험을 행하였다.
표 1에 모델 1의 돌출 부재, 즉 수직 및 사선 내부 지지 부재를 모두 가진 돌출 부재에 대한 데이터를 나타낸다(도 5a, 5b 참조). 돌출 부재의 구조재는 PolyOne Duraflec LD800 Vinyl compound-Rigid(RPVC)로 형성된다. 제1 예에서, 코어재가 존재하지 않는 부재를 시험하였다(도 5a 참조). 표 1에서 알 수 있듯이, 시험 동안에 부재에 발생한 최대 휨(deflection)은 0.0229인치였다. 제25 예에 있어서, 코어재(Bayer material Science Baydure STR/C-405 IMR, 폴리우레탄 복합 SRIM 발포체, 45% 유리 충전)로 충전되고, 구조는 동일한 부재에 발생한 휨은 단지 0.00944였다. 제45 예에 있어서, 코어재(Bayer material Science Baydure STR/C-405 IMR, 폴리우레탄 복합 SRIM 발포체, 60% 유리 충전)로 충전되고, 구조는 동일한 부재에 발생한 휨은 단지 0.00706이었다. 따라서, 발포체가 충전된 구조는 휨에 대한 향상된 저항성, 즉 보다 큰 강도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 게다가, 유리 섬유의 함량을 증가시킴으로써, 휨의 발생량을 추가적으로 감소시킬 수 있음을, 즉 부재의 강도를 추가적으로 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다. 각각의 표 1-12를 참조하면, 돌출 부재의 각 기하학적 구조에서 이러한 경향을 발견할 수 있다. 특정 재료 및 구조, 즉 표 2 및 표 9의 재료 및 구조에 있어서, 유리 충전재의 함량 증가에 따른 성능 향상은 미미하다. 시험 강도를 더 증가시킴으로써, 45% 및 65%의 유리가 충전된 발포체를 가지는 부재에 있어서의 강도 차이가 야기된 것으로 믿어진다. 또한, 이는 PVD 벽 두께를 감소시키고, 발포체의 보이드 부피를 증가시킴으로써 비용을 절약할 수 있음을 나타낸다.
요약하면, 표 1-12는 코어재에 섬유를 도입함으로써, 복합 부재의 강도 향상 을 달성할 수 있음을 나타낸다.
내부 코어재의 열 팽창과 관련된 열가소성 재료의 열 새그(thermal sag)의 상호 작용을 고려하여, 특정 플라스틱에 사용되는 이상적인 발포체를 선택할 수 있다. 구조 부재의 내부 크로스 부재 및 외부 구조는 온도의 증가에 따라서 기계적으로 약해지므로, 높은 휨 온도에서 최적 열 팽창 계수(CTE)를 가지는 내부 코어재를 선택함으로써, 결합 복합재의 강직성(rigidity) 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
CTE를 조절하는 일 방법으로써, 구조 충전재를 첨가할 수 있다. 예를 들면, 미소 구체(microsphere)를 발포체와 혼합되도록 첨가하는 것이다. 40부피%-50부피%의 유리 미소 구체를 첨가함으로써, 코어재의 중량을 경감시키고, CTE를 약 40% 내지 50% 감소시킬 수 있다. 유리 미소 구체는, 실질적으로 압축되지 않는 강직성이 있는 고체이며, 폴리우레탄 매트릭스 내부에 우수하게 접착된다는 장점이 있다. 유리 미소 구체는 제조시에 물 흡수율이 거의 0이며, 화학적 및 열적으로 안정적이다. 유리 미소 구체의 입자 크기로 인하여 평활한 표면과 우수한 기계화 특성이 가능해진다.
유리 미소 구체를 선택적인 양만큼 추가함으로써, 구조재의 CTE에 대하여 제조되는 발포체 코어가 바람직한 CTE를 가지도록 할 수 있다. 공지된 재료의 CTE의 예를 아래 표 A에 나타내었다.
[표 A]
카테고리 CTE, 선
20℃
PolyOne Duraflex LD800 Vinyl Compound-Rigid(RPVC) 61.2㎛/m-℃
Bayer 90㎛/m-℃
Generic Advantage 5.8㎛/m-℃
PolyOne Fiberloc 97510 Vinyl Compound-Rigid(RPVC), 유리 충전 39.6㎛/m-℃
PolyOne Fiberloc 97520 Vinyl Compound-Rigid(RPVC), 유리 충전 30.6㎛/m-℃
PolyOne Fiberloc 97530 Vinyl Compound-Rigid(RPVC), 유리 충전
Bayer Material Science Baydur STR/C-400 BB, 폴리우레탄 복합 SPRM 발포체, 60% 유리 충전, MDI계 2-성분 액체 시스템 14㎛/m-℃
Bayer Material Science Baydur STR/C-405 IMR, 폴리우레탄 복합 SPRM 발포체, 45% 유리 충전, MDI계 2-성분 액체 시스템 26㎛/m-℃
North Wood Plastics HDPE, 20% 목재 섬유
North Wood Plastics HDPE, 40% 목재 섬유 58㎛/m-℃
North Wood Plastics HDPE, 60% 목재 섬유 36㎛/m-℃
North Wood Plastics HDPE + UNIFILL 60%(20% 목재 섬유)
North Wood Plastics HDPE + UNIFILL 60%(40% 목재 섬유)
PolyOne Duraflec LD800 Vinyl Compound-Rigid(RPVC) 61.2㎛/m-℃
Bayer Material Science Baydur 726 IBS, 폴리우레탄 구조 발포체 RIM, 밀도 55pcf, MDI계 2-성분 액체 시스템 90㎛/m-℃
Generic Advantex 유리 섬유 5.8㎛/m-℃
아래 예에서, 구조 충전재는 복합 코어재의 CTE 및 밀도를 감소시키기 위하여 사용되었다. 아래 표 B에는, 미소 구체의 농도가 상이할 경우에 있어서의 미소 구체 발포체의 비율 및 발포체 재료의 CTE를 나타내었다.
[표 B]
20% 충전 30% 충전 40% 충전 50% 충전 입자 크기/미크론 등압 파쇄 강도
CTE
um/mC		 73 64 55.5 47
K1 0.728 0.625 0.576 0.5 120μ 250psi
K15 0.734 0.661 0.588 0.515 115μ 300psi
K20 0.744 0.676 0.608 0.54 120μ 500psi
K25 0.754 0.691 0.628 0.565 105μ 750psi
K37 0.778 0.723 0.676 0.625 85μ 3,000psi
K46 0.796 0.754 0.712 0.67 80μ 6,000psi
공지된 PVC 재료, 즉 PolyOne Duraflec® LD800 Vinyl Compound-Rigid(RPVC)의 CTE는 ASTM D696(상기 표 A로부터)에 의하면 61.2㎛/m-℃으로 알려져 있다. 바로 위의 표 B는 특별한 예시적인 발포체, 즉 구조적 충전재가 첨가되기 전에 최초 밀도가 0.88g/cc인 Bayer Bayder 726IBS Rigid 폴리우레판 발포체를 나타내며, 90㎛/m-℃의 CTE를 가진다. 3.3㎛/m-℃의 CTE를 가지는 3M Scotchlite Glass Bubbles K 시리즈의 경우, 구조 충전재의 양을 조정함으로써, 발포체로 도입되는 구조 충전재의 량을 조정하여, PVC 구조재의 CTE 및 발포체 코어의 CTE가 최적화된 발포체를 제조할 수 있다. 이러한 예에 있어서, CTE를 최적화하기 위하여 요구되는 충전재의 량은 30% 또는 40%이다. 이러한 예에 있어서, K20 미소 구체를 사용하여 40% 충전시키면, 55.5㎛/m-℃의 CTE를 가지는 발포체가 제조된다. 새로운 결합 밀도는 0.608g/cc이다.
상기 예는 CTE 차이를 감소시키기 위하여 구조재 및 발포체 코어의 CTE가 어떻게 선택되는지를 보여주지만, 바람직한 결과를 달성하기 위하여 특정한 관계의 구조재 및 발포체 코어의 CTE가 선택될 수 있음을 생각할 수 있다.
도 13을 참조하여, 단섬유(102)와 결합된 미소 구체(100)가 신규한 특성을 나타내며, 복합 발포체(104) 내에서 구조적인 안정성을 추가적으로 강화시킴을 나타낸다. 폴리우레판의 세포 발포체 구조(104)는 발포제를 변경함으로써 조정될 수 있다. 섬유(102)와 결합된 미소 구체(100)와 같은 고체 충전제로 인하여 전체 복합재의 강도가 크게 향상된다. 예를 들면, 7미크론 직경의 1/8인치 단섬유(102)가 50부피%의 미소 구체(100) 및 50부피%의 발포체(104)를 가지는 발포체(104) 내부에 위치할 수 있다. 섬유(102)는 미소 구체(100)에 접촉 및 부착될 것이다. 3M®에서 제조되는 가장 큰 미소 구체(100)는 120미크론이다. 따라서, 50% 고체 발포체 매트릭스 내부의 1/8인치 섬유(102)는 5,200개의 미소 구체(100)의 표면에 접촉 및 부착될 가능성이 있다. 발포체 재료(104)는 탄성을 가지며, 고체 입자(100)는 탄성을 가지지 않는다. 따라서, 고체 입자(100)는 발포체 매트릭스 내에서 섬유(102)를 고정하는 역할을 하며, 이에 의하여 섬유(102)가 수지 매트릭스 내부를 이동하는 자유도가 제한된다. 이러한 현상은, 미세 기하 구조 내에서 섬유(102)와 상호 작용하는 고체 재료를 고정시키는 특성 때문에, 강직성을 증가시키기 위하여 요구되는 섬유(102)의 량을 감소시킨다.
상술한 방법을 사용함으로써, 항공 우주 산업에서의 필요를 충족시킬 수 있도록 구조 발포체를 조정할 수 있다. 통상적으로, 항공 우주 구조 발포체 복합재로 사용되기 위한 기준에는, 열 안정성 및 낮은 CTE, 낮은 밀도 및 경량성(10 내지 15lbs./ft3), 구조적인 강직성, 우수한 내부 강도, 170℉ 이상의 온도에서의 조작성, 기계 공작성, 폐쇄 셀(closed cell), 낮은 물 흡수성, 조절 가능한 경화 시간, 에폭시에 대한 우수한 접착력, 및 특정 길이로 캐스트 성형될 수 있는 재료여야 하는 등이 포함된다.
항공 우주용 구조 코어재를 설계할 경우, 구조 코어재의 CTE 및 전체 밀도를 감소시키기 위하여, 많은 량, 예를 들면 40부피%-80부피%의 미소 구체를 첨가해야할 필요가 있다.
전체 코어재의 기계적인 치수 안정성을 향상시키기 위하여, 필요에 따라서 소량의 섬유 첨가제를 이러한 설계 어플리케이션에 도입할 수도 있다. 섬유 첨가의 결점은, 섬유를 첨가하면 복합 부재의 중량이 증가된다는 것이다. 따라서, 소량의 적절히 선택된 단섬유, 예를 들면 4질량% 내지 10질량%를 출발 시점에서 사용하면 바람직한 구조적인 성능을 달성하기 위하여 충분하다. 미크론 크기의 작은 직경을 가지는 짧게 절단된 유리 섬유는 화학적, 기계적 및 열적으로 안정적이며 습기 흡수율이 낮다는 장점이 있다. 게다가, 제조되는 복합재는 기계 가공성이 우수하며, 단유리 섬유는 우레탄에 대한 우수한 접착력을 가진다.
상술한 방법을 사용하여 바람직한 특성을 가지는 복합 럼버(lumber)를 제조할 수 있다. 본 발명의 방법을 이용한 복합 럼버는 170℉까지 또는 그 이상의 온도에서 우수한 열적, 기계적 안정성, 낮은 습기 흡수성, 구조재를 절약하는데 따른 비용 절감, 생산을 최대화하는 조절 가능한 경화 시간, 방염 특성, 내충성(insect resistant property), 내균성, 및 원형톱에 대한 절단 용이성을 가진다.
폴리우레탄 구조 발포체는 현재까지 이용 가능한 가장 비용 효율적인 발포체 매트릭스이다. 폴리우레탄 발포체는, 성공적인 것으로 입증된 첨가제를 기초로 하여 방염, 방충 및 방균성을 가지도록 제조될 수 있다. 돌출 구조 화학 재료의 선택에 따라서, 그리고 발포체의 충전 여부에 따라서, 코어재의 구조적 완결성이 상당히 변하게 된다. 하지만, 기계적 및 열적 특성이 우수하기 때문에 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌보다 PVC 재료가 바람직하다.
구조 첨가제는 비용 절약을 위하여 이용될 수도 있다. PVC는 습기에 대한 저항성이 있어서 천연 섬유의 열화가 방지되기 때문에, 단유리 섬유뿐만 아니라 천연 섬유도 사용될 수 있다. 섬유를 많이 사용하면 구조적인 강직성이 증대된다. 50%의 삼(hemp) 섬유 및 50%의 유리의 비율로 30중량% 내지 50중량%가 바람직하다. 유리 섬유는 열적으로 보다 안정적이지만, 천연 섬유는 비용면에서 보다 유리하다. 상기 열거한 높은 섬유 비율을 사용하면, 발포제의 사용량이 증가하며, 이에 의하여 구조적 완결성을 희생시키지 않으면서 발포체의 밀도를 낮출 수 있다. 또한, CTE를 조절하기 위하여, 유리 미소 구체 또는 건식 실리카와 같은 소량의 고체 입자를 첨가할 수도 있다. 이러한 조절을 통하여, 복합재 성분 사이에서의 최적의 기계적, 열적 안정성이 균질하게 향상되도록, 재료를 기능화시킬 수 있다.
발포체 플라스틱의 경우에는, 상기 언급한 바와 동일한 구조적 강화 방법이 사용될 수 있다. 원료 공급기로부터의 압출 전에, 또는 발포제나 기계적으로 주입된 가스와 접촉되기 전의 합성 단계에, 구조 충전재 및 섬유를 열가소성 재료로 도입할 수 있다. 기계적으로 주입된 가스의 경우, 구조 입자 및 섬유가 적절합 혼합 비율로 포함된 압축 가스를 도입함으로써 구조 충전재 및 섬유를 플라스틱과 혼합할 수 있다.
또한, 플라스틱에는 UV 안정제가 포함될 수도 있다. UV 안정제는 시간 경과에 따라서 감소되는 경향이 있다. UV 안정제는 플라스틱의 전체 두께에 걸쳐서 첨가제로서 플라스틱에 포함될 수 있다. 사용시에는 햇빛으로부터 UV가 조사되는 것이 일반적이다. 따라서, 플라스틱 복합재에는 내부적인 UV 안정성보다는 UV 보호 코팅이 요구된다.
우수한 내마모성을 가진 미끄럼 방지(non-skid) 표면 및 시간 경과에 따라서 UV 안정성이 저하되지 않는 UV 코팅은 상술한 복합재 시스템, 특히 주택용 데크에 사용되는 복합 목재 플랭크를 제조하는 방법에 있어서 혜택을 부여한다. 미끄럼 방지 코팅은 모래, 미소 구체 또는 기타 미세하고 단단한 입자와 같은 충전재를 첨가함으로써 행해질 수 있다. 이러한 입자는 제조 프로세스에 있어서 상이한 영역에서 첨가될 것이다. 제1 단계에서는, 엠보스 가공 휠을 사용하여 작은 입자를 복합재의 표면에 삽입하기 전에 더스트 코팅이 적용된다. 잉여 재료는 진공 청소기로 제거되어 재활용될 수도 있다. 이어서, 스프레이된 밀봉재와 함께 내마모 입자뿐만 아니라 UV 첨가제가 적용될 수도 있다. 이러한 코팅은, 엠보스 가공된 목재의 결이 천연 목재의 착색 상태와 같아 보이도록 하는 반투명 착색 외관을 가진다. 엠보스 가공 도구를, 홈이 목재의 결 특성과 유사하도록 배치함으로써, 실제 목재의 외관과 유사하도록 목재의 결 패턴에서의 코팅을 두껍고 진하게 할 수 있다. 적절한 안료 수준과 함께 적절한 코팅 시스템을 선택하면, WPC의 불균일한 색상 변화를 일정하게 할 수 있을 뿐만 아니라 목재 입자를 복합재로 봉입하는데도 도움이 될 수 있다. 플라스틱은 기본적인 안료 첨가제가 여전히 필요하므로, 코팅에 스크래치나 손상이 발생해도, 색상에 있어서 많은 차이가 생기지 않는다. 또한, 스크래치를 메울 경우 소비자들의 미감에 맞는 결 패턴으로 할 수 있는 스크래치 수선 시스템을 제공할 수도 있다. 사용되는 코팅은 다양하다. 예를 들면, 실온, 가온 및 촉매를 사용한 상황 등의 다양한 경화 조건에서의 폴리우레탄, 폴리우레아, 아크릴을 들 수 있다.
복합재 산업에 있어서는, 바람직한 특성을 가지는 구조재의 제조에 사용될 수 있는 다양한 재료가 개발되고 있다. 발포체 산업에 있어서, 발포체 재료를 강화하기 위하여 본 발명의 방법을 사용함으로써, 목재 자체보다 강한 강도를 가지는 발포체를 제조할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 도 9는 내구성 외장 셀이 필요하거나, 발포체가 경화시에 자체의 내구성 외장 셀을 생성시키는 내구성 자체-스키닝(self-skinning) 공정을 가질 수 있는 경우를 나타낸다.
본 발명은, 본 발명의 목적을 수행하고, 내재된 장점뿐만 아니라 상술한 목표 및 이익을 달성할 수 있도록 잘 고안된 것이다. 이를 달성하기 위하여 바람직한 실시 형태를 기재하였지만, 여러 가지 변경, 변형 및 부가가 가능함을 당업자라면 명백히 알 수 있을 것이다. 이러한 변경, 변형 및 부가는 첨부된 청구항의 한정에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위 내에 속하는 것이다.
(표 1)
Figure 112008019915748-pct00001
(표 2)
Figure 112008019915748-pct00002
(표 3)
Figure 112008019915748-pct00003
(표 4)
Figure 112008019915748-pct00004
(표 5)
Figure 112008019915748-pct00005
(표 6)
Figure 112008019915748-pct00006
(표 7)
Figure 112008019915748-pct00007
(표 8)
Figure 112008019915748-pct00008
(표 9)
Figure 112008019915748-pct00009
(표 10)
Figure 112008019915748-pct00010
(표 11)
Figure 112008019915748-pct00011
(표 12)
Figure 112008019915748-pct00012
(표 13)
Figure 112008019915748-pct00013

Claims (32)

  1. 압출된 복합 부재의 제조 방법으로서,
    그 내부에 보이드(void)를 한정하는 구조체를 형성하기 위해서 다이를 통해 구조재(structural material)를 압출시키는 단계;
    상기 압출된 복합 부재를 강화하기 위해, 섬유 및 충전재를 포함하는 코어재(core material)로 상기 보이드를 충전하는 단계를 포함하며,
    상기 섬유는 상기 충전재 중 적어도 일부와 접촉 및 접착되며,
    상기 충전재는 상기 코어재 내에서 상기 섬유를 고정하여 상기 부재를 강화하기 위한 고정 부재로서 작용하는 것을 특징으로 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조재의 열 팽창 계수를 결정하는 단계; 및
    상기 구조재와 관련하여 상기 코어재의 열 팽창 계수를 얻기 위해, 상기 코어재 중의 상기 충전재의 양을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코어재의 상기 열 팽창 계수는, 상기 코어재와 상기 구조재 간의 전단 응력을 감소시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코어재가 발포체(foam)인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코어재가 폴리우레탄 복합 발포체인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유는 합성, 천연 및 광물성 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유가, 4 중량% 내지 50 중량%의 발포체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 충전재가 미소 구체(microsphere)인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 압출된 복합 부재의 제조 방법으로서,
    구조재의 열 팽창 계수를 결정하는 단계;
    상기 구조재와 관련하여 코어재의 열 팽창 계수를 얻기 위해, 선택량의 충전재를 상기 코어재에 첨가하는 단계;
    그 내부에 보이드를 한정하는 긴 구조체를 형성하기 위해서 다이를 통해 상기 구조재를 압출시키는 단계;
    상기 보이드를 상기 코어재로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코어재의 상기 열 팽창 계수는 상기 코어재와 상기 구조재 간의 전단 응력을 감소시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 코어재가 발포체인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 코어재가 폴리우레탄 복합 발포체인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 압출된 복합 부재를 강화하기 위해 상기 코어재에 섬유를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 섬유는 합성, 천연 및 광물성 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 섬유가, 4 중량% 내지 50 중량%의 발포체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  16. 부재의 제조 방법으로서,
    섬유 및 충전재를 발포체 혼합물로 혼입하는 단계;
    상기 발포체를 다이로 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 섬유는 상기 충전재 중 적어도 일부와 접촉 및 접착되며,
    상기 충전재는 상기 발포체 혼합물 내에서 상기 섬유를 고정하여 부재를 강화하기 위한 고정 부재로서 작용하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 충전재가 미소 구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 섬유는 천연, 합성 및 광물성 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 섬유가, 4 중량% 내지 50 중량%의 발포재를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 발포체가 폴리우레탄 복합 발포체인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 발포체가 셀 발포체 구조인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 발포체가 겔(gel)인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 발포체가 열적 플라스틱(thermal plastic) 재료인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 발포체의 열 팽창 계수를 얻기 위해 상기 발포체 내 상기 충전재의 양을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 충전재는 상기 발포체 혼합물의 20 부피% 내지 80 부피%를 구성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 공급하는 단계는 주입 성형을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  27. 제16항에 있어서,
    상기 공급하는 단계는 캐스트 성형을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  28. 압출된 복합 부재의 제조 방법으로서,
    구조재와 관련하여 코어재의 열 팽창 계수를 얻기 위해, 선택량의 충전재를 상기 코어재에 첨가하는 단계;
    그 내부에 보이드를 한정하는 긴 구조체를 형성하기 위해서 다이를 통해 상기 구조재를 압출시키는 단계;
    상기 보이드를 상기 코어재로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    섬유를 상기 코어재에 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 제조 방법.
  30. 압출된 부재의 제조 방법으로서,
    압출된 부재에 입자 코팅을 적용하는 단계;
    미끄럼 방지(non-skid) 표면을 형성하기 위해서, 상기 입자가 상기 부재 내로 매립되도록, 상기 부재에 엠보싱 휠(embossing wheel)을 롤링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 제조 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 압출된 부재에, UV 첨가제 및 내마모성 입자를 가지는 스프레이 밀봉재를 적용하는 단계를 더 포함하며,
    상기 내마모성 입자는 상기 부재로부터의 상기 UV 첨가제의 후속적인 마모를 억제하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 엠보싱 휠을 롤링하는 단계에 의해, 유사 목재 그레인 패턴(simulated wood grain pattern)이 형성되고,
    천연 목재 그레인 결의 외관을 형성하기 위해, 상기 적용된 밀봉재는 상기 엠보싱 가공된 영역에서 두껍게 도포되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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