KR101928235B1 - 공압출 방법을 이용한 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법과 이에 의해 제조된 다층 경량 샌드위치 구조물 - Google Patents

공압출 방법을 이용한 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법과 이에 의해 제조된 다층 경량 샌드위치 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공압출 방법(co-extrusion process)을 이용하여 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하는 방법과 이에 의해 제조된 다층 경량 샌드위치 구조물에 관한 것으로, 별도로 제조한 시트를 접착제를 이용해 라미네이션 방식으로 적층시키는 종래의 경량 샌드위치 구조물의 제조방법을 대체할 수 있도록 공압출 방법을 이용하는 단일 공정을 통해 내부에 발포폼층이 구비된 다층 경량 샌드위치 구조물을 단시간에 대량 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

공압출 방법을 이용한 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법과 이에 의해 제조된 다층 경량 샌드위치 구조물{Method for manufacturing lightweight multilayer sandwich structure using co-extrusion process and lightweight multilayer sandwich structure manufactured thereby}
본 발명은 공압출 방법(co-extrusion process)을 이용하여 5층 이상이 적층된 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하는 방법과 이에 의해 제조된 다층 경량 샌드위치 구조물에 관한 것이다.
내부에 발포폼층이 구비된 샌드위치 구조물(sandwich structure)은 기계적 물성이 우수한 고분자 수지층 사이에 발포에 의해 상대적으로 가벼운 경량의 발포폼층을 접합한 구조로 이루어져 구조물의 경량화가 가능하고, 기계적 강도, 강성, 내피로성, 내흡음성 등의 물성을 조절할 수 있으며, 설계, 제조, 품질, 경제성 등의 면에서도 우수하여 다양한 분야에서 구조 재료로 널리 사용되고 있다.
기존에는 상기와 같은 구조를 갖는 샌드위치 구조물을 제조하기 위해서, 단층의 발포체를 만든 후에 별도의 접합 공정을 통해서 판상의 고분자 수지층을 발포체의 일측에 적층하여 제조하는 열을 이용한 열접착 방법(thermal lamination)과 접착제를 이용한 접착방법이 사용되고 있다.
하지만, 상기와 같은 열접착 방법을 이용하여 샌드위치 구조물을 제조하는 경우, 미리 발포된 발포체가 열에 의해 컬(curl)을 형성시키거나, 발포된 기포의 사이즈가 줄어드는 현상에 의해 발포시트의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 접착제를 이용한 접합방법은 접착제가 발포시트 내의 기공에 스며들어 물성을 저하시키고, 접착제에 의한 중량 증가로 인해 경량화를 달성하기 힘든 문제가 발생될 수 있다.
한편, 최근에는 두 가지 이상의 수지(resin)를 동시에 압출하여 다층 필름을 제조하는 공압출 기술(co-extrusion process)이 개발되어 널리 활용되고 있다.
상기 공압출 기술은 하나 이상의 압출기를 사용하여 압출코팅, 필름 또는 시트 제작시 하나 이상의 층을 더하여 코팅, 필름 또는 시트를 제조하는 방법으로서, 한 개의 층이 가지고 있는 기능 이외에 부가적인 성능을 부여한 시트를 제조할 수 있어 각광 받고 있다.
하지만, 기존에는 공압출 방법을 이용하여 부가적인 성능을 부여함과 동시에 내부에 경량성을 부여하는 발포폼층이 구비되고, 5층 이상의 구조를 갖는 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하는 방법에 관한 기술 내용은 개시된 바 없어 이에 대한 연구가 필요하다.
(문헌 01) 한국공개특허 제10-2017-0098757호 (공개일 : 2017.08.30.) (문헌 02) 한국공개특허 제10-2012-0066952호 (공개일 : 2012.06.25.) (문헌 03) 한국공개특허 제10-2015-0106013호 (공개일 : 2015.09.21.) (문헌 04) 한국등록특허 제10-1802362호 (공개일 : 2017.11.29.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 별도로 제조한 시트를 접착제를 이용해 라미네이션 방식으로 적층시키는 종래의 경량 샌드위치 구조물의 제조방법을 대체할 수 있도록 공압출 방법을 이용해 내부에 발포폼층이 구비된 다층 경량 샌드위치 구조물을 단시간에 대량 제조할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 3개 이상의 압출기가 구비된 티다이(T-Die)를 이용해 고분자 수지를 각각 가열하여 수지 용융물을 제조하고, 제조한 각각의 수지 용융물을 공압출하여 공압출물을 제조한 다음, 제조한 공압출물을 발포하여 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 다층 경량 샌드위치 구조물은, 코어 발포폼층; 상기 코어 발포폼층의 양면에 각각 적층형성된 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층; 및 상기 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 각각 적층형성된 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층을 포함하고, 상기 코어 발포폼층, 제1 수지층, 제2 수지층, 제3 수지층 및 제4 수지층은 각각 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate glycol, G-PET), 비결정성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(amorphorus poly ethylene terephthalate, A-PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 내충격성 폴리스티렌(high impact polystyrene, HIPS), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리메타크릴산 메틸(polymethacrylate methyl, PMMA), 아크릴로 니트릴 부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS) 및 폴리락트산(poly lactic acid, PLA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 코어 발포폼층은 상기 고분자 수지, 발포핵제 및 무기필러를 포함하는 혼합물을 이용해 제조한 수지 용융물로 형성시킬 수 있고, 상기 제1 수지층 및 제2 수지층은 접착성 수지 및 상용화제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가물을 상기 고분자 수지와 혼합한 혼합물을 이용해 제조한 수지 용융물로 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에서는, 상기 발포는 150 내지 210 ℃의 온도 및 2 내지 20 bar의 압력에서 1차 발포시킨 후, 상기 150 내지 250 ℃의 온도 및 1 내지 5 bar의 압력에서 2차 발포하고, 상압 하에서 3차 발포할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에서는, 상기 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조한 후, 상기 스킨층에 기능성 코팅을 형성시키는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법으로 제조되어, 코어 발포폼층; 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층; 및 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층을 포함하고, 상기 코어 발포폼층, 제1 수지층, 제2 수지층, 제3 수지층 및 제4 수지층은 각각 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate glycol, G-PET), 비결정성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(amorphorus poly ethylene terephthalate, A-PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 내충격성 폴리스티렌(high impact polystyrene, HIPS), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리메타크릴산 메틸(polymethacrylate methyl, PMMA), 아크릴로 니트릴 부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS) 및 폴리락트산(poly lactic acid, PLA)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 경량 샌드위치 구조물을 제공한다.
본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에 따르면, 공압출 방법을 이용하는 단일 공정을 통해 내부에 코어 발포폼층이 구비된 경량 샌드위치 구조물을 단시간에 대량 제조할 수 있으며, 원료의 단점을 층간의 상호 보완관계로 해소할 수는 있어 물성이 우수하면서도, 층간의 물성차이에 의해 발생되는 박리현상을 최소화할 수 있는 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조한 다층 경량 샌드위치 구조물은 코어 발포폼층과 스킨층 사이에 접착력이 우수한 보조층이 구비된 구조를 가지고 있으며, 코어 발포폼층에 균일한 크기의 기공이 형성되어 박리강도 및 파단강도가 높아 다양한 분야에서 구조물 재료로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 경량 샌드위치 구조물의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법을 수행하기 위해서 복수 개의 압출기가 구비된 티다이의 일례를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법은, 3개 이상의 압출기가 구비된 티다이(T-Die)를 이용해 고분자 수지를 각각 가열하여 수지 용융물을 제조하고, 제조한 각각의 수지 용융물을 공압출하여 공압출물을 제조한 다음, 제조한 공압출물을 발포하여 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 방법으로 제조한 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은, 코어 발포폼층(100); 상기 코어 발포폼층(100)의 양면에 각각 적층형성된 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220)을 포함하는 보조층(200); 및 상기 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220)의 상면에 각각 적층형성된 제3 수지층(310)과 제4 수지층(320)을 포함하는 스킨층(300)을 포함하는 구조를 갖는다.
상기 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은 5층 이상의 기능성 층이 적층구조로 제조되어 원료의 단점을 층간의 상호 보완관계로 해소할 수는 있어 물성이 우수하면서도, 층간의 물성차이에 의해 발생되는 박리현상을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에서는 복수 개의 압출기가 구비된 티다이를 이용해 공압출을 수행하여 경량 샌드위치 구조물을 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법을 수행하기 위해서 복수 개의 압출기가 구비된 티다이의 일례를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상기 티다이(500)는, 3개의 압출기(510, 530, 550)와 배출부(570)를 포함하는 구조를 가진다.
상기 제1 압출기(510)를 예로 들어 각각의 압출기(510, 530, 550)의 구조를 상세히 설명하면, 상기 제1 압출기(510)는 호퍼(511), 바렐(513) 및 압출 스크류(515)를 포함하는 구조를 가지며, 상기 호퍼(511)는 바렐(513)의 수용공간으로 각각의 원료를 공급하는 역할을 하며, 상기 바렐(513)은 히터(514)가 구비되어 내부 수용공간을 고온으로 가열하여 용융시키는 역할을 한다. 상기 압출 스크류(515)는 스크류 축과 날개가 구비되어 고분자 수지, 발포핵제, 첨가물 등을 용융시키고 균일하게 혼합되도록 하고 압출시키는 역할을 한다.
특히, 상기 제1 압출기(510)는 코어 발포폼층(100)을 형성하기 위한 고분자 수지를 용융시켜 공급하는 역할을 하며, 고분자 수지를 발포시키기 위해서 발포핵제로 물리적 발포제를 이용할 경우 상기 제1 압출기(510)는 질소 가스(N2), 이산화탄소 가스(CO2) 등을 공급할 수 있는 가스 공급부(미도시)가 추가로 구비된 구조를 갖는다.
구체적으로, 상기 제1 압출기(510)는 고분자 수지와 발포핵제를 가열하여 용융물을 형성시킬 수 있으며, 상기 고분자 수지에 질소 가스(N2), 이산화탄소 가스(CO2)를 가압하여 주입할 수 있으며, 바렐(513)에 구비된 히터(514)를 이용해 가열하여 주입된 가스가 초임계 상태로 전환되거나, 용융물 내에 화학적 발포제가 기화되어 용융물 내에 가스를 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 압출기는 가스 공급부(미도시)에서 공급되는 질소 가스 또는 이산화탄소 가스가 고분자 수지에 쉽게 유입되는 임계 압력(9 bar) 이상으로 가압하고 가열할 수 있어 초임계 유체를 형성시킬 수 있고, 상기 스크류(515)는 형성된 초임계 유체는 고분자 수지와 혼합될 수 있도록 하며, 상기 제1 압출기(510)를 통해 초임계 유체가 혼합된 고분자 수지를 배출부(570)를 통해 배출할 수 있도록 한다.
이와 동시에 가스 공급부(미도시)를 제외하고는 제1 압출기와 동일하게 호퍼, 바렐 및 압출 스크류가 구비된 제2 압출기(530) 및 제3 압출기(550)를 통해 용융된 수지 용융물은 제1 압출기(510)를 통해 형성된 수지 용융물과 함께 티다이(500)에 형성된 배출 유로(571)를 통해서 배출되어 공압출되고, 티다이(500)를 통해 배출된 공압출물은 발포되어 내부에 코어 발포폼층(100), 제1 수지층(210) 및 제2 수지층(220)을 포함하는 보조층(200)이 형성되고, 제1 수지층(210) 및 제2 수지층(220)의 상면에 제3 수지층(310) 및 제4 수지층(320)을 포함하는 스킨층(300)이 각각 형성되어 일체화된 구조의 경량 샌드위치 구조물(10)을 형성할 수 있게 된다.
또한, 상기 티다이(500)는 상기 배출부(570)를 통해 배출되는 코어 발포폼층(100), 제1 수지층(210), 제2 수지층(220), 제3 수지층(310) 및 제4 수지층(320)을 가압하는 가압 롤러부(미도시)를 추가로 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 가압 롤러부(미도시)에 통과시켜 각각의 층을 더욱 강하게 접착시켜 일체화시킬 수 있다.
상기 코어 발포폼층(100), 제1 수지층(210) 및 제2 수지층(220)을 포함하는 보조층(200), 제3 수지층(310) 및 제4 수지층(320)을 포함하는 스킨층(300)은, 각각 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate glycol, G-PET), 비결정성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(amorphorus poly ethylene terephthalate, A-PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 내충격성 폴리스티렌(high impact polystyrene, HIPS), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리메타크릴산 메틸(polymethacrylate methyl, PMMA), 아크릴로 니트릴 부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 폴리락트산(poly lactic acid, PLA) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 고분자 수지를 이용해 각각의 용융물을 제조하고, 제조한 용융물을 공압출하고 코어 발포폼층(100)을 발포시켜 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 형성시킬 수 있으며, 구조물(10)의 용도에 맞도록 고분자 수지의 종류를 선택하여 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 코어 발포폼층(100)은 고분자 수지 및 발포핵제를 포함하는 혼합물을 이용해 형성시킬 수 있으며, 상기 발포핵제는 물리적 발포제, 화학적 발포제 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 물리적 발포제는 이산화탄소 가스(CO2), 질소 가스(N2), 공기, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 디클로로에탄, 디클로로디플루오로메탄, 디클로로모노플루오로메탄 및 트리클로로모노플루오로메탄 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 바람직하게는, 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 가스를 사용할 수 있으며, 이와 같은 물리적 발포제는 고배율의 코어 발포폼층(100)을 생성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 화학적 발포제는 중탄산나트륨, 중탄산나트륨과 유기산의 혼합물, 산화아연, 아조디카르복실산 아미드, 이소시아네이트 화합물, 아조디카본아미드(azodicarbonamide) 등의 아조 또는 디아조 화합물, p-톨루엔 술포닐 세미카르바지드(p-toluene sulfonyl semicarbazide, PTSS) 등의 세미카르바지드 화합물, 옥시비스벤젠 술포닐 히드라지드(oxybis benzene sulfonyl hydrazide, OBSH), p-톨루엔 술포닐 히드라지드(p-toluene sulfonyl hydrazide, TSH) 등의 카르복실산 유도체, 디니트로소 펜타메틸렌 테트라아민(dinitroso pentamethylene tetramine, DPT) 등의 니트로소 화합물, 히드라진 화합물, 아지-화합물, 트리아졸 화합물 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 바람직하게는, 분해온도가 낮으면서도 유해물질을 생성하지 않는 중탄산나트륨을 사용할 수 있다.
또한, 상기 화학적 발포제를 이용해 코어 발포폼층(100)을 형성시킬 경우, 용융 온도나 용융 속도를 조절하기 위해서, 산화 아연, 아연 스테아레이트 또는 우레아 등과 같은 발포 보조제를 추가로 혼합하여 사용할 수 있다. 일례로, 고분자 수지의 용융 온도가 200 ℃ 이상으로 높아 저온 공정이 요구되는 경우 상기 발포 보조제를 혼합하여 용융 온도를 조절할 수도 있다.
특히, 상기 코어 발포폼층(100)은 고분자 수지 및 발포핵제와 함께 무기필러를 혼합해 형성시킨 용융물을 이용할 수 있으며, 상기 무기필러는 코어 발포폼층(100)의 기계적 물성과 각 층의 결합력을 향상시키고, 발포를 보조하는 역할을 한다.
상기 무기필러는 탈크(talc), 탄산칼슘(CaCO3), 클레이(clay), 실리카, 규조토, 마그네사이트(magnesite), 탄산마그네슘, 황산바륨, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 칼슘 실리케이트, 제올라이트, 운모, 점토, 규회석, 하이드로탈사이트, 산화 마그네슘, 산화 아연, 아연 스테아레이트, 칼슘 스테아레이트, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 중합체 비드, 합성 알루미노실리케이트 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 상기 무기필러가 과량 혼합되면 비중이 증가하여 경량성을 저해할 수 있으므로 적정량을 혼합할 수 있다. 바람직하게는, 상기 무기필러는 상기 코어 발포폼층(100)의 형성을 위해 사용되는 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 코어 발포폼층(100)은 발포력이 우수하면서도 유해물질을 생성하지 않는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 고분자 수지, 중탄산나트륨, 탈크를 제1 압출기에 투입하여 용융시키고, 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 가스를 물리적 발포제로 공급하여 형성시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 코어 발포폼층(100)은 폴리프로필렌 수지 50 내지 60 중량부, 폴리에틸렌 20 내지 30 중량부, 탈크 5 중량부를 제1 압출기에 투입하고 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 가스가 공급되는 조건에서 200 내지 300 ℃의 온도로 가열 및 가압하여 용융물을 제조하고, 제조한 용융물을 공압출하여 형성시킬 수 있다.
상기 보조층(200)은 상기 코어 발포폼층(100)의 양면에 각각 적층 형성된 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220)을 포함하며 코어 발포폼층(100)과 후술할 스킨층(300)을 강하게 결합시켜 기계적 강도, 물성 등이 우수하고 박리강도가 높으면서도 경량성을 갖는 구조물을 형성할 수 있도록 한다.
이를 위해, 상기 보조층(200)은 상기 고분자 수지를 접착성 수지, 상용화제 또는 이들의 혼합물과 혼합한 용융물을 이용해 형성시킬 수 있으며, 상기 접착성 수지와 상용화제는 코어 발포폼층(100)과 스킨층(300)을 강하게 결합시켜 일체화할 수 있고, 이로 인해 박리강도가 높은 다층 경량 샌드위치 구조물을 형성할 수 있게 하며, 상기 접착성 수지와 상용화제는 접착력이 우수한 소재를 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 접착성 수지는 아크릴레이트계 단량체(acrylate monomer)를 포함하는 아크릴산 수지 또는 메타크릴레이트계 단량체(methacrylate monomer)를 포함하는 메타크릴산 수지 등을 대표적인 예로 들 수 있으며, 상기 상용화제는 말레산(maleic acid)이 그래프트 중합된 고분자 수지 또는 말레산 무수물(maleic anhydride)이 그래프트 중합된 고분자 수지 등을 대표적인 예로 들 수 있고, 이들을 혼합하여 사용할 수도 있다.
특히, 상기 코어 발포폼층(100)을 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등과 같은 올레핀 수지를 사용하여 형성시킬 경우, 상기 올레핀 수지는 우수한 발포성을 나타낼 수 있으나, 결합력이 비극성을 나타내어 공압출 방법을 통해 다층 구조물을 제조할 시 쉽게 박리되는 문제가 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 상용화제, 접착성 수지 또는 이들의 혼합물을 첨가하도록 하여 각층의 접착력을 더욱 향상시킴에 따라 박리강도가 높은 구조물을 형성할 수 있게 된다.
상기 접착성 수지, 상용화제는 상기 보조층(200) 형성을 위한 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부의 비율로 혼합하여 용융물을 제조할 수 있으며, 상기 접착성 수지, 상용화제의 첨가량이 1 중량부 미만일 경우 접착력이 크게 증가하지 않는 문제가 있고, 20 중량부를 초과할 경우 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
바람직하게는, 상기 보조층(200)은 상기 코어 발포폼층(100)과 스킨층(300)에 접착력이 우수하면서도 유해물질을 생성하지 않는 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate glycol, G-PET) 수지를 사용하여 형성시킬 수 있으며, 상기 G-PET 수지, 상용화제, 접착성 수지를 제2 압출기(530)에 투입하여 용융시키고, 이를 공압출하여 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220)을 포함하는 보조층(200)을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 보조층(200)은 G-PET 수지 100 중량부, 말레산 무수물이 그래프트 중합된 폴리프로필렌 수지(maleic anhydride grafted polypropylene) 5 내지 15 중량부 및 아크릴산 수지 5 중량부를 제2 압출기(530)에 투입하고, 200 내지 300 ℃의 온도로 가열하여 수지 용융물을 제조하고, 제조한 수지 용융물을 공압출하여 형성시킬 수 있으며, 이와 같은 수지 용융물은 말레산 무수물이 그래프트 중합된 폴리프로필렌과 폴리에틸렌 테레프탈레이트 블랜드를 형성하여 코어 발포폼층(100)과 스킨층(300)에 대한 접착력이 우수하여 박리 강도가 높고, 화학적 안정성, 기계적 물성이 뛰어난 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 형성시킬 수 있다.
상기 스킨층(300)은 다층 경량 샌드위치 구조물(10)의 물성을 결정하는 역할을 하며, 내마모성, 내충격성, 기계적 물성 등을 부여하는 역할을 할 수 있다. 특히, 상기 스킨층(300)은 다층 경량 샌드위치 구조물(10)의 사용 용도에 따라 다양한 고분자 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스킨층(300)은 내충격성, 가공성, 내약품성이 우수하면서도 인체에 유해한 물질을 배출하지 않는 특성을 갖는 G-PET 수지를 이용해 형성시킬 수 있으며, 상기 G-PET 수지를 제3 압출기(550)에 투입하여 용융시키고, 이를 공압출하여 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220)의 상면에 제3 수지층(310)과 제4 수지층(320)을 스킨층(300)을 형성시킬 수 있으며, 이와 같은 스킨층을 포함하는 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은 핸드폰, 태블릿 PC 등의 전자 부품을 위한 포장 용기의 용도로 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 스킨층(300)은 G-PET 수지 100 중량부 및 탈크 2 중량부를 제3 압출기(550)에 투입하고 200 내지 300 ℃의 온도로 가열 및 가압하여 용융물을 제조하고, 제조한 용융물을 공압출하여 형성시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에 따라 형성된 다층 경량 샌드위치 구조물(10)의 각층(100, 200, 300)을 형성시키는 각각의 수지 용융물은 무기필러, 산화방지제, 자외선 흡수제, 가공활제, 광안정제, 형광증백제, 안료, 염료, 상용화제, 강화제, 난연제, 가교제, 가교 조제, 가소제, 증점제, 감점제 등과 같은 첨가물을 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.
상기 산화방지제는 구조물의 노화를 방지하여 장기 내구성을 향상시키는 역할을 하며, 1,1,1-트리스(2-메틸-4-히드록시-5-터셔리-부틸페닐)부탄, 1,3,5-트리메틸-2,4,6-트리스(3,5-디-터셔리-부틸-4-히드록시벤질)벤젠, 테트라키스-[메틸렌-3-(3'5'-디-터셔리-부틸-4-히드록시페닐)프로피네이트], 비스[3,3'-비스-(4'-하이드록시-3'-터셔리-부틸페닐)부틸릭엑시드]글리콜에스테르, 1,3,5-트리스(3',5'-디-터셔리-부틸-4'히드록시벤질)-SEC-트리아진-2,4,6-트리온, 3,5-디-터셔리-부틸-4-히드록시히드로시나메이트 옥타데실, 트리스(2,4-디-터셔리-부틸페닐)포스페이트, 시클로 네오펜탄테트라일 비스(2,4-디-터셔리-부틸페닐)포스페이트 및 1,2-비스(3,5-디-터셔리-부틸-4-히드록시히드로시나모일)히드라진 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다.
상기 자외선 흡수제는 자외선으로부터 구조물의 물성변화를 차단하여 안정화시키고, 변색 및 노화를 방지하여 내후성을 향상시키는 역할을 하며, 벤조페논계, 페닐실리케이트, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)세바케이트, 2-(3'-5'-디-터셔리-부틸-2'-히드록시페닐)-5-클로로벤조트리아졸, 2-(3,5-디-터셔리-페닐-2-히드록시페닐)벤조트리아졸, 2-(2'-히드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(3'-터셔리-부틸-2'-히드록시-5'-메틸페닐)-5-클로로벤조트리아졸, 힌다드아민계 자외선 안정제 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다.
상기 가공활제는 마찰계수를 낮추어 공압출 공정을 통해 경량 샌드위치 구조물 제조시 마찰계수를 낮추어 원활한 공압출 공정을 수행할 수 있도록 하며, 스테아르산아연, 올레아미드, 에루카아미드, 스테아르아미드, 베헨아미드, 지방산아민, 불소 수지 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물(10)의 제조방법에서는, 상기 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 제조한 후, 상기 스킨층(300)의 제3 수지층(310)과 제4 수지층(320)에 각각 기능성 코팅층을 형성하는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 기능성 코팅층은 항균성, 난연성, 단열성, 내오염성, 내마모성 등과 같은 다양한 기능성을 다층 경량 샌드위치 구조물(10)에 부여하는 역할을 할 수 있으며, 시트 또는 샌드위치 구조물 제조를 위해 통상적으로 사용되는 다양한 기능성 성분을 이용해 기능성 코팅층을 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조한 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은 상기 코어 발포폼층(100), 보조층(200) 및 스킨층(300)을 각각 1 내지 100 mm의 두께로 형성시켜 총 두께가 3 내지 300 mm 두께의 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 형성시킬 수 있다.
바람직하게는, 다층 경량 샌드위치 구조물(10)에 구비된 상기 코어 발포폼층(100)은 구조물의 전체 두께에 대해 70 내지 90%의 두께를 가지도록 형성시키며, 상기 보조층(200)과 상기 스킨층(300)은 각각 구조물의 전체 두께에 대해 5 내지 15%의 두께를 갖도록 형성시키도록 하여 물성이 우수하고 경량화의 목적을 충분히 달성할 수 있는 구조물을 형성할 수 있으며, 용도에 따라 각 층의 두께를 조절할 수 있다. 또한, 상기 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220), 그리고, 제3 수지층(310)과 제4 수지층(320)은 각각 서로 동일한 두께가 되도록 형성시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 스킨층(300)과 보조층(200)의 두께가 각각 5% 미만일 경우 두께가 얇아 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 생산시 구조물이 휘어지는 문제가 발생할 수 있고, 15%를 초과할 경우 무게가 증가되어 경량화를 달성하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 코어 발포폼층(100)의 두께가 70% 미만일 경우 경량성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 90%를 초과할 경우 파단 강도와 박리강도가 감소되고 기계적 물성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에서는, 상기와 같은 각각의 수지 용융물을 티다이(T-Die)에 공급하여 공압출하고 발포하여 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 제조할 수 있으며, 150 내지 180 ℃의 온도에서 상압 발포하여 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 제조할 수 있다.
이때, 티다이의 배출부(570)에 형성된 배출유로(571)를 통해 배출되는 수지 용융물은 체류 시간이 0.5 내지 30분 이내로 배출되도록 조절하여 발포의 속도를 조절하도록 구성할 수 있다.
하지만, 상기와 같은 상압의 공정을 통해 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은 총두께가 10 mm를 초과할 경우 코어 발포폼층(100)에 형성되는 물리적 발포제를 포함하고 있어 팽창비가 10배 이상의 비율로 급속히 팽창되어 단시간에 발포가 진행됨에 따라 기공의 크기가 불균일해지고 기공의 크기는 증가하나 기공의 개수가 줄어들게 되며 이로 인해 접착력이 부족해 박리 강도가 감소되거나, 조대한 크기의 기공이 형성되어 파단강도가 감소되는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 상기와 같은 단점을 극복할 수 있도록 상기 수지 용융물을 티다이(500)에 공급하여 공압출한 후, 공압출물을 가압 챔버(미도시)에 공급하여 발포하도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 상기와 같은 가압 발포 공정은 상기 공압출물을 가압 챔버에 도입하고 150 내지 210 ℃의 온도 및 2 내지 20 bar의 압력에서 5 내지 30분 동안 1차로 예비발포시킨 후, 예비발포시킨 공압출물을 150 내지 250 ℃의 온도 및 1 내지 5 bar의 압력에서 5 내지 30분 동안 2차로 가압발포되도록 하고, 2차 발포시킨 공압출물을 상압하에서 3차 발포하도록 하여 팽창비가 3 내지 8배이고 균일한 크기의 기공이 형성된 발포 코어폼층(100)이 형성된 구조의 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 제조할 수 있다.
구체적으로, 이와 같은 본 단계는, 초임계 유체가 용융물에 혼합되는 적정 압력과 이와 같은 초임계 유체가 기화되어 배출되면서 형성되는 기공의 크기를 압력과 온도를 이용해 조절하는 방법으로서, 상기와 같은 방법을 이용할 경우 다층 경량 샌드위치 구조물(10)의 총두께가 10 mm를 초과하는 두께에서도 안정적인 결합력을 가지면서도, 접착력이 우수해 박리강도가 높고, 기공 크기가 조대하지 않아 파단 강도 또한 향상된 구조를 갖는 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 제조할 수 있게 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물(10)의 제조방법에 따르면 공압출 방법을 이용하는 단일 공정을 통해 내부에 코어 발포폼층(100)이 구비된 경량 샌드위치 구조물(10)을 단시간에 대량 제조할 수 있으며, 원료의 단점을 층간의 상호 보완관계로 해소할 수는 있어 물성이 우수하면서도, 층간의 물성차이에 의해 발생되는 박리현상을 최소화할 수 있는 경량 샌드위치 구조물(10)을 제조할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조한 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은 코어 발포폼층(100)과 스킨층(300) 사이에 접착력이 우수한 보조층(200)이 구비된 구조를 가지고 있으며, 코어 발포폼층(100)에 균일한 크기의 기공이 형성되어 박리강도 및 파단강도가 높아 다양한 분야에서 구조물 재료로 활용될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법에 따라 제조한 다층 경량 샌드위치 구조물(10)을 제공하며, 상기 다층 경량 샌드위치 구조물(10)은 코어 발포폼층(100); 제1 수지층(210)과 제2 수지층(220)을 포함하는 보조층(200); 및 제3 수지층(310)과 제4 수지층(320)을 포함하는 스킨층(300)을 포함하고, 상기 코어 발포폼층(100), 제1 수지층(210), 제2 수지층(220), 제3 수지층(310) 및 제4 수지층(320)은 각각 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate glycol, G-PET), 비결정성 폴리에틸렌 테레프탈레이트(amorphorus poly ethylene terephthalate, A-PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 내충격성 폴리스티렌(high impact polystyrene, HIPS), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리메타크릴산 메틸(polymethacrylate methyl, PMMA), 아크릴로 니트릴 부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 폴리락트산(poly lactic acid, PLA) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 고분자 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 경량 샌드위치 구조물(10)의 제3 수지층(310)과 제4 수지층(320)에는 항균성, 난연성, 단열성, 내오염성, 내마모성 등과 같은 다양한 기능성을 부여하기 위해 기능성 코팅층을 추가로 포함할 수 있다.
상기와 같은 경량 샌드위치 구조물(10)은 기계적 물성, 내마모성, 내충격성, 박리강도 등의 물성이 우수하여 전자 부품 보호용 포장재, 건축용 자재, 기계부품, 전자부품, 조명등 커버, 간판, 운반용 트레이, 파렛트, 자동차부품, 우주항공기기의 내장재 등과 같은 다양한 용도로 활용이 가능하다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1>
제1 압출기에 폴리프로필렌 수지 55 중량부, 폴리에틸렌 25 중량부, 탈크 5중량부, 중탄산나트륨 3 중량부를 투입하고 가열하여 제1 용융물을 제조하였고, 제2 압출기에 G-PET 수지 100 중량부, 말레산 무수물이 그래프트 중합된 폴리프로필렌 수지 10 중량부를 투입하고 가열하여 제2 용융물을 제조하였으며, 제3 압출기에 G-PET 수지 100 중량부를 투입하고 가열하여 제3 용융물을 제조하였다.
제조한 제1 내지 제3 용융물을 티다이에 공급하고 배출부의 배출유로를 통해 체류시간이 15분 이내가 되도록 하였으며, 190 ℃의 온도로 공압출하여 구조물을 제조하였으며, 제조한 구조물을 상압에서 발포시켜 두께 8 mm의 코어 발포폼층, 코어 발포폼층의 양면에 형성된 두께 1 mm의 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층, 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 적층 형성된 두께 1 mm의 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층이 순차적으로 적층된 총두께 10 mm의 5층 구조 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하였다.
<실시예 2>
가압 챔버가 구비된 티다이를 이용해 제조한 제1 내지 제3 용융물을 티다이에 공급하고 가압되는 환경하에서 공압출하여 구조물을 제조하였으며, 제조한 공압출물을 가압 챔버에 공급하고 190 ℃의 온도 및 3 bar의 압력에서 가압발포되도록 한 다음, 상압하에서 2차 발포되도록 하여 두께 40 mm의 코어 발포폼층, 코어 발포폼층의 양면에 형성된 두께 5 mm의 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층, 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 적층 형성된 두께 5 mm의 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층이 순차적으로 적층된 총두께 50 mm의 5층 구조 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하였다.
<실시예 3>
가압 챔버가 구비된 티다이를 이용해 제조한 제1 내지 제3 용융물을 티다이에 공급하고 가압되는 환경하에서 공압출하여 구조물을 제조하였으며, 제조한 공압출물을 가압 챔버에 공급하고 170 ℃의 온도 및 7 bar의 압력에서 1차로 예비발포시키고, 190 ℃의 온도 및 1.5 bar의 압력에서 2차로 가압발포되도록 한 다음, 상압하에서 3차 발포되도록 하여 두께 40 mm의 코어 발포폼층, 코어 발포폼층의 양면에 형성된 두께 5 mm의 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층, 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 적층 형성된 두께 5 mm의 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층이 순차적으로 적층된 총두께 50 mm의 5층 구조 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하였다.
<비교예 1>
가압 수단이 구비된 티다이를 이용해 제조한 제1 내지 제3 용융물을 티다이에 공급하고 가압되는 환경 하에서 배출부의 배출유로를 통해 체류시간이 15분 이내가 되도록 용융물을 공급하고 190 ℃의 온도로 공압출하여 구조물을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 두께 40 mm의 코어 발포폼층, 코어 발포폼층의 양면에 형성된 두께 5 mm의 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층, 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 적층 형성된 두께 5 mm의 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층이 순차적으로 적층된 총두께 50 mm의 5층 구조 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하였다.
<비교예 2>
1종의 압출기가 구비된 티다이를 이용해 제1 용융물을 가압 성형하여 코어 발포폼 시트, 제1 수지 시트, 제2 수지 시트, 제3 수지 시트 및 제4 수지 시트를 각각 제조하였으며, 제조한 시트를 접착제를 이용해 적층 결합시켜 실시예 1과 동일한 구조와 두께를 갖는 총두께 10 mm의 5층 샌드위치 구조물을 제조하였다.
<실험예> 제조한 구조물의 물성 평가
(1) 코어 발포폼층에 형성된 기공의 크기 분석
실시예 1 내지 3에 따른 방법으로 제조한 다층 경량 샌드위치 구조물의 코어 발포폼층에 형성된 기공의 크기를 확인한 결과, 실시예 1의 구조물에는 270 ㎛의 평균직경을 갖는 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 실시예 2의 구조물에는 200 ㎛, 실시예 3의 구조물에는 120 ㎛, 비교예 1의 구조물에는 330 ㎛의 기공이 형성되어 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
(2) 구조물의 물성 평가
실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 2에 따른 방법으로 제조한 다층 샌드위치 구조물을 이용하였고, JIS C 6741 규격에 따라 시편을 준비하여 구조물 전체의 박리강도(gf/cm2)를 180° 필 테스트(180° Peel Test)로 측정하였으며, JIS K6767 규격에 따라 시편을 준비하여 구조물 전체의 TD 파단점강도(MPa)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112018049194336-pat00001
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 방법으로 제조한 전체 박리강도와 파단강도 특성이 양호한 것으로 확인되었다.
특히, 총두께 50 mm가 되도록 제조한 다층 샌드위치 구조물의 경우, 실시예 2 및 3에 따른 방법으로 제조한 구조물이 비교예 1에 따른 방법으로 제조한 구조물에 비해서 박리강도가 상승하였고, 실시예 3의 구조물의 특성이 가장 우수하다는 사실을 확인할 수 있었으며, 또한, 실시예 3의 구조물은 파단강도 또한 접착제를 이용한 라미네이션 방식으로 제조한 비교예 2구조물과 유사한 것으로 확인되어 물성이 크게 향상되었다는 사실을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통해서, 본 발명에 따른 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법을 통해서 제조한 다층 샌드위치 구조물은 경량화를 달성할 수 있음과 동시에 박리강도 및 파단강도가 우수하여 5층 이상의 경량 구조물을 제조를 위해 용이하게 활용할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
10 : 다층 경량 샌드위치 구조물 100 : 코어 발포폼층
200 : 보조층 300 : 스킨층
500 : 티다이 510 : 제1 압출기
530 : 제2 압출기 550 : 제3 압출기
570 : 배출부

Claims (6)

  1. 3개 이상의 압출기가 구비된 티다이(T-Die)를 이용해 고분자 수지를 각각 가열하여 수지 용융물을 제조하고, 제조한 각각의 수지 용융물을 공압출하여 공압출물을 제조한 다음, 제조한 공압출물을 발포하여 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 발포는 공압출물을 150 내지 210 ℃의 온도 및 2 내지 20 bar의 압력에서 1차 발포시키고, 150 내지 250 ℃의 온도 및 1 내지 5 bar의 압력에서 2차 발포시킨 다음, 상압 하에서 3차 발포시켜 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조하고,
    상기 다층 경량 샌드위치 구조물은,
    폴리프로필렌 수지(PP) 50 내지 60 중량부, 폴리에틸렌 수지(PE) 20 내지 30 중량부, 탈크 5 중량부 및 중탄산나트륨 3 중량부를 포함하는 코어 발포폼층;
    상기 코어 발포폼층의 양면에 각각 적층형성되고, 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(G-PET) 100 중량부, 말레산 무수물이 그래프트 중합된 폴리프로필렌 수지 5 내지 15 중량부 및 아크릴산 수지 5 중량부를 포함하는 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층; 및
    상기 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 각각 적층형성되고, 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(G-PET) 100 중량부 및 탈크 2 중량부를 포함하는 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다층 경량 샌드위치 구조물을 제조한 후, 상기 스킨층에 기능성 코팅을 형성시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 경량 샌드위치 구조물의 제조방법.
  6. 제1항 및 제5항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조되어, 코어 발포폼층; 상기 코어 발포폼층의 양면에 각각 적층형성되는 제1 수지층과 제2 수지층을 포함하는 보조층; 및 상기 제1 수지층과 제2 수지층의 상면에 각각 적층형성되는 제3 수지층과 제4 수지층을 포함하는 스킨층을 포함하되,
    상기 코어 발포폼층은 폴리프로필렌 수지(PP) 50 내지 60 중량부, 폴리에틸렌 수지(PE) 20 내지 30 중량부, 탈크 5 중량부 및 중탄산나트륨 3 중량부를 포함하고,
    상기 제1 수지층과 제2 수지층은 각각 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(G-PET) 100 중량부, 말레산 무수물이 그래프트 중합된 폴리프로필렌 수지 5 내지 15 중량부 및 아크릴산 수지 5 중량부를 포함하며,
    상기 제3 수지층과 제4 수지층은 각각 글리콜 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(G-PET) 100 중량부 및 탈크 2 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 경량 샌드위치 구조물.
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