KR101994147B1 - 섬유보강 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 1층 이상의 섬유보강층; 및 상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함하는 섬유보강 복합재 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 섬유보강 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 및 건축자재와 같은 외부환경에 많이 도출되어 있는 산업분야의 경우에는 높은 수준의 인성을 가진 복합재를 많이 필요로 한다. 특히 외부 충격에 많이 노출되어 있는 백빔, 시트백, 언더커버와 같은 자동차 외장부품은 더욱 그러하다.
그러므로, 충격이 가해졌을 때 그 힘에 대하여 버티고 저항하는 정도가 복합재의 가장 중요한 요소이자 부품에 사용될 수 있는 필수 기준요소인바, 복합재의 인성에 영향을 끼치는 가장 중요한 두 요소가 바로 강도와 신율(늘어나는 정도)이다. 상기 두 가지 변수는 서로 상반된 개념으로, 강도가 높아 딱딱하면 부러지기 쉬우므로 신율이 낮고, 상대적으로 무른 복합재는 신율은 높지만 그 강도가 높지 못하다. 따라서 강도와 신율이 모두 우수한 복합재를 만들기 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있다.
또한, 물성이 좋은 복합재뿐만 산업분야에서 경량의 복합재의 필요성도 증대되고 있다.
본 발명은 굴곡 강도 및 비에너지 흡수량을 높여 내충격성을 향상시키기 위해 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 1층 이상의 섬유보강층; 및 상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함하는 섬유보강 복합재 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 일 구현예로, 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 1층 이상의 섬유보강층; 및 상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함하는 섬유보강 복합재를 제공한다.
본 발명은 다른 구현예로, 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 섬유보강층; 및 상기 섬유보강층의 하부 표면에 형성된 금속층을 포함하는 섬유보강 복합재를 제공한다.
상기 복합재에서 최상부층이 충격면일 수 있다.
상기 섬유보강층은 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법에 의해 제조될 수 있다.
상기 섬유보강층의 총 두께는 1 내지 4mm 이고, 상기 금속층의 두께는 0.5 내지 2mm일 수 있다.
상기 섬유보강층은 열가소성 수지 50 내지 90중량% 및 섬유 10 내지 50 중량%를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있다.
상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체일 수 있다.
상기 섬유는 유리 섬유, 바잘트 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 일 수 있다.
상기 유리 섬유의 평균직경이 5um 내지 25um일 수 있다.
상기 금속층은 스틸 와이어 메쉬, 익스펜디드 메탈, 스틸 코드 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 와이어를 포함할 수 있다.
상기 금속 와이어는 평균선경이 0.5mm 내지 2mm일 수 있다.
상기 섬유보강층은 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료, 난연제, 전도성 첨가제, 대전방지제, UV 안정제, 나노첨가제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 섬유보강 복합재의 굴곡 강도가 50 내지 300 MPa일 수 있다.
상기 섬유 보강 복합재의 비에너지 흡수량이 100 내지 3000 J일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로, (a)열가소성 수지를 용융 혼련시키는 단계; (b)상기 제조된 열가소성 수지 조성물과 섬유를 혼련시켜 1층 이상의 섬유보강층을 제조하는 단계; 및 (c)상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 금속 와이어를 압착하여 금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 섬유보강 복합재 제조방법을 제공한다.
상기 (b)단계에서, 상기 섬유보강층은 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법에 의해 제조될 수 있다.
상기 (c)단계는 150 내지 300°C 온도에서 3 내지 20 분간 수행될 수 있다.
상기 (c)단계에서 금속층의 형성은 접착제에 의한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 섬유보강 복합재는 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct, 이하 LFT-D라 한다.)공법에 의해 제조된 1층 이상의 섬유보강층에 금속층을 적층시킴으로써 굴곡 강도가 높고, 인성이 좋으며, 금속층의 형성 위치를 조절함으로써 비에너지 흡수량을 높여 내충격성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 섬유보강 복합재는 금속층에 금속 와이어를 포함함으로써 경량화 효과 및 금속의 고변현능을 구현할 수 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 일 구현예에 따른 1층의 섬유보강층 및 금속층으로 이루어진 섬유보강 복합재의 개략적 단면도이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 다른 구현예에 따른 2층의 섬유보강층 및 금속층으로 이루어진 섬유보강 복합재의 개략적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 3층의 섬유보강층 및 금속층으로 이루어진 섬유보강 복합재의 개략적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 비에너지 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 다른 구현예에 따른 2층의 섬유보강층 및 금속층으로 이루어진 섬유보강 복합재의 개략적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 3층의 섬유보강층 및 금속층으로 이루어진 섬유보강 복합재의 개략적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 비에너지 흡수량을 나타낸 그래프이다.
본 발명자들은 섬유보강 복합재에 대해 연구하던 중, LFT-D 공법으로 제조한 섬유보강층에 금속와이어를 압착하여 금속층을 형성시킴으로써, 복합재의 굴곡 강도 및 비에너지 흡수량이 우수함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하에서 기재의 “상부 (또는 하부)” 또는 기재의 “상 (또는 하)”에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
섬유보강 복합재
본 발명은 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 1층 이상의 섬유보강층; 및 상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함하는 섬유보강 복합재를 제공한다.
또한, 본 발명은 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 섬유보강층; 및 상기 섬유보강층의 하부 표면에 형성된 금속층을 포함하는 섬유보강 복합재를 제공한다. 구체적으로, 섬유보강층 및 금속층의 다양한 적층구조를 실시할 수 있으나, 바람직하게는 상기 섬유보강층 및 섬유보강층 하부 표면에 금속층을 형성함으로써 금속층의 종류에 따라 상기 섬유보강 복합재는 굴곡 강도는 최고 300MPa, 비에너지 흡수량은 3000J까지 구현할 수 잇다.
도 1a 내지 1c, 도 2a 내지 2c 및 도 3은 각각 금속층(2) 형성위치에 따른 구현예이다.
도 1a 내지 1c는 1층의 섬유보강층(1) 및 금속층(2)으로 이루어진 섬유보강 복합재로, 도 1a에서 도시된 바와 같이 섬유보강층(1) 하부에 금속층(2)이 형성되거나, 도 1b에서 도시된 바와 같이 섬유보강층(1) 상부에 금속층(2)이 형성되거나, 도 1c에서 도시된 바와 같이 섬유보강층(1)의 양면에 금속층(2)이 형성된 구현예들이 있다.
도 2a 내지 2c는 2층의 섬유보강층(1) 및 금속층(2)으로 이루어진 섬유보강 복합재로, 도 2a에서 도시된 바와 같이 2층의 섬유보강층(1) 사이에 1층의 금속층(2)이 형성되거나, 도 2b에서 도시된 바와 같이 2층의 섬유보강층(1) 사이에 1층의 금속층(2)이 형성되고 하부의 섬유보강층(1)의 하부면에 1층의 금속층(2)을 형성하여 섬유보강층(1)과 금속층(2)이 번갈아 형성되거나, 도 2c에서 도시된 바와 같이 2층의 섬유보강층(1) 사이에 1층의 금속층(2)이 형성되고 상부의 섬유보강층(1)의 상부면에 1층의 금속층(2)을 형성하여 섬유보강층(1)과 금속층(2)이 번갈아 형성된 구현예들이 있다.
도 3은 3층의 섬유보강층(1) 및 2층의 금속층(2)으로 이루어진 섬유보강 복합재로, 도 3에서 도시된 바와 같이 3층의 섬유보강층(1)간에 2층의 금속층(2)이 번갈아 형성된 구현예가 있다.
상기와 같이 제조된 복합재들의 물성은 포함되는 금속의 특성상 경량화 효과 및 고변현능을 구현하여 상기 적층구조를 통해 우수한 굴곡 강도 및 비에너지 흡수량을 갖는다. 특히, 도1a의 1층의 섬유보강 복합재 하부에 금속층을 형성한 예가 가장 뛰어난 내충격성을 보인다.
상기 복합재에서 최상부층이 충격면일 수 있다. 구체적으로, 충격이 가해지는 충격면의 반대면인 하부에 금속층이 형성될 때 가장 높은 굴곡 강도를 보인다. 본 발명에 따른 복합재는 굴곡 강도 및 비에너지 흡수량 등 즉, 한방향 충격에 우수한 강성을 지님으로써 자동차 소재 등 내충격성이 필요한 자재에 활용될 수 있다.
상기 섬유보강층은 열가소성 수지에 섬유를 보강하여 굴곡 특성 및 내충격성 등을 보강한 것으로, 상기 섬유보강층은 LFT-D공법에 의해 제조될 수 있다.
LFT-D공법은 열가소성 수지에 장섬유를 함침시키는 기술로, 상기 공법에 의해 제조된 장섬유 열가소성 플라스틱(Long Fiber Thermoplastics, 이하 LFT라 한다.)은 가벼우면서 견고함을 요구하는 산업재 분야에 널리 사용되는 고기능 플라스틱 소재이다. 기존의 FRP 소재와 달리 성형성이 뛰어나 복잡한 형상의 부품 성형이 가능하고, 타 엔지니어링 플라스틱 원료에 비해 단가가 저렴하다. 압출 및 사출 성형이 가능하고, 기능성 소재 부품에 적용하거나 환경보존 차원에서 재료의 리사이클이 가능하다. 상기 LFT를 본 발명의 섬유보강층에 적용시킴으로써 기타 플라스틱층에 비해 고인성 및 우수한 충격 강도를 가질 수 있다.
상기 섬유보강 복합재는 LFT-D공법에 의해 열가소성 수지에 섬유를 함침시킴으로써 제조된 섬유보강층에 금속 와이어로 이루어진 금속층을 적층시켜 굴곡 강도 및 비에너지 흡수량을 증대시켜 우수한 충격특성을 구현한다.
상기 섬유보강층의 총 두께는 약 1 내지 약 4mm 이고, 상기 금속층의 두께는 약 0.5 내지 약 2mm 일 수 있다. 본 발명에 따른 섬유보강 복합재의 섬유보강층은 n층까지 형성될 수 있다. 예를 들어, 각 층의 두께가 1층의 경우에는 약 3 mm일 수 있고, 2층의 경우에는 약 3/2 mm, 3층의 경우에는 약 3/3 mm, n층의 경우에는 약 3/n mm일 수 있다. 즉, 총 두께는 일정하되 복합재 내의 층의 수에 따라 각 층의 두께는 3/n mm가 될 수 있다.
상기 섬유보강층의 총 두께가 약 4mm를 초과하는 경우 복합재의 기계적 강도가 저하되고 실용적 측면에서 우수한 품질을 기대하기 어려우며, 약 1mm 미만인 경우 복합재의 굴곡 특성 및 충격 흡수 효과가 저하될 수 있다.
상기 금속층의 두께가 약 2mm를 초과하는 경우 비중이 높은 금속 와이어로 인해 복합재의 무게가 증가하여 무게 대비 물성증가 비율이 상대적으로 낮아질 수 있고, 약 0.5mm 미만인 경우 기계적 강도 및 충격 에너지 흡수량 등의 물성이 본 발명에서 구현하려는 목적까지 달성되지 않을 수 있다.
상기 섬유보강층과 금속층은 사용형태에 따라 1층 이상의 적층 구조를 가짐으로써 섬유보강 복합재의 다양한 물성을 구현할 수 있다.
상기 섬유보강층은 열가소성 수지 약 50 내지 약 90 중량% 및 섬유 약 10 내지 약 50중량%를 포함할 수 있다.
상기 섬유를 약 10 중량% 미만으로 포함하는 경우 연속섬유 강화 복합재로써의 물성을 구현하지 못할 우려가 있고, 약 50 중량%를 초과하여 포함하는 경우 섬유의 함량이 높아져 단일층의 연속섬유 강화 복합재 제조 및 후공정이 어려울 수 있어, 상기 범위를 유지하는 것이 연속섬유 강화 복합재의 물성을 확보하고 제조공정의 효율을 높일 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체일 수 있다.
상기 섬유는 유리섬유, 바잘트 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 열가소성 수지에 상기 섬유를 포함함으로써 복합재의 강도를 보강할 수 있고, 예를 들어, 폴리올레핀용 표면처리가 되어있는 유리섬유를 사용할 수 있다.
상기 유리섬유의 평균직경이 약 5um 내지 약 25um, 예를 들어 약 10um 내지 약 20um 일 수 있다. 상기 유리섬유의 평균직경이 상기 범위를 유지함으로써 섬유가 평면화되는 특성 및 열가소성 수지에 함침되는 특성을 확보하는데 유리하다.
상기 금속층은 스틸 와이어 메쉬, 익스펜디드 메탈 또는 스틸코드 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 와이어를 포함할 수 있다.
구체적으로, 스틸 와이어 메쉬란, 냉간압연된 또는 신선된 고강도 철선을 사용하여 세로선과 가로선을 직각으로 배열하여, 교차점을 전기저항용접으로 접합한 시트로 원형철선, 이형철선 등이 있다. 주로 콘크리트. 도로포장. 건물의 하중을 받는 기초로 들어가는 보강재이나, 상기 스틸 와이어 메쉬를 상기 복합재에 포함시킴으로써, 높은 굴곡강도 및 신율을 확보할 수 있다.
익스펜디드 메탈이란, 얇은 열연강판 또는 코일을 소재로 하여 일정한 간격으로 절산한 뒤 직각 방향으로 잡아당겨 늘려서 그물 모양으로 만든 보강재로, 상기 익스펜디드 메탈을 상기 복합재에 포함시킴으로써, 높은 굴곡강도 및 신율을 확보할 수 있다.
스틸 코드는, 얇게 가공되어 고무에 쉽게 접착되도록 고속 연선한 소재로 타이어의 강도를 높이기 위해 사용되는 보강재이나, 상기 스틸 코드를 상기 복합재에 포함시킴으로써, 높은 굴곡강도 및 신율을 확보할 수 있다. 특히, 스틸 와이어 메쉬로 금속층을 구성한 경우 굴곡 강도가 우수한데, 이는 스틸 와이어 메쉬의 그물형 교차배열이 충격량 흡수에 보다 용이하기 때문이다. 섬유보강층에 금속층을 형성함으로써, 복합재의 강도를 보다 강화할 수 있고, 금속 와이어의 위치를 조절함으로서 기계적 강도와 에너지 흡수량 증대 효과를 얻을 수 있다.
상기 금속 와이어는 평균선경이 약 0.5mm 내지 약 2mm, 예를 들어 약 1mm 내지 약 1.5mm 일 수 있다. 상기 금속 와이어의 평균선경이 상기 범위를 유지함으로써 섬유보강층에 잘 압착될 수 있고, 금속 와이어 자체의 물성을 확보하는데 유리하다.
상기 섬유보강층은 상기 열가소성 수지, 섬유외에 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료, 난연제, 전도성 첨가제, 대전방지제, UV 안정제, 나노첨가제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지 100중량부에 대해서 상기 첨가제를 약 0.5중량부 내지 약 3.0중량부 더 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 굴곡 강도가 약 50 내지 약 300MPa일 수 있고, 바람직하게는 약 150 내지 약 300MPa일 수 있다. 굴곡 강도란 외부로부터 힘을 받아 시료를 휘게하는 굴곡력을 적용함에 있어서 로드가 더 이상 증가하지 않는 최대값을 말하며, 상기 복합재는 금속 와이어를 포함함으로써 외부 충격에도 다시 본래의 형상으로 돌아오고자 하는 굴곡 탄성율이 향상되었다. 상기 복합재의 굴곡 강도는 상기 복합재가 포함하는 금속 와이어 및 섬유의 함량에 의해 조절될 수 있는 것으로, 상기 복합재는 자동차 부품소재로써 사용되는바, 용도에 따라, 상기 금속 와이어 및 섬유의 함량을 조절 할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재의 굴곡 시험의 비에너지 흡수량은 약 100 내지 약 3000J일 수 있고, 바람직하게는 약 250 내지 3000J일 수 있다. 굴곡 시험의 비에너지 흡수량은 어떤 물질에 있어서 단위 중량당 내부 에너지의 흡수량을 수치화 한 것을 의미하는바, 연성과 인성을 측정하는 경우에 사용된다. 인장 강도에서의 비에너지 흡수량은 인장 곡선의 면적을 비중으로 나눈 값으로 굴곡 시험의 비에너지 흡수량은 다소 높게 표현이 될 수 있다. 상기 복합재는 금속 와이어를 포함함으로써, 흡수할 수 있는 비에너지량이 증가하여 강도 및 강성과 동시에 내충격성이 향상될 수 있다.
섬유보강 복합재 제조방법
본 발명의 일 구현예에서, (a)열가소성 수지를 용융혼련시키는 단계; (b)상기 열가소성 수지 조성물과 섬유를 혼련시켜 섬유보강층을 제조하는 단계; 및 (c)상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 금속 와이어를 압착하여 금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 섬유보강 복합재 제조방법을 제공한다.
상기 (a)단계는 열가소성 수지를 용융혼련시키는 단계이다. 상기 열가소성 수지의 구체적인 종류는 전술한 바와 같다. 상기 용융혼련시 가공온도 및 회전속도(rpm)는 투입되는 열가소성 수지는 통상적으로 적용되는 가공 온도 및 회전속도이면 특별히 제한되지 않으나, 열가소성 수지 조성물의 열화가 최소화되고, 균일하게 혼련될 수 있는 범위 내인 것이 유리하다.
상기 (b)단계는 상기 열가소성 수지 조성물과 섬유를 혼련시켜 섬유보강층을 제조하는 단계이다. 상기 섬유의 구체적인 종류는 전술한 바와 같다. 혼련시 가열온도는 약 200°C 내지 약 300°C 일 수 있고, 섬유 및 금속와이어의 함량 및 제조되는 섬유보강 복합재의 두께를 조절하기 위하여 온도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 경화물은 약 25°C 내지 약 80°C의 온도에서 냉각될 수 있다. 혼련 후 압출다이를 이용하여 일정한 크기 및 형상을 갖는 압출물을 연속적으로 제조하고, 프레스 형성하여 섬유보강층을 제조할 수 있다. 상기 섬유는 혼련시 적당한 크기의 장섬유로 잘라져 압출다이를 통해 압출되는 압출물에 충분한 강성을 제공하고, 상기 장섬유는 압출기 내부에서 높은 전단력(shear stress)을 받는다.
상기 섬유보강층은 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법에 의해 제조될 수 있다. 구체적으로, LFT-D 공법에 대해서는 후술하는 바와 같다.
제1 및 제2 압출기로 구성된 LFT-D(Long Fiber Reinforced Thermoplastic - Direct Compounding) 압출기와 롤 포밍용 롤을 이용하는 바, 제1 압출기에 열가소성 수지 및 첨가제를 투입하여 용융 혼련시킴으로써 열가소성 수지 조성물을 제조하고, 상기 제조된 열가소성 수지 조성물과 섬유를 제2 압출기에 투입하여 혼련시킴으로써 장섬유 열가소성 플라스틱을 제조한다. 상기 제조된 장섬유 열가소성 플라스틱을 압출 다이(die)를 이용하여 연속적으로 압출함으로써 일정한 크기 및 형상을 갖는 장섬유 열가소성 플라스틱 압출물을 제조하고, 이후 제조된 압출물을 연속적으로 롤 포밍용 롤을 통과시킨 다음, 절삭기로 절단하여 일정한 크기 및 형상을 갖도록 하여 본 발명에 따른 섬유보강층을 제조할 수 있다.
상기 LFT-D 압출기는 제1 및 제2 압출기로 이루어지는데, 제1 압출기는 통상 상기 열가소성 수지 및 첨가제를 용융혼련시켜 상기 제2 압출기로 이송시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고, 제2 압출기는 열가소성 수지 조성물 및 연속 또는 불연속 섬유를 혼련시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 제1 및 제2 압출기는 기능적으로 나눈 것으로, 각각 1 이상의 압출기인 것이 바람직할 수 있으나, 상기 제1 및 제2 압출기의 기능을 모두 포함하는 하나의 압출기일 수도 있다. 상기 압출 다이는 그 단면의 모양 및 크기가 제조되는 섬유보강층의 모양 및 크기와 비슷하거나 일치되는 것이 바람직하다.
상기 롤 포밍용 롤은 상부롤, 하부롤 및 가압공간(상부롤 및 하부롤 사이의 틈)으로 이루어지고, 상기 상부롤 및 하부롤은 쌍을 이루어 함께 회전하되, 상기 가압공간이 제조되는 섬유보강층의 단면의 모양과 비슷 또는 일치되도록 상부롤과 하부롤의 외주면이 설계된다. 상기 롤 포밍용 롤은 3개 이상인 것이 바람직하고, 그 온도는 압출기로부터 순차적으로 낮아지는 것이 바람직한데, 구체적인 일례로 롤 포밍용 롤이 3개인 경우 압출기에 가장 가까운 것부터 각각 200 ℃ 내외, 150 ℃ 내외 및 100 ℃ 내외일 수 있다.
상기 다수의 롤 포밍용 롤은 그 각각의 가압공간이 최종적으로 성형되는 섬유보강층의 단면과 동일하거나, 또는 순차적으로 그 크기가 줄어들어 마지막 롤 포밍용 롤의 가압공간이 최종적으로 성형되는 섬유보강층의 단면과 동일하게 설계될 수 있다.
상기 LFT-D 공법에 따라 섬유보강층을 제조함으로써 층구조를 형성할 수 있게 되어, 상기 섬유보강층의 상부 또는 하부에 금속 와이어를 압착하여 금속층을 적층할 수 있다. 상기 적층 구조에 따라 사용형태에 알맞은 굴곡 강도 및 비에너지 흡수량을 조절하여 다양한 물성의 섬유보강 복합재를 구현할 수 있다.
상기 (c)단계는 상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 금속 와이어를 압착하여 금속층을 형성하는 단계이다. 상기 (c)단계는 약 150 내지 약 300°C 온도에서 약 3 내지 약 20 분간 수행될 수 있다. 약 150°C미만의 온도에서는 압착된 섬유 보강층이 유동성을 잃어 금속층을 형성하기 어려운 문제점이 있고, 약 300°C를 초과하는 온도에서는 몰드 밖으로 수지가 새어나와 함량 불량 및 섬유보강층 물성 저하의 우려가 있다.
상기 섬유보강층의 상부, 하부 또는 상기 섬유보강층의 사이에 금속 와이어를 압착하여 금속층을 형성함으로써, 상기 금속 와이어의 압착 위치를 조절함에 따라 기계적 강도와 에너지 흡수량 증대 효과를 얻을 수 있다.
상기 금속 와이어를 압착시 구체적으로 열이 없는 무거운 프레스로 일정한 압력을 가하는 콜드프레스공정, 가열 후 압력을 가하는 핫프레스 공정, 또는 짜임 구조를 금형에 넣고 일정온도에서 압착하는 컴프레션 몰딩 공정으로 수행될 수 있다.
상기 (c)단계에서 금속층의 형상은 접착제에 의한 것일 수 있다. 상기 접착제는 우레탄 바인더, 폴리 에스테르, 폴리 올레핀, 아크릴 바인더, 바람직하게는 아크릴를 사용하는 것으로, 금속 와이어를 상기 장섬유 플라스틱층에 부착한다. 아크릴를 사용한 경우 다른 접착제에 비해 금속과 장섬유 플라스틱층간에 높은 접착력을 구현할 수 있다.
상기 섬유보강 복합재의 제조방법을 사용함으로써 고강성, 고강도 및 고속 충격강도가 우수하여 자동차 부품소재인 백빔, 시트백, 보닛 루프 등에 적용이 가능한 섬유보강 복합재를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
및
비교예
>
실시예
1
LFT-D 공법에의해, 먼저 250온도에서 7 내지 10분간 폴리프로필렌 수지 80 중량부를 혼련하여 열가소성 수지 조성물을 제조하고, 상기 열가소성 수지 조성물에 유리섬유를 250°C의 온도에서 20 중량부 함침시켜 성형틀에서 60초 정도 압출 성형하여 두께 3mm 의 섬유보강층을 제조하였다. 이어서 상기 섬유보강층 하부에 스틸 와이어 메쉬를 핫프레스 방식으로 250°C에서 6 내지 10분간 압착하여 금속층을 형성하여 섬유보강 복합재를 제조하고, 127mm x 12.7mm 크기로 잘라 시편을 제조하였다.
실시예
2
상기 섬유보강층을 1.5mm로 2층을 제조하여 장섬유 열가소성 플라스틱 층간에 스틸 와이어 메쉬 금속층을 압착 형성한 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유보강 복합재를 제조하였다.
실시예
3
상기 섬유보강층을 3mm로 1층을 제조하여 상기 섬유보강층 상부에 스틸 와이어 메쉬 금속층을 압착 형성한 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유보강 복합재를 제조하였다.
실시예4
상기 섬유보강층 하부에 상기 스틸 와이어 메쉬 대신 익스펜디드 메탈로 금속층을 압착 형성한 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유보강 복합재를 제조하였다.
실시예5
상기 섬유보강층 하부에 상기 스틸 와이어 메쉬 대신 스틸 코드로 금속층을 압착 형성한 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유보강 복합재를 제조하였다.
비교예1
상기 섬유보강층을 3mm 두께로 제조하고 금속층을 형성하지 않은 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유보강 복합재를 제조하였다.
실험예
실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 시편들에 대하여 굴곡강도 및 비에너지 흡수량을 측정하였다.
1. 굴곡강도 및 비에너지 흡수량
굴곡 강도는 ASTM D790에 따라 만능시험기를 이용하여 20mm/min의 속도로 상온에서 평가하였고, 결과는 표1에 나타내었다. (span 길이: 두께 x 16배)
2. 비에너지 흡수량
상기 굴곡 강도 측정 방법에 따라 얻어진 결과 값 그래프의 면적을 계산하여 평가하였고, 결과는 표1 및 도4에 나타내었다.
| 굴곡강도(MPa) | 비에너지 흡수량(J) | |
| 실시예1 | 205 | 1656 |
| 실시예2 | 192 | 694 |
| 실시예3 | 181 | 292 |
| 실시예4 | 106 | 406 |
| 실시예5 | 96.5 | 882 |
| 비교예1 | 107 | 68 |
상기 표 1를 참고하면, 실시예 1 내지 3의 비에너지 굴곡강도는 180Mpa 이상 비에너지 흡수량은 290J이상이고, 비교예1의 굴곡 강도는 107Mpa 비에너지 흡수량은 68J로 본 발명에 따른 복합재의 강성이 우수한 것을 알 수 있다. 실시예 4, 5의 경우 굴곡 강도는 실시예 1 내지 3의 수준에 못미치는데 이는 실시예 1 내지 3에서 금속층에 쓰인 금속재료의 특성상 스틸 와이어 메쉬가 그물형 직교 구조로 굴곡 특성이 더 우수하기 때문이나, 실시예 4, 5의 비에너지 흡수량은 비교예1의 68J에 비해 월등한 400J 이상으로 측정되어 본 발명에 따른 복합재가 우수한 내충격성을 가짐을 알 수 있다. 특히 실시예 1의 경우 다른 실시예보다도 높은 굴곡 강도와 비에너지 흡수량을 보이는데, 이로써 섬유보강층 하부에 스틸 와이어 메쉬를 포함하는 금속층을 형성한 적층구조의 섬유보강 복합재의 물성이 가장 우수함을 알 수 있다.
1 : 섬유보강층
2 : 금속층
2 : 금속층
Claims (19)
- 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 1층 이상의 섬유보강층 및
상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 형성된 금속층을 포함하고,
상기 섬유보강층은 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법에 의해 제조되고,
상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체이며,
상기 금속층은 스틸 와이어 메쉬, 익스펜디드 메탈, 스틸 코드 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 와이어를 포함하고,
굴곡 강도가 50 내지 205 MPa이며, 비에너지 흡수량이 100 내지 3000J 인
섬유보강 복합재.
- 열가소성 수지 및 섬유를 포함하는 섬유보강층 및
상기 섬유보강층의 하부 표면에 형성된 금속층을 포함하고,
상기 섬유보강층은 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법에 의해 제조되고,
상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체이며,
상기 금속층은 스틸 와이어 메쉬, 익스펜디드 메탈, 스틸 코드 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 와이어를 포함하고,
굴곡 강도가 50 내지 205 MPa이며, 비에너지 흡수량이 100 내지 3000J 인
섬유보강 복합재.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 복합재에서 최상부층이 충격면인
섬유보강 복합재.
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 섬유보강층의 총 두께는 1 내지 4mm 이고, 상기 금속층의 두께는 0.5 내지 2mm 인
섬유보강 복합재.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 섬유보강층은 열가소성 수지 50 내지 90중량% 및 섬유 10 내지 50 중량%를 포함하는
섬유보강 복합재.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 섬유는 유리 섬유, 바잘트 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인
섬유보강 복합재.
- 제 9항에 있어서,
상기 유리 섬유의 평균직경이 5μm 내지 25μm인
섬유보강 복합재.
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 금속 와이어는 평균선경이 0.5mm 내지 2mm인
섬유보강 복합재.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 섬유보강층은 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료, 난연제, 전도성 첨가제, 대전방지제, UV 안정제, 나노첨가제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함하는
섬유보강 복합재.
- 삭제
- 삭제
- (a)열가소성 수지를 용융 혼련시키는 단계;
(b)상기 (a)단계에서 제조된 열가소성 수지 조성물과 섬유를 혼련시켜 1층 이상의 섬유보강층을 제조하는 단계; 및
(c)상기 섬유보강층의 적어도 하나의 표면에 금속 와이어를 압착하여 금속층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 섬유보강층은 LFT-D(Long Fiber Thermoplastic-Direct)공법에 의해 제조되고,
상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체이며,
상기 금속층은 스틸 와이어 메쉬, 익스펜디드 메탈, 스틸 코드 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 와이어를 포함하며,
섬유보강 복합재의 굴곡 강도가 50 내지 205 MPa이며, 비에너지 흡수량이 100 내지 3000J 인
섬유보강 복합재 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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