KR102016655B1 - 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

기계적 물성의 제어가 가능한 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법이 개시된다. 본 발명은 충전제 및 강화제를 폴리에스테르 수지 조성물에 혼합하여 제조되는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법에 있어서, 폴리에스테르 수지 조성물을 교반하는 제1 교반 단계; 상기 제1 교반 단계에서의 상기 폴리에스테르 수지 조성물의 점도에 따라 첨가될 중질탄산칼슘의 평균 입도 및 제1 함량을 결정하는 단계; 상기 교반된 폴리에스테르 수지 조성물에 상기 결정된 제1 함량의 중질탄산칼슘을 첨가하여 교반하는 제2 교반 단계; 및 상기 혼합물을 기재에 도포하고 제2 함량의 강화제를 분산하여 시트 형태로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법을 제공한다.

Description

시트몰딩 컴파운드의 제조 방법{Manufacturing Methods of Sheet Molding Compound}

본 발명은 시트몰딩 컴파운드 제조 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 기계적 물성의 제어가 가능한 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법에 관한 것이다.

시트몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound, SMC)는 유리섬유, 폴리에스테르 수지, 충전제, 증점제, 이형제 등을 배합한 성형재로서 욕조, 정화조 등의 주택 설비, 차량부품, 가구, 전기제품의 하우징 등에 널리 사용되고 있다.

통상 SMC는 성형 공정의 안정성을 확보하기 위한 증점제, 소포제, 이형제 등의 각종 첨가제가 배합된 폴리에스테르 수지 조성물을 기지재(matrix)로 하여, 여기에 중질 탄산칼슘과 같은 충전제와 수지의 기계적 물성을 보완하기 위한 유리 섬유와 같은 강화제를 포함한다.

SMC에서 최종 생성물의 기계적 특성은 강화제인 유리 섬유에 의하여 발현되는 것으로 알려져 있으며, 성헝체의 기계적 특성 개선은 주로 섬유의 종횡비, 길이, 첨가량, 배향성을 기반으로 연구되어 왔다.

한편, 충전제는 수지(플라스틱)의 함량을 낮추고 중량을 높임으로써 제조 원가를 낮추며, 수지가 갖는 열물성의 한계를 극복하기 위해 도입되는 것으로 알려져 있다. 그 이유는 충전제가 광물자원을 분쇄/분급하여 제조되어 제조사에 따라 입도가 다를 뿐만 아니라, 동일 제품에서도 입도 변화가 발생하여 성형품 제조시 문제점을 유발하였기 때문에 단순히 수지를 대체하는 이상의 물성 향상을 위한 용도로 사용하는 데에 제한이 있었다.

이에 본 발명의 발명자들은 충전제의 함량, 입도 변화에 따라 폴리에스테르 수지 조성물의 점도를 유지하면서 점증조건 및 성형온도 밀도 등의 변화를 최소화하고, 최종 생성물의 기계적 물성을 확보하기 위한 최적의 배합 조성을 연구하기에 이르렀다.

(1) 한국등록특허 제0933929호 (2) 일본공개특허 제2004-182964호

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 조성물의 초기 점도를 유지하면서 충전제의 함량을 조절하여 수지 혼합물의 점도 안정성을 유지하고 공급되는 충전제의 입도 불안정성을 개선할 수 있는 SMC의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 충전제의 함량 변화에 의해 유리 섬유의 함량을 낮추면서도 SMC의 기계적 물성을 향상시키고, SMC 제조의 경제성을 향상시킬 수 있는 SMC 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 충전제 및 강화제를 폴리에스테르 수지 조성물에 혼합하여 제조되는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법에 있어서, 폴리에스테르 수지 조성물을 교반하는 제1 교반 단계; 상기 제1 교반 단계에서의 상기 폴리에스테르 수지 조성물의 점도에 따라 첨가될 중질탄산칼슘의 평균 입도 및 제1 함량을 결정하는 단계; 상기 교반된 폴리에스테르 수지 조성물에 상기 결정된 제1 함량의 중질탄산칼슘을 첨가하여 교반하는 제2 교반 단계; 및 상기 혼합물을 기재에 도포하고 제2 함량의 강화제를 분산하여 시트 형태로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 중질탄산칼슘의 제1 함량 결정 단계는, 소정의 굴곡 강도 범위를 선정하는 단계; 사전 설정된 제1 함량의 강화제에 대하여 중질탄산칼슘의 평균 입도 및 함량을 변수로 하여 상이한 평균 입도 및 함량의 중질탄산칼슘을 첨가한 복수 샘플의 굴곡강도를 측정하는 단계; 상기 복수 샘플의 굴곡 강도 값이 상기 소정의 굴곡 강도 범위에 속하는 샘플의 중질탄산칼슘 평균 입도와 첨가 함량을 제2 함량으로 결정하는 단계; 및 상기 결정된 중질탄산칼슘 샘플의 제2 함량 보다 큰 값을 중질탄산칼슘의 제1 함량으로 선택하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시트 형태 성형 단계에서 분산되는 강화제의 제2 함량은 상기 강화제의 제1 함량보다 작은 것을 특징으로 한다. 이 때, 중질탄산칼슘의 제1 함량 및 제2 함량과 상기 강화제의 제1 함량 및 제2 함량은 상기 폴리에스테르 수지 조성물의 초기 점도가 소정 점도 범위에서 유지되도록 선택되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 폴리에스테르 수지 조성물의 초기 점도는 22,000~28,000 cps 인 것이 좋다.

본 발명에서 상기 중질탄산칼슘의 평균 입도는 2~15 ㎛인 것이 바람직하다.

또한, 상기 시트몰딩 컴파운드의 굴곡 강도는 175~200 MPa인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 조성물의 초기 점도를 유지하면서 충전제의 함량을 조절하여 수지 혼합물의 점도 안정성을 유지하고 공급되는 충전제의 입도 불안정성을 개선할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따르면 충전제의 함량의 변화에 의해 유리 섬유의 함량을 낮추면서도 SMC의 기계적 물성을 향상시키고, SMC 제조에 있어서 경제성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 SMC의 제조방법을 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전제의 평균 입도와 함량 결정 절차를 모식적으로 나타낸 절차도이다.
도 3은 본 발명의 실험예에서의 각 샘플에 사용된 중질탄산칼슘의 입도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 샘플의 굴곡 강도 값을 나타낸 그래프이다.
도 5 본 발명의 다른 실험예에 따라 제조된 샘플의 굴곡 강도 값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조된 샘플의 굴곡 강도값을 도시한 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 SMC의 제조방법을 개략적으로 도시한 절차도이다.

도 1을 참조하면, 폴리에스테르 수지 조성물을 교반한다(S110). 이 때, 상기 폴리에스테르 수지 조성물은 종래 SMC에 사용되고 있는 공지의 포화폴리에스테르수지를 포함할 수 있다. 이 불포화폴리에스테르수지는, α,β-불포화카르복시산 또는 경우에 따라서 포화카르복실산을 함유하는 α,β -불포화카르복실산과 알콜로부터 얻어질 수 있다.

또한, 상기 폴리에스테르 수지 조성물은 저수축화제, 이형제 또는 증점제를 더 포함할 수 있다.

상기 저수축화제로는 예컨대, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리염화비닐, 폴리아세트산비닐, 폴리카프로락탐, 포화폴리에스테르, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 등의 열가소성 수지, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 스티렌-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 등의 고무형상 중합체 등을 들 수 있다. 이들의 저수축화제의 첨가량은, 불포화 폴리에스테르수지 100 중량부에 대해, 통상 4∼10중량부 포함될 수 있다.

한편, 이형제로는 스테아린산 아연이 사용될 수 있다. 또한 증점제로는 산화마그네슘이 사용될 수 있다. 그 밖에도 안료, 경화 촉매 등이 추가로 포함될 수 있으며, 이들 첨가제는 이 분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.

상술한 첨가제를 포함하는 폴리에스테르 수지 조성물은 적절한 방식으로 교반될 수 있다. 예컨대 기계식 교반장치를 사용하여 상온에서 1 시간 이상 교반할 수 있다.

다음으로, 중질탄산칼슘과 같은 충전제를 교반하기에 앞서 교반될 충전제의 평균 입도와 함량을 결정한다(S120). 본 발명에서 충전제의 평균 입도 및 함량의 결정 방법에 대해서는 따로 후술한다.

이어서, 1차 교반을 거친 폴리에스테르 조성물에 중질탄산칼슘과 같은 충전제를 첨가하여 2차 교반한다(S130). 교반 조건은 1차 교반과 동일하게 할 수 있다.

본 발명에서 상기 충전제로는 탄산칼슘 외에도 탄산마그네슘, 황산바륨, 마이카, 탤크, 카올린, 클레이, 셀라이트, 아스베스토, 중정석(baryte), 중정석(barite), 실리카, 규사, 돌로마이트, 석회석, 석고, 알루미늄 미분말, 중공 발룬, 알루미나, 유리분말 수산화 알루미늄, 한수석, 산화지르코늄, 3산화 안티몬, 산화티탄, 2산화 몰리부덴 등이 사용될 수 있다. 이들 충전제는 작업성, 성형품 강도, 외관, 경제성 등을 고려해서 선택되며, 바람직하게는 중질탄산칼슘을 사용하는 것이 좋다.

이어서, 2차 교반된 페이스트 형태의 조성물을 PE 필름과 같은 기재에 도포하고 그 위에 유리 섬유와 같은 강화제를 분산 및 도포하여 시트 형태의 성형체를 제조한다(S140). 성형체는 롤 형태로 권치하거나 다른 이형 시트를 덮어 건조를 방지하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 강화제로는 유리섬유 이외에도 폴리에스테르섬유, 페놀섬유, 폴리비닐알콜섬유, 방향족 폴리아미드섬유, 나일론섬유, 탄소섬유가 사용될 수 있다. 또한 강화제는 촙드스트랜드, 촙드스트랜드매트, 로빙, 직물형상 등의 다양한 형태로 사용될 수 있다. 본 발명에서 조성물의 점도나 성형품의 강도 등을 고려해서 적절한 강화제가 선택될 수 있다.

다음, 시트 형태의 성형체는 수일 동안 상온에 방치함으로써 숙성될 수 있다(S150).

이와 같이 제조된 시트 형태의 성형체는 적절한 방식으로 몰딩 및 재단될 수 있다(S160). 예컨대, 시트 성형체를 금형 몰드에 재단하여 넣고 120~200℃의 온도에서 10 MPa의 압력으로 경화 및 성형할 수 있다. 물론 이외에도 상기 수지 조성물에 광경화성 수지가 부가된 경우 광경화 방식을 적용할 수도 있을 것이다.

이하에서는 본 발명에 따라 충전제의 평균 입도와 함량을 결정하는 방법을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전제의 평균 입도와 함량 결정 절차를 모식적으로 나타낸 절차도이다.

도 2를 참조하면, 원하는 소정 굴곡 강도 범위를 선정한다(S121). 후술하는 실험예에서 설명하는 바와 같이 본 발명의 발명자들은 평균 입경이 다른 중질탄산칼슘을 첨가할 때 그 함량을 조절하는 경우 소정 폭 범위의 균일한 굴곡 강도를 나타내는 것을 발견하였다. 예컨대, 상기 굴곡 강도 범위는 임의로 선정될 수 있으나, 바람직하게는 유리 섬유와 같은 강화제에 비해 저가인 중질탄산칼슘을 사용함으로써 얻을 수 있는 적절하고 신뢰성 있는 강도값을 나타내는 범위일 수 있다. 예컨대, 평균 굴곡 강도가 170~200 MPa을 강도 범위로 선택할 수 있다. 또한, 굴곡 강도는 편차를 고려하여 선택될 수 있다. 중질탄산칼슘은 평균 입도와 함량에 따라 굴곡 강도 값의 변화량이 달라진다. 예컨대, 큰 평균 입도의 중질탄산칼슘을 첨가하는 경우 샘플 마다 굴곡 강도의 신뢰성을 보장하기 어렵게 되는데, 이 때에는 표준 편차나 분산과 같은 편차 값을 함께 고려하여 굴곡 강도 범위를 선택하는 것이 바람직하다.

다음으로, 강화제의 함량(제1 함량)을 고정한 상태에서 이를 기준으로 중질탄산칼슘의 평균 입도 및 함량을 변수로 하여 여러 세트의 샘플 세트를 제조하여 굴곡 강도를 측정한다(S123). 본 발명에서 상기 강화제 및 중질탄산칼슘의 총량은 조성물 전체 중량을 기준으로 55 내지 75 중량% 범위에 있는 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 중질탄산칼슘의 함량(중량)은 상기 강화제의 함량(중량)보다 작게 되도록 선택하는 것이 바람직하다.

이어서, 샘플 세트 중 측정된 굴곡 강도 값이 선정된 굴곡 강도 범위에 속하는 샘플을 선정하고, 해당 샘플에 사용된 중질탄산칼슘의 함량값을 제2 함량으로 사용한다(S125).

다음, 선정된 샘플에 사용된 보다 중질탄산칼슘의 함량을 증가시키고 반대로 강화제의 함량은 감소시키면서 제조된 샘플의 굴곡 강도를 측정한다. 이 때, 중질탄산칼슘의 함량 증가 및 강화제의 함량 감소는 폴리에스테르 수지 조성물의 초기 점도를 실질적으로 동일한 범위 내에서 유지하기 위한 것이다. 측정된 굴곡 강도 및 표준 편차의 증가를 관찰하고 적절한 배합을 본 발명에서의 중질탄산칼슘의 함량(제1 함량)으로 설정한다(S150).

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

<실험예 1>

상용의 폴리에스테르 수지 조성물을 기재로 하고 중질탄산칼슘을 충전제로 하여 전술한 교반, 시트 성형, 숙성 및 몰딩(경화)을 거쳐 SMC 성형체 샘플을 제조하여 굴곡 강도를 측정하였다. 굴곡강도는 ASTM D790을 따르되 시험 속도는 1.3 mm/min, 시험편 규격은 25 x 80 x 3.2 mm로 하였다.

이 때, 중질탄산칼슘의 평균 입도를 달리하여 샘플을 제조하였고, 각 샘플에서 중질탄산칼슘의 함량은 폴리에스트레 수지 조성물을 포함하는 전체 중량 대비 61 중량%가 되게 하였다. 본 실험예의 각 샘플에 사용된 중질탄산칼슘의 입도 분포는 도 3에 나타내었다.

아래 표 1은 각 샘플의 평균 입도 및 측정된 굴곡 강도값을 나타낸 표이다.

샘플	M10	M20	M50	M60	M100	M150
평균입경(㎛)	2.8	3.4	4.5	6.4	9.7	15
굴곡강도(Mpa)	27(±6.5)	29(±6.6)	32(±6.4)	31(±6.3)	25(±3.7)	25(±6.0)

도 4는 표 1의 굴곡 강도 값을 플롯한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 충전제의 평균 입경 및 함량에 따라 최종 성형물의 강도에 영향을 미침을 알 수 있다. 이것은 충전제의 평균 입경 및 함량에 따라 수지 조성물의 점도가 결정되며 점도가 성형온도 및 작업성에 영향을 미치기 때문이다.

<실험예 2>

실험예 1의 M10, M20, M100 샘플을 대상으로 충전제의 함량을 조절하는 실험을 실시하였다. 충전제의 함량을 달리하는 외에는 실험예 1과 동일한 방식으로 샘플을 제조하였다.

아래 표 2는 첨가량에 따른 각 샘플에 대해 측정한 굴곡 강도 값을 나타내는 표이다.

구분		함량(중량%)
		56	59	60	61	63	65
굴곡 강도 (Mpa)	M10	-	36	37	27	-	-
	M20	31	37	40	29	-	-
	M100	-	-	-	25	32	65

도 5는 표 2의 굴곡 강도 값을 플롯한 그래프이다. 도 2로부터 중질탄산칼슘의 함량 변화에 따라 굴곡 강도가 향상될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 평균입경 2.8㎛이하의 미세 입자는 첨가량 58% 이상에서, 평균입경 10㎛ 이상의 큰 입자는 첨가량 63~66% 범위에서 높은 값의 굴곡 강도를 나타내고 있다.

<실시예 1>

폴리에스테르 수지 조성물의 초기 점도 22,000~28,000 cps를 기준으로 충전제의 평균 입도 및 함량을 달리하여 샘플을 제조하였다. 본 실시예에서는 강화제로 유리 섬유를 첨가하였고, 유리 섬유의 함량은 폴리에스테르 수지 조성물과 충전제 및 강화제를 포함하는 조성물 전체 중량 대비 32 중량%가 되도록 하였다. 그 밖의 실험 조건은 실험예 1과 동일하게 하였다. 한편 굴곡 강도는 각 샘플당 9 개 시편에 대하여 최고 및 최저값을 제외한 7개의 평균 데이터를 취하였다. 측정값의 평균 및 표준편차로 표시하였다.

아래 표 3은 본 실시예에서 제조된 샘플들 중 소정 범위 내의 굴곡 강도값을 갖는 샘플들을 선별한 결과를 나타내고 있다. 굴곡 강도값은 175~200 Mpa의 굴곡 강도값을 갖는 것을 선별하였다.

샘플	N10	N20	N50	N100
평균입경 (μm)	2.9	5.4	6.6	10.9
함량(중량%)	37	38	39	41
굴곡강도(MPa)	176(±14.7)	189(±16.6)	195(±20.9)	172(±24.6)

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상이한 평균 입경을 갖더라도 함량을 조절하여 유사한 범위의 굴곡 강도값을 갖는 샘플을 제조할 수 있음을 보여준다. 또, 편차를 감안하면, 입자의 평균 크기나 첨가량이 굴곡 강도값에는 영향을 미치지 않음을 보여준다. 한편, 미세한 입자의 경우 낮은 첨가량에서도 샘플 당 굴곡 강도의 편차가 작은 값을 나타냄을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 충전재의 평균 입경에 무관하게 점도를 기준으로 그 함량을 조절함으로써 일정 강도 수준을 유지할 수 있다는 사실을 알 수 있다.

<실시예 2>

본 실시예에서는 실시예 1의 샘플 중 N10 샘플을 대비 대상으로 하여, N10 샘플에 사용된 조성 중 충전제의 함량을 42%로 소폭 증가시키는 한편, 초기 점도를 유지하기 위하여 강화제인 유리 섬유를 28%로 감소시켜 샘플을 제조하고 해당 샘플의 굴곡 강도 값을 측정하였다. 나머지 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.

도 6은 본 실시예에서 제조된 샘플의 굴곡 강도값을 실시예 1에서 제조된 샘플의 굴곡 강도값과 함께 도시한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에서 제조된 샘플의 강도는 199(±16.6) MPa으로 확인되었는데, 이 값은 상기 실시예 1에 의해 제조된 N10에 비해서 높은 값을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 작업성 및 성형성 등을 만족하기 위해 일정한 점도를 갖도록 강화제로서의 유리 섬유의 함량을 낮추고 충전제의 함량을 증가시킴에도 굴곡 강도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용하여 당업자가 가할 수 있는 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 잘 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 충전제 및 강화제를 폴리에스테르 수지 조성물에 혼합하여 제조되는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법에 있어서,
   폴리에스테르 수지 조성물을 교반하는 제1 교반 단계;
   상기 제1 교반 단계에서의 상기 폴리에스테르 수지 조성물의 점도에 따라 첨가될 중질탄산칼슘의 평균 입도 및 제1 함량을 결정하는 단계;
   상기 교반된 폴리에스테르 수지 조성물에 상기 결정된 제1 함량의 중질탄산칼슘을 첨가하여 교반하는 제2 교반 단계; 및
   상기 제2 교반 단계에서 교반된 혼합물을 기재에 도포하고 제2 함량의 강화제를 분산하여 시트 형태로 성형하는 단계를 포함하고,
   상기 중질탄산칼슘의 제1 함량 결정 단계는,
   소정의 굴곡 강도 범위를 선정하는 단계;
   사전 설정된 제1 함량의 강화제에 대하여 중질탄산칼슘의 평균 입도 및 함량을 변수로 하여 상이한 평균 입도 및 함량의 중질탄산칼슘을 첨가한 복수 샘플의 굴곡강도를 측정하는 단계;
   상기 복수 샘플의 굴곡 강도 값이 상기 소정의 굴곡 강도 범위에 속하는 샘플의 중질탄산칼슘 첨가 함량을 제2 함량으로 결정하는 단계; 및
   상기 결정된 중질탄산칼슘 샘플의 제2 함량 보다 큰 값을 중질탄산칼슘의 제1 함량으로 선택하고,
   상기 시트 형태 성형 단계에서 분산되는 강화제의 제2 함량은 상기 강화제의 제1 함량보다 작은 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   중질탄산칼슘의 제1 함량 및 제2 함량과 상기 강화제의 제1 함량 및 제2 함량은 상기 폴리에스테르 수지 조성물의 초기 점도가 소정 점도 범위에서 유지되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 폴리에스테르 수지 조성물의 초기 점도는 22,000~28,000 cps 인 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 중질탄산칼슘의 평균 입도는 2~15 ㎛인 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 시트몰딩 컴파운드의 굴곡 강도는 175~200 MPa인 것을 특징으로 하는 시트몰딩 컴파운드의 제조 방법.
   

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