KR102019444B1 - 복합재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

메탈 와이어 메쉬 및 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재를 제공한다.

Description

복합재 및 그 제조 방법{COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
복합재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 경량화를 목적으로 금속 대체용으로 재생 플라스틱 제품이 사용되고 있다. 일반적으로, 열가소성 수지만을 이용하여 사출 등의 공법으로 성형되는 플라스틱 제품의 경우 강도 및 강성이 부족하여 금속을 대체하기에는 어려움이 따르고 있다.
이에 대한 해결책으로, 열가소성 수지에 보강재를 함침시킨 고강도 플라스틱 제품이 금속 대체용으로 사용되고 있는 추세이다.
본 발명의 일 구현예는 기계적 물성 및 신율이 우수한 복합재를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 메탈 와이어 메쉬 및 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재를 제공한다.
상기 메탈 와이어 메쉬가 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 적어도 일면에 접착되거나, 상기 메탈 와이어 메쉬의 일부 또는 전부가 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트에 파묻힐 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬는 금속 재료로 형성된 와이어(wire) 또는 코드(cord)로 형성된 메쉬일 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬를 형성하는 선의 선경은 0.1mm 내지 0.7mm일 수 있다.
상기 와이어 또는 코드는 단선으로 형성되거나, 또는 적어도 두 가닥의 연선을 꼬아서 형성될 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬는 금속 재료의 와이어 또는 코드를 직조하거나, 또는 그리드 형상으로 용접하여 형성된 메쉬일 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬는 횡선과 종선이 모두 단선 또는 연선으로 형성되거나, 횡선 및 종선을 각각 단선 및 연선 또는 연선 및 단선의 조합으로 형성된 메쉬일 수 있다.
상기 금속 재료는 탄소강, 스테인레스강(SUS, steel use stainless) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 와이어 또는 코드는 금속, 합금 또는 수지로 코팅될 수 있다.
상기 와이어 또는 코드는 황동, 아연 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로써 코팅될 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬는 타이어 코드로 형성된 메쉬일 수 있다.
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트는 열가소성 플라스틱의 기지(matrix)재 및 상기 기지재 내에 혼합된 강화재인 장섬유를 포함할 수 있다.
상기 장섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 천연섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트 중 상기 장섬유의 함량은 10 내지 40 중량%일 수 있다.
상기 장섬유의 길이는 5mm 내지 50mm일 수 있다.
상기 열가소성 플라스틱은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리카보네이트(PC)-ABS 얼로이 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 두께는 2mm 내지 10mm일 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬 및 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 중량비가 1 : 4 내지 1 : 2일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 메탈 와이어 메쉬와 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 함께 압축 성형하여 메탈 와이어 메쉬와 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 복합재는 기계적 물성 및 신율이 우수하다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서, 메탈 와이어 메쉬 및 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재를 제공한다.
상기 복합재는 메탈 와이어 메쉬를 포함함으로써 에너지 흡수 능력이 우수하고, 그에 따라 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 기계적인 물성 및 신율을 더욱 보강한다.
상기 복합재는 자동차, 항공기, 건축 자재, 풍력 분야에서 스틸 제품을 대체하는 재료로서 유용하게 적용될 수 있고, 그에 따라 경량화를 구현할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 복합재로 제조된 자동차용 프론트 백빔(front back beam)을 제공한다.
상기 복합재는 메탈 와이어 메쉬를 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 일면에 덧댄 뒤 함께 압축 성형하여 제조될 수 있다. 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 일면 또는 양면에 메탈 와이어 메쉬를 적층할 수 있다.
장섬유 보강 열가소성 플라스틱과 함께 압축 성형시, 접착력 향상을 위해 메쉬를 알코올로 세척 후 사용할 수 있다. 압축 성형시, 성형 온도와 압력 범위는 사용되는 열가소성 플라스틱 수지에 대하여 적절한 압출 조건을 적용할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 메탈 와이어 메쉬와 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 함께 압축 성형하여 메탈 와이어 메쉬와 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.
이와 같이 제조된 상기 복합재는 상기 메탈 와이어 메쉬가 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 적어도 일면에 접착되거나, 상기 메탈 와이어 메쉬의 일부 또는 전부가 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트에 파묻힌 형태로 제조될 수 있다. 상기 메탈 와이어 메쉬는 천공된 구조이기 때문에 그 천공된 구멍으로 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트로부터 일부 재료가 메워져서, 결국 메탈 와이어 메쉬가 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트에 파묻힌 형태가 될 수 있다. 메탈 와이어 메쉬가 파묻힌 정도에 따라서 메탈 와이어 메쉬의 일부가 파묻힌 상태일 수도 있고, 전부가 파묻힐 수도 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬는 금속 재료로 형성된 선 형상을 가지는 재료로 형성된 메쉬 또는 망이고, 선 형상이어서 메쉬를 형성 수 있는 재료라면 그 명칭을 구애되지 않고 다양하게 사용될 수 있으며, 예를 들어, 와이어(wire) 또는 코드(cord)일 수 있다. 상기 메탈 와이어 메쉬는 금속 재료로 형성된 와이어 또는 코드로 형성된 메쉬일 수 있다.
상기 선의 단면은 제한되지 않고, 예를 들면, 원형 또는 타원형이거나, 납작한 형상의 단면을 가질 수도 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬를 형성하는 선이 원형의 단면의 가지는 경우, 선경은 약 0.1 mm 내지 약 0.7 mm일 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 금속 재질의 선으로 형성된 메탈 와이어 메쉬를 포함하는 상기 복합재는 기계적 물성과 성형 가공성 모두 적절히 우수하게 부여할 수 있다.
상기 와이어 또는 코드는 단선으로 형성되거나, 또는 적어도 두 가닥의 연선을 꼬아서 형성될 수 있다.
상기 메쉬는 공지된 형태의 메쉬의 종류가 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들어, 전술한 금속 재료의 와이어 또는 코드를 직조하거나, 또는 그리드 형상으로 용접하여 형성된 메쉬일 수 있다. 메쉬의 직조 방법은, 예를 들어, 평직, 능직 등 다양하게 사용할 수 있으며, 한정되지 않는다.
상기 메쉬의 크기는 와이어 또는 코드의 직경에 따라 결정된다. 상기 목적에 맞는 메쉬의 적정 크기 (1인치 길이 내에 존재하는 메쉬 가닥의 개수)는 8 내지 15 일 수 있다. 상기 범위의 크기를 갖는 메탈 와이어 메쉬를 포함하는 상기 복합재는 기계적 물성과 성형 가공성 모두 적절히 우수하게 부여할 수 있다.
상기 복합재는 목적하는 물성 구현에 맞추어 사용하는 메탈 와이어 메쉬에 관한 세부 사항을 결정할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 메탈 와이어 메쉬는 횡선과 종선이 모두 단선으로 형성되거나, 또는 연선으로 형성될 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 메탈 와이어 메쉬는 횡선 및 종선을 각각 단선 및 연선 또는 연선 및 단선의 조합으로 형성될 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬의 금속 재료는 탄소강, 스테인레스강(SUS, steel use stainless 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 메탈 와이어 메쉬를 형성하는 상기 와이어 또는 코드는 추가적으로 금속, 합금 또는 수지로 코팅된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 와이어 또는 코드는 황동, 아연 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로써 코팅된 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 메탈 와이어 메쉬는 예를 들어 타이어 코드로 형성된 메쉬일 수 있다. 타이어 코드는 타이어 내부에 보강재로 흔히 사용되는 재료로서, 탄소강과 스틸과 같은 금속선이 황동(brass)으로 코팅된 제품으로 쉽게 상업적으로 입수하여 사용할 수 있다.
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트는 열가소성 플라스틱의 기지(matrix)재 및 상기 기지재 내에 혼합된 강화재인 장섬유를 포함한다.
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트는, 예를 들어, LFT-D (Long Fiber Thermoplastic- Directing) 공법에 의해 제조될 수 있다. 구체적으로, 1차 압출기에서 펠렛 타입의 열가소성 수지 및 첨가제가 혼합되어 2차 압출기로 이송되고, 2차 압출기에서는 보강재가 투입되어 압출되어 스트랜드(strand) 타입의 중간재가 만들어진다. 상기 중간재를 프레스로 성형하여 원하는 구조 및 형상으로 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 제조할 수 있다.
LFT-D 공법으로 제조된 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트는 무게에 비해 기계적인 물성이 높은 장점이 있으나, 첨가된 강화재에 인해 신율이 낮은 경향이 있다.
상기 복합재는 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트와 함께 메탈 와이어 메쉬를 포함하기 때문에 신율을 향상시킬 수 있다.
상기 장섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 천연섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트 중 상기 장섬유의 함량은 약 10 내지 약 40 중량% 일 수 있다. 상기 복합재는 상기 범위의 장섬유 함량을 포함하는 열가소성 플라스틱 시트를 포함함으로써, 기계적 물성과 신율을 모두 우수하게 구현할 수 있다.
상기 장섬유의 길이는 약 5mm 내지 약 50mm일 수 있다. 상기 복합재는 상기 크기의 장섬유를 포함하는 열가소성 플라스틱 시트를 포함함으로써, 기계적 물성과 신율을 모두 우수하게 구현할 수 있다.
상기 열가소성 플라스틱은, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리카보네이트(PC)-ABS 얼로이 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 두께는 약 2mm 내지 약 10mm일 수 있다. 상기 복합재는 상기 범위의 두께의 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하여 기계적 물성과 신율을 모두 우수하게 구현하고, 에너지 흡수능이 우수하며, 성형 가공성이 우수하다.
상기 복합재는 상기 메탈 와이어 메쉬 및 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 중량비가 약 1 : 4 내지 약 1 : 2 일 수 있다. 상기 범위의 중량비로 메탈 와이어 메쉬 및 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재는 기계적 물성과 신율을 모두 우수하게 구현하고, 에너지 흡수능이 우수하며, 성형 가공성이 우수하다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 )
제조예 1
선경 0.1mm 이고, 탄소강 재질의 연선으로 제조된 타이어코드 (상품명: 와이어 메쉬, 제조사: 타이어 코드(효성), 메쉬(한국 메탈))를 종횡선 모두 사용하여 평직으로 직조된 메탈 와이어 메쉬를 제조하였다. 메쉬 크기 (1인치 길이 내에 존재하는 메쉬 가닥의 개수)는 10 이었다.
제조예 2
선경 0.5mm 이고, SUS 재질의 단선으로 제조된 타이어코드 (상품명: SUS 단선, 제조사: 한국 메탈) 및 선경 0.1 mm 이고, 탄소강 재질의 연선을 꼬아서 제조된 타이어코드 (상품명: 스틸 코드, 제조사: 효성)를 각각 종횡을 달리 사용하여 평직으로 직조된 메탈 와이어 메쉬를 제조하였다. 메쉬 크기 (1인치 길이 내에 존재하는 메쉬 가닥의 개수)는 10 이었다.
실시예 1
폴리프로필렌 및 유리 섬유를 4 : 1 의 중량비로 포함되도록 LFT-D 공법에 의해 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 3mm 두께로 제조하였다. 제조된 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 일면에 제조예 1에서 제조된 메탈 와이어 메쉬를 덧댄 후, 압축 성형하여 총 두께 3.2mm 인 복합재를 제조하였다.
열가소성 플라스틱 시트를 기본 소재로 한 복합재의 제작 공정은 다음과 같다. 금형의 온도를 형의 온도를 온유기를 이용하여 80℃로 높인다. 와이어 메쉬를 금형 사이즈에 맞게 절단하여 금형에 넣은 후 LFT-D 공법을 통해 압출한 열가소성 플라스틱을 메쉬 위에 얹는다. 100ton 프레스로 1분간 압력을 가해 성형한다.
실시예 2
제조예 2에서 제조된 메탈 와이어 메쉬를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에서 동일하게 제조하여 3.2mm 두께의 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 제조하였다.
비교예 2
실시예 1에서 사용한 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트 대신에 동일한 두께의 폴리프로필렌 시트를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.
평가
실험예 1
실시예 1-2 및 비교예 1-2에서 제조된 복합재에 대하여, Universal testing machine (Instron 제조)에 의해 굴곡 강성, 굴곡 강도, 파단 신율 및 흡수 에너지를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
구분 비중 굴곡 강성 (GPa) 굴곡 강도 (MPa) 파단 신율 (%) 흡수 에너지 (J)
실시예 1 1.24 6 152.27 21.17 4.78
실시예 2 1.26 7.09 154.79 20.72 4.68
비교예 1 1.08 5.4 146 3.95 0.78
비교예 2 1.05 형태가 왜곡되어 제조되어 물성 측정이 불가능함.
상기 표 1의 결과로부터 실시예 1-2의 보강재가 비교예 1 대비하여, 우수한 기계적 물성, 신율 및 에너지 흡수 능력을 나타내었다. 비교예 2에서는 아예 형태가 비틀린 상태로 제조되어 물성 측정 자체가 불가능하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (19)

  1. 메탈 와이어 메쉬 및 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하고,
    상기 메탈 와이어 메쉬는 횡선과 종선이 모두 단선 또는 연선으로 형성되거나, 횡선 및 종선을 각각 단선 및 연선 또는 연선 및 단선의 조합으로 형성된 메쉬이고,
    상기 메쉬는 1인치 길이 내에 존재하는 메쉬 가닥의 개수가 8 내지 15인 크기를 갖고,
    상기 메탈 와이어 메쉬 및 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 중량비가 1 : 4 내지 1 : 2인
    복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 와이어 메쉬가 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 적어도 일면에 접착되거나, 상기 메탈 와이어 메쉬의 일부 또는 전부가 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트에 파묻힌
    복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 와이어 메쉬는 금속 재료로 형성된 와이어(wire) 또는 코드(cord)로 형성된 메쉬인
    복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 와이어 메쉬를 형성하는 선의 선경은 0.1mm 내지 0.7mm인
    복합재.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 와이어 메쉬는 금속 재료의 와이어 또는 코드를 직조하거나, 또는 그리드 형상으로 용접하여 형성된 메쉬인
    복합재.
  7. 삭제
  8. 제3항에 있어서,
    상기 금속 재료는 탄소강, 스테인레스강(SUS, steel use stainless) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    복합재.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 와이어 또는 코드는 금속, 합금 또는 수지로 코팅된
    복합재.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 와이어 메쉬는 타이어 코드로 형성된 메쉬인
    복합재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트는 열가소성 플라스틱의 기지(matrix)재 및 상기 기지재 내에 혼합된 강화재인 장섬유를 포함하는
    복합재.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트 중 상기 장섬유의 함량은 10 내지 40 중량%인
    복합재.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 장섬유의 길이는 5mm 내지 50mm인
    복합재.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 열가소성 플라스틱은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리카보네이트(PC)-ABS 얼로이 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    복합재.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 메탈 와이어 메쉬와 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 함께 압축 성형하여 메탈 와이어 메쉬와 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트를 포함하는 복합재를 제조하는 방법이고,
    상기 메탈 와이어 메쉬는 횡선과 종선이 모두 단선 또는 연선으로 형성되거나, 횡선 및 종선을 각각 단선 및 연선 또는 연선 및 단선의 조합으로 형성된 메쉬이고,
    상기 메쉬는 1인치 길이 내에 존재하는 메쉬 가닥의 개수가 8 내지 15인 크기를 갖고,
    상기 메탈 와이어 메쉬 및 상기 장섬유 보강 열가소성 플라스틱 시트의 중량비가 1 : 4 내지 1 : 2인
    복합재를 제조하는 방법.
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