KR102066542B1 - 샌드위치 패널 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 샌드위치 패널 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널은 고밀도이며 굴곡 강도, 굴곡 강성, 휨강성, 경량화율 및 박리 접합 강도 등의 물성이 개선되어, 다양한 생활 자재 또는 산업 자재 등으로 사용하기에 적합하다.

Description

샌드위치 패널 및 그의 제조방법{A SANDWICH PANEL AND A MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 샌드위치 패널 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
통상의 샌드위치 패널은 금속 패널과 유사한 구조 강성을 가지면서도 경량화에 효과적이기 때문에 건축용 자재 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
이러한 샌드위치 패널은 알루미늄, 철 등으로 형성된 스킨층 사이에 코어층을 형성하여 패널의 물성을 조절한다. 예를 들어, 코어층에 발포 수지 소재를 이용하여 패널의 경량화 효과를 높이거나, 일반 수지, 복합재 또는 발사우드(balsa wood) 소재를 이용하여 패널의 기계적 강도를 높인다.
그러나, 이와 같은 샌드위치 패널은 경량화 및 기계적 강도가 충분하지 못하고, 연신이 우수하지 못해 제품 적용에 한계점이 있다. 또한, 스킨층과 코어층 사이에 접착제를 도포하여 패널을 형성하는 경우, 층간 결합력이 약하여 가공시 성형성이 좋지 못한 문제점이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1500036호(2015.03.02. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 샌드위치 패널용 심재 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 샌드위치 패널이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 샌드위치 패널의 경우, 고중량의 화물 등을 보호하기 위한 포장 재료로 사용하기에 충분할 정도의 고밀도이고 높은 굴곡강도, 인장강도 등의 물성을 확보하기 힘들다는 문제가 있었다.
또한, 샌드위치 패널의 각 구성간의 선팽창 계수에 차이가 있어, 고온 다습한 환경에서 각 구성들이 서로 다른 팽창력에 의하여 수축/팽창함에 따라서 쉽게 박리가 일어나는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1500036호, 샌드위치 패널용 심재 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 샌드위치 패널
본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위해, 샌드위치 패널의 각 구성간의 선팽창 계수에 차이가 적은 샌드위치 패널에 관하여 연구하였고, 그 결과 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 고밀도이며 샌드위치 패널의 각 구성간의 선팽창 계수에 차이가 적어, 고온 다습한 환경에서 쉽게 박리가 일어나지 않는 샌드위치 패널을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
폴리에스테르계 섬유 및 바인더를 포함하고, 겉보기 밀도가 0.5~0.8g/cm3인, 부직 섬유 구조의 코어층;
상기 코어층의 일면 이상에 적층된 스킨층; 및
상기 코어층과 스킨층를 접착하는 접착층을 포함하고,
상기 접착층의 선팽창계수 (ACL: Adhesive Coefficient of Linear expansion), 상기 코어층의 선팽창 계수 (CCL: Core Coefficient of Linear expansion) 및 상기 스킨층의 선팽창 계수 (SCL: Skin Coefficient of Linear expansion) 가,
하기 식 1 및 하기 식 2의 관계를 만족시키는, 샌드위치 패널을 제공한다.
[식 1]
1.6≤ACL/CCL≤3.0
[식 2]
3.0≤CCL/SCL≤6.5
이때, 상기 접착층의 선팽창계수 (ACL: Adhesive Coefficient of Linear expansion), 상기 코어층의 선팽창 계수 (CCL: Core Coefficient of Linear expansion) 및 상기 스킨층의 선팽창 계수 (SCL: Skin Coefficient of Linear expansion) 가 하기 식 3 및 하기 식 4의 관계를 만족시킬 수 있다.
[식 3]
2.0≤ACL/CCL≤2.7
[식 4]
3.5≤CCL/SCL≤5.0
이때, 상기 바인더는 비흡습성 공중합 수지 또는 흡습성 공중합 수지를 사용할 수 있다.
이때, 상기 코어층은 굴곡강성(Flexural Modulus)이 1.0~1.5 GPa이고, 인장 강성 (Tension Stiffness)이 1.0~1.8 GPa의 범위일 수 있다.
이때, 상기 코어층은 인장 신율 (Tensile Elongation )이 10~30%의 범위일 수 있다.
이때, 상기 코어층은 박리강도가 150~200 N의 범위일 수 있다.
이때, 상기 폴리에스테르계 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
이때, 상기 비흡습성 공중합 수지는 85℃ 온도 및 상대습도 85%에서 100시간 항온/항습 후 중량 변화율이 0.1% 미만일 수 있다.
이때, 상기 폴리에스테르계 섬유는 녹는점이 180~300℃일 수 있다.
이때, 상기 바인더는 녹는점이 160℃ 이상일 수 있다.
이때, 코어층은, 폴리에스테르계 섬유의 코어부(core part); 및 상기 코어부를 둘러싼 비흡습성 공중합 수지인 시스부(sheath part);를 포함하는 시스-코어형(sheath-core type) 이성분(bicomponent) 섬유를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 코어층의 두께는 0.1 내지 10mm 일 수 있다.
이때, 상기 스킨층의 두께는 0.1 내지 0.5mm 일 수 있다.
이때, 상기 스킨층은 알루미늄, 철, 스테인레스강(SUS), 마그네슘 및 전기아연도금강판(EGI)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상 일 수 있다.
이때, 상기 접착층은 우레탄계 접착제, 아크릴계 접착제 및 에폭시계 접착제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널은, 고밀도이며 샌드위치 패널의 각 구성간의 선팽창 계수에 차이가 적어, 고온 다습한 환경에서 쉽게 박리가 일어나지 않기 때문에, 가전용 구조재 (TV백커버, 세탁기용 보드 등), 건축용 내외장 보드, 자동차 내외장재, 기차/선박/항공기용 내외장재, 각종 칸막이용 보드, 엘레베이터 구조재 등에 사용하기에 적합하다.
도 1은 본 발명에 따른 샌드위치 패널을 개략적으로 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 샌드위치 패널의 코어층을 FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscopy)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 샌드위치 패널의 단면을 FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscopy)으로 관찰한 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샌드위치 패널에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
샌드위치 패널
본 발명에 따른 샌드위치 패널은, 폴리에스테르계 섬유 및 바인더를 포함하고, 겉보기 밀도가 0.5~0.8g/cm3인, 부직 섬유 구조의 코어층(10); 상기 코어층의 일면 이상에 적층된 스킨층(20); 및 상기 코어층과 스킨층을 접착하는 접착층을 포함하고,
상기 접착층의 선팽창계수 (ACL: Adhesive Coefficient of Linear expansion), 상기 코어층의 선팽창 계수 (CCL: Core Coefficient of Linear expansion) 및 상기 스킨층의 선팽창 계수 (SCL: Skin Coefficient of Linear expansion) 가,
하기 식 1 및 하기 식 2의 관계를 만족시킨다.
[식 1]
1.6≤ACL/CCL≤3.0
[식 2]
3.0≤CCL/SCL≤6.5
본 발명자들의 실험 결과, 종래의 샌드위치 패널의 경우, 굴곡강도나 인장 강도 등의 물성이 떨어지게 되고, 고온 다습한 환경에서 장기간 사용하는 경우 샌드위치 패널의 각 구성간의 선팽창 계수에 차이가 있어, 쉽게 박리가 일어나기 때문에, 가전용 구조재 (TV백커버, 세탁기용 보드 등), 건축용 내외장 보드, 자동차 내외장재, 기차/선박/항공기용 내외장재, 각종 칸막이용 보드, 엘레베이터 구조재 등에 사용하는데 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
그러나 본 발명자들은, 폴리에스테르계 섬유 및 바인더를 포함하고, 겉보기 밀도가 0.5~0.8g/cm3인, 부직 섬유 구조의 코어층를 사용하는 샌드위치 패널을 제조함으로써, 제조된 패널의 굴곡강도나 인장 강도 등의 물성이 개선될 뿐만 아니라, 고온 다습한 환경에서 장기간 사용하더라도 샌드위치 패널의 각 구성간의 선팽창 계수에 차이가 적기 때문에, 생활 자재나 산업 자재 등으로 사용하는데 적합한 샌드위치 패널을 제조하기에 이르렀다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널에 포함되는 상기 접착층의 선팽창계수 (ACL: Adhesive Coefficient of Linear expansion), 상기 코어층의 선팽창 계수 (CCL: Core Coefficient of Linear expansion) 및 상기 스킨층의 선팽창 계수 (SCL: Skin Coefficient of Linear expansion) 는,
하기 식 1 및 하기 식 2의 관계를 만족시키며,
[식 1]
1.6≤ACL/CCL≤3.0
[식 2]
3.0≤CCL/SCL≤6.5
바람직하게는 하기 식 3 및 하기 식 4의 관계를 만족시킬 수 있다.
[식 3]
2.0≤ACL/CCL≤2.7
[식 4]
3.5≤CCL/SCL≤5.0
본 발명에 따른 샌드위치 패널의 코어층, 스킨층 및 접착층은 상기와 같은 관계를 만족하기 때문에, 온도 상승에 따른 선팽창 정도의 차이가 적어진다. 따라서, 고온에서 장기간 사용하더라도, 서로 계면을 공유하고 있는 코어층과 접착층 사이의 선팽창 정도를 일정한 수준으로 억제할 수 있다. 또한, 샌드위치 패널의 기계적 강도를 발현하는 주요 구성인 코어층과 스킨층 사이의 선팽창 정도 역시 일정한 수준으로 제어하기 때문에, 코어층과 스킨층이 온도 변화에 따라서 팽창 또는 수축하여 접착층과의 디라미네이트가 발생하는 문제를 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 샌드위치 패널은 상기 식 1 내지 식 4의 관계를 만족시킴에 따라서, 코어층, 스킨층 및 접착층의 박리강도를 향상시켜, 150 내지 200 N 범위의 박리강도를 가질 수 있고, 바람직하게는 160 내지 180N 범위의 박리강도를 가질 수 있다. 여기서, 상기 코어층의 박리강도는 KSF 4737의 기준으로 측정되는 것이다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널의 코어층은, 30 내지 60 ppm/K의 선팽창계수를 가질 수 있고, 바람직하게는 35 내지 55 ppm/K의 선팽창 계수를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널의 코어층(10)은, 폴리에스테르계 섬유 및 바인더를 포함하고, 겉보기 밀도가 0.5~0.8g/cm3인, 부직 섬유 구조로 이루어진다.
본 발명에 따른 코어층은 섬유가 서로 엉켜 있는 부직 섬유 구조를 가지고 있기 때문에, 상기 폴리에스테르계 섬유의 전부 또는 일부는 상기 바인더에 의하여 융착되고, 따라서 상기 코어층 내에는 자연 기공이 포함되어, 통기성이 양호해지고, 경량화를 향상시킬 수 있다. 즉, 섬유들이 서로 엉키면서 형성된 자연 기공을 가지기 때문에, 발포제와 같은 첨가제에 의해 인위적으로 기공을 형성하는 경우와 달리 제조비용을 절감할 수 있으며, 발포 공정을 생략할 수 있어 공정 효율도 높일 수 있다.
본 발명에 따른 코어층에 포함되는 폴리에스테르계 섬유의 평균 길이는 5~100mm인 것이 바람직하다, 상기 섬유의 평균 길이가 5mm 미만인 경우, 섬유의 길이가 짧아 연신율이 높은 효과를 기대하기 어려울 수 있다. 반대로, 100mm를 초과하는 경우, 서로 엉클어지는 섬유의 함량이 많아지기 때문에 코어층의 틈이 차지하는 공간이 감소될 수 있다. 또한, 100mm를 초과하는 경우, 코어층의 제조 시, 섬유의 분산이 원활하게 이루어지지 않아, 코어층의 물성이 저하될 수 있다.
상기 코어층에 포함되는 상기 바인더는 비흡습성 공중합 수지 또는 흡습성 공중합 수지일 수 있다.
특히, 본 발명에서 사용되는 상기 비흡수성 공중합 수지는 공기 중의 수분을 흡수하지 않는 성질을 가지는 수지를 말하며, 구체적으로는 상기 수지를 이용하여 제조되는 본 발명의 성형체를 기준으로, 85℃ 온도 및 상대습도 85%에서 100시간 방치한 후의 성형체의 중량 변화율(즉 수분량의 증가율)이 0.1% 미만, 바람직하게는 0.08% 미만, 더욱 바람직하게는 0.07% 미만인 것을 사용할 수 있다.
일반적으로 성형체에 포함되는 PET 섬유의 흡습도가 0.05% 미만이라는 점에서, 성형체의 중량 변화율이 0.05%를 넘는다는 것은, 성형체 내의 또 다른 구성인 바인더에 의하여 흡수되는 수분의 양이 상당하다는 것을 의미한다. 이러한 점에서, 본 발명에서 사용되는 비흡수성 공중합 수지란, 최종 제조된 성형체를 기준으로 85℃ 온도 및 상대습도 85%에서 100시간 방치한 후의 성형체의 중량 변화율(즉 수분량의 증가율)이 0.1% 미만, 바람직하게는 0.08% 미만, 더욱 바람직하게는 0.07% 미만인 정도로 낮은 흡수율을 가진다는 의미이다.
이러한 비흡습성 공중합 수지로는, 폴리 에스테르계 섬유와, 결정성이 강하고 탄성이 우수한 디올계 단량체와 유연성을 부여할 수 있는 산성분을 함께 공중합하여 제조한 것으로서, 상기 흡수율을 만족하는 것을 사용할 수 있다.
구체적으로, 폴리에스테르계 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있고, 디올계 단량체로는 네오펜틸글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 폴리(테트라메틸렌)글리콜, 1,4-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,6-헥산디올, 1,4-사이클로헥산디메탄올 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있고, 산성분으로는 이소프탈산, 아디핀산, 2,6-나프탈렌디카르본산, 세바신산, 숙신산 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 코어층에 포함되는 폴리에스테르계 섬유의 전부 또는 일부는 비흡습성 수지인 바인더에 의하여 융착되고, 상기 바인더는 녹는점이 160℃ 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 코어층은 겉보기 밀도가 0.5~0.8g/cm3이다. 상기 밀도 범위를 만족하기 때문에 대형 화물의 포장 재료 등에 사용하기에 충분한 기계적 강도를 가질 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 코어층은, 굴곡강도(Flexural Strength)가 20 MPa 이상이고, 인장강도 (tensile Strength)가 50 내지 80 MPa으로 우수한 기계적 강도를 가진다. 상기 코어층의 굴곡강도는 ASTM D790의 기준으로 측정되고, 상기 코어층의 인장강도는 ASTM D638의 기준으로 측정되는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 코어층은 굴곡강성(Flexural Modulus)이 1.0~1.5 GPa이고, 인장 강성 (Tension Stiffness)이 1.0~1.8 GPa의 범위로 우수한 기계적 강성을 가진다. 상기 코어층의 굴곡강성은 ASTM D790의 기준으로 측정되고, 상기 코어층의 인장 강성은 ASTM D638의 기준으로 측정되는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 코어층은 인장 신율 (Tensile Elongation )이 10~30%의 범위로, 외부의 힘이 작용하더라도 쉽게 찢어지지 않는 장점이 있다. 상기 코어층의 인장 신율은 ASTM D638의 기준으로 측정되는 것이다.
본 발명에 따른 상기 코어층은, 상기와 같은 기계적 강도를 만족하기 때문에, 샌드위치 패널에 포함되어, 가전용 구조재(TV백커버, 세탁기용 보드 등), 건축용 내외장 보드, 자동차 내외장재, 기차/선박/항공기용 내외장재(칸막기 등의 보드), 각종 칸막이용 보드, 엘레베이터 구조재 등으로 사용할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 상기 코어층은, 시스-코어형(sheath-core type) 이성분(bicomponent) 섬유를 더 포함할 수 있다. 상기 시스-코어형 이성분 섬유는, 폴리에스테르계 섬유의 코어부(core part); 및 상기 코어부를 둘러싼 비흡습성 공중합 수지인 시스부(sheath part);를 포함하는 것이다. 상기 시스-코어형 이성분 섬유는, 본 발명에 따른 코어층의 제조단계에서 투입되었던 것이 시스부의 수지가 융해되지 않은 상태로 남아 있기 되어, 본 발명에 따른 코어층에 포함될 수 있다.
상기 시스-코어형 이성분 섬유 중 코어부는 폴리에스테르계 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 시스-코어형 이성분 섬유 중 시스부는, 본 발명에 따른 코어층에 포함되는 바인더와 동일한 비흡습성 공중합 수지를 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 비흡수성 공중합 수지는 공기 중의 수분을 흡수하지 않는 성질을 가지는 수지를 말하며, 구체적으로는 상기 수지를 이용하여 제조되는 본 발명의 성형체를 기준으로, 85℃ 온도 및 상대습도 85%에서 100시간 방치한 후의 성형체의 중량 변화율(즉 수분량의 증가율)이 0.1% 미만, 바람직하게는 0.08% 미만, 더욱 바람직하게는 0.07% 미만인 것을 사용할 수 있다.
일반적으로 성형체에 포함되는 PET 섬유의 흡습도가 0.05% 미만이라는 점에서, 성형체의 중량 변화율이 0.05%를 넘는다는 것은, 성형체 내의 또 다른 구성인 바인더에 의하여 흡수되는 수분의 양이 상당하다는 것을 의미한다. 이러한 점에서, 본 발명에서 사용되는 비흡수성 공중합 수지란, 최종 제조된 성형체를 기준으로 85℃ 온도 및 상대습도 85%에서 100시간 방치한 후의 성형체의 중량 변화율(즉 수분량의 증가율)이 0.1% 미만, 바람직하게는 0.08% 미만, 더욱 바람직하게는 0.07% 미만인 정도로 낮은 흡수율을 가진다는 의미이다.
이러한 비흡성 공중합 수지로는, 폴리 에스테르계 섬유와, 결정성이 강하고 탄성이 우수한 디올계 단량체와 유연성을 부여할 수 있는 산성분을 함께 공중합하여 제조한 것으로서, 상기 흡수율을 만족하는 것을 사용할 수 있다.
구체적으로, 폴리에스테르계 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있고, 디올계 단량체로는 네오펜틸글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 폴리(테트라메틸렌)글리콜, 1,4-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,6-헥산디올, 1,4-사이클로헥산디메탄올 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있고, 산성분으로는 이소프탈산, 아디핀산, 2,6-나프탈렌디카르본산, 세바신산, 숙신산 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 시스-코어형 이성분 섬유는 상기 코어부의 성분과 시스부의 성분을 사용하여 용융방사하고 연신하여 제조한다.
또한 상기 비흡습성 수지를 시스-코어형 이성분 섬유의 시스성분으로 사용하면 굴곡강도 및 인장강도가 향상되고, 건식공정으로 코어층을 제조할 수 있어 고밀도의 코어층을 제조하기에 용이해진다. 또한, 대형 화물의 포장재 등에 이용하면 고온 다습의 분위기 하에서도 물성과 형태유지성이 양호하여 부직포의 처짐 현상을 방지할 수 있다.
이외에, 본 발명에 따른 상기 코어층은, 유리섬유, 탄소 섬유, 고분자 섬유 등과 같은 충진제를 더 포함할 수 있다. 또한, 브롬계 유기 난연제 등과 같은 난연제를 더 포함할 수도 있다. 이 외에도 충격보강제, 열안정제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 코어층의 제조방법은 하기와 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 코어층의 제조방법은, a) (A) 폴리에스테르계 섬유 및 (B) 폴리에스테르계 섬유의 코어부(core part)와 상기 코어부를 둘러싼 비흡습성 공중합 수지인 시스부(sheath part)를 포함하는 시스-코어형(sheath-core type) 이성분(bicomponent) 섬유를 혼합한 후, 가열 및 가압하여 부직포를 제조하는 단계; b) 상기 제조된 부직포를 복수의 언와인딩 장치에 장착한 후, 가열 프레스로 이동시키는 단계; 및 c) 상기 가열 프레스로 이동된 복수의 부직포를 170 내지 210℃의 온도 조건 및 1 내지 10 MPa의 압력조건에서 가열 및 가압하여 코어층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저 a) 단계에서는, (A) 폴리에스테르계 섬유 및 (B) 폴리에스테르계 섬유의 코어부(core part)와 상기 코어부를 둘러싼 비흡습성 공중합 수지인 시스부(sheath part)를 포함하는 시스-코어형(sheath-core type) 이성분(bicomponent) 섬유를 혼합한 후, 가열 및 가압하여 부직포를 제조한다.
상기 a) 단계에서, (A) 폴리에스테르계 섬유와 B) 시스-코어형 이성분 섬유를 1:99 내지 80:20의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 B) 시스-코어형 이성분 섬유의 함량이 상기 범위를 미달하는 경우에는 섬유간의 융착이 충분하지 않아 부직포의 물성이 떨어질 수 있다.
상기 a) 단계에서, 가열 및 가압하여 부직포를 제조하는 방법을 통상의 부직포의 제조방법을 사용할 수 있으나, 일례로는 혼합된 섬유들을 롤러 카딩기 등으로 카딩한 후, 가열 프레스를 사용하여 160 내지 210℃의 온도로 5 초 내지 30초간 열접착하여 부직포를 제조할 수 있다.
다음으로 b) 단계에서는, 상기 제조된 부직포를 복수의 언와인딩 장치에 장착한 후, 가열 프레스로 이동시킨다.
상기 b) 단계에서는 제조된 부직포 2 내지 10장을 개수에 맞게 복수의 언와인딩 장치에 장착한 후, 코어층 제조를 위한 가열 프레스로 이동시킬 수 있다. 이렇게 복수의 언와인딩 장치를 사용하여 복수의 부직포를 사용하게 되면, 각각의 부직포의 두께가 얇아지기 때문에, 하나의 언와인딩 장치에 권취되는 부직포의 길이가 길어지게 된다. 따라서 연속적인 공정 중에 연속적으로 투입되는 부직포 사이를 이어주기 위한 연폭기의 사용 횟수를 줄일 수 있기 때문에, 공정을 단순화 시킬 수 있다는 장점이 있다.
그리고, c) 단계에서는, 상기 가열 프레스로 이동된 복수의 부직포를 170 내지 210℃의 온도조건 및 1 내지 10 MPa의 압력조건에서 가열 및 가압하여 코어층을 제조한다.
상기 c) 단계에서 사용되는 가열 프레스는, 통상 업계에서 사용하는 것이라면 특별한 제한은 없으며, 구체적인 일례로 더블 벨트 프레스(Double Belt Press) 등을 사용할 수 있다.
상기 c) 단계에서 제조되는 코어층은 0.1 내지 10 mm의 두께로 제조될 수 있다. 두께가 0.1mm 미만이면 우수한 기계적 강도를 유지하기 어려운 문제가 있고, 두께가 10mm를 초과하게 되면 코어층을 굽히거나 딥 드로잉(deep drawing) 성형시에 성형성이 저하되는 문제점이 있다. 상기 제조된 코어층의 물성은 앞서 살펴본 본 발명의 코어층의 물성과 같다.
또한, 본 발명에 따른 상기 코어층의 제조방법은,
상기 b) 단계와 c) 단계 사이에, d) 160 내지 210℃의 온도 조건에서 3 내지 10분간 예열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 예열 단계를 더 포함하게 되면, 부직포 내의 시스-코어형 이성분 섬유의 시스부의 비흡수성 공중합체 수지에 열에너지가 미리 가해지기 때문에, c) 단계의 가열 및 가압 공정의 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
앞서 살펴본 본 발명에 따른 상기 코어층의 두께는 0.1 내지 10mm인 것이 바람직하다. 두께가 0.1mm 미만이면 우수한 기계적 강도를 유지하기 어려운 문제가 있고, 두께가 10mm를 초과하게 되면 샌드위치 패널을 굽히거나 딥 드로잉(deep drawing) 성형시에 성형성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널의 스킨층(20)은 금속 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 철, 스테인레스강(SUS), 마그네슘 및 전기아연도금강판(EGI)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 일례로, 우수한 성형성 및 굴곡강성을 가지기 위해, 전기아연도금강판(EGI)을 포함하는 스킨층(20)을 샌드위치 패널에 적용할 수 있다. 또한, 경량화를 가지기 위해 알루미늄을 포함하는 스킨층(20)을 샌드위치 패널에 적용할 수 있다.
상기 스킨층(20)의 두께는 0.1~0.5mm 일 수 있다. 상기 두께가 0.1mm 미만이면 스킨층의 구조적 강성을 유지하기 어렵고, 0.5mm를 초과하면 샌드위치 패널의 경량화 효과가 감소되며, 원재료비가 증가하는 문제가 있다.
상기 스킨층(20)은, 5 내지 15 ppm/K의 선팽창계수를 가지는 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 7 내지 10 ppm/K의 선팽창 계수를 가지는 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널의 접착층은 상기 코어층(10)과 스킨층(20) 사이에 도포되어, 코어층(10)과 스킨층(20)를 접착하는 것이다. 상기 접착층은 점도를 고려하여 균일한 두께로 도포하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 코어층(10)과 스킨층(20)을 적층한 후, 경화시켜 샌드위치 패널을 제조할 수 있다. 이때, 경화하는 과정에서 접착제가 코어층(10)으로 파고 들어가면서, 코어층(10)을 이루는 성분들과의 화학적 결합뿐만 아니라, 기계적 결합에 의해 스킨층(20)과 코어층(10)의 접착력이 향상되는 효과가 있다. 상기 화학적 결합은 접착제가 코어층의 상부면, 하부면과의 공유 결합, 수소결합, 반데르발스 결합, 이온 결합 등이 되는 것을 의미한다.
상기 기계적 결합은 접착제가 코어층에 스며들어가면서 고리가 서로 걸려 있는 것처럼 물리적으로 걸려 있는 형태를 의미한다. 이러한 형태를 Mechanical interlocking이라고도 한다. 도 3을 참조하면, 코어층(10)에 포함된 자연 기공에 의해, 접착제가 코어층 (10)의 상부면과 하부면에 스며들어간 것을 확인할 수 있다.
상기 접착층을 이루는 접착제는 올레핀계 접착제, 우레탄계 접착제, 아크릴계 접착제 및 에폭시계 접착제 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 올레핀계 접착제는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 비정질 폴리알파올레핀 접착제로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 우레탄계 접착제는 우레탄 구조(-NH-CO-O-)를 포함하는 접착제라면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 아크릴계 접착제는 폴리메틸메타크릴레이트 접착제, 히드록시기 함유 폴리아크릴레이트 접착제 및 카르복시기 함유 폴리아크릴레이트 접착제 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 에폭시계 접착제는 비스페놀-A형 에폭시 접착제, 비스페놀-F형 에폭시 접착제, 노볼락 에폭시 접착제, 선형 지방족 에폭시 접착제 (Linear aliphatic epoxy resins) 및 고리형 지방족 에폭시 접착제(cycloaliphatic epoxy resins) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착제는 광경화성 접착제, 핫멜트형 접착제 또는 열경화성 접착제를 포함할 수 있고, 광경화 방법 및 열경화 방법 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 예를 들어, 스킨층, 코어층, 접착제가 포함된 적층물을 열경화시킴으로써, 샌드위치 패널을 제조할 수 있다. 상기 열경화는 에폭시 수지의 경화 온도인 50~110℃에서 대략 5분 내지 2시간 동안 수행될 수 있으며, 상온에서도 대략 1~10시간 동안 경화가 수행될 수도 있다.
상기 접착층은, 50 내지 250 ppm/K의 선팽창계수를 가지는 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 80 내지 200 ppm/K의 선팽창 계수를 가지는 것을 사용할 수 있다.
상기 접착층은 대략 20~300㎛의 두께로 도포될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 접착층을 상기 스킨층(30)의 일면에 도포하는 방법은 다이 코팅법, 그라비아 코팅법, 나이프 코팅법 또는 스프레이 코팅법 중 선택된 어느 하나의 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널은 일례로 상기 스킨층(20), 코어층(10), 스킨층(20)이 순차적으로 적층되어 형성되는데, 적층 단계 이후, 경화 및 압착단계가 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 샌드위치 패널은 기계적 물성이 좋은 코어층을 사용함으로써, 기계적 강도뿐만 아니라 성형성도 우수하다. 또한, 고밀도이며 굴곡 강도나 인장 강도 등의 물성이 높고, 장기간 사용에 의하더라도 수분 흡수에 따른 중량 변화가 적고, 굴곡 강도 및 인장 강도 등의 변화가 적어, 가전용 구조재(TV백커버, 세탁기용 보드 등), 건축용 내외장 보드, 자동차 내외장재, 기차/선박/항공기용 내외장재(칸막기등의 보드), 각종 칸막이용 보드, 엘레베이터 구조재 등으로 사용하기에 적합하다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예: 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3
(1) 코어층의 제조
[제조예 1]
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유 (도레이 케미칼社, RPF, 섬도 4데니어, 섬유 길이 51㎜)와 시스부가 비흡습성 수지인 시스-코어형 PET 섬유(도레이 케미칼社, EZBON-L, 섬도 4데니어, 시스부 녹는점 164℃, 섬유 길이 64 ㎜)를 준비한 후, 이들을 30:70의 중량비로 혼합하였다.
상기 혼합된 섬유를 롤러 카딩기로 카딩하고 가열프레스를 사용하여 190℃의 온도에서 10초간 열접착하여 부직포를 제조하였다.
상기 부직포를 6개의 언와인딩 장치에 장착한 후, 6장의 부직포를 챔버 내 온도가 180℃인 예열 챔버에 진입시킨 후 3분간 예열시켰다.
이후 상기 부직포를 5 m/분의 속도로 더블 벨트 프레스(double Belt Press)에 이송시켰다. 이 때 더블 벨트 프레스의 가열온도는 180℃, 압력은 5MPa이었으며, 2분간 가열/가압처리를 하여 4 ㎜ 두께의 코어층을 제조하였다.
[제조예 2]
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유와 시스부가 비흡습성 수지인 시스-코어형 PET 섬유를 50:50의 중량비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코어층을 제조하였다.
[제조예 3]
시스부가 비흡습성 수지인 시스-코어형 PET 섬유(도레이 케미칼社, EZBON-L, 섬도 4데니어, 시스부 녹는점 110℃, 섬유 길이 64 ㎜)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코어층을 제조하였다.
[비교제조예 1]
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유 (도레이 케미칼社, RPF, 섬도 4데니어, 섬유 길이 51㎜)를 롤러 카딩기로 카딩하고 가열프레스를 사용하여 190℃의 온도에서 10초간 열접착하여 부직포를 제조하였다.
상기 부직포를 7장 준비한 후, 각 부직포의 사이에 흡습성 공중합체인 폴리 에스테르계 핫멜트 접착 필름 (케미텍 코리아社, PE)을 위치시킨 후, 부직포를 5 m/분의 속도로 더블 벨트 프레스(double Belt Press)에 이송시켰다. 이 때 더블 벨트 프레스의 가열온도는 110℃, 압력은 5MPa이었으며, 2분간 가열/가압처리를 하여 4 ㎜ 두께의 코어층을 제조하였다.
[비교제조예 2]
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유 (도레이 케미칼社, RPF, 섬도 4데니어, 섬유 길이 51㎜)에 유리섬유를 1:1의 중량비로 혼합한 후, 로울러 카딩기로 카딩하여 카드 웹을 제조한 후, 이 웹을 6장 중첩시킨 후, 증기 분사 노즐이 설치된 컨베이어 벨트로 이송시켰다. 이 후, 증기 분사 노즐에서 고온 수증기를 카드 웹의 두께 방향으로 분사하고, 웹 두께 조정 롤을 통과시켜 4 ㎜ 두께의 코어층을 제조하였다.
[비교제조예 3]
PET 섬유 대신, 폴리에틸렌(PE) 수지와 수산화마그네슘(Mg(OH)2)이 혼합된 혼합물을 압출하여, 녹는점은 130℃인 4 ㎜ 두께의 코어층을 제조하였다.
(2) 샌드위치 패널의 제조
[실시예 1]
상기 제조예 1에서 제조된 코어층에, 에폭시 접착제(국도화학)를 도포한 후, 알루미늄 스킨층(AL 3003)을 0.5mm 두께로 형성한 후, 적층된 결과물을 100℃에서 열경화하여 샌드위치 패널을 제조하였다.
[실시예 2]
상기 제조예 2에서 제조된 코어층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 패널을 제조하였다.
[실시예 3]
상기 제조예 3에서 제조된 코어층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 패널을 제조하였다.
[비교예 1]
상기 비교제조예 1에서 제조된 코어층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 패널을 제조하였다.
[비교예 2]
상기 비교제조예 2에서 제조된 코어층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 패널을 제조하였다.
[비교예 3]
상기 비교제조예 3에서 제조된 코어층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 샌드위치 패널을 제조하였다.
실험예: 코어층의 물성 측정
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 샌드위치 패널을 시편으로 제작한 후, 하기의 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
- 굴곡 강도 (Flexural strength, MPa): ASTM C393에 의거하여 샌드위치 패널의 굴곡 강도를 측정하였다.
- 굴곡 강성 (Flexural modulus, GPa): ASTM C393에 의거하여 샌드위치 패널의 굴곡 강도를 측정하였다.
- 휨강성 (Bending strength, N/mm2): KS F4737을 사용하여 3-점-벤딩(3-point-bending) 방법에 따라 샌드위치 패널의 휨강성을 측정하였다. 측정장비로는 INSTRON 5569A를 사용하였다.
- 경량화율(%): 상기 실시예와 동일한 두께의 동일한 금속을 기준으로 하여 경량화율을 계산하였다.
- 선팽창 계수(ppm/K): 15mm x 6mm x 0.5mm의 시편에 대하여, Mettler Toledo사의 TMA-SDTA841 설비를 사용하여, 접착층의 선팽창계수 (ACL), 코어층의 선팽창 계수 (CCL) 및 스킨층의 선팽창 계수 (SCL)를 측정하였다.
- 표면 조도(Ra, ㎛): 제조된 시편을 300mmｘ300mm의 크기로 샘플을 제조한 후, 표면 조도 측정기기(Mitutoyo사 SJ-210 모델)를 올려놓은 후, 내장 팁을 0.5mm/s의 속도로 하여, 표면 조도(Roughness)를 측정하고, 표면거칠기 파라미터인 Ra(㎛)값을 수치화하여 나타내었다.
- 박리 접합 강도(N): 제조된 시편을 300mmｘ25mm의 크기로 샘플을 제조한 후, KS F4737을 사용하여, 70mm/min의 테스트 속도로 샌드위치 패널의 박리 접합강도를 2회 측정하였다.
실시예 비교예
1 2 3 1 2 3
굴곡 강도 293 285 275 261 262 177
굴곡 강성 170 168 160 150 152 102
휨강도 118 112 109 101 99 71
경량화율 44 44 43 43 42 60
SCL 9.12 9.21 9.31 9.23 9.29 9.17
CCL 36.07 39.12 43.87 61.28 72.1 79.4
ACL 93.21 91.33 92.23 92.34 93.21 92.11
ACL/CCL 2.58 2.33 2.10 1.51 1.29 1.16
CCL/SCL 3.96 4.25 4.71 6.64 7.76 8.66
표면 조도 8 9 7 13 12 4
박리강도 1회 169.5 171.2 167.3 152.3 149.1 147.8
박리강도 2회 175.3 172.3 168.9 153.7 150.3 147.4
[표 1]을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 샌드위치 패널의 경우, 우수한 굴곡 강도, 굴곡 강성, 휨강성, 경량화율 뿐만 아니라, 박리강도가 현저하게 증가하였다. 이러한 결과는 기계적 강도가 우수한 코어층을 포함하고, 코어층과 접착층, 코어층과 스킨층 사이의 선팽창 정도를 일정한 수준으로 제어함으로써, 샌드위치 패널의 기계적 강도를 개선하였기 때문인 것을 알 수 있다.
반면, 본 발명의 샌드위치 패널과 달리, 코어층과 접착층, 코어층과 스킨층 사이의 선팽창 정도를 일정한 수준으로 제어하지 못한 비교예 1 내지 3의 경우, 실시예 1 내지 3의 결과보다 상대적으로 낮은 박리강도를 가진다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (14)

  1. 폴리에스테르계 섬유 및 바인더를 포함하고, 겉보기 밀도가 0.5~0.8g/cm3인, 부직 섬유 구조의 코어층;
    상기 코어층의 일면 이상에 적층된 스킨층; 및
    상기 코어층과 스킨층를 접착하는 접착층을 포함하고,
    상기 접착층의 선팽창계수 (ACL: Adhesive Coefficient of Linear expansion), 상기 코어층의 선팽창 계수 (CCL: Core Coefficient of Linear expansion) 및 상기 스킨층의 선팽창 계수 (SCL: Skin Coefficient of Linear expansion) 가,
    하기 식 1 및 하기 식 2의 관계를 만족시키는, 샌드위치 패널.
    [식 1]
    1.6≤ACL/CCL≤3.0
    [식 2]
    3.0≤CCL/SCL≤6.5
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접착층의 선팽창계수 (ACL: Adhesive Coefficient of Linear expansion), 상기 코어층의 선팽창 계수 (CCL: Core Coefficient of Linear expansion) 및 상기 스킨층의 선팽창 계수 (SCL: Skin Coefficient of Linear expansion) 가,
    하기 식 3 및 하기 식 4의 관계를 만족시키는, 샌드위치 패널.
    [식 3]
    2.0≤ACL/CCL≤2.7
    [식 4]
    3.5≤CCL/SCL≤5.0
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 비흡습성 공중합 수지 또는 흡습성 공중합 수지인, 샌드위치 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 섬유는 녹는점이 180~300℃인, 샌드위치 패널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코어층의 굴곡강도(Flexural Strength)가 20 MPa 이상이고, 인장강도 (tensile Strength)가 50 내지 80 MPa이고, 굴곡강성(Flexural Modulus)이 1.0~1.5 GPa이고, 인장 강성 (Tension Stiffness)이 1.0~1.8 GPa의 범위이고, 인장 신율 (Tensile Elongation )이 10~30%의 범위이고, 박리강도가 150~200 N의 범위인, 샌드위치 패널.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 샌드위치 패널.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 비흡습성 공중합 수지는 85℃ 온도 및 상대습도 85%에서 100시간 항온/항습 후 중량 변화율이 0.1% 미만인, 샌드위치 패널.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 녹는점이 160℃ 이상인, 샌드위치 패널.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 코어층은, 폴리에스테르계 섬유의 코어부(core part); 및 상기 코어부를 둘러싼 비흡습성 공중합 수지인 시스부(sheath part);를 포함하는 시스-코어형(sheath-core type) 이성분(bicomponent) 섬유를 더 포함하는, 샌드위치 패널.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폴리에스테르계 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 샌드위치 패널.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 비흡습성 공중합 수지인 시스부는, 비흡습성 공중합 수지는 흡수율(JIS K-7209)이 1.0%이하인, 샌드위치 패널.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 코어층의 두께는 0.1 내지 10mm 이고, 상기 스킨층의 두께는 0.1 내지 0.5mm 인, 샌드위치 패널.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스킨층은 알루미늄, 철, 스테인레스강(SUS), 마그네슘 및 전기아연도금강판(EGI)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상 인, 샌드위치 패널.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은 우레탄계 접착제, 아크릴계 접착제 및 에폭시계 접착제 중 1종 이상을 포함하는, 샌드위치 패널.
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