KR102184470B1 - 복합재 - Google Patents

Abstract

사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유를 포함하고, 상기 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 열 수축률이 상기 제2 열가소성 수지의 열 수축률과 상이하고, 상기 이성분 섬유가 구부러져 얽힌 구조를 포함하는 복합재가 제공된다.

Description

복합재{COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 우수한 물리적 성능 및 경량화를 구현한 복합재에 관한 것이다.

종래의 열가소성 복합소재는 높은 강성을 나타내는 유리섬유나 카본섬유 등의 강화 섬유와 매트릭스를 구성하는 열가소성 수지로 구성되어 있다. 이러한 열가소성 복합소재는 일반 열가소성 수지 제품에 비해 높은 기계적 물성을 나타내기 때문에, 자동차 및 건축용 소재로 널리 사용되고 있다. 종래의 열가소성 복합소재 제조방식은 주로 강화 섬유를 열가소성 수지에 혼합한 후, 압출 내지 몰드 프레스 공정을 통해 성형하는 방식인데, 최근 강도와 생산성 향상을 위해, 건식 니들펀칭 공정이나 습식 초지 공정을 적용하여 우선적으로 강화 섬유가 포함된 매트 형태의 소재를 제조하고, 그 후 수지를 매트에 함침시키는 방식을 통해 복합 소재를 제조하고 있다.

강화 섬유와 열가소성 수지의 복합 소재는 열가소성 수지에 비해 강화 섬유가 보강재의 역할을 하기 때문에 우수한 기계적 강도를 나타낸다. 강화섬유 복합 소재의 강도를 높이기 위한 방법으로 우선 강화섬유 자체의 강성을 높이거나, 강화 섬유의 비율을 증가시키는 방법 그리고 강화 섬유와 열가소성 수지 간의 결합력을 향상시키는 기술이 적용되고 있다. 하지만, 습식이나 건식 공정을 통해 강화 섬유 매트를 제조하는 공정을 도입하였을 때, 강화섬유 개질을 통한 강도 향상은 한계가 있다.

본 발명의 일 구현예는 우수한 물리적 성능 및 경량화를 구현할 수 있는 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유를 포함하고, 상기 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 열 수축률이 상기 제2 열가소성 수지의 열 수축률과 상이하고, 상기 이성분 섬유가 구부러져 얽힌 구조를 포함하는 복합재를 제공한다.

상기 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 영역 및 제2 열가소성 수지 영역을 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지 영역 및 상기 제2 열가소성 수지 영역은 상기 이성분 섬유의 길이 방향으로 분리되어, 서로 길이 방향으로 병렬적으로 배치된다.

상기 이성분 섬유는 구부러져 형성된 크림프를 형성하고, 상기 복합재는 상기 크림프에서 상기 이성분 섬유가 얽힌 구조를 형성한다.

상기 복합재는 우수한 물리적 성능 및 경량화를 구현한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 복합재 중 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유가 열처리에 의해 얽히는 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.

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, 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유를 포함하고, 상기 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 열 수축률이 상기 제2 열가소성 수지의 열 수축률과 상이하고, 상기 이성분 섬유가 구부러져 얽힌 구조를 포함하는 복합재를 제공한다.

구부러지지 않은 원료 상태의 상기 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유에 열이 가해지면 구부러지면서 서로 물리적으로 얽혀 결합을 형성할 수 있다. 상기 구부러지지 않은 원료 상태의 이성분 섬유는 열 수축률이 상이한 2종이 열가소성 수지가 사이드 바이 사이드 형태로 포함되어 형성된 것으로서, 2종의 열가소성 수지 간 열 수축률 차이에 의해 가열시 어느 한 성분이 더 많이 수축되기 때문에 이성분 섬유가 구부러지게 된다.

상기 복합재는 상기 이성분 섬유가 구부러지면서 서로 얽히게 되어 형성되고, 상기 이성분 섬유가 구부러지면서 형성되는 크림프 (crimp, 파상 굴곡)을 포함한다.

상기 복합재 내의 이성분 섬유간 결합력이 향상되면 상기 복합재의 강도와 같은 물리적 성능이 향상될 수 있다. 상기 이성분 섬유가 서로 얽혀서 결합력이 향상됨에 따라, 상기 복합재는 강도와 같은 물리적 성능이 향상된다.

상기 복합재는 저중량 소재이면서도 고강도를 확보할 수 있기 때문에, 이를 적용하는 응용분야, 예를 들어, 부품 등에 있어서 경량화를 구현할 수 있다.

상기 복합재는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮아서 경량화를 구현할 수 있는 재료이기 때문에, 이러한 특성을 요구하는 자동차 및 건축용 재료의 용도에 유용하게 적용될 수 있다.

도 1은 상기 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유가 열처리에 의해 상기 복합재(10)로 형성되는 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1의 좌측 도면은 열 처리 전 이성분 섬유가 구부러지지 않은 상태이고, 이를 가열하면, 우측 도면에서와 같이 이성분 섬유가 구부러져서 크림프를 형성한다. 도 1의 우측 도면은 이러한 이성분 섬유가 서로 얽힌 구조를 형성한 복합재(10)를 모식적으로 나타낸다.

도 1을 참조하면, 상기 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 영역(1) 및 제2 열가소성 수지 영역(2)을 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지 영역(1) 및 상기 제2 열가소성 수지 영역(2)은 상기 이성분 섬유의 길이 방향으로 분리되어, 서로 길이 방향으로 병렬적으로 배치된다.

도 1의 우측 도면을 참조하면, 상기 이성분 섬유는 구부러져 형성된 크림프를 형성하고, 상기 복합재(10)는 상기 크림프에서 상기 이성분 섬유가 얽힌 구조를 형성한다.

상기 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 포함한다.

상기 제1 열가소성 수지와 상기 제2 열가소성 수지의 20℃ 변화에 대한 열 수축률의 차이가, 2차원 기준 또는 길이 상 비교하여, 1% 내지 20%일 수 있다.

상기 수치 범위의 열 수축률 차이를 가지는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지로부터 형성된 이성분 섬유는 소정의 물리적 성능을 구현할 수 있도록 열처리에 의해 잘 얽힐 수 있다.

상기 제1 열가소성 수지는 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않는다.

상기 제2 열가소성 수지는 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않는다.

상기 이성분 섬유는 상기 제1 열가소성 수지 대 상기 제2 열가소성 수지의 중량비 10~90 : 90~10 으로 포함할 수 있다.

상기 함량비로 제1 열가소성 수지 대 제2 열가소성 수지를 포함하는 이성분 섬유를 이용하여, 간단한 열처리에 의해 상기 복합재를 제조할 수 있고, 이로부터 얻어진 복합재는 우수한 물리적 성능을 구현할 수 있다.

적정한 크기의 단면 직경을 가지는 이성분 섬유를 이용하여, 제1 열가소성 수지 대 제2 열가소성 수지를 적절한 함량비로 포함시킬 수 있고, 간단한 열처리에 의해 상기 복합재를 제조할 수 있으며, 이로부터 얻어진 복합재는 우수한 물리적 성능을 구현할 수 있다.

상기 이성분 섬유의 길이가 약 1 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 상기 범위의 길이를 갖는 이성분 섬유는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 열 처리에 의해 잘 얽히어 결착될 수 있고, 그에 따라, 복합재의 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 복합재는 전술한 바와 같이 이성분 섬유가 물리적으로 얽히면서 결착되기 때문에 간단한 열처리 공정으로 제조할 수 있는 잇점이 있다.

상기 복합재의 제조 공정에서, 적정한 온도에서 열처리하여, 이성분 섬유가 서로 잘 얽히어 결착될 수 있고, 그에 따라, 복합재의 강도를 향상시킬 수 있다.

통상적으로 섬유강화 복합재 제품들은 제조 공정 중에 공기나 물을 이용하여 섬유를 혼합하는 공정을 수행하고, 아크릴 수지와 같은 결착재를 사용한다. 상기 복합재의 제조는 간단한 열처리 단계에 의해 이성분 섬유가 물리적으로 결착되기 때문에 기존에 수행되던 공기나 물을 이용하여 섬유를 혼합하는 공정이 불필요해 짐에 따라 제조 공정이 간소화되는 잇점을 갖는다.

상기 복합재는 전술한 바와 같이 이성분 섬유가 물리적으로 얽히면서 결착되기 때문에 별도의 결착재 없이 형성될 수 있다. 이에 반해, 통상적으로 섬유강화 복합재 제품들은 섬유간 결합을 위해서 아크릴 수지와 같은 결착재를 필요로 한다.

일 구현예에서, 상기 복합재는 결착재를 실질적으로 포함하지 않는다. 상기 복합재는 결착재를 사용하지 않음에 따라서, 결착재 중량만큼 배제할 수 있어서 보다 경량화된 재료이고, 또한, 결착재 자체 물성에 기인하고, 복합재 용도에 부적합한 불필요한 영향을 방지할 수 있다.

상기 복합재는 이성분 섬유가 얽히어 형성되는 구조로서, 다공성으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 복합재는 크림프가 형성된 이성분 섬유가 서로 불규칙하게 얽힌 상태로 결착된 다공성 구조를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 복합재의 기공도가 5% 내지 80% 일 수 있다. 상기 기공도는 상기 복합재를 적용하는 용도에 맞게 조절할 수 있다. 또한, 상기 기공도는 상기 복합재 제조 공정 중 열처리 온도, 시간, 이성분 수지의 성분 조절 등에 의해 조절될 수 있다.

상기 복합재는 적절한 기공도를 가지도록 한 부직포로 제조될 수 있다. 상기 부직포는 고강도, 경량화를 구현하고, 제조 공정이 간소화된다.

상기 복합재는 적용하고자 하는 용도에 맞는 형태로 제조될 수 있고, 예를 들어, 습식 공정 또는 건식 공정 등을 통해 부직포로 제조될 수 있다. 통상적으로, 기존 섬유강화 복합재를 제조할 때 습식 공정인 경우 결착재가 필요하지만, 상기 복합재는 습식 공정으로 제조되어도 결착재 없이 제조될 수 있다. 따라서, 상기 복합재는 습식 공정으로 제조되어 얻어지는 잇점을 가지면서도, 결착재를 포함하지 않을 수 있다.

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.

1: 제1 열가소성 수지 영역
2: 제2 열가소성 수지 영역
10: 복합재

Claims (8)

1. 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유를 포함하고,
   상기 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 포함하고,
   상기 제1 열가소성 수지의 열 수축률이 상기 제2 열가소성 수지의 열 수축률과 상이하고,
   결착재를 별도로 포함하지 않고, 상기 이성분 섬유가 구부러져 얽힌 구조를 포함하고,
   상기 제1 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고,
   상기 제2 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고,
   상기 이성분 섬유의 길이가 1mm 내지 50mm 인
   복합재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 사이드 바이 사이드 형태의 이성분 섬유는 제1 열가소성 수지 영역 및 제2 열가소성 수지 영역을 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지 영역 및 상기 제2 열가소성 수지 영역은 상기 이성분 섬유의 길이 방향으로 분리되어, 서로 길이 방향으로 병렬적으로 배치된
   복합재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 이성분 섬유는 구부러져 형성된 크림프를 형성하고, 상기 복합재는 상기 크림프에서 상기 이성분 섬유가 얽힌 구조를 형성한
   복합재.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 열가소성 수지와 상기 제2 열가소성 수지의 20℃ 변화에 대한 열 수축률의 차이가, 2차원 기준 또는 길이 상 비교하여, 1% 내지 20%인
   복합재.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 복합재는 부직포인
   복합재.
   

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