KR102338714B1 - 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법 - Google Patents

복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법에 관한 것으로, 내부에 기포가 형성된 발포층과 천연섬유 및 합성섬유로 구성된 보강층을 활용하여 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법{COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND FORMING METHOD OF MULTI-LAYER STRUCTURE USING THE SAME}
본 발명은 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법에 관한 것이다.
자동차 내장재용 복합소재는 적용되는 부품에 따라 다양한 소재들이 적용되고 있다. 대표적으로, 천연섬유 강화 보드, 유리섬유 강화 보드, PP 보드, 우드 스탁(Wood stock), 열경화성 복합소재, PET 펠트, 하드 보드(Hard board), 글라스 섬유/폴리우레탄 폼, 천연섬유/PP 폼 등의 소재들이 적용되고 있다.
상기 소재들은 적용되는 부품의 요구성능 및 형상에 따라 자동차 내장재에 적용되고 있는데, 경량화 요구와 함께 VOC, 냄새 등 친환경 요구사항이 강화되면서 기존 소재를 적용하여 요구사항을 만족하기 어려운 상황이다.
예를 들어, 천연섬유/PP 폼 소재는 친환경이며 경량화 소재이지만, 기존 소재 대비 원가 경쟁력이 우수하지 못하여 적용이 어려운 문제점을 가진다. 그리고, 천연섬유-열경화성 복합소재는 친환경, VOC 프리, 높은 물성 및 우수한 경량화를 달성할 수 있지만 높은 공정 비용으로 인해 적용에 어려움이 있다. 또한, 가장 널리 적용되고 있는 천연섬유 강화보드는 고강도 및 가격 경쟁력이 우수한 소재로써, 자동차용 내장재로 개발되어 오랫동안 리어 셀프류에 적용되고 있지만, VOC 및 냄새 문제가 있다.
나아가, 현재 자동차 내/외장 부품 시장에서는 CO2 배출 억제 등을 위해 물성이 우수하면서 경량를 달성할 수 있는 소재의 요구가 지속적으로 높아지고 있는 실정이다.
따라서, 기존 소재 대비 강성을 유지하면서 경량화를 달성하고, 가격 경쟁력이 있는 소재의 개발이 시급한 상황이다.
한국등록특허공보 제10-1391468호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 복합소재는 발포제가 발포되어 내부에 기포가 형성된 발포층; 상기 발포층의 적어도 한면에 배치되고, 천연섬유 또는 합성섬유 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 마련된 보강층;을 포함한다.
상기 발포층은 강도가 보강되도록 유리섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합할 수 있다.
상기 유리섬유는 C-글라스, E-글라스, S-글라스, 글라스울으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 합성섬유는 폴리에스터, 저융점 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 발포층은 상기 보강층의 중량 대비 4:6 내지 6:4의 중량비일 수 있다.
상기 발포제는 아조디카본아마이드(ADCA), 파라톨루엔설포닐세미카바자이드(TSSC), 다이나이트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), 옥시디벤젠술포닐히드라지드(OBSH), 5-페닐테트라졸(5-PT), DPT/ADCA계, ADCA/OBSH계로 이루어진 유기발포제군 또는 소다, 탄산수소나트륨, 시트르산으로 이루어진 무기발포제군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 발포제는 상기 발포층에 대하여 0.1~5phr로 상기 발포층에 첨가될 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 복합소재의 제조방법은 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 보강층을 제조하는 보강층 제조단계; 제2 카딩기에서 유리섬유와 합성섬유를 혼합하여 발포층을 제조하는 발포층 제조단계; 발포제를 상기 보강층과 상기 발포층 사이에 위치하도록 상기 발포층에 도포하는 발포제 도포단계; 상기 보강층을 상기 발포층의 적어도 한면에 배치하고, 니들펀칭하여 복합소재를 제조하는 니들펀칭 단계; 상기 복합소재를 가열하여 상기 발포제를 발포시켜 상기 발포층 내에 기포를 형성하는 가열 단계;를 포함한다.
상기 발포층 제조단계는 상기 보강층의 중량 대비 상기 발포층이 각각 4:6 내지 6:4의 중량비를 만족할 수 있다.
상기 발포층 제조단계는 C-글라스, E-글라스, S-글라스, 글라스울으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 유리섬유를 폴리에스터, 저융점 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 합성섬유와 혼합할 수 있다.
상기 발포제 도포단계는 아조디카본아마이드(ADCA), 파라톨루엔설포닐세미카바자이드(TSSC), 다이나이트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), 옥시디벤젠술포닐히드라지드(OBSH), 5-페닐테트라졸(5-PT), DPT/ADCA계, ADCA/OBSH계로 이루어진 유기발포제군 또는 소다, 탄산수소나트륨, 시트르산으로 이루어진 무기발포제군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 발포제를 사용할 수 있다.
상기 발포제 도포단계는 상기 발포층에 대하여 0.1~5phr의 범위로 상기 발포제를 상기 발포층에 첨가할 수 있다.
상기 가열 단계는 상기 복합소재를 150~180℃로 예열된 열간성형 프레스에 장입하여 20~50초 동안 가열할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 복합소재를 이용한 성형방법은 복합소재를 180~230℃로 예열된 컨베이어 오븐에 장입하여 20~80초 동안 가열하는 예열 단계; 가열된 복합소재를 냉간성형 프레스에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계;를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 성형방법에 의하면, 자동차 내장재로 사용가능하도록 복합소재의 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합소재를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 보조보강층이 포함된 복합소재를 도시한 단면도이다.
도 3는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합소재의 제조방법을 개략적으로 도시해보인 공정도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따라 보조보강층이 포함된 복합소재의 제조방법을 개략적으로 도시해보인 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합소재의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 6는 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합소재를 이용한 성형방법을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합소재는 발포제가 발포되어 내부에 기포(21)가 형성된 발포층(20), 상기 발포층(20)의 적어도 한면에 배치되고 천연섬유 또는 합성섬유 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 마련된 보강층(10)을 포함한다.
상세히 설명하면, 상기 발포층(20)은 열성형에 의하여 내부에 포함된 발포제가 열팽창하여 형성된 기포(21) 및 상기 기포(21)를 감싸는 섬유재(22)를 포함하여 복합소재의 강성과 유연성을 동시에 확보할 수 있는 코어층으로 기능한다.
상기 발포층(20)은 강도가 보강되도록 유리섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합되어 300g/m2~700g/m2 범위의 중량을 만족하도록 제작된다.
유리섬유와 합성섬유의 비가 2:8 미만인 경우 유리섬유에 의하여 강도가 부족하여 복합소재로 활용하기에 부적합할 수 있으며, 유리섬유와 합성섬유의 비가 8:2 이상인 경우 유리섬유 위주로 구성되어 유연성이 부족하다.
상기 유리섬유는 C-글라스, E-글라스, S-글라스, 글라스울으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하여, 작업자가 복합소재의 용도에 따라 내화학성이 높은 C-글라스, 전기 절연특성이 우수한 E-글라스, 높은 인장강도가 요구될 때는 S-glass 및 단열성과 흡음성이 우수한 글라스울을 선택적으로 사용할 수 있어 가장 바람직하게는 자동차 내장재에 적합하도록 인장강도가 우수한 S-glass를 활용할 수 있다.
상기 화학섬유는 폴리에스터, 저융점 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하여, 작업자가 복합소재의 용도에 따라 강도가 우수하면서 절연성이 우수한 폴리프로필렌, 저온에서 접착력이 우수한 저융점 폴리에스터, 강도가 우수한 아크릴 수지를 선택하여 사용할 수 있으며 가장 바람직하게는 강도가 우수한 폴리에스터에 저온에서 접착성이 우수한 저융점 폴리에스터를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 보강층(10)은 상기 발포층(20)의 적어도 어느 한면에 배치되어 천언섬유 또는 합성섬유 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 마련될 수 있다.
상기 보강층(10)은 강도가 보강되도록 천연섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합하여 제작하며, 무게는 200g/m2~400g/m2의 범위를 만족하도록 형성된다.
상기 보강층(10)은 복합소재의 성형 및 강도 보강역할을 하기 때문에, 저중량으로 제조되어지도록 천연섬유와 합성섬유로부터 펠트 형태로 형성되어 상기 발포층(20)의 일측면에서 보강 역할을 수행한다.
상기 범위를 벗어나는 경우 천연섬유나 합성섬유만이 포함되어 강도가 저하하는 문제점이 발생하므로, 상기 범위 내에서 최적 강도를 가진다,
상기 천연섬유는, 양마, 대마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.
상기 합성섬유는, 폴리에스터, 저융점 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수도 있다.
상기 천연섬유와 상기 합성섬유는, 굵기가 40~80㎛이고, 길이가 40~80mm인 것을 사용할 수도 있다.
즉, 상기 천연섬유와 합성섬유는 굵기가 40㎛, 길이가 40mm 미만인 것을 사용하면 섬유간 뭉침현상 및 이를 통한 보강층 제조 시, 외관에 요철이 발생 될 수 있으며, 섬유 굵기가 80㎛, 길이가 80mm를 초과한 것을 사용하면 믹싱, 오프닝, 카딩, 웹 형성 등 공정에서 천연섬유와 합성섬유의 혼련성이 부족한 문제가 있다.
상기 발포층(20)은 상기 보강층(10)의 중량 대비 4:6 내지 6:4의 중량비로 형성될 수 있으며, 복합소재의 최종 강도를 결정한다.
상기 발포층(20)과 상기 보강층(10)의 중량비가 4:6 미만이면, 발포층(20)에 의한 유연성 및 성형성이 부족할 수 있으며, 상기 발포층(20)과 상기 보강층(10)의 중량비가 6:4를 초과하면, 보강층(10)에 의한 강도 보강이 부족하여 복합소재의 최종 강도가 저하된다.
상기 발포층(20)은 열간성형 프레스에 의하여 발포제가 발포되면서 열팽창하여 코어층으로 작용하며, 안정적인 열팽창율을 확보하고 성형성을 향상할 수 있도록 발포제가 발포제 파우더링 공정에 의하여 발포층(20)에 도포되는 것을 특징으로 한다.
상기 발포층(20)에 포함되는 발포제는 아조디카본아마이드(Azodicarbonamide, ADCA), 파라톨루엔설포닐세미카바자이드(P-toluenesulfonyl Semicarbazide. PTSS), 다이나이트로소펜타메틸렌테트라민(Dinitro Pentamethylene Tetramin, DPT), 옥시디벤젠술포닐히드라지드(4,4'-Oxydibenzenesulfonyl Hydrazide, OBSH), 5-페닐테트라졸(5-Phenyltetrazole, 5-PT), DPT/ADCA계, ADCA/OBSH계로 이루어진 유기발포제군 또는 소다(Sodium Hydroxide), 탄산수소나트륨(Sodium Bicarbonate), 시트르산(Citric Acid)으로 이루어진 무기발포제군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 발포제는 열분해가 가능한 방식으로, 발포되는 온도에 따라 150~280℃에서 발포가능한 제품을 선택될 수 있다.
싱기 발포제는 상기 발포층에 대하여 0.1~5phr로 상기 발포층에 첨가된 것을 특징으로 한다.
상기 발포제가 상기 발포층(20)에 대하여 0.1phr 미만으로 첨가되는 경우, 유리섬유 사이에서 발포율이 낮아 충분한 발포 효과를 발현할 수 없으며, 5phr을 초과하여 첨가하는 경우, 발포율이 높아 셀간의 간섭 및 유리섬유의 배향을 억제하여 강도가 저하되는 문제점이 발생된다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합소재는 상기 보강층(10)과 반대되는 상기 발포층(20)의 또 다른 한면에 배치되고, 천연섬유 또는 합성섬유 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 마련된 보조보강층(30)을 더 포함할 수 있다.
상기 발포층(20)은 상기 보조보강층(30)의 중량 대비 4:6 내지 6:4의 중량비로 형성될 수 있으며, 상기 발포층(20)과 상기 보조보강층(30)의 중량비가 4:6 미만이면, 발포층(20)에 의한 유연성 및 성형이 부족할 수 있으며, 상기 발포층(20)과 상기 보조보강층(30)의 중량비가 6:4를 초과하면, 보조보강층(30)에 의한 강도 보강이 부족할 수 있다.
상기 보조보강층(30)은 강도가 보강되도록 천연섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합하여 제작하며, 무게는 200g/m2~400g/m2의 범위를 만족하도록 형성된다.
상기 보조보강층(30)은 복합소재의 성형 및 강도 보강역할을 하기 때문에, 저중량으로 제조되어지도록 천연섬유와 합성섬유로부터 펠트 형태로 형성되어 상기 발포층(20)의 타측면에서 보강 역할을 수행한다.
상기 범위를 벗어나는 경우 천연섬유나 합성섬유만이 포함되어 강도가 저하하는 문제점이 발생하므로, 상기 범위 내에서 최적 강도를 가진다,
상기 천연섬유는, 양마, 대마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.
상기 합성섬유는, 폴리에스터, 저융점 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수도 있다.
상기 천연섬유와 상기 합성섬유는, 굵기가 40~80㎛이고, 길이가 40~80mm인 것을 사용할 수도 있다.
즉, 상기 천연섬유와 합성섬유는 굵기가 40㎛, 길이가 40mm 미만인 것을 사용하면 섬유간 뭉침현상 및 이를 통한 보강층(10) 제조 시, 외관에 요철이 발생될 수 있으며, 섬유 굵기가 80㎛, 길이가 80mm를 초과한 것을 사용하면 믹싱, 오프닝, 카딩, 웹 형성 등 공정에서 천연섬유와 합성섬유의 혼련성이 부족한 문제가 있다.
상기 복합소재는 700~1,500g/m2의 중량으로 제작되는 것이 바람직하며, 종래의 복합소재 대비 30% 이상의 경량화를 구현할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합소재의 제조방법은 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 보강층(10)을 제조하는 보강층 제조단계(S10), 제2 카딩기에서 유리섬유와 합성섬유를 혼합하여 발포층(20)을 제조하는 발포층 제조단계(S20), 발포제를 상기 보강층(10)과 상기 발포층(20) 사이에 위치하도록 상기 발포층(20)에 도포하는 발포제 도포단계(S30), 상기 보강층(10)을 상기 발포층(20)의 적어도 한면에 배치하고, 니들펀칭하여 복합소재를 제조하는 니들펀칭 단계(S40), 상기 복합소재를 가열하여 상기 발포제를 발포시켜 상기 발포층(20) 내에 기포(21)를 형성하는 가열 단계(S50)를 포함한다.
상기 발포층 제조단계(S10)는 상기 보강층(10)의 중량 대비 상기 발포층(20)이 각각 4:6 내지 6:4의 중량비를 만족하므로, 상기 범위 내에서 고강도를 발현하면서 경량화를 달성한다.
또한, 상기 발포층 제조단계(S10)는 상기 보조보강층(30)의 중량 대비 상기 발포층(20)이 각각 4:6 내지 6:4의 중량비를 만족하므로, 상기 범위 내에서 강도를 더 보강하면서 경량화를 달성할 수 있다.
상기 발포층 제조단계(S10)는 C-글라스, E-글라스, S-글라스, 글라스울으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 유리섬유를 폴리에스터, 저융점 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 합성섬유와 혼합하여 발포층(20)을 제조한다.
상기 발포제 도포단계(S30)는 아조디카본아마이드(ADCA), 파라톨루엔설포닐세미카바자이드(TSSC), 다이나이트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), 옥시디벤젠술포닐히드라지드(OBSH), 5-페닐테트라졸(5-PT), DPT/ADCA계, ADCA/OBSH계로 이루어진 유기발포제군 또는 소다, 탄산수소나트륨, 시트르산으로 이루어진 무기발포제군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 발포제를 사용한다.
상기 발포제 도포단계(S30)는 상기 발포층(20)에 대하여 0.1~5phr의 범위로 상기 발포제를 상기 발포층(20)에 첨가하므로, 상기 범위 내에서 기포(21)가 터지지 않아 경량성을 확보하면서 동시에 강도가 저하되는 거을 방지한다.
상기 니들펀칭 단계(S40)는 상기 보강층(10)을 상기 발포층(20)의 적어도 일면에 배치하고, 니들펀칭하여 복합소재를 제조한다.
또한, 상기 가열 단계(S50)는 상기 복합소재를 150~180℃로 예열된 열간성형 프레스(100)에 장입하여 20~50초 동안 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 4을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합소재의 제조방법은 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 보강층(10)을 제조하는 보강층 제조단계, 제2 카딩기에서 유리섬유와 합성섬유를 혼합하여 발포층(20)을 제조하는 발포층 제조단계, 제3 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 보조보강층(30)을 제조하는 보조보강층 제조단계, 발포제를 상기 보강층(10) 또는 상기 보조보강층(30)과 상기 발포층(20) 사이에 위치하도록 상기 발포층(20)에 도포하는 발포제 도포단계, 상기 보강층(10)을 상기 발포층(20)의 적어도 한면에 배치하고, 상기 보조보강층(30)을 상기 발포층(20)의 또 다른 한면에 배치하고 니들펀칭하여 복합소재를 제조하는 니들펀칭 단계, 상기 복합소재를 가열하여 상기 발포제를 발포시켜 상기 발포층(20) 내에 기포(21)를 형성하는 가열 단계를 포함한다.
도 6을 참조하면, 복합소재를 이용한 성형방법은 복합소재를 180~230℃로 예열된 컨베이어 오븐(200)에 장입하여 20~80초 동안 가열하는 예열 단계(S100), 가열된 복합소재를 냉간성형 프레스(300)에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계(S200)를 포함한다.
상기 컨베이어 오븐(200)에서 복합소재가 20초 미만으로 가열되면 합성섬유가 충분히 용융되지 않아 성형성과 강도가 저하되고, 80초를 초과하여 가열되면 천연섬유가 탄화되어 냄새 및 VOC가 발생한다.
실시예 1
복합소재의 보강층(10) 및 보조보강층(30)은 양마 천연섬유와 폴리프로필렌 합성섬유를 6:4 중량 비율로 혼합하여 제작하였고, 보강층(10)과 보조보강층(30)의 중량은 동일하다.
그리고, 상기 복합소재의 발포층(20)은, 유리섬유와 폴리프로필렌 섬유를 6:4 중량 비율로 혼합하여 제작하였으며, 니들펀칭 공정 전에 유기발포제 1.0phr를 상기 발포층(20)에 도포하여 상기 발포층(20)에 발포제가 첨가되도록 한다.
발포를 첨가한 후, 상기 보강층(10), 상기 보조보강층(30) 및 상기 발포층(20)을 니들펀칭하여 복합소재를 제조하였다.
이후, 상기 복합소재를 150℃로 예열된 열간성형 프레스(100)에 장입하고 20~50초 동안 가열하여 발포제가 발포되어 발포층(20)에 기포(21)가 형성한다.
기포(21)가 형성된 상기 복합소재를 컨베이어 오븐(200)에서 210℃에서 60초 동안 예열한 후, 냉간성형 프레스(200)에 장입하여 냉간 압착 성형을 통해 5.0mm의 두께의 다층 구조물로 제작하여 굴곡강도를 측정하였다.
실시예 2
니들펀칭 단계(S40) 전에 유기발포제를 발포층(20)에 2.0phr 도포하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합소재를 제조하였다.
실시예 3
니들펀칭 단계(S40) 전에 유기발포제를 발포층(20)에 3.0phr 도포하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합소재를 제조하였다.
비교예 1
복합소재의 보강층(10) 및 보조보강층(30)은 양마 천연섬유와 폴리프로필렌 합성섬유를 6:4 중량 비율로 혼합하여 제작하였고, 보강층(10)과 보조보강층(30)의 중량은 동일하다.
그리고, 상기 복합소재의 발포층(20)은, 유리섬유와 폴리프로필렌 섬유를 6:4 중량 비율로 혼합하여 제작하였다.
이 후, 상기 보강층(10), 상기 보조보강층(30) 및 상기 발포층(20)을 니들펀칭하여 복합소재를 제조하였다.
상기 복합소재를 컨베이어 오븐에서 210℃에서 60초 동안 예열한 후, 냉간 압착 성형을 통해 5.0mm의 두께의 다층 구조물로 제작하여 굴곡강도를 측정하였다.
비교예 2 및 비교예 3
비교예 2과 3는 현재 자동차 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드이다.
구성 두께[mm]
실시예 1 다층 구조물 1,100g/m2
(보강층 및 보조보강층 각각 300g/m2 +발포층 500g/m2)
+ 발포제 1.0phr		 5.0
실시예 2 다층 구조물 1,100g/m2
(보강층 및 보조보강층 각각 300g/m2 +발포층 500g/m2)
+ 발포제 2.0phr		 5.0
실시예 3 다층 구조물 1,100g/m2
(보강층 및 보조보강층 각각 300g/m2 +발포층 500g/m2)
+ 발포제 3.0phr		 5.0
비교예 1 다층 구조물 1,100g/m2
(보강층 및 보조보강층 각각 300g/m2 +발포층 500g/m2)		 5.0
비교예 2 천연섬유 강화보드 1,400g/m2 2.5
비교예 3 천연섬유 강화보드 1,600g/m2 2.5
상기 표 1에서 다층 구조물의 중량은 보강층(10), 보조보강층(30), 발포층(20)의 중량의 합을 나타낸 것이다. 상기한 중량비로 제작된 다층 구조물의 굴곡강도 시험을 수행하였고 시험 결과는 아래 표 2에 나타내었다.
중량[g/m2] 굴곡하중[N]
실시예 1 1,100 41.4
실시예 2 1,100 37.5
실시예 3 1,100 37.6
비교예 1 1,100 38.4
비교예 2 1,400 34.6
비교예 3 1,600 36.6
상기 표 2에 개시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 구조물(실시예 1~3)은 현재 자동차 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드(비교예 2,3)와 비교하여 보다 가벼운 중량에서 유사한 굴곡강도를 나타내면서 성형성이 향상됨을 알 수 있다.
상세히 설명하면, 본 발명에 따른 다층 구조물(실시예 1~3)은 발포제가 미포함된 다층 구조물(비교예 1)과 대비하여 중량은 동일(1,100g/m2)하면서 유사한 굴곡강도(최대 3N 차이 발생)를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층 구조물(실시예 1~3)은 천연섬유 강화보드(비교예2,3)과 비교하여 중량이 각각 300,500g/m2 감소되면서, 굴곡하중이 약 5,7N 향상되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다층 구조물은 현재 자동차 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드와 비교하여 향상된 굴곡강도를 가지면서 약 20~30%의 경량화를 달성할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 보강층
20 : 발포층
21 : 기포
22 : 섬유재
30 : 보조보강층
100 : 열간성형 프레스
200 : 컨베이어 오븐
200 : 냉간성형 프레스

Claims (14)

  1. 발포제가 발포되어 내부에 기포가 형성된 발포층; 및
    상기 발포층의 적어도 한면에 배치되고, 천연섬유 또는 합성섬유 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 마련된 보강층;
    을 포함하고,
    상기 발포층은,
    강도가 보강되도록 유리섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합하고,
    상기 보강층은,
    강도가 보강되도록 천연섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합하여 제작하며, 무게는 200g/m2~400g/m2의 범위를 만족하고,
    상기 보강층의 합성섬유는,
    폴리에스터 및 저융점 폴리에스터으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련되고,
    상기 발포층의 합성섬유는,
    강도가 우수한 폴리에스터에 저온에서 접착성이 우수한 저융점 폴리에스터를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리섬유는,
    C-글라스, E-글라스, S-글라스, 글라스울으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발포층은,
    상기 보강층의 중량 대비 4:6 내지 6:4의 중량비인 것을 특징으로 하는 복합소재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 발포제는,
    아조디카본아마이드(ADCA), 파라톨루엔설포닐세미카바자이드(TSSC), 다이나이트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), 옥시디벤젠술포닐히드라지드(OBSH), 5-페닐테트라졸(5-PT), DPT/ADCA계, ADCA/OBSH계로 이루어진 유기발포제군 또는 소다, 탄산수소나트륨, 시트르산으로 이루어진 무기발포제군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 발포제는,
    상기 발포층에 대하여 0.1~5phr로 상기 발포층에 첨가된 것을 특징으로 하는 복합소재.
  8. 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 보강층을 제조하는 보강층 제조단계;
    제2 카딩기에서 유리섬유와 합성섬유를 혼합하여 발포층을 제조하는 발포층 제조단계;
    발포제를 상기 보강층과 상기 발포층 사이에 위치하도록 상기 발포층에 도포하는 발포제 도포단계;
    상기 보강층을 상기 발포층의 적어도 한면에 배치하고, 니들펀칭하여 복합소재를 제조하는 니들펀칭 단계; 및
    상기 복합소재를 가열하여 상기 발포제를 발포시켜 상기 발포층 내에 기포를 형성하는 가열 단계;
    를 포함하고,
    상기 발포층은,
    강도가 보강되도록 유리섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합하고,
    상기 보강층은,
    강도가 보강되도록 천연섬유와 합성섬유를 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합하여 제작하며, 무게는 200g/m2~400g/m2의 범위를 만족하고,
    상기 보강층의 합성섬유는,
    폴리에스터 및 저융점 폴리에스터으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련되고,
    상기 발포층 제조단계는,
    C-글라스, E-글라스, S-글라스, 글라스울으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 유리섬유에 강도가 우수한 폴리에스터 및 저융점 폴리에스터로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 합성섬유와 혼합하여 발포층을 제조하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 발포층 제조단계는,
    상기 보강층의 중량 대비 상기 발포층이 각각 4:6 내지 6:4의 중량비를 만족하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 발포제 도포단계는,
    아조디카본아마이드(ADCA), 파라톨루엔설포닐세미카바자이드(TSSC), 다이나이트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), 옥시디벤젠술포닐히드라지드(OBSH), 5-페닐테트라졸(5-PT), DPT/ADCA계, ADCA/OBSH계로 이루어진 유기발포제군 또는 소다, 탄산수소나트륨, 시트르산으로 이루어진 무기발포제군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 발포제를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 발포제 도포단계는,
    상기 발포층에 대하여 0.1~5phr의 범위로 상기 발포제를 상기 발포층에 첨가하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 가열 단계는,
    상기 복합소재를 150~180℃로 예열된 열간성형 프레스에 장입하여 20~50초 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  14. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 하나에 따른 복합소재를 180~230℃로 예열된 컨베이어 오븐에 장입하여 20~80초 동안 가열하는 예열 단계;
    가열된 복합소재를 냉간성형 프레스에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계;
    를 포함하는 복합소재를 이용한 성형방법.
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