KR102384326B1 - 탄소 섬유 소재를 이용한 차량용 보호커버 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소 섬유 소재를 이용한 차량용 보호커버 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 제직물 기재(10)와, 상기 기재에 라미네이트된 필름(20) 및, 필름에 형성된 코팅층(30)을 포함하는 강도가 향상된 전면부; 전면부와 본딩처리되어 스크래치를 방지하는 폴리프로필렌 부직포(40)인 후면부;를 포함하는 차량용 보호커버 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 자동차 본닛 및 범퍼 등의 프로텍티브 커버 제품은 전면부인 라미네이팅된 슈퍼섬유와 후면부인 부직포를 본딩 및 봉제시킨 제품으로 기존에 PVC계열의 제품에 비해 강도를 향상시키며 전면부에 특수 스프레이 코팅을 처리함으로써 발수성 및 화학적 기계적 강도를 증진시킨다.

Description

탄소 섬유 소재를 이용한 차량용 보호커버 및 그 제조방법{Protective cover for vehicle using carbon fiber material and manufacturing method thereof}
본 발명은 돌이나, 나무, 수풀 등으로 부터의 마찰 및 오물이 차량 내부로 유입되는 것을 방지하기 위하여 오프로드형 차량의 적용되는 프로텍티브 커버에 관한 것이다.
자동차 프론트 커버는 자동차 범퍼 및 보닛에 부착하여 애기치 않은 바닥의 잔해로부터의 손상과 벌레나 오물 등으로 부터의 오염을 방지하기위해 사용되어진다. 개발 초기의 프론트 커버 제품은 플라스틱 커버형 제품이 개발되었으며 범퍼에 부착시켜 단순히 자동차 보호용으로 개발되었다. 하지만 주행시 공기저항이 상승되는 문제점과 무게 증가로 인한 연비 감소의 문제점을 보였으며 이는 차량의 경량성 및 연비 효율성이 중요시되는 현재의 자동차 산업 트랜드에 벗어난다.
이후 기존 플라스틱형 커버 제품의 문제점인 공기저항과 연비효율성을 보완한 가죽형, 직물형 프론트 커버 제품이 출시되었다. 가죽 소재로 제작된 제품의 경우, 일반 직물 소재에 비해 마찰에는 좀 더 강할 수 있으나 수분에 취약하여 주행 시에 내구성이 약화될 우려가 있다. 또한, 가죽 제품은 비오는 날과 같이 습도가 높은 날에 착용할 경우 차량 외부의 부식 등 손상을 일으킬 수 있으며 제품 자체에도 큰 손상을 일으킬 수 있기 때문에 자동차용 커버 소재로는 적합하지 않은 것으로 판단된다. 직물 소재의 경우, 가죽 소재보다 내구성이 약하여 마찰 시 쉽게 손상될 수 있고, 내구성이 약하여 제품을 오래 사용할 수 없다. 또한, 직물 소재 자체가 일광에 약한 부분이 있기 때문에 이에 대한 변색 또는 손상이 쉽게 일어날 수 있다. 이렇듯, 기존에 사용된 Front-End 커버의 소재들에는 각각의 단점이 있으며, 이러한 소재들의 단점을 보완하여 제품을 제작하기 위해 가볍고 우수한 강도로 내충격성 및 보호성이 강한 소재를 활용하여 손상을 최소화하고 경량성을 부여할 수 있는 소재를 이용해 개발할 필요성이 있다.
본 발명은 강도가 강한 탄소섬유 표면을 기재로 사용하고 라미네이팅 처리하여 기존 제품에서 나타나는 내마모성 및 내구성이 떨어져 마찰에 의한 제품 표면이 손상되는 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 종래의 가죽이나 PVC 제품은 또한 우천시 수분을 외부로 발산하기 힘들어 도장면에 부식을 야기시켰던 문제점을 해결하기 위하여, 표면 스프레이 코팅을 통한 표면 발수성을 증진시켜 것을 목적으로 한다.
본 발명은 탄소섬유 제직물 기재(10)와, 상기 기재에 라미네이트된 필름(20) 및, 상기 필름에 형성된 코팅층(30)을 포함하는 강도가 향상된 전면부; 및
상기 전면부와 본딩처리되어 스크래치를 방지하는 폴리프로필렌 부직포(40)인 후면부;를 포함하는 차량용 보호커버를 제공함을 특징으로 한다.
상기 탄소섬유 제직물은 3K와 12K인 것이 바람직하다.
또한 상기 탄소섬유 제직물은 실란 커플링제로 표면처리 되는 것을 특징으로 한다. 이종 소재간의 계면 접착강도를 향상시키기 위하여 커플링제(coupling agent) 처리가 필요하며, 본 발명에서와 같이 탄소섬유와 열가소성 수지의 라미네이팅을 위해서 탄소섬유의 표면 처리를 통한 표면 활성화 시킨다.
상기 탄소섬유 제직물에 라미네이트되는 필름은 TPU, PVC, PP, PE 필름인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 필름은 열가소성 수지 필름인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 필름층 상부에는 방오, 발수를 위한 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 보호커버의 후면부는 차량표면과 접합성을 올리고 차량 외부에 대한 충격 및 환경적 요인으로부터 발생되는 차량 외부의 스크레치 및 찌그러짐 등의 손상을 최소화하고, 통기성, 신축성의 증진 위해 폴리프로피렌 소재의 부직포를 사용하는 것을 특징으로 한다. 폴리프로필렌 원사의 경우 표면에 접합성을 향상시키기 위해 펠트 제작시 마찰계수가 높은 Filament 소재를 사용하는 것이 바람직하며 Denier당 Filament 개수가 낮은 것이 좋다. 현재 가염성 PP75/24F 원사를 사용하여 부직포를 제작하였다. 부직포두께는 2mm~2.5mm(탄소 및 M 아라미드 복합재료 두께: 0.3~0.4mm, Film 두께: 0.2~0.3mm)인 것이 상기 기능을 가짐과 동시에 충격을 흡수하기 위해 바람직하다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 탄소섬유 제직물 기재를 준비하는 단계;상기 탄소섬유 제직물을 실란커플링제로 표면처리하는 단계;상기 표면처리된 탄소섬유 제질물 위에 필름을 라미네이트하는 단계;상기 필름 위에 발수 방오를 위한 코팅제를 스프레이 코팅하여 코팅층을 형성하여 자동차 보호커버의 전면부를 제조하는 단계;및, 상기 전면부의 탄소섬유 제직물 후면에 스크래치를 방지하는 폴리프로필렌 부직포인 후면부를 본딩하는 단계;포함하는 차량용 보호커버의 제조방법이다.
본 발명은 고강도, 고탄성의 특성을 지닌 섬유로 탄소섬유를 사용하여 자동차 중량에도 큰 영향을 끼치지 않으면서도 여러 외부 마찰이나 충격에 잘 견디는 제품을 제조하고 주행시 예기치 않은 돌, 나무, 수풀과의 마찰과 오물 벌레 등의 각종 먼지로부터 오염으로부터 차량 도장면을 보호하고자 한다.
본 발명의 자동차 본닛 및 범퍼 등의 프로텍티브 커버 제품은 전면부인 라미네이팅된 슈퍼섬유와 후면부인 부직포를 본딩 및 봉제시킨 제품으로 기존에 PVC계열의 제품에 비해 강도를 향상시키며 전면부에 특수 스프레이 코팅을 처리함으로써 발수성 및 화학적 기계적 강도를 증진시킨다.
본 발명은 탄소섬유를 Front-End Cover에 사용할 경우, 차체의 중량이 낮아지게 되며, 약 10% 낮아지게 되면 기존의 차량보다 연비가 3% 이상 상승하고 엑셀레이터의 Perform이 약 8% 이상 증가하며 배기가스가 줄어들고 제동거리가 5% 이상 단축되는 등 여러 방면으로 큰 영향을 미치게 된다. 그러므로 차체 중량에 최대한 영향을 주지 않기 위해 가벼운 소재의 사용이 필요할 것으로 보이며, 슈퍼섬유를 이용해 제작하려는 이번 Front-End 커버는 이에 최적화된 제품이라고 볼 수 있겠다. 또한 슈퍼섬유 표면을 TPU 수지와 같은 열가소성 수지로 라미네이팅을 진행하여 기존 제직섬유 및 가죽 제품에 비해 더 높은 flexibility로 인하여 차량 피팅성이 증가되며 라미네이팅 제품 표면에 발수성 및 강도 개선을 위한 스프레이 코팅처리를 통하여 제품의 발수성을 극대화하여 기존제품에서 나타난 잔존 수분에 의한 표면 부식 등의 문제와 직물 및 가죽 표면이 자갈, 나무, 수풀 등에 의해 손상되어지는 현상을 해결하고자 하며 상기와 같이 Front-End 커버 제품으로써 최적의 물성을 구현하여 고객 요구에 부합하는 carbon fiber 소재를 이용한 오프로드 차량용 커스텀 핏 프로텍티브 프론트 앤드 제품을 개발하고자 한다.
도 1은 자동차 보호용 커버가 부착된 모습의 사진이다.
도 2는 본 발명의 자동차 보호용 커버의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 자동차 보호용 커버의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 자동차 보호용 커버의 발수도 테스트 결과 사진이다.
도 5는 본 발명의 자동차 보호용 커버의 발유도 테스트 결과 사진이다.
본 발명의 차량용 보호커버는 탄소섬유 제직물 기재를 준비하는 단계;상기 탄소섬유 제직물을 실란커플링제로 표면처리하는 단계;상기 표면처리된 탄소섬유 제직물 위에 필름을 라미네이트하는 단계;상기 필름 위에 발수 방오를 위한 코팅제를 스프레이 코팅하여 코팅층을 형성하여 자동차 보호커버의 전면부를 제조하는 단계;및 상기 전면부의 탄소섬유 제직물 후면에 스크래치를 방지하는 폴리프로필렌 부직포인 후면부를 본딩하는 단계;포함하는 제조방법에 의해 제조된다.(도 1 참조)
상기 제조방법에 의해 제조된 차량용 보호커버는 탄소섬유 제직물 기재(10)와, 상기 기재에 라미네이트된 필름(20) 및, 상기 필름에 형성된 코팅층(30)을 포함하는 강도가 향상된 전면부; 및 상기 전면부와 본딩처리되어 스크래치를 방지하는 폴리프로필렌 부직포(40)인 후면부;를 포함한다. 도 2는 본 발명의 자동차 보호용 커버의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 자동차 보호용 커버의 단면도이며 각 구성부재에 대해서는 아래에서 보다 상세하게 설명한다.
1. 탄소섬유 제직물
본 발명의 차량에 적용되는 보호커버는 기재로서 높은 강도의 탄소섬유 제직물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
탄소섬유는 얇은 한 가닥을 필라멘트(Filament)라 하며 필라멘트의 개수에 따라 1K ~ 24K로 다양하게 분되며 3K는 3,000개, 12K는 12,000개의 필라멘트를 한 가닥으로 만든 탄소섬유이다. 고성능 탄소섬유의 수분은 0.05% 이하로 실제로 흡습하지 않으며 수분의 영향을 받지 않아 안정하고, 유리섬유 사용보다 뛰어난 내수성을 나타낸다. 탄소 섬유는 비중 1.84 ~ 2.0 정도로 무겁지만 유리섬유보다는 가볍고 고강도, 고탄성률로 성형이 양호하고, 강도가 아주 크며 2000℃ 이상 가열하여도 강도의 변화가 없다. 폴리에스테르에 비해 강도 3배, 영률은 10배, 비중은 1.3배정도의 우수한 성능을 가진다.
탄소섬유는 인장강도에 따라 분류되며 3K는 T300 grade로, 12K는 T700 grade로 3K와 12K의 물성은 아래의 표 1과 같다. (Toray 자료 참조)
탄소섬유 3K(T300-3K) 탄소섬유 12K(T700-12K)
Figure 112018020823187-pat00001
Figure 112018020823187-pat00002
탄소섬유 3K와 탄소섬유 12K는 인장강도가 탄소섬유 12K가 높으며, 그 외 물성치는 유사하며 필라멘트 개수가 적을수록, 1K > 3K > 12K 순으로 가격이 비싸다. 현재 많이 사용되고 있는 탄소섬유로 제직된 직물은 탄소섬유 1K, 3K, 12K을 사용한 직물로 1K는 방산 및 항공우주부분에 사용되고 있으며 고가의 제품으로 일반 산업용에 적용하기엔 어려움이 있으며, 레저 및 산업용으로 탄소섬유 3K와 12K가 많이 사용되고 있다. 탄소섬유 3K와 12K로 제직된 직물은 직물 두께(3K : 0.2mm, 12K: 0.4mm)와 중량(3K : 205g/m2, 12K: 410g/m2)에서 차이가 나며 얇고 경량을 요구할 때는 탄소섬유 3K를, 고강도를 요구할 때는 탄소섬유 12K를 선택한다. 본 발명에서는 개발 제품에서 요하는 물성 (flexibility, 인장강도는 기존대비 1000N 이상, 인장신율은 2% 이상, 인열강도는 기존대비 30N 이상 등)과 제직 작업성 고려하여 탄소섬유 3K와 12K를 적용하였다.
2. 탄소섬유 제직물의 표면 처리
슈퍼섬유 중 탄소섬유는 일반적으로 carbon이 육각 고리로 이루어진 층상격자 형태로 이루어져 있으며 낮은 표면 자유에너지에 의해 타 소재와의 접착력이 떨어지며 아라미드 소재 또한 마찬가지이다. 이런 약한 결합력으로 인하여 계면 분리가 발생할 수 있다. 이종 소재간의 계면 접착강도를 향상시키기 위하여 플라즈마(plasma) 처리, 커플링제(coupling agent) 처리가 가능하며 본 발명에서와 같이 탄소섬유와 열가소성 수지의 라미네이팅을 위해서 탄소섬유의 표면 처리를 통한 표면 활성가 필요하다.
Figure 112018020823187-pat00003
- X : 각종 합성수지 등의 유기질 재료와 화학 결합하는 반응기
- 비닐 (Vinyl), 에폭시, 아미노, 메타크릴, 메르캅탄 등
- OR : 유리, 금속, 규석 등 무기질 재료와 화학 결합하는 반응기
- 메톡시, 에톡시 등
상기와 같이 실란 커플링제로 표면 처리한 무기재료와 유기수지와의 접착에 대해서는 서는 수지 표면의 wetting성 개량하고, 수지의 상용성 개량하며, 수지간의 화학적 결합 형성, 수지간의 수소결합 등을 생각할 수 있다. 특히 열가소성 수지의 경우에는 비교적 극성이 높은 열가소성 수지에 효과가 있으며, 열경화 수지에서는 수지의 경화계의 영향을 줄 수 있는 유기관능기를 가진 실란커플링제가 강도 향상에 효과적인 것으로 알려져 있다.
본 발명에 있어서는 열가소성 수지와 탄소섬유간의 최적의 결합력을 구현할 수 있는 실란 커플링제로서 표면처리 함이 바람직하다.
3. 필름의 라미네이팅
상기 표면처리된 탄소섬유 제직물에 필름을 라미네이트 시킨다. 본 발명에서는 열가소성 수지 - 커플링제 - 탄소섬유 간 결합 조건을 연구하여 라미네이팅용 열가소성 수지를 선정하였다. 필름은 TPU, 염화비닐 수지, 초산 비닐수지, 폴리 스틸렌수지, 폴리에틸렌수지, 폴리 아미드 수지, 메탈아크릴수지 등의 열가소성 수지로부터 선택된다.
4. 표면 코팅처리
상기 필름이 라미네이트 처리된 탄소섬유 제직물의 발수/발유, 내마모성 부여를 위하여, 상기 필름에 스프레이 코팅으로 표면 처리를 하여 코팅층을 형성하였다. 이와 같이 제품의 표면의 내구성 향상을 위하여 스프레이 코팅을 통하여 전면부의 기계적/화학적 물성을 향상시킬 수 있다.
5. 폴리프로필렌 부직포(Felt)
본 발명의 차량표면과 접합성을 올리고 차량 외부에 대한 충격 및 환경적 요인으로부터 발생되는 차량 외부의 스크레치 및 찌그러짐 등의 손상을 최소화하고, 통기성, 신축성의 증진 위해 폴리프로피렌 소재로 적정 두께의 Felt를 이용하였다. 폴리프로필렌 소재는 공정 수분율이 0이며 수분이 없어 세균 번식 등이 없고 100% 소수성 소재이며 나일론 폴리에스테르 섬유보다 물리적 특성 마찰에 더욱 강해 안감소재로 적합하다. 하지만 반응기가 없어 염색이 불가능하나 현재 개발된 가염성 폴리프로필렌 소재를 이용할 경유 차량 내부에 적합한 색상을 부여할 수 있다. 폴리프로필렌 원사의 경우 표면에 접합성을 향상시키기 위해 펠트 제작시 마찰계수가 높은 Filament 소재를 사용하는 것이 바람직하며 Denier당 Filament 개수가 낮은 것이 좋다. 현재 가염성 PP75/24F 원사를 사용하여 부직포를 제작하였다.
부직포두께는 2mm~2.5mm(탄소 및 M 아라미드 복합재료 두께: 0.3~0.4mm, Film 두께: 0.2~0.3mm)인 것이 상기 기능을 가짐과 동시에 충격을 흡수하기 위해 바람직하다. -30~70℃, 10℃/min, 습도 20-95% cycle 100회 온습도 사이클 시험후 crack이 미발생 하였다.
6. Slip 방지제 Spray 처리
한편, 추가적으로 제품 본딩 이전에 차량의 표면과의 접합성 및 Slip 방지를 최소화하기 위해 스프레이 코팅 방식으로 부직포 표면에 수용성 실리콘 소수성 Slip 방지제를 처리할 수 있다. 이 경우 미끄럼저항이 0.5 이상이 되도록 설계함이 바람직하다.
7. 전면부( 라미네이팅 제품)와 후면부(부직포 제품)의 본딩
상기 전면부와 후면부의 부직포를 본딩하였다.
* 실험예
본 발명의 차량용 커버에 대하여 발수도 및 발유도 테스트를 진행하였다.
1. 발수도 테스트
도 4의 왼쪽 사진은 스프레이 표면처리를 진행하지 않은 소재의 경우의 사진으로, 표면에 물방울이 많이 잔존해 있음을 확인하였으며, 터치감이 눅눅한 것을 확인하였다. 반면 오른쪽 사진은 스프레이 코팅층이 형성된 소재의 경우로서 표면에 물방을이 잔존하지 않고 터치감도 그대로인 것으로 100%의 발수성능을 가지는 것을 확인하였다.
2. 발유도 테스트
도 5는 스프레이 표면처리를 한 소재와 하지 않은 소재에 발유도 체크를 6급, 7급, 8급 진행하였고, 처리하지 않은 소재의 경우, 발유성이 6급 이하로 확인되었으며 처리한 소재의 경우 발유성이 8급으로 확인되었으며. 발유성이 상승한 것이 확인되었다.(도 5 참조)
3. 내후견뢰도 테스트
기존 2급보다 우수한 3-4급이다.
4. 내마모성 테스트
기존보다 우수한 12,800회 이상이다.
10; 탄소 섬유 기재 20;필름
30; 코팅층 40;부직포

Claims (7)

  1. 실란 커플링제로 표면 처리한 3K와 12K의 탄소섬유 제직물 기재(10)와, 상기 기재에 라미네이트된 필름(20) 및, 상기 필름에 형성된 방오 및 발수 기능을 갖는 코팅층(30)을 포함하는 강도가 향상된 전면부; 및 상기 전면부와 본딩처리되어 스크래치를 방지하기 위한 두께 2mm~2.5mm 폴리프로필렌 부직포(40)인 후면부;를 포함하며, 상기 부직포 표면에는 수용성 실리콘 소수성 슬립(slip)) 방지제가 코팅된 것을 특징으로 하는 차량용 보호커버.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 필름은, TPU, PVC, PP, PE 필름으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 차량용 보호커버.
  4. 제1항에 있어서, 상기 필름은 열가소성 수지 필름인 것을 특징으로 하는 차량용 보호커버.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 3K와 12K의 탄소섬유 제직물 기재를 준비하는 단계;
    상기 탄소섬유 제직물을 실란커플링제로 표면처리하는 단계;
    상기 표면처리된 탄소섬유 제직물 위에 필름을 라미네이트하는 단계;
    상기 필름 위에 발수 방오를 위한 코팅제를 스프레이 코팅하여 코팅층을 형성하여 자동차 보호커버의 전면부를 제조하는 단계;및
    상기 전면부의 탄소섬유 제직물 후면에 스크래치를 방지하는 폴리프로필렌 부직포인 후면부를 본딩하는 단계, 여기서 본딩 이전에 상기 부직포 표면에 수용성 실리콘 소수성 슬립(Slip) 방지제를 스프레이 코팅하는 것;을 포함하는 차량용 보호커버의 제조방법.
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