KR102513249B1 - 장 섬유 강화 복합폴리머 탄창 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본원은 섬유강화플라스틱 소재를 이용하여 경량화가 가능하면서도 충격강도 30kj/㎡ 이상을 확보하도록 장섬유 chop과 수지의 원료배합 방식 및 비율 등 사출제작이 가능한 섬유복합소재를 이용한 복합폴리머 탄창케이스 및 그 제조공정 관련 기술이다.
본원은 장섬유 강화 복합폴리머 탄장의 제조방법에서. PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지 40~70 wt%와 4mm∼12mm 규격의 장섬유 30~60 wt%의 비율로 배합되어 복합폴리머 원료물을 얻는 제1단계 공정과, 상기 제1단계 공정을 통하여 얻은 복합 폴리머에 분산재, 착색제, 핵제, 활제, 산화장지제, 자외선 안정제, 삼산화 텅스텐 중에서 선택되는 첨가제가 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행되는 제2단계 공정과, 상기 제2단계 공정을 통하여 얻은 컴파운딩물을 이용하여 사출공정을 수행하는 제3단계 공정과,
상기 제3단계 공정을 통하여 사출성형물에 대한 어닐링(annealing) 작업이 수행되는 제4단계 공정이 포함되어 적용되는 장섬유 강화 복합폴리머 탄장의 제조방법관련 기술이다.
본원은 장섬유 강화 복합폴리머 탄장의 제조방법에서. PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지 40~70 wt%와 4mm∼12mm 규격의 장섬유 30~60 wt%의 비율로 배합되어 복합폴리머 원료물을 얻는 제1단계 공정과, 상기 제1단계 공정을 통하여 얻은 복합 폴리머에 분산재, 착색제, 핵제, 활제, 산화장지제, 자외선 안정제, 삼산화 텅스텐 중에서 선택되는 첨가제가 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행되는 제2단계 공정과, 상기 제2단계 공정을 통하여 얻은 컴파운딩물을 이용하여 사출공정을 수행하는 제3단계 공정과,
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Description
본원 기술은 금속을 대체하여 섬유복합소재를 이용한 복합폴리머 탄창 및 이의 제조방법 관련 기술로서, 더욱 상세하게는 장섬유와 나일론수지를 혼합한 섬유강화 복합재료를 적용하여 고강도/고내열, 내충격성을 확보한 탄창을 제공하기 위한 기술분야의 발명이다.
더욱 구체적으로, 본원은 섬유강화플라스틱 소재를 이용하여 경량화가 가능하면서도 충격강도 30kj/㎡ 이상을 확보하도록 장섬유 chop과 Polyamide수지의 원료배합방식 및 배합비율 등을 조절하며 사출제작이 가능한 상태의 섬유복합소재를 얻고 이를 이용한 복합폴리머 소재의 탄창을 얻고자 하는 탄창제조공정 개발 관련 기술이다.
국내에서는 총기 사용이 금지되어 탄창에 대한 수요가 미미하지만, 미국의 경우 자기 방어를 위해 총기를 오랫동안 소지해 온 국가로서 인구 수 대비 가장 높은 총기 보유율을 기록하고 있으며, 미국 내 총기 수는 약 3억1천만 정에 달하고, 총기를 보유한 가정이 약 50%에 육박하는 것으로 보고되고 있다.
총기에 사용되는 부품은 다양하나 특히 탄창케이스는 탄약을 연속적으로 사용하기 위해 보관하는 물건이자 가장 대중적인 화기의 급탄 방식으로 대부분 금속재 탄창을 가장 많이 사용되어 왔지만, 디자인 설계가 자유로운 복합폴리머 소재의 탄창에 대한 수요가 증가하고 있다.
탄창의 특성은 위급한 상황에서 발생할 수 있는 갖가지 충격으로부터 보호되어야 하며, 탄창을 떨어뜨리는 경우에도 탄창 내의 실탄(탄환)이 이탈되어서는 안되며 또한 소지하고 이동하기에 편리하도록 경량화가 요구되는데 기존의 알루미늄 탄창은 떨어뜨리는 등 충격에 휨이나 찌그러짐이 발생할 뿐만 아니라 무게가 무거운 단점을 개선하기 위하여 탄창케이스 소재를 폴리머 탄창으로 교체하여 충격으로부터 보호하고 경량화된 탄창이 요구되어 왔다.
상기와 같은 요구에 부응하여 플라스틱 소재의 탄창을 제공하기 위한 기술을 살펴보면, 국내공개특허 10-2012-0116628호 에서는 발명의 명칭 "투명강화 플라스틱 탄창"으로 열가소성 수지의 일종인 FRP 플라스틱을 재료로 해서 사출성형하여 제조함으로써, 기존의 금속 재료를 이용한 탄창 대비 무게를 60% 이상 경량화시켜서 사용상 편리함을 도모할 수 있고, 강도면에 있어서도 기존의 금속 소재 대비 우수함을 갖는 열가소성 수지로 이루어진 탄창이 제안된바 있다.
국제공개번호 WO 2007/104473호에 개시된 발명의 명칭 "플라스틱 탄창" 기술에서는 시트 메탈 탄창용으로 제조된 라이플 총에 사용하기 위한 플라스틱 탄창에 서 플라스틱으로 구성된 복수의 측벽으로서 화기의 재장전 동안 카트리지가 상기 복수의 측벽을 따라 이동되는 복수의 측벽을 구비하며 복수의 측벽은 발사 방향에 놓여 있는 전방벽을 포함하고, 상기 전방벽의 내측면은 스프링 강 커버 플레이트로 덮이며, 상기 전방벽은 요홈부를 구비하며, 상기 커버 플레이트에 성형된 탄성 스트립이 상기 요홈부 내에 결합되어 상기 커버 플레이트의 이탈을 방지하는 구조의플라스틱 탄창이 제시된바 있다.
또한 국내 등록특허 10-2255425호 발명의 명칭 "탄창" 특허공보의 발명은 탄알이 발사되는 순간에 발생되는 고열로 인하여 탄창 몸체의 상부가 변형되는 것을 방지할 수 있는 탄창구조로써 전,후판과 양 측판을 포함하고, 상부에는 탄알 배출부가 형성되고, 전판의 상부에는 상부가 개방된 전방홈이 형성되고, 후판의 상부에는 상부가 개방된 후방홈이 형성되며, 상기 양 측판의 상단 후방에는 탄알이 상부로 이탈되는 것을 방지하는 가이드판이 탄알 배출부의 내측으로 절곡되게 형성된 합성수지재의 탄창 몸체와, 각각이 상기 측판의 상부와 가이드판의 내부에 외부로 노출되지 않게 인서트 성형되어 삽입 고정되는 양측 두개의 보강 금속판;을 포함하고, 상기 보강 금속판의 내부에는 상기 탄창 몸체를 구성하는 합성수지가 채워지는 다수의 수지 충진홀이 더 형성되는 구조의 탄창이 제안된바 있다.
상기와 같이 금속재 탄창구조를 엔지니어 플라스틱 소재로 개발하고자 하는 탄창 관련 기술의 개발이 시도되어 왔으나 종래 기술은 탄창은 반복적인 반동과 발열에 견디지 못하고 쉽게 파손되며, 또한 반복된 송탄으로 인한 변형 및 마모는 곧 총기의 장탄 불량을 초래하는 문제점, 총기 부품 중 탄창의 경우 소모품적인 성격이 강하고 총에 장착된 상태에서도 가장 돌출된 부분이라는 특성으로 인해 충격 등에 쉽게 노출되어 상대적으로 잘 파손되며 그 파손이 작동 불량으로 연결되기 쉬운 문제점을 갖고, 대표적으로 M16용 탄창은 현재 나토의 표준 규격 중 하나로 제정될 만큼 널리 쓰이고 있음에도 기존의 표준형 탄창은 알루미늄 소재로 가볍고 녹이 슬지 않으나 쉽게 파손되어 일선의 불만이 증가하고 있고, 최근 미군 특수부대 등을 중심으로 플라스틱 소재의 탄창을 사용시도가 있었으나 격발 시 강한 열을 견디지 못하고 변형, 파손되는 문제점이 발견되어 이의 개선대책이 요구되어 왔다.
따라서 본원 발명자는 탄창 외형의 투박한 모양과 단순해 보이는 구조에 비해 제조 시 상당한 정밀기술이 필요하며 열에 강하고 고강도를 가진 소재를 얻기 위해 장섬유와 Polyamide 수지를 융합한 고강도/고내열 및 내충격성을 겸비한 섬유강화플라스틱 탄창을 개발하고자 하는 과제인식을 갖고 시작된 발명이다.
본원은 섬유강화플라스틱 소재를 이용하여 경량화가 가능하면서도 충격강도 30kj/㎡ 이상을 확보하도록 장섬유 chop과 Polyamide수지의 원료배합 방식 및 배합비율 등을 조절하여 사출제작이 가능한 섬유복합소재를 얻고 이를 이용하여 복합폴리머 소재의 탄창 및 그 제조공정을 개발하고자 하는 목적을 갖는다.
본원 기술사상은 섬유강화플라스틱 소재를 이용하여 경량화가 가능하면서도 충격강도 30kj/㎡ 이상을 확보하도록 장섬유 chop과 Polyamide수지의 원료배합 방식 및 비율 등을 조절하여 사출제작이 가능한 섬유복합소재를 이용한 복합폴리머 탄창을 얻기 위한 기술로서 본원 기술이 적용되는 장섬유 강화 복합폴리머 탄장의 제조방법은 개략적으로 PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지와 장섬유가 배합되어 복합폴리머 원료물을 얻는 제1단계 공정과, 상기 제1단계 공정을 통하여 얻은 복합 폴리머에 첨가제가 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행되는 제2단계 공정과, 상기 제2단계 공정을 통하여 얻은 컴파운딩물을 이용하여 사출공정을 수행하는 제3단계 공정과, 상기 제3단계 공정을 통하여 사출성형물에 대한 어닐링(annealing) 작업이 수행되는 공정이 포함되어 장섬유 강화 복합폴리머 탄장을 얻을 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본원 목적물을 얻기 위한 첫단계는 PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지 40~70 wt%와 4mm∼12mm 규격의 장섬유 30~60 wt%의 비율로 배합되어 복합폴리머 원료물을 얻는 제1단계 공정이 필요하다.
둘째 단계는 상기 제1단계 공정을 통하여 얻은 복합 폴리머 97∼99 wt%에 분산재, 착색제, 핵제, 활제, 산화장지제, 자외선 안정제, 삼산화 텅스텐 중에서 선택되는 첨가제가 1∼3 wt% 비율로 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행되는 제2단계 공정이 필요하다.
셋째 단계는 상기 제2단계 공정을 통하여 얻은 컴파운딩물을 이용하여 사출공정을 수행하되, 원료가 80℃∼105℃에서 12시간∼24시간 건조된 후 적용되는 건조조건, 용융온도 203℃∼300℃ 온도조건, 실린더 온도 225℃∼270℃ 적용조건, 노즐온도 : 240±10℃ 유자조건, 금형온도 50∼90℃ 유지조건, 배압 : 75MPa ∼ 125MPa 유지조건, 스크류 속도 50∼100 rpm 유지조건을 충족시키며 사출공정이 수행되는 제3단계 공정이 필요하다.
넷째 단계는 상기 제3단계 공정을 통하여 사출성형물을 제품 소재의 용융점과 유리전이온도 사이인 150±10 ℃온도에서 15분 동안 유지 시키고 실온으로 천천히 냉각 시키는 열처리 과정으로 탄창에 잔류한 응력을 제거하고 연성과 인성을 향상시켜 특정한 미세 구조를 형성하도록 어닐링(annealing) 작업이 수행되는 제4단계 공정이 적용되어 본원에서 목적하는 장섬유 강화 복합폴리머 탄장을 얻을 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본원의 장섬유 강화 복합폴리머 탄장을 얻기 위해 상기 제3단계 공정의 적용단계인 사출성형 과정에서 발생한 부산물은 분쇄하여 10 ~ 20wt% 범위의 신제 원료와 혼합되어 재활용되도록 적용하고자 하는 기술사상도 포함되며, 상기 제4단계 공정의 어닐링 단계에서 어닐링시간 계산이 공식 : Y=2.5X+8.5 (Y=어닐링시간(분), X=제품두께 (mm)이 적용된다.
또한, 본원의 장섬유 강화 복합폴리머 탄장을 얻기 위해 상기 제1단계 공정에서 복합폴리머 원료물을 얻을 때 A형 PA6 50wt% + 유리장섬유 50 wt% 배합비율, B형 (PA6 6 : POK 4) 50wt% + 유리장섬유 50 wt% 배합비율, C형으로 PPA 50wt% + 유리장섬유 50 wt% 배합비율 중에서 하나가 선택되어 적용될 수 있다.
따라서 본원은 장섬유 강화 복합폴리머 탄장으로, PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지 40~70 wt%와 4mm∼12mm 규격의 장섬유 30~60 wt%의 비율로 배합된 복합폴리머 원료물 97∼99 wt%에 분산재, 착색제, 핵제, 활제, 산화장지제, 자외선 안정제, 삼산화 텅스텐 중에서 선택되는 첨가제가 1∼3 wt% 비율로 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행된 후 사출공정이 수행되되, 원료가 80℃∼105℃에서 12시간∼24시간 건조된 후 적용되는 건조조건, 용융온도 203℃∼300℃ 온도조건, 실린더 온도 225℃∼270℃ 적용조건, 노즐온도 : 240±10℃ 유자조건, 금형온도 50∼90℃ 유지조건, 배압 : 75MPa ∼ 125MPa 유지조건, 스크류 속도 50∼100 rpm 유지조건을 충족시킨 사출공정이 수행되어 얻은 사출물을 150±10 ℃온도에서 15분 동안 유지 시키고 실온으로 천천히 냉각 시키는 열처리 과정으로 탄창에 잔류한 응력을 제거하고 연성과 인성을 향상시켜 특정한 미세 구조를 형성하도록 어닐링(annealing) 작업이 수행되는 제조공정을 통하여 본원에서 원하는 물성을 갖는 장섬유 강화 복합폴리머 탄장으로 구현될 수 있다.
이하 본원의 실시양태는 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용란에서 상세하게 설명된다.
종래의 탄창 기존제품은 Aluminum 금속을 Die casting 공법으로 직선형 구조로 사출성형되어 제공됨으로 충격 저항성 낮아 내구성이 떨어지고 총기 및 탄창간의 유격으로 인한 소음이 발생하고 기도비닉(covert activities)성이 떨어지는 문제점이 있어 왔으나 본원 기수롤 제공되는 Resin(PA, POK 등) 및 장섬유 강화사출품은 약 30%정도 경량화시켜 곡선형 사출이 가능하고, 내구성 내부식성 내충격성이 양호하고 휴대성이 용이하며, 투명수지가 사용되는 경우 잔여 탄알 확인이 가능한 효과를 제공한다.
또한 본원에서는 장섬유 사출품을 이룰 때 사출물 강도 향상을 위해 장섬유, 열가소성고분자, 커플링제, 충격보강제 등 원료를 혼합해 컴파운드 팰렛 형태를 이룬 후 사용할 수 있는 특화기술을 제공함에 비교하여 기존 열가소성고분자를 이용한 단순 플라스틱 사출에서는 본원에서 제공하는 장섬유의 절사, 파손, 핌 현상을 줄여 줌으로 제품 성능 저하를 방지하는 특수 사출공정을 적용할 수 없었던 것에 비하여 사출금형의 새로운 공법을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1 : 본원기술이 적용되어 탄창을 얻는 제조공정도
이하, 본원의 기술사상을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본원은 탄창 외형의 투박한 모양과 단순해 보이는 구조에 비해 제조 시 정밀 도가 높은 사출기술이 필요하며 열에 강하고 고강도를 가진 소재를 얻기 위해 장섬유와 Polyamide 수지를 융합한 고강도, 고내열 및 내충격성을 겸비한 섬유강화플라스틱 탄창 케이스를 얻기 위해 수많은 시행오차와 실험과정을 거치며 개발될 결과로서 장섬유 강화 폴리머 탄창의 경제적 규모의 제조공정을 찾고자 연구한 결과물이다.
본원 기술의 개발과정에서 검토되어 사용된 원료성분들의 개략을 살펴보면 다음과 같다.
Polyamide(PA)는 나일론수지라고도 부르며, 엔지니어링 플라스틱의 일종으로 기계적 성질 특히 내충격성이 우수한 결정성 플라스틱이며, 폴리아미드산 아미드 결합〔-CO-NH-〕의 반복으로 주쇄를 구성하는 선상고분자 물질이며 내마찰, 내마모성, 내약품성, 내유성등도 우수하며, 녹는점이 높고 흡수성이 우수한 것도 특징이 있으며 또한 수분을 흡수하며, 기계적 강도는 저하되나, 유연성, 내충격성은 증가시키고 아미드 결합은 그 자체가 대단히 강한 결합력을 가지고 있으며 동시에 주위의 아미드 결합들과 어울려 수소결합을 형성함으로써 폴리아미드 수지는 대단히 강인한 성질을 나타내는데 이러한 강인성은 나일론의 대표적인 장점으로서 널리 알려져 있다.
PA6 수지의 경우에도 마찬가지로 GF(glass fiber) 함유량에 따라 기계적 물성이 증가하는 경향을 보이며 PC 보다 열전도율이 약간 높은 편이나 밀도가 낮아 경량화에 유리하고 물성 또한 38% 가량 우수한 특성을 갖는다.
본원 발명자는 PA6, PA66, PPS 수지를 검토한 결과 제조 원가 및 물성 등을 고려했을 때 본원의 탄창 원료소재로 PA6가 가장 적합한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
따라서 이하의 기재내용은 본원 기술사상이 구현되기 위한 발명의 실시내용을 중심으로 설명하고자 하는바, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 본원발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이고, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시양태에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
본원은 경량이면서 고강도 섬유강화플라스틱 탄창케이스 사출기술의 최적화공정을 개발하기 위한 수많은 실시양태의 기술 중 유의미한 결과 및 효과를 얻은 기술 내용을 도 1에 제시된 바와 같이 본원기술이 적용되어 탄창을 얻기 까지의 제조공정도를 중심으로 설명하기로 한다.
1. 컴파운딩(compounding) 공정
원료인 폴리머를 보다 유용하게 만들기 위하여 다양한 다른 부재료와 혼합하거나 특정한 형태로 성형하는 컴파운딩 준비 공정으로
1) ① 나일론수지 (PA6, PPA) 70%∼40%, ② 유리 장섬유 (4mm∼12mm) 30% ∼60%를 기준으로 복합폴리머 배합 공정으로 적용할 수 있다.
2) 1)항의 ① 복합 폴리머 97%∼99% ② 첨가제 1%∼3%를 첨가 공정을 적용할 수 있는바, 첨가제는 아래와 같이 필요한 기능성을 부여하기 위해 필요에 따라 선택적으로 첨가하는 양을 조절하여 사용할 수 있는바, 예를 들어 폴리머와 첨가제간 분산을 도와주는 기능을 위한 분산재가 선택되어 사용될 수 있고, 최종 제품에 색상을 부여하기 원할 때 안료와 염료로 플라스틱 제품의 색상을 제공하기 위한 착색제 가 사용될 수 있고, 사출성형 과정에서 플라스틱과 접촉하는 금속 표면을 윤활시켜 유동을 도와주기 위한 핵제가 사용될 수 있고, 점도감소, 마찰감소로 유동을 도와 싸이클 타임을 단축해 주기 위한 활제가 사용될 수 있으며, 플라스틱과 산소와의 화학적 반응을 억제 또는 차단시킴으로서 플라스틱이 분해되어 고유 물성이 상실되는 것을 방지하기 원할 때 산화방지제가 선택되어 사용되거나, 또는 자외선으로부터 프라스틱이 분해되어 색변 또는 기계적 성질이 상실되는 것을 억제 또는 차단시키기 위해 자외선 안정제가 선택되어 사용되거나 태양열에 의한 탄창 내부 온도 상승 방지를 원할 경우 삼산화 텅스텐이 첨가제로 사용될 수 있다.
3) 상기와 같이 나일론수지와 유리장섬유 및 첨가제의 배합이 완료되면 컴파운딩 공정에 의해 원료를 컴파운딩화 한다.
2. 사출 공정
상기 컴파운딩 공정을 거친 원료를 이용하여 본원에서 얻기 원하는 물성을 갖는 탄창을 얻기 위한 사출성형 조건은 하기와 같다.
사출 조건
PA6와 PPA소재의 사출을 위해서는 ① 원료건조 조건 : 80℃∼105℃에서 12시간∼24시간 건조 한다. ② 용융온도는 203℃∼300℃ ③ 실린더 온도는 225℃∼270℃ ④ 노즐온도 : 240±10℃ ⑤ 금형온도 50℃∼90℃ ⑥ 배압 : 75MPa ∼ 125MPa ⑦ 스크류 속도 50∼100 rpm
PA6은 용융점도가 낮으므로 적은 온도 변화에도 점도가 현저하게 변화하기 때문에 실린더 온도는 정확하게 유지되어야 하며, 실린더 온도는 225 ~ 270℃로 되어 있으나, 더욱 바람직하게는 ±5℃ 이내로 컨트롤할 필요가 있는바, 실린더 온도가 280℃ 이상이 되면, 열 분해를 일으키고, 가스의 발생과 함께 물과 같은 상태로 되어 성형이 불가능하게 된다.
또한 나일론 원료는 흡습성이 강하므로 습기가 차지 않도록 방습 처리한 컨테이너에 보관되어야 하고 호퍼도 밀봉되어야 하며 흡수율이 0.25% 이상이면 성형의 어려움이 나타나므로, 포장된 상태에서 바로 사용하거나 80℃에서 12 ~ 24시간 예비 건조를 실시한 후 사용해야 한다.
금형 온도는 50~ 90℃에서 성형이 가능하나, 금형 온도는 나일론의 결정화도와 관련이 깊으므로 제품의 정도를 일정하게 유지하기 위해서는 금형내부 온도가 일정해야 하며 80℃ 이상에서 성형하면 결정화도가 균일하게 되므로 내부 응력도 적게 된다.
사출 압력은 저점도이기 때문에 낮게 하는 것이 좋으나, PA6은 고화가 빨라 사출 속도를 빨리 해야하며, PA6의 성형수축률은 다른 플라스틱과는 틀려 흡습에 의한 치수 증가를 고려해야 하므로 성형수축률은 0.6~2.0%로 성형품이 두께에 따라 다르고, 성형품은 결정화도가 표면과 내부가 다르므로 60℃ 이상에서 사용되는 나일론 제품은 풀림(Annealing)을 해서 사용하고 온도는 120℃에서 20 ~ 30분한다.
PA6 복합소재 폴리머 탄창은 성형 직후에 수분이 0이기 때문에 잘 부서질 수 있고 치수도 적게 나오므로 성형 직후 제품을 끓는 물에 넣어 흡습을 시켜서 나일론 고유의 물성을 회복하게 하고 치수도 정상치수로 만든다.
기계 정지 시 별도의 퍼징 재료는 필요치 않으며, 재료의 체류 시간은 20분까지 가능하며, 그 이상이 되면 열 분해 현상이 일어남에 주의해야 한다.
3. 사출된 탄창의 풀림(어닐링 : annealing) 공정
어닐링 (annealing)은 가공대상체를 일정한 온도로 가열한 다음에 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하고 응력(應力)을 제거하는 열처리 조작을 말하는 것으로,본원에서 어닐링공정은 성형된 탄창을 적당한 매질 내에서 제품 소재의 용융점과 유리전이온도 사이인 150℃온도에서 15분 동안 유지 시키고 실온으로 천천히 냉각 시키는 열처리 과정으로 탄창에 잔류한 응력을 제거하고 연성과 인성을 향상시켜 특정한 미세 구조를 형성하게 하기 위한 공정이다.
어닐링 과정은 상온에서 오븐 내부온도가 120℃ 까지의 가열 120℃에서 20분∼30분 유지하는 것이 바람직한바, 어닐링 시간의 계산 공식 : Y=2.5X+8.5공식 적용 (Y=어닐링시간 (분), X=제품두께 (mm)으로 적용되고 오븐 내부 온도가 80℃까지 냉각되면 제품을 꺼내는 경우 우수한 물성의 제품을 얻울 수 있었다.
본원에서의 어닐링 공정은 나일론 수지는 결정성 프라스틱으로 용융상태에서 고화될 때 분자들이 규칙적으로 배향되어 비결정성 플라스틱과 달리 체적 변화가 크게 발생하며, 탄창 사용품 사용 전에 결정화를 가속시키기 위해서 고온 환경에 노출시켜 사용 기간 중 더 이상의 수축이 발생되지 않게 하는 기능을 부여하기 위한 공정으로 수행하는 것이고, 어닐링 효과로서, 1) 제품의 내부 응력 (Internal Stress)을 완화 시켜 크랙에 대한 저항력을 증가시키고, 2) 성형 후 발생하는 후수축(Post molding shrinkage)을 가속화 시킴으로 치수 안정성을 도모하게 되어 내열성을 향상시키는 효과를 제공한다.
발명의 실시 예
본원 발명자는 표 1과 같이 실시예 1로 PA6원료 99 중량%에 탄창 내부온도 상승 방지를 위해 삼산화 텅스텐 1 중량%를 첨가 및 배합하여 컴파운딩 공정에 의한 원료를 얻은 것과, 실시예 2로 PA6원료 49 중량%에 분말 유리섬유 50 중량%에 삼산화 텅스텐 1 중량%를 첨가 및 배합하여 컴파운딩 공정에 의한 원료를 얻은 것과, 실시예 3으로 PA6원료 49 중량%에 4∼12mm 규격의 장 섬유 50 중량%에 삼산화 텅스텐 1 중량%를 첨가 및 배합하여 컴파운딩 공정에 의한 원료를 얻은 것 3개의 실시예 원료물을 컴파운딩 공정을 거친 원료를 이용하여 ① 원료건조 조건 : 100±2℃에서 20시간 건조, ② 용융온도 250±3℃, ③ 실린더 온도는 245±3℃ ④ 노즐온도 : 240±3℃ ⑤ 금형온도 80℃ ⑥ 배압 : 105MPa ⑦ 스크류 속도 60 rpm의 동일한 사출공정을 적용하여 탄창을 얻은 결과물의 물성을 확인하기 위하여 밀도, 인장강도, 충격강도, 굴곡강도, 인장탄성율, 굴곡탄성율 등의 실험을 실시하였으며 그 실험결과로부터 표 1의 결과를 확인하였다.
| 항목 |
시험방법
(ASTM) |
단위 |
실시예1
(PA6) |
실시예2
(PA6+GF50) |
실시예3
(PA6+LGF50) |
| 밀도 | D792 | g/㎠ | 1.13 | 1.51 | 1.56 |
| 인장강도 | D638 | Mpa | 83 | 140 | 269 |
| 충격강도 | D256 | kj/㎥ | 7.5 | 29 | 32 |
| 굴곡강도 | D790 | Mpa | 125 | 210 | 340 |
| 인장탄성율 | D638 | Mpa | 2,646 | 7,200 | 18,600 |
| 굴곡탄성율 | D790 | Mpa | 2,800 | 7,200 | 16,320 |
| 특기사항 | PA6 Natural |
PA6 Natural
+유리단섬유50% (분말형태) |
PA6 Natural
+유리장섬유 50% (4∼12mm) |
상기의 실험결과로부터 본원 기술에 사용되는 PA6는 충격강도와 내마모성 난연성 내화학성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱으로 강도를 보강하기 위하여 유리장섬유 등을 보강할 경우, 실시예 3의 결과에서와 같이 물성치를 더욱 강화할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 또한 실시예 3의 현장 적용 가능성을 확인하기 위하여 예를 들어, A형으로 : PA6 + 유리장섬유 50% 으로 적용되거나, B형으로 (PA6 60 : POK 40) 50% + 유리장섬유 50% 으로 적용되거나, C형 : PPA 50% + 유리장섬유 50%에 추가 소재로 자외선 부식 방지를 위한 삼산화 텅스텐를 추가하여 사용하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있음을 할 수 있었으며, 본원의 사출과정에서 발생한 부산물 등의 원료는 분쇄하여 재활용할 수 있는바, 상기 A형, B형, C형 중에서 사용되는 PA((폴리아마이드), POK(폴리케톤), PPA(폴리프탈아미드) 중에서 선택되는 신제원료를 10 ~ 20% 정도로 추가하여 컴파운딩 공정에 재활용 할 수 있었다.
따라서 본원 기술사상은 상기 3가지 타입으로 섬유강화 플라스틱 소재를 이용하는 경우 경량화가 가능하면서도 충격강도 30kj/㎡ 이상을 확보하는 복합폴리머 탄창을 얻을 수 있는 기술사상을 보호받고자 특허출원에 이르게 되었다.
도 1은 본원기술이 적용되어 탄창을 얻는 제조공정도를 나타낸 것으로 별도의 부호설명이 필요없다 할 것이다.
Claims (5)
- 장섬유 강화 복합폴리머 탄창의 제조방법에 있어서.
PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지 40~70 wt%와 4mm~12mm 규격의 장섬유 30~60 wt%의 비율로 배합되어 복합폴리머 원료물을 얻는 제1단계 공정과,
상기 제1단계 공정을 통하여 얻은 복합 폴리머 97~99 wt%에 분산재, 착색제,핵제, 활제, 산화장지제, 자외선 안정제, 삼산화 텅스텐 중에서 선택되는 첨가제가 1~3 wt% 비율로 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행되는 제2단계 공정과,
상기 제2단계 공정을 통하여 얻은 컴파운딩물을 이용하여 사출공정을 수행하되, 원료가 80℃~105℃에서 12~24시간 건조된 후 적용되는 건조조건, 용융온도 203℃~300℃ 온도조건, 실린더 온도 225℃~270℃ 적용조건, 노즐온도 : 240±10℃ 유지조건, 금형온도 50~90℃ 유지조건, 배압 75MPa ~ 125MPa 유지조건, 스크류 속도50~100 rpm 유지조건을 충족시키며 사출공정이 수행되는 제3단계 공정과,
상기 제3단계 공정을 통하여 사출성형물을 제품 소재의 용융점과 유리전이온도 사이인 150±10 ℃온도에서 15분 동안 유지 시키고 실온으로 천천히 냉각 시키는 열처리 과정으로 탄창에 잔류한 응력을 제거하고 연성과 인성을 향상시켜 특정한 미세 구조를 형성하도록 어닐링(annealing) 작업이 수행되는 제4단계 공정이 포함되어 적용되는 것을 특징으로 하는 장섬유 강화 복합폴리머 탄창의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3단계 공정의 적용단계인 사출성형과정에서 발생한 부산물은 분쇄하여 PA(폴리아마이드), POK(폴리케톤), PPA(폴리프탈아미드) 중에서 선택되는 신제원료를 10 ~ 20wt% 범위로 추가하여 컴파운딩 공정에 재활용되도록 적용되는 것을 특징으로 하는 장섬유 강화 복합폴리머 탄창의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제4단계 공정의 어닐링 단계에서 어닐링시간 계산이 공식 : Y=2.5X+8.5(Y=어닐링시간(분), X=제품두께 (mm)이 적용되는 것을 특징으로 하는 장섬유 강화 복합폴리머 탄창의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1단계 공정에서 복합폴리머 원료물을 얻을 때 A형 PA6 50wt% + 유리장섬유 50 wt% 배합비율, B형 (PA6 6 : POK 4) 50wt% + 유리장섬유 50 wt% 배합비율, C형으로 PPA 50wt% + 유리장섬유 50 wt% 배합비율 중에서 하나가 선택되어 적용되는 것을 특징으로 하는 장섬유 강화 복합폴리머 탄창의 제조방법. - 장섬유 강화 복합폴리머 탄창에 있어서.
PA6 또는 PPA 중에서 선택되는 나일론수지 40~70 wt%와 4mm∼12mm 규격의 장섬유 30~60 wt%의 비율로 배합된 복합폴리머 원료물 97∼99 wt%에 분산재, 착색제, 핵제, 활제, 산화장지제, 자외선 안정제, 삼산화 텅스텐 중에서 선택되는 첨가제가 1∼3 wt% 비율로 추가되어 컴파운딩(compounding)공정이 수행된 후 사출공정이 수행되되, 원료가 80℃∼105℃에서 12시간∼24시간 건조된 후 적용되는 건조조건, 용융온도 203℃∼300℃ 온도조건, 실린더 온도 225℃∼270℃ 적용조건, 노즐온도 : 240±10℃ 유자조건, 금형온도 50∼90℃ 유지조건, 배압 : 75MPa ∼ 125MPa 유지조건, 스크류 속도 50∼100 rpm 유지조건을 충족시킨 사출공정이 수행되어 얻은 사출물을 150±10 ℃온도에서 15분 동안 유지 시키고 실온으로 천천히 냉각 시키는 열처리 과정으로 탄창에 잔류한 응력을 제거하고 연성과 인성을 향상시켜 특정한 미세 구조를 형성하도록 어닐링(annealing) 작업이 수행되어 제공되는 것을 특징으로 하는 장섬유 강화 복합폴리머 탄창.
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|---|---|---|---|---|
| JPH11236487A (ja) * | 1998-02-23 | 1999-08-31 | Matsushita Electric Works Ltd | 封止用のエポキシ樹脂組成物に用いる再生粉およびその用途 |
| KR20140081837A (ko) * | 2011-10-25 | 2014-07-01 | 아르끄마 프랑스 | 합성 섬유로 보강된 열가소성 복합 재료 및 그 제조 방법 |
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2022
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