KR102577237B1 - 물성이 향상된 플라스틱 복합체 - Google Patents

물성이 향상된 플라스틱 복합체 Download PDF

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Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 LFI 층에 유리 섬유 함량을 낮춰 동일 플라스틱 복합체 내 물성 편차를 없애고, 플라스틱 복합체의 물성을 향상시키는 것이다. 본 발명은 페이스 시트층; 상기 페이스 시트층 상면에 위치하고, 제1유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 보강층; 및 상기 보강층 상면에 위치하고, 제2유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 LFI 층;을 포함하는 플라스틱 복합체이다.

Description

물성이 향상된 플라스틱 복합체{Plastic composite with improved physical properties}
본 발명은 물성이 향상된 플라스틱 복합체에 관한 것이다.
최근 자동차 산업에서 가장 큰 이슈 중의 하나는 자동차 부품의 경량화이며, 내연기관 자동차에서 전기자동차로의 전환되는 시점에서 추가 경량화에 대한 요구가 증가되고 있고, 이러한 요구사항이 증대되고 있는 가운데 섬유강화 복합소재는 경량화를 위한 대안 소재로 기존의 금속재를 대체할 수 있는 가장 효과적인 소재 중의 하나이다.
섬유강화 복합소재를 활용한 자동차 부품 성형 방법 중 '장섬유 사출 공법(LFI, Long Fiber Injection)'은 형상 자유도가 높은 장점으로 다양한 부품으로 확대 적용되고 있으나, 이러한 장점이 있는 공법임에도 불구하고, 소재적인 측면에서 보강재인 섬유(Fiber Length : Max. 100mm 이하)와 발포특성을 가지는 열경화성 수지가 적용되는 소재적 한계로, 성형된 제품의 열적 및 기계적 물성을 향상시키는데 많은 제약이 있다.
또한, 공법 특성상 스프레이를 통해 소재(Fiber & Resin)가 투입되는 과정에서 섬유(Fiber)가 균일하게 도포되는데 한계가 발생하고 그에 따른 동일 제품 내 물성 편차가 발생하게 되며, 섬유의 함량 증대에는 한계가 있어 물성 향상을 기대하기는 어려움이 있는 실정이며, 이를 해결하기 위한 기술이 필요한 실정이다.
공개특허 10-2021-0122366(공개일: 2021년10월12일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 LFI 층에 유리 섬유 함량을 낮춰 동일 플라스틱 복합체 내 물성 편차를 없애고, 플라스틱 복합체의 물성을 향상시키는 것이다.
본 발명자들은 예의 연구를 통해, 플라스틱 복합체에서 페이스 시트층과 LFI층 사이에 유리섬유층을 포함함으로써, LFI 층의 유리섬유 함량을 낮출 수 있고, 기존 철강재를 충분히 대체할 수 있는 강성을 구비하는 플라스틱 복합체를 얻을 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 페이스 시트층; 상기 페이스 시트층 상면에 위치하고, 제1유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 보강층; 및 상기 보강층 상면에 위치하고, 제2유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 LFI 층;을 포함하는 플라스틱 복합체이다.
본 발명의 플라스틱 복합체에서, 상기 보강층의 제1 유리섬유의 단위 중량은 20~300gsm일 수 있다.
본 발명의 플라스틱 복합체에서, 상기 제2 유리섬유의 길이는 5~150mm 일 수 있다.
본 발명의 플라스틱 복합체에서, 상기 보강층 및 LFI 층에 포함된 폴리우레탄 폼의 함량은 보강층 및 LFI층 전체 중량 대비 50~90중량% 일 수 있다.
본 발명의 플라스틱 복합체에서, 상기 보강층 및 LFI 층의 폴리우레탄 폼은 발포제를 포함할 수 있다.
본 발명의 플라스틱 복합체에서, 상기 LFI층의 밀도는 0.7~1.5g/cm3 일 수 있다.
본 발명의 플라스틱 복합체에서, 상기 보강층 및 LFI 층을 합한 두께는 페이스 시트층 두께 대비 0.5~5:1일 수 있다.
본 발명은 유리섬유층을 포함함으로써, LFI층에 포함되는 유리섬유의 함량을 낮춰 동일 플라스틱 복합체 내 물성 편차를 해소함과 동시에 플라스틱 복합체의 물성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 특정 단위중량을 갖는 제1 유리섬유를 포함하여, 플라스틱 복합체의 물성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 폴리우레탄 폼을 특정 중량% 포함함으로써, 플라스틱 복합체의 물성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라스틱 복합체를 나타낸 도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에서 설명하는 실시형태에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라스틱 복합체를 나타낸 도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 페이스 시트층(110); 상기 페이스 시트층 상면에 위치하고, 제1유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 보강층(120); 및 상기 보강층 상면에 위치하고, 제2유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 LFI 층(130);을 포함하는 플라스틱 복합체(100)이다.
본 발명에서 페이스 시트층(110)은 플라스틱 복합체(100)의 내후성, 내스크래치성, 내약품성, 내마모성 등을 향상시키고, 기존의 도장라인을 대체하여 무도장이 가능하도록 하는 층으로써, 아래와 같이 '단일 소재' 형태와 '하이브리드 소재' 형태로 구성될 수 있다:
1) 단일 소재:
①ASA(Acrylic Styrene Acrylonitrile), ②ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), ③PC(Polycarbonate), ④PMMA(Poly Methyl Methacrylate)
2) 하이브리드 소재:
①PMMA, ASA 및 ABS, ②ASA 및 ABS, ③PMMA 및 ABS, ④PMMA, PC 및 ABS, ⑤PMMA 및 PC
본 발명에서 보강층(120)은 플라스틱 복합체(100)의 강성을 향상시키는 층으로, 제1유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하며, 상기 보강층(120)은 사용 형태에 따라 단층 또는 다층일 수 있다.
상기 보강층(120)을 구성하는 제1 유리섬유의 단위 중량은 20~300gsm(gram/square meter)일 수 있으며, 바람직하는 50~200gsm(gram/square meter)일 수 있다. 상기 제1 유리섬유의 단위 중량이 20gsm 미만이면, 플라스틱 복합체(100)의 물성 향상 및 분포 균일성을 향상시킬 수 없으며, 300gsm을 초과하면 폴리우레탄 수지와의 혼합 및 결합력이 저하되어 미성형 구간이 존재하고, 낮은 젖음성(Wettablity)으로 인해 플라스틱 복합체(100)의 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 제1유리섬유는 제작방법 및 섬유의 형태에 따라 길이가 5~300mm인 촙 파이버(Chop Fiber), 촙 스트랜드 매트(Chop Strand Mat), 우븐 로빙(Woven roving), 매트, 메쉬, NCF(Non-crimp fabric) 또는 연속섬유 매트(Continuous Strand Mat)의 형태일 수 있으며, 연속섬유 형태일 때 물성이 가장 우수하여 연속 섬유 형태가 가장 바람직하다.
본 발명에서 LFI층(130)은 플라스틱 복합체(100)의 강성을 향상시키는 층으로, 제2 유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하며, 상기 LFI층(130)은 사용 형태에 따라 단층 또는 다층일 수 있다.
상기 LFI 층(130)을 구성하는 제2 유리섬유의 길이는 5~150mm일 수 있다. 상기 제2 유리섬유의 길이가 5mm 미만이면, 플라스틱 복합체(100)의 유리섬유가 보강재의 기능을 하지 못해 물성이 저하될 수 있으며, 길이가 150mm를 초과하면 제2유리섬유의 분포 균일성이 확보되지 않아 플라스틱 복합체의 전체 물성이 고르지 않을 수 있다.
본 발명에서 상기 LFI층(130)은 로빙(Roving) 형태의 제2 유리섬유가 LFI(Long Fiber Injection) 설비 내에서 컷팅 유닛을 거쳐 폴리우레탄 수지와 함께 투입되어 스프레이 형태로 분사되고, 이후 열에 의해 발포되어 제조될 수 있다.
본 발명에서 상기 보강층(120) 및 LFI 층(130)에 포함된 폴리우레탄 폼의 함량은 보강층 및 LFI층 전체 중량 대비 50~90중량%수 있으며, 바람직하게는 60~80중량%일 수 있다. 상기 폴리우레탄 폼 함량이 50중량% 미만이면, 폴리우레탄 폼과 유리섬유 간의 함침성 저하로 인해 플라스틱 복합체(100)의 물성이 저하될 수 있고, 90중량%를 초과하면 보강재인 유리섬유의 함량 부족으로 플라스틱 복합체(100)의 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 보강층(120)에 포함된 폴리우레탄 폼은 상기 플라스틱 복합체(100) 제조 시 LFI 층(130)에 스프레이 분사된 폴리우레탄 폼이 보강층에 스며든 것으로, 상기 보강층(120)과 LFI 층(130)에 포함된 폴리우레탄 폼은 동일한 것일 수 있다.
또한, 상기 폴리우레탄 폼은 발포제를 포함할 수 있으며, 상기 발포제의 함량은 당업계에서 일반적으로 사용되는 양이 사용될 수 있다.
상기 LFI층(130)의 밀도는 0.7~1.5g/cm3일 수 있고, 바람직하게는 1.0~1.3g/cm3 일 수 있다. 상기LIF 층(130)의 밀도가 0.7 g/cm3 미만이면, 플라스틱 복합체(100)의 열적 특성이 저하될 수 있고, 1.5 g/cm3을 초과하면 폴리우레탄 폼 대비 유리섬유의 함량 증가로 폴리우레탄 폼 및 섬유 간 젖음성(Wettability)이 저하되어 플라스틱 복합체(100)의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 보강층(120) 및 LFI 층(130)을 합한 두께는 페이스 시트층 두께 대비 0.5~5:1일 수 있고, 바람직하게는 1~3:1일 수 있다. 상기 보강층(120) 및 LFI 층(130)을 합한 두께가 페이스 시트층 두께 대비 0.5:1 미만이면 플라스틱 복합체(100) 전체에 대한 물성이 저하되어 적용 분야가 축소될 수 있고, 5:1을 초과하면 페이스 시트 층에서의 외관 표면 불량이 나타나거나, 제품의 중량 증가로 적용 분야가 축소될 수 있다.
본 발명에 따른 플라스틱 복합체(100)는 당업계에서 일반적으로 사용하는 금형을 포함하는 제조장비를 이용하여, 다음과 같은 공정을 통해 제조할 수 있다:
하측 몰드 위에 페이스 시트(110)를 위치시키는 단계; 상기 페이스 시트(110) 위에 제1 유리섬유를 위치시키는 단계; 제2유리섬유와 발포제를 포함하는 폴리우레탄 수지를 분사하는 단계; 상측 몰드를 닫고, 상기 폴리우레탄을 30~80℃에서 발포시켜 보강층(120) 및 LFI층(130)을 형성하여 플라스틱 복합체(100)를 제조하는 단계; 및 상기 플라스틱 복합체(100)를 몰드에서 분리하는 단계;를 통해 플라스틱 복합체(100)를 제조한다.
이때, 제2 유리섬유를 포함하는 폴리우레탄이 제1 유리섬유에 혼합되어 보강층이 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예 및 실험예를 통해 더욱 자세하게 설명하도록 한다.
실시예 1
두께가 1mm 인 PMMA 페이스 시트를 (Krauss-Maffei Wegmann GmbH & Co KG, KMW 사 제품) 플라스틱 복합체 제조장치의 하측 몰드 위에 위치시킨다. 이후 연속섬유인 제1유리섬유를 페이스 시트 상에 위치시킨다. 로빙(Roving) 형태의 원소재를 LFI 설비 내에서 컷팅 유닛을 통해 12.5mm의 제 2유리섬유로 컷팅하였다. 이후, 제2 유리섬유 및 발포제가 1중량% 혼합된 폴리우레탄을 혼합한다. 이를 제1유리섬유 위에 분사하고, 상면 몰드를 닫고 30~80 ℃에서 발포시킨다. 이때, 5분 이상 경화시키고, 몰드에서 플라스틱 복합체를 분리한다.
제조된 플라스틱 복합체의 LFI층의 밀도는 1.2g/cm3이고 보강층과 LFI층의 전체 두께는 2mm이고, 제1유리 섬유의 전체 중량은 10중량%이고, 단위 중량은 100gsm이다. 보강층 및 LFI 층에 포함된 폴리우레탄 폼의 함량은 보강층 및 LFI층 전체 중량 대비 70중량%이다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 제1 유리섬유의 gsm을 20gsm으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 플라스틱 복합체를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 제1 유리섬유의 gsm을 300gsm으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 플라스틱 복합체를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 전체 폴리우레탄 폼의 함량을 50중량%로 한정하고, LFI 층의 밀도가 0.9g/cm3으로 변경하고, 보강층 및 LFI 층의 두께를 0.5mm로 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 플라스틱 복합체를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 폴리우레탄 폼의 함량을 50중량%로 한정하고, LFI 층의 밀도가 1.5g/cm3으로 변경하고, 보강층 및 LFI 층의 두께를 5mm로 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 플라스틱 복합체를 제조하였다.
비교예
두께가 1mm 인 PMMA 페이스 시트를 (Krauss-Maffei Wegmann GmbH & Co KG, KMW 사 제품) 플라스틱 복합체 제조장치의 하측 몰드 위에 위치시킨다. 로빙(Roving) 형태의 원소재를 LFI 설비 내에서 컷팅 유닛을 통해 12.5mm의 제 2유리섬유로 컷팅하였다. 이후, 제2 유리섬유 및 발포제가 1중량% 혼합된 폴리우레탄을 혼합한다. 이를 페이스 시트 상에 분사하고 상면 몰드를 닫고 30~80 ℃에서 발포시킨다. 이때, 5분 이상 경화시키고, 몰드에서 플라스틱 복합체를 분리한다.
제조된 플라스틱 복합체의 LFI층의 밀도는 1.2g/cm3이고 LFI층의 두께는 2mm이고, LFI 층에 포함된 폴리우레탄 폼의 함량은 LFI층 전체 중량 대비 70중량%이다.
하기 표 1은 실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 플라스틱 복합체의 페이스 시트와 보강층 및 LFI층의 두께 비, 제1유리섬유의 gsm, LFI 층의 밀도 및 폴리우레탄 폼의 중량%를 나타낸 표이다.
밀도는 'ISO 1183-1 - 비발포 플라스틱의 밀도 측정 방법-제1부:침지법'의 규격에 의해 진행하며, 시편의 사이즈는 '25mm x 25mm' 로 측정하였다.
구분 페이스 시트
보강층 및 LFI층
두께비		 제1유리섬유
gsm		 LFI 층
밀도(g/cm3)		 폴리우레탄 폼
중량%
실시예 1 1:2 100 1.2 70
실시예 2 1:2 20 1.2 70
실시예 3 1:2 300 1.2 70
실시예 4 1:0.5 100 0.9 50
실시예 5 1:5 100 1.5 90
비교예 1:2 - 1.2 70
실험예
실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 플라스틱 복합체의 굴곡강도, 굴곡탄성율, 젖음성 및 분산성을 하기 측정방법으로 측정하였고, 이에 대한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[측정방법]
굴곡강도(MPa) 및 탄성율(GPa) : 'ISO 178 - 굴곡성의 측정'의 시험 규격에 의해 진행하며, 시편 사이즈는 '80mm x 25mm' 로 한다
젖음성 : 폴리우레탄 레진과 유리섬유층 간의 젖음성은 굴곡강도 및 탄성율 평가 시편의 파단 단면을 주사 전자 현미경(SEM ; Scanning Electron Microscope) 을 활용하여 이미지화 하고 파단 모드를 분석하여 레진과 유리섬유간의 젖음성 정도를 레벨(Lv 1~5) 로 표기하였다(표기 예시 : Lv 1이 가장 우수)
분산성 : 유리섬유층의 분산성은 성형된 제품의 비파괴 분석방법인 X-ray 촬영을 통해 유리섬유의 분산성 정도를 레벨(Lv 1~5) 로 표기하였다(표기 예시 : Lv 1이 가장 우수)
구분 굴곡강도 굴곡탄성율 젖음성 분산성
실시예 1 200 6.9 Lv. 1 Lv. 1
실시예 2 180 6.7 Lv. 1 Lv. 3
실시예 3 190 6.9 Lv. 3 Lv. 1
실시예 4 140 4.8 Lv. 3 Lv. 2
실시예 5 160 5.6 Lv. 2 Lv. 2
비교예 170 6.3 Lv. 2 Lv. 3
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1의 굴곡강도, 굴곡탄성률, 젖음성 및 분산성이 매우 가장 우수한 것을 확인할 수 있으며, 제1유리섬유를 포함하지 않는 경우(비교예)는 굴곡강도, 굴곡탄성률, 젖음성 및 분산성과 같은 특성이 실시예 1보다 낮은 것을 확인할 수 있다.
한편, 제1유리섬유의 gsm이 20gsm인 경우(실시예 2)와 300gsm인 경우(실시예 3)는 100gsm인 경우(실시예 1)보다 분산성 또는 젖음성이 낮은 것을 확인할 수 있다.
또한, 페이스 시트와 보강층 및 LFI층의 두께비가 1:0.5인 경우(실시예 4)와 1:5인 경우(실시예 5)는 1:2인 경우(실시예 1)보다 굴곡강도, 굴곡탄성률, 젖음성 및 분산성이 전반적으로 낮은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 플라스틱 복합체 110 : 페이스 시트층
120 : 보강층 130 : LFI 층

Claims (7)

  1. 페이스 시트층;
    상기 페이스 시트층 상면에 위치하고, 제1유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 보강층; 및
    상기 보강층 상면에 위치하고, 제2유리섬유 및 폴리우레탄 폼을 포함하는 LFI 층;
    을 포함하는 플라스틱 복합체로서,
    상기 보강층의 제1 유리섬유의 단위 중량은 50~200gsm이고,
    상기 보강층 및 LFI 층에 포함된 폴리우레탄 폼의 함량은 보강층 및 LFI층 전체 중량 대비 60~80중량%이고,
    상기 LFI층의 밀도는 1.0~1.3g/cm3 이고,
    상기 보강층 및 LFI 층을 합한 두께와 페이스 시트층 두께비는 1~3:1인 것인 플라스틱 복합체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유리섬유의 길이는 5~150mm인 것을 특징으로 하는 플라스틱 복합체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보강층 및 LFI 층의 폴리우레탄 폼은 발포제를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 복합체.
  6. 삭제
  7. 삭제
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