KR19990013726A - 섬유강화 열가소성재료 성형품 및 그 제조 방법 - Google Patents

섬유강화 열가소성재료 성형품 및 그 제조 방법 Download PDF

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고오사이아끼오
스미또모가가꾸고오교가부시끼가이샤
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Abstract

고체의 열가소성 수지와 길이 약 3 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 의 강화섬유를 단일의 공급구에서 동시에 가소화 장치로 공급하는 공정;
상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시키면서, 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정;
상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 금형의 캐비티 내로 공급하는 공정; 및
상기 캐비티 내에서 상기 혼련물을 부형하는 공정으로 이루어지는 섬유강화 열가소성재료 성형품의 제조 방법, 및 상기 방법에 의하여 제조되는, 중량 평균 길이가 약 2 ㎜ 이상의 섬유를 함유하는 섬유강화 열가소성재료 성형품이 제공된다.

Description

섬유강화 열가소성재료 성형품 및 그 제조 방법
본 발명은 섬유강화 열가소성재료 성형품, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 유리섬유 등의 섬유로 보강된 섬유강화 열가소성 수지 성형품은 잘 알려져 있다. 열가소성 수지를 압출기를 사용하여 강화섬유와 함께 용융·혼련(混練)하고, 열가소성 수지중에 강화섬유가 배합된 섬유강화 열가소성 수지 펠릿을 제조하는 공정; 상기 펠릿을 사출기로 공급하여 다시 용융·혼련하여 혼련물로 하는 공정; 및 상기 혼련물을 금형내로 공급하여 소정의 형상으로 부형 (賦形) 하는 공정으로 이루어지는, 섬유강화 열가소성 수지 성형품의 제조 방법도 알려져 있다. 열가소성 수지를 강화섬유와 함께 용융·혼련하여 섬유강화 수지 펠릿을 제조하는 방법으로는, 열가소성 수지를 받아들이기 위한 제 1 개구와, 제 1 개구보다 하류측에 형성되어 강화섬유를 받아들이기 위한 제 2 개구를 갖는 압출기를 제공하는 공정; 제 1 개구에서 열가소성 수지를 압출기로 공급하여 압출기의 용융존에서 열가소성 수지를 용융시키는 공정; 제 2 개구에 도달한 열가소성 수지에 제 2 개구로부터 강화섬유를 첨가하는 공정; 제 2 개구와 압출기의 출구 사이의 부분에서 가소화된 열가소성 수지와 강화섬유를 혼련하는 공정; 및 혼련물을 펠릿화 하는 공정으로 이루어지는 방법이 알려져 있다. 그러나, 상기 방법에서는 압출기가 열가소성 수지를 받아들이기 위한 개구와 강화섬유를 받아들이기 위한 개구가 각각 형성되기 때문에 사용하는 장치가 복잡하고 대형이라는 문제가 있다. 또한, 압출기를 사용하여 미리 제조된 섬유강화 열가소성 수지 펠릿이 다시 사출기에서 용융·혼련되는 상기 방법은 압출기와 사출기에서 두 번 혼련이 각각 이루어지기 때문에, 얻어지는 섬유강화 열가소성 성형품에 함유되는 강화섬유는 현저하게 짧아져 원하는 물성을 얻기 어려운 문제를 갖는다.
섬유강화 열가소성 수지 펠릿이 사용되지 않는 섬유강화 열가소성 수지 성형품의 제조 방법도 몇 가지 알려져 있다. 예를 들어 일본 공개특허공보 평2-153714 호에는 열가소성 수지를 받아들이기 위한 제 1 개구와, 제 1 개구의 하류측에 형성된 강화섬유를 받아들이기 위한 제 2 개구를 갖는 사출기를 제공하는 공정, 제 1 개구에서 열가소성 수지를 사출기로 공급하여 사출기의 용융존에서 열가소성 수지를 용융시키는 공정; 제 2 개구에서 강화섬유를 사출기로 공급하는 공정; 용융된 열가소성 수지와 유리섬유를 사출기내에서 혼련하는 공정; 및 혼련물을 직접 금형으로 공급하여 성형하는 공정으로 이루어지는 방법을 개시하고 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평6-8278 호에는, 재료를 받아들이기 위한 단일 개구를 갖는 사출기를 제공하여 강화섬유와 열가소성 수지의 두 가지를 동시에 상기 개구에서 사출기내로 공급하여 사출기내에서 양자를 혼련하고, 이어서 혼련물을 금형으로 직접 공급하여 부형하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법으로 얻어지는 섬유강화 열가소성 수지 성형품에 함유되는 강화섬유는 기껏 400 ∼ 500 ㎛ 의 길이이기 때문에 성형품은 충격강도 등의 물성을 반드시 만족시킬 수 없다.
본 발명의 목적은 충격강도 등의 물성이 우수한 섬유강화 열가소성재료 성형품을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 충격강도 등의 물성이 우수한 섬유강화 열가소성재료 성형품을 제조하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 관점 (aspect) 에 의하면,
재료를 받아들이기 위한 개구를 갖는 가소화 장치와, 상기 재료를 상기 가소화 장치로 공급하기 위한 장치와, 캐비티를 갖는 성형장치로 이루어지는 성형기계를 제공하는 공정;
고체상태의 열가소성재료와 길이 약 3 ㎜ ∼ 50 ㎜ 의 강화섬유를 동시에 상기 공급장치에서 상기 개구를 거쳐 열가소화 장치로 공급하는 공정;
상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시키고, 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정;
상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 상기 성형장치로 공급하는 공정; 및
상기 캐비티 내에서 상기 혼련물을 상기 성형품으로 부형하는 공정으로 이루어지는 방법으로 얻어지는, 중량 평균 길이 (weight average length) 가 약 2 ㎜ 이상의 강화섬유를 함유하는 섬유강화 열가소성재료 성형품이 제공된다.
상기 관점의 하나의 구체예 (embodiment) 는 수 평균 길이 (number average length) 에 대한 중량 평균 길이의 비율이 1.1 이상인 강화섬유를 함유하는 섬유강화 열가소성재료 성형품이다. 상기 관점의 다른 구체예는, 강화섬유의 함유량이 약 20 ∼ 약 75 중량 % 의 범위에 있는 섬유강화 열가소성재료 성형품이다. 상기 관점의 또 다른 구체예는, 직경이 약 6 ㎛ ∼ 약 25 ㎛ 의 범위에 있는 강화섬유를 함유하는 섬유강화 열가소성재료 성형품이다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 다음의 공정으로 이루어지는 섬유강화 열가소성재료 성형품의 제조 방법을 제공할 수 있다.
재료를 받아들이기 위한 개구를 갖는 가소화 장치와, 상기 재료를 상기 가소화 장치로 공급하기 위한 장치와, 캐비티를 갖는 성형장치로 이루어지는 성형기계를 제공하는 공정;
고체상태의 열가소성재료와 길이 약 3 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 의 강화섬유를 동시에 상기 공급장치에서 상기 개구를 거쳐 상기 가소화 장치로 공급하는 공정;
상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시켜 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정; 상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 상기 성형장치로 공급하는 공정; 및
상기 캐비티내에서 상기 혼련물을 상기 성형품으로 부형하는 공정.
이하, 섬유강화 열가소성재료 성형품을 섬유강화 성형품이라 한다.
도 1 은 본 발명의 섬유강화 성형품을 제조하기 위한 장치의 일례의 개략 단면도,
도 2 는 도 1 에 나타난 장치중의 로빙 커터부의 부분 확대도,
도 3 은 도 1 에 나타난 장치중의 정량 피더부의 부분 확대도,
도 4 는 도 1 에 나타난 장치중의 스크류식 사출기의 부분 확대도,
도 5 는 본 발명에 관한 방법의 하나의 구체예를 나타내는 플로우 차트,
도 6 은 본 발명에 관한 방법에 의해 얻어진 섬유강화 성형체의 일례를 나타내는 사시도이다.
본 발명에 적용되는 열가소성재료는 사출성형, 사출압축성형, 압출성형, 스탬핑성형 등의 일반적인 성형방법에 적용될 수 있는 열가소성재료이면 된다. 이와 같은 열가소성재료의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴·스티렌·부타디엔 블록 공중합체, 폴리아미드 등의 열가소성 수지; 에틸렌·프로필렌 블록 공중합체, 스티렌·부타디엔 블록 공중합체 등의 열가소성 엘라스트머; 및 열가소성 폴리머 얼로이 (alloy) 를 들 수 있다.
열가소성재료는 탤크 (talc) 등의 충전재, 안료, 대전방지제, 산화방지제 등, 열가소성재료의 가공시에 통상 사용되는 각종 첨가제를 함유시킬 수도 있다.
본 발명에 적용되는 강화섬유는 열가소성재료를 보강할 수 있는 섬유라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 열가소성재료의 강화에 종래 사용되는 유리섬유, 탄소섬유, 알루미나섬유, 아라미드섬유 등의 섬유로 충분하다.
본 발명의 섬유강화 성형품에 함유되어 있는 강화섬유의 중량 평균 길이는 약 2 ㎜ 이상이고, 바람직하게는 약 2 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 이다. 이와 같은 중량 평균 길이의 강화섬유를 함유하는 본 발명의 섬유강화 성형품은 충격강도 등의 물성이 뛰어나다. 섬유강화 성형품에 함유되어 있는 섬유의 중량 평균 길이는 섬유강화 성형품의 일부를 잘라내어, 이것을 직접 불로 태워 열가소성재료를 제거하고 남은 강화섬유에서 임의로 약 130 개 ∼ 약 150 개의 강화섬유를 뽑아내고, 각 강화섬유의 중량과 길이를 측정한 것으로, 이 결과에 따라 하기 식 (1) 에 의해 구할 수 있다.
Lw = Σ(Li·Wi)/ΣWi (1)
여기서, Lw 는 강화섬유의 중량 평균 길이 (㎜), Li 및 Wi 는 각각 i 번째 강화섬유의 길이 (㎜) 및 중량 (g) 을 나타낸다. 본 발명의 섬유강화 성형품에 함유되는 강화섬유의 수 평균 길이에 대한 중량 평균 길이의 비가 약 1.1 이상, 바람직하게는 약 1.1 ∼ 약 2.0 이면 섬유강화 성형품의 충격강도는 더욱 우수하며 외관도 더욱 우수하다. 강화섬유의 수 평균 길이는 하기 식 (2) 에 의해 구할 수 있다.
Ln = Σ(Li'·Ni)/ΣNi (2)
여기서, Ln 은 강화섬유의 수 평균 길이 (㎜), Ni 는 길이 Li' (㎜) 의 강화섬유의 수이다.
본 발명의 섬유강화 성형품중의 강화섬유의 함유율은 특별히 한정되어 있지는 않으나, 약 20 중량 % ∼ 약 75 중량 % 의 범위에 있는 것이 섬유강화 성형품의 물성면에서 바람직하다. 또한, 강화섬유의 직경이 약 6 ㎛ ∼ 약 25 ㎛ 범위에 있는 것이 섬유강화 성형품의 물성면에서 바람직하다.
본 발명의 섬유강화 성형품은 재료를 받아들이기 위한 개구를 갖는 가소화 장치와, 상기 재료를 상기 가소화 장치로 공급하기 위한 장치와, 캐비티를 갖는 성형장치로 이루어지는 성형기계를 제공하는 공정; 고체상태의 열가소성재료와 길이 약 3 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 의 강화섬유를 동시에 상기 공급장치에서 상기 개구를 거쳐 상기 가소화 장치로 공급하는 공정; 상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시키고, 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정; 상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 상기 성형장치로 공급하는 공정; 및 상기 캐비티내에서 상기 혼련물을 상기 성형품으로 부형하는 공정으로 이루어지는 방법에 의해 제조된다. 이하, 재료를 받아들이기 위하여 가소화 장치에 형성되어 있는 상기 개구를 재료 공급구라 한다.
고체상태의 열가소성재료의 크기 및 형상은 가소화 장치로 공급되어 혼련될 수 있는 한, 특별히 한정되어 있지는 않다. 일반적으로 펠릿, 과립 혹은 파우더라 불리는 형태의 열가소성재료가 본 발명에 적용될 수 있다.
가소화 장치로 공급되는 강화섬유의 형태는 길이가 약 3 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 의 범위에 있으면 특별히 한정되지 않으나, 직경이 약 6 ㎛ ∼ 약 25 ㎛ 이면서 수백 개 ∼ 수천 개인 단섬유(monofilament)가 수속제 (收束劑) 에 의해 수속되어 (bundled) 이루어지는 로빙 섬유 (연속섬유)가 약 3 ㎜∼ 약 50 ㎜ 의 길이로 절단되어 이루어지는 잘게 잘려진 (chopped) 스트랜드가 바람직하다. 본 발명에서는 미리 소정 길이로 절단되고 저장된 잘게 잘려진 스트랜드를 사용할 수도 있으며, 가소화 장치의 재료 공급구 근방에 설치되어 로빙 커터에 의하여 소정 길이로 절단된 개조된 스트랜드를 직접 사용할 수도 있다. 로빙 섬유는 이것과 열가소성재료의 결합을 강하게 하기 위하여 표면 사이스제 (surface sizing agent) 로 그 표면이 처리되는 것이 바람직하다. 표면 사이즈제의 종류는 주로 사용되는 열가소성재료의 종류에 맞게 선택된다.
열가소성재료와 강화섬유의 강고한 결합을 이루기 위하여, 강화섬유와 결합가능한 변성 열가소성재료를 사용하는 것도 바람직하다. 혹은, 열가소성재료를 강화섬유와 결합할 수 있게 하기 위한 변성제를 열가소성재료 및 강화섬유와 함께 가소화 장치로 공급하는 것도 바람직하다. 예를 들면, 열가소성재료로서 폴리프로필렌을 사용하고, 강화섬유로서 유리섬유를 사용할 경우, 폴리프로필렌으로서 말레인산으로 변성된 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하다. 혹은 미변성의 폴리프로필렌, 유리섬유 및 변성제인 말레인산을 함께 가소화 장치에 공급하는 것이 바람직하다. 변성제는 펠릿 형태로 사용되는 경우가 많으나, 변성제의 열가소성재료중에 대한 양호한 분산을 달성하기 위하여 과립이나 파우더 형태로 사용될 수 있다. 통상적으로, 변성제는 고체상태의 열가소성재료와 건식혼합 (dry blend) 되고 강화섬유와 함께 가소화 장치로 공급되며, 이어서 가소화 장치내에서의 용융공정, 혼련 공정이 실시된다. 가소화 장치내에서 강화섬유를 길게 유지하기 위해서는 심한 혼련을 피하는 것이 바람직하다. 그러나, 혼련이 너무 약하면 열가소성재료중에 변성제가 충분히 분산되지 않아 원하는 효과를 얻을 수 없다. 약한 혼련만으로도 변성제의 효과를 충분히 달성하기 위해서는, 비교적 작은 입자사이즈의 변성제를 사용하는 것이 바람직하다. 또는, 변성제가 미리 배합된 열가소성재료를 사용하는 것도 바람직하다. 변성제의 배합량은 강화섬유의 배합량, 강화섬유 및 열가소성재료의 종류, 혼련 조건 등에 따라 다르나, 일반적으로는 열가소성재료에 대하여 1 ∼ 15 중량 % 정도이다.
이상에서 설명한 재료를 사용해서 얻어지는 섬유강화 성형품에는, 풀어지지 않은 (not loosened) 의 강화섬유가 거의 없으며, 단섬유 (單纖維) 가 열가소성재료중에 균일하게 분산되어 있는 것이 바람직하고, 또한 성형품 중의 보이드 (기포) 는 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 풀어지지 않은 강화섬유나 보이드는 섬유강화 성형품의 특성을 손상시킬 우려가 있다.
본발명의 섬유강화 성형품은 이하의 공정:
재료를 받아들이기 위한 개구를 갖는 가소화 장치와, 상기 재료를 상기 가소화 장치로 공급하기 위한 장치와, 캐비티를 갖는 성형장치로 이루어진 성형기계를 제공하는 공정;
고체상태의 열가소성재료와 길이가 약 3 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 인 강화섬유를 동시에 상기 공급장치에서 상기 개구를 거쳐 상기 가소화 장치로 공급하는 공정;
상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시키고 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정;
상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 상기 성형장치로 공급하는 공정; 및
상기 캐비티내에서 상기 혼련물을 상기 성형품으로 부형하는 공정으로 이루어지는 방법으로 제조된다. 본발명의 섬유강화 성형품의 제조 방법의 몇가지 예를 이하에서 설명하기로 한다. 그러나, 본발명의 범위가 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 섬유강화 성형품을 제조하기 위한 성형기계의 일례를 나타내고 있다. 본 성형기계는 가소화 장치 (B), 성형장치 (C) 및, 가소화 장치 (B) 에 재료를 공급하기 위한 장치 (A) 로 구성되어 있다. 도 1 에 도시된 예에서 재료공급장치 (A) 는 소정 길이의 강화섬유를 배출 (discharge) 하기 위한 장치로서의 로빙 커터 (1), 고체상태의 열가소성재료를 배출하기 위한 장치로서의 정량 피더 (2) 및, 로빙 커터에서 배출된 강화섬유와 정량 피더 (2) 에서 배출된 열가소성재료를 가소화 장치내로 유도하기 위한 호퍼 (4) 로 구성되어 있다. 가소화 장치 (B) 는 상기 호퍼에 대향하여 개구되는 재료공급구를 갖는 스크류식 사출기 (3) 이다. 가소화 장치는 다른 타입의 사출기, 또는 압출기일 수도 있다. 성형장치 (C) 는 프레스장치 (7) 와 금형 (8) 으로 이루어진다. 로빙 커터 (1) 대신에 미리 소정 길이로 절단된 잘게 잘려진 스트랜드를 배출하기 위한 정량 피더를 사용할 수도 있다. 또한, 열가소성재료를 배출하기 위한 정량 피더 (2) 는 열가소성재료를 정량적으로 배출할 수 있는 다른 장치로 변경될 수도 있다. 로빙 커터 (1) 에서 배출된 강화섬유 및 정량 피더에서 배출된 열가소성재료는 호퍼 (4) 에 의하여 유도되어 단일의 재료공급구를 통하여 사출기 (3) 내로 동시에 공급된다. 도 1 에 도시된 예에서 호퍼 (4) 내의 상부에는 내통 (5) 이 설치되어 있다. 로빙 커터 (1) 에 의해 소정 길이로 절단된 강화섬유는 내통 (5) 의 내측으로 공급된다. 정량 피더 (2) 에는 슈트 (6) 가 설치되어 있다. 정량 피더 (2) 에서 배출된 열가소성재료는 슈트 (6) 위를 자연스럽게 유동 강하되어 호퍼 (4) 의 내벽과 내통 (5) 의 외벽 사이로 공급된다. 사출기 (3) 에는 상기 호퍼에 대향하여 개구된 재료공급구가 형성되어 있고, 상기 호퍼에 의하여 유도된 강화섬유와 열가소성재료는 이곳을 통과하여 사출기내로 공급된다. 사출기 (3) 의 선단부는 금형 (8) 에 접속되어 있다. 사출기 (3) 내에서 제조된 열가소성재료와 강화섬유로 이루어진 혼련물은 금형 (8) 내에 형성된 통로 (9) 를 통해 캐비티로 사출될 수 있도록 되어있다.
이하에서, 상기 장치에 대해 더욱 상세하게 서술한다.
[로빙 커터 (1)]
로빙 커터 (1) 는, 도 2 에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 로빙섬유 (L) 을 편평하게 펼쳐서 송출하기 위한 제 1 피딩 롤 (111), 제 2 피딩 롤 (112) 및 상기 피딩 롤의 출구측에 설치되고, 피딩 롤에 의해 펼쳐진 로빙섬유 (L) 의 확대된 폭보다도 폭이 넓은 커팅 롤 (12) 로 이루어져 있다. 커팅 롤 (12) 은 회전상태에서 제 2 피딩 롤 (112) 에 맞닿는, 적어도 하나의 절단칼을 갖고 있다. 로빙섬유 (L) 는 절단칼과 제 2 피딩 롤 (112) 에 의해 소정 길이의 절단 강화섬유 (L1) 로 절단되어 내통 (5) 쪽으로 낙하된다. 커팅 롤 (12) 은 절단된 강화섬유 (L1) 가 내통 (5) 의 내부에 낙하하도록 설치된다. 절단된 강화섬유 (L1) 의 길이는 커팅 롤 (12) 에 형성된 절단칼의 피치에 의해 결정된다. 상기 피치는 강화섬유의 절단 길이가 3 ∼ 50 ㎜ 정도, 바람직하게는 3 ∼ 25 ㎜ 정도가 되도록 설정된다. 도 2 에 도시된 예에서는 6 개의 2400 텍스(tex) 의 로빙 유리섬유가 제 1 피드 롤 (111) 과 제 2 피드 롤 (112) 사이의 틈새 (nip) 로 보내어져 14 ㎜ 의 길이로 절단된다. 이 예에서는 1 분당 2.2 ㎏ 의 절단 강화섬유 (L1) 가 로빙 커터에서 배출된다. 로빙 커터로 이송되는 로빙섬유의 번수 (番手; yarn number) 및 갯수, 로빙 커터로부터의 절단 강화섬유의 배출속도 (즉, 1 분당 배출중량) 등은 적절히 변경할 수 있다. 또한, 이 예에서는 열가소성재료로서 폴리프로필렌 수지가 사용되고 상기 폴리프로필렌 수지와 강화섬유의 접착성을 향상시키기 위해 변성 폴리프로필렌으로 표면 처리된 로빙 유리섬유가 사용되었다.
[정량 피더 (2)]
열가소성재료를 배출하기 위한 정량 피더 (2) 는, 도 3 에 개략적으로 도시된 바와 같이 고체상태의 열가소성재료를 저장하기 위한 호퍼 (21) 와, 상기 호퍼에서 공급된 열가소성재료를 운반하기 위한 컨베이어 (22) 로 구성되어 있다. 정량 피더에서 배출된 열가소성재료의 배출속도는 컨베이어 (22) 를 구동시키기 위한 모터 (23) 의 회전속도를 조절함으로써 조절될 수 있다. 정량 피더 (2) 에서 배출된 열가소성재료는 정량 피더에 연결된 슈트 (6) 위를 자연스럽게 유동 강하되어 호퍼 (4) 의 내벽과 내통 (5) 의 외벽 사이로 공급된다.
정량 피더에 열가소성재료를 공급할 때, 변성제나 첨가제를 동시에 공급할 수도 있다. 예를 들어, 열가소성재료, 변성제 및 첨가제는 미리 건식혼합하여 정량 피더에 공급할 수 있다. 상기 실시예에서는, 열가소성재료로서 폴리프로필렌 수지 (스미또모가가꾸고오교 가부시끼가이샤 제조; 스미또모 노블렌 AX568) 의 펠릿과, 변성제로써 입자경이 1.5 ㎜ 이하인 유멕스 1001 (산요가세이 가부시끼가이샤 제조) 을 미리 건식혼합하고 5.1 ㎏/min 의 속도로 상기 혼합물을 정량 피더로 공급하였다.
[호퍼 (4)]
호퍼 (4) 는 상기 로빙 커터 (1) 에 의해 소정 길이로 절단되어 배출된 강화섬유 (L1), 및 정량 피더 (2) 에서 배출된 열가소성재료를 서로 접촉시켜 혼합하고 사출기 (3) 의 재료공급구로 유도하기 위한 부재이다.
호퍼 (4) 의 재질은 특별히 한정되지 않으나, 강화섬유나 열가소성재료와 충돌 또는 접촉하여도 정전기가 좀처럼 발생하지 않는 것이 바람직하다. 호퍼 (4) 에는 강화섬유의 부착을 방지하기 위해 바이브레이터 (43) 가 장착될 수도 있다. 경우에 따라서는, 정전기에 의해 강화섬유가 부착되기 쉬운 호퍼 (4) 부분에 공기를 내뿜어도 된다.
호퍼 (4) 내에 항상 소정 범위내의 양을 갖는 강화섬유와 열가소성재료가 저장되어 있으면 가소화 속도가 안정된다. 따라서, 호퍼 (4) 는 강화섬유와 열가소성재료의 저장량을 제어하기 위한 수단을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 수단으로서, 상기 실시예에서는 저장재료의 상면의 상한을 검지하기 위한 상부 스위치 (41), 및 저장재료의 상면의 하한을 검지하기 위한 하부 스위치 (42) 가 호퍼 (4) 에 형성되어 있다. 호퍼 (4) 내에 저장된 재료가 호퍼 (4) 에서 사출기 (3) 로 공급되어 호퍼 (4) 내의 저장재료의 상면이 하부 스위치 (42) 에 이르면, 로빙 커터 (1) 및 정량 피더 (2) 가 시동되어 강화섬유와 열가소성재료가 호퍼 (4) 로 공급되기 시작한다. 한편, 호퍼 (4) 내의 저장재료의 상면이 상부 스위치 (41) 에 이르면, 로빙 커터 (1) 및 정량 피더 (2) 가 정지되면서 호퍼 (4) 내로의 강화섬유와 열가소성재료의 공급이 정지된다. 호퍼 (4) 내면의 연직선 (鉛直線) 에 대한 경사각 (θ) 은 45°이하, 바람직하게는 30°이하, 보다 바람직하게는 15°이하이다.
본 실시예에서는, 호퍼 (4) 로서 두께가 0.4 ㎜ 의 폴리에틸렌테레프탈레이트제 필름으로 내면이 피복된 스테인레스 스틸제 호퍼가 사용되었다. 상부 스위치 (41) 와 하부 스위치 (42) 는 150 ㎜ 의 간격을 두고 호퍼 (4) 에 설치되었다. 호퍼 (4) 의 수평방향에서의 단면형상은 타원이고, 연직선에 대한 내면의 경사각도는 10 °이었다.
[내통 (5)]
호퍼 (4) 에 설치되어 있는 내통 (5) 은 커팅 롤 (12) 에서 낙하되는 강화섬유 (L1) 를 호퍼 (4) 의 중앙 부근으로 유도한다. 내통 (5) 의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 강화섬유나 열가소성재료와 충돌하여도 정전기가 좀처럼 발생되지 않는 것이 바람직하다.
내통 (5) 의 강화섬유 (L1) 의 입구인 상부개구 (51) 의 직경과 강화섬유 (L1) 의 출구인 하부개구 (52) 의 직경은 동일할 수도 있다. 그러나, 통상적으로는 상부개구 (51) 의 직경보다도 하부개구 (52) 의 직경이 작고, 내통 (5) 내면의 연직선에 대한 경사각도 (θ') 는 30°이하, 바람직하게는 15°이하이다. 또한, 내통 (5) 의 내면에 강화섬유가 부착되어 내통이 막히지 않도록 내통 (5) 을 진동시키는 것은 효과적이다. 내통 (5) 은 바이브레이터를 이용하여 진동시킬 수도 있다. 또는, 정량 피더 (2) 로부터 열가소성재료의 펠릿을 호퍼 (4) 내로 공급할 때, 상기 펠릿을 내통의 외면에 충돌시킴으로써 내통 (5)을 진동시킬 수도 있다.
본 실시예에서는, 내통 (5) 으로서 두께가 0.4 ㎜ 인 폴리에틸렌테레프탈레이트제 필름으로 내면이 피복된 스테인레스 스틸제의 통이 사용되었다. 상부개구 (51) 와 하부개구 (52) 의 직경은 모두 65 ㎜ 이었다. 열가소성재료의 펠릿은 내통 (5) 의 외면에 충돌하여 이것을 진동시키도록 호퍼 (4) 내로 공급하였다.
[스크류식 사출기 (3)]
스크류식 사출기 (3) 는 도 4 에 나타낸 바와 같이, 강화섬유와 고체상태의 열가소성재료를 동시에 받아들이기 위한 개구 (즉, 재료공급구) 가 설치되어 있다.
상기 사출기 (3) 의 스크류 (31) 에 대해서는, 사출기내에서 열가소성재료와 강화섬유의 혼련할 때, 강화섬유의 절단을 억제하고 혼련물중의 강화섬유를 오래 유지하기 위해서는 재료공급구 아래의 스크류 부분이, 하기식 (3)
{(p/2)2·π - (q/2)2·π}·r≥350 (3)
을 만족하는 것이 바람직하다. 식 (3) 중, p 는 통 (barrel) 의 내경 (㎝) 을, q 는 스크류의 홈 저부에서의 스크류의 직경 (㎝) 을, r 은 스크류의 플라이트 피치 (flight pitch) (㎝) 를 각각 나타낸다. 통상적으로, 스크류의 홈 저부는 둥글게 되며, q 는 플라이트 간의 간격내에서 최소값이 채용된다. 또한, 통상적으로 재료공급구의 직경은 통의 내경과 동일하게 설정되나, 재료공급구의 직경이 스크류의 플라이트 피치 (r) 보다도 작은 때는, 식 (3) 에서의 r 은 재료공급구의 직경으로 치환된다.
사출기에서, 스크류는 회전과 동시에 후퇴한다. 따라서, 재료공급구의 아래에 오는 스크류의 부분은 스크류의 회전에 따라 바뀌나, 재료공급구의 아래에 오는 스크류의 모든 부분에 대하여 식 (3) 이 충족되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 재료공급구의 직경이 12 ㎝ 이고, p=12, q=8.7, r=10.8 인 스크류가 사용되었다. 따라서, 식(3) 의 좌변의 값은 579 이었다.
또한, 사출기 (3) 내에서 열가소성재료를 용융하면서 상기 열가소성재료와 강화섬유를 혼련하는 공정에 있어서, 강화섬유의 절단을 억제하기 위해서는 스크류 (31) 가 풀 플라이트 스크류인 것이 바람직하다. 또한, 스크류의 선단부에 체크링 기구 (check ring mechanism) 를 구비하는 믹싱헤드 (32) 가 장착되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 선단부에 믹싱헤드 (32) 가 장착된 풀 플라이트 스크류가 사용되었다.
스크류 (31) 는 그 후단부에서 선단부를 향해 볼 때, 피드존 (311), 컴프레션존 (312) 및 미터링존 (313) 의 3 개의 존으로 나눌 수 있다. 본 실시예에서 사용한 스크류는 피드존 (311) 의 홈 깊이가 16.5 ㎜, 미터링존 (313) 의 홈 깊이가 5.25 ㎜ 로 각각 설정되어 있다. 또한, 컴프레션존 (312) 의 홈 깊이는 16.5 ㎜ 에서 5.25 ㎜ 까지 서서히 변화되도록 설정되었다. 피드존 (311), 컴프레션존 (312) 및 미터링존 (313) 의 길이 비율은 2:1:1 로 설정되었다. 풀 플라이트 부분에서의 플라이트 피치는 스크류 직경과 동일한 120 ㎜ 이었다. 스크류 (31) 의 압축비는 4 이하가 바람직하고, 겉보기 전단 속도는 10 sec-1이하가 바람직하다. 압축비는 하기식 (4) 으로 정의되고, 겉보기 전단 속도는 하기식 (5) 으로 정의된다.
압축비 = (피드존의 홈 깊이) / (미터링존의 홈 깊이) (4)
겉보기 전단 속도 = π·D·n/60 H (5)
D 는 스크류 (31) 의 직경 (㎜) 을, n 은 스크류 속도 (r.p.m) 를, H 는 미터링존의 가장 얕은 홈 깊이 (㎜) 를 각각 나타낸다. 스크류 (31) 는 스크류 구동장치 (33) 로 회전함과 동시에, 축선 방향으로 왕복이동할 수 있다. 상기 실시예에서 사용한 스크류의 압축비는 3.14 이었다. 또한, 스크류 속도 60 r.p.m 으로 스크류를 회전시켰을 때의 겉보기 전단 속도는 71.8 sec-1이었다.
상기 재료 공급 장치 (A) 및 가소화 장치 (B) 는, 예를 들어 도 5 에서 나타낸 플로우 챠트에 의한 컴퓨터의 제어하에서 작동된다. 이하에서, 상기 재료 공급 장치 (A), 가소화 장치 (B) 및 성형 장치 (C) 로 이루어지는 성형기계를 이용하여 본 발명의 섬유상화 성형품을 제조하는 방법의 예를 설명하기로 한다.
상기 성형기계의 작동은 로빙 커터 (1) 와 정량 피더 (2) 의 시동에 의하여 시작된다. 정량 피더 (2) 의 호퍼 (21) 내에 변성제가 미리 건식혼합된 열가소성재료의 펠릿이 투입되고, 순차적으로 컨베이어 (22) 상으로 공급된다. 열가소성재료의 펠릿은 컨베이어에 의하여 슈트 (6) 까지 운반되고, 이어서 상기 슈트 위를 미끄러져 호퍼 (4) 내로 공급된다. 동시에, 로빙 커터 (1) 에 의하여 절단된 강화섬유가 내통 (5) 을 경유하여 호퍼 (4) 내로 공급된다. 열가소성재료의 펠릿과 강화성유는 호퍼 (4) 내에 저장된다.
저장 재료 상면이 호퍼 (4) 에 형성된 상부 스위치 (41) 에 도달하면 로빙 커터 (1) 및 정량 피더 (2) 가 정지되고, 강화섬유 및 열가소성재료 펠릿이 호퍼 (4) 내로 공급되는 것이 정지된다.
호퍼 (4) 내의 저장 재료의 상면이 상부 스위치 (41) 에 도달하고, 그리고 사출기 (3) 내의 스크류 (31) 가 제 1 의 소정 위치에 있다는 것이 확인되면 스크류의 회전과 후퇴가 시작된다. 스크류 (31) 가 제 2 의 소정 위치로 후퇴하기까지, 사출기 (3) 내에서 열가소성재료의 가소화와 상기 열가소성재료와 강화섬유의 혼련이 이루어지고, 열가소성재료와 강화섬유로 이루어지는 혼련물이 제조된다. 스크류 (31) 의 후퇴에 수반되어, 호퍼 (4) 내에 저장되어 있던 강화섬유와 열가소성재료 펠릿은 사출기 (3) 내로 공급되고 호퍼 (4) 내의 강화섬유와 열가소성재료 펠릿은 감소된다. 호퍼 (4) 내의 저장 재료의 상면이 하부 스위치 (42) 에 도달하면 로빙 커터 (1) 및 정량 피더 (2) 가 작동되기 시작하고, 강화섬유 및 열가소성재료 펠릿이 공급되기 시작한다. 이러한 재료들의 공급은 호퍼 (4) 내의 저장 재료의 상면이 상부 스위치 (41) 에 도달될 때까지 계속된다.
한편, 사출기 (3) 내의 스크류 (31) 가 상기 제 2 의 소정 위치까지 후퇴하고 금형 (8) 및 프레스 장치 (7) 로 이루어지는 성형 장치 (C) 가 소정 조건에 있다는 것이 확인되면, 혼련물은 사출기에서 사출되어 금형 (8) 내에 형성된 통로 (9) 를 통하여 캐비티로 공급된다. 캐비티로 공급된 혼련물은 캐비티내에서 소정 형상으로 부형된다. 혼련물을 적당한 속도로 냉각시켜 섬유강화 성형품 (10) 이 형성되면 상기 섬유강화 성형품이 금형에서 배출된다.
사출기 (3) 에서 혼련물을 사출시킨 후, 다시 호퍼 (4) 내의 저장 재료의 상면이 상부 스위치 (41) 에 도달하고, 또한 스크류 (31) 가 상기 제 1 의 소정 위치에 있다는 것이 확인되면 상기 일련의 조작이 반복된다.
상기 예에 있어서, 강화섬유 및 열가소성재료 펠릿은 정량적으로 호퍼 (4) 내에 공급되어 호퍼 (4) 의 중심 부근에는 강화섬유가 많이 존재하며 그 주위에는 열가소성재료 펠릿이 많이 존재하게 되었다. 그 결과, 호퍼 (4) 의 내벽에 강화섬유는 거의 없으므로, 강화섬유를 열가소성재료중에 균일하게 분산시키는데 필요한 시간이 일정해지고, 얻어진 섬유강화 성형품 중의 강화섬유 함유량도 일정해진다.
본 실시예에서는, 강화섬유로서 유리섬유가, 열가소성재료로서 폴리프로필렌 수지가 각각 사용되었다. 길이 14 ㎜ 의 유리섬유가 2.2 ㎏/min 의 속도로 로빙 커터 (1) 에서 내통 (5) 을 거쳐 호퍼 (4) 로 공급되었다. 폴리프로필렌 수지 펠릿과 변성제와의 혼합물은 내통 (5) 의 외면에 충돌되면서 5.1 ㎏/min 의 속도로 호퍼 (4) 내로 공급되었다. 스크류의 회전 개시에서 유리섬유와 폴리프로필렌 수지로 이루어지는 2 ㎏ 의 혼련물이 제조되기까지 걸린 시간은 18 초이었다. 이러한, 스크류의 회전 개시에서 유리섬유와 폴리프로필렌 수지로 이루어지는 혼련물이 제조되기까지의 시간을 가소화 시간이라고 한다. 또한, 상기 혼련물은 가소화 유리섬유강화 폴리프로필렌 수지라고 한다.
반복된 성형 사이클에 있어서, 얻어진 유리섬유강화 성형품의 중량 및 가소화 유리섬유강화 폴리프로필렌 수지를 제조하는데 걸리는 시간은 거의 일정하였다. 또한, 유리섬유나 폴리프로필렌 수지 펠릿은 호퍼 (4) 내에 막히지 않고 원활하게 사출기 (3) 내로 공급되었다.
도 6 은 본 실시에서 얻어진 섬유강화 성형품의 사시도를 나타내고 있다. 상기 성형품의 일부를 시험편으로 하여 성형품의 거의 중앙에서 절단하고, 벤딩 (bending) 시험 (JIS K 7203 준거) 및 아이조드 충격시험 (Izod impact test) (JIS K 7110 준거) 을 실시하였다. 또한, 상기 시험편을 사용하여 섬유강화 성형품중에 포함되어 있는 강화섬유의 중량 평균 길이 및 수 평균 길이를 구하였다. 유리섬유의 함유량은 31.0 중량 % 이었다. 상기 실시예를 실시예 1 로 부르기로 한다. 시험 결과를 표 1 에 나타낸다.
실시예 2 에서는 로빙 커터 (1) 에 의하여 절단되는 유리섬유의 길이를 6 ㎜ 로 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여, 유리섬유강화 폴리프로필렌 수지 성형품을 제조하였다. 실시예 1 과 동일하게 벤딩 시험 및 아이조드 충격시험을 실시하고, 또한 섬유강화 성형품중에 포함되는 강화섬유의 중량 평균 길이 및 수 평균 길이를 구하였다. 유리섬유의 함유량은 30.5 중량 % 이었다. 시험 결과를 표 1 에 나타낸다.
[표 1] 시험 결과
실시예 1 실시예 2
Lw (㎜) 4.2 2.6
Ln (㎜) 3.4 2.3
Lw/Ln 1.24 1.13
벤딩 탄성률 (GPa) 4.84 5.15
벤딩 강도 (MPa) 115.1 121.1
아이조드 충격강도 (㎏) 21.9 15.3
본 발명의 섬유강화 열가소성재료 성형품은 약 3 ㎜ ~ 약 50 ㎜ 의 강화섬유를 함유하고 있어 충격강도 등의 물리적 특성이 매우 우수하다.

Claims (5)

  1. 재료를 받아들이기 위한 개구를 갖는 가소화 장치와, 상기 재료를 상기 가소화 장치로 공급하기 위한 장치와, 캐비티를 갖는 성형장치로 이루어지는 성형기계를 제공하는 공정;
    고체상태의 열가소성재료와 길이가 약 3 ㎜ ∼ 약 50 ㎜ 인 강화섬유를 동시에 상기 공급장치에서 상기 개구를 거쳐 상기 가소화 장치로 공급하는 공정;
    상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시키고, 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정;
    상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 상기 성형장치로 공급하는 공정; 및
    상기 캐비티 내에서 상기 혼련물을 상기 성형품으로 부형하는 공정으로 이루어지는 방법으로 얻어지는, 중량 평균 길이가 약 2 ㎜ 이상인 강화섬유를 함유하는 섬유강화 열가소성재료 성형품.
  2. 제 1 항에 있어서, 성형품에 포함되는 강화섬유의 수 평균 길이에 대한 중량 평균 길이의 비율이 1.1 이상인 섬유강화 열가소성재료 성형품.
  3. 제 1 항에 있어서, 강화섬유의 함유량이 약 20 ~ 약 75 중량 % 의 범위에 있는 섬유강화 열가소성재료 성형품.
  4. 제 1 항에 있어서, 성형품에 포함되는 강화섬유의 직경이 약 6 ~ 약 25 ㎛ 의 범위에 있는 섬유강화 열가소성재료 성형품.
  5. 고체인 열가소성 수지와 길이가 약 3 ㎜ ∼ 50 ㎜ 인 강화섬유를 단일의 공급구에서 동시에 가소화 장치로 공급하는 공정;
    상기 가소화 장치내에서 상기 열가소성재료를 용융시키면서, 상기 열가소성재료와 상기 강화섬유를 혼련하여 혼련물을 제조하는 공정;
    상기 혼련물을 상기 가소화 장치에서 상기 금형의 캐비티 내로 공급하는 공정; 및
    상기 캐비티 내에서 상기 혼련물을 부형하는 공정으로 이루어지는 섬유강화 열가소성재료 성형품의 제조 방법.
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