KR20030073222A

KR20030073222A - 자동차 범퍼용 수지 조성물

Info

Publication number: KR20030073222A
Application number: KR1020020012666A
Authority: KR
Inventors: 최민호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-03-09
Filing date: 2002-03-09
Publication date: 2003-09-19

Abstract

본 발명은 자동차 범퍼용 수지 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동성이 우수한 특정의 고충격 고강성 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지에 장유리 섬유를 함침시킴으로써 저온내충격성을 향상시켜서 저온 환경에서 주, 정차시 또는 미미한 추, 충돌시 주변물체와의 충돌에 의해 범퍼가 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있는 개선된 자동차 범퍼용 수지 조성물에 관한 것이다.

Description

자동차 범퍼용 수지 조성물{A resin composition for an automobile bumper}

자동차의 범퍼는 차량 충돌 및 추돌시 충격에너지를 흡수하여 차체 및 승객의 안전을 확보하기 위해 차량 전 후방에 부착되는 부품으로서, 일반적으로 현재 자동차에 적용되고있는 범퍼커버는 크게 분리형 범퍼와 일체형 범퍼 두가지로 구분된다.

분리형 범퍼는 승용차와 같은 소형차량에서 충격흡수력과 안정성이 우수한 충격흡수재를 범퍼커버의 내측 공간에 내장시켜 범퍼빔과 조합시킨 형태이고, 일체형 범퍼는 가스주입 사출성형 공법을 이용하여 내측으로 다수개의 보강용 리브가 일체로 형성된 구조보강 범퍼커버만으로 이루어지는 범퍼구조 이다.

또한, 상기한 범퍼구조는 단위시간당 2.5 마일 이하의 충돌속도에서 차량이 파괴되지 않는 2.5MPH 범퍼구조와 단위시간당 5마일 이하의 충돌속도에서 보호되는 5MPH 범퍼구조 등으로 구분되어 제작되고 있고, 이와 같이 구분된 범퍼구조가 그 차량이 운행되는 해당 지역의 법규에 규정된 충돌성능에 만족될 수 있도록 구분 적용되고 있다.

상기 범퍼 구조에 대하여 좀더 상세히 설명하면 아래와 같다.

분리형 범퍼구조는 범퍼구조의 외관미를 향상시키기 위한 범퍼커버와, 이 범퍼커버의 내측면에 부착되어 충격을 1차적으로 흡수하는 폼(form) 등의 충격흡수재가 구비되며, 차량 충돌시 탑승자를 상기 충격 흡수재만으로 효과적으로 보호하기에는 미흡하므로 스틸 재질로 된 범퍼빔이 상기 충격 흡수재의 내측면에 결합된다. 상기 범퍼빔은 범퍼스테이(bumper stay)로써 프레임에 볼트 체결되어 범퍼구조를 전체적으로 지지하도록 되어 있다.

상기와 같이 이루어진 범퍼구조에서는 자동차의 충돌이나 추돌시, 상기 충격 흡수재가 충격을 1차로 흡수하고 여분의 충격은 범퍼빔에 전달되어 적절히 흡수됨과 동시에 범퍼스테이를 통해 프레임으로 분산되도록 하고 있다

이러한 범퍼커버는 일반적으로 플라스틱 사출성형으로 제작되어 지는데, 사출 가공성과 성형성 및 기계적 물성 등을 고려하여 폴리프로필렌 수지를 많이 적용하고 있다. 일반적으로 폴리프로필렌을 기초로 한 복합수지는 사출 가공시 우수한 성형성 및 내화학성을 지니며 인장강도, 굴곡강도와 같은 강성이 우수하고 비용이 저렴하다는 장점을 지니고 있어 사출 및 압출 가공용 소재로 다양하게 응용되고 있다.

그러나, 상기한 폴리프로필렌을 기초로 한 복합수지 소재는 폴리프로필렌 수지 자체가 갖는 낮은 유리전이온도로 인해 저온에서의 충격 강도가 현저히 떨어져 자동차 범퍼용 소재로 적용하는 경우, 저온 지역에서의 물성이 현저히 떨어지므로 제품 활용에 문제가 있다. 특히 이러한 저온 충격성의 취약함은 겨울철 자동차 주행이나 주정차시 가벼운 추돌에도 범퍼커버가 파손되는 문제가 있어 상품성 향상과 안정성 확보를 목적으로 하는 저온충격 보강을 위한 여러 방안이 제시되고 있다.

이와 같이, 종래의 자동차 범퍼커버용 소재의 저온충격강도 보강을 위해 여러방안이 강구 되었으나 여전히 저온 충격성면에서는 취약함을 지니고 있으므로, 기능상의 특성과 각종 물성에서도 뒤지지 않는 새로운 수지 조성물로 제작된 자동차 범퍼 커버 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명의 발명자들은 종래의 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 연구노력한 결과 유동성이 우수한 특정의 고충격 고강성 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지에 저온충격성을 보강하기 위해 무기충전제로서 장유리 섬유를 함침 시킴으로써 저온 내충격성을 향상시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 특정의 에틸렌프로필렌 공중합수지에 장유리섬유가 함침된 수지조성물로 구성되어 높은 저온 충격강도 뿐만 아니라, 강성, 내열성 및 유동성이 우수하여 특히 사출성형품 제조에 유용한 개선된 자동차 범퍼용 수지 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지를 주재로 하는 수지조성물에 있어서, 에틸렌 함량이 8 ~ 20% 이며 용융지수가 10 ∼ 30 g/10 분(230℃, 2.16kgf)인 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지가 40 ∼ 70 중량%, 에틸렌-프로필렌 고무 (EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM) 및 에틸렌-옥텐 고무(EOR) 중에서 선택된 하나 또는 둥 이상의 혼합물로 이루어진 열가소정 탄성체 고무가 5 ∼ 10 중량%, 무기충전제로서 평균 입자 길이 4 ∼ 6 mm이고 직경 15 ~ 20㎛ 인 장유리 섬유가 30 ∼ 50 중량% 함유된 자동차 범퍼용 수지 조성물을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자동차 범퍼용 수지 조성물에 함유되는 각 조성성분에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 주성분으로 사용되는 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지는 종래와는 달리 유동성이 우수한 고충격, 고강성 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지로써 에틸렌 함량이 8 ∼ 20 %, 바람직하게는 15 ∼ 20 %이고, 용융지수가 10 ∼ 30 g/10 분(230 ℃, 2.16 kgf)인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함유량은 40 ∼ 70 중량%가 바람직하다.

일반적으로 에틸렌 프로필렌 공중합체는 에틸렌 함량이 증가할수록 충격강도가 증대하고, 굴곡 및 인장강도가 저하하며, 치수안정성이 증대하나, 제품의 후변형성이 다소 증가하는 문제점이 있다.

본 발명의 조성물에서 만일, 상기 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지의 함유량이 40 중량% 미만이면 치수안정성 및 후변형이 발생하는 문제점이 있으며, 70 중량%을 초과하면 충격강도와 굴곡, 인장 강도가 작아지는 등 기계적 물성에 문제점이 있어 바람직하지 못하다.

본 발명에서 사용할 수 있는 열가소성 탄성체는 프로필렌 또는 에틸렌을 주기재로 사용하여 흐름성이 양호하면서도 폴리프로필렌 수지와 상용성이 우수하며, 분산상과 기재간의 접촉면 친화도(interface)가 적정 친화력 이상이면서도 마이크로 변역(micro domain)이 5 ㎛ 이하인 탄성체를 사용한다.

사용될 수 있는 열가소성 탄성체 고무는 에틸렌-프로필렌 고무 (EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM) 및 에틸렌-옥텐 고무(EOR) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 이중에서도 EPR 및 EPDM는 에틸렌 함량이 70 ∼ 80 % 이며, EOR는 옥텐 함량이 23 ∼ 27 %인 것을 사용하는 것이 저온내충격성을 우수하게 하는데 바람직하며, 그 함유량은 5 ∼ 10 중량%가 바람직하다. 만일, 함유량이 5 중량% 미만이면 저온 내충격성이 좋지 못하고, 고무함량이 증대될수록 후변형성 감소, 내충격성 향상, 치수안정성 향상 등의 효과가 기대되는 반면에 성형 싸이클 시간이 다소 길어질 수 있고, 표면 스크래치 특성의 저하, 인장.굴곡 강도 저하 등의 부정적인 효과 등이 발생될 수 있다. 따라서 함유량이 10 중량% 보다 과량이면 유동성이 떨어지고 고무의 분산성 및 입자조절이 불량해지는 문제점이 발생하여 바람직하지 못하다.

그리고, 무기 충전제로는 유리 섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 최종성형품 내의 평균 입자 길이가 4 ∼ 6 mm, 평균직경이 15 ∼ 20 ㎛ 인 장유리 섬유가, 30 ∼ 50 중량% 함유되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 유리 섬유의 평균 길이는 펠렛 상태에서 10 ∼ 15 mm 길이로 보강되고, 수지 조성물의 사출 성형 후 최종 성형품 내의 유리 섬유의 평균길이는 4 ∼ 6 mm 정도로써 통상적인 단섬유 강화 복합재 대비 10 ∼ 20 배 정도 긴 길이로 보강되며, 기존의 장섬유 강화 복합재로 일컬어지던 1 mm이내의 유리 강화 섬유와도 구별되어 길이가 훨씬 더 긴 것으로서, 일반적으로 제품 두께 이상의 길이를 지니고 있다.

일반적으로 수지 조성물에 무기 충전제가 포함이 되면 무기 충전제 입자의 끝단부가 크랙발생의 원인으로 작용하여 저온 충격성이 저하되는 현상이 있으나, 본 발명에서와 같이 무기 충전제의 길이가 긴 장유리 섬유가 함침될 경우에는 오히려 저온 충격성이 향상됨으로 저온 내충격성 향상을 기대할 수 있다.

장유리 섬유가 저온충격성을 향상 시킬 수 있는 이론적 배경은 다음과 같다. 저온충격성에 영향을 주는 것은 그물구조(Network Structrure)로써, 그물구조는 유리 섬유 길이 및 함량의 관계에 의해 다음 수학식 1에 따라 형성된다.

N = A c l/d

이때, N은 한 개의 섬유가 다른 섬유와 접촉할 수 있는 섬유 갯수, A는 0과 1사이의 상수, c는 유리섬유 부피 함량, l은 유리섬유 길이, d는 유리섬유 직경이다.

따라서, N이 2 이상이면 다른 섬유와 접촉할 수 있기 때문에 그물구조를 형성시킬 수 있다. 한편 유리섬유가 무배향 구조로 될 때, A 값이 0.81이고, 장유리 섬유의 경우 일반적인 성형조건에서 A값은 0.5 ~ 0.7 정도 나타내게 되어 무배향에 가까운 구조체를 얻기가 쉽다. 즉, N값이 2 이상의 그물구조를 얻기 위해서는 유리섬유의 아스펙스 비(aspect ratio) 인 l/d가 충분히 크거나 유리섬유 함량이 획기적으로 증가되어야 한다.

단섬유 복합재의 경우 유리섬유가 짧아서 이와 같이 그물구조를 형성하기 어려울 뿐만 아니라, 실제 성형품에 충격이 가해졌을 때, 그 충격에너지는 주로 탄성율이 높은 유리섬유를 통해서 전달되게 되는데 유리 섬유의 말단이 많게 되면 이들 부분이 모두 크랙의 시작점과 같은 결점으로 작용되어 충격에너지 전달을 효율적으로 차단하지 못하게 된다. 특히 상기와 같은 경우는 오히려 충격에너지 전달을 가속시키게 되며, 더욱 더 문제되는 것은 유리섬유와 같이 강도가 우수한 비등방체가 강화되는 경우 이들로부터 강화효과를 얻게 되려면 최소 길이(임계파단길이:Critical fracture length)가 존재하게 된다.

상기와 같은 폴리프로필렌과 유리 섬유 계면의 경우에는 통상적으로 유리섬유 길이 0.4 mm 미만인 임계파단길이가 얻어지게 되는데 이러한 임계파단길이가 길면 길수록 강화효과는 커지게 된다. 따라서 장유리 섬유와 같이 사출성형 후 얻어지는 최종 성형품 내에 강화되는 유리 섬유의 길이가 임계 파단 길이 가 0.4 mm 보다 긴 길이로 존재하게 되는 경우에는 획기적으로 충격강도가 증대된다.

최종 성형품 내의 유리 섬유의 길이가 상기 범위를 벗어나면 유동성 저하에따른 사출성형성이 저하되는 문제점이 있다.

일반적으로 유리 섬유 제품은 인체의 폐에 흡입될 경우 배출될 수 없기 때문에 직경이 가늘수록 환경 규제를 받으며, 그 직경 규제치는 3 ∼ 5 ㎛ 이내이다. 따라서 일반적으로 단섬유 복합재에는 직경이 10 ㎛ 정도인 유리 섬유가 주로 사용되어져 왔다.

반면, 본 발명에서 사용된 유리 섬유는 직경이 15 ∼ 20 ㎛ 로써 그 직경의 측면에서 볼 때 종래에 사용되던 유리 섬유보다 직경이 크므로 더욱 환경 친화적이라 할 수 있다. 즉, 사용되는 유리 섬유의 길이가 상기 범위 미만이면, 인체에 흡입될 경우 배출되지 않는 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하면 제품의 물성이 저하하는 문제점이 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 수지조성물은 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지로서 여기에 적당량의 열가소성 탄성체 고무와 장유리 섬유를 컴파운딩 함으로써, 장유리 섬유에 의해 저온 충격성의 급격한 향상을 기대할 수 있고, 기타 다른 물성도 우수한 수지조성물을 얻을 수가 있게 되는 것이다.

이러한 본 발명에 따른 수지조성물은 통상적인 방법으로 사출 성형물의 제조에 적용할 수 있는바, 특히 저온충격특성이 우수하고 유동성이나 성형성도 우수하여 자동차용 범퍼 커버의 제조에 효과적으로 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 3

용융지수 10 g/10 분, 에틸렌 함량 12 %인 폴리프로필렌 수지 70, 60, 50 중량%, 유리강화 장섬유를 각각 30, 40, 50 중량%를 함유하는 수지 조성물을 헨젤믹서로 3분간 혼합한 후 2축 압출기로 230 ∼ 250 ℃인 조건에서 가공하여 사출 성형하여 길이가 5 mm 인 장유리 섬유가 함침된 시편을 제조하였다.

제조한 시편을 다음과 같은 시험방법에 의거하여 물성측정을 하였고, 그 결과를 나타내었다.

비교예 1 ∼ 3

유리섬유는 길이가 1mm 이하인 단유리 섬유가 함침된 기존 자동차 범퍼에 적용되고 있는 폴리프로필렌수지를 사용하되 실시예와 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.

실험예

<인장강도 및 신율>

인장강도 및 신율은 ASTM D638법으로 측정하였으며, 인장강도는 항복점에서의 값이고 신율은 파단 시의 값이며, 시험속도는 50 mm/분이다.

<굴곡강도 및 굴곡탄성율>

굴곡강도 및 굴곡탄성율은 ASTM D790법으로 측정하였으며, 시편규격은 127 × 6.4 mm, 시험속도는 10 mm/분이다.

<아이조드충격강도>

아이조드충격강도는 ASTM D256법으로 측정하였으며, 시편의 규격은 63.5 ×12.7 × 3 mm이다.

<열변형온도>

열변형온도는 ASTM D648법으로 측정하였으며, 하중은 4.6 kgf이다.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 수지 조성물로 제조된 시편의 경우 인장강도는 비교예에 비하여 5.6 ∼ 9.5 배 높으며, 굴곡강도는 6.0 ∼ 9.6 배 높으며, 굴곡탄성율은 3.6 ∼ 6.0 배 높은 것으로 나타나 강도가 월등히 우수한 것으로 나타났다.

또한, 기존에 자동차 범퍼용으로 사용되고 있는 수지로써 단유리 섬유를 보강한 수지로 제조된 시편인 비교예의 경우는 아이조드강도가 상대적으로 상온에서는 높으나, - 30 ℃의 저온에서 측정한 경우는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 수지 조성물 제조된 시편이 1.9 ∼ 3.6 배 우수한 것으로 나타나 특히 저온에서의 내 충격성이 월등하게 우수함을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 저온에서의 내충격성이 우수한 수지조성물을 제조하는데 있어서, 종래와는 달리 유동성이 우수한 특정의 고충격 고강성 에틸렌 폴리프로필렌 공중합체 수지를 이용하고 저온 내충격성의 급격한 향상을 위해 장유리 섬유를 함침하여, 특히 자동차 범퍼 커버와 같은 사출성형품의 재료로 사용하는 경우 저온 내충격성 등의 물성이 향상된 제품을 제조할 수 있다.

즉, 기존의 수지 조성물은 상온과 저온의 충격강도의 차이가 현저하게 발생하는바 제품으로 적용시 저온에서 제품이 쉽게 파손되는 문제가 있어 왔으나, 본 발명에 따른 장유리 섬유를 함유하는 수지 조성물을 이용하여 자동차 범퍼를 제작할 시 인장강도, 굴곡강도, 저온아이조드강도 등 내충격성이 크게 개선되어 겨울철에 외부충격이나 추돌에 의해 쉽게 파손되는 것을 막을 수 있으며, 안정성이 향상되는 효과가 있다.

Claims

에틸렌 프로필렌 공중합체 수지를 주재로 하는 수지조성물에 있어서, 에틸렌 함량이 8 ~ 20% 이며 용융지수가 10 ∼ 30 g/10 분(230℃, 2.16kgf)인 에틸렌 프로필렌 공중합체 수지가 40 ∼ 70 중량%, 에틸렌-프로필렌 고무 (EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM) 및 에틸렌-옥텐 고무(EOR) 중에서 선택된 하나 또는 둥 이상의 혼합물로 이루어진 열가소정 탄성체 고무가 5 ∼ 10 중량%, 무기충전제로서 평균 입자 길이 4 ∼ 6 mm이고 직경 15 ~ 20㎛ 인 장유리 섬유가 30 ∼ 50 중량% 함유된 것을 특징으로 하는 자동차 범퍼용 수지 조성물.