KR20030088691A - 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법 - Google Patents

유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 자동차의 차체 외판용 열경화성 수지 조성물을 종래 핸드 레이업(Hand Lay-Up) 제조공정을 통해 성형하였으나, 균일한 품질의 미확보와 변색의 문제가 있어 이를 배제하고, 대신에 저압 성형 SMC 제조공정을 이용하는 한편, 강도(strength)문제를 개선하기 위해 직조된 유리섬유 보강재를 적용하여 성형함으로써, 성형품의 강성 및 강도를 동시에 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 내열성, 내수성 및 치수 안정성을 더욱 개선시킬 수 있는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법{A method for manufacturing glass fiber reinforced thermosetting composite}
본 발명은 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 차체 외판용 열경화성 수지 조성물을 종래 핸드 레이업(Hand Lay-Up) 제조공정을 통해 성형하였으나, 균일한 품질의 미확보와 변색의 문제가 있어 이를 배제하고, 대신에 저압 성형 SMC 제조공정을 이용하는 한편, 강도(strength)문제를 개선하기 위해 직조된 유리섬유 보강재를 적용하여 성형함으로써, 성형품의 강성 및 강도를 동시에 향상시킬 수 있으며, 내열성, 내수성 및 치수 안정성을 더욱 개선시킬 수 있는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 핸드 레이업(Hand Lay-Up) 제조공정으로 제작되고 있는 자동차용 차체 외판은 젤 코팅(Gel-Coating)된 유리섬유 보강 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic)으로서, 공법 및 재료의 특성상 균일한 품질을 확보하기가 어렵고, 변색의 문제가 발생함은 물론, 강성(modulus)이 부족하다.
따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위한 시트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound; SMC) 제조공정을 적용하는바, 상기 SMC 제조공정에 사용되는 SMC 재료의 경우, 보통 25.4mm 길이의 절단된 유리섬유가 보강재로 사용된다.
그런데, 에어컨디셔너와 같이 제품 크기가 큰 대물 부품의 경우, 주어진 형상에서 구조 강도, 강성 및 치수 안정성을 확보하기 위해 SMC 재료 자체의 기계적 물성 향상이 필요하다. 단순히, 물성 향상을 위해서라면 유리섬유 함량을 높이면 되나, 외관 품질이 나빠지므로 보통 자동차용 SMC의 유리섬유 함량은 25~30 중량% 범위에서 조절된다.
한편, 동일한 유리섬유 함량에서는 유리섬유의 직경, 형태나 분산 상태등에 영향을 받게 되는데, 핸드 레이업 공법에서만 사용되는 직조된 유리섬유를 보강할 수만 있다면 보강 효과를 증대시킬 수 있다.
그러나, 일반 SMC 제조공정의 경우, 배합공정에서 직조된 유리섬유를 투입하는 것은 불가능하고, 성형공정 중에 투입하더라도 수지의 흐름에 방해가 되고, 합침이 충분히 되지 않아 보강 효과가 발휘되기 어려우며, 오히려, 직조된 유리섬유와 수지간의 계면 접착력이 부족하여 복합 재료의 결함으로 작용할 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 일반적인 자동차의 차체 외판용 열경화성 수지 조성물을 성형 압력이 1/3~1/5 정도로 낮은 저압 성형 SMC 제조공정을 통해 성형하면서 강도(strength) 문제를 개선하기 위해 직조된 유리섬유 보강재를 적용함으로써, 성형품의 강성(modulus) 및 강도를 동시에 향상시킬 수 있으며, 특히 에어컨디셔너 케이스의 경우, 내열성, 내수성 및 치수 안정성을 더욱 개선시킬 수 있는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 SMC 제조공정을 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : SMC 시이트(sheet) 11 : 직조된 유리섬유
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 불포화 폴리에스테르계 기재로 하는 열경화성 복합재료 수지 조성물을 제조함에 있어서,
직조된 유리섬유(11)의 보강재 1~15 중량%를 혼합한 후, 성형 압력이 1/3~1/5 정도로 낮은 조건에서 저압 성형 시이트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound: SMC) 공법으로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 불포화 폴리에스테르 계통의 수지를 기재(matrix)로 사용하고 보강재 및 충전재(filler)를 주성분으로 하는 시이트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound: SMC) 공법으로 제조할 수 있는 열경화성 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 보강재인 직조된 유리섬유(11)는 매트(Surface Mat), 얀(Yarn), 로빙(Woven Roving) 중에서 선택된 한 겹(Layer) 또는 여러 겹의 유리섬유를 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 직조된 유리섬유(11)는 SMC 시이트(10) 사이에 샌드위치 구조로 프레스 성형하거나, 위 또는 아래에 놓고 프레스 성형하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
일반적인 시이트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound: SMC)의 제조공정은 예컨대 상/하 금형에 원단을 넣고, 약 145±5℃에서 3~4분 동안 약 70~120kgf/cm2의 압력을 가하여 성형하게 되는데, 직조된 유리섬유(11)가 존재하면 유동성이 나빠져 미성형이 되거나 균일한 물성의 제품을 얻기가 어렵게 된다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 일반적인 SMC 제조공정 대비, 성형 압력이 1/3~1/5 정도로 낮은 조건에서 저압 성형 SMC 제조공정을 이용하여 차체 외판 부품을 제조하고자 한다.
본 발명에 따른 직조된 유리섬유(11)를 사용하여 성형하는 SMC 제조공정의 개략도는 도 1에 도시된 바와 같다.
직조된 유리섬유(11)를 SMC 시이트(sheet)(10) 아래에 두고 프레스 성형하는 A유형 또는 SMC 시이트(10) 사이에 삽입시킨 샌드위치 구조로 프레스 성형하는 B유형으로 나눌 수 있는바, 이 두가지 방법은 기계적 강도 및 치수 안정성이 우수하고, 일반 SMC 제조공정과 동일한 표면 외관 품질을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 성형품의 상세한 제조 공정은 다음과 같다.
상기 A유형의 경우, 두가지 방법으로 차체 외판 성형품을 제조할 수 있는바, 우선 추가로 보강하고자 직조된 유리섬유(11)를 하금형(21) 위에 배치한 후, 그 위에 SMC 시이트(sheet)(10)를 일정 크기 및 두께로 재단(裁斷)하여 배치(Charge)하는 방법과 직조된 유리섬유(11) 위에 SMC 시이트(10)를 일정 크기로 적층한 후, 하금형(21)에 투입하여 상금형(20)으로 프레스 성형하는 방법이다.
만약, 국부적으로 보강이 더 필요하다면 그 부위에 직조된 유리섬유(11)를 적정 크기로 한겹 또는 여러겹 더해 줄 수도 있다.
상기 B유형의 경우, 상기 SMC 시이트(10)를 일정 크기로 재단(裁斷)하고, 그 위에 직조된 유리섬유(11)를 올려놓고, 다시 그 위에 SMC 시이트(10)를 올려 샌드위치 구조로 프레스 성형하는 방법이다.
상기 A유형 및 B유형을 조합함으로써, 차체 외판 성형품의 기계적 물성을 더욱 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 첨가제로 작업성을 용이하게 하기 위해 점도를 증가시켜 주는 작용을 하는 증점제로 결정성 폴리에스테르를 사용한다.
상기와 같은 증점제는 배합 시, 결정성 폴리에스테르의 분자 구조내에 존재하는 결정 고체영역이 물리적 가교점(Physical Crosslinking Point)역할을 하여 짧은 시간내에 증점이 이루어지며, 100℃ 이상의 온도만 되면 결정 영역에서의용융(melting)이 발생하므로 SMC의 일반적인 성형 조건인 130~160℃ 온도 영역에서는 점도가 낮아져 유동성이 대폭 개선된다는 장점을 가지고 있다.
본 발명에서는 성형물의 기계적 물성을 향상시키면서 표면 평활도를 유지하기 위해 SMC의 조성을 재료 배합공정 및 성형공정에서 조절하게 된다.
즉, SMC 성형공정 시, 별도의 직조된 유리섬유(11)를 SMC 시이트(10) 위 또는 아래에 놓거나, 샌드위치 구조로 성형하여 표면 외관 및 기계적 물성을 만족하는 수지 조성물을 제공한다.
SMC 배합공정 시, 보강재로 사용되는 유리섬유(비중 2.5) 및 무기 충전재로 사용되는 CaCO3(비중 2.7)함량을 적절히 조절하여 성형물의 비중은 1.75~2.10 범위에서 조절한다.
따라서, 본 발명의 결과로부터 얻은 저압 성형 SMC 공법용 재료의 경우, 강성 및 강도를 향상시킬 수 있고, 내열성, 내수성 및 치수 안정성을 더욱 개선시킬 수 있으며, 일반 SMC 제조 공정과 동일한 표면 외관 품질을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 본 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 예시이며, 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
실험실용 일반 SMC 배합기를 사용하여 약 100kg의 시이트(sheet) 상태의 시료를 제조하였다.
45℃에서 3일간 증점시킨 후, 원료수지의 유동성을 측정하였다.
아울러 500 톤(ton) 압력을 이용하여 두께 2.5mm 평판 형태의 성형품을 얻었다.
불포화 폴리에스테르 수지로 OS-108(애경화학)을 사용하였으며, 보강재로서 유리섬유(RS4800-433, Owens-Corning)를 25.4mm 길이로 잘라 사용하였고, 무기 충전재로서 CaCO3(Omyacarb 1T, Omya社)를 사용하였다. 구성성분 및 배합비를 표 1에 나타내었으며, 시험편의 물성은 표 2에 나타내었다.
비교예 2
평판 형태의 시편 성형 몰드를 제작한 후, 아래와 같은 원재료를 사용하여 젤 코팅(Gel Coating)한 후, 비스페놀계 비닐에스테르 수지 및 유리섬유를 사용하여 일정 두께로 적층하여 성형하였다.
사용한 보강재의 적층수는 총 3겹이었으며, 최종 성형물의 두께는 2.4mm이었다.
구체적으로는 젤 코팅용 수지로서 불포화 폴리에스테르 수지 GC 230(애경산업)를 매트릭스(Matrix)수지로서 불포화 폴리에스테르 수지 R235(일반 Grade, 세원화성), 그리고 보강재로서 유리섬유(로빙(Woven Roving) 형태, WR570, 한국 Owense-Corning)를 사용하였다.
성형품에서 채취한 시험편의 물성은 표 2에 나타내었다.
실시예 1, 2
비교예 1에서 얻어진 SMC 시이트를 사용하여 성형 공정 초기에 직조된 형태의 유리섬유(K 618, 한국 화이바)를 A유형 및 B유형으로 한 겹 보강시켜 성형하였다.
추가적인 유리섬유 보강 후의 성형품 조성 및 기계적 물성을 표 1 및 2에 나타내었다.
실시예 3
A유형 및 B유형을 조합하여 직조된 형태의 유리섬유(H612, 한국화이바)를 아래 및 중간 두겹으로 보강시켜 성형하였으며, 조성 및 물성을 표 1 및 표 2에 함께 나타내었다.
상기 표 2에 의한 실시예 1, 2, 3은 모든 물성 조건에서 비교예 1, 2 대비, 향상된 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 저압 성형 SMC 제조공정을 이용하여 직조된 유리섬유를 보강하여 자동차의 차체 외판에 적용함으로써, 기계적 강도 및 강성, 내열성 그리고, 치수 안정성이 향상되며, SMC 성형공정 시, 부품의 보강이 가능하므로 별도의 스틸 브라켓 등을 사용하는 후가공 삭제가 가능하며, 모듈화 설계 시, 제품비용의 10~20% 절감이 가능하며, 직조된 유리섬유의 사용으로 국부적인 보강이 가능하여 볼팅 등의 작업성이 향상되며, 강성 향상에 따른 제품 두께의 감소와 함께, 브라켓 삭제 효과에 따른 경량화 20~30% 절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 불포화 폴리에스테르계 기재로 하는 열경화성 복합재료 수지 조성물을 제조함에 있어서,
    직조된 유리섬유(11)의 보강재 1~15 중량%를 혼합한 후, 성형 압력이 1/3~1/5 정도로 낮은 조건에서 저압 성형 시이트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound: SMC) 공법으로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 직조된 유리섬유(11)는 매트(Surface Mat), 얀(Yarn), 로빙(Woven Roving) 중에서 선택되는 한 겹(Layer) 또는 여러 겹의 유리섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 직조된 유리섬유(11)는 SMC 시이트(10) 사이에 샌드위치 구조로 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 직조된 유리섬유(11)는 SMC 시이트(10)의 위 또는 아래에 놓고 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 보강 열경화성 복합재료의 제조방법.
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