KR20030097294A

KR20030097294A - 열경화성 수지조성물의 성형방법

Info

Publication number: KR20030097294A
Application number: KR1020020034603A
Authority: KR
Inventors: 최치훈; 박상선
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-12-31

Abstract

본 발명은 열경화성 수지조성물의 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 사용하여 열경화성 플라스틱 수지를 성형함에 있어서, 원료 수지인 불포화 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지 조성물에 유리섬유와 탄소섬유를 특정한 범위의 중량비로 혼합한 보강제를 사용함으로서, 성형품의 경량화 및 강성 확보에 대한 요구를 동시에 만족시켜 줄 수 있는 새로운 열경화성 수지조성물의 성형방법에 관한 것이다.

Description

열경화성 수지조성물의 성형방법{A molding method for thermosetting resin composition}

최근 차량의 경량화에 대한 요구가 증가함에 따라 플라스틱 판넬을 차량용 외판 재료로 사용하려는 추세가 확대되고 있다. 그러나, 차량용 판넬 등의 강판을 플라스틱 판넬로 대체 할 경우, 강판과 동등한 수준의 강성을 확보하기 위해서는 플라스틱 성형품의 두께를 증가시켜야 한다. 일반적으로 승용차에 사용되는 강판의 경우, 0.6 ∼ 0.8mm 두께의 강판 제품이 사용되고 있으나, 플라스틱 판넬의 경우에는 2.5 ∼ 3.5mm 정도의 두께가 필요하다. 플라스틱 판넬 제품을경량화 시키기 위한 방법으로는 수지 재료의 비중을 낮추거나 아니면 재료의 강성을 높여 제품의 두께를 얇게 하는 방법이 있다.

한편, 차체의 경량화에 크게 기여할 수 있는 대표적인 부품으로는 외판을 예로 들 수 있겠는데, 외관이 특히 중요한 승용차의 경우, 주로 SMC 공법을 사용하여 차체 외판을 제조하고 있으나, 외관이 별로 중요하지 않는 부위의 차체 판넬 제작에는 RTM 공법이 많이 사용되고 있다. RTM 공법은 특성상 저온 저압에서도 성형이 가능하고, 금형 투자비가 저렴하여 생산대수가 적은 소량 생산 차종에 특히 적합한 공법으로 볼 수 있다. RTM 공법에 사용되는 수지 조성물은 기본적으로 성형품의 강성을 향상시키기 위하여 유리섬유를 보강제로 사용하는데, 다른 공법과 차이가 나는 점은 먼저 유리섬유로 제품 형상과 동일한 프리폼(Preform)을 제조한 후, 이를 보강제로 사용한다는 점이다. 물론 프리폼 제조에는 스크린(Screen)형과 같은 별도의 금형이 필요하다. 프리폼을 이용하면 제품의 부위별로 균일한 물성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.

이처럼 종래에는RTM 공법에서 판넬의 강성을 확보하기 위하여 매트(Mat) 또는 직조 로빙(Woven Roving) 등 다양한 형태의 유리섬유를 보강제로 사용하거나 탄산칼슘 등의 충진제를 사용해 왔는데, 이때 유리섬유나 충진제의 함량을 높이게 되면 성형품의 강성은 향상시킬 수 있으나, 비중이 올라가기 때문에 성형품에 대한 경량화 효과를 기대하기는 어려운 실정이어서 새로운 성형방법의 개발이 요구되어 왔다.

이에, 본 발명자들은 RTM공법을 이용하여 불포화 폴리에스테르 수지나 비닐 에스테르 수지를 성형 할 때 보강제로서 유리섬유와 탄소섬유 특정 중량비로 혼합하여 사용할 경우 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 성형품의 비중은 일정 수준으로 유지하면서 강성은 크게 증가 시킬 수 있는 열 경화성 수지의 새로운 성형방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 RTM공법을 이용하여 불포화 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지 조성물을 성형함에 있어서, 유리섬유와 탄소섬유가 1 : 0.3 ∼ 1.5 중량비로 혼합된 보강제를 원료수지에 대하여 20 ∼ 50 중량% 사용하는 열경화성 수지조성물의 성형방법을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 불포화 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지에 대하여 추가적으로 0.01 ∼ 20 중량%의 충진제를 첨가 할 수도 있다.

일반적으로 RTM성형공법은 다음과 같은 공정으로 이루어진다.

우선, 유리섬유 등의 보강제가 성형품의 표면으로 노출되지 않도록 하기 위하여 하부금형에 겔 코팅 작업을 수행하고, 프리폼(Preform) 형태나 연속상 매트(Continuous Strand Mat) 형태의 유리섬유를 배열한 후, 상부금형을 닫고 원료주입구를 통하여 원료 수지를 넣어 금형에 완전히 주입되도록 한다. 일정시간이 경과하면 수지가 경화되어 성형품의 형상을 갖게 되면 탈형 후, 트리밍(trimming)하면 성형품을 얻게 된다. 그러나 성형품이 완전히 경화된 상태가 아니므로 외부 하중이 가해지지 않는 조건으로 잘 보관하면 상온에서도 후경화가 서서히 진행되어 완전한 제품이 얻어 진다.

상기와 같은 RTM성형공법에 있어서, 본 발명은 원료수지인 불포화 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지 성분에 대하여 20 ∼ 50 중량%의 유리섬유와 탄소섬유를 보강제로 사용하되 1 : 0.3 ∼ 1.5 의 비율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용된 원료수지로는 불포화 폴리에스테르 수지( Unsaturated polyester resin ) 또는 비닐 에스테르( Vinyl ester)계 수지를 사용할 수 있는데, 가격이나 성형성 측면에서는 불포화 폴리에스테르 수지가 유리하고, 내열성이나 강성 측면에서는 비닐 에스테르가 유리하다.

성형품의 경량화 효과를 높이면서 동시에 강성을 향상시키기 위하여 사용하는 섬유보강제로는 유리섬유 및 탄소섬유를1 : 0.3 ∼ 1.5의 비율로 혼합하여 사용 한다. 이때, 섬유보강제의 함량은 원료수지에 대하여 20 ∼ 50 중량%, 더욱 좋게는 30 ∼ 40 중량%가 되도록 한다. 섬유보강제 함량이 20 중량% 미만이면 성형품의 기계적 물성이 상대적으로 낮아 자동차 부품으로의 적용이 어렵고, 물성을 향상시키기 위하여 보강제의 함량이 50 중량%를 초과하면 사출성형 시, 수지의 주입이 곤란하여 성형성에 문제가 발생할 수도 있다.

일반적으로 RTM 성형방법으로 얻어진 열경화성 복합재료의 기계적 물성은 섬유보강제 사이에 원료수지가 잘 침투되어 함침이 충분히 잘 되어야 우수한 물성을 얻게 되는데, 섬유보강제의 함량이 너무 높아지면 원료수지의 흐름성이 제약을 받게 되어 부분적으로 미성형이 발생할 수도 있고, 보강효과가 충분히 나타나지 않게 될 수도 있다.

보강제는 수지를 주입하기 전에 금형 내에 원하는 형상으로 배열 또는 배치를 해주게 되는데, 성형품 전체 면적 내에서의 균일한 물성 발현을 위해서 제품 형상과 동일한 형태의 프리폼을 만들어 사용하거나 또는 일반적으로 많이 사용되는 연속상 매트, 보강효과가 우수한 직조 로빙이나 얀(yarn)형태의 섬유 형태로 사용할 수도 있다. 본 발명에서는 성형품의 품질 및 기계적 물성에 따라 이들 형태를 각각, 또는 서로 조합하여 사용한다.

한편, 본 발명에서는 원료수지에 대하여 입자 크기가 균일한 무기 충전제를 첨가 할 수도 있는데, 이들 무기 충전제는 성형품의 기계적 물성을 향상시키는데 기여할 뿐만 아니라, 제품의 표면 및 외관 향상에도 기여할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 무기충전제로는 탄산칼슘(CaCO₃), 마이카, 활석(Talc) 등이 있는데, 이들 무기 충전제의 함량이 증가하면 수지의 점도가 올라가서 성형성이 나빠지기 때문에 원료수지에 대하여 0.01 ∼ 20 중량%가 되도록 하는 것이 좋다. 이때, 20 중량%를 초과하여 사용하면 성형성에 문제가 있을 수 있고, 기계적 물성의 향상 정도에 비하여 수지조성물의 비중이 높아지므로 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 열경화성 수지조성물의 성형방법은 차량의 후드 판넬, 도어 판넬, 루프 판넬 등은 물론, 인스트루먼트 판넬, 리어 스포일러( Spoiler ), 범퍼 빔 등과 같은 내, 외장 부품의 성형에도 사용할 수 있다.

이하, 본 발명에 대한 실시예 및 비교예를 들어보면 다음과 같다.

비교예 1

평판 형태의 시편 금형을 제작한 후, 먼저 하부금형에 겔 코팅하고 약 50 ℃의 오븐에서 약 20분간 건조시켰다. 오븐에서 시편 금형을 꺼내어 프리폼 형태 및 매트형태의 유리섬유를 적층하고 상금형을 닫은 후 원료 수지를 주입하여 상온에서 2시간 경화시켰으며, 최종 성형물의 두께는 3.0 mm 이었다. 이때, 겔 코팅용 수지로는 불포화 폴리에스테르 수지(수지 A: GC 230, 애경산업)를 사용하였고, 기재인 원료수지로는 이소계 불포화 폴리에스테르 수지(수지 B: R459, 세원화성)를 사용하였으며, 그리고 프리폼 형태의 유리섬유 보강제(유리섬유 A)로는 한국 오웬스 코닝의 RS240을 사용하였고, 매트 형태의 유리섬유 보강제(유리섬유 B)로는 일본 아사히 그라스의 M300을 사용하였다. 각 성분의 사용량은 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 2

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 원료수지로서 내열성이 우수한 비스페놀계 비닐 에스테르 수지 R235(세원화성)를 사용하였다.

실시예 1, 2

비교예 1과 동일한 금형에서 동일한 방법으로 실시하되, 보강제로서 유리섬유를 단독으로 사용하지 않고 비중이 낮은 탄소섬유를 병행하여 사용하였다. 보강효과가 우수한 얀 형태의 탄소섬유(Yarn 형태, CF3227, 한국 파이버)를 사용하여 성형하였다. 각 성분의 사용량은 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 3, 4

실시예 1,2 와 동일한 금형에서 동일한 방법으로 실시하되, 섬유형태의 보강제와 더불어 무기충전제로서 탄산 칼슘을 일부 원료수지에 미리 혼합한 후 성형하였다.

실시예 5, 6

실시예 1, 2와 동일한 방법으로 실시하되, 내열성이 우수한 비스페놀계 비닐 에스테르 수지 R235 (세원화성)를 원료수지로 사용하였다.

실시예 7, 8

실시예 5, 6과 동일한 방법으로 실시하되, 원료수지에 무기충전제를 혼합하여 성형하였다.

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 성형품에 대하여 물성을 측정하고, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

< 시험방법 >

1) 비중 : ASTM 792

2) 굴곡탄성율( GPa ) 및 굴곡강도( MPa ) : ASTM 790, W=25mm×L=75mm, Cross-head Speed=1.3mm/min

3) 인장탄성율( GPa ) 및 인장강도( MPa ) : ASTM 638, Type I ,

Cross-head Speed=5mm/min

상기 표2의 결과에 따르면, 비교예 1, 2와 비교하여 실시예 1, 2 및 5, 6수지조성물의 비중은 1.6로 동일한데 기계적 물성은 약 15 ~ 50% 정도 증가함을 볼 수 있다. 또한, 무기충전제 함량이 5 ~ 10중량부 포함된 실시예 3, 4 및 7, 8의 경우에는 비중은 1.7 수준을 유지하고 있으나 기계적 물성이 다소 향상됨을 볼 수 있다.

본 발명에 따른 열경화성 수지조성물의 성형방법은 일반적으로 사용되는 유리섬유 대신에 보강효과가 우수하고 상대적으로 비중이 낮은 탄소섬유를 동시에 사용함으로써 강판에 비교하여 약 25 ∼ 40% 정도의 경량화 효과를 얻을수 있다. 따라서 차체 외판 뿐만이 아니라 내, 외장 부품의 제조에까지 적용이 가능하리라 기대된다.

Claims

RTM공법을 이용하여 불포화 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지 조성물을 성형함에 있어서, 유리섬유와 탄소섬유가 1 : 0.3 ~ 1.5중량비로 혼합된 보강제를 원료수지에 대하여 20 ~ 50 중량% 사용하는 것임을 특징으로 하는 열경화성 수지조성물의 성형방법.
제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유와 유리섬유로 이루어진 보강제는 프리폼(Preform)형태, 연속상 매트(Continuous Mat)형태, 직조 로빙(Woven Roving)형태 또는 얀(Yarn)형태 중 어느 하나 또는 둘 이상의 형태를 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지조성물의 성형방법.
제 1항에 있어서, 충전제로서 탄산칼슘(CaCO₃), 마이카 및 활석(Talc) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 원료수지에 대하여 0.01 ∼ 20 중량% 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지조성물의 성형방법.