KR20060064897A - 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성폴리우레탄 조성물 - Google Patents

자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성폴리우레탄 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 내장재로 사용되는 표피재의 성형을 위한 분체상 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 베이스로 하여 가소제와 블록화된 폴리이소시아네이트 및 뭉침방지제를 첨가한 컴파운딩 소재로 PSM(Powder slush mould) 공법에 적용되는 표피재 성형용의 분체상 조성물을 제공함으로서, 표피재의 소각처리시 환경오염 물질인 염소(Cl)계 화합물을 배출시키지 않고, 저온하에서의 물성 저하를 방지하여 조수석 에어백의 주류인 Invisible PAB Door의 실현을 위한 한계를 극복할 수 있으며, 표피재의 성형시 보다 넓은 성형온도 범위와 우수한 성형성을 부여하여 표피재의 제조를 용이하게 함과 동시에, 성형된 표피재의 표면 스크래치성을 향상시켜 표면처리제의 사용을 배제시킴으로서 작업환경의 개선과 환경오염의 방지를 이루어 낼 수 있고, 비극성에 따른 폼 재료와의 접착력 향상을 위하여 별도의 프라이머(Primer)를 사용하는 것과 같은 재료 측면의 한계를 극복할 수 있는 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물을 제공하기 위한 것이다.
자동차 내장재, 표피재, PVC 분체상 조성물, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머, 폴리우레탄 프리폴리머

Description

자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물{Powdery compound of thermoplastic polyurethane for forming skin material for interior parts of a car}
본 발명은 자동차 내장재로 사용되는 표피재의 성형을 위한 분체상 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 베이스로 하여 가소제와 블록화된 폴리이소시아네이트 및 뭉침방지제를 첨가한 컴파운딩 소재로 PSM(Powder slush mould) 공법에 적용되는 표피재 성형용의 분체상 조성물을 제공함으로서, 표피재의 소각처리시 환경오염 물질인 염소(Cl)계 화합물을 배출시키지 않고, 저온하에서의 물성 저하를 방지하여 조수석 에어백의 주류인 Invisible PAB Door의 실현을 위한 한계를 극복할 수 있으며, 표피재의 성형시 보다 넓은 성형온도 범위와 우수한 성형성을 부여하여 표피재의 제조를 용이하게 함과 동시에, 성형된 표피재의 표면 스크래치성을 향상시켜 표면처리제의 사용을 배제시킴으로서 작업환경의 개선과 환경오염의 방지를 이루어 낼 수 있고, 비극성에 따른 폼 재료와의 접착력 향상을 위하여 별도의 프라이머(Primer)를 사용하는 것과 같은 재료 측면의 한계를 극복할 수 있는 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물을 제공하기 위한 것이다.
일반적으로 인스트루먼트 패널(Instrument panel)이나 플로어 콘솔(Floor console) 또는 암레스트(Arm rest) 등과 같이 자동차용 내장재로 사용되는 각종 부품의 표면에는 차량의 실내에 고급스러운 이미지를 제공함과 동시에, 탑승자의 신체적인 접촉이 예상되는 부분에 부드러운 감촉을 부여함으로서 탑승자에게 보다 안락한 분위기를 제공할 수 있도록 각종 표피재, 일명 스킨(Skin) 소재가 적용되어 사용되고 있다.
상기와 같이 자동차용 내장재 부품에 적용되는 표피재는 진공성형공법을 위한 시트(Sheet)상의 소재와 PSM(Powder slush mould) 공법을 위한 분체상(粉體狀: Powder) 소재로 크게 대변될 수 있으며, PSM 공법의 경우 진공성형공법에 비하여 표피재의 성형이 다소 까다롭기는 하지만 진공성형공법에 비하여 보다 부드러운 감촉 및 선명한 엠보싱(Embossing)을 제공할 수 있으므로 중형차 이상의 고급차종에 사용되는 내장재 부품의 표피재에 적용되고 있다.
상기 진공성형공법에 사용되는 시트상 소재의 경우에는 염화비닐수지(PVC 수지: Polyvinyl chloride resin)에 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(일명, ABS 수지)를 블랜딩(Blending)한 것이 널리 적용되고 있으며, 최근에는 재활용이 용이하고 친환경적인 소재로서 프로필렌(Propylene)을 베이스로 한 열가소성 폴리올레핀(TPO; Thermoplastic polyolefin) 소재가 적용되기 시작하여 그 빈도가 확대되는 추세에 있다.
또한, 상기 PSM(Powder slush mould) 공법에 사용되는 분체상 소재의 경우는 폴리염화비닐(PVC)을 베이스로 하여 가소제 및 각종 첨가제가 컴파운드 된 폴리염화비닐 분말(PVC Powder)이 그 주류를 이루고 있으며, 일부에서는 프로필렌을 베이스로 하여 탄성을 가지는 열가소성 폴리올레핀(TPO)의 분체상 소재가 PSM 공법을 위한 소재로서 개발되고 있다.
그러나, PSM 공법을 위한 상기 PVC 분체상 소재의 경우는, PVC를 베이스로 하여 프탈레이트(Phthalates)계의 가소제를 사용함으로서 표피재의 재활용이 매우 어렵게 되고, 표피재 제품을 소각에 의하여 폐기 처분할 시 대기오염과 환경파괴의 주범이 되는 염소(Cl)계 화합물을 발생시킴으로서 그 사용이 점차적으로 규제되고 있을 뿐만 아니라, 저온조건하에서 그 물성이 저하되어 조수석 에어백의 주류인 Invisible PAB Door(전개선이 보이지 않은 조수석 에어백 도어)의 실현에 한계를 나타내는 것과 같은 많은 문제점을 노출시키는 것이었다.
한편, 상기 PVC 분체상 소재가 가지는 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 프로필렌을 베이스로 한 상기 열가소성 폴리올레핀(TPO) 분체상 소재의 경우는 PVC 분체상 소재에 비하여 표면 스크래치성이 저하되기 때문에 표피재의 성형 후 도장작업과 같은 별도의 표면처리 작업을 수행하여야 함으로서, 표피재의 생산성 및 작업환경이 저하될 뿐만 아니라 도장제에 의한 2차적인 환경오염을 유발시키는 문제점이 있었다.
또한, 상기 열가소성 폴리올레핀(TPO) 소재 자체가 비극성을 가짐에 따라 발포폼(Foam) 제품과의 접착력이 저하되기 때문에, 표피재와 폼재의 접착력을 향상시키기 위한 베이스 코팅제(Base cotting)로서 프라이머(Primer)를 사용하여야 하는 등 소재의 적용측면에서 많은 한계를 가지는 문제점이 있었고, 열가소성 폴리올레핀(TPO) 소재를 이용하여 PSM 공법으로 표피재를 성형할 경우, 높은 성형온도가 필요하며 그 성형에 따른 온도범위 또한 비교적 협소하게 되어 표피재의 제조가 까다롭게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 최근에 들어서는 자동차용 내장재 부품에 적용되는 표피재를 PSM 공법으로 제조할 수 있도록 함과 동시에, 해당 공법의 적용시 넓은 성형온도 범위를 가지면서도 고온성형이 불필요하여 우수한 성형성을 부여할 수 있고, 소각시 환경오염 물질을 배출하지 않을 뿐만 아니라, 우수한 내스크래치성 및 저온 물성을 가지는 신소재에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 표피재 성형을 위한 분체상 조성물은 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 베이스로 하여 가소제와 블록화된 폴리이소시아네이트 및 뭉침방지제를 첨가한 컴파운딩 소재로 PSM 공법을 위한 분체상 조성물을 제공할 수 있도록 함으로서, 표피재의 소각처리시 환경오염 물질인 염소(Cl)계 화합물을 배출시키지 않고, 저온하에서의 물성 저하를 방지하여 조수석 에어백의 주류인 Invisible PAB Door의 실현을 위한 한계를 극복할 수 있으며, 표피재의 성형시 보다 넓은 성형온도 범위와 우수한 성형성을 부여하여 표피재의 제조를 용이하게 함과 동시에, 성형된 표피재의 표면 스크래치성을 향상시켜 표면처리제의 사용을 배제시킴으로서 작업환경의 개선과 환경오염의 방지를 이루어 낼 수 있고, 비극성에 따른 폼 재료와의 접착력 향상을 위하여 별도의 프라이머를 사용하는 것과 같은 재료 측면의 한계를 극복할 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 자동차용 내장재에 사용되는 표피재의 소재로서 PSM(Powder slush mould) 공법에 적용되는 분체상(粉體狀) 조성물에 있어서, 상기 조성물은 그 평균분자량이 15,000 ~ 25,000이 되고 초기 용융온도가 140 ~ 160℃가 되며 유리전이온도(Tg: Glass transition temperature)가 -35℃ 이하인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer) 70 ~ 90wt%와, 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 연화시켜 성형된 표피재의 감촉을 향상시키기 위한 가소제(可塑劑: Plasticizer) 5 ~ 10wt%와, 성형된 표피재에 내열 및 내광성능을 보완하기 위한 첨가제로서 블록화된 폴리이소시아네이트(Blocked polyisocyanate) 3 ~ 10wt%와, 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머 보다 높은 180 ~ 230℃의 초기 용융온도를 가지며 그 평균 입경(粒徑)이 2 ~ 5㎛가 되는 열가소성 수지로서의 뭉침방지제(Blocking inhibitor) 2 ~ 10wt%가 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물은, 그 평균분자량이 15,000 ~ 25,000이 되고 초기 용융온도가 140 ~ 160℃가 되며 유리전이온도가 -35℃ 이하인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머 70 ~ 90wt%와, 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 연화시켜 성형된 표피재의 감촉을 향상시키기 위한 가소제 5 ~ 10wt%와, 성형된 표피재에 내열 및 내광성능을 보완하기 위한 첨가제로서 블록화된 폴리이소시아네이트 3 ~ 10wt%와, 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머 보다 높은 180 ~ 230℃의 초기 용융온도를 가지며 그 평균 입경(粒徑)이 2 ~ 5㎛가 되는 열가소성 수지로서의 뭉침방지제 2 ~ 10wt%가 혼합되어 이루어지게 된다.
본 발명에 의한 조성물에서 그 메인수지가 되는 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer)는 압출성형이나 사출성형 또는 카렌더(Calender) 성형 등이 가능한 가공성이 매우 우수한 소재로서, 종래의 표피재 성형에 사용되었던 PVC 분체상 소재와 마찬가지로 일정한 범위내의 입경(100 ~ 400㎛)을 가지는 분체상(粉體狀)으로 형성되며, 일반적으로는 그 수평균 분자량이 10,000 ~ 30,000의 범위내가 되지만, 본 발명에서 요구되어지는 것은 수평균 분자량이 15,000 ~ 25,000의 범위내에 해당하는 것이 된다.
상기와 같이 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머의 수평균 분자량을 15,000 ~ 25,000의 범위내로 한정하는 이유는, 수평균 분자량이 15,000 미만이 될 경우에는 분체상 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 메인수지로 하여 성형된 표피재 제품에서 요구하는 파괴강도나 인장강도 및 인열강도를 얻어낼 수 없게 되고, 수평균 분자량이 25,000을 초과하게 될 경우에는 수지의 유동성에 영향을 미치는 고온점성(Hot-melt viscosity)을 증가시켜 성형성(Moldability)이 저하될 뿐만 아니라 균일한 두께를 가지는 표피재 제품을 성형하기가 어렵기 때문이며, 이와 같은 수평균 분자량의 측정은 겔침투크로마토그래피(GPC: Gel permeation chromatography)에 의하여 이루어지게 된다.
또한, 본 발명에 적용되는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머는 녹는점 측정기(Melting point apparatus)에 의하여 측정되는 초기 용융온도가 140 ~ 160℃의 범위내인 것이 바람직한데, 이는 입자간의 뭉침(Blocking)이 발생하지 않고 우수한 슬러시(Slush) 유동성을 가지는 파우더(Powder)를 얻을 수 있도록 한 것으로서, 그 초기 용융온도가 140℃ 미만이 될 경우에는 수지 입자간의 뭉침성(Blocking)이 증가하고, 초기 용융온도가 160℃를 초과하게 될 경우에는 용융시의 점도가 증가하여 표피재의 성형성이 저하되는 결과를 초래한다.
또한, 본 발명에 적용되는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머는 DSC(Digital still camera)에 의하여 측정된 유리전이온도(TG :Glass transition temperature)가 -35℃ 이하인 것이 바람직한데, 유리전이온도가 -35℃보다 높을 경우에는 성형된 표피재 제품이 저온 조건하에서 그 특유의 부드러운 감촉(Soft touch)이 저하되기 때문이다.
상기와 같은 물성을 가지는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 전체 조성물의 무게비 100wt%를 기준으로 하여 70wt% 미만으로 혼합시키게 되면, 본 발명의 분체상 조성물을 사용하여 PSM 공법으로 표피재를 성형할 시 전체적인 용융점도가 감소하여 성형성이 저하될 뿐만 아니라 성형된 표피재의 부드러운 감촉 즉 Soft Touch성 또한 저하되며, 90wt%를 초과하여 혼합시킬 경우에는 파우더 입자간의 뭉침 현상이 증가하여 성형된 표피재의 일반 물성이 저하되므로, 메인수지인 열가소 성 폴리우레탄 엘라스토머의 혼합량은 70 ~ 90wt% 범위내가 바람직하다.
그리고, 상기와 같은 특성을 가지는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 메인수지로 하여 PSM 공법에 의한 표피재의 성형시 요구되는 특성 및 성형된 표피재에 요구되는 물성을 만족시키기 위한 컴파운딩용 첨가제 성분들에 대한 특성 및 그 조성비를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 가소제(可塑劑; Plasticizer)는 고분자 또는 합성수지에 유동성을 주어 성형하기 쉽도록 하거나 성형품에 유연성을 주기 위하여 사용되는 것으로서, 본 발명에서는 메인수지가 되는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 연화시켜 그 Soft Touch성을 향상시키기 위하여 첨가된다.
본 발명에 적용될 수 있는 가소제의 종류로는, 프탈산 에스테르(Phthalic acid ester)류, 지방족 이염기산 에스테르(Aliphatic dibasic acid ester)류, 트리멜리에이트 에스테르(Trimelliate ester)류, 지방족 인산 에스테르(Aliphatic phosphoric acid ester)류, 방향족 인산 에스테르(Aromatic phosphoric acid ester)류 중에서 선택할 수 있으며, 가장 대표적인 것으로는 Trimelliate ester류의 트리옥틸 트리멜리에이트(Trioctyl trimelliate; TOTM)가 있다.
또한, 상기 가소제의 첨가비율은 전체 조성물의 무게비를 100wt%로 할 경우 5 ~ 10wt%의 범위내로 첨가하는 것이 바람직한 데, 그 이유는 가소제가 5wt% 미만으로 첨가될 경우에는 표피재의 성형시 그 용융점도가 상승되어 미성형되는 부분이 발생하기 쉽고, 가소제가 10wt%를 초과하여 첨가될 경우에는 표피재의 성형후 시간의 경과에 따라 성형된 표피재의 표면으로 가소제 성분이 분출되는 문제가 발생하 기 때문이다.
그리고, 상기 블록화된 폴리이소시아네이트(Blocked polyisocyanate)는 각종 열 및 광안정제와 더불어 성형된 표피재 제품에 내열 및 내광성능과 경도를 보완하기 위한 첨가제로서, 이소시아네이트(Isocyanate)기(-NCO기) 자체가 활성수소기 화합물(活性水素基 化合物) 또는 물 등과 쉽게 반응하여 반응시의 안정성이 저하되므로, 각종 블록화제(blocked化劑)로 반응성이 풍부한 이소시아네이트기를 미리 반응시켜 안정한 상태로 조성시킨 다음, 표피재의 성형시 가열에 의하여 블록화제가 해리되도록 함으로서 원래의 이소시아네이트기를 재현시킬 수 있도록 한 것이다.
상기 블록화된 폴리이소시아네이트로는 디이소시아네이트(Diisocyanate)와 이소시아누레이트(Isocyanurate), 비우렛(Biuret), 카보디이미드(Carbodiimide)를 포함하는 이들의 변성 제품들 중에서 선정한 적어도 하나 이상의 폴리이소시아네이트(Polyisocyanate)가 되며, 가장 대표적인 예를 들자면 3 ~ 4가의 -NCO기를 가지는 "Isocyanurate-modified isoporon diisocyanate"와 "Isocyanate-modified hexamethylene"을 성형하고자 하는 표피재의 경도를 감안하여 블록화제(Blocking agent)인 메틸에틸케톡심(Methyl ethyl ketoxime)과 함께 적절한 비율로 혼합하여 블록화시킨 것을 들 수 있다.
또한, 상기 블록화된 폴리이소시아네이트의 첨가비율은 전체 조성물의 무게비를 100wt%로 할 경우 3 ~ 10wt%의 범위내로 첨가하는 것이 바람직한데, 그 이유는 블록화된 폴리이소시아네이트를 3wt% 미만으로 첨가하게 되면, 성형된 표피재 제품의 내열 및 내광 물성이 저하되고, 10wt%를 초과하여 첨가시키게 되면, 성형된 표피재 제품이 저온 조건하에서 부드러운 감촉(Soft touch성)이 저하되기 때문이다.
그리고, 상기 뭉침방지제(Blocking inhibitor)는 본 발명의 메인수지가 되는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머와 대비하여 그 초기 용융온도가 180 ~ 230℃로 비교적 높게 되는 열가소성 수지로서, PSM 공법에 의한 표피재의 성형시 메인수지의 열연화에 따른 입자간의 뭉침을 방지하는 역할을 하는 첨가제이다.
본 발명에 적용될 수 있는 뭉침방지제로는 180 ~ 230℃ 수준의 초기 용융온도를 가지며 그 평균입경이 2 ~ 5㎛가 되는 것으로서, 폴리이미드(Polyimide), 스티렌수지(Styrenic resin), 폴리아미드(Polyamide), 우레탄수지(Urethane resin), 아크릴수지(Acrylic resin), 에폭시수지(Epoxy resin), 올레핀수지(Olefin resin) 중에서 택일 또는 2가지 이상의 성분을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 적용되는 뭉침방지제의 초기 용융온도를 180 ~ 230℃의 범위내로 한정하는 이유는, 뭉침방지제의 초기 용융온도가 180℃ 미만이 될 경우에는 조성물의 보관 또는 표피재의 성형시에 입자간의 뭉침 현상이 발생하게 되고, 그 초기 용융온도가 230℃를 초과하게 되면, 표피재의 성형시 그 성형성이 저하되기 때문이다.
또한, 본 발명에 적용되는 뭉침방지제의 평균입경을 2 ~ 5㎛의 범위내로 한정하는 이유는, 뭉침방지제의 평균입경이 5㎛를 초과하게 될 경우에는 표피재의 성형시 조성물 입자간의 흐름성이 저하되어 표피재를 균일한 두께로 제조하기가 어렵게 되고, 뭉침방지제의 평균입경을 2㎛ 미만으로 하는 것은 뭉침방지제의 제조자체 가 까다로워지기 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 상기 뭉침방지제의 첨가비율은 전체 조성물의 무게비를 100wt%로 할 경우 2 ~ 10wt%의 범위내로 첨가하는 것이 바람직한데, 그 이유는 뭉침방지제를 2wt% 미만으로 첨가하게 되면, 파우더 입자간의 뭉침현상이 발생하여 그 흐름성이 저하되므로 균일한 두께를 가지는 표피재 제품의 성형이 어렵게 되고, 10wt%를 초과하여 첨가시킬 경우에는 파우더 입자간의 결합력이 약화되어 표피재 제품으로부터 요구하는 물성, 특히 요구하는 강도를 얻어내기가 어렵게 된다.
상기와 같이 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 메인수지로 하여 가소제와 블록화된 폴리이소시아네이트 및 뭉침방지제를 첨가하여 분체상으로 형성시킨 본 발명에 의한 조성물은, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 그 베이스로 함에 따라 종래의 열가소성 폴리올레핀(TPO) 소재에 비하여 PSM 공법에 의한 표피재의 성형시 그 성형이 가능한 온도범위가 비교적 넓게 될 뿐만 아니라 고온성형이 불필요하게 됨으로서, 금형온도 제어방식에 따른 제약을 최소화시키고 PSM 공법에 의한 표피재 성형작업을 보다 손쉽게 수행할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 조성물에 의하여 성형된 표피재의 경우 종래의 PVC 분체상 소재로 성형된 표피재와 비교하여 낮은 온도에서 고신율을 가지는 우수한 저온 물성을 나타내기 때문에, 추운 지방에서도 자동차 내장재 제품, 예를 들어 인스트루먼트 패널(Instrument panel)의 표면에 적용된 스킨층에 크랙이 쉽게 발생하지 않으며, PAB(조수석 에어백)의 저온전개시 스킨층의 크랙이나 비산에 대한 우려가 없기 때문에 차량의 조수석에 탑승한 승객의 보호 측면에서 매우 유용하다.
그리고, 종래의 PVC 분체상 소재와 비교하여 우수한 내열 노화성 및 내광 노화성을 가지며 기타 물성은 장기 옥외사용에 적합하기 때문에 자동차용 내장트림(Interior trim)에 적용할 시 매우 우수한 기능을 발휘하게 되며, 재활용성이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 표피재 제품을 소각에 의하여 처리할 시에도 환경오염 물질인 염소계(Cl) 화합물을 배출하지 않기 때문에 환경오염의 방지측면에도 크게 기여할 수 있게 된다.
또한, 그 표면강도가 우수하여 내스크래치성이 뛰어나기 때문에 종래의 열가소성 폴리올레핀(TPO) 소재와 같이 표면강도의 보강을 위한 별도의 표면처리(도장작업)을 수행할 필요가 없게 되며, 이로 인하여 자동차 내장재 부품을 제조하는 생산현장의 작업여건이 표피재의 표면처리작업으로 인하여 열악하게 되는 것과 표면처리제에 의한 2차적인 환경오염을 방지할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 조성물에 의하여 성형된 표피재가 극성을 가짐에 따라 발포폼(Foam)과의 접착력이 매우 우수하게 됨으로서, 종래의 경우처럼 표피재와 발포폼과의 접착력 향상을 위하여 별도의 프라이머(Primer)를 사용해야 하는 것과 같은 재료측면의 한계를 극복할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명에 의한 조성물의 메인수지로서, 그 평균분자량이 15,000 ~ 25,000이 되고 초기 용융온도가 140 ~ 160℃가 되며 유리전이온도가 -35℃ 이하인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer)를 얻기 위한 최적의 성분 및 그 조성비를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer)는, 분자말단에 -NCO기를 가지며 전체 분자량 중 -NCO기의 무게비가 3 ~ 6wt%가 되는 폴리우레탄 프리폴리머(Polyurethane prepolymer) 50 ~ 55wt%와, 활성수소를 가지는 아민(Amine)류로서 비방향족 디아민(Non-aromatic diamine) 30 ~ 35wt% 및 알카노라민(Alkanolamine) 10 ~ 20wt%와의 혼합반응에 의하여 얻어지게 된다.
또한, 상기 폴리우레탄 프리폴리머(Polyurethane prepolymer)는 과잉의 비방향족 디이소시아네이트(Non-aromatic diisocyanate) 60 ~ 65wt%와, 그 평균분자량이 1,000 ~ 3000이 되는 고분자량 디올(Diol) 20 ~ 30wt%와, 반응사슬을 연장시키기 위한 체인 익스텐더(Chain extender)로서 저분자량 디올(Diol) 10 ~ 15wt%와의 혼합반응에 의하여 얻어지게 된다.
상기와 같이 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer)를 얻기 위한 폴리우레탄 프리폴리머와 비방향족 디아민 및 알카노라민의 혼합비율과, 폴리우레탄 프리폴리머(Polyurethane prepolymer)를 얻기 위한 비방향족 디이소시아네이트와 고분자량 디올 및 저분자량 디올의 혼합비율은 본 발명에 요구되는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머의 물성을 얻어 낼 수 있는 최적 비율을 한정한 것이다.
따라서, 각각의 성분들이 위에서 기재된 조건 및 혼합비율의 범위를 벗어나게 되면, 상기 성분들의 반응에 의하여 최종적으로 얻어지는 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머의 물성이 요구하는 조건을 만족시킬 수 없게 되고, 이로 인하여 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 베이스로 한 본 발명의 조성물로 표피재를 성형 시킬 경우, 표피재의 강도나 저온 물성 및 부드러운 감촉(Soft touch성)과 같은 여러 가지의 물성을 만족시킬 수 없게 되는 것이다.
먼저, 상기 폴리우레탄 프리폴리머를 얻어내기 위한 제 1성분으로서의 비방향족 디이소시아네이트(Non-aromatic diisocyanate)는, 2 ~ 18개의 탄소원자를 가지는 Aliphatic(지방족) 디이소시아네이트류, 4 ~ 15개의 탄소원자를 가지는 Alicyclic(지방족 고리) 디이소시아네이트류, 8 ~ 15개의 탄소원자를 가지는 Araliphatic 이소시아네이트류나 카보디이미드(Carbodiimide) 그룹을 가지는 디이소시아네이트류 또는 상기 성분의 혼합물 중에서 선택할 수 있으며, 가장 대표적인 예로서는 4 ~ 15개의 탄소원자를 가지는 Alicyclic 디이소시아네이트류에 속하는 이소포론 디이소시아네이트(Isoporon diisocyanate)와, 디시클로헥실메탄(Dicyclohexylmethane)-4-4'-디이소시아네이트(Diisocyanate)를 2 : 8의 무게비로 혼합시킨 것을 들 수 있다.
또한, 상기 폴리우레탄 프리폴리머를 얻어내기 위한 제 2성분으로서의 고분자량 디올(Diol)은 폴리에스테르 디올(Polyester diol), 폴리에테르 디올(Polyether diol), 폴리에테르-에스테르 디올(Polyether-ester diol), 그리고 이러한 성분의 혼합물 중에서 선택할 수 있으며, 가장 대표적인 예로서는 폴리에스테르계 디올로서 락톤(Lactone)을 개시제로 하여 디카복실릭산(Dicarboxylic acid)를 개환 및 축중합시켜 그 수평균 분자량이 1,000 ~ 3,000이 되도록 한 것이 있으며, 고분자량 디올의 분자량이 1,000 미만인 경우에는 표피재에 요구되는 부드러운 감촉을 얻어내기가 어렵게 되고, 그 분자량이 3,000을 초과하는 경우에는 요구하는 강도를 만족시키기가 어렵게 된다.
그리고, 상기 폴리우레탄 프리폴리머를 얻어내기 위한 제 3성분으로서의 저분자량 디올(Diol)은, 일반적으로 62 ~ 500 정도의 분자량을 가지는 것으로서, 4 ~ 12개의 탄소원자를 가지는 선형 그리고/또는 가지 구조의 Aliphatic diol류와, 고리형 그룹(Cyclic group)을 가지는 Diol류, 그리고 이러한 성분들의 혼합물 중에서 선택할 수 있으며, 가장 대표적인 예로는 Aliphatic diol류의 가지 구조를 가지는 네오펜틸 글리콜(Neopentyl glycol)을 들 수 있다.
위에서 설명된 3가지 성분의 반응에 의하여 분자 말단기에 -NCO기를 가지는 폴리우레탄 프리폴리머가 얻어지는 데, 그 조성비는 비방향족 디이소시아네이트 60 ~ 65wt%, 고분자량 디올 20 ~ 30wt%, 저분자량 디올 10 ~ 15wt%가 되며, 이 반응에의하여 얻어진 폴리우레탄 프리폴리머는 그 분자 말단기내에 포함된 -NCO기가 전체 분자량중 3 ~ 6wt%의 함량을 가지게 되는 것이다.
한편, 분자 말단기에 -NCO기를 가지는 상기 폴리우레탄 프리폴리머와 반응하여 본 발명의 메인수지인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 얻기 위한 활성수소를 가지는 아민{Amine; 암모니아 NH3의 수소원자를 탄화수소잔기 R(알킬기 또는 알릴기)로 치환한 화합물}으로서, 상기 비방향족 디아민(Non-aromatic diamine)은 Cycloaliphatic diamine류, Aliphatic diamine류와 Araliphatic diamine류 중에서 선택할 수 있으며, 가장 대표적인 것으로는 헥사메틸렌 디아민(Hexamethylene diamine)을 들 수 있다.
그리고, 활성수소를 가지는 다른 성분으로서 상기 알카노라민(Alkanolamine)은 모노에탄올아민(Monoethanolamine)류, 모노프로파놀아민(Monopropanolamine)류, 모노 그리고/또는 디-알카노라민(Mono and/or Di-alkanolamine)류를 들 수 있으며, 가장 대표적인 것으로는 디프로파놀아민(Dipropanolamine)을 들 수 있다.
위에서 설명된 3가지의 성분에 의하여 본 발명의 메인수지인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머가 얻어지는데, 분자 말단기에 -NCO기를 가지는 상기 폴리우레탄 프리폴리머와 활성수소를 가지는 상기 아민류와의 반응배합비율은, 폴리우레탄 프리폴리머 50 ~ 55wt%, 비방향족 디아민 30 ~ 35wt%, 알카노라민 10 ~ 20wt%가 되며, 이와 같은 성분들의 반응에 의하여 얻어진 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 분산제(Dispersant)를 함유하는 물에서 수분산 및 수분과의 분리를 행함으로서 분체상(粉體狀)의 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 얻을 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 얻어진 분체상 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머의 수평균 분자량을 겔침투크로마토그래피(GPC: Gel permeation chromatography)를 이용하여 측정한 결과, 본 발명에서 요구되어지는 15,000 ~ 25,000 수준의 평균분자량에 적합한 분체상 소재를 얻을 수 있었다.
위에서 설명되어진 본 발명에 의한 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물은 하기의 실시예에서 보다 명확하게 설명되어질 것이나, 하기의 실시예는 분체상 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 메인수지로 하여 PSM 공법으로 표피재 제품을 성형하기 위한 최적 성분만을 한정한 것으로서, 그 이외에도 각종 안료나 유하제, 열 및 광안정제, 윤활제, 정전기 방지제, 난연제, 산화방지제와 같은 각종 첨가제는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 제조하고자 하는 표피재 제품의 특성에 맞추어 적절한 종류와 그 배합량을 선택하여 적용시킬 수 있음을 밝혀두는 바이다.
< 실시예 >
조성물 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
TPU Elastomer 75 (MW: 20,000) 85 (MW: 20,000) 75 (MW: 23,000) 85 (MW: 23,000)
가소제 5 8 5 8
Blocked Isocyanate 10 5 10 5
Blocking Inhibitor 4 8 4 8
구 분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
분 체 물 성 유하성(sec) 39 38 36 34
안식각( °) 36 35 38 40
겉보기 비중 0.35 0.38 0.40 0.43
SKIN 물 성 인장강도 (㎏/㎠) 120 135 125 147
신율(％) 400 415 385 390
경 도 25 23 24 22
담 가 2 4 2 3
내광성(급) 4 3 - 4 4 3 - 4
상기와 같이 본 발명에 의한 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 조성물은, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 그 베이스로 함에 따라 종래의 열가소성 폴리올레핀(TPO) 소재에 비하여 PSM 공법에 의한 표피재의 성형시 그 성형이 가능한 온도범위가 비교적 넓게 될 뿐만 아니라 고온성형이 불필요하게 됨으로서, 금형온도 제어방식에 따른 제약을 최소화시키고 PSM 공법에 의한 표피재 성형작업을 보다 손쉽게 수행할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 조성물에 의하여 성형된 표피재의 경우 종래의 PVC 분체상 소재로 성형된 표피재와 비교하여 낮은 온도에서 고신율을 가지는 우수한 저온 물성을 나타내는 효과가 있고, 이로 인하여 추운 지방에서도 자동차 내장재 제품, 예를 들어 인스트루먼트 패널(Instrument panel)의 표면에 적용된 스킨층에 크랙이 쉽게 발생하지 않고, PAB(조수석 에어백)의 저온전개시 스킨층의 크랙이나 비산에 대한 우려를 해소하여 조수석 에어백의 주류인 Invisible PAB Door의 실현을 위한 한계를 극복할 수 있게 된다.
그리고, 종래의 PVC 분체상 소재와 비교하여 우수한 내열 노화성 및 내광 노화성을 가지며 기타 물성은 장기 옥외사용에 적합하기 때문에 자동차용 내장트림(Interior trim)에 적용할 시 매우 우수한 기능을 발휘할 수 있는 효과가 있고, 재활용성이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 표피재 제품을 소각에 의하여 처리할 시에도 환경오염 물질인 염소계(Cl) 화합물을 배출하지 않기 때문에 환경오염의 방지측면에도 크게 기여하는 효과가 있다.
또한, 그 표면강도가 우수하여 내스크래치성이 뛰어나기 때문에 종래의 열가소성 폴리올레핀(TPO) 소재와 같이 표면강도의 보강을 위한 별도의 표면처리(도장작업)을 배제시킬 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 자동차 내장재 부품을 제조하는 생산현장의 작업여건이 표피재의 표면처리작업으로 인하여 열악하게 되는 것과 표면처리제에 의한 2차적인 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 조성물에 의하여 성형된 표피재가 극성을 가짐에 따라 발포폼(Foam)과의 접착력이 매우 우수하게 됨으로서, 종래의 경우처럼 표피재와 발포폼과의 접착력 향상을 위하여 별도의 프라이머(Primer)를 사용해야 하는 것과 같은 재료측면의 한계 또한 극복할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 자동차용 내장재에 사용되는 표피재의 소재로서 PSM(Powder slush mould) 공법에 적용되는 분체상(粉體狀) 조성물에 있어서,
    상기 조성물은 그 평균분자량이 15,000 ~ 25,000이 되고 초기 용융온도가 140 ~ 160℃가 되며 유리전이온도(Tg: Glass transition temperature)가 -35℃ 이하인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer) 70 ~ 90wt%와,
    상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머를 연화시켜 성형된 표피재의 감촉을 향상시키기 위한 가소제(可塑劑: Plasticizer) 5 ~ 10wt%와,
    성형된 표피재에 내열 및 내광성능을 보완하기 위한 첨가제로서 블록화된 폴리이소시아네이트(Blocked polyisocyanate) 3 ~ 10wt%와,
    상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머 보다 높은 180 ~ 230℃의 초기 용융온도를 가지며 그 평균 입경(粒徑)이 2 ~ 5㎛가 되는 열가소성 수지로서의 뭉침방지제(Blocking inhibitor) 2 ~ 10wt%가 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(Thermoplastic polyurethane elastomer)는 분자말단에 -NCO기를 가지며 전체 분자량 중 -NCO기의 무게비가 3 ~ 6wt%가 되는 폴리우레탄 프리폴리머(Polyurethane prepolymer) 50 ~ 55wt%와, 활성수소를 가지는 아민(Amine)류로서 비방향족 디아민(Non-aromatic diamine) 30 ~ 35wt% 및 알카노라민(Alkanolamine) 10 ~ 20wt%와의 혼합반응에 의하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 분체상 열가소성 폴리우레탄 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 폴리우레탄 프리폴리머(Polyurethane prepolymer)는 비방향족 디이소시아네이트(Non-aromatic diisocyanate) 60 ~ 65wt%와, 그 평균분자량이 1,000 ~ 3000이 되는 고분자량 디올(Diol) 20 ~ 30wt%와, 반응사슬을 연장시키기 위한 체인 익스텐더(Chain extender)로서 저분자량 디올(Diol) 10 ~ 15wt%와의 혼합반응에 의하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재용 표피재 성형을 위한 열가소성 폴리우레탄 조성물.
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