KR20070004756A - 충전된 섬유로 강화된 열가소성 복합재 - Google Patents
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Abstract
중공 버블을 포함하는 섬유로 강화된 열가소성 복합재는 놀랍게도 낮은 밀도 및 견고한 물리적 특성의 보존을 제공한다.
열가소성 복합재, 낮은 밀도, 견고한 물리적 특성
Description
본 발명은 개선된, 섬유로 강화된 열가소성 수지의 복합재, 특히 유리 버블로 충전된 섬유로 강화된 복합재에 관한 것이다.
열가소성 물질의 기계적 특성을 개선시키기 위해 열가소성 복합재에 섬유를 혼입시키는 것이 공지되어 있다. 예를 들면, 열가소성 물질에 섬유를 혼입시켜 열가소성 물질을 강화시킴으로써 충격 강도, 인장 강도, 인장 및 굴곡 탄성률, 및 열가소성 물품 또는 부재의 수축에 대한 저항성을 개선시킬 수 있다.
또한 섬유와 비교하여 선형 열 팽창 및 수축성의 계수를 더욱 등방성으로 달성시키고 열가소성 물품 또는 부재의 밀도를 감소시키기 위해 수지 조성물에 충진제로서 중공 입자를 혼입하는 것이 공지되어 있다. 하지만, 중공 입자의 혼입으로 달성되는 밀도의 감소는 복합재의 원하는 물리적 특성의 감소라는 희생이 따른다.
개선된, 섬유로 강화된 열가소성 복합재의 요구가 존재한다.
본 발명은 중공 유리 미소구로 충전된 섬유로 강화된 열가소성 수지의 복합재를 제공한다. 본 발명의 복합재는 더욱 낮은 밀도 및 견고한 물리적 기계적 특성 (예를 들어, 내충격성, 인장 강도, 인장 및 굴곡 탄성률, 수축의 감소, 및 수분 흡수의 감소)의 놀랄만한 조합을 제공한다.
복합재의 인장 강도 및 다른 물리적 특성을 실질적으로 상당히 감소시키지 않고도 섬유로 강화된 열가소성 수지의 복합재의 밀도가 중공 유리 버블 또는 미소구로 충전함으로써 상당히 감소될 수 있음은 예상치 못한 발견이었다. 결과적으로, 섬유로 강화된 열가소성 복합재는 더욱 가볍지만 바람직하게는 견고한 형태로 만들어질 수 있다.
본 발명은 다양한 구조적 용도에의 사용을 위한 복합재, 예를 들면 자동차에 사용하기 위한 부품을 만드는데 사용될 수 있다.
간단히 요약하자면, 본 발명의 복합재는 하나 이상의 열가소성 수지, 섬유 강화 충진제 및 중공 유리 버블 또는 미소구를 포함한다. 몇몇 실시태양에서, 복합재는 추가로 커플링제와 같은 다른 첨가제를 포함할 수 있거나 또는 수지, 섬유, 버블, 및 복합재에서의 다른 성분들인, 난연제, 착색제, 등과의 상용성을 개선시키기 위한 처리를 포함할 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 열가소성 수지의 예시적 예는 폴리아미드, 열가소성 폴리이미드 (TPI), 폴리에스테르, 폴리올레핀, 나일론, 및 이들의 블렌드 및 이들의 공중합체를 포함한다. 예시적 예는 듀퐁사의 지텔™ 101L (Zytel™ 101L) 수지, 나일론 6,6 수지 및 나일론의 블렌드 (예를 들어 GE사로부터 입수가능한 나일론과 폴리페닐렌 에테르의 블렌드인 노릴 GTX (NORYL GTX))를 포함한다.
많은 공지된 섬유 강화 충진제를 사용할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 섬유 강화 충진제의 예시적 예는 유리, 흑연, 케블라™ (Kevlar™) 섬유, 등을 포함한다. 충진제는 생성되는 복합재의 원하는 특성에 부분적으로 의존하여 선택될 수 있다. 몇몇 예에서, 둘 이상의 종류의 충진제가 사용될 수 있다.
본 발명의 통상적인 복합재는 약 7 내지 약 35 중량 퍼센트의 섬유 강화 충진제를 포함할 수 있다. 더욱 적은 양이 사용될 수는 있으나 물리적 특성을 불충분하게 조절하는 경향이 있을 수 있다. 더욱 많은 양이 사용될 수는 있으나 너무 많이 하중된 복합재를 생성하는 경향이 있을 수 있다.
섬유 강화 충진제는 수지 매트릭스와의 상용성을 개선시키기 위해 표면 처리될 수 있다. 예를 들어, 실란 커플링제 또는 티타네이트 커플링제, 예를 들어 아미노프로필트리에톡시실란 ("APS") 또는 N-2-(아미노에틸)-3-아미노 프로필트리메톡시실란과 같은 아미노실란이 사용될 수 있다. 상업적으로 입수가능한 섬유 강화 충진제는 통상적으로 충진제 상에 커플링제를 함께 가지고 있다.
많은 공지된 중공 미소구 또는 버블, 통상적으로 바람직하게는 유리가 사용될 수 있다. 밀도의 원하는 감소를 달성하기 위해 복합재를 처리하는 동안 버블의 생존을 개선시키기 위해, 고 강도 유리 버블을 사용하는 것이 통상적으로 바람직하다.
몇몇 예에서, 대다수의 버블은 열가소성 배합 및 압출 작업을 견디기 위해서는, 3,000 PSI 이상, 바람직하게는 10,000 PSI 초과의 이소탁틱 파쇄 강도를 보여야만 한다. 몇몇 실시태양에 있어서, 이들은 바람직하게는 배합 및 압출 작업 뿐 아니라 팰릿화 및 사출 성형을 견디기 위해서 18,000 PSI 이상의 이소탁틱 파쇄 강도에 노출시 높은 생존성을 보일 것이다. 유리 버블의 강도는 통상적으로 ASTM D3102-72; "중공 유리 미소구의 유체정역학적 붕괴 강도" (Hydrostatic Collapse Strength of Hollow Glass Microspheres)를 사용하여 측정한다. 이러한 유리 버블의 예시적 예로는 소다-석회-붕규산염 유리이며 18,000 psi의 이소탁틱 파쇄 강도, 0.60 g/cc의 밀도, 및 약 30 마이크론의 평균 지름을 보이는 3M™ 스콧클리트™ (Scotchlite™) S60HS 유리 버블이 있다.
본 발명의 통상적 복합재는 약 5 내지 약 20 중량 퍼센트의 버블을 포함할 수 있다. 필요하다면 더욱 적은 양이 사용될 수 있으나 밀도에 있어 더욱 제한된 감소만을 나타낼 것이다. 더욱 많은 양이 사용될 수 있으나 너무 많이 하중된 복합재를 생성하는 경향이 있을 수 있다.
버블은 필요하다면 수지 매트릭스와의 상용성을 개선시키기 위해 커플링제로 표면 처리될 수 있으나, 버블이 섬유로 강화되지 않은 수지 매트릭스에 혼입된 경우에 관찰된 것과는 대조적으로, 이러한 처리가 특성에 있어 상당한 변화를 나타내지 않음이 놀랍게도 밝혀졌다.
물품은 사출 성형, 압출, 및 열가소성 중합체로부터 물품을 형성하는 다른 공지된 방법에 의해 본 발명의 복합재에 의해 만들어질 수 있다.
우수한 인장 특성을 갖는 경량 부품의 유용성에 대한 몇몇 예는 사용자의 피로를 감소시키고(거나) 성능을 증가시키기 위한 스포츠 제품, 연료 절약, 가속의 개선 또는 더욱 높은 최고 속도, 및 연료 방출을 감소시키기 위한 수송기관 (자동차, 우주선, 등) 부품을 포함할 수 있다.
표면 처리
구체적으로, 유리 버블을 표면 처리 전에 탈이온수로 세척하고 건조시켰다. 세척 후, 발연 실리카 (2 중량% 이하)를 유리 미소구와 혼합시켰다. 실란 처리화합물 (APTES 또는 AEAPTMS)을 물에 용해시켰다 (0.2 내지 0.5 중량%). 그후 용액 (1500 g)을 로스 혼합기 (Ross Mixer) (뉴욕주 하우파우지에 위치한 찰스 로스 & 손 사 (Charles Ross & Son Company)로부터 입수가능함)에 넣었다. 이어서 중간 속도에서 혼합이 시작되었고 유리 미소구 (GM)가 천천히 첨가되었다. GM의 첨가가 끝난 후, 혼합물을 추가 15분 동안 계속해서 혼합되게 하였다. 생성된 습윤 GM 페이스트를 그 후 알루미늄 팬에 부었고 80℃ 오븐에서 건조시켰다. 건조 후, 미소구를 180 마이크론 체를 통하여 체질하였다. 통상적으로 처리된 GM의 수득률은 90% 초과였다.
복합재의 배합 및 성형
모든 시료를 미소구 및 유리 섬유에 대한 상단 공급기, 수조 및 펠릿타이저 부가물이 장착된 베르스토프 울트라 글라이드 (Berstorff Ultra Glide) 이축 스크류 압출기 (TSE; 25 mm 스크류 지름; 길이와 지름의 비가 36 : 1; 독일 하노버의 베르스토프 게엠베하 (Berstorff GmbH)로부터 입수가능함) 상에서 배합하였다. 스크류 속도는 140 내지 160 rpm의 범위에 있었다. 온도 설정점은 200°F 내지 575°F (93℃ 내지 302℃)의 범위에 있었으나, 실제 값은 500°F 내지 575°F (93℃ 내지 260℃) 범위에 있었다. TSE 처리량은 약 101 bs/hr이었다.
그 후 시험 표본을 ASTM 네개의 금형을 사용하는 150톤 엔젤 사출 성형기 (Engel Injection Molding Machine) (오스트리아 시베르트베르그에 위치한 엔젤 게엠베하 (ENGEL GmebH)로부터 입수가능함) 상에서 성형시켰다. 사용된 스크류 지름은 30 mm였고 사출 압력은 미소구 파손을 최소화하기 위해 18,000 psi (124 Mpa) 미만으로 유지되었다.
시험법
인장 탄성률
인장 탄성률을 하기의 ASTM 시험법 D-638로 측정하여 Mpa로 나타내었다.
극한 인장 탄성률
극한 인장 탄성률을 하기의 ASTM 시험법 D-638로 측정하여 Mpa로 나타내었다.
굴곡 탄성률
굴곡 탄성률을 하기의 ASTM 시험법 D-790으로 측정하여 Mpa로 나타내었다.
극한 굴곡 강도
극한 굴곡 강도를 하기의 ASTM 시험법 D-790으로 측정하여 Mpa로 나타내었다.
파단 신장률
파단 신장률을 하기의 ASTM 시험법 D-638으로 측정하여 %로 나타내었다.
밀도
사출 성형된 복합재 물질의 밀도를 ASTM D-2840-69, "중공 미소구의 평균 입자 진밀도 (Average True Particle Density of Hollow Microsphere)"에 따라 측정하는데 조지아주 노르크로스에 위치한 마이크로메리틱스사 (Micromeritics)로부터 상표명 "아큐픽 1330 피크노미터 (ACCUPYC 1330 PYCNOMETER)" 하에 입수되는 완전히 자동화된 가스 변위 비중병이 사용되었다.
물리적 측정 과정
사출 성형된 복합재 시료의 밀도를 마이크로메리틱스 아큐픽 1330 헬륨 피크노미터 (조지아주 노르크로스 마이크로메레틱스 인스트루먼트사 (Micromeritics Instrument Corporation)로부터 입수가능함)를 사용하여 측정하였다. 사출 성형된 복합재의 기계적 및 열적 특성을 표 1에 열거된 ATSTM 표준 시험법을 사용하여 측정하였다.
다양한 복합재를 표 2에 나타난 조성물로부터 제조하였다.
복합재를 상기 나타난 방법에 따라 평가하여 표 3에 나타낸 결과를 얻었다.
Claims (6)
- 하나 이상의 열가소성 수지, 하나 이상의 섬유 강화 충진제, 및 중공 미소구를 포함하는 복합재.
- 제1항에 있어서, 상기 수지가 폴리아미드, 열가소성 폴리이미드 (TPI), 폴리에스테르, 폴리올레핀, 나일론, 및 이들의 블렌드 및 이들의 공중합체의 군으로부터 선택되는 복합재.
- 제1항에 있어서, 상기 섬유 강화 충진제가 유리, 흑연 및 케블라™ 섬유의 군으로부터 선택되는 복합재.
- 제1항에 있어서, 상기 복합재가 7 내지 35 중량 퍼센트의 상기 섬유 강화 충진제를 포함하는 복합재.
- 제1항에 있어서, 상기 미소구가 유리 버블인 복합재.
- 제1항에 있어서, 상기 복합재가 5 내지 20 중량 퍼센트의 상기 버블을 포함하는 복합재.
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