KR20070108235A - 농축 강화재 로드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR20070108235A
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strands
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KR1020077020504A
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필리페 빠르도
크리스토프 듀크레
귀 자넬라
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생-고뱅 베뜨로떽스 프랑스
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Abstract

본 발명은 70 중량% 초과의 강화재 및 0.1 중량% 이상의 수분 함량을 가지는 스트랜드의 하나 이상의 다발을 가열하고, 성형한 뒤, 로드로 절단하는 것을 포함하는, 농축 강화재 로드의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법을 실시하기 위한 장치 및 수득된 제품에 관한 것이다.
농축 강화재 로드, 유리 섬유, 복합 스트랜드, 사출 성형

Description

농축 강화재 로드 및 그의 제조 방법{Concentrated Reinforcing Bars And Method For Making Same}
본 발명은 특히, 성형 (특히, 사출 성형, 압출 성형, 동시 성형(comolding) 등)에 의한 복합재 제품의 제조에 사용되는 강화재 농축물 (농축 강화재)의 로드 (rod) (작은 막대 또는 스틱)의 제조 방법 및 수득된 제품에 관한 것이다.
상기 언급한 성형 공정 (특히, 사출 성형 또는 압출 성형)에서는, 유기 물질, 섬유상 강화재 (예컨대, 유리 스트랜드) 및 1종 이상의 첨가제 (예를 들어, 착색하거나 특정 기능을 부여하기 위해)로 이루어진 화합물 (또는 혼합물)을 사용하는 것이 통상적인 관행이다. 상기 화합물은 유기 물질로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있는 강화 스트랜드를 사용하여 압출기 또는 사출 성형기에서 직접 형성될 수 있고, 이때 일반적으로, 계량 및 배합을 용이하게 하기 위하여 상기 스트랜드는 미리 세단(chopping)되고, 다른 임의적 성분은 적절한 경우, 압출기 또는 성형기에서 첨가된다.
본 발명자들은 이러한 성형 공정에서 유리하게 사용될 수 있는 강화재-기재 제품을 개발하고자 하였으며, 다음 장점 중 어느 하나를 원하는 장점으로 할 수 있다: 비용 절감, 개선된 기계적 특성을 위한 강화재의 보존성 개선 (예를 들어, 강 화 스트랜드의 길이), 성형시 분산성 개선, 원하는 제품에 따른 조정 용이성, 가공 용이성 등.
본 연구에서, 본 발명자들은 특히 후술하는 바와 같은 다양한 장점을 제공할 수 있는 강화재 농축물 로드 (또는, 입자 또는 펠렛) 형태의 제품을 개발하는 것의 이점을 강조하였고, 특히, 강화재 함량의 증가는 제조된 제품의 일체성 결여 또는 이들 제품의 성형 매트릭스에서의 불량한 분산성과 같은 문제를 야기할 수 있기 때문에, 여태까지 종래의 강화재로부터 이러한 농축 제품을 간단하고 효율적인 방식으로 수득하는 것이 불가능하였으나, 본 발명자들은 이러한 제품을 용이하게 제조할 수 있는 방법을 발견하였다.
따라서, 본 발명은 제1 국면에서 70 중량% 초과의 강화재 및 0.1 중량% 이상의 수분 함량을 가지는 하나 이상의 스트랜드 다발을 가열하고, 성형한 뒤 로드로 절단하는 것을 포함하는, 농축 로드의 제조 방법에 관한 것이다.
수득된 로드는 특히, 후술하는 바와 같이 유리하게는 1종 이상의 유기 물질에 의해 서로 결합된 스트랜드 또는 필라멘트 (로드 길이로 절단됨)의 형태의 강화재를 포함한다.
또한, 본 발명은 특히 상기 방법에 의해 개발 및 수득된 강화재 농축물 로드 (또는 로드 형태의 강화 스트랜드)에 관한 것이다. 이들 로드는 65 중량% 초과, 바람직하게는 70 중량% 초과 (또는 80 중량% 이상)의 강화재 함량을 가진다. 이들 강화재는 적어도 제1 유기 물질 중에 서로 결합되거나 함입(embed)되고, 경우에 따라, 적어도 제2 물질, 일반적으로 후술하는 바와 같은 1종 이상의 유기 물질로 피복(sheath)되며, 상기 2종의 유기 물질은 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명에 따라 언급되는 스트랜드 다발은 1종 이상의 강화재 (유리, 탄소, 아라미드 등; 상기 강화재는 바람직하게는 유리임)를, 상기 스트랜드의 적어도 일부의 형태 또는 상기 스트랜드의 적어도 일부를 형성하는 필라멘트의 형태 (일반적으로, 상기 강화재를 부싱(bushing) 또는 다이 밑에서 늘리는(attenuating) 공지된 방법으로 수득한 뒤, 상기 필라멘트를 스트랜드 내로 조립함)로 포함하며, 본 발명에 따르면 다발 내의 강화재 함량은 70 중량% 초과, 바람직하게는 75 내지 99 중량% 범위, 또는 80 내지 95 중량% 범위이다.
바람직하게는, 사용되는 스트랜드의 적어도 일부는 1종 이상의 열가소성 유기 물질을 포함하며, 이 물질은 예를 들어, 폴리올레핀, 특히, 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP), 폴리에스테르, 특히, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 엘라스토머, 특히, 에틸렌 프로필렌 중합체 (EPDM) 또는 폴리비닐 클로라이드 (PVC), 또는 폴리아미드 등으로부터 선택된다. 유리하게는, 이 물질은 스트랜드 또는 필라멘트의 형태로도 다발 내에 존재한다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 스트랜드의 적어도 일부는 강화 필라멘트 (특히, 유리 필라멘트) 및 1종 이상의 열가소성 유기 물질의 필라멘트로부터 형성된 복합 스트랜드 (또는 코밍글링된(commingled) 스트랜드)이고, 이들 필라멘트는 긴밀하게 혼합되는 것이 유리한데, 이들 스트랜드의 긴밀 구조는 유리 섬유가 열가소성 물질에 용이하게 함침되도록 하며, 본 발명에 따른 방법에서 높은 강화재 함량에도 불구하고 잘 함침되고 균질한 통합 구조 (즉, 손상 없이 취급할 수 있도록 하는 결합력 및 일체성을 나타내는 구조)를 형성할 수 있도록 한다. 유리한 복합 스트랜드 (예컨대, 생－고뱅　베뜨로떽스　프랑스에 의해 상품명 트윈텍스(TWINTEX)®로 판매되는 제품)는 특허 문헌 EP　0　367　661, WO　98/01751 또는 EP　0　599　695에 기재된 것과 같은 직접 공정에 의해 수득될 수 있고, 이들 스트랜드는 국제 특허 공보 WO　00/24566에 설명된 바와 같이 열가소성 물질 내의 유리 스트랜드의 우수한 분포로 이어지는 우수한 코밍글링 지수를 가진다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 다발을 형성하는 스트랜드로 복합 스트랜드만을 사용한다. 그러나, 복합 스트랜드를 강화 스트랜드와 혼합하여 로드의 강화재 농도를 더 증가시키는 것을 특히 배제하지 않는다.
상기 언급한 바와 같이 유리하게 복합 스트랜드를 사용함으로써 특히 촉진되는 높은 강화재 함량과 함께, 본 발명자들은 본 발명의 정의로부터 명백한 바와 같이, 0.1 중량% 이상, 바람직하게는 0.5 중량%, 특히 바람직하게는 3 중량% 이상의 수분 함량을 가지는 다발을 사용하는 것의 이점을 예증하였다. 공정 및 수득된 생성물의 특성을 손상시키지 않는 특정량의 수분 존재는 실제로, 본 발명에 따른 로드 제조 공정에서 스트랜드를 용이하게 취급할 수 있도록 하고, 수득되는 생성물이 예비건조된 스트랜드로부터 수득되는 생성물보다 우수하지는 않더라도 적어도 그와 비슷하게 양호한 기계적 특성을 나타내도록 하고, 경제적인 장점 (특히, 비용이 많이 드는 중간 건조 단계 없이 바로 사용될, 부싱 밑에서 수득 또는 수집된 스트랜드에 대해 가능함)도 제공한다. 바람직하게는, 수분 함량은 8 중량% 미만, 유리하게는 5 중량% 미만으로 선택되어, 특히 본 발명에 따른 공정에서 스트랜드 및 다발이 양호하게 통합되도록 한다.
스트랜드는 미리 형성되거나, 하나 이상의 감김채(wound package)에서 개별적으로 또는 그룹으로 추출될 수 있다. 본 발명의 방법의 바람직한 실시태양에 따르면, 이들은 적어도 하나의 감김채, 예컨대, 조방사(roving)로부터 추출되고, 10　m/분 이상, 바람직하게는 수십 m/분, 특히 40 내지 100 m/분, 특히 약 50 m/분의 속도로, 예를 들어, 당김 장치(pulling device)의 수단 (특히, 당김 리그(pulling rig)일 수 있음)에 의해 가동된다.
예를 들어, 가열 대역에 다발을 통과시키기 전에, 스트랜드의 장력을 조절하고(하거나) (예를 들어, 하나 이상의 다발로 조립하는 도중 또는 조립 전에) 스트랜드에서 정전기를 제거하는 단계를 제공하는 것이 유리할 수 있다.
스트랜드는 본 발명에 따른 방법에서 언급된 바와 같이 적어도 하나의 다발 형태로 조립된다. 또한, 동일하거나 상이한 처리를 병렬적으로 거치는 수개의 별도의 다발을 형성할 수도 있으며, 상기 다발 중 하나 이상은 농축 로드를 수득하기 위해 본 발명에 따른 방법에 제시된 단계를 거친다.
본 발명에 따르면, 다발을 형성 및/또는 통합시키고, 적절한 경우, 강화 스트랜드 또는 필라멘트를 유기 물질과 함침시키는 온도, 특히, 스트랜드 다발 내에 존재하는 열가소성 물질의 용융점 이상에 도달하는 온도, 바람직하게는, 상기 열가소성 물질의 용융점보다 20℃ 이상 높은 온도에서 하나 이상의 다발을 가열하지만 (일반적으로 이를 하나 이상의 가열기, 예컨대, 적외선 오븐에 통과시키는 것에 의함), 상기 온도는 상기 물질의 분해 온도 및 강화재의 용융점보다는 낮게 유지된다.
일반적으로, 가열된 스트랜드 다발은 원하는 횡단면이 얻어지도록, 그의 형성 (또는 성형 또는 크기결정) 시까지, 유리하게는 하나 또는 바람직하게는 수개의 사이징(sizing) 다이를 통과시키는 것에 의한 성형 과정 동안 대략 상기 온도에서 유지된다. 본 발명에 따른 방법에서, 생산 라인이 상기 언급한 가동 속도와 더불어 만족스러운 효율을 나타내도록, 유리하게 선택되는 다이는 생산 라인 방향을 따라 단순한 프로파일 및 감소하는 횡단면을 가진다.
가열 도중 및/또는 후, 그리고 상기 언급한 성형 공정 전 및/또는 성형 공정과 함께, 다발은 또한 적절한 경우, 하나 이상의 바(bar)와 같은 장치에 통과시킴으로써 강화 스트랜드 또는 필라멘트와 존재하는 유기 물질의 함침을 촉진하는 단계를 거칠 수 있다. 이러한 장치 수개를 사용할 수 있는데, 예를 들어, 첫번째 장치는 본 발명에 따른 가열 단계에서 두 개의 가열기 사이에 위치시키고, 다른 장치는 성형 다이(들) 직후에 위치시킬 수 있다.
상기 언급한 성형 및 함침 단계(들)은 통합 다발 (또는 함침 또는 일체화된 다발, 즉, 스트랜드가 서로 결합되어 있고, 상기 통합 다발은 또한, 본 발명에 따른 스트랜드 조립체 또는 토우(tow), 또는 케이블 또는 로프라는 용어로도 지칭됨)의 형성을 촉진한다.
본 발명의 방법의 특히 바람직한 한 실시태양에 따르면, 성형 공정 도중 또는 후에, 스트랜드 다발은 또한, 스트랜드를 형성하는 유기 물질과 동일하거나 상이할 수 있는 1종 이상의 유기 물질의 용융상이 공급되는 다이를 통과시킴으로써 피복 단계를 거친다. 피복 물질은 수종의 물질, 특히, 1종 이상의 유기 물질 및 첨가제 (예를 들어, 자외선 방사 내성을 개선하기 위한 첨가제, 기계적 성능을 증가시키기 위한 커플링제, 열 또는 화학적 안정화제, 염료 또는 안료, 난연제 등) 및/또는 1종 이상의 충전제 (탈크, 짧거나 긴 유리 섬유 등)로부터 형성된 복합재일 수 있다. 따라서, 피복 물질은 수득된 로드 및 상기 로드로부터 성형된 복합재에 추가적 특성 (항-UV 특성, 개선된 기계적 성능 등)을 부여하는데 유리할 수 있다. 이미 기능화된 제품을 가진다는 사실은, 성형시 저렴한 표준 희석재만 사용하여 성형을 단순화하고 비용을 절감할 수 있도록 한다. 또한, 피복은 로드로 절단시의 피브릴(fibril) 또는 미진(fine) (로드로부터 떨어져 나온 섬유)의 형성을 방지하는데, 피브릴은 성형시 사출 성형 장치의 운반 문제 또는 정체 문제를 일으킬 수 있고 (운반 시스템 또는 상기 사출 성형 장치를 손상시킬 수 있음), 수득된 제품의 기계적 특성을 손상시킬 수 있다. 피복된 로드는 피복에 의해 평활화되기 때문에 취급, 계량, 및 공급관을 따라 운반하기에 매우 용이하고, 보호 작용도 하며, 성형에 의한 복합재 형성에 사용되는 시점까지 일체성을 상실하지 않는다. 마지막으로, 피복은 필요에 따라, 전달되는 피복 물질의 양을 변경시킴으로써 라인에서 (제조 도중) 강화재 함량을 조정할 수 있도록 하므로, 유리하게는 변하지 않을 수 있는 출발 물질로부터 다양한 강화재 농도를 가지는 로드를 수득할 수 있도록 한다.
바람직하게는, 피복 물질은 1종 이상의 열가소성 유기 물질, 예를 들어, 폴리올레핀 (특히, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌), 폴리비닐 클로라이드, 또는 엘라스토머, 예를 들어, SEBS (스티렌 에틸렌 부타디엔 스티렌)-변형 폴리프로필렌 등을 포함한다. 적절한 경우, 상기 피복 물질은 스트랜드의 유기 물질과 동일하거나 유사한 것, 또는 화학적으로 상용성인 것으로 선택하는 것이 유리하며 (이로써 두 물질 간에 양호한 접착성 또는 연속성이 존재함), 상기 언급한 바와 같은 첨가제가 첨가될 수 있다.
다이에 도입된 피복 물질은 예를 들어, 압출 장치로부터 유래할 수 있다. 또한, 다발은 수종의 동일하거나 상이한 물질이 공급된 다이 (또는, 적절한 경우, 직렬 또는 병렬적인 수개의 다이)로 코팅할 수 있으며, 이러한 실행 방법은 수득되는 제품의 범위를 넓힐 수 있다. 몇몇 다발을 병렬적으로 처리할 경우, 피복 물질은 적절하게는 다발 간에 서로 상이할 수 있다. 피복의 두께는 다양할 수 있고, 예를 들어, 두께 약 3 mm의 로드에 대하여, 피복은 약 0.1 mm 또는 로드 두께의 1/10 이상일 수 있다.
성형 및 임의적인 피복 후, 수득된 다발을 일반적으로 냉각하고, 적절하게는 건조 (블로잉 또는 흡입에 의해)한 뒤, 일반적으로 1 내지 40 mm, 바람직하게는 5 내지 30 mm, 예를 들어, 약 12 mm 길이의 로드로 절단 또는 세단 (예를 들어, 밀링 커터 또는 회전날을 가지는 과립화기를 이용)한다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법 및 제품은 출발 물질을 변경하지 않고도 조정가능하다는 장점을 가진다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 쉽고 빠르게 수행할 수 있고, 비용이 저렴하다.
본 발명에 따른 로드는 상기 정의한 바와 같은 높은 함량의 강화재를 포함하면서도 로드는 일체화되고, 적절하게는 잘 함침되며, 상기 언급한 바와 같이 피복을 가질 수 있다. 유리하게는, 이들 로드 (특히, 피복된 경우)는 로드 1 kg 당 60 mg 미만, 바람직하게는 30 mg 미만, 특히 바람직하게는 20 mg 미만의 피브릴 함량을 가진다 (상기 함량은 로드를 벨트 상에서 진동시키고, 필터가 제공된 흡입 장치로 피브릴을 흡입하여 측정한 것임). 상기 로드는 취급 및 계량하기 쉽고, 높은 강화재 함량에도 불구하고 성형시 유기 매트릭스에 잘 분산된다. 본 발명에 따른 로드는 일반적으로 길이 1 내지 40 mm, 바람직하게는 5 내지 30 mm, 예를 들어, 약 12 mm의 강화 스트랜드를 가진다.
또한, 본 발명은 상기 언급한 공정을 수행하는 유리한 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 하나 이상의 스트랜드 다발을 제공하기 위한 하나 이상의 수단; 상기 다발을 가열하기 위한 하나 이상의 수단; 하나 이상의 성형 장치; 1종 이상의 용융된 물질이 공급되고, 스트랜드 다발 및 상기 다발과 접촉된 용융된 물질을 동시에 공급받아야 하는 하나 이상의 피복 다이; 및 피복된 다발을 로드로 절단하기 위한 하나 이상의 절단 장치를 포함한다.
상기 장치는 또한, 특히 (상기 수단들과 함께, 또는 상기 수단들에 대한 보완물로서) 하기 수단 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
-　스트랜드를 가이딩하기 위한 하나 이상의 도르래;
-　스트랜드를 카동시키기 위한 하나 이상의 수단;
-　스트랜드를 평행한 스트랜드의 하나 이상의 다발의 형태로 조립하기 위한 하나 이상의 수단 (예를 들어, 아이렛(eyelet)-판, 홈이 있는(grooved) 도르래 및/또는 스프레더(spreader)-바 타입);
- 예를 들어, 상기 언급한 조립 수단의 상류에 존재하는 하나 이상의 스트랜드 장력 조절기;
- 적절한 경우 적어도 다이 직전까지 다발 또는 토우를 온도로 유지하기 위한 하나 이상의 수단;
- 특히, 성형 장치 전에 존재하는 하나 이상의 추가적인 함침 장치;
- 하나 이상의 다발 배치 수단 등.
이들 장치의 대부분은 이미 상기에 언급하였다.
특히, 스트랜드는 스트랜드가 풀려나오는 크릴(creel) 상에 배치될 수 있는 감김패로부터 유래될 수 있다.
하나 이상의 가열 수단은 일반적으로, 하나 이상의 오븐, 예를 들어, 적외선 타입, 바람직하게는 다발의 온도에 따라 전원이 조절되는 램프로 작동되는 오븐을 포함하며, 이러한 종류의 오븐은 에너지 측면에서 효율적이고 조절하기 용이하다는 장점을 가진다.
함침 장치로서는, 예를 들어, 세 개의 부재(member)가 삼각형 (이 사이로 다발이 지나감)으로 배치된 장치를 사용할 수 있으며, 다발 표면에 적절한 압력을 얻기 위해 부재 사이의 거리를 조정하고, 이들 부재는 롤 또는 바일 수 있다.
실제 성형 장치는 예를 들어, 스트랜드 다발이 그 사이로 지나가는 가열된 다이 및/또는 롤러를 포함할 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 유리하게 사용되는 다이는 예를 들어, 점진적으로 변화 (예를 들어, 횡단면의 감소)하다가 대략 제조 라인 방향에 평행한 축 상의 위치에 따라 일정한 횡단면과 단순한 프로파일을 가진다.
또한, 피복 다이는 이를 가압하는 동안 피복 물질을 공급하기 위한 하나 이상의 수단을 포함할 수 있다. 상기 물질은 다이의 상이한 채널을 통해 스트랜드 조립체와 접촉할 수 있다. 다이의 횡단면, 다양한 채널의 존재, 가압, 및/또는 다이에서 다발의 위치에 따라, 전달되는 물질의 양이 다발의 횡단면을 따라 다양한 지점에서 상이하다.
용융된 피복 물질은 일반적으로 하나 이상의 압출기로부터 나온다.
절단 장치는 상기 언급한 바와 같이 예를 들어, 과립화기 또는 밀링 커터일 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다양한 부품은 정지하거나 움직일 수 있다 (병진 및/또는 회전).
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 로드로부터 성형에 의해 수득된 복합재 제품에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로드는 높은 생산 속도로 만족스러운 강화재 분포를 나타내는 복합재 부품 (적절한 경우, 립(rib), 보스(boss) 등을 포함)을 수득할 수 있도록 하고, 상기 로드로부터 수득된 복합재는 양호한 기계적 특성을 가진다.
본 발명에 따른 로드로부터 수득된 복합재는 예를 들어, 자동차 차체 부품, 예컨대, 전방 패널, 대시보드(dashboard), 문 모듈, 엔진밑 보호판, 해치백(hatchback)을 위한 내부 패널 등에 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 70 중량% 초과의 강화재 및 0.1 중량% 이상의 수분 함량을 가지는 하나 이상의 스트랜드 다발을 가열하고, 성형한 뒤, 로드(rod)로 절단하는 것을 포함하는, 강화재 농축물 로드의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 스트랜드(strand)의 적어도 일부가 강화 필라멘트, 바람직하게는 유리 필라멘트, 및 1종 이상의 열가소성 유기 물질의 필라멘트로부터 형성된 복합 스트랜드인 것을 특징으로 하는, 강화재 농축물 로드의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스트랜드 다발이 추가적으로, 1종 이상의 유기 물질 및 임의로 1종 이상의 첨가제가 공급된 다이를 통과하는 것에 의한 피복(sheathing) 단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 강화재 농축물 로드의 제조 방법.
  4. 하나 이상의 스트랜드 다발을 제공하기 위한 하나 이상의 수단, 상기 다발을 가열하기 위한 하나 이상의 수단, 하나 이상의 성형 장치, 하나 이상의 피복 다이 및 하나 이상의 절단 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제3항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치.
  5. 적어도 제1 유기 물질 중에서 서로 결합되어 있거나 함입(embed)되고, 경우에 따라, 적어도 제2 물질로 피복되는 강화재를 65 중량% 초과의 함량으로 포함하는 농축 강화재 로드.
  6. 제5항에 있어서, 피브릴(fibril) 함량이 60　mg/kg 미만인 것을 특징으로 하는 농축 강화재 로드.
  7. 제5항 또는 제6항에 따른 로드를 이용하여 성형함으로써 수득되는 복합재.
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