KR20080030611A - 중합체/습식 절단 스트랜드 유리 섬유 매트 및 이를형성하는 방법 - Google Patents

중합체/습식 절단 스트랜드 유리 섬유 매트 및 이를형성하는 방법 Download PDF

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오웬스-코닝 파이버글라스 테크놀로지 ll, 엘엘씨
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Abstract

유전적으로 건조된 보강 섬유의 다발과 결합 섬유로 형성된 절단된 스트랜드 매트를 제공한다. 상기 보강 섬유는 약 10 ~ 약 500 의 다발 텍스를 지닌 습식 보강 섬유의 다발로 형성될 수 있다. 상기 보강 섬유는 약 1/2 인치 (약 2.54 ~ 약 3.81 cm) 의 단일 절단 길이 또는 약 1/2 ~ 약 2 인치 (약 1.27 ~ 약 5.08 cm) 의 섬유의 다수의 절단 길이로 형성될 수 있다. 상기 결합재는 보강 섬유보다 낮은 용융점을 가지는 어떠한 열가소성 또는 열경화성일 수 있다. 습식 보강 섬유를 유전적으로 건조, 상기 보강 섬유와 결합 섬유를 결합, 절단된 스트랜드 매트가 형성되도록 보강 섬유와 결합 섬유를 결합, 상기 매트를 압축, 상기 매트를 냉각 및 상기 매트를 연속적인 롤로 권취하여, 상기 절단된 매트가 형성될 수 있다. 상기 절단된 스트랜드 매트는 균일하게 또는 거의 균일하게 분배된 결합 섬유 및 건조된 보강 섬유의 다발을 포함한다.

Description

중합체/습식 절단 스트랜드 유리 섬유 매트 및 이를 형성하는 방법{POLYMER/WUCS MAT AND METHOD OF FORMING SAME}
본 발명은 일반적으로 보강된 조성물, 보다 구체적으로 유전적 (dielectrical) 으로 건조된 보강 섬유의 다발 및 결합재로 형성된 절단된 스트랜드 (strand) 매트에 관한 것이다. 상기 절단된 스트랜드 매트를 형성시키는 방법을 또한 제공한다.
유리 섬유는 다양한 기술에 유용하다. 예컨대, 유리 섬유는 유리 섬유 보강 플라스틱 또는 복합재를 형성하기 위해서 중합체 매트릭스의 보강부로서 일반적으로 사용된다. 유리 섬유는 연속적이거나 절단된 필라멘트, 스트랜드, 조방사 (roving), 직조섬유, 부직 섬유, 편물, 및 보강 중합체에 대한 스크림의 형태로 사용되어져 왔다. 유리 섬유 보강 중합 복합체는 비보강 중합체에 비하여 높은 기계적 특성을 가진다고 공지되어 있다. 그래서, 보다 우수한 치수 안정성, 인장 강도 및 인장 계수, 굴곡 강도 및 굴곡 계수, 내충격성, 및 내크리프성이 유리 섬유 보강 복합체로 얻어질 수 있다.
일반적으로, 유리 섬유는 부싱 (bushing) 또는 오리피스 플레이트를 통하여 용융 유리를 필라멘트로 인발하고, 윤활제, 결합제 및 막 형성 바인더 수지를 함유 하는 사이징 (sizing) 조성물을 상기 필라멘트에 적용시켜 형성된다. 수성 사이징 조성물은 내부필라멘트 마모로부터 섬유에 대한 보호를 제공하며, 유리 섬유가 사용되는 매트릭스와 유리 섬유 간의 호환성을 향상시킨다. 상기 사이징 조성물이 적용된 후에, 상기 섬유는 하나 이상의 스트랜드로 모여지고 패키지로 감겨질 수 있거나 또는 다른안으로서, 상기 섬유는 습식 상태로 절단되어 수집될 수 있다. 이후, 상기 수집된 절단 스트랜드는 건조 및 경화되어 건식 절단된 섬유를 형성하거나 습식 절단 섬유와 같이 습식 조건하에서 패키지화될 수 있다.
일 형태의 섬유성 부직 보강부인 섬유성 매트는 예컨대, 여러 종류의 합성 플라스틱 조성물에 대한 보강부로서 적합하다. 건식 절단된 유리 섬유 스트랜드 (DUCS) 는 일반적으로 열가소성 물품의 보강재로서 사용된다. 이러한 건식 절단된 유리 섬유는 통상의 기계로 쉽게 공급될 수 있어, 건식 공정 (dry-laid process) 등과 같은 통상의 방법에 쉽게 이용될 수 있다. 통상의 건식 공정에서, 건식 유리 섬유는 절단되어 컨베이어 또는 스크린 상으로 송풍되어, 매트를 형성하도록 병합된다. 예컨대, 건식 절단된 섬유 및 중합 섬유는 공기 중에 부유되어, 스크린 또는 천공 드럼 상의 눈이 굵은 웹 (web) 에 의해 수집된 후에, 병합되어 무작위로 배향된 매트를 형성한다.
습식 절단 섬유는, 일반적으로 습식 절단 섬유가 물 슬러리 (이 물 슬러리는 계면 활성제, 점성 개질제, 거품 제거제, 또는 다른 화학제를 함유할 수 있음) 에 분산되는 습식 공정 (wet-laid process) 에 사용된다. 상기 절단된 유리 섬유가 상기 슬러리에 도입된다면, 상기 섬유가 확산되어지도록 상기 슬러리가 교반된 다. 상기 섬유를 함유하는 상기 슬러리는 이동 스크린 상에서 퇴적되며, 물의 실질적인 부분이 제거되어 웹이 형성된다. 이후, 바인더가 적용되어, 최종 매트가 건조되어 잔여 물 (water) 이 제거되며 상기 바인더가 경화된다. 성형된 부직 매트는 확산된 개별 유리 필라멘트의 조립체이다.
건식 공정은 특히 높은 다공성 매트의 제조에 적합하며, 다양한 액체 또는 수지가 신속히 투과될 수 있도록 개방 구조가 최종 매트에 요구될 시에 특히 적합하다. 그러나, 상기 통상의 건식 공정은, 특히 통상의 습식 공정에 의해 형성된 매트와 비하여, 매트의 표면적에 걸쳐 균일하게 중량이 배분되지 않은 매트가 생산될 수 있다. 또한, 상기 건식 절단된 섬유는 절단되기 전에 일반적으로 건조되어 개별 단계에서 패키지화되기 때문에, 건식 절단된 섬유를 사용하면, 습식 공정에 사용된 습식 절단 섬유보다 보다 고가가 될 수 있다.
조성물 파트의 성형에서의 특정 보강 용도에 있어서, 상기 매트가 개구, 다공성 구조체를 포함하며 (건식 공정에 있어서), 균일한 중량을 가지는 (습식 공정에 있어서) 섬유 매트를 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 통상의 습식 절단 섬유는 통상의 건식 공정에 사용될 수 없다. 예컨대, 습식 절단 섬유는 응집되기 쉽거나 서로 달라붙고 및/또는 공정 장비에 달라붙기 쉽우며, 이는 제조 장비가 제조 라인에 에러를 초래하거나 상기 제조 라인을 정지시킨다. 또한, 종래의 건식 공정은 일반적으로 건식 절단된 스트랜드를 이동 스크린 또는 다공성 컨베이어로 전달시키기 위해서 에어 스트림을 사용한다. 매트가 얻어지도록 충분히 제어된 공기 스트림이 섬유를 양호하게 분산시키도록 습식 절단 섬유가 분산 될 수 없다.
유리 섬유의 취급 및 다음 공정의 균일성을 향상시키기 위한 인라인 공정 동안 또는 와인더에 유리 섬유 스트랜드가 수집됨에 따라 이 유리 섬유 스트랜드를 건조시키기 위한 노력이 행해졌다. 상기 건조 노력은 유리 스트랜드 및/또는 절단된 유리 섬유, 이하에 설명된 몇몇 예들을 건조시키기 위하여 고주파수 유전성 시스템을 사용한다.
Roscher 에 허여된 미국 특허 제 3,619,252 에는 수성의 엘라스토머성 조성물로 유리 섬유를 코팅 및 침투시켜, 실질적으로 모든 물을 제거하기 위해서 엘라스토머성 고형체에 실질적으로 영향을 미치지 않으면서 고주파수 전기 가열로 유리 섬유를 건조시키는 방법이 개시되어 있다.
Kallenborn 에 허여된 미국 특허 제 3,619,538 에는 수성 엘라스토머성 딥 (dip) 으로 젖거나 포화된 다수의 코팅된 유리 섬유성 스트랜드를 건조시키기 위해서, 유전성 가열과 같은 고주파수 전기 가열을 이용하는 공정 및 장치가 개시되어 있다.
Nakazawa 등에게 허여된 미국 특허 제 4,840,755 에는 고밀도의 콤팩트화된 절단된 스트랜드를 제조하기 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 상기 절단된 스트랜드는 절단된 스트랜드의 하부측으로부터 적용된 가열된 공기 또는 상기 스트랜드가 캐리어 플레이트를 따라 이동됨에 따라 고주파 가열에 의해 건조된다.
Blougt 등에 허여된 미국 특허 제 6,148,641 에는 절단된 조립체로부터 방출되어 건조실로 향하는 습식 절단 스트랜드를 직접 침적시켜 연속적인 섬유 스트랜 드의 공급으로부터 건식 절단 스트랜드를 제조하는 장치 및 방법이 개시되어 있다. 상기 건조실은 전기, 가스, 자외선, 유전체 또는 유동화 배드 건조기와 같은 이 기술분야에 공지된 임의의 연속 또는 배치 (batch) 형태의 건조기일 수 있다.
상기의 관점에서, 실질적으로 균일한 중량 배분 및 보강 복합물의 제조에 이용될 수 있으며 습식 절단 스트랜드를 이용할 수 있는 개방성 다공 구조체를 가지는 부직 매트를 형성하는데 가격적으로 이점이 있고 효율적인 공정이 요구되게 되었다.
본 발명의 목적은 보강 섬유의 다발 및 결합재로 형성된, 절단된 저 로프트 (loft) 부직 스트랜드 매트를 제공하는 것이다. 보강 섬유의 적절한 예는 유리섬유, 울 유리 섬유, 천연사 및, 세라믹 섬유를 포함한다. 상기 보강 섬유는 전체 섬유의 중량으로 약 60 ~ 약 90% 의 양으로 상기 절단된 스트랜드 매트에 존재할 수 있다. 보강 섬유의 다발은 약 10 ~ 약 500 의 다발 텍스를 가지는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 상기 보강 섬유는, 유전성 건조 오븐을 사용하여 실질적으로 건조된, 습식 절단 스트랜드 유리 섬유와 같은 습식 보강 섬유이다. 결합재는 보강 섬유보다 낮은 용융점을 가지는 임의의 열가소성 및 열경화성 물질일 수 있다.
본 발명의 목적은 절단된 낮은 로프트의 부직 스트랜드 매트를 제공하는 것이다. 상기 절단된 스트랜드 매트를 성형함에 있어서, 습식 보강 섬유의 다발 (습식 절단 스트랜드 유리 섬유와 같은) 은 높은 교체 주파수 전기장이 습식 보강 섬유를 건조 또는 실질적으로 건조시키는 유전성 오븐을 통하여 습식 보강 섬유를 통과시켜 유전적으로 건조된다. 보강 섬유의 건조된 다발은 제 1 섬유 이송 시스템에 의해 성형 후드 내로 공급된다. 제 2 섬유 이송 시스템은 열가소성 결합재를 성형 후드 내로 공급시킨다. 상기 섬유 이송 시스템은 서로 종속될 수 있어, 보강 섬유에 대한 결합재의 속도가 매칭되게 된다. 상기 건조된 보강 섬유와 결합재는 고속 에어 스트림에 의해 성형 후드에서 서로 결합된다. 건조된 보강 섬유와 결합재의 혼합물은 진공 또는 공기 흡입 시스템에 의해, 성형 후드 내에서 하방으로 당겨져 이송 장치상에 이르게 되어 무작위적으로 시트를 형성하게 되며, 상기 혼합물은 건조된 보강 섬유의 다발과 결합 섬유이 실질적으로 균일하게 배분된다. 상기 시트는 이후, 열 결합 시스템을 통과하여 상기 건조된 보강 섬유와 결합재가 결합되어 절단된 스트랜드 매트를 형성하게 된다. 상기 절단된 스트랜드 매트는, 절단된 스트랜드 매트가 바람직하게는 약 1/16 ~ 약 1/2 인치의 두께로 압축되는 압축 시스템을 통과할 수 있다. 상기 절단된 스트랜드 매트는 상기 절단된 스트랜드 매트가 냉각 시스템을 통과하여 더 처리된 다음, 권취 장치에 의해 저장용 연속 롤로 감겨질 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 결합재와 같은 중합체 매트를 이용하는, 절단된 낮은 로프트의 부직 스트랜드를 형성하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 유전성 오븐에서와 같이, 유전적으로 건조된 습식 보강 섬유는 제 1 섬유 이송 시스템에 의해 성형 후드 내로 쌓여진다. 상기 습식 보강 섬유는 약 10 ~ 약 500 의 다발 텍스를 지닌 보강 섬유의 다발과 같이 성형되는 것이 바람직하다. 상기 건조된 보강 섬유는 상기 성형 후드 내에서 발생된 고속 공기 스트림에 의해 부유된다. 제 1 중합체 매트는 이송 장치상에 위치되어 상기 성형 후드 내로 도입된다. 상기 건조된 보강 섬유는 하방으로 인출되어 상기 제 1 중합체 매트 상으로 쌓여진다. 이 결과, 중합체 매트는 습식 보강 섬유의 건조된 다발이 실질적으로 균일하게 배분되게 된다. 이후, 중합체/유리 매트는 열 결합 시스템을 통과하여, 건조된 보강 섬유의 적어도 일부와 제 1 중합체 매트를 형성시키는 중합체 물질이 결합된다. 보강 섬유의 상기 건조된 다발이 제 1 중합체 매트와 제 2 중합체 매트 사이에 끼워질 수 있도록, 제 2 중합체 매트는 선택적으로 보강 섬유의 건조된 다발의 층에 위치될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 중합체 매트는 동일 중합체로 형성될 수 있거나 소망하는 용도에 따라 상이한 중합체로 형성될 수 있다.
본 발명의 이점은 유전적으로 건조된 습식 절단 유리 섬유가 건식 공정에 사용되는 통상적으로 낮은 텍스 조방 섬유 제품 보다 가격적으로 이점을 가진다는 것이다. 결과적으로, 유전적으로 건조된 습식 절단 유리 섬유를 사용하면 절단된 스트랜드 매트가 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 이점은, 상기 습식 보강 섬유가 낮은 네트 (net) 섬유 온도로 신속하게 건조될 수 있기 때문에, 상기 습식 보강 섬유를 유전적으로 건조한다는 것은 습식 보강 섬유로부터 물을 제거할 수 있는 경제적인 방법이라는 것이다. 또한, 습식 보강 섬유를 유전적으로 건조시키는 것은 섬유 대 섬유의 응집력을 향상시키고 다발 대 다발 부착성을 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 이점은 유전성 건조를 통하여 낮은 온도로 상기 습식 보강 섬유로부터 물이 제거되며, 유리 섬유 상의 표면 화학적 성질의 화학 작용이 감소될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 유전성 오븐을 사용하면 섬유 교반의 활성 방법 없이도 습식 보강 섬유를 건조할 수 있다는 것이다. 교반이 없어지면, 건조 오븐 내의 높은 공기 유동 속도 및 유동화 배드에서의 섬유성 물질의 기계적 운동으로 인하여, 통상의 유동화 배드 및 오븐을 건조시키는 트레이 (tray) 에서 공통적으로 관찰되어지는 섬유의 마모가 없어지게 된다. 또한, 교반이 없어지면 섬유 다발을 유지시키는 능력이 크게 증가된다.
또한, 본 발명의 이점은 유전성 오븐이 일반적으로 열 건조 공정 장비를 사용함으로써 발생되는 유리의 변색을 감소시킨다는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 이하의 상세한 설명을 참조하면 보다 완전히 드러날 것이다.
그러나, 도면은 도시적인 목적을 위한 것이며 이 도면으로 본 발명이 한정되지는 않는다.
본 발명의 이점은 본 발명의 이하의 상세한 기재를 참조로 할 때, 특히 첨부된 도면과 연결하여 고려해 볼 때 분명해 진다.
도 1 은 본 발명의 예시적 실시형태에 따라 절단된 스트랜드 다발을 나타내는 개략도.
도 2 는 본 발명의 일 양태에 따라, 습식 보강 섬유를 이용하여 절단된 스트랜드 매트를 형성하는 단계를 나타내는 순서도.
도 3 은 본 발명의 적어도 하나의 예시적 실시형태에 따른, 절단된 스트랜드 매트를 형성하기 위해서 유전적으로 건조된 보강 섬유를 사용한 공정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명의 적어도 하나의 예시적 실시형태에 따른 성형 후드를 나타내는 개략도.
본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해될 수 있는 의미를 말한다. 본 명세서에 설명된 방법 및 물질과 유사 또는 동등한 임의의 방법 및 물질은 본 발명을 실행 또는 테스트하는데 사용될 수 있으며, 본 명세서에 바람직한 방법 및 물질을 설명한다. 공개되거나 대응되는 미국 또는 외국 특허 출원을 포함하는 본 명세서에 언급된 모든 참조는 데이터, 표, 도면, 및 상기 언급된 참조에 나타나 있는 기재를 포함하여 그 전체가 참조로 각각 포함되어 있다.
도면에서, 선, 층 및 영역의 두께는 명료화를 위해서 과장될 수 있다. 도면에 걸쳐 나타나 있는 동일 부호는 동일 요소를 나타낸다. "상부", "바닥부", "측부" 등의 용어는 설명을 위한 목적으로만 본 명세서에 사용된다. 요소가 "(다른 요소) 상에", "(다른 요소에) 인접하여" 또는 "(다른 요소) 에 대하여" 로 나타날 때, 상기 요소는 다른 요소 또는 존재가능한 중간 요소 상에, 상기 다른 요소 또는 중간 요소에 인접하여 또는 이러한 요소들에 대하여의 의미로 이해될 수 있다. 또한, 요소가 (다른 요소) "위에" 로 기재될 때에, 상기 요소는 다른 요소 또는 존재 가능한 중간 요소의 직접 위에 있을 수 있다는 의미로 이해될 수 있다. 본 명세서에서 "보강성 섬유" 및 "보강 섬유" 라는 용어는 상호 대응되는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "결합 섬유" 및 "결합재" 라는 용어는 상호 대응되는 의미로 사용될 수 있다. 이외에, 본 명세서에에서 "시트" 및 "매트" 라는 용어는 상호 대응되는 의미로 사용될 수 있다.
본 발명은 보강성 섬유의 다발 및 결합 섬유로 형성된 절단된 스트랜드 매트에 관한 것이다. 상기 절단된 스트랜드 매트는 사출 몰딩, 풀트루젼 (pultrusion) 공정, 구조수지 사출 몰딩, 개방 (open) 몰드 수지 시스템, 폐쇄 (close) 몰드 수지 시스템, 중합체 석고 보강재, 중합체 콘트리트 보강재, 압축 몰딩, 수지 이전 (transfer) 몰딩 및 진공 주입 공정에서 복합물품의 보강재로서 예컨대 사용될 수 있는 낮은 로프트 (loft), 비직조 매트이다.
상기 보강 섬유는 우수한 구조적 품질을 제공하는데 적합한 임의의 형태의 유기,무기, 또는 천연 섬유일 수 있다. 적합한 보강 섬유의 바람직한 예는 유리 섬유, 울 (wool) 유리 섬유, 천연 섬유 및 세라믹 섬유를 포함한다. 상기 절단된 스트랜드 매트는 일 형태의 보강 섬유 (유리 섬유 등) 로 전체가 형성되거나, 선택적으로, 일 종 이상의 형태의 보강 섬유가 상기 절단된 스트랜드 매트를 형성하는데 사용될 수 있다. 본 발명과 연관되어 사용된 "천연 섬유" 라는 용어는 식물의 임의의 일부 (줄기, 씨, 잎, 뿌리 또는 인피 (bast)) 를 포함하며, 이 들로 한정되지 않음) 로부터 추출된 식물 섬유를 가르킨다. 상기 보강 섬유는 유리 섬유인 것이 바람직하다.
상기 보강 섬유는 약 1/2 ~ 약 2 인치 및 바람직하게는 약 3/4 ~ 약 1/2 인치의 불연속 길이를 가지는 절단된 섬유일 수 있다. 또한, 상기 보강 섬유는 약 1 ~ 약 1과1/2 인치의 단일 절단된 길이의 섬유 또는 약 1/2 ~ 약 2 인치의 다수의 절단된 길이의 섬유로 이루어질 수 있다. 상기 보강 섬유는 약 10 ~ 약 22 미크론, 바람직하게는 약 12 ~ 약 16 미크론, 가장 바람직하게는 약 11 ~ 12 미크론의 직경을 가질 수 있다. 상기 보강 섬유는 약 10 ~ 약 500, 바람직하게는 약 20 ~ 약 400, 가장 바람직하게는 약 30 ~ 100 의 다발 텍스 (tex) 를 지닌 보강 섬유의 다발로 형성되는 것이 바람직하다. 적절한 절단된 스트랜드 다발의 예는 도 1 에 도시되어 있다. 여기에 도시된 상기 절단된 스트랜드 다발 (70) 은 상기 설명된 바와 같이, 불연속의 소망하는 길이 (74) 및 소망하는 직경 (76) 을 가지는 개별 필라멘트 (filament) (72) 로 형성된다.
이론에 구속되는 것을 원치않지만, 각각의 다발의 텍스가 충분한 양에 도달할 때, 상기 섬유는, 결합재에 의해 함께 유지되는 섬유성 "스틱 (stick)" 의 결합체를 형성한다. 보강 섬유의 이들 높은 텍스 다발로 형성된 절단된 스트랜드 매트는, 특히, 통상의 높은 로프트 에어 레이드 (air laid) 매트 제품에 비하여, 상대적으로 얇고, 신속한 수지 젖음성을 가지는 낮은 로프트 절단 스트랜드가 된다. 또한, 낮은 로프트 다발식 절단 유리 섬유 매트는 섬유 축선을 따라 함께 채워진 섬유들을 형성하며, 이는 상기 절단 유리 매트가 증가된 유리 함량을 가지 게 한다. 본 발명의 절단된 스트랜드 매트와 같은 복합 매트에서, 기계적 성능 및 충격성은 유리 함량에 직접 비례한다. 상기 절단된 스트랜드 매트는 증가된 유리 함량을 가지기 때문에, 특히, 확산된 섬유 및 한정된 유리 함량 (예컨대, 약 20 ~ 약 30% 의 유리) 을 가지는 통상의 높은 로프트 건식 매트 제품에 비하여, 최종 제품에 있어서 증가된 기계적 성능 및 충격성을 제공할 수 있다.
상기 보강 섬유는 절단된 스트랜드 매트 내에서 서로 상이한 길이 및 직경을 가질 수 있으며, 전체 섬유의 약 60 ~ 약 90 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 상기 보강 섬유는 약 80% ~ 약 90% 중량% 의 양으로 상기 절단된 스트랜드 매트에 존재하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 실시형태에서, 상기 보강 섬유는 약 90 중량% 의 양으로 존재한다.
결합재는 상기 보강 섬유의 용융점 미만의 용융점을 가지는 임의의 열가소성 또는 열경화성 재료일 수 있다. 상기 절단된 스트랜드 매트의 용도에 적합한 열가소성 및 열경화성 재료의 비제한적인 예는 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 섬유, 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide; PPS) 섬유, 폴리 염화 비닐 (PVC) 섬유, 에틸렌 비닐 아세테이트/ 염화 비닐 (EVA/VC) 섬유, 저 알킬 아크릴레이트 중합체 섬유, 아크릴로 니트릴 중합체 섬유, 부분적으로 가수분해된 폴리비닐 아세테이트 섬유, 폴리비닐 알콜 섬유, 폴리비닐 피롤리돈 섬유, 스티렌 아크릴레이트 섬유, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리설파이드 (polysulfide), 폴리카보네이트, 레이온, 나일론, 페놀 수지 및 에폭시 수지를 포함한다. 상기 결합재는 전체 섬유의 약 10 ~ 약 40 중량%, 바람직하게는 약 10 ~ 약 20 중량% 의 양으로 상기 절단된 스트랜드 매트에 존재할 수 있다. 가장 바람직한 실시형태에서, 상기 결합재는 약 10 중량% 의 양으로 상기 절단된 스트랜드 매트에 존재한다.
또한, 상기 결합성 섬유는 예컨대, 말레이트화된 산 또는 아크릴 산과 같은 산으로 카르복실화되어 산성 군 (group) 과 기능화될 수 있거나, 상기 결합성 섬유는 무수군 또는 비닐 아세테이트를 첨가하여 기능화될 수 있다. 또한, 상기 결합재는 박편, 과립, 수지 또는 중합 섬유 형상이 아닌 분말의 형태로 존재할 수 있다.
또한, 상기 결합재는 이성분 (bicomponent) 중합체 섬유, 삼성분 중합체 섬유, 또는 열경화성 코팅된 유리 섬유 등의 플라스틱 코팅된 미네랄 섬유 등의 다성분 섬유의 형태로 존재할 수 있다. 상기 이성분 섬유는 코어 덮개 옆에 해도형 (island-in-the-sea) 배치, 또는 세그멘트 파이 (pie) 배치로 배열될 수 있다. 상기 이성분 섬유는, 제 2 중합체 섬유로 형성된 코어를 실질적으로 둘러싸는 제 1 중합체 섬유로 상기 덮개가 형성된 코어 덮개 배치로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 덮개 섬유는 상기 코어 섬유를 전체적으로 감쌀 필요는 없다. 상기 제 1 중합체 섬유는 제 2 중합체의 용융점보다 낮은 용융점을 가져서, 제 1 중합체 섬유 (덮개 섬유) 의 용융점보다 높은 온도 및 제 2 중합체 섬유 (코어 섬유) 의 용융점 미만의 온도로 상기 이성분 섬유를 가열할 시에, 상기 제 2 중합체 섬유가 본래의 모습을 유지하면서 상기 제 1 중합체 섬유는 유연해지거나 용용되게 된다. 상기 제 1 중합체 섬유 (덮개 섬유) 의 이러한 유연해짐은 상기 제 1 중 합체 섬유에 부착성을 부여하여 상기 제 1 중합체 섬유 및 근방의 다른 섬유를 서로 결합시킨다.
상기 절단된 스트랜드 매트는 이 기술 분야에 공지된 통상의 건식 공정 등과 같은 건식 공정에 의해 형성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 상기 절단된 스트랜드 매트를 형성하는데 사용되는 보강 섬유는, 유전성 건조 오븐을 사용하여 실질적으로 건조된 습식 보강 섬유이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "실질적으로 건조된" 이라는 구절은 습식 보강 섬유가 건조 또는 거의 건조된 것을 의미한다. 바람직한 실시형태에서, 상기 습식 보강 섬유는 습식 절단 스트랜드 유리 섬유 (wet use chopped strand glass fibers; WUCS) 이다. 보강 섬유로서 사용하기 위한 습식 절단 스트랜드 유리 섬유는 이 기술분야에 공지된 통상의 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 습식 절단 스트랜드 유리 섬유는 5 ~ 30% 의 수분 함량을 가진다. 습식 절단 스트랜드 유리 섬유는 약 5 ~ 약 15% 의 수분함량을 가지는 것이 보다 바람직하다.
유전적으로 건조된 습식 절단 스트랜드 유리 섬유를 사용하면, 건식 공정에 현재 사용되는 통상의 낮은 텍스의 조방된 (roved) 섬유 제품 (조방사 보다 우수한 가격 이점을 제공한다. 예컨대, 조방된 섬유는 섬유를 얻기 위하여 제조공정에 사용될 수 있는 권취, 건조, 크릴 (creel) 적재, 풀기, 및 절단 등의 다수의 제조 단계를 필요로 하기 때문에, 습식 절단 스트랜드 유리 섬유가 조방된 섬유보다 제조하는데 더 저렴하다. 유전적으로 건조된 습식 절단 스트랜드 유리 섬유를 사용하면, 절단된 스트랜드 매트를 더 낮은 가격으로 제조할 수 있다. 또한, 조방사가 건조됨에 따라, 유리 섬유의 크기는 패키지의 외측을 향하여 이동하게 되고, 이는 조방사 패키지에 걸친 불균일한 배분 크기를 유발한다. 조방사 패키지의 외측은 일반적으로 제거되어 폐기물로서 버려진다. 창의적인 절단 스트랜드 매트는 최종적인 크기의 변화가 없으며 발생된 폐기물의 양이 감소된다.
유전적으로 건조된 보강 섬유를 사용하여 상기 절단된 스트랜드 매트를 형성하기 위한 예시적 공정이 일반적으로 도 2 에 도시되어 있다. 여기에 도시된 상기 공정은 상기 습식 보강 섬유를 유전적으로 건조하는 단계 (10), 상기 건조된 보강 섬유와 결합재를 혼합하는 단계 (20), 상기 보강 섬유와 결합재를 결합하는 단계 (30), 절단된 스트랜드 매트를 콤팩트화하는 단계 (40), 상기 절단된 스트랜드 매트를 냉각하는 단계 (50) 및 상기 매트를 연속적인 롤로 감는 단계 (60) 를 포함한다.
본 발명의 예시적 실시형태에 따른 절단된 스트랜드 매트의 편성 및 저장이 도 3 에 나타나 있다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 습식 보강 섬유 (100) 는 유전성 오븐 (110) 내에 도입되어 있다. 바람직하게 이들 습식 보강 섬유는 다발로 존재한다. 유전성 오븐 (110) 은 일련의 대향 충전된 전극 사이에서 교번 고주파 전기장을 발생시키는 이격된 전극을 포함한다. 상기 습식 보강 섬유는 상기 전극들을 통과하여, 높은 교체 주파수 전기장이 물분자를 활성화시켜 상기 보강 섬유내의 물이 기화되는데 충분한 양으로 이들의 분자 에너지를 상승시키는 전기 장을 지난다.
전기적 활성 양 및 유전성 오븐 (110) 내에 머무르는 시간은, 유전성 오븐 (110) 을 떠나는 보강 섬유가 실질적으로 건조되어 끈끈하게 되지 않도록 제어된다. 머무르는 건조 시간은 상기 보강 섬유가 실질적으로 건조될 때에 유전성 오븐 (110) 에 요구되는 전원의 폐쇄 순환 피드백에 걸쳐 제어될 수 있다. 예시적 실시형태에서, 약 70% 보다 큰 프리 워터 (free water) (상기 보강 섬유 외부의 물) 가 제거된다. 그러나, 바람직하게는, 실질적으로 모든 물은 유전성 오븐 (110) 에 의해 제거된다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 "실질적으로 모든 물" 이란 구절이 나타내는 바는, 모든 또는 거의 모든 프리 워터가 제거된다는 것을 의미한다.
유전성 오븐 (110) 은 낮은 네트 (net) 섬유 온도로 상기 습식 보강 섬유 (100) 를 신속하게 건조시킨다. 상기 네트 섬유 온도는 목적하는 용도에 따르는 상기 유리 섬유를 코팅시키는 크기의 화학적 작용에 따른다. 따라서, 유전성 오븐 (110) 은 습식 보강 섬유 (100) 로부터 물을 제거하는 경제적인 방법을 제공한다. 또한, 습식 보강성 섬유의 다발을 유전적으로 건조시키는 것은 섬유 대 섬유의 응집력을 향상시키고 다발 대 다발의 응집성을 감소시킨다. 유전성 에너지는 잘려진 섬유의 습식 다발을 균일하게 관통하여 물을 신속하게 기화시켜 상기 습식 유리 다발이 서로 떨어져 있게 하는 것을 돕는다. 또한, 절단된 섬유에 대한 크기의 유전성 건조는 일련의 공정 단계 (절단된 스트랜드 매트를 몰딩하는 등) 동안, 잘려진 스트랜드 매트의 다발을 필라메트화하는 것을 도와 미적으로 만족으로운 마무리된 제품을 형성한다. 상기 유전성 건조는 크기를 경화시켜 균일한 필라맨트화가 이루어지게 된다.
낮은 온도로 습식 보강 섬유로부터 물을 제거함으로써, 표면 화학 성질의 화학적 작용 (예컨대, 크기) 이 감소될 수 있다. 사이징 (sizing) 조성물은 섬유의 용도에 따른 다양한 요소를 함유할 수 있다. 일 예로서, 재제를 형성하는 에폭시 막은 에폭시 수지 시스템에 호환성을 제공하기 위해서 유리 섬유에 적용된 크기에 활용될 수 있다. 통상의 건식 공정에서, 통상의 열 건조 공정에 일반적인 연장된 건조 시간 및 고온으로 인하여, 사이즈 조성물에서의 재제를 형성하는 모든 또는 거의 모든 에폭시 작용기는 반응된다. 그러나, 낮은 온도 및 짧은 시간 동안 유리 섬유의 사이즈를 유전적으로 건조시킴으로써, 액티브 에폭시 작용기는 상기 유리 섬유의 사이즈에 내장되어 남아있게 된다. 또한, 유전체 오븐의 온도를 더 낮추고, 상기 사이즈를 건조시키는데 필요한 건조 시간을 더 짧게 할수록, 일반적으로 열적 건조 공정 장비의 사용으로 인한 유리의 변색이 감소된다.
또한, 유전성 오븐 (110) 은 일반적으로 습식 섬유로부터 수분을 제거하는데 필요한 섬유 교반 (agitation) 의 활성방법 없이, 습식 보강성 섬유 (100) 를 건조시킨다. 이러한 교반이 없어지게 되면, 오븐 내의 높은 공기 유동 속도 및 배드에서의 섬유성 재료의 기계적 운동으로 인하여, 오븐을 건조시키는 트레이 및 통상의 유동화 배드에서 공통적으로 볼 수 있는 섬유의 마찰 또는 마모가 감소 또는 제거된다. 또한, 교반이 없어지게 되면, 호전적인 통상의 열적 공정에서와 같이, 섬유를 다발로 유지시키고 섬유 스트랜드를 필라멘트화 하지 않는 유전성 오븐 (110) 의 능력이 크게 증가된다.
상기 건조된 보강 섬유 (건조된 WUCS 섬유 등) 가 유전성 오븐 (110) 을 떠 나게 되면, 상기 보강 섬유는 제 1 섬유 이송 시스템 (120) 에 의해 성형 후드 (300) 내로 공급된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "건조된 보강 섬유" 는 모든 프리 워터가 제거되거나 거의 모든 프리 워터가 제거된 보강 섬유를 의미한다. 제 1 섬유 이송 시스템 (120) 은 건조된 섬유 (도시 안됨) 를 제어된 속도로 성형 후드 (300) 내로 공급시키는 연속적인 계량 공급 또는 분산 장치 또는 임의의 종류의 중량 감소 (loss-in-weight) 장치일 수 있다.
일반적으로 베일 (bale) 의 섬유 형태로 존재하는 결합재 (200) 는 결합 섬유 (200) 를 적어도 부분적으로 개방 및/또는 필라멘트화 (개별화) 시키기 위해서 개방 시스템 (210) 내로 공급된다. 개방 시스템 (210) 은 베일 개방기인 것이 바람직하고, 결합 섬유 (200) 의 베일을 개방시키는데 적합한 임의의 형태의 개방기일 수 있다. 상기 개방기의 설계는 개방될 섬유의 형태 및 물리적 특성에 따른다. 본 발명에 사용되는 적절한 개방기는 계량기가 있거나 없는 임의의 통상의 표준형 베일 개방기를 포함한다. 상기 계량기는, 다음 공정 단계로 통과되는 섬유의 양을 감시하기 위해서 부분적으로 개방된 섬유가 베일 개방기를 통과함에 따라 상기 부분적으로 개방된 섬유를 연속적으로 계량하는 역할을 한다. 이후, 개방 시스템 (210) 을 빠져나가는 결합 섬유 (200) 는, 상기 결합 섬유 (200) 를 성형 후드 (300) 로 공급시키는 제 2 섬유 이송 시스템 (220) 내로 공급된다. 섬유 이송 시스템 (120) 은 결합재에 대한 보강 섬유의 매칭 비율을 제공하기 위해서 섬유 이송 시스템 (220) 에 종속될 수 있다.
상기 결합 섬유가 조각, 과립 또는 분말의 형태로 존재하는 다른 실시형태에 서, 개방 시스템 (210) 및 섬유 이송 시스템 (220) 은, 조각, 분말 또는 과립을 성형 후드 (300) 에 배분하는데 적합한 장치로 대체될 수 있어, 이들 수지상의 재료가 성형 후드 (300) 에서 건조된 보강 섬유 (도시 안됨) 와 혼합될 수 있게 된다. 적합한 분배 장치는 이 기술 분야의 당업자에 의해 쉽게 분별될 것이다.
건조된 보강 섬유의 다발 및 결합 섬유 (200) 는 성형 후드 (300) 내에서 함께 혼합된다. 성형 후드 (300) 의 예시적인 실시형태가 도 4 에 도시되어 있다. 바람직한 실시형태에서, 상기 섬유는 팬 (fan) (예컨대, 버스터 (burster) 팬) 등에 의해 성형 후드 (300) 내에서 발생된 고속 공기 스트림에 혼합된다. 상기 공기 스트림 내에서 가능한 한 균일하게 되도록, 건조된 보강 섬유의 다발 및 결합 섬유 (200) 를 분배하는 것이 요구된다. 성형 후드 (300) 로 진입하는 결합 섬유 (200) 와 건조된 보강 섬유의 비는, 섬유가 제 1 및 제 2 섬유 이송 시스템 (120, 220) 을 통과하는 중량 이송 비에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 상기 제 1 및 제 2 섬유 이송 시스템 (120, 220) 을 통과하는 섬유의 제어는 진동기 팬 또는 계량 밸트와 같은 중량 감소 진동 공급기를 통하여 이루어질 수 있다. 도 4 에 나타내진 예시적 실시형태에서, 섬유 이송 시스템 (120, 220) 은 각각 분배 유닛 (125, 225) 과 진동 공급기 (130, 230) 의 조합이다. 공기 스트림에 존재하는 결합 섬유 (200) 에 대한 건조된 보강 섬유의 비는 90:10 ~ 60:40 인 것이 바람직하다.
상기 건조된 보강 섬유와 결합 섬유 (200) 의 혼합물은 성형 후드 (300) 내에서 하방으로 당겨져 진공 또는 공기 흡입 시스템 (320) 의 도움으로 이동 이송 장치 (310) 상으로 이르게 되어, 랜덤하며 실질적으로 균일하게 배분된 건조된 보강 섬유의 다발 및 결합재 (200) 의 시트를 형성하게 된다. 이송 장치 (310) 는 이 기술분야의 당업자에 의해 식별된 임의의 적절한 컨베이어 (예컨대, 다공 컨베이어) 일 수 있다. 이후, 상기 시트는 열적 결합 시스템 (400) 을 통과하여 보강 섬유의 건조된 다발과 결합 섬유 (200) 를 결합시킨다. 열적 결합에 있어서, 상기 결합 섬유 (200) 의 열가소성은 가열시에 건조된 보강 섬유와의 결합을 형성시키는데 사용된다. 상기 시트는 소망되는 비율 및 중량 배분으로 건조된 보강 섬유와 결합 섬유 (210) 의 실질적으로 균일한 배분을 포함한다. 섬유가 균일 또는 실질적으로 균일하게 배분되면, 절단된 스트랜드 매트 (450) 에 대하여 음향성 및 열적 특성이 향상될 뿐만 아니라 강도가 향상된다. 상기 명세서에 사용된 바와 같이, "실질적으로 균일한 섬유의 배분" 및 "실질적으로 균일하게 배분된 섬유" 라는 구절은 상기 섬유가 균일하게 또는 고르게 배분된 또는 거의 균일하게 또는 고르게 배분되었다는 것을 의미한다.
열 결합 시스템 (400) 에서, 상기 시트는, 결합재 (200) 의 용융점을 초과하며 상기 건조된 보강 섬유의 용융점 미만의 온도로 가열된다. 이성분 섬유가 상기 보강 섬유 (200) 로 사용될 때에, 열 결합 시스템 (400) 의 온도는, 덮개 섬유의 용융점보다 높으나 보강 섬유의 용융점 미만의 온도로 상승된다. 결합 섬유의 용융점을 초과하는 온도 또는, 결합 섬유 (200) 가 이성분 섬유인 덮개 섬유의 용융점을 초과하는 온도로 상기 결합 섬유 (200) 을 가열한다면, 결합 섬유 (200) (또는 덮개 섬유) 가 부착성을 갖게 되어, 결합 섬유 (200) 와 보강 섬유의 건조된 다발이 결합되게 된다. 결합 섬유 (200) 가 완전히 용융된다면, 상기 용융된 섬유는 보강 섬유의 건조된 다발을 완전히 캡슐화할 수 있다. 열 결합 시스템 (400) 내의 온도가 보강 섬유 및/또는 코어 섬유의 용융점만큼 높게 상승되지 않는한, 이들 섬유는 열 결합 결합 시스템 (400) 및 절단된 스트랜드 매트 (450) 내의 섬유 형태로 남아있을 것이다.
열 결합 시스템 (400) 은, 오븐 결합, 적외선 가열, 고온 칼렌더링 (calendaring), 벨트 칼렌더링, 초음파 결합, 고주파 가열 및 가열된 드럼 (drum) 등과 같은 이 기술분야에 알려진 임의의 공지된 가열 및 결합 방법을 포함할 수 있다. 선택적으로, 두 개 이상의 이들 결합 방법은 시트에서 섬유를 결합시키는데 사용될 수 있다. 열 결합 시스템 (400) 의 온도는 사용된 결합 섬유 (200) 의 용융점 및 시트에 이성분 섬유가 존재하는지 여부에 따라 변경된다. 그러나, 열 결합 시스템의 온도는 약 200℃ ~ 350℃ 에 있을 수 있다. 열 결합 시스템 (400) 으로부터 방출되는 절단된 스트랜드 매트 (450) 는 균일하거나 거의 균일한 결합 섬유 (200) 및 건조된 보강 섬유의 다발의 배분을 포함한다.
절단된 스트랜드 매트 (450) 는 바람직하게 약 1/6 ~ 약 1/2 인치 (약 0.158 ~ 약 1.27 cm) 의 두께로 매트가 압축되는 압축 시스템 (500) 을 통과할 수 있다. 상기 압축 시스템은 일련의 롤러 또는 단일 압축 롤러 세트일 수 있다. 상기 압축 롤러는 약 50 ~ 약 70℉ 의 온도 범위로 표면을 유지시키기 위해서 롤러를 통하여 순환하는 냉각수를 지닌 간격 제어 시스템을 포함하는 크롬 코팅 롤러의 세트를 포함할 수 있다.
또한, 절단된 스트랜드 매트 (450) 는 냉각 시스템 (600) 을 통과할 수 있다. 상기 냉각 시스템은 모터와 같은 컨베이어를 이동시키기 위한 구동기 및 컨베이어를 포함할 수 있다. 송풍 장치 (도시 안됨) 는 절단된 스트랜드 매트 (450) 를 통하여, 예컨대 상부로부터 바닥부로, 흡입 공기를 발생시키기 위해서 상기 컨베이어 아래에 위치될 수 있다. 상기 공기는 주위 온도로 흡입되는 것이 바람직하며, 이 공기는 절단된 스트랜드 매트 (450) 의 온도를 실내 온도로 되게 하는데 사용된다. 다른 안으로서, 상기 공기는 냉각 코일 (도시 안됨) 을 통하여 흡입될 수 있어, 공기의 온도를 낮추고 절단된 스트랜드 매트 (450) 에 냉각 효과를 증대시킨다. 이후, 상기 절단된 스트랜드 매트 (450) 는 권취 장치 (700) 에 의해 나중에 사용하기 위한 저장용 연속 롤 (도시 안됨) 상으로 감겨질 수 있다. 임의의 통상의 권취 장치는 본 발명의 용도에 적합할 수 있다. 이하에 설명된 유리 중합체 매트뿐만 아니라 절단된 스트랜드 매트 (450) 는 오피스 스크린, 파티션, 천장 타일, 빌딩 패널 등의 용도와 같은 다수의 비구조적 음향 용도 및, 헤드라이너 (headliner), 후드 라이너, 바닥 라이너, 트림 패널, 짐 선반, 차양막, 기구 패널 구조물, 도어 내부 또는 벽 패널 또는 레크리에이션 차량의 지붕 패널 등의 반 구조적 용도에 활용될 수 있다.
다른 실시형태 (도시 안됨) 에서, 상기 설명된 바와 같은, 유전적으로 건조된 습식 보강 섬유는 제 1 섬유 이송 시스템 (120) 에 의해 성형 후드 (300) 내에서 발생된 고속의 공기 스트림에 의해 부유되어 성형 후드 (300) 내로 쌓여진다. 상기 습식 보강 섬유는 10 ~ 500 의 번들 텍스를 지닌 번들로 형성되는 것이 바 람직하다. 습식 보강 섬유 (200) 의 다발은 유전성 오븐 (110) 및 전기장을 발생시키며 습식 섬유를 건조시키는 다른 장치를 통과할 수 있다. 이후, 습식 보강 섬유의 건조된 다발은 성형 후드 (300) 로 이송될 수 있다. 제 1 중합체 매트 (도시 안됨) 는 이송 장치 (310) 상으로 놓여져 입구 (350) 에서 성형 후드 (300) 내로 도입될 수 있다 (도 4 참조). 제 1 중합체 매트는 무작위로 배향된 중합체 섬유의 매트일 수 있다. 적절한 중합체 섬유는 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 섬유, 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide; PPS) 섬유, 폴리 염화 비닐 (PVC) 섬유, 에틸렌 비닐 아세테이트/ 염화 비닐 (EVA/VC) 섬유, 저 알킬 아크릴레이트 중합체 섬유, 아크릴로 니트릴 중합체 섬유, 부분적으로 가수분해된 폴리비닐 아세테이트 섬유, 폴리비닐 알콜 섬유, 폴리비닐 피롤리돈 섬유, 스티렌 아크릴레이트 섬유, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리설파이드, 폴리카보네이트, 레이온, 나일론, 페놀 수지 및 에폭시 수지를 포함하며, 이들로써 한정되지는 않는다.
습식 보강 섬유의 건조된 다발은 하방으로 뽑아내어져, 진공 또는 다른 형태의 흡입 장치에 의해 제 1 중합체 매트 상으로 쌓여진다. 이는, 결과적으로 습식 보강 섬유의 건조된 다발이 실질적으로 균일하게 배분된 중합체 매트가 된다. 이후, 중합체/유리 매트는 열 결합 시스템 (400) 을 통과하여, 보강 섬유의 건조된 다발과 제 1 중합체 매트를 형성하는 중합체 물질이 결합된다. 열 결합 시스템 (400) 내의 온도는 바뀔 수 있으며, 이 온도는 중합체 매트를 형성하는 중합체 요소에 따른다. 상기 온도는 중합체 매트의 중합체 재료를 적어도 부분 적으로 용융하도록 충분히 높아서 건조된 습식 보강 섬유와 중합체 물질을 결합시켜, 중합체/유리 매트가 형성된다. 이후, 상기 중합체/유리 매트는 상기 설명된 바와 같이, 압축, 냉각, 및 감겨질 수 있다.
보강 섬유의 상기 건조된 다발이 제 1 중합체 매트와 제 2 중합체 매트 사이에 끼워질 수 있도록, 제 2 중합체 매트 (도시 안됨) 는 습식 보강 섬유의 건조된 다발의 층에 위치될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 중합체 매트는 동일 중합체로 형성될 수 있거나, 소망하는 용도에 따라 상이한 중합체로 형성될 수 있다. 상기 제 2 중합체 매트는 상기 설명된 바와 같이 열 결합에 의해 보강 섬유에 붙여질 수 있다.
이러한 발명을 일반적으로 설명하였지만, 도시만을 목적으로 이하에 도시되며 달리 특정되지 않는 한 독점적이거나 한정적으로 해석되지 않는 특정 예를 참조로 하여 달리 이해될 수 있다.
예
예 1 - 다발 일체성
표 1 에 따른 사이징 (sizing) 조성을 혼합하여, 시간당 70 파운드의 유리 부싱 (bushing) 산출량으로 2052 팁의 팁 플레이트를 지닌 원통형 적용 롤에 적용시켜 13㎛ 섬유를 얻었다.
재료 % 고형체 입력 분획률 분획률 g/100g 용인된 부분 (as received)
PD-166(a) 54.5 0.53 0.585 280.79 515.22
아세트 산 100 0.006 0.007 3.18 3.18
A-1100(b) 58.0 0.015 0.016 7.95 13.7
PVP K-90(c) 22.0 0.33 0.364 174.83 794.7
Emery 6760L(d) 50.0 0.025 0.028 13.25 26.49
D.M. 워터 0 14646.71
합계 0.906 1.0 480.0 16000.00
(a) PD-166 은 HB Fuller 로부터의 폴리비닐 아세테이트 에멀젼이다.
(b) A-1100 은 General Electric Silicones Divsion 으로부터 구입가능한 아미노실란 (aminosilane) 이다.
(c) PVP K-90 은 International Specialty Products 로부터의 폴리비닐피롤리돈 용액이다.
(d) Emery 6760L 는 Cognis 로부터의 폴리에틸렌이민 지방산 윤활제이다.
상기 유리 스트랜드는 16 부분으로 분활되어, 약 40 텍스의 스트랜드 텍스를 제공한다. 상기 스트랜드를 CB 73 절단기로 1과1/4 인치 (3.175cm) 길이로 절단하여 플라스틱 통 (tub) 내에서 쌓았다. 이후, 상기 절단된 스트랜드를 PSC 표유 (stray) 장 RF (유전성) 오븐에서 건조시켜, 30 lb/hr 로 약 15% 수분 함량에서 약 0% 의 수분 함량을 가지게 되었다. 다발의 최종 질량은 섬유의 개별 다발로 쉽게 분할 (쪼갬) 할 수 있었다. 상기 수분 함량은 0.5 중량% 미만으로 결정되었다. 상기 개별 다발은 우수한 다발 강도 (stiffness) 를 나타내는 것을 특징으로 하였다.
이후, 약 300g 의 다발을 수작업으로 "프리포머 (preformer)" (프리폼이라 불리는 유리 매트를 제조하는데 사용되는 공기의 큰 하강 기류를 지닌 닫혀진 박스) 로 이송시켰다. 이는 평방 피트 당 약 1 온스의 면적 밀도를 제공하는데 충분한 양이었다. E-240-8 매트 바인더 (AOC 로부터 구입가능한 벤졸 과산화물 촉매를 지닌 잘게 부수어진 분말의 열경화성 폴리에스테르 바인더) 를 수작업으로 매트 상에 뿌린다. 상기 매트는 450℉ 의 강제 송풍된 오븐 내로 이송되어 10 분 동안 있었다. 상기 매트를 제거하여 냉각시켰다. 상기 매트는 우수한 다발 일체성 및 강도를 나타내었다.
예 2, 유전성 건조 및 에어 레이드 매트
재료 % 고형체 입력 분획률 분획률 g/100g 용인된 부분 (as received)
HP3-02(a) 32.0 0.75 0.939 302.44 945.13
아세트 산 100.0 0.006 0.008 2.420 2.42
A-1100(b) 58.0 0.0375 0.047 15.12 26.07
K-12(c) 100.0 0.005 0.006 2.02 2.02
D.M. 워터 0 0.00 6024.36
합계 0.7985 1.0 322 7000.00
(a) HP3-02 는 Hydrosize, Inc 로부터의 물에서의 폴리우레탄 분산도이다.
(b) A-1100 은 General Electric Silicones Division 으로부터 구입가능한 아미노실란 (aminosilane) 이다.
(c) K-12 는 AOC 로부터 구입가능한 폴리에틸렌이민 지방산 윤활제이다.
상기 유리 스트랜드는 16 개의 부분으로 분할되어 약 70 텍스의 스트랜드 텍스를 제공하였다. 상기 스트랜드는 CB 73 절단기로 1과1/4 인치 길이로 절단되었다. 상기 절단된 섬유는 플라스틱 통 (tub) 내에서 쌓여져, 약 30 lb/hr 로, PSC 표유장 RF (유전성) 오븐에서 약 15% 의 수분 함량으로부터 약 0% 의 수분 함량으로 건조되었다. 최종 다발 질량은 개별 다발로 쉽게 쪼개졌다. 상기 수분 함량은 0.5 중량% 미만으로 결정되었다. 상기 다발을 플라스틱 백 내로 위치시켰다. 이후, 섬유 다발을 어떻게 서로 잘 분산시키고 상기 다발을 어떻게 잘 서로에 대해 유동시키는지 결정하기 위해서 상기 백을 뒤집었다. 시각적 검사는 개별 다발이 매우 용이하게 유동하고 잘 분산되는지를 결정한다.
수작업으로, 약 300g 의 다발을 "프리포머" (프리폼이라 불리는 유리 매트를 제조하는데 사용되는 공기의 큰 하강 기류를 지닌 닫혀진 박스) 로 이송시켰다. 이러한 양은 평방 피트 당 약 1 온스의 면적 밀도를 제공하는데 충분하였다. E-240-8 매트 바인더 (AOC 로부터 구입가능한 벤졸 과산화물 촉매를 지닌 잘게 부수어진 분말의 열경화성 폴리에스테르 바인더) 를 수작업으로 매트 상에 뿌린다. 상기 매트는 450℉ 의 강제 송풍된 오븐 내로 이송되어 10 분 동안 있었다. 상기 매트를 제거하여 냉각시켰다. 상기 절단 스트랜드 매트는 우수한 다발 일체성 및 강도를 나타내었다.
본 출원 발명은 일반적으로 특정 실시형태에 대하여 상기 모두를 설명하였다. 본 발명이 바람직한 실시형태에 대하여 설명되었지만, 이 기술분야에 공지된 폭 넓은 다른 실시형태가 포괄적인 기재 내에서 선택되어질 수 있다. 본 발명은 이하에 설명된 청구범위의 기재를 제외하고는 달리 제한되지는 않는다.

Claims (20)

  1. 부직 절단 스트랜드 매트로서,
    유전적으로 건조된 습식 보강 섬유의 다발 및,
    유전적으로 건조된 습식 보강 섬유의 상기 다발의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 열가소성 결합재를 포함하며, 상기 열가소성 결합재는 유전적으로 건조된 습식 보강 섬유의 상기 다발의 적어도 일부와 결합되며, 유전적으로 건조된 습식 보강 섬유의 상기 다발은 상기 절단된 스트랜드 매트에 걸쳐 실질적으로 균일하게 배분되는 절단된 부직 스트랜드 매트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 습식 보강 섬유는 유리 섬유, 울 유리 섬유, 천연 섬유 및, 세라믹 섬유로 부터 선택된 일 종 이상의 부재를 포함하는, 절단된 부직 스트랜드 매트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 절단된 스트랜드 매트는 약 1/16 ~ 약 1/2 인치 (약 0.158 ~ 약 1.27 cm) 의 압축된 두께를 가지는, 절단된 부직 스트랜드 매트.
  4. 제 2 항에 있어서,
    유전적으로 건조된 습식 보강 섬유의 상기 다발은 약 10 ~ 약 500 의 다발 텍스를 가지는, 절단된 부직 스트랜드 매트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 습식 보강 섬유는 약 1/2 ~ 약 2 인치의 길이를 가지는, 절단된 부직 스트랜드 매트.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 열가소성 결합재는 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 섬유, 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide; PPS) 섬유, 폴리 염화 비닐 (PVC) 섬유, 에틸렌 비닐 아세테이트/ 염화 비닐 (EVA/VC) 섬유, 저 알킬 아크릴레이트 중합체 섬유, 아크릴로 니트릴 중합체 섬유, 부분적으로 가수분해된 폴리비닐 아세테이트 섬유, 폴리비닐 알콜 섬유, 폴리비닐 피롤리돈 섬유, 스티렌 아크릴레이트 섬유, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리설파이드, 폴리카보네이트, 레이온, 나일론, 페놀 수지 및 에폭시 수지 중에서 선택되는, 절단된 부직 스트랜드 매트.
  7. 부직 절단 스트랜드 매트를 형성하는 방법으로서,
    보강 섬유의 건조된 다발을 형성하도록 습식 보강 섬유의 다발을 유전적으로 건조시키는 단계,
    보강 섬유의 상기 건조된 다발과 상기 열가소성 결합재의 혼합물을 형성하기 위해서, 보강 섬유의 상기 건조된 다발의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 열가소성 결합재와 보강 섬유의 상기 건조된 다발을 결합시키는 단계,
    시트가 형성되도록, 상기 혼합물을 이송 장치 상으로 침적시키는 단계로서, 상기 시트는 실질적으로 균일하게 배분된 보강 섬유의 상기 건조된 다발과 상기 시트에 걸친 열가소성 결합재를 포함하는 상기 단계 및,
    절단된 스트랜드 매트가 형성되도록, 보강 섬유의 상기 건조된 다발과 상기 열가소성 결합재를 결합시키는 단계를 포함하는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    습식 보강 섬유의 상기 다발을 유전적으로 건조시키는 상기 단계는,
    습식 보강 섬유의 상기 다발을 유전성 오븐 내로 도입시키는 단계를 더 포함하며, 습식 보강 섬유의 상기 다발은 높은 교체 주파수 전기장을 통과하여 건조되는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 결합 단계는,
    보강 섬유의 건조된 다발과 열가소성 결합재가 공기 스트림에서 분산되는 성형 후드로, 보강 섬유의 상기 건조된 다발과 상기 열가소성 결합재를 이송시키는 단계를 포함하는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    싱기 침적 단계에서, 상기 혼합물은 이 혼합물과 대향하는 상기 이송 장치의 측에 위치된 진공에 의해 상기 이송 장치 상으로 침적되는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 결합 단계는,
    상기 열가소성 결합재의 적어도 일부를 용융시키기에 충분한 온도로 상기 시트를 가열시키는 단계로서, 상기 열가소성 결합재는 부착성을 가져서, 건조된 보강 섬유의 상기 다발의 적어도 일부와 상기 열가소성 결합재를 결합시키는 단계를 포함하는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 절단된 스트랜드 매트를 압축하는 단계 및,
    상기 압축된 절단 스트랜드 매트를 냉각하는 단계를 더 포함하는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각된 압축 절단 스트랜드 매트를 연속적인 롤 상으로 권취하는 단계 를 더 포함하는, 절단된 부직 스트랜드 매트를 형성하는 방법.
  14. 복합물 매트를 형성하는 방법으로서,
    보강 섬유의 건조된 다발이 형성되도록, 습식 보강 섬유의 다발을 유전적으로 건조하는 단계,
    보강 섬유의 상기 유전적으로 건조된 다발을 중합체 매트 상으로 침적시키는 단계로서, 상기 중합체 매트는 중합성 결합 물질로 형성되며, 상기 중합성 결합 물질은 보강 섬유의 상기 유전적으로 건조된 다발의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 상기 단계 및,
    복합물 매트가 형성되도록, 보강 섬유의 상기 건조된 다발과 상기 중합성 결합재를 결합시키는 단계를 더 포함하는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 건조 단계 후에, 보강 섬유의 상기 건조된 다발이 공기 스트림에서 분산되는 성형 후드로 보강 섬유의 상기 건조된 다발이 이송되는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 침적 단계 이전에, 상기 성형 후드 내의 이송 장치 상으로 상기 중합체 매트를 위치시키는 단계를 더 포함하는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    습식 보강 섬유의 상기 다발을 유전적으로 건조시키는 상기 단계는,
    습식 보강 섬유의 상기 다발을 유전성 오븐 내로 도입시키는 단계로서, 습식 보강 섬유의 상기 다발은 높은 교차 주파수 전기장을 통과하여 건조되는 상기 단계를 포함하는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 중합성 결합재의 적어도 일부를 용융시키기에 충분한 온도까지 보강 섬유의 상기 건조된 다발 및 상기 중합체 매트를 가열하는 단계로서, 상기 중합성 결합재는 부착성을 갖게되어, 건조된 보강 섬유의 상기 다발의 적어도 일부와 상기 중합성 결합재가 결합되는 상기 단계를 포함하는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    보강 섬유의 상기 건조된 다발은 상기 중합체 매트와 대향하는 상기 이송 장치의 측에 위치된 진공에 의해 상기 중합체 매트 상으로 침적되는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 복합물 매트를 압축하는 단계,
    상기 복합물 매트를 냉각하는 단계 및,
    상기 냉각된 압축 복합물 매트를 연속적인 롤러 상으로 권취하는 단계를 더 포함하는, 복합물 매트를 형성하는 방법.
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