KR20080077640A - 하중-지지 복합재 패널 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재를 함유하는 어셈블리를 장섬유 강화 폴리우레탄으로 둘러싸는 것에 의해 제조된 하중-지지 복합재 패널을 제공한다. 본 발명의 하중-지지 복합재 패널은 더욱 강하고, 보다 경량인 구조적 물품, 예컨대 차량 바닥 패널, 모바일 홈용 벽면재, 지붕, 모듈, 트럭 베드, 트럭 트레일러 바닥재 등을 제공하는 것을 도울 수 있다.
Description
본 발명은, 전반적으로 차량 구조, 더욱 구체적으로는 1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재로부터 제조된 어셈블리를 장섬유 강화 폴리우레탄으로 둘러쌈으로써 제조된 하중-지지 복합재 패널(panel)에 관한 것이다.
차량 패널은 때때로 거리, 고속도로 및 평탄하지 않은 지형에 대한 차량의 움직임에 의해 초래되는 다양한 구조적 응력을 견뎌야 한다. 이러한 패널의 한 바람직한 품질은 차량의 연료 효율성을 개선하기 위한 경량성이다. 하지만, 이러한 경량성은 직면하는 구조적 응력을 견디는데 필수적인 강도에 부정적 영향을 미칠 수 있고, 흔히 그러한 영향을 미친다. 다수의 당업자들이 흔히 경쟁적인 특질인 구조적 강도 및 경량성을 충족시킬 수 있는 차량 패널을 제공하려는 시도를 해왔다.
예를 들어, 재기(Jaggi)는, 미국 특허 제 6,854,791호에서, 집적된 연속상 섬유 스트랜드(strand) 또는 스트립(strip)을 갖는, 형상-한정(shape-defining), 장섬유 강화 열가소성 매트릭스를 포함하는 강화 열가소성 재료로 제조된 차량 셀(cell)을 교시한다. 베이스 구조는, 베이스 평판, 상부 베이스 영역에서 종방향 으로 진행하는 끊임없는 연속상 섬유 스트랜드 및 저부 베이스 영역에서 종방향으로 진행하는 연속상 섬유 스트랜드를 포함한다. 상부 및 저부 베이스 영역은 수직 벽과 연결된다. 열가소성 재료의 사용을 교시하고는 있지만, 재기의 상기 개시 문헌은 열경화성 재료의 사용을 전혀 언급하고 있지 않다.
톰카(Tomka)에게 허여된 미국 특허 제 6,299,246호는, 몰딩을 형성하는 중합체 재료로 전체적 또는 부분적으로 둘러싸인 하중-지지 구조를 갖는 플라스틱 몰딩 및 디자인 구조를 개시하고 있다. 톰카의 하중-지지 구조는 몇몇의 상호 연결된, 고-강도의, 연속상 섬유-강화 구조적 요소들로부터 형성된다. 톰카는 그의 발명이, 컨테이너, 탱크, 차량 프레임 등과 같이 가장 다양한 모양을 갖는 구조를 단순하고 저렴한 방식으로 제조할 수 있도록 한다고 진술한다. 톰카는 단지 연속상 섬유의 사용만을 교시하고 있다는 것을 주목해야 한다.
레커 등(Recker, et al)에게 허여된 미국 특허 제 4,405,752호는, 2종의 특정 이소시아네이트 및 특정 이소시아네이트-반응성 성분을 조합하고 10 내지 100㎜의 섬유 길이를 갖는 섬유 재료를 첨가하는 것을 포함하는, 섬유-강화된 성형 제품의 제조 방법을 제공한다. 레커 등은, 미국 특허 제 4,336,180호에서, 예비중합체 및 5 내지 69 중량％의 0.1 내지 100㎜의 섬유 길이를 갖는 유기 또는 무기 섬유상 재료로부터 수득된, 실질적으로 무-용매인 성형 재료를 교시한다. 레커 등의 특허 또한 하중-지지 부재의 사용은 교시하지 않는다.
상기 재료들은 일부 단점들을 나타내기 때문에, 차량에 포함되기에 적합한 강하지만 경량인 하중-지지 패널에 대한 필요성이 당업계에 존속한다.
[발명의 개요]
따라서, 본 발명은 상기의 패널 및 그의 제조 방법을 제공한다. 본 발명 하중-지지 복합재 패널은 1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재로부터 제조된 어셈블리를 장섬유 강화 폴리우레탄으로 둘러쌈으로써 제조된다. 경량의 본 발명 패널은 장섬유 강화 폴리우레탄의 물리적 물성으로 인해 개별 성분들의 총합보다 큰 굽힘 및 좌굴 강도(bending and buckling strength)를 갖는다. 본 발명 복합재 패널은 자동차 바닥 패널, 모바일 홈(mobile home)용 벽면재, 지붕 모듈, 트럭 베드, 트럭 트레일러 바닥재 등과 같은 물품에 사용될 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 이점 및 효용이 하기의 본 발명의 상세 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 하기 도면들과 관련하여, 한정이 아닌 설명을 목적으로 이후 기술될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 하중-지지 복합재 패널의 구현예를 통해 취해진 횡단면을 나타내고;
도 2는 본 발명의 하중-지지 복합재 패널의 또 다른 구현예를 통해 취해진 횡단면을 묘사하고;
도 3은 2종의 하중-지지 부재를 가지며 브래킷(bracket)에 설치된 본 발명의 하중-지지 복합재 패널의 한 구현예를 통해 취해진 횡단면을 설명하며; 그리고
도 4는 하중-지지 부재로서 금속 스탬핑을 함유하는 본 발명의 하중-지지 복 합재 패널의 한 구현예를 통해 취해진 횡단면을 나타낸다.
[본 발명의 상세 설명]
본 발명은 한정이 아닌 설명을 목적으로 이후 기술될 것이다. 조작 실시예에서, 또는 달리 지시되는 경우를 제외하고는, 명세서에서 양, 백분율 등을 나타내는 모든 숫자들은, 모든 경우에 있어 "약"이라는 용어에 의해 수정될 수 있는 것으로서 이해된다.
본 발명은 1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재로부터 제조된 어셈블리를 둘러싸는 장섬유 강화 폴리우레탄으로부터 제조된 하중-지지 복합재 패널을 제공한다.
본 발명은 또한 1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재로부터 제조된 어셈블리를 장섬유 강화 폴리우레탄으로 둘러싸는 것을 포함하는 하중-지지 복합재 패널의 제조 방법을 제공한다.
하중-지지 부재로서 천연(예를 들어, 목재), 합성(예를 들어, 폴리우레탄 및 기타 플라스틱) 및 금속(예를 들어, 강철 및 알루미늄) 튜브, 로드, 빔, 슬랩, 평판, 후판 및 스탬핑이 언급될 수 있다. 하중-지지 부재는 중공 또는 중실성일 수 있다.
패널의 목적하는 용도가 필요로 하는 경우, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재는 이들 하중-지지 부재(들)을 포장(encase)하거나 이와 인접(접촉)할 수 있다. 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재는 1종 이상의 유리 섬유 매트, 강직 또는 유연성 폴리우레탄 폼 및 종이 허니콤(honeycomb)으로부터 제조될 수 있다.
당업자들이 인지하고 있는 바와 같이, 장섬유 강화 폴리우레탄은 종래의 고압 혼합 헤드의 사용을 방지하는 것과 같은 성질을 갖는 강화 섬유를 함유한다. 상기 장섬유는, 예를 들어 당업자에게 공지된 세단섬유(chopped fiber) 주입("CFI") 기법을 이용하여 폴리우레탄에 도입될 수 있다. CFI 기계 및 방법은 크라우스-마페이(Krauss-Maffei)(LFI-PUR), 캐논 그룹(The Cannon Group)(InterWet) 및 헤네케 사(Hennecke GmbH)(FipurTec)를 포함하는 다수의 공급자들로부터 입수가능하다.
본 발명에 유용한 장섬유는 바람직하게는 3㎜ 초과, 더욱 바람직하게는 10㎜ 초과, 그리고 가장 바람직하게는 12㎜ 내지 75㎜의 길이이다. 적절한 경우, 장섬유를 매트의 형태로 폴리우레탄에 도입하는 것이 또한 가능하다. 본 발명에의 사용을 위한 적절한 유형의 장섬유의 예는, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 유리 섬유; 천연 섬유, 예컨대 아마, 황마 또는 사이잘의 섬유; 및 합성 섬유, 예컨대 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 탄소 섬유 및 폴리우레탄 섬유를 포함한다. 유리 섬유가 본 발명의 장섬유로서 특히 바람직하다.
장섬유는 바람직하게는 5 내지 75 중량％, 더욱 바람직하게는 10 내지 60 중량％, 그리고 가장 바람직하게는 20 내지 50 중량％의 장섬유-강화 폴리우레탄을 구성한다. 장섬유는 본 발명 하중-지지 복합재 패널의 장섬유-강화 폴리우레탄에, 상기 인용된 값을 포함하는 상기 값들의 임의의 조합 사이의 범위의 양으로 존재할 수 있다.
당업자가 인지하고 있는 바와 같이, 폴리우레탄은, 선택적으로 발포제, 촉매, 보조제 및 첨가제의 존재 하에, 폴리이소시아네이트와 이소시아네이트-반응성 화합물의 반응 생성물이다.
본 발명의 복합재 패널의 장섬유 강화 폴리우레탄 및 제 2 폴리우레탄에 대한 이소시아네이트로서 비-개질 이소시아네이트, 개질 폴리이소시아네이트, 및 이소시아네이트 예비중합체가 적합하다. 그러한 유기 폴리이소시아네이트는, 예를 들어 [W. Siefken, Justus Liebigs Annalen der Chemie, 562, pp.75-136]에 기술된 유형의 지방족, 시클로지방족, 방향지방족, 방향족, 및 헤테로시클릭 폴리이소시아네이트를 포함한다. 그러한 이소시아네이트의 예는 하기 식으로 표시되는 것들을 포함한다:
Q(
NCO
)
n
식 중, n는 2-5, 바람직하게는 2-3의 수이고, Q는 2-18, 바람직하게는 6-10의 탄소 원자를 함유하는 지방족 탄화수소 기; 4-15, 바람직하게는 5-10의 탄소 원자를 함유하는 시클로지방족 탄화수소 기; 8-15, 바람직하게는 8-13의 탄소 원자를 함유하는 방향지방족 탄화수소 기; 또는 6-15, 바람직하게는 6-13의 탄소 원자를 함유하는 방향족 탄화수소 기이다.
적절한 이소시아네이트의 예는 에틸렌 디이소시아네이트; 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트; 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트; 1,12-도데칸 디이소시아네이트; 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트; 시클로헥산-1,3- 및 -1,4-디이소시아네이트, 및 이들 이성체의 혼합물; 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸시클로헥산 (이소포론 디이소시아네이트; 예를 들어, 독일 심사 특허출원 1,202,785 및 미국 특허 제 3,401,190호); 2,4- 및 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트 및 이들 이성체의 혼합물; 디시클로헥실메탄-4,4'-디이소시아네이트(수소화 MDI, 또는 HMDI); 1,3- 및 1,4-페닐렌 디이소시아네이트; 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트 및 이들 이성체의 혼합물(TDI); 디페닐메탄-2,4'- 및/또는 -4,4'- 디이소시아네이트(MDI); 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트; 트리페닐메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트; 예를 들어 GB 878,430 및 GB 848,671에 기술되는, 아닐린과 포름알데히드의 축합, 이어서 포스겐화에 의해 수득될 수 있는 유형(조 MDI)의 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트; 미국 특허 제 3,492,330호에 기술된 것과 같은 노보네인 디이소시아네이트; 미국 특허 제 3,454,606호에 기술된 유형의 m- 및 p-이소시아네이토페닐 술포닐이소시아네이트; 예를 들어, 미국 특허 제 3,227,138호에 기술된 유형의 과염소화 아릴 폴리이소시아네이트; 미국 특허 제 3,152,162호에 기술된 유형의 카보디이미드 기 함유 개질 폴리이소시아네이트; 예를 들어, 미국 특허 제 3,394,164 및 3,644,457호에 기술된 유형의 우레탄 기 함유 개질 폴리이소시아네이트; 예를 들어, GB 994,890, BE 761,616, 및 NL 7,102,524에 기술된 유형의 알로파네이트 기 함유 개질 폴리이소시아네이트; 예를 들어, 미국 특허 제 3,002,973호, 독일 특허 문헌 1,022,789, 1,222,067 및 1,027,394, 그리고 독일 미심사 공개 특허 문헌 1,919,034 및 2,004,048에 기술된 유형의 이소시아누레이트 기 함유 개질 폴리이소시아네이트; 독일 특허 문헌 1,230,778에 기술된 유형의 우레아 기 함유 개질 폴리이소시아네이트; 예를 들어, 독일 특허 문헌 1,101,394, 미국 특허 제 3,124,605 및 3,201,372 호, 그리고 GB 889,050에 기술된 유형의 뷰렛 기 함유 폴리이소시아네이트; 예를 들어, 미국 특허 제 3,654,106호에 기술된 유형의 텔로머화 반응에 의해 수득된 폴리이소시아네이트; 예를 들어, GB 965,474 및 GB 1,072,956, 미국 특허 제 3,567,763호, 및 독일 특허 문헌 1,231,688에 기술된 유형의 에스테르 기 함유 폴리이소시아네이트; 독일 특허 문헌 1,072,385에 기술된 상기 언급된 이소시아네이트와 아세탈의 반응 생성물; 및 미국 특허 제 3,455,883호에 기술된 유형의 중합체성 지방산 기 함유 폴리이소시아네이트를 포함한다. 선택적으로 상기 언급된 1종 이상의 폴리이소시아네이트 중의 용액에서, 상업적 규모로 이소시아네이트 제조시 축적되는 이소시아네이트-함유 증류 잔류물을 사용하는 것이 또한 가능하다. 당업자는 상기된 폴리이소시아네이트의 혼합물의 사용이 가능하다는 것을 또한 인정할 것이다.
이소시아네이트-종결된 예비중합체는 또한 본 발명의 복합재의 폴리우레탄 제조에 이용될 수 있다. 예비중합체는 과량의 유기 폴리이소시아네이트 또는 이의 혼합물과, [Journal of the American Chemical Society, 49, 3181(1927)]에서 콜러(Kohler)에 의해 기술된, 널리 알려진 제르비티노프(Zerewitinoff) 시험에 의해 결정되는 소량의 활성 수소-함유 화합물의 반응에 의해 제조될 수 있다. 이들 화합물 및 이들의 제조 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 어떠한 한 특정 활성 수소 화합물의 사용이 중요한 것은 아니며; 임의의 상기 화합물이 본 발명의 실시에 이용될 수 있다.
임의의 이소시아네이트-반응성 화합물이 본 발명 복합재의 폴리우레탄 제조에 사용될 수 있으나, 폴리에테르 폴리올이 이소시아네이트-반응성 성분으로서 바람직하다. 폴리에테르 폴리올의 제조에 적절한 방법이 공지되어 있으며, 예를 들어 EP-A 283 148, 미국 특허 제 3,278,457; 3,427,256; 3,829,505; 4,472,560; 3,278,458; 3,427,334; 3,941,849; 4,721,818; 3,278,459; 3,427,335; 및 4,355,188호에 기술되어 있다.
다가 알콜과 알킬렌 옥시드의 중합으로부터 생성된 것들과 같은, 적절한 폴리에테르 폴리올이 사용될 수 있다. 상기 알콜의 예는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 트리메틸렌 글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 1,4-펜탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,7-헵탄디올, 글리세롤, 1,1,1-트리메틸올프로판, 1,1,1-트리메틸올에탄, 또는 1,2,6-헥산트리올을 포함한다. 에틸렌 옥시드, 프로필렌 옥시드, 부틸렌 옥시드, 아밀렌 옥시드, 및 이들 옥시드의 혼합물과 같은 임의의 적절한 알킬렌 옥시드가 사용될 수 있다. 폴리옥시알킬렌 폴리에테르 폴리올은 기타 출발 재료 예컨대 테트라히드로푸란 및 알킬렌 옥시드-테트라히드로푸란 혼합물, 에피할로히드린 예컨대 에피클로로히드린, 그리고 아르알킬렌 옥시드 예컨대 스티렌 옥시드로부터 제조될 수 있다. 폴리옥시알킬렌 폴리에테르 폴리올은 일차 또는 이차 히드록실 기를 가질 수 있다. 폴리에테르 폴리올 중에는 폴리옥시에틸렌 글리콜, 폴리옥시프로필렌 글리콜, 폴리옥시부틸렌 글리콜, 폴리테트라메틸렌 글리콜, 블록 공중합체, 예를 들어, 폴리옥시프로필렌과 폴리옥시에틸렌 글리콜의 조합, 폴리-1,2-옥시부틸렌 및 폴리옥시에틸렌 글리콜, 그리고 2종 이상의 알킬렌 옥시드의 배합물 또는 순차적 첨가로부터 제조된 공중합체 글리콜이 포함된다. 폴리옥시알킬렌 폴리에테르 폴리올은 임의의 공지의 방법으로 제조될 수 있다.
포함될 수 있는 발포제는 발포 생성물을 제조하는 것으로 알려진 화학적 또는 물리적 작용을 갖는 화합물이다. 물은 화학적 발포제의 특히 바람직한 예이다. 물리적 발포제의 예는 4 내지 8의 탄소 원자를 갖는 비활성 (시클로)지방족 탄화수소를 포함하며, 이는 폴리우레탄 형성의 조건 하에 증발한다. 사용되는 발포제의 양은 폼(foam)의 표적 밀도에 의해 정해진다.
폴리우레탄 형성을 위한 촉매로서, 이소시아네이트와 이소시아네이트-반응성 성분의 반응을 촉진하는 화합물을 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에 사용하기에 적합한 촉매는 삼차 아민 및/또는 유기금속 화합물을 포함한다. 화합물의 예는 하기를 포함한다: 트리에틸렌디아민, 아미노알킬- 및/또는 아미노페닐-이미다졸, 예를 들어 4-클로로-2,5-디메틸-1-(N-메틸아미노에틸)이미다졸, 2-아미노프로필-4,5-디메톡시-1-메틸이미다졸, 1-아미노프로필-2,4,5-트리부틸-이미다졸, 1-아미노에틸-4-헥실이미다졸, 1-아미노부틸-2,5-디메틸이미다졸, 1-(3-아미노프로필)-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-(3-아미노프로필)이미다졸 및/또는 1-(3-아미노프로필)-2-메틸이미다졸, 유기 카르복실산의 주석(Ⅱ) 염, 예를 들어 주석(Ⅱ) 디아세테이트, 주석(Ⅱ) 디옥토에이트, 주석(Ⅱ) 디에틸헥소에이트, 및 주석(Ⅱ) 디라우레이트, 그리고 유기 카르복실산의 디알킬주석(Ⅳ) 염, 예를 들어 디부틸주석 디아세테이트, 디부틸주석 디라우레이트, 디부틸주석 말레에이트 및 디옥틸주석 디아세테이트.
폴리우레탄 형성 반응은, 산화적, 열적 또는 미생물적 분해 또는 노화에 대응하기 위하여, 원한다면 보조제 및/또는 첨가제, 예컨대 셀 조절제, 이형제, 안료, 표면-활성 화합물 및/또는 안정화제의 존재 하에 일어날 수 있다.
본 발명의 하중-지지 복합재 패널은, 당업자에게 공지되어 있는 반응 사출 성형(RIM) 기법으로 제조되는 것이 바람직할 수 있다. 장섬유 강화 폴리우레탄 제조 성분과 상기 섬유의 혼합물은 장섬유 주입(LFI) 방법에 따라 달성되는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 하중-지지 복합재 패널 10의 구현예를 통해 취해진 횡단면을 나타낸다. 하중-지지 복합재 패널 10은 폴리우레탄 샌드위치 복합재 16으로 둘러싸인 중공 하중-지지 부재 12를 갖는다. 전체 조립체는 장섬유 강화 폴리우레탄 14로 포장되어 하중-지지 복합재 패널 10을 형성한다.
도 2는 본 발명의 하중-지지 복합재 패널 20의 또 다른 구현예를 통해 취해진 횡단면을 묘사한다. 하중-지지 복합재 패널 20은 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 26과 인접(접촉)하는 중공 하중-지지 부재 22를 갖는다. 전체 조립체는 장섬유 강화 폴리우레탄 24로 감싸져 하중-지지 복합재 패널 20을 형성한다.
도 3은 브래킷에 설치된 본 발명의 하중-지지 복합재 패널 30의 한 구현예를 통해 취해진 횡단면을 설명한다. 하중-지지 복합재 패널 30은 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 36과 인접(접촉)하는 중공 하중-지지 부재 32를 갖는다. 이 경우 하중-지지 부재 32와는 상이한 재료로 만들어진, 제 2의, 중실 하중-지지 부재 38은 또한 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 36과 인접(접촉)한다. 전체 조립체는 장섬유 강화 폴리우레탄 34로 둘러싸여 브래킷 37에 안착된 것으로 나타나는 하중-지지 복합재 패널 30을 형성한다.
도 4는 본 발명의 하중-지지 복합재 패널 40의 또 다른 구현예를 통해 취해진 횡단면을 제공한다. 하중-지지 복합재 패널 40은 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 46에 인접하는 금속 스탬핑으로부터 제조되는 하중-지지 부재 42를 갖는다. 전체 조립체는 장섬유 강화 폴리우레탄 44로 캡슐화되어 하중-지지 복합재 패널 40을 형성한다.
당업자에 의해 이해되어지는 바와 같이, 본 발명의 복합재 패널은 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 내에서 하중-지지 부재의 다양한 배열, 배치 및 조합을 포괄한다. 예를 들어, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재는 제 1 하중-지지 부재를 포장하고 제 2 하중-지지 부재와 인접(접촉)할 수 있거나, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재는 수 개의 하중-지지 부재를 감싸고 1종 또는 0의 제 2 하중-지지 부재와 인접(접촉)할 수 있다. 구체적인 배치 및 배열은 패널이 목적하는 특별한 적용에 의해 결정될 것이다.
본 발명자들은 본원에서 본 발명의 하중-지지 복합재 패널이 자동차 바닥 패널, 모바일 홈용 벽면재, 차량 지붕 모듈, 트럭 베드, 트럭 트레일러 바닥재 등과 같은 물품에 도입될 수 있다는 것을 고려한다.
본 발명은 하기 실시예로써 추가 설명되지만, 이에 한정되지는 않는다. "부" 및 "백분율"로 주어진 모든 양은, 달리 지시되지 않는 한, 중량으로 이해된다. 하기 재료가 실시예의 복합재 제조에 사용되었다:
폴리올 A 365-395의 OH가를 갖는 수크로스-기재 폴리에테르 폴리올;
폴리올 B 240의 중량 평균 분자량을 갖는 아민-개시된 프로필렌 옥시드-연장된 히드록실-종결 트리올
폴리올 C 600-660의 OH가를 갖는 에틸렌 디아민-기재 폴리에테르 폴리올;
폴리올 D 160의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리프로필렌 옥시드-기재 트리올;
폴리올 E 51의 OH가를 갖는 올레산, 아디프산 및 펜타에리트리톨 함유 폴리에스테르 폴리올;
촉매 글리콜 및 칼륨 아세테이트 각각의 62/38 중량 백분율 배합물;
이형제 15 미만의 산가 및 15 미만의 수산가를 갖는 아디프산, 펜타에리트리톨, 및 올레산의 반응 생성물;
안료 플라스티컬러즈 사(Plasticolors, Inc.)로부터 DR-2205로서 입수가능한 흑색 안료;
이소시아네이트 A 약 31.5％의 NCO 기 함량, 약 2.8의 관능성 및 25℃에서 약 196 mPa.s의 점도를 갖는 중합체성 디페닐메탄 디이소시아네이트; 및
이소시아네이트 B 90부 이소시아네이트 A와 10부 폴리올 E의 조합에 의해 제조되며, 약 28.5％의 NCO 기 함량을 갖는 이소시아네이트-종결된 예비중합체.
구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재
폴리우레탄 A는 1.39:1.00의 이소시아네이트 대 폴리올의 비율로, 이소시아네이트 B를 하기 폴리올 배합물과 반응시킴으로써 제조되었다:
| 성분 | 부 |
| 폴리올 A | 53.75 |
| 폴리올 B | 35.75 |
| 지방산 | 5.0 |
| 촉매 | 0.5 |
| 안료 | 5.0 |
종이 허니콤의 조각을 유리 매트로 포장함으로써 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 판(plaque)을 제조했다. 사용되는 허니콤의 두께는 필요한 부품의 두께에 의해 결정될 수 있다. 사용되는 유리 매트의 양 또는 중량 또한 목적하는 강도 특성에 따라 변할 수 있다. 대부분의 경우, 유리 중량은 225 g/㎡ 내지 1200 g/㎡에서 변할 것이다.
허니콤 및 유리 매트 샌드위치를 로봇 그리퍼(gripper)로 집어올려, 폴리우레탄 A가 패킷의 어느 한 면 상에서의 유리 중량과 동일한 양으로 패킷의 양면에 적용되는 스프레이 부스로 전달하였다. 분무의 완결 시, 패킷이 그의 최종 모양으로 압축되는 가열된 주형(200 - 230℉)에 이를 떨어뜨렸다.
폴리우레탄 B
이소시아네이트 A를, 1.72:1.00의 이소시아네이트 대 폴리올의 비율로 하기 폴리올 배합물과 반응시켰다:
| 성분 | 부 |
| 폴리올 B | 40 |
| 폴리올 C | 31 |
| 폴리올 D | 17 |
| 사차 아민 염 | 4 |
| 이형제 | 6 |
| 안료 | 2 |
복합재
본 발명 복합재(24in.×24in.×31㎜)를 강철 튜빙(tubing), 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 판 및 폴리우레탄 B로부터 제조했다. 복합재 패널을 제조하기 위해, 하기의 5 조각들이 주형에 배열되었다:
1) 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재(5in.×24in.×1in.);
2) 강철 튜빙(2in.×24in.×1in.);
3) 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재(10in.×24in.×1in.);
4) 강철 튜빙(2in.×24in.×1in.); 및
5) 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재(5in.×24in.×1in.).
본 발명 복합재 패널은 유리 섬유의 길이를 절단하고, 이를 150 - 175℉로 가열된 주형에 폴리우레탄 B와 동시적으로 주입하는, 장섬유 기술(LFT)을 사용하여 제조되었다. 주입 후, 주형을 밀폐시키고 부품을 경화시켰다. 이어서 상기 패널의 한 면을 폴리우레탄 B를 사용하여 코팅하였다. 주형으로부터 패널을 제거하고, 트리밍(trimming)하고, 주형에 재삽입하여, LFT 방법의 사용으로 제 2 면이 코팅될 수 있도록 했다.
본 발명 복합재 패널은 개별 성분에 대하여 예상되는 것을 넘어서 상당히 증가된 좌굴 강도 및 굽힘 강성도를 나타냈다. 축의 좌굴 강도는 캡슐화되지 않은 요소들의 것보다 2배 내지 5배 증가했다. 임의의 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 본원에서 발명자들은 장섬유 강화 폴리우레탄의 절단 유리/폴리우레탄 혼합물이, 서로 다른 재료들 모두를 함께 붙잡아, 상기 섬유를 구성 부품에 접착시키는 일종의 "접착제"로서 작용하는 것으로 추측한다. 이는, 따라서, 복합재 패널의 증가된 성능을 결과로 하는 상승적 효과를 제공했다.
4-지점 굽힘 시험을 LFT 및 폴리우레탄 B를 사용하여 코팅된 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재 상에서 수행하고, 계산된 강성도 결과를 하기 표에 나타낸다. 샌드위치 복합재 단독(대조군)은 우수한 강성도를 나타냈다. 20 중량％ 유리 섬유를 함유하는 장섬유 강화 폴리우레탄의 얇은 층의 첨가는, 샘플의 굽힘 강성도에 있어 63％ 증가를 제공했다. 강성도의 증가는, 샌드위치 복합재에 적용된 얇은 층에서의 유리 섬유의 로딩을 45 중량％로 증가시켰을 때, 상응적으로 보다 컸다(122％).
| 샘플 | 강성도 | |
| (lbf/in.) | 백분율 증가 | |
| PU 샌드위치 복합재 | 1565 | - |
| + 20 중량％ LFT | 2550 | 63 |
| + 45 중량％ LFT | 3470 | 122 |
본 발명의 상기 실시예는 한정이 아닌 설명을 목적으로 제공된다. 당업자에게 있어, 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않고 본원에 기재된 실시예가 다양한 방식으로 수정 또는 개선될 수 있음이 명백할 것이다. 본 발명의 범주는 첨부되는 청구항에 의해 판단되어야 한다.
Claims (42)
1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재를 포함하는 어셈블리를 둘러싸는 장섬유 강화 폴리우레탄을 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이 유리, 아마, 황마, 사이잘, 폴리아미드, 폴리에스테르, 탄소 및 폴리우레탄 섬유에서 선택된 적어도 1종의 섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 약 3㎜ 초과의 길이를 갖는 섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 약 10㎜ 초과의 길이를 갖는 섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 약 12㎜ 내지 약 75㎜의 길이를 갖는 섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 장섬유 강화 폴리우레탄의 중 량을 기준으로, 약 5 내지 약 75 중량％의 장섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 장섬유 강화 폴리우레탄의 중량을 기준으로, 약 10 내지 약 60 중량％의 장섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 장섬유 강화 폴리우레탄의 중량을 기준으로, 약 20 내지 약 50 중량％의 장섬유를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이 1종 이상의 이소시아네이트 및 1종 이상의 이소시아네이트-반응성 성분의 반응 생성물을 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 9 항에 있어서, 이소시아네이트가 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3- 및 -1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸시클로헥산 (이소포론 디이소시아네이트), 2,4- 및 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 디시 클로헥실-메탄-4,4'-디이소시아네이트 (수소화 MDI 또는 HMDI), 1,3- 및 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트 (TDI), 디페닐메탄-2,4'- 및/또는 -4,4'-디이소시아네이트 (MDI), 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트, 트리페닐메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트, 노보네인 디이소시아네이트, m- 및 p-이소시아네이토페닐 술포닐이소시아네이트, 과염소화 아릴 폴리이소시아네이트, 카보디이미드-개질된 폴리이소시아네이트, 우레탄-개질된 폴리이소시아네이트, 알로파네이트-개질된 폴리이소시아네이트, 이소시아누레이트-개질된 폴리이소시아네이트, 우레아-개질된 폴리이소시아네이트, 뷰렛(biuret)-함유 폴리이소시아네이트 및 이소시아네이트-종결된 예비중합체에서 선택되는 하중-지지 복합재 패널.
제 9 항에 있어서, 이소시아네이트-반응성 성분이 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올, 폴리티오에테르 폴리올, 폴리에스테르아미드, 히드록실-함유 폴리아세탈, 히드록실-함유 지방족 폴리카보네이트 및 이의 혼합물에서 선택되는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 하중-지지 부재가 금속, 플라스틱 및 목재에서 선택된 재료를 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 하중-지지 부재가 강철 및 알루미늄에서 선택된 금속을 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 하중-지지 부재가 튜브, 로드(rod), 빔(beam), 슬랩(slab), 평판, 후판(plank) 및 스탬핑(stamping)에서 선택되는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 1종 이상의 이소시아네이트 및 1종 이상의 이소시아네이트-반응성 성분의 반응 생성물을 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 15 항에 있어서, 이소시아네이트가 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3- 및 -1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸시클로헥산 (이소포론 디이소시아네이트), 2,4- 및 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 디시클로헥실-메탄-4,4'-디이소시아네이트 (수소화 MDI 또는 HMDI), 1,3- 및 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트 (TDI), 디페닐메탄-2,4'- 및/또는 -4,4'-디이소시아네이트 (MDI), 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트, 트리페닐메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트, 노보네인 디이소시아네이트, m- 및 p-이소시아네이토페닐 술포닐이소시아네이 트, 과염소화 아릴 폴리이소시아네이트, 카보디이미드-개질된 폴리이소시아네이트, 우레탄-개질된 폴리이소시아네이트, 알로파네이트-개질된 폴리이소시아네이트, 이소시아누레이트-개질된 폴리이소시아네이트, 우레아-개질된 폴리이소시아네이트, 뷰렛-함유 폴리이소시아네이트 및 이소시아네이트-종결된 예비중합체에서 선택되는 하중-지지 복합재 패널.
제 15 항에 있어서, 이소시아네이트-반응성 성분이 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올, 폴리티오에테르 폴리올, 폴리에스테르아미드, 히드록실-함유 폴리아세탈, 히드록실-함유 지방족 폴리카보네이트 및 이의 혼합물에서 선택되는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 적어도 1종의 유리 매트; 구조적 폴리우레탄 폼; 및 종이 허니콤(honeycomb)을 포함하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 1종 이상의 하중-지지 부재를 포장하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 1종 이상의 하중-지지 부재와 접촉하는 하중-지지 복합재 패널.
제 1 항에 기재된 하중-지지 복합재 패널을 함유하는 것을 포함하는 것을 개선점으로 하는, 자동차 바닥 패널, 모바일 홈(mobile home) 벽, 지붕 모듈, 트럭 바닥, 트럭 바닥 및 트럭 트레일러 바닥 중 어느 하나의 제조 방법.
1종 이상의 하중-지지 부재 및 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재를 포함하는 어셈블리를 장섬유 강화 폴리우레탄으로 둘러싸는 것을 포함하는, 하중-지지 복합재 패널의 제조 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이 유리, 아마, 황마, 사이잘, 폴리아미드, 폴리에스테르, 탄소 및 폴리우레탄 섬유에서 선택된 적어도 1종의 섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 약 3㎜ 초과의 길이를 갖는 섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 약 10㎜ 초과의 길이를 갖는 섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 약 12㎜ 내지 약 75㎝의 길 이를 갖는 섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 장섬유 강화 폴리우레탄의 중량을 기준으로, 약 5 내지 약 75 중량％의 장섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 장섬유 강화 폴리우레탄의 중량을 기준으로, 약 10 내지 약 60 중량％의 장섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이, 장섬유 강화 폴리우레탄의 중량을 기준으로, 약 20 내지 약 50 중량％의 장섬유를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 장섬유 강화 폴리우레탄이 1종 이상의 이소시아네이트 및 1종 이상의 이소시아네이트-반응성 성분의 반응 생성물을 포함하는 방법.
제 30 항에 있어서, 이소시아네이트가 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3- 및 -1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸시클로헥산 (이소포론 디이소시아네이트), 2,4- 및 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 디시클로헥실-메탄-4,4'-디이소시아네이트 (수소화 MDI 또는 HMDI), 1,3- 및 1,4-페닐 렌 디이소시아네이트, 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트 (TDI), 디페닐메탄-2,4'- 및/또는 -4,4'-디이소시아네이트 (MDI), 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트, 트리페닐메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트, 노보네인 디이소시아네이트, m- 및 p-이소시아네이토페닐 술포닐이소시아네이트, 과염소화 아릴 폴리이소시아네이트, 카보디이미드-개질된 폴리이소시아네이트, 우레탄-개질된 폴리이소시아네이트, 알로파네이트-개질된 폴리이소시아네이트, 이소시아누레이트-개질된 폴리이소시아네이트, 우레아-개질된 폴리이소시아네이트, 뷰렛-함유 폴리이소시아네이트 및 이소시아네이트-종결된 예비중합체에서 선택되는 방법.
제 30 항에 있어서, 이소시아네이트-반응성 성분이 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올, 폴리티오에테르 폴리올, 폴리에스테르아미드, 히드록실-함유 폴리아세탈, 히드록실-함유 지방족 폴리카보네이트 및 이의 혼합물에서 선택되는 방법.
제 22 항에 있어서, 하중-지지 부재가 금속, 플라스틱 및 목재에서 선택된 재료를 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 하중-지지 부재가 강철 및 알루미늄에서 선택된 금속을 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 하중-지지 부재가 튜브, 로드, 빔, 슬랩, 평판, 후판 및 스탬핑에서 선택되는 방법.
제 22 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 1종 이상의 이소시아네이트 및 1종 이상의 이소시아네이트-반응성 성분의 반응 생성물을 포함하는 방법.
제 36 항에 있어서, 이소시아네이트가 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3- 및 -1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸시클로헥산 (이소포론 디이소시아네이트), 2,4- 및 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 디시클로헥실-메탄-4,4'-디이소시아네이트 (수소화 MDI 또는 HMDI), 1,3- 및 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트 (TDI), 디페닐메탄-2,4'- 및/또는 -4,4'-디이소시아네이트 (MDI), 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트, 트리페닐메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트, 노보네인 디이소시아네이트, m- 및 p-이소시아네이토페닐 술포닐이소시아네이트, 과염소화 아릴 폴리이소시아네이트, 카보디이미드-개질된 폴리이소시아네이트, 우레탄-개질된 폴리이소시아네이트, 알로파네이트-개질된 폴리이소시아네이트, 이 소시아누레이트-개질된 폴리이소시아네이트, 우레아-개질된 폴리이소시아네이트, 뷰렛-함유 폴리이소시아네이트 및 이소시아네이트-종결된 예비중합체에서 선택되는 방법.
제 36 항에 있어서, 이소시아네이트-반응성 성분이 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올, 폴리티오에테르 폴리올, 폴리에스테르아미드, 히드록실-함유 폴리아세탈, 히드록실-함유 지방족 폴리카보네이트 및 이의 혼합물에서 선택되는 방법.
제 22 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 적어도 1종의 유리 매트; 구조적 폴리우레탄 폼; 및 종이 허니콤을 포함하는 방법.
제 22 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 1종 이상의 하중-지지 부재를 둘러싸는 방법.
제 22 항에 있어서, 구조적 폴리우레탄 샌드위치 복합재가 1종 이상의 하중-지지 부재와 접촉하는 방법.
제 22 항에 기재된 방법으로 제조된 하중-지지 복합재 패널을 함유하는 것을 포함하는 것을 개선점으로 하는, 자동차 바닥 패널, 모바일 홈 벽, 지붕 모듈, 트 럭 바닥, 트럭 바닥 및 트럭 트레일러 바닥 중 어느 하나의 제조 방법.
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