KR20090006834A - 견섬유 복합물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내충격성이 높으면서 비교적 경량인 열가소성 중합체 매트릭스를 포함하는 견섬유로 강화된 복합물을 제공한다. 본 발명의 견섬유로 강화된 복합물은 내관통성이 20 J/mm 판 두께 초과, 더 바람직하게는 30 J/mm 판 두께 초과, 가장 바람직하게는 40 J/mm 판 두께 초과일 정도로 충격 에너지가 최적으로 소실될 수 있게 한다. 본 발명에 따른 섬유 복합물의 높은 내충격성으로 인해, 이러한 복합물을 포함하는 패널 또는 쉘은 수명 주기 동안 충격을 받거나 관통의 위협을 받는 물체의 제조를 위해 특히 유용하다.
견섬유, 열가소성 중합체 매트릭스, 복합물, 패널, 쉘
Description
본 발명은 매트릭스 상(matrix phase)으로서의 열가소성 중합체와, 강화 상(reinforcement phase)으로서의 2 이상의 방향으로 편제된 견섬유를 포함하는 섬유 복합물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 견섬유 복합물은 내관통성(penetration resistance)이 높다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 섬유 복합물을 포함하는 패널(panel) 또는 쉘(shell), 및 또한 이러한 패널 또는 쉘을 포함하는 물체에 관한 것이다.
최근 천연 섬유 복합물은 복합물 연구소 및 또한 산업에서 많은 관심을 받고 있다. 이는 특히 이의 환경적인 성능과 관련된 천연 섬유의 여러가지 잠재적인 이점으로 인한 것이다. 천연 섬유는 재생가능한 원료이며, 심지어 이의 복합 폐기물이 소각되는 경우에도 환경에 이산화탄소를 순방출시키지 않는다 (즉, 이러한 물질은 CO2 중립(neutral)임). 이의 가공 동안 (에너지 소모로 인해) 일부 유효량의 CO2가 방출되나, 이러한 양은 유리 및 탄소 섬유와 같은 합성 섬유의 제조 동안 방출되는 유효량보다 훨씬 적다. 천연 섬유는 본질적으로 생분해성이어서, 유리할 수 있다. 비교적 낮은 밀도로 인해, 아마, 대마 및 양마와 같은 일부 섬유에 대해 서는 유리 섬유의 기계적 특성에 필적하는 높은 특정 기계적 특성이 수득된다. 다른 이점은 천연 섬유를 재배할 때 필요한 투자비가 비교적 낮으며 잠재적인 비용이 적다는 점이다. 또한, 이러한 섬유의 마모성은 전형적으로 유리 또는 탄소보다 적어서, 예를 들어 텍스타일 가공에서 덜 마멸되고, 섬유 분진으로 인한 직업상의 건강 위험성이 잠재적으로 감소된다. 또한, 일반대중은 전형적으로 천연 물질을 사용하는 것을 높이 평가한다.
본 발명은 견섬유 복합물에 관한 것이다. 견섬유는 천연 섬유에 대해 상기한 많은 이점을 공유한다. 견섬유는 파단 변형률이 매우 높으며, 본 발명은 이러한 특성이 매우 인성인 복합물에 적용될 수 있는 방법을 보여준다.
일본 특허 제3653635호에는 매트릭스 상으로서의 열가소성 중합체, 더 특히 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리프로필렌 또는 폴리락테이트와, 강화 상으로서의 견직물을 포함하는 강화된 복합물이 기재되어 있다. 상기 견직물은 씨실 및 날실 방향의 섬유 밀도 차이가 12％를 초과하는 능직물 또는 평직물이다. 즉, 상기 견직물은 중량 및 그로 인한 강도가 불균형적인 직물이다. 이러한 불균형적인 제직물의 사용은 전형적으로 각 섬유 방향에서의 강도가 상이한 복합물을 생성시킨다. 본 발명은 이러한 복합물의 내충격성 (실시예 2 및 도 2에 나타낸 방법에 의해 측정됨)이 비교적 낮으며, 각 섬유 방향에서의 강도가 유사하도록 2 이상의 섬유 방향으로 배열된 견섬유로 강화된, 열가소성 중합체 매트릭스를 포함하는 복합물, 즉 섬유 방향에서의 강도가 균형적인 복합물에서 현저하게 더 높은 내충격성이 수득됨을 보여준다. 또한, 내충격성은 견섬유사를 약간 꼼으로써 추가로 개선될 수 있다 (꼬임은 섬유 강도를 감소시킴). 따라서, 본 발명의 견섬유로 강화된 복합물은 내충격성이 높으면서 비교적 경량인 이점을 갖는다. 또한, 본 발명은 매트릭스 상으로서의 파단 변형률이 높은 선택된 열가소성 중합체를 포함하며, 섬유 편제와 관계 없이 내충격성이 높은, 견으로 강화된 복합물을 제공한다. 이러한 본 발명의 복합물은 이의 특성으로 인해 수명 주기 동안 충격을 받거나 관통의 위협을 받는 물체에 통합하고자 하는 패널 또는 쉘의 제조를 위해 특히 유용하다. 이러한 물체의 예로는 종종 이송되거나 뾰족한 물품에 인접하게 사용되는 용기(recipient) 또는 컨테이너, 예컨대 박스, 여행가방, 서류가방, 핸드백, 병, 욕실용 또는 주방용 악세사리 또는 시계케이스가 있다.
내력성(load bearing) 제품, 예컨대 여행가방, 서류가방, 핸드백 등에서 사용되는 물질의 내충격성 및 다른 특성의 중요성은 영국 특허 제2238753호에 상세하게 논의되어 있다.
<발명의 개요>
본 발명은 본 발명자들이 열가소성 중합체 매트릭스를 포함하는, 선택된 견섬유로 강화된 복합물이 내충격성이 높으면서 비교적 경량임을 발견한 것을 기초로 한다. 본 발명의 견섬유로 강화된 복합물은 실시예 2에 기재한 시험 방법에 따라 측정되는 내관통성이 20 J/mm 판 두께 초과, 더 바람직하게는 30 J/mm 판 두께 초과, 가장 바람직하게는 40 J/mm 판 두께 초과일 정도로 충격 에너지가 최적으로 소실될 수 있게 한다. 본 발명에 따른 섬유 복합물의 높은 내충격성으로 인해, 이러한 복합물을 포함하는 패널 또는 쉘은 수명 주기 동안 충격을 받거나 관통의 위협 을 받는 물체의 제조를 위해 특히 유용하다.
<도면의 간단한 설명>
도 1은 견섬유 복합물의 압축 성형의 도시이다.
도 2는 추 낙하 충격 시험의 구성의 도시이다.
도 3은 매트릭스 열가소성 중합체의 파단 변형률에 따른 견섬유 복합물의 추 낙하 내충격성의 도시이다.
<설명>
본 발명은 본 발명자들이 열가소성 중합체 매트릭스를 포함하는, 선택된 견섬유로 강화된 복합물이 내충격성 높으면서 비교적 경량임을 발견한 것을 기초로 한다. 본 발명의 견섬유로 강화된 복합물은 실시예 2 및 도 2에 나타낸 시험 방법에 따라 측정되는 내관통성이 20 J/mm 판 두께 초과, 더 바람직하게는 30 J/mm 판 두께 초과, 가장 바람직하게는 40 J/mm 판 두께 초과일 정도로 충격 에너지가 최적으로 소실될 수 있게 한다. 이러한 높은 내충격성은 복합물에서의 견섬유의 적절한 편제 및 열가소성 매트릭스 중합체의 적절한 선택 중 하나 또는 이들 둘 다에 의해 수득될 수 있다.
본 발명은 견섬유의 편제가 충분한 복합물의 강도 및 양호한 복합물의 변형도 중 하나 또는 이들 둘 다를 확보하여 내충격성에 현저하게 기여할 수 있음을 나타낸다. 본 발명자들은 복합물 내에 2 이상의 방향으로 견섬유를 편제함 (이로 인해 각 섬유 방향에서의 인장 강도가 동일한 범위 내가 됨)으로써 적절한 강도가 수득됨을 발견하였다. 이에 따라, 제1 양태에서, 본 발명은 매트릭스 상으로서의 열가소성 중합체와, 강화 상으로서의 2 이상의 방향으로 편제된 견섬유를 포함하며, 포함된 견섬유의 섬유 방향들 간의 인장 강도 차이가 15％ 미만, 더 바람직하게는 10％ 미만, 가장 바람직하게는 7.5％ 미만, 예를 들면 3％ 미만이도록 섬유 방향에 걸친 견섬유의 분포가 선택된 섬유 복합물을 제공한다. 바람직한 일 실시양태에서, 복합물 내의 섬유 방향의 배향 및 개수는 복합물이 비-섬유 방향을 추가로 포함하도록 선택되며, 복합물의 파단 변형률은 25％ 초과, 더 바람직하게는 30％ 초과, 가장 바람직하게는 35％ 초과, 예를 들면 40％ 초과이다. 견섬유 방향에 제공된 균형적인 강도와 함께, 소정의 방향에서의 이러한 높은 변형도는 충격 시의 에너지가 효과적으로 소실될 수 있게 한다. 바람직하게는, 견섬유는 상기 복합물 내에 적층된 복수의 직물 또는 매트로 편제된다. 적층된 견섬유 함유 직물 또는 매트는 제직물, 부직물, 조물 또는 비권축 직물일 수 있다. 본 발명의 제1 양태에 따른 복합물은 동일한 유형이거나 상이한 유형의 조합인 복수의 매트 또는 직물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 복합물에서 사용되는 견섬유는 길이가 20 mm 초과, 더 바람직하게는 60 mm 초과이거나, 연속적인 견섬유이다. 특정한 실시양태에서, 견섬유는 실로 방적된다. 불연속 섬유를 기초로 한 복합물은 복잡한 형태로의 성형을 보다 용이하게 할 것으로 예상된다.
본 발명의 제1 양태의 일 실시양태에서, 복합물은 견섬유를 포함하는 복수의 제직물을 포함하며, 더 바람직하게는 제직물에 포함된 섬유의 50％ 이상이 견섬유이며, 가장 바람직하게는 견섬유가 상기 제직물에 포함된 유일한 섬유이다. 더 바람직한 일 실시양태에서, 제직물은 씨실 및 날실 방향의 섬유가 동일하며, 상기 제직물의 씨실 및 날실 간의 섬유 밀도 차이는 12％ 이하, 더 바람직하게는 6％ 미만이며, 가장 바람직하게는 제직물은 씨실 및 날실의 섬유 밀도가 동일한 균형적인 제직물이다 (중량이 균형적임). 당업자는 각 섬유 방향에서의 인장 강도가 동일한 범위 내인 복합물을 수득하기 위해, 씨실 및 날실 간의 섬유 밀도 차이가 12％ 미만인 실질적으로 균형적인 제직물, 또는 날실이 각각 동일한 방향으로 또는 90° 각도로 적층된 균형적인 제직물을 적층하는 것이 바람직함을 이해할 것이다. 또다른 더 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 복합물은 씨실 및 날실의 섬유 밀도가 현저하게 상이한 복수의 불균형적인 제직물을 포함한다. 특정한 일 실시양태에서, 상기 불균형적인 제직물은 씨실 및 날실의 섬유가 동일하며, 상기 제직물의 씨실 및 날실 간의 섬유 밀도 차이가 12％를 초과한다. 이러한 불균형적인 제직물을 사용하는 경우, 복합물의 섬유 방향들의 전체 섬유 밀도가 12％ 미만, 바람직하게는 6％ 미만, 예를 들면 3％ 미만으로 상이하도록 각각의 제직물을 적층하는 것이 중요하다. 가장 바람직하게는, 각각의 불균형적인 제직물은 복합물의 섬유 방향들의 전체 섬유 밀도가 동일하도록 적층된다. 특정한 일 실시양태에서, 본 발명에 따른 복합물은 불균형적인 제직물들 중 대략 절반의 씨실 방향이 복합물에 포함된 이러한 제직물들 중 다른 절반의 씨실 방향과 90° 각도이도록 적층된, 복수의 동일한 불균형적인 제직물을 포함한다. 또다른 특정한 실시양태에서, 불균형적인 제직물은 씨실 및 날실의 섬유가 상이하며, 예를 들어 씨실은 견섬유이고 날실은 면섬유이다. 이러한 불균형적인 제직물을 사용하는 경우, 복합물의 섬유 방향들의 전체 견섬유 밀도가 12％ 미만, 바람직하게는 6％ 미만, 예를 들면 3％ 미만으로 상이하도록 각 제직물을 적층하는 것이 중요하다. 가장 바람직하게는, 각각의 불균형적인 제직물은 복합물의 섬유 방향들의 전체 견섬유 밀도가 동일하도록 적층된다.
본 발명에 따른 복합물의 균형적인 또는 불균형적인 제직물을, 복합물이 제직물의 씨실 및 날실에 상응하는 90° 각도인 2 섬유 방향을 포함하도록 적층하는 것이 바람직하다. 이러한 복합물은 각 섬유 방향에 대해 45° 각도인 방향에서의 변형도가 높은 특정한 이점을 갖는다. 바람직하게는, 45° 방향에서의 파단 변형률로서 측정되는 상기 변형도는 25％ 초과, 더 바람직하게는 30％ 초과, 가장 바람직하게는 35％ 초과, 예를 들면 40％ 초과이다.
또한, 본 발명자들은 견사의 꼬임의 정도가 높은 제직물을 포함하는 복합물의 내충격성이 비교적 낮음 (꼬임이 실의 강도를 감소시킴)을 관찰하였다. 따라서, 섬유의 꼬임은 실에 도입되는 경우 2000 회/m 미만, 바람직하게는 1000 회/m 미만, 더 바람직하게는 500 회/m 미만, 가장 바람직하게는 200 회/m 미만인 것이 바람직하다.
본 발명자들은 (실질적으로) 균형적인 견섬유 복합물의 내충격성이 (열가소성) 중합체 매트릭스 물질의 파단 변형률에 따라 증가함을 또한 발견하였다.
본 발명자들은 매트릭스 상으로서의 열가소성 중합체와 강화 상으로서의 견섬유 함유 편직물을 사용하는 경우 내충격성이 20 J/mm 판 두께 초과, 더 바람직하게는 30 J/mm 판 두께 초과, 예를 들면 40 J/mm 판 두께 초과인 섬유 복합물이 수득됨을 발견하였다. 이러한 높은 내충격성 (실시예 2 및 도 2에 나타낸 시험 방법에 따라 측정됨)은 높은 편직물의 변형도와 관련되어 있다. 이에 따라, 제2 양태에서, 본 발명은 매트릭스 상으로서의 열가소성 중합체와, 강화 상으로서의 복수의 적층된 편직물로 편제된 견섬유를 포함하는 섬유 복합물을 제공한다. 바람직한 일 실시양태에서, 편직물은 견섬유가 아닌 섬유를 포함하지 않는다. 편직물에 포함된 견섬유는 실로 방적될 수 있거나, 연속 섬유일 수 있다. 더 바람직한 일 실시양태에서, 복합물에 포함된 단리된 편직물은 모든 직물 방향에 걸쳐 평균한 경우 평균 파단 인장 변형률이 80％ 이상이거나, 임의의 직물 방향에서의 편직물의 파단 변형률이 60％ 이상이다.
본 발명의 제1 및 제2 양태에 따른 복합물에서 매트릭스로서 사용되는 열가소성 중합체는 바람직하게는 인장 모듈러스가 1000 MPa 미만, 더 바람직하게는 750 MPa 미만, 예를 들면 450 MPa 미만이고, 파단 인장 변형률이 300％ 초과, 바람직하게는 400％ 초과인 것을 특징으로 한다. 이러한 열가소성 중합체의 비제한적인 예의 목록에는 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌의 공중합체를 비롯한 폴리올레핀이 있다. 다른 적합한 열가소성 중합체는 폴리부틸렌 숙시네이트 (예를 들면, 상품명 바이오놀(Bionolle) 1000 시리즈)를 비롯한 지방족 폴리에스테르 또는 코폴리아미드 (예를 들면, 상품명 에푸렉스(Epurex))이다. 그러나, 견의 산화를 방지하기 위해 충분한 작업을 수행하는 한, 원칙적으로 예를 들어 나일론, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS), 폴리카르보네이트 (PC) 및 폴리락트산 (PLA)을 비롯한 임의의 열가소성 중합체가 선택될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 중합체는 열가소성 엘라스토머, 에틸렌과 비닐 아세테이트의 공중합체 (예를 들면, 상품명 에스코렌 울트라(Escorene Ultra)), 에틸렌과 옥텐의 공중합체 (예를 들면, 상품명 이그잭트(Exact)), 폴리부틸렌 숙시네이트-co-아디페이트 (예를 들면, 상품명 바이오놀 3000 시리즈), 폴리카프로락톤 (상품명 CAPA), 또는 폴리테트라메틸렌 아디페이트 테레프탈레이트 (상품명 에코플렉스(Ecoflex))를 비롯한 방향족 폴리에스테르이다. 더 바람직하게는, 상기 매트릭스 중합체는 열가소성 엘라스토머이다. 이러한 엘라스토머는 광범위한 화학물질 및 조성물을 포함한다. 비제한적인 예의 목록에는 열가소성 매트릭스 중 고무 상의 물리적인 블렌드, 예를 들면 EPDM 고무와 폴리프로필렌의 블렌드 (예를 들면, 상품명 산토프렌(Santoprene)), 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리프로필렌 (PP)과 EPDM의 블렌드 (예를 들면, 상품명 비스타플렉스(Vistaflex)), PE 또는 PP와 부틸 고무의 블렌드 (예를 들면, 상품명 트레프신(Trefsin))가 포함된다. 다른 적합한 열가소성 엘라스토머는 SEBS 고무와 PP의 블렌드 및 열가소성 폴리우레탄을 포함한다. 열가소성 폴리우레탄은 폴리우레탄 에스테르 및 에테르 (예를 들면, 상품명 왈로푸르(Walopur)) 또는 폴리카프로락톤 코폴리에스테르 (예를 들면, 상품명 펄탄(Pearlthane))를 포함한다.
또한, 내충격성 (실시예 2 및 도 2에 나타낸 시험 방법에 의해 측정됨)이 높은 섬유 복합물은 강화 상으로서의 견섬유와, 매트릭스 상으로서의 인장 모듈러스 또는 강성도(stiffness)가 450 MPa 미만이고 파단 인장 변형률이 400％를 초과하는 열가소성 중합체를 배합함으로써 수득될 수 있다. 이러한 중합체는 견 복합물에서 매우 높은 내충격성을 제공하며, 더 부드러운 촉감을 또한 제공한다. 이에 따라, 제3 양태에서, 본 발명은 매트릭스 상으로서의 인장 모듈러스가 450 MPa 미만이고 파단 인장 변형률이 400％를 초과하는 열가소성 중합체와, 강화 상으로서의 견섬유를 포함하는 섬유 복합물을 제공한다. 바람직하게는, 상기 중합체는 열가소성 엘라스토머, 에틸렌과 비닐 아세테이트의 공중합체 (예를 들면, 상품명 에스코렌 울트라), 에틸렌과 옥텐의 공중합체 (예를 들면, 상품명 이그잭트), 폴리부틸렌 숙시네이트-co-아디페이트 (예를 들면, 상품명 바이오놀 3000 시리즈)를 비롯한 지방족 폴리에스테르 (생분해성임), 폴리카프로락톤 (상품명 CAPA), 또는 폴리테트라메틸렌 아디페이트 테레프탈레이트 (상품명 에코플렉스)를 비롯한 방향족 폴리에스테르이다. 더 바람직하게는, 상기 매트릭스 중합체는 열가소성 엘라스토머이다. 이러한 엘라스토머는 광범위한 화학물질 및 조성물을 포함한다. 비제한적인 예의 목록에는 열가소성 매트릭스 중 고무 상의 물리적인 블렌드, 예를 들면 EPDM 고무와 폴리프로필렌의 블렌드 (예를 들면, 상품명 산토프렌), 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리프로필렌 (PP)과 EPDM의 블렌드 (예를 들면, 상품명 비스타플렉스), PE 또는 PP와 부틸 고무의 블렌드 (예를 들면, 상품명 트레프신)가 포함된다. 다른 적합한 열가소성 엘라스토머는 SEBS 고무와 PP의 블렌드 및 열가소성 폴리우레탄을 포함한다. 열가소성 폴리우레탄은 폴리우레탄 에스테르 및 에테르 (예를 들면, 상품명 왈로푸르) 또는 폴리카프로락톤 코폴리에스테르 (예를 들면, 상품명 펄탄)를 포함한다.
본 발명의 제1, 제2 및 제3 양태에 따른 섬유 복합물에서, 견섬유는 복합물의 25 부피％ 내지 70 부피％, 더 바람직하게는 35 부피％ 내지 60 부피％, 가장 바람직하게는 45 부피％ 내지 55 부피％의 양이다. 본 발명에 따른 섬유 복합물의 높은 내충격성으로 인해, 이러한 복합물을 포함하는 패널 또는 쉘은 수명 주기 동안 충격을 받거나 관통의 위협을 받는 물체의 제조를 위해 특히 유용하다. 특정한 일 실시양태에서, 이러한 패널 또는 쉘은 섬유 복합물의 피복과 강화되지 않은 중합체 물질의 중심을 포함하는 샌드위치 형상을 갖는다. 이러한 물체의 예로는 종종 이송되거나 뾰족한 물품에 인접하게 사용되는 용기 또는 컨테이너, 예컨대 박스, 여행가방, 서류가방, 핸드백, 병, 욕실용 또는 주방용 악세사리 또는 시계케이스가 있다. 내충격성 패널을 사용하는 것이 유리할 수 있는 다른 물체로는 그중에서도 특히 테이블, 캐비넷, 사무실 책상 및 옷장과 같은 가구가 있다. 본 발명의 패널 및 쉘은 장신구의 픽스쳐(fixture)와 같은 픽스쳐, 또는 박스, 여행가방, 서류가방, 핸드백, 시계케이스, 장신구 케이스, 병, 또는 욕실용 또는 주방용 악세사리의 밀폐 시스템의 일부의 제조에서 또한 중요하다. 본 발명의 패널 및 쉘은 산업용 기계 또는 자동차(vehicle)에 도입하고자 하는 작업 부품(working piece)의 제조에서 또한 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 패널은 열성형 또는 진공 성형 방법을 사용하여 성형될 수 있어, 상기한 물체의 제조에서 사용하기에 특히 적합하다는 추가의 이점을 갖는다.
하기에 나타낸 비제한적인 실시예에서 본 발명을 더 예시하였다.
실시예 1: 견섬유 복합물의 제조
상이한 매트릭스를 포함하는 견섬유 복합물을 압축 성형에 의해 (고온 및 저온 단계가 있는 프레스 (피네트(Pinette))에서) 제조하였다. 중합체 필름과 견 제직물 또는 편직물의 상이한 층들을 교호로 적층하고, 압력 하에서 약 10분 동안 가열하였다. 압력은 유효 압력이 20 bar이도록 선택되고, 온도는 중합체 매트릭스의 융점보다 약 2O℃ 높도록 중합체 매트릭스 물질에 따라 선택되었다. 표 1에 상이한 견섬유 복합물에 대해 사용된 상이한 가공 온도의 목록을 나타내었다.
10분 후, 견섬유 복합물 판에 대해 전형적으로 2O℃인 탈형(demoulding) 온도가 될 때까지 동일한 압력인 20 bar에서 급속하게 냉각시키는 저온 단계를 수행하였다. 별법으로, 도입된 견섬유 복합물을 동일한 압력 하에서 느린 냉각 속도 (5℃/분)로 냉각시켰다. 이러한 제조 방법의 변형은 견섬유 복합물의 최종적인 기계적 특성에 영향을 미치지 않았다.
임의로는, 그 후 복합물 판을 열성형 또는 진공 열성형하여 복잡한 형태로 성형하였다.
실시예 2: 견섬유 복합물의 평가
견섬유 복합물의 섬유 부피 분율은 사용된 견직의 공칭 두께를 견섬유 복합물 판의 두께로 나누어 계산하였다. 견섬유 부피 분율 Vf가 약 50％인 판을 제조하였다.
충격 특성은 추 낙하 충격 시험에 의해 결정하였다. 이러한 시험에서, 판 유형의 시험 시편을 가격장치를 시편 표면에 대해 수직으로 그리고 공칭적으로 균 일한 속도로 사용하여 중앙에 구멍을 내었다. 생성된 힘-편향도 또는 힘-시간 다이어그램을 전자 기록하였다. 시험 시편을 시험 동안 제 위치에 고정하였다. 사용된 원통형 충격장치 (직경 16 mm)에는 반구형 가격 팁 (반경 8 mm)이 있었다. 낙하 높이는 1200 mm이고, 샘플 관통을 위해 충격장치의 추를 조정하였다. 이는 ISO 표준 6603-2에 따른 것이었다. 샘플은 105 mm×105 mm이고, 직경이 80 mm인 지지 링에 의해 고정되었다. 4개의 스크류를 20 Nm의 모멘텀으로 조였다. 판의 두께는 1 mm였다. 결과를 관통에 필요한 충격 에너지로 기록하고, 복합물 판의 두께에 대해 표준화하였다.
견섬유 복합물에 대한 인장 시험은 ASTM 표준 D3039-00에 따라 수행하였다.
실시예 3: 균형적인 제직물로 제조된 균형적인 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 능직물 8층과 중합체 매트릭스 필름의 다수의 층을 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 각각의 능직물 층을 동일한 방식으로 배향시켰다. 78 g/㎡의 견능직물은 cm 당 56개의 날실 방향의 실 및 cm 당 35개의 씨실 방향의 실을 포함하였다. 날실의 선밀도는 7.0 tex이고, 씨실의 선밀도는 10.9 tex였다. 이들 두 실을 m 당 100개의 꼬임으로 꼬았다. 능직물은 날실 및 씨실의 중량이 균형적이었다. 중합체 필름의 층의 개수는 공급자로부터 받는 필름의 두께에 따라 좌우되었다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 중합체 필름의 층의 개수는 PBSa에 대해 24개, PBS에 대해 24개, PCL에 대해 10개, PTMAT 에코플렉스 필름에 대해 8개, 왈로푸르 4201 AU TPU 필름에 대해 12개, PE-EVA에 대해 6개, PP에 대해 5개, 코폴리아미드 H2에 대해 12개, 그리고 펄탄 D11F60 TPU 필름에 대해 12개였다.
실시예 2에서와 같이 측정된 PBSa 견능직 복합물의 인장 특성은 표 2에 나타내었다. 능직물의 중량은 균형적이기 때문에, 두 주요 섬유 방향에서의 강도 및 강성도가 동일하거나 거의 동일하여, 생성된 견섬유 복합물의 두 주요 섬유 방향에서의 강도 및 강성도가 균형적이었다. 직물의 전단(shear)으로 인해, 45° 방향에서의 파단 신도 및 강도는 매우 높았다.
실시예 2에서 언급된 바와 같이 결정된 견능직 복합물의 충격 특성을 표 3에 나타내었다. 두 섬유 방향에서 파열이 발생하였다. 표 3은 상이한 인성 열가소성 매트릭스와 균형적인 견능직물을 도입하여 제조된 균형적인 견섬유 복합물이 높은 충격 강도 (흡수된 충격 에너지 (관통시)로서 측정됨)를 갖는 것으로 결론내릴 수 있게 하였다.
도 3은 균형적인 견섬유 복합물의 충격 강도가 열가소성 중합체 매트릭스 물질의 파단 변형률에 명백하게 따름을 나타내었다.
실시예 4: 불균형적인 견능직물(5/3)로 제조된 불균형적인 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 견 제직물 10층과 PBSa 중합체 매트릭스 필름 24층을 25 ㎛의 두께로 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 각각의 견 직물의 층을 동일한 방식으로 배향시켰다. 견 직물은 선밀도가 3.9 tex이고 m 당 100개의 꼬임이 있는 cm 당 100개의 날실 방향의 실과, 선밀도가 4.1 tex이고 m 당 2800개의 꼬임이 있는 cm 당 66개의 씨실 방향의 실을 포함하는 능직물 5/3이었다. 능직물은 날실/씨실의 중량 비율이 59/41이어서, 중량이 균형적이지 않았다.
실시예 2에 기재한 바와 같이 측정된 불균형적인 PBSa 견능직(5/3) 복합물의 인장 특성을 표 4에 나타내었다.
능직물(5/3)은 중량이 균형적이지 않기 때문에, 이러한 견섬유 복합물은 강도 및 강성도가 균형적이지 않았다. 실시예 2에 언급한 바와 같이 결정된 견능직(5/3) 복합물의 충격 특성을 표 5에 나타내었다. 단지 더 약한 씨실 방향에서만 파열이 발생하였다. 불균형적인 견능직물(5/3)과 열가소성 매트릭스를 도입하여 제조된 불균형적인 견섬유 복합물의 충격 강도가 상응하는 실시예 3의 균형적인 견섬유 복합물보다 낮음이 명백했다.
실시예 5: 불균형적인 견능직물(5/3)로 제조된 균형적인 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 견 제직물 10층과 PBSa 중합체 매트릭스 필름 24층을 25 ㎛의 두께로 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 견 직물은 실시예 4에서와 동일한 능직물(5/3)이었다. 한 층의 견 직물의 날실 방향이 다음 층의 견 직물의 날실 방향에 대해 90°로 배향되도록 견 직물의 층들을 교호로 적층하여, 불균형적인 견 제직물로부터 균형적인 견섬유 복합물 판을 제조하였다.
실시예 2에서와 같이 측정된 균형적인 견섬유 복합물의 인장 특성을 표 6에 나타내었으며, 이는 견 복합물의 강도 및 강성도가 균형적임을 나타내었다.
실시예 2에서와 같이 결정된 균형적인 견능직 복합물의 충격 특성을 표 7에 나타내었다. 씨실 및 날실 방향 모두에서 파열이 발생하였다.
본 실시예는 불균형적인 견 제직물을 적절하게 적층하여 제조된 강도가 균형적인 견직 복합물이 상응하는 실시예 4의 PBSa 복합물보다 현저하게 더 많은 충격 에너지를 흡수함을 나타내었다. 내충격성이 실시예 3의 PBSa 복합물보다 다소 낮은 점은 주로 섬유 구조를 약화시키는 견능직물(5/3)에서의 현저한 실 꼬임의 존재로 인한 것으로 보였다.
실시예 6: 불균형적인 견능직물(5/1/1/1)로 제조된 불균형적인 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 견 제직물 8층과 PBSa 중합체 매트릭스 필름 24층을 25 ㎛의 두께로 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 각각의 견 직물의 층을 동일한 방식으로 배향시켰다. 견 직물은 선밀도가 5.9 tex이고 m 당 100개의 꼬임이 있는 m 당 8800개의 날실 방향의 실과, 선밀도가 6.4 tex이고 m 당 2600개의 꼬임이 있는 m 당 4600개의 씨실 방향의 실을 포함하며, 면적 밀도가 79 g/㎡인 변형 능직물 5/1/1/1이었다. 변형 능직물은 날실/씨실의 중량 비율이 64/36이어서, 중량이 균형적이지 않았다.
실시예 2에서와 같이 측정된 PBSa 견 변형 능직(5/1/1/1) 복합물의 인장 특성을 표 8에 나타내었다. 변형 능직물(5/1/1/1)은 중량이 균형적이지 않기 때문에, 이러한 견섬유 복합물은 강도 및 강성도가 균형적이지 않았다. 실시예 2에 언 급한 바와 같이 결정된 견 변형 능직(5/1/1/1) 복합물의 충격 특성을 표 9에 나타내었다. 단지 더 약한 씨실 방향에서만 파열이 발생하였다. 실시예 4에서와 같이, 내충격성은 상응하는 실시예 3의 PBSa 복합물보다 낮았다.
실시예 7: 불균형적인 견능직물(5/1/1/1)로 제조된 균형적인 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 견 제직물 10층과 PBSa 중합체 매트릭스 필름 24층을 25 ㎛의 두께로 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 견 직물은 실시예 6에서와 동일한 변형 능직물(5/1/1/1)이었다. 한 층의 견 직물의 날실 방향이 다음 층의 견 직물의 날실 방향에 대해 90°로 배향되도록 견 직물의 층들을 교호로 적층하여, 불균형적인 견 제직물로부터 균형적인 견섬유 복합물 판을 제조하였다. 실시예 2에서와 같이 측정된 균형적인 견섬유 복합물의 인장 특성을 표 10에 나타내었다. 견섬유 복합물은 강도 및 강성도가 균형적이었다. 실시예 2에 언급한 바와 같이 결정된 충격 특성을 표 11에 나타내었다. 씨실 및 날실 방향 모두에서 파열이 발생하였다.
실시예 5에서와 같이, 본 실시예는 불균형적인 견 제직물을 적절하게 적층하여 제조된 강도가 균형적인 견직 복합물이 상응하는 실시예 6의 PBSa 복합물보다 현저하게 더 많은 충격 에너지를 흡수함을 나타내었다. 내충격성이 실시예 3의 PBSa 복합물보다 다소 낮은 점은 주로 섬유 구조를 약화시키는 견능직물(5/1/1/1)에서의 현저한 실 꼬임의 존재로 인한 것으로 보였다.
실시예 8: 약간 불균형적인 제직물로 제조된 불균형적인 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 견 제직물 4층과 PBSa 중합체 매트릭스 필름 24층을 25 ㎛의 두께로 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 각각의 견 직물의 층을 동일한 방식으로 배향시켰다. 견 직물은 선밀도가 5.9 tex이고 m 당 100개의 꼬임이 있는 m 당 8800개의 2 배수의 날실 방향의 실과, 선밀도가 6.4 tex이고 m 당 2600개의 꼬임이 있는 m 당 4600개의 씨실 방향의 실을 포함하며, 면적 밀도가 168 g/㎡인 변형 능직물 6/2이었다. 변형 능직물은 날실/씨실의 중량 비율이 53/47이어서, 중량이 약간 불균형적이었다. 이는 씨실 방향에서 보다 날실 방향에서 12.8％ 높은 섬유 밀도에 해당하였다.
변형 능직물(6/2)은 중량이 균형적이지 않기 때문에, 이러한 견섬유 복합물은 강도 및 강성도가 균형적이지 않았다. 실시예 2에 언급한 바와 같이 결정된 견 변형 능직(6/2) 복합물의 충격 특성을 표 12에 나타내었다. 약간 불균형적인 제직물을 사용하는 것이 실시예 3의 PBSa 복합물에 비해 충격 성능을 손상시킴이 명백했다.
실시예 9: 편직물로 제조된 견섬유 복합물
실시예 1에 기재한 바와 같이, 견 편직물 7층과 PBSa 중합체 매트릭스 필름 24층을 25 ㎛의 두께로 교호로 적층하고, 압축 성형하여, 판으로 통합하였다. 층의 개수는 견 복합물 판의 두께가 1 mm이고 섬유 부피 분율이 50％이도록 선택되었다. 각각의 견 직물의 층을 동일한 방식으로 배향시켰다. 견 직물은 선밀도가 5.3 tex인 2 연속사를 포함하며, 면적 밀도가 105 g/㎡인 저지 위편직물이었다. 코스 길이는 0.48 mm이고, 웨일 길이는 0.55 mm이고, 루프 높이는 0.86 mm였다.
열가소성 매트릭스를 도입하기 전의 편직물의 인장 특성을 표 13에 나타내었다. 단지 파단 신도만을 언급하였다.
편직 구조는 높은 파단 신도를 나타내기 때문에, 실시예 2에 언급한 바와 같이 결정되는 충격 에너지를 다량 흡수한다. 표 14는 이러한 저지 편직 PBSa 견섬유 복합물의 흡수된 충격 에너지를 나타내었다.
<표>
Claims (44)
- 복합물에 포함된 견섬유의 섬유 방향들 간의 인장 강도 차이가 15％ 미만이도록 섬유 방향에 걸친 견섬유의 분포가 선택되는 것을 특징으로 하는, 매트릭스 상(matrix phase)으로서의 열가소성 중합체와 강화 상(reinforcement phase)으로서의 2 이상의 방향으로 편제된 견섬유를 포함하는 섬유 복합물.
- 제1항에 있어서, 복합물에 포함된 견섬유의 임의의 섬유 방향이 아닌 방향에서의 파단 변형률이 25％를 초과하는 섬유 복합물.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 내관통성(penetration resistance)이 20 J/mm 판 두께를 초과하는 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유가 복합물 내에 적층된 복수의 직물 또는 매트로 편제된 것인 섬유 복합물.
- 제4항에 있어서, 매트 또는 직물이 제직물인 섬유 복합물.
- 제5항에 있어서, 씨실 방향과 날실 방향의 섬유 밀도 차이가 12％ 이하인 복수의 제직물을 포함하는 섬유 복합물.
- 제6항에 있어서, 복수의 균형적인 제직물을 포함하는 섬유 복합물.
- 제5항에 있어서, 복합물 내에 포함된 각 섬유 방향의 전체 섬유 밀도가 섬유 방향들 사이에서 12％ 미만으로 상이하도록 각각의 제직물이 적층된, 복수의 불균형적인 제직물을 포함하는 섬유 복합물.
- 제8항에 있어서, 복합물에 포함된 제직물들 중 대략 절반의 씨실 방향이 다른 절반의 씨실 방향과 90° 각도이도록 적층된 복수의 동일한 불균형적인 제직물을 포함하는 섬유 복합물.
- 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각도가 90°인 두 견섬유 방향을 포함하며, 각 섬유 방향에 대해 대략 45° 각도의 방향에서의 파단 변형률이 25％를 초과하는 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유의 꼬임이 실에 도입되는 경우 2000 회/m 미만, 바람직하게는 1000 회/m 미만, 더 바람직하게는 500 회/m 미만, 가장 바람직하게는 200 회/m 미만인 섬유 복합물.
- 매트릭스 상으로서의 열가소성 중합체와 강화 상으로서의 편직물로 편제된 견섬유를 포함하는 섬유 복합물.
- 제12항에 있어서, 편직물의 파단 변형률이 모든 직물 방향에서 60％ 이상인 섬유 복합물.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 복수의 적층된 편직물을 포함하는 섬유 복합물.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 내관통성이 20 J/mm 판 두께를 초과하는 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유가 연속 섬유인 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유가, 섬유 길이가 20 mm 초과, 더 바람직하게는 60 mm 초과인 실로 방적된 것인 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유의 길이가 20 mm 초과, 더 바람직하게는 60 mm 초과인 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 열가소성 중합체가, 인장 모듈러스가 1000 MPa 미만이고 파단 인장 변형률이 300％를 초과하는 것인 섬유 복합물.
- 제19항에 있어서, 열가소성 중합체가 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌의 공중합체, 폴리부틸렌 숙시네이트 및 코폴리아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 섬유 복합물.
- 제19항에 있어서, 열가소성 중합체가 열가소성 엘라스토머, 에틸렌과 비닐 아세테이트의 공중합체, 에틸렌과 옥텐의 공중합체, 폴리부틸렌 숙시네이트-co-아디페이트, 폴리카프로락톤 및 폴리테트라메틸렌 아디페이트 테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 섬유 복합물.
- 제21항에 있어서, 열가소성 엘라스토머가 EPDM 고무와 폴리프로필렌의 블렌드, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리프로필렌 (PP)과 EPDM의 블렌드, PE 또는 PP와 부틸 고무의 블렌드, SEBS 고무와 PP의 블렌드 및 열가소성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 섬유 복합물.
- 제22항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄이 폴리우레탄 에스테르, 에테르 또는 폴리카프로락톤 코폴리에스테르인 섬유 복합물.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 열가소성 중합체가 생분해성인 섬유 복합물.
- 매트릭스 상으로서의 인장 모듈러스가 450 MPa 미만이고 파단 인장 변형률이 400％ 초과인 열가소성 중합체와 강화 상으로서의 견섬유를 포함하는 섬유 복합물.
- 제25항에 있어서, 내관통성이 20 J/mm 판 두께를 초과하는 섬유 복합물.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 열가소성 중합체가 열가소성 엘라스토머, 에틸렌과 비닐 아세테이트의 공중합체, 에틸렌과 옥텐의 공중합체, 폴리부틸렌 숙시네이트-co-아디페이트, 폴리카프로락톤 또는 폴리테트라메틸렌 아디페이트 테레프탈레이트인 섬유 복합물.
- 제27항에 있어서, 열가소성 중합체가 EPDM 고무와 폴리프로필렌의 블렌드, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리프로필렌 (PP)과 EPDM의 블렌드, PE 또는 PP와 부틸 고무의 블렌드, SEBS 고무와 PP의 블렌드 및 열가소성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 섬유 복합물.
- 제28항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄이 폴리우레탄 에스테르, 에테르 또는 폴리카프로락톤 코폴리에스테르인 섬유 복합물.
- 제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유의 길이가 20 mm를 초과하는 섬유 복합물.
- 제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유가 연속 섬유인 섬유 복합물.
- 제25항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 견섬유가 직물 또는 매트로 편제된 것인 섬유 복합물.
- 제25항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 견 직물 또는 매트가 제직물, 편직물, 부직물, 비권축물 또는 조물 형상인 섬유 복합물.
- 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합물을 포함하는 패널(panel) 또는 쉘(shell).
- 제34항에 있어서, 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합물의 피복과 강화되지 않은 중합체 물질의 중심을 포함하는 샌드위치 형상을 갖는 패널 또는 쉘.
- 제34항 또는 제35항에 있어서, 열성형되거나 진공 성형된 패널 또는 쉘.
- 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 패널 또는 쉘을 포함하는 용기(recipient) 또는 컨테이너.
- 제37항에 있어서, 박스, 여행가방, 서류가방, 핸드백, 시계케이스, 장신구 케이스, 병, 욕실용 또는 주방용 악세사리인 용기 또는 컨테이너.
- 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 패널 또는 쉘을 포함하는 가구.
- 제39항에 있어서, 테이블, 캐비넷, 문 또는 옷장인 가구.
- 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 패널 또는 쉘을 포함하는 픽스쳐(fixture).
- 제41항에 있어서, 장신구의 픽스쳐, 박스, 여행가방, 서류가방, 핸드백, 시계케이스, 장신구 케이스, 병, 욕실용 또는 주방용 악세사리의 밀폐 시스템의 일부인 픽스쳐.
- 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 패널 또는 쉘을 포함하는 작업 장치.
- 제43항에 있어서, 제조 기계 또는 자동차(vehicle)의 일부인 작업 장치.
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