KR20120062214A - 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리섬유 배열을 차별화하여 충돌성능을 개선한 다중 유리섬유 접합식 고강도 백빔을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술구성은, 유리섬유와 열가소성 수지로 제조되는 플라스틱 재질의 고강도 범퍼 백빔에 있어서, 장섬유 또는 단섬유와 열가소성 수지가 결합된 제1 섬유수지층(20) 및 연속섬유와 열가소성 수지가 결합된 제2 섬유수지층(30)으로 구성되고, 상기 제1 섬유수지층(20)과 제2 섬유수지층(30)이 가열 접합될 때 그 접합면을 통해 상기 제1 섬유수지층(20)의 장섬유 또는 단섬유가 상기 제2 섬유수지층(30)의 연속섬유 사이로 침투되지 않도록 제조된다.

Description

다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔{HIGH STRENGTH PLASTIC BACK BEAM BONDED MULTI GLASS FIBER}

본 발명은 다중 유리섬유 접합식 고강도 백빔에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리섬유 배열을 차별화하여 충돌성능을 개선한 다중 유리섬유 접합식 고강도 백빔에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 범퍼 내부에는 범퍼의 내구성을 향상시킬 목적으로 범퍼 백빔(back beam)이 마련되어 있으며, 이러한 범퍼 백빔은 스테이(stay)를 통해 차체에 고정되어 있다.

범퍼 백빔의 재질을 살펴보면, 크게 스틸 소재와 GMT(Glass Mat Thermoplastics)와 같은 플라스틱 소재로 구분된다.

스틸 소재의 백빔은 다양한 형상으로 제조가 가능하므로 설계 자유도가 높은 반면, 소재의 중량이 커서 차체 경량화 및 연비 개선에 악영향을 미치며, 미국 고속도로 안전보험협회(IIHS: Insurance Institute for Highway Safety)에서 규정한 저속 충돌시험의 규정을 만족하기 어렵다는 단점을 가진다.

반면, GMT와 같은 플라스틱 백빔은 냉연강판과 유사한 강도를 가지는 유리섬유 및 수지의 복합재료로서 차체 경량화에 크게 기여하며, 충돌 에너지 흡수성이 매우 우수하여 미국 고속도로 안전보험협회(IIHS)에서 규정한 저속 충돌시험 규정에 대해서는 만족스러운 결과를 얻을 수 있는 반면, 라운드형 디자인의 구현이 어렵기 때문에 설계자유도가 떨어진다는 단점을 가진다.

대표적인 플라스틱 복합 재료인 GMT는 범용수지인 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지와 유리섬유 매트(Glass fiber mat)로 이루어진 판상 형태의 복합 소재로서, T-Die를 통해 압출되는 용융 상태의 폴리프로필렌과 유리섬유 매트가 직접 함침되어 수지와의 결합력이 우수하고, 유리섬유 자체의 강도가 매트 상으로 보강되어 기존의 플라스틱 소재보다 우수한 강도를 나타내며, 플라스틱 고유의 특성인 경량성, 열가소성 수지에서 기인하는 높은 생산성, 리사이클성(Recycling) 등의 특징을 가진다.

도 1은 더블벨트 프레스에 의해 제조되는 대표적인 2가지 GMT 타입이 도시되어 있다. 도 1의 (a)에서와 같이 방향성이 없는 폴리프로필렌 수지(10)가 램덤 유리섬유 매트(Random glass fiber mat, 11)에 가열 함침되어 제조된 타입(12)과, 도 1의 (b)에서와 같이 폴리프로필렌 수지(10)가 한 방향으로 배열된 방향성 유리섬유(Uni-directional glass fiber mat, 13)에 가열 함침되어 제조된 타입이 있어 각 용도의 특성에 맞추어 많이 사용되고 있다.

플라스틱 재질의 범퍼 백빔으로 가장 많이 사용되는 상기 GMT의 경우 라미네이트법에 의한 제조시에 유리섬유와 수지 함침제 사이에 불완전 패킹이 일어나 결합성이 저하되고, 성형시에 흐름 현상이 생겨 유리섬유의 방향성이 불안정해짐으로써 배열의 산포 현상이 발생하는 문제점이 있다. 특히, 유리섬유 배열의 산포 현상은 충돌에너지의 균일 흡수성을 저하시켜 중요한 품질 특성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

최근에 범퍼 백빔의 복합 소재로 개발된 WLFT(Weaving Long Fiber Thermoplastics)는 직조 연속섬유(CFT:Continuous Fiber reinforced Thermoplastics)와 장섬유(단섬유) 함침수지(LFT: Long Fiber Thermoplastics)가 프레스 접합되어 제조된 것이다. 그러나, 이 WLFT의 경우에는 고온에서의 프레스 접합시에 연속섬유 사이로 장섬유 또는 단섬유가 침투되어 연속섬유에 의해 발현되는 물성인 고강도 특성이 약화되는 문제점이 있다.

본 발명의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 연속섬유의 수지층과 장섬유(단섬유)의 수지층이 서로 독립적인 상태로 접합되도록 함으로써 고강도 물성을 그대로 유지하면서도 충돌 성능의 균일 산포를 달성할 수 있도록 해주는 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔은, 유리섬유와 열가소성 수지로 제조되는 플라스틱 재질의 고강도 범퍼 백빔에 있어서, 장섬유 또는 단섬유와 열가소성 수지가 결합된 제1 섬유수지층 및 연속섬유와 열가소성 수지가 결합된 제2 섬유수지층으로 구성되고, 상기 제1 섬유수지층과 제2 섬유수지층이 가열 접합될 때 그 접합면을 통해 상기 제1 섬유수지층의 장섬유 또는 단섬유가 상기 제2 섬유수지층의 연속섬유 사이로 침투되지 않도록 제조된다.

또한, 상기 제1 섬유수지층과 제2 섬유수지층의 사이 접합면에는, 층간 박리가 발생하지 않도록 양 섬유수지층을 접합시키고 상기 장섬유 또는 단섬유가 연속섬유 사이로 침투하는 것을 방지하기 위하여 별도의 수지필름층이 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 섬유수지층이 외부에 위치하여 충돌면을 형성하고, 상기 제2 섬유수지층은 상기 제1 섬유수지층의 내측면에 접착된 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 섬유수지층의 단면 길이는 범퍼 백빔의 전체 단면 길이에 해당하는 상기 제1 섬유수지층의 단면 길이 대비 50% 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 섬유수지층은 양 끝단이 차체 고정용 스테이에 직접 결합되고, 상기 제1 섬유수지층은 그 내측면에 접착된 상기 제2 섬유수지층의 상기 양 끝단을 감싸는 단면구조로 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔에 따르면, 연속섬유가 독립적으로 위치하므로 고강도의 물성을 유지할 수 있는 장점을 가진다.

또한, 장섬유 또는 단섬유가 연속섬유 사이에 침투하지 못하므로, 성형시에 연속섬유의 독립적인 배열이 그대로 유지되어 충돌에너지의 균일 흡수성이 향상된다.

또한, 연속섬유와 접합되는 장섬유 또는 단섬유를 활용하여 형상의 자유도를 종래의 재료와 유사한 수준으로 유지시킬 수 있다.

도 1은 일반 GMT의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고강도 플라스틱 백빔의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 고강도 플라스틱 백빔의 단면 사시도.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 고강도 플라스틱 백빔의 사시도를 나타낸다.

본 발명은 유리섬유와 열가소성 수지로 제조되는 플라스틱 재질의 고강도 범퍼 백빔으로서, 크게 장섬유 또는 단섬유와 열가소성 수지가 결합된 제1 섬유수지층(20) 및 연속섬유와 열가소성 수지가 결합된 제2 섬유수지층(30)으로 구성된다.

상기 장섬유, 단섬유, 연속섬유는 모두 유리섬유를 사용하여 제조하는 것이 바람직하나, 이외에 동일한 용도로 사용될 수 있는 다른 섬유재료도 사용할 수 있음은 물론이다. 상기 열가소성 수지는 종래부터 GMT 등의 복합재료에 많이 사용된 범용 수지인 폴리프로필렌 수지(PP)를 사용하는 것이 바람직하나, 이외에 동일한 용도로 사용될 수 있는 다른 열가소성 수지도 포함될 수 있음은 상기 유리섬유의 경우도 동일하다.

상기 제1 섬유수지층(20)은 장섬유 또는 단섬유가 열소가성 수지에 함침 등의 방법으로 결합된 것이다. 장섬유와 단섬유는 그 길이를 절대적으로 구분하는 기준은 없으나, 단섬유(staple fiber)의 경우 보통 2.5 ~ 3.8cm 이하의 짧은 길이를 가진 펠렛을 의미하며, 장섬유(filament)의 경우에는 상대적으로 상기한 단섬유보다 가늘고 긴 섬유를 의미한다. 유리섬유는 용융된 유리를 섬유 모양으로 길게 뽑아내는 인조 광물섬유이므로 그 용도에 따라 장섬유와 단섬유를 자유롭게 제조할 수 있다. 유리 단섬유에는 유리솜과 글라스울 등이 있으며, 유리 장섬유는 백금포트 속에서 녹인 유리를 포트의 바닥에 뚫린 작은 구멍을 통해서 밀어내는 방법으로 많이 제조된다.

이 장섬유와 단섬유는 유리섬유의 특성 상 고온에서 잘 견디는 특성이 있으므로 열가소성 수지와 결합된 상태에서 고온으로 가열되면 수지의 흐름 현상에 따라 유동하여 상기 제2 섬유수지층(30)의 연속섬유 사이로 침투하는 경향이 있다. 이와 같이 장섬유와 단섬유가 유동하여 연속섬유 사이로 침투하게 되면 각 섬유수지층 사이의 독립적 배열이 유지되지 못해 고강도 특성을 저하시킬 수 있음은 이미 상기한 바와 같다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 장섬유 또는 단섬유가 포함된 제1 섬유수지층(20)과 연속섬유가 포함된 제2 섬유수지층(30)이 항상 독립적으로 구분될 수 있도록 해주는 것이다.

한편, 상기 제2 섬유수지층(30)은 연속섬유가 열소가성 수지에 함침 등의 방법으로 결합된 것이다. 유리섬유는 상기한 바와 같이 용융된 유리를 섬유 모양으로 길게 뽑아내는 인조 광물섬유이므로 가장 안정적인 연속섬유에 해당한다. 본 발명에서는 상기 연속섬유를 백빔에 가해지는 최대하중의 작용방향을 고려하여 최대 강도를 나타낼 수 있는 형태로 배열한 후 폴리프로필렌과 같은 수지와 결합시켜 크랙의 발생 및 전파를 방지하도록 함으로써 범퍼 백빔이 요구되는 고강도 특성을 달성할 수 있도록 해주는 것이다.

이 때, 연속섬유에 의한 고강도 특성을 나타내기 위해서는 연속섬유의 배열이 안정적으로 유지되어야 한다. 이를 위하여 제1 섬유수지층(20)과 제2 섬유수지층(30)이 가열 접합되는 때에 장섬유 또는 단섬유가 접합면을 통해 연속섬유 사이로 침투되는 것을 방지하여 연속섬유로 된 제2 섬유수지층(30)이 항상 독립적으로 존재하도록 해주는 것이 중요하다.

이와 같이 연속섬유의 제2 섬유수지층(30)이 독립적으로 존재하도록 해주는 방법은 크게 가열 접합 공정조건을 제어하는 방법과, 제1 섬유수지층(20) 및 제2 섬유수지층(30) 사이에 고온에서 안정적인 별도의 수지필름층(40)을 추가로 접착시키는 방법이 있다.

먼저, 가열 접합 공정조건은 열가소성 수지의 물성을 고려하여 장섬유 또는 장섬유의 흐름 현상이 발생하지 않는 온도 범위에서 제1 섬유수지층(20)과 제2 섬유수지층(30)을 가열 접합시킴으로써 장섬유 또는 단섬유가 연속섬유 사이로 침투하지 못하도록 하는 것이다. 이 방법은 별도의 수단을 사용하지 아니하고 연속섬유의 독립성을 유지할 수 있다는 장점은 있으나, 수지의 물성이나 유리섬유의 특성에 따라 그 적용에 한계가 있을 수 있다.

다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 섬유수지층(20)과 제2 섬유수지층(30)의 사이에 별도의 수지필름층(40)을 접착시켜 층간 분리를 보증하는 방법이 있다. 이는 연속섬유 배열의 독립성을 완전히 보장할 뿐만 아니라, 접착성 우수한 수지필름을 사용하여 층간의 부착력을 더욱 향상시켜 줌으로써 충돌 발생시에 층간 박리 현상이 발생되지 않도록 해준다. 수지필름층(40)은 폴리프로필렌을 포함해 본 발명에서 요구하는 접착성 등이 물성을 만족하는 것이면 어느 것이든 사용 가능하다.

또한, 상기 제1 섬유수지층(20)이 외부에 위치하여 충돌면을 형성하고, 상기 제2 섬유수지층(30)은 상기 제1 섬유수지층(20)의 내측면에 접착된 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 상대적으로 짧은 길이를 가진 장섬유 또는 단섬유가 균일하게 산포되어 충돌 에너지 흡수 성능이 우수한 제1 섬유수지층(20)이 외부에 장착되어 직접적인 충돌면을 형성하고, 연속섬유가 특정 방향으로 균일하게 배열되어 고강도의 물성을 나타내는 제2 섬유수지층(30)이 제1 섬유수지층(20)의 내측면에 장착되어 외부 충격에 의해 백빔이 변형되지 않도록 잡아주는 것이다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제2 섬유수지층(30)의 단면 길이(L2)는 범퍼 백빔의 전체 단면 길이에 해당하는 상기 제1 섬유수지층의 단면 길이(L1) 대비 50% 이상이 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 고강도 물성을 가지는 제2 섬유수지층(30)의 단면 길이가 50% 미만이 되면 충돌시에 백빔의 변형이 발생하여 구조적 안정성을 저하시키기 때문이다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제2 섬유수지층(30)은 양 끝단(L3)이 차체 고정용 스테이(50)에 직접 결합되고, 상기 제1 섬유수지층(20)은 그 내측면에 접착된 상기 제2 섬유수지층(30)의 상기 양 끝단을 감싸는 단면구조로 구성된 것이 바람직하다. 왜냐하면, 연속섬유가 배열된 제2 섬유수지층(30)의 양 끝단이 차체까지 결합되는 것이 고강도 물성을 발현하는데 유리하며, 장섬유 또는 단섬유가 포함된 제1 섬유수지층(20)이 제2 섬유수지층(30)의 양 끝단을 감싸도록 하는 것이 모든 방향으로부터의 외부 충돌에 대해 우수한 충돌 에너지 흡수능을 가질 수 있도록 해주기 때문이다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

20: 제1 섬유수지층 30: 제2의 섬유수지층
40: 수지필름층 50: 차체 고정용 스테이

Claims (5)

1. 유리섬유와 열가소성 수지로 제조되는 플라스틱 재질의 고강도 범퍼 백빔에 있어서,
   장섬유 또는 단섬유와 열가소성 수지가 결합된 제1 섬유수지층(20) 및 연속섬유와 열가소성 수지가 결합된 제2 섬유수지층(30)으로 구성되고, 상기 제1 섬유수지층(20)과 제2 섬유수지층(30)이 가열 접합될 때 그 접합면을 통해 상기 제1 섬유수지층(20)의 장섬유 또는 단섬유가 상기 제2 섬유수지층(30)의 연속섬유 사이로 침투되지 않도록 제조된 것을 특징으로 하는 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 섬유수지층(20)과 제2 섬유수지층(30)의 사이 접합면에는, 층간 박리가 발생하지 않도록 양 섬유수지층을 접합시키고 상기 장섬유 또는 단섬유가 연속섬유 사이로 침투하는 것을 방지하기 위하여 별도의 수지필름층(40)이 더 포함된 것을 특징으로 하는 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 섬유수지층(20)이 외부에 위치하여 충돌면을 형성하고, 상기 제2 섬유수지층(30)은 상기 제1 섬유수지층(20)의 내측면에 접착된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 섬유수지층(30)의 단면 길이(L2)는 범퍼 백빔의 전체 단면 길이에 해당하는 상기 제1 섬유수지층의 단면 길이(L1) 대비 50% 이상이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 섬유수지층(30)은 양 끝단이 차체 고정용 스테이(50)에 직접 결합되고, 상기 제1 섬유수지층(20)은 그 내측면에 접착된 상기 제2 섬유수지층(30)의 상기 양 끝단을 감싸는 단면구조로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 유리섬유 접합식 고강도 플라스틱 백빔.

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