KR20140038960A - 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함하는 복합재의 제조 및 용도 - Google Patents

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Abstract

1종 이상의 염화비닐 중합체의 하이드로졸에 섬유를 침지시켜 상기 하이드로졸로 코팅된 섬유를 수득하는 단계에 이어서, 상기 섬유 상에 코팅된 하이드로졸을 건조 및 겔화시키는 단계를 포함하는, 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법. 물품 형성 또는 보강품 제조를 위한 복합재 및 그의 용도. 이러한 복합재로 보강된 프로파일.

Description

섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함하는 복합재의 제조 및 용도{MANUFACTURE AND USE OF A COMPOSITE MATERIAL COMPRISING FIBRES AND AT LEAST ONE VINYL CHLORIDE POLYMER}
본원은 2011년 4월 11일자로 출원된 프랑스 특허출원 제1153150호 및 2011년 11월 8일자로 출원된 프랑스 특허출원 제1160168호의 우선권을 주장하며, 이들 출원의 전체 내용을 사실상 본원에 참조로써 통합한다.
본 발명은 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함하는 복합재의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 복합재 자체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 물품 성형 및 보강체 제조를 위한 상기 복합재의 용도, 및 상기 물품 또는 보강체 자체와, 보강 프로파일에 관한 것이다.
많은 연결구조 부재들, 이를테면, 창문, 셔터, 문 및 정문(gate)의 프레임, 골조, 문설주 및 가로대는 흔히 이들 부재에 내구성, 내마모성 및 단열성을 부여하면서도 최소량의 보수만 필요한 PVC(폴리염화비닐)를 기재로 형성된다. 그러나, 특정 치수부터는 줄곧 강성도가 떨어진다.
실제로, 상기 연결구조 부재들의 구성에 사용되는 PVC 프로파일은 경량화 및 단열 역할을 하는 챔버들을 만들기 위해 일반적으로 중공체이다. 하지만, PVC에 내재하는 한 가지 문제는 저탄성률, 그리고 이에 따라, 응력 하에서, 특히 고정점들 사이에서의 범위(span)가 클 때 변형될 수 있다는 것이다.
부족한 강성도는 프레임을 금속 보강재, 특히 강철(특허문헌 DE 199 33 099를 참조함) 또는 알루미늄 보강재로 보강시킴으로써 극복할 수 있다. 그러나, 금속 보강재의 사용은 프레임 프로파일들 내에 열교를 생성시켜, 열전도도 증가를 통한 상당한 열 손실로 이어진다. 더 나아가, 이러한 금속 보강재의 존재는 프로파일의 수명만료시의 재활용 작업을 복잡하게 만든다.
이러한 열전도도 증가를 무효화하기 위해, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 탄소 섬유, 바람직하게는 유리 연속섬유, 아라미드 연속섬유 또는 탄소 연속섬유를 함유한 열경화성 수지로 구성된 보강재(인발성형 인서트)를 사용하는 것이 제안되었다(특허문헌 GB 2 144 472 또는 EP 0 441 449). 하지만, 유리 섬유를 함유한 열경화성 수지를 사용하기에는 비용이 많이 든다. 특허문헌 US 2004/062915에 기재된, 셀룰로오스 섬유로 보강된 열가소성 복합재는 훨씬 더 수분에 민감하며, 따라서 덜 내구적이다.
통상, 금속 인서트나 인발성형 인서트를 도입시켜 보강된 PVC 프로파일은 재활용이 불가능하거나, 재활용하기가 어렵다. 인발성형 인서트로 보강된 프로파일의 또 다른 단점은, 금속 보강재와 마찬가지로, 보강재를 수동적으로 투입할 필요가 있으며, 이는 생산비를 증가시킨다는 점이다.
특허문헌 EP 1 276 602에는 유리 연속섬유와 혼합된 폴리에스테르, 특히 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 또는 PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트)로 만들어진 섬유로 구성된 1종 이상의 보강용 테이프로 보강된 PVC 프로파일을 포함하는 연결구조 부재에 대해 기재되어 있으며; 이때 중합체 섬유 및 유리 섬유는 종방향으로 평행하게 정렬되어 있다. 중합체를 녹이기 위해 섬유 테이프 또는 조방사(roving)를 가열한 후, 최종 PVC 프로파일의 외부 반대측의 벽들에 가압하고 끝으로 매입시킴으로써 충분한 강성도를 제공하게 되고, 이로써 금속 인서트 또는 인발성형 인서트의 사용을 생략한다. 비록 높은 기계적 물성을 얻게 되었고, 유리 및 함께 혼합된 열가소재의 연속 필라멘트들을 포함하는 연속 방적사(continuous yarn)를 권출가능하게 하는 릴을 이용하는 제조 방법 덕분에 금속 또는 인발성형 프로파일의 수동적 삽입을 피하게 되었지만, 상기 방법에는 단점이 많다. 본 시스템의 약점들 중 하나는 용융 상태에서 혼화될 수 없는 두 가지 다른 열가소재들, 즉 한편으로는 폴리에스테르(이를테면 PET 또는 PBT), 그리고 다른 한편으로는 PVC를 최종 제품에 조합하고 있다는 것이며, 이는 프로파일의 재활용을 어렵게 만들 뿐만 아니라, 프로파일의 생산 라인에서 제품 스크랩 및 블랭크의 재활용을 불가능하게 한다. 또 다른 약점은 다축 충격시 바람직하게는 섬유들을 따라 파단되는 보강재의 종방향 취성이다. 끝으로, 한 가지 주요 약점은 PVC 및 보강 테이프가 서로 다른 열팽창계수를 가진다는 것을 감안하여 냉각시킬 때 프로파일의 눈금 조정이 어렵다는 것이다.
특허문헌 EP 0 179 688에서는, 보강재를 위한 보강 부재(특히, 유리 섬유)를 매우 높은 전압전류에 의해 유도된 정전기장에 노출시킨 후, 이들 보강 부재를 상기 정전기장의 영향 하에 계속 두면서, 액체 매트릭스 재료(또는 상기 재료의 액체 전구체)와 함침시키는 것이 제시되었다. 이러한 공정을 수행하기 위해 사용해야 하는 상기 매우 높은 전압이 작업자에게 위험하지 않은 것도 아니며 많은 전기 에너지가 요구되며; 전정기장의 작용 하에서 보강 섬유들의 팽윤 및 액체 매트릭스 재료에 의한 보강 섬유들의 함침이 동시에 제대로 발생하게 하는 것도 쉽지 않다.
본 발명의 목적은 쉽게 재활용가능한 쉽게 재활용가능한 복합재의 제조 방법을 제공함으로써 상기 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 상기 복합재는 특히 보강체를 생산하기 위해 더 높은 강성도의 물품으로 형성될 수 있으며, 이 외에도, 종래 방법, 특히 인발성형에 따라 용이하게 사용될 수 있다.
이러한 목적을 위해, 본 발명의 주요 주제는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법이며, 상기 방법은 섬유를 상기 중합체의 하이드로졸(수성졸)에 침지시켜 상기 하이드로졸로 코팅된 섬유를 수득하는 단계에 이어, 상기 섬유 상에 코팅된 하이드로졸을 건조 및 겔화시키는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 "복합재"란 표현은 서로 혼합되지 않지만 높은 접착능력을 가진 2종 이상의 성분을 포함하는 고형재를 의미하는 것으로 이해하면 되며, 이러한 재료 성분들 중 하나는 기계적 강도를 제공하는 섬유로 구성되고, 편의상 "매트릭스"로 알려져 있는 다른 구성성분은 구조의 응집 및 섬유로의 응력 재전달을 보장하는 염화비닐 중합체(들)이다.
본 명세서에서 "섬유"란 용어는 임의의 구성(또는 단일)섬유("필라멘트"로도 알려짐) 및 구성섬유들의 임의의 어셈블리를 의미하는 것으로 이해하면 된다.
구성섬유 어셈블리의 예로, 직포(즉, 구성섬유들이 한 부분에서는 길이 방향으로, 다른 부분에서는 폭 방향으로 정렬되어 있는 어셈블리), "매트"로도 지칭되는 부직포(즉, 구성섬유들이 하나의 주 평면에서 불규칙하게 정렬되어 있는 어셈블리) 및 "조방사"(즉, 여러 구성섬유들의 무연(untwisted) 어셈블리)가 있다.
유리하게, 이들 섬유의 특징적 치수("길이") 중 하나는 다른 치수(필라멘트의 경우, "직경") 또는 적어도 다른 두 치수(구성섬유 어셈블리의 경우, "두께" 및 "폭")보다 상당히 크다. 본 발명에 따른 복합재의 구성성분들 중 하나가 구성섬유들의 어셈블리인 경우에, 이러한 구성섬유들의 길이는 바람직하게 두께 및 폭보다 상당히 크다.
"상당히 크다"란 표현은 10배, 바람직하게는 25배, 더욱더 바람직하게는 100배, 매우 특히 바람직하게는 500배를 초과하여 더 크다는 것을 의미하는 것으로 이해하면 된다. 다른 용어에 의하면, 본 발명에 따른 섬유는 연속섬유를 지칭할 수 있다.
바람직하게, 섬유는 구성섬유들의 어셈블리이고, 특히 바람직하게는 직포, 부직포 및 조방사 중에서 선택된 구성섬유들의 어셈블리이다.
상기 바람직한 경우에서, 어셈블리는 질서정연하거나 질서정연하지 않을 수 있으며, 규칙적이거나 규칙적이지 않을 수 있다. 구성섬유는
- 직포의 경우에서와 같이, 질서정연한 방식으로 얽힌 상태의 어셈블리로 정렬되거나,
- 부직포 또는 "매트"의 경우에서와 같이, 무질서한 방식으로 얽힌 상태의 어셈블리로 정렬되거나,
- "조방사"의 경우에서와 같이, 서로 종방향 및 평행한 방향으로 얽히지 않는 방식의 어셈블리로 정렬될 수 있다.
매우 특히 바람직하게, 섬유는 직포 및 "조방사" 중에서 선택된 구성섬유, 또는 매우 특히 선호되는 조방사 구성섬유의 어셈블리이다.
이 경우, 유리하게 어셈블리의 구성섬유들은 이에 따라 서로 종방향 및 평행한 방향으로 얽히지 않는 방식으로 정렬된다.
본 발명에 따라 사용가능한 섬유는 시판 중인 모든 섬유일 수 있다. 이들은 유기 섬유, 광물(mineral) 섬유, 유기 섬유와 광물 섬유의 혼합물, 다양한 유기 섬유 자체의 혼합물, 및 다양한 광물 섬유 자체의 혼합물일 수 있다.
유기 섬유의 예로는, 천연 유래 제품에서 유도된 섬유, 식물 또는 동물 유래 섬유(이를테면, 가령 대마, 아마, 면, 목재 및 실크), 또는 합성제품에서 유도된 섬유(이를테면, 고분자 섬유)를 언급할 수 있다.
광물 섬유의 예로는, 가령 석면 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유 및 현무암 섬유를 언급할 수 있다.
제1 대안예에 따르면, 섬유는 대마 및 아마 중에서 선택된 식물 유래 제품으로부터 수득되는 섬유이다.
제2 대안예에 따르면, 섬유는 유리 섬유 및 현무암 섬유 중에서 선택된 광물 섬유이다.
섬유가 아마 섬유의 조방사, 유리 섬유의 조방사, 또는 현무암 섬유의 조방사일 때 아주 좋은 결과가 기록되었다.
본 발명에 따라 사용가능한 섬유를 그 제조 주기 동안 커플링제로 코팅시킴으로써, 염화비닐 중합체의 하이드로졸에 의해 후속 함침 단계의 균질성과, 복합재의 기계적 물성을 개선할 수 있다. 전통적으로 사용되는 커플링제 중에서, 실란, 폴리에스테르, 아크릴 또는 메타크릴 중합체, 왁스 및 에폭사이드를 언급할 수 있지만, 이들이 모두는 아니다. 그 중, 실란이 바람직하다. 예를 들어, 3-아미노프로필트리메톡시실란 및 3-아미노프로필트리에톡시실란, 그리고 이들의 유도체, 이를테면 감마-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, N-벤질-N-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란 및 이에 상응하는 염산염, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란 및 N-2-(비닐-벤질아미노)에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란을 특히 언급할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 복합재는 가요성을 띠거나(따라서, 권취가능) 다소 강성을 띨 수 있다.
섬유와 관련하여, 본 발명에 따라 제조되는 복합재의 특징적 치수("길이") 중 하나는 다른 치수(필라멘트의 경우, "직경") 또는 적어도 다른 두 치수(구성섬유 어셈블리의 경우, "두께" 및 "폭")보다 상당히 크다. 본 발명에 따른 복합재가 구성섬유들의 어셈블리를 포함하는 경우에, 복합재의 길이는 바람직하게 두께 및 폭보다 상당히 크다.
"상당히 크다"란 표현은 섬유와 연관되어 사용되었을 때와 동일한 의미를 지닌다.
본 발명에 따라 제조되는 복합재는 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한다. 본 명세서에서, "염화비닐 중합체" 또는 더 간단히 "중합체"란 표현은, 염화비닐에서 유도된 단량체 단위를 약 50 중량% 이상, 바람직하게는 60 중량% 이상, 특히 바람직하게 70 중량% 이상, 매우 특히 바람직하게는 85 중량% 이상 함유하는 모든 중합체로, 결과적으로는 (염화비닐에서 유도된 단량체를 100 중량% 함유하는) 염화비닐 단일중합체, 및 비닐 아세테이트와 같은 비닐 에스테르와 염화비닐의 공중합체 양쪽 다를 포함하는 중합체를 의미하는 것으로 이해하면 된다. 위에 언급된 염화비닐 중합체 중에서, 염화비닐 단일중합체, 및 비닐 아세테이트와 염화비닐의 공중합체가 선호되며, 염화비닐 단일중합체가 특히 선호된다. 따라서 바람직하게 염화비닐 중합체는 단일중합체이다.
본 발명의 범위 내에서는, ISO 1628-2 표준에 따라 측정하였을 때 용융흐름지수 또는 K값(편의상 Kw 또는 K-wert로 알려져 있음)이 55를 초과, 바람직하게는 60을 초과하는 염화비닐 중합체, 바람직하게는 염화비닐 단일중합체를 사용하는 유리하다. 이러한 K값은 유리하게 85 미만, 바람직하게는 80 미만이다. 실용적인 이유(상업적 입수성)로, 매우 특히 바람직하게는 K값이 65 내지 75인 중합체를 사용한다.
본 명세서에서, "1종 이상의 염화비닐 중합체"란 표현은 복합재가 염화비닐의 단일 중합체 또는 여러 중합체들을 함유할 수 있다는 것을 뜻한다. "중합체"란 용어는 본 명세서에서 단수와 복수 구분없이 사용된다.
복합재가 여러 염화비닐 중합체를 함유할 수 있는 경우, 상기 복합재는 상이한 용융흐름지수를 지닌 단일중합체들의 혼합물, 단일중합체 및 공중합체의 혼합물, 또는 서로 상이한 단량체 조성을 갖는 공중합체들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게, 복합재는, 특히 바람직하게 염화비닐 단일중합체인, 단일 염화비닐 중합체를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 섬유를 염화비닐 중합체의 하이드로졸에 침지시키는 단계를 포함한다.
본 명세서에서, "하이드로졸"이란 용어는, 분산상이 염화비닐 중합체를 포함하며 연속상이 물인 유체 및 콜로이드 시스템을 의미하는 것으로 이해하면 된다.
유리하게, 염화비닐 중합체의 하이드로졸은 수성 에멀젼에서의 라디칼 중합에 의해 수득된다.
본 명세서에서 "수성 에멀젼에서의 라디칼 중합"이란 표현은 유화제(예를 들면, 알킬설페이트 나트륨 및 알킬아릴설포네이트 나트륨 등) 및 라디칼 개시제의 존재 하에 수성 매질에서 일어나는 모든 라디칼 중합 공정을 의미하는 것으로 이해하면 된다.
이 정의에는, 구체적으로, 수성 중합 매질 외에도 (예를 들면, 알칼리 금속의 과황산염 또는 과황산 암모늄과 같은 수용성 과산화물, 과산화수소, 과붕산염, t-부틸 하이드로과산화물 등에서 선택된) 1종 이상의 수용성 라디칼 개시제와, 1종 이상의 유화제를 사용하는 수성 에멀젼에서의 "고전적" 중합; 및 (예를 들면, 유용성(oil-soluble) 유기 과산화물 및 유용성 디아조 화합물 등에서 선택된) 1종 이상의 유용성 개시제를 사용하며, 강력한 기계식 교반과 유화제 존재 덕분에 단량체 액적들의 에멀젼을 제조하는 수성 마이크로현탁액에서의 중합(균질 수성 분산액에서의 중합으로도 불림)이 포함된다.
바람직하게, 염화비닐 중합체의 하이드로졸은 수성 에멀젼에서의 "고전적" 라디칼 중합에 의해 수득된다.
이렇게 생성된 염화비닐 중합체의 수성 분산액(라텍스로도 알려져 있음)은 본 발명에 따른 방법에 사용되는 하이드로졸이며, 약 10 내지 약 5000 nm(나노미터), 바람직하게는 약 50 내지 약 1500 nm 범위일 수 있는 매우 작은 평균 직경을 가진 구성 중합체 입자들을 함유한다.
하이드로졸 내 염화비닐 중합체의 함량은 유리하게 15 중량% 초과, 바람직하게는 20 중량% 초과, 매우 구체적으로는 25 중량%를 초과한다. 이 함량은 유리하게 50 중량% 미만, 바람직하게는 40 중량% 미만, 매우 구체적으로는 35 중량% 미만이다.
유리하게, 본 발명에 따라 사용가능한 하이드로졸은 1종 이상의 가소제, 이를테면 디알킬 프탈레이트 또는 알킬 아디페이트; 및, 선택적으로, 다른 통상적 첨가제, 이를테면 안정화제, 소포제, 스케일부착 방지제, 증점제, 안료, 염료 등을 또한 함유한다. 하이드로졸은 유기 용매를 함유하지 않는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법을 시행하기 위해, 섬유를 하이드로졸에 침지시켜, 상기 하이드로졸로 코팅된 섬유를 수득한다. 이러한 목적을 위해, 유리하게는 위에 언급한 물리적 형태들 중 하나로 존재하는 섬유에 하기 처리들 중 하나 이상을 선택적으로 우선 수행할 수 있다:
- 구성섬유들의 어셈블리인 경우, 가로 방향으로 섬유들을 펼치기 위해 소정의 장치에 통과시키는 처리;
- 인장 조절 수단에 통과시키는 처리;
- 대전방지 처리.
이어서, 섬유의 완전한 침지를 보장하기에 적합한 치수를 가진 하이드로졸 배쓰에 섬유를 잠기게 하여, 하이드로졸에 의한 코팅을 형성한다. 이러한 침지는 유리하게 0℃ 내지 중합체의 유리전이온도, 바람직하게는 15℃ 내지 40℃의 온도에서 수행된다. 이러한 침지는 유리하게 0.1 내지 10 MPa, 바람직하게는 대기압(0.1 MPa)에 가까운 압력에서 수행된다. 섬유 및 하이드로졸의 각 사용량은, 최종 복합재가 유리하게는 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 60 중량% 내지 90 중량%, 특히 바람직하게는 70 중량% 내지 90 중량%의 섬유와, 유리하게는 50 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 40 중량% 내지 10 중량%, 특히 바람직하게는 30 중량% 내지 10 중량%의 중합체를 함유하도록 정하는 것이 유리하다.
섬유를 하이드로졸에 침지시키는 단계는 연속식 모드 또는 회분식 모드로 수행할 수 있다. 연속식으로 수행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 만일 섬유가 릴 또는 롤 상에 패키징되어 있다면, 하이드로졸 배쓰에 침투시켜야 한다는 관점에서 섬유를 우선 권출시키는 것이 유리하다.
섬유를 하이드로졸에 침지시키는 단계에 이어서, 하이드로졸을 건조시킨다. 수성상 중 고형물의 분산액으로부터 물을 제거할 수 있는 어떠한 공지된 건조법이든 하이드로졸을 건조시키는 데 적합하다. 본 발명에 따른 방법에서, 건조 대상 하이드로졸은 보통 섬유를 피복하는 필름 또는 코팅 형태이며, 그 두께는 종종 0.1 내지 1 mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.6 mm이고, 유리하게 하이드로졸의 건조는, 예를 들어, 진공 하에 두기; 극초단파로 가열하기; 적외선을 인가하기; 송풍기 또는 팬을 통한 열풍을 가하기; 가열된 회전식 롤(roll)들 사이 또는 가열된 고정식 바(bar)들 사이에 통과시키기 등과 같은 방식들을 개별적으로 또는 조합하여 적용하여, 있을 수 있는 하이드로졸 초과량을 선택적으로 없앤 후에 행해진다:
바람직하게는 열풍을 가하여 하이드로졸을 건조하며, 바람직하게는 하이드로졸 및 섬유의 분해온도보다 낮은 온도까지 하이드로졸을 가열한다. 이 온도는 바람직하게 160℃ 이하, 더 구체적으로는 150℃ 이하이다. 바람직하게, 하이드로졸을 건조시키기 위한 공기의 온도는 80℃ 이상, 더 구체적으로는 110℃ 이상이다.
하이드로졸의 건조 단계는 연속식 또는 회분식 모드로 수행할 수 있다. 연속식으로 수행하는 것이 바람직하다. 공기를 가함으로써 연속식으로 하이드로졸 건조 단계를 수행하는 경우, 건조용 터널, 또는 제조되는 복합재의 경로를 따라 일정한 간격을 두고 배치된 열풍 발생기들을 사용하는 것이 유리하다.
건조 단계는 하나의 단계, 또는 상이한 온도에서 수행될 수 있는 여러 단계로 수행될 수 있다. 바람직하게는 여러 단계로, 특히 바람직하게는 두 단계, 매우 특히 바람직하게는 온도가 다른 두 상이한 단계로 수행된다.
하이드로졸을 건조시킨 후 유리하게는 열 작용 하에서 겔화시킨다(즉, 하이드로졸의 구성성분 입자들이 이종상(heterogeneous phase)으로부터 (그래인 구조가 없는) 동질상(homogeneous phase)으로 변함). 유리하게는 적외선 또는 레이저를 조사하여 하이드로졸을 겔화시킬 수 있다. 바람직하게는 적외선을 조사시켜, 하이드로졸 속에 함유된 중합체의 유리전이온도보다는 높고 섬유의 분해 온도보다는 낮은 온도까지 승온시켜 하이드로졸을 겔화시킨다. 이 온도는 바람직하게 250℃ 이하, 더 구체적으로는 230℃ 이하이다. 바람직하게, 이 온도는 100℃ 이상, 더 구체적으로는 150℃ 이상이다.
섬유를 하이드로졸에 침지시키는 단계 및 하이드로졸을 건조시키는 단계와 같이, 하이드로졸을 겔화시키는 단계를 연속식 또는 회분식 모드로 수행할 수 있다. 겔화 단계를 연속식으로 수행하는 것이 바람직하다.
전술된 제조 방법 말미에 수득되는 복합재는 여러 처리를 거칠 수 있다. 이들 처리는 후속 용도 관점에서 복합재를 저장해야 하는지, 또는 즉시 사용해야 하는지(즉, 제조 공정의 연장선)에 따라 그 성격이 달라진다.
어느 경우에든, 수득된 복합재에 일정한 두께를 제공할 수 있는 성형(shaping) 처리, 예를 들면 프레스에서 또는 냉각롤과 비냉각롤 사이에서 캘린더링 또는 적층시키는 처리를, 선택적으로는 예를 들어 전진형 구조체의 종축에 평행하게 위치된 블레이드들 사이를 통과시킴으로써 원하는 일정 폭을 제공할 수 있는 기계적 처리와 조합하거나, 이들 두 방법을 조합하여 수행함으로써 복합재에 최종 확정적인 형태를 부여한다.
수득된 복합재의 두께는 유리하게 0.1 내지 3 mm, 바람직하게는 0.15 내지 2 mm, 매우 구체적으로는 0.2 내지 1 mm로 다양할 수 있다. 수득된 복합재의 폭은 그 재질인 섬유의 물리적 형태에 따라 매우 다양할 수 있다. 잦은 경우에, 수득된 복합재는 조방사 형태이며, 이때 그 폭은 유리하게 3 내지 100 mm, 바람직하게는 5 내지 50 mm, 매우 구체적으로는 5 내지 25 mm이다.
만일 사용하기 전에 복합재를 저장해야 한다면, 선택적 추가 냉각에 이어, 가요성을 띠는 복합재의 경우에는 릴 또는 롤 형태로 권취하고, 강성을 띠는 복합재의 경우에는 절단 필름 또는 시트 형태로 겹쳐 놓음으로써 저장하는 것이 유리하다.
만일 복합재를 즉시 사용해야 한다면, 적합한 성형 장치(아래를 참조)에 도입시키는 것이 유리하다.
또 다른 양태에서, 본 발명은, 상기 방법과 관련하여 전술된 복합재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 1종 이상의 염화비닐 중합체의 하이드로졸에 섬유를 침지시켜 상기 하이드로졸로 코팅된 섬유를 수득한 후, 섬유 상에 코팅된 상기 하이드로졸을 건조시키고 겔화시키는 방법을 통해, 1종 이상의 염화비닐 중합체로 코팅된 섬유를 포함하는 복합재를 제시한다. 본 발명에 따른 복합재는 유리하게 본 발명에 따른 방법에 의해 수득된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 방법에 대해 위에 언급하고 설명한 정의들, 제한 사항들 및 선호 사항들은 본 발명에 따른 복합재에 적용된다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태는, 한편으로는 물품을 형성하고, 다른 한편으로는 보강품을 제조하기 위한, 본 발명에 따른 복합재 또는 본 발명에 따른 방법에 의해 수득되는 복합재의 용도에 관한 것이다. 이러한 목적을 위해, 복합재의 구성성분들과 맞는 모든 공지된 방법, 이를테면, 가령 캘린더링, 열성형, 인발성형, 공압출 등을 통한 복합재 사용이 가능하다.
본 발명에 따른 복합재는, 예를 들면 자동차 산업, 조선 산업, 가구 산업, 건축 산업에서의 내장재용 시트를 위한 섬유 보강재; 파이프 및 호스용 외부 보강재; 사출성형 부품용 보강재; 등으로서 사용될 수 있다.
특히 유리하게, 본 발명에 따른 복합재는 열가소재(바람직하게는, 강성 PVC)로 만들어진 보강 프로파일, 이를테면 연결구조 부재, 특히 고정 프레임 및/또는 셔터 및/또는 문 및/또는 정문 및/또는 창문 프레임의 부재를 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 응용에서, 유리하게 본 발명에 따른 복합재는 프로파일의 강성도, 및 종방향으로의 인장 강도를 향상시킨다. 더 나아가, 본 발명의 복합 구조물로 보강된 강성 PVC 프로파일은 쉽게 재활용될 수 있다.
끝으로 본 발명의 또 다른 양태는 전술된 복합재로부터 또는 전술된 본 발명에 따른 방법에 의해 수득되는 복합재로부터 얻어지는 물품 또는 보강품에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명의 이러한 양태는 상기 복합재 또는 전술된 방법에 의해 수득되는 복합재로 보강된 프로파일에 관한 것이다.
여기에 참조로 통합된 모든 특허, 특허출원, 및 공개문헌의 개시물과 본원의 명세서가 상반되어 어떤 용어의 의미를 불명확하게 할 수 있을 정도인 경우, 본 명세서가 우선한다.
도 1은 본 발명의 주제와 관련된 한 실용적 구현예를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 프로파일 성형을 위한 장치의 부분 분해 사시 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 PVC 재질의 여닫이 창문 프레임의 한 부분을 나타낸다.
이제, 본 발명에 따른 복합재의 제조 방법을 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조로 하기 실시예들을 통해 설명하기로 한다. 본 도면은 본 발명의 상기 주제와 관련된 한 실용적 구현예를 개략적으로 나타내는 첨부 도면 1로 구성된다. 이들 실시예는 본 발명의 범주를 제한하고자 함이 아니라, 본 발명을 예시하고자 의도된다.
실시예 1
Owens Corning Vetrotex사가 제품명 RO 99 P 192 하에 공급 중이며, 실란계 커플링제로 처리되었고, 선형 밀도가 4800 tex(ISO 1889 표준에 따라 측정하였을 때 4.8 g/m)이고 구성 필라멘트의 직경이 24 μm인, 유리섬유의 "조방사"를 릴(1)을 통해 전달하였다. 롤(2)을 통해 2.5 m/min의 속도로 진행되는 이러한 "조방사"를 23℃에서 대기압 하에, "조방사"에 원하는 장력을 가하기 위해 조절가능한 높이 및 간격을 각각 가진 원통형 바들(4)이 서로에 대해 엇갈리게 배열되어 위치하고 있는 하이드로졸 배쓰(3)에 침지시켰다.
하이드로졸 배쓰(3)는 다음과 같은 조성물을 가졌다:
- Solvin사가 제품명 072 GA 하에 시판 중이며, (고전적 수성 에멀젼에 중합된) K값이 72인 염화비닐 단일중합체의 분산액 31.40 중량%;
- 가소제(디이소노닐 프탈레이테) 12.44 중량%;
- 열안정화제(디(n-옥틸)틴 티오글리콜레이트) 0.65 중량%;
- 음이온성 유화제(지방산 나트륨염과 도데실벤젠설포네이트 나트륨의 혼합물) 0.91 중량%;
- Sigma Chemical사가 제품명 Triton X100 하에 시판 중인 비이온성 유화제 0.50 중량%;
- 셀룰로오스 에테르 0.5 중량%;
- 물 53.6 중량%.
하이드로졸과 함침시킨 유리 섬유의 "조방사"를, 정확한 장력을 또한 보장하는 일련의 원통형 바(5)에 의해 배쓰(3)로부터 연신한 후, 33 l/sec의 유속으로 120℃에서 공기를 송풍하는 팬들(6) 사이에 이어 17 l/sec의 유속으로 145℃에서 공기를 송풍하는 팬들(7) 사이로 이송시켰다.
약 20초 동안 하이드로졸을 겔화시키기 위해, 복합재의 전구체를 적외선 조사 확산기들(8) 사이로 이송시키고, 구조물을 향해 조사하는 확산기의 표면들을 220℃의 온도까지 승온시켰다.
약 80 중량%의 유리 섬유를 함유하는 상기 수득된 복합재를 라미네이트용 롤들(9) 사이로 통과시켜, 0.2 mm 두께 및 10 mm 폭을 가진 테이프로 성형한 후, 릴(10) 상에 수거하였다.
이렇게 수득된 복합재의 기계적 물성을 측정하기 위해, 수득된 테이프의 조각들을 주형 내에 나란히, 서로의 상부에 배치하는 한편, 같은 방향을 향하도록 하여, 가압처리 후 1.7 mm 두께를 가진 시트를 얻었다.
이들 시트의 충격강도를 ISO 6603 표준에 따라 측정한 결과 7.6 J/mm였다. 인장 탄성률, 파단 신률 및 인장 강도를 ISO 527 표준에 따라 종방향으로 측정한 결과, 각각 47.6 GPa, 0.71% 및 301 MPa였다.
실시예 2
Depestele사가 공급 중인, 선형 밀도 0.5 g/m의 아마 섬유의 "조방사"를 릴(1)을 통해 전달하였다. 그런 후에는 이 "조방사"를 실시예 1에 기술된 바와 같은 하이드로졸 배쓰에 침지시켰다.
하이드로졸 배쓰는 다음과 같은 조성물을 가졌다:
- Solvin사가 제품명 072 GA 하에 시판 중이며, (고전적 수성 에멀젼에 중합된) K값이 072인 염화비닐 단일중합체의 분산액 31.04 중량%;
- 가소제(디이소노닐 프탈레이테) 12.30 중량%;
- 열안정화제(디(n-옥틸)틴 티오글리콜레이트) 0.65 중량%;
- 음이온성 유화제(지방산 나트륨염과 도데실벤젠설포네이트 나트륨의 혼합물) 0.90 중량%;
- Sigma Chemical사가 제품명 Triton X100 하에 시판 중인 비이온성 유화제 0.49 중량%;
- 셀룰로오스 에테르 1.14 중량%;
- 물 53.49 중량%.
그런 후에는, 하이드로졸과 함침시킨 아마 섬유의 "조방사"를 실시예 1에 언급된 "조방사"처럼 처리하였다.
약 20초 동안 하이드로졸을 겔화시키기 위해, 복합재의 전구체를 적외선 조사 확산기들(8) 사이로 이송시키고, 구조물을 향해 조사하는 확산기의 표면들을 200℃의 온도까지 승온시켰다.
약 50 중량%의 아마 섬유를 함유하는 상기 수득된 복합재를 라미네이트용 롤들(9) 사이로 통과시켜, 0.2 mm 두께 및 5 mm 폭을 가진 테이프로 성형한 후, 릴(10) 상에 수거하였다.
이렇게 수득된 복합재의 기계적 물성을 측정하기 위해, 수득된 테이프의 조각들을 주형 내에 나란히, 서로의 상부에 배치하는 한편, 같은 방향을 향하도록 하여, 가압처리 후 0.5 mm 두께를 가진 시트를 얻었다.
인장 탄성률, 파단 신률 및 인장 강도를 ISO 527 표준에 따라 종방향으로 측정한 결과, 각각 14.6 GPa, 1.67% 및 190 MPa였다.
함침된 테이프로부터 만든 직물의 기계적 물성 또한 측정하였다. 이를 행하기 위해, 테이프들을 직조한 후, 수득된 직물을 주형 내에 여러 두께로 배치하는 한편, 직물의 섬유들이 같은 방향을 향하도록 하여, 가압처리 후 0.97 mm 두께를 가진 시트를 얻었다.
인장 탄성률, 파단 신률 및 인장 강도를 ISO 527 표준에 따라 측정한 결과, 각각 8.3 GPa, 1.69% 및 100 MPa였다.
실시예 3
Flocart사가 제품명 KVT1200Tex13EKV11 하에 공급 중인, 선형 밀도 1200 tex(ISO 1889 표준에 따라 측정됨)의, 현무암 섬유의 "조방사"를 릴(1)을 통해 전달하였다. 그런 후에는 이 "조방사"를 실시예 1에 기술된 바와 같은 하이드로졸 배쓰에 침지시켰다.
하이드로졸 배쓰는 실시예 2에서와 동일한 조성물을 가졌다:
이어서, 하이드로졸과 함침시킨 현무암 섬유의 "조방사"를 실시예 1에 언급된 "조방사"처럼 처리하였다.
약 20초 동안 하이드로졸을 겔화시키기 위해, 복합재의 전구체를 적외선 조사 확산기들(8) 사이로 이송시키고, 구조물을 향해 조사하는 확산기의 표면들을 190℃의 온도까지 승온시켰다.
약 80 중량%의 현무암 섬유를 함유하는 상기 수득된 복합재를 라미네이트용 롤들(9) 사이로 통과시켜, 0.2 mm 두께 및 4 mm 폭을 가진 테이프로 성형한 후, 릴(10) 상에 수거하였다.
이렇게 수득된 복합재의 기계적 물성을 측정하기 위해, 수득된 테이프의 조각들을 주형 내에 나란히, 서로의 상부에 배치하는 한편, 같은 방향을 향하도록 하여, 가압처리 후 0.78 mm 두께를 가진 시트를 얻었다.
인장 탄성률, 파단 신률 및 인장 강도를 ISO 527 표준에 따라 종방향으로 측정한 결과, 각각 43.9 GPa, 0.05% 및 397 MPa였다.
함침된 테이프로부터 만든 직물의 기계적 물성 또한 측정하였다. 이를 행하기 위해, 테이프들을 직조한 후, 수득된 직물을 주형 내에 여러 두께로 배치하는 한편, 직물의 섬유들이 같은 방향을 향하도록 하여, 가압처리 후 0.52 mm 두께를 가진 시트를 얻었다.
인장 탄성률, 파단 신률 및 인장 강도를 ISO 527 표준에 따라 측정한 결과, 각각 12 GPa, 0.47% 및 263 MPa였다.
보강 프로파일을 제조하기 위한, 실시예 1에 따라 수득된 보강재의 용도를 본 명세서에 첨부된 다른 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 도면은 프로파일 성형을 위한 장치(13)의 부분 분해 사시 단면도를 개략적으로 나타내는 첨부 도면 2로 구성된다. 이때 단면은 장치(13)의 중간 지점을 세로로 통과하는 평면(따라서, 배면 절반부만 표시됨)에 평행하게 절단되어, 전술된 바와 같이 수득된 테이프(11) 형태의 복합재의 평면에 수직을 이루고, 화살표(F1)로 표시된 상기 테이프의 진행 방향에 수직을 이루는 단면이다.
성형 장치(13)에는, 한편으로는, 관통 슬릿(19)이 구비된 접속편(17, adapting piece)을 통해 테이프(11), 및 다른 한편으로는, 가압 조건 하에, 화살표(F2) 방향으로 도입된 용융 PVC를 제공하는 종래 압출기(미도시)의 스크류 헤드(14)의 단부에 위치된 다이(15)가 공급되어 있다.
성형 장치(13)의 단면의 분해 부분을 통해, 용융 PVC 공급 수단(14 및 15)과, 이러한 용융 PVC가 채널(16 및 16 bis)을 경유하여 성형 장치(13) 내로 유입되어, 진행 테이프(11)의 상부와 아래에서, 접속편(17)의 전단부에 있는 관통 슬릿(19)의 앞으로 빠져나오도록 된 경로를 표시하였다. 관통 슬릿(19)은, 용융 PVC가 테이프(11)의 양면을 균일하게 코팅하도록 2개의 벽(18 및 18 bis)과 접해 있으며, 그 결과 프로파일(12)은 장치(13)로부터 화살표(F3)의 방향으로 빠져나오게 된다.
본 명세서에 첨부된 또 다른 도면을 참조로, 본 발명에 따른 복합재로 보강된 프로파일을 설명하기로 한다. 본 도면은 PVC 재질의 여닫이 창문 프레임의 한 부분을 나타내는 첨부 도면 3으로 구성된다. 이러한 여닫이 프레임을 도 1 및 상기 설명에 표시된 바와 같이 제조된 2 mm - 두께 테이프 형태의 복합재(20)로 보강하였다. 이러한 구조 덕분에, 여닫이 프레임의 길이는 미보강된 프로파일과 비교하여 60% 넘게, 1 mm 강철 보강재로 보강된 프로파일과 비교하여 10% 넘게 증가될 수 있었다.

Claims (15)

1종 이상의 염화비닐 중합체의 하이드로졸에 섬유를 침지시켜 상기 하이드로졸로 코팅된 섬유를 수득하는 단계에 이어서, 상기 섬유 상에 코팅된 하이드로졸을 건조 및 겔화시키는 단계를 포함하는, 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항에 있어서, 섬유는 직포, 부직포 및 조방사(roving) 중에서 선택된 구성 섬유(elementary fibre)의 어셈블리인 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유는 대마 및 아마 중에서 선택된, 식물 유래 제품으로부터 생성되는 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유는 유리 섬유 및 현무암 섬유 중에서 선택된 광물 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유는 아마 섬유의 조방사, 유리 섬유의 조방사 또는 현무암 섬유의 조방사인 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 염화비닐 중합체는 단일중합체인 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 염화비닐 중합체의 하이드로졸은 수성 에멀젼 중에서의 라디칼 중합에 의해 수득되는 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유의 완전한 침지를 보장하기에 적합한 치수들을 가진 하이드로졸 배쓰에 섬유가 잠기게 함으로써 섬유가 하이드로졸에 의해 코팅되도록 하는 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로졸에 열풍을 가함으로써, 바람직하게는 하이드로졸 및 섬유의 분해 온도 미만의 온도까지 가열함으로써 하이드로졸을 건조시키는 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적외선을 조사시켜, 하이드로졸 속에 함유된 중합체의 유리전이온도보다는 높고 섬유의 분해 온도보다는 낮은 온도까지 승온시켜 하이드로졸을 겔화시키는 것을 특징으로 하는 섬유 및 1종 이상의 염화비닐 중합체를 포함한 복합재의 제조 방법.
1종 이상의 염화비닐 중합체의 하이드로졸에 섬유를 침지시켜 상기 하이드로졸로 코팅된 섬유를 수득한 후, 섬유 상에 코팅된 상기 하이드로졸을 건조 및 겔화시켜 수득되는, 1종 이상의 염화비닐 중합체로 코팅된 섬유를 포함하는 복합재.
물품을 형성하기 위한, 제11항에 기재된 복합재 또는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 수득되는 복합재의 용도.
보강품을 제조하기 위한, 제11항에 기재된 복합재 또는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 수득되는 복합재의 용도.
제11항에 기재된 복합재로부터, 또는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 수득되는 복합재로부터 수득되는 물품 또는 보강품.
제11항에 기재된 복합재, 또는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 수득되는 복합재로 보강된 프로파일.
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