KR20140043740A - 용융 신장성 재료의 용융 신장에 의한 다공질 재료의 형성 - Google Patents

용융 신장성 재료의 용융 신장에 의한 다공질 재료의 형성 Download PDF

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Abstract

다공질 구조를 갖는 재료가 용융 신장된 과립으로부터 형성된다. 신장 표면 사이에서 압축되는 과립이 용융되어 표면에 과립의 단부를 부착하는 점성 용융층을 형성한다. 과립의 용융된 중앙부는 표면을 서로에게서 멀리 인장함으로써 신장된다. 따라서, 다공질 구조가 용융층 사이에 형성되며, 이들 용융층은 둘 다 고화되어 고체 재료를 형성한다. 다공질 재료는 용융 신장성 재료를 용융시켜 중앙부에 의해 연결되는 대향하는 양측 표면층으로 형성되는 점성 용융물 시트를 형성하고, 표면층을 서로에게서 멀리 인장함으로써 중앙부를 신장시켜 중앙부 전역에 무작위로 분배되는 에어셀을 생성하고, 중앙부와 표면층으로부터 형성되는 다공질 코외와 표피를 고화함으로써 형성될 수도 있다.

Description

용융 신장성 재료의 용융 신장에 의한 다공질 재료의 형성{FORMING CELLULAR MATERIAL BY MELT-STRETCHING MELT-STRETCHABLE MATERIAL}
본 발명은 다공질 재료 및 이런 재료의 형성 방법에 관한 것이다.
다공질 재료는 다양한 적용례를 가지며 항공우주, 자동차, 패키징, 건설 및 기타 산업을 포함하는 다양한 산업에 유용하다. 일반적인 유형의 다공질 재료는 발포 플라스틱이다. 페이스 시트로 공지된 두 개의 얇은 시트 패널 사이에 두꺼운 다공질 시트재를 개재하는 것이 일반적이다. 통상적으로, 페이스 시트는 접착제 등을 사용하여 다공질 시트재에 접합되며 다공질 시트재와 상이한 재료로 제조된다.
일반적인 다공질 재료 제조 기술은 발포로서, 이 기술에서는 플라스틱 재료가 고화되기 전에 가스 셀이 플라스틱 재료 내부에 생성된다. 통상적으로, 공지된 발포 기술은 재료의 제조 공정 중에 재료 내부에 가스 셀을 생성하는 발포제의 사용을 수반하며, 이어서 발포 재료는 바람직한 제품 형상을 얻기 위해 열성형 공정과 같은 성형 공정을 받는다.
다양한 열성형 기술이 공지되어 있다. 통상적으로, 플라스틱 시트는 가요(pliable) 성형 온도까지 가열되고 몰드 내에서 또는 몰드에 의해 특정 형상으로 형성되며, 이에 따라 플라스틱 시트의 표면 형상은 몰드의 부분의 표면 형상에 합치된다. 예컨대, 통상의 열성형 기술은 진공 성형, 사출 성형, 압축 성형, 압출, 신장(stretch) 성형 및 여타의 기술을 포함한다. 신장 선형은 가열된 열가소성 시트를 몰드 위의 시트 표면을 따라 신장한 후 냉각하는 공법이다. 통상적으로, 시트는 시트가 몰드 내로 또는 몰드 상에 신장될 수 있는 충분히 높은 온도까지 가열되고 이어서 마무리 형상에 이를 때까지 냉각된다.
Bubble Wrap ™ 재료는 통상적으로 제2 플라스틱 시트 위에 제1 플라스틱 시트를 적층함으로써 형성되는데, 제2 플라스틱 시트는 기포가 적층된 시트 사이에 포획되도록 제2 시트를 흡입하여 공동 벽에 정합시키기 위해 진공이 인가된 상태에서 공동을 구비한 성형면 둘레에 단단히 권취된다.
다공질 재료를 제조하고 성형하는 대안적인 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
또한 다공질 재료를 제조 및 성형하고, 동일한 재료로 제조되는 다공질 코어와 고밀도의 표피에 의해 다공질 재료를 형성하는 편리하고 간단한 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
또한 비교적 가벼운 무게와 높은 기계적 강도와 같은 바람직한 특성이 조합된 다공질 재료를 제공하는 것이 바람직하다.
또한 개질(reform), 수선, 재활용이 비교적 용이한 다공질 재료를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명자에 의해, 발포제의 사용이나 상이한 재료층의 적층 없이 비교적 높은 용융 강도를 갖는 용융 신장성 재료를 용융 신장함으로써 다공질 재료를 제조할 수 있게 되었다.
이에 따라, 본 발명의 제1 양태에서는, 제1 표면 및 제2 표면 사이에 압축된 과립을 용융시켜 제1 표면에 과립의 제1 단부를 부착하는 제1 점성 용융층과 제2 표면에 과립의 제2 단부를 부착하는 제2 점성 용융층을 형성하는 단계와, 제1 표면과 제2 표면을 서로에게서 멀리 이동시킴으로써 제1 단부와 제2 단부 사이에 있는 과립의 용융된 중앙부를 신장시켜 용융층 사이에 다공질 구조물을 형성하는 단계와, 용융층과 다공질 구조물을 고화시켜 다공질 구조물로부터 형성되는 다공질 코어와 용융층으로부터 형성되는 표피를 포함하는 고체 재료를 형성하는 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법이 제공된다.
예시적인 실시형태에서, 제1 표면과 제2 표면은 실질적으로 평행할 수 있다. 제1 표면과 제2 표면은 실질적으로 편평할 수 있다. 과립은 가열에 의해, 예컨대 과립의 용융 온도를 초과하는 온도까지 과립을 가열함으로써 용융될 수 있다. 용융층은 냉각에 의해 고화될 수 있다. 과립은 열가소성 폴리머로 형성될 수 있다. 열가소성 폴리머는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 표면은 차후 고체 재료에서 분리될 수 있다.
다른 양태에서는 용융 신장된 과립으로부터 형성되는 다공질 구조물을 포함하는 재료가 제공된다.
예시적인 실시형태에서, 재료는 다공질 구조물을 덮는 표피를 포함할 수 있다. 다공질 구조물은 표피를 연결하는 웹을 포함할 수 있다. 표피는 2% 미만의 기공도를 가질 수 있다. 다공질 구조물은 약 10% 이상의 기공도를 가질 수 있다. 과립은 열가소성 폴리머로 형성될 수 있다. 폴리머는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 다공질 구조물은 무작위로 배열된 벌집 셀을 포함할 수 있다.
추가 양태에서는, 다공질 재료를 형성하는 방법으로서, 용융 신장성 재료를 용융시켜 중앙부에 의해 연결되는 대향하는 양측 표면층으로 형성되는 점성 용융물 시트를 형성하는 단계와, 표면층으로부터 중앙부를 단절하지 않고 표면층을 서로에게서 멀리 인장함으로써 중앙부를 신장시켜, 신장된 중앙부로부터 다공질 코어를 형성하고 표면층으로부터 표피를 형성하는 단계와, 다공질 코어와 표피를 고화시켜 다공질 보드재를 형성하는 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법이 제공된다.
예시적인 실시형태에서, 표면층은 실질적으로 평행할 수 있다. 표면층과 표피는 실질적으로 편평할 수 있다. 일측 표면층은 제1 인장 부재에 부착될 수 있고 타측 표면층은 제2 인장 부재에 부착될 수 있으며 표면층은 제1 인장 부재와 제2 인장 부재를 서로에게서 멀리 이동시킴으로써 서로에게서 멀리 인장될 수 있다. 용융물 시트는 한 쌍의 파지 롤러를 통해 연속하여 공급될 수 있다. 파지 롤러는 시트의 부분이 파지 롤러를 통해 공급될 때 파지 롤러 사이에 시트의 해당 부분을 압축할 수 있고, 해당 부분이 파지 롤러 사이에 압축될 때 해당 부분에 부착될 수 있고, 해당 부분이 고화되고 파지 롤러에서 분리되기 전에 해당 부분이 상기 파지 롤러를 지나갈 때 해당 부분의 표면층을 서로에게서 멀리 인장할 수 있다.
기술분야의 기술자라면 첨부도면과 연계된 본 발명의 특정 실시형태에 대한 다음의 설명을 검토함으로써 본 발명의 다른 양태와 특징을 분명하게 이해할 수 있을 것이다.
도면은 본 발명의 실시형태를 단지 예로서 도시한다.
도 1a는 본 발명의 실시형태의 예시로서, 열가소성 과립을 용융 신장함으로써 다공질 재료를 형성하는 구성의 개략적인 측면도이다.
도 1b는 도 1a의 구성의 개략적인 상면도이다.
도 2는 도 1a의 구성의 개략적인 측면도로, 과립을 용융시키기 위한 열 인가의 효과를 보여준다.
도 3은 도 1a의 구성의 개략적인 측면도로, 용융된 과립을 신장하기 위해 상부 압반이 상승되었다.
도 4는 본 발명의 실시형태의 예시로서, 도 1a 내지 도 3에 도시된 공정에서 형성되는 다공질 재료의 개략적인 측면도이다.
도 5는 다공질 재료 샘플의 부분을 위에서 바라본 사진이다.
도 6은 다공질 재료 샘플의 사시도 사진이다.
도 7은 다공질 재료 샘플의 웹 두께의 분포를 나타낸 막대 그래프이다.
도 8은 다공질 재료 샘플의 웹 길이의 분포를 나타낸 막대 그래프이다.
도 9, 도 10 및 도 11은 상이한 다공질 재료 샘플의 내부 셀 구조물의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 12는 다공질 재료 샘플의 강도를 보여주는 선 그래프이다.
도 13, 도 14, 도 15 및 도 16은 상이한 변형 하중에서 내부 셀 구조물의 SEM 사진이다.
도 17은 상이한 다공질 재료 샘플의 압축 강도를 보여주는 데이터 그래프이다.
도 18은 상이한 다공질 재료 샘플의 탄성 계수를 보여주는 데이터 그래프이다.
도 19는 상이한 다공질 재료 샘플의 하중-처짐을 보여주는 데이터 그래프이다.
도 20은 재료 샘플의 굴곡 강도를 보여주는 데이터 그래프이다.
도 21은 재료 샘플의 굴곡 강성을 보여주는 데이터 그래프이다.
도 22는 상대 밀도가 상이한 샘플의 파괴 메커니즘을 보여주는 데이터 지도이다.
도 23, 도 24 및 도 25는 상이한 시험 샘플의 하중-처짐을 보여주는 데이터 그래프이다.
도 26은 용융 신장에 의해 다공질 재료를 형성하기 위한 파지 롤러 구성의 개략적인 측면도이다.
도 27은 용융 신장에 의해 다공질 재료를 형성하기 위한 다른 파지 롤러 구성의 개략적인 측면도이다.
본 발명의 예시적인 실시형태는 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 다공질 재료를 형성하는 방법에 관한 것이다.
도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이, 용융 신장성 과립(100)층이 상면(104)을 갖는 하부 압반(platen)(102)과 하면(108)을 갖는 상부 압반(106) 사이에 압축된다. 표면(104, 106)은 일반적으로 편평하고 실질적으로 평행하며 본 출원에서는 신장 표면으로 지칭될 수 있다.
과립(100)은 임의의 적절한 형상이나 크기를 가질 수 있다. 대체로 구형인 과립이 도면에 도시되어 있긴 하지만 다른 실시형태에서는 다른 형상이 적절할 수도 있다. 예컨대, 정육면체형이나 무작위 형상의 과립이 사용될 수도 있다. 과립의 크기는 제품의 바람직한 크기 및 특성이나 특정 적용례의 요건을 토대로 선택될 수 있다. 선택된 실시형태에서, 과립의 크기는 약 2 mm 내지 약 8 mm의 범위 내에서 달라질 수 있다. 예컨대, 제품의 밀도가 주어졌을 때 보다 두꺼운 보드 제품이 바람직하다면 보다 큰 과립이 사용될 수 있고, 보다 얇은 보드가 바람직하다면 보다 작은 과립이 사용될 수 있다. 보드의 두께가 주어졌을 때, 제품의 기공도가 높은 것이 바람직하다면 보다 작은 과립이 사용될 수 있다. 과립(100)의 형상이나 크기는 실질적으로 균일할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시형태에서는 과립(100)의 형상과 크기에 약간의 차이가 있을 수 있다. 이 차이는 후술하는 바와 같이 무작위일 수도 있고 제어될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 상업적 공급자가 제공하는 표준 플라스틱 펠릿이 편리하게 사용될 수 있다. 과립의 크기는 바람직한 면적 밀도(압반 표면의 단위 면적당 과립재의 중량)를 달성하도록 선택될 수 있으며, 이어서 면적 밀도는 최종 제품의 기공 구조와 두께를 제어하기 위해 선택될 수 있다.
과립(100)은 열가소성 폴리머를 포함할 수 있는 용융 신장성 재료로 제조된다. 용융 신장성 재료는 용융된 재료가 신장력 하에서 파열되지 않고 연속적이고 실질적인 변형을 견딜 수 있도록 비교적 높은 용융 강도를 가지는 재료를 가리킨다. 적절한 용융 신장성 폴리머는 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE)을 포함한다. 아래에서 분명히 밝히는 바와 같이, 용융 신장성 재료는 용융 온도가 실온보다 아주 높아야 하고, 용융 상태에서 비교적 높은 점성과 낮은 용융 유동 지수(MFI) 혹은 높은 용융 강도를 가져야 한다. 기술분야의 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 용융 유동 지수, 용융 유속 및 용융 지수는 동일한 특성을 지칭하기 위해 흔히 호환 사용된다.
예컨대, 약 0.31 N의 용융 강도를 갖는 폴리프로필렌(PP)이 적절할 수 있다. 용융 강도는 ISO 16790에 따라 측정될 수 있다(2005년 국제 표준화 기구, ISO 16790:2005 플라스틱-용융 상태에서 열가소성 플라스틱의 인발 특성의 판정 참조).
기술분야의 기술자가 이해하는 바와 같이, 용융 신장성 재료는 결과 제품이 사용되는 특정 적용례에 맞는 바람직한 물성도 가져야 한다. 후술하는 바와 같이, 선택적으로 다양한 첨가제가 과립(100)에 포함될 수 있다.
압반(102, 106)은 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 등의 금속이 사용될 수 있다. 어떤 과립재가 사용되느냐에 따라 압반(102, 106)의 표면(104, 108)은 용융된 과립재층이 표면(104, 108)에 충분히 접착되도록 선택되는데, 그 이유는 아래에서 명백히 드러날 것이다. 고체 상태의 용융 신장성 재료가 표면(102, 104)에서 용이하게 분리될 수 있는 편이 편리할 수 있다. 필요하거나 바람직하다면 표면(104, 108)에 표면 처리를 하여 바람직한 과립재와의 접착성 및 양립성을 제공할 수 있다.
과립(100)은 원하는 제품에 따라 압반(102, 106) 사이에 조밀하게 패킹되거나 느슨하게 패킹될 수 있다. 예컨대, 느슨하게 패킹된 과립은 저밀도의 최종 제품을 제공할 수 있다. 그러나, 다음에 설명하는 공정이 수행되려면 과립은 서로 충분히 조밀해야 한다. 특히, 집적형 최종 제품을 획득할 수 있으려면 과립(100)이 충분히 서로 조밀해야 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열이 과립(100)에 인가되어 열가소성 재료를 충분히 연화하고 용융시키며, 그 결과 점성 용융층(110)이 표면(104)에 형성되고 점성 용융층(112)이 표면(108)에 형성된다. 열은 압반(102, 106)을 통해 인가될 수 있다. 뜨거운 가스나 공기가 표면(104, 108) 사이의 공간을 통해 과립(100)에 공급되어 과립을 가열할 수도 있다. 과립(100)의 중앙부(114)가 연화되고 용융되면서도 파열되거나(부서지거나) 신장성을 상실하지 않도록 인가된 열과 과립의 온도가 제어되어야 한다. 몇몇 실시형태에서는, 인접한 용융 과립(100) 사이에 약간의 공기층이 여전히 존재할 수 있고 인접한 과립(100) 간의 접촉과 융합이 제한될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 용융된 과립이 압축되어 실질적으로 에어갭이 없는 연속 용융물 시트를 형성할 수 있다. 용융층(110, 112)이 표면(104, 108)에 대해 접착성을 갖기 때문에, 용융층(110)은 용융된 과립(100)의 하단부를 표면(104)에 부착하고 용융층(112)은 용융된 과립(100)의 상단부를 표면(108)에 부착한다. 용융층(110, 112)의 두께를 형성하거나 제어하기 위해, 열을 인가하여 과립을 용융시키기 전이나 그 도중이나 그 후에 표면(104, 108) 사이의 거리를 조절할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 과립(100)은 먼저 용융되고 이어서 압축될 수 있다. 다른 실시형태에서, 과립(100)은 먼저 신장 표면(104, 108) 사이에 압축되고 이어서 압축 압력을 계속 인가하면서 용융될 수 있다. 과립(100)에 인가되는 압축 압력은 과립이 연화될 때 조절될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이어서 용융된 중앙부(114)를 신장하기 위해 압반(106)이 상승되어 다공질 구조물(116)이 형성되는데, 이는 신장된 중앙부(114')가 박화되고 보다 큰 공기층(118)이 신장되고 박화된 중앙부(114') 사이에 생성되기 때문이다. 압반(106)이 상승될 때, 압반(102)은 제자리에 고정되거나 아니면 동시에 하강될 수 있다. 용융된 과립(100)을 신장하기 위해 압반(102, 106)은 임의의 적절한 방식으로 이동되어 신장 표면(104)을 서로에게서 멀리 이동시킬 수 있다. 신장 표면(104, 108) 간의 최종 거리는 바람직한 제품 보드의 두께를 토대로 선택될 수 있다.
물론 신장 표면에 표면 처리를 가할 필요 없이 용융된 과립재가 점착성(tacky)이 되고 신장 표면에 대해 충분한 접착성을 갖도록 과립재와 압반의 재료를 선택하는 편이 편리할 수 있다. 예컨대, 용융된 PP는 알루미늄 표면에 대해 충분한 접착성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
물론 중앙부(114)가 분열되지 않고 바람직한 정도까지 신장될 수 있도록 용융된 과립재는 충분한 점성 또는 용융 강도를 가져야 한다.
일단 신장 표면(104, 108)이 선택된 거리까지 이동되고 나면, 해당 거리는 유지될 수 있으며 신장된 재료는 냉각되어 고화될 수 있다. 신장된 재료는 공랭될 수 있다. 대량 생산을 위해 냉각 공정은 생산 주기 시간을 개선하도록 가속화될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 고화된 재료는 다공질 코어(126)에 의해 연결되는 표피(122, 124)를 가지는 보드(120)를 형성한다. 표피(122, 124)는 층(110, 112)으로부터 형성(고화)되며, 다공질 코어(126)는 다공질 구조물(116)로부터 형성(고화)된다. 다공질 코어(126)는 공기층(118)으로부터 형성되는 셀(128)을 한정한다. 표피(122, 124)는 다공질 코어(126)보다 높은 밀도와 낮은 기공도를 가진다. 예컨대, 표피(122, 124)는 약 2% 이하의 기공도를 가질 수 있고 다공질 코어(126)는 약 10% 이상의 기공도를 가질 수 있다. 선택된 실시형태에서, 코어의 기공도는 약 20% 이상일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 코어의 기공도는 약 50% 이상일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 코어의 기동도는 약 85% 내지 약 95%일 수 있다. 사용되는 과립에 따라 표피(122, 124)는 다공성이 아닐 수 있다. 편리하게는, 냉각되고 고화된 열가소성 재료는 표면(104, 108)에서 용이하게 탈착될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 표피(122, 124)는 신장 표면(104, 108)에서 자연발생적으로 탈착될 수 있다.
물론 보드의 두께는 재료가 냉각되어 고화될 때 신장 표면(104, 108) 사이의 거리("냉각 거리"로 칭함)를 조절함으로써 조절될 수 있고, 다공질 코어(126)의 기공도 또는 상대 밀도는 과립의 신장 표면(104, 108) 사이의 냉각 거리와 과립의 초기 패킹을 조절함으로써 제어될 수 있다.
과립(100)은 개별 과립(100)의 신장된 중앙부(114')가 표피(122, 124)를 연결하는 얇은 웹을 형성하고 다공질 코어(126)가 웹 구조물을 가지도록 용융 신장될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 웹은 1 mm 미만의 중심 두께를 가질 수 있다. 과립(100)이 처음에 신장 표면 사이에 무작위로 분배되는 경우, 웹 구조는 확률적(stochastic)(무작위로 배열된) 벌집 구조일 수 있다.
보드(120)는 추가로 가공될 수 있다. 예컨대, 외부 페이스 시트(미도시)가 보드(120)의 일면 또는 양면에 부착되거나 접합될 수 있다. 페이스 시트는 폴리머, 금속 등과 같은 임의의 재료로 제조될 수 있다. 열가소성 폴리머 페이스 시트가 외부 접착제를 사용하지 않고 보드(120)에 부착될 수 있다. 보드(120)를 보강 또는 보호하거나 최종 제품의 외관을 변경하거나 기술분야의 기술자가 이해하는 어떤 다른 기능을 제공하기 위해 페이스 시트 또는 여타의 보드 처리가 제공될 수 있다. 선택된 실시형태에서는, 집적형 보드를 형성하도록 과립은 용융 신장 공정 중에 예비성형된 페이스 시트 사이에 배치될 수 있다. 선택된 실시형태에서는, 별도의 페이스 시트가 용융 신장 공정 후에 보드에 부착될 수 있다.
보드(120)의 가장자리 또는 개방된 측면은 밀봉 시트나 필름 등의 외부 재료를 가열하거나 도포함으로써 추가로 성형되거나 밀봉될 수 있다.
보드(120)는 바람직한 제품 형상이나 크기를 제공하기 위해 재성형될 수 있다. 예컨대, 보드는 절단되거나 개질될 수 있다. 예컨대, 표준 크기의 보드가 형성되어 최종 사용자에게 공급될 수 있으며 최종 사용자에 의해 바람직한 크기로 절단될 수 있다.
편리하게는, 보드(120)는 높은 기공도(따라서 경량성)와 높은 기계적 강도를 갖도록 제조될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 다공질 코어의 기공도는 약 10% 내지 약 95%의 범위일 수 있다. 기공도는 총 기공 체적과 총 체적의 비율로서 산출될 수 있으며, 과립재의 밀도에 대한 보드(120)의 밀도의 비율로부터 산출될 수 있는 상대 밀도로 표시될 수 있다. 재료의 밀도는 기술분야의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방식으로 측정될 수 있다. 예컨대, 밀도는 해당 재료의 중량과 체적을 측정하고 측정된 중량을 측정된 체적으로 나눔으로써 판정될 수 있다. 선택된 실시형태에서, 다공질 재료의 상대 밀도는 약 10% 내지 약 95%의 범위일 수 있다.
예시적인 방법의 몇몇 실시형태에서는, 어떤 발포제, 점착제 또는 기타 첨가제도 사용할 필요가 없다. 별도의 발포 및 성형 공정을 마련할 필요도 없다. 따라서, 본 출원에서 설명하는 예시적인 방법은 편리하고 간단하게 실행할 수 있다.
과립(100)의 상단부 및 하단부와 중앙부는 동일하거나 상이한 재료로 제조될 수 있다. 과립(100)의 단부와 중앙부가 동일한 재료로 제조되는 경우, 보드(120)의 표피(122, 124)와 다공질 코어(126)는 편리하게도 동일한 재료로 제조될 수 있다. 사용되는 용융 신장성 재료에 따라, 보드 재료는 예컨대 한 종류의 폴리머만을 함유하는 편이 비교적 재활용이 용이할 수 있다.
다른 실시형태에서는, 표면(104, 108)과 접촉하는 단부의 재료와 중앙부의 재료가 상이하고, 이로써 표피와 다공질 코어가 상이한 재료로 구성되는 과립을 제공하는 것도 가능하다.
보드(120)는 예컨대 열을 가하거나 기술분야의 기술자에게 공지된 적절한 플라스틱 개질 기술을 사용함으로써 편리하게 개질될 수 있다. 예컨대, 본 출원에서 설명하는 다공질 층은 바람직한 형상을 갖는 부분을 얻기 위해 열간 다이에 의해 스탬핑될 수 있다. 편리하게는, 보드로부터 스탬핑되는 부분이나 개질된 보드는 최초 보드의 기공도 및 기계적 강도를 실질적으로 그대로 유지할 수 있다. 적어도 몇몇 실시형태에서는, 보드(120)가 기계적으로 손상될 경우 개장(re-facing), 개질 또는 새 부분과의 융합에 의해 보드를 편리하게 수선할 수 있다. 예컨대, 손상된 부분을 가열하고, 두 개의 신장 표면에 손상된 부분의 표피를 부착하고, 신장 표면을 서로에게서 멀리 이동시켜 손상된 부분의 코어를 신장함으로써 보드의 손상된 부분을 재신장하는 것이 가능하다. 보드(120)의 가장자리는 예컨대 열간 다이를 사용하여 가장자리를 핀칭(pinching)함으로써 밀봉될 수도 있다. 모든 가장자리가 밀봉될 경우 밀봉된 보드는 물에 뜰 수 있다. 보드(시트)나 보드로부터 다이 스탬핑된 부분은 부유가 가능하도록 완전히 밀봉될 수 있다. 밀봉된 보드와 부분은 공기, 습기 및 먼지가 보드나 부분 내부의 다공질 구조 내로 들어가는 것을 방지할 수도 있다. 예컨대, 다이 스탬핑 공정 중에 여러 개의 보드가 함께 융합되어 집적형 제품을 형성할 수 있다. 예컨대, 여러 개의 보드가 다이의 공동을 충전하기 위해 사용될 수 있다. 보드의 융합은 보드가 다이에 의해 충분히 압축되는 보드의 가장자리나 다른 위치에서 이루어질 수 있다.
물론 이상에서 설명한 예시적인 방법에 대한 일부 변경이 이루어질 수 있다. 일반적으로 본 출원에서 설명하는 방법은 용융 신장된 과립으로부터 형성되는 다공질 구조를 포함하는 다른 다공질 재료를 제공하도록 변경될 수 있다. 예컨대, 다른 과립재가 사용될 수 있고 다른 신장 장치나 공정이 사용될 수 있다. 또한 다른 형상의 다공질 재료가 형성될 수 있다. 사용되는 재료에 따라, 과립의 용융은 열 인가 이외의 방법에 의해 실현될 수 있으며 고화는 냉각 이외의 방법에 의해 실현될 수 있다.
몇몇 실시형태에서는, 해당 재료가 하기 특징을 갖기만 한다면 과립은 용융 신장 방법에 적절한 다른 재료로 제조될 수 있다. 첫째, 재료는 용융되어 신장 표면(예컨대, 표면(104, 108))에 대한 점성 용융 점착제를 형성할 수 있어야 하고, 중앙부가 분열되거나 녹아 없어지지 않고 바람직한 길이까지 신장되도록 충분한 용융 강도 또는 용융 상태에서의 점성을 가져야 한다. 이와 관련하여, 재료의 점성, 고착성 또는 여타의 물성을 향상시키기 위해 첨가제가 재료에 첨가될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 예컨대 용융 재료의 개별 액적을 하부 신장 표면의 상이한 지점에 인가함으로써 사전-용융 과립이 사용될 수 있긴 하지만, 이런 공정은 신장 표면에 고체 과립을 분산하는 것에 비해 불편할 수 있다. 둘째, 과립재는 고화될 수 있어야 하고 정상 사용 조건에서 고체 상태로 유지되어야 한다. 이와 관련하여, 열가소성 재료가 사용하기에 편리하다. 그러나, 다른 재료가 유용할 수도 있다. 수지 과립이 사용될 수 있고 경화에 의해 고화될 수 있다. 용융될 때는 점착성이지만 고화될 때는 접착성을 갖지 않는 용융 신장성 재료가 사용하기에 편리할 수 있는데, 이는 용융층과 신장 표면 간의 접착력으로 인해 표면의 신장시 표면의 용융층이 서로에게서 멀리 인장될 수 있는 동시에 고화된 표피는 냉각된 신장 표면으로부터 편리하게 분리될 수 있기 때문이다.
위에서 언급한 바와 같이, 몇몇 실시예에서는 표면층이 서로에게서 멀리 인장되기 전에 과립이 용융되고 압축되어 연속 용융물 시트를 형성할 수 있다.
물론, 몇몇 실시예에서는, 과립으로부터 점성 용융물 시트를 형성할 필요가 없다. 예컨대, 중앙부에 의해 연결되는 대향하는 양측 표면층으로 형성되는 점성 용융물 시트는 평판 시트와 같은 다른 형태의 용융 신장성 재료를 용융시키고 표면(104, 108)과 같은 두 개의 편평한 신장 표면 사이에 용융물을 압축함으로써 형성될 수 있다. 용융 신장성 재료는 분쇄재생 재료(regrind)의 형태로 제공될 수도 있다.
특히, 에어갭이 처음에 압축에 의해 제거되는 경우에는, 에어셀이 중앙부에 생성되고 분배되는 것을 돕기 위해, 냉각 전에 신장 표면 간의 거리를 반복적으로 증감시켜 표면층을 떼어놓았다 서로를 향해 밀어 붙였다를 반복할 수 있다. 이는 용융물의 중앙부 내부 영역의 통기에 도움이 될 수 있다.
두께가 대체로 균일한 표피층이 형성되는 것을 돕기 위해 신장 표면을 횡방향으로(즉, 신장 표면에 평행한 방향으로) 진동시킬 수 있다.
신장 표면은 다른 형태로 제공될 수 있다. 예컨대, 압반(102, 106)은 다른 적절한 인장 부재 또는 장치로 대체될 수 있다. 생산물이 바람직한 표면 형상을 갖도록 신장 표면은 만곡될 수 있다. 생산물이 다양한 두께를 갖도록 대향하는 두 신장 표면은 제한된 각도로 경사질 수 있다. 단차식 두께를 갖는 보드를 제조하기 위해 표면(108)의 상이한 부분이 상이한 높이까지 상승될 수 있도록 두 개 이상의 별도의 신장 장치가 일측 면(예컨대, 상면)에 마련될 수 있다.
용융된 과립이 실질적으로 수직으로 신장되는 경우, 몇몇 실시형태에서는 하부 용융층(예컨대, 층(110))의 중량이 신장 중에 하부 신장 표면에 대한 중앙부(예컨대, 중앙부(114, 114'))의 부착을 유지하기에 충분하기 때문에 상부 신장 표면(예컨대, 표면(108))에 상부 용융층(예컨대, 층(112))을 접합할 필요가 없다. 이런 경우에는 하부 용융층이 하부 신장 표면에 대한 접착성을 갖도록 하는 것이 불필요할 수 있다.
용융된 과립이 수직으로 신장되는 것이 편리하긴 하지만, 다른 실시예에서는 용융된 과립이 바람직하지 않은 중앙부의 엉김(lumping), 적하(dripping) 또는 굽힘(bending)을 방지하기에 충분한 용융 강도나 점성과 신장 표면에 대한 충분한 접착성을 가질 경우 용융된 과립을 다른 방향으로 신장하는 것도 가능할 수 있다.
몇몇 실시예에서는 과립(100)의 형상과 크기가 제어될 수 있다. 신장 표면에 대한 과립의 분산도 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 과립이 실질적으로 균일하게 분배될 수 있거나, 제품의 다공질 구조를 보다 양호하게 제어할 수 있도록 과립의 위치가 정확히 제어될 수 있다. 신장 표면은 과립의 분산과 정확한 위치 선정을 용이하게 하도록 형상화될 수 있다.
상이한 두께와 크기를 갖는 다공질 재료가 본 출원에서 설명하는 예시적인 실시형태에 따라 제조될 수 있다. 보드재 대신에 시트재, 블록재 등과 같은 다른 다공질 재료가 과립을 용융 신장함으로써 제조될 수 있다.
예시적인 실시형태에서는, 도 26과 도 27에 도시된 바와 같은 한 쌍의 파지 롤러에 용융 신장성 재료 시트를 공급함으로써 다공질 보드재가 연속 생산될 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 용융 신장성 재료는 용융되어 중앙부에 의해 연결되는 대향하는 양측 표면층으로 형성되는 점성 용융물 시트(200)를 형성한다. 용융 시트(200)는 한 쌍의 파지 롤러(202, 204)(핀치 롤러라고도 불림)에 연속적으로 공급되고 파지 롤러(202, 204)에 도달하기 직전이나 파지 롤러(202, 204)에 도달시 재료를 용융시키기 위해 가열되는데, 이로써 용융물 시트는 파지 롤러(202, 204)를 통해 연속적으로 공급된다. 용융 신장성 재료 펠릿은 파지 롤러(202, 204)에 펠릿을 공급하는 공급기(206)에 저장될 수 있다. 파지 롤러(202, 204)는 시트가 파지 롤러(202, 204)를 통해 공급될 때 이들 롤러 사이에 시트(200)를 압축하고 시트(200)의 부분이 파지 롤러(202, 204) 사이에 압축될 때 해당 부분에 부착되도록 선택되고 구성될 수 있다. 그 결과, 파지 롤러(202, 204)는 해당 부분이 파지 롤러(202, 204)를 지나갈 때 해당 부분의 양측 대향 표면을 서로에게서 멀리 인장하게 된다. 표면층이 바람직한 거리까지 인장된 후, 해당 부분은 고화될 수 있고 파지 롤러(202, 204)에서 분리될 수 있다. 파지 롤러를 지나가는 부분은 냉각에 의해 고화될 수 있으며, 냉각되면 파지 롤러의 표면에서 자동으로 박리될 수 있다. 스크래퍼(208)나 사이징 플레이트(210)와 같은 박리 공구가 파지 롤에서 고화된 부분을 박리하기 위해 마련될 수도 있다.
도시된 공정에서는, 중앙부를 표면층에서 단절하지 않으면서 중앙부가 표면층을 서로에게서 멀리 인장함으로써 신장되어 중앙부 전역에 무작위로 분배되는 에어셀을 생성한다. 이로 인해 표면층으로부터 형성되는 표피로 덮인 신장된 중앙부로부터 다공질 코어가 형성된다. 다공질 코어와 표피는 예컨대 냉각에 의해 고화되어 다공질 보드재(212)를 형성할 수 있다. 표면층은 실질적으로 평행하고 편평할 수 있으며 표피 역시 실질적으로 평행하고 편평할 수 있다.
보드재는 컨베이어(214)에 의해 연속적으로 운반될 수 있다.
도 27에 도시된 바와 같이, 대안적인 실시예에서, 용융 신장성 재료 시트(216)는 컨베이어 롤러(218)를 사용하여 파지 롤러(202, 204)에 공급될 수도 있다.
파지 롤러는 때로는 파지 롤 또는 인장 롤이라고도 지칭된다. 종래의 파지 롤의 일반적인 구성은 기술분야의 기술자에게 공지되어 있다. 기술분야의 기술자라면 본 출원의 개시를 토대로 종래의 파지 롤 조립체를 개조함으로써 본 발명의 실시형태에 사용하기에 적절한 파지 롤을 제작할 수 있다.
물론 다공성 보드재는 파지 롤 조립체를 사용하여 연속 생산될 수 있으며, 연속 성형 공정이 편리할 수 있고 생산 처리량을 증가시킬 수 있다.
다른 실시형태에서, 용융 신장성 과립 또는 시트재는 부분적으로 경화된 열경화성 재료와 같은 다른 신장성 재료로 대체될 수 있다. 예컨대, 적절한 열경화성 재료 수지가 부분적으로 폴리머화되고 이어서 용융 과립에 대해 위에서 설명한 것과 유사한 방식으로 신장되어 무작위로 배열된 에어셀을 재료에 형성할 수 있으며, 그 후 재료는 신장된 상태에서 완전히 경화(폴리머화)되어 완전히 경화된 재료 내에 무작위 다공질 구조가 유지된다.
몇몇 실시예에서, 신장 표면의 일측 또는 양측 표면은 편평하지 않을 수 있고 바람직한 비편평형 표면 프로필을 갖는 제품을 형성하도록 형상화될 수 있다.
기술분야의 기술자라면 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시형태는 광범위한 분야와 산업에 적용될 수 있다. 예컨대, 본 출원에서 설명하거나 본 출원에 기술된 예시적인 방법에 따라 형성되는 다공질 재료는 항공우주, 자동차, 패키징, 건설 및 여타의 산업에 사용될 수 있다. 다공질 재료는 편리하게 개질될 수 있기 때문에 에너지 흡수 혹은 충격 흡수 적용례에 특히 유용할 수 있다.
편리하게는 다공질 재료는 간단한 단일 단계 공정에서 최소한의 장비를 사용하여 본 발명의 실시형태에 따라 제조될 수 있다.
제한적이지 않도록 의도된 하기 실시예를 통해 본 발명의 예시적인 실시형태를 추가로 예시한다.
실시예
실시예 1
발포제, 첨가제 또는 접착제를 전혀 사용하지 않고 다공질 열가소성 재료 샘플을 제조하였다.
작동 온도가 180℃인 가열로에서 플라스틱 펠릿으로부터 다공질 보드 또는 시트재 샘플을 형성하였다. 성형 장치에는 압반의 위치를 설정하기 위해 높이 설정이 조절 가능한 프레임에 장착되는 두 개의 알루미늄 압반을 구비한 프레스가 포함되었다. 열전대를 사용하여 가열로의 내부 온도와 압반의 온도를 측정하였고, 가열로와 압반에 배치된 폴리머의 온도를 모니터하기 위해 적외선 레이저 온도계를 사용하였다. 60℃와 100℃ 사이의 온도에 도달할 때까지 가열로에서 압반을 예열하였다.
이어서 하부 압반에 높은 용융 강도(ISO 16790에 의해 측정시 0.31 N의 용융 강도)의 PP 펠릿을 배치하고 점성 용융물을 형성할 때까지 대략 10분 내지 12분 동안 가열로에 방치하였다. 펠릿은 크기가 대략 2 mm 내지 4 mm이고 편구면 형상이었다. 단일 용융물이 만들어질 때까지 펠릿을 가열하였다. 용융물 이 압반의 신장 표면부를 완전히 덮었을 때 최종 보드는 간극이나 균열이 거의 또는 전혀 없는 표피를 가진다는 것을 확인하였다. 신장 표면이 완전히 덮이기 전에 압반이 인장되었을 때는(즉, 용융된 과립 사이의 표면에 간극이 존재하는 경우에는) 결과 표피 역시 간극을 가졌다.
이 시점에서, PP 펠릿과 함께 압반을 가열로에서 꺼내어 프레스에 배치하였다. 상부 압반과 용융된 PP 펠릿 간의 핫택(hot tack) 접착을 보장하기 위해 대략 30초 동안 압반을 압축하였다. 이어서 프레스 내에서 상부 압반을 상승시켜 폴리머 펠릿을 일축(uniaxially) 팽창시키고 자연발생적으로 웹 구조물을 생성하였다. 압반을 바람직한 높이로 적소에 록킹하고 프레스를 냉각하였다. 6분 내지 7분 동안의 냉각 후, 프레스는 대략 35℃의 온도에 도달했고 확률적 벌집 구조를 갖는 PP 보드가 알루미늄 압반에서 자체적으로 분리되었다.
유사한 크기의 PP 펠릿을 사용하여 10 mm 내지 35 mm의 다른 두께(높이)를 갖는 보드 재료 샘플을 형성하였다. 보드 샘플의 상대 밀도(ρ)는 최종 두께에 따라 5%에서 13%까지 다양했다.
다공질 재료 샘플의 대표적인 사진은 도 6과 도 7에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 각각의 보드 샘플은 상부 및 저부 표피로 덮인 다공질 코어를 갖추었다. 다공질 코어는 확률적 벌집 구조를 갖추었다. 몇몇 샘플에서 표피와 중앙 웹의 두께는 약 1 mm 미만이었다. 도 5에 도시된 샘플에서, 웹의 대부분은 상호연결되었다. 몇몇 샘플에서는 웹 중 적어도 일부는 인접한 웹에 상호연결되지 않았다.
상대 압반이 분리됨에 따라, 다공질 아키텍처가 샘플에 자연발생적으로 형성되었음이 관찰되었고, 웹의 두께, 웹의 길이 및 인접 웹 간의 각도 면에서 웹 구조물에 상당한 편차가 있었다. 본 출원에서 웹 두께는 웹 구조물의 편평한 개별 웹의 두께를 가리키며 그 값은 표피 사이의 중간 지점(중간 높이)에서 측정되었다. 웹의 높이는 표피 사이의 웹의 거리를 가리키며, 웹의 길이는 (예컨대, 도 5의 관점과 같이) 위에서 바라볼 때 웹 접합부 사이의 편평한 개별 웹 각각의 길이를 가리킨다. 보드 두께는 전체 보드 샘플의 두께를 가리키며 웹 높이와 표피의 두께를 더한 값과 동일하다.
도 7은 20 mm의 보드 두께와 7% 내지 7.5% 범위의 상대 밀도를 가지는 샘플의 웹 두께(t)의 분포를 도시한다. 측정된 웹 두께는 0.025 mm에서 0.800 mm까지 다양했다. 통상적으로, 개별 웹은 상이한 웹 간의 접합부와 표피 가까이에서 보다 두꺼웠고 표피와 접합부에서 멀리 떨어진 중간 부분 가까이에서는 보다 얇았는데, 이는 표면 장력 효과에 기인한 것일 가능성이 높다.
도 8은 도 7의 샘플의 웹 높이(l)의 분포를 도시한다. 웹 높이 역시 0.75 mm에서 10 mm를 넘는 값까지 다양하였으며 웹의 상당 부분은 1 mm와 7 mm 사이의 길이를 가졌다.
웹 두께 대 웹 길이 종횡비(aspect ratio)(t/l)는 0.02 내지 0.2인 반면, 웹 두께 대 웹 높이 종횡비(t/h)는 0.002 내지 0.03이었다.
어떤 특정한 이론에 구애되지 않고, 다음과 같은 PP의 물성이 관찰된 다공질 웹 구조물의 형성을 용이하게 하거나 가능하게 할 것으로 예상하였다. 사용된 PP는 높은 용융 강도를 가졌으며 핫택 접착력, 낮은 용융 유속 및 낮은 표면 에너지를 가졌다. 핫택 접착 특성으로 인해 PP는 압반이 가열될 때 알루미늄 표면과 즉각 접합될 수 있다. 용융된 PP는 알루미늄 신장 표면에 강력하게 접착되어 PP 펠릿이 프레스에서 일축 팽창할 수 있도록 하였다. 사용된 PP는 2.4 g/10min의 낮은 용융 유속(MFR)을 가지며 이로써 용융 상태에서 PP의 유동이 제한되었다. 낮은 MFR은 ISO 16790에 따라 측정시 0.31 N의 값을 갖는 PP의 높은 용융 강도와 관련이 있었다. 이와 대조적으로, 종래의 PP의 용융 강도는 0.01 N과 0.20 N 사이이다. 이런 낮은 용융 강도의 PP도 사용될 수 있긴 하지만, 결과 제품의 기공 구조는 용융 강도가 높은 PP로부터 형성되는 기공 구조에 비해 균일도가 낮을 수 있다. 사용된 PP의 표면 에너지가 낮다는 것은 PP 재료가 고체 상태에서 접착력이 저하된다는 것을 의미한다. 따라서, 편리하게도 냉각된 보드 샘플은 알루미늄 압반으로부터 자연발생적으로 분리될 수 있었다.
실시예 2-시험 샘플 제조
실시예 1에서 형성되는 것으로, 두께가 20 mm이고 상대 밀도가 7% 내지 12% 범위인 보드 샘플을 후술하는 시험에 사용하였다.
ASTM C365: 샌드위치 코어의 평면방향 압축 특성의 표준 시험 방법(ASTM 인터내셔널, 2005)에 따라, 제조된 샘플로부터 30 mm×30 mm의 쿠폰을 잘라내어 1 mm/min의 크로스 헤드 속도에서 압축 시험용으로 사용하였다.
특유의 일축 변형값까지 샘플을 예압(pre-loading)하고 주사전자현미경(SEM)으로 변형된 웹 구조물을 관찰하여 압축 시험 중의 웹 붕괴 메커니즘을 조사하였다.
빔 굴곡에 의한 샌드위치 구조의 코어 전단 특성의 표준 시험 방법 ASTM C393(ASTM 인터내셔널, 2006)과, 샌드위치 빔의 굴곡 및 전단 강성 판정을 위한 표준 실무 ASTM D7250(ASTM 인터내셔널, 2006)에 따라, 동일한 방식으로 3점 굽힘 샘플을 제조하고, 이를 절단하여 200 mm의 길이와 45 mm의 폭을 갖는 시험 샘플을 얻었다.
실시예 3-샘플에 페이스 시트 부착
열 용접을 사용하여 상이한 두께의(tf=0.73 mm, 0.94 mm, 1.19 mm, 1.75 mm) PP 페이스 시트를 실시예 2에서 제조된 3점 굽힘 샘플에 접합하였다. 용융물을 형성할 때까지 보강 페이스 시트를 가열로의 상부 및 하부 알루미늄 압반에서 가열하였다. 이어서 3점 굽힘 샘플이 위에 배치된 하부 압반을 실시예 1에서와 같이 프레스에 고정하고 상부 압반을 20 mm의 높이에서 프레스에 고정하였다. 다공질 샘플의 웹 구조물에 실질적으로 영향을 미치지 않으면서 PP 페이스 시트가 다공질 샘플에 접착되었다는 것을 확인하였다.
실시예 4-샘플의 다공질 아키텍처
보드 샘플에서는, 부분적인 웹의 복합 네트워크에 의해 확률적 벌집 코어로 구성된 가느다란 웹이 표피에 연결되었다. 다공질 웹 구조물의 일부의 대표적인 SEM 사진은 도 9, 도 10 및 도 11에 도시되어 있다. SEM 사진은 중간 높이에서 절단된 벌집 코어를 촬영한 것이다.
웹 구조물의 다수는 표피나 완전한 웹(즉, 표피 사이에 연속하여 연장되는 웹)에 포함되어 있었고 불완전한 웹도 다수 존재했다. 웹 중 일부는 표피 중 하나까지 연장된 간극을 가졌다(도 9 참조). 웹 중 일부는 웹 내부에 완전히 포함된 간극을 가졌다(이런 간극 중 하나가 도 10에 화살표로 표시되어 있다).
실시예 5-샘플의 개질
보드 샘플이 단지 PP로만 형성되었기 때문에 재활용이 용이하다. 보드는 다공질 코어에서 페이스 시트를 반드시 분리하지 않고서도 펠릿화될 수 있었다. 보드는 재펠릿화 없이 성형될 수도 있었다. 실시예 1에서와 같이 확률적 벌집 코어를 제조한 후 표피면에 수직한 방향으로 일축 압축하여 분쇄하고 분쇄된 보드 샘플을 재신장시켜(팽창시켜) 시험 연구를 수행하였다. 재신장된 보드는 최초 보드 샘플에 비해 기계적 물성의 상실 정도가 그다지 크지 않다는 것을 확인하였다.
재료 샘플은 어떤 특별한 준비 없이 재활용할 수 있었다. 재료 샘플은 재펠릿화를 거칠 필요 없이 샘플을 용융시키고 프레스에서 코어를 일축 재신장함으로써 재차 제조될 수 있었다.
실시예 6-샘플의 변형 응력 시험
실시예에서 제조된 시험 샘플을 대상으로 변형-응력 시험을 실시하였다. 도 12는 세 가지의 상이한 밀도를 가지는 시험 샘플의 대표적인 일축 압축 응력-변형 곡선을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 곡선은 초기 피크 응력을 가졌으며, 최종 고밀화까지 응력이 비교적 일정한 광범위한 밸리가 이어졌다.
압축 중에 웹의 붕괴 방식을 판정하기 위해, 11.5%의 상대 밀도(ρ=11.5%)를 갖는 샘플의 동일한 중간 높이 위치에서의 변형을 제조된 그대로의 상태에서 최종 고밀화까지 계속하여 추적하였다.
도 13, 도 14, 도 15 및 도 16은 원 샘플(도 13)과, ε≒0.05(도 14), ε≒0.25(도 15) 및 ε≒0.35(도 16)까지 상이한 예압을 가한 후의 셀 구조의 SEM 사진을 도시한다. 도 13에서는 웹 구조물의 세장성을 확인할 수 있다. 피크 응력까지 예압된 샘플(도 14)에서는 국지적 소성 좌굴(buckling)을 확인할 수 있다. 대규모의 전면적 좌굴이 밸리 응력에 도달할 무렵에 발생하였고(도 15) 고밀화 내내 계속되었다(도 16).
도 17과 도 18은 시험 샘플의 상대 밀도에 대해 좌표로 나타낸 측정 피크 강도와 강성을 도시한다. 강도는 8.5%의 상대 밀도에서 1.5 MPa이었다가 11.1%의 상대 밀도에서 2.5 MPa까지 증가하였고, 비강도(specific strength)값은 22.0±3.0 kPa-㎥/kg으로 대략 일정하였다. 마찬가지로, 강성은 동일한 밀도 범위에 걸쳐 90 MPa에서 120 MPa까지 변경되었고, 비강성은 1.17±0.06 MPa-㎥/kg으로 거의 일정하였다.
샘플의 비강도(22.0 kPa-㎥/kg)는 예컨대 3 내지 8 kPa-㎥/kg인 것으로 보고된 종래의 상용 PP 발포체의 비강도보다 대략 3배 내지 5배만큼 높았다. 샘플의 비강성(1.17 MPa-㎥/kg)은 상용 PP 발포체의 보고된 강성(예컨대, 0.10 내지 0.30 MPa-㎥/kg)보다 대략 4배 내지 10배만큼 높았다.
시험은 또한 확률적 벌집 코어를 갖는 다공질 PP 재료 샘플이 종래의 PP 벌집 코어의 성능에 필적하고 종래의 PP 발포체의 성능을 뛰어넘는 압축 성능을 가진다는 것을 보여주었다.
실시예 7-3점 굽힘 시험
1 mm/min의 크로스헤드 속도와 100 mm의 스팬 길이에서 3점 굽힘 시험을 실시하였다. 실시예 1과 실시예 2에서 제조된 샘플을 제조된 그대로의 상태에서 먼저 시험하였다.
도 19는 8.5%, 9.5% 및 10.5%의 상대 밀도를 가지는 샘플의 대표적인 하중-처짐 곡선을 도시한다. 밀도가 증가함에 따라 샘플은 보다 낮은 변형과 보다 높은 하중에서 붕괴되었다.
도 20과 도 21은 샘플의 굴곡 강도와 굴곡 강성을 상대 밀도의 함수로서 각각 도시한다. 상대 밀도가 8.4%에서 11.0%까지 증가함에 따라 굴곡 강도와 굴곡 강성은 둘 다 0.53 MPa에서 1.08 MPa까지, 그리고 61.4 MPa-㎟에서 146.0 MPa-㎟까지 각각 증가하였다. 상대 밀도가 보다 높은 확률적 벌집 코어의 굴곡 강도와 굴곡 강성이 보다 높은 것은 표피 두께의 차이에 의해 부분적으로 설명할 수 있다. 예컨대, ρ=10.5%인 샘플의 평균 표피 두께는 약 0.24 mm였고 ρ=8.5%인 샘플의 평균 표피 두께는 약 0.14 mm였다.
몇몇 시험 샘플을 0.73 mm 내지 1.75 mm의 두께를 갖는 추가 폴리프로필렌 페이스 시트로 보강하였다. 접착제를 사용하지 않고 외부 페이스 시트를 샘플에 접합하였다.
3점 굽힘 시험을 받는 샌드위치 패널은 통상 네 가지 메커니즘, 즉 페이스 시트의 박리, 페이스 시트의 주름, 코어의 전단 파괴, 그리고 페이스 시트의 항복 및 파단 중 하나에 의해 붕괴한다. 이들 네 가지 파괴 메커니즘 모두가 보강된 시험 샘플에서 관찰되었다. 그러나, 세심한 샘플의 제조를 통해 페이스 시트의 박리를 실질적으로 방지할 수 있다는 것을 확인하였다.
도 22는 시험 샘플의 파괴 지도 형태로 파괴 메커니즘을 요약한 것이다. 페이스 시트의 두께가 보다 작고 밀도가 보다 낮은 경우에는 주름이 유세한 파괴 메커니즘이었다. 밀도와 더불어 페이스 시트의 두께가 증가함에 따라 코어의 전단과 페이스 시트의 항복 및 파단이 연이어 우세한 파괴 메커니즘이 되었다. 이들 각각의 파괴 메커니즘의 대표적인 하중-변위 곡선이 도 23, 도 24 및 도 25에 도시되어 있다.
주로 페이스 시트의 항복 및 파단에 의해 붕괴된 샘플은 최고 인가 하중에서 붕괴하였다(도 23 참조). 이들 샘플은 일반적으로 4 mm 내지 6 mm의 처짐까지 변형된 후 툭 하고 부러져 돌연 붕괴되었다. Tf=1.75 mm인 경우, 굴곡 강도와 굴곡 강성은 7.3%의 상대 밀도에서는 5.14 MPa와 546 MPa-㎟이었다가 9.2%의 상대 밀도에서는 6.85 MPa와 660 MPa-㎟까지 증가했다.
코어 전단은 0.94 mm와 1.19 mm의 페이스 시트 두께를 갖는 샘플에서 대부분 발생했다. 두 경우 모두에서, 하중-변위 곡선에서의 주기적인 하중 강하에 대응하여, 코어가 점진적으로 전단됨에 따라 균열 소음을 들을 수 있었다. 두 페이스 시트 두께 모두에 있어, 굴곡 강도와 굴곡 강성은 코어의 밀도에 비례하여 증가하였다. tf=0.94 mm인 경우, 굴곡 강도와 굴곡 강성은 7.1%의 상대 밀도에서는 4.32 MPa와 370 MPa-㎟이었다가 8.8%의 상대 밀도에서는 5.24 MPa와 418 MPa-㎟까지 각각 증가했다. 마찬가지로, tf=1.19 mm인 경우, 굴곡 강도와 굴곡 강성은 7.2%의 상대 밀도에서는 4.48 MPa와 455 MPa-㎟이었다가 9.1%의 상대 밀도에서는 4.65 MPa와 629 MPa-㎟까지 각각 증가했다.
페이스 시트의 주름으로 인해 샘플은 둘로 절첩되었으며 대부분은 파단되지 않고 65 mm를 초과하는 변위에 도달한 후 지지체로부터 떨어져 나갔다. 페이스 시트의 주름에 의해 붕괴된 샘플은 PP 시트 보강재의 두께가 가장 얇았고 최저 피크 하중에서 붕괴되었다. tf=0.73 mm인 경우, 굴곡 강도와 굴곡 강성은 6.8%의 상대 밀도에서 1.88 MPa와 301 MPa-㎟이었다가 8.6%의 상대 밀도에서는 2.73 MPa와 333 MPa-㎟까지 각각 증가했다.
보강 시험 샘플에서, 붕괴는 일반적으로 (페이스 시트의 항복 및 파단에 있어서) 페이스 시트나 (코어의 전단 및 주름에 있어서) 코어에 의해 제어되었다. 샘플의 붕괴가 페이스 시트(tf=1.75 mm)에 의해 제어된 경우, 비굴곡 강도와 비굴곡 강성은 각각 82.0±2.0 kPa-㎥/kg과 8.22±0.16×10-6 Pa-m5/kg로 모든 샘플에 걸쳐 2% 미만만큼 달라졌다. 대안으로서, 샘플의 붕괴가 주로 코어에 의해 발생한 경우에는 비굴곡 강도와 비굴곡 강성에서 훨씬 큰 편차가 나타났다. tf=1.19 mm인 경우(코어의 전단에 의한 파괴), 비굴곡 강도는 63.0±6.0 kPa-㎥/kg로 편차가 9%이었고, 비굴곡 강성은 6.84±0.82×10-6 Pa-m5/kg로 편차는 12%였다. tf=0.73 mm인 경우(주름에 의한 파괴), 비굴곡 강도와 비굴곡 강성은 32.0±3.0 kPa-㎥/kg와 4.38±0.57×10-6 Pa-m5/kg로 편차는 각각 10%와 13%였다.
코어의 밀도가 일정할 때 피크 하중은 페이스 시트의 두께가 증가함에 따라 증가했다. 마찬가지로, 페이스 시트의 두께가 일정할 때 피크 하중은 코어의 밀도가 증가함에 따라 증가했다. 제조된 그대로의 샘플의 굴곡 특성에서는 보강된 샘플보다 비교적 큰 샘플 대 샘플 가변성이 나타났다는 것에 주의해야 한다. 예컨대, 코어의 상대 밀도가 8.5%일 때 제조된 그대로의 샘플의 굴곡 강도 값은 15% 이내인 반면, 동일한 밀도에서 보강된 샘플은 평균 8%만큼 달라졌다. 굴곡이 존재할 때, 파단은 외면에서 발생하며 국지적으로 내장되거나 보강된 페이스 시트의 두께의 변화에 보다 민감하다. 보강된 샘플에서는 가변성이 저감된다는 것을 감안하여, 보강된 시트는 훨씬 두꺼울 뿐만 아니라 내장형 표피보다 균일하다.
요컨대 보강재가 없는 샘플을 대상으로 3점 굽힘 시험을 실시한 경우에는 샘플은 페이스 시트의 항복 및 파단에 의해 붕괴되었으며 굴곡 강도와 굴곡 강성은 코어의 상대 밀도에 따라 달라졌다. 외부 PP 시트로 샘플을 보강한 경우에는 통상 관찰되는 네 가지의 샌드위치 패널의 파괴 메커니즘이 전부 관찰되었다. 세심한 샘플 제조에 의해 보강된 샘플의 박리를 방지하는 것이 가능하였다. 보강된 샘플 모두에 있어, 굴곡 강도와 굴곡 강성은 페이스 시트의 두께가 일정할 때 코어의 상대 밀도에 비례하여 증가하였고, 또한 코어의 상대 밀도가 일정할 때 페이스 시트의 두께가 증가함에 따라 증가하였다.
본 출원에서 항목의 리스트에 마지막 항목 전에 "또는"이 주어질 경우에는, 열거된 항목 중 임의의 것이나 열거된 항목의 임의의 적절한 조합을 선택하여 사용할 수 있다. 가능한 요소나 특징에 대한 어떤 리스트가 본 명세서에 제시될 경우, 제시된 리스트에 속하는 하위 리스트가 예정되어 있다. 마찬가지로 어떤 범위가 제시될 경우에는 제시된 범위에 속하는 하위범위 또한 예정되어 있다.
물론 이상의 실시형태는 단지 예시적인 것으로 결코 제한적이도록 의도되어 있지 않다. 설명한 실시형태는 형태, 부품의 배열, 세부사항 및 작동 순서에 대한 다양한 변경을 허용한다. 본 발명은 특허청구범위에 의해 정해지는 발명의 범위 내에 이런 모든 변경을 망라하도록 의도되어 있다.

Claims (22)

  1. 다공질 재료를 형성하는 방법으로서,
    제1 표면 및 제2 표면 사이에 압축된 과립을 용융시켜, 상기 제1 표면에 상기 과립의 제1 단부를 부착하는 제1 점성 용융층과 상기 제2 표면에 상기 과립의 제2 단부를 부착하는 제2 점성 용융층을 형성하는 단계와,
    상기 제1 표면과 제2 표면을 서로에게서 멀리 이동시킴으로써 상기 제1 단부와 제2 단부 사이에 있는 상기 과립의 용융된 중앙부를 신장시켜 상기 용융층 사이에 다공질 구조물을 형성하는 단계와,
    상기 용융층과 다공질 구조물을 고화시켜 상기 다공질 구조물로부터 형성되는 다공질 코어와 상기 용융층으로부터 형성되는 표피를 포함하는 고체 재료를 형성하는 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 표면과 제2 표면은 실질적으로 평행한 다공질 재료 형성 방법.
  3. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 표면과 제2 표면은 실질적으로 편평한 다공질 재료 형성 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융 단계는 상기 과립을 가열하는 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 과립의 용융 온도를 초과하는 온도까지 상기 과립을 가열하는 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고화 단계는 냉각 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과립은 열가소성 폴리머로 형성되는 다공질 재료 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열가소성 폴리머는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 재료에서 상기 표면을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  10. 용융 신장된 과립으로부터 형성되는 다공질 구조물을 포함하는 재료.
  11. 제10항에 있어서, 상기 다공질 구조물을 덮는 표피를 포함하는 재료.
  12. 제11항에 있어서, 상기 다공질 구조물은 상기 표피를 연결하는 웹을 포함하는 재료.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 표피는 2% 미만의 기공도를 가지는 재료.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 구조물은 약 10% 이상의 기공도를 가지는 재료.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과립은 열가소성 폴리머로 형성되는 재료.
  16. 제15항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함하는 재료.
  17. 제10항 중 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 구조물은 무작위로 배열된 벌집 셀을 포함하는 재료.
  18. 다공질 재료를 형성하는 방법으로서,
    용융 신장성 재료를 용융시켜 중앙부에 의해 연결되는 대향하는 양측 표면층으로 형성되는 점성 용융물 시트를 형성하는 단계와,
    상기 표면층으로부터 상기 중앙부를 단절하지 않고 상기 표면층을 서로에게서 멀리 인장함으로써 상기 중앙부를 신장시켜, 신장된 중앙부로부터 다공질 코어를 형성하고 상기 표면층으로부터 표피를 형성하는 단계와,
    상기 다공질 코어와 상기 표피를 고화시켜 다공질 보드재를 형성하는 단계를 포함하는 다공질 재료 형성 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 표면층은 실질적으로 평행한 다공질 재료 형성 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 표면층과 상기 표피는 실질적으로 편평한 다공질 재료 형성 방법.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면층 중 제1 표면층은 제1 인장 부재에 부착되고 상기 표면층 중 제2 표면층은 제2 인장 부재에 부착되며 상기 표면층은 상기 제1 인장 부재와 제2 인장 부재를 서로에게서 멀리 이동시킴으로써 서로에게서 멀리 인장되는 다공질 재료 형성 방법.
  22. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 파지 롤러를 통해 상기 용융물 시트를 연속하여 공급하는 단계를 포함하되, 상기 파지 롤러는,
    상기 시트의 부분이 상기 파지 롤러를 통해 공급될 때 상기 파지 롤러 사이에 상기 시트의 상기 부분을 압축하고,
    상기 부분이 상기 파지 롤러 사이에 압축될 때 상기 부분에 부착되고,
    상기 부분이 고화되고 상기 파지 롤러에서 분리되기 전에, 상기 부분이 상기 파지 롤러를 지나갈 때 상기 부분의 상기 표면층을 서로에게서 멀리 인장하는 다공질 재료 형성 방법.
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