KR20160062078A - 직물 절단 스크랩의 용도 - Google Patents

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fabric
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마티아스 쉬비츠
헤이코 헤스
젠스 크레머
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은, 직물 절단 스크랩을 이용하는 방법으로서,
(a) 절단 스크랩을 플레이크로 절단하는 단계,
(b) 플레이크를 폴리머 용융물에 혼합하는 단계,
(c) 플레이크를 갖는 폴리머 용융물을 혼련시켜, 플레이크가 개개의 섬유로 분해되도록 하는 단계,
(d) 혼합된 섬유를 갖는 폴리머 용융물을 중간 물품으로 성형하는 단계
를 포함하는 방법을 제공한다.

Description

직물 절단 스크랩의 용도{USE OF FABRIC CUTTING SCRAP}
본 발명은 직물 절단 스크랩을 이용하는 방법에 관한 것이다.
직물은, 예를 들어, 연속 스트랜드 복합재의 제조에서 사용되는 것과 같은 섬유로부터 얻어지는 편직된 직물 또는 제직된 직물 또는 레이드 직물이다.
연속 스트랜드 복합재는 일반적으로, 직물을 주형에 넣은 다음에 주형을 주물 폴리머, 예컨대 열경화 폴리머 또는 열가소성 폴리머로 채우는 것에 의해 형성된다. 사용되는 직물은, 예를 들어 직포, 편직물 또는 레이드 직물일 수 있다. 2종 이상의 직물을 서로 교차하거나 교차하지 않으면서 중첩시키는 것이 가능하다.
특히 직물이 제직물의 형태, 편물의 형태, 또는 보조 실에 의해 묶인 병렬 섬유의 형태를 취하는 경우, 이것은 제조될 구성부재의 형상과 일치하지 않는 형상을 갖는다. 따라서 구성부재의 제조에 필요한 직물은, 먼저 크기에 맞춰 절단되어야 한다. 이 공정에서 생성된 절단 스크랩은 추가의 연속 스트랜드 강화 구성부재를 제조하는 데에 사용될 수 없다. 따라서, 절단 스크랩은 폐기되는 것이 일반적이다. 특히 탄소 섬유 절단 스크랩은 현재는 소각 처분되고 있으나, 탄소 섬유가 고가이기 때문에 이는 바람직하지 않다.
열적 회복 이외에 DE-A 10 2009 023 529호에는, 함침되지 않은 탄소 섬유의 섬유 복합재 스크랩이, 규정된 섬유 길이의 분절로 먼저 절단되고, 이것이 섬유 개별화의 수준으로 탈구조화되며 이로써 생성된 무작위 형태의 탄소 섬유가 섬유상 부직 웹 또는 섬유상 카드 웹으로 재조직되어 연속사로 방직되는 공정이 개시되어 있다. 여기서 특히 문제가 되는 것은, 아라미드 또는 케블라 섬유에 실시되는 것과 같은 반복적인 충격(예컨대, 해머 밀에서의 반복 충격)의 방식에 의해 개개 섬유로 분해하는 것을 통한 실직적으로 비파괴적인 재사용법이 탄소 섬유에 이용될 수 없다는 것이다. 이는 특히 탄소 섬유의 취성으로 인해, 탄소 섬유를 상기 공정에 의해 계측 가능하거나 매우 짧은 섬유로 분쇄할 수 없어, 이 섬유에 의한 폴리머 부분의 적절한 강화가 이루어질 수 없기 때문이다. DE-A 10 2009 023 529호에 기술된 공정의 특히 불리한 점은, 계측 가능한 재료를 구하는 데에 거액의 지출이 필요하다는 점이다. 기존의 공정들에서는 절단 분절의 직접 사용이 불가능하다.
따라서 본 발명에서 다룬 과제는, 선행 기술의 단점 없이 직물 절단 스크랩을 이용하는 방법을 제공하는 것이었다.
이 과제는, 직물 절단 스크랩을 이용하는 방법으로서,
(a) 절단 스크랩을 플레이크로 절단하는 단계,
(b) 플레이크를 폴리머 용융물에 혼합하는 단계,
(c) 플레이크를 갖는 폴리머 용융물을 혼련시켜, 플레이크가 개개의 섬유로 분해되도록 하는 단계,
(d) 혼합된 섬유를 갖는 폴리머 용융물을 중간 물품으로 성형하는 단계
를 포함하는 방법에 의해 해결된다.
스크랩을 플레이크로 절단하는 것은, 개개의 플레이크를 폴리머 용융물에 혼합하는 간단한 방법을 제공한다. 스크랩이 플레이크로 분쇄된다는 사실로 인해, 섬유들 간의 본래의 결합은 더 이상 플레이크가 자신의 형태를 유지하기에 충분하지 않아서, 플레이크는 폴리머 용융물에 혼합되고 혼련되는 과정에서 개개의 섬유로 분해된다. 이로 인해, 세절된 스트랜드 재료에 상응하는 섬유 강화 폴리머의 제조에 플레이크를 사용할 수 있게 된다.
한 바람직한 실시양태에서, 절단 스크랩을 생성하는 직물은 연속 스트랜드 섬유로부터 일반적으로 제조되는 제직물, 레이드(laid), 편물, 브레이드(braid), 부직포 또는 매트이다. 유용한 제직물은 연속 스트랜드 섬유로부터 얻을 수 있는 임의의 제직물을 포함한다. 임의의 바람직한 편물을 사용하는 것 또한 가능하다. 본 발명의 목적상, 레이드는 개개 섬유들이 병렬로 있는 직물이다. 여기서 직물은 둘 이상의 플라이(ply)로 구성될 수도 있으며, 이때 개개의 플라이는 서로에 대해 병렬 배치되거나 서로에 대해 임의의 소정 각도로 꼬여질 수 있다.
섬유가 레이드 직물의 형태인 경우, 개개의 병렬 섬유들은, 예를 들어 섬유 또는 폴리머 실에 의해 상호 연결된다. 여기서 상호 연결은, 예를 들어 합성 섬유 또는 연속 스트랜드 섬유 유래의 스티칭된 심의 형태를 취할 수 있다. 심은 바람직하게는 합성 섬유, 예컨대 폴리머 섬유를 이용하여 형성된다. 여기서 심은, 예를 들어 레이드 섬유 직물에 수직인 언더스레드(underthread), 및 소정의 간격으로 섬유를 통해 스티칭되고 언더스레드 둘레를 감도는 오버스레드(overthread)를 포함한다.
사용되는 직물은 사이징 조성물(sizing composition)로 전처리된 섬유, 또는 처리되지 않은 섬유를 포함할 수 있다. 추가로, 직물이 폴리머, 특히 열가소성 폴리머로 이미 함침되어 있는 것 또한 가능하다. 그러나 섬유는 처리되지 않거나, 많아야 사이징 조성물로 전처리되는 것이 바람직하다.
특히, 절단 스크랩의 섬유가 처리되지 않는 경우, 절단 스크랩이 플레이크로 절단된 후에, 그리고 플레이크가 폴리머 용융물에 혼합되기 전에, 플레이크가 사이징 조성물로 처리되는 것이 바람직하다. 당업자에게 공지된 임의의 사이징 조성물이 사용될 수 있다. 사이징 조성물에 의한 처리는, 섬유에 대한 폴리머의 부착성을 향상시켜 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 섬유 강화 폴리머의 특성을 전반적으로 개선하는 장점을 갖는다. 특히, 개개의 섬유가 사용되는 경우 및/또는 플레이크가 레이드 섬유 직물로부터 절단되는 경우, 섬유의 전처리가 유익하다. 섬유는, 계측 가능한 형태로 전환하기 위해 결합제로 함침시키는 것이 특히 바람직하다. 플레이크는 계측 가능한 형태의 예이다. 섬유 플레이크는, 종래의 공급 장치를 통해, 폴리머 용융물을 플레이크와 혼련시키는 기기, 예컨대 압출기 또는 사출 성형기 내로 혼합하는 것이 용이하다는 점에서 개개 섬유에 유용하다.
플레이크로 절단되는 절단 스크랩을 생성하는 직물은, 임의의 공지된 바람직한 재료의 섬유를 포함할 수 있다. 섬유에 사용되는 통상적인 재료는, 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 광물 섬유 또는 고분자 섬유이다. 본 발명의 방법은, 기존의 재활용법을 이용하는 것이 합리적이지 않은, 탄소 섬유로부터 제조되는 직물 유래의 절단 스크랩에 특히 적합하다.
강화재로서의 탄소 섬유 및 탄소 섬유 직물 절단 스크랩을 포함하는 폴리머는 현재 열적 회복에 이용되고 있다. 아직 이는, 상기 폴리머가 열적 회복에서 소각되어 그의 원래 목적으로 사용될 수 없다는 점에서, 고가 재료가 크게 낭비되고 있음을 시사한다. 본 발명의 방법은, 특히, 강화 폴리머의 제조를 위해 절단 스크랩을 이용하는 방식을 탄소 섬유에 제공한다.
절단 스크랩을 플레이크로 절단하는 것은, 예를 들어 블레이드, 예컨대 다이커팅(diecutting) 블레이드 또는 롤러 블레이드, 다이커팅 격자 또는 레이저로 실시될 수 있다. 마찬가지로, 절단 스크랩을 플레이크로 절단하는 데에 CNC 커터를 사용할 수 있다. 다이커팅 격자 또는 레이저를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 플레이크는, 직물을 연속 스트랜드 강화 성형물의 제조를 위한 형태로 전환하는 데에도 사용되는 것과 동일한 수단을 사용하여 절단하는 것이 통상적이다. 이에 필요한 것은, 예를 들어 다이커팅 격자의 형태 또는 블레이드의 형태를 이들이 플레이크의 절단에 사용될 수 있도록 적합화하는 것이 전부이다.
절단 스크랩을 플레이크로 절단하는 것은, 제조하고자 하는 섬유 강화 구성부재를 위한 크기로 직물을 절단하는 것과 동시에 실시될 수 있다. 대안적으로, 이해하게 될 바와 같이, 별도의 제2 단계에서 절단 스크랩을 플레이크로 분쇄하는 것도 가능하다. 동시적인 직물 절단과 스크랩 절단은, 이러한 절단이 가능한 기구를 사용하여 실시된다. 이때, 이 목적으로는, 적절히 조작된 다이커팅 블레이드 또는 다이커팅 격자가 사용되어야 한다. 그러나, 이 경우에는 CNC 커터를 사용하는 것이 바람직하다.
별도의 단계에서 절단 스크랩을 플레이크로 분쇄하는 경우, 바람직하고 적합한 임의의 지정 크기 절단 도구(cutting-to-size tool)가 사용될 수 있으며, 이 경우에는 전술한 지정 크기 절단 도구가 특히 적합하다. 별도의 단계에서 절단 스크랩이 플레이크로 절단되는 경우, 절단 스크랩은 개개의 플라이로, 또는 대안적으로는 중첩된 층 중의 절단 스크랩의 2 이상의 플라이를 이용하여, 플레이크로 절단될 수 있다. 동시에 절단될 수 있는 최대 층수는 사용하는 도구에 좌우된다. 효율상의 이유로, 가능한 많은 플라이를 동시에 절단하는 것이 바람직하며, 단, 이것은 예를 들어 레이저 절단에 있어서, 필요한 순방향 공급 속도가 느리다는 것 때문에 총 절단 시간의 증가를 초래하지 않아야 한다.
직물 절단 스크랩이 절단된 플레이크의 에지 길이는 바람직하게는 10 ∼ 50　mm 범위, 특히 10 ∼ 20　mm 범위이다. 여기서 에지 길이는, 플레이크를 폴리머 용융물에 혼합하기 위해 사용되는 기기에 또한 좌우된다.
플레이크가 폴리머 용융물 내로 혼합될 때에는, 개개의 플레이크가 개개의 섬유로 분해된 다음, 폴리머 용융물 내로 혼합된다. 사용되는 플레이크의 크기 및 플레이크를 혼합하는 장치에서의 전단 효과에 따라, 일부 섬유가 파단되어, 이렇게 얻은 섬유 강화 폴리머의 특성은 세절 스트랜드 강화 폴리머의 특성에 상응하게 된다.
섬유 파단은 특히, 탄소 섬유의 취성 및 스크루 플런저 기계(screw plunger machine)에서의 가공으로 인한 것인데, 상기 기계에서는 스크루의 회전이 재료의 전단에 대한 원인이 된다.
플레이크를 폴리머 용융물 내로 혼합 및 혼련하기 위한 적합한 장치는 특히 스크루 플런저 기계, 예컨대 사출 성형기 또는 압출기, 특히 압출기이다. 이 기계에서 플레이크는 섬유의 혼합에 통상적인 위치에서 첨가된다. 섬유의 혼합을 위한 위치는 일반적으로, 스크루 플런저 기계에 첨가된 폴리머가 완전히 용융되는 영역에서 공급부의 하류에 있다. 스크루 플런저 기계에 폴리머 용융물이 이미 공급된 경우, 플레이크의 공급 포트는 폴리머 용융물의 공급 포트에 바로 후속되어 위치할 수 있다. 스크루 플런저 기계에는 일반적으로 폴리머 펠릿, 즉, 고체 형태의 플라스틱이 공급되기 때문에, 플레이크가 첨가되기 전에 폴리머를 먼저 용융시킬 필요가 있다. 플레이크를 폴리머 용융물 내로 첨가하는 것은, 용융물과 플레이크의 보다 균일한 혼합을 제공하여, 생성된 개개의 섬유가 폴리머 용융물 중에 보다 균일하게 분산된다.
사용되는 스크루 플런저 기계가 압출기인 경우, 일축 압출기뿐만 아니라 다축 압출기, 예컨대 이축 압출기도 사용될 수 있다. 이축 압출기를 사용하는 것이 특히 바람직한데, 이들이 특히 일축 압출기보다 혼합 효과가 우수하기 때문이다. 추가로 이축 압출기는 충전제의 첨가를 보다 용이하게 하고 가변적인 충전량으로 작동될 수 있으며, 그 결과 우수한 탈휘발화가 성취되고, 생성물 특성을 보다 잘 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 이축 압출기는 일축 압출기와는 달리, 매우 우수한 자가 세정 특성을 갖는다.
플레이크는, 바람직하게는 공급 스크루를 포함하는 공급 포트를 통해, 스크루 플런저 기계, 예컨대 압출기 내로 주입된다. 공급 스크루는 폴리머 용융물 내로의 플레이크의 균일한 첨가 속도를 제공한다. 공급 스크루를 이용하지 않는, 예를 들어 공급구를 통한, 플레이크의 첨가는 플레이크가 폴리머 용융물에 의해 흡수되지 않는다는 위험 요소, 또는 플레이크가 폴리머 용융물 내로 오직 이따금씩 함께 도달한다는 위험 요소를 가지고 있어서, 폴리머 중 섬유의 비율이 과하게 낮아질 수 있다.
공급 스크루는 폴리머 용융물에 첨가되는 플레이크의 양에 대한 제어를 제공한다. 특히, 공급 스크루는 플레이크의 강제 공급의 수행에 이용되어, 폴리머 용융물 중 플레이크의 비율, 따라서 섬유의 비율을 50 중량%까지 가능하게 한다. 폴리머 용융물 내로의 계량 첨가 후의 플레이크의 비율, 따라서 섬유의 비율은 바람직하게는 1 ∼ 50 중량% 범위, 특히 1 ∼ 40 중량% 범위이다.
중간 물품에서 섬유의 길이는, 첫째로 스크루 플런저 기계에서의 섬유의 전단, 그리고 둘째로 폴리머 용융물로부터 절단된 펠릿 재료의 치수에 기인한다. 최대 섬유 길이는 개개의 펠릿의 최대 길이 치수에 상응한다. 보다 긴 섬유가 필요한 경우, 보다 큰 에지 길이를 갖는 플레이크를 절단해야 할 뿐만 아니라, 보다 큰 펠릿을 생성해야 한다. 펠릿은 바람직하게는 원통형이고, 그의 최대 치수는 일반적으로 원통의 높이이다. 그러나 대안적으로, 보다 큰 직경과 보다 낮은 높이를 선택하는 것도 가능하다. 그러나 섬유는 폴리머 용융물의 공급에 의해 펠릿화 다이에서 공극의 축에 대하여 축 방향으로 실질적으로 병렬 배치되기 때문에, 최대 치수는 최대 섬유 길이를 결정하는 펠릿의 축 치수인 것이 일반적이다.
플레이크와 혼합되는 폴리머는 열가소성 폴리머, 열경화 폴리머 또는 엘라스토머일 수 있다. 폴리머 용융물이 열가소성 폴리머를 포함하는 것이 특히 바람직하고, 폴리머 용융물이 열가소성 폴리머 용융물인 것이 가장 바람직하다.
열가소성 폴리머는 바람직하게는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르 술폰(PES), 또는 이들 중 2종 이상으로 된 혼합물로부터 선택된다. 또한 전술한 열가소성 폴리머에는, 다른 바람직한 임의의 열가소성 폴리머가 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 얻어지는 중간 물품은 더 바람직하게는 펠릿 재료이다. 그러나 펠릿 재료 이외에도, 중간 물품은 시트 또는 압출물의 형태를 취할 수도 있다. 중간 물품이 섬유를 포함하는 펠릿 재료인 경우, 이 펠릿 재료는 통상적인 펠릿 방식으로, 폴리머 용융물이 펠릿화 다이를 통해 강제 공급되고 펠릿화 나이프에 의해 펠릿으로 세절되는 것에 의해 제조된다. 이를 수행하는 한가지 가능한 방식은, 폴리머 압출물을 먼저 제조하고 이를 냉각한 다음, 펠릿으로 세절하는 것이다. 대안적으로, 그리고 통상적으로, 펠릿화 다이를 통해 강제 공급된 폴리머는 곧바로 면 절단된다. 이 절단은 공기 중에서 실시될 수 있으며, 이 경우에 절단 펠릿은 바람직하게는 냉각액에 투하되어 고화된다. 물은 적합한 냉각액의 예이다. 대안적으로, 수중 펠릿화가 또한 가능하며, 이 경우에 폴리머 용융물은 펠릿화 다이를 통해 냉각액으로 강제 공급되고, 곧바로 펠릿으로 면 절단된다. 상기 두 경우 모두에서, 펠릿은 냉각액과 함께 배출된 다음, 냉각액이 제거되고 건조된다.
이렇게 얻은 펠릿 재료는 임의의 소정 방식으로 더 가공될 수 있으며, 그에 의해 플라스틱 펠릿은 최종 물품으로 가공될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 펠릿은 압출 또는 사출 성형에 의해 최종 물품으로 성형될 수 있다. 여기서 임의의 바람직한 사출 성형기 또는 압출기가 사용될 수 있으며, 단, 이들은 최종 물품의 제조에 유용하고 보다 특히는 섬유 강화 플라스틱의 가공에 적합해야 한다.
본 발명의 방법으로 얻은 펠릿 재료로부터 얻을 수 있는 성형물은 시판의 섬유 강화 열가소성 플라스틱으로도 얻을 수 있는, 구체적으로는 기하학적으로 까다로운 모든 형상, 예컨대 실린더 헤드 개스킷, 터보 과급기용 흡입 매니폴드, 스위치 하우징을 포함한다.
실시예
섬유 강화 나일론을 제조하기 위해서, 시판의 이축 압출기에 탄소 섬유 플레이크를 위한 계량 유닛을 후장착하였다. 이를 위해서, 기저부에 저부 스핀들이 구비된 원료 저장 용기를 이축 압출기의 측면 공급부 위로 중앙에 장착하였다.
20 중량%의 탄소 섬유로 강화된 나일론-6,6를 제조하기 위해, 제1 단계는 CNC 커터를 이용하여 레이드 직물 연속 스트랜드 탄소 섬유 매트 스크랩을 20 × 20 mm 플레이크로 절단하는 것이었다. 그 다음, 이렇게 절단된 플레이크를 이축 압출기의 측면 공급부 위의 원료 저장 용기 내에 주입하고, 측면 공급부를 통해 나일론-6,6의 용융물에 중량 측정에 의해 계량 첨가하였다. 이렇게 얻은 재료를 압출기 직후에 펠릿화하였다.
이렇게 얻은 재료를 사용하여, 추가 가공 단계에서 사출 성형기 상에서 시험편을 제조하였다. 시험편에 대해 측정된 값과, 또한 20 중량%의 세절된 탄소 섬유로 강화된 시판의 나일론(BASF SE로부터의 Ultramid® A3WC4)의 시험편에 대해 측정된 값을 표 1에 나타낸다. "실시예"는 본 발명에 따라 얻은 나일론으로부터 형성된 시험편의 값을 가리키고, "비교예"는 시판의 나일론으로부터 형성된 시험편의 값을 가리킨다.
상기 값들의 비교는, 그 특성이 세절 탄소 섬유로 강화된 통상적인 폴리머의 특성에 실질적으로 상응함을 보여준다.
본 발명의 방법으로 얻은 섬유 강화 나일론-6,6의 특성값, 및 시판의 섬유 강화 나일론-6,6의 특성값
특성 시험법 실시예 비교예
밀도 [kg/m3] EN ISO 1183-2:2004-10 1230 1220
탄성 계수 [MPa] DIN EN ISO 527-1/-2:2012-06 14600 16800
파단 응력 [MPa] DIN EN ISO 527-1/-2:2012-06 200 235
파단 연신율 [%] DIN EN ISO 527-1/-2:2012-06 2.8 2.4
23℃에서의 충격 강도 [kJ/m2] DIN EN ISO 179-1:2010-11 54 57
23℃에서의 노치 충격 강도 [kJ/m2] DIN EN ISO 179-1:2010-11 4.7 6

Claims (11)

  1. 직물 절단 스크랩(fabric cutting scrap)을 이용하는 방법으로서,
    (a) 절단 스크랩을 플레이크로 절단하는 단계,
    (b) 플레이크를 폴리머 용융물에 혼합하는 단계,
    (c) 플레이크를 갖는 폴리머 용융물을 혼련시켜, 플레이크가 개개의 섬유로 분해되도록 하는 단계,
    (d) 혼합된 섬유를 갖는 폴리머 용융물을 중간 물품으로 성형하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 직물은 연속 스트랜드 섬유로부터 얻어지는 제직된 직물 또는 레이드 직물 또는 편직된 직물인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 직물은 탄소 섬유로부터 제조되는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 플레이크는 폴리머 용융물에 혼합되기 전에 사이징 조성물(sizing composition)로 처리되는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 절단 스크랩은 블레이드, 다이커팅 격자(diecutting lattice) 또는 레이저를 이용하여 플레이크로 절단되는 것인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 플레이크를 혼합하고 플레이크를 갖는 폴리머 용융물을 혼련시키기 위해서 스크루 플런저 기계(screw plunger machine)가 사용되는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 스크루 플런저 기계는 압출기인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 압출기는 플레이크를 폴리머 용융물에 혼합하기 위해서 공급 스크루를 갖는 공급 포트를 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리머 용융물은 열가소성 폴리머를 포함하는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 열가소성 폴리머는 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에테르 술폰, 또는 이들 중 2종 이상으로 된 혼합물로부터 선택되는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 물품은 섬유를 포함하는 펠릿 재료인 방법.
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