KR20160070139A - 가요성의 부직포 매트 - Google Patents
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Abstract
약 10 중량% 내지 약 100 중량%의 유리 섬유들 및 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 합성 섬유들의 혼합물을 포함하는 부직포 초핑 가공된 섬유 매트가 제공된다. 부직포 매트는 바인더 수지 및 실란 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 포함한다. 부직포 매트의 물리적 특성들 (예컨대, 가요성 및 인장 강도) 이 부직포 매트를 형성하는 중에 사용하기 위한 연질이지만 강한 바인더 조성물을 제형화함으로써 개선될 수도 있다는 것이 발견되었다.
Description
본 출원은, 원용에 의해 본원에 포함되는, 2013 년 10 월 16 일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "가요성의 부직포 매트" 인 미국 가출원 제 61/891,564 호의 이익을 주장한다.
본 발명은, 보강된 물품들의 준비를 위해, 개선된 가요성을 갖는 부직포 섬유 매트들, 및 개선된 가요성을 갖는 부직포 섬유 매트의 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 부직포 매트들은 적합한 수지 바인더에 의해 함께 바인딩된 섬유 웨브를 포함한다. 보강 섬유들, 예컨대 유리 섬유들은 여러 가지 기술들에서 유용하고, 또한 연속 또는 초핑 가공된 필라멘트들, 스트랜드들, 로빙들, 직물 섬유들, 부직포 섬유들, 메시들, 및 스크림들의 형태로, 예컨대 폴리머들을 보강하는데 사용될 수도 있다. 보강된 폴리머 복합 재료는 폴리머 기지 재료, 보강 재료, 및 임의의 다른 컴포넌트들로부터 다양한 방식들로 형성될 수 있다. 이러한 복합 재료들은 최종 복합 재료들에 치수 안정성과 우수한 기계적인 특성들을 제공하는 보강 섬유들을 이용하여 형성된다.
예를 들어, 유리 섬유들은 일반적으로 대기 분위기에서 변화들에 응하여 수축 (shrink) 또는 신축 (stretch) 하지 않으므로, 치수 안정성을 제공한다. 또, 유리 섬유들은 높은 인장 강도, 내열성, 내습성, 및 높은 열전도성을 가진다.
부직포 섬유 매트들은 인발 성형된 부분들을 형성하기 위하여 인발 성형 프로세스들에서 흔히 사용된다. 일반적으로, 인발 성형은 적합한 수지 재료로 섬유 매트들을 함침시키는 것과 가열된 다이를 통해 함침된 매트를 통과시키는 것을 포함한다. 가열된 다이를 통해 함침된 그리고 통합된 매트를 통과시킴으로써, 매트는 원하는 형상으로 형성될 수도 있고 또한 수지는 매트를 함께 홀딩하기 위하여 경화된다. 그런 다음, 가열된 다이를 빠져 나오는 복합 재료 부분은 원하는 길이로 절단된다.
인발 성형 프로세스들의 연속 성질은 유리하게는 임의의 원하는 길이의 복합 재료들이 제조되는 것을 가능하게 한다. 하지만, 여기에는 인발 성형 프로세스들과 관련된 많은 문제들이 있다. 일 문제는 수지 배스 (bath) 에 있다. 일반적으로 스티렌 및/또는 메틸 메타크릴레이트와 같은 휘발성의 불포화 모너머들의 사용을 필요로 하는 열경화성 수지들이 종종 사용된다. 스티렌은 강력한 용매이고, 또한 보강 매트에 적용된 바인더를 쉽게 팽윤 및 분해할 수 있다. 바인더의 이러한 분해는 섬유 매트를 취약하게 할 수 있고 또한 인발 성형 프로세스에서 접하게 되는 강한 당김력들을 견딜 수 없다.
바인더로 코팅된 초핑 가공된 스트랜드 매트들과 연속 필라멘트 매트들 모두는 인발 성형 프로세스에서 사용될 수도 있다. 연속 필라멘트 매트들이 가요적이고, 적합하며, 또한 스티렌에 대한 우수한 내성을 가지지만, 이들은 여러 단점들을 소유한다. 예를 들어, 연속 필라멘트 매트들은 연속 필라멘트 매트들의 제작이 느린 속도, 예컨대 50 ~ 70 fpm (feet per minute) 에서 발생하기 때문에 제조하는데 비용이 많이 든다. 추가적으로, 연속 필라멘트 매트들의 활용은 매트들을 형성하는 기다란 유리 스트랜드들로 인해 열악한 표면 마감을 가지는 라미네이트들을 수득한다. 또, 연속 필라멘트 매트들은 밀집해서 최종 부분에 증가된 중량을 더하게 되는데, 이는 원치 않는 특징일 수도 있다.
대조적으로, 초핑 가공된 스트랜드 매트들은 제작이 보다 빠른 속도 (즉, 500 ~ 1500 fpm) 에서 발생하기 때문에 연속 필라멘트 매트들보다 제조하는데 비용이 덜 든다. 추가적으로, 초핑 가공된 스트랜드 매트들은 본질적으로 완전히 분산된 섬유들이고, 이들은 인발 성형된 부분에 연속 필라멘트 매트들보다 매끄러운 외관을 제공한다. 또, 초핑 가공된 스트랜드 매트들은 유리하게는 라미네이트에 많은 중량을 추가하지 않으면서 "공간 충전" 한다. 이러한 포지티브한 속성들에도 불구하고, 초핑 가공된 스트랜드 매트들은 열경화성 바인더들로 매우 뻣뻣해질 수 있고, 따라서 복잡한 형상들로 형성하기 어렵다. 추가적으로, 초핑 가공된 스트랜드 매트들의 강성은 소비자가 원하지 않을 수도 있는 느낌을 야기한다.
그러므로, 하류 처리에서, 예컨대 인발 성형 및 석고 벽 보드들의 형성 시에 만족하게 사용될 수 있도록 가볍지만 충분한 강도 특성들을 가지고, 기지 수지와 양립할 수 있으며, 또한 복잡한 형상들로 형성되기에 충분히 가요적인 부직포 매트에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일부 예시적인 실시형태들에서, 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트의 물리적인 특성들은 적합한 섬유 설계와 조합하여 사용하기 위한 양호한 가요성과 커플링된 우수한 인장 강도로 바인더 조성물을 제형화함으로써 개선된다.
본 발명의 여러 예시적인 실시형태들에서, 약 10 중량% 내지 약 100 중량%의 유리 섬유들 그리고 약 0 중량% 내지 약 90 중량%의 합성 섬유들을 포함하는 가요성의 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트가 제공된다. 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트는 바인더 수지와 실란 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 추가로 포함한다.
본 발명의 추가의 예시적인 실시형태들에 따라, 합성 섬유들은 적어도 하나의 폴리프로필렌, 폴리에스테르 및 이들의 조합물을 포함한다는 것이 발견되었다.
본 발명의 여러 예시적인 실시형태들에 따라, 바인더 수지는 적어도 하나의 열경화성 재료, 열가소성 재료, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 일부 예시적인 실시형태들은 열경화성 재료 및 열가소성 재료의 혼합물, 예를 들어, 아크릴 재료, 우레아 포름알데히드 재료, 또는 이들을 조합 중 하나 이상과 에틸렌 비닐 아세테이트와의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 일부 예시적인 실시형태들은 약 50 중량% 내지 약 100 중량%의 열가소성 재료와 0 중량% 내지 50 중량%의 열경화성 재료를 갖는 바인더 수지를 포함한다.
본 발명의 여러 예시적인 실시형태들에 따라, 가요성의 부직포 매트들에서 사용된 바인더 조성물은 스티렌 모너머들에 내성이 있다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 가요성의 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트는 세로 방향 (machine direction) 으로 적어도 30 lb 와 가로 방향 (cross direction) 으로 적어도 20 lb 의 평균 세로 방향 인장 강도를 가진다. "세로 방향" 은 매트가 제조 동안 이동하는 방향과 일치하는 방향을 의미한다. 매트는 또한 걸리 강성 시험기에 의해 측정된 약 2000 내지 약 7000 mgf (milligrams of force) 의 MD (세로 방향) 걸리 강성을 가질 수도 있다.
본 발명의 여러 예시적인 실시형태들에서, 인발 성형된 복합 재료 제품이 제공된다. 인발 성형된 복합 재료 제품은 열경화성 수지로 함침된 다수의 로빙들과 가요성의 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트를 포함한다. 가요성의 부직포 매트의 여러 예시적인 양태들은 약 10 중량% 내지 약 95 중량%의 유리 섬유들과 약 5 중량% 내지 약 90 중량%의 합성 섬유들의 혼합물을 포함한다. 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트는 바인더 수지와 실란 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 추가로 포함한다.
게다가, 본 발명의 추가의 예시적인 실시형태에 따라, 바인더 수지는 열경화성 재료, 열가소성 재료 또는 이들의 조합물 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 바인더 수지의 일부 예시적인 실시형태들은 열경화성 재료와 열가소성 재료의 혼합물, 예를 들어, 아크릴 재료, 우레아 포름알데히드 재료 또는 이들의 조합물 중 하나 이상과 에틸렌 비닐 아세테이트와의 혼합물을 포함한다. 바인더 수지의 일부 예시적인 실시형태들은 약 50 중량% 내지 100 중량%의 열가소성 재료 및 0 중량% 내지 약 50 중량%의 열경화성 재료를 포함한다.
본 발명의 추가의 다른 예시적인 실시형태들에서, 석고 벽 보드가 제공된다. 석고 벽 보드는 석고 코어와 적어도 하나의 가요성의 부직포 매트를 포함한다. 가요성의 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트의 일부 예시적인 실시형태들은 약 10 중량% 내지 약 95 중량%의 유리 섬유와 약 5 중량% 내지 약 90 중량%의 합성 섬유를 포함한다. 부직포 매트는 추가로 바인더 수지와 실란 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 포함한다.
여러 예시적인 실시형태들이 본원에 개시되거나 제안되지만, 본원에서 개시되거나 제안된 것들과 유사하거나 상응하는 여러 방법들 및 재료들을 활용하는 다른 예시적인 실시형태들은 본 발명의 일반적인 개념들에 의해 포함된다.
다르게 정의되지 않은 한, 본원에서 사용된 모든 기술적인 그리고 과학적인 용어들은, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 이와 관련하여, 다르게 표시하지 않은 한, 본원에 주어진 성분들의 농도들은, 관행과 일치하여, 마스터 배치 또는 농축물에서 이러한 성분들의 농도들을 나타낸다.
본 발명의 일반적인 개념들은 개선된 특성들을 갖는 가요성의 부직포 초핑 가공된 스트랜드 매트 (일반적으로, 부직포 매트) 에 관한 것이다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 가요적인 부직포 매트는 개선된 기계적인 강도, 예컨대 높은 세로 방향 인장 강도 및 가로 방향 인장 강도를 시연하면서, 또한 개선된 가요성을 보여준다. 본 발명의 부직포 매트의 연성 및 가요성은 하류 프로세스들, 예를 들어 복잡한 형상들을 갖는 인발 성형된 제품들의 성형 및/또는 석고 벽 보드들의 제조를 개선한다. 추가적으로, 여러 예시적인 실시형태들에 따라, 본 발명의 가요성의 부직포 매트들은, 인발 성형 프로세스들에서 활용되는 수지 제형들 내에 존재할 수도 있는 스티렌 및 폴리에스테르에 내성이 있다.
본 발명의 일부 예시적인 실시형태들은 여러 하류 프로세스들에서, 예를 들어 인발 성형 프로세스들에서 그리고 석고 벽 보드 형성에서 활용될 수도 있는 가요성의 부직포 매트에 관한 것이다. 부직포 매트는 매우 우수한 가요성을 포함하는 다수의 속성들에 의해 특징지어 지고, 예를 들어, 일부 예시적인 실시형태들에서, 부직포 매트들은 6000 mgf 미만의 또는 5000 mgf 미만의 감소된 강성을 시연한다. 이러한 강성 레벨은 약 7000 mgf 의 강성을 갖는 종래의 부직포 매트들로부터 크게 감소된다.
본 발명의 가요성의 부직포 매트들은 유리 섬유들, 합성 섬유들 또는 그들의 블렌드 중 어느 것을 포함하는 다수의 섬유들을 포함할 수도 있다. 유리 섬유들은 임의의 유형의 유리로 만들어질 수 있다. 유리 섬유들의 예들은 A-유형 유리 섬유들, C-유형 유리 섬유들, E-유형 유리 섬유들, S-유형 유리 섬유들, ECR-유형 유리 섬유들 (예컨대, Owens Corning 으로부터 상업적으로 이용가능한 Advantex® 유리 섬유들), Hiper-tex™, 울 유리 섬유들, 및 이들의 조합물들을 포함한다. 부직포 매트에서 다른 보강 섬유들, 예컨대 미네랄 섬유들, 탄소 섬유들, 세라믹 섬유들, 천연 섬유들, 및/또는 합성 섬유들의 사용은 또한 본 발명의 일반적인 개념들의 범위 내에 있도록 고려된다. 본 발명과 함께 사용되는 바와 같은 용어 "천연 섬유" 는 줄기, 씨앗들, 잎들, 뿌리들, 또는 체관부를 포함하지만 이에 한정되지 않는 식물의 임의의 부분으로부터 추출된 식물 섬유들에 관한 것이다. 보강 섬유 재료로서 사용하기에 적합할 수도 있는 천연 섬유들의 예들은 현무암, 면, 황마, 대나무, 모시, 사탕 수수, 대마, 야자 섬유, 린넨, 양마, 사이 잘삼, 아마, 헤네켄, 및 이들의 조합물들을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "합성 섬유들" 은 적합한 보강 특성들을 갖는 임의의 인공 섬유, 예컨대 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 아라미드, 폴리아라미드 섬유들 및 이들의 조합물들을 나타내는 것을 의미한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 본 발명에 따른 부직포 매트들을 형성하는데 사용된 섬유들은 유리 섬유들과 합성 수지 섬유들의 블렌드, 예컨대 폴리머 섬유들을 포함한다. 여러 예시적인 실시형태들에 따라, 폴리머 섬유들은 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 이들의 조합물들로부터 만들어진 것들을 포함한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 폴리머 섬유들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 로부터 형성된다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 본 발명에 따른 부직포 매트들을 형성하는데 사용된 섬유들은 약 10 중량% 내지 약 100 중량%의 유리 섬유들 및 약 0 중량% 내지 약 90 중량%의 폴리머 섬유들의 블렌드를 포함한다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 섬유들은 약 50 중량% 내지 약 90 중량%의 유리 섬유들 및 약 10 중량% 내지 약 50 중량%의 폴리머 섬유들, 또는 약 75 중량% 내지 약 90 중량%의 유리 섬유들 및 약 10 중량% 내지 약 25 중량%의 폴리머 섬유들의 블렌드를 포함한다.
유리 섬유들은 당업자들에게 공지된 종래의 방법들에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들어, 유리 섬유들은, 용융된 유리가 "부싱" 의 홀들을 관통하고, 그럼으로써 형성된 용융된 유리의 스트림들이 필라멘트들로 응고되며, 상기 필라멘트들은 섬유, "로빙", "스트랜드" 등을 형성하기 위하여 함께 결합되는 연속 제조 프로세스에 의해 형성될 수도 있다.
유리 섬유들이 부싱으로부터 드로잉된 후에, 수계 사이징 조성물 (또한 사이즈라고 함) 은 선택적으로 섬유들에 적용될 수도 있다. 사이징 조성물은 한정되지 않고, 또한 당업자에게 공지된 임의의 사이징일 수도 있다. 일반적으로 사이징 조성물은 마모에 의한 손상으로부터 섬유들을 보호하기 위한 윤활제, 섬유들이 사용될 복합 재료의 보디 또는 기지를 형성하는 폴러머에 섬유들을 접합하는데 도움이 되는 필름 형성 수지, 및 유리 섬유들의 표면들에의 필름 형성 수지의 접착을 개선하는 커플링제를 포함한다. 사이징 조성물은 종래의 방법들에 의해, 예컨대 적용 롤러에 의해 또는 사이즈를 섬유들에 직접적으로 분무함으로써 적용될 수도 있다. 사이즈는 후속 처리 동안 유리 섬유를 파손으로부터 보호하고, 필라멘트 내의 마모를 지연시키는데 도움이 되며, 유리 섬유들의 스트랜드들의 무결성을 보장하며, 스트랜드 등을 형성하는 유리 필라멘트들의 상호연결을 촉진한다.
유리 섬유들이 사이징 조성물으로 처리된 후에, 그들은 후술되는 바와 같이 습식-적층된 부직포 매트로의 후속 처리를 위해 초핑 가공된 스트랜드 유리로서 초핑 가공된 및 패키징될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 초핑 가공된 섬유들은 약 0.5 인치 내지 약 2.0 인치 또는 약 1.0 인치 내지 약 1.5 인치의 길이를 가질 수도 있다. 초핑 가공된 섬유들은 부직포 매트 내에서 서로 상이한 길이를 가질 수도 있다.
또, 섬유들은 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론 또는 약 10 마이크론 내지 약 16 마이크론의 직경을 가질 수도 있다. 초핑 가공된 섬유들은 부직포 매트 내에서 서로 상이한 길이를 가질 수도 있다.
섬유들의 길이 및/또는 직경의 감소는 그로부터 형성된 부직포 매트의 인성을 개선할 수도 있다는 것이 발견되었다. 인성의 개선은, 동일한 기본 중량 구성 하에서, 더 미세하고 더 짧은 섬유들로 발생하는 증가된 계면 접합으로부터 기인할 수도 있다. 계면 접합은 향상된 인성으로 이어지는 응력 집중 및 균열 전파를 빗나가게 하는데 도움이 된다. 하지만, 미세한 섬유들이 더 나은 인장 강도로 보다 밀집한 매트들을 형성할 수 있지만, 더 미세한 섬유들은 공기 침투의 손실 및 감소된 수지 침입을 야기하는 경향이 있다. 그러므로, 인발 성형 적용들은 수지가 침입할 수 있도록 충분히 개방되는 매트들을 필요하기 때문에, 본원에서 사용하기 위한 섬유들을 형성할 때에 달성하려는 인성과 공기 침투 사이에서 균형이 맞춰져야 한다. 섬유들은 균일한 길이 및/또는 직경을 가질 수도 있거나, 또는 섬유들은 다양한 길이들 및 직경들, 예컨대 특정 적용을 위해 요구된 것을 가질 수도 있다.
가요성의 부직포 매트는 건식 적층 및 습식 적층 프로세스들을 포함하는 다양한 프로세스들에 의해 형성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 부직포 매트는, 초핑 가공된 유리 섬유 슬러리를 형성하기 위하여, 교반과 함께, 물, 계면활성제, 점도 조절제, 소포제, 윤활제, 살생제 및/또는 다른 화학제와 같은 여러 컴포넌트들 (때로는 백수라고 함) 로 충전된 혼합 탱크 내에서 별개의 섬유들의 수계 분산체 또는 슬러리를 형성하는 것을 포함하는 습식 적층 프로세스에 의해 형성된다. 슬러리가 섬유들의 균일하거나 거의 균일한 분산을 제공하기 위해 교반되는 것이 바람직하다.
그런 다음, 수계 섬유 분산체 또는 슬러리는 종래 기술에 공지된 많은 종래 방법들에 따른 습식 적층 매트로 처리될 수도 있다. 예를 들어, 수계 섬유 슬러리는 이동 스크린 또는 컨베이어 위로 디포짓되고, 상기 이동 스크린 또는 컨베이어 상에서 대부분의 물이 배수되어 무작위로 배향된 섬유 웨브가 남게 된다. 섬유 웨브는 진공 슬롯 또는 다른 건조 수단에 의해 추가로 건조될 수도 있다.
그런 다음, 바인더 조성물은 종래의 방식으로, 예컨대 커튼 코팅, 분무, 트윈 와이어 딥 배스, 두 개의 롤 패더 등에 의해 섬유 웨브에 적용될 수도 있다. 그런 다음, 물, 과잉 바인더, 및 과잉 커플링제는 진공 또는 다른 물 제거 수단에 의해 제거될 수도 있다. 마침내, 바인더 코팅된 섬유 제품은 하나 이상의 오븐들 내에서 건조 및 경화될 수도 있다. 건조하기 위한 예시적인 온도 범위는 약 350 ℉ (218 ℃) 내지 약 600 ℉ (304 ℃) 이다. 건조 및 경화된 제품은 마감된 가요성의 부직포 매트이다.
본 발명의 여러 양태들에 따라, 바인더 조성물은, 일단 바인더가 경화되면, 매우 우수한 기계적인 강도 (적어도 80 lbs 의 전체 인장 강도), 가요성 (5000 mgf 미만의 걸리 강성), 및 내용제성 (적어도 60 % 의 스티렌 리텐션) 을 부여할 수 있도록 제형화된다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 바인더 조성물은 바인더 수지 재료, 커플링제 및 하나 이상의 선택적인 첨가제들을 포함한다. 바인더 수지는 열경화성 재료, 열가소성 재료, 또는 열경화성 재료와 열가소성 재료의 혼합물일 수도 있다. 열경화성 재료는 예를 들어 아크릴 재료, 우레아 포름알데히드 재료, 또는 두 개의 재료들의 조합물들을 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 아크릴 재료는 폴리아크릴산, 예컨대 10,000 이하의 분자량을 갖는 저분자량의 폴리아크릴산이다. 열경화성 재료는, 일단 적합한 경화 조건들 하에서 가교 결합되면, 우수한 인장 성능과 내용제성을 제공하여, 상이한 적용들에서 매트의 무결성을 유지하는 것을 돕는다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 열가소성 재료는 낮은 Tg (즉, -15 ℃ 미만) 를 갖는 임의의 열가소성 재료, 예를 들어, 에틸렌 비닐 아세테이트 ("EVA") 를 포함할 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, EVA 는 Dur-O-Set® E-646 를 포함한다. 열가소성 재료는 스스로 가교 결합하고 또한 가요성 매트들에 필요한 연성을 제공할 수 있다.
상이한 기능들을 갖는 수지들 (예컨대, 열경화성 수지 및 열가소성 수지) 을 통합하는 바인더 조성물을 제형화하는 것이 섬유 보강된 매트에 개선된 특성을 부여할 수도 있다는 것이 발견되었다. 특히, 이러한 특성들의 조합은 부직포 매트들이 도전적인 적용들에서, 예컨대 인발 성형 적용들에서, 연속 필라멘트 매트들에 대한 대체로서 사용되는 것을 허용할 수도 있다. 일부 예시적인 바인더 조성물들은 약 0 중량% 내지 약 50 중량%의 열경화성 재료, 예컨대 폴리아크릴산, 및 약 50 중량% 내지 약 100 중량%의 열가소성 재료, 예컨대 EVA 를 포함한다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 바인더 조성물은 약 15 중량% 내지 약 30 중량%의 폴리아크릴산 및 약 70 중량% 내지 약 85 중량%의 EVA 를 포함한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 바인더 수지는 바인더 조성물에서 전체 바인더 조성물 중 약 90 중량% 내지 약 99 중량%의 양으로 존재할 수도 있고, 또한 예시적인 실시형태들에서, 약 97 중량% 내지 약 99 중량%의 양으로 존재할 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "중량%" 및 "조성물의 중량%" 는 조성물의 전체 컴포넌트들의 중량%를 나타내는 것을 의미한다.
바인더 조성물은 추가로 커플링제를 포함할 수도 있다. 본원에서 개시된 커플링제들은 본질적으로 예시적이라는 것이 인지되어야 하고, 또한 당업자에게 공지된 임의의 적합한 커플링제들은 본원에서 개시되거나 달리 제안되는 예시적인 실시형태들 중 어느 것에서 활용될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 커플링제(들)는 바인더 조성물에서 전체 바인더 조성물 중 약 0.05 중량% 내지 약 10.0 중량%의 양으로 존재할 수도 있고, 다른 예시적인 실시형태들에서, 약 0.1 중량% 내지 약 3.0 중량%의 양으로 존재할 수도 있다. 여러 예시적인 실시형태들은 약 0.2 중량%의 커플링제를 포함한다. 보강 섬유들 및 주위 기지의 표면을 커플링하는 그들의 역할 외에, 커플링제는 또한 후속 처리 동안 퍼즈 또는 분쇄된 섬유 필라멘트들의 레벨을 감소시키는 기능을 한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 커플링제들 중 적어도 하나는 실란 커플링제이다. 적합한 실란 커플링제들은 아민 (1 차, 2 차, 3 차 및 4 차), 아미노, 이미노, 아미도, 이미도, 우레이도, 또는 이소시아나토와 같은 하나 이상의 작용기들을 갖는 하나 이상의 질소 원자들을 함유하는 실란들을 포함할 수도 있다. 또, 적합한 실란 커플링제들은 아미노실란, 실란 에스테르, 비닐 실란, 메타크릴 옥시 실란, 에폭시 실란, 황 실란, 우레이도 실란, 및 이소시아나토 실란을 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되지 않는다. 본 발명에서의 사용을 위한 실란 커플링제들의 특정한, 비제한적인 예들은 γ-메타크릴옥시프로필-트리메톡시실란 (A-174), γ-아미노프로필트리에톡시실란 (A-1100), n-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란 (Y-9669), n-트리메톡시-실릴-프로필-에틸렌-디아민 (A-1120), 메틸-트리클로로실란 (A-154), γ-클로로프로필-트리메톡시-실란 (A-143), 비닐-트리아세톡시실란 (A-188), 및 메틸트리메톡시실란 (A-1630) 을 포함한다.
바인더 조성물은 선택적으로 추가의 컴포넌트들, 예를 들어 염료들, 오일들, 충전제들, 착색제들, 수계 분산체들, UV 안정화제들, 윤활제들, 습윤제들, 계면활성제들, 점도 조절제들 및/또는 대전 방지제들을 포함할 수도 있다. 수계 분산체들은 에이징으로 인해 바인더 조성물에 의해 산화의 효과들을 거스르는 항산화 분산체들을 포함할 수도 있다. 일 예시적인 항산화 분산체는 Akron Dispersions 주식회사로부터의 Bostex 537 를 포함한다. 항산화 분산체는 0 중량% 내지 약 5 중량% 또는 약 0.5 중량% 내지 약 3 중량%의 양으로 포함될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들은 약 1.8 중량%의 항산화 분산체를 포함한다. 첨가제들은 바인더 조성물에서 약 0 중량% 내지 약 10 중량%의 바인더 조성물의 양으로 포함될 수도 있다.
일부 예시적인 실시형태들에 따라, 바인더 조성물은 추가로 보강 섬유들에 대한 적용을 위해 컴포넌트들을 용해 또는 분산시키기 위한 물을 포함한다. 물은 보강 섬유들에 대한 수계 바인더 조성물의 적용에 적합한 점도로 수계 바인더 조성물을 희석하기에 충분한 양으로 추가될 수도 있다. 예를 들어, 바인더 조성물은 물의 바인더 조성물 중 약 50 중량% 내지 약 75 중량%를 함유할 수도 있다.
본 발명의 접합된 매트들은 약 25 내지 약 75 밀리미터, 또는 약 30 밀리미터 내지 약 60 밀리미터의 평균 두께를 가질 수도 있다.
유리 및/또는 합성 섬유들의 적합한 블렌드와 조합하여, 연질이지만 강한 바인더 조성물을 결합시키는 것은 개선된 처리 성능들을 갖는 가요성의 부직포 매트를 제조하여, 인발 성형 프로세스들, 매끄러운 석고 매트들의 형성, 및 부직포 매트들이 이전에는 부적합했던 다른 관련된 적용들에서의 사용을 용이하게 한다. 일단 바인더가 경화되면, 추가의 특징들, 예컨대 개선된 기계적인 강도 (예컨대, 양자의 세로 및 가로 방향 인장 강도들), 가요성, 및 내용제성을 부여한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 가요성의 부직포 매트들은 세로 방향으로 적어도 30 lb 와 가로 방향으로 적어도 20 lb 의 평균 인장 강도를 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 가요성의 부직포 매트들은 적어도 50 lb 의 세로 방향 인장 강도와 적어도 30 lb 의 가로 방향 인장 강도를 가진다. 가요성의 부직포 매트들은 추가로 적어도 50 lb, 또는 적어도 80 lb 의 전체 인장 강도 (세로 방향 + 가로 방향) 를 가질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 부직포 매트들은 걸리 강성 시험기를 이용하여 측정될 수도 있는 개선된 가요성을 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 부직포 매트는 약 2000 mgf 내지 약 7000 mgf 또는 약 2500 mgf 내지 약 6000 mgf 의 걸리 강성을 가지고, 다른 예시적인 실시형태들에서는, 5000 mgf 미만이다.
가요성의 부직포 매트들은 다양한 최종 생성물들을 형성하기 위하여 다양한 하위 프로세스들에서 사용될 수도 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 가요성의 부직포 매트는 인발 성형 프로세스를 통한 복합 재료 제품을 형성하는데 사용된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 인발 성형 프로세스는 열경화성 수지 배스 내로 적어도 하나의 부직포 매트와 로빙들을 이송시키는 것을 포함하고, 여기에서 로빙들이 수지를 섬유들 내로 함침시키는 것을 돕는 스프레더 바들 위로 이동된다. 로빙들은 유리, 흑연, 붕소, 폴리아라미드 섬유들 또는 다른 유사한 섬유들로 만들어질 수도 있다. 바람직하게는, 로빙은 유리 섬유들로 만들어진다.
일단 로빙들이 수지와 충분히 함침되면, 로빙들과 부직포 매트는 수지 배스를 빠져 나와서 가열된 몰딩 다이에 진입하기 전에 형상 또는 윤곽으로 예비 성형기에 의해 예비 성형된다. 그런 다음, 예비 성형된 형상을 가지는 로빙들과 부직포 매트는 일부가 가열된 몰딩 다이를 통과하므로 연속적으로 가열함으로써 원하는 형태의 복합 재료로 경화된다. 한 쌍의 캐터필러 롤러들이 배스, 예비 성형기 및/또는 가열된 다이를 통해 로빙들 및 매트를 당기는데 사용될 수도 있다. 그런 다음, 가열된 다이를 빠져 나오는 복합 재료 부분이 절삭 장치에 의해 원하는 길이로 절단된다. 이러한 방식으로, 연속적인 로빙의 섬유들은 폴리머 수지로 함침되고, 매트는 폴리머 수지로 코팅되며, 섬유들과 매트는 복합 재료 형태로 형상화되어 압출 성형된 부분을 형성하기 위해 절단된다. 인발 성형된 부분에 대해 로빙들은 종방향 인장 강도를 부여하고 부직포 매트는 횡방향 인장 강도를 부여한다.
전술한 바와 같이, 바인더 조성물은 인발 성형 프로세스들에서 사용된 열경화성 수지들에서 흔히 발견되는 스티렌 모너머들에 개선된 내성을 제공한다. 이러한 스티렌에 강화된 내성은 본 발명의 가요성 매트들을 인발 성형 프로세스들에 보다 적합하게 한다. 본원에서 개시된 바와 같이, 스티렌 모너머들은 강력한 용매이고 또한 바인더를 팽윤 및 분해하는 역할을 할 수 있어서, 매트의 연속성을 취약하게 한다. 스티렌 모너머들에 내성이 있는 가요성의 부직포 매트를 제공함으로써, 가요성의 부직포 매트와, 따라서 상기 부직포 매트를 통합하는 최종적으로 인발 성형된 부분은 종방향뿐만 아니라 횡방향으로 인장 강도를 유지시킨다.
또, 가요성의 부직포 매트들은, 예를 들어, 빌딩 건설에서 흔히 사용되는 석고 벽 보드들 및/또는 석고 판넬들의 제조와 같은 다른 프로세스들에서 사용될 수도 있다. 대향 층들 사이에 끼워진 석고 코어로 형성된 벽 보드들은 주거용 및 상업용 빌딩들 모두에 대한 내부 벽들 및 천장들로서 건설 산업에서 흔히 사용된다. 석고 코어는 통상적으로 석고, 선택적으로는, 약간의 습식 유리 초핑 가공된 섬유들, 방수 화학 물질들, 바인더들, 촉진제들, 및 저밀도 충전제들을 포함한다. 종래 기술에서는, 도형재 (facing material), 예컨대 섬유 베일의 연속 층을 제공함으로써 그리고 석고 슬러리를 도형재의 일 표면에 디포짓시킴으로써 석고 보드들을 형성하는 것이 공지되어 있다. 그런 다음, 도형재의 제 2 연속층은 석고 슬러리의 대향 표면에 적용된다. 이러한 방식으로, 석고 슬러리는 도형재의 대향 층들 사이에 끼워진다. 그런 다음, 사이에 끼워진 석고 슬러리는 원하는 두께로 조절되고, 석고 코어를 경화하고 또한 석고 보드를 형성하기 위해 건조된다. 그 다음, 석고 보드는 최종 용도를 위해 미리 정해진 치수들 (예컨대, 길이) 로 절단될 수도 있다. 유리 섬유들은 제품들의 인장 및 인열 강도를 개선하기 위하여 석고 벽 보드들의 제조에서 흔히 사용된다.
여러 예시적인 실시형태들에 따라, 가요성의 부직포 매트들은, 수분의 존재시에 증가된 치수 안정성, 증가된 생물학적 내성, 증가된 통기성, 및 종이 또는 다른 셀룰로오스 도형재들로 페이싱된 종래의 석고 보드들보다 큰 물리적인 그리고 기계적인 특성들, 예컨대 보다 나은 강도 및 내구성을 제공하기 위하여 석고 벽 보드 내에 도형재들로서 사용될 수도 있다.
본원의 여러 예시적인 실시형태들을 개시함으로써 본 발명의 일반적인 개념들을 일반적으로 도입하면, 단지 예시의 목적을 위해 제공되고 또한 본 발명의 일반적인 개념들의 모두를 포함하거나 달리 제한하려는 의도가 아닌 후술되는 특정 실시예들을 참조함으로써 추가의 이해가 얻어질 수 있다.
작업 실시예들
본 발명을 더 철저하게 개시하기 위하여, 이하의 작업 실시예가 제공된다.
실시예 1
세 개의 부직포 매트들은, 수계 슬러리 형태로 이동 스크린 상에 디포짓된 후의 초핑 가공된 유리 섬유들이 바인더 조성물의 수계 분산체로 코팅되고 그런 다음 건조 및 경화되는 종래의 습식 적층 코팅 프로세스에 의해 만들어졌다. 각 매트는 동일한 강열 감량 (LOI) 및 베이스 중량을 갖는 1.25"M 섬유 (16 마이크론미터 직경) 으로 만들어졌다. 각 매트에 적용된 바인더 조성물은 다양한 비의 열가소성/열경화성 컴포넌트들을 포함했다. 제 1 매트의 바인더는 100 퍼센트의 폴리아크릴산을 포함했고, 제 2 매트의 바인더는 75 퍼센트의 폴리아크릴산과 25 퍼센트의 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함했으며, 제 3 매트의 바인더는 50 퍼센트의 폴리아크릴산 및 50 퍼센트 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함했다. 각 조성물은 485℉ 에서 경화됐다.
그런 다음, 그렇게 얻어진 유리섬유 매트들은 매트의 굽힘 저항/강성을 결정하기 위하여 최대 굽힘 강도 및 Gurley 강성에 대해 테스트되었다.
얻어진 결과들은 표 1 에 제시되어 있다.
표 1 에 도시된 바와 같이, 부직포 매트의 가요성은 바인더 조성물 내에서 EVA 양의 증가로 향상된다. 예를 들어, 바인더 제형에 25 중량%의 EVA 를 포함함으로써, 가요성의 매트들은 7000 mgf 미만의 걸리 강성으로 제조될 수 있고, 바인더 제형에 50 중량%의 EVA 를 포함함으로써, 부직포 매트들은 5000 mgf 미만의 걸리 강성으로 제조될 수도 있다.
본 발명의 수 개의 예시적인 실시형태들 중 몇몇 실시형태들만이 본원에서 설명되었지만, 대부분의 변경들은 본 발명의 일반적인 개념들의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 만들어질 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 모든 이러한 변경들은 이하의 청구 범위에 의해 단지 한정되어야 하는 본 발명의 범위 및 관련된 본 발명의 일반적인 개념들 내에 포함되도록 되어 있다.
Claims (27)
- 약 10 중량% 내지 약 100 중량%의 초핑 가공된 유리 섬유들 (chopped glass fibers);
약 0 중량% 내지 약 90 중량%의 합성 섬유들; 및
열경화성 재료 및 열가소성 재료의 혼합물과 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 포함하고,
상기 부직포 매트는 증가된 가요성 및 인장 강도를 갖는, 부직포 매트. - 제 1 항에 있어서,
상기 부직포 매트는 약 50 중량% 내지 약 90 중량%의 초핑 가공된 유리 섬유들과 약 10 중량% 내지 50 중량%의 합성 섬유들을 포함하는, 부직포 매트. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 초핑 가공된 유리 섬유들은 상기 합성 섬유들과 블렌딩되는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합성 섬유들은 폴리프로필렌, 폴리에스테르 및 이들의 조합물 중 적어도 하나를 포함하는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초핑 가공된 유리 섬유들은 약 0.25 인치 내지 약 2.0 인치의 길이를 갖는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합성 섬유들은 약 0.5 인치 내지 약 2.0 인치의 길이를 갖는 초핑 가공된 섬유들인, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초핑 가공된 유리 섬유들은 약 5 미크론 내지 20 미크론의 직경을 갖는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합성 섬유들은 약 10 미크론 내지 약 16 미크론의 직경을 갖는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커플링제는 실란 커플링제인, 부직포 매트. - 제 1 항에 있어서,
상기 열경화성 재료는 아크릴 재료, 우레아 포름알데히드 재료 또는 이들 2 개의 조합물 중 적어도 하나를 포함하는, 부직포 매트. - 제 1 항에 있어서,
상기 열가소성 재료는 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함하는, 부직포 매트. - 제 1 항에 있어서,
상기 바인더 수지는 약 50 중량% 내지 약 100 중량%의 열가소성 재료 및 약 0 중량% 내지 약 50 중량%의 열경화성 재료를 포함하는, 부직포 매트. - 제 13 항에 있어서,
상기 바인더 수지는 약 70 중량% 내지 약 90 중량%의 열가소성 재료 및 약 0 중량% 내지 약 50 중량%의 열경화성 재료를 포함하는, 부직포 매트. - 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커플링제는 상기 바인더 조성물 내에서 약 0.05 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바인더 조성물은 염료, 오일, 충전제, 착색제, 수계 분산체 (aqueous dispersion), UV 안정화제, 윤활제, 습윤제, 계면활성제 및 대전방지제 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 부직포 매트. - 제 16 항에 있어서,
상기 수계 분산체는 항산화 분산체 (antioxidant dispersion) 인, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바인더 조성물은 스티렌 모너머들에 내성이 있는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부직포 매트는 세로 방향 (machine direction) 으로 적어도 30 lb 의 평균 인장 강도와 가로 방향 (cross direction) 으로 적어도 20 lb 의 평균 인장 강도를 갖는, 부직포 매트. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부직포 매트는 약 2000 mgf 내지 약 6000 mgf 의 걸리 강성 (Gurley stiffness) 을 갖는, 부직포 매트. - 열경화성 수지로 함침된 적어도 하나의 로빙 (roving); 및
부직포 매트를 포함하는 인발 성형된 (pultruded) 복합재료 제품으로서,
상기 부직포 매트는:
약 10 중량% 내지 약 95 중량%의 초핑 가공된 유리 섬유들;
약 5 중량% 내지 약 90 중량%의 합성 섬유들; 및
열경화성 재료 및 열가소성 재료의 혼합물과 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 포함하고,
상기 부직포 매트는 증가된 가요성 및 인장 강도를 가지는, 인발 성형된 복합재료 제품. - 제 21 항에 있어서,
상기 부직포 매트는 약 50 중량% 내지 약 90 중량%의 초핑 가공된 유리 섬유들과 약 10 중량% 내지 50 중량%의 합성 섬유들을 포함하는, 인발 성형된 복합재료 제품. - 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
상기 커플링제는 실란 커플링제인, 인발 성형된 복합재료 제품. - 제 21 항에 있어서,
상기 열경화성 재료는 아크릴 재료, 우레아 포름알데히드 재료 또는 이들 2 개의 조합물 중 적어도 하나를 포함하는, 인발 성형된 복합재료 제품. - 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열가소성 재료는 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함하는, 인발 성형된 복합재료 제품. - 제 21 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부직포 매트는 세로 방향으로 적어도 30 lb 그리고 가로 방향으로 적어도 20 lb 의 평균 인장 강도를 갖는, 인발 성형된 복합재료 제품. - 제 21 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부직포 매트는 약 2000 mgf 내지 약 6000 mgf 의 걸리 강성을 갖는, 인발 성형된 복합재료 제품. - 석고 코어; 및
상기 석고 코어가 개재 (interfaced) 된 적어도 하나의 부직포 매트를 포함하는 석고 벽 보드로서, 상기 부직포 매트는:
약 10 중량% 내지 약 95 중량%의 초핑 가공된 유리 섬유들;
약 5 중량% 내지 약 90 중량%의 합성 섬유들; 및
열경화성 재료 및 열가소성 재료의 혼합물과 실란 커플링제를 포함하는 바인더 조성물을 포함하고,
상기 부직포 매트는 증가된 가요성 및 인장 강도를 갖는, 석고 벽 보드.
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