KR20170027484A - 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사 및 이를 이용한 자동차 부품 소재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사는 아라미드 섬유와 융점이 아라미드 섬유보다 상대적으로 낮은 열가소성 섬유들이 혼재하며, 하이브리드 원사 전체중량대비 상기 아라미드 섬유의 함량이 50~99중량%로 구성된다.
본 발명의 자동차 부품 소재의 제조방법은 (ⅰ) 상기 하이브리드 원사를 사용하여 자동차 부품 소재 강화용 섬유 시트물을 제조하는 공정; (ⅱ) 상기 섬유 시트물에 매트릭스 수지로서 폴리프로필렌 수지를 함침시킨 후 열처리하여 프리프레그를 제조하는 공정; 및 (ⅲ) 상기 프리프레그를 금형 내에 적층한 후 가열 가압하여 자동차 부품 소재를 성형하는 공정;을 포함한다.
본 발명은 하이브리드 원사 내에 매트릭스 수지인 폴리프로필렌 수지와 상용성이 우수한 열가소성 섬유가 아라미드 섬유와 함께 혼재되어 있어서, 프리프레그 및 자동차 부품 소재 제조시 아라미드 섬유와 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지)간의 접착력을 크게 향상시켜 준다.
또한, 본 발명은 하이브리드 원사 내에 충격 흡수성이 뛰어난 아라미드 섬유가 포함되어 이로 제조된 자동차 부품 소재의 내충격성을 크게 향상시켜 준다.

Description

자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사 및 이를 이용한 자동차 부품 소재의 제조방법{Hybrid yarn for reinforcing material of car components and method of manufacturing material of car compoments thereby}

본 발명은 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사 및 이를 이용한 자동차 부품 소재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충격흡수성이 우수함과 동시에 매트릭스 수지인 폴리프로필렌 수지와의 접착성도 뛰어난 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사 및 이를 이용한 자동차 부품 소재의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 범퍼, 백빔 등과 같은 자동차 부품용 소재들은 (ⅰ) 열가소성 수지와 (ⅱ) 상기 열가소성 수지에 함침되어 있으며 강화용 섬유(Reinforcing fiber)들이 일방향(Uni-Direction)으로 배열되어 있는 강화용 섬유 UD로 이루어진 프리프레그(Prepreg)를 원하는 형태로 성형, 열처리하여 제조된다.

상기 강화용 섬유 UD 대신에 강화용 섬유로 제직된 직물이 사용되기도 한다.

자동차 부품 제조에 사용되는 상기 열가소성 수지로는 가격이 저렴하고 성형시간이 단축 가능한 폴리프로필렌 수지가 주로 사용되고 있다.

한편, 자동차 부품 제조에 사용되는 상기 강화용 섬유(Reinforcing fiber)로는 매트릭스 수지와의 접착성 개선을 위해 표면을 실리카 유제로 처리한 유리섬유가 사용되어 왔으나 유리섬유의 경우 비중이 높아서 자동차의 경량화가 어려운 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 상기 강화용 섬유로 유리섬유 대신 탄소섬유를 사용하였으나, 탄소섬유는 비강성이 커서 내충격성이 떨어지는 문제점이 있었다.

최근, 자동차의 경량화 및 내충격성 개선을 동시에 달성하기 위해서 상기 강화용 섬유로 내열성 및 고강도가 우수하면서도 동시에 내충격 특성이 뛰어난 아라미드 섬유를 사용하려고 많은 노력을 해왔지만, 통상적인 아라미드 섬유는 자동차 부품 제조에 가장 널리 사용되지만 표면에 반응기가 없는 폴리프로필렌 수지와 상용성 및 접착성이 떨어져 최종 제품인 자동차 부품의 파손강도가 크게 저하되는 문제가 발생되었다.

상기 문제점을 개선하기 위한 또 다른 종래기술로서 본원발명의 출원인이 출원한 대한민국 출원특허 제10-2014-0081600호에서는 표면에 변성 디메틸 폴리실록산을 포함하는 유제가 도포된 자동차 부품 소재 강화용 아라미드 섬유를 게재하고 있다.

그러나, 상기 종래 기술은 매트릭스와 아라미드 섬유와의 접착성을 어느정도 개선시킬 수 있으나, 유제처리 공정 등으로 공정이 복잡해지고, 제조원가도 상승하는 문제 등이 있었다.

본 발명의 과제는 내충격 특성이 우수함과 동시에 자동차 소재용 열가소성 수지로 널리 사용되고 있으나 표면에 반응기가 없는 폴리프로필렌 수지와의 접착특성이 뛰어나 자동차 부품 소재의 경량화와 파손강도를 향상시킬 수 있는 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는 상기 하이브리드 원사를 사용하여 자동차 부품 소재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

이와같은 효과를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 아라미드 섬유 50~99중량%와 융점이 아라미드 섬유보다 상대적으로 낮은 열가소성 섬유 1~50중량%를 합사 또는 공기교락 등 방법으로 혼재시킨 하이브리드 원사를 자동차 부품 소재 강화용 원사로 사용한다.

또한, 본 발명에서는 (ⅰ) 상기 하이브리드 원사를 사용하여 자동차 부품 소재 강화용 섬유 시트물을 제조하는 공정; (ⅱ) 상기 섬유 시트물에 매트릭스 수지로서 폴리프로필렌 수지를 함침시킨 후 열처리하여 프리프레그를 제조하는 공정; 및 (ⅲ) 상기 프리프레그를 금형 내에 적층한 후 가열 가압하여 자동차 부품 소재를 성형하는 공정;들을 거쳐 자동차 부품 소재를 제조한다.

본 발명은 하이브리드 원사 내에 매트릭스 수지인 폴리프로필렌 수지와 상용성이 우수한 열가소성 섬유가 아라미드 섬유와 함께 혼재되어 있어서, 프리프레그 및 자동차 부품 소재 제조시 아라미드 섬유와 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지)간의 접착력을 크게 향상시켜 준다.

또한, 본 발명은 하이브리드 원사 내에 충격 흡수성이 뛰어난 아라미드 섬유가 포함되어 이로 제조된 자동차 부품 소재의 내충격성을 크게 향상시켜 준다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사는 아라미드 섬유와 융점이 아라미드 섬유보다 상대적으로 낮은 열가소성 섬유들이 혼재하며, 하이브리드 원사 전체중량대비 상기 아라미드 섬유의 함량이 50~99중량%인 것을 특징으로 한다.

하이브리드 원사를 구성하는 상기의 열가소성 섬유는 자동차 부품 소재용 프리프레그를 제조하는 공정중에 가해지는 열에 의해 용융되어 열가소성 수지 용융물로 변하게 되며, 상기 열가소성 수지 용융물은 아라미드 섬유들의 사이에 깊숙이 침투하거나 아라미드 섬유들 표면에 고르게 도포된다.

이와같이, 매트릭스 수지인 열가소성 수지와 상용성이 우수한 열가소성 수지 용융물이 아라미드 섬유들 내부 깊숙이 침투되어 있거나 아라미드 섬유 표면에 도포되어 있기 때문에, 아라미드 섬유와 매트릭스 수지인 열가소성 수지와의 접촉면적이 넓어져 이들 간의 접착성도 향상된다.

이론상 접착제와 피접착제가 비슷한 성질, 예를 들어 극소수성을 구비하는 경우 접착제와 피접착제 간의 표면장력이 낮아져 접착제는 피접착제의 표면에 넓게 펴져 피접착제와 피접착제의 표면에 펴져있는 접착제가 이루는 접촉각이 낮아지고, 이로인해 결국 접착특성이 좋아진다.

본 발명에서도 표면에 반응기가 없는 소수성의 매트릭스 수지인 폴리프로필렌 수지(접착제에 해당됨)와 열가소성 섬유의 용융물인 소수성의 폴리프로필렌 수지가 표면에 도포되거나 내부에 침투되어 있는 아라미드 섬유들(피접착제에 해당됨)은 모두 극소수성을 구비하기 때문에, 상기 이론에 따라 이들 간의 표면장력과 접촉각이 낮아져 결국 접착특성이 향상된다.

상기 하이브리드 원사내 아라미드 섬유의 함량은 50~99중량%이고, 상기 열가소성 섬유의 함량은 1~50중량%이다. 아라미드 섬유의 함량이 50중량% 미만일 경우에는 자동차 부품 소재의 파손강도 등의 물성이 저하되고, 열가소성 섬유의 함량이 1중량% 미만일 경우에는 아라미드 섬유와의 매트릭스 수지인 열가소성 섬유와의 접착성이 저하된다.

상기 하이브리드 원사를 구성하는 열가소성 섬유로는 폴리프로필렌 섬유나 폴리에틸렌 섬유와 같은 폴리올레핀계 섬유, 보다 바람직하기로는 폴리프로필렌 섬유를 사용하는 것이 매트릭스 수지로 널리 사용되고 있는 폴리프로필렌 수지와의 상용성을 높이는데 바람직하다.

한편, 하이브리드 원사를 구성하는 열가소성 섬유로서 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴 섬유 또는 폴리비닐알코올 섬유 등을 사용할 수도 있다.

상기 하이브리드 원사는 아라미드 섬유와 열가소성 섬유들을 합사하여 제조될 수도 있고, 아라미드 섬유와 열가소성 섬유를 공기교락하여 제조될 수도 있다.

다음으로는, 이상에서 설명한 본 발명의 하이브리드 원사를 사용하여 자동차 부품 소재를 제조하는 방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 자동차 부품 소재의 제조방법은, (ⅰ) 아라미드 섬유와 융점이 아라미드 섬유보다 상대적으로 낮은 열가소성 섬유들이 혼재하며, 하이브리드 원사 전체중량대비 상기 아라미드 섬유의 함량이 50~99중량%인 하이브리드 원사를 사용하여, 자동차 부품 소재 강화용 섬유 시트물을 제조하는 공정; (ⅱ) 상기 섬유 시트물에 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 함침시킨 후 열처리하여 자동차 부품 소재용 프리프레그(prepreg)를 제조하는 공정; 및 (ⅲ) 상기 프리프레그들을 자동차 부품 소재용 금형 내에 적층한 후 가열 및 가압하여 자동차 부품 소재를 성형하는 공정;을 포함한다.

상기 섬유 시트물은 하이브리드 원사들이 일방향으로 평행하게 배열된 UD시트(uni-direction sheet)일 수도 있고, 하이브리드 원사들로 제조된 직물 또는 편물일 수도 있다.

상기 매트릭스 수지로 사용되는 열가소성 수지로는 폴리프로필렌 수지를 사용하는 것이 성형시간 단축이 가능하고 가격이 저렴하여 바람직하다.

상기 하이브리드 원사를 구성하는 열가소성 섬유로는 폴리프로필렌 섬유나 폴리에틸렌 섬유와 같은 폴리올레핀계 섬유, 보다 바람직하기로는 폴리프로필렌 섬유를 사용하는 것이 매트릭스 수지로 널리 사용되고 있는 폴리프로필렌 수지와의 상용성을 높이는데 바람직하다.

한편, 하이브리드 원사를 구성하는 열가소성 섬유로서 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴 섬유 또는 폴리비닐알코올 섬유 등을 사용할 수도 있다.

하이브리드 원사로 구성된 섬유 시트물에 매트릭스 수지를 함침시킨 후 열처리하여 자동차 부품 소재용 프리프레그를 제조하는 공정중에, 하이브리드 원사를 구성하는 열가소성 섬유는 용융되어 열가소성 수지 용융물로 변하게 되고, 상기 열가소성 수지 용융물은 아라미드 섬유들 사이에 깊숙이 침투하거나 아라미드 섬유 표면에 고르게 도포된다.

이와같이, 매트릭스 수지인 열가소성 수지와 상용성이 우수한 열가소성 수지 용융물이 아라미드 섬유들 내부 깊숙이 침투되어 있거나 아라미드 섬유 표면에 도포되어 있기 때문에, 아라미드 섬유와 매트릭스 수지인 열가소성 수지와의 접촉면적이 넓어져 이들 간의 접착성도 향상된다.

이론상 접착제와 피접착제가 비슷한 성질, 예를 들어 극소수성을 구비하는 경우 접착제와 피접착제 간의 표면장력이 낮아져 접착제는 피접착제의 표면에 넓게 펴져 피접착제와 피접착제의 표면에 펴져있는 접착제가 이루는 접촉각이 낮아지고, 이로인해 결국 접착특성이 좋아진다.

본 발명에서도 표면에 반응기가 없는 소수성의 매트릭스 수지인 폴리프로필렌 수지(접착제에 해당됨)와 열가소성 섬유의 용융물인 소수성의 폴리프로필렌 수지가 표면에 도포되거나 내부에 침투되어 있는 아라미드 섬유들(피접착제에 해당됨)은 모두 극소수성을 구비하기 때문에, 상기 이론에 따라 이들 간의 표면장력과 접촉각이 낮아져 결국 접착특성이 향상된다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 구현예로서 발명의 보호범위가 하기 실시예들 만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

1,500 데니어의 아라미드 필라멘트 4가닥과 1,000데니어의 폴리프로필렌 필라멘트 3가닥을 합사하여 폴리프로필렌 필라멘트의 함량이 25중량%인 하이브리드 원사를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 하이브리드 원사를 일방향으로 평행하게 배열하여 UD시트를 제조한 후, 상기 UD시트에 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지)를 함침시켜 프리프레그를 제조하였다. 이때 프리프레그 내 UD시트 함량은 40중량%로 하였고, 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지) 함량은 60중량%로 하였다.

다음으로는 상기와 같이 제조된 프리프레그 20매를 자동차 백빔용 금형 내에 적층한 후 가압/가열하여 자동차 백빔을 성형하였다.

제조된 자동차 백빔의 파단강도 ASTM D 3039 방법으로 측정한 결과 980Mpa로 우수하였다.

실시예 2

1,000 데니어의 아라미드 필라멘트 5가닥과 1,000데니어의 폴리프로필렌 필라멘트 4가닥을 합사하여 폴리프로필렌 필라멘트의 함량이 35중량%인 하이브리드 원사를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 하이브리드 원사를 경사 및 위사로 사용하여 직물을 제직한 후, 상기 직물에 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지)를 함침시켜 프리프레그를 제조하였다. 이때 프리프레그 내 UD시트 함량은 40중량%로 하였고, 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지) 함량은 60중량%로 하였다.

다음으로는 상기와 같이 제조된 프리프레그 20매를 자동차 백빔용 금형 내에 적층한 후 가압/가열하여 자동차 백빔을 성형하였다.

제조된 자동차 백빔의 파단강도 ASTM D 3039 방법으로 측정한 결과 977Mpa로 우수하였다.

실시예 3

1,500 데니어의 아라미드 필라멘트 4가닥과 1,000데니어의 폴리프로필렌 필라멘트 3가닥을 합사하여 폴리에틸렌 필라멘트의 함량이 25중량%인 하이브리드 원사를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 하이브리드 원사를 일방향으로 평행하게 배열하여 UD시트를 제조한 후, 상기 UD시트에 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지)를 함침시켜 프리프레그를 제조하였다. 이때 프리프레그 내 UD시트 함량은 40중량%로 하였고, 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지) 함량은 60중량%로 하였다.

다음으로는 상기와 같이 제조된 프리프레그 20매를 자동차 백빔용 금형 내에 적층한 후 가압/가열하여 자동차 백빔을 성형하였다.

제조된 자동차 백빔의 파단강도 ASTM D 3039 방법으로 측정한 결과 975Mpa로 우수하였다.

비교실시예 1

1,500 데니어의 아라미드 필라멘트 6가닥을 합사하여 강화용 아라미드 원사를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 강화용 아라미드 원사를 일방향으로 평행하게 배열하여 UD시트를 제조한 후, 상기 UD시트에 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지)를 함침시켜 프리프레그를 제조하였다. 이때 프리프레그 내 UD시트 함량은 40중량%로 하였고, 폴리프로필렌 수지(매트릭스 수지) 함량은 60중량%로 하였다.

다음으로는 상기와 같이 제조된 프리프레그 20매를 자동차 백빔용 금형 내에 적층한 후 가압/가열하여 자동차 백빔을 성형하였다.

제조된 자동차 백빔의 파단강도 ASTM D 3039 방법으로 측정한 결과 810Mpa로 낮았다.

Claims (9)

1. 아라미드 섬유와 융점이 아라미드 섬유보다 상대적으로 낮은 열가소성 섬유들이 혼재하며, 하이브리드 원사 전체중량대비 상기 아라미드 섬유의 함량이 50~99중량%인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사.
2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 섬유는 폴리올레핀계 섬유인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사.
3. 제2항에 있어서, 상기 폴리올레핀계 섬유는 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사.
4. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 섬유는 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴 섬유 및 폴리비닐알코올 섬유 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재 강화용 하이브리드 원사.
5. (ⅰ) 아라미드 섬유와 융점이 아라미드 섬유보다 상대적으로 낮은 열가소성 섬유들이 혼재하며, 하이브리드 원사 전체중량대비 상기 아라미드 섬유의 함량이 50~99중량%인 하이브리드 원사를 사용하여, 자동차 부품 소재 강화용 섬유 시트물을 제조하는 공정;
   (ⅱ) 상기 섬유 시트물에 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 함침시킨 후 열처리하여 자동차 부품 소재용 프리프레그(prepreg)를 제조하는 공정; 및
   (ⅲ) 상기 프리프레그들을 자동차 부품 소재용 금형 내에 적층한 후 가열 및 가압하여 자동차 부품 소재를 성형하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 섬유 시트물은 하이브리드 원사들이 일방향으로 평행하게 배열된 UD시트(Uni-direction sheet), 직물 및 편물 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 하이브리드 원사를 구성하는 열가소성 섬유는 폴리올레핀계 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴 섬유 및 폴리비닐알코올 섬유 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재의 제조방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 폴리올레핀 섬유는 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재의 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 매트릭스 수지로서 사용되는 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 소재의 제조방법.