KR20180035320A - 열가소성 복합재, 열가소성 복합재의 제조방법 및 패널 - Google Patents

열가소성 복합재, 열가소성 복합재의 제조방법 및 패널 Download PDF

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Abstract

적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제를 포함하고, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 구조인 열가소성 복합재 및 이의 제조방법을 제공한다. 또한, 상기 열가소성 복합재의 열-압착물을 포함하는 패널을 제공한다.

Description

열가소성 복합재, 열가소성 복합재의 제조방법 및 패널 {THERMOPLASTIC COMPOSITE, MANUFACTURING METHOD OF THE THERMOPLASTIC COMPOSITE AND PANEL}
본 발명은 건축, 차량, 필터 등의 내외장재 및 부품에 적용될 수 있는 열가소성 복합재 및 이의 제조방법과 상기 열가소성 복합재로부터 제조된 패널에 관한 것이다.
열가소성 수지 등의 수지와 무기 섬유 등의 섬유를 혼합한 섬유 강화 복합 재료는 다양한 기술 분야에 활용되고 있다. 이러한 섬유 강화 복합 재료는 일반적으로, 압출 방법 또는 습식 함침 방법에 의해 제조된다. 예를 들어, 압출 방법을 이용하여 섬유 강화 복합 재료를 제조하는 경우에는 수지와 섬유의 상용성이 중요하여 상용화제의 첨가가 필수적이다. 상용화제를 첨가하지 않으면 압출 시 수지와 섬유의 층 분리가 일어나게 되고, 최종 제조된 섬유 강화 복합 재료의 물성이 저하된다. 또한, 습식 함침 방법에 의해 섬유 강화 복합 재료를 제조하는 경우에는, 용매 형태의 수지를 섬유에 함침시켜 제조하는데, 대부분의 용매는 유독하여 인체 및 환경에 유해하며, 재사용이나 폐기를 위해서 회수 공정이 필요하게 되고, 가격이 고가인 문제가 있다. 따라서, 다양한 물성을 동시에 구현하면서 인체 및 환경에 유해하지 않고 공정 효율 및 경제성을 향상시킬 수 있는 복합 재료의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 난연성 및 강도가 우수하면서 이러한 물성이 전체적으로 균일하게 구현되는 열가소성 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 시간 및 비용적인 측면에서 효율성이 증대되며, 인체 및 환경에 유해하지 않은 열가소성 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 열가소성 복합재로부터 제조되어, 건축, 차량, 필터 등의 내외장재 및 부품 등에 다양한 용도로 활용 가능한 패널을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제를 포함하고, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 구조인 열가소성 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체를 제조하는 단계; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 제조하는 단계; 상기 열가소성 수지 입자와 입자상 난연제를 건식 혼합하는 단계; 및 혼합된 상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제를 상기 섬유 구조체 내부에 함침시키는 단계를 포함하는 열가소성 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 열가소성 복합재의 열-압착물을 포함하는 패널을 제공한다.
상기 열가소성 복합재는 난연성 및 강도가 우수하면서 이러한 물성이 전체적으로 균일하게 구현되는 이점을 갖는다.
상기 열가소성 복합재의 제조방법은 시간 및 비용적인 측면에서 효율성이 높으며, 인체 및 환경에 유해하지 않은 방법으로 열가소성 복합재를 제조하는 이점을 갖는다.
상기 패널은 상기 열가소성 복합재로부터 제조되어, 건축, 차량, 필터 등의 내외장재 및 부품 등에 다양한 용도로 활용 가능한 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 열가소성 복합재를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 열가소성 복합재의 제조방법의 순서도를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 아울러, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 발명의 일 구현예에서, 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제를 포함하고, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 열가소성 복합재를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 열가소성 복합재(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 열가소성 복합재(100)는 적어도 1층의 섬유 직조 시트(11)를 포함하는 망구조의 섬유 구조체(10)를 포함하고, 상기 섬유 구조체(10) 내부에 함침된 열가소성 수지 입자(20) 및 입자상 난연제(30)를 포함한다.
상기 열가소성 수지 입자(20)의 입경(particle diameter)은 약 1㎛ 내지 약 50㎛일 수 있고, 구체적으로, 약 20㎛ 내지 약 50㎛일 수 있으며, 보다 구체적으로, 약 30㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지 입자는 이와 같은 입경을 갖는 구 형상의 입자일 수 있다. 이때, '구 형상'이라 함은 수학적 또는 기하학적으로 완벽한 형상의 구를 의미하는 것은 아니며, 임의의 절단면의 형상이 실질적으로 원을 나타내는 3차원적 입체 형상을 아우르는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기 열가소성 수지 입자(20)의 입경은 입자 단면의 평균 직경을 의미하는 것으로서, TEM/SEM 이미지 분석에 의해 수평균 입경으로 측정될 수 있다. 상기 열가소성 수지 입자는 종래의 열가소성 수지 입자에 비해 작은 크기를 갖는 것으로서, 상기 범위의 입경을 통하여 입자상 난연제와 건식으로 고르게 혼합될 수 있고, 이로써 용매를 사용하는 용융 혼련 방법을 사용하지 않음으로써 공정 효율 및 친환경성을 증대시킬 수 있다.
상기 섬유 구조체(10)는 적어도 1층의 섬유 직조 시트(11)로 이루어진 망구조를 갖는 것으로서, 망구조란 섬유의 한 가닥과 다른 가닥 사이에 공간이 존재하는 성긴 구조를 의미하며, 구체적으로, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제가 통과할 수 있는 기공을 포함하는 구조를 의미한다.
상기 섬유 직조 시트로 이루어진 망구조의 섬유 구조체는 상기 섬유 직조 시트를 적어도 1층 포함하며, 필요한 두께에 따라, 예를 들어, 2층 이상, 예를 들어, 3층 내지 5층, 예를 들어, 7층 내지 15층 포함할 수 있다.
상기 섬유 구조체 중 하나의 섬유 직조 시트는 섬유 가닥이 직조된 구조를 가지며, 구체적으로, 주자직, 능직 또는 평직의 직조 구조를 갖는다.
또한, 상기 섬유 직조 시트는 섬유를 직조하여 제조되며, 구체적으로 유리 섬유, 세라크울(cerakwool) 섬유, 미네랄 섬유, 카본 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 이와 같은 종류의 섬유를 사용하는 경우, 전술한 크기를 갖는 열가소성 수지 입자와 상용성이 좋으며, 건축, 차량 및 필터 등의 내장재 또는 부품에 다양하게 적용 가능한 이점을 얻을 수 있고, 입자상 난연제와 함께 목적하는 수준의 난연성 확보에 기여할 수 있다.
상기 섬유는 단면의 평균 직경이 약 5㎛ 내지 약 20㎛일 수 있고, 예를 구체적으로, 약 10㎛ 내지 약 20㎛일 수 있으며, 보다 구체적으로, 약 15㎛ 내지 약 20㎛일 수 있다. 상기 섬유의 단면의 평균 직경은 상기 섬유를 길이 방향에 수직한 방향으로 절단하였을 때, 단면의 수평균 직경을 의미한다. 상기 섬유의 단면의 평균 직경이 이와 같은 범위에 해당함으로써 상기 섬유가 적절한 굵기를 갖게 되고, 이를 직조한 섬유 직조 시트로 이루어진 섬유 구조체가 상기 열가소성 수지 입자 및 입자상 난연제를 적절히 함침시킬 수 있는 망구조를 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 열가소성 복합재가 우수한 내구성, 강도 및 난연성을 구현할 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 열가소성 복합재는 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제가 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 구조를 갖는다. 이때, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체에 건식으로 함침된 것을 특징으로 한다.
일반적으로 사용되는 습식 함침 방법은 용융 혼련 등의 방법을 사용하여 수지 및 난연제를 용매에 용해 또는 분산시킨 형태로 제조한 후에 이를 섬유 구조체에 함침시키는 방법이다. 일반적으로 사용되는 용매는 휘발성을 갖는 화합물로서 인체 및 환경에 유해하며, 최종 제품 내에 소량이라도 존재할 경우 내구성 및 강도 저하의 원인이 된다. 또한, 수지 및 난연제를 용융 혼련할 경우 혼화성 향상을 위해 다양한 첨가제들이 필요하게 되므로 공정 효율 및 제조 비용의 측면에서도 바람직하지 못하다.
반면, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 열가소성 복합재는 입자 형상을 갖는 열가소성 수지와 난연제를 건식으로 혼합하고, 상기 망구조의 섬유 구조체에 건식으로 함침시킨 것으로서 습식 함침 방법으로 제조된 열가소성 복합재에 비하여 향상된 내구성 및 강도를 구현함과 동시에 우수한 경제성 및 친환경성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 수지 입자가 약 1㎛ 내지 약 50㎛의 입경을 갖는 구 형상을 가짐으로써 상기 입자상의 난연제와 건식으로 혼합될 때 별도의 첨가제 없이도 균일하게 혼합 가능하며, 단면의 평균 직경이 약 15㎛ 내지 약 20㎛인 연속 섬유로 이루어진 망구조의 섬유 구조체에 대해 높은 함침률을 나타낼 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리디메틸실록산(PDMS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 내충격 폴리스티렌(High Impact Polystyrene, HIPS), 폴리락트산(PLA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자가 이와 같은 화합물로 이루어짐으로써 약 1㎛ 내지 약 50㎛의 입경을 갖는 구 형상으로 제조되기 용이하며, 전술한 종류의 연속 섬유와 사용되어 열가소성 복합재에 향상된 내구성 및 강도를 부여할 수 있다.
상기 열가소성 복합재는 상기 열가소성 수지 입자와 함께 입자상 난연제를 포함한다. 상기 입자상 난연제는 상기 열가소성 수지 입자와 같이 상기 섬유 구조체 내에 입자 형상을 유지하면서 함침된 것이다.
상기 열가소성 수지 입자의 경우, 일반적으로 열에 대한 안정성이 낮아 난연화 처리가 쉽지 않다. 또한, 상기 열가소성 복합재의 섬유 구조체는 연속 섬유를 포함하는 것으로서, 열가소성 수지로부터 연속 섬유로 열이 전달되어 더 잘 타게 되며 섬유의 연속적인 배열로 인해 가연성 물질의 전달이 가속화되어 난연화가 쉽지 않은 문제가 있다.
이에, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 열가소성 복합재는 상기 열가소성 수지 입자와 함께 입자상 난연제를 포함하며, 보다 구체적으로, 상기 열가소성 수지 입자 및 입자상 난연제를 상기 망구조의 섬유 구조체 내부에 고르게 함침시킴으로써 우수한 난연화 처리가 가능할 수 있다.
상기 입자상 난연제의 입경은 약 1㎛ 내지 약 10㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 5㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 3㎛일 수 있다. 상기 입자상 난연제의 입경이 상기 범위를 만족함으로써 상기 열가소성 수지 입자와 균일하게 혼합 가능하며, 상기 섬유 구조체 내에 높은 함침률로 함침되어 상기 열가소성 복합재가 전면적에 걸쳐 균일한 난연 특성을 나타낼 수 있다.
상기 입자상 난연제의 비중(specific gravity)은 약 1 내지 약 3일 수 있고, 예를 들어, 약 1 내지 약 2일 수 있고, 예를 들어, 약 1 내지 약 1.5일 수 있다. 상기 범위의 비중을 갖는 입자상 난연제를 사용함으로써 상기 섬유 구조체 내에 건식 방법으로 함침 시키기 유리하며, 고분자 입자와 비슷한 비중으로서 고분자 사이에 고루 분포할 수 있어 난연 효과 극대화할 수 있다.
구체적으로, 상기 입자상 난연제는 비할로겐계 난연제일 수 있고, 예를 들어, 인계 난연제, 질소계 난연제 또는 인질소계 난연제를 포함할 수 있다. 이때, 상기 인질소계 난연제란 인계 난연제 및 질소계 난연제의 물리적 혼합물일 수도 있고, 인계 화합물 및 질소계 화합물이 화학적으로 결합되어 형성된 난연제일 수도 있다.
이와 같은 종류의 입자상 난연제를 이용함으로써, 상기 열가소성 복합재는 향상된 난연성, 내착색성 및 내가솔린성을 구현할 수 있으며, 상기 열가소성 수지 입자와 건식 방법으로 고르게 혼합 가능하고, 상기 범위의 입경 및 비중을 갖도록 용이하게 제어 가능한 이점을 갖는다.
상기 열가소성 복합재는 상기 열가소성 수지 입자 100 중량부에 대하여, 상기 입자상 난연제를 약 20 중량부 내지 약 30 중량부 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 25 중량부 내지 약 30 중량부 포함할 수 있다. 상기 입자상 난연제와 상기 열가소성 수지 입자의 함량이 이와 같은 중량비를 만족함으로써 건식 방법으로 서로 고르게 혼합 가능하며, 상기 열가소성 복합재가 건축, 차량 등에 적용되는 난연성 기준을 만족할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 열가소성 복합재의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 열가소성 복합재의 제조방법은 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체를 제조하는 단계; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 제조하는 단계; 상기 열가소성 수지 입자와 입자상 난연제를 건식 혼합하는 단계; 및 혼합된 상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제를 상기 섬유 구조체 내부에 함침시키는 단계를 포함한다.
상기 열가소성 복합재의 제조방법을 통하여, 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제를 포함하고, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 구조인 열가소성 복합재를 제조할 수 있다.
상기 열가소성 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 섬유 직조 시트는 유리 섬유, 세라크울(cerakwool) 섬유, 미네랄 섬유, 카본 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 섬유를 직조하여 제조된다.
구체적으로, 상기 섬유 직조 시트는 상기 섬유를 주자직, 능직 또는 평직의 구조로 직조하여 제조될 수 있다. 상기 열가소성 복합재가 2층 이상의 섬유 직조 시트를 포함하는 경우, 각각의 섬유 직조 시트는 동일한 직조 구조를 가질 수도 있고, 서로 상이한 직조 구조를 가질 수도 있다.
또한, 상기 망구조의 섬유 구조체는 복수의 섬유 직조 시트를, 예를 들어, 등방향 적층, 직교 적층, 비대칭 직교 적층, 비대칭 적층하여 제조될 수 있다. 이때, 등방향 적층이란 복수의 섬유 직조 시트의 섬유가 동일한 배향성을 갖도록 적층하는 것이며, 직교 적층이란 복수의 섬유 직조 시트의 섬유가 서로 직교하도록 교호 적층하는 것이며, 비대칭 직교 적층이란 복수의 섬유 직조 시트의 섬유가 직교하되 랜덤하게 적층하는 것이며, 비대칭 적층이란 복수의 섬유 직조 시트의 섬유가 직교하지 않는 소정의 각도를 갖도록 교호 적층하거나 랜덤하게 적층하는 것이다.
상기 섬유 직조 시트의 직조 구조 및 이의 조합에 따라 상기 섬유 구조체의 망구조가 달라지며, 상기 열가소성 수지 입자 및 입자상 난연제가 함침될 수 있는 기공 구조가 달라지게 된다.
일 구현예에서, 상기 망구조의 섬유 구조체는 주자직 또는 능직의 섬유 직조 시트와 평직의 섬유 직조 시트를 교호 적층하여 제조될 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 망구조의 섬유 구조체는 복수의 능직의 섬유 직조 시트를 직교 적층하여 제조될 수 있다.
상기 열가소성 복합재의 제조방법은 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 제조하는 단계를 포함한다. 상기 열가소성 수지 입자는 열가소성 수지 원료로부터 상기 범위의 입경을 갖는 구 형상으로 제조될 수 있다.
상기 입경이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 제조하는 단계는, 구체적으로, 열가소성 수지를 압출기에 투입하는 단계; 상기 열가소성 수지로부터 열가소성 용융 수지 분사액을 형성하는 단계; 및 상기 열가소성 용융 수지 분사액을 분사 노즐로 분사하면서 동시에 냉각시켜 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지를 압출기에 투입하는 단계에서 압출기에 투입되는 열가소성 수지 원료는 특별히 제한되지 아니하나, 예를 들어, 펠렛(pellet) 형상의 열가소성 수지일 수 있다. 펠렛 형상의 열가소성 수지는 최대 크기가 약 1mm 내지 약 5mm인 무정형 알갱이 형태의 열가소성 수지이다. 이를 압출기에 투입한 후 후속 과정을 거쳐 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 얻을 수 있다.
상기 압출기에 투입된 열가소성 수지는 용융되어 열가소성 용융 수지 분사액으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지로부터 열가소성 용융 수지 분사액을 형성하는 단계는, 상기 열가소성 수지를 분사 노즐로 이동시키는 단계; 및 상기 열가소성 수지가 분사 노즐에서 가열되어 열가소성 용융 수지 분사액이 형성되는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 압출기로 투입된 상기 열가소성 수지 원료가 분사 노즐로 이동되고, 고온의 분사 노즐에서 용융되어 열가소성 용융 수지 분사액으로 제조될 수 있다.
이때, 상기 분사 노즐의 온도는 약 200℃ 내지 약 400℃일 수 있다. 상기 온도 범위를 통해 상기 분사 노즐에서 열가소성 수지 원료가 용융되어 적절한 점도를 갖는 열가소성 용융 수지 분사액이 제조될 수 있다.
상기 열가소성 용융 수지 분사액은 약 100℃ 내지 약 300℃ 온도에서 그 점도가 약 10 Pa·s 내지 약 104 Pa·s일 수 있고, 예를 들어, 약 10Pa·s 내지 약 102 Pa·s일 수 있다. 상기 열가소성 용융 수지 분사액의 점도가 상기 범위로 제어됨으로써 적절한 흐름성을 확보할 수 있고, 분사 노즐을 통하여 약 1㎛ 내지 약 50㎛의 입경을 갖는 액적으로 분사되기에 용이할 수 있다.
상기 열가소성 용융 수지 분사액의 점도는 열가소성 수지 원료의 종류, 분사 노즐의 온도 등을 통해 조절할 수 있으며, 예를 들어, 활제, 가소제, 왁스, 산화방지제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 적절한 함량으로 첨가하여 조절할 수도 있다.
상기 열가소성 용융 수지 분사액은 상기 분사 노즐을 통해 분사되면서 동시에 냉각되어 입경이 약 1㎛ 내지 약 50㎛인 열가소성 수지 입자로 제조될 수 있다. 즉, 상기 열가소성 용융 수지 분사액이 분사 노즐을 통하여 고온 액적 형태로 분사되고, 상기 분사는 쿨링 챔버 내에서 수행되어 분사와 동시에 상기 액적이 냉각되어 약 1㎛ 내지 약 50㎛ 입경의 미세한 크기를 갖는 열가소성 수지 입자를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 열가소성 용융 수지 분사액은 상기 분사 노즐에 공기와 함께 주입될 수 있다. 상기 열가소성 용융 수지 분사액와 함께 주입되는 공기의 온도, 압력 및 주입 속도를 조절함으로써 상기 열가소성 용융 수지 분사액의 분사 후 액적의 크기 및 형상을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 용융 수지 분사액과 함께 주입되는 공기의 온도는 약 200℃ 내지 약 500℃일 수 있고, 예를 들어, 약 250℃ 내지 약 450℃일 수 있다.
또한, 상기 공기의 압력은 약 1psi 내지 약 145psi일 수 있고, 예를 들어, 약 5psi 내지 약 60psi일 수 있다.
또한, 상기 공기의 주입 속도는 약 1m/s 내지 약 100m/s일 수 있고, 예를 들어, 약 10m/s 내지 약 90m/s일 수 있다.
상기 공기의 온도, 압력 및 주입 속도가 동시에 전술한 범위를 만족함으로써 상기 열가소성 용융 수지 분사액으로부터 최종 형성하고자 하는 미세한 크기의 열가소성 수지 입자가 제조될 수 있고, 균일한 입도 분포를 갖도록 제조될 수 있다.
상기 분사 노즐의 직경은 약 0.5mm 내지 약 10mm일 수 있고, 예를 들어, 약 1mm 내지 약 5mm일 수 있다. 상기 분사 노즐의 직경이 상기 범위를 만족함으로써 전술한 범위의 입경을 갖는 열가소성 수지 입자가 용이하게 제조될 수 있으며, 입자를 토출하는 공정의 효율성이 향상될 수 있다.
상기 열가소성 수지 분사액은 상기 분사 노즐을 통하여 약 -30℃ 내지 약 30℃의 쿨링 챔버 내에 분사됨으로써 분사와 동시에 냉각될 수 있다. 이와 같은 온도 범위의 쿨링 챔버를 이용해 분사와 동시에 냉각시킴으로써 전술한 범위의 입경을 갖는 열가소성 수지 입자가 고른 입도 분포로 제조될 수 있고, 입자의 포집 효율이 향상될 수 있다.
이로써, 상기 약 1㎛ 내지 약 50㎛의 입경을 갖는 열가소성 수지 입자가 토출될 수 있다.
상기 열가소성 복합재의 제조방법은 제조된 상기 열가소성 수지 입자와 입자상 난연제를 건식 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 열가소성 수지 입자가 1㎛ 내지 50㎛의 입경을 갖는 미세한 크기로 제조됨으로써 상기 입자상 난연제와 건식 혼합에 의해 고르게 혼합되는 이점을 얻을 수 있다.
예를 들어, 펠렛(pellet) 형상과 같이 입자 크기가 비교적 크고 형상이 일정치 못한 열가소성 수지와 난연제를 혼합하기 위해서는 용융 혼련의 방식을 사용해야 한다. 또한, 이러한 용융 혼련의 방식을 위해서는 혼화성을 높이기 위한 여러 첨가제들이 필요하게 된다. 용융 혼련 방식에 필수적으로 사용되는 용매는 재사용이나 폐기를 위해 회수 공정이 반드시 뒤따라야 하며, 가격이 고가이고, 소량 잔류할 경우 인체 및 환경에 유해한 문제가 있다.
상기 열가소성 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 열가소성 수지 입자와 입자상 난연제는 용매 또는 첨가제를 전혀 사용하지 않는 건식 혼합에 의하여 혼합되는 것으로서, 이러한 방법으로도 고르게 혼합될 수 있으며 친환경적이고, 비용 및 시간의 절감 효과를 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제는 볼-밀(ball-mill) 방식을 사용하여 혼합될 수 있다.
이와 같이 건식으로 혼합된 열가소성 수지 입자 및 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된다. 이때, 상기 섬유 구조체 내부에 이들을 함침시키는 구체적인 방법은 혼합된 열가소성 수지 입자와 입자상 난연제를 상기 섬유 구조체 상에 분산시켜 상기 섬유 구조체의 망구조 사이 사이로 들어가도록 하는 것이다.
이로써, 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체와 그 내부에 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제가 함침된 구조인 열가소성 복합재가 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 열가소성 복합재의 열-압착물을 포함하는 패널을 제공한다.
상기 열가소성 복합재는 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제를 포함하고, 상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 구조를 갖는 것으로서, 상기 패널은 이를 열-압착하여 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 복합재의 열-압착물은 약 1ton 내지 약 7ton의 압력 및 약 180℃ 내지 약 220℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다. 상기 열가소성 복합재가 상기 범위의 압력 및 온도 조건 하에서 열-압착됨으로써 상기 섬유 구조체가 적절히 압착되고, 상기 열가소성 수지 입자가 충분히 용융되어 상기 섬유 구조체의 섬유들 사이에서 결착재 역할을 우수하게 수행할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 복합재의 열-압착은 상기 범위의 압력 및 온도 조건 하에서 약 20분 내지 약 30분 동안 수행될 수 있다. 이로써, 상기 열가소성 수지 입자의 결착 성능을 구현하면서, 동시에 상기 입자상 난연제의 난연 물성을 손상시키지 않을 수 있다.
상기 패널은 건축, 차량 및 필터 등의 다양한 용도에 활용이 가능하며, 상기 열가소성 복합재로부터 제조됨으로써 전면적에 걸쳐 균일한 난연 물성 및 내구성을 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
단면의 평균 직경이 10㎛ 내지 20㎛인 유리 섬유를 이용하여 능직 직조 구조를 갖는 유리 섬유 직조 시트를 제조한 후, 이들을 각각 7층 직교 적층하여 망구조의 섬유 구조체를 제조하였다.
입자의 최대 크기가 3mm인 펠렛(pellet) 형상의 폴리프로필렌 수지 원료를 압출기에 투입하였고, 상기 폴리프로필렌 수지 원료를 온도가 250℃인 분사 노즐로 이동시켜 폴리프로필렌 용융 수지 분사액을 제조하였다. 이어서, 상기 폴리프로필렌 용융 수지 분사액을 직경이 1mm이고, 압력이 140psi인 분사 노즐에 공기와 함께 주입하였다. 상기 공기의 온도는 400℃이고, 압력은 600psi이며, 주입 속도는 35m/s이었다. 상기 프로필렌 용융 수지 분사액은 25℃의 쿨링 챔버 내에 분사하여, 분사와 동시에 냉각시킴으로써 입경이 약 10㎛인 프로필렌 수지 입자로 제조되었다.
이어서, 제조된 상기 프로필렌 수지 입자 100 중량부에 대하여, 입자상 난연제로서 입경이 2㎛ 내지 3㎛이고, 비중이 1.35인 인질소계 복합 난연제를 30 중량부 볼-밀(ball-mill) 방식으로 건식 혼합하였다.
상기 혼합된 프로필렌 수지 입자 및 입자상 난연제를 상기 망구조의 섬유 구조체 상에 분산시켜 상기 망구조 사이 사이에 들어가도록 함침시켜 열가소성 복합재를 제조하였다.
실시예 2
입자상 난연제로서 입경이 5㎛ 내지 10㎛이고, 비중이 1.8인 인계 난연제를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 열가소성 복합재를 제조하였다.
비교예 1
입자의 최대 크기가 3mm인 펠렛(pellet) 형상의 폴리프로필렌 수지 원료를 냉동 분쇄하여 입경이 50㎛를 초과하는 폴리프로필렌 수지 입자를 열가소성 수지 입자로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 열가소성 복합재를 제조하였다.
<평가>
상기 실시예 1-2 및 비교예 1의 열가소성 복합재를 각각 180℃ 내지 220℃의 온도 및 1ton 내지 7ton의 압력 하에서, 20분 내지 30분 동안 열-압착하여 패널을 제조하였다. 이어서, 상기 패널에 대해 하기와 같이 물성을 평가하였다.
실험예 1: 난연성 평가
상기 실시예 1-2 및 비교예 1의 열가소성 복합재로부터 제조된 상기 패널에 대하여, 125mm×13mm×20mm (길이×폭×두께)의 바(bar) 형상의 시편을 마련하였다. 이어서, 각각의 시편의 길이 방향의 일 말단을 클램프로 고정하고, 고정된 시편의 하단에 탈지면을 깔아두었다. 이어서, 하기 기재된 UL 94 V Test 규격 테스트 (Vertical Burning Test)의 방법으로 난연성을 평가하였고, 하기 표 1에 기재된 평가 기준에 따라 난연 등급을 평가한 결과를 표 2에 기재하였다.
< UL 94 V Test 규격 테스트>
1. 20mm 길이의 불꽃을 10초간 시편에 1차 접염 후, 시편의 연소 시간 t1을 측정하였고, 연소 양상을 기록하였다.
2. 1차 접염 후 연소가 종료되면, 다시 10초간 2차 접염 후 시편의 연소시간 t2 및 불똥이 맺힌 시간(glowing time) t3를 측정하였고, 연소 양상을 기록하였다.
3. t1, t2 및 t3의 연소 시간과 연소 양상(클램프까지 연소 여부, 적하에 의한 탈지면 발화 여부)을 판단하여 하기 기준에 의거해 등급을 산출하였다. 이때, '클램프까지 연소 여부'의 각각의 시편이 모두 연소되어 클램프까지 연소되는지 여부를 의미하며, '적하에 의한 탈지면의 발화 여부'는 각각의 시편이 클램프까지 모두 연소되어 불꽃이 하단에 깔아둔 탈지면에 적하되어 발화되는지 여부를 의미한다.
등급(grade) V-0 V-1 V-2
개별연소시간(t1 또는 t2) ≤10초 ≤30초 ≤30초
전체연소시간(t1 + t2) ≤50초 ≤250초 ≤250초
2차 접염 후 연소 및 불똥이 맺힌 시간(t2 + t3) ≤30초 ≤60초 ≤60초
클램프(125mm)까지 연소 여부 × × ×
적하에 의한 탈지면 발화 여부 × × ○
난연성 평가
실시예 1 V-1
실시예 2 V-2
비교예 1 등급 외(out of grade)
상기 표 2의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1 및 실시예 2의 열가소성 복합재를 열-압착하여 제조된 패널은 상기 비교예 1의 열가소성 복합재를 열-압착하여 제조된 패널에 비하여 우수한 난연성을 나타내는 것을 알 수 있다.
100: 열가소성 복합재
10: 섬유 구조체
11: 섬유 직조 시트
20: 열가소성 수지 입자
30: 입자상 난연제

Claims (18)

  1. 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체; 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자; 및 입자상 난연제를 포함하고,
    상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 함침된 구조인 열가소성 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 직조 시트는 주자직, 능직 또는 평직의 직조 구조를 갖는
    열가소성 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 망구조의 섬유 구조체는 적어도 2층의 상기 섬유 직조 시트가 교호 적층, 등방향 적층, 직교 적층, 비대칭 직교 적층 또는 비대칭 적층된 구조를 갖는
    열가소성 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 직조 시트는 유리 섬유, 세라크울(cerakwool) 섬유, 미네랄 섬유, 카본 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    열가소성 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 직조 시트의 섬유는 단면의 평균 직경이 5㎛ 내지 20㎛인
    열가소성 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자 및 상기 입자상 난연제는 상기 섬유 구조체 내부에 건식 함침된
    열가소성 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리디메틸실록산(PDMS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 내충격 폴리스티렌(High Impact Polystyrene, HIPS), 폴리락트산(PLA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    열가소성 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 입자상 난연제는 입경이 1㎛ 내지 10㎛인
    열가소성 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입자상 난연제는 비중이 1 내지 3인
    열가소성 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 입자상 난연제는 인계 난연제, 질소계 난연제 또는 인질소계 난연제를 포함하는
    열가소성 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자 100 중량부에 대하여 상기 입자상 난연제 20 내지 30 중량부를 포함하는
    열가소성 복합재.
  12. 적어도 1층의 섬유 직조 시트를 포함하는 망구조의 섬유 구조체를 제조하는 단계;
    입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 제조하는 단계;
    상기 열가소성 수지 입자와 입자상 난연제를 건식 혼합하는 단계; 및
    혼합된 상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제를 상기 섬유 구조체 내부에 함침시키는 단계를 포함하는
    열가소성 복합재의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 제조하는 단계는,
    열가소성 수지를 압출기에 투입하는 단계;
    상기 열가소성 수지로부터 열가소성 용융 수지 분사액을 형성하는 단계; 및
    상기 열가소성 용융 수지 분사액을 분사 노즐로 분사하면서 동시에 냉각시켜 입경(particle diameter)이 1㎛ 내지 50㎛인 열가소성 수지 입자를 얻는 단계를 포함하는
    열가소성 복합재의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열가소성 수지로부터 열가소성 용융 수지 분사액을 형성하는 단계는,
    상기 열가소성 수지를 분사 노즐로 이동시키는 단계; 및
    상기 열가소성 수지가 분사 노즐에서 가열되어 열가소성 용융 수지 분사액이 형성되는 단계를 포함하는
    열가소성 복합재의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 열가소성 용융 수지 분사액은 상기 분사 노즐에 공기와 함께 주입되는
    열가소성 복합재의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제를 건식 혼합하는 단계는 볼-밀(ball-mill) 방식으로 혼합하는 단계인
    열가소성 복합재의 제조방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 섬유 구조체 내부에 혼합된 상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제를 함침시키는 단계는, 상기 열가소성 수지 입자와 상기 입자상 난연제를 상기 섬유 구조체 상에 분산시켜 상기 섬유 구조체의 망구조 사이 사이로 들어가도록 하는 단계인
    열가소성 복합재의 제조방법.
  18. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 열가소성 복합재의 열-압착물을 포함하는 패널.
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