KR20180050463A - 직접 예열 방식을 사용하는 성형품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리프로필렌 기포지; 반제품(A); 핫멜트필름; 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름; 및 반제품(B)를 적층한 적층기재를 준비하는 단계; 상기 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이로 이송하여 예열하는 단계; 및 상기 예열된 적층기재를 성형 및 트리밍하는 단계를 포함하는 성형품의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 성형품은 열팽창성 발포캡슐을 포함함으로써, 제조된 성형품의 흡음률을 높이고 우수한 물성을 갖는 효과를 갖는다.

Description

직접 예열 방식을 사용하는 성형품의 제조방법 {preparing method for product using direct heat method}
본 발명은 직접 예열 방식을 사용하여 성형품을 제조하는 방법 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것으로서, 상기 성형품은 자동차용 부재로 사용된다.
최근 원유 고갈에 대한 우려감으로 대체에너지의 개발과 심각한 환경오염의 예방에 국가적 운명을 걸고 있다. 이에 따라 자동차 산업에서도 자동차의 연비개선과 환경오염의 주 원인인 배기가스 절감을 목적으로 경량화가 추진되면서 금속을 대체하는 물질로서 고분자 복합재료의 사용이 급증하는 추세이다. 지금까지 자동차 내장재용 복합소재로는 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 열가소성 올레핀(TPO, thermoplastic olefin) 등과 같은 고분자 물질에 보강소재로서 유리섬유, 탄소섬유 등으로 강화시킨 고내열성/고강성 복합재료 또는 불포화 폴리에스테르계(PET) 수지 및 열가소성 고분자의 고무화를 통한 열경화성 복합재료 등의 재료들이 금속을 초월하는 성능을 가지고 있어 다양한 용도에 사용되어지고 있다.
그러나 이러한 FRP(fiber reinforced plastic)는 내충격성과 파괴인성 등의 물성면이 만족스럽지 못하였고, 재료 변형 시 허용될 수 있는 변형의 폭이 작음과 동시에 재활용이 불가능하여 치명적인 환경오염의 문제점을 포함하고 있다.
종래 자동차 내장용 헤드라이너의 소재로 사용되어지는 것으로는 레진펠트(resin felt), 페이퍼보드(paper board), 유리 섬유(glass fiber), 천연 섬유 강화 보드, 우드화이버(Wood Fiber) 경질 폴리우레탄, 골판지 등이 있다.
한편, 수지 발포체는, 소재나 형성된 기포의 상태 등을 변화시킴으로써, 차열성, 단열성, 차음성, 흡음성, 방진성, 경량화 등의 모든 성능을 발현시킬 수 있기 때문에 여러 가지 용도로 이용되고 있다. 이와 같은 수지 발포체로서는, 예를 들어, 화학 발포제를 발포시킴으로써 얻어지는 발포 폴리우레탄, 발포 폴리프로필렌, 발포 폴리에스테르, 발포 폴리염화비닐 등의 발포 수지의 표면에, 폴리염화비닐이나 올레핀계 열가소성 엘라스토머 등으로 이루어지는 수지 시트나, 이와 같은 수지 시트에 패브릭 등을 표피재로 하여 부착한 복합 성형체로 이루어지는 쿠션재 등이 이용되고 있다. 또한 최근에는 표피재를 부착한 것이 아니라, 화학 발포제를 함유하는 열가소성 엘라스토머와 표피용 수지를 캐비티 무브법에 의해 사출 성형함으로써 얻어지는 표피 부착 발포체에 대해서도 제안되어 있다.
그러나, 가열 분해된 화학 발포제는 불가피하게 분해 가스와 동시에 발포 잔류물을 발생시켜, 성형체에 남은 잔류물이 성형체의 접착 성능에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 화학 발포제를 사용하면, 전부 독립 기포는 되지 않고, 불가피하게 연속 기포가 되는 부분이 발생하여 기밀성이 매우 높은 발포 성형체를 얻기 어려운 문제점이 있다.
독립 기포가 되지 않는 이유로서, 수지의 점도가 지나치게 낮기 때문에 분해 가스의 발포력이, 수지의 용융장력을 초과하여 수지의 셀 벽이 파괴되는 것이 원인이다.
이에 대해, 화학 발포제 대신에 열팽창성 마이크로 캡슐을 사용하여 발포 성형체를 제조하는 것이 시도되고 있다.
한편, 자동차 부재를 제조하는 방법에 있어서, 종래에는 소재를 세라믹 오븐을 이용하여 간접적으로 가열하고 소재가 어느 정도 유연성을 가지게 되면 그 후에 필요한 형상을 가지도록 성형을 수행하는 것이 일반적이다.
그러나, 이러한 방식은 세라믹 오븐을 이용하여 간접적으로 소재를 가열하기 때문에, 소재가 성형을 위해 충분한 유연성을 가지기까지 약 80초 내지 120초 정도가 소요되고, 그로 인해 제품의 생산성이 저하된다는 문제점이 발생한다.
한국등록특허 제10-1619977호
본 발명의 목적은, 현재 자동차 제조 업체 등에서 요구하고 있는 환경친화성 및 경량화를 실현할 수 있을 뿐만 아니라 가격 경쟁력을 확보할 수 있고, 치수 안정성, 성형성 및 양산성이 양호한, 열팽창성 마이크로 캡슐을 포함하는 발포필름을 적용한 자동차용 부재 또는 자동차용 소재의 제조 시, 제조 시간을 단축시킬 수 있고 그로 인해 생산성이 보다 향상될 수 있는 직접 예열 방식의 성형품 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1양태는
(a) 폴리프로필렌 기포지;
제1 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트(제4층); 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품(A);
핫멜트필름(제3층);
열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름(제2층); 및
제2 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트(제1층); 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품(B)을 적층한 적층기재를 준비하는 단계;
(b) 상기 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이로 이송하여 예열하는 단계; 및
(c) 상기 예열된 적층기재를 성형 및 트리밍하는 단계;
를 포함하는 성형품의 제조방법을 제공한다(도 2 참조).
본 발명의 제2양태는 상기 제1양태에 따라 제조된 성형품을 제공한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
1. 폴리프로필렌 기포지, 반제품(A), 핫멜트필름 , 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름 및 반제품(B)를 적층하여 적층기재를 준비하는 단계
본 발명의 성형품은 폴리프로필렌 기포지, 별도로 제조된 반제품(A), 핫멜트필름, 발포 필름, 및 별도로 제조된 반제품(B)을 적층한 적층기재를, 직접적인 예열, 성형 및 트리밍하는 공정을 거쳐서 제조된다.
본 발명은 성형품을 제조하는데 있어서 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름을 반제품(A) 또는 반제품(B)와 별도로 제작된 후에 적층함으로써, 발포 필름을 폴리에스테르 부직포, 열가소성 고분자 등과 함께 적층한 적층체를 니들링(needling)하여 섬유로 재직하여 반제품으로 함께 제작하는 경우와 비교하여, 발포 필름이 니들링 공정을 거치지 않음으로 인해 발포필름에 포함된 열팽창성 발포캡슐이 더 높은 비율로 발포되는 장점을 가진다.
본 발명의 발포 필름은 니들링 공정을 거치지 않음으로 인해 열팽창성 발포캡슐의 우수한 발포성을 나타내며, 그로 인해 발포층이 두꺼워져 다층기재의 굴곡강도가 상승하게 되며, 다층기재 또는 성형품의 흡음률이 보다 우수해 진다.
구체적으로, 본 발명의 발포캡슐은 니들링 공정을 거치지 않음으로 인해서 니들링 공정을 거치는 것과 비교하여 20~40% 정도 발포 정도가 증가한다.
본 발명의 발포 필름은, 열팽창성 발포캡슐 분말을 천연 기재 도포시 분말 비산에 의한 손실(Loss) 발생 문제점을 개선하기 위해서 열팽창성 발포캡슐, 열가소성 우레탄 수지 접착제, 경화제 및 용매를 함유하는 도포액을 기재 상에 도포한 후 발포캡슐 함유 도포액을 건조시켜 제조된 필름이다.
일 실시형태에서, 본 발명에 따른 발포 필름의 제조 방법은
열팽창성 발포캡슐, 열가소성 우레탄 수지 접착제, 경화제 및 용매를 함유하는 도포액을 준비하는 제1단계;
상기 발포캡슐 함유 도포액을 기재 상에 도포하는 제2단계; 및
상기 기재 상에서 발포캡슐 함유 도포액을 건조시키는 제3단계
를 포함할 수 있다.
상기 열팽창성 발포캡슐은 연화 가능한 열가소성 고분자 함유 캡슐 내에 액상형 탄화수소가 수용되어 있고, 발포캡슐 내 액상형 탄화수소를 기화시키는 온도로 가열하면, 액상형 탄화수소의 기화에 의해 캡슐이 팽창되어 중공 풍선 형태의 발포캡슐이 각각 독립된 기포를 형성하는 것이 특징이다(도 1 참조).
상기 연화 가능한 열가소성 고분자의 비제한적인 예로는 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, α-클로르아크릴로니트릴, α-에톡시아크릴로니트릴, 푸마로니트릴 공중합체 또는 이들의 임의의 혼합물 등을 들 수 있다. 바람직하게는 아크릴로니트릴 또는 메타크릴로니트릴 공중합체일 수 있다.
상기 연화 가능한 열가소성 고분자로서 니트릴계 공중합체를 포함함으로써 열팽창성 발포캡슐의 내열성을 우수하게 할 수 있으며, 높은 성형 온도에서 고발포 배율로 발포 성형을 실시할 수 있게 된다.
또한, 발포캡슐의 코어(core)에 포함되는 액상형 탄화수소의 비제한적인 예로는 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로펜, 메틸부탄, n-부탄, 이소부탄, 부텐, 이소부텐, n-펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄, n-헥산, 헵탄, 이소옥탄, 석유 에테르 등의 저분자량 탄화수소; CCl3F, CCl2F2, CClF3, CClF2-CClF2 등의 클로로플루오로카본; 테트라메틸실란, 트리메틸에틸실란, 트리메틸이소프로필실란, 트리메틸-n-프로필실란 등의 테트라알킬실란 등의 휘발성 탄화수소가 가능하다. 이들은 각각 단독으로 이용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다. 바람직하게는 상기 액상형 탄화수소는 이소옥탄 또는 메틸부탄일 수 있다.
발포캡슐은 코어(core)에 액상형 탄화수소를 포함함으로써 성형시의 고온, 고전단 조건하에서도 열팽창성 발포캡슐이 쉽게 파괴되지 않아서, 우수한 내열성을 가질 수 있다.
발포캡슐은 일 실시형태에서 아크릴로니트릴 공중합체, 메틸부탄, 실리카 및 물을 포함할 수 있으며, 다른 일 실시형태에서는 아크릴로니트릴 공중합체, 이소옥탄 및 물을 포함할 수 있다.
열팽창성 발포캡슐에 있어서, 코어의 함유량은 발포캡슐의 전체 중량 기준으로 10 중량％ 내지 25 중량％ 일 수 있다. 발포캡슐의 구성에 있어서, 셀의 두께는 코어의 함유량에 의해 변화하지만, 코어의 함유량을 줄여 셀이 지나치게 두꺼워지면 발포 성능이 저하되고, 코어의 함유량을 많게 하면 셀의 강도가 저하되는 문제가 생긴다. 상기 코어의 함유량을 10 중량% 내지 25 중량％로 했을 경우, 열팽창성 발포캡슐의 붕괴 방지와 발포 성능 향상을 양립시킬 수 있게 된다.
한편, "액상형 탄화수소를 기화시키는 온도"는 액상형 탄화수소가 열팽창을 시작하는 온도 또는 그 이상일 수 있으며, 바람직하게는 액상형 탄화수소의 비점 또는 그 이상일 수 있다.
상기 연화가능한 열가소성 고분자는 240℃를 초과하면 상기 연화가능한 열가소성 고분자로 된 캡슐 입자가 파괴될 수 있으므로, 액상형 탄화수소를 기화시키는 온도는 160~240℃인 것이 바람직하다. 또한, 액상형 탄화수소의 비점도 160~240℃인 것이 바람직하다. 따라서, 액상형 탄화수소는 160℃에서 발포를 시작하여, 240℃ 일 때 최대로 팽창할 수 있는 것이 바람직하다.
최대로 팽창할 수 있는 최대 발포 온도는, 열팽창성 발포캡슐을 상온에서부터 가열하면서 그 직경을 측정했을 때, 열팽창성 발포캡슐의 직경이 최대가 되었을 때(최대 변위량)의 온도를 의미한다.
본 발명에서 열팽창성 발포캡슐은 액상형 탄화수소의 발포 온도 이상에서 코어(core)에 있는 액상형 탄화수소가 기화 및 팽창을 하는 동시에 연화가능한 열가소성 고분자가 포함된 셀(shell)이 연화하는 것에 의해서 코어 및 셀로 구성된 발포캡슐이 급격하게 팽창하여 중공 풍선 형태가 될 수 있다(도 1 참조). 즉, 중공 풍선 형태의 발포캡슐이 각각 독립된 기포를 형성할 수 있다.
본 발명은 열팽창성 발포캡슐 함유 도포액에서 매트릭스 수지 겸 열가소성 우레탄 수지를 접착제로 사용하는 것이 특징이다.
열가소성 접착제로서 우레탄 수지는 접착력이 강하며 반응 시 부생성물을 발생시키지 않는 장점을 가진다. 또한, 상온에서도 경화할 수 있어서 필름 제조의 생산속도를 향상시키며 원가를 절감하는 효과를 가지며, 내충격성이 강한 반면에 유연성이 우수하여 유기 용제에 잘 녹으며 2차적인 성형을 가능하게 한다.
특히 폴리우레탄 수지는, 함께 사용되는 이소시아네이트와 폴리올 등에 대한 선택범위가 넓어 연질에서 경질까지, 엘라스토머에서 폼까지 다양한 형태의 제품설계가 가능하고 인장강도, 인열강도, 신율 내마모성 등의 기계적 강도가 우수하여 자동차 내장재의 매트릭스 수지로 적합하다.
또한 본 발명은 자동차 내장재를 제조하기 위한 방법에 관한 발명으로서, 발포캡슐이 자체적으로 가지고 있는 본연의 물성(예컨대, 적정온도에서의 적정한(최대한의) 발포)을 방해하지 않아야 한다. 유연성이 좋은 열가소성 우레탄 수지는 최소 60℃ 이상에서 다시 가소되어 완전히 부드러워지기 때문에, 발포캡슐을 기재에 배합, 도포, 건조한 후에 발포캡슐을 덮거나 감싸고 있을 수 있는 우레탄 수지들이 열성형 시 발포캡슐 사이 사이로 흘러 들어가거나 완전히 부드러워져서, 발포캡슐이 발포하는데 있어서 방해를 최소화할 수 있다. 또한, 열가소성 우레탄 수지는 강한 접착력을 갖기 때문에, 발포캡슐이 발포한 후 냉각이 되는 경우 피착재(예컨대, 상, 하부의 천연섬유 및 발포된 발포캡슐 등)와의 접착력을 향상시켜 준다.
열가소성 우레탄 수지는 열에 의해 용융 특성이 발휘되는 핫멜트 가공용 열가소성 우레탄 접착제인 것이 바람직하다.
열가소성 우레탄 수지는 25℃에서 점도가 500~10,000 mPa·s(cps), 바람직하게는 6,000~8,000 cps 일 수 있다. 500 mPa·s(cps) 이하의 점도에서는 점도가 낮아서 예컨대, 구동 롤러 사이로 투입시 흘러내리게 되어 양산성이 없으며, 10,000 mPa·s(cps) 이상에서는 점도가 높아서 용매의 과다 투입 및 배합시간 상승으로 생산성이 없는 문제가 있다.
열가소성 우레탄 수지는 연화온도가 60~85℃로, 핫멜트성이 우수한 것이 바람직하다. 상기 연화온도가 너무 낮으면 내열에 약하며 기재에 도포 후 롤링 시 끈적거림(sticky)이 발생할 수 있고, 연화온도가 너무 높으면 챔버의 온도를 높여야 하거나 생산속도를 낮춤으로서 생산 효율성 저하 및 원가 상승의 원인이 된다.
상기 경화제는 말단에 잔존 이소시아네이트(NCO)기와 반응할 수 있는 -OH기를 가지고 있는 경화제인 한 그 종류의 한정은 없다. 경화제는 우레탄 수지와 가교 결합을 통하여 우수한 접착력 및 내열성, 내수성을 나타낼 수 있다. 우레탄 수지가 이소시아네이트기를 말단에 가지고 있어서 수분이나 OH기를 가지고 있는 경화제와 가교반응을 나타낼 수 있으며, 폴리우레탄용 경화제가 바람직하다. 특히, 2액 용제 타입 폴리우레탄용 경화제가 바람직하다. 경화제의 비제한적인 예로는 물, 폴리올, 글리콜, 아민류 등이 있다
경화제의 점도는 25℃에서 500~10,000 mPa·s(cps), 바람직하게는 1,000~4,000 cps 일 수 있다. 경화제의 점도가 너무 낮으면 반응 및 경화 속도가 너무 빨라 배합 후 작업 전 발포캡슐의 침전물이 다량 발생할 수 있으며, 점도가 너무 높으면 우레탄 수지(점도: 500~10,000 mPa·s(cps))와의 혼합이 적절히 이루어질 수 없다.
한편, 발포캡슐 함유 도포액은 발포캡슐 분말과 우레탄 수지 및 경화제를 균일하게 분산 및 건조시키기 위해 용매를 적정량 배합할 수 있다.
용매는 발포캡슐 함유 도포액 내 성분들을 녹이거나 서로 혼합시킬 수 있는 유기화합물인 한 그 종류의 제한은 없다.
용매는 발포캡슐 함유 도포액 내에서 성분들을 녹이거나 서로 혼합시키는 역할을 하며, 비점이 40℃~160℃ 사이의 유기화합물인 한 종류의 제한은 없으나 예컨대 알코올, 벤젠, 에테르 등과 잘 섞일 수 있는 것이 바람직하다. 용매의 비점이 너무 낮으면 휘발이 잘되어 작업조건이 열악(예컨대, 현장 내 심한 냄새 발생)해질 수 있으며, 비점이 너무 높으면 휘발이 잘 되지 않아 환경호르몬 등의 유해물질이 잔존할 수 있기 때문에 규제대상이 되며 상업적 조건을 만족하지 못할 수 있다.
용매의 비제한적인 예로는 DMF(Dimethylformamide, 디메틸푸마레이트), MEK(Methyl Ethyl Ketone, 메틸에틸케톤), EA(Ethyl Acetate, 초산에틸), 톨루엔(Toluene), MC(Melamine Cyanurate, 멜라민시아네이트), 또는 상기의 조합 등이 있으며, 비점을 고려하여 휘발성이 너무 낮거나 높지 않은 MEK 또는 EA가 바람직하다.
발포캡슐 함유 도포액을 도포하는 대상인 상기 기재는 필름류 또는 부직포류일 수 있으며, 판상(Sheet)형태일 수 있다.
상기 기재의 비제한적인 예로는 폴리올레핀계(폴리프로필렌+폴리에틸렌) 필름, EVA계 필름, 폴리에스터계 필름, 나일론계 필름이 있다. 상기 기재는 단층 또는 다층일 수 있다. 상기 기재는 향후 공정 시 헤드라인 부직포(Jute)와의 접착성과 강도를 향상시킬 수 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 기재 상에 발포캡슐 함유 도포액을 균일하게 도포하기 위해서 열팽창성 발포캡슐, 열가소성 우레탄 수지 접착제, 경화제 및 용매의 배합비는 6~1 : 1 : 0.1 : 6~2 (중량비)일 수 있다. 바람직하게는, 상기 열팽창성 발포캡슐, 열가소성 우레탄 수지 접착제, 경화제 및 용매는 약 4 : 1 : 0.1 : 4 (중량비)이다. 경화제의 함량은 열가소성 우레탄 수지 접착제의 약 10 중량%인 것이 바람직하다.
발포캡슐 함유 도포액을 배합하는 방법으로, 수작업 또는 스크류 방식이 있다. 또한, 기재 상에 발포캡슐 함유 도포액을 균일하게 도포하기 위해, 나이프 및 나이프롤, 언더롤을 통과시키는 코팅방식과 노즐을 통해 일정량을 스프레드하는 스프레이 방식이 있다.
발포캡슐 도포층의 분말 도포량은 8~240 g/m2, 바람직하게는 50~150 g/㎡ 일 수 있다.
발포캡슐을 도포하기 전 기재 자체의 두께는 40~80μm이며, 발포캡슐을 도포한 후에는 160~ 220 μm이다. 바람직하게는, 기재 자체의 두께는 약 40 μm이며, 발포캡슐을 도포한 후에는 약 160 μm이다.
기재 상에 발포캡슐 함유 도포액을 도포한 후, 60 ~ 100℃의 챔버에서 열 건조시킬 수 있다. 챔버 대신 히팅롤러 또는 히터봉을 사용할 수도 있다.
본 발명의 발포 필름은, 표면에 표피재를 적층함으로써, 복합 성형체로 할 수 있고, 2 차 제품, 3 차 제품으로 가공할 수 있다.
상기 표피재로서는, 레더, 수지 필름, 직포, 부직포 등을 들 수 있다. 또한, 상기 표피재로서, 천연 가죽이나, 돌이나 나무 등으로부터 전사된 요철을 부착한 실리콘 스탬퍼 등을 이용하여, 표면에 피목이나 나뭇결 모양 등의 의장이 실시된 복합 성형체이어도 되고, 또한 그 표면에 골재가 되는 경질 발포층을 형성하여 3 층 구조의 복합 형성체이어도 된다. 또한, 본 발명에 있어서는, 리사이클 등의 관점에서, 발포 성형체로 이루어지는 발포층과 표피재로 이루어지는 표피층은 동계통의 열가소성 엘라스토머로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 열팽창성 발포캡슐은 폴리프로필렌 기포지, 반제품(A), 핫멜트필름, 발포 필름, 및 반제품(B)를 적층하여 예열하는 과정에서 발포되며, 상기 액상형 탄화수소의 발포 온도 이상에서 액상형 탄화수소의 기화 및 팽창에 의해 발포캡슐이 팽창되어 중공 풍선 형태의 발포캡슐이 각각 독립된 기포를 형성한다. 본 발명은 발포캡슐의 발포로 인해 성형품의 흡음률이 좋아지는 장점을 가진다.
반제품(A) 또는 반제품(B)는 도 4에서 도시한 바와 같이, 각각 독립적으로 제1 열가소성 고분자 또는 제2 열가소성 고분자, 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트(제4층 또는 제1층); 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품이다.
천연섬유는, 천연의 생물 또는 광물에서 얻어지는 섬유를 의미하며, 구체적으로 황마(jute), 양마(kenaf), 삼(hemp), 현무암 섬유(basalt), 아마(flax), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플(pineapple), 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen) 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 본 발명의 천연섬유는 황마(jute)일 수 있다.
제1 열가소성 고분자 또는 제2 열가소성 고분자는 가열되는 경우 연화하여 가소성을 나타내며 냉각되는 경우 고화되는 특징을 가진 플라스틱을 모두 포함한다. 또한, 열가소성 수지는 열 용융되면서 천연섬유의 결합제 역할 또는 다른 층간의 접착제 역할을 할 수 있다. 열가소성 수지의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐수지, 초산 비닐 수지, 폴리스티렌, ABS 수지, 아크릴수지 등이 있으나 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌일 수 있다.
상기 제1 열가소성 고분자 또는 제2 열가소성 고분자 대 천연섬유의 중량비는 40:60 내지 60:40일 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 제1 열가소성 고분자 또는 제2 열가소성 고분자 대 천연섬유는 약 50:50일 수 있다. 상기 열가소성 수지 대 천연섬유의 함량비(중량비)가 상기 범위를 벗어나서 열가소성 수지의 비율이 높아지면 원가가 상승하여 경제적이지 못하며, 천연섬유의 비율이 상대적으로 낮아져 성형품의 강도가 약해지는 문제가 발생한다.
반제품(A) 또는 반제품(B)에서, (제1 또는 제2) 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하는 것은 이에 제한되는 것은 아니나, 에어 블로우 믹싱법(air blow mixing)을 사용할 수 있다.
본 발명의 반제품(A) 또는 반제품(B)의 중량은 각각 독립적으로 200~400 g/m2일 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 핫멜트필름 층은 반제품(A)와 발포 필름 사이에 적층되어 층 간의 박리현상을 막아주며 접착층으로서 역할할 수 있다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 적층기재를 준비하는 단계는 폴리프로필렌 기포지 상에 커버 시트를 더 적층한 적층기재를 제공한다.
커버 시트는 폴리우레탄폼 및 표피층으로 구성되며, 표피층은 태피터(taffeta), pvc 시트, 부직포 및 천으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
폴리프로필렌 기포지 상에 커버 시트를 더 적층하여 예열하는 단계를 거치는 경우 폴리프로필렌 기포지는 녹게 되며 접착제로서 역할한다.
2. 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이로 이송하여 예열하는 단계
예열하는 단계는 적층기재를 이송하는데 공지된 컨베이어 장치 또는 시스템을 사용할 수 있다.
일 실시형태에서 컨베이어 장치를 사용하는 경우, 컨베이어 장치의 이송 레일 상부에 적층기재를 탑재시킨 후, 자동화 공정에 의하여 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이에 위치시키게 된다. 이때, 상부 열판 및 하부 열판이 상승 또는 하강하여 적층기재가 상부 열판 및 하부 열판과 접촉하게 된다.
상기 컨베이어 장치 또는 시스템은 공지된 장치이며, 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이에 위치시킬 수 있는 구성이면 이에 제한이 없다.
적층기재가 상부 열판 및 하부 열판과 접촉하는 경우, 상부 열판과 하부 열판 사이의 간격은 적층기재의 두께에 따라서 조절될 수 있으며, 간격 조절의 방법에는 제한이 없다. 예컨대, 승강 실린더에 의해서 하부 열판이 승강 또는 하강된다.
하부 열판의 상부측에 적층기재가 탑재된 후 두 열판 사이의 간격 조절에 의해 적층기재의 상부측이 상부 열판에 접촉된 후, 적층기재의 상부측은 상부 열판에 의해 그리고 적층기재의 하부측은 하부 열판에 의해 일정 온도 범위에서 예열된다.
상부 열판 및 하부 열판의 온도 범위는 170~260 ℃인 것이 바람직하다. 상부 열판 및 하부 열판에 따른 적층기재의 예열 온도가 170 ℃ 미만인 경우에는 성형품 제조에 적합한 성형성 미확보에 따른 형상 구현 및 강성 미확보에 대한 문제가 발생하게 되며, 그로 인해 조립성이 저하되고 강성 미확보에 따른 처짐 현상이 발생한다. 또한, 예열 온도가 260 ℃를 초과하는 경우에는 적층기재의 과도한 예열에 따른 적층기재 내부의 셀(cell) 파괴 현상으로 인해 강성 저하가 발생되며, 그로 인해 성형품의 내구성이 저하되는 문제가 발생된다.
또한, 예열하는 단계에서 예열 시간은 30~90초인 것이 바람직하다. 적층기재의 예열 시간이 30초 미만인 경우에는 적합한 성형성 미확보에 따른 형상 구현 및 강성 미확보에 대한 문제가 발생하게 되며, 그로 인해 조립성이 저하되고 강성 미확보에 따른 처짐 현상이 발생된다. 또한, 예열 시간이 90초를 초과하는 경우에는 적층기재의 과도한 예열에 따른 적층기재 내부의 셀(cell) 파괴 현상으로 인해 강성 저하가 발생되며, 그로 인해 성형품의 내구성이 저하되는 문제가 발생된다.
적층기재가 상부 열판 및 하부 열판과 접촉하는 경우, 상부 열판과 하부 열판의 사이의 간격은 적층기재의 두께에 따라 변경되며, 적층기재 두께의 +5mm 이내인 것이 바람직하다.
상기 상부 열판과 하부 열판의 사이의 간격이 적층기재의 두께보다 +5mm를 초과하는 경우에는 적층기재의 열전달력이 약하여 필요한 성형성을 획득하는데 요구되는 예열 시간의 증가하게 되며, 하층 기재의 화재가 발생 할 수 있다. 또한, 상층 기재도 열전달력이 약하여 발포캡슐의 발포가 덜 일어날 수 있다. 한편, 상기 상부 열판과 하부 열판의 사이의 간격이 초기 적층된 적층기재의 두께보다 얇은 경우에는 적층기재에 과도한 열전달로 인하여 적층기재의 연소(burning) 현상이 발생될 뿐만 아니라, 셀(cell) 파괴 및 성형성이 결여되는 문제가 발생된다.
본 발명에 따라 폴리프로필렌 기포지, 반제품(A), 핫멜트필름, 발포 필름, 및 반제품(B)이 적층된 적층기재를 예열하는 경우, 발포 필름에 포함된 발포캡슐의 발포와 함께 폴리프로필렌 기포지, 반제품(A)의 열가소성 고분자, 핫멜트 층, 발포 캡슐을 포함하는 발포 필름, 및 반제품(B)의 열가소성 고분자가 열 용융되면서 일체화될 수 있다.
일 실시형태에서, 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 본 발명의 성형품을 사용하여 자동차용 헤드라이너를 제조하는 경우, 헤드라이너의 총 중량을 800g/m2 이하로 감소시킬 수 있다. 또한, 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 본 발명의 성형품을 사용하여 자동차용 헤드라이너를 제조하는 경우 발포캡슐의 발포 전·후의 직경 변화는 3~4배 정도이며, 체적의 변화는 40~80배 정도일 수 있다.
3. 성형 및 트리밍하는 단계
본 발명은 예열하는 단계를 거친 후 성형 및 트리밍하는 단계 전에, 도 3에 도시한 바와 같이 폴리프로필렌 기포지 상에 커버 시트를 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예열하는 단계 전에 폴리프로필렌 기포지 상에 커버 시트를 적층하여 함께 예열하는 경우에는 열에 의해 커버 시트가 손상되는 문제가 발생한다.
반면, 예열하는 단계를 거친 후에 폴리프로필렌 기포지 상에 커버 시트를 적층하는 경우에는, 예열하는 단계에서 폴리프로필렌 기포지가 녹으므로 폴리프로필렌 기포지가 접착제로서 역할하여 커버 시트와 접착하게 된다.
커버 시트는 폴리우레탄폼 및 표피층으로 구성되며, 표피층은 태피터(taffeta), PVC 시트, 부직포 및 천으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
예열된 적층기재는 성형 및 트리밍하는 단계를 통해서 성형품으로 제조되며, 바람직하게는 온도 5~40 ℃에서 15~70초 동안 냉각 성형된다. 성형된 적층기재는 트리밍 작업을 통해서 불필요한 부분이 제거되어 마감 처리된다.
상기 냉각 성형 시간은 냉각 온도에 따라서 조절될 수 있다. 상기 온도 범위에서 성형시간을 15초 미만으로 하게 되면 열가소성 수지의 고화가 덜 일어나게 되어 변형이 생길 수 있으며, 70초를 초과하게 되면 공정 사이클 타임이 길어져 생산량이 줄어든다.
본 발명은 폴리프로필렌 기포지; 제1 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트(제4층); 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품(A);
핫멜트필름(제3층);
열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름(제2층); 및
제2 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트(제1층); 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품(B)을 적층한 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이로 이송하여 예열, 성형 및 트리밍하여 제조된 성형품을 제공한다(도 2 참조).
본 발명의 제조방법으로 제조된 성형품은 자동차용 부재로 사용될 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는, 도어 트림, 백쉐프판넬(back shelf panel), 인스툴먼트 패널 (인패널) 등의 내장재 성형체, 범퍼 등의 보디재 등을 들 수 있다. 또한, 구두창 등에 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 성형품은 자동차용 헤드라이너일 수 있다.
다른 실시형태에서, 적층한 적층기재를 열판을 통해 직접 예열한 후에, 적층한 적층기재의 적어도 하나의 표면에 커버 시트를 더 적층한 후 냉각 성형하여 성형품을 형성할 수 있으며, 상기 성형품은 팩케이지 트레이(package tray), 도어 트림(door trim), 백쉐프판넬(back shelf panel), 헤드라이너(headliner), 시이트백판넬(seat back panel) 등과 같은 자동차용 내장재일 수 있다.
성형품에서 열팽창성 발포캡슐이 도포된 발포 필름의 두께는 1~5mm일 수 있으며, 일 실시형태에서 두께는 2.5mm일 수 있다.
본 발명에 따른 성형품은 열가소성 고분자 및 천연섬유를 함유하는 층을 포함함으로써, 열가소성 고분자 소재들이 갖는 낮은 내열성으로 인한 자동차 내장재로서의 한계성을 극복할 수 있으며, 우수한 고흡음성, 내구성과 경량성을 가지며 재활용할 수 있는 효과를 가진 성형품의 제조방법을 제공한다. 또한, 천연섬유를 이용함으로써 친환경적인 성형품을 제공할 뿐만 아니라, 원가 절감의 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 성형품은 열가소성 고분자 및 천연섬유를 포함하는 층 사이에 별도의 층으로서 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름을 포함하고 발포 필름이 니들링 공정을 거치지 않음으로써, 발포캡슐을 더 높은 비율로 발포시키며, 그로 인해 성형품의 흡음률을 높이며 발포층이 두꺼워져 다층기재의 굴곡강도가 상승하게 되는 효과를 갖는다.
나아가, 기존의 세라믹 오븐을 이용한 간접 예열 방식이 아닌 상부 열판 및 하부 열판을 이용한 직접 예열 방식을 사용하여 적층기재를 예열함으로써, 예열 시간을 단축시키면서도 우수한 품질을 획득할 수 있고, 그로 인해 원가 절감 및 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
즉, 직접 예열 방식은 오븐을 사용한 간접 예열 방식에 비해서 열 전달이 잘 되어 열 가소성 수지가 많이 녹을 수 있으며, 그로 인해 열 가소성 수지의 고화가 잘 일어나 강성이 보다 더 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에서 사용된 열팽창성 발포캡슐의 발포 형태를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 반제품(B), 발포캡슐을 포함하는 발포 필름(제2층), 핫멜트필름(제3층), 반제품(A) 및 폴리프로필렌 기포지를 적층 성형하여 제조된 성형품의 구조를 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 반제품(B), 발포캡슐을 포함하는 발포 필름(제2층), 핫멜트필름(제3층), 반제품(A), 폴리프로필렌 기포지 및 커버 시트를 적층 성형하여 제조된 성형품의 구조를 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 반제품(A)을 제조하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 성형품을 제조하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 발포캡슐 도포 필름의 제조
㈜동진쎄미켐에서 구입한 발포캡슐 분말, 열가소성 우레탄 접착제(제품명: CA-7085K 또는 7004), 2액 용제 타입의 폴리우레탄 경화제(NEOFORCE CL®-100), 및 에틸아세테이트를 약 4 : 1 : 0.1 : 4의 중량 배합비로, 에어 믹싱기를 사용하여 고르게 섞어 발포캡슐 함유 도포액을 준비하였다.
20m의 챔버에서 상기 준비된 발포캡슐 함유 도포액을 40㎛ 두께의 3층 구조 폴리프로필렌(PP)필름(DCF-F) 상에 도포하였다. 이때 일정두께 및 중량을 맞추기 위해 나이프롤러와 언더 롤러와의 간격을 150 ㎛로 조절한 후 상기 도포액을 코팅기 전면부 보드에 부었다. 폭 조절을 위한 가이드 설비를 부착하였다. 75℃ 오븐에서 12m/분의 레일 속도로 건조 후, 발포캡슐 도포층의 두께는 150 ㎛이고, 발포캡슐 도포층의 도포량은 90g/㎡ 이었다.
2. 반제품 A 및 B 제작
폴리프로필렌 및 황마(jute)를 50:50 중량비로 혼합(air blow mixing)하여 1차(횡방향) 및 2차(종방향) 카딩 작업을 하였다. 카딩 작업 이후 폴리에스테르 부직포를 투입하여 같이 니들링(Needling)을 하여 380 g/m2의 섬유를 재직하였다. 상기 니들링된 섬유들을 240의 열 롤러와 냉각 롤러를 차례로 통과시키고 스크림(Scrim)하여 반제품(A)와 반제품(B)를 각각 제작하였다.
3. 최종 제품 제작
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 반제품(B), 발포캡슐을 포함하는 발포 필름, 핫멜트필름, 반제품(A), 및 폴리프로필렌 기포지를 적층한 후, 적층한 적층기재를 240℃의 상부 열판 및 하부 열판 사이로 이동시켜 접촉시킨 후 70초 동안 예열하였다. 예열 과정에서 발포필름에 포함된 발포 캡슐이 팽창되고 폴리프로필렌 기포지가 녹았다. 예열된 적층기재의 폴리프로필렌 기포지 상에 커버 시트(폴리우레탄 연질폼 및 태피터((주)정산인터내셔널에서 구입)를 적층하고, 냉각금형으로 이동시켜 15℃에서 약 60초 동안 성형한 후, 트리밍 공정을 통해 성형품을 제조하였다.
실험예 1. 최종 제품의 물성 검사
상기 실시예에서 제조된 최종 제품을 사용하여 중량, 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
TEST 중량(g/m2) 굴곡강도(kgf/5cm) 굴곡탄성율(kgf/cm2)
GMW 14838 spec 700 ~ 1,000 3 4,980
최종제품 806 5.3 5,387
상기 최종제품의 중량, 굴곡강도 및 굴곡탄성률의 측정은 ASTM 방법을 사용하였고, 시편 사이즈는 120mm(L) x 25mm(W), support span은 시편 두께의 16배, Test 속도는 5mm/min로 하였다.
물성 검사 결과, 최종제품의 중량이 약 806 g/m2로 경량화되었으며, 굴곡강도 및 굴곡탄성율 검사에 있어서 GMW 14838 spec에 비하여 보다 더 우수한 수치를 나타내었다.

Claims (16)

  1. (a) 폴리프로필렌 기포지;
    제1 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트; 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품(A);
    핫멜트필름;
    열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름; 및
    제2 열가소성 고분자 및 천연섬유를 혼합하고, 횡방향 및 종방향 카딩 작업을 통해 엉킨 파이버를 풀어 파이버들을 서로 혼합하여 연속적인 웹(web)이 형성된 시트; 및 폴리에스테르 부직포를 적층한 적층체를 니들링하여 섬유를 재직하고, 열롤러와 냉각롤러를 통과시켜 스크림(Scrim)된 반제품(B)을 적층한 적층기재를 준비하는 단계;
    (b) 상기 적층기재를 상부 열판 및 하부 열판 사이로 이송하여 예열하는 단계; 및
    (c) 상기 예열된 적층기재를 성형 및 트리밍하는 단계;
    를 포함하는 성형품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 열판 및 하부 열판의 온도는 170 ~ 260 ℃인 것인, 성형품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 예열하는 단계에서 예열 시간은 30~90초인 것인, 성형품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예열하는 단계와 성형 및 트리밍하는 단계 사이에 반제품(A) 상에 커버 시트를 적층하는 단계를 더 포함하는 것인, 성형품의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 커버 시트는 폴리우레탄폼 및 표피층으로 구성되며,
    상기 표피층은 태피터(taffeta), 폴리염화비닐(pvc, polyvinyl chloride) 시트, 부직포 및 천으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 성형품의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 및 천연섬유의 혼합은 에어 블로우 믹싱법(air blow mixing)을 사용하는 것인, 성형품의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 성형품은 자동차용 부재인 것인, 성형품의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 성형품은 자동차용 헤드라이너인 것인, 성형품의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 성형품은 흡음용 내장재인 것인, 성형품의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열팽창성 발포캡슐을 포함하는 발포 필름은 열팽창성 발포캡슐, 열가소성 우레탄 수지 접착제, 경화제 및 용매를 함유하는 도포액을 기재상에 도포한 후 발포캡슐 함유 도포액을 건조시켜 제조된 것인 성형품의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열팽창성 발포 캡슐, 열가소성 우레탄 수지 접착제, 경화제 및 용매의 중량비가 6~1 : 1 : 0.1 : 6~2인 성형품의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 용매는 DMF(Dimethylformamide), MEK(Methyl ethyl ketone), EA(Ethyl acetate), 톨루엔(Toluene), MC(Melamine cyanurate) 또는 그의 혼합물인 성형품의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 고분자 및 제2 열가소성 고분자는 각각 독립적으로 폴리프로필렌(polypropylene)인 것인 성형품의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    반제품 (A)의 천연섬유 및 반제품 (B)의 천연섬유는 각각 독립적으로 황마(jute), 양마(kenaf), 삼(hemp), 현무암 섬유(basalt), 아마(flax), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플(pineapple), 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen) 또는 이들의 혼합물인 것인 성형품의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    반제품 (A) 및 반제품 (B)에서, 상기 제1 열가소성 수지 또는 제2 열가소성 수지 대 천연섬유의 중량비는 각각 독립적으로 40:60 내지 60:40인 것인 성형품의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따라 제조된 성형품.


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