KR20180068731A - 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법 - Google Patents

자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법 Download PDF

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하주영
이준호
김지윤
이명진
김민경
김상룡
김경민
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호신섬유 (주)
다이텍연구원
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Abstract

본 발명은 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법을 제공하는 것으로, 보다 상세하게는 케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 준비하는 단계(S1); 상기 케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 합사하는 단계(S2); 상기 합사된 합연사의 표면을 코팅하는 단계(S3); 및 상기 코팅된 합연사를 사출기를 이용해 펠렛화하는 단계(S4)를 포함하는 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법에 의해 제조된 펠렛은 사출성형을 통해 자동차 내장재로 제조될 수 있다.

Description

자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법{A manufacturing method of kenaf composite materials for interior product of motor vehicles}
본 발명은 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법에 관한 것이다.
자동차산업은 폭넓은 산업 연관효과를 유발시키는 대표적인 산업구조 고도화 산업으로, 최근에는 기후변화협약과 환경규제 강화에 의해 자동차 산업에서도 친환경 특성을 가진 복합소재의 개발이 활발해지고 있다. 자동차분야에 대한 적극적인 재활용율에 대한 환경규제로 인해 EU에서는 2015년까지 95% 수준의 재활용 수준을 달성하지 못할 경우 자동차 판매가 불가능하여, 천연섬유와 같은 환경 친화성 자원을 이용한 첨단 신소재 개발을 통한 원천적인 해결책이 시급히 요구되고 있다.
자동차 산업에서는 친환경 특성을 가진 소재의 사용과 연비향상을 위한 경량화 연구가 적극적으로 진행되고 있는 가운데(국내 공개특허 제2007-0120504호), 응용분야가 차량 내외장재로 확대되면 매년 50% 이상의 시장규모 성장이 예상되고 있다. 특히 유럽의 경우 자동차 부품용 복합재료에 사용되는 천연섬유는 2000년 28,000톤에서 지속적으로 성장하며 100,000톤 이상의 규모로 폭발적인 수요 증가가 예상된다.
자동차에 사용되는 플라스틱 소재는 CO2 배출을 저감시킬 수 있는 경량화 소재로서 (무게 1% 감소는 연비의 약 0.5% 증가를 가져옴) 기술개발이 앞선 유럽의 경우 고분자소재의 사용비중을 18% 수준까지 끌어올렸으며, 국내 완성차 기업들도 그 비중을 15% 이상으로 향상시키는 것을 목표로 삼고 있다.
독일의 다임러 벤츠사의 환경 친화형 자동차는 코코넛, 삼, 아마, 황마 등 식물성 섬유를 이용하여 범용 플라스틱 고분자와의 복합재료 제조를 통해 자동차 문, 덮개, 의자 뒤쪽 라이닝, 의자 바닥, 등받이 쿠션, 머리받침, 마루바닥 패널 등에 적용하였다.
이와 같이, 세계 각국마다 환경문제에 대한 인식이 증가하고 규제가 강화됨에 따라 환경친화적인 소재를 산업에 적용시키기 위한 연구들이 활발히 수행되고 있다.
상기 환경 친화적인 소재 중 하나로 주목받고 있는 천연섬유는 제조 후 토양이나 바다 쓰레기 매립지 등에 완전히 생분해되어 자연에 흡수되어 식물의 에너지원으로 재생산 할 수 있다는 장점을 가지고 있고, 따라서 천연섬유 복합재료가 적용된 자동차용 부품이 차지하는 환경적인 위치와 장점은 매우 크다고 할 수 있다. 특히 자연에서 생분해성이 가능한 천연섬유 및 분말은 재생산이 가능하고, 최종제품으로 제조하는데 있어 기존의 유리섬유보다 낮은 에너지가 소모되어 낮은 CO2 발생량을 가지며, 사용 후 자연환경에 매립하게 되면 생분해되어 자연환경 속으로 흡수되어 재생산하기 위한 에너지를 공급해 주는 역할이 가능하고, 지구상에서 탄소를 저장 할 수 있는 탄소 저장고 역할을 수행한다.
또한 천연섬유를 자동차 내장재로 적용할 경우, 천연섬유 및 분말의 지속적인 공급과 재생산이 가능하고, 사용 후 재활용이 가능하여 생산비용을 절약할 수 있으며, 기존의 유리섬유에 비해 10～30% 정도의 무게 절감이 가능하여 연료효율 향상 가능하고, 지속적인 원료공급이 가능하여 세계의 많은 지역에 자동차 내장부품소재의 공장건설이 가능하므로 장비 및 고용 창출효과가 크며, 환경친화적인 재료의 사용으로 수출시 환경 부담금 절감과 같은 경제적인 장점을 가져, 기존의 유리섬유를 충분히 대처할 만한 경제적 가치가 있음을 인식할 수 있다.
종래 자동차 내장부품소재로 사용되는 polyolefin계 수지는 물성이 우수한 장점이 있지만 사용 후 폐기 시 분해되지 않아 다양한 환경오염 문제를 일으키고 있고, 이러한 문제는 재활용으로 인해 어느 정도 극복할 수 있지만 현재 플라스틱의 재활용 비율은 매우 낮은 실정이다.
자동차 발생하는 폐플라스틱의 처리비용을 보면 매립 시 80,000/kg, 소각 시 150,000원/kg 정도 소요되고 있으며, 현재 자동차 생산량이 매년 증가하고 있는 실정이므로 폐플라스틱의 발생량 또한 매년 증가하고 있어 증가된 폐플라스틱을 처리하기 위해서는 매립지의 증가와 소각 시 발생하는 유해 물질로 인하여 환경오염의 문제가 지속적으로 발생하고 있고, 앞으로도 자동차 폐기물 처리로 인한 환경오염의 문제가 증가 될 것으로 예상해 볼 수 있으므로 자동차 내장소재에 적용 될 수 있는 환경 친화형 소재의 개발이 무엇보다 중요함을 알 수 있다.
한편, 천연소재인 케나프(Kenaf, 양마(洋麻))는 서부 아프리카 원산의 무궁화과 1년생 초본식물로, 공기 중의 이산화탄소 흡수 능력이 높고, 유용한 셀룰로오스(cellulose) 성분을 많이 포함하고 있으며, 또한 성장이 빨라 반년에 3∼4m까지 자라는 식물자원으로서 기대되는 소재이다. 케나프의 줄기는 그 구조로서 껍질부분과 코어(내부, 외부)로 나눌 수 있으며, 껍질부분은 셀룰로오스 함유율이 높고, 길고 강한 섬유를 얻을 수 있는데, 이 때문에 케나프 섬유는 오래전부터 의류, 가방, 로프 등으로 이용되고 있으며, 코어 부분은 펄프(pulp) 대체재료, 흡수제 등으로 사용되고 있다.
케냐프의 물에서 섬유화 제조 과정은 케나프의 재배 및 수확 후 인피부분을 분리하여 인피를 팽윤시키기 위한 레팅 공정을 거치며(섬유화 했을 때 강도나 외관변화에 많은 영향을 주는 공정), 불순물을 제거하기 위한 정련 및 표백 공정이 진행되어짐. 정련을 마친 소재는 소면과 방적을 통해 섬유형태의 소재가 만들어지게 된다.
천연섬유 복합재료는 그 원료를 폐자원 (목재 폐잔재, 소경목, 간벌재와 같은 목질원료와 농산 부산물로부터 유래하는 왕겨 또는 왕겨분말, MDF 가공 시 발생하는 MDF 가공부산물 분말, 탄닌분말 등)에서 쉽게 얻을 수 있을 뿐 만 아니라 비교적 용이하게 복합화하여 재생처리가 가능하다는 점을 들 수 있으며 이들 플라스틱과 목질 원료를 대량으로 이용할 수 있는 기술의 개발과 보급은 부족한 목질자원의 문제를 동시에 해결할 수 있는 아주 중요한 의미를 가진다.
기존의 무기질 원료와는 달리 자연에서 유래한 물질을 강화충전제로 사용하여 복합재를 제조하는 것은 저가이며, 독성이 없고, 폐자원의 재활용 및 특유의 생분해성으로 인해 환경오염에 미치는 영향을 최소화 할 수 있으며, 천연섬유 복합재료에 사용되는 천연물은 장차 다가오는 미래에 큰 문제로 대두될 환경문제를 해결하는데 여러 장점을 가지고 있어 현재 유럽, 미국에서는 자동차와 건축 산업에 실제로 사용되고 있다.
천연섬유는 크게 원료물질에 따라 식물성 섬유와 동물성 섬유로 구분되며, 식물성 천연섬유는 주로 셀룰로오스 성분으로 이루어져 있으며, 동물성 천연 섬유는 단백질 성분이 주된 성분이다. 식물성 천연섬유는 값이 싸고 쉽게 얻을 수 있고 농업이 지속되는 한 고갈되지 않는 장점이 있으며, 동물성 천연섬유는 원료 수급에 제한이 따르며 처리 비용이 높아 식물성계에 비하면 상대적으로 경제성이 떨어져 일반적으로 바이오 복합재료에는 식물성 천연섬유를 복합소재를 주로 사용한다.
현재 이용되거나 연구되고 있는 천연섬유 복합재료의 대부분은 현재 고분자 산업에서 가장 많이 이용되는 polyolefin (PP, PE, PS)계 고분자에 천연섬유를 첨가하여 건축용 deck재로 사용되어 이용되고 있으며 또한 구조용재, 포장용재로써나 자동차 내장재로 실제적으로 사용하거나 개발 중에 있다.
천연섬유 복합재료의 제조는 크게 부직포식법(Nonwoven Web Process)과 용융 혼련법(Melt Blending Process)로 분류되며, 이 중 용융 혼련법으로 제조된 천연섬유-플라스틱 복합재료에 관한 연구가 가장 활발하게 진행되고 있는데 이는 기존 플라스틱 산업에서 이용되고 있는 가공 기술을 그대로 접목하면서 기존의 탄산칼슘(CaCO3), 활석(Talc), 백토(Clay) 등의 대체 가능성이 타진된 바 있고, 이러한 천연섬유가 합성수지의 강화충전제로 사용됨으로써 환경적인 측면에서 볼 때도 상당한 가능성을 보여주고 있기 때문이다. 또한 강화충전제로 천연섬유를 사용함으로써 얻어지는 장점으로 최종제품의 밀도를 낮출 수 있고 가공기계의 마모성을 줄일 수 있으며 가격이 저렴하다는 점이 있고, 반면에 단점으로는 극성을 지닌 리그노셀룰로오스계 원료와 비극성을 지닌 열가소성 고분자 및 생분해성 고분자간의 비상용성(incompatibility), 수분에 대한 비저항성 및 내후성의 열등성 등이 있다.
용융 혼련법(Melt Blending Process)에 의한 천연섬유 복합재료의 제조공정은 앞서 언급한 바와 같이 기존의 플라스틱 제조공정을 그대로 이용 할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 크게 Single-screw Extruder를 이용하는 방법과 Twin-screw Extruder를 이용하는 두 가지 방법으로 나누어 볼 수 있다.
Single-screw Extruder를 이용하는 방법에 비해 Twin-screw Extruder를 이용하는 방법으로 제조 시 천연섬유의 분산이 비교적 잘 이루어져 최종제품의 물성이 증가할 수 있는 장점이 있으나, 천연섬유 복합재료 제조시 제조온도가 높아 상대적으로 낮은 열안정성을 나타내는 천연섬유가 탄화되는 문제점이 발생 하고 있다.
그럼에도 불구하고 용융 혼련법(Melt Blending Process)은 제조공정이 빠르고 다양한 제품으로서의 적용이 가능하다는 이유로 천연섬유 복합재료의 적용을 증가시키기 위해 많은 연구들이 수행되고 있다.
천연섬유의 함량이 높아지면 성형성이 떨어져 제품 형상이 단순한 제품군에 한정되어 Stamping 성형을 통한 적용이 대부분이지만, 사출성형을 통해 제품 성형이 가능할 경우 생산성, 가격 경쟁력, 디자인 자유도 등에서 큰 장점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 기술상의 필요성을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명자들은 본 발명의 방법을 통해 제조된 케냐프 복합 소재가 자동차 내장재용으로 사용되기에 적합하다는 것을 확인하고 이에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이에, 본 발명의 목적은 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법을 제공한다:
케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 준비하는 단계(S1);
상기 케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 합사하는 단계(S2);
상기 합사된 합연사의 표면을 코팅하는 단계(S3); 및
상기 코팅된 합연사를 사출기를 이용해 펠렛화하는 단계(S4).
본 발명의 일구현예로서, 상기 케냐프 섬유는 섬도(Denier)가 1400 내지 1600 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예로서, 상기 폴리프로필렌 섬유는 섬도(Denier)가 1900 내지 2100 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 구현예로서, 상기 합연사는 섬도(Denier)가 3400 내지 3600 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 구현예로서, S3 단계의 코팅은 수용성 아크릴 코팅제로 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 자동차 내장용 케나프 복합소재를 제공하는 것으로, 일반적으로 천연섬유 복합소재의 제조에 활용되는 용융압출 과정을 거치지 않음으로써 케나프의 열화를 최소화할 수 있고, 케나프 섬유와 PP 섬유의 합사 제조를 통해 케나프 섬유의 함량이 50wt%이면서 섬유의 길이를 최대로 유지하는 고충전형 캐냐프 복합소재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법을 도식적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 합연 과정을 촬영한 사진을 나타낸 도면이다.
도 3은 1차 합연사의 단면(위) 및 2차 합연사의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 kenaf 해연 및 노즐 제작의 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명자들은, 케나프 소재가 다량 포함된 복합소재를 제조하고자 예의 연구한 결과, 케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 합사한 후, 표면을 코팅하고, 이를 펠렛화한 후, 이를 사출성형할 경우 우수한 성능을 가지는 자동자 내장재로 활용될 수 있다는 것을 확인하고, 이에 기초하여 본 발명을 완성하였다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 하기 단계를 포함하는 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법을 제공한다:
케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 준비하는 단계(S1);
상기 케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 합사하는 단계(S2);
상기 합사된 합연사의 표면을 코팅하는 단계(S3); 및
상기 코팅된 합연사를 사출기를 이용해 펠렛화하는 단계(S4).
본 발명의 일구현예로, 상기 케냐프 섬유는 섬도(Denier)가 1400 내지 1600 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1450 내지 1550일 수 있고, 상기 섬도가 1400 미만일 경우 케냐프 소재의 양이 부족하여 경량화가 충분하지 않을 수 있고, 1600을 초과할 경우 합연사의 두께가 너무 굵어 후가공 공정이 어려울 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 폴리프로필렌 섬유는 섬도(Denier)가 1900 내지 2100 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1950 내지 2050일 수 있고, 상기 섬도가 1900 미만일 경우 폴리프로필렌 소재의 양이 부족하여 사출시 가공이 어려울 수 있고, 2100을 초과할 경우 합연사의 두께가 너무 굵어 후가공 공정이 어려울 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 합연사는 섬도(Denier)가 3400 내지 3600 인 것이 바람직하다. 상기 섬도가 3400 미만일 경우 펠렛의 크기가 작아 사출시 가공이 어려울 수 있고, 3600을 초과할 경우 합연사의 두께가 너무 굵어 후가공 공정이 어려울 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, S3 단계의 코팅은 수용성 아크릴 코팅제로 수행되는 것일 수 있으며, 상기 코팅 용액으로 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해서 제조된 자동차 내장재를 제공할 수 있다. 상기 자동차 내장재는 바람직하게는 자동차 도어트림 센터패널일 수 있으나, 케냐프 소재가 포함된 복합 소재가 사용될 수 있는 분야라면 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1. 케냐프 및 폴리프로필렌 합연 공정
본 발명은 도 1에 나타낸 것과 같이, 1500D 및 2000D 케냐프 2000D 폴리프로필렌 섬유의 복합사를 제조하였다. 합연 과정은 도 2에 나타내었다. 상기 합연을 위한 노즐은 ITY 노즐을 이용하였다. 일반적인 노즐을 이용하여 케나프 섬유를 해연해주었으나, 끊어짐이 발생하였다. 이에, 도 4에 나타낸 것과 같이, 공기 입사각도 15도, 30도 노즐을 제작하여 사용하였으나, kenaf/PP 간의 무게 차이로 인해 PP가 먼저 앞으로 날아가 버리는 현상이 발생하였으므로, 공기 입사각도 7도의 노즐을 제작하여 슬라이버 kenaf를 이용한 복합사를 제작하였다. 합연에 사용한 기기는 Interlacing m/c였다.
실시예 2. 표면 코팅 공정
상기 합사된 합연사의 사진을 도 2에 나타내었다. 합연사를 수용성 Acrlic 코팅제를 이용하여 표면을 코팅해주었다.
2000D 케나프를 사용한 합연사를 1차 합연사로, 1500D 케나프를 사용한 합연사를 2차 합연사로 하였다. 상기 합연사의 섬도는 각각 4000D, 3500D으로 나타났다. 이에 상기 합연사의 단면을 잘라 확인한 결과(도 3), 2차 합연사의 단면이 보다 후가공에 유리한 배열을 가지고 있음을 확인하였다. 상기 합연사를 이용하여 core-3, shell-12 총 15합으로 52,500D 급 합연사 제작하였다. 상기 합연사의 직경은 2.5~3mm 직경(예상)였다.
실시예 3. 펠렛화 및 사출 공정
상기 52,500D 급 합연사를 절단하여 10mm 길이의 펠렛으로 제작하였다. 상기 펠렛을 사출성형기(플라스틱 시편제조장치)를 통해 성형한 결과, 케냐프의 열화가 최소화되었으며, 무게가 가벼움을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. 하기 단계를 포함하는 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법:
    케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 준비하는 단계(S1);
    상기 케냐프 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 합사하는 단계(S2);
    상기 합사된 합연사의 표면을 코팅하는 단계(S3); 및
    상기 코팅된 합연사를 사출기를 이용해 펠렛화하는 단계(S4).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케냐프 섬유는 섬도(Denier)가 1400 내지 1600 인 것을 특징으로 하는, 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 섬유는 섬도(Denier)가 1900 내지 2100 인 것을 특징으로 하는, 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 합연사는 섬도(Denier)가 3400 내지 3600 인 것을 특징으로 하는, 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 S3 단계의 코팅은 수용성 아크릴 코팅제로 수행되는 것을 특징으로 하는, 자동차 내장재용 케냐프 복합 소재의 제조방법.
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CN109353093A (zh) * 2018-10-31 2019-02-19 厦门瑭鑫汽车零部件有限公司 一种隔音吸音隔热防火复合材料
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