KR20180119284A - 고강도 경량 복합소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 경량 복합소재에 관한 발명으로, 자동차용 내장재 등에 적용이 가능하도록 무게를 줄이면서도 강도가 우수한 복합소재에 관한 것이다.

Description

고강도 경량 복합소재 및 이의 제조방법{COMPOSITE MATERIAL HAVING EXCELLENT STRENGTH AND LIGHTWEIGHT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고강도 경량 복합소재에 관한 발명으로, 자동차용 내장재 등에 적용이 가능하도록 무게를 줄이면서도 강도가 우수한 복합소재에 관한 것이다.
통상적으로 자동차 내장재는 시트, 보드, 받침대 및 도어 트림 등을 의미하는 것으로, 자동차의 경량화 추세에 따라 자동차 내장재 역시 경량화가 요구되고 있으며, 안정성을 위해서는 경량화 되더라도 높은 강도가 요구된다.
최근 자동차 내장재로 사용되기 위한 복합체에 대하여 다양한 연구가 진행되고 있으며, 폴리프로필렌(PP) 수지에 유리섬유(Glass Fiber) 매트가 강화제로 보강된 판상 형태의 복합소재인 강화 열가소성 플라스틱(Glass fiber Mat reinforced Thermoplastics, GMT) 및 폴리프로필렌(PP)과 유리섬유(Glass Fiber)를 혼합한 저중량 강화 열가소성 플라스틱(low weight reinforced thermoplastics, LWRT) 등이 개발되었다. 그러나 보다 경량화되면서 더욱 인장강도 등의 물성이 개선된 복합소재에 대하여 요구되고 있는 실정이다.
또한 유리섬유의 경우, 성능은 우수하지만 작업자에게 피부질환을 일으키는 등의 문제점이 있기 때문에 유리섬유를 대체할 대체소재 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 고강도 경량 복합소재를 제공하고자 하는 것으로, 유리섬유를 포함하지 않고도 경량화 및 강도가 우수한 복합소재를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 동종소재 대비 신율이 더욱 높고, 가로, 세로 방향의 신율이 동등 유사하므로 성형성이 우수한 복합소재를 제공하고자 한다.
더욱 구체적으로, 전체 적층체의 평량이 500 ~ 1500 g/㎡으로 경량이면서도 ASTM D638에 따라 측정된 인장강도가 600 kgf/㎠ 이상이고, ASTM D790에 따라 측정된 굴곡탄성율이 4,000 kgf/㎠ 이상인 고강도의 물성을 갖는 복합소재를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 사용자의 요구 및 적용 용도에 따라 그 두께를 자유롭게 조절 가능하며, 구체적으로 두께가 0.1 ~ 50mm인 매우 얇은 두께로 제조가 가능하면서, 상기 두께 범위에서도 목적으로 하는 고강도 및 경량을 달성할 수 있는 복합체를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 휘발성 유기화합물을 포함하지 않는 필름접착제를 사용함으로써 작업성이 개선되고, 친환경적이며, 연속적으로 생산이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있는 복합체를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스킨층 및 보강층이 필름접착제에 의해 적층되며,
상기 보강층은 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포가 필름접착제에 의해 적층되고,
전체 적층체의 두께가 0.1 ~ 50mm이고, 평량이 500 ~ 2500 g/㎡인 고강도 경량 복합소재에 관한 것이다.
또한 본 발명은
a) 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포를 준비하고, 각 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포 사이에 필름접착제를 위치시킨 후, 가열하여 일체화된 보강층을 제조하는 단계; 및
b) 스킨층 상에 필름접착제 및 상기 보강층을 적층한 후, 가열하여 일체화된 경량 적층체를 제조하는 단계;
를 포함하는 고강도 경량 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합소재는 매우 경량이면서도 고강도를 발현할 수 있으므로, 자동차용 내장재 등에 적용하기에 적합한 복합소재를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 복합소재는 신율이 우수하고, 기계방향 및 폭방향의 신율이 동등유사 하여 자동차용 내장재를 제조하기 위하여 굴곡이 있는 형태로 성형 시 성형성이 우수한 장점이 있다.
또한 본 발명은 매우 간단하면서도 연속적으로 고강도 경량의 복합소재를 제조할 수 있으므로 제조비용이 절감되며, 생산성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 보강층의 제 1 양태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 보강층의 제 2 양태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 보강층의 제 3 양태를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 복합소재의 일 양태를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 복합소재의 또 다른 양태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 복합소재의 또 다른 양태를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 다층의 부직포를 적층하는 과정에서 액상의 접착제를 사용하는 경우는 접착제에 의한 중량이 증가하고, 또한 접착력이 약하고, 계면 벌어짐 등이 발생하는 문제점을 인식하고 이를 개선하기 위하여 연구한 결과, 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대와 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포를 열압착하여 적층하고, 이때 각 층 사이에 접착제로 필름접착제를 사용함으로써 고경도 및 고강도를 갖는 복합소재를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 고강도 경량 복합소재의 일 양태는, 스킨층 및 보강층이 필름접착제에 의해 적층되며,
상기 보강층은 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포가 필름접착제에 의해 적층되고,
전체 적층체의 두께가 0.1 ~ 50mm이고, 평량이 500 ~ 2500 g/㎡인 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 스킨층 및 보강층을 적층하기 위한 필름접착제의 일면 또는 양면에 평균입경이 0.01 ~ 10 ㎛인 고무입자를 1 ~ 50 g/㎡으로 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 고강도 경량 복합소재는 전체 적층 두께가 1 ~ 2 mm인 범위에서, ASTM D638에 따라 측정된 인장강도가 600 kgf/㎠ 이상이고, 인장신율이 종방향 및 횡방향에서 15% 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 스킨층은 원단 또는 부직포로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 필름접착제는 열가소성 수지로 이루어진 필름형태의 접착제; 또는
탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 강화섬유에, 에폭시 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 필름형태의 접착제;에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 염화폴리프로필렌(CPP), 저밀도폴리에틸렌(LDPE) 및 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 폴리프로필렌 마대는 폴리프로필렌을 압출하여 제조된 연신사(yarn)를 원단으로 직조한 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 폴리프로필렌은 ASTM D1505에 따른 밀도가 0.5 ~ 1.0 g/㎤이고, ASTM D1238에 따라 230℃, 2.16 Kg에서 측정된 용융지수가 2 ~ 5 g/10분이고, ASTM D638에 따른 신율이 500 ~ 600%이고, 인장강도가 300 ~ 500 kgf/㎠인 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 보강층은 최외층이 상기 폴리프로필렌 마대로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 보강층은 폴리프로필렌 마대, 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 필름접착제, 폴리에스테르 부직포, 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 필름접착제 및 폴리프로필렌 마대가 순차적으로 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 일 양태에서, 상기 폴리프로필렌 마대는 평량이 90 ~ 160 g/㎡이고, 폴리에스테르 부직포는 평량이 300 ~ 500 g/㎡인 것일 수 있다.
본 발명 또 다른 양태는 상기 고강도 경량 복합소재를 이용한 언더커버, 도어트림, 리어 셸프 백 패널, 트렁크 플로어, 트렁크 사이드 트림, 사이드 패널 및 백패널에서 선택되는 자동차용 내장재이다.
본 발명 또 다른 양태는 고강도 경량 복합소재의 제조방법에 관한 것으로,
a) 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포를 준비하고, 각 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포 사이에 필름접착제를 위치시킨 후, 가열하여 일체화된 보강층을 제조하는 단계; 및
b) 스킨층 상에 필름접착제 및 상기 보강층을 적층한 후, 가열하여 일체화된 경량 적층체를 제조하는 단계;
를 포함한다.
본 발명의 복합소재 제조방법의 일 양태에서, 상기 b)단계 후, 제단 및 성형하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재 제조방법의 일 양태에서, 상기 a)단계의 폴리프로필렌 마대, 폴리에스테르 부직포, 필름접착제 및 b)단계의 스킨층은 각각 롤러에 권취되었다가 풀려나오면서 적층되며, 상기 a)단계 및 b)단계는 연속적으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재 제조방법의 일 양태에서, 상기 가열은 핫프레스를 이용하여 100 ~ 200 ℃에서 가열압착하는 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재 제조방법의 일 양태에서, 상기 b)단계에서, 필름접착제의 일면 또는 양면에 평균입경이 0.01 ~ 10 ㎛인 고무입자를 1 ~ 50 g/㎡으로 분사한 후 적층하는 것일 수 있다.
이하는 본 발명의 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
(스킨층)
본 발명의 복합소재의 일 양태에서 상기 스킨층은 최외층에서 표면을 이루는 것으로, 자동차 내장재용으로 적용 시 표면으로 노출되어 외관을 이루는 부분인 것일 수 있다.
상기 스킨층은 일반적으로 자동차 내장재에 사용되는 부직포, 원단, 직물, 폴리비닐클로라이드(PVC) 시트 등이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 천연섬유, 합성섬유 및 이들의 혼합섬유로 이루어진 직물 또는 부직포로 이루어지는 것일 수 있다.
보다 구체적으로 예를 들면, 황마, 양마, 아마, 대나무, 모시 및 면 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 천연섬유; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리비닐클로라이드 및 나일론 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합성섬유; 및 천연섬유와 합성섬유를 혼합한 혼합섬유로 이루어진 직물, 마대 형태의 원단 등인 것일 수 있다.
상기 부직포는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합섬유로 이루어진 부직포인 것일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 상기 부직포는 스펀본드 부직포, 스태플 부직포, 멜트블로운 부직포, 니들펀치 부직포 등 제한되지 않는다.
(보강층)
본 발명의 복합소재의 일 양태에서 상기 보강층은 경량이면서 강도를 발현하는 역할을 하는 것으로, 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포가 필름접착제에 의해 접착되어 적층되는 것일 수 있다. 각 층의 부직포는 동일 또는 상이한 것일 수 있다.
상기 보강층에 사용되는 각각의 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포는 서로 동일 또는 상이한 것으로 이루어진 것일 수 있으며, 더욱 좋게는 최외층이 상기 폴리프로필렌 마대로 이루어진 것이 변형이 발생하지 않는 복합소재를 제공할 수 있으므로 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 폴리에스테르 부직포와 이의 양면에 적어도 한 층 이상의 폴리프로필렌 마대가 적층된 제 1 적층체로 이루어진 것일 수 있으며, 또한, 상기 제 1 적층체가 여러 개로 적층된 것일 수 있다. 본 발명은 상기 보강층의 적층 층수 조절이 용이하며, 적용되는 용도 및 사용자의 요구에 따라 다양한 적층구조로 변경이 가능하다. 이를 위해 본 발명은 액상의 접착제를 사용하지 않고 필름접착제를 사용하는데 특징이 있다.
도면을 참고하여 더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명의 보강층(100, 100a, 200)의 제 1 양태는 도 1에서 보는 바와 같이, 폴리에스테르 부직포(10)와 이의 양면에 필름접착제(30a, 30b)에 의해 적층된 폴리프로필렌 마대(20a, 20b)로 이루어진 것일 수 있다. 또한 구체적으로 도시되지 않았지만 상기 폴리에스테르 부직포(10) 및 폴리프로필렌 마대(20a, 20b)는 한층 또는 두층 이상이 적층된 것일 수 있다. 또한, 상기 적층구조는 구체적으로 설명하기 위하여 일 예를 든 것으로 이에 한정되지 않고 변경 가능함은 자명하다.
본 발명의 보강층의 제 2 양태는 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 제 1 양태의 보강층(100)이 다시 필름접착제(30)에 의해 적층된 것일 수 있다. 상기 도 2는 일 양태를 예시한 것일 뿐, 이에 한정되지 않으며 상기 제 1 양태의 보강층(100)이 세층 이상 적층된 것일 수도 있다. 또한, 도시되지 않았지만 도 3과 같이 적층된 보강층(100a)이 다시 필름접착제(30)에 의해 적층된 것일 수 있다.
더욱 구체적으로 상기 보강층은 도 3에 도시된 바와 같이, 폴리프로필렌 마대(20c), 필름접착제(30c), 폴리프로필렌 마대(20a), 필름접착제(30a), 폴리에스테르 부직포(10), 필름접착제(30b), 폴리프로필렌 마대(20b), 필름접착제(30d) 및 폴리프로필렌 마대(20d)가 순차적으로 적층된 것일 수 있다. 도 3에서 보는 바와 같이, 최외층이 상기 폴리프로필렌 마대로 이루어진 것이 변형이 발생하지 않는 복합소재를 제공할 수 있으므로 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 보강층에서 각 층의 개수는 제한되지 않지만 전체 적층체의 두께가 50 mm이하가 되는 범위로 적층되는 것이 자동차용 내장재로 적용하는데 적합할 수 있으므로 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 폴리에스테르 부직포를 포함함으로써 강도가 우수한 복합소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폴리프로필렌 마대는 폴리프로필렌을 압출하여 제조된 연신사(yarn)를 원단으로 직조한 것으로, 원형제직기 등을 이용하여 마대 형태로 직조된 것일 수 있다. 이를 최외층에 사용함으로써 인장강도 및 인장신율이 더욱 우수한 복합소재를 제공할 수 있다. 본 발명의 복합소재의 밀도를 낮추고 경량화를 달성하기 위한 관점에서 상기 폴리프로필렌 마대의 평량은 90 ~ 160 g/㎡인 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 폴리프로필렌 마대의 제조에 사용되는 폴리프로필렌은 연신 및 강도 등이 우수한 호모폴리프로필렌을 사용하는 것일 수 있으며, ASTM D1505에 따른 밀도가 0.5 ~ 1.0 g/㎤이고, ASTM D1238에 따라 230℃, 2.16 Kg에서 측정된 용융지수가 2 ~ 5 g/10분이고, ASTM D638에 따른 신율이 500 ~ 600%이고, 인장강도가 300 ~ 500 kgf/㎠인 것을 사용할 수 있다. 상기 범위에서 복합소재의 인장강도 및 인장신율이 우수하고, 성형성이 더욱 우수한 복합소재를 제공할 수 있으므로 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폴리에스테르 부직포는 스펀본드 부직포, 스태플 부직포, 멜트블로운 부직포, 니들펀치 부직포, 니들 부직포, 니들 케미칼 부직포, 케미칼 부직포 등 제한되지 않는다. 더욱 구체적으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트 부직포인 것일 수 있으며, 평량이 300 ~ 500 g/㎡인 부직포를 사용하여 강도 및 인장강도가 우수한 복합소재를 제공할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
(필름 접착제)
본 발명의 일 양태에서 상기 필름접착제는 보강층에 사용되는 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포의 접착뿐만 아니라, 스킨층과 보강층 간의 접착에도 사용될 수 있다.
본 발명에서는 필름 상태의 접착제를 사용함으로써 적층 구조 변경이 용이한 복합소재를 제조할 수 있다.
상기 필름접착제는 열가소성 수지로 이루어진 필름형태의 접착제; 또는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 강화섬유에, 에폭시 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 필름형태의 접착제;에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 열가소성 수지로는 폴리프로필렌(PP), 염화폴리프로필렌(CPP), 저밀도폴리에틸렌(LDPE) 및 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 등의 열가소성수지라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 가열압착에 의해 접착성을 발현할 수 있도록 부직포로 사용되는 소재와의 접착성 및 부직포에 사용되는 소재의 융점보다 낮은 온도에서 열융착이 가능한 소재라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 특히, 염화폴리프로필렌을 사용하는 경우 접착력이 매우 향상되고 탄성 및 강도가 더욱 향상되는 예상치 못한 효과가 있으므로 더욱 좋다.
또한 강도를 더욱 향상시키기 위한 관점에서 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 강화섬유에, 에폭시 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 필름형태의 접착제를 사용하는 것일 수 있다. 상기 강화섬유에 에폭시 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 필름형태의 접착제의 상업화된 일 양태는 SK케미칼사의 SKYFLEX 시리즈 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
(고무입자)
본 발명의 복합소재는 필요에 따라 상기 스킨층과 보강층의 합지 시 사용되는 필름접착제의 일면 또는 양면에 평균입경이 0.01 ~ 10 ㎛인 고무입자를 1 ~ 50 g/㎡으로 분사하여 적층함으로써 열압착 시 수축을 방지하고, 적층된 복합소재의 충격강도를 더욱 향상시키는 것일 수 있다. 고무입자의 평균입경이 상기 범위를 만족하는 범위에서 표면으로 돌출되지 않고 매끄러운 표면을 가진 복합소재를 제조할 수 있으므로 바람직하며, 고무입자의 함량이 1 ~ 50 g/㎡인 범위로 분사를 함으로써 접착력을 발현함과 동시에 충격강도를 향상시키고, 복합소재의 수축을 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 고무입자는 제한되는 것은 아니나, 메틸 메타크릴레이트-부타다이엔 공중합체, 메틸 메타크릴레이트-부타다이엔-스티렌 공중합체, 메틸 메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타다이엔-스티렌 공중합체, 메틸 메타크릴레이트-아크릴 고무 공중합체, 메틸 메타크릴레이트-아크릴 고무-스티렌 공중합체, 메틸 메타크릴레이트-아크릴/부타다이엔 고무 공중합체, 메틸 메타크릴레이트-아크릴/부타다이엔 고무-스티렌 공중합체, 및 메틸 메타크릴레이트-(아크릴/실리콘 IPN 고무) 공중합체 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 고무입자는 바람직하게는 코어쉘 구조의 고무입자를 사용할 수 있으며, 더 구체적으로 코어와 쉘의 유리 전이 온도가 차이가 있는 코어 쉘 구조의 고무 입자가 사용될 수 있다. 상기 고무 입자는 2층 이상의 복층 구조를 포함하는 코어 쉘 구조의 입자일 수 있고, 3층 이상의 복층 구조를 포함할 수 있으며, 상기 3층 이상의 복층 구조를 포함하는 코어 쉘 구조의 입자인 경우 쉘은 최외피를 의미한다.
이러한 고무입자를 포함함으로써 내충격성 및 굽힘 강도가 더욱 향상되는 복합소재를 제공할 수 있다.
(제조방법)
본 발명의 복합소재를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 복합소재의 제 1 양태는 도 4에 도시된 바와 같이, 스킨층(300) 및 보강층(100)이 필름접착제(30)에 의해 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 제 2 양태는 도 5에 도시된 바와 같이, 다층으로 적층된 보강층(200)이 필름접착제(30)에 의해 스킨층(300)과 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 복합소재의 제 3 양태는 도 6에 도시된 바와 같이, 다층으로 적층된 보강층(100a)이 필름접착제(30)에 의해 스킨층(300)과 적층된 것일 수 있다.
상기 도 4 내지 도 6은 일 양태를 예시한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 복합소재를 제조하는 방법은 먼저, 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포가 필름접착제에 의해 적층된 보강층을 제조한 후, 상기 보강층과 스킨층을 필름접착제를 이용하여 적층시키는 것일 수 있다. 한번에 스킨층과 보강층을 적층시키는 방법을 배제하는 것은 아니나, 적용 대상에 따라 스킨층의 종류가 달라지거나, 보강층의 적층구조가 달라질 수 있으므로, 보강층을 먼저 제조한 후에 스킨층을 적층하는 것이 바람직하다.
상기 보강층의 제조 시, 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포를 준비하고, 각 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포 사이에 필름접착제를 위치시킨 후 가열 압착하여 일체화된 보강층을 제조한다. 상기 가열은 100 ~ 200 ℃에서 10초 내지 10시간 동안 가열압착하는 것일 수 있다. 이 범위로 제한되는 것은 아니나, 상기 범위에서 필름접착제가 용융되거나 경화되면서 부직포와 일체화되기에 적합하다. 더욱 구체적으로 열가소성 수지로 이루어진 필름형태의 접착제를 사용하는 경우는 10초 ~ 10분, 더욱 구체적으로 10초 ~ 5분, 더욱 구체적으로 20 ~ 60초 사이에 가열압착되므로 보다 생산속도가 향상될 수 있다. 또한, 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 강화섬유에, 에폭시 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 필름형태의 접착제를 사용하는 경우는 30분 내지 10시간, 더욱 구체적으로 1시간 내지 8시간, 더욱 구체적으로 2시간 내지 5시간동안 가열압착하는 것일 수 있으며, 기계적인 강도가 더욱 우수한 복합소재를 제공할 수 있다.
이때, 필름접착제는 앞서 설명한 바와 같으며, 각각의 폴리프로필렌 마대, 폴리에스테르 부직포 및 필름접착제는 롤러에 권취되었다가 풀려나오면서 적층되는 것일 수 있으며, 연속적으로 생산이 가능하다.
이때 앞서 설명한 바와 같이 보강층에 사용되는 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포는 동일 또는 상이한 종류를 2 층 이상 적층하는 것일 수 있으며, 구체적으로 예를 들면 폴리프로필렌 마대, 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 필름접착제, 폴리에스테르 부직포, 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 필름접착제 및 폴리프로필렌 마대가 순차적으로 적층되는 것일 수 있다. 이는 인장강도 및 인장신율이 우수한 최적의 양태를 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 롤에 권취되었다가 풀려나오는 스킨층을 상기 보강층 상에 위치시키고, 그 사이에 필름접착제를 위치시킨 후, 가열하여 일체화된 경량 적층체를 제조한다.
이때, 필요에 따라 충격강도, 굽힘 강도를 향상시키고 및 가열압착 시 수축방지를 위하여 스킨층 및 보강층 사이에 적층되는 필름접착제의 일면 또는 양면에 평균입경이 0.01 ~ 10 ㎛인 고무입자를 1 ~ 50 g/㎡으로 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 분사는 스프레이 분사 등 공지의 방법을 이용할 수 있으며, 필름접착제의 접착력을 유지하기 위해서는 고무입자가 뭉치지 않고 고르게 분포되도록 분사하는 것이 바람직하다.
(복합소재의 물성)
본 발명에 따른 복합소재는 전체 적층체의 두께가 0.1 ~ 50 mm, 더욱 구체적으로 0.3 ~ 3.0 mm인 것일 수 있다. 상기 범위에서 다양한 자동차용 내장재 등에 적용이 가능하며, 구체적으로 언더커버, 도어트림, 리어 셸프 백 패널, 트렁크 플로어, 트렁크 사이드 트림, 사이드 패널 및 백패널 등에 적용이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 복합소재는 전체 적층 두께가 상기 범위를 만족하는 범위에서 평량이 500 ~ 2500 g/㎡인 물성을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합소재는 전체 적층 두께가 1 ~ 2 mm인 범위에서, ASTM D638에 따라 측정된 인장강도가 600 kgf/㎠ 이상, 구체적으로 600 ~ 1200 kgf/㎠, 더욱 구체적으로 650 ~ 1000 kgf/㎠인 것일 수 있고, 인장신율이 종방향 및 횡방향에서 15% 이상, 더욱 구체적으로 15 ~ 50%인 것일 수 있다. 특히, 종방향 및 횡방향의 인장신율이 동등 유사하여 성형성이 우수한 특징이 있다.
또한, ASTM D790에 따라 측정된 굴곡탄성율이 4,000 kgf/㎠ 이상, 구체적으로 4,000 ~ 50,000 kgf/㎠, 더욱 구체적으로 5,000 ~ 45,000 kgf/㎠인 물성을 달성할 수 있다.
따라서 본원발명의 복합소재는 경량이면서도 고강도의 복합소재를 제공할 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.
물성을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.
1) 두께 : 샘플의 중앙에서 1cm x 1cm인 부분에 대해 버니어캘리퍼스를 이용하여 두께를 측정하였다.
2) 비중 : ASTM D792에 따라 측정하였다.
3) 인장강도 및 인장신율 : ASTM D638에 따라 측정하였다.
4) 굴곡강도 및 굴곡탄성율 : ASTM D790에 따라 측정하였다.
5) 접착강도 : 접착제층과 부직포층 간의 접착강도를 측정하기 위하여 180도 필테스트를 수행하였다. 시험조건은 150㎏f의 로드셀과 300㎜/분의 속도에서 수행하였다. 박리가 발생하는 경우를 ×, 박리가 발생하지 않으나 접착강도가 낮은 경우를 ○, 박리가 발생하지 않으며 접착강도가 매우 우수한 경우를 ◎로 하였다.
[실시예 1]
폴리프로필렌 연신사(yarn)를 직조한 평량이 150 g/㎡인 폴리프로필렌 마대를 4장 준비하였다. 상기 폴리프로필렌 연신사 제조에 사용된 폴리프로필렌의 물성은 ASTM D1505에 따른 밀도가 0.9 g/㎤이고, ASTM D1238에 따라 230℃, 2.16 Kg에서 측정된 용융지수가 3.5 g/10분이고, ASTM D638에 따른 신율이 500%이고, 인장강도가 350 kgf/㎠인 것을 사용하였다.
또한, 평량이 400 g/㎡인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 부직포를 1장 준비하고, 25 중량%의 염소로 개질된 20 ㎛ 두께의 염화폴리프로필렌 필름접착제를 4장 준비하였다.
폴리프로필렌 마대, 염화폴리프로필렌 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 염화폴리프로필렌 필름접착제, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 부직포, 염화폴리프로필렌 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 염화폴리프로필렌 필름접착제 및 폴리프로필렌 마대 순으로 적층시킨 후, 핫프레스를 이용하여 130 ℃에서 60초 동안 가열 압착하여 보강층을 제조하였다.
이후, 보강층 상에 25 중량%의 염소로 개질된 염화폴리프로필렌 필름접착제및 스킨층으로 평량이 80 g/㎡인 케미칼 부직포(폴리에틸렌 화이버에 아크릴 수지를 함침)를 순차적으로 적층시킨 후, 핫프레스를 이용하여 130 ℃에서 60초 동안 가열 압착하여 스킨층과 보강층이 일체화된 고강도 경량 복합소재를 제조하였다.
제조된 복합소재의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서, 필름접착제로 선형저밀도폴리에틸렌(한화, LLDPE 3120 블로운 필름)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
제조된 복합소재의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
[실시예 3]
상기 실시예 1에서, 고강도 경량 복합소재 제조 시, 보강층 상에 평균입경이 1.4㎛인 코어쉘 구조의 고무입자(다우케미칼, 파라로이드 EXL 2300G)를 20 g/㎡으로 고르게 분사시킨 후, 염화폴리프로필렌 필름접착제 및 스킨층을 순차적으로 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
제조된 복합소재의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
[실시예 4]
실시예 1에서 필름접착제로 에스케이케미칼사의 SKYFLEX_AFPP-013(SKR K51 Resin Matrix)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
제조된 복합소재의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
[실시예 5]
실시예 3에서, 필름접착제로 에스케이케미칼사의 SKYFLEX_AFPP-013(SKR K51 Resin Matrix)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 제조하였다.
제조된 복합소재의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
두께(mm) 1.8 1.8 1.9 1.8 1.9
비중(g/㎤) 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
인장강도
(kgf/㎠)		 696.5 695.0 750.6 738.9 795.3
인장신율(%) MD 17.90 17.85 21.85 19.59 26.42
TD 17.91 17.83 21.84 19.58 26.41
굴곡강도
(kfg/㎠)		 212.1 210.5 301.8 285.2 398.25
굴곡탄성율
(kfg/㎠)		 5144.9 5128.6 10785 8995 25300
접착강도
(㎏f/5㎝)		 ◎ ○ ◎ ◎ ◎
10 : 폴리에스테르 부직포
20a, 20b : 폴리프로필렌 마대
30, 30a, 30b : 필름접착제
100, 100a, 200 : 보강층
300 : 스킨층

Claims (17)

  1. 스킨층 및 보강층이 필름접착제에 의해 적층되며,
    상기 보강층은 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포가 필름접착제에 의해 적층되고,
    전체 적층체의 두께가 0.1 ~ 50mm이고, 평량이 500 ~ 2500 g/㎡인 고강도 경량 복합소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스킨층 및 보강층을 적층하기 위한 필름접착제의 일면 또는 양면에 평균입경이 0.01 ~ 10 ㎛인 고무입자를 1 ~ 50 g/㎡으로 더 포함하는 것인 고강도 경량 복합소재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고강도 경량 복합소재는 전체 적층 두께가 1 ~ 2 mm인 범위에서, ASTM D638에 따라 측정된 인장강도가 600 kgf/㎠ 이상이고, 인장신율이 종방향 및 횡방향에서 15% 이상인 고강도 경량 복합소재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스킨층은 원단 또는 부직포로 이루어진 것인 고강도 경량 복합소재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 필름접착제는 열가소성 수지로 이루어진 필름형태의 접착제; 또는
    탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 강화섬유에, 에폭시 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 필름형태의 접착제;에서 선택되는 것인 고강도 경량 복합소재.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 염화폴리프로필렌(CPP), 저밀도폴리에틸렌(LDPE) 및 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)에서 선택되는 것인 고강도 경량 복합소재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 마대는 폴리프로필렌을 압출하여 제조된 연신사(yarn)를 원단으로 직조한 것인 고강도 경량 복합소재.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌은 ASTM D1505에 따른 밀도가 0.5 ~ 1.0 g/㎤이고, ASTM D1238에 따라 230℃, 2.16 Kg에서 측정된 용융지수가 2 ~ 5 g/10분이고, ASTM D638에 따른 신율이 500 ~ 600%이고, 인장강도가 300 ~ 500 kgf/㎠인 것인 고강도 경량 복합소재.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 보강층은 최외층이 상기 폴리프로필렌 마대로 이루어진 것인 고강도 경량 복합소재.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 보강층은 폴리프로필렌 마대, 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 필름접착제, 폴리에스테르 부직포, 필름접착제, 폴리프로필렌 마대, 필름접착제 및 폴리프로필렌 마대가 순차적으로 적층된 것인 고강도 경량 복합소재.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 마대는 평량이 90 ~ 160 g/㎡이고, 폴리에스테르 부직포는 평량이 300 ~ 500 g/㎡인 것인 고강도 경량 복합소재.
  12. 제 1항 내지 제 11항에서 선택되는 어느 한 항의 고강도 경량 복합소재를 이용한 언더커버, 도어트림, 리어 셸프 백 패널, 트렁크 플로어, 트렁크 사이드 트림, 사이드 패널 및 백패널에서 선택되는 자동차용 내장재.
  13. a) 적어도 두 층 이상의 폴리프로필렌 마대 및 적어도 한 층 이상의 폴리에스테르 부직포를 준비하고, 각 폴리프로필렌 마대 및 폴리에스테르 부직포 사이에 필름접착제를 위치시킨 후, 가열하여 일체화된 보강층을 제조하는 단계; 및
    b) 스킨층 상에 필름접착제 및 상기 보강층을 적층한 후, 가열하여 일체화된 경량 적층체를 제조하는 단계;
    를 포함하는 고강도 경량 복합소재의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 b)단계 후, 제단 및 성형하는 단계를 더 포함하는 고강도 경량 복합소재의 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 a)단계의 폴리프로필렌 마대, 폴리에스테르 부직포, 필름접착제 및 b)단계의 스킨층은 각각 롤러에 권취되었다가 풀려나오면서 적층되며, 상기 a)단계 및 b)단계는 연속적으로 수행되는 것인 고강도 경량 복합소재의 제조방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 가열은 핫프레스를 이용하여 100 ~ 200 ℃에서 가열압착하는 것인 고강도 경량 복합소재의 제조방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 b)단계에서, 필름접착제의 일면 또는 양면에 평균입경이 0.01 ~ 10 ㎛인 고무입자를 1 ~ 50 g/㎡으로 분사한 후 적층하는 것인 고강도 경량 복합소재의 제조방법.
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