KR20180130698A - 장섬유 복합재 - Google Patents

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Abstract

우수한 경량화 및 난연성을 갖는 장섬유 복합재에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 장섬유 복합재로서, 열가소성 수지로 형성된 매트릭스; 상기 매트릭스 내에 단일 방향의 배향성을 갖도록 분산된 장섬유; 및 상기 매트릭스 내에 포함된 비할로겐계 난연제;를 포함하고, 상기 장섬유 복합재는 상기 비할로겐계 난연제로부터 형성된 피막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

장섬유 복합재{LONG FIBER COMPOSITES}
본 발명은 장섬유 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난연제를 포함하는 장섬유 복합재에 관한 것이다.
골프채와 같은 스포츠 레저용 구조물, 자동차 부품, 항공기 등의 여러 분야에서 경량화 및 고강도의 물성을 갖는 섬유 복합재가 사용되고 있다.
섬유 복합재는 수지 및 강화재인 섬유를 이용하여 제조된 복합재를 가리키며, 섬유강화 복합재라고도 불리운다.
열가소성 수지와 섬유를 이용한 복합재는 사출, 압출 등의 다양한 공정을 통해 제조되며, 섬유의 길이, 함량 등을 조절하여 복합재의 기계적 물성을 조절한다. 그러나, 이러한 복합재는 열가소성 수지의 취약한 난연 특성으로 인해, 우수한 경량화 및 난연성을 나타나기에 한계가 있다.
따라서, 우수한 경량화와 난연성을 요구하는 부품에 적용시킬 수 있는 섬유 복합재의 개발이 필요하다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2012-0076325호(2012.07.09.)가 있으며, 상기 문헌에는 장유리 섬유강화 수지복합체 및 그 제종방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 우수한 경량화 및 난연성을 갖는 장섬유 복합재를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장섬유 복합재는 장섬유 복합재로서, 열가소성 수지로 형성된 매트릭스; 상기 매트릭스 내에 단일 방향의 배향성을 갖도록 분산된 장섬유; 및 상기 매트릭스 내에 포함된 난연제;를 포함하고, 상기 장섬유 복합재는 상기 비할로겐계 난연제로부터 형성된 피막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 장섬유 10~60중량부 및 난연제 0.1~10중량부를 포함할 수 있다.
상기 비할로겐계 난연제는 인계 난연제 및 멜라민계 난연제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 장섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 천연 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 장섬유의 평균 길이는 10~50mm일 수 있다.
상기 장섬유의 평균 직경은 15~20㎛일 수 있다.
상기 장섬유 복합재는 비중이 1.0~2.0g/cm3일 수 있다.
상기 장섬유 복합재는 Izod 충격강도가 10~40J/m2일 수 있다.
본 발명에 따른 장섬유 복합재는 비할로겐 난연제를 포함함으로써, 친환경 소재의 장섬유 복합재를 제공할 수 있다. 또한, 비할로겐 난연제 10중량부 이하의 적은 함량으로도 난연성이 우수함과 동시에 저비중의 충격성능이 향상된 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 장섬유 복합재의 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장섬유 복합재에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 장섬유 복합재의 사시도이다.
본 발명에 따른 장섬유 복합재(100)는 열가소성 수지로 형성된 매트릭스(10), 장섬유(20) 및 난연제(미도시)를 포함한다.
장섬유 복합재(100)는 열가소성 수지로 형성된 매트릭스(matrix) 내에 단일 방향의 배향성을 갖도록 분산된 장섬유를 포함하여, 일반적인 열가소성 플라스틱 수지보다 강도가 보강된 소재이다.
복합재의 보강재로는 장섬유 또는 연속섬유를 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 보강재로 장섬유를 사용하였다. 장섬유는 연속섬유에 비해 흐름성이 상대적으로 우수하여 성형성이 우수하고, 리브(lib) 형상, 라운드 형상 등의 복잡한 형상을 가지는 제품에 적용이 용이하다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 장섬유는 매트릭스 내에 단일 방향의 배향성을 갖도록 분산되어 있으며, 이 구조에 의해 동일한 함량의 장섬유를 사용하더라도 보다 우수한 고강도 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 장섬유가 매트릭스의 길이 방향으로 배향된 예를 나타낸 것이고, 다른 예로 장섬유가 매트릭스의 세로 방향으로 배향될 수도 있다.
상기 단일 방향은 특정 장섬유 낱개 하나를 정했을 때, 특정 장섬유와 다른 장섬유가 이루는 각도가 10℃ 이하, 구체적으로는 5℃ 이하인 경우를 포함한다. 육안으로 봤을 때 식별하기 어려운 정도의 오차 범위는 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기 장섬유 복합재는 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 장섬유 10~60중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 20~40중량부를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 함량이 10중량부 미만인 경우, 장섬유 복합재의 강도가 저하될 수 있으며, 60중량부를 초과하는 경우, 복합재의 비중이 증가되어 경량화 효과를 기대하기 어려울 수 있다.
상기 장섬유의 소정의 길이로 절단된 섬유를 가리키며, 평균 길이는 10~50mm일 수 있다. 이 길이 범위에서 장섬유 복합재의 우수한 가공성 및 충격성능을 나타낼 수 있다. 길이가 10mm 미만인 경우, 매트릭스 내에서 단일 방향의 배향성을 갖기 어렵고 장섬유 복합재의 강성이 저하될 수 있다. 반대로, 50mm를 초과하는 경우, 장섬유끼리 얽혀 장섬유의 배향성을 흐트러지게 할 수 있다.
상기 장섬유의 평균 직경은 15~20㎛일 수 있다. 직경이 15㎛ 미만인 경우, 단일 방향의 배향성을 나타내기 어렵다. 반대로, 20㎛를 초과하는 경우, 장섬유 복합재의 가공성이 다소 저하될 수 있다.
상기 장섬유는 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 천연 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 매트릭스를 형성하는 열가소성 수지는 폴리프로필렌계 수지, 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지 및 폴리염화비닐계 수지 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌계 수지를 포함할 수 있고, 상기 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌계 공중합 수지로서 프로필렌-에틸렌 공중합 수지, 프로필렌-부텐 공중합 수지 및 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합 수지를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지가 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 경우, 이를 포함하는 상기 장섬유 복합재가 경량화 효과를 용이하게 확보할 수 있다.
또한, 상기 매트릭스를 형성하는 열가소성 수지는 산화방지제, 활제, 열안정제 등의 첨가제와 더 혼합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 장섬유 복합재는 매트릭스 내에 비할로겐계 난연제(미도시)를 포함한다.
상기 난연제는 인계 난연제 및 멜라민계 난연제 중 1종 이상을 포함하는 비할로겐계 난연제인 것이 바람직하다. 비할로겐계 난연제는 할로겐계 난연제와 비교하여, 우수한 난연성과 동시에 저비중의 충격성능을 나타낸다.
브롬계 난연제, 염소계 난연제 등의 할로겐계 난연제를 적용한 복합재는 난연성이 우수한 장점이 있으나, 환경적인 측면에서 효율적이지 못하고, 비중 증가로 인해 경량화율이 감소되고, 기계적 물성이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명의 인계 난연제 및 멜라민계 난연제 중 1종 이상을 포함하는 비할로겐계 난연제는 할로겐계 난연제와 비교하여, 적은 함량으로도 우수한 난연성을 나타낸다.
예를 들어, 인계 난연제는 열분해에 의해 수지로부터 O, H를 이탈시켜 인산, 메타인산, 폴리메타인산을 생성하고, 이들이 수지의 표면에 보호층을 형성하는데, 예를 들어, 탈수 작용에 의한 차(char) 피막을 형성한다. 상기 차 피막은 상기 열가소성 수지로 형성된 매트릭스 표면에 형성되어, 열(heat)과 산소(O2)를 차단하며 난연성을 부여한다. 또한, 상기 차 피막은 주로 고체상태에서 이러한 효과를 나타내며, 기체상태에서도 H 원자를 H2로 안정화시키는 효과를 제공한다.
상기 멜라민계 난연제는 열이 가해지면 멜라민이 분해되면서 응축되며, 상기 인계 난연제처럼 수지의 표면에 보호층을 형성한다. 난연작용은 주로 흡열반응 과정과 응축상에서의 메커니즘에 기인한다.
상기 차 피막은 대략 0.1~1㎛ 두께로 형성될 수 있다.
인계 난연제는 액상 타입, 분말 타입 또는 결정 타입일 수 있으며, 예를 들어, 모노암모늄포스페이트(APP-1,3,5) 폴리인산암모늄(APP), 인산트리크레실(TCP) 등이 사용될 수 있다.
멜라민 난연제는 액상 타입, 분말 타입 또는 결정 타입일 수 있으며, 예를 들어, 멜라민시아누레이트(MCA), 멜라민-폴리포스페이트, 붕산멜라민 등이 사용될 수 있다.
상기 인계, 멜라민계 난연제 외에 수산화알루미늄, 안티몬계 등의 난연제가 더 포함될 수 있다.
상기 난연제는 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 0.1~10중량부를 포함할 수 있다. 함량이 0.1 미만인 경우, 장섬유 복합재의 난연성을 기대하기 어려울 수 있고, 10중량부를 초과하는 경우, 난연제의 함량이 많아지면서 분산성이 저하되고, 난연성의 효과 없이 장섬유 복합재의 비중만 증가하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 장섬유 복합재는 단일 방향의 배향성을 갖는 장섬유를 포함하여 고강도 특성을 나타낼 수 있다. 특히, 비할로겐계 난연제를 포함하여, 친환경 소재의 장섬유 복합재를 제공할 수 있으며, 10중량부 이하의 적은 함량으로도 우수한 난연성을 나타낼 수 있다.
아울러, 저비중의 충격성능이 향상된 장섬유 복합재는 자동차 부품 및 항공기 분야 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 장섬유 복합재는 비중이 1.0~2.0g/cm3이고, Izod 충격강도가 10~40J/m2일 수 있다.
본 발명의 장섬유 복합재는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 열가소성 수지를 압출기에 투입하여 용융시키고, 섬유 다발을 로빙(roving) 형태의 실타래로부터 투입하면서 용융된 수지를 섬유 다발에 함침시킨다. 그 다음으로, 이를 압출하여 적절한 크기로 절단함으로써, 장섬유 복합재를 제조할 수 있다.
이와 같이 장섬유 복합재에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 장섬유 복합재의 제조
실시예 1
폴리프로필렌 수지로 형성된 매트릭스 내에 단일 방향의 배향성을 갖도록 분산된 유리섬유 30중량부를 포함하는 장섬유 복합재를 제조하였다.
상기 유리섬유의 평균 길이는 30mm이고, 평균 직경은 15㎛이다.
상기 장섬유 복합재에는 인산트리크레실(TCP, Aldrich) 난연제 10중량부를 포함한다.
비교예 1
염화파라핀(Aldrich) 난연제 10중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 장섬유 복합재를 제조하였다.
비교예 2
염화파라핀(Aldrich) 난연제 20중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 장섬유 복합재를 제조하였다.
비교예 3
염화파라핀(Aldrich) 난연제 30중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 장섬유 복합재를 제조하였다.
비교예 4
폴리프로필렌 수지로 형성된 매트릭스 내에 유리섬유 30중량부를 포함하는 장섬유 복합재를 제조하였다.
상기 유리섬유의 평균 길이는 30mm이고, 평균 직경은 15㎛이다.
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
[표 1]
Figure pat00001
1) ASTM D792 방법에 따라, 비중을 측정하여 표 1에 기재하였다.
2) ASTMD256 방법에 따라, 상온 23℃에서 충격강도를 측정하여 표 1에 기재하였다.
3) UL(Underwriter’s Laboratory)-1581 section 1080 규격의 VW-1 평가에 의거하여, 두께 1.6 mm, 폭 12.7 mm, 길이 12.7 mm 규격의 5개 시편에 대하여 난연등급을 측정하였다. 시편을 수직으로 유지한 상태에서 열량 500W를 가지는 불꽃을 시편 하단에 15초 접촉 후 15초 제거하는 과정을 5회 반복하고, 불꽃제거 후 잔염이 15초 이상 지속 시 잔염 소화 후 불꽃을 접촉한다. 각각의 연소 시간이 60초 이내여야 한다.
4) 실시예 1 및 비교예 1 ~ 4에 따른 장섬유 복합재의 단면을 광학현미경으로 촬영한 이미지를 분석하여 배향성을 평가하였다. 이미지 중 육안으로 평가하여 전체 유리섬유 개수 중 평행한 유리섬유 개수의 %함량을 계산하여 표 1에 기재하였다. 평행한 유리섬유의 판단은 두 유리섬유가 이루는 각도가 약 5℃ 이내의 것으로 판단하였다.
표 1을 참조하면, 실시예 1의 비할로겐계 난연제를 첨가한 복합재가 우수한 난연성 및 충격성능을 나타내었다. 비교예 1 ~ 3에서 할로겐계 난연제의 함량이 증가할수록 복합재의 비중이 증가하였고, 아이조드 충격강도는 오히려 저하되는 결과를 나타내었다.
또한, 비교예 4 대비 실시예 1의 아이조드 충경강도가 40% 이상 향상된 결과를 나타내었다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 매트릭스
20 : 장섬유
100 : 장섬유 복합재

Claims (8)

  1. 장섬유 복합재로서,
    열가소성 수지로 형성된 매트릭스;
    상기 매트릭스 내에 단일 방향의 배향성을 갖도록 분산된 장섬유; 및
    상기 매트릭스 내에 포함된 비할로겐계 난연제;를 포함하고,
    상기 장섬유 복합재는 상기 비할로겐계 난연제로부터 형성된 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 장섬유 10~60중량부 및 난연제 0.1~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비할로겐계 난연제는 인계 난연제 및 멜라민계 난연제 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 천연 섬유 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유의 평균 길이는 10~50mm인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유의 평균 직경은 15~20㎛인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유 복합재는 비중이 1.0~2.0g/cm3인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 장섬유 복합재는 Izod 충격강도가 10~40J/m2인 것을 특징으로 하는 장섬유 복합재.

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