KR20190017442A - 빔 제조방법 - Google Patents

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KR20190017442A
KR20190017442A KR1020170102305A KR20170102305A KR20190017442A KR 20190017442 A KR20190017442 A KR 20190017442A KR 1020170102305 A KR1020170102305 A KR 1020170102305A KR 20170102305 A KR20170102305 A KR 20170102305A KR 20190017442 A KR20190017442 A KR 20190017442A
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Abstract

본 발명은 빔 제조방법에 관한 것으로, 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 테이프(tape) 성형 방식의 테이프 성형물이 편조기에 의해 직조되며 얻어진 직조물을 기반으로 성형 과정을 통하여 빔 성형이 이루어지며, 이러한 빔 성형은 함침단계, 권취단계, 직조단계, 권출단계, 예열단계, 및 성형단계의 공정들로 이루어지는 빔 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

빔 제조방법{Manufacturing Method For beam}
본 발명은 빔 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 테이프 성형 방식의 수지 성형이 이루어지며, 발포폴리프로필렌의 심재에 수지 성형물이 편조 방식으로 직조되어 예열 및 성형을 거쳐 자동차 용품의 빔을 제조하게 되는 빔 제조방법에 관한 것이다.
자동차의 부품에 있어 빔은 추돌 사고 시의 차체의 안전성을 높이며 인명 피해를 줄이기 위한 충격흡수 및 강도 개선과 함께, 빔의 경량화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존에는 금속 대체의 경량화 대응 기술로써 재생수지 제품과 열가소성 수지의 사출이 주를 이루었지만, 이는 강도와 강성이 부족한 문제점이 있다. 이후에 개발이 진행된 분야는 유리섬유나 탄소섬유 등의 보강재를 단섬유 형태로 수지에 분산시킨 컴파운드 소재인 SFT(Short -Fiber reinforced Thermoplastic)가 주를 이루었으나 이러한 소재들도 금속을 대체하기는 어려운 실정이다.
이를 해결하기 위한 방안으로 장섬유 또는 연속 섬유를 보강한 열가소성 복합재가 사용되고 있는 추세이다.
또한, 이러한 해결 방안으로 출원된 기술들은 하기 선행기술문헌에 개시된 특허문헌들을 참고할 수 있다.
하기의 등록특허 제10-1349162호는 유리섬유를 1차 가공 후에 열경화성 수지를 2차 성형해야하는 공정의 불편함이 있으며, 유리섬유를 보빈에 감을 때에 유리섬유의 파단이 발생하는 문제가 있다.
한편, 하기의 등록특허 제10-1626305호는 편조(編組, braiding)에 있어 섬유테이프가 심재(core)와 일체화되지 못하여 편조된 섬유로만 강성을 유지해야 하는 취약성 문제가 지적되고 있다.
특허문헌 001 : 등록특허 제10-1349162호(등록일자 2014.01.02) 특허문헌 002 : 등록특허 제10-1626305호(등록일자 2016.05.26)
전술된 문제점들을 해소하기 위한 본 발명은, 빔 성형 공정의 축소와 함께, 물성이 향상된 빔을 제조하기 위한 빔 제조방법을 제공하고자 함에 그 목적을 두고 있다.
전술된 목적들을 달성하기 위한 본 발명은, 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 테이프(tape) 성형 방식의 테이프 성형물이 편조기에 의해 직조되며 얻어진 직조물을 기반으로 성형 과정을 통하여 빔 성형이 이루어지는 빔 제조방법에 일례의 특징이 있다.
폴리프로필렌(polypropylene, pp) 및 글라스 섬유(glass fiber, gf)의 이들 두 소재가 함침조에 함침되어 두 소재 간의 혼재가 이루어지는 함침단계, 상기 함침조를 거쳐 압출 성형에 따라 일정한 모양을 갖는 테이프 성형물이 제2 편조기를 통하여 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 꼬여지며 편조(編組, braiding) 되어 직조물을 얻게 되는 직조단계, 상기 직조물이 예열기를 통하여 예열 처리됨에 따라 테이프 성형물이 용융되어 젤 상태로 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core) 축으로 용융되어 일체화되는 예열단계, 및 상기 예열기를 통과한 상기 직조물이 성형기 내에서 압축 성형 되어 일정한 모양과 형태를 갖는 빔으로 제조되는 성형단계를 더 포함하는 빔 제조방법에 일례의 특징이 있다.
상기 테이프 성형물은, 폴리프로필렌(polypropylene, pp) 36 ~ 39 중량%, 유리섬유(glass fiber, g/f) 50 ~ 60 중량%, 가교제 0.1 ~ 10 중량%, 산화방지제0.1 ~ 4 중량%를 포함하는 조성물로 이루어진 빔 제조방법에 일례의 특징이 있다.
상기 테이프 성형물은, 폭 3 내지 15mm, 두께 0.2 내지 0.8mm의 범위가 유지되며 테이프 직조 성형되는 빔 제조방법에 일례의 특징이 있다.
이상, 상술된 바와 같이, 본 발명에 의한 빔 제조방법은, 빔 제조에 요구되는 공정의 일부가 축소되어 빔 제조의 생산성 및 효율성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 빔 제조방법은, 유리섬유의 일방향성(UNI DIRECTED) 구현과 함께 테이프 성형물을 폴리프로필렌 폼의 심재에 일체화 직조시켜 생산된 빔의 물리적 강성 향상과 함께 공정 과정에서의 섬유 파단과 같은 문제를 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 빔 제조방법을 통하여 생산된 빔은 기존 빔에 비해 항장력, 비틀림강도, 굴곡강도 측면에서 탁월한 효과를 발휘한다.
아울러, 본 발명에 의한 빔 제조방법은 발포폴리프로필렌의 심재에 직조된 테이퍼직조 성형물이 예열기를 통과하며 젤 상태로 녹아 발포폴리프로필렌의 심재에 융융 압축 성형되어 일체화되는 관계로 강하고 경량화된 빔 제품 제조가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 빔 제조방법에 대한 공정을 블록 순으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 공정에 이용되는 장치의 유닛들을 전체적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 장치의 유닛 일부들을 좀 더 상세히 표현한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 빔 제조방법에 개시된 유리섬유에 대한 지름과 항장력 간의 관계를 보이기 위한 그래프이다.
본 발명에 있어 첨부된 도면은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되어 도시됨을 밝히고, 후술되는 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하며, 다른 여러 형태로 변형 실시되는 점까지 감안한 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 토대로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하면서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 빔 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 빔 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이 함침단계(S1), 권취단계(S2), 직조단계(S3), 권출단계(S4), 예열단계(S5), 및 성형단계(S6)로 구성될 수 있다.
상기 함침단계(S1)는 폴리프로필렌(polypropylene, pp)과 글라스 섬유(glass fiber, gf)가 도시된 도 2의 함침조(1)에 함침되는 과정으로서, 이들 폴리프로필렌(polypropylene, pp)과 글라스 섬유(glass fiber, gf)가 서로 혼재되어 일정한 두께와 폭을 갖는 테이프(tape) 모양의 테이프 성형물(100)을 제조한다.
물론, 상기 테이프 성형물(100)은 함침조(1)를 거쳐 압출 성형을 통하여 일정한 두께와 폭을 갖는 테이프 모양으로 성형된 것이다.
상기 권취단계(S2)는 상기 테이프 성형물(100)이 다수의 보빈이 구성된 도 2의 제1 편조기(10)를 통하여 여러 가닥으로 감기는 과정으로서, 상기 보빈들은 일 방향으로 상기 테이프 성형물(100)들을 감게 된다.
상기 직조단계(S3)는 제1 편조기(10)로부터 풀린 테이프 성형물(100)들이 도 2와 도 3의 제2 편조기(20)에 감긴 상태에서 제2 편조기(20)의 회전 작동에 의해 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 테이프 성형물(100)들이 꼬여지며 편조(編組, braiding) 됨에 따라 직조물(織造物, 200)이 제조된다.
여기서, 상기 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)은 기포가 있는 발포체를 통치하는 용어로 직접 형태를 만들 수 없기 때문에 주형 틀 안에서 굳히는 방법으로 성형될 수 있다.
여기서, 편조(編組, braiding)는 한 가닥 또는 여러 가닥을 모으거나 꼰 것 위에 씌우는 대편(袋編)을 이르는 의미로 사용되며, 편조선(編組線, braided wire)은 소선(素線)을 한 가닥 또는 여러 가닥 모으거나 또는 꼰 것을 대편(袋編)으로 한 것을 의미한다. 소선(素線, strand)은 꼬은선을 구성하는 한 줄 한 줄의 단선을 의미하는 용어로 사용된다.
상기 권출단계(S4)는 상기 제2 편조기(20)에 의해 편조(編組, braiding) 된 직조물(織造物, 200)이 도 2의 인취기(30)에 의해 당겨지면서 인출되는 과정이다.
상기 예열단계(S5)는 상기 인취기(30)에 의해 인출된 직조물(織造物, 200)이 도 2와 3의 예열기(40)의 내부로 투입되어 예열(pre heating) 처리 과정을 통하여 젤 상태로 용융되는 과정이다.
여기서, 상기 직조물(織造物, 200)이 젤 상태로 용융되도록 한 것은, 열가소성인 폴리프로필렌(polypropylene, pp)이 젤(gel) 상태로 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core) 축으로 일체 되도록 유도하는 이유이다.
상기 성형단계(S6)는 상기 예열기(40)를 통과한 상기 직조물(織造物, 200)이 도 2와 3의 성형기(50) 내에서 압축 성형 되는바, 젤(gel) 상태의 열가소성 폴리프로필렌(polypropylene, pp)이 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)에 용융되는 방식으로 일체 됨에 따라, 강하고 경량화된 빔(300) 제품이 제조될 수 있는 것이다.
여기서, 성형기(50)는 예열기(40)를 통하여 예열된 직조물(織造物, 200)에 대하여 일정한 형상과 모양을 갖도록 성형하게 되는데, 예컨대 특정 형태의 빔 제품으로 성형할 수 있는 것이다.
또한, 여기서 상기 직조물(織造物, 200)은 상기 예열단계(S5)를 거치면서 예열 처리되는 관계로, 열가소성 폴리프로필렌(polypropylene, pp)은 용융되어 젤(gel) 상태로 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)에 용융되며 압축 성형 됨에 따라 일체화의 정도가 향상될 수밖에 없으며, 이러한 일체화로 인하여 빔(300)은 강성과 함께 경량화가 탁월하게 된다.
이러한 공정을 거쳐 완성된 상기 빔(300)은 테이프 성형물(100)에서 폴리프로필렌(polypropylene, pp)과 글라스 섬유(glass fiber, gf) 간의 함침에 따라 섬유 배열이 일 방향성을 갖는 관계로 강도가 매우 높고, 편조(編組, braiding)를 통한 강도 면에서 동일 강도의 스틸(steel) 대비 10% 중량으로 나타나 초경량화도 구현될 수 있다.
특히, 본 발명에서는 열가소성 수지인 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 글라스 섬유(glass fiber, g/f)를 테이프(tape) 성형물(100) 형식으로 만든 다음, 테이프 성형물(100)들이 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 편조(編組, braiding) 되는 작업을 통하여 직조물(織造物, 200)로 만들어진 다음, 이러한 직조물(織造物, 200)을 예열 처리하여 자동차 부품인 빔(300)으로 제작하는 점에 그 주된 기술적인 특징을 갖는다.
다시 말해, 본 발명에서는 폴리프로필렌(polypropylene, pp)과 글라스 섬유(glass fiber, g/f)가 함침되는 과정을 통하여 테이프 성형물(100) 형식으로 제조되는 점과, 상기 테이프 성형물(100)들이 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 꼬여지며 편조(編組, braiding) 됨에 따라 직조물(織造物, 200)로 제조되는 점과, 이러한 직조물(織造物, 200)이 빔(300) 성형에 이용되는 점, 및 이를 위해 예열 및 성형이 수반되는 점에 기술적인 특징을 갖는다.
본 발명에서는 더욱이 테이프 성형물(100)의 제작에 폴리프로필렌(polypropylene, pp)이 요구되며 심재(core)에는 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, PP Foam)이 요구됨에 따라, 이들 두 소재는 동일 재료인 관계로 빔(300) 성형에서의 소재 절감과 함께 소재의 재활용을 가능하게 한다.
반면, 기존 방식은 글라스 섬유(glass fiber, G/F)를 편조(編組, braiding) 하면서 열경화성수지(epoxy)가 도포되는 성형 방식이며, 기존의 심재(core)로서 PMI(Polymethacrylimide)폼 즉, 고가인 PMI 발포체 소재를 사용하는 관계로 빔 제작 비용이 증가되는 부담 요인이 있다.
본 발명에 있어 테이프 성형물(100)은 폴리프로필렌(polypropylene, pp) 36 ~ 39 중량%, 유리섬유(glass fiber, g/f) 50 ~ 60 중량%, 가교제 0.1 ~ 10 중량%, 산화방지제 0.1 ~ 4 중량%를 포함하는 조성물로 이루어진다.
여기서, 폴리프로필렌(polypropylene, pp) 및 유리섬유(glass fiber, g/f)는 함침 과정에서 단일 방향((Uni-Direction, UD)으로 배열되는 특징으로 인하여 완성된 빔(300)의 강성을 제고시킬 수 있다.
테이프 성형물(100)은 폭 3 내지 15mm, 두께 0.2 내지 0.8mm로 만들어 제1 편조기(10)에 구성된 보빈에 감기는바, 이러한 테이프 성형물(100)은 테이프 성형을 위해 폴리프로필렌(polypropylene, pp)이 유리섬유(glass fiber, g/f)에 함침되어 강화복합소재로 이루어진 점이다.
여기서, 상기 테이프 성형물(100)의 폭과 두께가 상기에 개시된 범위를 고수하는 것은, 폭 3mm 및 두께 0.2mm 미만일 경우 테이프 성형물(100)이 단락되는 문제가 발생된다. 즉, 테이프 성형물(100)이 제1 편조기(10)의 보빈에 감길 때에 단락되기 때문이다.
반면, 폭 15mm 및 두께 0.8mm 초과일 경우 테이프 성형물(100)의 항장력이 저하되는 문제가 발생된다. 즉, 테이프 성형물(100)이 반영된 최종 완성 제품의 빔(300)은 충격 강도에 강하게 견딜 수 있는 자동차 부품으로서 상기의 폭과 두께 치수를 초과하게 되면 빔(300) 용도로 부적합할 수 있다.
따라서, 테이프 성형물(100)은 상기의 폭과 두께의 범위가 고수되며 빔(300) 제작에 이용되는 관계로, 단락의 문제 해결과 함께 항장력이 기존 빔에 비해 월등하다.
여기서, 상기 테이프 성형물(100)이 반영된 빔(100)은 기존 빔에 비하여 그 항장력이 매우 우수한 관계로 강한 충격 강도에도 견딜 수 있게 되는데, 이는 상기 테이프 성형물(100)에 유리섬유(glass fiber, g/f)의 소재가 반영된 점에 기인하기 때문이다.
특히 유리섬유(glass fiber, g/f)에 대한 지름과 항장력(항장 강도)의 관계는 도 3의 도면을 참고할 수 있다. 즉, 유리섬유(glass fiber, g/f)는 도 4에 도시된 바와 같이 그 지름(μ)이 가늘수록 그 항장력은 더욱 강해지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 빔 제조방법을 통하여 수득된 빔(300)은, 상술된 항장력 측면에서 기존의 빔에 비해 월등한 효과를 갖게 되는데, 이는 테이프 성형물(100)의 조성물 함량 요인에 기인한다.
즉, 조성물에 있어 폴리프로필렌(polypropylene, pp)은 36 ~ 39 중량% 이며, 유리섬유(glass fiber, g/f)은 50 ~ 60 중량% 으로 함량되는바, 상기 폴리프로필렌(polypropylene, pp)이 상기의 중량% 초과일 경우 항장력 증대에 요구되는 강성이 저하될 수 있으며, 상기의 중량% 미만일 경우 항장력 증대에 요구되는 인장력이 저하될 수 있다.
또한, 유리섬유(glass fiber, g/f)가 상기의 중량% 초과일 경우 항장력 증대에 요구되는 강성은 증대될 수 있을지 모르나 인장력이 저하되고, 유리섬유(glass fiber, g/f)가 상기의 중량% 미만일 경우 항장력 증대에 요구되는 인장력은 증대될 수 있을지 모르나 강성이 취약해지는 문제가 있다.
이처럼, 항장력은 강성과 인장력의 적절한 균형이 있을 경우에만 항장력의 증대 효과를 기대할 수 있으며, 이러한 항장력의 균형 관계 요인을 기반으로 폴리프로필렌(polypropylene, pp)과 유리섬유(glass fiber, g/f)의 함량 범위를 고려한 것이다.
더욱이, 본 발명에서의 이러한 폴리프로필렌(polypropylene, pp)과 유리섬유(glass fiber, g/f)의 함량 범위는 테이프 성형물(100)의 보빈 감김 과정에서 야기될 수 있는 단락 즉 파단 현상도 방지하는 주된 요인으로 작용될 수 있다.
한편, 상기의 산화방지제(antioxidant, 酸化防止劑)는 산소 작용에 의한 자동 산화를 방지하기 위해 첨가되는 물질로서, 페닐-β-나프틸아민을 사용할 수 있으며, 경우에 따라 라텍스 중의 아미노산류가 사용될 수 있다.
이러한 산화방지제는 유리기 연쇄 정지제(free radical chain stopper) 또는 과산화물 분해제(peroxide decomposer)로서, 산화 반응에 직접 관여하여 산화를 방지하게 되는데, 예컨대 히드로퀴논은 유리기에 작용하여 산화 방지 작용을 하고 자신은 퀴논으로 산화될 수 있다.
수지는 시일이 경과에 따라 산화됨과 동시 열화될 수 있는 관계로, 이러한 산화 및 열화 방지를 위해 상기의 산화방지제가 첨가되어야 하는 것이며, 페닐-β-나프틸아민으로 한정되지 않으며, 경우에 따라 아민류, 히드로퀴논, 알데히드아민 축합물 등이 사용될 수도 있다.
함침조(1) 제1 편조기(10)
제2 편조기(30) 인취기(30)
예열기(40) 성형기(50)
테이프 성형물(100) 직조물(200)
빔(300)

Claims (4)

  1. 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 테이프(tape) 성형 방식의 테이프 성형물이 편조기에 의해 직조되며 얻어진 직조물을 기반으로 성형 과정을 통하여 빔 성형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 빔 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    폴리프로필렌(polypropylene, pp) 및 글라스 섬유(glass fiber, gf)의 이들 두 소재가 함침조에 함침되어 두 소재 간의 혼재가 이루어지는 함침단계;
    상기 함침조를 거쳐 압출 성형에 따라 일정한 모양을 갖는 테이프 성형물이 제2 편조기를 통하여 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core)를 중심으로 꼬여지며 편조(編組, braiding) 되어 직조물을 얻게 되는 직조단계;
    상기 직조물이 예열기를 통하여 예열 처리됨에 따라 테이프 성형물이 용융되어 젤 상태로 폴리프로필렌 폼(polypropylene foam, pp foam)의 심재(core) 축으로 융융되어 일체화되는 예열단계; 및
    상기 예열기를 통과한 상기 직조물이 성형기 내에서 압축 성형 되어 일정한 모양과 형태를 갖는 빔으로 제조되는 성형단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 테이프 성형물은,
    폴리프로필렌(polypropylene, pp) 36 ~ 39 중량%, 유리섬유(glass fiber, g/f) 50 ~ 60 중량%, 가교제 0.1 ~ 10 중량%, 산화방지제 0.1 ~ 4 중량%를 포함하는 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 빔 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    테이프 성형물(100)은, 폭 3 내지 15mm, 두께 0.2 내지 0.8mm의 범위가 유지되며 테이프 직조 성형되는 것을 특징으로 하는 빔 제조방법.
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