KR20200127621A - 다공성 섬유강화 복합재 시트 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20200127621A
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Abstract

섬유상 입자; 및 결착재를 포함하고, 상기 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성한 다공성 섬유강화 복합재 시트이고, 상기 결착재는 폴리프로필렌 수지를 포함하고, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 시트의 두께 방향으로 상기 폴리프로필렌 수지의 농도 구배를 갖는 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공한다.

Description

다공성 섬유강화 복합재 시트 및 그 제조 방법{POROUS FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 다공성 섬유강화 복합재 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 열가소성 복합소재는 높은 강성을 나타내는 유리섬유나 카본섬유 등의 강화 섬유와 매트릭스를 구성하는 열가소성 수지로 구성되어 있다. 이러한 열가소성 복합소재는 일반 열가소성 수지 제품에 비해 높은 기계적 물성을 나타내기 때문에, 자동차 및 건축용 소재로 널리 사용되고 있다. 종래의 열가소성 복합소재 제조방식은 주로 강화 섬유를 열가소성 수지에 혼합한 후, 압출 내지 몰드 프레스 공정을 통해 성형하는 방식인데, 최근 강도와 생산성 향상을 위해, 건식 니들펀칭 공정이나 습식 초지 공정을 적용하여 우선적으로 강화 섬유가 포함된 매트 형태의 소재를 제조하고, 그 후 수지를 매트에 함침시키는 방식을 통해 복합 소재를 제조하고 있다.
강화 섬유와 열가소성 수지의 복합 소재는 열가소성 수지에 비해 강화 섬유가 보강재의 역할을 하기 때문에 우수한 기계적 강도를 나타낸다. 강화섬유 복합 소재의 강도를 높이기 위한 방법으로 우선 강화섬유 자체의 강성을 높이거나, 강화 섬유의 비율을 증가시키는 방법 그리고 강화 섬유와 열가소성 수지 간의 결합력을 향상시키는 기술이 적용되고 있다.
본 발명의 목적은 내열성이 우수한 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 강성이 우수한 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 친환경적인 공정 방식에 의해 제조되고, 내열성 및 강성이 우수한 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 섬유상 입자; 및 결착재를 포함하고, 상기 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성한 다공성 섬유강화 복합재 시트이고, 상기 결착재는 폴리프로필렌 수지를 포함하고, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 시트의 두께 방향으로 상기 폴리프로필렌 수지의 농도 구배를 갖는 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 섬유상 입자를 분산매에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계; 상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계; 상기 형성된 웹의 일면 상에 폴리프로필렌 수지 입자를 파우더 스캐터링 방법 (powder scatter)으로 도포하는 단계; 및 상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제조하는 단계;를 포함하는 다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트는 내열성 및 강성이 우수하다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트의 단면을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트의 단면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트의 단면을 나타낸다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 (첨부된 도면을 참조하여) 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 구현예에 따른 유도 가열 및 무선 전력 전송 장치를 설명하도록 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 섬유상 입자; 및 결착재를 포함하고, 상기 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성한 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공한다. 상기 결착재는 폴리프로필렌 수지를 포함하고, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 시트의 두께 방향으로 상기 폴리프로필렌 수지의 농도 구배를 갖는 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제공한다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 하기 단계 (a) 내지 (d)를 포함하는 다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법에 의해서 제조될 수 있다:
(a) 섬유상 입자를 산 수용액에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계
(b) 상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계
(c) 상기 형성된 웹의 일면 상에 폴리프로필렌 수지 입자를 파우더 스캐터링 방법 (powder scatter)으로 도포하는 단계
(d) 상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제조하는 단계.
상기 단계 (a) 내지 (d)를 포함하는 다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법에 대하여는 후술하여 자세히 설명된다.
상기 단계 중 폴리프로필렌 수지 입자는 상기 (d) 단계의 열처리시 용융되면서, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 결착재가 되어 상기 섬유상 입자를 결착시킴으로써, 상기 시트를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 시트는 부직포일 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 폴리프로필렌 수지 입자는 입자 상태로서 상기 (b) 단계에서 형성된 웹의 기공 상이로 침투한다. 상기 웹의 일면에서 두께 방향으로 갈수록 폴리프로필렌 수지 입자의 침투 함량이 점점 적어지기 때문에, 상기 폴리프로필렌 수지 입자가 도포되는 상기 웹의 일면 상에 가장 높은 함량으로 상기 폴리프로필렌 수지 입자가 존재하게 되고, 두께 방향으로 상기 웹의 다른 일면으로 갈수록 상기 폴리프로필렌 수지 입자의 함량이 적어지게 된다. 즉, 상기 폴리프로필렌 수지 입자가 도포된 웹은 그 두께 방향을 따라 폴리프로필렌 수지의 농도 구배가 형성하게 된다.
이후, (d) 단계의 열처리 및 건조 공정을 거쳐 완성된 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트 또한 그 두께 방향을 따라 폴리프로필렌 수지의 농도 구배가 형성하게 된다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 상기 방법에 의해 제조되기 때문에 증점제를 포함하지 않을 수 있다.
폴리프로필렌 수지는 내열 특성이 우수하기 때문에 섬유 강화 복합재에 적용시켜 내열성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 습식 초지 공정에 의해 유리 섬유와 같은 섬유상 입자의 부직포로 제조하는 경우, 결착재로 폴리프로필렌 수지를 사용하기 위해서는 증점제의 첨가가 필요하다. 왜냐하면, 폴리프로필렌 수지는 비중이 물 보다 작기 때문에, 습식 초지 공정을 위해 섬유상 입자 및 물과 혼합하여 슬러리를 만들고자 하면, 폴리프로필렌 수지가 물 위로 부유하는 현상이 발생하여, 습식 초지 공정에 적합하지 않게 된다. 따라서, 여기에 증점제를 함께 첨가하여야만 습식 초지 공정이 가능하게 된다.
그러나, 증점제는 최종 얻어지는 복합재 시트 내에서 물성의 저하를 가져오고, 증점제가 섞인 폐수가 나오기 때문에 환경 문제가 대두될 수 있고, 이러한 공정시 사용된 용수를 전환하고자 하면 증점제를 제거해야 되기 때문에 추가적인 비용이 발생하는 문제가 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 증점제를 포함하지 않고 제조가 가능하기 때문에, 이러한 문제를 모두 해결할 수 있다.
또한, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 증점제를 포함하지 않고 제조시, 증점제에 의한 강성 저하 문제를 해결할 수 있기 때문에, 강성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트(10)의 단면을 나타낸다.
상기 시트(10)의 일면(10a)으로부터 두께 10% 깊이(0.1d) 이내의 영역(A) 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 70 중량% 이상 내지 100 중량% 미만, 구체적으로, 70 내지 90 중량%일 수 있다 (이하, 이를 '함량 X'라 칭한다). 즉, 상기 시트의 일면(10a)의 표면으로부터 상기 시트의 전체 두께(d)의 10%(0.1d)에 해당하는 깊이까지 영역(A) 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 70 중량% 이상일 수 있다. 상기 폴리프로필렌 수지의 함량 이외의 나머지 0 초과 30 중량% 이하에는 상기 섬유상 수지 및 선택적으로 추가적인 성분을 더 포함할 수 있다. 상기 추가적인 성분은, 예를 들어, 후술되는 제2 섬유상 입자, 기타 첨가제 등일 수 있다.
상기 시트(10)의 다른 일면(10b)으로부터 두께 10% 깊이(0.1d) 이내의 영역(B) 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 0 초과 내지 40 중량% 이하, 구체적으로, 0 내지 20 중량%일 수 있다 (이하, 이를 '함량 Y'라 칭한다). 즉, 상기 시트의 다른 일면(10b)의 표면으로부터 상기 시트의 전체 두께(d)의 10%(0.1d)에 해당하는 깊이까지 영역(B) 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 30 중량% 이하일 수 있다. 상기 폴리프로필렌 수지의 함량 이외의 나머지 70 중량% 초과에는 상기 섬유상 수지 및 선택적으로 추가적인 성분을 더 포함할 수 있다. 상기 추가적인 성분은, 예를 들어, 후술되는 제2 섬유상 입자, 기타 첨가제 등일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 시트(10)의 일면(10a)으로부터 두께 10% 깊이(0.1d) 이내의 영역(A) 중 포함된 상기 폴리프로필렌 수지의 중량% 함량과 상기 시트(10)의 다른 일면(10b)으로부터 두께 10% 깊이(0.1d) 이내의 영역(B) 중 포함된 상기 폴리프로필렌 수지의 중량% 함량과의 차이가 60 중량% 이상 내지 100 중량% 미만 일 수 있다. 즉, 전술한 '함량 X'와 '함량 Y'의 차이가 60 중량% 이상 내지 100 중량% 미만일 수 있다. 예를 들어, '함량 X'와 '함량 Y'의 차이가 60 중량% 내지 80 중량% 일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트(20)의 단면을 나타낸다.
상기 시트(20)의 일면의 두께 0.5mm 깊이 이내의 영역(C) 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 70 중량% 이상 내지 100 중량% 미만일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재 시트(30)의 단면을 나타낸다.
상기 시트(30)의 일면의 두께 0.3mm 깊이 이내의 영역(D)에 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 80 중량% 이상 내지 100 중량% 미만일 수 있다.
상기 시트(10, 20, 30)는 상기 시트의 전체 중 상기 폴리프로필렌 수지 0 초과 내지 30 중량%를 포함할 수 있고, 예를 들어, 10 내지 20 중량% 포함할 수 있다.
상기 시트(10, 20, 30)는 전술한 바와 같이 농도 구배를 가지도록 폴리프로필렌 수지를 결착재로서 포함함으로써, 내열성이 우수하면서도 강성이 우수한 특성을 함께 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 두께(d)는 1 mm 내지 5 mm, 구체적으로, 2 mm 내지 5 mm 일 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 두께(d)는 두께게이지(ex MITUTOYO사 547-321, 두께게이지)로 측정할 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 상기 범위의 두께를 가지도록 형성하여 전술한 두께에 따른 폴리프로필렌 수지의 농도 구배를 발생시킬 수 있고, 상기 범위 미만인 경우, 폴리프로필렌 수지의 농도 구배를 발생시키기 어렵다.
상기 섬유상 입자는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 보론 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유상 입자는 제1 섬유상 입자라고 할 때, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는: 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 제2 섬유상 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자는, 예를 들어, 이성분 폴리머 섬유일 수 있다. 구체적으로, 상기 이성분 폴리머 섬유는 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 코어(core)부와, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 시스(sheath)부를 포함할 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자가 이성분 폴리머 섬유일 경우, 상기 시스부가 전술한 제조 방법 중의 상기 (d) 단계에서 용융되어 결착재 역할을 하면서 포함될 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 시트는 적용하고자 하는 용도에 적합한 중량을 갖도록 제조될 수 있고, 예를 들어, 50 g/m2 내지 1200 g/m2 의 중량을 갖는 시트로 제조될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 섬유상 입자를 포함하지 않는 경우, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 50 g/m2 내지 200 g/m2 의 중량을 가질 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 2 섬유상 입자를 포함하는 경우, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 200 g/m2 내지 700 g/m2 의 중량을 가질 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자의 코어부는 각각 단면 직경이 약 20 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터 일 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제1 섬유상 입자 및/또는 제2 섬유상 입자의 코어부는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제1 섬유상 입자 및/또는 제2 섬유상 입자의 코어부를 포함하는 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 외부 충격에 강하고, 후술되는 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자는 길이가 약 1 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 상기 범위의 길이를 갖는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있고, 또한, 섬유상 입자들간 결합력을 적절히 부여하여 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 뭉치면서 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
본 발명의 일 구현예에서,
섬유상 입자를 분산매에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계;
상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계;
상기 형성된 웹의 일면 상에 폴리프로필렌 수지 입자를 파우더 스캐터링 방법 (powder scatter)으로 도포하는 단계; 및
상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제조하는 단계;를 포함하는
다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법을 제공한다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법은 폴리프로필렌 수지 입자를 파우더 스캐터링 방법 (powder scatter)으로 도포하기 때문에, 비중이 낮은 폴리프로필렌 수지를 효과적으로 분산시킬 수 있고, 증점제를 사용하지 않고 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제조할 수 있게 한다.
상기 섬유상 입자는 전술한 제1 섬유상 입자를 포함할 수 있고, 추가적으로 제2 섬유상 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 분산매는 물 또는 알칼리 용제일 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지 입자의 평균 입경이 10 마이크로미터 내지 50 마이크로미터일 수 있다. 상기 폴리프로필렌 수지 입자의 평균 입경이 상기 범위인 경우, 전술한 농도 구배를 구현하기 용이하다.
상기 폴리프로필렌 수지 입자의 평균 입경의 측정 방법은 FE-SEM, HITACHI, SU8010을 이용하여 측정할 수 있다.
상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 수행함으로써 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법에서, 상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시키는 단계는 상기 폴리프로필렌 수지 입자의 용융 온도 보다 약 10℃ 낮은 온도 내지 약 40℃ 높은 온도에서 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 및 건조시키는 단계는 150 내지 200 ℃ 에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 상기 범위 보다 낮을 경우 수분 건조가 어렵고, 폴리프로필렌 수지 입자의 연화도 충분히 발생하지 않아서 시트 형상으로 건조 후 수분이 남아있게 되거나, 시트가 고정된 성상을 가지기 어렵다. 반대로 상기 온도가 상기 범위 보다 높을 경우 폴리프로필렌 수지 입자가 완전히 과용융되어서 균일하게 결착재로 전이되기 어렵다. 또한 용융 온도 이상에서 폴리프로필렌 수지의 변질이 일어날 우려도 있다.
구체적으로, 공정 중에서, 상기 슬러리의 용액 내에서 섬유상 입자가 고르게 혼합된 후 콘베이어 벨트를 따라 이동하는 메쉬를 따라가면서 습식 웹 (Hydro-entangled web)을 형성하게 되는데, 섬유들이 따라 올라가는 과정에서 경사를 부여함으로써 상기 제조된 다공성 섬유강화 복합재 시트가 배향성을 가지게 할 수 있다. 이와 같이 배향성이 부여된 다공성 섬유강화 복합재 시트를 적층하여 얻어진 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 섬유 성분에 일 방향에 대한 배향성을 부여함으로써 그 일 방향에 대항 강도를 더욱 강화할 수 있다.
이와 같이, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 적용하고자 하는 용도에 맞게 선택적으로 배향성이 부여되도록 제조할 수 있다.
예를 들어, 헤드 박스에서 컨베이어 벨트로 섬유가 이송되며 복합재 시트를 형성하게 될 때, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트가 형성되는 부분에 경사도를 부여함으로써 (inclined web formation), 평면적인 컨베이어 벨트에 비해 섬유가 MD(Machine direction) 방향으로 잘 누울 수 있도록 공정을 설계할 수 있다. 방향성은 MD(Machine direction) 방향과 CD(Cross direction) 방향으로 구분하여 부여될 수 있고, CD 방향에 비해 MD 방향으로 방향성을 부여하는 것이 더 용이하다.
상기 슬러리 용액은 가교제, 또는 추가적인 바인더와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 가교제는 섬유상 입자간 화학적 결합력 강화시키는 작용을 하고, 예를 들어, 실란계 화합물, 말레산계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 가교제의 함량은 전체 섬유상 입자 100 중량부 대비 0 내지 5 중량부일 수 있다.
상기 추가적인 바인더는 전분, 카제인, 폴리비닐알콜(PVA), 등의 수용성 폴리머; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 등의 에멀젼류; 시멘트류, 황산칼슘계 Clay, 규산나트륨, 규산알루미나, 규산칼슘의 무기계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 추가적인 바인더의 함량은 전체 섬유상 입자 100 중량부 대비 약 0 내지 약 5 중량부일 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 시트를 적어도 2장 이상의 여러 장 압착시켜 판재를 제조할 수 있다. 구체적으로, 최종제품의 목적하는 단위면적당 중량에 맞게 몇 장을 적층할 지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트를 목적하는 제품의 최종 단위면적당 중량이 1200g/m2 라면, 대략 2장 내지 12장 적층한 뒤, 열과 압력을 가하여 열프레스 성형하여 다공성 섬유강화 복합재의 판재를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 열프레스 성형은 약 100 내지 약 180℃의 온도에서 약 1 내지 약 30bar 의 압력을 가하여 상기 복합재 시트를 라미네이팅 성형하여 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조할 수 있다.
상기 열프레스 성형은 더블벨트프레스 성형에 의해 연속적으로 다공성 섬유강화 복합재의 판재가 제조될 수 있도록 수행할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예 1
이성분 폴리머 섬유는 폴리에스테르 코어부와 저융점 결정성 폴리에스테르 시스부가 50:50의 중량비를 가지면서, 수계 분산성 확보를 위해 길이 6mm, 직경 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 섬유를 준비하였다. 유리 섬유는 수계 분산에 적합하도록 코팅된 13㎛의 단면 직경의 유리 섬유를 6mm 길이로 잘라서 준비하였다. 상기 유리 섬유 40 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 40 중량부로 배합하고, 이를 수용액 내에서 1 시간 동안 교반하였다. 이 때, 유리 섬유 및 이성분 폴리머 섬유의 섬유 총 함량은 물 1L당 2g이 되도록 하였다. 이렇게 교반 과정을 거친 수용액 슬러리를 헤드 박스 내에서 진공흡입장치를 통해 웹을 형성하도록 습식 초지 공정을 수행하였다. 웹 형성 후 폴리프로필렌 고분자와 물이 혼합한 용액을 20 중량부로 Scatter 하였다. 사용한 폴리프로필렌 고분자는 30 ㎛의 직경을 가졌으며, 노즐을 통해 Scaater 후 건조를 통해 시트를 제조하였다. 폴리프로필렌 고분자가 분산된 웹을 140℃의 오븐 드라이어를 통과시켜 수분을 완전하게 건조시켰다. 다공성 섬유강화 복합재로서 제조된 건조된 시트는 120 g/m2으로 대략 5mm 두께를 나타내었다. 시트를 1200 g/m2이 되도록 10장 적층한 후, 170℃에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 1~5mm 두께의 판재로 성형하였다. 이렇게 제조된 판재를 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가했다. 이때 가해지는 압력은 몰드 내에서 매트가 나오지 않을 정도의 압력인 100 ton/m2을 적용하여 판재를 완성하였다.
비교예 1
실시예 1에서 사용한 이성분 폴리머 섬유와 유리 섬유를 동일하게 사용하였으며, 실시예 1과 동일한 중량부를 사용하였다. 이성분 폴리머 섬유와 유리섬유를 혼합한 슬러리에 폴리프로필렌분말 20 중량부를 추가하여 배합하였다. 폴리프로필렌분말은 물보다 비중이 낮기 때문에 증점제를 5 중량부 넣어 배합 후 오븐드라이어를 통해 완전히 건조하였다. 배합된 섬유는 동일한 방식으로 교반 후 웹형성을 하였으며 하였다. 제조된 시트는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 섬유강화 복합재를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 판재를 성형한 뒤 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 판재를 완성하였다.
평가
실험예 1: 농도구배 발생 확인
실시예 1에서, 다공성 섬유강화 복합재 시트를 각각의 실시예 1에서 여러 장의 샘플을 제조하였고, 농도 측정시 각 샘플을 1장씩 사용하였다.
실시예 1에서 얻어진 다공성 섬유강화 복합재 시트의 샘플 각각에 대하여, 제조 과정에서 폴리프로필렌 수지 입자를 분산 도포한 일면으로부터 전체 두께의 10%에 해당하는 두께, 0.5mm 깊이의 두께 및 0.3mm 깊이의 두께로 박리하여 burn out 테스트를 실시하면, 유리 섬유만 남게 되어 유리 섬유의 상대 함량을 측정하고, 그 나머지를 폴리에스테르 수지 및 폴리프로필렌 수지의 함량으로 계산하였다.
실시예 1에서 얻어진 다공성 섬유강화 복합재 시트의 샘플 각각에 대하여, 제조 과정에서 폴리프로필렌 수지 입자를 분산 도포한 일면의 반대 편 다른 일면으로부터 전체 두께의 10%에 해당하는 두께로 박리하여 burn out 테스트를 실시하면, 유리 섬유만 남게 되어 유리 섬유의 상대 함량을 측정하고, 그 나머지를 폴리에스테르 수지 및 폴리프로필렌 수지의 함량으로 계산하였다.
실시예 1에서 각각 얻어진 다공성 섬유강화 복합재 시트의 샘플(박리하지 않은 전체)에 대하여 burn out 테스트를 실시하여 폴리프로필렌 수지의 함량을 측정하였다.
비교예 1에서 얻어진 다공성 섬유강화 복합재 시트에 대하여도 상기와 동일한 방법으로 burn out 테스트를 수행하여 폴리에스테르 수지 및 폴리프로필렌 수지의 함량을 측정하였다.
결과를 하기 표 1에 기재하였다.
구분 폴리에스테르 수지 및 폴리프로필렌 수지의 함량(중량%)
일면으로부터 전체 두께의 10%에 해당하는 두께 내 영역 일면으로부터 0.5mm 깊이의 두께 내 영역 일면으로부터 0.3mm 깊이의 두께 내 영역 시편 전체 영역 다른 일면으로부터 전체 두께의 10%에 해당하는 두께 내 영역
실시예 1 80 80 90 70 10
비교예 1 20 20 20 20 20
실험예 2
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 판재에 대하여, 기계적인 물성을 비교하였다. 먼저, 인장 강도, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 판재를 각각 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 측정하였다. 추가적으로 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 판재를 80℃ 에서 24시간 방치 후, 24 시간 동안 상온에서 상태조절하여 측정하였다. 또한 인장 강도는 2 mm 두께의 샘플을 ASTM D638 기준으로 측정하였고, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율은 2.5mm 두께의 샘플을 ASTM D790 기준으로 측정하였다.
결과를 표 2에 기재하였다.
구분 인장강도 (MPa) 굴곡강도 (MPa) 굴곡 탄성율 (MPa)
상온 내열 상온 내열 상온 내열
실시예 1 60 61 50 51 720 800
비교예 1 40 43 37 37 560 600
실험예 3
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 판재에 대하여, 고온 기계적인 물성을 비교하였다. 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 판재를 각각 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 40℃, 60℃, 80℃의 고온챔버에서 인장 강도를 측정하였다. 인장 강도는 2 mm 두께의 샘플을 ASTM D638 기준으로 측정하였다.
결과를 표 3에 기재하였다.
구분 고온인장강도 (MPa)
40℃ 60℃ 80℃
실시예 1 50 45 20
비교예 1 40 30 15
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10, 20, 30: 다공성 섬유강화 복합재 시트
10a, 20a, 30a: 일면
10b: 다른 일면
d: 두께
A, B, C, D: 영역

Claims (12)

  1. 섬유상 입자; 및 결착재를 포함하고,
    상기 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성한 다공성 섬유강화 복합재 시트이고,
    상기 결착재는 폴리프로필렌 수지를 포함하고,
    상기 다공성 섬유강화 복합재 시트는 시트의 두께 방향으로 상기 폴리프로필렌 수지의 농도 구배를 갖는 다공성 섬유강화 복합재 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시트의 일면으로부터 두께 10% 깊이 이내의 영역 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 70 중량% 이상 내지 100 중량% 미만이고,
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시트의 다른 일면으로부터 두께 10% 깊이 이내의 영역 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 0 초과 내지 10 중량% 이하이고,
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시트의 일면으로부터 두께 10% 깊이 이내의 영역 중 포함된 상기 폴리프로필렌 수지의 중량% 함량과 상기 시트의 다른 일면으로부터 두께 10% 깊이 이내의 영역 중 포함된 상기 폴리프로필렌 수지의 중량% 함량과의 차이가 60 중량% 이상 내지 100 중량% 미만인
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시트의 일면의 두께 0.5mm 깊이 이내의 영역 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 70 중량% 이상 내지 100 중량% 미만인
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시트의 일면의 두께 0.3mm 깊이 이내의 영역 중 상기 폴리프로필렌 수지의 함량이 70 중량% 이상 내지 100 중량% 미만인
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시트는 상기 시트의 전체 중 상기 폴리프로필렌 수지 0 초과 내지 30 중량%를 포함하는
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 섬유강화 복합재 시트의 두께는 1 mm 내지 5 mm인
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 입자는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 보론 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 입자는 제1 섬유상 입자이고,
    폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 제2 섬유상 입자를 더 포함하는
    다공성 섬유강화 복합재 시트.
  11. 섬유상 입자를 분산매에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계;
    상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계;
    상기 형성된 웹의 일면 상에 폴리프로필렌 수지 입자를 파우더 스캐터링 방법 (powder scatter)으로 도포하는 단계; 및
    상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 섬유강화 복합재 시트를 제조하는 단계;를 포함하는
    다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지 입자의 평균 입경이 10 마이크로미터 내지 50 마이크로미터인
    다공성 섬유강화 복합재 시트의 제조 방법.
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