KR20210154388A - 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법 및 이를 이용하여 제작된 트럭 적재함 바닥부 - Google Patents

천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법 및 이를 이용하여 제작된 트럭 적재함 바닥부 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법은, 천연섬유, 생분해성수지섬유, 탄소섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계; 상기 혼합매트에 상용화제를 침투시키는 제2단계; 상기 상용화제가 침투된 상기 혼합매트의 상면과 하면에 생분해성수지필름을 배치하는 제3단계; 상기 혼합매트를 가압 및 가열하여, 상기 생분해성수지섬유 및 상기 생분해성수지필름이 용융되면서 나오는 생분해성수지를 상기 혼합매트에 함침시키는 제4단계; 및 상기 생분해성수지가 함침된 혼합매트를 냉각시키는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명을 사용하면, 종래 트럭 적재함 바닥부에 사용되던 목재의 특성으로부터 기인하는 휨 또는 튀틀림 현상과 태양광과 산소 노출에 따른 광변색과 부스러짐 및 갈라짐 현상, 수분 흡수 등의 문제점이 해결되어, 트럭 적재함 바닥부의 내구성이 향상된다.

Description

천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법 및 이를 이용하여 제작된 트럭 적재함 바닥부{METHOD FOR MANUFACTURING NATURAL FIBER REINFORCED BIODEGRADABLE COMPOSITES AND FLOOR OF CARGO BED FOR TRUCK MADE BY THE SAME}
본 발명은 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법 및 이를 이용하여 제작된 트럭 적재함 바닥부에 관한 것이다.
일반적으로, 중소형 트럭의 적재함 바닥은 목재 또는 목재 플라스틱 복합재(wood plastic composites)로 제작된다.
목재로 제작된 바닥은 적재물의 하중에 의해 지속적으로 충격을 받아 내구성에 문제가 발생한다. 또한, 목재의 특성상 휨 또는 튀틀림 현상이 발생하여 치수변형이 발생하며, 태양광과 산소 노출에 따른 광변색과 부스러짐 및 갈라짐 현상 등 내구성에 문제가 발생한다. 또한, 습기를 흡수하여 중량이 증가하므로 차량의 연비가 저하된다.
한편, 목재 플라스틱 복합재로 제작된 바닥은, 제조과정에서 이산화탄소와 각종 유해물질이 방출되어 작업자의 건강을 해치고 작업장을 오염시킨다. 또한, 폐기처분 시 환경오염물질이 방출되고 분해되기까지 많은 시간이 소요된다.
한국공개실용신안(20-1998-0051420)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 트럭 적재함 바닥부를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법은,
천연섬유, 생분해성수지섬유, 탄소섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계;
상기 혼합매트에 상용화제를 침투시키는 제2단계;
상기 상용화제가 침투된 상기 혼합매트의 상면과 하면에 생분해성수지필름을 배치하는 제3단계;
상기 혼합매트를 가압 및 가열하여, 상기 생분해성수지섬유 및 상기 생분해성수지필름이 용융되면서 나오는 생분해성수지를 상기 혼합매트에 함침시키는 제4단계; 및
상기 생분해성수지가 함침된 혼합매트를 냉각시키는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은 천연섬유 강화 생분해성 복합재로 제조된 트럭 적재함 바닥부에 의해 달성된다.
본 발명은, 생분해성수지를 사용함으로써, 종래 트럭 적재함 바닥부에 사용되던 목재의 특성으로부터 기인하는 휨 또는 튀틀림 현상과 태양광과 산소 노출에 따른 광변색과 부스러짐 및 갈라짐 현상, 수분 흡수 등의 문제점이 해결된다. 이로 인해, 트럭 적재함 바닥부의 내구성이 향상된다.
본 발명은, 생분해성수지를 사용함으로써, 제조과정에서 이산화탄소와 각종 유해물질의 배출을 줄어, 작업자의 건강과 작업장의 환경이 개선된다. 또한, 바닥부의 폐기처분 시 환경오염물질의 배출이 줄고, 자연환경하에서 쉽게 분해될 수 있어 친환경적이다.
본 발명은, 혼합매트에 상용화제를 감압여과방식으로 침투시킴으로써, 천연섬유와 생분해성수지와 결합력을 높여, 우수한 기계적 강도를 가진 천연섬유 강화 생분해성 복합재를 만들어낸다. 또한, 혼합매트에 침투된 상용화제가 천연섬유의 표면에 부착됨으로써, 천연섬유와 생분해성수지섬유와 탄소섬유 사이의 접착성이 향상되고, 천연섬유의 수분 흡수를 방지할 수 있다. 이로 인해, 천연섬유 강화 생분해성 복합재의 기계적 물성이 향상된다.
본 발명은, 천연섬유 강화 생분해성 복합재에 전도성 보강재를 혼합시킴으로써, 우수한 기계적 강도를 가진 천연섬유 강화 생분해성 복합재를 만들어낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 혼합매트와 그 일부를 확대한 도면이다.
도 3은 혼합매트 위로 상용화제를 분사하면서, 혼합매트 아래에서는 상용화제를 진공으로 빨아들이는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 혼합매트와 생분해성수지필름의 배치상태를 나타낸 것으로 (a)는 혼합매트가 한 개로 이루어진 경우 (b)는 혼합매트가 다수 개로 이루어진 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 혼합매트에 생분해성수지를 함침하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 트럭 적재함 바닥부가 설치된 적재함을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 트럭 적재함의 분해사시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법은,
천연섬유, 생분해성수지섬유, 탄소섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계(S11);
상기 혼합매트에 상용화제를 침투시키는 제2단계(S12);
상기 상용화제가 침투된 상기 혼합매트의 상면과 하면에 생분해성수지필름을 배치하는 제3단계(S13);
상기 혼합매트를 가압 및 가열하여, 상기 생분해성수지섬유 및 상기 생분해성수지필름이 용융되면서 나오는 생분해성수지를 상기 혼합매트에 함침시키는 제4단계(S14);
상기 생분해성수지가 함침된 혼합매트를 냉각시키는 제5단계(S15)로 구성된다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 천연섬유(NF), 생분해성수지섬유(BP), 탄소섬유(CF)가 혼합되어 만들어진 혼합매트(M)를 준비한다.
천연섬유(NF)는 식물성 천연섬유가 사용된다. 식물성 천연섬유는 주로 셀룰로오스 성분으로 이루어져 있다. 셀룰로오스계 천연섬유들로 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플, 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen) 등이 있으며, 이 중에서 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
생분해성수지섬유(BP)는 생분해성수지를 섬유형태로 만든 것이다. 생분해성수지섬유(BP)는 생분해성수지를 용융 방사하여 만든다. 생분해성수지는 미생물 등에 의한 생물적 작용에 의해서 쉽게 분해된다. 생분해성수지는 환경 조건에 따라 최종적으로 물, 이산화탄소, 메탄가스 및 분해성 유기물 등으로 분해된다. 일예로, 생분해성수지로 PLA(poly lactic acid)수지가 사용된다. PLA수지는 기본 중합체(base polymer) 중 락트산(lactic acid)의 함유율이 50% 이상인 합성수지제이다.
탄소섬유(CF)는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유이다. 탄소섬유(CF)는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하다. 탄소섬유(CF)는 전기전도성을 가지므로, 탄소섬유(CF)가 혼합된 혼합매트(M) 역시 전기전도성을 갖는다.
혼합매트(M)는 천연섬유(NF), 생분해성수지섬유(BP), 탄소섬유(CF)를 혼합하여 만든다. 일예로, 혼합매트(M) 내의 천연섬유(NF), 생분해성수지섬유(BP), 탄소섬유(CF)를 중량 비율 50:45:5로 혼합해서 만든다. 이 비율은 조절가능하다.
혼합매트(M)는 천연섬유(NF), 탄소섬유(CF), 생분해성수지섬유(BP)가 일정 길이의 짧게 절단되어 무작위 방향으로 균일하게 분산된 부직포(non-woven) 형태로 만들어진다. 이러한 부직포 형태의 혼합매트(M)는 건식법(air laid process) 또는 습식법(wet laid process)으로 제조될 수 있다.
이와 같이 혼합매트(M)를 부직포 형태로 만들면, 특정 방향의 섬유 배치나 직조 등의 과정을 생략할 수 있다. 또한, 압축이 잘되어 두께 조절이 용이하고, 압축에 의해 복합재를 고밀도로 만들 수 있다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
혼합매트(M)에 상용화제(compatibilizing agent)를 침투시킨다. 상용화제는 다른 기재와 접착력을 증진시키는 침투제다. 상용화제로 카르복실 성분이 폴리올레핀의 주쇄 또는 측쇄에 붙어있는 폴리올레핀계 공중합체가 사용된다.
이러한 상용화제는 감압여과방식으로 혼합매트(M)에 침투될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합매트(M) 위로 상용화제(SL)를 분사하면서, 혼합매트(M) 아래에서 상용화제(SL)를 진공으로 빨아들여, 상용화제(SL)를 혼합매트(M)로 침투시킨다. 이러한 감압여과방식을 사용하면, 상용화제(SL)를 혼합매트(M)에 깊숙하고도 골고루 침투시킬 수 있어, 천연섬유와 생분해성수지의 결합력이 높아진다.
혼합매트(M)에 침투된 상용화제는 천연섬유(NF), 생분해성수지섬유(BP), 탄소섬유(CF)의 표면에 부착된다.
한편, 천연섬유(NF)는 친수성이 높아 소수성인 생분해성수지와의 상용성이 매우 낮고, 천연섬유(NF)의 친수성은 천연섬유 강화 생분해성 복합재의 수분 흡수를 초래하고, 천연섬유(NF) 표면에 존재하는 왁스 성분은 섬유가 고분자수지와 결합하는데 불리하게 작용한다. 그러나, 상용화제가 천연섬유(NF)의 표면에 부착됨으로써, 천연섬유(NF)와 생분해성수지섬유(BP)와 탄소섬유(CF) 사이의 접착성이 향상되고, 천연섬유(NF)의 수분 흡수를 방지할 수 있다. 이로 인해 천연섬유 강화 생분해성 복합재의 기계적 물성이 향상된다.
한편, 상용화제(SL)를 분사할 때 전도성 보강재도 함께 섞어서 분사할 수 있다. 전도성 보강재는 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연 중 어느 하나 또는, 이들의 혼합으로 구성된다.
전도성 보강재는 혼합매트(M)에 침투되어, 천연섬유(NF), 생분해성수지섬유(BP), 탄소섬유(CF)의 표면에 부착된다. 이로 인해, 우수한 기계적 강도를 가진 천연섬유 강화 생분해성 복합재가 만들어진다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
상용화제(SL)가 침투된 혼합매트(M)의 상면과 하면에 생분해성수지필름(BF)을 배치한다. 혼합매트(M)는 한 개 또는 복수 개로 구성될 수 있다.
혼합매트(M)가 한 개로 구성되는 경우, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 혼합매트(M)의 상면과 하면에 생분해성수지필름(BF)이 배치된다.
혼합매트(M)가 복수 개로 구성되는 경우, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 혼합매트(M)와 생분해성수지필름(BF)은 교차하여 배치되며, 혼합매트(M)의 최상면과 최하면에 생분해성수지필름(BF)이 배치된다.
이와 같이 혼합매트(M)의 상면과 하면에 생분해성수지필름(BF)을 배치하면, 혼합매트(M)의 표면에 코팅막이 형성될 수 있다. 이로 인해, 천연섬유 강화 생분해성 복합재의 내부로 수분이 침투하는 것을 막을 수 있다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
생분해성수지필름(BF)이 배치된 혼합매트(M)를 가압 및 가열하여 생분해성수지를 혼합매트(M)에 함침시킨다. 생분해성수지는 생분해성수지섬유(BP)와 생분해성수지필름(BF)이 용융되면서 나온다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가압부(100)가 생분해성수지필름(BF)이 배치된 혼합매트(M)의 상부와 하부를 가압한다. 그러면, 혼합매트(M)가 압축된다. 이를 위해, 가압부(100)는 혼합매트(M)의 상부와 접촉하여 혼합매트(M)를 가압하는 상판(110)과, 혼합매트(M)의 하부와 접촉하여 혼합매트(M)를 가압하는 하판(120)으로 구성된다. 상판(110)과 하판(120)에는 상판(110)과 하판(120)을 상하 이동시키는 로드(130)가 연결된다.
가압부(100)의 내부에 배치된 가열부재(150)가 생분해성수지필름(BF)이 배치된 혼합매트(M)의 상부와 하부를 가열한다. 이를 위해, 가열부재(150)는 가압부(100)의 상판(110) 및 하판(120) 내부에 구비된다. 가열부재(150)는 혼합매트(M)와의 접촉면 가까이에 위치하여 상판(110)과 하판(120)을 가열한다. 가열부재(150)는 상판(110) 및 하판(120)에 매설된 온도 조절용 매체가 유동하는 매체 유로 또는 온도 제어 가능한 전열체(예를 들어, 전기 히터)로 구성된다.
혼합매트(M)에 전류를 흘려 탄소섬유(CF)를 발열시켜 혼합매트(M)를 가열한다. 전기가열부(200)에 의해 혼합매트(M)에 전류를 흘려 탄소섬유(CF)를 발열시켜 혼합매트(M)를 가열시킨다. 이를 위해, 전기가열부(200)는 혼합매트(M)의 두 단부에 연결되는 전극(210), 전원(220), 전극(210)과 전원(220)을 연결하는 도선(230)으로 구성된다. 전극(210)은 혼합매트(M)의 서로 마주하는 두 단부에 연결된다. 전극(210)은 알루미늄테이프로 형성되며, 혼합매트(M)의 마주하는 두 단부를 덮는 형식으로 연결된다.
혼합매트(M)와 접촉하는 가압부(100)의 상판(110) 및 하판(120)의 접촉면에는 전기절연체(140)가 부착된다. 혼합매트(M)에 흐르는 전류가 가압부(100)로 들어오는 것을 차단하기 위함이다. 전기절연체(140)는 혼합매트(M)와 접촉하는 상판(110) 및 하판(120)의 접촉면에 부착되지 않고 절연매트의 형태로 혼합매트(M)와 상판(110) 사이 및 혼합매트(M)와 하판(120) 사이 각각에 독립적으로 삽입될 수도 있다. 전기절연체(140)는 열전도율이 높은 것을 선택한다. 가열부재(150)에 의해 가열된 상판(110)과 하판(120)의 열이 혼합매트(M)에 잘 전달되기 위함이다.
혼합매트(M)에 전류를 흘리면 탄소섬유(CF)가 저항체 역할을 하면서 발열한다. 탄소섬유(CF)의 발열로 인해, 탄소섬유(CF) 주변의 생분해성수지섬유(BP)가 용융된다. 혼합매트(M)에서 탄소섬유(CF)의 길이 및 함량을 조절하면 혼합매트(M)의 저항값을 변화시킬 수 있다. 저항값에 따라 전압-전류값을 변화시키면 발열량을 조절할 수 있다.
혼합매트(M)는 천연섬유(NF), 생분해성수지섬유(BP), 탄소섬유(CF)가 무작위방향으로 서로 얽혀서 분포되고 압축된 상태이므로, 전기통로가 혼합매트(M) 전체에 형성된다. 이로 인해, 탄소섬유(CF)에서 발생된 열은 혼합매트(M)의 두께나 넓이에 상관없이, 혼합매트(M) 전체에서 고르게 발생된다. 생분해성수지섬유(BP)는 가열부재(150)로부터 전달된 열과 탄소섬유(CF)에서 발생된 열에 의해 혼합매트(M) 전체에서 고르게 용융된다.
한편, 상용화제(SL)를 분사할 때 전도성 보강재가 함께 분사된 경우, 전기전도성이 있는 탄소섬유(CF)뿐만 아니라, 전기전도성이 없는 천연섬유(NF)와 생분해성수지섬유(BP)의 표면으로도 전기가 흐를 수 있어, 생분해성수지섬유(BP)의 용융이 촉진될 수 있다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
생분해성수지가 용융되어 함침된 혼합매트(M)를 냉각시킨다.
상기 제1단계(S11) 내지 제5단계(S15)를 거쳐, 천연섬유 강화 생분해성 복합재가 제조된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 트럭 적재함 바닥부가 설치된 적재함을 설명한다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 트럭 적재함(10)은, 트럭 적재함 바닥부(1), 전방지지부(12), 측면도어부(14), 후면도어부(16), 프레임부(18)로 구성된다.
트럭 적재함 바닥부(1)는 여러 개의 판 조각이 서로 결합되어 만들어진다. 판 조각은 상술한 천연섬유 강화 생분해성 복합재로 만들어진다. 이로 인해, 트럭 적재함 바닥부(1)는 천연섬유 강화 생분해성 복합재가 가진 장점을 모두 가질 수 있다.
전방지지부(12)는 트럭 적재함 바닥부(1)와 프레임부(18)의 전방에 세워진 상태로 설치된다.
프레임부(18)의 양측에는 측면도어부(14)가 세워진 상태로 설치되며, 프레임부(18)의 후측에는 후면도어부(16)가 세워진 상태로 설치된다.
알루미늄이나 복합재로 성형되는 프레임부(18)는 격자 형상의 구조로 성형되어 트럭 적재함 바닥부(1)를 지지한다.
1: 트럭 적재함 바닥부
100: 가압부 110: 상판
120: 하판 130:
140: 전기절연체 150: 가열부재
200: 전기가열부 210: 전극
220: 전원 230: 도선
M: 혼합매트 CF: 탄소섬유
NF: 천연섬유 BP: 생분해성수지섬유
SL: 상용화제

Claims (4)

  1. 천연섬유, 생분해성수지섬유, 탄소섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계;
    상기 혼합매트에 상용화제를 침투시키는 제2단계;
    상기 상용화제가 침투된 상기 혼합매트의 상면과 하면에 생분해성수지필름을 배치하는 제3단계;
    상기 혼합매트를 가압 및 가열하여, 상기 생분해성수지섬유 및 상기 생분해성수지필름이 용융되면서 나오는 생분해성수지를 상기 혼합매트에 함침시키는 제4단계; 및
    상기 생분해성수지가 함침된 혼합매트를 냉각시키는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생분해성수지는 PLA(poly lactic acid)수지인 것을 특징으로 하는 천연섬유 강화 생분해성 복합재 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 상용화제는 감압여과방식으로 상기 혼합매트에 침투되는 것을 특징으로 하는 천연섬유 강화 생분해성 복합재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된,
    천연섬유 강화 생분해성 복합재를 이용하여 제작된 트럭 적재함 바닥부.
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