KR20220032354A - 진동 감쇠 특성이 우수한 열가소성 수지 조성물 - Google Patents

진동 감쇠 특성이 우수한 열가소성 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전체 조성물 중량에 있어서, 섬유를 10 중량% 이상 포함하고, 상기 섬유의 단면의 폭과 두께의 비가 2:1 이상인 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 자동차 부품에 관한 것으로, 우수한 기계적 특성과 진동 감쇠 특성을 함께 나타낸다.

Description

진동 감쇠 특성이 우수한 열가소성 수지 조성물{Thermoplastic resin composition having superior vibration reduction property}
본 발명은 전체 조성물 중량에 있어서, 섬유를 10 중량% 이상 포함하고, 상기 섬유의 단면의 폭과 두께의 비가 2:1 이상인 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 자동차 부품에 관한 것으로, 상기 열가소성 수지 조성물은 우수한 기계적 특성과 진동 감쇠 특성을 함께 나타낸다.
최근 각종 규제 기준의 강화로 인하여, 저소음, 저진동의 친환경적인 환경을 조성하기 위한 우수한 성능을 가지는 감쇠 재료의 개발이 활발히 진행되고 있다.
특히, 가정용 및 상업용 건물; 토목 공학; 기차, 항공기 및 선박과 같은 대중 교통 시스템; 및 자동차 산업 분야 등에 있어 진동과 소음의 감소는 다년간 연구가 진행되어 온 분야이다. 예를 들어, 자동차 분야에서는 타이어, 쇼바, 및 차체구조 등의 변경을 통한 진동과 소음을 감소를 꾸준히 진행하고 있다. 이러한 구조체의 변경과 더불어, 근원적으로 진동 제어 및 방음 효과를 강화시킬 수 있는 재료의 개발이 모색되고 있다.
진동 감쇠재의 한 예로, 중합체 또는 복합 발포재(foam)와 같은 재료가 상당한 진동 감쇠 및 소음 감소 효과를 제공하여 오랜 기간 사용되어 왔으나, 진동 감쇠 및 소음 감소 외에도 향상된 특성을 함께 가지거나, 진동 감쇠 효과의 강화와 더불어 재료의 기존 특성을 유지하는 재료에 관한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
진동 감쇠 재료로 연구되고 있는 폴리머 복합재료는 기존 재료의 특성을 유지하면서도 다양한 재료를 함께 사용함으로써 새로운 효과를 얻을 수 있는 유용한 재료이다.
폴리머 복합재료 적용의 한 예로 엔진 마운트를 들 수 있다. 엔진 마운트는 진동방지 기능과 큰 반복 피로강도 등과 같은 물리적 기능이 요구되고 내유성이나 내후성과 같은 화학적 기능을 겸비한 고기능 재료의 개발이 요구되는 부품에 해당한다.
폴리머 복합재료의 연구를 통해서 엔진 마운트와 같은 부품을 기계적 조립형태의 생산방식에서 사출성형방식인 금형 내 일체성형 등으로 제조할 수 있게 되었다. 부품의 경량화와 원가절감도 가능하게 되었다.
폴리머 복합재료에는 다양한 폴리머가 사용되고 있으나, 최근 폴리아마이드(polyamide) 수지 기반의 폴리머 복합재료가 기계적 강도, 성형성, 장기물성 등이 우수한 장점을 가지므로 자동차 산업 등 다양한 분야에서 각광받고 있다. 이에 자동차용 부품 소재로서 폴리아마이드 수지를 적용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이렇듯 진동 감쇠를 위한 폴리머 복합재료의 적용이 늘어감에 따라서, 진동 감쇠 효과를 더욱 향상시키고, 진동 감쇠 외에도 응용 분야에 따라 요구되는 물성을 만족시키는 폴리머 복합재료의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2013-0132961호
본 발명은 뒤틀림(warpage)을 최소화하여, 진동에 대한 손실 계수 특성이 우수하면서 성형 수축율이 우수한 열가소성 수지 조성물을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명은 우수한 진동 감쇠 효과와 동시에 열가소성 수지 본연의 우수한 특성(예를 들어, 기계적 특성)을 그대로 유지하는 열가소성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 전체 조성물 중량에 있어서, 섬유를 10 중량% 이상 포함하고, 상기 섬유의 단면의 폭과 두께의 비가 2:1 이상인, 열가소성 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 상기 열가소성 수지 조성물을 포함하는 자동차 부품을 제공한다.
본 발명의 열가소성 수지 조성물은 우수한 진동 감쇠 효과와 동시에 열가소성 수지 본연의 우수한 특성(예를 들어, 기계적 특성)을 그대로 유지하면서도, 성형 특성이 우수한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에서 사용한 평평한 섬유와 원형 섬유의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진 및 섬유 단면의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 열가소성 수지 조성물 시편의 단면의 SEM 사진이다.
도 3는 본 발명의 실시예 2의 열가소성 수지 조성물 시편의 단면의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 6의 감쇠비 측정을 위한 DMA(Dynamic Mechanical Analysis) 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 구현예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면은, 전체 조성물 중량에 있어서, 섬유를 10 중량% 이상 포함하고, 상기 섬유의 단면의 폭과 두께의 비가 2:1 이상인, 열가소성 수지 조성물을 제공한다.
도 1에 나타낸 바와 같이 섬유의 단면은 폭(W), 두께(D)의 비로 인한 종횡비(aspect ratio)를 가진다.
상기 섬유는 평평한 형태의 섬유(flat fiber)로 단면은 타원형이거나, 단면의 적어도 한 쌍의 변이 평행할 수 있다.
또한, 상기 섬유의 단면은 직사각형일 수도 있다.
상기 섬유는 단면의 폭과 두께의 비가 2:1 이상일 수 있고, 바람직하게는 4:1 이상일 수 있다.
또한, 상기 섬유의 단면의 폭이 5 μm 이상, 두께가 2.5 μm 이상일 수 있다.
상기 섬유는 단면이 원형인 섬유에 비하여 뒤틀림(warpage)이 거의 없고, 흐름 특성과 표면 특성이 우수하여, 열가소성 수지 조성물의 특성을 개선시킬 수 있다.
상기 섬유가 10 중량% 미만으로 포함되면, 열가소성 수지 조성물의 진동 감쇠 특성 및 기계적 특성이 실제 제품에 적용이 어려울 정도로 낮아진다.
한편, 열가소성 수지 조성물에는 단면이 원형인 섬유를 추가로 10 중량% 이상 포함될 수 있다. 단면이 원형이 경우, 도 1에 나타낸 바와 같이 단면의 폭과 두께의 비가 1:1이 된다.
단면이 원형이 섬유는 평평한 섬유와 함께 사용되어, 열가소성 수지 조성물의 기계적 특성및 진동 감쇄 특성 등을 더욱 향상시킨다.
열가소성 수지의 열가소성 수지로는 나일론6(PA6), 나일론66(PA66), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 변성 폴리프로필렌옥사이드(MPPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테르프탈레이트(PBT), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리염화비닐(PVC) 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 수지를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리아미드 계열의 나일론 수지를 열가소성 수지 조성물 전체 중량에 대하여 40 내지 90 중량% 포함할 수 있다. 수지를 열가소성 수지 조성물 전체 중량에 대하여 40 중량% 미만으로 포함할 경우, 섬유에 충분히 수지가 함침되지 못해 성형가공할 때 섬유의 이탈이 발생하는 문제가 발생할 수 있으며, 90 중량%를 초과하여 포함할 경우, 섬유의 함유량이 줄어들어 강도가 약해지는 문제가 발생할 수 있다.
열가소성 수지 조성물에 포함되는 평평한 섬유 및 단면이 원형인 섬유는 각각 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 천연섬유, 폴리에스테르섬유, 폴리아마이드섬유 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합섬유를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 유리섬유 또는 탄소섬유 일 수 있다.
평평한 섬유 및 단면이 원형인 섬유는 압출가공 공정을 거친후 평균 길이가 200㎛ 이상 500㎛ 내지 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 수지 조성물은 유리섬유 또는 탄소섬유가 열가소성 수지 조성물 전체 중량에 대하여 10 내지 60 중량% 포함된 것일 수 있다. 섬유를 열가소성 수지 조성물 전체 중량에 대하여 10 중량% 미만으로 포함할 경우, 강도가 약해지는 등 물성증가효과가 낮아질 수 있으며, 60 중량%를 초과하여 포함할 경우 성형성이 저하되거나, 공정경쟁성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 열가소성 수지 조성물은 충전제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 추가 가능한 충전제는 고무, 탄산칼슘, 황산바륨, 산화아연, 활석, 황산칼슘, 카올린(kaolin), 점토, 피로페라이트(pyroferrite), 벤토나이트(bentonite), 세릴라이트(cerilite), 네프린시나이트(nephelinesycnite), 아타펄자이트(attapulgite), 규회석, 페라이트, 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 마그네슘 실리케이트, 백운암, 삼산화 안티몬, 산화티탄, 산화 마그네슘, 산화철, 이황화 몰리브덴, 흑연, 석고, 유리비드(glass beeds), 유리 발룬(balloon), 유리가루, 실리카 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 열가소성 수지 조성물은 인장강도가 200MPa 이상이고, 신율이 5.0% 이상일 수 있다.
또한, 굴곡강도가 300MPa 이상, 굴곡탄성율이 10000MPa 이상일 수 있다.
그 밖에도, IZOD 충격강도가 12 kgf/cm 이상일 수 있다.
이러한 우수한 기계적 특성과 더불어 본 발명의 열가소성 수지 조성물은 감쇠비가 4.0% 이상을 나타낸다. 바람직하게는 상기 열가소성 수지 조성물의 감쇠비가 5.0% 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 6.0% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 열가소성 수지 조성물을 포함하는 자동차 부품을 제공한다.
상기 자동차 부품으로는 진동 감쇠 특성과 우수한 기계적 특성이 요구되는 엔진 계통의 부품에 적합하며, 모터마운터, 특히 전기 자동차 모터마운트용 브라켓뿐만 아니라 서스펜션, 바디 등에 적용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 실험예 및 실시예를 이용하여 본 발명을 좀더 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
전체 중량비 기준으로 폴리아마이드 수지(나일론 6) 65 중량%에 평평한 형태(단면의 폭과 두께의 비가 4:1)의 섬유 35%를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하였다. 실시예 1에 의해서 제조된 열가소성 수지 조성물의 단면의 SEM 사진을 도 2에 나타내었다.
[실시예 2]
전체 중량비 기준으로 폴리아마이드 수지(나일론 6) 65 중량%에 평평한 형태(단면의 폭과 두께의 비가 4:1)의 섬유 15% 및 단면이 원형인 섬유 20 중량%를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하였다. 실시예 2에 의해서 제조된 열가소성 수지 조성물의 단면의 SEM 사진을 도 3에 나타내었다.
[실시예 3]
실시예 1에서 폴리아마이드 수지와 평평한 형태(단면의 폭과 두께의 비가 4:1)의 섬유의 함량을 각각 88 중량% 및 12 중량%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같이 열가소성 수지 조성물을 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 1에서 폴리아마이드 수지와 평평한 형태(단면의 폭과 두께의 비가 4:1)의 섬유의 함량을 각각 81.4 중량% 및 18.6 중량%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같이 열가소성 수지 조성물을 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 1에서 폴리아마이드 수지와 평평한 형태(단면의 폭과 두께의 비가 4:1)의 섬유의 함량을 각각 75 중량% 및 25 중량%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같이 열가소성 수지 조성물을 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 1에서 폴리아마이드 수지와 평평한 형태(단면의 폭과 두께의 비가 4:1)의 섬유의 함량을 각각 68.6 중량% 및 31.4 중량%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같이 열가소성 수지 조성물을 제조하였다.
[비교예]
진동 감쇄용 소재로 주로 사용되는 듀폰(DUPONT)사의 Zytel 제품을 본 발명의 열가소성 수지 조성물에 대한 비교예로 하였다. 듀폰(DUPONT)사의 Zytel 제품은 열가소성(폴리아마이드 수지) 조성물로 단면이 원형이 섬유만을 포함하고 있다.
실시예 1, 2 및 비교예의 열가소성 수지 조성물의 기계적 특성을 측정하여 하기의 표 1에 나타내었다.
항 목 실험방법 단위 실시예 1 실시예 2 비교예
비중 ASTM D792 - 1.399 1.393 1.416
인장강도 ASTM D638 MPa 254 257 192
신 율 ASTM D638 % 5.7 5.4 3.00
굴곡강도 ASTM D790 MPa 333 338 275
굴곡탄성율 ASTM D790 MPa 10354 10656 9360
23℃ IZOD 충격강도
(6.4T)		 ASTM D256 Kgf/cm 17.1 16.8 11.7
로크웰
경도		 ASTM D785 R-Scale 122 122 122
본 발명의 열가소성 수지 조성물은 로크웰 경도를 제외한 모든 기계적 물성에 있어서, 비교예의 열가소성 수지 조성물에 비해서 우수한 특성을 나타내었다.
실시예 3 내지 6의 DMA 분석을 통한 감쇠비를 하기 표 2에 나타내었다. 감쇠비 값은 DMA 분석을 통해 도출된 탄젠트 델타(Tangent Delta) 값에 100을 곱한 후 2로 나누어서 계산되었다.
실시예 6 감쇠비의 측정을 위한 DMA 그래프의 예를 도 4에 나타내었다
감쇠비(%)
실시예 3 4.4
실시예 4 4.6
실시예 5 5.1
실시예 6 6.1
평평한 형태의 섬유의 함량의 증가에 따라서, 감쇠비가 증가하는 것으로 측정되었다..
즉, 본 발명의 열가소성 수지 조성물은 우수한 기계적 특성과 동시에 진동 감쇠의 특성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 전체 조성물 중량에 있어서,
    섬유를 10 중량% 이상 포함하고,
    상기 섬유의 단면의 폭과 두께의 비가 2:1 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유의 단면의 폭이 5 μm 이상, 두께가 2.5 μm 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서
    상기 섬유의 단면은 타원형이거나, 단면의 적어도 한 쌍의 변이 평행한,
    열가소성 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    단면이 원형인 섬유를 추가로 10 중량% 이상 포함하는,
    열가소성 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 나일론6(PA6), 나일론66(PA66), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 변성 폴리프로필렌옥사이드(MPPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테르프탈레이트(PBT), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리염화비닐(PVC) 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상인.
    열가소성 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리아마이드 수지인,
    열가소성 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 천연섬유, 폴리에스테르섬유, 폴리아마이드섬유 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합섬유로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 단면이 원형인 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 천연섬유, 폴리에스테르섬유, 폴리아마이드섬유 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합섬유로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    인장강도가 200MPa 이상이고, 신율이 5.0% 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  10. 제1항에 이어서,
    굴곡강도가 300MPa 이상, 굴곡탄성율이 10000MPa 이상인
    열가소성 수지 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    IZOD 충격강도가 12 kgf/cm 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    감쇠비가 4.0% 이상인,
    열가소성 수지 조성물.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 열가소성 수지 조성물을 포함하는,
    자동차 부품.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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