KR20230142532A - 경량 다층 기판 - Google Patents

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KR20230142532A
KR20230142532A KR1020237029083A KR20237029083A KR20230142532A KR 20230142532 A KR20230142532 A KR 20230142532A KR 1020237029083 A KR1020237029083 A KR 1020237029083A KR 20237029083 A KR20237029083 A KR 20237029083A KR 20230142532 A KR20230142532 A KR 20230142532A
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KR
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lightweight multilayer
layer
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KR1020237029083A
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제프리 제이 세르노하우스
로버트 보이드 앤드류스
미카 칼리스
그레이 홉스
아드리아노 스피나치
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인터페이셜 컨설턴츠, 엘엘씨
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Abstract

제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어, 열 압착 부직포 코어의 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 선택적으로, 열 압착 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층을 포함하는 경량 다층 기판. 경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 열팽창 계수를 갖는다. 경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이룬다.

Description

경량 다층 기판
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 2월 4일에 출원된 미국 가출원 제63/145,874호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
경량 다층 기판은 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어, 열 압착 부직포 코어의 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 선택적으로, 열 압착 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층을 포함한다. 본 개시내용의 경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률(specific modulus) 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 열팽창 계수("TEC")를 갖는다. 본 개시내용의 경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이룬다. 일 실시양태에서, 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 보강층을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 미끄럼 방지층을 포함한다. 본 개시내용의 경량 다층 기판의 고유한 특성은 당업계에 알려진 통상적인 열가소성 기판에 비해 실질적으로 개선된 기계적 및 열적 특성을 가능하게 한다.
열가소성 중합체로부터 유도된 기판은 무엇보다도 우수한 강성, 내화학성, 다양한 형상으로 성형될 수 있는 능력, 및 상대적으로 저렴한 비용의 이점을 제공하는 것으로 잘 알려져 있다. 불행하게도, 이러한 부류의 중합체는 상대적으로 높은 열팽창 값을 갖는 것으로도 알려져 있다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, 폴리에스테르, 및 나일론과 같은 일반적인 열가소성 수지에 대한 문헌에서 발견된 값은 전형적으로 5 x 10-5 m/(m*℃)에서 25 x 10-5 m/(m*℃)까지의 범위이다. 플라스틱 분야의 당업자는 온도 변화를 수반하는 용도의 플라스틱 물품을 설계할 때 TEC가 낮은 재료를 사용하는 것이 중요하다는 것을 충분히 인식하고 있다.
TEC가 낮은 재료는, 몇 개만 말하자면 바닥재(flooring), 건축 및 건설, 산업, 운송, 및 자동차를 포함하는 많은 시장에서 매우 바람직하다. 낮은 TEC는 굽힘, 좌굴(buckling), 파손, 또는 박리(debonding)와 같은 문제를 야기하지 않고 더 넓은 온도 범위에 걸쳐 재료를 사용할 수 있도록 하기 때문에 이러한 시장에서 바람직하다.
바닥재, 특히 건축 및 건설 또는 운송 산업의 응용 분야는 낮은 TEC가 요구되고 중요한 대표적인 응용 분야이다. 실내 온도 변화는 온도 변화가 너무 커지면 접착된 하부바닥으로부터 다층 바닥재 라미네이트의 좌굴, 수축 또는 박리 문제를 야기하는 것으로 당업자는 잘 알고 있다. 이러한 온도 변화는 주변 공기 온도 변화, 하부바닥 온도 변화, 바닥의 위치를 데우는 복사 태양광, 또는 바닥재가 사용될 온도와 상당히 상이한 온도에서 설치된 바닥재와 같은 조건을 변화시킴으로써 야기될 수 있다. 각 문제는 장식용 바닥 피복재(covering)를 원하는 고객에게 미학적으로 용납할 수 없는 외관을 초래할 수 있다.
목재 및 목재 수지 복합재는 TEC가 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 그러나, 목재 및 목재 수지 복합재는 공기 중 액체 상태 물 또는 습기의 형태로 수분에 민감한 것으로 알려져 있다. 물에 너무 많이 노출되면 목재 기반 바닥재가 부풀어 오르고 상기 기재된 것과 유사한 미적 문제가 발생하는 것으로 알려져 있다. 대부분의 플라스틱은 물을 흡수할 수 있는 천연 충전제로 채워지지 않는 한 본질적으로 비극성이기 때문에 물에 의해 야기된 팽윤에 민감하지 않다.
PVC 또는 목재를 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 플라스틱으로 대체하는 것은 이러한 중합체 수지가 LVT, 기타 바닥재 응용 분야 및 천장 타일, 벽 피복재, 데크 재료 및 기타 이러한 응용 분야와 같은 응용 분야에 사용되는 재료에서 발견되는 TEC를 충족하거나 이를 초과하기 위해 극적으로 감소시킬 필요가 있는 본질적으로 더 높은 TEC를 가지고 있기 때문에 특히 문제가 된다.
다양한 문제에도 불구하고, 수년 동안 PVC와 관련된 환경 문제 또는 목재와 관련된 수분 흡수 문제로 인해 주도된 세계 시장은 바닥재를 포함한 다양한 시장에서 PVC 및 목재의 대체재를 모색해 왔다. PVC에 대한 환경 문제에는 적절하게 폐기하지 않을 경우, HCl 또는 다이옥신으로 분해될 가능성이 있는 수명 종료 특성(end-of-life property)이 포함된다. 또한 바닥재를 포함한 많은 응용 분야에서 이를 더 유용하게 만들기 위해 경질 PVC를 부드럽게 하는 데 정기적으로 사용되는 프탈레이트 가소제도 다양한 잠재적인 건강 문제와 관련이 있고 인간으로 이동하는 것으로 관찰되었기 때문에 우려의 원인이 되었다. 또한, 바닥재 응용 분야에 종종 사용되는 고충전 PVC는 재활용 및 재사용이 어렵다. 목재 제품은 시간이 경과함에 따라 너무 많은 물에 노출되면 부식, 팽윤 및 부패되는 것으로 알려져 있다.
특히 바닥재 시장에서 PVC와 관련된 문제를 해결하려는 시도가 있었다. 예를 들어, 다른 중합체 및 중합체 복합재에 대한 다양한 대안이 추구되어 왔다. 저밀도 폴리에틸렌(LDPE"), 고밀도 폴리에틸렌("HDPE"), 폴리프로필렌("PP") 및 기타 유사한 폴리올레핀과 같은 폴리올레핀은 이들의 가용성, 탁월한 용융 가공성, 상대적으로 낮은 비용 및 이들의 재활용될 가능성 때문에 잠재적인 대안을 제공한다. 유사하게, 카펫, 플라스틱 코팅지, 도시 폐기물 및 산업 스크랩과 같은 재생(reclaimed) 물품으로부터 수집된 플라스틱을 기반으로 한 재생 플라스틱도 고려되었으며, 유사하게 LDPE, HDPE, PP, 기타 유사한 폴리올레핀, 나일론, 폴리에스테르 및 PVC, 및 이들의 혼합물을 기반으로 한다.
LDPE 및 HDPE 단독중합체의 TEC는 전형적으로 순수한 PVC의 TEC의 약 3배이다. 순수한 PP는 분자 방향에 따라 달라지는 더 낮은 TEC를 가지며 순수한 PVC의 TEC보다 1.5배에서 2.5배까지 이를 수 있다. LDPE, HDPE 및 PP와 같은 폴리올레핀의 또 다른 문제는 순수한 PVC와 비교할 때 순수한 수지의 TEC를 효과적으로 감소시키는 충전제로 PVC만큼 높게 효율적으로 충전할 수 없다는 것이다. 이러한 문제는 재생 중합체 물질에도 적용된다.
열가소성 수지의 TEC를 낮추기 위한 통상적인 노력에는 다양한 충전제를 혼입하여 복합재를 만드는 것이 포함된다. 충전제는 탄산칼슘, 활석, 점토, 화산재 또는 다양한 나노입자와 같은 광물성 충전제를 포함할 수 있다. 충전제는 또한 목분, 왕겨 또는 옥수수 부산물과 같은 유기 충전제를 포함할 수 있다. 탄소 섬유, 다양한 중합체 섬유, 셀룰로오스 섬유, 또는 유리 섬유와 같은 섬유를 사용하고 이들을 중합체 용융 가공 기술과 결합시켜 열가소성 복합재를 형성하는 것도 알려져 있다. 이러한 섬유는 중합체에 느슨한 섬유 또는 배향된 섬유로서 또는 직조 또는 부직포 시트로서 혼입될 수 있다. 직조 또는 부직포 시트는 종종 열가소성 또는 열경화성 중합체가 이들에 혼입된 낮은 평량의 비교적 얇은 웹으로 먼저 만들어진다. 이어서, 이들은 전형적으로 층으로서 적용되어 궁극적으로 다층 기판을 생성한다. 불행하게도, 더 낮은 TEC를 달성하기 위해 과도한 충전제 또는 섬유를 첨가하면 열가소성 복합재의 다른 특성이 손상될 수 있다. 예를 들어, 생성된 복합재는 바람직하지 않게는 그 중량, 전체 유연성, 비용, 또는 충격 강도 중 하나 이상의 감소를 나타낼 수 있다. 열가소성 수지에 많은 양의 충전제를 혼합하는 것도 매우 어려워질 수 있다.
열가소성 복합 재료의 TEC는 사용되는 열가소성 수지에 크게 의존한다. TEC가 높은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 열가소성 수지는 TEC가 매우 낮은 열가소성 복합재로 개질하기가 더 어렵다. PVC 및 폴리에스테르와 같은 열가소성 수지는 폴리올레핀보다 TEC가 더 낮다. 그러나, 시장에서는 현재 이용 가능한 것보다 훨씬 더 낮은 TEC를 갖는 열가소성 복합재에 대한 요구가 남아 있다.
본 개시내용은 LVT, 천장 피복재, 벽 피복재, 외부 데크 재료 등을 포함한 바닥재와 같은 응용 분야에서 매우 낮은 TEC와 탁월한 기계적 특성을 갖는 비용 효율적인 경량 기판에 대한 시장의 요구에 대한 해결책과, 그 해결책을 가능하게 하고 생성된 제품에서 요구되는 평탄도를 제공하는 제조 방법에 관한 것이다.
요약
본원에 기재된 개시내용은 특성, 특히 TEC, 비탄성률 및 낮은 비중의 탁월한 조합을 갖는 경량 다층 기판을 개시한다. 보다 구체적으로, 본 개시내용의 경량 다층 기판은 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어, 열 압착 부직포 코어의 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 선택적으로, 열 압착 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층을 포함한다. 본 개시내용의 경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 열팽창 계수를 갖는다. 본 개시내용의 경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이룬다. 본 개시내용의 경량 다층 기판의 고유한 특성은 당업계에 알려진 통상적인 열가소성 기판에 비해 실질적으로 개선된 기계적 및 열적 특성을 가능하게 한다.
일 실시양태에서, 경량 다층 기판의 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 보강층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 보강층은 개방 직조(open weave)를 갖는 것으로 기술될 수 있는 유리섬유 매트를 포함한다. 유리섬유 매트의 개방 직조는 열 압착 과정 동안 부직포 코어에 본딩된다. 실시양태는 76 g/m2 내지 1500 g/m2, 또는 특정 응용 분야에서, 150 g/m2 내지 600 g/m2의 중량을 갖는 유리섬유 매트를 포함할 수 있다. 또한, 유리섬유 매트의 개방 직조는 1 평방 센티미터 내에 20 내지 3000개의 유리 교차점을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 보강층은 연속 유리 또는 탄소 섬유가 매립된 열가소성 수지로 구성된 단방향 테이프이다.
또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 미끄럼 방지층을 포함한다. 미끄럼 방지층은 경량 다층 기판과 그 표면과 접촉하는 또 다른 표면 또는 물체 사이의 마찰 계수를 개선하는 효과가 있다. 일 실시양태에서, 미끄럼 방지층의 비제한적인 예는 열가소성 폴리올레핀(TPO), 폴리우레탄, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 열가소성 엘라스토머(TPE), 폴리우레아 및 코폴리에스테르를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 보강층 및 미끄럼 방지층을 포함한다.
본 개시내용의 경량 다층 기판을 제조하는 한 가지 방법은 열 압착 본딩을 포함한다. 다른 용융 가공 실시와 달리, 열 압착 본딩은 정확한 용융 상태가 필요하지 않으며 저압 및 저전단에서 작동한다. 열 압착 본딩의 일례는 연속 이중 벨트 프레스이다. 연속 이중 벨트 프레스는 선택된 폭과 두께 및 무한 길이의 기판을 생성한다. 본 개시내용에 따르면, 연속 이중 벨트 프레스는 부직포 코어 및 상부층 및/또는 하부층의 동시 열 압착 및 라미네이션을 가능하게 하도록 저압에서 작동된다. 그 결과 특성이 탁월하게 균형을 이루는 경량 다층 기판이 생성된다. 생성된 경량 다층 기판의 두께는 대략 2 mm 내지 50 mm의 전체 두께를 갖는 범위일 수 있다.
생성된 경량 다층 기판은 단독으로 또는 바닥재, 천장, 지붕, 도어 패널, 적재 바닥, 헤드라이너, 벽 피복재, 조리대, 외부 데크, 및 낮은 TEC를 갖는 열가소성 재료가 요구되는 기타 이러한 기판 응용 분야를 포함하는 운송, 및 건축 및 건설 시장의 많은 응용 분야를 위한 구성요소로서 사용될 수 있다. 일 실시양태에서, 본 개시내용의 생성된 경량 다층 기판은 3차원 물품으로 열성형 또는 진공 성형될 수 있다.
상세한 설명
본 출원에서 사용되는 다음 용어는 다음과 같이 정의된다:
"a", "an", "the", "적어도 하나" 및 "하나 이상"이라는 용어는 상호 교환적으로 사용된다. 따라서, 예를 들어, "a" 보강층을 포함하는 경량 다층 기판은 경량 다층 기판이 "하나 이상의" 보강층을 포함할 수 있음을 의미한다.
"미끄럼 방지층"이란 용어는 경량 다층 기판의 마찰 계수를 증가시키는 작용을 하는 경량 다층 기판의 하나 이상의 표면층을 의미한다.
용어 "복합재"는 중합체 재료와 하나 이상의 추가 재료의 혼합물을 의미한다.
용어 "경량 다층 기판"은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이루고 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어, 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 선택적으로, 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층을 포함하는 기판을 의미한다.
용어 "부직포 코어"는 화학적, 기계적, 열, 또는 용매 처리에 의해 기판 내로 함께 본딩된 하나 이상의 열가소성 섬유를 의미한다.
"보강층"이라는 용어는 열 압착 부직포 코어에 본딩될 때 경량 다층 기판의 비탄성률을 증가시키는 효과를 갖는 하나 이상의 층을 의미한다.
"비탄성률"이라는 용어는 굴곡 탄성률(MPa)을 비중(g/cm3)으로 나누어 계산된 값을 의미한다.
"기판"이라는 용어는 선택된 폭, 두께 및 길이의 물체를 의미한다.
"열적으로 균형을 이루는"이라는 용어는 에지 리프트 시험(edge lift test)에 의해 측정될 때 25℃ 내지 70℃의 온도 범위 내에서 평탄도를 유지하는 기판을 의미한다.
"열 압착된"이라는 용어는 1 bar 초과의 압력 및 부직포 코어의 열가소성 섬유 중 적어도 하나의 유리 전이 온도보다 높지만 부직포 코어의 열가소성 섬유의 용융 온도보다 낮은 온도에서 기판을 가공하는 것을 의미한다.
종점을 사용한 수치 범위에 대한 인용은 그 범위 내에 포함된 모든 수치를 포함한다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 3, 3.95, 4.2, 5 등을 포함한다).
본 개시내용의 경량 다층 기판은 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어, 열 압착 부직포 코어의 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 열 압착 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층을 포함한다. 경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 TEC를 갖는다. 경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이룬다.
본 개시내용의 경량 다층 기판은 부직포 코어로부터 유도된다. 부직포 코어는 적어도 하나의 열가소성 섬유층으로 구성된다. 열가소성 섬유층은 화학적, 기계적, 열 또는 용매 처리에 의해 함께 본딩된 열가소성 섬유로 구성된다. 부직포 코어의 열가소성 섬유층에 유용한 열가소성 섬유의 비제한적인 예는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리올레핀, 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 개시내용의 열가소성 섬유의 추가 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 무정형 폴리에틸렌 테레프탈레이트(aPET), 및 폴리프로필렌을 포함한다.
본 개시내용의 부직포 코어는 상승된 온도 및 압력에서 열 압착되어 부직포 코어의 비중 및 굴곡 탄성률을 증가시킨다. 부직포 코어를 효과적으로 열 압착하기 위해, 온도는 부직포 코어 내의 적어도 하나의 열가소성 섬유의 유리 전이 온도 초과여야 하지만 부직포 코어 내의 적어도 하나의 열가소성 섬유의 용융 온도 미만이어야 한다. 온도가 너무 높아 부직포 코어의 열가소성 섬유의 융점에 근접하거나 그 초과인 경우, 부직포 코어와 생성된 기판은 열 압착 동안 50%까지 수축될 수 있다. 일 실시양태에서, 열 압착 동안 부직포 코어 및 생성된 기판의 수축률은 10% 미만이다. 일 실시양태에서, 열 압착 동안 부직포 코어 및 생성된 기판의 수축률은 5% 미만이다. 또 다른 실시양태에서, 열 압착 부직포 코어의 비중은 0.2 g/cm3 내지 0.7 g/cm3이다. 또 다른 실시양태에서, 열 압착 부직포 코어의 비중은 0.3 g/cm3 내지 0.5 g/cm3이다.
본 개시내용의 부직포 코어는 종종 두께에 관계없이 단위 면적당 부직포 코어의 질량(g/m2 또는 gsm)으로 기재된다. 일 실시양태에서, 부직포 코어는 500 g/m2 내지 5000 g/m2의 질량을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 부직포 코어는 700 g/m2 내지 4000 g/m2의 질량을 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 부직포 코어는 1000 g/m2 내지 3500 g/m2의 질량을 갖는다. 원하는 부직포 코어 질량을 달성하기 위해, 단일 열가소성 섬유층 또는 더 낮은 질량의 다중 열가소성 섬유층을 열 압착할 수 있다. 예를 들어, 3000 g/m2의 최종 질량을 갖는 부직포 코어를 생성하기 위해 열 압착 동안 각각 1000 g/m2의 질량을 갖는 3개의 열가소성 섬유 층을 사용할 수 있다. 본 개시내용에 유용한 부직포 코어의 비제한적인 예는 Dalco Nonwovens Corp.(Connover, NC)에 의해 상업적으로 생산되는 것들을 포함한다.
본 개시내용의 부직포 코어는 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면, 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층을 갖는다. 일 실시양태에서, 경량 다층 기판의 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 보강층을 포함한다. 본 개시내용의 보강층은 열 압착 동안 부직포 코어에 부착된다. 본 개시내용에 유용한 보강층의 비제한적인 예는 섬유 보강 열가소성 수지, 단방향 테이프, 유리섬유 매트, 및 탄소 섬유 매트를 포함한다. 일부 실시양태는 개방 직조를 갖는 것으로 설명될 수 있는 유리 섬유 매트를 포함한다. 유리섬유 매트의 개방 직조는 열 압착 과정 동안 부직포 코어에 본딩된다. 실시양태는 76 g/m2 내지 1500 g/m2, 또는 특정 응용 분야에서, 150 g/m2 내지 600 g/m2의 중량을 갖는 유리섬유 매트를 포함할 수 있다. 또한, 유리섬유 매트의 개방 직조는 Superior Huntingdon Composites에서 상업적으로 입수 가능한 것들을 포함하여 1 평방 센티미터 내에 20 내지 3000개의 유리 교차점을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 실시양태에서, 보강층은 금속 고체 시트, 포일, 필름, 천공 시트, 확장 금속뿐만 아니라 와이어 메쉬 및 천 형태로 구성될 수 있다. 적합한 형태로 쉽게 입수할 수 있는 금속의 비제한적인 예는 구리, 알루미늄, 황동, 청동, 코발트, 금, 은, 납, 몰리브덴, 니켈, 백금, 강철, 스테인리스강, 탄탈륨, 주석 및 아연을 포함한다. 금속 보강층의 두께는 다양할 수 있지만 전형적으로 0.01 내지 1 mm이다. 일 실시양태에서, 금속 필름의 두께는 0.05 내지 0.5 mm이다. 또 다른 실시양태에서, 보강층은 알루미늄 복합 패널(ACP)을 형성하기 위해 알루미늄 시트로 구성된다. ACP는 일반적으로 건축 및 건설 응용 분야에서 벽 피복재 및 클래딩 재료로서 사용된다. 중량에 대한 탁월한 강성 및 낮은 TEC 외에도, ACP는 내부 및 외부 용도를 위해 매우 다양한 상이한 코팅 및 인쇄 방법에 의해 장식될 수 있다.
금속 보강층은 일반적으로 열 압착 부직포 코어에 대한 접착 촉진을 위해 일부 통상적인 가공 처리를 필요로 한다. 접착력을 향상시키기 위한 통상적인 전략의 비제한적인 예는 기계적 스커핑(scuffing), 탈산소화, 코팅, 또는 타이층(tie-layer)을 포함한다. 타이층은 다층 기판의 열 압착 동안 달성될 수 있기 때문에 열 압착 부직포 코어와 금속 보강층 사이의 접착력을 향상시키는 데 유용한 방법이다. 타이층의 비제한적인 예는 핫 멜트 접착제, 감압 접착제(pressure sensitive adhesive) 및 기능화된 중합체 필름을 포함한다. 핫 멜트 접착제의 비제한적인 예는 기능화된 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트, 말레화 폴리올레핀 공중합체, 스티렌 블록 공중합체, 폴리올레핀 블록 공중합체), 폴리우레탄, 아크릴 및 폴리올레핀 공중합체(예를 들어, 폴리에틸렌-헥센 공중합체, 폴리에틸렌-옥텐 공중합체, 폴리프로필렌 공중합체)를 포함한다. 감압 접착제의 비제한적인 예는 아크릴 공중합체, 스티렌 블록 공중합체, 천연 고무, 실리콘 및 폴리올레핀 공중합체로부터 유도된 것들을 포함한다. 기능화된 중합체 필름의 비제한적인 예는 폴리올레핀 공중합체 및 반응성 폴리올레핀 공중합체를 포함한다. 타이층의 구체적인 예는 Saco Polymers(Sheboygan, WI)로부터 상업적으로 입수 가능한 말레화 폴리올레핀 공중합체, Linxidan 4433이다.
연속 필라멘트 매트("CFM")도 보강층으로서 사용될 수 있다. CFM은 렌덤 섬유 방향과 벌크를 생성하기 위해 회전되는 연속 유리섬유 가닥으로 구성된 보강 매트이다. CFM은 짧게 절단된 섬유가 아닌 연속적인 긴 섬유를 사용한다. CFM은 용융된 유리섬유 가닥을 루핑 방식으로 움직이는 벨트에 직접 분배하여 생산된다. 유리섬유 가닥이 냉각되고 경화되면 바인더가 적용되어 유리섬유 가닥을 제자리에 고정한다. 이러한 CFM은 펜실베이니아주 헌팅던 소재의 Huntingdon Fiberglass Products, LLC로부터 상업적으로 입수 가능하다. 본 개시내용의 지식을 가진 당업자는 특정 유리섬유 매트 또는 CFM을 선택하여 원하는 특성을 갖는 완제품을 얻을 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 보강층은 Avient Corporation 및 Ridge Corporation으로부터 상업적으로 입수 가능한 것들을 포함하는, 연속 유리 또는 탄소 섬유가 매립된 열가소성 매트릭스로 구성된 단방향 테이프이다. 일부 실시양태에서, 단방향 테이프의 유리 함량은 40 내지 80 중량%이다. 다른 실시양태에서, 단방향 테이프의 유리 함량은 50 내지 70 중량%이다. 또 다른 실시양태에서, 단방향 테이프의 열가소성 매트릭스는 폴리올레핀 또는 폴리에스테르이다. 또 다른 실시양태에서, 단방향 테이프의 열가소성 매트릭스는 폴리프로필렌(PP), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)이다.
또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 미끄럼 방지층을 포함한다. 미끄럼 방지층은 경량 다층 기판과 그 표면과 접촉하는 또 다른 표면 또는 물체 사이의 마찰 계수를 향상시키는 효과를 갖는다. 미끄럼 방지층의 비제한적인 예는 열가소성 폴리올레핀(TPO), 폴리우레탄, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 열가소성 엘라스토머(TPE), 폴리우레아 및 코폴리에스테르를 포함한다. 일부 실시양태는 Interfacial Consultants LLC에 의해 제조된 것들과 같은 열가소성 폴리올레핀을 포함한다. 일 실시양태에서, 경량 다층 기판의 마찰 계수는 0.25 초과이다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 마찰 계수는 0.35 초과이다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 상부층 또는 하부층 중 적어도 하나는 보강층 및 미끄럼 방지층을 포함한다.
일 실시양태에서, 경량 다층 기판은 부직포 코어 및 부직포 코어의 적어도 한 면에만 (즉, 상부층 또는 하부층 상에만) 적어도 하나의 보강층 및/또는 미끄럼 방지층(들)을 포함한다. 이러한 구성의 경량 다층 기판이 열적으로 균형을 이루기 위해서는, 보강층 및/또는 미끄럼 방지층(들) 어느 쪽을 포함하더라도 상부층 또는 하부층은 부직포 코어의 TEC 값과 매우 가까운 TEC를 가져야 한다. 그렇지 않은 경우, 경량 다층 기판은 균형을 이루지 못할 것이고 온도 변화에 따라 변형되어 에지 리프트를 야기할 것이다. 일 실시양태에서, 경량 다층 기판은 부직포 코어를 유리 섬유 매트 및 미끄럼 방지층에 열적으로 라미네이팅함으로써 제조된다. 미끄럼 방지층과 유리섬유 매트를 적절하게 선택함으로써, 미끄럼 방지층은 가공 동안 유리 섬유 매트로 용융되어 유동하여 열 압축 후 부직포 코어의 TEC와 유사한 TEC를 갖는 복합층을 생성할 수 있으며, 결과적으로 열적으로 균형을 이룬다.
본 개시내용의 경량 다층 기판은 탁월한 강성 대 중량비 특성을 갖는다. 강성 대 중량비의 한 가지 측정은 비탄성률로 알려져 있다. 이를 위한 비탄성률은 굴곡 탄성률(MPa)을 비중(g/cm3)으로 나누어 계산한 값으로 정의한다. 굴곡 탄성률은 ASTM D790 시험 방법에 따라 결정된다. 비중은 아르키메데스 방법(Archimedes Method)을 사용하여 결정된다. 일 실시양태에서, 경량 다층 기판의 비탄성률은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과이다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 비탄성률은 1500 (MPa/(g/cm3)) 초과이다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 비탄성률은 2000 (MPa/(g/cm3)) 초과이다.
본 개시내용에 구체화된 경량 다층 기판은 탁월한 TEC를 갖는다. 일 실시양태에서, 경량 다층 기판의 TEC는 3　x　10-5　m/(m*℃) 미만이다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 TEC는 1.5 x 10-5 m/(m*℃) 미만이다. TEC는 ASTM 6341을 사용하여 결정된다.
본 개시내용의 경량 다층 기판은 경량이다. 일 실시양태에서, 경량 다층 기판의 비중은 0.80 g/cm3 미만이다. 또 다른 실시양태에서, 경량 다층 기판의 비중은 0.65 g/cm3 미만이다. 비중은 아르키메데스 방법을 사용하여 결정된다.
본 개시내용의 경량 다층 기판은 열적으로 균형을 이룬다. 이는 에지 리프트 시험에 의해 측정될 때 온도 범위에 걸쳐 평탄도를 유지한다는 것을 의미한다. 에지 리프트 시험은 지정된 치수의 기판이 얼마나 평평한지를 측정하는 것이다. 일 실시양태에서, 에지 리프트는 8 in x 8 in 기판에 대해 1 mm(0.50%) 미만이다. 또 다른 실시양태에서, 에지 리프트는 8 in x 8 in 기판에 대해 0.5 mm(0.25%) 미만이다.
본 개시내용의 경량 다층 기판을 제조하는 한 가지 방법은 열 압착이다. 특정 실시양태에서, 연속 이중 벨트 프레스에서의 열 압착 본딩은 매우 낮은 TEC 및 탁월한 기계적 특성을 갖는 경량 다층 기판을 생성한다. 압출 및 사출 성형과 같은 통상적인 중합체 열처리 방법과 달리, 연속 이중 벨트 프레스 공정은 결과적인 경량 다층 기판을 생성하기 위해 정확한 용융 상태 특성을 필요로 하지 않는다.
연속 이중 벨트 프레스는 연속 방식으로 사용할 수 있는 열 압착 제조 공정으로, 부직포 코어를 열 압착하는 데 필요한 온도를 적용하고 보강층 및/또는 미끄럼 방지층을 본딩하여 경량 다층 기판을 생산할 수 있다. 일 실시양태에서, 보강층 및/또는 미끄럼 방지층은 사전 압착된 부직포 코어 상에 보강층 및/또는 미끄럼 방지층의 중합체 복합체, 화합물, 또는 수지 구성성분의 펠릿 또는 분말 형태를 분산시킴으로써 생성될 수 있다. 연속 이중 벨트 프레스 공정은 보강층 및/또는 미끄럼 방지층을 용융 및 접착하고 가공 동안 부직포 코어를 압착하여 통합된 경량 다층 기판을 생성한다. 연속 이중 벨트 프레스는 또한 가공 동안 보강층 및/또는 미끄럼 방지층 웹을 부직포 코어에 열적으로 본딩하고 압착하는 데 사용할 수 있다.
연속 이중 벨트 프레스 공정은 1 미터 거리에 걸쳐 +/-0.1 mm 미만의 두께로 변화하는 매우 평평한 경량 다층 기판을 생성한다. 연속 이중 벨트 프레스 공정은 또한 바닥재 산업을 포함한 많은 산업에서 요구되는 평탄도 사양을 달성하기 위해 더 짧은 거리에서 매우 평평한 재료를 가능하게 할 수 있다. 특히, 1 m 거리에 걸친 에지 리프트는 2 mm 미만이다.
본 개시내용에서 유용한 연속 이중 벨트 프레스는 2개의 유리 보강 폴리테트라플루오로에틸렌("PTFE") 벨트를 사용하여 가공 후 기판의 우수한 방출 특성을 제공한다. 연속 이중 벨트 프레스에는 전형적으로 하나 이상의 가열 구역과 냉각 구역이 있다. 조정할 수 있는 다른 파라미터에는 벨트 갭(상단 벨트와 하단 벨트 사이의 거리), 온도 및 압력이 포함된다. 연속 이중 벨트 프레스에는 종종 더 높은 압력을 가할 수 있는 하나 이상의 닙 롤러가 있다. 이러한 더 높은 압력을 닙 압력이라 지칭한다. 마지막으로, 벨트 속도는 전형적으로 각 라미네이트 층의 성공적인 라미네이션 및 접착을 달성하기 위해 가열 및 냉각을 위한 적절한 체류 시간을 보장하기 위해 다양하다.
당업자는 열 압착 본딩 공정 동안 인가된 압력이 생성된 기판의 특성에 영향을 미치는 변수라는 것을 인식한다. 부직포 코어를 목표 밀도로 열적으로 압착하고 또한 부직포 코어와 경량 다층 기판의 보강층 및/또는 미끄럼 방지층 사이에 원하는 접착력을 제공하기 위해 충분한 압력이 인가된다. 본 개시내용의 경량 다층 기판을 제조하기 위해 사용되는 시간, 온도 및 압력의 예는 실시예 섹션에서 찾을 수 있다. 당업자는 연속적인 이중 벨트 프레스 공정과 유사한 결과를 가능하게 하기 위해 또한 이용될 수 있는 다른 공정 조건을 알 것이다.
생성된 경량 다층 기판은 경량 다층 물품을 생성하기 위해 추가 층의 본딩 또는 부착이 가능하도록 처리될 수 있다. 당업계에 알려진 이러한 방법의 비제한적인 예는 플라즈마 처리, 코로나 처리, 실란 처리, 프라이머 물질의 사용, 또는 열처리를 포함한다.
생성된 경량 다층 기판은 단독으로 또는 바닥재, 천장, 지붕, 도어 패널, 적재 바닥, 헤드라이너, 벽 피복재, 조리대, 외부 데크 및 낮은 TEC를 갖는 열가소성 재료가 요구되는 기타 기판 응용 분야를 포함하는 운송, 및 건축 및 건설 시장의 많은 응용 분야를 위한 구성요소로서 사용될 수 있다. 일 실시양태에서, 본 개시내용의 생성된 경량 다층 기판은 3차원 물품으로 열성형되거나 진공 성형될 수 있다.
일 실시양태에서, 2000 내지 4000 g/m2의 질량을 갖는 열 압착된 부직포 코어 및 미끄럼 방지층을 포함하는 경량 다층 기판은 화물차 바닥재 및 트럭 베드 라이너(truck bed liner)로서 유용성을 갖는다. 중량, TEC 및 미끄럼 방지 성능의 균형은 경량 다층 기판을 이러한 응용 분야에 이상적으로 만든다. 또 다른 실시양태에서, 2000 내지 5000 g/m2의 질량을 갖는 열 압착 부직포 코어와 2개의 보강층을 포함하는 경량 다층 기판은 해양 바닥재로서 유용성을 갖는다. 이러한 응용 분야에서, 높은 비탄성률, 내습성 및 저비중이 바람직하다. 또 다른 실시양태에서, 500 내지 1000 g/m2의 질량을 갖는 열 압착 부직포 코어 및 미끄럼 방지층을 포함하는 경량 다층 기판은 실내 운동/체육관 바닥재로서 유용성을 갖는다. 이러한 응용 분야에서는 중량, TEC 및 미끄럼 방지 성능의 균형이 바람직하다.
실시예
표 1: 재료
비교예 CE1-CE 11 및 실시예 1-13
표 1에 나열된 각 재료를 24 in x 24 in 시트로 절단하였다. 표 2에 주어진 특정 층 조성에 따라 시트를 차례대로 하나씩 위에 쌍아 함께 적층함으로써 각각의 비교예 및 실시예에 대한 샘플을 생성하였다. 각 샘플의 열가소성 섬유 층(들)은 부직포 코어를 구성한다. 샘플은 펜실베이니아주 필라델피아 소재의 Reliant Machinery에서 만든 연속 이중 벨트 프레스를 통해 처리하였다. 연속 이중 벨트 프레스는 폭이 71 in이고 대략 2 m의 가열 구역과 1 m의 냉각 구역으로 구성되었다. 닙 롤러 및 기타 기계 장비에 대한 길이를 포함하여 조합된 가열 및 냉각 구역의 총 길이는 대략 3 m였다. 장치는 냉수를 순환시켜 전기적으로 가열 및 냉각되었다. 각 비교예 및 예에 대한 구체적인 처리 조건은 표 3에 주어진다. 생성된 복합 샘플은 ASTM D790 시험 방법에 따라 굴곡 특성을 특성화하였다. 생성된 복합 샘플은 아르키메데스 방법을 사용하여 비중에 대해 특성화하였다. 각각의 생성된 복합 샘플의 TEC는 ASTM 6341을 사용하여 결정되었다. 각각의 생성된 복합 샘플의 에지 리프트는 각각의 생성된 복합 샘플로부터 8 in x 8 in 조각을 절단하고 각 코너가 평평한 표면으로부터 들어 올려진 거리를 측정함으로써 결정되었다. 평균 에지 리프트는 각 코너에 대한 에지 리프트의 합계와 같다. 각 비교예 및 실시예에 대한 실험 결과는 표 4에 주어진다.
표 2: CE1-CE11 및 실시예 1-13에 대한 복합층 구성
표 3: CE1-CE11 및 실시예 1-13에 대한 처리 조건
표 4: CE1-CE11 및 실시예 1-13에 대한 실험 결과
이와 같이 특정 실시양태를 설명하였으므로, 당업자는 본원에서 발견된 교시가 본원에 첨부된 청구범위의 범위 내에서 또 다른 실시양태에 적용될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 경량 다층 기판으로서,
    제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어;
    열 압착 부직포 코어의 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층; 및
    선택적으로, 열 압착 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층
    을 포함하고,
    경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률(specific modulus) 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 열팽창 계수를 갖고;
    경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이루는 것인 경량 다층 기판.
  2. 제1항에 있어서, 열 압착 부직포 코어는 적어도 하나의 열가소성 섬유층을 포함하는 것인 경량 다층 기판.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상부층은 보강층, 미끄럼 방지층, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 경량 다층 기판.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 하부층은 보강층, 미끄럼 방지층, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 경량 다층 기판.
  5. 제1항에 있어서, 0.80 g/cm3 미만의 비중을 갖는 경량 다층 기판.
  6. 제1항에 있어서, 0.65 g/cm3 미만의 비중을 갖는 경량 다층 기판.
  7. 제1항에 있어서, 0.50% 미만의 에지 리프트(edge lift)를 갖는 경량 다층 기판.
  8. 제1항에 있어서, 0.25% 미만의 에지 리프트를 갖는 경량 다층 기판.
  9. 제3항에 있어서, 보강층은 단방향 테이프인 경량 다층 기판.
  10. 제3항에 있어서, 보강층은 알루미늄 필름 또는 시트인 경량 다층 기판.
  11. 제3항에 있어서, 열 압착 부직포 코어와 보강층 및/또는 미끄럼 방지층 사이에 타이층(tie-layer)을 추가로 포함하는 경량 다층 기판.
  12. 경량 다층 물품으로서,
    제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 열 압착 부직포 코어, 부직포 코어의 제1 표면에 부착된 적어도 하나의 상부층, 및 선택적으로, 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면에 부착된 적어도 하나의 하부층으로부터 유도된 경량 다층 기판을 포함하고,
    경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 열팽창 계수를 갖고;
    경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이루는 것인 경량 다층 물품.
  13. 제12항에 있어서, 열 압착 부직포 코어는 적어도 하나의 열가소성 섬유층을 포함하는 것인 경량 다층 물품.
  14. 경량 다층 기판의 제조 방법으로서,
    (a) 열가소성 섬유를 함께 본딩하여 적어도 하나의 열가소성 섬유층을 생성하는 단계;
    (b) 적어도 하나의 열가소성 섬유층을 압착하여 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 부직포 코어를 생성하는 단계;
    (c) 적어도 하나의 상부층이 부직포 코어의 제1 표면 상에 배치되고, 선택적으로, 적어도 하나의 하부층이 부직포 코어의 반대쪽 제2 표면 아래에 배치되는 기판을 형성하는 단계; 및
    (d) 적어도 하나의 상부층, 부직포 코어, 및 선택적으로, 적어도 하나의 하부층을 열 압착을 통해 함께 본딩하여 경량 다층 기판을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    경량 다층 기판은 1200 (MPa/(g/cm3)) 초과의 비탄성률 및 3 x 10-5 m/(m*℃) 미만의 열팽창 계수를 갖고;
    경량 다층 기판은 25℃ 내지 70℃에서 열적으로 균형을 이루는 것인 경량 다층 기판의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 열 압착은 연속 이중 벨트 프레스에서 수행되는 것인 경량 다층 기판의 제조 방법.
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