KR20240011904A - 샌드위치 패널 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20240011904A
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sandwich panel
reinforced woven
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김원석
임승환
권용진
장준혁
정호근
황민혁
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롯데케미칼 주식회사
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Abstract

본 발명의 샌드위치 패널은 발포 성형체; 상기 발포 성형체의 상부에 융착된 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체; 및 상기 발포 성형체의 하부에 융착된 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체;를 포함하며, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체는 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 테이프 형태의 유리섬유 복합소재를 경사와 위사로 활용하되, 경사와 경사 그리고 위사와 위사 사이에 3 내지 30 mm × 3 내지 30 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 직조한 직조체인 것을 특징으로 한다. 상기 발포성 수지 조성물은 경량성, 강성, 친환경성 등이 우수하다.

Description

샌드위치 패널 및 이의 제조방법{SANDWICH PANEL AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 샌드위치 패널 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 경량성, 강성, 친환경성 등이 우수한 샌드위치 패널 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
러기지 보드(luggage board), 헤드라이너(head liner), 시트 백패널(seat back panel) 등의 자동차 내장 부품들과 버스 및 트램의 차체(body shell) 및 바닥재(floor) 구조물은 플라스틱 소재가 발포된 폼(foam)으로 이루어진 심재층과 그 양면에 섬유강화 복합소재로 이루어진 보강층이 접착된 샌드위치 구조로 제작된다. 이러한 샌드위치 구조의 샌드위치 패널(sandwich panel)은 가벼우면서 강성이 우수하고, 대면적의 판 형태로 제작이 용이하기 때문에 주로 넓은 면적을 갖는 패널 형태 제품들에 적용되고 있다.
자동차 산업에 지속적으로 강화되는 경량화 및 친환경 요구를 만족시키기 위해, 샌드위치 패널 부품들도 더욱 경량화되면서, 환경에 유해한 물질, 열경화성 수지 등을 사용하지 않고, 열가소성 수지, 특히 폴리프로필렌(PP) 소재를 도입하고자 하는 추세가 강하다. 최근의 샌드위치 패널 부품들은 EPP(expanded polypropylene) 시트를 심재층으로 사용하고, 펠트(felt)라고 불리는 100 내지 150 mm 길이의 유리섬유가 방향성 없이 폴리프로필렌 섬유와 혼섬된 시트 형태의 유리섬유 보강 열가소성 복합소재를 양면에 접착하는 방식으로 폴리프로필렌 소재를 도입하고 있지만, 보강층으로 사용한 유리섬유 보강 복합소재(펠트)로 인해, 샌드위치 패널의 경량성, 강성 등이 크게 개선되지 못하고 있는 상황이다.
일 예로, EPP를 심재층 소재로 사용하고, 유리섬유 강화 시트 또는 천연섬유 강화 시트를 보강층 소재로 사용한 러기지 보드가 개발되었다. 상기 러기지 보드는 최종 제품과 동일한 형상을 가지는 EPP 보드를 제작한 후, EPP 보드와 보강층 소재를 150 내지 220℃의 온도로 예열한 후 적층 및 냉간 압착하여 제품을 성형한다. 이러한 방법은 별도의 접착제 사용 없이 예열 후 냉간 압착하는 과정을 통해 심재층과 보강층이 접착되도록 함으로써, 냄새 및 휘발성 유기화합물(VOC) 발생 없는 성형이 가능하다. 그러나, EPP 보드와 보강층을 예열하는 공정은 소재를 고온 상태로 만들기 위해서 전력 소모량이 큰 히팅 장치를 장시간 가동하여 가열 공정이 이루어지기 때문에 생산비용 및 공정시간이 크게 요구된다. 또한, 냉간 압착하는 공정 또한 고가의 금형 및 프레스 설비를 필요로 하여 초기 투자비용이 높다는 단점이 있다.
다른 예로, 자동차 내장재용 샌드위치 구조물의 내습성 및 강도 향상을 위해, 수분경화형 이소시아네이트를 천연섬유 보강층에 첨가하고 경화반응을 진행하여 시트 형태로 제조한 후, 이를 열가소성 발포 시트 양면에 열 라미네이션 공정으로 접착한 샌드위치 구조물이 개발되었다. 상기 샌드위치 구조물은 친환경적인 천연섬유와 재활용 가능한 열가소성 수지를 사용하지만, 보강층과 심재층을 제작한 후에 가열하여 접착하는 방식이기 때문에 기존의 접착제 이용 접착 공정 대비 접착 공정 시간이 길어져 생산성이 저하되는 단점이 있으며, 보강층을 구성하는 천연섬유는 기존의 유리섬유 대비 기계적 물성이 낮기 때문에 제품 성능 확보 및 경량화에 불리하다는 단점을 갖는다.
따라서, 생산 시간 및 비용 등을 축소시킨 경제적인 방법의 적용이 가능한 경량성, 강성, 친환경성 등이 우수한 샌드위치 패널의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2017-0116793호, 대한민국 등록특허 10-1619977호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 경량성, 강성, 친환경성 등이 우수한 샌드위치 패널을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 샌드위치 패널의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 샌드위치 패널에 관한 것이다. 상기 샌드위치 패널은 발포 성형체; 상기 발포 성형체의 상부에 융착된 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체; 및 상기 발포 성형체의 하부에 융착된 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체;를 포함하며, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체는 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 테이프 형태의 유리섬유 복합소재를 경사와 위사로 활용하되, 경사와 경사 그리고 위사와 위사 사이에 3 내지 30 mm × 3 내지 30 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 직조한 직조체인 것을 특징으로 한다.
2. 상기 1 구체예에서, 상기 발포 성형체는 폴리프로필렌 수지를 포함하는 수지 조성물을 발포 배율이 5 내지 50배이고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛가 되도록 발포하여 제조한 발포 입자 형태의 발포성 수지 조성물을 금형에 충전하고, 가열 및 융착시켜 형성한 것일 수 있다.
3. 상기 2 구체예에서, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단독 중합체, 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
4. 상기 2 또는 3 구체예에서, 상기 발포는 상기 수지 조성물에 물 및 분산제를 포함하는 분산매를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 발포제를 투입한 후, 상기 발포제가 투입된 혼합물을 130 내지 160℃의 온도 조건 및 15 내지 60 kgf/cm2 압력 조건이 되도록 가열 및 가압한 후, 상온 및 대기압 조건에 노출하는 것일 수 있다.
5. 상기 1 내지 4 구체예에서, 상기 유리섬유 복합소재는 상기 유리섬유 20 내지 80 중량% 및 상기 폴리프로필렌 수지 20 내지 80 중량%를 포함할 수 있다.
6. 상기 1 내지 5 구체예에서, 상기 유리섬유 복합소재는 두께가 0.3 내지 1.2 mm이고, 폭이 5 내지 25 mm인 테이프 형태일 수 있다.
7. 상기 1 내지 6 구체예에서, 상기 샌드위치 패널은 상기 발포 성형체가 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체의 빈 공간에 채워지며 융착된 형태일 수 있다.
8. 상기 1 내지 7 구체예에서, 상기 샌드위치 패널은 ASTM D7249에 의거하여, 하부 지간거리(lower span) 300 mm 및 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여 측정한 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편의 4점 굴곡 시험 굴곡강도가 10 MPa 이상일 수 있다.
9. 상기 1 내지 8 구체예에서, 상기 샌드위치 패널은 ASTM D7249에 의거하여, 하부 지간거리(lower span) 300 mm 및 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여 측정한 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편의 4점 굴곡 시험 굴곡강성이 2.5 GPa 이상일 수 있다.
10. 본 발명의 다른 관점은 샌드위치 패널의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 각각 양쪽 금형의 표면에 고정하는 단계; 발포성 수지 조성물을 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체 사이에 위치하도록 금형에 충전하는 단계; 및 상기 금형에 포화 스팀을 공급하여, 상기 발포성 수지 조성물, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 가열 및 융착시킴으로써, 상기 발포성 수지 조성물로부터 형성되는 발포 성형체, 상기 발포 성형체의 상부에 융착되는 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체, 및 상기 발포 성형체의 하부에 융착되는 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 포함하는 샌드위치 패널을 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체는 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 테이프 형태의 유리섬유 복합소재를 경사와 위사로 활용하되, 경사와 경사 그리고 위사와 위사 사이에 3 내지 30 mm × 3 내지 30 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 직조한 직조체인 것을 특징으로 한다.
11. 상기 10 구체예에서, 상기 발포성 수지 조성물은 폴리프로필렌 수지를 포함하는 수지 조성물을 발포 배율이 5 내지 50배이고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛가 되도록 발포하여 제조한 발포 입자일 수 있다.
본 발명은 경량성, 강성, 친환경성 등이 우수한 샌드위치 패널 및 이의 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 샌드위치 패널의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 제1 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구체예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 구체예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 구체예에 한정되는 것은 아니다.
도면에서 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 또한, 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소의 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 전체적으로 도면 설명 시 관찰자 시점에서 설명하였고, "상", "하", "좌", "우", "전", "후"의 기준은 도면을 기준으로 한 것이다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다", "가지다" 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 샌드위치 패널의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 샌드위치 패널의 단면도이다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구체예에 따른 샌드위치 패널(100)은 심재층으로서, 발포 성형체(110); 및 보강층으로서, 상기 발포 성형체(110)의 상부에 융착된 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120); 및 상기 발포 성형체(110)의 하부에 융착된 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130);를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따른 발포 성형체(110)는 폴리프로필렌 수지를 포함하는 수지 조성물을 발포 배율이 5 내지 50배이고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛가 되도록 발포하여 제조한 발포 입자 형태의 발포성 수지 조성물을 금형에 충전하고, 가열 및 융착시켜 형성한 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 수지 조성물은 상기 구성 성분을 혼합하고, 통상의 일축 또는 이축 압출기를 사용하여, 150 내지 240℃, 예를 들면 160 내지 230℃에서 용융 압출한 펠렛 형태일 수 있다.
구체예에서, 상기 발포성 수지 조성물(발포 입자)은 발포 배율이 5 내지 50배, 예를 들면 10 내지 40배일 수 있고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛, 예를 들면 70 내지 300 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서, 발포 입자의 발포 성형성(융착성), 기계적 물성 등이 우수할 수 있다. 여기서, 상기 발포 입자의 발포 배율은 직접 침지법으로 측정할 수 있으며, 자세하게는 메스실린더와 저울을 이용하여 건조된 발포 입자의 무게와 부피를 측정하여 입자의 밀도를 계산한 후, 발포 전 수지 조성물 입자의 밀도 0.9 g/cm3을 기준 1배로 하여 환산한 값이고, 셀의 평균 크기는 발포 입자를 액체 질소로 냉각 후 단면을 절단하고, SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 발포 입자의 셀 직경(크기)을 3개 이상 측정한 후, 이의 평균 값을 산출하여 얻은 값이다.
구체예에서, 상기 폴리프로필렌 수지는 발포성 수지 조성물 및 발포 성형체를 형성하는 기초 수지로서, 프로필렌 단독 중합체; 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체; 프로필렌 단독중합 부분과 에틸렌-프로필렌 공중합 부분이 반응기 내에서 단계적으로 중합된 에틸렌-프로필렌 공중합체; 또는 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체를 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 폴리프로필렌 수지는 ASTM D1238에 의거하여, 230℃, 2.16 kg 하중 조건에서 측정한 유동흐름지수(Melt-flow index)가 1 내지 50 g/10분, 예를 들면 5 내지 30 g/10분일 수 있다. 상기 범위에서 발포성 수지 조성물(발포 입자)의 기계적 강도, 성형 가공성, 발포성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 발포성 수지 조성물은 본 발명의 목적 및 효과를 저해하지 않는 범위에서 통상의 발포성 수지 조성물에 사용되는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제로는 산화방지제, 광안정제, 열안정제, 난연제, 착색제, 가소제, 슬립제, 이들의 조합 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 첨가제 사용 시, 그 함량은 상기 폴리프로필렌 100 중량부에 대하여, 0.001 내지 40 중량부, 예를 들면 0.1 내지 10 중량부일 수 있다.
구체예에서, 상기 발포성 수지 조성물은 공지의 발포 입자 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 수지 조성물에 물 및 분산제를 포함하는 분산매를 혼합하여 혼합물을 제조하고; 그리고 상기 혼합물에 발포제를 투입하고, 상기 발포 배율 및 상기 셀의 평균 크기를 갖도록 발포하여 제조할 수 있다.
구체예에서, 상기 분산제는 고급 지방산, 고급 지방산 에스테르 및 고급 지방산 아미드 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 수지 조성물은 분산매가 존재하는 반응기로 투입되거나, 상기 수지 조성물과 함께 분산매가 반응기로 투입되어, 혼합물을 형성할 수 있다.
구체예에서, 상기 발포제로는 통상의 발포 입자에 사용되는 발포제를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 이산화탄소, 프로판, 부탄, 헥산, 펜탄, 헵탄, 시클로부탄, 시클로헥산, 메틸클로라이드, 에틸클로라이드, 메틸렌클로라이드, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 메틸에틸에테르, 질소, 아르곤 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 발포는 상기 발포제가 투입된 혼합물을 130 내지 160℃, 예를 들면 135 내지 155℃의 온도 조건 및 15 내지 60 kgf/cm2, 예를 들면 20 내지 50 kgf/cm2의 압력 조건이 되도록 가열 및 가압한 후, 상온 및 대기압 조건에 노출하여 수행될 수 있다. 상기 온도 및 압력 조건에서, 발포 배율이 5 내지 50배이고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛인 발포 입자(발포성 수지 조성물)를 얻을 수 있다.
구체예에서, 상기 발포 입자(발포성 수지 조성물)는 버니어캘리퍼스로 측정한 평균 입경이 1 내지 7 mm, 예를 들면 2 내지 6 mm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 범위에서, 발포 성형성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 발포 성형체(110)는 상기 발포성 수지 조성물(발포 입자)을 금형에 충전하고, 융착시켜 형성할 수 있는 것으로서, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 발포 성형체(110)는 상기 발포 입자를 비-기밀 금형 내에 충전(도입)하고, 상기 금형에 포화 스팀(예를 들면, 2.0 내지 3.5 bar 압력의 포화 스팀)을 약 30초 동안 공급하여, 상기 발포 입자끼리 융착시키고, 이를 건조하여 제조하는 발포 성형체일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 제1 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체의 평면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구체예에 따른 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120); 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130);는 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 테이프 형태의 유리섬유 복합소재를 경사(122, 132)와 위사(124, 134)로 활용하되, 경사(122, 132)와 경사(122, 132) 그리고 위사(124, 134)와 위사(124, 134) 사이에 3 내지 30 mm × 3 내지 30 mm 크기의 빈 공간(126, 136)이 형성되도록 직조한 직조체인 것을 특징으로 한다.
구체예에서, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130)는 빈 공간(126, 136)을 통해 금형에 가열 및 융착을 위한 포화 스팀의 유입이 가능하도록 한 것이고, 또한, 발포 성형체(110, 발포성 수지 조성물)의 기초 수지인 폴리프로필렌 수지와 동일한 폴리프로필렌 수지를 적용하여, 가열 및 융착 과정에서 동종 소재 간의 우수한 접착이 구현되도록 한 것이다.
구체예에서, 상기 유리섬유 복합소재는 상기 유리섬유 20 내지 80 중량%, 예를 들면 40 내지 50 중량% 및 상기 폴리프로필렌 수지 20 내지 80 중량%, 예를 들면 50 내지 60 중량%를 포함할 수 있다. 상기 범위에서, 샌드위치 패널의 강성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 유리섬유 복합소재는 두께가 0.3 내지 1.2 mm, 예를 들면 0.4 내지 1.1 mm일 수 있고, 폭이 5 내지 25 mm, 예를 들면 7 내지 20 mm인 테이프 형태일 수 있다. 상기 범위에서, 샌드위치 패널의 강성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 유리섬유 복합소재는 공지된 제조방법에 의해 제조될 수 있으며, 예를 들면, 대한민국 공개특허 10-2018-0035064호에 개시된 제조 장치를 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 샌드위치 패널(100)은 상기 발포 성형체(110)가 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130)의 빈 공간(126, 136)에 채워지며 융착된 형태일 수 있다. 여기서, 상기 발포 성형체(110)는 상기 빈 공간(126, 136)을 채우고, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 상부의 일부 또는 전부 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130) 하부의 일부 또는 전부를 덮은 형태일 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.
구체예에서, 상기 샌드위치 패널(100)은 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130)를 각각 양쪽 금형의 표면에 고정하는 단계; 상기 발포성 수지 조성물을 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130) 사이에 위치하도록 금형에 충전하는 단계; 및 상기 금형에 포화 스팀(예를 들면, 2.0 내지 3.5 bar 압력의 포화 스팀)을 약 30초 동안 공급하여, 상기 발포성 수지 조성물, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130)를 가열 및 융착시켜, 상기 발포성 수지 조성물로부터 형성되는 발포 성형체(110), 상기 발포 성형체(110)의 상부에 융착되는 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120), 및 상기 발포 성형체(110)의 하부에 융착되는 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130)를 포함하는 샌드위치 패널(100)을 제조하는 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다.
상기 제조방법은 기존의 발포 성형체 제조방법에 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(120) 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(130)를 각각 양쪽 금형의 표면에 고정하는 단계만을 추가한 인서트 발포 성형 공정으로, 심재층에 보강층을 접착하는 별도의 접착 공정 없이, 생산 시간 및 비용 등을 축소시킨 경제적인 방법이다.
구체예에서, 상기 샌드위치 패널은 ASTM D7249에 의거하여, 하부 지간거리(lower span) 300 mm 및 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여 측정한 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편의 4점 굴곡 시험 굴곡강도가 10 MPa 이상, 예를 들면 10 내지 15 MPa일 수 있다.
구체예에서, 상기 샌드위치 패널은 ASTM D7249에 의거하여, 하부 지간거리(lower span) 300 mm 및 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여 측정한 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편의 4점 굴곡 시험 굴곡강성이 2.5 GPa 이상, 예를 들면 2.5 내지 5 GPa일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
실시예 1
프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체(제조사: 롯데케미칼, 제품명: SEP-550)를 220℃에서 압출하여 수지 조성물(직경 약 0.8 mm × 길이 약 1.1 mm의 펠렛 형태, 펠렛 1개의 무게 약 1.2 mg)을 제조하였다. 압출은 L/D=34, 직경 40 mm인 일축 압출기(스크류 회전속도: 약 700 rpm)를 사용하였다.
이어서, 상기 수지 조성물 100 중량부를, 분산매(분산제가 첨가된 물) 300 중량부와 함께 오토클레이브(autoclave)에 투입하였다. 상기 오토클레이브에 발포제인 이산화탄소(CO2)를 투입한 후, 교반하면서 오토클레이브 내부의 온도 및 압력을 약 147℃ 및 약 40 kg/cm2로 조절하였다. 다음으로, 상기 오토클레이브의 내용물을 대기 중에 노출시켜 발포 입자(발포성 수지 조성물, 발포 배율 약 20배, 셀의 평균 크기 약 200 ㎛)를 제조하고, 이를 상온에서 약 24시간 동안 건조시킨 후, 가압 탱크에 넣어 대기압(1 bar)에서 3 bar까지 약 10시간에 걸쳐 가압하였다.
다음으로, 러기지 보드 금형의 상부(고정측) 및 하부(이동측)에 각각 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체(삼박LFT(社)에서 생산한 두께 약 0.4 mm, 폭 약 11 mm의 테이프 형태의 유리섬유 복합소재(연속섬유 보강 복합소재(CFT))를 위사 및 경사로 활용하여 직조하되, 연속섬유 보강 복합소재 사이에 약 4 mm × 약 4 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 제작된 직조체) 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체(삼박LFT(社)에서 생산한 두께 약 0.4 mm, 폭 약 11 mm의 테이프 형태의 유리섬유 복합소재(연속섬유 보강 복합소재(CFT))를 위사 및 경사로 활용하여 직조하되, 연속섬유 보강 복합소재 사이에 약 4 mm × 약 4 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 제작된 직조체)를 금형 표면에 고정시킨 다음, 금형을 닫고 상기 발포 입자를 금형 내에 충전하였다. 여기서, 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 발포 금형 표면에 고정시키기 위해 금형에 핀(pin)을 생성하여 상기 직조체를 꽂아서 고정할 수 있도록 하였다. 상기 직조체에는 금형 표면의 핀(pin)과 동일한 지름의 원형 구멍을 생성하여 핀(pin)에 꽂혀진 후 고정될 수 있도록 하였다.
이 후, 상기 금형에 약 2.5 bar의 포화 증기를 약 30초 동안 공급하여 상기 발포 입자, 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 융착시키고 냉각시켜 꺼낸 후에 약 70℃ 대류 오븐에서 약 12시간 동안 건조시켜, 발포 성형체, 상기 발포 성형체의 상부에 융착된 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체, 및 상기 발포 성형체의 하부에 융착된 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 포함하는 샌드위치 패널을 제조하였다. 제조된 샌드위치 패널에 대하여, 하기의 방법으로 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
실시예 1에서 사용한 러기지 보드 금형 내에 동일한 발포 입자를 충전하고, 상기 금형에 약 2.5 bar의 포화 증기를 약 30초 동안 공급하여 상기 발포 입자끼리 융착시키고 냉각시켜 꺼낸 후에 약 70℃ 대류 오븐에서 약 12시간 동안 건조시켜, 발포 성형체를 제조하였다.
다음으로, 상기 발포 성형체의 상부 및 하부를 가열하여 표면을 약 180 내지 220℃ 사이의 온도가 되도록 예열한 후, 별도로 준비된 열가소성 펠트 쉬트를 열융착하여 접착하였다. 이때 별도로 준비된 열가소성 펠트 쉬트 또한 약 180 내지 220℃ 사이의 온도가 되도록 예열하였으며, 냉간 프레스 성형을 통해 열융착이 일어나면서 샌드위치 패널이 제작되도록 하였다. 제조된 샌드위치 패널에 대하여, 하기의 방법으로 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
기존의 러기지 보드 양산 공정 중의 하나인 GM-PUR(Glass Mat-Polyurethane) 공정으로 제작된 동일한 치수의 러기지 보드를 구입하여, 하기의 방법으로 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
물성 측정 방법
(1) 경량성 평가: 동일한 치수의 실시예 및 비교예의 러기지 보드 제품의 무게를 측정하였다.
(2) 강성 평가: 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편을 실시예 및 비교예의 러기지 보드 제품에서 채취한 후, ASTM D7249에 의거하여 4점 굴곡시험을 수행하였으며, 하부 지간거리(lower span) 300 mm, 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여, 굴곡강도(단위: MPa) 및 굴곡강성(단위: GPa)을 측정하였다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
제품 무게 (kg) 2.0 3.3 2.2
굴곡강도 (MPa) 10.9 9.8 6.7
굴곡강성 (GPa) 2.6 2.3 1.6
상기 결과로부터, 본 발명의 샌드위치 패널은 기존 발포 성형체 제조 공정에 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 각각 금형의 표면에 고정하는 단계만을 추가한 인서트 발포 성형 공정을 적용하여, 심재층에 보강층을 접착하는 별도의 접착 공정 없이, 생산 시간 및 비용 등을 축소시킨 경제적인 방법으로 제조되었음을 알 수 있다. 또한, 경량성 및 강성 등이 우수함을 알 수 있고, 접착제 등이 사용되지 않아 친환경적임을 알 수 있다.
반면, 본 발명의 제1 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체 대신에, 펠트를 적용한 비교예 1의 경우, 인서트 발포 성형이 불가하여, 별도의 접착 공정이 필요하였으며, 이로 인해 친환경성, 경제성 등이 저하되었음을 알 수 있다. 또한, 비교예 1 및 2는 실시예 1 대비 경량성, 강성 등의 구조 성능이 부족함을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 발포 성형체;
    상기 발포 성형체의 상부에 융착된 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체; 및
    상기 발포 성형체의 하부에 융착된 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체;를 포함하며,
    상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체는 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 테이프 형태의 유리섬유 복합소재를 경사와 위사로 활용하되, 경사와 경사 그리고 위사와 위사 사이에 3 내지 30 mm × 3 내지 30 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 직조한 직조체인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발포 성형체는 폴리프로필렌 수지를 포함하는 수지 조성물을 발포 배율이 5 내지 50배이고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛가 되도록 발포하여 제조한 발포 입자 형태의 발포성 수지 조성물을 금형에 충전하고, 가열 및 융착시켜 형성한 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단독 중합체, 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발포는 상기 수지 조성물에 물 및 분산제를 포함하는 분산매를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 발포제를 투입한 후, 상기 발포제가 투입된 혼합물을 130 내지 160℃의 온도 조건 및 15 내지 60 kgf/cm2 압력 조건이 되도록 가열 및 가압한 후, 상온 및 대기압 조건에 노출하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유리섬유 복합소재는 상기 유리섬유 20 내지 80 중량% 및 상기 폴리프로필렌 수지 20 내지 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유리섬유 복합소재는 두께가 0.3 내지 1.2 mm이고, 폭이 5 내지 25 mm인 테이프 형태인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  7. 제1항에 있어서, 상기 샌드위치 패널은 상기 발포 성형체가 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체의 빈 공간에 채워지며 융착된 형태인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  8. 제1항에 있어서, 상기 샌드위치 패널은 ASTM D7249에 의거하여, 하부 지간거리(lower span) 300 mm 및 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여 측정한 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편의 4점 굴곡 시험 굴곡강도가 10 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  9. 제1항에 있어서, 상기 샌드위치 패널은 ASTM D7249에 의거하여, 하부 지간거리(lower span) 300 mm 및 상부 지간거리(upper span) 100 mm 조건에서 5 mm/min 속도로 굴곡 하중을 인가하여 측정한 350 mm × 50 mm × 12 mm 크기 시편의 4점 굴곡 시험 굴곡강성이 2.5 GPa 이상인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
  10. 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 각각 양쪽 금형의 표면에 고정하는 단계;
    발포성 수지 조성물을 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체 사이에 위치하도록 금형에 충전하는 단계; 및
    상기 금형에 포화 스팀을 공급하여, 상기 발포성 수지 조성물, 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 가열 및 융착시킴으로써, 상기 발포성 수지 조성물로부터 형성되는 발포 성형체, 상기 발포 성형체의 상부에 융착되는 상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체, 및 상기 발포 성형체의 하부에 융착되는 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체를 포함하는 샌드위치 패널을 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 열가소성 연속섬유 보강 직조체 및 상기 제2 열가소성 연속섬유 보강 직조체는 유리섬유에 폴리프로필렌 수지가 함침된 테이프 형태의 유리섬유 복합소재를 경사와 위사로 활용하되, 경사와 경사 그리고 위사와 위사 사이에 3 내지 30 mm × 3 내지 30 mm 크기의 빈 공간이 형성되도록 직조한 직조체인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 발포성 수지 조성물은 폴리프로필렌 수지를 포함하는 수지 조성물을 발포 배율이 5 내지 50배이고, 셀의 평균 크기가 50 내지 400 ㎛가 되도록 발포하여 제조한 발포 입자인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널의 제조방법.
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