KR20240032384A - 경량 소프트트림 복합소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20240032384A
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Abstract

경량 소프트트림 복합소재 및 이의 제조방법이 제공된다. 코어층;과 상기 코어층의 상측에 배치되고, 제1저융점층과 제1고융점층의 층상 구조로 형성되는 제1보강층;과 상기 코어층의 하측에 배치되고, 제2저융점층과 제2고융점층의 층상 구조로 형성되는 제2보강층; 및 상기 제1보강층 및 상기 제2보강층의 외측 면에 배치되는 표피층;을 포함하는 복합소재를 제조하기 위한 것으로, 상기 제1보강층 및 상기 제2보강층은, 상이한 융점을 갖는 다수 개의 열가소성 수지가 파우더 또는 섬유 형상으로 각각의 믹싱탱크에 투입되는 제1단계; 상기 제1단계를 거친 상기 열가소성 수지가 각각의 카딩머신에 투입되어, 다수 층이 적층된 수지 웹(web)이 형성되는 제2단계; 및 적층된 상기 수지 웹(web)이 니들머신에 투입되어, 니들 펀칭 공정을 통해 상기 제1보강층 및 상기 제2보강층이 형성되는 제3단계;를 포함하는, 복합소재 제조방법이 제공된다.

Description

경량 소프트트림 복합소재 및 이의 제조방법{LIGHTWEIGHT SOFT TRIM COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 차량에 사용되는 경량 소프트트림 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 복합소재는 두가지 이상의 동종 혹은 이종의 재료를 조합하여, 단일재료가 갖지 못한 성질을 구현할 수 있도록 단층 혹은 다층으로 형성된 재료를 의미한다. 이와 같은 복합소재는 사용하고자 하는 목적에 맞게 재료가 배합되고 특정한 구조로 배치되어, 다양한 분야에서 사용되고 있다. 따라서, 복합소재는 다양한 분야에서 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
이 중에서도 차량의 내장재에 적용되는 복합소재로는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 유/무기 필러가 포함된 압출타입 복합소재, 화학섬유에 천연섬유가 혼합된 천연섬유강화보드, 유리섬유가 포함된 섬유보강 복합소재 및 높은 강도를 가질 수 있는 샌드위치 구조형 복합소재 등이 있다.
더욱 상세하게는, 차량의 내장 부품인 리어셀프 및 러기지류에는 가격이 저렴한 천연섬유 강화보드, 우드스탁(wood stock) 및 유리섬유 강화보드 등이 주로 사용되고 있다. 그런데, 위와 같이 리어셀프 및 러기지류의 내장 부품에 주로 사용되는 재료 중 천연섬유 강화보드 및 우드스탁은 불쾌한 냄새 및 VOCs(Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물)가 발생되고, 유리섬유 강화보드는 유리섬유에서 발생되는 분진으로 인한 작업성 저하 및 신체적 위험과 환경적 오염 발생 등의 문제점이 있다.
또한, 샌드위치 구조형 복합소재로 널리 사용되고 있는, 글라스매트-폴리우레탄 보드(GM-PUR)는 우수한 강도를 가지고 있지만, 복잡한 제조공정으로 인해 가격이 높은 단점이 있다. 추가적으로, 샌드위치 구조형 복합소재 중 글라스섬유/폴리우레탄폼(GF/PU)은 가격 경쟁력을 가지고 있지만, 강도가 낮기 때문에 적용가능한 부품이 제한적이다.
이에, 우수한 기계적 물성을 가지면서도 종래 복합소재에서의 단점 및 문제점을 개선하고, 친환경적으로 제조 및 사용될 수 있는 복합소재의 개발이 요구되고 있다. 예컨대, 종래 샌드위치 구조의 복합소재는 코어층과 보강층을 각각 제조한 후, 접착제 및 핫멜트 필름 등을 활용하여 라미네이션 하여 일체화 하는 과정을 통해 제작되고 있다. 또는, 종래 샌드위치 구조의 복합소재는 추가적인 공정 없이 발포체 코어층에 보강층과 보강재를 동시에 압출하여 제작되기도 한다. 그런데, 이와 같은 방법으로 제작되는 복합소재는 압출 시 코팅층의 토출량과 보강재의 종류가 한정되어, 다양한 부품에 적용될 수 있는 확장성에 한계를 갖는다.
위와 같은 한계를 극복하기 위해, 샌드위치 구조의 복합소재는 적용하고자 하는 부품의 용도에 맞게 여러가지 타입으로 개발이 되고 있다. 그러나, 위와 같은 샌드위치 구조의 복합소재가 더욱 효과적인 성능을 발현하기 위해서는 적용하고자 하는 개별적인 제품에 맞게 소재의 구성 및 중량 선정 등과 같은 최적화 과정이 필요하다. 그런데, 이를 통해 제작된 복합소재가 예상치보다 낮은 기계적 물성을 구현하는 경우가 많아, 복합소재를 용이하게 제작하는 데에 어려움이 있다. 또한, 종래의 복합소재는 단일소재와 비교하였을 때, 추가적인 제조 공정이 다수 요구되기 때문에, 이로 인한 원가경쟁력 및 작업성 하락에 따른 어려움을 가지고 있다.
즉, 복합소재는 위와 같은 문제점 개선과 품질 확보 및 친환경, 경량화 등을 달성하기 위한 연구 개발이 진행되고 있다. 그런데, 친환경, 경량화, 작업성 향상, 강도 향상, 흡차음 성능 향상 등 우수한 물성, 작업성 및 가격경쟁력을 만족하는 복합소재의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 기계적 물성이 우수하고, 경량화 되며, 작업성이 향상되고, 가격경쟁력이 있는 차량용 경량 소프트트림 복합소재 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
다만 본 발명의 실시예들이 이루고자 하는 기술적 과제들은 반드시 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 상세한 설명 등 명세서의 다른 기재로부터 본 발명의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 코어층;과 상기 코어층의 상측에 배치되고, 제1저융점층과 제1고융점층의 층상 구조로 형성되는 제1보강층;과 상기 코어층의 하측에 배치되고, 제2저융점층과 제2고융점층의 층상 구조로 형성되는 제2보강층; 및 상기 제1보강층 및 상기 제2보강층의 외측 면에 배치되는 표피층;을 포함하는 복합소재를 제조하기 위한 것으로, 상기 제1보강층 및 상기 제2보강층은, 상이한 융점을 갖는 다수 개의 열가소성 수지가 파우더 또는 섬유 형상으로 각각의 믹싱탱크에 투입되는 제1단계; 상기 제1단계를 거친 상기 열가소성 수지가 각각의 카딩머신에 투입되어, 다수 층이 적층된 수지 웹(web)이 형성되는 제2단계; 및 적층된 상기 수지 웹(web)이 니들머신에 투입되어, 니들 펀칭 공정을 통해 상기 제1보강층 및 상기 제2보강층이 형성되는 제3단계;를 포함하는, 복합소재 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 복합소재는 열가소성 수지의 발포 폼으로 형성되는 코어층의 상하측에 배치되는 제1,2보강층에 의해 고강도, 경량화의 복합소재가 형성될 수 있다. 코어층은 발포 폼으로 형성되어 경량화가 가능하며, 제1,2보강층도 코어층과 동일 또는 유사한 열가소성 수지로 형성되어, 경량화 및 고강도의 복합소재를 형성할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재는 샌드위치타입으로 구성하기 위해 제1,2보강층과 코어층 간의 접착층 또는 접착제를 별도로 구비하지 않으며, 기존의 1-line에서 열 압출에 의한 공정의 한계를 극복할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재는 종래에 비해 중량 및 적용가능한 보강재가 다양해질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재는 원하는 제품에 맞게 다양한 소재와 중량에서 제조할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 제조장치는 한 번의 공정으로 다층의 제1,2보강층을 간편하게 제작할 수 있는 특징이 있다. 복합소재 제조장치는 제1,2보강층을 형성하는 다수 개의 층과 동일한 개수의 투입장치 및 웹형성장치가 각각의 층을 제작 후 적층하는 공정을 통해 한 번의 공정으로 용이하게 제1,2보강층을 제작할 수 있다.
다만 본 발명의 실시예들을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과들은 반드시 상기에서 언급한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 효과들은 상세한 설명 등 명세서의 다른 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소재의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소재의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 복합소재를 제조하는 복합소재 제조장치의 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 복합소재를 제조하는 복합소재 제조장치의 개략도이다.
도 5는 도 1 내지 2에 도시된 복합소재를 성형하는 복합소재 성형장치의 개략도이다.
도 6은 도 1 내지 2에 도시된 복합소재의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
이하 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조해 설명한다. 이하의 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공될 수 있다. 다만 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이고 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 기술적 요지를 불분명하게 하거나 공지된 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합소재의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 복합소재(100)는 주로 차량의 소프트트림에 사용되는 것으로, 다층의 층상 구조로 형성될 수 있다. 상세하게는, 본 실시예의 복합소재(100)는 열가소성 폼에 보강재가 적층된 샌드위치 구조로 형성되어, 경량이면서도 고강도로 형성될 수 있다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 보강층은 서로 다른 융점을 갖는 열가소성 수지가 적층된 다층의 구조로 형성되어, 강도가 향상될 수 있다. 이와 같은 보강층을 포함하여 완성된 복합소재(100)는 용도에 따라 600 내지 4,000g/m2의 중량으로 제작이 가능하다.
구체적으로, 복합소재(100)는 열가소성 수지 발포 폼으로 형성되는 코어층(110), 코어층(110)의 상측에 배치되는 제1보강층(120), 코어층(110)의 하측에 배치되는 제2보강층(130) 및 제1,2보강층(120, 130)의 외측에 배치되는 표피층(140)을 포함할 수 있다. 이와 같은 복합소재(100)는 경량이면서도 고강도로 형성되어, 차량의 내장재로 사용될 수 있다.
이하 상기의 각 구성요소들에 대해 보다 상세히 설명한다.
코어층(110)은 판 형상의 부재로 형성되되, 전부 또는 일부가 열가소성 수지의 발포 폼으로 형성될 수 있다. 바람직하게, 코어층(110)은 복합소재(100)의 중심재 역할을 하기 위해, 소정 정도 이상의 강도를 가질 수 있다. 상세하게는, 코어층(110)은 경량이며 제1,2보강층(120, 130)과의 상용성이 좋은 열가소성 수지의 발포 폼이 적용될 수 있다. 더욱 상세하게는, 코어층(110)은 무가교 폴리프로필렌 폼, 가교 폴리프로필렌 폼, 폴리에틸렌 폼, 폴리비닐클로라이드 폼, 폴리에틸렌테레프탈레이트 폼 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 또한, 코어층(110)은 50 내지 300kg/m3의 밀도로 형성되고, 1 내지 5mm의 두께로 형성될 수 있다.
제1보강층(120)은 코어층(110)의 상측에 배치되어, 복합소재(100)의 강도를 향상시키기 위해 배치될 수 있다. 제1보강층(120)은 서로 상이한 융점을 갖는 다수 개의 열가소성 수지의 층상 구조로 형성될 수 있다. 바람직하게, 제1보강층(120)은 다수 개의 열가소성 수지를 적층하여 층상 구조로 형성한 후, 니들 펀칭과 같은 물리적 결합을 통해 형성될 수 있다.
상세하게는, 제1보강층(120)은 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene, LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(low melting point polyethylene terephthalate, LM-PET) 및 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS) 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 제1보강층(120)은 강도를 더욱 향상시키기 위해 열가소성 수지와 함께 우드, 뱀부, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커 및 바잘트 중 하나 이상이 포함되어 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1보강층(120)은 코어층(110)과 맞닿는 제1저융점층(121) 및 표피층(140)과 맞닿는 제1고융점층(122)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 제1보강층(120)이 두 개의 열가소성 수지 층(제1저융점층, 제1고융점층)으로 형성되는 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되지는 않으며 제1보강층(120)은 다수 개의 층으로 형성될 수 있다.
제1저융점층(121)은 코어층(110)과 맞닿게 배치되며, 코어층(110)과의 접착에 용이한 열가소성 수지가 사용될 수 있다. 바람직하게, 제1저융점층(121)은 200℃ 미만의 융점을 갖는 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
제1고융점층(122)은 제1저융점층(121)의 상측에 배치되고, 표피층(140)과 맞닿게 배치될 수 있다. 제1고융점층(122)은 표피층(140)과의 접착에 용이한 열가소성 수지가 사용될 수 있다. 바람직하게, 제1고융점층(122)은 200℃ 이상의 융점을 갖는 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
이와 같은 제1저융점층(121) 및 제1고융점층(122)은 중량이 3:7 또는 7:3의 비율로 형성될 수 있다. 상세하게는, 제1저융점층(121)은 코어층(110)과의 접착성을 향상시키기 위해 배치되고, 제1고융점층(122)은 복합소재(100)의 강도를 향상시키기 위해 배치될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제1저융점층(121) 및 제1고융점층(122)은 파우더 또는 섬유 형상으로 형성되어, 카딩(carding) 및 니들 펀칭(needle punching) 공정을 통해 대략적으로 결합될 수 있다. 이후, 파우더링 도포기를 통해 열가소성 수지를 파우더링 한 후, 열 롤러 및 냉간 롤러를 통해 코팅층이 형성된 제1보강층(120)이 제조될 수 있다.
한편, 제2보강층(130)은 코어층(110)의 하측에 배치되어, 복합소재(100)의 강도를 향상시키기 위해 배치될 수 있다. 제2보강층(130)은 제1보강층(120)과 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 바람직하게, 제2보강층(130)은 다수 개의 열가소성 수지를 적층하여 층상 구조로 형성한 후, 니들 펀칭과 같은 물리적 결합을 통해 형성될 수 있다.
상세하게는, 제2보강층(130)은 제1보강층(120)과 마찬가지로, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene, LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(low melting point polyethylene terephthalate, LM-PET) 및 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS) 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 제2보강층(130)은 강도를 더욱 향상시키기 위해 열가소성 수지와 함께 우드, 뱀부, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커 및 바잘트 중 하나 이상이 포함되어 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2보강층(130)은 코어층(110)과 맞닿는 제2저융점층(131) 및 표피층(140)과 맞닿는 제2고융점층(132)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 제2보강층(130)이 두 개의 열가소성 수지 층(제2저융점층, 제2고융점층)으로 형성되는 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되지는 않으며 제2보강층(130)은 다수 개의 층으로 형성될 수 있다.
제2저융점층(131)은 코어층(110)과 맞닿게 배치되며, 코어층(110)과의 접착에 용이한 열가소성 수지가 사용될 수 있다. 바람직하게, 제2저융점층(131)은 200℃미만의 융점을 갖는 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
제2고융점층(132)은 제2저융점층(131)의 상측에 배치되고, 표피층(140)과 맞닿게 배치될 수 있다. 제2고융점층(132)은 표피층(140)과의 접착에 용이한 열가소성 수지가 사용될 수 있다. 바람직하게, 제2고융점층(132)은 200℃이상의 융점을 갖는 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
이와 같은 제2저융점층(131) 및 제2고융점층(132)은 중량이 3:7 또는 7:3의 비율로 형성될 수 있다. 상세하게는, 제2저융점층(131)은 코어층(110)과의 접착성을 향상시키기 위해 배치되고, 제2고융점층(132)은 복합소재(100)의 강도를 향상시키기 위해 배치될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제2저융점층(131) 및 제2고융점층(132)은 파우더 또는 섬유 형상으로 형성되어, 카딩(carding) 및 니들 펀칭(needle punching) 공정을 통해 대략적으로 결합될 수 있다. 이후, 파우더링 도포기를 통해 열가소성 수지를 파우더링 한 후, 열롤러 및 냉간롤러를 통해 코팅층이 형성된 제2보강층(130)이 제조될 수 있다.
이와 같은 제1보강층(120)과 제2보강층(130)은 서로 동일한 중량 또는 상이한 중량으로 형성되되, 300 내지 1,000g/m2의 중량으로 형성될 수 있다. 또한, 제1보강층(120), 제2보강층(130)과 코어층(110)은 4:1 내지 1:1의 중량 비율로 배치될 수 있다. 이때 설명의 편의를 위해, 코어층(110)의 상측에 제1보강층(120)이 배치되고, 하측에 제2보강층(130)이 배치된 것 즉, 제1보강층(120), 코어층(110) 및 제2보강층(130)이 순서대로 배치된 것을 코어보강층(CR)이라고 칭하기로 한다.
표피층(140)은 제1보강층(120)과 제2보강층(130)의 외측 면에 배치될 수 있다. 상세하게는, 표피층(140)은 코어층(110)과 접촉되지 않는 제1고융점층(122) 및 제2고융점층(132)에 배치될 수 있다. 즉, 표피층(140)은 제1보강층(120) 및 제2보강층(130)이 외부로 노출되지 않고 차량의 내부가 미려한 외관을 갖도록 하기 위해 배치될 수 있다. 바람직하게, 표피층(140)은 폴리에스터(polyester) 및 폴리프로필렌(polypropylene) 중 하나 이상으로 형성되고, 부직포, 니트, 더블악셀 및 트리코트(tricot)와 같은 종류로 형성될 수 있다. 또한, 표피층(140)은 150 내지 600g/m2의 중량으로 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합소재의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 복합소재(100)는 전술한 실시예와 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 한편, 제2실시예에 따른 복합소재(100)는 표피층(140)과 제1보강층(120)의 사이에 제1접착층(150)이 더 포함되고, 표피층(140)과 제2보강층(130)의 사이에 제2접착층(160)이 더 포함될 수 있다.
상세하게는, 제1접착층(150)과 제2접착층(160)은 복합소재(100)의 요구 접착강도가 높을 경우 배치될 수 있다. 즉, 제1접착층(150)과 제2접착층(160)은 표피층(140)과 제1보강층(120), 표피층(140)과 제2보강층(130)의 접착력을 향상시키고자 하는 경우에 배치될 수 있다.
바람직하게, 제1접착층(150)과 제2접착층(160)은 사용되는 코어층(110) 및 제1,2보강층(120, 130)의 종류에 따라 폴리올레핀(polyolefine, PO), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 에틸렌초산비닐(Ethylene Vinyl Acetate, EVA) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 중 하나 이상이 포함된 핫멜트 필름으로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 제1,2보강층(120, 130)에 제1,2접착층(150, 160)을 형성하기 위해서는 제1,2보강층(120, 130)의 제작 과정 중 니들펀칭 공정 후 코팅 머신의 열 라미네이션 롤러를 통해 제1,2보강층(120, 130)의 일측 면에 제1,2접착층(150, 160)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예의 복합소재(100)는 제1보강층(120)의 제1고융점층(122)에 배치되는 제1접착층(150) 및 제2보강층(130)의 제2고융점층(132)에 배치되는 제2접착층(160)을 포함할 수 있다.
제1접착층(150)은 제1보강층(120)의 제1고융점층(122)에 배치되어, 상단의 표피층(140)과 제1보강층(120) 간의 접착력을 향상시킬 수 있다. 제2접착층(160)은 제2보강층(130)의 제2고융점층(132)에 배치되어, 하단의 표피층(140)과 제2보강층(130) 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 복합소재를 제조하는 복합소재 제조장치의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 복합소재 제조장치(200)는 크게 원료 계량/투입, 웹 형성 및 니들 펀칭 공정의 세 단계로 나누어질 수 있다. 상세하게는, 도 3에 도시된 복합소재 제조장치(200)는 본 실시예의 제1,2보강층(120, 130)을 제조하는 장치이다.
구체적으로, 복합소재 제조장치(200)는 원료를 계량하여 투입하는 투입장치(210), 투입된 원료로 웹을 형성하는 웹형성장치(220) 및 다수 개의 웹을 결합시키는 니들펀칭장치(230)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 복합소재 제조장치(200)는 제1,2보강층(120, 130)을 구성하는 다수 개의 층과 동일한 개수로 투입장치(210)와 웹형성장치(220)가 배치될 수 있다. 이와 같은, 투입장치(210)와 웹형성장치(220)는 제1,2보강층(120, 130)을 형성하는 다수 개의 층을 각각 형성한 후 적층되어 제1,2보강층(120, 130)을 한 번의 공정으로 형성할 수 있다.
이하, 상기의 각 장치들에 대해 보다 상세히 설명한다.
투입장치(210)는 제1보강층(120) 및 제2보강층(130)을 구성하는 열가소성 수지의 원료를 원하는 비율 및 중량에 맞게 계량하여 투입할 수 있다. 바람직하게, 투입장치(210)는 형성하는 열가소성 수지 층과 동일한 개수가 배치되어, 각각의 열가소성 수지 층을 개별적으로 계량하여 투입할 수 있다. 구체적으로, 투입장치(210)는 믹싱탱크(211) 및 프리오프너(212)를 포함할 수 있다.
믹싱탱크(211)는 제1,2보강층(120, 130)을 구성하는 열가소성 수지 층의 개수만큼 배치되어, 각각의 믹싱탱크(211)에 열가소성 수지 층을 이루는 원료가 조성별로 포함될 수 있다. 상세하게는, 본 실시예의 경우 제1보강층(120)을 형성하기 위한 믹싱탱크(211)는 제1저융점층(121)을 구성하는 원료가 투입되는 것과 제1고융점층(122)을 구성하는 원료가 투입되는 것 즉, 두 개의 믹싱탱크(211)가 배치될 수 있다.
더욱 상세하게는, 믹싱탱크(211)는 열가소성 수지 층에 포함되는 원료가 고르게 섞일 수 있도록 섞어준 뒤, 프리오프너(212)로 원료를 이동시킬 수 있다. 즉, 믹싱탱크(211)는 각각의 열가소성 수지 층을 이루는 원료를 조성별로 투입한 후, 고르게 섞어주기 위해 배치될 수 있다. 이때, 믹싱탱크(211)로 투입되는 열가소성 수지는 파우더 및 섬유 형태일 수 있다.
프리오프너(212)는 믹싱탱크(211)를 통해 고르게 섞인 원료가 투입되어, 원료를 원하는 밀도에 맞게 계량하여 배출할 수 있다. 믹싱탱크(211)와 마찬가지로, 프리오프너(212)도 열가소성 수지 층의 개수만큼 배치되어, 각각의 열가소성 수지 층을 섞이지 않게 계량하여 배출할 수 있다. 이와 같이 프리오프너(212)를 통해 정량으로 계량된 원료는 웹형성장치(220)의 파인오프너(221)로 이동된다.
웹형성장치(220)는 투입장치(210)를 통해 계량된 원료가 이동되어, 원료를 카딩(carding) 공정을 통해 웹(web) 형상으로 형성하기 위해 배치될 수 있다. 즉, 웹형성장치(220)는 파우더 또는 섬유 형상의 원료를 웹(web) 형상으로 형성하여, 니들펀칭장치(230)로 이동시키기 위해 배치될 수 있다. 구체적으로, 웹형성장치(220)는 파인오프너(221), 카딩머신(222) 및 크로스래퍼(223)를 포함할 수 있다.
파인오프너(221)는 프리오프너(212)를 통해 계량된 원료가 투입되어, 원료를 연속적으로 공급할 수 있다. 파인오프너(221)도 열가소성 수지 층의 개수만큼 배치되어, 각각의 열가소성 수지 층을 섞이지 않게 연속적으로 공급할 수 있다. 즉, 파인오프너(221)는 열가소성 수지 층을 제작하기 위한 원료를 복합소재 제조장치(200)의 라인을 따라 연속적으로 공급하기 위해 배치될 수 있다.
카딩머신(222)은 파인오프너(221)를 통해 공급되는 원료를 카딩(carding) 공정을 거쳐 웹(web) 형상으로 형성하기 위해 배치될 수 있다. 카딩머신(222)은 열가소성 수지 층의 개수만큼 배치될 수 있다.
필요에 따라, 카딩머신(222)은 열가소성 수지 층보다 많은 개수로 배치되어, 열가소성 수지를 얇은 층으로 다수 개를 형성 후 적층하여 형성할 수 있다. 이와 같이 열가소성 수지를 얇은 층으로 형성 후 적층하게 되면, 열가소성 수지 층의 면밀도 편차를 감소시킬 수 있다. 더욱 상세하게는, 다수 개의 얇은 층으로 형성된 웹(web) 형상의 열가소성 수지는 지그재그 방향으로 적층하여 형성하는 것이 면밀도 편차 감소에 바람직하다.
즉, 카딩머신(222)은 열가소성 수지 층의 원료를 저중량의 솜 형상인 웹(web) 형상으로 가공하기 위해 배치될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에서는 카딩머신(222)이 제1카딩머신(222a)과 제2카딩머신(222b)의 두 개로 배치되는 것을 예시하고 있다.
크로스래퍼(223)는 카딩머신(222)을 거쳐 웹(web)으로 형성된 원료를 순서에 맞게 적층하여 다층의 웹(web)으로 형성하기 위해 배치될 수 있다.
니들펀칭장치(230)는 웹형성장치(220)를 통해 웹(web) 형상으로 형성된 원료가 이동되어, 원료를 니들펀칭(needle punching) 공정을 통해 각각의 층을 연결할 수 있다. 구체적으로, 니들펀칭장치(230)는 고정장치(231), 니들머신(232) 및 권취절단기(234)를 포함할 수 있다.
고정장치(231)는 크로스래퍼(223)를 통해 적층된 웹(web) 형상의 원료를 니들머신(232)에 투입되기 전에 임시적으로 고정하기 위해 배치될 수 있다. 즉, 고정장치(231)는 열가소성 수지 층이 니들펀칭 공정을 통과하는 동안 위치가 변경되거나 흔들리는 것을 방지하기 위해 1차적으로 고정시키기 위해 배치될 수 있다.
니들머신(232)은 고정장치(231)를 통과하고 나온 웹(web) 형상의 원료를 니들펀칭 공정을 통해 물리적으로 결합시키기 위해 배치될 수 있다. 즉, 니들머신(232)은 바늘을 통해 다층의 열가소성 수지 층을 물리적으로 결합하여, 보강층을 형성하기 위해 배치될 수 있다. 바람직하게, 본 실시예에서는 제1저융점층(121)과 제1고융점층(122)이 적층된 상태에서 니들머신(232)을 통과하며 물리적으로 결합되어, 부직포 형태의 제1보강층(120)으로 형성될 수 있다.
권취절단기(234)는 니들머신(232)을 통해 완성된 부직포 형태의 제1,2보강층(120, 130)을 소정의 길이로 절단 및 권취하기 위해 배치될 수 있다. 즉, 권취절단기(234)는 제1,2보강층(120, 130)을 성형에 용이한 소정의 길이로 절단 및 권취할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 복합소재를 제조하는 복합소재 제조장치의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 복합소재 제조장치(200)는 전술한 실시예와 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 니들펀칭장치(230)는 코팅머신(233)을 더 포함할 수 있다. 상세하게는, 본 실시예의 코팅머신(233)은 전술한 실시예의 니들머신(232)과 권취절단기(234)의 사이에 배치되어, 제1,2보강층(120, 130)에 제1,2접착층(150, 160)을 결합시키기 위해 배치될 수 있다.
구체적으로, 코팅머신(233)은 니들머신(232)을 통해 결합된 제1보강층(120) 또는 제2보강층(130)의 일측 면에 제1접착층(150) 또는 제2접착층(160)을 코팅할 수 있다. 즉, 코팅머신(233)은 제1,2보강층(120, 130)의 일측에 제1,2접착층(150, 160)을 코팅하여, 복합소재(100)의 접착력을 향상시키기 위해 배치될 수 있다.
도 5는 도 1 내지 2에 도시된 복합소재를 성형하는 복합소재 성형장치의 개략도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 복합소재 성형장치(300)는 도 1 내지 2에 도시된 복합소재(100)를 성형하여 필요한 제품의 형상으로 성형할 수 있다. 구체적으로, 복합소재 성형장치(300)는 예열 평판프레스(310) 및 냉간 성형금형(320)을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하여, 복합소재(100)를 성형하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 제1보강층(120), 코어층(110) 및 제2보강층(130)이 순서대로 적층된 코어보강층(CR)을 예열 평판프레스(310)에 인입하여 예열 성형될 수 있다. 이때, 예열 평판프레스(310)는 3 내지 10mm 두께의 몰드가 장착되고, 150 내지 250℃의 온도 하에서 30 내지 90초 동안 가열하여 예열 성형될 수 있다.
다음 단계로, 예열 평판프레스(310)에 의해 예열 성형된 코어보강층(CR)은 냉간 성형금형(320)으로 이동되어, 냉간 성형될 수 있다. 상세하게는, 예열 성형된 코어보강층(CR)은 열가소성 수지 폼의 특성으로 인해 예열 평판프레스(310)의 몰드 두께만큼 팽창될 수 있다. 이와 같이 팽창된 상태의 코어보강층(CR)의 상측 및 하측에 표피층(140)을 배치한 후, 냉간 성형금형(320)에서 냉간 성형이 진행된다.
냉간 성형은 30 내지 90초간 진행되어, 표피층(140)이 코어보강층(CR)에 부착되어 복합소재(100)가 완성될 수 있다. 더욱 상세하게는, 표피층(140)을 예열 평판프레스(310)에서 같이 예열하게 되면, 고열에 의해 표피층(140)이 손상될 수 있기 때문에, 예열 평판프레스(310)에는 투입되지 않고, 냉간 성형금형(320)에 투입되어 냉간 성형될 수 있다. 필요에 따라, 코어보강층(CR)에 제1,2접착층(150, 160)이 부착된 상태로 복합소재의 성형이 진행될 수 있다.
도 6은 도 1 내지 2에 도시된 복합소재의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하여, 복합소재(100)의 제조방법을 전체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1단계는 상이한 융점을 갖는 다수 개의 열가소성 수지를 파우더 또는 섬유 형상으로 준비하여, 각각의 믹싱탱크(211)에 투입한다(S-1). 제2단계는 제1단계를 거진 열가소성 수지가 각각의 카딩머신(222)에 투입되어, 다수 층이 적층된 수지 웹(web)을 형성한다(S-2). 제3단계는 적층된 웹(web)이 니들머신(232)에 투입되어, 니들 펀칭 공정을 통해 제1보강층(120) 및 제2보강층(130)을 형성한다(S-3). 필요에 따라, 제3단계(S-3) 후에 코팅머신(233)을 배치하여, 제1,2보강층(120, 130)의 일측 면에 제1,2접착층(150, 160)을 코팅한 후, 제4단계(S-4)를 진행할 수 있다.
제4단계는 코어층(110)의 상측 및 하측에 제1보강층(120) 및 제2보강층(130)을 맞닿게 배치시켜 코어보강층(CR)을 형성한다(S-4). 제5단계는 제4단계를 거친 코어보강층(CR)을 3 내지 10mm의 두께로 고정된 몰드가 장착된 예열 평판프레스(310)에 삽입하여, 150 내지 250℃의 온도로 30 내지 90초간 가열한다(S-5). 제5단계를 거친 코어보강층(CR)의 상측 및 하측에 표피층(140)을 배치한 후 냉간 성형금형(320)에 삽입하여, 30 내지 90초간 냉간 성형하여 복합소재(100)를 완성한다(S-6).
위와 같은 과정으로 제조된 복합소재(100)의 물성 평가를 위해 여러 조건에서의 시제품을 제작하여 물성을 평가하였다. 구체적으로, 실험예로 사용된 복합소재(100)의 제조 및 성형 조건은 아래와 같다.
먼저, 시제품은 코어층(110) 및 제1,2보강층(120, 130)의 순수한 물성 측정을 위해, 표피층(140)은 생략한 코어보강층(CR)으로 제작하였다. 또한, 코어층(110)은 160kg/m3의 밀도와 두께 3.0mm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 폼으로 형성된다. 제1보강층(120) 및 제2보강층(130)은 범용 폴리에틸렌테레프탈레이트 열가소성 파이버와 저융점(120℃, 160℃) 폴리에틸렌테레프탈레이트 열가소성 파이버의 다층구조로 형성된다. 이와 같은 시제품의 중량은 400 내지 800 g/m2의 범위 내에서 제작하였다.
또한, 이와 같은 코어보강층(CR)은 7.0mm 몰드가 장착된 예열 평판프레스(310)에서 220℃에서 60초간 예열한 후, 냉간 성형금형(320)을 통해 6.0~7.0mm의 두께로 제작되었다.
아래의 표 1은 실험예 별 코어보강층(CR)의 중량 및 두께를 나타낸 것이다. 비교예 1 내지 2는 종래 자동차의 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드이다.

총 소재 중량
(g/m2)
코어층
(g/m2)
제1 보강층
(g/m2)
제2 보강층
(g/m2)
제1,2접착층
(g/m2)
두께
(mm)

실험예 1
1,280
480
400
400
-
6.0

실험예 2
1,480
480
500
500
-
6.0

실험예 3
1,680
480
600
600
-
6.0

실험예 4
2,080
480
800
800
-
6.0

실험예 5
1,480
480
600
400
-
6.0

실험예 6
1,780
480
700
600
-
6.0

실험예 7
1,780
480
600
600
50
6.0

비교예 1
2,200
-
-
-
-
3.0

비교예 2
2,400
-
-
-
-
3.0
아래의 표 2는 표 1의 실험예 및 비교예의 굴곡하중(단위: N) 측정 결과를 나타낸 것이다.

총 소재 중량
(g/m2)
굴곡 하중
(N)
외관

실험예 1
1,280
50.0
-

실험예 2
1,480
60.5
-

실험예 3
1,680
78.4
-

실험예 4
2,080
134.3
-

실험예 5
1,480
60.1
컬링 현상

실험예 6
1,780
85.2
컬링 현상

실험예 7
1,780
83.7
-

비교예 1
2,200
73.2
-

비교예 2
2,400
85.6
-
표 1 내지 2를 참조하면, 종래 자동차의 내장재로 사용되고 있는 비교예 1 내지 2와 실험예 1 내지 7의 굴곡 하중을 비교하였을 때, 실험예 3, 6 내지 7에서의 굴곡 하중이 비교예 1 내지 2와 유사한 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험예 3, 6 내지 7의 중량이 비교예 1 내지 2보다 가벼운 것을 확인할 수 있다. 그러나, 제1,2보강층(120, 130)의 중량을 각각 상이하게 형성한 실험예 5 내지 6의 경우에는 외관상 일부분 변형이 발생되는 컬링 현상이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
더욱 자세하게는, 비교예 1 내지 2의 총 소재 중량은 2,200 내지 2,400g/m2, 굴곡 하중은 73.2 내지 85.6 N이며, 실험예 3, 6 내지 7의 총 소재 중량은 1,680 내지 1,780 g/m2, 굴곡 하중은 78.4 내지 85.2 N으로 측정되었다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 코어보강층(CR)은 종래 사용되는 천연섬유 강화보드와 비교하였을 때, 25 내지 30% 경량화 되면서도 굴곡 하중 값은 유사하거나 더 높은 값으로 측정되었다.
종합하면, 본 실시예의 코어층(110)은 160kg/m3의 밀도, 3.0mm의 두께, 480g/m2의 중량으로 형성되고, 제1,2보강층(120, 130)은 서로 동일한 1:1의 중량 비율로 형성되되, 600g/m2의 중량으로 형성되는 것이 비교예와 유사한 굴곡 하중(N)을 가지므로 바람직하다.
이상에서 설명한 바, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재(100)는 열가소성 수지의 발포 폼으로 형성되는 코어층(110)의 상하측에 배치되는 제1,2보강층(120, 130)에 의해 고강도, 경량화의 복합소재가 형성될 수 있다. 코어층(110)은 발포 폼으로 형성되어 경량화가 가능하며, 제1,2보강층(120, 130)도 코어층(110)과 동일 또는 유사한 열가소성 수지로 형성되어, 경량화 및 고강도의 복합소재를 형성할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재(100)는 샌드위치타입으로 구성하기 위해 제1,2보강층(120, 130)과 코어층(110) 간의 접착층 또는 접착제를 별도로 구비하지 않으며, 기존의 1-line에서 열 압출에 의한 공정의 한계를 극복할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재(100)는 종래에 비해 중량 및 적용가능한 보강재가 다양해질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재(100)는 원하는 제품에 맞게 다양한 소재와 중량에서 제조할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 제조장치(200)는 한 번의 공정으로 다층의 제1,2보강층(120, 130)을 간편하게 제작할 수 있는 특징이 있다. 복합소재 제조장치(200)는 제1,2보강층(120, 130)을 형성하는 다수 개의 층과 동일한 개수의 투입장치(210) 및 웹형성장치(220)가 각각의 층을 제작 후 적층하는 공정을 통해 한 번의 공정으로 용이하게 제1,2보강층(120, 130)을 제작할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들에 대해 설명하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다고 할 것이다.
100: 복합소재 110: 코어층
120: 제1보강층 121: 제1저융점층
122: 제1고융점층 130: 제2보강층
131: 제2저융점층 132: 제2고융점층
140: 표피층 150: 제1접착층
160: 제2접착층
200: 복합소재 제조장치 210: 투입장치
211: 믹싱탱크 212: 프리오프너
220: 웹형성장치 221: 파인오프너
222: 카딩머신 223: 크로스래퍼
230: 니들펀칭장치 231: 고정장치
232: 니들머신 233: 권취절단기
300: 복합소재 성형장치 310: 예열 평판프레스
320: 냉간 성형금형

Claims (7)

  1. 코어층(110);
    상기 코어층(110)의 상측에 배치되고, 제1저융점층(121)과 제1고융점층(122)의 층상 구조로 형성되는 제1보강층(120);
    상기 코어층(110)의 하측에 배치되고, 제2저융점층(131)과 제2고융점층(132)의 층상 구조로 형성되는 제2보강층(130); 및
    상기 제1보강층(120) 및 상기 제2보강층(130)의 외측 면에 배치되는 표피층(140);을 포함하는 복합소재를 제조하기 위한 것으로,
    상기 제1보강층(120) 및 상기 제2보강층(130)은,
    상이한 융점을 갖는 다수 개의 열가소성 수지가 파우더 또는 섬유 형상으로 각각의 믹싱탱크(211)에 투입되는 제1단계(S-1);
    상기 제1단계를 거친 상기 열가소성 수지가 카딩머신(222)에 투입되어, 다수 층이 적층된 수지 웹(web)이 형성되는 제2단계(S-2); 및
    적층된 상기 수지 웹(web)이 니들머신(232)에 투입되어, 니들 펀칭 공정을 통해 상기 제1보강층(120) 및 상기 제2보강층(130)이 형성되는 제3단계(S-3);를 포함하는, 복합소재 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어층(110)의 상측 및 하측에 상기 제1보강층(120) 및 상기 제2보강층(130)을 맞닿게 배치시켜 코어보강층(CR)이 형성되는 제4단계(S-4);
    상기 제4단계를 거친 상기 코어보강층(CR)이 3 내지 10mm의 두께로 고정된 몰드가 장착된 예열 평판프레스(310)에 삽입되어 150 내지 250℃의 온도로 30 내지 90초간 가열되는 제5단계(S-5); 및
    상기 제5단계를 거친 상기 코어보강층(CR)의 상측 및 하측에 상기 표피층(140)이 배치된 후 냉간 성형금형(320)에 삽입되어, 30 내지 90초간 냉간 성형되는 제6단계(S-6);를 더 포함하는, 복합소재 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1저융점층(121) 및 상기 제2저융점층(131)은,
    200
    Figure pat00001
    미만의 융점을 갖는 열가소성 수지로 형성되어, 상기 코어층(110)과 접착되고,
    상기 제1고융점층(122) 및 상기 제2고융점층(132)은,
    200
    Figure pat00002
    이상의 융점을 갖는 열가소성 수지로 형성되어, 상기 표피층(140)과 접착되는, 복합소재 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1보강층(120) 및 상기 제2보강층(130)은,
    전부 또는 일부가 열가소성 수지로 형성되되, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene, LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(low melting point polyethylene terephthalate, LM-PET) 및 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS) 중 하나 이상으로 형성되고,
    상기 제1고융점층(122) 및 상기 제2고융점층(132)은,
    우드, 뱀부, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커 및 바잘트 중 하나 이상이 포함되는, 복합소재 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어층(110)은,
    중량이 480g/m2이며, 두께는 3.0mm로 형성되고,
    상기 제1보강층(120) 및 상기 제2보강층(130)은,
    1:1의 중량 비율로 형성되고, 중량이 600g/m2으로 형성되는, 복합소재 제조방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1저융점층(121) 및 상기 제2저융점층(131)은,
    별도의 접착제 또는 접착 공정 없이, 상기 제5단계(S-5)에서 용융된 후 상기 제6단계(S-6)에서 냉각되면서 상기 코어층(110)에 접착되는, 복합소재 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1고융점층(122)과 맞닿는 상기 표피층(140)과 상기 제1고융점층(122)의 사이에 배치되어, 상기 제1고융점층(122)과 상기 표피층(140) 간의 접착력을 향상시키는 제1접착층(150); 및
    상기 제2고융점층(132)과 맞닿는 상기 표피층(140)과 상기 제2고융점층(132)의 사이에 배치되어, 상기 제2고융점층(132)과 상기 표피층(140) 간의 접착력을 향상시키는 제2접착층(160);을 더 포함하는, 복합소재 제조방법.
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