KR20240097300A - 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 천연섬유인 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 a) 라이오셀 섬유 원사를 다수개 꼬임해 합사하는 단계, b) 합사를 수지 함침다이에 투입하는 단계, c) 수시 함침 다이에 융융된 함침수지를 공급하여 합사를 함침수지로 함침하는 단계; d) 함침된 합사를 수지 함침다이로부터 인출하여 함침수지를 냉각하고 고체화하여 선형 펠릿을 얻는 단계; 및 e) 선형 펠릿을 소정 결정된 길이로 절단하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 다수의 라이오셀 원사를 꼬임합사, 함침, 건조, 절단순으로 펠릿을 제조하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법에 관한 것이다.
자동차, 선박, 항공기 등의 수송용 분야에서 사용되는 소재는 가벼움과 동시에 기계적 물성이 우수한 재료를 요구한다.
강재, 알루미늄, 콘크리트 등의 기존 구조용 재료의 대체용으로 섬유강화 복합재이 사용되고 있다. 상기 섬유강화 복합재라 함은 소정길이를 갖는 섬유를 강화재(强化材)용으로 플라스틱 수지에 포함시켜 인장강도, 충격강도, 굴곡강도 등의 기계적 성질을 향상시킨 재료를 말한다.
현재 자동차에 사용되는 섬유는 유리섬유, PET, Nylon, PP 등이 있으며 이들 섬유를 활용한 섬유강화 복합재도 사용되고 있다.
유리섬유를 사용하는 섬유강화 복합재는 강철 소재와 비교하여 비중 및 무게가 낮아 경량화가 가능하다는 장점이 있으나, 제조공정에서 발생되는 유리섬유 분진의 비산이 작업자에게 유해성을 일으킬 수 있다. 또한 유리 섬유강화 복합재가 비중이 낮다고는 하나, 탄소 섬유강화 복합재에 비해 무겁다.
이와 같이 유리 섬유강화 복합재는 경량화의 한계, 제조과정의 유해성 문제로 인해 대체재를 찾는 연구가 지속적으로 진행되고 있었다.
최근 세계적으로 요구되는 리사이클 소재의 사용, 지속가능한 경영, 탄소 중립과 관련하여 친환경 소재의 적용 비율을 높이기 위한 관심이 증가하고 있다.
천염섬유를 사용한 천연섬유 강화 복합재가 개발되고 있으나, 이들 복합재는 뭉침성, 내충격성, 내마모성 등 기계적 물성이 낮아 산업용으로 사용하기 어렵다..
기존 섬유형태를 수지에 직접 함침하여 사용하는 천연섬유 강화 복합재의 경우 사용되는 천연섬유의 물성이 일정하지 않다는 단점이 있다.
하지만, 천연섬유인 라이오셀 섬유는 합성섬유이기 때문에 물성이 일정하다는 장점이 있고, 일반적으로 천연섬유는 섬유 표면이 매끈하지 않고 울퉁불퉁하여 수지에 대한 분산성 및 함침성이 낮은 반면, 라이오셀 섬유는 섬유 표면이 매끈하고 섬유 자체가 가늘기 때문에 분산성 및 함침성이 우수한 특성이 있다.
유리섬유를 사용하여 제작한 펠릿과 라이오셀 섬유를 사용하여 제작한 펠릿을 비교하면 유리섬유 강화복합재가 라이오셀 섬유강화 복합재에 비해 기계적 물성이 우수할 수도 있으나, 탄소배출 제로와 지구 온난화로 인한 규제 강화, 친환경 소재 사용 의무화 규정으로 인하여 천연소재를 사용한 섬유강화 복합재의 수요는 증가할 것이다.
현재 자동차에 사용되는 섬유인 유리섬유를 사용하는 강화 복합재는 강철 소재와 비교하여 비중 및 무게가 낮아 경량화가 가능하다는 장점이 있으나, 제조공정에서 발생되는 유리섬유 분진의 비산이 작업자에게 유해성을 일으킬 수 있고, 세계적으로 요구되는 리사이클 소재의 사용, 지속가능한 경영, 탄소 중립과 관련하여 친환경 소재를 적용한 복합재로의 대체요구를 해결하기 위하여, 본 발명은 천연섬유인 다수의 라이오셀 원사를 꼬임합사, 함침, 건조, 절단순으로 펠릿을 제조하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 하나의 구현예에 따른 양상은, 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법은 a) 라이오셀 섬유 원사를 다수개 꼬임해 합사하는 단계, b) 합사를 수지 함침다이에 투입하는 단계, c) 수시 함침 다이에 융융된 함침수지를 공급하여 합사를 함침수지로 함침하는 단계; d) 함침된 합사를 수지 함침다이로부터 인출된 선형 성형체를 건조하는 단계; 및 e) 건조된 선형 성형체를 소정 결정된 길이로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 구현예에 따른 양상은, 상기 합사하는 단계에서 원사는 4 ~ 8가락이고, 꼬임수는 50 ~ 100TM 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 구현예에 따른 양상은, 상기 함침수지는 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 실란 커플링제가 혼합되고, 폴리프로필렌 40 ~ 60체적%, 폴리우레탄 40 ~ 60체적%, 실란 커플링제 0.05 ~ 0.5 체적%로 이루어진다..
본 발명의 하나의 구현예에 따른 양상은, 상기 함침 폴리프로필렌 수지는 말린산 그라프트 처리된 수분산 저점도형 수지이고, 점도는 1,500~2,000cps 이며, 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트계 기반의 수분산형 수지이고, 점도는 1,500~3000cps 이다. 함침수지의 온도는 200 ~ 210 ℃ 범위이고, 합사가 함침 다이 노즐을 통과하는 시간은 10 ~ 40초이다.
본 발명의 하나의 구현예에 따른 양상은, 상기 건조온도는 200℃ ~ 220℃ 온도 범위이다, 바람직하기는 210℃ ~ 215℃ 온도 범위이다.
본 발명에 따른 제조방법에 의하면, 라이오셀 섬유 원사를 다수개 가닥 합사시키면서 꼬임을 주어 강도를 증가시켜 강도가 낮은 천연섬유를 강화 복합재로 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 의하면, 흡습성이 있는 라이오셀 섬유 강화재의 함침수지로 수분산 저점도형 수지를 사용하여 함침성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 의하면, 폴리프로필렌 수지와 폴리우레탄 수지를 혼합하여 수지에 극성을 부여함과 동시에 라이오셀 섬유 표면과의 계면 결합력을 높여 섬유의 집속력을 향상하고, 기계적 물성 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 펠릿 단면사진이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 펠릿 단면사진이다.
이하에서 본 발명의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.
현재 자동차에 사용되는 유리섬유 강화 복합재는 강철 소재와 비교하여 비중 및 무게가 낮아 경량화가 가능하다는 장점이 있으나, 제조공정에서 발생되는 유리섬유 분진의 비산이 작업자에게 유해성을 일으킬 수 있고, 세계적으로 요구되는 리사이클 소재의 사용, 지속가능한 경영, 탄소 중립과 관련하여 친환경 소재를 적용한 복합재의 수요 증가하고 있다.
본 발명은 천연섬유인 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 다수의 라이오셀 원사를 꼬임합사, 함침, 건조, 절단순으로 펠릿을 제조하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조하는 제조방법을 제공한다.
이하에서는 도 1의 제조순서도에 기초하여 설명한다.
(라이오셀 원사의 합사)
본 발명의 라이오셀 원사의 합사단계는, 라이오셀 섬유 원사 1가닥은 강도가 낮아 사용하기 어려워, 다수개의 원사 꼬아 1가닥으로 합사시킨다.
아래의 표 1에 나타낸 바와 같이, 유리섬유 원사의 굵기는 2㎜ 인 반면, 라이오셀 원사인 300dtex/128f 의 굵기는 0.2㎜ 로 얇고, 유리섬유 원사의 인장강도는 3,345Mpa인 반면, 라이오셀 원사인 300dtex/128f 의 인장강도는 42.86cN 로 매우 강도가 낮은 단점 때문에 본 발명에서 사용하는 라이오셀 원사인 300dtex/128f 를 단독으로 사용할 경우 원사 강도가 낮아 잘 끊어져(절사) 연속적으로 강화섬유 복합재를 제조할 수 없다.
따라서 본 발명의 예시와 같이 라이오셀 섬유 300dtex/128f 원사 6가닥을 1가닥으로 합사(이하 '합사'라 한다)한다. 합사 시 라오셀 섬유를 50 ~ 100TM으로 꼬임을 준다, 이와 같은 꼬임을 주는 것은 강도를 증가시키기 위한 것으로 특허문헌 2의 종래기술인 유리섬유에서는 유리섬유 원사의 강도가 높아 꼬임을 준다하더라도 쉽게 풀려 꼬임을 유지하면서 연속 공정을 진행하기 어려웠다.
| 항목 | 라이오셀 300dtex/128f 1가닥 | 라이오셀 300dtex/128f 6가닥 |
| 인장강도(cN/tex) | 42.86 | 179.62 |
| 굵기 | 300dtex | 1,800dtex |
(함침수지와 함침)
본 발명의 함침단계는, 상기 꼬임합사된 합사를 수지 함침다이에 투입하여 함침한다.
본 발명에서 사용된 함침수지는 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 실란 커플링제를 혼합하여 사용한다. 구체적으로 폴리프로필렌 40 ~ 60체적%, 폴리우레탄 40 ~ 60체적%, 실란 커플링제 0.05 ~ 0.5 체적%로 이루어진다.
또한 폴리프로필렌 수지는 말린산 그라프트 처리된 수분산 저점도형 수지이고, 점도는 1,500~2,000cps 이며, 폴리우레탄 수지는 이소시아네이트계 기반의 수분산형 수지이고, 점도는 1,500~3000cps 이다.
함침과정에서 라이오셀 섬유에 함침성 향상을 위하여 폴리프로필렌 수지와 폴리우레탄 수지 모두 저점도 수지를 사용한다. 또한 라이오셀 섬유는 셀룰로오스 소재로 흡습성이 우수하기 때문에 수분산형 수지를 사용한다.
폴리프로필렌 수지는 소수성이고, 라이오셀 섬유는 친수성이다. 폴리프로필렌 수지가 라이오셀 섬유에 함침이 잘 되기 위해서는 라이오셀 섬유를 소수성으로 바꾸거나 폴리프로필렌을 친수성으로 바꾸면 좋다.
본 발명에서는 라이오셀 섬유를 소수성으로 바꾸는 것보다 폴리프로필렌은 친수성으로 바꾸는 것이 기술적 난이도나 상업적으로 봤을 때 유리하다. 또한 말린산은 친수성기(=O)가 있고, 또한 수분을 만나면 가수분해가 일어나 친수성기(-OH)가 생성되므로 친수성이 크게 증가한다는 장점이 있어 폴리프로필렌에 말린산을 그라프트로 붙혔다 이와 같은 반응은 아래의 화학식 1은 말린산 그라프트 처리된 폴리프로필렌이다. 반응식 1은 말린산의 가수분해 반응식이다.
(화학식 1)
(반응식 1)
본 발명에서는 친수성이 우수한 이소시아네이트계 폴리우레탄를 함침수지로 사용한다. 이소시아네이트계 폴리우레탄 수지는 고분자 메인 체인 사슬에 친수성기(C=O, N-H)가 있어 친수성이 우수하기 때문에 수지 자체를 수분산형으로 제조한다. 아래의 반응식 2는 이소시아네이트계 폴리우레탄 수지 반응식이다.
(반응식 2)
또한 폴리프로필렌 수지와 폴리우레탄 수지를 혼합하여 사용한 이유는 폴리프로필렌 수지 또는 폴리우레탄 수지 단독으로 사용할 경우 수지에 극성을 부여할 수 없기 때문에 말린산 그라프트 처리된 폴리프로필렌 수지를 사용함으로써 극성을 부여함과 동시에 라이오셀 섬유 표면과의 계면 결합력을 높이기 위한 것이고, 두 가지 수지를 혼합하여 사용할 경우 섬유의 집속력이 증가하기 때문에 기계적 물성 향상시킨다.
본 발명의 라이오셀 섬유 여러 가닥을 꼬임 합사는 함침 다이의 노즐로 통과시켜 함침한다.
함침수지의 온도는 200 ~ 210 ℃ 범위이고, 합사가 함침 다이 노즐을 통과하는 시간은 10 ~ 40초이다.
(건조)
본 발명의 건조단계는, 상기 함침된 합사를 수지 함침다이로부터 인출하면 선형의 성형체가 함침다이에서 배출되고 배출된 선형의 성형체를 건조한다.
본 발명의 라이오셀 섬유는 204℃ ~ 218℃ 온도 범위에서 내열성이 있으나, 그 이상의 온도에서는 황변 현상이 발생하고, 246℃ 이상의 온도에서는 섬유가 분해된다.
따라서 본 발명의 라이오셀 섬유를 사용하여 제조된 펠릿은 제조 및 건조 온도를 220℃ 이상의 공정 조건에서 제조되지 않는다. 바람직한 건조온도는 200℃ ~ 220℃ 온도 범위이고, 더 바람직하기는 210℃ ~ 215℃ 온도 범위이다.
함침과정에서 함침성을 높이기 위해 저점도의 폴리프로필렌 수지와 폴리우레탄 수지를 함침수지으로 하고, 라이오셀 섬유의 합사가 흡습성이 좋아 함침수지으로 수분산형 수지를 사용하였기 때문에 건조시간을 2 ~ 3시간 건조한다.
(절단)
섬유 또는 펠릿을 일정한 길이로 자는 방법에는 로터리 방식과 길로틴 방식이 있다. 로터리 방식은 2개의 날카로운 톱니바퀴 사이를 섬유 또는 펠릿이 통과하면서 자르는 방식이고, 길로틴 방식은 일정한 길이로 섬유 또는 펠릿이 칼날 사이로 공급이 되면 날카로운 칼날이 빠르게 내려오면서 자르는 방식이다.
로터리 타입의 경우 회전하는 톱니바퀴 사이를 지나기 때문에 커팅속도가 빠르다는 장점이 있으나 섬유 또는 펠릿의 단면이 깔끔하지 않고 울퉁불퉁하며, 동시에 피브릴레이션이 많이 생긴다는 단점이 있다.
피브릴레이션이란 섬유 또는 펠릿의 단면 또는 표면에 생기는 잔털을 의미하는데, 피브릴레이션이 많이 생긴다면 추후 보강재로서 사용될 때 수지에 대한 분산성이 떨어지고 이는 최종적으로 사용될 복합재의 물성 저하에도 영향을 끼치는 원인이 되어, 절단시 단면에 피브릴레이션이 발생하지 않아야 한다.
길로틴 타입은 칼날 사이를 지나는 섬유 또는 펠릿을 칼날이 내려오면서 커팅이 되기 때문에 생산속도가 느리다는 단점 있지만, 로터리 방식에 비해 절단면이 깔끔하고 피브릴레이션이 적게 생겨 수지에 대한 분산성이 우수하다는 장점이 있다.
본 발명의 절단은 길로틴 타입으로 절단한다.
본 실시예 1에서는 섬유 강화재로 라이오셀 섬유는 300dtex/128f 원사 6가닥을 1가닥으로 합사한다. 강도를 증가시키기 위해 합사 시 라오셀 섬유를 75TM으로 꼬임을 주었다.
상기 라이오셀 섬유 여러 가닥을 꼬임한 합사는 함침 다이의 노즐로 통과시켜 함침하되, 함침수지는 208 ~ 210 ℃ 범위 온도에서, 합사가 함침 다이 노즐을 통과하는 시간은 30초였다.
이후 건조온도는 215℃ 에서 2.5시간 건조 후, 절단하였다..
도 2는 실시예로 제조된 라이오셀 섬유강화 펠릿의 단면사진이고, 단면직경 500um 확인되어지고 함참수지가 라이오셀 섬유에 골고루 함침된 것을 확인할 수 있다.
| 항목 |
시험
방법 |
단위 | 비교예 | 실시예 1-1 | 실시예 1-2 |
| 라이오셀 섬유량 0% | 라이오셀 섬유량 5% | 라이오셀 섬유량 10% | |||
| 유동지수 MI(230℃, 2.16kg) |
ISO 1133 | g/10min | 31.3 | 24 | 21.5 |
| 비중 | ISO 1183 | - | 0.906 | 0.925 | 0.940 |
| 인장강도 | ISO 527 | MPa | 31.6 | 32 | 32.5 |
| 인장신도 | ISO 527 | % | 167 | 43 | 28 |
| 굴곡강도 | ISO 178 | MPa | 1,697 | 1,843 | 2,026 |
| 굴곡탄성률 | 49.1 | 49.3 | 50.5 | ||
| IZOD 충격강도 23℃ |
ISO 179 | J/m | 63 | 57 | 53 |
| 열변형 온도(0.45MPa) | ISO 75 | ℃ | 130 | 133 | 135 |
상기 표 2의 시험값은, 라이오셀 섬유량 0%, 5%, 10% 일때의 유동지수 외 요구되는 시험데이터를 비교한 것이다.
라이오셀 섬유량 0%인 비교예에 비하여 라이오셀 섬유량 5%인 실시예 1-1과 라이오셀 섬유량 10%인 실시예 1-2의 인장강도, 굴곡강도는 향상되고, 신도는 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 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 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
Claims (4)
- a) 라이오셀 섬유 원사를 다수개 꼬임해 합사하는 단계,
b) 합사를 수지 함침다이에 투입하는 단계,
c) 수시 함침 다이에 융융된 함침수지를 공급하여 합사를 함침수지로 함침하는 단계;
d) 함침된 합사를 수지 함침다이로부터 인출된 선형 성형체를 건조하는 단계; 및
e) 건조된 선형 성형체를 소정 결정된 길이로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 합사하는 단계에서 원사는 4 ~ 8가락이고, 꼬임수는 50 ~ 100TM 인 것을 특징으로 하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 함침수지는 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 실란 커플링제로 이루어진 것을 특징으로 하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 건조온도는 200℃ ~ 220℃ 온도 범위인 것을 특징으로 하는 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220179232A KR20240097300A (ko) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 라이오셀 섬유강화 펠릿의 제조방법 |
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ID=91713875
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100964524B1 (ko) | 2002-06-21 | 2010-06-21 | 파이버 글라스 저팬 가부시키가이샤 | 유리섬유 보강 열가소성 수지 펠릿 및 그 제조방법 |
| KR101578236B1 (ko) | 2007-12-21 | 2015-12-16 | 사우디 베이식 인더스트리즈 코포레이션 | 긴 유리섬유 강화된 열가소성 조성물의 생산방법 |
-
2022
- 2022-12-20 KR KR1020220179232A patent/KR20240097300A/ko unknown
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