WO2017052201A1 - 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2017052201A1
WO2017052201A1 PCT/KR2016/010545 KR2016010545W WO2017052201A1 WO 2017052201 A1 WO2017052201 A1 WO 2017052201A1 KR 2016010545 W KR2016010545 W KR 2016010545W WO 2017052201 A1 WO2017052201 A1 WO 2017052201A1
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fiber reinforced
ethylene
reinforced composites
block copolymer
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송강현
김희준
이경훈
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(주)엘지하우시스
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L23/02—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L23/04—Homopolymers or copolymers of ethene
    • C08L23/08—Copolymers of ethene

Definitions

  • It relates to a fiber-reinforced composite and a method for producing the same.
  • a composite material in which a fiber and a resin are mixed is manufactured.
  • the impact property may be improved, but the specific gravity of the material This increases, which may result in a weight reduction.
  • a method of adding an inorganic material such as talc, calcium carbonate, mica, wollastonite, etc. may be used to improve strength and rigidity.
  • the material cost may be reduced, but the specific gravity of the composite material may be increased, surface properties may be deteriorated, dispersion and distribution of inorganic materials in the manufacturing process may be difficult, and flow and workability may be deteriorated.
  • One embodiment of the present invention provides a fiber-reinforced composite having both excellent shock absorption performance and light weight effect.
  • Another embodiment of the present invention can easily ensure the improvement of the impact absorption performance and light weight effect of the fiber-reinforced composite, and provides a fiber-reinforced composite manufacturing method having advantageous advantages in terms of manufacturing cost and process efficiency.
  • a fiber-reinforced composite material having improved impact absorption performance, but excellent in weight reduction properties, providing a fiber-reinforced composite comprising a thermoplastic resin, fibers and ethylene- ⁇ -olefin block copolymer do.
  • thermoplastic resin and an ethylene- ⁇ -olefin block copolymer are introduced into a first extruder as a method for producing a fiber-reinforced composite material which realizes excellent impact absorption performance and light weight effect at high efficiency and low cost.
  • Mixing to prepare a thermoplastic resin composition Preparing a fiber-reinforced thermoplastics by introducing the thermoplastic resin composition and the fibers into a second extruder and impregnating the fibers with the thermoplastic resin; And it provides a fiber-reinforced composite manufacturing method comprising the step of manufacturing a fiber-reinforced composite by pressing the fiber-reinforced thermoplastic.
  • the fiber-reinforced composite material may have an excellent impact on the weight reduction characteristics while having improved impact absorption performance.
  • the method of manufacturing the fiber-reinforced composite material it is possible to produce a fiber-reinforced composite material exhibiting excellent impact absorption performance and excellent light weight effect at high efficiency and low cost.
  • a fiber reinforced composite comprising a thermoplastic, a fiber and an ethylene- ⁇ -olefin block copolymer.
  • the fiber-reinforced composite material exhibits improved shock absorption performance by including an ethylene- ⁇ -olefin block copolymer, and specifically, both shock absorption performance at room temperature and low temperature may be improved.
  • the fiber-reinforced composite may exhibit a good strength and light weight properties that can replace the metal.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is a kind of block copolymer, and is a copolymer composed of an ethylene block and an ⁇ -olefin block.
  • the block type ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is characterized in that the degree of branching is lower than that of the ethylene- ⁇ -olefin copolymer of a type in which ⁇ -olefin is branched.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may have a glass transition temperature of ⁇ 60 ° C. or less due to a chemical structure, for example, about ⁇ 60 ° C. to about ⁇ 65 ° C.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may have a glass transition temperature in the above range can greatly improve the tensile properties and impact absorption properties.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may include from about 15% to about 30% by weight of the ⁇ -olefin based on the total weight thereof.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer includes less than about 15% by weight of ⁇ -olefin, there is a problem that low-temperature shock absorption performance is lowered, and when it contains more than about 30% by weight of ⁇ -olefin, the fiber There exists a possibility that the intensity
  • the ' ⁇ -olefin' may include one selected from the group consisting of propylene, butene, pentene, hexene, propene, octene, and combinations thereof, and may include, for example, octene.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may have a melting peak temperature of about 100 °C to about 150 °C.
  • the melting peak temperature can be measured using differential scanning calorimetry (DSC), and the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer has a melting peak temperature of more than about 150 °C brittle at room temperature Increasingly, there is a fear that the impact absorption performance is greatly reduced.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may have a tensile elongation of about 1000% or more, specifically about 1000% to about 5000%. When the tensile elongation of the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is less than about 1000%, the elongation and impact resistance of the fiber-reinforced composite prepared therefrom may be lowered.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer having the above-described physical properties can be mixed with thermoplastic resins and fibers to ensure excellent compatibility in the production of fiber-reinforced composites, and improved impact absorption performance and tensile properties in the fiber-reinforced composites Can be given.
  • the fiber reinforced composite material includes a thermoplastic resin
  • the thermoplastic resin is an aromatic vinyl resin, rubber modified aromatic vinyl resin, polyphenylene ether resin, polycarbonate resin, polyester resin, methacrylate resin, It may include at least one selected from the group consisting of polyarylene sulfide-based resin, polyamide-based resin, polyvinyl chloride-based resin, polyolefin-based resin and combinations thereof.
  • the thermoplastic resin may include a polyolefin resin, and specifically, may include a polypropylene resin.
  • the thermoplastic resin includes a polypropylene-based resin, it may be advantageous in terms of cost competitiveness and may be advantageous in improving the impact strength and tensile properties of the fiber-reinforced composite together with the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer.
  • the polypropylene resin may include a propylene-ethylene copolymer resin or a polypropylene homopolymer resin.
  • the fiber-reinforced composite may include fibers in order to secure a light weight effect and strength improvement effect at the same time.
  • the fibers may include carbon fibers or glass fibers, for example, may include glass fibers.
  • the fiber may have a diameter of about 10 ⁇ m to about 20 ⁇ m in cross section. Since the fiber has a diameter in the above range, it can be contained in the composite in a high content to ensure excellent strength and rigidity compared to the thickness, it is advantageous to secure the lightweight properties, and may be advantageous in terms of processability of the manufacturing process.
  • the fiber reinforced composite may comprise from about 40% to about 70% by weight of thermoplastic resin, for example from about 50% to about 65% by weight.
  • the thermoplastic resin may be included in the content in the above range so that the fibers may be impregnated evenly during the manufacturing process, and the fiber-reinforced composite may secure a predetermined level or more of supporting performance.
  • the fiber reinforced composite may include about 5% to about 15% by weight of the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer, for example, about 8% to about 12% by weight . Since the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is included in the content of the above range, it can be well mixed with the thermoplastic resin, it is possible to secure the required impact performance at both room temperature and low temperature.
  • the fiber reinforced composite may include from about 20% to about 50% by weight of the fiber, for example from about 20% to about 35% by weight.
  • the fiber is included in less than the above range, the strength and rigidity required for the fiber-reinforced composite material can not be secured, and there is a fear that the light weight property is lowered.
  • the fiber is included in more than the above range, it is difficult to uniformly impregnate the fiber in the fiber-reinforced composite during the manufacturing process, there is a fear that the surface properties of the fiber-reinforced composite.
  • the fiber-reinforced composite material may include all of the thermoplastic resin, the fiber, and the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer, and through the combination thereof, it is possible to secure improved impact absorption performance with excellent lightweight properties.
  • the fall impact strength of the fiber reinforced composite may be about 5J / mm to about 10J / mm, for example about 6J / mm to about 10J / mm, for example about 7J / mm to about 10J / mm. More specifically, the fiber-reinforced composite may satisfy the above-mentioned range of falling impact strength at room temperature of about 20 °C to about 30 °C and low temperature of about -40 °C to about -20 °C.
  • the fiber reinforced composite manufacturing method comprises the steps of preparing a thermoplastic resin composition by adding a thermoplastic resin and an ethylene- ⁇ -olefin block copolymer to the first extruder and mixed; Preparing a fiber-reinforced thermoplastics by introducing the thermoplastic resin composition and the fibers into a second extruder and impregnating the fibers with the thermoplastic resin; And manufacturing a fiber reinforced composite by pressing the fiber reinforced thermoplastic.
  • the fiber reinforced composite manufacturing method is to manufacture a fiber-reinforced composite using a Long Fiber Thermoplastic-Direct (LFT-D) method, it is possible to use an LFT-D extruder composed of first and second extruders.
  • LFT-D Long Fiber Thermoplastic-Direct
  • the manufacturing method includes preparing a thermoplastic resin composition by adding and mixing a thermoplastic resin and an ethylene- ⁇ -olefin block copolymer to the first extruder.
  • a thermoplastic resin composition by adding and mixing a thermoplastic resin and an ethylene- ⁇ -olefin block copolymer to the first extruder.
  • the matters relating to the thermoplastic resin and the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer are as described above.
  • thermoplastic resin composition may be used in addition to the thermoplastic resin and the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer, a compatibilizer, a heat stabilizer, an antioxidant, a UV absorber, a light stabilizer, a pigment, a dispersant, a nucleating agent, a processing lubricant, a coupling agent, a colorant, a nucleating agent, and their It may further comprise one additive selected from the group consisting of a combination.
  • the thermoplastic resin composition may include a compatibilizer and a heat stabilizer, in which case it is possible to improve the compatibility of the thermoplastic resin and the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer, and subsequently added fibers and the thermoplastic The bonding force of the resin composition can also be improved. In addition, it is possible to implement excellent durability when used as a vehicle exterior material having a lot of exposure to the outside through the heat stabilizer.
  • the fiber reinforced composite manufacturing method may include the step of injecting the thermoplastic resin composition and the fiber into a second extruder, and impregnating the thermoplastic resin in the fiber to produce a fiber-reinforced thermoplastic.
  • the fibers may be introduced in the form of continuous fibers from roving.
  • the fiber is introduced into the continuous fiber can implement an excellent strength improving effect in the fiber-reinforced composite.
  • the fibers may be added by mixing continuous fibers and discontinuous fibers in pellet form. Unlike continuous fibers in the pellet form, the continuous fibers are cut into a predetermined length, impregnated with a thermoplastic resin, and have a shape in which the thermoplastic resin is applied to the surface thereof, thereby producing a composite including a high content of fibers. It may be possible.
  • the fibers are used by mixing continuous fibers and discontinuous fibers in pellet form, it is easy to adjust the content of the fibers in the fiber reinforced composites at the same time, and at the same time to ensure excellent dispersibility, the overall strength and rigidity of the fiber reinforced composites Can contribute to improvement.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may be introduced into a pellet shape when introduced into the first extruder.
  • the pellet-like ethylene- ⁇ -olefin block copolymer has a particle shape, and may have, for example, a cylindrical shape extruded into a rod shape having a diameter of several mm and cut into a dimension slightly longer than the diameter. Since the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is introduced into a pellet shape, the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is easily handled as a raw material and can be mixed with the thermoplastic resin and the fiber well.
  • the fiber reinforced composite manufacturing method uses an LFT-D extruder composed of first and second extruders, in order to disperse the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer introduced into the pellet shape, it is advantageous to increase the shearing effect of the extruder. Therefore, it may be advantageous to preferentially introduce the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer into the first extruder.
  • the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer may be preferentially introduced into the first extruder, and as a result, may be uniformly dispersed in the fiber-reinforced composite, thereby realizing excellent shock absorption performance at room temperature and low temperature.
  • thermoplastic resin the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer and fibers may be mixed and extruded to produce a fiber-reinforced thermoplastic.
  • the fiber-reinforced composite material is manufactured by molding the fiber-reinforced thermoplastics, and specifically, may be manufactured by cutting to a predetermined size after pressing under pressure. At this time, the pressing of the fiber-reinforced thermoplastics may be performed by pressing at an appropriate pressure in accordance with the required shape of the final product.
  • the fiber-reinforced composite prepared using the fiber-reinforced composite manufacturing method exhibits a certain range of falling impact strength and specific gravity, and may have an advantage of simultaneously securing excellent shock absorption performance and excellent light weight characteristics.
  • thermoplastic resin composition The pellet-like ethylene- ⁇ -olefin block copolymer having physical properties shown in Table 1 below; Polypropylene homopolymer resin; Heat stabilizers; And a compatibilizer were added to the first extruder and melt mixed to prepare a thermoplastic resin composition. Subsequently, the thermoplastic resin composition was introduced into a second extruder, glass fibers in the form of continuous fibers were introduced into the second extruder from roving, and a fiber reinforced thermoplastic was produced by impregnating the thermoplastic resin composition into the glass fiber. It was. Subsequently, the fiber reinforced thermoplastics were pressed to prepare a fiber reinforced composite.
  • a fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Examples 1 to 3 except that the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer was not included.
  • Example 1-3 The content of each component of Example 1-3 and Comparative Example 1 is shown in Table 2 below. The content of each component is described in weight percent.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Polypropylene Homopolymer Resin 66 61 56 51 Ethylene- ⁇ -olefin Block Copolymers - 5 10 15 glass fiber 30 30 30 30 30 Heat stabilizer One One One One Compatibilizer 3 3 3 3 Total 100 100 100 100 100
  • Example 1-3 includes the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer described in Table 1, compared to Comparative Example 1 that does not include the impact at room temperature and low temperature It can be seen that the absorption performance is improved.
  • the impact of the ethylene- ⁇ -olefin block copolymer is included in a range of content to be mixed with the polypropylene homopolymer resin to form a phase-separated state, without improving the impact It can be seen that the absorption performance is implemented.

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Abstract

향상된 충격 흡수 성능을 가지면서도, 경량화 특성이 우수한 효과를 나타는 섬유 강화 복합재로서, 열가소성 수지, 섬유 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.

Description

섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법
섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기계적 특성 및 충격 특성을 향상시키고 경량화 효과를 확보하기 위해서 섬유와 수지를 혼합하는 형태의 복합재를 제조하게 되는데, 이 때 섬유의 함량을 증가시키면 충격 특성을 향상시킬 수 있으나, 재료의 비중이 높아져 경량화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다. 또한, 강도 및 강성의 향상을 위해 탈크(Talc), 탄산칼슘, 미카(Mica), 규회석(Wollastonite) 등의 무기 재료를 첨가하는 방법을 사용하기도 한다. 다만, 이 경우 재료 원가를 감소시키는 장점을 얻을 수 있으나, 복합재의 비중이 높아지고 표면 물성이 악화되며, 제조 과정에서 무기물의 분산 및 분배가 어렵고, 흐름성 및 가공성을 저하시키는 단점이 있을 수 있다.
자동차 및 건축자재와 같은 외부환경에 많이 도출되어 있는 산업 분야의 경우에는 높은 수준의 인성을 가진 복합재를 많이 필요로 한다. 특히 외부 충격에 많이 노출되어 있는 백빔, 시트백, 언더커버와 같은 자동차 외장부품은 더욱 그러하다. 이 때, 외부의 충격에 대한 저항 정도가 복합재의 가장 중요한 요소이자 부품에 사용될 수 있는 필수 기준 요소이며, 복합재의 이러한 물성에 영향을 끼치는 가장 중요한 두 요소가 바로 강도와 신율(늘어나는 정도)이다. 이러한 강도와 신율은 서로 상반된 개념으로, 강도가 높아 딱딱하면 부러지기 쉬우므로 신율이 낮고, 상대적으로 신율은 높은 무른 복합재는 충격 흡수 성능은 우수하나 그 강도가 높지 못하다. 따라서 강도와 신율이 모두 우수한 복합재를 만들기 위한 여러 가지 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 또한, 각종 산업 분야에서 경량의 복합재에 대한 필요성도 증대되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 충격 흡수 성능 및 경량 효과가 모두 우수한 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 섬유 강화 복합재의 충격 흡수 성능 및 경량 효과의 향상을 용이하게 확보할 수 있고, 제조 비용 및 공정 효율 측면에서 유리한 이점을 갖는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 향상된 충격 흡수 성능을 가지면서도, 경량화 특성이 우수한 효과를 나타는 섬유 강화 복합재로서, 열가소성 수지, 섬유 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 고효율 및 저비용으로 우수한 충격 흡수 성능 및 경량 효과를 구현하는 섬유 강화 복합재를 제조하기 위한 방법으로서, 제1 압출기에 열가소성 수지 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 투입하고 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계; 제2 압출기에 상기 열가소성 수지 조성물 및 섬유를 투입하고, 상기 섬유에 상기 열가소성 수지를 함침시켜 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조하는 단계; 및 상기 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 압착함으로써 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.
상기 섬유 강화 복합재는 향상된 충격 흡수 성능을 가지면서도, 경량화 특성이 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 이용함으로써 고효율 및 저비용으로, 우수한 충격 흡수 성능 및 우수한 경량 효과를 나타내는 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지, 섬유 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
상기 섬유 강화 복합재는 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함함으로써 향상된 충격 흡수 성능을 나타내며, 구체적으로 상온 및 저온에서의 충격 흡수 성능이 모두 향상될 수 있다. 또한, 상기 섬유 강화 복합재는 금속을 대체할 수 있는 수준의 우수한 강도와 경량 특성을 나타낼 수 있다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 블록(block) 공중합체의 일종으로, 에틸렌 블록 및 α-올레핀 블록으로 이루어진 공중합체이다. 이러한 블록(block) 타입의 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 α-올레핀이 분지형으로 포함된 타입의 에틸렌-α-올레핀 공중합체에 비하여 분지화도(degree of branch)가 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 화학적 구조에 기인하여 유리전이온도가 -60℃ 이하일 수 있고, 예를 들어 약 -60℃ 내지 약 -65℃일 수 있다. 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 상기 범위의 유리전이온도를 가짐으로써 인장 특성 및 충격 흡수 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 이의 전체 중량에 대하여 약 15중량% 내지 약 30중량%의 α-올레핀을 포함할 수 있다. 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체가 약 15중량% 미만의 α-올레핀을 포함하는 경우에는 저온 충격 흡수 성능이 저하되는 문제점이 있고, 약 30중량% 초과의 α-올레핀을 포함하는 경우에는 섬유 강화 복합재의 강도 및 강성을 저하시킬 우려가 있다.
상기 'α-올레핀'은 프로필렌, 부텐, 펜텐, 헥센, 프로펜, 옥텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 예를 들어 옥텐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 약 100℃ 내지 약 150℃의 용융 피크 온도를 가질 수 있다. 상기 용융 피크 온도는 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC)를 이용하여 측정할 수 있으며, 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체가 약 150℃ 초과의 용융 피크 온도를 갖는 경우에는 상온 상태에서 취성이 증가하여, 충격 흡수 성능이 크게 저하될 우려가 있다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 인장 신장률이 약 1000% 이상일 수 있고, 구체적으로 약 1000% 내지 약 5000%일 수 있다. 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체의 인장 신장률이 약 1000% 미만인 경우에는, 이로부터 제조된 섬유 강화 복합재의 신율 및 충격 방지 특성이 저하될 우려가 있다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 전술한 물성들을 가짐으로써 열가소성 수지 및 섬유와 혼합하여 섬유 강화 복합재 제조 시에 우수한 상용성을 확보할 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재에 향상된 충격 흡수 성능 및 인장 특성을 부여할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 열가소성 수지를 포함하며, 상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있고, 구체적으로 폴리프로필렌계 수지를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지가 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 경우, 가격 경쟁력 측면에서 유리할 수 있고 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체와 함게 섬유 강화 복합재의 충격 강도 및 인장 특성을 향상시키는 데 유리할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 폴리프로필렌계 수지는 프로필렌-에틸렌 공중합 수지 또는 폴리프로필렌 단독 중합 수지를 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 경량 효과 및 강도 향상 효과를 동시에 확보하기 위하여 섬유를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유는 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함할 수 있으며, 예를 들어 유리 섬유를 포함할 수 있다.
상기 섬유는 단면의 직경이 약 10㎛ 내지 약 20㎛일 수 있다. 상기 섬유가 상기 범위의 직경을 가짐으로써, 상기 복합재 내에 높은 함량으로 함유되어 두께 대비 우수한 강도 및 강성을 확보할 수 있고, 경량 특성을 확보하기 유리하며, 제조 과정의 가공성 측면에서 유리할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 열가소성 수지를 약 40중량% 내지 약 70중량% 포함할 수 있고, 예를 들어 약 50중량% 내지 약 65중량% 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지가 상기 범위의 함량으로 포함됨으로써 제조 과정에서 상기 섬유가 고르게 함침될 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재가 일정 수준 이상의 지지 성능을 확보할 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재는 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 약 5중량% 내지 약 15중량% 포함할 수 있고, 예를 들어 약 8중량% 내지 약 12중량% 포함할 수 있다. 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체가 상기 범위의 함량으로 포함됨으로써, 상기 열가소성 수지와 잘 혼합될 수 있고, 상온 및 저온에서 모두 요구되는 수준의 충격 성능을 확보할 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재는 상기 섬유를 약 20중량% 내지 약 50중량% 포함할 수 있고, 예를 들어 약 20중량% 내지 약 35중량% 포함할 수 있다. 상기 섬유가 상기 범위 미만으로 포함되는 경우에는 상기 섬유 강화 복합재가 요구되는 강도 및 강성을 확보할 수 없으며, 경량 특성이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 섬유가 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우에는 제조 과정에서 상기 섬유 강화 복합재 내에 섬유를 균일하게 함침시키기 어려우며, 상기 섬유 강화 복합재의 표면 물성을 저하시킬 우려가 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 상기 열가소성 수지, 섬유 및 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 모두 포함할 수 있고, 이들의 조합을 통하여 우수한 경량 특성과 함께 향상된 충격 흡수 성능을 확보할 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 낙구충격강도는 약 5J/㎜ 내지 약 10J/㎜일 수 있고, 예를 들어 약 6J/㎜ 내지 약 10J/㎜일 수 있고, 예를 들어 약 7J/㎜ 내지 약 10J/㎜일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재는 약 20℃ 내지 약 30℃의 상온 및 약 -40℃ 내지 약 -20℃의 저온에서 낙구충격강도가 모두 상기 범위를 만족할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 제1 압출기에 열가소성 수지 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 투입하고 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계; 제2 압출기에 상기 열가소성 수지 조성물 및 섬유를 투입하고, 상기 섬유에 상기 열가소성 수지를 함침시켜 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조하는 단계; 및 상기 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 압착함으로써 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 LFT-D (Long Fiber Thermoplastic-Direct) 공법을 이용하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 것으로, 제1 및 제2 압출기로 구성된 LFT-D 압출기를 이용할 수 있다.
구체적으로, 상기 제조방법은 상기 제1 압출기에 열가소성 수지 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 투입하고 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 열가소성 수지 및 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 열가소성 수지 조성물은 열가소성 수지 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체 이외에 상용화제, 열안정제, 산화방지제, 자외선흡수제, 광안정제, 안료, 분산제, 핵제, 가공윤활제, 커플링제, 착색제, 핵제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지 조성물은 상용화제 및 열안정제를 포함할 수 있고, 이 경우 상기 열가소성 수지 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체의 상용성을 향상시킬 수 있으며, 후속하여 투입되는 섬유와 상기 열가소성 수지 조성물의 결합력도 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 열안정제를 통하여 외부에 노출이 많은 자동차 외장 소재 등으로 사용 시에 우수한 내구성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 제2 압출기에 상기 열가소성 수지 조성물 및 섬유를 투입하고, 상기 섬유에 상기 열가소성 수지를 함침시켜 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 섬유는 로빙(roving)으로부터 연속 섬유 형태로 투입될 수 있다. 상기 섬유가 연속 섬유로 투입됨으로써 상기 섬유 강화 복합재 내에서 우수한 강도 향상 효과를 구현할 수 있다.
필요한 경우, 상기 섬유는 연속 섬유 및 펠릿(pellet) 형태의 비연속 섬유를 혼합하여 투입할 수 있다. 상기 펠릿 형태의 비연속 섬유는 연속 섬유와 달리, 소정의 길이로 절단되어 열가소성 수지에 함침되어 열가소성 수지가 표면에 도포된 형상을 갖는 것으로, 이를 이용함으로써 높은 함량의 섬유를 포함하는 복합재의 제조가 가능할 수 있다.
상기 섬유가 연속 섬유 및 펠릿 형태의 비연속 섬유를 혼합하여 사용되는 경우, 상기 섬유 강화 복합재 내의 섬유의 함량을 높게 조절하기 용이하고, 동시에 우수한 분산성을 확보하여 상기 섬유 강화 복합재의 전체적인 강도 및 강성의 향상에 기여할 수 있다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 상기 제1 압출기에 투입될 때 펠릿(pellet) 형상으로 투입될 수 있다. 이러한 펠릿 형상의 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 입자의 형상을 갖는 것으로, 예를 들어 수mm 지름의 막대 모양으로 압출하고, 지름보다 조금 긴 치수로 절단된 원기둥의 형상을 가질 수 있다. 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체가 펠릿(pellet) 형상으로 투입됨으로써 원료로서의 취급이 용이하고, 열가소성 수지 및 섬유와 잘 혼합될 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 제1 및 제2 압출기로 구성된 LFT-D 압출기를 사용하는데, 상기 펠릿 형상으로 투입되는 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 잘 분산시키기 위해서는 압출기의 전단 효과가 커지는 것이 유리하므로 상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 제1 압출기에 우선적으로 투입하는 것이 유리할 수 있다.
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체가 제1 압출기에 우선적으로 투입됨으로써 결과적으로 상기 섬유 강화 복합재 내에 고르게 분산될 수 있고, 상온 및 저온에서 우수한 충격 흡수 성능을 구현하도록 할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법으로, 상기 열가소성 수지, 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체 및 섬유가 혼합 및 압출되어 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 상기 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 성형함으로써 제조되며, 구체적으로 압력을 가하여 압착 후 소정의 크기로 절단하여 제조될 수 있다. 이때, 상기 섬유 강화 열가소성 플라스틱의 압착은 최종 제품의 요구되는 형상에 따라 적절한 압력으로 압착함으로써 수행될 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 이용하여 제조된 섬유 강화 복합재는 전술한 바와 같이, 일정 범위의 낙구충격강도 및 비중을 나타내는 것으로 우수한 충격 흡수 성능 및 우수한 경량 특성을 동시에 확보하는 이점을 가질 수 있다.
나아가, 자동차용 외장 소재 또는 건축 자재 등의 용도로 사용되기 적합한 우수한 강도 및 강성을 확보할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
<실시예 및 비교예>
실시예 1-3
하기 표 1의 물성을 갖는 펠릿 형상의 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체; 폴리프로필렌 단독 중합 수지; 열안정제; 및 상용화제를 제1 압출기에 투입하고, 용융 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하였다. 이어서, 상기 열가소성 수지 조성물를 제2 압출기에 투입하고, 로빙(roving)으로부터 연속 섬유 형태의 유리 섬유를 상기 제2 압출기에 투입하였으며, 상기 열가소성 수지 조성물을 상기 유리 섬유에 함침시킴으로써 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조하였다. 이어서, 상기 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 압착하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
구분 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체
유리전이온도[℃] -65
DSC 용융피크 온도[℃] 속도 10℃/min 118
인장 신장률[%] ASTM D790 >1000
결정화도[%] 13
밀도[g/㎤] 0.870
용융지수[g/10min] (2.16kg @ 190℃) ASTM D1238 0.5
비교예 1
상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함하지 않는 것을 제외하고 상기 실시예 1 내지 3과 동일한 방법으로 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
상기 실시예 1-3 및 상기 비교예 1의 각 성분의 함량은 하기 표 2에 기재하였다. 각 성분의 함량은 중량%로 기재하였다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
폴리프로필렌 단독 중합 수지 66 61 56 51
에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체 - 5 10 15
유리 섬유 30 30 30 30
열안정제 1 1 1 1
상용화제 3 3 3 3
Total 100 100 100 100
<평가>
실험예 1: 낙구충격강도의 측정
상기 실시예 및 비교예 각각의 섬유 강화 복합재에 대하여 직경이 100㎜이고, 두께가 3㎜인 원형 형상의 시편을 제작하여, 낙구충격강도 측정 방법(ASTM D3763)에 따라 25℃의 상온 및 -35℃의 저온에서 낙구충격강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 3에 기재된 바와 같다.
실험예 2: 비중의 측정
상기 실시예 및 비교예 각각의 섬유 강화 복합재에 대하여 비중 측정 방법(ASTM D792)에 따라 비중을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 3에 기재된 바와 같다.
낙구충격강도[J/mm] 비중
25℃ -35℃
실시예 1 6.29 6.35 1.24
실시예 2 7.18 7.32 1.24
실시예 3 6.92 7.15 1.24
비교예 1 6.24 6.25 1.24
상기 표 3의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1-3은 상기 표 1에 기재된 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함하는 것으로서, 이를 포함하지 않는 비교예 1에 비하여 상온 및 저온에서 모두 충격 흡수 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1-3의 결과들을 비교할 때, 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체가 일정 범위의 함량으로 포함됨으로써 폴리프로필렌 단독 중합 수지와 혼합되어 상-분리 상태를 형성하지 않으면서, 향상된 충격 흡수 성능을 구현하는 것을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 열가소성 수지, 섬유 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 유리전이온도가 -60℃ 이하인
    섬유 강화 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 15중량% 내지 30중량%의 α-올레핀을 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 α-올레핀은 프로필렌, 부텐, 펜텐, 헥센, 프로펜, 옥텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 100℃ 내지 150℃의 용융피크온도를 갖는
    섬유 강화 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 인장 신장률이 1000% 이상인
    섬유 강화 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유는 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬유는 단면의 평균 직경이 10㎛ 내지 20㎛인
    섬유 강화 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지를 40중량% 내지 70중량% 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 5중량% 내지 15중량% 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유를 20중량% 내지 50중량% 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재의 낙구충격강도는 5J/㎜ 내지 10J/㎜인
    섬유 강화 복합재.
  14. 제1 압출기에 열가소성 수지 및 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체를 투입하고 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계;
    제2 압출기에 상기 열가소성 수지 조성물 및 섬유를 투입하고, 상기 섬유에 상기 열가소성 수지를 함침시켜 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조하는 단계; 및
    상기 섬유 강화 열가소성 플라스틱을 압착함으로써 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 에틸렌-α-올레핀 블록 공중합체는 상기 제1 압출기에 펠릿(pellet) 형상으로 투입되는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 섬유는 로빙(roving)으로부터 연속 섬유 형태로 투입되는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
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