WO2017069558A1 - 다공성 단일 수지 섬유 복합재 및 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 방법 - Google Patents

다공성 단일 수지 섬유 복합재 및 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 방법 Download PDF

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Definitions

  • a method of making a porous single resin fiber composite and a porous single resin fiber composite is a method of making a porous single resin fiber composite and a porous single resin fiber composite.
  • thermoplastic composite materials are composed of high strength reinforced fibers such as glass fibers and carbon fibers exhibiting high rigidity and thermoplastic resins constituting a matrix. Since the thermoplastic composite material exhibits higher mechanical properties than general thermoplastic resin products, it is widely used for automobiles and construction materials.
  • Conventional thermoplastic composite material manufacturing method is mainly a method of mixing the reinforcing fibers into the thermoplastic resin, then molding through extrusion or mold press process, in order to improve the strength and productivity in recent years, by applying a dry needle punching process or wet papermaking process First, a composite material is manufactured by manufacturing a mat-type material including reinforcing fibers and then impregnating a resin into the mat.
  • Composite materials of reinforcing fibers and thermoplastic resins exhibit excellent mechanical strength because reinforcing fibers act as reinforcing materials.
  • Such fiber-reinforced composite materials generally use fibers having high strength, unlike thermoplastic resins such as glass fibers and carbon fibers. Since the composite material thus prepared is different from the components of the thermoplastic resin and the reinforcing fiber, a process of separating the fiber and the resin is additionally required for recycling.
  • glass fibers may be environmentally and handleable problems when exposed to the surface after molding into a composite material, a separate surface material treatment for laminating film coating or nonwoven fabric is required.
  • additives such as a crosslinking agent to enhance such a correspondence should be included in the preparation. These additional processes complicate the process and increase the price of the material.
  • One embodiment of the present invention provides a porous single resin fiber composite having excellent moldability while realizing excellent mechanical strength, sound absorption performance, heat insulation, and weight reduction.
  • Another embodiment of the present invention provides a method for producing the porous single resin fiber composite.
  • the first fibrous particles are polyester fibers comprising a first polyester resin
  • the second fibrous particles are polyester fibers including a second polyester resin
  • the binder is a third polyester. It includes a resin, wherein the first fibrous particles have a higher elongation than the second fibrous particles, the melting point of the second polyester resin is higher than the melting point of the third polyester resin to provide a porous single resin fiber composite material do.
  • the core portion includes a second polyester-based resin
  • the sheath portion includes a third polyester-based resin
  • the binder includes a third polyester-based resin
  • the first fibrous The particles have a higher elongation than the second fibrous particles, and provide a method for producing a porous single resin fiber composite having a melting point of the second polyester resin higher than that of the third polyester resin.
  • the porous single resin fiber composite material realizes excellent mechanical strength, sound absorption performance, heat insulation and light weight, is environmentally friendly and easy to recycle, reduces production costs, and has excellent moldability.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a porous single resin fiber composite material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates that the porous single resin fiber composite according to another embodiment of the present invention by applying heat and pressure to the reinforcing fibers and the bicomponent polymer by the method of manufacturing the porous single resin fiber composite.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a method of manufacturing a porous single resin fiber composite plate according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a SEM photograph of the cut surface of the plate prepared in Example 1.
  • FIG. 5 is an optical microscope image of the surface of the plate prepared in Example 1.
  • FIG. 6 is an optical microscope image of the surface of the plate prepared in Example 2.
  • First fibrous particles Second fibrous particles; And a binder for binding the first fibrous particles and the second fibrous particles, wherein the first fibrous particles and the second fibrous particles are bound by the binder to form an irregular network structure including pores.
  • the first fibrous particles are polyester fibers comprising a first polyester resin
  • the second fibrous particles are polyester fibers including a second polyester resin
  • the binder is a third polyester resin.
  • the first fibrous particles have a higher elongation than the second fibrous particles, and provide a porous single resin fiber composite having a melting point of the second polyester resin higher than that of the third polyester resin.
  • the first fibrous particles are elongated polyester fibers having an elongation of about 300% to about 600%, and the second fibrous particles are 0% unstretched polyester fibers, or an elongation having an elongation of less than about 300%. It may be a polyester fiber.
  • the polyester fiber may be a polyester terephthalate (PET) fiber.
  • PET polyester terephthalate
  • the polyester fiber can adjust the mechanical strength and rigidity of the fiber itself by controlling the elongation. For example, when the elongation is increased in the longitudinal direction of the polyester fiber, the crystallinity of the polyester fiber becomes high, and mechanical strength and rigidity are improved.
  • Crystallinity affecting the strength of the polyester-based resin can be measured using a differential scanning calorimeter (DSC, Perkin-Elmer, DSC8000) instrument.
  • DSC differential scanning calorimeter
  • the porous single resin fiber composite material may include a stretched polyester fiber having an elongation of about 300% to about 600% as the first fibrous particles to implement excellent mechanical strength and rigidity, and minimize shrinkage during thermoforming. Can be.
  • the porous single resin fiber composite material includes the second fibrous particles having different elongation together with the first fibrous particles to improve elasticity and effectively attenuate the impact energy against impact from the outside, thereby improving impact resistance or shock absorbing ability. Can be.
  • the first fibrous particles and the second fibrous particles are present in a state in which some or all of them are coated by the binder component. That is, the first fibrous particles and the second fibrous particles form a coating part formed of the binder on the surface of each particle.
  • the coating part of each of the first fibrous particles and the second fibrous particles may be fused to irregularly bind the first fibrous particles and the second fibrous particles.
  • the first fibrous particles and the second fibrous particles bound in this way can form an irregular network structure including pores.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a porous single resin fiber composite material 10 including a first fibrous particle 1, a second fibrous particle 2, and a binder 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the porous single resin fiber composite is a composite material excellent in strength, sound absorbing and insulating performance and heat insulation.
  • the first fibrous particles, the second fibrous particles, and the binder all use polymer materials of the same single resin, so that the compatibility between resins is very excellent, and thus the porous Single resin fiber composites can achieve very good strength.
  • the porous single resin fiber composite is made of only a polymer material, it has excellent moldability and is easy to recycle.
  • the porous single resin fiber composite may be prepared according to the method of manufacturing the porous single resin fiber composite described below, wherein the porous single resin fiber composite prepared as described above is well dispersed in the first fibrous particles and the second fibrous particles Are manufactured.
  • the first fibrous particles and the second fibrous particles become more cohesive to each other through the binder, thereby providing a superior strength of the porous single resin fiber composite. Can be implemented.
  • the porous single resin fiber composite material not only increases the correspondence between resins using the same type of resin but also the first fibrous particles and the second fibrous particles due to the correlation between the dispersibility and the strength found. Synergistic effect can be obtained by improving the dispersion of the fibrous particles).
  • the strength is improved, the strength of the porous single resin fibrous composite is improved, and thus, the kind and content of the first fibrous particles, the second fibrous particles, and the binder included in the porous single resin fibrous composite.
  • the strength may be compared after manufacturing by changing the manufacturing method and the like so that the dispersibility of the fibrous particles is changed while keeping other conditions constant.
  • the porous single resin fiber composite material can be molded into a thin plate or sheet as it implements excellent mechanical strength, it is possible to reduce the weight.
  • the porous single resin fiber composite may also be made of a sheet in which the first fibrous particles and the second fibrous particles have a unidirectional orientation. As such, when the unidirectional orientation is imparted to the sheet of the porous single resin fiber composite material, the sheet has high mechanical properties along the direction in which the orientation is imparted. Such sheets are suitable for application to materials that can withstand large forces in certain directions.
  • the porous single resin fiber composite material is a polyester fiber which is a polymer fiber forming the first fibrous particles and the second fibrous particles, and the strength or melting point are different from each other, so as to appropriately control the content ratio between them, and the numerical range of the respective strength or melting point.
  • the first polyester-based resin forming the first fibrous particles should have a relatively high strength.
  • the second polyester resin forming the second fibrous particles has a higher strength than that of the first polyester resin. And melting point should be relatively low.
  • the binder corresponds to a sheath portion of the bicomponent fiber having the second fibrous particles as a core, referring to a method for producing a porous single resin fiber composite material, which will be described later.
  • the melting point In order to melt the sheath portion of the bicomponent fiber at a low temperature so that a part of it is transferred to the surface of the first fibrous particles and bind the first fibrous particles and the second fibrous particles as a binder, the melting point must be relatively low.
  • the strength of the polyester resin is related to the elongation. Increasing the elongation of the polyester resin increases the strength, and conversely, lowering the elongation lowers the strength.
  • the first polyester resin may have a melting point of about 200 to about 270 °C.
  • the second polyester-based resin may have a melting point of about 200 to about 270 ° C.
  • the third polyester resin may have a melting point of about 100 to about 200 °C.
  • the melting point of the polyester-based resin can be measured using a thermogravimetric analysis (TGA, Pyris1) instrument.
  • the porous single resin fiber composite does not use glass fibers or carbon fibers, and does not require a separate surface treatment process by using fibrous particles of polymer fibers as reinforcing fibers. This is because glass fiber or carbon fiber is harmful to the human body when exposed to the surface, so that the glass fiber or carbon fiber should not be exposed by the surface treatment process when manufacturing the composite material.
  • the porous single resin fiber composite using a polymer fiber it is not necessary to treat the surface because it is not harmful to the human body when exposed to the surface.
  • porous single resin fiber composite material uses fibrous particles of polymer fibers instead of glass fibers or carbon fibers, and improves heat resistance by applying a polyester-based resin which is a thermoplastic polymer fiber exhibiting relatively low thermal conductivity.
  • thermoplastic polymer fibers have a lower specific gravity than glass fibers or carbon fibers, when forming the same weight composite material, a larger number of fibrous particles may be included, and the porous single resin fiber composite material having a low density of porous materials It can be formed as. Sound waves coming in through the open pores of the porous single resin fiber composite material is attenuated by the vibration of the fiber is suitable to be applied as sound absorbing and insulating material. When applied to the sound absorbing and insulating material, the porous single resin fiber composite material has excellent energy damping effect as the porosity is higher and the number of fibers contained is higher.
  • the porous single resin fiber composite uses relatively low density fibrous particles as compared to glass fiber or carbon fiber, the number of fibrous particles in the composite increases based on the same weight of the composite material. Due to the improved sound insulation performance.
  • thermoplastic polymer fibers have a higher degree of freedom due to vibration than rigid reinforcing fibers such as glass fibers and carbon fibers, the sound energy attenuation effect due to the vibration of the fibers is excellent. Therefore, the porous single resin fiber composite may have more excellent sound absorption performance, and can be effectively applied to the field requiring excellent sound absorption performance.
  • thermoplastic polymer fiber has a thermal conductivity of 25% or less than that of glass fiber and carbon fiber
  • the porous single resin fiber composite material has an advantage of minimizing heat transfer conducted through the fiber. Accordingly, the single resin composite exhibits excellent heat insulating performance.
  • the weight ratio of the sum of the content of the first fibrous particles to the content of the second fibrous particles and the binder in the porous single resin fiber composite may be about 25:75 to about 60:40.
  • the content range is a content range suitable for effectively securing the strength improving effect of increasing the content of the first fibrous particles and at the same time obtaining the effect from the second fibrous particles.
  • the second fibrous particles and the binder are attributable to the bicomponent polymer fibers by the method for producing the porous single resin fiber composite material described below. Therefore, in the method of manufacturing the porous single resin fiber composite described below, the content of the first fibrous particles and the bicomponent polymer fibers can be adjusted to the above range to produce a porous single resin fiber composite having the content ratio.
  • the porous single resin fiber composite may include about 40 parts by weight to about 250 parts by weight of the binder relative to 100 parts by weight of the second fibrous particles.
  • the content ratio of the core portion and the sheath portion of the bicomponent polymer fiber can be implemented.
  • the porosity of the porous single resin fiber composite may be about 30 to about 80% by volume. As described above, the porous single resin fiber composite forms open pores while forming a network structure. Porous single resin fiber composite material having a porosity in the above range can implement the weight reduction while maintaining the strength, and can also have excellent sound absorbing and insulating performance.
  • the porous single resin fiber composite material can be lightened, and specifically, the density thereof may be about 0.1 g / cm 3 to about 1.6 g / cm 3 .
  • the porous single resin fiber composite may be manufactured in a form suitable for the intended use, for example, it may be produced in a sheet through a wet papermaking process or the like.
  • the sheet of porous single resin fiber composite may be prepared to have a weight suitable for the intended use, for example, it may be made of a sheet having a weight of about 50 g / m 2 to about 1200 g / m 2 .
  • the first fibrous particles may have a cross-sectional diameter of about 5 ⁇ m to about 40 ⁇ m.
  • the 1st fibrous particle which has the thickness of the said range can ensure an orientation and a dispersibility, even if it can provide strength suitably.
  • the first fibrous particles may have a length of about 6 mm to about 24 mm, specifically, about 12 mm to about 24 mm.
  • the first fibrous particles having a length in the above range can be appropriately imparted strength, can secure the orientation and dispersibility, and also impart appropriate bonding strength between the fibrous particles so that the porous single resin fiber composite material has an excellent strength At the same time, if the fiber is too long, the fibers are entangled and prevented from being lowered in dispersibility and are suitable for forming a sheet.
  • the second fibrous particles may have a cross-sectional diameter of about 5 ⁇ m to about 30 ⁇ m.
  • the second fibrous particles having a thickness in the above range can secure the orientation and dispersibility while providing strength appropriately.
  • the porous single resin fibrous composite including the second fibrous particles having a thickness in the above range has excellent strength characteristics, and is prepared according to the method for preparing the porous single resin fibrous composite described below when dispersing the first fibrous particles in an aqueous solution.
  • the sheet may be easily formed by having an appropriate hydroentangle property in the aqueous solution.
  • the second fibrous particles may have a length of about 3 mm to about 6 mm.
  • the second fibrous particles having a length in the above range can be appropriately imparted strength, can secure orientation and dispersibility, and also impart appropriate bonding strength between the fibrous particles so that the porous single resin fiber composite material has excellent strength.
  • the fibers are too long, the fibers are entangled to form a rope phase, which prevents the dispersibility from deteriorating and is suitable for forming a sheet.
  • the first fibrous particles having the length range and the second fibrous particles may be combined to provide excellent dispersibility and excellent strength characteristics.
  • first fibrous particles should serve as reinforcing fibers
  • fibers having a length longer than the second fibrous particles may be used.
  • the melting point of the second polyester resin must satisfy a condition higher than the melting point of the third polyester resin.
  • the two polyester resin and the third polyester resin can be selected so that the material of the core part and the sheath part of the bicomponent polymer fiber used in the method for producing the porous single resin fiber composite material described below satisfies the above conditions.
  • the melting point of the second polyester resin may be about 160 °C or more. More specifically, the melting point of the second polyester resin may be about 200 °C to about 400 °C.
  • the second polyester resin By allowing the second polyester resin to have a melting point within the above range, the fibrous state can be maintained even after the binder is melted during low temperature molding. If the melting point of the second polyester-based resin is less than 160 °C thermoforming temperature is too low to maintain the fibrous, or the porous single resin fiber composite including the same, the thermal stability is lowered later, such as deformation of the dimension or polymer deterioration It may cause. In addition, since the temperature difference with the third polyester-based resin may be reduced too much, it may be difficult to control the molding temperature.
  • the melting point of the third polyester resin may be less than about 200 °C.
  • the binder serves to bind the first fibrous particles and the second fibrous particles, and the third polyester resin forming the binder has a lower melting point than the second polyester resin to have a relatively low melting point. If it can be melted at a low temperature, it is possible to ensure low-temperature moldability. Therefore, the said binder can use low melting point polyester etc., for example. Since the low-melting polyester is lower than the general polyester, it is melted between about 100 ° C and about 140 ° C, so that a low melting point polyester, specifically, a low melting point polyethylene terephthalate may be selected according to the molding temperature to be applied.
  • One method of modifying polyethylene terephthalate to obtain a low melting polyethylene terephthalate is to add a copolymerization monomer to the polyethylene terephthalate.
  • Polyethylene terephthalate includes phthalate units in which the benzene ring and the ester have 1,4- (para) linkages.
  • a part of the phthalate units having 1,4- (para) bond in the polyethylene terephthalate is a phthalic unit and / or isophthal having 1,2- (ortho) and / or 1,3- (meta) bond
  • substitution with an isophthalic unit can lower the crystallinity and lower the melting point, thereby obtaining a low melting point polyethylene terephthalate.
  • the binder is, for example, more than 0 to about 50 mol%, specifically about 20 to about 40 mol% of the phthalate units in polyethylene terephthalate in phthalic units and / or isophthalic units. Substituted low melting polyethylene terephthalate.
  • a melting point can be lowered by replacing part of ethylene glycol, which is a monomer forming the ethylene unit of polyethylene terephthalate, with a glycol of a high carbon number chain.
  • the third polyether resin may use PET-G (Polyethylene terephthalate glycol-modified) obtained by copolymerizing cyclohexane dimethanol (CHDM) with ethylene glycol when synthesizing the polyester resin.
  • PET-G Polyethylene terephthalate glycol-modified
  • the unit due to cyclohexanedimethanol has a length mismatch with neighboring ethylene units in polyethylene terephthalate, and these interfaces prevent the crystallization and serve to lower the melting point of PET, It is formed amorphous.
  • the comonomer which can be used together with ethylene glycol to lower the melting point of polyethylene terephthalate may use a glycol having a high carbon number chain such as trimethylene glycol or 2-methyltrimethylene glycol in addition to CHDM.
  • the specific gravity of the second polyester-based resin is higher than about 1.
  • the two-component polymer fibers are dispersed in an acid aqueous solution, and it is easy to improve dispersibility and form a network structure only by using a material having a specific gravity higher than 1, which is the specific gravity of water. Therefore, the core part of the bicomponent polymer fiber may be a polyester resin having a specific gravity higher than one.
  • the composite porous single resin fiber may be made of a plate having a density of about 0.2 g / cm 3 to about 1.6 g / cm 3 .
  • the plate may be manufactured in a state in which the porous single resin fiber composite is compressed to a predetermined level.
  • the sheet can be obtained by laminating several sheets of the porous single resin fiber composite sheet obtained as a sheet by a wet papermaking process and then press molding.
  • the press molding is performed in a multi-step process, by alternately performing a heat treatment process, it is possible to improve the dispersibility of the binder more.
  • the multiple laminated porous single resin fiber composite sheet may be press-molded, and then heated up, and then press-molded again at room temperature to obtain a final sheet.
  • heat transfer to the center of the plate is easy to melt the binder can be formed evenly distributed. In this way, by uniformly dispersing the binder, it is possible to obtain very even properties of the plate material as a whole.
  • the press molding may be performed at a compression ratio of 80 to 95%. By adjusting the compression density of the fiber by the press molding, it is possible to implement excellent strength and sound absorption properties.
  • the plate is formed including a pore structure.
  • the composite material produced by mixing and extruding raw materials is difficult to form a pore structure, while the plate material is formed using a porous single resin fiber composite to form a pore structure.
  • the plate may have a porosity of about 40 to about 80 volumes.
  • the porous single resin fiber composite plate is formed to have a porosity in the above range, it can be excellent in all the strength, impact resistance and sound absorption properties of the plate of the porous single resin fiber composite.
  • the structure may be understood as only a compressed form while maintaining the structure of the porous single resin fiber composite material of FIG. 1.
  • the plate may be manufactured by press molding so that the density of the plate is about 0.2 g / cm 3 to about 1.6 g / cm 3 .
  • the density of the plate material can be pressed to be in the above range can implement excellent strength.
  • the plate of the porous single resin fiber composite prepared by compressing as described above may have excellent dispersion of fiber particles and thus have excellent mechanical properties evenly throughout the plate.
  • the sheet shows evenly superior impact strength results even when the impact strength properties are evaluated at various points.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the impact strength obtained in one plate may be about 0.2 J / mm or less.
  • the plate means that the difference in impact strength according to ASTM D3763 measured at any two points in the plate may be about 0.2 J / mm or less.
  • the plate is a material that can realize high mechanical strength such as tensile strength, flexural strength, and impact strength and low weight due to low density, it can be usefully applied to the use of automobile and building materials requiring such characteristics. In addition, the plate can satisfy the excellent sound insulation and sound performance requirements required for such automotive and building materials.
  • the plate is a material composed of a single polymer as a main component, it is easy to recycle without a separate heterogeneous separation process, and glass fiber is not applied, so handling is excellent in operation.
  • the plate is manufactured in a compressed state as described above, and then has a feature that does not expand even when heated up.
  • the porous single resin fiber composite plate may be prepared according to the manufacturing method described below, and is manufactured from the porous single resin fiber composite in which the first fibrous particles and the second fibrous particles are well dispersed, so that the dispersibility of the fibrous particles is excellent.
  • the correspondence between the components is increased and the bonding strength is increased. In this manner, the first fibrous particles and the second fibrous particles are well dispersed, and the binding strength of each component is increased to improve the strength of the plate of the porous single resin fiber composite.
  • the plate of the porous single resin fiber composite exhibits excellent strength properties by improving the dispersion and correspondence of the fibrous particles based on the correlation between the dispersibility or correspondence and the strength thus found.
  • the plate of the porous single resin fiber composite may also be prepared from the porous single resin fiber composite prepared by imparting unidirectional orientation to the fibrous particles as described above.
  • the porous single resin fiber composite plate is first made of a composite sheet in which the first fibrous particles and the second fibrous particles are bound by the binder to form an irregular network structure including pores, and then the composite sheets
  • the sheet may be manufactured by laminating and press molding. In this case, when the fibrous particles are unidirectionally oriented in the composite sheet, the composite sheet has high mechanical properties along the oriented direction.
  • the plate of the porous single resin fiber composite obtained by laminating such a composite sheet in one direction and then press-molding can withstand a large force in a specific direction.
  • the plate of the porous single resin fiber composite may be manufactured to have a weight suitable for the application to be applied, for example, about 600 g / m 2 to about 3000 g / m 2 , for example about 900 g / m It may have a basis weight of 2 to about 1400 g / m 2 (crystal).
  • the composite porous single resin fiber composite plate may have a thickness of about 2 mm to about 8 mm.
  • It provides a method for producing a porous single resin fiber composite comprising a.
  • the reinforcing fiber includes a first polyester resin
  • the bicomponent polymer fiber includes a core part and a sheath part
  • the core part includes a second polyester resin
  • the sheath part Including a third polyester resin
  • the strength or melting point of the first polyester resin is different from the strength or melting point of the second polyester resin
  • the strength or melting point of the first polyester resin Different from the strength or melting point of the third polyester resin
  • the strength or melting point of the second polyester resin is different from the strength or melting point of the third polyester resin, provided that the second polyester resin The melting point of is higher than the melting point of the third polyester resin.
  • the porous single resin fiber composite material described above may be manufactured by the method of manufacturing the porous single resin fiber composite material.
  • FIG. 2 shows that the porous single resin fiber composite 20 is produced by applying heat and pressure to the reinforcing fibers 4 and the bicomponent polymer fibers 5 by the method for producing the porous single resin fiber composite.
  • the reinforcing fibers 4 may be the first fibrous particles formed of the first polyester-based resin described above. Thus, the detailed description of the reinforcing fibers 4 is as described for the first fibrous particles.
  • the bicomponent polymer fiber 5 includes a core portion 5a and a sheath portion 5b, the core portion 5a comprises a second polyester resin, and the sheath portion 3rd polyester resin 5b is included.
  • the third polyester resin of the sheath portion is melted to bind the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers by thermal fusion to form an irregular network structure including pores.
  • the third polyester-based resin of the sheath portion is present in the state in which the core portion is coated and then transferred to the reinforcing fibers while being melted in the heat treatment and drying steps to coat some or all of the reinforcing fibers, and the molten state solidifies the heterogeneous resin. It acts as a binder for binding the core portion of the powder and the reinforcing fibers.
  • the method of manufacturing the porous single resin fiber composite may not additionally use a separate binder.
  • thermoplastic resin forming the sheath portion of the bicomponent polymer fiber has a relatively low melting point, which is advantageous in that low temperature molding is possible.
  • the porosity of the porous fiber-reinforced composite, the degree of coating transferred to the reinforcing fibers, and the like can be adjusted by changing the content of the core and sheath portions of the bicomponent polymer fibers.
  • the bicomponent polymer fiber may have a weight of about 40 parts by weight to about 250 parts by weight based on 100 parts by weight of the core part.
  • the method for producing the porous single resin fiber composite material is made by dispersing a bicomponent polymer fiber made of a polyester resin, which is a chemically hydrophobic thermoplastic resin, in an aqueous acid solution, the bicomponent polymer fiber is coated with a core part and a sheath. It is excellent in dispersibility by comprising a part and increasing specific gravity of a core part. As described above, when the specific gravity of the core part of the bicomponent polymer fiber is greater than 1, the dispersion degree can be effectively improved during the stirring process in the aqueous solution.
  • the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers can further improve the dispersibility in the aqueous acid solution by using the surface-treated sheath portion, and as a result, a composite porous single resin fiber composite sheet having excellent dispersibility. It can manufacture.
  • Surface treatment of the sheath portion of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers may introduce functional groups such as a fluoro group, a hydroxy group, a carboxyl group, an alkyl group, or may be coated with a coating agent.
  • the reinforcing fibers may interact with the surface or the surface of the sheath portion of the bicomponent fiber polymer fibers by a dipping process to introduce a surface treatment agent and a fiber which may introduce the functional group.
  • a surface treatment agent or coating agent that can be used in the production of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers to improve the bond strength between the fibers, or carbonization (carbonization) to improve heat resistance Or hydrolysis to improve hydrophilicity, or oxidation to improve aqueous dispersibility.
  • Examples of the surface treatment agent include fluorine waxes (for example, PFAO), hydrocarbon waxes, and silicone polymers.
  • the coating agent is capable of imparting properties such as hydrophilicity / hydrophobicity, water repellency, flame retardancy, nonflammability, heat resistance, acid resistance, alkali resistance, durability, and stain resistance.
  • a water repellent such as a fluorine wax (for example, PFAO), a hydrocarbon wax, and a silicone polymer compatibilizer may be used as the coating agent.
  • the weight ratio of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer component may be about 25:75 to about 60:40.
  • the total amount of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers per 1 L of the acid aqueous solution may be mixed in an amount of about 0.1 g to about 10 g.
  • the pH of the aqueous acid solution may be about 1 to about 4.
  • At least two sheets of the composite sheet manufactured in a sheet shape may be laminated, and then press molded to prepare the porous single resin fiber composite as a sheet.
  • the method of manufacturing the porous single resin fiber composite may further include stirring the slurry solution. Dispersibility may be further improved by further performing the step of stirring the slurry solution.
  • the heat treatment and drying of the formed web may be performed at about 100 to about 180 ° C.
  • the temperature range is defined based on the temperature at which the sheath portion of the bicomponent fiber begins to soften or melt.
  • the temperature is lower than 100 ° C, it is difficult to dry moisture, and softening of the bicomponent polymer fibers (sheath portion) is not sufficiently generated, so that moisture remains after drying in the shape of the composite sheet, or the composite sheet is hard to have a fixed property. .
  • the core of the bicomponent polymer fibers can be produced so as to be included in the plate of the porous single resin fiber composite prepared as fibrous particles without melting. have.
  • the fibers are evenly mixed in the aqueous solution of the slurry, followed by a mesh moving along the conveyor belt to form a wet-entangled web.
  • the composite sheet manufactured can be made to have orientation.
  • the plate of the porous single resin fiber composite material obtained by laminating the composite sheet provided with the orientation as described above can further strengthen the strength against the one direction by providing the fiber component with the orientation in one direction.
  • the plate of the porous single resin fiber composite may be manufactured to be selectively provided with orientation to suit the intended use.
  • the fiber when the fiber is transferred from the head box to the conveyor belt and forms a composite sheet, the fiber is inclined relative to the planar conveyor belt by inclining the portion where the composite sheet is formed (inclined web formation).
  • the process can be designed to lie down in the machine direction.
  • Directionality can be given separately in the machine direction (MD) direction and the cross direction (CD) direction, it is easier to give the direction in the MD direction than the CD direction.
  • the slurry solution may further include an additive such as a crosslinking agent or an additional binder.
  • the crosslinking agent serves to strengthen the chemical bonding strength between the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers, and for example, a silane compound, a maleic acid compound, or the like can be used.
  • the content of the crosslinking agent may be about 0 to about 5 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total fibers (sum of reinforced fibers and bicomponent polymer fibers).
  • the additional binder may be a water-soluble polymer such as starch, casein, polyvinyl alcohol (PVA), carboxymethyl cellulose (CMC); Emulsions such as polyethylene, polypropylene and polyamide; Cement, calcium sulfate type clay, sodium silicate, alumina silicate, an inorganic compound of calcium silicate, etc. can be used.
  • a water-soluble polymer such as starch, casein, polyvinyl alcohol (PVA), carboxymethyl cellulose (CMC); Emulsions such as polyethylene, polypropylene and polyamide; Cement, calcium sulfate type clay, sodium silicate, alumina silicate, an inorganic compound of calcium silicate, etc. can be used.
  • the content of the additional binder may be about 0 to about 5 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total fibers (sum of the reinforced fibers and the bicomponent polymer fibers).
  • the plate of the porous single resin fiber composite material is formed by compressing at least two or more sheets of composite sheets, and in particular, it is possible to determine how many sheets are stacked according to the desired weight per unit area of the final product. For example, if the weight per unit area of the target product of the composite sheet is 1200g / m 2 , approximately 2 to 12 sheets are laminated, then heat press molding by applying heat and pressure to prepare a sheet of porous single resin fiber composite can do.
  • the hot press molding may be performed at a temperature at which the sheath portion of the bicomponent fiber can be melted while the core portion is not melted. In this temperature range, the interface between the composite sheets may be fused while the sheath is melted.
  • the hot press molding may be laminated to the composite sheet by applying a pressure of about 1 to about 30 bar at a temperature of about 100 to about 180 °C to prepare a plate material of a porous single resin fiber composite.
  • the hot press molding may be performed such that a plate of a porous single resin fiber composite material may be continuously manufactured by double belt press molding.
  • the plate of the porous single resin fiber composite may be prepared as follows. First, after blending the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers, the blended fibers are stirred in an aqueous solution containing an additive, and then transferred to a head box capable of forming a web. The slurry in the head box passes through the vacuum intake system to form a wet web, which is made into a composite sheet in sheet form while passing through the dryer. The weight of the composite sheet is to be about 50g to about 600g per square meter to facilitate later thermoforming. The drying temperature is set to about 100 ° C. to about 180 ° C.
  • the prepared composite sheet is cut out and laminated according to the use, and the sheet is made of a porous single resin fiber composite having a thickness of about 2 mm to about 8 mm in the form of a plate through a thermocompression press.
  • the plate of the porous single resin fiber composite material may be manufactured from a plate having a thickness of 2 to 4 mm by heating at about 200 °C, then transferred to a press at room temperature and then press molding.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a method for producing a porous single resin fiber composite described according to the embodiment.
  • the bicomponent polymer fiber has a weight ratio of 50:50 polyethylene terephthalate core portion and low melting point polyethylene terephthalate sheath portion, and has a length of 5 mm and a thickness of 4 denier (about 20 ⁇ m cross-sectional diameter) to secure aqueous dispersion.
  • Eggplant prepared the fibers.
  • the polyethylene terephthalate of the cis part is a low melting point polyethylene terephthalate having a melting point of 110 ° C. in which 30 mol% of the phthalate units in the polyethylene terephthalate are replaced with isophthalic units.
  • the reinforcing fibers were polyethylene terephthalate fibers using 300% stretched yarn to prevent shrinkage during drying and preheating, and prepared by cutting 13 mm in diameter polyethylene terephthalate fibers.
  • the wet slurry process was performed to form a web through the vacuum suction apparatus in the aqueous slurry after the stirring process. After the web was formed, the moisture was completely dried by passing through an oven dryer at 140 ° C.
  • the dried composite sheet produced as the porous single resin fiber composite was approximately 5 mm thick at 300 g / m 2 .
  • a 2.0 mm thick plate was molded in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated sheets was changed so that the basis weight of the plate was 1000 g / m 2 . At this time, the compression ratio was about 87%.
  • a 2.0 mm thick plate was molded in the same manner as in Example 1 except that the number of laminated sheets was changed so that the basis weight of the plate was 1600 g / m 2 . At this time, the compressibility was about 92%.
  • Example 1 the plate was manufactured with a compression ratio of 95% (compressed from 20.0 mm in total to 4 stacked composite sheets to 1.0 mm) so that the final plate had a thickness of 1.0 mm.
  • the porosity of the plate is 13%.
  • Example 1 the plate was manufactured with a compression ratio of 71% (compression from 3.0 to 2 mm in total of 4 laminated composite sheets) so that the final plate had a thickness of 3.0 mm.
  • the porosity of the plate is 71%.
  • Example 1 the plate was manufactured to have a compression ratio of 75% (compressed from 5.0 to 2 mm in total of 4 laminated composite sheets) so that the final plate had a thickness of 5.0 mm.
  • the porosity of the plate is 82%.
  • Example 1 a board member was manufactured in the same manner as in Example 1, except that glass fibers were used instead of polyester fibers used as reinforcing fibers.
  • Example 1 except that half of the polyester fiber used as the reinforcing fiber was replaced with glass fiber, except that it was blended with 20 parts by weight of glass fiber, 20 parts by weight of reinforcing fiber, and 60 parts by weight of bicomponent polymer fiber. Plate was prepared in the same manner.
  • FIG. 4 is a SEM photograph of the cut surface of the plate prepared in Example 1.
  • PET fibers, which are reinforcing fibers, and PET fibers, which are bicomponent fibers, are well represented as indicated in the SEM photograph. That is, it was confirmed that each of the first fibrous particles and the second fibrous particles due to the reinforcing fibers and the bicomponent fibers were well formed in the plate.
  • Example 1 70 20 3.14 300
  • Example 1 when compared with Comparative Example 1, the polyester fiber used as a reinforcing fiber shows a lower strength than the glass fiber, but it can be confirmed that the tensile strength of the entire composite material is improved by 15% by improving the correspondence have.
  • the elongation of the PET fiber itself is about 40%, which is about 8 times the elongation of 5% of the glass fiber itself, the elongation of the entire composite is increased about 10 times. For this reason, the plate of the porous single resin fiber composite material of Example 1 has a property of not breaking due to its high external strength and low modulus value even under high deformation conditions.
  • Example 1 exhibits a higher fall impact strength value and IZOD impact strength value compared to Comparative Example 1, which is because the polyester fiber (reinforced fiber) in the composite material is relatively low in modulus compared to the glass fiber energy due to external impact This is because it disperses.
  • the density of the polyester fibers of the medicine due to 50% indicate a low density, for example 1 and compared to the same apparent specific gravity to that of Example 1, by weight, of 2.7 g / cm 3 density of the glass fiber to about 1.38 g / cm 3 Even if manufactured so that the number of fibers of Example 1 is high. This increases the probability of dispersing energy due to external impact, thereby improving the impact strength.
  • Example 2-3 was made of a plate material of the porous single resin fiber composite so that the basis weight of the same thickness as in Example 1 to 1000 g / m 2 and 1600 g / m 2 , respectively. As shown in Table 1, as the basis weight increases, the density of the composite increases, so the tensile strength increases but the elongation decreases.
  • Examples 1-3 are all made of the same thickness of the plate material, and manufactured by changing the basis weight, the density increases with the increase in basis weight.
  • the basis weight increases, the surface area increases as the density of the plate increases, and the sound absorption effect due to the vibration of the plate increases with the increase of the surface area, and shows the resonance frequency in the low frequency region. It can be seen that it shows a high sound absorption coefficient at.
  • Example 1 the sound absorbing effect due to the vibration of the fiber is excellent and the high frequency sound absorbing performance is most excellent.
  • the fiber is compressed at a high density, the porosity is lowered, and the sound absorption effect by the PET fiber is lowered, resulting in a low sound absorption coefficient.
  • Example 2 the degree of compression of the fiber is lower than that of Example 1, which is advantageous in terms of sound absorbing performance due to the vibration of the fiber, but the content of the fiber is low, so that the high frequency sound absorbing performance is inferior to that of Example 1. Therefore, it can be seen that the high frequency sound absorption performance should be adjusted to the appropriate fiber content and porosity.
  • FIG. 5 is an optical microscope image of the surface of the plate prepared in Example 1
  • FIG. 6 is an optical microscope image of the surface of the plate prepared in Example 2
  • FIG. 7 is a surface of the plate prepared in Example 3
  • the sheath portion of the bicomponent fibers melted to agglomerate well when forming a binder in the sheet, and thus the film It can be confirmed that the surface is formed smoothly.
  • the pores are closed, and thus the sound absorption performance is rather reduced.
  • Example 2 which has the largest number of open pores, nevertheless, has a lower fiber content and thus has a lower sound absorption performance than Example 1.
  • Example 3 increasing the plate density increased the content of the reinforcing fiber itself, thereby increasing both the bending strength and the bending rigidity.
  • Example 4 although the compressibility was increased compared to Example 1, the flexural strength was improved, but the flexural stiffness was significantly reduced.
  • Example 5 although the compressibility was reduced compared to Example 1, the flexural strength was reduced, but the flexural rigidity was confirmed to be improved by about 2 times.
  • Example 6 when the compressibility was greatly reduced, the flexural rigidity was increased, but the flexural strength was significantly reduced.
  • the relationship between the bending strength and the bending stiffness is inversely proportional to each other.
  • the external force should not cause material destruction and the material deformation should not occur to some extent. It can be seen that the optimum mechanical property balance can be exhibited by molding to have a suitable compressibility (or porosity) in the case of manufacturing a sheet material suitable for a specific application.
  • the porous single resin fiber composite when applied as a vehicle or building material, may be in the range having a compression ratio of 80 to 95%, porosity (volume ratio) 40 to 80% having the proper flexural strength and flexural rigidity characteristics.
  • Example 1 About the board
  • Example 1 the composite material consisting of only the polymer fiber shows a low thermal conductivity compared to Comparative Example 1, which is a composite material that is applied to the glass fiber reinforced fiber, it can be confirmed that the thermal insulation performance is excellent. This is because the heat conduction effect through the polymer fiber is lower than the heat conduction effect through the glass fiber.

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Abstract

제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고, 상기 제1 섬유상 입자는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 결착재는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자는 상기 제2 섬유상 입자 보다 연신율이 높고, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은 다공성 단일 수지 섬유 복합재가 제공된다.

Description

다공성 단일 수지 섬유 복합재 및 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 방법
다공성 단일 수지 섬유 복합재 및 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 열가소성 복합소재는 높은 강성을 나타내는 유리 섬유나 카본 섬유 등의 고강도 강화 섬유와 매트릭스를 구성하는 열가소성 수지로 구성되어 있다. 이러한 열가소성 복합소재는 일반 열가소성 수지 제품에 비해 높은 기계적 물성을 나타내기 때문에, 자동차 및 건축용 소재로 널리 사용되고 있다. 종래의 열가소성 복합소재 제조방식은 주로 강화 섬유를 열가소성 수지에 혼합한 후, 압출 내지 몰드 프레스 공정을 통해 성형하는 방식인데, 최근 강도와 생산성 향상을 위해, 건식 니들펀칭 공정이나 습식 초지 공정을 적용하여 우선적으로 강화 섬유가 포함된 매트 형태의 소재를 제조하고, 그 후 수지를 매트에 함침시키는 방식을 통해 복합 소재를 제조하고 있다.
강화 섬유와 열가소성 수지의 복합소재는 강화 섬유가 보강재의 역할을 하기 때문에 우수한 기계적 강도를 나타낸다. 이러한 섬유강화 복합소재는 일반적으로 유리 섬유 및 탄소 섬유 등 열가소성 수지와 달리 높은 강도를 가지는 섬유를 사용한다. 이렇게 제조된 복합소재는 열가소성 수지와 강화 섬유의 성분이 서로 다르기 때문에 재활용을 위해서는 섬유와 수지를 분리시키는 공정이 추가로 필수적으로 요구된다. 또한 유리 섬유는 복합재로 성형 한 후에 표면에 노출되었을 시에 환경적으로나 취급성에서 문제가 될 수 있기 때문에 필름 코팅이나 부직포 등을 합지하는 별도의 표면재 처리가 필요하다. 또한 이종의 소재가 섬유-매트릭스(Fiber-Matrix) 구조를 이루고 있기 때문에, 소재 간의 상응성이 낮아서 기대한 정도 이하의 강도를 나타내게 된다. 따라서, 이러한 상응성을 향상 시키기 위한 가교제 등의 첨가제가 제조 시에 필수적으로 포함되어야 한다. 이러한 추가적인 공정 들로 인해 공정이 복잡해지고, 소재의 가격도 상승하는 문제가 있었다.
본 발명의 일 구현예는 우수한 기계적 강도, 흡음 성능, 단열성 및 경량화를 구현하면서, 성형성이 우수한 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고, 상기 제1 섬유상 입자는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 결착재는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자는 상기 제2 섬유상 입자 보다 연신율이 높고, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계; 상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 강화 섬유는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 이성분 폴리머 섬유는 코어(core)부와 시스(sheath)부를 포함하고, 상기 코어부는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 결착재는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자는 상기 제2 섬유상 입자 보다 연신율이 높고, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법을 제공한다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 우수한 기계적 강도, 흡음 성능, 단열성 및 경량화를 구현하고, 친환경적이면서 재활용이 용이하고, 생산 원가를 감소시키고, 성형성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 개략적인 모식도이다.
도 2는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 의해 강화 섬유와 이성분 폴리머에 열과 압력을 가해 본 발명의 다른 구현예에 따른 다공성 단일 수지 섬유 복합재가 제조되는 것을 도시화한 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 설명된 다공성 단일 수지 섬유 복합재 판재의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 판재의 절단 면에 대한 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 판재의 표면에 대한 광학 현미경 이미지이다.
도 6는 실시예 2에서 제조된 판재의 표면에 대한 광학 현미경 이미지이다.
도 7은 실시예 3에서 제조된 판재의 표면에 대한 광학 현미경 이미지이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서,
제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고,
상기 제1 섬유상 입자는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 결착재는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고,
상기 제1 섬유상 입자는 상기 제2 섬유상 입자 보다 연신율이 높고, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제공한다.
상기 제1 섬유상 입자는 약 300% 내지 약 600%의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 0%의 미연신 폴리에스테르계 섬유이거나, 약 300% 미만의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유일 수 있다.
상기 폴리에스테르계 섬유는 폴리에스테르테레프탈레이트(PET) 섬유일 수 있다.
예를 들어, 상기 폴리에스테르계 섬유는 연신율을 조절하여 섬유 자체의 기계적 강도 및 강성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르계 섬유의 길이 방향으로 연신율을 높이면 폴리에스테르계 섬유의 결정성이 높아져서 기계적 강도 및 강성이 향상된다.
폴리에스테르계 수지의 강도에 영향을 미치는 결정성은 시차주사열량계 (differential scanning calorimeter, DSC, Perkin-Elmer, DSC8000) 기기를 사용하여 측정할 수 있다. DSC 측정시 결정성 관련 분석은 △H (J/g) 값이 높을수록 결정성이 높다고 판단할 수 있다.
전술한 바와 같이, 연신율이 높아지면 결정성이 높아져서, DSC 분석에 의한 ?H 값이 높아진다. 이에 따라, 연신율에 따라 폴리에스테르계 수지의 결정성에 대한 분석이 가능하다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 상기 제1 섬유상 입자로서 약 300% 내지 약 600%의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유를 포함하여 우수한 기계적 강도 및 강성을 구현할 수 있고, 열성형 시의 수축을 최소화할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 상기 제1 섬유상 입자와 함께 다른 연신율을 갖는 상기 제2 섬유상 입자를 포함하여 탄성을 보완하여 외부로부터 충격에 대하여, 충격 에너지를 효과적으로 감쇠시킴으로써 내충격성 또는 충격흡수능을 향상킬 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재 성분에 의해 일부 또는 전체가 코팅된 상태로 존재한다. 즉, 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 각각의 입자 표면에 상기 결착재로 형성되는 코팅부를 형성한다.
상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자 각각의 코팅부가 융착되어 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자가 불규칙하게 결착될 수 있다. 이와 같이 결착된 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자는 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 제1 섬유상 입자 (1), 제2 섬유상 입자 (2) 및 결착재 (3)를 포함하는 다공성 단일 수지 섬유 복합재 (10)의 개략적인 모식도이다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 강도, 흡차음 성능 및 단열성이 모두 우수한 복합소재이다. 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 중 상기 제1 섬유상 입자, 상기 제2 섬유상 입자 및 상기 결착재가 모두 동종의 단일 수지의 폴리머 재료를 사용함으로써, 수지간 상응성(compatibility)이 매우 우수하여, 그에 따라 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 매우 우수한 강도를 구현할 수 있다. 또한, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 폴리머 재료로만 이루어짐에 따라, 우수한 성형성을 갖고, 재활용이 용이하다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 후술되는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 방법에 따라 제조될 수 있고, 이와 같이 제조된 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산되어 제조된다.
이와 같이, 상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 수지 중에 잘 분산되면 제1 섬유상 입자와 제2 섬유상 입자가 결착재를 매개로 하여 서로 간의 결합력이 높아지게 되어 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 보다 우수한 강도가 구현할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 전술한 바와 같이 동종의 수지를 이용하여 수지간 상응성을 높일 뿐만 아니라, 알아낸 분산성과 강도의 사이의 상관 관계에 기인하여 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자 (편의상, '섬유상 입자들'이라고도 함)의 분산을 향상시킴으로써 시너지 효과를 얻음으로써 매우 향상된 강도 특성을 나타내게 된다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 간접적인 방법으로 강도를 비교하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 향상되면 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 강도 향상의 결과로 이어지므로, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재에 포함되는 제1 섬유상 입자, 제2 섬유상 입자 및 결착재의 종류 및 함량 등의 다른 조건을 일정하게 하면서 섬유상 입자들의 분산성만 달라지도록, 예를 들어, 제조 방법 등을 달리하여 제조한 뒤 강도를 비교할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 우수한 기계적 강도를 구현함에 따라 얇은 두께의 판재나 시트로 성형이 가능하여, 경량화가 가능하게 된다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 또한 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 일 방향 배향성을 갖는 시트로 제조될 수 있다. 이와 같이, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 시트에 일 방향 배향성이 부여되도록 하면 그 배향성이 부여된 방향을 따라 시트는 높은 기계적 물성을 가지게 된다. 이러한 시트는 특정 방향으로 큰 힘을 견딜 수 있는 재료로 적용되기에 적합하다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자를 형성하는 폴리머 섬유인 폴리에스테르계 섬유는 강도 또는 융점이 서로 상이하여 이들 간의 함량비, 각각의 강도 또는 융점의 수치 범위를 적절히 조절하여 전술한 바와 같은 강도, 흡차음 성능, 단열성 등의 목적하는 물성 간의 관계를 정교하게 조절하면서, 전체적으로 우수하게 발현되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 결착재에 포함되는 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점이 상대적으로 낮기 때문에, 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 저온 성형성의 특성을 갖는다.
상기 제1 섬유상 입자가 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 강도를 보완해주는 강화 섬유로서 작용하기 위해, 상기 제1 섬유상 입자를 형성하는 제1 폴리에스테르계 수지는 강도가 상대적으로 높아야 한다.
상기 제2 섬유상 입자는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 탄성과 충격 흡수능을 향상시키도록 작용하기 위해, 상기 제2 섬유상 입자를 형성하는 제2 폴리에스테르계 수지는 상기 제1 폴리에스테르계 수지에 비하여 강도와 융점이 상대적으로 낮아야 한다.
상기 결착재는 후술되는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법을 참조하면, 상기 제2 섬유상 입자를 코어로 하는 이성분 섬유의 시스(sheath)부 에 해당한다. 상기 이성분 섬유의 시스부가 저온에서 용융하여 일부가 상기 제1 섬유상 입자의 표면으로 전이되고 결착재로서 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착하기 위해서는 융점이 상대적으로 낮아야 한다
상기 폴리에스테르계 수지의 강도는 연신율과 관련이 있다. 폴리에스테르계 수지의 연신율을 높이게 되면 강도가 높아지고, 반대로, 연신율을 낮추면 강도가 낮아진다.
일 구현예에서, 상기 제1 폴리에스테르계 수지는 융점이 약 200 내지 약 270℃ 일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 제2 폴리에스테르계 수지는 융점이 약 200 내지 약 270℃ 일 수 있다.
또 다른 구현예에서, 상기 제3 폴리에스테르계 수지는 융점이 약 100 내지 약 200℃ 일 수 있다.
폴리에스테르계 수지의 융점은 열중량 분석 (Thermogravimetric analysis, TGA, Pyris1) 기기를 사용하여 측정할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 사용하지 않고, 강화 섬유로서 폴리머 섬유의 섬유상 입자들을 사용함으로써 별도의 표면 처리 공정을 요하지 않게 된다. 유리 섬유 또는 탄소 섬유는 표면에 노출시 인체에 유해하여 복합재 제조시 표면처리 공정에 의해 유리 섬유 또는 탄소 섬유가 노출되지 않도록 해야 하기 때문이다. 반면, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 폴리머 섬유를 사용하여, 표면 노출시 인체에 유해하지 않기 때문에 표면을 처리하지 않아도 된다.
또한, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유 대신 폴리머 섬유의 섬유상 입자들을 사용하고, 상대적으로 낮은 열전도도성을 보이는 열가소성 폴리머 섬유인 폴리에스테르계 수지를 적용하여 내열성이 향상된다.
또한, 이러한 열가소성 폴리머 섬유는 유리 섬유나 탄소 섬유에 비하여 낮은 비중을 가지고 있기 때문에 동일한 중량의 복합소재 성형 시, 보다 많은 개수의 섬유상 입자를 포함시킬 수 있고, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 저밀도의 다공성 재료로서 형성될 수 있다. 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 열린 기공을 통해 들어오는 음파가 섬유의 진동에 의해 감쇠되는 효과가 있어 흡차음 소재로 적용되기에 적합하다. 이러한 흡차음 소재로 적용되는 경우, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 기공도가 높을 수록, 그리고 함유된 섬유의 개수가 높을수록 에너지 감쇠 효과가 우수하다. 전술한 바와 같이, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 유리 섬유나 탄소 섬유에 비하여 상대적으로 저밀도의 섬유상 입자들을 사용하기 때문에, 동일 중량의 복합재를 기준으로 복합재 내에서 섬유상 입자의 개수가 증가하게 되므로, 이로 인해 향상된 흡차음 성능을 가진다. 특히, 열가소성 폴리머 섬유는 유리 섬유나 탄소 섬유와 같은 경질의 강화섬유에 비해 진동에 의한 자유도가 높기 때문에, 섬유의 진동에 의한 소리 에너지 감쇠 효과가 우수하다. 따라서, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 더욱 우수한 흡음 성능을 가질 수 있고, 우수한 흡능 성능을 요구하는 분야에 효과적으로 적용할 수 있다.
상기 열가소성 폴리머 섬유는 유리 섬유 및 탄소 섬유에 비해 열전도도가 25% 이하 수준이므로 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 섬유를 통해 전도되는 열전달을 최소화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 그에 따라, 상기 단일 수지 복합재 는 우수한 단열성능을 나타내게 된다.
일 구현예에서, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 중 제1 섬유상 입자의 함량 대 제2 섬유상 입자와 결착재의 함량의 합의 중량비가 약 25 : 75 내지 약 60 : 40 일 수 있다. 제1 섬유상 입자의 함량이 높아질수록 강도가 우수한 경향성을 가지나, 일정 함량 수준 이상에서는 향상의 정도가 낮아질 수 있다. 상기 함량 범위는 제1 섬유상 입자의 함량 증가에 따른 강도 향상 효과를 효과적으로 확보하면서도, 동시에 제2 섬유상 입자로부터의 효과를 얻어내기에 적합한 함량 범위이다.
제2 섬유상 입자와 결착재는 후술되는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 의할 때, 이성분 폴리머 섬유에 기인한다. 따라서, 후술되는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에서, 제1 섬유상 입자와 이성분 폴리머 섬유의 함량을 상기 범위로 조절하여 상기 함량비를 갖는 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 제2 섬유상 입자 100 중량부 대비하여 결착재의 중량은 약 40 중량부 내지 약 250 중량부 포함할 수 있다. 상기 함량비로 제2 섬유상 입자와 결착재의 함량비를 조절하여 적절하게 결착력과 탄성을 부여하면서 우수한 분산성을 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 후술되는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에서, 이성분 폴리머 섬유의 코어(core)부와 시스(sheath)부의 함량비를 조절하여, 상기 제2 섬유상 입자와 상기 결착재의 함량비를 구현할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 기공도가 약 30 내지 약 80 부피%일 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 망목 구조를 형성하면서 열린 기공을 형성한다. 상기 범위의 기공도를 가지도록 한 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 강도를 유지하면서 경량화를 구현할 수 있고, 더불어 우수한 흡차음 성능을 가질 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 경량화 구현이 가능함은 전술한 바와 같고, 구체적으로, 그 밀도가 약 0.1 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3일 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 적용하고자 하는 용도에 맞는 형태로 제조될 수 있고, 예를 들어, 습식 초지 공정 등을 통해 시트로 제조될 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 시트는 적용하고자 하는 용도에 적합한 중량을 갖도록 제조될 수 있고, 예를 들어, 약 50 g/m2 내지 약 1200 g/m2 의 중량을 갖는 시트로 제조될 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 단면 직경이 약 5 ㎛ 내지 약 40 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제1 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제1 섬유상 입자를 포함하는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 외부 충격에 강하고, 후술되는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 길이가 약 6mm 내지 약 24mm, 구체적으로, 약 12mm 내지 약 24mm일 수 있다. 상기 범위의 길이를 갖는 제1 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있고, 또한, 섬유상 입자들간 결합력을 적절히 부여하여 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 뭉치면서 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
상기 제2 섬유상 입자는 단면 직경이 약 5 ㎛ 내지 약 30 ㎛일 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제2 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제2 섬유상 입자를 포함하는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 강도 특성이 우수하고, 후술되는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자는 길이가 약 3mm 내지 약 6mm 일 수 있다. 상기 범위의 길이를 갖는 제2 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있고, 또한, 섬유상 입자들간 결합력을 적절히 부여하여 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 로프 (rope) 상을 형성하여 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
섬유 길이가 짧을수록 수용액 내에서 분산성 향상되는 데 반해 강도가 저하되는 경향이 있다. 상기 길이 범위를 가지는 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 조합하여 분산성이 우수하면서도, 우수한 강도 특성을 구현할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 강화 섬유의 역할을 수행하여야 하기 때문에 상기 제2 섬유상 입자 보다 길이가 긴 섬유을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 예시와 같이 제2 폴리에스테르계 수지 및 제3 폴리에스테르계 수지를 선택할 때, 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은 조건을 만족하여야 한다.
또한, 후술되는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에서 사용되는 이성분 폴리머 섬유의 코어부 및 시스부의 재료가 상기 조건을 만족하도록 각각 2 폴리에스테르계 수지 및 제3 폴리에스테르계 수지를 선택할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 약 160℃ 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 약 200℃ 내지 약 400℃일 수 있다. 제2 폴리에스테르계 수지가 상기 범위의 융점을 가지도록 함으로써, 저온 성형시 결착재가 용융된 후에도 섬유상을 유지할 수 있다. 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 160℃ 미만인 경우 섬유상을 유지하기 위해 열 성형 온도를 너무 낮추어야 하거나, 이를 포함하는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재가 추후 열적 안정성이 저하되어 치수의 변형 또는 폴리머 변질 등을 초래할 우려가 있다. 또한, 제3 폴리에스테르계 수지와의 온도 차이가 지나치게 줄어들 수 있어서 성형 온도를 제어하기 어려울 수 있다.
구체적으로, 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점이 약 200℃ 미만일 수 있다. 상기 결착재는 제1 섬유상 입자와 제2 섬유상 입자를 묶어주는 역할을 하고, 상기 결착재를 형성하는 상기 제3 폴리에스테르계 수지를 제2 폴리에스테르계 수지보다 낮은 융점을 갖도록 하여 비교적 낮은 융점을 갖도록 하면 낮은 온도에서 용융될 수 있으므로, 저온 성형성을 확보할 수 있다. 따라서, 상기 결착재는 예를 들어, 저융점 폴리에스테르 등을 사용할 있다. 상기 저융점 폴리에스테르는 일반 폴리에스테르에 비해 낮은, 약 100℃에서 약 140℃ 사이에서 용융되므로, 적용하고자 하는 성형 온도에 따라 저융점 폴리에스테르, 구체적으로는 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트를 선택할 수 있다.
폴리에틸렌테레프탈레이트를 개질하여 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트를 얻는 방법 중 하나는 폴리에틸렌테레프탈레이트에 공중합 모노머를 추가하는 방법이다. 폴리에틸렌테레프탈레이트는 프탈레이트 단위를 포함하는데, 프탈레이트 단위 중 벤젠 고리와 에스테르가 1,4-(para) 결합을 가진다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 상기 1,4-(para) 결합을 가지는 프탈레이트 단위의 일부를 1,2-(ortho) 및/또는 1,3-(meta) 결합을 가지는 프탈릭(phthalic) 단위 및/또는 이소프탈릭(isophthalic) 단위로 치환시키면, 결정성이 낮아지면서 융점이 낮아져서 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트를 얻을 수 있다.
상기 결착재는, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 상기 프탈레이트 단위의 0 초과 내지 약 50 몰%, 구체적으로 약 20 내지 약 40 몰%가 프탈릭(phthalic) 단위 및/또는 이소프탈릭(isophthalic) 단위로 치환된 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있다.
폴리에틸렌테레프탈레이트를 개질하여 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트를 얻는 다른 방법으로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 에틸렌 단위를 형성하는 모노머인 에틸렌글리콜의 일부를 고탄소수 사슬의 글리콜로 대체하여 융점을 낮출 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 폴리에르테르 수지는 폴리에스테르 수지 합성시 시클로헥산디메탄올 (cyclohexane dimethanol, CHDM)을 에틸렌글리콜과 함께 공중합하여 얻은 PET-G (Polyethylene terephthalate glycol-modified)를 사용할 수 있다. PET-G에서, 시클로헥산디메탄올에 기인한 단위는 폴리에틸렌테레프탈레이트 내에서 이웃하는 에틸렌 단위와 길이가 불일치하여 계면이 발생하고, 이러한 계면들은 결정화를　방해하게 되어 PET의 융점을 낮추는 역할을 하며, 비정질로 형성된다. 폴리에틸렌테레프탈레이트의 융점을 낮추기 위하여 에틸렌글리콜과 함께 사용할 수 있는 코모노머는 CHDM 이외에도 트리메틸렌글리콜 또는　2-메틸트리메틸렌글리콜 (2-methyltrimethylene glycol) 등의 고탄소수 사슬을 갖는 글리콜을 사용할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 비중이 약 1 보다 높다. 후술되는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 의할 때, 산 수용액에 이성분 폴리머 섬유를 분산하게 되는데, 물의 비중인 1 보다 높은 비중의 소재를 사용하여야 분산성 향상 및 망상 구조 형성이 용이하다. 그렇기 때문에, 상기 이성분 폴리머 섬유의 코어부는 비중이 1보다 높은 폴리에스테르계 수지일 수 있다.
상기 복합재 다공성 단일 수지 섬유는 밀도가 약 0.2 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3 인 판재로 제조될 수 있다.
상기 판재는 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 소정의 수준으로 압축된 상태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 판재는 습식 초지 공정에 의해 낱장의 시트로서 얻어진 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 시트를 여러 장 적층한 뒤 프레스 성형하여 얻어질 수 있다.
상기 프레스 성형은 다단 공정으로 수행되면서, 열처리 공정을 교대로 수행함으로써, 보다 결착재의 분산성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 여러 장 적층된 다공성 단일 수지 섬유 복합재 시트를 프레스 성형한 뒤, 이어서, 승온시킨 후, 다시 상온에서 프레스 성형하여 최종 판재를 얻을 수 있다. 상기 열처리 공정을 프레스 공정 사이에 수행함으로써 판재의 중심부까지 열전달이 용이하여 결착재가 잘 용융되어 분포가 고르게 형성될 수 있다. 이와 같이, 결착재를 고르게 분산시킴으로써, 판재의 물성이 전체적으로 매우 고른 특성을 얻을 수 있게 된다.
상기 프레스 성형은 80 내지 95%의 압축률로 수행할 수 있다. 상기 프레스 성형에 의해 섬유의 압축밀도를 조절하여, 강도 및 흡음 특성을 우수하게 구현할 수 있다.
상기 판재는 기공 구조를 포함하여 형성된다. 통상적으로 원료를 혼합하여 압출하여 몰드 프레스 공정을 통해 제조되는 복합재는 기공 구조를 형성하기 어려운 반면, 상기 판재는 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 이용하여 제조됨에 따라 기공 구조를 형성한다.
구체적으로, 상기 판재는 기공률이 약 40 내지 약 80 부피일 수 있다. 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 판재가 상기 범위의 기공률을 갖도록 형성되어서, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재의 강도, 내충격성 및 흡음성의 특성을 모두 우수하게 할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재가 압축된 상태이므로, 그 구조는 도 1의 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 구조를 그대로 유지하면서, 단지 압축된 형태로 이해하면 된다.
구체적으로, 상기 판재의 밀도가 약 0.2 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3 가 되도록 프레스 성형을 수행하여 판재를 제조할 수 있다. 판재의 밀도를 상기 범위가 되도록 압착 제조되어 우수한 강도를 구현할 수 있다.
상기와 같이 압축되어 제조된 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 섬유 입자들의 분산도가 우수하여 판재 전체에 걸쳐서 고르게 우수한 기계적 물성 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 판재는 여러 지점에서 충격 강도 특성을 평가하여도 고르게 우수한 충격 강도 결과를 나타낸다. 구체적으로, 상기 판재에 대하여 ASTM D3763 기준에 따른 낙구 충격 테스트를 수행하여 얻은 충격 강도에 있어서, 하나의 판재 내에서 얻어진 충격 강도의 최대값과 최소값의 차이가 약 0.2 J/mm 이하일 수 있다. 이는 다시 말하면, 상기 판재는 상기 판재 내 임의의 2 지점에서 측정한 ASTM D3763에 의한 충격 강도의 차이가 약 0.2 J/mm 이하일 수 있다는 의미이다.
상기 판재는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮아서 경량화를 구현할 수 있는 재료이기 때문에, 이러한 특성을 요구하는 자동차 및 건축용 재료의 용도에 유용하게 적용될 수 있다. 아울러, 상기 판재는 이러한 자동차 및 건축용 재료로 요구되는 우수한 흡차음 성능 조건을 만족시킬 수 있다.
또한, 상기 판재는 단일 폴리머를 주성분으로 구성한 소재이기 때문에 별도의 이종 분리 공정 없이 재활용이 용이하며, 유리 섬유가 적용되지 않아서 작업시 취급성이 우수하다.
또한, 상기 판재는 전술한 바와 같이 압축된 상태로 제조되고, 이후, 승온시켜도 팽창되지 않는 특징을 갖는다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 판재는 후술되는 상기 제조 방법에 따라 제조될 수 있고, 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산된 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재로부터 제조되므로, 섬유상 입자들의 분산성이 우수하고, 또한, 제1 섬유상 입자, 제2 섬유상 입자 및 결착재 모두 단일 수지를 사용함으로써, 각 성분간의 상응성이 높아져 결합력이 높아진다. 이와 같이, 상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산되고, 각 성분 결합력이 높아지게 되어 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재의 강도가 향상된다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 이와 같이 알아낸 분산성 또는 상응성과 강도의 사이의 상관 관계에 근거하여, 섬유상 입자들의 분산 및 상응성을 향상시킴으로써 우수한 강도 특성을 발휘한다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 방법의 일례를 들면, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재의 단면을 색차계로 평가하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 좋을수록 뭉치는 부분이 적기 때문에 좀 더 골고루 흰색을 띄게 되고, 반대로 상기 섬유상 입자들의 분산성이 떨어지는 경우 상기 섬유상 입자들끼리 뭉쳐서 겹쳐있는 부분이 많아지면서 이러한 부분이 더 어두운 색을 나타내게 된다. 이러한 차이를 색차계를 이용하여 이를 평가할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 간접적인 방법으로 강도를 비교하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 향상되면 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재의 강도 향상의 결과로 이어지므로, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재에 포함되는 제1 섬유상 입자, 제2 섬유상 입자 및 결착재의 종류 및 함량 등의 다른 조건을 일정하게 하면서 섬유상 입자들의 분산성만 달라지도록, 예를 들어, 제조 방법 등을 달리하여 제조한 뒤 강도를 비교할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 또한 전술한 바와 같이 섬유상 입자들에 일 방향 배향성을 부여하여 제조된 다공성 단일 수지 섬유 복합재로부터 제조될 수 있다. 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재 판재는 먼저 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성한 복합재 시트로 제조된 뒤, 여러 장의 복합재 시트를 적층하여 프레스 성형하여 제조될 수 있고, 이 때 상기 복합재 시트에 섬유상 입자들이 일 방향 배향성이 부여되도록 하면 그 배향성이 부여된 방향을 따라 복합재 시트는 높은 기계적 물성을 가지게 된다. 이러한 복합재 시트를 한 방향으로 적층한 뒤 프레스 성형하여 얻어진 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 특정 방향으로 큰 힘을 견딜 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 적용하고자 하는 용도에 적합한 중량을 갖도록 제조될 수 있고, 예를 들어, 약 600 g/m2 내지 약 3000 g/m2, 예를 들어, 약 900 g/m2 내지 약 1400 g/m2 (수정)의 평량을 가질 수 있다.
상기 복합재 다공성 단일 수지 섬유 복합재 판재는 두께가 약 2mm 내지 약 8mm 일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서,
강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계;
상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 단계;
를 포함하는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법을 제공한다.
상기 강화 섬유는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 이성분 폴리머 섬유는 코어(core)부와 시스(sheath)부를 포함하고, 상기 코어부는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 제1 폴리에스테르계 수지의 강도 또는 융점이 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 강도 또는 융점과 상이하고, 상기 제1 폴리에스테르계 수지의 강도 또는 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 강도 또는 융점과 상이하고, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 강도 또는 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 강도 또는 융점과 상이하고, 단, 상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 의해 전술한 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조할 수 있다.
도 2는 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에 의해 강화 섬유 (4)와 이성분 폴리머 섬유 (5)에 열과 압력을 가해 다공성 단일 수지 섬유 복합재 (20)가 제조되는 것을 도시화한 것이다.
상기 강화 섬유 (4)는 전술하여 설명한 상기 제1 폴리에스테르계 수지로 형성된 상기 제1 섬유상 입자일 수 있다. 따라서, 상기 강화 섬유 (4)에 대한 상세한 설명은 상기 제1 섬유상 입자에 대하여 설명된 바와 같다.
상기 이성분 폴리머 섬유 (5)는 코어(core)부 (5a)와 시스(sheath)부 (5b)를 포함하고, 상기 코어부 (5a)는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제3 폴리에스테르계 수지 (5b)를 포함한다.
상기 제1 폴리에스테르계 수지, 제2 폴리에스테르계 수지 및 제3 폴리에스테르계 수지에 대한 상세한 설명은 전술하여 설명한 바와 같다.
상기 열처리 및 건조 단계에서 상기 시스부의 제3 폴리에스테르계 수지가 용융되어 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 섬유를 열융착으로 결착시킴으로써 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조가 형성된다.
상기 시스부의 제3 폴리에스테르계 수지는 상기 코어부를 코팅한 상태로 존재하다가 상기 열처리 및 건조 단계에서 용융되면서 상기 강화 섬유에 전이되어 강화 섬유를 일부 또는 전부 코팅하게 되고, 용융 상태가 고화되면서 상기 이성분 섬유의 코어부 및 상기 강화 섬유를 결착하는 결착재로 작용하게 된다.
이와 같이, 상기 시스부가 결착재로 작용하기 때문에 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법은 별도의 결착재를 추가적으로 사용하지 않을 수 있다.
상기 이성분 폴리머 섬유의 시스부를 형성하는 열가소성 수지가 비교적 저융점을 갖도록 함으로써 저온 성형이 가능하다는 장점이 있다.
다공성 섬유 강화 복합재의 기공도, 강화 섬유에 전이되는 코팅의 정도 등은 상기 이성분 폴리머 섬유 중 코어부와 시스부의 함량을 변화시켜 조절할 수 있다.
예를 들어, 이성분 폴리머 섬유는 상기 코어부 100 중량부 대비하여 상기 시스부의 중량은 약 40 중량부 내지 약 250 중량부일 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법은 화학적으로 소수성을 띠는 열가소성 수지인 폴리에스테르계 수지로 제조된 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산하여 제조함에도 불구하고, 이성분 폴리머 섬유를 코어부와 시스부로 구성하고, 코어부의 비중을 높임으로써, 분산성을 우수하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 이성분 폴리머 섬유의 코어부의 비중을 1 보다 크게 하면, 수용액 중 교반 과정에서 분산도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유는 상기 시스부가 표면처리된 것을 사용하여, 산 수용액 내에서의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있고, 그 결과, 분산성이 더욱 우수한 복합재 다공성 단일 수지 섬유 복합재 판재를 제조할 수 있다.
상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 시스부의 표면처리는 표면에 플루오로기, 히드록시기, 카르복실기, 알킬기 등의 작용기를 도입하거나, 코팅제로 코팅할 수 있다. 예를 들어, 강화 섬유 및 이성분 섬유 폴리머 섬유 제조시, 딥핑 공정 등에 의해 상기 강화 섬유이 표면, 또는 상기 이성분 섬유 폴리머 섬유의 시스부의 표면과 작용하여 상기 작용기를 도입할 수 있는 표면처리제와 섬유를 반응시켜 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유 제조시 사용할 수 있는 표면처리제 또는 코팅제에 의해 상기 강화 섬유 또는 이성분 폴리머 섬유를 실란 처리함으로써 섬유간 결합력 향상시키거나, 탄화 (Carbonization)시켜 내열성 향상시키거나, 가수분해 (Hydrolysis)시켜 친수성을 향상시키거나, 산화 (Oxidation)시켜 수계분산성을 향상시킬 수 있다.
표면처리제는, 예를 들면, 불소계 왁스 (예를 들어, PFAO 등), 탄화수소계 왁스, 실리콘계 폴리머 등을 들 수 있다.
코팅제는 그 성분에 따라, 친수성/소수성, 발수성, 난연성, 불연성, 내열성, 내산성, 내알칼리성, 내구성, 내오염성 등의 특성 부여가 가능하다. 구체적으로, 코팅제로서 불소계 왁스 (예를 들어, PFAO 등), 탄화수소계 왁스 등의 발수제와 실리콘계 폴리머 친화제 (Compatibilizer) 등을 사용할 수 있다.
제조하고자 하는 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 목적하는 물성에 따라, 강화 섬유와 이성분 폴리머 성분의 함량비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 성분의 중량비가 약 25 : 75 내지 약 60 : 40 일 수 있다.
구체적으로, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에서, 상기 산 수용액 1L당 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 총합의 함량 약 0.1 g 내지 약 10 g의 함량으로 혼합할 수 있다. 상기 범위의 함량으로 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 섬유 총량을 조절함으로써, 우수한 분산성을 유지하여 균일한 두께의 시트로서 제조될 수 있고, 우수한 분산성에 기인한 물성을 확보할 수 있다.
상기 산 수용액의 pH가 약 1 내지 약 4일 수 있다. 상기 산 수용액의 pH를 상기 범위로 조절하여, 유리 섬유 구성물인 실리카 (SiO2) 나 알루미나 (Al2O3), 보론 (B2O5)이 강산에 화학적으로 분해되지 않게 하면서 유리 섬유 표면의 전하가 발생하여 분산성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에서, 시트 형상으로 제조된 상기 복합재 시트를 적어도 2장 적층한 뒤, 프레스 성형하여 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 판재로서 제조할 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법은 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 수행함으로써 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법에서, 상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시키는 단계는 약 100 내지 약 180℃에서 수행할 수 있다. 상기 온도 범위는 이성분 섬유의 시스부가 연화 (Softening)이나 용융되기 시작하는 온도를 기준으로 정해진다. 상기 온도가 100℃ 보다 낮을 경우 수분 건조가 어렵고, 이성분 폴리머 섬유 (시스부)의 연화도 충분히 발생하지 않아서 복합재 시트의 형상으로 건조 후 수분이 남아있게 되거나, 복합재 시트가 고정된 성상을 가지기 어렵다. 반대로 상기 온도가 180℃ 보다 높을 경우 이성분 폴리머 섬유의 시스부가 완전히 용융되어서 균일하게 이성분 섬유에서 강화섬유로 전이되기 어렵다. 또한 용융 온도 이상에서 이성분 폴리머 섬유의 시스부 폴리머의 변질이 일어날 우려도 있다.
이성분 폴리머 섬유의 코어부 단면 직경을 적절히 하고, 적절한 열처리 온도에서 열처리 및 건조함으로써 이성분 폴리머 섬유의 코어가 용융되지 않고 섬유상의 입자로서 제조된 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재 내에 포함되도록 제조될 수 있다.
상기 습식 초지 공정을 수행하는 중 슬러리의 수용액 내에서 섬유가 고르게 혼합된 후 콘베이어 벨트를 따라 이동하는 메쉬를 따라가면서 습식 웹 (Hydro-entangled web)을 형성하게 되는데, 섬유들이 따라 올라가는 과정에서 경사를 부여함으로써 상기 제조된 복합재 시트가 배향성을 가지게 할 수 있다. 이와 같이 배향성이 부여된 복합재 시트를 적층하여 얻어진 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 섬유 성분에 일 방향에 대한 배향성을 부여함으로써 그 일 방향에 대항 강도를 더욱 강화할 수 있다.
이와 같이, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 적용하고자 하는 용도에 맞게 선택적으로 배향성이 부여되도록 제조할 수 있다.
예를 들어, 헤드 박스에서 컨베이어 벨트로 섬유가 이송되며 복합재 시트를 형성하게 될 때, 상기 복합재 시트가 형성되는 부분에 경사도를 부여함으로써 (inclined web formation), 평면적인 컨베이어 벨트에 비해 섬유가 MD(Machine direction) 방향으로 잘 누울 수 있도록 공정을 설계할 수 있다. 방향성은 MD(Machine direction) 방향과 CD(Cross direction) 방향으로 구분하여 부여될 수 있고, CD 방향에 비해 MD 방향으로 방향성을 부여하는 것이 더 용이하다.
상기 슬러리 용액은 가교제, 또는 추가적인 바인더와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 가교제는 강화섬유와 이성분 폴리머 섬유간 화학적 결합력 강화시키는 작용을 하고, 예를 들어, 실란계 화합물, 말레산계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 가교제의 함량은 전체 섬유 (강화섬유와 이성분 폴리머 섬유의 합) 100 중량부 대비 약 0 내지 약 5 중량부일 수 있다.
상기 추가적인 바인더는 전분, 카제인, 폴리비닐알콜(PVA), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등의 수용성 폴리머; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 등의 에멀젼류; 시멘트류, 황산칼슘계 Clay, 규산나트륨, 규산알루미나, 규산칼슘의 무기계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 추가적인 바인더의 함량은 전체 섬유 (강화섬유와 이성분 폴리머 섬유의 합) 100 중량부 대비 약 0 내지 약 5 중량부일 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 적어도 2장 이상의 여러 장의 복합재 시트를 압착시켜 형성되고, 구체적으로, 최종제품의 목적하는 단위면적당 중량에 맞게 몇 장을 적층할 지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합재 시트를 목적하는 제품의 최종 단위면적당 중량이 1200g/m2 라면, 대략 2장 내지 12장 적층한 뒤, 열과 압력을 가하여 열프레스 성형하여 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조할 수 있다.
상기 열프레스 성형은 상기 이성분 섬유의 시스부가 용융될 수 있는 온도이면서 코어부는 용융되지 않는 온도에서 수행할 수 있다. 이러한 온도 범위에서 수행하게 되면 시스부가 용융되면서 상기 복합재 시트간 계면이 융착될 수 있다.
구체적으로, 상기 열프레스 성형은 약 100 내지 약 180℃의 온도에서 약 1 내지 약 30bar 의 압력을 가하여 상기 복합재 시트를 라미네이팅 성형하여 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조할 수 있다.
상기 열프레스 성형은 더블벨트프레스 성형에 의해 연속적으로 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재가 제조될 수 있도록 수행할 수 있다.
또 다른 구현예에 따라 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 하기와 같이 제조할 수 있다. 먼저, 강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 배합한 뒤, 배합된 섬유들은 첨가제가 포함된 수용액 내에서 교반 과정을 거친 후, 웹 형성이 가능한 헤드 박스 (head box)로 이송된다. 헤드 박스 내의 슬러리는 진공 흡기 시스템을 통과하면서 습식 웹을 형성하게 되고, 이는 건조기를 통과하면서 시트 형태의 복합재 시트로 제조된다. 상기 복합재 시트의 중량은 추후 열 성형의 용이하기 위해 평방미터 당 약 50g 내지 약 600g이 되도록 한다. 건조 온도는 이성분 폴리머 섬유의 시스부가 바인더 역할을 할 수 있도록 시스부 소재에 따라 약 100℃ 내지 약 180℃로 설정한다. 제조된 복합재 시트는 용도에 따라 잘라 낸 후 적층하고 이를 열압착 프레스를 통해 판상의 약 2 mm 내지 약 8 mm 두께의 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조한다.
예를 들어, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 약 200 ℃에서 가열한 뒤, 다시 상온의 프레스로 이송한 다음 프레스 성형을 하여 2~4 mm 두께의 판재로 제조될 수 있다.
도 3은 상기 일 구현예에 따라 설명된 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예 1
이성분 폴리머 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트 코어부와 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트 시스부가 50:50의 중량비를 가지면서, 수계 분산성 확보를 위해 길이 5mm, 두께 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 섬유를 준비하였다. 상기 시스부의 폴리에틸렌테레프탈레이트는 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 프탈레이트 단위의 30 몰%가 이소프탈릭 단위로 치환 된, 융점 110℃의 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트이다.
강화 섬유는 건조 및 예열 시 수축현상 방지를 위해 300% 연신사를 사용한 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 사용하였고, 직경 13㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 13mm 길이로 잘라서 준비하였다.
상기 강화 섬유 40 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 60 중량부로 배합하고, 이를 염산으로 PH가 2로 조절된 수용액 내에서 1 시간 동안 교반하였다. 이 때, 강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유의 섬유 총 함량은 물 1L당 2g이 되도록 하였다. 이렇게 교반 과정을 거친 수용액 슬러리를 헤드 박스 내에서 진공흡입장치를 통해 웹을 형성하도록 습식 초지 공정을 수행하였다. 웹 형성 후 140℃의 오븐 드라이어를 통과시켜 수분을 완전하게 건조시켰다. 다공성 단일 수지 섬유 복합재로서 제조된 건조된 복합재 시트는 300 g/m2으로 대략 5mm 두께를 나타내었다. 시트를 평량 1200 g/m2이 되도록 4장 적층한 후, 170℃에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 5.0mm 두께의 판재로 성형하였다. 상기 판재를 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 열처리하고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가했다. 이때 가해지는 압력은 몰드 내에서 판재가 나오지 않을 정도의 압력인 100 ton/m2을 적용하여 최종적으로 2.0mm 두께의 판재를 성형하였다. 이때, 압축률은 90% (4장 적층된 복합재 시트 총 20.0 mm에서 2.0mm로 압축)이고 기공률은 56% 이다.
실시예 2
판재의 평량이 1000 g/m2이 되도록 적층 시트의 개수를 변경한 점을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 2.0mm 두께의 판재를 성형하였다. 이때, 압축률은 약 87%이었다.
실시예 3
판재의 평량이 1600 g/m2이 되도록 적층 시트의 개수를 변경한 점을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 2.0mm 두께의 판재를 성형하였다. 이때, 압축률은 약 92%이었다.
실시예 4
실시예 1에서 최종 판재의 두께가 1.0mm가 되도록 압축률은 95% (4장 적층된 복합재 시트 총 20.0 mm에서 1.0mm로 압축)로 하여 판재를 제조하였다. 판재의 기공률은 13% 이다.
실시예 5
실시예 1에서 최종 판재의 두께가 3.0mm가 되도록 압축률은 71% (4장 적층된 복합재 시트 총 20.0 mm에서 3.0mm로 압축)로 하여 판재를 제조하였다. 판재의 기공률은 71% 이다.
실시예 6
실시예 1에서 최종 판재의 두께가 5.0mm가 되도록 압축률은 75% (4장 적층된 복합재 시트 총 20.0 mm에서 5.0mm로 압축)로 하여 판재를 제조하였다. 판재의 기공률은 82% 이다.
비교예 1
실시예 1에서, 강화 섬유로 사용한 폴리에스테르 섬유 대신 유리 섬유를 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 판재를 제조하였다.
비교예 2
실시예 1에서, 강화 섬유로 사용한 폴리에스테르 섬유 중 절반을 유리 섬유로 대체하여, 유리 섬유 20 중량부, 강화 섬유 20 중량부 및 이성분 폴리머 섬유 60 중량부로 배합한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 판재를 제조하였다.
평가
실험예 1
도 4는 실시예 1에서 제조된 판재의 절단 면에 대한 SEM 사진이다. 강화 섬유인 PET 섬유와 이성분 섬유인 PET 섬유가 SEM 사진 내에 표시된 바와 같이 잘 나타나있다. 즉, 판재 내에 강화 섬유 및 이성분 섬유에 기인한 각각의 제1 섬유상 입자와 제2 섬유상 입자가 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 2
실시예 1-6 및 비교예 1-2에서 제조된 판재에 대하여, 기계적 물성을 비교하였다. 우선 기계적 물성은 시편을 각각 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 측정하였다. 인장 강도와 연신율은 2 mm 두께의 샘플을 ASTM D638 기준으로 측정하였으며, 낙구 충격 테스트는 상온에서 ASTM D3763을 기준으로 측정하였다. 마찬가지로 Notched IZOD 테스트는 ASTM D256을 기준으로 실시하였고, 결과는 아래 표 1에 기재하였다.
구분 인장강도 (MPa) 연신율(%) 충격에너지(낙구)Total NTT (J/mm) 충격에너지(IZOD)(J/m)
실시예 1 70 20 3.14 300
실시예 2 50 23 2.65 230
실시예 3 90 15 3.92 340
비교예 1 60 2 2.43 280
비교예 2 55 5 2.40 280
실시예 1의 경우, 비교예 1과 비교하였을 때, 강화섬유로 사용된 폴리에스테르 섬유는 유리섬유 대비 낮은 강도를 나타내지만, 상응성가 향상되어 전체 복합소재의 인장강도는 15% 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 PET 섬유 자체의 연신율은 약 40%로 유리 섬유자체의 연신율 5%의 약 8배의 값을 가지기 때문에 전체 복합재의 연신율은 약 10배 증가하였다. 이로 인해, 실시예 1의 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 외부의 높은 강도와, 높은 변형조건에서도 낮은 모듈러스값을 가짐으로써 파단되지 않는 성질을 가지게 된다.
또한, 실시예 1의 경우 비교예 1에 비해 높은 낙구충격강도 값과 IZOD 충격강도값을 나타내는데, 이는 유리 섬유에 비해 상대적으로 모듈러스가 낮은 복합재 내의 폴리에스테르 섬유(강화 섬유)가 외부 충격에 의한 에너지를 분산시키기 때문이다. 또한 폴리에스테르 섬유의 밀도는 약 1.38 g/cm3으로 유리 섬유의 밀도인 2.7 g/cm3으로 약 50% 낮은 밀도를 나타내기 때문에, 실시예 1 및 비교예 1을 동일한 겉보기 비중과 중량을 가지도록 제조하더라도, 실시예 1의 섬유의 개수가 높다. 이에 외부충격에 의한 에너지를 분산시킬 확률을 증가시키므로 충격강도가 향상됨을 알 수 있다.
비교예 2와 같이 강화 섬유를 폴리머 섬유와 유리 섬유를 혼합하여 사용한 경우, 연신율은 비교예 1에 비해 약간 증가하지만 여전히 실시예 1 보다 열등하고, 인장 강도 및 충격 강도는 동등 이하 수준을 나타내었다. 이는 복합재를 시트 또는 판재로 제조 시에, 섬유 종류가 증가하면 섬유간의 반발력이 증가함으로써 분산성이 저하되고, 열 성형 후 섬유간 상응성 (compatibility)이 저하되기 때문이다. 그에 따라서, 비교예 1과 비교예 2는 유리 섬유의 강화 섬유 첨가로 기계적 물성이 향상되는 효과가 저하되고, 단일 수지의 섬유로 복합재를 구성한 실시예 1이 가장 높은 기계적 물성을 나타낸다.
실시예 2-3은 실시예 1과 동일 두께 대비 평량을 각각 1000 g/m2과 1600 g/m2 가 되도록 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 평량이 증가할수록 복합소재의 밀도가 증가하므로 인장강도는 증가하지만 연신율은 감소하는 경향을 알 수 있었다.
실험예 3
실시예 1-3의 판재에 대하여, 흡음성능 물성을 비교하였다.
흡음성능은 각 판재에 대하여 KS2816-2 기준으로 측정하였다. 결과를 표 2에 기재하였다.
구분 평량(g/m2) 통기도(l/min@300Pa) 평균 흡음 계수
저주파(200~2000Hz) 고주파(500~6300Hz)
실시예 1 1200 7 0.18 0.18
실시예 2 1000 16 0.15 0.16
실시예 3 1600 3 0.20 0.12
표 2에서, 실시예 1-3은 모두 동일 두께의 판재로 제조되고, 평량을 변화시켜 제조되었으므로, 평량의 증가에 따라 밀도가 높아진다. 평량의 증가에 따라 판재의 밀도가 증가할수록 표면적이 증가하고, 표면적의 증가에 따라 판재의 진동에 의한 흡음 효과가 증가하면서 저주파 영역에서 공명 주파수 (Resonance frequency) 특성을 보여 낮은 통기도 특성에도 불구하고 저주파에서 높은 흡음 계수를 나타냄을 알 수 있다.
한편, 고주파 영역에서는 섬유의 진동에 의해서 흡음 효과가 나타나는데, 실시예 1에서는 섬유의 진동에 의한 흡음 효과가 우수하여 고주파 흡음 성능이 가장 우수하다. 실시예 3의 경우 섬유가 고밀도로 압축 포함되어서 기공율이 낮아지면서 PET 섬유에 의한 흡음효과가 저하되어 낮은 흡음계수를 나타낸다. 반면, 실시예 2는 섬유의 압축 정도가 실시예 1 보다 낮아져서 섬유의 진동에 의한 흡음 성능 측면에서 유리하지만, 섬유의 함량이 낮아져서 오히려 고주파 흡음 성능이 실시예 1 보다 더 열등하다. 따라서, 고주파 흡음 성능은 적절한 섬유의 함량과 기공율을 조절해야 함을 알 수 있다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 판재의 표면에 대한 광학 현미경 이미지이고, 도 6는 실시예 2에서 제조된 판재의 표면에 대한 광학 현미경 이미지이고, 도 7은 실시예 3에서 제조된 판재의 표면에 대한 광학 현미경 이미지이다. 평량이 가장 낮은 실시예 2의 도 6, 실시예 1의 도 5 및 평량이 가장 높은 실시예 3의 도 7의 순서대로, 이성분 섬유의 시스부가 용융되어 판재 내의 결착재 형성시 잘 응집되어 필름화되어서 표면이 매끄럽게 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면, 판재가 보다 필름과 같은 구조로 형성되게 되면 기공이 닫힌 구조를 형성하게 됨에 따라 흡음 성능은 오히려 떨어진다. 열린 기공을 가장 많이 형성한 실시예 2는, 그럼에도 불구하고, 섬유의 함량이 낮아져서 흡음 성능이 오히려 실시예 1 보다 떨어진다.
실험예 4
실시예 1, 3-6의 판재에 대하여, 굴곡 강도 (소재의 파괴에 필요한 압력)와 굴곡 강성 (일정 정도의 소재 변형을 위해 필요한 힘)을 평가하였다. ASTM D790에 따라 삼점 굴곡 강도와 굴곡 강성을 측정하였고, 하기 표 3에 기재하였다.
구분 굴곡강도 (MPa) 굴곡 강성 (N/mm)
실시예 1 35 0.35
실시예 3 50 0.43
실시예 4 40 0.17
실시예 5 28 0.70
실시예 6 12 1.20
압축률이 증가할수록 소재 내부이 기공이 차지하는 비율이 감소하여 굴곡 강도 향상되지만, 소재의 두께가 감소하기 때문에 일정한 힘이 가해졌을 때 판재의 휘어지는 성질이 증가하기 때문에 굴곡 강도와 굴곡 강성은 서로 트레이드-오프의 성질을 갖는다. 따라서, 용도에 따라, 적당한 범위의 두께로 성형할 필요가 있다.
실시예 3에서, 판재 밀도가 증가하면 강화 섬유 자체의 함량이 증가되어, 굴곡 강도와 굴곡 강성이 모두 증가되었다.
하지만 동일 밀도로 제작된 복합재 시트를 압축률만 다르게 하여 비교한 경우 굴곡 강도와 굴곡 강성은 다른 경향성을 나타내었다. 실시예 4는 실시예 1에 비해 압축률이 증가하여 굴곡 강도는 향상되었으나, 굴곡 강성은 크게 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 반면 실시예 5는 실시예 1에 비해 압축률이 감소하여 굴곡 강도는 저하되었으나, 굴곡 강성은 2배 정도 향상되었음을 확인할 수 있었다. 실시예 6의 경우처럼 압축률을 크게 감소 시켰을 경우 굴곡 강성이 증가하였으나 굴곡 강도가 크게 저하되었음을 확인할 수 있었다. 굴곡 강도와 굴곡 강성이 서로 반비례하는 관계를 확인할 수 있다.
다공성 단일 수지 섬유 복합재를 자동차나 건축용 소재로 적용할 경우 외부에서 가해지는 힘에 재료의 파괴가 일어나지 않아야 하며, 재료의 변형도 일정 부분 일어나지 않아야 한다. 특정 용도에 적합하도록 판재로 제조하는 경우 적절한 압축률 (또는 기공률)을 갖도록 성형함으로써 최적의 기계적 물성 밸런스를 나타내게 할 수 있음을 알 수 있다.
예를 들어, 자동차나 건축용 소재로 적용시, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 압축률 80~95%, 기공율 (부피비 기준) 40~80%이 적절한 굴곡 강도와 굴곡 강성의 특성을 가지는 범위일 수 있다.
실험예 5
실시예 1 및 비교예 1-2의 판재에 대하여 각각 200 mm(가로) × 200 mm(세로) × 2 mm(두께)의 크기의 샘플을 제작한 뒤, 열전도도를 측정하였다.
(측정 기준 ASTM 또는 기기를 알려주십시오. 기기의 제조사 모델명 알려주셔야합니다.)
측정 결과는 하기 표 4에 기재하였다.
구분 열전도도 (W/mK)
실시예1 0.03
비교예1 0.035
비교예2 0.035
표 4에서 실시예 1과 같이, 폴리머 섬유로만 구성된 복합재의 경우 유리 섬유를 강화섬유로 적용한 복합재인 비교예 1에 비해 낮은 열전도도를 나타내므로, 단열 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는 폴리머 섬유를 통한 열전도 효과가 유리 섬유를 통한 열전도 효과에 비해 낮기 때문이다.
비교예 2와 같이 유리 섬유와 폴리머 섬유를 둘다 적용한 경우, 실시예 1과 비교해 보면, 폴리머 섬유를 일부 적용했음에도 열전도도가 감소하지 않았다. 이는 비교예 2에서 오히려 섬유의 분산성이 저하되어 기공도가 감소하게 되고, 이로 인해 섬유를 통한 직접적인 열전도 효과가 증가하였기 때문이다. 따라서, 실시예 1의 판재는 우수한 단열 효과를 기대할 수 있고, 이는 자동차나 건축용으로 적용하기에 적합하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
<부호의 설명>
1: 제1 섬유상 입자
2: 제2 섬유상 입자
3: 결착재
4: 강화 섬유
5: 이성분 폴리머 섬유
5a: 코어부
5b: 시스부
10, 20: 다공성 단일 수지 섬유 복합재

Claims (24)

  1. 제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고,
    상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고,
    상기 제1 섬유상 입자는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고,
    상기 제2 섬유상 입자는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하는 폴리에스테르계 섬유이고,
    상기 결착재는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고,
    상기 제1 섬유상 입자는 상기 제2 섬유상 입자 보다 연신율이 높고,
    상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 300% 내지 600%의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 0%의 미연신 폴리에스테르계 섬유이거나, 300% 미만의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 각각의 입자 표면에 상기 결착재에 의해 일부 또는 전체가 코팅되어 코팅부를 형성하고, 상기 각각의 표면에 형성된 코팅부가 서로 융착되어 결착된
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자의 함량 대 상기 제2 섬유상 입자와 상기 결착재의 함량의 합의 중량비가 25 : 75 내지 60 : 40인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자 100 중량부 대비하여 상기 결착재의 중량은 40 중량부 내지 250 중량부인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 폴리에스테르계 수지의 비중이 1보다 큰
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 160℃ 이상인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점이 200℃ 미만인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 폴리에스테르계 수지는 프탈레이트 단위의 0 초과 내지 50 몰%가 프탈릭(phthalic) 단위, 이소프탈릭(isophthalic) 단위 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나로 치환된 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자의 길이가 6mm 내지 24mm인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자의 길이가 3mm 내지 6mm인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재는 밀도가 0.2 g/cm3 내지 1.6 g/cm3 인 판재인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 판재는 기공률이 40 내지 80 부피%인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 판재는 600 g/m2 내지 3000 g/m2 의 평량을 갖는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 판재는 두께가 2mm 내지 8mm 인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재.
  16. 강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계;
    상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 강화 섬유는 제1 폴리에스테르계 수지를 포함하고,
    상기 이성분 폴리머 섬유는 코어(core)부와 시스(sheath)부를 포함하고,
    상기 코어부는 제2 폴리에스테르계 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제3 폴리에스테르계 수지를 포함하고,
    상기 강화 섬유는 상기 이성분 폴리머 섬유의 상기 코어부 보다 연신율이 높고,
    상기 제2 폴리에스테르계 수지의 융점이 상기 제3 폴리에스테르계 수지의 융점보다 높은
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열처리 및 건조 단계에서 상기 시스부의 제3 폴리에스테르 수지가 용융되어 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 섬유를 열융착으로 결착시킴으로써 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조가 형성되는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    시트 형상으로 제조된 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 적어도 2장 적층한 뒤, 프레스 성형하여 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재를 판재로서 제조하는 단계;를 더 포함하는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 프레스 성형은 80 내지 95%의 압축률로 수행하는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 판재는 밀도가 0.2 g/cm3 내지 1.6 g/cm3 이고, 기공률이 40 내지 80 부피%인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 산 수용액 1L당 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 총 함량이 0.1 g 내지 10 g이 되게 혼합하는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 산 수용액의 pH가 1 내지 4인
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 포함하는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시키는 단계는 100 내지 180℃에서 수행하는
    다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법.
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