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KR100814860B1 - 열가소성 복합 판재 및 그 제조 방법 - Google Patents

열가소성 복합 판재 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100814860B1
KR100814860B1 KR1020050036252A KR20050036252A KR100814860B1 KR 100814860 B1 KR100814860 B1 KR 100814860B1 KR 1020050036252 A KR1020050036252 A KR 1020050036252A KR 20050036252 A KR20050036252 A KR 20050036252A KR 100814860 B1 KR100814860 B1 KR 100814860B1
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continuous fiber
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정호갑
윤상준
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(주)삼박
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Abstract

본 발명은 굽힘 강도, 굽힘 탄성율, 충격강도 및 선열팽창 계수 등의 기계적 물성과 2차 가공성이 등이 우수하고 재활용이 가능한 산업용 열가소성 강화 복합수지 패널로서, 건축 자재용 패널 또는 자동차 부품 등 각종 구조물로 성형하기에 적합한 열가소성 복합 판재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 열가소성 복합 판재는, 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 복합 재료 중심층; 및 상기 열가소성 복합 재료 중심층의 상부 및 하부면 중 하나 이상의 면에 적층되고, 5 내지 65wt%의 강화 섬유 및 95 내지 35wt%의 열가소성 수지를 포함하는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
열가소성 수지, 판재, 프리프레그, 강화 섬유, 함침

Description

열가소성 복합 판재 및 그 제조 방법{Thermoplastic compound plate-shaped material, method for manufacturing the same}
도 1은 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재의 각층이 분리된 상태를 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 열가소성 복합 판재의 각 층이 결합된 상태를 도시한 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 열가소성 복합 판재의 프리프레그 층을 형성하는 테이프 형상의 프리프레그를 절단한 단면을 개략적으로 도시한 측면도.
도 4는 소정 크기의 구멍들이 부분적으로 천공된 도 2에 도시된 열가소성 복합 판재를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재의 제조하기 위한 공정을 개략적으로 도시한 측면 절개도.
도 6은 도 4에 도시된 바와 같이 부분적으로 천공된 열가소성 복합 판재의 물성의 향상을 나타내기 위한 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 열가소성 복합 판재 10: 중심층
20: 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층 20a, 20b: 롤러
30: 보호층 31: 압출기
32: 보호층 다이 33: 압착롤
34: 냉각 장치
본 발명은 열가소성 복합 판재, 그 제조 방법 및 열가소성 복합 판재를 이용한 물품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목재 및 강판 등을 대체할 수 있는 열가소성 복합 판재, 그 제조 방법 및 열가소성 복합 판재를 이용한 물품에 관한 것이다.
일본 특허공개 평 4-19935호에는 목분 및 셀룰로스계 미분에 요소 수지계를 함침시켜, 이를 건조, 중화시킨 후에 열가소성 수지에 혼입하는 것에 의하여, 시트 등의 목질 화장판을 성형하는 공정 및 각 목질 화장판을 재가공하여 두께 방향으로 망상의 절단면을 갖는 합성수지제 팔레트 위에 각 화장판을 붙이고, 이를 가압하여 정해진 형상으로 가공하는 목질 화장 패널 성형방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 제품은 중심부에 있는 중공 부위로 인하여 일정 규격의 제품만이 사용 가능하고, 일부분을 절단하여 사용할 경우에, 물성이 저하되고, 밀도 대비 굽힘 탄성율이 낮아서, 집중하중에 대한 지지재로서 부적합할 뿐만 아니라 생산 공정이 번거롭다는 단점이 있다.
또한 대한민국 공개 특허 제96-443호에는 재생 수지를 이용한 거푸집이 개시 되어 있으며, 겔 상태의 재생수지를 판상으로 추출 이송하여 설계 두께로 압연시킴과 동시에 냉각 성형한 제품이 개시되어 있지만, 이러한 제품은 고중량이고 재생수지의 종류 및 조성에 따라 제품의 물성이 결정되며, 생산방법이 번거롭다는 단점이 있다.
복합 패널에 관하여 다층 구조로서 중심층이 발포 방식에 관해 개시된 기술이 일본국 특허공개 평4-50900호에 개시되어 있으며, 이 발명은 내열성, 내충격성, 고강성이 좋은 폴리프로필렌이나 폴리스티렌의 폴리올레핀 산업용 다층패널에 관한 기술로서, 유리 단섬유를 10~45wt%를 포함하는 열가소성수지 시트층과, 무기 미세분말을 5~50wt%를 포함하고 밀도가 0.4~1.11g/cm3인 열가소성 수지 발포체 시트 기재층을 구비하는 유리섬유 보강수지복합체 다층 시트를 특징으로 하고 있다. 그러나, 이 발명은 중심층의 밀도가 0.84~0.85g/cm3이고 전체 밀도 또한 1.75~1.76g/cm3로 높아서, 고중량이고 충격강도가 낮은 단점이 있다.
대한민국 공개 특허 제 2004-0003835호에는 콘크리트 벽체 형성에 쓰이는 거푸집 패널이나 목재 문틀에 사용되는 임시 문틀, 스토퍼 및 기타 목재합판을 대체 할 수 있는 패널 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 발명은 나무 합판을 코팅한 제품으로 재활용하기에 부적합하며, 프레스 공정으로 생산함에 있어 생산 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한 목재합판을 사용하므로 천연자원의 소비를 줄이는 데 도움이 되지 못한다.
대한민국 공개 특허 제10-2002-0092590호에는 다양한 종류의 폐플라스틱과 폐면, 폐지, 폐가죽, 폐목재, 톱밥 등의 폐기물을 주 재료로 하여 제조한 합성수지 판재 및 이를 이용한 거푸집 패널이 개시되어 있다. 이 발명은 연속 강화 섬유 층이 함침이 되지 않은 유리 섬유층이 사용되므로, 강도가 떨어지는 한편 층간의 접착력이 약하다는 단점과 함께, 사용 및 절단될 때 섬유 다발이 날리어 작업자의 위생을 해친다고 하는 문제점이 있다.
대한민국 공개 특허 제96-4300호에는 중심이 중공 성형되었으며 다층의 구조로 콘크리트 거푸집로 사용될 수 있는 복합 패널이 개시되어 있으며, 이 발명은 격자구조의 중공 중심층에 망상의 섬유재가 적층되고, 그 위에 복합수지 발포층이 가열 융착되는 5층 구조의 패널이다. 그러나, 이 발명은 망상 섬유층에 의해 수지층들 사이의 접착이 방해되어, 물성이 감소하고, 재생될 때 망상섬유의 분리가 어렵고, 중심의 중공부위로 인하여 국부적인 집중하중이나 충격에 약한 단점이 있을 뿐 아니라, 연속 강화 섬유층이 함침이 되지 않은 유리 섬유층이기 때문에, 효과적인 강화 작용을 할 수 없으며 층 사이의 접착력을 약화시키는 요인이 되기도 하며, 사용 및 절단될 때, 섬유 다발이 날리어 작업자의 위생을 해치는 문제점이 있다.
대한민국 공개 특허 제10-2001-0016955호에는 양면 및 단면의 표면층이 합성 수지층으로 처리되고, 중앙부가 목분 및 왕겨의 분말과 폐플라스틱 수지의 융합물인 목분, 수지합성 복층합판으로서, 이 발명은 수지합판에 비해 가볍고 강도의 유지와 수밀성을 동시에 만족시키지만, 강화 복합수지층이 존재하지 않기 때문에, 굽힘 강도, 물성, 선열팽창계수 및 충격 강도 등이 낮은 문제가 있다.
아울러, 산업용 및 거푸집용으로 사용 중인 목재 합판은 그 공급에 한계가 있을 뿐 아니라, 산림 훼손의 염려로 인하여 대체 재료의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 이에 따라 다양한 플라스틱 및 합성수지계열의 판재들이 개발되고 있다. 그러나, 플라스틱 패널의 공통적인 단점은 30~60℃의 온도에서의 굽힘 탄성율이 낮은 것이다. 또한 선열팽창계수가 대부분 1×10-4/K로서 높아 일교차 등 주변온도의 변화가 클 경우에, 패널의 팽창 또는 수축으로 인한 문제가 발생한다. 이와 같은 문제들은 충전제 등의 함량을 증가시키는 것에 의해 어느 정도까지 해소될 수 있지만, 충전제의 함량이 증가하는 것에 의해, 충격 강도가 감소하고 밀도가 증가하여, 고 중량으로 인해 사용이 불편한 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점은 상용화된 열가소성 고분자의 고유한 성질이므로, 이러한 재질을 사용하여 제조한 제품에서는 피할 수 없는 단점인 것이다. 이에 비하여 합판은 0~50℃의 온도 범위에서의 선열팽창 계수가 1×10-5/K로서 매우 작으며, 굽힘 탄성율이 25,000~50,000kg/cm2으로 높고 고온에서의 물성 저하가 적으면서도 경량이어서, 그 밀도가 0.6~0.8g/cm3범위이다. 그러나, 기존의 제품들은 이러한 모든 조건을 동시에 충족시키지 못하므로 합판의 기능을 완전히 대체하지 못하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 전술한 종래 기술들에서와 같이, (1) 유리섬유강화복합수지층을 사용하거나, (2) 망상의 유리섬유시트를 적층하는 방법들을 사용하거나, (3) 상당량의 목분 등을 첨가한 복합 수지층을 사용하거나, (4) 합판을 코팅하는 방법을 사용한다. 하지만 (1)의 경우에는 단 섬유로 강화된 제품이기 때문에, 굽힘 강도 및 선열팽창 계수의 향상에 한계가 있다. 강화 섬유층을 증가시키 거나 섬유의 상비(Aspect ratio)를 증가시켜서 해결하기도 하지만, 이 경우 원가 부담이 증가한다. (2)의 경우와 같이 망상 유리 섬유층을 사용하는 경우에, 유리섬유와 열가소성 수지와의 함침성이 매우 불량하기 때문에, 충분한 효과를 내기 어렵다. (3)의 경우와 같이 목분 및 무기충전재를 다량 포함시키는 방법은 재료비 경감을 위한 기능이 크며, 물성의 개선에는 그다지 효과를 보지 못하므로, 주로 (1)의 방법과 병행하는 기술들이 대부분이다. (4)의 방법은 목재합판 사용으로 인한 환경적인 부담, 즉 벌목으로 인한 환경 파괴 등을 원천적으로 해결할 수 없는 방법이다. 또한 합판과 수지 층과의 접착 호환성이 낮기 때문에 층간 박리의 문제를 안고 있다.
열가소성 고분자 복합 수지를 기재 수지로 하는 다층 구조 패널인 제품들의 경우, 대부분 선열팽창계수가 8×10-5/K 이상으로, 일교차 등 기온의 변화가 심해도 수축 팽창이 현저히 작도록 하면서 충격 및 굽힘 강도가 우수한 기술에 대한 개발의 필요성을 느끼게 되었다.
또한 자동차 부품재료의 경우 기존의 금속 및 철재 재료의 문제인 가격 및 중량의 문제를 해결하고자 다양한 복합수지 재료들이 개발되고 있는 실정이다. 특히 범퍼 백 빔용 복합재료의 경우, 유리섬유 매트 및 잘게 다진(Chopped) 섬유와 폴리프로필렌 등과 같은 열가소성 폴리올레핀 수지를 적층하여 용융 압착하여 제조한 GMT 시트(glass mat thermoplastics sheet) 원단을 가열 압축 성형하여 제조하는 기술이 있다. 이는 비교적 높은 비강도 및 충격강도를 제공하는 기술이기는 하 지만, GMT를 만드는 방법이 수지의 섬유에 대한 불완전 함침으로 그치는 가열 압착방식이므로, 미함침된 섬유 부분이 물성강화에 효과적으로 기여하지 못할 뿐더러, 천공 및 볼팅 작업시 작업자에게 섬유가 떨어지는 등의 환경적인 문제점을 안고 있다.
또한 압축성형공정에서 함침을 충분히 수행하기 위해서는 구조를 단순화하고 충분한 용융시간과 압축시간을 필요로 하기 때문에, 성형시간이 증가하는 문제와 함께 다양한 구조의 리브 설계물을 성형할 수 없다.
GMT 기술과는 달리 펄트루션 공정에 의하여 완전 함침된 장섬유 펠릿(LFT, Long Fiber Thermoplastics composite)을 사출 또는 저압 사출하여 가공하는 방법이 있으나, 이러한 방법은 섬유의 길이가 불충분하여 비강도가 부족하거나, 웰드 라인부의 결함 등이 문제가 되고 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 굽힘 강도, 굽힘 탄성율, 충격강도 및 선열팽창 계수 등의 기계적 물성과 2차 가공성 등이 우수하고 재활용이 가능한 산업용 열가소성 강화 복합수지 패널로서, 건축 자재용 패널 또는 자동차 부품 등 각종 구조물로 성형하기에 적합한 열가소성 복합 판재 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 양태는 열가소성 수지를 포함하는 중심층; 및 상기 중심층의 상부 및 하부면 중 하나 이상의 면에 적층되고, 5 내지 65wt%의 강화 섬유 및 95 내지 35wt%의 열가소성 수지를 포함하는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재를 제공한다.
상기된 바와 같은 목적은 또한, (i) 열가소성 수지를 함유하는 재료를 용융 압출하여 중심층을 준비하는 단계; 및 (ii) 5 내지 65wt%의 강화 섬유 및 95 내지 35wt%의 열가소성 수지를 포함하는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그를 제공하여 상기 중심층의 하나 이상의 면에 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층을 압착하여 열가소성 복합 판재를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 또 다른 양태에 따른 열가소성 복합 판재 제조 방법에 의해 달성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열가소성 복합 판재의 각 층이 분리된 상태를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 열가소성 복합 판재의 각 층이 결합된 상태를 도시한 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열가소성 복합 판재(1)는 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 용융 압출된 중심층(10), 중심층(10)의 상부 및/또는 하부면에 적층되는 강화 연속 섬유 함침 프리그레그 층(20)을 포함하고, 또한, 선택적으로 보호층(30)이 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)에 적층될 수 있다.
이때, 중심층(10)은 발포층일 수 있다. 상기 중심층(10)은 필요에 따라서 1 내지 30㎜의 평균 길이를 가지는 5 내지 50wt%의 강화 섬유를 포함할 수도 있다. 또한, 15 내지 30wt%의 무기 충전재를 포함할 수 있으며, 또한 20 내지 40wt%의 목분 또는 왕겨가 포함될 수도 있다.
강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 테이프 형상의 위사(20a) 및 경사(20b)의 형태로 직조되거나 또는 테이프 또는 스트랜드들이 적층되는 이방성 구조 또는 일방성 구조로 형성되는 판상의 구조로 만들어진다. 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)을 형성하는 각각의 테이프 또는 스트랜드는 5 내지 65wt%의 강화 섬유 및 95 내지 35wt%의 열가소성 수지를 포함한다. 상기 조성물에 0.2 내지 5wt%의 탄산칼슘, 중공 비드, 탈크, 마이카, 울라스토나이트, 황화 아연 및 활성탄과 같은 무기 충전재가 첨가될 수도 있다.
열가소성 수지와 강화 섬유의 균일한 혼합체, 즉 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)에 포함된 강화 섬유는 길이 방향으로 연속적인 섬유 다발을 형성하면서도 열가소성 수지가 균일하게 함침되기 때문에, 위사와 경사와 같이 2차원 배향을 원하는 대로 할 수 있으며, 판재의 가로 세로를 따라 무한한 배향이 가능하다.
본 발명에서 사용된 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)은 열가소성 수지 용융 조성물이 공급되는 함침 다이를 통과한 섬유를 당기면서 압착하여 테이프 또는 스트랜드 형상으로 형성된다. 이렇게 얻은 테이프 또는 스트랜드의 두께는 약 0.4㎜~0.5㎜이며, 폭은 약 5~12㎜로, 약 5000여개의 섬유 필라멘트가 사용되었다. 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)을 형성하는 함침 프리프레그의 물성은 인 장 강도를 기준으로 비교해 볼 때, 일반 유리 섬유 복합 재료에 비하여 대략 5~10배의 인장강도를 가지는 것으로 나타났으며, 성형된 프리프레그 테이프 또는 스트랜드의 기계적 물성은 ASTM D3039에 의해 측정되었으며, 그 물성을 아래의 표 1에 나타내었다. 시험 속도(cross-head speed)는 2㎜/min으로 게이지 길이는 150㎜로 하였다.
번호 폭(㎜) 깊이(㎜) 피크 부하(N) 피크에서의 연신율(㎜) 인장강도 (kgf/㎝2) 극한인장강도(㎫) 인장모듈(㎬)
그룹 Ⅰ 1 8.1 1.0 3058 4.0 3850 ＞378 16.3
2 8.5 0.96 3100 4.0 3875 ＞380 16.1
3 7.4 1.1 2860 3.7 3540 ＞352 16.3
그룹 Ⅱ 1 7.3 0.55 1651 4.6 4190 ＞411 15.0
2 7.3 0.54 1728 5.2 4500 ＞441 15.8
3 7.4 0.55 1682 5.1 4220 ＞413 15.3
강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)에 선택적으로 융착되는 보호층(30)은 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)에 용융 압출되어 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)을 보호하도록 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)에 융착된다. 보호층(30)은 열가소성 수지층, 열가소성 발포층, 또는 강화 열가소성 복합 조성물로 이루어지는 층일 수 있으며, 바람직하게는 0 내지 54wt%의 강화 섬유 및 100 내지 46wt%의 열가소성 수지를 포함하는 조성을 갖는다. 상기 조성에 0.2 내지 5wt%의 탄산칼슘, 중공 비드, 탈크, 마이카, 울라스토나이트, 황화 아연 및 활성탄과 같은 미량의 무기 충전재가 첨가될 수도 있다.
중심층(10), 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20) 및 보호층(30)에 사용되는 강화 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 폴리에스테르 섬유, 및 폴리아미드 섬유로부터 선택될 수 있으며, 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리에스테르, 및 폴리페닐렌설파이드로부터 하나 이상이 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열가소성 복합 판재 제조 방법에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이 미리 함침 공정을 거친 열가소성 수지와 유리 섬유의 균일한 혼합체가 테이프 또는 스트랜드 형태로 얻은 후, 이 혼합체가 위사(20a)와 경사(20b)를 가지는 직조 또는 적층되어 만들어진 0.4~0.9㎜의 두께를 가지는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그(20)가 롤러(21a,21b)들에 감겨져 있으며, 이러한 강화 연속 섬유 함침 프리프레그(20)들은 중심층용 압출기(31)를 통해 용융 압출되는 중심층(10)의 위 및/또는 아래에 배치된다.
중심층(10)은 상기된 바와 같이 목분 또는 왕겨가 첨가되거나, 또는 발포체로 만들어질 수 있으며, 중심층(10)에 목분 또는 왕겨를 첨가하는 경우, 중심층용 압출기(31)에 25메시 이하의 입도를 가지는 한편 4% 이하의 수분을 가지는 20~40wt%의 폐목분 또는 왕겨, 및 80~60wt%의 폴리프로필렌 수지가 혼합된 후, 160~200℃의 온도로 가열된 상태에서 압출기(31)를 통하여 압출된다. 또한, 중심층(10)을 발포시켜서 사용할 경우에, 0.2~5wt%의 무기 또는 유기 발포제(바람직하게는 NaHCO3와 구연산의 1:1혼합물, 또는 아조 디카본 아미드(Azo dicarobon amide))를 폴리프로필렌수지와 균일하게 혼합한 수지를 160~200℃의 온도로 가열하여 압출기(31)를 통하여 성형한다. 중심층(10)으로 장섬유 복합재료 또는 복합재료를 상기와 동일한 방법으로 중심층용 압출기(31)를 통하여 사용할 수 있다. 또한, 중심층(10)은 압출기(31)에서 재생 폴리에틸렌 분말 수지를 1~4wt%의 원하는 색상의 안료가 첨가되는 한편 150~190℃의 온도에서 압출될 수 있다.
중심층(10)의 위 및/또는 아래에 배치되는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그(20)는 압출기(31)로부터 압출되는 중심층(10)의 진행 방향으로 중심층(10)과 함께 보호층 다이(32)를 통과하는 동안, 중심층(10)의 위 및/또는 아래에 연속적으로 강화 연속 섬유 프리프레그 층(20)을 형성한다. 보호층 다이(32)를 통과한 중심층(10)과 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)은 보호층 다이(32)의 출구에 인접하여 배치되는 상부 및 하부 압착롤(33)들에 의해 평탄화 된 후에, 냉각 장치(34)를 통과하는 동안 냉각된다. 이러한 공정에 의해 만들어지는 본 발명에 따른 열가소성 복합수지 판재는 종래의 프레스나 스탬핑 등의 불연속 공정에 의한 종래의 방법과는 달리 냉각 후 변형이 간단하게 조절되고 생산효율이 매우 증가될 수 있다.
강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)에 0.5~3㎜ 두께로 융착되는 보호층(30)은 보호층 다이(32)로부터 중심층(10)의 양면에 적층되는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20) 상으로 압출되어, 압착롤(33)들에 의해 소정의 두께, 예를 들어 1~3㎜의 두께를 가지도록 압착되어, 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재는 복층 구조로 만들어질 수 있다. 보호층(30)이 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20) 상에 융착되고 압착롤(33)들에 의해 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20) 상에 압착되며, 냉각 장치(34)에 의해 냉각되어 복층 구조의 평판 성형물이 만들어진다. 냉각된 성형물은 인취롤(도시되지 않음)을 통하여 인출되어 소정의 크기로 절단기에 의해 절단될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재는 보호층(30)이 강화 연속 섬유 프리프레그 층(30) 상에 융착된 후에 냉각 장치(34)에 의한 냉각 과정 전에 압착롤(33)의 표면 형상에 따라서 매끈한 일반 구조재 합판 또는 다양한 형상의 무늬가 형성되는 합판 형태로 생산할 수도 있다.
(실시예1)
상기에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 방법에 따라 열가소성 수지인 폴리프로필렌이 40wt%의 유리 섬유에 함침된 두께 0.25㎜, 폭 25㎜의 강화 연속 섬유 프리프레그 테이프로 직조 또는 적층된 두께 4㎜의 프리프레그 시트를 제작하여 얻은 열가소성 복합 판재의 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하여, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
(비교예 1)
종래의 GMT 공정에 의하여 폴리프로필렌 기재 수지가 42wt%의 유리섬유로 만들어진 4㎜ 두께의 복합 판재의 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 표 2에 비교하여 나타낸다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 열가소성 프리프레그 테이프로 직조 또는 적층된 프리프레그 시트의 모든 기계적인 물성이 미함침 시트에 비교하여 2배에 가까운 성능을 나타냄을 알 수 있다. GMT의 경우 가열 압축 시간을 매우 길게 할 경우, 상기의 물성보다 약간의 개선은 가능하나 공정 시간이 실시예 1에 비하여 2배 이상 증가함을 알 수 있었다.
구분 면 충격 크랙개시 에너지(주울) 면충격 에너지 (주울) 굽힘 탄성율 (kgf/㎝2) 굽힘 강도 (kgf/㎝2) 아이조드 충격강도 (kgfㆍ㎝/㎝) 유리섬유 중량비율 (%) 밀도 (g/cc)
실시예 28 편차 3 42 편차 3 110,000 편차 10,000 2,700 편차 400 135 편차 30 40 1.2
비교예 10 편차 3 24 편차 4 52,318 편차9,250 1,437 편차 424 　70 편차 20 42 1.22
Dynatub (속도10.3m/sec, 충격에너지167J) ASTM D790 ASTM D790
(실시예 2)
상기에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 방법에 따라 열가소성 수지인 폴리프로필렌이 40wt%의 유리섬유에 함침된 두께 0.25㎜, 폭 25㎜의 연속섬유 프리프레그 테이프로 직조 또는 적층된 프리프레그 시트를 양면에 2층씩 적층하고, 중심층으로는 장섬유 복합 수지층을 1㎜의 두께로 삽입한 전체 두께 3㎜의 적층판재를 제작하여 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격 강도를 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
(비교예 2-1)
종래의 GMT 공정에 의하여 폴리프로필렌 기재 수지와 42wt%의 유리 섬유와 로 만들어진 4㎜ 두께의 복합 판재를 유리 섬유 사이로 폴리프로필렌이 최대한 스며들 수 있도록 두께3㎜가 되도록 230℃에서 용융 압축하여, 2차 가공한 판재의 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격 강도를 측정하고, 그 결과를 표 3에 비교하여 나타내었다.
(비교예 2-2)
열가소성 수지인 폴리프로필렌이 40wt%의 유리섬유에 함침된 장섬유 복합 수지층으로만 구성된 3㎜ 두께의 사출시편을 제작하여 굽힘강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하여, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
표 3에서 볼 수 있듯이 실시예 2와 같이 중심층에 장섬유 복합재료를 사용한 경우에도 종래의 GMT보다 전반적으로 높은 물성을 보이고 있다. 또한 비교예 2-2의 불연속 장섬유 복합재료에 비교하여 탁월한 물성을 보이고 있음을 알 수 있다.
구분 면충격 크랙개시 에너지(주울) 면충격 에너지 (주울) 굽힘 탄성율(kgf/㎝2) 굽힘강도(kgf/㎝2) 아이조드 충격강도 (kgfㆍ㎝/㎝) 유리섬유 중량비율 (%) 밀도 (g/cc)
실시예2 28 39 87,000 2,183 100 40 1.2
비교예2-1 15 31 68,000 2,070 84 42 1.22
비교예2-2 4.7 13 65,000 1,347 40 40 1.2
Dynatub (속도10.3m/sec, 충격에너지167J) ASTM D790 ASTM D790
(실시예 3)
상기에서 설명한 본 발명에 따른 방법에 따라 열가소성 수지인 폴리프로필렌이 40wt%의 유리섬유에 함침된 두께 0.25㎜, 폭 25㎜의 강화 연속 섬유 프리프레그 테이프를 직조 또는 적층한 두께 0.5㎜의 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)을 양면에 1층씩 적층하고, 중심층(10)으로는 40wt% 왕겨와 폴리프로필렌 복합수지층을 10㎜ 두께로 위치시키고, 중심층(10)과 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20) 사이에 두께 0.5㎜의 폴리프로필렌 접착층을 제공하여 용융 접착한 12㎜의 두께의 적층 판재를 제작하여, 굽힘강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 아래의 표 4에 나타내었다.
(비교예 3-1)
열가소성 수지인 폴리프로필렌 수지층(MI 0.5g/dmin, 블록 공중합체)으로만 구성된 2㎜ 두께 층이 양면에 형성되고, 중심층(10)으로는 40 wt%의 왕겨와 폴리프로필렌 복합수지층이 10㎜의 두께로 삽입된 두께 12㎜의 적층 판재를 제작하여 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 아래의 표 4에 나타내었다.
(비교예 3-2)
열가소성 수지인 폴리프로필렌이 20wt% 유리섬유에 함침된 장섬유 복합 수지층으로만 구성된 2㎜ 두께의 층이 양면에 형성되고, 중심층(10)으로는 40wt%의 왕겨와 폴리프로필렌 복합 수지층이 8㎜의 두께로 삽입된 두께 12㎜의 적층 판재를 제작하여, 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
(비교예 3-3)
열가소성 수지인 폴리프로필렌 수지층(MI 0.5g/dmin, 블록 공중합체)으로만 구성된 1㎜ 두께의 층이 양면에 형성되고, 중심층으로는 40wt%의 왕겨와 폴리프로필렌 복합수지층이 9.5㎜의 두께로 삽입되고, 중심층과 양 외층의 사이에 망상의 유리섬유 직조 시트층을 삽입하여 200℃의 온도에서 압착롤을 통해 압착 성형하여, 두께 12㎜의 적층 판재를 제작하여, 굽힘 강도와 면 충격 강도 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
표 4에서와 같이 강호 연속 섬유 함침 프리프레그 층이 포함된 실시예 3을 미함침 섬유층을 사용한 비교예 3-3과 비교하여 동일한 유리섬유 함량에서도 물성이 현저히 높으며, 유리섬유 강화층이 없는 비교예 3-1과 잘려진 섬유를 압출하여 형성된 비교예 3-2에 비교하여도, 현저히 높은 물성을 보이는 것을 알 수 있다. 비교예 3-2의 경우, 전체 유리섬유 함량이 6.7wt%로 실시예 3의 2배에 이르지만, 물성은 오히려 작게 나타났는데, 그 이유는 불연속 단섬유인 점과 압출 성형시 표피층의 두께 분포가 균일하지 못한 것으로 판단된다. 섬유상의 압출 유동체는 다층을 형성하는 공정에서 다른 층으로 불균일하게 섞이는 현상이 있으며, 섬유상이 길고 점도가 낮을수록 이러한 현상이 심화된다.
구분 선열팽창 계수(/K) 굽힘탄성율 (kgf/cm2) 굽힘 강도 (kgf/cm2) 아이조드 충격강도 Unnoched (kgfㆍ㎝/㎝) 유리섬유 중량비율(%)
실시예 3 1.2×10-5 34,000 750 60 3.3
비교예 3-1 4.5×10-5 20,500 400 13 0
비교예 3-2 3.5×10-5 32,500 540 40 6.7
비교예 3-3 4.8×10-5 26,000 450 18 3.3
(실시예 4)
중심층(10)으로는 밀도 0.4g/cc로 발포된 9㎜ 두께의 폴리프로필렌 수지층의 양면을 각각 1㎜의 두께를 가지는 폴리프로필렌 층으로 감싼 후, 층의 양면에 상기에서 설명한 방법에 의해 열가소성 수지인 폴리프로필렌이 40wt%의 유리섬유에 함침된 두께 0.25㎜, 폭 25㎜의 강화 연속 섬유 프리프레그 테이프를 직조한 두께 0.5㎜의 시트를 양면에 1층씩 용융 적층하여 제작된 전체 두께 12㎜인 적층판재의 굽힘강도와 굽힘 탄성율 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 아래의 표 5에 나타나 있다.
(비교예 4)
중심층(10)으로는 밀도 0.4g/cc로 발포된 8㎜ 두께의 폴리프로필렌 수지층의 양면에 열가소성 수지인 폴리프로필렌이 30wt%의 유리섬유에 함침된 유리섬유 복합 수지층으로만 구성된 2㎜ 두께 층이 용융 적층된 제작된 전체 두께 12㎜ 적층 판재의 굽힘 강도와 굽힘 탄성율 및 아이조드 충격강도를 측정하고, 그 결과를 표 5에 나타나 있다.
구 분 선열팽창계수 (/K) 굽힘 탄성율 (kgf/cm2) 아이조드충격강도 Unnoched (kgf/cm2) 유리섬유 중량비율(%) 밀도 (g/cc)
실시예 4 1.2×10-5 28,000 40 3.3 0.63
비교예 4 4.8×10-5 29,000 25 10 0.71
비교예 4와 비교하여 판재에 사용된 유리 섬유의 전체 함량이 낮음에도 불구하고, 충격강도, 선 열팽창 계수 등이 더욱 향상되었으며, 유사한 굽힘 탄성율을 보인다. 사용 유리 섬유의 양이 감소함에 따라 밀도가 더욱 감소하므로, 더욱 경량화되는 장점을 보이고 있다.
상기된 바와 같은 본 발명의 열가소성 복합 판재(1)는 건축용 거푸집 또는 자동차의 범퍼 백 빔과 같은 자동차 부품을 제조하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 열가소성 복합 판재(1)는 거푸집 또는 자동차 부품을 만들기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 소정 크기의 구멍(45)들이 부분적으로 천공 또는 째진 상태에서 성형기(1) 내에 투입될 수 있다(도면에는 천공된 상태만 도시). 이러한 경우에, 완성된 거푸집 또는 자동차 부품은 천공 또는 째지지 않은 경우와 비교하여, 도 6에 도시된 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 천공되지 않은 열가소성 복합 판재와 비교하여 약 30% 정도의 물성이 증가하는 것으로 나타났다.
또한, 본 발명에 의해 얻어지는 열가소성 복합 판재(1)를 거푸집 또는 자동차 부품과 같은 산업용 구조물의 예비 성형물로 사용할 경우, 종래의 기술과는 달리 강화 섬유와의 함침성이 우수하며, 예를 들어 거푸집 또는 자동차 부품과 같은 성형물의 모서리부분에 흔히 발생하는 유리섬유의 비편재화 현상이 해소되는 한편, 강화 연속 섬유 함침 프리프레그가 적절히 보강된 구조물을 얻을 수 있다.
본 발명에서는 상기된 바와 같이 연속 공정에 의하여 열가소성 복합 판재를 용이하게 성형할 수 있으며, 중심층으로 장섬유열가소성 복합재료를 압출하여 상기의 문제를 해결할 수 있다. 이렇게 성형된 판재는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그와 장섬유복합재료의 장단점을 상호 보완하여 압축 성형된 2차 가공품의 부위별 물성 편차를 현저히 줄여 줄 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따라서, 상기된 바와 같은 건축용 자재와 자동차 부품은 상기된 바와 같은 본 발명에 의해 제조되는 열가소성 복합 판재(1)를 이용하여 성형기(41)에서 성형되어 제조될 수 있으나, 열가소성 복합 판재(1) 대신에, 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)을 성형기에 배치하거나, 또는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)을 소정의 형상으로 예비 성형하여 성형기에 배치하여 상기된 바와 같이 성형함으로써, 건축용 자재 또는 자동차 부품과 같은 물품이 제조될 수 있다.
아울러, GMT 시트(46)와 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재(1) 또는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층(20)이 조합되어 성형됨으로써 동일한 효과를 가지는 건축용 자재 또는 자동차 부품과 같은 물품이 제조될 수 있다.
또한, 상기된 바와 같은 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재(1)는 단순히 가열된 상태에서 프레스 성형에 의해 거푸집과 같은 건축 자재용 패널이나 백빔과 같은 자동차용 부품과 같은 물품으로 만들어질 수 있다.
본 발명은 높은 기계적 강도와 섬유의 비산이 없는 산업용 강화 열가소성 다층시트를 높은 생산성과 경제성을 유지하며, 판상제품을 생산할 수 있는 기술을 제공한다. 본 발명을 이용하여 가격이 저렴하며 굽힘강도 및 충격강도가 매우 높으며 선열팽창계수가 기존제품에 비하여 현저히 낮아 일교차 등에 따른 열변형이 적으면서도 우수한 합판 대체 재료를 저렴하게 생산할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 강화 연속 섬유 함침 프리프레그를 효과적으로 사용할 수 있는 방법을 제공한다. 압출공정을 적절히 활용하여 연속적으로 강화 연속 섬유 함침 프리프레그층을 형성하도록 하여 중심층과 동시에 인라인 냉각과정을 거치므로 종래의 프레스나 스탬핑 등의 불연속공정에 의한 방법과는 달리 냉각 후 변형의 조절이 간단하며 생산효율을 매우 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 얻어지는 열가소성 복합 판재는 완전 함침된 장섬유 펠렛(LFT)이 용융되어 형성된 층 또는 무기충전복합수지층 또는 발포층 또는 목분 충전 복합 수지층 등을 중심층으로 용융압출하며 그 상하부에 프리프레그를 연속 접착하기 때문에, 산업용 구조물의 성형의 예비 성형물로 사용할 경우, 종래의 기술과는 달리 유리섬유와의 함침성이 우수하며 성형물의 모서리부분에 흔히 발생하 는 유리섬유의 비편재화 현상을 해결하면서도 강화 연속 섬유 함침 프리프레그가 적절히 보강된 구조물을 얻을 수 있다.
본 발명은 또한 완전 함침된 강화 연속 섬유 함침 프리프레그를 직조 또는 적층한 층과 완전 함침된 장섬유 펠릿(LFT)이 용융되어 형성한 층 또는 무기충전복합수지층 또는 발포층 또는 목분 충전 복합 수지층 등을 적절히 조합하여 제공되는 강화 복합수지 판재를 제공하며, 본 발명의 열가소성 복합 판재를 이용하여 가격이 저렴하며 굽힘강도(30000kgf/㎝2이상) 및 충격강도가 매우 높으며 선열팽창계수가 기존 제품에 비하여 현저히 낮아 일교차 등에 따른 열변형이 적으면서도 우수한 합판 대체 재료로 활용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열가소성 복합 판재의 용융 압축에 의한 2차 공정 또한 수행이 가능하며, 이 경우 경량의 높은 기계적 물성을 지닌 구조물을 다양한 형태로 성형하고, 이에 필요한 판상 제품을 생산할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 복합 재료 중심층; 및
    상기 열가소성 복합 재료 중심층의 상부 및 하부면 중 하나 이상의 면에 적층되고, 5 내지 65wt%의 강화 섬유 및 95 내지 35wt%의 열가소성 수지를 포함하는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중심층은 1 내지 30㎜의 평균 길이를 가지는 5 내지 50wt%의 강화 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중심층은 15 내지 30wt%의 무기 충전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중심층은 20 내지 40wt%의 목분 및 왕겨 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층에 융착되고,
    열가소성 수지; 또는 강화 섬유를 최대 54wt% 그리고 열가소성 수지를 적어도 46wt%로 함유하는 조성물;로 이루어지는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 열가소성 복합 재료 중심층은 발포층인 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아마이드, 폴리에스터, 및 폴리페닐렌설파이드로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 강화 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 폴리에스테르 섬유, 및 폴리아미드 섬유들로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 무기 충전재는 탄산칼슘, 중공 비드, 탈크, 마이카, 울라스토나이트, 황화 아연, 및 활성탄으로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  10. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층은 일방성 구조 및 이방성 구조 중 하나로 만들어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재.
  11. (i) 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 복합 재료를 용융 압출하여 열가소성 복합 재료 중심층을 준비하는 단계; 및
    (ii) 5 내지 65wt%의 강화 섬유 및 95 내지 35wt%의 열가소성 수지를 포함하는 강화 연속 섬유 함침 프리프레그를 제공하여 상기 열가소성 복합 재료 중심층의 하나 이상의 면에 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층을 압착하여 열가소성 복합 판재를 얻는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 중심층은 1 내지 30㎜의 평균 길이를 가지는 5 내지 50wt%의 강화 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 중심층은 15 내지 30wt%의 무기 충전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 중심층은 20 내지 40wt%의 목분 및 왕겨 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, (iii) 상기 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층에,
    열가소성 수지; 또는 강화 섬유를 최대 54wt%, 그리고 열가소성 수지를 적어도 46wt%로 함유하는 조성물;을 용융 압출하여,
    상기 강화 연속 섬유 함침 프레그 층에 보호층으로서 융착하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  16. 제 11 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 열가소성 복합 재료 중심층은 발포층인 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  17. 제 11 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아마이드, 폴리에스터, 및 폴리페닐렌설파이드로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 강화 섬유는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 천연 섬유, 폴리에스테르 섬유, 및 폴리아미드 섬유들로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 무기 충전재는 탄산칼슘, 중공 비드, 탈크, 마이카, 울라스토나이트, 황화 아연, 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
  20. 제 11 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 강화 연속 섬유 함침 프리프레그 층은 일방성 구조 및 이방성 구조 중 하나로 만들어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합 판재 제조 방법.
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