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KR101923379B1 - 차량용 언더바디 커버 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

차량용 언더바디 커버 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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KR101923379B1
KR101923379B1 KR1020150091973A KR20150091973A KR101923379B1 KR 101923379 B1 KR101923379 B1 KR 101923379B1 KR 1020150091973 A KR1020150091973 A KR 1020150091973A KR 20150091973 A KR20150091973 A KR 20150091973A KR 101923379 B1 KR101923379 B1 KR 101923379B1
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KR
South Korea
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vehicle
underbody cover
fibrous particles
thermoplastic resin
composite
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안승현
한경석
정승문
Original Assignee
(주)엘지하우시스
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Priority to EP16818179.0A priority patent/EP3315389B1/en
Priority to CN201680037424.2A priority patent/CN107848578B/zh
Priority to PCT/KR2016/006850 priority patent/WO2017003146A1/ko
Priority to TW105120269A priority patent/TWI701135B/zh
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Abstract

중심층; 및 상기 중심층의 양면에 배치된 피복층;을 포함하고, 상기 중심층은 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 무기 섬유 또는 유기 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높은 차량용 언더바디 커버가 제공된다.

Description

차량용 언더바디 커버 및 이를 제조하는 방법{POROUS FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
차량용 언더바디 커버 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
차량용 언더바디 커버는 외부로부터의 충격에서 차체를 보호하고, 소음을 감쇠시키며, 주행 중 공기의 흐름을 원활하게 하여 연비를 향상시키는 효과를 가지고 있다. 이러한 이유로 최근의 고연비나 정숙성과 같이 차량에서 우선시 되는 특성에서 좋은 효과를 나타내기 때문에, 상용 차량뿐만 아니라 승용 차량까지 그 쓰임새가 확대되고 있다. 초기의 차량용 언더바디 커버는 차체 보호를 주 목적으로 스틸로 제조 되었으나, 부식이 발생하고, 중량이 무거운 단점으로 인해 열가소성 플라스틱 사출품으로 점차 대체되었다. 하지만 일반적인 차량용 언더바디 커버에서 요구되는 강도에 비해 열가소성 플라스틱은 매우 낮은 물성을 보이기 때문에, 열가소성 수지에 유리섬유 등의 강화섬유를 배합한 복합소재를 최근에 많이 사용하고 있다. 하지만 이러한 강화섬유 복합소재는 기공도가 없는 고밀도 소재로 구성되어 있기 때문에, 중량이 상대적으로 높고, 모래나 자갈등 지면부로부터 충격음을 효과적으로 차단하지 못하는 단점을 보이고 있다.
종래의 강화섬유 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.
본 발명의 일 구현예는 기계적 강도 및 경량화를 구현할 수 있는 차량용 언더바디 커버를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 차량용 언더바디 커버를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서,
중심층; 및 상기 중심층의 양면에 배치된 피복층;을 포함하고,
상기 중심층은 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 무기 섬유 또는 유기 섬유이고,
상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고,
상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고,
상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높은
차량용 언더바디 커버를 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;
상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 복합재 시트를 제조하는 단계;
상기 복합재 시트를 적어도 2장 적층한 뒤, 프레스 성형하여 복합재 예비성형 보드를 제조하는 단계;
상기 복합재 예비성형 보드의 양면에 피복층을 적층시키는 단계;
상기 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드를 승온하여 팽창시키는 단계; 및
상기 팽창된, 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드에 대하여 몰드 프레싱을 수행하여 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버를 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 강화 섬유는 무기 섬유 또는 유기 섬유이고,
상기 이성분 폴리머 섬유는 코어(core)부와 시스(sheath)부를 포함하고,
상기 코어부는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제2 열가소성 수지를 포함하고,
상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높은
차량용 언더바디 커버의 제조 방법을 제공한다.
상기 차량용 언더바디 커버는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 경량성을 구현하고, 아울러, 우수한 흡차음 성능을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 차량용 언더바디 커버의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 차량용 언더바디 커버 중 중심층에 대한 개략적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 차량용 언더바디 커버의 제조 방법 중 강화 섬유와 이성분 폴리머에 열과 압력을 가해 중심층이 형성되는 것을 도시화한 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 차량용 언더바디 커버의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 차량용 언더바디 커버의 제조 방법 중 중심층 제조에 사용되는 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 다공성 예비성형 보드 내부의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 차량용 언더바디 커버의 제조 방법 중 중심층 제조에 사용되는 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 다공성 예비성형 보드의 절단면에서 유리 섬유의 단면을 확대한 SEM 사진이다.
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, 중심층; 및 상기 중심층의 양면에 배치된 피복층;을 포함하는 차량용 언더바디 커버를 제공하고, 상기 중심층은 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 무기 섬유 또는 유기 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 차량용 언더바디 커버(100)의 단면도이다.
상기 중심층(10)에서, 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 중심층(10)에서, 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.
상기 중심층(10)의 양면에 배치된 피복층(30, 40)이 적층된다. 상기 피복층(30, 40)은 각각 하나는 차체에 고정되고, 다른 하나는 하부 지면을 향하도록 차량에 적용된다.
상기 피복층(30, 40)은 접착층에 의해 상기 중심층(10)에 부착될 수 있다. 즉, 상기 차량용 언더바디 커버는 상기 피복층(30, 40)과 상기 중심층(10) 사이에 상기 피복층(30, 40)과 상기 중심층(10)을 접착층(50)을 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 차량용 언더바디 커버 중 중심층에 대한 개략적인 모식도이다. 도 2에서, 중심층 (10)은 제1 섬유상 입자 (1), 제2 섬유상 입자 (2) 및 결착재 (3)를 포함하는 다공성 섬유강화 복합재로 이루어질 수 있다.
상기 중심층을 형성하는 다공성 섬유강화 복합재는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮아서 경량화를 구현할 수 있는 재료이기 때문에, 이러한 특성을 요구하는 차량용 언더바디 커버의 용도에 유용하게 적용될 수 있다. 아울러, 상기 다공성 섬유강화 복합재로 된 중심층을 포함하는 상기 차량용 언더 커버는 우수한 흡차음 성능 조건을 만족시킬 수 있으며, 우수한 성형성을 갖는다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 상기 차량용 언더바디 커버의 굴곡부 성형성, 즉, 형상성을 향상시킨다.
차량용 언더바디 커버는 차체의 바닥부의 부품들에 맞게 다양한 형상으로 제조되고 많은 굴곡부를 포함한다. 특히, 딥드로잉 공정에 의해 형성된 마운팅 부분을 갖는 차체에 대응하여 언더바디 커버를 고정하는 부위의 언더바디 커버의 성형성 및 강도가 최종적으로 언더바디 커버를 적용한 차량의 품질에 크게 영향을 미친다. 상기 다공성 섬유강화 복합재는 성형성 및 강도가 우수하여 굴곡부 성형성, 또는 형상성이 우수하기 때문에, 많은 굴곡부를 포함하는 차량용 언더바디 커버에 적용하기에 매우 유용하다.
또한, 이러한 부분을 성형할 때는 소재의 연신율이 매우 중요하다. 예를 들어, 통상적으로 100% 이상의 연신율을 요한다. 연신율이 부적절한 경우의 언더바디 커버를 적용한 차량 제품에서 추후 드로잉 부위 파손이 발생하면 언더바디 커버가 차체에서 분리되어 불량이 발생하기도 한다. 상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 이외에 강화 섬유로 연신율이 상대적으로 높은 열가소성 수지의 제2 섬유상 입자가 상기 언더바디 커버의 성형 후에도 소재 내에 존재 하기 때문에 굴곡이 심한 부분의 성형에 유리하다.
상기 다공성 섬유강화 복합재로 이루어진 상기 중심층은 후술되는 차량용 언더바디 커버를 제조하는 방법 중 형성될 수 있고, 이와 같이 제조된 상기 중심층의 상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산되어 제조된다.
상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 수지 중에 잘 분산되면 섬유와 수지간의 결합력이 높아지게 되어 다공성 섬유강화 복합재의 강도가 향상된다.
상기 중심층의 상기 다공성 섬유강화 복합재는 이와 같이 알아낸 분산성과 강도의 사이의 상관 관계에 근거하여, 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자 (편의상, '섬유상 입자들'이라고도 함)의 분산을 향상시킴으로써 강도 향상의 효과를 얻어낸다.
상기 다공성 섬유강화 복합재로 된 상기 중심층에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 방법으로서, 예를 들면, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 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 중심층의 다공성 섬유강화 복합재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 간접적인 방법으로 강도를 비교하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 향상되면 상기 중심층의 상기 다공성 섬유강화 복합재의 강도 향상의 결과로 이어지므로, 상기 중심층의 상기 다공성 섬유강화 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 중심층의 상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자의 분산성이 우수함에 따라 전술한 바와 같이 더욱 우수한 기계적 강도를 구현하고, 그에 따라 경량화가 가능하게 된다.
상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재를 형성하기 위해서, 후술되는 차량용 언더바디 커버를 제조하는 방법 중 제조되는 복합재 시트는 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 일 방향 배향성을 갖는 시트로 제조될 수 있다. 상기 중심층은 이러한 복합재 시트를 복수 장 적층하여 제조될 수 있다. 배향성을 같도록 제조된 복합재 시트의 배향성이 일치하도록 적층하여 상기 중심층이 제조될 수 있다. 이와 같이, 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재에 일 방향 배향성이 부여되도록 하면 그 배향성이 부여된 방향을 따라 상기 중심층은 높은 기계적 물성을 가지게 된다. 일 방향 배향성이 부여되도록 제조된 중심층은 특정 방향으로 큰 힘을 견딜 수 있게 된다. 따라서, 상기 차량용 언더바디 커버는 특정 방향으로 큰 힘을 견디게 할 필요가 있는 용도에 맞추어 일 방향 배향성이 부여된 중심층을 사용할 수 있다.
상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자의 2종의 강화 섬유를 포함한다. 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자를 모두 함께 포함함으로써, 그 종류 및 함량비를 조절하여 소정의 특성이 우수하게 발현되도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 제1 섬유상 입자로서 유리 섬유와 같이 인장 탄성율이 높은 물질을 사용하면서, 제2 섬유상 입자로서 열가소성 수지로 제조되는 열가소성 섬유를 사용하여 추가적으로 강도를 더욱 향상시키면서, 동시에 열가소성 수지의 탄성을 부여시킬 수 있다. 제2 섬유상 입자를 구성하는 열가소성 수지는 비교적 융점이 높은 열가소성 수지를 사용하기 때문에 제1 섬유상 입자만 존재하는 경우에 대비하여 추가적인 강도 향상을 기대할 수 있다. 아울러, 열가소성 섬유는 제1 섬유상 입자에 대비하여 탄성이 우수하기 때문에 외부로부터 충격에 대하여, 충격 에너지를 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.
또한, 상기 결착재에 포함되는 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상대적으로 낮기 때문에, 다공성 섬유강화 복합재는 저온 성형성의 특성을 갖는다.
일 구현예에서, 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재 중 제1 섬유상 입자의 함량 대 제2 섬유상 입자와 결착재의 함량의 합의 중량비가 약 20 : 80 내지 약 60 : 40, 구체적으로, 약 30 : 70 내지 약 50 : 50 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 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에 의할 때, 이성분 폴리머 섬유에 기인한다. 따라서, 후술되는 차량용 언더바디 커버의 제조 방법 중에서, 제1 섬유상 입자와 이성분 폴리머 섬유의 함량을 상기 범위로 조절하여 상기 함량비를 갖는 중심층을 제조할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 제2 섬유상 입자 100 중량부 대비하여 결착재의 중량은 약 50 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 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에서, 이성분 폴리머 섬유의 코어(core)부와 시스(sheath)부의 함량비를 조절하여, 상기 제2 섬유상 입자와 상기 결착재의 함량비를 구현할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 보론 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 섬유의 예시로, 니켈 섬유, 철 섬유, 스테인리스 스틸 섬유, 구리 섬유, 알루미늄 섬유, 은 섬유, 금 섬유 를 들 수 있다.
구체적으로, 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 섬유강화 복합재는 외부 충격에 강하고, 후술되는 상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 복합재 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 길이가 약 1 mm 내지 약 50 mm일 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 섬유강화 복합재가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 뭉치면서 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
상기 제2 섬유상 입자를 형성할 수 있는 제1 열가소성 수지는, 예를 들어, 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 섬유상 입자를 형성할 수 있는 제1 열가소성 수지는, 예를 들어, 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르일 수 있다.
상기 결착재를 형성할 수 있는 상기 제2 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 예시와 같이 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 선택할 때, 제1 열가소성 수지의 융점이 제2 열가소성 수지의 융점보다 높은 조건을 만족하여야 한다.
또한, 후술되는 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에서 사용되는 이성분 폴리머 섬유의 코어부 및 시스부의 재료가 상기 조건을 만족하도록 각각 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 선택할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 약 160℃ 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 약 200℃ 내지 약 400℃일 수 있다. 제1 열가소성 수지가 상기 범위의 융점을 가지도록 함으로써, 저온 성형시 결착재가 용융된 후에도 섬유상을 유지할 수 있다. 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 160℃ 미만인 경우 섬유상을 유지하기 위해 열 성형 온도를 너무 낮추어야 하거나, 이를 포함하는 상기 다공성 섬유강화 복합재가 추후 열적 안정성이 저하되어 치수의 변형 또는 폴리머 변질 등을 초래할 우려가 있다. 또한, 제2 열가소성 수지와의 온도차이가 지나치게 줄어들 수 있어서 성형 온도를 제어하기 어려울 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 열가소성 수지의 융점이 약 200℃ 미만일 수 있다. 상기 결착재는 제1 섬유상 입자와 제2 섬유상 입자를 묶어주는 역할을 하고, 상기 결착재를 형성하는 상기 제2 열가소성 수지를 제1 열가소성 수지보다 낮은 융점을 갖도록 하여 비교적 낮은 융점을 갖는 물질을 선택하면 낮은 온도에서 용융될 수 있으므로, 저온 성형성을 확보할 수 있다. 상기 결착재는 예를 들어, 저융점 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등을 사용할 있다. 저융점 폴리에스테르가 일반 폴리에스테르에 비해 낮은, 약 100℃에서 약 140℃ 사이에서 용융되고, 폴리프로필렌이 약 160℃에서 용융되기 때문에, 적용하고자 하는 성형 온도에 따라 저융점 폴리에스테르, 구체적으로는 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트, 또는 폴리프로필렌 그리고 폴리에틸렌 등을 적절히 선택할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 제1 열가소성 수지의 비중이 약 1 보다 높다. 후술되는 차량용 언더바디 커버의 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 폴리에스테르와 같은 비중이 1보다 높은 열가소성 수지일 수 있다.
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 섬유강화 복합재는 강도 특성이 우수하고, 후술되는 상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 복합재 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자는 길이가 약 1 mm 내지 약 50 mm일 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 섬유강화 복합재가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 로프 (rope) 상을 형성하여 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재의 기공도가 약 30 내지 약 90 부피%일 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 망목 구조를 형성하면서 열린 기공을 형성한다. 상기 범위의 기공도를 가지도록 한 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 강도를 유지하면서 경량화를 구현할 수 있고, 더불어 우수한 흡차음 성능을 가질 수 있다.
상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재의 열린 기공을 통해 들어오는 음파가 제2 섬유상 입자의 섬유의 진동에 의해 감쇠되는 효과가 있어 흡차음 소재로 응용이 가능하게 된다. 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재의 기공도가 높을 수록, 제2 섬유상 입자의 함량이 높을수록, 그리고 소리의 파동이 통과하는 길이가 길수록 에너지 감쇠 효과가 우수하다. 소리의 파동이 통과하는 길이란, 예를 들어, 똑같은 기공도를 가질 경우라도 소재 자체의 두께가 크거나, 기공의 연결성이 좋은 경우 길어진다. 상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 일정 정도의 기공성을 유지하면서도, 제2 섬유상 입자의 함량을 조절하고, 또한, 소리의 파동이 통과하는 길이를 함께 조절하여 향상된 흡차음 성능을 가지는 소재로서 제조될 수 있다. 특히, 제2 섬유상 입자는 경질의 제1 섬유상 입자에 비해 유연하기 때문에, 소리 에너지 감쇠 효과가 높아서 흡차음 성능 향상에 효과적으로 작용한다.
상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 경량화 구현이 가능함은 전술한 바와 같고, 구체적으로, 그 밀도가 약 0.1 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3일 수 있다.
상기 중심층의 다공성 섬유강화 복합재는 적용하고자 하는 용도에 적합한 중량을 갖도록 제조될 수 있고, 예를 들어, 약 600 g/m2 내지 약 3000 g/m2 의 중량을 가지도록 제조될 수 있다.
상기 피복층은 PET 케미컬 부직포, PP 부직포, 스펀 본딩 부직포, 핫에어 본딩 부직포, 스펀 레이스, 니들 펀칭 부직포와 같은 부직포를 사용할 수 있다. 또한 부직포 이외에 알루미늄 호일 등 단열 표피재나 타공 시트등의 흡음 성능이 강화된 표피재도 적용이 가능하고, 이들의 조합도 가능하다.
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;
상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 복합재 시트를 제조하는 단계;
상기 복합재 시트를 적어도 2장 적층한 뒤, 프레스 성형하여 복합재 예비성형 보드를 제조하는 단계;
상기 복합재 예비성형 보드의 양면에 피복층을 적층시키는 단계;
상기 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드를 승온하여 팽창시키는 단계; 및
상기 팽창된, 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드에 대하여 몰드 프레싱을 수행하여 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버를 제조하는 단계;
를 포함하는 차량용 언더바디 커버의 제조 방법을 제공한다.
상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에 의해 전술한 다공성 섬유강화 복합재를 제조할 수 있다.
상기와 같이 제조된 상기 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버는 중심층, 및 상기 중심층의 양면에 배치된 피복층;을 포함한다.
상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법에 의해 전술한 차량용 언더바디 커버를 제조할 수 있다.
종래에는 에어레이드(Air-laid), 드라이레이드(Dry-laid), 스펀레이스(Spun-lace), 니들펀칭(Needle-punching) 등의 건식 공정을 이용하여, 강화섬유와 열가소성 수지를 혼합하여 플리스(Fleece)와 같은 다공성 복합 소재를 시트나 매트 형태로 제조하는 방법이 알려져 있다. 이런 공정을 통해 복합 소재를 제조할 경우, 첨가제를 적용하기가 어렵고, 분산성이 저하될 수 있는 문제점이 있었다. 이에 반해, 상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법은 습식 초지 공정(Wet-laid)을 이용함으로써, 발포제나 분산제 및 가교제 등의 첨가제 적용이 용이하고, 강도 및 흡차음 성능에 큰 영향을 미치는 분산성이 향상된 다공성 복합재로서의 제조가 가능하다.
상기 차량용 언더바디 커버는 다공성으로 형성됨으로써 중량 감소의 효과를 가질 뿐만 아니라, 다공성 소재가 가지는 통기성 구조로 인해 흡차음 성능 향상된다.
도 3은 상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법 중 복합재 시트를 제조하는 단계에서, 강화 섬유 (4)와 이성분 폴리머 섬유 (5)에 열과 압력을 가해 다공성 강화섬유 복합재 (20)가 형성되는 것을 도시화한 것이다.
상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법 중 제조되는 복합재 시트, 복합재 시트를 적층한 뒤 프레스 성형하여 제조된 복합재 예비성형 보드 및 복합재 예비성형 보드를 팽창한 뒤 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버의 중심층은 도 3에서 나타난 바와 같이 형성된 다공성 강화섬유 복합재 (20)로 이루어진다.
상기 강화 섬유 (4)는 전술하여 설명한 상기 제1 섬유상 입자일 수 있다. 따라서, 상기 강화 섬유 (4)에 대한 상세한 설명은 상기 제1 섬유상 입자에 대하여 설명된 바와 같다. 상기 강화 섬유 (4)는 전술하여 설명한 바와 같이, 무기 섬유 또는 유기 섬유일 수 있다.
상기 이성분 폴리머 섬유 (5)는 코어(core)부 (5a)와 시스(sheath)부 (5b)를 포함하고, 상기 코어부 (5a)는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제2 열가소성 수지 (5b)를 포함한다.
상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높다.
상기 제1 열가소성 수지 및 상기 제2 열가소성 수지에 대한 상세한 설명은 전술하여 설명한 바와 같다.
상기 열처리 및 건조 단계에서 상기 시스부의 제2 열가소성 수지가 용융되어 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 섬유를 열융착으로 결착시킴으로써 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조가 형성된다.
상기 시스부의 제2 열가소성 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 차량용 언더바디 커버의 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 50 중량부 내지 약 250 중량부일 수 있다.
상기 차량용 언더바디 커버의 제조 방법은 화학적으로 소수성을 띠는 열가소성 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 다공성 섬유강화 복합재를 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, 상기 강화 섬유 또는 상기 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 상기 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 섬유강화 복합재의 목적하는 물성에 따라, 강화 섬유와 이성분 폴리머 성분의 함량비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 성분의 중량비가 약 20 : 80 내지 약 60 : 40, 구체적으로, 약 30 : 70 내지 약 50 : 50 일 수 있다.
구체적으로, 상기 차량용 언더바디 커버의 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 차량용 언더바디 커버의 제조 방법은 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 수행함으로써 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 차량용 언더바디 커버의 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 시트 형상으로 건조되어 복합재 시트 형성 후 수분이 남아있게 되거나, 복합재 시트가 고정된 성상을 가지기 어렵습니다. 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 입자로 최종 제조된 차량용 언더바디 커버의 중심층 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 복합재 예비성형 보드 및 최종 제조된 차량용 언더바디 커버의 중심층은 섬유 성분에 일 방향에 대한 배향성을 부여함으로써 그 일 방향에 대항 강도를 더욱 강화할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 섬유상 입자의 함량이 높아짐에 따라 치수 안정성 측면에서는 불리할 수 있고, 이를 보강하기 위하여 배향성을 부여할 수 있다.
이와 같이, 상기 최종 제조된 차량용 언더바디 커버의 중심층은 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 0 내지 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 슬러리 용액으로부터 웹을 거쳐 형성된 복합재 시트는 섬유상 입자들의 분산성이 좋으면 복합재 시트 내 두께 편차가 낮아진다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 좋을수록 섬유상 입자들이 뭉치는 부분이 적게 되고, 반대로 상기 섬유상 입자들의 분산성이 떨어지는 경우 섬유상 입자들이 뭉쳐있게 된다. 섬유상 입자들이 뭉쳐있게 되면 그 부분에 해당되는 복합재 시트의 두께가 높아진다. 따라서, 섬유상 입자들의 분산성이 우수한 복합재 시트는 일정한 두께를 가지게 된다. 즉, 섬유상 입자들의 분산성이 우수한 복합재 시트 내 두께 편차가 낮아지게 된다.
일 구현예에서, 상기 복합재 시트는 복합재 시트 내 두께 편차가 약 2 mm 이하일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 복합재 시트는 복합재 시트 내 두께 편차가 약 0.3 mm 이하일 수 있다.
상기 '복합재 시트 내 두께 편차'는 하나의 복합재 시트가 가지는 최대 두께와 최소 두께의 차이를 의미한다.
상기 복합재 예비성형 보드는 적어도 2장 이상의 여러 장의 복합재 시트를 압착시켜 형성되고, 구체적으로, 최종제품의 목적하는 단위면적당 중량에 맞게 몇장을 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 복합재 예비성형 보드를 제조할 수 있다.
상기 차량용 언더바디 커버는 이와 같이 복합재 예비성형 보드를 먼저 성형한 뒤, 다시 상기 복합재 예비성형 보드를 승온 및 팽창시켜 몰드 성형하여 제조함으로써, 얻어지는 이점이 있다.
그 중 하나는, 상기 복합재 예비성형 보드를 승온시켜 팽창하는 정도를 적절히 조절하여 다양한 두께로 최종 성형품을 제조할 수 있다. 예를 들어, 팽창 높이가 10mm이면 1~8mm로 성형이 가능하지만, 팽창 높이가 6mm이면 1~5mm 정도로만 성형이 가능하다.
언더바디 커버 제품의 경우 두께가 두꺼운 부분은 상대적으로 밀도가 낮기 때문에 흡차음 성능이 우수한 반면, 두께가 얇은 부분은 밀도가 높아서 섬유간 결착력이 향상되어 인장 및 굴곡 강도에서 우수한 물성을 보입니다. 따라서, 적절히 다양한 두께를 가지도록 최종 제품을 생산할 필요가 있다.
상기 차량용 언더바디 커버는 상기 복합재 예비성형 보드를 이용하여 다양한 두께를 가지도록 제조될 수 있기 때문에, 흡음 성질과 우수한 강도 구현의 물성 조절이 유리하다.
구체적으로, 상기 차량용 언더바디 커버는 강도가 중요한 나사 체결 부위나 트림 부위는 2mm 이하로 성형이 되고, 밀도가 100% 가까운 두께로 성형을 하고 상대적으로 강도가 중요하지 않은 부위 (중심부 등)는 3.5mm 이상의 두께로 성형할 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 프레스 성형은 약 100 내지 약 180℃의 온도에서 약 1 내지 약 30bar 의 압력을 가하여 상기 복합재 시트를 라미네이팅 성형하여 복합재 예비성형 보드를 제조할 수 있다.
상기 열프레스 성형은 더블벨트프레스 성형에 의해 연속적으로 복합재 예비성형 보드가 제조될 수 있도록 수행할 수 있다.
상기 복합재 예비성형 보드의 밀도가 약 0.2 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3 일 수 있다. 상기 복합재 예비성형 보드의 밀도를 상기 범위가 되도록 압착 제조되어, 이후 추가 성형에 의해 구현된 제품에서 보다 우수한 강도를 구현할 수 있다. 상기 복합재 예비성형 보드의 밀도가 0.2 g/cm3 미만이면, 상기 복합재 예비성형 보드를 예열하여 최종제품을 제조 시에 표면-중심부의 열 전달 분포 (용융 정도)가 달라져 물성의 저하를 야기할 수 있고, 상기 복합재 예비성형 보드의 밀도가 1.6 g/cm3 초과하게 되면, 추후 몰드 성형시 밀도를 높이기 위해 그만큼 고압이 필요하게 되므로 프레스 작업 시 유리 섬유가 깨질 수 있어서 물성저하를 야기할 수 있다.
상기 복합재 예비성형 보드는 두께가 약 0.5mm 내지 약 10mm 로 제조될 수 있다.
이와 같이 상기 복합재 예비성형 보드는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산되어 제조된다.
상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 수지 중에 잘 분산되면 섬유와 수지간의 결합력이 높아지게 되어 복합재 시트, 복합재 예비성형 보드 및 이로부터 제조된 차량용 언더바디 커버의 강도가 향상된다.
상기 차량용 언더바디 커버의 중심층은 이와 같이 알아낸 분산성과 강도의 사이의 상관 관계에 근거하여, 섬유상 입자들의 분산을 향상시킴으로써 강도 향상의 효과를 얻어낸다.
상기와 같이 압착되어 제조된 상기 복합재 예비성형 보드는 섬유 입자들의 분산도가 우수하여 복합재 예비성형 보드 전체에 걸쳐서 고르게 우수한 기계적 물성 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 복합재 예비성형 보드는 여러 지점에서 충격 강도 특성을 평가하여도 고르게 우수한 충격 강도 결과를 나타낸다. 구체적으로, 상기 복합재 예비성형 보드에 대하여 ASTM D3763 기준에 따른 낙구 충격 테스트를 수행하여 얻은 충격 강도에 있어서, 하나의 복합재 예비성형 보드 내에서 얻어진 충격 강도의 최대값과 최소값의 차이가 0.2 J/mm 이하일 수 있다. 이는 다시 말하면, 상기 복합재 예비성형 보드는 상기 복합재 예비성형 보드 내 임의의 2 지점에서 측정한 ASTM D3763에 의한 충격 강도의 차이가 0.2 J/mm 이하일 수 있다는 의미이다.
상기 복합재 예비성형 보드를 거쳐 최종 차량용 언더바디 커버로 제조하게 되면, 얻어진 최종 차량용 언더바디 커버는 더욱 우수한 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮아서 경량화를 구현할 수 있다.
상기 복합재 예비성형 보드는 프레스 성형에 의해 압착된 상태로 제조된 중간재로서, 구체적으로, 압착의 정도는 약 140℃ 내지 약 240℃에서 약 0.5분 내지 약 10분 동안 방치 시 초기 부피 대비 200 내지 600 부피%, 구체적으로 400 내지 600 부피% 의 팽창률을 가지는 수준일 수 있다.
상기 복합재 예비성형 보드는 전술한 바와 같이 압축된 상태로 제조되고, 이후, 로프팅 (lofting)과 같이 추가 성형 공정에 의해 팽창시켜 몰딩 성형될 수 있다. 상기 복합재 예비성형 보드에서, 결착재가 탄성을 가지는 섬유상 입자들을 바인딩하고 있고, 승온시 결착재의 제2 열가소성 수지가 연화 (Softening) 되거나 용융 (Melting)되면서, 섬유상 입자들의 결착력이 완화 (relaxation)되면서 발생하면서 상기 복합재 예비성형 보드가 팽창하게 된다.
상기 복합재 예비성형 보드에서, 우수한 기계적 물성을 나타내는 제1 섬유상 입자의 적절한 함량에 대하여, 적절한 제2 섬유상 입자의 함량비를 배합시킴으로써 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자의 섬유상 입자들이 서로 얽혀 있게 됨으로써 응력이 걸려있는 섬유의 비율이 보다 높아지게 되어 팽창성 향상에 기여하게 된다. 더불어, 열가소성 수지의 제2 섬유상 입자가 존재함으로써 또한 팽창성 향상에 기여하게 된다.
이와 같이, 상기 복합재 예비성형 보드는 이어지는 몰딩 성형 공정에서 우수한 팽창성을 발휘할 수 있어서 몰딩 성형시 다양한 두께로 성형이 가능하다.
이러한 팽창성을 극대화 시키기 위해, 별도의 팽창제를 첨가하기도 한다. 전술한 바와 같이, 상기 복합재 예비성형 보드는 팽창성이 우수하기 때문에, 팽창제를 포함하지 않고도 추후 몰딩 성형시 소정의 수준으로 팽창시켜 성형이 가능하다. 따라서, 상기 복합재 예비성형 보드는 특정한 목적을 위해서 팽창제를 포함할 수도 있겠지만, 상기 복합재 예비성형 보드는 팽창제를 포함하지 않을 수도 있다.
상기 복합재 예비성형 보드의 양면에 적층시키는 피복층은 PET 케미컬 부직포, 스펀 본딩 부직포, 핫에어 본딩 부직포와 같은 부직포를 사용할 수 있다.
상기 피복층은 접착제를 이용하여 상기 복합재 예비성형 보드에 합착시킬 수 있고, 그 경우, 최종 얻어진 차량용 언더바디 커버는 상기 중심층 사이에 상기 피복층과 상기 중심층을 부착하는 접착층을 더 포함한다.
이어서, 상기 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드를 승온하여 팽창시키고, 구체적으로, 약 140 내지 약 240℃의 온도에서 약 0.5분 내지 약 10분 동안 방치시켜 수행될 수 있다. 승온에 의해 상기 피복층 사이에 개재된 상기 복합재 예비성형 보드가 팽창되며, 팽창의 정도는 이후, 몰드 프레싱 공정 조건 및 최종 얻고자 하는 차량용 언더바디 커버의 물성에 따라, 승온 온도 및 시간에 의해 조절될 수 있다.
상기 복합재 예비성형 보드를 승온하여 팽창시키게 되면 포함된 기공이 커지게 되면서 기공률도 높아지게 된다.
상기 복합재 예비성형 보드를 승온하여 팽창시켜서 약 200 내지 약 600 부피% 팽창시의 기공률이 약 50 내지 약 90 부피%일 수 있다.
열린 기공 및 상기 범위의 기공률을 갖는 복합재 예비성형 보드를 이용하여 제조된 상기 차량용 언더바디 커버는 우수한 흡차음 성능 조건을 만족시킬 수 있다.
이어서, 상기와 같이 팽창된 복합재 예비성형 보드의 양면에 피복층이 적층된 적층물에 대하여 몰드 프레싱을 수행하여 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버를 제조한다.
상기 몰드 프레싱 공정은 약 5 내지 약 100℃의 온도에서 약 1 bar 내지 약 100 bar의 압력을 가하여 수행할 수 있다. 상기 몰드 프레싱 공정 조건은 제한되지 않고, 얻고자 하는 차량용 언더바디 커버의 물성에 따라 적절히 조절할 수 있다.
또 다른 구현예에 따라 상기 차량용 언더바디 커버를 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 시트 형상의 복합 소재는 용도에 따라 잘라 낸 후 적층하고 이를 열압착 프레스를 통해 판상의 약 0.5 mm 내지 약 10 mm 두께의 복합재 예비성형 보드를 제조한다.
복합재 예비성형 보드 성형 시 온도는 저융점 폴리에스테르 시스부로 구성된 이성분 섬유를 사용할 경우 일반적인 폴리프로필렌 시스부로 구성된 이성분 폴리머 섬유에 비해 낮은 온도에서 성형이 가능하다.
상기 복합재 예비성형 보드의 상부 및 하부에 적용하고자 하는 피복층을 형성할 재료, 예를 들어, PET 케미컬 부직포, 스펀 본딩 부직포 또는 핫에어 본딩 부직포와 같은 부직포를 상기 복합재 예비성형 보드의 양면에 적층한 적층체를 적외선 오븐에서 승온시켜 상기 복합재 예비성형 보드를 팽창시킨 후, 상온의 프레스로 이송한 뒤, 압력을 가하여 차량용 언더 커버를 제조할 수 있다.
상기 적층체는 전술한 바와 같이 피복층과 중심층 사이에 필요에 따라서는 선택적으로 접착층을 개재시켜 고정할 수 있고, 이후 냉간 성형(cold press)에 의해 합착할 수 있다.
도 4는 상기 일 구현예에 따라 설명된 차량용 언더 커버의 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 폴리에스테르 코어부와 저융점 폴리에스테르 시스부가 50:50의 중량비를 가지면서, 수계 분산성 확보를 위해 길이 5mm, 두께 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 섬유를 준비하였다. 유리 섬유는 수계 분산에 적합하도록 코팅된 13㎛의 단면 직경의 유리 섬유를 13mm 길이로 잘라서 준비하였다. 상기 유리 섬유 40 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 60 중량부로 배합하고, 이를 염산으로 PH가 2로 조절된 수용액 내에서 1 시간 동안 교반하였다. 이 때, 유리 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 건조시켜 복합재 시트를 제조하였다. 건조된 복합재 시트는 120 g/m2으로 대략 1.5mm 두께를 나타내었다. 복합재 시트를 1200 g/m2이 되도록 10장 적층한 후, 170℃, 5 bar 에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 1.5mm 두께의 복합재 예비성형 보드로 성형하였다. 이렇게 제조된 복합재 예비성형 보드를 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 몰드 프레스로 이송한 다음 1bar 압력을 가하여 몰드 프레싱을 수행하여 평균적으로 2.0mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 2
실시예 1에서 사용한 유리 섬유 대신, 폴리에스테르 수지와 결합력이 향상될 수 있도록 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 유리 섬유를 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.0mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 3
실시예 2에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 유리 섬유 10 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 90 중량부로 배합한 점을 제외하고 실시예 2에서와 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.0mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 4
실시예 2에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 유리 섬유 90 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 10 중량부로 배합한 점을 제외하고 실시예 2에서와 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.0mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 5
이성분 폴리머 섬유는 폴리에스테르 코어부와 저융점 폴리에스테르 시스부가 50:50의 중량비를 가지면서, 수계 분산성 확보를 위해 길이 5mm, 두께 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 섬유를 준비하였다. 유리 섬유는 수계 분산에 적합하도록 코팅된 13㎛의 단면 직경의 유리 섬유를 13mm 길이로 잘라서 준비하였다. 상기 유리 섬유 40 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 60 중량부로 배합하고, 이를 염산으로 PH가 2로 조절된 수용액 내에서 1 시간 동안 교반하였다. 이 때, 유리 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 건조시켜 복합재 시트를 제조하였다. 건조된 복합재 시트는 120 g/m2으로 대략 1.5mm 두께를 나타내었다. 복합재 시트를 1200 g/m2이 되도록 10장 적층한 후, 170℃, 5 bar 에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 2mm 두께의 복합재 예비성형 보드로 성형하였다. 이렇게 제조된 복합재 예비성형 보드를 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 몰드 프레스로 이송한 다음 1bar 압력을 가하여 몰드 프레싱을 수행하여 평균적으로 2.5mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 6
실시예 5에서 사용한 유리 섬유 대신, 실시예 2에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 유리 섬유를 사용한 점을 제외하고, 실시예 5와 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 5에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.5mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 7
실시예 6에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 유리 섬유 10 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 90 중량부로 배합한 점을 제외하고 실시예 6에서와 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 6에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.5mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
실시예 8
실시예 6에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 유리 섬유 90 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 10 중량부로 배합한 점을 제외하고 실시예 6에서와 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 6에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.5mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
비교예 1
유리 섬유는 수계 분산에 적합하도록 코팅된 13㎛의 유리 섬유를 13mm길이로 잘라서 준비하였다. 상기 유리 섬유 40 중량부 및 길이 5mm, 두께 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)의 폴리프로필렌 섬유 60 중량부로 배합하고, 이를 염산으로 PH가 2로 조절된 수용액 내에서 1시간 동안 교반하였다. 이 때, 유리 섬유와 폴리프로필렌 섬유의 섬유 총량은 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 건조시켜 복합재 시트를 제조하였다. 건조된 복합재 시트는 120 g/m2으로 대략 1.5mm 두께를 나타내었다. 복합재 시트를 1200 g/m2이 되도록 10장 적층한 후, 170℃, 5 bar 에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 1.5mm 두께의 복합재 예비성형 보드로 성형하였다. 이렇게 제조된 복합재 예비성형 보드를 IR오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가했다. 이때 가해지는 압력은 몰드 내에서 보드가 나오지 않을 정도의 압력인 1bar를 가하여 몰드 프레싱을 수행하여 평균적으로 2.0mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
비교예 2
비교예 1에서 사용한 유리 섬유 대신, 실시예 2에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 실란 코팅 처리한 유리 섬유를 사용한 점을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 비교예 1에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.0 mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
비교예 3
비교예 1에서 사용한 유리 섬유 40 중량부 및 폴리프로필렌 섬유 60 중량부를 배합하고, 건식 니들펀칭 공정을 이용하여 복합재 시트를 600g/m2으로 제조하고, 이어서 복합재 시트 2장을 적층하여 170℃, 1bar 에서 핫 프레스 (Hot press) 공정으로 몰드 성형하여 평균적으로 2.0 mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
비교예 4
유리 섬유는 수계 분산에 적합하도록 코팅된 13㎛의 유리 섬유를 13mm길이로 잘라서 준비하였다. 상기 유리 섬유 40 중량부 및 길이 5mm, 두께 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)의 폴리프로필렌 섬유 60 중량부로 배합하고, 이를 염산으로 PH가 2로 조절된 수용액 내에서 1시간 동안 교반하였다. 이 때, 유리 섬유와 폴리프로필렌 섬유의 섬유 총량은 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 건조시켜 복합재 시트를 제조하였다. 건조된 복합재 시트는 120 g/m2으로 대략 1.5mm 두께를 나타내었다. 복합재 시트를 1200 g/m2이 되도록 10장 적층한 후, 170℃, 5 bar 에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 2mm 두께의 복합재 예비성형 보드로 성형하였다. 이렇게 제조된 복합재 예비성형 보드를 IR오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가했다. 이때 가해지는 압력은 몰드 내에서 보드가 나오지 않을 정도의 압력인 1bar를 가하여 몰드 프레싱을 수행하여 평균적으로 2.5mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
비교예 5
비교예 4에서 사용한 유리 섬유 대신, 실시예 2에서 사용한 표면에 특수하게 실란 코팅 처리한 실란 코팅 처리한 유리 섬유를 사용한 점을 제외하고, 비교예 4와 동일한 방법으로 복합재 시트를 제조한 뒤, 이어서, 비교예 4에서와 동일한 방법으로 복합재 예비성형 보드를 성형한 뒤, 이를 다시 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 평균적으로 2.5 mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
비교예 6
비교예 4에서 사용한 유리 섬유 40 중량부 및 폴리프로필렌 섬유 60 중량부를 배합하고, 건식 니들펀칭 공정을 이용하여 복합재 시트를 600g/m2으로 제조하고, 이어서 복합재 시트 2장을 적층하여 170℃, 1bar 에서 핫 프레스 (Hot press) 공정으로 몰드 성형하여 평균적으로 2.5 mm 두께로 형성된 차량용 언더바디 커버를 완성하였다.
평가
실험예 1
실시예 1-8 및 비교예 1-8에서 제조된 차량용 언더바디 커버에 대하여, 인장 강도, 인장 탄성률, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률의 기계적인 물성을 비교하였다. 인장 강도와 굴곡 강도는 실시예 1-4 및 비교예 1-4에서 제조된 차량용 언더바디 커버를 각각 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 측정하였다.
인장 강도 및 인장 탄성률은 차량용 언더바디 커버가 2 mm 두께를 갖는 샘플에 대하여 ASTM D638 기준으로 측정하였고, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률은 차량용 언더바디 커버가 2.5mm 두께를 갖는 샘플에 대하여 ASTM D790 기준으로 측정하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 기재하였다.
구분 인장강도 (MPa) 인장탄성률 (GPa)
실시예 1 33 2.5
실시예 2 56 3.4
실시예 3 22 1.5
실시예 4 43 2.7
비교예 1 23 1.7
비교예 2 38 3.1
비교예 3 17 1.2
구분 굴곡강도 (MPa) 굴곡탄성률 (GPa)
실시예 5 23 1.9
실시예 6 26 1.6
실시예 7 15 1.4
실시예 8 17 1.5
비교예 4 17 0.9
비교예 5 22 1.5
비교예 6 17 0.8
실시예 2의 유리 섬유의 함량에 비해 실시예 4의 유리 섬유의 함량이 높지만, 오히려 실시예 2의 인장 강도가 가장 높음을 확인하였다. 인장 탄성률은 유리 섬유 자체가 가지는 높은 인장 탄성률 값으로 인해 함량이 높아질수록 높은 값을 보여야 하지만, 오히려 실시예 2가 실시예 4 보다 높다. 이로부터, 유리 섬유의 함량이 증가할수록 강도 향상에 기여하지만, 일정 함량 이상에서는 더 이상의 강도 향상을 가져오지 않기 때문에 최대 기계적 물성을 가져오는 최적의 함량이 실시예 2의 유리 섬유 함량 수준일 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 복합재 예비성형 보드의 샘플 및 비교예 3의 차량용 언더바디 커버의 샘플을 준비하였다. 샘플 각각에서 임의로 선택된 5개의 지점에서 충격 강도를 측정하였다.
충격 강도 평가 방법은 충격 에너지 흡수능에 대하여 평가로서, 각 샘플의 복합재 예비성형 보드 (실시예 1 및 비교예 1) 또는 차량용 언더바디 커버 (비교예 3)을 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 낙구 충격 테스트를 실시하였다. 낙구 충격 테스트는 상온에서 ASTM D3763 기준으로 측정하였다.
결과를 표 3에 기재하였다.
충격강도 측정
[Total NTT (J/mm)]		 실시예 1 비교예 1 비교예 3
지점 1 1.8 1.6 1.7
지점 2 1.9 1.8 1.9
지점 3 1.7 1.4 2.1
지점 4 1.8 2.0 1.8
지점 5 1.8 1.6 1.2
최대 차이 = {최대값-최소값} 0.2 0.6 0.9
실시예 1은 임의의 5 지점에 대한 충격 강도 결과가 고르게 나타남에 반해, 비교예 1은 임의의 5 지점에 대한 충격 강도 결과가 차이를 나타내고 있다. 이로부터, 실시예 1은 섬유상 입자들의 분산이 우수하여 복합재 예비성형 보드 전체적으로 우수한 물성을 가짐을 확인할 수 있고, 비교예 1은 섬유상 입자가 뭉쳐있는 지점에서는 우수한 충격 강도를 나타냄에 반해, 섬유상 입자의 밀도가 낮아진 것으로 예상되는 지점에서는 충격 강도가 떨어진 것으로 예상된다.
실험예 3
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 3에서 제조된 차량용 언더바디 커버에 대하여, 흡음성능 물성을 비교하였다.
흡음성능은 차량용 언더바디 커버가 2 mm 두께를 갖는 샘플에 대하여 KS2816-2 기준으로 측정하였다. 결과를 표 4에 기재하였다.
구분 평균흡음계수
실시예 1 0.19
비교예 1 0.17
비교예 3 0.14
실시예 1과 비교예 1 및 비교예 3의 각각의 샘플 내의 유리섬유와 폴리머 중량비는 같지만 실시예 1의 흡음성능이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
흡음성능의 경우 외부로부터 소음이 언더바디 커버에 도달하였을 때 소재 내의 섬유진동 및 기공에 의해서 흡음효과가 발현되게 된다. 실시예 1의 경우 최종성형 후에도 유리 섬유 뿐만 아니라 이성분 폴리머 섬유의 코어부 부분이 남아 존재함으로 인해 섬유진동효과를 높여 흡음성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 비교예 3의 경우보다 유리 섬유의 분산성이 높아 기공의 분포가 고르기 때문에 높은 흡음 성능을 나타냄을 알 수 있다.
도 5는 비교예 1 (왼쪽 사진) 및 실시예 1 (오른쪽 사진)의 복합재 예비성형 보드의 내부의 SEM 사진이다. 실시예 1에서, 유리 섬유와 함께 이성분 폴리머 섬유의 코어부가 섬유상 입자를 유지하고 있음에 반해 비교예 1에서는 프로필렌 섬유상은 섬유의 형태를 유지하지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 실시예 1은 이성분 폴리머 섬유의 코어부가 섬유상을 유지하므로, 열성형 후에도 소재 내 섬유상 입자의 함량이 비교예 1에 비해 높아졌음을 확인하였다.
도 6은 실시예 1 (왼쪽 사진) 및 실시예 2 (오른 쪽 사진)의 복합재 예비성형 보드의 파단면 (인장 실험 후)에서 유리 섬유의 단면을 확대한 SEM 사진이다.
실시예 2의 경우, 결합력 향상을 위해 폴리머와의 화학적 친화력이 향상되도록 실란 계열의 화합물로 표면처리된 유리섬유가 사용되었는데, 도 4에서와 같이 성형 후 유리 섬유와 폴리머의 화학적 결합력이 향상되었음을 확인하였다. 실시예 2는 실시예 1에 비해 파단 후 강화 섬유 (유리 섬유) 표면에 수지 (이성분 폴리머 섬유의 시스부의 수지 물질)가 지저분하게 붙어있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 강화 섬유 (유리 섬유)와 수지가 화학적으로 결합을 하고 있기 때문이다. 이와 같이, 강화 섬유와 수지가 화학적으로 결합을 하고 있는 경우 파단 시 강화 섬유가 수지에서 이탈(뽑힘)하면서 결함(defect)이 생기는 현상을 최소화 할 수 있다. 그 결과, 실시예 1의 경우에 비해 인장강도 향상이 가능하다.
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.
1: 제1 섬유상 입자
2: 제2 섬유상 입자
3: 결착재
4: 강화 섬유
5: 이성분 폴리머 섬유
5a: 코어부
5b: 시스부
10: 중심층
20: 다공성 강화섬유 복합재
30, 40: 피복층
50: 접착층
100: 차량용 언더바디 커버

Claims (34)

  1. 중심층; 및 상기 중심층의 양면에 배치된 피복층;을 포함하고,
    상기 중심층은 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 무기 섬유 또는 유기 섬유이고,
    상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높고,
    상기 중심층에서, 상기 제1 섬유상 입자의 함량 대 상기 제2 섬유상 입자와 상기 결착재의 함량의 합의 중량비가 20 : 80 내지 60 : 40 이고,
    상기 제1 열가소성 수지의 비중이 1보다 큰
    차량용 언더바디 커버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심층에서,
    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
    차량용 언더바디 커버.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중심층에서,
    상기 제2 섬유상 입자 100 중량부 대비하여 상기 결착재의 중량은 50 중량부 내지 250 중량부인
    차량용 언더바디 커버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 일 방향 배향성을 갖는
    차량용 언더바디 커버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 보론 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    차량용 언더바디 커버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 단면 직경이 5 ㎛ 내지 40 ㎛
    차량용 언더바디 커버.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 길이가 1 mm 내지 50 mm인
    차량용 언더바디 커버.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    차량용 언더바디 커버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    차량용 언더바디 커버.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 수지의 융점이 160℃ 이상인
    차량용 언더바디 커버.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열가소성 수지의 융점이 200℃ 미만인
    차량용 언더바디 커버.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자는 단면 직경이 5 ㎛ 내지 30 ㎛
    차량용 언더바디 커버.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자는 길이가 1 mm 내지 50 mm인
    차량용 언더바디 커버.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 중심층의 기공도가 30 내지 90 부피%인
    차량용 언더바디 커버.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 중심층의 밀도가 0.1 g/cm3 내지 1.6 g/cm3 인
    차량용 언더바디 커버.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 중심층은 600 g/m2 내지 3000 g/m2 의 평량을 갖는
    차량용 언더바디 커버.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 피복층은 부직포, 단열 표피재, 타공 시트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    차량용 언더바디 커버.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 피복층과 상기 중심층 사이에 상기 피복층과 상기 중심층을 부착하는 접착층을 더 포함하는
    차량용 언더바디 커버.
  21. 강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계;
    상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계;
    상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시켜 복합재 시트를 제조하는 단계;
    상기 복합재 시트를 적어도 2장 적층한 뒤, 프레스 성형하여 복합재 예비성형 보드를 제조하는 단계;
    상기 복합재 예비성형 보드의 양면에 피복층을 적층시키는 단계;
    상기 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드를 승온하여 팽창시키는 단계; 및
    상기 팽창된, 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드에 대하여 몰드 프레싱을 수행하여 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버를 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 강화 섬유는 무기 섬유 또는 유기 섬유이고,
    상기 이성분 폴리머 섬유는 코어(core)부와 시스(sheath)부를 포함하고,
    상기 코어부는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제2 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높고,
    상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 성분의 중량비가 20 : 80 내지 60 : 40 이고,
    상기 이성분 폴리머 섬유의 코어부의 비중이 1보다 큰
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 몰드 성형된 차량용 언더바디 커버는 중심층, 및 상기 중심층의 양면에 배치된 피복층;을 포함하는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 제21항에 있어서,
    상기 산 수용액 1L당 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 총 함량이 0.1 g 내지 10 g이 되게 혼합하는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시키는 단계는 100 내지 180℃에서 수행하는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 복합재 시트는 상기 복합재 시트 내 두께 편차가 2 mm 이하인
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 프레스 성형은 100 내지 180℃의 온도에서 1 내지 30bar 의 압력을 가하여 상기 복합재 시트를 열프레스 성형하여 복합재 예비성형 보드를 제조하는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 복합재 예비성형 보드의 밀도가 0.2 g/cm3 내지 1.6 g/cm3 인
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 복합재 예비성형 보드는 기공률이 5 내지 80 부피%인
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  31. 제21항에 있어서,
    상기 복합재 예비성형 보드는 상기 복합재 예비성형 보드 내 임의의 2 지점에서 측정한 ASTM D3763에 의한 충격 강도의 차이가 0.2 J/mm 이하인
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  32. 제21항에 있어서,
    상기 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드를 140 내지 240℃의 온도로 승온하여 팽창시키는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  33. 제21항에 있어서,
    상기 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드 승온하여 초기 부피 대비 200 내지 600 부피% 팽창시키는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
  34. 제21항에 있어서,
    상기 팽창된, 양면에 피복층이 적층된 복합재 예비성형 보드에 대하여 5 내지 100℃의 온도에서 1bar 내지 100bar의 압력을 가하여 몰드 프레싱을 수행하는
    차량용 언더바디 커버의 제조 방법.
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