KR20010023131A - 보강 부품용 고성능 구조 포움 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고성능 구조 포움은 플라스틱 부품과 같은 보강 부품에 사용된다. 포움은 사전 성형된 부품과 함께 사용하도록 주위 온도에서 또는 상승된 온도에서 모울드내 용도로 제형될 수 있다. 여러 성분이 포움의 성질을 조절하기 위해 사용된다.

Description

보강 부품용 고성능 구조 포움 {HIGH PERFORMANCE STRUCTURAL FOAM FOR STIFFENING PARTS}

구조 포움은 매우 낮은 중량에 대한 구조적 요건을 부합시키는 저렴한 수단이다. 이는 자동차 산업에서 금전을 의미한다.

구조 성분으로서 플라스틱의 용도는 자동차 제조시 매년 증가해 왔다. 플라스틱은 경량이며, 내부식성이며, 일부 경우에서는 재생가능하다. 이러한 플라스틱에는 강도면에서 및 승온 뒤틀림면에서 불이익이 따르게 된다. 공지된 플라스틱 재료에는 시이트 성형된 혼합(ASMC@) 및 ABS 재료가 포함된다. 특정 적용시, 플라스틱의 강도는 충분하지 않거나, 플라스틱의 중량이 지나치게 높다. 따라서, 이러한 플라스틱 재료를 구조적으로 보강하기 위한 특정 수단이 제공되는 경우가 바람직할 수 있다. 또한, 이러한 수단이 플라스틱 이외의 재료에 대해 사용되고, 자동차 산업 이외의 용도로 사용될 수 있는 경우에 바람직하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상기 요건에 부합하는 구조 포움을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 가열시 경화되거나 다르게는 주위 온도에서 경화될수 있는 이러한 구조 포움을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 고성능 구조 포움은 플라스틱과 같은 보강 부품에 제공된다. 이러한 부품은 사전 성형되거나, 채널 성형되거나, 단순히 보강을 요하는 어떠한 형상의 구조적 부재로 될 수 있다. 구조 포움은 팽창할 수 있는 2성분 신택틱(syntactic) 재료인 것이 바람직하다. 구조 포움은 바람직하게는 유리, 세라믹 또는 플라스틱 비드와 같은 비드를 포함하여 목적하는 점도를 제공하고 중량 및 비용을 절감시킨다. 발포제는 포움이 팽창가능한 경우에 사용될 수 있다. 구조 포움은 또한 바람직하게는 유동화제를 포함하여 재료의 흐름을 조절한다. 경화 시스템은 재료의 중합체 성질을 조절하는데 사용된다. 추가로, 구조 포움은 희석제, 충전제 표면 처리, 고무 및 섬유뿐만 아니라 그 밖의 첨가제를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 구조 포움에 의해 보강된 대표적인 플라스틱 부품을 나타내는 상부 평면도이다.

도 2는 팽창되지 않은 상태의 상기 포움을 가지는 도 1에 도시된 부품의 정면 단면도이다.

도 3은 팽창된 포움을 가지는 도 2와 유사한 도면이다.

도 4는 본 발명의 구조 포움에 의해 보강된 또 다른 대표적인 플라스틱 부품의 상부 평면도이다.

도 5는 팽창되지 않은 상태의 포움을 가지는 도 4에 도시된 부품의 정면 단면도이다.

도 6은 팽창된 상태의 포움을 나타내는 도 5와 유사한 도면이다.

도 7은 본 발명을 사용하는 픽업 트럭 베드(pickup truck bed)의 투시도이다.

본 발명은 일반적으로 사전 성형된 부품에 중공부를 충전시키기 위해, 승온 또는 주위 온도 적용시에 금형내 사용을 위해 제형화될 수 있는 2성분 제형에 관한 것이다. 이의 광범위 적용에 있어서, 제형으로부터 형성된 포움은 중공 관형 부재, 개방 상단을 가지는 채널 형상 부재에, 판형 부재의 측부를 따라 또는 이러한 부재의 외측 주변에 강화제로서 사용될 수 있다. 보강되는 특정 부품은, 어느 정도 그의 형태, 치수 및 재료가 포움으로 될 최종 제형에 대해 영향을 미칠 것이나, 중요한 것은 아니다. 이러한 포움은 특히 플라스틱 부품용 강화제 또는 보강제로서 의도된다. 그러나, 이의 광범위한 측면에 있어서, 본 발명은 금속(예를 들어, 강) 및 유리 섬유를 포함하여 기타 유형의 재료로 제조된 강화 또는 보강 부품을 위해 실시될 수 있다.

본 발명의 실시에서, 포움은 결합하여 그것이 보강하는 부품과 친밀하게 접촉하게 된다.

일반적으로, 포움은 포움이 가열하에 경화되는 이형제를 포함할 것이다. 포움이 팽창가능한 것이 반드시 필요한 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 실시에서, 물리적 또는 화학적 발포제가 포움을 팽창시키는 데 사용될 수 있다. 상이한 반응 경화율이 사용되어 상이한 가공 요건에 부합하는 상이한 포움을 생성시킬 것이다. 유사하게, 포움 생성물의 밀도 또한 다양할 수 있다. 포움의 밀도는 요구되는 강도에 부합하여 선택된다. 예를 들어, 포움이 경량일수록, 더 약하게 된다. 포움은 중량에 비해 상당히 높은 압축 강도 및 압축율을 갖는, 0.3 이하의 비중으로 제조될 수 있다.

본 발명의 실시에서 제형을 조절하는 인자는 다수이다. 가열 성형 제형은 100℉ 이상에서와 같이 고온에서 반응하는 서서히 경화되는 물리적 발포제, 서서히 경화되는 발포제, 내부 이형제를 요한다. 실온으로 간주되는 예를 들어 77℉에서 경화하는 주위 온도 생성물은 그 반대를 요한다. 이러한 생성물은, 사전 성형 부품에 사용되어야 하기 때문에 이형제를 가질 필요가 없다. 경화의 반응열은, 발포제는 반응하지만 부품은 용융되지 않도록 선택되어야 한다. 또한, 부품에 사용되는 실제량은 강도 요건에 충분하도록 높아야 하지만 비용 효과적인 면에서는 충분히 낮아야 한다. 바람직하게는, 포움은 부품 강도가 충분하지 않은 곳에만 사용된다. 따라서, 포움은 이격된 위치에 배치되어 필요한 부품만을 지지할 수 있다.

밀도 및 강도는 상반되는 인자이다. 중공 비드, 섬유 및 예를 들어 포움내 티타네이트를 혼입시키므로써, 강도 및 모듈러스는 가능한 것으로 여겨지는 것보다 훨씬 높일 수 있다. 유리 비드와 같은 비드는 중량 및 비용을 절감시킨다. 섬유는 강도를 증가시키는 기능을 하며, 티타네이트는 중량 및 비용을 절감시키므로, 비용을 낮추고, 보다 높은 강도값을 달성시킨다. 부품에 적절히 적용되는 경우, 경량, 고강도 및 비용 절감된 부품을 달성하는 것이 가능하다.

인지되는 바와 같이, 본 발명은 여러가지 부품을 지지하거나 보강하기 위한 구조 포움으로서 특정 요구에 따라 주문되는 가요성을 제공한다. 따라서, 본 발명은 모든 유형에 맞는 단일 제품(one-product-fits-all type)법에 관한 것은 아니다. 구조 포움은 비용 절감면에서만 사용될 것이다. 방법 및 적용에 있어서 포움은 일반적으로 플라스틱 부품과 같은 부품의 강도가 충분하지 않거나 부품이 중량이 지나치게 큰 경우에만 제형화될 것이다. 적절하게 선택된 제형은 자동차 제조시 우선권을 부합하는 중량 감소, 강도 및 비용 절감 해결책을 제시한다.

도 1 내지 3은 플라스틱 부품을 강화하기 위한 본 발명의 대표적인 적용을 도시한 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 부품(10)은 채널을 갖는 U자형 구조이며, 플라스틱으로 되어 있다. 포움(12)이 부품(10)에 삽입되어 있다. 포움(12)은, 부품(10)이 사전성형되기 때문에, 77℉와 같은 주위 온도 또는 실온에서 경화된다. 도 2에서, 포움(12)은 팽창되지 않은 상태에 있는 것이다. 경화 후, 포움(12)은 팽창되어 부품(10)의 채널을 완전히 충전시킨다.

도 4 내지 6은 추가의 변형을 도시한 것이며, 이들 도면에서 부품(20)은 또 다른 부품(22)으로부터 이격된 플라스틱 플레이트이며, 부품(22)은 또한 플라스틱 또는 강과 같은 그 밖의 재료로 이루어질 수 있다. 부품(22)은 다르게는 부품(20)과 부품(22) 사이의 공간에 배치되는 포움(24)을 위한 지지층일 수 있다. 도 5는 팽창되지 않은 상태의 포움(24)을 도시한 것이며, 도 6은 포움(24)이 완전히 팽창된 상태를 도시한 것이다.

도 7은 픽업 트럽과 같은 트럭 베드로서 본 발명의 실시를 도시한 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 형성된 복합체는 종래의 금속 시이트 베드를 대체시킬 것이다. 베드를 형성하기 위해, 두께가 약 2인치인 포움 코아 시이트(26)는 에폭시를 붓고, 350℉에서 5분 동안 경화시키므로써 제조된다. 강화된 SMC의 다음층인 유리 섬유 강화된 시이트는 코아 시이트(26)의 각각 측면상에 형성된다. SMC는 시이트 성형된 복합 재료에 대해 당해 공지된 용어이다. 층(28, 30)은 연속적으로 코아 시이트(26)에 성형되어 500 파운드의 하중을 견딜 수 있는 샌드위치 라미네이트를 형성한다. 상부층(28)은 주름 또는 이외의 표면 패턴을 가지거나 어떠한 형태를 가질 수 있다. 유사하게, 저부층(30)은 특정 두께나 형상을 가지거나 임의의 표면 패턴을 가질 수 있다. 바람직하게는, 세개의 층이 서로 접한다. 픽업 트럭 베드로서 사용하기 위한 상기 라미네이트는 바람직하게는 4 내지 6피이트이다.

하기는 포움 코아 시이트(26)의 예시적인 2성분 제형이다:

성분 A
성분	중량%
에폭시 수지	62.53
섬유	11.87
퓨밍된 실리카	2.37
이형제	4.48
발포제	5.14
유리 기포	12.30
티타네이트	0.60
CaO	0.71
	100.00

성분 B는 성분 A의 중량과 동일한 아민 성분일 것이다. 따라서, 성분 A는 에폭시를 기재로 하는 반면, 성분 B는 아민을 기재로 한다. 성분 A는 SPG가 0.95이고, 성분 B는 SPG가 1.00이며, 이둘을 합한 것은 0.96이다. 성분 A 대 성분 B의 부피비는 3.70:1.00이다.

도 1 내지 7에 도시된 부품은 단지 대표적인 부품인 것으로 이해해야 한다. 그러나, 본 발명은 판형 부품의 한면 또는 양면 상의 지지체로서, 구부러진 부품에 대해, 여러 가지 구조의 부품에 대해 두 부품 간의 코아로서 중공 관형 부품을 충전시키기 위해, U자형 부품의 채널을 충전시키기 위해 사용될 수 있으며, 부품의 외면 둘레를 완전하게 또는 부분적으로 도포되므로써 사용될 수 있다. 본 발명의 특히 유용한 적용은 픽업 트럽 베드용 SMC로 싸는 포움으로 이루어진 구조적 비임을 제조하는 것과 같이 SMC를 보강하는 것이다. 기타 자동차 분야에서는 록커 패널(rocker panel)을 보강하기 위한, 그리고 구동 샤프트를 보강하기 위한 여러 가지 지지 레일 또는 중공 레일 및 기둥을 포함한다. 그러나, 본 발명은 그 용도가 자동차 분야로 제한되는 것이 아니며, 제트 스키와 같은 다른 용도가 있을 수 있다.

따라서, 본 발명은 바람직하게는 팽창가능한 2 성분 신택틱 포움에 관한 것으로 간주될 수 있다. 본 발명은 이러한 포움의 2가지 유형으로 실시될 수 있다. 한 유형은 상승된 온도에서 경화되는 것이고, 다른 하나는 주위 온도에서 경화되는 것이다. 포움의 두가지 유형 모두 이들을 싸는 열가소성 또는 열경화성 플라스틱 재료를 가질 수 있다. 두가지 성분은 중합체, 및 예를 들어, 함께 혼합된 후 정적 혼합 튜브를 통해 펑핑되는 촉매 운반제를 포함한다. 포움은 반응에 의해 경화되며, 이 반응은 주위 온도에서 서서히 수행되나 승온에서는 신속하게 일어날 것이다. 열 경화는 이-코팅(e-coating)에 대해서와 같이 자동차 페인트용 오븐에서 일어날 수 있다. 사용될 수 있는 기재 중합체의 유형에는 몇가지가 있다. 예를 들어, 결합용 중합체 수지는 에폭시(아민)형 또는 스티렌(퍼옥사이드)형 또는 아크릴(퍼옥사이드)형 또는 우레탄이 있다.

밀도는 모듈러스 인장강도, 색상, 비용, 점도, 혼합비 및 경화 시간과 같은 요구 조건을 조절하므로써 달라질 수 있다. 형식 및 고정 조건은 형성되는 제품에 바람직한 성질을 고려하여 달라질 수 잇다.

주위 온도 경화된 제품은, 선택된 경화제가 경화에 요구되는 열을 발생시키고 기에 충분히 반응성이어야 하고, 포움 생성물을 충분히 신속하게 팽창시켜야 한다는 점에서 열 경화 제품과는 다르다. 열 경화된 포움 제품은, 부품, 특히 플라스틱 부품이 지나친 열로부터 뒤까지 연소하지 않도록 지나친 발열을 일으키지 않아야 한다. 부피가 큰 부품은 작은 것들보다 훨씬 더 많은 열을 발생한다. 따라서, 경화제의 반응성은 생성되는 부품의 크기에 대해 선택되어야 한다. 이러한 지침에 대해서, 당해 통상의 기술자들은 사용해야 할 재료 및 매개변수를 인지할 것이다.

주위 온도 경화 제품은 사전성형 또는 사전형성 부품으로 사용되어 이러한 부품으로 또는 이러한 부품에 대해 경화될 수 있다. 열경화 부품은 모울드로 성형될 수 있다. 예를 들어, 부품은 성형된 후, 열 경화 포움이 배치된 모울드에 배치될 수 있다. 보강되는 부품은 포움 둘레에 사출 성형될 수 있다. 여러 공지된 기술이 보강되는 부품을 형성하고, 부품과 접촉하여 포움을 배치시키는 데 사용될 수 있다.

포움은 중합체에 다수개의 가능한 기본 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 성분은 바람직하게는 유리, 세라믹 또는 플라스틱으로 된 비드일 수 있다. 비드는 중합체의 약 0 내지 40%의 양으로 존재할 수 있으며, 나머지는 결합체 및 기타 성분이다. 비드의 용도는 점도를 조절하고, 이 결과 포움의 중량 및 비용을 절감시킨다.

중합체는 또한 열경화 제품에는 사용되나 주위온도 경화 제품에는 사용되지 않는 내부 모울드 이형제를 포함할 수 있다. 충분량의 이형제가 사용되며, 이는 조건의 유형 또는 모울드에 따라 의존할 것이다. 예를 들면, 새로운 모울드일수록 이형제를 덜 필요로 한다. 이형제의 용도는 당해 공지되어 있어, 필요량으로 이형제 기능을 달성할 수 있을 것이다.

본 발명이 비팽창성 포움으로 실시될 수도 있지만, 팽창가능한 포움이 바람직하다. 화학적 또는 물리적 발포제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 적합한 화학적 발포제는 중탄산나트륨이다. 적합한 물리적 발포제는 기체상이 되는 액체형 플라스틱 시클로펜탄 구체이다.

중합체는 또한 퓨밍된 실리카와 같은 유동화제 또는 탄산칼슘과 같은 미립 충전제를 포함하여야 한다. 바람직하게는, 유동화제는 목적하는 결과에 따라 상향 또는 하향 조절될 수 있으며, 약 5중량%로 존재한다. 유동화제는 재료의 흐름을 조절하는 기능을 한다.

중합체는 또한 아민과의 당량 화학량론적 반응과 같은 경화 시스템을 포함하여야 한다. 경화 시스템은 중합체 성질을 조절한다.

바람직하게는, 중합체는 10중량% 이하의 희석제를 포함하여 점도를 낮춘다.

중합체는, 중합체를 충전체와 결합시켜 강한 물성을 제공하는 실란 또는 티타네이트와 같은 충전제 표면 처리를 포함하여야 한다. 티타네이트가 중량 및 비용을 감소시키는 데 유리하다. 이는 이러한 재료가 예를 들어, 1중량% 미만일 경우에만 필요하다.

중합체에 대한 또 다른 성분으로는 재료의 강성을 증가시키는 약 5중량% 미만(상향 또는 하향 조절됨)의 고무를 포함할 수 있다.

유리, 켈바르(KELVAR) 또는 탄소로 된 섬유가 강도를 증가시키기 위해 상기 재료에 혼입될 수 있다.

기타 첨가제로는 색상을 제공할 목적으로 열 전달 목적 등을 위해 금속 충전제를 포함할 수 있다. 추가의 성분으로는 에폭시와 같은 가요성화제 재료 및 재료에 가요성을 제공하는 고무와 유사한 작용을 하는 희석제가 있다.

중합체의 요소 또는 성분은 압축율, 압축 강도, 인장 강도, 비중 및 변형율의 요건의 거의 부합할 가능성이 있는 최종 한정적인 양을 제공하도록 달라질 수 있다.

비중은 비드의 양 및 유형 및 비드 대 그 중량의 분쇄 강도에 따라 조절될 수 있다. 첨가제는 또한 비중에 영향을 미칠 수 있다.

포움이 팽창가능한 경우, 팽창 정도는 화학적 또는 물리적 발포제에 의해 조절될 수 있다.

모듈러스 및 강도 변수는 고무의 내포, 팽창 플라스틱 비드, 가요성화제, 보강되는 부품의 부피, 섬유 및 이형제에 의해 조절될 수 있다.

본 발명의 상기 지침으로, 당해 통상의 기술자들은 포움의 목적하는 최종 성질을 달성하는데 사용되어야 하는 특정 성분 및 그 양을 알 수 있을 것이다.

일반적으로, 비경화 재료의 성질은 이러한 재료가 모울드에 첨가되어 겔의 점도, 틱스트로피(thixotropy), 비중 및 시간이 의도되는 적용에 따라 적절하게 맞춰지도록 하는 것이다.

Claims (25)

1. 에폭시, 스티렌, 아크릴레이트 및 우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 중합체 결합 수지로부터 신택틱 구조 포움을 제형하고, 중합체 결합 수지에 모듈러스 및 강도 증가 성분, 및 중량 감소 및 비용 감소 성분을 첨가하고, 부품에 대해 구조 포움을 정위시켜, 부품에 구조 포움이 결합하도록 구조 포움을 경화시키고, 이로써 부품을 보강시키는 것을 포함하여, 부품을 보강시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 모듈러스 및 강도 증가 성분이 비드임을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 비드가 유리 비드임을 특징으로 하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 경화시 포움을 팽창시키기 위해 발포제를 사용함을 포함하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 발포제가 화학적 발포제임을 특징으로 하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 발포제가 물리적 발포제임을 특징으로 하는 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 포움의 경화 시스템이 중합체 성질을 조절함을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 강성 및 강도를 증가시키기 위해 포움에 고무 및 섬유를 포함하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 유동율을 조절하고 점도를 낯추기 위해 포움에 유동화제 및 희석제를 포함하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 포움의 물성을 더욱 강화시키기 위해 중합체를 충전제와 결합시키는 충전제 표면 처리를 포함하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 티타네이트가 충전제 표면 처리용으로 사용됨을 특징으로 하는 방법.
12. 제 10 항에 있어서, 포움에 내부 모울드 이형제를 포함하고, 포움을 상승된 온도에서 경화시킴을 포함하는 방법.
13. 제 10 항에 있어서, 포움을 주위 온도에서 경화시키고, 포움을 사전형성된 부품에 결합시킴을 포함하는 방법.
14. 제 10 항에 있어서, 부품이 플라스틱 재료로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 부품이 자동차 부품임을 특징으로 하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 부품이 픽업 트럭 베드임을 특징으로 하는 방법.
17. 제 15 항에 있어서, 포움이 이격된 위치로 부품에 결합됨을 특징으로 하는 방법.
18. 제 10 항에 있어서, 포움이 중공 성형 부품이고, 포움이 부품을 충전시킴을 특징으로 하는 방법.
19. 제 1 항에 있어서, 부품이 플라스틱 재료로 제조됨을 특징으로 하는 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 플라스틱 재료가 SMC 및 ABS로 이루어진 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
21. 제 1 항에 따른 방법에 의해 제조된 보강 부품.
22. 제 14 항에 따른 방법에 의해 제조된 보강 부품.
23. 제 10 항에 따른 방법에 의해 제조된 픽업 트럽 베드.
24. 제 23 항에 있어서, 베드가 두층의 플라스틱 재료를 포함하며, 포움은 두 층사이의 코아 시이트임을 특징으로 하는 베드.
25. 제 24 항에 있어서, 플라스틱 재료가 SMC임을 특징으로 하는 베드.