KR0159510B1 - 섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조 방법 - Google Patents

섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조 방법 Download PDF

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시게요시 마쓰바라
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모리 히데오
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Abstract

내용 없음.

Description

섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조방법
제1a 및 1b도는 본 발명의 방법의 첫번째 구현예를 도식적으로 보여주는 도면이며,
제2a 및 제2b도는 본 발명의 방법의 두번째 구현예를 도식적으로 보여주며,
제3a 및 제3b도는 본 발명의 방법의 세번째 구현예를 도식적으로 보여주는 도면이며,
제4도는 본 발명의 방법의 하나의 구현예에서 제조된 성형품의 투시도이며,
제5도는 낙하추 충격 강도 시험에서 사용되는 장치를 도식적으로 보여주는 도면이며,
제6a 내지 6d도는 본 발명의 방법의 네번째 구현예를 도식적으로 보여주는 도면이며,
제7도는 본 발명의 방법의 다른 하나의 구현예에서 제조된 성형품의 투시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2 : 주형 5 : 수지 용융체
3, 4 : 다공질 섬유상 쉬트 6 : 수지 공급관
7 : 공급 수단
본 발명은 섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 특별하게로는, 본 발명은 보강 섬유의 배향으로 인하여 거의 변형되지 않고 우수한 외관을 가지는 섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조 방법에 관한 것이다. 섬유-보강된 열가소성 수지 물품은 외장 패널, 구조재 및 배터리 상자와 같은 자동차 부품, 및 보수 층계와 같은 건축 자재 등의 각종 공업 자재로서 사용될 수 있다.
지금까지, 섬유-보강된 열가소성 수지 물품의 몇몇 제조 방법이 제안되어 공업적으로 이용되고 있다. 대표적인 방법들 중의 하나는 사출성형 같은 전통적인 성형 방식으로 짧은-길이 섬유를 함유하는 수지 펠렛으로부터 섬율-보강된 열가소성 수지 물품을 성형하는 것을 포함한다. 또다른 방법은 펠렛과 실질적으로 동일한 길이를 가지는 중간-길이 섬유로 보강된 열가소성 수지 펠렛을 사용하며 사출 성형 같은 전통적인 성형 방법으로 섬유-보강된 성형품을 제조한다.
최근에는, 소위 압형가능한(stampable) 쉬트 기법이 매력적으로 되고 있다. 이 기법에서는, 보강된 열가소성 수지의 쉬트를 재가열하고 가압 성형하여 성형품을 제조한다. 보강섬유의 종류에 따라서, 압형가능 쉬트 기법은 대략 2가지 부류로 분류된다. 그들 중의 하나에서는, 수 ㎜내지 100㎜의 길이를 가지는 짧은-길이 섬유 및 열가소성 수지 분말을 건식 또는 습식 혼련법으로 혼합하고 가열 및 로울 가압하여 압형가능 쉬트를 형성시키고, 쉬트를 예열하고 가압하여 섬유-보강된 열가소성 수지 물품을 제조한다(참조 : 일본국 특허 공개 제28135/1982 호). 그들 중의 다른 하나는 긴-길이 보강 섬유를 포함하는 압형가능 쉬트에 관한 것이다. 이 경우에는, 열가소성 수지를 압출하고 긴-길이 섬유의 편직 매트 위에 적층시키고 로울 가압하여 압형가능 쉬트를 형성시킨 다음, 쉬트를 예열하고 가압하여 섬유-보강된 열가소성 수지 물품을 제조한다.
그러나, 상기 기법들 각각은 그들 자체의 기술 및 경제상의 문제점이 있다.
가장 보편적으로 사용되는 짧은-길이 섬유로 보강된 수지 펠렛을 사용하는 방법에서는, 비록 성형적성, 고안 적용성 및 상기 기법의 생산 코스트는 다른 기법들에 비해 우수하지만, 섬유 보강의 가장 중요한 목적인 기계적 강도, 특별하게는 충격강도의 향상이 충분하지 못하다. 기계적 강도의 불충분한 증진에 대한 이유는, 두 개의 가소화 및 반죽단계, 즉 섬유 및 수지를 혼합하고 분산하기 위한 단계(과립화단계), 및 성형단계 동안에 섬유가 심하게 파손된다는 것이다. 게다가 섬유들은 성형단계 중의 수지 용융체와 함께 주형 내에서 유동하기 때문에, 섬유의 배향이 성형품에 잔류하며 커다란 변형을 야기한다. 무기질 섬유를 사용할 때, 그들은 과립화 및 성형용으로 사용되는 압출기와 상출성형기의 스크류 및 실린더를 마모시킬 것이다. 그러한 장치의 마모는 성형품의 생산코스트를 증가시킨다.
중간-길이 섬유로 보강된 수지 펠렛을 사용하는 방법은 특별하게 고안된 압출기 헤드를 필요로 하며, 생산성은 짧은-길이 섬유로 보강된 펠렛을 사용하는 방법보다 열등하다. 따라서, 생산 코스트는 증가한다. 게다가, 짤은-길이 섬유의 경우처럼, 성형품이 변형되는 경향이 있으며 압출기와 사출성형 기계의 스크류 및 실린더가 마모된다.
중간- 또는 긴-길이 섬유를 사용하는 압형가능 쉬트 기법에서는, 물품에 잔류하는 섬유는 그들의 원래 길이를 유지하므로, 물품은 기계적 강도가 상당히 높다.
그러나, 중간-길이를 갖는 단일 필라멘트로 보강된 압형가능 쉬트의 제조 시에는, 열가소성 수지는 분말 형태이어야 한다. 따라서 생산 코스트는 수지 덩어리의 분쇄로 인해 증가한다. 또한 상기 경우에, 쉬트 형성기, 로울 가압기 및 예열기와 같이 특별히 고안된 팽창 장치들이 요구된다. 섬유는 섬유 보강된 펠렛을 사용하는 방법의 경우에서보다 덜 배향되지만, 물품에는 여전히 섬유 배향이 남아있어 물품은 변형될 수도 있다.
긴-길이 섬유로 보강된 압형가능 쉬트의 제조 시에는, 수지 용융체만 유동하고 섬유는 유동하지 않기 때문에, 성형품의 주변부는 섬유를 함유하지 않으므로 물품의 강도는 불안정해진다. 게다가 집속된(bundled) 섬유를 사용하기 때문에 물품은 거친 표면을 가진다. 중간-길이 섬유로 보강된 압형가능 쉬트의 경우처럼 특별히 고안된 팽창 장치를 필요로 한다.
본 발명의 목적은 향상된 기계적 강도 및 우수한 외관을 가지며 거의 변형되지 않는 섬유-보강된 열가소성 수지 물품을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 섬유-보강된 열가소성 수지의 성형품을 더낮은 생산 코스트로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 하기 단계로 구성됨을 특징으로 하는 섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조 방법이 제공된다:
적어도 2개의 다공질 섬유상 쉬트를 공급하는 단계, 상기 다공질 섬유상 쉬트 사이의 공간에 열가소성 수지의 용융체 덩어리를 공급하는 단계, 및 수지 공급 압력 및/또는 가압 압력에 의하여 다공질 쉬트의 공극을 충전하고 상기 다공질 섬유 쉬트의 외측 표면에 도달하도록 상기 수지 용융체에 힘을 가하는 단계.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 설명될 것이다.
제1a 및 1b도는 본 발명의 방법의 첫 번째 구현예를 도식적으로 보여주며, 제2a 및 2b도는 본 발명의 방법의 두 번째 구현예를 도식적으로 보여주며, 제3a 및 3b도는 본 발명의 세 번째 구현예를 도식적으로 보여주며, 제4도는 본 발명의 방법의 하나의 구현예에서 제조된 성형품의 투시도이며, 제5도는 낙하추 충격 강도 시험에서 사용되는 장치를 도식적으로 보여주며, 제6a 내지 6d도는 본 발명의 방법의 네 번째 구현예를 도식적으로 보여주며 제7도는 본 발명의 방법의 다른 하나의 구현예에서 제조된 성형품의 투시도이다.
제1도의 첫 번째 구현예에서, 한 쌍의 다공질 섬유상쉬트(3,4)를 상부 주형(1) 및 하부 주형(2)로 구성된 비밀폐된 주형의 하부 주형(2)위에 위치시킨다. 수지 용융체(5)의 덩어리를 제1a도에 기재된 바처럼 수지 공급관(6)을 통해 다공질 섬유상 쉬트(3,4) 사이의 공간에 공급한다. 이것이 끝나면, 하부 쉬트는 관(6)의 개구부에 대응하는 지역에 구멍을 가진다. 수지 용융체의 공급 동안이나 후에, 주형(1,2)을 제1b도에 기재된 바처럼 밀폐시켜서 수지 용융체를 가압하고 섬유-보강된 성형품을 제조한다.
상기 방법으로 복잡한 형상을 가지는 물품을 제조하기 위해서는, 수지 용융체의 공급 이전에 주형을 일단 밀폐시킨다. 그런다음, 수지 용융체 공급이 시작되면 바로 주형을 개방시키고, 수지 공급을 마무리한 후에 주형을 다시 밀폐시켜 수지를 성형시킨다. 이에 의하여, 수지 용융체는 다공질 섬유상 쉬트 사이에 확실하게 공급된다.
제2도의 두 번째 구현예에서, 하나의 다공질 섬유상 쉬트(4)를 하부 주형(2)위에 위치시키고 수지 용융체의 덩어리를 제2a도에 기재된 바처럼 쉬트(4) 위에 공급 수단(7)로부터 공급한다. 그런 다음, 다른 쉬트(3)을 공급된 수지 용융체 위에 위치시키고 주형을 밀폐하여 수지 용융체를 가압하고 섬유-보강된 성형품을 제조한다.
제3a 및 3b도의 세 번째 구현예에서, 수지 공급관은 다공질 섬유상 쉬트(3,4) 사이의 공간에 개방되어 있다.
수지 용융체를 주형 벽에 형성된 관을 통해 공급할 때 , 공기가 성형품에 거의 포획되지 않으므로 각각의 생산 작업주기 시간은 단축된다.
다공질 섬유상 쉬트는 다양한 종류의 섬유로 제조할 수 있다. 섬유의 예는 무기질 섬유(예, 유리섬유, 탄소섬유, 스테인레스스틸 섬유 등), 유기질 섬유(예. 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 아라미드 섬유 등), 및 이들의 혼합물이다. 유리섬유를 사용할 때는 성형품은 낮은 코스트로 제조되며 우수한 보강 효과를 가진다. 일반적으로, 섬유는 직경이 1내지 50㎛이다.
섬유는 단일 필라멘트이거나, 또는 사이징제로 접속된 수십 내지 수백 개의 단일 필라멘트로 구성된 집속(bundled)섬유일 수 있다. 섬유상 쉬트는 쉬트 형태를 유지하기 위한 결합제(binder)를 섬유 중량 기준으로 0.3 내지 50중량%의 양으로 함유할 수 있다. 결합제의 예들은 폴리비닐 알코올 및 에폭시 수지 등이다.
본 발명에 의하여, 종래의 열가소성 수지 중 임의의 것도 성형될 수 있다. 본 발명에 의하여 성형되는 열가소성 수지의 특정예는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리빈리 클로라이드, ABS 수지, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 혼합물 및 중합체 합체(alloy)이다. 열가소성 수지는 안정화제, UV 흡광제, 착색제 및 무기 필러 같은 종래의 첨가제를 함유할 수 있다.
다공질 섬유상 쉬트는 성형품의 최종 용도 및 요구되는 성질에 따라 동일 종류의 섬유 또는 다른 종류의 섬유로 제조될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 최외측 다공질 쉬트는 연속 또는 불연속 단일 필라멘트로 구성된다.
본 발명의 방법에서, 수지 용융체는 성형 동안에 다공질 섬유상 쉬트의 공극을 통과한다. 유동 저항성이 크며 무기질 섬유의 경우에는 열이 수지 용융체로부터 박탈되므로 수지 용융체의 온도가 저하되기 때문에, 수지 용융체의 유동성은 열화되고 수지 용융체는 섬유상 쉬트의 외측 표면에 도달하지 못할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 수지 용융체를 공급하기 전에 섬유상 쉬트를 60℃이상의 온도로 가열한다.
본 발명에 따르면, 성형품의 전체 표면이 섬유의 파손없이 보강 섬유로 보강된다.
수지 용융체는 섬유상 쉬트의 내부 표면에서 외부 표면으로 유동하기 때문에 기포가 성형품 내에 없거나 거의 없어 물품은 강력하게 보강된다.
게다가, 섬유는 성형 동안에 수지 용융체의 유동과 함께 유동하기 않기 때문에 섬유는 배향되지 않는다. 이에 의해, 성형품은 비틀림 또는 변형이 거의 없다.
최외측 다공질 섬유상 쉬트가 불연속 단일 필라멘트 섬유로 구성되어 있을 때, 성형품은 평탄한 외관을 가진다.
최외측 다공질 섬유상 쉬트가 연속 단일 필라멘트 섬유로 구성되어 있을 때, 성형품은 평탄한 외관을 가지며, 연신(deep drawing)으로써 복잡한 형상을 갖는 성형품도 제조될 수 있다.
본 발명은 하기 실시예들로 설명될 것이다. 실시예에서 사용되는 시험법은 다음과 같다.
[굽힘 시험]
JIS K7203에 따른 삼점 휨 시험
[낙하추 충격시험]
본 시험은 제5도에 기재된 장치를 사용하여 수행한다.
유리 섬유-강화된 성형품에서 절단된 시험편(14)(50㎜ × 50㎜ × 2㎜)위에, 충격편(12)를 위치시킨다. 충격편 위에 추(11)을 일정 높이에서 낙하시킨다. 시험편이 파괴되는 최저 높이를 파괴 높이로 간주하고, 이로부터 파괴 에너지를 하기 식에 따라 계산한다:
파괴 에너지(㎏·㎝) = 중량(㎏) × 파괴높이(㎝)
파괴 에너지를 사용하여 충격강도를 표현한다.
[성형품의 변형]
제4도의 형상을 갖는 성형품을 물품의 저부가 판에 접촉되도록 평판 위에 위치시킨다. 각각의 코오너를 판 쪽으로 가압하고 판과 다른 코오너들 각각의 저부 사이의 거리를 측정한다. 최대 거리를 사용하여 변형 정도를 표현한다.
[성형품의 외관]
표면거칠기 시험기[도오요 세이미쓰(Toyo Seimitsu Co., Ltd) 사제의 한의 거칠기 시험기(SURFCOM]를 사용하여 성형품의 표면 거칠기를 측정한다.
[실시예 1]
수평 사출 요소를 가지며 200톤의 주형 조임(locking)력을 갖는 수직형 가압 성형기를 사용하여 섬유-보강된 물품을 제조하였다. 주형은 상부 주형 반쪽(half) 및 하부 주형 반쪽으로 구성되었으며, 하부 주형 반쪽은 그의 중심부에, 직경 2㎜의 수지 공급관을 가졌다. 주형은 길이 200㎜, 폭 200㎜, 깊이 20㎜ 및 벽 두께 2.0㎜인 제4도에 기재된 바의 상자-형상의 물품을 제조하도록 고안되었다.
다공질 섬유상 쉬트로서, 유니필로 쉬트(Unifilo Sheet) U 605-450 [배트로텍스 인터내셔날(Vetrotex International)사의 제품]을 사용하였으며, 이 쉬트는 긴-길이 유리섬유의 조방사를 배향없이 파일하여 제조되었다.
한쌍의 다공질 섬유상 유리섬유 쉬트를 적층시켰다. 하부 주형 반쪽에서 수지 공급관의 개구부에 대응하는 하부 쉬트의 중심부에, 직경 10㎜의 구멍을 만들었다. 그런다음, 쉬트들을 하부 주형 반쪽 위에 위치시키고 60℃로 예열하였다. 용융체 열가소성 수지의 덩어리[스미또모 가가꾸 고오교(Sumitomo Chemical Co., Ltd.) 사제의 스미또모 노블렌(Sumitomo Noblen) AX 568 ; 65g/10분의 용융 유동 지수를 갖는 폴리프로필렌 수지]를 수지 공급관 및 구멍을 통해 한쌍의 유리섬유 쉬트 사이의 공간으로 공급하였다. 그런 다음, 주형을 밀폐시키고, 100㎏/㎠의 압력에서 수지를 성형시켜 제4도에 기재된 바처럼 상자-형상의 성형품을 제조하였다.
시험 결과들은 표에 기재한다. 표에서 알 수 있는 바로서, 성형품은 우수한 기계적 강도를 가졌다.
[실시예 2∼6]
실시예 1에서와 동일한 방식이지만, 표에 기재된 다공질 섬유상 쉬트를 사용하고 표에 주어진 온도에서 쉬트를 예열시키서, 섬유-보강된 성형품을 제조하였다. 시험 결과들은 표에 기재한다. 물품은 우수한 기계적 강도 및 표면 외관을 가졌다.
[실시예 7]
표에 기재된 다공질 섬유상 쉬트를 사용하였다.
하부 쉬트를 하부주형 반쪽 위에 위치시키고 60℃로 예열하였다. 예열된 하부 쉬트 위에, 수지 용융체의 덩어리를 주형의 외측으로부터 휴대용 압출기[고베 스틸(Kobe Steel, Ltd.) 사의 제품: 축열기 장치됨; 실린더 직경 50㎜]에 의하여 공급하였다. 그런 다음, 상부 쉬트를 공급된 수지 용융체 위에 위치시키고 주형을 밀폐하였다. 시험 결과들은 표에 기재한다. 표에서 알수 있는 바로서, 성형품은 우수한 기계적 강도 및 표면 외관을 가졌다.
[실시예 8]
각각 직경이 10㎛이고 0.2중량%의 비닐실란으로 집속된 약 2000개의 유리섬유의 집속물을 한쌍의 금속제 로울 사이로 통과시키고, 로울의 입구 또는 출구 부위에 위치한 송풍기로써 섬유 집속물에 대하여 3내지 5㎜/초의 풍속으로 공기를 불어줌으로써 섬유를 늘렸다. 늘려진(spreaded) 섬유를 배향없이 철판의 주위를 둘러쌓고 있는 목재 프레임 내에 균질하게 파일하고 충전하였다. 파일된 섬유 위에, 결합제로서 폴리비닐 알코올 10% 수용액을 살포하고 목재 프레임을 제거한다. 그런다음, 파일된 섬유를 200℃에서 열프레스에서 건조시켜 긴-길이 유리제 단일 필라멘트제의 부직 다공질 쉬트(200g/㎡)를 형성하였다.
4개의 다공질 유리섬유 쉬트를 적층하였다. 직경 10㎜의 구멍을 하부 주형 반쪽 중의 수지 공급관의 개구부에 대응하는 2개의 하부 쉬트 각각의 중심부에 만들었다. 그런 다음, 쉬트들을 60℃로 예열하고 하부 주형 반쪽 위에 위치시켰다(제1a도). 용융 열가소성 수지의 덩어리(스미또모 노블렌 AX 568)을 수지 공급관 및 구멍을 통해 유리섬유 쉬트의 상부 및 하부의 한쌍 사이의 공간에 공급하였다. 그런다음, 주형을 밀폐하고, 100㎏/㎠의 압력에서 수지를 성형시켜 성형품을 제조하였다(제 1b도).
시험 결과들은 표에 기재한다. 표에서 알 수 있는 바로서, 성형품은 우수한 기계적 강도를 가졌다.
[실시예 9]
수평 사출 요소를 가지며 200 톤의 주형 조임력을 갖는 수직형 가압 성형기를 사용하여 섬유-보강된 물품을 제조하였다. 주형은 상부 주형 반쪽 및 하부 주형 반쪽으로 구성되었으며, 하부 주형 반쪽은 그의 중심부에, 직경 2㎜의 수지 공급관을 가졌다(참조 제 6a도). 주형은 길이 200㎜, 폭 200㎜, 깊이 40㎜ 및 벽 두께 2.0㎜를 가지는 제7도에 기재된 바의 상자-형상의 물품을 제조하도록 고안되었다.
다공질 섬유상 쉬트로서, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 유니필로 쉬트 U 605-450을 사용하였다.
한쌍의 다공질 섬유상 유리섬유 쉬트를 적층시켰다. 하부 주형 반쪽에서 수지 공급관의 개구부에 대응하는 하부 쉬트의 중심부에, 직경 10㎜의 구멍을 만들었다(제 6a도). 그런 다음, 쉬트들을 60℃으로 예열하고 하부 주형 반쪽 위에 위치시키고, 주형을 밀페하였다(제6b도). 용융체 열가소성 수지의 덩어리(스모또모 노블렌 AX 568)를 수지 공급관 및 구멍을 통해 한쌍의 유리섬유 쉬트 사이의 공간으로 공급하고, 이동안 요형 및 철형 사이의 거리가 10㎜에 달할 때까지 주형을 15㎜/초의 비율로 개방시켰다(제 6c도). 그런 다음, 주형을 다시 밀폐시키고, 100㎏/㎠의 압력에서 수지를 성형시켜 제7도에 기재된 바처럼 상자-형상의 성형품을 제조한다(제6d도).
시험 결과들은 표에 기재한다. 표에서 알 수 있는 바로서, 성형품은 우수한 기계적 강도를 가졌다.
[실시예10]
실시예 9에서와 동일한 방식이지만, 표에 기재된 다공질 섬유상 쉬트를 사용하고 표에 주어진 온도에서 쉬트를 예열시켜서, 섬유-보강된 성형품을 제조하였다. 시험 결과들은 표에 기재한다. 물품은 우수한 기계적 강도 및 표면 외관을 가졌다.
[비교예 1 및 2]
실시예 1에서와 동일한 방식이지만, 열가소성 수지로서 스미또모 노블렌 AX 568 (비교예1) 및 유리섬유 충전된 폴리프로필렌 펠렛[스미또모 가가꾸 고오교사제의 스미또모 노블렌 GHH 43 ; 유리섬유 함량 30중량%]을 사용함에 반해 다공질 섬유 쉬트를 사용하지 않고 섬유-보강된 성형품을 제조하였다. 시험결과들은 표에 기재한다.
[비교예3]
실시예 9에서와 동일한 방식이지만, 주형을 개방하여 수지 용융체를 공급하고 주형을 밀폐하여 성형품을 제조하였다. 수지 용융체를 단지 하부 섬유상 쉬트의 외측 표면 아래에만 공급하고 섬유상 쉬트 사이에는 공급하지 않았다. 성형품은 심하게 변형되고 변형 정도는 측정할 수 없었다.
Figure kpo00002

Claims (3)

  1. 2개 이상의 다공질 섬유상 쉬트를 공급하는 단계, 상기 다공질 섬유상 쉬트 사이의 공간에 열가소성 수지의 용융체 덩어리를 공급하는 단계, 및 수지 공급 압력, 가압 압력 또는 이들 양자에 의하여 다공질 쉬트의 공극을 충전하고 상기 다공질 섬유상 쉬트의 외측 표면에 도달하도록 상기 수지 용융체에 힘을 가하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 섬유-보강된 열가소성 수지 성형품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 최외측의 다공질 섬유상 쉬트는 연속 단일 필라멘트 또는 불연속 단일 필라멘트로 구성되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 수지 용융체의 공급 이전에, 주형을 일단 밀폐시키고; 수지 용융체가 주형에 형성된 관 및 관의 개구부에 대응하는 섬유 쉬트 중의 하나의 위치에 형성된 구멍을 통하여 공급될 때는 주형을 개방하고, 수지 용융체 공급의 완료와 동시에 또는 이전에 주형을 다시 밀폐시키는 방법.
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