KR101301036B1 - 다층 구조의 열가소성 섬유강화복합보드를 이용한 자동차 외장재용 소재의 제조방법 - Google Patents

다층 구조의 열가소성 섬유강화복합보드를 이용한 자동차 외장재용 소재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

폴리프로필렌 섬유, 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 또는 복합섬유 등의 열가소성 기지재 섬유와 천연섬유, 고융점의 폴리에스테르계 섬유 등의 보강섬유로 이루어진 코어층 그리고 코어층 양면에 내마모 및 마찰 특성이 우수한 열가소성 폴리아미드계 보강필름, 내습 및 내후성이 우수한 열가소성 폴리올레핀계 접착필름, 열가소성 필름들의 내환경성에 대한 저항성을 보다 증가시키기 위한 저중량의 스크림 또는 부직포로 이루어진 표피층을 부착하여 자동차 외장재로서 적용할 수 있는 환경친화적이며, 내부구조가 다공성인 경량 천연섬유강화 복합보드의 제조방법에 관한 것이다.

Description

다층 구조의 열가소성 섬유강화복합보드를 이용한 자동차 외장재용 소재의 제조방법 {Thermoplastic fiber-reinforced composite board for vehicle exterior material and method for preparing the board}
본 발명은 열가소성 섬유강화복합보드를 이용한 자동차 외장재용 소재 및 그 제조 방법에 관한 것으로 상세하게는, 다층 구조의 섬유강화복합보드에 있어서,
보강섬유와 기지재 섬유로 구성된 코어(core)층을 중심으로 코어(core)층의 상하에 폴리아미드계, 폴리에스테르계 등의 고융점을 갖는 열가소성 보강필름, 저융점으로 매트릭스 또는 바인더 필름 역할을 하는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 접착필름, 폴리에스테르 섬유 또는 폴리에스테르 섬유와 폴리프로필렌 섬유로 혼합된 스크림 또는 부직포 등으로 구성된 표피층을 적층시켜 강성, 내충격, 내마모, 내마찰, 내후, 내염수 등에 우수한 특성을 가지는 자동차 엔진, 연료탱크 등의 자동차 하체 부분을 커버하는 목적으로 사용하는 자동차 언더바디 커버(underbody cover), 휠 아크라이너(wheel arch-liner)용 경량 섬유복합보드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 원유 고갈 우려로 인한 대체 에너지 개발 및 환경오염 예방을 위한 친환경 제품 및 경량화에 대한 요구가 크다. 자동차 산업에서도 자동차의 연비 개선과 환경오염의 주원인인 배기가스 절감을 목적으로 경량화가 추진되고 있고 이에 따라 무거운 금속을 대체하는 경량화 물질로서 다공 구조의 고분자 복합재료의 응용 및 개발이 급증하고 있다. 자동차 내/외장재용 경량고분자 복합소재로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등과 같은 열가소성 올레핀계 고분자 수지 칩을 용융하여 기지재로 하고, 이를 탈크, 유리 섬유, 현무암 섬유, 탄소 섬유 등의 보강 섬유로 강화시킨 열가소성 복합재료, 불포화 폴리에스테르계 수지, 에폭시 수지 등을 이용한 열경화성 복합재료, 열가소성 고분자의 고무화를 통한 열경화성 엘레스토머 복합재료계 등의 재료들이 사용되고 있다. 이러한 재료들은 금속에 비해 경량화, 우수한 기계적 성능 등으로 다양한 용도에 사용되고 있지만, 경량화 추구의 한계점, 재료 변형 시 허용될 수 있는 변형의 폭이 작고, 재활용이 불가능하여 환경오염의 문제점을 여전히 내포하고 있다.
종래에는 중대형 고급 SUV 차종, 고급 승용차종 등의 한정된 차종에 자동차 엔진 바닥면 보호를 위하여 스틸(steel)로 강압 압착된 언더바디 판넬(Underbody Panel)을 부분적으로 장착하였으나, 최근에는 엔진 바닥면 보호 이외에 바닥 외부소음의 실내 유입 차단, 연비향상을 위하여 아래로 흐르는 공기가 와류를 일으키지 않고 부드럽게 빠져나갈 수 있도록 하기 위한 공기 저항성 개선 등의 목적으로 일부 고급 차종 이외에 중소형 차종에도 장착을 하는 추세이다.
선진 각국은 자동차 배기가스에 의한 지구온난화 현상 및 석유의존도를 낮추기 위해 자동차 연비 효율과 배기가스규제를 강화에 따라,
자동차 부품은 안정성 및 친환경적인 소재를 요구하게 되며 경량화를 위해서 플라스틱의 사용 비중이 점점 증가하고 있다. 이와 같은 추세에 따라 언더바디 제품 또한 친환경 및 경량화 목적으로 무기 필러(filler)로 강화한 폴리프로필렌 복합수지, ABS 수지 등을 이용한 사출 제품 그리고 유리섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유 등으로 보강한 폴리프로필렌 복합소재 등이 응용 및 개발되고 있으나, 본 발명자들의 연구에 따르면, 상기와 같이 열가소성 고분자 수지에 무기 필러, 유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유 등을 복합화하여 제조되는 자동차 외장재용 소재들은 높은 밀도에 의한 경량화에 대한 한계점, 재활용이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자동차 외장소재로서 복합보드는 강성 및 경량화를 위한 코어층과 다양한 외부 환경에 대한 저항성을 갖는 표피층으로 하는 다층구조로 이루어지며,
상기의 코어층은 천연섬유, 고융점 폴리에스테르계 섬유, 폴리아미드계 섬유 등의 보강섬유와,
폴리프로필렌 등과 같은 낮은 비중 및 융점을 가지는 폴리올레핀계 열가소성 유기섬유 또는 천연섬유나 유기계 및/또는 무기계 섬유 등과 접착성 개선을 무수말레인산을 첨가한 폴리올레핀계 섬유를 사용하여 강도 증가, 미세다공구조로 경량화 및 충격/소음 흡수의 특성을 부여한 기지재 섬유로 이루어져 있다.
그리고 코어층의 양 표면에는 내흡수성, 내마모성, 내마찰성을 갖는 고융점의 열가소성 보강 필름층과 내구성 및 내후성을 갖는 열가소성 접착 필름층, 그리고 열가소성 보강 필름 및 접착 필름 층을 보호 및 보강하여 내마모, 마찰 저항성을 증진하기 위한 저중량의 스크림 또는 부직포 층으로 구성되어지는 표피층을 갖는 다층 구조로 설계함으로써 자동차 외장재로서 신뢰성을 만족하는 경량화 및 친환경 경량 복합보드 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 자동차 외장소재로서 인체 및 환경에 유해한 소재를 사용하지 않고, 천연섬유와 열가소성 유기섬유 및 필름을 이용한 미세다공 구조의 코어층 및 외부 충격 및 환경에 대한 저항성을 가지는 표피층으로 구성된 다층 구조 설계로 강성, 내후성, 내습성, 내마모/마찰성 등의 자동차 외장소재로서 요구되는 신뢰성을 만족시키는 환경친화적 경량 천연 섬유강화복합보드를 자동차 외장소재에 적용하는 것이다.
본 발명의 코어층은 보강섬유 및 기지재(matrix) 섬유를 사용하여 이들을 미세다공 구조로 제조하는 것을 특징으로 한다. 이를 구체적으로 살펴보면,
상기 코어층의 보강섬유로는 열에 안정적인 천연섬유, 고융점 폴리에스테르계 섬유이고, 기지재 섬유로는 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 저융점 폴리아미드계 섬유, 저융점 폴리에스테르계 복합섬유 등을 기지재(matrix) 섬유로 사용한다.
또한, 상기 코어층의 보강섬유 중 천연섬유로는 케냐프(kenaf) 섬유, 황마(jute) 섬유, 대마(hemp) 섬유, 아마(flax) 섬유, 아바카(abaca) 섬유, 사이잘(sisal) 섬유, 코이어(coir) 섬유, 바나나(banana) 섬유, 면(cotton) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 천연 섬유를 사용한다.
삭제
상기 코어층의 기지재(matrix) 섬유인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 섬유들은 비극성 특성으로 인해 천연섬유 등과 젖음성, 친화성 및 접착성이 좋지 않아 이를 개선하기 위하여 상기의 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 첨가하여 제조한 폴리올레핀계 섬유 또는 복합섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 코어층은 상기 기지재 섬유 30~70 중량% 및 상기 보강섬유 30~70 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 폴리프로필렌계 섬유 등의 복합섬유는 무수말레인산의 함량이 전체 중량 대비 0.05%~1.0% 포함하는 것을 특징으로 하며, 열가소성 유기 섬유는 굵기가 2~20 데니어이고, 길이가 30~100mm인 것이 바람직하다.
삭제
본 발명의 표피층은 폴리아미드계 또는 폴리올레핀계 성분으로 구성된 2층 구조 또는 3층 구조로 이루어진 내마모 및 마찰 저항이 우수한 보강필름과 폴리프로필렌 접착필름 및 내습, 내후성이 우수한 폴리프로필렌계 섬유, 폴리에스테르 섬유 또는 폴리에스테르 섬유와 폴리프로필렌 섬유를 혼합하여 구성된 스크림 또는 부직포로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 스크림 또는 부직포는 보강 필름 및 접착 필름층을 보호하기 위하여 폴리에스테르 섬유 또는 폴리에스테르 섬유와 폴리프로필렌 섬유가 혼합 구성된 스크림 또는 부직포를 30~70 g/m2 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 보강필름의 전체 두께는 40~80μm, 폴리아미드 성분층의 두께는 10~30μm로 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기의 보강필름은 폴리아미드 성분 이외에 폴리에스테르계 필름을 사용할 수도 있다.
상기의 폴리프로필렌 필름은 코어층 보호 이외에 내습, 내환경성 증진 목적으로 사용하며 필름 두께는 40~100μm로 하는 것을 특징으로 한다.
예시적인 구현 예에서, 폴리에스테르 섬유로 이루어진 스크림 또는 부직포와 폴리에스테르 섬유와 폴리프로필렌 섬유가 혼합 구성된 스크림 또는 부직포는 코어층에 부착되는 폴리아미드계, 폴리프로필렌계 등의 열가소성 필름층을 보강하기 위하여 사용하며 30~70 g/m2 중량의 스크림을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 기지재 섬유와 보강섬유로 이루어진 코어층의 양 면에 폴리아미드계 필름, 폴리프로필렌계 필름, 스크림 또는 부직포 등으로 이루어진 표피층이 부착되어 자동차 외장재용 복합보드를 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 복합보드를 포함하는 자동차용 내/외장재를 제공한다.
본 발명의 코어층은 자동차 외장용 복합보드의 강도, 성형성, 형태안정성 등을 유지하는 층으로 열에 안정적인 천연섬유, 고융점인 폴리에스테르계 섬유 등을 보강섬유로 하고, 보강섬유보다 상대적으로 융점이 낮은 폴리프로필렌계 섬유, 보다 좋게는 무수말레인산을 포함한 폴리프로필렌계 섬유 또는 복합섬유 등을 기지재 섬유로 사용하여 기지재 섬유와 보강 섬유 사이의 젖음성과 접착성을 개선을 통한 강도 및 내습성 증진, 미세다공구조로 내충격성 증진 및 경량화가 가능한 특징을 가지고 있다.
또한, 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유는 천연섬유 등 보강섬유와 열융착 후 우수한 접착성을 가진 장점이 있으나 딱딱하고 신율이 떨어지는 단점을 가지고 있어 폴리프로필렌계 섬유 또는 폴리에스테르 섬유를 혼합하여 사용함으로써 낮은 신율로 인한 성형성 문제점을 해결하였다.
또한, 본 발명은 코어층 보강섬유로 천연섬유를 사용함으로써 수분에 취약한 특성을 보완하고, 충격, 마모, 마찰, 기후 등 외부환경에 대한 저항성을 개선하고자 코어층 양 표면에 내마모, 내마찰 특성이 우수한 폴리아미드계 보강필름, 내염수, 내후 특성이 우수한 폴리프로필렌계 접착필름 그리고 열가소성 필름들의 신뢰성을 보다 안정화하기 위해 저중량 스크림 또는 부직포가 일체화하여 만들어진 표피층을 코어층 양 표면에 열융착하여 부착함으로써 강도, 탄성율, 내열성, 충격 흡수성, 마모, 마찰, 소음 차단 및 흡수 등의 물리적 특성을 향상시켜 자동차 외장재로서 신뢰성을 만족시킬 수 있을 뿐 아니라, 성형성, 안정성 등이 향상된 일정한 두께의 다공성 경량 섬유 강화 복합 보드로, 상기 보드는 언더바디 커버, 휠 아크라이너 등의 친환경 경량 자동차용 내/외장재용 소재나 산업용 소재 등에 유리하게 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 7층 구조의 자동차 외장재용 복합 보드의 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 5층 구조의 자동차 외장재용 복합 보드의 단면 개략도이다.
본 발명은 자동차 외장소재로서 인체 및 환경에 유해한 소재를 사용하지 않고, 천연섬유와 열가소성 유기섬유 및 필름을 이용한 경량화를 위한 미세다공구조의 코어층 및 다양한 외부 환경에 대한 내구성 및 저항성을 가지는 표피층으로 구성된 다층 구조 설계로 강성, 내후성, 내습성, 내마모, 마찰성, 내충격, 내염수, 소음 흡수 및 차단성 등의 자동차 외장소재로서 요구되는 신뢰성을 만족시키는 환경친화적 경량 천연섬유강화복합보드 제조 및 이를 자동차 외장소재로 적용하는 것이다.
본 발명의 구현 예들에서는 코어층은 자동차 외장 소재로서 외부 충격 등을 견딜 수 있는 강도 그리고 다양한 형태로 형상을 구현할 수 있는 성형성 및 형태 안정성이 중요한 요소이다. 이와 같은 요구 특성을 만족시키기 위해 천연섬유, 고융점 폴리에스테르계 섬유 등을 보강섬유로 사용하고, 강도 및 성형성에 직접적인 영향을 미치는 기지재 섬유로 열가소성 섬유인 폴리프로필렌 섬유, 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유 또는 복합섬유 등을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구현 예들에서 또한, 폴리프로필렌 섬유는 신율이 우수하여 성형성은 좋으나 강성이 약한 특성과 천연섬유와 젖음성 및 접착성이 약해 강도 개선에는 한계성이 있으며, 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유는 보강섬유인 천연섬유 등과 젖음성 및 접착성이 우수하여 천연섬유강화복합보드의 강도 개선할 수 있는 장점은 있으나 열성형 시 신율 부족으로 다양한 형태로의 형상 구현에 어려움을 가지는 특징이 있다. 이와 같은 특징을 개선하기 위하여 코어층은 기지재 섬유로 폴리프로필렌 섬유와 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 또는 복합섬유를 일정 비율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 것을 더 포함한다.
코어층은 기지재 섬유로 열가소성 폴리프로필렌 섬유 또는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 또는 복합섬유 30~70 중량%와 천연섬유나 유기계 또는 무기계 보강섬유 30~70%을 일체형으로 구성된다. 보다 바람직하게는, 복합보드의 신율 개선을 통한 성형성을 좋게 하기 위하여 기지재 섬유로 폴리프로필렌 섬유 10~30 중량% 그리고 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 또는 복합섬유 20~40 중량%와 천연섬유나 유기계 또는 무기계 보강섬유 30~70%을 일체형으로 구성할 수 도 있다.
본 발명의 구현 예들에서는 표피층은 자동차 외장 소재로서 특히, 언더바디 커버, 휠 아크라이너 등으로 적용하기 위해서는 코어층 보강 이외에 외부 충격, 마모, 마찰, 진동, 기후 변화, 수분, 염수 등 다양한 외부 환경에 견딜 수 있도록 설계하는 것이 중요하다. 따라서, 충격, 마모, 마찰 등에 대한 저항성이 우수하고 그리고 열성형 시 다양한 형상으로 형상 구현이 가능하도록 신율이 우수한 폴리아미드계 필름을 보강필름으로 적용하고, 보강필름에 더하여 기후 변화, 염수 등 내화학적 특성이 우수한 폴리프로필렌계 필름을 접착필름으로 적용하고, 접착필름의 강도, 충격, 마모, 마찰 등의 특성을 보다 좋게 하기 위하여 저중량의 부직포 타입 스크림을 열융착 및 성형 공정에 의한 복합보드를 제조 시 저중량 스크림 또는 부직포에 폴리프로필렌 접착필름에 함침되도록 하는 방법에 의해 보강하는 것을 특징으로 한다.
예시적인 구현 예에서, 표피층 구성에 있어서 폴리프로필렌 필름으로 구성된 접착필름과 저중량 스크림 또는 부직포 대신에 융점이 낮은 폴리프로필렌 섬유와 융점이 높은 폴리에스테르계 섬유가 일체형으로 구성된 스크림 또는 부직포를 사용하여 열융착 공정에 의한 복합보드 제조 시 융점이 낮은 폴리프로필렌 섬유가 용융되어 폴리에스테르 섬유 사이로 함침되어 보강하는 것을 특징으로 하는 것을 더 포함 한다.
예시적인 구현 예에서, 상기 폴리아미드계 보강필름은 2층 또는 3층 구조로 이루어 지며, 중간층에 폴리아미드계 성분으로 이루어지고 한면 또는 양면은 폴리올레핀계 성분으로 이루어 지며, 보강필름은 전체 두께 40~80μm, 폴리아미드계 성분의 두께는 10~30μm가 되도록 하는 것이 좋고, 폴리아미드계 성분은 열융착 공정에 의한 복합보드 제조공정 및 복합보드를 열 성형에 의해 제품화 시 용융되지 않고 코어층 보호 및 보강할 수 있도록 용융점이 200 oC 이상이고 그리고 코어층 한 면 또는 양면에 일체화되어 있는 폴리올레핀계 성분은 코어층 및 접착필름과 열접착이 가능하도록 용융점이 180 oC 이하인 것을 특징으로 한다.
예시적인 구현 예에서, 상기 폴리아미드계 필름 이외에 융점이 200 oC 이상 그리고 열 성형에 의한 신율이 우수한 폴리에스테르계 필름을 사용할 수도 있다.
예시적인 구현 예에서, 상기 폴리프로필렌 접착필름은 폴리아미드계 필름층을 보호하고 그리고 외부 환경에 대한 노화 및 취하되는 것을 방지하기 위한 층으로 염수, 수분, 기후 변화 등에 대한 저항성이 우수한 폴리프로필렌 필름을 적용하고 그리고 그 필름의 두께는 40~100μm로 하는 것을 특징으로 한다.
예시적인 구현 예에서, 상기 저중량 폴리에스테르 스크림 또는 부직포는 폴리아미드계 보강필름과 폴리프로필렌 접착필름을 외부 환경으로부터 보다 보강하기 위한 층으로, 열융착 공정에 의한 복합보드 제조 또는 제품 성형 시 저밀도로 구성된 저중량 스크림 또는 부직포 사이로 폴리프로필렌 필름에 함침되게 함으로써 필름이 가지는 강성, 충격, 마모, 마찰 등에 대한 낮은 저항성을 섬유들이 함침되어 개선하고 또한, 소광 특성을 부여하고자 하는 목적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
예시적인 구현 예에서, 상기 저중량 스크림 또는 부직포는 폴리에스테르 섬유로 구성되며, 중량은 30~80 g/m2 인 것을 특징으로 한다. 또한, 폴리프로필렌 섬유와 폴리에스테르 섬유로 구성된 저중량 부직포 또는 스크림을 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 제조된 코어층과 표피층을 이용한 복합 보드를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
상기 코어층 예시 구현 예에서와 같이 폴리프로필렌 섬유 또는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유 또는 복합섬유는 기지재 섬유로 사용하고, 천연섬유나 고융점 유기계 섬유, 무기계 섬유들을 보강 섬유로 사용하여, 일정 비율로 이들을 혼합하고, 혼합된 섬유들을 카딩 공정에 의해 형성된 웹상의 부직포를 니들펀칭을 거쳐 코어층을 제조한다. 또한 표피층 구현 예에서와 같이 각각 준비된 폴리아미드계 보강필름, 폴리프로필렌계 접착필름 그리고 저중량 스크림 또는 부직포를 별개로 분리하여 코어층 양 면에 열융착 및 압착 방법으로 천연섬유강화 복합보드를 제조할 수 있지만, 보다 더 바람직하게는 표피층을 구성하는 세 개 성분들을 130~180 oC 열 롤러를 이용한 압착에 의해 한 개로 일체화하여 하여 표피층을 제조한 후 코어층 양 면에 부착하는 방법으로 복합보드를 제조하는 것이 용이하다.
복합보드 제조는 일정한 온도 및 두께로 조정된 복합보드 제조장치에 코어층을 투입하고 그리고 코어층 위 아래 표피층을 동시에 투입하는 연속공정에 의해 예열, 용융, 압착, 냉각 공정을 거쳐 강도, 탄성율, 내열성, 충격 흡수성, 흡음성 등의 물리적 특성과 성형성, 형태 안정성 등이 향상된 다공성 경량 섬유 강화 복합 보드를 제조할 수 있다.
여기서, 코어층의 기지재 섬유로 폴리프로필렌 섬유 또는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유 또는 복합섬유를 사용할 수도 있다. 그러나 보다 바람직하게는 천연섬유와 접착성이 떨어지지만 신율이 우수한 폴리프로필렌 섬유 그리고 제품 열 성형 시 빠른 결정화로 신율이 상대적으로 떨어지는 특징을 가지지만 천연섬유와 우수한 젖음성 및 접착성으로 인한 강도 및 수분에 대한 저항성이 증가시킬 수 있는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유를 일정 비율로 혼합하여 기지재 섬유들로 사용하는 것이 복합보드의 탄성율 및 신율 개선에 효과를 준다.
또한, 표피층에 있어서, 저중량 및 저밀도인 스크림 또는 부직포를 폴리프로필렌 접착필름에 충분히 함침시키는 것에 의해 표피층은 섬유들이 보강된 폴리프로필렌 층이 형성되어 코어층 보강 및 폴리아미드계 보강필름층을 보다 더 보호뿐만아니라 강성, 충격, 마모, 마찰 등의 저항성이 커지는 특성을 가져온다. 만약, 함침이 불 충분할 경우 복합보드의 강도 저하뿐만아니라 복합보드를 이용한 제품을 열 성형 시 상표피층 스크림의 박리가 발생할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 다층 구조의 자동차 외장재용 복합 보드의 단면 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 외장용 경량 섬유 강화 복합 보드 제조를 위하여, 상기 기지재 섬유로 사용되는 폴리프로필렌 섬유 또는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유 또는 복합섬유 30~70 중량% 와 천연 섬유나 유기계 또는 무기계 보강 섬유 30~70 중량%을 일체형으로 구성된 코어층(1)으로 하고, 폴리아미드계 보강필름(2, 2-1), 폴리프로필렌 접착필름(3, 3-1) 그리고 저중량 스크림 또는 부직포(4, 4-1)로 구성된 표피층을 코어층(1) 양면에 부착하는 방법으로 다층 구조의 경량 섬유 강화복합 보드를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 다층 구조의 자동차 외장재용 복합 보드의 단면 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 자동차 외장재용 경량 섬유 강화 복합 보드 제조를 위하여, 상기 기지재 섬유로 사용되는 폴리프로필렌 섬유 또는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌 섬유 또는 복합섬유 30~70 중량%와 천연섬유 또는 유/무기계 보강섬유 30~70 중량%가 일체형으로 구성된 코어층(1)으로 하고, 폴리아미드계 보강필름(2, 2-1)과 폴리프로필렌 섬유와 폴리에스터계 섬유로 이루어진 스크림 또는 부직포(3, 3-1)로 이루어진 표피층을 상기 코어층(1)의 양 표면에 부착하는 방법으로 이루어진 다층 구조의 경량 섬유 강화 복합 보드를 제조할 수 있다.
본 발명의 구현예에서, 상기 보강 섬유로서 예컨대, 대마(hemp) 섬유, 황마(jute) 섬유, 아마(flax) 섬유, 아바카(abaca) 섬유, 케냐프(kenaf) 섬유, 사이잘(sisal) 섬유, 코이어(coir) 섬유, 바나나(banana) 섬유, 면(cotton) 섬유, 셀룰로오스(cellulose)계 섬유 등의 천연 섬유를 사용할 수 있다. 상기 천연 섬유의 길이는 예컨대 길이가 30~150 mm인 것을 사용한다.
상기 보강 섬유로서는 천연 섬유 외에도, 폴리에스테르(polyester)계 섬유, 폴리아마이드 (polyamide)계 섬유, 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 등의 내열성 및 강성이 우수한 각종 유기계 또는 무기계 섬유들을 사용할 수 있다.
상기 기지재 섬유과 보강 섬유를 다양한 조성비로 혼합하여 웹상의 부직포를 제조할 수 있다.
또한, 열가소성 유기계 섬유 및 천연섬유만을 이용함으로서 우수한 재활용성 등을 가지는 특히 친환경 자동차 외장재용 부품 및 산업용 소재 등의 각종 친환경 소재로서 적용하는 것이 유리하다. 그 사용의 비제한적인 예시는 언더바디 커버, 휠 아크 라이너 등을 포함한다.
이하, 실시예 및 실험을 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 이하에 기재된 내용에 본 발명이 한정되지 않는다.
섬유강화 복합보드 제조
<실시예 1>
자동차 외장재용 복합보드 제조에 있어, 코어층은 기지재로 폴리프로필렌 섬유 60중량%를 사용하고, 보강섬유로 천연섬유인 케냐프 섬유 40중량%를 사용하였다. 이들 섬유를 개섬하고 혼합 후 카딩 공정을 거쳐 섬유 상 웹을 만들고 니들 펀칭 공정을 거쳐 중량 1000 g/m2 부직포를 제조하였다. 표피층은 폴리올레핀계/폴리아미드계/폴리올레핀계로 이루어진 3층 구조의 두께 50μm 폴리아미드계 보강필름, 두께 80μm 폴리프로필렌 접착필름 그리고 중량 35g/m2 폴리에스테르 스크림을 열 롤러을 통해 일체형으로 만든 표피층을 제조하였다.
제조된 코어층 부직포와 표피층은 연속식 섬유강화복합보드 제조장치에 의해 연속적으로 예열, 열융착, 가압, 냉각 및 커팅 공정으로 8m/min 속도로 통과시켜 두께 3.0mm, 중량 1330 g/m2의 용융 압착된 경량의 복합 섬유 보드를 제조하였다. 이때 표피층은 코어층 부직포의 상/하로 투입하여 코어층에 열 융착하는 방법의 다층 구조의 제품을 생산하였다.
<실시예 2>
실시 예 1과 달리, 코어층은 기지재로 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 60중량%를 사용하고, 보강섬유로 천연섬유인 케냐프 섬유 40중량%를 사용하였다. 이들 섬유를 개섬하고 혼합 후 카딩 공정을 거쳐 섬유 상 웹을 만들고 니들 펀칭 공정을 거쳐 중량 1000 g/m2 부직포를 제조 하였다. 표피층은 폴리올레핀계/폴리아미드계/폴리올레핀계로 이루어진 3층 구조의 두께 50μm 폴리아미드계 보강필름, 두께 80μm 폴리프로필렌 접착필름 그리고 중량 35g/m2 폴리에스테르 스크림을 열 롤러를 통해 일체형으로 만든 표피층을 제조하였다.
실시 예 1과 동일한 제조방법으로 두께 3.0mm, 중량 1330 g/m2의 경량복합보드를 제조하였다.
<실시예 3>
실시 예 1과 달리, 코어층은 기지재로 폴리프로필렌 섬유 중량 20% 그리고 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 40중량%를 사용하고, 보강섬유로 천연섬유인 케냐프 섬유 40중량%를 사용하였다. 이들 섬유를 개섬하고 혼합 후 카딩 공정을 거쳐 섬유 상 웹을 만들고 니들 펀칭 공정을 거쳐 중량 1000 g/m2 부직포를 제조하였다. 표피층은 실시 예 1과 동일하게 3층 구조의 두께 50μm 폴리아미드계 필름, 두께 80μm 폴리프로필렌 필름 그리고 중량 35g/m2 폴리에스테르 스크림을 열 롤러을 통해 일체형으로 만든 표피층을 제조하였다.
실시 예 1과 동일한 제조방법으로 두께 3.0mm, 중량 1330 g/m2의 경량복합보드를 제조하였다.
<실시 예 4>
실시 예 3과 동일하게 코어층은 기지재로 폴리프로필렌 섬유 중량 20% 그리고 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유 40중량%를 사용하고, 보강섬유로 천연섬유인 케냐프 섬유 40중량%를 사용하여 중량 1070 g/m2 부직포를 제조하였다. 표피층은 실시 예 3과 달리 3층 구조의 두께 50μm 폴리아미드계 필름 그리고 중량 80g/m2 폴리프로필렌 섬유/폴리에스테르 섬유로 구성된 스크림을 열 롤러(roller)을 통해 일체형으로 만든 표피층을 제조하였다.
실시 예 1과 동일한 제조방법으로 두께 3.0mm, 중량 1330 g/m2의 경량복합보드를 제조하였다.
<실험>
상기 실시예들에서 제조한 복합 섬유 보드는 이하의 성능 테스트를 통해 그 성능을 비교 분석하였다.
(1) MD(machine direction)는 제품이 나오는 기계적 방향의 값이고, AMD(across-machine direction)는 기계적 방향에 대한 수직방향이다.
(2) 굴곡 강도는 ISO 178 시험규격법에 의해 샘플사이즈 50x200 mm, 스팬(span) 넓이 100 mm, 측정 속도 50 mm/min로 하여 굴곡 강도와 굴곡 탄성율을 측정하였다.
실험 결과를 다음 표에 나타내었다.
구분 밀도
(g/cm3)		 수분흡수율
(%)		 굴곡강도
(N)		 굴곡탄성율
(N/mm)		 신율 (%)
MD AMD MD AMD MD AMD
실시예 1 0.43 1.9 54 57 13.5 14.1 13.1 15.2
실시예 2 0.43 1.1 63 67 18.2 17.9 7.4 8.2
실시예 3 0.43 1.2 59 63 15.2 15.3 11.2 12.4
실시예 4 0.43 0.9 57 61 16.5 17.1 10.3 11.1
위 결과로부터 확인할 수 있듯이, 코어층에 기지재 섬유로 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유를 사용한 실시예 2 그리고 3이 폴리프로필렌 섬유를 사용한 실시예 1보다 굴곡강도 및 탄성율이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한 기지재 섬유로 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유를 단독으로 사용한 실시예 2의 경우보다 폴리프로필렌 섬유와 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유를 혼합하여 사용한 실시예 3의 제품이 신율이 보다 큰 것을 확인할 수 있다. 수분흡수율에 있어서도 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유를 기지재로 사용한 실시예 2, 3 그리고 4가 수분흡수율이 낮으며, 그 이유는 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌계 섬유가 용융 후 보강섬유로 사용한 천연섬유와의 우수한 젖음성 및 접착성으로 인한 수분흡수에 대한 저항성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 구현 예들에 따른 자동차 외장재용 경량섬유복합보드는 미세한 기공층을 가지는 벌키 다층구조 설계가 가능하고 경량성, 내구성 및 재활용성의 효과가 있다. 해당 복합 보드는 자동차 외장재 뿐만 아니라, 각종 파티션, 가구, 합판 등과 같은 건축용 및 산업소재로 이용이 가능하다.

Claims (10)

  1. 코어층은 보강재로 열에 안정적인 천연섬유 및 고융점 폴리에스테르계 섬유와 기지재(matrix) 섬유로 에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 저융점 폴리아미드계 복합섬유 및 무수말레인산이 첨가된 폴리올레핀계 섬유로 구성되고;
    상기 코어층의 양면에 폴리아미드계 또는 폴리올레핀계 성분으로 구성된 2층 구조 또는 3층 구조로 이루어진 내마모 및 마찰 저항이 우수한 보강필름과 폴리프로필렌 접착필름 및 내습, 내후성이 우수한 폴리프로필렌계 섬유, 폴리에스테르 섬유 또는 폴리에스테르 섬유와 폴리프로필렌 섬유를 혼합한 스크림 또는 부직포로 구성된 표피층이 적층된 것을 특징으로 하는 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기의 기지재(matrix) 섬유는 무수말레인산을 0.05~1.0 중량%를 함유한 열가소성 유기섬유인 것을 특징으로 하는 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어층의 보강 섬유는 케냐프(kenaf) 섬유, 황마(jute) 섬유, 대마(hemp) 섬유, 아마(flax) 섬유, 아바카(abaca) 섬유, 코이어(coir) 섬유, 면 (cotton) 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 천연 섬유; 또는 폴리에스테르계 섬유, 폴리아미드계 섬유, 폴리아크릴계 섬유, 폴리비닐알코올계 섬유, 아라미드계 섬유, 유리섬유, 탄소 섬유, 보론 섬유 및 현무암 섬유로부터 이루어진 그룹에서 선택되는 유기계 또는 무기계 섬유인 것을 특징으로 하는 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기의 코어층은 상기 기지재 섬유 30~70 중량% 및 상기 보강재 30~70 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 표피층은 융점이 200oC 이상인 폴리아미드계 성분이고, 폴리아미드계 성분의 일면 또는 양면은 융점이 180oC 이하로 접착성을 가지는 폴리올레핀계 성분으로 이루어진 2층 또는 3층 구조의 폴리아미드계 복합필름인 것을 특징으로 하는 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 표피층의 스크림 또는 부직포는 중량 20~80g/m2의 폴리에스테르계 섬유 또는 폴리프로필렌과 폴리에스테르계 섬유인 것을 특징으로 하는 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  9. 제 6항 및 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기의 표피층은 보강필름, 접착필름, 스크림 또는 부직포를 열 롤러를 통해 압착하여 일체형으로 만든 후 코어층 양면에 부착하는 것을 특징으로 자동차 외장용 소재의 제조방법.
  10. 삭제
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