KR20040078503A - 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차스티어링 휠의 제조방법 - Google Patents

자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차스티어링 휠의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차 스티어링 휠의 제조방법에 관한 것으로, 특히 재생이 가능한 열가소성 엘라스토머 수지(TPE)를 원료로 이용하여 초미세 발포성형공법으로 성형함으로써, 친환경적이며 재료의 사용량을 줄이면서도 기계적 물성이 우수하고 강성보강효과 및 제품의 경량화를 도모할 수 있는 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차 스티어링 휠의 제조방법에 관한 것이다.

Description

자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차 스티어링 휠의 제조방법{RESIN FOR STEERING WHEEL OF AUTOMOBILE AND PREPARATION METHOD OF STEERING WHEEL FOR AUTOMOBILE USING THE SAME}
본 발명은 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차 스티어링 휠의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열가소성 엘라스토머 수지 재질을 사용한 초미세 발포 성형 공법으로 균일하고 미세한 발포 조직을 형성함으로써, 종래 두께가 두꺼운 제품에 비하여 중량을 절감하는 효과와 동시에 폴리우레탄 재질의 사용에 따른 환경 문제를 개선할 수 있으며, 종래의 감성 품질을 그대로 유지하면서도 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 환경 친화적인 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차 스티어링 휠의 제조방법에 관한 것이다.
사출 성형은 실린더 내 플라스틱을 용융시켜 노즐을 통하여 금형으로 주입한 후 냉각하여 원하는 형상의 제품을 성형하는 기술로서, 플라스틱 산업에 가장 보편적으로 사용되는 방법이다. 발포 사출 성형은 플라스틱과 물리적 또는 화학적 발포제를 혼합하여 플라스틱 내부에 기포 조직을 형성하는 기술로서 기포 형성에 의한 제품의 중량절감 효과를 얻을 수 있다.
반응사출성형(Reaction Injection Molding, 이하 'RIM 성형'이라 함)이란 서로 반응하는 2가지 이상의 저점도 원료를 고압혼합기(Mixing Head)를 사용하여 금형 내부로 사출 혼합하고 급속한 화학반응을 일으켜서 고분자 성형품을 제조하는 공정이다. 즉, 반응사출성형은 금형내에서 단량체(Monomer)로부터 고분자로의 중합과 동시에 성형이 이루어지는 플라스틱 가공 방법을 말한다. 가장 일반적인 예로서 폴리올(Polyol)과 이소시아네이트(Isocyanate) 등의 단량체로부터 폴리우레탄 폼(Foam)을 제조하는 방법으로 액상의 단량체 반응액 원료를 정량적으로 계량한 후 강력 혼합하여 금형 내에 사출하고 중합, 경화과정을 거쳐 제품을 탈형하는 순으로진행된다.
도 1은 일반적인 RIM 성형 공법을 적용하는 스티어링 휠의 개략도로서, 스킨층 외부에서 발생하는 버(burr)(70)와 기포 발생을 억제하기 위하여 인위적으로 발생시킨 오버플로우(60)를 보여주고 있다.
도 2는 일반적인 RIM 성형 공정에 관한 순서도를 나타내고 있다. 먼저, 처음 금형(10)이 열린 상태에서 캐비티(30) 면에 이형제를 뿌려 도포하고 성형품이 페인트되는 코팅제를 도포한다(Barrier Coat 도포). 이후, 스티어링 휠의 스틸 부분인 인서트 부품을 코어측에 고정시켜 허브코어(20)를 인서트하고, 금형을 닫는다(형체결). 그런 다음, 노즐을 통하여 폴리올과 이소시아네이트 원료를 주입하고 계량펌프를 통하여 믹싱헤드에서 원료의 중합반응에 의한 반응열로 폴리우레탄이 형성되고 수지 주입구(80)를 통하여 주입이 된다. 이때, 수지는 전체 성형품의 약 30%만 주입한다. 주입된 수지는 화학적 발포제(H2O)를 통하여 해압 및 경화과정 동안 발포를 시작하고, 전체 성형품을 형성한다. 상기 해압 및 경화과정 중에는 내부의 높은 온도와 발포압에 의하여 기포가 제품 표면으로 터져나오는 현상이 발생한다. 이후, 충분한 경화과정을 거친 후 금형을 열고 완성된 성형품을 취한다(탈형).
그러나, 종래 RIM(Reaction Injection Molding) 성형 공법을 이용하여 스티어링 휠을 제조할 때 사용되는 폴리우레탄 재료는 재생이 불가능하고 성형층 외부에 발생하는 버(Burr)로 인하여 원재료가 과다하게 소요되는 문제가 있고, 일반 사출성형 공법을 이용하여 제조되는 PVC 스티어링 휠은 화학적 발포제(수지의 물성에 따라 발포제를 정함)를 이용하여 발포를 하면 발포조직이 균일하지 않아 기계적 물성(인장강도, 표면품질 등)을 만족하지 않고, 유연성과 탄성을 부여하기 위한 가교제의 첨가로 유해가스를 발생시켜 환경문제를 야기시키므로, 일반적인 플라스틱 제품과 동일한 고체 성형품으로 제조하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 원료를 환경문제로 인한 폴리우레탄과 PVC 수지 대신에 재생이 가능한 열가소성 엘라스토머(TPE) 수지로 대체함으로써, 환경친화적이고 제품의 경량화 및 감성품질(손으로 잡을 때의 터치감)이 우수한 자동차의 스티어링 휠용 수지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 수지를 이용하여 초미세 발포성형공법으로 자동차 스티어링 휠을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되는 자동차용 스티어링 휠을 제공하는 것이다.
도 1은 종래 반응사출성형(RIM) 공법을 이용하여 제작된 스티어링 휠을 도시한 평면도이고,
도 2는 종래 스티어링 휠의 반응사출성형 공정을 보여주는 순서도이고,
도 3은 본 발명에 따른 수지를 이용하여 초미세 발포성형 공법으로 자동차 스티어링 휠을 제조하는 방법을 보여주는 평면도이고,
도4는 본 발명에 따른 스티어링 휠의 초미세 발포 성형 공정을 보여주는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 금형 20: 허브코어 30: 캐비티
40: 노즐 50: 실린더 60: 오버플로우
70: 버(BURR) 80: 수지 주입구 90: 호퍼
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자동차 스티어링 휠용 수지에 있어서,
상기 수지가 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머(SBS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 코폴리머(SEBS), 및 폴리프로필렌계 수지와 합성고무(에틸렌-프로필렌-디엔-모노머(EPDM))의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 열가소성 엘라스토머 수지인 자동차 스티어링 휠용 수지를 제공한다.
또한, 본 발명은
a) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머(SBS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 코폴리머(SEBS), 및 폴리프로필렌계 수지와 합성고무(에틸렌-프로필렌-디엔-모노머(EPDM))의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 열가소성 엘라스토머 수지, 및
b) 물리적 발포제인 CO2가스
를 혼합하여 초미세 발포 성형방법으로 성형하는 단계를 포함하는 자동차용 스티어링 휠의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 기재방법으로 제조되는 자동차용 스티어링 휠을 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 환경문제를 야기시키는 종래 폴리우레탄 및 PVC 원료 대신 재생이 가능한 수지로 대체하여 환경친화적이며, 초미세 발포 성형 공법을 이용하여 제품의 경량화를 이룩할 수 있는 자동차 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차 스티어링 휠의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 원료로 사용하는 열가소성 엘라스토머 수지(Thermoplastic Elastomer, 이하, "TPE"라 함)는 재생이 가능하고, 기계적 물성이 우수하다.
상기 열가소성 엘라스토머 수지(TPE)는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머(SBS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 코폴리머(SEBS), 및 폴리프로필렌계 수지와 합성고무(에틸렌-프로필렌-디엔-모노머(EPDM))의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 것이 바람직하다.
상기 열가소성 엘라스토머 수지의 함량은 발포하지 않은 고체성형품의 중량에 대해 60 내지 90 중량%로 투입되는 것이 바람직하다. 상기 열가소성 엘라스토머 수지의 함량이 60 중량% 미만이면 성형이 완전히 이루어지지 않은 미성형의 문제가 있고, 90 중량%를 초과하면 과도한 충진으로 인하여 발포조직이 균일하지 않고, 원료의 낭비 및 감성품질이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 TPE를 이용하여 자동차 스티어링 휠을 제조하기 위해, 성형공법은 제품 전체에 균일한 기포조직을 갖는 초미세 발포성형 공법을 이용하는 것이 바람직하다.
즉, 일반적인 화학적 발포방식은 플라스틱 원료와 화학적 발포제를 미리 섞은 상태에서 호퍼를 통하여 공급하고, 스크류의 회전운동을 통하여 용융수지를 만드는 방식이다.
반면, 본 발명의 초미세 발포성형은 호퍼를 통하여 공급된 원료가 스크류의 회전운동을 통하여 용융수지를 만들 때, 스크류에 부착된 가스공급장치로부터 주입된 가스와 혼합하여 초임계유체 상태의 용유수지를 만드는 방식이다. 즉, 본 발명의 초미세 발포성형이란 일반 사출성형 장치에서 용융수지를 만드는 스크류 장치에 가스를 주입할 수 있는 장치가 부착되어 수지와 가스가 혼합된 초임계유체를 형성하여 노즐을 통하여 금형내로 주입, 성형하는 방법을 말한다. 이러한 초미세 발포성형방법을 이용하면, 제품의 경량화 및 감성품질(손으로 잡을 때의 터치감)이 우수한 효과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 초미세 발포성형 공법으로 자동차 스티어링 휠을 제조하는 과정에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 초미세 발포성형 공법을 이용하고 열가소성 엘라스토머 수지(TPE)를 원료로 한 스티어링 휠의 제조 방법을 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스티어링 휠의 초미세 발포 성형 공정을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 재생이 가능한 TPE 수지를 물리적 발포제(CO2)와 혼합하여 용융상태의 고분자/가스 용제를 형성하고, 허브코어를 금형에 인서트 한 후 일반사출과 동일한 방법으로 성형한다.
보다 구체적으로 스티어링 휠의 성형공정을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 첫 번째 단계는 원료주입 단계로 상기 열가소성 엘라스토머 수지 원료를 호퍼(90)를 통하여 스크류가 설치된 사출기인 실린더(50)로 공급한다.
이후, 처음 금형(10)이 열린 상태에서 사출기의 스크류가 회전하면서 용융수지를 제조한다.
그 다음으로, 스크류의 회전과 동시에 가스주입장치로부터 물리적 발포제(CO2)인 가스를 주입한다.
그리고, 스크류의 회전운동으로 초임계 상태의 용융수지를 형성하여 수지의 용융 및 계량을 실시한다.
다음 과정으로, 스티어링 휠의 스틸 부분인 인서트 부품을 코어측에 고정시켜 허브코어(20)를 인서트하고, 형체결을 위해 금형(10)을 닫는다.
상기 과정을 마친 후에는, 초임계 상태의 용융수지를 스크류의 전진운동과 노즐(40) 및 수지 주입구(80)를 통하여 금형(10)내로 주입한다.
그 다음은 발포과정으로, 수지가 금형내로 주입이 되는 순간 주입된 수지 내 기포가 성장하여 비교적 균일한 기포조직을 형성하면서 성형이 완료된다.
상기 성형이 완료된 후에는 금형내 미리 설치된 냉각채널을 통하여 냉각수의 순환으로 성형품을 냉각한다.
마지막은 취출과정으로, 충분한 냉각시간 경과 후 금형을 열고 완성된 성형품을 취하면 된다.
이러한 본 발명의 제조방법은 내부의 기포 성장으로 인하여 보압시간이 거의 필요하지 않아 전체적으로는 사이클 타임이 크게 감소하는 특징이 있다.
본 발명의 초미세 발포성형 방법을 자세히 설명하면, 먼저 TPE 수지와 가스를 실린더에 주입하여 고분자/가스 용제를 형성한다. 이때 균일한 기포공을 형성하기 위하여 빠른 압력강하가 필요하고, 가스의 종류에 따라 수지의 용해도가 달라지게 되는데, 본 발명에서는 CO2를 사용한다. 기포공이 형성된 후 노즐을 통과할 때 기포들은 성장을 하게 되고 수지 주입구를 통하여 금형으로 주입되고 냉각과정을 거쳐 성형품을 이루게 된다. 금형에 주입된 후의 과정은 일반적인 사출성형과 동일하다. 그러나, 초미세 발포성형에서는 가스의 혼합량과 온도와 압력 등 성형 공정조건에 따라 성형품 외관부의 품질이 크게 좌우되므로 정확한 제어가 필요하다. 특히, 고분자/가스 용제는 대기압의 금형 내로 주입이 되기 때문에 사출과 동시에 발포가 일어나게 되고, 그로 인해 가스와 수지가 2상으로 존재하기 때문에 가스의 혼합량이 많아지게 표면에 가스의 흐름자국을 유발할 수 있다. 따라서, CO2가스의 주입량은 열가소성 엘라스토머 수지에 대하여 1 내지 3.5 중량%로 주입하는 것이 바람직하다.
본 발명의 초미세 발포 성형은 별도의 금형 수정이 필요하지 않아 일반 사출 성형용 스티어링 휠 금형을 그대로 적용할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서 사용되는 초미세 발포성형 공법은 일반 사출성형과는 달리 혼합된 용융체의 점도 감소로 인하여 사출시간이 단축되고, 내부 기포의 성장으로 보압시간이 거의 없으며, 경량화에 의하여 냉각될 재료가 줄어듦에 따라 냉각시간 또한 단축이 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
하기 표 1과 같이 발포 열가소성 엘라스토머 수지(TPE)를 원료로 하여 도 4의 초미세 발포 성형공법으로 스티어링 휠을 제조하였다. 이때, 초미세 발포 성형공법의 조건은 하기 표 2와 같다.
[비교예 1 및 2]
하기 표 1과 같이 폴리우레탄 및 PVC를 원재료로 사용한 수지조성물을 이용하여 통상적인 반응사출공법으로 스티어링 휠을 제조하였다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1
원재료 폴리우레탄 PVC 발포TPE
중량(g) 850 ∼ 900 1050 ∼ 1100 800 ∼ 850
금형온도(℃) 50±5 상, 하 50 상, 하 10 ∼ 50
성형온도(℃) 폴리올(23), 이소시아네이트(30) 210 ∼ 230 210 ∼ 230
사출속도(mm/s) 150 50 ∼ 60 100 ∼ 200
보압시간(sec) - 15 1 ∼ 3
사출시간(sec) 3 4 2 ∼ 3
냉각시간(sec) 150 80 50
형체력(ton) 5 ∼ 10 600 300
실시예 1
스크류 크기(mm)-사출기 60
SCF (중량%) 1∼3.5
펌프압력(psi) 7000
방출압력(psi) 2500
유량(flow rate)(kg/hr) 1.35
주)
SCF : 스크류 내 CO2가스의 주입량
펌프압력: 가스를 주입하기 위한 펌프의 압력
방출압력(Delivery Pressure): 노즐을 통하여 스크류로 주입되는 가스 압력
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2의 물성비교를 위하여, 기계적 물성과 감성품질의 척도인 경도(Hardness)를 측정하였다.
하기 표 3은 종래 폴리우레탄 및 PVC 대비 본 발명의 발포 TPE의 기계적 물성과 감성품질의 척도인 경도(Hardness)를 비교한 것이다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1 시험방법
경도(Type A) 62 ∼ 65 70 ∼ 75 62 ∼ 65 ASTM D2240
밀도(Specific Gravity) 0.97 1.20 0.970 ASTM D792
인장강도(MPa) 4.8 11.7 6.9 ASTM D412
신장율(%) 120 330 400 ASTM D412
상기 표 3에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 경우 기존의 감성 품질은 그대로 유지한 채 기계적 물성이 향상됨을 알 수 있다.
하기 표 4는 종래 성형법 대비 본 발명에서 개발된 제품의 우수성을 비교하여 나타낸 것이다.
구분 비교예 1 비교예 2 실시예 1
원재료 폴리우레탄 PVC 발포 TPE
원재료 사용량 (g/EA) 850 ∼ 900 1050 ∼ 1100 800 ∼ 850
싸이클 시간 (sec) 250 ∼ 300 150 ∼ 180 150 ∼ 180
표 4에서 알 수 있듯이 초미세 발포 성형으로 인하여 싸이클 시간(time)을 크게 줄일 수 있어 생산성을 높일 수 있는 효과가 있고, 재생이 가능한 수지를 사용함으로써 환경 규제에 대처할 수 있으며, 제품의 경량화로 인하여 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 자동차 스티어링 휠 제조시 종래 폴리우레탄이나 PVC 재질 대신 TPE 재질로 원료를 변경함에 따라, 재생이 가능하여 환경 규제 법규에 효과적으로 대응할 수 있으며, 이를 이용하여 초미세 발포 성형공법으로 자동차 스티어링 휠을 제조함으로써 제품의 경량화와 기계적 물성 향상 및 발포비율에 따른 재료비 절감 효과의 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 자동차 스티어링 휠용 수지에 있어서,
    상기 수지가 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머(SBS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 코폴리머(SEBS), 및 폴리프로필렌계 수지와 합성고무(에틸렌-프로필렌-디엔-모노머(EPDM))의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 열가소성 엘라스토머 수지인 자동차 스티어링 휠용 수지.
  2. a) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머(SBS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 코폴리머(SEBS), 및 폴리프로필렌계 수지와 합성고무(에틸렌-프로필렌-디엔-모노머(EPDM))의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 열가소성 엘라스토머 수지, 및
    b) 물리적 발포제인 CO2가스
    를 혼합하여 초미세 발포 성형방법으로 성형하는 단계
    를 포함하는 자동차용 스티어링 휠의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 a)의 열가소성 엘라스토머 수지는 발포하지 않은 고체성형품 중량에 대해 60 내지 90 중량%로 투입되는 자동차용 스티어링 휠의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 b)의 CO2가스는 열가소성 수지에 대하여 1 내지 3.5 중량%로 투입되는 자동차용 스티어링 휠의 제조방법.
  5. 제 2 항의 기재방법으로 제조되는 자동차용 스티어링 휠.
KR1020030013461A 2003-03-04 2003-03-04 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차스티어링 휠의 제조방법 KR20040078503A (ko)

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KR1020030013461A KR20040078503A (ko) 2003-03-04 2003-03-04 자동차의 스티어링 휠용 수지 및 이를 이용한 자동차스티어링 휠의 제조방법

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100711838B1 (ko) * 2005-11-14 2007-04-30 경상대학교산학협력단 폐고무를 이용한 열가소성 탄성체 및 이로부터 성형된고무제품
CN109401340A (zh) * 2018-11-28 2019-03-01 浙江定阳新材料有限公司 一种不褪色的食品级塑胶弹性跑道及其制作工艺
CN109504101A (zh) * 2018-11-28 2019-03-22 浙江定阳新材料有限公司 一种具有抗菌功能的热塑性弹性跑道及其制作工艺
CN109535742A (zh) * 2018-11-28 2019-03-29 浙江定阳新材料有限公司 一种可回收再造的htpe塑胶弹性跑道及其制作工艺

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