KR20210021774A - 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법 - Google Patents

복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법에 관한 것으로, 상기 복합소재는 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제1 펠트층과, 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제2 펠트층, 그리고 강도 보강을 위하여 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 배치된 보강층을 포함한다. 이러한 구성으로, 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법{COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND MANUFACTURING METHOD OF MULTI-LAYER STRUCTURE FOR USING THE SAME}
본 발명은 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법에 관한 것이다.
자동차 내장재용 복합소재는 적용되는 부품에 따라 다양한 소재들이 적용되고 있다. 대표적으로, 천연섬유 강화 보드, 유리섬유 강화 보드, PP 보드, 우드 스탁(Wood stock), 열경화성 복합소재, PET 펠트, 하드 보드(Hard board), 글라스 섬유/폴리우레탄 폼, 천연섬유/PP 폼 등의 소재들이 적용되고 있다.
상기 소재들은 적용되는 부품의 요구사항 및 형상에 따라 자동차 내장재에 적용되고 있는데, 경량화 요구 및 VOC, 냄새 등 친환경 요구사항의 강화에 따라 기존 소재의 적용에 어려움이 있다.
예를 들어, 천연섬유/PP 폼 소재는 친환경이며 경량화 소재이지만, 기존 소재 대비 원가 경쟁력이 우수하지 못하여 적용에 어려운 문제가 있다. 그리고, 천연섬유-열경화성 복합소재는 친환경, VOC 프리, 높은 물성 및 우수한 경량화를 달성할 수 있지만 높은 공정 비용으로 인해 적용에 어려움이 있다. 또한, 가장 널리 적용되고 있는 천연섬유 강화보드는 고강도 및 가격 경쟁력이 우수한 소재로써, 자동차용 내장재로 개발되어 오랫동안 리어 셀프류에 적용되고 있지만, VOC 및 냄새 문제가 있다.
나아가, 현재 자동차 내/외장 부품 시장에서는 CO2 배출 억제 등을 위해 물성이 우수하면서 경량를 달성할 수 있는 소재의 요구가 지속적으로 높아지고 있는 실정이다.
따라서, 기존 소재 대비 강성을 유지하면서 경량화를 달성하고, 가격 경쟁력이 있는 소재의 개발이 시급한 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합소재는, 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제1 펠트층; 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제2 펠트층; 및 강도 보강을 위하여 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 배치된 보강층;을 포함한다.
그리고, 상기 제1 펠트층 및 상기 제2 펠트층은, 천연섬유와 합성섬유가 4:6 내지 6:4의 중량 비율로 제작될 수 있다.
여기서, 상기 천연섬유는, 양마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 합성섬유는, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 생분해성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수도 있다.
또한, 상기 천연섬유와 상기 합성섬유는, 굵기가 40~120㎛이고, 길이가 40~100mm인 것을 사용할 수도 있다.
나아가, 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층은 동일한 중량 비율로 제작될 수 있다.
상기 보강층은, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스터 섬유 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 펠트 타입으로 제작될 수 있다.
이때, 상기 제1 펠트층과 상기 보강층은 7:3 내지 5:5의 중량 비율로 제작될 수 있다.
또는, 상기 보강층은, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 아크릴 수지 또는 불포화폴리에스터 수지 중 적어도 어느 하나에 함침하여 매트 타입으로 제작될 수도 있다.
이때, 상기 제1 펠트층과 상기 보강층은 8:2 내지 5:5의 중량 비율로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 보강층과 상기 제1 펠트층 및 상기 보강층과 상기 제2 펠트층 사이에 배치되어 상용성을 향상시키는 보조층;을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 보조층은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터 중 적어도 어느 하나의 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 필름, 부직포, 직포 또는 기포지 타입으로 제작될 수 있다.
이때, 상기 보조층과 상기 보강층은 3:7 내지 5:5의 중량 비율로 제작될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합소재의 제조방법은, 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제1 펠트층을 제조하여 공급하는 제1 펠트층 공급단계; 제2 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제2 펠트층을 제조하여 공급하는 제2 펠트층 공급단계; 상기 제1 카딩기와 상기 제2 카딩기 사이에 배치된 사이드 롤러에서 보강층을 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 공급하는 보강층 공급단계; 및 적층되어 공급되는 소재를 니들펀칭하여 복합소재를 제작하는 니들펀칭 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 보강층 공급단계는, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스터 섬유 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 펠트 타입으로 제작된 보강층을 공급할 수 있다.
이때, 상기 보강층 공급단계는, 상기 보강층을 상기 제1 펠트층과 3:7 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급할 수 있다.
나아가, 상기 제1 카딩기와 상기 사이드 롤러 사이에 배치된 상측 사이드 롤러 및 상기 제2 카딩기와 상기 사이드 롤러 사이에 배치된 하측 사이드 롤러에서 보조층을 상기 제1 펠트층과 상기 보강층 사이 및 상기 제2 펠트층과 상기 보강층 사이에 공급하는 보조층 공급단계;를 더 포함할 수도 있다.
이때, 상기 보강층 공급단계는, 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 아크릴 수지 또는 불포화폴리에스터 수지 중 적어도 어느 하나에 함침하여 매트 타입으로 제작된 보강층을 공급할 수 있다.
나아가, 상기 보강층 공급단계는, 상기 보강층을 상기 제1 펠트층과 2:8 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급할 수 있다.
그리고, 상기 보조층 공급단계는, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터 중 적어도 어느 하나의 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 필름, 부직포, 직포 또는 기포지 타입으로 제작된 보조층을 공급할 수 있다.
이때, 상기 보조층 공급단계는, 상기 보조층을 상기 보강층과 3:7 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법은, 펠트 타입의 보강층을 포함하는 복합소재를 180~230℃로 예열된 컨베이어 오븐에 장입하여 20~80초 동안 가열하는 가열단계; 및 가열된 복합소재를 냉간성형 프레스에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계;를 포함한다.
또는, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법은, 매트 타입의 보강층을 포함하는 복합소재는 200~250℃로 예열된 히팅 프레스에 장입하여 20~80초 동안 압착 가열하는 가열단계; 및 가열된 복합소재를 냉간성형 프레스에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법에 따르면, 고강도를 발현하면서 경량화를 달성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합소재를 개략적으로 도시해 보인 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재를 개략적으로 도시해 보인 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합소재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법을 개략적으로 도시해 보인 공정도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법을 개략적으로 도시해 보인 공정도이다.
본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 복합소재 및 그 제조방법과 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합소재를 개략적으로 도시해 보인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재를 개략적으로 도시해 보인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 보강층(130)이 펠트 타입으로 제작되는 복합소재(100)와, 보강층(130)이 매트 타입으로 제작되는 복합소재(100)로 마련된다. 상기 2가지 복합소재(100, 200)에서 제1 펠트층(110, 210)과 제2 펠트층(120, 220)은 동일한 소재로 마련된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 복합소재(100)는 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제1 펠트층(110)과, 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제2 펠트층(120)과, 강도 보강을 위하여 상기 제1 펠트층(110)과 상기 제2 펠트층(120) 사이에 배치된 보강층(130)으로 마련된다.
상기 제1 펠트층(110) 및 상기 제2 펠트층(120)은 천연섬유와 합성섬유가 4:6 내지 6:4의 중량 비율로 제작된다. 즉, 천연섬유의 중량 비율이 40% 미만으로 함유되면, 천연섬유의 보강재 역할 부족으로 인해 강도가 저하되고, 합성섬유 대비 천연섬유의 원가가 저렴하기 때문에 합성섬유의 중량 비율이 증가함에 따라 원가가 상승하는 문제가 있다. 그리고, 천연섬유의 중량 비율이 60%를 초과하여 함유되면, 합성섬유의 중량 비율이 낮아짐에 따라 합성섬유가 천연섬유를 잡아주는 충분한 바인더 역할을 못해주기 때문에 강도가 저하되고, 내습성 및 냄새가 취약해지는 문제가 있다.
여기서, 상기 천연섬유는 양마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있고, 상기 합성섬유는 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 생분해성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 천연섬유와 상기 합성섬유는 굵기가 40~120㎛이고, 길이가 40~100mm인 것을 사용한다. 즉, 상기 천연섬유와 합성섬유의 굵기가 40㎛, 길이가 40mm 미만인 것을 사용하면 섬유간 뭉침 현상이 발생하고, 이로 인하여 펠트층 제조 시에 강도가 저하되는 문제가 있다. 그리고, 상기 천연섬유와 합성섬유의 굵기가 120㎛, 길이가 100mm를 초과한 것을 사용하면 믹싱, 오프닝, 카딩, 웹 형성 등의 공정에서 천연섬유와 합성섬유의 혼련성이 부족한 문제가 있다.
나아가, 상기 제1 펠트층(110)과 상기 제2 펠트층(120)은 동일한 중량 비율로 제작된다.
상기 보강층(130)은 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스터 섬유 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 펠트 타입으로 제작된다. 펠트 타입의 상기 보강층(130)은 일반적인 카딩/니들펀칭 공정에, 저중량 및 면밀도 편차를 최소화하기 위해 열간 롤 금형이 설치된 카딩 라인을 통해 제작될 수 있다.
여기서, 상기 보강층(130)은 상기 제1 펠트층(110)과 3:7 내지 5:5의 중량 비율로 제작된다. 즉, 상기 보강층(130)의 중량 비율이 30% 미만으로 마련되면 제품 성형 시 보강층의 로프팅(lofting) 현상에 의해 복합소재의 두께 형성 및 이를 통한 강도 보강 효과가 충분히 발현되지 못하는 문제가 있다. 그리고, 상기 보강층(130)의 중량 비율이 50%를 초과하여 마련되면 보강층의 중량 증가로 인해 성형성 및 가격 경쟁력이 저하되는 문제가 있다.
이러한, 상기 복합소재(100)는 700~2,000g/m2의 중량으로 제작되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재(200)는 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제1 펠트층(210)과, 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제2 펠트층(220)과, 강도 보강을 위하여 상기 제1 펠트층(210)과 상기 제2 펠트층(220) 사이에 배치된 보강층(230)으로 마련된다.
상기 제1 펠트층(210) 및 상기 제2 펠트층(220)은 상기에서 설명한 복합소재(100)에 기재된 제1 펠트층(110) 및 상기 제2 펠트층(120)과 동일하게 제작된다.
상기 보강층(230)은 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 아크릴 수지 또는 불포화폴리에스터 수지 중 적어도 어느 하나에 함침하여 매트 타입으로 제작된다. 매트 타입의 상기 보강층(230)은 글라스 매트 제작 전용라인에서 제작된 것으로, 컨베이어타입의 판상 위에 글라스 섬유를 촙핑 및 에어분사하여 웹 형상으로 포밍 후, 아크릴 수지 및 불포화폴리에스터를 0.1~2wt%로 스프레이 분사하여 제작된다.
여기서, 상기 보강층(230)은 상기 제1 펠트층(210)과 2:8 내지 5:5의 중량 비율로 제작된다. 즉, 상기 보강층(230)의 중량 비율이 20% 미만으로 마련되면 보강층의 강도 보강 효과가 부족하게 되는 문제가 있다. 그리고, 상기 보강층(230)의 중량 비율이 50%를 초과하여 마련되면 보강층이 펠트층에 충분히 함침되지 못하여 층간 박리가 발생되는 문제가 있다.
그리고, 매트 타입의 상기 보강층(230)을 적용하는 경우에는 상용성을 향상시키기 위하여 상기 보강층(230)과 상기 제1 펠트층(210) 및 상기 보강층(230)과 상기 제2 펠트층(220) 사이에 보조층(240)을 더 구비할 수 있다.
상기 보조층(240)은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터 중 적어도 어느 하나의 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 필름, 부직포, 직포 또는 기포지 타입으로 제작된다.
여기서, 상기 보조층(240)은 상기 보강층(230)과 3:7 내지 5:5의 중량 비율로 제작한다. 즉, 상기 보조층(240)의 중량 비율이 30% 미만으로 함유되면 보조층의 저중량으로 인해 카딩 작업성이 저하되는 문제가 있다. 그리고, 상기 보조층(240)의 중량 비율이 50%를 초과하여 함유되면 중량 증가 및 원가 상승의 문제가 있다.
이러한, 상기 복합소재(200)는 700~2,000g/m2의 중량으로 제작되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합소재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합소재의 제조방법은 보강층이 펠트 타입으로 마련된 것으로, 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제1 펠트층을 제조하여 공급하는 제1 펠트층 공급단계(S110)와, 제2 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제2 펠트층을 제조하여 공급하는 제2 펠트층 공급단계(S120)와, 상기 제1 카딩기와 상기 제2 카딩기 사이에 배치된 사이드 롤러에서 보강층을 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 공급하는 보강층 공급단계(S130), 그리고 적층되어 공급되는 소재를 니들펀칭하여 복합소재를 제작하는 니들펀칭 단계(S140)를 포함한다. 즉, 소재의 적층 공급과 니들펀칭을 통하여 하나의 라인에서 복합소재를 제조할 수 있다.
상기 제1 펠트층 공급단계(S110)와 상기 제2 펠트층 공급단계(S120)는 굵기가 40~120㎛이고, 길이가 40~100mm인 천연섬유와 합성섬유를 4:6 내지 6:4의 중량 비율로 혼합하여 상기 제1 펠트층 및 상기 제2 펠트층을 제조하고, 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층은 동일한 중량 비율 공급한다.
여기서, 상기 천연섬유는 양마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있고, 상기 합성섬유는 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 생분해성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 보강층 공급단계(S130)는 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스터 섬유 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 펠트 타입으로 제작된 보강층을 공급한다. 또한, 상기 보강층 공급단계(S130)는 상기 보강층을 상기 제1 펠트층과 3:7 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급한다.
나아가, 상기 니들펀칭 단계(S140)는 2회 진행하여 복합소재의 결합력을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재의 제조방법은 보강층이 매트 타입으로 마련된 것으로, 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제1 펠트층을 제조하여 공급하는 제1 펠트층 공급단계(S210)와, 제2 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제2 펠트층을 제조하여 공급하는 제2 펠트층 공급단계(S220)와, 상기 제1 카딩기와 상기 제2 카딩기 사이에 배치된 사이드 롤러에서 보강층을 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 공급하는 보강층 공급단계(S230), 상기 제1 카딩기와 상기 사이드 롤러 사이에 배치된 상측 사이드 롤러 및 상기 제2 카딩기와 상기 사이드 롤러 사이에 배치된 하측 사이드 롤러에서 보조층을 상기 제1 펠트층과 상기 보강층 사이 및 상기 제2 펠트층과 상기 보강층 사이에 공급하는 보조층 공급단계(S240), 그리고 적층되어 공급되는 소재를 니들펀칭하여 복합소재를 제작하는 니들펀칭 단계(S250)를 포함한다. 즉, 소재의 적층 공급과 니들펀칭을 통하여 하나의 라인에서 복합소재를 제조할 수 있다.
상기 제1 펠트층 공급단계(S210)와 상기 제2 펠트층 공급단계(S220)는 굵기가 40~120㎛이고, 길이가 40~100mm인 천연섬유와 합성섬유를 4:6 내지 6:4의 중량 비율로 혼합하여 상기 제1 펠트층 및 상기 제2 펠트층을 제조하고, 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층은 동일한 중량 비율 공급한다.
여기서, 상기 천연섬유는 양마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있고, 상기 합성섬유는 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 생분해성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 보강층 공급단계(S230)는 천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 아크릴 수지 또는 불포화폴리에스터 수지 중 적어도 어느 하나에 함침하여 매트 타입으로 제작된 보강층을 공급한다. 또한, 상기 보강층 공급단계(S230)는 상기 보강층을 상기 제1 펠트층과 2:8 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급한다.
그리고, 상기 보조층 공급단계(S240)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터 중 적어도 어느 하나의 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 필름, 부직포, 직포 또는 기포지 타입으로 제작된 보조층을 공급한다. 또한, 상기 보조층 공급단계(S240)는 상기 보조층을 상기 보강층과 3:7 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급한다.
나아가, 상기 니들펀칭 단계(S250)는 2회 진행하여 복합소재의 결합력을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법을 개략적으로 도시해 보인 공정도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법은, 보강층이 펠트 타입으로 마련된 것으로, 180~230℃로 예열된 컨베이어 오븐(310)에 복합소재(100)를 장입하여 20~80초 동안 압착 가열한 후, 가열된 복합소재를 냉간성형 프레스(320)에 장입 후 냉간 압착하여 원하는 형상으로 성형 제작한다.
여기서, 상기 컨베이어 오븐(310)이 180℃ 미만으로 예열되면 합성섬유가 충분히 용융되지 않아 성형성 및 강도가 저하되는 문제가 있고, 230℃를 초과하여 예열되면 천연섬유가 탄화되어 냄새 및 VOC에 취약한 문제가 있다.
또한, 상기 컨베이어 오븐(310)에서 복합소재(100)가 20초 미만으로 가열되면 합성섬유가 충분히 용융되지 않아 성형성 및 강도가 저하되는 문제가 있고, 80초를 초과하여 가열되면 천연섬유가 탄화되어 냄새 및 VOC에 취약한 문제가 있으며, 싸이클 타임의 증가로 인해 원가 경쟁력이 미비한 문제가 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법을 개략적으로 도시해 보인 공정도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법은, 보강층이 매트 타입으로 마련된 것으로, 200~250℃로 예열된 히팅 프레스(410)에 복합소재(200)를 장입하여 20~80초 동안 가열한 후, 가열된 복합소재를 냉간성형 프레스(420)에 장입 후 냉간 압착하여 원하는 형상으로 성형 제작한다.
여기서, 상기 히팅 프레스(410)가 200℃ 미만으로 예열되면 중간의 보강층 및 보조층에 충분한 열이 전달되지 않아 미성형 및 강도 부족 등의 문제가 있고, 250℃를 초과하여 예열되면 천연섬유가 탄화되어 냄새 및 VOC에 취약한 문제가 있다.
또한, 상기 히팅 프레스(410)에서 복합소재(100)가 20초 미만으로 압착 가열되면 중간의 보강층 및 보조층에 충분한 열이 전달되지 않아 미성형 및 강도 부족 등의 문제가 있고, 80초를 초과하여 압착 가열되면 천연섬유가 탄화되어 냄새 및 VOC에 취약한 문제가 있다.
실시예
복합소재를 이용한 다층 구조물의 제조
본 발명의 복합소재를 이용한 다층 구조물은 복합소재를 210℃에서 60초동안 가열한 후, 냉간 압착 성형을 통해 2.0mm의 두께로 제작하여 굴곡강도를 측정하였다.
상기 복합소재의 제1 및 제2 펠트층은 천연섬유인 케나프와 함성섬유인 폴리프로필렌을 4:6 중량 비율로 혼합하여 제작하였고, 제1 펠트층과 제2 펠트층의 중량은 동일하다.
그리고, 상기 복합소재의 보강층은 매트 타입(실시예 1~7)과 펠트 타입(실시예 8~10)으로 제작하였다. 여기서, 매트 타입의 보강층은 유리섬유를 불포화폴리에스터 수지에 함침하여 제작되었고, 펠트 타입의 보강층은 유리섬유와 폴리프로필렌을 혼합하여 카딩공정으로 제작되었다.
그리고, 보조층은 폴리프로필렌 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 부직포 타입으로 제작하였다.
비교예 1과 2는 현재 자동차 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드이다.
구성 두께[mm] 적층구조
실시예 1 다층 구조물 800g/m2 (펠트층 400g/m2 +보강층 300g/m2+보조층 100g/m2) 2.0 도 2
실시예 2 다층 구조물 1,000g/m2 (펠트층 700g/m2 +보강층 300g/m2) 2.0 도 2
실시예 3 다층 구조물 1,000g/m2 (펠트층 600g/m2 +보강층 300g/m2+보조층 100g/m2) 2.0 도 2
실시예 4 다층 구조물 1,100g/m2 (펠트층 700g/m2 +보강층 300g/m2+보조층 100g/m2) 2.0 도 2
실시예 5 다층 구조물 1,200g/m2 (펠트층 700g/m2 +보강층 300g/m2+보조층 200g/m2) 2.0 도 2
실시예 6 다층 구조물 1,200g/m2 (펠트층 800g/m2 +보강층 300g/m2+보조층 100g/m2) 2.0 도 2
실시예 7 다층 구조물 1,600g/m2 (펠트층 950g/m2 +보강층 450g/m2+보조층 200g/m2) 2.5 도 2
실시예 8 다층 구조물 1,100g/m2 (펠트층 600g/m2 +보강층 500g/m2) 3.0 도 1
실시예 9 다층 구조물 1.100g/m2 (펠트층 600g/m2 +보강층 500g/m2) 3.5 도 1
실시예 10 다층 구조물 1,200g/m2 (펠트층 600g/m2 +보강층 600g/m2) 3.5 도 1
비교예 1 천연섬유 강화보드 1,400g/m2 2.5 -
비교예 2 천연섬유 강화보드 1,600g/m2 2.5 -
상기 표 1에서 펠트층의 중량은 제1 펠트층과 제2 펠트층의 중량의 합을 나타낸 것이다. 상기한 중량비로 제작된 다층 구조물의 굴곡강도 시험을 수행하였고 시험 결과는 아래 표 2에 나타내었다.
중량[g/m2] 굴곡하중[N]
실시예 1 800 25.1
실시예 2 1,000 29.1
실시예 3 1,000 32.5
실시예 4 1,100 34.4
실시예 5 1,200 37.5
실시예 6 1,200 37.5
실시예 7 1,600 47.5
실시예 8 1,100 32.5
실시예 9 1,100 36.5
실시예 10 1,200 39.4
비교예 1 1,400 33.6
비교예 2 1,600 38.6
상기 표 2에 개시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 다층 구조물(실시예 1~10)은 현재 자동차 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드(비교예 1~2)와 비교하여 보다 가벼운 중량에서 유사한 굴곡강도를 나타냄을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 중량이 1,400g/m2인 비교예 1과 유사한 굴곡하중을 나타내는 실시예 3, 4, 8은 중량이 1,000~1,100g/m2이다. 즉, 유사한 굴곡강도를 가지면서 약 20~30%의 경량화를 달성할 수 있다.
또한, 중량이 1,600g/m2인 비교예 2와 유사한 굴곡하중을 나타내는 실시예 5, 6, 10은 중량이 1,200g/m2이다. 즉, 유사한 굴곡강도를 가지면서 약 20~30%의 경량화를 달성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다층 구조물은 현재 자동차 내장재로 사용되고 있는 천연섬유 강화보드와 비교하여 유사한 굴곡강도를 가지면서 약 20~30%의 경량화를 달성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100, 200 : 복합소재
110, 210 : 제1 펠트층
120, 220 : 제2 펠트층
130, 230 : 보강층
240 : 보조층
310 : 컨베이어 오븐
320 : 냉간성형 프레스
410 : 히팅 프레스
420 : 냉간성형 프레스

Claims (23)

  1. 천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제1 펠트층;
    천연섬유와 합성섬유 중 적어도 어느 하나를 이용하여 마련된 제2 펠트층; 및
    강도 보강을 위하여 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 배치된 보강층;
    을 포함하는 복합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펠트층 및 상기 제2 펠트층은,
    천연섬유와 합성섬유가 4:6 내지 6:4의 중량 비율로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 천연섬유는,
    양마, 황마, 사이잘마, 아마 및 대나무로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 합성섬유는,
    폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 생분해성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 천연섬유와 상기 합성섬유는,
    굵기가 40~120㎛이고, 길이가 40~100mm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층은 동일한 중량 비율로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보강층은,
    천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스터 섬유 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 펠트 타입으로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 펠트층과 상기 보강층은 7:3 내지 5:5의 중량 비율로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보강층은,
    천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 아크릴 수지 또는 불포화폴리에스터 수지 중 적어도 어느 하나에 함침하여 매트 타입으로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 펠트층과 상기 보강층은 8:2 내지 5:5의 중량 비율로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 보강층과 상기 제1 펠트층 및 상기 보강층과 상기 제2 펠트층 사이에 배치되어 상용성을 향상시키는 보조층;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보조층은,
    폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터 중 적어도 어느 하나의 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 필름, 부직포, 직포 또는 기포지 타입으로 제작된 것을 특징으로 하는 복합소재.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 보조층과 상기 보강층은 3:7 내지 5:5의 중량 비율로 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  14. 제1 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제1 펠트층을 제조하여 공급하는 제1 펠트층 공급단계;
    제2 카딩기에서 천연섬유와 합성섬유를 혼합하여 제2 펠트층을 제조하여 공급하는 제2 펠트층 공급단계;
    상기 제1 카딩기와 상기 제2 카딩기 사이에 배치된 사이드 롤러에서 보강층을 상기 제1 펠트층과 상기 제2 펠트층 사이에 공급하는 보강층 공급단계; 및
    적층되어 공급되는 소재를 니들펀칭하여 복합소재를 제작하는 니들펀칭 단계;
    를 포함하는 복합소재의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 보강층 공급단계는,
    천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스터 섬유 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 펠트 타입으로 제작된 보강층을 공급하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 보강층 공급단계는,
    상기 보강층을 상기 제1 펠트층과 3:7 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1 카딩기와 상기 사이드 롤러 사이에 배치된 상측 사이드 롤러 및 상기 제2 카딩기와 상기 사이드 롤러 사이에 배치된 하측 사이드 롤러에서 보조층을 상기 제1 펠트층과 상기 보강층 사이 및 상기 제2 펠트층과 상기 보강층 사이에 공급하는 보조층 공급단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 보강층 공급단계는,
    천연섬유, 유리섬유, 글라스울, 휘스커, 바잘트 중 적어도 어느 하나로 제작된 보강재를 아크릴 수지 또는 불포화폴리에스터 수지 중 적어도 어느 하나에 함침하여 매트 타입으로 제작된 보강층을 공급하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 보강층 공급단계는,
    상기 보강층을 상기 제1 펠트층과 2:8 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 보조층 공급단계는,
    폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스터 중 적어도 어느 하나의 수지에 탈크, 탄산칼슘, 산화방지제, 컬러마스터배치를 첨가하여 제조된 복합수지를 필름, 부직포, 직포 또는 기포지 타입으로 제작된 보조층을 공급하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 보조층 공급단계는,
    상기 보조층을 상기 보강층과 3:7 내지 5:5의 중량 비율을 만족하도록 공급하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  22. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 복합소재를 180~230℃로 예열된 컨베이어 오븐에 장입하여 20~80초 동안 가열하는 가열단계; 및
    가열된 복합소재를 냉간성형 프레스에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계;
    를 포함하는 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법.
  23. 제1항 내지 제6항 및 제9항 내지 제13항 중 어느 하나의 복합소재는 200~250℃로 예열된 히팅 프레스에 장입하여 20~80초 동안 압착 가열하는 가열단계; 및
    가열된 복합소재를 냉간성형 프레스에 장입 후 냉간 압착하여 성형하는 성형단계;
    를 포함하는 복합소재를 이용한 다층 구조물 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102331756B1 (ko) * 2021-09-15 2021-12-01 (주)이화산업 자동차 섀시 어셈블리 조립 및 이송용 스키드 베이스와 이의 제조 방법

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