WO2018048276A1 - 다공성 섬유강화 복합재 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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WO2018048276A1
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한경석
안승현
정승문
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(주)엘지하우시스
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Definitions

  • a porous fiber reinforced composite material is provided.
  • thermoplastic composite materials are composed of reinforcing fibers such as glass fibers and carbon fibers exhibiting high rigidity and thermoplastic resins constituting a matrix. Since the thermoplastic composite material exhibits higher mechanical properties than general thermoplastic resin products, it is widely used for automobiles and construction materials.
  • Conventional thermoplastic composite material manufacturing method is mainly a method of mixing the reinforcing fibers into the thermoplastic resin, then molding through extrusion or mold press process, in order to improve the strength and productivity in recent years, by applying a dry needle punching process or wet papermaking process First, a composite material is manufactured by manufacturing a mat-type material including reinforcing fibers and then impregnating a resin into the mat.
  • Composite materials of reinforcing fibers and thermoplastic resins exhibit excellent mechanical strength because reinforcing fibers act as reinforcing materials, compared to thermoplastics.
  • a method for increasing the strength of the reinforcing fiber composite material a method of increasing the rigidity of the reinforcing fiber itself or increasing the ratio of the reinforcing fiber and improving the bonding strength between the reinforcing fiber and the thermoplastic resin are applied.
  • the process of manufacturing the reinforcing fiber mat through the wet or dry process is introduced, the strength improvement through the reinforcing fiber modification is limited, so that the thermoplastic resin optimized for the manufacturing process is not the conventional powder or short fiber type. Reforming is needed.
  • thermoplastic resin since a general thermoplastic resin is chemically hydrophobic or has a specific gravity lighter than water, it is difficult to apply a fibrous thermoplastic resin to a wet papermaking process since the dispersibility of the mat is significantly reduced. In addition, since the thermoplastic resin is completely melted after molding to bind the reinforcing fibers while forming a matrix, the thermoplastic resin does not significantly affect the strength improvement.
  • One embodiment of the present invention provides a porous fiber reinforced composite material that can implement mechanical strength and light weight.
  • the first fibrous particles are inorganic fibers or organic fibers
  • the second fibrous particles include a first thermoplastic resin
  • the binder includes a second thermoplastic resin
  • the melting point of the first thermoplastic resin is the second.
  • the second thermoplastic resin is provided with a porous fiber reinforced composite material is a crystalline thermoplastic resin.
  • the first fibrous particles and the second fibrous particles may be partially or entirely coated on the surface of each particle by the binder to form a coating part, and the coating parts formed on the respective surfaces may be fused and bound to each other.
  • the second thermoplastic resin may be a melting point max , wherein the melting point max of the second thermoplastic resin is melted, and may be a low melting PET fiber having a melting point max of 150 to 170 ° C.
  • the second thermoplastic resin may have a melting point in the range of ⁇ 20 ° C. at the melting point max .
  • the second thermoplastic resin may be a stretched polyester fiber having an elongation of 20% to 80%.
  • the porous fiber-reinforced composite material is low in density while having high mechanical strength such as tensile, flexural and impact strength, and has excellent sound absorbing and insulating performance and formability.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a porous fiber reinforced composite according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates that the porous fiber-reinforced composite according to another embodiment of the present invention by applying heat and pressure to the reinforcing fibers and the bicomponent polymer by the method of manufacturing the porous fiber-reinforced composite.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a method of manufacturing a porous fiber-reinforced composite described in accordance with another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a SEM photograph of the cut surface of the plate prepared in Example 1.
  • the first fibrous particles are inorganic fibers or organic fibers
  • the second fibrous particles include a first thermoplastic resin
  • the binder includes a second thermoplastic resin
  • the melting point of the first thermoplastic resin is the second.
  • the second thermoplastic resin provides a porous fiber reinforced composite that is a crystalline thermoplastic resin.
  • the first fibrous particles and the second fibrous particles are present in a state in which some or all of them are coated by the binder component. That is, the first fibrous particles and the second fibrous particles form a coating part formed of the binder on the surface of each particle.
  • the coating part of each of the first fibrous particles and the second fibrous particles may be fused to irregularly bind the first fibrous particles and the second fibrous particles.
  • the first fibrous particles and the second fibrous particles bound in this way can form an irregular network structure including pores.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a porous fibre-reinforced composite material 10 including a first fibrous particle 1, a second fibrous particle 2, and a binder 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the porous fiber-reinforced composite material is a material that can realize high mechanical strength, such as tensile strength, flexural strength, and impact strength and low weight due to low density, it can be usefully applied to the use of automobile and building materials requiring such characteristics.
  • the porous fiber-reinforced composite material can satisfy the excellent sound absorbing and insulating performance conditions required for such automotive and building materials, and has excellent moldability.
  • the porous fiber-reinforced composite material may be prepared according to the method for producing the porous fiber-reinforced composite material described below, the porous fiber-reinforced composite prepared as described above is prepared by dispersing the first fibrous particles and the second fibrous particles well.
  • the bonding force between the fiber and the resin is increased to improve the strength of the porous fiber reinforced composite.
  • the porous fibre-reinforced composite is characterized in that the strength is improved by improving the dispersion of the first fibrous particles and the second fibrous particles (also referred to as 'fibrous particles') on the basis of the correlation between the dispersibility and the strength thus found. Get the effect.
  • the thickness variation in the sheet of the porous fiber-reinforced composite formed of the sheet is lowered.
  • the sheet of the porous fiber-reinforced composite having excellent dispersibility of the fibrous particles has a constant thickness. That is, the thickness variation in the sheet of the porous fiber reinforced composite having excellent dispersibility of the fibrous particles is lowered.
  • the porous fiber-reinforced composite is a sheet shape, the thickness variation in the sheet may be about 2 mm or less.
  • the porous fiber reinforced composite is in the form of a sheet, the thickness variation in the sheet may be about 0.3 mm or less.
  • the 'thickness variation in the sheet' means a difference between the maximum thickness and the minimum thickness of one sheet.
  • the dispersibility of the fibrous particles included in the porous fiber reinforced composite is improved, for example, there is a method of evaluating the cross section of the porous fiber reinforced composite by a color difference meter.
  • the dispersibility of the fibrous particles is poor, the fibrous particles aggregate and overlap each other, so that these parts are darker. It will show color. This difference can be evaluated using a color difference meter.
  • porous fiber-reinforced composite material has excellent dispersibility of the first fibrous particles and the second fibrous particles, more excellent mechanical strength is realized as described above, and accordingly, the weight can be reduced.
  • the porous fibre-reinforced composite may also be made of a sheet in which the first fibrous particles and the second fibrous particles have a unidirectional orientation. As such, when one direction orientation is imparted to the sheet of the porous fiber-reinforced composite, the sheet has high mechanical properties along the direction in which the orientation is imparted. Such sheets are suitable for application to materials that can withstand large forces in certain directions.
  • the porous fiber reinforced composite includes two kinds of reinforcing fibers of the first fibrous particles and the second fibrous particles.
  • the porous fiber-reinforced composite material may be designed to include all of the first fibrous particles and the second fibrous particles together, and to control the type and content ratio thereof so that predetermined characteristics are excellently expressed.
  • thermoplastic fibers made of a thermoplastic resin as the second fibrous particles may further enhance the strength and at the same time impart elasticity of the thermoplastic resin.
  • the thermoplastic resin constituting the second fibrous particles uses a thermoplastic resin having a relatively high melting point, an additional strength improvement can be expected as compared with the case where only the first fibrous particles are present.
  • the thermoplastic fiber is superior in elasticity to the first fibrous particles, the impact energy can be effectively attenuated against the impact from the outside.
  • the porous fiber-reinforced composite material has low temperature moldability.
  • the weight ratio of the sum of the content of the first fibrous particles to the content of the second fibrous particles and the binder in the porous fiber reinforced composite is about 20:80 to about 80:20, specifically, about 40:60 to about 60 : Can be 40 days.
  • the content range is a content range suitable for effectively securing the strength improving effect of increasing the content of the first fibrous particles and at the same time obtaining the effect from the second fibrous particles.
  • the second fibrous particles and the binder are attributable to the bicomponent polymer fibers by the method for producing the porous fiber-reinforced composite material described below. Therefore, in the method of manufacturing a porous fiber-reinforced composite material to be described later, it is possible to produce a porous fiber-reinforced composite material having the content ratio by adjusting the content of the first fibrous particles and the bicomponent polymer fibers in the above range.
  • the porous fiber-reinforced composite may include about 40 parts by weight to about 250 parts by weight of the binder relative to 100 parts by weight of the second fibrous particles.
  • the content ratio of the second fibrous particles and the binder is adjusted by adjusting the content ratio of the core part and the sheath part of the bicomponent polymer fiber. Can be implemented.
  • the first fibrous particles may include at least one selected from the group consisting of glass fibers, aramid fibers, carbon fibers, carbon nanotubes, boron fibers, metal fibers, and combinations thereof.
  • the metal fiber include nickel fiber, iron fiber, stainless steel fiber, copper fiber, aluminum fiber, silver fiber, gold fiber.
  • the first fibrous particles may have a cross-sectional diameter of about 5 ⁇ m to about 40 ⁇ m.
  • the 1st fibrous particle which has the thickness of the said range can ensure an orientation and a dispersibility, even if it can provide strength suitably.
  • the porous fibre-reinforced composite material including the first fibrous particles having a thickness in the above range is resistant to external impact, and when the first fibrous particles are dispersed in an aqueous solution during preparation according to the method for producing the porous fibre-reinforced composite described below, It is possible to facilitate sheet formation by having a proper entanglement (Hydroentangle property) at.
  • the first fibrous particles may have a length of about 1 mm to about 50 mm.
  • the first fibrous particles having a length in the above range can be appropriately imparted strength, can secure orientation and dispersibility, and also impart appropriate bonding strength between the fibrous particles so that the porous fiber-reinforced composite material has excellent strength.
  • the fiber is too long, it is suitable for forming the sheet and preventing the fiber from being entangled and agglomerated.
  • the melting point of the first thermoplastic resin may be about 160 ° C or more. More specifically, the melting point of the first thermoplastic resin may be about 200 °C to about 400 °C.
  • the thermoforming temperature should be lowered too much to maintain the fibrous shape, or the porous fiber-reinforced composite including the same may thermally deteriorate later to cause deformation of the dimension or polymer degradation. There is. In addition, it may be difficult to control the molding temperature because the temperature difference with the second thermoplastic resin can be reduced too much.
  • the first thermoplastic resin may be polyethylene terephthalate.
  • the specific gravity of the first thermoplastic resin is greater than about 1.
  • the core portion of the bicomponent polymer fiber may be a thermoplastic resin having a specific gravity higher than 1 such as polyester.
  • the first thermoplastic resin capable of forming the second fibrous particles may be, for example, polyester, polypropylene (PP), polyethylene (PE), acrylic butadiene styrene (ABS), polycarbonate (PC), nylon (Nylon). ), Polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polyurethane (PU), polymethylmethacrylate (PMMA), polylactic acid (PLA), polytetrafluoroethylene and combinations thereof It may include at least one.
  • the first thermoplastic resin capable of forming the second fibrous particles may be, for example, polypropylene or polyester.
  • the melting point of the second thermoplastic resin capable of forming the binder does not have one specific value in view of the characteristics of the resin, and exists over a range of melting ranges.
  • the graph showing the melting amount of the second thermoplastic resin while increasing the temperature in the melting point range a graph almost similar to the normal distribution is obtained, and a peak at which the maximum amount of the second thermoplastic resin melts is present, and the melting point at the peak is shown.
  • the second thermoplastic resin may be a low melting PET fiber having a melting point max of about 150 to about 170 ° C.
  • the second thermoplastic resin capable of forming the binder corresponds to the sheath portion of the bicomponent fiber.
  • the bicomponent fiber includes a sheath portion having a low melting point max of about 150 to about 170 ° C. compared to the core portion, so that the bicomponent fiber can be molded in the range of the temperature conditions, and thus it is easy to optimize the process conditions during thermoforming, and Stability can be secured.
  • the second thermoplastic resin may have a melting range of ⁇ 20 ° C at a melting point max .
  • the strength of the porous fiber reinforced composite may be further increased.
  • Crystalline thermoplastic resins such as the low melting PET fibers can be obtained by imparting a specific elongation.
  • the second thermoplastic resin may be a stretched polyester fiber having an elongation of about 20% to about 80%.
  • the strength of the crystalline thermoplastic resin is related to the elongation. Increasing the elongation of the crystalline thermoplastic resin increases the strength. Conversely, decreasing the elongation lowers the strength.
  • the second thermoplastic resin capable of forming the binder may include at least one selected from the group consisting of polyester, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene (PE), and combinations thereof.
  • the binder serves to bind the first fibrous particles and the second fibrous particles, and the second thermoplastic resin forming the binder may be melted at a low temperature so as to have a melting point within the above range. It can be secured.
  • the binder may be appropriately selected from a low melting point polyester, or a low melting point polyethylene terephthalate, polypropylene and polyethylene according to the molding temperature to be applied.
  • the melting point of the first thermoplastic resin must satisfy a condition higher than the melting point of the second thermoplastic resin.
  • the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin can be selected so that the material of the core portion and the sheath portion of the bicomponent polymer fibers used in the method for producing a porous fiber-reinforced composite material described below satisfies the above conditions.
  • the second fibrous particles may have a cross-sectional diameter of about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m.
  • the second fibrous particles having a thickness in the above range can secure the orientation and dispersibility while providing strength appropriately.
  • the porous fibre-reinforced composite material including the second fibrous particles having a thickness in the above range has excellent strength characteristics, and when the first fibrous particles are dispersed in an aqueous solution during preparation according to the method for preparing the porous fibre-reinforced composite material described below, The sheet formation can be facilitated by having a proper entanglement property (Hydroentangle property) within.
  • the second fibrous particles may have a length of about 1 mm to about 50 mm.
  • the second fibrous particles having a length in the above range can be appropriately imparted strength, can secure the orientation and dispersibility, and also impart appropriate bonding strength between the fibrous particles to ensure that the porous fibre-reinforced composite material has an excellent strength
  • the fiber is too long, the fiber is entangled to form a rope phase, which prevents the dispersibility from deteriorating and is suitable for forming a sheet.
  • the porosity of the porous fiber reinforced composite may be about 40 to about 80% by volume.
  • the porous fiber-reinforced composite forms open pores while forming a network structure.
  • Porous fiber-reinforced composite material having a porosity in the above range can implement the weight reduction while maintaining the strength, and can also have excellent sound insulation performance.
  • Sound waves coming in through the open pores of the porous fiber-reinforced composite material is attenuated by the vibration of the fibers of the second fibrous particles, so that it can be applied as a sound absorbing and insulating material.
  • the length of the passage of sound waves is, for example, even if they have the same porosity, the length of the material itself is large, or when the connectivity of the pores is good.
  • the porous fiber-reinforced composite material can be prepared as a material having improved sound absorbing and insulating performance by controlling the content of the second fibrous particles while maintaining a certain degree of porosity, and also adjusting the length of the passage of sound waves. .
  • the second fibrous particles are softer than the hard first fibrous particles, the second fibrous particles have a high sound energy attenuation effect, and thus act effectively on the sound absorbing and insulating performance.
  • the porous fiber-reinforced composite may be made of a plate having a density of about 0.2 g / cm 3 to about 1.6 g / cm 3 .
  • the plate may be manufactured in a state in which the porous fiber reinforced composite is compressed to a predetermined level.
  • the plate may be obtained by laminating several sheets of the porous fiber-reinforced composite sheet obtained as a sheet by a wet papermaking process used in the method of manufacturing a porous fiber-reinforced composite material described below, and then pressing the sheet.
  • the press molding is performed in a multi-step process, by alternately performing a heat treatment process, it is possible to improve the dispersibility of the binder more.
  • the multiple laminated porous fiber-reinforced composite sheet may be press-molded, and then heated up, and then press-molded at room temperature again to obtain a final sheet.
  • heat transfer to the center of the plate is easy to melt the binder can be formed evenly distributed. In this way, by uniformly dispersing the binder, it is possible to obtain very even properties of the plate material as a whole.
  • the press molding may be performed at a compression ratio of 80 to 95%. By adjusting the compression density of the fiber by the press molding, it is possible to implement excellent strength and sound absorption properties.
  • the plate is formed including a pore structure.
  • the composite material produced by mixing and extruding raw materials is difficult to form a pore structure, while the plate material is formed using a porous fiber reinforced composite to form a pore structure.
  • the plate may have a porosity of about 40 to about 80 volumes.
  • the porous fiber-reinforced composite plate is formed to have a porosity in the above range, it can be excellent in all the strength, impact resistance and sound-absorbing properties of the plate of the porous fiber-reinforced composite.
  • the structure may be understood as only a compressed form while maintaining the structure of the porous fiber-reinforced composite material of FIG. 1.
  • the plate may be manufactured by press molding so that the density of the plate is about 0.2 g / cm 3 to about 1.6 g / cm 3 .
  • the density of the plate material can be pressed to be in the above range can implement excellent strength.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite material manufactured by compressing as described above may have excellent dispersion of fiber particles and may have excellent mechanical properties evenly throughout the plate.
  • the sheet shows evenly superior impact strength results even when the impact strength properties are evaluated at various points.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the impact strength obtained in one plate may be about 0.2 J / mm or less.
  • the plate means that the difference in impact strength according to ASTM D3763 measured at any two points in the plate may be about 0.2 J / mm or less.
  • the plate is a material that can realize high mechanical strength such as tensile strength, flexural strength, and impact strength and low weight due to low density, it can be usefully applied to the use of automobile and building materials requiring such characteristics. In addition, the plate can satisfy the excellent sound insulation and sound performance requirements required for such automotive and building materials.
  • the plate is a material composed of a single polymer as a main component, it is easy to recycle without a separate heterogeneous separation process, and glass fiber is not applied, so handling is excellent in operation.
  • the plate is manufactured in a compressed state as described above, and then has a feature that does not expand even when heated up.
  • the porous fiber-reinforced composite plate may be prepared according to the manufacturing method described below, and is prepared from the porous fiber-reinforced composite material in which the first fibrous particles and the second fibrous particles are well dispersed, so that the dispersibility of the fibrous particles is excellent,
  • the correspondence between the components is increased and the bonding strength is increased. In this manner, the first fibrous particles and the second fibrous particles are well dispersed, and the binding strength of each component is increased to improve the strength of the plate of the porous fiber reinforced composite.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite exhibits excellent strength properties by improving the dispersion and correspondence of the fibrous particles based on the correlation between the dispersibility or correspondence and the strength thus found.
  • the strength is compared after manufacturing by changing the manufacturing method and the like so that the dispersibility of the fibrous particles is changed while keeping other conditions such as constant.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite may also be prepared from the porous fiber-reinforced composite prepared by imparting one-way orientation to the fibrous particles as described above.
  • the porous fibre-reinforced composite sheet is first made of a composite sheet in which the first fibrous particles and the second fibrous particles are bound by the binder to form an irregular network structure including pores, and then laminated several composite sheets. It can be produced by press molding, and when the fibrous particles are unidirectionally oriented in the composite sheet, the composite sheet has high mechanical properties along the direction in which the oriented orientation is given.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite obtained by laminating such a composite sheet in one direction and then press molding can withstand a large force in a specific direction.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite may be prepared to have a weight suitable for the intended use, for example, about 600 g / m 2 to about 3000 g / m 2 , for example about 900 g / m 2 To a basis weight of from about 1400 g / m 2 (crystal).
  • the composite porous fiber reinforced composite sheet may have a thickness of about 2 mm to about 8 mm.
  • the porous fiber-reinforced composite material can be lightened, and specifically, the density thereof may be about 0.2 g / cm 3 to about 1.6 g / cm 3 .
  • the porous fiber-reinforced composite may be prepared in a form suitable for the intended use, for example, it may be manufactured in a sheet through a wet papermaking process.
  • the sheet of porous fiber-reinforced composite may be prepared to have a weight suitable for the intended use, for example, it may be made of a sheet having a weight of about 50 g / m 2 to about 1200 g / m 2 .
  • the porous fiber reinforced composite is:
  • It can be prepared by a method for producing a porous fiber-reinforced composite comprising a.
  • FIG. 2 shows that the porous fiber reinforced composite 20 is produced by applying heat and pressure to the reinforcing fibers 4 and the bicomponent polymer fibers 5 by the method of manufacturing the porous fiber reinforced composite.
  • the reinforcing fibers 4 may be the first fibrous particles described above. Thus, the detailed description of the reinforcing fibers 4 is as described for the first fibrous particles.
  • the reinforcing fibers 4 may be inorganic fibers or organic fibers as described above.
  • the bicomponent polymer fiber 5 includes a core portion 5a and a sheath portion 5b, the core portion 5a comprises a first thermoplastic resin, and the sheath portion is second Thermoplastic resin (5b).
  • the melting point of the first thermoplastic resin is higher than the melting point of the second thermoplastic resin.
  • thermoplastic resin and the second thermoplastic resin are as described above.
  • the second thermoplastic resin of the sheath portion is melted to bind the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers by heat fusion, thereby forming an irregular mesh structure including pores.
  • the second thermoplastic resin of the sheath part is present in the state in which the core part is coated and then transferred to the reinforcing fiber while being melted in the heat treatment and drying step to coat some or all of the reinforcing fiber, and the bicomponent fiber is solidified in the molten state. It acts as a binder for binding the core portion and the reinforcing fiber.
  • the method of manufacturing the porous fiber reinforced composite may not additionally use a separate binder.
  • thermoplastic resin forming the sheath portion of the bicomponent polymer fiber has a relatively low melting point, which is advantageous in that low temperature molding is possible.
  • the porosity of the porous fiber-reinforced composite, the degree of coating transferred to the reinforcing fibers, and the like can be adjusted by changing the content of the core and sheath portions of the bicomponent polymer fibers.
  • the bicomponent polymer fiber may have a weight of about 40 parts by weight to about 250 parts by weight based on 100 parts by weight of the core part.
  • the bicomponent polymer fibers made of chemically hydrophobic thermoplastic resins are prepared by dispersing them in an acid aqueous solution
  • the bicomponent polymer fibers are composed of a core part and a sheath part.
  • dispersibility can be excellent.
  • the specific gravity of the core part of the bicomponent polymer fiber is greater than 1, the dispersion degree can be effectively improved during the stirring process in the aqueous solution.
  • the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers can further improve the dispersibility in the acid aqueous solution by using the sheath portion surface-treated, and as a result, to produce a porous fiber-reinforced composite sheet having excellent dispersibility. Can be.
  • Surface treatment of the sheath portion of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers may introduce functional groups such as a fluoro group, a hydroxy group, a carboxyl group, an alkyl group, or may be coated with a coating agent.
  • the reinforcing fibers may act on the surface or the surface of the sheath portion of the bicomponent fiber polymer fibers by a dipping process to introduce a surface treatment agent and a fiber into which the functional groups can be introduced. Can be prepared by reaction.
  • a surface treatment agent or coating agent that can be used in the production of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers to improve the bond strength between the fibers, or carbonization (carbonization) to improve heat resistance Or hydrolysis to improve hydrophilicity, or oxidation to improve aqueous dispersibility.
  • Examples of the surface treatment agent include fluorine waxes (for example, PFAO), hydrocarbon waxes, and silicone polymers.
  • the coating agent is capable of imparting properties such as hydrophilicity / hydrophobicity, water repellency, flame retardancy, nonflammability, heat resistance, acid resistance, alkali resistance, durability, and stain resistance.
  • a water repellent such as a fluorine wax (for example, PFAO), a hydrocarbon wax, and a silicone polymer compatibilizer may be used as the coating agent.
  • the weight ratio of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer component may be about 20:80 to about 80:20, specifically, about 40:60 to about 60:40.
  • the porous fiber-reinforced composite in the method of manufacturing the porous fiber-reinforced composite, it can be mixed in an amount of about 0.1 g to about 10 g of the total amount of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers per 1 L of the acid aqueous solution.
  • the total amount of fibers of the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers in the content of the above range it can be produced as a sheet of uniform thickness while maintaining excellent dispersibility, it is possible to secure the properties due to excellent dispersibility.
  • the pH of the aqueous acid solution may be about 1 to about 4.
  • the method of manufacturing the porous fiber reinforced composite may further include stirring the slurry solution. Dispersibility may be further improved by further performing the step of stirring the slurry solution.
  • the heat treatment and drying the formed web may be performed at a temperature of about 30 ° C. to about 30 ° C. higher than the melting temperature.
  • the temperature range is defined based on the temperature at which the sheath portion of the bicomponent fiber begins to soften or melt. If the temperature is lower than the above range, it is difficult to dry the moisture, and softening of the bicomponent polymer fiber (sheath part) does not occur sufficiently, so that the moisture remains after drying in a sheet form or the sheet is hard to have a fixed property.
  • the core of the bicomponent polymer fiber can be prepared to be included in a porous fiber reinforced composite made of fibrous particles without melting.
  • the fibers are evenly mixed in the aqueous solution of the slurry, followed by a mesh moving along the conveyor belt to form a wet-entangled web.
  • the composite sheet manufactured can be made to have orientation.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite material obtained by laminating the composite sheet provided with the orientation can be further strengthened in one direction by providing the fiber component with the orientation in one direction.
  • the plate of the porous fiber-reinforced composite material may be manufactured to be selectively provided with orientation in accordance with the intended use.
  • the fiber when the fiber is transferred from the head box to the conveyor belt and forms a composite sheet, the fiber is inclined relative to the planar conveyor belt by inclining the portion where the composite sheet is formed (inclined web formation).
  • the process can be designed to lie down in the machine direction.
  • Directionality can be given separately in the machine direction (MD) direction and the cross direction (CD) direction, it is easier to give the direction in the MD direction than the CD direction.
  • the slurry solution may further include an additive such as a crosslinking agent or an additional binder.
  • the crosslinking agent serves to strengthen the chemical bonding strength between the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers, and for example, a silane compound, a maleic acid compound, or the like can be used.
  • the content of the crosslinking agent may be 0 to 5 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total fibers (sum of the reinforced fibers and the bicomponent polymer fibers).
  • the additional binder may be a water-soluble polymer such as starch, casein, polyvinyl alcohol (PVA), carboxymethyl cellulose (CMC); Emulsions such as polyethylene, polypropylene and polyamide; Cement, calcium sulfate type clay, sodium silicate, alumina silicate, an inorganic compound of calcium silicate, etc. can be used.
  • a water-soluble polymer such as starch, casein, polyvinyl alcohol (PVA), carboxymethyl cellulose (CMC); Emulsions such as polyethylene, polypropylene and polyamide; Cement, calcium sulfate type clay, sodium silicate, alumina silicate, an inorganic compound of calcium silicate, etc. can be used.
  • the content of the additional binder may be about 0 to about 5 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total fibers (sum of the reinforced fibers and the bicomponent polymer fibers).
  • the plate of the porous single resin fiber composite material is formed by compressing at least two or more sheets of composite sheets, and in particular, it is possible to determine how many sheets are stacked according to the desired weight per unit area of the final product. For example, if the weight per unit area of the target product of the composite sheet is 1200g / m 2 , approximately 2 to 12 sheets are laminated, then heat press molding by applying heat and pressure to prepare a sheet of porous single resin fiber composite can do.
  • the hot press molding may be performed at a temperature at which the sheath portion of the bicomponent fiber can be melted while the core portion is not melted. In this temperature range, the interface between the composite sheets may be fused while the sheath is melted.
  • the hot press molding may be laminated to the composite sheet by applying a pressure of about 1 to about 30 bar at a temperature of about 100 to about 180 °C to prepare a plate material of a porous single resin fiber composite.
  • the hot press molding may be performed such that a plate of a porous single resin fiber composite material may be continuously manufactured by double belt press molding.
  • the plate of the porous single resin fiber composite may be prepared as follows. First, after blending the reinforcing fibers and the bicomponent polymer fibers, the blended fibers are stirred in an aqueous solution containing an additive, and then transferred to a head box capable of forming a web. The slurry in the head box passes through the vacuum intake system to form a wet web, which is made into a composite sheet in sheet form while passing through the dryer. The weight of the composite sheet is to be about 50g to about 600g per square meter to facilitate later thermoforming. The drying temperature is set to about 100 ° C. to about 180 ° C.
  • the prepared composite sheet is cut out and laminated according to the use, and the sheet is made of a porous single resin fiber composite having a thickness of about 2 mm to about 8 mm in the form of a plate through a thermocompression press.
  • the plate of the porous single resin fiber composite material may be manufactured from a plate having a thickness of 2 to 4 mm by heating at about 200 °C, then transferred to a press at room temperature and then press molding.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a method for producing a porous single resin fiber composite described according to the embodiment.
  • the bicomponent polymer fiber has a weight ratio of 50:50 in the polyester core portion and the low melting point crystalline polyester sheath portion (melting point max is 160 ° C, melting range is 140-180 ° C),
  • melting point max is 160 ° C, melting range is 140-180 ° C
  • a fiber having a length of 5 mm and a diameter of 4 deniers (about 20 ⁇ m cross-sectional diameter) was prepared.
  • Glass fibers were prepared by cutting 13 mm long glass fibers with a cross-sectional diameter of 13 ⁇ m coated to be suitable for aqueous dispersion. 40 parts by weight of the glass fiber and 60 parts by weight of the bicomponent polymer fiber were combined, and the mixture was stirred for 1 hour in an aqueous solution adjusted to pH 2 with hydrochloric acid.
  • the total fiber content of the glass fiber and the bicomponent polymer fiber was 2 g per 1 L of water.
  • the wet slurry process was performed to form a web through the vacuum suction apparatus in the aqueous slurry after the stirring process. After the web was formed, the moisture was completely dried by passing through an oven dryer at 140 ° C.
  • the dried sheet made as a porous fiber reinforced composite had a thickness of approximately 5 mm at 120 g / m 2 .
  • a hot press was formed at a temperature of 170 ° C. into a 2.5 mm thick plate.
  • the plate thus prepared was expanded by preheating at 200 ° C. for 2 minutes in an IR oven, transferred to a press at room temperature, and then pressurized. At this time, the pressure is applied to 100 ton / m 2 of the pressure that the mat does not come out in the mold to complete the plate.
  • the plate was then molded in the same manner as in Example 1 and then expanded in a IR oven by preheating at 200 ° C. for 2 minutes, transferred to a press at room temperature, and then pressurized to complete the plate. .
  • the polyester core portion and the low melting point amorphous polyester sheath portion are 50:50.
  • the polyester core portion and the low melting point amorphous polyester sheath portion are 50:50.
  • the sheet was molded in the same manner as in Example 1, and then expanded in a IR oven by preheating at 200 ° C. for 2 minutes, transferred to a press at room temperature, and then pressurized to complete the sheet.
  • Example 1 and Comparative Examples 1-2 The mechanical properties of the plates prepared in Example 1 and Comparative Examples 1-2 were compared. First, the tensile strength, flexural strength and flexural modulus were measured after leaving the plates prepared in Example 1 and Comparative Examples 1-2 at room temperature for 24 hours, respectively. Tensile strength was measured on the basis of ASTM D638, 2 mm thick sample, and flexural strength and flexural modulus were measured on the basis of ASTM D790, 2.5 mm thick sample.
  • Example 1 the impact strength of the boards prepared in Example 1 and Comparative Examples 1-2 for 24 hours, respectively, left at room temperature for 24 hours and then subjected to a dropping impact test, the dropping impact test was measured based on ASTM D3763 at room temperature It was.
  • Example 1 the plate materials prepared in Example 1 and Comparative Examples 1-2 were left to stand for 2 hours, and then the thickness change was measured.
  • FIG. 4 is a SEM photograph of the cut surface of the plate material prepared in Example 1
  • Figure 5 is a SEM photograph of the cut surface of the plate material prepared in Comparative Example 1.
  • the portion labeled 'RMF' represents the remaining portion in which the low melting crystalline polyester sheath portion is partially melted in the bicomponent polymer fiber and maintains the fibrous form
  • the portion labeled 'GF' represents the glass fiber.
  • the part labeled 'PP resin' indicates that the polypropylene fiber is formed in a molten state
  • the part labeled 'GF' indicates glass fiber.
  • Example 1 not only glass fibers but also polyester fibrous phases remain in the porous fiber-reinforced composite even after thermoforming, in Comparative Example 1, the polypropylene fibers are melted and hard to find the fibrous form, and only the glass fibers remain in the fibrous form. .
  • Example 1 containing bicomponent polymer fibers retaining fibrous morphology exhibited high tensile strength values.
  • Example 1 using the two-component polymer fibers formed of the PET crystallized cis part is no change in thickness even if left for 2 hours at 80 °C, it can be confirmed that the stability is improved, In Comparative Example 2, the thickness was increased by 20%.
  • Example 2 using the bicomponent polymer fibers formed of PET with the sheath portion crystallized is superior in strength to Comparative Example 2.

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Abstract

제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고, 상기 제1 섬유상 입자는 무기 섬유 또는 유기 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높고, 상기 제2 열가소성 수지는 결정성 열가소성 수지인 다공성 섬유강화 복합재가 제공된다.

Description

다공성 섬유강화 복합재 및 이를 제조하는 방법
다공성 섬유강화 복합재에 관한 것이다.
종래의 열가소성 복합소재는 높은 강성을 나타내는 유리섬유나 카본섬유 등의 강화 섬유와 매트릭스를 구성하는 열가소성 수지로 구성되어 있다. 이러한 열가소성 복합소재는 일반 열가소성 수지 제품에 비해 높은 기계적 물성을 나타내기 때문에, 자동차 및 건축용 소재로 널리 사용되고 있다. 종래의 열가소성 복합소재 제조방식은 주로 강화 섬유를 열가소성 수지에 혼합한 후, 압출 내지 몰드 프레스 공정을 통해 성형하는 방식인데, 최근 강도와 생산성 향상을 위해, 건식 니들펀칭 공정이나 습식 초지 공정을 적용하여 우선적으로 강화 섬유가 포함된 매트 형태의 소재를 제조하고, 그 후 수지를 매트에 함침시키는 방식을 통해 복합 소재를 제조하고 있다.
강화 섬유와 열가소성 수지의 복합 소재는 열가소성 수지에 비해 강화 섬유가 보강재의 역할을 하기 때문에 우수한 기계적 강도를 나타낸다. 강화섬유 복합 소재의 강도를 높이기 위한 방법으로 우선 강화섬유 자체의 강성을 높이거나, 강화 섬유의 비율을 증가시키는 방법 그리고 강화 섬유와 열가소성 수지 간의 결합력을 향상시키는 기술이 적용되고 있다. 하지만, 습식이나 건식 공정을 통해 강화 섬유 매트를 제조하는 공정을 도입하였을 때, 강화섬유 개질을 통한 강도 향상은 한계가 있기 때문에, 기존의 분말이나 단섬유 타입이 아닌 제조 공정에 최적화된 열가소성 수지의 개질이 필요하다. 또한, 일반적인 열가소성 수지의 경우 화학적으로 소수성을 띄거나 비중이 물보다 가볍기 때문에, 매트 형성 과정 중 분산성이 현저하게 떨어지므로, 섬유상의 열가소성 수지를 습식 초지 공정에 적용하기 어렵다. 또한 열가소성 수지는 성형 후 전부 용융되어 매트릭스를 형성하면서 강화섬유를 묶어주는 역할을 하기 때문에, 강도 향상에 크게 영향을 미치지 못한다.
본 발명의 일 구현예는 기계적 강도 및 경량화를 구현할 수 있는 다공성 섬유강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고, 상기 제1 섬유상 입자는 무기 섬유 또는 유기 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높고, 상기 제2 열가소성 수지는 결정성 열가소성 수지인 다공성 섬유강화 복합재가 제공된다.
상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 각각의 입자 표면에 상기 결착재에 의해 일부 또는 전체가 코팅되어 코팅부를 형성하고, 상기 각각의 표면에 형성된 코팅부가 서로 융착되어 결착될 수 있다.
상기 제2 열가소성 수지는 상기 제2 열가소성 수지 중 최대 양이 녹는 융점을 융점max라고 하고, 융점max가 150 내지 170℃에 존재하는 저융점 PET 섬유일 수 있다.
상기 제2 열가소성 수지는 융점 범위가 융점max에서 ±20℃의 범위 내에 존재할 수 있다.
상기 제2 열가소성 수지는 20% 내지 80%의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유일 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮고, 우수한 흡차음 성능 및 성형성을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재의 개략적인 모식도이다.
도 2는 상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 의해 강화 섬유와 이성분 폴리머에 열과 압력을 가해 본 발명의 다른 구현예에 따른 다공성 섬유강화 복합재가 제조되는 것을 도시화한 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 설명된 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 판재의 절단 면에 대한 SEM 사진이다.
도 5는 비교예 1에서 제조된 판재의 절단 면에 대한 SEM 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고, 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고, 상기 제1 섬유상 입자는 무기 섬유 또는 유기 섬유이고, 상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높고, 상기 제2 열가소성 수지는 결정성 열가소성 수지인 다공성 섬유강화 복합재를 제공한다.
상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재 성분에 의해 일부 또는 전체가 코팅된 상태로 존재한다. 즉, 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 각각의 입자 표면에 상기 결착재로 형성되는 코팅부를 형성한다.
상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자 각각의 코팅부가 융착되어 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자가 불규칙하게 결착될 수 있다. 이와 같이 결착된 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자는 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 제1 섬유상 입자 (1), 제2 섬유상 입자 (2) 및 결착재 (3)를 포함하는 다공성 섬유강화 복합재 (10)의 개략적인 모식도이다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮아서 경량화를 구현할 수 있는 재료이기 때문에, 이러한 특성을 요구하는 자동차 및 건축용 재료의 용도에 유용하게 적용될 수 있다. 아울러, 상기 다공성 섬유강화 복합재는 이러한 자동차 및 건축용 재료로 요구되는 우수한 흡차음 성능 조건을 만족시킬 수 있으며, 우수한 성형성을 갖는다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 후술되는 상기 다공성 섬유강화 복합재를 제조하는 방법에 따라 제조될 수 있고, 이와 같이 제조된 상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산되어 제조된다.
이와 같이, 상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 수지 중에 잘 분산되면 섬유와 수지간의 결합력이 높아지게 되어 다공성 섬유강화 복합재의 강도가 향상된다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 이와 같이 알아낸 분산성과 강도의 사이의 상관 관계에 근거하여, 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자 (편의상, '섬유상 입자들'이라고도 함)의 분산을 향상시킴으로써 강도 향상의 효과를 얻어낸다.
상기 섬유상 입자들의 분산성이 좋으면 시트로 형성된 다공성 섬유강화 복합재의 시트 내 두께 편차가 낮아진다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 좋을수록 섬유상 입자들이 뭉치는 부분이 적게 되고, 반대로 상기 섬유상 입자들의 분산성이 떨어지는 경우 섬유상 입자들이 뭉쳐있게 된다. 섬유상 입자들이 뭉쳐있게 되면 그 부분에 해당되는 시트의 두께가 높아진다. 따라서, 섬유상 입자들의 분산성이 우수한 다공성 섬유강화 복합재의 시트는 일정한 두께를 가지게 된다. 즉, 섬유상 입자들의 분산성이 우수한 다공성 섬유강화 복합재의 시트 내 두께 편차가 낮아지게 된다.
일 구현예에서, 상기 다공성 섬유강화 복합재는 시트 형상으로서, 시트 내 두께 편차가 약 2 mm 이하일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 다공성 섬유강화 복합재는 시트 형상으로서, 시트 내 두께 편차가 약 0.3 mm 이하일 수 있다.
상기 '시트 내 두께 편차'는 하나의 시트가 가지는 최대 두께와 최소 두께의 차이를 의미한다.
상기 다공성 섬유강화 복합재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 방법으로서 다른 예를 들면, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 단면을 색차계로 평가하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 좋을수록 뭉치는 부분이 적기 때문에 좀 더 골고루 흰색을 띄게 되고, 반대로 상기 섬유상 입자들의 분산성이 떨어지는 경우 상기 섬유상 입자들끼리 뭉쳐서 겹쳐있는 부분이 많아지면서 이러한 부분이 더 어두운 색을 나타내게 된다. 이러한 차이를 색차계를 이용하여 이를 평가할 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 간접적인 방법으로 강도를 비교하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 향상되면 상기 다공성 섬유강화 복합재의 강도 향상의 결과로 이어지므로, 상기 다공성 섬유강화 복합재에 포함되는 제1 섬유상 입자, 제2 섬유상 입자 및 결착재의 종류 및 함량 등의 다른 조건을 일정하게 하면서 섬유상 입자들의 분산성만 달라지도록, 예를 들어, 제조 방법 등을 달리하여 제조한 뒤 강도를 비교할 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자의 분산성이 우수함에 따라 전술한 바와 같이 더욱 우수한 기계적 강도를 구현하고, 그에 따라 경량화가 가능하게 된다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 또한 상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 일 방향 배향성을 갖는 시트로 제조될 수 있다. 이와 같이, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 시트에 일 방향 배향성이 부여되도록 하면 그 배향성이 부여된 방향을 따라 시트는 높은 기계적 물성을 가지게 된다. 이러한 시트는 특정 방향으로 큰 힘을 견딜 수 있는 재료로 적용되기에 적합하다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자의 2종의 강화 섬유를 포함한다. 상기 다공성 섬유강화 복합재는 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자를 모두 함께 포함함으로써, 그 종류 및 함량비를 조절하여 소정의 특성이 우수하게 발현되도록 설계될 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자로서 유리 섬유와 같이 인장 탄성율이 높은 물질을 사용하면서, 상기 제2 섬유상 입자로서 열가소성 수지로 제조되는 열가소성 섬유를 사용하여 추가적으로 강도를 더욱 향상시키면서, 동시에 열가소성 수지의 탄성을 부여시킬 수 있다. 제2 섬유상 입자를 구성하는 열가소성 수지는 비교적 융점이 높은 열가소성 수지를 사용하기 때문에 제1 섬유상 입자만 존재하는 경우에 대비하여 추가적인 강도 향상을 기대할 수 있다. 아울러, 열가소성 섬유는 제1 섬유상 입자에 대비하여 탄성이 우수하기 때문에 외부로부터 충격에 대하여, 충격 에너지를 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.
또한, 상기 결착재에 포함되는 상기 제2 열가소성 수지는 결정성 열가소성 수지로서 그 융점이 상대적으로 낮기 때문에, 다공성 섬유강화 복합재는 저온 성형성의 특성을 갖는다.
일 구현예에서, 상기 다공성 섬유강화 복합재 중 제1 섬유상 입자의 함량 대 제2 섬유상 입자와 결착재의 함량의 합의 중량비가 약 20 : 80 내지 약 80 : 20, 구체적으로, 약 40 : 60 내지 약 60 : 40 일 수 있다. 제1 섬유상 입자의 함량이 높아질수록 강도가 우수한 경향성을 가지나, 일정 함량 수준 이상에서는 향상의 정도가 낮아질 수 있다. 상기 함량 범위는 제1 섬유상 입자의 함량 증가에 따른 강도 향상 효과를 효과적으로 확보하면서도, 동시에 제2 섬유상 입자로부터의 효과를 얻어내기에 적합한 함량 범위이다.
제2 섬유상 입자와 결착재는 후술되는 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 의할 때, 이성분 폴리머 섬유에 기인한다. 따라서, 후술되는 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에서, 제1 섬유상 입자와 이성분 폴리머 섬유의 함량을 상기 범위로 조절하여 상기 함량비를 갖는 다공성 섬유강화 복합재를 제조할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 다공성 섬유강화 복합재는 제2 섬유상 입자 100 중량부 대비하여 결착재의 중량은 약 40 중량부 내지 약 250 중량부 포함할 수 있다. 상기 함량비로 제2 섬유상 입자와 결착재의 함량비를 조절하여 적절하게 결착력과 탄성을 부여하면서 우수한 분산성을 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 후술되는 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에서, 이성분 폴리머 섬유의 코어(core)부와 시스(sheath)부의 함량비를 조절하여, 상기 제2 섬유상 입자와 상기 결착재의 함량비를 구현할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 보론 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 섬유의 예시로, 니켈 섬유, 철 섬유, 스테인리스 스틸 섬유, 구리 섬유, 알루미늄 섬유, 은 섬유, 금 섬유 를 들 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 섬유상 입자는 단면 직경이 약 5 ㎛ 내지 약 40 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제1 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제1 섬유상 입자를 포함하는 상기 다공성 섬유강화 복합재는 외부 충격에 강하고, 후술되는 상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제1 섬유상 입자는 길이가 약 1 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 상기 범위의 길이를 갖는 제1 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있고, 또한, 섬유상 입자들간 결합력을 적절히 부여하여 상기 다공성 섬유강화 복합재가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 뭉치면서 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
구체적으로, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 약 160℃ 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 약 200℃ 내지 약 400℃일 수 있다. 제1 열가소성 수지가 상기 범위의 융점을 가지도록 함으로써, 저온 성형시 결착재가 용융된 후에도 섬유상을 유지할 수 있다. 상기 제1 열가소성 수지의 융점이 160℃ 미만인 경우 섬유상을 유지하기 위해 열 성형 온도를 너무 낮추어야 하거나, 이를 포함하는 상기 다공성 섬유강화 복합재가 추후 열적 안정성이 저하되어 치수의 변형 또는 폴리머 변질 등을 초래할 우려가 있다. 또한, 제2 열가소성 수지와의 온도차이가 지나치게 줄어들 수 있어서 성형 온도를 제어하기 어려울 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 제1 열가소성 수지의 비중이 약 1 보다 높다. 후술되는 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 의할 때, 산 수용액에 이성분 폴리머 섬유를 분산하게 되는데, 물의 비중인 1 보다 높은 비중의 소재를 사용하여야 분산성 향상 및 망상 구조 형성이 용이하다. 그렇기 때문에, 상기 이성분 폴리머 섬유의 코어부는 폴리에스테르와 같은 비중이 1보다 높은 열가소성 수지일 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자를 형성할 수 있는 제1 열가소성 수지는, 예를 들어, 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 섬유상 입자를 형성할 수 있는 제1 열가소성 수지는, 예를 들어, 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르일 수 있다.
상기 결착재를 형성할 수 있는 상기 제2 열가소성 수지의 융점은 수지의 특성상 하나의 특정 값을 갖지 않으며, 일정 범위의 융점 범위 (melting range)에 걸쳐 존재한다. 융점 범위에서 온도를 높여가면서 제2 열가소성 수지의 녹는 양을 도시한 그래프는, 거의 정규 분포와 유사한 그래프가 얻어지고, 제2 열가소성 수지의 최대 양이 녹는 피크가 존재하며, 상기 피크에서의 융점을 융점max라고 정의하면, 상기 제2 열가소성 수지는 융점max은 약 150 내지 약 170℃인 저융점 PET 섬유일 수 있다.
후술되는 상기 다공성 섬유강화 복합재를 제조하는 방법에서 상기 결착재를 형성할 수 있는 상기 제2 열가소성 수지는 이성분 섬유의 시스부에 해당한다. 상기 이성분 섬유는 코어부에 비해 약 150 내지 약 170℃의 낮은 융점max을 가지는 시스부를 포함하여 상기 온도 조건의 범위에서 성형이 가능함에 따라 열성형시 공정 조건을 최적화하기 용이하고, 고온에서의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 제2 열가소성 수지는 융점 범위 (melting range)가 융점max에서 ±20℃에서 존재할 수 있다. 상기 범위와 같이 융점 범위가 존재하는 상기 제2 열가소성 수지를 상기 이성분 섬유의 시스부에 적용함으로써, 열성형시 공정 제어가 용이하여 작업성이 향상된다.
또한, 상기 결착재를 형성할 수 있는 상기 제2 열가소성 수지가 결정성 열가소성 수지를 적용함에 따라서 상기 다공성 섬유강화 복합재의 강도를 더욱 높일 수 있다.
상기 저융점 PET 섬유와 같은 결정성 열가소성 수지는 특정한 연신율을 부여하여 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 열가소성 수지는 약 20% 내지 약 80%의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유일 수 있다.
또한, 상기 결정성 열가소성 수지의 강도는 연신율과 관련이 있다. 상기 결정성 열가소성 수지의 연신율을 높이게 되면 강도가 높아지고, 반대로, 연신율을 낮추면 강도가 낮아진다.
상기 결착재를 형성할 수 있는 상기 제2 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 결착재는 제1 섬유상 입자와 제2 섬유상 입자를 묶어주는 역할을 하고, 상기 결착재를 형성하는 상기 제2 열가소성 수지를 상기 범위의 융점을 갖도록 하여 낮은 온도에서 용융될 수 있으므로, 저온 성형성을 확보할 수 있다. 상기 결착재는 적용하고자 하는 성형 온도에 따라 저융점 폴리에스테르, 또는 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트, 또는 폴리프로필렌 그리고 폴리에틸렌 등을 적절히 선택할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 예시와 같이 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 선택할 때, 제1 열가소성 수지의 융점이 제2 열가소성 수지의 융점보다 높은 조건을 만족하여야 한다. 또한, 후술되는 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에서 사용되는 이성분 폴리머 섬유의 코어부 및 시스부의 재료가 상기 조건을 만족하도록 각각 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 선택할 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자는 단면 직경이 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제2 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있다. 상기 범위의 굵기를 갖는 제2 섬유상 입자를 포함하는 상기 다공성 섬유강화 복합재는 강도 특성이 우수하고, 후술되는 상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 따라 제조시 제1 섬유상 입자를 수용액 내에 분산시, 수용액 내에서 적절한 엮임성 (Hydroentangle property)을 갖도록 하여 시트 형성을 용이하게 할 수 있다.
상기 제2 섬유상 입자는 길이가 약 1 mm 내지 약 50 mm일 수 있다. 상기 범위의 길이를 갖는 제2 섬유상 입자는 적절히 강도를 부여할 수 있으면서 배향성 및 분산성을 확보할 수 있고, 또한, 섬유상 입자들간 결합력을 적절히 부여하여 상기 다공성 섬유강화 복합재가 우수한 강도를 가지도록 하면서 동시에 섬유가 너무 길 경우 섬유가 엉기어 로프 (rope) 상을 형성하여 분산성이 저하되는 것을 방지하고, 시트를 형성하기에 적합하다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 기공도가 약 40 내지 약 80 부피%일 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 다공성 섬유강화 복합재는 망목 구조를 형성하면서 열린 기공을 형성한다. 상기 범위의 기공도를 가지도록 한 다공성 섬유강화 복합재는 강도를 유지하면서 경량화를 구현할 수 있고, 더불어 우수한 흡차음 성능을 가질 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 열린 기공을 통해 들어오는 음파가 제2 섬유상 입자의 섬유의 진동에 의해 감쇠되는 효과가 있어 흡차음 소재로 응용이 가능하게 된다. 상기 다공성 섬유강화 복합재의 기공도가 높을 수록, 제2 섬유상 입자의 함량이 높을수록, 그리고 소리의 파동이 통과하는 길이가 길수록 에너지 감쇠 효과가 우수하다. 소리의 파동이 통과하는 길이란, 예를 들어, 똑같은 기공도를 가질 경우라도 소재 자체의 두께가 크거나, 기공의 연결성이 좋은 경우 길어진다. 상기 다공성 섬유강화 복합재는 일정 정도의 기공성을 유지하면서도, 제2 섬유상 입자의 함량을 조절하고, 또한, 소리의 파동이 통과하는 길이를 함께 조절하여 향상된 흡차음 성능을 가지는 소재로서 제조될 수 있다. 특히, 제2 섬유상 입자는 경질의 제1 섬유상 입자에 비해 유연하기 때문에, 소리 에너지 감쇠 효과가 높아서 흡차음 성능 향상에 효과적으로 작용한다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 밀도가 약 0.2 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3 인 판재로 제조될 수 있다.
상기 판재는 다공성 섬유강화 복합재를 소정의 수준으로 압축된 상태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 판재는 후술되는 다공성 섬유 강화 복합재를 제조하는 방법에서 사용되는 습식 초지 공정에 의해 낱장의 시트로서 얻어진 상기 다공성 섬유강화 복합재 시트를 여러 장 적층한 뒤 프레스 성형하여 얻어질 수 있다.
상기 프레스 성형은 다단 공정으로 수행되면서, 열처리 공정을 교대로 수행함으로써, 보다 결착재의 분산성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 여러 장 적층된 다공성 섬유강화 복합재 시트를 프레스 성형한 뒤, 이어서, 승온시킨 후, 다시 상온에서 프레스 성형하여 최종 판재를 얻을 수 있다. 상기 열처리 공정을 프레스 공정 사이에 수행함으로써 판재의 중심부까지 열전달이 용이하여 결착재가 잘 용융되어 분포가 고르게 형성될 수 있다. 이와 같이, 결착재를 고르게 분산시킴으로써, 판재의 물성이 전체적으로 매우 고른 특성을 얻을 수 있게 된다.
상기 프레스 성형은 80 내지 95%의 압축률로 수행할 수 있다. 상기 프레스 성형에 의해 섬유의 압축밀도를 조절하여, 강도 및 흡음 특성을 우수하게 구현할 수 있다.
상기 판재는 기공 구조를 포함하여 형성된다. 통상적으로 원료를 혼합하여 압출하여 몰드 프레스 공정을 통해 제조되는 복합재는 기공 구조를 형성하기 어려운 반면, 상기 판재는 다공성 섬유강화 복합재를 이용하여 제조됨에 따라 기공 구조를 형성한다.
구체적으로, 상기 판재는 기공률이 약 40 내지 약 80 부피일 수 있다. 상기 다공성 섬유강화 복합재 판재가 상기 범위의 기공률을 갖도록 형성되어서, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재의 강도, 내충격성 및 흡음성의 특성을 모두 우수하게 할 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 상기 다공성 섬유강화 복합재가 압축된 상태이므로, 그 구조는 도 1의 다공성 섬유강화 복합재의 구조를 그대로 유지하면서, 단지 압축된 형태로 이해하면 된다.
구체적으로, 상기 판재의 밀도가 약 0.2 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3 가 되도록 프레스 성형을 수행하여 판재를 제조할 수 있다. 판재의 밀도를 상기 범위가 되도록 압착 제조되어 우수한 강도를 구현할 수 있다.
상기와 같이 압축되어 제조된 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 섬유 입자들의 분산도가 우수하여 판재 전체에 걸쳐서 고르게 우수한 기계적 물성 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 판재는 여러 지점에서 충격 강도 특성을 평가하여도 고르게 우수한 충격 강도 결과를 나타낸다. 구체적으로, 상기 판재에 대하여 ASTM D3763 기준에 따른 낙구 충격 테스트를 수행하여 얻은 충격 강도에 있어서, 하나의 판재 내에서 얻어진 충격 강도의 최대값과 최소값의 차이가 약 0.2 J/mm 이하일 수 있다. 이는 다시 말하면, 상기 판재는 상기 판재 내 임의의 2 지점에서 측정한 ASTM D3763에 의한 충격 강도의 차이가 약 0.2 J/mm 이하일 수 있다는 의미이다.
상기 판재는 인장, 굴곡 및 충격 강도와 같은 높은 기계적 강도를 구현하면서도 밀도가 낮아서 경량화를 구현할 수 있는 재료이기 때문에, 이러한 특성을 요구하는 자동차 및 건축용 재료의 용도에 유용하게 적용될 수 있다. 아울러, 상기 판재는 이러한 자동차 및 건축용 재료로 요구되는 우수한 흡차음 성능 조건을 만족시킬 수 있다.
또한, 상기 판재는 단일 폴리머를 주성분으로 구성한 소재이기 때문에 별도의 이종 분리 공정 없이 재활용이 용이하며, 유리 섬유가 적용되지 않아서 작업시 취급성이 우수하다.
또한, 상기 판재는 전술한 바와 같이 압축된 상태로 제조되고, 이후, 승온시켜도 팽창되지 않는 특징을 갖는다.
상기 다공성 섬유강화 복합재 판재는 후술되는 상기 제조 방법에 따라 제조될 수 있고, 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산된 상기 다공성 섬유강화 복합재로부터 제조되므로, 섬유상 입자들의 분산성이 우수하고, 또한, 제1 섬유상 입자, 제2 섬유상 입자 및 결착재 모두 단일 수지를 사용함으로써, 각 성분간의 상응성이 높아져 결합력이 높아진다. 이와 같이, 상기 제1 섬유상 입자 및 제2 섬유상 입자가 잘 분산되고, 각 성분 결합력이 높아지게 되어 다공성 섬유강화 복합재의 판재의 강도가 향상된다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 이와 같이 알아낸 분산성 또는 상응성과 강도의 사이의 상관 관계에 근거하여, 섬유상 입자들의 분산 및 상응성을 향상시킴으로써 우수한 강도 특성을 발휘한다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 방법의 일례를 들면, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재의 단면을 색차계로 평가하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 좋을수록 뭉치는 부분이 적기 때문에 좀 더 골고루 흰색을 띄게 되고, 반대로 상기 섬유상 입자들의 분산성이 떨어지는 경우 상기 섬유상 입자들끼리 뭉쳐서 겹쳐있는 부분이 많아지면서 이러한 부분이 더 어두운 색을 나타내게 된다. 이러한 차이를 색차계를 이용하여 이를 평가할 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재에 포함된 섬유상 입자들의 분산성이 향상되었음을 확인하는 간접적인 방법으로 강도를 비교하는 방법이 있다. 상기 섬유상 입자들의 분산성이 향상되면 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재의 강도 향상의 결과로 이어지므로, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재에 포함되는 제1 섬유상 입자, 제2 섬유상 입자 및 결착재의 종류 및 함량 등의 다른 조건을 일정하게 하면서 섬유상 입자들의 분산성만 달라지도록, 예를 들어, 제조 방법 등을 달리하여 제조한 뒤 강도를 비교할 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 또한 전술한 바와 같이 섬유상 입자들에 일 방향 배향성을 부여하여 제조된 다공성 섬유강화 복합재로부터 제조될 수 있다. 상기 다공성 섬유강화 복합재 판재는 먼저 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성한 복합재 시트로 제조된 뒤, 여러 장의 복합재 시트를 적층하여 프레스 성형하여 제조될 수 있고, 이 때 상기 복합재 시트에 섬유상 입자들이 일 방향 배향성이 부여되도록 하면 그 배향성이 부여된 방향을 따라 복합재 시트는 높은 기계적 물성을 가지게 된다. 이러한 복합재 시트를 한 방향으로 적층한 뒤 프레스 성형하여 얻어진 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 특정 방향으로 큰 힘을 견딜 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 적용하고자 하는 용도에 적합한 중량을 갖도록 제조될 수 있고, 예를 들어, 약 600 g/m2 내지 약 3000 g/m2, 예를 들어, 약 900 g/m2 내지 약 1400 g/m2 (수정)의 평량을 가질 수 있다.
상기 복합재 다공성 섬유강화 복합재 판재는 두께가 약 2mm 내지 약 8mm 일 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 경량화 구현이 가능함은 전술한 바와 같고, 구체적으로, 그 밀도가 약 0.2 g/cm3 내지 약 1.6 g/cm3일 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는 적용하고자 하는 용도에 맞는 형태로 제조될 수 있고, 예를 들어, 습식 초지 공정 등을 통해 시트로 제조될 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 시트는 적용하고자 하는 용도에 적합한 중량을 갖도록 제조될 수 있고, 예를 들어, 약 50 g/m2 내지 약 1200 g/m2 의 중량을 갖는 시트로 제조될 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재는:
강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산시켜 슬러리 용액을 준비하는 단계;
상기 슬러리 용액으로부터 습식 초지 공정에 의해 웹을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시키는 단계;
를 포함하는 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
도 2는 상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에 의해 강화 섬유 (4)와 이성분 폴리머 섬유 (5)에 열과 압력을 가해 다공성 섬유강화 복합재 (20)가 제조되는 것을 도시화한 것이다.
상기 강화 섬유 (4)는 전술하여 설명한 상기 제1 섬유상 입자일 수 있다. 따라서, 상기 강화 섬유 (4)에 대한 상세한 설명은 상기 제1 섬유상 입자에 대하여 설명된 바와 같다. 상기 강화 섬유 (4)는 전술하여 설명한 바와 같이, 무기 섬유 또는 유기 섬유일 수 있다.
상기 이성분 폴리머 섬유 (5)는 코어(core)부 (5a)와 시스(sheath)부 (5b)를 포함하고, 상기 코어부 (5a)는 제1 열가소성 수지를 포함하고, 상기 시스부는 제2 열가소성 수지 (5b)를 포함한다.
상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높다.
상기 제1 열가소성 수지 및 상기 제2 열가소성 수지에 대한 상세한 설명은 전술하여 설명한 바와 같다.
상기 열처리 및 건조 단계에서 상기 시스부의 제2 열가소성 수지가 용융되어 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 섬유를 열융착으로 결착시킴으로써 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조가 형성된다.
상기 시스부의 제2 열가소성 수지는 상기 코어부를 코팅한 상태로 존재하다가 상기 열처리 및 건조 단계에서 용융되면서 상기 강화 섬유에 전이되어 강화 섬유를 일부 또는 전부 코팅하게 되고, 용융 상태가 고화되면서 상기 이성분 섬유의 코어부 및 상기 강화 섬유를 결착하는 결착재로 작용하게 된다.
이와 같이, 상기 시스부가 결착재로 작용하기 때문에 상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법은 별도의 결착재를 추가적으로 사용하지 않을 수 있다.
상기 이성분 폴리머 섬유의 시스부를 형성하는 열가소성 수지가 비교적 저융점을 갖도록 함으로써 저온 성형이 가능하다는 장점이 있다.
다공성 섬유 강화 복합재의 기공도, 강화 섬유에 전이되는 코팅의 정도 등은 상기 이성분 폴리머 섬유 중 코어부와 시스부의 함량을 변화시켜 조절할 수 있다.
예를 들어, 이성분 폴리머 섬유는 상기 코어부 100 중량부 대비하여 상기 시스부의 중량은 약 40 중량부 내지 약 250 중량부일 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법은 화학적으로 소수성을 띠는 열가소성 수지로 제조된 이성분 폴리머 섬유를 산 수용액에 분산하여 제조함에도 불구하고, 이성분 폴리머 섬유를 코어부와 시스부로 구성하고, 코어부의 비중을 높임으로써, 분산성을 우수하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 이성분 폴리머 섬유의 코어부의 비중을 1 보다 크게 하면, 수용액 중 교반 과정에서 분산도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유는 상기 시스부가 표면처리된 것을 사용하여, 산 수용액 내에서의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있고, 그 결과, 분산성이 더욱 우수한 다공성 섬유강화 복합재 판재를 제조할 수 있다.
상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 시스부의 표면처리는 표면에 플루오로기, 히드록시기, 카르복실기, 알킬기 등의 작용기를 도입하거나, 코팅제로 코팅할 수 있다. 예를 들어, 강화 섬유 및 이성분 섬유 폴리머 섬유 제조시, 딥핑 공정 등에 의해 상기 강화 섬유이 표면, 또는 상기 이성분 섬유 폴리머 섬유의 시스부의 표면과 작용하여 상기 작용기를 도입할 수 있는 표면처리제와 섬유를 반응시켜 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유 제조시 사용할 수 있는 표면처리제 또는 코팅제에 의해 상기 강화 섬유 또는 이성분 폴리머 섬유를 실란 처리함으로써 섬유간 결합력 향상시키거나, 탄화 (Carbonization)시켜 내열성 향상시키거나, 가수분해 (Hydrolysis)시켜 친수성을 향상시키거나, 산화 (Oxidation)시켜 수계분산성을 향상시킬 수 있다.
표면처리제는, 예를 들면, 불소계 왁스 (예를 들어, PFAO 등), 탄화수소계 왁스, 실리콘계 폴리머 등을 들 수 있다.
코팅제는 그 성분에 따라, 친수성/소수성, 발수성, 난연성, 불연성, 내열성, 내산성, 내알칼리성, 내구성, 내오염성 등의 특성 부여가 가능하다. 구체적으로, 코팅제로서 불소계 왁스 (예를 들어, PFAO 등), 탄화수소계 왁스 등의 발수제와 실리콘계 폴리머 친화제 (Compatibilizer) 등을 사용할 수 있다.
제조하고자 하는 다공성 섬유강화 복합재의 목적하는 물성에 따라, 강화 섬유와 이성분 폴리머 성분의 함량비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 강화 섬유와 상기 이성분 폴리머 성분의 중량비가 약 20 : 80 내지 약 80 : 20, 구체적으로, 약 40 : 60 내지 약 60 : 40 일 수 있다.
구체적으로, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에서, 상기 산 수용액 1L당 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 총합의 함량 약 0.1 g 내지 약 10 g의 함량으로 혼합할 수 있다. 상기 범위의 함량으로 상기 강화 섬유 및 상기 이성분 폴리머 섬유의 섬유 총량을 조절함으로써, 우수한 분산성을 유지하여 균일한 두께의 시트로서 제조될 수 있고, 우수한 분산성에 기인한 물성을 확보할 수 있다.
상기 산 수용액의 pH가 약 1 내지 약 4일 수 있다. 상기 산 수용액의 pH를 상기 범위로 조절하여, 유리 섬유 구성물인 실리카 (SiO2) 나 알루미나 (Al2O3), 보론 (B2O5)이 강산에 화학적으로 분해되지 않게 하면서 유리 섬유 표면의 전하가 발생하여 분산성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법은 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 슬러리 용액을 교반하는 단계를 더 수행함으로써 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 다공성 섬유강화 복합재의 제조 방법에서, 상기 형성된 웹을 열처리 및 건조시키는 단계는 상기 용융 온도 보다 약 30℃ 낮은 온도 내지 약 30℃ 높은 온도에서 수행할 수 있다. 상기 온도 범위는 이성분 섬유의 시스부가 연화 (Softening)이나 용융되기 시작하는 온도를 기준으로 정해진다. 상기 온도가 상기 범위 보다 낮을 경우 수분 건조가 어렵고, 이성분 폴리머 섬유 (시스부)의 연화도 충분히 발생하지 않아서 시트 형상으로 건조 후 수분이 남아있게 되거나, 시트가 고정된 성상을 가지기 어렵습니다. 반대로 상기 온도가 상기 범위 보다 높을 경우 이성분 폴리머 섬유의 시스부가 완전히 용융되어서 균일하게 이성분 섬유에서 강화섬유로 전이되기 어렵다. 또한 용융 온도 이상에서 이성분 폴리머 섬유의 시스부 폴리머의 변질이 일어날 우려도 있다.
이성분 폴리머 섬유의 코어부 단면 직경을 적절히 하고, 적절한 열처리 온도에서 열처리 및 건조함으로써 이성분 폴리머 섬유의 코어가 용융되지 않고 섬유상의 입자로 제조된 다공성 섬유강화 복합재 내에 포함되도록 제조될 수 있다.
상기 습식 초지 공정을 수행하는 중 슬러리의 수용액 내에서 섬유가 고르게 혼합된 후 콘베이어 벨트를 따라 이동하는 메쉬를 따라가면서 습식 웹 (Hydro-entangled web)을 형성하게 되는데, 섬유들이 따라 올라가는 과정에서 경사를 부여함으로써 상기 제조된 복합재 시트가 배향성을 가지게 할 수 있다. 이와 같이 배향성이 부여된 복합재 시트를 적층하여 얻어진 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 섬유 성분에 일 방향에 대한 배향성을 부여함으로써 그 일 방향에 대항 강도를 더욱 강화할 수 있다.
이와 같이, 상기 다공성 섬유강화 복합재의 판재는 적용하고자 하는 용도에 맞게 선택적으로 배향성이 부여되도록 제조할 수 있다.
예를 들어, 헤드 박스에서 컨베이어 벨트로 섬유가 이송되며 복합재 시트를 형성하게 될 때, 상기 복합재 시트가 형성되는 부분에 경사도를 부여함으로써 (inclined web formation), 평면적인 컨베이어 벨트에 비해 섬유가 MD(Machine direction) 방향으로 잘 누울 수 있도록 공정을 설계할 수 있다. 방향성은 MD(Machine direction) 방향과 CD(Cross direction) 방향으로 구분하여 부여될 수 있고, CD 방향에 비해 MD 방향으로 방향성을 부여하는 것이 더 용이하다.
상기 슬러리 용액은 가교제, 또는 추가적인 바인더와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 가교제는 강화섬유와 이성분 폴리머 섬유간 화학적 결합력 강화시키는 작용을 하고, 예를 들어, 실란계 화합물, 말레산계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 가교제의 함량은 전체 섬유 (강화섬유와 이성분 폴리머 섬유의 합) 100 중량부 대비 0 내지 5 중량부일 수 있다.
상기 추가적인 바인더는 전분, 카제인, 폴리비닐알콜(PVA), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등의 수용성 폴리머; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 등의 에멀젼류; 시멘트류, 황산칼슘계 Clay, 규산나트륨, 규산알루미나, 규산칼슘의 무기계 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 추가적인 바인더의 함량은 전체 섬유 (강화섬유와 이성분 폴리머 섬유의 합) 100 중량부 대비 약 0 내지 약 5 중량부일 수 있다.
상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 적어도 2장 이상의 여러 장의 복합재 시트를 압착시켜 형성되고, 구체적으로, 최종제품의 목적하는 단위면적당 중량에 맞게 몇 장을 적층할 지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합재 시트를 목적하는 제품의 최종 단위면적당 중량이 1200g/m2 라면, 대략 2장 내지 12장 적층한 뒤, 열과 압력을 가하여 열프레스 성형하여 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조할 수 있다.
상기 열프레스 성형은 상기 이성분 섬유의 시스부가 용융될 수 있는 온도이면서 코어부는 용융되지 않는 온도에서 수행할 수 있다. 이러한 온도 범위에서 수행하게 되면 시스부가 용융되면서 상기 복합재 시트간 계면이 융착될 수 있다.
구체적으로, 상기 열프레스 성형은 약 100 내지 약 180℃의 온도에서 약 1 내지 약 30bar 의 압력을 가하여 상기 복합재 시트를 라미네이팅 성형하여 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조할 수 있다.
상기 열프레스 성형은 더블벨트프레스 성형에 의해 연속적으로 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재가 제조될 수 있도록 수행할 수 있다.
또 다른 구현예에 따라 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 하기와 같이 제조할 수 있다. 먼저, 강화 섬유 및 이성분 폴리머 섬유를 배합한 뒤, 배합된 섬유들은 첨가제가 포함된 수용액 내에서 교반 과정을 거친 후, 웹 형성이 가능한 헤드 박스 (head box)로 이송된다. 헤드 박스 내의 슬러리는 진공 흡기 시스템을 통과하면서 습식 웹을 형성하게 되고, 이는 건조기를 통과하면서 시트 형태의 복합재 시트로 제조된다. 상기 복합재 시트의 중량은 추후 열 성형의 용이하기 위해 평방미터 당 약 50g 내지 약 600g이 되도록 한다. 건조 온도는 이성분 폴리머 섬유의 시스부가 바인더 역할을 할 수 있도록 시스부 소재에 따라 약 100℃ 내지 약 180℃로 설정한다. 제조된 복합재 시트는 용도에 따라 잘라 낸 후 적층하고 이를 열압착 프레스를 통해 판상의 약 2 mm 내지 약 8 mm 두께의 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재를 제조한다.
예를 들어, 상기 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 판재는 약 200 ℃에서 가열한 뒤, 다시 상온의 프레스로 이송한 다음 프레스 성형을 하여 2~4 mm 두께의 판재로 제조될 수 있다.
도 3은 상기 일 구현예에 따라 설명된 다공성 단일 수지 섬유 복합재의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예 1
이성분 폴리머 섬유는 폴리에스테르 코어부와 저융점 결정성 폴리에스테르 시스부 (융점max가 160℃이고, 융점 범위 (melting range)가 140~180℃임)가 50:50의 중량비를 가지면서, 수계 분산성 확보를 위해 길이 5mm, 직경 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 섬유를 준비하였다. 유리 섬유는 수계 분산에 적합하도록 코팅된 13㎛의 단면 직경의 유리 섬유를 13mm 길이로 잘라서 준비하였다. 상기 유리 섬유 40 중량부 및 상기 이성분 폴리머 섬유 60 중량부로 배합하고, 이를 염산으로 PH가 2로 조절된 수용액 내에서 1 시간 동안 교반하였다. 이 때, 유리 섬유 및 이성분 폴리머 섬유의 섬유 총 함량은 물 1L당 2g이 되도록 하였다. 이렇게 교반 과정을 거친 수용액 슬러리를 헤드 박스 내에서 진공흡입장치를 통해 웹을 형성하도록 습식 초지 공정을 수행하였다. 웹 형성 후 140℃의 오븐 드라이어를 통과시켜 수분을 완전하게 건조시켰다. 다공성 섬유강화 복합재로서 제조된 건조된 시트는 120 g/m2으로 대략 5mm 두께를 나타내었다. 시트를 1200 g/m2이 되도록 10장 적층한 후, 170℃에서 핫 프레스 (Hot press)를 공정을 통해 2.5mm 두께의 판재로 성형하였다. 이렇게 제조된 판재를 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가했다. 이때 가해지는 압력은 몰드 내에서 매트가 나오지 않을 정도의 압력인 100 ton/m2을 적용하여 판재를 완성하였다.
비교예 1
실시예 1에서 사용한 이성분 폴리머 섬유 대신, 길이 5mm, 직경 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 폴리프로필렌 섬유를 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 섬유강화 복합재를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 판재를 성형한 뒤 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 판재를 완성하였다.
비교예 2
실시예 1에서 사용한 이성분 폴리머 섬유 대신, 폴리에스테르 코어부와 저융점 비결정성 폴리에스테르 시스부 (융점max가 110℃이고, 융점 범위 (melting range)가 70~150℃임)가 50:50의 중량비를 가지면서, 길이 5mm, 직경 4 데니어(denier) (약 20㎛ 단면 직경)를 가지는 이성분 폴리머 섬유를 사용한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 섬유강화 복합재를 제조한 뒤, 이어서, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 판재를 성형한 뒤 IR 오븐 내에서 200℃에서 2분 동안 예열을 통해 팽창시키고, 상온의 프레스로 이송한 다음 압력을 가하여 판재를 완성하였다.
평가
실험예 1
실시예 1 및 비교예 1-2에서 제조된 판재에 대하여, 기계적인 물성을 비교하였다. 먼저, 인장 강도, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율은 실시예 1 및 비교예 1-2에서 제조된 판재를 각각 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 측정하였다. 인장 강도는 2 mm 두께의 샘플을 ASTM D638 기준으로 측정하였고, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율은 2.5mm 두께의 샘플을 ASTM D790 기준으로 측정하였다.
마찬가지로, 충격 강도는 24시간 동안 실시예 1 및 비교예 1-2에서 제조된 판재를 각각 24 시간 동안 상온에서 방치한 후 낙구 충격 테스트를 실시하였고, 낙구 충격 테스트는 상온에서 ASTM D3763을 기준으로 측정하였다.
또한, 80℃에서, 실시예 1 및 비교예 1-2에서 제조된 판재를 각각 2시간 방치 후 두께 변화를 측정하였다.
결과를 표 1에 기재하였다.
구분 인장강도 (MPa) 굴곡강도 (MPa) 굴곡 탄성율 (GPa) 충격에너지(IZOD)(J/m) 두께 변화율(%)
실시예 1 62 26 2.1 4.4 0
비교예 1 42 21 1.8 2.7 0
비교예 2 37 23 1.9 1.9 20
실시예 1의 경우, 비교예 1과 비교할 때, 강화 섬유의 조성과 형상은 동일하지만, 열 성형 후 구조가 달라진다. 도 4는 실시예 1에서 제조된 판재의 절단 면에 대한 SEM 사진이고, 도 5는 비교예 1에서 제조된 판재의 절단 면에 대한 SEM 사진이다. 도 4에서, 'RMF'로 표시된 부분은 이성분 폴리머 섬유에서 저융점 결정성 폴리에스테르 시스부가 일부 용융되고, 섬유상 형태를 유지하는 나머지 부분을 나타내고, 'GF'로 표시된 부분은 유리 섬유를 나타낸다. 도 5에서, 'PP resin'으로 표시된 부분은 폴리프로필렌 섬유가 용융된 상태로 형성된 것을 나타내고, 'GF'로 표시된 부분은 유리 섬유를 나타낸다. 실시예 1은 유리 섬유뿐만 아니라 폴리에스테르 섬유상이 열 성형 후에도 다공성 섬유강화 복합재 내에 남아 있지만, 비교예 1은 폴리프로필렌 섬유는 용융되어 섬유상 형태를 찾아보기 어렵고, 유리섬유만 섬유상 형태를 유지하면서 남아있다. 그 결과, 섬유상 형태를 유지하는 이성분 폴리머 섬유를 포함하는 실시예 1은 인장 강도 값이 높게 나타난다.
실시예 1과 비교예 2를 비교하면, 시스부가 결정화된 PET로 형성된 이성분 폴리머 섬유를 사용한 실시예 1은 80℃에서 2 시간 방치하여도 두께 변화가 없으므로, 안정성이 향상되었음을 확인할 수 있는 반면, 비교예 2는 두께가 20% 증가하였다. 또한, 시스부가 결정화된 PET로 형성된 이성분 폴리머 섬유를 사용한 실시예 2는 비교예 2 대비하여 강도가 우수하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
<부호의 설명>
1: 제1 섬유상 입자
2: 제2 섬유상 입자
3: 결착재
4: 강화 섬유
5: 이성분 폴리머 섬유
5a: 코어부
5b: 시스부
10, 20: 다공성 섬유강화 복합재

Claims (20)

  1. 제1 섬유상 입자; 제2 섬유상 입자; 및 상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자를 결착시키는 결착재를 포함하고,
    상기 제1 섬유상 입자와 상기 제2 섬유상 입자는 상기 결착재에 의해 결착되어 기공을 포함하는 불규칙한 망목 구조를 형성하고,
    상기 제1 섬유상 입자는 무기 섬유 또는 유기 섬유이고,
    상기 제2 섬유상 입자는 제1 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 결착재는 제2 열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1 열가소성 수지의 융점이 상기 제2 열가소성 수지의 융점보다 높고,
    상기 제2 열가소성 수지는 결정성 열가소성 수지인
    다공성 섬유강화 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자 및 상기 제2 섬유상 입자는 각각의 입자 표면에 상기 결착재에 의해 일부 또는 전체가 코팅되어 코팅부를 형성하고, 상기 각각의 표면에 형성된 코팅부가 서로 융착되어 결착된
    다공성 섬유강화 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열가소성 수지는 상기 제2 열가소성 수지 중 최대 양이 녹는 융점을 융점max라고 하고, 융점max가 150 내지 170℃에 존재하는 저융점 PET 섬유인
    다공성 섬유강화 복합재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 열가소성 수지는 융점 범위가 융점max에서 ±20℃의 범위 내에 존재하는
    다공성 섬유강화 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열가소성 수지는 20% 내지 80%의 연신율을 갖는 연신 폴리에스테르계 섬유인
    다공성 섬유강화 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자의 함량 대 상기 제2 섬유상 입자와 상기 결착재의 함량의 합의 중량비가 20 : 80 내지 80 : 20 인
    다공성 섬유강화 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자 100 중량부 대비하여 상기 결착재의 중량은 40 중량부 내지 250 중량부인
    다공성 섬유강화 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 보론 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    다공성 섬유강화 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 단면 직경이 5 ㎛ 내지 40 ㎛
    다공성 섬유강화 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유상 입자는 길이가 1 mm 내지 50 mm인
    다공성 섬유강화 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    섬유강화 복합재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    다공성 섬유강화 복합재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 수지의 융점이 160℃ 이상인
    다공성 섬유강화 복합재.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 수지의 비중이 1보다 큰
    다공성 섬유강화 복합재.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자는 단면 직경이 5 ㎛ 내지 30 ㎛
    다공성 섬유강화 복합재.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유상 입자는 길이가 1 mm 내지 50 mm인
    다공성 섬유강화 복합재.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 섬유강화 복합재는 밀도가 0.2 g/cm3 내지 1.6 g/cm3 인 판재인
    다공성 섬유강화 복합재.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 판재는 기공률이 40 내지 80 부피%인
    다공성 섬유강화 복합재.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 판재는 600 g/m2 내지 3000 g/m2 의 평량을 갖는
    다공성 섬유강화 복합재.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 판재는 두께가 5mm 내지 8mm 인
    다공성 섬유강화 복합재.
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