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KR102032405B1 - 성형가능한 경량 복합 재료 시스템 및 방법 - Google Patents

성형가능한 경량 복합 재료 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102032405B1
KR102032405B1 KR1020187032267A KR20187032267A KR102032405B1 KR 102032405 B1 KR102032405 B1 KR 102032405B1 KR 1020187032267 A KR1020187032267 A KR 1020187032267A KR 20187032267 A KR20187032267 A KR 20187032267A KR 102032405 B1 KR102032405 B1 KR 102032405B1
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KR
South Korea
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less
layer
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시모 미즈라히
모셰 나키즈
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프로덕티브 리서치 엘엘씨
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Publication date
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Abstract

본 발명은 중합체(18) 및 중합체에 분포된 금속 섬유 덩어리(20)를 포함하는 충진된 중합체 재료(16), 및 경량 복합물(10, 12)의 제조방법에 관한 것으로, 이 경량 복합물은 적어도 한 쌍의 금속 층(14) 및 금속 층(14') 사이에 끼워진 중합체 층을 포함하고, 중합체 층은 충진된 중합체 재료(16)를 포함한다. 본 발명의 복합 재료는 실온에서 일반적인 스탬핑 장치를 이용하여 성형될 수 있다. 본 발명의 복합 재료는 또한 저항 용접 공정, 예를 들어 저항 스폿 용접에 의해 다른 금속재료에 용접될 수 있다. 바람직한 복합 재료는 하나 이상의 다음 특성을 갖는다: 리본 섬유인 금속 섬유; 폴리올레핀, 폴리아미드, 또는 이들의 조합에서 선택된 중합체; 처리되지 않은 충진된 중합체 재료에 면하는 표면을 갖는 금속 층 (예를 들어, 금속 층의 하나 또는 둘 다).

Description

성형가능한 경량 복합 재료 시스템 및 방법{FORMABLE LIGHT WEIGHT COMPOSITE MATERIAL SYSTEMS AND METHODS}
본 발명 섬유-충진된 중합체 재료, 섬유-충진된 중합체 재료층을 포함하는 복합 재료, 및 특히 섬유-충진된 중합체 재료층 및 금속 층을 포함하는 샌드위치 복합물에 관한 것이다.
국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 (2010년 2월 25일 공개)에는, 신규의 특징있는 경량 복합 재료 및 관련 방법 및 시스템이 기재되어 있다. 그러한 복합물은 기술 범위에 따라 다양한 용도에 적용된다. 예를 들어, 수송 기술 (예를 들어, 자동차 기술)과 같은 용도에 적용된다. 다른 용도, 예를 들어, 건설 기술 또는 가정용 기기 기술에 적용된다. 불행하게도 기술 분야에 따라, 또는 그 기술 분야 내에서도 용도에 따라 비용과 성능 요구가 달라, "널리 적용가능한" 재료 시스템은 여러운 것이다. 따라서, 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호의 여러 가지 게시에도 불구하고, 복합 재료, 예를 들어 샌드위치 타입 복합물 적층체의 상용화를 위한 재료 시스템의 다양한 변형은 여전히 필요하다. 게다가, 몇 적용을 위해서는 다양한 복합 재료, 예를 들어 WO 2010/021899 호의 재료의 성능을 조절하여, 비교적 넓은 가공 창을 가지고, 용접 성능을 나타내어, 피복 가능하도록 하거나, 및/또는 다양한 용도를 위한 공지의 재료 (예를 들어, 강철)을 대체하는 동시에 공지 대료에 비해 상대적으로 경량인 것이 필요하다.
일본공개특허 소 61-010445
예를 들어, 수송 산업에서 자동차 부품(예를 들어 패널, 지지 부재 등)을 위한 강철, 알루미늄 또는 둘 다를 대체할 비교적 경량의 재료가 필요하다.
본 발명은 샌드위치 적층체 재료 시스템에 관한 것이다. 특정 예에서, 본 발명은 전통적인 금속의 용도와 함께 또는 그에 대체할 수 있으면서 일반적으로 사용되는 공지 재료(예를 들어, 강철)에 비해 더 경량의(예를 들어, 약 10%, 20%, 30% 이상) 개선된 자동차 기술 시스템으로 적용 가능하다. 자동차 기술을 강조하긴 하였으나, 다른 용도에도 적용가능함은 물론이다.
본 발명은 폴리올레핀, 아세탈 공중합체, 폴리아미드, 폴리아미드 공중합체 (예를 들어, 둘 이상의 아미드 단량체를 포함하는 폴리아미드 공중합체 및/또는 아미드가 아닌 하나 이상의 단량체를 포함하는 폴리아미드 공중합체), 이오노머, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 폴리에테르-에스테르 공중합체, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체, 폴리스티렌, 60중량% 이상의 α올레핀 및 하나 이상의 부가 단량체를 포함하는 공중합체, 이들 중합체를 포함하는 다른 공중합체, 이들 중합체를 포함하는 이오노머, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 열가소성 중합체; 및 중합체에 분포된 다수의 금속 섬유를 포함하는, 충진된 중합체 재료 (및 충진된 중합체 재료를 포함하는 샌드위치 복합물과 같은 복합물)에 있어서, 금속 섬유는 충진된 중합체 재료 전체 부피를 기준으로 3부피% 이상의 농도로 존재한다.
본 발명은 또한 하기 조합 중 하나의 특성을 가진다: 열가소성 재료는 폴리올레핀 (예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이들의 조합), 아세탈 공중합체, 폴리아미드, 폴리아미드 공중합체, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체, 폴리스티렌, 60중량% 이상의 α올레핀 및 하나 이상의 부가 단량체를 포함하는 공중합체, 이들 중합체를 포함하는 다른 공중합체, 또는 이들의 조합을 포함하고; 열가소성 재료는 폴리아미드 공중합체, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 폴리에테르-에스테르 공중합체, 이오노머, 또는 이들의 조합을 포함하고; 충진된 중합체 재료는 두께를 가지고, 섬유는 섬유 덩어리로 존재하며, 섬유 덩어리는 충진된 중합체 재료의 두께를 가로지르거나; 열가소성 재료는 ASTM D638-08에 따라 측정된 0.1 s-1의 인장 변형율에서, 20% 이상의 파단 신율을 갖는다.
본 발명에서 중합체는 폴리올레핀, 폴리아미드, 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있고; 섬유는 강철리본과 같은 리본을 포함하는 덩어리(예를 들어, 얼기설기 얽힌 덩어리) 형태 일수 있다.
본 발명은 또한 첫 번째 금속 층 (예를 들어, 강철 시트); 두 번째 금속 층 (예를 들어, 강철 시트); 첫 번째 금속 층 및 두 번째 금속 층 사이에 위치한 중합체 층 (예를 들어, 상기의 중합체); 및 중합체에 분포된 다수의 금속 섬유를 포함하는 경량 복합물에 있어서; 섬유 길이의 반 이상을 금속 층과 접촉하는 금속 섬유 분획은 0.3 이하이고; 중합체 층은 중합체를 함유하는 충진된 중합체 재료를 포함하고, 그 중합체는 ASTM D638-08에 따라 측정된 0.1 s-1의 인장 변형율에서, 20% 이상의 파단 신율을 가져서; 복합 재료가 용접될 수 있고, 생성 복합물이 0.1 s-1.이상의 변형율에서 가소적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 경량 복합물에 관한 것이다. 본 발명에서, 첫 번째 금속 층, 두 번째 금속 층, 또는 둘 다는 표면처리나 코팅이 없을 수 있고, 금속 층과 중합체 층 사이에는 다른 층이 없을 수 있다(그러나, 임의의 하나 이상의 적합한 층 들을 사용할 수도 있다).
본 발명은 상기의 충진된 열가소성 중합체의 시트를 성형하고, 시트의 품질을 관찰하는 단계를 포함하는 시트 성형 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 중합체 층 은 예비성형(예를 들어, 시트로)되어 하나 이상의 금속 층 또는 서로 마주보는 금속 층 사이에, 예를 들어 연속 공정, 배치 공정 등으로 적층된다.
본 발명은 또한 상기의 복합 재료를 스탬핑하는 단계를 포함하는 복합물 부품의 성형 공정에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 강철, 강철이 아닌 금속, 실질적으로 동일한 복합 재료, 다른 복합 재료, 또는 이들의 조합에 용접된(예를 들어, 저항 용접된)복합 재료, 예를 들어, 상기의 복합 재료를 포함하는 용접 구조물에 관한 것이다.
놀랍게도, 경량 복합 재료는 전기 전도성을 갖는 금속 섬유를 포함하여 용접될 수 있으면서(예를 들어, 자동차 제조 라인의 저항 용접 강에 사용되는 일반적인 장치 및 공정을 사용하여), 우수한 성능, 예를 들어, 중량에 비해 비교적 높은 강도, 피복성능, 재료 또는 이들의 조합을 통한 음 전달의 감소 등을 나타낸다.
도 1A는 중합체 층 및 금속 층을 갖는 복합 재료를 나타낸다.
도 1B는 두 금속 층 사이에 놓여진 중합체 심재 층을 갖는 복합 재료를 나타낸다.
도 2는 중합체 재료 또는 복합 재료를 관찰하기 위한 공정을 나타낸 다이아그램이다.
일반적으로, 본 발명의 재료는 하기의 충진된 중합체 재료, 특히 중합체 매트릭스에 분포된 금속 섬유 상을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 복합재료는 둘 이상의 층을 사용하고, 그 가운데 하나는 상기의 충진된 (예를 들어, 섬유 충진된) 중합체 재료 (예를 들어, 그 안에 섬유-충진된 중합체 층)이다. 특히, 본 발명의 재료는 샌드위치 구조를 포함하는 복합물로, 섬유-충진된 중합체 층이 둘 이상의 다른 층에 샌드위치된 것이다. 본 발명의 재료는 또한 샌드위치 구조 전구체, 예를 들어, 첫 번째 층 위에 충진된 중합체 층이 부착되어 충진된 중합체 층이 외부에 노출된 것을 포함한다. 두 번째 층은 그 다음으로 충진된 중합체 층에 부착될 수 있다. 본 발명은 또한 본 발명에 따라 섬유-충진된 중합체 재료를 포함하는 원료 조성물 (예를 들어, 펠렛, 시트 등의 형태)을 포함한다. 본 발명의 재료는 독특하고 우수한 여러 가지 성질을 나타내어, 변형 조작 (예를 들어, 비교적 고 변형율의 성형 조작, 예를 들어 스탬핑), 용접 조작, 또는 둘 다에 적합한 재료이다. 즉, 충진된 중합체 층이 여러 상을 갖도록 디자인된다. 하나 이상의 상(예를 들어, 충진제)은 전도성 경로를 제공하고, 가소적으로 변성가능하도록 하면서, 플라스틱 변형을 유도하는 응력이 가해졌을 때 변형 경화할 수도 있다. 또한, 중합체 상은 다른 재료 (예를 들어, 금속 층 예를 들어, 강철 시트)에 부착하여 용접 및/또는 변형(예를 들어, 성형, 예를 들어 스탬핑)을 위한 복합 재료 가공시에 복합물의 박리가 일어나지 않도록 한다. 중합체 상은 코팅(예를 들어, 화학 도금욕, 예를 들어 정전코팅조 또는 시트 금속 코팅에 일반적인 내부식성을 부여하는 다른 도금욕) 조작 시에 분해되지 않는다.
본 발명은 독특한 재료의 조합으로 매력적인 복합물, 특히 적층체 복합물을 제공한다. 예를 들어, 적층체는 공지의 시트 재료, 예를 들어 시트 금속((예를 들어, 스테인레스 및/또는 저탄소강)과 비슷한 방법으로 드로잉하거나(예를 들어, 딥 드로잉), 용접하거나 또는 둘 다 할 수 있다. 일반적으로, 본 발명은 여러 가지-상의 복합 재료를 사용하는데, 재료는 연신성, 용접성 또는 둘 다를 부여하도록 선택된다. 또, 재료는 생성 적층체가 일반적인 공지 기술의 얇은 벽 구조물로 가공될 수 있도록, 특히 장식 또는 기능적인 표면 처리 가공 (예를 들어, 코팅, 도금 등)을 할 수 있도록 선택된다.
예를 들어, 특히 바람직한 조합의 재료는 심재를 갖는 두 개의 층을 포함할 수 있고, 심재는 바람직하게는 충진된 중합체 재료이다. 충진된 중합체는 재료 바람직하게는 하나 이상의 중합체를 포함하고, 중합체는 열가소성 중합체나 일반적으로 열가소성 중합체로서 가공가능한 다른 재료를 포함하거나 그 재료로 구성된다. 충진된 중합체 재료 바람직하게는 충진제 상을 포함하고, 바람직하게는 충진제는 섬유 상, 특히 긴 섬유 상 가늘고 긴 섬유 상, 예를 들어, 가늘고 긴 금속 섬유 상을 포함하거나 그 상으로 구성되는 충진제를 갖는다. 그러한 상은 충분히 위치하거나 분포되고(예를 들어, 감싸거나, 꼬거나, 나란히 배열되거나, 얼기설기 얽히거나, 또는 이들의 조합), 충분한 부피로 사용되어 중합체 자체가 일반적으로 비전도성인 경우 충진된 중합체 재료에 전기 전도성을 부여하는 네트워크를 형성한다. 특히 바람직한 가늘고 긴 충진제 상은 그 자체로 연신되고(개별 섬유 또는 전체로) 변형 경화 가능하다.
여기에서 사용된 "층"은 명확하게 구별된 재료를 요구하는 것은 아니다. 예를 들어, 층으로 된 복합물은 하나의 재료로 된 단일 시트를 접어서 그 재료로 된 두개의 층을 형성할 수 있고, 공통의 모서리를 공유할 수 있으며 그 사이에 충진된 중합체 재료를 위치하게 할 수 있다.
본 발명의 첫 번째 특징은 비슷하지 않은 재료가 결합한 층으로 만들어진 복합 재료이고, 하나 이상의 층 (예를 들어, 금속 층 예를 들어, 금속 면 층) 및 하나 이상의 중합체 층을 포함하고, 복합물은 성형(예를 들어, 탄성 변형을 일으키는 응력을 가해 스탬핑 또는 프레스 기계 상에서 냉간 성형)하여 패널로 만들 수 있다. 복합 재료는 하나의 금속 층 및 하나의 중합체 층을 포함하거나, 하나 이상의 다른 층을 더 포함하는 복합물 적층체일 수 있다. 예를 들어, 두 중합체 층 사이에 금속 층을 끼운 적층체, 또는 중합체 층을 둘 이상의 마주보는 금속 층 사이에 샌드위치시킨 적층체일 수 있다. 특히 바람직한 구조는 후자이고, 전자의 구조는 후자를 위한 전구체로 사용할 수 있다. 그러한 샌드위치 구조를 형성하는 방법은 단계 한 층을 전구체에 적용하여 샌드위치 구조를 만드는 단계, 첫 번째 전구체를 두 번째 전구체에 적용하여 샌드위치 구조를 만드는 단계, 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
금속 층 14 및 중합체 층 16을 갖는 복합물 적층체 10의 일례가 도 1A에 되시되어 있다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 샌드위치 12는 첫 번째 금속 층 14, 두 번째 금속 층 14' 및, 첫 번째 및 두 번째 금속 층 사이에 끼워진 중합체 층 16 (예를 들어, 중합체 심재 층)을 포함할 수 있다. 도 1A 및 1B에서, 중합체 층 16은 하나 이상의 중합체 (예를 들어, 열가소성 중합체) 18 및 섬유 20를 포함한다. 중합체 층 16 및 첫 번째 금속 층 14는 공통의 표면 22를 가질 수 있다. 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이, 섬유의 일부 또는 전부는 길이와 방향을 가지고 중합체 층의 한 표면으로부터 반대 표면으로 연장될 수 있다. 그러나 다른 섬유 길이와 방향도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예를 들어, 중합체 층의 대향면 사이에 연장되는 섬유(예를 들어, 금속 섬유) 분획은 20% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 또는 1% 이하이다. 도 1A 및 1B에 도시된 섬유는 일반적으로 곧은 섬유이다. 바람직한 섬유는 일반적으로 곧은 섬유는 아니다. 바람직한 섬유는 길이를 따라 하나 이상의 굴곡이 있는 섬유이다.
상기한 바와 같이, 복합물, 다층 구조 외에도, 본 발명은 전구체 중합체 층 시트 재료(즉, 중합체 층 단일 층)에 관한 것으로, 이 재료는 열가소성 중합체 및 섬유(예를 들어, 금속 섬유)를 포함하고, 두 금속 층 사이에 샌드위치 될 수 있다.
본 발명은 또한 중합체 및 섬유를 포함하는 전구체 중합체 원료에 관한 것이다. 를 포함한다. 그러한 중합체 원료는 단일 재료 또는 하나 이상의 부가 재료와 함께 중합체 층(예를 들어, 시트로)으로 성형(예를 들어, 압축 또는 압출)된다. 전구체 중합체 원료는 복합 재료의 중합체 층 구성 성분의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전구체 중합체 원료는 중합체 층을 위한 모든 섬유를 실질적으로 포함한다.
사용시에, 복합물은 변형되거나(예를 들어, 성형, 예를 들어 스탬핑에 의한), 다른 구조물에 부착(예를 들어, 강철 또는 다른 복합 재료에)되거나, 또는 둘 다이다. 바람직한 방법은 본 발명의 복합물을 다른 구조물에 용접하는 단계를 사용하는 것이다. 성형된 패널은 필요하다면, 용접이 아닌 다른 기술, 예를 들어 접착제, 납땜 공정 등을 사용하여 다른 부품에 결합시킬 수 있다. 두 경우에, 복합 재료(예를 들어, 적층체 또는 샌드위치 시트)는 낮은-비용의 스탬핑 방법에 의해 성형될 수 있고 놀랍게도 공지 기술에서 직면했던 제한으로부터 자유로울 수 있었다. 복합 재료의 이러한 특성은 정규의 단일 금속 시트를 사용하는 적용 분야, 예를 들어 수송 (예를 들어, 자동차) 산업에서 사용되는 차체 패널에 매우 매력적인 후보가 될 수 있도록 한다.
본 발명의 특징은 특정한 중합체 (예를 들어, 열가소성 중합체) 및 금속 섬유를 선택하고, 금속 섬유 및 임의의 입자, 그리고 다른 임의의 충진제를 중합체 매트릭스에 부가하여 낮은-비용의 스탬핑 조작으로 성형가능한 신규의 복합 재료(예를 들어 샌드위치 또는 적층체 구조)를 제공하는 것이다. 다른 특징은 저항 용접(예를 들어, 스폿 용접, 시임 용접, 불꽃 용접, 돌기 용접, 또는 업셋 용접), 에너지 비임 용접 (예를 들어, 레이저 비임, 전자 비임, 또는 레이저 하이브리드 용접), 가스 용접 (예를 들어, 옥시아세틸렌과 같은 가스를 사용하는, 산소연료 용접), 아크 용접 (예를 들어, 가스 금속 아크 용접, 금속 불활성 가스 용접, 또는 차폐 금속 아크 용접)과 같은 일반적인 용접 기술에 의해 결합할 수 있는 스탬핑 가능한 샌드위치를 제공하는 것이다. 바람직한 결합 기술은 저항 스폿 용접 및 레이저 용접과 같은 고속 용접 기술을 포함하는 것이다.
다양한 성형가능한/스탬핑가능한 재료, 시험 방법, 시험 범위, 용접 공정 및 특징, 및 상세한 성형 공정은 하기 문헌에 게시되어 있다:
M. Weiss, M. E. Dingle, B. F. Rolfe, and P. D. Hodgson, "The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in 시트 금속 Forming" Journal of Engineering Materials and Technology, October 2007, Volume 129, Issue 4, pp. 530-537.
D. Mohr and G. Straza, "Development of Formable All-Metal Snadwitch Sheets for Automotive Applications" Advanced Engineering Materials, Volume 7 No. 4, 2005, pp. 243-246.
J. K. Kim and T. X. Yu, "Forming And Failure Behaviour Of Coated, Laminated And Sandwiched Sheet Metals: A Review" Journal of Materials Processing Technology, Volume 63, No1-3, 1997, pp. 33-42.
K.J. Kim, D. Kim, S.H. Choi, K. Chung, K.S. Shin, F. Barlat, K.H. Oh, J.R. Youn, "Formability of AA5182/Polypropylene/AA5182 Sandwitch Sheet, Journal of Materials Processing Technology, Volume 139, Number 1, 20 August 2003 , pp. 1-7. Trevor William Clyne and Athina Markaki U.S. Patent Number 6,764,772 (filed Oct 31, 2001, issued Jul 20, 2004).
Frank Gissinger and Thierry Gheysens, U.S. Patent Number 5,347,099, Filed Mar 4, 1993, Issued Sep 13, 1994, "Method And Device For The Electric Welding Of Sheets Of Multilayer Structure".
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Haward R. N., Strain Hardening of Thermoplastics, Macromolecules 1993, 26, 5860-5869.
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미국특허출원 제61/290,384호(filed on December 28, 2009 by Mizrahi), 61/089,704 (filed on August 18, 2008 by Mizrahi), 61/181,511 (filed on May 27, 2009 by Mizrahi), 12/540,771 (filed on August 13, 2009 by Mizrahi), 61/290,384 (filed on December 28, 2009 by Mizrahi), and 12/978,974 (filed on December 27, 2010 by Mizrahi).
재료
예를 들어, 중합체 층에 섬유 충진제(예를 들어, 리본 섬유 충진제)를 사용하는 것이 복합물 제조를 용이하게 하고 놀랍게도 낮은 레벨을 사용하여 훌륭한 결과를 얻을 수 있다. 놀랍게도, 재료의 선택과 조합으로 같은 형태의 일반적인 금속 구조물(예를 들어, 시트 금속)보다 단위 부피당 더 적은 금속을 사용하면서도 비교할만한 성질과 특성을 나타낼 수 있다. 당업자는 통상 그러한 재료의 조합을 예견할 수 없었고 피해왔던 것이다. 이 점에서, 놀랍게도 회피할 것으로 예견되는 재료의 몇 행동 특성이 복합물에서 우수하게 사용되었다. 따라서, 생성 적층체는 기존 재료의 대체제로, 예를 들어, 강철 시트 대신에, 강철재료에 비해 가벼운 무게로, 재가공이나 특별한 공정 조건 없이 사용 가능하다.
중합체 층
중합체 층은 일반적으로 충진된 중합체, (예를 들어, 강화 섬유, 예를 들어, 금속 섬유 덩어리, 특히 강철 리본 섬유 성분을 포함하는 덩어리로 충진된 열가소성 중합체)를 포함하거나 충진된 중합체로 구성될 수 있다.
중합체 층에 사용하기 위한 충진된 중합체 재료는 바람직하게는 일반적으로 비교적 단단하고, 비교적 강하고, 비교적 높은 파단 신율을 가지고, 높은 변형 경화 성질을 가지고, 경량이거나, 또는 이들의 조합으로, 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 (2010년 2월 25일 공개)호에 기재되어 있으며 여기에서 참고로 삽입된다(참조: 예를 들어 단락 015-022, 029-051, 및 085-091).
바람직하게는, 충진된 중합체 재료의 적어도 일부의 중합체는 열가소성이지만, 열경화성 중합체, 특히 열가소성으로 가공가능하나 경화되는 열경화성 중합체 를 포함할 수 있다. 충진된 중합체 재료에 사용되는 중합체의 바람직하게는, 50중량% 이상의(보다 바람직하게는 70중량%, 80중량%, 90중량% 또는 95중량% 이상의) 중합체가 열가소성 중합체이다.
충진된 중합체 재료는 전기 전도성 (예를 들어, 충진된 중합체 재료는 전기 전도체일 수 있다)을 가져서 충진된 중합체 층을 통해 전도성 경로를 제공하고 복합 재료가 다른 구조물 예를 들어, 시트 금속에 잘 용접되도록 한다. 중합체 심재의 전기 전도성은 금속 섬유 및, 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개), 단락 064-081에 기재된 적어도 투과 농도를 갖는 양으로 중합체에 분산된 임의의 금속 또는 카본블랙 입자에 의해 얻어진다. 본 발명의 충진된 중합체 재료 및 복합 재료는 공지의 용접 공정(예를 들어, 용접 스케쥴) 또는 다른 용접 공정(예를 들어, 용접 스케쥴)에 의해 용접될 수 있고, 그러한 용접공정은 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개) (참조, 예를 들어 단락 15, 20-22, 29-30, 37-39, 47, 109, 및 112-117) 및 미국특허출원 번호 제12/978,974 호(2010년 12월 27일 출원)(참조, 예를 들어 단락 019-31, 034-042, 및 055-137)에 게시되어 있다. 예를 들어, 재료는 보다 빠르거나 에너지 소모가 적거나 둘 다인, 보다 경제적인 용접 스케쥴을 가능하게 한다.
충진된 중합체 재료 (예를 들어, 충진된 중합체 재료의 중합체)는 부가적으로 중합체 혼합 기술에서 공지된 하나 이상의 첨가제, 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)호에 게시된 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 충진된 중합체 재료는 할로겐화된 미국특허등록 제3,784,509 호 (1974년 1월 8일), 제3,868,388 호(1975년 2월 25일, 예를 들어 할로겐화된 비스이미드); 제3,903,109 호(1975년 9월 2일, 예를 들어 치환된 이미드); 제3,915,930 호(1975년 10월 28일, 예를 들어 할로겐화된 비스이미드); 및 제3,953,397 호(1976년 4월 27일, 예를 들어 브롬화된 이미드와 벤조일 클로라이드의 반응 생성물)에 게시된 방염 화합물을 포함할 수 있다. 중합체, 충진된 중합체 재료 또는 둘 다는 첨가제 및 금속 층 표면 사이의 부착을 향상시키는 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 중합체, 충진된 중합체 재료 또는 둘 다는 복합 재료의 연신(예를 들어, 스탬핑)을 향상시키는 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 중합체, 충진된 중합체 재료 또는 둘 다는 충진된 중합체 재료가 용융 상태로부터 고체 상태로 냉각될 때 충진된 중합체 재료의 수축을 조절(예를 들어, 증가 또는 감소)하기 위한 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 중합체는 첨가제 및 금속 층(예를 들어, 강철 층) 사이의 부착을 감소시키는 첨가제를 실질적으로, 또는 완전히 사용하지 않을 수 있다.
충진된 중합체 재료는 가소제나 휘발할 수 있는(예를 들어, 저항 용접 공정 중에) 휘발할 수 있는 비교적 저분자량 재료는 포함하지 않을 수 있다. 만약 사용된다면, 가소제나 비교적 저분자량 재료의 농도는 (예를 들어, 충진된 중합체 재료 가 금속 층으로부터 벗겨지지 않도록)충진된 중합체 재료 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 3중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.5중량% 이하, 가장 바람직하게는 0.1중량% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 공정 중에 충진된 중합체 재료가 금속 층으로부터 실질적으로, 또는 완전히 박리(예를 들어, 충진된 중합체 재료와 금속 층 사이 공간의 증기압에 의해 발생하는 박리)되지 않도록 재료, 가공 조건, 또는 둘 다를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
중합체
본 발명의 중합체의 특정예로서, 충진된 중합체 재료에 사용하기 위한 중합체는 바람직하게는 약 50℃ (바람직하게는 80℃ 이상, 보다 바람직하게는 100℃ 이상, 보다 바람직하게는 120℃, 보다 바람직하게는 160℃ 이상, 보다 바람직하게는 180℃ 이상, 가장 바람직하게는 205℃ 이상)의 피크 융점 (ASTM D3418-08에 따라 측정했을 때) 또는 유리 전이 온도 (ASTM D3418-08에 따라 측정했을 때)를 갖는 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 열가소성 중합체는 피크 융점, 유리 전이 온도, 또는 둘 다를 가질 수 있고, 300℃ 이하, 250℃ 이하, 150℃ 이하, 또는 100℃ 이하이다. 이들은 실온에서 적어도 일부는 결정성이거나 실질적으로 전체적으로 유리질이다. 적합한 중합체(예를 들어, 적합한 열가소성 중합체)는 하기 인장 성질(ASTM D638-08에 따라 공칭 변형 속도약 0.1 s-1에서 측정했을 때) 중의 하나 이상으로 특정된다: 인장 탄성율 (예를 들어, 영율) 약 30MPa 이상, (예를 들어, 약 750MPa 이상, 또는 약 950MPa 이상); 공칭 인장 강도(즉, σe), 진 인장 강도 (즉, σt, σt=(1+εe)σe , 여기서 σe는 공칭 인장 강도), 또는 둘 다가 약 8 MPa 이상(예를 들어, 약 25 MPa 이상, 약 60MPa 이상, 또는 약 80MPa 이상); 또는 파단 신율 최소 약 20% (예를 들어, 최소 약 50%, 최소 약 90%, 최소 약 300%). 본 발명에서 특별한 언급이 없는 한 인장 강도는 공칭 인장 강도를 의미한다.
중합체는 바람직하게는 변형 경화 성질(예를 들어, 비교적 높은 변형 경화 율, 비교적 낮은 외삽 항복 강도, 또는 둘 다), 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개), 예를 들어 단락 052-063에 게시된 성질을 갖는다. 그러한 변형 경화 성질은 Haward R. N., Strain hardening of Plastics, Macromolecules 1993, 26, 5860-5869에 게시된 방법으로 측정한다.
중합체 층에 사용되는 열가소성 중합체의 예로는 폴리올레핀류(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 둘 다), 아세탈 공중합체, 폴리아미드, 폴리아미드 공중합체, 폴리이미드, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트), 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 폴리에테르-에스테르 공중합체(예를 들어 ASTM D 6835-08에 게시된 열가소성 탄성체 에테르-에스테르 재료), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체, 폴리스티렌, 60중량% 이상의 알파 올레핀 및 하나 이상의 부가 단량체를 포함하는 공중합체(예를 들어 80중량% 이상의 에틸렌을 포함하는 에틸렌 공중합체), 이들 중합체를 포함하는 공중합체, 이들 중합체를 포함하는 이오노머, 이들 중합체의 블렌드, 또는 이들의 조합이 있다.
열가소성 중합체는 폴리올레핀, 예를 들어 미국 가출원 번호 61/371,360 ( 2010년 8월 6일 출원), 065단락에 게시된 폴리올레핀을 포함한다. 폴리올레핀은 단일 중합체 또는 공중합체일 수 있다. 폴리올레핀은 예를 들어 2 내지 10 탄소 원자를 갖는, 하나 이상의 알파 올레핀을 포함할 수 있다.
바람직한 폴리올레핀은 폴리프로필렌 단일 중합체 (예를 들어, 이소탁틱 폴리프로필렌 단일 중합체), 폴리프로필렌 공중합체 (예를 들어, 랜덤 폴리프로필렌 공중합체, 임팩트 폴리프로필렌 공중합체, 또는 이소탁틱 폴리프로필렌을 포함하는 다른 폴리프로필렌 공중합체), 폴리에틸렌 단일 중합체 (예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 또는 0.94 g/㎤ 이상의 밀도를 갖는 다른 폴리에틸렌), 폴리에틸렌 공중합체(예를 들어, 바람직하게는 60중량% 이상의 에틸렌, 보다 바람직하게는 80중량% 이상의 에틸렌을 포함하는 폴리에틸렌 공중합체), 저밀도 폴리에틸렌, 이들 중합체의 블렌드, 또는 이들의 조합이다. 폴리프로필렌 단일 중합체 및 폴리프로필렌 공중합체는 실질적으로 아탁틱 폴리프로필렌을 포함하지 않는다. 만약 포함한다면, 폴리프로필렌 중의 아탁틱 폴리프로필렌의 농도는 바람직하게는 10중량% 이하이다. 공중합체는 하나 이상의 알파 올레핀으로 실질적으로(예를 들어, 98중량% 이상) 또는 완전히 구성되는 공중합체(예를 들어, 폴리프로필렌 공중합체 또는 폴리에틸렌 공중합체)일 수 있다. 보다 바람직한 폴리올레핀은 고밀도 폴리에틸렌 (예를 들어, 0.945 g/㎤ 이상, 예를 들어 0.945 내지 0.990g/㎤ 또는 0.945 내지 0.960g/㎤의 밀도를 갖는 폴리에틸렌), 저밀도 폴리에틸렌 (예를 들어, 긴, 일반적으로 15 탄소원자 이상의, 측쇄를 충분한 농도로 포함하여 0.945 g/㎤ 이하의 밀도를 갖는 폴리에틸렌), 선형 저밀도 폴리에틸렌 (예를 들어, 0.915 내지 0.930g/㎤의 밀도를 갖는 공중합체), 중밀도 폴리에틸렌 (예를 들어, 0.930 내지 0.945 g/㎤의 밀도를 갖는 공중합체), 극저밀도 폴리에틸렌 (예를 들어, 0.900 내지 0.915 g/㎤의 밀도를 갖는 공중합체), 폴리에틸렌 플라스토머(예를 들어, 0.860 내지 0.900g/㎤의 밀도를 갖는 공중합체), 이소탁틱 폴리프로필렌 단일 중합체, 이소탁틱 폴리프로필렌 공중합체(예를 들어, 5중량% 이상의 결정성을 갖는 공중합체), 임팩트 폴리프로필렌, 이소탁틱 폴리프로필렌의 하나 이상의 블럭을 포함하는 폴리프로필렌 블럭 공중합체, 이들의 혼합물, 또는 이들의 조합이다. 보다 바람직한 폴리올레핀은 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 극저밀도 폴리에틸렌, 또는 이들의 조합이다. 다른 폴리올레핀은 하나 이상의 올레핀과 올레핀이 아닌 하나 이상의 단량체의 공중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 폴리올레핀은 하나 이상의 알파 올레핀(예를 들어, 60중량% 이상의 알파 올레핀) 및 ii) 예를 들어 아크릴래이트, (예를 들어, 메틸 아크릴래이트, 부틸 아크릴래이트, 또는 둘 다), 비닐 아세테이트, 아크릴산 (예를 들어, 아크릴산, 메타크릴산, 또는 둘 다), 메틸 메타크릴래이트, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 극성 공단량체로 실질적으로 또는 완전하게 구성되는 공중합체를 포함한다. 공단량체의 농도는 공중합체 전체 중량을 기준으로 40중량% 이하, 바람직하게는 25중량% 이하, 보다 바람직하게는 20중량% 이하, 가장 바람직하게는 15중량% 이하이다. 폴리에틸렌 공중합체의 예로는 에틸렌-공-비닐 아세테이트 (즉, 예를 들어 20중량% 이하의 비닐 아세테이트를 포함하는 EVA), 에틸렌-공-메틸 아크릴래이트(즉, EMA), 에틸렌-공-메타크릴산 또는 이들의 조합이 있다. 알파 올레핀의 예로는 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 헥센, 옥텐, 또는 이들의 조합이 있다.
본 발명에 유용한 폴리아미드는 중합체의 주쇄에 하나 이상의 아미드 그룹 반복 단위를 포함하는 중합체이다. 예를 들어, 폴리아미드는 디아민과 이가 산의 반응물이다. 다른 예의 폴리아미드는 단일 원료의 폴리아미드를 포함한다. 일반적으로, 단일 원료의 폴리아미드는 개환 반응에 의해 형성된다. 디아민과 이가 산의 반응물인 폴리아미드의 예로는 아디프산과 테레프탈산을 디아민과 반응시킨 폴리아미드(예를 들어, 나일론)이 있다. 단일 원료 폴리아미드의 예로는 나일론 6, 및 폴리(p-벤즈아미드)가 있다. 나일론은 단일 중합체, 공중합체, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 본 발명에 사용되는 바람직한 폴리아미드 단일 중합체는 나일론 3, 나일론 4, 나일론 5, 나일론 6, 나일론 6T, 나일론 66, 나일론 610, 나일론 612, 나일론 69, 나일론 7, 나일론 77, 나일론 8, 나일론 9, 나일론 10, 나일론 11, 나일론 12, 및 나일론 91이다. 상기 폴리아미드를 포함하는 공중합체도 사용할 수 있다. 폴리아미드 공중합체는 랜덤 공중합체, 블럭 공중합체, 또는 이들의 조합일 수 있다. 폴리아미드 공중합체의 예로는 복수의 다른 아미드를 갖는 공중합체(즉, 폴리아미드-폴리아미드 공중합체), 폴리에스테르아미드 공중합체, 폴리에테르에스테르아미드 공중합체, 폴리카보네이트-에스테르 아미드, 또는 이들의 조합이 있다.
폴리아미드-폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 단일 중합체에 대해 게시된 폴리아미드를 둘 이상 포함하는 것이다. 바람직한 폴리아미드-폴리아미드 공중합체로는 폴리아미드 6 및 폴리아미드 66, 폴리아미드 610, 또는 이들의 조합이 있다. 예를 들어, 폴리아미드-폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 69, 폴리아미드 610, 폴리아미드 612, 및 폴리아미드 12로 구성된 그룹에서 선택된 둘 이상의 폴리아미드를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리아미드-폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 69, 및 폴리아미드 610으로 구성된 그룹에서 선택된 둘 이상의 폴리아미드로 구성된다. 그러한 공중합체의 예로는 폴리아미드 6/66, 폴리아미드 6/69, 및 폴리아미드 6/66/610가 있다. 특히 바람직한 폴리아미드-폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 6/66 공중합체이다. 폴리아미드 6/66 공중합체에서 폴리아미드 66의 농도는 공중합체 전체의 중량을 기준으로 약 90중량% 이하, 바람직하게는 약 70중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 60중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 50중량% 이하이다. 폴리아미드 6/66 공중합체에서 폴리아미드 66의 농도는 공중합체 전체의 중량을 기준으로 약 10중량% 이상, 바람직하게는 약 30중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 40중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 50중량% 이상이다. 다른 특히 바람직한 폴리아미드-폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 6 및 폴리아미드 69의 랜덤 또는 블럭 공중합체이다. 폴리아미드 공중합체(즉, 하나 이상의 아미드 단량체를 포함하는 공중합체)는 폴리에테르, 예를 들어 지방족 에테르 또는 방향족 에테르를 포함할 수 있다.
폴리아미드 공중합체에 사용되는 폴리에테르는 디올, 예를 들어 글리콜(예를 들어, 하나 이상의 부가의 단량체와)의 중합에 의해 형성될 수 있다. 글리콜의 예로는 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 테트라메틸렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 또는 이들의 조합이 있다. 상기 공중합체는 비교적 부드러운 블럭과 비교적 단단한 블럭을 포함하는 블럭 공중합체일 수 있다. 비교적 단단한 블럭에 대한 비교적 부드러운 블럭의 탄성계수비는 약 1.1 이상, 바람직하게는 약 2 이상, 보다 바람직하게는 약 10 이상이다. 비교적 단단한 블럭은 하나 이상의 방향족 아미드, 하나 이상의 반-방향족 아미드, 또는 하나 이상의 지방족 아미드를 포함할 수 있다. 비교적 부드러운 블럭은 폴리에스테르, 예를 들어 상기의 폴리에스테르(예를 들어, 지방족 폴리에스테르), 폴리카보네이트 (예를 들어, 지방족 폴리카보네이트), 폴리에테르 (예를 들어, 지방족 폴리에테르), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 아미드 공중합체는 첫 번째 단량체 (예를 들어, 첫 번째 아미드 단량체) 및 두 번째 단량체를 포함할 수 있고, 각각은 모두 독립적으로 공중합체 전체 중량을 기준으로 약 5중량% 이상, 바람직하게는 약 20중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 30중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 40중량% 이상 포함된다. 첫 번째 단량체 및 두 번째 단량체를 합한 농도는 공중합체 전체 중량을 기준으로 약 50중량% 이상, 바람직하게는 약 75중량% 이상, 보다 바람직하게는 90중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 95중량% 이상이다.
폴리아미드 공중합체는 비교적 낮은 융점, 비교적 낮은 탄성계수, 또는 둘 다를 갖는 열가소성 탄성체로 특징지워진다. 예를 들어, 공중합체는 공중합체의 한 단량체로만 구성된 단일 중합체의 가장 높은 융점에 비해 비교적 낮은 융점을 갖는다. 예를 들어, 공중합체는 공중합체의 한 단량체로만 구성된 단일 중합체의 가장 높은 탄성계수에 비해 비교적 낮은 탄성계수를 갖는다. 바람직한 폴리아미드 공중합체는 ASTM D3418-08에 따라 측정된 융점이 220℃ 이하(바람직하게는 190℃ 이하, 보다 바람직하게는 170℃ 이하, 가장 바람직하게는 150℃ 이하)이고; 60℃ 이상(바람직하게는 80℃ 이상, 보다 바람직하게는 100℃ 이상, 가장 바람직하게는 110℃ 이상)이며; ASTM D638-08에 따라 측정된 탄성계수가 2.5GPa 이하(바람직하게는 1.2GPa 이하, 보다 바람직하게는 800MPa 이하, 가장 바람직하게는 500MPa 이하)이고; 50MPa (바람직하게는 100MPa 이상, 보다 바람직하게는 200MPa 이상이며; ASTM D638-08에 따라 측정된 파단 변형은 50% 이상(바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 300% 이상); 또는 이들의 조합이다.
바람직한 이오노머는 이온성 화합물과, 극성 단량체 및 비극성 단량체를 포함하는 공중합체의 혼합물이다. 이오노머의 공중합체에 사용되는 비극성 단량체는 알파 올레핀, 예를 들어 약 2 내지 약 20 탄소 원자 (예를 들어, 약 2 내지 약 8 탄소 원자)의 올레핀을 포함할 수 있다. 비극성 단량체의 예로는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 및 1-옥텐, 또는 이들의 조합이 있다. 적합한 극성 단량체는 중합시에 이온 그룹을 갖는 단량체를 포함한다. 이오노머의 공중합체에 사용되는 극성 단량체의 예로는 산, 예를 들어 약 2 내지 약 20 탄소 원자의 산 (예를 들어, 메타크릴산, 에타크릴산)이 있다. 이오노머의 공중합체에서 극성 단량체의 농도는 이오노머의 중량을 기준으로 약 40중량% 이하, 바람직하게는 약 25중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 20중량% 이하이다. 이오노머에 적합한 이온성 화합물에서 극성 단량체는 하나 이상의 알칼리금속, 하나 이상의 알칼리토금속, 또는 둘 다를 함유하는 화합물을 포함할 수 있다. 이온성 화합물은 나트륨, 칼륨, 리튬, 칼슘, 마그네슘, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 이온성 화합물은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘 및 수산화마그네슘이다. 예를 들어, 상용 이오노머로는 SURLYN 폴리(에틸렌-공-메타크릴산)이오노머 및 NAFION 퍼플루오로술포네이트 이오노머가 있다.
바람직한 폴리우레탄은 하나 이상의 디이소시아네이트와 하나 이상의 디올의 중합으로 형성되는 열가소성 중합체를 포함한다. 보다 바람직한 폴리우레탄은 하나 이상의 디이소시아네이트와 둘 이상의 디올의 중합으로 형성되는 열가소성 중합체를 포함한다. 폴리우레탄은 열가소성 폴리우레탄 탄성체, 예를 들어 첫 번째 디올을 포함하는 첫 번째 중합체 블럭과 두 번째 디올을 포함하는 두 번째 중합체 블럭을 포함하고, 첫 번째 블럭은 비교적 단단한 블럭 (예를 들어, 비교적 고 강성을 갖는)이고 두 번째 블럭은 비교적 부드러운 블럭 (예를 들어, 비교적 단단한 블럭보다 낮은 강성을 갖는)인 것이다. 비교적 단단한 블럭과 비교적 부드러운 블럭의 농도는 각각 공중합체 전체 중량을 기준으로 5중량% 이상, 바람직하게는 10중량% 이상, 보다 바람직하게는 20중량% 이상이다. 비교적 단단한 블럭과 비교적 부드러운 블럭의 농도는 각각 공중합체 전체 중량을 기준으로 95중량% 이하, 바람직하게는 90중량% 이하, 보다 바람직하게는 20중량% 이하이다. 비교적 단단한 블럭 ㄱ과 비교적 부드러운 블럭의 전체 농도는 공중합체 전체 중량을 기준으로 60중량% 이상, 바람직하게는 80중량% 이상, 보다 바람직하게는 95중량% 이상, 가장 바람직하게는 98 중량% 이상이다. 상용 열가소성 폴리우레탄(TPU)으로는 루브리졸 사에서 구입가능한 ESTANE 브랜드의 TPU, BASF에서 구입가능한 ELASTOLAN브랜드의 TPU 및 바이엘에서 구입가능한 DESMOPAN 브랜드가 있다.
열가소성 중합체는 비교적 긴 사슬을 갖도록 선택되고 수평균 분자량 20,000 이상, 바람직하게는 60,000 이상, 가장 바람직하게는 140,000 이상이다. 가소제가 첨가되거나 첨가되지 않을 수 있고, 탄성체로 변성되거나 탄성체를 포함하지 않을 수 있다. 반-결정성 중합체의 결정화도는 10중량% 이상, 보다 바람직하게는 20중량% 이상, 보다 바람직하게는 35중량% 이상, 보다 바람직하게는 45중량% 이상, 가장 바람직하게는 55중량% 이상이다. 반-결정성 중합체의 결정화도는 90중량% 이하, 바람직하게는 85중량% 이하, 보다 바람직하게는 80중량% 이하, 가장 바람직하게는 68 중량% 이하이다. 열가소성 중합체의 결정화도는 시차주사열량계로 융융열을 측정하고 특정 중합체의 알려진 용융열과 비교하여 측정할 수 있다.
중합체는 바람직하게는 용융지수가 충분히 높아서 압출 장비로 가공깅 가능하도록 선택된다. 바람직한 중합체는 190℃/2.16kg에서 ASTM D1238에 따라 측정한 용융유동지수가 약 0.05g/10분 이상, 약 0.1g/10분 이상, 또는 약 0.3g/10분 이상이다. 중합체는 바람직하게는 용융지수가 충분히 낮아서 우수한 기계적 성질을 갖도록 선택된다. 바람직한 중합체는 190℃/2.16kg에서 ASTM D1238에 따라 측정한 용융유동지수가 약 150g/10분 이하, 약 80g/10분 이하, 약 50g/10분 이하, 약 20g/10분 이하, 또는 약 4g/10분 이하이다.
중합체는 바람직하게는 고속 스탬핑 조작시에 파손되지 않도록 충분히 높은 낙하 충격 강도(g단위로, 2밀리 두께 필름 상에서 ASTM 1790A에 의해 측정된)를 갖는다. 바람직한 중합체 약 10g 이상, 약 40g 이상, 약 100g.이상, 약 150g 이상, 약 200g 이상, 또는 약 250g 이상의 낙하 충격 강도(g 단위로, 2밀리 두께 필름 상에서 ASTM 1790A에 의해 측정된)를 갖는다.
충진된 중합체 재료의 중합체는 극성 분자, 예를 들어 말레인산 무수물과 그래프트된 중합체(예를 들어, 이소탁틱 폴리프로필렌 단일 중합체 또는 공중합체와 같이 그래프트된 폴리올레핀)를 약 10중량% 이하 포함할 수 있다.
열가소성 중합체는 실질적으로 비정질인 중합체 (예를 들어, 결정화도 10중량% 이하, 바람직하게는 5중량% 이하, 가장 바람직하게는 1 중량% 이하를 갖는 중합체)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열가소성 중합체는 1 Hz 속도에서 동역학 분석을 했을 때 50℃ 이상, 바람직하게는 120℃ 이상, 보다 바람직하게는 160℃ 이상, 보다 바람직하게는 180℃ 이상, 가장 바람직하게는 205℃ 이상의 유리 전이 온도를 갖는 실질적으로 비정질인 중합체를 포함할 수 있다. 비정질 중합체의 예로는 폴리스티렌 함유 중합체, 폴리카보네이트 함유 중합체, 아크릴로니트릴 함유 중합체, 및 이들의 조합이 있다.
스티렌 함유 공중합체의 예로는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 ( 2010년 2월 25일 공개)에 게시된 충진된 중합체 재료에 사용된 것들이 있다.
열가소성 중합체 대신 또는 열가소성 중합체에 부가하여, 중합체 층은 하나 이상의 하기 성질을 갖는 탄성체를 사용할 수 있다: 100% 연신에서 비교적 낮은 인장 탄성율(예를 들어, 약 3 MPa 이하, 바람직하게는 약 2 MPa 이하), 비교적 높은 인장 파단 신율(예를 들어, 약 110% 이상, 바람직하게는 약 150% 이상). 두 성질 모두 ASTM D638-08에 따라 공칭 변형 속도약 0.1 s-1에서 측정되었다. 탄성체의 예로는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 ( 2010년 2월 25일 공개)에 게시된 것들이 있다.
소량의 에폭시가 사용될 수 있으나, 충진된 중합체 재료의 중합체 바람직하게는 실질적으로 에폭시나 다른 깨지기 쉬운 중합체(예를 들어, ASTM D638-08에 따라 공칭 변형 속도 약 0.1 s-1에서 측정했을 때 약 20% 이하의 연신율을 갖는 중합), 또는 둘 다를 포함하지 않는다. 사용하는 경우, 에폭시, 다른 깨지기 쉬운 중합체, 또는 둘 다의 농도는 충진된 중합체 재료의 전체 부피를 기준으로 바람직하게는 20부피% 이하, 보다 바람직하게는 10부피% 이하, 보다 바람직하게는 5부피% 이하, 가장 바람직하게는 2부피% 이하이다.
특히 바람직한 예에서, 충진된 중합체 재료는 하나 이상의 폴리아미드 공중합체, 하나 이상의 열가소성 폴리우레탄, 하나 이상의 열가소성 폴리에테르-에스테르 공중합체, 하나 이상의 폴리올레핀, 하나 이상의 이오노머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 폴리아미드 공중합체는 상기의 폴리아미드 공중합체 중 어느 것도 사용가능하다. 바람직한 폴리아미드 공중합체는 폴리아미드-폴리아미드 공중합체, 폴리에스테르아미드 공중합체, 폴리에테르에스테르아미드, 폴리카보네이트-에스테르아미드 공중합체, 또는 이들의 조합이다. 열가소성 중합체는 랜덤 공중합체 또는 블럭 공중합체일 수 있다. 열가소성 중합체는 열가소성 탄성체일 수 있다. 예를 들어, 충진된 중합체 재료는 폴리에스테르 아미드 열가소성 탄성체, 폴리에테르에스테르아미드 열가소성 탄성체, 폴리카보네이트-에스테르아미드 열가소성 탄성체, 폴리에테르-에스테르 열가소성 탄성체, 아미드 블럭 공중합체 열가소성 탄성체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어 충진된 중합체 재료는 공중합체가 아닌 하나 이상의 폴리아미드 단일 중합체를 포함할 수 있다. 특히 바람직한 폴리아미드 단일 중합체는 폴리아미드 6 및 폴리아미드 6,6이다. 하나 이상의 폴리아미드 단일 중합체의 농도는 바람직하게는 비교적 낮다(예를 들어, 하나 이상의 공중합체의 농도에 비해). 하나 이상의 폴리아미드 단일 중합체의 농도는 충진된 중합체 재료에서 중합체의 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 50중량% 이하, 보다 바람직하게는 40중량% 이하, 보다 바람직하게는 30중량% 이하, 가장 바람직하게는 25중량% 이하이다.
충진된 중합체 재료에 사용되는 열가소성 중합체의 예로는 폴리아미드 공중합체(LG 화학의 LUMID, EMS-Grivory의 GRIVORY, GRILAMID, 및 GRILON(예를 들어, GRILON CA6E, GRILON CF6S, GRILON CR8, GRILON CR9, GRILLON BM13SBG, 또는 GRILLON BM 20 SBG), Toray Resin Company의 AMILAN, Lanxess Corporation의 DURETHAN, Custom Resins Group의 NYLENE, BASF Corporation의 ULTRAMID, 및 Wellman Engineering Resins의 WELLAMID), 폴리에테르-아미드 공중합체(예를 들어 Arkema의 PEBAX), 나일론 단일 중합체 (예를 들어Honeywell의 AEGIS, Teknor Apex Company의 CHEMLON, PolyOne Corporation의 NYMAX, 및 BASF Corporation의 NYPEL), 열가소성 폴리우레탄(예를 들어, API SpA의 Bayer Material Science AG의 DESMOPAN, BASF Polyurethane GmbH의 ELASTOLLAN)을 포함할 수 있다.
충진된 중합체 재료에 사용되는 폴리올레핀의 예로는 에틸렌 공중합체 (예를 들어 Exxon Mobil Chemical의 EXACT, Dow Chemical Company의 DOWLEX, 및 Dow Chemical Company의 ENGAGE), 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 공중합체(예를 들어 Borealis AG의 BORMED, Formosa Plastics Corporation, USA의 FORMOLENE, Dow Chemical Company의 VERSIFY, 및 Exxon Mobil Chemical의 VISTAMAXX)가 있다. 열가소성 중합체는 사출 등급, 압출 등급, 필름 등급, 낮은 사출 등급, 회전 사출 등급 또는 이들의 조합일 수 있다. 본 발명에서, 필름 등급은 부가의 부착 시트와 놀라울 정도의 우수한 부착 성능을 나타낸다.
본 발명에서, 심재로 선택된 중합체는 일반적으로 비극성이면서도 복합물을 형성하는 시트 재료에 놀랍게도 우수한 부착력을 갖는다.
그럼에도 불구하고, 사용하기 위해 선택된 중합체는 일반적으로 극성일 수 있다. 일반적으로 극성 중합체를 포함하는 충진된 중합체 재료는 극성 중합체 및 금속 섬유 사이의 인력이 충분하여 작용기를 갖는 중합체를 사용하여 플라스틱과 금속 섬유 사이의 부착을 향상시킬 필요가 없다. 그와 같이, 충진된 중합체 재료는 실질적으로 또는 완전히 말레인산 무수물, 아크릴산, 아크릴래이트, 아세테이트, 또는 이들의 조합을 갖는 중합체를 포함하지 않는다. 예를 들어, 충진된 중합체는 실질적으로 또는 완전히 말레인 그래프트된 중합체를 포함하지 않는다. 사용되는 경우, 말레인산 무수물, 아크릴산, 아크릴래이트, 아세테이트, 또는 이들의 조합을 갖는 중합체의 농도는 충진된 중합체 재료에서 중합체 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 20중량% 이하, 보다 바람직하게는 10중량% 이하, 보다 바람직하게는 5중량% 이하, 보다 바람직하게는 1중량% 이하, 가장 바람직하게는 0.1중량% 이하이다. 예를 들어, 일반적으로 극성 중합체는 아세탈 단일 중합체 또는 공중합체, 폴리아미드 단일 중합체 또는 공중합체, 폴리이미드 단일 중합체 또는 공중합체, 폴리에스테르 단일 중합체 또는 공중합체, 폴리카보네이트 단일 중합체 또는 공중합체, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일반적으로 극성 중합체를 포함하는 충진된 중합체 재료는 폴리올레핀 단일 중합체 및 약 50중량%의 하나 이상의 올레핀을 포함하는 공중합체를 실질적으로 또는 완전히 포함하지 않을 수 있다. 사용되는 경우, 폴리올레핀 단일 중합체 및 약 50중량%의 하나 이상의 올레핀을 포함하는 공중합체의 전체 농도는 충진된 중합체 재료에서 중합체 전체 중량을 기준으로 약 30중량% 이하, 바람직하게는 약 20중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 10중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 5중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 1 중량% 이하이다.
충진된 중합체 재료는 2010년 8월 6일에 출원된 미국 가출원 61/371,360 호에 게시된 단일 중합체 또는 둘 이상 중합체의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 충진된 중합체 재료는 폴리올레핀 및 하나 이상의 두 번째 중합체의 혼합물, 예를 들어 폴리올레핀 및 극성 중합체, 예를 들어 이오노머의 혼합물을 포함할 수 있다. 재료는 충분한 양의 두 번째 중합체 (예를 들어, 이오노머)를 포함하여 중합체가 금속 층, 금속 섬유, 또는 둘 다에 부착하도록 한다. 두 번째 중합체 대 폴리올레핀의 중량비는 약 1:99 이상, 약 3:97 이상, 약 5:95 이상, 약 10:90 이상, 또는 약 20:80 이상이다. 두 번째 중합체 대 폴리올레핀의 중량비는 약 99:1 이하, 약 90:10 이하, 약 70:30 이하, 약 50:50 이하, 또는 약 40:60 이하이다.
충진제
충진된 중합체 재료 (예를 들어, 충진된 열가소성 중합체 층)는 하나 이상의 충진제를 포함한다. 충진제는 강화 충진제, 예를 들어 섬유, 특히 금속 섬유일 수 있다. 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개), 미국 특허출원 제 12/978,974 호(2010년 12월 27일 출원)에 게시된 금속 충진제(예를 들어, 금속 섬유)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 사용되는 금속 섬유는 금속, 예를 들어 강철 (예를 들어, 저탄소강, 스테인레스강 등), 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리, 40중량% 이상의 구리를 포함하는 합금, 40중량% 이상의 철을 포함하는 다른 합금, 40중량% 이상의 알루미늄을 포함하는 다른 합금, 40중량% 이상의 티타늄을 포함하는 다른 합금, 또는 이들의 조합으로 형성된 섬유를 포함한다. 바람직한 섬유는 강철을 포함한다. 사용되는 경우, 강철 섬유는 일반 탄소강(예를 들어, 탄소 농도 약 0.2, 0.15 또는 0.08 중량% 이하)이나, 하나 이상의 합금 원소(예를 들어, Ni, Cr, 또는 스테인레스강 정련을 위한 다른 원소)를 포함할 수도 있다. 섬유는 희생 양극 재료 또는 부품, 예를 들어 하기의 것을 포함할 수 있다. 섬유는 둘 이상 형태의 섬유를 혼합한 혼합물, 예를 들어, 둘 이상의 다른 조성을 갖는 섬유의 혼합물(예를 들어, 한 섬유는 희생 양극으로 선택될 수 있다), 다른 단면 프로파일, 다른 크기 등을 갖는 둘 이상의 섬유의 혼합물일 수 있다.
충진된 중합체 재료는 다른 비-금속 전도성 섬유, 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 (2010년 2월 25일 공개)에 게시된 섬유를 포함할 수 있다.
충진된 중합체 재료는 금속 층의 부식을 방지하거나 감소시킬 수 있는 금속 섬유 또는 다른 충진제를 포함할 수 있다. 충진된 중합체 재료 중의 하나 이상의 금속 섬유 또는 다른 충진제는 비교적 높은 갈바니 활성을 갖는다. 예를 들어, 충진된 중합체 재료 중의 금속 섬유 또는 다른 충진제는 충진된 중합체 재료에 접하는 금속 층의 한 면, 바람직하게는 두 면에 사용되는 금속 층(복합 재료의)보다 높은 갈바니 활성을 갖는다. 그와 같이, 충진된 중합체 재료는 낮은 갈바니 활성을 갖는 충진제를 실질적으로, 또는 완전히 포함하지 않는다. 예를 들어, 복합 재료의 부식을 감소시키기 위해 카본 블랙을 실질적으로, 또는 완전히 포함하지 않는 충진된 중합체 재료를 사용할 수 있다. 비교적 높은 갈바니 활성을 갖는 하나 이상의 충진제는 바람직하게는 금속 층보다 약 0.05 V 이상, 보다 바람직하게는 약 0.1 V 이상, 보다 바람직하게는 약 0.20 V 이상, 가장 바람직하게는 약 0.25 V 이상 큰 양극 지수를 갖는다. 비교적 높은 갈바니 활성을 갖는 하나 이상의 충진제는 금속층보다 높은 갈바니 활성을 갖는 공지의 재료일 수 있다. 예를 들어, 그러한 충진제는 하나 이상의 아연 함유 재료, 하나 이상의 마그네슘 함유 재료, 하나 이상의 알루미늄 함유 재료, 또는 이들의 조합을 포함한다. 하나 이상의 충진제는 첫 번째 충진제 및 첫 번째 충진제보다 높은 갈바니 활성을 갖는 두 번째 충진제를 가질 수 있고, 여기에서 두 번째 충진제는 희생 충진제이다. 충진된 중합체 재료가 첫 번째 충진제 및 희생 충진제를 포함한다면, 첫 번째 충진제는 바람직하게는 금속 섬유이다. 희생 충진제는 금속층의 표면적 또는 첫 번째 충진제의 전체 표면적, 또는 둘 다에 비해 비교적 높은 전체 표면적(즉, 모든 희생 충진제 입자의)을 갖는다. 예를 들어, 금속층의 표면적에 대한 희생 충진제의 전체 표면적의 비율은 약 1.5 이상, 바람직하게는 약 3 이상, 보다 바람직하게는 약 10 이상, 가장 바람직하게는 약 50 이상이다. 충진된 중합체 재료가 첫 번째 충진제 및 희생 충진제를 포함한다면, 첫 번째 충진제는 금속층 표면의 갈바니 활성보다 적거나, 같거나, 큰 갈바니 활성을 갖는 표면을 가질 수 있다. 첫 번째 충진제가 금속층 표면의 갈바니 활성보다 큰 갈바니 활성을 갖는 표면을 가진다면, 첫 번째 충진제가 희생 충진제로 작용할 수 있다. 그와 같이, 두 번째 희생 충진제가 필요 없을 수도 있고 충진된 중합체는 실질적으로 또는 완전히 두 번째 희생 충진제를 포함하지 않는다.
복합 재료가 일반적으로 우수한 용접 특성을 갖도록 금속 섬유는 바람직하게는 선택된다. 예를 들어, 복합 재료가 일반적으로 우수한 용접 가공창, 일반적으로 높은 전기 전도성, 일반적으로 높은 정전 접촉 저항을 가지도록 금속 섬유의 농도, 금속 섬유의 크기, 금속 섬유 사이의 접촉량, 금속 섬유의 모양, 금속 섬유와 금속 층 사이의 접촉량, 또는 이들의 조합이 선택될 수 있다. 일반적으로 우수한 용접 가공 창 은 예를 들어 높은 용접 전류 범위, 높은 용접 시간 범위, 또는 둘 다에 의해 특징지워진다. 복합 재료의 용접 전류 범위 및 정전 접촉 저항의 측정 방법은 미국 가출원번호 제 61/377,599 호(2010년 8월 27일 출원) 단락 111-117 및 미국 특허출원번호 제 12/978,974 호( 2010년 12월 27일 출원), 단락 013, 016, 023, 034-039, 076-080 및 121-126 및 도 5-8에 기재되어 있다.
본 발명의 섬유 또는 다른 충진제는 중합체 성분 또는 복합물을 형성하는 다른 재료와 함께 사용될 때, 복합 재료로 동일한 두께를 갖는 강철 단일 재 시트에 용접될 때, 바람직하게는 복합 재료로 동일한 두께를 갖는 두 개의 강철 당일 재료 시트의 전류 범위 Im, 보다 큰 복합 재료의 전류 범위, Ic를 제공하도록, 선택된다. 예를 들어, 재료는 Im에 대한 Ic 비가 바람직하게는 약 1.1 이상, 보다 바람직하게는 약 1.2 이상, 보다 바람직하게는 약 1.3 이상, 보다 바람직하게는 약 1.4 이상, 가장 바람직하게는 약 1.5 이상이 되도록 선택된다. 복합 재료의 전류범위, Ic는 약 1.5 kA 이상, 약 1.7 kA 이상, 약 1.9 kA 이상, 약 2.1 kA, 약 2.3 kA 이상, 또는 약 2.5 kA 이상이다. 복합 재료의 정전 접촉 저항은 약 0.0020 Ω이하, 약 0.0017 Ω 이하, 약 0.0015 Ω이하, 약 0.0012 Ω이하, 또는 약 0.0008 Ω 이하이다. 재료는 강철(예를 들어, 냉간 압연강, 아연도금강, 합금화 아연도금강, 또는 이들의 조합)의 정전 접촉 저항에 대한 복합 재료의 정전 접촉 저항의 비가 약 1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.5 이상, 약 2 이상, 약 3 이상, 약 4 이상, 약 5 이상 또는 약 10 이상이 되도록 선택된다. 정전 접촉 저항이 너무 높으면, 복합물이 전류를 통과하기 어려워 용접이 어렵게 된다. 따라서, 재료는 강철(예를 들어, 냉간 압연강, 아연도금강, 합금화 아연도금강, 또는 이들의 조합)의 정전 접촉 저항에 대한 복합 재료의 정전 접촉 저항의 비가 바람직하게는 약 1000 이하, 보다 바람직하게는 약 300 이하, 보다 바람직하게는 약 100 이하, 보다 바람직하게는 약 75 이하, 가장 바람직하게는 약 40 이하가 되도록 선택된다.
금속 섬유는 바람직하게는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)에 기재된 크기와 분포를 갖는다. 금속 섬유의 중량 평균 길이, Lavg, 는 약 1mm 이상, 보다 바람직하게는 약 2mm 이상, 가장 바람직하게는 약 4mm 이상이다. 적합한 섬유의 Lavg는 약 200mm 이하, 바람직하게는 약 55mm 이하, 보다 바람직하게는 약 30mm 이하, 가장 바람직하게는 약 25mm 이하이다. 섬유의 중량 평균 직경은 약 0.1㎛ 이상, 보다 바람직하게는 약 1.0㎛ 이상, 가장 바람직하게는 약 4㎛ 이상이다. 섬유의 중량 평균 직경은 약 300㎛ 이하, 바람직하게는 약 50㎛ 이하, 보다 바람직하게는 약 40㎛ 이하, 가장 바람직하게는 약 30㎛ 이하이다.
금속 섬유는 어떤 모양을 가져도 좋다. 금속 섬유는 곡성 부분을 포함할 수 있다. 일반적으로 선형 금속 섬유가 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는 금속 섬유 는 직선 섬유가 아니다. 예를 들어, 금속 섬유는 직선 섬유가 아니고 하나 이상의 굴곡부분, 호 모양, 일반적으로 나선형 모양, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 금속 섬유는 초기에는 직선이다가, 바람직하게는 중합체와 결합되는 경우 직선이 아닌 섬유가 될 수도 있다.
금속 섬유 2010년 8월 6일에 출원된 미국 가출원 제61/371,360호의 단락 099-102, 157, 및 도 5에 게시된 하나 이상의 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속 섬유의 단면 (즉, 섬유 길이를 가로지르는 방향)은 하나 이상의 평면을 가진다. 따라서, 복합물에서 금속 섬유의 일부는 금속 층, 다른 섬유, 또는 둘 다와 평면 접촉을 한다. 금속 섬유는 넷 이상의 다각형 단면, 예를 들어, 일반적으로 직사각형, 일반적으로 평행사변형, 또는 일반적으로 정사각형 단면을 갖는다. 그러한 섬유는 일반적으로 가늘고 긴 평평한 리본 스트립이다. 리본 스트립의 길이 (예를 들어, 평균 길이) 대 폭(예를 들어, 중량 평균 폭)의 비율은 약 2 이상, 약 4 이상, 약 8 이상, 또는 약 15 이상이다. 리본 스트립의 길이 (예를 들어, 평균 길이) 대 폭(예를 들어, 중량 평균 폭)의 비율은 약 5000 이하, 약 1000 이하, 약 400 이하, 약 100 이하, 또는 약 30 이하이다. 섬유의 폭(예를 들어, 중량 평균 폭) 대 두께(예를 들어, 중량 평균 두께) 비율은 1 이상, 약 1.4 이상, 약 2 이상, 약 3 이상, 약 5 이상, 또는 약 7 이상이다. 섬유의 폭 대 두께의 비는 약 300 이하, 약 100 이하, 약 50 이하, 또는 약 15 이하이다. 그러한 섬유는 하나 이상의 섬유 형성 단계, 예를 들어, 금속 호일 (예를 들어, 거의 섬유 두께인 두께를 갖는)을 좁은 리본 스트립(예를 들어, 절단 사이의 공간이 섬유의 폭을 한정하는)으로 절단하는 단계를 포함한다.
섬유 길이에 수직인 금속 섬유의 단면은, 기하적인 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 단면은 다각형(예를 들어, 직사각 또는 정사각) 또는 일반적으로 직선 면을 갖는 다른 모양이거나, 또는 단면은 일반적으로 호인 하나 이상의 면을 가질 수 있다(예를 들어, 금속 섬유는 완전히 호, 실질적으로 원인 단면, 또는 실질적으로 타원형의 단면을 가질 수 있다). 길이 방향 축을 가로지는 금속 섬유의 단면적은 바람직하게는 약 1 x 10-6 mm2 이상, 보다 바람직하게는 약 1 x 10-5 mm2 이상, 보다 바람직하게는 약 8 x 10-5 mm2 이상, 보다 바람직하게는 약 1 x 10-4 mm2 이상, 가장 바람직하게는 약 4 x 10-4 mm2 이상이다. 길이 방향 축을 가로지는 금속 섬유의 단면적은 바람직하게는 약 2.5 x 10-2 mm2 이하, 보다 바람직하게는 약 1 x 10-2 mm2 이하, 보다 바람직하게는 약 2.5 x 10-3 mm2 이하, 가장 바람직하게는 약 1 x 10-3 mm2 이하이다. 예를 들어, 약 8 x 10-5 mm2 이상의 단면적을 갖는 강철 섬유를 사용하는 복합재료가 더 낮은 단면적을 갖는 섬유를 사용하는 재료에 비해 향상된 용접 가공창을 갖는 것은 놀랍다. 약 8 x 10-5 mm2 이상의 단면적을 갖는 섬유를 포함하는 그러한 복합 재료는 더 얇은 복합재료보다 높은 연신성과 성형성을 유지하는 것이 관찰되었다.
금속 섬유는 실질적으로 일정한 두께, 폭, 또는 둘 다를 갖는다. 섬유의 평평한 면은 부드럽거나(즉, 일반적으로 질감을 가지지 않거나), 질감을 가질 수 있다. 예를 들어 리본-같은 섬유는 주요 표면이 둘 다 부드럽거나, 주요 표면이 둘 다 질감을 가지거나, 또는 한 주요 표면은 질감을 가지고 한 주료 표면은 부드럽다.
특히 바람직한 금속 섬유는, 임의로 하나 이상의 다른 섬유를 가지고, 길이에 수직인 방형으로 일반적으로 사각 단면(예를 들어, 일반적으로 평평한 리본 스트립에 대한 프로파일을 한정하는)을 갖는 강철 섬유(예를 들어, 탄소강 섬유)이다. 금속 섬유의 중량 평균 두께는 약 10 내지 약 70㎛, 중량 평균 폭은 약 40 내지 약 200㎛, 중량 평균 길이는 약 0.8 내지 약 5mm, 또는 이들의 조합이다.
두 금속 층 사이의 중합체에 사용되는 경우, 금속 섬유는 바람직하게는 섬유 덩어리로 존재한다. 금속 섬유 덩어리는 바람직하게는 다수의 섬유 (예를 들어, 20 이상, 100 이상, 1000 이상, 또는 10000 이상)를 포함한다. 금속 섬유 덩어리는 서로 연결되어 있을 수 있다. 금속 섬유 덩어리는 얼기설기 얽혀있을 수 있다. 섬유 덩어리는 기계적으로 맞물릴 수 있다(즉, 둘 이상의 섬유가 기계적으로 맞물릴 수 있다). 금속섬유 덩어리는 바람직하게는 중합체 층의 두께로 퍼져 섬유 덩어리(예를 들어, 금속 섬유 망)가 전기적으로 두 금속 층을 연결한다. 단일 금속 섬유가 중합체 층의 두께로 퍼질 수 있어도, 금속 섬유가 중합체 층의 두께로 퍼지지 않는 것이 바람직하다. 금속 섬유가 중합체 층의 두께를 가로지르는 경우, 두께를 가로지르는 섬유 분획은 바람직하게는 약 0.4 이하, 보다 바람직하게는 약 0.20 이하, 보다 바람직하게는 약 0.10 이하, 보다 바람직하게는 약 0.04 이하, 가장 바람직하게는 약 0.01 이하이다. 섬유 덩어리에서 섬유는 바람직하게는 불규칙하게 배열된다. 예를 들어, 일반적으로 나란히 배열된 이웃한 금속 섬유의 최대 숫자는 약 100 이하, 바람직하게는 약 50 이하, 보다 바람직하게는 약 20 이하, 보다 바람직하게는 약 10 이하, 가장 바람직하게는 약 5 이하이다. 보다 바람직하게는 섬유 덩어리는 일반적으로 불규칙하게 배열된다. 금속층의 표면을 접촉하는 각각의 금속 섬유는 바람직하게는 평면 접촉(예를 들어, 섬유의 길이에 걸쳐)을 하지 않는다. 그와 같이, 복합 재료는 실질적으로, 또는 완전히 금속 섬유와 금속 층 사이의 면 접촉이 없다. 금속 표면을 접촉하는 섬유는, 바람직하게는 선 접촉, 접 접촉, 또는 이들의 조합으로 접촉한다. 몇 금속 섬유는 금속 층 중의 하나와 접촉할 수 있으나, 금속 섬유 길이의 많은 부분을 금속 층과 접촉하는 금속 섬유는 거의 없다. 그와 같이, 금속 섬유의 많은 분획은 금속 층과 접촉하지 않거나 적어도 현저한 부분이 금속 층과 접촉하지는 않는다. 섬유 길이의 절반 이상을 따라 금속 층과 접촉하는 금속 섬유 분획은 바람직하게는 약 0.3 이하, 보다 바람직하게는 약 0.2 이하, 보다 바람직하게는 약 0.1 이하, 보다 바람직하게는 약 0.04 이하, 가장 바람직하게는 약 0.01 이하이다.
금속 섬유는 바람직하게는 충분히 얇고 충분한 농도로 존재하여 많은 섬유 가 층의 표면 사이에 배열된다. 예를 들어, 중합체 층의 두께 방향에 평행한 섬유의 평균 수는 바람직하게는 약 3 이상, 보다 바람직하게는 약 5 이상, 보다 바람직하게는 약 10 이상, 가장 바람직하게는 약 20 이상이다. 다수의 금속 섬유는 재료의 균일한 변형, 예를 들어 스탬핑 공정에 유리하다.
금속 섬유의 농도는 충진된 중합체 재료의 전체 부피를 기준으로 바람직하게는 약 1부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 3부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 5부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 7부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 10부피% 이상, 가장 바람직하게는 약 12부피% 이상이다. 충진된 중합체 재료에서 금속 섬유의 농도는 약 60부피% 이하, 바람직하게는 약 50부피% 이하, 보다 바람직하게는 약 35부피% 이하, 보다 바람직하게는 약 33부피% 이하, 가장 바람직하게는 약 30부피% 이하(예를 들어, 약 25부피% 이하, 또는 약 20, 10, 또는 5부피% 이하)이다. 예를 들어 섬유의 양은 충진된 중합체 재료의 전체 부피를 기준으로 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 또는 10%이거나, 그 수치 범위 내이다(예를 들어 약 1% 내지 약 6%). 입자 충진제보다 실질적으로 낮은 양의 금속 섬유를 사용하여 놀랍게도 비슷한 용접 특성을 얻는 것이 가능하다. 또한, 섬유 및 재료를 적절하게 선택하여 비교적 낮은 농도의 금속 섬유를 사용하면서도 높은 농도의 금속 섬유를 사용하는 복합재료에 비해 우수한 용접성능을 얻는 것이 가능하다. 예를 들어, 놀랍게도 약 10 부피% 금속 섬유를 갖는 충진된 중합체 재료로 높은 농도의 금속 섬유를 사용하는 복합재료에 비해 우수한 용접성능을 갖는 복합 재료를 생성할 수 있다.
충진된 중합체 재료의 열가소성 중합체 재료의 농도는 약 40부피% 이상, 바람직하게는 약 65부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 67부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 70부피% 이상, 가장 바람직하게는 약 75부피% 이상(예를 들어, 최소 약 80부피%, 최소 약 90부피%, 최소 약 95부피%)이다.
중합체 (예를 들어, 열가소성 중합체) 대 섬유 (예를 들어, 금속 섬유)의 부피비는 바람직하게는 약 2.2:1 이상, 보다 바람직하게는 약 2.5:1 이상, 가장 바람직하게는 약 3:1 이상이다. 중합체 (예를 들어, 열가소성 중합체) 대 섬유 (예를 들어, 금속 섬유)의 부피 비는 바람직하게는 약 99:1 이하, 보다 바람직하게는 약 33:1 이하, 보다 바람직하게는 약 19:1 이하, 가장 바람직하게는 약 9:1 이하,(예를 들어, 약 7:1 이하)이다.
샌드위치 복합물의 심재 재료는 구멍이나 공극을 포함할 수도 있고, 실질적으로 포함하지 않을 수도 있다. 바람직하게는, 충진된 중합체 재료에서 구멍이나 공극의 부피는 충진된 중합체 재료 전체 부피를 기준으로 약 25부피% 이하, 보다 바람직하게는 약 10부피% 이하, 보다 바람직하게는 약 5부피% 이하, 가장 바람직하게는 약 2부피% 이하(예를 들어, 약 1부피% 이하)이다.
섬유(예를 들어, 전도성 섬유, 예를 들어 금속 섬유)는 충진된 중합체 재료에서 충진제 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 약 40부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 70부피% 이상, 가장 바람직하게는 약 80부피% 이상(예를 들어, 약 90부피% 이상, 또는 약 95부피% 이상)의 농도로 존재한다.
중합체(예를 들어, 열가소성 중합체) 및 금속 섬유의 전체 부피는 충진된 중합체 재료의 전체 부피를 기준으로 바람직하게는 최소 약 90부피%, 보다 바람직하게는 최소 약 95부피%, 가장 바람직하게는 최소 약 98부피%이다.
금속 섬유는 용접을 위한 전기 전도성, 강화를 위한 강도를 제공하거나, 또는 섬유를 사용하는 중합체 구조물을 금속처럼 연신할 수 있게 하고 중합체 심재에 변형 경화 성질을 부여한다. ASTM A370-03a에 따라 측정할 때, 금속 섬유의 파단시 인장 신율은 바람직하게는 약 5% 이상, 보다 바람직하게는 약 30% 이상, 가장 바람직하게는 약 60% 이상이다.
본 발명의 재료는 섬유와 함께, 금속 입자를 사용하는 것도 가능하다. 금속 입자는 구형, 길쭉한 형 또는 섬유 모양이 아닌 어떠한 모양도 가능하다. 금속 입자는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)에 게시되어 있다.
섬유(예를 들어, 금속 섬유) 또는 섬유 및 금속 입자의 조합은 바람직하게는 중합체 매트릭스에 전체 중합체 층 부피의 약 30% 이하(보다 바람직하게는 약 25 % 이하, 가장 바람직하게는 약 20% 이하)로 분산(예를 들어, 불규칙하게 분산)된다. 금속 입자가 사용되는 경우, 충진된 중합체 재료 층에서 섬유(예를 들어, 금속 섬유) 부피 대 금속 입자 부피의 비는 약 1:30 이상, 바람직하게는 약 1:1 이상, 가장 바람직하게는 약 2:1 이상이다.
본 발명에서, 금속 입자, 금속 섬유, 또는 둘 다는 예를 들어, 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)의 단락 21에 게시된 마쇄 찌꺼기 또는 스크랩으로부터 얻을 수 있다.
금속 층
상기한 바와 같이, 복합물은 샌드위치 구조를 사용하는데, 중합체 심재가 대향하는 층 사이에 끼워진다. 예를 들어, 구조물은 두 시트(예를 들어, 금속 시트)를 포함하고 금속 섬유 강화 중합체 심재가 시트 사이에, 바람직하게는 시트와 접촉하도록 끼워진다. 샌드위치 구조의 금속 층 (예를 들어, 첫 번째 금속 층 및 두 번째 금속 층)은 적합한 재료(예를 들어, 금속)로 호일, 시트 또는 층을 따라 같거나 다른 두께(예를 들어, 평균 두께)를 갖는 다른 층의 형태를 갖는다. 각 금속 층은 일반적으로 일정하거나 변화하는 두께를 갖는다. 각 면의 금속은 같거나 다른 성질을 갖는 재료로 만들어지고 같거나 다른 금속으로 만들어진다. 금속 면이 다른 두께의 금속 시트로 만들어진다면, 재료는 다른 성질을 갖거나, 다른 금속을 갖는다. 복합 재료는 다른 금속 면을 구별하기 위한 표시나 다른 수단을 가질 수 있다. 그 층은 다른 층과 같거나 다른 조성물, 크기(예를 들어, 두께, 폭, 부피 등), 모양, 등을 가진다.
금속 층의 예는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)의 단락 082-091에 게시되어 있다. 바람직한 금속 층은 하나 이상의 강철을 포함한다.
특히 바람직한 강철 금속 층은 하나 이상의 열간 압연 단계, 하나 이상의 냉간 압연 단계, 하나 이상의 풀림 단계, 하나 이상의 세정 단계, 하나 이상의 뜨임 단계 (예를 들어, 단일 롤, 이중 롤, 또는 기타) 또는 이들의 조합을 포함하는 공정에 의해 제조된다. 특히 바람직한 강철 금속 층은 하나 또는 두 표면이 부드럽거나(예를 들어, 매끄러운 마감처리 또는 반들반들한 마감처리), 스톤(예를 들어, 돌을 간 것 같은 모양), 무광(예를 들어, 광택 마감처리 또는 샌드블라스팅 마감처리), 또는 이들의 조합이다. 강철은 강철 그대로 또는 공지 기술에 의해 코팅되거나, 도금되거나 또는 표면처리된 것이다. 강철 금속 층은 주석 연마된 흑판을 포함할 수 있다.
금속 층은 도금되거나 코팅된(예를 들어, 얇은 필름으로) 하나 이상의 표면, 또는 다른 표면 처리된 (예를 들어, 세정, 에칭, 표면을 거칠게 만드는 처리, 또는 화학적 표면 변성)하나 이상의 표면을 갖는다. 금속 면은 충진된 중합체 재료를 금속 층에 잘 부착하도록 하는 하나 이상의 코팅, 도금 또는 표면처리를 포함할 수 있다. 금속 층은 내부식성을 제공하거나, 페인트 또는 프라이머에 대한 부착을 향상시키거나, 강성을 향상시키거나 또는 이들의 조합인 하나 이상의 코팅, 도금 또는 표면처리를 포함할 수 있다. 예를 들어 코팅 또는 도금은 아연도금, 전기 아연도금, 크롬 도금, 니켈 도금, 내부식 처리, e-도금, Granocoat, Bonazinc 등이다. 하나 이상의 코팅, 도금, 또는 표면 처리는 복합 재료 상에, (예를 들어, 복합 재료가 제된 뒤에) 행해진다. 충진된 중합체 층에 면하는 금속 층 표면은 코팅, 도금 또는 표면 처리가 없고 금속 층의 노출된 표면이 코팅, 도금 또는 표면 처리를 포함할 수 있다. 하나 또는 두 금속 면이 다 코팅, 도금 또는 표면 처리가 없을 수도 있다(예를 들어, 충진된 중합체 재료가 코팅, 도금, 또는 표면 처리 없이도 금속 층에 부착이 잘 되도록 처리 도는 선택될 수 있다).
하나 또는 두 금속 면은 바람직하게는 비교적 두꺼워, 복합 재료의 제조 도는 가공 시에 금속 면이 주름이 지거나 찢어지거나, 다른 결점이 생기지 않는다. 바람직하게는, 하나 또는 두 금속 면의 두께는 최소 약 0.05mm, 보다 바람직하게는 최소 약 0.10mm, 보다 바람직하게는 최소 약 0.15mm, 가장 바람직하게는 최소 약 0.18mm이다. 시트는 3mm 이하, 바람직하게는 1.5mm 이하, 보다 바람직하게는 1mm 이하, 가장 바람직하게는 0.5mm 이하의 두께를 갖는다. 예를 들어, 복합 재료는 하나 이상의 A 또는 B 등급 표면, 바람직하게는 하나 이상의 A 등급 표면(예를 들어, 스탬핑 단계, 용접 단계, 전기코팅 단계, 페인팅 단계, 또는 이들의 조합 후에)을 요구하는 자동차 패널에 사용될 수 있다. 그러한 복합 재료는 첫 번째 표면은 A 등급 표면이고 두 번째 표면은 A 등급 표면이 아닐 수 있다. A 등급 표면인 첫 번째 금속 면은 비교적 두께가 두껍고 임의로 A 등급 표면이 아닌 두 번째 금속 면은 비교적 얇은 두께(예를 들어, 첫 번째 금속 면 두께의 약 20% 또는 약 40% 이하)를 가질 수 있다. 일반적으로, 두 번째 금속 층의 두께에 대한 첫 번째 금속 층의 두께(예를 들어, 평균 두께) 비율은 약 0.2 내지 약 5, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2.0, 보다 바람직하게는 약 0.75 내지 약 1.33, 가장 바람직하게는 약 0.91 내지 약 1.1이다.
놀랍게도, 충진된 종합체층은 다운 게이징이 가능하도록 복합 재료의 굴곡 탄성율에 대한 충분한 강성을 제공한다. 예를 들어 고강도의 강철을 경량 복합 재료의 하나 이상의 금속 층으로 사용할 수 있고, 이러한 강철은 예를 들어 미국 가출원번호 제 61/377,599 호(2010년 8월 27일 출원) 단락 102 및 121에 기재되어 있다. 첫 번째 금속층, 두 번째 금속층 또는 둘 다는 충분한 양의 고강도 강철을 포함하여 ASTM D790에 따라 측정한 복합 재료의 탄성 계수는 최소 약200gPa이고, 충진된 중합체 층의 농도는 충분히 높아 복합 재료의 밀도는 약 0.8 dm 이하이며, 여기에서 dm 은 첫 번째 금속 층 및 두 번째 금속 층의 중량평균 밀도이다. 놀랍게도 그러한 복합 재료는 하나 또는 두 가지의 하기 특성을 갖는다: 약 100MPa 이상, 약 120MPa 이상, 약 140MPa 이상, 약 170MPa 이상, 약 200MPa 이상, 또는 약 240MPa 이상)의 높은 항복 강도; 또는 약 160MPa 이상, 약 200MPa 이상, 약 220MPa 이상, 약 250MPa 이상, 약 270MPa 이상, 약 290MPa 이상, 또는 약 310MPa 이상의 높은 인장 강도.
복합 재료
복합 재료는 적층된 시트, 예를 들어, 금속 재료의 시트에 샌드위치된 충진된 중합체 재료를 포함하는 샌드위치 구조이다. 시트의 전체 평균 두께는 약 30mm 이하, 바람직하게는 약 10mm 이하, 보다 바람직하게는 약 4mm 이하, 가장 바람직하게는 약 2mm 이하이고; 바람직하게는 약 0.1mm 이상, 보다 바람직하게는 약 0.3mm 이상, 가장 바람직하게는 약 0.7mm 이상이다. 복합 재료는 일반적으로 균일한 두께를 가지거나 변화하는(예를 들어, 하나 이상의 방향으로 불규칙하게 또는 주기적으로 변화하는) 두께를 갖는다. 예를 들어, 두께 변화는 평균 두께의 약 10% 이하의 표준 편차를 갖는다. 두께의 표준 편차는 평균 두께의 바람직하게는 약 5% 이하, 보다 바람직하게는 약 2% 이하, 가장 바람직하게는 약 1% 이하이다.
충진된 중합체 층의 두께는 복합 재료 전체 두께의 약 10%, 20% 30%, 40%, 이상이다. 충진된 중합체 층의 부피는 복합 재료 전체 부피의 약 10%, 20%, 30%, 40%, 이상이다. 바람직하게는, 충진된 중합체 층의 부피는 복합 재료 전체 부피의 50% 이상이다. 충진된 중합체 재료의 농도는 복합 재료 전체 부피를 기준으로, 보다 바람직하게는 약 60부피% 이상, 보다 바람직하게는 약 70부피% 이상이다. 충진된 중합체 재료의 농도는 일반적으로 복합 재료 전체 부피를 기준으로 92부피%이하이다. 그러나 더 높은 농도도, 사용될 수 있는데, 특히 비교적 두꺼운 복합물 (예를 들어, 약 1.5 mm 이상의 두께를 갖는 경우)에서 그러하다.
샌드위치 복합물 구조의 외부 층(예를 들어, 금속 층)의 전체 두께는 복합 재료 전체 두께의 약 70% 이하, 바람직하게는 약 50% 이하, 보다 바람직하게는 약 40% 이하, 가장 바람직하게는 약 30% 이하이다. 외부 층(예를 들어, 금속 층)의 전체 두께는 복합 재료 전체 두께의 약 5% 이상, 바람직하게는 약 10% 이상, 보다 바람직하게는 약 20% 이상이다.
중합체 심재 층은 바람직하게는 심재 층에 면하는 결합 층 (예를 들어, 하나 이상의 금속 층)의 적어도 일부 표면과 직접 또는 간접 접촉 (예를 들어 프라이머 및/또는 접착제 층)을 한다. 바람직하게는, 접촉 면적은 중합체 심재 층에 면하는 결합 층 표면 전체 면적의 최소 약 30%, 보다 바람직하게는 최소 약 50%, 가장 바람직하게는 최소 약 70% 이다. 프라이머 또는 접착제 층이 사용되는 경우, 복합재료의 성질에 영향을 주지 않도록 두께는 바람직하게는 충분히 얇아야 한다. 사용되는 경우 중합체 심재 층의 두께에 대한 프라이머 및/또는 접착제 층의 두께 비율은 바람직하게는 약 0.30 이하, 보다 바람직하게는 약 0.20 이하, 보다 바람직하게는 약 0.10 이하, 보다 바람직하게는 약 0.05 이하, 가장 바람직하게는 약 0.02 이하이다. 두 인접한 금속 층은 바람직하게는 실질적으로 서로 접촉하지 않는다. 첫 번째 금속 층이 두 번째 금속 층을 접촉하는 경우에는, 첫 번째 금속 층의 표면적에 대한 접촉 면적의 비율은 바람직하게는 약 0.3 이하, 보다 바람직하게는 약 0.1 이하, 보다 바람직하게는 약 0.05 이하, 보다 바람직하게는 약 0.02 이하, 가장 바람직하게는 약 0.01 이하이다.
복합 재료는 복수의 중합체 심재 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합 재료는 금속층, 다른 심재 층 또는 둘 다에 접착하는 접착제를 포함하는 하나 이상의 심재 층을 포함할 수 있다.
복합 재료는 밀도 비에 비해 비교적 고강성일 수 있다(예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호, 예를 들어 단락 042, 090, 118, 및 143-143, 참조).
놀랍게도, 본 발명의 충진된 중합체 재료, 심재 층, 또는 복합 재료는 우수한 차음 특성, 높은 음 완충, 낮은 음 전달, 음 생성 감소, 진동 감소, 또는 이들의 조합을 나타낸다. 예를 들어, 복합재료가 저항 용접을 사용하여 용접될 수 있도록 충분한 농도의 금속 섬유를 사용하더라도, 복합 재료는 낮은 음향 전달 특성을 나타낸다. 복합 재료는 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개) 단락 111에 기재된 음향 전달 특성을 나타낸다. 본 발명의 복합 재료는 낮은 음 전달, 음 생성 감소, 진동 감소, 또는 이들의 조합을 나타내는 심재 층을 포함할 수 있다. 복합 재료를 통한 최고 음향 전달(예를 들어, SAE J1400에 따라 측정시), 최고 진동 전달, 또는 둘 다는 바람직하게는 동일한 치수의 단일 재료에 대한 값보다 바람직하게는 최소 10%, 보다 바람직하게는 최소 50%, 가장 바람직하게는 최소 90%까지 감소된다.
충진된 중합체 층 및 복합물의 제조공정
충진된 중합체 재료 및 복합 재료의 제조 공정은 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개) 단락 092-107에 기재된 방법으로 실시된다.
공정을 사용하여 제조된 복합 재료는 충진된 중합체 재료 (예를 들어, 심재 층)이 하나 이상의 결합 층(예를 들어, 금속 시트)에 부가된 것으로, 바람직하게는 두 층 (예를 들어, 두 금속 층) 사이에 끼워져 하나 또는 두 층에 부착된 것이다. 공정은 가열, 냉각, 변형(예를 들어, 성형, 예를 들어 스탬핑), 또는 부착 중의 하나 이상을 거치게 되며 최종 제품에 도달하게 된다. 하나 이상의, 또는 모든 결합 층(예를 들어, 금속 층)은 압연 시트, 단조물, 주조물, 성형 구조물, 압출된 층, 소결된 층, 또는 이들의 조합으로 제공될 수 있다.
시트는 90℃ 이상의 온도(예를 들어 130℃ 이상, 또는 180℃ 이상)로 가열될 수 있다. 바람직하게는, 시트는 약 Tmin 이상의 온도로 가열될 수 있고, 여기에서 Tmin 은 충진된 중합체 재료의 열가소성 재료의 최고 유리 전이 온도 (Tg) 및 융점 (Tm) 이다. 금속 시트, 충진된 중합체 재료, 또는 둘 다는 중합체 (예를 들어, 열가소성 중합체)가 현저한 분해를 진행하는 이상의 초고 온도로 가열될 수 있다. 열가소성 중합체는 바람직하게는 약 350℃ 이하, 보다 바람직하게는 약 300℃ 이하로 가열될 수 있다. 가열된 중합체는 금속 섬유, 및 부가의 충진제와 혼합될 수 있다. 가열된 중합체(예를 들어, 열가소성 중합체)는 시트 층으로 압출될 수 있다. 시트 층은 직접 금속 면 사이로 압출되거나, 공정에서 또는 별도의 단계에서 금속 면 사이에 놓일 수 있다. 공정은 중합체가 미리 정해놓은 최대 수분 함량 이하로 물을 포함하도록 중합체를 건조하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 중합체 건조 단계는 중합체 가열 전, 가열 중, 또는 가열 단계 후에 행해질 수 있다. 공정은 중합체, 중합체 심재 층, 또는 복합 재료를 낮은 습도 환경에 보관하여 중합체의 수분 농도를 미리 정해놓은 최대 수분 함량 이하로 유지하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.
중합체 심재 층은 균일한 층이거나 다수의 하부 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 충진된 중합체 재료는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)에 기재된 접착 층을 포함할 수 있다.
복합 재료의 제작 공정은 하나 이상의 금속 층을 가열, 층에 압력을 적용, 중합체(예를 들어, 열가소성 중합체 또는 금속 섬유 및 임의의 충진제와 혼합된 열가소성 중합체)를 캘린더링, 및 복합물 시트를 담금질(예를 들어, 재료에서 열가소성 중합체의 융점 이상에서)하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.
충진된 중합체 재료 (예를 들어, 샌드위치 복합물의 심재 층)의 제조공정은 섬유를 중합체(예를 들어, 열가소성 중합체)의 적어도 일부와 접촉하는 단계, 섬유와 중합체의 적어도 일부를 블렌딩하는 단계, 또는 둘 다를 포함한다. 중합체 층을 성형하는 공정은 연속 공정 또는 배치 공정이다. 바람직하게는, 공정은 연속 공정이다. 블렌딩 또는 접촉 단계는 중합체를 약 90℃ 이상, 약 140℃ 이상, 약 170℃ 이상, 또는 약 190℃ 이상의 최대 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 블렌딩 또는 접촉 단계는 중합체를 약 350℃ 이하, 약 300℃ 이하, 약 280℃ 이하, 약 270℃ 이하, 또는 약 250℃ 이하의 최대 온도로 가열하는 단계를 포함한다.
공정은 적어도 일부의 충진된 중합체 재료의 중합체가 약 80℃ 이상, 바람직하게는 120℃ 이상, 보다 바람직하게는 180℃ 이상, 보다 바람직하게는 210℃ 이상, 가장 바람직하게는 230℃ 이상의 온도에 있을 때 압력을 적용하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 압력 적용 단계는 0.01MPa 이상, 바람직하게는 0.1MPa 이상, 보다 바람직하게는 0.5MPa 이상, 보다 바람직하게는 1MPa 이상, 가장 바람직하게는 2MPa 이상의 최대 압력을 사용할 수 있다. 압력 적용 단계 중의 최대 압력은 200MPa 이하, 바람직하게는 100MPa 이하, 보다 바람직하게는 40MPa 이하, 가장 바람직하게는 25MPa 이하이다. 공정은 또한 복합 재료의 냉각 단계를 포함할 수 있다(예를 들어, Tmin 이하의 온도로, 바람직하게는 충진된 중합체 재료의 중합체의 융점 이하로, 보다 바람직하게는 약 50℃ 이하로).
복합 재료는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)에 기재된 적층체를 포함할 수 있다.
중합체 재료에 수분함량을 낮춰서 중합체 재료의 충진제가 부식이 일어나지 않도록 중합체 재료가 물(액체, 가스 또는 고체)과 접촉하는 것을 막는 것이 바람직하다. 따라서, 복합 재료의 제조 공정은 복합 재료가 액체 또는 가스와 접촉하지 못하도록 모서리를 실질적으로 보호하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅 또는 보호층을 하나 이상의 (또는 바람직하게는 모든 ) 중합체 층(심재 층)의 모서리에 설치하거나, 또는 하나 이상의 (또는 바람직하게는 모든) 복합 재료의 모서리를 밀봉하거나, 또는 이들의 조합을 실시하는 것이다. 이러한 방법이 사용되는 경우, 중합체 층의 모서리에 설치되는 코팅 또는 보호층은 충진된 중합체 재료의 중합체에 비해 비교적 낮은 수분 투과성을 갖는 하나 이상의 재료를 포함한다. 비교적 낮은 수분 투과성을 갖는 어떤 재료를 사용해도 좋다. 낮은 투과성 재료는 폴리에틸렌 비닐 알코올 또는 이들의 공중합체 층, 폴리올레핀 단일 중합체 또는 하나 이상의 올레핀을 포함하는 공중합체 층, 또는 이들의 조합을 포함한다. 코팅 또는 보호층은 영구적으로 중합체 층, 금속 층 또는 둘 다에 부착될 수 있다. 또는, 코팅 또는 보호층은 일시적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 코팅 또는 보호층은 하나 이상의 성형 단계 전, 하나 이상의 용접 단계 전, 하나 이상의 전기코팅 단계 전, 또는 하나 이상의 페인팅 단계 전에 제거될 수 있다. 금속 층 사이의 하나 이상의 밀폐된 공간을 형성하는 공지 기술을 사용하여 복합 재료의 모서리를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 금속 층은 모서리 근처로 서로 용접될 수 있다. 금속 층은 복합 재료의 전체 주변을 따라 함께 용접될 수 있다.
중합체 층 또는 복합 재료의 구성성분을 조립하는 동안 또는 그 후에 사용되는 부품의 질을 모니터링하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 모니터링은 둘 이상의 층 사이의 결합 강도를 확인하거나, 복합물의 하나 이상의 층의 섬유의 적절한 분산을 확인하거나, 표면 이상(예를 들어 균열, 흠, 주름, 거칠기 등)을 검출하거나, 공극을 검출하거나, 두께 분포(예를 들어, 평균 두께, 두께 분포, 최소 두께, 최대 두께, 또는 이들의 조합)를 측정하거나 또는 이들의 조합이다.
하나 이상의 프로브를 사용하여 부품(예를 들어, 중합체 재료 또는 복합 재료)을 모니터링 하는 방법도 있다. 모니터링은 광학적으로(예를 들어 표면 흠결의 검출, 두께나 두께 분포의 측정, 적외선 측정에 의한 온도, 또는 이들의 조합) 행해질 수도 있다. 하나 이상의 외부 자극에 대한 부품의 반응을 측정하는 것으로 행할 수도 있다. 예를 들어, 전기 전도성, 전기 저항, 임피던스, 또는 다른 전기적 특성은 적용된 전기 자극에 대한 반응으로 측정한다. 예를 들어 프로브를 사용하여 부품 상의 하나 이상의 부위에서 전기 특성을 측정할 수 있다(전기 자극에 대해 순차적으로 및/또는 동시에). 자기적 성질도 비슷한 방법으로 측정할 수 있다. 자극은 자기장일 수 있고 반응은 기계적 반응, 전기적 반응, 자기 반응, 또는 이들의 조합일 수 있다. 모니터링은 음향적으로 행해질 수도 있다(예를 들어, 프로브 또는 다른 음파, 예를 들어 초음파를 사용하여). 음향 측정은 공극, 균열, 조성물 분포 등을 측정하는데 사용된다.
바람직한 모니터링 장치는 하나 이상의 프로브 (예를 들어, 품질을 평가하기 위한 부품을 가로지르는, 일반적인 캐리어 상의 복수의 프로브(프로브 집합체도 가능) 및 프로브로부터 신호를 받는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 프로세서는 조작, 예를 들어 신호를 측정된 부품에 대해 미리 예측된 값 범위와 비교하고, 신호가 예측된 값 범위 밖일 때 도는 미리 정해진 범위 내에 들 때 신호를 발생시킨다. 도 2는 그러한 시스템의 예를 나타낸다.
본 발명의 적층된 작업편(12)(예를 들어, 금속 층(14, 14') 사이에 금속 섬유를 포함한 중합체 층(16)이 샌드위치 된 적층체)이 장착된다. 층이 결합된 후 자극을 (예를 들어, 전기 자극을 전원(102)에 의해 인가한다) 하나 이상의 금속 층(14, 14'), 중합체 층(16), 또는 이들의 조합에 인가한다. 전기 자극은 하나 이상의 와이어(110) 또는 다른 수단의 전기 통신을 이용해 하나 이상의 금속 층으로 전달된다.
하나 이상의 프로브(104)는 캐리어(106)에 의해 이송되고, 작그에 대한 작업편의 반응을 측정한다. 프로브는 작업편의 한 면 또는 두 면에 올 수 있다. 측정된 반응은 프로세서(108)로 신호로 전송되고, 제어 상태에 있거나 자극 원(예를 들어 전원(102))과 다른 신호 통신 상태에 있을 수 있다.
본 발명의 모니터링 과정은 중합체 재료 (예를 들어, 펠렛, 시트, 또는 다른 중합체 재료의 시료)를 모니터링하는데도 사용될 수 있다.
성형 공정
본 발명의 복합 재료는 적합한 성형 공정, 예를 들어, 재료를 가소적으로 변형하는 공정에 적용될 수 있고, 스탬핑, 롤 성형, 구부리기, 단조, 천공, 연신, 감기, 다른 금속 가공, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 성형 공정은 복합 재료의 스탬핑 단계를 포함한다. 스탬핑 공정은 실온 또는 그 근처에서 일어난다. 예를 들어, 스탬핑 중 복합 재료의 온도는 약 65℃ 이하, 바람직하게는 약 45℃ 이하, 보다 바람직하게는 약 38℃ 이하이다. 성형 공정은 복합 재료의 영역을 다양한 연신비로 연신하는 공정을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 복합 재료는 파단, 주름, 또는 좌굴 없이 비교적 높은 연신비로 연신하는 단계를 거치게 된다. 예를 들어, 연신 단계에서 적어도 일부의 복합물이 1.2 이상의 연신비로 연신된다. 바람직하게는, 복합 재료는 약 1.5 이상, 바람직하게는 약 1.7 이상, 보다 바람직하게는 약 2.1 이상, 가장 바람직하게는 약 2.5 이상의 최대 연신비로 연신될 수 있다. 연신비의 균열 한계는 M. Weiss, M. E. Dingle, B. F. Rolfe, and P. D. Hodgson, "The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in Sheet Metal Forming" Journal of Engineering Materials and Technology, October 2007, Volume 129, Issue 4, pp. 534-535에 기재된 원형 컵 연신시험을 사용하여 측정한다. 성형 공정은 복합재료가 접촉하는 다이(예를 들어, 모스 경도 스케일로 측정했을 때 금속 섬유의 경도보다 큰 경도를 갖는 다이)에 압력을 적용하는 단계를 포함한다.
적합한 성형 공은 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개), 단락 105-107에 기재된 것을 포함할 수도 있다.
복합 재료의 성형 후에, 공정은 충진된 중합체 재료로 수분의 투과를 막기 위해 복합 재료의 모서리를 보호하는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 복합 재료의 모서리를 보호하기 위한 상기에 언급된 단계들을 사용할 수 있다.
복합물의 특성
중합체 층, 복합 재료, 또는 둘 다는, 낮은 스프링백 각도, 비교적 낮은 전기 저항, 우수한 용접 성능(예를 들어, 저항 용접을 사용하는 경우), 비교적 낮은 열 전도성, 비교적 낮은 음 전달, 또는 이들의 조합, 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)에 기재된 특성을 갖는다.
바람직하게는, 충진된 열가소성 재료, 복합 재료, 또는 둘 다는 용접 가능(예를 들어, 저항 용접 기술, 예를 들어 스폿 용접, 시임 용접, 불꽃 용접, 돌기 용접, 또는 업셋 용접을 사용하여 용접 가능)하고 비교적 낮은 전기 저항을 갖는다. 본 발명은 복합 재료를 용접하는 하나 이상의 단계를 포함한다. 복합 재료의 전기 저항은 금속 층 및 심재 층의 전기 저항의 합으로 표시된다. 일반적으로, 금속 층의 전기 저항은 심재 층의 전기 저항보다 훨씬 적기 때문에, 복합 재료의 전기 저항은 심재 층의 전기 저항으로 추정할 수 있다. 저항(예를 들어, 시트 면에 대해 두께 방향으로 측정되는 저항)은 AC 변조를 사용하여 측정하고 전압 강하, V, 및 전류, I로부터 결정한다:
저항 = (V/I) (A/t)
여기에서 A는 시트의 면적이고, t는 시트의 두께이다. 복합 재료, 심재 층, 또는 둘 다의 저항(두께 방향을 통하는)은 비교적 낮다(예를 들어, 복합 재료, 심재 층(예를 들어, 충진된 열가소성 재료), 또는 둘 다의 저항은 약 100,000 Ω·cm, 바람직하게는 약 10,000 Ω·cm, 보다 바람직하게는 약 3,000 Ω·cm 이하, 가장 바람직하게는 약 1,000 Ω·cm 이하이다).
복합 재료는 일반적인 금속 용접 기술의 용접 공정을 사용하여 용접될 수 있다. 용접 공정은 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개), 미국특허출원 제 61/290,384 호(2009년 12월 28일 출원), 미국특허출원 제 12/978,974 호(2010년 12월 27일)의 단락 22-122에 기재된 하나 이상의 단계, 장치, 또는 공정을 포함할 수 있다.
바람직한 복합 재료는 비교적 우수한 내부식성을 갖는다. 복합 재료는 바람직하게는 첨가제 및 금속 충진제를 포함하는 심재 층과 접하는 금속 층 표면의 부식율이 심재 층의 금속 충진제를 심재 층의 중합체로 대체한 것을 제외한 동일한 복합 재료의 심재 층과 접하는 금속 층 표면의 부식율 보다 낮다(보다 바람직하게는 최소 50% 낮다). 예를 들어, 복합 재료는 희생 충진제를 포함하는 심재 층과 접하는 금속 층 표면의 부식율이 심재 층의 희생 충진제를 심재 층의 중합체로 대체한 것을 제외한 동일한 복합 재료의 심재 층과 접하는 금속 층 표면의 부식율 보다 낮다. 물에서의 부식율은 시료를 미리 정해진 부식 시험 온도의 수조에 놓고 표면 부식의 양을 측정하는 것으로 정해진다. 염수에서의 부식율은 미리 정해진 염 농도를 갖는 염수조에 놓고 미리 정해진 부식 시험 온도에서 표면 부식의 양을 측정하는 것으로 정해진다. 부식 시험 온도는 약 40℃이고, 부식시험 시간은 약 168 시간일 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.
용접의 미세구조
본 발명의 복합물을 사용하여 만들어진 용접 이음은 복합물을 따라 예를 들어 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)호, 예를 들어 단락 112-117에 기재된 다양한 미세구조를 나타낸다.
여러 용도에 사용 가능한 본 발명의 복합 재료는 비교적 저밀도, 비교적 낮은 열 전도성, 밀도에 비해 비교적 높은 강성, 또는 비교적 낮은 음 전달을 나타낸다. 본 발명의 복합 재료는 예를 들어 자동차 및 다른 수송 관련 용도, 빌딩 건설 관련 용도, 및 그와 관련된 장치에 사용될 수 있다. 복합 재료가 사용될 수 있는 용도는 예를 들어, 승용차 패널, 트럭 패널, 버스 패널, 컨테이너(예를 들어, 선적용 컨테이너), 기타 패널, 비행기 패널, 큐브(예를 들어, 자전거 튜브), 오토바이 패널 (예를 들어, 엔진 덮개 또는 페어링), 트레일러 패널, 문 내부(예를 들어, 자동차 도어 내부), 루프 패널, 자동차 후드 내부, 자동차 바닥 팬, 자동차 뒷선반 패널, 자동차 트렁크 패널, 자동차 뒷좌석 팬, 자동차 데크뚜껑 내부, 레져용 차량 패널, 설상차 패널, 자동차 범퍼 판, 스포일러, 바퀴집 라이너, 해면 효과 또는 지면효과, 통기 차단벽, 용기, 침대 라이너, 분리 벽, 장치 하우징, 자동차 연료 충진제 도어, 자동차 범퍼, 장식, 덕트, 가로대, 수납 공간 도어, 전기 장치(예를 들어, 휴대폰, 컴퓨터, 카메라, 컴퓨터, 음악 또는 비디오 보관 장치, 또는 음악 또는 비디오 재생 장치)의 도어, 콘솔, 공기 유입 부품, 배터리 하우징, 그릴, 바퀴집, 또는 좌석 팬이다. 복합 재료는 빌딩 건설 재료, 예를 들어, 외부 트림 부품, 비막이, 홈통, 지붕널, 벽, 바닥, 카운터 갑판, 캐비넷 외장, 창틀, 문틀, 벽판, 환기구, 배관, 널빤자, 틀, 선반, 배관 고정구, 배수구, 샤워 팬, 욕조 및 봉입 용기이다. 예를 들어 자동차 차체 패널(예를 들어, 승용차와 같은 수송기구의 차체 외부 스킨)에 적용될 수 있다. 복합 재료를 사용할 수 있는 자동차 패널은 전방 패널, 후방 패널, 도어 패널, 후드 패널, 루프 패널 등이다. 자동차 패널은 A등급, B등급또는 C 등급의 표면을 가질 수 있고, 바람직하게는 A등급 또는 B 등급 표면, 보다 바람직하게는 A 등급 표면을 갖는다. 본 발명의 복합재료는 하나 이상의 외부 장식 표면 또는 치장, 예를 들어, 금속 장식, 나무 장식, 중합체 장식 등을 포함할 수 있다. 외부 표면은 서로 마주보는 층과는 다른 질감, 색상 또는 외관을 가질 수 있다. 예를 들어, 강철 외부 층은 구리 색, 청동색, 황동색, 황금색, 또는 다른 색상으로 채색될 수 있다.
본 발명의 복합 재료는 복합 재료의 코팅, 예를 들어, 전기코팅 공정, 페인팅 공정, 분말 코팅 공정, 이들의 조합 등을 포함하는 단계에 사용될 수 있다. 사용되는 경우, 코팅 공정은 세정 또는 표면 준비 단계, 코팅을 가열 또는 베이킹하는 단계(예를 들어, 약 100℃ 이상, 바람직하게는 약 120℃ 이상의 온도에서), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 코팅은 일반적인 수단, 예를 들어 침지 공정, 분무 공정, 또는 예를 들어, 롤러 또는 브러쉬 등의 기구를 사용하는 공정으로 행해질 수 있다. 복합 재료는 바람직하게는 유출되어 코팅 공정의 욕, 예를 들어, 전기코팅 욕을 오염시키는 성분(예를 들어, 저분자량 성분)을 포함하지 않는다. 마찬가지로, 본 발명의 공정은 복합물에 기인한 욕의 오염이 없는 하나 이상의 코팅 단계를 포함한다.
복합 재료(예를 들어, 복합 재료로 형성된 스탬프된 부품)는 하나 이상의 다른 재료나 부품에 결합되어야 하는 장치에 사용될 수 있다. 예를 들어 복합 재료는 패스너를 사용하여 기계적으로 다른 부품에 결합될 수 있거나, 접착제, 접착 증진제(예를 들어, 프라이머)를 사용하여 화학적으로 다른 부품에 결합될 수 있거나, 또는 들 다이다. 다른 결합수단으로는 용접, 경납땜, 및 납땜이 있다. 이들 결합 방법 중 하나 또는 둘 이상을 조합하여 사용해도 좋다.
바람직하게는, 복합 재료는 복합 재료를 부품이나 장치로 가공하는 중에, 또는 부품을 사용하는 동안에 박리되지 않는다(예를 들어, 금속 층이 심재 층에서 박리되지 않는다). 마찬가지로, 복합 재료는 바람직하게는 스탬핑 조작, 결합 조작(예를 들어, 용접 조작), 또는 둘 다에서 박리되지 않는다.
본 발명은 또한, 본 발명을 사용하여 제조된 부품의 회수 방법을 포함한다. 한 방법은 본 발명의 복합물 구조를 갖는 부품을 제공하는 단계, 및 금속 재료로부터 탄화수소 화합물을 분리하는 단계(예를 들어, 고온 가열에 의해)를 포함한다. ㅌ타탄화수소 화합물 또는 금속재료는 회수되어 재사용될 수 있다. 다른 방법은 복합 재료를 분쇄하거나 복합 재료로부터 입자를 형성하고, 임의로 복합물 (예를 들어, 상기의 복합 재료) 심재의 성분으로 입자를 제공하여 재사용하는 방법을 포함한다.
하기 실시예의 조성은 약 ±20%까지 변화할 수 있으며 비슷한 결과(예를 들어, 약 ±20% 이내로)를 나타낸다. 또, 본 발명의 재료들도 상기의 다른 재료들로 대체될 수 있고 비슷한 결과를 나타낸다.
실시예
실시예 1.
직경 약 4 내지 약 40 ㎛, 길이 약 1 내지 약 10mm의 저탄소강 섬유 약 15 부피%와, 약 50중량% 나일론 6 및 약 50중량% 나일론 6,9의 폴리아미드 공중합체(공중합체는 ISO 527-2에 의해 측정된 탄성계수 약 300MPa, ISO 11357에 의해 측정된 융점 약 130℃, ISO 527-3에 의해 측정된 파단 신율 약 900%) 약 85 부피%를 혼합하여 충진된 열가소성 재료를 제조하였다. 충진된 열가소성 재료를 약 190℃ 내지 약 250℃에서 혼합하였다. 충진된 열가소성 재료를 두께 약 0.2 mm의 저탄소강 시트 사이에 끼웠다. 재료를 약 200℃ 내지 약 230℃의 온도에서 약 1 내지 약 22 MPa의 압력으로 프레스하였다. 복합 재료는 두께 약 0.4 mm의 충진된 열가소성 재료의 심재를 갖는다. 복합 재료를 연신율 약 3 이상의 고속 스탬핑 조작으로 스탬핑하였고, 균열이나 다른 표면 결함이 발견되지 않았다. 스탬핑 후에, 복합 재료의 표면은 동일한 두께를 가지고 동일한 조건에서 스탬핑된 단일 재료의 저탄소강에 비해 비교적 매끄러웠다. 복합 재료를 일반적인 전기 코팅 공정을 거치게 하고 프라이머 및 검은 페인트를 칠하였다. 페인트된 표면은 점식, 박리, 및 다른 가시적인 표면 결함을 나타내지 않았다. 페인트된 표면은 등급 A 마감처리를 나타냈다. 페인트된 복합 재료의 표면은 비슷하게 처리된 두께 약 0.8 mm의 저탄소강 단일 재료의 표면보다 더 매끄러웠다.
실시예 2
섬유를 길이 방향에 수직인 방향의 단면이 사각인 저탄소강 섬유로 대체한 것 외에는 실시예 1과 동일한 재료, 조성, 및 방법으로 복합 재료를 제조하였다. 섬유의 평균 길이는 약 2.3 mm이다. 섬유의 평균 단면적은 약 0.0045mm2이다. 섬유의 두께에 대한 폭의 비는 약 2 내지 8이다. 복합 재료의 두께는 약 0.8 mm이다. 복합 재료는 두께 약 0.8 mm의 냉간 압연 강철 시료로 스택된다. 스택을 약 13mm의 직경을 갖는 한 쌍의 용접 팁 사이의 스폿 용접 기계에 놓는다. 약 2.2 kNt의 힘을 용접 팀에 가한다. 2.2kNt의 힘 하에서, 두께 방향의 복합 재료의 저항을 측정한다. 측정된 실시예 2의 복합재료의 전기 저항은 약 0.1Ω.cm 이하이다. 두께는 약 0.8mm의 냉간 압연 강철 시트 두 장에 대해 일반적인 용접 스케쥴로 용접했을 때, 용접 팁의 직경보다 큰 직경을 갖는 용접 너겟을 생성한다. 추가의 가열, 추가의 용접 사이클, 추가의 전류 필요없이 실시예 2로 우수한 용접을 얻는다.
실시예 3
금속 시트를 0.2 mm 두께, 항복강도 약 350MPa, 인장 강도 약 460MPa, 및 신율 약 22%의 고강도 강철 시트로 대체한 것 외에는 실시예 1과 동일한 재료, 조성, 및 방법으로 복합 재료를 제조하였다. 복합 재료의 항복강도는 약 193MPa, 인장 강도 약 253MPa, 및 신율은 약 22%로 기대된다. 복합 재료의 밀도는 동일한 두께(약 0.8 mm)를 갖는 저탄소강 단일 재료 시트에 비해 약 34% 낮은 것으로 계산된다. 복합 재료의 항복강도는 동일한 두께를 갖는 저탄소강 단일 재료의 항복강도에 비해 약 50MPa 이상 높은 것으로 계산된다. 복합 재료의 인장 강도는 동일한 두께를 갖는 저탄소강 단일 재료 인장 강도의 약 90% 이상인 것으로 계산된다. 복합 재료의 탄성 계수는 동일한 두께를 갖는 저탄소강 단일 재료 탄성 계수의 약 85% 이상인 것으로 계산된다.
본 발명의 다른 예는 국제특허출원 공개공보 WO 2010/021899 호(2010년 2월 25일 공개)호 단락 126-133, 138-154 및 표 1-4 (실시예 1-4, 8-26, 28-31, 및 33-34), 그리고 미국특허출원 제12/978,974호(2010년 12월 27일 출원) 단락 114-117, 119-127 및 129 (실시예 1-4, 6-10, 및 11A) 및 도.2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H, 2I, 2J, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9A, 및 9B에 게시되어 있다.
다른 언급이 없는 한, 본 발명은 그 종의 어떤 멤버 및/또는 그 그룹의 어떤 멤버도 포함할 수 있다.
다른 언급이 없는 한, 본 명세서에 기재된 수치는 낮은 수치부터 높은 수치까지 사이에 둘 이상의 단위로 분리가 된 경우 낮은 수치부터 높은 수치까지의 모든 범위를 포함한다. 예를 들어, 성분의 양, 성질, 또는 공정 변수의 값, 예를 들어, 온도, 압력, 시간 등이 예를 들어, 1 내지 90, 바람직하게는 20 내지 80, 보다 바람직하게는 30 내지 70인 경우 중간 범위의 값들은 예를 들어 (예를 들어, 15 내지 85, 22 내지 68, 43 내지 51, 30 내지 32 등)은 본 발명의 범위 내에 드는 것이다. 마찬가지로, 각각의 중간값도 본 발명의 범위 내에 드는 것이다. 1 이하의 값에 대해, 한 단위는 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1이 적정하다고 고려된다. 이들은 단지 예에 불과하고 비슷한 방법으로 최소값과 최대값 사이의 어떠한 값의 조합도 가능하다. 중량부로 표현된 양은 중량%로 표현된 경우 동일한 범위를 포함한다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에서 생성 중합체 블렌드 조성이 중량부로 표현된 경우에 중량%로 전환하여 표현된 경우 동일한 범위를 포함한다.
다른 언급이 없는 한, 모든 범위는 양 종점과 그 종점 사이의 모든 수치를 포함한다. "약" 또는 "대략"은 범위의 양쪽 종점에 적용되는 범위를 연결한 것이다. 따라서, 약 20 내지 30은 약 20 내지 약 30을 다 충족하는 것이고, 최소한 특정된 종점은 포함한다.
특허출원이나 공개공보를 포함한 모든 문헌은 참고 목적으로 사용된다. "실질적으로 구성되는"은 원소, 성분, 구성요소 또는 단계를 포함하는 것이고, 다른 원소, 성분, 구성요소 또는 단계가 기본적이고 신규한 특성에 영향을 주지 않는 것이다. "포함하는"은 원소, 성분, 구성요소 또는 단계로 실질적으로 구성되는, 또는 원소, 성분, 구성요소 또는 단계로 구성되는 것을 모두 포함하는 것이다.
복수의 원소, 성분, 구성요소 또는 단계들은 하나의 원소, 성분, 구성요소 또는 단계에 의해 제공될 수 있다. 혹은 하나의 원소, 성분, 구성요소 또는 단계가 복수의 원소, 성분, 구성요소 또는 단계로 나누어질 수 있다. "한" 또는 "하나"는 구성요소, 원소, 성분, 구성요소 또는 단계가 부가의 원소, 성분, 구성요소 또는 단계를 필요로 하지 않는다는 것을 의미한다. 모든 원소 또는 금속은 CRC Press, Inc., 1989 에 의해 발행된 원소 주기율표의 특정 그룹에 기재된 것이다. 원소 주기율표의 특정 그룹의 번호는 IUPAC 시스 템을 사용하여 명명한다.
"중합체" 및 "중합"은 일반적인 것이고 특정 경우의 "단일 및 공중합체" 그리고 "단일 및 공중합"을 각각 포함하는 것이다.
본 발명의 명세서는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 실시 예 이외에도 본 발명의 명세서에 의해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자는 다양한 구현 예와 적용이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 본 발명의 명세서에 의해 정해지는 것이 아니라 본 발명의 특허청구범위에 의해 정해지며 이에 균등한 범위에도 적용된다. 본 명세서에 참고로 삽입된 모든 문헌과 참고문헌, 특허출원 및 공개공보는 모든 목적을 위해 공개될 수 있다. 상기 특허청구범위에 기재되지 않은 부분이 그 부분에 대한 권리의 포기를 의미하는 것은 아니며, 그 대상을 발명자가 본 발명의 일부로 간주하지 않았다고 여겨져서도 아니된다.
10, 12 : 경량 복합물
14, 14' : 금속층
16 : 중합체 재료
18 : 중합체
20 : 금속 섬유 덩어리

Claims (14)

  1. 충진된 중합체 재료를 압출하는 단계를 포함하는 중합체 시트를 성형하는 방법에 있어서,
    충진된 중합체 재료는 충진된 중합체 재료에 분산된 금속 섬유 덩어리 및 하나 이상의 중합체를 포함하며;
    상기 금속 섬유는, 상기 섬유의 길이에 수직인, 평행 사변형, 직사각형, 또는 정사각형인 단면을 갖는 리본 섬유를 포함하고; 금속 섬유의 농도가 3부피% 초과, 30부피% 미만이고;
    하나 이상의 중합체 부피 대 금속 섬유의 부피의 부피 비는 3:1 초과 33:1 미만이고;
    상기 금속 섬유의 덩어리는 상기 중합체 시트의 두께를 가로지르고;
    상기 섬유는 전기 전도성 네트워크가 실현될 수 있는 부피로 분산되고 사용되며;
    하나 이상의 중합체는 폴리올레핀을 포함하는 열가소성 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 중합체를 90℃ 초과의 온도로 가열하고 가열 된 중합체와 금속 섬유를 혼합하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 충진된 중합체 재료는 금속 섬유와 하나 이상의 중합체를 포함하는 펠렛으로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방법은 중합체 시트를 금속 층에 부착하는 것을 더 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 방법은 상기 중합체 시트가 제2 금속층에 부착되어 상기 중합체 시트가 금속층들 사이에 놓이게 되는 방법.
  6. 제4항에있어서, 상기 방법은 적어도 일부의 중합체가 80℃ 초과의 온도에 있을 때 금속층 및 중합체 시트에 압력을 가하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중합체 층의 두께를 개별적으로 가로지르는 금속 섬유의 분획은 전체 금속 섬유의 0.4 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속 섬유는 리본 섬유를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 금속 섬유를 형성하기 위해 금속 호일을 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 폴리올레핀은 폴리에틸렌 공중 합체를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 충진된 중합체 재료가 접착제를 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 중합체 시트가 접착제 층을 통해 금속층과 접촉하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 금속 섬유는 0.8 mm 내지 5 mm의 중량 평균 길이를 갖는 강철 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 중합체 시트는 강철 층들 사이에 놓여 복합 재료를 형성하고, 상기 중합체 시트는 복합 재료 전체 부피의 30 부피% 초과, 92부피% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.


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