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KR102187800B1 - 천연 섬유를 함유한 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법 - Google Patents

천연 섬유를 함유한 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102187800B1
KR102187800B1 KR1020190136160A KR20190136160A KR102187800B1 KR 102187800 B1 KR102187800 B1 KR 102187800B1 KR 1020190136160 A KR1020190136160 A KR 1020190136160A KR 20190136160 A KR20190136160 A KR 20190136160A KR 102187800 B1 KR102187800 B1 KR 102187800B1
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KR
South Korea
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layer
composite
thermoplastic
coating layer
vehicle
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English (en)
Inventor
김태경
오영찬
Original Assignee
주식회사 서연이화
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법은, 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유로 펠트층을 형성하고, 코팅층과 펠트층 사이에 별도의 접착층을 개재시켜 종래와 같은 불균일 용융 및 불균일 함침으로 인한 불량 발생을 방지할 수 있으며, 펠트층의 배면에 직접 사출 성형을 통해 리브, 융착 보스, 브라켓 등과 같은 배면 구조물을 형성하도록 함으로써 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 갖게 된다.

Description

천연 섬유를 함유한 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법{COMPOSITE MATERIALS HAVING NATURAL FIBRE FOR INTERIOR PARTS OF VEHICLE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 천연 섬유를 함유한 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 구체적으로, 표면에 천연 섬유의 질감이 노출되어 심미감을 높일 수 있고, 동시에 제조 공정의 단순화가 가능한 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 내장재는 자동차에 적용되는 면적이 상대적으로 넓고, 부품 모듈화 추세에 따라 여러 상관부품이 조립 및 부착되는 등 복잡한 구조를 이루고 있어 소재의 형태 안정성 또는 치수 안정성이 필수적으로 요구되고 있다.
또한, 최근에는 친환경 요구에 따라, 내열성 및 강성이 우수하면서도 에너지 효율을 높이면서 동시에 표면 처리를 통해 심미감을 높일 수 있는 경량 소재가 개발되고 있다.
이와 같은 친환경, 경량화, 고강성화 및 고심미감을 달성하기 위해서, 천연 섬유 및 합성 섬유를 혼합한 후 니들 펀칭 및 웹 포밍 공정을 통해 펠트층을 형성하고, 펠트층에 코팅층을 적층하여 제작하는 복합소재가 개발되었다.
이와 관련하여, 미국특허공개공보 제20120142242호에는 천연 섬유와 합성 섬유를 혼합하여 코어층을 형성하고, 코어층의 상하면에 필름 형태의 코팅층을 부착하여 제조되되, 코팅층의 외부에서 천연 섬유의 질감이 발현되도록 하여 심미감을 높일 수 있는 복합소재가 개시되어 있다.
그러나 상기 문헌에 개시된 구성에 따르면, 코어층의 상하면에 필름 형태의 코팅층을 부착하고 이를 가열 압착하는 방식으로 필름을 코어층에 함침하여 적층체를 형성하기 때문에, 필름이 균일하게 용융되지 않을 경우에는 부분적으로 뭉침이 발생하여 불량이 발생할 가능성이 높다.
또한, 복합소재의 강성 보강을 위한 브라켓 및 기능성 부재의 결합을 위한 보스 등은 별도로 제작한 후 핫멜트 등의 접착제를 사용하여 복합소재의 이면에 부착되기 때문에 제조 공정수의 증가 및 제조 비용이 증가하는 문제점이 발생하게 된다.
미국특허공개공보 제20120142242호
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유로 펠트층을 형성하고, 코팅층과 펠트층 사이에 별도의 접착층을 개재시켜 종래와 같은 불균일 용융 및 불균일 함침으로 인한 불량 발생을 방지할 수 있으며, 펠트층의 배면에 직접 사출 성형을 통해 리브, 융착 보스, 브라켓 등과 같은 배면 구조물을 형성하도록 함으로써 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재는, 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유가 혼합되어 형성되는 복합층; 상기 복합층의 상측에 형성되는 코팅층; 상기 복합층과 상기 코팅층 사이에 개재되는 접착층; 및 상기 복합층의 하측면에 열가소성 사출 수지가 직접 사출되어 형성되는 배면 구조물;을 포함하고, 상기 접착층은, 파우더 형태의 핫멜트 또는 액상 형태의 접착제가 상기 복합층의 상측면에 소정의 두께로 도포되어 형성되며, 상기 코팅층은, 상기 접착층의 상측면에 용융 상태의 열가소성 수지가 소정의 두께로 도포되어 형성되고, 상기 천연 섬유의 질감이 상기 코팅층의 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합층에 상기 접착층과 상기 코팅층이 상기 복합층에 적층된 적층체를 냉간 압착하여, 상기 코팅층을 구성하는 용융 상태의 열가소성 수지가 상기 복합층의 내부로 적어도 부분적으로 함침된다.
또한, 상기 배면 구조물은, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면을 향해 직접 사출되어, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면의 내부로 적어도 부분적으로 침투되어 결합되고, 상기 열가소성 바인더 섬유의 재질과 상기 열가소성 사출 수지의 재질은 동일하다.
또한, 상기 열가소성 사출 수지가 사출되기 전에, 상기 압착된 적층체가 소정의 형상으로 성형된다.
또한, 상기 복합층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유가 혼합되어 형성되는 펠트층이 된다.
또한, 상기 펠트층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유를 혼합한 후 니들 펀칭 공법을 통해 형성된다.
또한, 상기 펠트층은, 상기 천연 섬유 30 내지 70 중량%와, 상기 열가소성 바인더 섬유 70 내지 30 중량%가 혼합되어 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재의 제조 방법은, 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유를 혼합하여 복합층을 형성하는 복합층 형성 단계; 상기 복합층의 상측에 코팅층을 형성하는 코팅층 적층 단계; 및 상기 복합층과 상기 코팅층 사이에 접착층을 형성하는 접착층 도포 단계; 상기 복합층의 하측면에 열가소성 사출 수지를 직접 사출하여 배면 구조물을 형성하는 배면 사출 단계;를 포함하고, 상기 접착층 도포 단계에서, 파우더 형태의 핫멜트 또는 액상 형태의 접착제가 상기 복합층의 상측면에 소정의 두께로 도포되며, 상기 코팅층 적층 단계에서, 상기 접착층의 상측면에 용융 상태의 열가소성 수지가 소정의 두께로 도포되어 상기 코팅층이 적층되고, 상기 천연 섬유의 질감이 상기 코팅층의 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합층에 상기 접착층과 상기 코팅층이 상기 복합층에 적층된 적층체를 냉간 압착하는 압착 단계를 더 포함하고, 상기 압착 단계에서, 상기 코팅층을 구성하는 용융 상태의 열가소성 수지가 상기 복합층의 내부로 적어도 부분적으로 함침된다.
또한, 상기 배면 사출 단계에서, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면을 향해 직접 사출되어, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면의 내부로 적어도 부분적으로 침투되어 결합하여 상기 배면 구조물이 형성되고, 상기 열가소성 바인더 섬유의 재질과 상기 열가소성 사출 수지의 재질은 동일하다.
또한, 상기 배면 사출 단계 이전에, 상기 압착된 적층체를 소정의 형상으로 포밍하는 성형 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 복합층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유가 혼합되어 형성되는 펠트층이 된다.
또한, 상기 펠트층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유를 혼합한 후 니들 펀칭 공법을 통해 형성된다.
또한, 상기 펠트층은, 상기 천연 섬유 30 내지 70 중량%와, 상기 열가소성 바인더 섬유 70 내지 30 중량%가 혼합되어 형성된다.
본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재 및 그 제조방법은, 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유로 펠트층을 형성하고, 코팅층과 펠트층 사이에 별도의 접착층을 개재시켜 종래와 같은 불균일 용융 및 불균일 함침으로 인한 불량 발생을 방지할 수 있으며, 펠트층의 배면에 직접 사출 성형을 통해 리브, 융착 보스, 브라켓 등과 같은 배면 구조물을 형성하도록 함으로써 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 갖게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 적층체가 제조되는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 과정에 따라 제조된 적층체를 이용하여 복합소재를 제조하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 도 4의 복합층 형성 단계의 세부 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 4의 성형 단계의 세부 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)의 단면도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)는, 천연 섬유(11a)와 열가소성 바인더 섬유(11b)가 혼합되어 형성되는 복합층 형태의 펠트층(11), 펠트층(11)의 상측에 형성되는 코팅층(13), 펠트층(11)과 코팅층(13) 사이에 개재되는 접착층(12)을 포함하는 적층체(10), 및 펠트층(11)의 하측면에 열가소성 사출 수지가 직접 사출되어 형성되는 배면 구조물(30)을 포함한다.
도 1을 기준으로 적층체(10)의 최하층을 형성하는 펠트층(11)은 본 발명에 따른 복합소재의 전체적인 강성을 유지하는 역할을 하며, 천연 섬유(11a)와 열가소성 바인더 섬유(11b)를 혼합한 후 시트 형태로 제조된다.
이 때, 펠트층(11)에는 유리 섬유가 포함되지 않고, 천연 섬유(11a)와 열가소성 바인더 섬유(11b)만 구비되도록 한다. 통상 유해 물질로 유리 섬유의 사용을 배제함으로써 환경 친화적 내장제를 구현할 수 있게 된다.
한편, 천연 섬유(11a)와 열가소성 바인더 섬유(11b)의 혼합 비율은 천연 섬유(11a) 30 내지 70중량%와 바인더 섬유(11b) 70 내지 30중량%가 바람직하다. 이는 바인더 섬유(11b)의 함량이 부족하면 성형 후 제품의 형태 안정성이 낮아짐과 동시에 성형성이 낮아지기 때문이며, 바인더 섬유(11b)의 함량이 지나치게 높아지면 성형을 위한 예열 시간이 늘어나게 되어 양산성이 저하되거나 강도 및 탄성률이 저하될 가능성이 있기 때문이다.
또한, 펠트층(11)의 단위면적당 중량은 600~2,500g/m2 범위가 바람직하다.
천연 섬유(11a)는 식물성 섬유인 황마 섬유, 아마 섬유, 대마 섬유 사이잘마 섬유, 아마 섬유 또는 대나무 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있으며, 원재료 섬유를 2cm 내외의 길이를 갖도록 절단하여 사용된다.
바인더 섬유(11b)는 후술하는 예열 단계 및 성형 단계에서 대부분 용융되고, 천연 섬유들(11a) 사이에 침투되어 수지층을 형성한다. 도 1에는 바인더 섬유(11b)가 용융 및 고화가 완료된 상태의 차량의 내장재용 복합소재(1)가 도시되어 있다.
바인더 섬유(11b)는, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 계열의 수지 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 재질을 가질 수 있으며, 대략 2cm 내외의 길이를 갖도록 절단된다.
펠트층(11)은 천연 섬유(11a)와 바인더 섬유(11b)를 혼합하여 니들 펀칭 및 웹 포밍 공정을 통해 펠트 형태의 시트로 제조된다.
코팅층(13)은 본 발명에 따른 복합소재의 적층체(10)의 최상층에 해당하며 외부로 노출되는 표면층에 해당한다. 코팅층(13)은 전술한 펠트층(11)을 보호하는 역할을 한다.
접착층(12)은 전술한 펠트층(11)과 코팅층(13) 사이에 개재되어 코팅층(13)을 펠트층(11)에 부착하는 역할을 한다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따라 펠트층(11)에 접착층(12)과 코팅층(13)이 적층되어 적층체(10)가 형성되는 과정이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 먼저 접착층(12)을 형성하기 위해서 펠트층(11)의 상측면에 파우더 형태의 핫멜트 또는 액상 형태의 접착제가 펠트층(11)의 상측면에 소정의 두께로 도포된다.
도 2에는 예시적으로 핫멜트 파우더(12a)가 펠트층(11)의 상측면에 도포되는 실시예가 도시되어 있다. 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니지만 예시적으로 접착층(12) 형성을 위해 핫멜트 파우더(12a)가 도포되는 실시예를 기준으로 설명하도록 한다.
핫멜트 파우더(12a)는 스프레이 노즐(3)을 통해서 펠트층(11)의 상측면에 균일하게 자유 낙하 방식 또는 스프레이 방식으로 도포된다. 이 때 핫멜트 파우더(12a)의 도포량은 10 ~ 200g/㎡이 바람직하다. 도포량이 10g/㎡ 미만이 되면 충분한 접착력을 발휘할 수 없어 층간 박리가 발생할 가능성이 있으며, 도포량이 200g/㎡을 초과하면 펠트층(11)의 상측면의 천연 섬유(11a)의 질감이 외부로 노출되기 어려워지고 적층체(10)의 두께가 지나치게 커지게 되기 때문이다.
핫멜트 파우더(12a)의 재질은, 코팅층(13)의 접착성을 개선하고 펠트층(11)의 상측면의 평활화에 적합한 선형 저밀도 폴리에틸렌(Linear Low Density Polyethylene, LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene, LDPE), 폴리프로필렌 계열의 수지 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 바람직하다.
핫멜트 파우더(12a)의 도포가 완료되어 접착층(12)이 적층되면, 접착층(12)의 상측면에 코팅층(13)을 형성하기 위해 용융 수지(13a)가 압출되어 적층된다.
용융 수지(13a)는 폴리 프로필렌 또는 폴리에틸렌 계열의 수지가 용융된 상태로 도포되며, 이에 한정되는 것은 아니지만 도시된 바와 같이 티-다이(T-die) 압출기(2)의 노즐(21)을 이용하여 용융 수지(13a)가 균일하게 도포될 수 있다.
한편, 코팅층(13)을 형성하는 용융 수지(13a)에는 내스크래치성 및 내광성을 향상시키고, 소정의 표면 컬러 구현을 위해서 소량의 UV 첨가제, 산화방지제, 및 안료 등이 첨가될 수 있다.
도포되는 용융 수지(13a)의 양은 50 ~ 300g/㎡이 바람직하다. 도포량이 50g/㎡ 미만이면 내부 펠트층(11)의 보호에 미흡하고, 300g/㎡을 초과하면 펠트층(11)의 상측면의 천연 섬유(11a)의 질감이 외부로 노출되기 어려워지고 적층체(10)의 두께가 지나치게 커지게 되기 때문이다.
코팅층(13)으로서 용융 수지(13a)의 도포가 완료되면, 펠트층(11)에 접착층(12) 및 코팅층(13)이 적층된 상태로 이용하여 냉간 압착이 진행된다.
냉간 압착은 도시된 바와 같이 냉간 롤러(4)를 이용하여 진행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 당업계에 공지된 임의의 압착 수단이 적용 가능하다.
냉간 압착이 완료되면, 펠트층(11), 접착층(12), 코팅층(13) 순으로 적층체(10)의 형성이 완료되며, 이 때 접착층(12)은 대부분 펠트층(11)의 상측면에 함침되고, 코팅층(13)은 적어도 부분적으로 펠트층(11)의 상측면에 함침된다.
다만, 코팅층(13)의 용융 수지(13a)는 부분적으로 펠트층(11)에 함침되나, 접착층(12) 때문에 펠트층(11)의 천연 섬유(11a) 및 바인더 섬유(11b)에 접촉하지 않게 된다.
한편, 배면 구조물(30)은 적층체(10)의 하측면에 열가소성 사출 수지가 직접 사출되어 형성되는 부분으로서 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)와 관련되는 부품의 조립을 위한 융착 보스(32), 및 브라켓(33), 강성 보강을 위한 리브(31a, 31b) 및 브라켓(33)을 포함한다.
보다 상세히는, 강성 보강을 위한 리브(31a, 31b)는 적층체(10)의 하측면 상의 평판부(10a)에 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되는 복수의 제1 리브(31a)(31a)와, 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열되는 복수의 제2 리브(31b)(31b)를 포함하고, 브라켓(33)은 적층체(10)의 하측면 상의 테두리부(10c)를 따라 배열된다.
이와 같은 배면 구조물(30)은 접착제의 사용없이 직접 펠트층(11)의 하측면을 향해 사출되어 형성된다. 따라서 종래와 같이 별도의 사출 공정으로 제조된 배면 구조물(30)을 펠트층(11)에 접착하는 공정이 생략될 수 있어 제조 공정이 단순화되고 제조 비용이 현저히 절감될 수 있다.
사출되는 소재는 전술한 바인더 섬유(11b)와 동일하게 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 계열의 수지 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 재질을 가질 수 있다.
또한, 사출되는 소재에는 강도 보강을 위한 첨가물로서 미네럴 필러, 유리 섬유, 탈크, 탄산 칼슘 등이 소정의 비율로 첨가될 수 있다.
사출 소재가 펠트층(11)의 바인더 섬유(11b)와 동일한 재질을 갖는 경우에는 사출 수지가 가진 열과 압력에 의해서 펠트층(11)의 표면 상의 바인더 섬유(11b)가 적어도 부분적으로 사출 수지와 용융 결합되기 때문에 별도의 접착제의 사용이 없이도 배면 구조물(30)이 펠트층(11)에 견고히 부착될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)의 제조방법의 상세 단계를 설명한다.
먼저 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)의 제조방법은, 적층체 형성 단계(S10), 예열 단계(S20), 성형 단계(S30), 배면 사출 단계(S40)를 포함하여 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 적층체 형성 단계(S10)는, 펠트층 형성 단계(S11), 접착층 도포 단계(S12), 코팅층 형성 단계(S13), 및 압착 단계(S14)를 포함한다.
펠트층 형성 단계(S11)에서, 천연 섬유(11a)와 열가소성 바인더 섬유(11b)가 혼합된 후 니들 펀칭 및 웹 포밍 공정을 통해 3(a)에 도시된 바와 같은 펠트 형태의 시트로 제조된다.
천연 섬유(11a)와 열가소성 바인더 섬유(11b)의 혼합 비율은 천연 섬유(11a) 30 내지 70중량%와 바인더 섬유(11b) 70 내지 30중량%가 바람직하다. 이는 바인더 섬유(11b)의 함량이 부족하면 성형 후 제품의 형태 안정성이 낮아짐과 동시에 성형성이 낮아지기 때문이며, 바인더 섬유(11b)의 함량이 지나치게 높아지면 성형을 위한 예열 시간이 늘어나게 되어 양산성이 저하되거나 강도 및 탄성률이 저하될 가능성이 있기 때문이다.
또한, 펠트층(11)의 단위면적당 중량은 600~2,500g/m2 범위가 바람직하다.
천연 섬유(11a)는 식물성 섬유인 황마 섬유, 아마 섬유, 대마 섬유 사이잘마 섬유, 아마 섬유 또는 대나무 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있으며, 원재료 섬유를 5 ~ 10cm 내외의 길이를 갖도록 절단하여 사용된다.
바인더 섬유(11b)는 후술하는 예열 단계 및 성형 단계에서 대부분 용융 및 천연 섬유들(11a) 사이에 침투되어 수지층을 형성한다.
바인더 섬유(11b)는, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 계열의 수지 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 재질을 가질 수 있으며, 대략 2cm 내외의 길이를 갖도록 절단된다.
펠트층(11)은 천연 섬유(11a)와 바인더 섬유(11b)를 혼합하여 니들 펀칭 및 웹 포밍 공정을 통해 펠트 형태의 시트로 제조된다.
접착층 도포 단계(S12)에서, 전술한 바와 같이 펠트층(11)의 상측면에 파우더 형태의 핫멜트 또는 액상 형태의 접착제가 펠트층(11)의 상측면에 소정의 두께로 도포된다.
코팅층 형성 단계(S13)에서, 전술한 바와 같이 접착층(12)의 상측면에 코팅층(13)을 형성하기 위해 용융 수지(13a)가 압출되어 적층된다.
압착 단계(S14)에서, 전술한 바와 같이 냉간 롤러(7)를 이용하여 펠트층(11)에 접착층(12)과 코팅층(13)이 적층된 상태로 냉간 압착이 진행된다.
압착 단계(S14)가 완료되면, 펠트층(11)에 접착층(12)과 코팅층(13)이 적층된 적층체(10)가 완성된다.
다음으로, 예열 단계(S20)는, 적층체(10)를, 후술하는 성형 단계(S30)에서 적층체(10)가 금형(20)의 내부로 이동되어 성형되기 전에 적층체(10)의 성형성을 높이기 위해서 소정의 온도로 예열하는 단계이다.
보다 상세히는, 적층체(10)의 펠트층(11), 접착층(12) 및 코팅층(13)에 포함된 열가소성 수지에 대해서 적어도 부분적으로 용융이 발생할 수 있는 온도 조건으로 적층체(10)를 가열하여 적층체(10)의 성형성 및 후술하는 사출 수지와의 접합성이 향상될 수 있다.
적층체(10)를 가열하기 위한 수단으로서, 도 3(b)에 도시된 열 프레스(40) 및 열풍 발생기(미도시)가 사용될 수 있다.
본 발명은 이에 한정되는 것은 아니지만, 예시적으로 이하에서는 적층체(10)의 예열을 위한 수단으로서 열 프레스(40)가 적용되는 실시예를 기준으로 설명한다.
열 프레스(40)를 이용하는 경우에 소재의 종류 및 적층체(10)의 두께에 따라 가열 온도 및 가열 시간이 선택될 수 있다.
다만, 펠트층(11), 접착층(12) 및 코팅층(13)에 포함된 열가소성 수지의 탄화가 발생하지 않되, 적어도 부분적으로 열가소성 수지의 용융이 발생할 수 있을 조건으로서, 예열 온도는 150 ~ 300
Figure 112019110965354-pat00001
, 예열 시간은 15 ~ 300 초가 바람직하다.
예열 단계(S20)가 완료되면, 성형 단계(S30)가 진행된다.
성형 단계(S30)는, 도 3(c)에 도시된 바와 같이 예열된 적층체(10)를 프레스 금형(20-1) 내부로 이동시켜 소정의 형상으로 포밍하기 위한 단계이다.
보다 상세히는, 성형 단계(S30)는 도 6에 도시된 바와 같이 배치 단계(S31)와, 가압 단계(S32)와, 유지 단계(S33)와, 트리밍 단계(S34)를 포함한다.
배치 단계(S31)에서, 전술한 예열 단계(S20)에서 예열이 완료된 적층체(10)가 개방된 프레스 금형(20-1)의 내부로 이동되며, 적층체(10)의 이동 배치가 완료되면 프레스 금형(20-1)의 상형(21-1)을 이동시켜 상형(21-1)과 하형(22-1)을 형폐시킨다.
프레스 금형(20-1)이 형폐되면서 프레스 금형(20-1) 내부의 캐비티의 형상에 대응하여 적층체(10)가 소정의 형상으로 포밍된다.
가압 단계(S32) 및 유지 단계(S33)에서, 적층체(10)의 포밍이 완료된 상태로 소정의 지연 시간 동안 가압을 유지하여 적층체(10)가 냉각된다.
이 때, 금형 온도는 20 ~ 70℃의 범위가 바람직하며, 소정의 가압 유지 시간은 30 ~ 300초 가 바람직하다.
가압 유지 시간이 30초 미만일 경우 냉각 시간이 너무 짧게 되어 적층체(10)의 냉각이 불충분하게 되기 때문에 후술하는 배면 사출 단계(S40)에서 적층체(10)가 ??어지거나 주름이 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 가압 유지 시간이 300초를 초과하게 되면, 배면 사출에 의한 적층체(10)의 찢어짐이나 주름이 발생할 가능성은 줄어들게 되나, 전체 제조 공정 시간의 지연이 발생할 수 있게 되어서 바람직하지 않다.
트리밍 단계(S34)에서, 포밍이 완료된 적층체(10)의 외곽부가 절단되거나 소정의 위치에 관통 홀이 형성된다.
트리밍 단계(S34)는 프레스 금형(20-1)의 내부에서 가능한 경우에는 프레스 금형(20-1)의 내부에서 진행될 수 있고, 프레스 금형(20-1)의 내부에서 진행이 불가한 경우에는 프레스 금형(20-1)으로부터 포밍이 완료된 적층체(10)를 취출한 후에 별도의 트리밍 금형(미도시)를 이용하여 진행할 수 있다.
한편, 배면 사출 단계(S40)는 전술한 성형 단계(S30)를 거친 적층체(10)의 배면에 열가소성 수지를 사출하여 배면 구조물(30)을 형성하기 위한 단계이다.
배면 사출 단계(S40)에서, 포밍 및 트리밍이 완료된 적층체(10)가 개방된 사출 금형(20-2)의 내부로 이동되며, 적층체(10)의 이동 배치가 완료되면 사출 금형(20-2)의 상형(21-2)을 이동시켜 상형(21-2)과 하형(22-2)을 형폐시킨다.
상형(21-2)과 하형(22-2)이 형폐된 후에 펠트층(11)의 하측면을 향해 열가소성 사출 수지를 직접 배면 사출하여 배면 구조물(30)이 형성된다.
이와 같은 단일 배면 사출을 통해서 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)와 관련되는 부품의 조립을 위한 융착 보스(32), 및 브라켓(33), 강성 보강을 위한 리브(31a, 31b) 및 브라켓(33) 등이 단일 공정을 통해서 일체로 형성된다.
사출 금형(20-2)의 주입구(23)를 통해 주입되어 사출되는 소재는 바인더 섬유(11b)와 동일하게 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 계열의 수지 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 재질을 가질 수 있다.
또한, 사출되는 소재에는 강도 보강을 위한 첨가물로서 미네럴 필러, 유리 섬유, 탈크, 탄산 칼슘 등이 소정의 비율로 첨가될 수 있다.
사출 소재가 펠트층(11)의 바인더 섬유(11b)와 동일한 재질을 갖는 경우에는 사출 수지가 가진 열과 압력에 의해서 펠트층(11)의 표면 상의 바인더 섬유(11b)가 적어도 부분적으로 사출 수지와 용융 결합되기 때문에 별도의 접착제의 사용이 없이도 배면 구조물(30)이 펠트층(11)에 견고히 부착될 수 있다.
이와 같이 배면 구조물(30)이 펠트층(11)에 견고히 부착될 수 있도록 사출 시간은 10 ~ 120초 범위로 조절되는 것이 바람직하며, 사출 압력은 성형 단계(S30)를 거진 적층체(10)가 사출 압력에 의해서 손상을 입지 않는 압력 범위를 갖도록 조절되는 것이 바람직하다.
사출 소재의 사출이 완료되면, 소정의 냉각 시간, 바람직하게는 사출 완료 후 10 ~ 120 초가 경과된 시점에 금형(20)을 개방하여 배면 사출 단계(S40)를 완료한다.
배면 사출 단계(S40)가 완료되면, 도 3(e)에 도시된 바와 같이 배면 구조물(30)을 적층체(10)에 부착하는 공정이 생략되어 본 발명에 따른 차량의 내장재용 복합소재(1)가 완성된다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
차량의 내장재용 복합소재(1) 적층체(10)
펠트층(11) 천연 섬유(11a)
바인더 섬유(11b) 접착층(12)
코팅층(13) 배면 구조물(30)
제1 리브(31a) 제2 리브(31b)
융착 보스(32) 브라켓(33)

Claims (14)

  1. 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유가 혼합되어 형성되는 복합층;
    상기 복합층의 상측에 형성되는 코팅층;
    상기 복합층과 상기 코팅층 사이에 개재되는 접착층; 및
    상기 복합층의 하측면에 열가소성 사출 수지가 직접 사출되어 형성되는 배면 구조물;
    을 포함하고,
    상기 접착층은, 파우더 형태의 핫멜트 또는 액상 형태의 접착제가 상기 복합층의 상측면에 소정의 두께로 도포되어 형성되며,
    상기 코팅층은, 상기 접착층의 상측면에 용융 상태의 열가소성 수지가 소정의 두께로 도포되어 형성되고,
    상기 천연 섬유의 질감이 상기 코팅층의 외부로 노출되고,
    상기 복합층에 상기 접착층과 상기 코팅층이 상기 복합층에 적층된 적층체를 냉간 압착하여, 상기 코팅층을 구성하는 용융 상태의 열가소성 수지가 상기 복합층의 내부로 적어도 부분적으로 함침되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재.
  2. 삭제
  3. 제1 항에서,
    상기 배면 구조물은, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면을 향해 직접 사출되어, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면의 내부로 적어도 부분적으로 침투되어 결합되고,
    상기 열가소성 바인더 섬유의 재질과 상기 열가소성 사출 수지의 재질은 동일한 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재.
  4. 제3 항에서,
    상기 열가소성 사출 수지가 사출되기 전에, 상기 압착된 적층체가 소정의 형상으로 성형되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재.
  5. 제1 항에서,
    상기 복합층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유가 혼합되어 형성되는 펠트층인 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재.
  6. 제5 항에서,
    상기 펠트층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유를 혼합한 후 니들 펀칭 공법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재.
  7. 제5 항에서,
    상기 펠트층은, 상기 천연 섬유 30 내지 70 중량%와, 상기 열가소성 바인더 섬유 70 내지 30 중량%가 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재.
  8. 천연 섬유와 열가소성 바인더 섬유를 혼합하여 복합층을 형성하는 복합층 형성 단계;
    상기 복합층의 상측에 코팅층을 형성하는 코팅층 적층 단계;
    상기 복합층과 상기 코팅층 사이에 접착층을 형성하는 접착층 도포 단계;
    상기 복합층에 상기 접착층과 상기 코팅층이 적층된 적층체를 냉간 압착하는 압착 단계; 및
    상기 복합층의 하측면에 열가소성 사출 수지를 직접 사출하여 배면 구조물을 형성하는 배면 사출 단계;
    를 포함하고,
    상기 접착층 도포 단계에서, 파우더 형태의 핫멜트 또는 액상 형태의 접착제가 상기 복합층의 상측면에 소정의 두께로 도포되며,
    상기 코팅층 적층 단계에서, 상기 접착층의 상측면에 용융 상태의 열가소성 수지가 소정의 두께로 도포되어 상기 코팅층이 적층되고,
    상기 천연 섬유의 질감이 상기 코팅층의 외부로 노출되고,
    상기 압착 단계에서, 상기 코팅층을 구성하는 용융 상태의 열가소성 수지가 상기 복합층의 내부로 적어도 부분적으로 함침되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제8 항에서,
    상기 배면 사출 단계에서, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면을 향해 직접 사출되어, 상기 열가소성 사출 수지가 상기 복합층의 하측면의 내부로 적어도 부분적으로 침투되어 결합하여 상기 배면 구조물이 형성되고,
    상기 열가소성 바인더 섬유의 재질과 상기 열가소성 사출 수지의 재질은 동일한 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재의 제조방법.
  11. 제10 항에서,
    상기 배면 사출 단계 이전에, 상기 압착된 적층체를 소정의 형상으로 포밍하는 성형 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재의 제조방법.
  12. 제8 항에서,
    상기 복합층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유가 혼합되어 형성되는 펠트층인 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재의 제조방법.
  13. 제12 항에서,
    상기 펠트층은, 상기 천연 섬유와 상기 열가소성 바인더 섬유를 혼합한 후 니들 펀칭 공법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재의 제조방법.
  14. 제12 항에서,
    상기 펠트층은, 상기 천연 섬유 30 내지 70 중량%와, 상기 열가소성 바인더 섬유 70 내지 30 중량%가 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 내장재용 복합소재의 제조방법.
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