KR102291931B1 - 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법 및 이에 의해 제조된 성형체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법 및 이에 의해 제조된 성형체에 관한 것이다. 상기 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법은 폐 섬유강화 플라스틱을 1㎛~80㎛의 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계; 및 상기 분쇄물을 150~250℃에서 가압하는 단계;를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법이며, 상기 폐 섬유강화 플라스틱은 열경화성 매트릭스 수지 35~90 중량% 및 상기 열경화성 매트릭스 수지에 함침된 섬유 필러 10~65 중량%를 포함하고, 상기 성형체는 상기 폐 섬유강화 플라스틱 만으로 이루어지고, 상기 제조된 성형체는 ASTM D 695 기준에 의거하여 측정한 압축강도가 30~60MPa이다.

Description

열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법 및 이에 의해 제조된 성형체 {MANUFACTURING METHOD FOR MOLDED ARTICLE USING FIBER REINFORCERD PLASTIC WASTE COMPRISING THERMOSETTING PLASTICS AND MOLDED ARTICLE USING THE SAME}

본 발명은 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법 및 이에 의해 제조된 성형체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 열경화성 수지 매트릭스를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법 및 이에 의해 제조된 성형체에 관한 것이다.

섬유 필러강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)은 하중을 전달하고 지지하는 강화섬유 필러와, 피복효과 및 주재의 형태유지를 위한 매트릭스 수지를 조합하여 형성되는 복합재료이다. 섬유 필러강화 플라스틱은 기존 플라스틱이 갖는 우수한 성형성 및 기계적 물성 및 강화섬유 필러가 갖는 우수한 인장강도 특성을 모두 가지면서, 경량성이 우수하여 항공, 우주, 선박, 자동차, 스포츠 용품 및 가전 제품 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 섬유 필러강화 플라스틱은 적층성형법, 필라멘트 와이딩법 및 연속성형공법 등의 방법으로 제조되고 있으며, 다양한 제조방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

상기 섬유 필러강화 플라스틱의 한 종류인 탄소 섬유 필러강화 플라스틱(carbonfiber reinforced plastics, CFRP)은, 경량성, 내부식성 및 기계적 강도가 우수하여 각종 산업 분야에서 사용되고 있다. 상기 탄소 섬유 필러강화 플라스틱은, 수지를 탄소 섬유 필러에 함침한 프리프레그 기재를 이용하여 제조하는 방법이 주로 사용되고 있다. 예를 들면, 탄소 섬유 필러 다발을 일방향으로 배열한 시트에, 열경화성 수지를 함침하여 이루어지는 이른바 1 방향 프리프레그 등의 열경화성 프리프레그를, 필요에 따라 절단·적층한 것을 오토클레이브 중에서 고온·고압하에서 열경화성 수지를 경화시키는, 이른바 오토클레이브 성형법은, 기계 특성이나 열 안정성이 우수한 CFRP를 얻기 쉬워, 항공·우주 용도와 같은 고성능이 요구되는 용도에서 널리 채용되고 있다.

또한, 상기 탄소 섬유 필러강화 플라스틱의 제조방법으로는 몰드 이송 성형법(Resin Transfer Molding, RTM)이 있다. 이는 수지를 포함하지 않는 탄소 섬유 필러 기재(예를 들면, 직물 등의 기재)를 금형 속에 설치한 후, 수지를 주입하여 경화시키는 방법이다. 이 방법은 오토클레이브법과 비교하여 성형할 수 있는 CFRP의 형상의 범위가 넓고, 또한 성형에 요하는 시간도 짧기 때문에, 향후 자동차 용도, 특히 양산차의 용도에서의 채용이 확대될 것으로 예상되고 있다.

한편, 섬유 필러강화 플라스틱 생산량이 증가하면서, 사용된 플라스틱의 폐기량이 증가함에 따라, 폐기 비용의 증가와 환경 오염 문제가 대두되고 있으며, 최근 환경에 대한 관심이 높아지면서, 사용 후 폐기된 섬유 필러강화 플라스틱을 재활용할 수 있는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나, 기존 플라스틱 재료의 재생 기술을 적용시, 이러한 섬유 필러강화 플라스틱의 재생 효율성은 매우 낮다. 그 이유는, 재생을 위한 세척공정에서 폐 섬유 필러강화 플라스틱의 섬유 필러와 매트릭스 수지와의 계면을 따라, 세척시 물이 침투, 흡수됨으로써, 이후 압출되어 제조된 성형체의 물성이 전반적으로 저하되는 현상이 나타나기 때문이다. 따라서, 현재 플라스틱 재생은, 기존 재활용 기술이 적용 가능한 재료만 따로 분리하여 재활용하고, 강화섬유 필러를 일정 수준 이상으로 함유한 섬유 필러강화 플라스틱은 폐기물로 분류하여, 매립이나 소각으로 전량 폐기 처리되고 있는 실정이다.

본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2015-0074482호(2015.07.02. 공개, 발명의 명칭: 충격강도가 우수한 재활용 열가소성 소재)에 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 강성, 내굴곡성, 및 내충격성이 우수한 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 성형체의 내열성 및 치수 안정성이 우수하고, 균질한 기계적 강도를 가지는 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 경제성 및 환경오염 방지 효과가 우수한 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 의해 제조된 성형체를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 성형체 제조방법은 폐 섬유강화 플라스틱을 1㎛~80㎛의 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계; 및 상기 분쇄물을 150~250℃에서 가압하는 단계;를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법이며, 상기 폐 섬유강화 플라스틱은 열경화성 매트릭스 수지 35~90 중량% 및 상기 열경화성 매트릭스 수지에 함침된 섬유 필러 10~65 중량%를 포함하고, 상기 성형체는 상기 폐 섬유강화 플라스틱 만으로 이루어지고, 상기 제조된 성형체는 ASTM D 695 기준에 의거하여 측정한 압축강도가 30~60MPa이다.

한 구체예에서 상기 섬유 필러는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유 및 보론 섬유 중에서 하나 이상 포함하며, 상기 열경화성 매트릭스 수지는 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester), 페놀(phenol), 폴리이미드(polyimide) 및 에폭시(epoxy) 수지 중에서 하나 이상 포함할 수 있다.

한 구체예에서 상기 가압은 100~2,000kgf/㎠의 압력 조건에서 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 상기 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 의해 제조된 성형체에 관한 것이다.

본 발명의 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 의해 제조된 성형체는, 바인더 성분을 포함하지 않고 폐섬유강화 플라스틱 만으로 이루어지며, 열경화성 수지를 포함하거나, 과량의 섬유필러를 포함하더라도 재생이 가능하며, 치수 안정성이 우수하고, 균질한 기계적 강도를 가지며, 강성, 내굴곡성, 내열성, 및 내충격성이 우수하고, 기존 폐기되는 섬유강화 플라스틱을 재활용할 수 있어 경제성 및 환경오염 방지 효과가 우수할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 분쇄물을 나타낸 사진이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 실시예 분쇄물이며, 도 3(b)는 본 발명에 대한 비교예 분쇄물을 나타낸 사진이다.
도 4(a)는 본 발명에 따른 실시예 성형체를 나타낸 것이며, 도 4(b)는 본 발명에 따른 실시예 성형체를 나타낸 것이고, 도 4(c)는 본 발명에 대한 비교예 성형체를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 성형체를 나타낸 사진이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법

본 발명의 하나의 관점은 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법은 (S10) 분쇄물 제조 단계; 및 (S20) 성형단계;를 포함한다. 한 구체예에서 상기 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법은 (S10) 폐 섬유강화 플라스틱을 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계; 및 (S20) 상기 분쇄물을 가압하여 성형체를 제조하는 단계;를 포함한다. 상기 폐 섬유강화 플라스틱은 열경화성 매트릭스 수지 및 상기 열경화성 매트릭스 수지에 함침된 섬유 필러를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.

(S10) 분쇄물 제조 단계

상기 단계는 폐 섬유강화 플라스틱을 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계이다. 상기 폐 섬유강화 플라스틱은 열경화성 매트릭스 수지 및 상기 열경화성 매트릭스 수지에 함침된 섬유 필러를 포함한다.

한 구체예에서 상기 섬유 필러는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유 및 보론 섬유 중에서 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면, 유리 섬유를 포함할 수 있다.

한 구체예에서 상기 열경화성 매트릭스 수지는 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester), 페놀(phenol), 폴리이미드(polyimide) 및 에폭시(epoxy) 수지 중에서 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester) 수지를 포함할 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서 상기 폐 섬유강화 플라스틱은 열경화성 매트릭스 수지 35~90 중량% 및 섬유 필러 10~65 중량% 포함할 수 있다. 상기 범위의 섬유 필러 및 매트릭스 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용하여 제조되는 성형체의 내열성, 내충격성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.

한 구체예에서 폐 섬유강화 플라스틱은 불포화 폴리에스테르 수지 65~70 중량% 및 유리 섬유 30~35 중량% 포함할 수 있다. 상기 함량의 유리 섬유 및 불포화 폴리에스테르 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 적용하여 성형체 제조시 성형성 및 분산성이 우수하여 균질한 성형체 제조가 가능하며, 성형체의 기계적 강도가 우수할 수 있다.

상기 분쇄는 상기 폐 섬유강화 플라스틱을 1㎛~80㎛의 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조한다. 상기 분쇄는, 통상적인 분쇄기를 사용하여 분쇄할 수 있다. 본 명세서에서 상기 "크기"는, 폐 섬유강화 플라스틱의 최대길이인 것으로 정의하도록 한다. 상기 크기로 분쇄물을 제조시, 후술할 상기 섬유 필러 및 매트릭스 수지 성분의 분산성과 성형성이 우수하며, 가압시 균일한 밀도 및 기계적 성질을 갖는 성형체를 제조할 수 있다.

상기 폐 섬유강화 플라스틱을 1㎛ 미만으로 분쇄하는 경우, 성형이 이루어지지 않거나, 성형체의 기계적 강도가 저하되며, 80㎛를 초과하여 분쇄하는 경우 성형이 이루어지지 않거나, 성형체의 기계적 강도가 저하될 수 있다. 한 구체예에서 상기 분쇄물을 과량의 물과 혼합하여, 상기 열경화성 매트릭스 수지 및 섬유 필러를 제외한 불순물을 제거한 다음, 건조시켜 준비할 수 있다. 예를 들면 20~70㎛의 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조할 수 있다.

(S20) 성형체 제조단계

상기 단계는 상기 분쇄물을 가압하여 성형체를 제조하는 단계이다.

한 구체예에서 상기 가압은 150~250℃의 온도 및 100~2,000kgf/㎠의 압력 조건에서 이루어질 수 있다. 상기 분쇄물을 150℃ 미만의 온도 조건에서 가압시, 충분한 용융이 이루어지지 않아 성형체의 강도가 저하되며, 250℃를 초과하는 온도로 가압시, 상기 분쇄물에 함유된 섬유 필러가 탄화되어, 성형체의 기계적 강도가 저하될 수 있다. 또한, 100 kgf/㎠ 미만의 압력으로 가압시, 성형체의 기계적 강도가 저하되며, 2,000 kgf/㎠를 초과하는 압력으로 가압시, 성형체의 성형성 및 기계적 강도가 오히려 저하되며, 생산 비용 또한 증가한다.

한 구체예에서 상기 분쇄물은 가압되기 전, 50~150℃로 예열될 수 있다. 상기 온도 범위로 예열시, 분쇄물에 포함된 수분을 용이하게 제거하며, 성형체 제조시 성형성과, 제조된 성형체의 균질성이 우수할 수 있다.

열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 의해 제조된 성형체

본 발명의 다른 관점은 상기 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 의해 제조된 성형체에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 성형체는 ASTM D 695 기준에 의거하여 측정된 압축강도가 30MPa 이상일 수 있다. 예를 들면 30~60MPa 일 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 1

열경화성 매트릭스 수지(불포화 폴리에스테르 수지) 65 중량% 및 탄소 섬유 35 중량%을 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 80㎛ 크기로 분쇄하여 도 2와 같은 분쇄물을 제조한 다음, 상기 분쇄물을 물로 세정하고 열풍 건조하였다.

그 다음에, 분쇄물을 제1 이송라인을 통하여 혼합부로 이송하여 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합된 분쇄물을 정량 충전장치(auger 필러)를 통해 이송하여 하부 금형에 충전하였다. 그 다음에, 예열기를 통해 상기 분쇄물을 120℃로 예열하면서, 제2 이송라인을 통해 가압성형기로 이송하여 상부 금형을 형폐하고, 200℃의 온도 및 500kgf/cm²의 압력으로 가압하여 성형체를 제조하고, 제3 이송라인로 이송하여 성형체를 제조하였다.

실시예 2

열경화성 매트릭스 수지(에폭시 수지) 70 중량% 및 탄소 섬유 30 중량%를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 60㎛ 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.

실시예 3

상기 분쇄물을 180℃의 온도 및 1,200kgf/cm²의 압력으로 가압하여 성형체를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.

비교예 1

폐 섬유강화 플라스틱을 300㎛ 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.

비교예 2

폐 섬유강화 플라스틱을 0.1㎛ 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.

상기 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조된 성형체 제조시 성형성과 ASTM D 695 기준에 의거하여 압축강도를 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

하기 도 2는 본 발명의 실시예 1의 분쇄물을 나타낸 사진이며, 도 3(a)는 본 발명에 따른 실시예 2 분쇄물이며, 도 3(b)는 본 발명에 대한 비교예 1 분쇄물을 나타낸 사진이고, 도 5는 본 발명에 따른 실시예 1의 성형체를 나타낸 사진이다. 또한, 도 5(a)는 본 발명에 따른 실시예 1 성형체를 나타낸 것이며, 도 5(b)는 본 발명에 따른 실시예 2 성형체를 나타낸 것이고, 도 5(c)는 본 발명에 대한 비교예 1 성형체를 나타낸 사진이다.

상기 도 2 내지 도 5 및 표 1의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1~3의 성형체는 열경화성 수지를 포함하고, 섬유 필러의 함량이 높은 경우에도 성형성이 양호하여 재생이 가능하였으며, 압축강도 등의 기계적 강도가 우수함을 알 수 있었다. 또한, 하기 도 6은 본 발명에 따른 실시예 1을 이용한 블록 형태의 성형체를 나타낸 사진이다. 상기 도 6과 같이, 본 발명의 성형체는 기계적 강도가 우수하여 건축 외장재로 사용할 수 있음을 알 수 있다.

반면, 본 발명의 분쇄크기를 초과한 비교예 1의 경우, 도 4(b) 및 도 6(c)와 같이, 성형성이 불량하여 성형체가 부스러져 성형이 불가하였으며, 비교예 2의 경우 가압 성형시 분쇄물이 용이하게 성형되지 않아 성형이 불가함을 알 수 있었다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

1. 폐 섬유강화 플라스틱을 1㎛~80㎛의 크기로 분쇄하여 분쇄물을 제조하는 단계; 및
   상기 분쇄물을 150~250℃에서 500~2,000kgf/㎠의 압력 조건으로 가압하는 단계;를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법이며,
   상기 폐 섬유강화 플라스틱은 열경화성 매트릭스 수지 35~90 중량% 및 상기 열경화성 매트릭스 수지에 함침된 섬유 필러 10~65 중량%를 포함하고,
   상기 성형체는 상기 폐 섬유강화 플라스틱 만으로 이루어지고,
   상기 제조된 성형체는 ASTM D 695 기준에 의거하여 측정한 압축강도가 30~60MPa인 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 섬유 필러는 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유 및 보론 섬유 중에서 하나 이상 포함하며,
   상기 열경화성 매트릭스 수지는 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester), 페놀(phenol), 폴리이미드(polyimide) 및 에폭시(epoxy) 수지 중에서 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법.
   
3. 삭제
4. 제1항 및 제2항중 어느 한 항의 열경화성 수지를 포함하는 폐 섬유강화 플라스틱을 이용한 성형체 제조방법에 의해 제조된 성형체.
   

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