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KR-20260061855-A - THERMALLY EXPANDABLE LIGHTWEIGHT STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME

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Abstract

본 발명은 펠트층 및 상기 펠트층 내에 함침되며, 바인더 수지 내에 분산된 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 펠렛형 발포제를 포함하는 열팽창 경량 구조물, 및 바인더 수지 내에 열팽창성 마이크로캡슐을 분산시킨 후 펠렛 형태로 형성하는 펠렛형 발포제 형성 단계 및 펠트층 내에 상기 펠렛형 발포제를 함침시키는 함침 단계를 포함하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열팽창 경량 구조물은 종래 발포형 천연섬유 강화보드와 동등한 수준의 물성 및 경량화를 이루면서도, 파우더형 열팽창성 마이크로캡슐의 낮은 입도로 인하여 야기되는 불량 문제를 해결할 수 있어 자동차 내장 부품으로 효율적으로 적용될 수 있다.

Inventors

  • 이희윤
  • 김동원
  • 윤진석
  • 장재은
  • 박상도

Assignees

  • 주식회사 서연이화
  • 현대자동차주식회사
  • 기아 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (20)

  1. 펠트층; 및 상기 펠트층 내에 함침되며, 바인더 수지 내에 분산된 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 펠렛형 발포제; 를 포함하는 열팽창 경량 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펠트층은, 천연 섬유 및 합성 섬유의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 합성 섬유는, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  4. 제2항에 있어서, 상기 천연 섬유는, 양마, 아마, 저마, 대마, 황마 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 천연 섬유는, 상기 펠트층 전체 중량을 기준으로 40~60 wt%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 펠트층은, 600~2000 gsm의 중량을 갖는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 펠렛형 발포제는, 바인더 수지 10~50 중량%; 및 열팽창성 마이크로캡슐 50~90 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 바인더 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 고밀도 폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(Low density polyethylene, LDPE) 또는 그 조합으로부터 선택되는 올레핀계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열팽창성 마이크로캡슐은, 탄화수소를 포함하는 코어; 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride, PVDC), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 또는 그 조합을 포함하는 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 펠렛형 발포제는, 100~2000 ㎛의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 펠렛형 발포제는, 상기 열팽창 경량 구조물 전체 중량을 기준으로 3~10 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물.
  12. 바인더 수지 내에 열팽창성 마이크로캡슐을 분산시킨 후 펠렛 형태로 형성하는 펠렛형 발포제 형성 단계; 및 펠트층 내에 상기 펠렛형 발포제를 함침시키는 함침 단계; 를 포함하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 펠렛형 발포제 형성 단계는, 상기 바인더 수지 10~50 중량% 내에 상기 열팽창성 마이크로캡슐 50~90 중량%를 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 바인더 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 고밀도 폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(Low density polyethylene, LDPE) 또는 그 조합으로부터 선택되는 올레핀계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 열팽창성 마이크로캡슐은, 탄화수소를 포함하는 코어; 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride, PVDC), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 또는 그 조합을 포함하는 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 펠렛형 발포제는, 100~2000 ㎛의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 함침 단계는, 상기 열팽창 경량 구조물 전체 중량을 기준으로 3~10 중량%의 상기 펠렛형 발포제를 함침시키는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서, 천연 섬유 및 합성 섬유의 조합을 니들 펀칭하는 펠트층 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 함침 단계는, 상기 펠트층 형성 단계 중에, 또는 상기 펠트층 형성 단계 후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 합성 섬유는, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열팽창 경량 구조물의 제조 방법.

Description

열팽창 경량 구조물 및 그 제조 방법{THERMALLY EXPANDABLE LIGHTWEIGHT STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME} 본 발명은 열팽창 경량 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 펠렛형 발포제를 섬유 펠트 내에 건식 함침시킴으로써 종래 발포형 천연섬유 강화보드와 동등한 수준의 물성 및 경량화를 이루면서도, 파우더형 열팽창성 마이크로캡슐의 낮은 입도로 인하여 야기되는 불량 문제를 해결할 수 있어 자동차 내장 부품으로 효율적으로 적용될 수 있는 열팽창 경량 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 자동차 산업 분야에서 연비 성능 향상에 의한 환경 부하 저감이나 작동 성능의 향상을 달성하기 위하여 오랜 시간 동안 차체의 경량화에 대응하고 있다. 최근 대기 오염이 심각해짐에 따라 배기 가스를 저감하기 위한 세계 각국의 연비 규제가단계적으로 강화되고 있어 경량화에 의한 연비 항상은 매우 중요한 과제이다. 연비 향상을 위해 가솔린 엔진에서 하이브리드, EV로 동력이 전환되고 있으나 배터리와 같은 친환경차 전용부품들은 무거운 중량으로 인해 기존 내연 기관차에 비해 친환경차의 중량을 증가시키는 요인이 되고 있다. 중량이 증가할수록 에너지 효율성이 저하되므로 차량 경량화 기술 적용은 미래 자동차 시장에서 매우 중요한 과제로 떠오르고 있다. 또한, 안전 및 편의성에 대한 소비자의 다양한 요구도 차량의 중량을 증가시키는 원인이 되고 있으며, 이에 따라 완성차 업계는 기존 부품에 대한 중량 절감이 절실한 상황으로 향후 경량화 기술에 따른 제품 성능 차이가 경쟁력을 좌우하는 주요한 요소로 부각될 전망이다. 다양한 경량화 방법 중 구조의 경량화는 설계 변경의 어려움과 한정적인 적용 범위 등의 한계를 가지고 있으며, 공법의 경량화는 대규모 설비 투자 등의 한계를 가지고 있다. 이에, 최근에는 소재의 경량화에 대한 관심이 집중되고 있다. 소재의 경량화는 혁신적인 경량화 효과를 달성할 수 있으며, 적용 범위가 다양하다는 장점이 있다. 기존 철강 소재 또는 비철 금속을 대체할 수 있는 경량화 소재로 엔지니어링 플라스틱 및 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합 소재 개발이 각광받고 있다. 또한, 도어 트림(door trim), 헤드 라이너(head liner), 패키지 트레이(package tray), 커버링 쉘프(covering shelf) 등과 같은 자동차 내장 부품은, 합성 섬유와 천연 섬유를 복합화한 천연 섬유 강화 보드(천연 섬유 펠트, HS Felt), 수지와 우드 스탁(wood stock), 또는 수지와 LGF(Long Glass Fiber)를 포함하는 압출 보드 소재를 프레스 성형함으로써 제작되었다. 우드 스탁은 높은 강성을 보이는 장점이 있으나, 냄새, VOC(Volatile Organic Compounds), 고중량이라는 문제점이 있다. 한편, 천연 섬유 강화 보드는 우드 스탁 대비 낮은 중량을 가져 중량 및 원가 경쟁력 측면에서는 압출 시트에 비하여 장점이 있으나, 냄새와 VOC 문제를 그대로 갖고 있으며, 부품 성능 기준을 충족하기 위한 측면에서 경량화 수준에도 한계가 있다. 또한, 천연 섬유 강화 보드에 열팽창성 마이크로캡슐을 적용하여 열팽창 경량 구조물을 형성하는 방법이 알려져 있다. 열팽창성 마이크로캡슐은 열팽창성 마이크로스피어로도 불리며 열에 의해 팽창하는 타입의 물리 발포제로, 코어-쉘 구조로 가열 시 완전한 독립 기포셀을 만들어 미세한 셀을 구현할 수 있다. 도 1은 종래기술에 따른 열팽창 경량 구조물의 내부 구조를 나타내는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 열팽창 경량 구조물(10)은 천연 섬유(11A) 및 합성 섬유(11B)로 이루어진 섬유 펠트(11) 내에 분산된 열팽창성 마이크로캡슐(12)을 포함한다. 상기 열팽창 경량 구조물(10)은 수십 ㎛ 단위의 직경을 갖는 상기 열팽창성 마이크로캡슐(12)을 상기 천연 섬유(11A) 및 상기 합성 섬유(11B)로 이루어진 상기 섬유 펠트(11)에 도포 및 분산시킨 후 이를 프레스 성형하는 방식으로 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 섬유 펠트(11) 상에 파우더형 상기 열팽창성 마이크로캡슐(12)을 도포하는 과정에서 파우더가 비산하여 손실되거나 도포 균일성이 저하될 수 있으며, 가공 및 이동 중에도 진동에 의해 파우더형 상기 열팽창성 마이크로캡슐(12)이 탈락될 수 있어 제품 품질에 영향을 미치는 문제가 있다. 특허문헌 1은 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 심재시트, 및 상기 심재시트의 양쪽 표면에 적층된 보강시트를 포함하는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 자동차 내장재용 경량 복합재를 개시하고 있다. 특허문헌 1에 개시된 열팽창성 마이크로캡슐은 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA) 또는 탄성을 갖는 셀(Cell) 내에 코어가 존재하는 구조로, 평균직경이 대략 10㎛ 내외이고, 열팽창에 의해서 40㎛ 내지 180㎛의 평균직경을 갖는다. 특허문헌 1의 심재시트는 고밀도 폴리에틸렌 수지, 천연섬유 및 열팽창성 마이크로캡슐을 혼합하여 압출성형하는 방식으로 제작된다. 따라서, 특허문헌 1에 개시된 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 자동차 내장재용 경량 복합재는, 전술한 파우더형 열팽창성 마이크로캡슐의 낮은 입도로 인한 문제점을 그대로 갖고 있다. 이에, 자동차 산업 분야에서 경량화 및 물성 확보의 양 측면을 모두 충족하면서도 종래 파우더형 열팽창성 마이크로캡슐의 낮은 입도로 인한 문제점을 극복할 수 있는 기술 개발에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다. 종래의 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없을 것이다. 도 1은 종래기술에 따른 열팽창 경량 구조물의 내부 구조를 나타내는 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물의 내부 구조를 나타내는 개략도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4a 및 도 4b는 비교예에 따른 열팽창 경량 구조물을 나타내는 현미경 사진이다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물을 나타내는 현미경 사진이다. 본 발명에 있어 첨부된 도면은 종래 기술과의 차별성 및 명료성, 그리고 기술 파악의 편의를 위해 과장된 표현으로 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로서, 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 기술적 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 한편, 실시예는 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하고, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니며, 권리범위는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 토대로 해석되어야 한다. 명세서 전체에서, 어떤 구성이 어떤 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다. 또한, 어떤 구성이 다른 구성에 "연결", "접속" 또는 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결', '직접적으로 접속' 또는 '직접적으로 결합'되어 있는 경우 만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 개재한 채로 연결', '그 중간에 다른 구성을 개재한 채로 접속' 또는 '그 중간에 다른 구성을 개재한 채로 결합'되는 경우도 있을 수 있음을 의미한다. 반면에, 어떤 구성이 다른 구성에 "직접 연결", "직접 접속" 또는 "직접 결합"되어 있다고 할 때는, 중간에 다른 구성이 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, "전", "후", "상", "하", "좌", "우", "일 단", "타 단", "양 단" 등과 같은 방향성 용어가 사용될 때 이는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 예시적으로 사용되는 것이므로 제한적으로 해석되어서는 안 되고, "제 1", "제 2"등의 용어가 사용될 때 이는 각 구성을 구별하기 위한 용어로서 제한적으로 해석되어는 안 된다. 본 발명의 실시예의 특징을 보다 명확히 설명하기 위하여, 이하의 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 사람에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서 자세한 설명은 생략하기로 한다. 그리고, 도면에서 실시예의 설명과 관계없는 부분에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물의 내부 구조를 나타내는 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물의 제조 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 4a 및 도 4b는 비교예에 따른 열팽창 경량 구조물을 나타내는 현미경 사진이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물을 나타내는 현미경 사진이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열팽창 경량 구조물(100)은 펠트층(110) 및 상기 펠트층(110) 내에 함침되며, 바인더 수지(122) 내에 분산된 열팽창성 마이크로캡슐(121)을 포함하는 펠렛형 발포제(120)를 포함한다. 상기 펠트층(110)은 상기 열팽창 경량 구조물(100)의 기재층의 역할을 할 수 있다. 상기 펠트층(110)은 천연 섬유(111) 및 합성 섬유(112)의 조합을 포함할 수 있다. 상기 천연 섬유(111)는 높은 인장 강도를 가져 상기 열팽창 경량 구조물(100)의 물성을 강화시키는 강화 섬유로서의 역할을 할 수 있다. 상기 천연 섬유(111)는 양마, 아마, 저마, 대마, 황마 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 양마를 포함할 수 있다. 상기 합성 섬유(112)는 상기 열팽창 경량 구조물(100) 제조 시 예열 과정에서 용융되어 상기 천연 섬유(111) 사이에 스며들고 이후 냉각에 의해 경화되어 상기 천연 섬유(111)를 서로 결합시키는 바인더 역할을 할 수 있다. 상기 합성 섬유(112)는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에