KR20240104381A - Biodegradable prepreg using lyocell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생분해성 열가소성수지를 균일 함침한 라이오셀 연속섬유 복합재료의 일방향성 프리프레그 또는 직물형 프리프레그, 상기 프리프레그의 제조방법 및 상기 프리프레그를 이용하여 불연속수지층 조성물의 물성을 향상시킬 수 있는 생분해성 프리프레그 복합재에 관한 것이다.The present invention provides a unidirectional prepreg or fabric-type prepreg of Lyocell continuous fiber composite material uniformly impregnated with a biodegradable thermoplastic resin, a method for manufacturing the prepreg, and a method for improving the physical properties of the discontinuous resin layer composition using the prepreg. It relates to biodegradable prepreg composites.
Description
본 발명은 생분해성 열가소성수지를 균일 함침한 라이오셀 연속섬유 복합재료의 일방향성 프리프레그 또는 직물형 프리프레그 및 이의 제조방법과 생분해성 프리프레그 복합재에 관한 것이다.The present invention relates to a unidirectional prepreg or fabric-type prepreg of Lyocell continuous fiber composite material uniformly impregnated with a biodegradable thermoplastic resin, a manufacturing method thereof, and a biodegradable prepreg composite.
셀룰로오스계 섬유 및 직물은 유연성이 좋으며, 낮은 열전도성, 초고온 내삭마성 등의 특성으로 인해 타이어 코드로 주로 사용되며, 로켓 노즐, 미사일 탄두 등 주로 우주항공 분야의 고온 단열재의 전구체로써 유용하게 사용되고 있다. 경쟁소재로서 주로 레이온(Rayon) 섬유가 사용되고 있으나, 섬유 제조 시 황산(H2SO4) 및 이황화탄소(CS2)와 같은 인체에 유해한 화학약품이 사용되므로 제조 시설이 점차 축소되고 있으며, 이에 전세계적으로 레이온을 대체할 수 있는 친환경적인 라이오셀(Lyocell)에 대한 연구가 증가하고 있다. 라이오셀은 기존 레이온 섬유와 비교하여 제조 공정이 간단하고, 환경 및 인체에 무해하며, 형태안정성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. Cellulose-based fibers and fabrics have good flexibility and are mainly used as tire cords due to their characteristics such as low thermal conductivity and ultra-high temperature abrasion resistance. They are also useful as precursors for high-temperature insulation materials in the aerospace field, such as rocket nozzles and missile warheads. Rayon fiber is mainly used as a competitive material, but manufacturing facilities are gradually shrinking because chemicals harmful to the human body, such as sulfuric acid (H2SO4) and carbon disulfide (CS2), are used during fiber manufacturing. As a result, rayon is being used worldwide. Research on an eco-friendly alternative, Lyocell, is increasing. Compared to existing rayon fibers, Lyocell has a simple manufacturing process, is harmless to the environment and the human body, and has excellent dimensional stability.
라이오셀(Lyocell)은 천연 펄프 및 아민 옥사이드 수화물로부터 제조되는 섬유로서, 재생 섬유에 비해 우수한 인장특성과 촉감 등의 섬유 특성을 가지면서도, 생산 공정에서 일체의 오염 물질을 발생시키지 않으며, 사용되는 아민 옥사이드계 용매가 재활용 가능하고 폐기시 생분해되어, 친환경적인 섬유로서 다양한 분야에 사용되고 있다. Lyocell is a fiber manufactured from natural pulp and amine oxide hydrate. It has fiber properties such as tensile properties and feel that are superior to regenerated fibers, but does not generate any contaminants during the production process, and the amine used is Oxide-based solvents are recyclable and biodegradable when disposed of, so they are used in various fields as eco-friendly fibers.
기존 레이온 섬유를 사용하는 기술은 레이온 섬유의 공정상 환경오염 문제 및 라이오셀 대비 다소 낮은 물성을 보인다.Existing technologies using rayon fibers show environmental pollution problems due to the rayon fiber process and slightly lower physical properties compared to Lyocell.
라이오셀 섬유는 셀룰로오스를 주성분으로 하는 생분해성 강화 섬유이나, 고분자수지의 보강 섬유로 널리 쓰여 왔던 기존의 탄소섬유 또는 유리섬유와 비교할 때 라이오셀 섬유와 같은 천연 섬유의 인장강도와 인장탄성률이 낮으므로 획기적인 기계적 물성의 향상을 기대하기는 어렵다.Lyocell fiber is a biodegradable reinforced fiber mainly composed of cellulose, but compared to existing carbon fiber or glass fiber, which has been widely used as a reinforcing fiber for polymer resins, the tensile strength and tensile modulus of natural fibers such as lyocell fiber are low. It is difficult to expect groundbreaking improvements in mechanical properties.
특히, 라이오셀 및 셀룰로스계열의 불연속섬유 생분해성수지 사출조성물의 경우에는 기재수지에 비하여도 못미치는 물성을 보이며, 이러한 문제를 해결하고자 함량을 증가하여도 오히려 더욱 브리틀하게 변하며 물성은 더욱 감소하는 문제점이 있다. 또한, 프리프레그 제조를 위한 인발함침 공정에서 라이오셀 섬유의 손상이 발생하기 쉬워서 높은 물성의 프리프레그 제조에 어려움이 있다.In particular, in the case of lyocell and cellulose-based discontinuous fiber biodegradable resin injection compositions, the physical properties are inferior to those of the base resin, and even if the content is increased to solve this problem, it becomes more brittle and the physical properties further decrease. There is a problem. In addition, damage to lyocell fibers is prone to occur during the drawing and impregnation process for manufacturing prepreg, making it difficult to manufacture prepreg with high physical properties.
고분자수지의 보강 섬유 또는 복합재료와 관련하여, 대한민국 공개특허 제2014-0080481호에는 (A) 열가소성 수지 및 (B) 레이온 섬유를 포함하는 수지 함침 장섬유다발을 포함하는 섬유 강화 수지 조성물로서, (B) 성분의 레이온 섬유가 섬유 직경이 5∼30㎛이고, X선 배향도가 86% 이상의 것이고, 상기 수지 함침 장섬유다발이 (B) 성분의 레이온 섬유를 길이방향으로 일치시킨 상태에서 2,000∼30,000개 묶은 것에 (A) 성분의 열가소성 수지를 용융시킨 상태에서 함침시켜 일체화한 후에, 3∼30mm의 길이로 절단하여 경량이고 기계적 강도가 높은 성형품이 얻어지는 섬유 강화 수지 조성물에 관하여 개시하고 있다.Regarding reinforcing fibers or composite materials of polymer resin, Republic of Korea Patent Publication No. 2014-0080481 discloses a fiber-reinforced resin composition comprising a resin-impregnated long fiber bundle containing (A) a thermoplastic resin and (B) rayon fiber, ( The rayon fiber of component B) has a fiber diameter of 5 to 30 μm and an Disclosed is a fiber-reinforced resin composition in which a dog bundle is impregnated with the thermoplastic resin of component (A) in a molten state, integrated, and then cut to a length of 3 to 30 mm to obtain a lightweight molded article with high mechanical strength.
또한, 대한민국 공개특허 제2017-0139108호에는 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유 등의 연속 강화 섬유와 열가소성 수지를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 조성물로서, 상기 열가소성 수지가 사이아노기 함유 바이닐 모노머 및 방향족계 바이닐 모노머의 공중합체를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지 조성물에 관하여 개시하고 있다. In addition, Republic of Korea Patent Publication No. 2017-0139108 discloses a fiber-reinforced thermoplastic resin composition containing continuous reinforcing fibers such as glass fiber, carbon fiber, or aramid fiber and a thermoplastic resin, wherein the thermoplastic resin is a vinyl monomer containing a cyano group and an aromatic resin. Disclosed is a fiber-reinforced thermoplastic resin composition comprising a copolymer of vinyl monomer.
그러나 상기 방법들은 PLA, PBAT, 전분수지 등의 생분해성 조성물에 셀룰로스계 장섬유/단섬유가 혼입된 복합 수지 조성물의 충격강도, 인장강도, 굴곡강도 등이 기재 수지에 비하여 오히려 감소하는 경우가 많으므로 이를 해결하기 위한 조성물의 개발이 필요하다.However, in the above methods, the impact strength, tensile strength, and flexural strength of composite resin compositions in which cellulose-based long/short fibers are mixed in biodegradable compositions such as PLA, PBAT, and starch resin are often reduced compared to the base resin. Therefore, it is necessary to develop a composition to solve this problem.
본 발명은 생분해성 열가소성수지를 균일 함침한 라이오셀 연속섬유 복합재료의 일방향성 프리프레그 또는 직물형 프리프레그 및 상기 프리프레그의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a unidirectional prepreg or fabric-type prepreg of a Lyocell continuous fiber composite material uniformly impregnated with a biodegradable thermoplastic resin, and a method for manufacturing the prepreg.
또한, 본 발명은 상기 프리프레그를 이용하여 불연속수지층 조성물의 물성을 향상시킬 수 있는 생분해성 프리프레그 복합재를 제공하고자 한다. In addition, the present invention seeks to provide a biodegradable prepreg composite material that can improve the physical properties of the discontinuous resin layer composition using the prepreg.
상기 과제를 해결하기 위하여, In order to solve the above problems,
본 발명은 일실시예에서, 생분해성 열가소성 수지를 함침시킨 라이오셀 연속섬유를 포함하고, 상기 라이오셀 연속섬유는 일방향(Unidirectional, UD)인 것인 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그를 제공한다.In one embodiment, the present invention provides a biodegradable prepreg using Lyocell, which includes continuous Lyocell fibers impregnated with a biodegradable thermoplastic resin, and the Lyocell continuous fibers are unidirectional (UD).
상기 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그는 일방향성 프리프레그 또는 직물형 프리프레그인 것일 수 있다.The biodegradable prepreg using Lyocell may be a unidirectional prepreg or a fabric-type prepreg.
상기 직물형 프리프레그는, 생분해성 열가소성 수지층과 라이오셀 연속섬유를 평직으로 재직한 층을 두께 방향으로 적층하여 하나의 층으로 이루어진 것을 포함하고, 상기 하나의 층의 섬유면중량은 50 내지 300 g/m2인 것일 수 있다.The fabric-type prepreg includes a biodegradable thermoplastic resin layer and a plain weave layer of Lyocell continuous fibers laminated in the thickness direction to form a single layer, and the fiber surface weight of the single layer is 50 to 300. It may be g/m 2 .
상기 라이오셀 연속섬유는 900 필라멘트 번들이 900 내지 1800 데니아로 좋기로는 1200에서 1700 데니아로서 무연 또는 유연 섬유인 것일 수 있다. 즉, 단일섬유의 평균 데니아로는 1에서 2데니아일 수 있다.The Lyocell continuous fiber may be a lead-free or flexible fiber with a 900 filament bundle of 900 to 1800 denier, preferably 1200 to 1700 denier. That is, the average denier of a single fiber may be 1 to 2 denier.
상기 생분해성 열가소성 수지는 아미노기, 글리시딜기 및 아민기 실란계 계면접착제, 에폭시 레진 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin may include one or more selected from the group consisting of amino group, glycidyl group, and amine group silane-based interfacial adhesive, epoxy resin, and combinations thereof.
상기 생분해성 열가소성 수지는 나노클레이, 나노파티클, 벤토나이트 또는 그래핀 나노 입자를 0.1 내지 3 wt% 포함하는 글리시딜기 실란계 계면접착제 또는 에폭시 레진을 포함하는 것일 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin may include a glycidyl silane-based interfacial adhesive or epoxy resin containing 0.1 to 3 wt% of nanoclay, nanoparticles, bentonite, or graphene nanoparticles.
상기 생분해성 열가소성 수지에 0.5 내지 5 wt%의 폴리아미드6 폴리케톤, PLA(Poly lactic acid), PBAT(Poly-Butylene Adipate Terephthalate), PSA(Poly succinic acid), PBS(poly Butylene Succinate), PCL(Polycaprolactone), 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS), PHB(Poly Hyroxy Butyrate), PHA((Poly Hyroxy Akanoate), 셀룰로스아세테이트, 폴리 비닐 알코올 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 첨가하는 것일 수 있다.0.5 to 5 wt% of polyamide 6 polyketone, PLA (poly lactic acid), PBAT (poly-butylene adipate terephthalate), PSA (poly succinic acid), PBS (poly Butylene Succinate), and PCL ( Adding one or more selected from the group consisting of polycaprolactone), thermoplastic starch (TPS), PHB (Poly Hyroxy Butyrate), PHA (Poly Hyroxy Akanoate), cellulose acetate, polyvinyl alcohol, and combinations thereof. You can.
또한, 본 발명은 일실시예에서, (a) 라이오셀 연속섬유를 공급하는 단계; (b) 상기 공급된 라이오셀 연속섬유를 정렬하는 단계; (c) 상기 라이오셀 연속섬유에 표면 처리제를 코팅하는 단계; (d) 상기 코팅된 라이오셀 연속섬유를 예열(preheating) 및 스프레딩(spreading)하는 단계; 및, (e) 생분해성 열가소성 수지를 압출하여 상기 (d)단계를 거친 라이오셀 연속섬유에 함침하여 생분해성 프리프레그를 제조하는 단계;를 포함하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법을 제공한다.In addition, in one embodiment, the present invention includes the steps of (a) supplying lyocell continuous fibers; (b) aligning the supplied Lyocell continuous fibers; (c) coating a surface treatment agent on the Lyocell continuous fiber; (d) preheating and spreading the coated Lyocell continuous fiber; And, (e) manufacturing a biodegradable prepreg by extruding a biodegradable thermoplastic resin and impregnating the Lyocell continuous fiber that has undergone step (d) above to produce a biodegradable prepreg. to provide.
상기 (d)단계 이후 상기 생분해성 프리프레그를 냉각하는 단계를 추가 포함하는 상기 표면 처리제는 실란커플링제 및 에폭시인 것일 수 있다.The surface treatment agent, which further includes the step of cooling the biodegradable prepreg after step (d), may be a silane coupling agent and an epoxy.
상기 생분해성 열가소성 수지는 나노파티클, 벤토나이트 또는 그래핀 나노 입자를 0.1 내지 3 wt% 포함하는 글리시딜기 실란계 계면접착제 또는 에폭시 레진을 포함하는 것일 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin may include a glycidyl silane-based interfacial adhesive or epoxy resin containing 0.1 to 3 wt% of nanoparticles, bentonite, or graphene nanoparticles.
상기 (e)단계에서, 상기 생분해성 열가소성 수지는 산화방지제 및 가수분해방지제를 배합하여 혼합한 것일 수 있다.In step (e), the biodegradable thermoplastic resin may be a mixture of antioxidants and hydrolysis inhibitors.
상기 산화방지제 및 가수분해방지제를 0.3 phr 이상 포함하는 것일 수 있다.It may contain 0.3 phr or more of the antioxidant and hydrolysis inhibitor.
더불어, 본 발명은 일실시예에서, 상기 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그에 따른 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그를 포함하는 프리프레그층; 및 상기 프리프레그층의 일 단면에 적층되는 불연속수지층을 포함하는 생분해성 프리프레그 복합재를 제공한다.In addition, in one embodiment, the present invention includes a prepreg layer including a biodegradable prepreg using lyocell according to the biodegradable prepreg using lyocell; and a discontinuous resin layer laminated on one cross-section of the prepreg layer.
본 발명에 따른 생분해성 프리프레그는 라이오셀 섬유과 생분해성 열가소성 수지의 복합 조성물의 물성을 고도화할 수 있고, 100% 생분해가 가능한 원료를 기반으로 제조되어 친환경적이므로 환경 문제의 해소도 가능하다.The biodegradable prepreg according to the present invention can improve the physical properties of the composite composition of lyocell fiber and biodegradable thermoplastic resin, and is environmentally friendly because it is manufactured based on 100% biodegradable raw materials, so it is possible to solve environmental problems.
또한, 본 발명에 따른 라이오셀 연속섬유를 이용한 생분해성 프리프레그를 이용하여 불연속수지층, 즉, 불연속강화섬유를 포함하는 생분해성 조성물의 물성 강하 현상을 해결할 수 있다.In addition, by using a biodegradable prepreg using Lyocell continuous fibers according to the present invention, it is possible to solve the phenomenon of a decrease in the physical properties of a biodegradable composition containing a discontinuous resin layer, that is, discontinuous reinforced fibers.
본 발명에 따른 라이오셀 연속섬유는 레이온 대비하여 상대적으로 높은 결정배향성 및 낮은 함습 특성을 갖는다는 점, 안정적인 선열 팽창계수로 인한 치수안정성을 갖는다는 점 및 다른 천연섬유와 레이온에 비하여 높은 내열 안정성을 갖는다는 장점이 있다.Lyocell continuous fiber according to the present invention has relatively high crystal orientation and low moisture characteristics compared to rayon, has dimensional stability due to a stable linear thermal expansion coefficient, and has high heat resistance stability compared to other natural fibers and rayon. There is an advantage to having it.
도 1은 본 발명에 따른 라이오셀 연속섬유를 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법을 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 프리프레그의 pellet 및 집속 tape 사진이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에서 사출물의 인장강도 결과를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 연속섬유를 인서트하여 시편을 제조한 경우 굴곡물성 및 인장 물성 등이 크게 개선된 결과를 보인다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 사출시편의 결정화 거동 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 섬유길이별 충격 강도를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 샘플들의 연성 값을 비교한 그래프이다.
도 10 및 도 11은 1260 데니아의 직물섬유와 1650 데니아의 섬유를 이용하여 섬유 굵기, 계면 상태, 직물의 방향 및 기재수지 별 인장 강도(Mpa)와 인장 탄성률(Gpa)를 각각 보인다.
도 12 및 도 13은 1260 데니아의 직물섬유와 1650 데니아의 섬유를 이용하여 섬유 굵기, 계면 상태, 직물의 방향 및 기재수지 별 굴곡강도(Mpa) 와 굴곡탄성율(Gpa)를 각각 보인다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 샘플들의 펠렛(pellet) 모폴로지를 나타낸 것이다.Figure 1 schematically shows a method for manufacturing biodegradable prepreg using lyocell continuous fibers according to the present invention.
Figure 2 is a photograph of the pellet and focusing tape of the prepreg manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 and 4 show the tensile strength results of the injection molded product in one embodiment of the present invention.
Figures 5 and 6 show that when a specimen was manufactured by inserting continuous fibers, the flexural properties and tensile properties were greatly improved.
Figure 7 shows the results of analyzing the crystallization behavior of the injection specimen in one embodiment of the present invention.
Figure 8 is a graph comparing impact strength by fiber length in one embodiment of the present invention.
Figure 9 is a graph comparing ductility values of samples in one embodiment of the present invention.
Figures 10 and 11 show the tensile strength (Mpa) and tensile modulus (Gpa) for each fiber thickness, interface state, fabric direction, and base resin using 1260 denier fabric fibers and 1650 denier fibers, respectively.
Figures 12 and 13 show the flexural strength (Mpa) and flexural modulus (Gpa) for each fiber thickness, interface state, fabric direction, and base resin using 1260 denier fabric fibers and 1650 denier fibers, respectively.
Figure 14 shows the pellet morphology of samples in one embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
본 발명에서, "프리프레그(Prepreg)"란 섬유 강화 복합재료용의 중간 기재로, 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료를 의미하며, 연속섬유 강화복합재는 주로 일방향 섬유 또는 직물에 수지를 예비 함침시킨 프리프레그로 만들어진다. 종래에는 프리프레그에 예비 함침된 수지로 열경화성 수지가 대부분 사용되어 왔으며, 최근에는 재사용 또는 재성형이 가능한 열가소성 수지가 많이 사용되고 있다. 이러한 열가소성 수지가 함침된 프리프레그를 "열가소성 프리프레그"라 칭한다.In the present invention, "prepreg" is an intermediate substrate for fiber-reinforced composite materials, and refers to a molding material in which reinforcing fibers are pre-impregnated with a matrix resin. Continuous fiber-reinforced composites are mainly made by adding resin to unidirectional fibers or fabrics. It is made from pre-impregnated prepreg. Conventionally, thermosetting resins have been mostly used as resins pre-impregnated in prepregs, and recently, thermoplastic resins that can be reused or remolded have been widely used. A prepreg impregnated with such a thermoplastic resin is called a “thermoplastic prepreg.”
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 생분해성 열가소성 수지를 함침시킨 라이오셀 연속섬유를 포함하고, 상기 라이오셀 연속섬유는 일방향(Unidirectional, UD)인 것인 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그를 제공한다.The present invention provides a biodegradable prepreg using Lyocell, which includes Lyocell continuous fibers impregnated with a biodegradable thermoplastic resin, and the Lyocell continuous fibers are unidirectional (UD).
상기 일방향인 섬유는 섬유를 한쪽 방향으로 배열시켜 고정시킨 섬유소재로 기존의 직물이나 편물, 부직포 등과 비교할 때 섬유축 방향의 인장강도를 극대화시킬 수 있고, 외력에 의한 저항이 직물이나 편물보다 우수한 특징을 가지고 있다.The unidirectional fiber is a fiber material in which fibers are arranged and fixed in one direction. Compared to existing fabrics, knitted fabrics, non-woven fabrics, etc., the tensile strength in the direction of the fiber axis can be maximized, and the resistance to external force is superior to that of fabrics or knitted fabrics. has.
상기 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그는 일방향성 프리프레그 또는 직물형 프리프레그인 것일 수 있다.The biodegradable prepreg using Lyocell may be a unidirectional prepreg or a fabric-type prepreg.
상기 직물형 프리프레그는, 생분해성 열가소성 수지층과 라이오셀 연속섬유를 평직으로 재직한 층을 두께 방향으로 적층하여 하나의 층으로 이루어진 것을 포함하고, 상기 하나의 층의 섬유면중량은 50g/m2 내지 300 g/m2인 것일 수 있다.The fabric-type prepreg includes a biodegradable thermoplastic resin layer and a plain weave layer of Lyocell continuous fibers laminated in the thickness direction to form a single layer, and the fiber surface weight of the single layer is 50 g/m. It may be 2 to 300 g/m 2 .
섬유면중량이 50g/m2 이면 공정에서 다루어야하는 보빈의 수가 증가하여 공정비용이 증가할 뿐 아니라 함침시 섬유의 손상도가 증가할 수 있으며, 300 g/m2 이면 집속섬유의 가닥수가 너무 많아서 필름 라미네이션에 의한 충분한 함침을 유도하기에 지나치게 높은 압력이 필요하거나 너무 많은 가압시간이 필요하게 된다.If the fiber surface weight is 50 g/m 2 , the number of bobbins that must be handled in the process increases, which not only increases the process cost, but also increases damage to the fiber during impregnation. If it is 300 g/m 2 , the number of bundled fiber strands is too large. Too high pressure or too much pressing time is required to induce sufficient impregnation by film lamination.
상기 라이오셀 연속섬유는 900 필라멘트 번들을 기준으로 900 내지 1800 데니아, 예를 들어, 1200 내지 1700 데니아로서 무연 또는 유연 섬유인 것일 수 있다. 즉, 단일섬유의 평균 데니아로는 1 내지 2 데니아일 수 있다. 이는 평균 데니아가 1보다 작은 경우에는 섬유생산시 공정변수에 따른 섬유의 불균일도가 증가하는 우려가 있으며 함침시 섬유의 손상율이 증사하는 문제가 있으며 2데니아 이상인 경우에는 섬유의 연신율의 감소에 따른 원사의 강신도가 저하되며 동일 섬유함량으로 제조된 복합재료의 탄성율이 감소하는 문제가 있다.The Lyocell continuous fiber may have a denier of 900 to 1800, for example, 1200 to 1700 denier based on a 900 filament bundle, and may be a lead-free or flexible fiber. That is, the average denier of a single fiber may be 1 to 2 denier. If the average denier is less than 1, there is a risk that the unevenness of the fiber increases due to process variables during fiber production, and the damage rate of the fiber increases during impregnation. If the average denier is more than 2, the elongation of the fiber decreases. There is a problem in that the tensile strength of the yarn decreases and the elastic modulus of composite materials manufactured with the same fiber content decreases.
상기 라이오셀 연속섬유는 표면 처리제에 의해 표면처리된 것일 수 있다. 상기 표면 처리제는 다수의 에폭시 관능기를 가진 에폭시 수지류 또는 에폭시 말단을 가진 실란계 화합물(GMS)을 포함할 수 있다. 상기 표면 처리에 의해 라이오셀 연속섬유의 함습 및 함수율이 향상될 수 있다. The Lyocell continuous fiber may have been surface treated with a surface treatment agent. The surface treatment agent may include epoxy resins with multiple epoxy functional groups or silane-based compounds (GMS) with epoxy ends. The moisture and water content of Lyocell continuous fibers can be improved by the surface treatment.
상기 생분해성 열가소성 수지는 아미노기, 글리시딜기 및 아민기 실란계 계면접착제, 에폭시 레진(bisphenol free epoxy resin) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 생분해성 열가소성 수지는 에폭시 레진일 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin may include one or more selected from the group consisting of amino group, glycidyl group, and amine group silane-based interfacial adhesive, epoxy resin (bisphenol free epoxy resin), and combinations thereof. For example, the biodegradable thermoplastic resin may be an epoxy resin.
상기 생분해성 열가소성 수지는 나노파티클, 벤토나이트 또는 그래핀 나노 입자를 0.1 내지 3 wt% 포함하는 글리시딜기 실란계 계면접착제 또는 에폭시 레진을 포함하는 것일 수 있다. 나노 입자가 0.1% 이하인 경우에는 보강효과가 미미하며 3 wt% 이상인 경우 섬유사이로의 수지의 함침을 방해하여 물성이 저하하는 문제가 있을 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin may include a glycidyl silane-based interfacial adhesive or epoxy resin containing 0.1 to 3 wt% of nanoparticles, bentonite, or graphene nanoparticles. If the nanoparticles are less than 0.1%, the reinforcing effect is minimal, and if the nanoparticles are more than 3 wt%, there may be a problem of deterioration of physical properties by interfering with impregnation of the resin into the fibers.
상기 생분해성 열가소성 수지에 0.5 내지 5 wt%의 폴리아미드6, 폴리케톤, PLA(Poly lactic acid), PBAT(Poly-Butylene Adipate Terephthalate), PSA(Poly succinic acid), PBS(Poly Butylene Succinate), PCL(Polycaprolactone), 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS), PHB(Poly Hyroxy Butyrate), PHA(Poly Hyroxy Akanoate), 셀룰로스아세테이트, 폴리 비닐 알코올 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 첨가하는 것일 수 있다. 이는 복합재료형성시 물성 강화에 주효한 영향을 미치는 수지의 결정화도를 감소시키지 않는 5%이하의 수준의 이형 수지를 적어도 0.5%이상 사용하여 공정을 용이하게 하면서 결정화 속도를 증진시킬 수 있다. 또한 상기 물질들을 상기 생분해성 열가소성 수지에 첨가함으로써 열변형 온도(Heat deflection temperature, HDT) 향상 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 PLA는 탄성율을 향상시킬 수 있고, 프리프레그를 가공 시 가공 온도를 강하시킬 수 있어, 상기 생분해성 열가소성 수지의 고온 성형 시 열화를 방지할 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin includes 0.5 to 5 wt% of polyamide 6, polyketone, PLA (poly lactic acid), PBAT (poly-butylene adipate terephthalate), PSA (poly succinic acid), PBS (poly butylene succinate), and PCL. (Polycaprolactone), thermoplastic starch (TPS), PHB (Poly Hyroxy Butyrate), PHA (Poly Hyroxy Akanoate), cellulose acetate, polyvinyl alcohol, and combinations thereof. You can. This can facilitate the process and increase the crystallization rate by using at least 0.5% or more of a release resin at a level of 5% or less that does not reduce the crystallinity of the resin, which has an effective effect in strengthening the physical properties when forming a composite material. Additionally, adding the above materials to the biodegradable thermoplastic resin can improve heat deflection temperature (HDT). For example, PLA can improve the elastic modulus and lower the processing temperature when processing prepreg, thereby preventing deterioration of the biodegradable thermoplastic resin during high temperature molding.
본 발명에 따른 생분해성 프리프레그는 라이오셀 섬유과 생분해성 열가소성 수지의 복합 조성물의 물성을 고도화할 수 있고, 100% 생분해가 가능한 원료를 기반으로 제조되어 친환경적이므로 환경 문제의 해소도 가능하다.The biodegradable prepreg according to the present invention can improve the physical properties of the composite composition of lyocell fiber and biodegradable thermoplastic resin, and is environmentally friendly because it is manufactured based on 100% biodegradable raw materials, so it is possible to solve environmental problems.
또한, 본 발명은 상기 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법을 제공한다. Additionally, the present invention provides a method for producing biodegradable prepreg using the lyocell.
도 1은 본 발명에 따른 라이오셀 연속섬유를 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법을 모식도로 나타낸 것이다.Figure 1 schematically shows a method for manufacturing biodegradable prepreg using lyocell continuous fibers according to the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법은 (a) 라이오셀 연속섬유를 공급하는 단계; (b) 상기 공급된 라이오셀 연속섬유를 정렬하는 단계; (c) 상기 라이오셀 연속섬유에 표면 처리제를 코팅하는 단계; (d) 상기 코팅된 라이오셀 연속섬유를 예열(preheating) 및 스프레딩(spreading)하는 단계; 및, (e) 생분해성 수지를 압출하여 상기 (d)단계를 거친 라이오셀 연속섬유에 함침하여 생분해성 프리프레그를 제조하는 단계;를 포함한다.Referring to Figure 1, the method for manufacturing biodegradable prepreg using Lyocell includes the steps of (a) supplying Lyocell continuous fibers; (b) aligning the supplied Lyocell continuous fibers; (c) coating a surface treatment agent on the Lyocell continuous fiber; (d) preheating and spreading the coated Lyocell continuous fiber; And, (e) extruding a biodegradable resin and impregnating the lyocell continuous fiber that has undergone step (d) to produce a biodegradable prepreg.
상기 (d)단계 이후 상기 생분해성 프리프레그를 냉각하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있다.It may further include the step of cooling the biodegradable prepreg after step (d).
상기 생분해성 열가소성 수지는 나노클레이, 나노파티클, 벤토나이트 또는 그래핀 나노 입자를 0.1 내지 3 wt% 포함하는 글리시딜기 실란계 계면접착제 또는 에폭시 레진을 포함하는 것일 수 있다.The biodegradable thermoplastic resin may include a glycidyl silane-based interfacial adhesive or epoxy resin containing 0.1 to 3 wt% of nanoclay, nanoparticles, bentonite, or graphene nanoparticles.
상기 표면 처리제는 실란커플링제 및 에폭시레진인 것일 수 있다.The surface treatment agent may be a silane coupling agent or epoxy resin.
상기 (e)단계에서, 상기 생분해성 열가소성 수지는 산화방지제 및 가수분해방지제를 배합하여 혼합한 것일 수 있다.In step (e), the biodegradable thermoplastic resin may be a mixture of antioxidants and hydrolysis inhibitors.
상기 산화방지제 및 가수분해방지제를 0.3 phr 이상 포함하는 것일 수 있다.It may contain 0.3 phr or more of the antioxidant and hydrolysis inhibitor.
상기 생분해성 열가소성 수지는 약 190 내지 260℃의 가공 온도를 가지며, 이러한 가공 온도에서 계면의 개선 및 고온에서의 분해라디칼 발생 등을 고려하여 상기 산화방지제 및 가수분해방지제를 첨가하여 물성 및 외관을 더욱 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 산화방지제 및 산화방지제는 각각 0.3 내지 1.0 phr 포함하는 것일 수 있다. The biodegradable thermoplastic resin has a processing temperature of about 190 to 260°C, and considering the improvement of the interface at this processing temperature and the generation of decomposition radicals at high temperatures, the antioxidant and hydrolysis inhibitor are added to further improve the physical properties and appearance. It can be improved. For example, the antioxidant and antioxidant may each contain 0.3 to 1.0 phr.
또한, 상기 생분해성 열가소성 수지는 열안정제, 나노클레이, 및 벤토나이트를 포함하는 것일 수 있다.Additionally, the biodegradable thermoplastic resin may include a heat stabilizer, nanoclay, and bentonite.
더불어, 본 발명은 상기 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그에 따른 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그를 포함하는 프리프레그층; 및 상기 프리프레그층의 일 단면에 적층되는 불연속수지층을 포함하는 생분해성 프리프레그 복합재를 제공한다.In addition, the present invention includes a prepreg layer containing a biodegradable prepreg using lyocell according to the biodegradable prepreg using lyocell; and a discontinuous resin layer laminated on one cross-section of the prepreg layer.
상기 프리프레그층과 불연속수지층을 적층시켜 프리프레그층 조성물과 불연속수지층 조성물의 상호 화학적 반응성을 유도하는 것일 수 있다. Mutual chemical reactivity between the prepreg layer composition and the discontinuous resin layer composition may be induced by laminating the prepreg layer and the discontinuous resin layer.
상기 불연속수지층은 탄소섬유, 유리섬유 및 바잘트섬유 중 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 또는 셀룰로즈계 천연섬유(jute, kenaf, Lamie, pulp, Hemp, wood pulp, sisal 등)를 포함하는 것일 수 있다.The discontinuous resin layer may include any one of carbon fiber, glass fiber, and basalt fiber. Alternatively, it may contain cellulose-based natural fibers (jute, kenaf, lamie, pulp, hemp, wood pulp, sisal, etc.).
상기 생분해성 프리프레그 복합재는 프리프레그층과 불연속수지층이 적층됨으로써 불연속수지층의 문제점인 물성을 향상시킬 수 있고, 경량성도 향상시킬 수 있다. The biodegradable prepreg composite can improve physical properties, which are problems with the discontinuous resin layer, and also improve lightness by laminating the prepreg layer and the discontinuous resin layer.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the examples presented below.
[실시예][Example]
실시예 1: 라이오셀 일방향 연속섬유 생분해성 프리프레그의 제조 및 분석Example 1: Preparation and analysis of Lyocell unidirectional continuous fiber biodegradable prepreg
라이오셀 연속섬유(1650 데니아, 1260 데니아 무연 섬유 또는 1260 데니아, 900fillaments/tow 유연섬유)를 공급 및 정렬하여, 표면처리제[(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxy silane, Difunctional epoxy 또는 4,4-diaminodiphenylene-methane]로 상기 섬유를 코팅하였다. 생분해성 열가소성 수지에 수분해억제제(지코)-ZIKA-AH362, 열안정제(지코)-ZIKANOX-549DF, 나노클레이[MMT(나노코- na+ d 3.15nm, 입도 10um 이하)] 및 벤토나이트[15A, d 3.15nm, 입도 10um이하, 54.5% Bentonite+43% (암모늄계화합물+ 동물성지방산계 Alkyldimetyl chloride)]를 배합하여 혼합한 후, 압출하여 섬유에 함침하였다. Supply and align Lyocell continuous fibers (1650 denier, 1260 denier lead-free fiber or 1260 denier, 900fillaments/tow flexible fiber) and apply surface treatment agent [(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxy silane, Difunctional epoxy or 4,4-diaminodiphenylene-methane] The fiber was coated with. Biodegradable thermoplastic resin with water decomposition inhibitor (Zico) - ZIKA-AH362, heat stabilizer (Zico) - ZIKANOX-549DF, nanoclay [MMT (Nanoko - na+ d 3.15nm, particle size 10um or less)] and bentonite [15A, d 3.15nm, particle size 10um or less, 54.5% Bentonite + 43% (ammonium compound + animal fatty acid Alkyldimetyl chloride)] were mixed and extruded to impregnate the fiber.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 프리프레그는 Strand 제조 후 pellet(약 6mm, 약 10~12mm pellet) 및 집속 tape(12~20str. 폭 10~20cm, 두께 0.3mm) 로 각각 제조하였다.As shown in Figure 2, after manufacturing the strand, the prepreg was manufactured into a pellet (approximately 6 mm, approximately 10-12 mm pellet) and a focusing tape (12-20 str. width 10-20 cm, thickness 0.3 mm), respectively.
조성별함침 상태를 간단하게 비교할 수 있는 펠렛후의 성상비교를 실시하였다. 상세한 Strand 및 pelleting 샘플의 조성은 하기 표 1에 나타내었다.A comparison of properties after pelleting was conducted to enable simple comparison of impregnation states by composition. Detailed compositions of the strand and pelleting samples are shown in Table 1 below.
[표 1][Table 1]
상기 제조된 샘플들의 특성은 하기와 같다.The characteristics of the prepared samples are as follows.
- 천연섬유 및 라이오셀을 인발함침하여 장섬유 펠렛화- Long fiber pellets are made by drawing and impregnating natural fibers and lyocell.
- 10mm 이상의 장섬유 펠렛 보다 3~8mm의 단섬유 펠렛으로 제조시 섬유의 분배와 분산 면에서 유리하며, 내충격물성의 측면에서는 섬유길이가 긴 것이 유리함- It is advantageous in terms of distribution and dispersion of fibers when manufacturing short-fiber pellets of 3 to 8 mm rather than long-fiber pellets of 10 mm or more, and long fiber length is advantageous in terms of impact resistance properties.
- 짧은 LFT pellet의 경우, 수지의 함침도에 민감한 펠렛 형상을 보임(도 14 참조)- In the case of short LFT pellets, the pellet shape is sensitive to the degree of resin impregnation (see Figure 14).
- 함침도가 떨어질 경우 갈라짐 및 미함침 섬유의 뭉침 등이 발생- If the degree of impregnation is low, cracking and clumping of unimpregnated fibers occur.
- 펠렛의 외관형상은 개략적 함침 상태를 보임: 갈라짐 및 섬유 날림이 적을수록 열가소성 수지의 함침상태가 우수함, 섬유함량이 증가 시에는 유사한 함침상태에서도 갈라짐이 다소 증가함- The external appearance of the pellet shows a rough impregnation state: the less cracking and flying fibers, the better the impregnation state of the thermoplastic resin. When the fiber content increases, the cracking slightly increases even in a similar impregnation state.
- 1260 데니아의 섬유의 경우에는 1650 데니아의 경우 보다 섬유 함량이 높음에도 불구하고 양호한 펠렛 성상을 보임. - In the case of 1260 denier fiber, good pellet properties were shown despite the fiber content being higher than that of 1650 denier fiber.
한편, 하기의 표 2는 연속섬유 1260 및 1650 데니아-무연섬유(Blank)를 인발함침으로 제조한 프리프레그 0/(90/0)5 시편의 섬경별 blank 조성을 나타내었다.Meanwhile, Table 2 below shows the blank composition by fiber diameter of the prepreg 0/(90/0) 5 specimen manufactured by drawing and impregnating continuous fiber 1260 and 1650 denier lead-free fiber (blank).
[표 2][Table 2]
하기의 표 3은 연속섬유 1260 및 1650 데니아-무연섬유(Blank)로 제조한 인발함침 프리프레그 0/(90/0)5 시편의 섬경별 blank 물성을 보인다. Table 3 below shows the blank physical properties by fiber diameter of the drawn and impregnated prepreg 0/(90/0) 5 specimens manufactured with continuous fiber 1260 and 1650 denier-lead-free fiber (blank).
[표 3][Table 3]
1260denia를 이용한 경우가 1650denia를 이용한 경우 보다 낮은 함량임에도 불구하고 높은 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, ILSS 값을 보였다.The case of using 1260denia showed higher tensile strength, flexural strength, flexural modulus, and ILSS values despite having a lower content than that of 1650denia.
실시예 2: 장섬유 복합재료의 사출 성형 물성 분석Example 2: Analysis of injection molding properties of long fiber composite materials
1) Lyocell 및 kenaf LFT(Long fiber thermoplastic) 사출 조성 1) Lyocell and kenaf LFT (Long fiber thermoplastic) injection composition
Kenaf LFT와 lyocell LFT on PLA, 섬유함량 10%, 20%인 샘플을 비교하였고, PLA base 성형 후 인장강도 굴곡 강도를 분석하였다. 구체적인 조성은 하기 표 4에 나타내었다.Kenaf LFT and lyocell LFT on PLA, samples with 10% and 20% fiber content were compared, and tensile and flexural strengths were analyzed after forming the PLA base. The specific composition is shown in Table 4 below.
[표 4][Table 4]
2) Lyocell 및 kenaf LFT 사출 시편의 물성 분석 2) Physical property analysis of Lyocell and kenaf LFT injection specimens
Lyocell 및 kenaf LFT 사출 시편의 물성 분석결과는 하기 표 5에 나타내었다.The physical property analysis results of Lyocell and kenaf LFT injection specimens are shown in Table 5 below.
[표 5][Table 5]
3) 사출물의 인장강도 분석3) Tensile strength analysis of injection molded products
상기 사출물의 인장강도 결과는 도 3 및 도 4에 나타내었다. The tensile strength results of the injection molded product are shown in Figures 3 and 4.
도 3 및 4를 참조하면, 인장강도는 Lyocel LFT가 Kenaf LFT 보다 높게 나타났다.Referring to Figures 3 and 4, the tensile strength of Lyocel LFT was higher than that of Kenaf LFT.
PLA의 결정화도 개선 및 약간의 Epoxy 수지 사용을 통하여 섬유 계면 접착력 등이 향상되므로 인장강도의 추가적인 개선효과는 있었다: Blank(L175) < 3.5%, PLA D-type(D070) < 3.5% Epoxy (금호폴리켐 KER3004) By improving the crystallinity of PLA and using a small amount of epoxy resin, the fiber interface adhesion was improved, resulting in an additional improvement in tensile strength: Blank (L175) < 3.5%, PLA D-type (D070) < 3.5% Epoxy (Kumho Poly) Chem KER3004)
비교예인 MAH-graft PP (MP600) 및 Poly Carprolactone의 첨가 시에는 오히려 인장/굴곡물성이 감소하였다.When MAH-graft PP (MP600) and Poly Carprolactone, which are comparative examples, were added, the tensile/flexural properties actually decreased.
PLA 자체의 인장 물성 특성이 매우 우수하여 섬유 강화 복합재료 제조를 통하여 추가적인 물성 향상이 쉽지 않음을 알 수 있었다.It was found that the tensile properties of PLA itself were very excellent, so it was not easy to further improve the properties through the manufacture of fiber-reinforced composite materials.
4)사출물의 굴곡물성 분석 4)Analysis of bending properties of injection molded products
상기 사출물들의 굴곡강도는 인장강도의 경향과 유사하였다. 굴곡탄성율은 기재수지 대비, Flex 10%에서 142%, Flex 20% 사용시 200% 개선, Lyocell 10%에서 130%, Lyocell 20% 사용시 170% 개선되어 flex가 lyocell보다 유리하였다. 굴곡탄성율 역시 PLA 자체의 물성이 매우 우수한 편이며 섬유 강화 복합재료 제조를 통하여 추가적인 향상이 이루어지지만 타수지에 비하여 월등히 개선되는 수준은 아니다.The flexural strength of the injection molded products was similar to the tensile strength trend. Compared to the base resin, the flexural modulus improved by 142% with 10% Flex, 200% when using 20% Flex, 130% with 10% Lyocell, and 170% when using 20% Lyocell, giving flex an advantage over lyocell. The flexural modulus is also very excellent in the physical properties of PLA itself, and although further improvement is achieved through the manufacture of fiber-reinforced composite materials, it is not significantly improved compared to other resins.
한편, 도 5 및 도 6을 참조하면 연속섬유를 인서트하여 시편을 제조한 경우 굴곡물성 및 인장 물성 등이 크게 개선된 결과를 나타내었다.Meanwhile, referring to Figures 5 and 6, when a specimen was manufactured by inserting continuous fibers, the flexural properties and tensile properties were significantly improved.
천연섬유 및 라이오셀 사출시편을 섬유함량별(10%,20% 등)로 성형하고, 인서트할 라이오셀 연속섬유 프리프레그를 미리 재단하여 준비하였다.Natural fiber and Lyocell injection specimens were molded by fiber content (10%, 20%, etc.), and Lyocell continuous fiber prepreg to be inserted was cut and prepared in advance.
라이오셀 연속섬유 프리프레그를 미리 인서트한 후에 사출하여 라이오셀 연속섬유 프리프레그를 결합시켰다.The Lyocell continuous fiber prepreg was inserted in advance and then injected to combine the Lyocell continuous fiber prepreg.
저가의 kenaf 및 milled Lyocell 등을 이용하여 사출 조성물을 구성하고, 물성이 우수한 연속 섬유 복합재료를 삽입사출하여 굴곡탄성율과 굴곡강도를 효율적으로 개선하고, 인장강도와 탄성율을 크게 개선하며 복합재료의 연성을 2배에서 3배까지 개선하였다.The injection composition is composed of low-cost kenaf and milled Lyocell, and continuous fiber composite material with excellent physical properties is inserted and injected to efficiently improve the flexural modulus and flexural strength. The tensile strength and modulus of elasticity are greatly improved, and the ductility of the composite material is improved. was improved from 2 to 3 times.
5) 사출시편의 함수율 비교 5) Comparison of moisture content of injection specimens
사출시편의 함수율을 비교하여 하기 표 6에 나타내었다.The moisture content of the injection specimens was compared and shown in Table 6 below.
함습 및 함수율은 lyocell 복합재료가 Kenaf에 대비하여 적었으며, 함습율이 섬유함량 대비 가중 증가하였다. 또한 에폭시수지를 사용한 경우 함습율이 다소 감소하였다. Moisture and water content were lower for the lyocell composite material compared to Kenaf, and the moisture content increased in proportion to the fiber content. Additionally, when epoxy resin was used, the moisture content decreased somewhat.
[표 6] [Table 6]
6) 사출시편의 결정화 거동 분석 6) Analysis of crystallization behavior of injection specimens
사출시편의 결정화 거동을 분석하여 도 7에 나타내었다. The crystallization behavior of the injection specimen was analyzed and shown in Figure 7.
Oven aging(105도, 90분) 전후의 DSC 비교 결과, 분자량이 높은 Epoxy 수지는 D-type PLA와 유사하게 결정화를 유도하였고, Epoxy resin KER 3004 3.5phr를 사용시 인장/굴곡 물성이 상승하였다.As a result of DSC comparison before and after oven aging (105 degrees, 90 minutes), the high molecular weight epoxy resin induced crystallization similar to D-type PLA, and the tensile/flexural properties increased when using epoxy resin KER 3004 3.5phr.
실시예 3: 연속 섬유 프리프레그를 통한 충격 강도 개선 Example 3: Improving impact strength through continuous fiber prepreg
1) milled섬유 또는 장섬유 라이오셀을 혼합하여 사출 및 압축성형한 시편과 라이오셀 연속섬유 복합재료의 압축시편(50% lyocell/PLA, 0/90/0/90/0도)에 대하여 unnotched izod iimpac strength를 비교하고 이를 섬유 길이 별로 충격강도를 비교한 결과, 연속섬유 혼입시 충격강도가 4배 이상 월등히 개선됨을 알 수 있었다(도 8, 표 7 및 표 8 참조). 1) Unnotched izod for specimens injection and compression molded by mixing milled fiber or long fiber lyocell and compressed specimens of Lyocell continuous fiber composite material (50% lyocell/PLA, 0/90/0/90/0 degrees) As a result of comparing the iimpac strength and the impact strength by fiber length, it was found that the impact strength was significantly improved by more than 4 times when continuous fibers were incorporated (see Figure 8, Table 7 and Table 8).
불연속섬유의 압축 및 사출 시편의 경우에는 혼합하는 섬유의 길이가 증가하면 충격강도가 증가하기는 하나, 충분히 향상된 값은 보이지는 못하며 섬유의 함량이 30%이상 증가하여도 충격강도를 크게 개선하기 어려움 In the case of compressed and extruded specimens of discontinuous fibers, the impact strength increases as the length of the mixed fibers increases, but sufficiently improved values are not observed, and it is difficult to significantly improve the impact strength even when the fiber content increases by more than 30%.
해결방안 : 연속섬유 프리프레그의 혼입을 통하여 충격강도를 크게 개선할 수 있음Solution: Impact strength can be greatly improved through the incorporation of continuous fiber prepreg.
[표 7][Table 7]
[표 8][Table 8]
2) 연속 섬유 프리프레그를 통한 충격 강도 개선 - 면충격 강도(Instron Dynatub 9350) 2) Improvement of impact strength through continuous fiber prepreg - surface impact strength (Instron Dynatub 9350)
면충격 강도, dynatub (Instron)장비를 이용하여 lyocell chopped fiber와 PLA 기재의 연속섬유 프리프레그와 비교하여 하기 표 9에 나타내었다. Surface impact strength was compared with lyocell chopped fiber and PLA-based continuous fiber prepreg using dynatub (Instron) equipment and is shown in Table 9 below.
자동차용 부품 중에서 Knee Bolster, Lower Impact bar, Under cover, Load Floor등에 주로 사용하고 있는 수준의 advanced glass fiber composite인 WLFT 311BL을 생분해성 복합수지로 대체 가능한 수준을 달성할 수 있는지 비교하였다.Among automotive parts, we compared whether WLFT 311BL, an advanced glass fiber composite mainly used in knee bolsters, lower impact bars, under covers, and load floors, could be replaced with biodegradable composite resin.
Lyocell 연속섬유 복합재를 교차 적층 또는 직조 lyocell 복합재를 사용하여 상기 목표 물성을 달성할 수 있는 것을 확인하였으며, 친환경적 생분해성 복합재료만으로 유리섬유복합재료를 대체할 수 있음을 알 수 있었다. It was confirmed that the above target properties could be achieved by using cross-laminated or woven lyocell continuous fiber composites, and it was found that glass fiber composites could be replaced with only eco-friendly biodegradable composites.
[표 9][Table 9]
3) 연속 섬유 프리프레그를 통한 충격강도 개선 - 연성(Toughness)3) Improved impact strength through continuous fiber prepreg - Toughness
이러한 연속섬유 보강을 통한 충격강도의 개선 효과는 B-CFRTP를 인서트한 시편의 인장 측정 시 파악할 수 있는 (stress strain curve의 파단시점까지의 단면적) 연성(ductility) 값의 비교에서도 나타난다(도 9 참조). 즉, 사출시편에 비하여 B-CFRTP를 인서트한 시편의 ductility 값이 2~3배 증가함을 볼 수 있었다.The effect of improving impact strength through continuous fiber reinforcement is also seen in a comparison of ductility values (cross-sectional area up to the point of fracture of the stress strain curve) that can be determined when measuring the tension of a specimen with B-CFRTP insert (see Figure 9). ). In other words, it was seen that the ductility value of the specimen with B-CFRTP insert increased by 2 to 3 times compared to the injection specimen.
실시예 4; 라이오셀 연속섬유 평직물 생분해성 프리프레그의 제조Example 4; Manufacturing of Lyocell continuous fiber plain fabric biodegradable prepreg
생분해성 프리프레그를 냉각하여 최종 프리프레그를 제조하였다. The final prepreg was prepared by cooling the biodegradable prepreg.
하기 표 10은 함침 공정 진행 상에서 직물 및 필름 간의 적층 조성을 보인다.Table 10 below shows the laminate composition between fabric and film during the impregnation process.
구체적으로는, Lyocell(1260d) 직물 105mm×3.5m 건조 무게 524g(142.58g/m2),Specifically, Lyocell (1260d) fabric 105mm×3.5m dry weight 524g (142.58g/m2);
PBATfilm (PBAT /PLA(65/45)) 800*3.5 207.92g (74.26 g/m2),PBATfilm (PBAT /PLA(65/45)) 800*3.5 207.92g (74.26 g/m2),
PLA film(PLA/PBAT(95/5) 840*300mm 7.44 (29.52 g/m2)PLA film(PLA/PBAT(95/5) 840*300mm 7.44 (29.52 g/m2)
[표 10][Table 10]
도 10은 1260 데니아의 섬유와 1650 데니아의 섬유를 이용하여 섬유 굵기, 계면 상태 및 기재수지 별 인장 강도(Mpa)를 보인다.Figure 10 shows the tensile strength (Mpa) for each fiber thickness, interface state, and base resin using 1260 denier fibers and 1650 denier fibers.
도 11은 1260 데니아의 섬유와 1650 데니아의 섬유를 이용하여 섬유 굵기, 계면 상태 및 기재수지 별 인장 탄성률(Gpa)를 보인다.Figure 11 shows the tensile modulus (Gpa) of fiber thickness, interface state, and base resin using 1260 denier fiber and 1650 denier fiber.
도 12는 1260 데니아의 섬유와 1650 데니아의 섬유를 이용하여 섬유 굵기, 계면 상태 및 기재수지 별 굴곡강도(Mpa)를 보인다.Figure 12 shows the flexural strength (Mpa) for each fiber thickness, interface state, and base resin using 1260 denier fiber and 1650 denier fiber.
도 13은 1260 데니아의 섬유와 1650 데니아의 섬유를 이용하여 섬유 굵기, 계면 상태 및 기재수지 별 굴곡탄성율(Gpa)를 보인다.Figure 13 shows the flexural modulus (Gpa) for each fiber thickness, interface state, and base resin using 1260 denier fiber and 1650 denier fiber.
실시예 4의 실험결과인 도 10 내지 도 13의 결과를 통하여 직물의 필름 용융압착의 방법을 통하여 라이오셀 연속섬유 복합체를 제조할 때 라이오셀의 단위섬유 다발의 가닥수가 800필라멘트 내외로 탄소섬유 및 유리섬유들에 비하여 적은 가닥수로 생산되기 때문에 제직물의 면중량이 50 내지 300 g/m2로서 낮게 유지할 수 있기 때문에 이러한 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그를 필름과 적츨 압착하는 방법으로 용이하게 제조하는 것이 가능하다는 것을 알았다.Through the results of FIGS. 10 to 13, which are the experimental results of Example 4, when manufacturing a Lyocell continuous fiber composite through the method of melting and pressing a fabric film, the number of strands of the unit fiber bundle of Lyocell is about 800 filaments, and carbon fiber and Because it is produced with a smaller number of strands than glass fibers, the cotton weight of the woven fabric can be kept low at 50 to 300 g/m 2 , so biodegradable prepreg using lyocell, which is characterized by this, is pressed and pressed with a film. It was found that it was possible to easily manufacture it using this method.
또한, 에폭시 수지 및 나노클레이를 분산한 에폭시관능기를 갖는 화합물등을 섬유의 계면결합제로서 스프레이 코팅하므로써 그 물성이 약 70%이상 개선되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 개선된 생분해성프리프레그는 실시예 2에서와 같이 인서트사출시 일방향 프리프레그와 동등한 부재로 사용이 가능하다. 또한 기타 재료의 보강 목적으로 활용하는데에 유용하다.In addition, it can be seen that the physical properties are improved by about 70% or more by spray coating a compound having an epoxy functional group in which epoxy resin or nanoclay is dispersed as an interfacial binder for the fiber. This improved biodegradable prepreg can be used as an equivalent member to the unidirectional prepreg during insert injection as in Example 2. It is also useful for reinforcing other materials.
Claims (14)
상기 프리프레그는 일방향성 프리프레그 또는 직물형 프리프레그인 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
It includes a prepreg made of Lyocell continuous fibers impregnated with a biodegradable thermoplastic resin,
The prepreg is a biodegradable prepreg using lyocell, characterized in that it is a unidirectional prepreg or a fabric-type prepreg.
상기 프리프레그를 구성하는 라이오셀 섬유의 기본 단위가 되는 섬유의 가닥수는 약 600에서 1200가닥인 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
In paragraph 1.
A biodegradable prepreg using lyocell, characterized in that the number of strands of fibers, which are the basic units of lyocell fibers constituting the prepreg, is about 600 to 1200 strands.
상기 직물형 프리프레그는,
생분해성 열가소성 수지층과 라이오셀 연속섬유를 평직으로 제직한 층을 두께 방향으로 적층하여 하나 이상의 층으로 이루어진 것을 포함하고,
상기 하나의 층의 섬유면중량은 50 내지 300 g/m2인 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
According to paragraph 2,
The fabric-type prepreg,
It includes one or more layers by laminating a biodegradable thermoplastic resin layer and a layer of lyocell continuous fibers woven in a plain weave in the thickness direction,
A biodegradable prepreg using lyocell, characterized in that the fiber surface weight of one layer is 50 to 300 g/m 2 .
상기 라이오셀 연속섬유는 단일섬유 기준으로 1 내지 2 데니아 무연 또는 유연 섬유인 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
According to paragraph 1,
The Lyocell continuous fiber is a biodegradable prepreg using Lyocell, characterized in that it is a 1 to 2 denier lead-free or flexible fiber based on a single fiber.
상기 생분해성 열가소성 수지는 아미노기, 글리시딜기 및 아민기 실란계 계면접착제, 에폭시 레진 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
According to paragraph 1,
The biodegradable thermoplastic resin is a biodegradable prepreg using Lyocell, wherein the biodegradable thermoplastic resin includes at least one selected from the group consisting of amino group, glycidyl group, and amine group silane-based interfacial adhesive, epoxy resin, and combinations thereof.
상기 생분해성 열가소성 수지는 나노클레이, 나노파티클, 벤토나이트 또는 그래핀 나노 입자를 0.1 내지 3 wt% 포함하는 글리시딜기 실란계 계면접착제 또는 에폭시 레진을 포함하는 것인 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
According to paragraph 1,
The biodegradable thermoplastic resin is a biodegradable prepreg using Lyocell, which includes a glycidyl group silane-based interfacial adhesive or epoxy resin containing 0.1 to 3 wt% of nanoclay, nanoparticles, bentonite, or graphene nanoparticles.
상기 생분해성 열가소성 수지에 0.5 내지 5 wt%의 폴리아미드6 폴리케톤, PLA(Poly lactic acid), PBAT(Poly-Butylene Adipate Terephthalate), PSA(Poly succinic acid), PBS(poly Butylene Succinate), PCL(Polycaprolactone), 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS), PHB(Poly Hyroxy Butyrate), PHA((Poly Hyroxy Akanoate), 셀룰로스아세테이트, 폴리 비닐 알코올 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 첨가하는 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그.
According to paragraph 1,
0.5 to 5 wt% of polyamide 6 polyketone, PLA (poly lactic acid), PBAT (poly-butylene adipate terephthalate), PSA (poly succinic acid), PBS (poly Butylene Succinate), and PCL ( Adding one or more selected from the group consisting of polycaprolactone), thermoplastic starch (TPS), PHB (Poly Hyroxy Butyrate), PHA (Poly Hyroxy Akanoate), cellulose acetate, polyvinyl alcohol, and combinations thereof. Characterized by biodegradable prepreg using lyocell.
(b) 상기 공급된 라이오셀 연속섬유를 정렬하는 단계;
(c) 상기 라이오셀 연속섬유에 표면 처리제를 코팅하는 단계;
(d) 상기 코팅된 라이오셀 연속섬유를 예열(preheating) 및 스프레딩(spreading)하는 단계; 및,
(e) 생분해성 열가소성 수지를 압출하여 상기 (d)단계를 거친 라이오셀 연속섬유에 함침하여 생분해성 프리프레그를 제조하는 단계;를 포함하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법.
(a) supplying lyocell continuous fibers;
(b) aligning the supplied Lyocell continuous fibers;
(c) coating a surface treatment agent on the Lyocell continuous fiber;
(d) preheating and spreading the coated Lyocell continuous fiber; and,
(e) manufacturing a biodegradable prepreg by extruding a biodegradable thermoplastic resin and impregnating the lyocell continuous fibers that have undergone step (d) above to produce a biodegradable prepreg.
상기 (d)단계 이후 상기 생분해성 프리프레그를 냉각하는 단계를 추가 포함하는 것인 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법.
According to clause 8,
A method for producing a biodegradable prepreg using lyocell, further comprising the step of cooling the biodegradable prepreg after step (d).
상기 생분해성 열가소성 수지는 나노클레이, 나노파티클, 벤토나이트 또는 그래핀 나노 입자를 0.1 내지 3 wt% 포함하는 글리시딜기 실란계 계면접착제 또는 에폭시 레진을 포함하는 것인 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법.
According to clause 8,
The biodegradable thermoplastic resin is a biodegradable prepreg using Lyocell, which includes a glycidyl group silane-based interfacial adhesive or epoxy resin containing 0.1 to 3 wt% of nanoclay, nanoparticles, bentonite, or graphene nanoparticles. Manufacturing method.
상기 표면 처리제는 실란커플링제 및 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법.
According to clause 8,
A method of producing a biodegradable prepreg using lyocell, wherein the surface treatment agent is a silane coupling agent and an epoxy resin.
상기 (e)단계에서, 상기 생분해성 열가소성 수지는 산화방지제 및 가수분해방지제를 배합하여 혼합한 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법.
According to clause 8,
In step (e), the biodegradable thermoplastic resin is a method of producing a biodegradable prepreg using lyocell, characterized in that the biodegradable thermoplastic resin is mixed with an antioxidant and a hydrolysis inhibitor.
상기 산화방지제 및 가수분해방지제를 0.3 phr 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 라이오셀을 이용한 생분해성 프리프레그의 제조방법.
According to clause 12,
A method for producing a biodegradable prepreg using lyocell, characterized in that it contains 0.3 phr or more of the antioxidant and hydrolysis inhibitor.
상기 프리프레그층의 일 단면에 적층되는 불연속수지층을 포함하는 생분해성 프리프레그 복합재.A prepreg layer containing a biodegradable prepreg using lyocell according to claim 1; and
A biodegradable prepreg composite comprising a discontinuous resin layer laminated on one cross section of the prepreg layer.
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KR1020220186588A KR20240104381A (en) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | Biodegradable prepreg using lyocell and manufacturing method thereof |
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KR20140080481A (en) | 2011-10-05 | 2014-06-30 | 다이셀 폴리머 가부시끼가이샤 | Fiber-reinforced resin composition |
KR20170139108A (en) | 2015-04-21 | 2017-12-18 | 미츠비시 가스 가가쿠 가부시키가이샤 | Fiber reinforced thermoplastic resin composition |
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KR20170139108A (en) | 2015-04-21 | 2017-12-18 | 미츠비시 가스 가가쿠 가부시키가이샤 | Fiber reinforced thermoplastic resin composition |
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