(57)【要約】  本発明は、プラスチック層；及び前記プラスチック層の一面又は両面に合紙された鋼板を含み、前記プラスチック層が鋼板と合紙される側の表面は極性作用基が導入された構造である複合素材及びその製造方法を提供し、前記複合素材は、自動車用部品あるいは構造体などで活用が可能である。
2021507832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック層；及び
前記プラスチック層の一面又は両面に合紙された鋼板を含み、
前記プラスチック層の鋼板と合紙される側の表面は極性作用基が導入された構造であることを特徴とする、複合素材。
【請求項２】
前記極性作用基は、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、カルボキシ基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）、アミノ基（−ＮＨ２）、ヒドロペルオキシ基（−ＯＯＨ）、ペルオキシ基（−ＯＯ−）、チオール基（−ＳＨ）及びイソシアネート基（−ＮＣＯ）のうち１種以上を含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項３】
前記プラスチック層は、エンジニアリングプラスチックで形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項４】
前記プラスチック層と前記鋼板との間には、別の接着剤層は介在されないことを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項５】
前記プラスチック層と前記プラスチック層に合紙された鋼板の厚さの割合は、３：１〜１：５の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項６】
プラスチック層と接する側の鋼板表面には、プラスチック粒子が分散された構造であることを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項７】
前記鋼板のプラスチック層と接する面は、メッキ層が形成された構造であり、
前記プラスチック粒子は、メッキ層の表面に分散された形態であり、
前記メッキ層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１〜５μｍの範囲であることを特徴とする、請求項６に記載の複合素材。
【請求項８】
前記プラスチック粒子の平均粒径は、０．２〜５０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項７に記載の複合素材。
【請求項９】
前記複合素材は、鋼板、プラスチック層及び鋼板が順次合紙された構造であることを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項１０】
前記複合素材は、自動車用素材であることを特徴とする、請求項１に記載の複合素材。
【請求項１１】
プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び
前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を加熱乃至加圧条件で合紙するステップを含むことを特徴とする、複合素材の製造方法。
【請求項１２】
プラスチック層を表面改質するステップは、
ＵＶ処理、オゾン処理、ラジカル反応、クラフト反応及び架橋剤処理のうちいずれか一つ以上の工程を通じて行うことを特徴とする、請求項１１に記載の複合素材の製造方法。
【請求項１３】
プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を合紙するステップは、連続的に行われることを特徴とする、請求項１１に記載の複合素材の製造方法。
【請求項１４】
前記鋼板は、プラスチック層と合紙される表面に平均粒径が１０〜５０μｍの範囲であるプラスチック粒子が噴射された形態であることを特徴とする、請求項１１に記載の複合素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互引用
本出願は、２０１７年１２月２１日に提出された大韓民国特許出願第１０−２０１７−０１７７１０９号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本発明は、鋼板及び作用基が導入されたプラスチック層が合紙された複合素材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
去る２０年間過度なエネルギー使用問題が話題に浮び上がって、エネルギー使用を減らすために産業全般で素材を軽量化しようとする動きが活発である。深刻なエネルギー使用による環境汚染問題と自動車需要の急激な増加によるエネルギー資源の枯渇に対する恐れがますます深くなっている。それによって、素材の軽量化に対する活発な研究が進行されており、さらにアルミニウムなどのような軽量素材の使用量も毎年増加している。
【０００４】
特に自動車産業で自動車素材の軽量化は、長年の時間の間持続してきた関心事であると同時にすべての自動車企業において次世代開発目標である。世界的に有名な自動車製造社と部品、素材関連企業等は、自動車の軽量化のための新素材の開発と採用を通じて高い燃費効率を有した自動車生産を目標として熾烈な技術競争をしている。
【０００５】
軽量素材の中でもアルミニウムは、非鉄系素材のうち自動車素材として最も広く用いられており、特に自動車外装のパネル用で適用される割合が増加している。しかし、アルミニウムは、加工過程で多くのエネルギーが消耗され、価格的な面で不利であるという問題がある。
【０００６】
アルミニウムに対する対応素材として厚さが薄い高強度鋼板が頭をもたげている。高強度鋼板を用いる場合、厚さが薄くなって外板剛性が不足であるという問題がある。また、一定厚さ以下の高強度鋼板は、加工過程中に微細シワあるいはスプリングバック現象が発生する限界がある。
【０００７】
さて、その代案として鋼板の間に接着性質を有した軽い高分子層を挿入した軽量サンドイッチ鋼板が研究されている。しかし、このようなプラスチック層を挿入した形態の複合鋼板は、プラスチック層と鋼板の接合のために接着剤を塗布した後に合紙するか鋼板の表面にプラズマ処理した後に合紙する工程などを行っている。しかし、接着剤を塗布する方式は、有害物質が発生するか加工あるいは温度変化によって界面が開く問題があり、鋼板の表面にプラズマを処理する方式は、プラスチック層と鋼板の間に十分な接着力が確保されないという限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許公開第２０１６−０３１８２９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、プラスチック層の表面改質を通じて極性作用基を導入し、これを通じてプラスチック層と鋼板の間に十分な接着力を付与した軽量化された複合素材及びその製造方法を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一つの実施形態で、
プラスチック層；及び
前記プラスチック層の一面又は両面に合紙された鋼板を含み、
前記プラスチック層の鋼板と合紙される側の表面は極性作用基が導入された構造である複合素材を提供する。
【００１１】
他の一つの実施形態で、プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び
前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を加熱乃至加圧条件で合紙するステップを含む複合素材の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による複合素材は、プラスチック層の表面に極性作用基を導入することで、鋼板とプラスチック層の間に十分な接着力を提供し、自動車用部品あるいは自動車用構造体などで活用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、プラスチック層の表面に極性作用基を導入する過程を示した模式図である。
【００１４】
【図２】図２は、本発明の一つの実施形態による複合素材の製造過程を示した模式図である。
【００１５】
【図３】図３は、実施例及び比較例による複合素材の曲げ実験結果を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一つの実施形態による複合素材は、
プラスチック層；及び
前記プラスチック層の一面又は両面に合紙された鋼板を含み、
前記プラスチック層の鋼板と合紙される側の表面は極性作用基が導入された構造である。
【００１７】
本発明による複合素材は、薄型の高強度鋼板を用いることで、耐デント性を付与し、優れた価格競争力の確保が可能である。前記鋼板とプラスチック層を合紙した構造を通じて、薄型鋼板の使用による外板剛性を補完し、且つ軽量化が可能である。また、薄型の高強度鋼板とプラスチック層を合紙することで、加工過程で発生する微細シワあるいはスプリングバックなどの現象を防止することができる。前記複合素材の構造は、鋼板とプラスチック層が合紙された２層構造であるか、鋼板、プラスチック層及び鋼板が順次合紙された３層構造である場合を含む。
【００１８】
本発明では、鋼板とプラスチック層の接合力を高めるためにプラスチック層の表面に極性作用基が導入された構造を適用する。前記極性作用基は、無極性作用基と対比される意味であり、親水性作用基で解釈が可能である。前記極性作用基は、例えば、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、カルボキシ基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）、アミノ基（−ＮＨ２）、ヒドロペルオキシ基（−ＯＯＨ）、ペルオキシ基（−ＯＯ−）、チオール基（−ＳＨ）及びイソシアネート基（−ＮＣＯ）のうち１種以上を含む。
【００１９】
また、本発明で、プラスチック層に適用される素材は、エンジニアリングプラスチックで形成される。エンジニアリングプラスチックとは、工業材料・構造材料で用いられる剛度が高いプラスチックを総称する意味である。エンジニアリングプラスチックは、分子量が数十万〜数百万範囲の高分子物質という点で数十〜数百程度の低分子物質である従来のプラスチックとは区分される概念である。エンジニアリングプラスチックの性能と特徴はその化学構造によって異なるが、主に、ポリアミド、ポリアセチル、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリブチレンテレフタレートなどがあり、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルあるいはポリウレタンなども含まれる。例えば、前記ポリアミド樹脂は、表面硬度、曲げ強度及び耐アルカリ性に優れ、ナイロン６あるいはナイロン６６などが知られている。
【００２０】
また他の一つの例示で、本発明による複合素材は、鋼板とプラスチック層の合紙に別途の接着剤層が要求されない。前記プラスチック層の表面は、極性作用基が導入されるように改質された状態であり、前記プラスチック層の表面に導入された極性作用基は、鋼板との接合力を付与するようになる。したがって、鋼板とプラスチック層の間の合紙のために別途の接着剤層を形成しなくても接合力に優れた複合素材を具現することができる。
【００２１】
また、本発明による複合素材は、鋼板の一面あるいは鋼板と鋼板の間にプラスチック層を合紙することで、素材の軽量化が可能である。例えば、前記プラスチック層と前記プラスチック層に合紙された鋼板の厚さの割合は、３：１〜１：５の範囲、あるいは２：１〜１：２の範囲であってもよい。鋼板とプラスチック層の厚さを前記範囲に制御することで、複合素材の剛性と軽量化を同時に具現することができる。
【００２２】
また他の一つの例示で、本発明による複合素材に適用される鋼板の表面にはプラスチック微細粒子が分散された構造であってもよい。例えば、プラスチック層と接する側の鋼板表面にはプラスチック粒子が分散された構造である。
【００２３】
一つの例示で、前記プラスチック層とプラスチック粒子は同種樹脂で形成される。例えば、前記プラスチック層は、ポリアミド樹脂、具体的には、ナイロン６樹脂で形成され、前記プラスチック粒子も同種の樹脂で形成された構造である。鋼板の表面に分散されたプラスチック粒子とプラスチック層を形成する樹脂の種類を同一にすることで、加熱及び加圧条件で両層を接合する過程で同種樹脂間の優れた接合力を具現することができる。本発明で同種樹脂は、同一系列の樹脂で形成された場合を意味し、必要に応じて、樹脂を形成する主鎖は同一であるが、互いに異なる機能基が置換され得るか、部分改質された場合あるいは融点などが相異なっているように設定される場合を含む。
【００２４】
一つの例示で、前記鋼板のプラスチック層と接する面は、メッキ層が形成された構造であり、前記プラスチック粒子は、メッキ層の表面に分散された形態であり、前記メッキ層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１〜５μｍ範囲である。メッキ層としては、特に制限されないが、例えば、亜鉛メッキ層が形成され得る。具体的に、前記メッキ層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１〜４μｍ、０．１〜０．８μｍ又は０．０５〜０．５μｍの範囲であってもよい。一定レベルの粗さが形成されたメッキ層上に微細プラスチック粒子を分散することで、メッキ層と微細プラスチック粒子の間の結合力を高め、ひいては鋼板とプラスチック層の間の接合力を向上させ得る。一つの例示で、メッキ層が形成された鋼板は、亜鉛メッキ鋼板であってもよく、例えば、メッキ用組成０．１１Ａｌ％−０．０５Ｐｂ％− Ｚｎで溶融メッキされた溶融亜鉛メッキ鋼板である。
【００２５】
また、前記プラスチック粒子の平均粒径は、０．２〜５０μｍの範囲である。具体的には、前記プラスチック粒子の平均粒径は、０．２〜０．５μｍ又は１５〜３０μｍの範囲であってもよい。プラスチック粒子の粒径は、鋼板表面の粗さを考慮したものである。もし、鋼板表面の粗さに比べてプラスチック粒子が過度に大きい場合には、鋼板表面の屈曲の間にプラスチック粒子が正しく安着しなくなり、それによって、鋼板とプラスチック粒子が分離されるか接合力が低下される問題が発生する。反対に、プラスチック粒子が過度に小さい場合には、粒子間の相互作用により固まり現象が発生し、粒子が鋼板表面に均一に分散されない問題がある。
【００２６】
本発明で鋼板表面の粗さは、鋼板自体の表面粗さだけでなく、鋼板の表面にメッキ層が形成された場合には、前記メッキ層により形成される表面粗さを意味する。
【００２７】
前記鋼板は、亜鉛メッキ層が形成された場合であり、前記亜鉛メッキ層の表面に形成された山と山の間の谷部分にプラスチック粒子が位置するようになる。これを通じて、鋼板とプラスチック粒子が安定的に接合される。さらに、プラスチック層の表面に導入された極性作用基は、メッキ層あるいはプラスチック粒子との結合力を通じて優れた接合力を具現することができる。例えば、鋼板表面の粗さに比べてプラスチック粒子の粒径が過度に大きい場合には、プラスチック粒子が鋼板表面の粗さ領域内に安着されない。反対に、鋼板の表面粗さに比べてプラスチック粒子の粒径が過度に小さい場合には、プラスチック粒子が相互作用によりプラスチック粒子が互いに固まってクラスタを形成するようになり、クラスタを形成するプラスチック粒子は鋼板表面の粗い領域内に安着されない。
【００２８】
一つの例示で、プラスチック層と接する鋼板の表面には、プラスチック粒子外に導電性粒子及び弾性粒子のうち１種以上が混合分散された場合を含む。鋼板表面に分散される粒子中に導電性粒子を一部混合することで、複合素材の熔接性を高めることができ、必要に応じて、帯電防止性能を付与することができる。また、前記プラスチック粒子とともに弾性粒子を混合分散することで、振動に対する衝撃緩和が可能であり、工程自由度の向上が可能である。
【００２９】
前記導電性粒子は、導電性を付与することができる粒子状成分であれば、制限なしに適用が可能である。例えば、前記導電性粒子は、カーボンブラック、グラファイト又はグラフェンプレートなどの粒子状の炭素成分；金、銅、鉄又はアルミニウムなどの金属粒子；及びポリエチレン、ポリピロール又はポリチオフェンなどの伝導性高分子のうち１種以上が用いられ得、前記伝導性高分子は、必要に応じて、多様な成分でドーピングされた構造であってもよい。
【００３０】
前記弾性粒子は、弾性を付与することができる粒子状成分であれば、制限なしに適用が可能である。前記弾性粒子は、天然又は合成弾性高分子が用いられ得、例えば、ＳＢＳ（ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ−ｂ−ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−ｂ−ｓｔｙｒｅｎｅ））樹脂粒子などを用いることができる。
【００３１】
本発明による複合素材の適用分野は特に制限されず、例えば、自動車用素材で適用が可能である。自動車分野に適用される素材は、軽量性、加工性及び剛性が同時に要求される。本発明による複合素材は、鋼板とプラスチック層を合紙することで軽量性及び剛性を一緒に具現することができる。また、前記複合素材は、鋼板とプラスチック層の間に高い接合力を有するので、加工過程で層間分離現象を防止することができる。本発明による複合素材は、例えば、自動車用部品又は自動車用構造材などに適用が可能である。
【００３２】
また、本発明は、上述した複合素材を製造する方法を提供する。
【００３３】
一つの例示で、前記複合素材を製造する方法は、
プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び
前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を加熱乃至加圧条件で合紙するステップを含む。
【００３４】
前記プラスチック層を表面改質するステップは、プラスチック層の表面に極性作用基を導入することができる場合であれば、特に制限されず、例えば、ＵＶ処理、オゾン処理、ラジカル反応、グラフト反応及び架橋剤処理のうちいずれか一つ以上の工程を通じて行う。
【００３５】
例えば、プラスチック層の表面にＵＶを照射してポリマーの主鎖を切断（ｃｈａｉｎｓｃｉｓｓｉｏｎ）するか、オゾン処理を通じてプラスチック層の表面に親水性を付与するようになる。場合によっては、ラジカル開始剤及び／又は架橋剤を処理してプラスチック層の表面を改質することも可能である。図１は、一つの実施形態によるプラスチック層の表面改質過程を示した模式図である。図１を参照すると、プラスチック層の表面に熱を加えると同時にラジカル開始剤を処理した後、架橋剤を添加して表面を改質するようになる。また他の表面改質方法として、高分子量のプラスチック層の一面又は両面に極性作用基を有する低分子量の樹脂を塗布するか樹脂層を合紙することができる。低分子量の樹脂層を形成することで、同一質量に比べて末端に形成された極性作用基の数を増加させることが可能である。
【００３６】
また他の一つの例示で、本発明による複合素材の製造方法は、プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を合紙するステップは、連続的に行うことができる。プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を合紙するステップを連続的に行うことで、工程時間を縮めて製造コストを低めることができる。この場合、一つの鋼板とプラスチック層を合紙する場合も可能であるが、プラスチック層の両面に第１鋼板及び第２鋼板がそれぞれ合紙される場合も含む。本発明で「プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ；及び前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を合紙するステップは連続的に行う」とは、前記プラスチック層の一面又は両面を極性作用基で表面改質するステップ以後に前記プラスチック層の表面改質された面に鋼板を合紙するステップを連結して行うことを意味し、両ステップの間に別途の接着層を形成するか接着樹脂を塗布する過程を経らないことを示す。
【００３７】
場合によっては、前記鋼板は、プラスチック層と合紙される表面に平均粒径が１０〜５０μｍ範囲であるプラスチック粒子が噴射された形態である。鋼板表面に噴射されるプラスチック粒子は、上述した通りである。例えば、プラスチック粒子を形成する樹脂としては、ナイロン６を用いることができる。ギ酸溶媒にナイロン６樹脂を混合した溶液相を水（ｗａｔｅｒ）に滴下及び撹拌しながらプラスチック粒子を製造することができる。前記溶媒としては、ギ酸外にもメタノール、エタノールあるいはアセトンなどを用いることができる。場合によっては、適正粒径を有するプラスチック粒子を商業的に購買することも可能である。準備されたプラスチック粒子は、例えば、静電気噴射方式を通じて鋼板表面に噴射するようになる。
【００３８】
図２は、本発明の一つの実施形態による複合素材の製造過程を示した模式図である。ナイロン６樹脂で形成されたプラスチック層１０の両面にＵＶ及びオゾンを順次処理して極性作用基を導入した。極性作用基が導入されたプラスチック層１０の両面に鋼板２０、３０を合紙した。加熱及び加圧条件で合紙を行い、鋼板２０、プラスチック層１０及び鋼板３０が順次積層された複合素材を製造した。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例などを通じて本発明をより詳しく説明するが、本発明の範囲がそれによって限定されるものではない。
【００４０】
実験例１
【００４１】
ナイロン６樹脂を用いてプラスチック層を形成し、表面に多様な官能基を導入した。官能基が導入されたプラスチック層と鋼板を加熱及び加圧条件で合紙して複合素材を製造した（実施例）。
【００４２】
前記実施例と同一の方法で複合素材を製造するが、プラスチック層の表面には別の表面改質を行わなかった。その代わりに、鋼板とプラスチック層の間に商業的に入手可能な１液型エポキシ接着剤を塗布した後に合紙する過程を経て複合素材を製造した（比較例）。
【００４３】
実施例及び比較例でそれぞれ製造された複合素材サンプルに対して曲げ程度による剥離有無を評価する実験を行った。実行結果は、図３に示した。図３の（ａ）は、実施例による複合素材サンプルに対する屈曲評価結果を撮影した写真である。図３の（ａ）は、１８０度曲げた場合にも鋼板とプラスチック層の間に剥離現象が発生しないことが分かる。
【００４４】
図３の（ｂ）は、比較例による複合素材サンプルに対する屈曲評価結果を撮影した写真である。図３の（ｂ）は、６０度曲げた時点で鋼板とプラスチック層が部分的に剥離される現象が観察された。サンプルを１８０度まで曲げた場合には、屈曲部位に鋼板とプラスチック層の間の剥離が現われるかプラスチック層が切れる現象が観察された。
【００４５】
実験例２
【００４６】
ナイロン６樹脂を用いてプラスチック層を形成し、表面に多様な官能基を導入した。官能基が導入されたプラスチック層と鋼板を加熱及び加圧条件で合紙して複合素材を製造した（実施例）。前記実施例と同一の方法で複合素材を製造するが、鋼板の表面に官能基を導入し、プラスチック層の表面には、別の表面改質を行えず複合素材を製造した（比較例）。
【００４７】
製造された各複合素材サンプルに対して、鋼板とプラスチック層を分離するために所要される力を測定することで接合力を評価した。各サンプルに対しては、１０回ずつ繰り返して評価を行った。
【００４８】
導入された官能基の種類及び評価結果は、下記表１に整理した（単位：Ｍｐａ）。
【００４９】
【表１】
2021507832.tif 000003
【００５０】
表１を参照すると、官能基を鋼板に導入した比較例に比べてプラスチック層の表面に官能基を導入した実施例の接合力が顕著に優れることが分かる。例えば、鋼板表面に−ＯＨを導入した場合の１０回繰り返し実験後の平均数値は、６．８Ｍｐａであるが、プラスチック層の表面に−ＯＨ基を導入した場合の１０回平均値は、約１９．２Ｍｐａレベルである。これは、実施例が比較例に比べて約２．８倍の接合力が向上されたことである。他の官能基が導入された場合にも実施例が比較例に比べて２．５倍以上接合力に優れることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明による複合素材は、プラスチック層の表面に極性作用基を導入することで、鋼板とプラスチック層の間に十分な接着力を提供し、自動車用部品あるいは自動車用構造体などで活用が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：プラスチック層
２０、３０：鋼板
【図１】
2021507832.tif 000004
【図２】
2021507832.tif 000005
【図３（ａ）】
2021507832.tif 000006
【図３（ｂ）】
2021507832.tif 000007
【国際調査報告】
2021507832.tif 000008
2021507832.tif 000009
2021507832.tif 000010
2021507832.tif 000011