In this study, the effect of felt fabrication direction and addition of poly(ethylene terephthalate) (PET)/kenaf fiber (KF) felt on the properties of polypropylene (PP)/KF composites were investigated. Polyurethane (PU) was used as a binder in the preparation of the PP/KF and PP/KF-PET/KF 2-layer composites, and the composites were manufactured by half-folding method using by hot press at 150 ℃ and 10MPa. The tensile, three-point bending, and Izod impact tests were performed to evaluate the composite’s mechanical properties, and then the correlation between mechanical properties and needle-punching direction was also verified by the test results.

본 연구에서는 펠트의 제조방향과 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET)/케냐프 섬유(KF) 펠트 적용이 폴리프로필렌(PP)/KF 복합체 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. PP/KF와 PP/KF-PET/KF 2-layer 복합체의 제조 시 바인더로 폴리우레탄(polyurethane, PU)을 사용하였으며 150 ℃, 10 MPa의 조건에서 half-folding 방법으로 가열프레스를 이용하여 제조하였다. 인장, 3점 굽힘시험 및 아이조드 테스트가 복합체의 기계적 물성을 평가하기 위해 수행되었고, 시험결과를 이용하여 니들 펀칭 제조방향과 기계적 물성과의 상관관계를 규명하였다.

Keywords: polypropylene, poly(ethylene terephthalate), kenaf, felt composite, needle-punching direction

최근 환경규제가 강화됨에 따라 모든 산업에서 친환경화에 대한 필요성이 대두되고 있다. 자동차 산업 또한 이에 포함되는 산업이고, 매우 큰 규모를 가진 산업이다. 자동차의 친환경화 방법으로는 몇 가지 방법이 제시되었다. 첫 번째 방법은 경량화를 통한 자동차의 연비를 향상시키는 방법이다. 두 번째는 부품에 사용되는 원료 소재를 생산과 폐기 단계에서 이산화탄소의 발생이 상대적으로 적은 천연소재를 이용하는 방법이다. 자동차용 부품에 천연소재를 적용하는 방법은 위 두 가지의 친환경화를 모두 만족하기 때문에 자동차 부품산업에 적용 확대가 예상된다. 일반적으로 자동차 내장부품에 적용되는 고분자 소재기술은 열가소성수지 복합체, 섬유강화플라스틱(fiber reinforced plastic, FRP), 고분자 발포체등이 사용되고 있다.^1-4 현재 자동차용 부품 소재로 가장 많이 사용되는 열가소성 플라스틱은 비중이 낮은 폴리프로필렌(polypropylene, PP)이다.^5-8 상대적으로 굴곡강도 등이 낮은 PP의 기계적 물성을 보강하기 위한 방법으로 친환경화가 가능한 천연섬유(natural fiber, NF) 적용이 시도되고 있다. 천연섬유 중 케나프는 다른 천연섬유들과 비교하여 생장속도가 빠르고, 재배과정에서 이산화탄소의 저감효과가 매우 크기 때문에 많은 관심을 받고 있다.^9-13 일반적으로 천연섬유 강화복합체(natural fiber reinforced plastic, NFRP)는 압출공정을 이용하여 고분자 수지에 천연섬유를 첨가하여 제조하는데, 이경우 고분자 수지에 비해 천연섬유의 부피가 상대적으로 크기 때문에 천연섬유의 함량을 20-40 wt% 이상 첨가하기가 어렵다. 따라서 친환경적인 측면에서 보다 높은 천연섬유의 함량을 가지는 NFRP 제조의 필요성이 부각되고 있고, NF의 함량을 높이려는 연구가 진행 중이다. 높은 NF 함량을 가지는 NFRP의 제조 방법에는 PP와 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(poly(ethylene terephthalate), PET)와 같은 고분자를 섬유로 방사하여 만든 합성섬유와 NF를 카딩(carding)과 니들펀칭(needle punching) 과정을 거쳐 펠트를 만든 후 압축성형하여 강화보드를 만드는 방법이 있으며 섬유를 투입할 때 비율을 조절함으로써 원하는 섬유의 함량을 쉽게 만들 수 있다. 그러나 이러한 강화보드는 사출소재보다 강도와 성형성이 부족한 단점이 있어 자동차 부품 적용에 한계가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 폴리우레탄(polyurethane, PU), 에폭시 수지(epoxy resin), 아크릴 수지(acryl resin) 등과 같은 고분자수지를 바인더(binder)로 사용하여 복합체를 제조하는 연구가 많이 진행되었다.¹⁴ 고분자 바인더를 이용한 NFRP 제조 방법에는 천연섬유와 합성섬유를 펠트로 제조 후, 펠트 위 아래로 바인더를 도포하여 압축성형을 통해 NFRP를 제조한다. 그 후 표면에 PP 계열의 브라켓을 접착하고, 폴리올레핀 계열의 스킨커버링 공정을 거친 후 최종 제품으로 완성된다. 그러나 이러한 제조방법은 NFRP의 표면에 PU 등의 바인더 층이 형성되어 브라켓 접착 및 커버링 공정 시 분리 또는 탈착등의 문제가 발생하기 때문에 표면에 추가적인 처리공정이 필요하고, 그에 따라 제조단가가 상승하는 단점이 존재한다.^15-21 따라서 추가적인 처리공정이 필요없는 새로운 형태의 NFRP 제조방법에 대한 연구가 필요하며, 본 연구실에서는 halffolding 공정을 이용하였다. 이러한 방법으로 제조한 복합체의 경우 압축성형 시 PP 섬유가 융착되어 섬유 보강효과가 극대화되지 못하는 것으로 판단되며 이는 자동차용 부품소재에서 중요한 물성인 굴곡강도의 개선이 미흡한 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 외부층은 PP/KF 펠트를 사용하여 올레핀 계열의 브라켓 접착이 용이하고 중심부는 PET/KF 펠트를 사용하여 섬유상을 유지하여 굴곡강도가 개선되는 효과를 얻고자 하였다. 또한 펠트 층을 접을(half folding) 때 니들펀칭의 진행방향(machine direction, MD)이 굴곡강도 등 기계적 물성에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다.