JM, 네오메라(Neomera) 공개: 반응성 중합 오르가노시트 신제품 라인으로 시장 기회 확대

올가을 존스 맨빌(JM, 미국 콜로라도주 덴버)은 네오메라(Neomera) 라인의 첫 제품을 출시할 계획입니다. 초기 제품은 인 시투 중합된 직조 유리섬유 강화 폴리아미드 6(PA6) 오르가노시트지만, 라인은 곧 논크림프 패브릭(NCF)과 장절단 섬유를 포함하도록 확장될 예정입니다. JM은 추가적인 반응성 중합 열가소성 매트릭스도 평가 중이며, 하이브리드 보강 구조(예: 탄소섬유와 유리섬유 결합)나 비유리 보강재도 검토 중입니다. 회사는 기존 오르가노시트 및 장섬유 열가소성 복합소재 제조와 다른 제조 방법 덕분에 네오메라 제품이 더 낮은 비용으로 더 높은 기계적 특성을 제공할 것이라고 밝혔습니다. 현재 알려진 내용을 소개합니다.

오르가노시트 생산을 위한 새로운 방법

기존 오르가노시트는 일반적으로 직조 패브릭으로 강화된 유리 매트 열가소성 복합소재(GMT)의 특수 형태로, 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리아미드 6 또는 6/6(PA6, PA6/6) 매트릭스로 생산됩니다. 오르가노시트 복합소재는 자동차, 상용 트럭, 건축/건설, 스포츠 용품 산업의 반구조적 및 구조적 부품에 가장 많이 사용됩니다.

여러 측면에서 JM의 네오메라 라인은 시장에 이미 존재하는 제품과 다릅니다. 첫째, 완전히 중합된 PA6 레진으로 섬유를 용융 함침시키는 대신, 회사는 함침 단계 후 카프로락탐 모노머를 PA6로 음이온 중합합니다. 용융 카프로락탐은 매우 낮은 점도(~5 센티푸아즈)를 가지므로 완전 중합된 열가소성 수지(훨씬 긴 폴리머 사슬과 훨씬 높은 점도)보다 로빙이나 패브릭을 훨씬 더 효과적으로 적실 수 있습니다. 즉, JM의 반응성 중합 레진 시스템은 완전 중합된 열가소성 수지(예: PA6)로는 불가능한 액체 열경화성 수지에 가까운 훨씬 더 나은 습윤을 달성합니다. 결과적으로 기공이 크게 줄어들고 더 높은 섬유 체적 분율(FVF, 50% 이상)을 만들 수 있는 기회가 생기며, 이는 기계적 특성을 자체적으로 개선합니다.

둘째, JM은 카프로락탐으로 함침하기 전 절단, 직조, NCF 여부에 관계없이 유리섬유를 자체 독자적인 반응성 유리 사이징으로 처리합니다. 이는 다시 섬유-레진 결합을 강화하고, 동일 유형과 비율의 섬유 로딩과 매트릭스를 가진 다른 오르가노시트 제품 대비 동등한 FVF에서 더 높은 기계적 특성을 제공합니다.

위 이미지에서 볼 수 있듯 혁신적인 장섬유 오르가노시트는 무작위 섬유 분포, 완전한 섬유 습윤, 우수한 섬유-레진 결합을 제공합니다. 왼쪽은 유리섬유 번들을 끝에서 본 모습이고, 오른쪽은 개별 섬유 번들이 위에서 내려다본 모습으로 레진으로 완전히 코팅되어 있음을 보여줍니다.

"우리가 사람들이 이해하길 바라는 것은 우리가 또 다른 미투(me-too) 오르가노시트 제품을 출시하는 것이 아니라는 점입니다."라고 JM 선임 연구 매니저-기업 R&D 밍푸 장(Mingfu Zhang)은 설명합니다. "우리는 카프로락탐으로 시작하기 때문에 열가소성 폴리머를 사용하는 것보다 섬유를 훨씬 더 쉽게 적실 수 있습니다. 결과적으로 더 나은 함침, 더 높은 섬유 체적 분율, 더 나은 성능을 달성합니다. 사실, 이는 기존 오르가노시트에서는 달성할 수 없는 특수 제품을 만드는 것을 가능하게 합니다."

작년 JM은 기술 개발을 완료하고 전략적으로 샘플링 중이라고 발표했습니다. 계획은 9월 소프트 론칭 후 10월 2021 복합소재 및 첨단 소재 엑스포(CAMX, 10월 18-21일, 미국 텍사스주 댈러스)에서 하드 론칭하는 것입니다.

단계적 출시

초기 네오메라 제품인 OS-6 시리즈는 직조 패브릭으로 강화됩니다. "우리는 트윌 직조 아키텍처를 45~50% FVF 범위로 제공하여 제품 라인을 출시할 계획입니다. 그런 유형의 복합소재에 대한 수요가 많기 때문입니다."라고 JM 제품 리더-복합소재, 기업 R&D 다나 밀로아가(Dana Miloaga) 말합니다. "균형 잡힌 직조로 좋은 드레이프성과 정방향 이방성 특성을 제공하므로, 엔지니어들이 금속 지정 작업에 익숙한 경우 더 가볍고 높은 성능의 부품을 달성하기 위해 작업하기 더 쉽습니다."

새로운 오르가노시트 제품군의 직조 형태에 이어 더 무거운 NCF를 특징으로 하는 NCF-6 시리즈가 뒤따를 예정인데, 이는 기존 열가소성 수지로 함침하기가 전통적으로 어려웠습니다. 마지막으로 불연속이지만 여전히 더 긴 섬유(>25mm) 버전이 계획되어 있습니다. CR-6 시리즈라고 불리며, 준등방성 특성 유지에 도움이 되는 일관된 섬유 길이를 가진다고 합니다. 이 제품 라인은 GMT 및 직접 장섬유 열가소성(D-LFT) 같은 장섬유 열가소성 기술과 경쟁할 것입니다. JM은 성형업체가 각 네오메라 제품을 단독으로 또는 다른 유형과 조합하여 사용할 수 있다고 보고합니다. 예를 들어, 직조 또는 NCF 오르가노시트 스트립이나 시트로 구성된 압축 성형 가능 하이브리드 구조를 하중 경로 보강에 사용하고, 불연속 섬유 강화 오르가노시트를 리브나 보스 같은 더 복잡한 형상이 위치한 곳에 사용할 수 있습니다. "테스트에서 우리 CR-6 불연속 섬유 제품이 기존 절단 섬유 GMT보다 더 나은 성형성을 제공하는 것으로 나타났습니다."라고 장은 덧붙입니다.

성형업체나 금형 제작자 입장에서 JM의 신제품은 기존 오르가노시트나 GMT처럼 가공됩니다. 금형 구조 요구사항도 유사합니다. 유일한 조정은 PA6 매트릭스의 네오메라 오르가노시트를 PP보다 높은 온도에서 예열 및 성형해야 한다는 점입니다. PP는 더 낮은 용융 및 성형 온도를 가지기 때문입니다. 흥미롭게도 일부 GMT 제품과 달리 예열 후 스프링백으로 인한 유리섬유 로프팅(lofting)이 없어 소재가 완전히 통합된 상태를 유지합니다. 장은 섬유가 카프로락탐으로 완전히 함침되고 모노머가 인 시투 중합되기 때문에 기존 PA 매트릭스 오르가노시트보다 훨씬 더 높은 분자량을 달성하기 때문이라고 설명합니다.

JM 연구자들은 또한 설계 엔지니어가 부품 성능을 더 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 기초 소재 특성화를 수행해 왔습니다. "우리는 고객들과 긴밀히 협력해 그들이 초기 상세 시뮬레이션 작업에 필요로 할 가장 중요한 데이터를 식별해 왔습니다."라고 밀로아가는 설명합니다. "우리는 그들이 초기에 사용할 수 있는 빌딩 블록을 생성할 계획입니다. 보통 전체 소재 카드 개발에 필요한 특성화에 6개월이 걸리기 때문입니다."

도입되는 각 제품 라인에 대해 회사는 견고한 공급망과 글로벌 접근성 및 일관성을 보장하기 위해 두 개의 글로벌 공급업체를 인증하고 있다고 합니다. 덴버 지역 JM 생산 규모 라인에서 고객용 샘플 양을 생산해 왔지만, 초기 상업 생산은 슬로바키아 트르나바에서 이루어질 예정입니다.

네오메라 제품은 블랙으로 제공되며, "내추럴"(오프화이트) 옵션과 맞춤 색상 가능성도 있습니다. 초기 상업 생산이 확대됨에 따라 제품은 주문 제작 및 절단되지만, 장기적으로는 표준 사이즈를 비축할 계획입니다.

JM 공정의 흥미로운 측면은 두꺼운 시트를 연속 공정으로 생산할 수 있다는 점입니다. "기존 오르가노시트의 과제 중 하나는 일반적으로 0.5mm 두께 시트로 생산되므로, 고객에게 3mm 두께 제품을 공급하려면 여러 시트를 후처리 통합해 라미네이트를 만들어야 합니다."라고 장은 설명합니다. "우리는 그 전체 후통합 단계를 건너뛸 수 있습니다. 3mm 두께 시트를 직접 만들 수 있기 때문입니다. 사실, 그것이 우리 기술의 가장 독특한 측면 중 하나입니다. 카프로락탐이 물 같은 점도를 가진다는 것을 알았지만, 우리 기술이 두꺼운 라미네이트 생산에 얼마나 잘 적합한지 놀랐습니다. 이는 고객에게 제공할 수 있는 것에 많은 유연성을 줍니다. 게다가 후통합 단계를 건너뛰므로 우리 제품은 또 다른 가열 사이클을 피합니다."

어려웠던 점은 카프로락탐의 수분 민감성 음이온 중합을 처리하기 위해 제조 공정을 제어하는 것이었습니다. "이 프로젝트를 시작하기 전, 카프로락탐의 PA6 음이온 중합은 밀폐 금형에서만 수행되었기 때문에, 매우 일관된 제품을 생산하는 연속 공정에 그것을 적용하는 데 많은 작업이 필요했습니다."라고 장은 덧붙입니다.

다음 단계는?

유리 공급업체인 JM이 기술 라이선싱 대신 중간 제품을 제조하려는 이유에 대해 묻자, JM 선임 연구 과학자-기업 R&D 클라우스 글라이히(Klaus Gleich)는 "우리 제조 공정의 특성상 그 소재를 만들 수 있는 사람은 많지 않습니다. 우리는 화학을 매우 잘 알고 그 과제도 알기 때문에, 그것을 확대하고 상용화할 최적의 위치에 있습니다. 그 이상으로, 우리 R&D 그룹은 이 혁신적인 기술을 개발해 비즈니스를 확장하고 버크셔 해서웨이(미국 네브래스카주 오마하) 소유주들에게 더 큰 가치를 돌려주기 위해 개발했습니다. 우리는 혁신가가 되어 새로운 시장 기회를 창출하고 싶습니다."라고 답했습니다.

"열가소성 복합소재가 반구조적 및 진정한 구조적 응용 분야로 이동해 경량화와 지속가능한 부품을 만드는 추세가 우리 새로운 오르가노시트 기술과 매우 부합한다고 봅니다."라고 밀로아가는 덧붙입니다. 사실 그녀는 네오메라 제품군을 사용한 첫 상업적 응용이 멀지 않았다고 말합니다. JM은 모터스포츠에서 소재를 시험해 왔으며, 자동차 및 상용 트럭, 스포츠 용품 등 다른 운송 부문에서도 관심이 있다고 합니다. "핵심은 우리가 문제를 해결하고 있다는 점입니다."라고 그녀는 덧붙입니다. "경쟁 제품은 비싸고 포트폴리오가 제한적입니다. 우리는 더 높은 성능이면서도 더 비용 효율적인 제품을 생산할 수 있습니다. 윈윈 조합이죠."