CN110139737A - 合成木材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合成木材及其制造方法。更具体地，本发明涉及合成木材及其制造方法，所述合成木材通过包含具有与木粉的优良的相容性的聚酯树脂而具有优良的弯曲性质和冲击强度。

Description

合成木材
发明背景
(a)发明领域
相关申请的交叉引用
本申请基于以下并且要求以下的优先权：于2017年1月13日提交的韩国专利申请第10-2017-0006313号，该专利申请的公开内容据此通过引用以其整体并入本文。
本发明涉及合成木材(synthetic wood)及其制备方法。更具体地，本发明涉及具有优良的弯曲性质和冲击强度的合成木材及其制备方法。
(b)相关技术的描述
最近，出于消费者的对于天然木料的偏好和通过天然纹理改进美学的原因，木材被用于建筑材料，例如地板、门、门框、窗框、窗台、栅栏和甲板(deck)。
然而，在建筑物的内部材料和外部材料中使用天然木材具有由于木料的采伐引起的毁林(deforestation)和易于着火的问题。特别地，由于天然木材的固有性质，耐水性、耐热性、耐冲击性、弯曲强度(bending strength)、尺寸稳定性和耐气候性被劣化，并且因此，难以使用天然木材作为建筑物的内部材料或外部材料。
为了解决上述问题，具有类似于天然木材的纹理和外观的合成木材已经被广泛地用作建筑物的内部材料和外部材料。合成木材通过合成木材组合物的挤出加工被制成，所述合成木材组合物通过将废木材(waste wood)的木粉(wood flour)、木材残余物(woodremnant)、无用的混杂木材(useless miscellaneous wood)等与树脂例如聚氯乙烯(PVC)混合来获得。与天然木材相比，这样的合成木材具有改进的耐水性、耐热性、耐冲击性、弯曲强度、尺寸稳定性和耐气候性的物理性质。另外，由于合成木材包括廉价的木粉，所以其生产成本低。然而，在与木粉一起使用的PVC树脂中，使用基于邻苯二甲酸酯的增塑剂和含有重金属的稳定剂等以便增强可加工性，这已经带来环境问题。被包含在PVC中的增塑剂不结合至PVC主体，而是以漂浮状态存在，并且因此，增塑剂甚至通过小的冲击也容易地浸出。增塑剂可以造成肝脏或肾脏中的癌症，并且可以对其他器官具有不良影响，并且因此发达国家例如欧洲、美国等采取安全措施，例如禁止销售用于儿童的PVC玩具或回收(retrieval)产品。此外，被包含在用作热稳定剂的硬脂酸镉(Cd-St)或硬脂酸铅(Pb-St)中的重金属离子在与人体接触时可以造成重金属中毒，并且可以是病态建筑综合征(sick buildingsyndrome)等的主要病因。
另外，当被安装在室外并且被暴露于阳光时，PVC合成木材可以具有耐气候性问题，例如树脂的热变形、变色、光降解等。已经做出尝试来克服PVC合成木材的缺点。
韩国专利第10-0983970号和韩国专利第10-1073774号已经提出用基于聚烯烃的树脂替代PVC合成木材作为可选择的环境友好的材料。然而，基于聚烯烃的树脂具有高的线性热膨胀系数(coefficient of linear thermal expansion)，以具有尺寸变形等的问题。在合成木材中，木材是极性亲水性材料，而基于聚烯烃的树脂例如聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)是非极性疏水性材料。因此，由于木材和聚烯烃树脂彼此不相容，所以添加相容剂(compatibilizer)，这可以造成在加工时高的材料成本和低的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度(flexural strength)和冲击强度的缺点，使得合成木材可以容易断裂。因此，对新的生态友好的建筑材料，特别是能够改进PVC树脂和基于聚烯烃的树脂的问题的环境友好的高强度合成木材及其制备方法存在持续的需求。
[现有技术文献]
[专利文献]
韩国专利第10-1073774号
韩国专利第10-0983970号
发明概述
本发明的合成木材及其制备方法的目的是通过包含具有与木粉的高的相容性的聚酯树脂来实现优良的弯曲性质和冲击强度。
在本说明书中，提供了合成木材，所述合成木材包含聚酯树脂(A)和木粉(B)，其中聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分(moiety)和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇(isosorbide)和剩余量的其他二醇化合物。
第一聚酯树脂可以具有75℃至85℃的玻璃化转变温度(Tg)。
第二聚酯树脂可以具有85℃至130℃的玻璃化转变温度(Tg)。
聚酯树脂(A)可以是第二聚酯树脂，所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至12摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
聚酯树脂(A)可以具有0.5dl/g至1.0dl/g的特性粘度。
聚酯树脂(A)可以以相对于100重量份的木粉(B)的30重量份至80重量份的量被包含。
聚酯树脂(A)可以以相对于100重量份的木粉(B)的50重量份至70重量份的量被包含。
木粉(B)可以具有50目至200目的平均粒度。
木粉(B)可以具有0.01％至3％的水含量。
合成木材可以具有4,000N至10,000N的弯曲载荷(flexural load)，如根据KS MISO 178测量的。
合成木材可以具有3.3kJ/m2至7.0kJ/m2的冲击强度，如根据KS M ISO179-1测量的。
另外，在本说明书中，提供了制备合成木材的方法，该方法包括以下步骤：将聚酯树脂(A)和木粉(B)混合以及在150℃至250℃的温度挤出混合物，其中聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
聚酯树脂(A)可以以相对于100重量份的木粉(B)的30重量份至80重量份的量被混合。
第一聚酯树脂可以通过以下步骤来制备：在包含基于锌的化合物的酯化催化剂的存在下，用包括对苯二甲酸的二羧酸组分酯化包括环己烷二甲醇的二醇组分；当酯化程度(degree of esterification)达到80％或更大时，向其中添加基于磷的稳定剂；以及使酯化反应产物经受缩聚。
第二聚酯树脂可以通过以下步骤来制备：在包含基于锌的化合物的酯化催化剂的存在下，用包括对苯二甲酸的二羧酸组分酯化包括5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇、10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇和剩余量的其他二醇化合物的二醇组分；当酯化程度达到80％或更大时，向其中添加基于磷的稳定剂；以及使酯化反应产物经受缩聚。
聚酯树脂(A)可以具有0.5dl/g至1.0dl/g的特性粘度。
在不参与酯化反应的情况下保持未反应的二醇组分或二羧酸组分的量可以小于20％。
酯化反应可以在0kg/cm2至10.0kg/cm2的压力和150℃至300℃的温度进行。
在酯化反应中，二羧酸组分:二醇组分的摩尔比可以是1:1.05至1:3.0。
酯化反应可以分别在0kg/cm2至10.0kg/cm2的压力和150℃至300℃的温度进行。
酯化反应可以进行持续200分钟至330分钟。
缩聚反应可以在150℃至300℃的温度和600mmHg至0.01mmHg的减压进行持续1小时至24小时。
该方法还可以包括将一种或更多种催化剂化合物添加至缩聚反应中的步骤，所述催化剂化合物选自由以下组成的组：基于钛的化合物、基于锗的化合物、基于锑的化合物、基于铝的化合物以及基于锡的化合物。
根据本发明的合成木材，特定的聚酯树脂被用于改进木粉和树脂之间的界面粘合(interfacial adhesion)，从而显著地改进合成木材的机械性质，特别是其弯曲性质和冲击强度。
另外，根据本发明的制备合成木材的方法，将特定的聚酯树脂和木粉混合，以及在特定的条件下挤出产生的混合物，以制备具有优良的机械性质，特别是具有优良的弯曲性质和冲击强度的合成木材。
具体实施方式
本发明涉及合成木材，所述合成木材包含聚酯树脂(A)和木粉(B)，其中所述聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
另外，本发明涉及制备合成木材的方法，所述方法包括以下步骤：将聚酯树脂(A)和木粉(B)混合以及在150℃至250℃的温度挤出混合物，其中所述聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
在下文中，将描述根据本发明的具体实施方案的合成木材及其制备方法。
在本说明书中，术语“第一”、“第二”及类似术语被用于描述多种组分，并且这些术语仅用于区分某些组分与其他组分。
另外，在本说明书中使用的术语仅用于解释示例性的实施方案，并且其不意图限制本发明。单数表达可以包括复数表达，除非单数表达在上下文中被不同地表达。必须理解的是，本说明书中的术语“包括”、“设备(equip)”或“具有”仅用于指定已生效的特性、数目、步骤、组分或其组合的存在，并且不排除一种或更多种不同的特性、数目、步骤、组分或其组合的预先存在或添加的可能性。
本发明可以被不同地修改并且具有多种形式，并且本发明的具体实例在本描述中解释。然而，不意图将本发明限制于具体的实例，并且必须理解的是，本发明包括本发明的精神和技术范围中所包括的每个修改、等效物或替代物。
合成木材
由于通常用于合成木材中的基于聚烯烃的树脂呈现出疏水性，所以当与亲水性木粉混合时，基于聚烯烃的树脂显示出低的界面粘合，并且因此存在木材的弯曲强度降低的问题。另外，在聚氯乙烯(PVC)树脂的情况下，基于邻苯二甲酸酯的增塑剂和包含重金属的稳定剂等被一起使用，以便在合成树脂的制备期间增强可加工性，并且它们容易地从木材中浸出以造成环境污染的问题。
因此，为了解决上文描述的问题，本发明人已经对具有更改进的物理性质和与木粉的优良相容性的树脂进行了研究，并且他们开发了合成木材，所述合成木材即使在没有另外的添加剂的情况下也可以被容易地加工，并且可以具有与木粉的优良的界面粘合以显示出优越的弯曲性质和冲击强度，从而完成本发明。
根据本发明的实施方案的合成木材可以包含聚酯树脂(A)和木粉(B)，其中所述聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
在本发明中，由于共聚酯的聚酯键的亲水性基团，聚酯树脂(A)具有与木粉的优良的相互作用，并且因此，两种组分之间的界面粘合被显著地改进。
如本文中所使用的，术语‘部分’指的是被包含在产物中并且当特定化合物参与化学反应以形成该产物时从该特定化合物衍生的某个链段(segment)或单元。例如，二羧酸组分的‘部分’和二醇组分的‘部分’分别指的是通过酯化反应或缩聚反应形成的聚酯中的衍生自二羧酸组分的链段和衍生自二醇组分的链段。
术语‘二羧酸组分’意图包括二羧酸例如对苯二甲酸等、其烷基酯(包括C1-C4低级烷基酯，例如单甲基酯、单乙基酯、二甲基酯、二乙基酯或二丁基酯)和/或其酸酐。二羧酸组分可以与二醇组分反应，以形成二羧酸部分，例如对苯二甲酰基部分。
由于在聚酯的合成中使用的二羧酸组分包括对苯二甲酸，所以可以改进所制备的木材的物理性质，例如耐热性、耐化学性或耐气候性(例如，防止分子量降低或由UV引起的变黄)。
二羧酸组分还可以包括芳香族二羧酸组分、脂肪族二羧酸组分、或其混合物作为其他二羧酸组分。术语‘其他二羧酸组分’意指通过从二羧酸组分中排除对苯二甲酸而获得的组分。
芳香族二羧酸组分可以是C8-C20芳香族二羧酸、优选地C8-C14芳香族二羧酸，或其混合物。芳香族二羧酸组分的具体实例包括间苯二甲酸、萘二羧酸例如2,6-萘二羧酸等、二苯基二羧酸、4,4'-二苯乙烯二羧酸、2,5-呋喃二羧酸、2,5-噻吩二羧酸等，但是芳香族二羧酸的具体实例不限于此。
脂肪族二羧酸组分可以是C4-C20脂肪族二羧酸组分、优选地C4-C12脂肪族二羧酸组分，或其混合物。脂肪族二羧酸的具体实例包括：环己烷二羧酸例如1,4-环己烷二羧酸、1,3-环己烷二羧酸等；直链的、支链的或环状的脂肪族二羧酸组分，例如邻苯二甲酸、癸二酸、琥珀酸、异癸基琥珀酸、马来酸、富马酸、己二酸、戊二酸、壬二酸等，但脂肪族二羧酸的具体实例不限于此。
同时，二羧酸组分可以包含50摩尔％至100摩尔％、优选地70摩尔％至100摩尔％的对苯二甲酸；和0摩尔％至50摩尔％、优选地0摩尔％至30摩尔％的一种或更多种选自由以下组成的组的二羧酸：芳香族二羧酸和脂肪族二羧酸。如果二羧酸组分中对苯二甲酸的含量太小或太大，那么聚酯树脂的物理性质例如耐热性、耐化学性、或耐气候性等可以被劣化。
用于合成聚酯树脂(合成第一聚酯树脂和第二聚酯树脂)的二醇组分包括环己烷二甲醇(CHDM)。
环己烷二甲醇可以具体地为1,2-环己烷二甲醇、1,3-环己烷二甲醇或1,4-环己烷二甲醇，并且聚酯树脂的冲击强度可以通过环己烷二甲醇来大大地提高。
除了环己烷二甲醇(CHDM)之外，用于合成聚酯树脂的二醇组分还可以包括异山梨醇(ISB)(第二聚酯树脂的合成)，并且当二醇组分包括异山梨醇(1,4:3,6-二脱水葡萄糖醇)时，可以改进合成木材的耐热性，并且可以改进物理性质例如耐化学性等。特别地，当二醇组分包括异山梨醇时，树脂的亲水性可以被进一步改进，以进一步增强与木粉的相容性，这导致实施方案的合成木材的弯曲强度的更多改进。
当二醇组分还包括异山梨醇时，二醇组分可以包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
术语“其他二醇组分”指的是除了异山梨醇和环己烷二甲醇之外的二醇组分，并且可以是例如脂肪族二醇、芳香族二醇、或其混合物。
芳香族二醇可以包括C8-40芳香族二醇化合物、优选地C8-33芳香族二醇化合物。芳香族二醇化合物的具体实例包括环氧乙烷类(ethylene oxides)例如聚氧乙烯-(2.0)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(2.0)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(2.2)-聚氧乙烯-(2.0)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧乙烯-(2.3)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(6)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(2.3)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(2.4)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(3.3)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧乙烯-(3.0)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧乙烯-(6)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷等；和/或环氧丙烷加成双酚A衍生物(propylene oxide addition bisphenol A derivative)(聚氧乙烯-(n)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、聚氧丙烯-(n)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷或聚氧丙烯-(n)-聚氧乙烯-(n)-2,2-双(4-羟基苯基)丙烷)等，但是芳香族二醇化合物的具体实例不限于此。此处，n意指聚氧乙烯或聚氧丙烯单元的数目。
脂肪族二醇可以包括C2-C20脂肪族二醇化合物、优选地C2-C12脂肪族二醇化合物。脂肪族二醇化合物的具体实例可以包括直链的、支链的或环状的脂肪族二醇组分，例如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、丙二醇(1,2-丙二醇、1,3-丙二醇等)、1,4-丁二醇、戊二醇、己二醇(例如1,6-己二醇)、新戊二醇(2,2-二甲基-1,3-丙二醇)、1,2-环己二醇、1,4-环己二醇、1,2-环己烷二甲醇、1,3-环己烷二甲醇、1,4-环己烷二甲醇、四甲基环丁二醇等，但是脂肪族二醇化合物的具体实例不限于此。
如上文所描述的，聚酯树脂的二醇组分可以包括5摩尔％至60摩尔％、优选地5摩尔％至45摩尔％、并且更优选地5摩尔％至12摩尔％的异山梨醇。当异山梨醇的含量在上文范围内时，可以改进树脂的耐热性或耐化学性。然而，如果异山梨醇的含量超过60摩尔％，那么聚酯树脂或产物的外观性质可以被劣化或者可以发生变黄。
同时，聚酯树脂可以在总树脂中包含基于锌的催化剂和基于磷的稳定剂。
基于磷的稳定剂可以用于聚酯树脂的合成的过程中。具体地，基于树脂的总量中的中心金属原子的含量，聚酯树脂可以包含10ppm至300ppm、优选地20ppm至200ppm的基于磷的稳定剂。基于磷的稳定剂的具体实例可以包括磷酸、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三苯酯、膦酰基乙酸三乙酯等。这些基于磷的稳定剂可以单独使用，或者以其两种或更多种的混合物使用。
基于树脂的总量中的中心金属原子的含量，聚酯树脂可以包含1ppm至100ppm的基于锌的催化剂。这样的基于锌的催化剂的具体实例包括乙酸锌、乙酸锌二水合物、氯化锌、硫酸锌、硫化锌、碳酸锌、柠檬酸锌、葡萄糖酸锌等。这些基于锌的催化剂可以单独使用或以其混合物使用。
同时，在聚酯树脂的合成的缩聚反应中，可以使用缩聚催化剂，所述缩聚催化剂包括基于钛的化合物、基于锗的化合物、基于锑的化合物、基于铝的化合物、基于锡的化合物或其混合物。基于聚酯树脂的总量中的中心金属原子的含量，聚酯树脂可以包含1ppm至100ppm的缩聚催化剂。
基于钛的化合物的实例可以包括钛酸四乙酯、钛酸乙酰基三丙酯、钛酸四丙酯、钛酸四丁酯、聚钛酸丁酯(polybutyl titanate)、钛酸2-乙基己酯、钛酸辛二醇酯、乳酸钛酸酯(lactate titanate)、三乙醇胺钛酸酯、乙酰丙酮酸钛酸酯(acetyl acetonatetitanate)、乙基乙酰乙酸钛酸酯、异硬脂酰基钛酸酯、二氧化钛、二氧化钛/二氧化硅共聚物、二氧化钛/二氧化锆共聚物等。
基于锗的化合物的实例可以包括二氧化锗(GeO2)、四氯化锗(GeCl4)、乙二醇锗(germanium ethylene glycoxide)、乙酸锗、其共聚物、其混合物等。优选地，可以使用二氧化锗。结晶或无定形的二氧化锗或乙二醇可溶性二氧化锗还可以被用作二氧化锗。
在聚酯树脂的合成的过程中，在不参与反应的情况下保持未反应的原材料的量相对小，并且原材料呈现出高的效率和高的聚合度(degree of polymerization)。因此，聚酯树脂可以具有0.5dl/g至1.0dl/g的特性粘度。当聚酯树脂满足上文的特性粘度时，存在聚酯树脂容易地与木粉混合的优点。
在根据本发明的实例的合成木材中，除了具有上文描述的特定部分的聚酯树脂之外，还可以使用热塑性树脂。另外一起使用的热塑性树脂可以以合适的量被包含，所述合适的量在不劣化改进聚酯树脂与木材的相容性和机械性质的效果的范围内。
在根据本发明的实例的合成木材中，第一聚酯树脂可以具有75℃至85℃、优选地78℃至82℃的玻璃化转变温度。当第一聚酯树脂具有在上文范围内的玻璃化转变温度时，可以改进与木粉的相容性，导致界面粘合的改进。
在根据本发明的实例的合成木材中，第二聚酯树脂可以具有85℃至130℃、优选地85℃至110℃的玻璃化转变温度。当第二聚酯树脂具有在上文范围内的玻璃化转变温度时，可以改进与木粉的相容性，导致界面粘合的改进。
在根据本发明的实例的合成木材中，聚酯树脂(A)可以以基于100重量份的木粉(B)的30重量份至80重量份、优选地50重量份至70重量份的量被混合。如果聚酯的含量小于30重量份，那么树脂和木粉的捏合性质(kneading property)可以被降低，并且难以制备呈挤出物形式的合成木材。另外，如果聚酯的含量大于80重量份，那么木粉的含量变小，并且因此难以充分地表达天然材料的纹理，并且难以满足窗框、窗台、栅栏和甲板所需的物理性质，例如弯曲强度、拉伸强度、冲击强度等。
根据本发明的实例的合成木材包含具有上文描述的特定部分的聚酯树脂(A)和木粉(B)。
木粉是通过粉碎和干燥木材而制备的木粉，并且可以使用废木材、木材残余物、无用的混杂木材等。具体地，可以使用阔叶树(broadleaf tree)或针叶树(needleleaftree)。阔叶树可以包括Schmidt’s桦树、光滑的日本枫树(Smooth Japanese maple)、锯齿橡树(Sawthooth oak)、中华木兰藤(Chinese magnolia vine)、漆树、Daimo橡树(Daimooak)、韩国白蜡木(Korean ash)、日本赤杨(Japanese alder)、紫椴(Amur Linden)等，并且针叶树可以包括日本扁柏(Hinoki cypress)、日本雪松(Japanese cedar)、韩国冷杉(Korean Fir)、日本花柏(Sawara cypress)、日本赤松(Japanese red pine)、韩国红松(Korean pine)、辽东冷杉(Needle Fir)等，但不限于此。
由于木粉在自然状态下包含大量的水，所以优选地进行干燥工艺以便除去水。具体地，木粉可以具有0.01％至3％、优选地0.05％至1％的水含量，如在木粉在80℃至150℃干燥之后所测量的。当木粉满足在上文范围内的水含量时，当与上文描述的聚酯树脂混合时，木粉实现优良的相容性。
可以使用具有50目至200目、优选地60目至140目的平均粒度的木粉。此处，木粉的直径意指在干燥之后的直径。如果木粉的粒度小于50目，那么混合性质可以被劣化。如果木粉的粒度大于200目，那么颗粒太小，并且因此强度可以被劣化。
根据本发明的实例的合成木材还可以包含用于另外改进性能而不偏离本发明的意图的效果的添加剂。添加剂的种类可以包括UV吸收剂、抗氧化剂、润滑剂等，但不限于此。
UV吸收剂的具体实例可以包括2-(2-羟基-5-甲基苯基)苯并三唑、2-(2-羟基-3-叔丁基-5-甲基苯基)-5-氯苯并三唑、2-(2-羟基-3,5-二叔丁基苯基)-5-氯苯并三唑等，并且这些UV吸收剂可以单独使用或以其两种或更多种的混合物使用。
UV吸收剂可以以相对于100重量份的合成木材的0.01重量份至5.0重量份、优选地0.1重量份至1重量份的量使用。在这种情况下，UV吸收剂的性能可以优选地被实现，而不降低合成木材的物理性质。
抗氧化剂可以包括基于苯酚的抗氧化剂、基于磷的抗氧化剂或基于硫酯的抗氧化剂，并且这些抗氧化剂可以单独使用或以其混合物使用。抗氧化剂可以以相对于100重量份的聚酯树脂的0.01重量份至5.0重量份、优选地0.1重量份至1重量份的量使用。在这种情况下，抗氧化剂的性能可以优选地被实现，而不降低合成木材的物理性质。
润滑剂可以包括亚乙基双硬脂酰胺(ethylene bis-stearamide)、聚乙烯蜡、硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸等，并且润滑剂可以以相对于100重量份的聚酯树脂的0.01重量份至5.0重量份的量使用。在这种情况下，润滑剂的功能可以优选地被实现，而不降低合成木材的物理性质。
由于根据本发明的实例的合成木材包含上文描述的基于聚酯的树脂和木粉，所以根据KS M ISO 178的所述合成木材的弯曲载荷可以满足4,000N至10,000N。在上文范围内，合成木材可以合适地被用于建筑物的内部材料和外部材料。
由于根据本发明的实例的合成木材包含上文描述的基于聚酯的树脂和木粉，所以根据KS M ISO 179-1的所述合成木材的冲击强度可以满足3.3kJ/m2至10.0kJ/m2。在上文范围内，合成木材可以合适地被用于建筑物的内部材料和外部材料。
合成木材的制备方法
同时，本发明涉及制备合成木材的方法。
根据本发明的实例的制备合成木材的方法包括以下步骤：将聚酯树脂(A)和木粉(B)混合，以及在150℃至250℃的温度挤出混合物。
在挤出步骤中，混合物在150℃至250℃的温度被挤出，从而制备具有优良的机械强度而不改变聚酯树脂和木粉的物理性质的合成木材。当挤压工艺在低于150℃的温度进行时，与木粉的相容性可以被降低以使物理性质劣化，并且当挤出工艺在高于250℃的温度进行时，可以发生木粉的燃烧或树脂本身的劣化。
另外，挤出步骤可以通过使用型材挤出和注射设备(profile extrusion andinjection equipment)来进行，并且在这方面，上文提及的温度范围可以意指挤出和注射设备的设定温度。
上文描述的制备合成木材的方法包括挤出混合物的步骤。用于制备本发明的合成木材的方法中的组分及其含量可以与上文描述的本发明的合成木材的组分和含量相同。
聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
此处，第一聚酯树脂可以通过以下步骤来制备。详细地，第一聚酯树脂可以通过以下步骤来制备：在包含基于锌的化合物的酯化催化剂的存在下，用包括对苯二甲酸的二羧酸组分酯化包括环己烷二甲醇的二醇组分；当酯化程度达到80％或更大时，向其中添加基于磷的稳定剂；以及使酯化反应产物经受缩聚。
另外，第二聚酯树脂可以通过以下步骤来制备。详细地，第二聚酯树脂可以通过除了环己烷二甲醇之外在用于制备第一聚酯树脂的二醇组分中还包括异山梨醇来制备。
在制备聚酯树脂的步骤中，使用包含基于锌的化合物的酯化催化剂，并且在酯化反应结束时，例如在酯化程度达到80％或更大时，将基于磷的稳定剂添加至反应溶液中，并且使产生的酯化反应产物经受缩聚，从而提供具有物理性质，例如高的耐热性、耐化学性和耐冲击性并且具有优良的外观性质和高的气密性的聚酯树脂。
根据制备方法提供的聚酯树脂可以具有高的粘度和优良的冲击强度，连同高的耐热性，并且由于聚酯树脂的分子结构特征，还具有低的氧气渗透率和相对高的特性粘度。如上文所描述的，由于聚酯树脂可以具有0.5dl/g至1.0dl/g的特性粘度，并且可以容易地与木粉混合，所以可以改进待被制备的合成木材的机械性质。
同时，基于锌的催化剂的使用和基于磷的稳定剂在特定时间点的添加使得能够以高的反应效率，在相对短的时间内，特别是400分钟、优选地200分钟至330分钟、更优选地230分钟至310分钟完成酯化反应。缩短的酯化反应时间使在高温的接触时间缩短，这有助于聚酯树脂的颜色的改进。缩短的反应时间还在能量消耗减少方面是有利的。
在制备聚酯树脂的方法中，在不参与酯化反应的情况下保持未反应的二醇组分或二羧酸组分的量可以小于20％。这种高的反应效率似乎是因为使用了基于锌的催化剂，并且在预先确定的时间点添加基于磷的稳定剂。因此，在制备聚酯树脂的步骤中，由于为原材料的大多数二醇组分或二羧酸组分参与反应，所以保持未反应的材料的量相对小。由此合成的聚酯树脂具有上文描述的优良的物理性质，并且可以容易地应用于商业产品。
包括对苯二甲酸的二羧酸组分、环己烷二甲醇、异山梨醇、和其他二醇化合物的细节与本发明的合成木材的描述相同。
在酯化反应中，低聚物可以通过二羧酸组分与二醇组分的反应来形成。在制备聚酯树脂的方法中，基于锌的催化剂的使用和基于磷的稳定剂在预先确定的时间点的添加使得能够以高效率形成其物理性质和分子量被优化的低聚物。
酯化反应可以通过在0kg/cm2至10.0kg/cm2的压力和150℃至300℃的温度使二羧酸组分和二醇组分反应来进行。酯化反应条件可以被适当地改变，这取决于最终聚酯的具体特性、二羧酸组分和二醇之间的摩尔比、或加工条件。具体地，用于酯化反应的优选的条件包括0kg/cm2至5.0kg/cm2、更优选地0.1kg/cm2至3.0kg/cm2的压力；和200℃至270℃、更优选地240℃至260℃的温度。
酯化反应可以以分批方式或连续方式进行。原材料可以单独添加，但添加二醇组分和二羧酸组分的浆料是优选的。浆料可以通过以下来制备：在室温将包括异山梨醇的固体型二醇组分溶解在水或乙二醇中，并且将溶液与包括对苯二甲酸的二羧酸组分混合。可选择地，浆料可以通过以下来制备：在60℃或更高使异山梨醇熔化，以及将熔化的异山梨醇与包括对苯二甲酸的二羧酸组分和其他二醇组分混合。水可以被另外添加至二羧酸组分和异山梨醇与乙二醇的共聚合的二醇组分的浆料中，并且水的添加有助于增强浆料的流动性。
参与酯化反应的二羧酸组分和二醇组分的摩尔比可以是1:1.05至1:3.0。如果二羧酸组分与二醇组分的摩尔比小于1.05，那么二羧酸组分可以在聚合之后保持未反应，这造成树脂的差的透明度。同时，如果摩尔比超过3.0，那么聚合速率可以被降低或者树脂的生产率可以被劣化。
同时，在制备聚酯树脂的步骤中，基于磷的稳定剂可以在酯化反应结束时添加，例如在每个酯化程度达到80％或更大时添加。酯化程度达到80％或更大的时间意指80％或更多的二羧酸组分被反应的时间。酯化程度可以通过分析二羧酸组分的末端羧酸基团的含量来测量。
基于待被制备的树脂的重量，基于磷的稳定剂可以以10ppm至300ppm、优选地20ppm至200ppm的量使用。这样的基于磷的稳定剂的具体实例与上文描述的那些相同。
同样地，当在酯化程度达到80％或更大时注入基于磷的稳定剂时，未反应的原材料的量可以大大地减少，并且树脂的聚合度可以被改进。因此，待被制备的聚酯可以具有上文描述的特性，例如高的粘度、优良的冲击强度和比熔体粘度(specific melt viscosity)以及高的耐热性。
同时，酯化反应可以在包含基于锌的化合物的酯化催化剂的存在下进行。基于待被合成的聚酯树脂的总量中的中心金属原子的含量，催化剂可以以1ppm至100ppm的量使用。这样的基于锌的催化剂的具体实例包括乙酸锌、乙酸锌二水合物、氯化锌、硫酸锌、硫化锌、碳酸锌、柠檬酸锌、葡萄糖酸锌或其混合物。如果基于锌的催化剂的含量太小，那么可能难以显著地改进酯化反应的效率，并且不参与反应的反应物的量可以相当多地增加。如果基于锌的催化剂的含量太大，那么待被制备的聚酯树脂的外观性质可能被劣化。
使酯化反应产物经受缩聚的步骤可以包括允许二羧酸组分和二醇组分的酯化反应产物在150℃至300℃的温度和600mmHg至0.01mmHg的减压反应持续1小时至24小时。
缩聚反应可以在150℃至300℃、优选地200℃至290℃、并且更优选地260℃至280℃的温度；和600mmHg至0.01mmHg、优选地200mmHg至0.05mmHg、并且更优选地100mmHg至0.1mmHg的减压进行。缩聚反应的减压条件使得二醇(其是缩聚反应的副产物)能够从体系中除去。如果缩聚反应在600mmHg至0.01mmHg的减压范围外进行，那么副产物的去除可以是不足够的。
如果缩聚反应在150℃至300℃的温度范围外进行，或在150℃或更低的温度进行，那么为缩聚反应的副产物的二醇可以未有效地从体系中被除去，并且因此，最终反应产物的特性粘度可以被降低，这使聚酯树脂的物理性质劣化。如果反应在300℃或更高的温度进行，那么存在聚酯树脂可以在外观上变黄的高可能性。缩聚反应可以进行持续最终的反应产物的特性粘度达到合适的水平所需的时间，例如，持续1小时至24小时的平均保留时间。
同时，制备聚酯树脂的步骤还可以包括添加缩聚催化剂。缩聚催化剂可以在缩聚反应的引发之前被添加至酯化或酯交换反应产物中。可选择地，缩聚催化剂可以在酯化反应之前或在酯化反应期间被添加至包含二醇组分和二羧酸组分的浆料中。
作为缩聚催化剂，可以使用基于钛的化合物、基于锗的化合物、基于锑的化合物、基于铝的化合物、基于锡的化合物或其混合物。基于钛的化合物和基于锗的化合物的实例与上文描述的那些相同。
在下文中，将参考本发明的具体实施例更详细地解释本发明的作用和效果。然而，这些实施例为了例证性的目的被提供并且不意图限制本发明的范围。
实施例和比较实施例
实施例1
首先，将具有50目至200目的粒度的木粉在80℃至120℃干燥持续4小时，使得木粉的水含量小于1％。
将38重量份的通过混合75wt％的对苯二甲酸-1,4-环己烷二甲醇-乙二醇共聚物聚酯树脂(Tg：80℃)和25wt％的聚丙烯树脂(PP)获得的树脂混合物(A)与60重量份的干燥的木粉(B)(松树和橡胶树的混合物，60至140目的粒度)混合，并且然后添加0.2重量份的作为UV吸收剂的2-(2-羟基-5-甲基苯基)苯并三唑、0.3重量份的基于磷的抗氧化剂和1重量份的作为润滑剂的聚烯烃蜡以进一步改进性能，添加7重量份的研磨碳酸钙以改进强度，并且添加3.5重量份的聚烯烃以改进表面，随后挤出。
在实施例1中，对苯二甲酸-1,4-环己烷二甲醇-乙二醇共聚物聚酯树脂是可获自韩国SK Chemicals,Co.Ltd.的PETG KN-100(Tg：80℃)，并且聚丙烯树脂是可获自韩国Lotte Chemical Corp.的Y120PP。
将混合物共混持续约20分钟，并且注入到双螺杆挤出机中以制备小球(pellet)。挤出在从150℃至250℃的温度范围内进行，并且型材产品通过型材挤出来制备。
实施例2至实施例6以及比较实施例1和比较实施例2
除了分别使用下表1中列出的化合物和含量以外，以与实施例1中相同的方式来制备型材产品(合成木材)。
[表1]
实验方法
1.线性热膨胀系数(热膨胀系数)
根据KS M 3060，在-30℃至60℃的温度范围内，通过使用具有50mm的长度的样品来测量线性热膨胀系数，并且通过以下等式来计算。结果在表2中示出。
线性热膨胀系数(a)＝(L2-L1)/[L0(T2-T1)]
其中L2、L1分别为：在T2或T1的温度的每个样品的长度，L0：在测试之前，在将样品留在23℃±2的温度和(66±5)％的相对湿度持续3天或更长之后测量的每个样品的长度。
2.冲击强度
根据KS M ISO 179-1，通过使用型号1样品进行简支梁冲击强度测试(charpyimpact strength test)，并且标准测试在23℃±2的温度进行以测量冲击强度。结果在表2中示出。
3.弯曲载荷
样品的长度是600mm，并且样品的宽度不超过150±10mm。对于最大弯曲载荷测试，按压杆(pressing rod)和支撑物(support)的半径以及测试速度根据KS M ISO 178来确定，并且最大弯曲载荷通过安装测试样品来测量。在构建期间，测试表面被用作暴露的表面，并且测量三个测试样品的平均值。结果在表2中示出。
4.耐气候性测试
耐气候性通过氙弧灯测试(xenon arc lamp testing)来测量，并且变色根据KS B5549，通过使用老化测试机(weather-o-meter)和氙灯在63℃的温度、0.35W/m2的照度和50％的相对湿度的条件下持续2,000小时来测量。测量测试前和测试后的颜色变化(ΔE)。根据以下评价标准，结果在表2中示出。
<评价标准>
◎:ΔE<3
○:3≤ΔE<5
Δ:5≤ΔE<8
X:8≤ΔE
[表2]
如表2中所证实的，发现使用聚酯树脂的实施例显示出与木粉的优良的界面粘合，以具有显著优良的弯曲载荷、冲击强度、线性热膨胀系数和耐气候性。
特别地，证实了单独地使用包含作为二醇组分的环己烷二甲醇和异山梨醇的组合的ECOZEN树脂的实施例4呈现出最优良的弯曲载荷和冲击强度。
相比之下，证实了，仅使用PVC树脂的比较实施例1由于结晶树脂的特征而具有低的冲击强度、以及与木粉的低的相容性，以显示出显著低的弯曲载荷和耐气候性。
另外，证实了与实施例相比，仅使用PP的比较实施例2具有显著低的弯曲载荷和冲击强度。

Claims (23)

1.一种合成木材，包含聚酯树脂(A)和木粉(B)，
其中所述聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
2.如权利要求1所述的合成木材，其中所述第一聚酯树脂具有75℃至85℃的玻璃化转变温度(Tg)。
3.如权利要求1所述的合成木材，其中所述第二聚酯树脂具有85℃至130℃的玻璃化转变温度(Tg)。
4.如权利要求1所述的合成木材，其中所述聚酯树脂(A)是第二聚酯树脂，所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至12摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
5.如权利要求1所述的合成木材，其中所述聚酯树脂(A)具有0.5dl/g至1.0dl/g的特性粘度。
6.如权利要求1所述的合成木材，其中所述聚酯树脂(A)以相对于100重量份的所述木粉(B)的30重量份至80重量份的量被包含。
7.如权利要求1所述的合成木材，其中所述聚酯树脂(A)以相对于100重量份的所述木粉(B)的50重量份至70重量份的量被包含。
8.如权利要求1所述的合成木材，其中所述木粉(B)具有50目至200目的平均粒度。
9.如权利要求1所述的合成木材，其中所述木粉(B)具有0.01％至3％的水含量。
10.如权利要求1所述的合成木材，其中所述合成木材具有如根据KSM ISO 178测量的4,000N至10,000N的弯曲载荷。
11.如权利要求1所述的合成木材，其中所述合成木材具有如根据KSM ISO 179-1测量的3.3kJ/m2至10.0kJ/m2的冲击强度。
12.一种制备合成木材的方法，所述方法包括以下步骤：
将聚酯树脂(A)和木粉(B)混合，以及在150℃至250℃的温度挤出混合物，
其中所述聚酯树脂(A)是第一聚酯树脂或第二聚酯树脂，所述第一聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括环己烷二甲醇；所述第二聚酯树脂包含二羧酸组分的部分和二醇组分的部分，所述二羧酸组分包括对苯二甲酸，所述二醇组分包括10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇、5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇和剩余量的其他二醇化合物。
13.如权利要求12所述的制备合成木材的方法，其中所述聚酯树脂(A)以相对于100重量份的木粉(B)的30重量份至80重量份的量被混合。
14.如权利要求12所述的制备合成木材的方法，其中所述第一聚酯树脂通过以下步骤来制备：在包含基于锌的化合物的酯化催化剂的存在下，用包括对苯二甲酸的所述二羧酸组分酯化包括环己烷二甲醇的所述二醇组分；
当酯化程度达到80％或更大时，向其中添加基于磷的稳定剂；以及
使酯化反应产物经受缩聚。
15.如权利要求12所述的制备合成木材的方法，其中所述第二聚酯树脂通过以下步骤来制备：在包含基于锌的化合物的酯化催化剂的存在下，用包括对苯二甲酸的所述二羧酸组分酯化包括5摩尔％至60摩尔％的异山梨醇、10摩尔％至80摩尔％的环己烷二甲醇和剩余量的其他二醇化合物的所述二醇组分；
当酯化程度达到80％或更大时，向其中添加基于磷的稳定剂；以及
使酯化反应产物经受缩聚。
16.如权利要求12所述的制备合成木材的方法，其中所述聚酯树脂(A)具有0.5dl/g至1.0dl/g的特性粘度。
17.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，其中在不参与所述酯化反应的情况下保持未反应的所述二醇组分或所述二羧酸组分的量小于20％。
18.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，其中所述酯化反应在0kg/cm2至10.0kg/cm2的压力和150℃至300℃的温度进行。
19.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，其中在所述酯化反应中，所述二羧酸组分:所述二醇组分的摩尔比是1:1.05至1:3.0。
20.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，其中所述酯化反应分别在0kg/cm2至10.0kg/cm2的压力和150℃至300℃的温度进行。
21.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，其中所述酯化反应进行持续200分钟至330分钟。
22.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，其中所述缩聚反应在150℃至300℃的温度和600mmHg至0.01mmHg的减压进行持续1小时至24小时。
23.如权利要求14或15所述的制备合成木材的方法，还包括以下步骤：将一种或更多种催化剂化合物添加至所述缩聚反应中，所述催化剂化合物选自由以下组成的组：基于钛的化合物、基于锗的化合物、基于锑的化合物、基于铝的化合物以及基于锡的化合物。
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