KR0180887B1 - 저밀도 섬유판의 제조방법 - Google Patents

저밀도 섬유판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저밀도 섬유판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하기로는 목질섬유에 MDI(diphenyl methane diisocyante)를 분사하고 열압온도, 열압기간, 열압시간, 열압속도, 해압 및 열압의 반복횟수를 적절히 조절하는 다단 해압-열압성형방식을 적용하므로써 내수성, 휨강도, 접착력 등을 보강하여 일반가구, 사무가국, 전자제품, 주방가구 등에 원재료로 유용한 저밀도 섬유판의 제조방법에 관한 것이다.

Description

저밀도 섬유판의 제조방법
본 발명은 저밀도 섬유판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하기로는 목질섬유에 MDI(diphenyl methane diisocyante)를 분사하고 열압온도, 열압시간, 열압속도, 해압 및 열압의 반복횟수를 적절히 조절하는 다단 해압-열압성형방식을 적용하므로써 내수성, 휨강도, 접착력 등을 보강하여 일반가구, 사무가구, 전자제품, 주방가구 등에 원재료로 유용한 저밀도 섬유판의 제조방법에 관한 것이다.
섬유판은 목질섬유 및 접착제의 함량에 의해 또는 열압성형방식에 의해 저밀도, 중밀도, 고밀도 섬유판으로 제조된다. 고밀도 섬유판을 제조하기 위해서는 상대적으로 다량의 목질섬유와 접착제가 소모되므로 제조비가 상승하고 가공성이나 작업성을 저하시키는 문제가 있으며, 또 접착제 성분으로 함유된 요소수지가 물에 의해 가수분해되기 쉽기 때문에 습기에 장시간 노출되었을 때 접착력이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 고밀도 섬유판은 그 용도에 있어서 주로 내장재, 가구재로 한정되어 있다.
반면에 저밀도 섬유판은 고말도 섬유판에 비교하여 상대적으로 목질섬유의 사용량이 적고 작업성이 우수하여 일반가구, 사무가구, 전자제품, 주방가구 등 그 용도가 광범위하다.
섬유판은 폐재를 사용하고 가공성이 우수하다는 장점을 가지고 있어 합판과 파티클보드(particle board)를 대체하는 새로운 목질 판상재로서 각광을 받아왔다. 그러나, 섬유판은 다른 목질 판상재와는 달리 벌크(bulk)하므로 열압성형시 표층의 밀도가 중층의 밀도에 비교하여 상대적으로 매우 높게되고, 이에 표층와 중층의 밀도 차이로 인하여 측면 가공성이 불량해지고 접착력이 떨어지는 문제가 있어 측면 가공성과 나사못 유지력이 불량하고 중층에서 거스름이 발생하여 저가의 판상재로서 통용될 수밖에 없었다.
섬유판 제조업체에서는 저밀도 섬유판을 제조하는데 있어서 대부분이 기존의 중밀도 제조방법과 동일한 방법을 도입하고 단지 밀도만 하향 조정하는 식으로 시행하고 있으나, 밀도감소에 따라 목질 판상재의 물성편차를 심화시키는 결과를 초래하게 되었다. 따라서 기존의 제조방법으로 만든 저밀도 섬유판은 중밀도 섬유판에 비해 여러 가지 물성들이 현저히 떨어지고 루터가공시 중층에서 거스름이 많이 발생한다.
이에 표층과 중층 사이의 밀도차이를 중여 물성을 강화시키고자하는 연구가 다각적으로 진행되었다.
예를 들면, 독일특허공개 제42,229,396호(1994년)에서는 섬유판 제조시 접착제로서 고분자성 MDI(polymeric diphenyl methane diisocianate; 이하 PMDI라 함)를 사용하고 촉매로서 아민을 현탁액(suspension)또는 에멀젼액 상태로 적용하여 프레스로 일정한 압력을 가하면서 열압성형하여 섬유판을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 열압시간단축과 접착제 사용량의 감소효과를 얻는 기술로서, 단지 PMDI 접착제를 섬유판에 적용시킨 예이다.
대한민국특허공개 제8192호(1989년)에서는 열압성형방법 대신에 섬유물질을 촉배의 존재하에서 폴리에틸렌글리콜이나 폴리아민류의 혼합물로 구성된 매트릭스에 침지하는 방법으로 MDI(diphenyl methane diisocyanate) 조생성물과 섬유물질로 강화도니 열경화성 재료의 제조방법이 개시되어 있다.
또한, 호주특허공개 제8,434,219호( 1985년)에서는 중층에 밀도 25~30 kg/㎥의 폴리스티렌 시이트를 두고, 중층의 양면에 밀도 600 ~800 kg/㎥의 고말도 섬유판을 접착시켜 저밀도 고강도 판상재료를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 이는 저밀도의 표층 사이에 상대적으로 밀도가 작은 저밀도 시이트를 위치시켜 제픔의 밀도를 하향시키는 기술로서, 열압성형방식에 의해 저밀도 섬유판에 적합한 밀도 경사를 조절하는 기술과는 전혀 다르다.
본 발명에서는 표층과 중층 사이의 밀도 차이를 최대한으로 감소시키는 새로운 저밀도 섬유판의 제조방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과 목질섬유에 접착제 성분으로서 종래의 요소-포름알데히드(urea formaldehyde)수지 대신에 비교적 가격이 저렴한 MDI로 대체하여 내수성, 내구성을 보강함과 아울러 접착제의 투입량을 줄였고, 또한 기존의 열압성형방식과는 다른 다단 해압-열압성형방식을 선정하여 표층에 대한 중층의 상대적 밀도를 증가시켜 중층의 내구성을 더욱 보강하므로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 섬유판의 경량화를 통한 원재료 절감효과와 원가절감으로경쟁력 강화를 실현하고 중량감소에 따른 작업성 향상과 함께 내수성, 휨강도, 접착력 등 물성을 보강하여 일반가구, 사무가구, 전자제품, 주방가구 등의 원재료로 유용한저밀도 섬유판의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
제1도는 일반 열압성형방식을 적용하여 제조한 섬유판의 밀도경사도이다.
제2도는 본 발명의 다단 해압-열압성형방식을 적용하여 제조한 섬유판의 밀도 경사도이다.
본 발명은 목질 섬유를 주요성분으로 하고 여기에 접착제를 분사시켜 열압성형방식에 의해 저밀도 섬유판을 제조하느 방법에 있어서, 상기 접착제 성분으로 EMDI(emulsified MD), PMDI(polymeric MDI) 또는 이들의 혼합물을 사용하여 이를 다단 해압-열압성형방식을 적용하는 저밀도 섬유판의 제조방법을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 접착제 성분에 요소-포름알데히드(urea formaldehyde), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 또는 이들의 혼합물을 일정 함량 범위내에서 함께 사용하는 저말도 섬유판의 제조방법을 포함한다.
이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 MDI를 접착제로 함유시켜 접착력, 휨강도, 내수성을 보강하고, 내부접착력과 측면 가공성 향상을 위해 표층과 중층간의 밀도경사 차이를 낮추는 새로운 열압성형방식으로 특정 조건하에서 해압 및 재가압 과정을 반복적으로 수행하여 표층과 중층의 밀도 차이를 감소시키는 저밀도 섬유판의 제조방법에 관한 것이다.
종래에 섬유판 제조시 접착제로서 주로 사용되어오던 요소-포름알데히드 수지가 포름알데히드를 방산시키고 물에 가수분해되기 쉬워서 저밀도 섬유판의 제조에 적용하기에는 많은 문제가 있고, 이에 포름알데히드 방산량을 감소시키기 위해 포름알데히드 함유향이 적은 저몰비의 접착제가 사용되기도 하였으나 이는 섬유판의 물성을 저하시키는 원인이 되었다. 그러나, 본 발명에서 접착제 성분으로 사용되는 MDI(diphenyl methane diisodyante)는 열경화성 수지로서 물과 반응하여 풀리우레아 결합을 형성하므로써 접착력을 발휘하게 된다. 또한, MDI는 포름알데히드를 포함하고 있지 않아 방산에 따른 문제를 일으키지 않으며, 열압시간이 짧고 열압온도를 낮출 수 있는 특성이 있고, 높은 매트함수율 영역에서도 적용가능하여 원재료의 건조비용을 절약할 수 있으며, 판상재 표면에 조기경화의 발생이 거의 없고 소량의 접착제 사용으로도 강도와 치수안정성을 개선시키는 우수성이 있다.
이러한 접착제 성부으로는 PMDI 단독, EMDI 단독 또는 이들을 함께 사용하며, 이들은 목질섬유 100중량부에 대햐여 3~6중량부 범위내에서 분사하는 것이 바람직하다. 접착제 성분의 분사량이 3중량부 미만이면 접착력을 비롯한 물성이 저하되고, 6중량부를 초과하여 과량 사용하는 것은 경제적으로 불리하다.
본 발명에서 사용되는 PMDI는 MDI를 아닐린과 포름알데히드를 축합하고 COCl2와 반응시켜 제조한 것으로서 이는 주로 건축분야 및 가구분야에서 사용되고 있다. 분자량 350~400범위의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 아세톤이나 자일렌(xylene)등의 용제로 녹여 사용하거나 또는 열로써 용융시켜 사용한다.
EMDI는 물과의 혼용성을 좋게하기 위해 에멀젼화시킨 수지로서, 특히 수지분사시 도포성이 우수하다.
또한, 본 발명에서는 접착제 성분으로서 종래의 요소-포름알데히드 수지를 일정 함량 범위로 함유시키는 것도 포함한다. 요소-포름알데히드 수지는 목질 섬유 100중량부에 대하여 12중량부 미만의 범위내에서 함유시키는 것이 바람직한데, 그 함량이 12중량부를 초과하여 과량 첨가할 경우 투입량에 따른 첨가효과가 감소하게 된다.
또한, 본 발명에서 접착제 성분으로 사용하는 MDI가 기존의 요소-포름알데히드(urea formaldehyde)수지에 비해 고분자량을 가지고 있어 접착력이나 다른 물성이 우수할 수 있으나, 분산성이나 침투성이 떨어지지 때문에 MDI를 섬유판의 접착제로서 분사할 때 점도조정을 위한 저리가 중요하다. 그리고 MDI는 열판에 부착되는 성질을 가지고 있기 때문에 열압성형과정 전에 이형제를 열판위에 도포해야 한다. 본 발명에서는 폴리에틸렌글리콜을 목질섬유 100중량부에 대하여 2.5중량부 미만 함유시킨다. 이때 사용하는 폴리에틸렌글리콜은 분자량 1000~1450 범위를 유지하여 열압성형 과정중에 PMDI와 가교결합을 형성하여 강도를 더욱 보강하는 역할을 수행한다.
본 발명에 따른 섬유판 제조방법에 있어서, 가장 중요한 공정이 열압성형공정이다. 형성된 매트를 일정한 온도하에서 압력를 가하면 접착제와 목질섬유간에 결합력이 발생하여 열압공정후 판상재 형태로 만들어 진다. 매트의 각 층은 일정한 프레스 압력이 작용할 때 저항력이 생기고 차츰 시간이 경과됨에 따라 저항력을 상실하며 변형되기 시작하는 바, 온도가 높고 수분이 많을수록 압축시 매트 각 층의 저항력은 줄어들며 변형도도 커진다. 따라서 표층과 중층간에 프레스 압력에 대한 저항력을 같게 만들어 주는 조건설정이 표층과 중증간에 밀도차이를 줄일 수 잇는 가장 중요한 요건이다. 그리고 압력에 대한 변형은 대부분 열압성형공정 초기부터 중층이 경화 온도에 도달하는 시간까지 진행되므로 본 발명에서는 해압-재가압 처리를 중층 경화온도 도달 시간까지 실시 완료하였다.
본 발명에 따른 다단 해압-열압성형방식을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용한 프레스는 단속식 프레스로서 해압-재가압 반복시 초기-중기단계에는 해압후 재가압속도를 신속히 하여 표층주위의 밀도 함몰 현상을 예방하고 중기-말기단계에는 속도를 느리게 하여 중층밀도를 상승시킨다. 해압-재가압 단계 이전에 열판하강속도를 느리게 하여 중층밀도를 높게 할 수도 있으나, 표층에서 수분이동이 많아 나중에 연마를 많이 해야 한다. 따라서 표층 연마량을 줄이기 위해서는 열판하강속도를 빠르게 해야한다. 바람직하기로는 해압후 재가압시 초기-중기단계에서는 재가압속도를 0.3~0.5 mm/sec으로 하고, 중기-말기단계에서는 0.1~0.2 mm/sec으로 유지한다. 초기-중기단계에서는 해합후 매트의 밀도가 400~450 kg/㎥까지 되도록 조절하면서 중층이 경화온도에 이를 때까지 반복적으로 수행하며, 중기-말기단계에서는 섬유판 밀도가 550~600 kg/㎥ 되도록 가압 및 해압과정을 반복한다. 이 때 주의 해야 할 점은 상요된 접착제(수지)의 조기경화가 발생하여 섬유와 접착제간에 결합력이 상실되 않도록 해압-재가압 스케쥴을 조정해야한다. 또한, 열압온도는 170 ~190℃가 적당한 바, 190℃보다 높은 온도에서는 열압시간을 단축시킬 수는 있지만, 표층의 탄화, 접착제의 조기경화, 변색 등이 발생하게 된다. 압력은 25 ~ 30kg/㎥로 하되 수종이나 열압조건에 따라 달라질 수 있다. 그리고 열압시간은 중층온도가 경화시간에 이르고 내부의 포화수증기압이 충분히 낮아질 때까지 연장시키는 것이 바람직하다.
첨부한 제1도는 일반 열압성형방식을 적용하여 섬유판을 만들었을 때의 밀도경사도이고, 제2도는 본 발명의 다단 해압-열압성형방식을 적용하여 섬유판을 만들었을 때의 밀도경사도이다. 제2도는 제1도에 비교하여 표층밀도가 낮은 반면에 중층밀도가 향상됨을 알 수 있는데, 본 발명에서 목적으로 하고 있는 저밀도 섬유판의 중층의 보강을 위해서는 제2도에 나타난 말도경사 분포가 바람직하다. 제2도에 의하면 최소밀도/평균밀도의 비율은 88~90%까지 향상되었다. 일반적인 가압방식에서는 섬유판의 매트를 목표 두께까지 가압하고 일정시간 유지하면서 중층이 경화온도에 도달하고 포화수증기가 발생할 때 해압을 실시하는바, 이러한 가압방식으로 얻은 최소밀도/평균밀도의 비율은 도1에 나타나 있듯이 표층과 중층간의 밀도차가 80% 정도로 크고 중층에 공극이 많이 생겨 측면가공성, 나사못 유지력, 접착력을 약화시킨다. 최소밀도/평균밀도의 비율은 판상재의 밀도경사 분포를 평가하는 항목의 일종으로서 최소밀도는 곧 중층의 밀도를 말하며 최소밀도/평균밀도의 비율이 클수록 표층에서 중층까지 완만한 밀도경사가 나타난다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 저밀도 섬유판의 제조방법에서는 목질섬유에 접착제 성분으로서 MDI를 분사시켜 접착력, 휨강도, 내구성 등을 보완 하였고, 특별히 고안된 다단 해압-열압성형방식을 도입하여 내부 접착력과 측면 가공성을 향상시켰다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예1~8 및 비교예 1]
리작업을 거친 목질섬유를 조습처리한 다음, 목질섬유에 접착제 성분을 압축공기와 함께 분사하는 건식방법으로 혼합하고 냉압을 거쳐 일정한 매트 두께로 조정하였다. 그리고, 다음 표1과 같은 조건하에서 다단 해압-열압성형 방식을 적용하여 두께 15mm, 목표밀도 600kg/㎥인 저밀도 섬유판을 제조하였고, 제조된 섬유판의 최소/평균밀도값을 측정하였다.
이 때 사용한 프레스는 단속식 프레스로서 해압-재가압 반복시 초기-중기단계에는 해압후 재가압속도를 0.40mm/sec로 신속히 하여 표층주위의 밀도 함몰 현상을 예방하고 중기-말기단계에는 속도를 0.15mm/sec로 느리게 하여 중층밀도를 상승시켰다. 초기-중기단계에서는 해압후 매트의 밀도가 450kg/㎥까지 되도록 조절하며 중층이 경화온도에 이를 때 까지 반복하여 저밀도 섬유판을 제조하였다.
[비교예 2]
해리작업을 거친 목질섬유를 조습처리한 다음 요소수지 12중량%를 압축공기와 함께 분사하는 건식방법으로 혼합하고 냉압을 거쳐 일정한 매트두께로 조정한다. 그리고 열압온도 185℃, 열압시간 5분, 압력 30kg/㎠ 조건하에서 일반 열압 성형 방식을 적용하여 두께 15mm, 목표밀도 60 kg/c㎥인 저밀도 섬유판을 제조하였고, 제조된 섬유판의 최소밀도/평균밀도의 비율을 측정하였다.
[실험예]
상기 실시예 1~8 및 비교예 1~2에서 제조한 저밀도 섬유판 각각에 대해서는 KS F 3104에 의해 휨강도, 접착력 및 흡수두께 평창율을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.
a) PMDI : 한화BASF M20S
b) EMDI : ICI Polyurethanes 3054
c) 요소수지 : 한솔화학DR-101
본 발명에 따른 다단 해압-열압성형방식은 저밀고 섬유판 중층의 내구성을 향상시키는 데 주목적이 있다. 상기 표 1에 의하면, 본 발명의 다단 해압-열압성형방식(실시예 1~8)은 종래의 열압성형방식(비교예2)에 비교하여 판상재의 최소밀도/평균밀도의 비율을 80%에서 88%까지 상승시켰는 바, 이로 인해 접착력도 최소 최대 1.4배 향상되었다. 따라서 본 발명에서 시도한 열압성형방식은 중층의 밀도향상에 기여하였으며 저밀도 섬유판에 적합한 밀도경사를 만들어 냈다. 그리고 접착제 성분으로서 요소수지를 사용하고 잇는 비교예 1의 비교하여서도 휨강도는 최고 1.7배, 두께 팽창율은 최고 1.7배, 접착력은 최고 4.2배 향상시켰다.
본 발명에서 제조한 섬유판은 밀도가 600kg/㎥이하까지 하향 조정됨으로써 기존의 밀도 700kg/㎥의 중밀도 섬유판에 비해 원재료량을 약 15~20%까지 줄이는 효과를 가진다. 따라서, 본 발명은 섬유판의 경량화를 통한 원재료 절감효과와 원가절감으로 경쟁력 강화를 실현하고 중량감소에 따른 작업성 향상과 공구의 마모감소등 여러 가지 장점을 가지고 있어 이로 인한 제품 다양화로 시장 점유율을 확보하는 효과를 가진다.

Claims (7)

  1. 목질섬유를 주요성분으로 하고 여기에 접착제를 분사시켜 열압성형방식에 의해 저밀도 섬유판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 접착제 성분으로 EMDI(emulsified MDI), PMDI(polymeric MDI) 또는 이들의 혼합물을 함유시켜, 이를 다단 해압-열압성형하는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접착제 성분은 목질섬유 100중량부에 대하여 3~6 중량부 분사하는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접착제 성분중에 요소-포름알데히드(urea formaldehyde)수지를 함께 함유시켜 분사하는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 요소-포름알데히드 수지는 목질섬유 100중량부에 대하여 12중량부 미만으로 함유시키는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접착제 성분중에 폴리에틸렌글리콜을 함께 함유시켜 분사하는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜은 목질섬유 100 중량부에 대하여 2.5중량부 미만으로 함유시키는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다단 해압-열압성형은 열압온도 170~190℃, 압력 25~30kg/㎥하에서 초기-중기에는 재가압속도 0.3~0.5mm/sec, 해압시 섬유판 밀도 400~450kg/㎥이 되도록 하면서 중층경화온도에 이를 때까지 가압 및 해압과정을 반복하고, 중기-말기에는 재가압속도 0.1~0.2mm/sec, 목교 섬유판 밀도 550~600kg/㎥가 되도록 가압 및 해압과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 저밀도 섬유판의 제조방법.
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