KR100530419B1 - 다중 공압출을 이용한 합성목재 제품 및 그 제조방법 - Google Patents

다중 공압출을 이용한 합성목재 제품 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경량성 건축 내외장재인 문틀, 창호, 바닥재, 몰딩류 등 광범위한 분야에서 사용될 수 있는 합성목재 제품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열가소성 수지, 특히 폴리염화비닐수지에 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재, 충전재, 안정제를 혼합하여 제조하는 것으로서, 압출물의 외관이 목재의 자연질감 및 무늬와 비슷하고 중량이 가벼우며, 천연 무늬목 또는 천연 목재를 이용하여 제조한 외장재에 비해 내구성 및 물성이 우수한 특성을 갖는 합성목재 제품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
특히 다중 공압출 공정을 이용하여 기계적 물성 보강 역할을 하는 내층과 목재의 자연질감 및 무늬를 갖는 중간층, 그리고 내화학성 및 표면보호 기능을 갖는 투명 표면층의 다중 구조를 갖는 합성목재 제품을 제공하며, 또한 주행기능과 관련하여 과도한 마모율 해소를 위한 레일층을 구비한 창호도 제공한다.

Description

다중 공압출을 이용한 합성목재 제품 및 그 제조방법{Synthetic wood product and method of manufacturing the same by multi-layer co-extrusion}
본 발명은 다중 공압출을 이용한 합성목재 제품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 목재성분 중 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재를 포함하는 합성목재용 수지조성물과 다중 공압출 공법을 이용하여 제조되며, 경량성 건축 내외장재인 문틀, 창호, 바닥재, 몰딩류 등 광범위한 분야에 적용되는 합성목재 제품 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
근래에 들어 천연목재에 대한 소비자의 선호도가 크게 증가하고 있으며 또한 전세계적으로 환경 보존 문제가 크게 대두되고 있다.
최근 천연목재와 유사한 표면 질감 및 무늬를 갖는 합성목재에 관한 연구가 많이 이루어지고 있는데, 이러한 합성목재를 제조하는데 사용되는 목재의 대부분은 비중이 비교적 가볍고 구하기가 쉬워 많이 이용되고 있다.
목재의 65 내지 75%를 차지하고 있는 탄수화물은 다당류로서 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 소량의 펙틴과 전분 등으로 이루어져 있으며, 나머지는 페놀성 화합물로서 목재 중의 20 내지 30%를 차지하고 있는 리그닌, 탄닌, 색소 및 리그난 등이 있다.
종래의 기술은 인조목재용 복합수지 조성물을 개발하는데 리그닌 등 페놀성 화합물을 함유한 목분을 원료로 하여 사용함으로써, 190℃ 이상의 고열을 받을 경우 목분내에 존재하는 식용오일 성분과 불포화 지방산, 팔미틱산 등의 각종 휘발성분이 용융수지 내에서 기화하여 제품의 외관을 손상시키며, 또한 수분 및 알코올에 의한 목재추출물의 용출을 일으켜 실외에서 장시간 사용되는 경우 쉽게 자외선 및 수분에 의해 본래의 색을 탈색시켜 제품으로서의 가치를 상실하는 경우가 다수 발생하고 있다.
종래의 섬유펄프와 합성수지재를 혼합하여 복합수지 조성물을 제조하는 방법으로는 대한민국 공개특허 제1996-16538호와 같이 종이와 열가소성 수지를 혼합하여 시트상태로 만든 후 이를 건조시켜 펠렛으로 만드는 방법, 대한민국 공개특허 제1999-78981호와 대한민국 공개특허 제2002-17132호와 같이 폐지와 합성수지를 이용하여 사출재의 원료로 이용하는 방법, 그리고 대한민국 공개특허 제2001-75598호와 같이 일정 길이 이상을 갖는 섬유펄프를 이용하여 기존에 사용되고 있는 무기 섬유의 인장탄성 및 굽힘 강성을 대체하는 방법은 사출물에 한정되어 있으며, 본 발명에서 이루고자 하는 천연목재의 무늬 및 고급질감을 가지며 기계적 물성, 특히 우수한 신율 및 저온에서의 샤르피 충격강도를 갖는 건축 내외장재인 문틀, 창틀, 몰딩류 등 광범위한 분야에서 천연목재를 대체할 합성목재를 제조하는데는 문제점이 있다.
본 발명자들은 목재 분쇄시 발생되는 목분을 그대로 이용하여 생산되는 종래의 인조목재용 복합물의 문제점을 해결하기 위하여, 목재성분 중의 페놀성 화합물을 제거한 식물성 섬유재를 열가소성 수지, 특히 폴리염화비닐수지 상에 충전재, 안정제 및 기타 첨가제와 함께 혼합한 결과, 표면질감이 우수하고 무늬가 뛰어난 합성목재용 열가소성 복합수지 조성물을 제조하여 본 발명을 완성하게 되었다.
특히, 다중 공압출 공정을 이용하여 제조한 합성목재 제품은 내외장재가 가져야 할 기계적 물성, 외관과 내마모성, 내스크래치성 및 내오염성을 가지는 특성을 가짐을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존 합성목재 조성물의 문제점을 개선하려는 것으로, 압출성형시 용융 수지의 흐름성을 좋게 하고 특히 우수한 신율 및 저온 충격강도를 가지며 일반 목분이 간과하고 있는 압출과정에서의 열안정성과 장시간 옥외 폭로시 발생되는 수분과 자외선에 의한 경시변색을 보완할 수 있으며, 페놀성 화합물이 제거된 합성목재용 수지조성물을 이용하여 종래에 적용되지 않은 무늬 및 질감에서 천연 목재를 대체할 수 있는 건축 내외장재를 포함하는 합성목재 제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다중 공압출 공법을 이용하여 상기 합성목재 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 목재성분 중 페놀성 화합물을 제거한 식물성 섬유재 및 다중 공압출 공법을 사용함으로써 종래기술의 문제점인 열안정성과 변색을 보완하면서 천연목재와 같은 외관과 질감뿐만 아니라 우수한 기계적 물성을 가지는 합성목재 제품에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 1개의 압출 다이 내에서 3개 이상의 각기 다른 압출기를 통하여 유입되는 동종 또는 이종의 수지를 접합하는 3중 이상의 다중 공압출 공법을 이용함으로써 기계적 물성 및 표면 물성을 개선하는 것을 특징으로 하는 목재성분 중 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재를 포함하는 합성목재용 수지조성물로 이루어진 층을 갖는 3층 이상의 합성목재 제품의 제조방법을 제공한다.
기존 압출 방식을 통해 제조되는 무늬 및 질감에서 천연목재를 대체 가능한 합성목재 제품, 특히 미세기창의 열고 닫는 기능을 원활히 하기 위해 형성되는 레일이나 창문의 구조강도 및 창문의 가공시 필수적으로 요구되는 기계적 물성, 더욱 자세하게는 인장강도, 신율, 굴곡강도 및 굴곡 탄성율을 만족시키는 제품을 제공하는데는 한계가 있다.
표면 질감 및 무늬를 구현하기 위해 첨가되는 목분 또는 기타 첨가제를 혼합하여 단일 압출을 통해 제공하는 제품의 경우, 레일 부위의 마모의 심화 또는 인장강도, 신율, 충격강도 및 굴곡강도가 제품을 가공하기에 부적합한 물성을 갖는다.
이에 본 발명은 도 1에서 제시하듯 물성보강 내층, 무늬구현 중간층 및 입체성, 기능성 또는 표면 내성을 갖는 표면층으로 구성되는 다중 공압출 공법을 이용한 합성목재 제품을 제공한다.
본 발명에서 사용되는 합성목재용 수지조성물은 열가소성 수지를 베이스 수지로 하여 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재 및 조성물의 기계적 물성을 향상시키기 위한 각종 첨가제를 포함하며, 구체적으로 열가소성 수지 70 내지 80 중량%, 내충격성 보강제 5 내지 10 중량%, 충전재 5 내지 15 중량%, 복합안정제 3 내지 7.5 중량%, 안료 2 내지 8 중량% 및 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재 3 내지 20 중량%를 포함한다.
상기 식물성 섬유재의 함량이 너무 많으면 표면외관 효과는 탁월하나 기계적 물성이 크게 감소하며 너무 적으면 무늬 및 질감에서 천연목재의 느낌을 구현할 수 없으므로 상기 범위가 바람직하다. 바람직한 열가소성 수지는 폴리염화비닐수지이다. 복합안정제는 열안정제 및 자외선 안정제를 포함하며, 열안정제는 Pb계 및 Sn(Tin)계 안정제가 주로 사용되며, 자외선 안정제로는 벤조트리아졸 (benzotriazole)계 자외선 흡수제가 주로 사용된다. 내충격성 보강제는 아크릴(acrylic)계 및 MBS(Methyl Methacrylate Butadiene Styrene)계가 주로 사용되며, 충전재는 CaCO3 및 실리카(silica)와 같은 무기물 등이 사용된다. 상기 조성물은 물성증강제, 금속산화물, 내마모 및 내스크래치성 증가제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 식물성 섬유재는 페놀성 화합물이 제거된 것으로, 100 ㎛ 이하의 평균 섬유길이 및 90 중량% 이상의 셀룰로오스 함량을 가지는 펄프 섬유인 것을 특징으로 한다. 식물성 섬유재의 길이가 길수록 인장강도 및 신율은 증가하나 너무 길면 작업시 섬유소의 배열이 일정치 않을 경우 물성이 감소하며 외관에 거친 현상이 발생하므로 100 ㎛ 이하가 바람직하다. 상기 식물성 섬유재는 리그닌과 같은 페놀성 화합물이 제거되어 셀룰로오스의 함량이 자연목분보다 상대적으로 높으며 열안정성도 우수하여 190℃ 이상의 고온작업도 가능하다.
목재성분 중 페놀성 화합물을 제거하는 방법은 우선 목재를 중성 용제 및 스팀을 이용하여 5% 정도의 용해되거나 휘발되는 추출물 및 회분을 없앨 수 있다. 추출물 및 회분이 제거된 목재를 염소모노에탄올아민, 아염소산염 및 과초산 등으로 온화한 산화처리하면 전다당류(holocellulose)가 얻어지며, 이것을 알칼리로 처리하면 셀룰로오스가 생성되고, 이때 용해되는 것은 헤미셀룰로오스(hemicellulose)이며, 이때 리그닌이 분해 및 용출된다. 목재성분 중 20 내지 30%를 차지하는 대표적인 페놀성 화합물인 리그닌(lignin)은 페닐프로판 단위가 탈수소 축합된 고분자 화합물로서, 일반 유기용매에는 불용성으로 주로 알칼리, 아황산 또는 황화물 등의 수용액으로 추출하여 제거할 수 있다. 이는 펄프 증해시 용출되어 폐액 중에 대부분의 고형물로 존재하기 때문이다.
본 발명의 합성목재 제품은 창호, 문틀, 바닥재 및 몰딩류 중에서 선택되는 건축용 내외장재로서, 광범위한 분야에서 천연목재를 대체할 수 있다. 상기 몰딩류는 천정몰딩, 코너몰딩, 문선몰딩, 장식몰딩, 걸레받이, 등박스, 액자틀 등이다.
본 발명의 합성목재 제품은 상기 합성목재용 수지조성물로 이루어진 층을 포함하는 다층 구조이며, 바람직하게는 물성보강 내층, 합성목재용 수지조성물로 이루어진 목무늬 중간층 및 표면(스킨)층을 포함하는 다층구조이다.
상기 물성보강 내층의 두께는 1.0 ㎜ 내지 5.0 ㎜, 목무늬 중간층의 두께는 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜, 표면층의 두께는 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 물성보강 내층이 5.0 ㎜ 이상 두꺼워지면 냉각 효율이 감소하여 원하는 형상의 치수를 기대하기 어려우며, 목무늬 중간층이 너무 얇으면 일정한 무늬를 연속해서 표현할 수 없고, 목무늬 중간층 및 표면층이 너무 두꺼우면 제품의 전체적인 물성에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
상기 물성보강 내층의 조성은 중합도가 500 내지 1,500인 폴리염화비닐수지 50 내지 150 중량부, 아크릴계 충격보강제 5 내지 15 중량부, 열안정제 2 내지 4 중량부, 활제 1.5 내지 4.5 중량부, 백색안료 1.5 내지 4.5 중량부 및 충전재 4 내지 12 중량부를 포함한다.
상기 표면층의 조성은 내열성 및 내후성이 뛰어나며 투명성을 갖는 열가소성 수지 100 중량부로 이루어지거나 또는 상기 열가소성 수지 50 내지 100 중량부, 백색도가 뛰어나며 스테아린산으로 코팅된 충전재 또는 내마모 및 내스크래치성 증가를 위해 경도가 높으며 내화학성이 우수한 용융 실리카 첨가제 4 내지 10 중량부, 안료 2 내지 5 중량부 및 왁스류 1.5 내지 4.5 중량부를 포함한다.
상기 투명성을 갖는 열가소성 수지는 폴리메틸-메타아크릴레이트를 포함한 아크릴레이트계, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔스티렌, 폴리카보네이트, 스티렌아크릴로니트릴, 폴리염화비닐수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 중합체이다.
본 발명의 합성목재 제품이 도 1와 같이 레일을 포함하는 창호 제품인 경우, 롤러에 의한 지속적인 마모를 고려하여 레일 부위에는 물성보강 내층이 목무늬 중간층에 덮이지 않는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 물성보강 내층 위에 레일층으로서 목무늬 중간층과 유사한 색상을 갖는 내마모성 레일층이 적층된다. 상기 내마모성 레일층은 물성보강 내층과 유사한 조성을 가지며, 추가로 자외선 안정제 0.5 중량부를 포함한다.
이하 첨부도면 및 실시예에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 3중 압출공정을 통해 제조된 이형 창호용 형재의 개략적인 단면도로서, 우수한 기계적 강도를 갖는 폴리염화비닐수지계 조성물로 이루어진 물성보강 내층(1), 식물성 섬유재를 이용한 나뭇결 무늬가 형성되어 있는 목무늬 중간층(2), 그리고 입체성, 기능성 및 외부요인에 의한 표면내성을 갖는 투명 표면층(3)으로 구성되어 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 내측에 형성된 레일 부위에는 목무늬 중간층 및 표면층이 적층되어 있지 않고 물성보강 내층만으로 이루어져 있으며, 이는 롤러에 의한 마모문제를 고려한 것이다. 목무늬 중간층의 부재로 인한 외관상의 불일치를 해소하고 물성보강 내층을 보강하도록, 레일부위의 내층 위에 내마모성이 우수하고 목무늬 중간층과 유사한 색상을 갖는 레일층이 적층될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다중 공압출 공법에 따라 합성목재용 형재를 제조하는 장치의 개략적인 배치도로서, 다중 공압출 공정을 이용한 합성목재 제품은 구체적으로 폴리염화비닐수지에 100 ㎛ 이하의 길이를 갖는 섬유상 펄프를 3 내지 20 중량%, 충전재 5 내지 15 중량%, 복합안정제 3 내지 7.5 중량%, 충격보강제 5 내지 10 중량%, 안료 2 내지 8 중량%, 이외에 가공조제 및 보조제를 히팅 및 쿨링 고속 회전 믹서를 이용하여 배합하는 1차 공정; 상기 배합된 분말상 수지를 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder를 이용하여 펠렛상 수지를 만드는 2차 공정; 상기 제조된 펠렛상 원료를 다중 공압출 프로세스에 적용하여, 물성보강 내층, 목무늬 중간층, 그리고 내후성, 내마모성 및 내스크래치성을 향상시키는 투명 표면층, 선택적으로는 창호의 주행성 향상을 위한 레일층을 형성하는 3차 압출공정; 및 냉각, 인출, 절단, 포장의 일련의 과정을 거쳐 제조된다.
이하, 본 발명에 따른 셀룰로오스 섬유 펄프를 이용한 합성목재 제조용 염화비닐수지계 조성물 및 이를 포함하는 합성목재 제품에 대한 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 보면 다음과 같다.
실시예 1
중합도가 1,000인 폴리염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM(Acrylic Impact Modifier) 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스(oxidized polyethylene wax) 3 중량부, 백색안료 3 중량부 및 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산(stearic acid)으로 코팅된 충전재 8 중량부를 히팅 및 쿨링 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100 rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 2
평균 섬유길이가 40 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 98 중량%인 펄프 섬유 10 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀(phenolic)계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부, 무늬구현용 칼라안료 1 중량부 및 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 3
평균 섬유길이가 40 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 98 중량%인 펄프 섬유 10 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 분말 성상의 네오알콕시(neoalkoxy) 티타네이트계 물성증강제 0.3 중량부, 마그네슘계 금속산화물 1 중량부, 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 80℃ 및 1,000 rpm에서 15분간 혼합한 후 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부 및 무늬구현용 칼라안료 1 중량부를 추가로 투입하고 110℃에서 1,100 rpm으로 10분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 4
평균 섬유길이가 40 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 98 중량%인 펄프 섬유 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부, 무늬구현용 칼라안료 1 중량부 및 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100 rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 5
평균 섬유길이가 40 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 98 중량%인 펄프 섬유 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 분말 성상의 네오알콕시 티타네이트계 물성증강제 0.3 중량부, 마그네슘계 금속산화물 1 중량부, 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 80℃ 및 1,000 rpm에서 15분간 혼합한 후 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부 및 무늬구현용 칼라안료 1 중량부를 추가로 투입하고 110℃에서 1,100 rpm으로 10분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 6
평균 섬유길이가 60 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 99.5 중량%인 펄프 섬유 10 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부, 무늬구현용 칼라안료 1 중량부 및 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100 rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 7
평균 섬유길이가 60 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 99.5 중량%인 펄프 섬유 10 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 분말 성상의 네오알콕시 티타네이트계 물성증강제 0.3 중량부, 마그네슘계 금속산화물 1 중량부, 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 80℃ 및 1,000 rpm에서 15분간 혼합한 후 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부 및 무늬구현용 칼라안료 1 중량부를 추가로 투입하고 110℃에서 1,100 rpm으로 10분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 8
평균 섬유길이가 60 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 99.5 중량%인 펄프 섬유 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부, 무늬구현용 칼라안료 1 중량부 및 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100 rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 9
평균 섬유길이가 60 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 99.5 중량%인 펄프 섬유 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 분말 성상의 네오알콕시 티타네이트계 물성증강제 0.3 중량부, 마그네슘계 금속산화물 1 중량부, 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 80℃ 및 1,000 rpm에서 15분간 혼합한 후 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부 및 무늬구현용 칼라안료 1 중량부를 추가로 투입하고 110℃에서 1,100 rpm으로 10분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
비교예 1
평균 섬유길이가 150 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 55 중량%인 목분(Wood Flour) 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부, 무늬구현용 칼라안료 1 중량부 및 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100 rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
비교예 2
평균 섬유길이가 150 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 55 중량%인 목분 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 분말 성상의 네오알콕시 티타네이트계 물성증강제 0.3 중량부, 마그네슘계 금속산화물 1 중량부, 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 8 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 80℃ 및 1,000 rpm에서 15분간 혼합한 후 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부 및 무늬구현용 칼라안료 1 중량부를 추가로 투입하고 110℃에서 1,100 rpm으로 10분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 180℃의 온도에서 티-다이 압출을 통하여 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 박판을 얻었다.
실시예 10
실시예 1의 처방원료를 분말화하여 도 2의 제1압출기(Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder)의 원료로 하고, 실시예 8의 처방원료를 펠렛화하여 도 2의 제2압출기(Single Screw Extruder)의 원료로 하여, 2중 압출구조 다이를 통해 1.8 ㎜ 두께의 내부층(실시예 1 처방)과 0.2 ㎜ 두께의 중간층(실시예 8)을 갖는 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 다층 박판을 얻었다.
실시예 11
실시예 1의 처방원료를 분말화하여 도 2의 제1압출기(Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder)의 원료로 하고, 실시예 8의 처방원료를 펠렛화하여 도 2의 제2압출기(Single Screw Extruder)의 원료로 하고, 표면 보강 및 내성을 갖으며 연화용융 유동성이 양호한 아크릴레이트계 투명 열가소성 합성수지인 폴리메틸메타아크릴레이트수지 100 중량부를 도 2의 제3압출기(Single Screw Extruder)의 원료로 하여, 3중 압출구조 다이를 통해 1.8 ㎜ 두께의 내부층(실시예 1 처방), 0.2 ㎜ 두께의 중간층(실시예 8) 및 80 내지 100 ㎛ 두께의 투명 표면층을 갖는 2.1 ㎜ 정도 두께의 합성목재용 염화비닐수지 다층 박판을 얻었다.
실시예 12
실시예 1의 처방원료를 분말화하여 도 2의 제1압출기(Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder)의 원료로 하고, 평균 섬유길이가 60 ㎛, 두께가 20 ㎛이고 셀룰로오스 함량이 99.5 중량%인 펄프 섬유 5 중량부, 중합도가 1,000인 염화비닐수지 100 중량부, 내후성이 뛰어난 아크릴계 충격보강제인 AIM 10 중량부, 비교적 가격이 저렴하며 열안정성이 우수한 Pb계 열안정제 4 중량부, 일반적으로 사용되는 페놀계 산화방지제 0.3 중량부, 벤조트리아졸계 자외선 흡수제 0.5 중량부, 내외부활제로 주로 사용되는 산화 폴리에틸렌 왁스 3 중량부, 백색안료 2 중량부, 무늬구현용 칼라안료 1 중량부, 평균입경이 10 ㎛ 이하로 백색도가 뛰어나며 스테아르산으로 코팅된 충전재 7 중량부 및 내마모 및 내스크래치성 증가를 위해 경도가 높으며 내화학성이 우수한 용융 실리카(fused silica) 첨가제 3 중량부를 고속회전 믹서에 투입하여 110℃에서 1,100 rpm으로 25분간 혼합한 후 75℃에서 500 rpm으로 20분간 냉각시킨 다음 Intermeshing Counter Rotating Twin Screw Extruder에 투입하여 펠렛화 한 후 도 2의 제2압출기(Single Screw Extruder)의 원료로 하여, 2중 압출구조 다이를 통해 1.8 ㎜ 두께의 내부층(실시예 1 처방)과 0.2 ㎜ 두께의 중간층(상기 처방)을 갖는 2 ㎜ 두께의 합성목재용 염화비닐수지 다층 박판을 얻었다.
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 합성목재용 염화비닐수지 박판에 대한 물성 테스트를 실시하였으며, 그 결과는 다음 표 1 및 표 2와 같다.
압출성형 합성목재용 염화비닐수지의 물성데이타
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2
인장강도(Mpa) 45.1 37.1 40.1 40.5 40.7 40.2 40.8 42.7 41.8 34.3 40.7
인장파단신율(%) 170 29.9 32.5 42.9 46.5 34.0 36.3 49.2 51.7 19.7 25.8
a)RT충격강도(kJ/㎡) 45 14.6 15.1 18.8 19.9 13.2 13.9 17.1 18.5 10.5 12.1
-10℃충격강도(kJ/㎡) 13 9.3 10.2 11.0 11.2 9.6 9.9 10.4 10.7 5.7 8.1
굴곡강도(Mpa) 72.5 45.6 46.1 46.6 46.7 46.1 46.1 46.7 47.1 42.3 45.5
b)열안정성
b)압출성형성
a) 상온 샤르피 충격강도b) ◎: 아주 좋음, ○: 좋음, △: 보통임, ×: 나쁨
상기 표 1은 본 발명의 효과를 알아보기 위해 실시예 2 내지 실시예 9를 통해 제작된 박판 시편 및 목분을 이용하여 채취한 비교예 1 내지 2의 기계적 특성과 열안정성, 압출성형성에 대한 물성테스트의 결과이다.
결과를 비교하면 식물성 섬유재를 사용한 실시예 2 내지 9의 인장강도, 신율, 충격강도 및 굴곡강도가 목분을 이용하여 만든 비교예 1 내지 2와 비교하여 모든면에서 상당히 높은 것으로 확인되었으며, 기존 목분의 경우 물성증강제 및 금속산화물이 상당한 물성 증가에 영향을 주었지만 식물성 섬유재를 사용한 경우 물성증강제의 효과는 미미한 것으로 확인되었다.
또한 식물성 섬유재를 이용한 실시예 2 내지 9를 통하여 섬유재의 길이가 길수록 신율 증가 및 충격 감소 현상이 발생되나 차이는 크지 않음을 확인할 수 있다.
다중 공압출 성형공법을 이용한 합성목재 제품의 물성데이타
구분 실시예
1 8 10 11 12
인장강도(Mpa) 45.1 42.7 45.1 43.6 44.5
인장파단신율(%) 170 49.2 154.1 128.7 46.5
a)RT충격강도(kJ/㎡) 45 17.1 27.6 28.9 20.1
-10℃충격강도(kJ/㎡) 13 10.4 12.4 12.8 11.2
굴곡강도(Mpa) 72.5 46.7 59.5 63.3 50.4
열안정성
압출성형성
b)내마모성 ×
c)내스크래치성
[척도] ◎: 아주 좋음, ○: 좋음, △: 보통임, ×: 나쁨a) 상온 샤르피 충격강도b) KS F 2811, Abrasive Wheel CS17, 1 kgfc) DIN 53799, 2 N 이상
상기 표 2는 본 발명에서 적용한 다중 압출구조를 갖는 압출제품(실시예 10 내지 12)의 기계적 특성과 열안정성, 압출 성형성, 내마모성 및 내스크래치성을 실시예 1 및 실시예 8의 결과와 비교한 것이다.
표 2에 따르면, 실시예 1의 수지조성을 다중 공압출 구조의 물성보강 내층(두께 1.8 ㎜ 이상)으로 이용하고 기존 목분에 비해 기계적 물성과 압출 성형성이 우수한 실시예 8을 외관의 무늬를 구현해주는 중간층(두께 0.1 ㎜ 이상, 0.5 ㎜ 이하)으로 이용한 실시예 10, 그리고 실시예 10의 내층 및 중간층에 내열 및 내후성이 뛰어나고 내마모성 및 내스크래치성이 우수한 아크릴계 열가소성 수지를 투명 표면층(두께 100 ㎛ 이하)으로 이용하여 3중 압출구조 박판으로 만든 실시예 11의 결과에서 보듯이, 기존 식물성 섬유재 및 목분이 갖지 못하는 높은 신율 및 내충격성을 확보하여 문틀, 창호, 바닥재, 몰딩류 등 높은 기계적 강도, 내마모성 및 내스크래치성이 요구되는 광범위한 합성목재 제품을 제조할 수 있다.
실시예 11은 3중 공압출을 통하여 표면에 내마모 및 내스크래치성이 좋은 수지로 코팅한 경우이며, 실시예 12는 2중 공압출을 통해 처방에 내마모 및 내스크래치성 향상을 위한 첨가제를 처방한 경우로서, 3중 공압출을 이용한 실시예 11의 물성이 더 좋음을 확인할 수 있다.
이와 같이 여러 개의 압출기를 이용하여 금형내에서의 다중 공압출 프로세스를 이용한 합성목재 제품은 기존 목분을 이용하여 제조되고 있는 문틀 및 창호가 갖는 기계적 물성의 취약점을 보완하고 나뭇결 모양의 무늬 구현성, 압출 작업성, 수분에 의한 영향, 자외선에 의한 경시변색 등을 배제할 수 있는 창호용 형재 및 광범위한 분야에서 천연목재를 대체할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 식물성 섬유재를 포함하는 합성목재용 수지조성물 및 다중 공압출 공법을 이용한 합성목재 제품은 기존 목분을 사용하여 제조한 경량성 건축 내외장재에 비해 우수한 기계적 물성 및 가공안정성, 무늬구현성 등을 나타낼 수 있어 소비자의 선호도를 증가시키고 합성목재의 사용량 증가로 환경보존 문제 해결에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
특히, 본 발명에 따른 합성목재 제품은 식물성 섬유재를 사용하여 일반 목분이 갖지 못하는 압출과정에서의 열안정성 및 장기간 옥외 폭로시 발생되는 수분과 자외선에 의한 경시변색을 보완하고 압출성형시 용융 수지의 흐름성을 좋게 하고 성형된 성형품의 신율 및 내충격성 등 기계적 물성을 크게 하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 3중 압출공정을 통해 제조된 이형 창호용 형재의 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명의 다중 공압출 공법에 따라 합성목재용 형재를 제조하는 장치의 개략적인 배치도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 물성보강 내층
2 : 목무늬 중간층
3 : 표면층

Claims (12)

1개의 압출 다이 내에서 3개 이상의 각기 다른 압출기를 통하여 유입되는 동종 또는 이종의 수지를 접합하는 3중 이상의 다중 공압출 공법을 이용함으로써 기계적 물성 및 표면 물성을 개선하고, 목재성분 중 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재를 포함하는 합성목재용 수지조성물로 이루어진 층을 갖는 3층 이상의 합성목재 제품을 제조하되,
상기 합성목재용 수지조성물이 열가소성 수지 70 내지 80 중량%, 내충격성 보강제 5 내지 10 중량%, 충전재 5 내지 15 중량%, 복합안정제 3 내지 7.5 중량%, 안료 2 내지 8 중량% 및 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재 3 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품의 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재가 100 ㎛ 이하의 평균 섬유길이 및 90 중량% 이상의 셀룰로오스 함량을 가지는 펄프 섬유인 것을 특징으로 하는 합성목재 제품의 제조방법.
1개의 압출 다이 내에서 3개 이상의 각기 다른 압출기를 통하여 유입되는 동종 또는 이종의 수지를 접합하는 3중 이상의 다중 공압출 공법을 이용함으로써 개선된 기계적 물성 및 표면 물성을 가지고, 목재성분 중 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재를 포함하는 합성목재용 수지조성물로 이루어진 층을 포함하여 3층 이상의 적층구조를 가지며,
상기 합성목재용 수지조성물이 열가소성 수지 70 내지 80 중량%, 내충격성 보강제 5 내지 10 중량%, 충전재 5 내지 15 중량%, 복합안정제 3 내지 7.5 중량%, 안료 2 내지 8 중량% 및 페놀성 화합물이 제거된 식물성 섬유재 3 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 4항에 있어서, 상기 합성목재 제품이 창호, 문틀, 바닥재 및 몰딩류 중에서 선택되는 건축용 내외장재인 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 4항에 있어서, 물성보강 내층, 합성목재용 수지조성물로 이루어진 목무늬 중간층 및 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 6항에 있어서, 물성보강 내층의 두께가 1.0 ㎜ 내지 5.0 ㎜, 목무늬 중간층의 두께가 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜, 표면층의 두께가 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 6항에 있어서, 상기 물성보강 내층이 중합도가 500 내지 1,500인 폴리염화비닐수지 50 내지 150 중량부, 아크릴계 충격보강제 5 내지 15 중량부, 열안정제 2 내지 4 중량부, 활제 1.5 내지 4.5 중량부, 백색안료 1.5 내지 4.5 중량부 및 충전재 4 내지 12 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 6항에 있어서, 상기 표면층이 투명성을 갖는 열가소성 수지 100 중량부로 이루어지거나, 또는 상기 투명성을 갖는 열가소성 수지 50 내지 100 중량부, 충전재 4 내지 10 중량부, 안료 2 내지 5 중량부 및 왁스류 1.5 내지 4.5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 9항에 있어서, 상기 투명성을 갖는 열가소성 수지가 폴리메틸-메타아크릴레이트를 포함한 아크릴레이트계, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔스티렌, 폴리카보네이트, 스티렌아크릴로니트릴, 폴리염화비닐수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 중합체인 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 6항에 있어서, 레일을 포함하는 창호 제품인 경우 롤러에 의한 지속적인 마모를 고려하여, 레일 부위에는 물성보강 내층이 목무늬 중간층에 덮이지 않는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
제 6항에 있어서, 레일 부위의 물성보강 내층 위에 목무늬 중간층과 유사한 색상을 갖는 내마모성 레일층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 합성목재 제품.
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