KR100636427B1 - 인조목재 제조방법 및 이에 따라 제조된 인조목재 - Google Patents

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Abstract

폴리올레핀 수지의 화학발포에 의한 인조목재제조방법 및 이에 따라 제조된 발포플라스틱 인조목재에 관한 것으로,
140-150℃의 온도에서 폴리올레핀 수지와 셀룰로오스계 목분을 10-100phr로 용융,혼합하는 단계; 아조디카본아미드 0.5-5phr 및 산화아연 0.5-2phr로 첨가하여 폴리올레핀수지와 셀룰로오스계 목분의 용융혼합물을 발포하는 단계; 및 디큐밀퍼옥사이드 0.5-4phr을 첨가하고 혼합한 다음 성형하는 단계;로 이루어지는 발포플라스틱 인조목재제조방법 및 이에 따라 제조된 발포 플라스틱 인조목재가 제공된다.
상기 방법으로 제조된 발포 플라스틱 인조목재는 목재와 유사하여 목박음질이 가능하며, 강도 및 치수안정성이 우수하며, 또한 색상을 조절하기 용이한 것으로 목재대용품을 사용가능한 것이다.
인조목재, 발포플라스틱, 폴리올레핀 수지, 셀룰로오즈계 목분, 발포

Description

인조목재 제조방법 및 이에 따라 제조된 인조목재{A METHOD FOR PREPARING OF CELLULAR PLASTIC LUMBER AND CELLULAR PLASTIC LUMBER MADE THEREOF}
본 발명은 플라스틱 및 목분을 이용한 인조목재제조방법 및 이에 따라 제조된 발포플라스틱 인조목재에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 폴리올레핀 수지의 화학발포에 의한 인조목재제조방법 및 이에 따라 제조된 발포플라스틱 인조목재에 관한 것이다.
도시화 및 산업화 과정에서 주택 및 산업시설용지 등의 용도로 사용되는 목재의 사용량이 점차 증가되는 추세이며, 산림자원의 중요성을 인식하는 많은 나라에서 목재생산은 여전히 주요한 산업분야이지만 환경기능의 중요성이 높아짐에따라 목재생산 및 환경기능을 조화시키기 위해 노력하고 있는 실정이다.
천연 목재는 그 사용처가 다양할 뿐만아니라 가장 널리 이용되는 재료 중 하나이지만 건축자재 특히 면목, 목지봉 등은 가공시간이 많이 소요되며 일회용품으로 사용하기에 비경제적이다. 또한 일회 사용후 폐기에 따른 자원 낭비 및 공사시 천연목재의 특성상 수분흡수를 대신할 수 있는 합성목재를 제조하는 기술의 개발이 요구된다. 따라서, 종래 파티클보드나 칩보드, 베니어 합판등이 개발되어 사용되어져 왔으나, 이 또한 주원료가 목재이거나 사용처 제한의 문제가 있는 것이다.
종래 인조목재제조와 관련된 기술로는 플라스틱과 목분을 단순히 혼합하여 제조하거나 혹은 미국의 Eaglebrook에서 제조된 플라스틱을 이용한 인조목재(Schaumburg II., 3rd-4th, Nov. 1994, p121-9, 8(13))가 있다. 그러나 상기 인조목재는 목재와 유사한 질감을 나타내지만 단순한 플라스틱 성형이며, 한번 성형된 플라스틱 인조목재는 새로운 마감 가공이나 새로운 가공기술을 적용하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 천연목재와 같은 장점을 갖으면서 목재를 대체할 수 있는 인조목재의 개발이 요구된다.
이에 본 발명의 목적은 표면 자체가 목재와 유사하며 못질이 가능한 인조목재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 방향성이 없고 흡수율이 적어 수분에 의해 변형되지 않으며 치수안정성을 갖는 인조목재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가볍고 강도 및 내충격성이 우수할 뿐만 아니라 착색이 용이한 인조목재 제조방법을 제공하는 것이다.
나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 방법으로 제조된 상기한 물성을 갖는 인조목재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일견지에 의하면,
140-150℃의 온도에서 폴리올레핀 수지 100부(part) 기준으로 셀룰로오스계 목분을 10-100phr(part per hundred resin)로 용융,혼합하는 단계;
아조디카본아미드 0.5-5phr 및 산화아연 0.5-2phr로 첨가하여 폴리올레핀수지와 셀룰로오스계 목분의 용융혼합물을 발포하는 단계; 및
디큐밀퍼옥사이드 0.5-4phr을 첨가하고 혼합한 다음 성형하는 단계;
로 이루어지는 발포플라스틱 인조목재제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
상기 방법에 의해 제조된 발포 플라스틱 인조목재가 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서는 주재로서 폴리올레핀수지와 셀룰로오스계 목분을 용융,혼합하여 사용하고 이를 발포제를 이용하여 발포시킴으로써 수지조성 전체에 균일한 기포를 형성한다.
이와같이 수지를 발포함으로써 질감 및 강도가 목재와 유사한 인조목재가 제조되며, 본 발명에 따른 발포 플라스틱 목재는 무게가 가볍고 충격강도 및 굴곡강도가 향상되며 또한 천연목재 혹은 종래의 인조목재보다 향상된 특성을 갖는다.
본 발명에 의한 발포 인조목재제조에 주재로는 폴리에틸렌수지와 셀룰로오스계 목분이 사용되며, 다음과 같은 순서에 따라 본 발명의 인조목재가 제조된다.
먼저 폴리에틸렌수지를 용융하고 이에 셀룰로오스 목분을 10-100phr(phr:part per hundred resin, 수지 100중량부에 대한 첨가량), 바람직하게는 20-100phr의 양으로 첨가한다. 셀룰로오스 목분의 함량이 10phr이하인 경우에는 제조되는 인조목재가 플라스틱 느낌이 강할뿐 목재로서의 느낌을 갖지 않으며, 100phr이상인 경우에는 플라스틱 목재 그 자체로는 사용가능하지만, 실제 본 발명에서 의도하는 기포를 형성하기 어렵기 때문이다.
이때 폴리에틸렌수지의 용융온도인 110-135℃보다 조금 높은 온도인 140-150℃의 온도에서 폴리에틸렌수지와 셀룰로오스계 목분을 기계적혼합방식으로 혼합한다. 이는 수지 가공시 용융온도에서 수지가 충분히 용융되지 않을 수 있고 또한 가공기계에 무리가 따르게 됨으로 폴리에틸렌수지의 용융온도보다 높은 온도인 140-150℃에서 수지와 목분을 용융, 혼합한다.
이와 같이 주제를 혼합하고 상기 주제를 발포하기 위해 발포제 및 발포조제를 첨가한다. 발포제로는 폴리올레핀계 수지의 발포에 일반적으로 사용되는 아조디카본아미드(Azodicarboneamide: 이하, 단지 'AC'라 한다.)를 사용한다. AC는 분해온도가 200-210℃이며, 자기소화성을 갖으며 무독성의 안정한 물질로서 그 물성을 하기 표 1에 나타내었다. 발포제는 0.5-5phr로 사용한다. 0.5phr이하로 첨가하는 경우에는 수지내에 기포를 형성하는 가스의 발생량이 부족하고 5phr을 초과하는 경우에는 가스가 다량 발생되어 발포효율은 좋지만 비경제적이고 목재로서의 성질보다는 오히려 스폰지와 같은 형태를 갖게됨으로 발포제는 0.5-5phr의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
아조디카본아미드의 기본 물성
항목 단위 성상
외관 분해온도 발생가스량 분해열 연소열 ℃ ml/g Kcal/mol Kcal/mol 등색 미분말 200-210 220-240 10 256
발포조제는 발포제의 분해온도를 낮추는 역할을 한다. 즉, 발포조제를 사용함으로써 AC의 분해온도가 205℃에서 130-155℃로 낮아진다. 이와같이 발포조제를 사용함으로써 높은 발포온도에 의한 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 또한 가교조제로서의 역할을 하는 것이다. 발포조제는 0.5-2phr이하의 양으로 첨가된다. 0.5phr이항의 양으로 첨가하는 경우에는 발포조제로성의 발포온도를 낮추는 효과를 나타내지 않으며 2phr이상으로 첨가하는 경우에는 가교제의 역할은 2phr첨가시보다 개선되지 않고 오히려 다량 첨가된 발포조제가 발포제에 의한 발포셀 형성을 방해하게 된다.
상기한 바와 같이 발포제 및 발포조제를 첨가하여 수지를 발포시킨후 마지막으로 가교제를 첨가한다. 가교제는 발포에 의해 형성된 발포셀의 형태를 유지하는 역할을 한다. 가교제로는 디큐밀퍼옥사이드를 0.5-4phr로 사용하며, 그 물성은 하기 표 2에 나타내었다. 0.5phr이하로 사용하는 경우에는 그 양이 부족하여 가교제로서의 역할이 어려우며, 4phr이상으로 첨가될 경우에는 가교도의 증가로 인하여 인하여 기포가 형성되기 전에 가교되는 부분이 발생하여 기포를 형성하기 어렵게 된다. 가교제 첨가후의 온도와 시간이 수지물성에 상당한 영향을 미치게 됨으로 반드시 가교제의 반감기를 고려하여 적정선에서 작업이 이루어져야 한다. 즉, 가교제는 가교제가 첨가되는 온도에 따라 가교작용을 나타내는 시간을 달리함으로 가교제가 첨가되는 온도를 고려하여 가교제 첨가후, 적정시간동안 혼합하여야 한다. 본 발명에서 가교제의 혼합시간은 1-4분 정도의 작업시간을 두고 작업한다. 이 때 1분이하의 온도에서는 혼합할 경우에는 균일하게 혼합하기 어려우며 4분이상에서는 이미 발포셀이 형성되기전에 가교됨으로 주의하여야 한다.
디큐밀퍼옥사이드의 기본 물성
구조 [C6H5C(CH3)2]2O2
분자량 270.37
녹는점 39-41℃
상기한 바와 같이 인조목재를 제조함에 있어서, 올레핀수지, 셀룰로오즈계 목분, 발포제, 발포조제 및 가교제는 반드시 상기한 바와 같은 순서에 따라 첨가 배합하여야 한다.
이는 올레핀수지와 셀룰로오스 목분은 140-150℃에서 용융혼합하게됨으로 이때 발포제 및 발포조제를 첨가하게되면 발포제는 135-140℃에서 발포하게됨으로 발포제가 미리발포되어 수지내에 기포를 형성하지 못하게 된다. 따라서 수지와 셀룰로오스 목분을 용융혼합한후 발포제 및 발포조제를 첨가한다.
또한, 가교제는 발포에 의해 수지내에 형성된 기포셀의 형태를 유지하게 하는 것으로 수지가 충분히 발포되기 전에 가교제를 첨가하게 되면 충분히 기포가 형성되지않은 상태에서 가교되어 기포를 형성하기 어렵게 된다.
상기한 바와 같이 수지, 발포제 및 가교제등을 혼합한후 이를 성형한다.
성형은 일반적인 성형방법으로 행하여 진다. 예를들어 170-200℃, 10-15톤 압력조건하에서 성형한다. 170℃이하에서 성형할 경우, 가스 발생에는 큰 영향이 없으나 수지의 유동성이 저하되기 때문에 발생된 가스의 기포형성에 어려움을 초래하며, 200℃이상에서는 수지가 열분해될 수 있다. 10톤이하의 압력하에서 성형할 경우, 발생된 가스가 성형틀 밖으로 새어나오기 때문에 발생된 가스를 충분히 활용 할 수 없으며, 15톤이상의 높은 압력은 필요로 하지 않는다. 바람직하게는 15분-1시간 동안 성형하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 방법으로 폴리올레핀수지와 셀룰로오즈계 목분을 발포하여 제조한 인조목재는 내부에 무수히 많은 기포를 갖음으로 못박음질하는 경우, 내부의 기포가 못을 조여줌으로 천연목재와 같이 못박음질이 가능하다.
또한, 셀룰로오즈계 목분을 사용하여 인조목재를 제조함으로써 천연목재의 느낌 및 나무로서의 강도를 갖으며, 수지조성 전체에 균일한 기포가 형성됨으로 무게는 감소되고 충격강도 및 굴곡강도가 개선된다.
나아가, 본 발명의 인조목재는 방향성이 없기때문에 천연목재 가공시 문제시되던 일방향 가공을 필요로 하지 않으며, 수분을 흡수하지 않음으로 천연목재와 같은 수분에 의해 변형이 방지되며 치수안정성을 갖는 것으로 동일한 형태의 목재를 대량 생산할 수 있다. 또한, 안료등을 배합하여 색상을 자유로이 조절할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 인조목재는 실내 바닥재, 가구재, 벽재, 기타 목재대용품으로 사용할 수 있으며 수분에 의한 영향을 받게되는 부분에도 또한 사용가능한 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일뿐 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
폴리에틸렌수지를 혼합기(mixer)에 넣어 용융한 후, 140-150℃에서 폴리에틸렌수지 100부 기준으로 셀룰로오즈계 목분을 50phr로 첨가하여 균일한 혼합하였다. 그 후, 아조디카본아미드 5phr 및 산화아연 2phr을 첨가, 혼합하였다. 그리고 마지막으로 디큐밀퍼옥사이드를 각각 0, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5phr로 다르게 혼합하였다. 혼합된 수지 조성물을 성형틀에 넣고, 170-200℃에서 10-15톤의 압력조건하에서 15분-1시간동안 성형하여 발포플라스틱 인조목재를 제조하였다.
제조된 인조목재의 충격강도를 측정하였으며 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
충격강도는 시험규격 ASTM D-256에 의해 아이조이드 충격시험방법으로 측정하였다.
가교제 첨가량에 따른 인조목재의 물성변화
특성 가교제함량(phr)
0 0.5 1 2 3 4 5
충격강도 (kg-cm/cm) 2.27 4.7 6.21 5.9 5.1 3.2 2.0
셀룰로오즈계 목분을 50phr, 발포조제를 2phr 및 발포제를 5phr로 고정하고, 가교제의 함량을 변화시키면서 제조한 발포플라스틱 인조목재의 경우, 표 3에 나타난바와 같이 가교제를 1phr로 포함하였을때 충격강도가 6.21kg-cm/cm로 가장 높게 나타났다. 그리고, 가교제를 포함하지 않은 경우 및 5phr로 포함한 경우는 각각 2.27kg-cm/cm 및 2.0kg-cm/cm로 충격강도가 감소되는 것으로 나타났다.
실시예 2
폴리에틸렌수지를 혼합기에 넣어 용융한 후, 140-150℃에서 폴리에틸렌수지 100부 기준으로 셀룰로오즈계 목분을 50phr로 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 그 후, 아조디카본아미드를 각각 0, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 10phr로 다르게 첨가, 혼합하고 산화아연을 모두 동일하게 2phr로 혼합하였다. 마지막으로 디큐밀퍼옥사이드를 모두 동일하게 1phr로 혼합하였다. 혼합된 수지 조성물을 성형틀에 넣고, 170-200℃에서 10-15톤의 압력조건하에서 15분-1시간동안 성형하여 발포플라스틱 인조목재를 제조하였다.
제조된 인조목재의 충격강도 및 굴곡강도를 측정하였으며 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 충격강도는 상기 실시예 1에서와 같이 그리고 굴곡강도는 ASTM-790에 의해 3-포인트 벤딩(3-Point bending)법으로 측정하였다.
발포제 첨가량에 따른 인조목재의 물성변화
특성 발포제 함량(phr)
0 0.5 1 2 3 4 5 10
굴곡강도 (kg/cm2) 220 227 239 244 256 238 210 -
충격강도 (kg-cm/cm) 2.27 2.72 3.5 4.41 4.56 5.37 6.21 -
셀룰로오즈계 목분을 50phr, 발포조제를 2phr 및 가교제를 1phr로 고정하고, 발포제의 함량을 변화시키면서 제조한 발포 플라스틱 목재의 경우, 표 4에 나타난바와 같이 굴곡강도가 모두 200kg/㎠이상으로 발포제의 첨가로 굴곡강도가 저하되지 않거나 향상된 것으로 나타났다. 충격강도는 5phr로 포함하였을 경우, 6.21kg-cm/cm로서 가장 높게 나타나 이보다 적게 발포제를 포함한 경우에 비해 현저히 증가된 것으로 나타났다.
실시예 3
폴리에틸렌수지를 혼합기에 넣어 용융한 후, 140-150℃에서 폴리에틸렌수지 100부 기준으로 셀룰로오즈계 목분 100phr을 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 그 후, 아조디카본아미드를 각각 0, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 10phr로 다르게 혼합한 후, 산화아연은 모두 동일하게 2phr로 첨가,혼합하였다. 마지막으로 디큐밀퍼옥사이드를 모두 동일하게 1phr로 혼합하였다. 혼합된 수지 조성물을 성형틀에 넣고, 170-200℃에서 10-15톤의 압력조건하에서 15분-1시간동안 성형하여 인조목재를 제조하였다.
제조된 인조목재의 충격강도 및 굴곡강도를 측정하였으며 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
발포제 첨가량에 따른 인조목재의 물성변화
특성 발포제 함량(phr)
0 0.5 1 2 3 4 5 10
굴곡강도 (kg/cm2) 240 242 247 252 267 234 227 -
충격강도 (kg-cm/cm) 2.13 2.3 2.9 3.3 3.7 4.2 5.27 -
참고) 파티클 보드의 강도 : 150-200kg/㎠
오동나무의 강도 : 200kg/㎠
셀룰로오즈계 목분을 100phr, 발포조제를 2phr 및 가교제를 1phr로 고정하고, 발포제의 함량을 변화시키면서 제조한 발포 플라스틱 목재의 경우, 표 5에 나타난바와 같이 굴곡강도가 모두 200kg/㎠이상으로 발포제의 첨가로 굴곡강도가 저하되지 않거나 향상된 것으로 나타났다. 충격강도는 5phr로 포함하였을 경우, 5.27kg-cm/cm로서 가장 높게 나타나 이보다 적게 발포제를 포함한 경우에 비해 현 저히 증가된 것을 알 수 있다. 이러한 상기 결과는 본 발명의 발포 플라스틱 목재의 강도가 파티클 보드의 강도(150-200kg/㎠) 및 오동나무의 강도(200kg/㎠)에 견주어 볼때, 이와 비슷하거나 혹은 향상된 것을 알 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 발포 플라스틱 인조목재는 목재와 유사하여 목박음질이 가능하며, 강도 및 치수안정성이 우수하며, 또한 색상을 조절하기 용이한 것으로 목재대용품을 사용가능한 것이다.

Claims (3)

140-150℃의 온도에서 폴리올레핀 수지 100부(part) 기준으로 셀룰로오스계 목분을 10-100phr(part per hundred resin)로 용융,혼합하는 단계;
아조디카본아미드 0.5-5phr 및 산화아연 0.5-2phr로 첨가하여 폴리올레핀수지와 셀룰로오스계 목분의 용융혼합물을 발포하는 단계; 및
디큐밀퍼옥사이드 0.5-4phr을 첨가하고 혼합한 다음 성형하는 단계;
로 이루어지는 발포플라스틱 인조목재제조방법.
제 1항에 있어서, 디큐밀퍼옥사이드 첨가후 1-4분간 혼합함을 특징으로 하는 인조목재제조방법.
제 1항의 방법으로 제조된 발포플라스틱 인조목재.
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