KR100712351B1 - 초고속 회전믹서를 이용한 목질 복합소재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목질소재와 열가소성 수지를 포함하는 원료를 초기함수율을 낮추는 전처리 과정없이 초고속 믹서에 투입하는 단계; 상기 원료를 초고속 믹서에서 2,000 내지 7,000 rpm의 속도로 회전시킴으로써, 원료에 함유되어 있는 수분을 완전히 제거시키는 단계; 상기 열가소성 수지가 용융될 때까지 계속 원료를 혼합시키는 단계; 용융 혼합물을 냉각하고 일정한 크기로 분쇄하는 단계를 포함하는 목질 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 초고속 믹서를 이용함으로써, 별도의 전처리와 외부가열없이도 원료의 완전한 수분제거가 용이하고 매우 짧은 시간에 매우 균일한 혼합이 가능하다.

목질 복합소재, 초고속 회전믹서, 목분, 열가소성 수지

Description

초고속 회전믹서를 이용한 목질 복합소재의 제조방법{Method for producing wood fiber-thermoplastic composites using ultra-high speed mixer}

도 1은 본 발명 및 종래의 공정에 따라 제조한 목질 복합소재의 기계적 성질을 비교한 그래프이다.

본 발명은 목분 등의 목질소재와 열가소성 플라스틱으로 이루어진 목질 복합소재의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초고속 믹서를 이용하여 별도의 전처리와 외부가열없이 균일한 혼합이 가능한 목질 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.

목분 및 천연소재와 범용 열가소성 플라스틱의 혼합에 있어서, 종래에는 압출기를 이용한 전형적인 압출공정이 사용되었으며, 그 외에 배치타입의 불연속성 혼합공정이 사용되고 있다. 불연속성 배치타입의 경우, 저속가열혼합기(예: Bumbery Mixer)나 고속가열혼합기(예: high Intensity Mixer) 등이 주로 사용되고 있다.

첫째, 압출공정에 의한 연속혼합에 관하여 살펴보면, 기존 열가소성 플라스 틱의 성형가공으로 대표적인 압출공정은 연속적인 공정으로 목분 및 천연섬유와 열가소성 플라스틱과의 혼합에 유리하지만, 목분과 천연섬유가 함유하는 수분이 공정 중 기화되어 공정상 문제를 발생시킬 뿐만 아니라, 압출속도, 압출제품 표면 불균일 등의 품질에서도 문제를 야기한다. 압출공정 중 가스제거 진공벤트 구역을 설치하는 경우도 있지만, 전 구역에서 발생하는 수증기를 제거하기에는 충분치 못한 것이 사실이다.

둘째, 배치형 불연속 혼합에 관하여 살펴보면, 밤바리 믹서라고도 불리는 저속가열혼합기와 고속가열혼합기의 경우 외부가열을 통하여 열가소성 플라스틱을 용융한 상태에서 회전날을 이용하여 목분 및 천연섬유를 균일하게 혼합한다. 그러나, 플라스틱의 용융점(Melting Point)까지 가열하는 시간이 오래 걸리며, 용융체의 높은 점도때문에 에너지 소비량이 큰 편이다. 또한 발생하는 수증기를 강제 배출하기가 어려우며, 오랜 시간 비교적 높은 온도에 노출되기 때문에 목분 및 천연섬유가 열분해될 염려가 있다. 일반적으로 회전날의 속도는 낮게는 30 내지 40 rpm이며, 고속의 경우에도 1,500 rpm을 넘지는 않는다.

위에서 살펴본 기존의 혼합방법은 범용 플라스틱에 기능성 첨가제를 혼합하거나 소량의 충진제(Filler)를 첨가함에 있어서 큰 문제없이 사용된 것이지만, 수분을 다량 함유하는 목분 및 천연섬유와의 혼합에는 고려되어야 할 인자가 존재하며, 특히 목질 복합소재의 경우 목분 및 천연섬유의 함량이 무게 기준 40% 이상의 고함량인 것을 감안하면 개선의 필요가 분명하다. 즉, 혼합공정에서 수분의 제거 및 균일하며 균질한 혼합을 이루는 것이 컴파운드 제조에 있어서 가장 중요한 과제 가 된다. 기존의 혼합방법인 압출공정과 불연속 배치타입 혼합공정은 수분제거의 한계, 높은 에너지 소비율, 그리고 긴 혼합시간 등 개선의 여지가 많은 관계로 본 발명의 동기를 제공하고 있다.

특히, 종래 혼합방법의 경우 수분제거를 위하여 원료를 압출기에 투입하기 전에 원료의 초기함수율을 일정 수준 이하로 감소시키는 전처리 과정이 반드시 필요하였다. 예를 들어 자연에서 제재한 원목을 분쇄한 일반 목분의 경우 함수율이 최대 25% 정도인데, 종래의 경우 이 목분 혹은 톱밥의 함수율이 2% 이하가 되도록 탈수 및 건조처리한 후 원료를 투입하였다.

따라서, 본 발명은 목질소재의 수분함유로 범용 열가소성 수지와의 혼합이 용이하지 않았던 종래 목질 복합소재 혼합공정의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 수분을 완전히 제거한 상태로 수지와 목분 및 기타 천연소재와의 혼합을 용이하게 하는 목질 복합소재의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 외부가열이 필요없고 짧은 시간에 균일한 혼합이 가능한 목질 복합소재의 제조방법을 제공하는 것이다. 시간에 균일한 혼합이 가능한 목질 복합소재의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 목질소재와 열가소성 수지를 포함하는 원료를 초기함수율을 낮추는 전처리 과정없이 초고속 믹서에 투입하는 단계; 상기 원료를 초고속 믹서에서 2,000 내지 7,000 rpm의 속도로 회전시킴으로써, 원료에 함유되어 있는 수분을 완전히 제거시키는 단계; 상기 열가소성 수지가 용융될 때까지 계속 원료를 혼합시키는 단계; 용융 혼합물을 냉각하고 일정한 크기로 분쇄하는 단계를 포함하는 목질 복합소재의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 원료의 초기함수율을 낮추는 전처리 과정없이 원료를 초고속 믹서에 투입하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 초고속 믹서를 사용하여 수분제거 성능과 효율을 대폭 향상시킴으로써 원료의 초기함수율에 상관없이 원료를 곧바로 투입할 수 있으며, 특히 고함수율의 원료인 경우에도 별도의 탈수처리없이 초고속 믹서에 바로 투입하여 수분을 완전히 제거시키는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 별도의 외부가열없이 믹서의 고속 회전날과 재료간의 마찰열, 재료와 재료간의 마찰열, 및 재료와 믹서 챔버벽 간의 마찰열을 이용하여 수분을 제거하고 열가소성 수지를 용융시킴을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 목질 복합소재의 제조에 있어서 초고속 믹서의 사용을 특징으로 한다. 본 발명에서 채택한 초고속 혼합의 장점은 상술한 바와 같이, 별도의 탈수처리와 외부가열이 필요없다는 것 이외에, 초고속 회전에 의하여 매우 짧은 혼합시간으로 매우 균일하고 균질한 혼합을 제공할 수 있다는 것이다.

이러한 본 발명의 장점과 효과를 달성하기 위해서는 적어도 2,000 rpm 이상의 초고속 회전이 필요하며, 바람직하게는 2,000 내지 7,000 rpm 정도의 초고속 회전이라면 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있다. 상기 범위의 회전속도는 수지의 용융점에 이르기 위한 마찰열 발생에 필수적인 조건이 된다.

또한, 본 발명은 목질소재 20 내지 80 중량부, 열가소성 수지 20 내지 80 중 량부를 포함하는 원료를 탈수처리 없이 초고속 믹서에 투입한 후, 외부 가열없이 2,000 내지 7,000 rpm의 속도로 회전시켜 원료에 함유되어 있는 수분을 완전히 제거한 다음, 열가소성 수지를 용융시켜 얻어지는 용융 혼합물을 냉각하고 일정한 크기로 분쇄하여 제조하는 것을 특징으로 하는 목질 복합소재를 제공한다.

목질 복합소재의 조성은 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE)을 비롯한 올레핀계 열가소성 수지 및 폴리비닐 클로라이드(PVC), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 폴리스티렌(PS) 등 범용 열가소성 수지와, 침엽수와 활엽수의 목분, 목섬유, 톱밥 및 마섬유, 볏집 등 일반적인 천연 섬유가 주성분이 되며, 첨가제로서 활제 및 커플링 에이전트(Coupling agent)로 저분자 폴리머 등으로 조성된다.

본 발명에서 제조하는 목질 복합소재는 목질소재와 열가소성 수지를 포함하는 복합소재로서, 통상적으로는 목분 등의 목질소재, 열가소성 수지, 기타 첨가제 등으로 조성되며, 구조적으로는 용융된 열가소성 수지에 목분 등이 균일하게 분산되어 있는 형태를 갖는다.

원료로서 사용가능한 목질소재, 열가소성 수지, 첨가제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 목질소재로는 활엽수 및 침엽수재의 목분, 목섬유, 톱밥 등이 바람직하고, 열가소성 수지로는 PP, PE, PVC, PS, ABS 등이 바람직하며, 첨가제로는 실레인(silane)계나 말레익 변형 수지계(Maleic grafted olefin) 등이 사용될 수 있다. 목질 복합소재의 바람직한 조성은 목질소재 20 내지 80 중량부, 열가소성 수지 20 내지 80 중량부, 첨가제 1 내지 5 중량부이다.

본 발명에서 채택한 혼합기의 개요는 다음과 같다. 기본적으로는 고속가열혼 합기와 유사하지만, 이 믹서기는 외부가열장치를 사용하지 않으며 오직 회전날과 원료간의 마찰, 원료와 원료간의 마찰, 그리고 원료와 혼합 챔버벽(Mixing Chamber Wall)과의 마찰로 인한 발열을 이용하여 열가소성 플라스틱을 가열하게 된다. 초고속 회전율은 2,000 내지 7,000 rpm 정도가 되며, 마찰로 인한 발열은 300℃ 이상까지도 가능하다. 범용 플라스틱의 용융점을 생각한다면 이러한 마찰로 인한 발열은 원료를 용융시키는데 충분할 뿐만 아니라, 회전날의 초고속 회전속도는 목질소재와 플라스틱 멜트(Plastic Melt)와의 효과적인 혼합에 유리하다. 고속회전과 자체 운동에너지를 통한 발열을 감안하여 이 혼합기를 초고속 써모카이네틱 믹서기(High Intensity Thermo-Kinetic Mixer)로 명명할 수 있다.

High Intensity Thermo-Kinetic Mixer의 구성은 크게 회전을 위한 동력부, 마찰열을 발생시키는 회전날과 실시간 원료의 온도를 측정할 수 있는 열전쌍(Thermocouple)이 장착된 챔버(Chamber)부, 실제 원료의 실시간 온도를 측정할 수 있고 그 정보를 이용하여 운전 및 정지를 조절할 수 있는 컨트롤부로 나눌 수 있다.

이와 같은 초고속 믹서를 사용하는 목질 복합소재의 제조과정을 살펴보면, 먼저 챔버 안에 목질소재와 열가소성 플라스틱 등의 원료를 적당량 채우고 챔버를 밀폐한다. 그런 다음 5,000 내지 7,000 rpm의 회전속도로 회전날을 가속시키면 마찰열로 인해 내부온도가 상승하며, 목질소재의 수분이 제거되는 동안 100℃ 내외로 온도상승이 멈추다가 다시 200℃까지 도달하게 되면 회전을 멈춘다. 열가소성 수지의 용융점 이상의 조건에서 고속회전함으로써 열가소성 플라스틱과 목분 등의 목질 소재는 균일하게 혼합이 이루어진 상태로 덩어리져서 배출된다.

이렇게 혼합된 덩어리를 냉각시키고 분쇄하여 통상 입자(granule) 형태로 얻어지는 목분 컴파운드는 일반 압출성형의 재료로 사용될 수 있다.

[실시예]

High Intensity Thermo-Kinetic Mixer의 혼합 균일도를 평가하기 위하여 기존 압출공정을 통한 혼합물과 물성비교를 실시하였다. 이는 목질소재와 범용 열가소성 수지와의 혼합이 균일하지 않게 되면, 기계적 물성 특히 인장강도, 휨강도 및 충격강도에 큰 영향을 미칠 것이라는 가설에 근거하는 것이다. 외부의 힘으로 일정한 응력이 발생하게 되면 응력은 수지내부로 전파되고, 이때 목질소재가 균일하게 분산되어 있으면, 골고루 응력이 분할되어 파괴가 일어나지 않는다. 그러나 균일하지 않게 뭉쳐있거나 수지가 목분입자를 균일하게 도포하지 않는다면, 응력이 전파되는 중간에 응력밀집 현상이 발생하고, 그 부위에서 파괴가 일어나며 빠른 속도로 파괴가 전파된다. 즉 기계적 성질은 목분 및 천연섬유라는 충진제(Filler) 혹은 강화제(Reinforcing Filler)의 분산 및 분포에 직접적인 영향을 받게 되는 것이다.

High Intensity Thermo-Kinetic Mixer기의 혼합성능을 기존 범용 압출공정과 비교하기 위하여 기계적 물성을 측정하였다.

비교실험에 사용된 원료의 종류와 함량, 그리고 실험조건은 다음과 같다.

압출기의 사양은 Counter Rotating Twin Screw를 사용하며, Screw 직경은 27 ㎜, L/D(length/diameter)는 20으로 가스제거용 진공벤트가 장착되어 있다. High Intensity Thermo-Kinetic Mixer는 미국 Draiswerk사의 1 ℓ 용량의 혼합기로, 안 료 및 기타 첨가제 처방을 위한 배치타입 믹서기였다. 설정온도는 두 경우 모두 180℃였고, 공정별 특성상 설정한 온도에 체류시간 및 실제 원료자체 온도 등은 다소 차이가 있을 수 있다. 목질소재로는 140 Mesh(대략 100 ㎛)이고 미국의 American Wood Fiber, Inc.에서 공급받은 침엽수종의 목분을 사용하였다. 열가소성 수지로는 폴리프로필렌(PP)로서 엘지칼텍스의 압출용 등급인 M910(MI=0.3 g/10 min)을 사용하였으며, 기타 첨가제가 포함되었다. 목분 함량은 무게비로 50% 수준이었다.

두 가지 방법으로 혼합된 목분 컴파운드(Compound)는 분쇄되어 펠렛(Pellet)으로 제작되었고, 사출기를 이용하여 기계적 물성 측정용 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 ASTM(American Standard for Testing Methods)에 따라 휨강도(Flexural Strength, ASTM D790), 인장강도(Tensile Strength, ASTM D638), 및 충격강도(Impact Strength, ASTM D256)를 측정하였다. 그 결과는 도 1(혼합방법에 따른 기계적 성질 비교)에 나타나 있다.

이 결과를 분석하면, 본 발명에 따라 High Intensity Thermo-Kinetic Mixer(K-Mixer)로 컴파운드한 목질 복합재료의 휨강도, 인장강도 및 충격강도가 모두 기존 범용 압출공정(Extruder)으로 컴파운드한 목질 복합재료보다 우수함을 확인할 수 있다.

본 발명에 따라 초고속 믹서를 이용한 목질 복합재료의 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 별도의 탈수처리와 외부가열없이도 수분제거가 용이하다.

Thermo-Kinetic Mixer를 사용할 경우, 마찰로 인한 발열에 수분의 존재는 지대한 영향을 끼친다. 즉 수분이 존재하는 한 마찰열은 계속 증가할 수가 없다. 이는 목질소재의 수분이 완전히 제거되기 전에는 범용 열가소성 플라스틱의 용융점인 140 내지 200℃에 도달하지 않는다. 용융점까지 상승하여 플라스틱이 용융되었다면 컴파운드 안에 존재하는 목질소재의 함수율이 제로에 가깝다는 증거가 된다.

적당한 회전날 속도에서 목질소재의 온도는 마찰열에 의하여 100℃에 가깝게 되고, 이때 목질소재가 함유한 수분은 수증기로 증발되며, 수분이 모두 제거되기 전까지 전체 원료의 온도는 100℃ 근처에 머무르게 된다. 수분이 모두 제거된 후에야 증발로 빼앗겼던 마찰열이 원료의 온도상승에 기여하게 되고, 그때서야 플라스틱 용융점까지 상승하게 되는 것이다.

둘째, 균일하며 균질한 혼합도를 제공한다.

회전날의 초고속 회전은 목질소재와 열가소성 플라스틱과의 혼합을 균일하게 한다.

셋째, 짧은 혼합시간이다.

초고속 회전속도로 인한 마찰열의 발생은 1분 내외의 짧은 시간에 가능하다. 수분제거로 몇 초의 지체가 존재할 뿐, 용융점까지의 혼합시간은 수 분을 넘지 않게 된다. 이러한 짧은 혼합시간은 생산성에 긍정적인 영향을 끼칠 뿐 아니라, 목질소재의 열적 안정성에도 도움을 준다. 즉, 목질소재의 탄화위험성을 대폭 감소시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 목질소재와 열가소성 수지를 포함하는 원료를 초기함수율을 낮추는 전처리 과정없이 초고속 믹서에 투입하는 단계;

   상기 원료를 초고속 믹서에서 2,000 내지 7,000 rpm의 속도로 회전시킴으로써, 원료에 함유되어 있는 수분을 완전히 제거시키는 단계;

   상기 열가소성 수지가 용융될 때까지 계속 원료를 혼합시키는 단계;

   용융 혼합물을 냉각하고 일정한 크기로 분쇄하는 단계를 포함하는 목질 복합소재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 별도의 외부가열없이 믹서의 고속 회전날과 재료간의 마찰열, 재료와 재료간의 마찰열, 및 재료와 믹서 챔버벽 간의 마찰열을 이용하여 수분을 제거하고 열가소성 수지를 용융시킴을 특징으로 하는 목질 복합소재의 제조방법.
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