KR100752281B1

KR100752281B1 - 재활용 자재를 이용한 발포 목재 및 이들의 제조 방법

Info

Publication number: KR100752281B1
Application number: KR1020070011557A
Authority: KR
Inventors: 환수 김
Original assignee: (주) 우드시스
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2007-09-04

Abstract

본원 발명은 각종 폐자재를 이용하여 개선된 물리적 성질을 가지는 우수한 재활용 발포 목재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의하여 제조된 재활용 발포 목재에 관계한다.

Description

재활용 자재를 이용한 발포 목재 및 이들의 제조 방법 {FOAMED WOOD MADE OF RECYCLED MATERIALS AND METHODS FOR PRODUCING THEREOF}

도 1은 본원 발명의 발포 목재를 제조하는데 사용되는 설비 및 제조 절차를 도식적으로 나타낸다.

일반적으로 목재나 합판을 제조하기 위하여 절단 가공시 발생되는 톱밥이나 토막 등의 부산물들, 그리고 산업 현장이나 생활 주변에 사용 후 폐기되는 자재들은 유용하게 활용할 수 있는 소재들임에도 불구하고, 재생에 많은 어려움이 수반되어 폐기처분되거나 쓰레기로 매립되어 환경을 오염시킨다.

또한 목재나 합판 등을 산업 자재나 생활용품 가구, 주방 가구 등으로 가공하는 단계에서 포름알데히드, 휘발성 유기 화합물, 다이옥신, 아황산가스와 같은 인체에 유해한 물질을 상당량 배출한다는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본원 발명은 폐기되는 소재들을 수거 이용하여 이물질이 없도록 분리하고 미분쇄한 후, 소량의 첨가제를 첨가하고 혼합한 물질을 발포 목재의 재료로서 사용함으로써, 자원의 낭비를 최소화하고 환경오염을 발생시키지 않는 자원 순환형 발포 목재 제조 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다. 본원 발명의 방법은 재활용할 수 있는 자재를 이용하므로 환경오염을 유발하지 않을 뿐만 아니라, 포름알데히드, 휘발성 유기 화합물과 같은 환경 및 인체에 유해한 물질의 배출량을 현저하게 감소시킨다. 따라서 본원 발명의 방법에 의해 제조된 재활용 발포 목재를 사용함으로써 자원의 낭비를 최소화시킬 수 있으며, 나아가 환경 보전과 경제발전을 추구할 수 있게 된다.

또한 본원 발명의 방법에 의하여 제조된 발포 목재는 용도에 따라 부식성, 내수성, 내구성, 방염성, 충격강도, 휨강도, 밀도 등이 개선된 물리적 특성을 갖는다.

본원 발명은 다음과 같은 단계들을 포함하는, 재활용 자재를 이용한 발포 목재 제조 방법에 관계한다.

a) 분쇄기(1)를 사용하여 폐자재, 목재, 톱밥, 종이 펄프로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 물질이 함유된 재료를 30~150 메쉬의 크기로 미분쇄하는 단계;

b) 100~150℃ 온도의 배합기(2)에서 다음 성분들을 혼합하고 건조시킨 조성물을 생성하는 단계;

- 상기 단계 a)의 미분쇄된 재료 60 중량%;

- 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 중에서 선택된 재생고분자 폴리올레 핀 수지 20 중량%;

- 나노 황토 분말 5.3 중량%;

- 나노탄산칼슘 5.3 중량%;

- 무수 말레인산 3 중량%, 녹말 분말 3 중량%, 광안정제 1.2 중량%, 방염제 1.2 중량%, 무기성 색소 1 중량%로 구성된 첨가제;

c) 이축 압출기(3)의 스크류 압축부와 계량부 사이의 실린더 외부에 벤트(4)가 설치되며, 이축 압출기(3)의 실린더에서 상기 단계 b)의 조성물이 스크류 압축부를 통과함으로써 압출되는 동안, 상기 벤트(4)에 50-75 cmHg의 진공 흡입을 적용하여 잔류가스 또는 습기가 제거된 압출물을 생성하는 단계;

d) 상기 단계 c)의 압출물은 일축 압출기(5)로 공급되고, 일축 압출기(5)의 스크류 압축부와 계량부 사이의 실린더 외부에 설치되어 있는 벤트에 부착된 고압 정량 밸브(6)를 통하여, 이산화탄소 고압펌프(7)로부터 액체 상태의 이산화탄소 0.5 ~ 1.5 중량%(상기 단계 b)의 조성물 전체 양에 대한 중량%)가 일축 압출기(5)의 실린더로 주입된 후,

180~200℃ 온도 범위의 실린더 온도 제어부(8)에서, 상기 이산화탄소와 압출물이 결합되고 결합물이 초임계유체로 변환됨으로써, 미세발포가 형성된 미세발포 압출물을 생성하는 단계;

e) 단계 d)의 미세발포 압출물이 기어 펌프(9)를 통해 일정한 압력으로 모세관 금형(10)으로 토출되는 단계;

f) 단계 e)의 미세발포 압출물이 모세관 금형(10)을 흐르면서 물리적 압력을 받아 충분히 확장되어 균일하게 발포된 후, 발포된 압출물이 냉각금형(11)으로 일 정하게 토출되는 단계;

g) 금형 내부에 냉각 수로가 구비되어 있으며 금형의 내부가 세라믹 또는 불소 코팅으로 처리된 냉각금형(11)에서 8 ~ 15℃의 냉각수가 상기 냉각 수로에 입수 및 퇴수함으로써, 냉각금형(11) 내부에 존재하는 상기 발포된 압출물의 외부가 간접 냉각된 후, 발포된 압출물을 인취 및 절단하여 변형되지 않는 발포 목재 성형제품을 제조하는 단계.

상기 방법을 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

단계 a)에서는 먼저 폐자재 등을 수거하고, 이로부터 목재, 톱밥, 종이 펄프등이 함유되어 있는 부분을 분리하여 공지된 방법에 따라 세척한 후, 가공하기에 편리하도록 30-150 메쉬 크기로 미분쇄한다. 미분쇄하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다.

단계 b)는 배합 단계로서, 상기 미분쇄 재료와 다음의 성분들을 혼합하고 건조시켜 조성물을 생성하는 단계이다. 배합될 재료들은 다음과 같다.

미분쇄된 재료는 50-66 중량%, 바람직하게는 60 중량%로 존재한다.

재생고분자 폴리올레핀 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 중에서 선택되며, 이들은 최종 배합 재료 중량의 20~36%, 바람직하게는 20%이다.

나노 황토 분말은 최종 배합 재료 중량의 5~10 중량%, 바람직하게는 5.3 중량%로 존재하는데, 이 성분은 원적외선을 방출하여 탈취, 항균, 항곰팡이 등을 제거하는 인체에 유익한 물질로서, 발포벽에 침투하여 충격강도를 증강시키는 효과를 가져온다.

나노탄산칼슘은 최종 배합 재료 중량의 5~20 중량%, 바람직하게는 5.3 중량%로 첨가된다. 이 성분은 합성물의 비중을 낮추어주므로, 원가를 저렴하게 하고, 탄성율 값을 증강시킬 수 있다.

무수 말레인산은 변성올레핀으로써, 최종 배합 재료의 1~5 중량%, 바람직하게는 3 중량%로 존재한다. 이 성분을 첨가함으로써, 조성물 분자 간의 접착력이 좋아지게 된다.

녹말 분말은 분자간의 밀도와 접착력을 개선하여 제품 특성을 향상시키기 위하여 첨가되며, 최종 배합 재료의 1~4 중량%, 바람직하게는 3 중량%로 첨가된다.

광안정제는 최종 배합 재료의 0.5~3 중량%, 바람직하게는 1.2 중량%만큼 첨가된다. 광안정제를 첨가함으로써 목재분말이나 고분자가 자외선에 노출될 때 내후성이 떨어지거나 색이 탈색되는 것을 방지할 수 있다.

방염제는 최종 배합 재료의 0.5~2 중량%, 바람직하게는 1.2 중량%로 첨가된다. 방염제는 자연에서 추출한 순 식물성 성분이므로, 발화에 필요한 산소공급을 차단함으로써 화재 확산을 방지하는 역할을 한다.

무기성 색소는 인체에 무해한 색소로서 최종 배합 재료의 0.1~1 중량%, 바람직하게는 1 중량%의 양으로 첨가된다.

상기와 같은 성분들은 약 100~150℃ 온도의 배합기(2) 안에서 혼합되고 건조된다. 이러한 건조 절차에 의하여 생성 조성물 중의 가스 또는 수분이 대부분 제거된다.

상기와 같은 성분들을 배합하고 건조시켜 제조된 조성물은 단계 c)의 이축 압출기(3)로 보내진다. 여기서 상기 조성물은 이축 압출기(3) 실린더 내부에 구비된 스크류 압축부를 통과하면서 압출된다. 이축 압출기의 스크류 압축부와 계량부 사이의 실린더 외부에는 벤트(4)가 설치되어 있다. 이러한 벤트(4)에 50-75 cmHg의 진공 흡입이 적용되고, 상기 단계 b)에서 미처 제거되지 못한 조성물 내의 잔류가스 또는 수분이 제거된, 향상된 물성의 압출물이 생성된다.

상기 단계 c)에서 생성된 압출물은 일축 압출기(5)로 보내진다. 일축 압출기(5)에는 스크류 압축부와 계량부 사이의 실린더 외부에 벤트가 설치되어 있는데, 이 벤트에는 고압 정량 밸브(6)가 부착되어 있다. 일축 압출기(5)로 공급된 압출물은 압출기 내부의 스크류 압축부를 통과하면서 압출된다. 압출물이 압축부를 통과하는 동안 이산화탄소 고압펌프(7)로부터 액체 상태의 이산화탄소 0.5 ~ 1.5 중량%(상기 단계 b)의 조성물 전체 양에 대한 중량%)가 벤트에 부착되어 있는 고압 정량 밸브(6)를 통해 일축 압출기(5)의 실린더 내부에 주입되고, 고압 정량 밸브(6) 지점과 기어 펌프(9) 사이의 실린더 온도 제어부(8)는 이산화탄소와 압출물의 결합물을 임계상태로 만들기 위하여 180~200℃로 제어된다. 즉, 제어된 온도의 실린더 부분에서 이산화탄소와 압출물이 결합되어 결합물이 초임계유체, 즉 임계상태로 변환되면서, 압출물 내부에 일차적으로 미세발포가 형성된다. 본 단계 c)에서 사용되는 이산화탄소는 통상적으로 사용되는 화학적 발포제 대신에 사용된 것으로서, 이산화탄소를 사용함으로써 발포를 용이하게 해주고, 다공성인 제품의 탄성율을 높이며, 용도에 따라 비중을 자유로이 조정할 수 있게 하기 때문에 중요한 성분이다. 또한 이산화탄소는 인체 및 환경에 무해하며, 제품의 원가를 저렴하게 낮추어 준다.

그 후 단계 d)에서 생성된 미세발포 압출물은 기어 펌프(9)를 통해 일정한 압력으로 모세관 금형(10)으로 토출된다. 이 단계에서 기어 펌프(9)를 사용함으로써, 일축 압출기(5)의 스크류 회전수가 균일하지 못하여 불균일한 압력으로 압축부를 빠져나오는 압출물을 모아 일정한 압력을 가할 수 있게 되므로, 균일한 양의 압출물들이 모세관 금형(10)으로 토출될 수 있게 되어 결과적으로 가공 단계에서의 불량률을 줄일 수 있다.

단계 e)를 통하여 토출된 미세발포 압출물은 모세관 금형(10)을 천천히 흐르면서 모세관 금형(10)에 의한 물리적인 압력을 받게 되어 이차적으로 충분히 확장(발포)된다. 이렇게 발포된 압출물은 냉각금형(11)으로 일정하게 토출된다.

마지막으로 금형 내부에 냉각 수로가 구비되어 있는 냉각금형(11)에서는 8 ~ 15℃의 냉각수가 상기 냉각 수로에 입수 및 퇴수함으로써, 냉각금형(11) 내부에 존재하는 상기 발포된 압출물의 외부가 냉각된다. 즉, 이 단계에서 냉각 금형에 포함되어 있는 압출물의 내부는 압출물의 외부보다 높은 온도를 유지한다. 따라서 압출물의 내부에서는 고온에 의하여 압출물의 발포가 계속하여 진행된다. 다만, 압출물의 외부만을 냉각시킴으로써, 압출물의 전체적인 외형의 변형을 막을 수 있게 된다. 냉각된 압출물은 냉각 금형으로부터 토출되고 원하는 형태로 절단되어, 변형되지 않는 발포 목재 성형 제품이 제조된다. 이때, 압출물이 충분히 확장(발포)할 수 있도록 함과 동시에 생성된 발포 목재 성형 제품이 용이하게 토출될 수 있게 하기 위하여, 냉각금형(11)의 내부를 세라믹 또는 불소 코팅으로 처리하여야 한다.

상기와 같이 제조된 발포 목재는 목재 표면에 입체 무늬를 표현하기 위하여 선택적으로 다음과 같은 단계를 거치게 될 수도 있다.

일 실시예에서, 상기와 같은 입체 무늬는 용도에 맞게 상하 롤러에 입체 모형을 부식함으로써 얻어진다. 즉, 최종 발포 목재에 입체 무늬를 새기기 위하여 상기 f) 단계 이후, 상기 최종 목재 제품은 입체문양이 부식되어 있는 롤러기에 통과되는데, 롤러기의 상하 롤러에는 다양한 입체문양이 미리 부식되어 있다. 입체 문양은 당업자에 의하여 원하는 바에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상하 롤러 사이에 적용되는 압력은 100-150 kg/cm²이다. 롤러기를 통과한 최종 목재 제품은 길이 7-10m의 직접냉각방식 냉각수조통에 채워져 있는 8-15℃의 물에 담금질된 후, 필요에 따라 적절하게 절단되고 포장된다.

또다른 일 실시예에서, 상기 입체 무늬 표현 단계는 입체모형을 부식한 철판을 금형으로 하여 프레스 함에 의한다. 즉, 상기 f) 단계 이후 생성된 발포 목재를 상하 작동하는 열 프레스 정반 위에 정열한 다음, 미리 입체 문양이 새겨져 있는 철판을 금형으로 이용하여 200-250℃의 온도 및 500-700kg/cm²의 압력하에서 가압하고, 약 1-2분 후에 탈형시킨다.

본원 발명에 따라 제조된 재활용 발포 목재가 개선된 물리적 특성을 가지는지를 알아보기 위하여 한국 건자재 시험 연구원에 의뢰하여 다음 표 1과 같은 결과를 얻었다.

시험항목			결과			시험방법
시험항목			실험 1	실험 2	실험 3	시험방법
휨강도(N/mm²)			41	41	41	GR F 2016-06'
내충격성			이상없음	이상없음	이상없음
나사못유지력(N)		평면	1487	1507	1515
나사못유지력(N)		측면	1486	1471	1472
흡수율(%)			0.1	0.2	0.1
길이선열팽창계수(1/℃)			2.4×10-5	2.6×10-5	2.5×10-5
미끄럼저항성(BPN)			20	-	-
내한성	겉보기		이상없음	이상없음	이상없음
내한성	휨강도(N/mm²)		37	38	32
습열성	겉보기		이상없음	이상없음	이상없음
습열성	휨강도(N/mm²)		46	44	45

아래 표 2는 본원 발명에 따라 제조된 발포 목재가 포름알데히드와 휘발성 유기 화합물을 얼마나 배출하는지에 대하여 한국 건자재 시험 연구원에서 실험한 결과이다. 표 3은 목재 성형 제품에 관한 포름알데히드 및 휘발성 유기 화합물의 방출량에 관한 환경 관련 인증 기준이다.

시험항목	결과	시험방법
총휘발성유기화합물(TVOC) (mg/m²h)	0.024	실내공기질공정시험법 (환경부고시 제2004-80호)
포름알데히드(HCHO) (mg/m²h)	0.005

용도	실내용	실내외 겸용	실외용
포름알데히드 방출량(mg/L)	0.5이하	1.5이하	5.0이하
휘발성유기화합물 방출량(mg/m²h)	0.2이하	-	-

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본원 발명에 의하여 제조된 발포 목재는 환경오염의 원인이 되면서 인체에 해로운 성분들, 즉, 포름알데히드를 0.005 mg/m²h, 총휘발성 유기 화합물을 0.024 mg/m²h 만큼만 배출한다. 각 성분에 대한 이러한 수치는 표 3에 기재되어 있는 환경 관련 인증 기준보다 훨씬 적은 양임을 쉽게 알 수 있다.

다음의 표 4는 본원 발명에 따라 제조된 발포 목재의 촉진내후성에 관하여 한국 건자재 시험 연구원에서 실험한 결과이다.

시험항목		시험결과		시험방법
촉진내후성시험 (크세논, 500시간)	색차 (ΔE* ab )	목재	2.8	KS Λ 0063-81'
		TECHWOOD-A	10.2
		TECHWOOD-B	4.9

* 촉진내후성시험은 ASTM G 155-01'에 따름

- 블랙패닐온도 : 63 ± 3 ℃

- 상대습도 : 50 ± 5 %

- 분무사이클 : 102분 조사 후 18분 조사 및 물 분무

- 시험편 표면의 방사조도 : 0.35 W/m² (340nm)

상기 제품은 인체에 무해한 소재로만 합성되어 있어 친환경적이며 화재발생시 유해가스가 거의 발생되지 않으므로 인명피해를 줄일 수 있다. 또한 자원을 재활용하므로 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 비용면에서 경제적이라는 이점을 가진다.

특히 인체에 유해한 화학발포제를 대체하여 인체 및 환경에 무해한 이산화탄소 초임계 유체를 발포제로서 사용하는 점으로부터 친환경적이고 유해물질을 현저히 줄인 발포 목재를 제조할 수 있다.

Claims

다음 단계들을 포함하는, 재활용 자재를 이용한 입체 발포 목재 제조방법:

a) 분쇄기(1)를 사용하여 폐자재, 목재, 톱밥, 종이 펄프로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 물질이 함유된 재료를 30~150 메쉬의 크기로 미분쇄하는 단계;

b) 100~150℃ 온도의 배합기(2)에서 다음 성분들을 혼합하고 건조시킨 조성물을 생성하는 단계;

- 상기 단계 a)의 미분쇄된 재료 60 중량%;

- 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 중에서 선택된 재생고분자 폴리올레핀 수지 20 중량%;

- 나노 황토 분말 5.3 중량%;

- 나노탄산칼슘 5.3 중량%;

- 무수 말레인산 3 중량%, 녹말 분말 3 중량%, 광안정제 1.2 중량%, 방염제 1.2 중량%, 무기성 색소 1 중량%로 구성된 첨가제;

c) 이축 압출기(3)의 스크류 압축부와 계량부 사이의 실린더 외부에 벤트(4)가 설치된 이축 압출기(3)의 실린더에서 상기 단계 b)의 조성물이 스크류 압축부를 통과함으로써 압출되는 동안, 벤트(4)에 50-75 cmHg의 진공 흡입을 적용하여 잔류가스 또는 습기가 제거된 압출물을 생성하는 단계;

d) 상기 단계 c)의 압출물은 일축 압출기(5)로 공급되고, 일축 압출기(5)의 스크류 압축부와 계량부 사이의 실린더 외부에 설치되어 있는 벤트에 부착된 고압 정량 밸브(6)를 통하여, 이산화탄소 고압펌프(7)로부터 액체 상태의 이산화탄소 0.5 ~ 1.5 중량%(상기 단계 b)의 조성물 전체 양에 대한 중량%)가 일축 압출기(5)의 실린더로 주입된 후,

180~200℃ 온도 범위의 실린더 온도 제어부(8)에서, 상기 이산화탄소와 압출물이 결합되고 결합물이 초임계유체로 변환됨으로써, 미세발포가 형성된 미세발포 압출물을 생성하는 단계;

e) 단계 d)의 미세발포 압출물이 기어 펌프(9)를 통해 일정한 압력으로 모세관 금형(10)으로 토출되는 단계;

f) 단계 e)의 미세발포 압출물이 모세관 금형(10)을 흐르면서 물리적 압력을 받아 충분히 확장되어 균일하게 발포된 후, 발포된 압출물이 냉각금형(11)으로 일정하게 토출되는 단계;

g) 금형 내부에 냉각 수로가 구비되어 있으며 금형의 내부가 세라믹 또는 불소 코팅으로 처리된 냉각금형(11)에서 8-15℃의 냉각수가 상기 냉각 수로에 입수 및 퇴수함으로써, 냉각금형(11) 내부에 존재하는 상기 발포된 압출물의 외부가 간접 냉각된 후, 발포된 압출물을 인취 및 절단하여 변형되지 않는 발포 목재 성형제품을 제조하는 단계.
제 1항에 있어서, 단계 g) 이후에, 단계 g)에서 생성된 발포 목재를 입체 문양이 미리 부식되어 있는 상하 롤러기를 구비한 롤러기(12) 사이에서 100-150 kg/cm²의 압력으로 통과시킨 후, 8-15℃의 물이 채워져 있는 길이 7-10 m의 직접 냉각방식 냉각수조통(13)에서 담금질하여 절단 및 포장하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는, 재활용 자재를 이용한 발포 목재 제조방법.
제 1항에 있어서, 단계 g) 이후에, 단계 g)에서 생성된 발포 목재를 상하 작동하는 열프레스 정반(13) 위에 정열한 후, 미리 입체 문양이 새겨진 철판을 금형으로 사용하여 200-250℃의 온도 및 500-700 kg/cm²의 압력하에서 열프레스로 가압하고, 1-2분 경과후 탈형시키는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는, 재활용 자재를 이용한 발포 목재 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 발포 목재.