KR100900414B1 - 목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하는 복합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하고 있는 복합체를 제조함에 있어서, 목섬유 성분과 고분자 수지 용융물의 접촉 과정에서 소정의 초음파를 인가함으로써, 목섬유와 고분자 사이에 화학적 결합반응을 유도하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있는 목섬유-고분자 복합체의 제조방법을 제공한다.

상기 제조방법은 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 목섬유 성분과 고분자 수지의 화학 결합을 유도함으로써, 기계적, 열적 및 유변학적 가공 특성이 우수한 복합체를 제조할 수 있으므로, 복합체의 제조비용을 낮출 수 있고, 복합체의 구성성분에 따라 첨가제의 종류를 바꿀 필요가 없으므로 제조공정의 유연성이 높다.

Description

목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하는 복합체의 제조방법 {Process for Preparation of Composite Containing Wood Fiber Component and Polymer Resin}

본 발명은 목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하는 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 목섬유와 고분자 용용물의 혼합 및/또는 압출과정에서 초음파를 인가하여 상기 목섬유와 고분자 사이에 화학적 결합반응을 유도함으로써 결합제 등 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 기계적 물성과 열적 특성 및 유변학적 가공 특성이 우수한 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

천연원목은 값이 비싸고 물, 햇볕 등에 의해 쉽게 변형되거나 표면이 손상되는 단점을 가지고 있다. 반면에, 고분자 등의 합성수지는 가격이 저렴하고 내구성이 우수하지만, 표면 질감이 플라스틱 수지의 특유한 오일성 감촉을 나타내고 색상 등의 외관이 고급스럽지 못하며 소재에 따라서는 강도가 낮은 단점을 가지고 있다. 일 예로, 고분자 수지의 강도를 높이기 위하여, 고분자 수지에 입자형 또는 선형의 충진제(filler)를 첨가한 복합체 소재가 개발되어 사용되고 있다.

이러한 충진제로서 목분 등과 같은 목섬유 성분을 고분자 수지에 첨가하여 강도를 높임과 동시에, 천연원목의 외관 및 질감을 나타내는 복합체 소재가 개발되었다.

그러나, 셀룰로우즈 분자구조를 기반으로 하는 목섬유 성분가 친수성을 나타냄에 반하여, 고분자 수지는 일반적으로 소수성 기질을 가지고 있다. 따라서, 목섬유 성분과 고분자 수지의 계면 간 결합력이 낮아 소망하는 정도의 강도를 제공하지 못하며, 더욱이 수분에 의한 변형 등 열적, 기계적 및 유변학적 특성이 우수하지 못한 문제점을 가지고 있다.

따라서, 목섬유 성분과 고분자 수지 간의 계면 응집력을 높이고자 무수 말레산 등의 화합물을 별도로 첨가하여 목섬유 분자쇄와 고분자 분자쇄의 결합을 유도하는 기술이 개발되었다.

그러나, 이러한 첨가제의 사용으로 상기와 같은 문제점을 해결할 수는 있지만, 목섬유 성분과 고분자 수지의 혼합 과정에서 고가의 화합물을 별도로 첨가하여야 하므로 복합체의 제조비용이 상승하게 되고, 고분자 수지의 종류에 따라 첨가제의 종류를 적정한 것으로 바꾸어 주어야 하는 등 여러 문제점들을 가지고 있다.

따라서, 저렴한 비용으로 목섬유-고분자 복합체를 제조할 수 있고, 더욱이 고분자 수지의 종류에 관계없이 소망하는 복합체를 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점들에 대해 예의 주시하고 다양한 실험 과 심도있는 연구를 거듭한 결과, 목섬유 성분과 고분자 수지의 혼합, 압출 또는 사출 등의 과정에서 소정의 초음파를 인가하는 경우에는, 성분들의 상호 분산성을 높여줄 뿐만 아니라, 놀랍게도, 일부 분자쇄를 절단함으로써 생성된 라디칼이 분자쇄간 가교반응을 일으켜 상호간에 결합력이 증진된 복합체가 형성된다는 사실을 발견하였다. 본 발명은 이러한 발견을 기초로 완성되었다.

따라서, 본 발명에 따른 목섬유 함유 합성수지 복합체의 제조방법은, 목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하고 있는 복합체를 제조함에 있어서, 목섬유 성분과 고분자 수지 용융물의 접촉 과정에서 소정의 초음파를 인가함으로써, 목섬유와 고분자 사이에 화학적 결합반응을 유도하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 제조방법은 별도의 첨가제를 사용하지 않고 소정의 초음파를 인가하는 간단한 방법에 의해 기계적, 열적 및 유변학적 가공 물성이 우수한 목섬유-고분자 복합체를 제조할 수 있다. 따라서, 고가의 첨가제를 사용하지 않음으로써 복합체의 제조비용을 낮출 수 있고, 고분자 수지의 종류에 관계없이 적용될 수 있으므로 공정의 유연성이 매우 높은 특징을 가진다.

본 발명에서 때때로 사용되는 용어 목섬유-고분자 복합체 는 복합체의 주요 성분으로서 목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하고 있는 복합체를 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 목섬유-고분자 복합체는 용도에 따라 기타 성분들을 포함할 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명에 따른 목섬유-고분자 복합체는 메트릭스 성분이 목섬유 성분일 수도 있고 고분자 수지일 수도 있다. 전자의 경우는 예를 들어 목섬유 성분에 고분자 수지가 함침된 구조를 들 수 있고, 후자의 경우는 예를 들어 고분자 수지에 목섬유 성분이 필러로서 첨가된 구조를 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 복합체는 메트릭스 성분으로서의 고분자 수지에 목섬유 성분이 필러로서 첨가된 구조로 이루어져 있다.

상기 목섬유 성분은 셀룰로우즈 분자 구조를 가진 섬유질의 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 천연원목 또는 재생 펄프 등을 작은 입자로 분쇄한 목분, 기타 천연섬유(예를 들어, Hemp, Flex, Jute, Kenaf, Cellulose 등) 등을 들 수 있다. 따라서, 목분-고분자 복합체는 천연원목을 대체하는 합성목재로서 사용될 수 있다. 고분자 수지가 메트릭스 성분을 이루는 복합체의 경우, 상기 목분의 크기는 10 내지 200 메쉬인 것이 바람직하고 더욱 바람직한 크기는 30 메쉬 내지 150 메쉬이다. 용도에 따라 달라질 수는 있겠지만, 목분의 크기가 너무 큰 경우에는 고분자 수지의 함량이 적어져 목분 상호간의 결합력이 저하되고 복합체로 만들어진 소재의 표면이 매우 거칠어지는 단점이 나타나며, 반대로, 목분의 크기가 너무 작은 경우에는 분산이 용이하지 않은 단점이 있으므로, 바람직하지 않을 수 있다. 이러한 목분은 침엽수계 목분과 활엽수계 목분 등을 포함하며, 바람직하게는 소나무, 단풍나무 등의 침엽수계 목분이다.

상기 고분자 수지의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 열가소성 수지, 열경화성 수지, 수지 블렌드 등 다양할 수 있으며, 바람직하게는 열가소성 수지가 사용된다. 궁극적으로 목섬유 성분과 복합체를 이루기 위해서는 제조과정에서 고분자 수 지가 액상의 상태를 유지할 수 있어야 한다. 따라서, 고분자 수지로서 열가소성 수지가 사용되는 경우에는 목섬유 성분이 분해 내지 연소되지 않는 100 내지 250℃의 범위에서 융점을 가지는 고분자가 바람직하다.

본 발명에 따르면 두 성분, 즉, 목섬유 성분과 고분자 수지의 접촉 과정에서 초음파를 인가하는 바, 상기 접촉은, 예를 들어, 두 성분의 혼합(mixing), 압출, 사출 등의 과정에서 일어날 수 있다. 따라서, 초음파 인가는 이러한 접촉 과정 중의 임의의 단계에서 행해질 수 있다. 바람직하게는, 목섬유 성분이 분해 내지 연소되지 않는 온도 범위에서 고분자 수지를 용융한 후 목분을 첨가하여 혼합하는 과정에서 초음파를 인가할 수 있다.

인가되는 초음파의 진동수와 진폭은 목섬유, 고분자, 또는 이들 모두의 분자쇄 일부를 절단하여 라디칼을 형성하는 범위내에서 결정되므로, 예를 들어, 고분자의 분자 구조에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 상기 소정의 초음파는 수 Hz 내지 수십 kHz의 진동수와 수 내지 수십 ㎛의 진폭을 가질 수 있다.

초음파는 목섬유 성분과 고분자 수지의 접촉 과정에서 한 차례 인가될 수도 있지만, 바람직하게는 화학결합 반응의 효율성을 높이기 위하여 주기적 또는 비주기적으로 여러 차례 인가될 수 있다.

초음파의 인가는 복합체를 제조하는 장치의 구성 및 인가하는 단계에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 원료로서 복합체를 사용한 압출장치는 믹싱수단, 압출수단, 인출수단, 커팅수단 등을 포함하는 것으로 이루어져 있으며, 믹싱수단 및/또는 압출수단에는 가열기가 장착되어 있다. 복합체를 이루는 성분의 혼합은 믹싱 수단 및/또는 압출수단에서 일어나므로, 이러한 수단에 선택적으로 초음파 인가 수단을 부가할 수 있다. 상기 초음파 인가 수단은 바람직하게는 초음파 진동수, 진폭 등을 조절할 수 있는 제어부를 포함하고 있다. 초음파 인가 수단은 상기 믹싱수단 및/또는 압출수단의 외부 뿐만 아니라 내부에 장착될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 기본 원리에 따라 목섬유 성분과 고분자 수지의 접촉 결합력을 높일 수 있도록 초음파를 인가하는 구조라면, 다양한 형태로 초음파 인가 장치가 관련 시스템에 부가될 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 제조된 목섬유-고분자 복합체를 제공한다.

앞서와 같은 제조방법으로 인해, 본 발명에 따른 목섬유-고분자 복합체는 별도의 화합물(첨가제)가 매개되지 않고 목섬유와 고분자의 분자간에 직접 화학적 결합이 이루어져 있다는 점에 특징이 있다. 이러한 화학적 결합은 모든 분자쇄에 대해 행해지는 것은 아니며 일부 분자쇄들 간의 결합에 의해서도 소망하는 물성의 복합체가 얻어질 수 있다.

이러한 목섬유-고분자 복합체는 압출 공정에 의해 합성목재판으로 제조될 수 있으며, 이러한 합성목재판은 기존의 합성목재판과 비교하여 저렴하며 우수한 기계적, 열적 및 유변학적 가공 특성을 가진다.

이상의 설명과 같이, 본 발명의 목섬유 함유 합성수지 복합체의 제조방법에 따르면, 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 목섬유 성분과 고분자 수지의 화학 결합을 유도함으로써, 기계적, 열적 및 유변학적 가공 특성이 우수한 복합체를 제조할 수 있다. 따라서, 복합체의 제조비용을 낮출 수 있고, 복합체의 구성성분에 따라 첨가제의 종류를 바꿀 필요가 없으므로 제조공정의 유연성이 높다는 특징도 갖는다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 목섬유 성분과 고분자 수지를 포함하고 있는 복합체를 제조함에 있어서, 목섬유 성분과 고분자 수지 용융물의 접촉 과정에서 소정의 초음파를 인가함으로써, 목섬유와 고분자 사이에 화학적 결합반응을 유도하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있는 목섬유-고분자 복합체의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 목섬유 성분은 10 내지 200 메쉬의 목분인 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 목섬유 성분이 분해 내지 연소되지 않는 100 내지 250℃의 범위에서 융점을 가지는 고분자인 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 목섬유 성분과 고분자 수지의 접촉 과정은 혼합(mixing), 압출, 및/또는 사출 과정에서 일어나는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 목섬유 성분이 분해 내지 연소되지 않는 온도 범위에서 상기 고분자 수지를 용융한 후 목섬유 성분을 첨가하여 혼합하는 과정에서 초음파를 인가하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 초음파는 수 Hz 내지 수십 Hz의 진동수와 수 내지 수십 ㎛의 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파는 목섬유 성분과 고분자 수지의 접촉 과정에서 한 차례, 또는 주기적 또는 비주기적으로 여러 차례 인가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서, 믹싱수단, 압출수단, 인출수단 및 커팅수단을 포함하는 것으로 구성되어 있는 압출장치에서, 상기 믹싱수단 및/또는 압출수단에 초음파를 인가하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 초음파 인가 수단은 초음파 진동수 및 진폭을 조절할 수 있는 제어부를 포함하고 있고, 상기 믹싱수단 및/또는 압출수단의 외부 뿐만 아니라 내부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 목섬유-고분자 복합체.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 복합체는 압출 공정에 의해 제조되는 합성목재인 것을 특징으로 하는 목섬유-고분자 복합체.