KR100963853B1 - 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재 - Google Patents

미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 미끄럼 방지 조제로서 티탄산칼륨을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 합성목재는 침상형 산화아연 단결정체를 포함하기 때문에 미끄럼 방지성능이 우수할 뿐만 아니라 중공형 제올라이트를 포함시킴으로써 열 안정성이 향상되어 열에 의한 변형을 방지할 수 있고, 수축/팽창율이 낮으며, 햇빛이나 자외선 등에 의한 변색이나 탈색을 방지하고, 햇볕에 의한 표면온도의 지나친 상승을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재{Wood Plastic Composite with Anti slip and Heat Stability}
본 발명은 합성목재에 관한 것으로서, 특히 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트를 포함하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재에 관한 것이다.
합성목재는 폐목재의 재활용이 가능하며 일반 목재에 비해 별도의 처리가 없이도 내후성과 내충격성이 우수하고 다양한 형상, 색상, 무늬 및 질감을 표현할 수 있으며, 반영구적인 소재로서 환경친화적이어서 건축자재, 가구, 내후성이 요구되는 용도, 예를 들면, 바닷가 데크, 공원의 벤치나 계단재, 산책로 및 등산로의 계단재 등으로 그 이용이 널리 확산되고 있다.
최근 그 이용이 확산되고 있는 산책로 및 등산로의 계단재는 많은 사람들이 밟고 지나다니기 때문에 미끄럼 사고방지를 위한 설계가 중요하다. 특히, 야외에 설치되는 바닷가 데크나 산책로 및 등산로의 계단재는 습기가 높거나 비, 눈 등 미끄럼이 발생할 수 있는 요소가 많아 미끄럼 사고방지 기능이 무엇보다 중요하기 때문에 합성목재의 표면에 요철무늬를 형성시키거나 길이방향으로 홈을 형성하여 미끄럼 방지 기능을 부여하여 왔다. 그러나, 이러한 표면 가공방식은 설치 초기에는 미끄럼 방지 효과가 있으나, 많은 사람들이 밟고 지나다니다 보면 금방 표면이 마모되어 미끄럼 방지기능을 상실하고 마는 문제점을 갖고 있다.
또한, 종래의 합성목재는 내후성, 특히 열 안정성이 취약하여 형상이 뒤틀리는 변형을 일으켜 사고발생 위험이 높아지거나 기온 변화에 따른 수축 팽창이 반복되면서 고정구조가 풀리거나 파괴되어 불의의 각종 사고가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 변색 또는 탈색되는 문제점을 내포하고 있으며, 여름철 뜨거운 햇볕이 내려 쪼이는 해변과 같은 야외에 설치된 데크는 표면온도가 너무 상승하여 맨발로 다니는 해수욕객들이 발바닥을 데는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 합성수지와 목질원료에 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트를 포함시켜 미끄럼 방지성능 및 열 안정성이 우수한 합성목재를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수하고, 내마모성이 향상된 합성목재를 제공하는데 있다.
본 발명은 합성수지와 목질원료에 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트를 포함시킴으로써 미끄럼 방지성능 및 열 안정성이 우수한 합성목재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 합성목재는 침상형 산화아연 단결정체를 포함하기 때문에 미끄럼 방지성능이 우수할 뿐만 아니라, 중공형 제올라이트를 포함시킴으로써 열 안정성을 향상시켜 열에 의한 변형을 방지할 수 있고, 수축/팽창율을 낮출 수 있으며, 햇빛이나 자외선 등에 의한 변색이나 탈색을 방지할 수 있고, 햇볕에 의한 표면온도의 상승을 억제할 수 있으며, 본 발명에서 미끄럼 방지제로 사용되는 침상형 산화아연 단결정체 및 티탄산칼륨은 우수한 내마모 특성을 갖고 있기 때문에 본 발명에 따른 합성목재는 내마모성이 향상되는 효과가 있고, 반 영구구적으로 미끄럼 저항성, 열 안정성, 내마모성 등을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 합성목재 전체에 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트가 포함된 합성목재 사시도이다.
도 2는 침상형 산화아연 단결정체를 포함하지 않는 조성물로 합성목재의 기저층을 구성하고, 그 상부에 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트가 포함된 표면층을 구성한 합성목재의 사시도이다.
도 3은 표면층의 일부층에 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트가 포함된 층을 구성한 합성목재의 사시도이다.
도 4는 침상형 산화아연 단결정체의 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 침상형 산화아연와 중공형 제올라이트를 포함하는 폴리프로필렌 조성물로 압출 성형한 시험편 표면의 전자현미경 사진이다
도 6은 중공형 제올라이트의 전자현미경 사진이다.
도 7은 중공형 제올라이트의 이미지를 나타낸 도면이다.
본 발명은 합성수지와 목질원료에 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재에 관한 것이다.
상기 침상형 산화아연 단결정체는 분지되지 않은 바늘 형상의 침상형 산화아연 단결정체 및 분지된 테트라포드(tetrapod) 형상의 침상형 산화아연 단결정체 중 분지된 테트라포드(tetrapod) 형상의 침상형 산화아연 단결정체가 바람직하다.
도 4는 분지된 테트라포드 형상의 침상형 산화아연 단결정체를 나타낸 사진이며, 분지된 테트라포드 형상의 침상형 산화아연 단결정체는 각 4개의 침상부분을 구비한다. 상기 침상부분은 도 4에 나타난 바와 같이, 일단이 뾰족한 바늘 형상으로 이루어진다.
침상형 산화아연 단결정체는 도전성, 항균성을 주요한 특성으로는 지니고 있어서 도전성 플라스틱 등에 유용하게 사용되고 있으나, 본 발명에서는 미끄럼 방지제 및 내마모성 향상제로서 사용한다.
분지된 테트라포드 형상의 침상형 산화아연 단결정체는 평균 섬유장의 길이가 5 ∼ 50 ㎛ 정도이나, 20 ∼ 40 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 섬유장이 20 ㎛ 미만일 경우 미끄럼 방지성능이 떨어질 수 있으며 40 ㎛을 초과할 경우 침상이 분지되거나 부러지기 쉬워서 사용에 문제가 있을 수 있다.
한편, 침상형 산화아연 단결정체의 아스펙트 비(침상의 길이/직경)는 5 ∼ 50이 바람직하다. 아스펙트비가 5 미만인 경우는 길이에 비해 너무 굵어서 미끄럼 방지성능 면에서 바람직하지 않으며 50이 넘을 경우 역시 마찰에 의해서 분지되거나 쉽게 부러질 우려가 있다.
본 발명에서 침상형 산화아연 단결정체는 합성수지 50 내지 30 중량부와 목질원료 50 내지 70 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 합성목재는 상기 조성범위에서 미끄럼 방지성능 및 강도를 포함한 기계적 물성과 열 안정성 면에서 우수한 성질을 갖는다.
상기 침상형 산화아연 단결정체가 합성수지 50 내지 30 중량부와 목질원료 50 내지 70 중량부에 대하여 5 중량부 미만일 경우에는 미끄럼 방지성능이 미흡하고, 25 중량부를 초과하는 경우에는 강도를 포함한 기계적 물성이 떨어질 우려가 있다.
침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트는 합성목재 전체에 균일하게 분산, 포함되거나, 외부 표면층의 전체 또는 일부에만 포함될 수 있다.
본 발명의 합성목재를 이루는 합성수지는 성형 및 성형체의 가공성이 우수한 열 가소성 합성수지가 바람직하고, 특히 통상 합성목재 원료로 주로 이용되는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌이 바람직하다. 합성수지는 순수 합성수지, 폐합성수지 또는 순수 합성수지와 폐합성수지를 혼용할 수 있다.
본 발명의 합성목재를 이루는 목질 원료는 식물 유래 분말을 의미하는 것으로서 특히 활엽수 침엽수 등의 목질분말이나 톱밥 또는 왕계와 같은 분말이 바람직하다.
본 발명의 합성목재에 포함되는 중공형 제올라이트는 합성목재의 마찰계수를 더욱 높여서 미끄럼 방지 효과를 높이고, 열 안정성을 향상시킨다.
합성목재를 압출 성형하여 생산하면 초기 표면은 아주 매끄러운 상태로 성형이 되어 나오므로 일반적으로 브러싱(Brushing) 가공으로 표면에 요철 면을 형성시킨다. 이때, 합성목재에 함유된 중공형 제올라이트가 돌출되어 다른 표면 및/또는 침상형 산화아연 등과 다른 요철을 형성해서 표면 미끄럼 저항성을 높이게 되는 효과를 갖게 된다.
본 발명에서 중공형 제올라이트로는 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)를 주성분으로 하는 세라믹 미세원형 중공체(Ceramic Microscopic Hollow Spheres) 분말이 바람직하다. 특히, 미합중국 항공우주국(NASA)이 개발하여 우주왕복선 표면소재로 사용되어 열 안정성 및 단열에 대한 효과를 입증받은 진공 분말 입자로서 평균 입경이 10 ∼ 100 ㎛, 융점이 약 1800 ℃로 열에 강하며 250 kg/㎠의 고강도를 지니고 있는 세라믹 미세원형 중공체가 바람직하다.
본 발명에서 상기 중공형 제올라이트는 합성수지 50 내지 30 중량부와 상기 목질원료 50 내지 70 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 중공형 제올라이트의 함량 범위를 벗어나게 되면 열에 의한 변형이 발생되는 문제가 있다.
특히, 상기 중공형 제올라이트는 미끄럼 방지성능이 향상되는 효과와 함께 열 안정성이 뛰어난 효과가 있기 때문에 열에 의한 변형을 방지할 수 있고 수축/팽창율을 크게 줄일 수 있어 시설물의 고정구조가 풀리거나 파괴되는 것을 예방할 수 있으며, 이에 따라 고정구조가 풀리거나 파괴되어 일어날 수 있는 각종 불의의 사고를 예방할 수 있는 효과와 뜨거운 햇볕에 의한 표면온도의 지나친 상승을 방지할 수 있는 효과 등을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 합성목재는 합성수지 50 내지 30 중량부와 상기 목질원료 50 내지 70 중량부에 대하여 침상형 산화아연 단결정체 5 내지 25 중량부 및 중공형 제올라이트 5 내지 25 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 미끄럼 방지 조제로서 티탄산칼륨을 포함시킴으로써 미끄럼 방지 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
티탄산칼륨은 침상형(whisker상)의 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)이 바람직하다. 침상형의 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)은 마찰재로서 높고 안정된 마찰계수와 낮은 마모 특성을 갖고 있어 자동차 브레이크의 보강재로 석면을 대체하여 사용되고 있는 소재다.
본 발명에서 티탄산칼륨은 침상형 산화아연 단결정체 및 중공형 제올라이트와 병용될 수 있는 성분으로서 그 합계 조성범위는 합성수지 50 내지 30 중량부, 목질 원료 50 내지 70 중량부에 대하여 30 중량부 범위 이내가 바람직하고, 그 중 티탄산칼륨은 최대 20 중량부 범위까지 포함될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 합성목재는 합성수지 50 내지 30 중량부와 상기 목질원료 50 내지 70 중량부에 대하여 침상형 산화아연 단결정체 5 내지 25 중량부, 중공형 제올라이트 5 내지 25 중량부 및 티탄산칼륨 5 내지 20 중량부를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지 성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 그 가공성과 제품물성을 향상시키기 위하여 첨가제를 사용할 수 있다. 특히, 압출공정에서 설비의 보호와 제품의 불량을 감소시키며, 생산성 향상을 위한 첨가제가 사용될 수 있다. 첨가제는 합성수지 가공분야에서 널리 이용되고 있는 일반적인 첨가제로서 결합제(coupling agents), 윤활제(lubricants), 자외선 안정제 및 흡수제, 항산화제, 착색제 등을 통상적인 조성비로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지 성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 다양한 형상과 구조 및 결합구조로 성형될 수 있다. 예를 들면, 4각 및 원판을 포함한 판재, 원구, 원기둥, 반원기둥, 사각기둥을 포함한 각형 기둥, 각종 뿔 및 뿔대, 상기 각종 형상의 중공부가 형성된 통과 같은 형상 및 구조와 단위체와 단위체의 결합 또는 본 발명의 단위체와 그 설치를 위한 다른 설비와의 결합을 위한 구조가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 합성목재에는 그 외 표면에 미끄럼 방지 효과를 더하기 위한 형상으로서 홈 형상(도 1 내지 도 3 참조)이나 각종 뿔대 또는 침상과 같은 다양한 요철 면이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 합성목재에 포함되는 침상형 산화아연 단결정체 및 중공형 제올라이트를 비롯한 티탄산칼륨은 합성목재 전체(도 1 참조)에 균일하게 분산되어 포함되거나, 외부 표면층 전체(도 2 참조) 또는 외부 표면층의 일부(도 3 참조)에만 포함될 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 형상, 구조를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 1은 합성수지, 목질원료 및 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 조성물로 합성목재 전체(20)를 구성한 합성목재(1)의 사시도이고, 도 2는 침상형 산화아연 단결정체를 포함하지 않는 조성물로 기저층(10)을 구성하고, 그 상부에 합성수지, 목질원료 및 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 조성물로 소정 두께의 표면층(20)을 구성한 합성목재(1)의 사시도이며, 도 3은 합성수지, 목질원료 및 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 조성물로 소정 두께의 일부 표면층(20)을 구성한 합성목재(1)의 사시도이다.
상기 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 층(20)은 중공형 제올라이트를 포함하며 티탄산칼륨을 포함할 수 있다.
본 발명에서 본 발명에 따른 합성목재의 조성비율은 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 층(20)에 대한 조성성분 및 그 조성비율을 의미한다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지 성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 압출성형, 사출성형, 압축성형과 같은 통상적인 합성수지 가공방법 중에서 그 형상 또는 구조에 따라 성형 가능한 가공방법을 선택하여 제조할 수 있다.
건조된 70 내지 150 ㎛ 사이즈의 목질원료 및 침상형 산화아연 단결정체를 준비한 다음, 혼련기에서 170 내지 190 ℃의 온도에서 용융된 합성수지와 다른 추가 조성성분과 함께 균일하게 분산, 혼련시킨 다음, 압출 또는 공 압출성형, 사출성형 또는 압축성형 방법에 의해 성형한 후, 초기 미끄럼 방지성능 부여를 위해 그 외 표면을 브러싱(Brushing) 가공함으로써 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 합성목재 전체 또는 임의의 두께로 형성되는 표면층 전체 또는 일부 표면층이 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트, 티탄산칼륨을 함유하기 때문에 상기 침상형 산화아연 단결정체를 함유하는 두께에 해당하는 부분이 전부 마모, 소실될 때까지 우수한 미끄럼 저항성을 갖게 된다. 따라서, 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 층을 두껍게 형성하면 반영구적인 우수한 미끄럼 저항성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재는 KS F 2375 노면의 미끄럼 저항성 시험방법(BPT)에 따른 미끄럼 저항성이 65 내지 69인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지성능이 우수한 합성목재는 KS M 3060 플라스틱의 선 열팽창계수 측정 방법에 따른 길이 선 열팽창계수(1/℃)가 1.4×10-5 내지 2.1×10-5인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 8 및 비교예 1 ~ 6
합성수지와 평균 입도가 70 내지 150 ㎛인 목질원료 분말, 평균 섬유장의 길이가 20 ~ 40 ㎛인 분지된 테트라포드(tetrapod) 형상의 침상형 산화아연 단결정체(needle shaped zinc oxide whisker; ZnO.W, WZ-05F1, (주) Panasonic), 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)를 주성분으로 하는 평균 입경이 10 ∼ 100 ㎛의 세라믹 미세원형 중공체(Ceramic Microscopic Hollow Spheres) 분말(상품명; INSULADD) 및 다른 조성성분을 하기 표 1과 같은 조성비로 혼련기에서 균일하게 분산되도록 175 ℃ 온도로 혼련한 다음, 압출 성형, 냉각시킨 후, 표면을 브러싱한 합성목재를 얻었다.
구분
(단위:kg)		 합성수지 1) 목질원료 2) 산화아연 제올라이트 티탄산칼륨 3) 첨가제 4)
비교예 1 45 55 5 - - 1.5
비교예 2 45 55 10 - - 1.5
비교예 3 45 55 15 - - 1.5
비교예 4 45 55 20 - - 1.5
비교예 5 45 55 30 - - 1.5
실시예 1 45 55 5 25 - 1.5
실시예 2 45 55 10 20 - 1.5
실시예 3 45 55 15 15 - 1.5
실시예 4 45 55 20 10 - 1.5
실시예 5 45 55 25 5 - 1.5
실시예 6 45 55 5 20 5 1.5
실시예 7 45 55 10 10 10 1.5
실시예 8 45 55 5 10 15 1.5
비교예 6 45 55 - - - 1.5
주 1) : 신품 폴리프로필렌
2) : 건조된 톱밥
3) : 일본 ㈜ 구보다의 티탄산 칼륨(TXAX)
4) : 결합제와 윤활제로서 각각 0.75 kg 사용
[평가]
실시예 및 비교예에 따른 합성목재에 대한 시험방법 및 시험결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 미끄럼 저항성은 KS F 2375 노면의 미끄럼 저항성 시험방법(BPT)에 따라 측정하였다.
2) 선 열팽창계수는 KS M 3060 플라스틱의 선 열팽창계수 측정 방법에 따라 측정하였다.
구분 미끄럼 저항성 길이 선열팽창계수(1/℃) 비고
비교예 1 60 2.8 ×10-5
비교예 2 62 2.8 ×10-5
비교예 3 64 2.8 ×10-5
비교예 4 65 2.8 ×10-5
비교예 5 67 2.8 ×10-5
실시예 1 65 1.4 ×10-5
실시예 2 66 1.5 ×10-5
실시예 3 67 1.6 ×10-5
실시예 4 68 1.8 ×10-5
실시예 5 68 2.1 ×10-5
실시예 6 67 1.5 ×10-5
실시예 7 68 1.8 ×10-5
실시예 8 69 1.8 ×10-5
비교예 6 41 3.8 ×10-5
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 침상형 산화아연 단결정체와 중공형 제올라이트를 포함하는 합성목재(실시예 1 ~ 8)는 침상형 산화아연 단결정체를 포함하는 합성목재(비교예 1 ~ 5)에 비해 미끄럼 저항성과 함께 내후성 즉, 기온 변화에 따른 열 안정성이 월등히 향상되는 효과가 있음을 알 수 있다.
1; 합성목재 10; 기저층
20; 표면층 22; 침상형 산화아연 단결정체
24; 중공형 제올라이트

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 합성수지, 목질원료, 분지된 테트라포드(tetrapod) 형상인 침상형 산화아연 단결정체, 세라믹 미세원형 중공체인 중공형 제올라이트 및 티탄산칼륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 합성수지 50 내지 30 중량부, 목질원료 50 내지 70 중량부, 분지된 테트라포드(tetrapod) 형상인 침상형 산화아연 단결정체 5 내지 25 중량부, 세라믹 미세원형 중공체인 중공형 제올라이트 5 내지 25 중량부 및 티탄산칼륨 5 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재.
  5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 합성수지는 열 가소성 합성수지인 것을 특징으로 하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재.
  6. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 분지된 테트라포드(tetrapod) 형상인 침상형 산화아연 단결정체는 평균 섬유장의 길이가 20 ~ 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재.
  7. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 세라믹 미세원형 중공체인 중공형 제올라이트는 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)를 주성분으로 하는 평균 입경이 10 ~ 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 미끄럼 방지성능과 열 안정성이 우수한 합성목재.
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