KR100965627B1 - 휨강도 및 항균성이 강화된 합성목재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건축물의 외장재 또는 내장재로 사용되는 합성목재에 관한 것으로서, 입자크기 20 내지 140 메시(mesh)로 분쇄된 목분이 목분건조기에서 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 후 합성목재 조성물 전체 중량 대비 40 내지 44 중량% 범위에서 교반기로 투입되고, 코이어 건조기로부터 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 합성목재 조성물 전체 중량 대비 코이어 20 내지 24 중량%가 자동 계량되어 상기 교반기에 투입된 후, 상기 교반기에 투입된 목분과 코이어를 2 내지 10분간 교반시켜 1차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 1차 혼합물을 1차 믹서에 투입시키고, 재차 혼합되는 과정에서 합성목재 조성물 전체 중량 대비 피톤치드 1 내지 5 중량%가 함유되도록 액상의 피톤치드를 펌프에 의해 믹서기 내부로 연속적으로 분사시켜 1차 혼합물과 피톤치드가 결합한 2차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 2차 혼합물을 2차 믹서에 투입한 후, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 합성수지 30 내지 34 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 착색제 4 내지 5 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 활제 1 내지 2 중량%를 투입하여 5 내지 10분간 교반시켜 3차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 3차 혼합물을 압축기의 호퍼에 투입한 후, 실린더 스크류로 이송하여 금형에 투입하고, 상기 실린더 스크류를 히터에 의해 가열하여 이송되는 상기 3차 혼합물을 액상으로 변화시키며, 실린더 스크류 내부온도를 130 내지 185˚C로 유지되도록 하는 스크류 이송단계 및 상기 금형에 투입된 3차 혼합물은 85 내지 110˚C까지 냉각되어 고형화된 후 압출되고, 치수 조정과정인 사이징 과정 및 컷팅 과정을 거쳐 합성목재를 완성하는 단계;를 수행하여 제조되며, 목분의 일부를 코이어로 대체하고 피톤치드를 첨가함으로써 합섬목재의 휨강도 및 친환경성이 강화된다.

Description

휨강도 및 항균성이 강화된 합성목재{Wood Polymer Composites}
본 발명은, 휨강도 및 항균성이 강화된 합성목재에 관한 것이다.
일반적으로 마루판, 천정판, 문짝, 문틀, 창호, 휀스(fence)와 같은 건축물의 외장재 또는 내장재로 천연목재가 주로 사용되고 있는데, 이는 나무 특유의 재질로 인해 부드러우면서 아늑한 분위기를 자아내게 되고, 미관이 향상되기 때문이다.
그러나, 이러한 천연목재는 생산량이 많아짐에 따라 점차 고갈되어 가고 있는 상황이며, 고유물성인 내수성, 내열성, 충격강도, 휨강도, 난연성, 항균성 등이 떨어지는 문제가 있다.
천연목재의 항균성 저하로 수명이 단축되는 문제를 보완하기 위한 것으로, 항균성 강화를 위한 용도의 구리, 크롬, 비소 계통의 방부제를 목재 깊이 가압하여 함침시킨 목재(일명 CCA 방부목)가 널리 사용되고 있는데, CCA 방부목은 방부제로 사용된 구리, 크롬, 비소 등이 물에 용해되어 흘러나와 인체에 접촉될 수 있으며, 특히, 화재 발생시 상기 물질을 함유한 유독물질이 배출되는 문제가 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근 천연목재와 유사한 질감 및 외관을 가진 합성목재가 건축물의 내·외장재로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 합성목재는 원목을 분쇄한 목분과 열경화성 합성수지 등의 첨가제가 합성된 충진제를 주입하고 가열 압축시켜 패널형태로 성형한 후, 패널의 전면에 천연 무늬목이나 비닐 무늬목을 접착시켜 용도에 맞게 가공 절단하여 완성된다.
이러한 합성목재의 내구성과 강도를 증가시키기 위해서는 목분과 첨가제의혼합비율을 조절하거나, 목분과 첨가제의 가열 압축시 가열온도 또는 압축하는 압력을 조절하여 합성목재의 내구성과 강도를 증가시키는 방법이 사용된다.
그러나, 이러한 방법으로 내구성과 강도를 증가시키기에는 한계가 있어, 합성목재가 약한 충격에도 쉽게 휘어지거나 파손되는 문제가 있으며, 목분을 함유하고 있기 때문에 항균성이 떨어져 세균에 의해 부식 또는 부패되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 휨강도 및 항균성이 우수하며, 인간에게 이로운 항균물질을 발산하는 합성목재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 합성목재는, 입자크기 20 내지 140 메시(mesh)로 분쇄된 목분이 목분건조기에서 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 후 합성목재 조성물 전체 중량 대비 40 내지 44 중량% 범위에서 교반기로 투입되고, 코이어 건조기로부터 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 합성목재 조성물 전체 중량 대비 코이어 20 내지 24 중량%가 자동 계량되어 상기 교반기에 투입된 후, 상기 교반기에 투입된 목분과 코이어를 2 내지 10분간 교반시켜 1차 혼합물을 생성하는 단계; 상기 1차 혼합물을 1차 믹서에 투입시키고, 재차 혼합되는 과정에서 액상의 피톤치드를 펌프에 의해 믹서기 내부로 연속적으로 분사시켜, 1차 혼합물과 피톤치드가 결합한 2차 혼합물을 생성하는 단계, 상기 2차 혼합물을 2차 믹서에 투입한 후, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 합성수지 30 내지 34 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 착색제 4 내지 5 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 활제 1 내지 2 중량%를 투입하여 5 내지 10분간 교반시켜 3차 혼합물을 생성하는 단계, 상기 3차 혼합물을 압축기의 호퍼에 투입시킨 후, 실린더 스크류로 이송하여 1차 금형에 투입하고, 상기 실린더를 히터에 의해 가열하여 이송되는 상기 3차 혼합물을 액상으로 변화시키며, 실린더 스크류 내부온도를 130 내지 185˚C로 유지되도록 하는 스크류 이송단계 및 상기 금형에 투입된 3차 혼합물은 85 내지 110˚C까지 냉각되어 고형화된 후 압출되고, 치수 조정과정인 사이징 과정 및 컷팅 과정을 거쳐 합성목재를 완성하는 단계를 수행하여 제조된다.
또한, 상기 스크류 이송단계는, 제1 내지 제6 구역으로 구성되며, 제1 내지 제4 구역은 송풍기가 설치되고, 제5 및 제6구역은 온도조절 장치가 설치되며, 상기 온도조절 장치는 스크류가 설치된 실린더 외주면에 형성된 나선형의 요홈과, 상기 요홈에 감기고 냉각수가 통과하는 동파이프와, 상기 동파이프의 외측에 설치되며 상기 실린더와 접촉되는 히터 및 상기 히터 및 동파이프의 가동을 제어하는 제어판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 합성목재는, 휨강도 및 항균성이 우수할 뿐만 아니라, 인간에게 이로운 항균물질을 발산하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 합성목재 제조과정을 도시한 공정 흐름도,
도 2는 스크류 이송장치를 나타낸 개략도,
도 3은 스크류 이송장치의 제5 구역의 단면을 개략적으로 도시한 단면도,
도 4는 온도조절 장치에 대한 개략도이다.
본 발명의 합성목재는 합성목재 조성물 전체 중량 대비 합성수지 30 내지 34 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 목분 40 내지 44 중량%, 코코넛의 섬유성분인 합성목재 조성물 전체 중량 대비 코이어(coier) 20 내지 24 중량% 및 합성목재 조성물 전체 중량 대비 피톤치드 1 내지 5 중량 %를 포함한다.
합성수지는 멜트 플로우인덱스(Melt flow index)가 10g/분인 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE)가 사용된다.
목분은 원목이나 폐목을 분쇄기를 이용하여 20-140 메시(mesh)로 분쇄한 후, 120 내지 140˚C에서 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조시켜 사용된다.
코이어는 코코넛의 중과피로부터 추출된다. 코코넛은 코코야자나무의 열매로서 외과피, 중과피, 내과피 및 내배유로 구분되며, 이 중 중과피는 2cm ~5cm의 섬유층으로 구성되며 이 섬유층을 코이어(coir)라고 한다. 코이어는 물과 공기에 대대 내성을 가지며 탄력성, 유연성 및 내습성이 우수하다. 이러한 성질에 의하여 종래 목분 만을 첨가하는 합성목재에 있어서, 목분의 일부를 코이어로 대체하면 합성목재의 휨강도가 크게 증가하게 된다.
중과피로부터 추출된 코이어는 수분을 제거한 후 파쇄작업을 한다. 수분이 제거된 코이어는 소정 범위의 온도 내에서 건조 및 분쇄시켜 고분자가 생성되도록 한다. 이때 코이어를 건조시키기 위한 적정온도는 목분과 같은 120 내지 140˚C가 적당하며, 건조되는 정도는 코이어 고분자가 1 내지 4% 이하의 수분함유량을 유지하도록 한다.
피톤치드는 식물이 주위의 병원균으로부터 자신을 보호하기 위하여 발산하는 자기 방어물질로서, 테르펜을 비롯한 페놀 화합물, 알칼로이드 성분, 배당체 등을 총칭한다. 수종에 따라 피톤치드의 발생량이 다른데 소나무, 잣나무, 편백나무 등에서 발생량이 뛰어나다. 피톤치드는 강한 살균작용으로 박테리아, 곰팡이, 기생충 등을 죽이거나 발육, 증식을 억제하는 작용을 하기 때문에 살균제, 방부제로 이용된다.
또한, 숲속의 공기를 맑게 만들어 주고 인간이 그 공기를 호흡을 통해서 흡입하면 피톤치드가 체내의 나쁜 균들을 선택적으로 살균함으로써 혈맥을 맑게하고 면역력 또한 강하게 할 수 있는 항균물질이다.
따라서, 피톤치드를 합성목재에 첨가하면 목분의 함유에도 불구하고 합성목재의 항균성이 크게 증가하며, 인간에게 이로운 항균 물질을 발산하게 된다.
본 발명의 합성목재에 첨가되는 피톤치드는 액상의 피톤치드가 사용되며, 이는 점성이 뛰어나 상기 효능뿐만 아니라 천연 접착제와 같은 역할을 하여 합성목재의 강도 및 내수성을 높이는 효과도 발생한다.
기타 첨가제로서, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 착색제 4 내지 5 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 활제 1 내지 2 중량%가 첨가된다. 활제는 액상의 합성수지가 목분과 코이어와 원활히 융합되도록 하는 물질로서, 스테아린산 바륨계통이 사용된다.
본 발명의 합성목재의 제조과정을 설명하면 다음과 같다.
1차 혼합물 제조공정(S10)
분쇄기를 이용하여 입자크기 20 내지 140 메시로 분쇄된 목분을 목분건조기를 이용하여 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조시킨 후, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 40 내지 44 중량% 범위에서 교반기로 투입되고, 코이어 건조기로부터 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 합성목재 조성물 전체 중량 대비 코이어 20 내지 24 중량%가 자동 계량되어 교반기에 투입된다. 교반기에서는 투입된 목분과 코이어가 2 내지 10분간 교반되어 1차 혼합물이 제조된다.
피톤치드 도포공정(S20)
상기 1차 혼합물을 1차 믹서에 투입하고, 재차 혼합시키는 과정에서 합성목재 조성물 전체 중량 대비 피톤치드 1 내지 5 중량%가 함유되도록 액상의 피톤치드를 펌프에 의해 믹서기 내부로 연속적으로 분사시켜, 1차 혼합물과 피톤치드가 결합한 2차 혼합물이 제조된다.
합성수지 혼합공정(S30)
상시 2차 혼합물이 2차 믹서에 투입된 후, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 합성수지 30 내지 34 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 착색제 4 내지 5 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 활제 1 내지 2 중량% 가 투입되고, 5 내지 10분간 교반시켜 3차 혼합물이 제조된다. 2차 믹서는 1차 믹서와 비교하여 상대적으로 고속으로 회전하며 70 내지 120˚C로 유지된다.
스크류 이송공정(S40)
도 2 및 도3을 참조하면, 상기 제조된 합성목재 컴파운드를 압축기 호퍼(10)에 투입한 후, 스크류 이송장치(20)에 의해 이송되어 금형(30)에 투입된다. 스크류 이송단계에서, 3차 혼합물이 겔 상태가 될 수 있도록 히터(42)에 의해 스크류(24)가 설치된 실린더(25)가 가열되며, 3차 혼합물은 겔 상태에서 130 내지 185˚C를 유지하며 이송된다.
한편, 스크류 이송단계에서는 히터(42)의 가열에 더하여 스크류 마찰열에 의해 온도가 급격히 상승하는 경우가 발생한다. 입구측에서는 온도 상승이 크지 않으나, 출구측에 올수록 스크류(24)의 회전에 의한 마찰열이 가중되어 실린더 내부의 온도가 210˚C 이상까지 상승하게 된다. 융융된 3차 혼합물의 이송과정에서 급격한 온도변화 또는 200˚C이상의 온도상승은 합성목재의 품질저하를 초래하게 된다. 또한, 스크류 출구에서의 제 3차 혼합물의 온도는 금형에 투입되는 온도를 결정하게 되므로 일정한 온도(130 내지 185˚C)를 유지시킬 필요가 있다.
스크류 이송장치(20)는 제1 내지 제6구역(21, 22)으로 구분되어 있으며, 온도 상승이 크지 않은 제1 내지 제4 구역(21)은 히터(42)와 송풍기(23)를 설치하고, 과도하게 온도가 상승하는 경우 송풍기(23)를 가동시켜 온도를 제어한다. 제5 및 제6 구역(22)은 온도조절 장치(40)에 의해 실린더 내부온도가 일정하게 조절된다.
온도조절 장치(40)는, 도 3 및 도 4을 참조하면, 스크류(23)가 설치된 실린더(25) 외측에 나선형의 요홈(26)을 형성하고, 요홈(26)에 냉각수 또는 오일이 통과하는 동파이프(41)가 나선형으로 감겨 설치된다. 동파이프(41)는 냉각탱크(43)에 연결된다.
동파이프(41)의 외측에는 히터(42)가 실린더(25)와 접촉되도록 설치되어 있으며, 전력공급장치(44)에 연결된다. 상기 냉각탱크(43)와 히터(44)의 가동은 제어판(45)에 의해 제어되며, 사용자의 지정에 의해 실린더 내의 온도를 일정하게 유지시켜 준다.
합성목재 완성공정(S50)
금형에 투입된 액상의 3차 혼합물은 85 내지 110˚C까지 냉각된 후 압출되고, 치수 조정과정인 사이징 과정과 냉각 과정을 거쳐 합성목재가 완성된다.
표 1은 종래의 목분만을 함유한 합성목재와 본 발명의 합성목재의 휨강도 및 새집 증후군 물질인 포름알데히드의 방산량을 비교한 것이다.

시험항목
시험방법
종래기술
본 발명

휨강도(N/mm2)
KS F 3200 - 2006
20.2
31.9
상기 표에서 같이 종래의 목분함량(50 ~ 60 %)의 일부를 코이어로 대체하고, 액상의 피톤치드를 도포하여 함침시킨 경우, 휨강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
10 : 압축기 호퍼 20 : 스크류 이송장치
30 : 금형 40 : 온도조절 장치

Claims (2)

  1. 입자크기 20 내지 140 메시로 분쇄된 목분이 목분건조기에서 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 후, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 40 내지 44 중량% 범위에서 교반기로 투입되고, 코이어 건조기로부터 수분함량 1 내지 4% 미만으로 건조된 합성목재 조성물 전체 중량 대비 코이어 20 내지 24 중량%가 자동 계량되어 상기 교반기에 투입된 후, 상기 교반기에 투입된 목분과 코이어를 2 내지 10분간 교반시켜 1차 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 1차 혼합물을 1차 믹서에 투입시키고, 재차 혼합되는 과정에서 액상의 합성목재 조성물 전체 중량 대비 피톤치드 1 내지 5 중량%가 함유되도록 액상의 피톤치드를 펌프에 의해 믹서기 내부로 연속적으로 분사시켜, 1차 혼합물과 피톤치드가 결합한 2차 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 2차 혼합물을 2차 믹서에 투입한 후, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 합성수지 30 내지 34 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 착색제 4 내지 5 중량%, 합성목재 조성물 전체 중량 대비 활제 1 내지 2 중량%를 투입하여 5 내지 10분간 교반시켜 3차 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 3차 혼합물을 압축기의 호퍼에 투입한 후, 실린더내에 설치된 스크류를 이용하여 금형으로 이송하고, 상기 실린더를 히터에 의해 가열함으로써 이송되는 상기 3차 혼합물을 겔상태로 변화시키며, 실린더 내부온도를 130 내지 185˚C로 유지되도록 하는 스크류 이송단계; 및
    상기 금형에 투입된 3차 혼합물은 85 내지 110˚C까지 냉각되어 고형화된 후 압출되고, 치수 조정과정인 사이징 과정 및 컷팅 과정을 거쳐 합성목재를 완성하는 단계;를 수행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 합성목재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스크류 이송단계는,
    제1 내지 제6 구역으로 구성되며, 제1 내지 제4 구역에는 히터 및 송풍기가 설치되고, 제5 및 제6구역에는 온도조절 장치가 설치되며, 상기 온도조절 장치는 스크류가 설치된 실린더 외주면에 형성된 나선형의 요홈과, 상기 요홈에 감기고 냉각수 또는 오일이 통과하는 동파이프와, 상기 동파이프의 외측에 설치되며 상기 실린더와 접촉하는 히터 및 상기 히터 및 동파이프의 가동을 제어하는 제어판을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재.
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KR101322808B1 (ko) * 2013-05-13 2013-10-29 김우정 친환경 합성목재의 제조방법

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