KR100991506B1

KR100991506B1 - 합성목재 조성물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100991506B1
Application number: KR1020090109050A
Authority: KR
Inventors: 김종수
Original assignee: 김종수
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2010-11-04

Abstract

합성목재 조성물 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 합성목재 조성물 제조방법은, (a) 목분과 지분을 건조시키는 단계와; (b) 플라스틱 수지인 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, 윤활제 0.2∼1wt%를 1차 배합하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)의 1차 배합물에 무기물인 상기 목분 40∼50wt%와, 상기 지분 15∼25wt%와, 충진제 1∼3wt%와, 결합제 0.8∼2.5wt%와, UV안정제 0.2∼0.6wt%와, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 2차 배합하는 단계와; (d) 상기 2차 배합 후, 가압, 가열, 및 혼련시켜 겔 상의 원료를 제조하는 단계와; (e) 상기 겔 상의 원료를 성형기에서 성형하고, 알갱이로 절단하며, 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 합성목재 조성물로 제조된 합성목재는 목재에 보다 가까운 친환경적인 소재로, 공원, 등산로에 사용되는 데크재, 난간 기둥재, 건축용 내외장재 등의 목재 대용으로 폭넓게 사용되도록 조성 제조된 이점이 있다.

합성목재 조성물, 목분, 데크재, 건축용 내외장재, 압출기, 충진제

Description

합성목재 조성물 및 그 제조방법{COMPOSITION OF SYNTHETIC WOOD AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 합성목재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물리적 특성이나 제품 성형성을 향상시키기 위해 개선된 합성목재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 합성목재 조성물은, 열가소성(폴리에틸렌, 폴리프로필렌)과 목질 강화제(통상 목분(wood powder), 왕겨, 지분)를 혼합한 것으로, 여기서 플라스틱은 유연성 재료로서 다양한 조성을 가지며, 시간이 경과함에 따라 주위환경과 상호 작용하여 특성이 변한다.

그리고 합성목재 조성물은 고분자 매트릭스와 강화제로 구성되는 설계재료라 할 수 있고, 상기 고분자 매트릭스는 복합재료 내에서 하중을 지지하는 강화제와 결합하여 표면을 보호하며, 형상을 유지해 주는 역할을 한다.

또한 합성목재 조성물은 폐목질 및 지분 등 자원의 재활용과 재생 플라스틱을 이용할 수 있는 환경 친화적인 소재라고 할 수 있으며, 목재와 비교하여 비슷한 기계적인 성능을 가진다.

그리고 합성목재 조성물은 내구성, 기계적 강도, 치수안정성 등 고성능의 압출된 소재로서, 초기 함수율은 1% 미만으로 목분이 코팅되는 내수 공정이 필요치 않으며, 해충이나 부후균으로부터의 피해가 거의 없으며, 치수 안정성이 높고, 안료를 이용하여 다양한 가공품을 만들 수 있다.

이와 같은 합성목재 조성물을 이용하여 제조된 합성목재는, 데크재, 난간기둥재, 건축용 내외장재(사이딩, 루버) 등의 목재 대용으로 광범위하게 사용되고 있다.

또한 합성목재는 소각시에 유해한 가스 및 다이옥신을 발산하지 않고 중금속을 포함하지 않으며, 새집 증후군을 일으키는 포름알데히드를 발생시키지 않는다. 현재 전 세계적으로 크롬, 구리, 비소 등 중금속을 포함하는 방부처리제의 규제가 강화되고 있으므로 방부처리 목재의 대용으로 널리 사용되고 있다.

하지만, 현재까지의 합성목재 조성물은, 물리적 특성이나, 제품 성형성(또는 가공성)이 떨어져 이를 개선할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 조성물에 포함된 습도를 적절하게 제거하고, 적절하게 조성물을 첨가하여 물리적 특성 및 제품 성형성이 향상되도록 한 합성목재 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 합성목재 조성물은, 목분 40∼50wt%, 지분 15∼25wt%, 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 결합제 0.8∼2.5wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, UV 안정제 0.2∼0.6wt%, 윤활제 0.2∼1wt%, 충진제 1∼3wt%, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 합성목재 조성물 제조방법은, (a) 목분과 지분을 건조시키는 단계와; (b) 플라스틱 수지인 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, 윤활제 0.2∼1wt%를 1차 배합하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)의 1차 배합물에 무기물인 상기 목분 40∼50wt%와, 상기 지분 15∼25wt%와, 충진제 1∼3wt%와, 결합제 0.8∼2.5wt%와, UV안정제 0.2∼0.6wt%와, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 2차 배합하는 단계와; (d) 상기 2차 배합 후, 가압, 가열, 및 혼련시켜 겔 상의 원료를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 목분 및 지분이 적절한 온도에서 초기 함수율이 1% 미만이 될 때까지 건조되므로, 조성물에 포함된 습도를 적절하게 제거할 수 있기 때문에 가공시 탄화가 발생되지 않고, 기계적 물성이 양호하게 되고, 압출기 및 금형에서의 가공이 원활하게 이루어져 미성형이나 제품표면의 불량을 방지할 수 있다.

또한 적절하게(또는 적정하게) 폴리에틸렌이 첨가되기 때문에 압출가공시 성형성이 원활하게 이루어지고, 기계적 강도(특히, 충격강도)를 높일 수 있다.

그리고 지분을 적절하게 첨가하기 때문에 목재의 견고성을 유지할 뿐만 아니라 비중이 낮기 때문에 경량화가 가능하고, 펠릿 공정을 수행하여 미성형의 문제점을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 합성목재 조성물은, 목분(또는 왕겨) 40∼50wt%, 지분(또는 종이) 15∼25wt%, 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 결합제 0.8∼2.5wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, UV 안정제 0.2∼0.6wt%, 윤활제 0.2∼1wt%, 충진제 1∼3wt%, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 포함한다.

그리고 상기 목분 또는 지분의 파티클(particle)의 크기는 80∼120메시(mesh)이고, 파티클 길이 대 직경의 비는 3:1∼5:1인 것이 적합하다.

또한 상기 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌은 용융지수가 1.0 이상인 그레이드(grade)로 선택한다. 그 이유는 목분(왕겨), 지분이 혼합되기 때문이며, 압출기 및 금형에서 수지 흐름이 좋으려면 용융지수가 중요하다.

한편, 첨가제는 합성목재 조성물의 성능과 가공성(배합, 압출)에 중요한 인자로, 합성목재 조성물은 종종 뒤틀림, 갈라짐, 변색, 착색의 문제가 발생하고, 합성목재 조성물은 구조재로서 이용되기 때문에 기계적인 강도를 증가시키는 첨가제 의 역할이 중요하다.

이와 같이 압출공정에서 첨가제는 제품의 불량을 감소시키면서 합성목재 조성물의 표면을 매끄럽게 만들고 생산라인의 속도를 유지하는데 필수적이다. 이러한 첨가제 중 가장 널리 이용되는 것은 결합제, 윤활제, 발포제, 충진제, 항산화제, UV안정제 등으로, 안정성을 높이고 보존제 역할 및 경량화를 가능하게 하며 기계적 성질을 개선한다.

그리고 상기 결합제는 Maleated Polypropylene(MAPP)이나 Titanate계를 사용한다. 즉, 결합제는 플라스틱 수지, 목분(또는 왕겨), 지분과의 결합력을 개선하기 위하여 사용되는 것으로, 원칙적으로 목분은 친수성인 극성을 나타내고, 플라스틱 수지는 소수성인 비극성을 가지므로 두 물질과의 결합력은 약하다.

또한 목분과 플라스틱 수지의 상호작용은 결합제의 첨가에 의하여 두 물질 사이의 계면에서 새로운 화학적 결합으로 크게 개선된다.

기술적으로 상기 결합제는 굽힘강도(modulus of rupture)와 탄성계수(modulus of elasticity)를 증가시키고, 치수 안정성, 충격강도 및 목분의 분산을 돕는다.

또한 상기 항산화제는, 폐놀계로 이루어진다. 즉, 항산화제와 UV 안정제(antioxidants / UV stabilizer)는 각각 합성목재 조성물에게 공기로부터의 산소접근을 막으므로 열화방지, 태양광선으로부터 자외선을 차단한다.

따라서 상기와 같은 항산화제는 기계적 성질이 저하되거나 변색을 일으키는 원인을 막고, 목재의 주성분인 셀룰로오스와 리그닌은 외부에 노출되었을 때 변색 이 되고 플라스틱 수지는 UV의 존재하에서 변색되기 때문에 페놀계를 사용한다.

그리고 상기 윤활제는 합성목재 제품의 표면성질을 크게 개선시키는 것으로, Fatty acids계, acid amide계, fluoropolymer계, hydrocarbons계 중 어느 하나를 사용한다. 즉, 긴 고리로 구성된 중합체인 폴리머는 높은 온도에서 비교적 점성이 높기 때문에 합성목재 조성물 가공(압출공정) 중에 목분의 분산을 높이기 위해서 윤활제를 첨가시킨다.

또한 상기 충진제는 탄산칼슘, 활석, 또는 운모 중 어느 하나로 이루어진다. 즉, 충진제(fillers)는 부가적으로 탄산칼슘, 활석, 운모와 같은 충진제들이 충격강도와 굽힘강도, 열변형 온도 및 하중에 의한 장기적인 변형을 개선하기 위하여 선택적으로 사용된다.

이러한 충진제들은 윤활성을 개선하고, 목분의 수분을 흡수할 뿐만 아니라 합성목재 조성물의 가공성을 개선하는데 이용된다.

그리고 상기 팽창제는, 화학발포나 가스발포 방식이 아닌 기계 팽창방식이며, Acrylonitrile(AN) 공중합체를 기재로 하고, 저비점 탄화수소를 내포하는 열팽창성 Micropheres(TMS)를 이용한다.

또한 상기 열팽창성 Micropheres를 160℃~210℃까지 1~4분 정도 열을 가하면 팽창되며, 비중 감소는 30~70%까지 가능하며, 기계적 물성 및 화학적 물성은 비중감소전과 별 차이가 없다.

그리고 상기 조성물은 방화처리용으로 내염제를 더 포함한다. 즉, 목재와 플라스틱 수지는 고온에서 연소하므로 방화처리는 합성목재 조성물의 적용에 필수 적이고, 좋은 결과는 목재와 플라스틱 모두에 내염제가 처리되었을 때 얻을 수 있다.

따라서 비슷한 밀도에서 목재에 비하여 화염이 느리게 퍼지므로, 합성목재 가공 전에 원료에 내염제를 첨가하여 개선할 수 있다.

상기한 바와 같은 합성목재 조성물의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명에 따른 합성목재 조성물 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 순서도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 합성목재 조성물 제조방법은, 우선, 목분과 지분을 건조시킨다.(단계 510)

상기 단계 510에서, 상기 목분 및 지분을 예컨대, 터널형 밀폐 컨베이어 벨트에서 80∼100℃에서 초기 함수율 1% 미만이 될 때까지 건조시키다.

이렇게 건조 단계를 수행하는 이유는, 조성물에 포함된 습도는 가공시 탄화가 쉽게 되며, 기계적 물성이 저하되고, 압출기 및 금형에서 흐름이 좋지 못하기 때문에 미성형의 원인이 되며, 제품표면이 매끄럽지 못하게 하기 때문에 이를 제거하기 위해서이다.

이어서, 플라스틱 수지인 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, 윤활제 0.2∼1wt%를 1차 배합한다.(단계 520) 이 1차 배합(blending)은, 배합기에서 70∼80℃까지 배합한다.

상기 1차 배합물에 무기물인 상기 목분 40∼50wt%와, 상기 지분 15∼25wt% 와, 충진제 1∼3wt%와, 결합제 0.8∼2.5wt%와, UV안정제 0.2∼0.6wt%와, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 2차 배합한다.(단계 530) 여기서, 2차 배합물은 파티클의 크기가 80∼120메시(mesh)이다.

그리고 상기 2차 배합 후, 가압, 가열, 및 혼련시켜 겔(gel) 상의 원료를 제조한다.(단계 540) 이때, 상기 가압, 가열, 및 혼련은 80∼100℃까지 시킨다.

여기서, 폴리에틸렌을 첨가하는 이유는, 무기물(목분(또는 왕겨), 지분, 충진제 등)에 비해 수지의 함량이 적기 때문에 압출가공시 혼합물의 흐름을 원활하게 하기 위해서 이며, 기계적 강도(충격강도)를 높이기 위해서이다.

그리고 윤활제와 항산화제는 수지나 무기물에 비해 소량이기 때문에 제 기능을 할 수 있는 것은 플라스틱 수지하고, 먼저 결합이 되어야 한다.

또는 1,2차 배합을 각각 구분하는 이유는 첨가물이 플라스틱 수지와 먼저 결합해야 제 기능을 발휘할 수 있기 때문이고, 1차 배합 후 수지와 무기물에 동시에 결합해야 하는 이유는 배합 공정상 전부 혼합하는 2차 배합시에 첨가한다.

그리고 지분을 사용하는 이유는, 동일한 성분의 섬유질 및 높은 섬유질 함량을 활용할 수 있으며, 기계적 강도가 떨어질 것 같으나 높은 함량의 섬유질로 인하여 목재의 견고성을 유지할 뿐만 아니라 비중이 낮기 때문에 경량화가 가능하다.

상기 단계 540에서, 겔 상의 원료를 성형기에서 성형하고, 알갱이로 절단하며, 냉각시킨다.(단계 550) 여기서, 상기 성형기는 140∼160℃로 가열된 성형기이고, 상기 알갱이는 2∼3m/m 크기의 알갱이로 한다.

상기 단계 550과 같이 펠릿(Pellet) 공정을 거치는 이유를 설명하면 다음과 같다.

플라스틱 수지에 비해 무기물(목분(또는 왕겨), 지분, 충진제 등)의 함량이 3.5배정도 많다. 이 때문에 배합해서 바로 제품 형상가공(압출가공)을 하면, 플라스틱 수지의 종류나 첨가제의 기능을 극대화한다 해도 플라스틱 수지와 무기물과 첨가제가 균일하게 분포가 어렵다.

이에 따라 기계적 물성저하뿐만 아니라 제품 표면 상태 저하 및 압출가공시 혼합물의 흐름 원활하지 못하고, 이 때문에 미성형의 문제점을 초래하는 것을 이 펠릿 공정을 통해 방지할 수 있다.

그리고 냉각시 수냉식 방법으로 냉각하면 수분이 함침되기 때문에 공랭식 건조방법이 되어야 하며, 수분 함침시 제품화 단계의 압출 성형시 탄화가 발생하며 제품 표면에 악영향을 주고, 기계적 물성의 저하 원인이 된다.

이어서, 상기와 같은 펠릿 공정을 거친 원료를 180 내지 210℃로 가열된 L/D가 25이상인 압출 성형기에서 성형하며, 다양한 형태의 제품을 생산한다.(단계 560)

특히, 여기서, 제품의 경량화를 위해서는 팽창제가 여분의 공간을 갖는 금형 디자인이 되어야 하며, 금형 맨 끝단 부분에 팽창비율에 준하는 공간을 확보해야 하며, 팽창된 후에는 냉각조에서 급랭을 해야 제품 표면의 경도가 높고 팽창이 정지된다.

한편, 무기물(목분(또는 왕겨), 지분, 충진제 등)의 함량이 수지에 비해 3.4배나 많기 때문에 화학발포나 가스 발포식은 플라스틱 수지를 팽창해야 하기 때문 에 경량화가 어렵다.

그러나 기계적 팽창방식은 플라스틱 수지의 함량에 관계없이 팽창시킬 수 있기 때문에 30~40% 정도 경량화가 가능하다.

그리고 기계적 팽창방식은 적정온도에서 팽창이 시작되어 압출기 및 금형 중간까지는 팽창이 되지 않고 토출되다가 금형 끝단 부분에서 팽창해야 하기 때문에 금형 끝단 부위에 팽창비율만큼 공간을 확보해야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 합성목재 조성물 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 순서도.

Claims

목분 40∼50wt%, 지분 15∼25wt%, 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 결합제 0.8∼2.5wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, UV 안정제 0.2∼0.6wt%, 윤활제 0.2∼1wt%, 충진제 1∼3wt%, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 조성물.
제1항에 있어서,

상기 목분 또는 지분의 파티클 크기는 80∼120메시(mesh)이고, 파티클 길이 대 직경의 비는 3:1∼5:1인 것을 특징으로 하는 합성목재 조성물.
제1항에 있어서,

상기 폴리프로필렌 및 상기 폴리에틸렌은 용융지수가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 합성목재 조성물.
(a) 목분과 지분을 건조시키는 단계와;

(b) 플라스틱 수지인 일반 폴리프로필렌 12∼22wt%, 충격용 폴리프로필렌 4∼7wt%, 폴리에틸렌 6∼11wt%, 항산화제 0.1∼0.3wt%, 윤활제 0.2∼1wt%를 1차 배합하는 단계와;

(c) 상기 단계 (b)의 1차 배합물에 무기물인 상기 목분 40∼50wt%와, 상기 지분 15∼25wt%와, 충진제 1∼3wt%와, 결합제 0.8∼2.5wt%와, UV안정제 0.2∼0.6wt%와, 팽창제 0.7∼2.5wt%를 2차 배합하는 단계와;

(d) 상기 2차 배합 후, 가압, 가열, 및 혼련시켜 겔 상의 원료를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 조성물 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 단계 (a)에서, 상기 목분 및 상기 지분을 80∼100℃에서 초기 함수율 1% 미만이 될 때까지 건조시키는 것을 특징으로 하는 합성목재 조성물 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 1차 배합은 배합기에서 70∼80℃까지 배합하고, 상기 2차 배합물은 파티클의 크기가 80∼120메시(mesh)인 것을 특징으로 하는 합성목재 조성물 제조방법.