KR101028021B1 - 폴리락트산을 시쓰로 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유와천연섬유를 이용한 바이오보오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

폴리락트산을 시쓰로 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유와천연섬유를 이용한 바이오보오드 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부와 표피층의 이중구조를 가진 시쓰-코아(sheath-core)형 복합섬유와 천연섬유를 포함하는 부직포를 적층한 바이오보오드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 시쓰 성분으로 생분해성의 폴리락트산 및 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 수지를 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유, 및 천연섬유를 포함하는 부직포가 2층 이상 적층된 바이오보오드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
시쓰-코아형 복합섬유, 천연섬유, 폴리락트산, 생붕괴성 바이오보오드

Description

폴리락트산을 시쓰로 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유와 천연섬유를 이용한 바이오보오드 및 이의 제조방법 {Bio-degradable board comprising polylactic acid sheath containing sheath-core type fiber and natural fiber and its preparation method}
도 1은 본 발명의 시쓰-코아 복합섬유에 포함되는 구현예와 종래 폴리락트산 단일섬유를 나타낸 것이다.
본 발명은 내부와 표피층의 이중구조를 가진 시쓰-코아(sheath-core)형 복합섬유와 천연섬유를 포함하는 부직포를 적층한 바이오보오드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 시쓰 성분으로 생분해성의 폴리락트산 및 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 수지를 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유, 및 천연섬유를 포함하는 부직포가 2층 이상 적층된 바이오보오드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
새로운 환경 법규, 사회적 관심 그리고 점점 높아지고 있는 환경에 대한 인식의 변화로 최근 우리나라에서도 친환경 소재에 대한 관심이 점점 증대되고 있다. 재료를 사용하는데 있어서 자원의 재활용 개념은 20세기 말엽부터 더욱 중요하게 강조되어 왔다. 따라서, 세계 경제를 이끌고 있는 선진국의 많은 산업체들은 점점 줄어들고 있는 석유를 바탕으로 하는 소재 공급원을 천연소재 및 농작물 자원을 바탕으로 하는 환경친화적 소재로 대체하고자 노력하고 있다. 바이오복합재료(biocomposites)는 일반적으로 매트릭스로서 생분해성 고분자와 보강섬유로서 바이오섬유(biofibers) 또는 천연섬유(natural fibers)로 구성되어 있다. 이를 구성하고 있는 주요 두 성분이 모두 생분해성이기 때문에 그 복합재료 역시 생분해 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 생분해성 재료를 이용한 자동차 부품 연구 및 적용은 현재 많은 자동차 업체에서 경쟁적으로 이루어 지고 있고, 석유자원고갈 대책, 이산화탄소 저감, 휘발성 유기물질 저감, 리싸이클율 규제 대응 등 많은 실질적인 장점을 가지고 있다.
생분해성 고분자는 가격이 기존의 고분자와 비교할 때 상당히 비싼 편이므로 가격적인 부담을 줄이기 위해서 일반 비분해성 고분자와 블랜드하여 사용하기도 하는데, 이 경우 생분해성 고분자가 비분해성 고분자의 분해 시간을 상당히 단축하는 특징이 있으며 이를 생붕괴성 이란 용어로 표현한다.
이에, 본 발명자들은 바이오복합재료용 생분해성 고분자매트릭스로 가장 잘 알려진 폴리락트산이 우수한 기계적 물성과 생분해 특성을 가지고 있지만 가격이 비싸 그 응용에 제약이 따르기 때문에 이를 해결한 바이오보오드 및 그 제조 방법을 제시 하고자 한다.
폴리락트산을 시쓰 성분으로 사용한 시쓰-코아형 복합섬유와 천연섬유를 사용하여 제조된 바이오보오드는 기존의 단일구조 폴리락트산 섬유를 사용한 것과 비교하여 기계적 물성 및 열적 특성이 향상되면서, 제조원가가 낮아 자동차 내장재용 보오드로 응용 가능하다.
따라서 본 발명은, 기계적 강도 및 열적 특성이 향상되고, 제조 원가가 저렴한 바이오보오드 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 시쓰 성분으로 폴리락트산 30 ~ 70 중량% 및 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 수지 30 ~ 70 중량% 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유, 및 천연섬유를 포함하는 부직포가 2층 이상 적층된 바이오보오드에 그 특징이 있다.
또한, 시쓰 성분으로 폴리락트산 30 ~ 70 중량% 및 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 수지 30 ~ 70 중량% 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유, 및 천연섬유를 포함하는 부직포를 2층 이상 적층하여 프레스로 180 ~ 210 ℃에서 압착 한 후, 프레스 온도를 100~ 120 ℃로 5 ~ 15분간 유지하는 단계를 포함하는 바이오보오드의 제조방법에 또 다른 특징이 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 '바이오보오드'는 생붕괴성이 있는 두께에 비해 상대적으로 넓은 면을 가지는 보오드 또는 패널, 및 이를 가공한 성형품을 의미한다. 이러한 성형품 중의 하나는 자동차의 내장 부품일 것이다.
또한, 본 발명에서 '생붕괴성(biodegradable)'이란 물질이 박테리아, 균류 및 조류와 같은 미생물의 작용에 의해 분해되는 것을 의미한다. 하지만 완전 100% 생분해성과는 다르게 분해시간이 더 길다는 차이가 있다.
또한, 본 발명에서 '부직포'는 두께에 비해 상대적으로 넓은 면을 가지는 열 결합상의 부직 구조물을 의미한다.
본 발명의 시쓰-코아 복합섬유의 일 구현 예는 도 1에 나타나 있고, 시쓰 성분으로 폴리락트산을 전체 시쓰-코아형 복합섬유에서 30 ~ 70 중량%을 포함시켜 바이오보오드가 생분해성을 나타낼 수 있도록 하고, 또한 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 수지를 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용한다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 코아 성분이 전체 시쓰-코아형 복합섬유에서 30 ~ 70 중량% 포함되므로 인하여, 폴리락트산 단일섬유가 사용된 바이오보오드에 비하여 시쓰-코아형 복합섬유는 기계적 물성, 열적 특성 및 경제적 효율성이 현저히 증대시킨다.
또한, 본 발명의 시쓰-코아 복합섬유를 구성하는 시쓰 및/또는 코아 성분에는 복합섬유의 원하는 특성들에 불리한 영향을 미치지 않는 다른 성분들을 함유할 수 있다. 이러한 부가성분의 예로는 안료, 항산화제, 안정화제, 계면활성제, 왁스, 유동 촉진제, 고체 용매, 입자성 물질 등이 있고, 이러한 부가성분이 포함되는 경우에는 일반적으로 전체 시쓰-코아 복합섬유의 5 중량% 이하, 바람직하게는 1 중량% 이하의 양으로 사용된다.
본 발명의 시쓰-코아형 복합섬유를 제조하는 방법은 시쓰 성분과 코아 성분이 미리 혼합되지 않고 각각 방사되는 일반적으로 알려진 방법이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 2 이상의 동심원 홀, 또는 지름을 따라 2 이상의 부분으로 갈라져 병행 형태의 섬유를 제공하는 원형 방적 돌기 홀을 포함하는 방적 돌기 홀 내에서 결합되고, 결합된 중합체 필라멘트는 그 후 냉각되고 고체화되며, 일반적으로 기계적 롤 시스템에 의해 중간 필라멘트 지름으로 연신되어 수집된다. 계속해서, 연화온도보다 낮은 온도에서 요구되는 최종 섬유 지름까지 필라멘트를 냉연신시키고 권축 또는 직조하여 요구되는 섬유 길이로 절단할 수 있다.
본 발명의 천연섬유는 쥬트, 사이잘, 대나무, 바나나, 코코넛 햄프, 플랙스 등 다양한 천연섬유가 사용될 수 있고, 특히 기계적 물성이 우수하고 생산량이 많아 수급이 안정적이며, 이산화탄소 저감 효과가 우수하다는 장점으로 인해 케냐프 섬유가 바람직하다.
본 발명의 부직포 제조를 위해서 천연섬유와 시쓰-코아 복합섬유에 추가적으로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 수지로부터 제조된 단일섬유가 한 종 이상 포함될 수 있고, 이러한 단일섬유가 추가되는 경우에는 40 중량% 이하로 사용된다.
천연섬유와 시쓰-코아 복합섬유의 비율은 4 : 6 내지 8 : 2, 바람직하게는 5 : 5 내지 7 : 3, 더욱 바람직하게는 6 : 4의 비율이다. 본 비율는 현재 기술적으로 가능한 범위이다.
본 발명의 바이오보오드 제조를 위해서는, 먼저 시쓰-코아 복합섬유와 천연섬유, 그리고 임의로 부가성분이나 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 수지로부터 제조된 단일섬유를 적당한 비율로 혼합한 다음 부직포를 제조한다. 부직포를 제조하는 방법은 특별히 제한하지 않으며, 예를 들어 카딩 (carding) 방법이 사용될 수 있다.
면밀도 및 두께 조절을 위해 부직포를 원하는 수치에 맞게 작게는 수장에서 많게는 수십 장을 적층한 후 프레스에서 압착하여 바이오보오드를 제조한다.
상기 프레스로 압착시, 프레스 압력은 500 ~ 700 톤f/m2으로 유지하고, 프레스 온도를 180 ~ 210 ℃, 바람직하게는 200 ℃로 유지하는 것이 물성 및 냄새방지 등에서 유리하다.
상기 프레스 압착 후, 프레스 온도를 100 ~ 120 ℃ 정도로 분당 5℃ 로 서서히 냉각하여 5 ~ 15 분간 유지시키고 이때 압력은 초기와 동일하다. 시간과 온도의 함수에 의해 폴리락트산의 결정화도가 결정된다.
상기 온도가 120 ℃를 초과하거나, 프레스 냉각 속도가 너무 급격히 떨어질 경우 높은 결정화도를 유도하기 어렵다. 높은 결정화도의 유도는 열적 물성 향상에 상당히 효과적이다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
코어 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트와 시쓰 성분으로 폴리락트산(NatureWorks LLC사)의 중량비율이 3 대 7인 복합섬유(직경 기재 필요)와 천연섬유(케나프섬유)를 6 대 4의 비율로 혼합하여 카딩 방법으로 부직포를 제조한 후 부직포를 원하는 면밀도에 알맞게 적층하여, 바이오보오드를 제조하였다.
실시예 2
폴리에틸렌테레프탈레이트와 폴리락트산의 비율이 5 대 5인 복합섬유와 천연섬유를 6 대 4의 비율로 혼합하는 것을 제외하고 나머지 조건은 실시예 1과 동일하게 바이오보오드를 제조하였다.
실시예 3
폴리에틸렌테레프탈레이트와 폴리락트산의 비율이 7 대 3인 복합섬유와 천연섬유를 6 대 4의 비율로 혼합하는 것을 제외하고 나머지 조건은 실시예 1과 동일하게 바이오보오드를 제조하였다.
실시예 4
실시예 2의 바이오보오드를 제조방법에서, 프레스가공 온도에서 100 ℃까지 냉각한 후 5분, 10분, 15분 동안 유지시켜 바이오보오드를 제조하였다.
비교예 1
일반적인 단일섬유 구조의 폴리락트산 섬유를 천연섬유와 6 대 4의 비율로 혼합하여 바이오보오드를 제조 결정화를 유도하지 않고 상온에서 냉각한 다음 아래 시험 방법에 의하여 시험 후 그 결과를 표 1과 2에 나타내었다.
[시험방법]
인장시험은 ASTM D 638 (Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics)에 따라 만능시험기를 이용하여 상온에서 실시하였으며, 인장강도(Tensile Strength) 및 값을 측정하였다. (인장강도 [Pa] = 최대 load [N] / 초기 시료의 단면적 [m2], 신율 [%] = 파단점까지의 늘어난 길이 / 초기 길이) 열변형 온도(Heat Distortion Temperature)는 ASTM D648에 따라 측정하였으며 단위거리당 하중은 16.8 kgf/cm으로 하였다.
구분 인장강도
(MPa)		 HDT
(℃)
실시예 1 24.6 80
실시예 2 28.5 86
실시예 3 31.2 95
비교예 1 21.0 78
구분 결정화시간
(분)		 인장강도
(MPa)		 HDT
(℃)		 결정화도
(%)
실시예 4 5 25.9 90 15.2
10 28.2 96 20.5
15 30.8 104 35.2
종합하면, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 함량이 증가할수록 인장강도와 열변형온도가 점차적으로 향상되었다. 표 2에서 알 수 있듯이 결정화 시간이 증가하면서 역시 인장강도와 열변형 온도가 향상되는 경향을 확인할 수 있었다.
상기에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 폴리락트산 단일섬유를 사용하였을 때 보다 기계적 열적 물성이 향상되고 또한 고가의 폴리락트산 섬유만 사용하는 것이 아니라 상대적으로 저렴한 폴리에틸렌테레프탈레이트 등을 사용함으로써 저렴하고 응용 목적에 적합한 물성의 바이오보오드를 제조할 수 자동차 내장재등 다양한 목적으로 각종 산업 분야에 적용이 가능하다.

Claims (5)

  1. 시쓰 성분으로 폴리락트산 30 ~ 70 중량% 및 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 수지 30 ~ 70 중량% 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유, 및 천연섬유를 포함하는 부직포가 2층 이상 적층된 바이오보오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부직포에 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 섬유가 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 바이오보오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코아 성분은 폴리에틸렌테레프탈레이트 인 것을 특징으로 하는 바이오보오드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 천연섬유는 케냐프섬유인 것을 특징으로 하는 바이오보오드.
  5. 시쓰 성분으로 폴리락트산 30 ~ 70 중량% 및 코아 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 수지 30 ~ 70 중량% 포함하는 시쓰-코아형 복합섬유, 및 천연섬유를 포함하는 부직포를 적층하여 프레스로 180 ~ 210 ℃에서 압착한 후, 프레스 온도를 100 ~ 120 ℃로 5~ 15분 동안 유지하는 단계를 포함하는 제1항의 바이오보오드의 제조방법.
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