KR101273540B1 - 기능성 및 친환경성 목분 복합체와 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능성 및 친환경성 목분 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 목분 복합체는 높은 기계적 강도, 원적외선 방사, 항균성 및 경량성 등의 기능성이 크게 향상되고 환경친화적인 목분 복합체를 제공할 수 있어 친환경 바닥재를 포함한 제품의 원료로서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

기능성 및 친환경성 목분 복합체와 이의 제조방법{Wood powder composites and preparation method of functional and environmental}

본 발명은 친환경 바닥재 등의 원료로서 사용될 수 있는 기능성이 향상되고 환경친화적인 목분 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

산업이 고도로 발전함에 따라서 기능성 복합재료도 한가지 성분에서 복합성분으로 만들어진 기능성 신소재가 널리 활용이 되고 있다. 새로운 복합재료의 용도와 가공장치의 개발로 인하여 복합 신소재 재료의 개발이 더욱 열기를 가하고 있으며 기계적인 물성도 향상이 되고 있다.

특히 범용 합성고분자의 개발 역사가 짧은 데도 불구하고 사용범위와 수요는 날이 갈수록 증가를 하고 있으며, 특히 합성수지를 이용한 재료가 사용되는 범위와 양은 극히 다양하며 방대하다.

첨단 기능성 신소재는 시대의 변화와 함께 목적과 쓰임에 따라서 달라진다. 20세기에는 석유 원료를 이용한 합성 고분자 재료의 플라스틱 자체가 첨단 고분자 재료였다. 21세기 초 세계의 플라스틱 생산량은 연간 1.4억 톤에 이르고 있다. 부피로 계산하면 철의 생산량보다도 많다. 질적인 면에서도 플라스틱은 새로운 분자구조의 부여와 고강도 섬유와의 복합화에 의해 고성능화를 착실하게 진행하였다.

그로 인하여 우리 생활의 편리성과 질적인 문화생활도 가히 한층 더 발전을 하게 되었다. 그야말로 플라스틱 시대라고 해도 지나치지 않을 정도로 발전을 했다고 볼 수가 있다.

그러나, 현재 플라스틱에 대해서 많은 문제점을 제기하고 있다. 플라스틱 재료는 인류에게 많은 혜택을 주었지만 반면 많은 부작용도 일어나고 있다. 폐 플라스틱으로 발생되는 폐기물 처리문제, 다이옥신이나 내분비 교란 화학물질, 지구온난화에 영향을 미치는 일 등에 따른 여러 가지 문제에 대해서 커다란 사회적인 문제를 일으키고 있다.

이로 인하여 21세기에는 자연과 인간의 친밀한 조화를 생각하여 친환경성 기능재료 개발에 심혈을 기울이고 있다. 이것이 자연을 보호하고 자연으로부터 많은 혜택을 받고 살아가는 인류는 영원히 건강하게 살라갈 수 있는 길이기 때문이다.

이에, 본 발명자는 기능성 신소재 복합재료를 연구개발 하던 중, 보강재로서 목분을, 고정재로서 열가소성 폴리프로필렌 합성수지를 사용하고, 다양한 기능성 첨가제를 첨가해서 강도를 높이고 원적외선 방사와 항균성 기능과 경량성을 나타낼 수 있는 기능성 및 친환경성 목분 복합체를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명의 목적은 친환경 바닥재 등의 원료로서 사용될 수 있는 기능성이 향상되고 환경친화적인 목분 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리프로필렌 30 내지 70 중량% 및 목분 30 내지 70 중량%로 이루어진 복합체 100 중량부에 대하여, 규산 알루미늄 점토 광물 0.1 내지 20 중량부 및 무기 항균제 0.1 내지 15 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 목분 복합체를 제공한다.

본 발명에서 사용된 폴리프로필렌은 고정재로서, 펠렛 형태의 열가소성 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용된 목분은 목재 가공에서 폐기되는 물질로서, 친수성을 지니며, 셀룰로오즈와 헤미셀룰로오즈로 구성된다.

한편, 폴리프로필렌은 소수성을 갖고 있기 때문에 친수성인 목분과 혼합을 시켜서 결합성을 향상시키는 것이 곤란한데, 어려운 문제점을 해결하기 위해서는 목분에 수분이 포함되어서는 아니되며, 목분의 사이즈를 60 내지 100 메쉬 이하로 하고, 실란 화합물과 같은 커플링제를 사용하여 결합력을 높일 필요성이 있다.

본 발명에서 사용된 규산 알루미늄 점토 광물은 결합성 실란 처리된 규산 알루미늄 점토 광물을 사용하는 것이 바람직하며, 이를 이용하여 소수성인 폴리프로필렌과 친수성인 목분의 결합성을 향상시킬 수 있으며, 압출 작업 시 흐름성을 양호하게 하기 위하여 200 내지 300 메쉬의 입자를 사용할 수 있다.

일실시예에 따르면, 상기 실란 처리된 규산알루미늄 점토 광물은 실란 처리를 하기 위해서 분자 구조의 한쪽에는 무기물질과 수소결합을 형성할 수 있는 기능기와 다른 쪽은 유기물질과 반응하여 가교결합을 형성할 수 있는 실란 물질을 사용하여 표면 처리할 수 있으며, 예를들어, 국내에서 생산되는 300 메쉬의 점토 광물 100 중량부에 대하여 실란 50 중량부를 첨가하고 50-60℃에서 교반한 혼합물을 건조하고 분쇄하여 얻어진 분말을 사용할 수 있다.

이때, 규산 알루미늄 점토 광물이 상기 함량범위를 벗어나 함유되면 압출 작업시 흐름성이 떨어지고 목분과 폴리프로필렌의 결합성이 떨어지는 문제가 야기될 수 있다.

본 발명에서 사용된 무기 항균제는 은 또는 아연을 함유한 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제인 것이 바람직하며, 예를들어 제올라이트와 같은 담지체에 은 또는 아연을 담지한 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제를 사용할 수 있다. 이때, 무기 항균제는 상기 함량 범위에서 가장 바람직한 효율성과 경제성을 나타내며, 만약 상기 함량 범위보다 많이 첨가되면 목분 복합체의 기계적인 특성 측면에서 바람직하지 않는 문제가 야기될 수 있다.

또한, 상기 목분 복합체는 윤활제, 안료, 산화방지제, 난연제 및 자외선 안정제로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 기능성 첨가제를 0.1 내지 15 중량부로 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 윤활제는 가공 제조시 목분의 탄화를 방지하고 혼합토출 공정을 원활하게 하여 안정성을 부여하는 것으로, 스테아린산 아연, 스테아린산 칼슘, 스테아린산 바륨 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 안료는 목분 복합체의 색상을 도출시키기 위한 것으로, 무기 안료를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 목합 복합체를 제조하여 대기 중에서 사용하게 되면 산소와 접하게 되어 산화 반응이 일어남에 따라 변색되거나 물성이 저하될 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 산화방지제를 첨가할 수 있다.

또한, 목분 복합체의 제품은 건축물이나 실외의 보조재료로 사용할 수 있는데, 화재시 연소시간을 지연시키기 위하여 난연제를 첨가할 수 있다. 이러한 난연제로는 수산화 마그네슘 합성 복합체, 유무기 하이브리드 실리카 복합체 등을 사용할 수 있다.

또한, 목분 복합체를 제조하여 대기 중 태양 빛의 자외선을 받게 되면 복합체 중의 물리화학적인 변화가 일어나게 되면서 제품의 물성변화가 생기면서 노화현상이 일어나게 되는데, 이를 방지하기 위해서 자외선 안정제를 첨가할 수 있다. 이러한 자외선 안정제로는 산화아연, 산화티타늄 또는 산화세리움(CeO₂) 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 목분 100 중량부에 대하여 결합성 실란처리된 규산 알루미늄 점토 광물을 0.1 내지 20 중량부를 첨가하여 목분 표면을 표면처리하는 단계; 및 상기 표면처리된 목분 30 내지 70 중량%에 폴리프로필렌 30 내지 70 중량%를 첨가하여 수분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 목분 복합체의 제조방법을 제공한다.

보다 상세하게는, 상기 제조방법은 목분 100 중량부에 대하여 결합성 실란처리된 규산 알루미늄 점토 광물을 0.1 내지 20 중량부를 첨가하고, 100 내지 120℃의 온도에서 50 내지 70 rpm으로 90 내지 180분 동안 교반시켜 목분 표면을 표면처리하는 단계; 및 상기 표면처리된 목분 30 내지 70 중량%에 폴리프로필렌 30 내지 70 중량%를 첨가하고, 100 내지 120℃의 온도에서 50 내지 70 rpm으로 90 내지 180분 동안 교반시켜 수분을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 목분 복합체 100 중량부에 대하여 윤활제, 안료, 산화방지제, 난연제 및 자외선 안정제로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 기능성 첨가제를 0.1 내지 15 중량부로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 목분 복합체는 높은 기계적 강도, 원적외선 방사, 항균성 및 경량성 등의 기능성이 크게 향상되고 환경친화적인 목분 복합체를 제공할 수 있어친환경 바닥재를 포함한 제품의 원료로서 유용하게 사용될 수 있다.

하기 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

본 실시예에 사용되는 수지는 국내에서 생산되는 폴리프로필렌 수지를 사용하였으며, 목분은 가격과 성능 면에서 우수하고 밀도가 높은 침엽수림 목분을 사용하였다.

목분 60 kg을 교반기에 넣고, 실란 처리를 한 규산알루미늄 점토 광물 3 kg을 넣고, 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 목분 표면을 일정하게 표면처리 하였다. 이때, 상기 실란 처리를 한 규산알루미늄 점토 광물은 국내에서 생산되는 300 메쉬의 점토 광물 100 중량부에 대하여 실란 50 중량부를 첨가하고 50℃에서 교반한 혼합물을 건조하고 분쇄하여 얻어진 분말을 사용하였다. 다시 폴리프로필렌 수지 40 kg을 넣고 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 수분을 제거하였다.

그 후, 칼슘스테아린산과 아연스테아린산을 동량으로 포함한 윤활제 1kg, 산화철 안료 0.5kg, 아녹스 20의 산화방지제 0.03kg 및 은을 함유한 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제 1kg를 첨가한 다음, 다시 1시간 동안 혼합하였다. 이렇게 혼합하는 공정은 성형시키는 전 단계이지만 제품의 화학적 및 기계적 성능을 결정할 수 있는 중요한 단계이다.

<실시예 2>

본 실시예에 사용되는 수지는 국내에서 생산되는 폴리프로필렌 수지를 사용하였으며, 목분은 가격과 성능 면에서 우수하고 밀도가 높은 침엽수림 목분을 사용하였다.

목분 60 kg을 교반기에 넣고 결합성 실란 처리를 한 규산알루미늄 점토 광물을 2 kg을 넣고, 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 목분 표면을 일정하게 표면처리 하였다. 다시 폴리프로필렌 수지 40 kg을 넣고 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 수분을 제거하였다.

그 후, 칼슘스테아린산과 아연스테아린산을 동량으로 포함한 윤활제 1kg, 산화철 안료 0.5kg, 아녹스 20의 산화방지제 0.03kg 및 은을 함유한 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제 1kg를 첨가한 다음, 다시 1시간 동안 혼합하였다. 이렇게 혼합하는 공정은 성형시키는 전 단계이지만 제품의 화학적 및 기계적 성능을 결정할 수 있는 중요한 단계이다.

<실시예 3>

본 실시예에 사용되는 수지는 국내에서 생산되는 폴리프로필렌 수지를 사용하였으며, 목분은 가격과 성능 면에서 우수하고 밀도가 높은 침엽수림 목분을 사용하였다.

목분 55 kg을 교반기에 넣고 결합성 실란 처리를 한 규산알루미늄 점토 광물을 2.5 kg을 넣고, 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 목분 표면을 일정하게 표면처리 하였다. 다시 폴리프로필렌 수지 45 kg을 넣고 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 수분을 제거하였다.

그 후, 칼슘스테아린산과 아연스테아린산을 동량으로 포함한 윤활제 1kg, 산화철 안료 0.5kg, 아녹스 20의 산화방지제 0.03kg 및 은을 함유한 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제 1kg를 첨가한 다음, 다시 1시간 동안 혼합하였다. 이렇게 혼합하는 공정은 성형시키는 전 단계이지만 제품의 화학적 및 기계적 성능을 결정할 수 있는 중요한 단계이다.

<실시예 4>

본 실시예에 사용되는 수지는 국내에서 생산되는 폴리프로필렌 수지를 사용하였으며, 목분은 가격과 성능 면에서 우수하고 밀도가 높은 침엽수림 목분을 사용하였다.

목분 50 kg을 교반기에 넣고 결합성 실란 처리를 한 규산알루미늄 점토 광물을 2.5 kg을 넣고, 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 목분 표면을 일정하게 표면처리 하였다. 다시 폴리프로필렌 수지 50 kg을 넣고 110℃의 온도에서 60 RPM으로 2시간 동안 교반시키면서 수분을 제거하였다.

그 후, 칼슘스테아린산과 아연스테아린산을 동량으로 포함한 윤활제 1kg, 산화철 안료 0.5kg, 아녹스 20의 산화방지제 0.03kg 및 은을 함유한 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제 1kg를 첨가한 다음, 다시 1시간 동안 혼합하였다. 이렇게 혼합하는 공정은 성형시키는 전 단계이지만 제품의 화학적 및 기계적 성능을 결정할 수 있는 중요한 단계이다.

<실시예 5>

실시예 1 내지 4에서 혼합한 혼합물을 혼합기에서 펠렛제조용 투입구까지 운반스크루를 이용하여 분당 3kg을 투입시키고, 목분 복합체 펠렛을 제조하는 제 1 공정에서의 투입온도는 140℃, 제 2 공정에서의 용융온도는 140-160℃, 제 3 공정에서의 토출구 온도는 140-150℃로 하여 목분 수지 펠렛을 제조하였다.

이렇게 얻어진 목분 수지 펠렛의 나사못 유지력을 재활용 합성목재 복합체 시험방법인 GRF 2016 방법으로, 굴곡강도를 GRF 2016 방법으로 각각 분석하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.

	목분/폴리프로필렌 조성	나사못 유지력(N)	굴곡강도 (N/mm2)
실시예 1	60/40	99.9	35.5
실시예 2	60/40	99.9	32.3
실시예 3	55/45	98.2	27.5
실시예 4	50/50	97.3	26.3

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 폴리프로필렌 30 내지 70 중량% 및 목분 30 내지 70 중량%로 이루어진 복합체 100 중량부에 대하여, 규산 알루미늄 점토 광물 0.1 내지 20 중량부 및 무기 항균제 0.1 내지 15 중량부를 포함하며, 상기 무기 항균제는 은 또는 아연이 함유된 코아-쉘 아파타이트인 것을 특징으로 하는 기능성 및 친환경성 목분 복합체.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 규산 알루미늄 점토 광물은 결합성 실란 처리된 것을 특징으로 하는 기능성 및 친환경성 목분 복합체.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 윤활제, 안료, 산화방지제, 난연제, 및 자외선 안정제로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 기능성 첨가제를 0.1 내지 15 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 및 친환경성 목분 복합체.
5. 목분 100 중량부에 대하여 결합성 실란처리된 규산 알루미늄 점토 광물을 0.1 내지 20 중량부를 첨가하여 목분 표면을 표면처리하는 단계; 및
   상기 표면처리된 목분 30 내지 70 중량%에 폴리프로필렌 30 내지 70 중량%를 첨가하여 수분을 제거하는 단계; 및
   윤활제, 산화철 안료, 산화방지제, 및 은 또는 아연이 함유된 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제를 첨가한 후 혼합하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 및 친환경성 목분 복합체의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서, 목분 100 중량부에 대하여 결합성 실란처리된 규산 알루미늄 점토 광물을 0.1 내지 20 중량부를 첨가하고, 100 내지 120℃의 온도에서 50 내지 70 rpm으로 90 내지 180분 동안 교반시켜 목분 표면을 표면처리하는 단계; 및
   상기 표면처리된 목분 30 내지 70 중량%에 폴리프로필렌 30 내지 70 중량%를 첨가하고, 100 내지 120℃의 온도에서 50 내지 70 rpm으로 90 내지 180분 동안 교반시켜 수분을 제거하는 단계; 및
   윤활제, 산화철 안료, 산화방지제, 및 은 또는 아연이 함유된 코아-쉘 아파타이트 무기 항균제를 첨가한 후 혼합하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 및 친환경성 목분 복합체의 제조방법.
   
7. 삭제