KR101314446B1 - 팽창성 흑연을 포함하여 우수한 난연성능을 갖는 합성목재 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

팽창성 흑연을 포함하여 우수한 난연성능을 갖는 합성목재 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 난연성 합성목재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 목분 100중량부에 대하여 팽창성흑연 1 ~ 50중량부를 포함하여, 발화시 상기 팽창성흑연이 표면층에 차르(Char)를 형성하도록 하되, 내수성, 충격강도 등을 확보하기 위하여 합성목재 조성물을 천연목분 60 ~ 90 중량%, 팽창성흑연 1 ~ 15중량%, 합성수지 10 ~ 30 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%, 칼슘 스테아린산염 0.1 ~ 2 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%로 조절하는 발명에 관한 것이다.

Description

팽창성 흑연을 포함하여 우수한 난연성능을 갖는 합성목재 및 이를 제조하는 방법{WOOD PLASTIC COMPOSITE WITH EXCELLENT FLAME USING EXPANDABLE GRAPHITE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 팽창성 흑연을 포함하여 우수한 난연성능을 갖는 합성목재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 목분을 포함하는 합성목재에 팽창성 흑연을 첨가하거나, 공압출 공법을 이용함으로써, 발화시 차르(Char) 보호막이 형성되도록 하여 합성목재의 난연성능을 향상시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
현재 우리나라를 비롯한 전세계 건축물들은 시장과 소비자들의 다양한 요구를 충족시키기 위해 점점 더 고급화되는 추세에 있다.
이러한 현대건물의 고급화 추세에 따라 목재 또는 합성목재의 사용이 증가되고 있다. 그러나, 목재는 화재 발생시 건물 내의 인명보호, 소방활동의 보증, 화재 확산 방지, 건축물의 붕괴 방지 및 재사용 확보성 유지 등의 특성을 저해시키는 재료이다.
따라서, 건축용 목재의 난연성을 증가시키는 기술이 끊임없이 요구되고 있다. 주로 사용되고 있는 내화 피복재료로는 암면계 및 퍼라이트계와 같은 스프레이제, 세라믹 하이버(Fiber) 등이 있지만, 분진 등 작업환경이 열악하고 미관이 불량하여 사용이 자제되고 있다.
그리고, 이에 대한 대안으로 내화도료를 이용한 피복을 실시하는 방법이 개발되고 있다. 내화구조에 일반적으로 사용되는 내화도료는 평상시에는 일반도료와 마찬가지로 방청효과, 미장효과 등을 발휘 하다가 화재시에 고열 및 화염에 의해 온도가 200 ~ 300℃로 상승하게 되면 도막이 급격히 발포팽창하여 두께가 50 ~ 100배 정도로 두꺼워지게 된다. 이렇게 발포팽창된 단열층은 고열이 목재에 전달되는 것을 차단 또는 지연시킴으로써, 급격한 온도상승에 따른 목재의 발화를 방지할 수 있다.
한편, 열기능성 도료 또한 난연도료, 방염도료 등으로 구분하여 사용될 수 있다. 난연도료나 방염도료의 주목적은 화재시 난연성 기체의 발생을 통해 재료의 연소와 화염의 전파를 억제하는데 있다.
그러나, 현재의 내화도료 또는 열기능성 도료는 그 내구성이나 내화성능이 현격히 낮은 단점이 있으며, 발포성 방염도료 조성물 또한 고온으로부터 건축재를 보호하기 미흡하고 발포층의 강도가 약하여 목재로부터 쉽게 탈락되는 문제가 있다.
본 발명은 목분 및 합성수지가 혼합 구성된 합성목재 조성물에 팽창성흑연을 혼합하거나, 공압출 공법으로 표면에 팽창성흑연을 포함시킴으로써, 발화시에 팽창성흑연이 합성목재의 표면에 차르(Char)를 형성하도록 하여, 적은 비용으로 난연성을 향상시킬 수 있도록 하는 합성목재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 합성목재 조성물에 기타 결합제, 산화방지제, 칼슘 스테아린산염, 광안정제, 자외선흡수제, 활제 및 무기계 안료를 혼합함으로써, 내수성, 충격강도, 휨강도 및 내후성 물성이 강화된 친환경성 합성목재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 난연성 합성목재는 목분 100중량부에 대하여 팽창성흑연 1 ~ 50중량부를 포함하여, 발화시 상기 팽창성흑연이 표면층에 차르(Char)를 형성하도록 구비된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 합성목재는 천연목분 60 ~ 90 중량%, 팽창성흑연 1 ~ 15중량%, 합성수지 5 ~ 35 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 것을 제시할 수 있다.
이때, 상기 천연목분은 활엽수, 침엽수 및 대나무 중 선택된 하나의 천연목재를 100 mesh 이상의 입자 크기와, 1 ~ 10 중량%의 수분 함량을 갖도록 분쇄된 분말을 사용하고, 상기 합성수지는 수지용융지수 0.5 ~ 30, 굴곡 탄성율 13,000 ~ 15,000, 충격강도 3 ~ 10㎏/㎠, 열변형온도 90 ~ 130℃, 연화점 130 ~ 170℃의 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 결합제는 마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌(MALEIC ANHYDRIDE PP)을 사용하고, 상기 산화방지제는 포스페트(PHOSPHATE) 계통의 산화 방지제 0.1 ~ 0.5 중량% 및 칼슘 스테아린산염 0.1 ~ 2 중량%을 사용하고, 상기 광안정제는 비스 2.2.6.6-테트라 메틸-4-파이퍼리딜(Bis 2.2.6.6 - tetra methyl - 4 piperidil)을 사용하고, 상기 자외선흡수제는 벤조트리아졸(Benzotriazole) 계통의 2-(2'-hydroxy-3'- tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol을 사용하고, 상기 활제는 폴리에틸렌 왁스 또는 폴리프로필렌 왁스를 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 합성목재는 제올라이트계 항균제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 난연성 합성목재는 합성목재 기재의 표면에 공압출 공정으로 형성된 팽창성흑연 코팅층을 포함하되, 상기 팽창성흑연 코팅층은 천연목분 20 ~ 80%, 합성수지 10 ~ 60%, 팽창성흑연 1 ~ 10중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물로 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 합성목재 기재는 천연목분 55 ~ 90 중량%, 합성수지 5 ~ 35 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물로 형성하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 난연성 합성목재 제조 방법은 (a) 활엽수, 침엽수 및 대나무 중 선택된 하나의 천연목재를 100 mesh 이상의 입자 크기로 분쇄하여 천연목분을 형성하는 단계와, (b) 상기 천연목분 60 ~ 90 중량%를 믹서기에 투입한 후 90 ~ 110℃의 온도에서 10 ~ 20분간 1차 교반하여 상기 천연목분의 수분 함유량이 1 ~ 10 중량%가 되도록 하는 단계와, (c) 상기 믹서기에 팽창성흑연 1 ~ 15 중량%를 혼합한 후 70 ~ 100℃의 1 ~ 10분간 2차 교반하는 단계와, (d) 상기 믹서기에 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 5 ~ 35 중량%를 혼합한 후 80 ~ 100℃의 온도에서 1 ~ 10분간 3차 교반하는 단계와, (e) 상기 믹서기에 마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌(MALEIC ANHYDRIDE PP) 1 ~ 5 중량%, 포스페트(PHOSPHATE) 계통의 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%, 칼슘 스테아린산염 0.1 ~ 2 중량%, 비스 2.2.6.6-테트라 메틸-4-파이퍼리딜(Bis 2.2.6.6 - tetra methyl - 4 piperidil) 0.1 ~ 0.5 중량%, 벤조트리아졸(Benzotriazole) 계통의 2-(2'-hydroxy-3'- tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol 0.1 ~ 0.5 중량%, 폴리에틸렌 왁스 또는 폴리프로필렌 왁스 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 혼합한 후 50 ~ 100℃의 온도에서 5 ~ 10분간 4차 교반하여 합성목재용 조성물을 형성하는 단계와, (f) 상기 조성물을 페렛(PELLET)형태로 제조하는 단계와, (g) 상기 페렛을 140 ~ 180℃ 온도 범위를 갖는 압출기를 통과시켜 합성목재 기재를 제조하는 단계 및 (h) 상기 합성목재 기재의 표면에 표면층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 난연성 합성목재 제조 방법은 (a') 활엽수, 침엽수 및 대나무 중 선택된 하나의 천연목재를 100 mesh 이상의 입자 크기로 분쇄하여 천연목분을 형성하는 단계와, (b') 상기 천연목분 55 ~ 90 중량%를 믹서기에 투입한 후 90 ~ 110℃의 온도에서 10 ~ 20분간 1차 교반하여 상기 천연목분의 수분 함유량이 1 ~ 10 중량%가 되도록 하는 단계와, (c') 상기 믹서기에 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 5 ~ 35 중량%를 혼합한 후 80 ~ 100℃의 온도에서 1 ~ 10분간 2차 교반하는 단계와, (d') 상기 믹서기에 마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌(MALEIC ANHYDRIDE PP) 1 ~ 5 중량%, 포스페트(PHOSPHATE) 계통의 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%, 칼슘 스테아린산염 0.1 ~ 2 중량%, 비스 2.2.6.6-테트라 메틸-4-파이퍼리딜(Bis 2.2.6.6 - tetra methyl - 4 piperidil) 0.1 ~ 0.5 중량%, 벤조트리아졸(Benzotriazole) 계통의 2-(2'-hydroxy-3'- tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol 0.1 ~ 0.5 중량%, 폴리에틸렌 왁스 또는 폴리프로필렌 왁스 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 혼합한 후 50 ~ 100℃의 온도에서 5 ~ 10분간 3차 교반하여 합성목재용 조성물을 형성하는 단계와, (e') 상기 조성물을 페렛(PELLET)형태로 제조하는 단계와, (f') 상기 페렛을 140 ~ 180℃ 온도 범위를 갖는 압출기를 통과시켜 합성목재 기재를 제조하는 단계 및 (g') 상기 합성목재 기재의 표면에 공압출 공정으로 팽창성흑연 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 팽창성흑연 코팅층은 천연목분 20 ~ 80%, 합성수지 10 ~ 60%, 팽창성흑연 1 ~ 10중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 합성목재는 목분 및 합성수지가 혼합 구성된 합성목재 조성물에 팽창성흑연을 포함시킴으로써, 발화시에 팽창성흑연이 합성목재의 표면에 차르(Char)를 형성하도록 하여, 적은 비용으로 난연성을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명에 따른 합성목재는 공압출 법을 이용하여 표면에만 팽창성흑연층이 형성되도록 함으로써, 최소량의 팽창성흑연만으로 최대의 난연 효과를 얻을 수 있으며, 난연 성능 부여를 위한 비용을 절감시킬 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명은 합성목재 조성물에 합성수지, 결합제, 산화방지제, 칼슘 스테아린산염, 광안정제, 자외선흡수제, 활제 및 무기계 안료를 혼합하고, 그 제조 방법을 조절함으로써, 합성목재의 친환경성을 향상시키면서도, 우수한 내수성, 충격강도, 휨강도 및 내후성을 확보할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성목재의 팽창성흑연 분포 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성목재의 팽창성흑연 분포 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 합성목재 표면에 차르층이 형성된 것을 타나낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성목재 제조 방법을 나타낸 순서도 이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성목재 제조 방법을 나타낸 순서도 이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 난연성 합성목재 및 이를 제조하는 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명에 따른 합성목재는 마루판, 천정판, 문짝, 문틀, 창호, 펜스(Fence) 및 데크(Deck)와 같은 건축물의 외장재 또는 내장재로 사용된다.
이때, 난연성을 확보하기 위하여 본 발명에서는 합성목재는 목분 100중량부에 대하여 팽창성흑연 1 ~ 50중량부를 포함시킨다.
이와 같이, 팽창성흑연을 포함시킬 경우 발화시에 팽창성흑연이 합성목재의 표면층에 차르(Char)를 형성하여, 더 이상의 발화가 진행되지 않도록 할 수 있다.
다만, 팽창성흑연의 함량이 1중량부 미만으로 첨가될 경우에는 차르가 완전하게 형성되지 못해서 발화 지연을 막을 수 없으며, 팽창성흑연의 함량이 50중량부를 초과하게 되면 상대적으로 목분의 함량이 과하게 감소되어 합성목재의 물리적 특성이 저하될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성목재의 팽창성흑연 분포 상태를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 합성목재(100) 내부에 팽창성흑연(120)이 전체적으로 분포되어 있는 것을 볼 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 합성목재(100)의 구성 성분 및 그 조성비를 살펴보면, 천연목분 60 ~ 90 중량%, 팽창성흑연 1 ~ 15중량%, 합성수지 5 ~ 35 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%인 경우에 목표하는 난연성 및 기타 물리적 특성을 얻을 수 있었다.
천연목분
상기 천연목분은 합성목재를 이루는 주요 구성요소로서 활엽수, 침엽수 및 대나무 중 선택된 하나의 천연목재를 100 mesh 이상의 입자 크기와, 1 ~ 10 중량%의 수분 함량을 갖도록 분쇄된 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 100 mesh는 입자의 크기를 기준으로 설정한 것이므로, 10 또는 20 mesh의 입자크기도 포함한다. 입자크기가 100 mesh 미만으로 미세해질 경우에는 입자간의 결합력이 약해져서 정상적인 목재 형태가 나타나지 않을 수 있다.
그리고, 입자크기의 상한에는 크게 제한이 없으나 입자의 크기가 지나치게 커지면 외관이 거칠어질 수 있으므로, 표면 거칠기를 감안하여 입자의 상한을 조절하는 것이 바람직하다.
아울러, 수분함량이 1 중량%를 미만일 경우에는 조성간의 균일한 혼합이 이루어지지 않으므로, 압출 공정이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다.
그리고, 수분함량이 10 중량%를 초과할 경우에는 성형성이 저하되어 원하는 형상의 제조가 어려워 질 수 있다.
합성수지
다음으로, 합성수지는 수지용융지수 0.5 ~ 30, 굴곡 탄성율 13,000 ~ 15,000, 충격강도 3 ~ 10㎏/㎠, 열변형온도 90 ~ 130℃, 연화점 130 ~ 170℃의 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 합성수지는 합성목재의 압출 공정이 용이하게 이루어질 수 있도록 하며, 표면층이 매끄럽게 형성되도록 하는 기능을 수행하는데, 상술한 수지용융지수, 굴곡 탄성율, 충격강도, 열변형온도 및 연화점의 기준 범위를 벗어나는 경우, 합성목재를 성형하기 위한 공정이 어려워질 수 있다.
또한, 발화시 합성수지가 용융상태로 변형되면서 목재의 표면층으로 표출될 수 있는데, 이때 상기 도 1에 도시된 바와 같이 합성목재(100)의 내부에 분포하던 팽창성흑연(120)을 표면층으로 이동시키면서, 표면에 차르(Char)층이 형성되도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 팽창성흑연은 1 ~ 15 중량%, 합성수지는 5 ~ 35 중량%의 첨가량을 준수하는 것이 바람직하다. 팽창성흑연의 첨가량이 1 중량% 미만이거나, 합성수지의 첨가량이 5 중량% 미만일 경우에는 차르(Char)층 형성이 미흡해질 수 있다.
그리고, 팽창성흑연의 첨가량이 15 중량%를 초과하거나, 합성수지의 첨가량이 35 중량%를 초과할 경우에는 합성목재를 위한 성형이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다.
이때, 팽창성흑연의 첨가량이 15 중량%를 초과한 경우 중에는 상술한 목분 100중량부에 대하여 팽창성흑연 1 ~ 50중량부 범위가 일부 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 팽창성흑연의 첨가량 범위가 15 중량%를 초과한 경우라 하더라도, 목분 대비 50중량부 이항의 범위 내에서는 합성목재의 특성이 유지될 수 있으며, 이와 같은 원리는 이하 설명되는 모든 사항에도 동일하게 적용될 수 있다.
기타
본 발명에 따른 합성목재는 물성 향상을 위하여 결합제, 산화방지제, 칼슘 스테아린산염, 광안정제, 자외선흡수제, 활제 및 무기계 안료를 더 포함할 수 있다.
결합제는 마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌(MALEIC ANHYDRIDE PP)를 사용할 수 있다. 상기 결합제는 1 ~ 5 중량%의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
산화방지제는 포스페이트(PHOSPHATE) 계통의 산화 방지제를 이용할 수 있으며, 0.1 ~ 0.5 중량% 사용하는 것이 바람직하다.
칼슘 스테아린산염은 0.1 ~ 2 중량% 사용하는 것이 바람직하다.
광안정제는 비스 2.2.6.6-테트라 메틸-4-파이퍼리딜(Bis 2.2.6.6 - tetra methyl - 4 piperidil)을 사용할 수 있다. 상기 광안정제는 0.1 ~ 0.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.
자외선흡수제는 벤조트리아졸(Benzotriazole) 계통의 2-(2'-hydroxy-3'- tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol을 사용할 수 있다. 상기 자외선흡수제는 0.1 ~ 0.5 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
활제는 폴리에틸렌 왁스 또는 폴리프로필렌 왁스를 사용할 수 있다. 상기 활제는 0.1 ~ 1.5 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
또한 색상 구현을 위하여 첨가되는 무기계 안료는 1 ~ 5 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
이들 결합제, 산화방지제, 칼슘 스테아린산염, 광안정제, 자외선흡수제, 활제 및 무기계 안료가 상기 제시된 범위 미만으로 첨가될 경우에는 그 첨가 효과가 불충분하고, 반대로 상기 제시된 범위를 초과하면 합성목재 자체의 강도 등 다른 물성이 저하될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 합성목재는 제올라이트계 항균제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함하여, 항균 기능이 향상되고 친 환경적인 합성목재를 형성할 수 있다. 제올라이트계 항균제는 항균 기능 확보를 위하여, 최소 0.1 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 반면, 제올라이트계 항균제가 1.0 중량%를 초과할 경우, 그 효과가 포화되는 반면, 합성 목재의 다른 물성이 저하될 수 있다.
상기와 같은 합성목재용 조성 및 각 첨가량에 따라서, 본 발명에 따른 합성목재는 우수한 난연특성을 확보함과 동시에 내수성, 충격강도, 휨강도 및 내후성 등의 물성을 확보할 수 있다.
이때, 상기 실시예는 합성목재(100) 내에 팽창성흑연(120)이 분산된 구조를 갖으나, 항상 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 하기 도 2에서와 같이 팽창성흑연층이 합성목재의 표면에 코팅된 구조를 가질 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성목재의 팽창성흑연 분포 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 공압출 공정을 이용하여 합성목재(200)의 표면에 팽창성흑연 코팅층(220)을 형성한 것을 볼 수 있다. 이와 같이 팽창성흑연 코팅층(220)을 이용하는 경우에는 상기 도 1의 실시예 보다 적은 양의 팽창성흑연을 이용함에도, 우수한 난연성을 확보할 수 있으므로 제조 비용을 절감시킬 수 있다.
따라서, 상술한 도 1의 실시예 보다 천연목분 및 합성수지의 첨가량 범위를 더 넓게 사용할 수 있다. 즉, 천연목분 20 ~ 80 중량% 및 합성수지 10 ~ 60 중량%의 범위까지 활용함으로써, 내수성 및 충격강도 등의 효과를 더 다양하게 조절 할 수 있다.
아울러, 공압출로 합성목재의 표면에 팽창성흑연 코팅층을 형성하는 방법은 합성목재 조성물에 팽창성흑연 물질을 최소량만 첨가하여 제조 비용 대비 우수한 난연특성을 확보할 수 있도록 한다.
즉, 본 발명에 따른 공압출 공정은 서로 다른 합성목재 조성물을 동시에 하나의 금형에 공급하되, 내부층을 이루는 합성목재 조성물은 굳이 난연성능을 부여하지 않아도 되므로, 다양한 조성 범위의 합성목재 조성물을 사용할 수 있다.
다음으로, 팽창성흑연 코팅층을 형성하는 조성은 천연목분 100중량부에 대하여, 본 발명에서 설정하는 최소 범위인 1 ~ 20중량부의 팽창성흑연만으로도 난연성능을 극대화시킬 수 있다.
이때, 팽창성흑연의 함량이 20중량부를 초과할 경우에는 코팅층이 갈라지거나 균일한 코팅이 이루어지지 않을 수 있으므로, 공압출 공정에서는 팽창성흑연의 첨가 범위를 상술한 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 합성목재에 난연 특성이 발현되는 예를 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 합성목재 표면에 차르층이 형성된 것을 타나낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 합성목재(300)의 표면으로 팽창성흑연의 팽창에 의해서 두께가 증가한 차르층(320)을 볼 수 있다. 이때, 상기 도 1에서와 같이 팽창성흑연이 합성목재 내부에 분산된 경우에는 본 발명에 따른 합성수지등을 통하여 외부로 배출되면서 차르층(320)이 형성될 수 있고, 상기 도 2에서와 같이 공압출로 형성된 팽창성흑연 코팅층을 갖는 경우에는 발화가 됨과 동시에 차르층(320)이 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 합성목재는 우수한 난연특성을 확보할 수 있다.
아울러, 상기와 같은 본 발명의 합성목재 제조 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성목재 제조 방법을 나타낸 순서도 이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 합성목재 중 팽창성흑연이 조성물 내에 혼합되어, 상기 도 1과 같은 형태가 되도록 하는 제조 방법을 나타낸 것이다.
먼저, 목분을 형성하는 단계(S100)를 수행하고, 상기 목분을 믹서에 넣은 후 팽창성흑연을 혼합하는 단계(S110)를 수행한다.
다음으로, 합성수지를 포함한 첨가물들을 혼합하여 합성목재용 조성물을 제조하는 단계(S120)를 수행한 후, 압출 공정을 수행하여 합성목재 기재를 형성하는 단계(S130)를 수행한다.
그 다음으로, 형성된 합성목재 기재의 표면에 표면처리층을 형성는 단계(S140)를 수행하여 내수성 등 합성목재의 기본적인 물성이 안정적으로 확보될 수 있도록 한다.
이때, 상기 조성물을 혼합하는 온도 및 시간 등에 따라서 본 발명에 따른 합성목재의 물리적 특성이 상이해 질 수 있는데, 이에 대해서는 하기 실시예 및 비교예를 통하여 더 상세히 설명하는 것으로 한다.
이에 앞서, 먼저 상기 도 2의 실시예와 같이 합성목재의 표면에 팽창성흑연 코팅층을 형성하는 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성목재 제조 방법을 나타낸 순서도 이다.
도 5를 참조하면, 먼저 목분을 형성하는 단계(S200)를 수행한다.
다음으로 바로 합성수지를 포함한 기타 첨가물들을 혼합하여, 합성목재용 조성물을 제조하는 단계(S210)를 수행한다.
그 다음에는, 상기 합성목재용 조성물을 이용한 압출 공정으로 합성목재 기재를 형성하되, 공압출 공정을 통하여 합성목재 기재의 표면에 팽창성흑연 코팅층도 형성되도록, 다른 조성의 합성목재 조성물도 공압출 공정에 투입될 수 있도록 한다.
이때, 합성목재 기재는 천연목분 55 ~ 90 중량%, 합성수지 5 ~ 35 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물을 이용하여 형성한다.
다음으로, 팽창성흑연 코팅층은 천연목분 20 ~ 80%, 합성수지 10 ~ 60%, 팽창성흑연 1 ~ 10중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음에는, 상기 도 4의 실시예와 같이 표면처리층을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있으나, 여기서는 생략하는 것으로 한다.
그 다음으로, 본 발명에 따른 우수한 난연성을 갖고, 친환경성인 합성목재 실시예 및 비교예들에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
이하 실시예1은 상술한 본 발명의 실시예 중 팽창성흑연 입자를 포함하는 합성목재 조성물을 이용하여 데크(Deck)를 형성한 것이고,
실시예2는 팽창성흑연 코팅층을 갖는 실시예를 설명한 것이다.
다음으로, 비교예 1은 상기 실시예1에서 팽창성흑연을 제외시킨 경우를 나타낸 것이고, 비교예 1 및 2는 목분과 합성수지인 PP 또는 PE로 구성된 합성목재 조성물로 가공된 시중에서 유통되는 합성목재 재질의 데크를 나타낸 것이다.
다음으로, 상기 실시예1,2 및 비교예1,2의 주요 물성 및 난연성 분석결과치는 표 1에 나타내었다.
실시예1
활엽수를 입자크기 80 mash로 분쇄한 천연목분 60 중량%를 믹서기에 투입한 후 90℃의 온도에서 20분간 1차 교반하여, 천연목분의 수분 함유량이 10 중량%가 되도록 한다.
다음으로, 믹서기에 팽창성흑연 10 중량%를 혼합한 후 95℃의 온도에서 10분간 2차 교반한다.
그 다음으로, 폴리프로필렌 수지 20 중량%, 결합제인 마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌 5 중량%, 산화방지제인 PHOSPHATE 계통의 산화방지제 0.5 중량%, 칼슘 스테아린산염 1.5 중량%, 광안정제인 Bis(2.2.6.6-tetra methyl-4piperidil) 0.5 중량%, 자외선흡수제인 벤조트리아졸 계통의 2-(2'-hydroxyl-3'-tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol 0.5 중량%, 활제인 폴리에틸렌 왁스 1.0 중량%, 안료 0.5 중량% 및 제올라이트계 항균제 0.5 중량%를 100℃의 20분간 교반하여 합성목재용 조성물을 형성한다.
그 다음으로, 합성목재용 조성물을 페렛 제조 압출기의 호퍼에 투입, 스크류 전단부 온도 180℃, 중앙부 온도 200℃, 후면부 온도 170℃로 이송, 금형온도 180℃로 페렛을 제조하고, 상온에서 건조한다.
그 다음으로, 합성목재 제조 압출기의 호퍼에 상기 페렛을 투입, 제1스크류 온도 190℃, 제2스크류 온도 170℃로 이송 및 진공가스를 진공가스 배출부로 배출한 후, 제3스크류 온도 140℃, 제4스크류 온도 180℃로 이송하여, 180℃ 금형에서 압출하여, 합성목재 기재를 형성한다.
그 다음으로, 냉각조에서 냉각 및 절단 하되, 표면을 제1,2표면가공기로 0.5mm 깎아낸 후, 온도 150℃인 1차 예열부로 상기 기재를 120℃로 가열 후, 온도 230℃의 음각 엠보싱롤로 압력 3kg/㎠에서 엠보싱 하여 표면층을 형성하고, 합성목재를 데크로 가공 하였다.
실시예2
상기 실시예1에서 천연목분 55 중량% 및 폴리프로필렌 수지 35 중량%를 사용하고, 팽창성흑연을 제외한 조성물을 기재로 사용하고, 천연목분 55 중량%, 팽창성흑연 5 중량% 및 폴리프로필렌 수지 30 중량%를 포함한 조성물을 이용하여 공압출 공정으로 팽창성흑연 코팅층을 형성하였다.
이때, 상기 기재 사항 이외의 모든 합성목재용 조성물 제조 조건을 동일하게 수행하였다.
그리고, 합성목재용 조성물을 페렛 제조 압출기의 호퍼에 투입, 스크류 전단부 온도 180℃, 중앙부 온도 200℃, 후면부 온도 170℃로 이송, 금형온도 180℃로 페렛을 제조하고, 상온에서 건조한다.
그 다음으로, 합성목재 제조 압출기의 호퍼에 상기 페렛을 투입, 제1스크류 온도 190℃, 제2스크류 온도 170℃로 이송 및 진공가스를 진공가스 배출부로 배출한 후, 제3스크류 온도 140℃, 제4스크류 온도 180℃로 이송하여, 180℃ 금형에서 압출하여, 합성목재 기재를 형성하되, 상기 목분 100중량부에 대하여 50중량부를 갖는 팽창성흑연을 별도로 금형에 투입하여 공압출 공정으로 팽창성흑연 코팅층을 포함하는 합성목재 기재를 형성한다.
그 다음으로, 합성목재 기재를 냉각조에서 냉각 및 절단 하여, 합성목재를 데크로 가공 하였다.
비교예1
상기 실시예 1에서 팽창성흑연을 제외시킨 후 Polypropylene(PP) 10 중량%를 첨가하여 데크를 제조하였다.
비교예2
목분 40중량% 및 합성수지인 Polyethylene(PE)과 첨가제 60중량%로 구성된 합성목재 조성물로 가공된 합성목재 재질의 데크를 시중에서 구입 하였다.
시험항목 시험방법 기준치 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
내충격강도 GR F-2016 지름
15이하		 이상없음 이상없음 Crack 발생 Crack 발생
휨강도
(N/mm2)		 GR F-2016 25이상 32 34 31 20
물흡수율
(%)		 GR F-2016 3.0이하 2.5 2.4 2.7 2.5
난연성 ASTM E 84 - Class B Class B Class C Class C
- GR규격 : 한국 목재 재활용 규격
- 난연성시험, ASTM E 84
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 조성의 팽창성흑연을 포함한 합성목재 조성물로 가공된 데크인 실시예1,2가, 종래기술의 합성목재로 가공된 데크인 비교예1,2 보다 class 등급이 우수한 난연성을 갖는 것을 볼 수 있다.
또한, 목분함량을 줄인 비교예2 보다 휨강도가 우수하였으며, 또한 난연성도 우수 하였다.
따라서, 비싼 난연 원료를 사용하지 않아도 되므로, 원가절감이 가능하다. 또한, 본 발명의 제조 방법으로 인하여 생산성이 향상될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300 : 합성목재
120 : 팽창성흑연
220 : 팽창성흑연 코팅층
320 : 차르(Char)층

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 천연목분 60 ~ 90 중량%, 팽창성흑연 1 ~ 15중량%, 합성수지 5 ~ 35 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 난연성 합성목재이고, 발화시 상기 합성목재 내부에 분포하던 상기 팽창성 흑연이 표면으로 이동되어 표면층에 차르(Char)를 형성하는 것을 특징으로 난연성 합성목재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 천연목분은
    활엽수, 침엽수 및 대나무 중 선택된 하나의 천연목재를 100 mesh 이상의 입자 크기와, 1 ~ 10 중량%의 수분 함량을 갖도록 분쇄된 분말인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 합성수지는
    수지용융지수 0.5 ~ 30, 굴곡 탄성율 13,000 ~ 15,000, 충격강도 3 ~ 10㎏/㎠, 열변형온도 90 ~ 130℃, 연화점 130 ~ 170℃의 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 결합제는
    마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌(MALEIC ANHYDRIDE PP)인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 산화방지제는
    포스페트(PHOSPHATE) 계통의 산화 방지제 0.1 ~ 0.5 중량% 및 칼슘 스테아린산염 0.1 ~ 2 중량%인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광안정제는
    비스 2.2.6.6-테트라 메틸-4-파이퍼리딜(Bis 2.2.6.6 - tetra methyl - 4 piperidil)인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 자외선흡수제는
    벤조트리아졸(Benzotriazole) 계통의 2-(2'-hydroxy-3'- tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 활제는
    폴리에틸렌 왁스 또는 폴리프로필렌 왁스인 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 합성목재는
    제올라이트계 항균제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재.
  11. 합성목재 기재의 표면에 공압출 공정으로 형성된 팽창성흑연 코팅층을 포함하되, 상기 팽창성흑연 코팅층은 천연목분 20 ~ 80%, 합성수지 10 ~ 60%, 팽창성흑연 1 ~ 10중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물로 형성된 것을 특징으로 난연성 합성목재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 합성목재 기재는
    천연목분 55 ~ 90 중량%, 합성수지 5 ~ 35 중량%, 결합제 1 ~ 5 중량%, 산화방지제 0.2 ~ 2.5 중량%, 광안정제 0.1 ~ 0.5 중량%, 자외선흡수제 0.1 ~ 0.5 중량%, 활제 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 포함하는 합성목재 조성물로 형성된 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재
  13. (a) 활엽수, 침엽수 및 대나무 중 선택된 하나의 천연목재를 100 mesh 이상의 입자 크기로 분쇄하여 천연목분을 형성하는 단계;
    (b) 상기 천연목분 60 ~ 90 중량%를 믹서기에 투입한 후 90 ~ 110℃의 온도에서 10 ~ 20분간 1차 교반하여 상기 천연목분의 수분 함유량이 1 ~ 10 중량%가 되도록 하는 단계;
    (c) 상기 믹서기에 팽창성흑연 1 ~ 15 중량%를 혼합한 후 70 ~ 100℃의 1 ~ 10분간 2차 교반하는 단계;
    (d) 상기 믹서기에 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 5 ~ 35 중량%를 혼합한 후 80 ~ 100℃의 온도에서 1 ~ 10분간 3차 교반하는 단계;
    (e) 상기 믹서기에 마레익 엔하이드라이드 폴리프로필렌(MALEIC ANHYDRIDE PP) 1 ~ 5 중량%, 포스페트(PHOSPHATE) 계통의 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%, 칼슘 스테아린산염 0.1 ~ 2 중량%, 비스 2.2.6.6-테트라 메틸-4-파이퍼리딜(Bis 2.2.6.6 - tetra methyl - 4 piperidil) 0.1 ~ 0.5 중량%, 벤조트리아졸(Benzotriazole) 계통의 2-(2'-hydroxy-3'- tert-butyl-5'-methyl-phenyl)-5-chlorobenzotriazol 0.1 ~ 0.5 중량%, 폴리에틸렌 왁스 또는 폴리프로필렌 왁스 0.1 ~ 1.5 중량% 및 무기계 안료 1 ~ 5 중량%를 혼합한 후 50 ~ 100℃의 온도에서 5 ~ 10분간 4차 교반하여 합성목재용 조성물을 형성하는 단계;
    (f) 상기 조성물을 페렛(PELLET)형태로 제조하는 단계;
    (g) 상기 페렛을 140 ~ 180℃ 온도 범위를 갖는 압출기를 통과시켜 합성목재 기재를 제조하는 단계; 및
    (h) 발화시 상기 합성목재의 내부에 분포하던 팽창성 흑연이 기재표면으로 이동되어 표면층에 차르(Char)를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성 합성목재 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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