KR101428935B1 - 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용한 창호재 - Google Patents

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최창휴
박명철
박주희
정수정
오주석
최선웅
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조재흥
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Abstract

폐목분과 폐플라스틱 등 재활용이 가능한 친환경 자재를 이용할 수 있는 합성목재 블렌딩 수지 조성물로서 성형성, 내열성이 우수하고, 특히 창호재로의 적용 시 합성목재 변형, 치수안정성 및 열관류율이 우수한 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 창호재가 개시된다. 본 발명은 목분 50~80중량%; 폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어진 상용화제 3~10중량%;를 포함하고, 상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 창호재를 제공한다.

Description

합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용한 창호재{BLEND OF WOOD PLASTIC COMPOSITE AND WINDOWS MADE FROM THEREOF}
본 발명은 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용한 창호재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목분과 폴리올레핀 수지를 포함하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물로서 기계적 특성 및 인장강도가 우수하여 창호재로 적용에 적합한 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용한 창호재에 관한 것이다.
본 발명은 2010년도 정부(국토교통부)의 재원으로 건설기술혁신사업의 지원을 받아 수행된 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 10기술혁신D01, 연구과제명: 순환자원을 이용한 탄소저감형 건축자재의 실용화_WPC 합성목재를 이용한 창호재 개발]
열가소성 올레핀 수지에 목분을 첨가하여 제조하는 목재-플라스틱 복합재(wood-plastic composite; 이하, 'WPC')는 재활용이 가능한 건자재로서 환경 친화적이기 때문에 근래 그 개발이 활발하게 이루어지고 있다. WPC는 친수성 목분 또는 목섬유와 소수성 폴리올레핀 수지를 효과적으로 고르게 분산하여 밀착되게 결합시켜 제조하여야 충분한 굴곡강도와 내수성 등의 성능이 얻어진다. 이와 관련된 선행특허들이 다수 개시되어 있으며, 무수말레산 함유 폴리머 등의 상용화제(compatibilizer)의 사용이 보편화되어 있다.
예컨대, 등록특허공보 제1175308호는 목분에 함유하고 있는 수분의 함량을 철저하게 관리하지 않으면서도 특성의 저하없이 목재-플라스틱 복합재를 용이하게 조조할 수 있는 목재-플라스틱 복합재용 조성물로서, 목분, 폴리올레핀 수지, 알칼리토금속의 나노 산화물, 상용화제, 윤활제 및 착색제를 포함하고, 상용화제는 복합재용 조성물 전체 중량에서 목분에 함유된 수분을 제외한 중량의 0.3~0.5중량%를 사용하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재를 개시하고 있다.
또한, 등록특허공보 제1113114호는 내마모성, 내미끄럼성 및 내후성이 우수한 WPC용 올리핀계 조성물에 관한 것으로, 올레핀계 중합체 100 중량부에 대하여, 올레핀계 공중합체 고무 30 내지 120 중량부, 과산화물계 가교제 0.1 내지 1 중량
부 및 UV안정제 0.5 내지 10 중량부를 포함하여 조성된 올레핀계 조성물을 통해 올레핀 수지에 올레핀계 공중합체 고무를 가교제와 함께 압출을 하며, 가교와 분산을 동시에 할 수 있는 동적가교(Dynamic Vulcanization)를 유도하여 상반된 특성을 가진 내마모성과 내미끄럼성을 동시에 향상시키고, 내후성도 향상시킨 WPC용 올레핀계 조성물을 개시하고 있다.
또한, 등록특허공보 제0250643호는 HDPE, LLDPE, LDPE, EVA 등 에틸렌계 수지에 보강재로는 목재부산물로서 목재칩 또는 톱밥을 사용하고, 접착강화제로 말레인산을 사용하는 것을 특징으로 하는 목재수지조성물을 개시하고 있다.
또한, 등록특허공보 제0681333호는 환경친화적 폴리올레핀/목분 복합체에 관한 것으로, 50메쉬의 목분 70~80중량%, 상용화제 1~3중량%, 고분자 매트릭스 19~25% 함유되는 폴리올레핀/목분 복합체를 제공함으로써 플라스틱 주재 복합건축재의 영역에 적용이 가능하고 난연 효과가 있는 WPC 복합체를 개시하고 있다.
WPC는 그 주성분인 폴리올레핀 수지와 목분이 고르고 균일하게 분산되면서 밀착되어야 기계적 강도가 충분히 발휘될 수 있고, 내수성과 내후성 등이 우수한 실용적인 성형품을 생산할 수 있다. 그러나, 폴리올레핀과 목분 표면의 성질은 각각 소수성과 친수성이어서 서로 잘 섞이지 않으므로 무수말레산 함유 폴리올레핀 등의 상용화제를 사용하여 분산성과 밀착성을 높여 주어야 실용적인 WPC를 생산할 수 있다.
즉, 목분과 폴리올레핀 수지의 분산과 결합이 WPC의 성능을 좌우하는 관건인 것이며, 여기서 인조목재 관련 기술은 크게 프로세스(Processing), 장치(Equipment) 및 재료(Material)로 나뉠 수 있다. 프로세스의 경우 원료물질인 목분과 고분자 수지 등의 혼합 방식과 목재료 등의 전처리 방식 등이 핵심기술이며, 재료의 경우 목재료와 함께 첨가되는 고분자 수지 결합체, 강도 증가를 위한 첨가제, 일정한 색깔을 띠게 하는 안료 등에 관한 기술 개발이 필요하다. 장치의 경우, 목재의 특성상 일반적인 고분자 압출성형 장치로는 공정 진행이 어려운 특성을 감안하여 압출 장치의 개량, 개선에 관한 연구가 필요하다.
한편, 합성목재는 플라스틱의 사용량 증대로 인해 발생하는 폐플라스틱의 처리 측면에서 각광받기 시작했으며, 목재의 천연질감과 플라스틱이 갖는 내습성을 동시에 구비하여 실내외의 다양한 용도로 사용되기 시작했다. 폐목분을 활용한 재생목재 플라스틱 복합체를 이용한 경우는 대부분 건축 내외장재로 이용되고 있으며, 특히 데크(Deck), 마루 등 바닥재에 적용되고 있다. 그러나, 합성목재의 범용 바닥재로의 용도 한계를 넘어 창호재로서의 확대를 위해서는 합성목재 변형, 치수안정성, 열관류율 개선 등의 창호재에 적합한 물성이 확보되어야 하나, 아직까지 이러한 물성을 만족할만한 수준의 창호재용 WPC는 개시되지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 폐목분과 폐플라스틱 등 재활용이 가능한 친환경 자재를 이용할 수 있는 합성목재 블렌딩 수지 조성물로서 성형성, 내열성이 우수하고, 특히 창호재로의 적용 시 합성목재 변형, 치수안정성 및 열관류율이 우수한 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 창호재를 제공하고자 한다.
또한, 상기 합성목재 블렌딩 수지 조성물의 물성을 극대화할 수 있는 최적의 가공 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제 해결을 위하여 본 발명은, 목분 50~80중량%; 폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어진 상용화제 3~10중량%;를 포함하고, 상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제공한다.
또한, 상기 목분은 폐목분을 50중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제공한다.
또한, 상기 폴리올레핀 수지는 폴리프로필렌을 70중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제공한다.
또한, 상기 폴리올레핀 수지는 재생 수지를 25중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제공한다.
또한, 상기 랜덤 폴리프로필렌은 프로필렌과 에틸렌, 부틸렌 및 옥텐으로 이루어진 그룹에서 선택된 공단량체가 중합된 것으로, 상기 공단량체가 상기 랜덤 폴리프로필렌 100중량부에 대하여 1~10중량부 중합된 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제공한다.
또한, 상기 무수말레산은 상기 고분자 화합물에 첨가되는 중량 대비 그라프트되는 비율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제공한다.
상기 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 목분 50~80중량%; 폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어지고, 상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 상용화제 3~10중량%;를 혼합 및 압출하여 합성목재 블렌딩 수지를 제조하되, 상기 압출은 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시켜 수행되는 합성목재 블렌딩 수지 조성물 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 2축 압출기는 피드부 160~180℃, 히트 블록부 165~190℃ 및 다이부 180~200℃의 온도 분포 및 120~180rpm의 회전 속도로 운전되고, 상기 1축 압출기는 피드부 160~180℃, 히트 블록부 170~195℃ 및 다이부 180~200℃의 온도 분포 및 20~80rpm의 회전 속도로 운전되는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물 제조방법을 제공한다.
상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 상기 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 이용하여 제조된 창호재를 제공한다.
본 발명에 따르면, 목분과 폴리올레핀 수지를 포함하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물에 있어, 최적 조성을 갖는 상용화제를 적용, 친수성 목분 또는 목섬유와 소수성 폴리올레핀 수지를 효과적으로 고르게 분산시켜 밀착되게 결합시킴으로써, 특히 창호재로의 적용 시 합성목재 변형을 효과적으로 방지하면서, 충분한 굴곡강도, 내수성, 열관류율 등 우수한 성능을 보유한 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용한 창호재를 제공할 수 있다.
또한, 폴리올레핀 베이스 수지로 폴리프로필렌을 사용 시 내열성 및 재활용성이 우수한 합성목재 블렌딩 수지 조성물 및 이를 이용한 창호재를 제공할 수 있다.
또한, 상기 블렌딩 수지 조성물을 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시켜 제조하는 최적의 프로세스를 통해 합성목재 블렌딩 수지 조성물의 물성을 극대화할 수 있는 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 및 비교예에서 사용된 2축 압출기(a) 및 1축 압출기(b)를 나타낸 사진,
도 2는 비교예 3(a) 및 실시예 3(b)에 따라 제조된 시편에 대한 무수말레산 그라프트율(FT-IR) 측정 결과를 나타낸 그래프,
도 3은 실시예 3 내지 4, 비교예 5에 따라 제조된 시편에 대한 굴곡탄성율 측정 결과를 나타낸 그래프,
도 4는 실시예 3(a), 4(b) 및 비교예 5(c)에 따라 제조된 시편에 대한 SEM 사진,
도 5는 실험예 3에서 WPC 창호용 프로파일을 나타낸 사진,
도 6은 실험예 3에 따라 제작된 WPC 창호재를 나타낸 사진,
도 7은 실험예 3에 따른 창호재 제작 과정을 설명하는 도면,
도 8은 실험예 3에서 열관류율 측정 과정을 설명하는 사진.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명자들은 종래 합성목재를 범용 바닥재로의 용도 한계를 넘어 창호재로서의 확대 적용을 모색함에 있어, 종래 합성목재를 창호재로 적용 시 합성목재의 변형, 치수안정성 및 열관류율 등이 좋지 못한 사실에 직시하고 예의 연구를 거듭한 결과, 최적 조성의 상용화제를 첨가하여 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 제조할 경우 놀랍게도 이를 창호재에 적용할 경우에도 합성목재의 변형 없이, 치수 안정성, 기계적 특성 등 제반 물성이 우수한 소재를 제공할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명은 목분 50~80중량%; 폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어진 상용화제 3~10중량%;를 포함하고, 상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 개시한다.
상기 목분은 펠릿 또는 분말 형태의 것이 사용될 수 있으며, 전체 블렌딩 수지 조성물에서 50~80중량%, 바람직하게는 60~70중량% 함량으로 포함되어, 플라스틱 성분 대비 상대적으로 높은 함량으로 함유됨으로써 천연 목재에 가까운 목질감을 부여할 수 있도록 하면서도, 후술하는 특정 상용화제의 첨가로 특히, 창호재로의 적용 시 우수한 물성을 보유할 수 있도록 하게 된다. 이때, 목분 함량이 80중량%를 초과할 경우에는 양호한 물성 유지를 위해 과량의 상용화제가 요구될 수 있고, 압출 부하에 따른 성형성이 저하될 수 있다.
본 발명에서는 상기 목분으로서, 사용되지 않은 신재(新材)를 이용할 수도 있으나, 폐목분을 이용할 경우에도 동등한 효과를 발휘할 수 있는 블렌딩 수지 조성물을 제공할 수 있다. 바람직하게는 전체 목분 중 폐목분을 50중량% 이상 함유할 수 있고, 더욱 바람직하게는 70중량% 이상 함유할 수 있다.
상기 폴리올레핀 수지는 목분이 고르게 분산 및 밀착되도록 하는 베이스 수지로서, 적용되는 창호재 용도에 맞게 다양한 성분을 사용할 수 있다. 예컨대, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리부텐-1, 폴리-3-메틸부텐-1, 폴리-펜텐-1, 폴리-4-메틸펜텐-1, 폴리이소부틸렌, 폴리헥센, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 에틸렌-부텐 코폴리머, 에틸렌-펜텐 코폴리머, 에틸렌-헥센 코폴리머, 에틸렌-프로필렌-디엔 코폴리머 등이 사용될 수 있다. 다만, 블렌딩 수지 조성물의 내열성, 재활용성 등을 고려할 때 실질적으로 폴리프로필렌으로 구성된 폴리올레핀 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로 상기 폴리올레핀 수지는 폴리프로필렌을 70중량% 이상, 더욱 바람직하게는 90중량% 이상 포함할 수 있다.
본 발명에서는 상기 폴리올레핀 수지로서, 사용되지 않은 신재(新材)를 이용할 수도 있으나, 상기 목분으로 폐목분을 활용한 것과 마찬가지로 재생 수지가 전체 폴리올레핀 수지 중 25중량% 이상 포함된 수지를 이용할 경우에도 동등한 효과를 발휘하도록 할 수 있다.
본 발명에서 상기 상용화제는 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어진 것으로, 첨가되는 무수말레산의 그라프트율을 극대화시켜 고함량의 극성 상용화제로 작용하도록 함으로써, 친수성인 목분과 소수성인 폴리올레핀 수지를 효과적으로 고르게 분산시켜 밀착 결합되도록 하는 역할을 한다.
기존 상용화제의 경우 베이스 수지로 호모 폴리프로필렌이 사용되었으나, 호모 폴리프로필렌은 반응 압출 시 폴리프로필렌 사슬 절단(PP chain scissoring)으로 인해 급격한 점도 저하로 무수말레산 그라프트율이 저하되고, 수중 스트랜드 펠렛화(underwater strand pelletizing) 작업이 매우 어려운 문제가 있다. 또한, 무수말레산 함량 증가를 위해 과산화물(peroxide) 등 개시제의 양을 증가시켜야 하나, 폴리프로필렌 사슬 절단으로 인해 무수말레산의 과량 투입에 한계가 있고, 무수말레산 미반응물(단분자 무수말레산)이 다량 존재하여 블록 스팟(block spot) 및 무수말레산 냄새(MAH smell)로 생산 시 작업이 매우 어려운 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 상기 목분 및 폴리올레핀 수지 함량 조성에서 동일 함량으로 무수말레산이 첨가될 경우 상대적으로 매우 높은 무수말레산 그라프트율을 갖도록 하는 상용화제로서, 상기 고분자 화합물이 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 상용화제를 개발하였다. 이때, 랜덤 폴리프로필렌 함량이 10중량% 미만일 경우에는 무수말레산 첨가량 대비 그라프트율이 만족스럽지 않을 수 있고, 함량 대비 상용성 증가 효율 면에서 50중량% 이하로 포함되는 것이 좋다.
상기 랜덤 폴리프로필렌으로는 특별히 한정되는 것은 아니나, 예컨대, 프로필렌과 에틸렌, 부틸렌 및 옥텐으로 이루어진 그룹에서 선택된 공단량체가 중합된 것일 수 있고, 바람직하게는 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체일 수 있다. 이때, 공단량체는 랜덤 폴리프로필렌 100중량부에 대하여 1~10중량부, 바람직하게는 3~8중량부 중합될 수 있으며, 상기 공단량체 함량이 1중량부 미만일 경우 무수말레산 첨가량 대비 그라프트율이 만족스럽지 않을 수 있고, 10중량부를 초과할 경우 기계적 특성 및 내열성이 저하될 수 있다.
본 발명에서 상기 상용화제는 전체 블렌딩 수지 조성물에 대하여 3~10중량%, 바람직하게는 5~8중량% 함량으로 포함된다. 상기 상용화제 함량이 3중량% 미만일 경우 목분 성분의 분산성이 만족스럽지 않을 수 있고, 10중량%를 초과할 경우 과도한 밀착력으로 인해 압출 시 압출기 내부에서 응집 현상이 발생하여 압출이 용이하지 않을 수 있다.
상기와 같은 특정 조성을 갖는 상용화제의 경우 상기 고분자 화합물에 무수말레산 첨가 시, 첨가되는 무수말레산 중량 대비 그라프트되는 비율이 90% 이상으로서 기존 상용화제 대비 상대적으로 무수말레산 함량을 현저히 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명에서는 목분, 폴리올레핀 수지 및 상용화제와 함께 개시제, 산화방지제, UV 안정제, 안료, 세라믹첨가제, 난연제, 가소제, 슬립제 등의 첨가제를 1종 이상 추가로 첨가할 수 있으며, 이러한 첨가제들의 사용량은 각각 본 발명에 따른 합성목재 블렌딩 수지 조성물의 특성에 영향을 미치지 않고 제조하는 데 사용 가능한 것으로 알려진 범위 내에서 전체 제조량 및 제조 공정 등을 고려하여 최적 범위로 조절할 수 있다. 상기 첨가제들은 목분, 폴리올레핀 수지 및 상용화제를 혼합하는 단계에서 추가로 첨가할 수 있으며, 별도의 추가 단계에서 혼련하여 첨가할 수도 있다.
이상 설명한 본 발명에 따른 합성목재 블렌딩 수지 조성물은 목분, 폴리올레핀 수지 및 상용화제를 전술한 함량 범위에서 일반적으로 알려진 방법으로 혼합 및 용융 압출하여 제조할 수 있다. 다만, 특정 압출기 조합을 통한 제조 시 보다 향상된 분산성 및 기계적 물성을 갖는 블렌딩 수지 조성물을 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 목분 50~80중량%; 폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어지고, 상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 상용화제 3~10중량%;를 혼합 및 압출하여 합성목재 블렌딩 수지를 제조하되, 상기 압출은 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시켜 수행되는 합성목재 블렌딩 수지 조성물 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따라 목분, 폴리올레핀 수지 및 상용화제 혼합물을 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시켜 수행할 경우 2축 압출기로 혼합물을 혼련시키고, 1축 압출기를 통해 압력을 가해서 밀도를 높이게 되어 2축 압출기 또는 1축 압출기를 단독 사용하거나 동일한 압출기로 반복 수행할 경우보다 목분과 폴리올레핀 수지의 분산성이 향상되고 기계적 물성 또한 향상되는 결과를 나타내는 것으로 확인되었다.
이때, 상기 2축 압출기 및 1축 압출기의 운전 조건이 중요한 요소로 작용한다. 즉, 상기 2축 압출기는 피드부 160~180℃, 히트 블록부 165~190℃ 및 다이부 180~200℃의 온도 분포 및 120~180rpm의 회전 속도로 운전되고, 상기 1축 압출기는 피드부 160~180℃, 히트 블록부 170~195℃ 및 다이부 180~200℃의 온도 분포 및 20~80rpm의 회전 속도로 운전되도록 하는 것이 바람직하며, 2축 압출기는 피드부 165~175℃, 히트 블록부 170~185℃ 및 다이부 185~195℃의 온도 분포 및 130~170rpm의 회전 속도로 운전되고, 상기 1축 압출기는 피드부 165~175℃, 히트 블록부 165~190℃ 및 다이부 185~195℃의 온도 분포 및 30~70rpm의 회전 속도로 운전되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 2축 압출기의 경우 압출기 회전 속도를 120rpm 미만으로 낮추게 되면 느린 회전으로 인해 수지와 목분이 압출기 내에 체류하는 시간이 길어져서 목분의 탄화가 일어나는 부작용이 발생할 수 있고, 회전 속도를 180rpm을 초과하여 올리게 되면 원료의 투입이 더 많아지는 것이 아니라 오히려 스크류의 빠른 회전과 목분의 낮은 비중으로 인해 원심력이 작용하여 원료의 투입이 원활하지 않을 수 있다. 또한, 상기 2축 압출기 온도 분포의 설정은 목분의 탄화를 방지하면서, 한편으로는 기계에 과부하가 걸리지 않도록 하는 조건을 탐색한 결과로서, 온도 분포를 상기 범위보다 전체적으로 낮게 유지하면 압출기의 축에 과도한 토크가 발생되어 안전 운전에 방해가 될 수 있고, 온도 분포를 상기 범위보다 전체적으로 높게 유지하면 목분의 탄화가 발생할 수 있다.
2축 압출기 내에서의 물질 흐름은 주로 스크류의 회전운동으로 인한 저항 유동(drag flow)이 주도하는 것과 달리, 1축 압출기 내부에서의 물질 흐름은 용융된 수지가 높은 압력을 형성하여 유동이 진행되는 특징을 가지고 있다. 따라서, 상기 1축 압출기의 경우 압출기 회전 속도를 20rpm 미만으로 낮추게 되면 압출기 내부의 압력이 낮아져서 충분한 처리량을 얻기 어려울 수 있고, 회전 속도를 80rpm을 초과하여 올리게 되면 압출기 내부 압력이 지나치게 높아져서 압출기 축에 과도한 토크가 발생할 수 있다. 또한, 상기 1축 압출기 온도 분포의 설정은 히트 블록부가 2축 압출기보다 적은 5개로 나뉘어져 있으며, 이 경우에도 2축 압출기와 마찬가지로 온도 분포를 상기 범위보다 전체적으로 낮게 유지하면 압출기의 축에 과도한 토크가 발생되어 안전 운전에 방해가 될 수 있고, 온도 분포를 상기 범위보다 전체적으로 높게 유지하면 목분의 탄화가 발생할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예 1
목분(분말상) 63중량부, 폴리프로필렌 32중량부, 상용화제(호모 폴리프로필렌 90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌(에틸렌 함량 5중량%) 10중량%의 혼합물에 무수말레산을 전체 상용화제에 대해 1.3중량% 첨가하여 제조된 무수말레산 그라프트된 고분자 화합물) 5중량부, 윤활제(스테아린산 칼슘) 0.7중량부와 개시제(과산화수소)를 무수말레산 첨가량의 70~80% 정도 추가 혼합하고, 40㎜ 2축 압출기(L/D=40)를 이용하여 압출 온도 170~190℃, 스크류 회전 속도 150rpm 및 체류 시간 30초의 압출 조건으로 합성목재 블렌딩 수지 조성물 시료를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 호모 폴리프로필렌 80중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 20중량% 함량으로 제조된 상용화제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에서 호모 폴리프로필렌 70중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 30중량% 함량으로 제조된 상용화제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에서 호모 폴리프로필렌 97중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 3중량% 함량으로 제조된 상용화제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
비교예 2
실시예 1에서 호모 폴리프로필렌 95중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 5중량% 함량으로 제조된 상용화제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
비교예 3
실시예 1에서 호모 폴리프로필렌 100중량% 함량으로 제조된 상용화제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
비교예 4
실시예 1에서 상용화제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
실시예 4
실시예 3에서 하기 압출 조건으로 도 1에 나타낸 바와 같은 2축 압출기(a) 및 1축 압출기(b)를 연속적으로 통과시켜 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
[압출 조건]
1) 2축 압출기
피드부로부터 히트 블록부를 거쳐 다이부까지의 9개 구획에 대해 170℃-175℃-180℃-180℃-185℃-185℃-185℃-185℃-190℃ 온도 분포가 되도록 고정하고, 회전 속도는 150rpm으로 유지하였다.
2) 1축 압출기
피드부로부터 히트 블록부를 거쳐 다이부까지의 7개 구획에 대해 170℃-170℃-180℃-185℃-185℃-190℃-190℃ 온도 분포가 되도록 고정하고, 회전 속도는 50rpm으로 유지하였다.
비교예 5
실시예 4에서 2대의 2축 압출기를 연속적으로 통과시켜 수행한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 합성목재 블렌딩 수지 조성물 시료에서 상용화제에 함유된 고분자 화합물의 조성 및 시료 가공방법을 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.
Figure 112013067496358-pat00001
실험예 1: 상용화제 평가
본 발명에 사용된 상용화제에서 랜덤 폴리프로필렌 함량에 따라 합성목재 블렌딩 수지 제조 시 목분 및 폴리올레핀 수지의 분산성 및 블렌딩 수지 조성물의 기계적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해, 상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 시편에 대해 무수말레산 그라프트율(FT-IR)을 측정하여 그 결과를 하기 표 2(중량평균분자량(Mw)(GPC 장비), 및 YI(색상)을 함께 나타냄) 및 도 2에 나타내었고, 상기 실시예 3, 비교예 3 내지 4에 따라 제조된 시편에 대해 파단응력(ASTM E139), 굴곡탄성율(ASTM D790) 및 IZOD 충격강도(ASTM D256)를 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure 112013067496358-pat00002
Figure 112013067496358-pat00003
먼저 표 2 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 소정 함량으로 랜덤 폴리프로필렌을 함유하고 있는 상용화제를 사용할 경우, 무수말레산이 상용화제 대비 1.3%로 첨가된 예에서 0.83~1.21%의 무수말레산 그라프트율을 보이고 있어, 무수말레산의 첨가되는 중량 대비 그라프트되는 비율이 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상까지 나타난 것을 알 수 있다. 이에 대해, 랜덤 폴리프로필렌을 일정 함량 미만으로 함유하거나 호모 폴리프로필렌만을 사용한 경우에는 무수말레산 그라프트율이 60%에도 미치지 못하는 것을 알 수 있다.
즉, 기존에 베이스 수지로 호모 폴리프로필렌만을 사용하던 상용화제에 있어 폴리프로필렌 사슬 절단으로 인한 급격한 점도 저하로 무수말레산 그라프트율이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 폴리프로필렌 사슬 절단으로 인한 점도 확보를 위해 호모 폴리프로필렌에 랜덤 폴리프로필렌을 최적 함량으로 첨가하여 폴리프로필렌 가교 및 부분적 가교를 유도하여 점도를 조절하도록 하는 것이다. 이는 기존 상용화제의 경우 무수말레산 승화 현상 및 호모 폴리프로필렌의 경우 무수말레산 그라프팅 반응 속도보다 폴리프로필렌의 사슬 절단 속도가 더 빠르기 때문이며, 랜덤 폴리프로필렌을 최적 함량으로 첨가할 경우에는 사슬 절단과 함께 랜덤 폴리프로필렌의 적정 함량 첨가로 인해 랜덤 폴리프로필렌 골격내 에틸렌에 무수말레산이 그라프트되도록 하는 반응을 유도하기 때문인 것으로 판단된다.
한편, 무수말레산의 승화가 존재하는 반응압출의 경우 개시제(과산화물)와 무수말레산의 투입비율은 0.7~0.8:1.0 중량비가 바람직한 것으로 파악되었다.
다음으로 표 3을 참조하면, 본 발명에 따라 소정 함량으로 랜덤 폴리프로필렌을 함유하고 있는 상용화제를 사용할 경우 기계적 물성 측면에서도 개선된 물성 향상을 보이는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 가공방법 평가
본 발명에 따른 합성목재 블렌딩 수지 제조 시 상용성 및 기계적 물성에 있어 가공방법이 미치는 영향을 파악하기 위해, 상기 실시예 3 내지 4, 비교예 5에 따라 제조된 시편에 대해 굴곡탄성율(ASTM D790)을 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었고, 실시예 3, 4 및 비교예 5에 따라 제조된 시편 비교를 위한 SEM 사진을 도 4에 나타내었다. 도 3에서는 각 시료에 대해 굴곡탄성율(flexural modulus)의 미가공 데이터(raw data)와 평균치를 함께 나타내었다.
본 실험예에서는 2축 압출기를 1회 통과시킨 시편(실시예 3)에 대해 본 발명에 따라 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시킨 시편(실시예 4)의 기계적 물성 향상을 확인하면서, 2축 압출기를 2회 통과시키면 1회 통과시킨 시료보다 잘 혼합될 수 있는 것은 쉽게 예측할 수 있는 사안이므로, 2축 압출기를 2회 통과시킨 시료(비교예 5)에 대해서도 기계적 물성을 비교하고자 하였다.
먼저 도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시킨 시편(실시예 4)에서 기계적 물성이 월등히 우수한 것을 확인할 수 있으며, 2축 압출기를 2회 통과시킨 시편(비교예 5)의 경우 2축 압출기를 1회 통과시킨 시편(실시예 3)에 비해서는 굴곡탄성율이 약간 정도 향상되나 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시킨 시편(실시예 4)에는 미치지 못함을 알 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하면, 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시킨 시편(실시예 4)의 경우 공극이 거의 없고 치밀하게 분산되어 상용성이 매우 우수한 것을 알 수 있으나, 2축 압출기를 1회 통과시킨 시편(실시예 3)의 경우 공극(원 부분 참조)이 많이 형성되어 밀착성이 떨어지고 이에 따라 상용성이 상대적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 2축 압출기를 2회 통과시킨 시편(비교예 5)의 경우에도 상대적으로 분산성이 떨어진 것을 확인할 수 있다.
실험예 3: 창호재 제조 및 열관류율 평가
본 발명에 따라 제조된 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 이용한 창호재의 단열 성능을 파악하기 위해 하기 방법에 따라 창호재를 제작 및 열관류율을 측정하고 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[창호재 제작]
상기 실시예 3에 따라 제조된 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 이용하여 도 5에 도시된 바와 같은 큐빅(cubic) 형태의 WPC 창호용 프로파일(profile)을 하기 조건으로 제작 및 프로파일을 이용하여 창호를 제작하였다. 도 6에서는 제작된 WPC 창호재를 나타내고 있으며, 도 7은 창호재 제작 과정을 설명하는 도면으로, 창호 조립도(a), 실 제작된 창호, WPC 프로파일(c) 및 알루미늄 프로파일(d)을 나타내고 있다. WPC 창호 프로파일 규격은 33㎜×135㎜이고, 5㎜의 립(lip) 4개를 추가하여 강성 및 열관리 효과를 보강하였다. 또한, WPC 프로파일 홀(profile hole) 사이마다 알루미늄 프로파일로 보강하였고, 유리 및 창호재 사이는 가스켓을 삽입하였으며, 최종 창호(2000㎜×2000㎜)를 고정식(stationary type)으로 제작하였다.
* WPC 창호용 프로파일 제작 조건
1) extruder type: conical
2) screw diameter: outlet/inlet = 80㎜/240㎜
3) extruder 제작 업체: 금산정공
4) 압출 zone
5) 프로파일 다이 zone
6) 압출 선속: 0.7m/min
[열관류율 측정]
창호의 측정항목 중에서 가장 중요한 것이 단열 성능 평가라고 할 수 있으며, 창호의 단열 성는은 열관류율로 평가받게 된다. 적용 규격은 KS F 2277, KS F 2278 등이며, 상온과 저온 두 개의 실(방) 사이에 창호를 거치시키고, 이에 대한 열적 흐름을 측정한다. 외부를 모델로 하는 저온실은 0℃의 온도로 고정되고, 실내로 모사되는 상온부는 20℃의 온도로 고정되어 시험이 진행된다. 이러한 열적 불균형이 창호 표면에서 열적 안정화가 될 때까지 이루어지게 된다. 열관류율 측정은 도 8에 도시된 바와 같이, 제작된 창호를 준비(a) 및 창호 장비에 거치(b)하고, 열센서를 양쪽 실(방)에 부착 연결(c)한 후 온도의 흐름을 측정(d)하되, 창호 표면의 온도가 변형되지 않고 안정화 될 때까지 측정한다.
Figure 112013067496358-pat00004
표 4를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 이용하여 제작된 창호재는 열관류율이 1.59W/㎡K 수준으로 단열 성능이 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 목분 50~80중량%;
    폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및
    무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어진 상용화제 3~10중량%;
    를 포함하고,
    상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 합성목재 블렌딩 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목분은 폐목분을 50중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀 수지는 폴리프로필렌을 70중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀 수지는 재생 수지를 25중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 폴리프로필렌은 프로필렌과 에틸렌, 부틸렌 및 옥텐으로 이루어진 그룹에서 선택된 공단량체가 중합된 것으로, 상기 공단량체가 상기 랜덤 폴리프로필렌 100중량부에 대하여 1~10중량부 중합된 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무수말레산은 상기 고분자 화합물에 첨가되는 중량 대비 그라프트되는 비율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물.
  7. 목분 50~80중량%; 폴리올레핀 수지 17~47중량%; 및 무수말레산이 그라프트된 고분자 화합물로 이루어지고, 상기 고분자 화합물은 호모 폴리프로필렌 50~90중량% 및 랜덤 폴리프로필렌 10~50중량%로 구성된 상용화제 3~10중량%;를 혼합 및 압출하여 합성목재 블렌딩 수지를 제조하되, 상기 압출은 2축 압출기 및 1축 압출기를 연속적으로 통과시켜 수행되는 합성목재 블렌딩 수지 조성물 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2축 압출기는 피드부 160~180℃, 히트 블록부 165~190℃ 및 다이부 180~200℃의 온도 분포 및 120~180rpm의 회전 속도로 운전되고, 상기 1축 압출기는 피드부 160~180℃, 히트 블록부 170~195℃ 및 다이부 180~200℃의 온도 분포 및 20~80rpm의 회전 속도로 운전되는 것을 특징으로 하는 합성목재 블렌딩 수지 조성물 제조방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 합성목재 블렌딩 수지 조성물을 이용하여 제조된 창호재.
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