KR101529834B1 - 침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 0.1~1,000㎛ 크기로 작게 분쇄된 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료에 관한 것으로서 특히, 패각 분말을 주성분으로 하여 열가소성 플라스틱 원료 및 첨가제를 혼합하여 새로운 복합재료를 구성함으로써, 기계적강도, 내구성, 내수성, 방부성, 방충성이 우수하고, 패각 미세분말은 화재 발생시 이산화탄소 자체 발생으로 인한 화재 억제 기능도 갖으며, 폐자원을 재활용한 것으로서 저렴하고 친환경적인 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료는 패각 미세분말 50 내지 85중량%와, 열가소성 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및 첨가제 5 내지 10중량%가 혼합되어 구성된다.

Description

침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판 및 그 제조방법{Plastic Composite deck floor board using needle-shaped cockle shell micro-powder and the manufacturing method}

본 발명은 0.1~1,000㎛ 크기로 작게 분쇄된 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료에 관한 것으로서 특히, 패각 분말을 주성분으로 하여 플라스틱 원료 및 첨가제를 혼합하여 새로운 복합재료를 구성함으로써, 기계적강도, 내구성, 내습성, 방부성, 방충성이 우수하고, 화재 발생시 이산화탄소 자체 발생으로 인한 화재 억제 기능도 갖으며, 폐자원을 재활용한 것으로서 저렴하고 친환경적인 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 조경용, 건축용 자재시장 등에서 자연스러운 질감과 무늬의 미를 살리기 위하여 천연목재를 많이 사용하고 있다.

이러한 천연목재는 대다수 외국으로부터 수입에 의존하는 매우 고가품일 뿐만 아니라 천연목재의 특성상 잘 건조시키지 않으면 쉽게 부패하여 그 수명이 길지 못하게 되고, 외부의 충격에 의해 쉽게 손상될 염려가 있기 때문에 근래에 들어서는 천연목재의 모양과 질감을 모방한 합성목재의 사용량이 증가하고 있다.

대부분의 합성목재는 목분과 같은 목질 원료 분말입자를 여러 가지 첨가제와 함께 열가소성 플라스틱 원료와 용융 혼합한 후 일정 규격의 판재 등 다양한 형태로 압출성형 또는 사출성형한다.

상기와 같은 합성목재는 장시간 사용시 50~70 중량% 첨가되는 목질 원료들에 의한 내습성, 방부성, 방충성이 약하고 수축이 큰 단점이 여전히 존재하며, 화재 발생시 목질 원료들이 플라스틱 원료보다도 오히려 더 쉽게 타면서 화재에 매우 취약한 문제점이 존재한다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-75008호 (2012.07.06. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 825℃ 이하의 온도에서 안정적인 상태를 유지하다가 825℃ 이상의 온도에서는 이산화탄소 가스를 발생시켜 화재를 억제하는 기능을 갖는 패각 미세분말을 이용하여 새로운 복합재료를 구성함으로써 기계적강도, 내구성, 내습성, 방부성, 방충성이 우수하며, 나아가 폐자원을 재활용함으로써 저렴하고 친환경적인 소재를 제공하고자 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
롤밀을 이용하여 0.1~1,000㎛ 크기로 분쇄한 침상형 꼬막껍질 미세분말 50 내지 85중량%와,
열가소성 수지로 된 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및
첨가제 5 내지 10중량%가 혼합되어 구성된, 침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판인 것을 특징으로 한다.

이때 상기 첨가제는 난연제, 착색제, 결합제, 윤활제, UV안정제 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은,
꼬막껍질에 물을 고압 분사하여 고착된 불순물을 제거하고, 수세된 꼬막껍질을 수분함유량 5% 이하가 되도록 열풍 건조한 후 파쇄기를 이용해 조분쇄한 다음 롤밀 미분쇄기로 0.1~1,000 크기로 분쇄하는 침상형 꼬막껍질 미세분말 제조단계;
상기 제조된 침상형 꼬막껍질 미세분말 50 내지 85중량%와, 열가소성 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및 첨가제 5 내지 10중량%를 용융 혼합하는 혼합단계;
상기 혼합단계를 통해 구성된 합성원료 펠렛을 압출 또는 사출 성형하여 설계된 형상으로 성형하는 성형단계;로 구성된, 침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판의 제조방법인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 패각 미세 분말을 이용한 새로운 복합재료는 기계적강도, 내구성, 내습성, 방부성, 방충성이 우수하고, 패각 미세분말은 825℃ 이하의 온도에서 안정적인 화학적 결합을 유지하다가 825℃ 이상에서는 이산화탄소 가스를 자체 발생시켜 화재를 억제할 수 있으며, 폐자원을 재활용함으로써 저렴하고 친환경적인 효과가 있다.

도 1 내지 도 4은 패각의 파단면과 패각 미세분말을 확대 촬영한 사진.

이하 본 발명에 의한 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료 및 그 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료는 패각 미세분말 50 내지 85중량%와, 열가소성 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및 첨가제 5 내지 10중량%가 용융 혼합하여 구성된다.

본 발명에 사용되는 패각 미세분말은 굴, 꼬막과 조개 같은 쌍각류, 소라와 고둥 같은 복족류의 패각을 사용하는데, 패각 미세분말들은 패각의 종류에 따라 내부 미세 결정구조가 서로 다르므로 균일한 패각 분말특성을 얻기 위하여, 굴, 꼬막과 조개 같은 쌍각류, 소라와 고둥 같은 복족류를 종류별로 분류하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

국내 연안에서 다량으로 양식되는 굴, 꼬막과 조개류 같은 쌍각류, 소라와 고둥 같은 복족류를 통하여 매년 10만톤 이상의 패각이 발생하고 있고, 80% 가까운 대부분의 패각들은 바닷가에 버려지고 있어 환경오염의 요인으로 작용하고 있다.

본 발명은 이러한 패각들을 수거하여 재활용하는데, 패각들을 선별하고 깨끗한 물로 세척하고 열풍 건조로 수분 함량이 5 중량% 이하가 되도록 건조한다. 그리고 파쇄기를 사용하여 먼저 조분쇄한 다음, 롤밀이나 볼밀 등 미분쇄기를 사용하여 패각 미세분말을 0.1~1,000㎛ 입도로 작게 분쇄한다.

패각 미세분말은 0.1~1,000㎛ 크기로 작게 분쇄하는데, 패각 분말을 작게 분쇄할수록 패각 내부의 나노결정구조를 활용하여 복합재료의 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있고, 표면적의 증가로 화재발생시 열에 의한 이산화탄소 배출이 용이해 화재억제성이 향상된다. 따라서 패각 미세분말은 패각 내부의 결정구조를 고려하여 0.1~1,000㎛ 크기로 작게 분쇄하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 패각 미세분말은 도 1 내지 도 4에 도시한 사진과 같이 나노침상이나 나노판상의 결정구조를 갖고 있으므로 물리적, 화학적으로 매우 안정하기 때문에 패각 미세분말을 이용하여 제조된 새로운 복합재료는 기계적 강도가 높고, 내구성, 내습성, 방부성, 방충성이 아주 우수하다.

상기 패각 미세분말은 89~99중량%의 탄산칼슘(CaCO₃)과 1~2중량%의 인산칼슘(Ca₃(PO₄)₂) 및 나머지 다른 성분으로 구성된다. 패각 미세분말은 825℃ 고온까지 안정적이면서도 내열성이 우수하다. 화재가 발생하여 온도가 상승하면, 패각 미세분말은 825℃까지 화학결합을 안정적으로 유지하고 있다가 온도가 더 상승하게 되면 탄산칼슘(CaCO₃)이 주성분인 패각 미세분말이 생석회(CaO)와 이산화탄소(CO₂)로 분해된다.

이산화탄소(CO₂)는 산화반응이 끝난 물질로서 소화약제로도 널리 사용되는 물질이다. 상술한 바와 같이 화재발생에 의한 고열로 온도가 825℃이상 올라가면 패각 미세분말이 생석회(CaO)와 이산화탄소(CO₂)로 변환되면서 이때 자체 발생하는 이산화탄소 가스에 의해 화재를 억제할 수 있다.

상기 패각 미세분말은 50 내지 85중량%가 혼합되는데, 패각 미세분말이 50중량% 미만으로 혼합되면 패각 미세분말 혼합으로 인한 복합재료의 물성 향상과 화재억제 기능이 미미하게 되고, 패각 미세분말이 85중량%를 초과하여 혼합되면 압출성형 및 사출성형 가공성이 나빠지므로 패각 미세분말은 50 내지 85중량% 혼합하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 패각 미세분말 50 내지 85중량%에 가공성을 향상시키기 위하여 열가소성 플라스틱 원료로서 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등 열가소성 수지 중 어느 하나 또는 둘 이상 15 내지 40중량%를 혼합하여 사용된다.

상기 플라스틱 원료는 가격이 저렴하고, 무독성이며, 가공이 용이하고, 내화학성 및 내후성이 우수하다.

상기 플라스틱 원료는 15 내지 40중량%가 혼합되는데 합성수지가 15중량% 미만으로 혼합되면 압출성형 및 사출성형 가공성이 저하되고, 합성수지가 40중량%를 초과하면 복합재료의 기계적 특성이 저하되므로, 합성수지는 15 내지 40중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.

그리고 첨가제를 5 내지 10중량%를 혼합한다.

상기 첨가제로는 난연제와 착색제, 결합제, 윤활제, UV안정제 중 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 혼합하여 사용한다.

난연제(flame retardant)는 플라스틱의 내연소성을 개량하기 위해 첨가하고, 착색제(colorants)는 복합재료 색상의 안정성을 부여하기 위해 첨가하고, 결합제(coupling agent)는 친수성인 패각 미세분말과 소수성인 플라스틱 원료의 결합성 향상을 위해 첨가하고, 윤활제(lubricants)는 가공성과 혼합성을 향상시키기 위하여 첨가하며, UV안정제(UV stabilizers)는 자외선 차단을 통한 내구성 향상을 위해 첨가한다.

상기와 같은 첨가제는 공지의 첨가제를 사용한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 패각 미세분말을 이용한 신소재는 나노결정구조를 갖는 패각 미세분말이 다량 혼합됨으로써 기존 합성목재에 비해 휨강도, 인장력 등 기계적 특성과 내구성, 내습성, 방부성, 방충성이 우수하고, 화재 발생시 이산화탄소 자체발생으로 인한 화재 억제 기능도 갖고, 자원재활용이라 저렴하며 친환경적인 특징을 갖는다.

상기와 같은 패각 미세분말을 이용한 새로운 복합재료의 제조방법은 다음과 같다.

패각 미세분말 제조단계

굴 양식장이나 바닷가에서 폐기되는 굴 껍질이나 꼬막이나 조개들의 패각들을 수거하여 종류별로 분류하여 그물망에 넣고 깨끗한 물을 고압 분사하여 패각에 고착된 불순물과 염분을 충분히 제거한다.

수세된 패각들을 200℃ 전후의 열풍 건조로 건조하여 수분함유량이 5% 이하가 되도록 건조한다. 그리고 건조된 패각들은 파쇄기를 사용하여 먼저 조분쇄한 다음, 롤밀이나 볼밀 등 미분쇄기를 사용하여 0.1~1,000㎛ 크기의 입도로 작게 패각 미세분말이 되도록 분쇄한다.

혼합 및 펠렛화 단계

패각 미세분말 50 내지 85중량%와, 열가소성 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및 첨가제 5 내지 10중량%를 혼합기에 넣어 150~300 온도범위에서 균일하게 용융 혼합하고, 혼합원료들은 펠렛타이징기를 사용하여 펠렛(pellet)으로 만든다.

상기 첨가제로는 난연제와 착색제, 결합제, 윤활제, UV안정제 중 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 혼합하여 사용한다.

성형단계

상기와 같이 혼합단계에서 혼합하여 펠렛으로 만든 혼합원료를 150~300℃ 온도범위에서 압출 또는 사출 성형하여 원하는 형상의 복합재료를 제조한다. 이때 복합재료의 치수안정성을 위하여 일정한 온도에서 수냉시킨다.

본 발명에 의한 패각 미세분말을 이용한 복합재료와, 패각을 사용하지 않고 목분만 사용한 종래의 합성목재를 비교하면 다음과 같다.

실시예

패각 미세분말 65중량%, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 22중량%, 폴리프로필렌 5중량%, 첨가제 8중량%(난연제 4중량%, 결합제 2중량%, 윤활제 1중량%, UV안정제 1중량%)

비교예

목분 65중량%, 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 22중량%, 폴리프로필렌 5중량%, 첨가제 8중량%(난연제 4중량%, 결합제 2중량%, 윤활제 1중량%, UV안정제 1중량%)

평가항목	단위	비교예	실시예
최대하중	N	3,456	4,310
나사못 유지력	N	978	1,020
수분흡수율	%	1.27	0.50
수축율(길이선열)	%	5.8	5.0
밀도	g/cm3	1.23	1.45
지간거리	mm	500	500
끓임성 테스트		정상	정상
가연성 테스트	sec	1 (가연성)	60 (불연성)

평가방법:KSF-3230

상기 표 1에서와 같이 본 발명의 복합재료(실시예)는 비교예에 비해 최대하중과 나사못 유지력이 향상되었고, 수분흡수율이 감소되어 내수성, 방부성이 향상되었으며, 불연성에 가까워 화재 억제기능이 향상되었다.

다만, 패각자체의 밀도가 커서 비교예보다 밀도가 증가하였으나 밀도 기준치 1.5g/cm³ 보다 낮다.

이상, 본 발명에 의한 패각 미세분말을 이용한 조경용, 건축용 새로운 복합재료 및 그 제조방법에 대해 설명하였다.

상기 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 롤밀을 이용하여 0.1~1,000㎛ 크기로 분쇄한 침상형 꼬막껍질 미세분말 50 내지 85중량%와,
   열가소성 수지로 된 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및
   첨가제 5 내지 10중량%가 혼합되어 구성된 것을 특징으로 하는, 침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 첨가제는 난연제, 착색제, 결합제, 윤활제, UV안정제 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 구성된 것을 특징으로 하는, 침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판.
5. 꼬막껍질에 물을 고압 분사하여 고착된 불순물을 제거하고, 수세된 꼬막껍질을 수분함유량 5% 이하가 되도록 열풍 건조한 후 파쇄기를 이용해 조분쇄한 다음 롤밀 미분쇄기로 0.1~1,000 크기로 분쇄하는 침상형 꼬막껍질 미세분말 제조단계;
   상기 제조된 침상형 꼬막껍질 미세분말 50 내지 85중량%와, 열가소성 플라스틱 원료 15 내지 40중량% 및 첨가제 5 내지 10중량%를 용융 혼합하는 혼합단계;
   상기 혼합단계를 통해 구성된 합성원료 펠렛을 압출 또는 사출 성형하여 설계된 형상으로 성형하는 성형단계;로 구성된 것을 특징으로 하는, 침상형 꼬막껍질 미세분말을 이용한 플라스틱 복합재 바닥판의 제조방법.

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