KR101989299B1

KR101989299B1 - 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법 및 그로부터 성형된 합성목재

Info

Publication number: KR101989299B1
Application number: KR1020180085965A
Authority: KR
Inventors: 송상목
Original assignee: 대성우드 주식회사
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2019-06-14

Abstract

본 발명은 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법 및 그로부터 성형된 합성목재에 관한 것으로, 50 ~ 200메쉬(mesh)의 평균입도를 갖는 목분 60 ~ 70중량부와 액상 페놀수지 30 ~ 40중량부를 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성한 후, 상기 목분 프리프레그(prepreg) 80 ~ 95중량%에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액 5 ~ 20중량%를 혼합하고 성형하되, 상기 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액은 톨루엔, 크실렌, 아세톤 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 유기용매 100중량부에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 40 ~ 50중량부의 비율로 용해시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법은 목분과 액상 페놀수지를 혼합하여 반경화상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성하고 이에 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액을 혼합함으로써 유동성이 우수하기 때문에 각종 성형가공법을 통해 다양한 종류의 합성목재 제품을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 본 발명의 제조방법으로 성형된 합성목재는 별도의 경화제를 포함하지 않으면서도 기계적 물성, 내수성, 난연성이 탁월한 경량의 합성목재 제품을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 폐기되는 목재소재와 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 재활용할 수 있어 환경에 친화적인 장점이 있다.

Description

목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법 및 그로부터 성형된 합성목재{MANUFACTURING METHOD OF ARTIFICIAL TIMBER USING WOODY PREPREG AND ARTIFICIAL TIMBER MOULDED THEREBY}

본 발명은 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법 및 그로부터 성형된 합성목재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 목분과 액상 페놀수지를 혼합하여 반경화상태의 프리프레그(prepreg)를 형성한 후, 상기 프리프레그(prepreg)에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액을 혼합하고 성형함으로써 경량이면서 기계적 물성과 내수성이 우수하고 난연성이 탁월한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법 및 그로부터 성형된 합성목재에 관한 것이다.

목재는 비중이 높은 철강이나 콘크리트 등의 재료에 비하여 높은 비강도 등의 물성과 우수한 촉감 등으로 인해 오래전부터 가구와 건축재료 등으로 사용되는 천연재료이다. 하지만 목재는 수분에 대한 흡습성 재료이기 때문에 세포벽 속의 수분이 주변 공기의 건조에 의해 수축함으로 인하여 다양한 건조결함이 발생하게 된다. 건조에 의한 결함은 틀어짐과 갈라짐 현상, 그리고 변색까지 일으킨다.

목재가 친근한 소재로 널리 알려져 있음에도 불구하고 우리 주변의 다양한 제품에 적용되지 못하고 있는 것은 이런 원인 때문이며, 수분관리가 목재 이용에 무엇보다도 중요하다는 사실을 잘 알 수 있다. 나아가, 부패균이나 곤충에 의해 주성분인 섬유소의 조직이 분해되거나 변색되고 비중이 감소되어 목재의 강도가 저하되는 현상도 많이 발생되고 있다.

이러한 목재의 건조결함과 부패를 방지하고 내구성을 향상시키기 위해 현재 전 세계적으로 사용량이 급증하고 있는 목재-플라스틱 복합재(Wood plastic composites, 이하 ‘합성목재(WPC)’라 함)는 나무, 볏짚, 왕겨, 마, 커피껍질, 야자수 잎, 목화줄기 등과 같은 각종 천연섬유질(natural fiber) 소재와 PP, PE와 같은 폴리올레핀(PO) 계열의 열가소성 수지(thermoplastic resin)를 적절한 비율로 혼합한 복합소재이다. 물론 PVC, PS, ABS 등의 다른 수지도 사용되고 있기는 하나, 친환경성과 경제성을 감안하여 사용이 감소하고 있는 추세이다.

상기 합성목재(WPC)는 치수 안정성이 높으면서 연속적으로 대량생산이 가능한 목질제품으로서, 목분과 고분자 수지를 혼련시켜 제품으로 성형하는 방법과 목재소재의 빈 공극에 저분자 수지를 압입하여 고정하는 방법으로 나눌 수 있으며, 또한 표면을 피복하는 방법과 흡착능을 가진 부분을 소수성 물질로 치환시키거나 고열처리를 행하여 수분에 대한 활성도를 떨어뜨리는 방법을 들 수 있다.

이러한 합성목재를 생산하는 대부분의 기술은 목질과 수지의 화학적 결합을 이루기 위해 커플링제(coupling agent)를 첨가제로 사용하며, 필요에 따라 착색 마스터배치(color master batch), 자외선 보호제(UV-protector), 윤활제(lubricant), 난연제(flame retardant) 등을 첨가하기도 한다. 가장 많이 사용되는 가공방식은 목재-플라스틱 복합소재를 압출공법으로 프로파일을 생산하여 주로 건축 내외장재로 활용되고 있다. 최근에는 이 복합소재를 사출 또는 압축하여 생산된 제품도 출시되고 있다.

여기에서 주목할 것은 목재의 구성요소를 결합할 때 사용되는 것이 결합제, 즉 고분자 수지이다. 다양한 수지의 종류에 의해 만들어진 목질재료는 그 고유의 강도와 물성을 발현하며, 내장재, 가구재, 혹은 건축재나 토목용재, 외구용재 등으로 구분하여 이용되고 있다. 특히 수분에 의해 변질이 되지 않는 치수가 안정화된 제품 개발은 소재산업에서 해결해야 할 당면과제로 현재도 다양한 방법으로 이 문제해결을 위해 노력하고 있다.

이러한 역사적 배경을 가진 WPC는 목재소재의 단점인 치수 안정성이 획기적으로 개선되며, 기재(matrix)인 목질의 공극에 침투된 PE, PP, PVC 등과 같은 폴리머의 원료에 따라 성능과 가격이 달라지고 내수성을 향상시킬 수 있지만 제품의 무게가 목재에 비해 월등하게 높아지는 문제가 생기게 된다.

일반적으로, 목재소재로부터 분쇄된 가장 미세한 목질재료는 목섬유(wood fiber)와 목분(wood flour)으로 나누어지며, 본 발명에서는 치수 안정화를 위해 목질재료 중의 수분을 완전히 배제시키는 방법과 제품생산의 편의성 및 품질, 재료비 등의 측면을 고려한 결과, 목분(wood flour)을 주원료로 하는 것이 WPC 제품생산에 가장 적합하다는 점에 착안하여 연구를 진행하였다. 한편, 목분(wood flour)보다 가공하기 어려운 목섬유(wood fiber)는 우수한 복합재료로 사용될 수 있지만 충진재보다는 강화재로 사용하는 것이 더욱 바람직하고 가공상의 어려움도 있는 것으로 조사되었다.

현재까지 일반 목재 또는 방부목 등을 대체하기 위한 합성목재에 관한 기술이 많이 개발되고 있는데, 본 발명과 관련하여 대한민국 등록특허공보 제10-0446710호(김태홍)에서는 수분 함수율 2% 미만인 목분에 PVC, PET, PP, PE 및 ABS 수지 중에서 선택한 1종의 수지와 접착제를 혼합, 압출제조된 합성목재수지 펠렛을 입자크기 60메쉬 이상으로 분쇄하는 공정; 분쇄된 조성물에 접착제를 첨가하여 교반하는 공정; 핫 프레스 작업을 위한 모형에 상기 교반된 조성물을 두께 기준 20∼40% 가하고, 그 위에 대나무 발 및 목제 합판으로 구성된 그룹 중 1종을 위치시키며, 그 위에 상기 교반된 조성물을 두께 기준 20∼40% 가하여 100톤 이상의 압력 및 열을 가하는 핫프레스 공정; 변형 방지를 위한 냉각공정이 순차적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 합성목재를 이용한 건축용 패널 제조방법으로서, 이는 목분과 수지와 접착제를 포함하는 LVB(Laminated Veneer Board)로 이용되고 있다.

또한, 동 등록특허공보 제10-0886838호(주식회사 간삼파트너스 종합건축사사무소)를 보면, 폐가구, 폐목재 및 간벌의 목분, 또는 MDF재의 파쇄물을 파쇄기를 사용하여 준비한 후, 함유 수분을 12중량% 이하로 건조하고, 상기 목분 또는 파쇄물을 페놀수지레진에 함침하되, 상기 목분 또는 파쇄물과 페놀수지레진 전체 중량을 기준으로 상기 페놀수지레진을 10 ~ 20중량%로 하고, 상기 목분 또는 파쇄물과 페놀수지레진을 90 ~ 100℃에서 가열하여 프리프레그를 형성한 뒤, 상기 프리프레그에 올레핀계열의 발포PE, 발포PP 또는 EVA 발포성 파쇄재의 어느 하나 이상을 5 ~ 10mm 크기로 각각 또는 혼합 분쇄하여, 전체 중량대비 10 ~ 20중량%로 압출기에서 블렌딩하여 압출하는 것을 특징으로 하는 목분 및 목재파쇄물 등의 프리프레그를 이용한 우드칩을 기재하고 있으나, 이는 프리프레그에 발포성 파쇄재를 5 ~ 10mm 크기로 분쇄하여 혼합함에 따르는 제조공정상의 문제점이 큰 것으로 예상된다.

또한, 동 등록특허공보 제10-1062659호(주식회사 와이디티 외1)는 대나무를 절단하고 분쇄하여 대나무 목분을 제조하는 제1단계; 상기 제조된 대나무 목분을 이황화탄소(CS₂)로 반응시켜 셀룰로오스 섬유를 추출하는 제2단계; 상기 셀룰로오스 섬유를 수산화나트륨 수용액으로 1 ~ 5회 세척에 의해 중화 및 탈황을 한 후, 수분 함유량이 8% 이하가 되도록 건조하는 제3단계; 상기 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, HDPE 수지 20 ~ 40중량%, 및 자외선 안정제, 난연제, 결합제, 대전방지제, 가소제, 충진제, 산화방지제, 착색제, 윤활제, 열안정제, 항균제 중에서 1종 이상 함유하는 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%를 혼합하여 복합재료를 형성하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료의 제조방법을 개시하고 있는바, 이는 대나무 목분에서 셀룰로오스 섬유를 이황화탄소(CS₂)으로 추출함에 따르는 인체에 대한 유독성과 환경적인 문제점을 안고 있다.

그리고 동 등록특허공보 제10-1077253호(주식회사 백향우드)에서는 항균제, 나노 미립자 티타니아 광촉매 및 활석의 분말을 혼합하되, 항균제 : 활석 : 나노 미립자 티타니아 광촉매를 중량비로 1 : 0.1 ~ 1 : 0.1 ~ 1의 비율로 혼합하는 단계; 상기 혼합물 0.01 ~ 15중량% 및 잔량으로서 열경화성수지 분말을 혼합하여 원료혼합물을 준비하는 단계; 상기 원료 혼합물을 섬유상으로 제조하고, 열경화시킨 후 비활성 분위기에서 탄화시켜 탄소섬유를 제조하는 단계; 제조된 탄소섬유를 활성탄소섬유로 활성화시키는 단계; 건조된 목분 50 ~ 60중량%, 열가소성 수지 30 ~ 40중량%, 활성탄소섬유 1 ~ 5중량%, 첨가제 5 ~ 10중량%를 100 ~ 300℃에서 혼합하는 단계; 혼합된 반죽을 압출시켜 성형된 합성목재를 제조하는 단계를 포함함으로써 항균성이 우수하고 휨강도가 증가되도록 하였다.

한편, 본 발명에서는 기존의 합성목재 생산방법에 대한 제반 장단점을 연구한 결과, 별도의 경화제를 첨가하지 않고서도 기계적 강도와 내수성 및 난연성이 우수한 경량의 합성목재(WPC)를 제조하는 기술을 개발하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-0446710호(공고일자 2004년09월07일) 대한민국 등록특허공보 제10-0886838호(공고일자 2009년03월04일) 대한민국 등록특허공보 제10-1062659호(공고일자 2011년09월06일) 대한민국 등록특허공보 제10-1077253호(공고일자 2011년10월27일)

본 발명은 목분과 액상 페놀수지를 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성하고, 이에 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액을 혼합함으로써 유동성이 우수하여 각종 성형가공법으로 다양한 종류의 합성목재 제품을 제조하기에 적합하며, 또한 경량이면서 기계적 물성과 내수성, 난연성이 우수한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법 및 그로부터 성형된 합성목재를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법은, 목분 60 ~ 70중량부와 액상 페놀수지 30 ~ 40중량부를 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성한 후, 상기 목분 프리프레그(prepreg) 80 ~ 95중량%에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액 5 ~ 20중량%를 혼합하고 성형하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 목분은 50 ~ 200메쉬(mesh)의 평균입도를 가지며, 상기 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액은 톨루엔, 크실렌, 아세톤 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 유기용매 100중량부에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 40 ~ 50중량부의 비율로 용해시켜 1.02 ~ 1.13g/㎤의 밀도를 갖는 것으로, 상기 합성목재는 압축, 사출, 압출 중에서 선택되는 성형가공법으로 성형되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법은 목분과 액상 페놀수지를 혼합하여 반경화상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성하고 이에 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액을 혼합함으로써 유동성이 우수하기 때문에 각종 성형가공법을 통해 다양한 종류의 합성목재 제품을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 제조방법으로 성형된 합성목재는 별도의 경화제를 포함하지 않으면서도 기계적 물성, 내수성, 난연성이 탁월한 경량의 합성목재 제품을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 폐기되는 목재소재와 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 재활용할 수 있어 환경에 친화적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 WPC 공시체에 대한 난연성 시험을 실시하는 상태를 나타내는 실물사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 WPC 공시체에 대한 난연성 시험을 실시한 후의 상태를 나타내는 실물사진이다.

이하에서는 본 발명에 의한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법에 관하여 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법은, 목분 60 ~ 70중량부와 액상 페놀수지 30 ~ 40중량부를 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성한 후, 상기 목분 프리프레그(prepreg) 80 ~ 95중량%에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액 5 ~ 20중량%를 혼합하고 성형하면 된다.

일반적으로, 목분(wood flour)의 특징은 유리섬유 등에 비해 쉽게 구할 수 있어 가격 경쟁력이 있으며, 재활용이 가능하고 밀도가 낮아 경량이면서 열전도성이 매우 낮다. 또한 NaOH를 사용하여 표면 개질이 가능하고 성형가공이 용이하여 WPC 용도에 적합하다. 이러한 WPC는 인장

압축강도와 같은 기계적 특성은 일반 목재소재와 비교할 수 없을 정도로 우수하다.

종래에는 열가소성 수지에 충진재로 톱밥, 펄프 분쇄 잔류물, 나무껍질, 과일껍질, 사탕수수 찌꺼기, 짚, 옥수수대, 대나무 등을 다양하게 혼합하여 기계적 물성과 계면 결합력을 연구한 보고서들이 많이 있었으며, 이러한 충진재로 사용한 목질재료는 친수성으로 결합제인 수지와의 결합력이 낮아 물성이 저하되고 수지와의 분리현상이 있어 목질재료와 수지와의 결합력을 증진시키기 위해 커플링제(coupling agent)를 사용하기 시작하였다. 현재까지 알려진 커플링제는 주로 무수 말레인산(Maleic anhydride)을 사용하여 이들을 복합재의 혼합단계에서 표면 처리하면서 기재와 보강재의 계면 결합력을 증가시키는 방법이 있고, 무수 말레인산과 실란 커플링제를 개시제인 벤조일 퍼옥사이드(Benzoyl peroxide)와 같이 사용하여 결합력을 높이는 방법도 보고되고 있다.

또한, 결합제로 많이 사용되는 폴리올레핀계 열가소성 수지는 낮은 가격, 높은 강직성, 우수한 열안전성, 높은 용융온도 등의 장점을 가지고 있는 고분자로서, 목분과 고분자간의 상호작용을 통해 복합재료의 성능을 향상시키기 위한 많은 연구가 행해져 왔으나, 본 발명에서는 친수성인 목분과 친화성이 좋은 열경화성 수지인 페놀수지(Phenol resin)를 사용하여 프리프레그(prepreg)를 형성함과 동시에, 이에 열가소성 수지인 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액을 혼합함으로써 원료의 유동성을 증대시켜 성형가공시의 편의성과 제품의 특성을 향상시키고자 한다.

상기 페놀수지(Phenol resin)는 페놀과 포름알데히드의 축합반응에 의해 합성되는 수지로서, 베이클라이트(Bakelite)라는 상품명으로 불리어지고 있다. 페놀수지의 생성은 부가반응과 축합반응의 조합으로 이루어지는데, 페놀과 포르말린을 단순히 혼합하여 가열하는 것만으로는 반응이 늦기 때문에 촉매로써 산 또는 염기를 소량 가하여 반응시킨다. 그러나 첨가하는 촉매의 종류에 따라서 반응의 진행상황이 변화하고 생성되는 수지의 성질이 대폭 달라진다. 더욱이 원료의 배합비나 사용하는 페놀의 종류 등을 바꾸면 수지의 성상을 폭넓게 조정할 수 있는 것이 페놀수지가 갖는 큰 특징 중의 하나이다.

예컨대, 산을 촉매로 하여 페놀을 과잉 몰비로 반응시키면 부가보다도 축합쪽의 반응속도가 크기 때문에 노볼락(Novolak)이라 불리는 안정된 열가소성 수지가 얻어지고, 염기촉매에서는 부가반응쪽이 우세로 진행되기 때문에 포르말린을 과잉하게 배합하면 열경화성의 레졸(Resol)을 얻을 수 있다. 이 레졸을 가열하여 축합을 진행시킨 것을 레지톨(Resitol)이라고 하며, 다시 축합이 진행되어 불용불융의 상태가 된 것을 레지트(Resite)라고 한다.

본 발명에서는 목분 60 ~ 70중량부와 액상 페놀수지 30 ~ 40중량부를 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성하며, 상기 목분의 평균입도는 50 ~ 200메쉬(mesh) 정도의 범위를 갖는 것이 액상 페놀수지와의 혼련성과 분산성이 우수하여 제품의 불량을 방지할 수 있다. 이를 위해 상기 목분은 용도에 따라 입도 50 ~ 200메쉬(mesh) 이내의 분말을 선별하고 약 105℃의 온도에서 건조시켜 함수율 10중량% 이내의 전건상태(oven dried condition)로 유지하는 것이 WPC 제품의 품질을 극대화할 수 있다.

상기 충진재로 사용되는 목분은 PE, PP, PVC, PA, PET 등과 같은 열가소성 수지와의 결합력이 낮아 목분과 수지와의 결합력을 증진시키기 위해서는 커플링제(coupling agent)를 사용하지만, 본 발명에서는 목분에 대해 혼화성이 좋은 액상 페놀수지를 이용하여 목분 프리프레그(prepreg)를 형성함으로써 WPC의 촉감을 양호하게 하고 제품의 비중을 낮추는 역할을 하게 된다.

그러나 목분이 상기 함량의 범위를 초과할 경우에는 목분 프리프레그(prepreg)가 오히려 WPC 제품의 인장강도를 감소시키는 현상을 발생시킬 가능성이 있다. 이는 친수성 목분과 소수성 페놀수지와의 높은 혼화성에도 불구하고 계면 결합력이 다소 약화되어 목분이 액상 페놀수지에 대하여 충분한 보강재 역할을 못하고 WPC 내에서 불순물로 작용하게 되기 때문이다.

상기 액상 페놀수지는 입도 50 내지 200메쉬(mesh)로 된 목분과 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태로 프리프레그(prepreg)를 형성하는 것이 공정상 바람직하며, 이에 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해한 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액을 혼합하고 제품 규격에 맞는 금형을 이용하여 고온고압으로 성형함으로써 상기 액상 페놀수지는 레지트(Resite) 상태로 완전경화된 WPC 제품이 얻어진다. 이때, 상기 목분 프리프레그(prepreg) 80 ~ 95중량%에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액 5 ~ 20중량% 범위로 혼합하는 것이 WPC 제품의 비중, 기계적 강도, 내수성, 난연성을 적합하게 유지할 수 있다.

상기 폴리스틸렌 발포체(EPS), 이른바 스티로폼(Styrofoam)은 주택의 벽이나 천장의 보온재, 완충재 등으로 많이 쓰이는 발포 플라스틱의 일종으로서, 폴리스티렌수지에 발포제(열을 가하면 분해되어 거품을 발생하는 약품)를 더하여 스펀지처럼 만들어서 굳힌 것으로 건축자재, 포장재 등으로 많이 쓰이고 있다. 그러나 이러한 스티로폼의 재활용에는 많은 장애가 따르는데, 특히 스티로폼 분쇄의 경우에는 스티로폼이 가지고 있는 발포기공으로 인하여 중량에 비해 부피가 너무 커서 분쇄기 내의 투입이 어려우며, 일차 분쇄된 후에도 배출이 잘되지 않고 분쇄기 내에 축적되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 용해시켜서 WPC 원료의 유동성을 적합하게 유지하였는데, EPS를 용해하기 위한 유기용매는 구체적인 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 수많은 실험을 통해 톨루엔, 크실렌, 아세톤 중에서 선택되는 어느 1종 단독 또는 2종 이상을 복합 사용하는 것이 EPS 용해액을 대량으로 생산하기에 적합하고 이를 함유하여 성형되는 WPC 제품의 특성도 우수한 것으로 판명되었다.

상기 EPS 용해액을 제조하는 공정은 냉각장치가 있는 탱크(tank)에서 유기용매 100중량부에 대하여 EPS 파쇄물 40 ~ 50중량부 비율로 용해하여 밀도 1.02 ~ 1.13g/㎤의 EPS 용해액을 제조하며, 상기 EPS 용해액의 밀도가 너무 높으면 높은 점도로 인하여 이에 혼합되는 목분 마스터배치가 뭉쳐져 분산성이 저하되며, EPS 용해액의 밀도 및 점도가 너무 낮으면 WPC의 내수성이나 강도가 저하된다. 상기 용해탱크는 모터에 전원을 인가하여 회전체를 20 ~ 40분간 50 ~ 60rpm의 속도로 회전시키면서 용해시킴으로써 회전체의 배출구를 통하여 EPS 용해액이 원활하게 배출된다.

상기와 같이 제조되는 EPS 용해액은 목분 프리프레그(prepreg) 80 ~ 95중량%에 대하여 5 ~ 20중량%의 비율로 혼합한 다음, 별도의 경화제를 포함하지 않고서도 품질이 우수한 WPC 제품을 얻을 수 있다. 이때, 필요에 따라 UV 안정제, 산화방지제, 안료 등의 첨가제를 적정량 부가할 수도 있다.

상기 EPS 용해액은 함량이 증가될수록 WPC의 휨강도와 표면경도가 높아짐과 동시에 내수성도 좋아진다. 그러나 EPS 용해액의 함량이 20중량%를 초과할 경우, 성형시의 강한 열이나 압력에 의해 EPS 용해액이 점성상태로 용출됨으로 인하여 WPC의 휨강도와 표면경도가 급격하게 떨어지며, 또한 방수성이 떨어짐에 따라 WPC가 팽윤되어 KS F 3230 기준에 벗어날 우려가 있다(한국표준에는 두께 6%, 질량변화율 8% 이하로 규정하다가 2013년 12월에 질량변화율 8% 이하로 개정됨).

본 발명은 상기와 같은 EPS 용해액으로 인하여 종래의 각종 합성수지 발포체를 분쇄하여 사용함에 따르는 성형가공상의 문제점과 WPC 제품의 불량을 해소하였으며, 상기 EPS 용해액은 원료의 유동성을 증가시켜 원하는 제품의 종류에 따라 압축, 사출, 압출 등과 같은 다양한 성형가공법을 선택하여 성형할 수 있음은 물론 이를 칩(chip)이나 펠릿(pellet)과 같은 중간재 형태로 가공할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의해 제조되는 목분 프리프레그를 이용한 합성목재는 수많은 실험을 거쳐 완성되었으나, 이하에서는 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

[실시예]

(목분 프리프레그 형성)

목분(wood flour)은 105℃의 건조기에서 중량이 변하지 않을 때까지 수분을 완전히 건조시키고 100메쉬체를 사용하여 불순물을 제거하며, 상기 목분 60 ~ 70중량부에 대하여 pH 7.5 ~ 8, 고형분 함량 55%인 페놀수지 30 ~ 40중량부를 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태로 목분 프리프레그(prepreg)를 형성하였다.

(EPS 용해액 제조)

냉각장치가 있는 배치 탱크(batch tank)에서 크실렌 용매 100중량부에 대하여 80 ~ 100배율로 발포된 EPS 파쇄물을 40 ~ 50중량부 용해시켜서 1.02 ~ 1.13g/㎤ 정도의 밀도를 갖는 EPS 용해액을 제조하였다.

(WPC 공시체 제조)

상기 목분 프리프레그 80 ~ 95중량%에 대하여 폴리스틸렌 용해액을 5중량%부터 20중량%까지 4단계로 구분하여 혼합한 다음, 핫프레스(hot press) 금형으로 110 ~ 130Kg/㎠의 압력 및 80 ~ 100℃의 온도로 성형하여 WPC 공시체(250㎜

150㎜

150㎜)를 제조하였다.

[실험예 1]

상기 실시예에 따라 제조된 WPC 공시체에 대하여 일반 목재(Wood), MDF(Medium Density Fiberboard), 파티클보드(PB), 합판(Plywood 12T)을 대조군으로 하여 밀도, 휨강도, 표면경도, 수분흡수율 등을 아래와 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과에 대한 평균치를 [표 1]에 나타내었다.

- 밀도

상기 WPC 공시체 및 대조군의 밀도는 무게와 넓이, 길이, 두께를 측정하여 밀도를 수치화하고, 각각의 밀도에 대한 평균값을 구하였다.

- 휨강도

상기 WPC 공시체 및 대조군의 휨강도 시험은 KS F 2208에 의거하여 3-point bending test를 실시하고 만능재료시험기를 이용하여 측정하였으며, 시험편의 치수는 16㎜(L)

10㎜(R)

10㎜(T)로 재단하였고, Span은 140㎜, 하중속도는 3㎜/min로 휨강도 측정을 실시하였다.

- 표면경도

상기 WPC 공시체 및 대조군의 표면경도 시험은 KS F 2212에 의해 만능강도시험기(HOUNSFIELD TEST EQUIPMENT LTD, H50K-S)를 이용하여 브리넬경도를 측정하였다. 경도 측정용 시험편의 치수는 10㎜(L)

10㎜(R)

40㎜(T)이며, 각 조건 당 5개의 시험편을 이용하여 브리넬경도를 측정하였다. 브리넬경도의 측정방법은 직경(D) 10㎜인 쇠구슬을 0.5㎜/min의 하중속도로 압입깊이 h(㎜)가 1/π㎜(약 0.32㎜)까지 쇠구슬을 압입시키고 이때의 하중 P(N)을 측정하였다. 한 시험편 당 5곳의 표면경도를 측정하여 평균값을 구하였다.

- 수분흡수율

상기 WPC 공시체 및 대조군의 치수 안정성 시험은 KS F 32304에 의거한 흡수시험을 실시하여 수분흡수율을 측정하였다. 시험편을 100℃ 물에 5시간 침지시킨 다음, 온도 20

2℃인 물에 침지하여 20분간 방치한 후, 표면의 물기를 완전히 제거하고 두께변화율 및 질량변화율을 측정하였다.

구분	밀도 (g/㎤)	휨강도 (N/㎟)	표면경도 (N/㎟)	수분흡수율 (두께, %)	수분흡수율 (질량, %)
실시예	1.03	56.00	7.0	5	7
Wood	0.45	5.00	0.57	15	15
MDF	0.6	6.00	0.95	25	25
PB	0.72	16.00	2.88	12	12
Plywood 12T	0.5	22.00	2.42	13	13

상기 [표 1]에서와 같이, 상기 실시예에 의한 WPC 공시체의 밀도(비중)은 1.03g/㎤로서, 기존 목재-플라스틱 복합재(WPC)의 밀도가 1.2g/㎤ 이상인 경우와 비교하여 약 20% 이상 경량이고, 상기 대조군보다 휨강도, 표면경도 등 모든 기계적 물성도 탁월하다는 사실을 확인하였다. 또한, 상기 WPC 공시체는 EPS 용해액이 5 내지 20중량% 범위로 함유되어 내수성의 특성이 우수함으로 인하여 한국표준규격에 의한 수분흡수율의 품질기준(KS F 3230)인 질량변화율 8.0%를 만족하였으며, 두께변화율도 6.0% 이하라는 사실을 확인하였다.

[실험예 2]

- 못뽑기 저항

상기 실시예에 따라 제조된 WPC 공시체에 대하여 대조군인 Wood, MDF, PB, Plywood 등과 비교 실험하기 위해 5㎜

45㎜

15㎜의 크기로 시험편을 각각 5개씩 준비하여 시료의 표면에 직경 2.5㎜, 길이 50㎜ 일반못을 대각선의 교차점에 1개씩 10㎜ 깊이로 박아 만능강도시험기를 이용하여 2㎜/min 하중 속도로 못뽑기 저항시험을 하였다. 못뽑기 저항력은 못을 박은 후의 경과시간에 크게 영향을 받기 때문에 못을 박은 후 바로 시험을 실시하고, 그 결과에 대한 평균치를 [표 2]에 나타내었다.

구분	못뽑기 저항(N/㎟)
실시예	30.44
Wood	16.77
MDF	5.67
PB	13.77
Plywood	16.4

상기 [표 2]에서와 같이, 못뽑기 저항은 일반 목재나 MDF, PB, Plywood 등에 적용이 가능하나, 기존의 WPC는 일반못을 사용하면 갈라지는 결점이 있어 점차 나사못으로 대체되고 있다. 따라서 기존 WPC를 시공하기 위해서는 드릴작업 후에 나사못을 체결하기 때문에 작업성이 불량하고 이에 따른 시공비가 상승되지만 실시예에 따라 제조된 WPC 공시체는 기존 WPC는 물론 대조군보다 못뽑기 저항에 관한 기계적 물성이 매우 우수하므로 작업성 및 설치 안정성이 양호하다는 사실을 확인하였다.

[실험예 3]

- 난연성

상기 실시예에 따라 제조된 WPC 공시체는 KS F 2819의 4.2의 A법에 따라 기건상태(air dried condition)인 시험체를 50

2℃의 온도에서 48시간 동안 건조시킨 다음, 이것을 실리카겔을 넣은 데시케이터 안에 24시간 동안 방치하고 5분간 가열하였으나, 상기 WPC 공시체는 탄화자국만 발생되고 착화가 되지 않았다([도 1], [도 2]의 실물사진 참조). 한편, WPC의 난연성 인증기준을 보면, 시험체에 토치로 점화하여 2분간 유지한 후 시험체에 생긴 탄화길이가 20㎝ 이하이고 불이 붙은 시험체이면 불꽃은 10초 이내 꺼져야 하므로 상기 WPC 공시체는 난연성 기준요건에 부합하였다.

상기 시험결과에서와 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 목분 프리프레그를 이용한 합성목재는 목분과 액상 페놀수지를 혼합하여 반경화상태의 목분 프리프레그를 형성하고, 이에 열가소성인 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 EPS 용해액을 혼합하여 성형하기 때문에 경량이면서 각종 기계적 물성과 내수성, 난연성 등의 물성이 일반 목재나 기존의 방법으로 만든 MDF(Medium Density Fiberboard), 파티클보드(PB), 합판(Plywood)보다 탁월하며, 또한 기존 WPC에서 목분과 결합제의 불균일한 배합으로 야기되는 기계적 물성 저하 등의 단점을 해결하였다.

따라서 본 발명의 제조방법에 의한 목분 프리프레그를 이용한 합성목재는 별도의 경화제를 첨가하지 않고 다양한 종류의 제품을 각종 성형가공법에 맞추어 용이하게 제조할 수 있는 것으로, 이는 건축용 내외장재, 주택용 지붕 및 펜스(fence), 야외용 벤치(bench), 산책로의 바닥재, 데크(deck), 파고라(pergola), 테라스(terrace), 거푸집용 판재, 각종 시설물이나 화물차 및 컨테이너의 바닥재 등에 적용될 수 있는 친환경 소재로서, 다양한 용도와 형태로 사용되어 질 수 있다.

Claims

50 ~ 200메쉬(mesh)의 평균입도를 갖는 목분 60 ~ 70중량부와 액상 페놀수지 30 ~ 40중량부를 100 ~ 120℃의 온도에서 혼합하여 반경화상태인 레지톨(Resitol) 상태의 목분 프리프레그(prepreg)를 형성한 후,
상기 목분 프리프레그(prepreg) 80 ~ 95중량%에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 유기용매에 용해시킨 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액 5 ~ 20중량%를 혼합하고 성형하되,
상기 폴리스틸렌 발포체(EPS) 용해액은 톨루엔, 크실렌, 아세톤 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 유기용매 100중량부에 대하여 폴리스틸렌 발포체(EPS)를 40 ~ 50중량부의 비율로 용해시켜 1.02 ~ 1.13g/㎤의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 합성목재는 압축, 사출, 압출 중에서 선택되는 성형가공법으로 성형되는 것을 특징으로 하는 목분 프리프레그를 이용한 합성목재의 제조방법.
제1항 및 제4항 중 어느 한 항의 제조방법으로 성형된 목분 프리프레그를 이용한 합성목재.