KR102215280B1 - 향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재 - Google Patents

Abstract

향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재가 개시된다.
본 발명의 일례에 의한 향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물은 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 목분 100 내지 300 중량부 및 폐탄소섬유 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진다.

Description

향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재{COMPOSITION FOR WOOD PLASTIC COMPOSITES WITH IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES AND WOOD PLASTIC COMPOSITES USING THE COMPOSITION}

본 발명은 합성목재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐탄소섬유를 첨가함으로서 경제성도 만족하면서 종래에 비하여 향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재에 관한 것이다.

최근 들어 천연목재가 가지고 있는 장점을 지니면서도 천연목재의 단점을 개선한 합성목재(WPC: Wood Plastic Composites)의 사용이 증가하고 있다. 이는 천연 자원의 고갈에 따른 대체 자원 개발 요구 및 환경 문제에 대한 관심이 증가하고 있는 현실을 반영한 것이기도 하며, 현재 합성목재는 외장재, 내장재, 데크, 울타리, 방음벽 등의 건축자재로 주로 활용되고 있다.

최근까지 알려진 합성목재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 열가소성 수지에 목분을 혼합하여 제조하는 형태 또는 열가소성 수지에 목분 및 무기 필러를 함께 혼합하여 제조하는 형태이며, 기타 첨가제로서 결합제, UV안정제, 착색제 등이 추가로 사용되기도 한다. 또한, 제조되는 합성목재에 특별한 기능을 부여 또는 강화시키기 위하여 특정한 성분을 첨가하기도 한다.

상기 열가소성 수지에 목분을 혼합하여 제조하는 형태에서 상기 목분은 주로 목재 가공공정 등에서 발생하는 폐목재를 활용하여 자원의 재활용 효율을 높이기도 하며, 상기 열가소성 수지에 목분을 혼합하여 제조되는 합성목재의 가장 큰 단점은 원하는 정도의 기계적 물성을 만족하지 못하는 것이다. 이를 개선하기 위하여 열가소성 수지에 목분과 더불어 금속 또는 광물 등의 무기 필러를 함께 혼합하여 제조하는 방식이 제안되었는데, 이는 기계적 물성을 어느 정도 만족시킬 수 있으나, 제조 및 가공이 어렵고 제조되는 합성목재의 단위 부피당 중량이 무거워 사용상 제약이 따르는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-0978759호(2010. 08. 30 공고)

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래에 비하여 기계적 물성이 향상된 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 제조 및 가공이 용이하고 단위 부피당 중량이 가벼워 사용이 용이한 합성목재를 제조할 수 있는 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 상술한 것에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일례에 따른 합성목재 제조용 조성물은 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 목분 100 내지 300 중량부 및 폐탄소섬유 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 의한 합성목재 제조용 조성물은 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 결합제 5 내지 20 중량부를 더 포함할 수 있다.

상기 폐탄소섬유는 불소 가스와 반응시켜 그 표면에 불소 관능기가 도입되어 있는 것일 수 있다.

상기 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기를 도입하는 과정은, 반응기에 폐탄소섬유를 투입한 상태에서 불소 가스 또는 불소 가스와 비활성 가스의 혼합가스를 투입하여 이루어지며, 반응기 내의 불소 가스의 압력 또는 반응기 내의 불소 가스의 부분압이 0.1 내지 1 bar인 범위에서 0.1 내지 1시간 동안 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 합성목재 제조용 조성물을 이용하여 성형되는 것을 특징으로 하는 합성목재를 제공한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의할 경우, 종래에 비하여 기계적 물성이 향상된 합성목재를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의할 경우 종래에 비하여 합성목재의 제조 및 가공이 용이하며, 단위 부피당 중량이 무거워 사용상 제약이 따르던 종래의 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 것에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 합성목재를 제조하기 위한 Hot Press 장비를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 합성목재를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 합성목재의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 합성목재의 굴곡강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하는 것을 의미할 수 있다.

본 발명은 종래에 비하여 향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 합성목재에 관한 것이다.

본 발명의 발명자들은 향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재를 연구하는 과정에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자들에게 알려지지 않은 특정 성분을 첨가하여 합성목재를 제조할 경우, 종래에 비하여 기계적 물성이 향상되면서도 용이하게 합성목재를 제조할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명에 의한 합성목재는 외장재, 내장재, 데크, 울타리, 방음벽 등의 건축자재에 적합하게 사용할 수 있으나, 본 발명에 의한 합성목재의 용처가 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명은 향상된 기계적 물성을 갖는 합성목재 제조용 조성물을 제공하는데, 본 발명의 일실시예에 따른 합성목재 제조용 조성물은 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 목분 100 내지 300 중량부 및 폐탄소섬유 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진다.

상기 열가소성 수지는 베이스 수지로 작용하며, 열가소성 수지로 알려진 어떠한 것을 사용하여도 무방하다. 매우 다양한 열가소성 수지 중에서 경제성 및 범용성 등을 만족시키기 위해서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 열가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하나, 본 발명에서의 열가소성 수지가 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 목분은 목재 가공공장에서 발생하는 부산물인 톱밥 또는 폐목재를 분쇄한 것을 사용하는 것이 자원의 재활용이라는 측면과 경제성 측면에서 유리하다.

상기 목분은 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 100 내지 300 중량부가 홉합되는 것이 바람직한데, 목분의 혼합량이 상기 하한치 미만일 경우에는 제조되는 목분의 함량이 미미하여 제조되는 합성목재의 질감의 구현이 어려울 수 있으며, 목분의 혼합량이 상기 상한치를 초과할 경우에는 열가소성 수지와 목분의 박리 현상이 발행하여 고품질의 합성목재를 제조하지 못할 우려가 있어 바람직하지 않다.

또한, 상기 목분은 자연상태에서 다량의 수분을 함유하고 있으므로 건조로에서 함수율이 2 내지 5wt%가 되도록 건조하여 사용하는 것이 합성목재의 품질을 향상시키는데 유리하다.

또한, 상기 목분은 입자크기가 50 내지 150메쉬(mesh)인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 목분의 입자 크기가 50메쉬 미만이면 혼합성이 저하될 우려가 있고, 150메쉬를 초과하게 되면 입자가 너무 작아 제조되는 합성목재의 기계적 강도를 저하시킬 우려가 있어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명에 의한 합성목재 제조용 조성물은 폐탄소섬유를 포함한다.

상기 폐탄소섬유는 탄소섬유 제조과정에서 발생하는 불량품이나 폐기되는 탄소섬유 등이 사용될 수 있으며, 폐탄소섬유를 사용함으로서 경제성을 만족시키면서도 종래에 비하여 향상된 기계적 물성을 구현할 수 있게 된다.

상기 폐탄소섬유는 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 5 내지 50 중량부가 혼합되는 것이 바람직한데, 폐탄소섬유의 혼합량이 상기 하한치 미만일 경우에는 폐탄소섬유의 함량이 미미하여 합성목재의 기계적 물성이 향상되는 효과가 미미할 우려가 있어 바람직하지 않고, 폐탄소섬유의 혼합량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 과도한 폐탄소섬유의 함량으로 분산성이 저하되어 제조되는 합성목재의 기계적 물성이 오히려 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.

또한, 상기 폐탄소섬유는 불소 가스와 반응시켜 그 표면에 불소 관능기가 도입되어 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

불소 가스와의 반응을 통하여 그 표면에 불소 관능기가 도입된 폐탄소섬유를 사용하게 되면, 열가소성 수지 및 목분과의 분산성 및 결합력이 증가하게 되고, 따라서 제조되는 합성목재의 기계적 물성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

상기 불소 가스는 순수한 불소 및 불소가 포함된 다양한 재료로부터 도입이 가능하며, 일례로 불소, 삼불화붕소, 삼불화질소 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 즉 본 명세서에서 지칭하는 불소 가스는 순수한 불소 가스 및 불소를 포함하는 다양한 물질을 지칭하는 개념이다.

상기 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기를 도입하는 과정은 원치않는 부반응을 최소화하기 위하여 반응기에 비활성가스를 주입하고 배기하는 과정을 수회 반복한 이후에 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기를 도입하는 과정은 반응기 내 불소 가스의 압력이 0.1 내지 1 bar인 범위에서 0.1 내지 1시간 동안 이루어질 수 있다. 또한, 상기 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기를 도입하는 과정은 비활성 가스와 불소 가스의 혼합가스를 이용한 상태에서 이루어질 수도 있으며, 이 경우 불소 가스의 부분압 역시 0.1 내지 1 bar의 범위인 것이 바람직하다.

상기 불소 가스의 압력(또는 부분압) 및 반응 시간이 상기 하한치 미만일 경우에는 폐탄소섬유에 불소 관능기의 도입이 미흡할 우려가 있어 바람직하지 않고, 불소 가스의 압력(또는 부분압) 및 반응 시간이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 상한치의 경우와 도입되는 불소 관능기의 양이 별반 차이가 없고, 오히려 과불소화로 인하여 탄소섬유에 원치 않는 구조 변형이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명에 의한 합성목재 제조용 조성물은 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 결합제 5 내지 20 중량부를 더 포함할 수 있다.

상기 결합제는 열가소성 수지와 목분 및 폐탄소섬유의 결합력을 향상시키기 위하여 사용하는 것으로서 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 다양한 것이 사용될 수 있으며, 실란 수지, 무수말레인산 변성 수지, MAPP(maleated polypropylene) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 것을 사용할 수 있으나, 본 발명에서의 결합제가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 상기 합성목재 제조용 조성물을 이용하여 성형되는 합성목재를 제공한다.

이하, 실시예 및 시험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 : 합성목재의 제조

폴리에텔렌, 목분, 폐탄소섬유 및 결합제를 혼합하여 교반한 다음, 도 1에 도시한 Hot Press 장비에서 성형하여 합성목재를 제조하였다.

이때, Hot Press 장비에서의 가공조건은 150℃, 100bar, 15분이었다.

목분은 목재가공공장에서 발생하는 톱밥을 이용하여 함수율이 3wt%가 되도록 건조하였고, 평균 입자크기가 80 내지 120메쉬인 것을 사용하였다.

폐탄소섬유는 ZOLTEK사에서 공급하는 것을 사용하였고, 결합제로는 MAPP(maleated polypropylene)를 사용하였다.

이때, 폴리에틸렌 : 목분 : 폐탄소섬유 : 결합제의 비율을 100 : 200 : 10 : 10으로 하였고, 이를 실시예 1로 선정하였다.

또한, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 거치되 폐탄소섬유을 비율을 30으로 하여 합성목재를 제조하였고, 이를 실시예 2로 하였다.

또한, 불소 가스와 반응시켜 표면에 불소 관능기를 도입한 폐탄소섬유를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 비율 및 과정을 거쳐 합성목재를 제조하였고, 이를 실시예 3으로 하였다. 불소 관능기의 도입은 불소 가스와 질소 가스의 혼합 가스를 사용하되, 불소 가스의 부분압이 0.5 bar인 조건에서 30분간 수행하였다.

비교예

폐탄소섬유를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 비율(폴리에틸렌 : 목분 : 결합제 = 100 : 200 : 10) 및 과정을 거쳐 합성목재를 제조하였고, 이를 비교예 1로 하였다.

또한, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 거치되 폐탄소섬유을 비율을 60으로 하여 합성목재를 제조하였고, 이를 비교예 2로 하였다.

표면 형상

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 의하여 제조된 합성목재의 사진을 촬영하여 이를 도 2에 나타내었다.

또한, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 의하여 제조된 합성목재의 표면형상을 주사전자현미경(field-emission scanning electron microscope, FE-SEM, Hitachi, S-8230)을 이용하여 촬영하였고, 이를 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, 실시예 1에 의한 합성목재는 폴리에틸렌에 목분과 폐탄소섬유가 고르게 분산되어 있음을 알 수 있었다.

또한, 실시예 1과 동일한 비율로 및 과정을 거치되 불소 가스와 반응시켜 표면에 불소 관능기를 도입한 폐탄소섬유를 사용한 실시예 3의 경우도 폐탄소섬유가 고르게 분산되어 있음을 알 수 있었다. 실시예 1과 실시예 3을 비교하여 보면, 실시예 3의 경우가 목분과 폐탄소섬유가 보다 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있는데, 이는 폐탄소섬유에 도입된 불소 관능기의 작용에 의한 것으로 판단된다.

또한, 실시예 2의 경우 실시예 1 및 실시예 3에 비해서는 조금 떨어지기는 하나 비교적 폐탄소섬유가 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 폐탄소섬유를 사용하지 않고 목분만을 이용하여 합성목재를 제조한 비교예 1의 경우도 목분이 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.

반면, 폐탄소섬유의 함량이 높은 비교예 2의 경우는 폐탄소섬유가 고르게 분산되지 않고 일부분씩 뭉쳐있는 것을 확인할 수 있었다.

굴곡강도 시험

상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 2에 의하여 제조된 합성목재를 대상으로 굴곡강도를 측정하여 이를 하기의 표 및 도 4에 나타내었다.

굴곡강도는 KS F 3230의 규정에 따라 시험 및 측정하였다.

상기 표 및 도 4를 참조하면, 폐탄소섬유를 함유하여 제조된 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 2에 의한 합성목재가 폐탄소섬유를 함유하지 않은 비교예 1에 비하여 모두 굴곡강도가 높게 측정되었다. 따라서 폐탄소섬유를 첨가하여 합성목재를 제조할 경우 기존의 목분만을 이용하여 합성목재를 제조하는 경우에 비하여 기계적 물성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

실시예 1 및 실시예 2와 비교예 2를 비교하여 보면, 비교예 2에 의한 합성목재의 굴곡강도가 현저히 떨어지는 것으로 측정되었는데, 이는 앞서 도 3 관련 부분에서 서술하였듯이 폐탄소섬유가 고르게 분산되지 않고 뭉쳐져 있음으로 인하여 crack의 원인이 되며, stress를 효과적으로 분산시키지 못하여 굴곡강도가 저하된 것으로 판단된다.

또한, 동일한 비율이 포함되되 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기를 도입하지 않은 합성목재인 실시예 1과 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기가 도입된 실시예 3을 비교하여 보면, 실시예 3에 의한 합성목재의 굴곡강도가 높음을 알 수 있었다. 이는 폐탄소섬유의 표면에 도입된 불소 관능기의 작용에 의하여 열가소성 수지 및 목분과 폐탄소섬유의 분산성 및 결합력이 증가하였기 때문으로 판단된다.

이상의 결과로부터 폐탄소섬유를 첨가하여 합성목재를 제조할 경우 기존의 목분만을 이용하여 합성목재를 제조하는 경우에 비하여 기계적 물성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었고, 또한 폐탄소섬유에 불소 관능기를 도입함으로써 합성목재의 기계적 물성을 보다 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

지금까지, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 목분 100 내지 300 중량부 및 불소 가스와 반응시켜 그 표면에 불소 관능기가 도입되어 있는 폐탄소섬유 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어지는 합성목재 제조용 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   열가소성 수지 100 중량부를 기준으로 결합제 5 내지 20 중량부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 합성목재 제조용 조성물.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 폐탄소섬유의 표면에 불소 관능기를 도입하는 과정은,
   반응기에 폐탄소섬유를 투입한 상태에서 불소 가스 또는 불소 가스와 비활성 가스의 혼합가스를 투입하여 이루어지며,
   반응기 내의 불소 가스의 압력 또는 반응기 내의 불소 가스의 부분압이 0.1 내지 1 bar인 범위에서 0.1 내지 1시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 합성목재 제조용 조성물.
   
5. 제1항, 제2항, 제4항 중에서 선택된 어느 한 항에 의한 합성목재 제조용 조성물을 이용하여 성형되는 것을 특징으로 하는 합성목재.

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