KR102260113B1 - 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 친환경 합성 목재 조성물, 그 제조 방법, 친환경 합성 목재, 및 그 제조 방법 - Google Patents

바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 친환경 합성 목재 조성물, 그 제조 방법, 친환경 합성 목재, 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR102260113B1 KR1020200000512A KR20200000512A KR102260113B1 KR 102260113 B1 KR102260113 B1 KR 102260113B1 KR 1020200000512 A KR1020200000512 A KR 1020200000512A KR 20200000512 A KR20200000512 A KR 20200000512A KR 102260113 B1 KR102260113 B1 KR 102260113B1
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Abstract

본 발명은 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제로서, 상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며, 여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr), MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및 D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)인, 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 이를 포함하는 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 석유계 고분자를 이용하지 않고 비석유계 고분자인 바이오매스 기반 고분자를 이용하므로 친환경적이고, 성형성, 압축 강도, 충격 강도가 향상된 친환경 합성 목재를 제공할 수 있으며, 천연 목재와 유사한 합성 목재를 제공하므로 상품성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 합성 목재는 재활용 가능하다.

Description

바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 친환경 합성 목재 조성물, 그 제조 방법, 친환경 합성 목재, 및 그 제조 방법{COMPATIBILIZER FOR ENVIRONMENT-FRIENDLY COMPOSITE WOOD COMPOUND, ENVIRONMENT-FRIENDLY COMPOSITE WOOD COMPOUND, MANUFACTURING METHOD THEREOF, ENVIRONMENT-FRIENDLY COMPOSITE WOOD, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 친환경 합성 목재 조성물, 그 제조 방법, 친환경 합성 목재, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
천연 목재(이하, 단순하게 '목재')는 주로 건축재로 사용된다.
목재는 돌이나 흙과 같이 인류가 오래 전부터 계속하여 사용하고 있는 매우 친숙한 자재이다.
목재는 유기물로 구성되어 있는 천연 자재이다.
목재는 단위 중량에 비해 단위 강도가 높다.
또한, 목재는 단위 중량에 대한 압축 강도 역시 높다.
더욱이, 목재는 가공이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
또한, 목재는 목재가 가지고 있는 나무결의 느낌과 인체가 닿을 때 주는 촉감이 좋아서 선호하는 자재이다.
무엇보다 목재는 다양한 색상과 문양, 특유의 향기를 가지고 있어 인류 생활에 활력소와 함께 친근감까지 주는 자재이다.
그런데, 목재는 사용 시간이 길어짐에 따라서 생물 분해나 내수성, 내열성, 난연성, 항균성 등이 악화되는 문제가 있다.
예컨대, 야외 등지에서 비바람 등에 노출되는 경우에 수분 등에 의한 갈라짐과 같은 내수성의 악화가 우려된다.
더욱이, 화재 등에 견딜 수 있는 척도로서의 내열성/난연성의 악화, 목재 내의 항균성의 악화 등은 피할 수 없는 현상이다.
이와 같은 현상을 적극적으로 예방하기 위해는 열악한 환경의 야외에서 사용되는 목재에 대해서 방부 처리와 같은 별도의 처리를 행할 필요가 있다.
또한, 목재는 수요가 꾸준하며 최근 급증되는 추세에 따라서 조림이나 벌목에 들어가는 비용이 증가하고 있다.
더군다나 조림에서부터 벌목에 들어가는 시간 비용 역시 만만치 않다.
이에 이들 단점을 극복할 수 있는 기존의 천연 목재를 대체할 수 있는 자재에 대한 수요가 있었다.
기존 천연 목재에 대한 대체 수요로는, 예컨대, 합성 목재가 있다.
합성 목재는 내구성과 내수성이 일반 목재에 비해 우수하다.
또한, 외부 자극이나 상술한 기후와 같은 환경 요인에 따른 내수성 등의 특성도 우수하다.
더욱이, 변형이나 갈라짐 등에 대한 저항성이 높으므로, 치수 안정성이 탁월하다는 장점이 있다.
더욱이, 합성 목재는, 그 용도에 따라서 다른 색상을 사용하여 고급스러운 마감이 가능하다.
특히, 합성 목재는, 상술한 별도의 방부 처리가 없어도 미생물이나 흰개미 등에 의한 피해를 초래하지 않아 선호된다.
즉, 내구성의 측면에서 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이와 같은 우수한 특성을 지닌 합성 목재는 목분과 열가소성 수지를 혼합한 다음 펠릿(pellet) 형상으로 압출 또는 사출 성형하여, 최종적으로 원하는 형태의 형상으로 성형하고 있다.
그러나, 이와 같이 하여 얻어지는 합성 목재는 석유계 고분자, 즉 통상의 열가소성 수지를 이용하고 있어, 사용 후 폐기 시, 환경에 나쁜 영향을 미치고 있다.
열가소성 수지는 가열에 의해 그 형상을 바꿀 수 있으므로 다양한 형태로 성형할 수 있다는 점에서는 매우 유용하다고 하지만, 폐목재에 혼합된 열가소성 수지는 자연 환경에서 쉽게 분해되지 않는다는 문제가 있다.
따라서, 기존에 사용되고 있는 열가소성 수지와 같은 석유계 고분자를 이용하지 않는 비석유계 고분자, 특히 미생물에 의해서 분해될 수 있는 바이오매스 기반 고분자를 이용한 친환경적인 합성 목재에 대한 수요가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1360938호(2014.02.21. 공고)
본 발명의 목적은 석유계 고분자를 이용하지 않고 비석유계 고분자, 즉 바이오매스 기반 고분자를 이용하는 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 친환경 합성 목재 조성물, 그 제조 방법, 친환경 합성 목재, 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 성형성이 뛰어난 친환경 합성 목재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압축 강도가 향상된 친환경 합성 목재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 충격 강도가 향상된 친환경 합성 목재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 천연 목재와 유사하고 상품성이 매우 우수한 합성 목재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 재활용이 가능한 친환경 합성 목재를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 통상의 기술자라면 이하의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제로서,
상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며,
여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr),
MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및
D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)이고,
상기 바이오 수지는 PLA인,
바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제를 제공한다.
또한, 본 발명은,
원목 또는 목재칩을 분쇄하여 얻은 목분 50 ~ 70 중량%;
폴리 락틱 애시드(PLA, poly lactic acid) 10 ~ 20 중량%;
충전제 3 ~ 8 중량%;
상용화제 2 ~ 5 중량%;
윤활제 1 ~ 5 중량%;
자외선(UV) 안정제 0.1 ~ 1 중량%; 및
산화 방지제 0.3 ~ 1 중량%;를 포함하며,
상기 상용화제는 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제이며, 상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며,
여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr),
MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및
D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)이고,
상기 바이오 수지는 PLA인,
친환경 합성 목재 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 친환경 합성 목재 조성물의 제조 방법으로서,
상기 원목 또는 목재칩을 분쇄하여 목분을 얻는 단계;
상기 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제를 투입하는 단계; 및
상기 목분과 상기 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제를 혼련하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 친환경 합성 목재 조성물의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물을 포함하며,
압출하여 펠릿 상태로 얻어진 상기 친환경 합성 목재 조성물이 성형된 것을 특징으로 하는, 친환경 합성 목재를 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 친환경 합성 목재 조성물을 포함하는 친환경 합성 목재의 제조 방법으로서,
상기 친환경 합성 목재 조성물을 펠릿 형상으로 압출하는 단계; 및
압출된 상기 펠릿 형상의 친환경 합성 목재 조성물을 소정의 형상으로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 친환경 합성 목재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 석유계 고분자를 이용하지 않고 비석유계 고분자인 바이오매스 기반 고분자를 이용하므로 친환경적인 합성 목재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 성형성이 뛰어난 친환경 합성 목재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 압축 강도와 충격 강도 및 굴곡 강도가 우수한 친환경 합성 목재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 내수성이 향상된 친환경 합성 목재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 천연 목재와 유사한 합성 목재를 제공하여 해당 합성 목재의 친환경적인 상품성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명에 따르면, 산업 쓰레기를 감소시킬 수 있도록 재활용이 가능한 친환경 합성 목재를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 다른 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 제조 방법을 설명한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 있어서, 개시제와 MA(Maleic acid)의 첨가량을 다르게 하였을 때의 MI(Melt index)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 있어서, 개시제와 MA의 함량비는 일정하게 유지하고 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량을 다르게 하였을 때의 MI의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 있어서, 개시제와 MA의 함량비는 일정하게 유지하고 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량을 다르게 하였을 때의 그라프트율(grafting yield)의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저 도 1의 공정 흐름도를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 제조 방법을 설명하기로 한다.
본 발명은,
원목 또는 목재칩을 분쇄하여 얻은 목분 50 ~ 70 중량%;
폴리 락틱 애시드(PLA) 10 ~ 20 중량%;
충전제 3 ~ 8 중량%;
상용화제 2 ~ 5 중량%;
윤활제 1 ~ 5 중량%;
자외선(UV) 안정제 0.1 ~ 1 중량%; 및
산화 방지제 0.3 ~ 1 중량%;를 포함하며,
상기 상용화제는 극성기가 도입된 바이오 수지;를 포함하며,
상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며,
여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr),
MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및
D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)이고,
상기 바이오 수지는 PLA인,
친환경 합성 목재 조성물을 제공한다.
본 발명의 PLA-g-MA는 적당한 MI(Melt index)와 MA(Maleic acid) 극성기의 그라프트율(grafting yield)을 갖도록 제작된다.
상기 PLA-g-MA에 대해서는 이하에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 친환경 합성 목재 조성물은, 다르게 표현하면, 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물이다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 친환경 합성 목재 조성물을 제공하기 위해서는, 먼저, 상용화제를 제작한다(단계 S100).
상용화제를 제작하는 이유는, 목분과 폴리 락틱 애시드(PLA)를 단순 혼합하여서는 이들의 결합이 제대로 이루어지지 않기 때문이다.
즉, 상술한 친환경 합성 목재 조성물을 제공하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제를 제조하였으며, 이 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제로서,
극성기가 도입된 바이오 수지;를 포함하며,
상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며,
여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr),
MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및
D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)이고,
상기 바이오 수지는 PLA인,
바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제를 제조하였다.
상술한 PLA는 천연 자원으로부터 유래한 바이오 수지이며, 이 PLA를 포함해줌으로써 압축 및 충격 강도 등의 물리적 특성이 개선될 수 있다.
PLA를 사용하면, 물리적 특성이 개선될 뿐만 아니라 바이오매스 기반의 바이오 플라스틱을 이용하기 때문에 제품의 친환경성을 도모할 수 있으며, 따라서 최종 제품의 상품성도 극대화될 수 있다.
또한, PLA는 통상의 플라스틱과는 달리 자연 환경에 노출되었을 때 물과 이산화탄소로 쉽게 분해될 수 있는 안전하고 친환경적인 소재이다.
상술한 PLA를 제조하는 방법은 다음의 제조 공정 프로세스에 의해서 달성될 수 있다.
[PLA의 제조 공정 프로세스]
Figure 112020000379229-pat00001
상기 제조 공정 프로세스에 있어서, 각각의 구조식이나, 축합, 개환, 촉매(catalyst), 가열(heat) 등의 구성에 대해서는 통상의 기술자라면 잘 알 것이라고 판단하므로 추가적인 설명은 생략한다.
다만, 상기 제조 공정 프로세스의 가장 우측의 구조식으로부터, PLA는 관능기, 예컨대, C=O를 가지고 있어 자연에서의 분해가 가속화될 수 있으며, 열 가공 특성이 우수할 뿐만 아니라 자연에서의 분해성이 뛰어나서 친환경 소재 중에서도 선호되는 소재이다.
또한, PLA는 인체에 무해하다는 장점도 가지고 있어, 특히 유아 등의 접촉에도 안전하다는 장점을 가지고 있다.
PLA는 물에 의해 가수 분해되어 저분자화 된 이후 미생물에 의해 분해된다.
한편, PLA의 원료가 되는 단위체로서의 젖산(Lactic acid)은 식물로부터 얻어지는 설탕, 전분을 발효나 화학적 방법을 이용해 얻을 수 있다.
바람직하게는 환경 친화적 발효법을 통해 L형 Lactic acid(Poly L-Lactic Acid, PLLA)를 99.5 %의 순도로 얻을 수 있다.
참고로, PLA의 다른 형태로는 PDLA(Poly D-Lactic Acid)가 있으나 물리적 화학적으로 PDLA와 PLLA의 성질은 서로 동일하다.
추가적으로, PLA는 광택이 있으며, 자외선(UV)에 강하며, 투명도가 우수할 뿐만 아니라, 무향이고, 저렴하다는 특징도 있다.
상기 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제에 대해서 설명하기 전에 상기 상용화제의 등급에 대해서 설명한다.
본 발명에서 사용한 상용화제의 등급은, 바람직하게는, 다음 기호와 같이 나타낼 수 있다.
InMAmDo
여기에서, I는 개시제(Initiator)의 함량(phr)(단위: n)을 나타내며, 상기 개시제로서는 Perkadox®14를 사용할 수 있다.
Perkadox®14는 천연 고무나 합성 고무 뿐만 아니라 각종 수지의 혼합을 위한 개시제로 사용된다.
본 발명에서 사용한 Perkadox®14는, 아크조노벨(Akzonobel)에서 상업적으로 시판 중인 Perkadox® 14인 것이 바람직하다.
상기 Perkadox® 14는 Di(tert-butylperoxyisopropyl) benzene으로 PK-14로도 불리기도 하며, 반감기(half-life)가 15 초(190 ℃)이고, 자유 래디컬 개시자(initiator)로 사용될 수 있다.
또한, MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr)(단위: m)을 나타낸다.
또한, D는 DVB(디비닐벤젠, Divinyl Benzene)의 함량(phr)(단위: o)을 나타낸다.
DVB는 대한민국 삼천 케미컬(SAMCHUN CHEMICALS)에서 시판 중인 이 작용기 개질제(bifunctional modifier)이다.
상기한 함량을 나타내는 phr은 영어 명칭인 parts per hundred resin의 머릿 글자를 딴 약자이다.
Phr은 투입한 고분자(예컨대, PLA) 100 단위 중량에 대한 첨가되는 첨가제(예컨대, 개시제 및/또는 DVB)의 중량을 의미한다.
통상의 기술자라면 해당 기호의 의미를 잘 알 것이므로 추가적인 설명은 생략한다.
상기한 DVB는 분자량 120.19, 무색 ~ 담황색의 투명 액체, 인화점 74 ℃인 특성을 가지고 있고, C10H10으로 표시할 수 있다.
한편, 상용화제는, 예컨대, 이축 압출기(twin screw extruder)를 사용하여 제조될 수 있다.
압출기는, 예시적으로, 165 내지 190 ℃의 온도 범위 내에서, 스크류 회전 속도 150 rpm에서 동작할 수 있다.
이와 같은 온도 조건 및 회전 속도는 목분과 상용화제 등의 최적 혼련 및/또는 압출을 위한 것으로 상기한 범위 내에서 동작하는 것이 바람직하다.
다음으로, 이렇게 제조한 상용화제와, PLA, 목분, 첨가제를 혼련한다(단계 S200).
이 때 이축 압출기(twin screw extruder)를 사용하여 상기한 상용화제와 함께 혼련과 동시에 압출하여 친환경 합성 목재 조성물을 제조한다.
목분은 원목 또는 목재칩을 분쇄하여 얻을 수 있으며, 목분의 입자 크기는, 예컨대, 10 메쉬에서 200 메쉬 사이, 특히 40 메쉬 내지 100 메쉬 인 것이 바람직하다.
목재칩을 사용하는 경우 목분의 입자 크기 조절이 더욱 용이하게 되므로, 원하는 상품성을 얻기가 용이할 수 있다.
목분의 입자 크기가 상술한 40 메쉬 내지 100 메쉬의 사이즈를 초과하면 추가 분쇄 과정을 거쳐서 소정 입자 크기를 갖도록 분쇄하는 것이 바람직하다.
압출되는 친환경 합성 목재 조성물은 펠릿 형태인 것이 바람직하다.
이는 압출기에서 배출되는 친환경 합성 목재 조성물을 그대로 이용하는 것에 비해서, 향후 친환경 합성 목재 제조에 있어서 더 많은 유연성을 제공할 수 있기 때문에, 펠릿 형태로 압출되는 것이 바람직하다.
마지막으로, 이렇게 하여 제조한 친환경 합성 목재 조성물을 압출 성형하여 친환경 합성 목재를 제조한다(단계 S300).
즉, 본 발명에 따른 친환경 합성 목재 조성물을 포함하는 친환경 합성 목재는 친환경 합성 목재 조성물을 펠릿 형상으로 압출하는 단계와 압출된 펠릿 형상의 친환경 합성 목재 조성물을 소정의 형상으로 성형하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이, 펠릿 형태로 압출되어 배출되는 친환경 합성 목재 조성물을 이용하여 친환경 합성 목재를 제조할 수 있으며, 이 친환경 합성 목재의 제조 방법은 상술한 본 발명에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제를 사용한 친환경 합성 목재 조성물을 사용한다면 통상의 기술자에게 알려진 방법이라면 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.
예컨대, 목분과 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제 등을 배합하고 압출하는 구성은 통상의 방법과 장치를 사용하여 수행될 수 있으며, 필요에 따라서 본 발명의 친환경 합성 목재의 표면에 적절한 표면 처리를 행할 수도 있으며, 이와 같은 것은 임의의 방법에 따라서 수행되어도 좋다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예
본 발명의 바람직한 방법에 따른 친환경 합성 목재를 얻기 위해서 먼저 그 선결 과제로서 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제를 먼저 제작하였다.
상용화제는, 상술한 바와 같이, 바이오 수지인 PLA(폴리 락틱 애시드)와 목분의 결합을 촉진하기 위해서 사용되는 것이다.
상용화제는 적절한 MI(Melt index)와 MA(Maleic acid, 말레산) 극성기의 그라프트율(grafting yield)을 갖는 것이 바람직한 바, 본 발명의 발명자들은 최적을 조성을 찾아냈다.
본 발명에서 사용한 PLA는 네이처 워크스(Nature Works)에서 시판 중인 Ingeo 4032D 등급(grade)의 폴리 락틱 애시드(poly-lactic acid, PLA)를 사용하였다.
상기 PLA의 물성은 MI가 7 g/10 min(210 ℃, 2.16 kg)로 알려져 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 사용한 상용화제는 극성기가 도입된 바이오 수지이며, 본 발명에서 사용한 상용화제의 등급은 다음 기호와 같이 나타낼 수 있다.
InMAmDo
여기에서, I는 개시제(Initiator)의 함량(phr)(단위: n),
MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr)(단위: m), 및
D는 DVB(디비닐벤젠, Divinyl Benzene)의 함량(phr)(단위: o).
본 발명에 따른 PLA-g-MA의 제조 공정 프로세스는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[PLA-g-MA의 제조 공정 프로세스]
Figure 112020000379229-pat00002
상기 PLA-g-MA의 제조 공정 프로세스에 있어서, 각각의 구조식은 통상의 기술자라면 잘 알 것이라고 판단하므로 추가적인 설명은 생략한다.
다만, 본 발명에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제는, 예컨대, 이축 압출기(twin screw extruder)를 사용하여 제조될 수 있다.
바람직하게는, 165 내지 190 ℃의 온도 범위 내에서, 스크류 회전 속도 150 rpm에서 동작시켰다.
이와 같은 제조 공정에 의해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제를 얻었다.
제조예 1
먼저, I01MA1를 제조하였다.
즉, 개시제와 MA를 함량별로 다르게 혼합하여 상용화제를 제조하였다.
본 제조예 1의 각 조성은 도 2에 나타낸 바와 같을 수 있다.
도 2는 본 발명에 있어서, 개시제와 MA(Maleic acid)의 첨가량을 다르게 하였을 때의 MI(Melt index)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 개시제가 증가할수록 라디칼 생성이 많아지므로 그라프트율(Grafting Yield)이 증가(도 2의 우측 참조)하지만 반면에 사슬 절단(Chain scission)도 많이 발생하여 사슬 단위가 짧아지므로, MI가 증가하는 경향(도 2의 좌측 참조)을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이때, MI가 감소하는 것은 베타 절단(β-scission)되어 분자가 저분자가 되어서 유동성이 증가하기 때문이다.
또한, MA가 증가할수록 라디칼과 반응할 수 있는 기회가 증가하기 때문에 그라프트율도 증가하게 된다.
제조예 2
다음으로, I01MA1D3을 제조하였다.
즉, 개시제와 MA 및 DVB를 모두 혼합하였다.
개시제와 MA의 함량비를 일정하게 유지하고, DVB의 함량을 증가시킨 경우에 대해서 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 있어서, 개시제와 MA의 함량비는 일정하게 유지하고 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량을 다르게 하였을 때의 MI의 변화를 보여주는 그래프이다.
또한, 도 4는 본 발명에 있어서, 개시제와 MA의 함량비는 일정하게 유지하고 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량을 다르게 하였을 때의 그라프트율(grafting yield)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3에 따르면, I03MA1의 가교제로서 DVB를 각각 1 ~ 3 phr 넣었을 때 MI는 감소하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4에 따르면, 그라프트율(grafting yield)은 증가하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 있어서, 목분이 50 내지 70 중량%, 바람직하게는 60 중량% 이상 투입되므로, 상술한 MI가 너무 높으면 높은 토크(torque)가 걸려서 합성 목재의 제작에 어려움이 있으므로, 작업의 용이함을 위해서, 적절한 MI 값을 채용할 필요가 있다.
마찬가지로, 적절하게 높은 그라프트율을 감안하여, 본 발명에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제로 I03MA1D2를 최적의 상용화제로 선택하였다.
이때 적절한 MI의 선택은 본 발명에서 사용하는 바이오 수지로서의 PLA의 MI와 유사하다는 점에 착안하였음을 알아야 한다.
실시예 1 내지 5
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제(즉, I03MA1D2)를 사용하여 실제 실시예 1 내지 5의 친환경 합성 목재를 제작하였다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 원목 또는 목재칩을 분쇄하여 얻은 목분 60 중량%를 먼저 준비하였다.
또한, 바이오매스 기반 바이오 플라스틱으로서의 폴리 락틱 애시드(PLA)는 10 ~ 40 중량%를 준비하였다.
또한, 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제로서의 상용화제는 5 ~ 30 중량%를 준비하였다.
기타, 충전제, 윤활제, 자외선(UV) 안정제, 및 산화 방지제는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 적절하게 가감할 수 있는 용량을 투입하였다.
충전제로는 탈크(talc)를 사용하였으며, 3 ~ 8 중량%를 투입하였다.
윤활제는 1 ~ 5 중량%를 투입하였다.
자외선(UV) 안정제는 0.1 ~ 1 중량%를 투입하였다.
마지막으로, 산화 방지제는 0.1 ~ 1 중량%를 투입하였다.
이때, 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제로는 I03MA1D2를 사용하였고, Mw와 MA가 모두 높아지도록(즉, high MW & high MA) 친환경 합성 목재를 제작하였다.
상술한 바와 같이, 첨가제로서, 0.2 중량%의 산화 방지제(즉, 열 안정제)를 첨가하였다.
이 산화 방지제는 본 발명에 따른 친환경 합성 목재의 제조 과정에서의 열적 안정성을 높이기 위해서 첨가되는 것이지만, 최종 제작된 친환경 합성 목재의 내후성 강화에도 기여할 수 있음을 알아야 한다.
본 발명에 있어서, Mw는 중량 평균 분자량(Weight Average Molecular Weight)을 의미한다.
또한, 본 발명에 있어서, MA는, 상술한 바와 같이, MA(Maleic acid)의 첨가량을 의미한다.
실시예 1 내지 실시예 5의 각 조성은, 하기 표 1의 상단부에 PLA, PLA-g-Ma, 목분(Wood powder)으로 각각 나타낸 바와 같다.
실시예 6 내지 9
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제(즉, I03MA1D0)를 사용하여 실시예 1 내지 5와 유사한 실시예 6 내지 9의 친환경 합성 목재를 제작하였다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실시예 6 내지 9의 친환경 합성 목재의 첨가 비율은 상술한 실시예 1 내지 5와 대부분 동일하게 하였다.
실시예 6 내지 9의 목분은 실시예 1 내지 5와 동일한 목분을 사용하였지만, Mw는 낮아지도록 하고 MA는 높아지도록(low Mw & high MA), 즉, I03MA1D0의 상용화제를 사용하였다.
첨가제로서, 산화 방지제 역시 실시예 1 내지 5와 동일하게 첨가하였다.
실시예 6 내지 실시예 9의 각 조성은, 하기 표 2의 상단부에 PLA, PLA-g-Ma, 목분(Wood powder)으로 각각 나타낸 바와 같다.
실험례
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제(즉, I03MA1D2)를 사용하여 제작된 각각의 합성 목재에 대해서 KS F 3230 기준에 기초하여 각종 물성에 대해서 평가하였다.
KS F 3230 기준에 따르면, 합성 목재의 평가를 위해서는, 예컨대, 비중, 최대 굴곡 하중(N), 굴곡 크리프 변형(%), 충격 저항성, 충격 강도(Charpy impact)(kJ/m2), 뒤틀림성(%), 내후성, VOCs 방출량 등에 대해서도 시험해야 하나, 본 발명에서는 이들 중에서 가장 대표적인 합성 목재의 물성으로 볼 수 있는 굴곡 강도(kgf/cm2), 충격 강도(Impact Strength)([J/m]), 그리고 내수성(%)을 측정하였다.
각각의 물성에 대한 평가 결과를 이하의 표 1(실시예 1 내지 5) 및 표 2(실시예 6 내지 9)에 나타낸다.
Sample 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
PLA 40 35 30 20 10
PLA-g-MA (I03MA1D2)
(high Mw & high MA)		 0 5 10 20 30
Wood powder 60 60 60 60 60
굴곡 강도 (kgf/cm2) 611 700 720 725 712
Impact Strength [J/m] 280 343 351 357 352
내수성 (%) 7.47 4.98 4.99 4.98 4.91
상기 표 1에서, 실시예 1은 40 중량%의 PLA, 60 중량%의 목분(Wood powder)을 포함하고 있으며, PLA-g-MA(구체적으로는, I03MA1D2)는 포함하고 있지 않다.
유사하게, 실시예 2는 35 중량%의 PLA, 5 중량%의 PLA-g-MA, 60 중량%의 목분을 포함하고 있다.
이하 실시예 3 내지 5도 동일한 방식으로 해당 조성을 이해할 수 있다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, I03MA1D2의 PLA-g-MA(즉, 높은 분자량 및 높은 MA기를 갖는 상용화제)를 사용하여 친환경 합성 목재를 제작하는 경우, PLA-g-MA 함량이 증가할수록 굴곡 강도가 증가하는 것을 알 수 있다.
마찬가지로, 충격 강도 또한 PLA-g-MA 함량이 증가할수록 유사하게 증가하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.
이는 PLA보다 극성기가 도입된 PLA-g-MA(상용화제)가 친수성 목분에 좀 더 잘 결합하여 발생하는 현상이라고 판단된다.
그러나, 이 상용화제의 함량이 증가한다고 하여도 굴곡 강도와 충격 강도가 지속적으로 증가하지는 않는 것을 알 수 있다.
즉, 극성기를 갖는 PLA-g-MA가 일정량 투입되기만 하면 굴곡 강도와 충격 강도가 증가함을 의미한다.
따라서, 본 발명에 있어서 상용화제는 과량 투입하지 않아도 소정의 굴곡 강도와 충격 강도를 얻는데 충분한 5 중량% 이하 투입하는 것이 경제적인 측면에서 바람직하다.
또한, 내수성 역시 본 발명에 따른 상용화제(PLA-g-MA)가 투입되기만 하면 극적으로 향상됨을 알 수 있으며, 그 투입 함량이 증가한다고 하더라도 내수성의 향상 효과가 증가하지는 않았다.
이는, 본 발명에 따른 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제가 친수성 목분 주변을 코팅하고, 더 나아가서 PLA가 2 중 차단하고 있기 때문에 목분의 수분 흡수율이 개선되어 내수성의 극적인 향상 효과가 일어나지 않았다고 판단된다.
따라서, 내수성의 측면에 대해서도 상술한 소정의 굴곡 강도와 충격 강도를 얻기 위한 상용화제의 투입량과 마찬가지로 5 중량% 이하의 상용화제를 투입하는 것이 바람직하다.
Sample 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9
PLA 35 30 20 10
PLA-g-MA (I03MA1D0)
(low Mw & high MA)		 5 10 20 30
Wood powder 60 60 60 60
굴곡 강도 (kgf/cm2) 630 630 580 570
Impact Strength [J/m] 292 299 297 282
내수성 (%) 5.01 5 4.97 5
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 6 내지 9는 I03MA1D0의 PLA-g-MA(즉, 낮은 분자량 및 높은 MA기를 갖는 상용화제)를 사용하여 친환경 합성 목재를 제작하였다.
표 2로부터, 본 실시예 6 내지 9의 경우, 실시예 1 내지 5와 달리, 굴곡 강도의 증가 비율이 낮으며, 충격 강도 역시 획기적으로 증가하지 않는 것을 알 수 있다.
즉, 실시예 6 내지 9에서도 상용화제를 실시예 1 내지 5에서와 동일한 비율로 첨가하고 있지만, 친환경 합성 목재의 물성에 대한 영향은 상용화제의 분자량에 영향(즉, high Mw)을 받는 것을 알 수 있으며, 이로써 굴곡 강도와 충격 강도의 기계적 물성에 영향을 미치는 인자로는 분자량이 매우 중요함을 알 수 있다.
이는, 실시예 6 내지 9의 경우에 있어서도, 실시예 1 내지 5에서와 마찬가지로, 극성기를 갖는 PLA-g-MA가 일정량 투입되기만 하면 굴곡 강도와 충격 강도가 증가함을 의미한다.
따라서, 본 발명에 있어서 상용화제는, 실시예 1 내지 5와 관련하여 설명한 바와 같이, 과량 투입하지 않아도 소정의 굴곡 강도와 충격 강도를 얻는데 충분한 5 중량% 이하 투입하는 것이 경제적인 측면에서 바람직하다.
내수성 역시 실시예 1 내지 5에서와 마찬가지로 PLA-g-MA가 투입되기만 하면 매우 향상되며, 상용화제의 투입량이 증가하더라도 내수성에는 거의 변화가 없었다.
이는 본 발명에 따른 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제가, 실시예 1 내지 5에서와 마찬가지로, 친수성 목분 주변을 코팅하고, 더 나아가서 PLA가 2 중 차단하고 있기 때문에 목분의 수분 흡수율이 개선되어 내수성의 극적인 향상 효과가 일어나지 않았다고 판단된다.
따라서, 내수성의 측면에 대해서도 상술한 실시예 1 내지 5에서와 마찬가지로 5 중량% 이하의 상용화제를 투입하는 것이 바람직하다.
지금까지 본 발명에 따른 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제, 친환경 합성 목재 조성물, 그 제조 방법, 친환경 합성 목재, 및 그 제조 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라 이 청구 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 청구 범위에 의하여 나타내어지며, 그 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100 : 상용화제 제작
S200 : PLA, 상용화제, 목분, 첨가제를 혼련
S300 : 친환경 합성 목재 조성물 성형

Claims (5)

  1. 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제로서,
    상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며,
    여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr),
    MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및
    D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)이고,
    상기 바이오 수지는 PLA인,
    바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물용 상용화제.
  2. 원목 또는 목재칩을 분쇄하여 얻은 목분 50 ~ 70 중량%;
    폴리 락틱 애시드(PLA) 10 ~ 20 중량%;
    충전제 3 ~ 8 중량%;
    상용화제 2 ~ 5 중량%;
    윤활제 1 ~ 5 중량%;
    자외선(UV) 안정제 0.1 ~ 1 중량%; 및
    산화 방지제 0.1 ~ 1 중량%;를 포함하며,
    상기 상용화제는 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제이며,
    상기 극성기는 I03MA1D2로 표시되는 PLA-g-MA인 것을 특징으로 하며,
    여기에서, I는 Perkadox®14의 함량(phr),
    MA는 말레산(Maleic acid)의 함량(phr), 및
    D는 가교제인 DVB(Divinyl Benzene, C10H10)의 함량(phr)인,
    친환경 합성 목재 조성물.
  3. 청구항 2의 친환경 합성 목재 조성물의 제조 방법으로서,
    상기 원목 또는 목재칩을 분쇄하여 목분을 얻는 단계;
    상기 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제를 투입하는 단계; 및
    상기 목분과 상기 극성기가 도입된 바이오 수지용 상용화제를 혼련하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    친환경 합성 목재 조성물의 제조 방법.
  4. 청구항 2의 바이오매스 기반 바이오 플라스틱을 이용한 친환경 합성 목재 조성물을 포함하며,
    압출하여 펠릿 상태로 얻어진 상기 친환경 합성 목재 조성물이 성형된 것을 특징으로 하는,
    친환경 합성 목재.
  5. 청구항 2의 친환경 합성 목재 조성물을 포함하는 친환경 합성 목재의 제조 방법으로서,
    상기 친환경 합성 목재 조성물을 펠릿 형상으로 압출하는 단계; 및
    압출된 상기 펠릿 형상의 친환경 합성 목재 조성물을 소정의 형상으로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    친환경 합성 목재의 제조 방법.
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