KR102660288B1 - 셀룰로오즈 나노섬유를 포함하는 천연섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 천연섬유 및 폴리프로필렌의 상용성이 효과적으로 개선된 천연섬유강화 복합재료에 관한 것으로, 구체적으로는 셀룰로오즈 나노섬유가 수분산된 코팅액을 제조하여 이를 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트에 코팅 또는 함침시켜 제조된, 기계적 물성이 우수하고 경량화된 천연섬유강화 복합재료에 관한 것이다.
Description
본 발명은 셀룰로오즈 나노섬유를 포함하는 천연섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업에서 연비개선을 위한 경량화 소재 개발 및 환경오염 예방을 위한 바이오 또는 천연소재를 이용하여 재활용이 가능한 섬유강화 복합소재 개발이 활발히 이루어지고 있다. 구체적으로 내열 및 강성이 우수한 천연섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등의 보강 섬유에 낮은 비중에 의한 경량화 및 우수한 가공성을 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 저융점 폴리아미드, 저융점 폴리에스테르 등의 열가소성 유기섬유를 함침 또는 적층시켜 경량화된 섬유강화 복합소재를 제조하여 자동차 내장재용으로 사용하고 있다.
대한민국 등록특허 10-2045225에서는 케나프(Kenaf)섬유에 저융점 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리프로필렌 및 고탄성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중공섬유를 혼합 및 열압착하여 경량화된 섬유강화 복합재료를 제조하였으나, 제조공정이 복잡하고, 열가소성 고분자와 케나프 천연섬유의 상용성이 좋지 않아 제조된 복합재료의 기계적 물성을 개선하는데 한계가 있다.
이에 상기 열가소성 고분자와 케나프 천연섬유의 상용성을 개선시키기 위하여 실란계 커플링제를 첨가하기도 하는데, 이를 통해 열가소성 고분자와 천연섬유의 상용성을 다소 개선시켰지만, 오히려 펠트에 첨가된 바인더의 역할에 방해가 되어 충격강도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 제조방법이 간편하며, 열가소성 고분자와 천연섬유의 상용성이 좋아 인장강도 등과 같은 기계적 물성이 우수하고, 경량화된 친환경적인 섬유강화 복합재료에 대한 연구개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트 및 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층;을 포함하는 천연섬유강화 복합재료를 제공하는 것이다.
구체적으로 본 발명의 목적은 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함함으로써 상기 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트의 기계적 물성을 향상시키는 동시에, 상기 천연섬유 및 폴리프로필렌의 상용성을 효과적으로 개선하여 기계적 물성이 우수하고, 경량화된 천연섬유강화 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트의 종방향이 이루는 각도가 45°이상이 되도록 펠트를 다층으로 적층하고, 각 펠트의 표면에 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층으로 코팅된 천연섬유강화 복합재료를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 셀룰로오즈 나노섬유가 수분산된 코팅액을 제조하여 이를 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트에 코팅 또는 함침하는 단계를 포함함으로써, 비교적 간편하게 천연섬유강화 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트 및 상기 펠트의 표면에 위치하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하는 천연섬유강화 복합재료를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 평균길이 600 내지 3000 ㎚, 평균종횡비 50이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 표면이 소수성으로 개질된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 알킬케텐 다이머 화합물을 통해 소수성으로 개질될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유로 제조된 필름의 접촉각(θ1)과 상기 폴리프로필렌으로 제조된 필름의 접촉각(θ2)의 차이가 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1] |θ1-θ2| < 20
(상기 식 1에서, θ1은 상기 표면이 소수성으로 개질된 셀룰로오즈 나노섬유로 제조된 필름 표면상에 증류수를 적하하고 10초 후 측정한 접촉각이고, θ2는 상기 폴리프로필렌으로 제조된 필름 표면상에 증류수를 적하하고 10초 후 측정한 접촉각이다.)
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 알킬케텐 다이머 화합물은 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층은 상기 펠트 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 천연섬유는 양마(케나프)일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 용융점이 160℃이상이고 아이소택틱 지수가 90% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 펠트는 재결정화된 폴리프로필렌이 50 중량% 이상 함유된 폴리프로필렌을 포함하는 고강성(HS, High Stiffness) 펠트일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 펠트는 천연섬유 및 폴리프로필렌이 0.5 내지 1.5 : 1의 중량비로 포함될 수 있다.
본 발명의 또다른 일 양태는 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 제1펠트; 및 상기 제1펠트 상에 적층된 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 제2펠트를 포함하며,
상기 제1펠트 및 제2펠트의 표면에 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 형성된 것이며,
상기 제1펠트의 종방향(MD, Machine Direction) 및 제2펠트의 종방향이 이루는 각도는 45 내지 90°인 천연섬유강화 복합재료를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상술한 천연섬유강화 복합재료는 자동차 내장재용일 수 있다.
본 발명은 (A) 펄프를 물에 분산시켜 셀룰로오즈 나노섬유를 제조하는 단계;
(B) 상기 셀룰로오즈 나노섬유 및 표면개질제를 포함하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 제조하는 단계;
(C) 코팅 또는 함침공정을 통해 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 코팅된, 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트를 제조하는 단계; 및
(D) 상기 (C) 단계에서 제조된 펠트를 열압착하는 단계;를 포함하는 천연섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액은 점도가 50 내지 1,500 cP일 수 있다.
본 발명에 따른 천연섬유강화 복합재료는 목재 및 비목재 펄프로부터 제조된 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하여 친환경적이다. 또한, 상기 코팅층을 통해 천연섬유 및 폴리프로필렌 사이에서 효과적으로 계면접착력을 향상시킴으로써, 우수한 기계적 물성을 갖는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. 나아가 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하며, 펠트의 종방향이 이루는 각도가 45°이상이 되도록 2층 이상으로 적층시킨 천연섬유강화 복합재료의 경우, 더욱 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 천연섬유강화 복합재료를 자동차 내장재용에 적용할 수 있고, 이를 통해 자동차 소재의 경량화 및 친환경화를 효과적으로 구현할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서에 기재된 "재결정화"는 천연섬유강화 복합재료의 폴리프로필렌이 상기 폴리프로필렌의 결정화온도(Tc) 이상의 온도에서 결정화온도 이하의 온도로 하락함에 따라, 상기 폴리프로필렌의 비정질(amorphous) 부분 및 결정성(crystalline) 일 부분이 용융 후 1회 이상 결정화되는 것을 의미한다. 구체적으로 폴리프로필렌을 포함하는 천연섬유강화 복합재료를 110℃ 이상의 온도에서 열압착한 뒤 냉각시킴으로써, 재결정화된 폴리프로필렌을 포함하는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에 기재된 "고강성"은 천연섬유 100%로 구성된 펠트의 인장강도보다 높은 인장강도를 갖는 성질을 의미하며, 구체적으로 천연섬유에 폴리프로필렌을 더 포함함으로써, 고강성 펠트를 제조할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 발명자들은 열가소성 고분자와 천연섬유의 상용성이 좋아 인장강도 등과 같은 기계적 물성이 우수하고, 경량화된 친환경적인 섬유강화 복합재료를 용이하게 제조하기 위하여 끊임없이 연구한 결과, 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트 및 상기 펠트의 표면에 위치하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하여 천연섬유강화 복합재료를 제조할 경우, 천연섬유 및 폴리프로필렌의 상용성이 효과적으로 개선되어 우수한 기계적 물성을 나타내며, 친환경성 및 경량성을 모두 만족할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트 및 상기 펠트의 표면에 위치하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하는 천연섬유강화 복합재료를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 천연섬유는 유리섬유보다 낮은 밀도, 낮은 가격 및 낮은 기계마모도 등의 장점을 가지며, 생분해성이며 재배과정에서 이산화탄소를 소비하기 때문에 친환경성도 확보할 수 있다. 천연섬유라면 크게 제한되지 않고 사용할 수 있지만, 비제한적인 예로 아마, 대마, 양마, 황마, 저마 및 대나무 등을 사용할 수 있다. 구체적으로 양마(이하, 케나프(kenaf))는 결정정 고분자인 셀룰로오즈 함량이 높아 인장강도가 우수하며, 성장속도가 빠르고 이산화탄소 흡수 능력, 흡음성 및 열차단성도 우수하고, 저밀도 소재이므로 경량화에 유리하여 더욱 선호될 수 있다. 또한, 상기 천연섬유는 평균길이가 20 내지 200㎜, 구체적으로 40 내지 100㎜일 수 있고, 평균직경이 10 내지 150㎜, 구체적으로 20 내지 100㎜일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 프로필렌을 반복단위로 포함하는 중합체 또는 공중합체라면 크게 제한없이 사용할 수 있으며, 직접 합성하거나 시중에서 판매하는 제품을 제한없이 사용할 수 있다. 상기 폴리프로필렌은 폴리에틸렌-co-프로필렌 공중합체일 수 있고, 폴리프로필렌 단독 중합체일 수 있다.
구체적으로 상기 폴리프로필렌은 유리전이온도(Tg)가 -20℃ 이상, 구체적으로 -10℃ 이상일 수 있고, 결정화 온도(Tc)가 100℃ 이상, 구체적으로 110℃ 이상일 수 있으며, 용융온도(Tm)가 150℃ 이상, 구체적으로 160℃ 이상일 수 있고, 용융지수(Melt Index)는 230℃에서 측정시 0.5 내지 100 g/min., 구체적으로 5 내지 50 g/min.일 수 있다. 또한, 폴리프로필렌은 입체규칙성(tacticity)에 따라서 결정화도가 조절될 수 있는데, 일반적으로 아이소택틱 지수가 높을수록 결정화도가 높다. 상기 폴리프로필렌은 NMR을 통해 측정된 아이소택틱 지수(Pentad Isotactic Index)가 80% 내지 99%, 구체적으로 85% 이상, 더욱 구체적으로 90% 이상일 수 있다. 상기 아이소택틱 지수범위를 만족하는 폴리프로필렌의 경우, 결정화도가 높아 우수한 인장강도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 펠트는 재결정화된 폴리프로필렌이 10 내지 100중량%, 구체적으로 50중량% 이상, 더욱 구체적으로 70중량% 이상 함유된 폴리프로필렌을 포함하는 고강성(HS, High Stiffness) 펠트일 수 있다. 상기 펠트는 상기 재결정화된 폴리프로필렌을 포함함으로써 상기 천연섬유 사이의 공간을 채워주는 바인더의 역할을 수행할 수 있고, 이를 통해 우수한 인장강도 등의 기계적 물성을 갖는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. 또한, 상기 펠트는 상기 폴리프로필렌이 재결정화되는 과정을 거치면서, 상기 천연섬유, 재결정화된 폴리프로필렌 및 셀룰로오즈 나노섬유가 물리적 결합을 통해 복합체를 형성할 수 있고, 비제한적인예로 상기 재결정화된 폴리프로필렌은 상기 천연섬유의 표면을 감싸고 있는 형태, 또는/및 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 코팅된 천연섬유의 표면을 감싸는 형태로도 존재할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 펠트는 천연섬유 및 폴리프로필렌이 0.1 내지 10 : 1의 중량비, 구체적으로 0.5 내지 1.5 : 1의 중량비, 더욱 구체적으로 0.8 내지 1.2 : 1의 중량비로 포함될 수 있다. 또한, 상기 펠트의 단위면적당 중량은 100 내지 5,000g/㎡, 구체적으로 500 내지 4,000g/㎡, 더욱 구체적으로 700 내지 3,000g/㎡일 수 있다.
상기 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트는 상술한 천연섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 통상적이거나 공지된 방법을 이용하여 제조된 것일 수 있고, 시중에서 판매하는 제품을 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 케나프 및 상술한 물성을 갖는 폴리프로필렌 섬유를 혼합하여 카딩 및 니들펀칭 공정을 포함하여 제조할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층은 셀룰로오즈 나노섬유를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 목재 또는 비목재 펄프부터 제조될 수 있으며, 구체적인 제조방법에 대한 설명은 후술한 바와 동일하므로 생략한다. 또한, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 평균길이 300 내지 5000 ㎚, 구체적으로 600 내지 3000 ㎚, 더욱 구체적으로 1000 내지 2500 ㎚, 평균종횡비 50 이상, 구체적으로 100 내지 3000, 더욱 구체적으로 150 내지 1000 또는 300 내지 700일 수 있다. 상기 평균길이 및 평균종횡비를 만족하는 셀룰로오즈 나노섬유는 기계적 물성이 우수하고, 코팅성이 우수하여 상기 펠트에 균일한 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 형성할 수 있으며, 이를 포함하는 천연섬유강화 복합재료의 경우, 더욱 우수한 인장강도 및 굴곡강도 등의 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 표면이 소수성으로 개질된 것일 수 있다. 일반적으로 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 다량의 하이드록시기(-OH)가 존재하기 때문에 친수성을 나타낸다. 친수성을 나타내는 셀룰로오즈 나노섬유를 상기 펠트에 코팅하는 경우, 천연섬유와는 상용성이 좋아 코팅성이 우수하지만, 소수성을 갖는 폴리프로필렌과는 상용성이 좋지 않아 코팅성이 미흡하기 때문에 상기 펠트에 균일한 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층 형성이 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 표면을 소수성으로 개질한 셀룰로오즈 나노섬유를 이용하여 상기 펠트를 코팅함으로써, 상기 천연섬유 및 폴리프로필렌과의 상용성을 모두 향상시킬 수 있고, 이를 통해 더욱 우수한 인장강도 및 굴곡강도를 갖는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. 나아가, 상술한 천연섬유강화 복합재료는 종래에 사용되던 천연섬유강화 복합재료에 비하여 10% 이상, 구체적으로 20% 이상 경량화된 단위면적당 중량을 가짐에도 불구하고 동일한 기계적 물성을 구현할 수 있다는 효과가 있다.
상기 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 통상적으로 사용하거나 공지된 방법에 의하여 소수성으로 개질될 수 있으며, 구체적으로 상기 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 표면개질제를 통해 소수성으로 개질될 수 있다. 상기 소수성 개질을 통해 상기 셀룰로오즈 나노섬유는 친수성 및 소수성을 동시에 나타내며, 이를 통해 상기 천연섬유 및 폴리프로필렌과 우수한 상용성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유를 이용하여 제조된 천연섬유강화 복합재료의 경우 탁월한 인장강도 및 굴곡강도 등의 기계적 물성을 구현할 수 있어 바람직하다.
상기 표면개질제는 사이징제 또는 발수제 등을 사용할 수 있으며, 상기 사이징제 또는 발수제는 시중에서 판매되는 제품을 제한없이 사용할 수 있다. 상기 사이징제의 비제한적인 예로, 알케닐 숙신산 무수물 화합물(ASA, alkenyl succinic anhydride), 알킬케텐 다이머 화합물(AKD, alkyl ketene dimer), 스티렌아크릴수지 및 로진 등을 사용할 수 있고, 발수제의 비제한적인 예로, 올레핀왁스계, 불소계, 실리콘계, 아크릴계, 우레탄계, 에스테르계 및 유지계 수지 혹은 모노머를 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 표면개질제는 파라핀계 왁스, 천연 왁스 등의 왁스를 에멀젼화한 왁스 에멀젼; 폴리아미드계수지, 폴리아민계 수지 등의 합성 수지; 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 등의 불소수지; 및 폴리메틸수소실록산, 폴리디메틸실록산 등의 실리콘 수지 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.
바람직하게는 상기 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 알킬케텐 다이머 화합물, 구체적으로 C10-20 알킬케텐 다이머 화합물, 더욱 구체적으로 C12-18 알킬케텐 다이머 화합물을 통해 소수성으로 개질될 수 있다. 상기 알킬케텐 다이머 화합물은 상기 셀룰로오즈 나노섬유의 하이드록시기와 화학적 반응을 통해 셀룰로오즈 나노섬유의 표면을 효과적으로 소수성으로 개질할 수 있다, 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 친수성 및 소수성을 동시에 나타냄으로써, 상기 펠트의 천연섬유뿐만이 아니라 폴리프로필렌과도 탁월한 상용성을 가질 수 있다. 상기 알킬케텐 다이머 화합물을 이용하여 소수성 개질된 셀룰로오즈 나노섬유를 이용하여 제조된 천연섬유강화 복합재료는 더욱 향상된 인장강도 및 굴곡강도를 나타내며, 따라서 종래의 천연섬유강화 복합재료보다 10%이상, 구체적으로 20%이상의 경량효과를 구현할 수 있다.
상기 표면개질제는 상기 셀룰로오즈 나노섬유 100 중량부에 0.1 내지 50 중량부, 구체적으로 5 내지 40 중량부, 더욱 구체적으로 5 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 또는 상기 표면개질제는 상기 펠트의 폴리프로필렌 100 중량부에 대하여 0.01 내지 20 중량부, 구체적으로 0.05 내지 10 중량부, 더욱 구체적으로 0.1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 또한, 상기 알킬케텐 다이머 화합물도 상기 표면개질제와 동일한 함량범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층은 상기 펠트 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부, 구체적으로 3 내지 25 중량부, 더욱 구체적으로 5 내지 15 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족할 경우, 우수한 기계적 물성을 갖는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. 또는 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 단위면적당 중량은 1 내지 2,000g/㎡, 구체적으로 10 내지 1,000g/㎡, 더욱 구체적으로 50 내지 500g/㎡일 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 함량 및 단위면적당 중량은 목적으로 하는 천연섬유강화 복합재료의 용도 및 요구물성에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유로 제조된 필름의 접촉각과 상기 폴리프로필렌으로 제조된 필름의 접촉각 차이가 하기 식 1, 구체적으로 식 2를 만족할 수 있다.
[식 1] |θ1-θ2| < 30
[식 2] |θ1-θ2| < 20
(상기 식 1 및 식 2에서, θ1은 상기 표면이 소수성으로 개질된 셀룰로오즈 나노섬유로 제조된 필름 표면상에 증류수를 적하하고 10초 후 측정한 접촉각이고, θ2는 상기 폴리프로필렌으로 제조된 필름 표면상에 증류수를 적하하고 10초 후 측정한 접촉각이다.)
상기 식 1, 구체적으로 식 2를 만족하는 표면이 소수성으로 개질된 셀룰로오즈 나노섬유는 상기 폴리프로필렌과의 계면 접착력이 향상될 수 있고, 이에 따라 상기 천연섬유 및 상기 폴리프로필렌 모두와 우수한 상용성을 가질 수 있다. 상기 식 1, 구체적으로 식 2를 만족하는 셀룰로오즈 나노섬유를 포함하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 갖는 천연섬유강화 복합재료의 경우, 더욱 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있으며, 무엇보다도 종래에 사용되던 천연섬유강화 복합재료에 비하여 단위면적당 중량이 낮음에도 불구하고 동등/유사한 기계적 물성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료에 있어서, 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트 및 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하는 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 100 내지 5,000g/㎡, 구체적으로 300 내지 4,000g/㎡, 더욱 구체적으로 500 내지 3,000g/㎡일 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 목적으로 하는 천연섬유강화 복합재료의 용도 및 요구물성에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 또다른 일 양태는 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 제1펠트; 및 상기 제1펠트 상에 적층된 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 제2펠트를 포함하며, 상기 제1펠트 및 제2펠트의 표면에 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 형성된 것이며, 상기 제1펠트의 종방향(MD, Machine Direction) 및 제2펠트의 종방향이 이루는 각도는 45 내지 90°인 천연섬유강화 복합재료를 제공할 수 있다.
상기 제1펠트 및 제2펠트에 대한 구체적인 설명은 상술한 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트에 대한 설명과 동일하거나 상이할 수 있고, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
일반적으로 펠트가 제조되는 진행방향을 종방향(MD, Machine Direction), 종방향에 수직방향을 횡방향(CD, Cross-machine Direction)이라고 하는데, 상기 진행방향에 따라 펠트의 섬유 배향이 조절될 수 있으며, 따라서 펠트의 종방향 및 횡방향에 따라 물성차이가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1펠트 및 제2펠트의 각 종방향의 중심선이 30 내지 90°, 구체적으로 45 내지 90°의 각도차이가 나도록 적층될 수 있으며, 이를 통해 종래에 종방향 및 횡방향에서 나타났던 물성차이를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 우수한 기계적 물성을 갖는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. 여기서 각도차이란 상기 제1펠트 및 제2펠트의 종방향의 각 중심선이 이루는 예각을 의미한다.
또한, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층 및 폴리프로필렌은 상기 제1펠트 표면 및 제2펠트의 표면에 위치할 수 있고, 구체적으로 상기 제1펠트 및 제2펠트 사이의 계면을 포함하는 범위에 위치하여 상기 제1펠트 및 제2펠트를 접착시켜주는 바인더 역할을 수행할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 양태에 따라, 단위면적당 중량이 1,000 내지 1,200 g/㎡인 천연섬유강화 복합재료의 경우, 종방향의 인장강도는 30 MPa 이상, 구체적으로 35 MPa 이상일 수 있고, 횡방향의 인장강도는 20 MPa 이상, 구체적으로 25 MPa 이상 또는 30 MPa 이상 일 수 있다. 또한, 같은 조건의 천연섬유강화 복합재료의 경우, 종방향의 굴곡강도는 25 MPa 이상, 구체적으로 30 MPa 이상일 수 있고, 횡방향의 굴곡강도는 20 MPa 이상, 구체적으로 25 MPa 이상 또는 30 MPa 이상 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연섬유강화 복합재료는 종래의 천연섬유강화 복합재료보다 10% 이상, 구체적으로 20% 이상 경량화되었음에도 불구하고 유사/동일한 기계적 물성을 나타낼 수 있으며, 또는 동일/유사한 단위면적당 중량을 갖는 천연섬유강화 복합재료에 대하여 5% 이상, 구체적으로는 10% 이상, 더욱 구체적으로 20% 이상 향상된 인장강도 및 굴곡강도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상술한 천연섬유강화 복합재료는 친환경화 및 경량화가 요구되는 산업분야에서 제한없이 적용될 수 있으며, 구체적으로 자동차 내장재용으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명은 (A) 펄프를 물에 분산시켜 셀룰로오즈 나노섬유를 제조하는 단계; (B) 상기 셀룰로오즈 나노섬유 및 표면개질제를 포함하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 제조하는 단계; (C) 코팅 또는 함침공정을 통해 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 코팅된, 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트를 제조하는 단계; 및 (D) 상기 (C) 단계에서 제조된 펠트를 열압착하는 단계;를 포함하는 천연섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 (A)단계는 목재 또는 비목재 펄프를 물에 분산시킨 뒤 분쇄과정을 통해 셀룰로오즈 나노섬유를 제조할 수 있다. 구체적으로 분쇄된 셀룰로오즈 나노섬유는 평균길이는 600 내지 3000 ㎚, 평균종횡비가 50이상일 수 있다. 상기 셀룰로오즈 나노섬유에 대한 구체적인 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다. 또한, (A)단계를 통해 셀룰로오스 나노섬유가 물에 분산된 셀룰로오스 나노섬유 분산액을 얻을 수 있다. 상기 셀룰로오스 나노섬유 분산액의 고형분은 0.1 내지 30 중량%, 구체적으로 1 내지 15 중량%일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
구체적으로 상기 목재 또는 비목재 펄프는 목재 또는 비목재로부터 제조된 펄프를 말하며, 상기 목재는 소나무, 전나무, 낙엽송 등을 포함하는 침엽수 및 유칼립투스, 포플라, 자작나무 등을 포함하는 활엽수 등이 있으며, 비목재는 볏짚, 밀짚, 갈대, 바가스, 대나무, 케나프, 파피루스, 아마, 에스파토, 주트, 사바이, 그라스, 대마, 옥수숫대, 바나나잎, 황마, 아바카, 코이어, 파인애플, 모시, 사이잘, 헤네켄, 삼 및 왕겨 등이 있다. 상기 목재 또는 비목재 원료의 리그닌 등을 제거하는 펄핑과정을 통해 펄프섬유가 만들어 질 수 있으며, 상기 과정은 통상적으로 사용되거나 공지된 방법을 제한없이 적용할 수 있다. 상기 목재 또는 비목재 펄프의 비제한적인 예로, 미표백침엽수펄프, 미표백활엽수펄프, 표백침엽수펄프, 표백활엽수펄프, 신문지고지 재생펄프, 백상지재생펄프, 휴지 및 우유팩 재생고지, 재생고지탈묵펄프 및 대나무를 포함한 비목질펄프 등을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 시중에서 판매되는 제품을 제한없이 사용할 수 있다.
상기 분쇄방법은 통상의 방법이라면 제한되지 않으며, 더욱 구체적으로 예를 들면, 그라인더(grinder), 초미세 마찰 분쇄기(super mass collider), 에어 젯트 밀(air-jet mill), 초음파 파쇄기(ultrasonic homogenizer), 고압 균질기(high pressure homogenizer) 등을 이용하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 (A) 단계에서 제조된 셀룰로오스 나노섬유 분산액에 표면개질제를 혼합하여 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 제조하는 단계이다. 이때 상기 셀룰로오스 나노섬유 분산액은 농축하여 사용할 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유를 농축하는 방법은 통상의 방법이라면 제한되지 않으며, 구체적으로 예를 들면, 감압, 원심분리 등의 방법을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 표면개질제의 함량은 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액에 대하여 0.01 내지 15 중량%, 구체적으로 0.1 내지 5 중량%로 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 상기 폴리프로필렌이나 셀룰로오즈 나노섬유의 함량에 따라 조절될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스 나노섬유 코팅액에 있어서, 상기 표면개질제는 건조중량을 기준으로 상기 셀룰로오스 나노섬유에 대하여 상술한 함량범위를 만족할 수 있다. 또한, 상기 표면개질제에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액은 상기 분리된 셀룰로오스 나노섬유를 1 내지 50중량%, 구체적으로 5 내지 30 중량%로 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 셀룰로오스 나노섬유는 표면이 소수성으로 개질된 것이며 이에 대한 구체적인 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다. 또한, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액에서 상기 셀룰로오스 나노섬유의 함량은 목표로 하는 천연섬유강화 복합재료에서 셀룰로오스 나노섬유의 단위면적당 중량에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액은 점도가 10 내지 5,000 cP, 구체적으로 20 내지 3,000 cP, 더욱 구체적으로 50 내지 2,000 cP일 수 있다. 상기 점도를 만족할 경우, 코팅 또는 함침공정에서 코팅성이 우수하여 추후 함침 및 코팅공정이 효율적으로 진행될 수 있어 바람직하다. 상기 점도는 상기 셀룰로오스 나노섬유의 함량에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 (C) 단계는 상기 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트에 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 코팅 및 함침할 수 있는 통상적이거나 공지된 방법이라면 크게 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 상기 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트의 상측면에 균일하게 도포한 뒤, 압착롤러를 통해 함침시킬 수 있으며, 또는 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 담긴 욕조에 상기 펠트가 완전히 침지한 뒤, 압착롤러에 통과시키거나 패딩/맹글 공정을 통해 코팅액의 함량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 상기 펠트 상에 코팅할 경우, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액의 단위면적당 중량(도포량)은 10 내지 3000 g/㎡, 구체적으로 100 내지 2,500 g/㎡, 더욱 구체적으로 100 내지 2,000 g/㎡일 수 있지만, 상기 펠트에 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 충분히, 균일하게 함침될 수 있도록 상기 단위면적당 중량을 적절하게 조절할 수 있다.
또는 상기 (C) 단계에서 상기 펠트의 픽업률에 따라, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액의 단위면적당 중량을 결정할 수 있는데, 상기 펠트의 픽업률은 80 내지 500%, 구체적으로 80 내지 400%, 더욱 구체적으로 90 내지 300%일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 픽업률은 하기 계산식으로 계산될 수 있다.
이어서 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 코팅된, 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트를 20℃ 이상, 구체적으로 60℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 동안 건조시키는 단계를 수행할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 (D) 단계는 상기 (C) 단계에서 제조된 펠트를 열압착하는 단계이며, 구체적으로 폴리프로필렌의 결정화온도(Tc) 이상의 온도에서, 상기 (C) 단계에서 제조된 펠트를 핫프레스로 압착함으로써, 상기 폴리프로필렌의 일부 또는 전부를 용융 또는/및 재결정화하고, 이를 통해 상기 폴리프로필렌은 상기 천연섬유 표면 및 사이에 위치하거나, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 형성된 천연섬유 표면 및 사이에 위치하게 되어 상기 천연섬유강화 복합재료에서 바인더의 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 열압착하는 온도는 150 내지 300℃, 더욱 구체적으로 180 내지 250℃일 수 있다. 상기 (D) 단계를 통해 재결정화된 폴리프로필렌이 50 중량% 이상 함유된 폴리프로필렌을 포함하는 고강성(HS, High Stiffness) 펠트를 제조할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다. 상기의 방법을 통해 제조된 천연섬유강화 복합재료는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액과 천연섬유 및 폴리프로필렌과의 상용성이 향상되어 더욱 우수한 인장강도 및 굴곡강도 등과 같은 기계적 물성을 구현할 수 있다. 또한, 상기 방법을 통해 제조된 천연섬유강화 복합재료의 두께 및 단위면적당 중량은 목적으로 하는 물성에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 천연섬유강화 복합재료의 제조방법에 있어서, 상기 (D) 단계는 상기 (C) 단계에서 제조된 펠트를 2층 이상으로 적층하여 열압착하는 단계일 수 있다. 예를 들면, 제1펠트 및 제2펠트를 포함하여 2층으로 적층할 경우, 상기 제1펠트 및 제2펠트의 각 종방향의 중심선이 30 내지 90°, 구체적으로 45 내지 90°의 각도차이가 나도록 적층될 수 있으며, 이를 통해 더욱 우수한 기계적 물성을 갖는 천연섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. 여기서 각도차이란 상기 제1펠트 및 제2펠트의 종방향의 각 중심선이 이루는 예각을 의미한다.
또한, 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층 및 폴리프로필렌은 상기 제1펠트 표면 및 제2펠트의 표면에 위치할 수 있고, 구체적으로 상기 제1펠트 및 제2펠트 사이의 계면을 포함하는 범위에 위치하여 상기 제1펠트 및 제2펠트를 접착시켜주는 바인더 역할을 수행할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 방법을 통해 제조된 천연섬유강화 복합재료의 두께 및 단위면적당 중량은 목적으로 하는 물성에 따라 조절될 수 있다.
추가로 상기 (D) 단계 이후, 제품 성형 단계를 수행할 수 있으며, 구체적으로 상기 열압착한 펠트를 일정 모양의 금형에서 프레스 성형할 수 있지만, 섬유강화 복합재료 제조를 위해 통상적으로 사용되거나 공지된 방법이라면 크게 제한되지 않고 사용할 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[물성측정방법]
1) 접촉각 : 접촉각은 증류수 10㎕ 및 방울 모양 분석기(DSA 100 instrument from KRUSS, Hamburg, Germany)을 사용하여 측정하였다. 상기 증류수를 필름상에 떨어뜨린 후 10초 후의 접촉각을 측정하였다. 또한, 실시예에서 사용된 폴리프로필렌 섬유를 압출/사출하여 두께 20㎛의 필름을 제조하였으며, 측정된 상기 폴리프로필렌 필름의 접촉각은 101°였다.
2) 점도 (cP): 브룩필드 점도계로 23±1 ℃의 온도에서 RV-type spindle No.2로 측정하였다.
3) 셀룰로오즈 나노섬유 평균직경 및 평균길이 : 원자경 현미경(AFM) 이미지에서 무작위로 선택한 셀룰로오즈 나노섬유 10개의 직경 및 길이를 측정하였으며, 측정값들과 종횡비에서 각 최대, 최소를 제외한 나머지의 평균값을 계산하였다.
4) 픽업률(pick-up ratio, %) : 하기 계산식에 의하여 픽업률을 계산하였다. 여기서 초기 펠트의 무게는 코팅액에 침지하기 전의 펠트의 무게를 의미하고, 패딩/맹글 공정 후 펠트의 무게는 코팅액 침지 후 패딩 및 맹글 공정을 거친 뒤의 펠트의 무게를 의미한다.
[계산식]
5) 인장강도 : 인장강도는 ASTM D 638에 의거하여 측정하였다.
6) 굴곡강도 : 굴곡강도는 ASTM D 790에 의거하여 측정하였다.
[실시예 1]
<셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 제조>
활엽수 유칼립투스 표백 크라프트 펄프 50 g을 증류수 5 L에 용해시킨 후, TEMPO 0.8 g 및 NaBr 5 g을 투입하여 교반하였다. 이어서 NaClO를 175㎖ 투입하여 NaOH를 이용하여 pH 10으로 조절하였다. 상기의 조건에서 상기 펄프의 산화 전처리를 진행하였다. 더 이상의 pH 변화가 없으면, 에탄올을 투입하여 반응을 종결하였고, HCl을 이용하여 pH를 7로 조절하였다. 이어서 진공감압 여과 및 원심분리를 통해 2차 세척한 뒤에, 그라인더(MASUKO Sangyo社, MKCA6-5)를 이용하여 전처리 펄프 의 고형분이 2.5 중량% 혼합물을 분쇄하였다. 분쇄는 그라인더 간극 20㎛, 1500rpm(50Hz)의 조건에서 1시간 동안 수행하였다. 최종적으로 셀룰로오즈 나노섬유가 물에 분산된 분산액을 수득하였다. 또한, SEM을 이용하여 측정한 상기 셀룰로오스 나노섬유의 평균길이는 1226 nm, 평균종횡비는 499임을 확인하였으며, 수율은 90%이었다.
이후, 상기 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 건조중량이 2.5 중량%가 포함되도록 상기 분산액의 함량을 계산하였으며, 상기 분산액에 대해 C13-알킬케텐 다이머(AKD) 0.25 중량%를 투입 및 교반하여 셀룰로오스 나노섬유 코팅액을 제조하였다. 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 점도는 200 cP였고, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액으로 20㎛ 두께의 필름을 제조하여 접촉각을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
<천연섬유강화 복합재료의 제조>
케나프 50 중량% 및 폴리프로필렌(아이소택틱 지수 약 92%) 50 중량%의 조성을 갖는 펠트를 상기 제조된 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 담긴 욕조에 완전히 침지한 뒤, 패딩(Padding) 및 맹글(Mangle)공정을 수행하였으며, 계산된 픽업률(pick-up ratio)은 102%였다.
이어서 60℃ 드라이 오븐에서 12시간 건조한 뒤, 상기 건조된 펠트를 200℃의 온도로 예열된 핫프레스에서 30초 동안 열압착하였다. 열압착된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1090 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 셀룰로오스 나노섬유 코팅층의 함량은 2.5중량%이었다. 여기서 셀룰로오스 나노섬유 코팅층(이하, 코팅층)의 함량은 초기 펠트의 무게와 최종적으로 제조된 천연섬유강화 복합재료의 중량을 이용하여 계산하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서, 셀룰로오스 나노섬유 5 중량% 및 C13-AKD 0.5 중량%를 포함하도록 셀룰로오스 나노섬유 코팅액을 제조했다는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 계산된 픽업률은 104%였으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 점도는 400 cP, 제조된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1068 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 4.5중량%이었다.
[실시예 3]
상기 실시예 2에서, C13-AKD 1 중량%를 포함하도록 셀룰로오스 나노섬유 코팅액을 제조했다는 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하였다. 계산된 픽업률은 153%였으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 점도는 400 cP, 제조된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1172 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 6.6중량%이었다.
[실시예 4]
상기 실시예 2에서, C13-AKD 1.5 중량%를 포함하도록 셀룰로오스 나노섬유 코팅액을 제조했다는 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하였다. 계산된 픽업률은 182%였으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 점도는 400 cP, 제조된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1182 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 7.2중량%이었다.
[실시예 5]
상기 실시예 2에서, C13-AKD 2 중량%를 포함하도록 셀룰로오스 나노섬유 코팅액을 제조했다는 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수행하였다. 계산된 픽업률은 210%였으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 점도는 380 cP, 제조된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1156 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 8.9중량%이었다.
[실시예 6]
상기 실시예 1에서, C13-AKD를 제외하고, 셀룰로오스 나노섬유 5 중량%를 포함하도록 셀룰로오스 나노섬유 코팅액을 제조했다는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 계산된 픽업률은 175%였으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유 코팅액의 점도는 400 cP, 제조된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1148 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 5.1중량%이었다.
[실시예 7]
상기 실시예 3의 천연섬유강화 복합재료의 제조단계에서, 케나프 50 중량% 및 폴리프로필렌(아이소택틱 지수 약 92%) 50 중량%의 조성을 갖는 펠트(단위면적당 중량 약 500 g/㎡) 2 개를 상기 제조된 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 담긴 욕조에 완전히 침지한 뒤, 패딩(Padding) 및 맹글(Mangle)공정을 수행하였으며, 계산된 픽업률은 214%였다. 이어서 60℃ 드라이 오븐에서 12시간 건조한 뒤, 상기 건조된 2개의 펠트의 각 종방향의 중심선이 45°의 각도차이가 나도록 적층하여 200℃의 온도로 예열된 핫프레스에서 30초 동안 열압착하였다. 열압착된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1157 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 10.1중량%이었다.
[실시예 8]
상기 실시예 7의 천연섬유강화 복합재료의 제조단계에서, 상기 2개의 펠트의 각 종방향의 중심선이 90°의 각도차이가 나도록 적층하였다는 것을 제외하고 실시예 6과 동일하게 수행하였다. 제조된 천연섬유강화 복합재료의 단위면적당 중량은 1163 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 코팅층의 함량은 10중량%이었다.
[비교예 1]
케나프 50 중량% 및 폴리프로필렌(아이소택틱 지수 약 92%) 50 중량%의 조성을 갖는 펠트를 200℃ 온도로 예열된 핫프레스에서 30초 동안 열압착하였다. 제조된 복합재료의 단위면적당 중량은 993 g/㎡이었다.
[비교예 2]
케나프 50 중량% 및 폴리프로필렌(아이소택틱 지수 약 92%) 50 중량%의 조성을 갖는 펠트를 200℃ 온도로 예열된 핫프레스에서 40초 동안 열압착하였다. 제조된 복합재료의 단위면적당 중량은 1500 g/㎡이었다.
[비교예 3]
상기 실시예 2에서 제조한 셀룰로오스 나노섬유 5 중량%를 포함하도록 물에 분산하여 셀룰로오스 나노섬유 수분산액을 제조하였으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유 수분산액 100 중량부에 대하여, 황산을 3 중량부 첨가한 후 30분간 교반하고, 원심분리하여 셀룰로오스 나노크리스탈을 분리하였다. SEM을 이용하여 측정한 셀룰로오스 나노크리스탈의 평균길이가 240 nm이고, 평균종횡비가 12임을 확인하였다.
이후, 상기 수득한 셀룰로오스 나노크리스탈 10 중량% 및 C13-AKD 1 중량%를 포함하도록 물에 재분산시켜 셀룰로오스 나노크리스탈 코팅액을 제조하였으며, 이후의 과정은 상기 실시예 3과 동일하게 진행하였으며, 제조된 복합재료의 단위면적당 중량은 1127 g/㎡이었으며, 상기 천연섬유강화 복합재료에서 셀룰로오스 나노크리스탈의 함량은 9.9중량%이었다.
| 단위면적당 중량 [g/㎡] |
접촉각 [°] | 인장강도 [MPa] | 굴곡강도 [MPa] | |||
| 종방향 | 횡방향 | 종방향 | 횡방향 | |||
| 실시예 1 | 1090 | 78 | 31 | 29 | 29 | 23 |
| 실시예 2 | 1068 | 79 | 32 | 25 | 27 | 24 |
| 실시예 3 | 1172 | 80 | 39 | 26 | 35 | 32 |
| 실시예 4 | 1182 | 81 | 38 | 25 | 34 | 30 |
| 실시예 5 | 1156 | 87 | 36 | 25 | 34 | 31 |
| 실시예 6 | 1138 | 56 | 30 | 24 | 28 | 22 |
| 실시예 7 | 1157 | 87 | 37 | 34 | 33 | 33 |
| 실시예 8 | 1163 | 87 | 39 | 38 | 33 | 33 |
| 비교예 1 | 983 | - | 28 | 23 | 28 | 22 |
| 비교예 2 | 1500 | - | 39 | 25 | 32 | 24 |
| 비교예 3 | 1127 | 75 | 28 | 24 | 28 | 23 |
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 상기 실시예에서 셀룰로오즈 나노섬유가 포함된 천연섬유강화 복합재료는 비교예 1에 비하여 우수한 인장강도 및 굴곡강도를 나타내었다. 또한, 실시예 3의 경우, 비교예 1에 비하여 약 1.4배 향상된 인장강도 를 나타냈고, 나아가 비교예 2보다 22% 경량화된 복합재료임에도 불구하고 동등/유사한 인장강도 및 굴곡강도를 나타내었으며, 이를 통해 본 발명에 따른 셀룰로오즈 나노섬유가 포함된 천연섬유강화 복합재료가 종래의 천연섬유강화 복합재료보다 경량화를 효과적으로 구현할 수 있다는 것을 확인하였다.또한, 상기 실시예 7 및 8의 경우 2층 이상의 펠트를 각도를 달리하여 적층한 천연섬유강화 복합재료이며, 상기와 같은 적층을 통해 상기 복합소재의 종방향 및 횡방향에서 나타나는 물성 차이를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다
Claims (15)
- 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트 및 상기 펠트의 표면에 위치하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층을 포함하고,
상기 폴리프로필렌은 재결정화된 폴리프로필렌을 10 내지 100중량% 함유하고, 상기 재결정화된 폴리프로필렌은 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 코팅된 천연섬유의 표면을 감싸는 형태로도 존재하는 것인 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 평균길이 600 내지 3000 ㎚, 평균종횡비 50 이상인 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층의 셀룰로오즈 나노섬유는 표면이 소수성으로 개질된 천연섬유강화 복합재료. - 제 3항에 있어서,
상기 셀룰로오즈 나노섬유의 표면은 알킬케텐 다이머 화합물을 통해 소수성으로 개질된 천연섬유강화 복합재료. - 제 3항에 있어서,
상기 셀룰로오즈 나노섬유로 제조된 필름의 접촉각과 상기 폴리프로필렌으로 제조된 필름의 접촉각 차이가 하기 식 1을 만족하는 천연섬유강화 복합재료.
[식 1] |θ1-θ2| < 30
(상기 식 1에서, θ1은 상기 표면이 소수성으로 개질된 셀룰로오즈 나노섬유로 제조된 필름 표면상에 증류수를 적하하고 10초 후 측정한 접촉각이고, θ2는 상기 폴리프로필렌으로 제조된 필름 표면상에 증류수를 적하하고 10초 후 측정한 접촉각이다.) - 제 4항에 있어서,
상기 알킬케텐 다이머 화합물은 상기 셀룰로오즈 나노섬유 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부로 포함되는 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층은 상기 펠트 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부로 포함되는 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 천연섬유는 양마(케나프)인 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 폴리프로필렌은 용융온도(Tm)가 160℃ 이상이고 아이소택틱 지수가 90% 이상인 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 펠트는 재결정화된 폴리프로필렌이 50 중량% 이상 함유된 폴리프로필렌을 포함하는 고강성(HS, High Stiffness) 펠트인 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항에 있어서,
상기 펠트는 천연섬유 및 폴리프로필렌이 0.5 내지 1.5 : 1의 중량비로 포함되는 천연섬유강화 복합재료. - 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 제1펠트; 및 상기 제1펠트 상에 적층된 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 제2펠트를 포함하며,
상기 제1펠트 및 제2펠트의 표면에 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 형성된 것이며,
상기 폴리프로필렌은 재결정화된 폴리프로필렌을 10 내지 100중량% 함유하고, 상기 재결정화된 폴리프로필렌은 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 코팅된 천연섬유의 표면을 감싸는 형태로도 존재하고,
상기 제1펠트의 종방향(MD, Machine Direction) 및 제2펠트의 종방향이 이루는 각도는 45 내지 90°인 천연섬유강화 복합재료. - 제 1항 또는 제 12항에 있어서,
상기 천연섬유강화 복합재료는 자동차 내장재용인 천연섬유강화 복합재료. - (A) 펄프를 물에 분산시켜 셀룰로오즈 나노섬유를 제조하는 단계;
(B) 상기 셀룰로오즈 나노섬유 및 표면개질제를 포함하는 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액을 제조하는 단계;
(C) 코팅 또는 함침공정을 통해 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액이 코팅된, 천연섬유 및 폴리프로필렌을 포함하는 펠트를 제조하는 단계; 및
(D) 상기 (C) 단계에서 제조된 펠트를 열압착하는 단계;를 포함하고,
상기 폴리프로필렌은 재결정화된 폴리프로필렌을 10 내지 100중량% 함유하고, 상기 재결정화된 폴리프로필렌은 상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅층이 코팅된 천연섬유의 표면을 감싸는 형태로도 존재하는 것인 천연섬유강화 복합재료의 제조방법. - 제 14항에 있어서,
상기 셀룰로오즈 나노섬유 코팅액은 점도가 50 내지 1,500 cP인 천연섬유강화 복합재료의 제조방법.
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