KR20010031472A - 셀룰로오즈 섬유 복합재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수지와 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유의 복합재료에 관한 것으로, 일회용으로 사용된 후 버려지는 폐 섬유와 수지를 이용한 복합재료와 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 열가소성 수지와 같은 수지와, 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈섬유를 함유한 복합재료 및 폴리에틸렌과 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 함유한 복합재료를 제공한다. 또한 본 발명은 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 절단하여 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 만드는 단계; 이후 텍스쳐라이즈된 섬유를 수지와 결합하는 단계를 포함하여 이루어진 복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 복합재료는 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

Description

셀룰로오즈 섬유 복합재료{CELLULOSIC FIBER COMPOSITES}
수지는 예를 들면 음식의 포장등과 같이 다양하게 사용되어지고 있다. 수지로 이루어진 음식 용기는 특히 한번 사용된 후 버려진다.
셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 물질은 많은 활용분야에서 대량으로 생산되고, 개발되고, 사용되고 있다. 일단 사용된 이들 섬유는 보통 한번 사용된 후 폐기물로서 버려진다. 그 결과, 폐 셀룰로오즈 또한 리그노셀룰로오즈 섬유도 폐수지와 같이 대단한 양이 된다.
본 발명은 수지와 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유의 복합재료에 관한 것이다.
하기 도 1 은 텍스쳐라이즈된 신문용지의 50 배 확대된 사진이다.
본 발명은 수지와 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 함유하는 복합재료를 제공한다.
본 발명은 열가소성 수지와 같은 수지와, 적어도 2 중량퍼센트 이상, 더욱 바람직하게는 5 중량퍼센트 이상의 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈섬유를 함유한 복합재료를 제공한다. 본 발명은 또한 폴리에틸렌과 적어도 50 중량퍼센트 이상의 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 함유한 복합재료를 제공한다.
본 발명은 또한 수지와 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 함유하고 굴곡강도가 약 3,000 psi 이상이거나, 인장강도가 약 3,000 psi 이상인 복합재료를 제공한다.
또한, 본 발명은 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 절단하여 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 만드는 단계; 이후 텍스쳐라이즈된 섬유를 수지와 결합하는 단계를 포함하여 이루어진 복합재료의 제조방법을 제공한다. 상기 섬유를 절단하는 과정에서 회전날 절단기를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 ″텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈″라는 용어는 내부섬유가 실질적으로 노출된 상태가 되도록 절단된 섬유를 의미한다. 상기섬유의 적어도 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상은, 길이/지름(L/D)의 비가 적어도 5, 바람직하게는 25, 더욱 바람직하게는 50 이상이 된다. 텍스쳐라이즈된 섬유의 예를 하기 도 1 에서 볼 수 있다.
본 발명의 복합재료는 강하고, 경량이며, 저렴하다. 본 복합재료를 만들기 위하여 사용된 원재료는 수지로 이루어진 버려진 용기와 폐 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유 등을 포함하는 것으로 쉽게 구할 수 있다.
본 발명의 바람직한 복합재료는 수지와 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 함유한다.
수지는 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 둘러싸는 막을 형성하고 복합재료의 모양을 유지하도록 도와준다. 수지는 또한 환경적, 구조적 손상으로부터 섬유를 보호하고 섬유의 외부 부하를 전달한다. 바람직한 복합재료는 20 내지 60 중량 %, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 중량 %의 수지를 함유한다.
수지의 예는 폴리에틸렌(저밀도 폴리에틸렌과 고밀도 폴리에틸렌 포함), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌, 열가소성폴리에스테르, 폴리에테르, 열가소성 폴리우레탄, PVC, 나일론 등의 수지를 들 수 있다. 수지는 저용융지수를 갖는다. 바람직한 수지는 용융지수가 3 g/10 min 이하, 더욱 바람직하게는 1 g/10 min 이하인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 함유한다.
수지는 새것을 구할 수도 있으나, 쓰레기 또는 폐 재료를 사용할 수도 있고, 또는 펠렛 형태를 구입할 수도 있다. 쓰레기 또는 폐 재료가 바람직하며, 이는 저렴하기 때문이다. 또한 바람직한 수지의 재원으로서 폴리에틸렌 우유병이 사용되기도 한다.
텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유는 강도가 높은 복합재료를 제공한다. 복합재료는 30 내지 90 중량 %, 더욱 바람직하게는 50 내지 70 중량 % 의 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 포함한다. 셀룰로오즈 섬유의 예로는 종이와 종이 제품, 리그노셀룰로오즈 섬유의 예로는 목재, 목재섬유 및 목재와 관련된 재료 즉, 케나프(kenaf), 풀, 쌀의 외피, 사탕수수껍질(bagasse), 면, 황마로부터 얻어진 재료 등을 들 수 있다.
복합재료는 또한 결합제를 포함한다. 결합제는 친수성 섬유를 소수성 수지에 결합될 수 있도록 도와준다. 결합제의 예로는 FUSABONDⓡ(Dupont, Delaware)와 POLYBONDⓡ(Uniroyal Chemical, Connecticut)시리즈와 같은 변형 폴리에틸렌의 무수 말레인산을 들 수 있다. 바람직한 결합제로는 FUSABONDⓡMB 100D와 같은 고밀도 변형 폴리에틸렌의 무수 말레인 산을 들 수 있다.
상기 복합재료는 가소제, 윤활제, 산화방지제, 불투명제, 열안정제, 착색제, 내연제, 살생제, 충격 완화제, 광안정제, 정전기 방지제 등과 같은 화합물 분야에서 알려진 첨가제를 포함할 수도 있다.
출발물질의 제조
폐 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 사용한다면, 깨끗하게 닦고 건조시켜야 한다. 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유는 열가소성 수지와 결합되기 전에 텍스쳐라이즈되어야 한다. 상기 섬유는 기계적 수단 중의 하나 또는 이들의 결합에 의하여 텍스쳐라이즈 되어야 한다.
텍스쳐라이즈의 바람직한 방법으로는 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 통상의 절단기구를 사용하여 1/4 내지 1/2 인치의 크기의 조각으로 절단하고, 이들 조각을 Perry's Chem. Eng. Handbook, 제 6 판, 8-29쪽 (1984)에 기술된 것 (Sprout, Waldron Companies)과 같은 회전 절단기로 절단한다. 이와 같이 텍스쳐라이즈된 섬유를 2mm 메시 스크린에 통과시킨다. 그 결과물을 밀봉 백에 보관한고, 사용 직전에는 약 105℃에서 4 내지 18시간 동안 (수분 함량이 0.5% 이하가 될 때까지) 건조시켜야 한다.
상기 수지는 펠렛이나 과립 형태로 구입하여, 더 이상의 정화나 건조없이 사용할 수 있다. 그러나, 만약 펠렛 또는 과립 형태의 수지에 표면 수분이 존재하는 경우에는 사용 전에 건조시켜야 한다.
복합재료의 제조
복합재료는 다음과 같이 제조할 수 있다.
표준 고무/플라스틱 합성물 2-롤 밀(mill)을 325∼400℃까지 가열한다. 수지(통상 펠렛 또는 과립형태)를 가열된 롤 밀에 첨가한다. 약 10분 후에, 결합제를 상기 롤 밀에 첨가한다. 다시 5분 경과 후, 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈를 용융된 수지/결합제의 혼합물에 첨가한다. 상기 텍스쳐라이즈된 섬유를 약 10분 정도에 걸쳐 첨가한다.
상기 복합재료를 롤 밀에서 꺼내어 쉬트상으로 자르고, 상온까지 냉각되도록 방치한다. 이후 표준 압축 주조 기술을 사용하여 플라크(plaque)형으로 압축 주조한다.
또 다른 방법으로는, Banbury 내부 혼합기와 같은 혼합기에 상기 성분을 채운다. 상기 성분을 190℃ 이하의 온도가 유지되는 동안 혼합한 후, 상기 혼합물을 압축 주조할 수도 있다.
또 다른 실시예로, 상기 성분을 동시 회전형 스크류가 장치된 MARIS (Turin) TM 85 압출기와 같은 압출 혼합기에서 혼합할 수 있다. 수지와 결합제는 압출 공급구로 유입되고, 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유는 압출기 길이의 1/3 정도를 용융된 수지에 공급한다. 상기 압출기의 내부 온도는 190℃ 이하가 되도록 유지한다. 배출된 상기 복합재료는 냉각 스트랜드 절단에 의하여 펠렛 형태로 만들어진다.
또는 선택적으로 상기 혼합물을 먼저 혼합기에서 제조한 후, 압출기로 옮겨 압출하고, 펠렛 형태로 자르는 단계를 취할 수도 있다.
또 다른 실시예로, 상기 복합재료를 이 기술분야에서 알려진 섬유 제조 기술을 사용하여 섬유 형태로 만들 수도 있다.
복합재료의 특성
최종적인 복합재료는 섬유의 망상구조를 포함하며, 수지의 매트릭스로 둘러싸여있게 된다. 상기 섬유의 모양은 격자모양의 망상구조를 가지며, 강도를 갖는 복합재료를 제공한다. 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈섬유는 텍스쳐라이즈되어 있기 때문에 수지와 결합시키기 위한 표면적의 양은 텍스쳐라이즈되어 있지 않은 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유로 제조된 것과 비교하여 증가하게 된다. 수지는 노출된 섬유의 표면에 결합되고, 망상구조의 섬유와 수지 매트릭스의 혼합물을 형성한다. 섬유와 수지 매트릭스의 혼합물은 복합재료보다 더 강도가 증가한다.
본 발명의 다른 특징과 이점은 상세한 설명과 바람직한 실시예 및 청구범위에서 자명하게 나타날 것이다.
다음과 같이 복합재료를 만들었다. 표준 고무/플라스틱 합성물은 2-롤 밀을 325 - 400℃로 가열하였다. 상기 수지(통상 펠렛이나 과립의 형태)를 가열된 롤 밀에 첨가하였다. 10분 정도 후에 (용융되어)롤에 결합되었다. 결합제를 상기 롤밀에 첨가한 후 다시 5분 후에 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈섬유를 용융된 수지/결합제 혼합물에 첨가하였다. 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈섬유를 약 10 분 정도 후에 첨가하였다.
복합재료를 롤 밀에서 제거하여, 쉬트 형태로 절단한 후 상온 까지 냉각되도록 방치하였다. 각각 80g씩을 압축주조기술을 사용하여 6″* 6″* 1/8″의 플라케 형태로 압축주조하였다.
제조된 합성물은 하기와 같은 성분을 함유한다.
〈합성물 #1〉
성분 양(g)
고밀도 폴리에틸렌1 160
낡은 신문용지2 240
결합제3 8
상기 화합물 #1 의 특성은 다음과 같다.
굴절강도 (psi) 9,810 (ASTM D790)
굴절탄성률 (109psi) 6.27 (ASTM D790)
〈합성물 #2〉
성분 양(g)
고밀도 폴리에틸렌1 160
낡은 잡지2 240
결합제3 8
상기 화합물 #2 의 특성은 다음과 같다.
굴절강도 (psi) 9,060 (ASTM D790)
굴절탄성률 (109psi) 6.78 (ASTM D790)
---------------------------------------------------------------
1: Marlex 16007,
2:2 mm 메시의 회전 절단기를 사용하여 텍스쳐라이즈 됨.
3:FUSABONDⓡ100D
상기 수지/섬유의 복합재료는 다양하게 활용될 수 있다. 상기 복합재료는 강도가 높고 경량이다; 따라서 이들은 예를 들면 목재의 대용품으로 사용될 수 있다. 수지를 코팅하여 방수가 되는 복합재료를 제공할 수도 있어, 옥외에서 활용할 수도 있다. 예를들면, 상기 복합재료로 장시간 옥외에서 저장되는 팔렛트(palletes, 화물운반대)를 만들 수도 있다.

Claims (19)

  1. 수지와 섬유가 포함되어 이루어진 복합재료로서, 상기 섬유가 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈이고, 2 중량% 이상이 텍스쳐라이즈된 복합재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 5 중량% 이상이 텍스쳐라이즈된 복합재료.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 신문인쇄용지인 복합재료.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 황마인 복합재료.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 케나프(kenaf)인 복합재료.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 수지가 잡지용지인 복합재료.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 수지가 블리치드 크래프트 보드인 복합재료.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 수지가 열가소성 수지인 복합재료.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리에틸렌인 복합재료.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리프로필렌인 복합재료.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 수지의 함량이 50 내지 70 중량%, 상기 섬유의 함량이 37 내지 50 중량% 인 복합재료.
  12. 섬유와 폴리프로필렌을 포함하여 이루어진 복합재료로서 상기 섬유가 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈이고, 50 중량% 이상이 텍스쳐라이즈된 복합재료.
  13. 수지와 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 포함하여 이루어진, 적어도 3,000 psi 이상의 굴곡강도를 갖는 복합재료.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 복합재료가 6,000 psi 이상의 굴곡강도를 갖는 복합재료.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 복합재료가 10,000 psi 이상의 굴곡강도를 갖는 복합재료.
  16. 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 절단하여 이를 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 만드는 단계;
    이후 상기 텍스쳐라이즈된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 수지와 결합시키는 단계를 포함하여 이루어진 복합재료의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 수지가 열가소성수지인 복합재료의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 셀룰로오즈 또는 리그노셀롤로오즈 섬유를 절단하는 단계에서 회전날 절단기를 사용하는 것을 포함하여 이루어진 제조방법.
  19. 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈섬유를 절단하는 단계; 절단된 셀룰로오즈 또는 리그노셀룰로오즈 섬유를 수지와 결합시키는 단계를 포함하여 이루어진 복합재료의 제조방법.
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