KR20100097860A

KR20100097860A - 인조 목재 복합재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20100097860A
Application number: KR1020090016718A
Authority: KR
Inventors: 이기윤; 이승구; 김재민; 심지현
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-06
Also published as: KR101016386B1

Abstract

본 발명은 인조목재 복합재에 관한 것으로, a) 10 ~ 50메쉬의 입자크기를 갖으며, 함수율이 4% 이하인 목분, 말레익언하이드라이드, 테트라 하이드로 프탈릭언하이드라이드 선택되는 1종 이상의 커플링제, 개시제 및 비닐벤젠 또는 메타크릴산을 첨가하여 교반하면서 목분의 표면을 처리하는 단계; b) 상기 표면 처리된 목분 50 ~ 80 중량%, 폴리올레핀계수지 10 ~ 45 중량%, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌 또는 그 유도체 1 ~ 10 중량%를 혼합하는 단계; 및 c) 상기 혼합물을 압출기 호퍼에 투입하여 압출기내에서 가압 혼련한 후, 다이에서 복합재로 성형하는 단계; 를 포함하는 인조목재 복합재의 제조방법에 관한 것이다.

목분, 올리핀계수지, 복합재, 무수말레산 변성 폴리프로필렌

Description

인조 목재 복합재 및 이의 제조방법{Wood Plastic Composites and Manufacturing method thereof}

본 발명은 목재의 함유량이 높으면서도 물성이 우수한 인조목재 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 표면 개질된 목분 충전재와 올레핀계 수지를 주성분으로 하고, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌 또는 그 유도체를 혼합한 혼합물을 이용하여 성형한 인조 목재 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현재, 폴리프로필렌이 주로 사용된 올레핀계 플라스틱과, 목재, 하드보드, 펄프류 등을 소정의 크기로 분쇄한 목분계 충전재를 주성분으로 하는 복합재 프로파일은 야외의 데크 등에 널리 이용되고 있다.

이와 같은 부품 등은 압출 프로파일 성형(profile extruding method)할 때, 목분과 각종 첨가제를 압출기에 투입하여 혼련과정을 거친 후에 그 특성을 나타내는 것으로 목분을 과량 투입하는 경우 목분과 플라스틱 계면의 접착력이 약하여, 기계적 물성이 감소하고 습기 등에 의한 팽창으로 치수의 변화 및 물성이 약해지는 단점이 있었다.

본 발명은 목분과 플라스틱소재(수지)와의 접착성을 향상시키고, 목분의 함량을 증가시킬 수 있도록 목분의 표면을 개질하는 방법을 제공하고자 한다. 구체적으로 본 발명은 커플링제와 비닐벤젠 또는 메타크릴산의 유기화합물을 첨가하여 압출 반응 시 상기 커플링제 및 유기화합물이 목분의 표면에 그라프트 되어 복합재의 매트릭스로 사용되는 수지와 화학적 결합이 이루어지도록 하는데 특징이 있다.

또한 본 발명은 상기 표면 개질된 목분을 사용하여 복합재를 제조 시 수지와의 혼화성을 향상시키고, 강도를 증가시키기 위하여 매트릭스 수지로 특정한 수지인 무수말레인산 변성폴리프로필렌 또는 그 유도체를 첨가한 인조 목재 복합재의 제조방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 우수한 물성을 갖는 인조 목재 복합재를 제공하고자 한다.

본 발명은 인조목재 복합재에 관한 것으로, 수지와 목분의 계면접착성을 향상시켜 목분의 함량을 최대화 할 수 있는 인조목재 복합재의 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 프로파일형의 인조목재 복합재에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명은

a) 10 ~ 50메쉬의 입자크기를 갖으며, 함수율이 4% 이하인 목분, 말레익언하이드라이드, 테트라 하이드로 프탈릭언하이드라이드 선택되는 1종 이상의 커플링제, 개시제 및 비닐벤젠 또는 메타크릴산을 첨가하여 교반하면서 목분의 표면을 처리하는 단계;

b) 상기 표면 처리된 목분 50 ~ 80 중량%, 폴리올레핀계수지 10 ~ 45 중량%, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌 또는 그 유도체 1 ~ 10 중량%를 혼합하는 단계; 및

c) 상기 혼합물을 압출기 호퍼에 투입하여 압출기내에서 가압 혼련한 후, 다이에서 복합재로 성형하는 단계;

를 포함한다.

상기 a)단계 시 목분 100 중량부에 대하여, 커플링제 0.5 ~ 5 중량부, 개시제 0.1 ~ 5 중량부, 비닐벤젠 또는 메타크릴산 1 ~ 5 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리올레핀계수지는 저밀도 선형폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.

또한, 필요에 따라 상기 혼합물에 미네랄 충전제, 착색제, 윤활제, 항산화제 / UV 안정제, 내염제, 열안정제에서 선택되는 1종 이상의 기능성 첨가제를 더 첨가할 수 있다.

또한, 상기 개시제는 퍼옥사이드계 개시제를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 c) 단계는 압출 온도 200℃이하에서 작업하는 것이 바람직하다. 다이를 통화할 때 일반적으로 2.5 ~ 50.MPa의 고압이 발생된다.

또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 인조목재 복합재도 포함한다.

이하는 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에서 목분은 칩, 셰이빙 및 톱밥과 같은 재활용 물질을 미세한 가루의 형태로 파쇄시켜 만들어진 것을 의미한다. 상기 목분의 파티클 크기는 10 ~ 50메쉬의 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 함수율이 4% 미만, 구체적으로 1 ~ 4%인 것을 사용한다. 만약에 함수율이 4% 를 초과하면, 기계적물성과 생산성에 치명적인 저하를 초래하는 원인이 된다.

본 발명의 a) 단계는 목분과 수지 매트릭스와의 결합력을 증대시키기 위하여 목분에 말레익언하이드라이드, 테트라 하이드로 프탈릭언하이드라이드 선택되는 1종 이상의 커플링제, 개시제 및 비닐벤젠 또는 메타크릴산을 혼합하여 교반하면서 표면을 처리한다. 이렇게 표면 처리된 목분은 추후 압출기 내의 가열 가압 조건의 가공 단계에서 목분 표면에 그라프트 되며, 매트릭스 수지와의 화학적 결합을 유도하게 된다.

상기 커플링제는 목분 100 중량부에 대하여, 0.5 ~ 5 중량부 범위로 사용하는 것이 복합재의 결합력에 영향을 주지 않는 범위에서 물성을 발현할 수 있으므로 바람직하다.

상기 개시제는 벤조일퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드 등의 퍼옥사이드계 개시 제를 사용하며, 목분 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 5 중량부 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기 목분의 표면 개질 시 비닐벤젠 또는 메타크릴산을 첨가하는 경우 놀랍게도 목재의 함량을 50 중량% 이상 증가시킬 수 있으며, 목재의 함량이 증가되더라도 최종 제품인 복합재의 강도가 증가하며, 제반 물성이 향상되는 시너지 효과가 있음을 발견하였다. 그 함량은 목분 100 중량부에 대하여 5 중량부 를 초과하여 사용하면 자체 성분끼리의 응집을 발생하고, 국부적으로 불균일한 조성이 심해지므로 그 이하로 사용되는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명의 b) 단계에 대하여 설명한다.

표면 처리된 목분을 매트릭스 수지와 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로, 본 발명은 상기 매트릭스 수지로 사용될 폴리올레핀계수지 이외에 무수말레인산 변성 폴리프로필렌 또는 그 유도체를 첨가하여 혼합함으로써 추후 성형 시에 추가적인 가교반응을 유도함으로써 목분의 함량을 증가시킬 수 있으면서도 복합재의 물성을 더욱 향상시키도록 한다. 또한 치수안정, 충격강도 및 목분의 분산을 돕는다. 특히, 표면개질된 목분의 기계적인 물성을 더욱 증가시키며, 열적 안정성이 향상될 수 있다.

본 발명에서 상기 폴리올레핀계수지는 압출성형이 가능한 매트릭스재라면 바람직하게 사용될 수 있으며, 구체적으로 저밀도 선형폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. 단단한 물성이 요구되는 경우에는 에틸렌 함량이 5 ~ 10몰%인 블 락 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하며, 유연한 물성이 요구되는 경우 블락 폴리프로필렌과 저밀도폴리에틸렌을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 혼합비는 블락 폴리프로필렌 60 ~ 90 중량%와 저밀도폴리에틸렌 10 ~ 40 중량% 범위로 혼합하여 사용할 수 있다.

b)단계의 혼합 시 혼합물의 함량은 상기 표면 처리된 목분 50 ~ 80 중량%, 폴리올레핀계수지 10 ~ 45 중량%, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌 또는 그 유도체 1 ~ 10 중량%를 혼합한다.

다음으로 c)단계로 상기 혼합물을 압출기호퍼에 투입하여 압출기에서 충분히 용융 가압 혼련되고 나서, 다이와 후속으로 이어지는 성형 냉각장치를 통해 프로파일형태의 복합재를 제조하는 단계에 대해 설명한다.

상기 혼합물을 일정한 조성의 복합재를 만들기 위해 압출기내의 고압과 고온으로 혼련시키고, 투여된 개시제의 분해에 의해 그라프트 반응이 일어나고 목분과 폴리올레핀이 한층 더 잘 결합한다. 그 후에 제품으로의 일정 형태의 복합재를 제조하기 위한 다이에서의 온도는 200℃이하, 구체적으로는 150 ~ 200℃이고, 압력은 2.5 ~ 50.MPa로 수행되는 것이 바람직하며, 다음의 성형냉각장치에서 충분히 냉각되어 프로파일형 제품이 완성 된다. 상기한 공정에 의거 제조된 복합재는 압출기 다이의 형태에 따라 다양한 형태로 얻어낼 수 있으며, 굴곡강도, 인장강도 및 충격강도 등에 있어서 종래 제품과 동등 이상의 물성을 갖는다. 특히, 본 발명에서는 목분의 함량을 50 중량% 이상으로 증가시킬 수 있어 더욱 경제적인 특징이 있다.

또한 필요에 따라 상기 혼합물에 미네랄 충전제, 착색제, 윤활제, 항산화제 / UV 안정제, 내염제, 열안정제에서 선택되는 1종 이상의 기능성 첨가제를 더 첨가할 수 있다. 이들 첨가제의 총 함량은 복합재 함량 중 5 중량% 이하, 0.1 ~ 5 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

미네랄 충전제(mineral fillers)는 탄산칼슘, 활석, 운모 등을 의미하는 것으로 충격강도와 굽힘강도, 열변형 온도 및 하중에 의한 장기적인 변형을 개선하기 위하여 선택적으로 사용할 수 있다. 이러한 미네랄 충전제들은 윤활성을 개선하고 목섬유의 수분의 흡수를 저지할 뿐만 아니라, 복합재의 가공성을 개선할 수 있다.

착색제(colorants)는 색의 안정성을 부여하기 위하여 사용되는 것으로, 목분은 용해성이 높은 물질을 함유하는데, 이는 표면으로 이동하여 변색을 일으키고 목재산물을 회색으로 만든다. 따라서 착색제를 사용할 수 있다.

윤활제(lubricants)는 목분의 분산을 높이기 위하여 사용될 수 있다.

이러한 상기 첨가제들은 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 제조방법으로 제조되는 인조목재 복합재는 목분의 함량이 증가되어도 기계적 물성, 흡수율 등의 물성이 향상되므로 경제적이며, 적용 제품의 다양화를 기할 수 있다.

이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 일예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

(1) 목분의 표면처리

30메쉬 통과되며, 함수율이 4%인 목분 100 중량부에 대하여, 커플링제로 말레익언하이드라이드를 4 중량부, 비닐벤젠 3 중량부 및 개시제로 벤조일퍼옥사이드를 0.1 중량부 첨가하여 교반하면서 표면처리 하였다.

(2) 혼합물의 제조

상기 표면 처리된 목분 50 중량%, 에틸렌이 6몰%인 블락 폴리프로필렌(호남(주)의 J-330이며, MI는 4g/10분) 45 중량%, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌(고유점도 0.4 ㎗/g이고, 용융점은 153℃) 5 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다.

(3) 복합재의 성형

압출기(에스엠텍의 트윈 스크류 압출기 TEK 20)에서 가공온도는 구간별로 150℃, 180℃, 185℃ 및 190℃ 로 상승하면서 150rpm으로 혼련한 후, 자체 제작한 금형을 통해 압출하여 시편을 제작하였다.

상기 시편의 기계적 물성을 측정하기 위하여 Instron Model 5567을 이용하여 ASTM D6109규정으로, 휨강도를 측정하였으며, 열변형 온도와 열팽창 계수는 ASTM 648과 ASTM 228의 규정을 따라 측정하였다. 그 결과는 다음 표 1과 같다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서 커플링제로 말레익언하이드라이드 대신 테트라 하이드로 프탈릭언하이드라이드를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[실시예 3]

상기 실시예 1에서 비닐벤젠 대신 메타크릴산을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[실시예 4]

상기 실시예 1에서 혼합물 제조 시 목분의 함량을 70 중량%, 에틸렌이 6몰%인 블락 폴리프로필렌(호남(주)의 J-330이며, MI는 4g/10분) 20 중량%, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌(고유점도 0.4 ㎗/g이고, 용융점은 153℃) 10 중량%로 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고 동일하게 제조하였다. 제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[비교예 1]

(1) 목분의 표면처리

30메쉬 통과되며, 함수율이 4%인 목분 100 중량부에 대하여, 커플링제로 말레익언하이드라이드를 3 중량부 및 개시제로 벤조일퍼옥사이드를 0.1 중량부 첨가 하여 교반하면서 표면처리 하였다.

(2) 혼합물의 제조

상기 표면 처리된 목분 50 중량%, 에틸렌양이 6%인 블락 폴리프로필렌(호남(주)의 J-330이며, MI는 4g/10분) 50 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다.

(3) 복합재의 성형

제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[표1]

	목분량(중량부)/목분함수율(%)	굽힘탄성율 (MPa)	열변형온도 (℃)	열팽창 계수	흡수율
실시예1	50/4	5,860	108	1.5×10^-5	1.4%
실시예2	50/4	6,110	108	1.5×10^-5	1.8%
실시예3	50/4	5,980	108	1.5×10^-5	1.9%
실시예4	70/4	6,970	116	1.5×10^-5	2.2%
비교예1	50/4	4,920	102	1.5×10^-5	1.8%

상기 표 1에서 보이는 바와 같이 실시예 1 ~ 5에 따른 목분의 표면처리를 한 경우 목분의 함량이 50 중량% 이상인 경우에도 물성이 우수한 것을 알 수 있었다.

그러나 비교예 1의 경우는 동일한 목분 함량에서 더욱 낮은 물성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

Claims

a) 10 ~ 50메쉬의 입자크기를 갖으며, 함수율이 4% 이하인 목분, 말레익언하이드라이드, 테트라 하이드로 프탈릭언하이드라이드 선택되는 1종 이상의 커플링제, 개시제 및 비닐벤젠 또는 메타크릴산을 첨가하여 교반하면서 목분의 표면을 처리하는 단계;

b) 상기 표면 처리된 목분 50 ~ 80 중량%, 폴리올레핀계수지 10 ~ 45 중량%, 무수말레인산 변성 폴리프로필렌 또는 그 유도체 1 ~ 10 중량%를 혼합하는 단계; 및

c) 상기 혼합물을 압출기 호퍼에 투입하여 압출기내에서 가압 혼련한 후, 다이에서 복합재로 성형하는 단계;

를 포함하는 인조목재 복합재의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 a)단계 시 목분 100 중량부에 대하여, 커플링제 0.5 ~ 5 중량부, 개시제 0.1 ~ 5 중량부, 비닐벤젠 또는 메타크릴산 1 ~ 5 중량부를 사용하는 인조목재 복합재의 제조방법.
제 2항에 있어서,

상기 폴리올레핀계수지는 저밀도 선형폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 인조목재 복합재의 제조방법.
제 3항에 있어서,

상기 개시제는 퍼옥사이드계 개시제를 사용하는 인조목재 복합재의 제조방법.
제 4항에 있어서,

상기 c) 단계는 온도 150 ~ 200℃이고, 압력은 2.5 ~ 50.MPa로 5 ~ 30분 동안 수행되는 인조목재 복합재의 제조방법.
제 1항 내지 제 5항에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 인조목재 복합재.