KR20110022117A - 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료 및 그 제조방법, 이를 이용하여 제조된 합성 목재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료 및 그 제조방법, 이를 이용하여 제조된 합성 목재에 관한 것으로, 고함량의 대나무 목질분과 HDPE 수지를 주성분으로 하는 천연수지 매트릭스로서, 내후성과 내구성, 내수성, 내용제성 및 내스크래치성 등의 물리적, 화학적 특성이 우수하고, 아울러 강도 대비 낮은 중량을 갖는 탁월한 성능의 복합재료를 개발하였다. 상기 복합재료에 의한 합성 목재는 성형성이 용이하고 제조비용이 저렴한 추가적인 이점을 갖고 있을 뿐만 아니라 표면광택이 우수하고 천연 목재의 질감을 표현 할 수 있으며, 대나무 고유의 향이 나는 친환경 재료에 의해 제조된다.

본 발명에 따른 합성 목재용 복합재료는 (a) 대나무 목분으로부터 제조된 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, (b) HDPE 수지 20 ~ 40중량%, (c) 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 대나무 목질분은 이황화탄소로 반응시킨 4㎜ 이하의 길이를 갖는 셀룰로오스 섬유로서 리그닌과 왁스를 함유하며, HDPE 수지는 신수지는 물론 재생수지를 사용하여도 좋다.

본 발명에 따른 복합재료 또는 합성 목재는 건축용 내·외장재, CCA 방부목의 대체용, 야외용 데크, 파고라(pergola), 벤치 인테리어 등의 시설용 및 장식용 구조물 등에 여러 가지 형태로 적용시킬 수 있다.

대나무 목질분, 셀룰로오스 섬유, 이황화탄소, 수산화나트륨, HDPE 수지, 합성 목재

Description

대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료 및 그 제조방법, 이를 이용하여 제조된 합성 목재{Composition materials for synthetic wood comprising bamboo fibers and its preparation process, a synthetic wood manufactured by it}

본 발명은 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료 및 그 제조방법과 이를 이용하여 제조된 합성 목재에 관한 것으로, 고함량의 대나무 목질분과 HDPE 수지를 주성분으로 하는 천연수지 매트릭스에 의해 내후성과 내구성, 내수성, 내용제성 및 내스크래치성 등의 물리적, 화학적 특성이 우수하고, 아울러 강도 대비 낮은 중량을 갖는 탁월한 성능의 복합재료를 개발하였으며, 상기 복합재료에 의한 합성 목재는 건축용 내·외장재, CCA 방부목 대체용, 야외용 데크, 파고라(pergola), 벤치 인테리어 등의 시설용 및 장식용 구조물 등에 다양한 형태로 사용되는 것이다.

전원적 풍경이 풍겨나오고 자연친화적으로 보이게 하는 방부목 데크재와 방부목 테이블 등은 실제로는 극약으로 함침되어 있다고 할 수 있는데, 우리가 흔히 데크용재 등으로 사용하는 방부목은 소나무 수종인 헴록(Hem-lock)이나 헴퍼(Hem- fir)가 주로 원목 소재로 사용되는 것으로 미송(미국산 소나무) 종류에 해당하는 목재의 소재이다.

'방부목'이라 함은 일반 목재가 방부액 처리 공정을 거치면서 소위 방부목으로 생산되는바, CCA(Cromated Copper Arsenate) 방부목은 크롬화 동 비산염 처리공정을 거친 방부목을 일컫는 명칭이고, 상기 CCA 방부목이 주류를 이루고 있는 시장 상황에서 비소와 크롬을 사용하지 않은 방부목으로 목재의 부식과 부패, 그리고 개미 등의 공격으로부터 장기간 목재를 보호하는 성능을 발휘하는 ACQ(Alkaline Copper Quaternary) 방부목, 즉 알칼라인 동 암모니아 화합물로 방부처리된 방부목이 개발되었다. 미국과 캐나다 에서는 주거용으로 CCA 처리 방부목을 대신하여 ACQ 처리 방부목을 사용하고 있고, ACQ의 주성분인 구리는 목재 방부처리에 있어 효과적인 살충제로서 확고한 위치를 차지하고 있어 ACQ 처리된 방부목은 CCA 처리된 방부목에 비해 친환경 추세에 따라 각광받을 가능성이 높지만, 아직까지는 ACQ와 CCA는 각각 요구하는 조건과 상황에 따라 다르게 사용될 여지는 충분히 있다.

그러나 국내 유통시장을 살펴보면, 수입산과 국내산 거의 대부분이 CCA 처리된 방부목이고, ACQ는 국내에서는 거의 생산하지 않고 있는 실정이며, 수입 역시 많이 되고 있지 않은 실정이다. 더욱이 ACQ와 CCA 처리 방부목재는 서로 구별조차 쉽지가 않다.

방부액은 표현그대로 썩지 않도록 하는 약품인바, 물질이 부패하는 근본 원인인 미생물 서식을 원천적으로 봉쇄하고 목재를 파먹고 사는 곤충이 접촉하면 사멸토록 하는 것이 목적이기 때문에 맹독성 물질을 함유하고 있다는 것은 거부할 수 없는 사실이다. 따라서 방부목의 표면과 함침된 방부액은 소량이지만, 외부로 스며나오면서 인체는 물론 주변 토양과 인근에 서식하는 화초 등 정원수를 오염시킬 가능성이 매우 크다.

일반 사람들이 방부액에 노출되는 경로는 다음과 같다.

1. 방부목에 직접 접촉하는 경우

2. 방부목이 설치된 구역의 주변 토양, 물과 공기 등에 의해 간접적으로 접촉하는 경우

3. 특히, 방부목으로 만들어진 놀이터, 전원주택 또는 펜션 등의 야외 시설물에서 장시간 보낼 경우

위와 같은 상황에서는, 특히 영유아기의 아이들과 어린이들 및 애완동물의 피해는 장기적 또는 단기적으로 다소 심각할 가능성이 높고, 이러한 방부목의 폐해를 줄이는 방법 중 하나는 침투성 유성 스테인을 정기적으로 칠하여 수분이 목재에 닿아 방부액이 녹아나오는 현상을 지연시킴으로써 방부액 누출을 어느 정도 막을 수 있을 것이고, 시공하고 남은 방부목 자재를 태울 경우 연기를 흡입하는 것은 매우 해로울 수 있으며, 또한 시공할 때 방부목의 절단 작업시 발생하는 부산물인 톱밥은 매우 유해하므로 가급적이면 흡입하지 말아야 하며, 그리고 톱밥이나 목재를 태우고 나서 남은 재를 식용 작물의 퇴비 용도로 사용하거나 마당에 방치해서는 안되는 등, 결론적으로 방부목은 친환경적인 자재가 아니라 인체의 건강과 환경에 심각한 피해를 준다는 보고가 계속해서 발표되고 있는 실정이다.

이와 같이, 야외용 방부목에서 포함되어 있는 물질은 크롬, 비소, 구리 등이 함유되어 자연과 인체에 해로운 독극물이 방출되기 때문에, CCA 방부목을 중심으로 이에 대한 법적 규제는 점점 더 강화되고 있다.

이러한 CCA 방부목을 대체하기 위해 기존의 목분을 이용한 WPC(Wood Plastic Composite)를 합성 목재로 사용되어 왔으나, 이 역시 표면 경도, 나사 결합 이탈성, 온도변화에 따른 변성 등의 치명적인 단점이 노출되어 물리적, 화학적 물성의 보강과 더불어 친환경적인 제품을 만들기 위해 일반적으로 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PS(폴리스티렌) 또는 PVC(폴리염화비닐) 수지에 목분을 혼합한 복합재료를 사용하여 왔다.

그러나 상기 범용 수지들은 성형 후 표면 경도가 취약하고 온도의 변화에 따라 과도한 수축률(2 ~ 3% 이상)이 발생하는 단점이 있고, 또한 목분은 자체적으로 점성이 부족하기 때문에 수지와의 결합력을 높이기 위해 수지와 목분의 혼합 비율을 최소한 1 : 1 의 중량비 이상으로 하여야만 수지 조성물로서 성형할 수 있는 성형성이 생기는 것이다.

실제로 거의 모든 합성 목재(WPC)는 목섬유(wood fiber)보다는 목분(wood powder)을 이용하며, 목분은 칩, 셰이빙, 톱밥과 같은 재활용 물질을 미세한 분말 형태로 분쇄시켜 만들어 지는데, 목분보다 가공하기 어려운 목섬유는 종종 우수한 복합재의 성질을 보이며, 충전제로 사용되기 보다는 주로 강화제로 사용되기도 한다.

한편, 일반 목재로부터 얻어지는 셀룰로오스는 강화제로서의 성질을 결정하는 미소 섬유로서 그 처리방법에 따라 리그닌과 왁스가 제거된 크라프트 펄 프(kraft pulp) 또는 리그닌이나 왁스를 포함하는 열기계 펄프(thermomechanical pulp)로 제조될 수 있는 것이다.

본 발명의 목적은, 단순 목분이 아닌 대나무 목질분을 이용하여 자체적으로 결합력이 뛰어난 셀룰로오스 섬유를 추출하여 수지와 혼합함으로써 합일성(coalescence)과 크리밍 응집성(creaming flocculation)이 증가되어 적은 수지의 함량으로도 압출성형이 가능하고, 일반 목분을 이용한 합성 목재에 비해 상대적으로 수지의 함량이 적어 친환경적이며, 물리적, 화학적 성질도 우수한 합성 목재용 복합재료 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다. 원래 대나무는 기타의 나무에 비해 경도가 높은 편이므로 합성 목재를 성형한 후에는 제품의 경도와 휨강도, 인장력, 내수성, 내열성에서도 우수한 성질을 가지게 되는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 경질의 HDPE(High Density Polyethylene, 고밀도 폴리에틸렌)로 이루어지는 열가소성 수지에 고함량의 대나무 목질분을 주성분으로 하는 복합재료를 사용하여 합성 목재를 제조함으로써 내후성과 내구성, 내수성, 내용제성 및 내스크래치성 등의 물리적, 화학적 특성이 우수하고, 아울러 강도 대비 낮은 중량과 성형성이 우수하고 제조비용이 저렴하며, 탁월한 표면 평활성으로 인하여 압출성형 후에는 표면 마찰 샌드페이퍼 가공기(Wide Sandpaper Machine)를 통한 표면처리 가공이 용이하여 천연 목재의 질감을 표현 할 수 있을 뿐만 아니라 대나무 고유의 향이 나는 합성 목재를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 합성 목재용 복합재료는 (a) 대나무 목분으로부터 제조된 셀 룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, (b) HDPE 수지 20 ~ 40중량%, (c) 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 셀룰로오스 섬유는 대나무 목질분을 이황화탄소(CS₂)로 반응시킨 후, 상온에서 수산화나트륨 수용액으로 1 ~ 5회 세척하여 중화 및 탈황시키고 수분 함유량이 8% 이하가 되도록 건조하여 제조된 4㎜ 이하의 길이를 갖는 셀룰로오스 섬유로서 리그닌과 왁스를 함유하고 있으며, HDPE 수지는 신수지는 물론 각종 폐HDPE 제품의 폐기물 스크랩을 수집하여 세척하고 펠릿으로 제조한 재생수지를 사용하는 것이 환경보호 측면에서 더욱 바람직하다.

또한, 상기 대나무 목질분으로부터 제조된 셀룰로오스 섬유와 HDPE 수지에 각종 화학 첨가제를 같이 혼합한 복합재료를 제조하여 압출성형을 통해 펠릿(PELLET) 형상으로 성형하고 냉각시킨 후, 다시 금형을 통해 합성 목재로 사용할 수 있는 완성품을 제조하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따르면, 단순 목분이 아닌 대나무 목질분을 이용하여 자체적으로 결합력이 뛰어난 셀룰로오스 섬유를 추출하여 수지와 혼합함으로써 합일성(coalescence)과 크리밍 응집성(creaming flocculation)이 증가되어 적은 수지의 함량으로도 압출성형이 가능하고, 일반 목분을 이용한 합성 목재에 비해 상대적으로 수지의 함량이 적은 친환경 재료로서 강도 대비 낮은 중량을 가지며, 제품의 성형성 및 치수 안정성이 우수하고 제조비용도 저렴하다.

본 발명은 고함량의 대나무 목질분과 경질의 HDPE 열가소성 수지를 주성분으로 하는 복합재료를 사용하여 제조된 합성 목재로서, 내후성과 내구성, 내수성, 내열성, 내용제성 및 제품의 표면경도에 의한 내스크래치성, 휨강도, 인장력, 나사와 못에 의한 결합력 등의 물리적, 화학적 성질이 종래의 어떠한 천연목재나 합성목재에 비해 월등하고, 또한 상기 합성 목재는 셀룰로오스 섬유에 리그닌과 식물성 왁스를 함유하고 있어 표면 광택과 감촉이 우수할 뿐만 아니라 탁월한 표면 평활성으로 인하여 압출성형 후 표면 마찰 샌드페이퍼 가공기(Wide Sandpaper Machine)를 통한 표면처리 가공 또는 압력롤러 방식에 의한 나무결 무늬 성형이 용이하여 천연 목재의 질감을 표현할 수 있으며, 아울러 대나무 고유의 향이 발생되는 유익한 효과가 있다.

본 발명에 따른 복합재료 또는 합성 목재는 건축용 내·외장재, CCA 방부목의 대체용, 야외용 데크, 파고라(pergola), 벤치 인테리어 등의 시설용 및 장식용 구조물 등에 다양한 형태로 적용할 수 있다.

본 발명은 그 기술적 과제를 해결하기 위한 수단이, (a) 대나무 목분으로부터 제조된 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, (b) HDPE 수지 20 ~ 40중량%, (c) 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%로 구성되는 합성 목재용 복합재료이다. 상기 셀룰로오스 섬유는 대나무 목질분을 이황화탄소(CS₂)로 반응시킨 후, 상온에서 수산화나트륨 수용액으로 1 ~ 5회 세척하여 중화 및 탈황시키고 수분 함유량이 8% 이하가 되도록 건조하여 제조된 4㎜ 이하의 길이를 갖는 섬유질로서 자체적으로 리그닌과 왁스를 함유하고 있으며, 상기 HDPE 수지는 신수지는 물론 각종 폐HDPE 제품의 폐기물 스크랩을 수집하여 세척하고 펠릿으로 제조한 재생수지를 사용하는 것이 더욱 경제적이고 환경적인 측면에서 바람직하다.

다음으로, 상기 대나무 목분으로부터 제조된 셀룰로오스 섬유와 HDPE 수지에 각종 화학 첨가제를 같이 혼합한 복합재료를 제조하여 압출성형을 통해 펠릿 형상으로 성형하고 냉각시킨 후, 압출, 사출, 압축성형기 등을 통해 합성 목재를 제조한다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 작용을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 명세서에서 '대나무 목분'이란 20 ~ 50mesh 크기로 파쇄한 입자로서 길이 대 직경의 비율은 대략 5 : 1 이하로 이루어지는 것이 성형성과 제품의 강도 측면에서 바람직하다. 상기 대나무 목분은 자체가 가지고 있는 점성을 증가시키기 위해 반드시 이황화탄소(CS₂)로 반응시켜 길이가 4.0mm 이하인 셀룰로오스 미소 섬유를 추출하게 되는바, 이는 섬유질 크산토겐산나트륨(sodium cellulose xanthate)으로서 리그닌과 왁스를 포함하고 있다.

[cellulose-RONa + CS₂ → cellulose-RO(CS)Na]

이것을 묽은 수산화나트륨 용액으로 세척하여 중화 및 탈황처리를 함으로써 이황화탄소의 잔류독성을 제거하며, 재료의 수분 함량을 줄이기 위해 건조시키게 된다. 이때 수분 함량은 8% 이하로 하는 것이 수지와의 결합성 향상을 위해 바람직하다.

이와 같이 대나무 목분으로부터 제조된 셀룰로오스 섬유(a)는 복합재료 총중량에 대하여 45 ~ 65중량%로서 HDPE 수지(b) 20 ~ 40중량%에 비해 1 ~ 3배 이상의 중량비율로 함유함으로써 성형성 및 치수 안정성이 일반 합성 목재(WPC)에 비해 우수하고, 아울러 강도와 표면 특성, 내수·내열성, 대나무향 발생 등의 물리적, 화학적 성질과 질감에 있어서도 탁월한 효과를 발휘하게 되는 것이다.

또한, 본 발명에서 사용되는 수지 성분은 반드시 0.940g/㎤ 이상(0.940 ~ 0.980g/㎤)의 밀도를 갖는 HDPE 수지로서, 이를 최종적으로 선택함으로써 일반 합성 목재(WPC)에서 사용되는 LDPE, PP, PS 또는 PVC 수지 등의 범용수지들에 비해 대나무 목질분과의 결합력을 강화하게 되는 것이고, 일반 합성 목재에서 HDPE 수지를 사용한다 하더라도 일반 합성 목재에서는 충진제로서 목분을 그대로 사용하게 되는 것이므로, 일반 목재의 목분은 밀도가 높은 경질의 HDPE 수지와의 결합성이 약하다는 심각한 문제가 발생하게 되어 결국 합성 목재로서의 바람직한 물성을 얻을 수 없게 된다.

일반적으로 HDPE 수지는 구조적으로 결정도가 높고 3차 수소(tertiary H)의 수가 매우 적기 때문에 다른 폴리올레핀(polyolefin)에 비해 산화에 대한 안정성이 뛰어나고, 응력이 가해지지 않은 상태에서 60℃까지는 보통의 유기용제나 산, 알칼 리 등에 대하여 극히 안정한 성질을 나타내고 있다.

전술한 HDPE 수지는 경제적인 측면과 환경적인 측면을 종합적으로 고려하여 폐HDPE 제품의 폐기물 스크랩을 수집하여 세척하고 용융시킨 다음 펠릿으로 제조한 재생수지를 단독으로 사용하거나 신수지에 적당량 혼합하여 사용함으로써 더욱 유리한 효과를 얻을 수도 있다.

이어서, 아래에서는 본 발명에서 첨가되는 부자재의 구성성분과 그 기능에 대하여 상세하게 설명한다.

첨가용 부자재(c)는 복합재료 전체 중량에 대하여 10 ~ 20중량%를 혼합하는 것이 바람직한데, 이는 종래의 일반 합성 목재(WPC)에 비해 충진제 등의 부자재를 소량으로 첨가함으로써 대나무 목질분에 의한 고유한 성질을 최대한 발현시키기 위한 가장 적합한 비율을 나타낸 것이다.

자외선 안정제( UV stabilizers )

본 발명에 따르는 복합재료를 포함한 고분자 물질은 열 뿐만 아니라 빛에 의해서도 분해되어 노화가 일어난다. 특히 태양광선 중 290 ~ 400nm에 해당하는 자외선은 강력한 에너지를 가지고 있어 플라스틱의 변색, 표면 갈라짐, 기계적 물성 저하 등 플라스틱 노화의 주요인으로 작용한다. 자외선 안정제는 태양광선 중 자외선을 선택적으로 흡수하여 열 에너지로 바꾸거나 자외선으로부터 분해되어 생성된 자유라디칼을 소멸시킴으로써 자외선으로부터 재료가 분해되는 것을 방지해 주는 역할을 수행한다.

빛에 의해 야기되는 물리, 화학적 물성 저하를 방지할 수 있는 물질로서는 벤조페논계(2-hydroxy benzophenone 등), 벤조트리아졸계(2-hydroxy phenyl benzotriazole 등), 힌더드 아민류(hindered amines, 4-벤조일옥시-2,2,6,6-테트라메틸비페리딘, 2,4-디-tert-부틸페닐-3,5-디-tert-부틸-하이드록시벤조이드 등), 유기니켈 화합물 등을 0.05 ~ 2중량%의 농도로 사용할 수 있다. 본 발명에서는 HALS(hindered amine light stabilizer) 계통의 자외선 안정제를 0.1 ~ 0.2중량% 사용하였으며 특별히 그 종류에 구애받지는 않는다.

난연제( flame retardants )

합성 목재는 외부 요인에 의해 화재 발생의 우려가 있는 것이므로, 복합재료에 첨가하여 발화를 방지하고 연소의 확대를 지연시키는 배합제로서, 일반적으로 할로겐, 인, 질소로 대표되는 난연성 부여 효과가 높은 화합물을 소량 첨가하면 된다.

결합제( coupling agents )

결합제는 HDPE 수지와 목질분의 결합력을 증대시키기 위해 사용하는 것으로, 원칙적으로 목질분은 친수성인 극성을 나타내고 수지 성분은 소수성인 비극성을 가지므로, 목질분과 수지의 상호작용을 결합제에 의해 두 물질사이의 계면에서 새로운 화학적 결합을 발생시키는 것으로, 본 발명에서는 MAPP(maleated polypropylene)를 전체 중량대비 0.1 ~ 0.2중량% 함유하였는데, 상기 결합제는 굽힘 강도(modulus of rupture, MOR)와 탄성 계수(modulus of elasticity, MOE)를 증가시키고, 치수 안정, 충격강도 및 재료의 분산성에도 영향을 미친다.

대전방지제( antistatic agents )

정전기 발생으로 인한 제품의 안정성을 높이고 불쾌감을 줄이기 위해 사용하는 첨가제로서, 인산 알킬에스테르, 제4급 암모늄염 등의 각종 계면활성제를 합성 목재의 구체적인 용도에 따라 통상적인 양으로 첨가한다.

가소제( plasticizers )

가소제는 복합재료의 유연성, 가공의 작업성 또는 팽창성을 증가시키는 물질로 대부분은 무수프탈산, 아디프산 등의 산과 옥탄올, 노나놀 등 알콜과의 에스테르화에 의해 제조된다. 이들 가소제는 폴리머의 2차 분자간력을 완화시켜 고분자의 운동성을 증가시키는 기능을 하기 때문에 분자들 사이에 분자간력을 완화하여 플라스틱의 유동성을 증가시킨다. 따라서 가소제는 수지와의 상용성을 가져야 하나 몇몇 가소제만이 필요한 성질 중 하나 또는 둘 이상의 성질을 가지고 있어 혼합해서 사용되는 경우가 많고, 우수한 상용성을 가지는 가소제로서 DOP, DINP 등이 주로 사용되며 그 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.

충진제( fillers )

충진제는 대량으로 첨가되어 원가절감을 목적으로 하는 증량제(extender filler)와 기계적, 열적, 전기적 성질이나 혹은 가공성을 개선하기 위해 첨가되는 보강제(reinforcing filler)의 2가지로 대별된다. 충진제는 다른 첨가제에 비해 대량으로 배합되는 것이 일반적이며, 많을 경우 40 ~ 50%가 사용되기도 한다. 본 발명에서는 여러 가지 충진제 중에 탄산칼슘, 활석, 운모와 같은 미네랄 충진제를 15중량% 이내로 사용할 수 있으며, 충격 강도와 굽힘 강도, 열변형 온도 및 하중에 의한 장기적인 변형을 개선하기 위해 합성 목재의 구체적인 용도에 따라 선택적으 로 사용한다.

산화방지제( antioxidants )

합성 목재 제조공정 중 성형가공과정이나 성형된 제품이 실용환경 조건하에서 산소, 열, 빛 등의 영향에 의해 열화 또는 물성의 저하, 균열, 변색 등을 억제하기 위하여 사용한다. 본 발명에서는 아민류(amines)의 산화방지제를 사용하는 것이 바람직하다.

착색제( colorants )

대나무 목질분은 용해성이 높은 물질을 함유하는데, 이는 표면으로 용해물질이 이동하여 변색을 일으킬 수 있으므로 색감의 안정성을 부여하기 위해서는 안료나 염료와 같은 착색제를 1 ~ 5중량% 정도 첨가하게 되고, 착색제는 일반적으로 윤활제와 함께 첨가한다.

또한 본 발명은 상기 안료, 염료 등과 유기성 용제를 혼합하여 제조될 수 있으며, 상기 안료 및 염료로는 합성 목재에 일반적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

그밖에 첨가용 부자재로서, 대나무 목질분을 분산성을 높이고 합성 목재의 표면 특성을 개선하기 위해 첨가하는 윤활제(lubricants), 가공 중 또는 완성된 제품의 물리적, 화학적 성질을 유지시키도록 도와주는 열안정제(heat stabilizers), 유기 무기계 항균제(antimicrobial agents) 등의 고분자 재료용 첨가제는 당해 기술분야에 종사하는 자에게 이미 잘 알려져 있는바, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 이에 관한 자세한 설명은 생략한다.

다음으로, 상기 합성 목재용 복합재료를 이용하여 합성 목재를 제조하는 공정을 상세히 설명한다.

(a) 대나무 목분을 이황화탄소(CS₂)로 반응시켜 제조한 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, (b) HDPE 수지 20 ~ 40중량%, 및 (c) 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%를 포함하는 합성목재용 복합재료의 각 성분을 혼합 후 쿨링 믹서(cooling mixer)를 이용하여 혼합한다. 이때 믹서의 회전 속도는 600 ~ 700rpm으로 약 10 ~ 12분 동안 하는 것이 바람직하다.

이렇게 혼합된 복합재료는 압출성형 시 가공속도의 개선과 성형의 정밀성 치수 안정성 등을 얻을 수 있게 하는데 필요한 요소인 합일성(coalescence)성과 크리밍 응집성(creaming flocculation)이 증가되어 제품생산의 효율을 높여준다.

본 발명은 상기 합성 목재용 복합재료를 구형 또는 원기둥형의 펠릿(pellet)으로 압출성형하는 단계를 거친 다음, 금형에 의해 압출성형과 사출성형, 압축성형 중의 어느 하나의 성형방법에 의해 합성 목재 완성품으로 제조되는 것이다.

상기와 같은 방법으로 혼합된 복합재료가 펠릿(pellet) 형상으로 제조된 압출물을 이용하여 압출성형에 의한 합성 목재를 제조하는 공정을 예시하면, 통상의 평형 트윈 스크류 압출법으로 실시될 수 있다. 구체적으로는 90 ~ 92mm 길이의 이중 평형스크류 25 : 1 의 비율로 평균압출속도 0.6 ~ 0.7m의 속도와 압출토출온도는 150℃ 이하이고 냉각수를 이용하여 금형 통과 후 진공을 걸어 압출성형한다.

이때 고열에 의한 급격한 산화와 변색을 막기 위해 가능한 금형에 이중 자켓 을 만들어 냉각수를 순환하게 만드는 공법을 이용한다.

상기와 같은 방법으로 제조된 합성 목재는 다양한 무늬와 색상 그리고 자연 그대로의 질감을 나타낼 수 있다. 또한 상기 합성 목재 조성물은 성형 후 완제품에서 천연 대나무 향이 발산될 뿐 아니라 질감 역시 천연 목재와 동일한 질감으로서 플라스틱에서 나타나는 차갑고 미끌거리는 이물질감에 대한 거부감도 해소하였다.

이밖에도 본 발명은 상기 압출성형에 의한 제조공정 이외에도 사출성형, 압축성형 중의 어느 하나의 성형방법에 의해 여러 가지의 합성 목재 완성품으로 제조될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시 예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

<실시예 1>

대나무 목분에서 추출한 셀룰로오스 섬유 55중량%, HDPE 수지 30 중량%, 및 첨가제로서 자외선 안정제, 난연제, 대전 방지제, 산화 방지제, 항균제, 가소제, 충진제를 15중량% 함유하는 복합재료를 혼합기(cooling-mixer)를 이용하여 600 ~ 700rpm으로 10 ~ 12분 동안 혼합하여 복합재료를 제조한다.

<실시예 2>

상기 실시예 1에서 제조된 복합재료 조성물을 150℃로 조정된 펠릿 전용 압출기로 압출성형하여 원기둥형의 펠릿을 만든다. 압출속도는 3 ~ 4m/분으로 설정하여 재료가 탄화되거나 색상이 변색됨을 방지한다. 제1차 압출성형을 하는 목적은 1 차로 열을 받은 복합재료 조성물을 제2차 성형 시에 낮은 온도에서도 용융이 잘 되어서 손쉽게 성형속도를 올리고 정밀한 성형을 할 수 있도록 하는 장점이 있다.

<실시예 3>

상기 실시예 2에서 제조된 합성 목재용 복합재료 펠릿을 주압출기(TWIN PARALLEL 92 mm Ratio 25 : 1 )를 이용하여 150℃ 의 온도로 압출성형하는데, 얻고자하는 형태의 금형을 이용하여 용융된 조성물을 통과시킨 후 사이징(sizing)을 이용하여 진공과 냉각공정을 거쳐 성형하고 인출기를 통해 인출하며 절단기로 적정 규격으로 절단하여 합성 목재를 완성시킨다.

<실시예 4>

기존 목재 제품과의 물성 비교시험

하기 표 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 CCA 방부목, 일반 합성 목재(WPC), 및 상기 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 대나무 목질분 합성 목재(BPC)에 대하여 자체적으로 비교시험한 결과를 제시하였는데, 이는 제한된 수치범위로 본 발명이 국한되는 것은 아니고 기존의 방부목이나 합성 목재에 비해 상대적으로 우수한 물리적, 화학적 성질을 나타낸다는 사실을 입증하기 위한 것이다.

구분	CCA 방부목	일반 합성 목재 (WPC)	대나무 목질분 합성 목재 (BPC)
밀도(g/㎤)	0.8	1.2	1.45
휨강도(N/㎟)	-	23	52.20
수분 흡수율(%)	13	1.2	1.0
팽창율(%)	-	1.2	0.6
나사못 유지력(N)	480	580	630
내스크래치성(H)	2	3	5 이상

<실시예 5>

본 발명에 의한 합성 목재의 성능 시험

하기 표 2와 같이, 상기 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 대나무 목질분 합성 목재(BPC)는 성능 시험에서도 표준수치와 비교하여 함수율, 두께팽창율, 휨강도, 휨탄성강도, 수치변화율 등에서 모두 탁월한 결과를 나타내었다.

검사항목	표준수치	검사수치
함수율(%)	< 2	1.2
경도(HHR)	> 58	60
흡수 후 두께팽창율(%)	< 1	0.5
휨강도(MPa)	> 20	29.7
휨탄성강도(MPa)	> 1800	3490
가열 후 수치변화율(%)	< ± 2.5	+ 0.10
내후성(300시간) 휨강도	> 16	18.4

상기와 같이 제조된 합성 목재는 건축용 내·외장재, CCA 방부목의 대체용, 야외용 데크, 파고라(pergola), 벤치 인테리어 등의 시설용 및 장식용 구조물 등에 여러 가지 형태로 적용할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 합성 목재의 제조 공정도이다.

Claims (10)

1. 대나무를 절단하고 분쇄하는 제1단계;

   상기 제조된 대나무 목분을 이황화탄소(CS₂)로 반응시켜 셀룰로오스 섬유를 추출하는 제2단계;

   상기 셀룰로오스 섬유를 수산화나트륨 수용액으로 1 ~ 5회 세척에 의해 중화 및 탈황을 한 후, 수분 함유량이 8% 이하가 되도록 건조하는 제3단계;

   상기 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, HDPE 수지 20 ~ 40중량% 및 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%를 혼합하여 복합재료를 형성하는 제4단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제4단계에서 형성된 복합재료를 구형 또는 원기둥형의 펠릿으로 압출성형하는 제5단계를 포함하여 이루어지는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료의 제조방법.
3. (a) 대나무 목분을 이황화탄소(CS₂)로 반응시켜 제조한 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%,

   (b) HDPE 수지 20 ~ 40중량%, 및

   (c) 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료.
4. 제3항에 있어서,

   상기 대나무 목분은 길이 대 직경의 비가 5 : 1 이하이며, 상기 셀룰로오스 섬유는 4㎜ 이하의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료.
5. 제3항에 있어서,

   상기 셀룰로오스 섬유는 리그닌과 왁스를 함유함을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료.
6. 제3항에 있어서,

   상기 HDPE 수지는 밀도가 0.940 ~ 0.980g/㎤으로, 폐HDPE 제품의 폐기물 스크랩을 수집하여 세척하고 펠릿으로 제조한 재생수지를 단독 또는 신수지에 혼합하여 사용한 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료.
7. 제3항에 있어서,

   상기 첨가용 부자재는 자외선 안정제, 난연제, 결합제, 대전방지제, 가소제, 충진제, 산화방지제, 착색제, 윤활제, 열안정제, 항균제 중에서 1종 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료.
8. 제7항에 있어서,

   상기 자외선 안정제는 HALS(hindered amine light stabilizer) 계통이고, 상기 결합제는 MAPP(maleated polypropylene)로서, 전체 중량대비 각각 0.1 ~ 0.2중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료.
9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 복합재료를 금형으로 성형하여 제조된 합성 목재.
10. 제9항에 있어서,

    상기 금형에 의한 성형은 압출성형과 사출성형, 압축성형 중의 어느 하나의 성형방법으로 제조된 합성 목재.

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