KR20110060907A - 목재-금속 복합체 구조물 - Google Patents

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밀라 힌티카
라이자 라우티아이넨
미자누르 불불
유하나 리마타이넨
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유피엠-큄메네 우드 오이
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Abstract

본 발명은 목재 물질과 금속 물질을 포함하는 목재-금속 복합체 구조물에 관한 것으로, 상기 목재 물질과 금속 물질(2)은 커플링제에 의해 결합되어 있다. 본 발명에 따르면, 상기 목재-금속 복합체 구조물(5)은 금속 물질(2)을 함유하는 커플링 물질(1, 2, 3, 4)을 포함하고, 상기 커플링 물질은 3개 이상의 층을 포함하고, 상기 커플링 물질의 적어도 외측 층들(1, 3)은 폴리머 및 상기 물질의 -OH 기와 반응하여 자체 접착성 성질을 형성할 수 있는 커플링제를 함유하고, 금속 물질을 포함하는 하나 이상의 층(2)은 상기 외측 층들(1, 3) 사이에 배치되어 있다.

Description

목재-금속 복합체 구조물 {WOOD-METAL COMPOSITE STRUCTURE}
본 발명은 특허청구 범위 제1항의 전제부에 명시된 목재-금속 복합체 구조물에 관한 것이다.
복합체 구조물은 종래 기술로부터 여러 가지가 알려져 있다. 가장 전형적인 것은 폴리에스테르와 유리 섬유의 복합체 및 에폭시와 탄소 섬유의 복합체이다. 폴리머보다 높은 탄성 계수를 가진 섬유를 사용하는 방법이 알려져 있다. 섬유는 또한 폴리머에 대한 넓은 접촉 면적을 가진다. 이러한 종류의 복합체는 높은 강도와 가벼운 중량이 요구되는 비행기, 자동차 및 그 밖의 차량에 점점 더 많이 사용된다. 스포츠 장치도 이러한 종류의 구조물의 좋은 예이다.
종래 기술로부터 합판, 베니어판 등과 같은 다양한 목재 보드가 알려져 있다.
합판은 또 다른 종류의 복합체로서, 목재 배향(orientation) 및 비연속점이 베니어 층을 다른 베니어에 대하여 교차-위치에 배치함으로써 보상되는 복합체이다. 합판에 있어서, 글루 라인(glue line)은 플라이(ply)를 함께 유지시키는 주된 성질을 가진다.
합판은 보통 휘거나 뒤틀리는 것과 같은 바람직하지 않은 성질을 가진다. 또한, 정상적 합판은 수증기가 통과하여 확산되지 못하게 한다. 따라서, 패널의 반대측의 수분 함량이 다르기 때문에 평탄성(flatness)을 잃게 된다.
특허 문헌 US 5243126, JP 2000202810 및 US 3620878로부터, 금속 물질을 포함하는 여러 가지 목재 패널이 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 새로운 형태의 용액을 사용하여 새로운 형태의 목재-금속 복합체 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 목재-금속 복합체 구조물은 특허청구 범위에 기재된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 목재 물질과 금속 물질을 포함하는 목재-금속 복합체 구조물을 토대로 하며, 상기 목재 물질과 금속 물질은 커플링제에 의해 결합되어 있다. 본 발명에 따르면, 목재-금속 복합체 구조물은 금속 물질을 함유하는 커플링 물질을 포함하고, 커플링 물질은 3개 이상의 층을 포함하고, 커플링 물질의 3개 이상의 층은 폴리머 및, 목재와 금속과 같은 물질의 -OH 기와 반응하여 자체 접착성 성질을 형성할 수 있는 커플링제를 함유하고, 금속 물질을 포함하는 하나 이상의 층이 외측 층들 사이에 배치되어 있다.
본 발명은 특히, 완전히 새로운 성질과 응용성을 가진 목재-금속 복합체 구조물을 토대로 한다. 본 발명의 목재-금속 복합체 구조물은 목재-커플링 물질-금속 물질로 이루어지는 새로운 결합 방법으로 제조된다. 목재-금속 복합체 구조물의 물질은, 상기 물질의 -OH 기, 및 일 구현예에서는 -O 기와 반응성인 커플링제에 의해, 바람직하게는 에스테르화를 통해 자체 접착성 성질을 형성하도록, 바람직하게는, 예를 들면 무수 말레산 폴리올레핀에 의해 결합된다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링제는 그라프트된(grafted) 실란, 그라프트된 이소시아네이트, 그라프트된 에폭시기 및 무수 말레산 폴리올레핀, 예를 들면 무수 말레산 그라프트된 폴리프로필렌(MAPP), 무수 말레산 그라프트된 코폴리머 및 무수 말레산 그라프트된 폴리에틸렌(MAPE)으로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 커플링제는 공유 결합, 셀룰로스 및/또는 금속의 -OH 기 또는 -O 기와의 에스테르화를 통한 에스테르 결합 및/또는 공유 결합을 형성한다. 일 구현예에서, 커플링제는 물질의 -OH 기와의 에스테르화를 통해 공유 결합을 형성한다.
일 구현예에서, 커플링 물질은 커플링제와, 추가로 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 폴리머를 함유한다. 또한, 커플링제는 첨가제 및/또는 충전재를 함유할 수 있다.
일 구현예에서, 커플링제는 커플링제로서 MAPE 또는 MAPP와 같은 무수 말레산 폴리올레핀, 및 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함한다. 무수 말레산은 공유 결합을 형성하고, 바람직하게는 셀룰로스 및/또는 금속의 -OH 기 또는 -O 기와 에스테르화를 통해 공유 결합을 형성한다.
일 구현예에서, 커플링 물질은 폴리머, 폴리올레핀, 유기 실란 및/또는 티타네이트를 함유한다. 일 구현예에서, 커플링 물질 또는 커플링 물질의 폴리올레핀은 폴리올레핀과 반응성인 작용기를 함유하는 알콕시실란과 그라프트된다. 일 구현예에서, 폴리올레핀을 가수분해 가능한 비닐-모노-, 비닐-디-, 또는 비닐-트리-알콕시실란과 그라프트시킨다. 일 구현예에서, 비닐기는 이소시아네이트기 또는 에폭시기로 대체될 수 있다. 알콕시실란 알코올기는 메틸-, 에틸-, 프로필- 또는 이소프로필-기일 수 있고, 실란은 1개, 2개, 또는 3개의 알콕시기를 함유할 수 있다. 폴리올레핀과 비닐기 또는 다른 반응성 기의 반응은 커플링 물질의 제조시에 이미 일어나며, 실란기에 의한 목재와의 반응은 목재 보드의 제조시 또는 제조 후에 일어난다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링제는 커플링 물질의 제조시, 바람직하게는 필름의 제조시, 180℃보다 높은 온도에서 활성화된다. 커플링제는 공압출에 의해 제조될 수 있다. 필름과 커플링 물질은 공압출에 의해 제조될 수 있다. 다른 압출 방법을 이용하는 것도 가능하다. 압출 온도는 180∼200℃이다. 바람직한 구현예에서, 200℃의 압출 용융 온도가 2분간 사용되는데, 이것은 커플링제를 반응성 형태로 변환시키기에 충분한 시간이다. 형성된 커플링제는, 목재의 -OH 기와 최대 개수의 공유 결합 및/또는 에스테르 결합을 형성할 수 있는 활성화 작용기를 함유한다. 폴리올레핀의 용융 지수(melt index)가 4g/10분(측정 조건: 190℃/2.16kg) 이하이면 필름 형태에서 반응성 기의 활성화가 가능해진다.
바람직하게는, 일 구현예에서, 말레산은 커플링 물질의 제조시, 바람직하게는 필름을 제조하는 공정중에 무수 말레산으로 변환된다(도 5). 상기 물질은 폴리올레핀과 무수 말레산 그라프트된 폴리올레핀의 공압출에 의해 제조될 수 있다. 다른 압출 방법도 사용될 수 있다. 압출 온도는 180∼200℃이다. 바람직한 구현예에서, 200℃의 압출 용융 온도가 2분간 사용되는데, 이것은 커플링제를 말레산으로부터 무수 말레산으로 변환시키기에 충분한 시간이다. 형성된 물질은, 물질의 -OH 기와 최대 개수의 공유 결합을 형성할 수 있는 활성화 작용기를 함유한다. 일 구현예에서, 무수 말레산 폴리올레핀을 함유하는 필름의 층 또는 커플링 물질의 층에서, 무수 말레산 변환율은 86%보다 높고, 말레산 미변환율은 14% 미만이다. 바람직한 일 구현예에서, 무수 말레산 변환율은 92%보다 높고, 말레산 미변환율은 8% 미만이다.
또한, 커플링 물질의 제조에 있어서, 캐스트(cast) 필름 압출과 같은 다른 압출 방법도 가능하다.
본 발명의 일 구현예에서, 금속 물질은 금속 센서, 금속 안테나, 금속 라미네이트, 금속 시트, 금속 필름, 금속 프레임 또는 금속 구조물을 포함한다. 일 구현예에서, 금속 물질은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸, 구리 또는 이것들의 유도체나 조합으로 형성된 금속을 함유한다. 일 구현예에서, 금속 물질은 RFID-안테아 또는 RFID-센서와 같은 RFID-식별자(identifier), EMFI-센서 또는 온도, pH, EMS 또는 습도 센서를 포함한다.
또한, 바람직한 구현예에서, 금속 물질층은 폴리올레핀, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 커플링제 및/또는 바람직하게는 금속 물질층의 지지 물질인 메탈로센 생성 폴리에틸렌을 함유한다.
일 구현예에서, 금속 물질의 표면은 산소화된다. 바람직하게는, 금속 물질의 접촉면은 금속 물질이 커플링 물질에 부착되기 전에 산화된다. 금속 물질이 커플링 물질에 부착되는 것은, 커플링제와 금속 표면의 산화물층의 -OH 기, 또는 일 구현예에서는 -O 기의 화학적 결합, 예를 들면 에스테르화를 통한 공유 결합에 의해 이루어진다.
일 구현예에서, 스틸과 구리는 바람직하게는 HNO3, H2O2 또는 O3로 표면 처리되어 커플링제의 커플링을 위한 산화물층이 형성된다. 알루미늄과 스테인레스 스틸은 자연히 그것들 자체의 산화물층을 형성한다.
일 구현예에서, 커플링제와 금속 표면 사이에 접착을 더욱 증강시키고, 또한 금속 산화물 표면과 커플링 물질 사이에 부식 장벽을 형성하기 위해, 금속 표면은 오르가노실란, 실리콘, 부식 억제제 또는 이것들의 조합을 함유하는 프라이머로 처리된다.
일 구현예에서, 수분에 의해 유도되는 가수분해로부터 금속 산화물을 보호하기 위해서, 금속 표면은 양극 산화(anodizing), 인산 또는 크롬산을 이용하여 에칭된다.
일 구현예에서, 프라이머 또는 커플링 물질의 접착을 보조하기 위해서 금속 표면은 샌딩 처리 또는 그라인딩 처리된다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층은 필름으로 형성된다. 일 구현예에서, 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층은 2층 이상의 필름으로 형성된다. 일 구현예에서, 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층은 3층 이상의 필름으로 형성된다. 일 구현예에서, 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층은 적어도 다층 필름으로 형성된다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링 물질은 금속 물질을 함유하는 2개 이상의 층을 포함한다. 일 구현예에서, 커플링 물질은 폴리머와. 물질의 -OH 및 -O 기와 반응할 수 있는 커플링제를 함유하는 하나 이상의 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 금속 물질을 함유하는 2개의 층 사이에 배치된다.
바람직하게는, 커플링 물질의 모든 층들은 커플링제에 의해 결합된다.
일 구현예에서, 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층, 필름 및/또는 필름층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 커플링제, 메탈로센 생성 폴리에틸렌(TIE) 및/또는 이것들의 유도체 또는 조합을 함유한다. 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층, 필름 및/또는 필름층은 첨가제와 충전재를 포함할 수 있다. 바람직한 구현예에서, TIE-물질은 말레이트화 폴리올레핀을 포함한다.
바람직한 구현예에서, 커플링제를 함유하는 커플링 물질의 층, 필름 및/또는 필름층은 무수 말레산 폴리올레핀, 예를 들면 무수 말레산 폴리에틸렌(MAPE) 및/또는 무수 말레산 폴리프로필렌(MAPP), 및 추가적 폴리올레핀, 예를 들면, 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 말레이트화 폴리올레핀을 포함하는 필름 또는 필름층도 폴리머, 예를 들면 PE 또는 PP를 함유한다. 바람직하게는, 말레이트화 폴리올레핀을 포함하는 필름층은 분질적으로 MAPE+PE 또는 MAPP+PP로 구성된다. 일 구현예에서, 필름은 2∼15% w/w의 무수 말레산을 함유한다. 말레이트화 폴리올레핀은 커플링제로서 사용하기에 용이하다. 무수 말레산은 물질들 사이에서 공유 결합을 형성한다.
바람직한 구현예에서, 필름은 자체 접착성 필름이다. 자체 접착성 필름은 다른 물질, 예를 들면 목재 또는 금속 중의 -OH 기와 반응하는 커플링제에 의해 제공된다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링 물질의 적어도 외측 표면은 커플링제를 포함한다. 일 구현예에서, 하나 이상의 필름층이 커플링제를 함유한다. 일 구현예에서, 필름의 외측 필름층은 커플링제를 함유한다. 일 구현예에서, 모든 필름층이 커플링제를 함유한다.
커플링 물질의 층은 석유화학 물질 및 재생가능한 공급원료 물질로부터 제조될 수 있다. 또한, 180℃ 또는 190℃보다 높은 가공 온도를 가진 바이오플라스틱 물질, 바람직하게는 바이오계 폴리머를 사용할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 커플링 물질의 모든 필름층은 실질적으로 동일한 물질로 형성된다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 필름층이 다른 필름층과는 상이한 물질로 형성된다.
본 발명의 일 구현예에서, 목재 물질은 목재 보드이다.
이와 관련하여, 목재 보드란, 층들이 서로 중첩되어 접착제로 결합되어 있는 소정 개수의 층 바람직하게는 베니어 층, 및 원칙적으로는 목재계 물질로 형성된 임의의 목재 패널 제조물, 합판 제조물, 복합 제조물, 빔, 프레싱된 패널 제조물 등을 의미한다. 또한, 목재 보드란 임의의 목재 제조물 또는 섬유 제조물을 의미한다. 이와 관련하여, 베니어 층이란 임의의 물질의 층, 전형적으로는 얇은 물질의 층을 의미한다.
본 발명에 따른 목재 보드는 상이한 두께의 베니어 층을 포함할 수 있다. 베니어 층의 두께는 변동될 수 있다. 베니어 층은 원하는 위치, 즉 원하는 순서로 열십자형으로(crosswise), 또는 길이로(lengthwise) 배열될 수 있다.
목재 보드는 이미 알려져 있는 장치와 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 베니어를 서로 중첩시키는 단계, 중첩된 베니어를 결합시키는 단계 및 목재 보드의 제조에 있어서 전형적인 그 밖의 단계를 해당 기술 분야에 이미 알려져 있는 임의의 방식으로 실행할 수 있다.
일 구현예에서, 목재 보드의 베니어는 페놀계 글루 또는 다른 통상적 글루로, 또는 커플링 물질로 접착된다. 예를 들면, 말레이트화 폴리올레핀을 함유하는 커플링 물질은 글루 라인 물질로서 사용하기에 용이하며, 목재에 대한 접착성이 우수하다. 말레이트화 폴리머는 필름에서 사용되는 농도에서 저렴하고 무독성이며, 가수분해에 대해 덜 민감한 화학적 결합을 형성한다.
일 구현예에서, 목재-금속 복합체 구조물은 보강 섬유를 포함한다.
일 구현예에서, 금속 물질층은 금속 물질을 지지 폴리머 내에 공압출함으로써 형성된다.
일 구현예에서, 금속 물질층은 커플링 물질의 제조시, 커플링 물질과 함께 배치된다(도 5). 일 구현예에서, 금속 물질층은 커플링 물질의 중간층과 함께, 예를 들면 커플링 물질의 중간 필름 옆에 배치된다. 일 구현예에서, 금속 물질층은 필름의 제1층과 중간층 사이에 배치된다. 일 구현예에서, 금속 물질층은 필름의 중간층과 제3층 사이에 배치된다. 일 구현예에서, 금속 물질층은 필름의 두 중간층 사이에 배치된다. 금속 물질층은 보호된 금속 물질층을 제공하기 위해 필름층들 사이에 배치된다. 복합체 구조물은 하나 이상의 금속 물질층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링 물질과 금속 물질은 목재 보드 내측에 배치된다. 바람직하게는, 금속 물질은 목재 보드의 베니어들 사이에 커플링 물질과 함께 배치된다. 일 구현예에서, 금속 물질은 커플링 물질의 필름들 사이에 배치된다. 바람직한 일 구현예에서, 글루 라인 물질로서 금속 물질-커플링 물질 조합이 사용된다.
본 발명의 일 구현예에서, 커플링 물질과 금속 물질은 목재 보드의 표면 상에 배치된다. 일 구현예에서, 커플링 물질을 함유하는 목재 물질은 금속 프레임 또는 금속 구조물의 표면 상에 배치된다. 일 구현예에서, 금속 물질은 커플링 물질과 함께 목재 보드의 표면 상에 코팅으로서 배치된다.
바람직하게는, 커플링제에 의해, 금속 물질은 목재 물질에 강하게 부착될 수 있다(도 5). 그래서, 금속-커플링 물질-목재 복합체 구조물이 간단하고 효율적인 방식으로 제공될 수 있다. 일 구현예에서, 커플링제를 포함하는 커플링 물질의 필름은 목재 물질/베니어 사이 또는 표면에서 약 140℃의 온도에서 프레싱된다. 상기 구조물은 산소화 금속 표면에 대해 32MPa 이하의 결합 강도를 가진다.
커플링제를 포함하는 MAPE 또는 MAPP를 사용하여 목재 물질에 금속 물질을 접착시키는 것은 120∼170℃, 바람직하게는 약 140℃의 온도에서 이루어질 수 있다. 충분한 플라스틱 용융 유동을 유도하기 위해서는, 핫-프레싱 온도를 폴리머의 용융 온도보다 20∼50℃ 더 높은 온도로 설정하는 것이 중요하다.
상이한 폴리머를 서로 접착시키기 위해서 상용화제(compatibilizing agent)를 임의의 필름 또는 금속 물질에 첨가할 수 있다.
목재 물질과 결부시켜 커플링 물질을 배치하는 것은, 예를 들면, 핫 프레싱 기술, 압출 기술, 필름 기술, 롤 도포 기술, 실린더 도포 기술, 코트 및 다층 코트 적용 기술 등, 이미 공지되어 있는 모든 기술, 그의 조합 또는 그에 대응하는 기술을 이용하여 실행될 수 있다.
일 구현예에서, 취급을 보다 용이하게 하고 보다 경제적으로 만들기 위해, 공압출된 폴리머 필름 및 금속을 예비 라미네이트할 수 있다.
본 발명에 의하면, 내열성이고 내마모성인 목재 복합체가 제공된다. 금속 시트에 의하면, 패널의 휨이 감소될 수 있다. 금속 시트는 연질 목재를 고도의 부하에서 마모에 견디도록 보호한다.
본 발명에 따른 목재-금속 복합체 구조물은 다양한 응용 분야에 적합하다.
금속을 맞댄 보드는 알루미늄 표면을 가진 태양전지 패널 반사기로서 사용될 수 있다. 루핑 목적으로는 구리 표면을 구비한 복합체가 매우 양호하다. 모든 응용 분야에서, 금속 표면은, 예를 들면, 저온 수송이나 냉동/저온 저장의 적용에 대한 탁월한 습도 및 가스 장벽을 제공한다.
패러데이 케이지(Faraday's cage) 또는 EMS-패널은 금속을 맞댄 보드 패널로 제작하기가 용이하다. 단일 패널보다 넓은 표면을 형성하기 위해 금속을 맞댄 패널이 사용될 경우, 그러한 표면은 본 발명의 적절한 방식으로 형성될 수 있다. T자형 금속 조인트는 MAPE-시트에 의해 제공될 수 있다. 결합은 140℃ 미만의 온도에서 이루어지고, 동시에 프레싱이 이루어진다. 패널의 측면은 L자형, 역 L자형 부품에 의해 보호될 수 있고, 이때 내측 표면은 프레스-롤링된 MAPE-필름이다.
또한, 본 발명의 목재-금속 복합체 구조물은 가구, 차량, 항공기 및 기타 건축 용도에서 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 새로운 형태의 용액을 사용한 새로운 형태의 목재-금속 복합체 구조물이 제공된다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여 상세한 실시예에 의해 본 발명을 설명한다.
도 1, 2a, 2b, 3 및 4는 본 발명에 다른 목재-금속 복합체의 적용을 나타내는 도면이다.
도 5는 말레산이 무수 말레산으로 변환되는 화학 반응, 및 무수 말레산이 목재 및 금속 산화물의 수산화기와 반응하는 화학 반응의 개략적 설명도이다.
도 6은 ATR 분광법의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 여러 가지 목재-금속 복합체를 나타낸다.
도 1은 목재 보드(5)용 본 발명의 금속 코팅을 나타낸다. 상기 코팅은 상층(1), 중간층(4), 저면층(3) 및 2개의 금속 물질층(2)을 포함한다. 제1 금속 물질층(2)은 상층과 중간층 사이에 배치된다. 제2 금속 물질층(2)은 중간층과 저면층 사이에 배치된다. 중간층(4)과 금속 물질층(2)의 조합은 층(2)와 층(4)의 3∼9개의 교대되는 층들로 구성될 수 있다.
상층(1)은, PE/PE/MAPE+PE, PE/MAPE+PE/MAPE+PE, MAPE+PE/PE/MAPE+PE, MAPE+PE/MAPE+PE/MAPE+PE, PP/PP/MAPP+PP, PP/MAPP+PP/MAPP+PP, MAPP+PP/PP/MAPP+PP, MAPP+PP/MAPP+PP/MAPP+PP, PP/TIE/MAPE+PE, PET/PE+MAPE/MAPE+PE, PA/PE+MAPE/MAPE+PE, PPO/PE+MAPE/MAPE+PE 또는 MAPP+PP/TIE/MAPE+PE인 3층 필름으로 형성된다. 상층의 두께는 0.05∼1mm이다. 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다.
중간층(4)은 MAPE+PE/PE/MAPE+PE, MAPE+PE/MAPE+PE/MAPE+PE, MAPP+PP/PP/MAPP+PP 또는 MAPP+PP/MAPP+PP/MAPP+PP인 3층 필름으로 형성된다. 상층의 두께는 0.05∼1mm이다. 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다.
2개의 금속 물질층(2)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸 및/또는 구리와 같은 금속 물질로 형성된다. 또한, 상기 금속 물질층은 PE, PP, MAPE, MAPP 및/또는 TIE와 같은 폴리머를 포함한다. 상기 금속 물질층은 중간층의 외측 표면에 부착된다. 상기 금속 물질층의 두께는 약 0.1∼0.3mm이다.
저면층(3)은 MAPE+PE/PE/MAPE+PE, MAPE+PE/MAPE+PE/MAPE+PE, MAPP+PP/PP/MAPP+PP 또는 MAPP+PP/MAPP+PP/MAPP+PP인 3층 필름으로 형성된다. 저면층의 두께는 0.05∼0.3mm이다. 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다.
중간층(4)은 상층(1)과 저면층(3) 사이에 삽입된다. 이러한 층들은 모두 자체 접착성 필름이며, MAPE 및/또는 MAPP와 같은 무수 말레산 폴리올레핀을 포함한다. 상기 필름층은 첨가제 및/또는 충전재를 포함할 수 있다. 또한 상기 필름층은 채색되거나, 도색 또는 인쇄될 수 있다.
목재 보드로서는, 합판, 파티클 보드(particle board), 고밀도 또는 중밀도 섬유판(fiberboard), 또는 목재 또는 다른 식물성 섬유를 함유하는, 몇 가지 다른 압축되어 접착시킨 보드가 사용될 수 있다. 목재 보드의 베니어는 페놀계 글루 또는 다른 통상적 글루에 의해, 또는 말레이트화 폴리올레핀을 포함하는 폴리머 필름에 의해 접합될 수 있다.
도 2a는 목재 보드 내측의 베니어들 사이에 배치된 금속 물질층을 나타낸다. 이 경우에, 금속 물질층은 베니어들 사이의 글루 라인으로서 사용된다.
금속 물질층은 금속 센서 및 3층 폴리머 필름으로 형성된다. 금속 센서는 폴리머 필름들 사이에 배치된다. 폴리머 필름은 MAPE/PE/MAPE, MAPE/MAPE/MAPE, MAPP/PP/MAPP, MAPP/MAPP/MAPP, 또는 MAPP/TIE/MAPE로 형성되고, 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다. 상기 필름의 두께는 0.05∼0.3mm이다. 금속 센서는 RFID-센서 또는 RFID-안테나로 형성된다.
도 2b는 목재 보드의 표면에 배치된 금속 물질 코팅을 나타낸다.
금속 물질 코팅은 금속 센서 및 3층 폴리머 필름으로 형성된다. 금속 센서는 폴리머 필름들 사이에 배치된다. 폴리머 필름은 MAPE/PE/MAPE, MAPE/MAPE/MAPE, MAPP/PP/MAPP, MAPP/MAPP/MAPP, 또는 MAPP/TIE/MAPE로 형성되고, 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다. 상기 필름의 두께는 0.05∼0.3mm이다. 금속 센서는 RFID-센서 또는 RFID-안테나로 형성된다.
도 3은 목재 보드 내측의 베니어들 사이에 배치된 금속 물질층을 나타낸다. 이 경우에, 금속 물질층은 베니어들 사이의 글루 라인으로서 사용된다.
상기 금속 물질층은 금속 라미네이트 및 3층 폴리머 필름으로 형성된다. 금속 라미네이트는 폴리머 필름들 사이에 배치된다. 폴리머 필름은 MAPE/PE/MAPE, MAPE/MAPE/MAPE, MAPP/PP/MAPP, MAPP/MAPP/MAPP, 또는 MAPP/TIE/MAPE로 형성되고, 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다. 상기 필름의 두께는 0.05∼0.3mm이다. 금속 라미네이트는 금속 시트로 형성된다. 금속 라미네이트의 두께는 0.05∼1mm이다.
도 4는 목재 보드, 폴리머 필름 및 금속 프레임을 포함하는 목재-금속 복합체 구조물의 형성 과정을 나타낸다. 3층 폴리머 필름은 MAPE/PE/MAPE, MAPE/MAPE/MAPE, MAPP/PP/MAPP, MAPP/MAPP/MAPP, 또는 MAPP/TIE/MAPE로 형성되고, 상기 필름의 적어도 외측 필름층은 말레이트화 폴리머를 함유한다. 상기 필름의 두께는 0.05∼0.3mm이다. 상기 폴리머 필름은 목재 보드의 하부에 배치된다. 이 경우에, 폴리머 필름은 목재 보드와 금속 프레임 사이의 글루 라인으로서 사용된다. 말레이트화 폴리올레핀을 포함하는 폴리머 필름의 접착제층은 목재 보드-폴리머 필름 구조물을 금속 프레임 상에 부착시키기 전에 예열된다.
테스트로부터, 본 발명의 복합체는 다양한 용도로서 사용되기에 적합한 목재-금속 복합체 구조물인 것으로 밝혀졌다.
실시예 1
이 실시예에서, 본 발명의 목재-금속 복합체 구조물과 금속 물질을 테스트했다.
표 1은 벤딩 성질을 향상시키기 위해 알루미늄과 합판에 대한 온도 민감성 자체 접착성 필름을 포함하는 코팅의 테스트 결과를 나타낸다. 표 1은 변형된 가소제 필름의 가교결합제 투입량, 인장 강도(EN789) 및 탄성 계수(MOE)를 나타낸다. MOE는 최대 힘의 10∼40%로 계산되었다. 크로스-헤드 거리는 10mm였고, 샘플 크기는 50×250mm였다. 온도 민감성 자체 접착성 필름은 두께가 0.27mm와 0.03mm인 구조물 2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.3PE/2%MAPE+MI-0.3PE였다. 알루미늄의 두께는 0.03mm였다. 코팅은 15mm의 샌딩처리되지 않은 자작나무 합판에 핫-프레싱에 의해 접합되었고, 핫-프레싱의 파라미터는 1.6N/㎟, 온도 140℃ 및 480초였다. 반응 민감성 필름은 조사(radiation) 후 훨씬 더 양호한 인장 강도 성질을 가졌다. 조사 처리에 의한 폴리에틸렌의 가교결합은 필름의 기계적 성질을 약간 손상시키는 것으로 나타났다. 폴리머 밀도는 예상되었던 바와 같이, 폴리머의 강성(stiffness)에 대해 유의적 효과를 가졌다.

중간 보강 물질		 가교결합
투입량
(kGy)		 기계적 성질
MOE
(N/㎟)		 인장 강도
(N/㎟)
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.5HDPE
/2%MAPE/MI-0.3PE
(방사선 민감성 HDPE)		 150
(100)		 437.1
(416.8)		 13.6
(13.0)
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.2HDPE
/2%MAPE+MI-0.3PE		 200 374.9 13.0
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.4MDPE
/2%MAPE+MI-0.3PE		 200 285.9 10.3
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.3PE
/2%MAPE+MI-0.3PE		 150 191.6 8.6
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.4MDPE
/2%MAPE+MI-0.3PE		 - 291.4 10.5
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.2HDPE
/2%MAPE+MI-0.3PE		 - 357.2 11.3
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.3PE
/2%MAPE+MI-0.3PE		 - 191.9 8.4
2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.2HDPE
/3%MAPE+MI-0.2HDPE		 - 926.6 21.4
MI는 폴리머의 용융 지수로서, 용융 점도의 척도이지만, 실제 점도의 역수이다.
표 2는 새로운 형태의 코팅을 생성하기 위한, 표 2에 기재된 상이한 금속과 온도 민감성 자체 접착성 플라스틱 필름 사이의 접착 강도와 파괴점(breakage point) 및 보일링(boiling) 테스트의 결과를 나타낸다. 온도 민감성 자체 접착성 필름은 두께가 0.27mm인 구조물 2%MAPE+MI-0.3PE/MI-0.3PE/2%MAPE+MI-0.3PE였다. 알루미늄의 두께는 0.03mm였다. 코팅은 15mm의 샌딩처리되지 않은 자작나무 합판에 핫-프레싱에 의해 접합되었고, 핫-프레싱의 파라미터는 1.6N/㎟, 온도 140℃ 및 480초였다. 금속 표면을 산화시키기 위해서 질산(30%)을 사용했다. 산화되거나 산화되지 않은 알루미늄은 매우 양호한 결합을 형성하는 것이 분명했다. 그러나, 일반적으로, 금속 표면이 산화되는 경우에 접합은 더 양호했다. 구리는 표면의 산화 이전과 이후에 불량한 접착성을 나타냈다. 형성된 그린 산화물(green oxide)은 무수 말레산과 그다지 반응성이 있지 않았다. 따라서, 산화물이 그린 형태로 변환되는 것을 방지하는 데에는 보다 낮은 농도의 질산이 필요했다.
금속 산 및 샌딩 MAPE
X		 Fmax
(N)		 (N/㎟)
 파괴 보일링
테스트
산화됨 시각적
1 Cu X 그린 1 412 0.16 필름과 금속
사이		 -
2 Cu X 그린 3 - 테스트 전에
파괴됨		 -
3 Br X 1 4828 1.93 합판에서
파괴됨		 불합격
4 Br X 3 - 테스트 전에
파괴됨		 합격
5 Sts X 1 5386 2.15 합판에서
파괴됨		 합격
6 Sts X 3 3071 1.23 합판에서
파괴됨		 합격
7 Al X 1 4276 1.71 합판에서
파괴됨		 합격
8 Al X 3 4487 1.79 합판에서
파괴됨		 합격
9 Al X 1 5084 2.03 합판에서
파괴됨		 합격
10 Al X 3 5091 2.04 합판에서
파괴됨		 합격
11 Al - 3 4877 1.95 합판에서
파괴됨		 합격
표 3은 금속과 목재에 대한 필름의 접착 결과 및 건조 상태 및 침윤(soaking) 후에 대한 합판에서의 파손 결과를 나타낸다. 0.03mm의 알루미늄박을 2%MAPE+PE/PE/2%MAPE+PE를 포함하는 0.27mm 필름을 구비한, 샌딩처리되지 않은 15mm 합판에 핫-프레싱에 의해 결합시켰는데, 핫-프레싱 파라미터는 1.6N/㎟, 온도 140℃ 및 480초였다. 이것은 커플링제가 금속과 공유 결합을 이룬다는 것을 나타낸다. 수소 결합이 형성된다면, 이것은 가수분해되기 쉽고, 침윤 후에 무수 말레산 변형 필름과 알루미늄 사이에서 파손이 관찰될 것이다.
조건 테스트 위치 목재 파괴
%		 강도
(N/㎟)
건조 조건 알루미늄과 합판
사이의 조인트		 100 5.2
침윤 후 알루미늄과 합판
사이의 조인트		 97 2.2
표 4는 합판의 상이한 위치에서 온도 민감성 자체 접착성 필름과 결합된 RFID에 대한 결과를 나타낸다. 상기 필름은 직접 금속 RFID 또는 다른 RFID 기판에 결합되었다. 필름의 두께는 0.27mm였고, 2%MAPE+PE/PE/2%MAPE+PE의 구조를 가졌으며, 필름은 15mm 합판에 접합되었다. HDPE의 경우에 기판에 대한 접착은 매우 양호했다. 모든 금속에 대한 접착은 매우 양호했지만, 종이에 대한 접착은 보통이었고, 폴리에스테르 접착은 불량했다. 이에 더하여, 모든 RFID는 합판에서 태그가 어디에 설치되었는지 또는 어떤 기판에 결합되었는지 관계없이 핫-프레싱 후에 가공되었다.
기판/금속
 패널에서의
태그 위치		 무수 말레산 필름에 대한 접착
금속 태그 기판
HDPE/HDPE 중간 - 우수
종이/알루미늄 중간 우수 보통
폴리에스테르/은 중간 우수 불량
HDPE/HDPE 표면 베니어 밑 - 우수
종이/알루미늄 표면 베니어 밑 우수 보통
폴리에스테르/은 표면 베니어 밑 우수 불량
실시예 2
이 실시예에서, 본 발명의 목재-금속 복합체 구조물의 안전성을 테스트했다.
표 5 내지 표 7과 도 5와 도 6은 무수 말레산으로의 말레산의 변환과 글루-라인 강도에 대한 그 효과, 무수 말레산이 활성 상태로 변환된 후 필름의 안정성, 및 내측을 향한 극성기의 접촉각을 나타낸다.
표 5와 도 5는 무수 말레산 그라프트된 폴리에틸렌(Fusabond MB-226DE) 필름 2%MAPE+PE/PE/2%MAPE+PE를 여러 가지 압출 온도에서 제조시 무수 말레산으로의 변환율을 나타낸다.
처리 온도
(℃)		 처리 시간
(분)		 말레산
(%)		 무수 말레산
(%)		 보일링 후
코팅 글루-라인 강도
N/㎟ (목재 파손 %)
무처리 3 55 45 -
170 3 36 64 0.17 (0%)
180 3 20 80 0.31 (70%)
185 3 14 86 0.34 (80-90%)
190 3 10 90 0.36 (90-100%)
195 3 8 92 0.36 (90-100%)
표 6의 결과로부터, 말레산은 185℃에서 3분 동안 무수 말레산으로 대부분 변환되고, 따라서 폴리머가 약 2∼3분간 용융체 중에 있을 경우, >185℃의 압출 온도가 충분하지만 >190℃가 바람직하다는 것이 명백하다. 코팅 글루-라인 강도 및 목재 파손 퍼센트는 Wisa Multi-wall(0.4N/㎟, 목재 파손율 80∼90%)에 있어서 보일링 후에 유사한 수준에 있는데, 이것도 무수 말레산으로의 말레산의 변환율이 >185℃의 온도에서는 충분하다는 사실을 뒷받침한다.
말레산이 무수 말레산으로 변환되면, 충분한 수분이 흡수되고 무수 말레산이 말레산으로 되돌아 가기 전에, 필름이 얼마나 오랫동안 활성 상태로 유지될 것인지를 아는 것이 중요하다. 활성화 물질을 함유하는 필름은 1개월, 3개월, 6개월 및 12개월 동안 조절되었다(습도 65%, 온도 23℃). 필름을 ATR-FTIR 분광법에 의해 분석했다.
도 6과 표 6은 ATR 분광법의 결과를 200℃에서 2∼3분간 압출된 필름(표 5) 중의 무수 말레산과 비교하여 나타내는데, 충분한 말레산이 무수 말레산으로 변환되고, 따라서 압출 온도와 가공 시간이 충분하다는 것이 명백하다. 도 6은 표 6에 구분된 3개의 상이한 필름의 ATR-FTIR 스펙트럼을 나타낸다(45도 게르마늄 ATR 단위).
필름 커플링제 필름 수명 필름 형태
2 Fusabond
MB226DE
 1년 2%MAPE+PE/PE/2%MAPE+PE
3 6개월 2%MAPE+PE/PE/2%MAPE+PE
4 3개월 2%MAPE+PE/PE/2%MAPE+PE
상기 결과는 무수 말레산의 양에 변화가 없음을 나타냈으며, 도 6에서 총 12개월 동안 매월 경과 후 필름-4와 유사한 스펙트럼이 얻어졌다. 이것은 무수 말레산이 폴리에틸렌으로 둘러싸여 있을 때 장기간 안정하다는 것을 나타낸다. 이것은 폴리에틸렌의 수분 흡수성이 낮고, 고체 상태에서 말레산 기가 폴리머 표면에 있지 않고 내부를 향하고 있어서 차폐되기 때문이다. 말레산 기는 폴리머가 용융 상태에 있을 때에만 외부를 향한다. 내부를 향하는 친수성 기의 이러한 이론은 표 7에 제시된 접촉각 결과에 의해 뒷받침된다. 표 7은 펜던트 낙하법(pendent drop method)에 의해 상이한 활성화 3층의 공압출된 필름에 대해 측정된 접촉각(후퇴형 및 전진형) 및 표면 자유 에너지를 나타낸다. 사용된 두 가지 테스트 액은 디요오도메탄(DIM)과 물이었다. 말레이트화 폴리머 필름을, 필름을 함유하는 다른 극성 기(EVA)와 비교했다.
필름 형태 2%MAPE+PE/PE/
2%MAPE+PE		 4%EVA+PE/PE/
2%EVA+PE		 8%EVA+PE/PE/
8%EVA+PE
필름 두께 0.27 0.27 0.27
평균 물
접촉각 (°)		 전진 108.5±0.6 98.8±0.6 98.7±1.6
후퇴 89.6±0.6 85.8±0.6 83.0±2.9
평균 DIM
접촉각 (°)		 전진 57.1±1.2 53.8±0.6 49.0±1.4
후퇴 46.7±0.8 43.4±1.1 43.8±1.3
표면 자유 에너지 (mJm-2) 38 40 41
본 발명에 따른 목재-금속 복합체 구조물은 여러 가지 형태의 응용 분야에서 그것의 여러 가지 구현예에 적합하다.
본 발명의 구현예들은 제시된 실시예에 한정되지 않고, 특허청구 범위에 기재된 범위 내에서 많은 변형예가 가능하다.

Claims (16)

  1. 커플링제에 의해 결합되어 있는 목재 물질과 금속 물질(2)을 포함하는 목재-금속 복합체 구조물(composite structure)로서,
    상기 목재-금속 복합체 구조물(5)은 금속 물질(2)을 함유하는 커플링 물질(1, 2, 3, 4)을 포함하고, 상기 커플링 물질은 3개 이상의 층을 포함하고, 상기 커플링 물질의 적어도 외측 층들(1, 3)은 폴리머 및 상기 물질의 -OH 기와 반응하여 자체 접착성 성질을 형성할 수 있는 커플링제를 함유하고, 금속 물질을 포함하는 하나 이상의 층(2)은 상기 외측 층들(1, 3) 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 목재-금속 복합체 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 물질(2)이, 금속 센서, 금속 안테나, 금속 라미네이트, 금속 시트, 금속 필름, 금속 프레임 또는 금속 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 물질(2)이, 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸, 구리 또는 이것들의 유도체 또는 조합으로 형성된 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 물질(2)의 표면이 산소화되어 있는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링제가 무수 말레산 폴리올레핀의 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필름의 제조시, 무수 말레산 변환율은 86%보다 높고, 말레산 미변환율은 14% 미만이 되도록 말레산이 무수 말레산으로 변환되는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링제를 함유하는 상기 커플링 물질의 상기 층(1, 3, 4)이 필름으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링제를 함유하는 상기 커플링 물질의 상기 층(1, 3, 4)이 2층 이상의 필름으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 필름이 3층 필름인 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필름이 다층 필름인 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 물질이 상기 금속 물질을 함유하는 2개 이상의 층(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커플링 물질이 폴리머와 커플링제를 함유하는 하나 이상의 중간층(4)을 포함하고, 상기 중간층(4)은 2개의 금속 물질 함유 층들(2) 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 물질이 공압출에 의해 제조되고, 상기 커플링제는 상기 커플링 물질의 제조시 180℃보다 높은 온도에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 목재 물질(5)이 목재 보드인 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 물질이 상기 목재 보드 내측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 물질이 상기 목재 보드의 표면 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 목재-금속 복합체 구조물.
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