KR20110130586A - 치수안정성이 우수한 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체 - Google Patents

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Abstract

치수안정성 향상을 위해 나노필러로 나노실리카를 사용하고 중금속이 함유되지 않은 무독안정제를 사용하여 친환경적이고 경제적으로 건축 내외장재로 유용하게 활용할 수 있는, 나노실리카를 이용한 치수안정성이 우수한 무독-PVC/목분/나노실리카 나노복합체와 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 나노복합체는 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 1~80중량부의 목분, 그리고 나노필러로 10중량부 이하의 나노실리카를 포함하는데, PVC 컴파운드는 무독 안정제를 0.5~10중량부 포함함을 특징으로 하고 충전재, 충격 보강재 및 안료를 포함하고 있을 수도 있으며, 상기 목분은 70~150㎛크기를 사용하고, 상기 나노실리카는 입자크기가 100㎚ 이하인 것을 사용한다. 또한, 상기와 같은 나노복합체를 제공하기 위하여 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 70~150㎛ 크기의 목분 1~80중량부와 10중량부 이하의 나노실리카를 인터널 믹서에 투입한 다음, 160~200℃의 온도와 40~70rpm의 용융블랜딩 조건에서 혼합시켜서 이루어지는 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체의 제조방법을 제공한다. 여기에서 상기 목분은 100℃의 오븐에서 수분을 제거한 다음 사용하고, 상기 PVC 컴파운드에서는 무독 안정제를 0.5~10중량부 포함함을 특징으로 하고 충전제, 충격 보강재 및 안료 등을 혼합할 수도 있다.

Description

치수안정성이 우수한 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체{Heavy metal free-PVC/wood flour/nanosilica nanocomposites with good dimensional stability}
본 발명은 목분 폴리머 복합체(wood polymer composite; WPC)에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 나노필러로 실리카를 첨가하여 제조할 수 있는 무독-폴리염화비닐(PVC)/목분/나노실리카 나노복합체에 관한 것이다.
WPC는 PP, HDPE, LDPE, PVC 등의 열가소성수지와 목분 등의 천연섬유질을 적절한 비율로 혼합하여 제조한 복합 소재로서, 건축자재 등의 여러 산업 분야에 널리 쓰이고 있다. WPC는 건축재로 사용했던 폐목재 및 원목을 가공하는 과정에서 발생되는 많은 양의 톱밥을 환경친화적으로 재활용하기 위하여 연구 및 개발되어 왔으며 목분을 열가소성 수지에 넣어 용융블렌딩하는 가공방법이 가장 많이 연구되고 있다.
이러한 친환경 목분/고분자 복합재료의 압출 혹은 사출 가공을 통해 제작되는 WPC 건축자재는 목재 혹은 플라스틱 단일 재료로 제작된 건축자재의 여러가지 단점을 보완할 수 있는 대용재로 널리 사용되고 있다. 본 발명에서 사용하는 열가소성 수지인 PVC는 범용 플라스틱으로서 우리 주변에서 많이 사용되고 있으며, PVC 수지가 지닌 뛰어난 기계적, 물리적, 화학적 성질과 높은 마모저항성, 내구성, 내화학성, 난연성, 여러 첨가제들과의 상용성 등의 특성에 의하여 부드러운 감촉의 연질 제품에서 딱딱한 경질 제품까지 다양한 제품을 만들 수 있다.
상기와 같은 WPC는 목분과 열가소성 수지의 복합체로서 주로 외부의 건축자재로 사용되어 지고 있다. 따라서 외부의 수분, 주위 온도, 자외선, 균, 곤충 등의 의해서 그 제품의 물성이 감소될 수 있다. 그 중 온도에 의해서 영향을 많이 받는 치수안정성은 물체에 열을 가했을 때, 즉 온도를 높여 주었을 때 원래 물체가 가지고 있는 치수의 변형률의 크고 작음에 따라 판단하게 되는데, 주로 외부에서 사용되는 건축자재들은 온도변화에 따른 치수의 변형률이 작아 치수안정성이 좋아야 한다. 건축재는 주위의 온도 환경이 변화함에 따라 팽창과 수축을 반복하게 되는데 이로 인해 뒤틀림, 갈라짐 등이 발생할 수 있다.
또한, 현재 환경의 중요성이 점점 더 커짐에 따라 중금속이 배제되어 무독성을 갖는 PVC 제품이 일부 출시되고 있으나 기존의 PVC 제품에 비해 치수안정성 등의 물성이 다소 떨어지는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 몇 가지 연구가 진행되고 있지만 뚜렷한 성과가 없는 실정이다.
상기와 같은 종래기술을 해결하고자 본 출원인은 특허 제 10-681333 호에서 WPC 복합체의 기계적 물성, 열적 물성과 난연성을 향상시킨 친환경적 폴리올레핀/목분 복합체를 개시한 바 있고, 또한 본 출원인 명의로 출원된 특허출원 제 2009-40025 호에서는 점토를 사용해 치수안정성이 우수한 친환경 무독 염화비닐/목분/점토 나노복합체를 개시한 바 있으며, 또다른 본 출원인 명의의 특허출원 제 2009-58193 호에서는 폴리올레핀과 점토를 이용해 열안정성과 치수안정성을 개선시킨 복합체를 개시한 바 있으나, 목적 및 나노필러의 사용에 있어서 서로 상이하므로 본 발명과는 다르다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 치수안정성 향상을 위해 나노필러로 나노실리카를 사용하고 중금속이 함유되지 않은 안정제를 사용하여 친환경적이고 경제적으로 건축 내·외장재로 유용하게 활용할 수 있는, 나노실리카를 이용한 치수안정성이 우수한 무독-PVC/목분/나노실리카 나노복합체와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은;
PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 1~80중량부의 목분, 그리고 나노필러로 10중량부 이하의 나노실리카를 포함하는 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체를 제공한다.
상기에서 상기 PVC 컴파운드는 중금속이 없는 무독 안정제를 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 0.5~10중량부 함유함을 특징으로 하고 충전재, 충격 보강재 및 안료는 필요에 따라 포함하고 있을 수도 있으며, 상기 목분은 70~150㎛크기를 사용함이 바람직하고, 상기 나노실리카는 입자크기가 100㎚인 것을 사용함이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 복합체를 제공하기 위하여 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 70~150㎛ 크기의 목분 1~80중량부와, 10중량부 이하의 나노실리카를 인터널 믹서(internal mixer)에 투입한 다음, 160~200℃의 온도와 40~70rpm의 용융블랜딩 조건에서 혼합시켜서 이루어지는, 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
상기에서 상기 목분은 100℃의 오븐에서 수분을 제거한 다음 사용함이 바람직하고, 상기 PVC 컴파운드에는 중금속이 없는 무독 안정제를 0.5~10중량부 함유함을 특징으로 하고 충전제, 충격 보강재 및 안료 등을 혼합할 수도 있다.
본 발명에 의한 PVC/목분/나노실리카 나노복합체는 주로 건축 내외장재로 사용될 수 있으며 치수안정성이 우수하고 친환경적이다. PVC/목분/나노실리카 나노복합체는 목분을 다량 함유하므로 폐목이나 천연목재 가공 시 발생하는 자투리 목재 및 경제성 없는 잡목 등을 이용할 수 있으므로 친환경적일 뿐만 아니라 무중금속-PVC 컴파운드를 사용하게 되므로 중금속이 없어 친환경적이다. 국제적으로 환경의 중요성이 대두되면서 새집증후군, 환경호르몬의 등장으로 소비자들의 친환경 제품에 대한 관심은 무척 높아졌다. 이로 인해 중금속을 함유하지 않은 무중금속성의 PVC 컴파운드 또한 그 수요가 증가하고 있다. 이와 같이 폐기 시 발생되는 비용뿐만 아니라 마구 버려지는 폐목을 이용할 수 있고 중금속이 함유되지 않은 무독 PVC 컴파운드를 사용하는 측면에서 환경 친화적이다. PVC/목분/나노실리카 나노복합체의 경우 나무와 비슷한 질감과 외관을 가지고 있고 가공성이 천연목재보다 좋아 건축내외장재뿐만 아니라 다양한 분야에 제품으로 이용할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 PVC/목분/나노실리카 나노복합체는 소비자의 선호도를 만족시킬 뿐만 아니라 천연목재와 플라스틱의 장점을 겸비한 제품을 제공할 수 있다.
도 1은 열분석실험(TMA, Thermomechanical Analysis)결과 그래프.
도 2는 열분석실험결과 그래프(도 1)로부터 얻은 열팽창계수 및 치수변화를 정리한 테이블.
이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
먼저 본 발명에서는 무중금속인 무독-PVC 컴파운드를 사용한다. 즉 상기 PVC 컴파운드는 중금속을 함유하지 않은 안정제를 사용하여 친환경적인 것에 적합하도록 한다.
상기에서 상기 PVC 컴파운드에는 상기 무독안정제 외에 충전제, 충격 보강재 및 안료 등을 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한 본 발명에서는 상기 PVC 컴파운드의 100중량부에 대하여 70~150㎛크기의 목분을 1~80중량부 혼합시키는데, 상기 목분을 고분자인 PVC 컴파운드가 둘러싸서 캡슐형태를 이루어야 좋은 물성을 가지는 복합체를 만들 수 있다. 하지만 목분 함량이 증가함에 따라 PVC 컴파운드에 의한 캡슐화가 제한적으로 이루어지게 되고, 이때 목분을 PVC 컴파운드로 완전히 감싸지 못하게 되면 수분의 흡수가 증가되고 외부의 균이나 병충해 등에 의해서 제품에 손상을 입힐 수 있게 되어 제품의 물성을 떨어뜨림은 물론 외관형태 및 색상의 변화에도 크게 영향을 미치기 때문에 상기 범위로 사용함이 바람직하다.
또한 목분의 크기가 70~150㎛인 이유는 본 발명의 실시예에서 사용한 것을 근거로 한 것으로, 시중에서 상용화되어 판매되고 있는 것을 사용하였는데 그 입자크기가 상기 범위였다.
또한 본 발명에서는 나노필러로서 나노실리카를 상기 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 10중량부 이하로 첨가하는데, 상기 나노실리카의 입자크기는 100㎚ 이하인 것이 나노복합체로서의 성능을 최대한 발현하기 위해 바람직하다. 여기서 나노실리카의 함량이 10중량부를 넘게 되면 PVC 컴파운드내에서 분산이 되지 않고 뭉침 현상이 발생할 수도 있고, 이는 복합체의 물성을 떨어뜨리고 과량으로 인해 복합체가 단단해져서 복합체에 연성보다는 취성을 강하게 띠게 되어 충격에 의한 견딤이 약해질 수 있기 때문에 10중량부 이하로 함이 바람직하다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예에서 사용된 PVC 컴파운드는 (주)엘지화학의 PVC(LS100E, K-Value = 67, 중합도 = 1040±50)를 주재로 사용하여 충전제, 무독 안정제, 충격 보강재 및 안료 등을 혼합하여 제조하였고, 70~150㎛ 크기의 목분(J. Retenmaier & Sohne Co.의 Lignocel C-120) 80중량부를 100℃의 오븐에서 수분을 제거한 후 사용하였으며, 나노실리카는
Hydrophilic fumed silica로 독일 Degussa사의 AEROSILⓡOX50(particle size 40㎚, specific surface area 50㎡/g)을 3중량부 사용하였다.
PVC/목분/나노실리카 나노복합체 시편은 인터널 믹서(internal mixer) 안으로 PVC, 목분, 실리카를 투입한 후 160~200℃, 40~70rpm의 용융블렌딩 조건에서 토오크가 안정화될 때까지 충분히 혼합한 후, 이 용융혼합물을 인터널 믹서로부터 꺼내어 핫프레스(hot press) 사이에 위치시킨 후 컴프레션 몰딩(compression molding)에 의해 패널(panel)을 제작하였다. 열분석(TMA) 시험을 위한 시편은 패널을 절단하여 제작하였다. 각각의 재료들은 먼저 드라이블렌딩한 후 인터널 믹서에 투입하였다.
비교예 1
실시예 1과 비교하기 위하여 나노실리카가 배제된 PVC/목분 WPC를 제조하였다. 실시예 1과 마찬가지로 PVC 컴파운드는 (주)엘지화학의 PVC(LS100E, K-Value = 67, 중합도 = 1040±50)를 주재로 사용하여 충전재, 무독 안정제, 충격 보강재 및 안료 등을 혼합하여 제조하였고, 70~150㎛ 크기의 목분(J. Retenmaier & Sohne Co.의 Lignocel C-120) 80중량부를 100℃의 오븐에서 수분을 제거한 후 사용하였지만 실리카는 사용하지 않았다.
무독-PVC/목분 WPC 시편은 인터널 믹서 안으로 무독-PVC, 목분을 투입한 후 160~200℃, 40~70rpm의 용융블렌딩 조건에서 토오크가 안정화될 때까지 충분히 혼합한 후, 이 용융혼합물을 인터널 믹서로부터 꺼내어 핫 프레스 사이에 위치시킨 후 컴프레션 몰딩에 의해 패널을 제작하였다. 열분석(TMA) 시험을 위한 시편은 패널을 절단하여 제작하였다. 각각의 재료들은 먼저 드라이블렌딩한 후 인터널 믹서에 투입하였다.
실시예 1의 무독-PVC/목분/나노실리카 나노복합체(도 1과 도 2의 PVC100/Wood80/nanosilica3) 및 비교예 1의 무독-PVC/목분 WPC(도 1과 도 2의 PVC100/Wood80)의 치수안정성은 열분석기(TMA)를 이용하여 측정하였으며 도 1 및 도 2에 그 결과를 나타내었다. 도 1은 본 발명에 따른 폴리염화비닐/목분/나노실리카(PVC100/Wood80/nanosilica3)나노복합체의 온도변화에 따른 치수의 변화를 폴리염화비닐/목분(PVC100/Wood80)과 비교하여 나타내고 있다. 도 2는 본 발명에 따른 폴리염화비닐/목분/나노실리카(PVC100/Wood80/nanosilica3)나노복합체의 치수안정성 데이터를 폴리염화비닐/목분(PVC100/Wood80)과 비교하여 나타내고 있다. 실시예 1의 무독-PVC/목분/나노실리카 나노복합체의 치수안정성이 비교예 1의 무독-PVC/목분 WPC의 치수안정성보다 훨씬 더 우수함을 알 수 있다. PVC 기반 WPC 나노복합체의 치수안정성에 영향을 주는 변수로는 PVC의 종류, 목분의 함량 및 종류, 첨가제의 함량, 작업 온도, 압출기 내의 머무름 시간, 나노실리카의 함량 등이 있을 수 있으나 나노실리카의 유무 및 함량이 가장 큰 영향을 주는 변수일 것이다. 나노실리카의 함량이 일정하더라도 입자 크기가 매우 작아 뭉침이 잘 일어나는 나노실리카를 열가소성 수지 매트릭스 내에서 잘 분산시킨 나노복합체를 제조하면 치수안정성이 더욱 더 향상될 것이다.

Claims (4)

  1. PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 1~80중량부의 목분, 그리고 나노필러로 10중량부 이하의 실리카를 함유함을 특징으로 하는 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PVC 컴파운드는 무독 안정제를 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 0.5~10중량부 포함함을 특징으로 하는 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 목분은 70~150㎛크기임을 특징으로 하는 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체.
  4. 제 1 항에 있어서 상기 실리카는 100㎚이하임을 특징으로 하는 무독-폴리염화비닐/목분/나노실리카 나노복합체.
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