KR20120002654A - 아미노실란으로 개질된 목분을 이용한 ｐｖｃ 기반 합성목재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아미노실란에 의해 개질된 목분을 사용하여 기계적 특성 및 온도변화에 따른 치수안정성이 우수한 PVC 기반 합성목재에 대하여 개시된다. 본 발명에서는 열가소성 매트릭스 수지로는 PVC 컴파운드를 사용하고 목분과 PVC 사이의 계면결합력 향상을 위한 목분의 개질제로는 아미노실란을 사용하는데, 아미노실란에 의해 개질된 목분을 충전재로 사용하여 제조된 PVC/목분 합성목재는 계면결합력이 강화되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 온도변화에 따른 치수안정성이 향상된 PVC 기반 합성목재를 제공하게 된다. 따라서 본 발명에서는 아미노실란을 사용하여 목분을 개질하는 방법과 성공적으로 개질된 목분을 충전재로 사용한 PVC/목분 합성목재를 제공하며, 개질된 목분을 사용하여 합성목재 제조시 나노점토나 나노실리카 등의 나노필러를 함유한 PVC/목분/나노필러 나노복합 합성목재를 제공한다.

Description

아미노실란으로 개질된 목분을 이용한 ＰＶＣ 기반 합성목재{A PVC based wood plastic composites using modified wood flour by aminosilane}
본 발명은 플라스틱 기반 합성목재(Wood Plastic Composite; WPC)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리염화비닐(PVC)를 매트릭스 수지로 사용하고 아미노실란에 의해 개질된 목분을 충전재로 사용하는, 아미노실란을 이용한 PVC 기반 합성목재에 관한 것이다.
WPC는 건축재로 사용했던 폐목재 및 원목을 가공하는 과정에서 발생되는 많은 양의 톱밥을 환경친화적으로 재활용하기 위하여 연구 및 개발되어 왔으며 목분을 열가소성 수지에 넣어 용융 혼합하는 가공방법이 가장 많이 연구되고 있다. 이러한 친환경 목분/고분자 복합재료의 압출 혹은 사출가공을 통해 제작되는 WPC 건축자재는 목재 혹은 플라스틱 단일 재료로 제작된 건축자재의 여러 가지 단점을 보완할 수 있는 대용재로 널리 사용되고 있다.
즉, WPC는 목분과 열가소성 수지의 복합체로서 주로 건축물 내부 및 외부의 건축자재로서 널리 사용되어지고 있다. 따라서 주위의 습도, 온도, 자외선, 균, 곤충 등에 의해서 WPC 제품의 물성이 감소될 수 있다. 특히 친수성인 목분과 소수성인 열가소성 수지 사이의 계면 결합력이 약한 경우 전반적인 기계적 강도가 약해질 뿐만 아니라 온도변화에 의해서 영향을 많이 받는 열적 치수안정성도 떨어지는 결과를 초래한다. 온도변화에 따른 합성목재의 열적 치수안정성은 합성목재를 온도변화가 심한 장소에서 사용하는 경우 아주 중요한 물성이 되며, 건축자재들은 온도변화에 따른 치수의 변형률이 작아 열적 치수안정성이 좋아야 한다. 건축재는 주위의 온도변화에 따라 팽창과 수축을 반복하게 되고 이로 인해 뒤틀림, 갈라짐 등이 발생하는 것을 피할 수 없기 때문에 온도의 변화에 따른 치수안정성을 확보하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
상기와 같은 합성목재에 대한 종래기술로서 공개특허 제2001-17505호에서는 커플링제로 아미노실란을 사용하는 인조 목재의 제조방법을 개시하고 있으나, 여기서는 아미노실란을 단순히 물리적으로 혼합하여 커플링제로만 사용하고 있으며 계면접착력을 극대화시키기 위한 방법은 개시하고 있지 못하고 있다.
또 다른 등록특허 제10-806002호 역시 아미노실란계 결합강화제를 사용하는 합성목재 제조용 조성물 및 그 제조방법을 개시하고 있으나, 상기 공개특허와 같이 계면접착력을 극대화시키기 위한 방법은 개시하고 있지 못하고 있으며 상기 특허는 폴리올레핀계 수지를 기반으로 하므로 본 발명과는 다르다.
또 다른 등록특허 제10-432627호에서는 통상 사용되는 충진제, 안정제, 활제, 충격보강제, 발포제, 가소제 등을 첨가제로 사용하는 합성목재 조성물 및 이의 제조방법을 개시하고 있으나 목분을 개질하여 합성목재의 기계적 특성 및 온도변화에 따른 치수안정성이 우수한 PVC 기반 합성목재는 개시하고 있지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 아미노실란에 의해 개질된 목분을 사용하여 기계적 특성 및 온도변화에 따른 치수안정성이 우수한 PVC 기반 합성목재를 제공함에 있다. 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 열가소성 매트릭스 수지로는 PVC 컴파운드를 사용하고 목분과 PVC 사이의 계면결합력 향상을 위한 목분의 개질제로는 아미노실란을 사용한다. 아미노실란에 의해 개질된 목분을 충전재로 사용하여 제조된 PVC/목분 합성목재는 계면결합력이 강화되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 온도변화에 따른 치수안정성이 향상된 PVC 기반 합성목재를 제공하게 된다.
따라서 본 발명에서는 아미노실란을 사용하여 목분을 개질하는 방법을 제시하고 성공적으로 개질된 목분을 충전재로 사용하여 PVC/목분 합성목재를 제공하는데, 이때 PVC 컴파운드 100중량부를 기준으로 아미노실란에 의해 개질된 목분을 0.1~150중량부까지 함유하도록 한다. 그리하여 목분과 PVC와의 우수한 계면결합력으로 인해 기계적 특성 및 온도변화에 따른 치수안정성이 우수한 PVC/목분 합성목재를 개발 및 활용하고자 하는 본 발명의 목적이 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 아미노실란으로 개질된 목분 0.1~150중량부를 함유하는 PVC 기반 합성목재를 제공한다.
상기에서 목분의 함유량이 PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 150중량부를 넘으면 합성목재를 만들기가 어렵고 0.1중량부는 첨가량의 최소치이다.
상기에서 아미노실란으로 개질된 목분은 아미노실란, 물, 에탄올 및 목분으로 구성된 혼합물로부터 제조됨이 바람직하고, 상기 개질 목분은 상기 혼합물을 상온에서 혼합 후 온도를 약 100~150℃로 상승시켜 20~40분간 추가 혼합한 후 냉각시키고 여과한 다음 수분을 제거한 것이 바람직하다.
상기에서 아미노실란 등의 함량은 상대적 기준으로 아미노실란 2-3중량부에 대해 수분 40~55중량부, 에탄올 300~1100중량부 및 목분 35~45중량부로 함이 바람직한데 이는 목분을 개질 처리하기 위한 최적의 조건이다. 상기 온도와 시간 또한 목분 개질을 위해 실시에서 찾은 최적의 조건이다.
또한 상기에서의 아미노실란은 N-2(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)임이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기와 같이 개질된 목분을 사용하여 합성목재 제조시 나노점토나 나노실리카 등의 나노필러를 함유한 PVC/목분/나노필러 나노복합 합성목재를 제공한다.
본 발명에 의한 PVC/목분 합성목재는 주로 건축내외장재로 사용될 수 있으며 기계적 강도 및 열적 치수안정성이 우수하다. PVC/목분 합성목재는 목분을 다량 함유하므로 폐목이나 천연목재 가공 시 발생하는 자투리 목재 및 경제성 없는 잡목 등을 이용할 수 있으므로 친환경적이다. 국제적으로 환경의 중요성이 대두되면서 소비자들의 친환경 제품에 대한 관심은 무척 높아졌다. 이와 같이 폐기 시 발생되는 비용뿐만 아니라 마구 버려지는 폐목을 이용할 수 있다는 측면에서 PVC/목분 합성목재의 개발 및 응용은 환경 친화적이다. PVC/목분 합성목재의 경우 나무와 비슷한 질감과 외관을 가지고 있고 가공성이 천연목재보다 좋아 건축내외장재뿐만 아니라 자동차 내장재 등 다양한 분야에 사용할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 PVC/목분 합성목재는 소비자의 선호도를 만족시킬 뿐만 아니라 천연목재와 플라스틱의 장점을 겸비한 우수한 성능의 제품을 제공할 수 있다. 그리고 친수성인 목분과 소수성 열가소성 수지인 PVC와의 결합력 약화라는 문제점이 있었는데, 본 발명에 따라 아미노실란에 의해 개질된 목분을 사용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 목분 개질의 성공 여부를 확인하는 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)실험결과 그래프.
도 2는 만능재료시험기를 이용하여 측정한 합성목재의 인장특성을 나타내는 그래프.
이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이지 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 아미노실란으로 개질된 목분을 사용함에 특징이 있으므로 목분 개질의 실시예를 먼저 설명한다.
[실시예 1] 목분의 개질 예
목분(J. Retenmaier & Sohne Co.의 Lignocel C-120)을 개질하기 위하여 아미노실란(N-2(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane) 2.5중량부, 물 50중량부, 에탄올 1000중량부, 목분 40중량부를 플라스크에 넣고 상온에서 500rpm의 속도로 1시간동안 혼합하였다. 그러고 나서 온도를 130℃까지 올리고 30분간 추가로 혼합한 후 250rpm으로 상온에서 1시간 냉각시켜주었다. 이렇게 만들어진 혼합물을 24시간동안 상온에서 방치시킨 후 여과하였다. 여과된 목분을 105℃의 진공오븐에서 24시간 수분을 제거한 후 사용하였다.
상기의 아미노실란 개질과정을 거친 목분의 개질 성공여부를 확인하기 위하여 XPS를 사용하였으며 그 결과를 도 1에 개질하지 않은 목분과 비교하여 나타내었다. 도 1에 나타낸 XPS 실험결과를 보면 본 발명에 따라 아미노실란에 의해 개질된 목분과 미개질된 순수한 목분 사이의 Si, N 피크의 유무를 알 수 있는데 아미노실란에 의해 개질된 목분의 경우에는 아미노실란에 함유된 원소인 Si, N에 기인한 피크가 나타나고 있음을 알 수 있다.
[실시예 2] 개질 목분 사용 PVC 기반 합성목재 제조
실시예 1에서와 같이 아미노실란에 의해 개질된 목분을 사용하여 PVC/목분 합성목재를 제조하였다. PVC 컴파운드는 (주)엘지화학의 PVC(LS100E, K-Value = 67, 중합도 = 1040±50)를 주재로 사용하여 PVC용 충전재, 무독안정제, 충격보강재, 안료 등을 혼합하여 제조하여 100중량부를 사용하였고, 목분은 아미노실란에 의해 개질된 목분을 105℃의 오븐에서 24시간 동안 수분을 제거한 후 50중량부 사용하였다. 용융혼합기(HAAKE Polydrive Rheomix 600) 안으로 PVC 컴파운드, 개질된 목분을 투입한 후 175℃, 60rpm의 로터회전 속도로 용융혼합 조건을 설정하고 토오크가 안정화될 때까지 충분히 용융혼합한 후, 용융혼합물을 용융혼합기로부터 꺼내어 핫 프레스(hot press) 사이에 위치시킨 후 압축성형에 의해 패널 형태의 합성목재 샘플을 제작하였다. 제작된 합성목재 샘플을 사용하여 기계적 특성 및 열적 치수안정성을 조사 및 분석하였다.
[비교예 1]
실시예 2와 비교를 위하여 개질되지 않은 목분을 사용하여 PVC/목분 합성목재를 제조하였다. PVC 컴파운드는 (주)엘지화학의 PVC(LS100E, K-Value = 67, 중합도 = 1040±50)를 주재로 사용하여 PVC용 충전재, 무독안정제, 충격보강재, 안료 등을 혼합하여 제조하여 100중량부를 사용하였고, 목분은 개질되지 않은 목분을 105℃의 오븐에서 24시간 동안 수분을 제거한 후 50중량부 사용하였다. 용융혼합기(HAAKE Polydrive Rheomix 600) 안으로 PVC 컴파운드, 개질되지 않은 목분을 투입한 후 175℃, 60rpm의 로터회전 속도로 용융혼합 조건을 설정하고 토오크가 안정화될 때까지 충분히 용융혼합한 후, 용융혼합물을 용융혼합기로부터 꺼내어 핫 프레스 사이에 위치시킨 후 압축성형에 의해 패널 형태의 합성목재 샘플을 제작하였다. 제작된 합성목재 샘플을 사용하여 기계적 특성 및 열적 치수안정성을 조사 및 분석하였다.
도 2는 실시예 2의 PVC/목분 합성목재 및 비교예 1의 PVC/목분 합성목재의 인장특성을 만능 재료시험기를 이용하여 측정한 결과를 비교하여 나타내고 있다. 본 발명에 따라 아미노실란으로 개질된 목분/PVC(SW50PVC) 합성목재의 인장강도 및 인장탄성률이 미개질된 순수 목분/PVC(W50PVC)의 인장강도 및 인장탄성률보다 월등히 우수함을 알 수 있다.
하기 표 1은 실시예 2의 PVC/목분 합성목재 및 비교예 1의 PVC/목분 합성목재의 열팽창계수 및 온도변화에 따른 치수안정성에 대해 열적 기계적 특성 분석기기인 TMA(Thermo Mechanical Analysis)를 이용하여 측정한 데이터를 비교하여 나타낸 것이다. 본 발명에 따라 아미노실란으로 개질된 목분/PVC(SW50PVC) 합성목재의 열팽창계수 및 온도변화에 따른 치수안정성을 순수한 목분/PVC(W50PVC) 합성목재의 열팽창계수 및 온도변화에 따른 치수안정성과 비교해 보면 개질된 목분/PVC(SW50PVC) 합성목재의 열팽창계수가 더 작고 온도변화에 따른 치수안정성도 우수함을 알 수 있다.

Sample
열팽창계수(-20℃)
(㎛/m℃)
열팽창계수(60℃)
(㎛/m℃)

W50PVC
71.9
82.6

SW50PVC
51.2
59.9
PVC/목분 합성목재의 기계적 강도 및 열적 치수안정성에 영향을 주는 변수로는 PVC의 종류, 목분의 함량 및 종류, 첨가제의 함량, 가공 온도 및 시간 등이 있을 수 있으나 목분과 PVC와의 높은 계면결합력이 가장 중요하며 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 목분을 아미노실란으로 개질하여 사용하는 방법을 택하였고 이를 통해 우수한 성능의 PVC/목분 합성목재를 제작할 수 있었다.

Claims (5)

  1. PVC 컴파운드 100중량부에 대하여 아미노실란으로 개질된 목분 01.~150중량부를 함유함을 특징으로 하는 PVC 기반 합성목재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 아미노실란은 엔-2(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-2(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)임을 특징으로 하는 PVC 기반 합성목재.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 아미노실란으로 개질된 목분은 아미노실란, 수분, 에탄올, 목분으로 구성된 혼합물로부터 제조됨을 특징으로 하는 PVC 기반 합성목재.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 개질된 목분은 아미노실란 2~3중량부, 수분 40~55중량부, 에탄올 900~1100중량부 및 목분 35~45중량부로 구성된 혼합물로부터 제조됨을 특징으로 하는 PVC 기반 합성목재.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 개질된 목분은 상기 혼합물을 상온에서 400~600rpm의 속도로 0.5~2시간 혼합한 다음 100~150℃의 온도에서 20~40분간 추가 혼합 후 냉각하여 여과된 것임을 특징으로 하는 PVC 기반 합성목재.
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