KR20130032342A - 복수의 목분투입부와 다단 압출스크류에 의해 제조되는 합성목재 및 그 제조장치 - Google Patents

Abstract

PP,PE수지 등 폴리올레핀계 고분자 수지와 결합제 및 색상원료를 투입하는 1차투입부(100)와; 목분 원료를 투입하여 상기 1차투입부(100)의 투입원료와 혼합하는 2차혼합부(200)와; 상기 2차혼합부(200)를 거친 재료에 목섬유분 위주로 소량의 목분을 추가 투입하여 합성목재 표면을 개질시키는 3차혼합부(300)와; 혼연,용융된 원료에서 발생되는 가스 및 수분을 배출하는 기액배출부(400); 및 상기 고분자수지, 목분, 색상원료 및 결합제가 혼연 용융된 혼합물을 압출 이송하는 이송압출스크류(600)와 상기 이송압출스크류(600)를 감싸는 이송압출실린더(700)를 포함하여 구성되는 합성목재 제조장치와 이를 이용하여 제조되는 합성목재가 개시된다.
본 발명의 합성목재 제조장치는 팰릿화 과정을 거치지 않은 분말 형태의 목분을 강제투입스크류(213,313)에 의해 직접 교반하여 투입 가능하므로 기존의 2중 공정을 단일 공정으로 간소화시켜 제조경비를 낯추는 효과가 있으며 또한 2㎜~10㎜ 길이 중 임의 길이로 절단된 대나무섬유, 코코넛섬유, 팜섬유 등의 모(毛)형태 섬유 중에서 두가지 이상의 천연섬유로 된 목섬유분을 추가 투입하는 중간냉각단계에 의해 제조되는 본 발명의 제조물은 목분과 수지의 안정되고 균일한 혼연으로 접착성이 높아지며 그에 따라 제품의 표면장력과 강성이 향상되는 장점이 있다.

Description

복수의 목분투입부와 다단 압출스크류에 의해 제조되는 합성목재 및 그 제조장치{Wood plastic composite and Manufacturing system which have plural injection hoppers and multistage extruding screws}

본 발명은 목분에 폴리올레핀계 수지와 각종 첨가제를 혼연 용융시켜 성형하는 합성목재의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이며, 또한 상기 방법과 장치를 통해 보다 개선된 성능을 갖도록 제조되는 합성목재에 관한 것이다.

목분에 폴리올레핀계 수지를 분말 형태로 첨가하여 가열 압착을 통해 고화시켜 제조하는 합성목제 제조기술은 오랜 역사를 지니고 있으며 이와 관련하여 극히 다양하고 많은 기술이 일반 대중에 공개된 바 있다.

아래 선행기술문헌(1)은 전형적인 합성목재 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 살펴보면 140~150℃의 온도에서 폴리올레핀 수지 100 중량부에 대하여 셀룰로오스계 목분을 10~100 중량부로 용융,혼합하고 아조디카본아미드를 0.5~5 중량부, 산화아연 0.5~2 중량부로 첨가하여 폴리올레핀수지와 셀룰로오스계 목분의 용융 혼합물을 발 제조하는 발포플라스틱 합성목재제조방법을 소개하고 있다.

좀더 개량된 합성목재 제조방법으로서 문헌(2)가 있다. 문헌(2)는 폐합성수지 재료를 활용하여 제조비용을 낮출 수 있도록 한 것으로서 목분과 합성수지를 혼합하여 성형되는 외층과, 재생 합성수지재에 목분을 혼합하여 상기 외층 내부에 이중 압출함으로써 외층과 일체로 성형되는 성형되는 내층을 가지고, 상기 내층의 내부에는 장섬유 다발을 길이 방향으로 연속되게 배치한 것이 특징이며 외관품질을 유지하면서 저렴한 비용으로 내층의 구조강도를 유지하고 있다.

합성목재에 첨가하는 목분(목재분말)에 대한 최적화도 활발히 이루어지고 있다. 고강도, 경량화 및 천연목질감 표현을 위하여 대나무 소재의 목분을 사용하는 문헌(3)은, 대나무 목분으로부터 제조된 셀룰로오스 섬유 45 ~ 65중량%, HDPE 수지 20 ~ 40중량%, 자외선 안정제, 난연제, 결합제, 대전방지제, 가소제, 충진제, 산화방지제,착색제, 윤활제, 열안정제, 항균제 중에서 1종 이상 함유하는 첨가용 부자재 10 ~ 20중량%로 구성된다. 또한 대나무 목분은 이황화탄소로 반응시킨 4㎜ 이하의 길이를 갖는 셀룰로오스 섬유로서 리그닌과 왁스를 함유하도록 처리하고 있다.

목분 개량과 마찬가지로 목분의 혼연(=고르게 섞음)과 경화에 핵심적인 역할을 하는 폴리올레핀계 합성수지(PP, PE등)의 첨가방식에 관한 개량도 꾸준히 시도되고 있다.

문헌(4)를 참고하면 목분 첨가용 수지로서 폴리에틸렌(polyethylene=PE) 수지를 사용하고 추가로 UV안정제를 첨가함으로서 내화학성, 내후성, 내마모성 및 인장강도 등을 향상시키고 있다.

목분과 플라스틱수지 간의 합성공정에 대해서도 여러 가지 변화가 시도되고 있는데, 그 중 하나를 소개하면 문헌(5)와 같다. 문헌(5)는 목분과 플라스틱 수지를 일단 혼합한 다음 수분이 제거되도록 건조시키고, 건조된 합성 목재 재료를 재차 용융시켜 금형으로 사출 성형하는 변형된 혼연용융 공정에 대해 소개하고 있다.

목분과 합성수지를 혼연하는 과정에서 수분함량 변화에 따른 물성저하를 막는 기술도 소개되고 있다. 문헌(6)은 목분과 폴리올레핀 수지를 포함하는 원료를 배합하여 제조되는 과정에서 함수율 0.5%를 초과하는 목분, 폴리올레핀 수지를 포함하되, 여기에 목분 중량의 0.3～0.5중량%에 해당하는 알칼리토 금속의 나노 산화물을 상용화제(compatibilizer=화합제)로 추가 첨가한 것이 특징이다. 문헌(6)에 따르면 목분의 수분함량이 다소 변화하더라도 굴곡강도 등 완성품 합성목재의 특성저하가 적고 압출생산속도도 향상된다고 밝히고 있다.

(1) 한국등록특허 10-0636427 합성목재 제조방법 및 이에 따라 제조된 합성목재 (2) 한국등록특허 10-1008838 합성목재 및 그 제조방법 (3) 한국등록특허 10-1062659 대나무 목질분을 함유하는 합성 목재용 복합재료 및 그 제조방법, 이를 이용하여 제조된 합성 목재 (4) 한국등록특허 10-1030425 합성목재 제조방법 (5) 한국공개특허 10-2012-0050140 합성목재의 제조방법 (6) 한국등록특허 10-1175308 목재-플라스틱 복합재용 조성물 및 그 조성물을 사용하여 제조된 목재-플라스틱 복합재

합성목재의 기술개발 방향은 크게 폐목재의 첨가시점과 첨가방식을 개선하는 저가격화 기술, 혼연 성형용 폴리올레핀계 수지의 첨가비율과 혼연 압출과정에서의 압력과 온도를 개선하는 기계적 성질 개량기술, 완성된 합성목재의 표면마감 등 품질감을 개선하는 고급화 기술 등으로 크게 나눌 수 있다.

이들 각각의 기술적 효과는 다른 분야의 기술적 효과를 떨어뜨린다. 예를 들어 폐목재의 비율을 늘릴수록 결합도나 조직 치밀성이 저하되며 이는 곧 완성품 합성목재의 기계적 성질 저하로 이어진다.

표면층 부분에 합성수지 비율을 높이는 마감기술은 전체적인 목분, 특히 폐목재의 비율을 떨어뜨려 제조비용의 상승을 가져오며, 반대로 표면층에 목질감을 높이는 마감기술은 기계적 강도를 저하시킬 뿐 아니라 접착력을 높이지 않으면 쉽게 박리되어 떨어지는 단점이 있다.

위와 같이 합성목재의 제조기술은 어느 한쪽을 추구하면 다른 한쪽이 손해를 보는 경향이 강한데 최근에는 폐목재나 대나무목분 등 대체자원의 활용 방안을 그대로 유지하면서도 주거 문화와 생활수준의 변화에 발맞추어 단순기능의 저가상품보다는 고품질, 고품격, 고기능, 친환경 소재의 특징을 강화하는 쪽으로 개발이 이루어지고 있다.

본 발명의 주요 해결과제는 공정과 설비의 개선과 적절한 상용화제의 도입을 통해 대나무 목질분과 폴리올레핀계의 혼연 성질을 향상시키고 이를 뒷받침하는 개선된 혼연, 용융, 압출방법을 제공하여 궁극적으로 기계적인 물성이 대폭 향상된 합성목재를 제공하는 것이다.

구체적으로는, 목재질감을 구현하기 위하여 75% 이상의 목섬유를 함유하여 배합, 혼연 및 압출공정을 진행하고 열 안정성 등 기계적 물성을 향상시킨 건축자재 및 농업용자재의 목재대체재인 합성목재용 복합소재와 그 제조공정 방법 및 장치를 제공하며, 수분 3% 미만으로 건조된 목섬유분과 절단된 항균성 섬유 및 과량의 목섬유질인 천연강모를 함유시켜 일정온도에서 고분자수지와 혼합, 혼연시킨 혼합수지를 용융 가압시키는 공정을 반복하여 기계적인 물성이 우수하고 목섬유가 습기에 의해 변질되는 것을 방지하며 내열,내구성을 강화하는 제조방법을 제공한다.

폐목재의 경우 파쇄나 분쇄로 열가소성 고분자수지와 결합하여 여러 형태의 패널로 응용되고 있지만 폐기물의 감량으로 인한 환경오염 방지라는 장점에도 불구하고 상품의 물리적 특성 즉 강도, 질감, 부가가치 부족 등의 문제로 관련 상품에 실용화 단계에 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 여러 형태의 연구와 실험이 이루어졌으나 열가소성 고분자수지의 기계적 물성을 증가시키기 위한 실전기술부족과 관련산업의 영세성으로 자유로운 첨가제 선택에는 어려움이 있다.

고분자 수지에 무기물 섬유질이 ㎜크기로 분산되어있는 복합소재는 강성, 내마모성, 내열성 등 고분자의 기계적 성질이 향상된다고 알려져 있다.

합성목재를 생산하는 종래의 생산공정은 원료를 1차 가공하는 원료가공장치와, 상기 가공된 원료(pallet)를 압출장치를 통해 가공하여 제품을 압출프로파일 성형(Profile Extruding Method) 하는 2단계로 구성되어 있다.

여기서 1차 원료가공장치는 플라스틱원료. 목분. 각종첨가제를 결합한 다음 용융 농축하여 pallet형태로 가공된 원료를 생산하는 장치이며 2차 가공장치는 상기 팰릿 원료를 투입하여 원하는 형태의 형재를 최종적으로 압출 성형하는 장치를 말한다.

즉, 종래의 합성목재를 생산하는 공정은 상기한 바와 같이 2단계의 장치를 거쳐야하므로 초기설비투자비 및 제조경비 증가로 제조원가가 상승하는 문제점을 안고 있다.

참고로 본 발명의 청구범위는 합성목재의 제조방법과 그 제조물, 또는 제조장치와 그 제조물로 발명의 카테고리를 구분하고 있지만 실질적으로 본 발명의 상세한 설명 및 도면을 통해 뒷받침되는 권리의 내용은 제조방법과 제조장치 그리고 그에 의한 제조물이 유기적으로 서로 밀접하게 관계되어 있음을 미리 밝힌다.

또한 본 발명의 과제해결수단은 본 발명 청구범위에 기술된 내용이 당해 기술분야 통상의 기술자가 실시 가능하도록 안내하는 모든 성분비율과 공정온도, 압력, 투입량 및 공정을 진행하는 각 단계별 설비의 구체적인 구조와 설계를 말하며 이는 아래에 기재되는 상세한 설명 및 도면에 의한다.

본 발명에 따른 합성목재의 제조방법과 제조장치는 우선 기존의 2단계 공정을 1단계로 생산공정을 간소화시켜 제조경비를 낮추는 매우 우수한 효과가 있다.

또한 중간냉각단계에 의해 제조된 본 발명의 제조물은 플라스틱 원료와 목분의 혼합, 혼연, 용융으로 이어지는 제조공정에서 목분과 수지의 균일한 혼연으로 접착성이 높아지며 그에 따라 제품의 표면장력과 강성이 향상되는 장점이 있다.

추가로 본 발명은 제조방법 측면에서 제품의 용도와 특성에 따라 플라스틱원료와 목분의 비율을 생산 도중에도 손쉽게 변화시킬 수 있으므로 필요에 따라 원목형태의 질감과 색상구현이 쉬운 장점이 있고, 제조장치 측면에서 장축형태의 일체형 스크류실린더를 분할된 형태의 조립형으로 바꾸어 설계함으로써 스크류 마모시 저비용으로 손쉽게 교체 가능하다. 또한 작은 크기로 분할된 스크류는 마모에 강한 특수강으로 제조될 수 있어 스크류와 스크류실린더의 교체주기를 늘릴 수 있는 장점이 있다.

도 1a,b는 다양한 종류의 목분과 고분자 수지 팰릿 및 결합제를 각각 촬영한 사진
도 2는 본 발명에 따른 합성목재 제조방법의 전체 흐름도
도 3a~3c는 본 발명에 따른 합성목재의 실험결과서
도 4는 본 발명에 따른 합성목재 제조장치의 전체 구성도
도 5는 본 발명에 따른 1차투입부 구성도
도 6a~6c는 본 발명에 따른 2,3차 혼합부 구성도와 교반날개 사진
도 7은 본 발명에 따른 기액배출부 구성도
도 8은 이송압출스크류 및 이송압출실린더 구성도

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 기술적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래의 실시예에서 특정 전문용어로 표현되는 성분과 공정단계, 공정장치 들이 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다.

먼저 본 발명 기술사상의 밑바탕이 되는 합성목재의 구성성분과 배합비를 설명한다.

합성목재 구성성분에서 가장 큰 비중을 차지하는 목분은 작은 가루 형태의 목질분과 섬유형태의 목섬유분으로 나눌 수 있다. 목분은 입도 2㎜이하, 즉 30~50 메쉬로 분쇄 분말 처리된 폐목재나 자투리 목재로 된 목질분과 2㎜~10㎜ 길이로 임의 절단된 대나무섬유, 코코넛섬유, 팜섬유 등의 모(毛)형태 섬유 중에서 두가지 이상의 천연섬유로 된 목섬유분을 함수율 3%미만으로 건조한 다음 전체 합성목재의 70~80 중량% 만큼 첨가한다.

도 1a는 고운 가루형태의 목분에서부터 셀룰로오스 섬유모 형태의 목질분까지 다양한 목분을 각각 입도크기대로 분류하여 촬영한 사진이다.

상기 목분의 투입 전단계로 투입되는 합성수지 및 첨가제의 구성성분과 배합비를 설명한다.

폴리올레핀(이중결합을 가진 사슬모양의 탄화수소 화합물)의 중합으로 생기는 고분자 화합물은 가장 가벼운 플라스틱에 속하는데 투명성도 우수하여 목분의 색을 훼손하지 않는 장점이 있다. 자유롭게 중합할 수 있는 폴리올레핀은 끝에 이중결합이 있는 올레핀(또는 a-올레핀)뿐이므로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아이소뷰틸렌(합성고무로서 소량의 아이소프렌과 혼성 중합하여 만든 제품)이 폴리올레핀에 속하며 특히 프로필렌으로부터 합성되는 4-메틸펜텐의 중합물은 폴리메틸펜텐, 메텔펜텐수지로 뛰어난 성질을 나타낸다.

도 1b는 고분자 수지 팰릿과 분말 형태의 결합제를 각각 촬영한 사진이다.

본 발명 합성목재에 첨가되는 폴리올레핀계 수지는 압출성형이 가능한 메트릭스재라면 사용할 수 있으며 최종상품에 기능에 따라 재활용수지의 사용 또한 무방하며 구체적으로는 저밀도 선형폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에서 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.

예를 들어 폴리프로필렌의 경우 고분자 매트릭스로서 멜트플로우인덱스(Melt flow index)가 10g/분인 폴리프로필렌을 사용하였으며 고강도가 요구되는 합성목재일수록 폴리프로필렌수지를 사용하는 것이 바람직하다.

구체적인 첨가비율은 전체 합성목재 구성성분의 중량을 100%로 할 때 폴리에틸렌. 폴리프로필렌 중 선택되는 수지와 2가지 이상의 접착성 수지인 결합제, 3가지 이상의 첨가제를 합해 대략 20~30 중량%로 첨가한다.

강도가 높은 물성치가 요구되는 경우, 에틸렌 함량 5~10%인 블락 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하며 유연한 물성이 요구되는 경우 블락 폴리프로필렌과 저밀도 폴리에틸렌이 6:4 내지 9:1 중량비율로 혼합 구성될 수 있다.

한편 폴리에틸렌(이하 PE라 약칭한다)과, 폴리프로필렌(이하 PP로 약칭한다)은 준 결정성 고분자수지로서 가볍고 흡수성이 적으며 내약품성과 성형가공성이 우수하여 다양한 분야의 용도에 널리 사용되고 있다. 그러나 PE,PP는 주 사슬에 어떠한 극성그룹도 포함되어 있지 않으며 친수성의 목분과 결합력이 낮은 것이 단점이다.

상기 PE,PP 수지와 목분과의 낮은 결합력은 상품의 물성저하로 이어지므로, 우수한 합성목재를 제조하기 위해서는 계면결합력을 향상시켜 목섬유와 고분자수지와의 결합력을 증진시킬 수 있는 기술적 방법을 찾아야 한다.

상용화제(compatibilizing agents = 본 발명에서는 화합제 또는 결합제의 의미)를 포함하여 본 발명에서 사용되는 결합제는 PP,PE 수지를 결합하는 2종 이상의 접착성 수지(coupling agents)결합제와 3종 이상의 각기 다른 기능을 가진 첨가제(additives)가 사용된다.

PP,PE 수지의 메트릭스의 상용성을 향상시키기 위한 상용화재는 예를 들어 호남석유화학의 상품명 CM-1120w을 사용하였으며 상품의 용융장력 및 탄성율. 열변형율을 높이기 위하여 일본 미쓰비시 레이온의 열가성소재의 가공소재인 A-3000을 사용할 수 있다.

또한 목섬유질의 탄화방지와 가공성향상 및 물성치 향상을 위한 결합제로서 미국 켄리치사의 상품명 LICA.38을 사용할 수 있다.

상기 결합제들은 70중량% 이상의 과다 목분 투입시 발생 되는 현상에 대응하기 위한 각기 다른 기능을 가진 결합제로서 결합력 증가가 상품물성에 매우 큰 영향을 끼친다.

상술한 전체 구성성분을 간단히 요약하면 표면이 개질되고 건조된 2㎜이하의 목질분과 2㎜~10㎜ 길이의 목섬유분를 합하여 목분 70~80 중량%를 함유하고, PP, PE수지를 포함한 폴리올레핀계 수지를 13~23 중량% 함유하며 상용화제를 포함한 결합제 및 첨가제를 7 중량% 함유하는 것이 특징이다.

이후 제조방법을 통해 추가 설명하겠지만, 본 발명 합성목재의 성분은 그 성분과 배합비율 자체만으로 종래 기술과 차별화된다기 보다는, 아래에 기술될 제조방법과 제조장치를 통해 종래와 동등한 재료라 하더라도 더 효과적인 투입시기와 단계별 배합비율을 가질 수 있으며 동등한 제조비용에서 더 효율적인 물성치를 갖는 것이 특징이다. 따라서 본 발명의 합성목재는 그 구성성분을 포함하는 것은 물론 아래에 기술되는 제조방법 또는 제조장치에 의해 명확히 특정되어야 한다.

다음으로 상기 합성목재 구성성분과 배합비를 바탕으로 하는 본 발명 합성목재 제조방법의 기술적 특징을 설명한다.

우선 종래의 제조방법이 혼연성을 높이기 위해 목분을 먼저 팰릿형태로 성형한 후 이를 폴리올레핀계 수지와 함께 압출스크류 내에 투입하여 혼연 용융시켜 제품성형을 하는 두 가지의 공정인데 반해서, 본 발명의 제조방법은 목분의 팰릿(pallet)화 과정이 없이 직접 분말 형태로 투입하는 단일 공정으로 하되, 그 대신에 목분을 단계별로 축차 투입하면서 소재의 혼연이 어려워지는 점을 극복하고 혼연 용융과정에서의 냉각효과를 꾀한 것이 특징이다.

한편 본 발명을 포함하여 모든 종류의 합성목재에서 중요한 제조공정 변수로는 전체 중량비에서의 목분의 함량이다. 여기서 목분의 함량은 상용화제의 성분적 특성에 맞춘 함량이 조절될 필요가 있다. 또한 배합공정과 성형공정의 작업온도, 압출성형기기 내에서의 체류시간과 온도 등 각 공정별로 가해지는 조건을 상기 성분적 특성에 맞추어 어떻게 최적화 하느냐가 중요하다.

본 발명의 제조방법은 크게 A,B 두 단계로 이루어진다. 도 2를 참조하여 본 발명의 제조방법을 단계별로 설명한다.

먼저 A단계는 표면이 개질되고 함수율 3%이하로 건조된 목분, 구체적으로 2㎜ 이하의 목질분과 2㎜~10㎜길이의 목섬유분을 70~80 중량%와 고분자수지 13~23 중량%, 결합 및 첨가제 7 중량%를 각각 고르게 교반한 다음, 이송압출실린더 내부로 투입하여 이송압출스크류에 의해 혼연 용융시키는 단계이다.

좀더 상세하게는, 앞서 합성목재의 구성성분과 배합비율에서 설명한 바와 같이 목질분과 목섬유분을 포함한 목분 70~80 중량%에 대하여 결합제[1] CM-1120w 4중량%, 결합제[2]L/38H 0.7 중량%, 결합제[3] A-3000 0.8 중량%, 3종 이상의 기능성첨가제, 저밀도PE.PP나 고밀도PE.PP 중에서 선택되는 폴리올레핀 수지 13~23 중량% (바람직하게는 17 중량%)을 첨가하고 또한 상품에 특성에 따라 1종 이상의 기능성 첨가제를 더 첨가하거나 덜 첨가하는 단계이다.

이때 목분(목질분과 목섬유분)은 수분미제거시 발생되는 내구성약화현상과 상품표면의 질감불량현상을 막기 위해 건조장치를 통하여 3%미만으로 수분을 제거한 후 투입한다.

또한 상기 목분은 추후 B단계를 위해 5~10 중량% 만큼 감소시켜 투입될 수 있다.

다음으로 B단계는 상기 A단계를 거쳐 혼연 용융중인 이송압출실린더 공간 내부에 5%~10%중량의 건조된 목분을 추가 투입하여 혼합 용융시키는 단계이다.

이때 B단계에서 투입되는 목분은 덩어리 뭉침을 막기 위해 가급적 목섬유분으로 한정되는 것이 바람직하다.

B단계에서 투입되는 목분, 구체적으로 목섬유분은 A단계가 따르는 일반적인 압출성형 공정온도 160℃~170℃에서 약 10~20℃ 가량의 온도를 낮추어 준다.

따라서 결과적으로 약 140℃~150℃에서 최종적인 혼연 용융이 진행됨으로써 목섬유질이 초기부터 과다 투입될 경우에 발생할 수 있는 탄화현상이 방지된다.

즉 본 발명의 핵심적인 기술사상이 되는 목분의 다단식 분산투입은 목섬유 함량을 증가시킬 수 있다는 주된 기술적 목표를 달성함과 동시에 과다 함량된 목섬유의 탄화를 방지하고 완성품 합성목재 내에서 안정적인 분산을 이루게 되어 휨 강도와 열 안정성 측면에서 놀라운 향상을 기대할 수 있다.

도 3은 상기 구성성분과 제조방법을 통해 제조된 본 발명 합성목재의 뛰어난 물성치를 잘 보여주는 실험결과이다.

이후 제조장치를 통해 추가 설명하겠지만, 본 발명 합성목재 제조방법은 그 투입시기와 투입비율 자체만으로 종래 기술과 차별화된다기 보다는, 아래에 기술될 제조장치를 통해 종래와 유사한 공정이라 하더라도 더 효과적인 분산효과와 탄화방지 및 높은 성형성을 가질 수 있으며 동등한 제조방법에서 더 효율적인 물성치를 갖는 것이 특징이다. 따라서 본 발명의 제조방법은 그 투입시기와 투입비율을 포함하는 것은 물론 아래에 기술되는 제조장치에 의해 명확히 특정되어야 한다.

마지막으로 상기 합성목재 및 그 제조방법을 일련의 연속압출형태로 구현하는 본 발명 합성목재 제조장치의 기술적 특징을 설명한다.

본 발명의 합성목재 제조방법은 1차 혼합된 플라스틱 원료와 목분을 혼합 시키는 공정과 혼합된 원료를 합성목재로 성형하는 최종단계를 하나의 연속적인 공정으로 수행하는 공정단계와 그 공정설비를 가진다. 제조장치의 기본 설계의도는 셀룰로오스계 섬유질을 갖는 목분과 폴리올레핀계 고분자수지 즉, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 폴리염화비닐(PVC) 등 널리 사용되는 플라스틱 원료의 혼합, 혼연성을 높이며 목분 함량을 증가시켜 합성목재표면을 개선하는 과정을 수행할 수 있도록 하는 것이다.

도 4를 참조하여 본 발명의 제조장치를 전체적으로 설명하면, PP,PE수지 등 폴리올레핀계 수지와 결합제 및 색상원료를 투입하는 1차투입부(100), 목분 원료를 투입하여 상기 1차 투입부의 투입원료와 혼합하는 2차혼합부(200), 2차 혼합부를 거친 재료에 목섬유분 위주로 소량의 목분을 추가 투입하여 합성목재 표면을 개질시키는 3차혼합부(300), 혼연/용융된 원료에서 발생되는 가스 및 수분을 배출하는 기액배출부(400)를 거치면서 고분자수지, 목분, 색상원료 및 결합제가 혼연 용융된 혼합물이 다수 배치된 이송압출스크류(600)를 통해 이송압출 실린더(700)내에서 계량 이송되면서 원하는 형태와 분량으로 성형되는 것이 특징이다.

지지부(500)는 상기한 바와 같은 구성 요소들을 전체적으로 지지하는 기능을 수행하는 것으로 1차투입부(100)에서 이후 설명될 이송압출스크류(600)들과 이를 감싸고 있는 이송압출실린더(700) 까지를 전체적으로 지지하고 있다.

도 5를 참조하여 1차투입부(100)에 대해 구체적으로 설명한다. 1차투입부(100)는 전체투입량의 20%~30%에 해당하는 플라스틱수지와 색상원료 및 결합제 원료를 투입 받아 혼연 및 이송기능을 수행하는 것으로 도 3에 도시된 바와 같이 플라스틱원료와 색상원료 투입기를 이용하여 원료를 투입 받는다.

1차투입부(100)에서 핵심적인 역할을 수행하는 수지및결합제투입기(110)는 이송압출실린더(700) 내부로 수지와 결합제 등의 원료를 투입하기 위한 것으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 호퍼(111)에 저장된 원료를 일정량, 일정속도로 투입하는 나선형태의 강제투입스크류(113)가 장착되어 있다.

여기서 강제투입스크류(113)의 날개 회전수에 따라 원료의 양이 결정되고 투입압력이 결정되므로 수지및결합제투입기(110)는 각기 다른 성형물 별로 원료투입량을 데이터화하여 생산의 일관성을 유지할 수 있다.

한편 1차투입부(100)에는 색상원료투입기(120)도 추가 배치된다.

색상원료투입기(120)는 여러 형태의 색상(메이폴, 체리, 월넛 등)을 미세하게 투입하는 장치이다. 보통 색상원료는 미세분말 및 농축형태의 팰릿으로 되어 있으므로 두 가지 형태의 원료를 한꺼번에 사용할 수 있으며 색상이 다른 원료를 사용시에도 청소가 용이하게 이루어지는 장점이 있다.

이하에서는 도 6a, 6b를 바탕으로 2차혼합부(200)와 3차혼합부(300)에 대해 상세히 설명한다.

2차혼합부(200)는 목분을 투입받아 정량공급 시키면서 1차투입부(100)에서 이송된 고분자수지 등과 혼합, 혼연하기 위한 공정부로서 목분으로는 앞서 기술한 바와 같은 목질분과 목섬유분이 사용될 수 있다.

또한 3차혼합부(300) 역시 2차혼합부와 유사한 구조를 가지고 있으며 2차혼합부와 다른 점은 투입목분이 목질분 보다는 목섬유분 위주가 될 때 더욱 양호한 효과를 가져올 수 있다는 점이다.

한편 2차혼합부(200)에 적용되는 1차목분투입기(210)는 도 5에 도시된 바와 같이 일정량의 목분을 저장하는 호퍼(211), 호퍼 내부에 배치된 교반날개(212) 및 목분 원료를 강제이송하기 위해 호퍼 내부에 장착되어있는 강제투입스크류(213), 그리고 이를 구동하는 저속회전 모터(214)로 구성된다. 이러한 구조와 배치는 2차목분투입기(310)에서도 마찬가지이며 그 구조적 측면은 단지 도면부호의 앞자리숫자만 다를 뿐 2차혼합부~3차혼합부에 걸쳐 매우 유사하고 투입재료의 특성만 다르다.

목분은 그 낯은 비중으로 인해 호퍼 내에서 터널(Bridge)현상 발생하면 목분원료의 공급이 원활치 못할 수 있다. 교반날개(212, 312)는 이 같은 현상을 막아주는 역할을 한다.

강제투입스크류(213,313)를 구동하는 모터(214,314)는 저속으로 속도 조절이 가능하다. 또한 제품에 용도에 따른 투입비율조정이 가능하여야 한다.

목분을 포함한 원료는 교반 혼연시 0℃~145℃/15분의 작업시간 소요 조건과, 압출성형기기 내부에 장착된 스크류(L/D 약3m 길이)통과시 평균 160℃~170℃/ 6분 정도 작업조건에서 가장 좋은 물성을 보였으며 그때 목섬유:상용화재 함량은 75중량% : 7중량% 이다.

교반기능을 갖춘 호퍼의 Batch Volume은 250㎏ 용량으로서 Mixing Tools은 낫 모양의 3-stage tool 형태로 별도 제작, 목섬유의 뭉침 현상을 방지하고 각종 첨가제가 잘 섞이며 분산됨 Hot-mixing/ Cold-mixing 기능의 Com bi mixer로서 Hot mixer 내에서 혼합,혼연 후 주모터의 토크값이 상승되는 시점에서(145℃) Cold mixier로 이동 40~50℃로 냉각 공정이 목섬유 75%가 함유된 최상의 합성목재 복합소재를 개발할 수 있다.

상기와 같이 배합된 혼합물을 분산 혼연시키는 공정 또한 매우 중요한 제조공정 중 하나이다. 공정상의 어려움으로는 예를 들어 과다 함유된 목섬유의 부피로 배합기기의 용량볼륨이 일반배합기기에 비해 배 이상 커야 하는 어려움이 있으며 이로 인해 배합기 내부에 장착된 교반날개의 블레이드 형태 또한 다르게 설계해야 한다. 도 6c는 고분자수지와 목분에 따라 각각 다른 교반날개의 형상차이를 설명하는 사진이다.

이러한 구조의 배합기기에서 약 13~14분 정도의 공정작업으로 각기 다른 모양과 비중을 가진 소재들이 고루 분산되어지며 이때 열가소성 수지인 폴리올레핀계 수지의 용융 반응과 함께 고루 분산된 소재를 점착시키는 현상과 함께 주회전 회전구동 모터부에서 부하현상이 발생하기 시작한다.

이하에서는 도 7을 바탕으로 기액배출부(400)에 대해 설명한다.

2~3차 혼합부를 통과한 원료는 플라스틱 원료와 목분 원료가 완전히 혼연 용융된 상태로 기액배출부(400)를 통과하면서 발생되는 수분, 가스가 배출된다. 흔히 벤트부(Vent)라고도 하며, 자연배출과 기계적으로 강제배출이 가능한 기능을 수행한다.

이하에서는 도 8을 바탕으로 이송압출스크류(600)와 이송압출실린더(700)에 대해 상세히 설명한다.

이송압출실린더(700)는 상기한 바와 같이 플라스틱원료와 색상원료가 투입되는 1차투입부(100)와 연통되는 1차투입구(710), 2,3차혼합부(200,300)와 연통되는 2,3차투입구(720)~(721)가 형성되며 기액배출부(400)와 연통되는 기액배출구(730)가 형성되어 있는 관으로서 일체형이 아닌 분할된 실린더 형태를 취하고 있으며 그 내부에는 이송압출스크류(600)가 내장되어 있다.

내장된 이송압출스크류(600)는 각 단마다 각각 다른 날개형태로 설정되어 개별적인 기능을 수행하며, 외부에 장착된 모터에 의해 회전하여 각 단계 별로 투입된 원료를 혼합, 혼연 용융시켜 이송압출실린더를 통과하여 성형하는 과정을 이룬다.

이송압출실린더(700)는 정량이송, 혼합, 혼연, 용융기능을 반복하는 작용이 이루어지는 공간으로서 그 내부에 장착되어 있는 이송압출스크류(600)가 상기 기능을 실질적으로 수행한다. 이를 위해 실린더 외부에는 열을 발생시키기 위한 열선 또는 발열장치 등이 구비될 수 있으며, 이러한 장치는 도면상으로는 미도시 되었지만 통상의 기술로 구현된 제어부의 제어에 의해 운용될 수 있다.

또한 이송압출실린더(700)에는 목분의 과투입시(60%~80%) 발생 되는 스크류실린더 내부의 조기마모 현상을 대처하기 위하여 종래 장축형태의 일체형을 조립 분활형으로 고안함과 함께 그 내부는 마모에 강한 특수강재를 사용하여 교체 주기를 연장할 수 있다.

이송압출스크류(600)에 대하여 설명한다. 상기 이송압출실린더(700)가 장축형태의 일체형 스크류실린더에서 분활형태의 조립형으로 바꾸어 설계됨에 따라 본 발명의 스크류는 마모시 저비용으로 손쉽게 교체 가능하다. 또한 실린더와 마찬가지로 작은 크기로 분할된 스크류는 마모에 강한 특수강으로 제조될 수 있어 스크류와 스크류실린더의 교체주기를 늘릴 수 있는 장점이 있다.

앞서 설명한 바 있지만 1차투입부(100)에서 3차혼합부(300)에 걸쳐 배치되어 있는 강제투입스크류(113,213,313)는 나선형태의 홈으로 원료를 혼합하여 이송하는 역할을 하는 것으로서 일반적인 범용 수지에 적용되는 나선홈 의 규격도 무방하며 가능한 홈 깊이가 낮은게 유리하다.

그러나 이송압출스크류(600)의 나선홈 형태는 최초구간인 1차투입구(710) 구간에서만 깊고 넓게 형성되고, 나머지구간인 2차투입구~기액배출구(720-721-730)에서는 낮고 좁은 형태에서 점차 깊고 넓은 형태의 나선홈으로 바뀌어 나간다. 이는 각 호퍼들에 장착되어 있는 강제투입스크류(113,213,313) 들의 일률적인 낮고 좁은 나선홈 형태와는 크게 구별되며 본 발명이 의도하는 가장 큰 기술적 특징 중 하나이다.

이송압출실린더(700)를 구간별로 상세히 설명한다. 전체 목분 투입량의 70 중량% 이상이 2차투입구(720)로 투입되며 투입된 목분은 1차투입구710)에서 통과된 고분자 수지 색상원료 등과 혼합 혼연되어 1차 압축된다.

2차투입구(720)가 위치한 구간에서 압축되어진 혼합원료는 고온(160~200도)으로 짧은 시간에 완전히 혼연 용융된다. 이때 각 구간별로 이송압출스크류(600)는 날개부가 일정간격 절단되어 있어 원료의 뒤엉킴 현상을 유도할 수 있고 원료의 혼연성을 최대한 높이게 된다.

3차투입구(721)가 위치한 실린더 구간으로 원료가 이송되면 3차투입구에서는 총 목분 투입량의 나머지 30%를 다시 투입하여 혼연시킨다. 이때 스크류 홈의 깊이와 넓이는 제2혼합부의 80%정도가 적당하며 용융온도는 140℃~180℃ 범위 내에서 가급적 낮게 유지한다.

바람직하게, 앞서 제조방법에서 기술한 내용대로, 전체 원료 중량비에서 추가 투입되는 목분은 목섬유분 위주로 투입되는 것이 좋고 그 비율은 5~10 중량%가 되면 좋다. 또한 혼합부의 용융온도는 최초구간 160℃~170℃에서 추가 투입되는 목분(목섬유분)에 의하여 약10~20℃ 자연스럽게 낮아진 140℃~150℃ 범위가 되는 것이 좋다.

상기와 같이 1,2차 목분 투입되어 완전히 용융 혼연된 상태의 원료를 이송하여 기액배출구(730)를 통과시켜 가스 및 수분을 완전 배출시킨 후 감압 이송하여 계량성형부(800)에서 최종 성형한다.

기액배출부(400) 구간에서도 스크류 날개부를 일정간격으로 절단하여 완전히 혼연된 원료를 뒤엉키게 함으로써 최대치의 계면접착력을 얻고 일정량의 원료를 일정한 압력으로 성형부로 이송하는 기능을 수행 한다.

한편 과다 함유된 목분(목섬유분)의 최적 혼연,용융 상태를 유지하고 고분자수지 사용시 낮은 속도의 작업운전 조건 등을 보완하기 위해 본 발명의 이송압출스크류(600)는 그 길이/직경 비율이 종래의 L/D = 22:1 에서 L/D = 29:1로 연장된 것이 특징이다.

본 발명의 합성목재 제조장치는 혼합공정을 거친 혼합소재로 부터 우수한 물성의 성형완제품을 얻기 위하여 이송압출실린더 내에서 고압, 고온으로 용융, 가압, 혼연시키는 과정에서 실린더내부의 고온으로 인한 내부 열축적 현상을 막기 위해 외부에서 강제 냉각시키는 종래 제조장치의 구성과 달리 2차 투입구에서 상대적으로 저온상태인 목섬유분 5~10 중량%를 투입하는 방법에 의하여 과열된 기계속 내열을 하향시켜 물성을 향상시키는 것이 가장 큰 특징이며, 이로 인해 최종 합성목재 상품은 목분의 전체적인 탄화가 방지되고 표면층의 목섬유분 밀도가 내층의 목섬유분 밀도보다 높아져 자연스럽게 목섬유 특유의 우수한 표면질감을 갖게 된다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되지 않는다.

다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 발명이 내포하고 있는 기술사상을 활용하여 필요에 따라 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례를 구현할 수도 있겠으나, 그 또한 이하의 청구범위로 표현되는 본 발명 기술사상의 범위에 자명하게 포함된다.

본 발명에서 기술된 합성목재의 제조방법 및 그 제조장치는 폐목이나 자투리 목재 등 경제성이 전혀 없는 목섬유분은 물론 열대림의 야자박인 팜화이버와 대나무 섬유모도 목분으로 사용 가능하므로 친환경적이면서도 기존 목재보다 우수한 목질감 등 여러 물성을 구현할 수 있기 때문에 국내 외 관련시장 발전에 폭넓은 영향을 미칠 수 있다.

100: 1차투입부
200: 2차혼합부
300: 3차혼합부
400: 기액배출부
500: 지지부
600: 이송압출스크류
700: 이송압출실린더
800: 계량성형부
110: 수지및결합제투입기
120: 색상원료투입기
111,211,311: 호퍼
212,312: 교반날개
113,213,313: 강제투입스크류
214,314: 모터
710: 1차투입구
720: 2차투입구
721: 3차투입구
730: 기액배출구

Claims (6)

1. PP,PE수지 등 폴리올레핀계 고분자 수지와 결합제 및 색상원료를 투입하는 1차투입부(100)와;
   목분 원료를 투입하여 상기 1차투입부(100)의 투입원료와 혼합하는 2차혼합부(200)와;
   상기 2차혼합부(200)를 거친 재료에 목섬유분 위주로 소량의 목분을 추가 투입하여 합성목재 표면을 개질시키는 3차혼합부(300)와;
   혼연,용융된 원료에서 발생되는 가스 및 수분을 배출하는 기액배출부(400); 및
   상기 고분자수지, 목분, 색상원료 및 결합제가 혼연 용융된 혼합물을 압출 이송하는 이송압출스크류(600)와 상기 이송압출스크류(600)를 감싸는 이송압출실린더(700)를 포함하여 구성되는 합성목재 제조장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1차투입부(100)는 호퍼(111)에 저장된 고분자수지 13~23 중량%, 결합제 및 첨가제 7 중량%를 강제투입스크류(113)에 의해 일정량, 일정속도로 투입하는 수지및결합제투입기(110)를 더 포함하여 구성되고,
   상기 2차혼합부(200)는 호퍼(211)에 저장된 함수율 3%이하로 건조된 목분 70~80중량%를 강제투입스크류(213)에 의해 일정량, 일정속도로 투입하는 1차목분투입기(210)를 더 포함하여 구성되며,
   상기 3차혼합부(300)는 호퍼(311)에 저장된 목분으로서 주로 함수율 3%이하로 건조되고 2㎜~10㎜ 길이로 절단된 대나무섬유, 코코넛섬유, 팜섬유 중에서 두가지 이상의 천연섬유로 된 목섬유분 5~10중량%를 강제투입스크류(313)에 의해 일정량, 일정속도로 추가 투입하는 2차목분투입기(310)를 더 포함하여 구성되는 합성목재 제조장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 2차혼합부(200)의 혼연,용융 온도는 160℃~170℃ 범위로 설정되고, 상기 3차혼합부(300)의 혼연,용융 온도는 추가 투입되는 목분에 의하여 10~20℃ 낮아진 140℃~150℃ 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 합성목재 제조장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 이송압출스크류(600) 및 상기 이송압출실린더(700)는 분할된 형태의 조립형으로 설계되고,
   상기 이송압출스크류(600)의 나선홈 형태는 최초구간인 1차투입구(710) 구간에서만 깊고 넓게 형성되고, 나머지구간인 2차투입구~기액배출구(720-721-730)에서는 낮고 좁은 형태에서 점차 깊고 넓은 형태의 나선홈으로 바뀌어 나가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 합성목재 제조장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 제조장치를 이용하여 제조되는 합성목재.
6. 제5항에 있어서,
   상기 합성목재는 표면층의 목섬유분 밀도가 내층의 목섬유분 목섬유분 밀도보다 높게 형성된 것을 특징으로 하는 합성목재.
   

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