KR20150017903A

KR20150017903A - 생분해성 화살

Info

Publication number: KR20150017903A
Application number: KR1020130094098A
Authority: KR
Inventors: 박경래
Original assignee: 윈엔윈(주)
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-02-23
Also published as: KR101562432B1

Abstract

본 발명은 생분해성 화살에 관한 것으로, 생분해성 수지 및 경화성 수지를 포함하는 생분해성 화살을 제공한다. 본 발명에 따른 생분해성 화살은 친환경적인 생분해성 수지(PLA 등)를 이용하여 1 내지 3년 만에 자연적으로 분해됨으로써 환경 오염을 방지할 수 있다.

Description

생분해성 화살{Biodegradable arrow}

본 발명은 화살에 관한 것으로, 특히 생분해성 화살에 관한 것이다.

화살은 활 또는 석궁을 이용해서 쏘는 발사체로서, 대와 촉, V 표시가 된 굽, 깃으로 구성된다. 촉(point)은 화살의 금속 소재의 뾰족한 끝 부분으로서, 사용하는 활의 힘에 따라 상이한 중량의 촉을 이용한다. 대(shaft)는 화살의 몸체에 해당하는 긴 막대로서, 탄소섬유 또는 알루미늄과 카본 합금으로 제작한다. 깃(fletching)은 비행 중 안정성을 부여하도록 화살의 밑 부분에 부착되어 있는 깃털이나 합성 물질이다. 오늬(nock)는 화살을 발사할 때 화살을 고정할 수 있도록 활시위에 파낸 부분이다.

화살은 소모품이다. 시위를 떠난 화살은, 특히 사냥용 화살은 미국과 유럽의 경우 산천에 연간 4 내지 5억 개 가량이 버려지고 있는데, 썩지 않고 방치되고 있어 환경 오염이 심각한 실정이다. 예를 들어, 현재의 수지를 이용한 화살은 약 500년간 형태를 유지한다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 환경오염을 일으키는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 환경 친화적인 복합재료를 이용하여 제작함으로써, 가볍고 견고하면서도 사용 후 자연에서 빠른 기간 안에 자체적으로 분해되는 생분해성 화살을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 생분해성 수지 및 경화성 수지를 포함하는 생분해성 화살을 제공한다.

본 발명에서 생분해성 수지는 폴리락티드, 폴리-L-락티드, 폴리글리콜리드, 폴리락티드-코-글리콜리드, 폴리ε-카프로락톤, 폴리락티드-코-카프로락톤, 폴리디옥사논, 폴리β-히드록시부티레이트 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명에서 경화성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 나일론 수지, 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명에서 생분해성 수지 및 경화성 수지의 혼합비율은 중량비율로 3:6 내지 3:8인 것이 바람직하다. 생분성 수지의 함량은 30 중량%까지 가능하며, 많으면 많을수록 분해속도는 빨라지나, 물성이 저하되어 용도에 맞게 조절해야 한다.

본 발명에 따른 생분해성 화살은 탄소 섬유, 유리 섬유, 생분해성 섬유 중에서 선택되는 1종 이상을 추가로 포함할 수 있고, 기타 모든 산자용 섬유가 적용 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 나노 실리카 또는 나노 카본(즉, CNT)을 추가로 포함할 수 있다. 생분해 수지나 생붕괴성 수지를 첨가해서 얻는 친환경적인 이점과 더불어, 나노실리카나 CNT를 첨가하면 물성 약화를 보상해 줄뿐만 아니라, 전단강도를 40 내지 50% 성능 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명에 따른 생분해성 화살은 500일 내 자연분해율 60 내지 100%, 인장 강도 30 내지 90 MPa, 휨 강도 100 내지 160 MPa, 신율 1 내지 5%, 변형 온도 60 내지 110℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 생분해성 화살은 생분해성 수지와 경화성 수지를 적절한 배합비율로 포함하는 환경 친화적인 복합재료를 이용하여 제작함으로써, 가볍고 견고하면서도 사용 후 자연에서 빠른 기간 안에 자체적으로 분해되어 환경 오염을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 생분해성 화살은 생분해성 수지 및 경화성 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 생분해성 수지 및 경화성 수지를 포함하는 복합재료는 화살 중 주로 화살대에 적용된다. 화살촉은 주로 금속으로 이루어지고, 화살 깃, 즉 날개 부분은 폴리에틸렌(PE) 또는 상기 복합재료로 이루어질 수 있다.

생분해성 수지는 생체 내 또는 자연환경 하에서 스스로 분해되는 고분자의 총칭으로, 본 발명에서는 예를 들어 락트산(lactic acid), 글리콜산(glycolic acid)의 공중합체 혹은 단일중합체; 포도당 유도체 등 탄수화물 유래 모노머를 구성분자로 하는 중합체; 알긴산 등 생분해성 하이드로젤; 또는 폴리펩티드, 다당류, 또는 폴리뉴클레오티드와 같은 천연고분자 등을 사용할 수 있다. 생분해성 고분자(biodegradable polymers)로는 폴리락티드(PLA, Polylactide), 폴리-L-락티드(PLLA, Poly-L-lactide), 폴리글리콜리드(PGA, Polyglicolide), 폴리락티드-코-글리콜리드(PLGA, Polylactide-co-glicolide), 폴리ε-카프로락톤(PCL, Poly ε-caprolactone), 폴리락티드-코-카프로락톤(PLCL, Polylactide-co-caprolactone), 폴리디옥사논(PDO, Polydioxanone), 폴리β-히드록시부티레이트(PHB, Poly β-hydroxybutyrate) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 생분해성 수지 중에서도 PLA가 바람직한데, 그 이유는 범용 수지이고 가격이 싸기 때문이다.

PLA 제조기술 및 물성을 살펴보면, 젖산 생산 단계는 바이오매스로부터 전분을 추출하고, 그 전분을 효소작용이나 가수분해하여 당으로 전환하고, 당액을 유산균으로 발효시키고, 산소 제한(율속) 조건에서 락테이트 디하이드록제나제 효소에 의해 피루베이트로부터 L-젖산을 얻는다. 제조된 락트산으로부터 폴리락트산를 제조하는 방법에는 락트산을 직접 중합하는 방법과 락테이트를 거쳐 개환 중합법으로 중합하는 두 가지 방법이 있으나, 높은 분자량의 고분자를 제조하는 데는 개환반응이 유리하다. 현재까지 제조된 PLA의 물성은 낮은 충격강도와 낮은 열변형온도를 제외하면 실제 제품 생산에 적용할 수 있을 정도로 우수한 상태이다. 생분해성 수지인 PLA의 생분해도를 시험기관인 한국의류시험연구원을 통하여 측정하였다. 측정 시험방법으로는 퇴비화 조건에서 플라스틱의 호기성 생분해도의 측정으로 적정에 의한 발생 이산화탄소의 정량법(KS M 3100-1:2003)을 기준으로 측정한 결과, 93.4%/45일이었다.

경화성 수지는 생분해성 화살의 기계적 강도와 직진도 등의 물성을 개선하기 위해 사용된다. 생분해성 수지만으로 화살을 제조할 경우 생분해성 등의 물성은 월등히 좋아지나, 강도와 직진도 등 화살의 기본적인 물성은 저하될 수 있기 때문이다. 본 발명에서 경화성 수지는 열경화성 수지 및/또는 광경화성 수지일 수 있으며, 예를 들어 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 나일론 수지, 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 수지 중에서도 에폭시 수지 또는 불포화 폴리에스테르 수지가 바람직하다.

사용 가능한 에폭시 수지는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 바이페닐형 에폭시 수지, 테트라메틸바이페닐형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 고무 변성 에폭시 수지, 티오바이페닐 에폭시 수지, 바이페닐설폰형 에폭시 수지, 비스페놀 A형 페녹시 수지, 비스페놀 F형 페녹시 수지, 플로렌형 페녹시 수지 등 상용하는 에폭시 수지 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용 가능하다.

불포화 폴리에스테르 수지는 무색 투명한 열경화성 수지로, 이소프탈산, 무수 말레산, 푸마르산과 같은 다염기산 및 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜과 같은 다가 알코올을 반응시켜 제조하며, 뛰어난 내열성과 내식성을 갖는다.

본 발명에서 생분해성 수지 및 경화성 수지의 혼합비율은 중량비율로 3:6 내지 3:8인 것이 바람직하며, 최적의 배합비율은 3:7이다. 생분해성 수지의 비율이 너무 적거나 경화성 수지의 비율이 너무 많으면, 생분해 성능 등이 저하될 수 있다. 반대로, 생분해성 수지의 비율이 너무 많거나 경화성 수지의 비율이 너무 적으면, 화살의 강도와 직진도 등이 저하될 수 있다. 생분성 수지의 함량은 30 중량%까지 가능하며, 많으면 많을수록 분해속도는 빨라지나, 물성이 저하되어 용도에 맞게 조절해야 한다.

본 발명에 따른 생분해성 화살은 탄소 섬유, 유리 섬유, 생분해성 섬유, 천연 섬유(리넨 등) 중에서 선택되는 1종 이상의 섬유를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 섬유는 생분해성 수지 및 경화성 수지로 구성되는 수지 매트릭스에서 보강재로 작용하여 탄성과 강도 등의 물성을 개선하는 역할을 한다. 상술한 섬유 이외에 기타 모든 산자용 섬유가 적용 가능하다.

탄소 섬유는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유로서, 강도 10 내지 20 g/d, 비중 1.5 내지 2.1이고, 내열성과 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크다. 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소하므로 금속(알루미늄)보다 가볍고 반면에 금속(철)에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다.

유리 섬유는 규산염을 주성분으로 하는 유리를 용융 가공하여 섬유 모양으로 가공한 것으로, 글라스 파이버 또는 글라스 울이라고도 하며, 내열성, 내구성, 흡음성, 전기 내열성 등이 우수하다.

생분해성 섬유는 생분해성 수지를 섬유 형태로 만든 것으로, 상술한 바와 같이 폴리락티드(PLA), 폴리-L-락티드(PLLA), 폴리글리콜리드(PGA), 폴리락티드-코-글리콜리드(PLGA), 폴리ε-카프로락톤(PCL), 폴리락티드-코-카프로락톤(PLCL), 폴리디옥사논(PDO), 폴리β-히드록시부티레이트(PHB) 등으로 이루어질 수 있다. 생분해성 섬유를 사용할 경우, 결합제 역할(매트릭스 역할)을 하는 수지에 더불어 강화제 역할을 하는 섬유까지도 생분해성 수지가 포함될 수 있다.

상기 섬유는 생분해성 화살용 복합재료 조성물 전체 중량에 대하여 1 내지 50 중량%의 양으로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 복합재료 조성물은 생분해성 수지와 경화성 수지를 포함하는 수지 50 내지 90 중량%, 섬유 10 내지 50 중량%, 바람직하게는 수지 60 내지 70 중량%, 섬유 20 내지 40 중량%를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 섬유는 섬유 형태, 실 형태, 단방향성(UD) 시트 형태, 직물 형태 등으로 사용될 수 있으며, 2종 이상의 섬유를 혼직하여 UD나 직물을 제조하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 나노 실리카 또는 나노 카본(즉, CNT)을 추가로 포함할 수 있다. 생분해 수지나 생붕괴성 수지를 첨가해서 얻는 친환경적인 이점과 더불어, 나노실리카나 CNT를 첨가하면 물성 약화를 보상해 줄뿐만 아니라, 전단강도를 40 내지 50% 성능 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 나노 실리카 또는 나노 카본은 극성을 높여줌으로써 생분해성 수지와 경화성 수지의 결합 및 혼합을 원활하게 하고, 섬유를 첨가할 경우 경화 시 섬유에 함침이 잘 되도록 할 수 있다. 나노 실리카 또는 나노 카본의 직경은 1 내지 1,000 nm일 수 있다. 나노 실리카 또는 나노 카본의 첨가량은 복합재료 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 필요에 따라 경화제, 경화촉진제, 충진제(필러), 용제, 분산제, 커플링제, 레벨링제 및/또는 소포제 등을 추가로 포함할 수 있다. 상기 추가 성분들의 첨가량은 각각 독립적으로 복합재료 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 30 중량%일 수 있다.

경화제로는 에폭시 수지의 경우 아민류, 노볼락계 수지, 산무수물, 폴리아마이드, 우레아 수지, 멜라민 수지, 페놀 레졸 유도체 등을 사용할 수 있고, 불포화 폴리에스테르의 경우 유기 과산화물과 3급 아민 등을 사용할 수 있으며, 페놀 수지의 경우 헥사메틸렌테트라민 등을 사용할 수 있다.

경화 촉진제로는 메틸 이미다졸, 페닐 이미다졸, 2-에틸-4-메틸 이미다졸 등의 이미다졸 화합물; 트리페닐 포스핀, 에틸트리페닐 포스핀 요오드아드, 에틸트리페닐 포스핀 브로마이드 등의 유기-인 착화물 등과 같은 염기성 촉매; 삼불화붕소 착화물, 인산 화합물 등의 산성 촉매 등을 사용할 수 있다.

충진제로는 금속 산화물, 금속 수화물, 금속 탄산염 등을 사용할 수 있다. 분산제로는 예를 들어 BYK사의 DISPERBYK-110 시리즈, DISPERBYK-160 시리즈, DISPERBYK-170, 171, EFKA사의 EFKA-4009, 4015, 4020, 4300, 4330, 4400, 4401, 4500, 4550 등을 사용할 수 있다. 커플링제로는 예를 들어 Z-6040(다우코닝사 제조)과 같은 실란 커플링제 등을 사용할 수 있고, 레벨링제로는 예를 들어 Polyflow No. 90D-50(한성공업 판매) 등을 사용할 수 있으며, 소포제로는 아크릴계 등을 사용할 수 있다. 용제로는 물, 알코올, 케톤, 에스테르, 에테르 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 생분해성 화살은 500일 내 자연분해율이 60 내지 100%, 바람직하게는 80 내지 100%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 인장 강도가 30 내지 90 MPa, 바람직하게는 50 내지 90 MPa, 더욱 바람직하게는 70 내지 90 MPa인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 휨 강도가 100 내지 160 MPa, 바람직하게는 110 내지 160 MPa, 더욱 바람직하게는 130 내지 160 MPa인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 신율이 1 내지 5%, 바람직하게는 2 내지 5%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 변형 온도가 60 내지 110℃, 바람직하게는 70 내지 110℃, 바람직하게는 80 내지 110℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 생분해성 화살의 제조과정은 화살대 제조과정, 화살촉 및 날개부분 결합과정으로 구분할 수 있다.

화살대는 중공 형태의 파이프 모양으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 인발, 필라멘트 와인딩(Filament Winding), 사출 등에 의해 제조할 수 있다.

인발(Drawing)은 다이(die)에 소재를 통과시켜 기계력에 의해 잡아당겨 단면적을 줄이고 길이 방향으로 늘리는 가공으로, 다이 구멍의 형상과 같은 단면의 봉, 파이프, 선 등을 만드는 작업을 이른다.

필라멘트 와인딩 공법은 섬유상의 실(yarn)이나 토우(tow)에 수지를 함침시킨 후 회전하는 맨드릴(mandrel, 심봉)에 일정하게 각도를 주어 감은 후 경화시키는 공법을, 파이프, 압력용기 등 구형의 제품을 제작시 사용되는 공법이다. 필라멘트로 되어 있는 섬유를 그대로 사용하거나 수지로 코팅시킨 후 맨드릴에 감아 성형하고 가열 경화한 후 맨드릴을 제거하면 파이프 형태의 제품을 얻을 수 있다.

사출성형은 재료를 가열 융해시킨 후 고압으로 금형 내에 사출하여 압력을 유지한 채로 냉각 고화시켜 성형하는 작업으로, 사출 성형 시 몰드 플로우(mold flow)의 균일화를 위한 금형 형상 및 게이트 구조 설계가 필요하고, 섬유를 사용할 경우 섬유의 균일 배향기술이 필요하다.

생분해성 수지와 경화성 수지를 혼합할 때에는, 이들의 혼합이 어렵기 때문에 호모 믹서를 이용하여 60 내지 80℃에서 혼합하는 것이 바람직하고, 상술한 바와 같이 나노 실리카 또는 나노 카본을 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.

화살대를 제조한 후, 화살대 전단에 화살촉을 결합하고, 후단에는 날개부분을 결합하게 된다.

[실시예 1]

생분해성 수지로서 PLA 및 경화성 수지로서 불포화 폴리에스테르 수지를 3:7의 중량비율로 배합한 후 호모 믹서를 이용하여 70℃에서 혼합하였다. 이때, 불포화 폴리에스테르 수지는 프로필렌 글리콜 2.45 몰, 디에틸렌 글리콜 1 몰, 이소프탈산 1 몰, 무수 말레산 2 몰, 촉매 0.1 중량%, 스티렌 모노머 36 중량%를 이용하여 제조하였다. 혼합 후 인발을 통해 화살대를 제작하고, 화살대 전단에 금속 화살촉을 결합하고, 후단에는 PE로 이루어진 날개부분을 결합하여 생분해성 화살을 완성하였다.

[실시예 2]

수지(PLA+불포화 폴리에스테르 수지) 70 중량%와 탄소 섬유 30 중량%를 혼합한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조하였다.

[실시예 3]

PLA 및 불포화 폴리에스테르 수지를 혼합할 때 나노 실리카 1 중량%를 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조하였다.

[시험예]

실시예 1에서 제조된 화살의 물성(강도, 신율, 변형온도, 생분해도 등)을 측정하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.

물성 종류	물성치	시험방법
휨 강도(MPa)	144	ASTM D790
인장 강도(MPa)	73	ASTM D638
신율(%)	2.3	ASTM D638
변형온도(℃)	99	ASTM D648
생분해도	90%/500일	KS M 3100-1:2003

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 생분해성 화살은 강도, 내열성 등의 물성이 우수하면서 생분해성도 우수하였다.

Claims

생분해성 수지 및 경화성 수지를 포함하는 생분해성 화살.
제1항에 있어서,
생분해성 수지는 폴리락티드, 폴리-L-락티드, 폴리글리콜리드, 폴리락티드-코-글리콜리드, 폴리ε-카프로락톤, 폴리락티드-코-카프로락톤, 폴리디옥사논, 폴리β-히드록시부티레이트 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 화살.
제1항에 있어서,
경화성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 나일론 수지, 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 화살.
제1항에 있어서,
생분해성 수지 및 경화성 수지의 혼합비율은 중량비율로 3:6 내지 3:8인 것을 특징으로 하는 생분해성 화살.
제1항에 있어서,
탄소 섬유, 유리 섬유, 생분해성 섬유 중에서 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는 생분해성 화살.
제1항에 있어서,
나노 실리카 또는 나노 카본(CNT)을 추가로 포함하는 생분해성 화살.
제1항에 있어서,
500일 내 자연분해율 60 내지 100%, 인장 강도 30 내지 90 MPa, 휨 강도 100 내지 160 MPa, 신율 1 내지 5%, 변형 온도 60 내지 110℃인 것을 특징으로 하는 생분해성 화살.