KR20160006725A

KR20160006725A - 복합 물질을 제조하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20160006725A
Application number: KR1020157034501A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠 니키라; 티모 투르
Original assignee: 엘라스토폴리 오와이
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2016-01-19
Also published as: WO2014181036A1; EP2994279A1; EP2994279A4; FI2994279T3; US20160186382A1; CN105263683A; EP2994279B1

Abstract

본 발명은 복합 물질을 제조하기 위한 방법 및 장치로서, 복합 물질이 적어도 천연 섬유 물질, 예를 들어 목재-유래 섬유, 목재-유래의 기계적으로 섬유화된 섬유, 천연 섬유로부터 제조된 셀룰로오즈 섬유 및 이들의 혼합물, 및/또는 기타, 플라스틱 기반 물질, 예를 들어 ~ 4000 ㎛ 미만의 직경을 갖는 플라스틱 입자, 플라스틱 섬유 및/또는 기타, 및 상기 천연 섬유 물질과 상기 플라스틱 기반 물질 간의 혼화성을 개선시키는 물질을 포함하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 복합 물질은 상기 물질들을 서로 혼합(M)시킴으로써 그리고 그 후에 기계적으로 가압시킴으로써 및/또는 물과 같은 액체를 제거하기 위해 형성된 혼합물을 열로 건조시킴으로써 제조된다. 41 내지 99.8%의 물을 갖는 습윤 혼합물은 적어도, 천연 섬유 물질, 플라스틱 기반 물질, 및 혼화성 개선제로부터 형성되며, 이에 의해, 플라스틱 기반 물질과 천연 섬유 물질 간의 화학적 결합에 의해 물질을 함께 유지시키는 내부 네트워크 구조를 갖는 복합 물질을 제조하기 위해, 습윤 혼합물은 탈휘발화 공정(D)으로 공급되며, 여기서 액체 형태의 물질 및 다른 가스화 휘발성 물질 또는 이의 적어도 주요 부분은 압력의 강력한 변화 [V2, P2] -> [VAtm, PAtm], 열 및 기계적 혼합에 의해 제거되고, 뿐만 아니라 셀룰로오즈 섬유와 같은 천연 섬유 물질의 구조는 요망되는 경우에 개질된다.

Description

복합 물질을 제조하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE MANUFACTURING OF COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 독립항의 전문(preamble)에 따른 복합 물질을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

새로운 부류의 목재 기반 제품들은 산림 산업의 전통적인 제품들과 함께 개발되었으며, 이러한 새로운 제품들의 일 예로서, 상이한 부류의 목재 복합 제품들이 언급될 수 있으며, 여기서 목재 기반 물질들은 플라스틱 기반 물질과 조합된다. 목재 복합재는 오늘날, 예를 들어 압출 또는 사출 성형을 이용함으로써, 예를 들어 빌딩 및 가구 산업에서 사용되고 있다.

또한, 산림 산업의 분야로부터, 예를 들어 페이퍼(paper) 및 셀룰로오즈 웹을 제조하고 건조시키기 위한, 상이한 부류의 웹 형성 방법 및 장치를 사용하는 것이 알려져 있다. 오늘날, 또한, 습윤 웹 형성에 의해 웹을 형성시키는 것이 알려져 있는데, 여기서 원료 물질로부터 액체 현탁액이 형성되며, 이는 헤드 박스(head box) 또는 균등물에서 웹 형성 섹션으로, 예를 들어 와이어(wire) 상에 고른 층으로서 유도된다. 이러한 방법은 또한 복합 물질의 제조를 위해 사용될 수 있다. 이후에, 혼합물은 천연 섬유, 플라스틱 분말 또는 섬유를 포함할 수 있다. 그 후에, 물은 웹으로부터 통상적으로 이를 기계적으로 가압시키고/거나 이를 건조 트런들(drying trundle) 및/또는 소위 양키(Yankee) 실린더를 이용하여 열에 의해 건조시킴으로써 제거된다.

또한, 예를 들어 압출 방법을 사용함으로써 목재- 및 천연 섬유 기반 플라스틱을 용융-혼합시켜 목재- 및 천연 섬유 기반 플라스틱 혼합물들을 제조하는 것이 알려져 있다. 이러한 경우에, 예를 들어, 플라스틱, 건조 목재 또는 천연 섬유 물질 및 혼화성 개선제는 플라스틱 물질이 용융 상태에 있게 하는 고온에서 함께 혼합된다. 건조 목재 및 천연 섬유 물질은 건조될 때, 강력하게 수소 결합되고 각질화(hornify)되는데, 그 이유는 이러한 결합이 "건조 공정"에서 열리거나 피브릴화되지 못할 수 있는 이유이다. 이에 따라, 섬유의 표면 상의 반응성 표면적은 낮게 유지되며, 상용화제(compatibilizing agent)의 효과는 낮게 유지되며, 추가 가공에서, 제품들은 용이하게 재응집한다.

특히, 특허 US 2012/0090800호에서는 복합 중간체, 이를 제조하는 방법, 및 복합 중간체의 신규한 용도가 기재되어 있다. 고려되는 해법은 천연 섬유 및 플라스틱으로부터 형성된 웹-유사 복합 중간체를 기반으로 하는 것이다. 이러한 상황에서, 복합 중간체는 천연 섬유, 직경이 ~1000 ㎛ 미만인 플라스틱 입자, 및 천연 섬유와 플라스틱 입자 간의 혼화성(compatability)을 개선시키는 제제를 함유하는 실질적으로 균질한 액체 혼합물로부터 습윤 웹 형성에 의해 형성된다. 액체는 복합 물질을 예를 들어, 롤 상에 저장될 중간체로 제조하기 위해 또는 중간체를 파쇄한 후 최종 산물을 제조하는데 중간체를 사용함으로써 본 공개문에 따른 습윤 웹 형성과 관련하여 형성된 습윤 웹으로부터 제거된다.

천연 섬유와 플라스틱 간의 개선된 혼화성을 의미하는, 웹의 균질한 상용화(compatibilization)는 천연 섬유들 간의 수소 결합의 과도한 형성을 방지하고, 복합 중간체에 대한 강력하고 균질한 구조를 제공한다. 상용화 개선제 및 작은 플라스틱 입자는 습윤 웹 형성에 의해 천연 섬유 네트워크의 갭에서 고르게 얻어지며, 그 위에 커플링제는 활성화되며, 천연 섬유와 플라스틱 입자 간의 접착력은 예를 들어, 보다 높은 온도가 최종 제품의 제조에서 사용될 때 중간체의 추가 가공에서 잘 작용한다. 실제로, 공정에 공급된 플라스틱 분말의 일부가 공정 동안 웹으로부터 손실되고 바닥 위에 또는 제지기 장치에 흩어지고, 이에 따라 작업의 중단을 야기시킨다는 것이 주목된다. 또한, 품질 문제, 고가의 세정 절차에 대한 필요성 및 공정의 제조 용량의 감소가 존재한다.

그러나, 실제 공정에서, 상기 언급된 습윤 웹 형성이 예를 들어 셀룰로오즈 웹 함유 플라스틱 또는 다른 요구되는 화학물질이 그 자체 중량을 이동시키기에 너무 약할 때, 적합하지 않은 조성 및 조건이 존재하는데, 그로 인하여, 이는 제지기로부터 공지된 전통적인 방법, 예를 들어 습윤 웹 형성을 기반으로 한 전통적인 제조 공정과 관련하여 사용되는 기계적 및/또는 가열-기반 건조 장치에 의해 건조되지 못할 수 있다. 약한 셀룰로오즈 웹 형성의 이유는 예를 들어 한계가 예를 들어 셀룰로오즈의 품질 및 그라인딩 정도에 따라 약 20 내지 40%일 수 있을 때, 혼합물 중의 셀룰로오즈의 양이 너무 적어서일 수 있다. 다른 이유는 또한, 사용되는 셀룰로오즈 섬유의 너무 작은 반응성일 수 있는데, 이는 분리(debonding), 소수성화(hydrophobization) 또는 다른 화학적 개질에 기인한 것일 수 있으며, 여기서 셀룰로오즈 섬유의 OH 기는 종결되며, 셀룰로오즈와 결합을 형성하는 이의 능력은 정지되거나 약해진다. 이의 부분 상에서의 플라스틱 섬유는 화학적 결합에 의해 웹을 형성시키지 못할 수 있는데, 이는 또한 비스코스 섬유 또는 다른 소위 "인공(man-made)" 셀룰로오즈를 갖는 경우이다.

또한, 특허 JP 2002187115호로부터, 상기 언급된 것과 함께 혼합된 재활용 플라스틱, 재활용 텍스타일 및 목재 분말의 사용을 기반으로 한 방법이 알려져 있다. 이러한 방법에서, 2 내지 40%의 물은 다공성의 제작된 제품을 달성하기 위해 이미 나열된 구성성분들로 제조된 혼합물에 첨가된다. 이러한 상황에서, 물에 의해 야기된 다공성은 최종 제품을 더욱 가볍게 만들기 위한 장점으로서 사용지만, 이때에 그 결과는 약한 기계적 성질을 갖는 최종 제품이다. 이러한 상황에서 사용되는 재활용 텍스타일 물질의 목적은 구조의 결합 부분으로서 기능하게 하기 위한 것인데, 왜냐하면, 상술된 혼합물로, 복합 물질을 결합시키는 내부 화학적 웹 구조를 달성하는 것이 가능하지 않기 때문이다.

특허 GB 896117호로부터, 이러한 부분에 대하여, 제조될 웹이 건조 후에 단단히 가압될 때, 시브(sieve)의 상부 상에 웹을 제조하기 위해 제지기 또는 카드보드 기계의 사용이 가능한 방법이 알려져 있다. 이러한 방법은, 화학적으로 가용성인 폴리머 분말들이 연화제/팽윤제의 도움으로 맞물리게 되는 것을 기반으로 한 것이며, 여기서 폴리머의 표면이 끈적이게 된다. 이 후에, 점착성의 폴리머 및 물-섬유 혼합물이 혼합되며, 그 후에 점착성 폴리머 및 섬유들이 혼합물의 pH를 낮춤으로써 서로 움켜잡게 된다. 그 후에, 형성된 혼합물로부터, 웹이 형성되며, 이는 건조되고 캘린더링되어 팽윤제가 구조로 확산되게 하고 제조된 웹의 점착성을 소멸시킨다.

이러한 방법은 제조된 웹을 지니는 것을 기반으로 한 것으로서, 그 이유는 이러한 방법에서 상이한 부류의 용매, 연화제 또는 다른 유사한 화학물질이 사용될 필요가 있다는 것이며, 이러한 것들은 제조된 웹으로부터 후에 제거되어야 하는 것이다. 이에 따라, 본 방법은 오늘날의 기술로부터 요구되는 환경 친화성의 수준에 있지 않다.

본 발명에 따른 복합 물질을 제조하기 위한 방법 및 장치의 목적은 상술된 문제점의 측면에서 결정적인 개선을 제공하고, 이에 따라 본 분야의 종래 기술을 실질적으로 향상시키기 위한 것이다. 이러한 목적을 충족시키기 위하여, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 주로, 이와 관련된 독립 청구항의 특징부에 제시된 것에 의해 특징된다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해 얻어지는 가장 중요한 잇점들은 특히, 이를 적용할 때 사용되는 기능 및 디바이스 구성(functioning)의 단순화 및 효율을 포함하며, 이에 의해 본 발명은 제조가 습식 공정에 의해 가능하지 않은 조성물 또는 구성성분들의 가벼움(fluffiness)으로 인해 경제적으로 효율적인 생산을 위해서는 너무 느린 건조 혼합으로부터 제조하는데 소위 중간 산물로서 또는 바로 사용되는 복합 물질을 제조할 수 있다. 건식 그라인딩된 섬유의 폴리머와의 결합 능력은 또한 습식 그라인딩된 것에 비해 더욱 약하다. 본 발명 덕분에, 또한, 복합 물질의 제조 시에 사용되는 폴리머의 연화점으로 인한 것인, 예를 들어 건조 섹션의 사용과 같은 전통적인 기술로 일어나는 문제를 방지하는 것이 가능하다. 제조시에 건조 온도가 이러한 연화점에 도달하는 경우에, 웹에서 플라스틱은 건조 드럼에 달라붙기 시작하고 공정을 중지시킨다.

또한, 예를 들어 습윤 웹 형성과 함께 제조된 중간체 산물이 얇고 넓으며, 예를 들어 2 mm 두께 및 4 mm 폭으로서 웹의 두께가 대개 웹의 폭의 0.05 내지 4%라는 것이 언급된다. 본 발명에 따른 습식 압출에서, 웹에 대해 통상적인 제조된 복합 물질의 두께 및 폭의 차이가 존재하지 않는다.

본 발명을 사용할 때, 제1 단계에 제조된 습윤 혼합물은 예를 들어 펄퍼(pulper)를 이용하여 혼합에 의해 또는 유사한 기술로 형성된 혼합물이다. 혼합물에서, 상이한 균질화 장치는 또한 일부 또는 전부 사용될 수 있으며, 이러한 장치로, 마이크로- 또는 나노 수준의 크기 클래스가 입자에 대해 달성될 수 있다. 또한, 상이한 부류의 포밍 공정은 혼합물에 사용될 수 있다. 이 후에, 사전-혼합에 의해 형성되고 예를 들어 0.02 내지 50%, 유익하게 3 내지 4%의 건조물 농도를 갖는 현탁액은 탈휘발화 공정(devolatilization process)으로 공급되며, 여기에서, 특히 충분히 높은 온도 및 기계적 혼합의 도움으로, 예를 들어 물 및 다른 가스화 및 휘발성 물질이 혼합물로부터 제거된다. 이에 따라, 플라스틱의 연화 온도는 본 공정을 제한하지 않고 온도는 제지기에서 사용되는 것과 유사한 건조 장치에서 보다 현저하게 ;높을 수 있다. 또한, 기계적 혼합은 고도로 균질한 예비화합물(precompound)을 형성시키기 위해 물질과 나란히 플라스틱, 섬유 및 다른 가능한 화학적 첨가제 및/또는 착색제를 첨가시키며, 여기서 건조물 농도는 예를 들어 70 내지 100%, 유리하게 70 내지 90%이며, 물이 제거된 후에 예비화합물은 배합 공정인 마지막 단계로 공급된다. 균질한 예비화합물은 배합, 즉 용융 혼합에서 혼합물의 형성을 촉진시키고, 여기에서 보다 적은 에너지를 사용하고, 균질성으로 인하여 플라스틱, 섬유 및 화학물질 간의 화학적 결합을 보다 용이하게 형성시킨다. 이러한 방식으로 제조된 복합 물질은 혼합물로서, 건조물 농도는 통상적으로 예를 들어 90 내지 100%, 거의 최대 100%이다.

또한, 본 발명의 유리한 구체예로서, 실란은 상세하게, 혼화성 개선제로서 사용되며, 실란은 일 예로서, 상세하게 물의 존재와 함께 셀룰로오즈에 고르게 혼합될 수 있는 액체 물질을 나타낸다. 이러한 방식으로 형성된 혼합물이 건조될 때, 실란은 셀룰로오즈 섬유의 OH 기와 공유 결합을 형성하는데, 왜냐하면, 실란 분자에 따라, 실란의 자유 단부가 상이한 타입의 플라스틱과 혼화 가능하기 때문이다. 실란으로 처리된 건조 셀룰로오즈를 혼화성 플라스틱과 용융 혼합할 때, 실란의 자유 단부는 플라스틱과 화학적 결합을 형성하며, 이는 혼합물의 혼화성을 개선시키고, 또한 제조된 복합물의 기계적 성질을 개선시킨다. 건조 셀룰로오즈에 실란을 첨가하는 것이 또한 가능하지만, 이는 효율적으로 사용되지 않을 수 있는데, 왜냐하면 실란이 단지 건조 셀룰로오즈-응집물의 표면 상에만 있기 때문이다.

특히, 제지기 환경에서, 실란은 물, 셀룰로오즈, 섬유 및 다른 화학물질들과 고르게 혼합될 수 있지만, 효율적인 방식으로 이의 사용은 어려운데, 왜냐하면 통상적으로 사용되는 물의 50% 이상이 스크린을 통해 제지기의 습식 단부에서 스크린 트랩(screen trap)으로 그리고 또한 거기로부터 폐수로서 제거된다. 환경적 이유로 인하여, 반응성 화학물질, 예를 들어 실란은 폐수에 들어가지 않을 수 있다. 본 발명에 따른 탈휘발화 공정에서, 실란의 첨가는 유리하게 예를 들어 수돗물이 더 이상 존재하지 않지만 물이 스팀으로서 사라지는 시기에서 일어난다. 이러한 경우에, 실란은 혼합물에 잔류하고, 물과 함께 빠져나가지 않는다. 여기에서 기술적인 장점은 동일한 기술적 파워(technical power)가 보다 적은 양으로 달성된다는 것이다. 이에 따라, 실란은 또한 폐수의 세정 장치로 들어가지 않는다.

또한, 예를 들어 상이한 셀룰로오즈-기반, 소위 인공 셀룰로오즈, 예를 들어 비스코스(viscose)는 천연 섬유 복합물을 현저하게 개선시키지만, 웹을 형성시키지 않는 OH 결합을 형성시키지 않는다. 혼합물 중 이러한 섬유의 양이 너무 높은 경우에, 이는 웹 형성을 방해하며, 이에 의해 특히 습윤 웹 형성이 선택적인 것은 아니다. 대신에, 본 발명은 또한 통상적으로 10 내지 50%의 이러한 부류의 섬유를 제품 혼합물에 첨가할 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 장치의 다른 유리한 구체예는 이와 관련된 종속항들에 제시되어 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 하기 명세서에서 상세히 논의될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 일반적인 기능 원리의 예시적인 공정 차트를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 일반적인 기능 원리의 도 1에 제시된 것에 대한 대안적인 공정 차트를 도시한 것이다.
도 3은 또한, 탈휘발화 및 배합 단계의 부분에 대한 본 발명에 따른 방법의 유리한 구체예를 도시한 것이다.

본 발명은 우선, 적어도 천연 섬유 물질, 예를 들어 목재-유래 섬유, 목재-유래의 기계적으로 섬유화된 섬유, 천연 섬유로부터 제조된 셀룰로오즈 섬유, 및 이들의 혼합물 및/또는 기타, 플라스틱 기반 물질, 예를 들어 ~ 4000 ㎛ 미만의 직경을 갖는 플라스틱 입자, 플라스틱 섬유 및/또는 기타, 및 상기 천연 섬유 물질과 상기 플라스틱 기반 물질 간의 혼화성을 개선시키는 물질을 포함하는 복합 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다. 복합 물질은 상기 물질들을 서로 혼합(M)함으로써 및 그 후에 기계적으로 가압함으로써 및/또는 이로부터 물과 같은 액체를 제거하기 위해 형성된 혼합물을 열로 건조시킴으로써 제조된다. 41 내지 99.8% 물을 갖는 습윤 혼합물은 적어도 천연 섬유 물질, 플라스틱 기반 물질 및 혼화성 개선제로부터 형성되며, 이에 의해 플라스틱 기반 물질과 천연 섬유 물질 간의 화학적 결합에 의해 물질을 함께 유지시키는 내부 네트워크 구조를 갖는 복합 물질을 제조하기 위하여, 습윤 혼합물은 탈휘발화 공정(D)으로 공급되며, 여기서, 액체 형태의 물질 및 다른 가스화 휘발성 물질 또는 적어도 이의 주요 부분은 압력 [V2, P2] -> [VAtm, PAtm]의 강력한 변화, 열 및 기계적 혼합에 의해 제거될 뿐만 아니라 셀룰로오즈 섬유와 같은 천연 섬유 물질의 구조는 필요한 경우에 개질된다.

휘발성 물질, 예를 들어 물 또는 셀룰로오즈의 다른 분해 산물은 탈휘발화 공정 (PAtm, VAtm)에서 용이하게 제거될 수 있는데, 왜냐하면 예를 들어 헤미셀룰로오즈 및 리그닌을 자가촉매적으로 분해하는 아세테이트 산이 118℃의 온도에서 비등하기 때문이다.

본 발명에 따른 방법의 특히 유리한 구체예로서, 셀룰로오즈 섬유가 사용되는데, 이는 특성상 흡습성으로서, 이는 그 자체에 물 및 수분을 강력하게 흡수함을 의미한다. 플라스틱이 소수성이고, 이에 따라 플라스틱과 천연 섬유를 서로 혼합할 때 특성상 물을 접근하지 못하게 하기 때문에, 대부분의 물이 플라스틱과 천연 섬유를 혼합하기 전에 제거된다는 것이 중요한데, 왜냐하면 물의 비등점 보다 높은 온도에서 발생하는 혼합이 섬유와 플라스틱 간의 접촉을 약화시키고 화학적 결합의 형성을 방지하기 때문이다. 또한, 구조에 잔류하는 물은 최종 제품에 다공성을 야기시키고, 이에 따라 이의 기계적 성질을 약화시킨다. 또한, 물은 분해하고, 이에 따라 폴리머 사슬을 보다 짧게 절단함으로써 특정 플라스틱의 구조를 파괴한다.

도 1에는 41 내지 99.8%의 물을 함유하고 이전에 기술된 방식으로 제조된 습윤 혼합물이 탈휘발화 공정(D)로 곧장 공급되는 것을 참조로 하여, 본 발명의 일반적인 기능 원리의 예시적인 공정 차트가 제시되어 있다.

본 발명에 따른 방법의 대안적인 구체예로서, 도 2에 도시된 예시적인 공정 차트를 참조로 하여, 습윤 혼합물이 탈휘발화 공정 (D)에 공급되기 전에, 이는 기계적 예비건조 수단 (K)으로, 예를 들어, 웹 및 흡입 박스 장비, 스크류 드라이어로 및/또는 유사한 방식으로 건조된다.

또한, 본 발명의 유리한 구체예로서, 습윤 혼합물은 탈휘발화 공정 (D)에서 혼합물 중의 플라스틱 물질의 연화 온도 보다 본질적으로 높은 온도에서 가공된다.

또한, 본 발명의 유리한 구체예로서, 탈휘발화 공정 (D)에서 습윤 혼합물로부터 형성된 예비화합물은 배합 공정 (C)으로 유도되는데, 여기서 탈휘발화 공정에서 균질화되는 예비화합물은 용융 혼합된다.

또한, 본 발명의 유리한 구체예로서, 물 등과 혼합되는 혼화성 개선제, 예를 들어 실란은 탈휘발화 공정 (D)의 단계에 습윤 혼합물에 공급되는데, 여기서 습윤 혼합물은 더 이상 물을 액체 형태로 함유하지 않는다.

상술된 바와 같은 상황에서, 실란 및 유사한 화학물질, 예를 들어 실록산, 티타네이트, 지르코네이트, 이소시아네이트 및 상이한 산, 예를 들어 말레산 및 아크릴산은 두 가지 단계에서 결합을 형성한다: 혼합물이 물을 함유할 때 수소 결합, 그리고 다른 한편으로, 물이 제거된 후 열에 의한 공유 결합. 이러한 화학물질의 사용은 습윤 웹 형성에서 가능하지 않은데, 왜냐하면, 이러한 것이 스크린을 통해 폐수로 분리되기 때문이다.

본 발명에 따른 방법의 특히 유리한 구체예로서, 특히 도 3을 참조로 하여, 습윤 혼합물의 탈휘발화 및 배합은 혼합 디바이스, 예를 들어 압출기 (E) 등을 사용하여 실행되며, 이는 고압(>10 mP) 및 고온(>350℃)을 사용할 수 있고 단순히 스크류의 형상을 변경시킴으로써 심지어 매우 빠른 방식으로 변경시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 물은 섬유의 내부 구조로부터 매우 효율적으로 제거될 수 있지만, 또한 섬유는 용융 혼합과 관련하여 더욱 유리한 형태로 처리될 수 있다. 실제로, 이러한 부류의 실행은 소위 "스팀 폭발"에 의해 섬유의 예비가공에 대한 것이다.

본 발명에 따른 방법에서, 습윤 혼합물은 유리하게, 제1 단계(D1)에 습윤 혼합물 및 요구되는 첨가제가 혼합 디바이스, 예를 들어 도 3에 도시된 압출기 (E)에서 기본 부피(V1)로 공급될 때, 탈휘발화 공정 (D)에서 적어도 2 단계에서 처리된다. 습윤 혼합물의 강력한 혼합은 충분히 높은 온도 및 스팀 압력 P1(통상적으로, >180℃, >1 MPa)에서 실행되는데, 여기서 물/스팀을 사전혼합하는 동안, 섬유 물질 및 플라스틱 물질은 혼합물을 형성하는데, 여기서 플라스틱 물질은 적어도 일부 용융하기 시작한다.

이러한 상황에서, 또한 요구된 상승된 압력(P2)은 유리하게 이의 피치(pitch)인 스크류의 형성을 변경시킴으로써, 스크류(E1)과 이의 벽 사이에 혼합 디바이스로서 사용되는 압출기(E)에서 기본 부피(V1)를 감소된 부피(V2)로 감소시킴으로써 상술된 방식으로 달성된다.

이 후에, 탈휘발화 공정의 제2 단계(D2)에, 상술된 방식으로 처리되는 혼합물은 추가로 스크류(E1)를 사용함으로써 방출 공간(VAtm)으로 그리고 동일한 상황에서 유리하게 대기압(PAtm)에서 유도되며, 여기서, 혼합물 중의 물은 스팀으로 빠르게 변하고, 섬유 및 플라스틱으로부터 분리된다. 압력이 빠르게 감소함에 따라, 물은 또한 셀룰로오즈 섬유의 보다 깊은 구조로부터 "폭발"과 함께 효과적으로 제거되며, 이는 셀룰로오즈의 구조를 개방시키고, 이를 탈피블리화시키고, 섬유의 반응성 표면적을 상승시킬 뿐만 아니라 섬유-플라스틱 혼합물의 균질성을 개선시키고, 이들 간의 보다 양호한 화학적 결합을 가능하게 한다. 이러한 상황에서, 분리된 스팀은 또한 장치의 대기 환기로부터 제거되며, 생성된 플라스틱-섬유 혼합물은 압출기 (E)의 배합 구역 (E2)에 의해 이의 추가 가공을 위해 이동된다.

습윤 혼합물의 품질에 따라, 요망되는 경우에, 요망되는 수분 수준이 제조될 복합물에 도달할 때까지 서로 상술된 바와 같은 여러 타입의 탈휘발화 단계가 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서 사용되는 천연 섬유는 상술된 바와 같이, 예를 들어 순수한 셀룰로오즈 섬유일 수 있다. 또한 또는 대안적으로, 천연 섬유의 일부는 마이크로피브릴화된 셀룰로오즈 섬유 및/또는 나노셀룰로오즈 섬유일 수 있다. 또한, 천연 섬유의 주요부분으로서 예를 들어 마이크로- 또는 나노 크기의 셀룰로오즈 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 본 방법에서 리그닌 부재 천연 섬유 및/또는 헤미셀룰로오즈 부재 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 리그닌 부재 천연 섬유를 사용함으로써, 또한, 요망되는 칼라가 최적으로 또한 최종 제품에 잔류하는 방식으로, 복합물의 제조에서 착색제를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 탈리그닌화된 천연 섬유를 사용하는 것이 또한 가능하다. 공정 전에 액침되는 건조 형태의 모든 상술된 섬유, 및 특히 펄핑 공정 또는 유사 공정으로부터 바로 유래되는 소위 결코 건조되지 않는 형태가 사용될 수 있다. 섬유는 또한, 작용화될 수 있으며, 그러한 경우에, 선택된 플라스틱과 보다 양호한 혼화성을 갖는 이의 표면 상에 형성된 기가 존재한다.

본 발명에 따른 방법에서, 건조 복합 중간 생성물의 플라스틱의 양은 예를 들어, 10 내지 90 중량%, 유리하게 30 내지 60 중량%일 수 있다. 플라스틱은 유리하게, 입자 형태로, 예를 들어, 마이크로 과립구 또는 분말로서 배열되며, 여기서 입자의 크기는 다양하여 통상적으로 ~ 4000 ㎛ 이하 크기의 예를 들어 과립구, 플레이크 또는 다른 폴리머에서 ~ 1000 ㎛ 미만으로 차이가 날 수 있다. 또한, 플라스틱 입자의 직경은 유리하게 ~ 500 ㎛ 이하일 수 있는데, 왜냐하면 작은 플라스틱 입자가 섬유들 간에 이동하여 형성되는 중간 복합체 제품 뿐만 아니라 이에 따라 또한 최종 제품의 구조를 강화시키기 때문이다. 또한, 작은 크기 입자로 형성된 플라스틱 물질은 보다 큰 비표면적을 갖는다. 플라스틱 입자의 형상은 또한, 임의의 타입, 예를 들어 큐브형상, 타원형, 섬유 형상 또는 슬레이트 형상일 수 있다.

본 발명에서, 또한, 플라스틱 또는 셀룰로오즈 섬유와 화학적 결합을 형성하면서 배합 공정에서 용융하거나 융용하지 않거나 일부 용융할 수 있는 상이한 플라스틱 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 것의 일 예로서, PP-, PLA- 또는 PET-섬유, 뿐만 아니라 구조에 의해 이성분인 섬유가 언급될 수 있으며, 여기서 외부 표면은 예를 들어 말레언하이드라이드 그라프팅된 올레핀 플라스틱, 등일 수 있는 반응성을 갖는다.

본 발명에 따른 방법에서, 예를 들어 열가소성 폴리머, 유리하게 열가소성 수지를 사용하는 것이 가능하다. 다른 한편으로, 사용되는 플라스틱 물질은 예를 들어, 하기들 중 하나일 수 있다: 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌/프로필렌-코폴리머, 폴리카보네이트(PC), 폴르스티렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아세트산(PLA), 폴리아히드록시부틸레이트, 아크릴 니트릴/부타디엔/스티렌 코폴리머(ABS), 스티렌/아크릴 니트릴 코폴리머(SAN), 폴리옥소메탈레이트(POM), 생분해성 열가소성 수지, 전분-기반 열가소성 수지, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물. 대안적으로, 의도된 사용을 위해 적합한 거의 임의 타입의 플라스틱이 사용될 수 있다. 또한, 플라스틱 물질은 그 자체의 중합 공정의 중간에 공정에 첨가될 수 있으며, 그러한 경우에, 복합물의 제조를 위해 유리한 것으로서 나타난다. 이의 일 예로서, PLA 또는 이산화탄소로부터 제조된 바이오기반 플라스틱의 다른 마감처리되지 않은 형태 중에서 언급될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서 사용되는 습윤 혼합물은 물, 천연 섬유, 플라스틱 입자 및 혼화성 개선제를 함유한 수계 혼합물일 수 있다. 다른 한편으로, 습윤 혼합물은 용액, 분산액, 현탁액, 등의 형태로 존재할 수 있다.

혼화성 개선제는 플라스틱 및 천연 섬유에서 반응성 기와 혼화 가능하고/거나 반응성인 천연 섬유와 플라스틱 간의 접착력을 개선시키는 제제이다. 이에 따라, 혼화성 개선제에서, 친수성 물질인 셀룰로오즈 및 소수성 물질인 폴리머의 반응성 기와 혼화 가능하고/거나 반응성인 적어도 하나의 반응성 기가 존재할 수 있다. 혼화성 개선제는 또한, 예를 들어 말레산의 무수물, 말레산 그라프팅된 폴리머, 폴리부타디엔, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), EVA, 전술된 물질의 유도체, 또는 이러한 것들의 혼합물일 수 있다.

혼화성 개선 폴리머는 또한, 친수성 천연 섬유와 혼화 가능하고/거나 이와 반응성인 기, 뿐만 아니라 소수성 플라스틱과 혼화 가능하고/거나 이와 반응성인 기를 함유하는 코폴리머일 수 있다. 또한, 유사한 품질을 갖는 다른 분자들이 상용화에서 사용될 수 있다.

본 방법을 사용할 때에, 혼화성 개선제는 분말 유사, 액체 및/또는 폴리머 유사 형태일 수 있으며, 이의 양은 통상적으로 5 중량% 이하이거나, 일부 구체예에서 또한 3 중량% 이하의 건조물이다.

본 방법으로 제조될 복합 물질은 하나 이상의 첨가제, 예를 들어 전분, 충전제, 표면 활성 물질, 보유 물질, 분산 물질, 포움 억제제, 및 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 요구되는 모든 구성성분들은 액체 제조 혼합물에 첨가될 수 잇으며, 여기서 중간 복합 제품은 추가 가공의 적용에서 또는 배합 직후 최종 생성물 구체예에서 요구된다.

본 발명에 따른 방법에서, 습윤 화합물은 예를 들어 스퀴징(squeezing) 및/또는 건조에 의해 이로부터 액체를 제거함으로써 사전건조될 수 있는데(K), 이는 예를 들어 당해 분야에서 공지된 임의 장치 구성요소들에 의해 os 페이퍼 펄프 슬러리 또는 셀룰로오즈 펄프 슬러리를 제조하는 분야로부터 공지된 방식으로 실행될 수 있다.

첨부된 도 2에서 공정 차트에 도시된 바와 같이, 예를 들어 그라인더 또는 펄퍼로 형성된 물질은 혼합 디바이스(M)로 유도되는데, 여기서 습윤 혼합물에 첨가될 다른 화학물질이 첨가된다. 혼합 디바이스에서 건조 물질 농도는 0.02 내지 50%, 유리하게 3 내지 4%일 수 있다. 다음 단계에서, 액체, 예를 들어 물은 습윤 혼합물로부터 제거되며, 그 후에, 건조 물질 농도는 통상적으로 예를 들어, 30 내지 50%, 유리하게 50 내지 70%일 수 있다. 배합 단계 C를 마지막에 수행한 후에, 건조 물질 농도는 90 내지 100%, 거의 최대 100%이다.

본 발명은 한편으로 복합 물질을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로서, 복합 물질은 적어도 천연 섬유 물질, 예를 들어 목재-유래 섬유, 목재-유래의 기계적으로 섬유화된 섬유, 천연 섬유로부터 제조된 셀룰로오즈 섬유, 및 이들의 혼합물, 및/또는 기타, 플라스틱 기반 물질, 에를 들어 ~ 4000 ㎛ 미만의 직경을 갖는 플라스틱 입자, 플라스틱 섬유, 및/또는 기타, 및 상기 천연 섬유 물질과 상기 플라스틱 기반 물질 간의 혼화성을 개선시키는 물질을 포함한다. 복합 물질의 제조에서 사용되는 장치는 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 공정 차트를 참조로 하여, 기계적으로 가압함으로써 및/또는 이로부터 물과 같은 액체를 제거하기 위해 형성된 혼합물을 열로 건조시킴으로써 복합 물질을 제조하기 위해 상기 물질들을 서로 혼합(M)시키기 위한 적어도 혼합 장치(M)를 포함한다. 특히 전통적인 건조가 제조된 혼합물과 관련하여 혼화 가능하지 않기 때문에, 적어도 천연 섬유 물질, 플라스틱 기반 물질 및 혼화성 개선제로부터 형성된, 41 내지 99.8% 물을 갖는 습윤 혼합물로부터, 플라스틱 기반 물질과 천연 섬유 물질 간의 화학적 결합에 의해 물질을 함께 유지시키는 내부 네트워크 구조를 갖는 복합 물질을 제조하기 위해, 장치는 압력의 강력한 변화 [V2, P2] -> [VAtm, PAtm], 열 및 기계적 혼합에 의해 액체 형태의 물질 및 다른 가스화 휘발성 물질 또는 적어도 이의 주요 부분, 뿐만 아니라 요구되는 경우에 유리하게 습윤 혼합물에서 플라스틱의 융점 보다 더욱 높은 온도를 사용함으로써 개질되는 천연 섬유 물질, 예를 들어 셀룰로오즈 섬유의 구조를 제거하기 위해 탈휘발화 장비(D)를 포함한다.

도 1 내지 도 3을 참조로 하여 본 발명에 따른 장치의 추가의 유리한 구체예로서, 이는 또한, 탈휘발화 장비 (D)에서 달성된 균질화된 예비화합물을 용융 혼합하기 위해 배합 장비 (C)를 포함한다.

본 발명에 따른 장치의 대안적인 구체예로서, 이는 특히, 도 2를 참조로 하여, 기계적 예비건조 수단 (K), 예를 들어 웹 및 흡입 박스 장비, 스크류 드라이어 및/또는 기타를 포함한다.

특히 도 3을 참조로 하여, 본 발명에 따른 장치의 추가의 유리한 구체예로서, 이는 탈휘발화 장비 (D)로서 기능하는, 혼합 디바이스, 예를 들어 압출기 (E), 등을 포함하며, 여기서, 탈휘발화 공정은 스크류 (E1)와 이의 벽 사이의 기본 부피 (V1)를 감소된 부피 (V2)로 감소시키기 위해 압출기 (E)에서 스크류 E1의 형상을 변경시킴으로써 수행된다.

압출기에서, 또한, 혼합물 중의 물을 스팀으로 빠르게 변화시키기 위해 그리고 방출 구역에서의 배출구를 통해 그리고 장치의 대기 환기를 통해 조절된 방식으로 분리된 스팀을 제거하기 위해 혼합물로부터 이를 분리하기 위해, 바람직하게 대기압 PAtm, Vatm에서 탈휘발화된 혼합물을 자유 부피에 끼워 넣는 방출 구역이 존재한다.

압출기 (E)는 제조된 플라스틱-섬유 혼합물을 혼합하고 이의 추가 가공을 위해 이를 유도하기 위해 또한 유리하게 배합 구역(C)을 포함한다.

본 발명은 상기에 도시되거나 기술된 구체예로 한정되고 않고 대신에, 본 발명의 기본 원리의 이유로, 예를 들어 임의 제공된 시간 등에 제조된 복합 물질의 요망되는 성질에 따라 다양한 방식으로 달라질 수 있다는 것이 명백하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 공정에서, 각각 물 대신에 임의 대체 액체 매질, 및 실란 대신에 임의 다른 적합한 혼화성 개선제를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에서 사용되는 천연 섬유는 재활용 섬유 또는 재사용 섬유일 수 있다. 이에 따라, 천연 섬유는 예를 들어, 목재-, 사이잘-, 황마(jute)-, 대마-, 아마-, 목화-, 짚(straw)-섬유 또는 다른 일년생 식물로부터의 섬유, 및 이들의 혼합물일 수 있다. 다른 한편으로, 천연 섬유는 기계적으로 건조된 섬유, 용해 펄프 섬유, 설파이트 펄프 섬유, 설페이트 펄프 섬유 또는 비스코스 섬유일 수 있다.

Claims

복합 물질을 제조하는 방법으로서,
복합 물질이 적어도 천연 섬유 물질, 예를 들어 목재-유래 섬유, 목재-유래의 기계적으로 섬유화된 섬유 천연 섬유로부터 제조된 셀룰로오즈 섬유, 및 이들의 혼합물 및/또는 기타, , 플라스틱 기반 물질, 예를 들어 ~ 4000 ㎛ 미만의 직경을 갖는 플라스틱 입자, 플라스틱 섬유 및/또는 기타, 및 상기 천연 섬유 물질과 상기 플라스틱 기반 물질 간의 혼화성(compatability)을 개선시키는 물질을 포함하며, 이에 의해 복합 물질이 상기 물질들을 서로 혼합(M)함으로써, 그리고 그 후에 기계적으로 가압시킴으로써 및/또는 형성된 혼합물로부터 물과 같은 액체를 제거하기 위해 형성된 혼합물을 열로 건조시킴으로써 제조되며,
41 내지 99.8% 물을 갖는 습윤 혼합물이 적어도 천연 섬유 물질, 플라스틱 기반 물질 및 혼화성 개선제로부터 형성되며, 이에 의해 플라스틱 기반 물질과 천연 섬유 물질 간의 화학적 결합에 의해 물질을 함께 유지시키는 내부 네트워크 구조를 갖는 복합 물질을 제조하기 위해, 습윤 혼합물이 탈휘발화 공정(D)으로 공급되며, 여기서 액체 형태의 물질 및 다른 가스화 휘발성 물질 또는 적어도 이의 주요 부분이 압력의 강력한 변화 [V2, P2] -> [VAtm, PAtm], 열, 및 기계적 혼합에 의해 제거되며, 천연 섬유 물질, 예를 들어 셀룰로오즈 섬유의 구조가 요구되는 경우에 개질되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 습윤 혼합물이 탈휘발화 공정 (D)에서 그 안의 플라스틱 물질의 연화 온도 보다 높은 온도에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 물, 등과 혼합되는 실란과 같은 혼화성 개선제가 탈휘발화 공정 (D)의 단계에 습윤 혼합물에 공급되며, 습윤 혼합물이 액체 형태의 물을 더 이상 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탈휘발화 공정 (D)에서 습윤 혼합물로부터 형성되는 예비혼합물(precompound)이 배합 공정 (C)으로 유도되며, 여기에서 탈휘발화 공정에서 균질화된 예비화합물이 용융 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 습윤 혼합물을 탈휘발화 공정 (D)에 공급하기 전에, 습윤 혼합물이 기계적 예비건조 수단 (K)에 의해, 예를 들어 웹(web) 및 흡입 박스 장비, 스크류 드라이어에 의해 및/또는 유사한 방식으로 건조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 습윤 혼합물이 탈휘발화 공정의 제1 단계(D1)를 수행하는, 압출기(E) 등과 같은 혼합 디바이스로 공급되며, 여기서 습윤 혼합물이 상승된 온도 및 스팀 압력 (P1)에서 혼합되며, 이에 의해 물/스팀, 섬유 물질 및 플라스틱 물질이 혼합물을 형성하며, 여기에서 플라스틱 물질이 일부 또는 전부 용융하기 시작하는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 탈휘발화 공정의 제1 단계(D1)에서 추가로 상승된 압력이 스크류의 형상, 예를 들어 이의 피치(pitch)를 변경시킴으로써 또는 상응하는 방식으로 스크류(E1)와 이의 벽 사이의, 혼합 디바이스로서 사용되는 압출기(E)에서의 기본 부피(V1)를 감소된 부피(V2)로 감소시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 탈휘발화 공정의 제2 단계(D2)에서, 탈휘발성화된 혼합물이 혼합물 중의 물을 스팀으로 빠르게 변화시키기 위해 그리고 섬유 및 플라스틱 물질로부터 물을 분리시키기 위해, 방출 공간으로, 바람직하게 대기압(PAtm, VAtm)에서 유도되며, 그 후에, 형성된 혼합물이 또한 이의 추가 가공을 위해 혼합 디바이스의 배합 구역(C)으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
복합 물질을 제조하기 위한 장치로서,
복합 물질이 적어도 천연 섬유 물질, 예를 들어 목재-유래 섬유, 목재-유래의 기계적으로 섬유화된 섬유, 천연 섬유로부터 제조된 셀룰로오즈 섬유, 및 이들의 혼합물, 및/또는 기타, 플라스틱 기반 물질, 예를 들어 ~ 4000 ㎛ 미만의 직경을 갖는 플라스틱 입자, 플라스틱 섬유, 및/또는 기타, 및 상기 천연 섬유 물질과 상기 플라스틱 기반 물질 간의 혼화성을 개선시키는 물질을 포함하며, 이에 의해 복합 물질의 제조에서 사용되는 장치가 적어도 그 후에 기계적으로 가압시킴으로써 및/또는 형성된 혼합물로부터 물과 같은 액체를 제거하기 위해 형성된 혼합물을 열로 건조시킴으로써 복합 물질을 제조하기 위해 상기 물질들을 서로 혼합하기 위한 혼합 장치(M)를 포함하며,
적어도 천연 섬유 물질, 플라스틱 기반 물질 및 혼화성 개선제로부터 형성된, 41 내지 99.8%의 물을 갖는 습윤 혼합물로부터, 플라스틱 기반 물질과 천연 섬유 물질 간의 화학적 결합에 의해 물질을 함께 유지시키는 내부 네트워크 구조를 갖는 복합 물질을 제조하기 위해, 장치가 탈휘발화 장비(D)에서 압력의 강력한 변화 [V2, P2] -> [VAtm, PAtm], 열 및 기계적 혼합에 의해 액체 형태의 물질 및 다른 가스화 휘발성 물질 또는 적어도 이의 주요 부분을 제거하기 위해 탈휘발화 장비(D)를 포함하며, 천연 섬유 물질, 예를 들어 셀룰로오즈 섬유의 구조가 요구되는 경우에 개질되는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 탈휘발화 장비(D)에서 달성된 균질화된 예비화합물을 용융 혼합하기 위해 배합 장비(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 기계적 예비건조 수단(K), 예를 들어 웹 및 흡입 박스 장비, 스크류 드라이어 및/또는 기타를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 디바이스, 예를 들어 압출기(E) 등을 포함하며, 이러한 것이 압출기(E)에서 스크류(E1)의 피치를 변경시킴으로써 또는 상응하는 방식으로 탈휘발화 공정의 제1 단계(D1)를 수행하는 구역, 탈휘발화된 혼합물을 자유 부피, 바람직하게 대기압 (PAtm, Vatm)에 놓이게 하기 위해, 혼합물 중의 물을 스팀으로 빠르게 변화시키기 위해 그리고 섬유 및 플라스틱 물질로부터 물을 분리시키기 위해 탈휘발화 공정의 제2 단계(D2)를 수행하는 방출 구역, 및 가공된 혼합물을 혼합하기 위한 그리고 이를 이의 추가 가공을 위해 유도하기 위한 배합 구역(C)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.