KR20160033331A - 목분을 함유하는 폴리머 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경친화적 소재인 목분을 함유하는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 목분에 그래핀의 분산용액을 혼합한 후 건조시킴으로써 그래핀이 흡착된 목분을 준비하는 단계, 열가소성 수지 및 상기 그래핀이 흡착된 목분을 포함하는 혼합물을 용융, 압출하는 단계를 포함하는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리머 조성물은 그래핀의 존재 없이 단순히 목분을 투입한 폴리머 조성물에 비하여 충격강도 및 인장강도가 각각 18% 및 13% 증가하는 것으로 나타났다. 이에 대비하여, 상기 그래핀이 흡착된 목분을 미리 준비하지 않고 열가소성 수지에 목분 및 그래핀을 단순히 혼합하여 용융압출한 조성물은 충격강도 및 인장강도가 각각 5%, 3.7% 증가하는데 그쳤다.

Description

목분을 함유하는 폴리머 조성물{POLYMER COMPOSITION CONTAINING WOOD POWDER}

본 발명은 환경친화적 소재인 목분을 함유하는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 목분에 그래핀 분산용액을 혼합한 후 건조시킴으로써 얻은 그래핀이 흡착된 목분을 열가소성 수지에 혼합하여 용융, 압출하는 것을 포함하는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

최근 환경문제에 대한 사회적 관심이 더욱 높아지면서 전세계적으로 새로운 친환경 소재의 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 화석연료를 바탕으로 하는 소재를 농작물 자원을 바탕으로 하는 환경친화적 소재로 대체하려는 연구가 진행되고 있다.

목재-플라스틱 복합재(Wood Plastic Composites)는 이러한 노력의 일환으로 최근에 개발되고 있는 소재로서, 보강재로는 친환경 목분을 사용하고 매트릭스 수지로는 합성고분자 또는 생분해성 고분자로 이루어진 소재이다. 이 소재는 일반적으로 수지와 함께 사용하는 목분 자체의 물성이 저하됨이 없이 목분과 매트릭스 수지가 복합된 형태의 재료로서 제조될 수 있다. 그러므로 목분의 도입에 의한 고분자수지의 물성 개선 효과가 있다면, 기존의 유리섬유강화 고분자복합재료를 사용하여 왔던 일부 부품소재를 친환경 복합재료로 대체할 수 있을 뿐 아니라, 소재의 원가절감, 환경친화성, 및 소재경량화 등의 효과를 기대할 수 있다.

목분-플라스틱 복합재의 매트릭스로서 가장 널리 사용되는 것은 열가소성 수지로서, 그 예로는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀 계열의 폴리머 및 PVC 등을 들 수 있다. 열가소성 수지에 목분을 혼합하여 얻은 복합재료는 열가소성 수지 원재료에 비하여, 목분 함량이 증가함에 따라 굴곡강도, 굴곡탄성률, 인장탄성률 및 열변형온도 등의 물성이 크게 향상된다고 보고되고 있다, 그러나 충격강도는 목분 함량이 증가함에 따라 감소되는 경향이 있어 이를 해결하기 위한 노력이 진행 중이다. 이러한 충격강도의 감소는 친수성이 비교적 높은 목분과 소수성이 비교적 높은 폴리머 사이의 계면결합력이 낮기 때문이라고 보고되고 있다.

하종록 등은 상온 상압에서 플라즈마 처리된 목분을 사용하여 목분과 폴리프로필렌 사이의 계면결합력을 증진시킴으로써 인장강도를 향상시킬 수 있음을 보고하였다(Composites Research, 26(3), 2013).

강인애 등은 목분과 폴리프로필렌의 혼합물에 상용화제를 섞어 용융 압출함으로써 복합재료의 수분흡수성을 낮추고 치수안정성을 증진시킬 수 있음을 보고하였다(목재공학, 38(4), 2010).

그러나 목분과 열가소성 수지로 이루어진 복합재료의 충격강도를 목분을 함유하지 아니한 동종의 열가소성 수지의 충격강도 수준 이상으로 증가시킨 예는 아직 보고된바 없다.

Composites Research Vol. 26, No. 3, 170-174 (2013) 목재공학 38(4): 298~305, 2012

본 발명은 상기한 기존 발명의 문제점을 해결하기 위하여, 목분과 열가소성 수지의 복합재를 제조함에 있어 목분과 열가소성 수지 사이의 계면결합력을 증진시킴으로써 상기 복합재의 인장강도 및 충격강도를 증진시킬 수 있는 복합재의 제조기술을 제공하는 것을 목표로 한다. 한편, 본 발명은 자동차 내장재 및 건축용 실내 내장재 등 다양한 산업용 재료로 사용될 수 있는 친환경 소재를 제공하는 것을 그 과제로 한다.

본 발명자들은 다양한 실험을 통하여 목분을 그래핀 분산용액과 함께 혼합한 후 건조시킴으로써 그래핀이 흡착된 목분을 준비하는 단계, 열가소성 수지 및 상기 그래핀이 흡착된 목분으로 이루어진 혼합물을 용융, 압출하는 단계를 포함하는 폴리머 조성물의 제조방법을 도출하기에 이르렀다.

본 발명에 따라 제조된 폴리머 조성물은, 그래핀의 존재 없이 단순히 열가소성 수지에 목분을 투입한 혼합물을 용융, 압출하여 얻은 조성물에 비하여 충격강도 및 인장강도가 각각 18% 및 13% 증가하는 것으로 나타났다. 이에 대비하여, 그래핀이 흡착된 목분을 미리 준비하지 않고 열가소성 수지에 목분 및 그래핀을 단순히 혼합하여 용융, 압출한 조성물은 충격강도 및 인장강도의 증가가 각각 5%, 3.7% 수준에 불과하였다.

본 발명은 목분에 그래핀 분산용액을 혼합한 후 건조시킴으로써 그래핀이 흡착된 목분을 준비하는 단계, 열가소성 수지 및 상기 그래핀이 흡착된 목분을 포함하는 혼합물을 용융, 압출하는 단계를 포함하는 폴리머 조성물의 제조방법을 제공한다.

상기 그래핀이 흡착된 목분은 목분 99.0~99.99 중량% 및 그 표면에 흡착된 그래핀 0.01~1.0 중량%로 이루어질 수 있다.

상기 폴리머 조성물은 열가소성 수지 50~95 중량% 및 상기 그래핀이 흡착된 목분 5~50 중량%로 이루어진 목재-플라스틱 복합재일 수 있다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

상기 목분은 통상적인 WPC(Wood Plastic Composites)에 사용되는 나무 분말을 사용할 수 있다. 그 구체적인 예로서, 소나무, 자작나무 또는 잣나무를 분쇄, 건조한 것을 30 내지 300 메시의 체로 거른 분말을 들 수 있다.

본 발명에 따른 그래핀 분산용액은 단일층 또는 복수개의 층을 가지며 한 변의 평균 길이가 10 내지 1000 nm인 그래핀 또는 산화 그래핀 분말을 정제수 또는 유기용매에 분산시킨 수용액을 의미한다. 분산용액 중 그래핀 입자의 분산을 촉진시키기 위해 초음파처리를 하거나 계면활성제를 분산제로서 첨가할 수 있음은 당연하다. 한 변의 평균 길이가 10 nm 이하인 그래핀은 고가에 구입해야 하므로 경제적인 부담이 너무 커지며, 그래핀의 한 변의 평균 길이가 1000 nm 이상일 경우 목분 표면의 동공 속으로 그래핀 입자가 침투해지기 어려워지므로 그래핀 첨가에 따른 목분과 매트릭스 수지 사이의 계면활성의 증가가 미미해지는 문제점이 있다. 상기 그래핀 분산용액 중 그래핀의 농도는 0.1 내지 10 중량%로 조정하는 것이 바람직하다; 상기 그래핀 분산용액의 그래핀 농도가 0.1 중량% 이하로 낮아지면 추후 건조공정에서의 비용 발생이 커지는 문제점이 있으며, 반면 10 중량% 이상으로 높아지면, 그래핀 분산용액을 목분과 혼합하는 공정에서 목분의 표면 전체에 걸쳐 균질한 흡착이 이루어지기 어려워지는 문제점이 있다.

상기 그래핀이 흡착된 목분은 그래핀 분산용액을 목분에 뿌린 후 기계적 방법을 사용하여 혼합한 후 건조함으로써 준비될 수 있다. 상기 그래핀 분산용액과 목분 사이의 더욱 균질한 혼합을 위하여 헨셀 믹서와 같은 고성능 믹서를 사용하는 것이 바람직하며, 이후 이 혼합물을 100~110의 열풍건조기에 넣어 건조함으로써 그래핀이 흡착된 목분을 준비할 수 있다. 상기 그래핀이 흡착된 목분은 목분 99.0~99.99 중량% 및 그래핀 0.01~1.0 중량%로 이루어진 것이 바람직하다; 상기 그래핀이 흡착된 목분 중 그래핀의 함량이 0.01 중량% 이하일 경우 목분 표면상의 그래핀의 흡착 비율이 너무 낮아져 물성 개선효과가 미미해질 수 있으며, 반면 그 함량이 1.0 중량% 이상일 경우에는 고가인 그래핀의 사용에 따른 경제성의 감소가 문제될 수 있다.

다음으로, 상기 그래핀이 흡착된 목분을 열가소성 수지와 함께 혼합한 후 통상적인 압출장치에 의해 용융, 압출하여 펠렛 형상의 폴리머 조성물을 제조할 수 있다.

본 발명에서의 열가소성 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, EVA(Ethylene- Vinyl Acetate) 수지, PVC 수지 또는 이들의 재생 폴리머 등의 다양한 재질을 포함하며, 상기한 재질에 한정되지 않는다.

상기 폴리머 조성물은 열가소성 수지 50~95 중량% 및 상기 그래핀이 흡착된 목분 5~50 중량%로 이루어진 목재-플라스틱 복합재일 수 있다; 상기 폴리머 조성물 중 그래핀이 흡착된 목분의 함량이 5 중량% 이하일 경우 소재의 원가절감, 환경친화성, 및 소재경량화 등의 효과가 미미해지는 것은 자명하다. 이에 반하여 그 함량이 50 중량% 이상일 경우 상기 폴리머 조성물의 용융가공 특성이 감소하여 특히 사출형 복합재료서의 사용을 기대하기 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명에서는 열가소성 수지와 상기 그래핀이 흡착된 목분 사이의 상용성을 개선하기 위한 목적으로 통상적인 상용화제를 용융, 압출 공정 이전의 혼합물에 첨가할 수 있다. 본 발명에 적합한 상용화제의 예를 들면 말레인산 변형 폴리프로필렌, 실란계 화합물, 에폭시변성 폴리비닐 화합물 등을 들 수 있다. 또한 본 발명에 따른 재생 폴리머 조성물은 가소제, 산화방지제, 착색제, 이형제, 윤활제, 광안정제, 고무와 같은 다양한 첨가제를 상기 열가소성 수지, 목분 및 그래핀 외의 성분으로서 추가로 함유할 수 있으며, 이들 첨가제의 사용량은 원하는 최종 용도 및 특성을 포함한 다양한 요인에 따라 적절히 조정되어 적용될 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명되나, 본 발명이 이러한 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

<준비예 1: 그래핀이 흡착된 목분의 준비>

성진NC(주)에서 구입한 그래핀 분말 10 g을 정제수 990 g에 넣은 후 초음파를 10분간 가하여 고형분 함량이 1.0 중량%인 그래핀 분산용액을 준비하였다. 상기 그래핀 분산용액 300 g을 100 메시 입도의 소나무 목분 3 kg 상에 뿌리고 헨셀 믹서를 사용하여 10분 동안 균질하게 혼합한 후 110의 열풍건조기에서 10시간 건조하는 방식으로 그래핀이 흡착된 목분을 준비하였다. 결과적으로, 상기 그래핀이 흡착된 목분은 목분 99.9 중량% 및 그 표면에 흡착된 0.1 중량%의 그래핀으로 이루어진 것이다.

<실시예 1: 그래핀이 흡착된 목분을 투입한 폴리머 조성물의 제조>

헨셀 믹서에 폴리프로필렌 2400g, 말레인산 변형 폴리프로필렌 90g, 스테아린산 아연 9g, 및 상기 준비예 1에서 얻은 그래핀이 흡착된 목분 510g을 넣어 혼합한 후 일반 압출장치를 사용하여 160~220의 온도에서 용융, 압출하여 폴리머 조성물 펠렛을 제조하였다. 상기 펠렛 3009 g 중 목분의 양은 510g으로서 그 함량은 16.9 중량%이다. 한편, 상기 펠렛 3009 g 중 그래핀의 양은 0.51 g으로서 그 함량은 0.017 중량%이다.

<비교예 1: 그래핀이 흡착되지 아니한 목분을 투입한 폴리머 조성물의 제조>

헨셀 믹서에 폴리프로필렌 2400g, 말레인산 변형 폴리프로필렌 90g, 스테아린산 아연 9g, 및 100 메시 입도의 소나무 목분 510g을 넣어 혼합한 후 일반 압출장치를 사용하여 160~220의 온도에서 용융, 압출하여 폴리머 조성물 펠렛을 제조하였다.

<비교예 2: 목분과 그래핀을 각각 투입한 폴리머 조성물의 제조>

헨셀 믹서에 폴리프로필렌 2400g, 말레인산 변형 폴리프로필렌 90g, 그래핀 분말 0.51 g, 스테아린산 아연 9g, 및 100 메시 입도의 소나무 목분 510g을 넣어 혼합한 후 일반 압출장치를 사용하여 160~220의 온도에서 용융, 압출하여 폴리머 조성물 펠렛을 제조하였다. 상기 폴리머 조성물 펠렛 중 목분 및 그래핀의 함량은 실시예 1과 동일하게 각각 16.9 중량%, 0.017 중량%이다.

<시험예 1: 실시예 1 및 비교예 1, 2에 따라 제조된 시편의 물성시험>

실시예 1 및 비교예 1, 2에 따라 제조된 재생 폴리머 조성물 펠렛을 각각 사출 성형하여 만들어진 시편을 사용하여 비중, 아이조드(Izod) 충격강도, 인장강도, 파단신율(elongation at break), 및 굴곡탄성률을 측정하였다.

기계적 물성은 각 종류 당 7개의 시편에 대하여 측정하여 평균값을 취하였으며, 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

재생 폴리머 조성물의 비중 및 기계적 특성

	비중 g/cm3	충격강도 kgfcm/cm	인장강도 kgf/cm2	신율(%)	굴곡탄성률 kgf/cm2
실시예 1	0.949	5,85	305	35	39500
비교예 1	0.947	4.96	270	23	37500
비교예 2	0.950	5.21	280	25	37900

표 1을 참조하면, 그래핀이 흡착된 목분을 첨가한 폴리머 조성물(실시예 1)은 그래핀이 흡착되지 아니한 목분을 첨가한 폴리머 조성물(비교예 1)에 비하여 비중의 증가는 미미하지만, 충격강도 및 인장강도가 각각 18%, 13% 증가함을 알 수 있으며, 그 외에도 신율 및 굴곡탄성률도 현저하게 증가되었다.

비교예 2는 실시예 1의 그래핀의 흡착 효과를 대비하기 위해 수행된 컨트롤 실험으로서, 실시예 1과 동일한 함량의 그래핀 분말을 목분에 흡착시키지 않고 용융압출공정 직전에 분말 상태로 폴리머 및 목분의 혼합물에 혼입하여 수행된 것이다. 이 경우, 그래핀을 사용하지 않은 비교예 1에 대비하여 충격강도 및 인장강도 증가의 폭이 각각 5%, 3.7%에 그쳤으며, 신율 및 굴곡탄성률의 증가 폭 또한 그래핀이 흡착된 목분을 사용하는 실시예 1에 비하여 전반적으로 낮은 수준에 그쳤다. 이는 그래핀 입자를 미리 목분 표면에 흡착시키지 않은 상태에서 용융압출공정을 수행할 경우, 최종으로 얻어지는 폴리머 조성물 펠렛 상태에서 대부분의 그래핀 입자가 목분의 표면에 존재하기 보다는 폴리머 매트릭스에 분산된 상태로 존재함으로써 목분과 폴리머 매트리스 사이의 상용성 증가에 충분히 기여하지 못하기 때문으로 추정된다.

Claims (3)

1. 목분에 그래핀 분산용액을 혼합한 후 건조시킴으로써 그래핀이 흡착된 목분을 준비하는 단계;
   열가소성 수지 및 상기 그래핀이 흡착된 목분을 포함하는 혼합물을 용융, 압출하는 단계;를 포함하는 폴리머 조성물의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 그래핀이 흡착된 목분은 목분 99.0~99.99 중량% 및 그 표면에 흡착된 그래핀 0.01~1.0 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리머 조성물의 제조방법.
   
3. 제 1 및 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 조성물은 열가소성 수지 50~95 중량% 및 상기 그래핀이 흡착된 목분 5~50 중량%로 이루어진 목재-플라스틱 복합재인 것을 특징으로 하는 폴리머 조성물의 제조방법.