KR20190036048A - 친환경 합성 목재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목재 섬유; 폴리아크릴레이트계 단일 중합체, 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체, 및 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에서 선택되는 어느 하나의 중합체; 및 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물;을 포함하는 합성목재 에 관한 것이다.

Description

친환경 합성 목재 {Eco-friendly WOOD POLYMER COMPOSITE}
본 발명은 친환경 합성 목재에 관한 것으로, 상세하게 천연 목재를 대체할 수 있는 낮은 수분 흡습율, 낮은 디멘젼 치수 변화, 높은 열변형 온도를 가지며, 옥외 노출에 따른 갈라짐(터짐) 현상이 개선되고, 동시에 가공성이 우수한 친환경 합성 목재에 관한 것이다.
일반적으로, 목재는 천연 재료로서 널리 사용되고 있는 소재이지만 수분에 약하고, 시간이 지남에 따라 갈라짐, 터짐 등으로 인해 유지보수 비용이 만만치 않다. 이러한 목재의 단점을 보완한 것이 합성 목재 (WPC;Wood Polymer/Plastic Composite)이다. 합성 목재는 천연 목재와 비슷한 외관이나 성질을 가지도록 목재 섬유 50% 이상 함유, 고분자 수지 및 첨가제를 배합하여 혼합물을 플라스틱처럼 압출 또는 사출 성형하는 방법으로 제조하여 목재와 유사한 제품을 형성하는 것이다. 이러한 합성 목재는 일반 목재의 단점인 탈색되거나 갈라짐, 터짐 등의 변형이 거의 없다. 특히 천연목재와 달리 수분에 강하기 때문에 외장재 용도로 사용할 경우에도 쉽게 썩지 않는다. 이러한 장점 때문에 천연목재와 방부목재를 대체해나가고 있으며, 시장 규모가 점차 커지고 있는 추세이다. 그러나 기존 합성 목재의 경우 주원료로 목재 섬유(Wood flour)을 주로 사용함에 따라 압축강도, 충격강도 등의 물리적 특성이 다소 약한 점이 있다.
이를 보완하기 대한민국 등록특허 제10-0983970호, 대한민국 등록특허 제10-1073774호에서는 폴리올레핀계 수지로 합성목재를 제조하였으나, 폴리올레핀계 수지는 인장, 압축, 휨, 충격강도가 떨어지는 단점을 갖고 있다. 또한, 대한민국 공개특허 제10-2011-0099416호에서는 ABS 수지를 사용한 합성목재를 소개하고 있다. ABS 수지는 수지 특성상 수지 내부의 고무성분에 화학적으로 불안정한 이중결합을 함유하고 있어 자외선에 의해 고무성분이 쉽게 노화될 수 있기 때문에 내후성, 내광성이 좋지 못하여 옥외에 오랜 시간 방치할 경우 시간이 지남에 따라 변색 및 물성저하가 비교적 커 일광에 노출되어있는 옥외 용도에 적합하지 못하다는 단점이 있었다.
또한, 종래에서는 탁월한 내후성, 높은 기계적 강도를 갖는 메타크릴레이트계 수지가 합성 목재 제조하였지만 메타크릴레이트계 수지는 압출 공정에 요구되는 공정 온도가 너무 높아 목재 입자에 손상이 가해지므로 합성 목재 제조에 적합하지 못했다. 이를 해결하기 위하여 목재를 단량체 혼합용액에 침지하여 중합을 진행함에 따라 목재의 기계적 물성을 향상시키려고 하였지만, 단량체 혼합용액에 목재를 침지하면 불균일한 도포 및 분산성으로 목재 전체의 물성이 고르지 못하며, 이와 같이 생산 시 시간, 비용, 중합 시 용매 및 개시제 등의 제거 필수, 불균일한 물성 등에 따른 대량, 단시간 제조 등이 불가능하여 생산성이 떨어지므로 합성목재 제조에 어려움이 있었다. 이처럼 메타아크릴레이트계 수지의 특성이 저하되지 않으면서도, 우수한 물리적 물성을 가지는 합성 목재를 만드는 데는 해결해야 할 문제점이 남아 있다.
대한민국 등록특허 제10-1073774호 대한민국 등록특허 제10-0983970호 대한민국 공개특허 제10-2011-0099416호
본 발명은 낮은 수분 흡습율, 수분 흡습에 따른 낮은 치수 변화, 높은 열변형 온도를 가지며, 옥외 노출에 따른 갈라짐(터짐) 현상이 개선되고, 동시에 가공성이 우수한 친환경 합성 목재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 압출 또는 사출 성형 시 목재 섬유, 중합체 및 왁스 혼합물의 혼련도를 향상시킨 합성목재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 목재 섬유; 폴리아크릴레이트계 단일 중합체, 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체, 및 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에서 선택되는 어느 하나의 중합체; 및 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물;을 포함하는 합성목재에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 합성목재는 목재 섬유 30 내지 85 중량%, 중합체 10 내지 65 중량% 및 왁스 혼합물 1 내지 10 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 왁스 혼합물은 폴리알킬렌계 왁스 0.1 내지 99.9 중량% 및 광물성 왁스 0.1 내지 99.9 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 폴리알킬렌계 왁스는 폴리에틸렌 왁스 및 폴리프로필렌 왁스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이며, 상기 광물성 왁스는 몬탄계 왁스, 오조케라이트 왁스 및 세레신 왁스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
또한, 상기 일 양태에 있어, 상기 공중합체는 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체 50 내지 80 중량%, 스티렌계 단량체 20 내지 50 중량% 포함하는 단량체 혼합물의 공중합체일 수 있으며, 상기 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체는 메틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, t-부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트 및 벤질메타크릴레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있고, 상기 스티렌계 단량체는 스티렌, α-메틸스티렌, p-브로모스티렌, p-메틸스티렌, p-클로로스티렌, 및 o-브로모스티렌에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 일 양태에 있어, 상기 합성목재는 상기 목재 섬유, 상기 중합체 및 상기 왁스 혼합물이 압출 또는 사출 성형에 의해 제조되는 것일 수 있다.
또한, 상기 일 양태에 있어, 상기 합성목재는 커플링제, 산화방지제, UV흡수제, 착색제 및 윤활제에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 합성 목재는 목재 섬유와 중합체에 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물을 혼합함으로써 가공온도를 210℃ 이하로 유지하면서도 낮은 수분 흡습율, 낮은 디멘젼 치수 변화, 높은 열변형 온도를 가지며, 옥외 노출에 따른 갈라짐(터짐) 현상이 개선되고, 동시에 가공성이 우수한 친환경 합성 목재를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
이하 본 발명에 따른 친환경 합성 목재에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
합성 목재는 목재 섬유와 중합체의 혼합물을 기반으로 제조되는 것으로, 통상적으로 사용되는 중합체의 가공 온도가 약 220 내지 240℃인 것에 반해 목재 섬유는 가공온도가 210℃ 초과로 높아질 시 탄화 현상이 유발되는 문제점이 있었다.
이에 기존 합성 목재 제조 공정에서는 몬탄계 왁스를 추가적으로 첨가하여 가공온도를 220℃ 이하로 유지하였으나, 이 경우 수분 흡습율 및, 수분 흡수에 따른 디멘젼 치수 변화율이 다소 높고, 열변형온도가 90℃ 미만으로 다소 낮은 물성적 단점이 발생하였다.
이에 본 발명자들은 가공온도를 220℃ 이하로 유지하면서도 가공성이 우수한 합성 목재를 제조하기 위하여 거듭 노력한 끝에, 광물성 왁스와 함께 폴리알킬렌계 왁스 등을 적정 비율로 혼합할 시 상기 목적을 해결할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상세하게, 본 발명의 일 예에 따른 합성 목재는 목재 섬유; 폴리아크릴레이트계 단일 중합체, 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체, 및 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에서 선택되는 어느 하나의 중합체; 및 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스 등의 왁스 혼합물;을 포함하는 것이다.
이처럼, 목재 섬유와 중합체에 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물을 혼합함으로써 가공온도를 210℃ 이하로 유지하면서도 낮은 수분 흡습율, 낮은 디멘젼 치수 변화, 높은 열변형 온도를 가지며, 옥외 노출에 따른 갈라짐(터짐) 현상이 개선되고, 동시에 가공성이 우수한 친환경 합성 목재를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 210℃ 이하의 가공온도를 유지하기 위해서는 각 성분들의 혼합 비율이 중요한데, 구체적으로 상기 합성목재는 목재 섬유 30 내지 85 중량%, 중합체 10 내지 65 중량% 및 왁스 혼합물 1 내지 10 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 상기 범위에서 가공온도가 210℃ 이하로 낮아질 수 있다. 아울러, 목재 섬유의 본래의 질감이 충분히 표현되어 천연 목재의 외관을 발현할 수 있어 좋다. 210℃ 이하의 가공온도를 유지하면서 우수한 가공성을 확보하기 위한 측면에서, 보다 바람직하게, 상기 합성목재는 목재 섬유 50 내지 80 중량%, 중합체 15 내지 45 중량% 및 왁스 혼합물 2 내지 8 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게, 목재 섬유 55 내지 75 중량%, 중합체 20 내지 40 중량% 및 왁스 혼합물 3 내지 6 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 프로파일 가공 형상 유지가 용이하여 특히 우수한 가공성을 확보할 수 있다. 또한, 목재 섬유와 중합체 및 왁스 혼합물 간의 혼련성이 향상되어 압출 또는 사출 성형이 용이하고, 높은 충격강도 및 낮은 수분 흡습율을 가질 수 있어 바람직하다. 특히, 왁스 혼합물의 함량이 3 중량% 미만일 경우, 압출 조건 설정이 용이하지 않으며, 압출 가공 조건을 설정하여도 가공성이 악화될 수 있다. 이에 따라 우수한 가공성을 확보하기 위해서는 왁스 혼합물을 3 내지 6 중량% 범위로 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
아울러, 첨가되는 왁스 혼합물의 혼합 비율이 가공성 향상 측면에서 중요한데, 구체적인 일 예시로 상기 왁스 혼합물은 폴리알킬렌계 왁스 0.1 내지 99.9 중량% 및 광물성 왁스 0.1 내지 99.9 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 210℃ 이하의 가공온도를 유지하면서도 수분 흡습율을 낮추기 위한 측면에서 상기 왁스 혼합물은 폴리알킬렌계 왁스 20 내지 80 중량% 및 광물성 왁스 20 내지 80 중량%를 포함하는 것이 보다 바람직하며, 210℃ 이하의 가공온도를 유지하고, 수분 흡습율을 낮추면서도 90℃ 이상의 높은 열변형온도를 확보하기 위한 측면에서 상기 왁스 혼합물은 폴리알킬렌계 왁스 30 내지 70 중량% 및 광물성 왁스 30 내지 70 중량%를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
바람직하게, 상기 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스는 상기의 혼합 비율을 만족함과 동시에 적절한 점도를 가지는 것이 목재 섬유 및 중합체의 혼련성을 향상시킴에 있어 보다 좋다. 구체적으로 예를 들면, 본 발명의 일 예에 따른 폴리알킬렌계 왁스는 점도가 100 내지 1500 mPa·s일 수 있으며, 보다 좋게는 200 내지 1000 mPa·s, 더욱 좋게는 400 내지 800 mPa·s일 수 있다. 상기 범위에서 후술하는 점도 범위를 만족하는 광물성 왁스와 혼합하여 사용할 시 우수한 혼련성을 확보함에 있어 좋다. 이때, 상기 폴리알킬렌계 왁스의 점도는 140℃의 온도에서 DIN 53019법을 통해 측정된 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 광물성 왁스는 점도가 1 내지 100 mPa·s일 수 있으며, 보다 좋게는 5 내지 80 mPa·s, 더욱 좋게는 10 내지 50 mPa·s일 수 있다. 상기 범위에서 전술한 점도 범위를 만족하는 폴리알킬렌계 왁스와 혼합하여 사용할 시 우수한 혼련성을 확보함에 있어 좋다. 이때, 상기 광물성 왁스의 점도는 100℃의 온도에서 DIN 53019법을 통해 측정된 것일 수 있다.
이때, 본 발명의 일 예에 따른 상기 폴리알킬렌계 왁스는 폴리에틸렌 왁스 및 폴리프로필렌 왁스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이며, 상기 광물성 왁스는 몬탄계 왁스, 오조케라이트 왁스 및 세레신 왁스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴리에틸렌 왁스와 몬탄계 왁스를 혼합하여 사용하는 것이 가공온도를 210℃ 이하로 낮추면서도 가공성을 향상시킴에 있어 좋다.
한편, 본 발명의 일 예에 있어, 상기 폴리아크릴레이트계 단일 중합체 또는는 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체는 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체로부터 유도된 것일 수 있으며, 구체적인 일 예시로 상기 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체는 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, t-부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트 및 벤질메타크릴레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 좋게는 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체 및 스티렌계 단량체의 공중합체를 사용하여 합성 목재 제조 시, 스티렌계의 방향족기와 목재 섬유 내의 리그닌과 같은 방향족 화합물의 친화성으로 인하여 공중합체와 목재 섬유의 혼화성이 향상되어 천연 목재와 비슷한 색상, 질감 등과 같은 외관이나 성질을 가질 수 있다. 또한, 합성 목재가 낮은 수분흡습율 및 높은 충격강도를 가질 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에 있어, 각 단량체 간의 비율을 특별히 한정하는 것은 아니나, 구체적인 일 예시로 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체는 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체 50 내지 80 중량% 및 스티렌계 단량체 20 내지 50 중량%를 포함하는 단량체 혼합물로부터 유래된 것일 수 있으며, 보다 좋게는 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체 60 내지 80 중량% 및 스티렌계 단량체 20 내지 40 중량%, 더욱 좋게는 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체 65 내지 75 중량% 및 스티렌계 단량체 25 내지 35 중량%를 포함하는 단량체의 혼합물로부터 유래된 공중합체일 수 있다.
상기의 범위에서 합성 목재의 가공성, 내후성, 내화학성 및 내열성을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 반면 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체가 50 중량% 미만일 경우 합성 목재의 기계적 물성 및 내후성이 감소하고, 80 중량%를 초과할 경우 목재 섬유와의 혼합 시 높은 압출가공온도로 인해 목재 섬유가 탄화되어 합성목재의 외관불량 및 충격강도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 스티렌계 단량체가 20 중량% 미만일 경우 공중합체 내에 낮은 방향족기 함량으로 목재 섬유와의 혼화성이 감소하여 수분흡습율이 상승할 뿐만 아니라, 충격강도가 낮아질 수 있으며, 50 중량%를 초과할 경우 강직한 구조의 급격한 증가로 오히려 충격강도가 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
이때, 상기 아크릴레이트계 단량체 또는 메타크릴레이트계 단량체는 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, t-부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트 및 벤질메타크릴레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 스티렌계 단량체는 스티렌, α-메틸스티렌, p-브로모스티렌, p-메틸스티렌, p-클로로스티렌, 및 o-브로모스티렌 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기와 같이 제조된 공중합체는 높은 충격강도와 낮은 수분흡습율을 가질 뿐만 아니라 가공 시 합성목재에 손상을 가하지 않는 범위의 공정 온도를 가질 수 있어 더욱 바람직하다.
본 발명의 중합체는 일 양태에 따라 중량평균분자량이 50,000 내지 300,000 g/mol일 수 있다. 바람직하게는 100,000 내지 250,000 g/mol일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 범위의 중량평균분자량을 가질 경우 유동성이 향상되어 압출 또는 사출 시 목재 섬유와의 혼련도가 향상되고, 이로부터 제조된 합성 목재의 충격강도가 향상되어 바람직하다.
본 발명의 중합체는 목재 섬유와의 혼련성 및 가공성을 위하여 유리전이온도(Tg)가 90 내지 110℃이고, 230℃에서 하중 3.8 ㎏으로 측정된 용융지수(MI)가 5 내지 10 g/10min인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중합체의 제조방법은 상기의 분자량을 충족할 수 있는 특별한 제한은 없으며, 통상의 유화 중합, 괴상 중합 또는 현탁 중합을 이용하여 제조할 수 있다. 상기 중합 시 일 양태에 따라 단량체 중합용액에 개시제 및 사슬이동제 등을 더 포함하여 중합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 상기 목재 섬유는 폐목이나 자투리 목재 및 경제성이 없는 잡목인 활엽교목, 침엽교목 등에서 선택하여 이용할 수 있다. 구체적인 예로는 박달나무, 단풍나무, 상수리나무, 오갈피나무, 옻나무, 떡갈나무, 물푸레나무, 오리나무, 피나무, 편백나무, 삼나무, 구상나무, 화백나무, 소나무, 잣나무 및 젓나무 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 나무의 목재섬유 혼합물을 이용할 수 있다.
본 발명의 목재 섬유는 분말상일 수 있으며, 상기 목재 섬유는 평균입경 10 내지 800 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 평균입경 50 내지 500 ㎛일 수 있다. 상기 크기를 갖는 목재 섬유의 경우 중합체 및 왁스 혼합물과 혼합 시 목재 섬유 간의 뭉침 현상이 발생하는 것을 방지하여, 목재 섬유의 고른 분산에 따라 균일한 물성을 구현할 수 있고, 이에 따라 높은 충격강도 및 낮은 수분흡습율이 발현될 수 있어 바람직하다.
상기 목재 섬유는 다량의 수분을 자연상태에서 함유하고 있기 때문에 수분을 제거하기 위한 건조 과정을 거치는 것이 바람직하다. 상기 건조 과정은 80 내지 120℃의 온도로 가열하여 상기 목재 섬유 내의 수분 함유율이 1 내지 20 중량%가 되도록 건조 과정을 거칠 수 있다. 상기와 같이 건조 시 목재 섬유 자체의 조직 변형이 없어 수분만 제거할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 합성목재는 상기 목재 섬유, 상기 중합체 및 상기 왁스 혼합물이 압출 또는 사출 성형에 의해 제조되는 것일 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 양태에 따라 합성 목재를 생산함에 있어서 합성 목재의 제조방법은 목재 섬유와 폴리아크릴레이트계 단일 중합체, 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체, 및 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에서 선택되는 어느 하나의 중합체 및 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물을 포함하는 조성물을 압출 또는 사출성형하여 제조될 수 있다.
구체적인 예를 들면, 본 발명의 합성목재는 일 양태에 있어서, a) 목재 섬유와 폴리아크릴레이트계 단일 중합체, 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체, 및 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에서 선택되는 어느 하나의 중합체, 및 폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물을 포함하는 조성물을 혼합하는 단계;
b) 상기 조성물을 압출기에 투입 및 혼련하여 압출성형하여 펠릿화하는 단계; 및
c) 상기 펠릿을 건조한 후 성형가공하여 합성목재를 제조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 압출 성형은 가공속도의 개선과 성형의 정밀성 치수 안정성 등을 얻을 수 있게 하는데 필요한 요소인 합일성(coalescence)과 크리밍 응집성(creaming flocculation)이 증가되어 제품생산의 효율을 높여줄 수 있다. 상기 합성 목재는 목재 섬유의 탄화를 실질적으로 피하기 위해서는 압출 온도가 200 내지 225 ℃, 바람직하게는 200 내지 220 ℃일 수 있다. 종래의 표준 폴리메틸메타크릴레이트는 230 ℃ 미만에서 통상적으로 가공이 용이하지 않아 합성 목재 제조에 어려움이 있었으나, 본 발명의 합성목재는 상기 온도에서 중합체 및 왁스 혼합물이 충분한 유동성을 가져 목재 섬유와의 우수한 혼화성을 가질 수 있다.
본 발명의 상기 압출성형된 펠릿은 추가 성형가공 공정으로 압축 성형, 프로파일 압출, 트랜스퍼 성형, 사출 성형, 블로우 성형 및 압출 성형 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합 성형방법으로 용도에 따라 선택하여 다양한 형태로 추가 성형가공하여 합성목재가 제조될 수 있다.
본 발명의 상기 합성목재는 일 양태에 따라 커플링제, 산화방지제, UV흡수제, 착색제 및 윤활제 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 상기 조성물 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 15 중량부 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 0.5 내지 8 중량부 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 커플링제는 목재 섬유와 중합체의 혼화성을 높여 우수한 충격강도를 가질 수 있게 할 수 있다. 상기 목재 섬유는 친수성인 극성을 나타내고, 중합체는 소수성인 비극성을 가짐에 따라 두 물질의 결합력이 약할 수 있다. 이에 따라 목재 섬유와 중합체에 커플링제 첨가에 의하여 두 물질 사이의 계면에서 새로운 화학적 결합으로 견고한 결합구조를 형성하여 더 향상된 충격강도를 가질 수 있게 된다. 상기 커플링제의 구체적인 예를 들어, 스티렌-무수말레인산(SMA), 스티렌-에틸렌-뷰틸렌 미드블록 그래프트 무수말레인산(SEBS-g-MA), 스티렌-아크릴로니트릴 그래프트 무수말레인산(SAN-g-MA) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 본 발명의 중합체에 대한 상용성을 높일 수 있도록 무수말레인산이 공중합된 스티렌 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 산화방지제는 합성 목재 제조공정 중 성형가공과정이나 성형된 제품이 실용환경 조건하에서 산소, 열, 빛 등의 영향에 의해 열화 또는 물성의 저하, 균열, 변색 등을 억제할 수 있다. 본 발명에서는 페놀계 산화방지제를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 UV흡수제는 벤조페논계 화합물, 벤조트리아졸계 화합물, 방향족 벤조에이트계 화합물, 옥살산 아닐리드계 화합물, 시아노아크릴레이트계화합물 및 힌더드아민계 화합물 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 UV흡수제를 사용함으로써 태양광선 중 선택적으로 자외선을 흡수하여 자외선으로부터 재료가 분해되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 윤활제는 합성목재의 우수한 가공성 및 낮은 가공 온도를 얻을 수 있다. 사용될 수 있는 특별한 윤활제는 예를 들어, 폴리올레핀, 극성 에스테르 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 카르복실산 및 지방산, 및 이들의 에스테르 또는 장쇄지방 알콜 및 지방 알콜 에스테르 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 착색제는 색감의 안정성을 부여하기 위해서 포함될 수 있으며, 요구하는 칼라에 맞추어 조색하여 첨가 가능하다. 상기 착색제는 안료, 염료 등과 유기성 용제를 혼합하여 제조될 수 있으며, 상기 안료 및 염료로는 합성 목재에 일반적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 합성 목재는 천연목재보다 높은 충격강도 및 낮은 수분흡습율을 가지기 때문에, 이를 대체할 수 있는 바닥재, 건축자재, 장식물, 가구, 항만재료, 벽재 등 천연 목재의 질감 등의 외관을 구현하면서 더욱 우수한 충격강도 및 낮은 수분흡습율을 제공할 수 있는 분야에 다양하게 적용 가능하다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 친환경 합성 목재에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[물성측정방법]
1. 수분흡습율
시편크기는 길이 100 ㎜ x 두께 25 ㎜ x 폭 150 ㎜이며, 시험편은 수분흡수율 시험 전 (20 ± 3)℃ , 상대습도 (66 ± 2) % 조건에서 함량이 될 때까지 전처리를 하여 0.01 g이상의 정확도를 가지는 저울로 무게를 측정하였다. 질량 및 치수 측정을 마친 시편은 아래의 조건으로 처리하여 질량 및 치수 변화를 기록하였다. 시험편을 100℃ 물에 5시간 침지시킨다. 이때 시험편은 수조의 바닥에 접촉하지 않고 침지되도록 적당한 지그를 사용하였다. 상기 침지한 시험편을 즉시 (23 ± 2)℃ 물에 침지하여 20분간 방치한 후, 시험편 표면의 물기를 완전히 제거한 후 질량 변화율을 측정하였다.
수분흡습율(%) = (W2-W1)/W1 X 100
여기에서 W1 = 침지 전 시편의 질량(g), W2 = 침지 후 시편의 질량(g)
2. 두께 치수 변화율
상기 수분흡습율 시험 진행과 동일하며, 소수점 두 자리까지 표시되는 버니어 캘리퍼스를 이용하여 침지 전 시편의 폭, 두께, 길이를 측정하고 동일한 방법으로 침지 후 시편을 측정하여 변화율을 구하였다.
3. 열변형온도(HDT)
2-step 압출을 통해 중공 프로파일 제작 후, 3 ㎜ 두께의 시험편을 절취하여 열변형온도를 측정하였으며, 시험편 두께를 제외하고 ISO 75-1 규격에 준하여 측정하였다.
[실시예 1]
스티렌 30 중량% 및 메틸메타크릴레이트 70 중량%로 제조된 스티렌-co-메틸메타크릴레이트 공중합체(SMMA, LGMMA 사, HX238, 중량평균분자량 120,000 g/mol, Tg: 105℃, MI: 8 g/10min) 31 중량부, 목재 섬유(평균입자크기 50-200 ㎛) 60 중량부, 폴리에틸렌 왁스(Licowax PE 520, 점도 650 mPa·s(DIN 53019 at 140℃)) 및 몬탄 왁스(Licowax E P, 점도 20 mPa·s(DIN 53019 at 100℃))의 왁스 혼합물 3 중량부(폴리에틸렌 왁스: 몬탄 왁스=2:1 중량비) 및 무수말레인산이 공중합된 스티렌 결합제 6 중량부(XIRAN® SZ23110)를 210℃에서 컴파운딩 및 프로파일 압출의 2 단계에 걸친 압출공정을 통하여 시편을 제작한 후 물성을 평가하여 표 1에 나타내었다.
[실시예 2]
SMMA 대신 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, LGMMA 사, IH830A)를 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[실시예 3]
왁스 혼합물을 1 중량부로 사용하고, SMMA를 33 중량부로 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[실시예 4]
왁스 혼합물을 2 중량부를 사용하고, SMMA를 32 중량부로 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[실시예 5]
폴리에틸렌 왁스 : 몬탄 왁스의 중량비를 2.5:0.5으로 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[실시예 6]
폴리에틸렌 왁스 : 몬탄 왁스의 중량비를 0.5:2.5으로 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 1]
폴리에틸렌 왁스 및 몬탄 왁스를 미첨가한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 2]
폴리에틸렌 왁스만 3 중량부 첨가한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 3]
몬탄 왁스만 3 중량부 첨가한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
수분흡습율(%) 두께 변화율 (%) 폭 변화율 (%) 길이 변화율 (%) HDT (℃)
실시예 1 1.4 3.7 0.2 0.5 94
실시예 2 1.9 5.0 0.2 0.6 95
실시예 3 가공성 악화
실시예 4 가공성 악화
실시예 5 가공성 악화
실시예 6 1.6 4.3 0.2 0.6 89
비교예 1 가공성 악화
비교예 2 가공성 악화
비교예 3 1.6 4.5 0.2 0.6 87
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 왁스 혼합물이 3 중량부로 첨가된 실시예 1의 경우, 가공성이 매우 우수하며, 수분흡습율, 디멘젼 변화율 및 열변형 온도 특성이 모두 우수한 것을 확인할 수 있다. 반면, 왁스 혼합물이 1 또는 2 중량부로 첨가된 실시예 3 또는 4의 경우, 왁스 혼합물의 첨가량이 다소 적어 가공성이 다소 좋지 못하였다.
또한, 왁스를 전혀 첨가하지 않은 경우, 가공성이 가장 좋지 못 하였으며, 몬탄 왁스의 비율이 너무 낮은 비교예 2의 경우에도, 가공성 개선 효과가 좋지 못 하였다.
비교예 3의 경우, 몬탄 왁스가 3 중량부로 첨가됨에 따라 우수한 가공성을 보였으나, 열변형온도가 87℃로 낮아 좋지 못한 특성을 나타내었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 친환경 합성 목재가 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 목재 섬유;
    폴리아크릴레이트계 단일 중합체, 폴리메타크릴레이트계 단일 중합체, 및 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 스티렌계 단량체의 공중합체에서 선택되는 어느 하나의 중합체; 및
    폴리알킬렌계 왁스 및 광물성 왁스의 왁스 혼합물;
    을 포함하는 합성목재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 합성목재는 목재 섬유 30 내지 85 중량%, 중합체 10 내지 65 중량% 및 왁스 혼합물 1 내지 10 중량%를 포함하는 합성목재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 왁스 혼합물은 폴리알킬렌계 왁스 0.1 내지 99.9 중량% 및 광물성 왁스 0.1 내지 99.9 중량%를 포함하는 합성목재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리알킬렌계 왁스는 폴리에틸렌 왁스 및 폴리프로필렌 왁스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이며, 상기 광물성 왁스는 몬탄계 왁스, 오조케라이트 왁스 및 세레신 왁스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 합성목재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공중합체는 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체 50 내지 80 중량%, 스티렌계 단량체 20 내지 50 중량% 포함하는 단량체 혼합물의 공중합체인 합성목재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체는 메틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, t-부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트 및 벤질메타크릴레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 합성목재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 스티렌계 단량체는 스티렌, α-메틸스티렌, p-브로모스티렌, p-메틸스티렌, p-클로로스티렌, 및 o-브로모스티렌에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 합성목재.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 합성목재는 상기 목재 섬유, 상기 중합체 및 상기 왁스 혼합물이 압출 또는 사출 성형에 의해 제조되는 것인 합성목재.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 합성목재는 커플링제, 산화방지제, UV흡수제, 착색제 및 윤활제에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 더 포함하는 합성목재.
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