KR980008550A

KR980008550A - 합판대체용 열가소성고분자 복합패널

Info

Publication number: KR980008550A
Application number: KR1019960028917A
Authority: KR
Inventors: 백덕만; 정호갑; 윤상준; 이종록; 임윤정
Original assignee: 성기웅; 대림산업 주식회사
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1998-04-30
Also published as: CN1070767C; KR100219734B1; JPH10211667A; CN1174118A; JP3017960B2; TW424051B

Abstract

본 발명은 중심층의 패널은 열가소성수지 90∼97 중량% ; 중공의 구형체 3∼7 중량% 및 발포제 0.1∼1 중량%를 함유한 수지조성물로 구성되고, 표피층의 패널은 열가소성수지 55∼90 중량% ; 유리섬유, 울라스토나이트 등에서 선택된 침상형 충전제 10∼35 중량% 및 중공의 구형체 1∼15%를 함유한 수지조성물로 구성된 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널에 관한 것이다.

Description

합판대체용 열가소성고분자 복합패널

본 발명은 건축 및 산업자재로서 사용되고 있는 합판을 대체하여 사용할 수 있는 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 열가소성수지를 기재수지로 하여 제조된 다층복합패널에 관한 것이다.

복합패널에 관해 기타재료와의 접합으로 이루어진 기술을 살펴보면, 한국 공개 특허 제90-16984호는 복합 거푸집패널에 관한 것으로서 합성 수지패널이 지지패널과 접합되어 있고, 하나의 패널로서 사용되는 것에 있어서 합성수지패널의 단면은 골과 산의 파형형상을 가지도록 하고 그 재질을 합성수지로 하는 서로 다른 두층을 접착한 복합 패널에 관한 기술이다. 그러나 이 특허기술은 패널의 한면만 사용가능하며 톱질과 못질 등 2차 가공이 어렵고 제조공정이 복잡하다는 단점이 있다.

또한 일본 공개특허 평5-117629호는 무기안료를 함유하는 수지조성물로써 합판 표면을 코팅하여 합판표면의 미세한 요철을 균일하게 한 제품이나, 이 역시 재생이 어렵다는 단점이 있다.

공개특허98－85502/8 공개특허98－85502/8

복합패널에 관한 프레스 몰드방식으로 제조된 기술을 살펴보면, 일본 특허공개 번호 평4-19935호는 목분 및 셀룰로스계 미분에 요소수지계를 접착 함침시키고 건조, 중화하여 열가소성수지에 혼입하여 쉬트 등의 목질 화장판을 성형하는 공정 및 각 목질 화장판을 재가공하여 두께 방향으로 망상의 절단면을 갖는 합성수지제 파렛트 위에 각 화장판을 붙이고 가압하여 정해진 형상으로 가공하는 목질화장판넬성형방법에 관한 것이다. 그러나 상기 제품은 중심부에 있는 중공부위로 인하여 일정 규격의 제품만이 사용가능하여 절단하여 일부분을 사용할 경우 물성이 저하되며, 밀도대비 휨탄성율이 낮아 집중하중에 대한 버팀제로써 부적합하며, 생산방법이 불편하다는 단점이 있다. 또한 한국 공개특허 제96-443호는 재생수지를 이용한 거푸집에 관한 것으로서 겔상태의 재생수지를 판상으로 추출 이송하여 설계 두께로 압연시킴과 동시에 냉각성형한 제품인 바, 무게가 무겁고 재생수지의 종류 및 조성에 따라 제품의 물성이 결정되며, 생산방법이 불편하다는 단점이 있다.

복합패널에 관해 중심이 중공 성형 되었으며 다층인 방식으로 개시된 기술로는 한국 공개특허 제96-4300호를 들 수 있는 바, 이는 콘크리트 거푸집에 관한 기술로써 격자구조의 중공 중심층에 망상의 섬유재를 적충하고 그 위에 복합수지발포층을 열융착한 5층 구조의 패널에 관한 것인데, 망상섬유층이 수지층 간의 접착을 방해하여 물성이 감소하며, 재생시 망상섬유의 분리가 어려우며 중심의 중공부위로 인하여 국부인 집중하중이나 충격에 약한 단점이 있다.

복합패널에 관해 다층구조이며 중심층이 발포된 방식에 관해 개시된 기술로는 일본 특허공개번호 평4-50900호를 들 수 있고, 이는 내열성, 내충격성, 고강성이 좋은 폴리프로필렌이나 폴리스틸렌의 폴리올레핀 산업용 다층패널에 관한 기술로서 유리단섬유를 10∼45 중량% 함유하는 열가소성수지 쉬트층 A와 무기미세분말을 5∼50 중량% 함유하는 밀도가 0.4∼1.11g/cm³인 열가소성수지 발포체쉬트 기재층 B를 층의 구성단위로 하는 유리섬유 보강수지복합체 다층쉬트를 특징으로 하고 있다. 그러나 중심층의 밀도가 0.84∼0.85g/cm³이며 전체 밀도 또한 1.75∼1.76g/cm³높아서 무거우며 충격강도가 낮은 단점이 있다.

한편, 한국 공개특허 제96-4278호는 콘크리트 거푸집에 관한 기술로써 발포된 중심층의 상하에 망상의 섬유재를 적층하고 그 위에 유리단섬유를 함유하는 복합수지층을 열융착한 5층 구조의 패널을 특징으로 하는 제품인데, 망상섬유층을 적층하기 위한 방법으로는 먼저 발포된 중심층 위에 섬유층을 적층 후 그 외면에 복합수지층을 열융착하여야 하므로 중심층의 발포조건을 다양화하기 어려워서 중심층 밀도를 0.6g/cm³이하로 제조할 수 없고 그 결과 제품의 밀도가 높다. 또한 망상층의 분리가 어려워 재생이 까다로우며 층간의 계면접착력이 낮아 물성 개선이 어려운 단점이 있다.

또한 한국 공개특허 제96-3938호는 콘크리트 거푸집이나 내장재로 사용될 수 있는 플라스틱 패널에 관한 것으로 폴리프로필렌 저밀도 발포를 한 기재층을 형성하고 기재층에 유리섬유를 형성하면서 동시에 고밀도의 발포 코팅층을 형성함으로서 평활도 및 강도가 개선한 제품인데, 고온에서의 휨강도가 낮고 기재수지의 선열팽창이 큰 단점이 있다. 한국 공개특허 제95-26675호는 열가소성 합성수지로 된 경량 적층판 및 그 적층방법에 관한 것으로 열가소성수지 쉬트를 다층적층압착하여 구성함과 아울러 경량으로 형성함으로서 종래 단일층 구조의 내구성저하 및 다층구조의 무거운중량에 의하여 발생되는 문제를 해결하고자한 것으로서 열가소성 합성수지로 된 상하부층 시트 사이에 적층되는 중간층의 시트를 경량층 및 발포성형한 시트 또는 다수의 구멍을 천공한 시트 또는 상하면에 다수의 돌기를 형성한 시트로하여 구성하며 결합에 의한 적층 방법 용접에 의한 적층방법, 열융착제에 의한 적층 방법, 진동 융착에 대한 적층 방법 등에 대한 기술이다. 그러나 상기 방법은 충격강도와 고온 휨강도가 낮고, 선열팽창성이 큰 단점이 있다.

전술한 플라스틱 패널의 공통적인 단점은 30∼60℃에서의 휨탄성율이 낮은 것이다. 또한 선열팽창계수가 대부분 1x10^-4/K로서 높아 일교차 등 주변온도의 변화가 클 경우에는 패널의 팽창 또는 수축으로 인한 문제가 발생한다. 이같은 단점들은 충전제 등의 함량을 증가 시킬수록 어느 정도까지 해결 할 수는 있지만 충전제의 함량이 늘어날수록 충격강도가 감소하고 밀도가 증가하여 제품의 중량으로 인해 사용이 불편한 문제가 있어 해결하지 못하였다. 이같은 문제점은 상용화된 열가소성 고분자의 고유한 성질이므로 이러한 재질을 사용하여 제조한 제품에서는 피할 수 없는 단점인 것이다. 이에 비하여 합판은 0∼50℃ 범위에서의 선열팽창 계수가 1x10^-5/K로서 매우 작으며, 휨탄성율이 25,000∼50,000kg/cm²으로 높고 고온에서의 물성 저하가 적으면서도 경량이어서 그 밀도가 0.6∼0.8g/cm³범위이다. 그러나 기존의 제품들은 이러한 모든 조건을 동시에 충족시키지 못하므로 합판의 기능을 완전히 대체하지 못하고 있다.

그러므로 열가소성고분자 복합수지를 기재수지로 하여 중심층이 발포된 3층구조 패널인 제품에 대하여 기존의 제품보다 더욱 경량이면서도 충격강도 및 고온휨탄성율이 더욱 개선되어 여름철 및 60℃ 이하의 고온인 조건에서도 높은 휨탄성율을 갖을 뿐더러 선열팽창계수 또한 10^-5/K 범위로 충분히 작아서 일교차 등 기온의 변화가 심해도 수축 팽창이 현저히 작도록하는 기술에 대한 개발의 필요성을 느끼게 되었다.

또한 합성수지재 패널의 기재 수지로 널리 사용되는 고밀도폴리에틸렌 및 폴리프로필렌에 화학발포제를 첨가하여 기재수지에 가교나 기능성수지의 혼화등의 용융점도를 개선시키는 별도의 처리 없이 그 발포비율을 50%이상으로 개선하여 제품을 제조할 수 있으며 층간의 결합력을 강화하여 층간 미끄러짐이 없이 물성이 매우 높은 제품을 고안할 필요를 느꼈다.

따라서 본 발명의 목적은 건축 및 산업자재로 유용한 합판을 대체하여 사용할 수 있는 합성수지로 제조된 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널을 제공하는 것으로, 즉 중심층의 패널은 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 고밀도에틸렌과 프로필렌의 공중합체, 프로필렌 단량체 성분이 70% 이상인 프로필렌과 α-올레핀으로 구성된 공중합체에서 선택된 기재수지 90∼97 중량% ; 세라믹비드, 유리비드 및 열경화성 고분자비드에서 선택된 1종 이상의 중공의 구형체 0∼9중량%, 바람직하기로는 0.1∼7 중량% 및 중탄산나트륨과 구연산을 함유하는 무기발포제 또는 아조디카본아미드(ADCA)의 유기발포제중에서 선택된 1종 이상의 발포제 0.1∼1 중량%를 함유한 수지조성물을 발포 혼련 용융 압출시켜 제조된 것이고, 표피층의 패널은 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 고밀도에틸렌과 프로필렌의 공중합체, 프로필렌 단량체 성분이 70% 이상인 프로필렌과 α-올레핀으로 구성된 공중합체에서 선택된 기재수지 55∼90 중량% ; 유리섬유, 울라스토나이트 등에서 선택된 침상형 충전제 10∼35 중량% 및 세라믹비드, 유리비드 및 열경화성 고분자비드에서 선택된 1종 이상의 중공의 구형체 1∼15 중량%를 함유한 수지조성물을 혼련 용융압출시켜 제조한 것이다.

따라서 본 발명은 건축 및 산업자재로 유용한 합판을 대체하여 사용할 수 있도록 종래의 합판 대체 합성수지 패널의 단점을 개선한 유용한 합판 대체 물질로서, 본 발명의 복합패널의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 외형이 합판과 동일하며 ; 둘째, 표면과 내부에 문양이나 중공부분이 없이 균일하여 톱질, 못질 등 2차 가공이 용이하며; 셋째, 밀도가 0.6∼0.8g/cm³으로 경량이며; 넷째, 선열팽창성이 현저히 작으며; 다섯째, 밀도 대비 휨탄성율이 35,000∼50,000kg/cm²으로 매우 높으며; 여섯째, 고온 휨탄성율이 개선되었으며; 일곱째, 충격강도가 10∼20kg/cm²으로 더욱 개선되었으며; 여덟째, 생산이 용이하며; 아홉째, 합판의 가격과 거의 비슷한 저렴한 가격으로 공급이 가능한 것이다.

제품의 구조는 3층 샌드위치 구조의 패널로서 중심층과 표피층으로 구성되었으며, 중심층은 미세한 기공을 형성하고 있는 발포층이며 표피층은 적정량의 무기 충전제를 섞은 고강도 강화복합수지층 또는 무기물이 충전된 신탁틱(syntactic)발포강화복합수지층으로 구성되어 있으며, 각 층의 기재수지는 고밀도폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등의 열가소성수지이다. 중심층의 밀도는 0.2∼0.6g/cm³이며 기공의 평균 직경은 0.50mm 이내이다. 표피층의 무기충전제로는 유리섬유, 울라스토나이트 등이며 좋기로는 10∼30 중량%의 유리섬유이다. 또한 신탁틱(syntactic)발포 강화복합수지층이란 상기 무기충전제들과 적정 비율의 중공구형체를 혼화하여 혼련한 복합수지층이며 중공구형체로는 쎄라믹 비드, 유리비드 또는 열경화성고분자중공구형체등으로 좋기로는 직경 0.1mm 이내, 내압강도가 400kg/cm²이상이며 진밀도가 0.75g/cm²이내인 쎄라믹 비드를 1∼15 중량% 충전하고 유리섬유를 10∼30 중량% 함유하는 복합수지층이다.

본 발명에서는 3층의 쎈드위치 패널의 발포 중심층과 무기충전제를 섞은 고강도 강화복합 수지층인 표피층에 신탁틱(syntactic)발포기술을 응용하였으므로 다음과 같은 효과가 발견되었다.

효과 1) : 고강도 휨탄성 및 휨강도를 유지하면서 경량화시킬 수 있다.

거의 모든 무기충전물들은 그 밀도가 1.0 보다 크므로 수지와 섞어서 강화소재를 형성하게 되면 휨탄성 및 휨강도의 제반 물성은 증가하지만 그 밀도 또한 함께 증가하므로 경량의 고강도 제품으로의 가공이 매우 어렵다. 이에 반하여 본 발명에서와 같이 신탁틱(syntactic)발포기술을 응용한 경우에는 발포셀이 매트릭스와 잘 접착된 고탄성 중공구형체의 내부에 존재하므로 무기물충전 발포시 발생하는 발포율 저하현상이나, 발포가스가 충전제와 메트릭스의 계면으로 전이되어 물성을 저하시키는 현상이 없으므로 고강도의 휨탄성 및 휨강도를 유지하면서 경량화시킬 수 있다.

효과 2) : 30∼70℃의 고온에서의 휨탄성율, 휨강도 등의 물성을 향상시킨다.

플라스틱은 온도가 상승함에 따라 연성이 증가하므로 고밀도폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등은 낮은 고온물성을 가진다. 특히 열전도도 및 열용량이 높은 물질과 함께 혼련한 재질의 경우 같은 온도에서 메트릭스의 연성을 더욱 증가시키므로 낮은 고온 물성을 갖는다. 그러나 본 발명에서는 적정비율로 혼화한 쎄라믹 비드, 유리비드 또는 열경화성고분자 중공구형체 등의 내부에 형성된 공동이 단열작용을 하여 30∼70℃의 고온에서의 휨탄성율, 휨강도등의 물성을 향상시킨다.

효과 3) : 다층 후판쉬트 성형시 쉽게 발생하는 계면유동불안정에 따른 파상변형이나 외부계면에 파상이 겹치는 형상 등의 불안정한 다층유동을 현저히 안정화시킨다.

첨가된 환상구조의 중공구형체가 관내에서 유동층의 전단응력을 감소시키는 효과로 인하여 다층 후판쉬트 성형시 쉽게 발생하는 계면유동불안정에 따른 파상변형이나 외부계면에 파상이 겹치는 형상 등의 불안정한 다층유동을 안정화 시킨다. 그 결과 제품의 외관 및 물성이 개선되었다.

효과 4) : 효과 3의 결과로 표피층 점도가 낮은 열가소성 장섬유복합수지를 사용하여 압출 다층다이로 제조하는 것이 가능하며 그 결과 제품의 충격강도, 휨탄성율 및 선열팽창성 등이 현저히 개선되었다.

표피층의 휨판성이 강할수록 제품의 휨탄성율이 상승하므로 종래의 단섬유상의 강화충전제를 사용하는 것 보다 장섬유상의 충전제를 사용하는 것이 훨씬 효과적이다. 장섬유상의 충전제를 기재수지에 함침시키는 방법은 매우 많으나 대부분 공정이 복잡하여 생산성 및 경제성이 낮으며 비교적 간단한 공정을 거치는 제품의 경우에는 함침성이 불량하여 제품의 물성을 저하시킨다. 그래서 최근에는 PULTUSION법에 의한 섬유상과 기재수지를 연속적으로 함침하여 길게 절단한 열가소성 장섬유복합수지가 개발되어 널리 쓰이고 있다. 그러나 상기복합수지는 제조공정상의 특징으로 인하여 기재수지의 점도가 낮아야 하므로 압출성형 쉬트로서는 그 가공이 어렵고 물성의 개선효과도 크지 않으며 압출다이에 의한 다층후판쉬트의 가공이 매우 어렵다. 그러나 본 발명에서는 표피층에 함께 사용한 미세한 구형체가 관내에서 유동층의 전단응력을 감소시키는 효과로 인하여 다층 후판쉬트 성형시 쉽게 발생하는 계면유동불안정에 따른 파상변형이나 외부계면에 파상이 겹치는 형상 등의 불안정한 다층유동을 안정화 시키므로 열가소성 장섬유복합수지를 사용하여 압출 다층다이로 제조하는 것이 가능하며 그 결과 제품의 충격강도, 휨탄성율 및 선열팽창성 등이 현저히 개선되었다.

다층구조의 복합패널을 제조하는 방법에는 프레스몰딩에 의한 합성수지의 용융압착법, 멀티다이에 의한 라미네이션법, MULTIMANIFOLD DIE에 의한 성형법다이에서 나온 후 결합하는 멀티슬로트법등이 있으나 본 발명에서는 2개의 압출기가 있는 컴바이닝, 어댑터법 등의 다층 후판쉬트 성형설비를 사용하여 제조하였다. 세부성형방법은 다음과 같다.

상기제품은 표피층인 복합수지를 압출하는 1기의 압출설비와 발포층을 압출하는 1대의 압출기에서 용융 압출된 수지가 각각의 어댑터와 분배블럭을 거쳐 피드블럭에서 하나의 관내를 흐르는 3층의 유동상으로 합하여진 후 티다이로 압송되어 하나의 매니홀드 거쳐 일정한 성형폭 및 두께를 갖는 다층쉬트로 압출되는 피드블록 방식(컴바이닝 어댑터법 : 다이전결합법)의 다층 후판쉬트 성형설비를 통하여 생산된다. 전술한 방법으로 생산된 용융쉬트는 상하층의 냉각편판을 밀착하며 거치도록 인취하여 성형한다. 상하의 두 냉각평판의 간격은 제품의 최종 두께와 같도록 조절하였다. 폴리프로필렌수지와 일정량의 발포제 마스터배치를 섞은 혼합수지를 발포층 압출기를 통해 압출하거나 또는 상기 혼합물에 중공구형체를 일정량 혼합하여 압출하고, 유리석유 및 세라믹비드 복합수지를 각각의 충전제가 원하는 최종함량이 되는 비율로 섞어서 표피층으로 압출하였다. 상기의 방법으로 성형된 제품으로 각 물성측정용 시편 규격에 맞추어 절단하여 휨강도 및 충격강도를 측정하였다.

이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예들로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

사용원료

폴리프로필렌 : 밀도가 0.91g/cm³이며 용융흐름지수가 230℃에서 0.3g/10분인 호모 폴리프로필렌

발포제 : 중탄산나트륨과 시트릭산 등의 무기발포제를 함유하는 폴리에틸렌 마스터 배치인 대림산업제조 무기발포제 FAM230을 사용하였다.

충전제

유리단섬유:직경 0.1mm이하이며 3mm길이로서 폴리올레핀과 상요성 개선을 위하여 표면에 실란계 커플링제를 코팅한 단섬유 제품으로 본 실험에서는 오웬즈코닝사 제품번호 CS03∼754를 사용하였다.

세라믹비드 : 밀도 0.7g/cm³정도이며 입경범위가 0.02∼0.18mm이며 평균 입경이 0.115mm이며 전체지름에 대한 스킨의 두께비가 약 10%인 세라믹비드로서 그 화학 적조성은 55%, Sio₂, 43%Al₂O₃와 기타 Fe₂O₃, Tio₂로 이루어진 것이다.

유리장섬유복합수지 : 폴리프로필렌에 직경0.1mm 이하인 섬유다발을 연속적으로 펄투루젼하여 12mm길이로 펠렛팅한 복합수지로서 유리섬유함량이 50 중량%이며 밀도가 1.25g/cm³이며 용융흐름지수가 230℃에서 35g/10분인 CELSTRAN GRADE PPG50-03-4제품

[실시예 1－10]

표 1에서와 같이 표피층 및 중심층의 조성을 지닌 복합패널 수지조성물을 용융 압출 성형시켜 제조된 합판대체용 열가소성고분자 복합패널의 물성을 측정하였다. 그 결과 표 2에 나타내었다.

[표 1] 실시예의 층별조성비

[표 2] 실시예의 실험결과

[비교예 1－5]

표피층 및 중심층의 조성중 세라믹비드를 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 시험하였다. 표 3에서와 같이 표피층 및 중심층의 조성을 지닌 복합패널 수지조성물을 용융 압출 성형시켜 제조된 합판대체용 열가소성고분자 복합패널의 물성을 측정하였다. 그 결과 표 4에 나타내었다.

[표 3] 비교예의 층별조성비

[표 4] 비교예의 험결과

Claims

중심층의 패널은 열가소성수지 90∼97 중량%, 중공의 구형체 0∼9 중량% 및 발포제 0.1∼1 중량%를 함유한 수지조성물로 구성되고; 표피층의 패널은 열가소성수지 55∼90 중량%, 유리섬유, 울라스토나이트 등에서 선택된 침상형 충전제 10∼35 중량% 및 중공의 구형체 1∼15 중량%를 함유한 수지조성물로 구성된 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널.
제1항에 있어서, 열가소성수지는 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 고밀도에틸렌과 프로필렌의 공중합체, 프로필렌 단량체 성분이 70% 이상인 프로필렌과 α-올레핀으로 구성된 공중합체에서 선택된 수지임을 특징으로 하는 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널.
제1항에 있어서, 중공의 구형체는 세라믹비드, 유리비드 및 열경화성 고분자비드에서 선택된 1종 이상의 중공의 구형체임을 특징으로 하는 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널.
제3항에 있어서, 중심층의 패널은 중공의 구형체를 0.1∼7 중량% 함유함을 특징으로 하는 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널.
제1항에 있어서, 발포제는 중탄산나트륨과 구연산을 함유하는 무기발포제 또는 아조디카본아미드(ADCA)의 유기발포제 중에서 선택된 1종 이상의 발포제임을 특징으로 하는 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널.
제1항의 열가소성고분자 조성물을 표피층과 중심층을 각각 용융 압출하여 3층의 유동상으로 합하여진 후, 티다이로 압송시켜 하나의 메니홀드를 거쳐 일정한 성형폭과 두께를 갖는 3층 쉬트로 성형시킴을 특징으로 하는 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널의 제조방법.
제6항에 있어서, 표피층 패널의 유리섬유는 펄트루젼 방법에 의한 열가소성 장섬유 복합소재를 사용 혼합 용융 압출시킴을 특징으로 하는 3층 구조의 합판대체용 열가소성고분자 복합패널의 제조방법.

※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.