WO2010150992A2 - 버개스 복합재, 복합재 제조방법 및 이를 이용한 인테리어재 - Google Patents

버개스 복합재, 복합재 제조방법 및 이를 이용한 인테리어재 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a composite material which can manufacture interior materials, such as flooring, interior materials, furniture, soundproof walls, windows and the like that can replace the splint, more specifically, the fiber and thermoplastic polymer obtained from Bagasse (Bagasse) It relates to a composite material, a composite manufacturing method and an interior material using the same.
  • the conventional composite material is a plywood in the form of plywood and the wood or waste wood to be used to cut a thin wood, and then colored and dried on one side or both sides by attaching a film, etc. It is divided into MDF (Medium Density Fiber wood), which is made by crushing and adding a large amount of resin, followed by heat compression. MDF can be used by processing natural veneer veneer or vinyl veneer.
  • MDF Medium Density Fiber wood
  • a water resistant board using bagasse without using wood is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1995-080809 (1995.03.28).
  • the water-resistant board is to prepare a water-resistant board by mixing the 2-8cm fiber component and powder component obtained by pulverizing bagasse and melamine resin and / or phenol resin.
  • the water resistant board is formed by adhering the fiber and powder components to each other, rather than impregnating the melamine resin and / or the phenol resin for the adhesive to a large fiber (the impregnation of the fiber is large).
  • the water-resistant board is less durable than strength when the resin is impregnated in the fiber, and the adhesive strength of the melamine resin and / or phenol resin is degraded when exposed to a liquid for a long time, there is a problem that the board is easily broken or part is separated. .
  • the water-resistant board is stamped like a board by thermal compression molding, there is no variety in shape or form, and materials containing melamine resin and / or phenol resin are not recycled and thus are not environmentally friendly.
  • Another object of the present invention to provide an interior material, such as flooring, interior materials, furniture, soundproof walls, windows and the like using a composite material.
  • the composite of the present invention comprises 55-75% by weight fiber and 25-45% by weight thermoplastic polymer obtained from bagasse, the particle size of the fiber is 40-120 mesh, The ratio of diameters is 3: 1 to 5: 1.
  • the composite manufacturing method of the present invention is the step of drying the bagasse obtained as a by-product in the sugar cane sugar process to a bagasse having less than 5% by weight of water, put the processed bagasse on a conveyor belt equipped with a screen Removing the fiber and collecting only the fiber, adding water to the collected fiber, squeezing and softening the fiber, and pulverizing the softened fiber with a refiner; Melt mixing 55-75 wt% of the prepared fibers and 25-45 wt% of the thermoplastic polymer at a high temperature; And extruding the mixed fibrous polymer mixture.
  • the present invention also provides an interior material using the composite material.
  • the composite material of the present invention is environmentally friendly because it mainly uses bagasse, and since the main material, bagasse and thermoplastic polymer have excellent bonding strength and are formed at high density, the composite material has excellent strength and elasticity such as tensile strength, bending strength, impact strength, and swelling. The phenomenon does not occur. In addition, even when exposed to sunlight for a long time does not change color.
  • the composite material is not broken or cracked by strong external force, and the warpage phenomenon caused by swelling caused by liquid or sunlight such as rainwater and beverages does not occur.
  • the composite material of the present invention is similar to the natural texture and pattern of natural wood, light weight and convenient to transport and construction as well as less attack from pests can be used for a longer time than the composite using wood.
  • such a composite material can be melted and recycled, and it can manufacture a product that can replace various interior materials such as flooring, interior materials, furniture, soundproof walls, windows, and splint.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a composite manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a composite and a method for producing the same, which can be used as interior materials as well as being environmentally friendly and excellent in strength, including fibers and thermoplastic polymers obtained from Bagasse.
  • the composite of the present invention is characterized by comprising 55-75% by weight of fibers obtained from bagasse and 25-45% by weight of thermoplastic polymer.
  • the composite may also add additives in addition to the fibrous and thermoplastic polymers.
  • Bagus used in the present invention utilizes what is obtained as a by-product from the sugar cane sugar process. Bagasse means the residue left after weaving sucrose from the stalk of sugarcane and is white or slightly yellow.
  • bags are of sufficient value as raw materials to replace wood, fiber, etc.
  • the farm-based resources are used to improve the profitability and incineration of farms by using agricultural-based resources for the manufacture of composites replacing wood polymer composites.
  • bagasse obtained after the sugar cane sugar process is convenient to use because the density and volume is suitable for transport and storage.
  • the fiber used in the present invention is preferably used by grinding into fine powder, wherein the particle size of the fiber is 40-120 mesh (mesh), preferably 80-100 mesh (mesh).
  • the pulverized fibers are preferably in a ratio of length to diameter of 3: 1 to 5: 1.
  • the fibrous and thermoplastic polymers are melted at high temperatures to impregnate the thermoplastic polymers into the pores of the fibrous to produce a fibrous polymer mixture. Therefore, when the particle size of the fiber is less than 40 mesh, the particle size of the fiber is large, so that the blending of the fiber and the polymer is not made, and the polymer or the fiber particles may be pushed to one place, and the particle size exceeds 120 mesh. In the case of mixing the thermoplastic polymer with the fiber may not be impregnated with the thermoplastic polymer into the pores of the fiber.
  • the fiber has a length-to-diameter ratio of less than 3: 1, durability may be impaired because the polymer is not sufficiently impregnated into the fiber.
  • Thermoplastic polymers can be difficult to impregnate.
  • the fiber content obtained from the bagasse is 55-75% by weight, preferably 65-75% by weight. If the fiber content is less than 55% by weight, the amount of thermoplastic polymer is increased, which is not environmentally friendly. If the fiber content is more than 75% by weight, the amount of thermoplastic polymer is less, and the strength is lowered. Can be twisted.
  • thermoplastic polymer is selected from polypropylene (PP, polypropylene), polyethylene (PE, poly ethylene), polystyrene (PS, polystyrene), polyethylene terephthalate (PET, polyethylene terephthalate) and polyvinyl chloride (PVC, polyvinyl chloride) or 2 or more types. It is also possible to use waste plastics as thermoplastic polymers.
  • the additive is one or two or more selected from binders, antioxidants, UV stabilizers, UV absorbers, lubricants, mineral fillers, colorants, flame retardants, thermal stabilizers and blowing agents.
  • the present invention can be used to produce interior materials such as flooring, interior materials, furniture, soundproof walls, windows and the like using the composite material of the present invention, the type of the additive varies depending on the type of interior material.
  • the interior material includes both interior and exterior building materials.
  • 1-2 parts by weight of UV stabilizer 1-2 parts by weight of UV absorber, 2-4 parts by weight of colorant, 1-2 parts by weight of foaming agent are used based on 100 parts by weight of fibrous polymer.
  • 0.5-2 parts by weight of mineral filler, 2-4 parts by weight of flame retardant, and 2-4 parts by weight of binder may be used based on 100 parts by weight of the fibrous polymer.
  • 1-2 parts by weight of antioxidant In the case of manufacturing windows and doors, 1-2 parts by weight of antioxidant, 1-2 parts by weight of heat stabilizer, 2-4 parts by weight of flame retardant, lubricant, 1-2 parts by weight, and colorant 1-2 based on 100 parts by weight of fibrous polymer. Parts by weight may be used. However, the present invention is not limited thereto, and other additives may be additionally used in manufacturing the interior materials.
  • the binder is used to direct the binding force between the fibrous and the thermoplastic polymer
  • the antioxidant blocks the oxygen and ultraviolet rays and prevents discoloration
  • the UV stabilizer prevents the discoloration caused by UV
  • the UV absorber absorbs the UV Lubricant increases dispersion of fibrous powder.
  • mineral fillers prevent deformation due to impact, heat and load, colorants impart color to the product, flame retardants to provide heat-resistant products, and heat stabilizers to minimize thermal degradation during processing and use.
  • the blowing agent serves to foam the fiber.
  • the composite material of the present invention can be reused because it can be melted and reused.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a composite manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the composite manufacturing method of the present invention is a manufacturing step of the fiber (S110), melt-mixing the prepared fiber 55-75% by weight and the thermoplastic polymer 25-45% by weight at a high temperature (S120) and Extruding the mixed fibrous polymer mixture (S130);
  • the fiber manufacturing step (S110) is a step of drying the bagasse obtained as a by-product in the sugar cane sugar process to a bagasse having a water content of less than 5% by weight, placing the processed bagasse on a conveyor belt equipped with a screen Removing and collecting only the fibers, adding water to the collected fibers, squeezing and softening them, and pulverizing the softened fibers with a refiner.
  • a step of adding an additive may be added between steps S120 and S130.
  • the fiber is obtained from bagasse.
  • bagasse contains about 20-40% by weight of water immediately after the sugar process, but in the present invention, the water content of bagasse is less than 5% by weight in order to separate the fiber into the wick and the fiber. If the water content is 5% by weight or more, the wick may be difficult to obtain by separating the fiber only by attaching to the fiber, and bubbles are generated inside the composite material and the quality of the product is degraded.
  • the bagasse which is dried to less than 5% by weight of water, separates into wicks and fibers as it moves on a conveyor belt equipped with a screen.
  • screens On the conveyor belts, screens of 4.0-6.0 mm in size are installed so that the wick falls below 90% through the screen and the fibers do not pass through the screen but move along the conveyor belt and are collected in one place.
  • the wick separated through the screen is about one third of bagasse and about two thirds of fiber.
  • the screen should be provided with a mesh sized to pass the wick but not to the fibres, preferably 4.0-6.0 mm in size.
  • the screen is mounted on the conveyor belt and the mounting method is not particularly limited.
  • Conveyor belts usually tend to shake slightly, which is advantageous for the bagasse to separate into the wick and the fibers. However, when placing the bagasse on the conveyor belt, it is preferable to shake it slightly and then to separate the wick and the fiber.
  • Fiber separated as above is washed with a sufficient amount of water. This is to remove dust contained in the fiber and foreign matters such as sugar attached to the fiber after sugar, can be selectively carried out according to the state of bagasse and the number of repetitions can be adjusted. Conventionally, the cleaning process by chemicals is required, but in the present invention, water is sufficient. After washing, water and fiber are collected separately to perform the next step, and the water used for washing is later recycled for filtration through filtration.
  • the content of water is not particularly limited, but it is preferable when it is added so that the weight ratio of fiber to water is about 1: 1.
  • the water keeps the fibers moist, enabling softening without the use of chemicals.
  • the water used at this stage can also be recycled.
  • the means for softening is not particularly limited, but wood equipment such as wood mortar and the like is preferable to using metal equipment. Straining with metals can cause fiber to be badly damaged or compressed and crushed.
  • the soft nitridation pressure may be carried out at 1-2 kgf / cm 2 depending on the amount of fiber.
  • the softened fibers are squeezed out of water and ground with a refinery such that the particle size is 40-120 mesh and the ratio of length to diameter is 3: 1 to 5: 1.
  • Refiners can be used that is commonly used in the art. In general, when the wood is crushed, the refiner is operated in the forward direction, but in the present invention, it is more preferable to operate in the reverse direction in order to make the fiber swell better.
  • baggars are hard, they are softened when they are absorbed with sufficient water, and in the refining machine, the fiber is swelled more by rotating in the opposite direction, such as in the reverse direction, so that the direction of the disk can be twisted rather than in the forward direction. Or loosen it, it can act to strengthen the bond between the fibers. Therefore, as the fiber swells a lot, the bonding strength between the fibers increases when the composite is made, so that the tensile strength is excellent.
  • the fibrous polymer mixture is prepared by melt mixing 55-75 wt% of the fiber prepared in step S110 and 25-45 wt% of the thermoplastic polymer at a high temperature of 150-200 ° C.
  • the fibrous polymer mixture thus prepared is impregnated with a thermoplastic polymer between the inflated fibrous pores, thereby increasing the bonding strength between the fibrous and the thermoplastic polymer, thereby producing a high density fibrous polymer mixture.
  • the fibrous polymer mixture prepared in step S120 is extruded through a thermocompression process for 15-20 minutes at a pressure of 20-25 kgf / cm 2 under a temperature of 130-140 ° C. to obtain a composite material.
  • the composite material thus obtained can be obtained with internal or external interior materials for a desired use by maintaining the shape by cooling with cooling water after molding according to the molding structure.
  • step S120 may include adding an additive according to the type of interior material.
  • the bagasse is processed to a water content of 15% by weight and the bag is placed on a conveyor belt equipped with a 6.0 mm screen to remove the shims. This filters only fibers larger than 6.0 mm in size and separates the remaining fine fibers and seams. The fiber is two thirds of the bagasse. The fiber thus obtained is cut to 3 cm and then washed to remove residual sugar and dust. The finished fiber was washed with water at a rate of 2 kgf / cm 2 for 5 minutes with water at a ratio of 1: 1. By squeezing and compacting, it becomes a soft fiber.
  • the equipment uses wood mortar instead of metal equipment.
  • the softened fiber is ground in a beating process using a refiner.
  • the swelling of the fiber is pulverized in the reverse direction rather than the forward direction.
  • the particle size of the pulverized fiber is 90 mesh and the ratio of length to diameter is 4: 1.
  • 70 g of the fiber and 30 g of the polypropylene thus obtained were melt mixed at 170 ° C., and extruded at 140 ° C. at a pressure of 20 kgf / cm 2 for 20 minutes to prepare a composite material.
  • the composite material was prepared in the same manner as in Example 1, but before the extrusion, 1 g of UV stabilizer, 2 g of UV absorber, 4 g of colorant, and 2 g of blowing agent were added.
  • the composite material was prepared by the same method as Example 1, but adding 2 g of mineral filler, 3 g of flame retardant, and 3 g of binder before extrusion.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, but using a fiber having a particle size of 160 mesh to prepare a composite material.
  • the composite material was prepared in the same manner as in Example 1, using fibers having a length to diameter ratio of 6: 1.
  • Example 2 The same method as in Example 1 was carried out, but the composite was prepared using 70 g of wood instead of fiber.
  • Tensile strength (MPa): Measurement of tensile strength by KS M 3006 (Plastic Tensile Testing Method) (reference value: 12 MPa or more).
  • Bending Strength Bending strength measurement according to KS M ISO 178 (Plastic Bending Test Method) (reference value: 61 ⁇ 82MPa or more).
  • Flexural modulus (MPa): Bending elastic modulus measurement according to KS M ISO 178 (Plastic Bending Test Method) (reference value: 2100 MPa or more).
  • Absorption rate (%): Measurement of water absorption rate according to KS M 3015 (Plastic General Test Method) (reference value: 3% or less).
  • Impact strength (kg cm / cm 2): Impact strength measurement by KS M 3055 (Plastic-Izod impact strength test method) (reference value: 12 kg cm / cm 2 or more).
  • Rate of dimensional change in wet (%): Measurement of dimensional change in wet by KS F 3126 (Testing method of dimensional wood floorboard dimensional change) (Standard value: 0.3% or less in the longitudinal direction, 2% or less in the thickness direction).
  • Table 1 below is a table comparing the test examples of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
  • Examples 1 to 3 are not only excellent in strength and elasticity such as tensile strength, bending strength, impact strength, but also have little dimensional change rate, so that swelling does not occur.
  • Comparative Examples 1 and 2 the strength and elastic modulus are lowered if the particle size and length-to-diameter ratio of the fiber according to the present invention are not followed, and the composite is bent or stretched due to the high dimensional change rate.
  • the durability of the composite material is inferior as the absorption rates of Comparative Examples 1 to 3 are higher than those of Examples 1 to 3.
  • Comparative Example 3 was a composite using wood as compared to the composite using fiber obtained from bagasse. This yellowing was confirmed to change.

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Abstract

본 발명은 버개스 복합재, 복합재 제조방법 및 이를 이용한 인테리어재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버개스로부터 얻으며, 입자크기가 40-120 메쉬이고 길이 대 직경의 비가 3:1 내지 5:1인 섬유질 55-75 중량% 및 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 포함함으로써 강도가 우수하고 팽윤현상이 일어나지 않는 복합재를 얻는다. 또한 본 발명의 복합재는 천연목재의 자연질감 및 무늬와 유사하며, 이러한 복합재로 다양한 인테리어재와 외부에 사용되는 방부목을 대체할 수 있는 모든 제품을 제조할 수 있다.

Description

버개스 복합재, 복합재 제조방법 및 이를 이용한 인테리어재
본 발명은 바닥재, 내장재, 가구재, 방음벽, 창호 등의 인테리어재와 방부목을 대체 할 수 있는 제품을 제조할 수 있는 복합재에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 버개스(Bagasse)로부터 얻은 섬유질과 열가소성 폴리머를 포함하는 복합재, 복합재 제조방법 및 이를 이용한 인테리어재에 관한 것이다.
최근 천연목재에 대한 소비자의 선호도가 크게 증가하고 있으며, 또한 천연목재의 벌목에 따른 이산화탄소 증가에 대한 환경파괴 우려가 증폭되면서 천연목재를 대체할 수 있는 소재 개발에 대한 목소리가 높아지고 있다. 특히, 천연목재의 수요가 많은 건축자재의 경우가 더욱 그러하다.
이러한 배경에서 최근 천연목재와 유사한 질감과 외관을 가진 복합재에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다.
그리하여 목재를 적게 사용하거나 비목재의 복합재에 대하여 제안되었다. 예컨대 종래의 복합재는 원목을 얇게 자른 다음 일측면이나 양측면에 착색하여 건조시키고 접착제를 이용하여 필름 등을 부착하여 건조시킨 다음 소정 길이로 절단하여 사용하도록 구비된 합판형태와, 원목이나 폐목을 가루로 분쇄한 다음 다량의 수지를 첨가한 후 가열 압착시켜 만드는 MDF(Medium Density Fiber wood)로 구분된다. MDF는 천연 무늬목이나 비닐 무늬목을 부착시켜 용도에 맞게 가공해서 사용할 수 있다.
그러나 이러한 복합목재는 접착제에 포함된 유해물질로 인하여 환경을 오염시킨다. 또한 MDF는 무늬목과 판제간에 수축 팽창이 일어나며, 외부 수분 등의 영향으로 인해 부착된 무늬목이 분리되고, 갈라지거나 부패가 되는 문제점이 있다.
또한 목재를 사용하지 않고 버개스를 이용한 내수성 보드가 일본공개특허 제1995-080809호(1995. 03. 28)에 개시되어 있다. 상기 내수성 보드는 버개스를 분쇄하여 얻은 2-8㎝의 섬유성분 및 분말성분과 멜라민 수지 및/또는 페놀수지를 혼합하여 내수성 보드를 제조하는 것이다. 하지만 상기 내수성 보드는 접착제용인 멜라민 수지 및/또는 페놀 수지가 크기가 큰 섬유질에 함침(섬유질의 크기가 크므로 함침불가능)되는 것이 아니라 섬유질과 분말성분을 서로 접착시켜 형성된다. 따라서 상기 내수성 보드는 섬유질에 수지가 함침되는 경우에 비하여 강도 등의 내구성이 떨어지고, 액체 등에 장시간 노출시 멜라민 수지 및/또는 페놀 수지의 접착력이 저하되어 보드가 쉽게 부러지거나 일부분이 떨어져 나가는 문제가 있다. 또한 상기 내수성 보드는 열압축성형을 하여 판자처럼 찍어내므로 모양이나 형태에 다양성이 없으며, 멜라민 수지 및/또는 페놀 수지가 섞인 재료는 재활용이 불가능하여 친환경적이지 못하다.
따라서 목재를 사용하지 않으면서, 뒤틀림이 적고 강도가 우수할 뿐만 아니라 친환경적이며 햇빛에 노출되더라도 색변화가 없는 복합재에 대한 연구가 필요한 상황이다.
본 발명의 목적은 강도가 우수하고 깨짐, 갈라짐, 뒤틀림 현상 등의 형태변화 및 색변화 없이 안전하게 오랜 기간 사용할 수 있는 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 복합재를 이용하여 바닥재, 내장재, 가구재, 방음벽, 창호 등의 인테리어재를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 복합재는 버개스로부터 얻은 섬유질 55-75 중량% 및 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 포함하며, 상기 섬유질의 입자크기는 40-120 메쉬이며, 섬유질의 길이 대 직경의 비는 3:1 내지 5:1이다.
또한 본 발명의 복합재 제조방법은 사탕수수 제당공정에서 부산물로 얻은 버개스를 건조시켜 물의 함량이 5 중량% 미만인 버개스로 가공하는 단계, 가공된 버개스를 스크린이 장착된 컨베이어 벨트에 올려놓아 심지를 제거하고 섬유질만을 수집하는 단계, 수집된 섬유질에 물을 넣고 찧어 연질화시키는 단계, 및 연질화된 섬유질을 정련기로 분쇄하는 단계를 포함하는 섬유질의 제조단계; 제조된 섬유질 55-75 중량%와 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 고온에서 용융 혼합하는 단계; 및 혼합된 섬유질 폴리머 혼합물을 압출하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 복합재를 사용하는 인테리어재를 제공한다.
본 발명의 복합재는 버개스를 주로 사용하므로 친환경적이며, 주재료인 버개스와 열가소성 폴리머가 결합력이 우수하고 고밀도로 형성되므로 인장강도, 굽힘강도, 충격강도 등의 강도 및 탄력성이 우수할 뿐만 아니라, 팽윤현상이 일어나지 않는다. 또한 오랜 시간 햇빛에 노출되더라도 색변화가 발생하지 않는다.
이러한 기계적 특성으로 인하여 복합재는 강한 외부의 힘에 의해서 깨지거나 갈라지지 않으며, 빗물 및 음료와 같은 액체 또는 햇빛 등에 의한 팽윤현상으로 발생하는 뒤틀림 현상이 발생하지 않는다.
또한 본 발명의 복합재는 천연목재의 자연질감 및 무늬와 유사하며, 무게가 가벼워 운반 및 시공이 편리할 뿐만 아니라 해충으로부터 공격을 적게 받으므로 목재를 이용한 복합재에 비하여 오랜 기간 사용할 수 있다.
또한 이러한 복합재는 녹여서 재활용할 수 있으며, 바닥재, 내장재, 가구재, 방음벽, 창호 등의 다양한 인테리어재 및 방부목을 대체 할 수 있는 제품을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 제조방법을 도시한 블록도이다.
본 발명은 버개스(Bagasse)로부터 얻은 섬유질과 열가소성 폴리머를 포함하여 친환경적이며 강도가 우수할 뿐만 아니라 인테리어재로 이용할 수 있는 복합재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 복합재는 버개스로부터 얻은 섬유질 55-75 중량% 및 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 복합재는 섬유질 및 열가소성 폴리머 외에 첨가제를 추가로 첨가할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 버개스는 사탕수수 제당공정에서 부산물로 얻은 것을 활용한다. 버개스(bagasse)는 사탕수수의 줄기(대)에서 자당(蔗糖)을 짜고 남은 찌꺼기를 의미하는 것으로서, 백색 또는 약간 노란색을 띈다.
이러한 버개스는 목재, 섬유 등을 대체할 원료로 충분한 가치가 있으며, 특히 목재로 제조되는 합성목재(wood polymer composite)를 대체하는 복합재의 제조용으로 농산물계 자원을 활용함으로써 농장의 수익성을 향상시키고 소각으로 인한 대기오염을 줄이는데 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 사탕수수 제당공정 후 수득된 버개스는 밀도와 부피가 수송과 저장에 적합하여 사용하기 편리하다.
본 발명에 사용되는 섬유질은 미세한 가루로 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하며, 이때 섬유질의 입자크기는 40-120 메쉬(mesh), 바람직하게는 80-100 메쉬(mesh)이다. 이렇게 분쇄된 섬유질은 길이 대 직경의 비가 3:1 내지 5:1인 것이 바람직하다.
섬유질과 열가소성 폴리머는 고온에서 용융되어 섬유질의 기공 내로 열가소성 폴리머가 함침됨으로서 섬유질 폴리머 혼합물이 제조된다. 그렇기 때문에 상기 섬유질의 입자크기가 40 메쉬 미만인 경우에는 섬유질의 입자크기가 크므로 섬유질과 폴리머간의 배합이 이루어지지 않아 한 곳으로 폴리머 또는 섬유질 입자의 밀림현상이 발생할 수 있으며, 입자크기가 120 메쉬 초과인 경우에는 섬유질과 열가소성 폴리머를 혼합 시 섬유질의 기공 내로 열가소성 폴리머가 함침되지 못할 수 있다.
또한 섬유질이 길이 대 직경의 비가 3:1 미만인 경우에는 섬유질 내로 충분히 고분자물질이 함침되지 못하기 때문에 내구성이 떨어질 수 있으며, 길이 대 직경의 비가 5:1 초과인 경우에는 길이가 길기 때문에 섬유질 기공 내로 열가소성 폴리머가 함침되기 어려울 수 있다.
상기 버개스로부터 얻은 섬유질의 함량은 55-75 중량%, 바람직하게는 65-75 중량%이다. 이때 섬유질의 함량이 55 중량% 미만은 경우에는 열가소성 폴리머의 사용량이 증가되어 친환경적이지 못하며, 섬유질의 함량이 75 중량% 초과인 경우에는 열가소성 폴리머의 사용량이 적어 강도가 저하되며, 물에 노출될 경우 뒤틀릴 수 있다.
상기 열가소성 폴리머는 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리에틸렌(PE, poly ethylene), 폴리스틸렌(PS, polystyrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate) 및 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride) 중에서 선택된 하나 또는 2종 이상이다. 또한 열가소성 폴리머로 폐플라스틱을 사용할 수도 있다.
또한 섬유질과 열가소성 폴리머로 제조되는 섬유질 폴리머 혼합물에 첨가제를 추가할 수 있으며, 첨가제의 함량은 섬유질 폴리머 100 중량부에 대하여 8-10 중량부이다.
첨가제는 결합재, 항산화제, UV안정제, UV흡수제, 윤활제, 미네랄 충전제, 착색제, 내염제, 열안정제 및 발포제 중에서 선택되는 하나 또는 2종 이상이다. 본 발명은 본 발명의 복합재를 사용하여 바닥재, 내장재, 가구재, 방음벽, 창호 등의 인테리어재를 제조할 수 있는데, 이때 인테리어재의 종류에 따라 첨가제의 종류가 달라진다. 상기 인테리어재는 건물내부 또는 건물외부 인테리어재를 모두 포함한다.
예컨대 본 발명의 복합재로 바닥재를 제조하는 경우에는 섬유질 폴리머 100 중량부에 대하여 UV안정제 1-2 중량부, UV흡수재 1-2 중량부, 착색제 2-4 중량부, 발포제 1-2 중량부를 사용하며, 내장재, 가구재 및 방음벽를 제조하는 경우에는 섬유질 폴리머 100 중량부에 대하여 미네랄 충전제 0.5-2 중량부, 내염제 2-4 중량부, 결합제 2-4 중량부를 사용할 수 있다. 또한 창호를 제조하는 경우에는 섬유질 폴리머 100 중량부에 대하여 항산화제 1-2 중량부, 열안정제 1-2 중량부, 내염제 2-4 중량부, 윤활제, 1-2 중량부, 착색제 1-2 중량부를 사용할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니고 상기 인테리어재 제조 시 다른 첨가제가 추가로 사용될 수 있다.
상기 첨가제에서 결합제는 섬유질과 열가소성 폴리머의 결합력을 향성하기 위하여 사용되며, 항산화제는 산소 및 자외선을 차단하고 변색을 방지하고, UV안정제는 UV로 인한 변색을 방지하며, UV흡수재는 UV를 흡수하고, 윤활제는 미세 가루인 섬유질의 분산을 증대시킨다. 또한 미네랄 충전제는 충격, 열 및 하중에 의한 변형을 방지하며, 착색제는 제품에 색을 부여하고, 내염제는 열에 강한 제품을 제공하기 위한 것이며, 열안정제는 가공 및 사용중에 열에 의한 분해를 최소화하고, 발포제는 섬유질을 발포시키는 역할을 한다.
본 발명의 복합재는 녹여서 다시 사용할 수 있으므로 재활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재 제조방법을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합재 제조방법은 섬유질의 제조단계(S110), 제조된 섬유질 55-75 중량%와 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 고온에서 용융 혼합하는 단계(S120) 및 혼합된 섬유질 폴리머 혼합물을 압출하는 단계(S130)를 포함하며; 상기 섬유질 제조단계(S110)는 사탕수수 제당공정에서 부산물로 얻은 버개스를 건조시켜 물의 함량이 5 중량% 미만인 버개스로 가공하는 단계, 가공된 버개스를 스크린이 장착된 컨베이어 벨트에 올려놓아 심지를 제거하고 섬유질만을 수집하는 단계, 수집된 섬유질에 물을 넣고 찧어 연질화시키는 단계 및 연질화된 섬유질을 정련기로 분쇄하는 단계를 포함한다. 또한 S120단계와 S130 단계 사이에 첨가제를 참가하는 단계를 추가할 수 있다.
섬유질을 제조하는 단계(S110)에서 섬유질은 버개스로부터 얻어진다. 일반적으로 버개스는 제당공정 직후에는 물을 20-40 중량% 정도 포함하고 있으나 본 발명에서 심지(속대)와 섬유질로 분리하기 위해서는 버개스의 물 함량을 5 중량% 미만으로한다. 물의 함량이 5 중량% 이상인 경우에는 심지가 섬유질에 붙어서 섬유질만을 분리하여 얻는데 어려울 수 있으며, 복합재 내부에 기포가 발생하여 제품의 질이 저하된다.
물의 함량이 5 중량% 미만으로 건조된 버개스는 스크린이 장착된 컨베이어 벨트에서 이동하면서 심지와 섬유질로 분리된다. 컨베이어 벨트 상에는 크기가 4.0-6.0 mm인 스크린이 설치되어 있어 심지는 스크린을 통과하여 90 % 이상 아래로 떨어지고 섬유질은 스크린을 통과하지 못하고 컨베이어 벨트를 따라 이동하여 한 곳에 수집된다. 스크린을 통해 분리된 심지는 버개스의 약 1/3, 섬유질은 약 2/3이다.
스크린은 심지는 통과하고 섬유질은 통과하지 못하는 크기의 망목을 구비한 것이어야 하며, 위와 같이 크기가 4.0-6.0 mm인 것이 바람직하다. 스크린은 컨베이어 벨트 상에 장착되며 장착 방법은 특별히 한정되지 않는다.
컨베이어 벨트는 통상 약간 흔들리는 경향이 있어 버개스가 심지와 섬유질로 분리되는데 유리하다. 그러나 버개스를 컨베이어 벨트 상에 올려 놓을 때에는 약간 흔든 후 올려 놓는 것이 심지와 섬유질의 분리를 위해 보다 바람직하다.
위와 같이 분리된 섬유질은 충분한 양의 물로 세척된다. 이는 섬유질에 포함된 먼지와 제당 후 섬유질에 붙어있는 당분 등의 이물질을 제거하기 위한 것이며, 버개스의 상태에 따라 선택적으로 수행할 수 있고 그 반복 횟수도 조절할 수 있다. 종래에는 화학 약품에 의한 세척과정이 필요했으나 본 발명에서는 물로도 충분하다. 세척 후에는 물과 섬유질을 따로 모아서 다음 단계를 수행하며, 세척을 위해 사용된 물은 추후에 필터링을 통해 세척용으로 재활용된다.
이물질이 제거된 섬유질에 물을 다시 넣고 찧고 다지는 과정을 거쳐 연질화시킨다. 물의 함량은 특별히 한정되지 않으나 섬유질 대 물의 중량비가 약 1 : 1이 되도록 넣는 것이 찧을 때 바람직하다. 연질화 과정에서 물은 섬유질을 축축한 상태로 만들어 화학 약품을 사용하지 않고도 연질화가 가능하게 하는 역할을 한다. 이 단계에서 사용된 물도 역시 재활용이 가능하다.
연질화를 위한 수단은 특별히 한정되지 않으나, 금속류 장비를 이용하는 것보다는 나무로 된 장비, 예컨대 나무 절구 등이 바람직하다. 금속류로 찧게되면 섬유질이 심하게 상하거나 압축되어 찌그러질 수 있다. 연질화 압력은 섬유질의 양에 따라 1-2 ㎏f/㎠에서 수행할 수 있다.
연질화된 섬유질은 물을 짜내고 정련기(refinery)로 입자크기가 40-120 메쉬이면서 길이 대 직경의 비가 3:1 내지 5:1이 되도록 분쇄한다. 정련기는 당업계에서 통상 사용되는 것을 사용할 수 있다. 통상 목재를 분쇄할 때는 정련기를 정방향으로 가동시키나 본 발명에서는 섬유질이 보다 잘 부풀어오르도록 하기 위해 역방향으로 가동하는 것이 보다 바람직하다.
버개스는 경질의 성격이므로 충분한 양의 물을 흡수한 상태에서 다지게 되면 연질화가 되고, 정련기안에서 디스크의 방향이 정방향 보다는 섬유질이 뒤틀릴 수 있도록 반대방향, 예컨대 역방향으로 회전시킴으로써 섬유질이 더 많이 부풀거나 풀어 헤치게 되어 섬유간에 결합을 강하게 만들어 주는 역할을 할 수 있다. 따라서 섬유질이 많이 부풀어오를수록 복합재로 만들 때 섬유질 사이의 결합력이 증대되어 인장강도가 우수해진다.
섬유질과 열가소성 폴리머를 혼합하는 단계(S120)는 S110 단계에서 제조된 섬유질 55-75 중량%와 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 150-200 ℃의 고온에서 용융 혼합시켜 섬유질 폴리머 혼합물을 제조한다. 이렇게 제조된 섬유질 폴리머 혼합물은 부풀어진 섬유질의 기공 사이로 열가소성 폴리머가 함침되어 섬유질과 열가소성 폴리머간의 결합력이 증대되며, 고밀도의 섬유질 폴리머 혼합물을 제조할 수 있다.
섬유질 폴리머 혼합물을 압출하는 단계(130)는 S120 단계에서 제조된 섬유질 폴리머 혼합물을 130-140 ℃의 온도 하에서 20-25 kgf/㎠의 압력으로 15-20분간 열압과정으로 거쳐 압출하여 복합재를 얻는다. 이렇게 얻은 복합재는 성형구조에 따라 성형 후 냉각수로 냉각하여 형태를 유지함으로써 원하는 용도의 내부 또는 외장용 인테리어재를 얻을 수 있다.
상기 S120 단계 이후에 인테리어재의 종류에 따라 첨가제를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1.
버개스를 물의 함량이 15 중량%가 되도록 가공한 후 크기가 6.0 mm인 스크린이 장착된 컨베이어 밸트에 버개스를 올려놓아 심을 분리한다. 그러면 크기가 6.0 mm 초과인 섬유질만 걸러지고 나머지 잔섬유와 심은 분리된다. 이때 섬유질은 버개스의 2/3만큼이다. 이렇게 얻어진 섬유질을 3 cm로 절단한 후 잔류하고 있는 당분과 먼지를 제거하기 위해 세척을 한다. 세척을 마친 섬유질은 1 : 1의 비율로 물과 함께 5분 동안 2 ㎏f/㎠압력으로 찧고 다짐으로써 연질의 섬유질이 된다. 이때 장비는 금속류 장비 대신에 나무절구를 이용한다.
그 후 연질화된 섬유질을 고해공정으로 정련기를 이용하여 섬유를 분쇄한다. 이때 섬유질의 부풀기를 더 하기위해 정방향이 아닌 역방향으로 분쇄한다. 이렇게 분쇄된 섬유질의 입자크기는 90 메쉬이고, 길이 대 직경의 비는 4:1이다.
이렇게 얻은 섬유질 70g과 폴리프로필렌 30g을 170 ℃에서 용융혼합한 후 140 ℃하에서 20 kgf/㎠의 압력으로 20분간 압출하여 복합재를 제조하였다.
실시예 2.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실행하되, 압출하기 전에 UV안정제 1 g, UV흡수재 2 g, 착색제 4 g, 발포제 2 g를 첨가하여 복합재를 제조하였다.
실시예 3.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실행하되, 압출하기 전에 미네랄 충전제 2g, 내염제 3g, 결합제 3g을 첨가하여 복합재를 제조하였다.
비교예 1.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실행하되, 입자크기가 160 메쉬인 섬유질을 사용하여 복합재를 제조하였다.
비교예 2.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실행하되, 길이 대 직경의 비가 6:1인 섬유질을 사용하여 복합재를 제조하였다.
비교예 3.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실행하되, 섬유질 대신에 목재를 70 g 사용하여 복합재를 제조하였다.
시험예.
인장강도(MPa): KS M 3006(플라스틱 인장성 시험방법)에 의한 인장강도 측정(기준값: 12MPa이상).
굽힘강도(MPa): KS M ISO 178(플라스틱 굽힘성 시험방법)에 의한 굽힘강도 측정(기준값: 61~82MPa이상).
굽힘 탄성률(MPa): KS M ISO 178(플라스틱 굽힘성 시험방법)에 의한 굽힘탄성률 측정(기준값: 2100MPa이상).
흡수율(%): KS M 3015(플라스틱 일반 시험방법)에 의한 수분의 흡수율 측정(기준값: 3%이하).
충격강도(㎏㎝/㎠): KS M 3055(플라스틱-아이조드 충격강도 시험방법)에 의한 충격강도 측정(기준치: 12㎏㎝/㎠이상).
습윤시 치수변화율(%): KS F 3126(치장 목질 마루판 치수변화율 시험방법)에 의한 습윤시 치수변화율 측정(기준값: 길이방향으로 0.3%이하, 두께방향으로 2%이하).
하기 표 1은 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3의 시험예를 비교한 표이다.
표 1
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
인장강도(MPa) 15.1 15.4 15.1 7.1 8.8 4.4
굽힘강도(MPa) 80.8 81.0 79.8 56.1 55.2 47.9
굽힘탄성률(MPa) 3244 3256 3237 2018 1904 1895
흡수율(%) 1.3 1.3 1.4 3.1 3.5 3.9
충격강도(㎏㎝/㎠) 13.8 13.7 13.8 10.1 9.2 9.5
습윤시 치수변화율(%) 길이반향 0.01 0.01 0.01 0.4 0.5 0.9
두께방향 0.1 0.15 0.1 1.5 2.2 2.7
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 인장강도, 굽힘강도, 충격강도 등의 강도 및 탄력성이 우수할 뿐만 아니라, 치수 변화율이 거의 없으므로 팽윤현상이 일어나지 않는다.
반면, 비교예 1 및 2와 같이 본 발명의 실시예에 따른 섬유질의 입자크기와 길이 대 직경의 비를 따르지 않으면 강도 및 탄성률이 저하되며, 치수 변화율이 높아 복합재가 휘거나 늘어지는 것을 확인하였다. 또한 실시예 1 내지 3에 비하여 비교예 1 내지 3의 흡수율이 높은 것으로 보아 복합재의 내구성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
또한 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 복합재를 30일 동안 UV에 노출시킨 후 색변화를 육안으로 관찰한 결과, 버개스로부터 얻은 섬유질을 이용한 복합재에 비하여 목재를 사용한 복합재인 비교예 3이 점점 누렇게 변화되는 것을 확인하였다.

Claims (12)

  1. 버개스로부터 얻으며 입자크기가 40-120 메쉬인 섬유질 55-75 중량% 및 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 포함하여 상기 섬유질 내로 상기 열가소성 폴리머가 함침되며, 상기 함침된 섬유질 폴리머 혼합물 100 중량부에 대하여 결합제가 2 내지 4 중량부로 포함되는 복합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유질이 65-75 중량%이고 상기 열가소성 폴리머가 25-35 중량%인 복합재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 섬유질의 입자크기는 80-100 메쉬인 복합재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유질은 길이 대 직경의 비가 3:1 내지 5:1인 복합재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 폴리머는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리염화비닐로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인 복합재.
  6. 제1항에 있어서, 항산화제, UV안정제, UV흡수제, 윤활제, 미네랄 충전제, 착색제, 내염제, 열안정제 및 발포제로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상과 상기 결합제가 상기 섬유질 폴리머 혼합물 100 중량부에 대하여 8-10 중량부로 더 추가되는 복합재.
  7. 사탕수수 제당공정에서 부산물로 얻은 버개스를 건조시켜 물의 함량이 5 중량% 미만인 버개스로 가공하는 단계, 가공된 버개스를 스크린이 장착된 컨베이어 벨트에 올려놓아 심지를 제거하고 섬유질만을 수집하는 단계, 수집된 섬유질에 물을 넣고 찧어 연질화시키는 단계, 및 연질화된 섬유질을 정련기로 분쇄하는 단계를 포함하는 섬유질의 제조단계;
    제조된 섬유질 55-75 중량%와 열가소성 폴리머 25-45 중량%를 고온에서 용융 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합된 섬유질 폴리머 혼합물을 압출하는 단계를 포함하는 복합재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 섬유질을 수집하는 단계에서 사용되는 스크린은 크기가 4.0-6.0 mm인 것인 복합재의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 섬유질을 분쇄하는 단계는 정련기의 역방향으로 수행되는 복합재의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 섬유질과 열가소성 폴리머를 용융 혼합하는 단계에서 온도는 150-200 ℃인 복합재의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 섬유질 폴리머 혼합물을 압출하는 단계에서 압출은 20-25 kgf/㎠의 압력, 130-140 ℃의 온도에서 15-20분간 진행하는 복합재의 제조방법.
  12. 제1항의 복합재를 포함하는 인테리어재.
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