KR20120086466A - 경량 목재-플라스틱 복합재 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

경량 목재-플라스틱 복합재 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 최종 제품의 경량화를 위해 발포된 목재-플라스틱 복합재 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 목분 또는 목섬유 15 내지 50 중량%, 합성수지 20 내지 60 중량%, 무기계 발포제 40 내지 70 중량%를 포함하는 수지 복합체를 원료로 포함하여 형성된 발포 비드를 포함하는 발포내층; 및 상기 발포내층을 표면 처리하여 형성된 표면층;을 포함하며, 상기 발포내층과 표면층이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재를 제공한다. 상기 표면 처리는 상기 발포내층에 가열 및 가압하여 발포내층의 표면부를 용융 및 압착하는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재는 물성이 강화되어 내구성이 우수한 특성이 있다. 마지막으로 본원 발명의 목재-플라스틱 복합재는 무기계 발포제로 사용하여 발포시킨 발포비드를 사용하여 제조되기 때문에 공극의 크기가 작고 균일하며 물성이 저하되지 않은 경량화 제품의 생산이 가능하다.

Description

경량 목재-플라스틱 복합재 및 이를 제조하는 방법{LIGHTWEIGHT WOOD-PLASTIC COMPOSITE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 내외장재용 및 구조재용 목재-플라스틱 복합재에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 최종 제품의 경량화를 위해 발포된 목재-플라스틱 복합재 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.
목재-플라스틱 복합재(Wood Plastic Composit)는 목분 또는 목섬유 등의 천연 소재와 열가소성 합성수지를 혼합하여 성형한 복합 소재로서 마이크론 단위의 미세한 목분 또는 목섬유를 합성 수지가 둘러싸며 결합한 것으로서 천연 목재의 장점과 합성 수지의 장점을 모두 가지고 있다. 이러한 목재-플라스틱 복합소재는, 습기 등 외부 환경에 의한 변형이 심한 목재에 비해 내습성, 내열성, 인장강도, 휨강도 등 천연 목재에 비해 매우 우수한 내구성을 갖는다.
상기 목재-플라스틱 복합재는 변형이 없으며 목재와 같은 방부처리가 필요하지 않고 규격화된 공산품으로 제조할 수 있어 가공성이 높고 일반 방부목 또는 목자재에 비해 별도의 도장이나 관리가 필요하지 않고, 일반 합성수지에 비해서 우수한 천연 질감을 나타내고 있어 최근 건축용 내장재 및 외장재로 널리 사용되고 있다. 또한, 재사용 및 재가공이 가능한 장점이 있어 환경친화적인 소재로 관심을 받고 있다.
이러한 특성으로 목재-플라스틱 복합재(Wood Plastic Composit)는 북미 및 일본에서는 데크, 펜스 및 사이딩 등의 내외장재의 용도로 연 성장율 20% 이상의 시장성을 보이고 있으며, 국내에서도 그 사용이 증가하는 추세이다.
상기 목재-플라스틱 복합재는 주로 외장재용으로 사용되고 있으나 충격에 약하고 비중이 1.1~1.8 정도로 천연 목재에 비해 높기 때문에 내외장재 전반에 사용하기는 어려운 실정이었다. 이러한 단점을 극복하기 위해 목재-플라스틱 복합재(Wood Plastic Composit)를 경량화하는 다양한 방법이 연구되어 왔다. 이 중 중공구조를 갖는 형상으로 제품을 성형하는 방법이 알려져 있으나 이는 제품의 내부의 중공 구조로 인해 물성이 감소되는 단점이 발생하였다. 또한, 물성 감소를 방지하기 위해 보강재를 추가로 첨가함으로써 제품의 단가가 높아지는 부작용을 초래하였다.
이에 따라, 종래의 열가소성 수지를 발포하는 방법을 이용하여 합성목재 발포체를 제조하려는 노력이 계속되어 왔다. 구체적인 예로서, 종래 대표적인 발포 방법인 화학 발포제를 첨가하여 합성목재를 발포하는 방법이 시도되었지만, 발포제가 골고루 섞이기 어렵고 이로 인해 제품 전체가 고르게 발포되지 않는 문제점이 있다. 또한, 발포제가 분해하여 가스를 발생시키기 위해서는 일정한 온도 수준을 유지해야 하는데, 천연소재가 50% 이상 고충진 된 합성목재의 경우, 이러한 조건을 충족시키기가 어렵고, 분해 후에 잔류물이 남기 때문에 발포 후 최종 제품의 물성이 심각하게 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 화학적 발포제를 사용하는 경우 앞서 설명한 바와 같이, 일정한 온도 수준을 유지해야 하는데 이러한 조건을 충족시키기가 어렵고, 환경에 유해하며 분해 후에 잔류물이 남기 때문에 발포 후 최종 제품의 물성이 심각하게 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 기계적 물성이 우수한 목재-플라스틱 복합재 및 이를 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본원 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 보완하기 위해 안출된 것이다. 본원 발명은 발포시킨 경량의 목재-플라스틱 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 더욱 상세하게는 본원 발명은 표면층의 밀도를 높임으로서 발포 경량재에서 나타날 수 있는 물성저하를 방지한 목재-플라스틱 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본원 발명은 무기계 발포제를 사용하여 공극이 작고 고르게 발포된 발포 비드를 사용함으로써 충격강도나 경도가 우수한 목재-플라스틱 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 마지막으로 본원 발명은 상기 목재-플라스틱 복합재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 목분 또는 목섬유 15 내지 50 중량%, 합성수지 20 내지 60 중량%, 무기계 발포제 40 내지 70 중량%를 포함하는 수지 복합체를 원료로 포함하여 형성된 발포 비드를 포함하는 발포내층; 및 상기 발포내층을 표면 처리하여 형성된 표면층;을 포함하며, 상기 발포내층과 표면층이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재를 제공한다.
상기 표면 처리는 상기 발포내층에 가열 및 가압하여 발포내층의 표면부를 용융 및 압착하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌으로 구성된 그룹에서 하나 이상 선택된 것을 특징으로 한다.
상기 무기계 발포제는 중조 또는 탄산칼슘인 것을 특징으로 한다.
상기 표면층의 두께는 상기 발포내층의 두께 대비 2 내지 10%인 것을 특징으로 한다.
상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량%에 대하여 유기계 발포제를 5 내지 10 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량%에 대하여 스티렌계 공중합체 또는 폴리올레핀계 공중합체를 3 내지 15 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량%에 대하여 실리카, 발포제, 난연제, 윤활제, 활제, 광안정화제, 염료, 충진제 및 가소제로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 3 내지 15 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발포 비드는 상기 비드 내부의 셀의 평균 입경이 50 내지 500㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 목재-플라스틱 복합재의 밀도는 0.5 내지 0.8 g/㎤ 것을 특징으로 한다.
상기 발포내층의 공극율은 30 내지 50%인 것을 특징으로 한다.
상기 표면층의 공극율은 2 내지 15%인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 목분 또는 목섬유 15 내지 50 중량%, 합성수지 20 내지 60 중량%, 무기계 발포제 40 내지 70 중량%를 포함하는 수지 복합체를 용융,압출 및 발포시켜 발포 비드를 제조하는 발포 비드 제조 단계; 상기 발포 비드를 가열 및 가압하여 상기 발포 비드로 구성된 발포내층을 형성하는 발포내층 형성 단계; 및 상기 발포내층의 표면을 가열 및 가압하여 발포내층의 표면부를 용융 및 압착함으로써 발포내층의 표면에 표면층을 형성시키는 표면 처리 단계;를 포함하며, 상기 발포내층과 표면층이 일체로 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재 제조 방법을 제공한다.
상기 발포내층 형성 단계에서 상기 가열은 120℃ 내지 200℃의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 표면 처리 단계에서 상기 가열은 120℃ 내지 200℃의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 발포내층 형성 단계는 성형몰드를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합소재 및 이의 제조방법은 발포 비드를 사용하여 성형하므로 최종 제품의 내부의 공극 분포가 고른 장점이 있다. 또한, 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재는 간단한 표면 처리 공정을 수행하여 달성할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점에 의해 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재는 물성이 강화되어 내구성이 우수한 특성이 있다. 마지막으로 본원 발명의 목재-플라스틱 복합재는 무기계 발포제로 사용하여 발포시킨 발포비드를 사용하여 제조되기 때문에 공극의 크기가 작고 균일하며 물성이 저하되지 않은 경량화 제품의 생산이 가능하다.
도 1은 발포 비드를 사용하여 성형된 발포내층을 나타낸 것이다.
도 2는 발포내층을 표면 처리한 후 형성된 표면층을 나타낸 것이다.
도 3은 성형된 발포 비드를 나타낸 것이다.
도 4는 발포 비드를 절단한 단면을 나타낸 것이다.
도 5는 발포 비드 내부를 전자주사현미경으로 찍은 SEM 사진이다.
도 6은 표면층 형성시 각 면에 적용되는 가열온도의 차이에 의해 최종 성형제품에 휨 현상이 나타난 것을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 시편을 DSC(differential scanning calorimeter)법을 이용해서 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 시편을 TAG(Thermogravimetric analysis)법을 이용해서 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
본원 발명은 목분 또는 목섬유, 합성수지 및 무기계 발포제를 포함하는 수지 복합체를 원료로 하여 형성된 발포 비드를 포함하는 발포내층; 및 상기 발포내층을 표면 처리하여 형성된 표면층을 포함하는 목재-플라스틱 복합재를 제공한다.
상기 목재-플라스틱 복합재의 상기 표면층은 상기 발포내층에 열압축 성형기를 이용해서 가열 및 가압하여 발포내층의 표면부를 용융 및 압착함으로서 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구조의 목재-플라스틱 복합재는 발포내층에 의해 제품의 경량화를 달성할 수 있다. 또한, 발포내층의 표면부를 가열 및 가압하여 표면층을 형성함으로서 발포내층 표면부의 공극율을 감소되어 표면층의 밀도가 증가함으로서 발포 경량재의 문제점인 물성 저하 문제를 방지할 수 있는 장점이 있다.
이하 하기 도면을 바탕으로 본원 발명의 목재-플라스틱 복합재 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다.
본원 발명의 목재-플라스틱 복합재의 발포내층을 이루는 상기 발포 비드는 원료로서 목분 또는 목섬유 15 내지 50 중량%, 합성수지 20 내지 60 중량% 및 무기계 발포제 40 내지 70 중량%가 포함된 수지 복합체를 사용한다.
상기 목분 또는 목섬유는 셀룰로오스 분자 구조를 가진 섬유질인 것으로서, 천연 원목이나 재활용 목재, 재생 펄프, 제지섬유 등을 과립, 펠릿 등의 형태로 작게 분쇄한 단섬유 등, 삼(Hemp), 플렉스(Flex), 황마(Jute), 양마(Kenaf) 등의 천연섬유를 일정한 길이로 절단한 단섬유 등, 해조류ㆍ땅콩껍질ㆍ대나무ㆍ짚ㆍ옥수수ㆍ야자수열매 등의 유기질 섬유질을 작게 분쇄한 단섬유 등이 모두 포함된다. 상기 천연 원목으로는 침엽수계 및 활엽수계를 모두 포함하며, 바람직하게는 잦나무, 소나무, 가문비나무 등의 침엽수인 것이다.
상기 목분 또는 목섬유는 목재-플라스틱 복합재의 사용 목적에 따라 달라질 수는 있지만, 바람직하게는 수지 복합체 전체 중량을 기준으로 대략 15 내지 50 중량%의 범위로 사용될 수 있다. 다만, 목분 또는 목섬유의 함량이 너무 적은 경우에는 합성수지의 함량이 지나치게 많아져서 천연원목에 상응하는 외관 내지 질감을 제공하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우에는 합성수지의 함량 감소로 인한 목섬유 또는 목분 상호간의 결합력 저하로 소망하는 정도의 강도 및 내구성을 제공하기 어렵다.
상기 목섬유 또는 목분의 크기는 80 내지 300 메쉬인 것, 바람직하게는 90 내지 150 메쉬인 것이다. 목섬유 또는 목분이 너무 큰 경우에는, 합성 수지에 의한 목분 또는 목섬유 상호간의 결합력이 저하되어 판재의 강도가 저하되며, 표면이 매우 거칠어 천연원목 절개면의 고급스러운 외관 내지 질감을 제공하지 못할 수 있다. 반대로, 목섬유 또는 목분의 크기가 너무 작은 경우에는, 목분 또는 목섬유와 합성수지를 혼합하여 수지 복합체를 제조할 때 분산이 잘 되지 않고 응집될 수 있어 외관에 의한 미감 및 질감이 저하될 수 있다.
상기 목분 또는 목섬유는 사전에 건조하고 분말화한 것일 수 있다. 상기 목분 또는 목섬유는 0.5 ~ 8 중량%, 바람직하게는 4 ~ 6 중량%의 수분함유량을 갖도록 건조시키는 것이 바람직하다. 목분 또는 목섬유의 수분함유량이 8 중량%를 초과하여 수분함량이 높아지면 발포 비드 제조시 수증기가 과발생하여 기포가 형성되는 문제점이 있어, 생산성(생산량) 및 제품에 악 영향을 미치게 된다.
상기 합성수지는 목섬유 또는 목분과의 상용성이 우수하고 그 자체로서 우수한 강도와 내구성을 제공하는 고분자 수지라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 합성수지는 아크릴수지, 염화비닐수지, 폴리에틸렌수지, 폴리스티렌수지, 폴리프로필렌수지와 같은 열가소성 수지로 구성된 그룹에서 하나 이상의 합성수지를 선택하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 폴리올레핀계 고분자 수지인 것이며, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 합성수지는 수지 복합체 전체 중량을 기준으로 대략 20 내지 60 중량% 사용될 수 있다. 합성수지의 함량이 너무 적은 경우에는 목섬유 또는 목분의 결합력이 저하되어 소망하는 정도의 강도 및 내구성을 제공하기 어렵다. 합성수지의 함량이 지나치게 많은 경우에는 천연원목에 상응하는 외관 내지 질감을 제공하기 어려운 단점이 있다.
상기 발포제는 고분자재료에 배합하여 열분해에 의해 가스를 발생시켜 고분자 내부에 공극을 형성하기 위해 사용된다. 상기 발포제로는 무기계 발포제를 사용할 수 있다. 상기 무기계 발포제로는 중조(NaHCO3) 또는 탄산칼슘(CaCO3)를 사용할 수 있으며 바람직하게는 탄산칼슘인 것이다. 상기 탄산칼슘을 본래는 충전제로 사용되는 것이지만 발포제로서 목재-플라스틱 복합재에 적용하는 경우 비드 내부의 공극의 직경이 작고 고르게 형성되는 특징이 있다. 일반적으로 발포 경량재의 경우에 강도나 경도 등의 물성이 저하되는 측면이 있는데 탄산칼슘과 같은 무기계 발포제를 사용하는 경우에는 공극의 크기가 적어 물성의 저하를 일정 수준에서 방지하는 효과가 있다.
또한, 상기 무기계 발포제는 유기계 발포제에 비해 발포율이 낮으므로 유기계 발포제에 비해 많은 양을 사용할 수 있다. 이 경우 무기계 발포제, 특히 탄산칼슘을 많이 첨가하게 되면 목분 또는 목섬유 및 합성수지의 양을 어느 정도 대체할 수 있어 제품 단가를 저감하는 효과가 있다. 또한 탄산칼슘은 무기 충진제로서 작용하므로 경량 제품의 물성 저하를 방지하는 역할을 할 수 있다. 아울러 상기 탄산칼슘은 난연제를 대체하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 무기계 발포제는 상기 수지 복합체 전체 중량을 기준으로 대략 40 내지 70 중량% 사용될 수 있다. 상기 무기계 발포제의 함량이 너무 적은 경우에는 공극이 잘 형성되지 않거나 불균일하게 형성되는 단점이 있다. 상기 무기계 발포제의 함량이 지나치게 많은 경우에는 발포 후 수지 내 잔존비율이 높아지는 단점이 있다.
필요에 따라서는 상기 수지 복합체에 유기계 발포제를 더 첨가할 수 있다. 상기 유기계 발포제는 동량의 무기계 발포제에 비해 공극이 많이 발생되고 공극의 직경이 크다. 따라서, 이러한 유기계 발포제는 최종 제품의 사용 목적에 따라 경량화 정도가 더 높은 제품의 성형이 필요한 경우 상기 수지 복합체에 더 첨가하여 사용할 수 있다. 상기 유기계 발포제의 첨가량은 상기 수지 복합체 100 중량% 대비 5 내지 10 중량% 범위 내인 것이다.
유기계 발포제로는 아조디카본아미드(Azodicarbonamide;ADAC), P,P'- 옥시 비스 (벤젠 설포닐 하이드라지드)(P,P'-Oxybis(benzene sulfonyl hydrazide); OBSH), N,N'-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민(N,N'- Dinitroso pentamethylene tetramine; DPT), P-톨루엔 설포닐 하이드라지드(P-Toluene sulfonyl hydrazide; TSH), 또는 P-톨루엔설포닐세미카바지드(P-Toluenesulfonyl semicarbazide; PTSS)와 같은 것을 사용할 수 있다.
상기 수지 복합체는 필요에 따라 상기 수지 복합체 100 중량% 대비 3 내지 15 중량%의 범위 내에서 스티렌에틸렌/부틸렌 스티렌(Styrene-ethylene/butylene styrene; SEBS)와 같은 스티렌계 공중합체 또는 폴레핀계 공중합체를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량% 대비 3 내지 15 중량% 범위 내에서 실리카, 난연제, 윤활제, 활제, 광안정제, 염료, 충진제 및 가소제로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 발포 비드는 상기 수지 복합체를 혼련 및 발포시켜 이를 펠렛 형태로 압출한 것이다(도 3). 상기 발포 비드의 성형은 공지의 고분자 압출기를 이용하여 수행할 수 있다. 상기 발포 비드 내부의 공극의 크기는 대략 50 내지 500㎛인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 300㎛인 것이다. 도 5는 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재의 발포 비드의 내부를 전자 주사 현미경으로 살펴본 것으로 공극의 크기가 50 내지 500㎛의 범위로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 상기 공극의 크기가 너무 작으면 경량재로서의 특성이 나타나지 않으며 공극의 크기가 500㎛를 초과하는 경우에는 최종 제품의 공극율이 증가하여 휨강도나 파단강도가 낮아지는 단점이 발생한다.
상기 발포비드는 발포 비드 외부의 밀도가 내부의 밀도보다 높은 다층 형태의 발포 비드가 형성될 수 있다(도 4). 이는 상기 발포 비드의 제조 과정에서 압출 후 냉각시 온도차이에 의해 발포 비드의 표면이 급격하게 냉각되면서 발포 비드 표면의 공극이 축소되면서 발생할 수 있다. 또한, 이러한 효과는 발포제로서 탄산칼슘을 사용하는 경우 다른 화학 발포제를 사용했을 때 비해 형성되는 공극의 크기가 작아 발포 비드의 냉각 과정에서 일어나는 발포 비드 표면부 공극 축소 효과가 더 두드러지게 나타난다. 상기 외층의 밀도가 더 높은 다층 형태의 발포 비드를 사용하여 발포내층을 형성하는 경우 상기 발포 비드의 밀도가 높은 외층이 상기 발포내층의 보강재의 역할을 할 수 있어 최종 제품의 강도가 향상되는 효과를 나타낸다.
상기 공극의 크기는 최종 제품의 용도에 따라 조절하여 소정의 밀도나 강도 등의 물성 수치를 원하는 수치 내에서 조정하는 것이 가능하다. 상기 공극 크기의 조절은 투입되는 발포제의 종류 및 양을 조절하거나 압출시 온도를 조절하거나 압출기 내부의 스크류의 속도를 조절함으로써 가능하다. 가령 공극의 크기를 키우려면 무기계 발포제의 양을 늘리거나 유기계 발포제를 추가로 첨가하거나 온도를 올리거나 스크류의 속도를 증가시키는 것이다. 반대로 공극의 크기를 작게 하려면 발포제의 양을 줄이거나 온도를 낮추거나 스크류의 속도를 낮추는 것이다.
상기 발포내층은 상기 발포 비드를 가열 및 가압함으로써 형성된다(도 1). 종래에는 최종 제품의 형상으로 준비된 성형몰드에 직접 발포체를 형성하는 방법에 의해 합성 수지 발포 경량재를 제조하였다. 그러나 이러한 종래 기술은 제품의 위치에 따라 발포가 균일하지 않아 공극율이 일정치 않으며 물성이 저하되는 문제점이 있었다. 이에 반해 본원 발명의 목재-플라스틱 복합재는 발포내층을 발포 비드와 같은 작은 소단위체를 조합하여 형성하기 때문에 제품의 각 위치마다 공극율이 일정한 특성이 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 발포내층은 상기 발포 비드를 일정한 모양의 성형몰드에 채우고 이를 가열 및 가압하여 얻을 수 있는데, 이 경우 소단위체인 발포 비드가 성형몰드에 고르게 분포할 수 있어 그 결과 최종 제품의 전 부분에 공극율이 일정한 결과물을 얻을 수 있게 된다. 또한 발포비드를 사용하는 경우 최종 제품의 비중을 조절하는 것이 더 용이하다. 또한, 발포비드를 사용함으로써 취급 및 최종 제품의 성형이 용이한 측면이 있다.
상기 발포내층의 평균 공극율은 대략 20% 내지 60%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 30% 내지 50%인 것이다. 상기 공극율이 지나지게 낮으면 밀도가 높아져 경량재로서의 특성이 나타나지 않으며 공극율이 60%를 초과하게 되면 밀도가 낮아져 강도 등의 물성이 저하되는 단점이 있다.
상기 표면층은 상기 발포내층의 표면부를 가열 및 가압하는 방식의 표면 처리를 수행하여 형성할 수 있다(도 2). 상기 표면 처리를 통해 형성된 표면층은 상기 발포내층보다 공극율이 낮고 밀도가 높아 외부의 충격으로부터 내부의 발포내층을 보호하며 최종 제품의 강도증가 등 물성 향상을 꾀할 수 있다. 상기 표면 처리는 가열 및 가압을 위해 열압축 성형기와 같은 장치를 사용할 수 있다. 상기 표면층의 두께는 최종제품의 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 바람직하게는 발포내층 두께 대비 2 내지 20%인 것이다. 더욱 바람직하게는 10% 이하인 것이다. 표면층이 지나치게 두꺼우면 공극이 소실되어 밀도가 높아져 경량재로서의 역할을 수행할 수 없으며 지나치게 얇으면 강도 증가 등 물성 향상의 효과를 나타낼 수 없다.
상기 표면층의 두께는 하기 설명하는 표면 처리 단계를 수행할 때 가열 온도나 시간을 조절하여 두께를 조절할 수 있다. 가열 온도가 높은 경우, 가열 시간이 길어지는 경우에는 표면층의 두께가 두껍게 형성되며 반대로 가열 온도가 낮거나 가열 시간이 짧은 경우에는 표면층이 얇게 형성될 수 있다.
상기와 같이 형성된 목재-플라스틱 복합재의 최종 밀도는 0.5 내지 0.8g/㎤인 것이 바람직하다.
다음은 본원 발명의 목재-플라스틱 복합재의 제조 방법을 제조 순서에 따라 설명한다(도 9참조). 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
발포 비드 제조 단계
목분 또는 목섬유, 합성수지 및 무기계 발포제를 혼합한 수지 복합체를 용융 혼련하고 발포 및 압출하여 제조한다(S100).
이 단계는 공지의 고분자 압출기를 이용하여 수행될 수 있다. 우선 상기 목분 또는 목섬유, 합성수지와 발포제를 압출기에 동시에 또는 순차적으로 투입한다. 상기 투입된 원료들은 압출기 내부에서 혼련 및 발포된다. 다르게는 압출기의 적당한 위치에서 발포제를 압출기에 연결된 펌프 등의 주입장치를 이용해 별도로 주입하고 고압하에서 균일하게 분산시킨 후 압출물이 다이를 통과하여 압출될 때 압출기 내외부의 압력차이로 인해 압축되었던 발포제가 즉시 팽창하면서 발포가 될 수 있다. 상기 압출 온도는 발포온도를 고려하여 120℃ 내지 200℃의 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 압출기 내부의 스크류의 회전 속도는 60rpm에서 200rpm으로 하는 것이 바람직하다.
상기 발포 및 압출된 발포 압출물을 언더 커트 등의 방법을 이용해서 펠렛 형태의 발포 비드를 제조한다. 상기 압출되어 형성된 발포 비드는 수냉각 후 건조시켜 발포내층 형성단계에서 사용할 때까지 보관한다.
상기 수냉각을 통해 압출 후 발포 비드의 표면이 급격하게 냉각되면서 발포 비드 표면의 공극이 축소된다. 발포제로서 탄산칼슘을 사용하는 경우 발포시 생성되는 공극의 크기가 작아 냉각 과정에서 일어나는 발포 비드 표면부 공극 축소 효과가 더 두드러지게 나타난다. 상기 외층의 밀도가 더 높은 다층 형태의 발포 비드를 사용하여 발포내층을 형성하는 경우 상기 발포 비드의 밀도가 높은 외층이 상기 발포내층의 보강재의 역할을 할 수 있어 최종 제품의 강도가 향상되는 효과를 나타낸다.
발포내층 형성 단계
상기 발포 비드를 가열 및 가압하여 상기 발포 비드로 구성된 발포내층을 형성한다(S101).
상기 가열 및 가압은 공지의 열압축 성형기를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 사출기를 사용하는 경우 상기 가열 및 가압은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 상기 발포내층은 최종 제품의 사용 목적에 따라 다양한 형태의 성형 몰드를 이용해서 형성할 수 있다.
이 단계에서 상기 가열 온도는 120℃ 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 150℃ 내지 180℃의 범위 내인 것이다. 이 단계에서 가압 조건은 10 Psi 내지 40 Psi인 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 발포내층을 수개의 소단위체인 발포 비드를 가열 가압함으로써 형성되는 것이므로 제품 전체에 고르게 공극을 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
표면 처리 단계
상기 발포내층 형성 단계에서 형성된 발포내층은 발포내층의 외부를 가열 및 가압하여 용융 및 압착하여 상기 발포내층 외부에 표면층을 형성한다(S102).
상기 표면 처리 단계는 공지의 열압축 성형기를 이용하여 수행될 수 있으며 열압축 성형기를 사용하는 경우 가열과 가압이 동시에 이루어질 수 있다. 다르게는 가열 및 가압을 순차적으로 수행하는 방식으로 표면 처리 단계를 수행할 수 있다.
상기 표면 처리에 의해 발포내층의 표면부에 형성되는 표면층은 발포내층이 외부에 노출되지 않도록 발포내층의 표면부 전체에 모두 시행할 수 있다. 다르게는, 본원 발명의 일 실시형태에 따르면 최종 제품의 형태가 판형이 경우에는 대향하는 두 면에 대해 표면 처리를 시행할 수 있다.
상기 표면 처리시 발포내층의 표면부에 적용되는 온도 조건 및 압력 조건은 표면 처리가 시행되는 표면부 전체에 걸쳐 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 만일 온도 및 압력 조건이 일정하게 유지되지 않는 경우에는 형성되는 표면층의 두께가 일정하지 않을 수 있다. 가령, 높은 온도가 적용되거나 높은 압력이 적용되는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 표면층이 더 두껍게 형성될 수 있다. 이러한 경우 밀도의 차이로 인한 내부응력이 존재하여 휨 현상이 나타난다. 대칭되는 면 중 하나의 면에만 표면층이 형성되는 경우에도 표면층이 일정하게 형성되지 않는 경우와 마찬가지인 상태로 남게 되어 최종 제품에 휨 현상이 나타나는 단점이 있다(도 6).
이 단계에서 상기 가열 온도는 120℃ 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 150℃ 내지 180℃의 범위 내인 것이다. 이 단계에서 가압 조건은 10Psi 내지 40Psi인 것이다.
상기 발포내층 형성 단계와 상기 표면 처리 단계는 순차적으로 또는 동시에 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 발포 비드를 성형몰드에 채우고 열압축 성형기를 이용해 가열 및 가압함으로써 상기 발포 비드가 서로 접합되어 발포내층이 형성되고 동시에 발포내층의 외부에서 표면층을 형성시킬 수 있다. 이 단계에서 상기 가열 온도는 120℃ 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 150℃ 내지 180℃의 범위 내인 것이다. 이 단계에서 가압 조건은 10Psi 내지 40Psi인 것이다.
이하 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 발명의 내용을 상술한다. 이는 발명의 범주를 한정하는 것은 아니며 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
폴리에틸렌 중량 25%(바젤사, 독일), 목 섬유 중량 15%, 탄산칼슘 중량 55%, 및 윤활제 5%로 이루어진 수지 복합체를 압출기에 투입하고 압출조건 150℃, 스크류회전속도 100rpm의 조건하에서 혼련 압출하여 압출물을 얻었다. 이때 다이의 온도는 150℃로 하였다. 상기 압출물을 수냉각하고 및 언더 커팅하여 펠렛 형태의 발포 비드를 얻었다.
다음으로 상기 발포 비드를 판형 성형 몰드에 투입하고 열압축 성형기를 이용하여 온도 150℃, 압력 20 Psi의 조건으로 30초 동안 가열 및 가압하여 상기 발포내층 및 표면층을 형성하여 5cm 두께의 판형의 목재-플라스틱 복합재 시편을 얻었다.
실시예 1의 수지 복합체에 수지 복합체 100 중량%에 대해 스티렌 에틸렌/부틸렌 공중합체(바젤사, 독일)를 10중량% 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1의 조건과 동일하게 하여 목재-플라스틱 복합재 시편을 얻었다.
평가
1. 발포 비드의 공극의 크기
상기 실시예 1 및 실시예 2에 따른 방법으로 형성된 발포 비드를 절단하여 전자주사현미경으로 발포 비드 내부를 확인하였다. 도 5는 발포 비드 내부의 전자주사현미경 사진이다. 상기 결과에 따르면 발포 비드 내부의 공극의 평균 크기가 500㎛ 이하인 것을 확인할 수 있다.
2. 비중측정
비중측정기(신정정밀)를 이용해서 실시예 1 및 실시예 2의 시편의 비중을 측정하였다. 실시에 1의 경우에는 비중은 0.724이고 실시예 2의 경우에는 0.75인 것을 확인하였다. 이는 경량화 되지 않은 목재-플라스틱 복합재의 평균 비중인 1.1 내지 1.8에 비해 낮은 수치로 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재의 경량화가 달성되었음을 확인하였다.
3. 경도측정
쇼아 경도기(SATO사)를 이용해서 실시예 1 및 실시예 2의 시편의 경도를 측정하였다. 실시예 1 및 실시예 2의 경도 측정값은 각각 95 (Hs)이었으며 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재가 내외장재로 사용하기에 적합한 물성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
4. 열중량 분석
상기 실시예 1 및 2에서 얻어진 시편의 열중량을 분석하였다.
도 7은 실시예 1 및 2의 DSC 분석 결과이다. 이에 따르면 상기 시편들의 유리전이온도는 70℃, 녹는 점은 120℃로 나타났다.
도 8은 실시예 1 및 2의 TGA 분석 결과이다. 이에 따르면 400℃ 부근에서 수분 및 휘발성 물질이 소실되어 중량이 10% 감소하였으며, 550℃ 부근에서 유기물 약 40%가 탄화되었으며, 나머지 20%는 약 700℃ 부근에서 탄화되었다. 최종적으로 탄산칼슘 등의 무기물이 15%가 잔존하였음을 확인하였다. 이를 통해 본원 발명에 따른 목재-플라스틱 복합재는 무기계 발포제를 사용함으로써 난연성질이 개선됨을 확인하였다.

Claims (9)

  1. 목분 또는 목섬유 15 내지 50 중량%, 합성수지 20 내지 60 중량%, 무기계 발포제 40 내지 70 중량%를 포함하는 수지 복합체를 원료로 포함하여 형성된 발포 비드를 포함하는 발포내층; 및
    상기 발포내층을 표면 처리하여 형성된 표면층;
    을 포함하며, 상기 발포내층과 표면층이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면 처리는 상기 발포내층을 가열 및 가압하여 발포내층의 표면부를 용융 및 압착하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 합성수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌으로 구성된 그룹 중에서 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무기계 발포제는 중조 또는 탄산칼슘인 것을 특징으로 하는 목재 플라스틱 복합재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 표면층의 두께는 상기 발포내층의 두께 대비 2 내지 10%인 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량%에 대하여 유기계 발포제를 5 내지 10 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량%에 대하여 스티렌계 공중합체 또는 폴리올레핀계 공중합체를 3 내지 15 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수지 복합체는 상기 수지 복합체 100 중량%에 대하여 실리카, 발포제, 난연제, 윤활제, 활제, 광안정화제, 염료, 충진제 및 가소제로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 3 내지 15 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재.
  9. 목분 또는 목섬유 15 내지 50 중량%, 합성수지 20 내지 60 중량%, 무기계 발포제 40 내지 70 중량%를 포함하는 수지 복합체를 용융,압출 및 발포시켜 발포 비드를 제조하는 발포 비드 제조 단계;
    상기 발포 비드를 가열 및 가압하여 상기 발포 비드로 구성된 발포내층을 형성하는 발포내층 형성 단계; 및
    상기 발포내층의 표면을 가열 및 가압하여 발포내층의 표면부를 용융 및 압착함으로써 발포내층의 표면에 표면층을 형성시키는 표면 처리 단계;
    를 포함하며, 상기 발포내층과 표면층이 일체로 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 목재-플라스틱 복합재 제조 방법.
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