KR20130130683A - 상이한 커플링 성분을 사용한 셀룰로스-함유 재료와 플라스틱 매트릭스로서의 ｐｍｍａ로 제조된 복합 재료 - Google Patents

상이한 커플링 성분을 사용한 셀룰로스-함유 재료와 플라스틱 매트릭스로서의 ｐｍｍａ로 제조된 복합 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1종 이상의 셀룰로스-함유 재료, 바람직하게는 목재, 및 1종 이상의 플라스틱으로 제조된, 개선된 기계적 특성 및 개선된 내후성을 갖는 신규 복합 재료, 그의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.

Description

상이한 커플링 성분을 사용한 셀룰로스-함유 재료와 플라스틱 매트릭스로서의 ＰＭＭＡ로 제조된 복합 재료 {COMPOSITE MATERIAL MADE OF A MATERIAL CONTAINING CELLULOSE WITH PMMA AS A PLASTIC MATRIX USING DIFFERENT COUPLING COMPONENTS}
본 발명은 1종 이상의 셀룰로스-함유 재료, 바람직하게는 목재, 및 1종 이상의 플라스틱으로 제조된, 개선된 기계적 특성 및 개선된 내후성을 갖는 신규 복합 재료, 그의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.
1종 이상의 셀룰로스-함유 재료 및 1종 이상의 플라스틱으로 제조된 복합 재료는 현재 특히 WPC 또는 우드 플라스틱 복합체로 알려진 목재-플라스틱 복합 재료의 형태로 산업적으로 생산되고 있다. 이하 기재된 본 발명의 목적상, "목재-플라스틱 복합 재료(들)" 및 "WPC(들)"는 동일한 의미로 사용된다.
역사적으로, 건축 및 가구에 일반적으로 사용되는 재료는 단단한 재목 및 전통적인 재목-기재 재료였다. WPC 재료는 개선된 성형 방법에 의해 이들 전통적인 사용 부문을 확장시켜 상당한 추가의 사용 가능 분야를 다루게 되었다.
WPC 재료는 목재 입자 (예를 들어, 목재 단편, 톱밥, 목재 섬유 또는 목분)를 플라스틱 매트릭스에 결합시키는 것을 포함한다. 열가소성 플라스틱이 일반적으로 플라스틱 매트릭스로 사용된다.
WPC가 처음 북미에서 개발되었을 때, 목재는 주로 저렴한 충전재로서 사용되었다. 목재 입자의 비용은 그에 대한 대체재로서 사용되는 플라스틱 비용의 일부에 불과하므로, 목재 함량은 생산물에 있어서 재료 비용을 감소시킨다. 목재는 사용되는 플라스틱 보다 높은 탄성 모듈러스를 가지며, 따라서, 적정화된 목재-플라스틱 조합은 플라스틱 단독의 경우 보다 우수한 기계적 특성을 나타낸다.
3종의 플라스틱이 상업적으로 생산되고 있는 거의 모든 WPC 재료에서 세계적으로 우세하게 사용되고 있다. 미국에서는 주로 폴리에틸렌 (PE)이 사용되고, 유럽에서는 폴리프로필렌 (PP)이 주로 사용된다. 아시아에서는, 폴리비닐 클로라이드 (PVC)가 WPC 플라스틱으로서 매우 자주 사용된다. 이들 3종의 플라스틱은 모두 대량 생산되고 있으므로, 비교적 저렴한 비용으로 구입할 수 있다. 이러한 상업적 측면은 지금까지의 WPC 연구가 거의 전적으로 언급된 열가소성 플라스틱에 집중되게 한 하나의 이유이다.
한편, 천연 섬유 (예를 들어, 셀룰로스)를 중합체에 내구적으로 커플링시키는 것에 대한 요구가 계속되고 있다. 상기한 플라스틱 PE, PP 및 PVC에 있어서, 수십년 간의 연구는 접착 촉진제를 사용함으로써 목재 섬유에 커플링시키는 문제점을 충분히 해결하였다.
WPC 재료에 대한 현재의 추가적인 개발은 가공 기술을 최적화하는 것 뿐만 아니라 아주 많은 부분이 생성물 특성의 개선 또는 특정의 의도된 용도에 특성을 맞추는 것에 관련된 것이다.
WPC 재료는 현재 주로 옥외용으로 사용되고 있다. 정원용 데크(garden decking)는 WPC의 주된 용도이다. 이 용도에서, WPC 재료는 주로 아열대 지방에서 생산되는 고급 재목과 경쟁한다. 건축 부문에서 WPC 재료는 견고한 재료를 제공할 뿐만 아니라 매우 높은 내구성, 또는 적어도 단단한 천연 재목에 필적할 정도의 내구성을 갖는 것으로 기대된다.
WPC 재료에 사용되는 출발 재료는, 표면 마감처리에 의해 보호되지 않는 한, 일반적으로 실외에서 사용될 때 기후 효과로 인하여 변형을 겪게된다. 노화의 정도는 일차적으로는 사용된 목재 섬유의 강건성, 이차적으로는 사용된 플라스틱의 장기 성능에 따라 달라진다.
플라스틱은 매우 광범위한 특성을 갖는다는 것이 잘 알려져 있다. 이는 열적 특성 뿐만 아니라 기계적 및 장기 특성에도 해당한다. 옥외용 내구성 WPC 재료의 개발 배경과 대비하여, 폴리올레핀을 기재로 한 WPC보다 우수한 내후성을 갖는 복합 재료에 대한 요구가 계속되고 있다.
WPC 재료는 종종 사출 성형 또는 압출 공정으로 제조되므로, 제조 공정은 플라스틱 성분의 용융 온도에서의 가소화를 이용한다. 용액 화학을 이용한 목재 입자와의 중합 공정이 또한 이용되나, 더 낮은 빈도로 이용된다.
PMMA로 약칭되는 폴리메틸 메타크릴레이트는 탁월한 내후성과 높은 기계적 강도 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 그의 특성 프로파일은 건축 용도에 매우 적절하다. 그러나, 이는 압출 공정에 요구되는 공정 온도가 너무 높아 결과적으로 목재 입자에 손상이 가해지므로 이제까지는 WPC 용도에 사용될 수 없었다. 이에 더하여, PMMA를 목재 입자에 커플링시키는 문제도 지금까지는 만족스럽게 해결되지 못하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 선행 기술로부터 출발하여, 1종 이상의 셀룰로스-함유 재료, 바람직하게는 목재, 및 1종 이상의 플라스틱으로 제조된, 개선된 내후성 및 개선된 기계적 특성을 갖는 복합 재료, 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 추가의 표면 마감처리 없이 내후성 WPC 재료를 제공하는데 있다.
명백하게 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적은 이하의 상세한 설명, 실시예 및 특허청구범위의 기재로부터 명백할 것이다.
본 발명은 탁월한 내후성을 갖는 열가소성 플라스틱으로서 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트를 사용하여 신규 복합 재료를 제조하는 개념에 기초한 것이다. 이러한 플라스틱의 강도가 셀룰로스-함유 성분의 이점과 성공적으로 조합되어 맞춤형 복합 재료를 생성하였다.
본 발명의 주된 과제는 셀룰로스-함유 재료, 특히 천연 섬유 또는 목재 섬유를 중합체에 충분히 우수하게 접착, 연결 또는 커플링시키고, 가공 온도를 목재 입자의 탄화를 피할 수 있는 정도로 낮추는 것이었다. 이는 특정의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트를 셀룰로스-상용성 접착 촉진제 및 윤활제와 함께 사용함으로써 달성되었다.
본 발명은, 따라서, 1종 이상의 셀룰로스-함유 성분, 바람직하게는 목재, 및 1종 이상의 플라스틱으로 제조된 복합 재료로서, 상기 플라스틱이
a) a1) MVR 용융 지수 [230℃, 3.8　kg]가 0.5 내지 30　ml/10분, 특히 바람직하게는 1 내지 20　ml/10분, 매우 특히 바람직하게는 1 내지 10　ml/10분의 범위인 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료, 및
b) 셀룰로스-상용성 접착 촉진제를 포함하며,
복합 재료가 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 상세히 기재된 1종 이상의 플라스틱을 1종 이상의 셀룰로스-함유 재료와, 윤활제, 또한 임의로는 추가의 성분과 함께 혼합한 다음 가공하여 복합 재료를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명은 마찬가지로 본 발명의 복합 재료의, 특히 수분에 대한 노출도가 비교적 높은 부문에서의 재료로서의, 특히 옥외 부문에서의, 예를 들어, 바닥재, 예를 들어 정원용 데크 등으로서의, 건축 자재로서의, 예를 들어 골조 재목, 보드, 들보, 계단 및 계단 발판, 기둥, 거푸집 패널, 정원 창고, 철봉 구조물, 놀이 기구, 모래받이, 간이 차고, 정자, 문틀, 문짝, 창턱 등으로서의, 벽재 요소로서의, 벽 클래딩, 방음 요소, 난간으로서의, 천정 클래딩으로서의, 지붕 커버링으로서의, 선박 제조에서의, 또는 항만 시설 건축에서의, 예를 들어, 부잔교, 방현재, 갑판 등으로서의, 실내 및 실외 부문에서의 관리가 필요없는 가구재로서의, 예를 들어 의자, 일광욕 침대, 선반, 판매대 상판, 정원용 의자, 주방용 가구, 조리대, 욕실용 가구 등으로서의, 용기 또는 테두리로서의, 예를 들어 잔디 테두리, 화단 테두리, 로그-롤(log-roll) 테두리, 화분, 식물 재배통 등으로서의, 놀이용 블록으로서의, 및 자동차 내장 및 자동차 외부 쉘을 위한 장식재로서의, 및 또한 이동식 주택용 부착형 부품으로서의 용도를 제공한다.
본 발명의 복합 재료는 낮은 수분 흡수율, 낮은 팽윤 거동으로 인한 높은 치수 안정성 및 높은 기계적 강도를 가지므로, 옥외에서 사용하기에 특히 적절하다.
본 발명의 복합 재료는 225℃ 이하, 바람직하게는 220℃ 이하에서 가공될 수 있기 때문에, 특히 목재가 사용되는 경우에 셀룰로스-함유 재료의 손상을 피할 수 있으며, 에너지 비용도 절감할 수 있다.
특히, 본 발명의 플라스틱이 윤활제와 함께 사용될 때, 놀랍게도 70 중량% 목재 함량으로 약 205℃에서 성공적으로 압출될 수 있는 복합 재료를 생산할 수 있다. 이러한 방법으로는 또한 최대 80 중량% 목재 함량의 WPC도 생산할 수 있다.
본 발명의 압출물의 수분 존재하의 성능은 폴리올레핀을 기재로 하는 WPC의 성능과 동일하거나 그 보다 좋다. 폴리올레핀과 비교되는 다른 요소로서, 본 발명의 플라스틱 매트릭스가 더 우수한 기계적 특성을 가지며, 탁월한 내후성을 갖는다.
실험 결과, 본 발명의 WPC의 수분 흡수율을 PMMA 단독으로 이루어진 WPC의 흡수율과 비교할 때, 약 30 중량%에서 6 중량% 미만으로 감소될 수 있었으며, 따라서 옥외용 WPC 제품 요건의 적절한 범위 내에 든다.
이와 같이, 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트를 기재로 하는 고품질의 WPC가 제조되었다.
본 발명은 이하 더욱 상세히 설명된다.
WPC 재료의 품질은 각종 파라미터에의 적합성 여부에 따라 크게 달라진다: 본 발명자들은 중합체의 유동 특성이 목재 입자가 손상을 입기 시작하는 온도 상한에 적합한지 여부와 같은 정도로 중요하다는 것을 밝혀내었다. WPC 재료를 생산함에 있어서 목재 입자의 탄화를 실질적으로 피하기 위해서는 이러한 온도가 225℃ 미만, 바람직하게는 220℃ 미만이어야 한다는 것이 밝혀졌다. 상기 온도에서, 중합체는 또한 용융 상태이어야 하며, 충분한 유동성을 가져야 한다. 표준 PMMA는 230℃ 미만에서 점탄성 유동을 나타내지 않으므로, 이제까지는 이러한 사실 하나만으로 PMMA를 사용하지 않는 이유가 되었었다.
WPC 재료의 용도에 있어서 또 다른 결정적인 요소는 성능에 영향을 미치는 제품 특성이 최소값에 달하거나, 또는 상한값을 초과하지 않아야 한다는 것이다. 이러한 특성의 예는 물에 의한 중량 증가, 습윤 조건하의 팽윤, 예를 들어, 굴곡 강도 및 파단 강도와 같은 강도 값이다.
주성분으로서 셀룰로스를 함유하는 목재 섬유와 같은 재료는 고도로 극성 이며 친수성이다. 재료 내의 아주 깊은 곳에까지 이를 수 있는 수분 흡수는 주로 셀룰로스-함유 재료의 친수 특성의 결과이다.
본 발명은 셀룰로스-상용성 접착 촉진제를 특정의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료 및 윤활제와 함께 성공적으로 사용하여 목재 입자를 중합체로 우수하게 내지는 완벽하게 "둘러싸"거나 "피복"한다. 이는 수분 흡수를 상당히 감소시킨다.
본 발명의 목적상, 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료는 중합체 성분으로서 전적으로 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트만을 포함하는 매트릭스 재료이거나, 각종 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트, 또는 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트(들)과 다른 중합체로 이루어진 블렌드를 포함하는 매트릭스 재료이거나, 또는 1종 이상의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트와, 다른 공단량체, 바람직하게는 스티렌, α-메틸스티렌, (메트)아크릴산 및/또는 (알킬)아크릴레이트, 글루타르산 무수물, (알킬)(메트)아크릴아민, (알킬)(메트)아크릴이미드, N-비닐피롤리돈, 비닐 아세테이트, 에틸렌 또는 프로필렌의 공중합체를 포함하는 매트릭스 재료이다.
폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료의 유동 거동은 중요한 요건인 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 매트릭스 재료로 사용되는 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트의 MVR 용융 지수 [230℃, 3.8　kg]는 따라서 0.5 내지 30　ml/10분, 바람직하게는 1 내지 20　ml/10분, 특히 바람직하게는 1 내지 10　ml/10분의 범위이다.
각종 등급의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트로 수행한 실험은, 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 용융물의 분자량이 너무 높은 경우, 예컨대, 목재 입자와 혼합하는 것이 매우 어려운데, 필요한 온도 상승이 이루어졌을 때 목재 입자에 대한 손상의 개시가 일어나는 것을 보여주었다. 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트의 분자량이 너무 낮은 경우, 가소화 장치 중에서 목재 입자가 "부유(floating)"하는 문제점이 발생하여 성분들을 혼합하기가 어려워질 수 있다.
폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료 중 "알킬"의 정의는 공중합체에 대해 상기 주어진 정의와 동일할 수 있다. 특히 바람직하게는 폴리메틸 (메트)아크릴레이트, 폴리에틸 (메트)아크릴레이트 또는 폴리부틸 (메트)아크릴레이트가 사용된다.
본 발명의 목적상, "(메트)아크릴레이트"는 매우 일반적으로 메타크릴레이트 뿐만 아니라 아크릴레이트, 또한 이들 둘의 혼합물을 의미한다.
본 발명의 플라스틱은 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료뿐만 아니라 1종 이상의 셀룰로스-상용성 접착 촉진제를 포함한다. "셀룰로스-상용성 접착 촉진제"는 셀룰로스의 OH 기와 함께 수소 결합, 이온 결합 또는 화학적 결합을 형성할 수 있는 관능기를 포함하는 접착 촉진제를 의미한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시양태에서, 접착 촉진제는 복합 재료용 조성물에 매트릭스 재료 (성분 a))와는 별개의 성분으로서 가해진다. 이는 매트릭스 재료가 공중합체일 수 있을 지라도, 이 실시양태에서 접착 촉진제는 매트릭스 재료와 공중합체를 형성하지 않으며, 매트릭스 공중합체의 성분이 아니라는 것을 의미한다. 본 발명에 바람직하게 사용되는 접착 촉진제는 바람직하게는 시클릭 카르복실산 무수물 유도체, 예를 들어 글루타르산 무수물, (메트)아크릴산 유도체, 예를 들어 메타크릴산 또는 아크릴산, 아미노단량체, 이미드 단량체, 및 에폭시 기를 포함하는 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체, 바람직하게는 (알킬)(메트)아크릴아민, (알킬)(메트)아크릴이미드, N-비닐피롤리돈을 포함하는 공중합체를 포함한다. 또한, 스티렌, α-메틸스티렌, α-스티렌, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 비닐 아세테이트, 에틸렌 및 프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체가 존재할 수 있다.
접착 촉진제의 공중합체는 단량체 단위가 랜덤 분포된 상태로 또는 그라프트 공중합체로서 사용될 수 있다. 사용되는 시클릭 카르복실산 무수물 유도체는 바람직하게는 5-, 6- 또는 7-원 고리를 갖는 것, 특히 바람직하게는 말레산 무수물 및 글루타르산 무수물이다.
접착 촉진제 공중합체 중의 "알킬"은 1 내지 20개, 바람직하게는 1 내지 8개, 특히 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소 원자를 가지며, 관능기로 치환될 수 있거나 또는 O, S 또는 N과 같은 헤테로원자를 포함할 수 있는, 분지 또는 비분지, 시클릭 또는 선형 알킬 모이어티를 의미한다. 바람직하게는 메틸, 에틸, 부틸 또는 시클로헥실 모이어티가 포함된다.
본 발명에 사용되는 접착 촉진제는 바람직하게는 저분자량 공중합체, 특히 바람직하게는 스티렌-말레산 무수물 공중합체, 매우 특히 바람직하게는 네덜란드계의 폴리스콥 폴리머즈 비.브이.(Polyscope Polymers B.V.)로부터 상표명 크시란 (XIRAN)® SMA로 구입할 수 있는 중합체를 포함한다.
접착 촉진제 공중합체의 MVR 용융 지수 [230℃, 3.8　kg]는 바람직하게는 1 내지 30　ml/10분, 특히 바람직하게는 2 내지 20　ml/10분, 보다 특히 바람직하게는 3 내지 15　ml/10분의 범위이다.
본 발명의 복합 재료의 총 중량을 기준으로 한 접착 촉진제의 비율은 접착 촉진제 내의 셀룰로스에 결합할 수 있는 관능기의 농도에 따라 달라진다. 접착 촉진제의 비율은 0.5 내지 70 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 50 중량%, 특히 바람직하게는 1 중량% 내지 40 중량%, 매우 특히 바람직하게는 2 중량% 내지 30 중량%, 특별히 바람직하게는 3 중량% 내지 25 중량%, 매우 특별히 바람직하게는 3 중량% 내지 15 중량% 범위로 다양할 수 있다. 매우 특히 바람직한 한 실시양태에서, 스티렌-말레산 무수물 공중합체가 사용되며, 즉, 약 20 내지 22 중량%의 유효 말레산 무수물 기를 갖는 크시란® SZ 22065가 사용된다.
바람직한 제1 실시양태에서, 복합 재료의 생산 및 조성에 있어서 최대의 유동성이 얻어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 제2 실시양태에서, 접착 촉진제 (성분 b))와 매트릭스 중합체 (성분 a))는 서로 "융합"되며, 다시 말해서, 접착 촉진제와 매트릭스 중합체로부터 공중합체가 형성되어, "접착 촉진제-개질된" 매트릭스 중합체가 복합 재료의 제조에 직접 사용될 수 있다. 이 경우에, 접착 촉진제를 별도의 추가의 성분으로 가할 필요는 없으나, 그렇게 할 수도 있다.
이 실시양태에서, 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트와 접착 촉진제의 공중합체를 사용하는 것이 바람직하며, 접착 촉진제는 바람직하게는 (메트)아크릴산 단량체, 시클릭 카르복실산 무수물 유도체, 글루타르산 무수물, (메트)아크릴산 유도체, 바람직하게는 (메트)아크릴산, 아미노단량체, 이미드 단량체, 및 에폭시 기를 함유하는 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되며, 또한 스티렌, α-스티렌, 아크릴레이트 및/또는 메타크릴레이트, 한 예로서 알투글라스(Altuglas)® HT121을 포함한다.
접착 촉진제 공중합체, 바람직하게는 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트와 (메트)아크릴산의 공중합체의 MVR [230℃, 3.8　kg]은 바람직하게는 0.5 내지 30　ml/10분, 특히 바람직하게는 1 내지 20　ml/10분, 매우 특히 바람직하게는 1 내지 10　ml/10분의 범위이며, 따라서, 이러한 공중합체는 가공 온도가 충분히 낮아서 셀룰로스 성분을 혼합하여 넣기가 충분히 쉽게 한다.
이러한 바람직한 제2 실시양태는 복합 재료 생산시에 성분 a) 및 b)를 서로 분리하여 가할 필요가 없다는 이점을 가지며, 따라서, 복합 재료의 생산 비용이 낮아진다.
상기한 두 가지 바람직한 실시양태를 포함하는, 본 발명의 특히 바람직한 한 실시양태에 있어서, 접착 촉진제는 시클릭 카르복실산 무수물 유도체를 포함하며, 그의 비율은 본 발명의 복합 재료의 총 중량을 기준으로 하여 0.1 내지 5 중량%, 특히 바람직하게는 0.4 내지 3 중량% 범위이다.
본 발명의 복합 재료는 또한 접착 촉진제 및 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 중합체 외에, 셀룰로스-함유 성분, 특히 목재 입자를 포함한다. 복합 재료 중 셀룰로스-함유 성분의 비율은 제품의 특성에 상당한 영향을 미치는 것으로서, 한편으로는 가요성과 기계적 특성이 개선되고 경제적 이점이 얻어지는 반면, 높은 목재 입자 비율은 증가된 수분 흡수를 가져오므로, 매우 높은 목재 입자 성분 비율을 얻는 것은 어렵다. 본 발명의 복합 재료에서 성공적으로 달성된 목재 충전재 비율은 각 경우에 복합 재료의 총 중량을 기준으로 하여 특히 최대 80 중량%, 바람직하게는 40 내지 80 중량%, 특히 바람직하게는 50 내지 80 중량%, 매우 특히 바람직하게는 60 내지 75 중량%이다.
본 발명에 사용되는 셀룰로스-함유 성분은 바람직하게는 목재, 종이 또는 페이퍼보드, 또는 기타 셀룰로스-함유 재료를 포함한다. 셀룰로스-함유 성분의 셀룰로스 함량은 바람직하게는 20 중량% 이상, 특히 바람직하게는 30 중량% 이상, 매우 특히 바람직하게는 40 중량% 이상이다. 목재를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명의 복합 재료 중 목재 입자에 관해서는 특정 제한이 없다. 예를 들어, 목재 단편, 톱밥, 목재 섬유 또는 목분이 사용될 수 있다.
본 발명의 목적상, 복합 재료가 윤활제를 포함하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 윤활제는 성형 조성물의 우수한 가공성 및 낮은 가공 온도를 얻는데 중요하다. 사용될 수 있는 특별한 윤활제는 폴리올레핀, 극성 에스테르 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 카르복실산 및 지방산, 및 이들의 에스테르 (예를 들어, 스테아레이트), 또는 장쇄 지방 알콜 및 지방 알콜 에스테르이다. 복합 재료의 총 질량을 기준으로 한 윤활제의 비율은 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 4 중량%, 매우 특히 바람직하게는 0.5 내지 4 중량%, 특별히 바람직하게는 1 내지 3 중량%이다.
본 발명의 복합 재료는 다른 통상의 보조제 및/또는 첨가제, 예를 들어, 염료, 광 안정화제, IR 흡수제, 항미생물 성분, 난연제, 열 안정화제, 항산화제, 가교결합 중합체, 추가의 유기 또는 무기 섬유 보강 첨가제, 폴리실록산, 폴리실록산 아민 및/또는 폴리실록산 이민을 포함할 수 있다.
특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 복합 재료는 플라스틱 중에 충격 개질제를 포함하며, 그의 비율은 각 경우에 복합 재료 중에 존재하는 플라스틱 성분의 질량을 기준으로 하여 특히 0.1 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 10 중량%, 매우 특히 바람직하게는 1 내지 6 중량%이다. 상업적으로 이용할 수 있는 충격 개질제는 어느 것이나 사용할 수 있으며, 특히 평균 입자 직경 (예를 들어, 초원심분리법으로 측정)이 10 내지 300　nm인 엘라스토머 입자를 사용할 수 있다. 엘라스토머 입자는 바람직하게는 연질 엘라스토머 상과 그 위에 결합된 하나 이상의 경질 엘라스토머 상을 갖는 코어를 갖는다.
특히 유리한 것으로 밝혀진 목재-플라스틱 복합 재료는 각 경우에 복합 재료의 총 중량을 기준으로 하여 최대 80 중량%의 목재 입자, 및 15 중량% 이상의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트를 포함한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 복합 재료는
a) 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 중합체 1 내지 59 중량%, 바람직하게는 1 내지 57.5 중량%,
b) 접착 촉진제 1 내지 50 중량%,
c) 셀룰로스-함유 성분, 바람직하게는 목재 섬유 40 내지 80 중량%,
d) 윤활제 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 4 중량%, 특히 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%,
e) 착색제 0 내지 5 중량%,
f) 광 안정화제 0 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 0.2 중량%
를 포함하며, 성분 a) 및 b)는 함께 상기 6개 성분의 총 중량의 9.5 중량% 내지 59.9 중량%를 구성하고, 상기 6개 성분 함량의 총합은 100 중량%를 구성한다. 이 경우에, 100 중량%란 상기한 성분들의 총 중량을 이른다. 이는 복합 재료의 총 중량과 같을 수도 있으나, 복합 재료가 또한 상기 6개 성분이 아닌 성분을 포함하는 경우에는 복합 재료 중량의 100 중량% 미만일 수 있다. 성분 a) 및 b)는 상기 바람직한 실시양태에서와 같이 하나의 성분의 형태로 합해질 수 있다.
본 발명의 복합 재료는 1종 이상의 셀룰로스-함유 재료를 1종 이상의 상기한 플라스틱, 1종의 윤활제, 및 임의로는 상기한 보조제 및/또는 첨가제 중의 1종 및/또는 다른 1종과 혼합하고, 가공하여 복합 재료를 형성함으로써 제조될 수 있다. 상기한 가공은 바람직하게는 압출 또는 사출 성형을 사용한다. 본 발명에서, 230℃ 미만, 특히 바람직하게는 225℃ 미만, 매우 특히 바람직하게는 170 내지 220℃, 특별히 바람직하게는 190 내지 215℃, 매우 특별히 바람직하게는 190 내지 210℃의 용융 옹도에서 가소화하는 것이 바람직하다.
본 발명의 복합 재료는 WPC에 대해 알려진 임의의 용도, 특히 수분에 대한 노출도가 비교적 높은 부문에서의 재료로서, 특히 옥외 부문에서, 예를 들어, 바닥재, 예를 들어 정원용 데크 등으로서, 건축 자재로서, 예를 들어 골조 재목, 보드, 들보, 기둥, 거푸집 패널, 정원 창고, 철봉 구조물, 놀이 기구, 모래받이, 간이 차고, 정자, 문틀, 문짝, 창턱 등으로서, 벽재 요소로서, 벽 클래딩, 방음 요소, 난간으로서, 천정 클래딩으로서, 지붕 커버링으로서, 선박 제조에서, 또는 항만 시설 건축에서, 예를 들어, 부잔교, 방현재, 갑판 등으로서, 실내 및 실외 부문에서의 관리가 필요없는 가구재로서, 예를 들어 의자, 일광욕 침대, 선반, 판매대 상판, 정원용 의자, 주방용 가구, 조리대, 욕실용 가구 등으로서, 용기 또는 테두리로서, 예를 들어 잔디 테두리, 화단 테두리, 로그-롤(log-roll) 테두리, 화분, 식물 재배통 등으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 부품의 방음 효과는 소리의 반사 또는 흡수로부터 일어날 수 있다. 흡음 효과를 갖는 방음 요소로서의 용도로서, 본 발명의 복합 재료로 이루어진 부품을 생산하고 표면을 흡음 효과를 달성하는 구조로 만드는 것이 바람직한 반면, 반사를 위해서는 부품의 편평한 표면으로 충분하다. 또한, 본 발명의 복합 재료를 사용하여 속이 빈 챔버 또는 프로파일을 갖는 패널을 제조하는 것이 바람직하며, 이들은 적절한 개공 또는 구멍(bore)을 가지므로 음파가 부품 내로 침투하도록 한다. 따라서, 상당한 흡음 효과가 달성될 수 있다. 본 발명은 마찬가지로 방음 요소의 언급된 두 가지 변형을 조합한 것이나 변화시킨 것을 포함한다.
<시험 방법>
MVR 용융 지수
MVR [230℃, 3.8　kg]은 ISO 1133에 따라 측정하였다.
수분 흡수 (비등 시험)
수분 흡수는 EN 1087-1 표준에 기초한 비등 시험으로 결정하였다. 이를 위해, 생산 두께 및 생산 폭과 길이 100　mm의 샘플 절편을 끓는 물에 5시간 동안 담그고, 냉수 중에서 약 60분간 냉각시킨 후에 팽윤 및 수분 흡수 중량 증가에 대해 시험하였다.
파단 강도 및 휨
본 발명의 복합 재료에 대하여 파단 강도 및 500　N 하중에서의 휨의 정도를 DIN EN 310 ("목재-기재 패널; 굴곡시의 탄성 모듈러스 및 굴곡 강도 측정")에 기초한 방법으로 측정하였다.
하기 실시예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하여 그의 이해를 돕기 위한 것으로서, 어떤 의미에서건 본 발명 또는 그의 범주를 제한하려는 것이 아니다.
비교 실시예 1
중간 분자량의 PMMA 성형 조성물인, 에보닉 룀 게엠베하(Evonik Roehm GmbH, 독일 다름슈타트 소재)로부터의 플렉시글라스(PLEXIGLAS)® FM 6N 또는 플렉시글라스® FM 7N을 70 중량% 비율의 목재 섬유와 함께 혼합하고 압출시켰다. 고온 (233℃ 이상)으로 인하여 목재 입자의 분해 (탄화)가 일어났으며, 압출 기계 상에 심하게 접착되었다. 두 성분의 단지 매우 불충분한 가소화가 얻어질 수 있었다.
비교 실시예 2
비교 실시예 1에서와 같은 압출 공정을 윤활제로서 극성 에스테르 왁스인 클라리언트(Clariant; 독일 슐츠바흐 소재)으로부터의 리코왁스(LICOWAX) E를 사용하여 반복하였다. 따라서, 생산 공정 중에 온도를 약 200 내지 205℃에서 유지하여 금속에 접착되는 것을 막을 수 있었다. 목재 입자의 분해도 방지되었다.
그러나, 생성된 PMMA-목재 복합 재료의 단점은 100℃의 비등 시험에서의 수분 흡수가 20 내지 40 중량%라는 것이었다. 따라서, 수분으로 인한 팽윤은 불만족스러운 것이었다. 비교 실시예 2에서와 같이 구성된 WPC 제품의 모든 치수 (길이, 폭, 두께)는 원래 치수로부터 괴도하게 벗어난 것이었으며, 따라서 제품은 옥외 사용에 부적절한 것이었다.
본 발명의 실시예 1
일반적 기재:
바람직한 제1 실시양태에 따라서, 비교 실시예 2의 조성물에서 혼합물 중의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료에 스티렌-말레산 무수물 공중합체를 접착 촉진제로서 별도로 첨가하였다.
실험 결과, 목재 함량이 최대 75%에 이르는 이러한 종류의 혼합물은 210℃ +/- 10K 범위에서 성공적으로 가소화되어, 매우 낮은 수분 흡수율, 수분 존재시의 높은 치수 안정성, 및 높은 기계적 안정성을 갖는 WPC 압출물을 제공할 수 있었다.
본 발명의 실시예 1a
일반적 기재에서와 같이 실험을 실시하였다. 혼입된 말레산 무수물이 약 20 내지 22 중량%인 스티렌-말레산 무수물 공중합체를 접착 촉진제로서 사용하였다.
압출 공정에 사용된 양은 다음과 같이 구성되었다.
목재 섬유: 320 μm 70%
접착 촉진제: 크시란® SZ 22065 6.0%
윤활제: 리코왁스® E 3.0%
PMMA: 플렉시글라스® 7N 21%
생성된 WPC에 대한 성능 시험은 다음 결과를 나타냈다.
100℃에서의 비등 시험에서 수분 흡수율: 4.5%
파단 강도: 3.3 kN
휨, 500N: 2.3 mm

Claims (15)

1종 이상의 셀룰로스-함유 재료 및 1종 이상의 플라스틱으로 제조된 복합 재료이며,
윤활제를 포함하고,
상기 플라스틱이
a) a1) MVR 용융 지수 [230℃, 3.8　kg]가 0.5 내지 30　ml/10분, 특히 바람직하게는 1 내지 20　ml/10분, 매우 특히 바람직하게는 1 내지 10　ml/10분의 범위인 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 재료, 및
b) 셀룰로스-상용성 접착 촉진제
를 포함하는 것
을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항에 있어서, 접착 촉진제가 시클릭 카르복실산 무수물 유도체, 예를 들어 글루타르산 무수물, (메트)아크릴산 유도체, 예를 들어 메타크릴산 또는 아크릴산, 아미노단량체, 이미드 단량체, 및 에폭시 기를 포함하는 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체, 바람직하게는 (알킬)(메트)아크릴아민, (알킬)(메트)아크릴이미드, N-비닐피롤리돈을 포함하며, 또한 임의로는 스티렌, α-메틸스티렌, α-스티렌, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 비닐 아세테이트, 에틸렌 및 프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체를 포함하는 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항에 있어서, 시클릭 카르복실산 무수물 유도체가 5-, 6- 또는 7-원 고리를 갖는 유도체, 바람직하게는 말레산 무수물 또는 글루타르산 무수물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항에 있어서, 성분 a) 및 b)가 하나의 성분의 형태로, 즉, 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 및 접착 촉진제 단량체의 공중합체로 합쳐진 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제4항에 있어서, 시클릭 카르복실산 무수물 유도체와 공중합된 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트가 접착 촉진제 단량체로서 글루타르산 무수물, (메트)아크릴산 유도체, (메트)아크릴산 아미노단량체, 이미드 단량체, 및 에폭시 기를 포함하는 단량체를 스티렌, α-스티렌, 아크릴레이트 및/또는 메타크릴레이트와 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 접착 촉진제 공중합체의 MVR 용융 지수 [230℃, 3.8　kg]가 1 내지 30　ml/10분, 바람직하게는 3 내지 15　ml/10분의 범위인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 접착 촉진제의 비율이 본 발명의 복합 재료의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 70 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 50 중량%, 특히 바람직하게는 1 중량% 내지 40 중량%, 매우 특히 바람직하게는 2 중량% 내지 30 중량%, 특별히 바람직하게는 3 중량% 내지 25 중량%, 매우 특별히 바람직하게는 3 중량% 내지 15 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 셀룰로스-함유 재료가, 바람직하게는 셀룰로스의 비율이 20 중량% 이상, 특히 바람직하게는 30 중량% 이상, 매우 특히 바람직하게는 40 중량% 이상인 목재, 종이 또는 페이퍼보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각 경우에 복합 재료의 총 중량을 기준으로 80 중량%의 이하의 목재 입자, 및 또한 15 중량% 이상의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 윤활제가 폴리올레핀, 극성 에스테르 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 카르복실산 및 지방산, 및 또한 이들의 에스테르 (예를 들어, 스테아레이트)로 이루어진 군으로부터의 윤활제를 포함하거나, 또는 장쇄 지방 알콜 및 지방 알콜 에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 성분:
a) 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 매트릭스 중합체 1 내지 59 중량%, 바람직하게는 1 내지 57.5 중량%,
b) 접착 촉진제 1 내지 50 중량%,
c) 셀룰로스-함유 성분, 바람직하게는 목재 섬유 40 내지 80 중량%,
d) 윤활제 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 4 중량%, 특히 바람직하게는 1 내지 3 중량%,
e) 착색제 0 내지 5 중량%, 및
f) 광 안정화제 0 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 0.2 중량%
를 포함하며, 여기서 성분 a) 및 b)는 함께 성분 a) 내지 f)의 총 중량의 9.5 중량% 내지 59.9 중량%를 구성하고, 성분 a) 내지 f)의 총합은 100 중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항에 따른 1종 이상의 플라스틱을 1종 이상의 셀룰로스-함유 성분 및 윤활제와 혼합하고 가공하여 복합 재료를 제공하는 것을 특징으로 하는, 1종 이상의 셀룰로스-함유 재료 및 1종 이상의 폴리(알킬) (메트)아크릴레이트 기재 플라스틱으로 제조된 복합 재료의 제조 방법.
제12항에 있어서, 제1항에 따른 1종 이상의 플라스틱을 1종 이상의 셀룰로스-함유 성분 및 임의로는 상기한 또 다른 종의 추가의 재료와 혼합하고 가공하여 복합 재료를 제공하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 혼합물을 압출 또는 사출 성형에 의해, 바람직하게는 230℃ 미만, 특히 바람직하게는 225℃ 미만, 매우 특히 바람직하게는 170 내지 220℃, 특별히 바람직하게는 190 내지 215℃, 매우 특별히 바람직하게는 190 내지 210℃의 온도에서 가공하여 복합 재료를 제공하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
수분에 대한 노출도가 비교적 높은 부문에서의 재료로서의, 특히 옥외 부문에서의, 예를 들어, 바닥재, 예를 들어 정원용 데크 등으로서의, 건축 자재로서의, 예를 들어 골조 재목, 보드, 들보, 계단 및 계단 발판, 기둥, 거푸집 패널, 정원 창고, 철봉 구조물, 놀이 기구, 모래받이, 간이 차고, 정자, 문틀, 문짝, 창턱 등으로서의, 벽재 요소로서의, 벽 클래딩, 방음 요소, 난간으로서의, 천정 클래딩으로서의, 지붕 커버링으로서의, 선박 제조에서의, 또는 항만 시설 건축에서의, 예를 들어, 부잔교, 방현재, 갑판 등으로서의, 실내 및 실외 부문에서의 관리가 필요없는 가구재로서의, 예를 들어 의자, 일광욕 침대, 선반, 판매대 상판, 정원용 의자, 주방용 가구, 조리대, 욕실용 가구 등으로서의, 용기 또는 테두리로서의, 예를 들어 잔디 테두리, 화단 테두리, 로그-롤(log-roll) 테두리, 화분, 식물 재배통 등으로서의, 놀이용 블록으로서의, 및 자동차 내장 및 자동차 외부 쉘을 위한 장식재로서의, 및 또한 이동식 주택용 부착형 부품으로서의, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.
KR20137002891A 2010-07-05 2011-06-01 상이한 커플링 성분을 사용한 셀룰로스-함유 재료와 플라스틱 매트릭스로서의 ｐｍｍａ로 제조된 복합 재료 KR20130130683A (ko)

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