KR20150065466A - 기계적 강도 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 천연섬유/고분자 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 천연섬유와 열가소성 고분자 섬유로 구성된 펠트층에 이소시아네이트를 분사하여 열압착에 의해 복합시트화하는 것을 특징으로 한다. 이러한 복합체는 기계적 특성이 우수할 뿐 아니라, 내습환경에서 물성을 유지할 수 있는 장점이 있으며, 자동차 내장재, 외장재, 철도 및 항공기의 내장재, 건축 자재 등의 산업분야에서 응용될 수 있다.

Description

기계적 강도 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합재 및 그 제조방법{Natural fiber polymer composite with improved intensity and moisture resistance and manufactering method of the same}
본 발명은 천연섬유와 고분자의 복합체에 관한 것으로서, 특히 천연섬유와 고분자로 구성된 혼합펠트에 이소시아네이트를 스프레이 공정을 통해 적용하여 제조한 기계적 특성과 내습성이 강화된 천연섬유-고분자 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
섬유강화 고분자복합재료는 현재 스포츠 레저분야, 자동차, 선박 같은 각종 산업에서 비행기, 항공우주, 국방재료 등 최첨단 분야까지 광범위하게 활용되고 있다. 하지만 섬유강화 고분자복합재료에 사용되는 대부분의 보강재인 유리섬유, 합성섬유, 탄소섬유는 자연환경에서 거의 분해가 되지 않을 뿐만 아니라 재활용 또한 쉽지 않기 때문에 그 폐기물이 환경오염을 초래하는 원인 중의 하나가 되고 있다. 아울러 환경에 대한 사회적 인식의 변화에 따라 환경 규제 법규가 강화되어 재료의 사용이 점점 제한받고 있기 때문에 기존의 섬유를 대체하여 사용할 수 있는 친환경 재료에 요구가 점점 높아지고 있다.
천연섬유는 생분해가 가능한 친환경 재료로서 자연에서 풍부하게 얻을 수 있기 때문에 가격이 저렴할 뿐만 아니라 유리섬유보다 비중이 낮고, 유사한 비강도를 가지고 앞으로 응용가능성이 매우 높은 재료라고 할 수 있다. 하지만 천연섬유는 약 10%의 수분을 포함하고 있고, 표면이 친수성을 가지고 있기 때문에 고분자복합재료의 보강재로 사용시 고분자와 계면결합력이 좋지 않아 오히려 기계적 특성이 감소할 수 있을 뿐만 아니라, 대기에 존재하는 수분을 흡수할 수 있기 때문에 부품의 내구성을 감소시킬 수 있는 치명적 단점을 가지고 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하고자 천연섬유를 다양한 방법으로 개질하는 연구가 진행되어 왔는데, 대표적인 방법으로는 전자빔 처리, 플라즈마 처리 같은 물리적 처리와 알칼리처리, 실란처리 같은 화학적 처리방법이 있다. 하지만 대부분의 물리적 처리는 초기 장비 설치비용이 매우 높고, 화학적 처리는 추가적인 건조공정이 필요하기 때문에 가공시간이 증가하고 추가비용이 든다는 단점을 가지고 있다.
출원번호 KR2008-0022718 (이형소재를 혼합성형하여 얻어지는 판재와 그 제조방법): 발포칩과 저융점 화이바를 혼합하고, 천연사 등의 이형소재를 혼합하고, 여기에 TDI 등의 액상접착물질을 분사하고, 열과 압력을 가하여 성형 탈취한 후 판재를 얻은 것으로서, 경질의 자동차 내장재나 건축 내장재로 사용되는 발명에 관하여 기재되어 있다. 상기 특허문헌은 저융점 화이버소재, 천연섬유 및 이소시아네이트를 모두 혼합하여 제조하는 것임에 반해, 본 발명은 일단 천연섬유가 포함된 복합체 시트를 먼저 제조한 후에, 그 표면에만 이소시아네이트를 분사하는 것이라는 점에서 방법에서 차이가 있다. 출원번호 KR2003-0102102(자동차 플라스틱 내장재 코팅용 수분산성 폴리우레탄 수지 조성물의 제조방법 및 이를 이용한 도료 조성물): 자동차 플라스틱 내장재 코팅을 위한 수분산성 폴리우레탄 수지 조성물에 대하여 기재하고 있고, 폴리올과 이소시아네이트를 이용하여 폴리우레탄 수지를 만든 후, 이를 자동차 내장재 코팅에 사용되는 내용이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 경우 최종 코팅되는 물질은 폴리우레탄이고, 폴리올과 이소시아네이트를 모두 사용하는 점, 아민으로 중화시키는 반응이 더욱 필요한 점 등에서 매우 번거로운 단점이 있다.
이에 본 발명은 추가적인 천연섬유의 가공공정 없이, 기존의 생산공정에 간단한 공정만을 추가하여, 추가 설비 등에 대한 비용 부담을 최소로 하여, 저비용으로 기계적특성과 내습성이 대폭 강화된 천연섬유-고분자 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 천연섬유와 열가소성 고분자 섬유의 펠트를 제조하는 제1 단계; 상기 펠트 표면에 액상 이소시아네이트를 분무 또는 도포하는 제2 단계 및 상기 액상 이소시아네이트가 분무된 펠트를 열간 압착하여 경화함으로써 시트화하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 천연섬유는 셀룰로오스계 섬유이고, 길이가 50 내지 80mm이고, 케나프(kenaf), 황마(jute), 아마(flax), 대마(hemp), 사이잘(sisal), 뱀부(bamboo) 또는 코이어(coir) 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
상기 열가소성 고분자 섬유는 길이가 50~80mm이고, 직경이 4~10데니어인, 폴리프로필렌섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스터 섬유 또는 아크릴 섬유 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
상기 제2 단계에 사용되는 이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI) 혹은 톨루엔 디이소시아네이트(TDI) 일 수 있다.
한편, 본 발명의 제조 공정을 상세히 설명한다.
상기 제1 단계는, 천연섬유 40 내지 60중량%과 열가소성 고분자 섬유 40 내지 60중량%를 믹싱, 오프닝, 카딩, 웹포밍 및 니들펀칭하는 것에 천연섬유과 열가소성 고분자 섬유로 이루어진 복합체 펠트층을 형성한다.
제2 단계에서는, 상기 복합체 펠트층의 표면에 상기 이소시아네이트를 1 내지 30 phr의 양으로 스프레이 도포 혹은 롤러에 묻혀 이소시아네이트층을 형성한다.
상기 제3 단계에서는 상기 이소시아네이트층이 형성된 복합체 펠트를 열간압착 롤러 등을 이용하여 열간 압착한다. 이 때, 열간 압착에 의하여 상기 이소시아네이트를 반경화 상태가 되도록 시트화한 후, 이어서 상기 열가소성 고분자 파우더를 도포한 후 냉간 압착에 의하여, 이소시아네이트의 경화를 완료하는 두 개의 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 열간 압착온도는 바람직하게는 약 150 내지 250℃, 더욱 바람직하게는 약 230℃에서, 압착 시간은 바람직하게는 40 내지 70초, 더욱 바람직하게는 약 60초 정도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 천연섬유가 열에 의해 손상이 가지 않게 하면서도 이소시아네이트와 상기 복합체 펠트가 적절히 결합될 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 제3 단계는 일단 상기와 같은 열간 압착에 의하여, 이소시아네이트를 반경화시킨 후, 열가소성 고분자 파우더(예를 들어, HDPE나 LDPE 파우더 등)을 도포하여 보다 낮은 온도에서 냉간 압착함으로써, 경화를 완료할 수 있으며, 이 경우, 이소시아네이트층의 결합이 보다 적절하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은, 이와 같은 방법에 의해 제조된, 천연섬유와 열가소성 복합체 펠트층과, 그 표면에 액상 이소시아네트가 분무 또는 도포 후 열압착되어 경화된 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체를 제공한다.
본 발명에 의한 천연섬유과 고분자의 복합체의 제조방법은 단순하고 비용이 저렴한 공정을 추가하는 것에 의해, 최종 복합체의 기계적 특성 및 내습성을 상당 수준 개선할 수 있는 효과가 있고, 이로서, 이러한 복합체는 자동차 내외장재, 건축 내장재, 철도 및 항공기의 내장재로서 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 이소시아네이트 적용 전후에 있어서, 천연섬유/고분자 복합체의 인장강도의 차이를 보인 그래프.
도 2는 이소시아네이트 적용 전후에 있어서, 천연섬유/고분자 복합체 내습시간에 따른 표면 모폴로지를 보인 사진.
도 3는 이소시아네이트 적용 전후에 있어서, 내습시간에 따른 천연섬유/고분자 복합체의 인장강도의 변화를 보인 그래프.
아래 내용은 본 발명의 적용효과를 상세하게 설명하고자 기재한 것으로서, Z이는 단지 예시를 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
<재료>
1. 이소시아네이트 : 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate (㈜피유시스)
2. 천연섬유 : kenaf (평균직경 70㎛, 길이 60~80mm)
3. 열가소성 고분자 : 폴리프로필렌(㈜한국화이버, 직경6D, 길이 51mm), 폴리에스터 섬유(웅진케미칼㈜, 직경6D, 길이 51mm)
<실시예 1 : 천연섬유/고분자 복합체의 제조>
본 발명에 의한 천연섬유천연섬유/고분자 복합체의 제조는 하기의 공정순서에 의거하여, 표 1과 같은 혼합물의 비율로 진행하였다. 성형 조건은 열간 압착온도 200℃, 열간 압착시간 60초, 냉간 압착온도 23℃, 냉각 압착시간 60초로 하였다.
공정순서
i) 천연섬유와 열가소성 고분자 섬유의 믹싱, 오프닝, 카딩, 웹포밍 및 니들펀칭 공정을 거쳐 천연섬유/고분자 펠트를 제조한다. ii) 상기 펠트에 이소시아네이트를 스프레이 도포 혹은 롤러에 묻혀서 1 내지 30phr을 첨가한 후 열간 압착롤러를 통해 이소시아네이트를 반경화 상태로 성형한다. iii) 그 위에 열가소성 고분자 파우더를 도포한 후 다시 열간 압착롤러를 통해 이소시아네이트의 경화를 완료하고 열가소성 고분자 파우더층을 형성하여 천연섬유/고분자 복합체를 제조한다.
샘플 주성분 (중량%) 첨가제(phr)
케나프 PP PET MDI
1
40
40
20		 0
2 5
3 10
<실시예 2 : 인장강도 측정>
실시예 1에서 제조된 천연섬유/ 고분자 복합체에 대하여 이소시아네이트의 함량에 따른 인장강도를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보듯이 이소시아네이트를 첨가하지 않은 것보다 5% 첨가하였을 경우에 약 23%, 10% 첨가한 경우에 약 38% 인장강도가 높게 측정이 되었다.
<실시 예3: 내습성 평가>
실시예 1에서 제조된 천연섬유/고분자 복합체에 대하여 이소시아네이트층의 적용 전후에 따른 내습성 평가를 내습시간에 따른 모폴로지와 인장강도의 변화를 통해 실시하였다. 도 2는 이소시아네이트 첨가 전후 내습시간에 따른 천연섬유/고분자 복합체의 표면 모폴로지를 나타내고 있다. 도 2에서 알 수 있듯이 이소시아네이트를 도포 후가 도포 전보다 내습시간에 따라 표면이 손상되는 현상이 현저히 적게 발생하는 것을 알 수 있다.
도 3은 이소시아네이트층을 적용 전 후 내습시간에 따른 천연섬유/고분자 복합체의 인장강도의 변화를 나타내고 있다. 이소시아네이트층 적용하지 않았을 경우에 50℃, 상대 습도 95%에서 15일 경과하였을 경우에 최대 인장강도가 약 25% 감소하였지만, 이소시아네이트를 첨가했을 경우에는 인장강도가 약8% 감소하였다.
위의 결과를 종합해 볼 때 천연섬유/고분자 복합체의 인장강도와 내습성의 향상을 위해서 이소시아네이트의 첨가가 효과적임을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 천연섬유와 열가소성 고분자 섬유의 혼합물로부터 펠트를 제조하는 제1 단계;
    상기 펠트 표면에 액상 이소시아네이트를 분무 또는 도포하는 제2 단계 및
    상기 액상 이소시아네이트가 분무된 펠트를 열간 압착하여 경화함으로써 시트형태로 하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 천연섬유는 셀룰로오스계 섬유인 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이소시아네이트는 MDI 또는 TDI인 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제3 단계는 상기 열간 압착에 의하여 상기 이소시아네이트를 반경화 상태가 되도록 시트화한 후, 이어서 상기 열가소성 고분자 파우더를 도포한 후 냉간 압착에 의하여, 이소시아네이트의 경화를 완료하는 두 개의 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 단계는 천연섬유 40 내지 60중량%과 열가소성 고분자 섬유 40 내지 60중량%를 믹싱, 오프닝, 카딩, 웹포밍 및 니들펀칭하는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 천연섬유 길이가 50 내지 80mm이고, 케나프(kenaf), 황마(jute), 아마(flax), 대마(hemp), 사이잘(sisal), 뱀부(bamboo) 또는 코이어(coir) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 열가소성 고분자 섬유는 길이가 50~80mm이고, 직경이 4~10데니어인, 폴리프로필렌섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스터 섬유 또는 아크릴 섬유 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 단계에서, 상기 이소시아네이트는 상기 복합체 펠트층에 대하여 1 내지 30 phr의 양으로 적용되는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 열간 압착온도는 약 150 내지 250℃이고, 압착 시간은 40 내지 70초에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  10. 청구항 5에 있어서, 상기 냉간 압착은 약 20 내지 40℃에서 약 40 내지 70초 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  11. 청구항 5에 있어서, 상기 열가소성 고분자 파우더는 폴리에틸렌 파우더인 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 열가소성 고분자 파우더는 HDPE 또는 LDPE인 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체의 제조방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 의해 제조되고,
    천연섬유와 열가소성 고분자 펠트층과, 그 표면에 액상 이소시아네트가 분무 또는 도포 후 열압착되어 경화된 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 표면층에 열가소성 고분자 파우더층이 더욱 압착형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성 및 내습성이 강화된 천연섬유 고분자 복합체.



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