KR20170139585A - 목재 보강용 폴리에스터-기반 테이프 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일반적으로 하나 이상의 보강 섬유 및 열가소성 폴리에스터 매트릭스를 함유하는 전형적으로 단방향 테이프 형태의 프리프레그 복합재에 관한 것이다. 상기 프리프레그 복합재는 접착제가 필요하지 않은 물질의 구조 성능을 개선하기 위해 목재-함유 물질에 열로 접합될 수 있다. 본 발명의 프리프레그 복합재는 다양한 경재, 연재, 및 가공된 목재 복합재를 비롯한 다양한 목재 기판에 도포될 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 열가소성 중합체를 포함하는 프리프레그 복합재 및 목재-함유 기판 위에 상기 복합재의 적용에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 일반적으로 열가소성 폴리에스터를 포함하는 단방향 테이프 및 목재-함유 물질 위에 상기 테이프의 적용에 관한 것이다.
복합재는 과거에 다양한 적용에서 목재 물질을 보강하기 위해 사용되었다. 일반적으로, 이들 복합재는 유리 또는 탄소와 같은 보강 섬유를 함유할 수 있고, 목재 물질의 강도, 연성 및 강성을 증가시키는데 사용되었다. 상기 복합재는 목재 물질에서 강도-대-중량 비 또는 강성을 강화할 수 있어 부하 시에 목재의 더 긴 지속 시간, 더 작은 휨, 더 적은 처짐을 가능하게 한다.
다르게는, 알루미늄판 및 꼬인 케이블과 같은 금속성 보강재가 또한 목재 물질의 강도 및 강성을 개선하기 위해 사용되었다. 그러나, 이들 금속성 물질은 목재 기판에 대한 이들의 비교적 불량한 접착력, 이들의 적용을 위한 값비싼 접착제의 필요성, 및 금속과 목재 사이에 열 팽창 계수의 불일치로 인해 널리 성공적이지 않았다.
최근에, 목재 기판을 보강하기 위한 수단으로서 섬유-보강된 중합체(FRP)에 특히 초점이 모이고 있다. FRP는 일반적으로 보강 섬유를 열경화성 중합체 매트릭스에 함침시켜 제조된다. 열경화성 FRP는 접착제를 사용하여 다양한 목재 기판에 효과적으로 접합할 수 있고 목재 물질에 강도를 부가할 수 있기 때문에 다양한 적용에서 목재 물질을 보강하기 위해 사용되었다. 목재에 FRP를 접합하기 위해 사용된 전형적인 접착제는 에폭시 수지, 페놀 레소르시놀, 포름알데하이드 레소르시놀, 멜라민 또는 교차-접합된 멜라민, 폴리(비닐 아세테이트)(PVA) 또는 교차-접합된 PVA, 이소시아네이트, 폴리우레탄, 및 우레아-기반 접착제를 포함한다.
열경화성 FRP는 강화된 강도를 나타내는 보강된 목재 물질을 제조하는데 유용하지만, 이들은 여러 단점을 보였다. 첫 번째 단점은 열경화성-기반 FRP를 제조하는 공정이 매우 느리기 때문에 목재 제조 업체 및 유통 업자가 필요한 제품을 충족시키는데 실패할 수 있다는 점이다. 열경화성 FRP의 두 번째 단점은 치수 유연성이 부족하기 때문에 적용 전에 특정한 치수를 제조해야만 한다는 점이다. 열경화성 FRP의 또 다른 단점은 목재 기판에 접합하기 위해 접착제의 사용을 필요로 하기 때문에 보강 물질을 제조하는데 비용 및 복잡한 제조 과정이 부가된다는 점이다. 많은 경우에, 접착제는 적절한 접합을 보장하기 위해 사전에 기계적으로 프라이밍된 목재 및 FRP를 필요로 한다. 따라서, 이는 또한 복잡한 제조 과정 및 일정을 부가한다.
따라서, 종래 시스템의 단점을 처리할 수 있는 보강된 목재 물질의 제조를 위한 목재 보강 시스템이 필요하다.
본 발명의 하나 이상의 실시양태는 보강된 목재-함유 물질의 선택된 표면에 접합된 프리프레그 복합재를 포함하는 보강된 목재-함유 물질에 관한 것이다. 프리프레그 복합재는 하나 이상의 열가소성 폴리에스터 및 하나 이상의 보강 섬유를 포함한다. 열가소성 폴리에스터는 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s의 용융상 점도를 갖는다. 일반적으로, 프리프레그 복합재는 단방향 테이프를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시양태는 보강된 목재-함유 물질의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 일반적으로 프리프레그 복합재를 목재-함유 물질의 선택된 표면에 직접 도포하여 보강된 목재-함유 물질을 형성함을 포함한다. 상기 도포는 프리프레그 복합재와 선택된 표면 사이에 직접 접합을 형성하고, 이때 접합은 ASTM D905에 따라 측정된 약 2 N/mm2 이상의 블록 전단 강도를 갖는다. 프리프레그 복합재는 하나 이상의 열가소성 폴리에스터 및 하나 이상의 보강 섬유를 포함한다. 열가소성 폴리에스터는 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s의 용융상 점도를 갖는다. 일반적으로, 프리프레그 복합재는 단방향 테이프를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시양태는 하나 이상의 열가소성 폴리에스터 및 하나 이상의 보강 섬유를 포함하는 프리프레그 복합재에 관한 것이다. 열가소성 폴리에스터는 다이카복실산 성분 및 다이올 성분을 포함한다. 일반적으로, 다이올 성분은 다이에틸렌 글리콜, 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올(TMCD), 1,4-사이클로헥산다이메탄올(CHDM), 네오펜틸 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다. 그러나, 다이올 성분이 CHDM을 포함하는 실시양태에서, CHDM은 40 몰% 이상의 다이올 성분으로 구성된다. 또한, 열가소성 폴리에스터는 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s의 용융상 점도를 갖는다. 일반적으로, 프리프레그 복합재는 단방향 테이프를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시양태는 하기 도면을 참조하여 본원에 기재된다.
도 1은 ASTM D790에 기초하여 측정된 굽힘 강도의 개략도이다.
도 2는 ASTM D905에 기초한 블록 전단 접착 시험의 개략도이다.
도 3은 보강된 목재 샘플에서 굽힘 강도의 증가에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 4는 보강된 목재 샘플에서 굽힘 강도의 증가에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 5는 보강된 목재 샘플에서 접합 강도에 대한 굽힘 강도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 6은 중합체 막의 블록 전단 최대 응력에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 7은 중합체 막의 블록 전단 최대 응력에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 8은 보강된 목재 물질의 생성된 굽힘 강도에서 적층 시간의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 9는 보강된 목재 물질에서 생성된 블록 전단 최대 응력에서 수지 막 두께의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 10은 생성된 최대 굽힘 강도에서 목재 기판 중에 수분 함량의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 11은 보강된 목재 물질에서 생성된 광택에 대한 총 적층 중에 유리 섬유 함량의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 1은 ASTM D790에 기초하여 측정된 굽힘 강도의 개략도이다.
도 2는 ASTM D905에 기초한 블록 전단 접착 시험의 개략도이다.
도 3은 보강된 목재 샘플에서 굽힘 강도의 증가에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 4는 보강된 목재 샘플에서 굽힘 강도의 증가에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 5는 보강된 목재 샘플에서 접합 강도에 대한 굽힘 강도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 6은 중합체 막의 블록 전단 최대 응력에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 7은 중합체 막의 블록 전단 최대 응력에 대한 적층 온도로 0-전단 점도를 비교하는 그래프를 도시한다.
도 8은 보강된 목재 물질의 생성된 굽힘 강도에서 적층 시간의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 9는 보강된 목재 물질에서 생성된 블록 전단 최대 응력에서 수지 막 두께의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 10은 생성된 최대 굽힘 강도에서 목재 기판 중에 수분 함량의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 11은 보강된 목재 물질에서 생성된 광택에 대한 총 적층 중에 유리 섬유 함량의 효과를 나타내는 그래프를 도시한다.
본 발명은 일반적으로 목재 물질의 다양한 성능 특성을 강화하기 위해 목재-함유 물질에 열로 접합될 수 있는 프리프레그 복합재, 예컨대 단방향 테이프, 장섬유 테이프(LFT), 및 단섬유 테이프(SFT)에 관한 것이다. 본원에 논의된 바와 같이, 프리프레그 복합재는 일반적으로 접착제가 필요 없이 복합재를 목재-함유 기판에 열로 접합되도록 하는 열가소성 폴리에스터를 포함한다. 목재-함유 물질에 프리프레그 복합재의 접합시 접착제의 필요를 제거함으로써, 이는 도포 과정을 단순화할 수 있고 보강된 목재-함유 물질의 제조 비용을 경감시킬 수 있다. 결론적으로, 본원에 기재된 프리프레그 복합재는 건물 및 건축, 운송, 내구성 제품, 또는 목재 또는 목재-함유 물질이 바람직한 물질인 다른 경우와 같이 시장에서 강화 목재의 대단히 흥미로운 가치를 제안할 수 있다. 또한, 본원에 기재된 프리프레그 복합재의 사용은 특정한 용도에 도포될 추가 목재 층의 필요를 줄이므로 목재를 덜 사용할 수 있도록 하고 추가 목재의 부재로 인해 경량의 보강 물질을 생산한다.
프리프레그
복합재
본원에 사용된 "프리프레그"는 하나 이상의 열가소성 중합체로부터 형성된 수지 매트릭스로 함침된 하나 이상의 보강 섬유를 포함하는 복합재를 나타낸다. 프리프레그 복합재는 테이프, 판, 또는 패널의 형태로 존재할 수 있다. 특정 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 보강 섬유가 단방향으로 정렬된 단방향 테이프를 포함한다. 결론적으로, 이들의 특이적 정렬로 인해, 테이프의 보강 섬유는 목재 기판 위에 열로 접합될 때 목재결 또는 목재칩 정렬에 대해 평행하게, 수직으로 또는 각도(예를 들어, 30°, 45°, 또는 60°)로 정렬될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 하나 이상의 보강 섬유를 5 중량% 이상, 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 25 중량%, 30 중량%, 35 중량% 또는 40 중량% 및/또는 85 중량% 이하, 80 중량%, 75 중량%, 70 중량%, 또는 65 중량%로 포함할 수 있다. 예를 들어, 프리프레그 복합재는 하나 이상의 보강 섬유를 5 내지 85 중량%, 10 내지 80 중량%, 20 내지 75 중량%, 25 내지 70 중량%, 30 내지 70 중량%, 35 내지 65 중량%, 40 내지 80 중량%, 또는 40 내지 65 중량%의 범위로 포함할 수 있다.
보강 섬유는 예를 들어, 유리, 탄소, 아마, 현무암, 혼합 섬유, 아라미드, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 유리 섬유는 예를 들어, S-유리, E-유리 또는 R-유리를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재 중 열가소성 중합체는 열가소성 폴리에스터를 포함한다. 열가소성 폴리에스터는 용융 상 또는 당해 분야에 공지된 고체 상태 중축합 과정을 사용하여 제조될 수 있다. 이들 과정의 예는 US 2,901,466, US 4,539,390, 및 US 5,633,340에 기재되어 있고, 이들의 개시내용은 전체가 참조로서 본원에 혼입된다.
하나 이상의 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 하나 이상의 열가소성 폴리에스터를 1 중량% 이상, 2 중량%, 5 중량%, 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 또는 30 중량% 및/또는 95 중량% 이하, 80 중량%, 75 중량%, 70 중량%, 65 중량%, 55 중량%, 또는 40 중량%로 포함할 수 있다. 예를 들어, 프리프레그 복합재는 하나 이상의 열가소성 폴리에스터를 1 내지 95 중량%, 2 내지 80 중량%, 5 내지 75 중량%, 10 내지 70 중량%, 15 내지 65 중량%, 20 내지 55 중량%, 또는 30 내지 40 중량%의 포함할 수 있다.
"열가소성" 중합체는 "열경화성" 중합체와 상이함에 주목해야 한다. "불포화" 중합체로도 알려진 "열경화성" 중합체는 일반적으로 열 적용을 통해 주어진 형태로 경화되거나 굳어진 물질이고, 물질 내에 다양한 가교를 형성할 수 있다. 굳어지거나 경화된 열경화성 물질은 일반적으로 이들이 굳어지거나 경화되기 전에 갖는 가공성을 재용융하고 재수득하지 않을 것이다. 이에 반해, "열가소성" 중합체는 가열시 부드럽게 되지만(즉, 유연하게 됨), 경화되지 않는다. 열가소성은 종종 펠렛 형태로 시작하고 열이 증가하는 만큼 더 부드럽고 더욱 유동적이게 된다. 이 유동성은 상이한 어레이 방법을 사용하여 이들 물질에 적용되도록 한다. 또한, 화학 경화의 부재로 인해, 열가소성에서의 변화는 일반적으로 물리적 변화이고, 부분적으로 또는 전체적으로 가역성인 열의 재적용을 갖는다. 열가소성 중합체는 전형적으로 여러 번 재가공되고, 이는 열가소성-기반 복합재 프리프레그가 다수의 시장에서 제품에 대해 흥미진진한 주요 이유이다. 본 발명에서 사용된 열가소성 폴리에스터는 예를 들여 빠른 제작(예를 들어, 감소된 주기 시간), 증가된 재순환성, 더 나은 성형성, 및 개선된 기계 특성을 비롯한 통상의 열경화성 중합체에 대한 많은 이점을 제공할 수 있다.
특정 실시양태에서, 열가소성 폴리에스터는 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s, 또는 30 내지 250℃에서 103 내지 106 Pa-s의 용융 상, 0-전단 점도를 가질 수 있다. 추가적으로, 다양한 실시양태에서, 열가소성 폴리에스터는 0.25 dL/g 이상, 0.30 dL/g, 0.35 dL/g, 0.40 dL/g, 0.45 dL/g, 0.50 dL/g, 0.55 dL/g, 0.60 dL/g, 0.65 dL/g, 0.70 dL/g, 0.75 dL/g, 0.80 dL/g, 0.85 dL/g, 0.90 dL/g, 또는 0.95 dL/g의 고유 점도를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 열가소성 폴리에스터는 1.2 dL/g 이하, 1.1 dL/g, 1.0 dL/g, 0.9 dL/g, 0.8 dL/g, 또는 0.7 dL/g dL/g의 고유 점도를 가질 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 열가소성 폴리에스터는 0.25 내지 1.2 dL/g, 0.3 내지 1.0 dL/g, 0.35 내지 0.8 dL/g, 또는 0.4 내지 0.7 dL/g의 고유 점도를 가질 수 있다.
목적한 용도에 따라, 열가소성 폴리에스터는 무정형 폴리에스터, 반-결정질 폴리에스터, 또는 결정질 폴리에스터를 포함할 수 있다. 추가적으로, 다양한 실시양태에서, 열가소성 폴리에스터는 25℃ 이상, 50℃, 60℃, 75℃, 90℃, 100℃, 또는 125℃이지만, 150℃, 200℃, 225℃, 또는 250℃를 초과하지 않는 유리 전이 온도(Tg)를 가질 수 있다. 예를 들어, 열가소성 폴리에스터는 25 내지 250℃, 25 내지 225℃, 50 내지 200℃, 또는 50 내지 150℃의 Tg를 가질 수 있다. 또한, 열가소성 폴리에스터가 결정질 폴리에스터인 실시양태에서, 열가소성 폴리에스터는 50℃ 이상, 75℃, 100℃, 125℃, 150℃, 175℃, 또는 200℃이지만, 150℃, 200℃, 225℃, 또는 250℃를 초과하지 않는 용융 온도(Tm)를 가질 수 있다. 예를 들어, 열가소성 폴리에스터는 25 내지 250℃, 25 내지 225℃, 50 내지 200℃, 또는 50 내지 150℃의 Tm을 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 열가소성 폴리에스터는 프리프레그 복합재에서 초기에 무정형이지만, 목재-함유 물질에서 열로 접합된 후 적어도 부분적으로 결정질화되는 폴리에스터를 포함한다.
당해 분야에서 이해될 수 있는 것처럼, 프리프레그 복합재에 유용한 열가소성 폴리에스터는 산 성분 및 다이올 성분을 포함한다.
열가소성 폴리에스터의 산 성분은 다양한 유형의 산을 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 산 성분은 8 내지 14개의 탄소 원자를 갖는 방향족 다이카복실산, 4 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 지방족 다이카복실산, 8 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 지환족 다이카복실산, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 산 성분은 테레프탈산, 이소프탈산, 1,4-사이클로헥산 다이카복실산(CHDA), 나프탈렌다이카복실산, 스틸벤다이카복실산, 사이클로헥산다이아세트산, 다이페닐-4,4'-다이카복실산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 아젤라산, 세박산, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 산 성분은 10 몰% 이상, 25 몰%, 50 몰%, 75 몰%, 90 몰%, 95 몰%, 또는 99 몰%의 테레프탈산, 이소프탈산, CHDA, 나프탈렌다이카복실산, 스틸벤다이카복실산, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 산 성분 및 다이올 성분에 대하여 본원에 인용된 모든 성분%는 각각의 성분에서 각각의 산 또는 다이올에 대한 몰%를 기준으로 하고, 성분에서 혼합된 첨가제의 총 몰%는 100 몰%를 초과할 수 없다. 특정 실시양태에서, 산 성분은 100 몰%의 테레프탈산, 이소프탈산, CHDA, 나프탈렌다이카복실산, 스틸벤다이카복실산, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 산 성분은 10 몰% 이상, 25 몰%, 50 몰%, 75 몰%, 90 몰%, 95 몰%, 또는 99 몰%의 테레프탈산, 이소프탈산, CHDA, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 산 성분은 100 몰%의 테레프탈산, 이소프탈산, CHDA, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 산 성분은 10 몰% 이상, 25 몰%, 50 몰%, 75 몰%, 90 몰%, 95 몰%, 또는 99 몰%의 테레프탈산, 이소프탈산, 또는 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 산 성분은 100 몰%의 테레프탈산, 이소프탈산, 또는 이들의 조합을 포함한다. 또한, 특정 실시양태에서, 산 성분은 테레프탈산 및/또는 이소프탈산으로 완전히 구성된다. 더욱이, 특정 실시양태에서, 산 성분은 테레프탈산으로 완전히 구성된다. 다르게는, 특정 실시양태에서, 산 성분은 이소프탈산으로 완전히 구성된다.
하나 이상의 실시양태에서, 산 성분은 100 몰% CHDA를 포함한다.
열가소성 폴리에스터의 다이올 성분은 다양한 유형의 다이올을 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 다이올 성분은 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올(TMCD), 1,4-사이클로헥산다이메탄올(CHDM), 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 1,2-프로판다이올, 1,3-프로판다이올, 네오펜틸 글리콜, 1,4-부탄다이올, 1,5-펜탄다이올, 1,6-헥산다이올, 또는 p-자일렌 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 다이올 성분은 1 몰% 이상, 5 몰%, 10 몰%, 15 몰%, 20 몰%, 25 몰%, 30 몰%, 또는 40 몰% 및/또는 99 몰% 이하, 90 몰%, 75 몰%, 65 몰%, 55 몰%, 또는 50 몰%의 TMCD, CHDM, 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함한다. 예를 들어, 다이올 성분은 1 내지 99 몰%, 5 내지 90 몰%, 10 내지 75 몰%, 15 내지 75 몰%, 25 내지 75 몰%, 30 내지 75 몰%, 40 내지 75 몰%, 1 내지 55 몰%, 5 내지 55 몰%, 1 내지 50 몰%, 또는 5 내지 50 몰%의 TMCD, CHDM, 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 다이올 성분은 60 몰% 미만, 50 몰%, 40 몰%, 30 몰%, 20 몰%, 10 몰%, 5 몰%, 또는 1 몰%의 에틸렌 글리콜을 포함한다. 추가적으로 또는 다르게는, 다이올 성분은 0.5 몰% 이상, 1 몰%, 2 몰%, 5 몰%, 또는 10 몰%의 에틸렌 글리콜을 포함한다. 특정 실시양태에서, 다이올 성분은 0.5 내지 50 몰%, 0.5 내지 40 몰%, 1 내지 30 몰%, 또는 1 내지 20 몰%의 에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 다이올 성분은 TMCD 및 CHDM을 포함한다. 예를 들어, 다이올 성분은 1 몰% 이상, 5 몰%, 10 몰%, 15 몰%, 20 몰%, 25 몰%, 30 몰%, 또는 40 몰% 및/또는 99 몰% 이하, 90 몰%, 75 몰%, 65 몰%, 55 몰%, 또는 50 몰%의 TMCD 및 CHDM을 포함할 수 있다. 일반적으로, 다양한 실시양태에서, 다이올 성분은 1 내지 99 몰%, 5 내지 99 몰%, 5 내지 90 몰%, 10 내지 75 몰%, 15 내지 65 몰%, 20 내지 55 몰%, 25 내지 55 몰%, 30 내지 50 몰%, 또는 40 내지 99 몰%의 TMCD 및 CHDM을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 다이올 성분은 CHDM을 포함한다. 예를 들어, 다이올 성분은 5 몰% 이상, 25 몰%, 35 몰%, 40 몰%, 45 몰%, 50 몰%, 또는 60 몰% 및/또는 99 몰% 이하, 90 몰%, 85 몰%, 80 몰%, 75 몰%, 또는 70 몰%의 CHDM을 포함할 수 있다. 일반적으로, 다양한 실시양태에서, 다이올 성분은 5 내지 99 몰%, 25 내지 90 몰%, 35 내지 85 몰%, 40 내지 80 몰%, 45 내지 75 몰%, 50 내지 75 몰%, 50 내지 70 몰%, 또는 60 내지 99 몰%의 CHDM을 포함할 수 있다. 다르게는, 특정 실시양태에서, 다이올 성분은 40 몰% 이상, 45 몰%, 50 몰%, 55 몰%, 60 몰%, 65 몰%, 70 몰%, 75 몰%, 80 몰%, 85 몰%, 90 몰%, 95 몰%, 또는 99 몰%의 CHDM을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 다이올 성분은 TMCD를 포함한다. 예를 들어, 다이올 성분은 5 몰% 이상, 25 몰%, 35 몰%, 40 몰%, 45 몰%, 50 몰%, 또는 60 몰% 및/또는 99 몰% 이하, 90 몰%, 85 몰%, 80 몰%, 75 몰%, 또는 70 몰%의 TMCD를 포함할 수 있다. 일반적으로, 다양한 실시양태에서, 다이올 성분은 5 내지 99 몰%, 25 내지 90 몰%, 35 내지 85 몰%, 40 내지 80 몰%, 45 내지 75 몰%, 50 내지 75 몰%, 50 내지 70 몰%, 또는 60 내지 99 몰%의 TMCD를 포함할 수 있다. 다르게는, 특정 실시양태에서, 다이올 성분은 40 몰% 이상, 45 몰%, 50 몰%, 55 몰%, 60 몰%, 65 몰%, 70 몰%, 75 몰%, 80 몰%, 85 몰%, 90 몰%, 95 몰%, 또는 99 몰%의 TMCD를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 다이올 성분은 다이에틸렌 글리콜을 포함한다. 예를 들어, 다이올 성분은 1 몰% 이상, 5 몰%, 10 몰%, 20 몰%, 또는 30 몰% 및/또는 95 몰% 이하, 80 몰%, 70 몰%, 60 몰%, 또는 45 몰%의 다이에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다. 일반적으로, 다양한 실시양태에서, 다이올 성분은 1 내지 95 몰%, 5 내지 80 몰%, 10 내지 70 몰%, 20 내지 60 몰%, 또는 30 내지 45 몰%의 다이에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다.
보강 섬유 및 열가소성 폴리에스터 이외에, 프리프레그 복합재는 10 중량% 미만, 5 중량%, 2 중량% 또는 1 중량%의 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 예를 들어, 산화방지제, 디네스팅제(denesting agent), 충격 개질제, 블로킹 방지제, 금속 탈활성제, 착색제, 포스페이트 안정화제, 이형제, 충전제, 예컨대 활성 및 포마이카(formica), 실리카, 유리 비드, 핵제, 자외선 및 열 안정화제, 윤활제, 난연제, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함할 수 있다.
다르게는, 특정 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 첨가제를 함유할 수 없다.
프리프레그 복합재는 당해 분야에 공지된 방법을 사용하여 형성될 수 있고, 예를 들어 인발성형-유형 공정을 포함할 수 있다. 상기 생성 방법은 US 4,549,920, US 4,559,262, US 5,094,883, US 6,709,995, 및 US 7,297,740에 추가로 기재되고, 이들의 개시내용은 전체가 참조로 본원에 혼입된다.
프리프레그
복합재의 적용 방법
프리프레그 복합재는 목재-함유 물질의 선택된 표면에 직접 도포되어 보강된 목재-함유 물질을 형성할 수 있다. 본원에 사용된 "직접 도포"는 목재-함유 물질의 선택된 표면과 프리프레그 복합재 사이에 접착제가 존재하지 않음을 의미한다. 본원에 사용된 "접착제"는 전형적으로 기판 위에 프리프레그 복합재를 적용하는데 사용된 접착제, 예를 들어 에폭시 수지, 페놀 레소르시놀, 포름알데하이드 레소르시놀, 멜라민 또는 가교 접합된 멜라민, PVA 또는 가교 접합된 PVA, 이소시아네이트, 폴리우레탄 및 우레아-기반 접착제를 칭한다. 그러나, 하기에 추가로 논의되는 바와 같이, 이 접착제의 제외는 목재-함유 물질의 선택된 표면과 프리프레그 복합재 사이에 열가소성 수지 층의 존재를 배제하지 않는다. 이들 열가소성 수지 층은 이후 더욱 상세하게 기재된다.
프리프레그 복합재를 적용하는 선택된 표면은 목재-함유 물질의 내부 표면 또는 외부 표면일 수 있다. 예를 들어, 목재-함유 물질의 내부 표면은 예를 들어 다층 목재 복합재의 중간 층일 수 있다. 상기 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 보강제 및 접착층 둘 다로서 기능할 수 있다. 다르게는, 프리프레그 복합재를 적용하는 선택된 표면은 목재-함유 물질의 외부 표면을 포함할 수 있다. 상기 외부 표면은 예를 들어 목재-함유 물질의 바깥 표면일 수 있다.
일반적으로, 프리프레그 복합재는 일정한 시간 동안 적용된 열 및 압력을 수반하는 과정에서 목재-함유 물질의 선택된 표면에 열로 접합될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 프리프레그 복합재를 가열하여 가열된 프리프레그 복합재를 형성한 후 가열된 프리프레그 복합재를 목재-함유 물질의 선택된 표면과 접촉시켜 목재-함유 물질에 도포될 수 있다. 다르게는, 다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재는 목재-함유 물질의 선택된 표면을 가열한 후 프리프레그 복합재를 가열된 표면과 접촉시켜 목재-함유 물질에 도포될 수 있다. 다른 대안적인 실시양태에서, 프리프레그 복합재 및 목재-함유 물질의 선택된 표면은 둘 다 복합재와 목재 표면이 접촉하기 전에 가열될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 가열 및 접촉 단계는 동시에 발생할 수 있다. 다르게는, 특정 실시양태에서, 프리프레그 복합재 및 목재-함유 물질의 선택된 표면은 먼저 서로 접촉시킨 후 선택된 표면에 프리프레그 복합재를 도포하기 위해 가열될 수 있다.
일반적으로, 상기 실시양태에서, 프리프레그 복합재 및/또는 목재-함유 물질의 선택된 표면은 30 내지 250℃의 온도로 가열될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 가열은 30℃ 이상, 50℃, 75℃, 100℃, 또는 150℃ 및/또는 250℃ 이하, 225℃, 215℃, 205℃, 195℃, 또는 185℃의 온도로 발생한다. 유사하게, 가열은 30 내지 250℃, 30 내지 225℃, 50 내지 215℃, 75 내지 205℃, 100 내지 195℃, 또는 150 내지 250℃의 온도로 발생할 수 있다. 이상적으로, 목재는 250℃를 초과하는 온도로 분해를 시작할 수 있기 때문에 도포 과정 동안 온도는 250℃ 미만의 온도로 유지되어야 한다.
열은 전도성 가열, 대류성 가열, 적외선 가열 및/또는 무선 주파수로부터 유도된 가열에서 발생할 수 있음을 주목해야 한다.
추가적으로, 다양한 실시양태에서, 폴리에스터의 용융 온도(Tm) 및 유리 전이 온도(Tg)는 프리프레그 복합재를 물질 표면에 접합하는데 필요한 가장 적절한 온도로 결정할 수 있다.
폴리에스터가 무정형 폴리에스터인 실시양태에서, 접합 온도는 250℃ 이하의 폴리에스터의 유리 전이 온도로 기인하는 온도로 발생해야 한다. 예를 들어, 무정형 폴리에스터에 대한 접합은 이들 범위가 250℃ 미만이면 Tg + 25℃, Tg + 50℃, 또는 Tg + 75℃의 범위에서 발생할 수 있다.
열가소성 폴리에스터가 결정질 폴리에스터 또는 반-결정질 폴리에스터인 실시양태에서, 접합 온도는 폴리에스터의 용융 온도를 초과하지만 250℃를 초과하지 않는 온도로 발생한다. 예를 들어, 결정질 폴리에스터에 대한 접합은 이들 범위가 250℃ 미만이면 Tm + 25℃, Tm + 50℃, 또는 Tm + 75℃의 범위에서 발생할 수 있다.
상기 가열 온도는 프리프레그 복합재 중 폴리에스터 성분이 가열 공정 동안 도달하는 온도를 지칭하고 도포 장치의 온도를 지칭하지 않음을 주목해야 한다. 따라서, 열을 적용하고 프리프레그 복합재를 목재-함유 물질에 접합하는 장치는 프리프레그 복합재에 필요한 열 에너지를 제공하기 위해 상기 나타낸 것보다 더 높은 온도로 작동할 수 있다. 상기 도포 장치는 예를 들어, 수압 프레스, 정적 프레스, 압연 적층기, 이중 벨트 적층기, 적외선 램프, 프레스 압반, 또는 고압 챔버를 포함할 수 있다.
프리프레그 복합재와 목재-함유 물질의 선택된 표면 사이에 접촉 단계는 0.25 MPa 이상, 0.30 MPa, 0.35 MPa, 0.50 MPa, 0.75 MPa, 또는 1.0 MPa 및/또는 5.0 MPa 이하, 4.0 MPa, 3.0 MPa, 2.5 MPa, 2.0 MPa, 또는 1.75 MPa의 압력에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 접촉 단계는 0.25 내지 5.0 MPa, 0.30 내지 4.0 MPa, 0.35 내지 3.0 MPa, 0.50 내지 2.5 MPa, 0.75 내지 2.0 MPa, 또는 1.0 내지 1.75 MPa의 압력에서 발생할 수 있다. 이 압력은 예를 들어, 수압 프레스, 정적 프레스, 압연 적층기, 또는 고압 챔버에 의해 적용될 수 있다. 일반적으로, 높은 압력은 목재의 공극 구조를 손상시키고 열가소성 폴리에스터가 목재로 더 깊게 침투함을 막을 수 있기 때문에 덜 바람직하다.
특정 실시양태에서, 압력은 프리프레그 복합재와 목재-함유 물질의 선택된 표면 사이에 초기의 접촉 후 적용될 수 있다.
상기 가열 및 압력 단계는 1 분 이상, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 또는 10 분 및/또는 200 분 이하, 100 분, 50 분, 45 분, 30 분, 20 분, 또는 15 분 동안 발생할 수 있다. 예를 들어, 가열 단계 및/또는 압력 단계는 1 내지 200 분, 2 내지 100 분, 3 내지 45 분, 5 내지 30 분, 6 내지 20 분, 또는 7 내지 15 분의 시간에 걸쳐 발생할 수 있다. 상기 실시양태에서, 이들 긴 체류 시간 동안 접촉 단계에 사용된 압력은 0.25 내지 5.0 MPa, 0.30 내지 4.0 MPa, 0.35 내지 3.0 MPa, 0.50 내지 2.5 MPa, 0.75 내지 2.0 MPa, or 1.0 내지 1.75 MPa의 범위 내일 수 있다. 이들 범위는 프리프레그 복합재가 목적한 온도 및 압력으로 존재하는 시간의 양을 칭함을 주목해야 한다.
다르게는, 가열 단계 및/또는 압력 단계는 연속 프레스 기술, 예컨대 압연 프레스, 이중 벨트 프레스 적층기, 및 다른 연속 방식 장비가 사용될 때 매우 짧은 시간에 걸쳐 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 및 압력 단계는 0.01 초 이상, 0.05 초, 0.1 초, 또는 0.5 초 및/또는 25 초 이하, 20 초, 10 초, 또는 5 초 동안 발생할 수 있다. 더욱 특히, 상기 가열 및 압력 단계는 0.01 내지 25 초, 0.05 내지 20 초, 0.1 내지 10 초, 0.01 내지 10 초, 0.1 내지 10 초, 또는 0.5 내지 5 초의 시간에 걸쳐 발생할 수 있다. 상기 실시양태에서, 더 높은 압력이 프리프레그 복합재와 목재-함유 물질 사이에 접합을 촉진하기 위해 더 짧은 체류 시간 동안 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 더 짧은 체류 시간 동안 접촉 단계에 사용된 압력은 2 내지 12 MPa, 2.5 내지 11 MPa, 3 내지 10 MPa, 3.5 내지 9.5 MPa, 3.5 내지 9 MPa, 또는 4 내지 8.5 MPa의 범위 내일 수 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재와 보강된 목재-함유 물질의 선택된 표면 사이에 접착제가 존재하지 않거나 사용되지 않는다. 일단 적용되면, 프리프레그 복합재는 목재-함유 물질의 선택된 표면과 직접 접합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 프리프레그 복합재와 목재-함유 물질의 선택된 표면 사이에 형성된 접합은 ASTM D905에 따라 측정된 바와 같이 0.5 N/mm2 이상, 1 N/mm2, 2 N/mm2, 3 N/mm2, 4 N/mm2, 5 N/mm2, 6 N/mm2, 7 N/mm2, 8 N/mm2, 9 N/mm2, 또는 10 N/mm2 및/또는 100 N/mm2 이하, 80 N/mm2, 또는 50 N/mm2의 접착 강도를 가질 수 있다. 더욱이, 다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재와 목재-함유 물질의 선택된 표면 사이에 형성된 접합은 ASTM D905에 따라 측정된 바와 같이 0.5 내지 100 N/mm2, 1 내지 100 N/mm2, 2 내지 80 N/mm2, 3 내지 80 N/mm2, 4 내지 80 N/mm2, 5 내지 80 N/mm2, 6 내지 80 N/mm2, 9 내지 50 N/mm2, 또는 10 내지 50 N/mm2의 접착 강도를 가질 수 있다.
이론에 얽매이길 바라지 않지만, 프리프레그 복합재에서 사용된 열가소성 폴리에스터는 프리프레그 복합재와 목재-함유 물질의 선택된 표면 사이에 접합을 형성하는데 필수적으로 고려된다. 예를 들어, 프리프레그 복합재에서 사용된 열가소성 폴리에스터로부터 전적으로 형성된 깔끔한 막은 ASTM D905에 따라 측정된 바와 같이 0.5 N/mm2 이상, 1 N/mm2, 2 N/mm2, 3 N/mm2, 4 N/mm2, 5 N/mm2, 6 N/mm2, 7 N/mm2, 8 N/mm2, 9 N/mm2, 또는 10 N/mm2 및/또는 100 N/mm2 이하, 80 N/mm2, 또는 50 N/mm2의 접착 강도를 갖는 목재-함유 물질의 선택된 표에 접합을 형성할 수 있다. 더욱이, 다양한 실시양태에서, 프리프레그 복합재에서 사용된 열가소성 폴리에스터로부터 전적으로 생성된 막은 ASTM D905에 따라 측정된 바와 같이 0.5 내지 100 N/mm2, 1 내지 100 N/mm2, 2 내지 80 N/mm2, 3 내지 80 N/mm2, 4 내지 80 N/mm2, 5 내지 80 N/mm2, 6 내지 80 N/mm2, 9 내지 50 N/mm2, 또는 10 내지 50 N/mm2의 접착 강도를 갖는 목재-함유 물질의 선택된 표면에 접합을 형성할 수 있다. 본원에 사용된 "깔끔한 막"은 열가소성 폴리에스터로부터 전적으로 형성된 막을 포함한다.
선택된 표면에 접합된 프리프레그 복합재를 포함하는 생성된 보강 물질은 프리프레그 복합재로부터 형성된 다수의 층을 포함할 수 있다. 상기 실시양태에서, 다수의 층은 하나 이상의 프리프레그 복합재를 서로의 상단에 적용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 생성된 보강 물질은 별개의 프리프레그 복합재로부터 형성된 층을 2개 이상, 3개, 4개, 5개, 7개, 8개, 9개, 또는 10개 포함할 수 있다. 프리프레그 복합재로부터 형성된 각각의 층은 1 내지 2,000 ㎛, 10 내지 1,500 ㎛, 25 내지 1,000 ㎛, 40 내지 900 ㎛, 50 내지 800 ㎛, 75 내지 700 ㎛, 100 내지 600 ㎛, 또는 150 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 다수의 층은 목재-함유 물질의 선택된 표면에 접합되기 전에 서로 적용될 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 프리프레그 복합재는 함께 적층되어 다층 복합재를 형성할 수 있고, 이어서 열에 의해 목재-함유 물질에 접합될 수 있다. 다르게는, 특정 실시양태에서, 다수의 별개의 프리프레그 복합재는 한꺼번에 목재-함유 물질의 선택된 표면에 동시에 접합될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 목재-함유 물질은 목재를 포함하거나 이로 본질적으로 이루어지거나 이로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 목재-함유 물질은 10 중량% 이상, 25 중량%, 50 중량%, 75 중량%, 90 중량%, 또는 99 중량%의 목재를 포함할 수 있다. 더욱이, 특정 실시양태에서, 목재-함유 물질은 목재 또는 목재 복합재로부터 전적으로 형성된다.
목재는 경재, 연재, 및/또는 가공된 목재 복합재를 포함할 수 있다. 경재는 예를 들어, 참나무, 사시나무, 단풍나무, 호두나무, 아피통(apitong), 케루잉(keruing) 및/또는 히코리(hickory)를 포함할 수 있다. 연재는 예를 들어, 소나무, 발사나무, 코르크나무, 대나무, 미루나무, 미송(Douglas fir) 및/또는 자작나무를 포함할 수 있다. 가공된 목재 복합재는 예를 들어, 합판, 배향성 스트랜드 보드, 파티클 보드, 교차-가공재, 접착 적층재(GLT), 교차 적층재(CLT), 단판 적층재(LVL), 스트랜드 적층재(LSL), I-장선, I-빔, 및/또는 섬유판을 포함할 수 있다.
프리프레그 복합재에 대한 한가지 놀라운 속성은 열에 의해 다량의 수분(예를 들어 20 중량% 초과의 물)이 함유된 목재-함유 물질에 접합하는 능력이다. 수분에 매우 민감하고 효과적으로 접착하는데 건조 목재 기판이 필요한 고온 용융 접착제 시스템과 달리, 프리프레그 복합재는 이의 수분 함량에 상관없이 열에 의해 목재-함유 물질에 접합할 수 있다. 상기 실시양태에서 프리프레그 복합재와 젖은 목재 기판 사이에 적절한 접합이 형성됨을 보장하기 위해, 접합된 프리프레그 복합재 및 목재 기판을 실온으로 냉각할 때까지 초기의 적용 단계 후 이들에 압력을 연속적으로 적용할 수 있다. 초기의 적용 단계 후 이 부가된 압력은 목재에 남아있고 프리프레그 복합재와 목재 기판 사이에 새롭게 형성된 접합을 약화시키는 수분을 막을 수 있다. 추가적으로, 접합된 프리프레그 복합재 및 목재 기판을 실온으로 냉각할 때까지 압력 하에 이들을 보유하는 것은 목재 기판으로부터 임의의 과잉 수분을 목재로 돌려보내는 힘일 수 있다. 따라서, 프리프레그 복합재를 젖은 목재 물질에 적용하는 능력은 처리 전에 철저한 건조 과정의 필요성을 경감시켜 에너지 비용 및 생산 시간을 줄일 수 있다.
일반적으로, 다양한 실시양태에서, 목재-함유 물질은 0.1 중량% 이상, 0.5 중량%, 1 중량%, 또는 5 중량% 및/또는 30 중량% 이하, 20 중량%, 15 중량%, 10 중량%, 5 중량%, 또는 1 중량%의 수분 함량을 갖는다. 예를 들어, 목재-함유 물질은 0.1 내지 30 중량%, 0.5 내지 20 중량%, 0.5 내지 10 중량%, 또는 0.5 내지 5 중량%의 수분 함량을 갖는다.
추가적으로, 특정 실시양태에서, 열가소성 수지 층은 프리프레그 복합재와 목재-함유 물질 사이에 접합의 형성시 처리 온도 및/또는 압력을 줄이기 위해 프리프레그 복합재를 적용하기 전에 목재-함유 물질의 선택된 표면에 적용될 수 있다. 이들 열가소성 수지 층은 또한 생성된 보강된 목재 물질의 강도를 강화하는데 사용될 수 있다. 특히, 이들 열가소성 수지 층은 목재 계면에서 많은 양의 열가소성 폴리에스터를 제공하여 더욱 폴리에스터가 목재의 공극 구조로 빠르게 침투하도록 할 수 있다. 접합 강도를 개선하는 것은 목재의 유의미한 습도와 온도에 관한 주기가 발생할 것으로 예상될 때 다수의 적용에 중요할 수 있고, 프리프레그 복합재의 뒤틀림, 팽창 및 박리와 연관될 수 있다. 더욱이, 수지 층은 목재에 강하게 접합할 수 있으므로, 상기 층의 사용은 목재 물질에서 목적한 강도 및 특성을 수득하는데 필요한 프리프레그 복합재 접합 시간을 줄일 수 있다. 더욱이, 적층 장비가 프리프레그 복합재 및 수지 층을 적용하는데 사용될 때, 수지 층의 사용은 목적한 접합 강도에 도달하기 위해 열 접합 동안 낮은 압력 및/또는 온도를 사용하게 할 수 있다.
이들 "열가소성 수지 층"은 프리프레그 복합재를 생성하는데 사용된 동일한 열가소성 폴리에스터를 포함하여 열가소성 중합체로부터 형성될 수 있으므로 접착제가 아님을 주목해야 한다. 따라서, 수지 층은 프리프레그 복합재에 대하여 전술된 동일한 적용 방법을 사용하여 목재-함유 물질의 선택된 표면에 적용될 수 있다. 이에 적용된 수지 층을 함유하는 생성된 목재-함유 물질은 프리프레그 복합재가 적용될 수 있는 "예비보강 물질"로 간주될 수 있다. 다르게는, 특정 실시양태에서, 수지 층은 프리프레그 복합재와 동시에 목재-함유 물질의 표면에 적용될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 수지 층은 하나 이상의 열가소성 중합체를 포함하거나 이로 본질적으로 이루어지거나 이로 이루어질 수 있다. 이들 열가소성 중합체는 프리프레그 복합재에 관해 전술된 임의의 열가소성 폴리에스터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 수지 층은 50 중량% 이상, 75 중량%, 95 중량%, 또는 99 중량%의 하나 이상의 열가소성 폴리에스터를 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 수지 층은 프리프레그 복합재에 사용된 것과 동일한 열가소성 폴리에스터를 함유할 수 있다. 다르게는, 수지 층은 프리프레그 복합재에 존재하지 않는 하나 이상의 열가소성 폴리에스터를 함유할 수 있다.
수지 층은 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 예를 들어, 산화방지제, 디네스팅제, 충격 개질제, 블로킹 방지제, 금속 탈활성제, 착색제, 포스페이트 안정화제, 이형제, 충전제, 예컨대 활석 및 포마이카, 실리카, 유리 비드, 유리 섬유, 핵제, 자외선 및 열 안정화제, 윤활제, 난연제, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 다양한 실시양태에서, 수지 층은 10 내지 400 ㎛, 15 내지 300 ㎛, 또는 20 내지 250 ㎛의 범위에서 평균 두께를 가질 수 있다. 보강 물질이 프리프레그 복합재로부터 형성된 다층을 함유하는 실시양태에서, 수지 층은 프리프레그 복합재로부터 형성된 이들 개별 층을 각각 분리하게 위해 사용될 수 있다. 따라서, 보강 물질은 수지 층 및 프리프레그 복합재로부터 형성된 층의 교대 층을 가질 수 있다.
보강된 목재 물질
일단 적용되고 물질에 접합되면, 접합된 프리프레그 복합재는 목재-함유 물질의 다양한 특징을 개선할 수 있다. 예를 들어, 접합된 프리프레그 복합재는 목재-함유 물질의 강도, 강성 및 연성을 강화할 수 있다. 특히, 접합된 프리프레그 복합재는 목재-함유 물질에 높은 인장 강도 물질의 스트립을 제공할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 더 큰 최대 굽힘 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D790에 따른 최대 굽힘 강도는 초기 목재-함유 물질의 최대 굽힘 강도보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다. 특정 실시양태에서, 보강 물질은 ASTM D790에 따라 측정된 바와 같이 20 MPa 이상, 40 MPa, 60 MPa, 80 MPa, 100 MPa, 120 MPa, 140 MPa, 160 MPa, 180 MPa, 또는 200 MPa 및/또는 5,000 MPa 이하, 2,500 MPa, 2,000 MPa, 1,500 MPa, 1,250 MPa, 1,000 MPa, 900 MPa, 800 MPa, 또는 500 MPa의 최대 굽힘 강도를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 더 큰 탄성 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D1037에 따른 탄성 계수는 초기 목재-함유 물질의 탄성 계수보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다. 탄성 계수는 또한 비제한적으로, ASTM D143, ASTM D3500, ASTM D1037, ASTM D3043, 및 ASTM D4761을 포함하여 당해 분야에 공지된 유사한 시험 방법으로 측정될 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 이러한 다른 ASTM 시험이 또한 탄성 계수를 측정하는데 사용될 수 있지만, 이러한 다른 시험 방법의 결과는 상이하고 서로 상호교환할 수 없다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 더 큰 강성 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D1037에 따른 강성 계수는 초기 목재-함유 물질의 강성 계수보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다. 강성 계수는 또한 비제한적으로, ASTM D143, ASTM D3500, ASTM D1037, ASTM D3043, 및 ASTM D4761을 포함하여 당해 분야에 공지된 유사한 시험 방법으로 측정될 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 이러한 다른 ASTM 시험이 또한 강성 계수를 측정하는데 사용될 수 있지만, 이러한 다른 시험 방법의 결과는 상이하고 서로 상호교환할 수 없다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 더 큰 파단 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D1037에 따른 파단 계수는 초기 목재-함유 물질의 파단 계수보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다. 파단 계수는 또한 비제한적으로, ASTM D143, ASTM D3500, ASTM D1037, ASTM D3043, 및 ASTM D4761을 포함하여 당해 분야에 공지된 유사한 시험 방법으로 측정될 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 이러한 다른 ASTM 시험이 또한 파단 계수를 측정하는데 사용될 수 있지만, 이러한 다른 시험 방법의 결과는 상이하고 서로 상호교환할 수 없다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 굽힘에서 최대일량을 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D790에 따른 굽힘에서 최대일량은 초기 목재-함유 물질의 굽힘에서 최대일량보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 물질의 더 큰 종압축 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D1037에 따른 물질의 종압축 강도는 초기 목재-함유 물질의 물질의 종압축 강도보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 물질의 더 큰 횡압축 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D1037 또는 ASTM D143에 따른 물질의 횡압축 강도는 초기 목재-함유 물질의 물질의 횡압축 강도보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 물질의 더 큰 종전단 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 ASTM D1037 또는 ASTM D143에 따른 물질의 종전단 강도는 초기 목재-함유 물질의 물질의 종전단 강도보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 미처리된 목재-함유 물질에 비해 예를 들어, 낙구 충격(ASTM D 1037) 또는 충격 휨(ASTM D143)에 의해 측정된 바와 같이 더 큰 충격 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 충격 성능은 초기 목재-함유 물질의 충격 휨보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 보강 물질은 못, 나사 등을 유지하는 더 큰 파스너(fastener) 유지력을 가질 수 있다. 상기 특성은 측면 못 저항, 못 회수 또는 나사 회수에 대하여 ASTM D1037에 기재된 것과 같은 시험 방법에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어, 보강 물질의 증가된 파스너 유지력은 초기 목재-함유 물질의 파스너 유지력보다 1% 이상, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 150%, 또는 200% 더 클 수 있다.
또한, 특히 프리프레그 복합재를 보강되는 물질(예를 들어 목재)보다 상당히 덜 다공성일 수 있으므로, 접합된 프리프레그 복합재는 또한 보강 물질의 내수성 및 내화학성을 강화할 수 있다.
추가적으로, 프리프레그 복합재로부터 형성된 층은 반-투명하고/하거나 바람직한 광택을 나타낼 수 있다. 프리프레그 복합재가 목재-함유 물질의 외부 표면에 적용되는 실시양태에서, 프리프레그 복합재가 적용되자마자 외부 표면은 ASTM D2457에 따라 측정된 바와 같이 40 광택 단위 이상, 45 광택 단위, 50 광택 단위, 또는 55 광택 단위 및/또는 95 광택 단위 이하, 90 광택 단위, 85 광택 단위, 또는 80 광택 단위의 범위에서 광택을 가질 수 있다. 프리프레그 복합재가 색 첨가제를 함유하지 않고 불투명하지 않은 실시양태에서, 보강된 목재 물질의 나뭇결은 여전히 관찰자를 통해 나타나므로 시장에서 미적 장점을 제공할 수 있다.
이들의 개선된 강도로 인해, 본원에서 생성된 보강 물질은 보강 물질을 이용하는 적용에서 사용되는 추가 목재에 대한 필요성을 경감시킬 수 있다. 따라서, 목재의 이러한 감소는 또한 다양한 적용에서 바람직한 물질의 중량을 더 가볍게 촉진할 수 있다. 더욱이, 보강 물질에서 열로 접합된 프리프레그 복합재의 존재는 이의 미처리된 상태에 비해 목재-함유 물질의 내수성 및 내화학성을 개선할 수 있다. 따라서, 목재-함유 물질의 수명 및 기능성을 연장할 수 있다.
본원에 기재된 프리프레그 복합재로 생성된 보강 물질은 목재 물질이 사용되는 통상의 산업, 운송 산업 또는 임의의 다른 산업에서 다양한 제품에 사용될 수 있다. 보강 물질은 예를 들어 비계, 벽 덮개, I-장선 플랜지 및 망, 바탕바닥(subroofing) 물질, 콘크리트 형태 패널, 조리대, 캐비넷, 간판, 가구, 농업용 통, 산업용 탱크, 보강 패널, 자동차 바닥재, RV 패널, 철도 차량 바닥재, 선적 컨테이너 바닥재, 선박 구조물, 및 해상 구조물을 포함하여 다양한 최종 제품으로 혼입될 수 있다.
전술된 본 발명의 바람직한 형태는 단지 예시로서 사용되고, 본 발명의 범주를 설명하는 제한된 의미로 사용되어야 한다. 전술된 예시 실시양태에 대한 변형은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 당업자에 의해 용이하게 만들어질 수 있다.
이로써 본 발명자들은 하기 청구범위에 제시된 본 발명의 기본적인 범주를 실질적으로 벗어나지 않는 임의의 장치에 관한 것으로서 본 발명의 합리적인 공정한 범주를 결정하고 평가하기 위해 균등론에 의존하려는 의도를 언급한다.
이들 실시예가 단지 예시의 목적으로 포함되고 달리 구체적으로 나타내지 않는 한 본 발명의 범주를 제한하려 의도되지 않음이 이해될 수 있지만 이의 실시양태의 하기 실시예에 의해 추가로 예시될 수 있다.
실시예
하기 실시예에서, ASTM D790에 기재된 굽힘 강도 시험은 목재의 강도에서 개선을 측정하기 위한 실험으로서 사용된다. 이 시험에서, 부하 탐지 곡선이 생성되고 최대 부하는 순 나무 종 및 프리프레그 복합재에 열로 접합된 목재 블록에 대하여 기록된다. 특히, 굽힘 강도 시험은 프리프레그 복합재를 목재 기판에 열로 접합한 후 목재가 굽힘 방식으로 버틸 수 있는 최대 부하에 대한 개선을 양으로 나타내기 위해 사용된다.
블록 전단 시험은 목재 기판과 중합체 매트릭스 사이에 접합의 강도를 분석하기 위해 하기 실시예에서 사용된다. 블록 전단 시험은 중합체 제형 및 점도 범위가 폴리에스터-기반 UDT를 목재에 접합하기에 적합한지를 측정하는데 유용하다.
굽힘 강도 시험 및 블록 전단 시험에 대한 시험 샘플을 하기와 같이 제조하였다. 시험 샘플은 카르베르 프레스(Carver Press; 모델 번호 3693)를 사용하여 시험된 샘플을 목적한 목재 기판에 열로 접합하고 적층하여 제조하였다. 카르베르 프레스에서 이중 개구 0.356 m x 0.356 m(14" x 14) 강찰 압반, 독립된 디지털 온도 제어기, 267 kN(60,000 lbf) 이하로 인가된 유압력, 및 통합된 냉각수 시스템이 장착되어 있다. 각각의 시험 샘플에 대한 적층 매개 변수는 2 내지 10 분의 접합 시간, 115 내지 180℃의 적층 온도, 및 0.34 내지 1.72 MPa(50 내지 250 PSI)의 보압을 포함하였다.
필요한 만큼 샘플의 생성을 돕기 위해, 2024 알루미늄 합금으로 구성된 16-샘플 고정물을 제작하였다. 이 2-부 고정물은 적층 동안 샘플 정렬의 일관된 제어를 할 수 있게 하여 일관되고 균일한 샘플을 생성하였다. 모든 경우에, 선택된 온도 및 압력을 명시된 시간 동안 이용하고, 이어서 냉각수 시스템은 계속해서 압력하에 압반 및 샘플을 신속하게 냉각하도록 유인하였다.
UDT로 보강된 목재의 굽힙 강도 분석을 위해, ASTM D790에 기재된 바와 같이 3-점 굽힘 시험 방법을 사용하였다. 이 시험 방법의 개략도를 도 1에 나타내었다. 이 시험을 위해, 목재의 단일 블록을 6.35 x 63.5 x 240 mm3(0.25 x 2.5 x 10.0 in3)의 치수로 사용하였다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 나뭇결과 평행하게 240 mm(10.0 인치) 절단하고 UDT(12)를 목재(10)의 가장 큰 표면적(63.5 x 240 mm2)에 접합시켜 목재 보강된 구조를 형성하였다. 굽힘 강도 시험을 위해, 유리 섬유가 나뭇결에 평행하게 전술된 카르베르 프레스를 사용하여 UDT를 목재에 직접 적층하였다. 폴리에스터가 프레스에 달라붙는 것을 막기 위해 카르베르 프레의 UDT와 프레스 압반 사이에 뒤퐁(DuPont, 상표) 카프톤(Kapton, 등록상표) 방출 막의 층을 놓았다. 이 시험은 또한 적절한 샘플을 조건화한 후 MTS 인사이트(Insight, 등록상표) 50 kN 모델 번호 820,050 SLW를 사용하였다. 기계 데이터는 32:1의 지름 두께 비율 및 1.27 mm/분(0.05 in/분)의 교차헤드 변위 속도를 사용하여 ASTM D790에 따라 3-점 굽힘을 획득하였다. UDT가 목재 샘플의 바닥 인장면에 존재하도록 샘플을 위치시켰다. 목재 기판의 국소화된 파쇄를 경감시키기 위해 작고 얇은 조각의 고무 튜빙을 상부 부하 노즈(nose)의 반경 주위에 놓았다. 생성된 극한 굽힘 강도(σ극한)는 하기 식에 따라 계산하였고, 이때 P는 파괴시 부하이고, L은 시험 폭(203 mm)이고, b는 샘플 너비(63.5 mm)이고, d는 샘플 두께(6.35 mm + 막 또는 UDT 층)이다:
상기 논의된 바와 같이, 접착 시험은 ASTM D905에 의해 정의된 블록 전단 시험 방법을 사용하여 완료하였다. 이 시험 방법을 예시하는 개략도는 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 블록 전단 시험은 19.05 x 38.01 x 50.8 mm3(0.75 x 1.50 x 2.0 in3) 치수의 목재(10)의 2개 블록이 필요하다. 이 시험 방법에서, 나뭇결과 평행하게 50.8 mm(2.0 in) 길이로 절단하고 중합체 막(12)은 목재의 가장 큰 표면적(38.01 x 50.8 mm2)에 접합하였다. 접착 시험에서 사용된 막은 1.0 또는 1.5 인치 킬리온(Killion) 단일 나사 압출기(각각 25.4 또는 38.1 mm)를 사용하여 생성하였다. 막은 특정한 중합체 건조 및 온도 요건에 따라 열가소성 중합체로부터 생성하였다. 일반적으로, 중합체는 용융 처리 조건(240 내지 280℃)하에 중합체의 Tg 및 Tm(적용가능한 경우)에 따른 편차로 처리된다. 막은 먼저 중합체 펠렛을 60 내지 150℃에서 4 내지 8 시간에 걸쳐 건조하고 이어서 펠렛을 240 내지 280℃의 온도로 막으로 압출하여 생성된다. 각각의 중합체에 필요한 처리 조건은 중합체의 제조자에 의해 제공된 데이타 시트에 따라 결정된다. 블록 전단 시험으로 생성된 막은 381.0 ㎛(15 밀)의 공칭 두께를 갖고 블록의 표면적에 맞게 손으로 절단하였다. 2개의 블록을 중합체 막을 사용하여 함께 접합할 때, 목재-막-목재 또는 "WFW" 구조를 생성하고, 인스트론(Instron) 기계에 접착된 전단 도구는 5 mm/분(0.20 in/분)의 설정 부하 속도로 시험에 이용하였다. 전단 도구는 605 mm2(0.94 in2)의 단면적을 사용하여 목재의 상단에 부하를 적용하였다. 하기 실시예에 기록된 생성된 데이타는 접착 접합의 파괴시 MPa 단위로 측정된 최대 부하 및 최대 전단 응력을 포함한다. 이 특정한 시험에서, 최대 부하는 직접 측정되고 부하를 모든 샘플에서 측정되지만 일반적으로 블록 기하학으로부터 1930 mm2(3.0 in2)에 가까운 접합된 면적으로 나누어 응력측정으로 전환함을 주목한다.
하기 실시예에서 고유 점도(IhV)는 중합체의 희석 용액의 점도로 이해된다. 본원에 사용된, 고유 점도는 25℃ 또는 30℃에서 50 ml 용액당 0.25 g 폴리에스터의 농도에서 60/40(wt/wt) 페놀/테트라클로로에탄의 점도로서 정의된다. 이 점도 측정은 중합체의 분자량을 대표한다.
하기 실시예에서 용융점(Tm) 및 유리 전이(Tg) 온도는 ASTM D3418에 따라 20℃/분의 스캔 속도로 TA 기구로부터 TA Q2000 DSC 기구를 사용하여 측정하였다. 샘플을 23℃ 내지 280℃(20℃/분)로 가열하였다. 280℃에서 2 분 동안 풀림 후, 샘플을 실온(23℃)으로 80℃/분으로 급랭하고 제 2 열 용융 스캔을 동일한 20℃/분 속도로 수행하였다. 기록된 용융점 온도는 제 2 열 용융 스캔의 흡열성 열 흐름 곡선의 최대 최소인 반면, 기록된 유리 전이 온도는 용융 온도 전에 스캔시 엔탈피 단계의 중간점으로부터 측정하였다.
중합체 매트릭스 또는 막의 0-전단 점도(ηo)는, 하기 실시예에 기록된 경우, 먼저 레오메트릭스(Rheometrics) RDA II 유량계를 사용하여 작은 진폭 진동 전단(SAOS) 유동학 데이터를 포착하고 고지된 조성물 및 IhV의 주어진 중합체에 대한 Tg를 초과하는 다중 온도로 1 내지 400 s-1에 걸쳐 주파수 스위프를 수행하여 측정하였다. 일반적으로, 각각의 샘플은 200 내지 280℃의 온도 내에 있는 중합체의 Tg를 초과하는 2 또는 3개의 온도로 시험하였다. 공지된 IhV의 각각의 중합체에 대하여, Tg를 초과하는 상이한 온도로 3개 이상의 주파수 스위프를 수행하였다. 일단 데이터를 수득하면, 교차 모델을 맞추고 용어를 하기와 같이 만들었다:
맞춤 용어인 A1-A9는 매스캐드(MathCad) 소프트웨어로 수립된 레벤베르크-마르콰트(Levenberg-Marquardt) 방법을 사용하여 비선형 회귀로 측정한 하고, 모델은 이어서 입력 정보로서 적층 온도(T) 및 공지된 중합체 고유 점도를 사용하여 적층 시간에서 막 0-전단 점도를 추정하는데 사용하였다.
하기 실시예에서 광택은 ASTM D2457에 정의된 표준 시험 방법에 따라 BYK 광택 미터(비와이케이 바이크로-글로스(BYK Micro-Gloss))를 사용하여 60°의 각에서 측정하였다.
실시예
1 - 중합체 수지
하기 표 1은 실시예에 사용된 폴리에스터 수지의 목록을 기술한다. 표 1에 기술된 모든 코폴리에스터는 글리콜 및 산 단량체의 조합물이다. 실시예 P1 내지 P6은 모두 69 몰% 에틸렌 글리콜, 31 몰% 1,4-사이클로헥산다이메탄올(CHDM), 및 100 몰% 테레프탈산(TPA)을 함유한다. 이들의 동일한 단량체 조성에도 불구하고, 실시예 P1 내지 P6은 낮은 정도의 중합을 나타내는 낮은 고유 점도(IhV)를 갖는 상이한 정도의 중합을 갖는 중합체로 인해 상이한 IhV를 나타내지만, 일부는 카본 블랙 착색제(P4), UV 방지형 첨가제(P2), 및 난연제 첨가제(P5)와 같은 첨가제를 함유한다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 P7 내지 P11은 EG, CHDM, 다이에틸렌 글리콜(DEG), 및 테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올(60 몰% 시스 이성질체)(TMCD)과 같은 다양하게 바뀌는 글리콜, 및 TPA, 이소프탈산(IPA), 및 1,4-사이클로헥산 다이카복실산(CHDA)과 같은 산을 함유한다. 표 1은 중합체의 IhV, 유리 전이 온도(Tg), 용융 온도(Tm)를 포함하여 각각의 중합체 조성물에 대한 다양한 상세한 설명을 제공한다. 샘플이 무정형이고 측정가능한 Tm을 함유하지 않는 경우, 샘플을 "A"로 표시하였다.
표 1에 열거된 형태학 케이스는 이들의 결정도 특성에 기초하여 열거된 폴리에스터를 분류하려 시도하였다. "케이스 1"은 무정형이고 열 접합 조건하에 결정화되지 않는 물질을 칭하고, 이들 물질을 이들의 Tg와 열 접합의 온도 제한 사이에서 열로 접합하도록 한다. "케이스 2"는 무정형으로 출발하지만 열 접합 동안 결정화될 수 있는 반결정질 물질을 칭하고, 이들 물질을 이들의 Tg와 열 접합의 온도 제한 사이에서 열로 접합하도록 한다. "케이스 3"은 열 접합 동안 이들의 Tm을 초과하는 온도로 이용할 필요가 있는 매우 결정질 물질을 칭한다. 표 1에서 "결정도(%)"는 열 접합 전 및 후 특정한 샘플에서의 결정도(%)를 칭한다.
표 1은 또한 본 발명의 속성을 나타내지 않는 비-폴리에스터 물질의 특징을 말하고 비교예로서 표시된다("C"로 표지됨). 이들 비교 수지는 나일론 6(라디시 그룹(Radici Group)의 라이돌론(Raidolon: 등록상표) S 24E)(C12), 폴리카보네이트(바이에르 메터리알 사이언스(Bayer Material Science)의 마크롤론(Makrolon, 등록상표) 2608)(C13), 폴리프로필렌(토탈(Total)의 PPH-10060)(C14), 아크릴릭(플라스코라이트 웨스트(Plaskolite West)의 옵틱스(Optix, 등록상표) CA-927 HF 클리어)(C15), 및 폴리스티렌(CAS 번호 9003-53-6)(C16)을 포함한다.
| 폴리에스터 막 물질 | ||||||||||||||
| 글리콜 | 이산 | |||||||||||||
| 샘플 | 몰% EG | 몰% CHDM | 몰% TMCD | 몰% DEG | 몰% TPA | 몰% IPA | 몰% CHDA | IhV ( dL /g) | Tg (℃) | Tm (℃) |
결정도(%)
( 접합전 -접합후) |
형태학 케이스 | 첨가제 유형 | |
| P1 | 69 | 31 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.43 | 75 | A | - | 케이스 1 | 없음 | |
| P2 | 69 | 31 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.67 | 77 | A | - | 케이스 1 | UV | |
| P3 | 69 | 31 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.72 | 78 | A | - | 케이스 1 | 없음 | |
| P4 | 69 | 31 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.55 | 77 | A | - | 케이스 1 | 블랙 | |
| P5 | 69 | 31 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.54 | 77 | A | - | 케이스 1 | FR | |
| P6 | 69 | 31 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.58 | 78 | A | - | 케이스 1 | 없음 | |
| P7 | 0 | 100 | 0 | 0 | 50 | 50 | 0 | 0.62 | 81 | A | - | 케이스 1 | 없음 | |
| P8 | 63 | 0 | 0 | 37 | 100 | 0 | 0 | 0.69 | 52 | 169 | 0.0-14.9 | 케이스 2 | 없음 | |
| P9 | 96 | 4 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.56 | 78 | 243 | 1.0-33.3 | 케이스 2 | 없음 | |
| P10 | 0 | 77 | 23 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.63 | 106 | A | 0.0-14.9 | 케이스 1 | 없음 | |
| P11 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0.92 | 67 | 224 | 0.9-27.3 | 케이스 2 | 없음 | |
| 비- 폴리에스터 막 물질(비교 샘플) | ||||||||||||||
| 샘플 | 설명 | Tg (℃) | Tm (℃) |
결정도(%)
( 접합전 -접합후) |
형태학 케이스 | 첨가제 유형 | ||||||||
| C12 | 나일론 6: 라딜론(등록상표) S 24E | n/a | 221 | 23.0-27.0 | 케이스 3 | 없음 | ||||||||
| C13 | 폴리카보네이트: 마크롤론(등록상표) 2608 | 146 | A | - | 케이스 1 | 없음 | ||||||||
| C14 | 폴리프로필렌: PPH-10060 | n/a | 165 | 43.0-46.0 | 케이스 3 | 없음 | ||||||||
| C15 | 아크릴릭/PMMA: 옵틱스(등록상표) CA-927 HF 클리어 | 89 | A | - | 케이스 1 | 없음 | ||||||||
| C16 | 폴리스티렌: CAS 번호 9003-53-6 | 109 | A | - | 케이스 1 | 없음 | ||||||||
실시예
2 - 단방향 테이프(
UDT)
표 2는 표 1에 열거된 일부 중합체로부터 생성된 UDT 샘플의 목록을 보여준다. 모든 UDT 샘플에서, E-유리는 보강 섬유로서 사용하였다. 더욱 특히 UDT 샘플 T1, T2, T4, 및 T5는 피피지 인더스트리즈(PPG Industries)의 터프로브(TufRov, 등록상표) 4588을 함유하는 반면, UDT 샘플 T3은 피피지 인더스트리즈의 터프로브(등록상표) 4510을 함유하였다. 표 2는 UDT 샘플의 무게 분율을 열거하고, 모든 경우에 60 중량%의 E-유리 보강 섬유 및 40 중량%의 중합체 수지 매트릭스를 함유하였다. 표 2는 또한 유리 섬유를 함유하는 중합체 매트릭스의 IhV와 함께 UDT 샘플의 두께를 제공한다. 표 2에 나타낸 바와 같이, UDT 샘플 T1 내지 T5는 표 1의 폴리에스터 P6, P4, P10, 및 P11을 사용하여 생성하였다. 또한, UDT 샘플에 사용된 각각의 폴리에스터에 대한 형태학 케이스를 표 2에 제공하였다. T5를 제외한 모든 UDT 샘플은 무정형 폴리에스터(케이스 1)를 함유하였다.
| 테이프 ID # | 중합체 매트릭스 | 중합체 IhV ( dL /g) | E-유리 부하 (중량%) | 테이프 두께(㎛) | 형태학 케이스 |
| T1 | P6 | 0.55 | 60 | 150-250 | 케이스 1 |
| T2 | P4 | 0.45 | 60 | 200-300 | 케이스 1 |
| T3 | P4 | 0.36 | 60 | 350-450 | 케이스 1 |
| T4 | P10 | 0.54 | 60 | 350-450 | 케이스 1 |
| T5 | P11 | 0.67 | 60 | 350-450 | 케이스 2 |
UDT 샘플의 유리 섬유 함량은 회분화(ashing) 후 잔류 물질을 계량하여 측저하였다. 이는 분석용 저울을 사용하여 테이프 샘플의 질량을 측정하여 완료하였다. 이어서, 샘플을 머플로(써모린(Thermolyne) 4800 또는 등가물) 안에 놓고 2 시간에 걸쳐 600℃±10℃로 온도를 제어하였다. 회분화 후 테이프 샘플의 잔여 질량을 분석용 저울을 사용하여 후속적으로 측정하였다. 우리 섬유 함량(%)은 원래 샘플 질량에 대한 최종 질량의 비로 측정하였다. 1.5 g 이상의 샘플이 오차를 줄이기 위해 사용되었다는 것은 주목할 만하다.
실시예 3 - 목재 물질
표 3은 본 발명의 개발에 포함된 나무 종을 제공한다. 오크나무, 사시나무 및 단풍나무와 같은 경재는 소나무와 같은 연재 종과 함께 고려된다. 평가된 가공된 목재 복합재는 합판, 중간 밀도 섬유판(MDF) 및 배향성 스트랜드 보드(OSB)를 포함하였다. 표 3에 기록된 굽힘 강도는 전술된 방법에 따라 측정하였다. 표 3에 열거된 각각의 나무 종의 탄성 계수(MOE), 종압축 강도, 및 내부(접착층) 강도 값은 문헌["Wood handbook: Wood as an engineering material," from Forest Products Laboratory(Vol. 72, U.S. Government Printing, 1987)]으로부터 유래되고, 이의 개시내용은 전체가 참조로서 본원에 혼입된다.
| 나무 종 | 목재 과 | 목재의 측정된 굴곡 강도 [ MPa ] | *탄성 계수 ( GPa ) | *압축 강도( 종압축 ) [ MPa ]* | *내부(접착층) 전단 강도( 종압축 ) [ MPa ]* |
| 오크나무 | 경재 | 156 | 11.3-15.7 | 42 | - |
| 소나무 | 연재 | 107 | 8.5-13.7 | 33 | - |
| 사시나무 | 경재 | 134 | 10.9 | 38 | - |
| 단풍나무 | 경재 | 203 | 10-12.6 | 45 | - |
| MDF | 가공됨 | 49 | 3.2-4.4 | - | 1.1 |
| OSB | 가공됨 | 11 | 4.4-6.3 | - | 0.4 |
| 합판 | 가공됨 | 109 | 7.0-8.5 | - | 1.6 |
| *문헌으로부터 유래됨 . | |||||
실시예
4 - 목재에
UDT
샘플을 적용
이 실시예를 위해, 본 발명의 UDT에 의해 제공된 굽힘 강도에서 개선을 분석하였다. 특히, 본 발명의 UDT로 코팅된 목재 샘플을 UDT로 코팅되지 않은 목재 샘플과 비교하였다. UDT는 전술된 카르베르 프레스를 사용하여 목재 샘플에 적층하였다. 적층은 약 5 분 동안 1.72 MPa의 압력에서 수행하였다. 적층 동안 각각의 샘플에 대한 중합체 매트릭스의 온도 및 상응하는 0-전단 점도를 또한 하기 표 4네 기록하였다.
표 4, 및 도 3 및 4는 나타낸 나무 종에 단일 UDT 층을 열로 접합하여 유도된 시험된 샘플의 굽힘 강도 결과(FS1 내지 FS25)를 도시한다. 상기 나타낸 바와 같이, 표 3은 표 4에서 고려된 모든 나무 종의 초기 굽힘 강도를 제공한다. 이 연구에서, 표 3의 각각의 나무 종은 중합체 P4, P6, P10, 또는 P11로 구성된 이용가능한 UDT(표 2의 T1 내지 T5) 중 하나 이상과 열로 접합하였다. 표 4는 측정시 변동 계수(COV)와 함께 각각의 시험된 샘플에 대한 최대 굽힘 강도를 제공한다.
성능에서 굽힘 증가는 하기와 같이 계산된 순/미처리된 목재에 대한 개선율(%)이다:
상기 화학식으로부터 수득된 값에 100을 곱하여 개선율(%)을 계산하였다. FS목재에 대한 값이 표 3에 기록됨을 주목하여야 한다. 표 4에 나타내고 도 3 및 4에 도표로 제시된 데이터를 요약하고, 하기 결론을 밝혔다:
오크나무는 굽힘 강도에서 15 내지 45% 개선을 나타냈다.
사시나무는 굽힘 강도에서 27 내지 30% 개선을 나타냈다.
단풍나무는 굽힘 강도에서 15% 개선을 나타냈다.
소나무는 굽힘 강도에서 35 내지 45% 개선을 나타냈다.
합판은 굽힘 강도에서 45 내지 55% 개선을 나타냈다.
OSB는 굽힘 강도에서 165 내지 250% 개선을 나타냈다.
MDF는 굽힘 강도에서 80 내지 85% 개선을 나타냈다.
| 굽힘 강도 시험( ASTM D 790) | ||||||||
| ID # | 목재 | 중합체 ID # | 테이프 ID # | 온도 [℃] | η o [ Pa .s] | 굽힘 강도 [ MPa ] | COV [%] |
굽힘 증가
[%] |
| FS1 | 오크나무 | P6 | T1 | - | - | 164.3 | - | 5.6% |
| FS2 | 오크나무 | P6 | T1 | 115 | 2.92E+06 | 161.9 | 0.0% | 4.0% |
| FS3 | 오크나무 | P6 | T1 | 130 | 4.02E+05 | 196.3 | 3.6% | 26.1% |
| FS4 | 오크나무 | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 207.5 | 5.9% | 33.4% |
| FS5 | 오크나무 | P4 | T3 | 145 | 6.84E+03 | 180.7 | 6.2% | 16.2% |
| FS6 | 오크나무 | P4 | T2 | 145 | 2.51E+04 | 203.3 | 16.8% | 30.6% |
| FS9 | 오크나무 | P11 | T5 | 160 | 1.75E+04 | 188.2 | 6.6% | 20.9% |
| FS10 | 오크나무 | P10 | T4 | 145 | 4.81E+05 | 185.0 | 13.3% | 18.9% |
| FS11 | 오크나무 | P10 | T4 | 160 | 1.12E+05 | 226.4 | 6.4% | 45.5% |
| FS12 | 소나무 | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 145.7 | 19.6% | 36.5% |
| FS13 | 소나무 | P10 | T4 | 180 | 2.32E+04 | 152.8 | 6.3% | 43.1% |
| FS14 | 사시나무 | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 171.0 | 0.8% | 27.8% |
| FS15 | 사시나무 | P10 | T4 | 180 | 2.32E+04 | 169.8 | 0.1% | 26.9% |
| FS16 | 단풍나무 | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 233.1 | 1.3% | 15.1% |
| FS17 | MDF | P6 | T1 | 115 | 2.92E+06 | 61.1 | 15.0% | 23.8% |
| FS18 | MDF | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 90.6 | 7.0% | 83.5% |
| FS19 | MDF | P10 | T4 | 180 | 2.32E+04 | 89.3 | 6.5% | 80.8% |
| FS20 | OSB | P6 | T1 | 115 | 2.92E+06 | 23.4 | 14.3% | 105.4% |
| FS21 | OSB | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 40.1 | 1.6% | 252.5% |
| FS22 | OSB | P10 | T4 | 180 | 2.32E+04 | 30.1 | 6.3% | 164.8% |
| FS23 | 합판 | P6 | T1 | 115 | 2.92E+06 | 150.6 | 5.3% | 38.0% |
| FS24 | 합판 | P6 | T1 | 145 | 8.34E+04 | 168.5 | 22.5% | 54.3% |
| FS25 | 합판 | P10 | T4 | 180 | 2.32E+04 | 158.4 | 12.0% | 45.1% |
강도 개선의 척도는 나무 종 및 이의 특정한 기계적 특성, 예컨대 탄성 계수(표 3)에 의존함은 표 4에 도시된 이러한 결과로 입증되어야 한다. 일반적으로, UDT가 동일한 두께를 갖는 시료에 적용될 때 낮은 계수의 목재는 더 큰 %-기반 강도 개선을 나타낸다. 연재(소나무) 및 경재(오크나무, 사시나무 및 단풍나무) 종은 모우 15% 이상 및 50% 이하의 성능 개선을 나타낸다. 접착제가 사용되어 입자-기반 복합재(MDF 및 OSB) 또는 다중-기반 복합재(합판)를 구축하는 가동된 목재의 경우, 성능 개선은 45 내지 250%로 측정되었다. 본원은 어떠한 이론에 얽매이길 바라지 않지만, OSB는 바닥 UDT층의 높은 인장 강도로 인해 기판의 압축 파손 때문에 그러한 높은 개선을 보일 가능성이 있는 것으로 생각된다.
도 3 및 도 4는 적층 동안 UDT의 중합체 매트릭스 상의 점도가 수득된 강도 이점의 규모에 유의미하게 영향을 미침을 나타낸다. 일반적으로, UDT의 단일 층에 대하여 더 큰 강도 이점이 가장 바람직하다. 상기와 같이, 도 3 및 도 4는 증가하는 굽힘 강도에 관하여 개선되거나 최대의 이점이 104 내지 106 Pa-s의 점도 범위에서 폴리에스터와 함께 발생할 것을 제시한다.
표 4로부터의 데이타는 P4, P6, P10 또는 P11이 매트릭스 중합체로서 사용되었는지에 기초하여 제공된 굽힘 이점에서 유의미한 차이가 없음을 나타낸다. 편차(COV)가 약 10%임을 고려하면, 동일한 점도에서 이러한 다양한 폴리에스터와 동일한 목재 기판을 갖는 폴리에스터 사이에 통계적 차이는 유의미하게 고려되지 않았다. 상기와 같이, 이러한 폴리에스터-기반 UDT는 본 발명에 적합하게 고려된다. 특히, 표 4는 케이스 1 또는 케이스 2 형태학을 갖는 폴리에스터가 이 경우에 UDT에 적합함을 입증한다.
실시예
5 - 중합체를 갖는
UDT
및 섬유 막의 비교
이 실시예에서, 본 UDT를 오직 순수한 중합체 막 또는 20 중량%의 유리를 함유하는 짧은/잘린 유리 부하된 테이프로 코팅된 목재 샘플과 비교하였다. 비교용 짧은-유리 테이프는 피피지 인더스트리즈(촙반타지(Chopvantage, 등록상표) 3790)로부터의 짧은-유리 잘린 섬유로 폴리에스터 수지(P3 또는 P6)를 펠렛으로 이축 합성하고, 이어서 전술된 단축 킬리온 압출기를 사용하여 막으로 압출시켜 제조하였다. 오크나무 기판은 P6을 함유하는 폴리에스터 막(표 1 참조), P3 또는 P6을 함유하는 짧은-유리(SG) 테이프, 및 P6을 함유하는 본 UDT로 적층하였다. 카르베르 프레스를 사용하여 전술된 과정으로 시료를 제조하였다. 막 및 테이프는 약 1.72 MPa의 압력에서 5 분 동안 145℃에서 적층하였다. 추가적으로, 상이한 층이 있는 배열은 또한 이 연구에서 관찰되었다. 특히, 시험된 샘플은 하기 배열 중 하나를 함유하였다: 목재 기판에 직접 접합된 순 폴리에스터 막(WF), 목재 기판에 직접 접합된 테이프/UDT(WT), 목재/폴리에스터 막/테이프 배열(WFT)을 갖는 샘플, 및 목재 기판에 적층된 4개의 UDT 층을 갖는 목재 기판(WTTTT)을 갖는 샘플. 폴리에스터 막이 목재 기판과 UDT 사이에 존재하는 샘플에서(즉, WFT 배열), 막은 P6 폴리에스터로 생성되고 두께는 약 50.8 ㎛이다.
| ID # | 목재 | 중합체 ID # | 샘플 | 유리 부하 [ wt %] | 구조 | 굽힘 강도 [ MPa ] | COV [%] | 굽힘 증가율[%] |
| SG1 | 오크나무 | P6 | 막 | 0 | WF | 152.8 | 11.9% | -1.8% |
| SG2 | 오크나무 | P6 | SG 막 | 20 | WFT | 159.9 | 7.4% | 2.8% |
| SG3 | 오크나무 | P3 | SG 막 | 20 | WT | 139.3 | 2.9% | -10.5% |
| SG4 | 오크나무 | P3 | SG 막 | 20 | WFT | 126.6 | 2.5% | -18.6% |
| SG5 | 오크나무 | P6 | UDT (T1) | 60 | WT | 207.5 | 5.9% | 33.4% |
| SG6 | 오크나무 | P6 | UDT (T1) | 60 | WFT | 215.7 | 8.5% | 38.6% |
| SG7 | 오크나무 | P6 | UDT(T1) | 60 | WTTTT | 224.9 | - | 44.5% |
표 5에 나타낸 바와 같이, 비교예(SG1 내지 SG4)는 나무 종의 굽힘 강도에서 부정적 효과(SG1, SG3, 및 SG4) 또는 최소 긍정적 효과(SG2)를 나타냈다(-18.6% 내지 2.8%). 이에 반해, 본 발명의 UDT(SG5 내지 SG7)은 목재의 굽힘 강도에서 긍정적인 효과를 분명히 입증하였다(약 33 내지 45% 이점). 특히, 이 실시예는 UDT에서 계속해서 정렬된 유리 섬유(즉, 짧은 유리 섬유가 아님)가 본 발명에 기재된 강도 이점을 수득하는데 바람직함을 입증하였다.
실시예
6 - 굽힘 강도와 접착 강도 사이에 상관관계
UDT가 임의의 나무 종을 보강하기 위해, 이의 중합체는 열 접합 과정 후 목재 기판과 충분히 강한 접합을 형성하여야 한다. 굽힘 강도에서 블록 전단 응력과 개선 사이의 상관관계를 평가하였다. 상기 논의된 바와 같이, 블록 전단 응력은 특정한 폴리에스터 수지의 접착 강도의 조짐을 제공한다. 본 발명의 샘플(FB2 내지 FB11)은 전술된 바와 같이 카르베르 프레스를 사용하여 목재 기판에 UDT를 적층시켜 생성하였다. 적층은 약 5 분 동안 약 1.72 MPA의 압력에서 발생하였다. 각각의 UDT의 적층 온도를 하기 표 6에 제시하였다. 각각의 UDT에 상응하는 폴리에스터 막을 블록 전단 시험을 위한 동일한 적층 조건 하에 목재 기판에 별도로 적층하였다. UDT(T1)가 목재 표면에 열로 접합되지 않은 굽힘 강도 시험 동안 목재 표면에 단순히 인접하게 놓인 샘플 FB1은 대조군으로서 기능하였다.
하기 표 6 및 도 5는 본 UDT로 제공된 굽힘 강도 이점(굽힘 강도에서 증가율(%))과 본 UDT에서 사용된 동일한 폴리에스터의 깔끔한 막으로 측정된 블록 전단 최대 응력 사이에 상관관계를 나타낸다. 블록 전단 시험은 본질적으로 중합체 막과 목재 사이에 접합 강도의 측정을 제공한다. 상기 나타낸 바와 같이, 이들 2개 시험에 대한 열 접합 조건은 도 5에 나타낸 바와 같이 이들 2개 시험과 생성된 데이터 사이에 비교를 허용하기 위해 동일하였다. 따라서, 접합 강도의 목적 범위에서 목적한 수준까지 굽힘 강도를 증가시켜 강화 목재에 대한 통찰을 제공하였다.
| 블록 전단 | 굽힘 시험 | |||||||||
| ID # | 목재 | 중합체 ID # | 테이프 # |
온도
[℃] |
막 η 0 [ Pa .S] | 최대 응력[ MPa ] | COV [%] | 굽힘 강도 [ MPa ] | COV [%] | 굽힘 증가율 [%] |
| FB1 | 오크나무 | P6 | T1 | - | - | 0.00 | 0% | 164.3 | - | 5.6% |
| FB2 | 오크나무 | P4 | T2 | 145 | 8.89E+04 | 8.97 | 34% | 203.3 | 16.8% | 30.6% |
| FB3 | 오크나무 | P6 | T1 | 115 | 4.27E+06 | 1.91 | 51.7% | 161.9 | 0.0% | 4.0% |
| FB4 | 오크나무 | P6 | T1 | 130 | 5.88E+05 | 8.21 | 31.5% | 196.3 | 3.6% | 26.1% |
| FB5 | 오크나무 | P6 | T1 | 145 | 1.22E+05 | 10.78 | 18% | 207.5 | 5.9% | 33.4% |
| FB6 | 오크나무 | P10 | T4 | 145 | 1.10E+06 | 3.20 | 31% | 185.0 | 13.3% | 18.9% |
| FB7 | 오크나무 | P10 | T4 | 160 | 2.56E+05 | 8.25 | 10% | 226.4 | 6.4% | 45.5% |
| FB8 | 소나무 | P6 | T1 | 145 | 1.22E+05 | 9.31 | 12.7% | 145.7 | 19.6% | 36.5% |
| FB9 | 소나무 | P10 | T4 | 180 | 5.33E+04 | 7.10 | 42.4% | 152.8 | 6.3% | 43.1% |
| FB10 | 사시나무 | P6 | T1 | 145 | 1.22E+05 | 11.72 | 4.7% | 171.0 | 0.8% | 27.8% |
| FB11 | 사시나무 | P10 | T4 | 180 | 5.33E+04 | 9.75 | 12.0% | 169.8 | 0.1% | 26.9% |
도 6에 나타낸 바와 같이, 대조군 FB1 단독은 굽힘 강도에서 5.6% 개선을 나타내고, 이는 표 4에 요약된 굽힘 강도 특성에 상당히 미치지 못했다. 이 대조군은 본 UDT가 목적한 굽힘 강도를 제공하기 위해 UDT와 목재 사이에 동일하게 접합해야 함을 확인하였다.
또한, 표 6 및 도 5는 경재 또는 연재를 상당히 강화할 수 있는(최대 굽힘 강도에서 15% 이상 개선) UDT를 생성하는데 유용한 중합체에 대하여 3 N/mm2 이상의 접합 강도를 나타내는 중합체 막이 가장 바람직함을 입증한다. 이는 블록 전단 시험 동안 3.20 N/mm2의 최대 응력 및 18.9%의 상응하는 굽힘 강도 개선을 나타내는 샘플 FB5에 기초하였다. FB5에 대한 이 굽힘 최대 강도 개선은 본 발명의 적합한 폴리에스터 막에 대한 거의 정확한 하한치를 나타내는 것으로 여겨졌다. 표 6에서 대부분의 데이타는 7 내지 12 N/mm2 범위에서 막 최대 응력 값 및 30 내지 50%의 굽힘 강도 이점을 나타내고, 개선되거나 최대 접합 강도 및 보강 이점이 바람직한 상용 제품에 바람직할 수 있다. 많은 제품에서, 폴리에스터 막은 경재 및 연재에 대한 최대 굽힘 강도 이점(예를 들어 30 내지 50%)을 제공하는 UDT를 생성하는데 유용하도록 5 N/mm2 이상의 접합 강도, 일부 경우에 가장 바람직하게는 7 N/mm2 이상의 접합 강도를 생성해야 한다. 이후 더욱 상세하게 설명된 바와 같이, 유사한 상관관계를 그리는 것은 가공된 목재의 경우 가능하지 않고, 주로 이러한 목재 기판이 스스로 블록 전단 시험 동안 훨씬 적은 응력 값(0 내지 3 N/mm2)에서 처음 파손하고 그것 때문에 이 측정의 중요함을 타협시킨다는 사실에 기인하는 것으로 여겨졌다.
실시예
7 - 목재에서
시험된
중합체에 대한 블록 전단 시험
오크나무 기판에서 이들 중합체의 접합 강도를 관찰하기 위해 표 1에 결거된 중합체에 대하여 블록 전단 시험을 수행하였다.
표 7 및 도 6은 오크나무 목재 기판에 접합된 중합체에 대한 블록 전단 시험 결과를 나타낸다. 각각의 경우에, 중합체의 순 중합체 막에서 5 분 동안 1.72 MPa의 압력 및 표 7에 열거된 온도(및 상응하는 0-전단 점도)에서 열 접합을 수행하였다. 유사하게, 표 8 및 도 7은 소나무, 사시나무 및 단풍나무에 대한 데이타를 나타낸다.
| 중합체 막에서 시험한 블록 전단(목재/막/목재) | |||||||
| ID # | 목재 | 중합체 ID # |
온도
[℃] |
η
0
[ Pa .s] |
최대 응력[ MPa ] | COV [%] | 목재의 부하/압축 강도 비[%] |
| BS1 | 오크나무 | P1 | 160 | 5.81E+03 | 10.79 | 18% | 82% |
| BS2 | 오크나무 | P1 | 170 | 2.81E+03 | 10.72 | 33% | 82% |
| BS3 | 오크나무 | P1 | 180 | 1.47E+03 | 6.35 | 91% | 48% |
| BS4 | 오크나무 | P2 | 145 | 1.47E+03 | 5.19 | 28.9% | 40% |
| BS5 | 오크나무 | P3 | 145 | 4.07E+05 | 6.32 | 39.4% | 48% |
| BS6 | 오크나무 | P4 | 110 | 6.79E+06 | 1.91 | 113% | 15% |
| BS7 | 오크나무 | P4 | 120 | 1.52E+06 | 5.09 | 14% | 39% |
| BS8 | 오크나무 | P4 | 130 | 4.28E+05 | 6.08 | 11% | 46% |
| BS9 | 오크나무 | P4 | 145 | 8.89E+04 | 8.97 | 34% | 68% |
| BS10 | 오크나무 | P4 | 175 | 8.60E+03 | 10.95 | 13% | 83% |
| BS11 | 오크나무 | P5 | 145 | 7.41E+04 | 6.71 | 58.4% | 51% |
| BS12 | 오크나무 | P6 | 110 | 9.32E+06 | 1.98 | 121% | 15% |
| BS13 | 오크나무 | P6 | 115 | 4.27E+06 | 1.91 | 51.7% | 15% |
| BS14 | 오크나무 | P6 | 120 | 2.09E+06 | 3.24 | 42% | 25% |
| BS15 | 오크나무 | P6 | 130 | 5.88E+05 | 8.21 | 31.5% | 63% |
| BS16 | 오크나무 | P6 | 145 | 1.22E+05 | 10.78 | 18% | 82% |
| BS17 | 오크나무 | P6 | 175 | 1.18E+04 | 10.04 | 33% | 76% |
| BS18 | 오크나무 | P7 | 110 | 3.13E+07 | 0.71 | 124% | 5% |
| BS19 | 오크나무 | P7 | 120 | 4.80E+06 | 1.96 | 89% | 15% |
| BS20 | 오크나무 | P7 | 130 | 1.02E+06 | 6.50 | 57% | 50% |
| BS21 | 오크나무 | P7 | 140 | 2.81E+05 | 9.03 | 11% | 69% |
| BS22 | 오크나무 | P7 | 150 | 9.37E+04 | 10.17 | 10% | 77% |
| BS23 | 오크나무 | P7 | 160 | 3.64E+04 | 10.31 | 39% | 79% |
| BS24 | 오크나무 | P7 | 170 | 1.60E+04 | 10.72 | 36% | 82% |
| BS25 | 오크나무 | P7 | 180 | 7.79E+03 | 12.72 | 15% | 97% |
| BS26 | 오크나무 | P8 | 110 | 6.04E+03 | 8.03 | 42.3% | 61% |
| BS27 | 오크나무 | P8 | 130 | 2.96E+03 | 10.12 | 26.8% | 77% |
| BS28 | 오크나무 | P8 | 150 | 1.61E+03 | 6.04 | 52.1% | 46% |
| BS29 | 오크나무 | P9 | 145 | 9.57E+04 | 3.06 | 30.3% | 23% |
| BS30 | 오크나무 | P9 | 180 | 6.77E+03 | 2.55 | 28.5% | 19% |
| BS31 | 오크나무 | P10 | 130 | 6.98E+06 | 0.33 | 22% | 3% |
| BS32 | 오크나무 | P10 | 140 | 1.94E+06 | 2.19 | 25% | 17% |
| BS33 | 오크나무 | P10 | 145 | 1.10E+06 | 3.20 | 31% | 24% |
| BS34 | 오크나무 | P10 | 150 | 6.55E+05 | 3.50 | 17% | 27% |
| BS35 | 오크나무 | P10 | 160 | 2.56E+05 | 8.25 | 10% | 63% |
| BS36 | 오크나무 | P10 | 170 | 1.12E+05 | 8.48 | 27% | 65% |
| BS37 | 오크나무 | P10 | 180 | 5.33E+04 | 8.50 | 23% | 65% |
| BS38 | 오크나무 | PC12 | 180 | 1.02E+03 | 0.00 | 0.0% | 0% |
| BS39 | 오크나무 | PC13 | 180 | 3.58E+04 | 0.00 | 0.0% | 0% |
| BS40 | 오크나무 | PC15 | 130 | 1.46E+04 | 0.14 | 68.3% | 1% |
| BS41 | 오크나무 | PC15 | 160 | 9.62E+03 | 3.54 | 76.2% | 27% |
| BS42 | 오크나무 | PC15 | 180 | 6.31E+03 | 0.82 | 66.2% | 6% |
| BS43 | 오크나무 | PC14 | 180 | 1.39E+03 | 0.00 | 0.0% | 0% |
| BS44 | 오크나무 | PC16 | 150 | 1.53E+04 | 1.15 | 54.1% | 9% |
| BS45 | 오크나무 | PC16 | 180 | 6.26E+03 | 1.71 | 86.4% | 13% |
| 중합체 막에서 블록 전단 시험(목재/막/목재) | |||||||
| ID # | 목재 | 중합체 ID # |
온도
[℃] |
η
0
[ Pa .s] |
최대 응력[ MPa ] | COV [%] | 목재의 부하/압축 강도 비 [%] |
| BS46 | 소나무 | P4 | 145 | 8.89E+04 | 10.20 | 12.2% | 99% |
| BS47 | 소나무 | P4 | 180 | 6.29E+03 | 11.91 | 15.4% | 115% |
| BS48 | 소나무 | P6 | 145 | 1.22E+05 | 9.31 | 12.7% | 90% |
| BS49 | 소나무 | P10 | 180 | 5.33E+04 | 7.10 | 42.4% | 69% |
| BS50 | 사시나무 | P4 | 145 | 8.89E+04 | 11.35 | 41.6% | 95% |
| BS51 | 사시나무 | P4 | 180 | 6.29E+03 | 12.94 | 12.1% | 108% |
| BS52 | 사시나무 | P6 | 145 | 1.22E+05 | 11.72 | 4.7% | 98% |
| BS53 | 사시나무 | P10 | 180 | 5.33E+04 | 9.75 | 12.0% | 82% |
| BS54 | 단풍나무 | P6 | 145 | 1.22E+05 | 13.65 | 14.6% | 97% |
첫 번째로, 표 7 및 도 6으로부터의 데이타는 조성, 첨가제 유형, IhV, Tg, 또는 형태학에 상관없이 고려된 모든 폴리에스터 물질(P1 내지 P10)이 고려된 비-폴리에스터 수지(C12 내지 C16)에 비해 매우 높은 접합 강도를 나타냄을 보여준다. 일반적으로 말하면, 도 6은 접합 동안 동일한 0-전단 점도에서, 폴리에스터가 비-폴리에스터 물질의 접합 상도의 2배 이상, 많은 경우에 4배 이상 접합 강도를 나타내는 경향이 있음을 보여준다. 이 데이타는 본 발명에서 유용한 폴리에스터의 우월성을 분명히 보여준다.
두 번째로, 표 7 및 도 6은 폴리에스터 물질의 열 접합에 대한 이상적인 점도 범위가 103 내지 107 Pa-s, 심지어 더욱 바람직한 접합 강도를 수득하기 위한 104 내지 106 Pa-s의 좁은 범위임을 입증한다. 이러한 점도는 30 내지 250℃에서 접합 동안 발생한다(이전에 논의된 바와 같이 목재의 한계치로 나타냄). 표 7에서 연구된 중합체에 대하여, 이상적인 점도 범위 및 생성된 접합 강도는 열 접합이 Tg + 25℃ 내지 Tg + 75℃ 범위의 온도로 수행될 때 발생하지만, 250℃ 미만에서 목재가 분해됨을 나타낸다. 이러한 온도는 전형적으로 케이스 1 및 케이스 2 중합체에 대한 가장 적합한 접합 조건이었다.
세 번째로, 고려된 다양한 폴리에스터 물질 사이에 성능의 차이가 본질적으로 분명하지 않음이 표 7 및 도 6에서 자명해야 하고, 다시 한번 특정한 조성, IhV 또는 첨가제 유형이 강한 접합을 수득하는데 중요하지 않음을 나타낸다. 비-폴리에스터 수지가 상기 명백하게 상이한 성능을 나타낸 이 결과는 놀랍고 예상치 못하였다. 이 동일한 결론은 특정한 폴리에스터 수지가 유의미하게 문제를 보이지 않는 경우, 표 4의 굽힘 강도 데이타에서 관찰됨을 주목하여야 한다.
유일한 예외는 104 내지 106 Pa-s 점도에서 오직 2.5 내지 3.1 N/mm2의 접합 강도를 나타내는 표 7의 중합체 P9(BS29, BS30)를 함유하는 샘플에서 보여졌다. 따라서, 샘플 BS29 및 BS30에 대한 접합 강도는 일반적으로 비교가능한 조건(즉, 6 N/mm2 초과)에서 표 7의 다른 폴리에스터로 보이는 접합 강도보다 훨씬 적다. 임의의 이론에 얽매이지 않고, 본 출원인들은 이 예외가 P9가 케이스 2 형태학을 갖는 사실에 관련되고, 따라서 막이 열 접합 공정 동안 결정화되고, 아마도 막의 최종 접합 강도를 약하게 한다고 여긴다. 그럼에도, P9를 함유하는 샘플 및 임의의 다른 케이스 2 폴리에스터는 여전히 여러 이유로 인해 본 발명에 유용하다. 첫 번째로, 표 7에서 P8 샘플(BS26 내지 BS28)은 또한 케이스 2 형태학을 함유하고 모두 케이스 1 중합체(P1 내지 P7)에 대한 비교가능한 접합 강도를 보인다. 이 데이타는 케이스 1 및 2 폴리에스터가 둘 다 본 발명의 충분한 예시이지만, 케이스 1 형태학이 일반적으로 접합 강도가 최대일 때 바람직할 수 있음을 교시한다.
표 8 및 도 7은 소나무, 사시나무 및 단풍나무 종에 대하여 유사한 데이타를 입증한다. 표 8에서 도시된 바와 같이, 고려된 3개 중합체(P4, P6 및 P10)에 대한 접합 강도는 샘플링된 경재(오크나무, 단풍나무 및 사시나무) 및 연재(소나무)에 대하여 6 N/mm2 이상이었다. 표 8의 이 데이타는 본 UDT 및 이의 폴리에스터가 경재 및 연재의 다중 유형에 적용가능함을 입증한다.
실시예
8 - 가공된 목재에서
시험된
중합체에 대한 블록 전단 시험
표 9는 OSB, 합판 및 MDF와 같이 가공된 목재 기판에 적용된 중합체 막의 접합 강도를 측정하기 위한 시도로부터의 결과를 나타낸다. 이 연구를 위해, 다양한 중합체 및 비교 중합체로부터 형성된 막을 카르베르 프레스를 사용하여 약 1.72 MPa의 압력에서 5 분 동안 MDF, OSB, 및 합판 기판에 열로 접합시켰다. 각각의 적층에 대한 온도를 표 9에 제공하였다.
가공된 목재는 전형적으로 많은 베니어 층(합판의 경우) 또는 개별 입자 및 칩(MDF 또는 OSB의 경우)을 함께 붙여 많은 건물 및 건축 제품에 유용한 목재를 형성하는 제조자에 의해 형성된다. 따라서, 이러한 가공된 목재의 고유 전단 강도는 목재의 내부 접착층 강도에 의해 주로 영향을 받는 경향이 있고, 이는 거의 모든 경재 및 연재 종보다 상당히 낮다. 표 3은 MDF 및 OSB 의 내부 전단 강도 및 경재 및 연재 종의 압축 강도(33 내지 45 MPa)보다 현저하게 낮은(0.4 내지 1.6 MPa) 합판의 내부 적층 전단 강도를 제공한다. 따라서, 가공된 나무 종의 2개 블록을 중합체 막과 함께 열로 접합하고 블록 전단 시험 장치에서 이를 시험함은 막-목재 접착 계면(즉, 블록 전단 강도에 대해 시험되는 접합)에서 1차 파단보다 오히려 빈번하게 목재의 상당한 응집 파괴를 야기한다.
예상된 결과를 나타내기 위해, 표 7 내지 9는 나무 종이 표 3에 나타낸 공지된 압축 강도(또는 가공된 목재의 경우 내부 접합 강도)에 기초하여 견디는 것으로 예상되는 부하에 관하여 파괴시 샘플에서 부하의 비를 보고한다. 블록 전단 시험에 대하여 주어진 목재 기판에 대한 중합체 막 접합 강도의 중요하고 비교가능한 측정을 충분히 제공하기 위해, 이 비는 120% 미만, 바람직하게는 100% 미만이어야 하고, 1차 파괴는 막의 접착 파괴에 기인함을 암시한다. 이는 표 7 및 8에 보고된 모든 경재 및 연재 샘플에 대한 경우에서 보여졌다. 반대로, 가공된 목재는 모두 100%를 상당히 초과하고, 선택된 경우에 최대 2000% 범위의 값을 나타낸다. 이러한 실험에서, 1차 파괴 모드는 목재의 접착 파괴였다. 이것이 발생했을 때, 목재는 열로 접합된 막 이전에 파괴하고, 측정은 이들 목재 기판에 중합체의 접합 강도를 정량화하는데 유용하지 않다.
| 중합체 막에서 시험하는 블록 전단(목재/막/목재) | |||||||
| ID # | 목재 | 중합체 ID # |
온도
[℃] |
η
0
[ Pa .s] |
최대 응력[ MPa ] | COV [%] | 목재의 부하/내부 전단 강도의 비 [%] |
| BS55 | MDF | P4 | 145 | 8.89E+04 | 1.92 | 14.2% | 575% |
| BS56 | MDF | P4 | 180 | 6.29E+03 | - | - | - |
| BS57 | MDF | P6 | 145 | 1.22E+05 | 1.03 | 59.1% | 309% |
| BS58 | MDF | P10 | 180 | 5.33E+04 | 1.53 | 14.3% | 457% |
| BS59 | OSB | P4 | 145 | 8.89E+04 | 1.13 | 63.4% | 903% |
| BS60 | OSB | P4 | 180 | 6.29E+03 | 1.68 | 17.9% | 1346% |
| BS61 | OSB | P6 | 145 | 1.22E+05 | 0.32 | 22.6% | 256% |
| BS62 | OSB | P10 | 180 | 5.33E+04 | 2.42 | 10.6% | 1933% |
| BS63 | OSB | C15 | 130 | 1.46E+04 | 1.36 | 36.10% | 1086% |
| BS64 | OSB | C15 | 160 | 9.62E+03 | 2.28 | 7.10% | 1828% |
| BS65 | OSB | C15 | 180 | 6.31E+03 | 2.07 | 8.70% | 1653% |
| BS66 | OSB | C16 | 150 | 1.53E+04 | 1.35 | 33.50% | 1077% |
| BS67 | OSB | C16 | 180 | 6.26E+03 | 2.32 | 39.20% | 1852% |
| BS68 | 합판 | P4 | 145 | 8.89E+04 | 0.43 | 0.0% | 87% |
| BS69 | 합판 | P4 | 180 | 6.29E+03 | 1.96 | 14.1% | 393% |
| BS70 | 합판 | P6 | 145 | 1.22E+05 | 1.90 | 13.4% | 380% |
| BS71 | 합판 | P10 | 180 | 5.33E+04 | 0.80 | 49.2% | 160% |
| BS72 | 합판 | C15 | 130 | 1.46E+04 | 2.03 | 32.20% | 405% |
| BS73 | 합판 | C15 | 160 | 9.62E+03 | 1.81 | 13.30% | 363% |
| BS74 | 합판 | C15 | 180 | 6.31E+03 | 1.51 | 7.40% | 301% |
| BS75 | 합판 | C16 | 150 | 1.53E+04 | 1.55 | 30.60% | 310% |
| BS76 | 합판 | C16 | 180 | 6.26E+03 | 1.49 | 21.10% | 298% |
가공된 목재가 먼저 전형적으로 0.3 내지 2.3 N/mm2 범위에서 최대 응력 값 하에 파괴됨을 나타내는 것처럼, MDF, OSB, 및 합판과 같은 가공된 목재를 보강할 때, 0.3 내지 3.0 N/mm2의 접합 강도를 갖는 중합체 막이 허용가능하다. 0.3 N/mm2 이상의 접합 강도가 가공된 목재에 허용가능할 수 있지만, 다양한 가공된 목재를 유의미하게 보강할 수 있는 UDT를 생성하는데 유용한 3 N/mm2 이상의 접합 강도가 여전히 바람직하다. 불행하게도, 3 N/mm2 이상의 접합 강도는 가공된 목재의 접착층 적재로 인해 이 블록 전단 기술로 정확하게 측정가능하지 않다. 그러나, 표 4, 및 도 3 및 4에서 입증된 바와 같이, 합판, OSB, 및 MDF와 같은 가공된 목재를 보강하고 최대 굽힘 강도에서 증가를 제공하기 위해 UDT에서 본 발명의 폴리에스터(예를 들어, P4, P6, P10, 및 P11)를 사용하여 상당한 강도 이점을 수득하는데 문제가 없다. 표 4, 및 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 보강된 합판 및 MDF는 45 내지 85% 개선을 나타내는 반면, 보강된 OSB는 165 내지 250% 개선을 나타냈다.
P4, P6, 및 P10이 다른 본 발명의 폴리에스터(P1, P2, P3, P5, P8, 및 P9)가 하는 것처럼 오크나무, 소나무 및 사시나무에 똑같이 잘 접합함을 나타내는 블록 전단 데이타에 기초하여, 임의의 이들 폴리에스터로 구성된 UDT는 또한 특히 오크나무, 소나무, 사시나무 또는 단풍나무처럼 여기서 시험된 목재를 포함하는 가공된 목재를 유사한 수준까지 강화하도록 기대된다.
요약하면, 이 실시예는 블록 전단 시험 방법 동안 목재의 상당한 응집 파괴로 인해 경재 및 연재를 위해 수행된 것처럼 목재를 조작하기 위한 접합 강도를 정량화하는 것이 실험적으로 가능하지 않다는 것을 강조하기 위함을 의미하였다.
실시예
9 - 적층 조건 평가
이 실시예는 굽힘 강도 시험에서 보강된 목재의 접합 강도 및 이후 성능이 적층 시간 범위, 적층 압력 범위, 및 보강 물질에 열가소성 폴리에스터-기반 수지 막 층의 포함을 사용하여 개선하거나 최적화할 수 있음을 나타낸다.
표 10은 오크나무 기판에서 중합체 P4 및 P6을 사용하여 이 실시예에 대한 결과를 제시한다. 표 10에서 나타낸 바와 같이, 적층 시간, 적층 압력 및 보강된 배열을 시험하였다. 표 10에 열거된 구조에 관하여, "WT"는 목재/UDT 배열을 의미하고, "WFT"는 목재/막/UDT 배열을 의미하고, "WTW"는 목재/UDT/목재 배열을 의미하고, "WFTFW"는 목재/막/UDT/막/목재 배열을 의미한다. 폴리에스터 수지 막 층(존재하는 경우)은 중합체 P6으로 제조되었다. 표 10으로부터의 동일한 데이타는 도 8 및 9에 도표로 제시되고, 굽힘 강도 개선 및 블록 전단 최대 응력 이점을 각각 나타낸다. 블록 전단 시험 및 굽힘 강도 시험은 둘 다 145℃의 적층 온도를 사용하여 수행하였다.
| 블록 전단 시험 | 굽힘 강도 시험 | ||||||||||||
| ID # | 목재 | 중합체 | 테이프 |
P6
의 수지 막
[㎛] |
시간[분] |
압력
[ MPa ] |
층 | 최대 응력[ MPa ] | COV [%] | 층 | 굽힘 강도 [ MPa ] | COV [%] | 굽힘 증가율[%] |
| TP1 | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | 2.0 | 0.345 | - | - | - | WT | 164.5 | 17.8% | 5.7% |
| TP2 | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | 10.0 | 0.345 | - | - | - | WT | 192.8 | 7.8% | 23.9% |
| TP3 | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | 2.0 | 1.724 | - | - | - | WT | 174.3 | 6.8% | 12.0% |
| TP4 | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | 5.0 | 1.724 | WTW | 6.42 | 73.8% | WT | 207.5 | 5.9% | 33.4% |
| TP5 | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | 10.0 | 1.724 | - | - | - | WT | 225.5 | 1.4% | 44.9% |
| TP6 | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | 2.0 | 0.345 | - | - | - | WFT | 173.4 | 0.9% | 11.4% |
| TP7 | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | 10.0 | 0.345 | - | - | - | WFT | 201.1 | 22.6% | 29.2% |
| TP8 | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | 2.0 | 1.724 | - | - | - | WFT | 175.1 | 0.7% | 12.5% |
| TP9 | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | 5.0 | 1.724 | WFTFW | 9.91 | 30.1% | WFT | 235.2 | 2.1% | 51.2% |
| TP10 | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | 10.0 | 1.724 | - | - | - | WFT | 237.9 | 3.1% | 52.9% |
| TP11 | 오크나무 | P6 | T1 | 127.0 | 2.0 | 0.345 | - | - | - | WFT | 174.0 | 5.8% | 11.8% |
| TP12 | 오크나무 | P6 | T1 | 127.0 | 10.0 | 0.345 | - | - | - | WFT | 213.0 | 1.0% | 36.9% |
| TP13 | 오크나무 | P6 | T1 | 127.0 | 5.0 | 1.724 | WFTFW | 11.74 | 6.1% | WFT | 239.5 | 4.4% | 53.9% |
| TP14 | 오크나무 | P4 | T2 | 0.0 | 5.0 | 1.724 | WTW | 3.24 | 38.5% | WT | 203.3 | 16.8% | 30.6% |
| TP15 | 오크나무 | P4 | T2 | 50.8 | 5.0 | 1.724 | WFTFW | 8.68 | 18.6% | WFT | 206.2 | 7.5% | 32.5% |
| TP16 | 오크나무 | P4 | T2 | 127.0 | 5.0 | 1.724 | WFTFW | 12.07 | 14.3% | - | - | - | - |
도 8은 적층 동안 증가된 시간이 일반적으로 폴리에스터 수지 막 층이 있거나 없는 경우에 굽힘 강도 이점을 개선함을 나타낸다. 처리 시간의 증가는 1.72 MPa의 압력으로 2 분에 10% 개선 및 10 분에 45 내지 55% 개선으로 최대 굽힘 강도에 개선을 야기한다. 어떠한 이론에 얽매이지 않고, 본 출원인들은 긴 중합 접합 시간과 관련된 개선의 이유가 중합체가 다공성 목재 구조로 침투하기 위한 더 많은 기회를 수득하는 것이라 생각한다. 이는 굽힘 시험에서 개선된 접합 강도 및 이후 성능 이점을 야기한다. 도 8로부터의 데이타는 적용된 압력이 높으면 또한 접합 특성을 유의미하게 개선함을 나타낸다. 예를 들어, 10분의 접합 시간에, 오크나무 시료의 굽힘 강도는 적층 동안 0.34 MPa에서 1.72 MPa까지 압력 높이기에 기초하여 24%에서 45%까지 개선되었다. 유사하게, 폴리에스터 수지 막 층을 10 분의 접합 시간으로 이용한 경우, 오크나무 시료의 굽힘 강도는 29%에서 53%까지 개선되었다. 온도처럼 선형으로 감소하는 오크나무의 압축 강도는 30 내지 250℃ 적층 창 내에서 증가된다. 예를 들어, 145℃의 적층 온도로, 여기서 적용된 부하의 경우에서처럼, 오크나무 횡인장 압축 강도는 약 2.00 MPa로, 또는 실온에서 오크나무의 공칭 압축 강도의 대략 30%로만 감소된다. 상기와 같이, 1.72 MPa보다 더 높은 압력은 UDT와 목재 사이에 접합을 감소시키는 목재의 다공성 구조를 깨고 차단할 수 있는 것처럼 바람직하지 않을 수 있다. 상기와 같이, 특정 실시양태에서, 2 내지 10분의 시간 및 0.34 내지 1.72 MPa의 압력은 전형적으로 본 발명에서 바람직한 범위이다. 다르게는 연속 프레스 작동, 예컨대 디중-벨트 적층 또는 롤 프레싱이 이용되는 실시양태에서, 도 8의 데이타 및 경향은 2 내지 12 MPa의 매우 높은 압력이 0.1 내지 5 초만큼 짧은 시간에서 발생하기 위한 충분한 접합을 가능하게 할 수 있음을 나타낼 수 있다.
또 다른 발견은 표 10, 및 도 8 및 9에 나타낸 바와 같이 열가소성 폴리에스터-기반 수지 막 층이 목재에 대한 접합 강도 및 보강 물질의 최대 굽힘 강도를 둘 다 개선하는데 유용하다는 것이다. 고압(1.72 MPa) 데이타는 UDT에 함유된 동일한 중합체를 함유하는 폴리에스터 수지 막 층의 혼입이 UDT와 목재 사이에 굽힘 강도를 33%에서 53%까지(5 분에) 및 45%에서 53%까지(10 분에) 개선함을 나타낸다. 저압 및 연장된 시간(0.34 MPa 및 10 분)에서 조차, 굽힘 강도는 24%에서 37%까지 개선되었다. 따라서, 51 내지 127 ㎛ 두께의 폴리에스터 수지 막 층을 첨가함이 보강 물질의 이점 및 다용도성을 개선하거나 최대화하는데 유용함이 명백해졌다. 도 8의 데이타는 폴리에스터 수지 막 층이 UDT를 5 분 동안 및 1.72 MPa에서 접합될 때 50%의 굽힘 강도 개선을 나타낼 수 있도록 하지만, 폴리에스터 수지 층의 부재는 1.72 MPa에서 10 분 접합으로 굽힘 강도에서 45% 개선을 야기함을 나타낸다. 이들 실시예에서, 폴리에스터 수지 층의 혼입은 열 접합의 효율(10에서 5분으로 접합 시간 단축)을 2배고 만들고 굽힘 강도를 개선하였다. 폴리에스터 수지 층이 사용될 때, 요구된 접합 강도를 수득하기 위해 열 접합 동안 낮은 압력 또는 낮은 온도를 사용하고, 이로 인해 고압 수압 시스템과 관련된 유지 및 비용을 줄일 수 있다.
도 9는 폴리에스터 수지 막 층을 사용하여 수득된 장점 및 다용도성을 추가로 나타낸다. 2개 중합체(P4 및 P6)에 대한 플롯에 나타낸 바와 같이, 접합 강도는 UDT 대 UDT-단독 경우에 51 ㎛ 두께 막을 혼입하여 유의미하게 증가되고, 심지어 127 ㎛ 두께 막으로 추가로 개선된다. 이 데이타는 폴리에스터 수지 막 층이 DUDT와 함께 사용될 때 접합이 더 강해지고, 이로 인해 도 8에서 강조된 굽힘 성능 이점을 야기함을 나타낸다. 접합이 폴리에스터 수지 층으로 강화될 수 있다는 사실은 풍화 동안 더 나은 내구성, 목재의 수축 및 팽창 동안 적은 박리, 및 파괴시 높은 부하와 같은 상업적인 적용에 추가의 이점을 잠재적으로 제공한다.
실시예
10 - 수분 수준 분석
개별 합판 층은 건조된 후 압축되고 페놀 레소르시놀 포름알데하이드와 같은 접착제로 접착됨은 합판 제조와 같은 목재 산업에서 널리 공지되어 있다. 이를 위한 이유 중 하나는 이들과 같은 접착제가 종종 접합시에 접착 층과 목재 물질 사이에 불량한 접합을 야기할 수 있는 목재 기판의 수분 수준에 의해 영향을 받기 때문이다. 접착 층과 목재 물질 사이에 불량한 접합을 야기할 수 있는
이 실시예에 대하여, 목재-UDT 시스템의 극한 성능에서 접합시에 목재 내에 수분의 영향을 입증하였다. 표 11 및 도 10은 50.8 ㎛의 두께를 갖는 P6의 수지 막 층의 존재 및 부재하에 오크나무 목재 기판에 접합된 UDT(T1)의 분석 결과를 보고한다. UDT를 약 145℃의 온도 및 1.72 MPa의 압력에서 전술된 카르베르 프레스를 사용하여 5 분에 걸쳐 열로 접합된 후 압력하에 실온으로 냉각하였다.
목재의 수분 수준은 목재를 직접 물에 노출시키거나 목재를 전적으로 대류식 오븐에서 건조시켜(0.0% 수분의 경우) 생성하였다. 표 11에 보고된 수분 수준은 수분 계량기(바그너(Wagner) MMC 210)를 사용하여 적층 직전에 측정하였다. 0.0% 및 5.6% 수분 수준의 경우에, 목재를 보강하기 위한 UDT의 능력에서 유의미한 변화는 없었다. 목재가 완전히 물로 포화되어 이의 최대 용량에 가까워질 때, UDT는 여전히 오크나무 목재의 최대 굽힘 강도를 유의미하게 보강할 수 있다. 반면에 고수분 샘플(23.0%)에 대한 성능에서 일부 약간의 감소가 있는 있고, 이 데이타는 접합 강도 및 생성된 목재-UDT 특성이 열 접합시 목재의 수분 수준에 강하게 의존하지 않음을 시사한다. 이는 수분이 제어하는데 중요한 변수가 아닐 수 있음을 알고 산업에서 본 발명의 UDT를 더욱 용이하게 채택하게 할 수 있어야 한다는 놀라운 결과로 간주되었다.
| 굽힘 강도 시험 | |||||||||
| ID # | 접합시 목재 수분 함량(%) | 목재 | 중합체 | 테이프 | P6 의 수지 막[㎛] | 구조 | 굽힘 강도 [ MPa ] | COV [%] | 굽힘 증가율[%] |
| ML1 | 0.0% | 오크나무 | P6 | 막 | 0.0 | WF | 155.7 | 11.9% | 0.0% |
| ML2 | 5.6% | 오크나무 | P6 | 막 | 0.0 | WF | 152.8 | 11.9% | 0.0% |
| ML3 | 23.0% | 오크나무 | P6 | 막 | 0.0 | WF | 143.8 | 0.2% | 0.0% |
| ML4 | 0.0% | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | WT | 207.5 | 1.0% | 25.0% |
| ML5 | 5.6% | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | WT | 209.1 | 23.6% | 26.9% |
| ML6 | 23.0% | 오크나무 | P6 | T1 | 0.0 | WT | 179.1 | - | 19.7% |
| ML7 | 0.0% | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | WT | 223.0 | 31.4% | 30.2% |
| ML8 | 5.6% | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | WT | 211.7 | 21.2% | 27.8% |
| ML9 | 23.0% | 오크나무 | P6 | T1 | 50.8 | WT | 174.4 | - | 17.6% |
실시예
11 - 광택 분석
목재의 심미적 매력 및 이의 천연 알갱이 패턴을 보기 위한 능력은 가구, 패널, 또는 다른 목재-기반 제품과 같은 많은 제품을 위해 특히 중요하다. 상기와 같이, 목재를 보강할 수 있으면서도 알갱이 패턴이 관찰가능함을 통해 광택 면 및 관련된 접촉 투명도를 유지함이 특히 바람직하다. 표 12 및 도 11은 짧은-유리 및 UDT 시스템을 둘 다 갖는 다수의 보강된 목재 구조에서 60° 광택 측정을 보고한다. 이 연구를 위한 샘플은 약 145℃의 온도 및 1.72 MPa의 압력에서 5 분 동안 전술된 카르베르 프레스를 사용하여 생성하였다.
"총 적층된 구조에서 유리 섬유율(%)"로 표지된 표 12의 컬럼은 UDT 또는 SGF 층 둘 다, 및 수지 막(사용된 경우)의 중량을 고려하여 전체 구조에서 유리의 중량%를 측정함으로써 계산하였다. 표 12에서 본 발명의 모든 샘플은 약 50 내지 약 95의 광택 값을 나타낸다. 40 내지 60% 수지를 함유하는 UDT-기반 구조가 20 중량%만을 함유하거나 유리가 거의 없는 짧은-유리 섬유만큰 우수하거나 나은 광택 값을 나타냄은 다소 놀랍고 예상하지 못했다. 전형적으로, 중합체 매트릭스에 유리의 포함은 유리의 반사 지수 및 중합체의 불일치로 인해, 또는 보이드 또는 더스트 입자와 같은 광 산란 물체를 생성하는 유리로 인해 불투명도를 생성할 수 있다. 그러나, 이 연구에 사용된 폴리에스터인 P4(불투명한 흑색임) 조차도 40 중량% 유리 부하를 초과의 높은 광택 값을 유지하고 있다. 언급한 바와 같이, 매력적인 심미안을 제공하고 불투명한 색 첨가제가 없는 중합체의 경우 나뭇결은 관찰자를 통해 보여지도록 할 수 있으므로 실제 적용에 유용하다.
| ID # | 목재 |
중합체
ID # |
1차 층(막, SGF, 또는 UDT ) | 1차 층에서 유리[중량%] | 1차 층 두께[㎛] | 수지 막 두께[㎛] | 구조 | 총 적층물 중 유리 섬유율(%) | 60° 유리 |
| GL1 | 오크나무 | P6 | 막 | 0% | 360 | 0.0 | WF | 0% | 96.6 |
| GL2 | 오크나무 | P6 | SGF | 20% | 289 | 50.8 | WFS | 17% | 81.5 |
| GL3 | 오크나무 | P3 | SGF | 20% | 344 | 50.8 | WFS | 18% | 68.0 |
| GL4 | 오크나무 | P6 | SGF | 20% | 289 | 0.0 | WS | 20% | 58.1 |
| GL5 | 오크나무 | P3 | SGF | 20% | 344 | 0.0 | WS | 20% | 71.4 |
| GL6 | 오크나무 | P6 | UDT (T1) | 60% | 272 | 127.0 | WFT | 40% | 71.1 |
| GL7 | 오크나무 | P6 | UDT (T1) | 60% | 272 | 50.8 | WFT | 51% | 77.8 |
| GL8 | 오크나무 | P4 | UDT (T2) | 60% | 274 | 50.8 | WFT | 51% | 95.5 |
| GL9 | 오크나무 | P6 | UDT (T1) | 60% | 549 | 50.8 | WFT | 55% | 68.3 |
| GL10 | 오크나무 | P6 | UDT (T1) | 60% | 272 | 0.0 | WT | 60% | 49.5 |
| GL11 | 오크나무 | P4 | UDT (T2) | 60% | 274 | 0.0 | WT | 60% | 74.1 |
| GL12 | 오크나무 | P4 | UDT (T3) | 60% | 378 | 0.0 | WT | 60% | 69.0 |
| GL13 | 오크나무 | P10 | UDT (T4) | 60% | 306 | 0.0 | WT | 60% | 57.7 |
정의
하기는 정의된 용어의 배타적인 목록을 의미하지 않음이 이해되어야 한다. 예를 들어 문맥에서 정의된 용어의 사용을 수반할 때, 다른 정의가 전술한 설명에서 제공될 수 있다.
본원에 사용된 단수형은 하나 이상을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "및/또는"은 2개 이상의 품목의 목록에서 사용될 때, 열거된 품목 중 임의의 하나가 단독으로 사용될 수 있거나 열거된 품복 중 2개 이상의 임의의 조합이 사용될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 조성물이 성분 A, B 및/또는 C를 함유하는 것으로 기재될 경우, 상기 조성물은 A 단독; B 단독; C 단독; A 및 B의 조합; A 및 C의 조합, B 및 C의 조합; 또는 A, B 및 C의 조합을 함유할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "포함하는" 및 "포함하다"는 용어 이전에 인용된 주제로부터 용어 이후에 열거된 하나 이상의 요소로 전환하는데 사용된 개방형 전이 용어이고, 전이 용어 후에 열거된 요소는 반드시 주제를 이루는 유일한 요소가 아니다.
본원에 사용된 용어 "갖는" 및 "갖다"는 전술된 "포함하는" 및 "포함하다"처럼 동일한 개방형 의미를 갖는다.
본원에 사용된 용어 "함유하는" 및 "함유하다"는 전술된 "포함하는" 및 "포함하다"처럼 동일한 개방형 의미를 갖는다.
수치 범위
본 발명은 본 발명과 관련하여 특정한 매개 변수를 정량화하기 위해 수치 범위를 사용한다. 수치 범위가 제공될 때, 이러한 범위는 범위의 낮은 값만 인용하는 청구 범위 제한 및 범위의 상위 값만 인용하는 청구 범위 제한을 문자로 지원하는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 10 내지 100의 개시된 수치 범위는 "10보다 큰"(상한 없음)을 인용하는 청구항 및 "100 미만"(하한 없음)을 나타내는 청구항에 대하여 사실적 뒷받침을 제공한다.
Claims (19)
- 목재-함유 물질의 선택된 표면에 접합된 프리프레그 복합재를 포함하는 보강된 목재-함유 물질로서,
상기 프리프레그 복합재가 단방향 테이프이고, 하나 이상의 열가소성 폴리에스터 및 하나 이상의 보강 섬유를 포함하고;
상기 폴리에스터가 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s의 용융상 점도를 갖는, 보강된 목재-함유 물질. - 제 1 항에 있어서,
폴리에스터가 30 내지 250℃에서 103 내지 106 Pa-s의 용융상 점도를 갖는, 보강된 목재-함유 물질. - 제 1 항에 있어서,
목재-함유 물질이 90 중량% 이상의 목재를 포함하고,
보강 섬유가 유리, 탄소, 아마, 현무암, 혼합 섬유, 아라미드, 또는 이들 중 2개 이상의 조합을 포함하고,
프리프레그 복합재와 선택된 표면 사이에 접착력이 없는, 보강된 목재-함유 물질. - 제 1 항에 있어서,
프리프레그 복합재와 선택된 표면 사이에 하나 이상의 열가소성 폴리에스터를 포함하는 수지 층을 추가로 포함하는, 보강된 목재-함유 물질. - 제 1 항에 있어서,
선택된 표면이 목재-함유 물질 상의 외부 표면을 포함하고, 이에 접합된 프리프레그 복합재를 함유하는 보강된 목재-함유 물질의 외부 표면이 ASTM D 2457에 따라 측정된 40 이상의 광택 단위의 광택을 갖는, 보강된 목재-함유 물질. - 프리프레그 복합재를 목재-함유 물질의 선택된 표면에 직접 적용하여 보강된 목재-함유 물질을 형성하는 단계를 포함하는, 보강된 목재-함유 물질의 제조 방법으로서,
상기 적용이 상기 프리프레그 복합재와 선택된 표면 사이에 직접 접합을 형성하고, 상기 접합이 ASTM D905에 따라 측정된 약 2 N/mm2 이상의 접착 강도를 갖고;
상기 프리프레그 복합재가 단방향 테이프이고, 하나 이상의 열가소성 폴리에스터 및 하나 이상의 보강 섬유를 포함하고;
상기 폴리에스터가 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s의 용융상 점도를 갖는, 방법. - 제 6 항에 있어서,
적용이 접착제의 부재하에 발생하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
적용이 프리그레그 복합재를 30 내지 250℃의 온도로 가열하여 가열된 프리프레그 복합재를 형성하고, 상기 가열된 프리프레그를 0.25 내지 2.0 MPa의 압력 하에 선택된 표면과 접촉시키는 단계를 포함하되, 보강 물질의 ASTM D790에 따른 최대 굽힘 강도가 목재-함유 물질의 최대 굽힘 강도보다 20% 이상 더 크고, 깔끔한 막 형태의 폴리에스터가 ASTM D905에 따라 측정된 2 N/mm2 이상의 접착 강도를 갖는 상기 목재-함유 물질의 선택된 표면과 접합을 형성할 수 있는, 방법. - 제 6 항에 있어서,
적용이 프리그레그 복합재를 선택된 표면과 접촉시킨 후 프리프레그 복합재 및/또는 선택된 표면을 30 내지 250℃의 온도로 0.25 내지 2.0 MPa의 압력 하에 가열하되, 보강 물질의 ASTM D790에 따른 최대 굽힘 강도가 목재-함유 물질의 최대 굽힘 강도보다 10% 이상 더 크고, 깔끔한 막 형태의 폴리에스터가 ASTM D905에 따라 측정된 0.3 N/mm2 이상의 접착 강도를 갖는 상기 목재-함유 물질의 선택된 표면과 접합을 형성할 수 있는, 방법. - 제 6 항에 있어서,
적용이 프리그레그 복합재를 30 내지 250℃의 온도로 가열하여 가열된 프리프레그 복합재를 형성하고, 가열된 프리프레그를 2 내지 12 MPa의 압력 하에 선택된 표면과 접촉시키는 단계를 포함하되, 보강 물질의 ASTM D790에 따른 최대 굽힘 강도가 목재-함유 물질의 최대 굽힘 강도보다 20% 이상 더 크고, 깔끔한 막 형태의 폴리에스터가 ASTM D905에 따라 측정된 2 N/mm2 이상의 접착 강도를 갖는 상기 목재-함유 물질의 선택된 표면과 접합을 형성할 수 있는, 방법. - 제 6 항에 있어서,
적용이 프리그레그 복합재를 상기 선택된 표면과 접촉시킨 후 프리프레그 복합재 및/또는 선택된 표면을 30 내지 250℃의 온도로 2 내지 12 MPa의 압력 하에 가열하되, 보강 물질의 ASTM D790에 따른 최대 굽힘 강도가 목재-함유 물질의 최대 굽힘 강도보다 10% 이상 더 크고, 깔끔한 막 형태의 폴리에스터가 ASTM D905에 따라 측정된 0.3 N/mm2 이상의 접착 강도를 갖는 상기 목재-함유 물질의 선택된 표면과 접합을 형성할 수 있는, 방법. - 제 6 항에 있어서,
적용 전에, 목재-함유 물질의 선택된 표면에 하나 이상의 열가소성 폴리에스터를 포함하는 수지 층을 첨가하여 예비보강 물질을 형성하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
초기 목재-함유 물질이 90 중량% 이상의 목재를 포함하고, 보강 섬유가 유리, 탄소, 아마, 현무암, 혼합 섬유, 아라미드, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함하고, 상기 접합이 ASTM D905에 따라 측정된 2 내지 100 N/mm2의 접착 강도를 갖는, 방법. - 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
폴리에스터가 50 몰% 이상의 테레프탈산, 이소프탈산 또는 이들의 조합을 포함하는 산 성분; 및 30 몰% 이상의 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올 및 1,4-사이클로헥산다이메탄올을 포함하는 다이올 성분을 포함하는 보강된 목재-함유 물질 또는 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
폴리에스터가 50 몰% 이상의 테레프탈산, 이소프탈산, 1,4-사이클로헥산 다이카복실산, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함하는 산 성분; 및 25 몰% 이상의 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올, 1,4-사이클로헥산다이메탄올, 다이에틸렌 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함하는 다이올 성분을 포함하는, 보강된 목재-함유 물질 또는 제조 방법. - 하나 이상의 열가소성 폴리에스터 및 하나 이상의 보강 섬유를 포함하는 단방향 테이프로서,
상기 열가소성 폴리에스터가 다이카복실산 성분 및 다이올 성분을 포함하고,
상기 다이올 성분이 다이에틸렌 글리콜, 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올, 1,4-사이클로헥산다이메탄올, 네오펜틸 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함하고,
상기 다이올 성분이 1,4-사이클로헥산다이메탄올을 포함하는 경우, 1,4-사이클로헥산다이메탄올은 상기 다이올 성분의 40 몰% 이상을 구성하고,
상기 열가소성 폴리에스터가 30 내지 250℃에서 103 내지 107 Pa-s의 용융상 점도를 갖는, 단방향 테이프. - 제 1 항 또는 제 16 항에 있어서,
폴리에스터가 50℃ 이상의 유리 전이 온도를 갖는 무정형 폴리에스터인, 보강된 목재-함유 물질 또는 단방향 테이프. - 제 16 항에 있어서,
산 성분이 50 몰% 이상의 테레프탈산, 이소프탈산, 1,4-사이클로헥산 다이카복실산, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함하고, 다이올 성분이 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올, 1,4-사이클로헥산다이메탄올, 다이에틸렌 글리콜, 또는 이들의 2개 이상의 조합을 포함하는, 단방향 테이프. - 제 16 항에 있어서,
산 성분이 50 몰% 이상의 테레프탈산, 이소프탈산, 또는 이들의 조합을 포함하고, 다이올 성분이 2,2,4,4-테트라메틸-1,3-사이클로부탄다이올 및 1,4-사이클로헥산다이메탄올을 포함하는, 단방향 테이프.
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