KR20090109009A

KR20090109009A - 천연섬유/재생 폴리에틸렌으로된 신규 복합재료의 제조방법

Info

Publication number: KR20090109009A
Application number: KR1020080034390A
Authority: KR
Inventors: 조동환; 이기영; 김종현
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-19

Abstract

본 발명은 천연섬유/재생 폴리에틸렌으로된 신규 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 볏짚과 재생 폴리에틸렌을 압출방법으로 혼합하고 그 펠렛을 이용하여 압축성형하여 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 볏짚의 함량은 무게비로 10%-40%를 사용하고 이중축 압출기를 통해 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료를 제작함으로써, 복합재료의 기계적 및 열적 특성을 개선시키게 된다.

볏짚, 재생 폴리에틸렌, 복합재료, 이중축 압출

Description

천연섬유/재생 폴리에틸렌으로된 신규 복합재료의 제조방법{A Method for Preparing Novel Composites of Natural Fiber/Recycled Polyethylene}

천연섬유와 통상 혹은 생분해성 열가소성 고분자수지를 이용하여 새로운 복합재료를 개발하려는 다수의 연구가 수행되어 왔다. 상기 열가소성 고분자수지는 가공 용이성 및 재생가능성 때문에 여러 가지 천연섬유와 고분자 매트릭스로서 유용하다.

천연섬유로 보강된 고분자 복합재료는 이를테면, 자연 수요, 저비용, 저밀도, 생분해가능성, 이산화탄소 배출 저감, 수용가능한 기계적 특성, 절연 특성, 우수한 가공 안정성 등으로 인하여 유리섬유로 보강된 고분자 복합재료 대비 잇점을 갖는다.

천연섬유 복합재료 시스템에 있어서, 대다수의 천연섬유는 식물계이고 가증장 흔히 사용되는 열가소성 고분자수지는 폴리프로필렌이다.

이에 근래에는 셀룰로오스계 천연섬유, 볏짚 등이 보강섬유로 사용되고 있고, 폐 플라스틱으로부터 재생된 폴리에틸렌(PE)등이 매트릭스 수지로서 사용되고 있다.

참고로, 본 발명에 사용된 재생 폴리에틸렌(도 1 참조)의 HDPE:LDPE 비는 80:20 정도이다.

또한, 상기 볏짚 섬유는 농업 부산물로서 얻어지는 다른 천연 셀룰로오스 섬유보다 우수한 특성을 갖는다. 그 구성은 대략 셀룰로오스 48~59% cellulose, 리그닌 14~18%, 재(ash) 15~20% 및 기타 12~14%로 이루어지며, 생분해가 가능하고, 저밀도(0.75~0.78 g/cm³) 이다.

이에 본 발명자들은 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료를 이중축 압출기와 압축성형기를 통해 제작함으로써 복합섬유의 기계적 및 열적 특성을 개선시키는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 볏짚 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료를 제공함에 있어서, 상기 볏짚 함량은 무게비로 10-50wt%로 사용하고,

상기 볏짚과 재생 폴리에틸렌 혼합물을 펠렛 형상으로 상기 이중축 압출기를 통해 혼합하고, 상기 혼합물을 압축 가공하여 복합재료를 수득하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유/재생 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서 복합재료를 제조하기 위한 볏짚 및 재생 폴리에틸렌은 도 2에 나타낸 공정 흐름에 근거하여 펠렛화한다. 이때 펠렛 크기는 2-7mm 정도이면 충분하고 펠렛내 볏짚 함량은 무게비로 10-50wt%, 바람직하게는 10-40wt% 범위내이면 기계적 물성 및 열적 특성을 모두 개선시키기에 바람직하다.

그런 다음 상기 펠렛을 이중축 압출기를 사용하여 혼합한다(도 3 참조). 이때 압출가공 조건으로는 이에 한정하는 것은 아니나, 압출기 L/D: 42, 적하량: 25-30%, 공급기 속도: 4kg/hr, 스크류 속도: 130rpm 이며, 이때 공급되는 볏짚 함량은 10-50wt% 이면 기계적 특성과 열적 특성을 개선시키기에 충분하다. 또한, 이때 압출기의 축 직경은 이에 한정하는 것은 아니나, 30mm이면 충분하다.

그런 다음 상기 펠렛을 도 3에 도시한 이중축 압출기를 사용하여 혼합한다. 이때 압출가공 조건은 압출기 L/D: 42, 적하량: 25-30%, 공급기 속도: 4kg/hr, 스크류 속도: 130rpm이며, 또한, 압출기의 축 직경은 5-100mm, 바람직하게는 약 30mm이다.

그런 다음 도 4에 도시한 공정 흐름도에 따라 압축 가공한다. 구체적으로는 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛을 핫 프레스를 사용하여 120-220℃, 바람직하게는 170℃에서 가공한다. 그런 다음 120-220℃에서 30-70분간, 바람직하게는 170℃에서 50분간 용융시키고, 500-1500psi에서 5-60분간, 바람직하게는 1000psi에서 약 20분간 재치시킨 다음 상온에서 냉각시킨다.

냉각 후 성형틀에서 떼어냄으로써 기계적/열적 특성이 개선된 천연섬유-보강 재생 폴리에틸렌 복합재료를 수득하게 된다.

상기한 바에 따르면, 두께 1-20mm 범위내인 기계적 및 열적 특성이 개선된 천연섬유-보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 볏짚의 함량은 10-50wt%로 사용하고 이중축 압출기를 통해 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료를 제작함으로써, 복합재료의 기계적 및 열적 특성을 개선시키게 된다.

실시예 1: 복합재료 제조

본 발명에서 복합재료를 제조하기 위한 볏짚(한국 Kwang-Duk사 제품) 및 재생 폴리에틸렌을 도 2에 나타낸 공정 흐름에 근거하여 펠렛화하였으며, 이때 펠렛 크기는 3mm이었고, 펠렛내 볏짚 함량은 10-50wt% 범위이었다.

그런 다음 상기 펠렛을 도 3에 도시한 이중축 압출기를 사용하여 혼합하였다. 이때 압출가공 조건은 압출기 L/D: 42, 적하량: 25-30%, 공급기 속도: 4kg/hr, 스크류 속도: 130rpm이며, 또한, 압출기의 축 직경은 30mm이었다.

그런 다음 도 4에 도시한 공정 흐름도에 따라 압축 가공하였다. 구체적으로는 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛을 핫 프레스를 사용하여 170℃에서 가공하였다. 그런 다음 170℃에서 50분간 용융시키고, 1000psi에서 20분간 재치시킨 다음 상온에서 냉각시켰다.

냉각후 성형틀에서 떼어낸 다음 치수 85x85x2mm의 복합재료를 수득하였다.

실시예 2: 펠렛의 SEM 사진

실시예 1에서 핫 프레스를 사용하여 170℃에서 50분간 용융시키는 것을 대체하여 100℃에서 12시간 용융, 및 150℃에서 5분간 용융, 및 170℃에서 1시간 동안 용융한 것을 제외하고는 실시예 1의 공정을 반복하였으며, 얻어진 볏집과 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛의 SEM 사진을 도 5에 정리하였다.

도 5에서 보듯이, 볏짚은 본질적으로 표면에 작은 돌출부분을 보이고 있으며 압출성형 후에도 그 표면의 상태는 거의 그대로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 펠렛에서 압출과정에서 짧게 절단된 볏짚 섬유는 재활용 폴리에틸렌와 함께 사용된 볏짚 함량에 따라 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 3: 굴곡시험

실시예 1에서 제조된 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료에 대하여 굴곡시험을 수행하였다. 이때 굴곡시험 조건은 다음과 같다:

. ASTM D790M: UTM (Instron 4467)

· Load cell = 30 kN

· Crosshead speed = 0.85 mm/min

· Span-to-depth ratio = 16:1

· Specimen dimensions = 25×50×2 mm3

그 결과를 도 6에 정리하였다. 도 6에서 보듯이, 복합재료의 굴곡강도 및 굴곡탄성률은 볏짚 30 및 40wt%에서 개선된 것을 확인할 수 있었다.

실시예 4: 충격시험

실시예 1에서 제조된 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료에 대하여 충격시험을 수행하였다. 이때 충격시험 조건은 다음과 같다:

· ASTM D256

· Load cell = 21.6 J

· Pendulum length = 325 mm

· Impact length = 610 mm

· Impact ratio = 3.46 m/sec

· Tinius Olsen Model 892

또한 Notch Cutter로는 Model kpm-080 'V' Cutter를 사용하여 700rpm에서 노치를 만들었다.

그 결과를 도 7에 정리하였다. 도 7에서 보듯이, 충격강도는 충격에 대한 저항성이 높은 ductile 폴리에틸렌에 볏짚 대비 상대적으로 강성도가 높은 볏짚섬유를 부여하므로 볏짚 함량이 증가함에 따라 점진적으로 감소되는 것을 확인할 수 있 었다.

실시예 5: 열중량 ( Thermogravimetric ) 분석

실시예 1에서 제조된 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료에 대하여 열중량 분석시험을 수행하였다. 이때 시험 조건은 다음과 같다:

· TGA Q500, TA Instruments

· Heating rate: 20℃/min, (Under N2 gas )

그 결과, 다른 온도에 노출된 볏짚의 색 및 중량 변화를 관찰하고 하기표 2에 정리하였다. 또한, 외관 변화를 도 8에 정리하였다.

Temperature (℃) Feature	RT	100	120	140	150	160	180	200
Color	Light Brown	Light Brown	Light Brown	Light Brown	Brown	Brown	Dark Brown	Dark Brown
Weight Loss (%)	·	0 (Control)	0.3	1	2.3	3.5	8.6	11.6

상기 표 2에서 보듯이, 볏짚은 재생 폴리에틸렌으로 압출 및 압축 가공 시 노출되는 온도에 현저하게 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 6: 인장시험

실시예 1에서 제조된 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료에 대하여 인장시험을 수행하였다. 이때 시험 조건은 다음과 같다:

· DIN 53455: UTM (Instron 4467)

· Load cell = 30 kN

· Crosshead speed = 10 mm/min

· Gage length = 100 mm

· Specimen dimensions = 15×150×5 mm³

그 결과를 도 9에 정리하였다. 도 9에서 보듯이, 셀룰로오스계 천연섬유는 다공성 셀구조로 이루어져 있기 때문에 그들이 복합재료에서 작은 결함으로 작용하기 때문에 섬유 적하량이 증가할수록 인장강도는 낮아지지만, 인장탄성률은 복합재료내 재생 폴리에틸렌과 함께 배향된 단섬유 볏짚이 소재의 강성 향상에 기여하므로 섬유 적하량이 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 7: 열변형온도 시험

실시예 1에서 제조된 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료에 대하여 열변형온도 시험을 수행하였다. 이때 시험 조건은 다음과 같다:

· ASTM D648

· Fiber stress = 0.455 MPa (66 psi)

· Nominal test load (g) = 313

· Tinius Olsen Co., Model 603

그 결과를 도 10에 정리하였다. 도 10에서 보듯이, 복합재료의 열변형온도(HDT)는 재생 폴리에틸렌 대비 볏짚함량이 40 wt%일 때 약 12℃ 정도 개선된 것을 확인할 수 있었다.

실시예 8: 파단표면 관찰

실시예 1에서 제조된 볏짚으로 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료에 대하여 파단표면을 관찰하였다. 이때 관찰 조건은 다음과 같다:

Scanning Electron Microscopy

(SEM, JSM-6380) 5 kV, Pt coating, 시편을 액체질소에 노출 후 파단 시행

그 결과를 도 11에 정리하였다. 도 11에서 보듯이, 압축성형된 복합재료에서 볏짚이 재생 폴리에틸렌 내에 잘 분포되어 있음을 그 파단면으로부터 확인할 수 있었다. 그러나 파단 시 볏짚 섬유가 재생 폴리에틸렌으로부터 어느 정도 탈결합되거나 섬유-매트릭스 사이의 결합상태가 양호하지 않은 것으로 보아 계면결합 상태가 향후 더욱 개선될 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 1은 재생 폴리에틸렌의 DSC & TGA Thermogram을 도시한 그래프로서 가열 속도는 질소분위기내에서 20℃/min이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛의 가공 공정을 도시한 흐름도이다.

도 3은 도 2에서 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛을 투입할 때 사용되는 맞물려 함께 회전하는 이중축 압출기의 단면도이다.

도 4는 도 3의 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛을 압축가공하여 복합재료를 제조하는 공정 흐름도이다.

도 5는 볏집이 노출된 온도별 및 볏짚/재생 폴리에틸렌 펠렛의 볏짚함량별로 관찰한 SEM 사진이다.

도 6은 도 4에서 제조된 복합재료를 이용하여 굴곡시험을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.

도 7은 도 4에서 제조된 복합재료를 이용하여 충격시험을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.

도 8은 도 4에서 제조된 복합재료를 이용하여 열중량 분석시험을 수행한 결과를 도시한 도면이다.

도 9는 도 4에서 제조된 복합재료를 이용하여 인장시험을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.

도 10은 도 4에서 제조된 복합재료를 이용하여 열변형온도 시험을 수행한 결 과를 도시한 그래프이다.

도 11은 도 4에서 제조된 복합재료의 파단면을 관찰한 SEM 사진이다.

Claims

볏짚 보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료를 제공함에 있어서,

상기 볏짚 및 재생 폴리에틸렌을 펠렛 크기 2-7mm이고, 펠렛내 볏짚 함량은 10-50wt% 범위내로 펠릿화하는 단계;

상기 펠렛을 이중축 압출기를 사용하여 120-220℃ 범위내에서 혼합하는 단계;

상기 혼합물을 핫 프레스를 사용하여 120-220℃에서 가공하는 단계;및

그런 다음 120-220℃에서 30-70분간 2차 용융시키고, 500-1500psi에서 5-60분간 재치시킨 다음 상온에서 냉각시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 천연섬유-보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법
제1항에 있어서, 상기 이중축 압출기의 축 직경은 5-100mm인 것을 특징으로 하는 제조방법
제1항 또는 제2항의 방법에 의해 얻어진, 두께 1-20mm 범위내인 기계적 및 열적 특성이 개선된 천연섬유-보강된 재생 폴리에틸렌 복합재료