제4장
목재 플라스틱 복합체(WPC)
□ 천연고분자물질(목재) + 합성고분자물질(플라스틱) → WPC ◦ Wood-Plastic Combination, Wood-Polymer Composite ◦ 廣義의 WPC
- 목재와 합성수지로 구성된 모든 복합체 □ WPC의 일반적 제법
◦ 목재 내에 비닐계 monomer, oligomer, pre-polymer 주입 → 중합반응(방사선조사, 촉매가열) → 목재와 일체화
□ WPC의 개발 역사
◦ 1950년대 중반 : 미국, 구소련에서 연구 시작
- 원자력의 평화적 이용이 목적 → 방사선 조사법 개발(이후 촉매가열법 개발) ◦ 1970년대: 제품화에 성공, 기업화
제1절 플라스틱 복합체(WPC)란 ?
□ WPC화의 주요 목적
◦ 목재의 표면 미관성 유지 ◦ 표면경도, 내마모성 향상 ◦ 치수안정성, 강도 개선
◦ 수지액, 첨가제 선택 – 耐朽性, 난연성 등 부여
□ WPC의 일반적 성질
◦ 목재와 플라스틱 양자의 장점을 겸비 – 우수한 재료특성 有 ◦ 미 이용 저질재, 간벌재 이용 가능 – 목재자원의 유효이용 ◦ 단점
- 고가
- 중량증가에 따른 이용분야 제한
◦ WPC의 특성: 원재료와 제조법에 영향을 받음
1. 원재료
가. 목재(목질재료)
◦ 수종, 재질에 따라 처리에 적합, 부적합 영향 1) 형상
◦ 소재: 각재, 판재, 단판 ◦ 목질재료: 칲, 섬유 등 2) 수종
◦ 적합성: 침엽수 < 활엽수
- 침엽수: 심재부 주입성 불량, 균일한 침투 곤란, 얇은 단판 처리에 적합 ◦ 원료 목재의 조건
- 주입성 양호, 우아한 목리, 추출성분 少, 중합 중에 할렬 발생 無
제2절 WPC의 제조법
[참 고] WPC 용도 별 적합 수종
용 도 침엽수 활엽수
마루판용
(얇은 단판) 편백, 미국솔송나무, 미송
중보행용 마루판
(두꺼운 단판) 자작나무, 단풍나무,
졸참나무, 너도밤나무 기 타 가문비나무, 솔송나무,
분비나무, 전나무 감나무, 벗나무, 동백나무, 참피나무,
나. 플라스틱 원료(수지액)
◦ 제품의 최종 성능 결정 인자 1) 종류: 단독 또는 혼합액 가) 비닐계 모노머류
◦ Styrene(St), Methyl methacrylate(MMA), Vinyl acetate(VAc) 나) 기타
◦ 불포화폴리에스테르(UPE), 아크릴계 올리고머 2) 수지액의 공통 조건
◦ 저점도, 주입 용이 ◦ 중합성, 착색성 양호
◦ 低價, 무취, 인화 및 발화점 高
다. 첨가제
◦ 제품 용도 별로 선택 1) 염료
◦ 色調 부여, 미관 향상
◦ 유용성 염료: 아조계, 안트라퀴논계 2) 가교제
◦ 수지액의 중합촉진, 제품 품질성능 향상
◦ Polyethylene glycol dimethacrylate, 1.3-butylene methacrylate Trimethylolpropane trimethacrylate
2. 주입처리방법
◦ 수지액의 주입 방법: 목재 주입처리법(방부, 방충처리)과 거의 동일 가. 주입법: 액상법
◦ 감압법, 가압법, 감압-가압법, 상압침지법
◦ 주입의 난이성에 따라 감압법 또는 감압-가압법을 널리 이용 나. 주입조작
◦ 주약관에 목재투입 → 감압(수십 mmHg) → 수지액 주입(감압 상태) → 상압 또는 가압(공기, 질소가스 도입)
↓ 상압 ◦ 압력(감압, 가압), 압력 유지시간
- 목재의 형상, 치수, 수지액의 종류 등에 좌우
3. 중합처리방법
◦ 주입 수지 액의 중합, 경화 ◦ 방사선 중합법, 촉매 가열법 가. 방사선 중합법
◦ 핵에너지의 평화적 이용 목적으로 개발
◦ 방사선 線源: Co-60(안전성 高, 조작이 용이, 저가)
- γ 선: 투과성이 大 → 단면이 큰 블록 상태의 목재에 적합 - β 선: 투과성이 小 → 단판 등 얇은 재료에 적합
◦ 모노머의 완전 경화에 필요한 총선 량
- 수지액의 순도, 수종, 선량율(Mrad/hr)에 좌우 ◦ 중합 경화 시간: 2.5~8시간 정도
- 선량율 증가 → 경화시간 단축
- 선량율 과도 → 재내에 내부응력 발생 → 照射의 균일성 저하 ◦ 미국에서 많이 사용
나. 촉매가열법
◦ 과정 : 수지액+촉매(중합개시제) → 주입 → 가열 → 경화 ◦ 중합개시제: 수지액의 종류, 반응조건에 따라 선택
- 과산화물: 과산화벤조일(BPO, benzoyl peroxide) - 아조화합물: azobis isobutyl nitrile(AIBN)
◦ 중합개시제 첨가량
- 수지액에 대하여 0.2~1.0%
◦ 가열 온도와 시간 - 50~80℃, 1~20시간 ◦ 주의점
- 중합반응 시 중합 열 발생
과도한 온도 상승 → 재질열화 발생 ◦ 일본 등에서 많이 사용: 기술적 용이, 막대한 설비 불필요
[참 고]
□ 주입성의 평가방법
1. 모노머 율(monomer loading)
2. 이론적 최대 모노머 율(theoretical maximum monomer loading)
3. PTM(percent of TMML): 주입성의 척도
◦ 수지액에 의한 목재의 공극 충전율 PTM(%) = (ML/TMML) × 100
ML(%) = 주입재 질량 - 무처리재 질량
× 100 무처리재 질량
TMML(%) = (1 - r
) dm
× 100
D r
r : 목재의 비중, dm: 수지액의 비중, D: 목재의 진비중(1.5)
□ 폴리머화 평가방법
1. 폴리머 율(polymer loading)
2. 중합율(轉化率, conversion)
C(%) = (PL/ML) × 100
◦ 실용상 매우 중요
PL(%) = 중합재 질량 - 무처리재 질량
× 100 무처리재 질량
[참 고] 방사선 조사법과 촉매가열법의 비교
구분 방사선 조사법 촉매 가열법
γ 선법 β 선법 중합개시제법 중합개시제-촉진제법
중합 시 가열 불필요 불필요 필요 조금 필요
수지액 가사시간 長 長 短 매우 短
처리 목재 치수 대단면재
균일처리 가능 얇은 단판 대단면재 균일
처리 불가능 좌동
처리성 투과성 高 투과성 低 재내부에서 축열 좌동 기술면 방사선 취급
기술 필요 좌동 특수 기술
불필요 좌동
설비면 막대한 설비
투자 필요 좌동, 연속처리
가능 불필요 좌동
인체 위험성 大 약간 있음 없음 없음
<참 고> WPC 제조의 기본 process
목질원료 ◦ 소재: 각재, 판재 ◦ 단판, 적층재 ◦ 섬유, chip 등
비닐계 모노머 ◦ St, MMA, VAc ◦ 아크릴로니트릴 ◦ 염화비닐 등
주입처리 ◦ 감압법 ◦ 가압법
◦ 감압-가압법
중합처리 ◦ 방사선 조사법
(Co-60, γ선, β선)
◦ 촉매가열법
(중합개시제)
중합 종료 제 품
+ →
↓
← ←
1. 치수안정성
◦ polymer 함량 증가 → 치수안정성 증가
◦ 치수안정성 : 재내 polymer의 분포와 밀접한 관계
가. polymer의 분포(WPC의 구조): 내강 polymer, 벽 polymer 1) 充塡 WPC
◦ polymer: 세포내강만 충전 또는 코팅 → 내강 polymer 2) 치수안정화 WPC
◦ polymer: 세포내강 충전, 세포벽에 분포 → 내강 polymer, 벽 polymer 3) 이상형 치수안정화 WPC
◦ polymer: 세포벽에만 분포 → 벽 polymer ※ 실제 WPC: ② 또는 ③ 타입
제3절 WPC의 성질
나. 치수안정성의 기여도
◦ 벽 polymer > 내강 polymer 1) 벽 polymer
◦ 세포벽 성분과 결합 : 흡습성, 흡수성 저하 → 치수변화 억제효과 2) 내강 polymer
◦ 세포 내강에만 분포 → 세포벽으로의 수분 흡착의 저지 또는 지연효과 다. 세포벽 중에서의 polymer의 분포
◦ 세포간층 > 2차벽 외층(S1) > 2차벽 중층(S2)
◦ 약간의 벽 polymer 증가 → 치수안정성 현저히 증가
- 이유 : 팽윤이방성이 높은 세포간층에서의 polymer의 존재와 밀접한 관계
라. WPC화에 의한 치수안정성 발현 ◦ 벽 polymer 생성에 의한 용적효과 ◦ 고 ASE 획득 : 벽 polymer 생성 多
→ 벽 polymer 생성: monomer 단독 < monomer + 용매 ◦ St 또는 MMA 단독처리 WPC: 고 polymer 영역에서 ASE 저하 이유: ① 벽 polymer 생성량 少
② 중합과정 : polymer 수축(고 polymer 영역에서 大) → 목재의 수축 발생
마. WPC의 치수안정성 증대 방법 1) 팽윤성(극성) 모노머 사용
◦ 2-hydroxy ethyl methacrylate(HEMA), glycidyl methacrylate(GMA) ◦ HEMA 처리 WPC : 세포벽과 폴리머 간의 계면에 폴리머 수축에 의한 공극발생 無 → 세포벽과 폴리머 간의 밀착성 양호
2) 비극성 모노머의 경우 – 팽윤제(극성 용매) 혼용
◦ 팽윤제 : methyl alcohol, ethyl alcohol, dioxane, formamide, diethylene glycol 등
◦ 효과 : 벽 폴리머 생성 증대, 목재와 폴리머 간의 친화성 향상 폴리머 간의 가교결합 형성
2. 기계적 성질
가) WPC의 비중
◦ 폴리머 함량 증가에 따라 증가 나) WPC의 기계적 성질
◦ 폴리머 함량 증가에 따라 직선적으로 증가 ◦ 경도: 최대 10배까지 향상
◦ 인장강도: 폴리머 양 증가에 따라 저하
3. 기타 성질
가) 표면 화장성
◦ 미관 향상, 목리 강조, 광택, 중후한 색조와 분위기 연출 ◦ 모노머+착색제: 착색 WPC 제조 가능
◦ 경도의 증가 → 내마모성 현저하게 증가 ◦ 내오염성(흠집, 오염) 향상
나) 가공성
◦ 소재에 비하여 열등
◦ 절삭성: 절삭저항 증가 → 공구의 수명 단축 ◦ 못박기: 곤란
- 나무못(dowel) 사용: 유지력 1.3~1.6배 향상
◦ 평삭(대패) 가공: 마찰열 → 폴리머 연화 → 날에 부착 ◦ 샌딩: 마찰열 → 폴리머 연화 → 연마포지의 지립 메움 다) 접착성
◦ 습윤성 저하 → 접착성 저하
◦ 전처리(샌딩)에 의해 접착성 개선 가능
◦ WPC용 접착제: 레조르시놀계, 에폭시계, 수성비닐우레탄계 수지 접착제
라) 耐朽性(decay resistance)
◦ 폴리머 함량 증가 → 내후성 증가
◦ 폴리머 율(벽 폴리머) 10% 이상: 내후성 발현 마) 耐候性(weather resistance)
◦ 소재에 비하여 향상
◦ 옥외용: 폴리우레탄 도장 등의 표면처리 필요 바) 난연성
◦ 소재에 비하여 향상
◦ 가스발생 – 난연제 첨가 필요
1. 건축재료
◦ 마루판
가. 복합 플로어링
◦ WPC 단판 → 합판에 접합
◦ 대부분의 제품, 일반주택의 현관, 복도 바닥재 나. 단층 플로어링
◦ 판재를 WPC화
◦ 중보행용에 적합: 데파트, 쇼룸, 로비, 체육관, 미술관 등 공공건물 마루바닥
다. 기타
◦ 창문 틀, 도어, 벽재, 계단, 계단 손잡이 등
제4절 WPC의 용도
2. 가구
◦ 테이블, 아동용 책상, 다리, 도어 손잡이 등
3. 운동기구
◦ 경도, 내마모성 증대 → 반발력, 내구성 향상 ◦ 골프클럽 헤드, 게이트볼 스틱, 베트, 당구 큐대 등
4. 공업재료
◦ 표면변형 또는 정전기 발생 방지 효과를 이용
◦ 자동차의 노브 스티어링(knob steering), 방직용 샤틀 등
※ Skinpreg
◦ 재표면 2~3mm → WPC화 ◦ 제조방법:
- 촉매가열법: 재 표면에 단량체 함침 → 가압과 동시에 가열 중합 - 전자선 조사법: 재 표면에 단량체 함침 → 가압(압체) → 중합
[ 국내 WPC 현황]
1. 국내의 WPC
▷ 목분과 플라스틱 원료를 혼련한 후 압출, 사출성형 또는 압축 성형한 제품
2. WPC 원료
가. 목질원료
◦ 목분(wood flour): 크기 20~120mesh ◦ 목섬유, 왕겨
나. 플라스틱 원료
◦ 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌(PP) ◦ 순수 또는 재생 원료
다. 첨가제: WPC의 성능과 가공성 향상 1) 미네랄충전제: 탄산칼슘, 활석, 운모
◦ 충격강도, 휨강도, 열 및 하중에 의한 장기적 변형 개선 ◦ 윤활성, 가공성 개선
2) 착색제
◦ 목재와 같은 외양 연출, 자외선 저항성 부여 ◦ 안료 첨가량: 3% 이상
3) 윤활제
◦ 가공 시 목분의 분산력 향상 ◦ 제품의 표면 성질 개선
4) 결합제: maleated poly- propylene(MAPP)
◦ 목분(친수성)과 플라스틱(소수성)의 결합력 증진 ◦ 휨강도, 치수안정성, 충격강도, 목분의 분산 향상
5) 항산화제, UV 안정제
◦ 공기와의 접촉 방지, 자외선 차단 → 기계적 성질 저하, 변색 방지 6) 내염제, 열안정제
◦ 내염제: 방화처리-화염 확산 지연
◦ 열안정제: 가공 및 사용 중에 열에 의한 분해 최소화
3. 제조공정
▷ 목질원료 + 플라스틱원료 → 가열 용융(200℃ 이하) → 첨가제 첨가 → 사출 또는 주입 성형 → 급냉 → 표면가공
(embossing, 표면가공, 질감향상)
압출기
절단공정 이송공정
냉각공정 압출 공정
