KR101147395B1 - 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법은, 천연석 분말 약 95 내지 97중량%에 열경화성 수지 약 3 내지 5중량%를 첨가한 기초 조성물을 토대로 고분자 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 천연석을 90중량% 이상 사용하여, 친환경적으로 천연대리석과 동일한 용도로 사용될 수 있는 고분자 복합재료를 제조할 수 있으며, 천연석의 약점으로 지목되었던 내화학성 및 내오염성을 보강하고, 천연석 조성물을 저온에서 성형 및 경화할 수 있어, 이로부터 제조된 복합재료의 물성 저하 및 열 에너지 손실을 최소화시킬 수 있으며, 종래 인조대리석 등의 복합재료의 약점이었던 하중에 의한 변형을 방지할 수 있고, 고분자 복합재료를 연속공정에 의하여 빠른 속도로 대량생산할 수 있다.
복합재료, 천연석, 대리석, 저온성형, 친환경, 고분자수지
Description
본 발명은 천연석 분말을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건축용 내외장재로 사용되며, 천연석이 적어도 90중량% 이상 포함되어 이루어진 천연석 조성물을 사용하되, 저온에서 성형할 수 있는 고분자 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
최근 건축물의 고급화가 진행됨에 따라, 주거환경을 보다 고급스럽게 꾸미기 위하여 대리석, 화강암, 안산암, 점판암, 섬록암, 편암류 등의 천연석재의 질감을 나타내는 복합재료의 사용이 급증하고 있다.
대표적으로, 인조대리석의 연구는 이태리를 비롯하여 일본, 미국 등의 선진국에서 오래전부터 진행되어 다양한 형태의 제품이 개발되어 있다. 인조대리석은 자연대리석에 비해 비중이 작고, 곡면처리가 용이하므로 형태변화가 자유로워 다양한 디자인이 가능하다. 또한 따뜻한 질감과 다양한 색상을 지니고 있으며, 간단하 고 손쉬운 유지보수를 할 수 있는 장점이 있다. 이러한 이유로 인조대리석은 바닥마감재(로비, 사우나, 마루굽틀, 재료분리대 등), 카운터 및 데스크(호텔 및 오피스 로비 등), 벽 또는 기둥 마감재(엘리베이터 벽면, 사무실 칸막이, 상점 프론터, 공공건물), 욕조마감, 샤워부스, 윈도우 씰, 주방 벽체 등, 그 활용도가 계속 높아지고 있다.
인조대리석을 포함하는 복합재료의 제조에 있어서 가장 근본이 되는 것은 컬러 골재이며, 컬러 골재의 색상, 성상 등에 따라 복합재료의 다양한 디자인이 정해진다고 할 수 있다. 현재 인조대리석의 충진재로는 수산화알루미늄, 황산바륨, 탄산바륨, 탄산칼슘, 규사, 화강암, 어영석분 등 천연 광석분 및 합성 무기재료분말이 사용되고 있으나 비중이 무거우며, 색상 형태의 제한이 있다.
최근 많은 양의 대리석 폐석이 발생하고 있어, 이의 활용방안으로 인조대리석제조를 통한 재활용에 관한 연구가 일부 진행되고 있다. 그러나 천연소재, 예를 들어 천연대리석, 화강암, 현무암, 편암류, 사암 등의 폐석은 일반적으로 내화학성 및 내오염성 등이 매우 떨어져 외부환경에 자주 노출되는 건축소재에 적용하는 것이 곤란하다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하고자, 고분자 수지 등을 주성분으로 이용한 인조석재를 제조하는 방법이 제시되고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제881759호에서는 불포화폴리에스테르 수지, 에폭시아크릴레이트 수지, 무기첨가제 등을 이용하여 거대입경을 갖는 인조대리석 칩을 제조하는 방법이 제시되어 있고, 대한민국 특허공개 제1999-84009호에서는 폐석을 일정한 크기의 입자로 선별한 후, 이를 불포화폴리에스테르계 수지 및 충진재와 경화제와 혼합하여 압축성형한 인조석재의 제조방법이 제시되었다.
그러나, 상술한 방법들은 인조석재를 제조하기 위하여 고분자 수지 등을 전체 중량 대비 40중량% 이상 사용하고 있어, 폐기시에 환경 오염의 원인인 되는 문제점을 초래한다. 또한 돌이나 자개와 같은 천연소재들의 인조대리석용 고분자 수지와 비중차이가 큰 경우가 많고, 이 경우 고분자 수지가 경화되기 전에 첨가된 칩이 모두 뜨거나 가라앉는 상 분리 현상의 발생과 같은 가공 상의 문제점과, 완성품 표면의 고른 형상을 구현하기 위하여 경화된 후 침전된 고분자 수지를 다시 절삭 가공하여야 함으로써 낭비가 발생하고, 고분자 수지의 특성상 하중에 견디지 못해 잘 휘어지거나 변형되는 문제점이 있기 때문에, 이를 적용하여 인조대리석을 제조하는 데에는 많은 기술적이 문제가 발생하였다. 아울러, 종래의 고분자 복합재료 제조방법에 있어서의 성형온도는 적어도 1000℃ 이상, 예를 들어 1100℃ 내지 1500℃에서 3 내지 6시간 동안 성형 또는 소성 공정을 수행하였으나, 지나치게 고온에서 수행함에 따른 물성 저하와, 에너지 낭비를 초래하게 되는 문제점이 있으며, 이러한 인조석재는 과거와는 달리, 고분자 수지의 가격상승에 따라 천연석재 대비 70% 이상 고가이다. 따라서, 천연 폐석 또는 가공 후 남겨진 잔석의 재활용을 극대화하여 환경오염을 방지하는 한편, 고분자 복합재료의 성형을 상대적으로 저온에서 수행하기 위한 방법이 강구되어야 한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 폐석또는 천연석의 잔석을 전체중량 대비 90중량% 이상으로 최대한 활용하는 한편, 고분자 복합재료의 강점인 내화학성 및 내오염성 등을 유지하고, 성형에 있어서의 온도를 최소화시킨 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명에 의한 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법은, 천연석 분말 약 95 내지 97중량%에 열경화성 수지 약 3 내지 5중량%를 첨가한 기초 조성물을 토대로 고분자 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시형태에 의한 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법은, 천연석을 분쇄하여, 6㎛ 내지 60mm 입경의 칩 또는 분말 중 적어도 하나의 형태로 천연석 분말을 제조하는 분쇄단계; 상기 천연석 분말 92 내지 98중량부 대비 2 내지 8중량부의 열경화성 수지와, 상기 열경화성 수지 100중량부에 대하여 충진재 30 내지 100중량부, 경화제 0.01 내지 2중량부, 폴리스티렌계 저수축제 5 내지 20중량부, 및 증점제 0.1 내지 5중량부로 이루어진 수지조성물을 혼합하여, 이를 분산하는 분산단계; 상기 천연석 분말 및 분산된 수지조성물을 혼합하 고, 이를 상온에서 10 내지 30시간 동안 증점시키는 혼합단계; 및 상기 천연석 조성물을 경화시키는 경화단계를 포함하여 이루어진다. 상기 혼합된 천연석 분말 및 수지조성물로 이루어진 천연석 조성물을 100 내지 200℃ 온도에서 5,000 내지 10,000kgf/cm2의 압력으로 1분 내지 1시간 동안 압출성형함과 동시에, 상기 천연석 조성물을 경화시키는 성형단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의한 천연석 분말(또는 칩)은 건축 내/외장재를 구성하는 물질로서, 대리석 또는 화강암 등의 폐석 칩, 원석을 일정 크기로 자르고 남은 잔석 분말 및 대리석 또는 화강암 등의 천연석 조각을 분쇄한 분말(또는 칩) 등, 천연석을 포함하는 것이라면, 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 천연석을 가공하는 공정에서 원석의 60% 이상 자투리로 발생하는 잔석을 분쇄한 것을 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서는 이러한 천연석 분말을 전체적으로 약 90중량% 이상, 바람직하게는 95중량% 이상 사용하여, 상대적으로 고분자 수지를 최소한 사용함으로써 친환경적이면서 천연대리석과 동일한 용도로 사용될 수 있는 고분자 복합재료를 제조할 수 있다. 다만, 천연대리석 또는 화강암 등 천연석의 약점으로 거론되고 있는 내화학성 및 내오염성을 개선하기 위하여, 고분자 수지를 최소한으로 포함시키는 구성을 취하되, 후술하는 분산단계에서의 특징과, 전체 조성물의 함량을 조절하여, 성형단계에서 물성의 저하를 최소화시킬 수 있는 고분자 복합재료 제조방법을 제시하고자 한다.
분쇄단계
본 발명에 의한 분쇄단계는, 대리석 등의 천연석 가공공정 및 폐석장에서 발생하는 천연석 원석조각을 수거하여 파쇄기를 이용하여 1차로 파쇄한 후, 상기 1차 파쇄된 원석조각을 분쇄기로 분쇄하여 원하는 입경, 즉 6㎛ 내지 60mm의 천연석 분말을 제조하는 공정이다. 여기서, 상기 파쇄기 및 분쇄기는 천연석 가공공정에서 발생하는 원석조각을 분말 또는 칩 형태로 제조할 수 있는 장치라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 바람직하게는 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 파쇄기 및 분쇄기를 사용할 수 있고, 필요에 따라 볼 밀 또는 로울러 장치를 사용하여 원석조각을 천연석 분말 또는 칩 형태로 제조할 수 있다. 또한, 여기서 사용되는 천연석의 원석조각은 물을 포함하고 있지 않기 때문에, 종래의 고분자 복합재료 공정에서와 같이 물을 건조시키기 위한 건조공정이 불필요하다.
분산단계
분산단계는, 상기 천연석 분말과는 별도로, 이후 혼합단계에서 천연석 분말과 혼합되는 열경화성 수지를 주성분으로 포함하는 수지조성물을 혼합하고, 이를 고르게 분산시키는 단계이다.
상기 분산단계에서 분산되는 열경화성 수지를 포함하는 수지조성물의 구성은 아래와 같다.
수지조성물의 구성
본 발명에 의한 수지조성물은, 열경화성 수지, 충진재, 경화제, 폴리스티렌 계 저수축제, 및 증점제를 포함하여 이루어지며, 여기에 가교제 및 이형제가 포함될 수 있다.
열경화성 수지: 열경화성 수지는 천연석 분말을 서로 연결시켜주는 역할과 함께 완성품의 성형성을 향상시켜주는 역할을 하며, 본 발명에서 사용되는 상기 열경화성 수지로는, 종래에 고분자 복합재료를 제조하기 위하여 사용되는 열경화성 수지라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 불포화폴리에스테르 수지 또는 에폭시계 수지를 단독 또는 혼합하여 사용한다.
이러한 열경화성 수지의 함량은 상기 천연석 분말 100중량부 대비 2 내지 8중량부, 보다 바람직하게는 3 내지 5중량부로 한다. 열경화성 수지가 천연석 분말 대비 2중량부 미만으로 첨가된 경우에는, 완성된 고분자 복합재료가 종래의 천연석의 문제점으로 제시된 내화학성 및 내오염성 저하 및 성형성 저하의 문제점을 해결할 수 없으며, 8중량부를 초과하여 첨가된 경우에는 경제성이 떨어지고, 고분자 수지의 약점으로 지목되었던 하중에 의한 변형이 발생하기 쉬우며, 본 발명의 목적으로 제시된 친환경적 고분자 복합재료 생산에 부합하지 않게 된다.
불포화폴리에스테르 수지는, 천연석 분말의 비중을 조절하고, 표면 광택도를 개선시키며, 상기 천연석 분말과의 계면 접착성을 향상시키기 위하여 사용되는 것이다.
또한, 상기 에폭시계 수지로는 에폭시아크릴레이트 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 브롬화 에폭시아크릴레이트 수지를 사용한다. 이러한 브롬화 에폭시아크릴레이트 수지 등의 에폭시계 수지는, 완성된 고분자 복합재료의 투명성을 향상시키고, 난연성을 향상시키기 위하여 사용된다.
상기 불포화폴리에스테르 수지와 에폭시계 수지의 함량비는 양자가 서로 30 내지 70중량% 포함되는 것이 바람직하다.
충진재: 본 발명에서 사용되는 충진재는 탄산칼슘(CaCO3), 활석(talc, Mg3(OH)2Si4O10), 운모(mica)이며, 더욱 바람직하게는 탄산칼슘을 사용한다. 상기 충진재를 첨가하면 고분자 복합재료의 강도가 증가하며, 원료의 비중이 높아져서 압출량이 늘어나게 된다.
이러한 충진재의 함량은, 상기 열경화성 수지 100중량부에 대하여 30 내지 100중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 90중량부를 첨가한다. 충진재의 함량이 열경화성 수지에 대하여 30중량부 미만으로 첨가되는 경우에는 충분한 강도를 발휘하기 어려우며, 100중량부를 초과하여 첨가되는 경우에는 성형성이 저하되고, 표면이 거칠어지는 문제점이 있다.
경화제: 본 발명에 의한 수지조성물은 열경화성 수지를 주성분으로 사용한 것으로서, 이후에 열경화 방식에 의하여 경화되는 특성을 지닌다. 따라서, 경화제로서 바람직하게는 퍼옥시드(peroxide)계 경화제가 사용되며, 이러한 퍼옥시드계 경화제는 2개의 활성 라디칼(activated radical)을 갖고 있어서 활성화 라디칼 에 너지가 큰 화합물이다.
그 종류로는 벤조일퍼옥시드(benzoyl peroxide), 디벤조일 퍼옥시드(dibenzoyl peroxide), 터트-부틸히드로퍼옥시드(tert-butyl hydro peroxide), 2,4-디클로로벤조일퍼옥시드(2,4-dichloro benzoyl peroxide), 2,5-다이메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시드)헥산(2,5-dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexyne), 2,5-디메틸헥산-2,5-디(퍼옥실벤조에이트), 디큐밀퍼옥시다제(Dicumyl peroxide), 다이-(2,4-다이클로로벤조일)-퍼옥시드(Di-(2,4-dichlorobenzoyl)-peroxide), , 터트-부틸 퍼옥시벤조에이트(tert-Butyl peroxybenzoate), 1,1-다이-(터트-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(1,1-di-(tertbutylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane), 다이-(2-터트-부틸-퍼옥시이소프로필)-벤젠(di-(2-tert-butylperoxyisopropyl)-benzene), 터트-부틸큐밀퍼옥시드(tert-Butylcumylperoxide), , 다이-터트-부틸퍼옥시드(Di-tertbutylperoxide), 2,5-다이메틸-2,5-다이(터트-부틸퍼옥시-헥산-3)(2,5-dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexyne-3) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이러한 경화제의 함량은 상기 열경화성 수지 100중량부 대비 0.01 내지 2중량부, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1중량부로 한다. 상기 경화제가 열경화성 수지 대비 0.01중량부 미만으로 첨가되는 경우에는 성형성, 내열성 등이 저하될 우려가 있으며, 2중량부를 초과하는 경우에는 함량 대비 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
폴리스티렌계 저수축제: 열경화성 수지가 사용되는 경우, 가공시 또는 가공 후에 전체적인 표면이 수축하는 문제점이 발생하며, 이를 방지하기 위하여 사용된다. 본 발명에서는, 폴리스티렌 수지 등을 포함하는 폴리스티렌계 저수축제를 사용함으로써, 본 발명에 의한 천연석 조성물과의 상용성을 극대화시켰다.
이러한 폴리스티렌계 저수축제의 함량은 상기 열경화성 수지 100중량부 대비 5 내지 20중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. 이러한 저수축제의 함량에 의하여, 저수축 효과를 가장 뛰어나게 활용할 수 있다.
증점제: 증점제는 바람직하게는 산화마그네슘(MgO), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 지르코니아(ZrO2) 등의 무기입자, 특히 바람직하게는 산화마그네슘을 사용하며, 후술하는 성형단계에 있어서, 조성물이 바람직하게는 시트 형상으로 성형될 수 있도록 도와주는 역할을 하며, 특히 고분자 함량이 극히 적은 본 발명에 있어서의 천연석 조성물에 적용하여, 성형성을 극대화시키기 위하여 사용된다. 그 함량은 열경화성 수지 100중량부 대비 0.1 내지 5중량부, 바람직하게는 0.3 내지 3중량부 첨가하여 증점효과를 극대화한다.
기타 첨가제: 본 발명에서는 상기 첨가물 이외에도, 가교제 및 이형제를 첨가하여, 완성된 고분자 복합재료의 물성 향상을 도모할 수 있다. 가교제는 유기물인 고분자 수지와 무기물인 천연석 분말 간의 결합력을 증가시키기 위하여 첨가되는 것으로서, 바람직하게는 실란계 화합물을 사용하며, 이형제로서는 상기 전체 조 성물을 압출기에 넣고 압출성형하는 과정에서의 탈형을 용이하게 하기 위하여 첨가되는 것으로서, 바람직하게는 아연스테아레이트(Zn-stearate)를 사용한다. 이러한 기타 첨가제는 상기 열경화성 수지 100중량부 대비 0.1 내지 2중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 필요에 따라 실리케이트 무수물, 예를 들어 퓸드 실리카(fumed silica)와 같은 커플링제 또는 음이온계 계면활성제 또는 비이온계 계면 활성제 등의 계면활성제를 상기 열경화성 수지 100중량부 대비 0.05 내지 5중량부의 범위로 더 추가하여 사용하는 것도 가능하다. 상기 커플링제 또는 계면활성제를 첨가하는 경우, 충진재와 수지의 결합력 또는 천연석 분말과 수지의 결합력을 보다 향상시켜줄 수 있다.
구체적으로, 상기 분산단계는, 상기 열경화성 수지, 충진재, 경화제, 저수축제 및 증점제 를 순차적으로 투입하고, 각각 1000 내지 2000rpm으로 2 내지 15분간 교반하는 공정을 통하여 수행하는 것이 바람직하다. 이는, 상술한 바와 같이, 조성물에 포함되는 천연석 분말, 칩 또는 이들의 혼합물과 수지조성물의 비중차이가 커서, 조성물이 경화되기 전에, 둘 중 하나가 뜨거나 가라앉는 상 분리 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 수행되는 것으로서, 이처럼, 수지조성물의 각각의 조성을 순차적으로 투입하고, 이를 각각 1000 내지 2000rpm으로 2 내지 15분간 교반하는 공정을 통하여 상 분리 현상이 방지되는 효과를 얻을 수 있었다.
혼합단계
혼합단계는 상기 천연석 분말 및 분산된 수지조성물을 혼합하고, 이를 상온에서 10 내지 30시간 동안 증점시키는 단계이다. 즉, 분쇄단계에서 생성된 천연석 분말과 분산단계에서 고르게 분산된 수지조성물을 혼합하여 교반하고, 이를 성형하기 전에 증점시켜 숙성시키는 단계로서, 본 발명에 의한 천연석 조성물이 우수한 성형성을 발휘하게끔 하기 위하여 필수적으로 수행하여야 하는 단계이다.
본 발명에 적용되는 배합기는 일반적인 혼합 압출장치를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 밴더리 니더, 이축 압출기(Twin screw extruder), 일축 압출기(single screw extruder), 부스 니더(Buss Kneader), 밴버리 혼합기 등 혼합 효과가 우수한 장치가 사용될 수 있으며, 배치(batch)형 배합기보다는 연속 압출설비가 더욱 바람직하다. 이러한 압출기를 사용하여, 본 발명에 의한 고분자 복합재료를 연속적으로 생산할 수 있게 된다.
여기서, 상기 혼합단계는, 상기 천연석 분말 및 수지조성물을 혼합하면서, 혼합시 발생하는 마찰열을 방지하기 위하여 상기 배합기를 이중자켓 형태로 제조하고, 외곽에 냉각수를 순환시키면서 수행하는 것이 혼합단계 중의 발생하는 마찰열에 의해 조성물의 경화를 방지하기 위하여 바람직하다.
또한, 이러한 혼합이 완료된 후, 조성물의 성형성을 향상시키기 위하여 상온에서 10 내지 30시간, 바람직하게는 12 내지 24시간 동안 증점시키는 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
성형단계
성형단계는, 상기 혼합된 천연석 분말 및 수지조성물로 이루어진 천연석 조성물을 압출기를 이용하여 100 내지 200℃ 온도에서 5,000 내지 10,000kgf/cm2의 압력으로 1분 내지 1시간 동안, 바람직하게는 15분 이내에 압출성형하는 단계이며, 이러한 성형단계를 수행할 때 가해진 열로 인하여 상기 천연석 조성물의 경화가 동시에 이루어진다.
혼합단계 이후, 이러한 성형단계를 통하여 예를 들어 시트 형상의 고분자 복합재료를 제조할 수 있다. 본 발명에서는 상술한 종래기술의 문제점으로 제시되었던 고온성형에 따른 물성의 저하를 방지하고, 열 에너지 손실을 방지하기 위하여, 상기 분산단계를 통하여 고도로 분산된 수지조성물과 천연석 분말을 용이하게 혼합할 수 있고, 조성물이 증점됨에 따라, 100 내지 200℃ 온도의 상대적인 저온에서 바람직하게는 5분 내지 15분, 더욱 바람직하게는 2분 내지 7분이라는 짧은 시간에 성형 및 경화를 수행할 수 있는 특징이 있으며, 종래의 몰드 등을 이용하는 방법과 달리, 압출방식을 적용하여 성형을 수행하기 때문에, 고분자 복합재료를 연속적으로 성형할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 성형단계로 인하여, 100 내지 200℃ 온도의 상대적 저온에서 열경화가 이루어질 수 있다.
본 기술에서 사용된 성형방법은 증점된 시트 형태의 시료를 압출기 호퍼에 연속적으로 공급하고 일정한 크기의 판상으로 성형한 후, 경화까지 연속적으로 가 능한 연속공정이다. 성형시간 및 성형온도는 기존의 기술에서는 각각 약 3 내지 6시간 동안 1100 내지 1300℃의 고온에서 성형할 수 있으나, 본 발명에서는 100 내지 200℃ 범위에서 바람직하게는 약 10분, 더욱 바람직하게는 7분 이내에 수행하여, 낮은 온도 및 짧은 시간에 압출방식에 의한 연속적인 제품성형이 가능하다.
본 발명에 의하면, 천연석을 90중량% 이상 사용하여, 친환경적으로 고분자 복합재료를 제조할 수 있으며, 천연석의 약점으로 지목되었던 내화학성 및 내오염성을 보강하고, 천연석 조성물을 저온에서 성형 및 경화할 수 있어, 이로부터 제조된 복합재료의 물성 저하 및 열 에너지 손실을 최소화시킬 수 있으며, 종래 인조대리석의 약점이었던 하중에 의한 변형을 방지할 수 있고, 고분자 복합재료를 연속공정에 의하여 빠른 속도로 대량생산할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통하여, 본 발명에 의한 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법에 대하여 살펴보도록 한다.
실시예
천연석 칩, 분말 제조 및 수지조성물 제조
천연대리석 원석조각을 입수하여, 6㎛ 내지 10mm의 입경으로 분쇄하였다. 분쇄된 천연석 분말을 가로 세로 1cm의 60메쉬 체를 이용하여 거른 후, 걸러진 분말 과 걸러지지 아니한 분말의 비율을 조절하며 실험을 수행하였다.
이와는 별도로, 고분자 수지 및 기타 첨가제의 분산은 아래와 같이 수행하였다.
불포화 폴리에스테르(UPE)와, UPE 100중량부에 대하여 퍼옥시드 경화제 1 내지 2중량부를 첨가하고, 완전한 분산을 위해 약 1000 ~ 2000rpm으로 2 내지 10분간 고속교반하였다. 상기 혼합물에 탄산칼슘을 UPE 대비 50 ~ 100중량부 첨가하여 1000 ~ 2000rpm으로 5 ~ 10분간 교반한 후, MgO를 UPE 대비 약 1 ~ 2중량부 첨가하여 1000 ~ 2000rpm의로 5 ~ 10분간 교반하였다.
상기 천연석 칩, 분말 또는 이들의 혼합물과 수지조성물을 이중자켓으로 제작된 니더(kneader)를 이용하여 상온에서 혼합하였다. 아울러, 혼합시 마찰 때문에 발생되는 열을 방지하기 위하여 이중자켓에 냉각수를 순환시켰다. 상기 혼합물 시료를 약 12 ~ 24시간 동안 상온에서 증점시켰다.
천연대리석이 포함된 고분자 복합재료의 성형
스크류(screw)의 지름이 약 300mm인 압출기를 이용하여 고분자 성형에 많이 사용되는 압출방식을 사용하여 성형하였다. 증점된 시료를 압출기의 호퍼에 넣고 냉각수를 순환시키면서 2차 혼합한 뒤, 압출하여 성형함과 동시에, 100 ~ 160℃의 범위에서의 경화단계를 거쳐 성형품의 두께가 약 30mm이고 폭이 300mm인 천연석/고분자 복합재를 제조하였다.
아래 표 1 내지 표 3은, 각각 60메쉬 체를 통해 걸러진 천연석 분말과 걸러지지 아니한 천연석 분말의 배합비에 따라 제조된 복합재료와 천연대리석의 압축강도, 절건 비중 및 유기용제의 흡수정도를 비교한 것이다.
[표 1]
| 시편 | 배합비 (안 걸러진 분말/걸러진 분말) |
압축강도(MPa) |
| 천연대리석 | - | 92 |
| 실시예 1 | 100/0 | 93.8 |
| 실시예 2 | 80/20 | 80.1 |
| 실시예 3 | 50/50 | 68.8 |
| 실시예 4 | 20/80 | 99.9 |
| 실시예 5 | 0/100 | 112.4 |
표 1에 나타낸 바와 같이, 걸러진 분말(입경 170㎛ 이하)로 이루어진 고분자 복합재료의 경우가, 가장 큰 압축강도를 나타냄을 알 수 있다.
[표 2]
| 시편 | 배합비 (안 걸러진 분말/걸러진 분말) |
절건 비중 |
| 천연대리석 | - | 2.66 |
| 실시예 1 | 100/0 | 2.38 |
| 실시예 2 | 80/20 | 2.47 |
| 실시예 3 | 50/50 | 2.44 |
| 실시예 4 | 20/80 | 2.26 |
| 실시예 5 | 0/100 | 2.32 |
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 고분자 복합재료의 절건비중은 2.26 내지 2.47에 해당하여, 천연대리석보다는 가벼우면서, 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도는 대부분 그보다 크기 때문에, 가벼우면서도 강한 천연대리석과 동일한 용도를 가진 고분자 복합재료를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
[표 3]
| 시편 | 배합비 (안 걸러진 분말/걸러진 분말) |
유기용제 흡수 |
| 천연대리석 | - | 흡수 없음 |
| 실시예 1 | 100/0 | 흡수 없음 |
| 실시예 2 | 80/20 | 흡수 없음 |
| 실시예 3 | 50/50 | 흡수 없음 |
| 실시예 4 | 20/80 | 흡수 없음 |
| 실시예 5 | 0/100 | 흡수 없음 |
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 고분자 복합재료은 비교대상이 되었던 천연대리석과 마찬가지로 유기용제를 전혀 흡수하지 않는 점에 있어서, 적어도 천연대리석 수준의 내화학성을 보유한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 1은 상기 실시예 5의 천연석 분말을 이용하는 경우에 있어서의 온도에 따른 경화시간을 나타낸 그래프이며, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 고분자 복합재료 제조방법을 이용하는 경우, 100℃ 이상, 바람직하게는 120℃ 이상일 때에 30분 미만, 바람직하게는 10분 미만의 열경화로써 고분자 복합재료에 사용되는 조성물을 경화시킬 수 있어, 고분자 복합재료를 매우 빠른 속도로 대량생산할 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 상기 실시예 5의 천연석 분말을 이용하는 경우에 있어서의 열분해 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 약 370℃의 고분자 열분해 온도 이후에, 전체 중량이 약 5% 정도 감량된 것을 토대로, 본 발명에 의한 천연석 조성물이 5% 미만의 고분자만을 함유하고, 나머지는 천연대리석을 이용하는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 중심으로 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 용이하게 변환 또는 삭제 가능한 범위까지 포함하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발 명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 가능한 다양한 변형 가능한 범위까지 본 발명의 청구 범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
도 1은 본 발명에 의한 실시예 5의 천연석 분말을 이용하는 경우에 있어서의 온도에 따른 경화시간을 나타낸 그래프
도 2는 상기 실시예 5의 천연석 분말을 이용하는 경우에 있어서의 열분해 온도 측정 결과를 나타낸 그래프
Claims (5)
- 천연석을 분쇄하여, 6㎛ 내지 60mm 입경의 분말 또는 칩 중 적어도 하나의 형태로 천연석 분말을 제조하는 분쇄단계;상기 천연석 분말 92 내지 98중량부 대비 2 내지 8중량부의 열경화성 수지와, 상기 열경화성 수지 100중량부에 대하여 충진재 30 내지 100중량부, 경화제 0.01 내지 2중량부, 폴리스티렌계 저수축제 5 내지 20중량부, 및 증점제 0.1 내지 5중량부로 이루어진 수지조성물을 혼합하여, 이를 분산하는 분산단계;상기 천연석 분말 및 상기 수지조성물을 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 상온에서 10 내지 30시간 동안 증점시키는 혼합단계; 및상기 혼합된 천연석 분말 및 상기 수지조성물로 이루어진 천연석 조성물을 100 내지 200℃ 온도에서 5,000 내지 10,000kgf/cm2의 압력으로 1분 내지 1시간 동안 압출성형함과 아울러, 상기 천연석 조성물을 경화시키는 성형단계를 포함하며,상기 분산단계는 상기 열경화성 수지, 충진재, 경화제, 저수축제 및 증점제를 순차적으로 투입하고, 각각 1000 내지 2000rpm으로 2 내지 15분간 교반하며,상기 혼합단계는 상기 혼합물의 외곽에 냉각수를 순환시키는 것을 특징으로 하는 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 열경화성 수지는, 불포화폴리에스테르 수지 또는 에폭시계 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제 조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 수지조성물은, 상기 천연석 분말 대비 실란계 화합물로 이루어진 가교제 및 아연스테아레이트(Zn-stearate)로 이루어진 이형제를 상기 열경화성 수지 100중량부 대비 0.1 내지 2중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연석을 이용한 고분자 복합재료의 제조방법.
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