압출 성형품의 치수 안정성 및 기계적 성질

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10545(2022) 이 기사 인용

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250μm 입자 크기의 목재와 폴리에틸렌(PE) 재료를 60/40, 70/30, 80/20(목재 함량을 줄이기 위해 폴리머를 증가)의 혼합 비율로 혼합하고 단일 스크류 압출기를 사용하여 압출했습니다. 온도 범위는 110~135°C입니다. Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni 및 Nauclea diderichii의 입자를 재활용 폴리에틸렌과 혼합하고 175 N/mm의 속도로 압축하여 바이오폴리머 복합물을 제조했습니다. 생체고분자 복합재료는 24시간 동안 물에 담그는 방법으로 치수안정성 시험을 실시하였고, 하중 지지력을 견디는 능력을 조사하였다. 결과 결과는 압출-압축 바이오폴리머 복합재가 물에 담근 후 24시간 동안 관찰된 밀도, 수분 흡수 및 두께 팽창에 대해 0.06-1.43 g/cm3, 0.38-3.41%, 0.82-6.85% 범위의 값을 가짐을 보여줍니다. 시험. 굴곡 탄성률 및 강도에 대한 기계적 특성 값의 범위는 0.28 Nmm−2–21.35 Nmm−2 및 0.44–550.06 Nmm−2입니다. 인장 계수 및 강도는 각각 191.43 Nmm−2–1857.24 Nmm−2 및 0.35 Nmm−2–243.75 Nmm−2입니다. 복합재에 의해 나타나는 수분 흡수량과 강도는 다양한 혼합 비율에서 목재 종에 대해 얻은 값에 따라 달라지는 것으로 관찰되었습니다. 관찰된 바와 같이, 목재에 폴리에틸렌 함량이 더 많이 혼합될수록 치수 안정성, 굴곡 및 인장 특성이 더 좋아지는 것으로 나타났습니다. 60~40(폴리에틸렌/목재) 비율로 혼합된 Cordia milleni 목재 입자는 치수 안정성과 내하력 측면에서 가장 우수한 성능을 보였습니다. 이 연구에서는 실내 및 실외 적용을 위한 목재 폴리머 기반 복합재를 제조하기 위한 목재 종 및 재활용 PE에 대한 방법의 효과를 확인했습니다.

20세기 초부터 폴리머 부문이 확장되어 왔습니다. 전 세계의 다양한 수지 생산업체와 화학 회사가 주로 연간 생산되는 플라스틱 제품의 양에 기여하고 있으며, 그 양은 2억 톤1,2을 초과합니다. 이를 통해 전 세계 고분자 가공 산업이 수만 개의 중소기업에서 확장될 수 있습니다. 대부분의 폴리머 제조업체는 작동을 위해 다른 기계를 사용합니다. 대부분은 압출기와 사출 성형기를 사용합니다. 폴리머 생산의 첫 번째 작업은 펠릿화 다이를 통해 이루어지며 두 번째 작업은 최종 성형을 위한 것입니다(Vlachopoulos 및 Wagner, 2001). 두 가지 작업에는 용융된 폴리머를 성형 장치로 펌핑하여 필요한 모양과 치수를 형성한 후 냉각하여 응고시키는 폴리머의 가열 및 용융이 포함됩니다. 폴리머와 목재와 같은 기타 입자의 혼합은 일반적으로 특정 열과 압력 하에서 스크류 압출기를 사용하여 수행됩니다. 혼합된 재료는 압축되거나 최종 제품으로 성형되거나 사출 성형기에서 추가 가공을 위해 펠렛으로 형성될 수 있습니다. 폴리머 제품은 시트 또는 프로파일 압출, 사출 성형, 캘린더링, 열성형 또는 압축 성형4으로 제조될 수 있습니다.

폴리머 제품은 쉬운 제조, 낮은 밀도, 내부식성, 전기 및 단열, 단위 중량당 유리한 강성과 인성을 포함하는 고유한 특성을 가지고 있습니다3. 이러한 특성으로 인해 폴리머 산업은 운송, 식품 포장, 주택 및 전기 제품에 대한 요구가 매우 중요한 개발 도상국에서 계속 성장해 왔습니다. 폴리머에 강화재로 목재 섬유를 첨가하는 것에 대한 관심은 제품의 뛰어난 특성과 성능으로 인해 수년에 걸쳐 증가해 왔습니다5. 목재 고분자 복합재는 다양한 응용 분야에 적합하도록 향상된 특성을 지닌 유기 결합 파티클보드의 대체 바이오 제품으로 알려져 있습니다4. 목재와 폴리머의 조합은 다른 목재 기반 패널 제품 및 플라스틱 제품6에 비해 기계적으로 향상된 제품을 보여줍니다. 직접 압출은 바이오폴리머 복합재 제조에 사용되는 가장 일반적인 기술입니다. 이 기술을 사용하면 동일한 공정 단계에서 용융된 재료를 다이에 통과시켜 원료를 용융 혼합하고 연속 프로파일로 압출할 수 있습니다7. 간접 압출 기술은 제조할 압축 성형용 프로파일이나 시트 재료에 사용될 수 있습니다. 본 연구는 나이지리아에서 재배된 선별된 목재 종으로부터 바이오폴리머를 생산하기 위한 두 가지 기술을 모두 채택했습니다. 제품의 기계적 및 치수 안정성과 같은 특정 특성에 미치는 영향을 조사하는 것이 목표였습니다. 온대 및 열대 지역의 많은 목재 입자가 조사되었습니다. 소나무, 단풍나무, 참나무 등의 종은 온대 지역에서 상업용 목재-플라스틱 복합재 제품 생산에 일반적으로 사용됩니다8. 이전 연구에 따르면 목재 종류는 WPC의 기계적 특성에 영향을 미치며, 견목 입자는 인장 특성 및 열변형 온도 측면에서 침엽수 가루보다 성능이 뛰어난 것으로 나타났습니다5,9. 대부분의 목재-플라스틱 복합재 제조업체는 기술이 향상되고 마케팅 수요도 증가함에 따라 향상된 기술을 갖춘 세계 선진국에서 발견됩니다. 선진국에서 산업이 성장함에 따라, 개발도상국은 수많은 목재 공장 산업에서 막대한 목재 폐기물이 발생함에도 불구하고 여전히 기술에 적응하는 데 어려움을 겪고 있습니다10,11. 제재소 산업에서 발생하는 목재 폐기물은 매립이나 소각에 사용되기보다는 WPC 생산을 위한 중요한 산업적 용도로 사용될 수 있습니다12. 나이지리아에서는 다양한 플라스틱 바인더와 목재 종류를 사용하여 WPC에 대한 연구 추세가 점차 증가하고 있으며 평가되고 있습니다. 일부 열대 목재가 WPC의 강도 특성에 미치는 영향도 조사되었습니다13,14. 스크류 압출기와 수동으로 제작된 복합 핫 프레스 기계를 사용하여 나이지리아에서 WPC 생산을 위한 열대 목재 종과 농업 잔류물의 가능성과 잠재력을 조사했습니다. Ceiba pentandra, Triplochiton scleroxylon, Entandrophragma cylindricum, Cordia alliodora, Funtumia Elastica, Brachystegia Kennedy, khaya ivorensis, Tectona grandis, Terminalia Superba 및 Milicia excelsa와 같은 나이지리아산 활엽수종이 커플링제 없이 WPC를 생산하는 데 사용되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 단일 스크류 압출기 및/또는 압축 성형5,15,16,17,18. 이러한 연구에서는 스트레스가 적은 실내 응용 분야에 사용할 수 있는 낮은 흡착 특성을 지닌 향상된 강도의 제품이 밝혀졌습니다17. 이러한 모든 목재 종은 나이지리아 목재 제분 산업의 구조적 목적을 위한 일일 목재 전환 과정에서 정기적으로 발견됩니다. 최근 WPC에 대한 연구가 증가함에 따라 점점 더 많은 나이지리아에서 재배되는 목재 종에 대한 조사가 요구되고 있습니다. 이전에 조사된 목재 종 중에는 비중이 0.42~0.64 및 0.61~0.73인 Gmelina Arborea 및 Tectona grandis가 있습니다. 이러한 목재 종은 수출 시장 가치가 높기 때문에 나이지리아 제재소에 흔히 사용되며, 목재 종은 제지, 가구 성형, 내부 목공, 조선 및 합판, 기둥 목재, 파티클보드, 베니어 및 기타 구조용으로 유용합니다19,20. 이 연구에서는 아직 조사되지 않은 Cordia milleni 및 Nauclea diderichii와 같은 새로운 종과 비교하기 위해 이러한 목재 종을 사용했습니다. 이 목재 종은 Cordia milleni 및 Nauclea diderichii의 비중이 0.41~0.50 및 0.56~0.63인 반낙엽 산림목입니다. 두 목재 모두 Gmelina Arborea 및 Tectona grandis보다 비중이 낮은 것으로 밝혀졌으며 일반 건축 및 목재 기반 패널 제품에 유용하게 사용할 수 있는 좋은 특성도 가지고 있습니다. 특히, Nauclea diderichii는 철도 침목, 중장비 건설, 담수 또는 해수와 접촉하는 수력 작업과 같은 실외 목적에 매우 유용한 것으로 밝혀졌습니다21,22. 건설 산업에서 지붕, 타일, 창틀용 WPC 제품에 대한 수요가 점차 증가함에 따라 플라스틱 산업에서 목재 입자의 사용은 증가할 것으로 예상됩니다5,23. WPC의 상업적 응용은 데크와 사이딩에 매우 높으며 이는 선진국의 미래 경제 발전과 성장의 증거로 보입니다4,24. WPC는 점차적으로 나이지리아와 같은 개발도상국으로 인기를 확대하고 있으며 개발도상국의 구조적 응용을 향상시키기 위한 목표 상업화의 필요성에는 재료와 기술 모두에 대한 집중적인 연구가 필요합니다.