제4장 천연소재 compound의 사례와 앞으로의 전망

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제4장 천연소재 compound의 사례와 앞으로의 전망

머리말

플라스틱 재료는, 경량으로 내구성이 있고, 각종 성형 가공에도 우수하기 때문에, 자동차 부품에서 식품 포장재, 의료용도나 일용 잡화까지 폭 넓게 이용되고 있다. 우리들의 일상 생활을 돌아보아도, 플라스틱 재료를 사용한 제품을 사용하지 않는 날은 존재하지 않는다고 말해도 좋을 정도이고, 신변에 재료로서 주위에 넘쳐 있다. 그 한편으로, 최근의 SDGs, circular economy라고 한 순환형 사회의 변혁을 향한 관심이 높아져, 플라스틱의 장점이었던 내구성이나 안정성이, 단점으로 취급되고 있는 상황으로 되어가고 있다. 일본에서도 2019년 5월에 플라스틱 자원 순환 전략 3R+Renewable이 기본 원칙인 milestone이 게재되어, 2022년 4월부터 플라스틱 자원순환 촉진법이 시행되고 있다. 이러한, 플라스틱 재료에 관련하는 산업에 관한 각 회사는, 종래형의 대량 생산, 판매에 기초하는 개발부터, SDGs 목표 달성을 위한 과제 해결에 따르는 신제품 제안이나 신시장 진입을 구축하고 있다.

상술의 사회 정세 변화를 받아, 최근 수년, 국내에서 개최된 플라스틱 관계의 전시회(예를 들어, 고기능 플라스틱전(현 플라스틱 Japan전), 사람과 자동차의 technology전, sustainable material 전, SAMPE Japan 첨단 재료 기술 전 등)에 있어서도, 소재 메이커 각 회사의 전시 내용에 변화가 보이고 있다. 예를 들어, 바이오 플라스틱, 생분해성 플라스틱, 리사이클 기술(chemical, material), 리사이클 복합 수지 등, SDGs에 관련한 제안이 늘어나고 있는 듯이 판단되고 있다. 특히, 제품 중의 석유 유래 성분을 삭감하는 시도로서, 바이오 플라스틱과 함께 바이오 원료로 된 재료와의 compound, 각종 filler(무기물, 유기물, 천연소재)와의 compound는 각 회사 특색을 살린 다양한 제안이 이뤄지고 있고, 각 회사의 web site에서도 매일 새로운 발표가 되고 있는 상황이다.

독자도 잘 알고 있듯이, 각종 filler를 플라스틱과 혼련하여 성형 가공하는 것은 새로운 기술이 아니다. 옛날부터, 플라스틱이나 고무의 강성이나 강도 향상을 목적으로 하여 유리 섬유, talc, silica 등의 무기물이나, 탄소 섬유, aramid 섬유 등의 유기 섬유, carbon black 등의 유기 입자를 첨가하는 것은 검토되고 있고, 타이어나, 도료, 자동차용 외장재를 시작으로 한 각종 상품의 일부로서 활용되고 있다. 재료와 플라스틱의 복합재료 WPC(Wood Plastic Composite)에 관한 기술 개발도 1970년대부터 진행되어 있고, 일본에서도 1990년대에는 내장재나 옥외 deck용으로 판매가 되고 있다. 또한, 폐 목재와 리사이클 수지를 원료로 한, WPRC(Wood Plastic Recycled Composite)의 생산도 이미 개시되어 있다.

한편, 최근의 전시회 등에서 각 회사가 전개하고 있는 composite 목재는 주로 천연소재를 이용하고 있다는 점, 천연 소재의 종류가 풍부하다는 점, filler로 되는 천연 소재의 충전량이 50wt% 이상으로 비교적 높은 제품이 많은 점 등, 이제까지 없었던 특색 있는 재료가 전개되어 있다. 여기서 본고는, 천연 소재와 composite 소재에 관한 기초적인 해설 기사로 자리 매김하고, 필자가 각종 전시회나 각 회사 web site에 게재되어 있는 정보를 근거로, 제안되어 있는 특징적인 천연 소재 composite 소재의 일부를 소개하는 것과 함께, 앞으로의 개발 방향성에 대한 예측에 대하여 사견을 맞대 서술한다. 또한, 맨 뒤의 참고 문헌은, 가능한 web site의 링크를 덧붙이도록 유의했기 때문에, 최신의 정보를 얻는 데에는 링크 앞의 전시회, 직접 연락을 해줬으면 좋겠다.

1. 천연 소재 compound를 구성하는 각종 재료

1.1 Compound 제작법과 SDGs를 의도한 scheme

Matrix로 되는 부자 재료에, 천연 소재를 분산시켜 compound를 제작하는 데에는 크게 3가지의 수법으로 분류되어 있다.

(1) 용액 상태의 matrix 재료와 filler를 혼련하여 분산시킨다.

(2) 용액 상태로, matrix 수지(열경화성 수지의 monomer를 포함)와 filler를 blend한다.

(3) 각종 filler 기재에 열가소성 수지를 함침/열경화 수지의 monomer를 함침시켜, 가열에 의해 가교 반응시킨다.

본 고에서 소개하는 천연소재 compound의 대부분은, (1) 용융 혼련법에 있어서, 특히 2축 혼련기를 이용하여 제작되기 때문에, 앞으로의 기술은 용융 혼련법을 중심으로 한 compound의 구성 사례나 사례에 대해서 소개해 가는 것으로 하는데, 각종 산업 분야에서는 어느 공법도 중요하다. 예를 들어, 상술한 WPC는, 목재에 열경화형 monomer를 함침시켜 보강시키는 것으로 목재를 부식 시키지 않고 강도를 향상시키는 공법으로도 제조되고 있거나, 열경화형 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics; 탄소 섬유 강화 플라스틱) 등도 같은 공법이 이용되고 있다(표1).

표1 플라스틱/filler 복합재의 주된 제작 공법

공법		주된 사용 장치	용도 사례
용융 혼련	용융 상태의 matrix 재료와 filler를 혼련하여 분산시킨다	2축 혼련기 mixer, kneader	각종 compound
용액 혼련	용액 상태로, matrix 재료(열경화형 monomer 함유)와 filler를 blend 한다.	반응용기 교반조	도료
함침	각종 filler 기재에, matrix 원료/열 경화형 monomer를 함침 시켜, 가열에 의해 가교 반응시킨다.	Autoclave	각종 CFRP 부재

도1에서는, 일반적인 천연 소재를 중심으로 한 compound의 제작 scheme을 제시한다. 본 scheme는 천연 소재를 사용하지 않는, “종래형”의 scheme과 거의 동등한데, 천연 소재나 matrix 재료의 입수 경로에 대해서, SDGs나 리사이클을 의식하여 기재된 것이 많다는 것이 특징이라고 생각되고 있다. 메이커 측은, “종래”의 scheme에서 제조된 compound 재료에서도, matrix 재료의 일부에 리사이클 재료를 활용하거나, 천연 소재도 간벌(間伐, 솎아 베기)재 등을 활용하는 등의 원료를 활용했을 것이라고 상정되는데, 앞으로의 제품 전개를 생각한 경우, 보다 프로모션으로서 천연 소재의 입수법이나 활용에 대해서 강조한 scheme을 구축해 갈 필요도 있다고 생각된다.

도1 천연 소재 compound의 제작 scheme

도2에, 일반적인 compound의 구성 재료에 대해서 제시한다. ①matrix 재료(폴리머 재료), ②filler(유기, 무기, 천연소재), ③각종 첨가재료에 분산되어 있고, 각 성분의 balance에 의해 각종 특징을 갖는 compound가 형성되고 있다. 각종 구성 재료 특징과, compound 설계의 고려에 대해서 항목으로 간단히 기재한다.

• PE • PP • PS • ABS • PVC • PA • PLA 기타

• 탄산 칼륨 • 황산 바륨 • Talc • 목재(cellulose계) • 전분 • 식물 폐기물 기타

• 상용화재 • 윤활제 • 내열 안정제 • 내후 안정제 • 대전 방지제 • 난연제 • 안료 기타

도2 주된 열가소성 compound 재료의 기본 물성