목재 플라스틱 복합 재료 적용의 지속적인 성장은 피할 수 없는 추세입니다.

애플리케이션의 지속적인 성장 목재 플라스틱 복합재 소재는 피할 수 없는 트렌드

사회 발전으로 인해 목재에 대한 수요가 증가하고 있으며, 산림 성장 속도가 더 이상 수요를 충족할 수 없어 목재 산업은 혁신과 탐험에 나서고 있습니다.

최근 중국과학원 닝보 재료 기술 및 공학 연구소(이하 닝보 재료 연구소)의 바이오 기반 고분자 팀은 식물 짚과 기타 섬유 복합재를 사용하여 나무와 같은 복합재를 제조했습니다. 닝보 재료연구소의 주진 팀장 겸 연구원은 중국과학일보와의 인터뷰에서 "우리는 기업과 협력하여 농촌 짚의 대규모 소각 문제를 해결할 뿐만 아니라 농업 및 임업 폐기물을 보물로 바꿀 수 있는 공정을 개발했다"고 말했습니다.

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오늘날 삼림 벌채를 통해 얻는 둥근 목재의 양이 줄어들면서 목재 산업에서 인공 보드가 등장하고 있습니다. 소위 인조 보드는 포플러, 유칼립투스 등 빠르게 자라는 나무와 성장 주기가 짧은 기타 나무로 만들어지며, 이를 목재 베니어로 자르거나 부러진 나무를 원료로 목질 섬유로 만듭니다. 그런 다음 접착제를 사용하여 보드에 접착합니다.

인조 보드의 제조 방법은 유연하고 비용 효율적이어서 사람들의 일상적인 요구를 거의 충족시킬 수 있습니다. 중국 목재 및 목재 제품 유통 협회 정보 센터의 통계에 따르면 2017년에 중국은 연간 3억 입방미터 이상의 인조 보드를 생산했습니다.

하지만 인조 보드는 유기 접착제로 인해 포름알데히드를 방출하는 경우가 많습니다. 현재 포름알데히드 오염은 사회적 관심의 초점이 되고 있습니다.

"인조 보드는 둥근 목재에 비해 가공 유연성이 향상되었지만 성형 공정은 단순한 부품 생산에 국한되어 플라스틱과 같은 복잡한 부품을 생산할 수 없습니다." 주진은 고분자 과학자들이 이전에 플라스틱에 목재 가루를 채워 새로운 유형의 목재 플라스틱 복합 소재를 만들었다는 사실을 발견했습니다. 지난 20년 동안 목재 플라스틱 복합 재료는 플라스틱 가공의 장점과 목재의 아름다움으로 인해 빠르게 발전해 왔습니다.

새로운 문제도 등장했습니다. "목재 플라스틱 복합 재료는 목재 분말로 채워져 있으며, 충전량은 일반적으로 60% 미만입니다. 기계적 특성이 목재의 요구 사항을 충족하지 못하며 뒤틀림 및 변형과 같은 심각한 문제가 발생하기 쉽습니다." 주진은 목재 플라스틱 복합 재료는 목재의 요구 사항을 진정으로 충족하고 목재를 대체하는 목표를 달성할 수 없다고 말했습니다.

구조적으로 보면 목재의 미세 구조는 섬유 복합 재료의 일종입니다. 우리나라에서 섬유 복합 재료의 역사는 고대까지 거슬러 올라갑니다. 고대인들은 볏짚이나 밀짚을 사용하여 점토를 강화하여 집을 만들었는데, 이는 섬유 복합 재료의 활용입니다. 주진은 "볏짚이나 밀짚은 수집 및 처리가 어렵고 부패, 연소 및 수분 흡수가 쉽기 때문에 현대 복합 재료에서 다시 그 존재를보기가 어렵습니다."라고 말했습니다.

"나무의 질감 구조를 기반으로 나무를 대체할 수 있는 새로운 형태의 복합 소재를 개발할 수 있을까요?" 주진은 바이오 기반 폴리머 팀을 이끌고 새로운 시도를 시작했습니다.

소재 기술 과제 극복

인조 보드와 목재 플라스틱 복합재 원재료로 목재를 필요로 합니다. "2017년 중국의 목재 수입 의존도는 60% 이상에 달했습니다." 주진의 연구팀은 대마 섬유, 대나무 섬유 등 일년생 초본 식물 섬유를 섬유 구조로 사용하여 플라스틱과 결합하여 섬유 구조의 복합 재료와 같은 목재를 만드는 아이디어를 생각해 냈습니다. "이렇게 하면 인류의 목재 의존도를 완전히 해결할 수 있습니다."

"폴리머 수지에 비해 다양한 식물 섬유의 가격이 저렴하기 때문에 이러한 복합 재료의 비용도 현재 플라스틱 수지에 비해 낮아질 것입니다. 하지만 주진의 연구에 따르면 식물 섬유 소재를 대규모로 개발하고 활용하기 위해서는 소재 기술의 층별 과제를 극복해야 합니다."라고 말합니다.

식물 섬유의 강한 친수성으로 인해 소수성 폴리머 수지와의 호환성이 좋지 않아 최종 복합 재료는 상당한 취성을 나타냅니다.

바이오 기반 고분자 팀의 대응 방안은 호환 가능한 첨가제를 사용하는 것입니다. 이들은 호환 가능한 첨가제를 선택하여 친수성 식물 섬유와 소수성 고분자 수지 간의 호환성을 효과적으로 개선하고 궁극적으로 고강도 및 고탄성을 가진 식물 섬유 강화 고분자 복합재를 제조할 수 있습니다.

그러나 식물 섬유 함량이 증가함에 따라 식물 섬유 고분자 복합재 표면에 다양한 결함이 쉽게 형성됩니다. 예를 들어 압출 생산에서 유동성이 좋지 않으면 압출 후 연속적으로 압출되지 않거나 모양이 불안정해지는 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 주진 팀의 솔루션은 '내부 윤활'과 '외부 윤활'의 복합 윤활 시스템을 사용하여 복잡한 외관과 특히 높은 유동성 요구 사항을 가진 자동차 부품을 준비하고 판금의 연속 압출을 성공적으로 달성하는 것입니다.

또한 식물 섬유와 일반 플라스틱은 모두 가연성 물질이며, 현재 식물 섬유 복합 재료의 난연성 문제도 주요 과제입니다.

"다른 연구팀은 유기 용매나 알칼리성 용액으로 섬유를 처리하여 난연성을 달성했습니다. 하지만 이 방법은 환경 처리 측면에서 시간과 노동력이 많이 소요될 뿐만 아니라 추가 비용도 많이 듭니다." 주 진은 식물 섬유와 수지 매트릭스를 이용한 바이오 기반 폴리머 팀의 단계별 난연 처리 방식을 소개하며, 이 두 가지를 따로따로 난연 처리하는 방법을 소개했습니다. 과학적인 난연성 평가를 통해 고충진 식물 섬유 복합 재료는 V0 수준의 난연성을 달성했습니다.

목재와 같은 재료 가공 및 준비

현재 식물 섬유의 준비 및 가공은 또한 중앙에서 수집하는 방법, 효율적으로 분쇄하는 방법, 수지 매트릭스와 균일하게 혼합하는 방법이라는 세 가지 과제에 직면 해 있습니다. 짚을 예로 들어, 주진은 짚의 수거 비용이 높고 불순물이 많으며 최종 종합 활용도 상대적으로 어렵다고 말했습니다. 농업 기계 및 장비는 이러한 유형의 짚을 미리 분쇄 할 수 있지만 그 섬세함은 여전히 복합 재료 준비와는 거리가 멀다.

주진이 이끄는 연구팀은 연구를 통해 위의 문제를 해결하기 위해서는 첫째, 섬유 가공 및 복합 재료 준비까지 달성하기 위해 특정 지리적 범위 내에서 여러 위치에서 생산할 수있는 소형화 된 장비가 필요하고, 둘째, 분쇄 과정을 통해 짚이나 대마 섬유의 미세 섬유를 주줄기에서 분리하는 효율적인 섬유 분쇄 방법이 있어야하며, 마지막으로 고함량 식물 섬유를 플라스틱 수지와 완전히 혼합하려면 장비에 매우 강력한 혼합 및 교반 토크가 필요하다는 사실을 발견했습니다.

이를 위해 닝보 재료 연구소는 웨이팡 윤딩 신소재 기술 유한공사와 협력하여 위의 문제를 한 번의 공정 단계로 해결할 수 있는 고속 블렌딩 장비를 개발했습니다. 주진은 "이 장비는 식물 섬유의 충전 함량이 최대 80% 인 열가소성 복합 재료를 성공적으로 준비 할 수 있습니다. 원료를 혼합하고 자동 절단하여 형성된 복합 재료 입자는 기존의 플라스틱 성형 공정을 통해 생산할 수 있습니다."

식물 섬유 함량이 높으면 목재와 유사한 복합 재료의 고강도를 보장합니다. 따라서 고함량 식물 섬유 폴리머 재료는 목재와 같은 복합 재료라고도 합니다. 이러한 유형의 복합 재료와 같은 목재는 목재, 인공 보드, 단일 플라스틱 및 전통적인 목재 플라스틱보다 포괄적 인 성능이 더 우수합니다.

주진은 연구와 마케팅이 심화됨에 따라 모조 목재 제품이 곧 시장에 진입하여 수천 가구에 진입 할 것이라고 말했습니다. 이러한 방식으로 목재의 발전은 통나무에서 인공 판자로, 그리고 목재를 모방 한 일년생 초본 식물에 이르기까지 인류가 목재에 대한 의존에서 벗어나 목재의 지속 가능한 발전을 달성했습니다.