KR20230073022A - 조성물, 단열성이 우수한 친환경 폴리스티렌 폼 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 단열성이 우수한 폴리스티렌 폼에 관한 것이다. 구체적으로, 본 출원은 친환경 발포제를 이용하여 제조되고, 단열성이 우수한 친환경 압출 폴리스티렌 폼 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 출원은 조성물, 단열성이 우수한 친환경 폴리스티렌 폼 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 출원은 친환경 발포제를 포함하는 발포 조성물; 상기 발포 조성물을 이용하여 제조되고, 단열성이 우수한 저밀도 폴리스티렌 폼; 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발포체 보드(foam board)는 낮은 밀도와 우수한 단열성능을 가질 것이 요구된다. 그러나, 스티렌 폼의 밀도를 너무 낮게 설계할 경우에는 스티렌 폼의 단열 성능이 좋지 못하게 되는 문제가 발생하는 것과 같이, 낮은 밀도와 우수한 단열 성능을 동시에 갖는 폴리스티렌 폼을 제조하는 것은 쉽지 않은 일이다.
한편, 종래 기술에서 사용되던 대표적인 발포제로는 소위 이산화탄소 발포제와 수소염화불화탄소(HCFC: Hydro Chloro Fluoro Carbon) 등의 발포제를 들 수 있다. 그런데, 수소염화불화탄소 발포제는 강력한 오존층 파괴물질로서, 다수 국가에서는 이미 사용이 금지된 제품이다. 그리고, 이산화탄소 발포제의 경우, 수소염화불화탄소 발포제와 비교할 때, 폴리스티렌수지에 대한 용해도가 낮다. 따라서, 폴리스티렌 수지와 이산화탄소 발포제를 혼합할 시에 높은 압력이 필요하게 되어, 설비(예: 압출기 등) 교체가 이루어지지 않고는 실용화가 어려운 문제가 있다. 나아가, 유효확산속도와 투과계수가 높은 것과 같이 활성 정도가 큰 이산화탄소의 특성으로 인해, 이산화탄소 발포제에서 유래한 이산화탄소는 발포체 보드에 잔류하지 않고 공기로 쉽게 대체되어 최종 제조된 스티렌 폼의 열 전도도를 증가시키는 문제가 있다.
따라서, 상술한 종래 기술의 문제점을 개선할 수 있는 폴리스티렌 폼을 제공하는 기술이 요구된다.
본 출원의 일 목적은 밀도가 낮으면서도 단열 성능이 우수한 폴리스티렌 폼을 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 오존 파괴 및 온난화 문제를 개선할 수 있는 친환경적인 폴리스티렌 폼을 제공하는 것이다.
본 출원의 또 다른 목적은, 공정성과 경제성이 우수한 폴리스티렌 폼을 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 해결될 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 폴리스렌 폼의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 방법은,
1400 psi 이상의 압력 및 215 ℃이하의 온도 조건에서, 폴리스티렌 수지를 포함하는 용융물에 발포제인 메틸포르메이트(methyl formate)를 투입하는 발포제 투입 단계; 및
상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하는 압출 단계(또는 성형 단계);
를 포함한다.
상기 제조방법과 관련하여, 발포제 투입 단계는 폴리스티렌을 주성분으로 포함하는 폴리스티렌 용융물에, 발포제를 투입하는 단계이다. 이때, 용융물은 폴리스티렌 수지 등이 고온에서 용융되어 점성을 갖게 된 상태로 포함된 것을 의미한다.
특별히 제한되지 않으나, 상기 용융물은 예를 들어 압출기 내부에서 형성 또는 존재할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 상기 폴리스티렌 수지를 포함하는 용융물에는 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제가 투입(또는 첨가)된다.
종래 기술에서는 수소불화탄소(HFC), 수소염화불화탄소(HCFC), 수소불화올레핀(HFO)과 같은 발포제를 포함하는 발포 조성물이 사용되었다. 그러나, 이러한 물질들은 오존층을 파괴한다고 알려져 있기 때문에, 그 사용이 제한되어야 하고, 사용되더라도 그 양을 줄여야 한다. 예를 들어, HCFC-141B 등은 이미 선진국에서 사용이 금지된 물질이기도 하다. 그러나, 본 출원에서 사용되는 메틸포르메이트(methyl formate)는 상기와 같은 환경적인 제약이 없다.
또한, 메틸포르메이트 발포제는 종래 발포제와 유사한 끓는 점을 갖기 때문에, 기존 공정을 크게 변화시킬 필요가 없는 이점을 제공한다(공정상 편의 제공). 그리고, 메틸포르메이트는 HCFC 발포제와 같은 종래 발포제 대비 약 2 내지 4 배 가량의 높은 발포력을 갖고 있다. 나아가, 발포제의 분자량 대비 kg 당 단가로 계산되는 비용의 경우, 메틸포르메이트 발포제가 HCFC 발포제와 같은 종래 발포제 대비 약 절반 가량으로 저렴하기도 하다. 즉, 종래 발포제와 비교할 때, 메틸포르메이트 발포제는 기존 공정을 크게 변화시키지 않고도 적용이 가능한 발포제로서, 높은 발포력을 제공하며, 발포제에 구매에 드는 비용도 절감시킬 수 있다.
추가로, 메틸포르메이트 발포제는 우수한 용해도를 제공하는 이점이 있다. 예를 들어, 이산화탄소 발포제의 경우, 폴리스티렌 수지에 대한 용해도가 약 1450 mg/L 정도 수준으로 알려져 있으나, 메틸포르메이트는 그 용해도가 약 3000 mg/L 수준이다. 폴리스티렌 수지와의 혼화성 또는 상용성을 고려할 때, 이산화탄소 발포제는 과량 사용하는 것이 어렵고, 이러한 이유로 이산화탄소 발포제를 폴리스티렌 폼 제조에 적용하더라도, 발포 특성 확보에는 종래 기술의 수소불화탄소(HFC), 수소염화불화탄소(HCFC), 수소불화올레핀(HFO) 등과 같은 물질에 의존할 수밖에 없다. 반면에, 메틸포르메이트 발포제는 폴리스티렌과의 혼화성 또는 상용성이 우수하기 때문에, 발포 효과의 상당부분을 제공할 수 있다. 그 결과, 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 종래 발포제를 사용하지 않거나 사용하더라도 그 함량을 크게 줄어들 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 발포제 투입 단계는 1450 psi 이상의 압력 조건에서 용융물에 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 투입하여 수행되는 단계일 수 있다. 구체적으로, 상기 발포제 투입 단계에서의 압력 조건은 1500 psi 이상, 1550 psi 이상, 1600 psi 이상, 1650 psi 이상, 1700 psi 이상 또는 1750 psi 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 1800 psi 이하, 1750 psi 이하, 1700 psi 이하, 1650 psi 이하, 1600 psi 이하, 1550 psi 이하 또는 1500 psi 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 발포제 투입 단계는 215 ℃ 이하의 온도 조건에서 용융물에 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 투입하여 수행되는 단계일 수 있다. 구체적으로, 상기 발포제 투입 단계에서의 온도 조건은 210 ℃ 이하, 205 ℃ 이하, 200 ℃ 이하, 195 ℃ 이하, 190 ℃ 이하, 185 ℃ 이하, 180 ℃ 이하, 175 ℃ 이하, 170 ℃ 이하 또는 165 ℃ 이하일 수 있고, 그 하한은 예를 들어, 160 ℃ 이상, 165 ℃ 이상, 170 ℃ 이상, 175 ℃ 이상, 180 ℃ 이상, 185 ℃ 이상, 190 ℃ 이상, 195 ℃ 이상, 200 ℃ 이상, 205 ℃ 이상 또는 210 ℃ 이상일 수 있다.
아래 실험예에서 확인되는 것처럼, 발포제를 투입하는 공정이 상기 조건을 만족하는 경우, 용융물 간 안정적인 혼합과 분산이 용이하고, 적정 수준의 압출량을 확보할 수 있고, 낮은 밀도(경량성)와 우수한 단열성을 스티렌 폼에 부여하는 것에 유리하다.
특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 메틸포르메이트 발포제는, 상술한 발포제 투입 압력 및 온도 조건에서 액체 상태로 압출기 등에 투입되어 용융물에 첨가될 수 있다. 그리고, 이후 기체로 상변화할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 메틸포르메이트 발포제는, 용융물이 포함하는 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 3.0 중량부 이상의 함량으로 용융물에 투입(또는 첨가)될 수 있다. 구체적으로, 상기 메틸포르메이트의 투입 함량은, 예를 들어, 3.5 중량부 이상, 4.0 중량부 이상, 4.5 중량부 이상, 5.0 중량부 이상, 5.5 중량부 이상, 6.0 중량부 이상, 6.5 중량부 이상, 7.0 중량부 이상, 7.5 중량부 이상, 8.0 중량부 이상, 8.5 중량부 이상, 9.0 중량부 이상, 9.5 중량부 이상 또는 10.0 중량부 이상일 수 있다.메틸포르메이트 발포제의 함량이 상기 범위 미만인 경우(예를 들어, 2.0 중량부 이하인 경우)에는 발포 정도가 미미하기 때문에 열전도율이 좋지 못하고, 밀도는 크게 높아지면서 폼(foam)의 기능이 발휘되지 못한다.
하나의 예시에서, 상기 메틸포르메이트 발포제의 함량은 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 15.0 중량부 이하일 수 있다. 구체적으로, 그 상한은 예를 들어, 14 중량부 이하, 13 중량부 이하, 12 중량부 이하, 11 중량부 이하, 10 중량부 이하, 9 중량부 이하, 8 중량부 이하 또는 7 중량부 이하일 수 있다. 메틸포르메이트 발포제의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우 발포 정도는 적절하거나 충분할 수 있으나, 밀도가 낮아지면서 폼이 크게 수축하고, 그 결과 폼의 기능이 발휘되지 못한다.
상기 용융물에 포함되는 상기 폴리스티렌의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 열 가소성 중합체로서 압출공정에 사용되는 것으로 알려진 폴리스티렌(PS: Polysyrene)이라면, 본 출원의 폴리스티렌 폼을 제조하는데 제한없이 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 폴리스티렌의 중량평균분자량은 수지의 압출 가공성이나 내열성 등을 고려하여 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리스티렌의 중량평균분자량(Mw)은 100,000 내지 400,000 일수 있다. 구체적으로, 상기 폴리스티렌의 중량평균분자량 하한은 예를 들어, 150,000 이상, 200,000 이상 또는 25,000 이상일 수 있고, 그리고 그 상한은 예를 들어, 350,000 이하, 300,000 이하, 250,000 이하, 200,000 이하 또는 150,000 이하일 수 있다. 이때, 상기 중량평균분자량은 GPC에 의해 측정된 폴리스티렌환산 중량평균분자량일 수 있다.
경우에 따라서, 상기 용융물에는 재활용 폴리스티렌 또는 그 유래의 폴리스티렌이 더 포함될 수 있다. 즉, 상기 용융물 제조시, 일반적인 중합 폴리스티렌 수지와 함께 재활용 폴리스티렌이 용융될 수 있다. 그러나, 재활용 성분의 경우 오픈셀(open cell)을 형성하여 폼의 단열성을 저하시킬 수 있고, 재활용품의 불균일한 품질로 인해 폴리스티렌 폼 제조 공정을 불안정하게 할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 공정 조건을 적절히 조절하면서, 예를 들어, 상기 폴리스티렌 수지 (전체) 100 중량부 대비 50 중량부 이하, 40 중량부 이하, 30 중량부 이하, 20 중량부 이하, 또는 10 중량부 이하의 함량으로, 재활용 폴리스티로폼 또는 그 유래의 폴리스티렌이 사용될 수 있다. 재활용 폴리스티렌으 함량은 특별히 제한되지는 않으나, 재활용 폴리스티로폼 또는 그 유래의 폴리스티렌은, 예를 들어 0.1 중량부 이상 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 용융물은 난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 난연제로는 인계화합물 및/또는 할로겐계 화합물이 사용될 수 있다. 특별히 제한되지 않으나, 상기 난연제로는 예를 들어, 브롬계 난연제가 사용될 수 있다. 브롬계 난연제에 포함된 브롬(Br) 성분은 발포 폴리스티렌 폼 보드 내부로 침투하여 불연성가스를 생성하여 소화작용을 일으킬 수 있다. 이러한 브롬계 난연제로는 폴리스티렌을 기본으로 하는 EPS(Expanede Polystyrene Foam) 또는 XPS(Extruded Polystyrene Foam) 등에 주로 사용될 수 있는 것이 사용될 수 있는데, 본 출원의 구체예에 따르면, 헥사브로모사이클로도데칸, 브로미네이티드에폭시올리고머, TBBA-아릴에테르, 트리브로모페닐아릴에테르 및 테트라브로모시크로옥탄 중에서 선택되는 1 이상이 난연제로서 사용될 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나, 상기 난연제는 분말형태로 압출기 등에 투입될 수 있고, 이후 상기 폴리스티렌수지와 혼합되고, 소정 온도에서 용융될 수 있다. 또는, 상기 난연제는 펠렛 형태로 상술한 폴리스티렌수지와 혼합되어 마스터배치로 압출기 등에 투입될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 난연제는, 폴리스티렌수지 100 중량부 대비, 0.5 내지 15 중량부 범위로 용융물에 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 난연제의 함량은 1 중량부 이상, 2 중량부 이상, 3 중량부 이상, 4 중량부 이상 또는 5 중량부 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 14 중량부 이하, 13 중량부 이하, 12 중량부 이하, 11 중량부 이하, 10 중량부 이하, 9 중량부 이하, 8 중량부 이하, 7 중량부 이하, 6 중량부 이하 또는 5 중량부 이하일 수 있다. 상기 난연제가 상기 함량 범위 미만인 경우에는 제조된 압출 스티렌 폼이 KS M 3808에서 규정하는 연소성 기준을 만족하지 못하는 것과 같이, 스티렌 폼의 연소성이 저하할 수 있다. 또한, 상기 난연제가 상기 함량 범위 초과인 경우에는 폼의 강도나 열전도율 등 물질특성이 저하할 수 있고, 고가인 난연제가 과량 사용되는 것이기 때문에 비경제적이다.
하나의 예시에서, 상기 조핵제는, 탈크, 실리카, 알루미나, 제올라이트, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산바륨, 산화아연, 산화타이타늄, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 마이카, 몬모리로나이트, 카본 입자, 유리 섬유 및 카본 튜브 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 조핵제는 압출법에 따라 발포성 플리스티렌 중합체를 제조하는 과정에서 폴리스티렌 폼의 단열성을 보완하고, 발포 셀(CELL) 크기를 줄이거나 균일하게 할 수 있다. 또한, 상기 조핵제는 고분자의 가성 및 고온시의 크립성을 개선하고, 치수안정성과 소광성을 향상시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 조핵제는 3 내지 6 ㎛ 범위의 크기를 가질 수 있다. 이때, 크기란 조핵제의 평균 입경 크기로서, 입도 분석기에 의해 측정되는 D50(수평균) 크기일 수 있다. 입자의 크기가 상기 범위 미만인 경우에는 소광효과가 낮고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 표면 거칠기가 높아지면서 폼에 오픈셀이 발생할 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나, 상기 조핵제는 분말형태로 압출기 등에 투입될 수 있고, 이후 상기 폴리스티렌수지와 혼합되고, 소정 온도에서 용융될 수 있다. 또는, 상기 조핵제는 펠렛 형태로 상술한 폴리스티렌수지와 혼합되어 마스터배치로 압출기 등에 투입될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기와 같은 조핵제의 기능을 고려할 때, 상기 조핵제는 폴리스티렌수지 100 중량부 대비, 0.1 내지 10 중량부 범위로 용융물에 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 조핵제의 함량 하한은 예를 들어, 0.5 중량부 이상, 1.0 중량부 이상, 1.5 중량부 이상, 2.0 중량부 이상, 2.5 중량부 이상 또는 3.0 중량부 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 9 중량부 이하, 8 중량부 이하, 7 중량부 이하, 6 중량부 이하 또는 5 중량부 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 발포제 투입 단계는, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 함께 용융물에 투입(또는 첨가)하여 수행되는 단계일 수 있다. 이때, 함께 투입한다는 것은 시점을 의미하는 것이 아니고, 발포제로서 병용될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상기 이종 발포제는 동시 또는 이시에 용융물에 투입(또는 첨가)될 수 있다.
사용 가능한 이종 발포제의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제 외에, 관련 기술분야에서 공지된 발포제 중에서 1 이상이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수소불화탄소(HFC), 수소염화불화탄소(HCFC) 또는 수소불화올레핀(HFO) 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 오존층 파괴와 같은 환경 오염 문제로 인해 그 사용이 금지되지 않은 발포제가 사용될 수도 있다. 그 구체적인 종류 역시 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, HFC 발포제로는 HFC-245fa(1,1,1,3,3-Pentafluoropropane), HFC-152a(1,1-Difluoroethane) 또는 HFC-134a(1,1,1,2-Tetrafluoroethane) 등이 사용될 수 있고, HFO 발포제로는 예를 들어, HFO-1233zd(1-Chloro-3,3,3-trifluoropropene) 또는 HFO-1336mz(1,1,1,4,4,4-Hexafluoro-2-Butene) 등과 같은 것이 사용될 수 있다. 또한, 상기 나열된 것들 중에서 2 이상이, 이종 발포제로서 사용될 수도 있다.
하나의 예시에서, 상기 발포제 투입 단계는, 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 병용되는 상기 이종 발포제를 투입 함량(중량)을, 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제 대비 소량으로 조절하여 투입하는 단계일 수 있다. 상술한 바와 같이, 메틸포르메이트 발포제는 폴리스티렌 수지에 대한 혼화성 또는 상용성이 높기 때문에, 발포 효과 확보를 위한 전체 발포제의 함량 중에서 메틸포르메이트 발포제가 과량을 차지할 수 있다. 이는, 종래 공지된 발포제에 따른 부작용 등을 줄일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 메틸포르메이트 발포제의 중량(W1)에 대한 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)은 0.015 내지 0.4 일 수 있다. 구체적으로, 상기 비율의 하한은 예를 들어, 0.050 이상, 0.100 이상, 0.150 이상, 0.200 이상, 0.250 이상, 0.300 이상, 0.350 이상일 수 있다. 또한, 상기 비율의 상한은 예를 들어, 0.350 이하, 0.300 이하, 0.250 이하, 0.200 이하 또는 0.150 이하일 수 있다. 비율(W2/W1)아 상기 범위 미만인 경우, 폼 제조 후 수 시간 이내(약 1 시간 이내)에 폼 수축이 발생할 수 있다, 그리고, 상기 비율이 상기 범위를 초과하는 경우 폼의 단열성이 저하하고, 폼에 오픈셀(open cell)이 발생할 수 있다. 오픈셀은 발포체의 열전도율 값을 증가시키기 때문에, 오픈셀의 발생 또는 증가는 낮은 열전도율(단열성)이 요구되는 폼에 적합하지 않다.
하나의 예시에서, 상기 이종 발포제는 용융물이 포함하는 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 0.045 내지 6 중량부 함량으로, 용융물에 투입(또는 첨가)될 수 있다. 구체적으로, 상기 이종 발포제의 함량은, 예를 들어, 0. 05 중량부 이상, 0.1 중량부 이상, 0.15 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.25 중량부 이상, 0.3 중량부 이상, 0.35 중량부 이상, 0.40 중량부 이상, 0.45 중량부 이상, 0.50 중량부 이상, 0.55 중량부 이상, 0.60 중량부 이상, 0.70 중량부 이상 또는 0.80 중량부 이상일 수 있다. 그리고, 그 상한은 6.0 중량부 이하, 5.5 중량부 이하, 5.0 중량부 이하, 4.5 중량부 이하, 4.0 중량부 이하, 3.5 중량부 이하, 3.0 중량부 이하, 2.5 중량부 이하, 2.0 중량부 이하, 1.5 중량부 이하 또는 0.5 중량부 이하일 수 있다. 상기 함량 범위를 벗어나는 경우에는 스티렌 폼의 밀도가 증가하고 열전도도가 높아짐에 따라 단열성이 저하되고, 발포체 표면에 오픈셀(open cell)이 발생하면서 스티렌 폼 보드가 평평한 판상을 갖기 어려운 것과 같은 문제가 발생할 수 있다.
특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 이종 발포제는, 상술한 발포제 투입 압력 및 온도 조건에서 액체 상태로 압출기 등에 투입되어 용융물에 첨가될 수 있다. 그리고, 이후 기체로 상변화할 수 있다.
본 출원의 구체예예 따르면, 상기 방법은 상기 용융물 및 상기 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하는 압출단계를 포함한다.
특별히 제한되지는 않으나 상기 압출은, 발포제가 투입된 용융물이 보관된 압출기에서 이루어질 수 있다. 또는, 용융물에 발포제 투입이 이루어진 압출기(예: 제 1 압출기)로부터 다른 압출기(예: 제 2 압출기)로 발포제 포함 용융물이 이송된 후에 성형이 이루어질 수 있다. 압출기의 사용 방식 등은 특별히 제한되지 않고, 당업자가 적절히 조절할 수 있다.
상기 압출 단계는, 발포 기공의 형태와 표면 특성 등을 고려하여 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 압출 단계는 800 psi 이상의 압력 및 130 ℃ 이하의 온도 조건에서 이루어질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 압출 단계는 850 psi 이상, 900 psi 이상, 950 psi 이상, 1000 psi 이상 또는 1050 psi 이상의 압력 조건에서 이루어질 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 1100 psi 이하, 1050 psi 이하, 1000 psi 이하, 950 psi 이하, 900 psi 이하 또는 850 psi 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 압출 단계는 125 ℃ 이하, 120 ℃ 이하, 115 ℃ 이하, 110 ℃ 이하, 105 ℃ 이하 또는 100 ℃ 이하에서 이루어질 수 있고, 그 하한은 예를 들어, 90 ℃ 이상, 95 ℃ 이상, 100 ℃ 이상, 105 ℃ 이상, 110 ℃ 이상 또는 115 ℃ 이상의 온도에서 이루어질 수 있다.
상기 압출단계의 조건을 만족하지 못하는 경우, 폴리스티렌 폼이 압출되기 전에 발포제가 먼저 발포하기 때문에 발포체에 오픈셀(open cell)이 형성될 수 있고, 성형품의 표면 품질 저하를 야기할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은, 상기 발포제 투입 단계 후 상기 압출 단계 전에, 상기 혼합물(예: 상술한 과정에 따라 적어도 폴리스티렌 수지와 메틸포르메이트 발포제를 포함하는 용융물)을 냉각시키는 냉각 단계를 더 포함하는 방법일 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나 상기 냉각은, 용융물에 발포제 투입이 이루어진 압출기에서 이루어질 수 있다. 또는, 용융물에 발포제 투입이 이루어진 압출기(예: 제 1 압출기)로부터 다른 압출기(예: 제 2 압출기)로 발포제 포함 용융물이 이송된 후에 냉각이 이루어질 수 있다.
상기 냉각 조건은 설비 구동 조건 및 발포의 용이성 등을 종합적으로 고려하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 냉각은, 발포제가 투입되는 온도 이하의 온도, 예를 들어, 130 ℃ 이하, 120 ℃ 이하 또는 110 ℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있다. 상기 범위를 초과하는 경우에는 압출되기 전에 발포가 진행되어 오픈셀이 발생할 수 있다.
또한, 상기 냉각 온도의 하한은 예를 들어, 100 ℃ 이상일 수 있다 상기 온도 범위 보다 낮은 온도에서는 설비가 마모되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은 경량성 폴리스티렌 폼을 제조하는 방법일 수 있다. 상기 폼은 예를 들어, 25 내지 35 kg/m3 범위의 밀도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 폼은 35 kg/m3 이하, 34 kg/m3 이하, 33 kg/m3 이하, 32 kg/m3 이하, 31 kg/m3 이하, 30 kg/m3 이하, 29 kg/m3 이하, 28 kg/m3 이하, 27 kg/m3 이하 또는 26 kg/m3 이하, 그리고 26 kg/m3 이상, 27 kg/m3 이상, 28 kg/m3 이상, 29 kg/m3 이상, 30 kg/m3 이상, 31 kg/m3 이상, 32 kg/m3 이상, 33 kg/m3 이상 또는 34 kg/m3 이상의 밀도를 가질 수 있다. 본 출원의 폼은 유사 수준의 열전도도(단열성)를 보이는 폴리스티렌 폼 대비 보다 낮은 밀도를 가질 수 있다.
본 출원에 관한 다른 일례에서, 본 출원은 폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물에 관한 것이다. 상기 조성물은, 상술한 제조방법과 관련하여, 사용될 수 있는 것이다.
하나의 예시에서, 상기 조성물은 상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 3.0 내지 15.0 중량부 함량 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 조성물은 난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 조성물은 상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 상기 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 상기 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 조성물은 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 더 포함하고, 상기 조성물에서 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)이 상기 이종 발포제의 중량(W2) 보다 과량일 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물에서 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위일 수 있다.
그 외, 상기 조성물에 포함되는 각 성분 및 그 함량, 그 외 특성은 상술한 것과 동일하다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 본 출원은 폴리스티렌 폼에 관한 것이다. 상기 폴리스티렌 폼은 상술한 제조방법을 통해 제공되는 것일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 폴리스티렌 폼은 상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 3.0 내지 15.0 중량부 함량 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 폴리스티렌 폼은 난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 폴리스티렌 폼은 상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 상기 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 상기 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 폴리스티렌 폼은 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 더 포함하고, 상기 조성물에서 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)이 상기 이종 발포제의 중량(W2) 보다 과량일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리스티렌 폼에서 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위일 수 있다.
그 외, 폴리스티렌 폼에 포함되는 각 성분 및 그 함량, 그 외 특성은 상술한 것과 동일하다.
하나의 예시에서, 상기 폼은 25 내지 35 kg/m3 범위의 밀도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 폼은 35 kg/m3 이하, 34 kg/m3 이하, 33 kg/m3 이하, 32 kg/m3 이하, 31 kg/m3 이하, 30 kg/m3 이하, 29 kg/m3 이하, 28 kg/m3 이하, 27 kg/m3 이하 또는 26 kg/m3 이하, 그리고 26 kg/m3 이상, 27 kg/m3 이상, 28 kg/m3 이상, 29 kg/m3 이상, 30 kg/m3 이상, 31 kg/m3 이상, 32 kg/m3 이상, 33 kg/m3 이상 또는 34 kg/m3 이상의 밀도를 가질 수 있다. 본 출원의 폼은 유사 수준의 열전도도(단열성)를 보이는 폴리스티렌 폼 대비 보다 낮은 밀도를 가질 수 있다.
메틸포르메이트 발포제를 사용하는 본 출원에 따르면, 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 종래 발포제를 사용하지 않거나 그 함량을 줄일 수 있기 때문에 친환경적이면서도, 가볍고 단열성이 우수한 폴리스티렌 폼이 제공된다. 또한, 본 출원에서 사용되는 메틸포르메이트 발포제는, 종래 발포제와 비교할 때 유사 수준의 끓는 점을 갖는 등의 이유로 기존 공정을 크게 변화시킬 필요가 없고, 발포 효과가 크며, 가격도 저렴하기 때문에, 본 출원은 비용의 증가나 공정의 변경 없이도, 열전도율이 우수한 폴리스티렌 폼을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
도 1은 본 출원의 구체예에 따른, 폴리스티렌 폼의 제조 과정을 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 폴리스티렌 수지를 포함하는 대한 용융물 제조(10), 용융물에 대한 발포제 투입(20), 발포제가 투입된 혼합물에 대한 냉각(30) 및 압출 성형단계(또는 압출 단계)(40)가 순차로 수행될 수 있다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리스티렌수지(LG화학 '25SPE' 제품) 100 kg, 난연제인 헥사브로모사이클로도데칸(HBCD: Hexabromocyclododecane) 3.0 kg, 조핵제(TALC, D50 크기 약 4 내지 5 ㎛) 1.0 kg를 1차 압출기에 투입하고 약 250 ℃ 온도에서 용융시켰다.
그리고, 상기 성분을 포함하는 용융물이 수용된 1차 압출기에 소정 온도(210 ℃) 및 소정 압력(1,600 psi)이 형성된 상태에서, 발포제를 투입하였다. 발포제로는 HFC-134a 발포제 0.8 kg와 친환경 발포제인 메틸포르메이트(Methyl Formate) 7.0 kg 이 사용되었다.
이어서, 1차 압출기 내부의 온도를 약 120 ℃ 로 냉각하였다.
그리고, 온도 120 ℃ 및 압력 950 psi 조건 하에서 압출발포하여 압출 폴리스티렌폼을 제조하였다.
비교예 1
폴리스티렌수지(LG화학 '25SPE' 제품) 100 kg, 난연제인 헥사브로모사이클로도데칸(HBCD: Hexabromocyclododecane) 3.0 kg, 조핵제(TALC, D50 크기 약 4 내지 5 ㎛) 1.0 kg를 1차 압출기에 투입하고, 약 250 ℃ 온도에서 용융시켰다.
그리고, 실시예 1과 다른 온도(220 ℃) 및 압력(1,300 psi)이 형성된 상태에서, 상기 성분을 포함하는 용융물이 수용된 1차 압출기에 발포제를 투입하였다. 발포제로는 HFC-134a 발포제 0.8 kg과 친환경 발포제(메틸포르메이트, Methyl Formate) 2.0 kg 이 사용되었다.
이후, 1차 압출기 내부의 온도를 약 120 ℃ 로 냉각하였다.
그리고, 실시예 1과 다른 조건(온도 120 ℃ 및 압력 750 psi)에서 압출발포하여 압출 폴리스티렌폼을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 실시예 1 및 비교예 1의 폴리스티렌 폼의 특성은 아래와 같다.
| 구분 | 실시예 1 | 비교예 1 |
| 밀도(kg/ℓ) | 0.031 | 0.036 |
| 초기 열전도율 (W/mK) |
0.024 ~ 0.026 | 0.028 ~ 0.030 |
| 표면 | 양호 | 불량(Open Cell) |
| 밀도(kg/ℓ): x 1000을 하여 kg/m3 단위로 환산할 수 있다. 초기 열전도율: 한국산업규격 KS L 9016에 준하여, 평균온도 20±5℃조건에서 측정하였다. |
||
실시예 1과 비교예 1을 비교해보면, 발포제의 함량과 관련 공정 조건을 만족하는 실시예 1의 스티렌 폼이, 비교예의 그것 대비 밀도가 낮으면서도 초기 열전도율이 우수(수치가 낮음)하다는 것이 확인된다. 참고로, 실시예 1의 낮은 초기 열전도율은 건축물의 에너지 절약설계 기준 “가” 등급 단열재 중 특호 단열재에 상응하는 물성이다(국가 표준인증 종합정보센터(http://www.standard.go.kr) 참조).
구체적으로, 폼 제조에 관한 공정 조건이 본 출원을 만족하지 못하는 비교예 1에서는 오픈셀이 발생하게 되었고, 그 결과 열전도율 값이 증가(단열성 저하)하게 되었다. 또한, 비교예 1의 경우, 메틸포르메이트를 실시예 1 대비 적은 함량 사용하고 있기 때문에 밀도가 높아진 것(경량성이 좋지 못함)도 확인된다.
결과적으로, 본 출원은 종래 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 발포제 대신 메틸포르메이트 발포제를 사용하기 때문에 친환경적이면서도, 가볍고 단열성이 우수한 폴리스티렌 폼을 제공한다.
Claims (20)
1400 psi 이상의 압력 및 215 ℃ 이하의 온도 조건에서, 폴리스티렌 수지를 포함하는 용융물에 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 투입하는 발포제 투입 단계; 및
상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하는 압출 단계;
를 포함하는 폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하는 압출 단계;
를 포함하는 폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 발포제 투입 단계는 1,450 psi 내지 1800 psi 범위의 압력 및 160 내지 215 ℃ 범위의 온도 조건에서 용융물에 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 투입하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 발포제 투입 단계는 1,450 psi 내지 1800 psi 범위의 압력 및 160 내지 215 ℃ 범위의 온도 조건에서 용융물에 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 투입하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 압출 단계는 800 psi 이상의 압력 및 130 ℃ 이하의 온도에서 상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 압출 단계는 800 psi 이상의 압력 및 130 ℃ 이하의 온도에서 상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 3 항에 있어서,
상기 압출 단계는, 850 내지 1100 psi 범위의 압력 및 90 내지 125 ℃ 범위의 온도에서, 상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 압출 단계는, 850 내지 1100 psi 범위의 압력 및 90 내지 125 ℃ 범위의 온도에서, 상기 용융물 및 메틸포르메이트(methyl formate)를 포함하는 혼합물을 압출하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리스티렌 수지를 포함하는 용융물은, 난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 폴리스티렌 수지를 포함하는 용융물은, 난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 용융물은 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 용융물은 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 발포제 투입 단계는, 상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 3.0 내지 15.0 중량부 함량으로 투입하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 발포제 투입 단계는, 상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 3.0 내지 15.0 중량부 함량으로 투입하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 발포제 투입 단계는, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 동시 또는 이시에 투입하여 수행되고,
상기 이종 발포제의 중량이 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제 대비 소량인,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 발포제 투입 단계는, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 동시 또는 이시에 투입하여 수행되고,
상기 이종 발포제의 중량이 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제 대비 소량인,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 8 항에 있어서,
상기 발포제 투입 단계는, 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위가 되도록 발포제를 투입하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 발포제 투입 단계는, 상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위가 되도록 발포제를 투입하여 수행되는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 발포제 투입 단계 후 상기 압출 단계 전, 상기 혼합물을 냉각시키는 냉각 단계; 를 더 포함하는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
상기 발포제 투입 단계 후 상기 압출 단계 전, 상기 혼합물을 냉각시키는 냉각 단계; 를 더 포함하는,
폴리스티렌 폼의 제조방법.
폴리스티렌 수지 및 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 포함하는, 폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
제 11 항에 있어서,
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 3.0 내지 15.0 중량부 함량 포함하는,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 3.0 내지 15.0 중량부 함량 포함하는,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
제 11 항에 있어서,
난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
제 11 항에 있어서,
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 상기 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 상기 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 상기 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 상기 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
제 11 항에 있어서,
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 더 포함하고,
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위인,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 더 포함하고,
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위인,
폴리스티렌 폼 제조용 발포 조성물.
폴리스티렌 수지 및 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 포함하는, 폴리스티렌 폼.
제 16 항에 있어서,
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 1.0 내지 15 중량부 함량 포함하는,
폴리스티렌 폼.
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제를 1.0 내지 15 중량부 함량 포함하는,
폴리스티렌 폼.
제 16 항에 있어서,
난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는,
폴리스티렌 폼.
난연제 및 조핵제 중에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는,
폴리스티렌 폼.
제 16 항에 있어서,
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 상기 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 상기 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는,
폴리스티렌 폼.
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부 대비, 상기 난연제 0.5 내지 15 중량부 및 상기 조핵제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는,
폴리스티렌 폼.
제 16 항에 있어서,
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 더 포함하고,
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위인,
폴리스티렌 폼.
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제와 상이한 이종의 발포제를 더 포함하고,
상기 메틸포르메이트(methyl formate) 발포제의 중량(W1)에 대한 상기 이종 발포제의 중량(W2) 비율(W2/W1)이 0.015 내지 0.4 범위인,
폴리스티렌 폼.
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| KR1020210159821A KR102690101B1 (ko) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 조성물, 단열성이 우수한 친환경 폴리스티렌 폼 및 그 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2012236959A (ja) * | 2011-05-13 | 2012-12-06 | Jsp Corp | ポリスチレン系樹脂押出発泡板の製造方法 |
| KR20160038163A (ko) * | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 주식회사 벽산 | 이산화탄소를 포함하는 발포제를 사용한 단열성이 우수한 압출 스티렌 폼 및 그 제조방법 |
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