KR100341428B1 - 가압하에서용해된이산화탄소를사용한발포체의제조방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1 이상이 반응성 성분을 이산화 탄소와 가압 하에서 혼합함으로써, 팽창제로서 이산화 탄소를 사용하여 2 성분 반응성 혼합물로부터 발포을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 그 다음 이 혼합물을 다른 반응성 성분(들)과 혼합하여 발포 가능한 반응성 혼합물을 형성하고, 형성된 혼합물을 팽창하고 경화시켜 최종 생성물을 형성한다. 발포 가능한 반응성 혼합물은 1 이상의 미세하게 메쉬된 스크린을 통하여 대기압으로 팽창된다.

Description

가압 하에서 용해된 이산화탄소를 사용한 발포체의 제조 방법 및 장치{Method and Device for the Production of Foam Using Carbon dioxide Dissolved Under Pressure}

<발명의 배경>

본 발명은 가압 하에서 용해되어 있는 이산화 탄소를 팽창제로서 사용함으로써 팽창될 물질이 바람직하게는 액체 이산화 탄소와 가압 하에서 혼합되고, 이어서 발포 형성과 함께 팽창되는, 가압 하에서 용해되어 있는 이산화 탄소를 팽창제로서 사용하여 발포체를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 사용되는 팽창 가능한 물질은 특히 플라스틱용 액체 출발 물질인데, 이것은 팽창 후에 개시되는 다중 첨가반응 또는 축중합 반응에 의해 경화되어 발포된 플라스틱을 형성한다. 본 발명은 특히 폴리우레탄 발포체에 관한 것이다.

폴리우레탄 발포체의 제조에서, 액체 또는 가스상 팽창제는 1 이상의 반응성 성분 (폴리이소시아네이트, 및 이소시아네이트기, 특히 폴리올과 반응성인 수소 원자를 함유하는 화합물)에 첨가된다. 그 다음 혼합하면서 다른 성분이 첨가되고 수득된 혼합물은 몰드에 배치식으로 또는 컨베이어 벨트상에 연속적으로 이송되고, 여기서 혼합물은 발포되고 경화된다.

발포체 제조를 위한 다수의 방법이 널리 실용되고 있다. 저온에서 증발되는액체 (저분자량 클로로플루오로-탄소, 메틸렌 클로라이드, 펜탄 등)가 종종 사용된다. 이들 물질은 액체 반응 혼합물로부터 증발되어 기포를 형성한다. 또한 공기를 반응 혼합물 또는 성분 중 하나에 강제로 주입하는 것이 가능하다 (기계적 발포체 제조).

최종적으로, 폴리우레탄 발포체의 경우, 종종 물이 팽창제로서 폴리올 성분에 첨가된다. 이소시아네이트 성분과 혼합 후, 물은 이소시아네이트와 반응하여 팽창 가스로서 이산화 탄소를 유리시킨다 (화학적 발포체 제조).

액체 이산화 탄소는 이미 환경적 수용성과 산업적 위생의 근거 및 폴리올 성분에서 액체 이산화 탄소의 비교적 높은 용해성에 기인하여 종종 팽창제로서 제안되어 왔다 [참조; 예를 들어 영국 특허 제 803,771호, 미국 특허 제 3,184,419호, 동 제 4,337,318호 및 동 제 5,120,770호]. 그러나, 액체 이산화 탄소는 10 내지 20 bar의 압력으로부터 반응 혼합물의 필요한 팽창 중에 균일한 발포체를 제조하는데 어려움이 있기 때문에 실제로 수용되지 않았다. 한편, 문제는 이산화 탄소가 상대적으로 갑자기 증발하여 반응 혼합물의 부피가, 예를 들어 조절하기 어려운 약 10 배로 매우 크게 증가한다는 것이다. 다른 한편, 반응 혼합물은 관련 온도에서 CO₂의 평형 증기압 미만인 3 내지 6 bar에서 일어날 수 있는 이산화 탄소의 방출을 억제하는 경향이 있어서, 이산화 탄소의 급격한 폭발성 방출이 일어나서 결과적으로 큰 공극 또는 기포가 발포체 내에 포함된다.

캐넌 그룹사의 문헌에 따르면, 액체 이산화 탄소에 의한 팽창 문제는 산소를반응 혼합물에 첨가함으로써 기포 핵을 형성시키고, 팽창을 단계적으로 수행하고, 특별한 소포 장치를 제조함으로써 해결될 수 있다. 본 방법의 상세함은 아직 공개 및 공지되지 않았다.

도 1은 본 발명의 원리를 예시한 도시이고,

도 2는 본 발명의 방법의 개략도이고,

도 3은 본 발명의 팽창 장치의 하나의 구현에 관한 도시이고,

도 3a는 도 3 장치의 변형에 관한 도시이고,

도 4 및 4a는 블록 (block) 발포용 제조 장치에 관한 도시이고,

도 5는 본 발명의 팽창 장치의 또 다른 구현에 관한 도시이고,

도 6은 도 5의 AA 단면도이고,

도 7은 도 5에 나타낸 것과 유사한 장치의 단면도이고,

도 8 및 9는 본 발명의 팽창 장치의 또 다른 구현에 관한 도시이고,

도 10은 블록 발포체 제조를 위한 도 8 및 9의 장치의 사용에 관한 도시이고,

도 11은 도 8에 나타낸 것과 유사한 장치에 관한 도시이고

도 12는 도 10에 나타낸 것과 유사한 배열에 관한 도시이다.

본 발명은 반응 혼합물이 팽창 중 약 500/초 내지 5,000/초의 높은 전단 속도에 노출 되었을 때 다수의 미시적 기포 핵이 성공적을 제조된다는 발견에 기초를두고 있다. 본 발명에 따르면, 액체 이산화 탄소를 함유하는 반응 혼합물은 미세하게 메쉬된 네트를 통과하여 이것을 팽창시칸다. 전단 속도는 바람직하게는 800/초 내지 2,000/초이여야 한다.

본 발명은 1 이상의 반응성 성분을 이산화 탄소와 가압 하에서 혼합하고, 이산화 탄소를 함유하는 성분을 또 다른 반응성 성분 또는 제2 반응성 성분과 가압 하에서 혼합하고, 혼합물을 팽창시키고 경화함으로써, 팽창제로서 이산화 탄소를 사용하여 다성분 플라스틱, 특히 2 성분 플라스틱으로부터 발포체를 제조하는 방법을 제공하는데, 여기서 이산화 탄소를 함유하는 반응성 성분의 혼합물은 대기압에서 1 이상의 미세하게 메쉬된 스크린을 통하여 팽창된다.

본 명세서에서 사용되는 것으로서, "액체 이산화 탄소를 함유하는 혼합물"은 4 bar 이상 압력 하의 균일한 액체를 의미하는데, 이 액체가 4 bar 미만의 압력으로 팽창된 후 이산화탄소가 방출된다. 액체 이산화 탄소를 함유하는 혼합물은 가스상 또는 고체 이산화 탄소를 1 이상의 반응성 성분에 용해시키거나 또는 액체 이산화 탄소와 혼합함으로써 제조될 수 있다.

적합한 미세하게 메쉬된 스크린은 반응 혼합물에 저항성이 있고, 0.025 내지 0.3 mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.2 mm, 가장 바람직하게는 0.05 내지 0.15 mm의 메쉬 크기를 갖는 철 또는 직물 조직이다.

반응 혼합물이 스크린을 통과하는 동안, 기포 핵의 생성에 필요한 높은 전단을 발생시키는 속도 프로파일이 반응 혼합물에 가해진다. 동시에, 매우 균일한 밀도의 기포 핵은 본 발명에 따른 반응 혼합물이 스크린을 통과하면서 동안 다수의각각의 흐름으로 세분됨으로써 생성되는데, 본 발명에 따른 각 흐름의 유속은 0.005 내지 0.2 ml/분이고 전단은 각각의 흐름에서 발생한다.

또한, 본 발명에 따른 기포 핵 및 발포의 바람직한 형성을 위해서, 스크린 표면의 60 내지 80 %가 실제 스크린 와이어 자체로 덮여지는 것, 즉 스크린의 순 폭이 단지 20 내지 40 %인 것이 유리한데, 이것은 스크린 통과후에 가스 기포의 형성에 의한 물질 흐름의 급격한 측면 폭발성 팽창이 전방 속도의 현저하게 급격한 증가없이 발생되도록 물질의 각 흐름 사이에 현저하게 큰 공간을 제공한다.

본 발명에 따르면, 또한 오리피스 직경의 합이 다공판의 10 내지 40 %, 바람직하게는 20 내지 30 %의 순폭에 해당하는 다수의 오리피스를 갖는 다공판이 스크린으로서 적합하다. 판의 두께 및 오리피스의 깊이에 따라서, 또한 오리피스를 통과하는 동안 오리피스 깊이에 의한 현저하게 큰 압력 강하가 초래된다면, 오리피스의 직경은 스크린 조직을 위해서 상기 기술된 메쉬 크기보다 클 수 있다. 다공판은 조직보다 큰 기계적 안정성을 제공하지만, 다공판 사용시 경화된 폴리우레탄의 케이킹이 판의 상부 및 하부에서 흐름의 틈새 부피에 발생할 수 있기 때문에 다공판은 덜 바람직하다.

액체 이산화 탄소를 함유하는 반응 혼합물의 점도는 200 내지 2,000 mPa.s, 바람직하게는 300 내지 800 mPa.s일 수 있다. 점도를 고려하면, 스크린을 통과하는 동안 혼합물의 전단 응력은 200 내지 1,000 Pa가 바람직하다.

스크린을 통과하기 전 반응 혼합물의 필요한 압력은 용해된 액체 이산화탄소의 양에 의존한다. 따라서 평형 압력은 반응 혼합물 중의 이산화탄소 함량이 2 중량 %일 때 7 bar이고 반응 혼합물 중의 이산화탄소 함량이 4 중량 %일 때 11 bar이다 (반응 혼합물의 온도는 대기 온도와 동일하다). 본 발명에 따르면, 스크린을 통과하기 전 반응 혼합물의 압력은 평형 압력의 1.1 내지 1.8 배, 특히 바람직하게는 1.3 내지 1.6 배이다. 이와 관련해서 평형 압력은 반응 혼합물 위에 존재하는 이산화탄소 대기가 용해된 이산화탄소와 평형을 이루고 있는 압력이다.

반응 혼합물이 스크린에 들어갈 때 여전히 균일, 즉 스크린을 통과하기 전 가스 기포가 형성되지 않기 위해서, 평형 압력을 초과하는 압력이 스크린을 통과하기 전에 필요하다. 그러나 본 발명에 따르면, 바람직하게는 반응 혼합물이 스크린에 들어가기 바로 전에, 압력은 평형 압력 이상의 압력으로부터 평형 압력 이하의 압력으로 감압될 될 수 있다. 감압은 스크린으로부터 0.5 내지 3 mm 떨어진 거리에 배열되고 오리피스의 폭은 3 내지 15 mm이고 경로의 자유 표면은 다공판 표면의 1 내지 10 %인 다공성 또는 슬롯트된 판에 의해 수행될 수 있다. 스크린에 들어가기 전 혼합물의 압력은 평형 압력의 0.5 내지 0.8이 바람직하다.

기포 핵의 형성과 관련하여, 스크린을 통하여 반응 혼합물을 팽창시키는 현저한 효과 때문에, 본 발명에 따르면 공기 또는 산소의 동시 사용은 불필요하다.

본 발명에 따르면, 반응 혼합물이 스크린을 통과 직 후, 50 내지 80 kg/m³의 밀도를 갖는 액체 폴리우레탄 포말 (거품)은 반응 혼합물의 중량을 기준으로 2 내지 3 중량 %의 CO₂중량을 갖고 성공적으로 제조된다. 더 작은 밀도를 갖는 발포체를 형성하기 위해서, 팽창제로서 물을 추가로 사용하는 것이 바람직한데, 또한 물은 이소시아네이트와의 반응에서의 팽창제로서 이산화탄소를 생성시킨다. 이 방법에 의해 15 kg/m³미만의 벌크 밀도를 갖는 가요성 발포체가 성공적으로 제조된다.

본 발명에 따르면 일반적으로 반응 혼합물을 단일 스크린을 통하여 팽창시키는 것이 가능하지만, 본 발명에 따르면 다수의 스크린을 일렬로 배열하는 것이 유용하고 바람직할 수 있다. 한편, 발포체 제조를 위한 산업용 플랜트는, 예를 들어 40 내지 100 l/분 범위의 반응 혼합물의 비교적 높은 유속을 요구하기 때문에, 스크린 면적도 상응되게 커야 한다. 여기서 방출된 압력에서 몇 톤 범위가 될 수 있는 상당한 로드 (load)가 스크린에 가해질 수 있다. 각 스크린에서의 로드는 다수의 스크린을 일렬로 배열함으로써 상응되게 감소될 수 있다. 다른 한편 단지 하나의 스크린만이 사용되는 곳에서는 종종 발포체가 충분히 균일하지 않음이 발견되었다. 이것은 기포 핵의 형성이 단지 하나의 스크린을 통한 매우 빠른 팽창을 하는 동안 전단 시간보다 반드시 작지만은 않을 수 있는 소정의 지연 시간과 연관된다는 사실에 기인한다.

본 발명에 따르면, 따라서, 바람직하게는 2 이상, 특히 바람직하게는 2 내지 5 개의 스크린이 일렬로 사용된다. 스크린은 5 mm 이하, 특히 0.5 내지 3 mm의 간격이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면을 사용하여 하기에 더 상세하게 설명된다. 도 1은 본 발명에 따른 스크린을 통과하는 동안 높은 전단을 발생시키는 원리를 도시한다. 도면의 평면에 수직으로 진행하는 스크린의 필라멘트 1a 내지 1d를 통한 확대 단면도를 도시하고 있다. 추가적으로 반응 혼합물의 속도 프로파일 2,3 및 4는 스크린의 중간 평면으로부터 A, B 및 C 거리에서의 도시이다.

도 2는 일반적인 형태로 폴리우레탄 발포체를 제조하는 방법의 개략적인 도시이다. 폴리올은 저장 탱크(1)로부터 미터링 펌프(2)를 통하여 스택틱 혼합조(3)로 펌핑된다. 또한 액체 이산화탄소는 탱크(4)로부터 열교환기(5)를 통하여 스택틱 혼합조로 공급되고 여기에서 폴리올과 혼합된다. 스택틱 혼합조(3)에서 혼합은 스택틱 혼합조의 출구에서 측정시 60 내지 150 bar의 압력 P에서 수행되는 것이 바람직하다. 열교환기(5)의 사용은 반응 혼합물이 펌프 및 혼합 장치로부터 가능한 열 흡수 후에도 31 ℃의 임계 온도 미만으로 남게 한다. 폴리올 및 액체 이산화탄소의 혼합물은 혼합 헤드(6)에 공급되는데, 여기에서 이소시아네이트 (화살표 7)와 발포 안정제 (화살표 8) 등의 다른 첨가제와의 혼합이 일어난다. 본 발명에 따른 팽창 장치(10)는 혼합 헤드(6)의 출구(9)에서 플랜지로 연결되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 팽창 장치(10)의 구현의 도시이다. 팽창 장치는 임의로 팽창될 수 있는 튜브(18)로 이루어질 수 있는데, 스크린(21a, 21b 및 21c)은 나사 조인트(19)에 의해 끝에서 고정될 수 있다. 스크린은 알루미늄 또는 구리 등의 연금속으로 제조된 거리 판(22a 내지 22d)에 의해 서로에 대하여 압착된다. 액체 이산화탄소를 함유하는 반응 혼합물은 화살표(23)의 방향으로 스크린과 만나고 액체 발포체로서 화살표(24)를 따라서 나간다.

도 3a는 도 3에서와 같은 본 발명에 따른 팽창 장치의 구현의 도시인데, 다수의 오리피스(61)를 갖는 배플(60)은 스크린 전면의 짧은 거리에 배열되어 있다.오리피스는 다공판의 4 %와 동일한 자유 단면적을 이룬다.

도 4는 본 발명에 따른 발포체 형성 장치를 사용하여 블록 발포체 제조를 위한 본 발명에 따른 배열의 도시이다. 혼합 헤드(6)로부터 반응 혼합물은 발포체 형성 장치(10)을 통과하고, 액체 발포체(30)로서 나가고 컨베이어 벨트 (도시되지 않음)에 전개되어 있는 하부 라이닝 쉬트(31)에 침적된다. 상부 라이닝 쉬트(32)는 하부 라이닝 쉬트(31)에 침적된 발포체를 떠내는 롤러(33)에 의해 안내되고 전달되어, 발포체를 폭 상에 분산시키고 공기가 라이닝 쉬트(31) 및 라이닝 쉬트(32) 사이의 공간에 유입되는 것을 방지하는데 기여하는 경계(34)가 형성된다. 롤러(33) 하에서 통과된 후, 발포체는 이제 시작(35)되는 화학 반응에 의해 추가로 팽창을 시작한다.

도 4a는 상부로부터 하부 라이닝 쉬트(31)를 향한 방향으로 이송되는 보조 라이닝 쉬트(50)를 사용하는 것을 제외하고 도 4와 같이 블록 발포체 제조를 위한 배열의 도시이다. 보조 라이닝 쉬트(50)는 롤러(51)에 의해 하부 라이닝 쉬트(31)를 따라서 연신되고 다시 돌아와서 다시 롤러(52)에 감길 것이다. 액체 발포체(30)는 사실상 수직인 상부 라이닝 쉬트(32)와 보조 라이닝 쉬트(50)에 의해 형성된 통(54)에 이송된다.

도 5는 본 발명에 따른 팽창 스크린(10)의 단면의 또 다른 구현의 도시이다. 이 구현에서 팽창 장치는 2 개의 동심원 관형 스크린(21a 및 21b)의 형태로 구성된다. 액체 이산화탄소를 함유하는 반응 혼합물은 화살표(23)를 따라서 공급된다. 발포체는 관형 스크린의 전체 주위를 통하여 지나간다. 관형 스크린(21a 및 21b)은 직경이 단지 몇 cm의 범위 일 수 있다. 이들의 길이는 제조될 블록 발포체의 폭으로 조절될 수 있어서, 발포체는 컨베이어 벨트 (도 4)의 폭에 직접 분산된다. 이러한 스크린의 대칭적인 회전 배열에 의해 심각한 안정성 문제없이 매우 큰 스크린 표면이 제공될 수 있다.

도 6은 도 5와 같은 장치를 통한 AA 단면도이다.

또한 도 7은 대칭적인 회전 스크린(21a 및 21b)의 기계적 안정성을 유지하면서 발포체의 배출이 화살표(24)에 의해 표시되는 조각 내에서만 방향지워지게 하기 위해 제공되는 커버(25)를 갖는 것을 제외하고 실시예 5와 같은 장치를 통한 단면도이다. 커버 장치(25)는 관형 스크린과 동일한 길이의 튜브로 이루어지는데, 예를 들어 90。의 근축 조각이 이로부터 제거된다. 일렬로 배열된 2 개의 스크린이 도입될 때, 커버 장치는 이들 사이 또는 외부에 결합될 수 있다.

도 8 및 9는 양쪽이 막힌 스틸 튜브(26)로 이루어진 본 발명에 따른 장치(10)의 도시인데, 굴곡된 스크린 표면(21a 및 21b)을 수용하기 위해 이로 부터 근축 조각은 천공된다. 굴곡된 스틸 스크린은, 예를 들어 (27)에 용접될 수 있다. 액체 이산화탄소를 함유하는 반응 혼합물은 결합된 튜브(18)를 통하여 화살표(23)를 따라서 공급된다. 발포체는 화살표(24)를 따라 나간다. 장치의 폭은 제조될 블록 발포체의 폭에 상응될 수 있다.

도 10은 블록 발포체 제조를 위한 도 8 및 도 9에서와 같은 본 발명에 따른 스크린 장치의 사용에 관한 도시이다. 발포체 형성 장치(10)는 라이닝 쉬트(31 및 32)를 안내하는 편향 드럼(40 및 41) 사이에 위치된다. 여기서 라이닝 쉬트(31 및32)가 발포체 배출 장치(10)을 지나 미끄러지고, 쉬트(31) 및 쉬트(32) 사이에 공기가 유입되는 것을 방지하도록, 라이닝 쉬트(31 및 32)가 조절되는 것이 바람직하다. 명확한 표현의 관점에서, 발포체 배출 장치로부터 소정의 거리에 있는 쉬트(31 및 32)가 도시된다.

도 11은 양쪽이 열린 튜브(26)를 갖고 반응 혼합물이 양쪽에 결합된 튜브(18)를 통하여 공급되는 것을 제외하고 도 8의 장치와 유사한 장치의 도시이다. 본 발명의 이 구현의 유리함은 도 12로부터 명확하게 알 수 있다.

도 12는 공급 튜브(18)가 라이닝 쉬트(32)를 둘러싸도록, 스크린으로부터 떨어진 튜브(26)의 면에 걸쳐 안내되는 상부 라이닝 쉬트(32)를 갖는 것을 제외하고, 도 10과 유사한 배열의 도시이다. 편향 드럼(40 및 41)이 서로 접촉하여 라이닝 쉬트(31 및 32) 사이에 후미를 향해서는 막힌 공간을 형성하도록 편향 드럼(40 및 41)이 배열될 수 있다.

본 발명은 예시 목적을 위하여 상기에서 상세하게 기술되었지만, 이러한 상세함은 단지 그 목적을 위한 것이고 청구의 범위에 의해 제한될 수 있는 것을 제외하고 변형은 본 발명의 사고 및 범위의 이탈없이 당업계의 숙련가에 의해서 수행될 수 있다.

Claims (4)

1 이상의 반응성 성분을 이산화탄소와 가압 하에서 혼합하여 액체 이산화탄소를 함유하는 혼합물을 제조하고, 생성된 혼합물을 다른 반응성 성분과 혼합하여 발포 가능한 반응성 혼합물을 형성시키고, 반응성 혼합물을 팽창시키고 생성된 발포 생성물을 경화시키는 것으로 이루어진, 팽창제로서 이산화탄소를 사용하여 2 이상의 반응성 성분으로부터 발포체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 발포 가능한 반응성 혼합물을 500/초 이상의 전단 속도에서 다수의 개개의 흐름으로 세분하여 팽창시키는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 상기 팽창을 상기 반응성 혼합물을 1 이상의 미세하게 메쉬된(meshed) 스크린을 통하여 이송함으로써 수행하는 방법.

제2항에 있어서, 상기 스크린이 0.025 내지 0.3 mm의 메쉬 크기를 갖는 방법.

반응성 성분이 몰드 속 또는 컨베이어 벨트 상에서 혼합되는 혼합 장치로부터 나오는, 액체 이산화탄소를 함유하는 발포 가능한 2 성분 반응성 혼합물의 이송 장치에 있어서, 1 이상의 미세하게 메쉬된 스크린이 몰드 또는 컨베이어 벨트와 혼합 장치 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.