KR100368445B1

KR100368445B1 - 마이크로웨이브를 이용한 고강도의 폴리스티렌 수지 발포성형체 제조방법

Info

Publication number: KR100368445B1
Application number: KR10-1999-0064743A
Authority: KR
Inventors: 강석환
Original assignee: 강석환
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2003-01-24
Also published as: KR20010064529A

Abstract

마이크로웨이브를 이용하여 폴리스티렌 수지를 발포시켜서 제조되는 고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 교반 장치가 부착된 발포 용기에 발포성 폴리스티렌 수지를 넣고, 대전 방지제를 0.1∼1.0% 첨가한후, 0.1∼1.0㎏/㎤의 압력과 180∼230℃ 온도의 스팀으로 직접 가열하여 발포시켜서 예비 발포 비이드를 얻는다. 이렇게 얻은 예비 발포 비이드를 열풍팬과 컨베이어 시스템이 내장된 건조로 내로 통과시키면서 스팀의 직접가열방식에 의해 건조시키고, 유압 실린더에 의해서 승강이 가능하게 설치되고 마이크로웨이브 발진기에 전기적으로 연결된 하부 전극의 절연판 상에 상기 예비 발포 비이드를 위치시킨후 일정량의 물이나 소금물을 뿌려준 다음, 상기 하부 전극 윗쪽에 설치되어 상기 마이크로웨이브 발진기에 전기적으로 연결된 상부 전극 쪽으로 상기 하부 전극을 상승시키면서 상기 마이크로웨이브 발진기를 작동시켜서 상기 상부 전극과 상기 하부 전극으로 마이크로웨이브를 제공하여 상기 발포 비이드를 압축 발포성형한다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체 제조방법 {Method of producing a high strength of expandable polystyrene resin by using microwave}

본 발명은 폴리스티렌 수지 발포 성형체의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브를 이용하여 폴리스티렌 수지를 발포시켜서 제조되는 고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 폴리스티렌 수지는 스티렌의 중합체로서 무색투명의 견고한 열가소성 수지이며, 내수성, 굴절율, 투명성이 크고 고주파절연성이 우수하며, 성형품은 전기부품, 가정용품, 냉장고 부품 등에 사용된다. 이러한 폴리스티렌 수지는 발포성 폴리스티렌(Expandable Polystyrene; EPS) 원료를 발포 용기에 넣은후, 용기를 간접 가열하여 발포시킨 발포체로 성형한 발포 성형체를 사용해 왔다.

그러나, 이러한 간접 가열 제조방식은 간접가열로 인한 연료소모가 심하고 대단위의 시설 투자가 필요한 단점이 있었다. 또한, 내부까지 골고루 가열하기가 어렵고 온도조절이 용이하지 않기 때문에, 이러한 방법으로 얻은 성형체는 5배 이상의 고배율로 발포되는 경우가 많아서 밀도가 떨어지고 강도가 약한 결점이 있었다.

또한, 성형체의 두께가 전체적으로 균일하지 못하다. 예를 들면, 박스 형태의 성형체의 경우, 가장자리의 두꺼운 부분이 성형시에 제대로 점착이 되지 않아서 강도가 약화되는 등의 문제점이 있었다.

이와같은 문제점을 해결하기 위해서 본 출원인에 의하여 출원된 대한민국 특허출원 제 10-1999-0033718 호에는 폴리스티렌 수지를 저배율로 발포시켜서 제조되는 폴리스티렌 수지 발포 성형체 및 이의 제조방법이 개시되어 있다.

그런데, 이러한 폴리스티렌 수지 발포 성형체는 열원으로서 스팀을 이용하여 습식 가열하기 때문에 가운데 부분이 취약하고 가공도가 좋지않은 문제점이 있었다. 또한, 스팀 가공법으로 작업하기 때문에 작업환경이 열악해지고 제반 가공공정이 대형화하며 보일러 가동이 필수적이어서 유류 가공비가 증대하는 등의 문제점이있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로웨이브를 이용하여 폴리스티렌 수지를 발포시켜서 제조되는 고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체의 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체를 제조하는데 사용되는 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 마이크로웨이브 발진기 12 : 하부 주형

14 : 상부 주형 20 : 고정 구조물

21,22 : 수평 프레임 23,24 : 스토퍼

30 : 유압 실린더 40 : 하부 전극

50 : 상부 전극 60 : 발포 비이드

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,

교반 장치가 부착된 발포 용기에 발포성 폴리스티렌 수지를 넣고, 대전 방지제를 0.1∼1.0% 첨가한후 0.1∼1.0㎏/㎤의 압력과 180∼230℃ 온도의 스팀으로 직접 가열하여 발포시켜서 예비 발포 비이드를 얻는 단계(S1);

상기 예비 발포 비이드를 건조로로 이송하여 건조시키는 단계(S2); 그리고

건조된 발포 비이드에 마이크로웨이브를 조사하여 발포시키는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 발포 성형체의 제조 방법을 제공한다.

상기 단계(S2)에서는, 열풍팬과 컨베이어 시스템이 내장된 상기 건조로 내로 상기 예비 발포 비이드를 통과시키면서 스팀의 직접가열방식에 의해 건조시킨다.

상기 단계(S3)에서는, 유압 실린더에 의해서 승강이 가능하게 설치되고 마이크로웨이브 발진기에 전기적으로 연결된 하부 전극의 절연판 상에 상기 예비 발포 비이드를 위치시킨후 일정량의 매질(물이나 소금물 등)을 뿌려준 다음, 상기 하부 전극 윗쪽에 설치되어 상기 마이크로웨이브 발진기에 전기적으로 연결된 상부 전극 쪽으로 상기 하부 전극을 상승시키면서 상기 마이크로웨이브 발진기를 작동시켜서상기 상부 전극과 상기 하부 전극으로 마이크로웨이브를 제공하여 상기 발포 비이드를 압축 발포성형한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 출발재료로서 발포 비이드를 얻는 공정에서 기존의 간접가열 가공방식과는 전혀다른 스팀의 직접가열방식을 이용하여 건조시키고, 발포 비이드를 성형할 때 마이크로웨이브를 이용하여 발포시키므로, 전체 밀도가 동일하며 고밀도인 고강도의 성형체를 제조할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

일반적으로, 발포성 폴리스티렌의 발포는 발포 용기의 외부를 가열하는 간접가열 방식에 의해 행해져 왔으며, 이 경우 폴리스티렌의 발포는 저배율 발포성 폴리스티렌 원료를 사용한다 하더라도 최소 5배에서 25배율로 발포된다. 따라서, 상대적으로 밀도가 낮고 강도가 약한 발포 성형체가 얻어지게 된다.

기존 방법에 따라 제조된 박스는 고발포 저강도이며, 가격이 싸고 생산이 쉽지만, 고강도가 유지되지 못하고 내마모성이 약하다. 따라서, 강도가 낮은 고배율 발포체의 경우 충전제나 일회용 용기 등으로 사용하는 경우에는 별 문제가 없으나, 예를 들어 자동 이송 장치의 운송 박스와 같이 여러 차례 반복사용이 필요하고 내구성이 필요한 성형체의 경우에는 사용하기 어려웠다.

또한, 산업화에 적용되는 정밀부품과 상품의 포장 또는 부품이송박스로 적용되는 폴리스틸렌 및 일반 플라스틱 제품등 많은 종류가 개발되어 있으나, 전자부품, 반도체 등의 정밀하고 정전기 방지가 요구되는 품목에 적용되는 박스는 전량수입에 의존하여 왔다. 따라서, 고강도-정전기 방지 박스에 활용이 가능하고 내마모성 고강도 박스에도 활용이 가능한 고강도 고밀도-정전기 방지 발포 성형체의 제조가 필수적으로 요구되고 있다.

이러한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 마이크로웨이브를 이용하여 폴리스티렌 수지를 발포시켜서 저발포-고강도의 폴리스티렌 수지 발포 성형체를 제조한다.

도 1을 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 장치는 주로 마이크로웨이브 발진기(10)와 고정 구조물(20)을 포함한다. 고정 구조물(20)은 다수의 수직 기둥(25) 사이에서 횡방향으로 연장된 수평 프레임(21,22)을 구비한다.

하부 수평 프레임(21) 상에서는 다수의 하부 스토퍼(23)가 상방향으로 수직하게 연장되고, 하부 스토퍼(23)들 사이에는 다수의 하부전극 지지부(44)가 상방향으로 수직하게 연장된다. 하부전극 지지부(44)의 상단에는 하부 전극(40)이 수평으로 배치되고, 하부 전극(40) 위에는 하부 절연판(42)이 수평으로 배치된다. 하부 절연판(42)은 이형제를 사용하지 않고 테프론 코팅을 하여서 이형제 역할을 할 수 있게 하였다.

하부 전극(40)은 고정 구조물(20) 외측에 설치된 마이크로웨이브 발진기(10)와 전기적으로 연결된다. 하부 전극(40) 내에는 다수의 히터(16)가 내장되는데. 이 히터(16)는 온도제어 콘트롤 박스(도시되지 않음)에 전기적으로 연결된다. 하부 수평 프레임(21)의 아랫쪽에는 공압 실린더 또는 유압 실린더(30)가 배치된다. 유압 실린더(30)는 하부 수평 프레임(21), 하부 스토퍼(23), 하부전극 지지부(44) 및 하부 전극(40)을 수직방향으로 승강운동 시키는데 필요한 동력을 발생시킨다.

상부 수평 프레임(22)의 하면에는 다수의 상부 스토퍼(24)가 하방향으로 수직하게 연장되고, 상부 스토퍼(24)들 사이에는 다수의 상부전극 지지부(54)가 하방향으로 수직하게 연장된다. 상부전극 지지부(54)의 하단에는 상부 전극(50)이 수평으로 배치되고, 상부 전극(50) 아랫쪽에는 상부 절연판(52)이 수평으로 배치된다. 상부 전극(50)은 하부 전극(40)과 마찬가지로 테프론 및 퀄츠 세라믹 등의 유전가열이 우수하고 내구성이 있는 절연판으로 이루어지며, 마이크로웨이브 발진기(10)와 전기적으로 연결된다. 상부 전극(50) 내에는 하부 전극(40)과 마찬가지로 다수의 히터(16)가 내장되며, 이 히터(16)는 온도제어 콘트롤 박스에 전기적으로 연결된다.

이와같이 구성된 본 발명에 따른 장치를 이용하여 폴리스티렌 수지를 발포시키는데, 이를 위해서는 먼저 입도 0.6∼0.9㎜의 저발포용 EPS(금호석유화학의 LEND-10) 40㎏을 상부에 호퍼와 내부 중심에 나선형 회전날개가 부착된 발포 용기에 넣고 정전기 방지를 할 수 있도록 대전 방지제를 0.3∼1.0% 첨가한후 압력 0.2㎏/㎤, 온도 180∼200℃의 스팀을 공급한다.

10분마다 5,200㏄의 계량컵으로 계량하여 발포체의 무게를 재어 2.5∼3.5배율이 되었을 때, 2개의 열풍팬과 컨베이어 시스템이 내장된 건조로로 이송시켜서 기존의 간접가열 가공방식과는 전혀다른 스팀의 직접가열방식(=직송식 가열법)을이용하여 건조시킨다. 건식공정으로서 외부 에너지를 받아 폴리스틸렌의 발포가 이루지면 발포 비이드를 얻는다.

이렇게 얻은 발포 비이드를 본 발명에 따른 장치의 하부 절연판(42) 상에 위치시킨다. 이때, 하부 절연판(42) 상에 놓인 발포 비이드(60) 위에 약간의 물 또는 소금물을 분무기를 이용하여 뿌려준다. 물 또는 소금물은 마이크로웨이브 발진시, 발포융착 촉매제로서 발포 비이드(60)의 분자운동을 활성화시키기 위한 것으로, 모재에 영향을 주지않고 가공공정이 끝난후 수증기로 사라지게 된다.

다음에는, 유압 실린더(30)를 작동시켜서 하부 수평 프레임(21), 하부 스토퍼(23), 하부전극 지지부(44) 및 하부 전극(40)을 수직방향으로 상승시킨다. 상부 전극(50)과 하부 전극(40)이 어느정도 가까워질 때 마이크로웨이브 발진기(10)를 작동시켜서 상부 전극(50)과 하부 전극(40)으로 마이크로웨이브를 제공한다.

이때, 상부 전극(50)과 하부 전극(40)에 설치된 히터(16)를 마이크로웨이브 발진기(10)와 동시에 또는 시차를 두고 적정온도 및 적정시간 동안 작동시킴으로써, 피발포체의 표면을 깨끗하게 표면처리한다.

상부 전극(50)과 하부 전극(40)으로 마이크로웨이브를 제공하면, 마이크로 웨이브의 에너지 발열이 내부에서 외부로 이동되므로 하부 절연판(42) 상에 놓인 발포 비이드(60)가 발포를 시작하는데, 상부 절연판(52)과 하부 절연판(42)이 서로 근접함에 따라서 이 발포 비이드는 압축 발포성형된다. 즉, 상부 절연판(52)과 하부 절연판(42)이 서로 근접함에 따라서 발포 비이드(60)가 내압을 받게되고 내부로부터 외부까지 완벽하게 발포성형되어 조직이 치밀한 융착성을 갖는 제품을 얻을수 있게된다.

하기에서는 본 발명의 실시 예를 간략하게 설명한다.

〈실시예 1〉

1차 발포 가공된 원료를 하부 절연판(42) 안에 바닥에서 1cm 정도 두께로(부피로 약 1,000cc;350g) 깔아놓고, 그 위에 분무기를 이용하여 물이나 소금물 등의 수분을 적정량 공급한후 유압 실린더(30)를 작동시켜서 상부 전극(50)과 하부 전극(40)을 근접시키면서 가압을 시행하였고(이때, 유압은 30kg의 가압을 시행), 그후 5kw 용량의 마이크로웨이브 발진을 시도하였다. 정격용량은 5Kw 약 5분에서 30분까지 여러차례 조건별로 발진을 시행하여 양호한 결과를 얻었으며, 미리 공급된 수분은 기화되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 출발재료로서 발포 비이드를 얻는 공정에서 기존의 간접가열 가공방식과는 전혀다른 스팀의 직접가열방식을 이용하여 건조시키기 때문에, 연료비 및 시설투자비가 절감된다. 또한, 발포 비이드를 성형할 때 마이크로웨이브를 이용하여 발포시키기 때문에, 전체 밀도가 동일하며 고밀도인 고강도의 성형체를 제조할 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 성형체는 자동 이송 장치의 운송 박스와 같이 여러차례 반복사용이 필요하고 내구성이 필요한 곳에 유용하게 사용될 수 있고, 중요한 핵심부품 및 원상태 보존이 요구되는 수출용 강화 박스 포장재로도 적용이 가능하다. 또한, 원료가공시 대전방지제 처리를 하였으므로, 제조가공시 발포 폴리스틸렌에 가장 취약점인 정전기 발생으로 인한 문제점이 극복되어 전자부품 생산공정시의 이송용 박스로도 적합하게 사용될 수 있다. 게다가, 고강도 고밀도 발포플라스틱에 필요한 모재 발포성 3배를 실현하였으므로 폴리스틸렌의 최고의 단열성과 흡음성등 기존의 물리적 성질을 유지하면서도 내마모성도 강하고 내약품성 및 내산성에 강하여 건설자재 및 흡음재, 수출용 박스, 제약회사나 화학공정의 약품 이송박스로도 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

교반 장치가 부착된 발포 용기에 발포성 폴리스티렌 수지를 넣고, 대전 방지제를 0.1∼1.0% 첨가한후 0.1∼1.0㎏/㎤의 압력과 180∼230℃ 온도의 스팀으로 직접 가열하여 발포시켜서 예비 발포 비이드를 얻는 단계(S1);

상기 예비 발포 비이드를 건조로로 이송하여 건조시키는 단계(S2); 그리고

건조된 발포 비이드에 마이크로웨이브를 조사하여 발포시키는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 발포 성형체의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(S2)에서는, 열풍팬과 컨베이어 시스템이 내장된 상기 건조로 내로 상기 예비 발포 비이드를 통과시키면서 스팀의 직접가열방식에 의해 건조시키는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 발포 성형체의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(S3)에서는, 유압 실린더에 의해서 승강이 가능하게 설치되고 마이크로웨이브 발진기에 전기적으로 연결된 하부 전극의 절연판 상에 상기 예비 발포 비이드를 위치시킨후 일정량의 물이나 소금물을 뿌려준 다음, 상기 하부 전극 윗쪽에 설치되어 상기 마이크로웨이브 발진기에 전기적으로 연결된 상부 전극 쪽으로 상기 하부 전극을 상승시키면서 상기 마이크로웨이브 발진기를 작동시켜서 상기 상부 전극과 상기 하부 전극으로 마이크로웨이브를 제공하여 상기 발포 비이드의 내부 가열과 내압 발포를 유도해서 압축 발포성형하는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 발포 성형체의 제조방법.