KR100372080B1 - 발포성 플라스틱 과립의 제조방법과 제조장치 - Google Patents

발포성 플라스틱 과립의 제조방법과 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발포성 플라스틱과립(C)의 제조방법에 관한 것으로서, 플라스틱 용융물(A')과 소정의 압력범위내의 상승된 압력하에서 그 용융물내에서 부분적으로만 용해가능한 액상의 발포제(B)로부터 발포성 플라스틱과립의 제조방법에 있어서, 1 용융물내에 발포제를 분산시키고, 2 소정의 유지시간동안 소정의 압력범위 내에서 혼합물을 유지하고, 3 용융물의 응고온도 이상의 수 ℃ 의 온도로 발포제에 의해 함침된 용융물을 냉각시키고, 4 냉각된 혼합물을 과립화하는 단계로 이루어진다. 본 발명에 따르면 혼합물은 스태틱믹서부재에 의해 혼합되고, 이러한 혼합에 의해 분리되지 않도록 한다.

Description

발포성 플라스틱과립의 제조방법과 제조장치
본 발명은 발포성 플라스틱과립(顆粒; granulate)의 제조방법과 그 방법을 행하거나 이용하는 장치 및 플랜트에 관한 것이다.
흔히 사용되는 발포플라스틱은 폴리스티렌으로 제포된다. 이 프로세스에 있어서, "발포성 폴리스티렌(expandable polystyrene)"의 과립인 EPS는 블록 또는 성형물로 처리되지만, 중간 단계에서 과립은 미리 발포된다. EPS는 현탁중합에 의해제조될 수도 있다. 상기 프로세스에 있어서, 스티렌은 발포제의 첨가에 의해 액상(aqueous phase)으로 중합된다. 이 방식으로 구형상(球形狀) 과립은 광범위한 크기로 제조된다. 이 방법은 청정해야 되는 다량의 용수가 축적되고, 발포물질의 제조에 있어서 제한된 크기 내의 과립만을 사용할 수 있으므로 제조된 폴리머의 상당한 양이 폐기(또는 재생(recycle))되어야 하는 문제점이 있다.
다량의 EPS 의 제조에는 그다지 적합하지 않은 다른 방법에 있어시는, 중합 후에 폴리스티렌은 압력용기 또는 압출기내에서 발포제에 의해 함침되고, 그 생성물은 원주형상의 과립이다.
발포물질에 관한 다른 정보는 문헌 Ullmanns Encyklopaedie der technischenchemie (제4판, 1981) 제20권, 415∼432 페이지 및 제19권, 268 및 131 페이지에서 알 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 방법의 문제를 해소하여 다량의 제조가 가능한, 예를 들면 EPS 등의 발포성 플라스틱과립의 경제적인 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 제조방법에 따르면, 열가소성 플라스틱 용융물에는 소정의 압력범위내의 상승된 압력하에서 그 용융물내에서 부분적으로만 용해가능한 액상의 발포제가 함침된다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특허청구의 범위 제1항에 따르면, 용융물내에 발포제를 분산시키고, 소정의 유지시간동안 소정의 압력범위 내에서 혼합물을 유지하고, 용융물의 응고온도 이상의 수 ℃ 의 온도로 발포제에 의해 함침(impregnate)된 용융물을 냉각시키고, 냉각된 혼합물을 과립화하는 단계로 이루어지고, 혼합물은 스태틱믹서(static mixer)부재에 의해 혼합되고, 이러한 혼합에 의해 분리(segregation)되지 않도록 한다.
이러한 방법은 특허청구의 범위 제6항에 따른 장치 또는 특허청구의 범위 제11항에 따른 플랜트를 사용함으로써 행할 수 있다. 이와 같은 플랜트의 사용방법은 EPS 의 제조에 바람직하다(특허청구의 범위 제15항).
다량의 EPS 또는 상응하는 다른 과립은 병행으로 복수의 압출기를 사용하지 않으면 안되기 때문에 압출기에 의해서는 경제적으로 제조할 수 없다. 열가소성 플라스틱 용용물의 함침을 하나의 장치에서 행할 수 있는 본 발명에 따른 장치의 사용방법은 경제적인 이점을 기진다. 본 발명은 용융물과 발포제의 분리에 대한 대비가 가능하고 실행되는 경우에만 장치내에서 다량의 발포성 플라스틱과립이 제조될 수 있다는 발견에 기초하고 있다. 본 발명에 따르면 스태틱믹서부재는 전체의 프로세스중에 혼합물이 용리되지 않도록 계속하여 동작한다.
압출기를 사용하는 공지의 방법에 비하여, 본 발명에 따른 방법은 발포성 플라스틱 과립의 제조를 위해 훨씬 적은 에너지-대략 1 오더 정도 적음-만이 필요하게 된다고 하는 또 다른 이점을 가진다. 이러한 이점은 함침중에 온도가 더욱 작게 상승되고, 따라서 낭비되는 열이 거의 없다고 하는 제2의 이점으로 이어진다.
종속항 제2항∼제4항은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 관한 것이고, 이것은 발포제에 의한 열가소성 플라스틱 용융물의 함침을 위한 유효한 방법과 함침된 혼합물의 냉각을 위한 간단한 방법 및 유용한 과립화방법의 세부사항에 관한 것이다. 청구항 제5항의 특징, 즉 용융물에 발포제(blowing agent)뿐만 아니라 수 종류의 부가제의 첨가에 의하여 플라스틱 생성물의 질에 좋은 영향을 줄 수 있다. 발포제로서는, 클로로플루오로카본(chlorofluorocarbon) 또는 바람직하게는 저비등 탄화수소, 특히 펜탄(pentane) 또는 이러한 탄화수소의 혼합물이 사용된다. 또, 부가제로서는, 내화처리제(브롬의 화합물), 윤활제(오일, 스테아르산의 유도체), 염료, 산화방지제, 연화제 또는 핵생성제(셀형성용)가 사용될 수 있다.
종속항 제7항∼제10항은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에 관한 것이고, 종속항 제12항∼제14항은 본 발명에 따른 플랜트의 여러가지 유용한 응용예에 관한 것이다.
다음에, 본 발명에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도의 블록도에 있어서, 참조부호(1∼4)는 특허청구의 범위의 제1항에 기재된 방법의 4단계, 즉 분산(1), 유지(2), 냉각(3) 및 과립화(顆粒化)(4)에 관한 것이다. 이들 단계는 제2도 및 제3도의 압력선도에서의 구간(I, II, III, IV)에 대응한다. 제1도의 블록도에 있어서의 각 블록은 플랜트의 구성부재에 상당하므로, 제1도의 블록도에서와 같이 제4도의 플랜트의 구성부재에 대하여 동일한 참조부호를 사용한다. 제1도에 있어서, 상기 플랜트의 구성부재(1,2,3,4)는 X-축의 방향으로 일렬로 배열된다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 원료는 플라스틱(A)(또는 모노머(A))과 발포제(B)(바람직하게는 하나 이상의 부가제가 첨가됨)이고, 그 생성물은 발포성 플라스틱과립(C)으로서 제조된다.
제1도는 플랜트에 상당하는 다음의 구성부분, 즉 플라스틱(A)을 위한 탱크(9)를 갖춘 플라스틱 소스(10)와 탈기된(gas-free) 플라스틱 용융물(A')을 생성하는 장치(11), 발포제(B)를 포함하는 탱크(19)를 갖춘 발포제 소스(20)와 상기발포제(B)를 계량하는 장치(21), 발포제(B)의 양을 용응물(A')의 양에 따라서 조정할 수 있는 제어유니트(30), 및 본 발명에 따른 방법을 행하는 장치(1,2,3,4)를 나타낸다.
분산단계 1에 있어서, 용융물(A')은 상승된 압력에서 발포제(B)와 혼합되고, 과 용융물에 대해서는 강한 전단(extensive shearing)이 가해져서 액체의 발포제가 용융물내에 미소한 액적(液滴)형태로 분산된다. 단계 2에 있어서, 소정의 유지시간중에 발포제는 용융물내에 부분적으로 확산된다. 처음의 두 단계에서 모두 행해지는 함침은 바람직하게는 상기 용융물의 응고온도보다 상당히 높은 온도에서 진행된다. 온도가 높을수록 상기 용융물의 점도는 낮아지기 때문에, 발포제의 분산은 보다 양호하게 진행된다.
냉각단계 3에 있어서, 발포제에 의해 함침된 용융물의 온도는 그 용융물의 응고온도 이상의 수 ℃ 로 낮춘다. 이 후 냉각된 혼합들은 최후의 단계 4에서 과립형태로 변형된다.
장치(1,2,3,4)를 통과하는 경로 도중에 분리되지 않도록 하기 위해, 상기 혼합물은 모든 단계 및 하나의 단계로부터 다음의 단계로 이행되는 동안 유동상태로 유지되는데, 이것은 본 발명에 따르면 스태틱믹서(static mixer)부재를 사용함으로써 달성된다.
플라스틱 소스(10)는 모노버 원료(A)로부터 플라스틱 용융물(A')의 제조를 위한 중합반응기와 폴리머를 위한 탈기장치(脫氣裝置)를 포함할 수도 있다. 또, 플라스틱 소스(10)는 또한 열가소성 플라스틱의 재생(recycling)을 위한재생장치(recycling device)와 용해 장치를 포함할 수도 있다. 열가소성 플라스틱은 바람직하게는 동일한 종류로 될 수 있고, 또한 입자형태의 열가소성 플라스틱을 위한 용해장치가 플라스틱 소스로서 사용될 수 있고, 예를 들면 가열가능한 압출기도 용해장치로서 사용될 수 있다.
제2도는 상기한 4 단계에서 압력 p 의 선도를 나타낸다. 분산(구간 I)중에 있어서, 압력의 강하 제2 단계(구간 II)의 압력강하에 비해 비교적 큰 강한 전단에 기인한다. 냉각(구간 III)에서는, 효율적인 열교환을 실현하는 설비의 결과로서 큰 압력강하가 다시 일어난다. 과립화단계(구간 IV)중에 있어서, 혼합물은 압력이 급속하게 강하되면서 노즐을 통해 압출된다. 발포제에 의해 형성된 스트랜드(strand)가 팽창되지 않도록 하기 위하여 압출된 혼합물이 냉각제, 바람직하게는 물에 의해 신속하게 냉각되어야 된다.
단계 1과 단계 2 및/또는 단계 2와 단계 3의 사이에는 압력을 다시 증가시키는 펌프가 사용된다. 제3도에 나타낸 구간(I', II')은 이러한 설비에 관한 것이다.
제4도에 나타낸 실시예에 있어서, 플라스틱 소스(10)는 모노머 원료(A)(스티렌)로부터 폴리스티렌의 제조를 위한 중합반응기(12), 폴리머를 위한 탈기장치(14) 및 2개의 기어펌프(13,15)로 구성된다. 발포제(B)(예를 들면, n-펜탄)는 미터링 피스톤점프(21)에 의해 용융물(A')에 공급된다.
유니트(1,2)에서의 함침을 예를 들면 100 bar(= 10 MPa)의 초기압력과 약 200℃의 온도에서 행해진다. 이 유니트(1,2)는 바람직하게는 발포제의 분산을 위한 "전단믹서"(1)로서의 제1 스태틱믹서와, 이 제1 스태틱믹서(1)의 바로 뒤에 위치되어 발포제를 용해상태로 확산전이시키는 "유지시간믹서"(2)로서의 제2 스태틱믹서를 포함한다. (2개의 믹서(1,2)는 제4도에는 각각의 구성부재로서 도시되어 있지 않다.) 전단믹서(1)에서는 용융물의 강한 전단에 의해 미세한 분산이 행해지면서, 발포제의 미세한 액적이 형성된다. 강한 전단은 높은 유속에 의해 달성된다. 또, 유지시간믹서(2)에서는, 혼합물에 대해 분산전이에 필요한 유지시간 동안 약한 전단이 가해진다. 2개의 믹서에서의 균일하지 않은 유동조건은 제2믹서가 제1 믹서보가 큰 단면적을 갖도록 함으로써 얻어진다.
기어펌프(5)는 열교환기를 갖춘 스태틱수단에 의해 결합되는 유니트(3)내로 함침된 용융물을 펌핑한다. 바람직하게는 DE A 28 39 564호에 공지된 장치, 즉 교차부재가 열교환파이프로 제작된 스태틱믹서가 사용된다. 압력강하는 예를 들면 100 bar 이고, 초기온도는 약 120℃ 이다. 냉각기로서는, 예를 들면 개개의 파이프에 스태틱믹서부재가 설치된 파이프군을 포함하는 열교환기가 사용될 수 있다.
끝으로, 함침되어 냉각된 용융물은 노즐플레이트, 냉각조 및 절단장치(도시하지 않음)를 포함하는 스트랜드 과립기(4)에서 원하는 생성물(C), 즉 EPS 로 변환된다. 노즐플레이트의 상류측의 압력강하는 최소한 10 bar 이고, 냉각조로서는 냉수조(약 10℃)가 사용된다. 노즐(직경은 1 mm 이하)로부터 압출되는 스트랜드는 먼저 냉각되고, 끝으로 수개의 절단날을 갖춘 절단기에 의해 절단된다.
그 생성물은 균일한 크기를 갖는 덩어리의 과립으로 과립화된다. 그 결과로서, 앞에서 설명한 현탁중합과는 대조적으로 모든 생성물이 발포플라스틱의 제조에 사용될 수 있다.
과립화장치로서는, 스트랜드 과립기 이외에도 스트랜드 쵸핑 과립기 또는 이른바 수중 과립기(underwater granulator)가 사용될 수 있다. 그 수중 과립기에서는 그 덩어리가 현탁과립화에 의해 제조된 덩어리의 과립과 동일한 형태의 과립을 만들 수 있다.
제1도는 본 발명에 따른 플랜트 및 제조방법의 설명을 위한 블록도.
제2도는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 압력 p 선도를 나타낸 도면.
제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 압력 p 선도를 나타낸 도면.
제4도는 본 발명에 따른 EPS 의 제조를 위한 플랜트의 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
(1,2) : 제1 및 제2 스태틱믹서, (4) : 과립기, (5) : 기어펌프, (10) : 플라스틱 소스, (12) : 중합반응기, (13,15) : 기어펌프, (14) : 탈기장치, (20) : 발포제 소스, (30) : 제어유니트.

Claims (15)

  1. 플라스틱 용융물과, 소정의 압력범위 내의 상승된 압력 하에서 상기 용융물 내에서 부분적으로만 용해 가능한 액상의 발포제로부터 발포성 플라스틱과립을 제조하는 방법으로서,
    상기 용융물 내에 상기 발포제를 분산시키는 단계,
    소정의 유지 시간 동안 소정의 압력 범위 내에서 혼합물을 유지하는 단계,
    상기 용융물의 응고 온도 이상인 수 ℃ 의 온도로 상기 발포제에 의해 함침된 용융물을 냉각시키는 단계, 그리고
    냉각된 혼합물을 과립화하는 단계
    를 포함하고,
    상기 혼합물은 스태틱 믹서 부재에 의해 혼합되고, 상기 혼합에 의해 분리되지 않도록 하는
    발포성 플라스틱과립의 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 발포제의 미세한 액적이 형성되는 동안 상기 분산단계가 상기 용융물의 강한 전단(shearing)에 의해 행해지고, 다음에 상기 혼합물은 소정의 유지 시간 동안 약한 전단이 가해지는 발포성 플라스틱과립의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 혼합물의 냉각단계와 이와 동시에 행해지는 혼합은 적어도 동일한 부재에 의해 부분적으로 행해지는 발포성 플라스틱과립의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 냉각된 혼합물은 노즐을 통해 압출되고, 형성된 스트랜드(strand)는 냉각제, 특히 물에 의해 냉각되고, 붕괴(崩壞; disintegration)에 의해 과립으로 형성되는 발포성 플라스틱과립의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 발포제외에 적어도 하나의 부가제가 상기 플라스틱 용융물에 첨가되는 발포성 플라스틱과립의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항의 방법을 행하는 장치로서,
    액상의 발포제(B)에 의해 플라스틱 용융물(A')의 함침을 위한 하나 이상의 스태틱 믹서(1, 2),
    열교환 부재가 상기 스태틱 믹서에 내장되는 형태로서 형성된 상기 함침된 용융물의 냉각을 위한 냉각기(3), 그리고
    과립기(4)
    를 포함하는 발포성 플라스틱과립의 제조장치.
  7. 제6항에서,
    상기 발포제의 분산을 위한 제1 스태틱 믹서(1), 상기 제1 스태틱 믹서의 바로 뒤에 함침을 위한 제2 스태틱 믹서(2)를 설치하는 발포성 플라스틱과립의 제조장지.
  8. 제6항에서,
    상기 냉각기(3)는 상호 교차하는 부재가 열교환 파이프로서 형성되는 스태틱믹서인 발포성 플라스틱과립의 제조장치.
  9. 제6항에서,
    상기 과립기(4)는 노즐 플레이트, 냉각조 및 절단장치를 포함하는 발포성 플라스틱과립의 제조장치.
  10. 제6항에서,
    상기 플라스틱 용융물의 함침을 위한 상기 믹서(1, 2)와 상기 냉각기(3) 사이에는 상기 용융물을 위한 펌프(5), 특히 기어펌프가 설치되어 있는 발포성 플라스틱과립의 제조장치.
  11. 제6항의 장치를 포함하는 플랜트로서,
    플라스틱 용융물(A')을 제조하는 플라스틱 소스(10),
    발포제(B)의 계량 공급을 행하는 발포제 소스(20), 그리고
    용융물의 유동에 따라서 조정되는 상기 발포제의 공급을 제어하는 제어 유니트(30)
    를 추가로 포함하는 발포성 플라스틱과립의 제조장치를 포함하는 플랜트.
  12. 제11항에서,
    상기 플라스틱 소스(10)는 모노머 원료(A)로부터 플라스틱을 제조하기 위한 중합반응기(12)와, 플리머(A')를 위한 탈기장치(14)를 포함하는 플랜트.
  13. 제11항에서,
    상기 플라스틱 소스(10)는 열가소성 플라스틱, 특히 동일한 종류의 열가성 플라스틱의 재생(recycling)을 위한 재생기(recycling device)와, 용해기, 특히 가열 압출기를 포함하는 플랜트.
  14. 제11항에서,
    상기 플라스틱 소스(10)는 용해기, 특히 과립 열가소성 플라스틱을 위한 가열 압출기인 플랜트.
  15. 제11항의 플랜트의 사용방법으로서,
    저비등 탄화수소, 특히 펜탄, 또는 상기 탄화수소의 혼합물을 발포제(B)로서 사용하면서 새로 제조되거나 재생된 폴리스티렌으로부터 발포성 폴리스티렌(EPS)을 제조하는 플랜트의 사용방법.
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