KR100517563B1 - 폴리올레핀 왁스 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열분해법을 이용한 연속식 폴리올레핀 왁스 제조 장치에 관한 것으로 저렴한 장치 및 운전비용으로 왁스를 생산하고, 생성되는 왁스의 분자량 분포를 조절함으로써 부가가치를 높이도록 하는 폐열을 이용한 연속식 폴리올레핀 왁스 제조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 폴리올레핀 왁스를 제조함에 있어서 열분해 반응 도중 생겨나는 저분자량의 물질을 상압하에서 회수함으로써 왁스의 품질을 높일 수 있고, 연속적으로 열분해 반응을 일으킴으로써 회분식 반응 보다 생산성을 향상시켜 생산비용 절감시키고, 반응온도를 유지시키기 위하여 생성되는 폐열을 효율적으로 이용하는 연속식 폴리올레핀 왁스 제조장치에 관한 것으로, 상압의 반응과 반응기의 크기를 최소화하여 생산 안전성을 높이고, 아울러 분자량 분포를 자유롭게 조절하는 것이 가능하여 고부가가치의 왁스를 생산하는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리올레핀 왁스 제조장치{Apparatus for the Manufacturing of Polyolefin Wax}

본 발명은 폴리올레핀 왁스를 제조하는 공정에 있어서, 수평식 열분해 반응기를 사용하여 연속적으로 왁스를 제조하는 것과 함께 용매 추출법을 이용하여 왁스의 분자량 분포를 조절할 수 있는 장치에 관한 것이다.

폴리올레핀 왁스는 주로 각종 플라스틱 가공 시에 윤활제와 유동성 향상제로 첨가되는 첨가제와 인쇄 잉크용 스베리 및 내마모제, 토너 활제 및 융합조제, 분말도료의 레벨링과 윤활성 부여제, 핫멜트 접착제의 고온 특성 및 점도 조제, 화장품 성분, 타 왁스의 경도 및 융점 향상을 위한 변성제, 열전사 잉크의 성분, 전기 케이블의 콤파운드의 성분 등으로 사용되고 있다.

기존에는 열분해법을 이용하여 폴리올레핀계 왁스를 생산함에 있어서 회분식 방법을 선택하였다. 회분식 방법은 생산량을 높이기 위하여 반응기의 규모를 최대화함으로써 생산성이 떨어지고, 온도를 올리고 내리는 과정에서 에너지의 소모량이 많아 원가 상승 및 안전사고의 위험성이 내재되어 있으며, 열분해 과정 중에 생겨나는 저분자량의 물질이 많이 함유되어 품질이 떨어지는 경향이 있다. 특히 기존의 회분식 방법은 생성된 왁스의 분자량 분포를 자체로 조절하기가 어렵기 때문에 분자량 분포가 넓어 특수한 제품에는 적용하기가 어려워 고부가가치를 창출하기가 어려웠으며, 대부분 수입에 의존하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상압에서 반응이 이루어지도록 하는 작은 규모의 연속식 열분해 반응 장치를 사용함으로써 운전비용이 저렴하며, 폐열을 이용하여 에너지를 효율적으로 사용하여 열분해 왁스를 생산하므로 에너지 및 생산 원가를 절감하고, 제조 과정의 안전성을 높이는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 반응기 내에서 용매 추출법을 이용하여 왁스의 분자량 분포를 좁힘으로써 특수한 첨가제로 사용이 가능하여 고부가가치를 창출하기 위한 폴리올레핀계 왁스 제조 장치 및 그 운전 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 열분해법을 이용한 연속식 폴리올레핀 왁스 제조 장치에 관한 것으로 저렴한 장치 및 운전비용으로 왁스를 생산하고, 생성되는 왁스의 분자량 분포를 조절함으로써 부가가치를 높이도록 하는 폐열을 이용한 연속식 폴리올레핀 왁스 제조장치에 관한 것이다.

보다 상세하게는 폴리올레핀 왁스를 제조함에 있어서 열분해 반응 도중 생겨나는 저분자량의 물질의 분해 유를 상압하에서 회수함으로써 왁스의 분자량분도포를 좁히게 되어 품질을 높일 수 있고, 연속적으로 열분해 반응을 일으킴으로써 회분식 반응 보다 생산성을 향상시켜 생산비용을 절감시키고, 반응온도를 유지시키기 위하여 생성되는 폐열을 효율적으로 이용하는 연속식 폴리올레핀 왁스 제조장치에 관한 것으로, 상압의 반응과 반응기의 크기를 최소화하여 생산 안전성을 높이고, 아울러 분자량 분포를 자유롭게 조절하는 것이 가능하여 고부가가치의 왁스를 생산하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 폴리올레핀계 왁스는 분자량이 500 ~ 10,000 g/mol인 에틸렌 또는 프로필렌계 폴리머로서 상업적인 용도로 쓰이고 있다. 대부분의 고분자 물질은 서로 다른 사슬길이 및 분자량을 갖기 때문에 폭넓은 분자량 분포를 갖는데, 분자량 분포가 크고 다분산성지수가 증가하게 되면 상위 제품으로 제조할 때에 가공성이 현저히 떨어지게 된다. 따라서 고분자량의 분자량 분포를 좁히고 다분산성지수를 낮추게 되면 상위제품으로의 가공이 우수한 고분자 물질을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에서는 저분자량인 1000이하의 분자량을 갖는 왁스가 차지하는 비율이 전체의 5% 이하가 되도록 하는 신규한 왁스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명의 장치에 의해 제조되는 왁스는 분자량 분포가 좁고, 결정성이 높으며, 저분자량의 함량이 최소화 되는 왁스를 제조한다.

본 발명의 구체적인 설명을 위하여 도 1을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

폴리올레핀 왁스를 제조하기 위한 원료를 공급하기 위한 호퍼(1)와,

상기 호퍼(1)로 투입된 원료를 압출 이송하기 위한 압출이송장치(2)와,

상기 압출이송장치(2)로부터 이송된 원료를 열분해하기 위한 열분해 반응기(3)와,

상기 열분해 반응기(3)에 질소 및 용매를 투입하기 위한 질소/용매투입장치(4)와,

상기 질소/용매투입장치(4)로부터 투입된 용매에 용해된 휘발성 물질을 회수하여 응축시켜 저분자량 왁스와 용매를 회수하는 응축기(5)와,

상기 열분해 반응기(3)로부터 열분해된 폴리올레핀 왁스를 냉각수의 회전에 의해 냉각시키는 냉각장치(6)와,

상기 냉각장치(6)에서 상기 열분해 반응기(3)에서 배출되는 왁스로부터 가열된 물을 순환시켜 상기 압출이송장치(2) 및 상기 열분해 반응기(3) 입구를 예열하도록 하는 예열장치(7)로 이루어진다.

상기 열분해 반응기(3)는 모터(8a)에 의하여 회전하며, 블레이드(8b)가 형성된 축(8c)에 의해 교반되도록 하는 교반기(8)를 포함한다. 또한 상기 열분해 반응기(3)는 일부가 개방된 다수의 배플이 설치되어 여러 개의 셀로 구성된다.

본 발명에서 상기 열분해 반응기는 수평식 또는 수직식 모두 사용 가능하다. 수평식을 사용하는 경우 열분해 반응도중 발생하는 저분자량 물질의 배출이 용이한 장점이 있으며, 수직식 열분해 반응기를 사용하는 경우 체류시간의 조절이 용이한 장점이 있다. 수직식이나 수평식에 의해 생산되는 폴리올레핀 왁스의 물성은 큰 차이가 없으며, 이하 본 발명은 수평식 열분해 반응기를 예로 들어 본 발명의 설명한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작동방법을 설명하면 다음과 같다.

왁스 제조에 사용될 폴리올레핀 원료를 압출기 호퍼(1)에 투입하여 원료 압출이송장치(2)에서 일정온도 이상으로 원료를 용융 시킨 후 열분해 반응기(3)로 이송한다. 상기 압출이송장치(2)와 상기 압출이송장치(2)에서 열분해 반응기(3)로 이어지는 주입구는 300 내지 350 ℃로 예열이 되는 것이 바람직한데, 이를 위하여 본 발명의 올레핀계 왁스를 완성하기 전에 냉각시키는 냉각장치(6)에서 열분해 반응기(3)로부터 나오는 상부의 왁스를 냉각시키면서 열에 의하여 뜨거워진 물을 상기 압출이송장치(2)와 열분해 반응기(3) 입구에 순환하도록 하여 폐열을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

열분해 반응기(3)는 상부가 개방된 다수의 배플(9)이 설치되어 여러 개의 셀을 형성하며, 상부의 개방된 공간에 의해 열분해 되는대로 다음 쪽 방으로 자연히 이송되도록 하였고, 이는 반응시간의 단축 및 반응 효과를 높여 주는 역할을 기대할 수 있다. 열분해 반응기의 온도는 300 내지 420 ℃의 범위 인 것이 바람직하며, 유량은 100 내지 500 cc/min으로 조절하는 것이 효율적이다. 상기 배플은 수평식의 경우 상부가 개방되는 것이 바람직하며, 수직식의 경우 중앙에서 개방되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배플의 일부가 개방되어 개방된 공간에 의해 왁스가 열분해 되어 다음 방으로 넘어가도록 한다.

본 발명에서 원료가 일정하게 반응하여 분해 되도록 교반기 모터(8)를 작동하여 교반기를 회전시키고, 상부의 공간에 차여 있는 휘발성 물질이 자연적으로 응축조(5)로 이동하도록 하였다. 상기 응축조(5)는 다량의 저분자량 및 휘발성 물질이 대기로 배출되는 양을 줄이기 위하여 배출되는 물질을 물로 냉각시켜 응축조(5)로 떨어지도록 하여 발생되는 저분다량 및 휘발성 물질을 응축시킨다.

본 발명에서 분자량 분포 조절 필요시 상기 열분해 반응기(3)의 마지막 셀과 그 앞의 셀에는 질소/용매투입장치(4)의 밸브를 열어 질소가스와 용매를 투입하여 폴리올레핀계 왁스와 혼합되어 반응이 되도록 하며, 질소가스에 의하여 용매에 용해된 저분자량 물질은 응축기에 순환되는 물에 의하여 냉각되어 응축조(4)로 이동하도록 하였다. 응축조(4)로 유입된 용매와 저분자량 왁스가 섞인 물질은 휘발도의 차에 의하여 저분자량 왁스는 응축조 하부로 모이게 되고 용매는 응축조 상부에서 회수하여 질소/용매 투입장치(4)를 통하여 열분해 반응기(3)로 재순환 시킨다. 상기 질소의 유량 증가는 분자량분포도의 감소를 초래하는데, 이는 휘발성 단편들의 휘발성을 증가시키는데 기인하는 것으로 질소의 유량은 2 내지 3 ℓ/min이었을 때 분자량 분포도가 가장 낮은 효과가 있었다. 또한 교반 속도가 증가할수록 열전달율이 증가하여 열분해를 효율적으로 증가시킬 수 있으므로 휘발성 단편의 생산을 증가시킴으로써 분자량 분포도가 낮아지는 효과가 있다.

본 발명에서 저분자량 물질을 분리하기 위하여 사용되는 상기 용매는, 휘발성 용매를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 톨루엔, 헥산, 헵탄, 디클로로메탄에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 헵탄을 사용하는 것이 용해가 용이하므로 좋다.

열분해 반응이 끝나 왁스로 만들어진 제품은 열교환 냉각 장치(6)로 이송되어 일정 온도까지 냉각이 된 후 완제품의 포장으로 이어지는 하부 생산 설비로 이송된다. 바람직하게는 150 내지 250 ℃까지 냉각시키는 것이 좋다.

본 발명에 의하여 제조되는 폴리올레핀계 왁스는 점도가 300 ~ 400cP(140℃), 결정화도 50 ~ 65%, 분자량분포도가 3 ~ 4.8인 왁스가 제조된다. 상기 분자량 분포도는 용매추출을 이용하여 조절이 가능하다.

이하는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는 바, 하기의 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

원료인 폴리프로필렌은 밀도가 0.9g/㎤, 항복점 인장강도가 330kg/㎠, 굴곡탄성율이 15,000kg/㎠, 융점이 113℃인 호남석유화학의 SY-130 사용하였다.

[실시예 1]

압출이송장치를 예열하여 300℃를 확인한 후 호퍼에 폴리프로필렌을 투입하고 압출이송장치를 작동하여 수평식 열분해 반응기 첫 번째 방으로 용융된 원료를 이송시킨다. 압출이송장치와 호퍼사이에 질소를 2 ℓ/min 투입하여 질소분위기하에서 반응하도록 하였으며, 열분해 반응기는 390 ℃의 온도로 가열하고, 첫 번째 방에 원료가 다 차이게 되면 윗부분의 개방된 공간을 통하여 다음 방으로 자연적으로 옮겨가게 되고, 이 과정에서 교반기를 160rpm으로 교반 시켜 줌으로써 균일하게 열분해 반응이 일어나도록 한다. 동일한 방법으로 원료가 다음 방으로 옮겨 가면서 서서히 열분해 반응이 일어나도록 하여 30분간 반응하도록 하였다.

열분해 되는 왁스의 분자량 분포를 조절하기 위하여 열분해가 완료되어 왁스 제조가 이루어진 네 번째 방 하단부에 용매 투입 파이프를 통하여 헵탄 용매를 투입하였으며, 질소가스도 함께 투입하였다. 투입된 헵탄 용매는 용융된 왁스와 혼련되면서 저분자량의 왁스 및 열분해 시 발생된 왁스 휘발 물질들을 휘발시켜 상층부에 장착된 파이프를 통하여 용매 및 저분자량 왁스 응축기로 유입되게 되고 정상적인 왁스는 다섯번째 방으로 옮겨가게 된다. 응축기로 유입된 용매와 저분자량 왁스가 섞인 물질은 휘발도의 차에 의하여 저분자량 왁스는 응축기 하부로 모이게 되고 헵탄 용매는 응축기 상부에서 회수하여 열분해 반응기로 재순환 시켰다. 제조된 왁스를 냉각기를 통하여 냉각시킨 후 완성하였다.

제조된 왁스의 물성은 도 2b와 3b에 나타내었다. 결정화도는 57% 이었으며, 분자량 분포도는 3.51이었다.

[실험예 1]

교반속도에 따른 변화

반응온도를 390 ℃, 질소유량을 3 ℓ/min, 반응시간을 30분으로 고정시키고 교반속도를 하기의 표1과 같이 변화시켜 결과를 관찰하였다.

[표 1]

표 1에서 보이는 바와 같이, 교반속도의 변화는 결정화도에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 분자량 분포를 약간 감소시키는 결과를 나타내었다.

[실험예 2]

질소유량에 따른 변화

반응온도를 390 ℃, 교반속도를 160rpm, 반응시간을 30분으로 고정시키고 질소유량을 표2와 같이 변화시켜 결과를 관찰하였다.

[표 2]

표 2에서 보이는 바와 같이, 질소유량의 변화는 결정화도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 분자량 분포에서는 교반속도를 변화시키는 것보다 더 큰 분자량 분포의 감소가 나타났다.

[실험예 3]

반응시간에 따른 변화

반응온도를 390 ℃, 교반속도를 130rpm, 질소유량을 1 ℓ/min으로 고정시키고 반응시간을 표3과 같이 변화시켜 결과를 관찰하였다.

[표 3]

표 3에서 보이는 바와 같이, 반응시간의 변화는 결정화도를 약간 감소시키는 경향을 나타내었지만 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 분자량 분포에서는 큰 분자량 분포의 감소가 나타났다.

[비교예 1]

현재 시판되고 있는 Lionchemtech사의 L-C 502N(밀도 0.59g/㎤, 융점 160 ± 3 ℃, 점도 180 ± 50cP)과 실시예1에서 제조된 본 발명의 왁스의 결정화도와 분자량 분포도를 측정하여 도 2a, 도 2b 및 도3a, 도 3b에 각각 나타내었다.

도 2a, 도 2b에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 왁스가 상용화 되고 있는 L사(결정화도=48.7%)의 제품보다 결정화도가 57.0%로 높은 것을 알 수 있으며, L사 제품은 분자량 분포도가 5.00인 반면, 본 발명의 왁스는 분자량 분포도가 3.51로 제조되어 더 향상된 물성을 갖는 것을 알 수 있다.

본 발명은 연속적으로 열분해를 일으키므로 회분식 반응기에 비하여 열분해 시간을 단축시켜 생산원가 및 에너지 절감효과가 있다.

또한 용매와 질소를 이용하여 저분자량의 물질을 분리하여 회수함으로써 제조되는 왁스의 분자량 분포가 좁아지게 되며, 정밀도가 증가하므로 제품의 고부가가치화가 가능하며, 상압에서 반응하므로 생산 시 조업 안전성이 높은 효과가 있다.

또한 냉각장치에서 생성물의 온도를 낮추는데 사용되는 폐열에너지를 이용하여 압출이송장치 및 열분해 반응기를 예열을 하는데 사용하므로 기존의 열분해 반응기에 비하여 열효율이 높은 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 연속식 열분해 반응기를 나타낸 그림이다.

도 2a는 시판되는 일반 왁스의 결정화도를 나타낸 그래프이다.

도 2b는 본 발명에 따른 왁스의 결정화도를 나타낸 그래프이다.

도 3a는 시판되는 일반 왁스의 분자량분포도를 나타낸 그래프이다.

도 3b는 본 발명에 따른 왁스의 분자량분포도를 나타낸 그래프이다.

-도면의 상세한 설명-

1 - 호퍼 2 - 압출이송장치

3 - 열분해 반응기 4 - 질소/용매 투입장치

5 - 응축기 6 - 냉각장치

7 - 예열장치 8a - 모터

8b - 블레이드 8c - 축

8 - 교반기 9 - 배플

Claims (7)

1. 폴리올레핀 왁스를 제조하기 위한 원료를 공급하기 위한 호퍼와,

   상기 호퍼로 투입된 원료를 압출 이송하기 위한 압출이송장치와,

   상기 압출이송장치로부터 이송된 원료를 열분해하기 위해서 수직 또는 수평으로 배열되며, 일부가 개방된 다수의 배플이 설치되어 여러 개의 셀로 구성되는 열분해 반응기와,

   상기 열분해 반응기의 내부에 설치되며 일정간격으로 블레이드가 설치된 축의 회전에 의해 교반되도록 하는 교반기와,

   상기 열분해 반응기에 질소 및 용매를 투입하기 위한 질소/용매투입장치와,

   상기 질소/용매투입장치로부터 투입된 용매에 용해된 휘발성 물질을 회수하여 응축시켜 저분자량 왁스와 용매를 회수하는 응축기와,

   상기 열분해 반응기로부터 열분해 되고 저분자량 왁스가 제거된 폴리올레핀 왁스를 냉각수의 회전에 의해 냉각시키는 냉각장치와,

   상기 냉각장치에서 상기 열분해 반응기에서 배출되는 왁스로부터 가열된 물을 순환시켜 상기 압출이송장치 및 상기 열분해 반응기 입구를 300 내지 350 ℃로 예열하도록 하는 예열장치,

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 왁스 제조장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 용매는 톨루엔, 헥산, 헵탄, 디클로로메탄에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 왁스 제조장치.
6. 제 1항 또는 제 5항의 제조장치에 의해 제조되는 점도가 300 ~ 400 cP(140℃), 결정화도 50 ~ 65%, 분자량분포도가 3 ~ 4.8 이고, 분자량분포도에서 분자량 1000 이하인 저분자량 왁스가 차지하는 비율이 전체의 5 중량% 이하를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 왁스.
7. 삭제