KR100538153B1 - 폴리우레탄 폼 시트의 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

폴리우레탄 폼 시트의 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

폴리우레탄 폼 시트의 제조방법 및 제조장치를 개시하고 있다. 폴리우레탄 시트의 제조방법은 폴리우레탄 발포물을 준비하는 단계, 제 1 이형지 및 제 2 이형지 사이에서 상기 폴리우레탄 발포물을 가압하면서 도포하여 상기 폴리우레탄 발포물의 두께를 조정하는 두께 조정 단계, 상기 제 1 이형지 및 제 2 이형지의 외면을 가압하면서 경화시키는 가압경화 단계, 상기 경화된 도포물로부터 제 2 이형지를 박리시키는 제 2 이형지 박리단계, 상기 제 2 이형지가 박리된 도포면에 원단을 접합시키는 원단 접합단계, 상기 원단 접합물을 상온에서 숙성시키는 숙성 단계, 및 제 1 이형지를 박리하는 제 1 이형지 박리단계를 포함한다. 상기 제조방법에 의하여 품질의 균일성이 유지되는 폴리우레탄 폼 시트를 제조할 수 있다.

Description

폴리우레탄 폼 시트의 제조장치 및 제조방법{Manufacturing apparat us of polyurethane foam sheet and method thereof}
본 발명은 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리우레탄 폼의 경화, 발포 및 고화 반응의 균일성을 유지하여 시트의 변형율을 최소화하고 두께가 균일한 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
대한민국 특허 공개 번호 특2002-0050138 에는 용제를 사용하지 않고 상온에서 반고체 상태 또는 고체상태인 이소시아네이트 그룹 함유 우레탄 프리폴리머를 60℃ 내지 250℃ 에서 가열 용융시킨 성분과 상기 이소시아네이트 그룹과 반응할 수 있는 화합물 및 경화 촉매 성분을 믹싱헤드(Mixing head)를 사용하여 고속 교반 혼합하면서 기체를 도입하거나 또는 도입하지 않고 크림 형상으로 기계발포시킨 발포물을 이형지 위에 도포한 후 위에 별도의 이형지를 끼워 넣어 압축하고 실온으로 냉각시키거나 실온에서 일정시간 동안 방치한 후 우레탄 함침포를 접합시킨 폴리우레탄 폼 시트 형상 구조물의 제조 방법이 공지되어 있다.
그러나 이형지 사이에 끼워진 발포물을 압축하여 실온으로 냉각시킬 때는 그 조건이 명확해야 한다. 실온으로 냉각시킬 경우에는 온도, 습도 등의 주위 환경에 따라 제품의 균일성과 생산 안정성이 저하될 수 있다. 특히, 더운 계절에 작업할 경우에는 고화, 경화 및 반응속도가 지연되어 생산능률이 저하 될 수 있다. 발포물의 냉각온도, 습도가 일정 하여야만 제품의 밀도, 평활도 등의 물성이 균일하게 유지될 수 있다.
또한, 이형지 위에 발포물을 도포한 후 도포물 위에 별도의 이형지를 끼워 넣어 목표 두께가 될 수 있도록 압축하는 과정 중, 이형지 위의 발포물이 시간이 경과함에 따라 온도가 내려가 점도가 상승하고 흐름성이 현저히 저하되는 현상이 발생한다. 이로 인하여, 발포물의 고화가 일어나고 대량 작업이 곤란하게 된다. 특히, 믹싱헤드에서 분출되는 발포물과 이형지 위에서 유동하는 발포물은 경화반응속도, 발포속도, 고화속도가 불균일하고 기타 부반응의 발생으로 인하여 셀의크기, 형태 등의 품질에 불균일을 초래할 수 있다.
또한, 이형지만으로는 두께의 편차를 조절하기 힘들다. 특히 후 발포가 일어나는 경우에는 두께를 제어할 수 있는 별도의 장치가 필요하다. 밀도가 0.4 g/㎤ 미만의 제품일 경우에는 한번의 가압으로 가압순간의 온도, 반응속도 및 경화속도 차이를 제어 할 수 없어 후 발포로 인하여 두께 제어가 어렵다.
대한민국 특허 공개번호 특2001-0084062에는 이형지 위해 혼합액을 분사하고 도포량을 조절하는 나이프를 통과한 후 부직포 또는 직물, 피혁 및 기타소재로 된 백킹클로스(Backing cloth)와 압착하여 경화기에서 발포 및 경화를 진행시킨 후 이형지를 박리하여 폴리우레탄 합성피혁을 제조하는 장치가 공지되어 있다.
상기 공개특허 역시, 두께를 제어하기가 곤란하다. 연속생산이 필수적이나 생산 도중 주위온도 및 습도 변화에 따른 품질의 불균일 현상이 발생한다. 특히, 발포와 경화가 진행되는 경화기에서 두께 편차가 발생하므로 제품의 평활도가 불균일하게 된다. 또한 2 m/sec 내지 15 m/sec의 속도로 30℃ 내지 100℃ 의 온도범위의 경화기를 통과하여도 완전 경화가 일어나기 어렵고 생산성에도 문제가 있다.
일본특허 공개번호 특개2003-175563 및 특개2003-118039에서는 EVA계 핫멜트(hot-melt) 접착제가 코팅된 캐리어 필름과 금속도막 필름 또는 구조강화 필름을 열로서 접합시켜 그 위에 혼합 원료를 도포하고 두께 조정롤을 사용한 후 터널식 가열로(150℃ -200℃ , 1-3 hr)에서 반응과 경화를 시켜 캐리어 필름을 박리하는 방법이 공지 되어 있다. 이 특허는 캐리어 필름을 코르나 등으로 선처리를 해야 하고 접착제를 코팅해서 가열롤(70℃ )에서 접합시켜야 하는 등 공정상에 복잡함이 있다. 또한 가열로의 조건이 150℃ 내지 200℃ 에서 반응과 경화가 이루어질 때는 반응에 따르는 발포가 병행해서 발생하기 때문에 균일한 두께를 유지하는 데 어려움이 있다. 또한 1 내지 3 시간이 소요되므로, 터널식 가열로가 상당히 길어야 하고 이로인하여 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 경화, 발포 및 고화반응을 제어하여 품질의 균일성을 갖게하는 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 경화, 발포 및 고화반응을 제어하여 품질의 균일성을 갖게하는 폴리우레탄 폼 시트의 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법은 폴리우레탄 발포물을 준비하는 단계, 제 1 이형지 및 제 2 이형지 사이에서 상기 폴리우레탄 발포물을 가압하면서 도포하여 상기 폴리우레탄 발포물의 두께를 조정하는 두께 조정 단계, 상기 제 1 이형지 및 제 2 이형지의 외면을 가압하면서 경화시키는 경화 단계, 상기 경화된 폴리우레탄 발포물로부터부터 제2 이형지를 박리시키는 제 2 이형지 박리단계, 상기 제 2 이형지가 박리된 도포면에 원단을 접합시키는 원단 접합단계, 상기 원단 접합물을 상온에서 숙성시키는 숙성 단계 및 제 1 이형지를 박리하는 제 1 이형지 박리단계를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 폴리우레탄 폼 시트의 제조장치는 제 1 이형지 공급부, 제 2 이형지 공급부, 두께 조정부, 믹싱헤드장치, 경화세팅룸, 제 1 수거부, 원단 공급부, 원단 접합부 및 제 2 수거부를 포함한다.
상기 제 1 이형지 공급부는 상기 두께 조정부에 제 1 이형지를 공급한다. 상기 제 2 이형지 공급부는 상기 두께 조정부에 제 2 이형지를 공급한다. 상기 두께 조정부는 제 1 이형지 공급부 및 제 2 이형지 공급부로부터 제 1 이형지 및 제 2 이형지를 공급받아 제 1 이형지 및 제 2 형지 사이에 폴리우레탄 발포물을 도포하고 가압하면서 두께를 조정한다. 믹싱헤드 장치는 상기 폴리우레탄을 기계 발포시키고 상기 폴리우레탄 발포물을 상기 두께 조정부에 수직방향으로 분출시킨다. 상기 경화 세팅룸은 두께 조정부를 통과한 폴리우레탄 발포물를 경화시킨다. 상기 제 1 수거부는 제 2 이형지와 연결되어 제 2 이형지를 박리시키고 박리된 제 2 이형지를 수거한다. 상기 원단 공급부는 제 2 이형지가 박리된 폴리우레탄 발포물의 도포면에 원단을 공급한다. 상기 원단 접합부는 원단 공급부로부터 공급된 원단을 상기 도포면에 압축 접합시킨다. 상기 제 2 수거부는 원단이 접합된 폴리우레탄 발포물을 수거한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법 및 제조장치에 의하여 경화, 발포 및 고화반응을 균일하게 유지하여 품질의 균일성이 향상된 폴리우레탄 폼 시트를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
폴리우레탄 폼 시트를 제조하기 위해서는 우선 폴리우레탄 발포물을 준비하여야한다. 폴리우레탄 발포물은 우레탄폴리올 프리폴리머와 이소시아네이트기를 갖는 이소시아네이트 화합물 및 경화 촉매와 혼합 반응에 의한 생성물을 기계 발포시켜 준비된다.
우레탄 폴리올 프리폴리머
본 발명의 우레탄폴리올 프리폴리머는 상온에서 반고체 또는 고체 상태이고, 폴리머의 주 사슬에 우레탄기를 갖고, 작용기로 수산기(Hydroxyl;-OH)를 적어도 2개를 포함하며, 120℃에서 용융 점도가 500 내지 100,000 cps인 특성을 갖는다.
여기서, 상기 우레탄폴리올 프리폴리머의 수산기(OH)의 함량이 2개 미만이면, 제조하고자 하는 다공성 폴리우레탄체의 경화가 잘 일어나지 않기 때문에 바람직하기 않다. 수산기의 함량이 6개를 초과하면, 다공성 폴리우레탄체의 가교도가 높아져 경화도막의 유연성이 떨어지며 점도가 높아져 작업성이 나빠지기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 우레탄폴리올 프리폴리머의 수산기 함량은 2 내지 6개이고, 바람직하게는 2 내지 4개이다.
상기 120℃하에서 우레탄폴리올 프리폴리머의 용융 점도가 500cps 미만이면, 다공성 폴리우레탄체 형성시 발포성이 나빠지고, 냉각시켜도 고화되지 않기 때문에 바람직하지 않다. 상기 120℃하에서 우레탄폴리올 프리폴리머의 용융 점도가 100,000cps를 초과하면, 균일한 혼합이 곤란하여 균일한 다공성 폴리우레탄체를 수득하기 어렵고, 높은 점도로 인해 이동이나 펌프로부터의 토출이 어려워지기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 우레탄폴리올 프리폴리머의 용융 점도는 500 내지 100,000cps이고, 바람직하게는 1,000 내지 50,000cps이다.
이러한 특성을 갖는 우레탄폴리올 프리폴리머는 이소시아네이트(Isocyanate) 1당량에 대하여 폴리올(Polyol) 1.1 내지 2.5 당량을 70 내지 120℃하에서 혼합 반응시킴으로서 형성된다.
여기서, 상기 이소시아네이트 1당량무게에 대한 폴리올 당량무게가 1.1 미만이면, 우레탄 폴리올 프리폴리머의 양 말단이 수산기(OH)로 종료되기가 어렵고, 분자량의 증가로 인해 점도가 높아지기 때문에 바람직하지 않다. 폴리올의 당량무게가 2.5를 초과하면, 분자량이 작아 가공 후 물성이 저하되는 문제점이 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 이소시아네이트에 대한 폴리올의 혼합비는 당량무게비로 이소시아네이트 1당량무게에 대해 폴리올의 당량무게가 1.1 내지 2.5이고, 바람직하게는 1.8 내지 2.1이다.
상기 폴리올과 이소시아네이트의 반응온도가 70℃미만이면, 완전한 반응이 진행되지 않을 뿐만 아니라 반응시간이 길어져 경제적 생산성이 떨어지며, 반응에 의해 얻어지는 우레탄 폴리올 프리폴리머가 70℃이하에서는 고체상태로 되기 때문에 합성에 어려움이 있어 바람직하지 않다. 반응온도가 120℃를 초과하면, 부 반응이 발생되어 원하는 물성의 우레탄폴리올 프리폴리머를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
따라서, 우레탄폴리올 프리폴리머를 얻기 위해 폴리올과 이소시아네이트가 반응하는 온도는 70 내지 120℃이다
본 발명의 우레탄폴리올 프리폴리머를 얻기 위해 사용되는 폴리올은 폴리에스테르계 폴리올, 락톤계 폴리올, 폴리카보네이트계 폴리올, 폴리에테르계 폴리올등이 사용될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 이소시아네이트는 톨루엔 디이소시아네이트, 디페닐메탄 디이소시아네이트, 변성 디페닐메탄 디이소시아네이트, 나프탈렌 디이소시아네이트, 페닐렌 디이소시아네이트트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 리신 이소시아네이트, 사이클로헥산 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트, 테트라메틸크실렌 디이소시아네이트, 노르보넨 디이소시아네이트, 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 폴리페닐 폴리메틸렌 폴리이소시아네이트, 카보디이미드기를 포함하는 폴리이소시아네이트, 알로파네이트기를 포함하는 폴리이소시아네이트, 이소시아누레이트기를 포함하는 폴리이소시아네이트 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 특성을 갖는 본 발명의 우레탄폴리올 프리폴리머는 폴리우레탄 폼 시트를 제조할 경우 사용되는 물질로서, 취급 및 보관이 용이하고, 습기로 인해 변형되는 문제점이 쉽게 발생하지 않는다. 또한, 상기 다공성 폴리우레탄체 제조시 사용상의 주의가 요구되지 않아, 생산의 안정성을 확보할 수 있는 물질이다.
폴리우레탄 발포물의 준비
폴리머의 주 사슬에 우레탄기를 갖고, 작용기로 수산기(Hydroxyl;-OH)를 적어도 2개 이상 포함하는 우레탄 폴리올 프리폴리머(Urethane Polyol Prepolymer)에 상기 수산기와 반응하는 이소시아네이트기(-NCO)를 포함하는 이소시아네이트 화합물 및 우레탄 경화촉매를 투입 혼합하고 이를 믹싱헤드 장치에서 고속교반 또는 발포용 기체를 도입함으로서 크림과같은 기계 발포물을 형성한다.
상기 믹싱헤드를 이용하여 교반할 경우 교반 온도는 우레탄폴리올 프리폴리머의 용융 온도에 대해 ± 30℃로 유지해야한다. 이는 실온 혼합에 비해 교반이 쉽게 이루어지도록 하고, 경화 속도를 더욱 빠르게 하며, 균일한 폴리우레탄 발포물을 형성하기 위해서이다.
상기 발포용 기체로 사용되는 기체로는 공기, 질소 가스, 탄산 가스, 아르곤 가스 등이 사용되며, 상기 기체는 미리 가열되어 있어도 좋다.
상기 기계 발포란 우레탄폴리올 프리폴리머, 이소시아네이트 화합물 및 우레탄 경화촉매제 혼합 시 기체를 도입하거나 기체를 도입하지 않고, 믹싱헤드(mixing head) 등을 사용하여 1,000 내지 8,000rpm으로 고속 교반함으로서, 기포를 포함하는 기계 발포물을 형성하는 것을 말한다.
이때, 상기 기체를 도입하면, 발포 배율이 높아지고, 다공성 형성율이 높은 폴리우레탄체 얻을 수 있을 뿐만 아니라 기계 발포물의 점도가 저하되고, 혼합 교반이나 기계 발포물의 토출이 용이해진다. 또한, 기체를 도입하지 않는 경우에는 최종 산물인 폴리우레탄 폼 시트를 치밀하게 하여 박리 강도나 인장 강도, 마모 강도 등의 물성이 강해진다.
그리고 상기 고속 교반 작업시 믹싱헤드의 회전수가 1,000rpm 이하일 경우에는 혼합물의 교반이 불충분해져서 발포 셀의 크기가 크고 발포가 불 균일해 진다. 상기 믹싱헤드의 회전수가 8,000rpm 이상일 경우에는 믹싱헤드에 부하가 지나치게 걸려 일반적 작업이 곤란하다.
상기 방법으로 준비된 폴리우레탄 발포물을 제 1 이형지 및 제 2 형지 사이에 믹싱헤드로부터 분출시켜 도포하고 제 1 이형지 및 제 2 이형지 외면을 가압한다. 가압시 온도는 40 내지 60℃가 바람직하다. 아래 표 1에서 보는 바와 같이 코팅시 온도가 30℃일 때에는 코팅물의 점도가 약 10,000 cps 정도이고 80℃일 때는 약 2,400 cps 정도이다. 점도가 10,000 cps를 초과하면 코팅 과정중 시간이 경과함에 따라 고화가 일어나서 대량생산이 어려울 뿐만 아니라 유동성이 열악하여 두께를 조정하기 어려워 바람직하지 않고 점도가 2,400 cps 미만이면 경화가 지연되어 이형지의 박리가 용이하지 않고 생산 과정중 발포물의 유동성으로 두께 편차가 많이 발생한다. 특히 바람직한 점도는 3000 내지 8000 cps 이고 이때의 온도범위는 40 내지 60℃이다.
상기 제 1 이형지 및 제 2 이형지 내에 일정 두께로 도포된 폴리우레탄 발포물은 가압 경화 단계를 거친다. 경화와 동시에 두께 조절을 위하여 가압 과정을 거치는데 이때 가압 방법은 크게 두가지 형태로 나뉜다. 하나는 가압 과정중 시간의 경과에 따라 압력을 순차적으로 감소시키는 형태이고 다른 하나는 일정한 압력으로 가압하는 형태이다. 압력을 순차적으로 감소시키는 이유는 폴리우레탄 발포물 중 후 발포가 일어나는 경우에 두께 편차를 방지하기 위해서이다. 즉, 초기에 후 발포가 적게 일어날 경우에는 높은 압력을 가해주다가 점점 발포정도가 누적되어 발포로 인한 부피가 증가되면 압력을 감소시켜 자연스러운 후 발포를 유도하고 나아가 균일한 발포상태를 유지하면서 목표 두께에 도달할 수 있게 해준다. 가해지는 압력은 목표 두께에 대하여 50 내지 100%의 두께가 될 수 있는 압력을 가해준다. 경화단계 이후에 추가적으로 후 발포를 일으키는 폴리우레탄 발포물에 대해서는 90%를 초과하는 압력을 가해주지 않는 것이 바람직하다. 경화과정을 완료한 후 숙성단계 등 차후의 단계에서 추가적인 잔여 발포가 발생하여 두께가 증가될 수 있기 때문이다.
경화단계는 10 내지 20℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 온도가 10℃ 미만이면 고화 및 초기 경화는 빠르지만 급격히 고화되기 때문에 시트 품질의 불균일이 발생하고 열 손실이 많아 전력소모가 매우 크기 때문에 바람직하지 않고, 반면에 온도가 20℃를 초과하면 고화 및 경화가 늦어 후 발포가 잘 일어나 균일한 두께의 제품을 얻기 어렵고 제 2 이형지의 박리가 용이하지 않아 바람직하지 않다. 특히 바람직하게는 13 내지 17℃로 유지하는 것이 고화 및 초기경화속도를 빠르게 하고 균일한 두께의 폴리우레탄 폼 시트를 얻는 데 바람직하다.
또한 경화단계는 30 % 내지 80 %RH의 습도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 습도가 30 %RH 미만이면 초기 경화가 지연되어 두께의 불균일을 초래하고 이형지의 박리가 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않고 80 %RH를 초과하면 이형지의 박리는 용이하지만 많은 물 입자가 발포물과 급격한 반응을 하기 때문에 품질의 저하가 발생될 수 있어 바람직하지 않다. 특히 50 %RH 내지 65 %RH의 범위가 바람직하다.
경화단계를 거친 폴리우레탄 발포물에 접착된 제 2 이형지를 박리시킨다. 그리고나서 제 2 이형지가 박리된 폴리우레탄 발포물의 도포면에 원단을 접합시킨다. 상기 원단은 폴리 우레탄 함침 부직포나 직물 등이다.
마지막으로, 원단 접합물을 숙성시킨 후 남아있는 제 1 이형지를 박리시킴으로써 폴리우레탄 폼 시트가 제조된다.
이하, 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
제조예 1 폴리우레탄 발포물의 제조
폴리테트라메틸렌 글리콜(PolyTetraMethylene Glycol;PTMG, Mw=2,000, BASF) 400g과 1,6-헥산디올아디픽산에스테르(Hexanediol adipic acid ester, Mw=2,000, 대원폴리머(주)) 400g을 투입한 후 110℃로 승온 시키고, 1시간 진공 탈포 하였다. 이어서 질소 가스를 투입함과 동시에 진공을 제거 하면서 온도를 50℃로 냉각하였다. 여기서 4,4-디페닐메탄디이소시아네이트(diphenylMethane diisocyanate; P-MDI, 금호미쓰이화학) 50g을 투입한 후 온도를 75℃로 승온하여 1시간 동안 질소를 통과시키면서 반응시켜 주사슬에 우레탄기를 갖고 작용기로 수산기(-OH)기를 2 내지 4개를 포함하는 우레탄폴리올 프리폴리머를 합성하였다. 여기서, 수득된 우레탄폴리올 프리폴리머의 점도는 120cps에서 3,900cps 이었다.
이어서 이소시아네이트 화합물[상품명 COSMONATE LL(금호미쓰이화학)] 및 아민계 경화 촉매제[상품명 PC CAT TD 33(독일 Nitroil사)]와 정포제[상품명 DC-193(다우코닝)]와 물과 카본블랙이 7 : 7 : 3.5 : 17.5 의 중량비율로 혼합된 혼합물을 보온용기 속에서 30℃로 유지시키고 이어서 120℃로 보온되는 보온 용기에 우레탄폴리올 프리폴리머, 이소시아네이트 화합물 및 아민계 경화 촉매제와 정포제 혼합물, 물, 카본블랙을 전체 100%에 대하여 45 : 50 : 2 : 0.5 : 2.5의 중량%가 되도록 정량 투입한 후 5,000rpm으로 1초 동안 고속 교반시켰다. 계속해서 질소가스를 주입함과 동시에 크림형상의 기포가 발생되도록 믹싱헤드에서 5,000rpm으로 2초 동안 고속 교반시켜 기계 발포물을 제조하였다.
제조예 2 폴리우레탄 발포물의 제조
폴리테트라메틸렌 글리콜(PolyTetraMethylene Glycol;PTMG, Mw=2,000, BASF) 400g과 1,6-헥산디올아디픽산에스테르(Hexanediol adipic acid ester, Mw=2,000, 대원폴리머(주)) 400g을 투입한 후 110℃로 승온 시키고, 1시간 진공 탈포 하였다. 이어서 질소 가스를 투입함과 동시에 진공을 제거 하면서 온도를 50℃로 냉각 하였다. 여기서 4,4-디페닐메탄디이소시아네이트(diphenylMethane diisocyanate; P-MDI, 금호미쓰이화학) 50g을 투입한 후 온도를 75℃로 승온하여 1시간 동안 질소를 통과시키면서 반응시켜 주사슬에 우레탄기를 갖으면서 작용기로 수산기(-OH)기를 2 내지 4개를 포함하는 우레탄폴리올 프리폴리머를 합성하였다.여기서, 수득된 우레탄폴리올 프리폴리머의 점도는 120cps 내지 3,900cps 이었다.
이어서 이소시아네이트 화합물[상품명 COSMONATE
LL(금호미쓰이화학)] 및 아민계 경화 촉매제[상품명 PC CAT TD 33(독일 Nitroil사)]와 정포제[상품명 DC-193(다우코닝)]가 5 : 30의 중량%로 혼합된 혼합물을 보온용기 속에서 30℃로 유지시키고 이어서 120℃로 보온되는 보온 용기에 우레탄폴리올 프리폴리머, 이소시아네이트 화합물 및 아민계 경화 촉매제와 정포제 혼합물을 전체 100%에 대하여 85 : 17 : 1.8의 중량%가 되도록 정량 투입한 후 5,000rpm으로 1초 동안 고속 교반하였다. 계속해서 질소가스를 주입함과 동시에 크림형상의 기포가 발생되도록 5,000rpm으로 2초 동안 고속 교반시켜 기계 발포물을 형성하였다.
실시예 1 폴리우레탄 폼 시트 제조장치
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 측단면 도를 나타낸 것이다. 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 경화 세팅룸의 내부 단면도를 나타낸 것이다.
도 4 를 참조하면, 폴리우레탄 폼 시트 제조장치(200)은 제 1 이형지 공급부(10), 제 2 이형지 공급부(20), 두께 조정부로서의 제 1 두께 조정롤(32a) 및 제 2 두께 조정롤(32b), 믹싱헤드장치(40), 경화 세팅룸(50), 제 1 수거부(60), 원단 공급부(70), 원단 접합부로서의 제 1 접합 롤(82a) 및 제 2 접합롤 (82b), 및 제 2 수거부(90)을 포함한다.
본 실시예에서 상기 제 1 이형지 공급부(10), 제 2 이형지 공급부(20), 제 1 수거부(60), 원단 공급부(70) 및 제 2 수거부(90)는 롤 장치로 이루어져 있다.
제 1 이형지 공급부(10)에서 공급된 제 1 이형지 및 제 2 이형지 공급부(20)에서 공급된 제 2 이형지는 제 1 두께 조정롤(32)과 제 2 두께 조정롤(34)의 사이로 공급된다. 믹싱헤드 장치(40)는 폴리우레탄 발포물을 준비하고 있다가 상기 이형지들이 공급되면 제 1 두께 조정롤(32a)과 제 2 두께 조정롤(3b) 사이로 상기 폴리우레탄 발포물(45)을 분출한다. 분출된 폴리우레탄 발포물(45)은 제 1 두께 조정롤(32a) 및 제 2 두께 조정롤(32b)에 의하여 가압되어 두께가 조정되어진다. 상기 조정롤들은 온도 제어 장치(미도시)를 포함하고 있어 폴리우레탄 발포물(45)의 도포시 도포면의 온도를 조절할 수 있다.
제 1 두께 조정롤(32a) 및 제 2 두께 조정롤(32b)의 지름은 동일하며 350 내지 550 nm가 바람직하다. 지름이 350 nm 미만이면 접촉각이 작아서 대량의 도포작업이 곤란하고 두께 조정이 용이하지 않으며 지름이 550 nm를 초과하면 접촉각이 커져서 발포물이 넓게 노출되어 있어 발포물의 경화가 일어 날 수 있으며 대량의 작업시 유동성이 현저히 떨어지고 점도가 상승하는 문제점이 있다. 또한 온도 컨트롤 센서(미도시)에 대한 비용이 상승한다.
상기 경화 세팅룸(50)은 도포 및 두께 조절이 완료된 폴리우레탄 발포물을 경화시킨다.
도 5를 참조하면, 상기 경화 세팅룸은 복수개의 냉각롤(52) 쌍을 갖는다. 각 쌍마다 두 개의 냉각롤을 포함하며 각 냉각롤은 서로 대칭적으로 마주본다. 본 실시예는 수직 방향으로 네 쌍의 냉각롤 쌍(52a,52a';52b, 52b';52c,52c'; 52d,52d')을 갖는다. 각각 이동 방향에 따라 각각 폴리우레탄 폼 시트의 목표 두께치의 60 내지 90%의 두께가 형성될 수 있도록 각 냉각롤 쌍은 순서대로 감소된 압력을 가한다. 이는 단순히 물리적 가압형태가 아니라 크림타임 및 라이징 타임을 고려해서 순차적으로 가압하는 것이다. 즉 수직 하단 방향으로 첫번째 냉각롤(52a) 쌍은 목표두께치의 0.6배의 두께를 형성할 수 있는 압력, 두 번째 냉각롤(52b) 쌍은 목표 두께치의 0.7배의 두께를 형성할 수 있는 압력, 세 번째 냉각롤(52c) 쌍은 목표 두께치의 0.8배의 두께를 형성할 수 있는 압력, 네 번째 냉각롤(52d) 쌍은 목표 두께치의 0.9배의 두께를 형성할 수 있는 압력을 각각 가한다. 본 실시예에 따른 경화 세팅룸(50)은 후 발포가 일어나는 폴리우레탄 발포물에 적용되어 질 수 있는 것으로서, 후 발포가 누적됨에 따라 발포 부피가 증가되므로 순차적으로 압력을 낮추어 주게 된다. 이로써 자연스러운 후 발포를 형성시키면서 두께 균일성을 유지 할 수 있도록 해주어 이후 공정에서의 시트 변형율을 최소화 할 수 있게 한다. 하단부에 배치된 냉각롤 쌍은 목표 두께치 와 동일한 두께를 형성할 수 있는 압력을 가할 수 도 있으나 숙성 단계 등 경화단계 이후에 잔여의 후 발포가 일어날 가늘 성이 큰 경우에는 목표 두께치의 0.9배 정도의 두께를 형성할 수 있는 압력으로 가하는 것이 바람직하다. 숙성단계 등 경화 단계 이후에 진행되는 잔여의 후 발포가 발생하기 때문이다.
제 1 수거부(60)는 제 2 이형지를 폴리우레탄 발포물의 도포면으로부터 박리시켜 제 2 이형지를 수거한다.
원단 공급부(70)는 폴리우레탄 함침 부직포 등을 상기 폴리우레탄 발포물의 도포면에 공급한다.
제 1 접합롤(82a) 및 제 2 접합롤(82b)은 폴리우레탄 발포물과 원단과의 접합을 위하여 일정 압력을 가해준다.
제 2 수거부(90)는 제 1 이형지, 폴리우레탄 발포물 및 원단이 접합된 기재를 수거한다.
상기 제조된 기재로부터 제 1 이형지를 제거하여 폴리우레탄 폼 시트가 제조되어 진다.
실시예 2 폴리우레탄 폼 시트 제조장치
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 측면도를 나타낸 것이다. 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 경화 세팅룸의 내부 단면도를 나타낸 것이다. 본 실시예는 경화 세팅룸을 제외하면 실시예 1과 동일하다. 따라서 경화 세팅룸을 제외한 나머지 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
본 실시예는 폴리우레탄 발포물의 후 발포가 발생하지 않는 경우의 폴리우레탄 폼 시트의 제조장치(200)에 관한 것이다.
경화 세팅룸(50)은 고정된 한 쌍의 제 1 냉각롤(54a, 54b), 이동가능한 한 쌍의 제 2 냉각롤(55a, 55b), 상기 이동가능한 제 1 냉각롤(55a, 55b)을 이동 가능하게 해주는 컨베이어 벨트(56) 및 벨트의 장력을 조절해 주는 장력조절 롤(57a, 57b)를 포함한다. 상기 이동가능한 제 2 냉각롤(55a, 55b)은 컨베이어벨트(56) 상을 이동하며 작업자의 설정 위치에서 일정한 압력으로 폴리우레탄 발포물을 가압한다. 상기 장력조절 롤(57a, 57b)은 상기 이동가능한 제 2 냉각롤(55a, 55b)의 이동방향에 대하여 수직인 방향으로 좌우 이동하며 컨베이어벨트(57a, 57b)의 장력을 조절한다. 상기 제 1 냉각롤(54a, 54b)도 폴리우레탄 발포물에 압력을 가하는 데 제 1 냉각롤 (54a, 54b) 및 제 2 냉각롤(55a, 55b)이 가하는 압력은 동일한 것이 바람직하다. 또한 제 1 냉각롤(54a, 54b) 및 제 2 냉각롤(55a, 55b)이 폴리우레탄 발포물에 가하는 압력은 일정하다.
실험예 1
제조예 1에서 제조된 폴리우레탄 발포물을 사용하여 실시예 1의 제조장치로 폴리우레탄 발포물을 제조하였다. 실시예 1의 제조장치는 지름이 450 mm인 제 1 두께 조정롤 및 제 2 두께 조정롤를 사용하였고 두께는 300 ㎛로 조정하였다. 또한 경화 세팅룸 내부의 온도조건을 15℃, 습도조건을 60 %RH 로 설정하였다. 상기 제조장치에 의하여 제조된 폴리우레탄 폼 시트의 물성을 평가하여 표 2에 나타내었다.
특 성(단위) 측정값 측정방법
Thickness(mm) 1.2 ASTM D-1777
Weight(g/m2) 550 ASTM D-3776
Tensile(Kg/2.54cm) L 37 ASTM D-1682
W 35
Elongation(%) L 55 ASTM D-1682
W 80
Tongue Tear(Kg) L 8.0 ASTM D-2262
W 9.0
Adhesion(Kg/cm) L 4.4 DIN 53357
W 4.0
Hydrolysis(10% NaOH) Pass ASTM D-1184
(참고) 1)원단: 니들 부직포(0.8MM) 사용(우레탄 함침포) 2)신발용 물성에 적용
실험예 2
제조예 2에서 제조된 폴리우레탄 발포물을 사용하여 실시예 1의 제조장치로 폴리우레탄 발포물을 제조하였다. 실시예 1의 제조장치는 지름이 450 mm인 제 1 두께 조정롤 및 제 2 두께 조정롤를 사용하였고 두께는 1000 ㎛로 조정하였다. 또한 경화 세팅룸 내부의 온도조건을 15℃, 습도조건을 60 %RH 로 설정하였다. 상기 제조장치에 의하여 제조된 폴리우레탄 폼 시트의 물성을 평가하여 표 3에 나타내었다.
항 목 단위 측정값 측정방법
Thickness mm 1.0
Density g/cm3 0.45 JIS K 6401
Tensile Strength kgf/cm2 32 JIS K 6251
Tear Strength kgf/cm 8.7 JIS K 6252
Elongation % 320 JIS K 6251
25% Compress Load Deflection kgf/cm2 4.3 JIS K 6254
Compression Set % 4.9 JIS K 6401
(참고) 1)물성 측정치는 전자제품용(노트북,핸드폰)의 물성 측정 2)실시예2의 제품을 시험실시
본 발명은 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법 및 제조장치에 의하여 제조된 폴리우레탄 폼 시트는 경화, 발포 및 고화반응이 균일하게 유지되어 품질의 균일성을 확보할 수 있으며 도포시 온도조건을 조절하고 경화시 온도 조건 및 습도 조건을 조절하여 물성 향상 및 시트의 변형율을 최소화 할 수 있다. 부가적으로 유기용제를 사용하지 않으므로 환경 친화적인 제조공정을 제공할 수 있다. 또한 폴리우레탄 발포물의 원료인 우레탄 프리폴리머에 히드록시기를 반응기로 가지므로 제조 단계에서 수분에 대한 안정성을 유지할 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 작업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 용제형 폴리우레탄 합성 피혁의 전자 현미경 사진이다.
도 2는 제조예 1에서 제조된 폴리우레탄 폼 시트를 사용하여 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 폴리우레탄 폼 시트의 전자 현미경 사진이다.
도 3은 제조예 2에서 제조된 폴리우레탄 폼 시트를 사용하여 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 폴리우레탄 폼 시트의 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 측면도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 경화 세팅룸의 내부 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 시트 제조 장치의 경화 세팅룸의 내부 단면도를 나타낸 것이다.

Claims (17)

  1. 폴리우레탄 발포물을 준비하는 단계;
    제 1 이형지 및 제 2 이형지 사이에서 상기 폴리우레탄 발포물을 가압하면서 도포하고 40 ℃ 내지 60 ℃의 범위로 온도를 조절하여 상기 폴리우레탄 발포물의 두께를 조정하는 두께 조정 단계;
    상기 제 1 이형지 및 제 2 이형지의 외면을, 시간 경과에 따라 순차적으로 압력을 감소시키면서 가압하여 경화시키는 경화 단계;
    상기 경화된 폴리우레탄 발포물로부터 제2 이형지를 박리시키는 제 2 이형지 박리단계 ;
    상기 제 2 이형지가 박리된 도포면에 원단을 접합시키는 원단 접합단계;
    상기 원단 접합물을 상온에서 숙성시키는 숙성 단계; 및
    제 1 이형지를 박리하는 제 1 이형지 박리단계를 포함하는 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리우레탄 발포물을 준비하는 단계는 용제가 없는 상태에서 말단부에 수산기를 포함하는 우레탄 폴리올 프리폴리머와 이소시아네이트를 반응시키는 단계 및 상기 반응물을 기계 발포시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 경화단계는 10 내지 20℃의 온도 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가압 경화단계는 30 내지 80 %RH의 습도 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 이형지를 공급하는 제 1 이형지 공급부;
    제 2 이형지를 공급하는 제 2 이형지 공급부;
    제 1 이형지 공급부 및 제 2 이형지 공급부로부터 제 1 이형지 및 제 2 이형지를 공급받아 제 1 이형지 및 제 2 형지 사이에 폴리우레탄 발포물을 도포하고 가압하면서 두께를 조정하는 두께 조정부;
    상기 폴리우레탄을 발포시키고 상기 폴리우레탄 발포물을 두께 조정부로 분출시키는 믹싱헤드 장치;
    상기 제 1 이형지 및 제 2 이형지 사이에서 두께 조정부에 의하여 두께가 조정된 폴리우레탄 발포물을 경화시키는 경화 세팅룸;
    경화 세팅룸을 통과한 폴리우레탄 발포물로부터 제 2 이형지를 박리 시켜 수거하는 제 1 수거부;
    제 2 이형지가 박리된 폴리우레탄 발포물의 도포면에 원단을 공급하는 원단 공급부;
    공급된 원단을 도포면과 압축 접합시키는 접합 부; 및
    상기 원단이 접합된 폴리우레탄 발포물을 수거하는 제 2 수거부를 포함하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제 1 이형지 공급부, 제 2 이형지 공급부, 제 1 수거부 원단 공급부 및 제 2 수거부는 롤 장치인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 두께 조정부는 제 1 두께 조정롤 및 상기 제 1 두께 조정롤과 마주보는 제 2 두께 조정롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제 1 두께 조정롤 및 제 2 두께 조정롤은 온도 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제 1 두께 조정롤 및 제 2 두께 조정롤의 지름은 동일하며 상기 두께 조정롤의 지름은 350 내지 550 mm인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 경화 세팅룸은 복수개의 냉각롤 쌍을 포함하며 각쌍의 두 개의 냉각롤은 서로 대칭적으로 마주보도록 배치되며 각 냉각롤 사이로 투입된 코팅물을 양쪽에서 가압하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 복수개의 냉각롤 쌍은 코팅물의 이동방향에 따라 각각 폴리우레탄 폼 시트의 목표 두께치의 50 내지 100%의 두께가 형성될 수 있도록 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  14. 제 13항에 있어서, 코팅물의 이동방향에 따라 배치된 냉각롤 쌍들에 의하여 순서대로 각각 가해지는 압력이 순차적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  15. 제7항에 있어서, 상기 경화 세팅룸은,
    경화 세팅룸의 상단부에 배치되고 폴리우레탄 발포물을 가압하는 한 쌍의 제 1 냉각롤;
    상기 제 1 냉각롤 하부에 배치되어 폴리우레탄 발포물을 가압하고 수직방향으로 이동가능한 제 2 냉각롤;
    상기 제 1 냉각롤 및 제 2 냉각롤의 둘레에 배치되어 상기 제 2 냉각롤을 이동시키는 컨베이어벨트; 및
    상기 제 2 냉각롤의 이동방향과 수직한 방향으로 좌우 이동가능하고 상기 컨베이어벨트의 장력을 조절하여 상기 컨베이어 벨트를 수직방향으로 이동시키는 장력조절 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제 1 냉각롤 및 제 2 냉각롤은 폴리우레탄 발포물에 일정한 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제 1 냉각롤 및 제 2 냉각롤이 가하는 압력이 동일한 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼 시트 제조장치.
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