KR100632146B1 - 발포폴리스티렌 폼의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것으로서, 그 목적은 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입 스티렌중합체, 공중합체를 110 내지 130의 고배율로 발포하고 이후에 건조공정을 거친 발포비드를 숙성기인 사일로에서 숙성할 때 60 내지 90℃의 증기를 공급하면서 숙성시킴으로써 숙성시간을 적어도 ¼ 내지 ½ 로 대폭적으로 줄일 수 있으며, 이로 인하여 사이클 타임의 줄임은 물론 작업성 및 생산성의 향상을 꾀할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 발포기 내에 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입의 스티렌중합체, 공중합체를 투입하여 발포하는 발포공정; 상기 발포공정에 의해 발포된 발포비드를 건조시키는 건조공정; 상기 건조공정에 의해 건조된 발포비드를 숙성기인 사일로에서 숙성시키는 숙성공정; 상기와 같이 숙성된 발포비드를 성형기에 공급한 다음, 배기, 가열, 냉각한 후 빼내는 성형공정; 이렇게 성형된 성형품 내의 수분제거와 잔류펜탄 등의 제거 및 변형방지를 위해 건조시키는 건조공정을 포함하는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서, 상기 발포공정은 원자재를 정상적인 발포배율(최대 98배)보다 10 내지 30%이상 향상된 배율로 발포하며, 상기 숙성공정은 60 내지 90℃의 증기를 2시간 내지 4시간동안 가하면서 숙성하는 것을 특징으로 한다.

발포폴리스티렌, 발포배율, 제조방법

Description

발포폴리스티렌 폼의 제조방법{process for producing expanded polystyrene form}

본 발명은 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발포 공정에서 통상의 발포배율보다 높은 배율(예를 들어, 110 내지 130배)로 발포한 후 건조하고 숙성기에서 60 내지 90℃의 증기를 가하면서 숙성하여 발포폴리스티렌 폼의 생산, 작업시간이 대폭적으로 줄어들고 원자재의 절감을 꾀할 수 있는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 발포폴리스티렌 폼은 통상 스티로폼이라고 통칭되고 있고 그 용도는 무궁무진하나 포장용 상자, 건축용 보온 단열재, 일회용 컵, 헬멧심재 등으로 사용되고 있다. 이러한 발포폴리스티렌 폼의 제조과정은 발포공정, 건조공정, 숙성공정, 성형공정 및 건조공정을 포함하며, 성형공정에서 하나의 큰 덩어리로 성형한 경우에는 소정의 두께로 절단하는 절단공정이 부가될 수도 있다.

상기 발포공정은 발포제를 함유하고 있는 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입으로 된 스티렌중합체, 공중합체를 발포기 내에 투입한 후, 발포증기압력이 0.2~0.3㎏f/㎠이고 증기온도가 104~106℃인 증기에 의해 소정의 발포배율로 발포한다. 이때, 스티렌중합체, 공중합체의 통상적인 발포배율은 88 내지 98배로 알려져 있다.

상기 발포증기압력은 양질의 증기를 사용하는 것이 중요하며, 양질의 증기를 사용하기 위하여 통상 5 내지 7㎏f/㎠의 압력으로 공급되는 증기를 2개의 감압밸브를 통해 1차, 2차로 감압하여 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 증기압력을 단계적으로 낮추는 이유는 증기의 온도를 원하는 온도로 맞추기 위한 것이다.

상기 건조공정은 발포기 내에서 발포된 발포비드는 습한 상태이다. 이러한 습한 상태의 비드는 성형에 적합하지 못하기 때문에 정상적으로 숙성이 완료되기 전까지는 건조되어야 하며, 이렇게 발포비드를 건조하는 이유는 숙성시간을 단축하여 필요로 하는 숙성 사일로의 용량을 감소시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 열풍의 온도가 20~30℃이고 만약 비드내의 초기 수분함량이 6 내지 10%이며 비드가 자유롭게 움직일 때의 수분함량을 1%라고 한다면 체류시간은 3 내지 5분이 되어야 한다.

이와 같이 발포비드가 건조되고 나면 숙성 사일로로 이송시켜야 하는데, 이와 같이 발포직후 비드는 조그마한 외력에도 쉽게 변형될 수 있고 이러한 변형은 비드를 발포할 때의 비중보다 커져 최종성형품의 중량상승으로 이어져 생산수율이 저하된다. 따라서 발포비드의 변형을 최소화하는 방법으로 송풍기의 에어를 이용하고 있다.

상기 숙성공정은 발포폴리스티렌의 성형을 만족시키기 위하여 통상 8시간 내 지 48시간 동안 숙성시키는 것이며, 그 목적은 공기의 흡수와, 건조를 마무리하고 발포제를 감소시키기 위함이다.

상기의 발포 공정에서 발포된 발포비드는 스티렌 중합체, 공중합체를 발포시키면 펜탄가스와 수증기의 혼합물로 가득 차는데, 발포비드가 냉각되면 수증기는 응축되어 물로 되고, 잔류펜탄은 폴리스티렌에 다시 용해됨과 동시에 물과 함께 비드 밖으로 확산된다. 이로 인하여 발포비드 내의 압력이 대기압보다 낮게 되어 조그만 힘을 받아도 쉽게 변형되게 된다.

이러한 상태에서 성형하는 것은 적합하지 아니하며, 다시 증기를 충분히 주입하여 융착에 필요한 적정한 수준까지 비드 내의 압력을 높여 비드 내외의 압력이 평형을 이루도록 하기 위하여 발포비드를 숙성시키게 된다. 이는 숙성로인 사일로에서 공기가 발포비드 내부로 확산(흡수)되는 속도가 물과 펜탄이 비드 밖으로 확산되는 속도보다 빠르기 때문이다. 상기 발포비드 내외의 압력이 평형을 이루는데 필요한 시간은 발포비드의 크기에 비례하고 발포비드의 밀도에 반비례한다.

또한 이와 동시에 상기 발포비드를 사일로에 방치하면 건조가 이뤄지는데, 최소한 성형에 악영향을 주지 않을 정도의 건조가 바람직하다. 제대로의 건조가 이뤄지지 않아 수분이 많은 촉촉한 상태의 발포비드는 서로 달아 붙어 금형 안에 발포비드의 충전을 방해한다. 이러한 발포비드는 열용량이 비교적 높아 정전기를 일으킬 정도의 수분을 포함해서는 아니 된다.

상기와 같이 숙성하는 동안에 발포비드는 비드의 크기, 공기의 온도 및 통풍속도에 따라 다소 차이가 있으나 발포제인 펜탄이 감소된다. 펜탄의 감소는 바람직 한 것이나 최적펜탄함량은 발포폴리스티렌의 종류, 밀도, 성형조건에 따라 다르기 때문이다. 펜탄의 함량이 극도로 감소되면, 성형물의 융착이 불충분하고 강도가 떨어지고 다량의 수분을 함유하여 부숴 지기 쉽게 된다. 반대로, 펜탄의 함량이 너무 많으면 성형주기가 길어지고 이로 인해 과도한 수축이 일어날 수 있다.

상기 성형공정은 성형기의 금형을 예비 가열하고 이후에 발포입자인 발포비드를 가득 채우면 발포입자간의 공간이 대략 40%정도 남아 있는 상태이며, 이러한 상태에서 금형내의 공기를 배기시켜 진공으로 형성한 후, 증기온도가 108 내지 116℃이고 포화증기압이 0.4 내지 0.8㎏f/㎠인 증기를 금형 내부로 공급하여 금형 내의 발포입자를 가열하면, 발포입자 내에 남아 있는 발포제의 기화시 체적팽창에 의해 발포입자가 재발포하여 입자간의 공간을 메워 상호 열융착 됨으로써 금형의 성형공간과 동일한 형상의 성형품을 얻을 수 있다.

이와 같이 가열직후의 발포입자가 서로 융착된 블록의 내부온도는 108 내지 116℃로 폴리스티렌의 연화온도보다 높고 내압(발포압)도 1.0 내지 1.8㎏f/㎠로 높기 때문에, 블록의 내부온도 및 내압을 충분히 낮춘 상태에서 금형으로부터 꺼내야 팽창에 의한 블록의 변형을 방지할 수 있다. 상기에서 예시한 경우에는, 블록의 내부온도는 90℃이하이고 내압(발포압)도 0.1㎏f/㎠이하에서 꺼내면 블록의 변형이 발생되지 않는다.

상기 건조공정은 성형기의 금형 내에서 발포폴리스티렌의 성형을 마무리하여 성형품(제품)을 꺼내면, 셀의 내부압력이 대기압보다 낮아 외부의 찬 공기와 접하면 쉽게 응축되어 수축되기 쉽고 공기나 수분을 흡수하려는 성질을 가지며, 또 성 형품 내에는 증기의 응축에 의해 수분이 잔존하는 것을 제거하기 위하여 열풍을 가하여 충분히 건조시킨다. 이때, 열풍의 온도는 60 내지 65℃로 유지함이 바람직하다. 그 이유는 60℃이상이 되면 발포폴리스티렌의 후발포가 발생될 수 있어 제품의 손상을 가져오기 때문이다.

그러나 상기와 같은 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서는, 스티렌 중합체, 공중합체를 발포기에서 발포하는 배율이 88 내지 98배로 비교적 생산성이 낮은 것이었으며, 상기 발포기에 의해 발포된 발포비드를 사일로에서 숙성하는 숙성공정이 짧게는 8시간이고 심지어는 이틀이 소요되므로 사이클 타임이 너무 길기 때문에 작업성 및 생산성의 향상을 꾀할 수 없음은 물론 경제적이지 못하다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 개발한 것으로서, 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입의 스티렌중합체, 공중합체를 적어도 110 내지 130의 고발포배율로 발포하고 이후에 건조공정을 거친 발포비드를 숙성기인 사일로에서 숙성할 때 60 내지 90℃의 증기를 공급하면서 숙성함으로써 숙성시간을 적어도 ¼ 내지 ½ 로 대폭적으로 줄일 수 있으며, 이로 인하여 사이클 타임을 줄이게 됨은 물론, 작업성 및 생산성의 향상을 꾀할 수 있도록 한 발포폴리스티렌 폼의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적달성을 위한 본 발명에 따른 발포폴리스티렌 폼의 제조방법은, 발포기 내에 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입의 스티렌중합체, 공중합체를 투입하여 발포하는 발포공정; 이 발포공정에 의해 발포된 발포비드를 건조시키는 건조공정; 이 건조공정에 의해 건조된 발포비드를 숙성기인 사일로에서 숙성시키는 숙성공정; 이렇게 숙성된 발포비드를 성형기의 금형 내에 공급하여 채운 다음, 배기, 가열, 냉각한 후 빼내는 성형공정; 이렇게 성형된 성형품 내의 수분제거와 잔류펜탄제거 및 변형방지를 위해 건조시키는 건조공정을 포함하는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서, 상기 발포공정은 비드나 펠리트 타입의 스티렌중합체, 공중합체를 정상적인 발포배율(최대 98배)보다 10 내지 30%이상 향상된 배율로 발포하며, 상기 숙성공정은 60 내지 90℃의 증기를 2시간 내지 4시간 가하면서 숙성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 발포폴리스티렌 폼의 제조방법을 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 발포폴리스티렌 폼의 가공과정은, 위에서 설명한 종래의 가공과정과 마찬가지로, 발포공정, 건조공정, 숙성공정, 성형공정 및 건조공정을 포함하여 이루어지며, 종래의 가공공정과 차이가 나는 공정에 대해서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

발포공정

발포기 내에 원자재를 투입하고 증기에 의해 소정의 발포배율로 발포한다. 상기 원자재는 발포제를 함유하고 있는 스티렌중합체 또는 공중합체로서, 종류에 따라 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입으로 마련된다. 상기 원자재의 발포는 발포증기압력 0.2~0.3㎏f/㎠, 증기온도 104~106℃에서 발포시키되 그 발포배율은 110 내지 130배로 한다. 이와 같은 발포배율은 통상적인 발포폴리스티렌의 발포배율(88 내지 98배)보다 고배율의 발포이므로, 발포입자의 표면이 쭈글쭈글하여 요철이 형성된 상태이다.

상기 발포증기압력은 양질의 증기를 사용하는 것이 중요하며, 양질의 증기를 얻기 위하여 통상 5 내지 7㎏f/㎠의 압력으로 공급되는 증기를 2개의 감압밸브를 통해 1차, 2차로 감압하는 것에 의하여 얻는 것이 바람직하다. 이와 같이 증기압력을 단계적으로 낮추는 이유는 증기의 온도를 원하는 온도로 낮추기 위한 것이다.

건조공정

상기 발포기 내에서 발포된 발포비드는 습한 상태로서, 이러한 습한 상태의 비드는 성형에 적합하지 못하여 정상적으로 숙성이 완료되기 전까지는 건조되어야 한다. 발포비드를 건조하는 이유는 숙성시간을 단축하여 필요로하는 숙성 사일로의 용량을 감소시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 열풍의 온도가 20~30℃이고 만약 비드내의 초기 수분함량이 6 내지 10%이며 비드가 자유롭게 움직일 때의 수분함량을 1%라고 한다면 체류시간은 3 내지 5분이 되어야 한다.

이와 같이 원자재인 비드가 건조되고 나면 숙성 사일로로 이송시켜야 하는데, 이와 같이 발포직후 비드는 조그마한 외력에도 쉽게 변형될 수 있고 이러한 변형은 비드를 발포할 때의 비중보다 커져 최종성형품의 중량상승으로 이어져 생산수 율이 저하된다. 따라서 발포비드의 변형을 최소화하는 방법으로 송풍기의 에어를 이용하고 있다.

숙성공정

이 숙성공정은 발포폴리스티렌의 성형을 만족시키기 위하여 60 내지 90℃의 증기, 바람직하게는 70 내지 80℃의 증기를 2시간 내지 4시간 동안 가하면서 숙성시키는 것이다. 그 목적은 발포비드가 공기를 흡수하여 정상적인 구형으로 복원시키고, 건조를 마무리하고 발포제를 감소시키기 위함이다. 여기서, 열풍 온도를 60 내지 90℃로 하는 이유는 60℃로 이하로 되면 발포폴리스티렌의 발포 및 숙성이 제대로 이뤄지지 않아 숙성시간이 길어져 바람직하지 못하고, 90℃이상이 되면 발포비드의 재발포가 이루어져 수분함량이 급속하게 증가될 뿐 숙성이 이뤄지지 않기 때문이다.

상기의 발포 공정에서 발포된 발포비드는 펜탄가스와 수증기의 혼합물로 차있음에도 불구하고 통상적인 발포배율보다 고배율로 발포하므로 발포비드의 표면에 요철이 많은 상태, 즉 쭈글쭈글한 상태가 된다. 그러나 본 발명에서는 60 내지 90℃의 증기를 가하기 때문에 발포비드가 재발포되어 정상적인 구형으로 복원되고, 이 때 발포비드의 숙성도 이루어지게 된다.

이와 같은 조건하에서 발포비드를 2시간 내지 4시간 동안 유지시키면 성형하기에 적합하도록 발포비드가 증기를 충분히 흡수하여 융착에 필요한 적절한 수준까지 비드내의 압력이 높아지고 발포비드내외의 압력이 평형을 이루게 된다. 숙성로인 사일로에서 발포비드가 정상적인 구형으로 형성되는 이유는, 증기 중의 공기가 비드 내부로 확산(흡수)되는 속도가 물과 펜탄이 비드 밖으로 확산되어 감소되는 속도보다 빠르기 때문이다. 이렇게 60 내지 90℃의 증기로 발포비드를 숙성시키면 발포제로 사용한 펜탄을 감소시킴은 물론, 그 뒤에 일어날 수 있는 수축 또한 줄어들게 된다.

이때, 주의해야 할 점은 최소한 성형에 악영향을 주지 않을 정도의 건조가 이루어지게 된다. 상기 발포비드가 제대로 건조되지 않아 수분이 많은 촉촉한 상태이면 서로 달아 붙어 금형 안에 발포비드의 충전을 방해하고, 이 때의 열용량은 발포비드의 열용량보다 비교적 높기 때문에 성형할 때에 더 많은 열을 필요로 하기 때문이다.

상기와 같이 숙성되는 동안 발포제인 펜탄이 감소되는 것은 바람직하나, 펜탄의 함량이 극도로 감소되면, 성형물의 융착이 불충분하고 강도가 떨어지고 다량의 수분을 함유하여 부스러지기 쉽게 된다. 반대로, 펜탄의 함량이 너무 많으면 성형주기가 길어지고 이로 인해 과도한 수축이 일어날 수 있다.

최적 펜탄함량은 스티렌 중합체, 공중합체의 종류, 밀도, 성형조건 등에 따라 정하여지게 되므로 일률적으로 정하기는 어렵다.

성형공정

성형공정은 성형기의 금형을 예비 가열하고 이후에 발포입자인 발포비드를 가득 채우면 발포입자간의 공간이 대략 40%정도 남아 있는 상태이며, 이러한 상태에서 금형내의 공기를 배기시켜 진공으로 형성한 후, 증기온도가 108 내지 116℃이고 포화증기압이 0.4 내지 0.8㎏f/㎠인 증기를 금형 내부로 공급하고, 금형 내의 발포입자를 가열하면, 발포입자 내에 남아 있는 발포제의 기화에 의하여 발포비드의 체적팽창이 일어나 발포입자가 재발포하여 입자간의 공간을 메워 상호 열융착 됨으로써 금형의 성형공간과 동일한 형상의 성형품을 얻을 수 있다.

이와 같이 가열직후의 발포입자가 서로 융착된 블록의 내부온도는 108 내지 116℃로 폴리스티렌의 연화온도보다 높고 내압(발포압)도 1.0 내지 1.8㎏f/㎠로 높기 때문에, 블록의 내부온도 및 내압을 충분히 낮춘 상태에서 금형으로부터 꺼내야 팽창에 의한 블록의 변형을 방지할 수 있다. 상기에서 예시한 경우에는, 블록의 내부온도는 90℃이하이고 내압(발포압)도 0.1㎏f/㎠이하에서 꺼내면 블록의 변형이 발생되지 않는다.

건조공정

건조공정은 성형기의 금형 내에서 발포폴리스티렌의 성형을 마무리하여 성형품(제품)을 꺼내면, 성형품 중 셀의 내부압력이 대기압보다 낮아 외부의 찬 공기와 접하면 쉽게 응축되어 수축되기 쉽고 공기나 수분을 흡수하려는 성질을 가지며, 또 성형품 내에는 증기의 응축에 의해 수분이 잔존하는 것을 제거하기 위하여 열풍을 가하여 충분히 건조시킨다. 이때, 열풍의 온도는 60 내지 65℃로 유지함이 바람직하다. 그 이유는 70℃이상이 되면 발포폴리스티렌의 후발포가 발생될 수 있어 제품의 손상을 가져오기 때문이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 발포폴리스티렌 폼의 제조방법 은, 발포공정에서 비드(beads)나 펠리트(pellets) 타입의 스티렌중합체, 공중합체를 통상적인 발포배율(88배 내지 98배)보다 고발포배율(110배 내지 130배)로 발포하여 성형공정에서 형성성이 좋아지며, 동탄성이 우수한 제품을 얻을 수 있으며, 건조공정을 거친 발포비드를 숙성기인 사일로에서 숙성할 때 60 내지 90℃의 증기를 공급하면서 숙성함으로써 숙성시간을 적어도 ¼ 내지 ½ , 즉 2시간에서 4시간으로 대폭적으로 줄일 수 있으며, 이로 인하여 사이클 타임을 줄일 수 있어 작업성 및 생산성의 향상을 꾀할 수 있는 유용한 발명이다.

Claims (4)

1. 발포기 내에 비드(beads)나 원주형 펠리트(pellets) 타입의 스티렌중합체, 공중합체를 투입하여 발포하는 발포공정; 이 발포공정에 의해 발포된 발포비드를 건조시키는 건조공정; 이 건조공정에 의해 건조된 발포비드를 숙성기인 사일로에서 숙성시키는 숙성공정; 이렇게 숙성된 발포비드를 성형기의 금형 내에 공급하여 채운 다음, 배기, 가열, 냉각한 후 빼내는 성형공정; 이렇게 성형된 성형품 내의 수분, 잔류펜탄의 제거 및 변형방지를 위해 건조시키는 건조공정을 포함하는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서,

   상기 발포공정은 스티렌중합체, 공중합체를 110 내지 130배의 발포배율로 발포하며, 상기 숙성공정은 60 내지 90℃의 증기를 2시간 내지 4시간 가하면서 숙성하는 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 발포공정은 발포증기압력 0.2 ~ 0.3㎏f/㎠, 증기온도 104~106℃에서 발포시키는 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 발포공정은 발포증기압력을 단계적으로 낮추는 것을 특징으로 하는 발 포폴리스티렌 폼의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 숙성공정은 70 내지 80℃의 증기를 2시간 내지 4시간 동안 가하면서 숙성시키는 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 폼의 제조방법.