KR100677190B1

KR100677190B1 - 수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100677190B1
Application number: KR1020010017033A
Authority: KR
Inventors: 채수하
Original assignee: 덕유패널 주식회사
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2007-02-01
Also published as: KR20020076863A

Abstract

본 발명은, 종래의 폴리우레탄 샌드위치 패널 제조시 발포제로서 CFC-11과 같은 환경파괴 물질을 사용하던 것에 대하여 완전한 환경친화성을 갖는 물을 발포제로 사용하여 제조한 수발포 폴리우레탄 패널 및 그 제조방법을 제공한다.

샌드위치 패널, 폴리우레탄, 수발포, 환경친화

Description

수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널 및 그 제조방법{Water-foamed polyurethane sandwich panel and process for manufacturing it}

도 1은 본 발명에 따른 수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널 제조공정의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 수발포 폴리우레탄 패널 및 종래 패널의 소재강판의 굴절 각도를 비교하는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 수발포 폴리우레판 발포체 및 종래 CFC-11 발포체의 열전도율을 비교하는 그라프이다.

도 4는 본 발명에 따른 수발포 폴리우레탄 발포체 및 종래 CFC-11 발포체의 압축강도 및 굴곡강도를 비교하는 그라프이다.

도 5는 본 발명에 따른 수발포 폴리우레탄 발포체 및 종래 CFC-11 발포체의 온도 및 습도에 따른 변화율을 비교하는 그라프이다.

도 6는 본 발명에 따른 수발포 폴리우레탄 발포체 및 종래 CFC-11 발포체의 흡수율을 비교하는 그라프이다.

본 발명은 수발포 폴리우레탄 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로 본 발명은, 종래의 발포 패널, 특히 폴리우레탄 샌드위치 패널 제조시 발포제로서 CFC-11과 같은 환경파괴 물질을 사용하던 것에 대하여 완전한 환경친화성을 갖는 물을 발포제로 사용하여 제조한 수발포 폴리우레판 패널 및 그 수발포 제조방법에 관한 것이다.

건축용 조립식 건물 시공시 사용되는 패널은 내장재의 종류에 따라서 크게 두가지로 대별되고 있다. 첫째는 EPS (일명:스치로폴) 패널로 미리 가공된 EPS를 사용하여 제품을 생산하는 것으로 경제적인 장점이 있기 때문에 일반적으로 사용하고 있으나 단열성이 열악하여 에너지 소비가 증가하는 단점이 존재한다.

둘째는 우레탄 패널로 MDI와 RESIN이라는 액상 원료를 이용하여 제품을 생산하는 것으로 가공성이 용이하고 단열성이 매우 우수하여 에너지 절감에 기여한다

국내에서도 에너지 문제와 관련되어 현재는 우레탄 패널사용량이 증가하는 추세에 있으며 그와 관련된 기술도 병행하여 향상되고 있다.

우레탄은 MDI와 RESIN을 혼합시 형성되는 것으로 RESIN내에는 발포제가 함유되어있다. 현재 국내에서 건축 패널을 생산시 사용되는 발포제는 CFC-11 이라는 프레온이지만 이 물질은 지구 오존층의 파괴와 온난화에 악영향을 미치는 물질로 판명이 되어 이미 선진국에서는 사용금지가 되어있으며 이물질 사용하여 생산된 제품도 수입을 금지하고 있다. 또한 국내에서도 2009년 이후에는 전면 사용금지되고 매 년 사용량을 감축해야 되는 현실이다.

CFC-11이후의 발포제는 HCFC-141b가 사용되고 있지만 이 물질 또한 환경적인 요인으로 인하여 선진국에서는 2002년까지 우리나라와 같은 개발 도상국에서는 2030년까지 사용가능하나 그 규제 강도가 더욱 가속될것으로 사료된다.

따라서 향후 발포제 사용규제에 제한을 받지 않고 환경적인 피해도 전혀 발생 하지 않는 순수 물만을 사용하여 개발된 수지원료를 사용하여 현재의 건축 패널 생산설비의 보완작업이 없이 그대로 이용하여 생산조건 조절과 철판 모양을 개선 하여 현재와 동등하거나 그 이상의 물리적 성질을 건축 패널을 국내최초로 생산가능하였으며, 생산된 제품은 일본에도 수출가능한 개발기술이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 발포 폴리우레탄 패널 제조시 발포제로서 CFC-11과 같은 프레온, 즉 환경파괴 물질을 사용하던 것에 대하여 완전한 환경친화성을 갖는 물을 발포제로 사용하여 제조한 환경친화성 수발포 폴리우레판 패널을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 수발포 폴리우레판 패널의 개선된 제조방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널은 수발포 폴리우레탄 원액을 샌드위치 패널용 상,하부 소재강판 사이에 예열, 주입하여 발포, 숙성 및 경화시키고 이를 필요한 길이로 절단하는 재단, 항온냉각, 이송 및 적재의 연속식공정으로 제조한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 수발포 폴리우레탄 원액은, 수산기 값이 300~500mgKOH/g인 폴리에스테르 폴리올 5~35중량%와 폴리에테르폴리올 95~65중량%로 혼합하여 조성되고 혼합후 관능기가 2~5이고 수산기 값이 200~500mgKOH/g인 혼합폴리올 85~90중량%,인계 난연제 5~7중량% 의 폴리옥시에틸렌에테르 7~20중량%, 촉매 0.5~3.0중량%, 유기정포제 0.5~2.0중량%, 2~5중량%의 물로 구성된 레진프리믹스와 유기폴리이소시아네이트의 혼합물로 이루어지며, 이를 상기 연속식 공법을 적용하여 수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널로 제조한다.

폴리우레탄은 사용하고자 하는 용도에 따라 경질, 연질, 반경질, CASE분야로 분류된다.

경질 폴리우레탄 폼은 자체의 단열성, 경량성, 완충성 등의 성질을 활용하여 단독 또는 타재료와 복합화하여 단열재, 경량구조재, 완충재등으로써 광범위하게 사용되고 있고, 단열재중에서 열전도율이 최고로 낮아 단열재로써의 응용이 전체의 80~90%를 점유하고 있다.

또한 150°C의 고온영역으로부터 인공위성 발사로켓의 연료탱크(-235°C)와 같은 극저온 영역까지 광범위한 온도 영역에서 사용할 수 있는 유일한 단열재이고, 용도는 가전분야, 건축분야, 창고 및 공장 분야 ,철도, 선박분야, 생활용품 분야, 스포츠, 통신분야 등이다.

연질폴리우레탄 폼은 크게 운송, 가구 및 포장재료 분야로 나누어지며, 각각의 비율은 약 운송 42%, 가구 47% 및 포장, 기타 11% 정도이고, 용도중 운송분야에서는 주로 MDI계 이소시아네이트(Isocyanate)를 사용하며, 가구 및 포장재료 분야에서는 TDI계 이소시아네이트(Isocyanate)를 사용한 제품이 이용되고 있다.

특징으로는 양호한 쿠션성, 기계적 강도(신율, 인장강도, 내마모성)가 좋고, 개방형 기포(Open Cell) 구조를 가짐으로써 통기성이 좋고, 배합처방에 따른 광범위한 비중과 다양한 물성을 조절할 수 있다

반경질 폴리우레탄 폼은 통상 연질폼과 경질폼의 중간 압축강도 및 경도를 나타내며, 0.15~1.0g/cm³밀도에서 충격에너지 흡수성을 이용한 응용분야에 널리 사용되고, 원액의 흐름성(유동성),충격후 회복성등이 양호,저밀도 및 속경화가 가능하다. 용도로는 몰드 반경질 폼 , 인티그랄 스킨폼, 리엑션 인젝션 몰딩등이 있다.

마지막으로 일정한 형태를 띄지않고 접착제,합성피혁, 스판덱스(Spandex) 등에 사용되는 비폼(Non Foam)분야로 구별된다.

본 발명에 적합하게 사용할 수 있는 경질 폴리우레탄 수지의 구성인자는 일반적으로 다음과 같다.

구성성분	사용량 (중량기준)	비고
폴리올	100
정포제	1 ~ 3
난연제	0 ~ 10
촉매	0 ~ 3
가교제	0 ~ 3
기타 첨가제	0 ~ 2
물	0 ~ 4	화학적발포제
발포제(프레온)	0 ~ 40	물리적발포제
Polymeric MDI	130 ~ 140

상기 구성인자의 특징과 조건을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

1. 이소시아네이트

아닐린과 포름알데히드가 축합되어 생성된 디페닐메탄디아민(MDA, Diphenylmethane Diamine)에 포스겐(Phosgene, COCl₂)을 처리하여 얻어지는 물질이 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)이다. 반응생성물은 여러종류의 이성질체 및 다핵체를 포함하지만, 이것을 정제하면 Pure MDI (혹은 Crude MDI)로 분리된다. Monomeric MDI는 상온에서 백색 고체이기 때문에 카르보디이미드(Carbodiimide)변성 MDI 혹은 우레톤이민(Uretonimine) 변성 MDI와 같은 액상으로 변성시켜 사용한다.

Polymeric MDI는 상온에서 액체이며, 제품의 평균관능기수는 2.3~3.0 수준이고 점도와 반응성, NCO%함량에 의해 특성화 된다. 제품의 점도는 제품의 평균분자량 및 NCO%함량에 의해 좌우되고, 냉장고, 컨테이너, 스프레이(Spray), 건축용 단열재 제조 및 자동차의 내장재 제조 등 주로 사용된다.

Monomeric MDI는 스판덱스,합성피혁,엘라스토머, 코팅 및 실란트등 주로 무발포 폴리우레탄에 사용된다.

상기 Polymeric MDI와 Momomeric MDI를 비교하면 다음 표와 같다.

	Monomeric MDI	Polymeric MDI
분자량	250.3	360~400
성상(실온)	고체	액체
색상	백색~담황색	갈색
비중	1.19 at 40℃	1.24 at 25℃
점도(cps at 25℃)	-	100~3,000

2. 폴리올

폴리올은 분자말단에 -OH기를 갖고 있는 올리고머로서, 이소시아네이트와 반응하여 우레탄폼 폴리머의 주 사슬을 형성한다. 경질 폴리우레탄 폼의 물리적 성질은 이 폴리올의 개시제, OHV, 관능기 등에 의존한다.

경질폼은 높은 독립기포율, 강한 물리적 강도 및 우수한 치수 안정성을 필요로 하기때문에, 폴리올은 가교 밀도가 높은 다관능의 개시제에 소량의 에틸렌옥사이드나 프로필렌옥사이드를 부가한 것으로, OHv가 250∼600의 저분자량 (300∼700, 분자사슬이 짧다) 구조를 갖는다.

종류는 크게 폴리에스테르형태, 폴리에테르형태로 구별된다.

Polyester Type :

Polyether Type :

3. 정포제 ( Si-SURFACTANT )

경질용 정포제는 발포과정중 다음 같은 작용을 한다

① 유화 작용

- Foam 성분들을 서로 제한적인 용해도를 갖고 있다.

- Si-Surfactant는 각 성분들을 미세하고 균일하게 분산시켜 줌.

② 셀안정화작용

- 기포 불안정화로 인한 셀의 파괴, 합일 및 셀막이 엷어지는 현상의 방지

③ 셀성장작용

- 기포를 성장시키고, 기포간 압력차를 낮춰 가스의 확산을 막고 우레탄 셀이 커지고 불균일화 되는 것을 예방

④ 분산작용

- 반응물들의 표면장력을 낯추어 혼합시 삽입된 가스를 분산시켜 줌으로써 다수의 작은 기포들을 형성

4. 난연제

일반적으로 경질 폼은 연소성이 있기 때문에 자체적으로 소화될수 있도록 난연제를 첨가하여 그 소화성능을 조절하며 할로겐계와 인계로 구분되며 세분하여 비반응형과 반응형분류되고 요구되는 성능은 다음과 같다.

① 원재료, 첨가물과의 혼합성이 좋을 것

② 최종제품의 기계적인 성질에 영향을 주지않을 것

③ 연소시 발연 및 독성가스의 발생이 적을 것

5. 촉매 (CATALYST)

화학반응 속도는 원재료의 화학구조와 반응 혼합물의 온도와 함께 사용하는 촉매에 의해 영향을 받는다.

이소시아네이트와 활성수소함유 화합물(폴리올)의 반응에 사용되는 촉매는 사용량에 따라 반응성 외에 반응 혼합물의 유동성과 폼 등 생성물의 표면/Core층 형성에 관여하는 공정상의 제반사항과 얻어진 생성물의 물성에 영향을 미친다. 폴리우레탄 폼 제조에 널리 상용되는 촉매로는 3급 아민(Tertiary Amine) 화합물이며 시중에 다양한 제품들이 유통되고 있다. 이들 각각의 제품들은 제품의 특성에 따라 우레탄 폼 제조시 특정반응만을 촉진하는 역할을 하기 때문에 두 종류 이상의 촉매를 조합하여 사용하는 것이 보편화 되어 있으며, 활성화 촉매, 지연성촉매로 분류된다.

6. 발포제 (BLOWING AGENT)

우레탄 폼을 발포시키며, 반응열을 일부 흡수하여 폼 내부 온도의 과열을 방지하고, 레진의 점도를 강하하고, 셀내의 기상으로 존재하여 열전도율을 조절하는 역할을 한다.

① 물리적 발포제 : 레진에 혼합된 발포제가 반응중 발생되는 반응열에 의해 기화되어 발포제로 작용.

② 화학적 발포제 : 물, 산(Acid) 등은 이소시아네이트와 화학반응을 하여 이산 화탄소를 발생시키며 이 이산화탄소가 폼을 발포시키는 역할을 하는 것

하기 표는 발포제들의 물성 및 지구온난화지수 및 오존파괴지수를 비교한 것이다.

	CFC-11	HCFC-141b	C-PENTANE	이산화탄소
분자식	CCl₃F	CH₃CCl₂F	C₅H₁₀	CO₂
분자량	137.4	117	70	44
비점(℃)	23.8	32.2	49	--
ODP	1.0	0.1	0	0
GWP	1.0	0.1	0.0004	0.0007
ODP : Ozone Depletion Potential (오존 파괴 지수) GWP : Global Warming Potential (지구 온난화 지수)

상기와 같은 구성의 폴리 우레탄 수지 구성인자를 이용하여 폴리우레탄 발포제를 형성하는 화학반응은 다음과 같이 설명된다.

기본적인 우레탄결합은 활성 수산기(-OH)를 갖고있는 알콜과 이소시아네 이트기 (Isocyanate Group, -N=C=O)를 갖고있는 이소시아네이트가 부가 중합 반응에 의해 반응열을 발생시키며 형성된다.

1개 이상의 이소시아네이트기 (-NCO Group)를 갖고있는 이소시아네이트류 와 1개 이상의 수산기(-OH)를 갖는 알콜류를 다관능기라고하며 관능기가 적정 조건하에서 고온의 열을 발산시키면서, [-NHCOO-]n의 구조를 가진 화합물질을 생성시키는데 이것을 우레탄 결합이라고 하며, 1000이상의 분자가 결합된 것을 폴리우레탄(Polyurethane)이라고하며, 이 반응이 주로 발생하며 프레온처럼 물리적 발포제가 액상에서 기상으로 변화를 할 수 있는 반응열을 제공한다.

물리적 발포제를 사용하지 않고 화학적 발포제를 사용하는 반응은 다음의 반응식으로 이해를 도울수 있으며, 다관능 알콜과 반응한 Isocyanate는 동시에 물(H₂O)와 반응하여 우레아(Urea)와 이산화탄소(CO₂)를 생성한다.

한편, 본 발명에 적합하게 이용되는 연속식 건축패널생산 공정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

경질 폴리우레탄 폼을 사용한 단열판넬는 극히 우수한 단열성능, 자기접착성, 제조 간편성 및 다양성 등의 특징과 방수효과, 가공성과 시공성의 용이, 면재와의 접착성이 우수, 자기부력성, 작업환경개선, 난연성 향상, 기후조건에 안정적, 쾌적 한 생활환경 제공 등으로 인하여 소비자의 사용량이 증가되고 있는 추세이다.

면재로 철판을 이용하는 건축패널은 코일을 일정위치에 고정을 하여 외관상 이상유무 및 품질을 확인하고 성형라인으로 이송을 하면 벽체 또는 지붕형에 알맞은 모형으로 성형을 실시한다. 이렇게 성형된 철판은 예비가열지역에서 35℃~50℃내에서 원하는 일정한 온도로 예열하고 하판의 상부면에 MDI와 수지가 고압 기계발포기에 의해 혼합되어 주입된다. 주입된 액상의 원액은 경화지역을 통과하면서 고상의 단열재 변화되고 그후 일정한 모양으로 절단하는 재단공정과 이송라인을 걸치면서 완전한 제품으로 생산된다. 이때, 숙성경화공정을 거치며 수발포 발열반응열이 그대로 남아있어 제품에 특히 강판에 웨이브(Wave) 현상이 일어날 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 재단라인후에 냉각라인을 적용할 필요가 있다.

이러한 공정을 개략적으로 나타낸 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

A 공정 (철판준비 및 이송 라인)

발생현상 : 용도 불량, 접착력 불량,

관리항목:철판의색상, 철판의 변형상태, 철판의 표면상태 (이물질 부착등)

B 공정 (제품성형 라인)

발생현상 : 용도변경(지붕형, 벽체의 불일치), 규격의 부적합,

철판의 상태

관리항목 : 용도에 맞는 프로파이일링(제품성형기)설치, 경화 오븐(Oven)

과 동일한 이동속도, 철판의 이물질 부착여부 및 표면상태(청소)

C 공정 (예비 가열)

발생현상 : 접착력 불량

관리항목 : 보일러나 스팀(Steam)의 적정가동상태, 적정한 온도 관리

(35℃~50℃), 분위기 조건

D 공정 (주입 발포)

발생현상 : 폼의 수축, 폼의 크랙, 미충진, 접착력 불량.

관리항목 : 발포기의 순환압, 토출압 (약 130bar), 원액의 온도 관리

(20℃~23℃), 적절한 토출량, 정확한 원액비율, 폼의반응성 및

밀도, 발포기 헤드의 이동속도, 원액의 퍼짐 상태.

E 공정 (경화 라인)

발생현상 : 불안전한 경화(수축), 과대한 부풀음, 폼의 샘(Leak)

관리항목 : 정확한 사이드블럭설치, 적절한 온도 관리(40~50℃),

사이드 페이퍼의 정확한 삽입위치

F 공정 (재단 라인)

발생현상 : 부정확한 치수 (조립시 문제가 발생)

관리항목 : 톱날의 정확한 위치, 주라인과의 동일한 이동속도

G 공정 ( 냉각라인, 항온실)

발생현상 : 수발포 발열반응열에 의한 소재 강판의 웨이브

관리항목 : 항온설비(상온냉각), 계절온도에 따른 온도조절,

컨베이어 평탄도 확보.

F 공정 (제품이송 및 적재 라인) * 도면에는 도시하지 않음.

발생현상 : 제품의 낙하 가능성, 제품의 변형, 종합적인 판단

관리항목 : 제품이동시 낙하 가능성, 주라인과의 동일한 이동속도, 적재시

제품 중간에 완충제 삽입, 일정이상의 제품 적재 금지

위와 같은 건축패널 생산 공정에서 본 발명에 따라 특징적으로 개발된 특히 고려해야할 개선점들은 다음과 같다.

1. 철판 각도조절

연속식 건축패널는 상판과 하판의 철판이 이송하는 도중에 성형기에 의하여 일정한 모양 및 각도를 유지하면서 생산하게 되어 있다. 모양은 다양한 종류를 생산할 수 있는 중요한 인자로 작용하고 크게는 지붕재와 벽체 용도로 구별할수 있다. 여기서 철판의 각도는 제품의 불량률과 밀접한 관계를 가지고 있으며 일반적인 프레온 사용하는 경우에는 표면의 불량이 많이 발생하지 않아 각 업체에서 큰 고려를 하지 않고 있는 부분이다.

그러나 대체발포제인 완전 물을 사용할 때 물리적 발포제인 프레온이 없기 때문에 내부에서 발생되는 열이 많아 우레탄 선팽창계수와 철판의 선팽창계수의 차이로 인하여 철판 표면 불량이 많이 발생한다. 따라서 철판 외관의 불량을 감소하고 최종적으로 완벽한 제품을 생산하기 위하여 현재의 철판 각도 25。보다 더 큰 각도 40。로 철판 표면을 성형하여 외력에 견디는 강도를 증가하여 하였다. 이러한 본 발명의 각도조절 개선 특징을 도 2에 도시한다.

각도조절로 인하여.

① 생산성 감소 저하 방지

② 불량률의 감소

③ 제품의 강도 향상

④ 외력에 의한 저항 증가의 장점을 들수 있다.

2. 철판 온도 조절

우레탄 단열재를 이용한 패널생산은 이피에스 패널과 비교하여 상,하부위의 철판 온도가 10℃정도 높게 유지되어야 최종제품에서 내부 단열재와 이격이 없이 접착력이 양호하다. 또한 우레탄 원재료중 발포제를 CFC-11을 사용하면은 기타 발포제와 비교하여 비점이 24℃로 상대적으로 낮기 때문에 제품생산시 철판의 온도를 35℃정도 내외로 관리하여도 접착력 불량이 발생하지 않는다.

그러나 프레온 발포제를 사용하지 않고 완전 물[水]을 사용할 때는 물의 비점이 높기 때문에 우레탄 폼 표면이 얇아 접착력이 열악해지는 경향이 있어 이를 극복하기 위해서 현재 생산에 적용중인 온도보다 약간 높게 조절하여 바람직하게는 약 35-50℃로 유지하여 철판 표면의 활성도를 증가하여 우레탄 발포폼과의 접착력을 현재 사용중인 제품과 동등하거나 그 이상으로 유지 할수 있었다.

본 발명의 완전수발포 원액의 조건 및 특징에 대하여 설명하면 다음과 같다.

1. 폴리우레탄 폼 물성

한국공업규격(KS M 3809-1992)에 "폴리이소시아네이트,폴리올 및 발포제를 주제로 하여 면재사이에서 발포시켜 자기접착에 의해 샌드위치 모양으로 성형한 면재 부착한 판모양의 보온재"의 적요에 해당되는 건축용 우레탄 패널은 보온관 종류중 2종 2호(중밀도)에 해당되며 그 물성규격은 다음과 같다.

종 류			밀도 kg/m³	열전도율 kcal/mh℃	굽힘강도 kgf/cm²	압축강도 kgf/cm²	흡수량 g/100cm²	비고
보온판	2종	1호	45이상	0.020↓	3.5↑	1.5↑	3.0↓	고밀도
		2호	35이상	0.020↓	2.5↑	1.0↑	3.0↓	중밀도
		3호	25이상	0.021↓	1.5↑	0.8↑	3.0↓	저밀도

1) 밀도 : 제품 생산규격과 관련된 사항으로 단열재 우레탄 폼의 두께를 그대로 사용하거나 일정한 치수로 절단하여 가로,세로의 길이가 약100×100mm하여 부피와 무게를 측정하여 밀도를 구한다.

밀도(Kg/m³)= 무게(Kg) / 부피(m³)

2) 강도 : 패널용 경질 폴리우레탄 발포체의 강도는 기본적으로 다음 두 가지를 측정한다.

① 압축강도(Compressive Strength): 경질 폼의 강도 물성 중 하나로써 폼이 외부의 압축 변형력에 견디어 내는 정도를 알 수 있다. 측정방법은 발포 방향에 대하여 수직 또는 수평으로 폼(Foam) 높이의 10%를 압축하여 표면적 대비 강도를 측정한다.

압축강도(Kgf/cm²)= 변형 하중(Kgf)/ 시험편의 단면적(cm²)

② 굴곡강도(Flexural Strength): 경질 폼의 강도 물성 중 하나로써 폼이 외부의 횡형력에 견디어 내는 정도를 알 수 있다. 측정은 일정한 치수로 제단된 폼의 길이방향에 대하여 가장자리에 받침대로 고정하고 중앙에서 힘을 가할 때 부러지는 강도를 측정한다.

굴곡강도(Kgf/cm²)=[3×최대하중(kgf)×스팬(cm)] / [2×폭(cm)×두께²(cm²)]

3) 열전도율(Thermal Conductivity): 어떤 물질이 열을 전달하는 능력을 말하며, 이것으로 경질 폼의 단열성능을 측정한다. 이 수치가 낮을수록 단열성이 우수하다. (단위= Kcal/mhr℃)

4) 흡수량 (Water Absorption) : 닫힌 구조로 이루워진 경질 우레탄 폼의 일정 면적당 물을 흡수하는 하는 성질을 나타내는 것으로 낮을수록 양호하다.

흡수량(g/100cm2 )= {[ 최종무게 - 기준무게 ]/

[2×(나비×길이+길이×두께+두께×나비)]} × 100

5) 치수안정성(Dimensional Stability): 일정한 크기를 갖는 폼이 외부 변화(저온, 고온, 고온+고습)에 의해 발생하는 치수 변형의 정도를 말한다. 변형의 형태는 수축, 팽창 등의 형태를 띈다.

치수안정성의 측정 방법

* 저온 안정성 : -30℃, 24시간 경과 후 부피변화 측정

* 고온 안정성 : 70℃, 24시간 경과 후 부피변화 측정

* 고온 고습 안정성 : 상대습도 95%,70℃, 24시간 경과후 부피변화 측정

부피 변화율 = (V2-V1) / V1

V1 = 변화 전 부피, V2 = 변화 후 부피

이하, 실시예로서 본 발명을 구체화하지만 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 :

폴리이소시아네이트로는 이소시아네이트기 함량이 31.2 중량% 이며 점도 는 197cps/25℃인 것을 사용하였다. 그리고 레진 프리믹스는 혼합폴리올, 발포제, 촉매, 유기규소정포제를 다음 표에 나타낸 조성으로 혼합하여 제조하였다. 그런 다음 25±1℃로 조절된 레진프리믹스와 폴리이소시아네이트의 인덱스가 1.1이 되게 중량비를 계산하여 합계 400g이 되도록 혼합하고 7초간 격렬하게 교반한 후, 200×200×200mm³ 나무 박스에 주입하여 반응성과 발포체의 외관 및 촉감을 확인하고, 이소시아네이트와 레진혼합원액을 900×210×50mm³ 알류미늄 몰드에 주입 폴리우레탄 발포체를 성형하여 익일에 열전도율, 치수안정성, 압축 및 굽힘강도, 밀도를 측정하여 그 결과를 다음 표에 나타내었다.

레진프리믹스 조성물 중에서 폴리올의 배합량을 변화하면서 물성을 측정한 결과(실시예 1-4) 혼합폴리올 사용량을 줄이고 글리세린에 에틸렌옥사이드가 부가된 폴리올 D를 사용량을 증가시키면 레진프리믹스 점도를 낮춰 흐름성이 좋아지고, 발포체의 강도 및 열전도율도 개선된다. 그러나 너무 많이 사용하면 발포체의 강도, 열전도율, 치수안정성이 떨어진다.

조 성 및 물 성		실 시 예
조 성 및 물 성		1	2	3	4
처방(중량부)	폴리올 A	100	90	80	60
	폴리올 C	0	10	20	40
	Water	3.9	3.9	3.9	3.9
	난연제	8	8	8	8
	B-8409	1.5	1.5	1.5	1.5
	Polyadd-40	0.4	0.4	0.4	0.4
	PC-8	0.4	0.4	0.4	0.4
이소시아네이트 (중량부)	M-200	157	155	153	150
강 도¹⁾ (굽힘kgf/cm²) (압축kgf/cm²)		2.8 1.5	3.8 2.6	4.1 2.7	3.8 2.5
열전도율²⁾ (Kcal/mhr℃)		183	181	179	181
치수안정성³⁾(Vol %) 고온(70℃) 저온(-20℃)		0.55 -0.49	0.23 -0.27	0.35 -0.46	0.89 -0.64

○ 폴리올 A : 오르토톨루엔디아민/트리에탄올아민에 프로필렌옥사이드를 부가중합시켜 만든 폴리올(OHv 390mgKOH/g)과 설탕/글리세린을 개시제로 하고 프로필렌옥사이드를 부가중합시켜 만든 폴리올(OHv 360mgKOH/g)과 글리세린에 프로필렌옥사이드를 부가중합시켜 만든 폴리올 (OHv 280mgKOH/g)을 일정비율로 혼합하여 OHv를 350mgKOH/g으로 조절한 혼합폴리올

○ 폴리올 C : 글리세린에 에틸렌옥사이드를 부가중합시켜 만든 폴리에테르 폴리올, OHv 280mgKOH/g

레진프리믹스의 혼합비율을 다음 표와 같이 하여 위의 조건과 동일한 조건으 로 발포시켜 익일에 열전도율, 치수안정성, 압축 및 굽힘강도, 밀도를 측정하여 그 결과를 다음 표에 나타내었다.

레진프리믹스 조성물 중에서 모노올의 사용량을 변화하면서 물성을 측정한 결과(실시예 5-8) 모노올이 증가할수록 수축율(치수안정성)은 다소 나빠지나 흐름성(Just Packing)과 탈형성이 개선되고 열전도율이 좋아짐을 알 수 있다. 너무 많이 사용하면 강도, 치수안정성이 급격하게 떨어짐을 알 수 있다.

처 방 및 물 성		실 시 예
처 방 및 물 성		5	6	7	8
처 방(중량부)	폴리올 B	80	80	80	80
	폴리올 C	20	20	20	20
	모노올	0	10	20	30
	난연제	8	8	8	8
	Water	3.9	3.9	3.9	3.9
	B-8404	2	2	2	2
	Polyadd-40	5.2	5.2	5.2	5.2
	PC-8	0.2	0.2	0.2	0.2
이소시아네이트 (중량부)	M-200	159	161	163	166
흐름성(g)		405	392	387	382
강 도 (굽힘kgf/cm²) (압축kgf/cm²)		2.5 1.7	4.0 2.9	4.1 3.1	2.9 1.4
열전도율 (Kcal/mhr℃)		184	181	176	175
치수안정성(Vol %) 고온 at 70℃ 저온 at -20℃		0.21 -0.22	0.26 -0.21	0.34 -0.28	0.74 -0.94

○ 폴리올 B :오르토톨루엔디아민/트리에탄올아민에 프로필렌옥사이드를 부가중합시켜 만든 폴리올(OHv 390mgKOH/g)과 설탕/글리세린을 개시제로하고 프로필 렌옥사이드를 부가중합시켜 만든 폴리올(OHv 360mgKOH/g)과 테라프탈산에 에틸렌글리콜로 축합하여 만든 폴리에스테르폴리올 (OHv 320mgKOH/g)을 일정비율로 혼합하여 OHv를 365mgKOH/g으로 조절한 혼합폴리올

상기 실시예 및 평가에 의거, 본 발명에서는 폴리올의 특성을 다음과 같이 개선하였다.

글리세린, 트리에탄올아민, 펜타에리스리톨, 톨루엔디아민, 디아미노디페닐메탄, 솔비톨, 설탕을 개시제로하고 산화프로필렌 단독 또는 산화에틸렌과 산화프로필렌을 혼합하여 부가중합시켜 형성된 폴리에테르폴리올 과 테라프탈산, 프탈산과 1,4부탄디올 또는 에틸렌글리콜을 탈수 축합시킨 폴리에스테르폴리올을 혼합하여 사용하고 여기에 일정양의 글리세린에 에틸렌옥사이드를 부가중합시킨 폴리에테르폴리올을 추가로 사용하여, 강도, 치수 안정성 등을 개선하였다.

또한 일정량의 4급 암모늄염 삼량화 촉매를 사용하여 발포체의 탈형성을 개선하였다. 이는 암모늄염 삼량화 촉매가 발포체의 결합구조에 육각형 형태의 환 모양을 형성하여 결합력이 강한 이소시아누레이트를 형성하고 이 같은 모양은 열전도율과 결합구조상의 안정성에 큰 영향을 미친다.

이러한 레진 프리믹스를 구성하는 혼합 폴리올은 평균 관능기가 2~5이고, 평균 수산기가 300~700 mgKOH/g인 폴리에테르폴리올과 관능기와 평균수산기가 같은 폴리에스테르폴리올을 95:5~65:35의 중량비로 혼합폴리올에 글리세린을 개시제로 하여 에틸렌옥사이드를 부가 중합시킨 수산기가가 200~500 mgKOH/g의 폴리에테르폴리올을 95:5~80:20의 중량비로 재2차 혼합한 혼합폴리올을 사용한다. 만일 혼합비가 상기의 범위를 벗어나는 경우는 혼합폴리올의 점도가 변동되어 흐름성이 나빠지고, 결합구조가 달라져 폴리우레탄 발포체의 경도 및 성형성, 탈형성 및 기계적 강도가 악화되는 문제가 야기된다.

본 발명에서 사용하는 촉매는 다음과 같이 선정된다.

우레탄 발포제의 제조에 사용되는 촉매는 두 종류가 있다. 첫째로는 패널용 경질 폴리우레탄 발포체에 통상적으로 사용되는 아민촉매를 이용하는 것이 가능하나 바람직한바, 예를 들면 수지화 촉매로서 펜타메틸렌디에틸렌 트리아민 (PMDETA, Pentametylenediethylene triamine), 디메틸시클로헥실아민(DMCHA, Dimethylcyclohexyl amine), 테트라메틸엔-헥실디아(TMHDA, Tetra Methhyl-n-HexylDiAmine) 등의 촉매들 중에서 선택한 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 촉매는 전체 레진 프리믹스 중에 0.2~1.5 중량%로 함유되는 것이 바람직한 바, 만일 그 함량이 0.2 중량% 미만이면 반응이 지연되어 경화 불량으로 생산효율 및 품질이 저하되고, 1.5 중량%를 초과하면 반응이 빨라 미충진 및 발포체의 크랙이 발생하여 가공시 제품 불량이 발생한다.

둘째로는 경질 폴리우레탄 발포체 내부에 우레탄 작용기보다는 이소시아누레이트 작용기를 형성되게 하는 4급 암모늄염 삼량화 촉매를 사용하는 것이며, 예를 들면, N-하이드록시-알킬 퀘터레리 암모니움 카보시레이트, 트리스 (디메틸아미노메틸)페놀, 블렌디드 4급 암모늄염, 1,3,5-트리스(3-(디메틸아미노)프로필) 헥사히이드로-s-트라이진등 중에서 선택한 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 촉매는 전체 레진 프리믹스중에 0.3~1.5 중량%로 함유되는 것이 바람직한바, 만일 그 함량이 0.3 중량% 미만이면 반응이 지연되고 접합력을 강화시키는 이소시아누레이트 형성이 미진하여 발포체의 탈형성이 나쁘고 1.5 중량%를 초과하면 발포체의 내부 반응열이 증가하여 스커치 현상이 발생할 수 있으며, 과량의 이 소시아누레이트기를 형성하여 발포체 외관 및 촉감이 나빠진다.

정포제는 이소시아네이트와 레진 프리믹스중의 물이 반응하여 이산화탄소를 발생하고, 발생된 가스가 반응열에 의해 팽창하여 발포체에 셀이 형성될 때, 생성된 셀이 합일, 파괴되는 것을 방지하고 균일한 셀이 형성되도록 조정하는 역할을 하며, 그 종류는 통상적으로 연속식 패널용 경질 폴리우레탄 발포체 제조에 사용되는 것을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 전체 레진 프리믹스 중에 0.5~2.0 중량%로 함유하는 것이 좋다.

본 발명의 발포제는, 순수한 물만이 사용되고 전체 레진프리믹스에 2.0~5.0 중량%로 함유되는 것이 좋다. 만일 2.0 중량% 미만으로 사용이 되면 발포체의 밀도가 높아져 원료 소모가 많고, 몰드가 충분히 채워지지 않는 미충진이 발생하며, 5.0 중량%를 초과하면 발포체의 표면이 부스럭거림이 심하여 면재와의 접착력이 약화되고 발포압이 높아 탈형성도 나빠지며, 밀도가 낮아져 원하는 강도가 나오지 않게 된다.

발포체 제조시, 유기폴리이소시아네이트의 인덱스는, 렌진프리믹스와 이소시아네이트기의 함량이 28∼32 중량%인 유기폴리이소시아네이트를 인데스 1.0~1.5으로 조절하여 연속식 패널용 경질 폴리우레탄 발포체를 제조할수 있지만 ,가장 좋은 발포체를 형성시키기 위해서는 1.0~1.3사이가 가장 이상적이다. 이때 적용되는 유기 폴리이소시아네이트 인덱스가 매우 중요하게 작용된다. 인덱스가 0.90이하가 되면 탈형성이 열악해지는 경향이 있으며, 인덱스가 1.3 이상이 되면 발포체의 경화가 속도가 느려져 첨가제 사용량이 증가해지는 경제적인 측면과 발포체 표면의 부스러지는 현상(Friability)이 증가하는 경향을 보인다.

이를 종합하여 수산기 값이 300~500mgKOH/g인 폴리에스테르 폴리올 5~35중량%와 폴리에테르폴리올 95~65중량%로 혼합하여 조성되고 혼합후 관능기가 2~5이고 수산기 값이 200~500mgKOH/g인 혼합폴리올 85~90중량%,인계 난연제 5~7중량% 의 폴리옥시에틸렌에테르 7~20중량%, 촉매 0.5~3.0중량%, 유기정포제 0.5~2.0중량%, 2~5중량%의 물로 구성된 레진프리믹스와 유기폴리이소시아네이트를 현장적용평가를 실시하여 생산판매할수 있는 결과를 도출하였다.

현장평가의 우레탄 폼 물성 비교

	CFC-11사용 제품	All Water 사용제품
밀도,kg/m3	41.5	39.6
열전도율,kcal/mhr℃	160	182
압축강도,kgf/cm2	1.98	2.81
굴곡강도,kgf/cm2	4.4	4.9
흡수율,g/100cm2	0.98	1.14
저온/고온/고습변화율,%	-0.53/1.57/3.2	-0.60/1.02/1.80

상기 물성 비교표에서 확인되는 바와 같이 공지 CFC-11 사용 폴리우레탄 폼과 본 발명에 따른 수발포 폴리우레판 폼을 비교한 결과, 본 발명에서 사용하는 폴리우레탄 폼이 물성이 모두 규격에 적합하였으며, 공지의 CFC-11 사용 폴리우레탄 폼과 비교할 때에도 동등 이상의 물성을 나타내어, 공지의 것을 대체하여 환경친화적으로 널리 사용될 수 있을 것이다.

본 발명은 건축용 폴리우레탄 패널을 제공하는 것으로 본 발명에 따라 종래에 우레탄 패널 제조시 발포제로서 CFC-11과 같은 환경파괴 물질을 사용하던 것에 대하여 완전한 환경친화성을 갖는 물을 발포제로 사용함으로써, 환경 오염문제를 완전히 제거할 수 있게 되었으며, 개선된 연속식 제조공정으로 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims

건축용 발포 폴리우레탄 샌드위치 패널에 있어서,

300~500mgKOH/g인 폴리에스테르 폴리올 5~35중량%와 폴리에테르폴리올 95~65중량%로 혼합하여 조성되고 혼합후 관능기가 2~5이고 수산기 값이 200~500mgKOH/g인 혼합폴리올 85~90중량%, 인계 난연제 5~7중량% 의 폴리옥시에틸렌에테르 7~20중량%, 촉매 0.5~3.0중량%, 유기정포제 0.5~2.0중량%, 2~5중량%의 물로 구성된 레진프리믹스와 유기폴리이소시아네이트의 폴리우레탄 수지 원액을 소정 형태로 성형된 샌드위치 패널용 상부 및 하부 소재강판 사이에 주입하고 발포, 숙성, 경화시켜 제조한 수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널.
300~500mgKOH/g인 폴리에스테르 폴리올 5~35중량%와 폴리에테르폴리올 95~65중량%로 혼합하여 조성되고 혼합후 관능기가 2~5이고 수산기 값이 200~500mgKOH/g인 혼합폴리올 85~90중량%, 인계 난연제 5~7중량% 의 폴리옥시에틸렌에테르 7~20중량%, 촉매 0.5~3.0중량%, 유기정포제 0.5~2.0중량%, 2~5중량%의 물로 구성된 레진프리믹스와 유기폴리이소시아네이트를 혼합하여 폴리우레탄 수지 원액을 제조하는 한편, 샌드위치 패널용 상부 및 하부 소재강판을 소정 형태로 성형가공하고 예열하며, 상기 폴리우레탄 수지 원액을 소재강판 사이에 주입하고, 발포, 숙성, 경화시켜 소정의 형태로 재단하고 이송 및 적재의 연속공정으로 수발포 폴리우레탄 샌드위치 패널을 제조하는 방법.
제 2항에서, 소재 강판의 굴절 각도를 40。 부근으로 성형함을 특징으로 하는 수발포 폴리우레판 패널을 제조하는 방법.
제 2항에서, 예열 온도를 약 35-50℃로 함을 특징으로 하는 방법.
제 2항에서, 재단공정후 수발포 반응열을 제거하기 위한 항온실 냉각공정을 적용함을 특징으로 하는 방법.