KR100759066B1 - 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 개질 리모넨 용제를 준비하는 단계; 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 준비하는 단계; 개질 리모넨 용제 100중량부에 대하여, 폐 발포폴리스티렌 50~300중량부를 첨가하여 교반함으로써 졸 상태의 수득물을 생성하는 단계; 및 개질 콜로이드 규산나트륨 용액 100중량부에 대하여, 졸 상태의 수득물 100~200중량부를 첨가하여 교반함으로써 겔 상태의 수득물을 생성하는 단계를 포함하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 기존 용제로 많이 사용되던 리모넨이 갖고 있는 냄새를 줄이고, 리모넨의 비점이 낮아 작업시 위험을 줄이고 안정성을 높이며, 안정제 및 슬립핑제를 첨가하여 교반시 점성도를 조절하고 기계적, 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있다.

폐 발포폴리스티렌, 난연성, 개질 리모넨 용제

Description

폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌 제조방법{Preparation method of incombustible polystyrene using waste expanded polystyrene}

본 발명은 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 용제를 사용할 경우 문제가 되던 냄새문제와 안정성 문제를 해결하고, 소재의 기계적 및 물리화학적 특성을 향상시킨 난연성 폴리스티렌을 제조하는 방법에 관한 것이다.

발포폴리스티렌은 폴리스티렌 수지에 펜탄이나 부탄 등 탄화수소 가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 부풀린 발포제품으로 체적의 98%가 공기이고 나머지 2%가 발포폴리스티렌이다.

이 발포폴리스티렌은 다양한 용도로 사용되고 있으나 화재 시 불에 쉽게 인화가 되어 많은 화염과 유독가스를 발생시키고, 자연환경 내에서 잘 분해되지 않아 환경오염을 유발하는 물질이 되고 있다.

따라서 근래에 이와 같은 환경오염을 유발하는 폐 발포폴리스티렌을 재활용하여 환경오염을 줄이고 경제성을 창출하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

종래에는 폐 발포폴리스티렌을 회수하여 재활용을 하기 위한 방법으로 대부 분의 폴리스티렌 폐기물 감량을 목적으로 열분해하여 잉곳을 생산하고, 이 잉곳을 이용하여 액자, 일상생활의 일용품을 생산하고 있다. 즉 물리적인 방법을 이용하여 재활용을 하고 있다. 또한 폐 폴리스티렌을 석유계통의 화학약품 용제를 이용하여 부피를 축소하는 화학적인 처리방법을 이용하여 왔다.

그러나 이 화학적인 처리방법에 사용되는 용제는 사용 시에 화학약품의 위험성과 더불어, 화학약품의 특유한 냄새 및 성분으로 인하여 인체에 나쁜 영향을 미치기 때문에 문제가 있었다.

또한, 오렌지 추출물의 d-리모넨 용제를 이용하여 용해하는 방법도 사용되어 왔는데 이 리모넨 원액을 그대로 사용할 때 발생하는 진한 냄새와 낮은 비점으로 인하여 안정성이 떨어진다는 문제가 있었다.

환경부가 추진하는 21세기의 국내 프론티어 사업의 목표로 폴리스티렌 재활용연구가 지목되고 있는 시점에서 안정하게 친환경적인 방법으로 처리될 수 있는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 폐 발포폴리스티렌을 개질한 테르펜 계통 물질의 용제를 이용하여 안전하게 회수하고, 개질한 규산나트륨 및 첨가제를 가하여 졸-겔 콤포지트화된 난연성 폴리스티렌의 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 환경오염을 유발하는 폐 발포폴리스티렌을 재활용하여 환경오염을 줄이고, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 난연성 폴리스티렌을 이용하여 화재 시 유독가스의 발생을 억제시킬 수 있는 난연성의 건축자재를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 a) 개질 리모넨 용제를 준비하는 단계; b) 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 준비하는 단계; c)상기 개질 리모넨 용제 100중량부에 대하여, 폐 발포폴리스티렌 50~300중량부를 첨가하여 교반함으로써 졸 상태의 수득물을 생성하는 단계; 및 d)상기 개질 콜로이드 규산나트륨 용액 100중량부에 대하여, 상기 c)단계를 통해 생성한 수득물을 100~200중량부를 첨가하여 교반함으로써 겔 상태의 수득물을 생성하는 단계를 포함하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 a)단계 및 b)단계는 시간적인 선후에 제한받지 않고 어느 단계를 먼저 수행하여도 본 발명이 이루고자 하는 효과를 얻을 수 있다.

폴리스티렌은 스티렌의 중합체로서 무색투명하고, 비결정성의 열가소성수지이며 비중은 d²³=1.04~1.07이며, 유리전이온도는 82℃이다. 또한, 기계적 강도가 약하고 신장이 적으며, 특히 점화를 하면 특유의 냄새와 함께 검은 연기를 내면서 타고, 무극성 고분자로서 무색이며 상온에서 단단한 투명성 수지이다.

이와 같이 폴리스티렌은 무극성 물질이기 때문에 화학 특성상 무극성을 갖고 있는 용제인 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 아세톤, 메틸에틸케톤, 디클로로메탄, 디에틸에테르, 디메틸설폭사이드, 초산에스테르 등의 용제에 쉽게 용해된다.

그러나 상기 용제들을 사용하게 될 경우에는 냄새가 심하고, 환경적인 면에서 인체에 유해하므로 문제가 있다. 이에 테르펜 종류에 속하는 오일종류의 물질인 리모넨 용제를 그대로 사용하는 경우도 있으나 특유의 냄새와 낮은 비점으로 인해 작업성에 문제점이 있다.

본 발명에 사용되는 폴리스티렌 용제는 용해성과 용해의 효율성이 우수하고, 환경적인 측면도 고려한 안정한 용제를 사용한다.

상기 개질 리모넨 용제는 리모넨 용제 100중량부에 대하여, 하이드록시 아파타이트, 활성 알루미나, 제올라이트, 백토 및 규조토로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물 5~25중량부를 첨가한 것이 바람직하다.

다만, 리모넨 용제에 국한되는 것이 아니라 본 발명의 목적에 따라 폴리스티렌을 용해시킬 수 있는 테르펜 종류의 모든 용제를 포함하며, 상기 테르펜 종류의 용제에 개질제를 첨가하여 상기 용제가 가지고 있는 문제점을 개선할 수 있다.

상기 리모넨 용제의 개질제로 사용되는 화합물들은 리모넨이 갖고 있는 특유의 냄새를 줄여주는 역할을 한다. 이때, 상기 개질제로는 하이드록시 아파타이트를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

특히, 하이드록시 아파타이트(HAP)는 인산칼슘계의 화합물로 항균제, 냄새 흡착제, 폴리머 현탁제 등으로 사용되며, 발포폴리스티렌을 안정한 졸 상태로 만드는 역할을 한다. 뿐만 아니라, 용제의 계면장력을 감소시켜서 모노머(monomer)를 작고, 안정하게 분산 시키고, 모노머 표면에 흡착하여 응집을 방지하여 졸-겔 공정시스템에 유익한 물적 특성을 제공해주는 역할을 한다.

즉, 하이드록시 아파타이트는 수지를 용해시켰을 때 현탁 안정제로서 분산한 모노머 반응을 안정화하여 응집을 억제시켜주는 역할을 한다.

또한, 상기 개질 리모넨 용제는 상기 리모넨 용제 100중량부에 대하여, 레시틴, 칸델릴라 왁스 및 스테아린산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 안정제 3~15중량부 및 올레아마이드, 에루카 아마이드 및 스테아린산 아마이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 슬립핑제 0.1~10중량부를 더 첨가한 것이 바람직하다.

리모넨 용제는 비점이 낮아서 용해를 시킬 때 위험할 수 있으므로 이러한 위험성을 줄이기 위해 안정제 및 슬립핑제를 첨가한다.

다만, 상기 개질한 용제는 리모넨 용제에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 목적에 따라 폴리스티렌을 용해시킬 수 있는 다른 테르펜 종류의 물질을 포함할 수 있다.

게다가, 상기 개질 콜로이드 규산나트륨 용액은 콜로이드 규산나트륨 용액 100중량부에 대하여, 탄산칼슘, 수산화알루미늄, 무기섬유, 스테아린산계 지방산염, 규산마그네슘 및 수산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물 3~50중량부를 첨가한 것이 바람직하다.

규산나트륨의 특성은 산을 첨가하면 중화반응에 의해서 pH가 낮아지고, 실록산 결합이 진행됨에 따라 점도가 상승하여 겔의 형태가 된다. 또한, 금속이온과 반응하여 불용성의 규산염 금속수화물 또는 규산 등을 생성하여 겔화가 되고, 유기화합물인 알코올류 또는 아세톤 등을 가한 반응에서도 겔을 형성한다.

콜로이드 규산나트륨은 폐 발포폴리스티렌의 고분자 유기합성수지와 분산혼합이 양호하게 이루어지지 않는다. 이러한 규산나트륨 용액의 친수성을 소수성으로 전환하기 위해서 콜로이드 규산나트륨에 탄산칼슘, 수산화 알루미늄 및 무기섬유, 스테아린산계 지방산염, 규산마그네슘 및 수산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 첨가하고 교반하여 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 제조할 수 있다.

이때, 상기 교반 후에 스테아린산계 지방산염을 더 첨가하여 교반하여 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 제조하는 것이 바람직하다.

상기 스테아린산계 지방산염은 규산나트륨 용액의 친수성을 소수성으로 전환하는데 특히 효과적이다.

다만, 상기 규산나트륨 용액을 개질하기 위하여 첨가하는 물질이 콜로이드 규산나트륨 용액 100중량부에 대하여 3중량부 미만으로 첨가하게 되면 규산나트륨의 친수성이 소수성으로 전환이 되기 어렵고, 폐 발포폴리스티렌의 고분자 유기합 성수지와 분산혼합이 잘 이루어지지 않는다는 문제가 있고, 50중량부를 초과하여 첨가하게 되면 재료의 특성상 무게가 많이 나가고 효과에 비해 비용이 많이 들어 비효율적이라는 문제가 있다.

상기 개질 콜로이드 규산나트륨 용액은 폴리스티렌과의 분산 혼합이 잘되고 혼합성이 우수하다는 장점이 있다.

아울러, 상기 d)단계는 15~60℃의 온도에서 400~900rpm의 교반속도로 1~3시간 동안 교반한 것이 바람직하다.

상기 온도범위를 벗어난 온도로 교반하는 경우에는 완전혼합이 이루어지기 전에 겔 현상이 이루어져 바람직한 불연성 콜로이드 용액을 얻을 수가 없다는 문제점이 있다.

또한, 상기 900rpm을 초과하는 교반속도로 교반하는 경우에는 엉김현상이 일어나서 분산혼합이 잘 이루어 지지 않고, 400rpm 미만의 교반속도로 교반하는 경우 교반 효율이 떨어진다는 문제가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법에 따라 제조된 난연성 폴리스티렌을 이용하여 제조한 난연성 건축자재를 제공한다.

즉, 상기 제조방법에 따라 제조된 난연성 폴리스티렌을 튜브 건에 넣어 사용하거나 일정한 금형의 틀에 넣어 성형하여 난연성 건축자재를 만들 수 있다.

기존 복합재료의 경우 그 물질의 제반특성은 원재료의 제반 특성이 반영되는데 그치지만, 이종재료를 분자수준에서 공존을 시켜서 복합화한 하이브리드 재료의 경우 원재료의 성질과는 전혀 다른 특성을 가진 신규재료가 된다.

즉, 졸-겔 공정법을 이용하여 폐 발포폴리스티렌을 개질한 리모넨 용제로 용해시켜 졸 상태의 수득물을 생성하고 상기 졸 상태의 수득물에 개질한 규산나트륨 및 첨가제를 첨가하여 폴리스티렌을 제조할 수 있고, 상기 난연성 폴리스티렌을 이용하여 각종 난연성 건축자재를 제조할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 난연성 폴리스티렌의 제조방법은,

첫째, 개질된 리모넨 용제를 사용하여 폐 발포폴리스티렌을 용해시킴으로써, 테르펜 물질의 특유의 냄새를 줄이고, 낮은 비점으로 인한 위험성을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 개질된 콜로이드 규산나트륨 용액을 사용하여 교반 시에 점성도를 향상시켜 소재의 기계적 물성을 높여주고 규산나트륨 용액의 친수성을 소수성으로 전환하여 분산혼합이 잘 이루어지도록 하는 효과가 있다.

셋째, 유기무기 졸-겔 콤포지트를 이용하여 원재료의 성질과는 전혀 다른 화재 시 열적 안정성이 높고, 유독가스를 배출하지 않는 새로운 특성을 가진 난연성 폴리스티렌을 제조할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최 선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 1을 참고하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌을 제조하는 과정을 설명하도록 한다.

실시예 1

1) 개질 리모넨 용제의 준비

테르펜 종류의 물질인 리모넨 용제 100g에 하이드록시 아파타이트 20g을 첨가하고 900rpm의 교반속도로 3시간동안 교반하여 제조한 개질 리모넨 용제를 준비하였다(S110).

2) 개질 콜로이드 규산나트륨 용액의 준비

콜로이드 규산나트륨 100g을 500ml 비이커에 넣고 교반을 하면서, 탄산칼슘 10g 및 수산화알루미늄 10g을 첨가하여 700rpm의 교반속도로 3시간 동안 교반한 후, 다시 스테아린산 칼륨 15g을 첨가하고 700rpm의 교반속도로 2시간 동안 교반하여 제조한 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 준비하였다(S120).

3) 졸 상태의 수득물 생성

상기 준비한 개질 리모넨 용제를 100g 취하여 500ml 비이커에 넣고, 500rpm으로 교반을 하면서 5mm 이하로 분쇄한 폐 발포폴리스티렌 200g을 서서히 첨가하여 완전히 용해시킨 다음, 다시 900rpm으로 2시간 동안 완전한 졸 상태가 될 때까지 교반하여 졸 상태의 수득물을 생성하였다(S130).

4) 겔 상태의 수득물 생성

상기 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 온도 40℃에서 교반속도 500rpm으로 교반을 하면서 상기 졸 상태의 수득물을 서서히 첨가하여 완전하게 분산혼합이 되도록 교반을 하고, 다시 교반속도 900rpm으로 2시간 동안 교반하여 겔 상태의 수득물을 생성하였다(S140).

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

Claims (6)

1. a) 개질 리모넨 용제를 준비하는 단계;

   b) 개질 콜로이드 규산나트륨 용액을 준비하는 단계;

   c)상기 개질 리모넨 용제 100중량부에 대하여, 폐 발포폴리스티렌 50~300중량부를 첨가하여 교반함으로써 졸 상태의 수득물을 생성하는 단계; 및

   d)상기 개질 콜로이드 규산나트륨 용액 100중량부에 대하여, 상기 c)단계를 통해 생성한 수득물을 100~200중량부를 첨가하여 교반함으로써 겔 상태의 수득물을 생성하는 단계를 포함하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 개질 리모넨 용제는,

   리모넨 용제 100중량부에 대하여, 하이드록시 아파타이트, 활성 알루미나, 제올라이트, 백토 및 규조토로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물 5~25중량부를 첨가한 것을 특징으로 하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 개질 리모넨 용제는

   상기 리모넨 용제 100중량부에 대하여, 레시틴, 칸델릴라 왁스 및 스테아린산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 안정제 3~15중량부 및 올레아마이드, 에루카 아마이드 및 스테아린산 아마이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 슬립핑제 0.1~10중량부를 더 첨가한 것을 특징으로 하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 개질 콜로이드 규산나트륨 용액은,

   콜로이드 규산나트륨 용액 100중량부에 대하여, 탄산칼슘, 수산화알루미늄, 무기섬유, 스테아린산계 지방산염, 규산마그네슘 및 수산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물 3~50중량부를 첨가한 것을 특징으로 하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 d)단계는,

   15~60℃의 온도에서 400~900rpm의 교반속도로 1~3시간 동안 교반한 것을 특징으로 하는 폐 발포폴리스티렌을 이용한 난연성 폴리스티렌의 제조방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 난연성 폴리스티렌을 이용하여 제조한 난연성 건축자재.

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