KR100837106B1 - 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 식품의 포장재, 건축용 내장재, 차량용 시트 등에 폭넓게 사용될 수 있는 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법은 (a) 펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제(nucleating agent)를 혼합하여 탄뎀 압출기(tandem extruder)의 스크류(screw)로 이동시키면서, 180∼250℃의 온도에서 혼합물을 용융시키는 공정; (b) 용융된 혼합물의 온도를 발포제(foaming agent) 투입 시점까지 170℃에서 230℃를 거쳐 180℃로 변화시키는 공정; (c) 압출기 실린더 내부의 압력을 20∼30 ㎏/㎠로 유지시킨 후, 발포제를 투입하는 공정; 및 (d) 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 발포제가 잘 혼합되어 다이(die)까지 원활히 이송되도록, 온도를 180℃에서 150℃로 변화시키고, 압력을 90 ㎏/㎠에서 120 ㎏/㎠으로 변화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 내열성, 내한성, 비흡습성, 치수 안정성, 충격 흡수성, 융착성, 강성, 복원력, 내약품성 등이 우수한 무가교 폴리우레탄 발포 시트를 안정적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 용도에 따라 발포 배율을 적절히 조절할 수 있다.
무가교 폴리프로필렌 발포 시트(non-crosslinked polypropylene foam sheet), 폴리프로필렌 단일 중합체, 핵제(nucleating agent), 탈크(talc), 발포제(foaming agent), 부탄 가스, 탄뎀 압출기(tandem extruder).

Description

무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법{A METHOD FOR MANUFACTURING OF NON-CROSSLINKED POLYPROPYLENE FOAM SHEET}
도 1의 본 발명에 따른 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조를 위한 핵심 공정을 개략적으로 설명한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시태양에 따른 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법에 있어서의 시간의 흐름에 따른 압력 변화를 나타낸 것이다.
본 발명은 각종 식품의 포장재, 건축용 내장재, 차량용 시트 등에 폭넓게 사용될 수 있는 무가교 폴리프로필렌 발포 시트(non-crosslinked polypropylene foam sheet)의 제조 방법에 관한 것이다.
종래에 합성 수지의 발포 성형체는 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지 또는 폴리스티렌계 수지를 주원료로 사용하여 제조되었는데, 폴리에틸렌계 수지 또는 폴리스티렌계 수지를 사용하여 제조된 발포 성형체는 소각시 다이옥신 등의 유독 가스를 발생시키는 등 환경 오염을 야기시키기 때문에 그 수요가 줄어들고 있는 반면에, 재생 가능한 폴리프로필렌계 수지를 사용하여 제조된 발포 성형체가 널리 사용되는 추세이다.
한편, 폴리프로필렌계 발포 성형체는 가교형과 무가교형으로 대별된다. 가교형 폴리프로필렌계 발포 성형체는 예컨대 폴리프로필렌계 수지(프로필렌 단일 중합체, 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체, 에틸렌-프로필렌-부텐 랜덤 공중합체, 프로필렌-염화비닐 공중합체, 프로필렌-부텐 공중합체, 프로필렌-무수 말레산 공중합체, 또한 이들의 2 이상의 조합)와 발포제(예: 공기 등)를 혼합·교반·용융하여 판상 또는 봉상의 1차 성형체를 제조한 후, 1차 성형체를 디카프릴 프탈레이트(dicapry phthalate, DCP) 등의 가교제에 담궈서 성형체 표면에 DCP가 침투되도록 하고, 이를 수증기에 약 10시간 정도 노출시켜 DCP가 성형체의 내부로 함침(침투)되도록 한 다음, 식품 용기 등으로 2차 성형하는 방법에 의해 제조된다. 이와 같은 방법으로 제조된 폴리프로필계 발포 성형체는 프론류(CFC류, HCFC류 등 포함)와 같은 휘발성 물질을 발포제로 사용하기 때문에 오존층 파괴 등의 문제를 야기시키며, 2차 성형시 증기 등을 사용하여 10시간 이상 발화시켜야 하기 때문에 경제성이 떨어진다. 또한, 가교 발포시에는 가교도 미달, 수지의 조기 산화, 조기 가교 및 조기 발포, 압출 토크 및 수지 압력 상승 등으로 인하여 발포체의 외관이 불량해질 수 있다.
최근에는 다음과 같은 특성으로 인하여 무가교형 폴리프로필렌 발포 성형체가 각광을 받고 있다: 우수한 내열성 및 치수 안정성; 높은 완충성 및 에너지 흡수 효과; 적절한 강도, 유연성 및 탄성; 재생 가능성; 우수한 내유성 및 내약품성; 무독성; 낮은 투수성 및 열전도성; 우수한 가공 용이성 등.
그러나, 무가교형 폴리프로핀렌 발포 성형체는 수지에 수분이 혼입되거나 압출 부하가 과다하거나 고발포의 경우에는 발포 셀이 오픈(open)되기 쉽고, 수지 밀도가 높은 경우에는 숙성 시간이 지연될 우려가 있으며, 특히 발포 배율의 조절이 용이하지 않다는 어려움이 있다. 더욱이, 수지의 흐름(유동)을 원활하게 유지시킬 필요가 있을 뿐만 아니라, 정상적인 기포 구조를 보유할 만큼의 점성을 갖도록 해야 하기 때문에 최적의 운전 상태 및 조건을 설정하기가 매우 어렵다.
본 발명은 내열성, 내한성, 비흡습성, 치수 안정성, 충격 흡수성, 융착성, 강성, 복원력, 내약품성 등이 우수한 무가교 폴리프로필렌 발포 시트를 안정적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 용도에 따라 발포 배율을 적절히 조절할 수 있는 개선된 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법으로서, (a) 펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제(nucleating agent)를 혼합하여 탄뎀 압출기(tandem extruder)의 스크류(screw)로 이동시키면서, 180∼250℃의 온도에서 혼합물을 용융시키는 공정; (b) 용융된 혼합물의 온도를 발포제(foaming agent) 투입 시점까지 170℃에서 230℃를 거쳐 180℃로 변화시키는 공정; (c) 압출기 실린더 내부의 압력을 20∼30 ㎏/㎠로 유지시킨 후, 발포제를 투입하는 공정; 및 (d) 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 발포제가 잘 혼합되어 다이(die)까지 원활히 이송되도록, 온도를 180℃에서 150℃로 변화시키고, 압력을 90 ㎏/㎠에서 120 ㎏/㎠으로 변화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법으로서, (a) 펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체 93 중량부 내지 98 중량부와 핵제(nucleating agent)로서의 탈크(talc) 0 중량부 초과 3 중량부 이하를 혼합하여 탄뎀 압출기(tandem extruder)의 스크류(screw)로 이동시키면서, 180∼250℃의 온도에서 혼합물을 용융시키는 공정; (b) 상기 용융된 혼합물의 온도를 발포제(foaming agent) 투입 시점까지 170℃에서 230℃를 거쳐 180℃로 변화시키는 공정; (c) 압출기 실린더 내부의 압력을 20∼30 ㎏/㎠로 유지시킨 후, 부탄 가스 발포제 1 중량부 내지 4 중량부를 투입하는 공정; 및 (d) 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제의 혼합물이 잘 혼합되어 다이(die)까지 원활히 이송되도록, 온도를 180℃에서 150℃로 변화시키고, 압력을 90 ㎏/㎠에서 120 ㎏/㎠으로 변화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명의 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법에 있어서, 주원료인 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌 단일 중합체인 것이 바람직하다. 핵제(nucleating agent)는 고분자 수지인 폴리프로필렌 단일 중합체의 결정화 속도를 촉진시키고 미세화시킬 뿐만 아니라, 기계적 물성(경도, 인장 강도, 탄성률, 항복점, 신장률, 충격 강도 등)을 향상시키고, 광학적 성질(광택도, 투명도 등)을 향상시키며, 기계적 응력의 균일한 분배를 부여하는 역할을 한다. 폴리비닐시클로알칸, 폴리(3-메틸-1-부텐), 폴리알킬렌실란 등의 고융점 고분자계 핵제, 벤질리덴 소르비톨계 핵제, 로진계 핵제 등과 같은 유기 핵제를 사용할 수도 있지만, 본 발명에 서는 탈크(talc)를 사용한다. 핵제의 양은 발포 셀의 구조에 영향을 미치고, 핵제가 과다 투여되면 발포 셀의 외벽이 약화되어 오픈 셀(open cell)이 될 우려가 있고, 점도가 너무 높으면 발포 셀의 외벽에 저항이 커져 배율이 저하된다. 따라서, 핵제로 사용되는 탈크의 양은 0 중량부 초과 3 중량부 이하인 것이 바람직하다.
발포제 투입을 위한 최적의 상태(조건)를 부여하기 위해서는, 펠렛상의 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제(탈크)의 용융 혼합물의 온도를 발포제(foaming agent) 투입 시점까지 170℃에서 230℃를 거쳐 180℃로 변화시키는 것이 바람직한데, 230℃에서 180℃로의 온도 변화는 펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체와 탈크의 용융 혼합물이 8단계의 냉각 구간을 통과하도록 함으로써 달성한다.
아조디카본아미드, 스테아릴 모노글리세리드 등과 같은 비휘발성 물질이나 질소, 이산화탄소, 아르곤, 공기 등과 같은 무기 가스계 물질을 발포제(foaming agent)로 사용할 수도 있으나(통상적으로는 공기가 사용됨), 본 발명에서는 부탄 가스를 발포제로 사용하는 것이 바람직하다. 발포제의 투입량이 너무 많으면 발포 셀이 오픈될 염려가 있으며, 수지와 용해되는데도 한계가 있으므로 발포 배율에 따라 1 중량부 내지 4 중량부의 범위 내에서 투입량을 정해야 한다. 무가교 폴리프로필렌 발포 시트가 저배율 발포 시트인 경우, 예컨대 펠렛상의 폴리프로필렌 단일 중합체 1 톤을 기준으로 5∼10 ㎏/시간의 부탄 가스 발포제를 투입하는 것이 바람직하다.
수지의 흐름(유동)을 원활하게 유지시키고, 정상적인 기포 구조를 보유할 만큼의 점성을 갖도록 하기 위해서는(즉, 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제의 혼합물이 잘 혼합되어 다이(die)까지 원활히 이송되도록 하기 위해서는), 온도를 180℃에서 150℃로 변화시키고, 압력을 90 ㎏/㎠에서 120 ㎏/㎠으로 변화시키는 것이 바람직하다. 이 때, 180℃에서 150℃로의 온도 변화는 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제의 혼합물이 15단계의 냉각 구간을 통과하도록 함으로써 달성한다.
하기 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 범주가 하기 실시예에 국한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이른바 "당업자" 또는 "평균적 기술자")는 첨부된 특허청구범위에 기재된 사항으로부터 도출되는 기술적 사상의 범위 내에서 하기 실시예의 다양한 변형, 수정 및 응용이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
실시예
펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체 96 중량부와 핵제(nucleating agent)로서의 탈크(talc) 1 중량부를 혼합하여 탄뎀 압출기(tandem extruder)의 스크류로 이송시키면서 180∼250℃의 온도에서 혼합물을 용융시켰다. 이어서, 상기 용융된 혼합물의 온도를 발포제(foaming agent) 투입 시점까지 170℃에서 230℃를 거쳐 180℃로 변화시켜 발포제 투입을 위한 최적의 상태를 설정하였다. 한편, 230℃에서 180℃로의 온도 변화는 상기 용융된 혼합물이 8단계의 냉각 구간을 통과하도록 함으로써 달성하였다. 이어서, 압출기 실린더 내부의 압력을 20∼30 ㎏/㎠로 유지시킨 후, 부탄 가스 발포제 3 중량부를 투입하였다. 이어서, 폴리프로필렌 단 일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제가 잘 혼합되어 다이(die)까지 원활히 이송되도록, 온도를 180℃에서 150℃로 변화시키고, 압력을 90 ㎏/㎠에서 120 ㎏/㎠으로 변화시켰다. 한편, 180℃에서 150℃로의 온도 변화는 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제의 혼합물이 15단계의 냉각 구간을 통과하도록 함으로써 달성하였다. 그 후, 당업계에 공지되어 있는 폴리슁(polishing) 공정, 절단 공정, 포장 공정 등을 차례로 수행하였다.
본 발명에 따르면, 내열성, 내한성, 비흡습성, 치수 안정성, 충격 흡수성, 융착성, 강성, 복원력, 내약품성 등이 우수한 무가교 폴리우레탄 발포 시트를 안정적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 용도에 따라 발포 배율을 적절히 조절할 수 있다. 또한, 종래 기술에 비하여 설비를 단순화할 수 있고, 제조 시간을 단축시킬 수 있으며, 불량품을 극소화할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 무가교 폴리우레탄 발포 시트는 각종 식품의 포장재, 건축용 내장재, 차량용 시트 등에 폭넓게 사용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 무가교 폴리프로필렌 발포 시트의 제조 방법으로서,
    (a) 펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체 93 중량부 내지 98 중량부와 핵제(nucleating agent)로서의 탈크(talc) 0 중량부 초과 3 중량부 이하를 혼합하여 탄뎀 압출기(tandem extruder)의 스크류(screw)로 이동시키면서, 180∼250℃의 온도에서 혼합물을 용융시키는 공정;
    (b) 상기 용융된 혼합물의 온도를 발포제(foaming agent) 투입 시점까지 170℃에서 230℃를 거쳐 180℃로 변화시키는 공정;
    (c) 압출기 실린더 내부의 압력을 20∼30 ㎏/㎠로 유지시킨 후, 부탄 가스 발포제 1 중량부 내지 4 중량부를 투입하는 공정; 및
    (d) 폴리프로필렌 단일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제의 혼합물이 잘 혼합되어 다이(die)까지 원활히 이송되도록, 온도를 180℃에서 150℃로 변화시키고, 압력을 90 ㎏/㎠에서 120 ㎏/㎠으로 변화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정 (b)에서 230℃에서 180℃로의 온도 변화는 펠렛(pellet)상의 폴리프로필렌 단일 중합체와 탈크의 용융 혼합물이 8단계의 냉각 구간을 통과하도록 함으로써 달성하고, 상기 공정 (d)에서 180℃에서 150℃로의 온도 변화는 폴리프로필 렌 단일 중합체와 핵제와 부탄 가스 발포제의 혼합물이 15단계의 냉각 구간을 통과하도록 함으로써 달성하며;
    상기 무가교 폴리프로필렌 발포 시트가 저배율 발포 시트인 경우, 펠렛상의 폴리프로필렌 단일 중합체 1 톤을 기준으로 5∼10 ㎏/시간의 부탄 가스 발포제를 투입하는 것을 특징으로 하는 방법.
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