KR101045682B1 - 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법 및 이를 이용한 프레스 성형물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포제 성분이 소실되어 평판성형 이외의 입체적 형상으로의 성형이 어려워, 포장재 등의 용도로 사용이 불가능하였던 재활용 발포폴리스티렌의 분쇄물의 성형방법을 개선하여, 포장재를 비롯한 다양한 용도로 활용이 가능하도록 한 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법 및 프레스 성형물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법은 발포폴리스티렌 성형물을 분쇄하여 얻어진 분쇄물을, 분쇄물간의 접착력을 부여하는 바인더 수지 성분을 포함하는 코팅액과 메틸렌디페닐디이소시아네이트의 혼합액으로 코팅 및 건조한 후, 스팀가열 프레스 성형하는 것을 특징으로 한다.

발포 폴리스티렌, 분쇄물, 성형, 프레스, MDI, 바인더

Description

발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법 및 이를 이용한 프레스 성형물{Forming method of expanded polystyrene peices and press mold product using the same}

본 발명은 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법 및 이를 이용한 성형물에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 발포제 성분이 소실되어 평판성형 이외의 입체적 형상으로의 성형이 어려워, 포장재 등의 용도로 사용이 불가능하였던 재활용 발포폴리스티렌의 분쇄물의 성형방법을 개선하여, 포장재를 비롯한 다양한 용도로 활용이 가능하도록 한 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법 및 프레스 성형물에 관한 것이다.

발포폴리스티렌(EPS) 비드의 내부에 함유되어 있는 발포제는 상온에서 액체상태를 유지하였다가 고온 및 고압을 가할 경우 기화되어, 셀 내부에 형성된 발포가스가 강한 내압을 발생시키면서 대기중으로 방출되고, 고온에서 연화된 비드는 상기 발포가스에 의해 팽윤되면서 발포된 입자의 형태가 된다.

상기 발포제는 또한 발포성형 과정중에 발포폴리스티렌 입자간의 표면 융착을 위한 가소제 기능을 하기 때문에, 형물과 블록성형에 있어서 중요한 역할을 하게 된다.

그런데, 폐발포폴리스티렌 성형물을 수거한 재활용 발포폴리스티렌의 분쇄물 은 이미 이전의 발포성형 과정에서 발포제가 거의 유실되었고, 성형된 제품을 분쇄기에 통과시켜 찢어 놓기 때문에, 이 과정에서 외압에 의해 셀이 많이 파괴되거나 찌그러진 형태를 갖게 된다.

따라서, 발포제가 거의 유실된 발포폴리스티렌 분쇄물을 단독으로 성형하려면 프레스 성형이 이루어져야 하며, 발포폴리스티렌이 연화되는 온도 이상에서 용융시켜야 성형을 할 수 있으며, 이를 위해서는 고압으로 많은 양의 스팀을 투입하여 성형이 이루어져야 한다. 그러나 이와 같은 공정에 의해 셀이 붕괴된 발포폴리스티렌 분쇄물에는 수분이 과도하게 흡수, 흡착되어 성형이 잘 이루어지지 않게 된다. 따라서 발포폴리스티렌 분쇄물을 이용하여 박스 포장재와 같은 3차원적 형상을 요구하는 제품으로의 성형은 사실상 불가능한 것으로 인식되고 있다.

또한, 대부분의 평판 성형물은 건축용 단열재 등의 용도로 사용되고 있는데, 이러한 발포폴리스티렌 분쇄물을 이용한 평판 성형물에는 난연성의 부여가 어려워, 난연성을 요구하는 건축 자재로서의 전재는 불가능한 실정이다.

한편, 일반적으로 사용되는 발포폴리스티렌 수지는 대부분 전자제품 등의 포장시의 완충재, 단열재 그리고 식재료의 포장박스 등에 사용되는데, 식재료의 박스로 사용된 포장재의 경우에는 박스 표면에 음식물의 이물질이 잔류하고 있으며, 외부에 오래 방치한 완충재 및 단열재의 경우에도 빗물과 습기에 의해 수분이 발포폴리스티렌 셀 표면 및 내부에 침투되어 있는 현상을 볼 수 있다. 이런 불순물들이 그대로 함유한 상태에서는 발포폴리스렌의 분쇄물을 이용하여 성형물을 만드는 용도로 재활용하기가 어려운 점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래 재활용 발포폴리스티렌의 성형에 있어서의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 수거된 폐발포폴리스티렌에 함유된 이물질이나 수분을 건조하지 않고 그대로 분쇄한 후 성형이 가능할 뿐만 아니라, 평판이나 블록성형 형태로 성형이 가능하고, 필요에 따라서는 난연성과 같은 기능성을 부여할 수도 있는 재활용 발포폴리스티렌의 새로운 성형방법 및 이를 이용한 성형물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법은,

발포폴리스티렌 성형물을 분쇄하여 얻어진 분쇄물을, 분쇄물간의 접착력을 부여하는 바인더를 포함하는 코팅액과 메틸렌디페닐디이소시아네이트(4,4'-methylene diphenylisocyanate, 이하, MDI라고도 함)의 혼합액으로 코팅 및 건조한 후, 스팀가열 프레스 성형하는 것을 특징으로 한다.

상기 바인더를 포함하는 코팅액과 메틸렌디페닐디이소시아네이트를 혼합하여 함께 투입할 수도 있지만, 바람직하게는 상기 바인더 성분을 포함하는 코팅액을 먼저 투입하여 교반한 후, MDI를 투입하여 교반하여 코팅한다.

상기 바인더 성분은 열가소성 수지계, 열경화성 수지계, 무기계 접착제 및 단백질계 접착제로 이루어진 군에서 선택되는 한 종류 또는 2 종류 이상의 혼합 형 태일 수 있으며, 열가소성 수지는 용액 형태 또는 에멀젼 형태가 모두 사용 가능하다.

한편, 본 발명은 발포폴리스티렌 분쇄물을 스팀가열 프레스 성형하는 것으로서, 발포 폴리스티렌의 연화점 및 융점보다 높은 열가소성 수지를 바인더 수지 성분으로 사용하면 높은 온도를 얻기 위해 오히려 과도한 스팀을 공급하여야 하고, 그로 인해 수분이 과도하게 발생하는 등 성형에 악영향을 미치게 되므로, 발포 폴리스티렌의 연화점과 융점보다 낮은 온도의 연화점과 융점을 가지는 수지를 이용하는 것이 바람직하다.

이러한 열가소성 수지로는 특히, 아세트산비닐계의 수지를 물, 알코올류, 에스테르류, 케톤류, 카르복시산류, 방향족류 및 할로겐화탄화수소류 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2가지 이상의 것을 혼합한 형태의 용매에 용해하여 수지의 농도가 3~80중량%가 되도록 한 형태의 열가소성 수지용액이 발포 폴리스티렌 입자와의 친화성이나 무해성, 작업성, 성형성 등의 측면에서 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 상기 메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI)는 아닐린과 포름알데히드가 축합되어 생성된 디페닐메탄디아민에 포스겐(COCl₂)을 처리(포스겐화)하여 얻어지는 물질로서, 수분과 반응하여 경화함으로써 우수한 접착력을 갖게 된다. MDI는 저장성이나 사용 편의성을 고려하여 폴리메릭 MDI(Polymeric MDI), 모디파이 MDI(Modified MDI), 모노메릭 MDI(Monomeric MDI), 퓨어 MDI(prepolymer)와 같은 다양한 형태의 MDI가 제조되고 있는데, 본 발명에서는 이들 다양한 형태의 MDI를 모두 사용 가능하며 그 형태는 특별히 제한을 받지 않는다. 따라서, 작업조건이나 작업환경, 안정성, 효율성, 비용 등을 고려하여 적절한 형태의 것을 선택하여 사용할 수 있다.

이들 MDI는 분자량이 다른 바인더 수지 성분들에 비해 비교적 작아 쉽게 분산되며, 분자구조 내에 포함된 이소시아네이트기(-NCO)가 활성수소를 가지는 화합물과 반응하여 우레탄결합 및 요소결합 등을 생성하므로, 스팀중의 수분을 제거하고 바인더 수지의 가교밀도를 높여 접착성을 향상시키므로, 성형성을 개선시키고 성형물의 기계적 성질을 향상시키는 작용을 하게 된다.

상기 메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI)는 발포 폴리스티렌 분쇄물의 중량 대비 0.1~30% 범위로 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 사용량이 0.1중량% 미만일 경우에는 성형성 개선효과가 미미하며, 30중량%를 초과하여 사용할 경우에는 열수 분해에 의해 폴리스티렌을 분해시키는 부산물이 발생하여 스팀가열 프레스 성형 자체는 가능하지만, 발포 폴리스티렌이 용해되어 수축현상이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.

한편, 본 발명에 따른 발포폴리스티렌 분쇄물의 스팀가열 프레스 성형물은, 발포폴리스티렌 분쇄물의 스팀가열 프레스 성형물로서, 발포 폴리스티렌 분쇄물은 분쇄물간의 접착력을 부여하는 바인더에 의해 서로 융착되어 일체로 결합되며, 상기 바인더에는 메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI)의 수분에 의한 경화 변성물이 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 바인더에는 각종 기능성을 발현하기 위한 다양한 기능성 첨가제가 포함 될 수 있다. 이러한 기능성 첨가제는 발포제, 핵제, 윤활제, 산화방지제, 열안정제, 자외선안정제, 생물안정제, 충진제, 보강제, 가소제, 착색제, 내충격제, 난연제, 대전방지제, 가교제, 형광증백제, 열전도성 부여제, 전기전도성 부여제, 투과성 조절제, 자성 부여제, 계면활성제, 안정제, 부형제, 의약제, 용매, 경화제, 흡습제, 강화제, 향료, 항균제와 같은 다양한 형태의 기능성을 부여하는 물질들 중에서 적의 선택되는 것일 수 있으며, 이들은 어느 하나가 사용될 수도 있고, 함께 사용이 가능한 여러 가지가 복합적으로 사용될 수 있음은 물론이며, 그 발현되는 기능성의 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 그리고 이들은 유기계의 첨가제일 수도 있고, 또는 무기계의 첨가제일 수도 있다.

다만, 본 발명의 목적 중 하나는 발포폴리스티렌 분쇄물을 이용하여 난연성 부여한 건축용 단열 패널 등의 건축 자재로서 활용하기 위한 것이므로, 난연제 등의 비교적 다량의 무기계 첨가가 첨가된 난연성 프레스 성형물과 착색제가 첨가되어 다양한 색상과 재질감을 표현한 프레스 성형물이 특히 유용하다.

본 발명에 따른 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법에 의하면, 사용후 수거되어 재활용되는 발포폴리스티렌의 분쇄물의 성형성 및 성형물의 물성이 크게 개선되므로, 종래 평판 성형만이 가능하던 발포폴리스티렌 분쇄물을 형물 성형과 블록 성형 등이 가능하게 되어, 다량 발생하는 발포 폴리스티렌의 활용성이 크게 확대되는 효과가 있다.

특히, 이러한 작업과정에서 수거된 폐발포폴리스티렌에 함유된 이물질이나 수분을 건조하지 않고, 그대로 분쇄한 후 성형이 가능하므로 발포폴리스티렌 페기물의 활용도와 작업의 편의성이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 성형과정 중에 무기 난연제 등의 다양한 첨가물의 첨가가 가능하기 때문에, 평판 성형물로서 가장 수요가 많은 단열재와 같은 건축 자재로서의 활용에 있어서도 난연 제품으로의 전개가 가능하여 발포폴리스티렌 폐기물의 재활용에 있어서의 질적, 양적 향상을 가져올 수 있는 효과가 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.

실시예 1~8, 비교예 1~4: 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형

각 실시예 및 비교예에 있어서는 발포폴리스티렌 분쇄물과 바인더 성분, MDI, 무기 난연제 성분을 각각 하기 표 1에 기재된 조성비로 사용하였으며, 아래와 같은 과정을 거쳐 성형물을 제조하였다.

1) 분쇄

발포폴리스티렌으로 이루어진 포장재와 완충재, 단열재 등을 수거하여 무작위로 선별한 후, 분쇄기의 회전수를 고속으로 하여 분쇄한 두께 0.1~1㎝의 분쇄물을 얻었다.

2) 혼합 및 코팅

용량 20ℓ짜리 믹서기에 상기 평균 입도 0.1~1㎝ 두께의 분쇄물을 넣고 60rpm의 속도로 교반하면서 각 비교예 또는 실시예의 바인더 성분 또는 바인더 성분과 수산화알루미늄을 포함하는 코팅액을 투입하여 코팅하였다. 각 실시예에서는 상기 바인더 성분 코팅액을 투입한 후, 수초 이내에 MDI를 투입하여 MDI가 균일하게 분산이 이루어지도록 하였다.

바인더 성분으로 열가소성 수지를 사용한 코팅액으로 코팅한 후에는 사용된 용제 또는 물을 증발시키기 위해 60℃정도의 열풍을 주입하여 건조하였다.

3) 성형

30㎝*30㎝*20㎝ 크기의 육면체 틀안에 상기 코팅된 발포폴리스티렌 분쇄물을 충진하고, 2~3㎏f/㎠의 스팀압력으로 5초간 성형틀 내로 스팀을 주입한 후, 성형압력 150~300㎏/㎠를 가하여 5㎝ 두께로 압축하였다.

4) 냉각

상기 압축하여 성형한 성형물을 방치하여 냉각되도록 한 후, 성형틀로부터 이형하였다.

성능 시험

각 실시예 및 비교예에서 제조한 성형물을 사용하여 아래의 각 시험을 실시하였으며, 그 결과를 표 1의 각 실시예 또는 비교예의 우측에 정리하여 나타내었다.

1) 굽힘 강도

7.5㎝*30㎝*5㎝ 크기의 시편을 준비하여 KS M 3808에 규정된 굽힘 강도 측정 장치로 시험하였다.

2) 압축강도

5㎝*5㎝*5㎝ 크기의 시편을 준비하여 압축강도를 측정하였다.

3) 난연성

시편을 10초간 불꽃에 노출시킨 뒤 점화원이 제거되었을 때 잔염이 유지되는가 여부에 대해 판단하였다.

구분	성형물의 성분		성능평가
	성분	조성비 (중량%)	굽힘강도 (N/㎠)	압축강도 (N/㎠)	난연성
비교예 1	발포폴리스티렌 분쇄물	50	34	14	잔염유지
	EVA 접착제	50
실시예 1	발포폴리스티렌 분쇄물	49	36	16	잔염유지
	EVA 접착제	49
	MDI	2
실시예 2	발포폴리스티렌 분쇄물	33	31	12	잔염없음
	EVA 접착제	33
	MDI	1
	수산화알루미늄	33
비교예 2	발포폴리스티렌 분쇄물	50	35	12	잔염유지
	폴리비닐아세테이트 용제형	50
실시예 3	발포폴리스티렌 분쇄물	49	37	17	잔염유지
	폴리비닐아세테이트 용제형	49
	MDI	2
실시예 4	발포폴리스티렌 분쇄물	33	36	14	잔염없음
	폴리비닐아세테이트 용제형	33
	MDI	1
	수산화알루미늄	33
비교예 3	발포폴리스티렌 분쇄물	50	30	12	잔염유지
	규산염계 무기접착제	50
실시예 5	발포폴리스티렌 분쇄물	49	31	14	잔염유지
	규산염계 무기접착제	49
	MDI	2
실시예 6	발포폴리스티렌 분쇄물	33	28	13	잔염없음
	규산염계 무기접착제	33
	MDI	1
	수산화알루미늄	33
비교예 4	발포폴리스티렌 분쇄물	50	34	13	잔염유지
	폴리비닐알코올	50
실시예 7	발포폴리스티렌 분쇄물	49	37	16	잔염유지
	폴리비닐알코올	49
	MDI	2
실시예 8	발포폴리스티렌 분쇄물	33	36	16	잔염없음
	폴리비닐알코올	33
	MDI	1
	수산화알루미늄	33

상기 표 1에서 보는 것과 같이, 사용하는 바인더 성분의 종류에 상관없이, MDI의 첨가에 의해 굽힘강도와 압축강도가 향상되어, 본 발명의 성형방법에 의해 성형성과 성형물의 물성이 향상되는 경향을 확인할 수 있었다.

다만, 무기 난연제 성분인 수산화알루미늄의 첨가시(실시예 2, 4, 6, 8)에는 미첨가시에 비해 굽힘강도와 압축강도 등이 저하되는 현상을 피할 수는 없었으나, 난연성 시험결과, 이 수산화알루미늄의 첨가에 의해 난연성을 부여하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다.

특히 바인더 성분으로 폴리비닐아세테이트 용제형이나 폴리비닐알코올을 사용하는 경우에는 MDI 첨가에 의해, 난연제의 첨가시에도 굽힘강도와 압축강도 등이 오히려 향상된 난연 발포폴리스티렌 성형물을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

1. 발포폴리스티렌 성형물을 분쇄하여 얻어진 분쇄물을, 분쇄물간의 접착력을 부여하는 바인더 수지 성분을 포함하는 코팅액과 메틸렌디페닐디이소시아네이트(4,4'-methylene diphenylisocyanate)의 혼합액으로 코팅 및 건조한 후, 스팀가열 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법.
2. 제 1항에 있어서 상기 바인더는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 무기계 접착제 및 단백질계 접착제로 이루어진 군에서 선택되는 한 종류 또는 2 종류 이상의 혼합 형태인 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 바인더는 발포폴리스티렌보다 융점과 연화점이 낮은 열가소성 수지의 용액 또는 에멀젼 형태인 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 바인더는, 아세트산비닐계의 수지를 물, 알코올류, 에스테르류, 케톤류, 카르복시산류, 방향족류 및 할로겐화탄화수소류 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2가지 이상의 것을 혼합한 형태의 용매에 용해하여 수지의 농도가 3~80중량%가 되도록 한 형태의 열가소성 수지용액인 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 분쇄물의 성형방법.
5. 발포폴리스티렌 분쇄물의 스팀가열 프레스 성형물로서, 발포 폴리스티렌 분쇄물은 분쇄물간의 접착력을 부여하는 바인더에 의해 서로 융착되어 일체로 결합되며, 바인더 수지에는 메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI)의 수분에 의한 경화 변성물이 포함된 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 분쇄물의 스팀가열 프레스 성형물.
6. 제 5항에 있어서, 상기 바인더에는 발포제, 핵제, 윤활제, 산화방지제, 열안정제, 자외선안정제, 생물안정제, 충진제, 보강제, 가소제, 착색제, 내충격제, 난연제, 대전방지제, 가교제, 형광증백제, 열전도성 부여제, 전기전도성 부여제, 투과성 조절제, 자성 부여제, 계면활성제, 안정제, 부형제, 의약제, 용매, 경화제, 흡습제, 강화제, 향료, 항균제 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 기능성 첨가제가 더 포함된 것을 특징으로 하는 발포폴리스티렌 분쇄물의 스팀가열 프레스 성형물.