KR101125594B1 - 단열 조건을 이용한 발포 폴리스티렌의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중합 반응기를 1차 승온시켜 중합을 개시하는 단계, 및 상기 중합 반응기를 단열 조건으로 유지시켜 2차 승온 온도까지 도달하도록 하는 단계를 포함하는 발포 폴리스티렌의 제조방법에 관한 것으로서, 중합열을 이용하여 반응기의 온도를 자체 승온시킴으로써 2차 승온에 투입되는 대부분의 스팀을 절감할 수 있으며, 자체의 중합열을 이용하면서도 종래와 같이 스팀/냉각수를 이용하여 반응온도를 조절하여 반응시킬 때와 유사한 중합 속도 및 전환율 효과를 얻을 수 있다.

발포 폴리스티렌*EPS*단계 승온*중합열*단열*에너지*효율*

Description

단열 조건을 이용한 발포 폴리스티렌의 제조방법{Method of preparing expanded polystyrene using adiabatic condition}

본 발명은 단계적 승온을 이용하여 발포 폴리스티렌을 제조함에 있어, 일정 승온시점에서 온도 조절을 위해 사용되는 스팀과 냉각수를 사용하지 않고 반응기를 단열 조건으로 유지시켜 중합 반응열 만으로 자체 승온이 되도록 함으로써 에너지 절감을 통하여 생산성을 향상시킬 수 있는 발포 폴리스티렌의 제조방법에 관한 것이다.

폴리스티렌은 무색 투명한 열가소성 물질로, 산, 알칼리, 기름, 알코올 등에 강한 성질을 가지고 있어 널리 사용되는 플라스틱이다.

발포 폴리스티렌(Expanded polystyrene, EPS)은 상기 폴리스티렌 수지에 펜텐이나 부텐 등의 탄화수소가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 부풀린 발포 제품으로, 체적의 98%가 공기이고 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다.

발포 폴리스티렌은 희고 가벼우며, 내수성, 단열성, 방음성, 완충성 등이 우수하기 때문에 주로 컵이나 그릇, 접시, 조개 모양의 용기, 육류 포장용기, 달걀 포장용기, 전자제품이나 기타 부서지기 쉬운 물품의 운송용 포장재, 나뭇결 무늬를 넣은 건축재료, 장식용 가구, 농수산물 상자, 식육 냉동창고의 벽재, 냉동 파이프의 외장, 조립식 주택의 벽이나 천장 재료, 텔레비전의 무대장치나 인공눈 등으로도 사용된다.

다음 도 1은 발포 폴리스티렌 제조를 위한 폴리스티렌 제조 공정 및 현장 반응기의 냉각 시스템을 나타낸 것이다. 발포 폴리스티렌은 열가소성 중합체인 폴리스티렌을 단독으로 또는 다른 고분자를 포함하는 중합체에 발포제, 개시제, 중합수, 첨가제 등을 첨가하여 현탁중합으로 제조되고 있다.

발포 폴리스티렌의 중합과정을 살피면, 중합수와 스티렌을 프리믹스시켜 중합반응기 내로 채운 다음, 반응 개시를 위해 상기 중합 반응기를 일정 온도(90℃)까지 승온시킨다.

상기 온도에서 중합을 진행시킨 다음, 발포제를 첨가하여 함침시키고, 잔류 모노머 제거를 목적으로 다시 단계적으로 승온 (90℃→100℃→125℃)을 수행한다. 또한, 함침된 용융물을 냉각시키고, 냉각된 혼합물을 과립화시켜 최종 발포 폴리스티렌을 얻게 된다.

따라서, 현재의 운전 조건에서는 중합 반응, 발포제 함침, 잔류 모노머 제거, 용융물 냉각 등의 목적으로 중합 반응기의 온도를 적정한 수준으로 조절해야되며, 이때 온도 조절은 스팀과 냉각수를 사용하고 있다.

상기와 같이 중합 반응기의 온도 조절을 위해 스팀과 냉각수를 사용하는 경우 온도 조절에 따른 많은 시간과 에너지가 필요하다. 따라서, 발포 폴리스티렌 제 조에 있어서 중합 반응기의 온도를 조절함과 동시에 시간과 에너지를 절약할 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명에서는 발포 폴리스티렌의 중합 특성상 단계적 승온을 이용하여 중합을 실시하고, 다시 냉각하는 등 스팀과 냉각수를 이용하여 중합 반응기의 온도를 조절함에 있어 에너지 소비를 줄여 효율적으로 발포 폴리스티렌을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에서는 중합 반응기를 중합 개시 온도인 약 70~90℃로 상승시킨 다음, 중합반응이 시작되는 시점으로부터 상기 스팀과 냉각수를 완전히 차단시키고 단열 조건으로 유지시켰다. 상기 중합 반응에서는 중합열이 발생되는데, 단열 조건을 유지하는 상기 중합 반응기는 별도의 승온을 위한 스팀의 투입 없이도 상기 중합열만으로 반응기의 온도가 상승되어 그 다음 발포제 함침, 및 잔류모노머 제거에 필요한 온도에까지 도달할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 별도의 승온 수단없이 중합반응기를 단열 조건으로 유지함으로써 자체 중합열만으로 발포 폴리스티렌을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에서는 중합열을 이용하여 반응기의 온도를 자체 승온시킴으로써 2차 승온에 투입되는 대부분의 스팀을 절감할 수 있으며, 자체의 중합열을 이용하면서도 종래와 같이 스팀/냉각수를 이용하여 반응온도를 조절하여 반응시킬 때와 유사한 중합 속도 및 전환율 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 발포 폴리스티렌의 제조방법은 중합 반응기를 1차 승온시켜 중합을 개시하는 단계, 및 상기 중합 반응기를 단열 조건으로 유지시켜 2차 승온 온도까지 도달하도록 하는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 발포 폴리스티렌은 단계적 승온 과정을 거쳐 제조되며, 제1단계 반응은 약 70~90℃의 온도에서 중합개시제를 첨가하여 반응을 개시하는 단계; 약 100~120℃의 온도로 승온시키고 발포제를 투입시켜 발포 및 잔류 모노머를 제거시키는 제2단계 반응을 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 단계적 승온을 거쳐 중합 반응을 수행하는 경우, 중합 반응기의 온도 조절은 스팀과 냉각수를 이용한다.

본 발명에서는 특별히 상기 제1단계 반응 후, 제2단계 반응을 위해 스팀을 가하여 승온시키지 않고, 상기 중합 반응기를 단열 조건으로 유지시키는 데 특징이 있다. 중합 반응기를 단열 조건으로 유지시키는 방법은 온도 조절에 사용되는 스팀과 냉각수를 완전히 차단시키는 것이다.

통상 발포 폴리스티렌의 제조시 제 1단계 반응은 폴리스티렌을 단독으로, 또는 다른 화합물과의 공중합체를 사용하여 중합수인 물과 혼합되어 중합 반응기로 투입된 다음, 여기에 중합개시제가 첨가되어 중합 반응이 개시된다.

이때 상기 중합 반응으로부터 중합열이 발생하게 되는데, 지금까지는 1단계 중합 온도인 70~90℃를 유지할 수 있도록 스팀과 냉각수를 이용하여 중합 반응기의 온도를 조절하였다. 따라서, 상기 중합 반응으로부터 중합열이 발생되는 경우 냉각수를 투입시켜 반응 온도를 유지할 수 있도록 하고, 반응 온도가 떨어지는 경우 스팀을 투입시켜 반응 온도를 유지할 수 있도록 한 것이다. 따라서, 상기 반응이 진행되는 동안 스팀과 냉각수는 필요에 따라 연속적으로 투입되어 왔다.

따라서, 본 발명에서는 상기 제1단계 반응 개시 시점으로부터 약 180~300min 에서 단열 조건을 유지함으로써 상기 제1단계 반응에서 발생되는 중합열을 제2단계 반응을 위한 승온 열로 사용하는 것이다. 또한, 이 시점에서 중합 반응기의 온도 조절을 위해 사용된 냉각수와 스팀은 완전히 차단시키고 단열 조건을 유지한다.

삭제

본 발명에서 단열 조건이 유지되는지의 여부는 중합 반응기 자켓의 입구 온 도와 출구 온도의 차이로서 판단할 수 있다. 상기 중합 반응기 자켓의 입구와 출구 온도의 차이는 실질적으로 동일하나, 1℃ 이내에서는 상기 중합 반응기가 단열 조건이 유지되는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 이때 자켓 용수의 펌프 전원을 off하여 자켓 용수 순환을 정지하는 것이 바람직하다. 자켓 용수를 그대로 흘려줄 경우 반응기와 자켓 용수 사이의 온도 차이에 의해 열전달이 발생하므로 사실상 입출구 온도 차이가 동일하게 유지함으로 단열조건을 만들 수 없기 때문이다. 이러한 단열 조건을 유지함에 따라, 제1단계 반응온도로부터 승온이 필요한 제2단계 반응온도인 100~120℃까지 별도의 승온 과정없이도 중합 반응열에 의해 승온이 가능하다.

본 발명에 따른 발포 폴리스티렌의 제조시 사용되는 중합 반응기는 특별히 한정되지 않으며, 여러 개의 중합 반응기를 이용하는 것이 생산성 향상 면에서 보다 바람직하다고 할 수 있다.

본 발명에 따른 발포 폴리스티렌의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 발포 폴리스티렌의 제조는 2단계 단계적 승온을 통하여 이루어지는 바, 1단계 반응은 약 70~90℃의 온도에서 중합개시제를 첨가하여 반응을 개시하는 단계; 약 100~120℃의 온도로 승온시키고 발포제를 투입시키고, 다시 120~130 ℃로 승온시켜 잔류 모노머를 제거시킨다.

구체적으로는, 폴리스티렌과 반응 중합수가 각각의 공급 탱크로부터 공급되어 예비중합조에서 프리믹스된다. 또한, 별도의 분산탱크에서 중합수, 분산제, 난연제, 가교제 등을 포함하는 여러 가지 첨가제들이 자체 교반 수단으로 교반되면서 혼합되어 상기 첨가제들이 고루 섞일 수 있도록 한다.

상기 폴리스티렌과 반응중합수의 프리믹스가 별도의 중합반응기로 투입되며, 이때 투입되는 반응 중합수의 온도는 약 40℃ 정도이며, 상기 프리믹스가 중합 반응기에 채워진 후 약 70~90℃까지 승온시킨다. 상기 중합 반응기는 그 내부에 교반수단을 포함하고 있으며, 중합 반응기의 온도 조절은 별도의 자켓 용수 탱크에 있는 물을 이용하여 스팀과 냉각수를 이용하여 수행되고 있다.

본 발명의 발포 폴리스티렌에 사용되는 폴리스티렌은 중량평균분자량 150,000~300,000을 갖는 고분자를 단독으로 사용하거나, 또는 상기 폴리스티렌과 α,β-에틸렌성 불포화 화합물과의 공중합체를 사용할 수 있다. 상기 폴리스티렌과 공중합되는 α,β-에틸렌성 불포화 화합물의 예를 들면, α-메틸 스티렌, 링-할로겐화 스티렌, 링-알킬화 스티렌, 아크릴로나이트릴, (메트)아크릴레이트, N-비닐 화합물 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 본 발명의 중합개시제는 통상의 발포 폴리스티렌 제조시 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 벤질 펄옥사이드를 사용한다.

본 발명에서는 상기 제1단계 반응 후 스팀과 냉각수를 완전히 차단시킨 다음 단열 조건을 유지하면서 제2단계 반응에 요구되는 승온온도인 100~120℃까지 승온시킨다. 따라서, 별도의 스팀을 가하지 않아도 되므로, 승온에 따른 에너지를 절감할 수 있다.

본 발명의 발포제는 탄소수 3~6의 탄화수소가 바람직하나, 이에 한정되는 것 은 아니다.

상기 과정을 거친 다음, 순수 세척-탈수-건조 등의 과정을 거치며, 필요에 따라 숙성 과정을 거칠 수도 있다.

본 발명의 중합 과정을 거친 발포 폴리스티렌은 그 전환율이 99.8~99.9%이고, 잔류 모노머 함량은 0.2% 이내로 조절된다.

이하 본 발명을 실시예, 비교예에 의하여 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 하기 특허청구범위에 의해 정의되는 범위와 그 변경, 치환을 포함하는 것이며, 본 실시예의 범위로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

폴리스티렌, 중합수, 발포제 등을 투입시키면서 제1단계 반응시킨 다음, 자체 중합열만으로도 제2단계 반응온도까지 승온이 가능한지 그 에너지를 계산하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

또한, 실질적인 중합열은 제1단계 반응온도인 90℃에서 반응시키고, 냉각수와 스팀을 완전히 차단시킨 단열 조건으로 유지하면서 그 열량을 계산하였다.

A. Slurry Heatup
구분	초기온도(℃)	목적온도(℃)	열량 (kcal)
폴리스티렌	90	120.3	370,010
중합수	90	120.3	688,913
발포제	20	120.3	123,930
B. Jacket & Reactor Heating
구분	초기온도(℃)		목적온도(℃)	열량 (kcal)
Reactor	90		120.3	109,255
Jacket	60		120.3	12,070
Jacket water	60		120.3	181,046
Total (required) 1,485,223
C. 중합열
구분	반응량 (mol)		중합열 (kcal/mol)	열량 (kcal)
Reactor	85,358		17.4	1,485,223
Total (input) 1,485,223

상기 표 1의 결과에서와 같이, 제1단계 반응온도인 90℃에서 제 2단계 반응온도인 120℃까지 승온시키기 위하여 발포 폴리스티렌 제조에 필요한 각 구성 성분과, 자켓 및 중합 반응기의 열량과, 실제 중합 반응에서의 중합열은 유사하게 측정되었다. 따라서, 본 발명에서는 2차 승온을 위한 별도의 승온 과정을 거치지 않고도, 냉각수와 스팀을 완전히 차단시킨 단열 조건을 유지함으로써 제2단계 반응온도까지 자체 승온이 가능함을 확인하였다.

실시예 2

본 발명과 같이 2차 승온 단계에서 냉각수와 스팀을 차단시키고, 단열 조건을 유지했을 때 실질적인 중합 반응에서의 전환율을 측정하였다.

실시예 3

본 발명과 같이 2차 승온 단계에서 냉각수와 스팀을 차단시키고, 단열 조건을 유지했을 때 실질적인 중합 반응에서의 전환율을 측정하였다. 또한, 상기 실시예 2에서 단열 조건을 유지하면서, 2차 승온이 시작된 후 260분이 경과한 시점에서 발포제를 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 발포 폴리스티렌을 제조하면서 전환율을 측정하였다.

비교예 1

비교예에서는 중합반응이 개시된 다음 제2단계 반응을 위해 스팀을 가하여 2차 승온온도까지 승온시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 발포 폴리스티렌을 제조하면서 전환율을 측정하였다.

상기 실시예 2~3과 비교예 1의 발포 폴리스티렌 제조시 중합 시간에 따른 중합 반응기 온도와 전환율을 다음 도 2와 3에 나타내었다.

다음 도 2에서와 같이 현재 단계적 승온을 위하여 스팀을 이용하여 2차 승온시키는 비교예 1과, 본 발명에서와 같이 별도의 승온 과정없이 자체 중합 반응열만으로 2차 승온을 시키는 실시예 2에서 중합 반응기의 온도와 중합 전환율에서 크게 차이나지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법을 사용하는 경우, 비교예 1에서 2차 승온을 위해 가하는 스팀을 절감시킬 수 있어 에너지 절감에 유리하다. 또한, 발포제를 첨가하여 함침시키는 과정을 포함하는 실시예 3에서도 상기 실시예 2, 비교예 1과 유사한 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명과 같이 단계적 승온을 이용하여 발포 폴리스티렌의 제조시 2차 승온을 위해 별도의 승온과정을 가하지 않고, 자체 중합열만으로 승온이 가능하므로 경제적인 방법으로 발포 폴리스티렌을 제조할 수 있다.

도 1은 단계적 승온을 이용한 발포 폴리스티렌의 제조과정의 온도 프로파일을 나타낸 것이고,

도 2와 3은 실시예 2, 3, 비교예 1에 따른 발포 폴리스티렌의 실제 제조과정에서 시간에 따른 온도 및 전환율을 측정한 그래프이다.

Claims (8)

1. 중합 반응기를 70~90℃의 온도로 1차 승온시켜 중합을 개시하는 단계, 및

   상기 중합 반응기를 반응 개시 시점으로부터 180-300min 동안 단열 조건으로 유지시켜 100~120℃의 2차 승온 온도까지 도달하도록 하는 단계를 포함하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 단열 조건은 스팀과 냉각수를 차단시키는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단열 조건은 상기 중합 반응기 재킷의 입구와 출구 온도의 차이가 없도록 유지되는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 2차 승온을 위한 별도의 승온 과정은 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌에 사용되는 폴리스티렌은 중량평균분자량 150,000~300,000인 단독 중합체인 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌은 폴리스티렌과 α-메틸 스티렌, 링-할로겐화 스티렌, 링-알킬화 스티렌, 아크릴로나이트릴, (메트)아크릴레이트 및 N-비닐 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 α,β-에틸렌성 불포화 화합물과의 공중합체를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.

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