KR101299419B1

KR101299419B1 - 폴리우레탄 폼 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101299419B1
Application number: KR1020100077668A
Authority: KR
Inventors: 최정헌
Original assignee: 주식회사 씨씨티연구소; 최정헌
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2013-08-29
Also published as: KR20120021654A

Abstract

본 발명은 고온 처리된 원목과 유사한 경도 및 강성과 같은 기계적 물성을 구비하고, 습기를 먹지 않고 갈라짐이나 뒤틀림 등 변형이 작으며 외부 힘이 가해지면 적절한 반탄력을 유지할 수 있는 폴리우레탄 폼 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 폼은, 폴리프로필렌 글리콜, 아크릴레이트계 고분자, 실리카, 핵제, 정포제, 촉매, 발포제, 발색제 등을 혼합 교반시켜 이루어진 레진혼합물과;
폴리올과 아민폴리올을 이소시아네이트와 반응시킨 프리폴리머 타입의 이소시아네이트와, 폴리디페닐메탄디이소시아네이트를 혼합하여 교반시킨 경화제를 동시에 분사하여 발포 및 경화시킨 것을 특징으로 한다.

Description

폴리우레탄 폼 및 그 제조방법{Polyurethane foam and manufacturing method thereof}

본 발명은 폴리우레탄 폼 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 습기를 먹지 않고 갈라짐이나 뒤틀림 등 변형이 작을 뿐만 아니라 외부의 힘이 가해지면 높은 반탄력(튕겨나오는 힘)을 갖는 경질의 폴리우레탄 폼 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 우레탄은 크게 두 가지 물질로 구성되어 있다. 첫번째는, 하나의 분자에 여러 가지 수산기(-OH)를 갖는 DEG, DPG, Glycerin, TMP, Sorbitol, Sucrose 등과, 여러 개의 아민기(-NH)를 가지는 EDA, TDA, TEOA 등에 폴리프로필렌옥사이드, 에틸렌옥사이드 등을 부가반응시킨 폴리프로필렌(에틸렌) 글리콜이고, 두번째는, 방향족(aromatic) 또는 지방족(alliphatic) 탄화수소에 이소시아네이트기(-NCO)를 가지는 이소시아네이트 물질이다.

폴리우레탄 폼은 우레탄의 원료가 되는 이소시아네이트와 폴리올에 발포제와 촉매, 정포제, 발색제 등을 혼합하여 반응시켜, 반응 중 발생하는 반응열에 의해 발포제가 기화되어 폼(foam)이 형성된 연질이나 경질의 다공성 우레탄을 말한다. 이러한 폴리우레탄 폼은 제조가 용이하고 다양한 밀도범위를 갖는 제품으로 양산할 수 있기 때문에 컴퓨터나 통신 등의 전자기기용, 스포츠 및 메디칼용 그리고 자동차용의 쿠션 및 방진재 등으로 널리 사용되고 있다.

최근 들어 스포츠나 레저용으로 자전거 전용도로가 많이 설치되고 있는데, 자전거 전용도로의 바닥재는, 바닥재가 습기를 먹지 않고 갈라짐이나 뒤틀림 등과 같은 변형이 없으며 외부의 힘이 가해지면 일정한 반탄력(튕겨나오는 힘)이 있어야 자전거 주행시 안락감과 속도감을 함께 줄 수 있다. 이와 같은 요건을 모두 갖춘 자전거 전용도로 바닥재의 최상의 재료는 고온 처리된 원목, 그 중에서도 삼나무(일본명 : 스기목)를 꼽고 있다. 예를 들면 경륜경기장의 트랙은 모두 고온 처리된 두께 10㎝ 정도의 원목으로 시공되어 있다. 그러나, 이와 같이 고온 처리된 두꺼운 원목은 구입과 시공에 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 시공 기간도 길고 유지 보수도 용이하지 않다는 문제가 있다.

따라서, 상기와 같은 원목과 유사한 경도 및 강성과 같은 기계적 물성을 구비하여 적절한 반탄력과 경질성의 탄성층을 형성할 수 있는 물질에 대한 연구 개발이 시급한 실정이고, 원목 대신 폴리우레탄을 사용한 기술 중의 하나가 실용신안등록 제354486호 "충격 흡수능 및 미끄럼 방지능이 우수한 폴리우레탄 트랙"인데, 상기 기술은 트랙을 경도가 서로 다른 폴리우레탄층을 4개 층으로 구분하여 적층 형성한 것으로, 육상 트랙에는 사용할 수 있지만 경륜장 트랙이나 자전거 전용도로의 바닥재로는 사용할 수 없을 뿐만 아니라 시공 기간도 길고 시공작업도 복잡할 뿐만 아니라 유지 보수에도 많은 문제가 있다.

한편, 목각 예술품이나 원목으로 만든 공예품을 제작하는데 있어서 적절한 크기와 두께를 갖는 원목을 구하기도 쉽지 않을 뿐만 아니라 고가(高價)이고, 또 원목 판넬로 만들어진 건축 내장재는 구하기도 어려워서 MDF나 합판으로 대용하고 있는데 이들은 제작시 사용된 화학물질에서 내뿜는 유해물질로 인하여 건축하고 난 다음 상당기간 동안 인체에 많은 피해를 주고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 고온 처리된 원목과 유사한 경도 및 강성과 같은 기계적 물성을 구비하고, 습기를 먹지 않고 갈라짐이나 뒤틀림 등 변형이 작으며 외부 힘이 가해지면 적절한 반탄력을 유지할 수 있는 폴리우레탄 폼 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼은, 폴리프로필렌 글리콜, 아크릴레이트계 고분자, 실리카를 포함하는 레진혼합물과, 프리폴리머 타입의 이소시아네이트를 포함하는 경화제를 발포 및 경화시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명의 폴리우레탄 폼의 제조방법은, 폴리프로필렌 글리콜, 아크릴레이트계 고분자, 실리카를 포함하는 레진혼합물을 교반시키는 단계; 프리폴리머 타입의 이소시아네이트를 포함하는 경화제를 혼합하는 단계; 상기 레진혼합물과 경화제를 동시에 분사하여 발포 및 경화시키는 단계를 거쳐서 제조되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 폴리우레탄 폼과 그 제조방법에 있어서, 레진혼합물은, 70∼80중량%의 폴리프로필렌 글리콜; 5∼10중량%의 아크릴레이트계 고분자; 1∼5중량%의 실리카; 1∼5중량%의 핵제; 정포제, 촉매, 발포제, 발색제가 포함된 10∼15중량%의 물질을 포함하며,

경화제는, 70∼80중량%의 폴리디페닐메탄디이소시아네이트; 분자량 200∼300의 단분자 2 또는 3가 폴리올과, 분자량 400∼500의 3 또는 4가 아민폴리올 및 이소시아네이트를 중량비로 0.5∼1:0.5∼1:8∼9로 반응시킨 프리폴리머 타입의 이소시아네이트 20∼30중량%를 포함한다.

본 발명에 따르면, 아크릴의 우수한 접착력과 실리카의 내열성, 내마모성 등과 프리폴리머 타입의 이소시아네이트를 이용하여 우수한 물성을 나타내며, 특히 원목과 비슷한 경도 및 강성을 갖는 폴리우레탄 폼을 생성할 수 있다.

이러한 폴리우레탄 폼은, 자전거 운행시 안락감과 속도감을 줄 수 있는 경륜 트랙이나 자전거 전용도로의 바닥재, 건축용 판넬과 같은 건축자재, 목각 예술품이나 공예품을 제조하기 위한 인조목 등 다양한 용도로 사용될 수 있고, 특히 필요에 따라 다양한 크기는 물론 다양한 수종(樹種)의 원목과 비슷한 물성과 색을 발현시킬 수 있어서 그 용도가 무한하다.

본 발명의 폴리우레탄 폼은 폴리프로필렌 글리콜, 아크릴레이트계 고분자, 실리카, 핵제, 정포제, 촉매, 발포제, 발색제 등을 혼합 교반시켜 이루어진 레진혼합물과; 폴리올과 아민폴리올 및 이소시아네이트를 반응시킨 프리폴리머 타입의 이소시아네이트와 폴리디페닐메탄디이소시아네이트가 혼합된 물질을 포함하는 경화제를 혼합하여 발포시켜서 얻어진다.

레진혼합물은 폴리프로필렌 글리콜 70∼80중량%, 아크릴레이트계 고분자 5∼10중량%, 실리카 1∼5중량%, 핵제 1∼5중량% 및 정포제, 촉매, 발포제, 발색제가 포함된 물질 10∼15중량%를 교반시킨 것인데, 아크릴레이트계 고분자는 폴리프로필렌 글리콜의 접착력을 향상시키기 위하여 혼합되는 물질로 5중량% 이하로 너무 적게 혼합하면 점성이 너무 낮아서 생성된 폴리우레탄 폼의 경도 및 강도가 낮아지게 되며, 10중량% 이상으로 너무 많이 혼합하면 점성이 너무 커서 생성된 폴리우레탄 폼의 경도 및 강도가 지나치게 커지게 되는 문제가 있다.

실리카는 폴리우레탄 폼의 내열성 및 내마모성을 부여하기 위하여 첨가하는 물질로, 실리카를 1중량% 이하로 첨가하면 점도가 너무 낮고, 5중량% 이상으로 첨가하면 점도가 급격히 증가하여 작업이 용이하지 않으므로 1∼5중량%로 혼합하는 것이 바람직하다.

정포제는 발포시 폴리우레탄 폼의 균일한 밀도를 유지하기 위하여 첨가되며, 촉매는 반응속도를 조절해 주고, 발포제는 발포시 기포(cell)를 만들어 내는 물질로 폴리우레탄 폼의 용도, 특성 및 가공조건에 따라 적합한 것을 선택해서 사용하는데, 이와 같은 물질들은 폼을 생성할 때 보편적으로 사용하는 것들이어서 더 이상의 구체적인 설명은 생략한다.

폴리프로필렌 글리콜과 아크릴레이트계 고분자, 실리카, 핵제, 정포제, 촉매, 발포제 및 발색제 등이 포함되어 혼합된 레진혼합물은, 40∼60℃의 반응로에서 미리 교반시키는 것이 바람직하다. 특히, 혼합시 주의하여야 할 사항은 마지막에 발포제를 집어넣어서 혼합하려면 발포제를 투입하기 전에 액의 온도를 30℃ 미만으로 냉각하여 투입하여야 한다.

한편, 경화제는 폴리디페닐메탄디이소시아네이트 70∼80중량%와 프리폴리머 타입의 이소시아네이트(분자량 200∼300의 단분자 2∼3가 폴리올 : 분자량 400∼500의 3∼4가 아민폴리올 : 이소시아네이트 = 0.5∼1 : 0.5∼1 : 8∼9 중량비로 80℃에서 미리 반응시킴) 20∼30중량%가 혼합된 물질을 사용한다. 프리폴리머 타입의 경화제를 사용하지 않을 경우 고밀도 폴리우레탄 폼의 제조 시 높은 반응열이 발생하여 내부적으로 탄화가 발생할 수 있기 때문에, 빠른 반응성을 가지는 단분자 물질을 미리 반응(pre-polymer 공법)시킨 프리폴리머 타입의 이소시아네이트를 사용함으로써 안전하고 현장 시공 시 불량을 최소화할 수 있다. 여기서 2∼3가 폴리올이나 3∼4가 아민폴리올에서 2∼3가와 3∼4가는 관능기수를 의미한다.

예를 들면, 2가 폴리올은 ethylene glycol이나 propylene glycol에 PO(propylene oxide) 혹은 EO(ethylene oxide)를 부가반응시켜 분자량을 키운 폴리올이고, 3가 폴리올은 glycerine이나 trimethanol propane 등에 PO 혹은 EO를 부가반응시켜 만든 폴리올이며, 3가 아민폴리올은 triethanol amine 등에 PO 혹은 EO를 부가반응시켜 만든 폴리올이고, 4가 아민폴리올은 ethylene diamine 등에 PO 혹은 EO를 부가반응시켜 만든 폴리올이다.

한편, 폴리우레탄 폼을 제조할 때는, 폴리프로필렌 글리콜과 아크릴레이트계 고분자, 실리카, 핵제, 정포제, 촉매, 발포제 및 발색제 등이 포함되어 혼합된 레진혼합물을 반응로에서 교반시킨 후 발포기의 탱크에 저장하고, 폴리디페닐메탄디이소시아네이트와 프리폴리머 타입의 이소시아네이트를 혼합시킨 경화제를 발포기의 탱크에 따로 저장했다가, 발포기의 노즐을 통해 레진혼합물과 경화제를 중량비로 1:1로 분사하여 발포 및 경화시킴으로써, 원목과 유사한 고반탄력 경질성 우드라이크(wood-like) 폴리우레탄 폼이 생성된다.

이하에서는 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

실시예

레진혼합물로서 폴리프로필렌 글리콜 74중량%, 아크릴레이트계 고분자 8중량%, 실리카 4중량%, 핵제 2중량%, 기타물질(정포제 2중량%, 촉매 4중량%, 발포제 5중량%, 발색제 1중량%) 12중량%를 혼합하여 발포기의 탱크에 저장했다.

그리고, 경화제로서 프리폴리머 타입의 이소시아네이트 30중량%(단분자 2가 폴리올과 3가 아민폴리올 및 이소시아네이트를 1:1:8로 반응시킨 것)와, 폴리디페닐메탄디이소시아네이트 70중량%를 혼합 제조한 경화제를 발포기의 또 다른 탱크에 저장했다.

이와 같은 액상의 레진혼합물과 경화제를 발포기의 서로 다른 탱크에 저장한 후 중량비로 1:1의 비율로 노즐을 통해 동시에 분사하여 발포 및 경화시켜 고경도 우드라이크 폴리우레탄 폼을 생성하였다(크기 : 100㎝×100㎝×1.5㎝).

이와 같이 생성한 폴리우레탄 폼에 대하여 길이변화율, 유해물질 등을 시험한 결과는 아래 [표 1] 내지 [표4]와 같다.

시험항목		단위	시험결과	시험방법
내열성 - 길이변화율 : (70±2)℃, 6h	가로	%	0.1	GR M 3077:2005에 준함
내열성 - 길이변화율 : (70±2)℃, 6h	세로	%	0.1
내열성 - 길이변화율 : (100±2)℃, 6h	가로	%	3.3
내열성 - 길이변화율 : (100±2)℃, 6h	세로	%	2.8
내한성 - 길이변화율 : (30±2)℃, 6h	가로	%	0.1
내한성 - 길이변화율 : (30±2)℃, 6h	세로	%	0.1
흡수에 의한 길이변화율 : 상온수, 120h	가로	%	0.2
흡수에 의한 길이변화율 : 상온수, 120h	세로	%	0.1
내열싸이클 시험 (C-1) - 길이변화율	가로	%	11.3	현대,기아자동차 기술표준(MS 210-05)에 준함
내열싸이클 시험 (C-1) - 길이변화율	세로	%	10.7	현대,기아자동차 기술표준(MS 210-05)에 준함
포름알데히드		mg/kg	2	HPLC(DNPH)법
휘발성유기화합물함량 (VOCs content)		㎍/g	6	KS M 0031:2007 (Headspace method 100℃, 1h)

시험항목		단위	시험결과
VOCs	헥산	㎍/g	불검출(검출한계 0.2)
	메틸에틸케톤		불검출(검출한계 0.2)
	이소부탄올		불검출(검출한계 1)
	벤젠		불검출(검출한계 0.2)
	1-부틸알코올		불검출(검출한계 1)
	트리클로에틸렌		불검출(검출한계 1)
	셀로솔브		불검출(검출한계 1)
	메틸이소부틸케톤		불검출(검출한계 0.2)
	톨루엔		불검출(검출한계 0.2)
	데트라클로로에틸렌		불검출(검출한계 1)
	아세트산부틸		불검출(검출한계 0.2)
	에틸벤젠		불검출(검출한계 0.2)
	m,p-자이렌		불검출(검출한계 0.2)
	o-자이렌		불검출(검출한계 0.2)
	스티렌		불검출(검출한계 0.2)
	부틸셀로솔브		불검출(검출한계 1)
	1,4-디클로로벤젠		불검출(검출한계 0.2)
	헥사데칸		불검출(검출한계 0.2)
	기타 VOCs		6

시험항목	단위	시험결과	시험방법
Pb	mg/kg	불검출(검출한계 5)	GR M 6004:2005
Cd		불검출(검출한계 1)
Hg		불검출(검출한계 1)
Cr⁶ ⁺		불검출(검출한계 1)
Polybrominated Biphenyls(PBBs)			EPA 3504C:1996 시험장비 : GC-MS
Bromobiphenyl	mg/kg	불검출(검출한계 5)
Dibromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Tribromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Tetrabromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Pentabromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Hexabromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Heptbromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Octabromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Nonabromobiphenyl		불검출(검출한계 5)
Decabromobiphenyl		불검출(검출한계 5)

시험항목	단위	시험결과	시험방법
Polybrominated Diphenyl Ethers(PBDEs)			EPA 3504C:1996 시험장비 : GC-MS
Bromobiphenyl ether	mg/kg	불검출(검출한계 5)
Dibromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Tribromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Tetrabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Pentabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Hexabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Heptabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Octabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Nonabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)
Decabromobiphenyl ether		불검출(검출한계 5)

상기 표에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼은, 습기를 먹지 않고 갈라짐이나 뒤틀림 등 온도변화에 따른 변형이 작고 내열성이 강하며, 인체에 유해한 중금속도 거의 검출되지 않았으며, 인장강도도 20℃에서 20㎏/㎠ 이상으로 나타나 고온 처리된 삼나무(일본명 : 스기목)와 비슷한 정도를 나타냈다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 항정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

폴리프로필렌 글리콜, 아크릴레이트계 고분자, 실리카, 핵제, 정포제, 촉매, 발포제, 발색제를 포함하는 레진혼합물과,
폴리올과 아민폴리올을 이소시아네이트와 반응시킨 프리폴리머 타입의 이소시아네이트와, 폴리디페닐메탄디이소시아네이트가 혼합된 경화제를 발포 및 경화시켜서 제조하며, 상기 레진혼합물은,
70∼80중량%의 폴리프로필렌 글리콜;
5∼10중량%의 아크릴레이트계 고분자;
1∼5중량%의 실리카;
1∼5중량%의 핵제;
정포제, 촉매, 발포제, 발색제가 포함된 10∼15중량%의 물질;
로 구성되고, 상기 경화제는,
70∼80중량%의 폴리디페닐메탄디이소시아네이트;
20∼30중량%의 프리폴리머 타입의 이소시아네이트;
를 혼합하여 제조하는데, 상기 프리폴리머 타입의 이소시아네이트는, 분자량 200∼300의 단분자 2∼3가 폴리올 : 분자량 400∼500의 3∼4가 아민폴리올 : 이소시아네이트 = 0.5∼1 : 0.5∼1 : 8∼9 의 중량비로 반응시킨 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼.
삭제
삭제
폴리프로필렌 글리콜, 아크릴레이트 고분자, 실리카, 핵제, 정포제, 촉매, 발포제, 발색제를 포함하는 레진혼합물을 교반시키는 단계;
폴리올과 아민폴리올을 이소시아네이트와 반응시킨 프리폴리머 타입의 이소시아네이트와, 폴리디페닐메탄디이소시아네이트를 혼합하여 경화제를 제조하는 단계;
상기 레진혼합물과 경화제를 동시에 분사하여 발포 및 경화시키는 단계;
를 거쳐서 제조하며,
상기 레진혼합물을 교반시키는 단계에서는, 70∼80중량%의 폴리프로필렌 글리콜; 5∼10중량%의 아크릴레이트계 고분자; 1∼5중량%의 실리카와; 1∼5중량%의 핵제; 정포제, 촉매, 발포제, 발색제가 포함된 10∼15중량%의 물질을 반응로에서 교반시키며,
상기 경화제를 혼합하는 단계에서는, 70∼80중량%의 폴리디페닐메탄디이소시아네이트와, 20∼30중량%의 프리폴리머 타입의 이소시아네이트를 혼합하여 제조하는데, 상기 프리폴리머 타입의 이소시아네이트는, 분자량 200∼300의 단분자 2∼3가 폴리올 : 분자량 400∼500의 3∼4가 아민폴리올 : 이소시아네이트 = 0.5∼1 : 0.5∼1 : 8∼9 의 중량비로 반응시킨 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼의 제조방법.
삭제
삭제
제4항에 있어서,
상기 레진혼합물과 경화제를 발포 및 경화시키는 단계에서는, 레진혼합물과 경화제를 중량비로 1:1로 동시에 분사하여 발포 및 경화시키는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼의 제조방법.