KR101407925B1

KR101407925B1 - 난연성 발포 폴리스티렌을 이용한 폼재의 제조 방법

Info

Publication number: KR101407925B1
Application number: KR1020130045879A
Authority: KR
Inventors: 김성순
Original assignee: (주)세우산업
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-06-17

Abstract

본 발명은 난연성 발포 폴리스티렌 폼재의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 제조된 난연액을 이송스크류(22)의 이송관체(21) 내에 주입하여 이송스크류(22)로 이송되는 이송관체(21)내에서 EPS 발포 비드 표면에 난연액이 도포되게 하고, 난연액이 도포된 EPS 발포 비드 표면에 난연액이 코팅될 수 있도록 1차 코팅 건조기(3)의 게이트(34, 35, 36, 37)에서 선택적으로 배출시키고, 2차 건조기(4)에서 는 격판(40, 41, 42, 43)에 의한 구간별로 EPS 발포 비드가 체류하는 시간과 배출되는 양을 조절할 수 있게 되어 작업공정을 단순화하고, 고품질의 발포 폴리스티렌 폼재를 얻을 수 있게 하는 것이다.

Description

난연성 발포 폴리스티렌을 이용한 폼재의 제조 방법{Manufacturing method of flame retardent epandable polystyrene}

본 발명은 난연성 발포 폴리스티렌(Epandable polystyrene, EPS) 폼재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 1차적으로 발포된 EPS 비드(bead)를 이송하는 과정에서 난연액을 투입하여 이송과 동시에 EPS 발포 비드 표면에 난연액이 코팅되게 하여 작업공정을 단순화하고, 코팅 및 건조과정에서 시스템 내에서 체류되는 시간에 의하여 코팅 시간을 조절하여 고난연의 발포 폴리스티렌 폼재를 얻을 수 있는 난연성 발포 폴리스티렌을 이용한 폼재의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 일반 주택에서는 구조체를 통한 열손실이 가장 크고, 개구부와 침기를 통하여 단열의 환경적 측면에서의 이점은 실내 온도를 일정하게 유지하고 습기의 침투를 방지하여 실내의 쾌적성 유지하면서 표면에서 결로 발생을 방지하여 마감재의 훼손을 방지하고, 경제적 측면에서의 이점은 냉난방 설비의 초기 비용을 감소시키고, 냉난방 에너지 비용을 절약하는 효과가 있다.

열손실을 방지하기 위한 조치가 단열에 국한되는 것이 아니고 주거환경에서는 기밀성, 결로, 열교환 등과 같은 많은 조건에 맞추어 적정한 단열재를 사용하여야 쾌적한 환경을 유지할 수 있게 된다.

단열재는 재질에 따라 무기재료, 유기재료, 금속재료 및 동식물재료로 구분되고, 이는 다시 섬유형, 기포형, 반사형, 다공형으로 구분된다.

단열재는 두께가 일정할 경우 열전도율에 의해 단열성능이 좌우되고, 물을 흡수하면 급격하게 열전도율이 증가되어 단열의 기능을 상실하게 되므로 단열재를 선정할 때에는 열전도율이 낮고, 흡수성이적으며, 경량체로서 운반 취급 및 시공이 용이하고, 품질이 균일하여 장기간 동안 사용하여도 비틀림과 경시변화 등이 없는 것이어야 한다.

상기한 조건을 만족시키는 것으로서 각종 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 단열재로서 일반적으로 유기재료의 기포형 단열재인 EPS 폼재가 많이 사용되고 있다. 이러한 EPS 폼재는 중간단열재로 사용하여 일반적으로 내외피재인 도장용 아연도금강판 사이에 샌드위치 시켜 가공한 조립식 판넬로 제작되어 경제적이고, 시공성이 탁월하며, 방수 방습 및 보온 단열성이 뛰어나서 우레탄 판넬, 그라스울 판넬과 함께 일반적인 단열 건축자재로 널리 사용되고 있을 뿐만이 아니라 일반 실생활에서 여러 가지 목적으로 사용되고 있는 것이다.

EPS 폼 단열재는 사용 온도 70℃ 이하의 조건에서 단열을 목적으로 제조되는 것으로, 구슬 모양의 비드, 또는 첨가제 등에 의하여 개질된 원료를 사용하여 발포 성형한 제품을 미리 가열하여 1차 발포시키고, 이것을 적정한 시간동안 숙성시킨 후, 판 모양의 금형에 채우고 다시 가열하여 2차 발포에 의해 융착 성형하는 비드법과 원료를 가열 용융하여 연속적으로 압출 발포시켜서 성형하는 압출법에 의한 제조 방법이 있다.

비드법은 표면의 입자 사이가 견고하게 융착되고 평평한 면을 형성하며, 압출법은 균일한 다수의 미세한 독립 기포로 구성되면서 표면은 평평한 면을 형성하고 있다.

구체적으로 고 발포 폴리스티렌 폼의 공극에 열경화성수지를 함침시킨 난연성 단열판을 제조하는 방법의 일례는 함침조에 폴리스티렌 폼을 투입하고, 진공펌프를 이용하여 함침조 내부의 기압을 낮춤으로써 폴리스티렌 폼 패널에 난연제를 도입하는 것이다.

이러한 방법은 열경화성수지와 경화제를 혼합함과 동시에 화학반응이 일어나 함침시키는 시간을 조절하기가 어렵고, 폴리스티렌 폼의 입자와 입자 사이에 스며든 난연제와 경화제가 균일하게 분포하지 못함으로 인하여 난연특성을 완벽하게 보장하지 못하는 문제점이 발견되었다.

또한 발포된 폴리스티렌 폼에 코팅제로써 난연제를 균일하게 함침시키기 위해 먼저 진공 흡입과 같은 강제적인 방법에 의하여 다공성 물품입자 사이의 공극에 무작위로 코팅제가 스며 들도록 하고, 이어 회전에 의한 원심력을 이용하여 상기 다공성 물품입자 사이에 스며든 코팅제를 균일하게 분산시키는 방법이 있으나, 이러한 방법은 함침시간이 길어지며 흡입과정에 있어서도 다량의 폴리스티렌 폼을 적용하지 못하여 작업성이 저하되어 생산성을 높일 수 없으며, 내부에 함침된 난연제의 건조가 어려워서 건조시간이 비교적 길어지는 문제점이 있다.

대한민국 특허 10-825203 대한민국 특허 10-542050 대한민국 특허 10-699350

발포 중합체는 원료를 발포한 다음 이 발포 알갱이를 성형기에 넣고 고온에서 압축하고 스팀을 분사하여서 되는 것으로, 포장, 파이프 및 튜브, 의복 손질, 건축 및 절연재에서 발포 시트, 필름, 프로파일 및 슬래브 등과 같은 다양한 형태로 활용되고 있는데, 특히, EPS 폼재는 현재 냉동기, 냉각기, 트럭, 기차, 건물, 지붕 및 주택의 절연재, 그리고 다층 구조의 패널에 대한 코어 물질로도 사용되고 있다.

이러한 EPS 폼재는 열에 취약하여 화재시 단시간에 점화되거나 융해되기 때문에 중합체의 난연 특성을 개선시키는 요구가 증가되고 있다.

EPS 제품에서 내화성을 부여하기 위해서, 브롬화 유기 화합물이 발포 및 비발포 폴리스티렌 조성물에 사용되어 왔다. 다양한 브롬화 유기 난연제 중에서 시판되는 주요 브롬화 지방족 화합물은 비닐 방향족 중합체 발포체와 함께 활용된다. 헥사브로모시클로도데칸, HBCD, 및 1,2-디브로모메틸-4-(1,2-디브로모메틸)시클로헥산, BCL-462, 알베말(Albemarle)은 발포 폴리스티렌에서 사용되는 가장 통상적인 난연제이다.

종래의 코팅법에 의한 난연 EPS 폼재는 난연성을 부여하기 위하여 제조된 난연액을 EPS 발포 비드와 함께 교반기에서 혼합하고 교반기 아래쪽의 토출구를 통해 이송시켜서 건조 및 성형을 하는 공정을 통하여 제조되었다. 따라서 EPS 발포 비드와 난연액을 혼합하는 공정은 발포 폴리스티렌 제조 공정 중에서 하나의 공정을 구성하게 된다. 이러한 단계별 제조 공정에서 어느 하나의 공정을 감축하면서 제조된 제품의 품질 특성이 저하되지 않는 다면 작업공정의 감소로 인하여 제조원가를 경감하면서 생산성의 향상을 기대할 수 있게 될 것이다.

한편, EPS 발포 비드에 도포된 난연액이 비드 표면에 흡착되는 상태는 발포 폴리스티렌 폼재의 난연 성능에 중요한 변수가 되는데, 종래의 난연 EPS 제조 공정에서 1차 발포되어 난연액이 도포된 상태로 이송된 EPS 발포 비드를 건조시키는 공정은 하나의 라인으로 공급되는 건조실에서 진행되었다. 여기서 원료를 건조시키는 조건은 원료가 건조실에서 체류하는 시간과 온도조건 등에 의하여 결정이 된다.

따라서 하나의 라인에서 공급되는 원료를 건조시키는 과정은 직접적으로 건조시간을 조절할 수 없기 때문에 건조실에서 원료가 체류되는 시간을 조절하기 위해서는 이송 스크류에서의 압출 이송량을 조절하여 건조실로 공급되어 배출되는 원료의 양을 조절하거나 건조온도를 높이는 방법에 의존하여 왔다.

그러나 이송 스크류의 압출 이송량을 조절하게 되면 적정한 원료의 공급이 이루어지지 않게 되어 생산성이 저하되고, 한정된 건조실 내에서의 공급라인에서 건조온도를 상승시키는 방법만으로는 효율적인 건조에 의한 발포폴리스티렌 폼재의 난연성능을 기대하기 어렵다.

본 발명은 EPS 발포 비드를 이송하는 과정에서 난연액을 투입하여 이송과 동시에 EPS 발포 비드에 난연액이 코팅되게 하여 원료와 난연액을 별도로 교반하는 공정을 배제시켜서 작업공정이 단순화되어 생산성이 향상되는 난연성 발포 폴리스티렌 폼재의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이송 스크류의 압출 이송량과 온도조건을 일정하게 유지하면서 난연액이 도포된 EPS 발포 비드가 건조실에서 충분히 체류할 수 있는 시간을 제공하여 EPS 발포 비드에 도포된 난연액이 비드 표면에 효과적으로 흡착된 상태로 건조되어 2차발포 성형을 할 수 있게 함으로써 효과적인 발포 폴리스티렌 폼재의 난연 성능을 기대할 수 있는 난연성 발포 폴리스티렌 폼재의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에서 원료와 난연액을 별도로 교반하는 공정을 배제하여 단순화되는 작업공정에 의하여 생산성을 향상시키기는 목적을 달성하기 위한 기술적인 특징은 EPS 발포 비드 표면에 제조된 난연액을 도포하여 이송 건조 및 성형하는 발포 폴리스티렌 폼재의 제조 방법에 있어서, 제조된 난연액을 이송스크류의 관체 내에 주입하여 이송스크류로 이송되는 관체 내에서 EPS 발포 비드 표면에 난연액이 도포되게 하고, 상기와 같이 난연액이 도포된 EPS 발포 비드 표면에 난연액이 흡착 코팅될 수 있도록 건조시켜서 성형하는 것이다.

본 발명에서 건조실에서 EPS 발포 비드가 충분히 체류할 수 있는 시간을 제공하여 원료에 도포된 난연액이 EPS 발포 비드의 표면에 효과적으로 흡착된 상태로 건조되어 효과적인 발포 폴리스티렌 폼재의 난연 성능을 기대할 수 있게 하는 목적을 달성하는 기술적인 특징은 건조실 내에서 하나의 원료 공급라인으로부터 다수개의 건조공급라인이 분기되면서 어느 하나의 건조공급라인이 선택되어 EPS가 이송될 수 있게 하고, 상기 다수개의 건조공급라인이 하나의 배출라인으로 합류되게 하여 건조실에서 원료가 체류되는 시간을 조절할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 EPS 발포 비드를 이송하는 과정에서 난연액을 투입하여 이송과 동시에 발포 비드에 난연액이 코팅되게 하여 EPS 발포 비드와 난연액을 별도로 교반하는 공정을 감소시켜서 작업공정이 단순화되어 생산성을 향상시킬 수 있으며, 또한 건조실에서 분기된 다수의 건조공급라인을 선택함에 따라 건조실에서 EPS 발포 비드가 체류되는 시간을 조절할 수 있게 되어 EPS 발포 비드 표면에 도포된 난연액이 균일하게 흡착 코팅이 되어 성형기까지 공급됨으로써 발포 폴리스티렌 폼재의 난연성능이 향상되는 효과가 있는 것이다.

도 1는 본 발명의 시스템 계통도
도 2는 본 발명의 공정과정을 나타낸 플로우 차트

본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시 예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

다음에서 본 발명의 실시 예를 설명한다.

본 발명에 따르는 난연성 EPS 폼재의 제조 방법은:

저장탱크(1)에서 난연액을 제조하는 제 1 단계(S1);

EPS 비드를 압출기(2)에 투입시키는 제 2 단계(S2);

상기 제 2 단계(S2)에서 압출기(2)에 투입된 EPS 발포 비드에 상기 제 1 단계(S1)에서 제조된 난연액을 투입하는 제 3 단계(S3);

상기 제 2 단계에서 투입된 EPS 발포 비드를 압출기(2)로 이송하는 과정에서 상기 제3단계에서 투입된 난연액을 혼합 도포시키는 제 4 단계(S4);

상기 제 4 단계(S4)에서 EPS 발포 비드 표면에 도포된 난연액을 흡착 코팅시키기 위하여 압출기(2)로부터 1차 코팅 건조기(3)에 이송된 EPS 발포 비드를 1차건조 시키는 제 5 단계(S5);

상기 제 5 단계(S5)에서 난연액이 코팅된 EPS 발포 비드를 2차 건조기(4)에서 2차건조시키는 제 6 단계(S6);

상기 제 6 단계(S6)에서 건조된 EPS 발포 비드를 블록성형기(5)에서 성형하는 제 7 단계(S7)에 의하여 완료된다.

상기한 제조과정을 각 단계별로 구체적으로 설명한다.

제 1 단계(S1)는 교반기구를 구비하는 저장탱크(1)에서 무기물 난연제와 바인더 및 경화제를 물과 함께 적정한 비율로 혼합하여 난연액을 제조한다.

무기물 난연제의 종류가 한정되거나 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 팽창흑연, 붕사, 붕산, 인산염, 암모늄염, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄 중에서 적어도 2가지 이상이 혼합될 수 있다.

제 2 단계(S2)는 EPS 발포 비드를 압출기(2)의 호퍼(20)를 통하여 이송관체(21) 내에 설치되어 모터로 구동하는 이송 스크류(22)로 투입시킨다. 여기서 상기 이송관체(21)의 선단은 정량토출밸브(11)를 구비하는 저장탱크(1)의 배출관(10)과 연결되어 있어서 저장탱크(1)에서 제조된 난연액이 이송관체(21)내부로 유입될 수 있게 되어 있다.

제 3 단계(S3)는 상기 제 2 단계(S2)에서 이송관체(21)내에 투입되어 이송 스크류(22)로 이송 가능하게 되는 EPS 발포 비드에 상기 제 1 단계(S1)에서 제조되어 저장탱크(1)에 저장되어 있는 난연액이 정량토출밸브(11)에 의하여 배출관(10)을 통하여 이송관체(21)내부로 유입된다.

제 4 단계(S4)는 압출기(2)의 이송스크루(22)가 구동하여 EPS 발포 비드를 이송시키는 과정에서 이송스크루(22)의 이송작동이 교반작용을 하게 되어 이송관체(21) 내부로 유입된 난연액이 EPS의 표면에 고르게 도포된다. 이렇게 난연액이 도포된 EPS 발포 비드는 이송스크루(22)의 압출 압력에 의하여 배출관(23)을 통하여 1차 코팅 건조기(3)로 이송된다.

제 5 단계(S5)는 상기 배출관(23)과 연결된 1차 코팅 건조기(3) 내부의 공급라인(30)으로 EPS 발포 비드가 공급되어 표면에 부착된 난연액이 1차 건조기(3) 내부에서 체류되는 시간 동안 건조되면서 EPS의 발포 비드 표면에 전체적으로 흡착 코팅되어 난연 처리가 된다.

여기서, 상기 1차 코팅 건조기(3)는 열풍건조 방식으로 구성되면서, 케이싱(30)내에서 모터(31)의 동력으로 구동하는 다수개의 교반날개(32)가 블로킹 방지용 바(33)사이에 설치되고, 케이싱(30) 외부로 배출되는 다수개의 게이트(34, 35, 36, 37)가 층상으로 설치되어있다. 상기한 다수개의 게이트(34, 35, 36, 37)는 출구측이 하나의 배출라인(38)으로 합류되어 제2건조기(4)에 접속된다.

상기한 다수개의 게이트(34, 35, 36, 37)는 어느 하나가 선택되어 EPS가 배출되는 공급라인을 형성하게 된다. 따라서 1차건조실(3)에서 선택되는 게이트(34, 35, 36, 37)에 따라 EPS 발포 비드가 1차 건조기(3)에 체류되는 시간을 조절할 수 있게 된다. 즉, 아래족의 게이트(34)로부터 상부의 게이트(35, 36, 37)로 갈수록 1차 건조기(3) 내부에서 체류되는 시간이 길어지게 되어 난연액이 건조 및 흡착 코팅되는 시간을 선택적으로 조절할 수 있게 되는 것이다.

제 6 단계(S5)는 1차 코팅 건조기(3)에 연속적으로 설치되는 2차 건조기(4)에서 열풍건조 방식에 의하여 EPS 발포 비드의 완전 건조가 이루어진다.

여기서, 2차 건조기(4)의 내부에는 다수개의 격판(40, 41, 42, 43)이 엇갈리게 겹쳐져서 상하로 슬라이딩 이동할 수 있게 설치되어 개폐되는 정도를 조정할 수 있게 되고, 격판(40, 41, 42, 43)이 설치된 공간 사이로 열풍이 유도되면서 EPS 발포 비드가 건조될 수 있게 된다.

따라서 2차 건조기(4)는 각각의 격판(40, 41, 42, 43)이 선택적으로 개폐되어 형성되는 배출공간의 높이를 조절하여 격판(40, 41, 42, 43)에 의한 구간별로 EPS 발포 비드가 체류하는 시간과 배출되는 양을 조절할 수 있게 되어 최적의 조건 효율을 나타낼 수 있게 된다.

이러한 건조방법은 EPS 발포 비드를 가압하거나 원심탈수시키지 않게 됨으로써 EPS 발포 비드의 변형, 강도저하 및 물성이 변화될 우려가 없이 고난연 처리가 가능하게 된다.

제 7 단계(S7)는 난연액이 코팅되어 건조된 EPS 발포 비드가 블록 성형기(5)에 투입되어 고온으로 압축되면서 스팀이 분사되는 일반적인 성형 방법에 의하여 발포 성형이 완료되어 블록건조기(6)로 이송된다.

상기한 제조과정에 따라서 EPS 발포 비드를 호퍼(20)에 1분당 10kg을 투입하고, 난연액은 분당 10kg을 정량 투입한 다음 이송스크류(22)를 160rpm의 이송속도로 구동하여 1차 및 2차 건조기(3)(4)에서 60의 온도로 3~5분간 건조시키고 블록성형기(5)에서 제조하였다.

상기한 방법에 따라 제조된 성형물에 대한 물리적 성질을 시험한 결과, 열전도율(W/m·k)은 0.043 이하이고, 밀도(g/㎠)는 0.015 이상, 굴곡파괴하중(N)은 20 이상, 압축강도(N/㎠)는 5 이상 이었다. 그리고 콘칼로리미터법에 의하여 난연성능을 시험한 결과 총방출열량(MJ/㎡)은 8 이하, 열방출율이 연속으로 200kW/㎡를 초과하는 시간(s)은 10초 이하이고, 시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 용융(심재의 전부용융, 소멸)등이 없으며, 행동정지시간(min)은 9분 이상 이었다.

상기한 시험결과를 아래의 표 1에 기재하였다.

주요 성능지표	단 위	최종 개발목표	가중치 (%)	객관적 측정방법
주요 성능지표	단 위	최종 개발목표	가중치 (%)	시료 수 (n=5개)	시험규격
총방출열량	MJ/m²	8MJ/m² 이하	20	10	KS F ISO 5660-1
열방출율(연속 200kW/m²를 초과하는 시간)	sec	10sec 이하	20	10	KS F ISO 5660-1
방화상 유해한 균열, 구멍 및 용(심재의 전부용융, 소멸 등)	유무	없을 것	10	10	KS F ISO 5660-1
가스유해성시험 (행동정지시간)	min:s	9 min 이상	10	10	KS F 2271
압축강도	N/cm²	5 N/cm²이상	20	10	KSM 3808
굴곡파괴하중	N	20 N이상	10	10	KSM 3808
열전도율	W/m·k	0.043 W/m·k이하	10	10	KSM 3808

1 : 저장탱크 2 : 압출기
3 : 1차 코팅 건조기 4 : 2차 건조기
5 : 블록성형기 6 : 블록건조기
10 : 배출관 11 : 정량토출밸브
20 : 호퍼 21 : 이송관체
22 : 이송 스크루 23 : 배출관
30 : 케이싱 31 : 모터
32 : 교반날개 33 : 로킹 방지용 바
34, 35, 36, 37 : 게이트 38 : 배출라인
40, 41, 42, 43 : 격판

Claims

EPS(Epandable polystyrene) 비드 표면에 제조된 난연액을 도포하여 이송 건조 및 성형하는 발포 폴리스티렌의 제조 방법에 있어서,
제조된 난연액을 이송스크류(22)의 이송관체(21) 내에 주입하여 이송스크류(22)로 이송되는 과정과, 발포 폴리스티렌 원료 표면에 난연액이 도포되게 하는 과정을 동시에 이루고, 상기 난연액이 도포된 원료의 표면에 난연액이 코팅될 수 있도록 1차 코팅 건조기(3) 및 2차 건조기(4)에서 건조된 다음 성형하되,
난연액이 도포된 EPS 비드 표면에 난연액이 코팅될 수 있도록 건조시키는 과정은, 1차 코팅 건조기(3)의 케이싱(30) 외부로 배출되는 복수개의 게이트(34, 35, 36, 37)가 층상으로 설치되면서 하나의 배출라인(38)으로 합류되어 상기 복수개의 게이트(34, 35, 36, 37) 중에서 어느 하나가 선택되어 EPS가 체류되며 건조 및 코팅되는 시간을 조절할 수 있게 되는 것이고,
2차 건조기(4)는 복수개의 격판(40, 41, 42, 43)이 엇갈리게 겹쳐지면서 슬라이딩 이동하여 개폐되는 정도를 조정할 수 있게 되어 격판(40, 41, 42, 43)이 설치된 공간 사이로 열풍이 유도되면서 격판(40, 41, 42, 43)에 의한 구간별로 EPS 비드가 체류하는 시간과 배출되는 양을 조절할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌을 이용한 폼재의 제조 방법.
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