KR101412506B1 - 폴리우레탄 발포체 조성물 및 이에 의한 폴리우레탄 발포체 - Google Patents

폴리우레탄 발포체 조성물 및 이에 의한 폴리우레탄 발포체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발포체 내부에 라텍스 파우더를 분산시켜 폴리우레탄 폼의 물리적 특성을 향상시키고 라텍스 단점인 경화현상을 해결하며 외부 온도 변화에 따른 발포체의 경도 변화를 최소화 하며 에어터널을 갖는 셀구조를 형성케하여 자체 지지성을 갖는 최적의 수면 조건을 갖는 침대 매트릭스를 제공할 수 있다.

Description

폴리우레탄 발포체 조성물 및 이에 의한 폴리우레탄 발포체 {COMPOSITION FOR POLYURETHANE FOAM AND POLYURETHANE FOAM PREPARED THEREFROM}
본 발명은 폴리우레탄 발포체용 조성물 및 이에 의한 폴리우레탄 발포체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 라텍스 분말과 혼합된 폴리우레탄 발포체로서 고온, 자외선에 경화현상을 일으키는 라텍스의 단점을 개선하고 폴리우레탄 폼의 물리적 특성을 향상시키며 지지성을 갖는 온도둔감형 저탄성 폴리우레탄 폼 발포체로서 수면에 적합한 최적의 체압분산을 제공하는 매트리스용 폴리우레탄 발포체에 관 한 것이다.
폴리우레탄(polyurethane)은 분자 내에 우레탄 결합 -OCONH-를 갖는 고분자 화합물의 총칭을 말하는 것으로, 고무상태의 탄성체로서 우레탄 고무·합성 섬유·접착제·도료·우레탄폼 및 자동차 범퍼 등 최근에 그 이용 범위가 확대되고 있는 실정이며, 일반적으로 디올(1,4-부탄디올 등)과 이소시아네이트(Isocyanate)류 등의 첨가 중합에 의해 제조된다.
폴리우레탄을 발포시킨 폴리우레탄 발포체는 가교반응과 함께 발열하여 수지화된 것으로, 반응 진행 중에 발생하는 이산화탄소(CO2 ) 때문에 발포 다공질이 되는 바, 즉 폴리우레탄폼(poly - urethanefoam)은 다포성 또는 스폰지형의 폴리우레탄 수지로 분자내에 에테르결합 -O- 를 갖는 고분자
화합물인 폴리에테르계 폴리올, 또는 분자내에 에스테르결합 -CO-O-를 갖는 고분자 화합물인 폴리에스테르계 폴리올과 2관능 또는 다관능의 이소시아네이트류와 발포체, 촉매등의 원료 및 각종 첨가제와 혼합 반응시켜, 글리콜 성분과 이소시아네이트류 성분이 물에 의해 반응하여 가교되어 그물 모양이 되는데 이때 발생하는 가스(예컨데, CO2 )를 이용하여 발포체를 만들고 있다. 이러한 폴리우레탄 발포체는 자동차, 침대, 쇼파, 의자 등의 쿠션재(매트리스, 시트), 충진재, 필터등으로 사용되고 있다.
한편, 폴리우레탄 폼의 셀구조는 오픈셀과 클로우즈 셀로 나눌수 있는데 오픈셀은 지지대(우레탄 폼 골격)만 있는 구조로서 주로 자동차 시트와 같은 고탄성 폼 제조에 사용되며, 클로우즈셀은 지지대와 이들 사이에 셀 표면이 존재하는 구조로서 주로 메모리폼 제조에 사용된다.
종래 클로우즈 셀은 내외부로 공기 흐름이 제한되어 메모리폼과 같은 저탄성 폼 제조에 적용되며 오픈셀은 쇼파 혹은 자동차 시트와 같은 고탄성폼 제조에 사용된다.
또한, 종래 저탄성 폴리우레탄 폼은 외부 온도에 따른 경도의 변화가 커서 온도에 민감하며 지지성이 없어 그 자체로 매트리스 용도로 사용하는데에는 한계가 있으며 단순히 탑퍼 형태로 사용되어왔다.
[선행기술조사문헌]
1. 한국등록 10-0660441호. 공개일 : 2001. 11. 15
2. 한국등록 10-505909호 공개일 : 2000. 12. 26
3. 한국공개 10-2010-32124 공개일 : 2010. 3. 25
4. 한국공개 10-2012-15529 공개일 : 2012. 2. 22
본 발명은 침대 매트릭스가 최적의 체압분산 효과를 내어 가장 안락한 수면 수면환경을 제공할 수 있도록 폴리우레탄 발포체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 주변 온도 변화에 따라 경도 등 물성이 변화를 최소화 하고 자체 지지성을 갖는 온도 둔감형 저탄성 폴리우레탄 발포체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 신율, 인장강도 등의 물리적 특성을 향상시켜 매트릭스용폴리우레탄 폼을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은 폴리올, 상기 폴리올 100중량부 대비
폴리이소시아네이트 30~40중량부, 물 1~2중량부, 실리콘 정포제 0.5~1 중량부, 및 촉매 0.1~0.2 중량부를 포함하는 폴리우레탄 발포체 조성물에 관계한다.
다른 양상에서 본 발명은 상기 조성물에 의해 제조된 폴리우레탄 발포체에 관계한다. 본 발명의 발포체는 그 내부에 분산되어 존재하는 라텍스 파우더 및 셀 내부를 관통하는 에어터널을 구비하고, 발포체 두께가 5~10cm범위이다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 발포체는 그 내부에 분산되어 존재하는 라텍스 파우더로 인해 라텍스의 단점인 경화현상이 나타나지 않으면서 발포체의 인장, 인열, 내구성 등의 물리적 특성이 향상된다.
본 발명의 폴리우레탄 발포체는 클로우즈 셀 구조임에도 미세 공기 흐름을 조정할 수 있는 에어터널이 셀 내부를 관통하여 형성되어 있고, 저탄성을 가져 외부 압력 변화에 자체 지지성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 외부온도에 따른 경도변화가 둔감한 폴리우레탄 발포체를 제공한다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 폴리우레탄 발포체 조성물은 폴리올, 폴리이소시아네이트 물, 실리콘 정포제, 촉매 및 라텍스 파우더를 포함한다.
본 발명의 구현 예들에서 사용가능한 폴리올은 분자 중에 수산기(히드록시기, OH)를 2개 이상 가진 지방족 화합물을 사용할 수 있다. 그 구체적인 예로는 폴리프로필렌 글리콜 폴리올(polypropylene glycol polyol), 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 폴리올(polyethermethylene ether glycol polyol)과 같은 폴리알킬렌 글리콜 폴리올; 아민터미네이티드 폴리에테르 화합물(amine terminated polyether polyol), 또는 폴리에스테르 폴리올 (polyester polyol) 등을 사용할 수 있다. 폴리에스테르 폴리올로는 아디프산(adipic acid), 무수프탈산(phthalic anhydride) 또는 테레프탈산 등을 사용할 수 있다.
바람직하게는 상기 폴리올은 중량 평균분자량이 3000~4000인 폴리프로필렌 글리콜과 1000~2000인 폴리프로필렌 글리콜을 1 : 0.4~0.6의 중량비로 혼합한 폴리프로펠렌 글리콜 혼합체를 사용할 수 있다. 상기 폴리프로필렌 글리콜은 EO Capping인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 조성물은 상대적으로 고분자인 폴리올(분자량 3000~4000)과 저분자인 폴리올(분자량 1000~2000)을 적절히 혼합함으로써 저탄성의 기능을 갖고, 폴리우레탄의 유리전이온도를 상온까지 확대하여 외부온도에 따른 경도변화를 둔감하게 할 수 있다.
폴리이소시아네이트는 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 일예로 폴리머성 디페닐메탄 디이소시아네이트(polymeric diphenylmethane diisocyanate) 또는 톨루엔 디이소시아네이트를 사용할 수 있으며, 그 사용량은 폴리올 100 중량부에 대하여 30~40 중량부가 바람직하다. 상기 폴리이소시아네이트의 함량이 이 범위에 포함되는 경우, 폴리올과 적절하게 반응하여 최적의 폴리우레탄 발포체를 제조할 수 있다.
상기 라텍스 파우더는 고형분의 함량이 98중량% 이상이며 10~100㎛, 바람직하게는 10~50㎛, 가장 바람직하게는 50㎛ 정도의 입자 크기를 사용한다. 상기 라텍스 분말 크기인 경우에 라텍스 고유 물성을 잃지 않으면서 폴리우레탄 발포체에 균일하게 분산될 수 있다.
상기 라텍스 파우더는 폴리올 100 중량부에 대하여 10~40중량부, 바람직하게는 20~25 중량부를 사용할 수 있다.
본 발명은 발포제로서 물을 기본적으로 사용한다.
본 발명의 발포제로서 종래 폴리우레탄 폼의 제조에 사용되는 시클로 펜탄 이외에도 상온 정도의 끓는점을 갖는 탄화수소류의 발포성 화합물들이 광범위하게 사용될 수 있고, 구체적인 예를 들면 노말펜탄, 이소펜탄 등일 수 있다. 또한 상기 발포제로서 메틸렌클로라이드, 헥산, 아세톤 등과 같은 우레탄 반응열을 이용하는 물리적인 발포제를 사용할 수 있고, 물이 이소시아네이트와 반응하여 CO2를 발생하는 성질을 이용하는 경우 등의 화학적인 발포제 역시 사용할 수 있다. 상기 발포제들의 둘 이상의 혼합물이 사용될 수도 있다.
상기 발포제의 함량은 폴리올 100 중량부에 대하여 1 내지 5중량부, 바람직하게는 1 내지 3중량부를 사용할 수 있다.
본 발명의 조성물은 정포제를 포함한다. 상기 정포제는 원료 물질의 균질성을 유지시키며, 기포 안정제로서 기포가 급격하게 팽창하더라도 파괴되지 않고, 안정하게 형성될 수 있게 기포의 구조를 조절할 수 있다. 정포제로 실리콘 수지가 사용될 수 있으며, 예컨대 폴리디메틸실록산계 또는 폴리실록산에테르계 실리콘 수지 및 그의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 정포제는 폴리올 100중량부에 대하여 0.5 내지 1 중량부가 사용될 수 있는데, 상기 범위 내의 경우, 다수의 기포 생성이 용이하고 기포가 안정화되어 셀을 파괴하지 않으면서 셀 내부를 관통하는 에어터널을 형성할 수 있다.
본 발명의 조성물은 촉매를 추가로 포함할 수 있다. 상기 촉매로는 폴리올과 폴리이소시아네이트 반응이 활발하게 일어나도록 도와주는 역할을 하는 물질은 어떠한 것도 제한없이 사용할 수 있으나, 그 예로 아민계 촉매, 터셔리 아민계 촉매를 들 수 있다. 상기 아민계 촉매의 구체적인 예로는 디메틸사이클로헥실아민, N,N,N',N",N"-펜타 메틸 디에틸렌 트리아민 또는 트리에틸 디아민 등을 사용할 수 있다. 상기 촉매의 함량은 상기 폴리올 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 촉매의 함량이 상기 범위에 포함되는 경우 발포 반응 시간 제어가 용이할 수 있다.
상기 폴리올에 촉매, 실리콘 정포제, 물, 라텍스 파우더를 혼합하고 폴리이소시아네이트를 상기 혼합용액에 넣어 발포할 수 있다. 상기 발포는 종래 공지된 방법을 사용할 수 있는데, 일예로서, 상기 혼합용액에 폴리이소시아네이트를 넣은 후 몰드에 부어 발표성형을 실시하고, 이 때 몰드는 약 60℃로 유지할 수 있다.
다른 양상에서 본 발명은 상기 조성물에 의해 제조된 매트릭스용 폴리우레탄 발포체에 관계한다.
상기 폴리우레탄 발포체는 내부에 분산되어 있는 라텍스 분말을 포함한다. 상기 발포체는 두께가 5~10cm범위로 두꺼워서 침대 매트릭스로 사용될 수 있다.
상기 발포체는 셀 내부를 관통하는 에어터널을 구비한다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 발포체는 그 내부에 분산되어 존재하는 라텍스 파우더로 인해 라텍스의 단점인 경화현상이 나타나지 않으면서 발포체의 인장, 인열, 내구성 등의 물리적 특성이 향상된다.
본 발명의 폴리우레탄 발포체는 클로우즈 셀 구조임에도 미세 공기 흐름을 조정할 수 있는 에어터널이 셀 내부를 관통하여 형성되어 있고, 저탄성을 가져 외부 압력 변화에 자체 지지성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리우레탄 발포체는 저분자량과 고분자량의 폴리올의 혼합체를 사용하여 외부온도에 따른 경도변화가 둔감하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리프로필렌 글리콜(바스프사, 10kg), 촉매로 터셔리 아민(헌츠만사, 10g), 파우더 상태의 라텍스(상하이켐사, RZ5, 2kg), 실리콘 정포제(모멘티브사 50g)물을 혼합하였다. 이때 물의 함량을 폴리올 대비 1중량이 되도록 조정하였다. 혼합용액을 약 30초간 교반 속도를 6000rpm까지 단계적으로 증가시키면서 교반하였다. 얻어진 혼합물에 폴리이소시아네이트를 첨가하여 6000rpm에서 약 30초간 교반하였다.
얻어진 혼합물을 1500 × 2000 × 0.05 m 크기의 몰드에 부어 발포 성형을 실시하여 약 8분간 경화시킨 후, 탈형하였으며, 이때 몰드 온도는 60℃로 균일하게 유지하여, 침대매트릭스용 폴리우레탄 발포체를 제조하였다.
상기 실시예 1에서 수득한 침대용 매트릭스 발포체를 하기 표의 실험항목으로 테스트하고 이를 표 1에 나타내었다.
항 목 Unit 실시예1
Density (Free Rise) Kg / ㎥ 56.6
ILD (25%) Kgf / 314㎠ 4.4
Sag-factor - 1.68
Ball Rebound % 28
Air-flow ft3 / min 0.01
SRT Sec 1
Compression Set (Dry) % 5.5
Tear Strength Kgf / ㎝ 0.21
Tensile Strength Kgf / ㎠ 0.38
Elongation % 171
또한, 상기 실시예 1에서 수득한 침대용 매트릭스 발포체에 대해 온도변화에 따른 경도 변화 추이(Asker 경도계로 표면 경도 변화 측정함)를 하기 표 2에 나타내었다. 비교예 1은 tempur사(일본), 비교예 2는 JS 산업(대한민국)의 메모리폼을 각각 구입하여 테스트하였다.
25℃ 5℃ -25℃
비교예 1 12 52 75
비교예 2 18 50 73
실시예 1 5 12 15
표 2를 참고하면, 실시예 1은 비교예 1 및 2에 비해 경도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (4)

  1. 폴리올, 상기 폴리올 100중량부 대비
    폴리이소시아네이트 30~40중량부, 물 1~3중량부, 실리콘 정포제 0.5~1 중량부, 촉매 0.1~0.2 중량부, 라텍스 파우더 20~25 중량부를 포함하되, 상기 라텍스 파우더는 고형분의 함량이 98중량%이상이고, 크기가 10~100 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 발포체 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 폴리올은 중량 평균분자량이 3000~4000인 폴리프로필렌 글리콜과 1000~2000인 폴리프로필렌 글리콜을 1 : 0.4~0.6 중량비로 혼합한 폴리프로펠렌 글리콜 혼합체인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 발포체 조성물.
  4. 제 1항 또는 제 3항의 조성물을 사용하여 제조된 폴리우레탄 발포체로서,
    상기 발포체는 그 내부에 분산되어 존재하는 라텍스 파우더 및 셀 내부를 관통하는 에어터널을 구비하고,
    상기 발포체 두께가 5~10cm범위인 것을 특징으로 하는 매트릭스용 폴리우레탄 발포체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR940021607A (ko) * 1993-03-11 1994-10-19 윤양중 물성을 개량한 폴리우레탄 폼
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