KR101734453B1 - 코어-쉘형 발포수지 응집체와 그 제조방법, 및 이를 이용하여 제조되는 복합 단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 액체 상태에서 발포 및 고화과정이 진행되어 발포체를 형성하는 발포수지로 이루어진 발포체로 된 코어가 내부에 존재하고, 상기 코어의 외부에는 발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 접착되어 이루어진 쉘이 형성되어, 상기 쉘을 구성하는 발포폴리스티렌 입자들의 발포력을 이용한 발포성형이 가능한 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체와, 이를 제조할 수 있는 방법 및 이를 이용한 복합 단열재가 제공된다.

Description

코어-쉘형 발포수지 응집체와 그 제조방법, 및 이를 이용하여 제조되는 복합 단열재{Core-shell type complex resin foam aggregates, manufacturing process thereof and the complex insulation using the same}

본 발명은 발포수지 응집체와 그 제조방법, 및 이를 이용하여 제조되는 복합 단열재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 단열성과 생산성 등의 측면에서 각각 장단점을 가지는 이종의 발포수지를 각각의 단점을 보완하는 형태로 복합화하여, 단열성과 생산성 등의 다양한 측면에서 모두 만족스러운 성능을 나타내는 복합 단열재를 제조할 수 있도록 이들 이종의 발포수지를 복합화한 발포수지 응집체와 그 제조방법, 및 이를 이용하여 제조되는 복합 단열재에 관한 것이다.

화석연료의 고갈에 따른 에너지 절약을 목표로 높은 단열성능을 가진 단열재를 개발하고자 하는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.

이러한 단열재로는 전통적으로 발포폴리스티렌을 이용한 단열재가 널리 사용되었으나, 최근에는 진공단열재, 페놀폼, 폴리이소시아누레이트(polyisocyanurate, PIR)폼, 우레탄폼 및 흑연을 함유한 발포폴리스티렌 단열재 등 다양한 고성능 단열재가 개발되고 상품화되어 있다.

한편, 인구의 도시집중에 따른 인구 과밀화로 인한 각종 사고에 대한 경각심이 고조되고 있는데, 최근 들어 발포폴리스티렌 단열재의 화재사고 위험성이 부각되며 건축용 발포폴리스티렌 단열재 시장이 급속하게 위축되고 있다.

하지만, 현재에도 발포폴리스티렌 단열재가 대표적인 건축용 단열재로 사용되고 있는데, 이는 발포폴리스티렌 단열재의 성형과정이 석유화학회사에서 공급되는 비드 형태의 발포가스를 함유한 폴리스티렌 수지를 용융해서 발포 성형하고 냉각하는 것이 아니라, 비교적 낮은 온도에서 스팀을 가열매로 활용하여 수많은 발포성 입자들을 순간적으로 연화시켜 발포, 성형하도록 되어 있어, 대량의 성형물을 짧은 시간 동안 생산할 수 있는 높은 생산성을 갖기 때문이다.

또한, 30배에서 100배 이상까지의 높은 발포를 이룰 수 있어 매우 경제적 소재라는 점과, 강도 등이 우수하여 취급이 쉽다는 점 등의 발포폴리스티렌 특유의 장점을 능가하는 소재가 아직까지 개발되지 않고 있기 때문이다.

예컨대 상기 진공단열재의 경우, 외부 표피재의 기밀유지성능에 따라 단열성이 저하될 수 있다는 단점을 극복하기 어려울 뿐만 아니라, 단열재 개별 포장 후 진공, 기밀방법으로 제조되므로 대량생산을 위해서는 설비투자가 과대해지는 문제점을 가지고 있다.

한편, 페놀폼, 폴리이소시아누레이트폼, 우레탄폼은 매우 우수한 단열성을 가지고 발포폴리스티렌 등에 비해 상대적으로 내연성도 우수하지만, 액체상태의 원료물질을 이용하여 최종 제품인 단열재를 생산하기 위해서는 단열재의 형태를 유지하며 중합 및 고화과정까지 진행시켜야 하므로, 생산에 많은 시간이 소요되어 생산성이 낮고 제조원가가 높다는 한계가 있다.

또한, 흑연을 함유시켜 열반사 성능을 향상시키는 방법으로 발포폴리스티렌의 단열성을 향상시키는 방법은 발포과정에서 연화된 폴리스티렌 수지는 발포가스의 팽창으로 인해 늘어나는 반면, 흑연성분은 늘어나지 않으므로 기공생성으로 인한 발포가스의 유실로 발포의 한계점이 존재하여 경제성이 떨어지며, 흑연으로 기인된 기공으로 강도가 저하된다는 치명적인 단점을 가지고 있다.

따라서, 현재까지 발포폴리스티렌 단열재와 같은 우수한 생산성을 가지며, 강도가 높아 취급성이 우수하고 경제성이 높은 단열재는 개발되어 있지 않다고 할 수 있다.

다만, 발포폴리스티렌 단열재는 페놀폼, 폴리이소시아누레이트폼, 우레탄폼 등에 비해서는 단열성이 낮은 편이며, 난연성을 비롯한 여러 가지 기능성을 부여하기 위한 코팅층을 형성하는 경우에는 단열성이 좀 더 저하되어 단열재로서의 가치가 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 발포폴리스티렌의 시장 지배적 단열재로서 위상을 향후에도 지속적으로 유지하기 위해서는, 난연성 등의 각종 기능성을 부가한 경우에도 법적·사회적으로 인정되는 충분한 단열성과 내열성을 유지할 수 있어야 한다는 요구를 충족시킬 수 있는 기술을 개발하는 것이 필요하다.

본 발명은 상술한 단열재에 있어서의 종래 기술들의 문제점들에 착안하여 이루어진 것으로서, 발포폴리스티렌 단열재와 유사한 수준의 생산성을 기대할 수 있으면서도 높은 수준의 단열성을 나타낼 수 있는 단열재의 제안하는 것을 목적으로 한다.

그리고 이를 위하여, 이러한 단열재의 제조에 사용되는 유용한 중간재인 발포수지 응집체와 이를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 구성으로서,

액체 상태에서 발포 및 고화과정이 진행되어 발포체를 형성하는 폴리우레탄 수지, 폴리이소시아누레이트 수지 및 페놀 수지로 이루어진 그룹에서 선택되는 발포수지로 이루어진 발포체로 된 코어와;

발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 상기 코어의 외부에 접착되어 이루어진 쉘을 포함하며;

상기 쉘을 구성하는 발포폴리스티렌 입자들의 발포력을 이용한 발포성형이 가능한 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 본 발명에 따른 코어-쉘형 발포수지 응집체를 제조하는 방법은,

발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 각각 자유롭게 움직일 수 있는 상태를 유지한 발포폴리스티렌 입자의 유동층을 형성하는 제1단계와;

상기 발포폴리스티렌 입자 유동층으로 발포수지를 형성할 수 있는 액상의 발포수지 형성물질을 소정 크기의 액체 방울 형태로 공급하여, 상기 공급된 액상의 발포수지 형성물질의 주위에 유동하는 발포폴리스티렌 입자가 접촉되어 액상의 발포수지 형성물질의 주위에 다수의 발포스티렌 입자들이 부착된 미고화 응집체들을 형성하는 제2단계와;

상기 미고화 응집체 내부의 액상의 발포수지 형성물질의 발포 및 고화를 진행시켜, 상기 액상의 발포수지 형성물질의 발포 및 고화에 의해 얻어진 발포체로 된 코어의 외부에 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 부착되어 형성된 쉘을 갖는 발포수지 응집체를 형성하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복합 단열재는,

상술한 본 발명에 따른 코어-쉘형 발포수지 응집체가 부피비로 10% 이상 사용된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발포수지 응집체를 사용하여 제조되는 복합 단열재는, 우수한 단열성을 가지면서도 각종 기능성을 부여하기에 용이할 뿐만 아니라, 높은 생산성을 갖는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 최종적인 발포성형물의 형태와 관계없는 액상의 발포수지 형성물질과 발포폴리스티렌 입자가 서로 접착되어 덩어리를 이룬 발포수지 응집체 상태로 사일로에 저장되어 고화과정을 진행시킬 수 있어서, 좁은 공간에서도 별다른 설비의 소요없이 대량의 발포수지 응집체를 저장 및 숙성시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 발포수지 응집체를 사용하여 발포성형물 형태의 단열재를 제조하는 공정에서는, 원하는 형태의 성형틀에 삽입한 후, 스팀을 이용한 가열시 응집체 외부에 존재하는 발포폴리스티렌 입자의 연화에 의해 발포 성형이 가능하며, 이후 냉각시키는 방법으로 높은 생산성을 유지하며 단열재를 생산할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명에 따라 제조된 복합 단열재는 발포폴리스티렌과 이종의 발포수지간의 경계가 없이, 이종의 발포수지가 액상에서부터 일체화되어 제조되므로, 상호 강도 보완, 단열성 향상, 수분에 대한 내성을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 코어-쉘형 발포수지 응집체의 단면구조를 보여주는 모식도;
도 2 내지 도 4는 실시예 1에서 제조된 코어-쉘형 발포수지 응집체의 외형과 단면 및 복합 단열재 성형물의 단면 사진;
도 5 내지 도 7은 실시예 2에서 제조된 코어-쉘형 발포수지 응집체의 외형과 단면 및 복합 단열재 성형물의 단면 사진;
도 8은 실시예 3에서 제조된 복합단열재 성형물의 단면 사진;
도 9 내지 도 11은 실시예 1에서 제조된 코어-쉘형 발포수지 응집체의 외형과 단면 및 복합 단열재 성형물의 단면 사진;
도 12 내지 도 15는, 각각 발포폴리스티렌 단열재, 비교예 3에서 제조된 복합 단열재, 실시예 1에서 제조된 복합 단열재, 실시예 3에서 제조된 복합 단열재를 이용한 난연성 시험 결과를 보여주는 사진.

이하, 첨부된 도면과 실시예 등을 통해 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다.

본 발명은 단열성과 생산성 등의 다양한 측면에서 각각의 장단점을 가지는 이종의 발포수지를 각각의 단점을 보완하고 장점이 표출되는 형태로 복합화하여 더욱 우수한 성능을 갖는 단열재를 제공하는 것과 관련되어 있다.

즉, 단열성과 내열성 등의 성능면에서 우수한 종류의 발포수지와 생산성과 제조원가, 취급성 등의 측면에서 우수한 발포폴리스티렌 수지의 복합화를 통하여, 여러 측면에서 만족스러운 성능을 나타내는 복합 단열재를 제공하며, 이러한 복합 단열재를 용이하게 제조할 수 있는 중간재로서 이들 이종의 발포수지를 복합화한 코어-쉘형의 발포수지 응집체와 그 제조방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 코어-쉘형 발포수지 응집체의 단면구조를 보여주는 모식도이며, 도 1을 참조하면, 본 발명의 기본적인 구성으로서의 발포수지 응집체(1)는, 코어(10)와 상기 코어(10)의 외부에 형성된 쉘(20)을 포함한 코어-쉘형의 구조로 이루어져 있다.

여기서, 상기 코어(10)는 액체 상태에서 발포와 고화과정이 진행되어 고상의 발포체를 형성하는 발포수지를 주성분으로 이루어진다. 그리고, 상기 코어(10)의 외부에는 발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자(21)들이 접착되어 쉘(20)을 형성하고 있다.

한편, 상기 코어(10)를 구성하는 발포체를 형성하는 발포수지는 쉘(20)을 구성하는 발포폴리스티렌 수지에 비해 단열성과 내열성이 우수하여, 발포폴리스티렌으로 이루어진 단열재의 단열성과 내열성을 보완하는 작용을 하는 것이 바람직하며, 그 이외에도 다른 성능을 보완하기 위해 채택될 수도 있다.

이러한 종류의 발포수지로는, 폴리우레탄 수지, 폴리이소시아누레이트 수지 및 페놀 수지 등을 들 수 있지만 이들에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 발포체 내에는 이들 발포수지의 성능을 개선하거나 새로운 기능성을 부여할 수 있는 통상 첨가되는 첨가제 종류도 첨가될 수 있다.

그리고, 상기 발포폴리스티렌 입자(21)는 스티렌 모노머를 중합하여 얻어진 폴리스티렌계 수지와 발포제를 포함한 작은 발포성 수지 입자를 스팀가열방법으로 발포하여 얻어지는 것으로서, 추후의 성형시에 발포성형이 가능하도록 적절한 발포력을 보유한 것이다.

상기 폴리스티렌계 수지는 스티렌 모노머의 단독 중합체일 수도 있고, 공중합이 가능한 다른 모노머와의 공중합체일 수도 있으며, 이들 단독 또는 공중합체와 혼합하여 사용할 수 있는 다른 중합체와의 혼합물 형태일 수도 있으며, 널리 이들을 포함한 수지는 모두 해당된다.

바람직하게는 상기 발포폴리스티렌 입자(21)는 상기 발포성 폴리스티렌수지 입자를 30배 내지 125배 사이의 배율로 발포시킨 것을 사용하는데, 발포 배율이 낮아 밀도가 너무 높을 경우에는 응집체의 제조시에 바람을 이용한 유동층을 형성시키는 것이 곤란하며, 코어를 형성하는 액상의 발포수지 형성물질의 발포력을 저하시키는 문제점이 있다. 또한 발포 배율이 상기 범위보다 높아 밀도가 낮은 고발포 입자의 경우, 발포가스의 손실이 많아 성형과정 중 발포력의 부족으로 인한 불량이 발생될 수 있다.

한편, 상기 발포폴리스티렌 입자(21)의 일부 또는 전부는 도 1에서 보는 것과 같이 외부에 난연코팅제로 코팅층(21a)이 형성된 것을 사용하여, 난연성을 향상시킬 수도 있다. 발포폴리스티렌 입자(21)의 외부에 코팅층을 형성하는 방법은, 예컨대 초산비닐수지의 용액에 수산화알루미늄, 팽창흑연 등의 난연성을 부여하는 기능성 첨가물을 혼합하여 제조되는 난연성 코팅제를 도포한 후, 각각의 알갱이로 분리하면서 건조하여 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 가능한 다른 방법으로 이루어질 수도 있다.

상기 난연성을 비롯한 기능성의 코팅층을 형성하는 것과 관련된 기술은 한국 등록특허 제10-0479218호, 제10-1325263호 및 제10-0927550호 공보 등에 기재되어 있는 것 등을 참조할 수 있으며, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다.

또한, 상기 발포폴리스티렌 입자(21)의 일부 또는 전부를 흑연이 첨가되어 단열성이 향상된 종류의 것을 사용하여 단열성을 향상시킬 수도 있다.

한편, 상기 코어-쉘형 발포수지 응집체(1)에 있어서, 상기 코어(10)는 전체가 연결된 하나의 연속상을 형성하고 있는 불규칙한 형상의 덩어리로 이루어져 있으며, 표면에 다수의 요홈(11)이 형성되어 있다. 그리고 이들 요홈(11)에는 쉘(20)을 형성하는 상기 발포폴리스티렌 입자(21)들의 표면의 적어도 일부분이 수용되는 형태로 결합되어 있으며, 이들 요홈(11)과 발포폴리스티렌 입자(21)는 다른 접착물질의 개입 또는 매개없이 코어(10)를 구성하는 발포체를 형성하는 발포수지 자체가 접착물질로 작용하여 상호 접착되어 있다.

이렇게 형성된 발포수지 응집체(1)는 대체로 구형에 가깝지만, 코어(10)의 형상에 따라 표면에 굴곡이 있는 다소 불규칙한 형상을 가지며, 성형시에 공극을 형성하지 않도록 하기 위하여서는 최장 부분을 기준으로 직경 10㎝ 이내의 크기로 이루어진 것이 바람직하며, 내부의 코어(10)를 구성하는 발포수지의 특성을 충분히 발현하기 위해서는 최장 부분의 직경이 1㎝ 이상은 되는 것이 바람직하므로, 결국 발포수지 응집체(1)의 크기는 최장 부분의 직경이 1~10㎝ 범위인 것이 바람직하다.

또한, 응집체(1)에 있어서, 쉘(20)을 형성하는 발포폴리스티렌 입자(21)들이 코어(10)의 외부를 전체적으로 감싸서 코어(10)는 외부에 노출되지 않는 것이 가장 바람직하지만, 제조과정 중에서 코어의 표면 일부에는 발포폴리스티렌 입자들이 부착되지 않아 코어의 표면이 외부에 노출되는 경우도 있을 수 있고, 발포폴리스티렌 입자(21)가 코어 내부에 완전히 함몰되는 경우도 존재할 수 있다. 다만, 어떠한 경우에도 코어(10)의 외부 표면의 상당 부분에 발포폴리스티렌 입자(21)들이 접착되어, 이들을 통해 다른 응집체(1) 또는 발포폴리스티렌 입자와 같은 발포수지 입자와 함께 발포성형이 가능하게 될 필요가 있다.

한편, 발포수지 응집체(1)에 있어서의 상기 코어(10) 부분이 차지하는 부피는, 전체 발포수지 응집체 부피의 3~60% 범위인 것이 바람직하다. 상기 범위보다 적을 경우에는 코어를 구성하는 발포수지의 특성에 기인한 성능, 예컨대 높은 단열성이나 내열성을 발휘하기 어려우며, 상기 범위 이상일 경우에는 응집체를 사용하여 발포 성형할 때에 성형성이 저하되어 바람직하지 않다.

그리고, 상기 응집체(1)의 외부를 전체적으로 난연코팅제로 코팅할 수도 있다. 이렇게 할 경우, 이를 이용하여 난연성능이 더욱 향상된 단열재를 제조할 수 있다. 난연코팅제는 상기 개별 발포폴리스티렌 입자의 표면을 코팅할 때에 사용한 것과 같은 성분의 것을 사용할 수 있으며, 코팅방식도 비슷하게 이루어질 수 있다.

한편, 상기 본 발명에 따른 코어-쉘형 발포수지 응집체는, 형태가 고정되지 않은 액상의 발포수지 형성물질을 발포폴리스티렌 입자의 유동층 내에 일정 크기의 방울로 떨어뜨려 발포폴리스티렌 유동층 내부에서 발포, 고화반응을 진행시키는 방법으로 자연스럽게 액상 발포수지 형성물질로부터 형성된 고상의 발포체의 외부에 발포폴리스티렌 입자들이 견고하게 부착되도록 함으로써 제조될 수 있다.

상기 방법을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 먼저 제1단계에서는 발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 각각 자유롭게 움직일 수 있는 상태로 유지한 발포폴리스티렌 입자의 유동층을 형성한다.

즉, 발포제를 함유한 폴리스티렌 입자를 1차 발포하고 숙성하여 얻어진 (예비발포) 발포폴리스티렌 입자를 하부에 온도조절이 가능한 공기주입부가 구비된 용기 내에 삽입하고 공기를 주입하여 발포폴리스티렌 입자를 지속적으로 움직이게 하여 발포폴리스티렌 입자의 유동층을 형성한다.

그리고, 제2단계에서는 이 상태에서 상기 발포폴리스티렌 입자 유동층으로 발포수지를 형성할 수 있는 액상의 발포수지 형성물질을 소정 크기의 액체 방울 형태로 공급하여, 상기 공급된 액상의 발포수지 형성물질의 주위에 유동하는 발포폴리스티렌 입자가 접촉되어 액상의 발포수지 형성물질의 주위에 다수의 발포스티렌 입자들이 부착된 미고화 응집체들을 형성한다. 그리고 제3단계에서는 이어서 상기 미고화 응집체 내부의 액상의 발포수지 형성물질의 발포 및 고화를 진행시켜, 상기 액상의 발포수지 형성물질의 발포 및 고화에 의해 얻어진 발포체로 된 코어의 외부에 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 부착되어 형성된 쉘을 갖는 발포수지 응집체를 형성하게 된다.

본 발명에서 사용하는 상기 액상의 발포수지 형성물질은, 상술한 것과 같이 폴리우레탄 수지, 폴리이소시아누레이트 수지 및 페놀 수지 등을 생성하기 위한 액상의 물질로서, 액상으로 부가된 후 상기 유동하는 주위의 발포스티렌 입자들과 접촉하여 이들과 점착된 상태에서 이후 발포하면서 고화되어 발포폴리스티렌 입자들과 접착된 상태로 응집되어 응집체를 형성하게 된다.

그리고 이러한 응집체 상태로 이송, 충진, 성형 및 단열재의 제조공정을 거쳐야 하므로, 상기 액상의 발포수지 형성물질은 외부에 접착되어 있는 발포폴리스티렌 입자가 분리되지 않을 정도의 충분한 접착력을 가진 것이어야 한다.

따라서, 상기 액상 발포수지 형성물질은, 발포 폴리우레탄 수지(우레탄폼)를 형성하는 액체상태의 촉매와 유연화제, 난연제 등이 혼합된 폴리올과 이소시아네이트 화합물의 혼합물, 발포 폴리이소시아누레이트(polyisocyanurate)수지(PIR폼)을 형성하는 액체상태의 삼량화 촉매, 유연제 등이 혼합된 이소시아네이트 화합물의 혼합물, 그리고 발포 페놀수지(페놀폼)을 형성하는 액체상태의 발포제와 유연화제 및 고화제가 배합된 레졸(resol)형 페놀수지 혼합물 등이 유용하다.

상기 액상의 발포수지 형성물질은 발포폴리스티렌 입자의 유동층의 상부에서 적하하는 방식으로 공급함으로써, 액체 방울 형태로 공급할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

한편, 본 발명의 응집체는 크기에 따라 성형기 내부에 충진시 응집체 사이에 빈 공간이 발생하게 되어 성형물의 공극을 발생시킬 수 있으므로, 상술한 것과 같이 최장 부분의 직경이 1~10㎝ 범위인 것이 바람직하다. 따라서, 액상 단열재 물질의 발포력 조절, 적절한 크기의 발포폴리스티렌 입자의 선택 및 액상 단열재의 방울 크기 조절을 통하여 응집체의 크기를 조절한다. 경우에 따라서는 응집체의 제조후에, 응집체의 절단을 통하여 응집체의 크기를 조절할 수도 있으며, 코어부분이 과다하게 노출된 경우에는 절단을 통해, 코어를 구성하는 발포체의 일부를 절단해 냄으로써 적절한 성형성을 유지하게 할 수도 있다.

발포 및 고화는 액상의 발포수지 형성물질을 공급한 후에, 지속적으로 공기를 주입하면서 약 20~30분 정도의 시간을 유지함으로써 이루어질 수 있으며, 이후의 숙성 과정을 통해 발포성형 전에 코어를 구성하는 발포체 내의 기포셀을 안정화시키는 것이 바람직하다.

코어를 구성하는 발포수지의 발포 및 고화가 완료되면, 체를 이용하여 응집체를 형성한 것과 응집체를 형성하지 않은 개별 발포폴리스티렌 입자를 분별하고, 선별된 발포수지 응집체는 필요에 따라 보관하였다가, 스팀 주입장치와 냉각장치가 구비된 통상의 스팀발포 성형기 내에 투입하고 스팀을 가하여 발포수지 응집체의 외부에 존재하는 발포폴리스티렌 입자를 연화시켜 발포시킴으로써, 응집체들을 상호 융착시켜 일체화된 복합 단열재로 성형한다.

이러한 성형공정은 공지의 발포폴리스티렌의 스팀발포 성형에서와 동일하게 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 이에 관한 좀 더 상세한 설명은 생략한다.

한편, 이때에 발포수지 응집체만을 사용하여 복합 단열재로서 발포성형하는 것도 가능하지만, 응집체를 형성하지 않은 발포폴리스티렌 입자를 일정 비율 혼합하여 성형을 진행할 수도 있다. 상기 발포수지 응집체는 상술한 것과 같이 직경이 1~10㎝ 범위로서, 이들 사이에 공극이 통상의 발포폴리스티렌 입자보다 크기 때문에, 응집체를 형성하지 않은 발포폴리스티렌 입자를 소정 비율 첨가함으로써, 공극의 발생을 최소화하고 성형물의 형태 안정성을 높일 수 있다.

상기 응집체를 구성하지 않은 발포폴리스티렌 입자는 상기 응집체를 형성할 때 사용되는 발포폴리스티렌 입자와 마찬가지로, 발포성을 가진 폴리스티렌계의 수지 입자를 발포하여 얻어지는 예비발포된 발포수지입자로서, 내부에 발포제가 잔류하여 추가적인 발포력을 보유한 것을 의미한다.

또한, 이러한 발포폴리스티렌 입자로는 통상의 발포폴리스티렌 입자뿐만 아니라, 필요에 따라서는 내부에 난연제 등의 각종 기능성 첨가제가 첨가된 발포폴리스티렌 입자와, 상술한 외부에 난연코팅제로 코팅층이 형성된 발포폴리스티렌 입자, 및 흑연이 첨가되어 단열성이 향상된 형태의 발포폴리스티렌 입자 등이 모두 단독으로 또는 다른 종류와 함께 혼용될 수도 있다.

이하, 몇 가지 실시예과 비교예를 통해 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.

실시예 1: 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형 코어- 쉘형 발포수지 응집체와 이를 이용한 복합 단열재의 제조

코어- 쉘형 발포수지 응집체의 제조

하부에 바람을 불어넣을 수 있는 장치가 부착된 용기에 90배의 발포배율로 예비발포된 후 6시간 숙성된 발포폴리스티렌 입자를 채우고, 하부에 상온의 바람을 불어 발포폴리스티렌 입자들을 유동시켰다.

폴리올에 물, 실리콘, 촉매, 가교제 등이 혼합되어 상품화된 레진 프리믹서와 폴리머릭 MDI를 1:1의 중량비로 혼합한 액상의 폴리우레탄폼 형성물질을 제조하여, 발포폴리스티렌 입자들의 유동층 상부에서 자중으로 방울형태로 연속적으로 낙하시켰다.

상기 액상의 폴리우레탄폼 형성물질의 낙하 종료 후, 20분간 용기에 바람을 불어넣기를 유지하여 충분한 폴리우레탄 고화시간을 제공하여, 폴리우레탄폼으로 이루어진 코어와 발포폴리스티렌 입자로 이루어진 쉘로 구성된 발포수지 응집체를 형성하였다.

체를 이용하여 개별 입자로 잔존하는 발포폴리스티렌 입자와 형성된 발포수지 응집체를 서로 분리하여, 발포수지 응집체만을 선별하였다.

분리된 발포수지 응집체의 외형 사진을 도 2에 나타내었으며, 발포수지 응집체의 대략 중앙부를 절단하여 내부 형태가 드러나도록 하여 촬영한 사진을 도 3에 나타내었다.

이들 도면에서 보는 것과 같이, 발포수지 응집체는 외부에는 발포폴리스티렌 입자들로 이루어진 쉘만이 노출되는 구형에 가까운 불규칙한 형상이었으며, 크기도 응집체별로 서로 차이가 났다. 단면구조에서는 내부에 폴리우레탄 수지의 발포체로 된 불규칙한 형상의 코어와 발포폴리스티렌 입자로 이루어진 쉘의 형태를 확인할 수 있다.

복합 단열재의 제조

상기 발포수지 응집체를 90배의 발포배율로 예비발포한 발포폴리스티렌 입자와 부피비로 1:1로 혼합한 후, 성형기에 투입하고, 스팀을 주입하여 성형기의 내부 압력을 1㎏f/㎠ 까지 상승시켜 가열·발포하였다.

가열·발포가 이루어진 후, 진공을 이용하여 대기압과 같은 내부 압력을 가질 때까지 냉각하고 취출하여, 폴리우레탄폼과 발포폴리스티렌으로 구성된 복합 단열재를 제조하였다.

성형물은 전체적으로 안정적인 형태를 유지하고 있었으며, 성형물의 일부분을 톱을 이용하여 절단한 후, 단면을 촬영하여 도 4에 나타내었다.

도 4에서 보는 것과 같이, 성형물의 내부에는 발포폴리스티렌 입자들의 사이에 코어를 구성하던 폴리우레탄폼이 불규칙한 형태로 산재하고 있었으며, 폴리우레탄폼과 발포폴리스티렌 입자들 사이의 경계에 공극이 나타나지 않고 폴리우레탄폼이 발포폴리스티렌 입자들 사이에 스며든 듯이 자연스럽게 결합되어 있었다.

실시예 2: 폴리우레탄- 난연폴리스티렌 복합형 코어- 쉘형 발포수지 응집체와 이를 이용한 난연성의 복합 단열재의 제조

코어- 쉘형 발포수지 응집체의 제조

고형분 함량 30%의 초산비닐수지 메탄올 용액 2㎏에, 수산화알루미늄 1.2㎏, 팽창흑연 0.6㎏, 산화철안료 0.04㎏을 혼합하여 액상인 난연 코팅제를 제조하였다.

200리터 용적의 무중력타입 믹서에 90배의 배율로 예비발포된 후 6시간 숙성한 발포폴리스티렌 입자를 채우고, 교반하면서 상기 제조된 액상 난연코팅제 3.3㎏을 투입하여 균일하게 혼합하고, 건조 공기를 주입하여 10분간 교반하여 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자를 제조하였다.

제조된 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자를 사용하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로, 액상의 발포폴리우레탄 형성물질을 부가하여, 폴리우레탄폼의 외부에 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자가 접착되어 있는 난연성의 코어-쉘형 발포수지 응집체를 제조하였다.

실시예 1에서와 마찬가지로 체를 이용하여 발포수지 응집체를 응지체를 형성하지 않은 발포폴리스티렌 입자와 분리하였으며, 분리된 발포수지 응집체의 외형 사진을 도 5에 나타내었으며, 발포수지 응집체의 대략 중앙부를 절단하여 내부 형태가 드러나도록 하여 촬영한 사진을 도 6에 각각 나타내었다.

쉘을 구성하는 발포폴리스티렌 입자의 표면에 검붉은 색의 난연성 코팅층이 형성된 것을 제외하고는, 실시예 1에서 제조된 코어-쉘형 발포수지 응집체와 외형과 단면형태가 동일하였다.

복합 단열재의 제조

상기 분리한 난연성의 코어-쉘형 발포수지 응집체를 상기 난연성 발포수지 응집체의 제조에 사용된 것과 동일한 난연코팅된 발포폴리스티렌과 부피비로 1:1로 혼합한 후, 성형기에 넣고 실시예 1에서와 동일한 방법으로 성형을 진행하여, 폴리우레탄폼과 난연성 발포폴리스티렌으로 구성된 난연성 복합 단열재를 제조하였다.

성형물은 실시예 1에서 얻은 단열재보다 비교적 공극이 많은 상태였지만, 전체적으로 안정된 형태를 유지하고 있었다. 성형물의 일부분을 톱을 이용하여 절단한 후 단면을 도 7에 나타내었다.

도 7에서 보는 것과 같이, 실시예 1에서와 마찬가지로 성형물의 내부에는 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자들의 사이에 코어를 구성하던 폴리우레탄폼이 불규칙한 형태로 산재하고 있었으며, 폴리우레탄폼과 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자들사이의 경계에 공극이 나타나지 않고 폴리우레탄폼이 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자들 사이에 스며든 듯이 자연스럽게 결합되어 있었다.

다만, 쉘을 구성하는 발포폴리스티렌 입자의 표면에는 검붉은 색의 난연성 코팅층이 형성되어 있었다.

실시예 3: 난연코팅된 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형 코어- 쉘형 발포수지 응집체와 이를 이용한 난연성 복합 단열재의 제조

난연코팅된 코어- 쉘형 발포수지 응집체의 제조

실시예 1에서와 동일한 방법으로 폴리우레탄폼과 발포폴리스티렌 입자로 구성된 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형의 코어-쉘형 발포수지 응집체를 제조하였다.

상기 발포수지 응집체를 200리터 용적의 무중력타입 믹서에 채우고 교반하면서, 실시예 2에서와 동일한 비율과 방법으로 제조된 액상의 난연코팅제 5㎏을 첨가하고 균일하게 혼합한 후, 건조공기를 주입하며 15분간 교반하여, 난연코팅된 코어-쉘형 발포수지 응집체를 제조하였다.

난연성 복합 단열재의 제조

상기 제조된 난연코팅된 코어-쉘형 발포수지 응집체를 성형기에 투입하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 스팀발포성형을 실시하여 폴리우레탄폼과 발포폴리스티렌으로 구성된 난연성 복합 단열재의 성형물을 얻었다.

성형물은 전체적으로 안정된 형태를 유지하고 있었다. 성형물의 일부분을 톱을 이용하여 절단한 후 단면을 관찰하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.

성형물의 단면은 실시예 1이나 실시예 2에서 얻은 성형물보다 비교적 불균일한 상태였지만, 성형물의 내부에 코어를 구성하던 폴리우레탄폼이 불규칙한 형태로 산재하고 있으며, 폴리우레탄폼과 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자들 사이의 경계에 공극이 나타나지 않고 폴리우레탄폼이 난연코팅된 발포폴리스티렌 입자들 사이에 스며든 듯이 자연스럽게 결합되어 있는 점 등은 실시예 1 및 실시예 2에서 얻은 성형물과 동일하였다.

비교 예 1: 폴리우레탄폼 파쇄물과 발포폴리스티렌 입자를 이용한 복합 단열재의 제조

밀도 31㎏/㎥인 폴리우레탄폼을 절단장치를 이용하여 파쇄하고, 미리 90배로 가열 발포한 발포폴리스티렌 입자와 부피비로 1:1로 혼합기에 투입한 후, 2분간 교반하여 발포폴리스티렌 입자와 폴리우레탄폼 파쇄물을 균일하게 혼합하였다.

상기 혼합물을 스팀발포성형기에 투입하고, 실시예 1에서와 동일한 공정을 통해 스팀발포성형하여 폴리우레탄폼과 발포폴리스티렌이 복합된 복합 단열재를 제조하였다.

얻어진 복합단열재의 성형물은 폴리우레탄폼과 발포폴리스티렌이 균일하게 혼합되지 않고 상당부분 폴리우레탄폼이 밀집된 부분이 존재하였으며, 이 부분에서 폴리우레탄폼이 상호 융착되지 않아 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.

발포폴리스티렌과 우레탄폼이 비교적 잘 혼합되어 존재하는 영역을 골라 톱을 이용하여 절단한 후, 단면을 촬영하고 그 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9에서 보는 것과 같이, 폴리우레탄 단열재 파쇄물과 발포폴리스티렌 입자들은 경계가 서로 확연히 구분되어 혼재하는 형태를 나타내었다.

비교 예 2: 폴리우레탄폼 파쇄물과 난연성 발포폴리스티렌 입자를 이용한 복합 단열재의 제조

비교예 1에서와 동일한 방법으로 폴리우레탄폼 파쇄물을 준비하고, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 난연성 코팅제로 코팅된 90배 발포 발포폴리스티렌 입자를 준비하였다.

이들을 부피비로 1:1로 혼합기에 투입한 후 2분간 교반하여 난연코팅 발포폴리스티렌 입자와 폴리우레탄폼 파쇄물을 균일하게 혼합하고, 이를 스팀발포 성형기에 투입하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 스팀발포 성형하여 폴리우레탄폼과 난연성 발포폴리스티렌이 복합된 복합 단열재의 성형물을 제조하였다.

성형물은 비교예 1에서와 마찬가지로 부분적으로 폴리우레탄폼이 밀집된 부분이 존재하였으며, 성형기로부터 탈형시키는 과정에 부분적인 파손과 결합되지 않은 폴리우레탄폼의 이탈이 발생하였다.

이중 융착이 잘 이루어진 부분을 채취하여 톱을 이용하여 절단한 후의 단면을 도 10에 나타내었다.

도 10에서 보는 것과 같이, 폴리우레탄폼 파쇄물과 난연성 발포폴리스티렌 입자들은 경계가 서로 확연히 구분되어 혼재하는 형태를 나타내었다.

비교 예 3: 페놀폼 파쇄물과 난연성 발포폴리스티렌 입자를 이용한 복합 단열재의 제조

시중에 유통되는 밀도 45㎏/㎥인 페놀폼 단열재를 절단장치를 이용하여 파쇄하여 파쇄물을 준비하고, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 난연성 코팅제로 코팅된 90배 발포 발포폴리스티렌 입자를 준비하였다.

이들을 부피비로 1:1로 혼합기에 투입한 후 2분간 교반하여 난연코팅 발포폴리스티렌 입자와 페놀폼 파쇄물을 균일하게 혼합하고, 이를 스팀발포 성형기에 투입하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 스팀발포 성형하여 페놀폼과 난연성 발포폴리스티렌이 복합된 복합 단열재의 성형물을 제조하였다.

성형물은 전체적으로 페놀폼이 밀집된 부분을 중심으로 파손되었으며, 형태를 갖춘 성형물을 제조할 수 없었다. 이중 부분적으로 융착이 잘 이루어진 부분을 채취해 톱을 이용하여 절단한 후, 단면을 도 11에 나타내었다.

도 11에서 보는 것과 같이, 복합 단열재 내부에서는 페놀폼 파쇄물과 난연성 발포폴리스티렌 입자들이 경계가 서로 확연히 구분되어 혼재하는 형태를 나타내었다.

시험: 단열재의 난연성 시험

상기 각 실시예 및 비교예에서 제조된 단열재들과 통상의 발포폴리스티렌 단열재에 대해 난연성을 시험하였다.

밀도 11㎏/㎥의 발포폴리스티렌 단열재(시료 1), 비교예 3에서 얻은 페놀폼-난연성 발포폴리스티렌 복합 단열재(시료 2), 실시예 1에서 얻은 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형 코어-쉘형 발포수지 응집체를 이용한 복합 단열재(시료 3) 및 실시예 3에서 얻은 난연코팅된 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형 코어-쉘형 발포수지 응집체를 이용한 복합 단열재(시료 4)를 각각 두께 0.4㎜의 철판에 우레탄 접착제를 이용하여 접착하고, 5분 동안 연소성능시험(KS F ISO 5660-1)을 실시하였다.

시험결과 시료 1의 통상의 발포폴리스티렌 단열재의 경우, 발포폴리스티렌 단열재가 모두 용융하여 철판 위 우레탄접착제의 상부에 용융물만 존재하는 결과를 얻었다(도 12).

비교예 3에서 얻은 페놀폼-난연성 발포폴리스티렌 복합 단열재(시료 2)의 경우, 내열성이 우수한 페놀폼의 잔류물이 남아 매우 많은 양의 잔류물이 존재하는 것을 확인할 수 있지만, 난연코팅 발포폴리스티렌과 연결되어 하나가 되지 못하고 쉽게 분리되어 흘러 내린다는 것을 확인할 수 있었다(도 13).

본 발명의 실시예 1의 결과로 얻은 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형 코어-쉘형 발포수지 응집체를 이용한 복합 단열재(시료 3)의 경우, 철판 위 우레탄폼과 폴리스티렌 용융물이 혼합된 형태로 철판의 상부를 도포하고 있는 일반적인 발포폴리스티렌 단열재보다는 우수한 결과를 얻었다(도 14)

실시예 3에서 얻은 난연코팅된 폴리우레탄-폴리스티렌 복합형 코어-쉘형 발포수지 응집체를 이용한 복합 단열재(시료 4)의 경우, 도 15에서 보는 것과 같이 많은 부피의 잔류물이 남았다. 특히, 하부에 존재하는 100℃의 온도에서 연화하는 특징의 폴리스티렌이 변형없이 존재한다는 것을 볼 때, 화재사고와 같은 고온의 환경에서 단열작용이 우수하여 열기를 잘 차단할 수 있는 우수한 성능을 가졌다는 것을 확인할 수 있었다.

1. 코어-쉘형 발포수지 응집체
10: 코어
11: 요홈
20: 쉘
21: 발포폴리스티렌 입자
21a: 난연코팅층

Claims (22)

1. 액체 상태에서 발포 및 고화과정이 진행되어 발포체를 형성하는 폴리우레탄 수지, 폴리이소시아누레이트 수지 및 페놀 수지로 이루어진 그룹에서 선택되는 발포수지로 이루어진 발포체로 된 코어와;
   발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 상기 코어의 외부에 접착되어 이루어진 쉘을 포함하며;
   상기 쉘을 구성하는 발포폴리스티렌 입자들의 발포력을 이용한 발포성형이 가능한 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코어는 표면에 다수의 요홈이 형성된 불규칙한 형상인 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
3. 제 2항에 있어서, 상기 코어의 표면에 형성된 다수의 요홈은, 코어를 구성하는 발포수지가 유동성을 갖는 액체 상태에서 발포폴리스티렌 입자와 접촉한 상태에서 발포 및 고화되어 형성된 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
4. 제 2항에 있어서, 상기 발포폴리스티렌 입자들은 상기 코어의 표면에 형성된 각 요홈에 표면의 일부분 이상이 수용된 상태로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
5. 제 1항에 있어서, 상기 코어의 발포체를 형성하는 발포수지 자체가 코어와 쉘을 구성하는 발포폴리스티렌 입자들을 접착하는 접착물질로 작용하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 상기 발포폴리스티렌 입자의 일부 또는 전부는 외부에 난연코팅제에 의한 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
8. 제 1항에 있어서, 상기 발포폴리스티렌 입자의 일부 또는 전부는 흑연이 첨가되어 단열성이 향상된 것임을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
9. 제 1항에 있어서, 상기 응집체의 외부가 난연코팅제로 코팅되어 난연성능이 향상된 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
10. 제 1항에 있어서, 상기 발포폴리스티렌 입자는 30배 내지 125배 사이로 발포된 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
11. 제 1항에 있어서, 응집체에서 코어 부분이 차지하는 부피는 전체 응집체 부피의 3~60% 범위인 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
12. 제 1항에 있어서, 상기 코어는 전체가 연결된 하나의 연속상을 형성한 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
13. 제 1항에 있어서, 응집체의 최장 부분의 직경이 1~10㎝ 범위인 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
14. 제 1항에 있어서, 상기 코어를 구성하는 발포수지는 발포폴리스티렌 입자보다 단열성이 높은 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
15. 제 1항에 있어서, 상기 코어를 구성하는 발포수지는 발포폴리스티렌 입자보다 내열성이 높은 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체.
16. 발포력을 보유한 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 각각 자유롭게 움직일 수 있는 상태를 유지한 발포폴리스티렌 입자의 유동층을 형성하는 제1단계와;
    상기 발포폴리스티렌 입자 유동층으로 발포수지를 형성할 수 있는 액상의 발포수지 형성물질을 소정 크기의 액체 방울 형태로 공급하여, 상기 공급된 액상의 발포수지 형성물질의 주위에 유동하는 발포폴리스티렌 입자가 접촉되어 액상의 발포수지 형성물질의 주위에 다수의 발포스티렌 입자들이 부착된 미고화 응집체들을 형성하는 제2단계와;
    상기 미고화 응집체 내부의 액상의 발포수지 형성물질의 발포 및 고화를 진행시켜, 상기 액상의 발포수지 형성물질의 발포 및 고화에 의해 얻어진 발포체로 된 코어의 외부에 다수의 발포폴리스티렌 입자들이 부착되어 형성된 쉘을 갖는 발포수지 응집체를 형성하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체의 제조방법.
17. 제 16항에 있어서, 상기 제1단계에서, 상기 발포폴리스티렌 입자의 유동층은 발포폴리스티렌 입자를 온도 조절이 가능한 용기에 수용하고, 하부로부터 공기를 주입함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체의 제조방법.
18. 제 16항에 있어서, 상기 제2단계에서, 상기 액상의 발포수지 형성물질을 발포폴리스티렌 입자의 유동층의 상부에서 적하하는 형태로 공급하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘형 발포수지 응집체의 제조방법.
19. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 코어-쉘형 발포수지 응집체가 부피비로 10% 이상 사용된 것을 특징으로 하는 복합 단열재.
20. 제19항에 있어서, 상기 복합 단열재는 상기 코어-쉘형 발포수지 응집체와 응집체를 형성하지 않은 형태의 발포력을 보유한 발포폴리스티렌 입자들의 복합 성형물인 것을 특징으로 하는 복합 단열재.
21. 제20항에 있어서, 상기 응집체를 형성하지 않은 발포폴리스티렌 입자의 일부 또는 전부는 외부에 난연코팅제로 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 단열재.
22. 제20항에 있어서, 상기 응집체를 형성하지 않는 발포폴리스티렌 입자의 일부 또는 전부가 흑연이 첨가되어 단열성이 향상된 것임을 특징으로 하는 복합 단열재.

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