KR101750714B1 - 단열성이 우수한 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 발포제인 싸이클로펜탄을 사용하는 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다. 본 발명은 제 1 단계로서, 폴리올과 불소계 핵제를 핵제 유화장치에 투입하고 고속 회전 교반에 의하여 「유화성 핵제 혼합물」을 제조하는 유화성 핵제의 준비단계와; 제 2 단계로서, 폴리올과 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 첨가제를 유체 혼합장치에 투입하고, 그 내부에서 고속으로 유동시키면서 서로 혼합시키며, 고속 유동화 혼합방식에 의하여 「반응성 폴리올 혼합물」을 제조하는 반응성 폴리올 조성물의 준비단계와; 제 3 단계로서, 이소시아네이트와 상기 「반응성 폴리올 혼합물」과 싸이클로펜탄을 믹싱헤드에 투입하고, 노즐에 의해 고속분사함으로써 폴리우레탄 반응을 일으키는 폴리우레탄 원료물질의 분사단계; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

단열성이 우수한 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법{Method of Producing Excellent Heat Insulating Polyurethane Foam Board}

본 발명은 단열성이 뛰어난 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오존층 파괴가 없는 친환경 발포제를 사용하고, 친환경 발포제로 인한 단열성 저하를 불소계 핵제를 사용하여 보완하되, 불소계 핵제의 불용성 및 불안정성을 해소하면서 단열성능이 우수한 폴리우레탄 폼을 연속적인 방식으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 경질 폴리우레탄 폼(Rigid Polyurethane Foam)은 가벼우며 단열성이 좋고, 방음성과 성형가공성이 우수하므로, 냉장고, 냉동컨테이너, LNG선 보냉재, 건축용 단열재, 절연재료, 기타 장식품 등으로 널리 사용되고 있다.

단열재 용도로서 사용되는 경질 폴리우레탄 폼을 제조하기 위해서는 방향족 폴리이소시아네이트와 폴리올 조성액을 사용한다. 폴리올은 폴리이소시아네이트와 반응하여 거대 고분자를 형성하여 경화가 이루어지는 것이며, 우레탄수지의 경화 후에 특성을 조절하기 위하여 다른 화합물과 함께 사용한다. 예를 들어, 밀도를 조절하기 위하여 물리적 및 화학제 발포제를 사용하고, 경화속도를 조절하기 위하여 아민 및 금속 촉매를 첨가하기도 하는데, 이에 따라 발포 폼의 구조와 특성은 다르게 나타난다. 이들은 상용성을 가짐으로써 혼합 시에 상이 분리되는 문제가 발생되어서는 안 된다. 근래의 기술은 이러한 조건을 모두 만족시키는 다양한 제조공정기술이 개발되어 단열재의 성능을 크게 향상시키는데 크게 이바지하였다.

폴리올과 폴리이소시아네이트를 반응시켜 우레탄반응을 일으키는 과정에서 미세한 기포를 형성하는 폼 제품을 만들기 위하여, 발포제를 사용하고 있다. 발포제는 폴리우레탄의 발포성능과 발포제 자체의 단열 특성을 고려하여, 그 성능이 뛰어난 HCFC-141b를 사용하여 왔었다. 그러나, 상기 발포제로 사용되는 HCFC-141b 는 대기 중에 노출되어 오존층 파괴와 지구온난화를 야기하는 물질로서 지목되어지면서, 몬트리올 협정과 같은 국제적인 조약에 의해 그 사용이 금지되고 있다. 현재는 개발도상국에 한하여 단계적으로 감축사용이 진행되고 있지만, 2020년에 이르면 전면 사용이 금지된다.

그에 대한 대체 물질로서, 친환경 발포제인 싸이클로펜탄(Cyclopentane)을 거론하고 있다. 유럽 국가들과 국내의 냉장고제조 업체들은 발포제로서 싸이클로펜탄을 사용하고 있고, 또한 국내의 폴리우레탄 폼 단열재 제조업체도 이러한 상황에 대응하기 위해 기술개발을 서두루고 있는 것으로 알려져 있다.

그렇지만, 발포제로서 싸이클로펜탄은 두 가지의 큰 취약점을 가지고 있는데, 첫째로 싸이클로펜탄은 가연성 및 폭발성 물질이라는 점이고, 둘째로, 싸이클로펜탄은 종래의 발포제들에 비하여 단열성능을 저하시키게 된다는 점이다. 상기 첫째의 문제는 소방법에서 요구하는 안전설비와 작업조건을 갖추면 해결되는 것이므로, 큰 장애물이 될 수 없다. 상기 둘째의 문제는 좀더 복잡한 양상을 띠고 있다.

발포제로서 싸이클로펜탄의 단열성 저하를 보완하기 위하여, 불소계 핵제를 사용하는 것이 그 대안으로 거론되고 있다. 그렇지만, 이 경우 불소계 핵제가 폴리올 등의 원료물질들과 상용되지 않고, 또한 많은 노력을 기울여 균일하게 분산시켜서 에멀젼화시켜 놓았을 경우에도, 시간이 지남에 따라 점점 다시 원료물질들로부터 분리되어짐으로써, 제품의 단열성능을 향상시키지 못할 뿐만 아니라, 제품의 균일한 단열성능을 보장할 수 없게 되는 단점을 제공하고 있는 것이다.

이러한 점에서, 폴리우레탄을 제조하는 업자들로서는 종래의 성능이 양호한 HCFC-141b 발포제를 포기하고, 친환경 발포제를 사용해야 한다는 원칙론에 대해서는 찬성하면서도, 그 실질적인 기술개발이 이루어지지 않은 상황에서, 이러지도 못하고 저러지도 못하는 딜레마에 빠져 있는 상황이다.

결과적으로, 폴리우레탄 폼의 제조업계로서는, 종래의 지구온난화 물질로 밝혀진 할로겐화 발포제를 사용하지 않고, 친환경 물질에 속하는 싸이클로펜탄 발포제 및 불소계 핵제를 사용하면서도, 불소계 핵제의 낮은 상용성 및 시간의 경과에 따른 상 분리의 문제점을 해결하는 점을 큰 과제로 인식하고 있는 실정이다.

종래의 경질 폴리우레탄 폼의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 선행기술을 살펴보면 아래와 같다.

대한민국 특허공개 제2010-100951호 "경질 폴리우레탄 폼의 제조방법" (2010. 9. 15.); 대한민국 등록특허 제10-481336호 "경질 폴리우레탄 발포체의 제조방법" (2005. 3. 28.); 대한민국 등록특허 제10-1311473호 "우레탄 폼 제조장치 및 우레탄 폼 제조방법" (2013. 9. 16.)

본 발명은, 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 지구온난화 물질로 밝혀진 할로겐화 발포제를 사용하지 않고, 친환경 물질에 속하는 싸이클로펜탄 발포제 및 불소계 핵제를 사용하면서도, 불소계 핵제의 낮은 상용성 및 시간의 경과에 따른 상 분리의 문제점을 해결할 수 있는 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 제 1 단계로 폴리올과 불소계 핵제를 핵제 유화장치에 투입하고 고속 회전 교반에 의하여 「유화성 핵제 혼합물」을 제조하고; 제 2 단계로 폴리올과 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 각종 첨가물을 유동화 믹서기에 투입하고 그 내부에서 고속으로 이동하면서 서로 혼합되어지는 고속 유동화 혼합방식에 의하여 「반응성 폴리올 혼합물」을 제조하며; 제 3 단계로 이소시아네이트와 상기 「반응성 폴리올 혼합물」과 싸이클로펜탄을 믹싱헤드에 투입하고 노즐에 의해 고속분사함으로써 폴리우레탄 반응을 일으키는 단계; 를 포함하고 있는 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법에 적합한 제조장치를 제공한다.

본 발명에 의한 폴리우레탄 폼 보드의 제조장치는 최초의 원료의 투입에서 최종적인 믹싱헤드를 통한 폴리우레탄 반응의 유도를 이르기까지 일련의 장치들의 조합으로 구성되어 있고, 일련의 장치들이 각 원료물질들을 연속적으로 공급하도록 함으로써, 불소계 핵제를 유화시킨 상태에서 즉시적으로 사용할 수 있도록 하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명은 친환경 발포제인 싸이클로펜탄과 불소계 핵제를 사용하면서도 불소계 핵제를 폴리올에 균일하게 용해시킴과 동시에 곧바로 우레탄 반응을 진행하고 있으므로, 종래와 같이, 시간의 경과에 따른 폴리우레탄 폼의 불균일한 발포현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 불소계 핵제의 성능을 충분히 활용할 수 있으므로, 폴리우레탄 폼에 형성된 발포 셀의 크기를 작게 형성할 수 있고, 그로 인하여 단열성능을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 제조장치는 불소계 핵제를 폴리올에 균일하게 용해시킴과 동시에, 폴리올 및 첨가제들과 즉시적으로 균일하게 혼합시켜서, 균일하고 단열성이 양호한 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있도록 해주는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법에 적합한 제조장치를 나타낸 개략적인 개념도이고,
도 2는 본 발명의 제 1 단계를 수행하는데 적합한 불소계 핵제의 유화장치에 관한 바람직한 실시예를 나타낸 개념도이고,
도 3은 본 발명의 제 2 단계를 수행하는데 적합한 고속 유동화 혼합장치에 관한 바람직한 실시예를 나타낸 개념도이며,
도 4는 본 발명에 의하여 제조된 폴리우레탄 폼 보드 및 비교대상 폴리우레탄 폼 보드의 셀 구조를 확대하여 촬영한 사진자료들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 바람직한 실시예로서 제시된 구체적인 수치는 본 발명의 기술사상을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 기술사상이 이에 한정되는 것이 아니며, 다양한 변형이 가능함을 미리 밝혀둔다. 또한, 본 발명의 명세서에 있어서, 이 기술분야에서 공지된 것으로서 통상의 기술을 가진 자에 의해 용이하게 창작될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은, 제 1 단계로서, 폴리올과 불소계 핵제를 핵제 유화장치에 투입하고 고속 회전 교반에 의하여 「유화성 핵제 혼합물」을 제조하는 유화성 핵제의 준비단계를 포함하고 있다.

본 발명은 불소계 핵제(G)를 폴리올 성분(B)에 유화시켜서 유화성 핵제 혼합물을 제조한다. 상기 불소계 핵제(G)는, 친환경 발포제에 속하는 싸이클로펜탄의 단열성이 약한 점을 고려하여, 폴리우레탄 폼의 기포 셀을 작게 형성하도록 해줌으로써, 단열성을 개선하기 위하여 사용되어진다.

본 발명은 폴리올 100 중량부에 대하여 불소계 핵제(G) 10 중량부 내지 40 중량부를 혼합하고 유화시켜 사용한다. 상기 불소계 핵제(G)를 상기 폴리올 100중량부에 비하여 10 중량부 이하로 사용할 경우에는 최종적인 폴리우레탄 폼의 단열성 개선효과가 미약한 반면에, 40 중량부 이상으로 사용할 경우에는 투입된 비율에 비하여 단열성 개선효과가 비례하지 않을 뿐만 아니라, 고가의 불소계 핵제를 과도하게 사용하는 측면이 있으므로 바람직스럽지 못하다. 상기 폴리올은 이 기술분야에서 통상적으로 사용되고 있는 것이므로 구체적인 설명을 생략한다. 다만, 상기 폴리올은 폴리에스테를 폴리올과 폴리에테르 폴리올을 포함하고 있으며, 정포제 및 난연제와 같은 기본적인 첨가제를 포함하고 있는 것을 사용할 수 있다.

상기 불소계 핵제(G)는 비중이 1.8인 저점도 액체로서 소수성이 매우 큰 불화탄소 화합물(Ferfluoro compound)이다. 이 화합물의 작용은 폴리올 조성액에 유화된 상태로 분산되어 있다가, 폴리우레탄이 발포되는 단계에서 셀(Cell)의 크기를 작고 조밀하게 하여 단열성능을 탁월하게 하는 효과를 나타낸다. 불소계 핵제로서는 예컨대 3M 사의 PF-5056 을 예시할 수 있다.

그러나, 상기 불소계 핵제(G)는 폴리올 조성액 및 이소시아네이트(MDI)와의 친화성이 좋지 않아서 통상적인 방법으로 혼합하여 사용할 수 없는 한계가 있다. 이를 극복하기 위하여, 제일 먼저 제 1 단계의 유화공정이 필요하다. 이러한 유화공정은 분산용 임펠러장치에서 일정시간 동안 고속으로 교반하여 유화상태(emulsion)를 만들어야 하는 작업이 필요하다. 또한 유화상태도 오래 지속되지 못하는 단점을 가지고 있으므로 불소계 핵제가 배합된 폴리올 조성액은 12 시간 내지 24시간 이내에 사용해야 하는 어려움이 있다.

본 발명은 상기 불소계 핵제(G)를 폴리올에 효율적으로 유화시키기 위하여 핵제 유화장치(120)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 핵제 유화장치(120)는 불소계 핵제와 폴리올을 투입하고 고압에서 교반할 수 있는 탱크몸체(122)와, 모터(M)와 축(123) 및 교반날개(124)와, 탱크몸체의 안쪽에 형성된 다수의 배플(125)과, 탱크몸체의 위쪽에 형성된 폴리올 투입구(126) 및 불소계 핵제 투입구(127)와, 탱크몸체의 하부에 설치된 배출구(128)와, 탱크몸체의 상부와 하부에 연결되어 있는 순환라인(L)과 순환및이송 펌프(P)를 포함하고 있다. 상기 탱크몸체(122)는 밀폐구조로 되어 있고, 내부는 질소 분위기로 이루어져 있다.

본 발명은 상기 폴리올 투입구(126)를 통하여 폴리올을 탱크몸체(122)의 내부로 투입하고, 상기 불소계 핵제 투입구(127)를 통하여 불소계 핵제를 투입한다. 바람직하기로는 폴리올 100kg과 불소계 핵제 10 ~ 40kg을 투입한다. 투입과 동시에, 또는 그 직후 서서히 모터(M)를 가동하여 교반날개(124)를 회전시키고, 양 성분을 교반하여 혼련시킨다.

유화분산을 위한 교반속도는 2,000 RPM 내지 5,000 RPM이 적절하다. 2,000 RPM 이하에서는 장시간 교반을 해도 유화가 진행되지 않을 뿐만 아니라 교반을 멈추면 폴리올 조성액과 불소계 핵제(G)가 층분리되므로 바람직스럽지 못하다. 한편, 5,000 RPM 이상으로 교반하면 유화상태는 좋아지지만, 유동성이 현저히 저하되므로, 이송하는데 문제가 된다. 바람직하게는 3,000 RPM 내지 4,000 RPM이 유화분산에 적합하고, 유동성도 양호한 것으로 밝혀졌다. 분산공정에서 이러한 고속교반이 필요한 이유는 불소계 핵제(G)가 매우 큰 소수성을 띠고 있고 비중이 높아서(1.8) 폴리올 조성액과의 반발성이 크기 때문이다.

유화분산를 위한 교반시간은 10분 내지 40분이 적절하다. 10분 이하에서는 유화의 사각지점이 있을 수 있고, 40분 이상의 교반은 비효율적이었다. 바람직하게는 20분 내지 30분이 유화분산 및 유동성 확보에 가장 적절한 것으로 밝혀졌다. 30분 이상의 교반하여도 유화상태의 변화는 매우 미미하였고, 40분 이상 교반하면 유화상태의 변화없이 유동성만이 저하되었다.

위와 같은 조건하에서, 상기 폴리올과 불소계 핵제(G)를 교반하게 되면, 상기 불소계 핵제(G)가 상기 폴리올 성분에 잘 분산되어 균일하게 혼련되어 있는 「유화성 핵제 혼합물」을 얻을 수 있게 된다.

본 발명은, 제 2 단계로서, 폴리올과 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 각종 첨가물을 유체 혼합장치(130)에 투입하고, 그 내부에서 고속으로 유동시키면서 서로 혼합시키며, 고속 유동화 혼합방식에 의하여 「반응성 폴리올 혼합물」을 제조하는 반응성 폴리올 조성물의 준비단계를 포함하고 있다.

본 발명은 상기 제 1 단계에서 준비된 「유화성 핵제 혼합물」을 곧바로 100 bar ~ 120 bar의 고압으로 유체 혼합장치(130)에 투입한다. 일반적으로 폴리올과 핵제를 고르게 분산시켜 유화성 핵제 혼합물을 제조한 다음, 이를 곧바로 사용하지 않고 보관하였을 경우, 시간이 지남에 따라 상기 불속계 핵제(G)가 분리되기 시작하고, 12시간 내지 24시간이 경과하게 되면, 유화성을 상당부분 상실하게 된다. 본 발명은 이러한 불소계 핵제(G)의 성질을 고려하여, 제 1 단계에서 상기 「유화성 핵제 혼합물」을 제조함과 동시에, 다음 단계로 곧바로 이행하여 사용함으로써, 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 상기 유체 혼합장치(130)에 폴리올과 정포제, 난연제, 촉매 등의 첨가물을 고압으로 투입하고, 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 고속으로 유동시키면서 혼합한다. 상기 폴리올은 역시 이 기술분야에서 통상적으로 사용하고 있는 것으로서, 폴리에테르계 폴리올과 폴리에스테르계 폴리올을 모두 포함하고 있으며, 정포제 및 난연제와 같은 기본적인 첨가제를 미리 포함하고 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 정포제는 이 기술분야에서 통상적으로 사용하고 있는 것으로서 기포의 형성을 돕는 것으로 잘 알려져 있다. 상기 난연제는 폴리우레탄 폼의 난연성을 부여하기 위한 것으로서, 역시 이 기술분야에서 통상적으로 사용하고 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 촉매는 우레탄반응을 촉발하기 위하여 사용되어지며, 최종 제품의 성질 및 품질을 고려하여 2 이상의 촉매제를 사용할 수 있고, 발포제로 물을 사용할 수 있다. 기타 첨가제로서 필요에 따라 산화방지제, 자외선 흡수제, 가소제, 안료, 항균제 등을 사용할 수 있다.

본 발명은 상기 제 1 단계의 「유화성 핵제 혼합물」의 폴리올 100 중량부를 기준으로 하여, 폴리올 800 중량부 ~ 1000 중량부와, 상기 정포제 20 중량부 ~ 40 중량부와, 상기 난연제 150 중량부 ~ 180 중량부와, 상기 촉매 20 중량부 ~ 40 중량부와, 물 5 중량부 ~ 10 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폴리올이 800 중량부 이하로 공급될 경우엔 폴리올 성분이 부족하여 바람직스럽지 못하고, 1000 중량부 이상으로 공급될 경우엔 폴리올 성분이 과도하여 불소계 핵제의 성능을 충분히 발휘하기 어려운 측면이 있다.

상기 폴리올은 폴리올 저장탱크(B)에 정포제와 난연제를 미리 혼합하여 저장해두고 저압펌프(LP)에서 30bar ~ 40bar 및 고압펌프(HP)를 통하여 100bar ~ 120bar의 고압으로 투입되어지고, 촉매들과 물 등의 첨가제는 제1 첨가제 탱크(C), 제2 첨가제 탱크(D), 제3 첨가제 탱크(E)에서 각각 6 ~ 10 kg/㎠의 고압으로, 각각 상기 유체 혼합장치(130)에 투입되어진다. 이와 같이 고압으로 투입하는 이유는 상기 유체 혼합장치(130)의 내부에서 고속으로 유동하면서 난류 및 소용돌이 와류를 형성함으로써 유동화 혼합과정을 형성하도록 하기 위함이다. 상기 첨가제 탱크(C)(D)(E)들은 질소가스를 이용한 고압으로 투입되는 반면에, 상기 폴리올은 상기 저압펌프(LP) 및 고압펌프(HP)를 통하여 고압으로 투입되어지고, 상기 유체 혼합장치(130)의 내부에서 고속으로 유동하게 된다.

본 발명은 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 상기 폴리올 및 상기 첨가제 등을 고속으로 유동시키면서 고르고 균일하게 혼합한다. 이는 상기 「유화성 핵제 혼합물」을 생성함과 동시에 폴리올 반응물에 즉시적으로 혼합하여 사용함으로써, 불소계 핵제를 이용한 폴리우레탄 폼의 셀의 크기를 작고 균일하게 형성하는데 기여하도록 하기 위함이다. 이를 위하여, 본 발명은 투입된 장치 내에서 고속으로 유동하면서, 각각의 성분들이 혼합될 수 있는 유체 혼합장치(130)를 사용한다.

상기 유체 혼합장치(130)는 고압으로 투입된 액상의 물질들이 고속으로 흘러가면서 난류를 형성하고, 그 흐름 통로를 분기시키는 분산판을 통과하면서 다수의 흐름통로로 나누어지고 그와 동시에 심한 소용돌이 와류를 일으키면서 다른 액상의 물질들과 서로 혼합되어지고, 다시 난류와 분산 및 소용돌이 와류 형성 등의 과정을 반복하여 진행할 수 있도록 형성된 것이 바람직하다.

상기 유체 혼합장치(130)는 각각의 유체들이 흘러들어오는 유입구(132)를 가지고 있는 전면 플렌지(131)와, 상기 유입구(132)의 반대편에 형성되어 있고 유체혼합물이 흘러나가는 유출구(134)를 가지고 있는 후면 플렌지(133)와, 상기 전면 플렌지(131)와 상기 후면 플렌지(133)의 사이에 존재하는 몸통부(135)를 포함하고 있다. 상기 몸통부(135)의 내부에서는 상기 유입구(132)를 통하여 흘러들어온 유체들이 고속으로 흘러가면서 서로 고르게 혼합되어지도록 하는 회전날개부(136)를 형성하고 있다. 상기 회전날개부(136)는 나선형 회전날개판들이 4개 내지 10개 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 나선형 회전날개판은 유체가 고속으로 유동하게 될 때 나선형으로 회전하면서 흘러갈 수 있도록 흐름방향으로 나선형을 형성하고 있다. 상기 나선형 회전날개판은 서로 인접하고 있는 선행 나선형 회전날개판과 후행 나선형 회전날개판이 서로 교차되어지는 형태로 결합되어 있는 것이 바람직하다. 이는 나선형으로 회전하면서 유동하던 유체들이 선행 나선형 회전날개판에서 후행 나선형 회전날개판으로 흘러들어갈 때, 그 흐름 통로가 분산되어지고, 그 과정에서 다른 유체와 효율적으로 혼합될 수 있도록 하기 위함이다.

도 3에서는 상기 회전날개부(136)의 구성을 제 1 회전날개판(36a)과, 제 2 회전날개판(36b)과, 제 3 회전날개판(36c)을 포함하여 형성한 것을 보여주고 있고, 상기 각 회전날개판들(36a)(36b)(36c)을 각각 전후로 직각 방향으로 결합시킨 것을 예시해주고 있다.

위와 같은 조건하에서, 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 상기 폴리올과 상기 정포제와 난연제와 촉매 등의 첨가제를 상기 유체 혼합장치(130)에 의하여 고속으로 유동화시켜 혼합하게 되면, 상기 불소계 핵제와 상기 폴리올성분과 각종 첨가제들이 균일하게 혼련되어 있는 「반응성 폴리올 혼합물」을 얻을 수 있게 된다.

본 발명은, 제 3 단계로서, 이소시아네이트와 상기 「반응성 폴리올 혼합물」과 싸이클로펜탄을 믹싱헤드에 투입하고, 노즐에 의해 고속분사함으로써 폴리우레탄 반응을 일으키는 폴리우레탄 원료물질의 분사단계; 를 포함하고 있다.

본 발명은 상기 제 2 단계에서 준비된 「반응성 폴리올 혼합물」을 곧바로 믹싱헤드(140)에 이송시키고, 그와 동시에 이소시아네이트와 친환경 발포제 싸이클로펜탄을 상기 믹싱헤드(140)에 이송시켜서 이들이 서로 혼합되어지도록 하고, 분사노즐(142)을 통하여 분사되면서 폴리우레탄 반응을 일으키도록 한다.

본 발명은 상기 이소시아네이트는 이소시아네이트 탱크(A)에서 저압펌프(LP)를 통하여 20 bar ~ 40 bar의 저압으로, 이어서 고압펌프(HP)를 통하여 100 bar ~ 120 bar의 고압으로 이송시키고, 상기 싸이클로펜탄은 발포제 탱크(F)에서 6 ~ 10 kg/㎠의 고압으로 이송시키는 것이 바람직하다.

상기 믹싱헤드(140)와 분사노즐(142)을 통하여 폴리우레탄 반응을 유도하는 것은 통상적인 기술에 불과하므로, 이에 대해서는 상세한 설명을 생략한다. 한편, 도 1에 있어서, 미설명 부호 DBL은 Double Belt Laminator의 약자로서, 이중 벨트 형식으로 되어 있고 폴리우레탄 반응을 일으켜서 폴리우레탄 폼을 보드 형식으로 제조하는 설비를 말한다. 이러한 설비는 역시 공지된 것이고, 이 기술분야에서 이미 실시되고 있는 것임을 밝혀둔다.

본 발명은 이와 같이 폴리올 성분에 상용성이 낮은 불소계 핵제(G)를 유화시킨 다음, 곧바로 폴리우레탄 반응에 투입함으로써, 연속적인 공정으로 진행되는 것이며, 연속적인 공정으로 진행되는 이상, 유화된 불소계 핵제가 상분리 현상을 일으킬 가능성을 완전히 해소한 것이다.

또한, 상기 핵제 유화장치(120)는 기존 설비에 추가되는 구조로서 원래의 설비에 영향을 주지 않기 때문에 모든 설비의 작동은 기존의 생산공정과 동일하게 연속적으로 진행될 수 있는 장점도 있다. 제품의 품질을 높이면서도 생산성은 전혀 저하되지 않아서 고속 교반장치 장치를 장착하지 않았을 때와 동등하게 유지된다.

이하, 본 발명을 좀더 구체적인 실시예를 통하여 설명하고자 한다.

<폴리우레탄 폼의 제조>

[실시예 1]

싸이클로펜탄 발포제를 사용한 폴리우레탄 폼 보드를 생산하기 위한 처방으로, 폴리에테르폴리올 350kg, 폴리에스테르폴리올 500kg, 정포제 DC-193 30kg, 난연제 TCPP 120kg을 균일하게 혼합하여 폴리올 조성물 1,000kg을 제조하고, 폴리올 탱크(B)에 저장해 두었다. 상기 폴리올 탱크(B)에서 100kg을 핵제 유화장치(120)에 이송하고, 여기에 10kg의 불소계 핵제를 투입한 후 20분간 3,000 RPM으로 고속 교반하여 「유화성 핵제 혼합물」 110kg을 제조하였다.

상기 폴리올 조성액 900kg을 폴리올 탱크(B)에서 100bar로 토출시키고, 상기 「유화성 핵제 혼합물」 110kg을 상기 핵제 유화장치(120)에서 역시 100bar로 토출시켜서, 상기 유체 혼합장치(130)로 동시에 투입시켰다. 또한, 이때, 촉매 PC-5 12kg 을 제1 첨가제 탱크(C)에서, 촉매 T-45 17kg을 제2 첨가제 탱크(D)에서, 그리고 발포제로서 물 6kg을 제3 첨가제 탱크(E)에서, 각각 8kg/㎠의 고압으로 가압하여 상기 유체 혼합장치(130)로 동시에 투입시켰다.

상기 유체 혼합장치(130)의 유출구(134)를 통하여 배출된 「반응성 폴리올 혼합물」을 믹싱헤드(140)로 이송하고, 그와 동시에, MDI 1200kg을 이소시아네이트 탱크(A)에서 100bar의 고압으로, 싸이클로펜탄 130kg 을 발포제 탱크(F)에서 8 kg/㎠의 고압으로 상기 믹싱헤드(140)에 이송시켰다. 상기 믹싱헤드(140)에서 고속 혼합된 폴리올 반응물들을 분사노즐(142)을 통하여 더블벨트 라미네이터(DBL)에 분사시켰다. 상기 더블벨트 라미네이터(DBL)의 컨베이어에서 라이징과 경화단계를 거쳐 경질 폴리우레탄 폼 보드를 제조하였다.

[실시예 2]

폴리올 조성액 100kg당 불소계 핵제의 양을 20kg으로 증량하고, 나머지 조성액과 모든 공정은 실시예 1과 같이 하여 경질 폴리우레탄 폼 보드를 제조하였다.

[실시예 3]

폴리올 조성액 100kg당 불소계 핵제의 양을 30kg으로 증량하고, 나머지 조성액과 모든 공정은 실시예 1과 같이 하여 경질 폴리우레탄 폼 보드를 제조하였다.

[비교실시예]

상기 실시예 1에 있어서, 상기 폴리올 조성액 100kg에 대하여 상기 불소계 핵제를 전혀 투입하지 아니하였고, 그 이외의 조성액과 모든 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하였으며, 이를 통하여 경질 폴리우레탄 폼 보드를 제조하였다.

상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 상기 비교실시예에 의하여 제조된 각각의 경질 폴리우레탄 폼 보드를 취하고, 그 내부의 미세한 기포 셀의 구조를 확인하기 위하여, 50배 확대된 단면을 사진으로 촬영하였다.

도 4는 이에 관한 사진자료들로서, 도 4a는 상기 실시예 1에 의한 경질 폴리우레탄 폼 보드의 확대사진 단면도, 도 4b는 상기 실시예 2에 의한 경질 폴리우레탄 폼 보드의 확대사진 단면도, 도 4c는 상기 실시예 3에 의한 경질 폴리우레탄 폼 보드의 확대사진 단면도, 도 4d는 상기 비교실시예에 의한 경질 폴리우레탄 폼 보드의 확대사진 단면도이다.

상기 사진자료들에 의해 확인되는 바와 같이, 상기 실시예 1의 경우 기포 셀의 크기가 약간 작아진 것이고, 상기 실시예 2 및 실시예 3의 경우 기포 셀의 크기가 더욱 작아진 것을 알 수 있다. 다만, 실시예 3의 경우, 중앙 부분에 다른 기포들에 비해 비교적 큰 기포를 1개 발견할 수 있지만, 이것은 전체적인 기포들의 갯수에 비해 극히 이례적인 것이고, 전체적으로 살펴볼 때 기포들의 크기가 매우 작은 것임을 알 수 있다. 한편, 상기 비교실시예의 경우에는 기포 셀의 크기가 위의 실시예들에 비해 더 크고 일반적인 것임을 알 수 있다. (이때, 기포 셀 중에서 파괴된 것으로 보이는 부분은 샘플을 만들기 위해 절단하는 과정에서 생겨난 것임을 밝혀둔다.)

한편, 상기 실시예 1 내지 실시예 3에 의한 경질 폴리우레탄 폼 보드의 열전도율을 화학시험연구원에 의뢰하여 이를 객관적으로 확인하였다. 시험방법은 KS M 3809:2006 에 의하였고, 시험환경 : 온도(최저 : 22, 최고 : 25) 습도(최저 : 42% R.H., 최고 : 52%R.H.)의 조건하에 실시되었다.

아래의 표 1은 각각의 폴리우레탄 폼 보드의 열전도율을 나타낸 것이다.

불소계 핵제 사용량	열전도율(W/mK)
실시예 1	0.021
실시예 2	0.019
실시예 3	0.019
비교실시예	0.022

위에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 실시예 3은 상기 비교실시예에 비하여 열전도율이 아주 낮아지게 되었음을 알 수 있다. 이것은 한계 상황에서 이루어진 것이므로, 그 단열성이 향상된 것임을 수치상으로 확인해 준 것이라고 하겠다.

이상에서 본 발명에 의한 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법 및 그 제조장치를 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 그 범위가 결정되어지고 한정되어진다.

또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

100 : 폴리우레탄 폼 보드의 제조장치
120 : 핵제 유화장치, 122 : 탱크몸체,
123 : 축, 124 : 교반날개,
125 : 배플, 126 : 폴리올 투입구,
127 : 핵제 투입구, 128 : 배출구,
130 : 유체 혼합장치, 132 : 유입구,
134 : 유출구, 135 : 몸통부,
136 : 회전날개부, 140 : 믹싱헤드

Claims (5)

1. 제 1 단계로서, 폴리올과 불소계 핵제로서 3M^®사의 PF-5056 제품을 핵제 유화장치에 투입하고 고속 회전 교반에 의하여 「유화성 핵제 혼합물」을 제조하는 유화성 핵제의 준비단계와;
   제 2 단계로서, 폴리올과 상기 「유화성 핵제 혼합물」과 첨가제를 유체 혼합장치(130)에 투입하고, 그 내부에서 고속으로 유동시키면서 서로 혼합시키며, 고속 유동화 혼합방식에 의하여 「반응성 폴리올 혼합물」을 제조하는 반응성 폴리올 조성물의 준비단계와;
   제 3 단계로서, 이소시아네이트와 상기 「반응성 폴리올 혼합물」과 싸이클로펜탄을 믹싱헤드에 투입하고, 노즐에 의해 고속분사함으로써 폴리우레탄 반응을 일으키는 폴리우레탄 원료물질의 분사단계; 로 구성되어 있고,
   이때, 상기 반응성 폴리올 조성물의 준비단계에서 사용된 유체 혼합장치(130)는 각각의 유체들이 흘러들어오는 유입구(132)를 가지고 있는 전면 플렌지(131)와, 상기 유입구(132)의 반대편에 형성되어 있고 유체혼합물이 흘러나가는 유출구(134)를 가지고 있는 후면 플렌지(133)와, 상기 전면 플렌지(131)와 상기 후면 플렌지(133)의 사이에 존재하는 몸통부(135)와, 상기 유입구(132)를 통하여 흘러들어온 유체들이 고속으로 흘러가면서 4개 내지 10개로 형성된 나선형 회전날개판들을 포함하고 있어서 상기 유체들이 서로 고르게 혼합되어지도록 하는 회전날개부(136)를 포함하고 있는 것을 사용하되, 고압으로 투입된 액상의 유체들이 고속으로 흘러가면서 난류를 형성하고, 그 흐름 통로를 분기시키는 상기 나선형 회전날개판을 통과하면서 다수의 흐름통로로 나누어지고 그와 동시에 심한 소용돌이 와류를 일으키면서 다른 액상의 물질들과 서로 혼합되어지고, 다시 난류와 분산 및 소용돌이 와류 형성 등의 과정을 반복하여 진행하게 됨으로써 수행되는 것을 특징으로 한, 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유화성 핵제의 준비단계는 폴리올 100 중량부에 대하여 불소계 핵제로서 3M^®사의 PF-5056 제품 10 중량부 내지 40 중량부를 혼합하고 유화시켜 사용하고,
   유화분산을 위한 교반속도는 2,000 RPM 내지 5,000 RPM으로 진행하고,
   유화분산를 위한 교반시간은 10분 내지 40분 동안 진행하며,
   상기 「유화성 핵제 혼합물」을 준비한 이후, 곧바로 다음 단계로 이행되는 것을 특징으로 한, 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응성 폴리올 조성물의 준비단계는, 상기 제 1 단계에서 준비된 「유화성 핵제 혼합물」과 폴리올 및 첨가제를 상기 유체 혼합장치의 내부에서 고압으로 투입된 액상의 물질들이 고속으로 흘러가면서 난류를 형성하고, 그 흐름 통로를 분기시키는 분산판을 통과하면서 다수의 흐름통로로 나누어지고, 그와 동시에 심한 소용돌이 와류를 일으키면서 다른 액상의 물질들과 서로 혼합되어지고, 다시 난류와 분산 및 소용돌이 와류를 형성하는 과정을 반복하여 진행함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한, 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 반응성 폴리올 조성물의 준비단계는,
   상기 제 1 단계에서 준비된 「유화성 핵제 혼합물」을 100 bar ~ 120 bar의 고압으로 상기 유체 혼합장치에 투입하고,
   그와 동시에, 폴리올과 정포제와 난연제의 혼합물을 폴리올 저장탱크(B)에서 저압펌프(LP) 30bar ~ 40bar 및 고압펌프(HP) 100bar ~ 120bar의 고압으로 상기 유체 혼합장치에 투입하고, 촉매와 물을 첨가제 탱크에서 6 ~ 10 kg/㎠의 고압으로 상기 유체 혼합장치에 투입하는 것을 특징으로 한, 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 반응성 폴리올 조성물의 준비단계는,
   상기 「유화성 핵제 혼합물」 110 중량부 ~ 140 중량부와,
   상기 폴리올 800 중량부 ~ 1000 중량부와,
   상기 정포제 20 중량부 ~ 40 중량부와,
   상기 난연제 150 중량부 ~ 180 중량부와,
   상기 촉매 20 중량부 ~ 40 중량부와,
   상기 물 5 중량부 ~ 10 중량부를 상기 유체 혼합장치에 투입하는 것을 특징으로 한, 폴리우레탄 폼 보드의 제조방법.
   
   
   

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