KR101782702B1 - 경성 발포 폴리스티렌 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열처리되고, 비-흑연 성분의 무연탄 코크스 입자를 함유하는 경성 발포 폴리스티렌과 이 경성 발포 폴리스티렌을 함유하고, 단열을 위한 발포제의 용도에 관한 것이다.

Description

경성 발포 폴리스티렌{RIGID POLYSTYRENE FOAMS}
본 발명은 열처리되고, 비-흑연 성분의 무연탄 코크스 입자를 함유하는 경성 발포 폴리스티렌과 이 경성 발포 폴리스티렌을 함유하고, 단열재로 사용되는 발포재에 관한 것이다.
경성 발포 폴리스티렌은 오래 전부터 잘 알려진 성분으로서 특히 패널 형태의 단열재로서 건축 분야에서 사용되어 왔다. 경성 발포 폴리스티렌은 폐쇄 셀 구조를 가진다. 즉 이 발포재는 적은 비율(%)의 고형 폴리스티렌과 높은 비율의 차단된 에어로 구성된다. 이러한 폐쇄 셀 구조는 열전도성이 낮은 특성을 갖기 때문에 경성 발포 폴리스티렌은 단열재로 사용하기에 매우 적합하다. 이때 경성 발포 폴리스티렌의 밀도가 열전도성에 결정적인 영향을 주며, 이러한 경성 발포 폴리스티렌의 밀도는 폴리스티렌 입자의 발포 정도에 의해 결정된다. 건축 분야에서 사용되는 경성 발포 폴리스티렌 소재의 단열판은 예를 들어 그 밀도가 20 또는 30 ㎏/㎥이며, 이에 따라 40 내지 35 mW/m·K의 열전도성을 보인다. 가능한 한 폴리스티렌의 사용을 줄이기 위해, 즉 자재를 절약하기 위해 밀도가 20 ㎏/㎥ 미만인 경성 발포 폴리스티렌의 사용이 고려되기도 한다. 그러나 이 경우 이러한 특성의 경성 발포 폴리스티렌은 45 mW/m·K 초과의 너무 높은 열전도성을 보인다. 밀도가 30 ㎏/㎥ 미만인 경성 발포 폴리스티렌판, 바람직하게는 밀도가 20 ㎏/㎥ 미만의 폴리스티렌판을 사용하고자 할 경우, 상기와 같이 낮은 밀도에도 불구하고 만족스러운 열전도성을 얻기 위해 경성 발포 폴리스티렌에 불투열성의 성분을 첨가하는 방법이 사용되기도 한다. 여기에서 불투열성의 성분이란 열, 특히 적외선으로 인해 발생하는 열을 흡수하는 소재를 말한다. 그러므로 따라서, 이러한 특성으로 인해 불투열성의 성분을 첨가할 경우 경성 발포 폴리스티렌의 광 전달성 역시 감소하게 된다. 경성 발포 폴리스티렌에 첨가할 수 있는 불투열성의 성분으로서 Al2O3 또는 Fe2O3 등과 같은 금속 산화물이나 SiO2 등과 같은 비금속 산화물, 금속 가루, 알루미늄 가루, 재, 흑연, 하소된 석유 코크스, 메타 무연탄, 무연탄 또는 유기 염료 또는 유기 색소 등을 사용하는 것이 좋다(EP 0620246, WO 97/45477, WO 98/51734, WO 00/43442, WO 2010/031537, DE 202010013 850, DE 202010013851). 이러한 불투열성 성분을 첨가하여 제조될 수 있는 경성 발포 폴리스티렌은 밀도가 20 ㎏/㎥ 미만이면서도 열전도성이 40 mW/m·K 미만(권장값 35 mW/m·K 미만)인 특징을 갖게 된다. 미세한 입자로 분쇄된 흑연이나 하소된 석유 코크스를 불투열성 성분으로 사용하려면 높은 에너지가 소모되는 분쇄 절차를 거쳐야 한다. 또한 예를 들어 분쇄된 흑연 입자를 폴리스티렌 혼합물에 균일하게 섞이도록 해야 하는 어려움이 남는다. 특히 니들 코크스와 같은 비등방성의 석유 코크스를 사용할 경우 원자재 비용이 발생하는 추가적인 단점이 있다. DE 202010013850에는 탄소가 함유된 불투열성 성분의 사용에 대해 설명되어 있다. 이 설명에서는 메타 무연탄이나 무연탄 등과 같이 흑연 구조나 터보 스트래틱 구조를 가지며 이를 통해 흑연 탄소 등급을 갖는 불투열성 성분이 예시되고 있다(IUPAC 용어집 참조). 경성 발포 폴리스티렌에 함유된 이러한 불투열성 입자는 부분적으로 흑연 구조를 가져서 높은 내재적 열전도성을 보이며 이로 인해 열전도값이 높아 좋지 않은 단열성을 갖는다.
따라서 본 발명의 목적은 위의 특성과 달리 밀도가 40 ㎏/㎥, 미만(권장값: 20 ㎏/㎥ 미만)이고 열전도성이 40 mW/m·K 미만(권장값: 35 mW/m·K 미만)의 특성을 가져서 단열 목적에 보다 적합한 불투열성 성분이 함유된 대체 경성 발포 폴리스티렌을 제조하는 데에 있다. 이때 첨가되는 불투열성 성분은 에너지가 적게 드는 분쇄 절차를 거쳐 제조되어야 하며 분쇄된 입자가 납작한 형태를 가져야 한다. 또한 이 분쇄된 입자가 폴리스티렌 혼합물에 균일하게 분포해야 한다.
본 발명의 단락에서 열처리되고 비-흑연 성분의 무연탄 코크스 입자가 함유된 경성 발포 폴리스티렌을 사용함으로써 달성될 것이다. 여기에서 무연탄 코크스 입자는 불투열성 성분으로서 작용된다. 이하에서 언급되는 무연탄 코크스 입자는 사전 열처리되고 비-흑연 성분의 무연탄 코크스 입자를 의미한다.
본 발명에 따르면 경성 발포 폴리스티렌에 함유된 무연탄 코크스 입자(권장: 가스 하소 처리된 무연탄 코크스 입자)는 밀도가 40 ㎏/㎥ 미만(권장값: 20 ㎏/㎥ 미만)이고 열전도성이 40 mW/m·K 미만(권장값: 35 mW/m·K 미만)인 특징을 가지며 적합한 단열성을 보여준다. 또한 무연탄 코크스 입자는 예를 들어 흑연 입자(천연 흑연 또는 합성 흑연)과 비교하여 분쇄 시 에너지가 적게 소모된다. 이는 해당 처리량이 많을 뿐만 아니라 사용할 수 없는 부가 생산물(예를 들어 미세한 필터 분진)이 흑연에 비해 적게 발생하기 때문이다. 흑연 성분의 무연탄은 2200℃ 초과의 온도에서 열처리할 경우 획득할 수 있으며 일종의 합성 흑연으로 사용된다. 또한 분쇄된 무연탄 코크스 입자는 납작한 형태를 가질 수 있다. 그 외에 무연탄 코크스 입자는 흑연 입자에 비해 폴리스티렌 혼합물에 더 적절하게 배포할 수 있다. 이는 무연탄 코크스 입자의 표면 특성이 폴리스티렌 혼합물에 의해 더 쉽게 습윤(wet)되어 배포에 용이하기 때문이다. 놀랍게도 무연탄 코크스 입자의 뭉침 현상이 더 적게 나타나는 것으로 확인되어 균일하게 배포하고자 할 때 적은 전단력만 사용해도 충분하다. 이는 특히 무연탄 코크스 입자를 현탁 폴리머화 프로세스나 에멀젼 폴리머화 프로세스에서 처리할 때 장점으로 작용한다.
본 발명에 따른 경성 발포 폴리스티렌은 압출 가공된 경성 발포 폴리스티렌(XPS)이거나 미립자 발포 폴리스티렌(EPS)의 특징을 갖는다.
상기 경성 발포제는 그 제조 프로세스에 따라 구별된다. XPS는 압출 가공 장치에서 끊어지지 않은 발포재 코드 형태로 제조된다. 이때 폴리스티렌은 압출기에서 용해된 후 CO2와 같은 촉진제가 첨가된 후 와이드 슬롯 다이에서 끊어지지 않고 배출된다. 이때 와이드 슬롯 다이 뒤에는 발포재 코드가 생성된다. 이 프로세스를 통해 두께가 20 내지 200 mm인 발포제가 제조된다. 냉각 구간을 통과한 후 장치가 발포재 코드를 원하는 형태, 즉 블록 형태, 판 형태 또는 작은 형태로 잘라낸다. 이렇게 압출된 경성 발포 폴리스티렌은 폐쇄 셀 구조를 갖는 발포재로서 수분이 적게 흡수되며 긴 사용 기간을 갖는다. XPS는 예를 들어 Styrodur® C 또는 Styrofoam® 상표로 판매된다. EPS 제조 시에는 폴리스티렌 과립(폴리스티렌 회죽)이 90℃ 초과의 온도에서 사전 발포된다. 이 폴리스티렌 과립에는 촉진제로서 펜탄이 첨가되어 있다. 이러한 고온에서 사전 발포될 때 촉진제는 증발되며 열가소성 수지인 기본 소재는 최대 20 내지 50배로 팽창하여 폴리스티렌 발포 입자가 된다. 이 발포 입자를 절단식 또는 비절단식으로 작동하는 장치에서 실행되는 두 번째 고온 증발 처리 절차(온도 110℃ 내지 120℃)를 거쳐 블록, 판 또는 작은 형태로 제조된다. EPS는 주로 에어가 차단된 폐쇄 셀 단열 구조를 갖는다. 이때 EPS의 98%를 에어가 구성한다. 또한 EPS는 내수성을 갖는다. EPS는 예를 들어 Styropor® 상표로 판매된다.
본 발명에서 사용 가능한 폴리스티렌은 스티렌을 현탁 폴리머 프로세스를 통해 처리하여 무연탄 코크스 입자가 포함된 형태로 가공될 수 있다. 이 프로세스에서 스티렌은 수용성 현탁액에서 무연탄 코크스 입자가 함유된 상태에서 폴리머화된다. 이러한 결합(폴리머화) 전이나 도중 또는 후에는 각각 촉진제(예: 펜탄)가 첨가된다. 에멀전 폴리머화 프로세스에서는 예를 들어 스티렌이 물에 용해된다. 이때 에멀전(유화) 상태를 안정적으로 유지하기 위해 유화제가 첨가된다. 사용된 폴리머화 개시제는 물에서 용해된다. 이때 폴리머화 역시 무연탄 코크스 입자가 함유된 상태에서 진행된다. 상기 기술된 프로세스에서 중합제로서 확장 가능한 스티렌 중합제, 특히 스티렌의 호모 폴리머 또는 코 폴리머는 바람직하게는 투명한 폴리스티렌(GPPS), 내충격성 폴리스티렌(HIPS), 음이온 폴리머 처리된 폴리스티렌 또는 내충격성 폴리스티렌(A-IPS), 스티렌-알파-메틸스티렌 코 폴리머, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 중합제(ABS),스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 아크릴로니트릴 스티렌 아크릴 에스테르(ASA), 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌(MBS) 및 메틸 메타크릴레이트 아크로니트릴 등이 사용된다.
이중 평균 중량 Mw이 150,000 g/mol 내지 350,000 g/mol 사이인 폴리스티렌의 특히 바람직하게는 150,000 g/mol 내지 300,000 g/mol이며 더욱 바람직하게는 180,000 g/mol 내지 250,000 g/mol이다. 평균 중량 Mw은 겔 투과 크로마토그래피를 실온에서 사용하여 확인할 수 있다. 이때 예를 들어 용리제로서 테트라하이드로퓨란을 사용할 수 있다.
본 발명의 단락에서 무연탄 코크스 입자가 경화 발포 폴리스티렌에서 균일하게 분포되어 있는 것을 선호한다. 무연탄 코크스 입자가 경화 발포 폴리스티렌에 이렇게 균일하게 분포되어 있을 경우, 특히 미립자 발포 폴리스티렌(EPS)의 경우, 스티렌 폴리머화 입자, 특히 확장된 스티렌 폴리머화 입자의 미세 셀 구조에 영향을 주지 않는다. 다른 한 편으로는 제조된 경성 발포 폴리머의 단열 특성이 개선된다. 이에 따라 무연탄 코크스 입자는 예를 들어 EPS 제조 시 핵형성(nucleation)을 저해하는 영향을 주지 않게 된다. 이러한 무연탄 코크스 입자의 균일한 분포는 또한 폴리스티렌 혼합물에서 이 입자가 갖는 우수한 분산성에 의해 더욱 강화된다.
이 무연탄 코크스 입자의 표면 특성으로 인해 이 입자는 폴리스티렌 혼합물에 의해 쉽게 습윤되어 입자 배포 시 뭉친 덩어리가 더 골고루 퍼지도록 해준다. 즉, 폴리스티렌 혼합물에 전체적으로 더 적은 뭉친 덩어리가 존재한다. 본 발명의 추가로 선호된 실시 형태에서 무연탄 코크스 입자의 형태는 납작한 형태이다. 납작한 형태의 무연탄 코크스 입자의 모습은 한 편으로는 스티렌 폴리머화 입자, 특히 확장된 스티렌 폴리머화 입자의 미세 셀 구조에 영향을 주지 않는다. 다른 한 편으로는 이러한 납작한 형태는 예를 들어 구 형태와 비교하여 표면적이 더 넓어져서 입사하는 적외선 광선을 더 쉽게 반사시킨다. 본 발명의 추가로 심지어 더 선호된 실시 형태에서 무연탄 코크스 입자의 형태는 2 초과의, 바람직하게는 10초과의, 특히 바람직하게는 20 초과의 형상비를 갖는 형태이다. 유리하게는, 형상비가 2 내지 20, 특히 바람직하게는 10 내지 50, 더욱 더 바람직하게는 20 내지 100 이다. 형상비란 도 1에서 도시된 바와 같이, 납작한 형태에서 면 원형 직경(D)와 납작한 형태의 두께(T) 사이의 비율을 나타낸다. 이 형상 비에서는 입사하는 적외선이 특히 더욱 잘 반사된다. 이렇게 적외선의 반사 비율이 높을 경우, 이 광선이 매우 낮은 비율로 흡수되어 예를 들어 발명에 따른 경성 발포 폴리스티렌으로 제조된 발포재가 직사광선에서 심하게 가열되지 않도록 하며 이러한 열로 인해 변형되지 않도록 한다.
본 발명의 단락에서 무연탄 코크스 입자의 직경 d50은 0.2 내지 20.0 μm, 특히 바람직하게는0.5 내지 15.0 μm, 더욱 특히 바람직하게는 1.0 내지 10.0 μm, 가장 특히 바람직하게는2.0 내지 6.0 μm의 값이다. d50 값은 입자의 평균 크기를 나타낸다. 이때 입자의 50%는 상기 값보다 낮은 값을 갖는다.
무연탄에 대한 열처리는 산업 기준에 따라 원칙적으로 가스 연소식 가마(kiln) 또는 전동식 가마에서 시행된다.
이 하소 기술을 바탕으로 가스 하소식 무연탄(Gas Calcined Antracite, GCA) 및 전기 하소식 무연탄(Electrically Calcined Anthracite, ECA)으로 구분하기도 한다. 가스 하소식 무연탄에는 무연탄이 처리되는 가용 온도 범위에서 비-흑연 성분의 무연탄 코크스가 획득된다. 전기 하소식 처리에서는 온도 처리가 2200℃ 미만에서 시행되며, 이 절차에서도 마찬가지로 비-흑연 성분의 무연탄 코크스가 획득된다.
녹색 무연탄을 2200℃ 초과의 온도에서 열 처리할 경우, 흑연 성분의 무연탄이 획득되며 이는 일종의 무연탄에서 나온 합성 흑연이 산출된다. 원하는 비-흑연 성분의 무연탄 코크스는 녹색 무연탄을 500℃ 내지 2200℃의 온도로 열처리하여 획득할 수 있다. 열처리된 무연탄을 본 발명에 따라 사용할 경우, 열처리 프로세스는 가스 또는 전기 하소 형태로 시행된다. 이때 선호되는 형태는 가스 하소 프로세스이다. 무연탄은 1200℃ 내지 1500℃의 온도에서 가스 하소 처리되며, 전기 하소 처리 시에는 1800℃ 내지 2200℃의 온도에서 처리된다. 이때 흑연은 형성되지 않는다. 본 발명의 단락에서 가스 하소 방법으로 획득한 무연탄 코크스의 사용을 선호한다. 원칙적으로 기본 소재로서는 녹색 무연탄이 사용된다. 녹색 무연탄은 가장 높은 석탄화도와 반사되는 표면 특성을 갖는다. 무연탄은 다른 석탄 종류에 비해 기본적으로 낮은 휘발성(10wt%(중량 퍼센트) 미만), 밀도 약 1.3 내지 1.4 g/㎤, 92wt% 이상의 탄소 함량의 특징을 갖는다. 열량은 약 26 MJ/㎏ 내지 33 MJ/㎏이다. 마제르 성분, 즉, 유기 성분, 석재 형태의 성분 함량은 다음과 같은 값을 갖는다. 콜리닛 성분 20%초과 (바람직하게는 50%초과), 텔레닛 성분 45%미만 (바람직하게는 20%미만) 및 비트리닛 성분 60%초과 (바람직하게는 70%)
본 발명에 있어서 고품질의 무연탄 사용이 선호된다. 이러한 무연탄의 경우 가스 또는 전기 하소 프로세스 후 휘발성 성분의 함량이 5wt% 미만이며 탄소 함량은 95wt% 초과이어야 한다.
예를 들어 가스 하소 프로세스에서 약 1250℃ 의 온도로 처리된 무연탄이나 전기 하소 프로세스에서 1800 내지 2200℃의 온도로 처리된 무연탄의 특성은 다음과 같다.
Figure 112015085261057-pct00001
본 발명에 따른 무연탄 코크스 선호 밀도는 1.8 g/㎤ 초과이며, 바람직하게 황 함량은 5.0wt% 미만, 바람직하게 수소 함량은 0.15wt% 미만, 바람직하게 재 함량은 5.0wt%이다.
단열판의 낮은 열전도성과 비교적 에너지를 적게 소모하는 입자 생성 절차로 제조 공정이 이루어지도록 하려면 무연탄 코크스 입자에 구조적으로 전혀 흑연 성분이 없도록 하는 것이 필수적이다.
흑연 성분이 없는 구조와 흑연 성분 구조와의 차이점 또는 부분 흑연 성분 구조와의 차이점을 보여주려면 Bragg-Brentano 배열의 분말 회절 구조 형태에 따른 엑스레이 미세구조 분석과 Cuα 광선이 사용된다. 엑스레이 회절 그래픽에서 3차원 흑연 그리드 간섭(100/101/102/110 und 112)을 확인할 수 있을 경우, 흑연 성분 구조 또는 부분 흑연 성분 구조가 있는 것으로 본다(도 2 참조)(Fitzer, Funk, Rozploch, 제4회 런던 국제 카본/흑연 컨퍼런스(4th London International Carbon and Graphite Conference), 1974).
순수 화학 및 응용 화학 국제 연맹(IUPC: International Union of Pure and Applied Chemistry)에서는 "흑연 성분 탄소 및 비-흑연 성분의 탄소"라는 두 표현에 대해 다음과 같이 설명하고 있다(독일어 번역, 독일 세라믹 협회, 전문 소위 보고서 번호 33, "탄소" 워킹 그룹 3차 보고서, 고체인 탄소 용어 설명, W. Klose, K.-H.
Figure 112015085261057-pct00002
, C. Vogler, R- Wolf, 2009, ISBN 978-3-89958-770-8).
흑연 성분의 탄소
설명:
흑연 성분의 탄소란 동소체 형태 흑연의 탄소 성분이 포함된 모든 탄소 유형을 말한다. 이때 구조 결함 여부는 이러한 정의와 무관하다.
비고:
흑연 성분의 탄소라는 용어는 물질의 3차원적인 육각 결정 장거리 질서가 회절 방법에 의해 입증될 수 있을 경우 사용할 수 있다. 이때 전체 비중에 대한 비율이나 이러한 결정 영역의 균일한 분포는 무관하다. 장거리 질서가 확인되지 않을 경우 비-흑연 성분의 탄소라는 용어를 사용해야 한다.
비-흑연 성분의 탄소
설명:
비-흑연 성분의 탄소란 주로 탄소 성분으로 구성되며 탄소 원자의 2차원 장거리 질서가 납작한 육각 네트워크 형태로 나타나는 모든 유형의 고체를 말한다.
다소간 나란히 중첩된 구조 외에는 세 번째 방향(C 방향)에서 측정 가능한 결정 그래픽 구조가 확인되지 않는다.
비고:
열처리를 통해 일부 유형의 비-흑연 성분의 탄소는 흑연 성분의 탄소(흑연화 탄소)로 변질될 수 있다. 하지만 모든 비-흑연 성분의 탄소에서 나타나는 현상은 아니다(흑연화 불가 탄소).
높은 밀도로 인해 간단하게 측정될 수 있는 (002) 간섭은 Bragg 공식에 따라 산출되는 평균 층간 평면 간격이 흑연 성분의 탄소와 비-흑연 성분의 탄소 사이의 최초 구분 시 사용된다(Maire und Mehring (Proc. of the 4th Conf.On Carbon, Pergamon Press 1960, 페이지 345-350).
이에 따르면
흑연 성분이 있는 탄소는 0.344 nm보다 큰 평균 층간 평면 간격을 갖는다.
층간 평면 간격이 0.3354 nm 내지 0.344 nm일 경우 Maire와 Mehring에 따른 탄화도에 도달한 것으로 본다. 비-흑연 성분의 탄소 환경에서의 전체 비중에 대한 비율이 낮을 경우, 엑스레이 강도가 증가하게 되어 비-흑연 성분의 환경과 비교하여 쉽게 확인할 수 있다. 이는 비-흑연 성분의 탄소와 흑연 성분의 탄소를 융합(amalgamation)하는 경우일 수 있다.
이러한 현상이 나타나는 다른 경우 촉매 작용을 하는 흑연화 효과로서 황 배출 또는 금속 탄화물 첨가 시 나타난다. 발명에 따라 첨가된 불투열성 입자는 사전 열처리된 흑연 성분이 없는 무연탄 코크스 입자로서 흑연 성분이 없는 탄소를 의미한다. 예에서 사용된 사전 열처리되고 흑연 성분이 없는 무연탄 코크스 입자는 도 3의 엑스레이 회절 그래픽에 표시된다.
[표 1]
Figure 112015085261057-pct00003
도 3의 엑스레이 회절 그래픽에는 너비(002) 간섭과 균일성(004) 간섭이 나타나 있다. 3차원적 불연속은 확인되지 않는다. 또한 부분적으로 도 4의 (002) 간섭에서 흑연 성분이 포함된 단계가 확인되지 않는다. (002) 불균형 각도 위치에서의 평균 층간 평면 간격은 0.3523 nm으로 산출되며 0.344 nm미만의 흑연 성분의 탄소가 보다 뚜렷이 높게 나타난다(표 1 참조).
흑연화 처리 가능 탄소의 열처리는 무연탄의 예와 마찬가지로 2200℃보다 높은 온도에서 이루어지며 그 결과 흑연이 생성된다. 이를 통해 이 탄소의 열전도성 역시 증가하게 되는데 이러한 결과는 이 경우 바람직하지 않은 상태이다. 전기 하소 프로세스를 통해 생성된 무연탄의 경우 2200℃보다 높은 온도에서의 열처리 프로세스를 통해 생성되는데, 이 경우 다음과 같은 엑스레이 그래픽 데이터를 확인할 수 있다.
2Theat= 26.52°, c/2 = 0.3361nm, Lc=1840 nm
이를 통해 무연탄에서 생성된 혼합 흑연이 생성되는데 이러한 결과는 바람직하지 않은 상태이다.
본 발명과 관련하여 더 선호되는 실행 방식을 통해 생성되는 경화 발포 폴리스티렌에는 무연탄 코크스 입자가 0.5wt% 내지 10.0wt%의 양이 함유되어 있으며, 바람직하게는1.0wt% 내지 8.0wt%, 특히 바람직하게는 2.0wt% 내지 6.0wt%, 가장 바람직하게는 경화 발포재 2.5wt% 내지 4.5wt%의 값을 보일 때이다.
무연탄 코크스 입자는 분쇄 후 입자가 납작한 형태를 갖는 경우에만 사용 시 장점을 갖는다. 분쇄에는 에어, 가스 또는 증기 제트 분쇄기로 구성된 그룹에서 선택된 제트 분쇄기를 사용할 수 있다. 일반적으로 에어 제트 분쇄기로서 나선형 제트 분쇄기 또는 대향(opposed) 제트 분쇄기를 사용하는 것이 좋으나, 특히 에어 분리기가 내장된 나선형 제트 분쇄기나 대향 제트 분쇄기를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이러한 분쇄기를 사용하면 분쇄할 입자가 입자에 가해지는 힘에 의해 방향에 따라 작게 분쇄되도록 가속하게 된다. 즉 장력과 마찰력 및 입자 충돌이 발생하여 입자가 원하는 크기와 형태로 분쇄된다.
경화 발포 폴리스티렌을 단열재로서 판 형태로 건축 작업에 사용할 경우, 단열재가 쉽게 연소되지 않아야 한다. 즉 단열재가 DIN 4102에 따른 내화성 테스트 B1과 B2의 요건을 충족해야 한다.
추가적으로 발명에 따른 경화 발포 폴리스티렌이 쉽게 발화되지 않으며 내화성 테스트의 필요 요건을 충족하려면 경화 발포재에 난연제가 첨가되어 있어야 한다.
이 난연제는 유기 할로겐 화합물, 바람직하게는 유기 브롬 화합물, 특히 바람직하게는 지방족, 지환족, 지방족 또는 방향족 브롬 화합물 및/또는 인 화합물로 제조된 난연제를 사용하는 것이다.
가장 바람직한 것은 헥사브롬사이클로도데케인, 펜타브롬모노클로로사이클로헥산 및 펜타브롬페닐아릴에테르로 구성된 그룹으로부터의 유기 브롬 화합물에서 선택하거나 인 화합물로서 특히 9,10-다이하이드로-9-옥사-10-포스파페난트렌 10-옥사이드(DOP-O) 또는 트라이-페닐 인산(TPP) 성분의 난연제를 사용하는 것이다.
발명에 따른 경화 발포 폴리스티렌에서는 필요한 난연제의 양을 줄일 수 있다. 즉 경화 발포 폴리스티렌에 함유된 난연제는 2.0wt% 미만이다. 더 바람직한 함량은 1.5wt%미만이며 경화 발포재 규정 함량은 1.0wt%이다.
이를 통해 발명에 따른 경화 발포 폴리스티렌은 저렴하면서도 환경친화적으로 제조할 수 있다. 이는 기존 대비 더 적은 양의 난연제, 특히 더 적은 양의 유기 브롬 화합물 및/또는 인 화합물이 사용되기 때문에 가능하다.
발명에 따른 경화 발포 폴리스티렌의 낮은 제조 비용은 또한 경화 발포재의 밀도가 1 내지 20 ㎏/㎥에 불과하다는데 기인한다. 이 밀도 값은 5 내지 20 ㎏/㎥의 경우 더 높은 효과를 보이며 바람직한 밀도 값은 10 내지 20 ㎏/㎥일 경우이다. 하지만 권장 밀도 값은 12 내지 18 ㎏/㎥이다.
이를 통해 더 적은 양의 폴리스티렌이 사용되어 자재 절감 효과도 발생한다.
발명에 따른 경화 발포 폴리스티렌의 열전도성은 20 mW/m·K 내지 40 mW/m·K로 나타나지만 권장 열전도성은 25 mW/m·K 내지 35 mW/m·K로 나타난다.
본 발명은 또한 발명에 따른 경화 발포 폴리스티렌을 함유한 발포재와 해당 발포재의 단열 용도 사용에도 해당된다.
발포재로서 예를 들어 단열재, 특히 건축 분야에서 사용되는 단열재로 사용되는 발포판을 들 수 있다.
다음에서는 본 발명에 대해 예를 바탕으로 설명하고자 한다. 물론 이러한 예시 외의 용도로 본 발명을 사용할 수 있다.
본 예와의 비교에서 불투열성 입자로서 흑연 구조의 무연탄 입자를 함유하고 있는 경화 발포 폴리스티렌은 최대 2W/m K 낮은 열전도성을 보인다.
실시예 :
실시예 1:
분자 중량 220,000 g/mol의 폴리스티렌은 압출기에서 3.5wt%의 가스 하소 처리된 무연탄 입자와 함께 제트 분사기에서 제조되며 이때 제조된 분자 직경 d50은 3.5 μm, 형상비는 20으로 나타난다. 또한 여기에는 0.8wt%의 헥사브롬시크로도데케인과 0.1wt%의 디쿠밀이 용해되어 있으며 6.5wt%의 펜탄이 첨가되어 있다. 제조 후에는 약 120℃로 냉각된다. 이렇게 생성된 혼합물은 보어 노즐을 통해 끊어지지 않은 코드로 배출되어 냉각조에서 냉각된 후 코드 과립기에 의해 과립화된다. 이러한 실린더 형태의 과립자는 약 0.8 mm의 직경을 가지며 약 10.0 mm의 길이를 갖는다. 이 과립자는 이어서 15 ㎏ / ㎥의 밀도로 발포된다. 24시간 동안 조정된 후 과립자를 압착하여 블록 형태를 생성한 후 열선을 이용하여 50 mm 두께의 판으로 잘라낸다. 이렇게 제조된 판의 평균 열전도성은 32mW/mK를 나타낸다.
실시예 2:
현재 기술에 따른 수용성 현탁액 폴리머화 프로세스에서는 스티렌 성분 4wt%에 대해 가스 하소 처리된 무연탄 코크스 입자가 사용된다. 이 입자는 나선형 제트 분쇄기에서 제조되며 이 경우 입자 직경은 3.0 μm 이며 형성비는 45로 나타난다. 1.5wt%의 헥사브롬사이클로도데케인을 난연제로, 펜탄을 발포 촉진재로 첨가하여 과산화물로서 폴리머화한다. 용해 단계 종료 후 생성된 입자의 평균 직경은 0.8 mm이다. 수증기를 사용하여 입자를 14.5 ㎏/㎥ 두께의 판으로 발포 처리한 후에 이 판의 열전도성은 33 mW/m K로 나타난다.
실시예 3:
지속적으로 작동하는 압출기에서 분자 중량 220,000 g/mol의 폴리스티렌을 1.0% 헥사브롬사이클로도데케인과 0.2wt% 다이쿠밀 및 3.5wt%의 가스 하소 처리된 무연탄 코크스 입자를 혼합하여 대향 제트 분쇄기에서 제조하면 평균 입자 직경이 4.0 μm이고 형상비가 35로 용해한다. 발포 절차는 압출기에서 최종 밀도까지 바로 진행된다. 경화 발포 폴리스티렌은 와이드 슬롯 다이에서 끊어지지 않는 코드 형태로 배출되어 냉각된다. 발포재의 밀도는 14 ㎏/㎥이며 열전도성은 31 mW/ m·K로 나타난다.

Claims (15)

  1. 사전 열처리된 비-흑연 성분의 무연탄 코크스 입자가 함유된 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  2. 제1항에 있어서, 압출 가공된 경성 발포 폴리스티렌(XPS) 또는 미립자 발포 폴리스티렌(EPS)인 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무연탄 코크스 입자가 경성 발포 폴리스티렌 내에서 균일하게 분포하는 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  4. 제3항에 있어서, 무연탄 코크스 입자가 납작한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  5. 제4항에 있어서, 무연탄 코크스 입자가 2 초과의 형상비를 갖는 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  6. 제5항에 있어서, 무연탄 코크스 입자의 직경 d50이 0.2 내지 20 μm인 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  7. 제6항에 있어서, 무연탄 코크스가 가스 하소된 무연탄 또는 전기 하소된 무연탄으로서 존재하는 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  8. 제7항에 있어서, 무연탄 코크스 입자가 경성 발포 폴리스티렌의 양에 대하여 0.5 wt% 내지 10 wt%의 양으로 함유된 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  9. 제8항에 있어서, 무연탄 코크스 입자가 에어 제트 분쇄기, 가스 제트 분쇄기 및 증기 제트 분쇄기로 구성된 그룹으로부터 선택된 제트 분쇄기에서 분쇄된 무연탄 코크스 입자인 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  10. 제9항에 있어서, 상기 에어 제트 분쇄기가 나선형 제트 분쇄기이거나 대향(opposed) 제트 분쇄기인 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  11. 제10항에 있어서, 또한 난연제를 함유할 수 있는 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  12. 제11항에 있어서, 상기 난연제가 유기 할로겐 화합물 및/또는 인 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  13. 제12항에 있어서, 밀도가 1 내지 20 ㎏/㎥이고 열전도율이 20 mW/m·K 내지 40 mW/m·K인 것을 특징으로 하는 경성 발포 폴리스티렌.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 발포 폴리스티렌을 함유하는 것을 특징으로 하는 성형체.
  15. 제14항에 따른 성형체를 단열을 위해 사용하는 방법.
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