KR101912893B1

KR101912893B1 - 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연스티로폼

Info

Publication number: KR101912893B1
Application number: KR1020170001661A
Authority: KR
Inventors: 박진수; 신용섭
Original assignee: (주)시그마소재
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-10-29
Also published as: KR20180080755A

Abstract

본 발명은 접착력과 성형성이 우수하고 고분자 수지의 안정성이 현저하게 향상되게 한 난연성 초산비닐고분자 에멀션를 이용하여 제조되는 난연스티로폼에 대한 것이다.
본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연스티로폼은, vinyl acetate monomer(VAM), ethyl acrylate monomer(EAM), sodium lauryl sulfate(SLA), poly vinyl alcohol(PVA), 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution(암모니아수), potassium persulfate(KPS), 물을 포함하는 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지; 상기 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지, 팽창흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 물을 포함하는 혼합물로 이루어지는 난연피복제; 상기 난연피복제를 스티로폼알갱이에 피복한 다음 건조하여 스티로폼알갱이의 표면에 난연 코팅층이 형성된 난연스티로폼알갱이; 상기 난연스티로폼알갱이를 열 압착으로 성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연스티로폼{Flame retardant styrofoam produced by using flame retardant vinyl acetate polymer emulsion resin}

본 발명은 접착력과 성형성이 우수하고 고분자 수지의 안정성이 현저하게 향상되게 한 난연성 초산비닐고분자 에멀션를 이용하여 제조되는 난연스티로폼에 대한 것이다.

주지된 바와 같이, 스티로폼은 발포폴리스티렌이라는 플라스틱의 일종으로서 최초로 발포폴리스티렌을 개발한 회사의 상표명이며, 스티렌의 중합체이다. 스티로폼은 무색투명한 열가소성물질로 100℃ 이상에서 부드러워지고, 185℃ 정도가 되면 점성의 액체가 되며, 산, 알칼리, 기름, 알코올 등에 강한 성질을 가지고 있다. 스티로폼은 체적의 98중량%가 공기이고 나머지 2중량%가 수지인 자원 절약형 소재이고, 다량의 작은 공기층으로 구성되어 있어 물을 거의 흡수하지 않으며, 세균이나 곰팡이에 손상되지 않아 포장에 많이 사용되고, 아이스박스, 장난감, 부표 등에도 사용되고 있으며, 차단성이 우수하여 건축용 단열재로 널리 사용되고 있다.

이러한 스티로폼의 제조방법을 간단하게 설명하면, 먼저 폴리스티렌에 발포제(펜탄 또는 부탄가스)를 함유시켜 물에 의한 현탁 중합을 한 후, 그 중합물을 다시 물속에 넣고 소정의 분자량이 될 때까지 가열 교반 한 다음, 구상형태의 스티로폼알갱이(비드)를 생성한 후, 그 스티로폼알갱이를 세척, 건조, 선별한 다음, 그 스티로폼알갱이를 열 압착으로 성형하여 희망하는 모양과 크기로 스티로폼으로 제조하게 된다.

그러나 이러한 스티로폼은 상술한 바와 같이 열가소성물질로서, 열에 매우 약하여 70℃가 넘으면 쉽게 변형되며, 화재 발생시 쉽게 연소됨은 물론 연소시 많은 양의 유독 가스를 발생시키고, 모양이 쉽게 붕괴 되는 문제점이 있었다.

이에 불에 잘 타지 않는 난연스티로폼을 제조하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있으며, 하기의 선행기술문헌은 "난연*스티로폼"을 키워드로 하여 최근에 검색된 선행기술문헌을 등재한 것으로서, 하기의 선행기술문헌을 참고하여 본 발명의 기술분야에 대한 발전상태 및 그 배경기술을 더욱더 자세하게 알 수 있을 것이다.

종래의 선행기술은 접착력 향상을 위해 여러 가지 바인더 수지를 상호 혼합하거나, 조합하여 2종 이상의 접착제를 사용하여 접착력 및 성형성을 개선하고자 하였으나, 각각 성질이 상이한 접착제를 혼용함으로써 성형공정과 무기계열 난연재의 배합공정 등에서 분리현상 혹은 겔 현상 등이 발생하는 등의 문제를 안고 있었다.

또한, EVA 계통의 적용한 접착제는 소수성이 강한 스티로폼과의 접착력에 문제를 안고 있었고, 아크릴계를 적용한 접착제는 난연재로 첨가하는 팽창흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘과 같은 무기물의 분산성이 문제가 되어 제조공정이 진행되는 동안 분리 현상 등이 발생 되어 난연재의 이탈 등이 발생하는 문제점이 있었다.

공개/등록번호: 1015846970000, 1020160147425, 1020160143137, 1020160112290.

본 발명은 배경기술에서 언급한 종래의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 특히 바인더로 적용되는 접착제의 상용성 및 첨가제와의 혼화성을 개선하고, 폴리 초산비닐계 수지와 아크릴 수지를 서로 혼용하여 공중합 형태의 고분자 수지를 제조하여 접착력과 성형성이 우수하고 고분자 수지의 안정성을 개선한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 제공하려는데 그 기술적 과제를 두고 이를 해결하고자 함에 본 발명의 목적이 있다.

또 다른 목적으로는 상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 바인더로 하여 난연재를 혼합한 난연피복제를 제조하고, 이를 스티로폼알갱이의 표면에 피복하여 난연스티로폼알갱이를 하며, 그 난연스티로폼알갱이를 이용하여 난연스티로폼을 제조함으로써, 스티로폼알갱이 피복되는 바인더 코팅층의 깨짐, 균열을 방지하며, 유기물과 무기물 간의 접착력을 획기적으로 개선하여 난연재의 접착력을 향상시켜 줌은 물론 난연재의 이탈, 분산을 방지하고, 스티로폼 성형공정에서 난연스티로폼알갱이 간의 접착력과 형태안정성을 높여줌과 동시에 난연재에 의한 난연성을 부여하여 난연 3등급에 견딜 수 있는 난연스티로폼의 제조를 가능하게 하려는 데 그 기술적 과제를 두고 이를 해결하고자 함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 해결하기 위한 수단으로서, vinyl acetate monomer(VAM), ethyl acrylate monomer(EAM), sodium lauryl sulfate(SLA), poly vinyl alcohol(PVA), 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution(암모니아수), potassium persulfate(KPS), 물을 포함하는 혼합물로 이루어지는 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지; 상기 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지, 팽창흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 물을 포함하는 혼합물로 이루어지는 난연피복제; 상기 난연피복제를 스티로폼알갱이에 피복한 다음 건조하여 스티로폼알갱이의 표면에 난연 코팅층을 형성된 난연스티로폼알갱이; 상기 난연스티로폼알갱이를 열 압착으로 성형하여 제조되는 난연스티로폼을 제안한다.

본 발명에서 제안하는 수단에 따르면, 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지는 초산비닐계 모노머와 아크릴 모노머를 서로 혼용하여 공중합 형태의 고분자 수지로 형성되고, 여기에 유화제, 유화안정제, 중합안정제, pH조절제, 개시제로 이루어지는 중합보조제가 포함됨으로써 폴리초산비닐아크릴 공중합체(polyvinylacetate-acrylic copolymer, PVAc)와 유사한 형태로 형성되어 접착력과 성형성이 우수하고 고분자 수지의 안정성이 현저하게 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 포함하여 이루어지는 난연피복제, 난연스티로폼알갱이, 난연스티로폼은 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지에 의해 스티로폼알갱이 피복되는 바인더 코팅층의 깨짐, 균열을 방지되며, 유기물과 무기물 간의 접착력을 향상되어 난연재의 접착력을 향상시켜 줌과 동시에 스티로폼알갱이의 표면에 피복되는 난연재의 이탈, 분산이 방지되고, 스티로폼 성형공정에서 난연스티로폼알갱이 간의 접착력과 형태안정성이 높아 스티로폼의 성형을 유리하게 하며, 동시에 난연재에 의한 난연성을 부여되어 최종으로 완성되는 난연스티로폼은 난연 3등급에 견딜 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 화학적 구조식을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 입자상의 형태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 난연피복제를 스티로폼알갱이에 피복한 것을 촬영한 사진
도 4는 본 발명에 따른 난연스티로폼알갱이를 절단하여 단면을 촬영한 사진
도 5는 본 발명에 따른 난연스티로폼을 촬영한 사진
도 6은 본 발명에 따른 난연스티로폼을 난연 3등급 실험을 거친 결과를 촬영한 사진

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 다만, 첨부된 도면은 요부에 대한 설명의 편의를 위해 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있고, 설명에 사용되는 용어 및 명칭은 사전적인 의미가 아닌 구성의 형상이나 작용, 역할 등에 의해 함축적으로 정해질 수 있으며, 위치에 대한 설명은 특별한 언급이 없는 한 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 선등록된 공지기술 및 통상적 기술에 대한 구체적인 설명은 요지를 흐릴 수 있어 생략 또는 간단한 부호나 명칭으로 대체한다.

이하, 본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연스티로폼을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연스티로폼은, 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지; 그 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연피복제; 그 난연피복제를 이용하여 제조되는 난연스티로폼알갱이; 그 난연스티로폼알갱이를 이용하여 제조되는 난연스티로폼으로 이루어진다.

먼저, 상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 설명하면 다음과 같다.

상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지는, 중량 100% 대비 vinyl acetate monomer(VAM) 32~35중량%, ethyl acrylate monomer(EAM) 5~8중량%, sodium lauryl sulfate(SLA) 2~4중량%, poly vinyl alcohol(PVA) 2~4중량%, 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution(암모니아수) 0.1~0.2중량%, potassium persulfate(KPS) 0.2~0.4중량%, 물 50~53중량%를 포함하는 혼합물로 이루어진다.

상기한 VAM, EAM는 고분자 접착제 수지인 모노머로서 접착제역할을 하고, 상기한 SLA, PVA, 암모니아수, KPS의 그룹은 중합보조제로서, 바인더와 유화중합을 하기 위한 역할을 하며, 더 구체적으로 SLA은 유화제 역할을 하고, PVA는 유화안정제 역할을 하며, 암모니아수는 중합안정제 및 pH조절제 역할을 하고, KPS는 개시제역할을 한다. 그리고 상기한 물은 중합열을 제어하는 역할을 한다.

상기한 혼합물은 도1과 같은 형태의 화학구조식으로 이루어져 있고, 도2와 같은 입자형태의 구조를 나타낸다. 즉, 표면은 PVA 및 유화제가 배향되고, 내부는 고분자 수지로 형성된 안정한 에멀션 수지 조성물로 이루어진다.

이하, 상기한 초산비닐고분자 에멀션 수지의 제조방법를 설명하면 다음과 같다.

상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 제조방법은 접착제를 제조하는 공정과 중합보조제를 제조하는 공정을 나누어서 진행한 다음 접착제와 중합보조제를 중합하는 공정으로 진행된다.

이를 위해 먼저 패들 형태의 교반기가 부착된 주반응기와 보조반응기를 준비하고, 보조반응기의 반응물을 주반응기에 일정하게 투입할 수 있는 유화중합용 반응장치를 설치하여 준비한다.

상기한 주반응기에 중합보조제를 제조하고, 보조반응기에 모노머를 투입한 다음, 주반응기에 제조된 중합보조제에 보조반응기의 모노머를 투입하여 중합하는 공정을 실시한다.

상기한 주반응기에 모노머 중량 100% 대비 물 140~160중량%를 투입하고 교반속도 40~50 rpm으로 교반을 실시하면서, 유화제인 Sodium lauryl sulfate를 3~5중량%, 유화안정제인 PVA를 3~5중량%를 투입한 후, 온도를 80℃까지 승온시키면서 투입물이 완전하게 용해할 때까지 교반시킨다.

상기한 주반응기의 내용물을 투입한 후 용해하는 동안 보조반응기에는 vinyl acetate monomer 80~90중량%와 ethyl acrylate 10~20중량%를 투입하여 투입물이 완전하게 혼합될 때까지 교반하여 모노머를 준비한다.

상기한 보조반응기의 내용물을 투입한 후 혼합하는 동안 주반응기의 완전하게 용해가 이루어지면, 주반응기의 내온을 68~72℃로 유지시킨 상태에서 중합안정제 및 pH조절제인 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution 0.3~0.5중량%를 투입하고, 개시제인 KPS 0.5~1중량%를 투입한 상태로 투입물이 완전하게 혼합될 때까지 교반하여 중합보조제의 제조를 완성한다.

상기한 주반응기 및 보조반응기의 원료 준비가 완성되면, 주반응기의 내온을 일정하게 유지하면서 보조반응기의 모노머를 주반응기에 천천히 일정하게 투입하면서 교반하는 유화중합을 실시한다.

상기한 투입 및 유화중합반응이 충분하게 이루어지면, 주반응기의 내온을 70~75℃로 유지시키면서 숙성반응을 실시한다.

상기한 숙성반응이 종료되면 주반응기의 반응물을 충분히 냉각하고, 냉각이 완료되면 고형분 40중량%, pH 6~8, 점도 500~1000cps으로 이루어지도록 증류수를 투입하여 최종의 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 제조할 수 있다.

상술한 제조방법으로 제조되는 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 구조는 도1과 같은 형태의 공중합체 수지 조성물이 되고, 입자형태의 구조는 도2에 나타낸 것과 같이 표면은 PVA 및 유화제가 배향되며, 내부는 고분자 수지로 형성된 안정한 에멀션 수지 조성물로 형성된다.

이하, 상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연피복제를 설명하면 다음과 같다.

상기한 난연피복제는 중량 100% 대비 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지 40~50중량%, 팽창흑연 20~30중량%, 수산화알루미늄 5~10중량%, 수산화마그네슘 5~10중량%, 물 10~20중량%를 포함하는 혼합물로 이루어진다.

상기에서 팽창흑연의 입자크기는 80~120메쉬, 수산화알루미늄과 수산화나트륨의 입자크기는 5~20㎛로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 난연피복제의 제조방법은 고속교반장치가 부착된 반응기에 상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 투입하고, 그 투입물을 교반하면서 팽창흑연을 서서히 투입하여 완전히 혼합한 다음, 수산화마그네슘과 수산화알루미늄을 투입한 후, 고속으로 교반하여 완전하게 혼합시킨 후, 물성이 고형분 55~60중량%, 점도 500~1000cps, pH 8~12로 이루어질 때까지 물을 투입하여 점도 및 고형분을 조절함으로써 최종의 난연피복제를 제조할 수 있다.

이하, 상기한 난연피복제를 이용하여 제조되는 난연스티로폼알갱이를 설명하면 다음과 같다.

상기한 난연스티로폼알갱이는 스크루에 의해 이송되는 관체의 일측에 통상의 제조방법으로 제조된 최종의 스티로폼알갱이를 투입하여 타측으로 공급하고, 그 스티로폼알갱이의 이송방향 중간에 상술한 제조방법으로 완성된 난연피복제를 관체의 내부로 공급하여서 스티로폼알갱이의 표면에 난연피복제를 혼합 교반시켜 피복한 후, 관체의 출구를 드럼형태의 송풍 건조실과 연결하여 공급한 다음, 송풍 건조실에서 난연피복제가 피복된 스티로폼알갱이를 송풍, 교반, 건조시켜 스티로폼알갱이의 표면에 난연피복제가 코팅된 최종의 난연스티로폼알갱이를 제조할 수 있다.

이렇게 제조된 난연스티로폼알갱이의 외형은 도3과 같고, 그 단면 형태는 도4와 같다.

이하, 상기한 난연스티로폼알갱이를 이용하여 제조되는 난연스티로폼을 설명하면 다음과 같다.

상기한 난연스티로폼은 상기한 난연스티로폼알갱이를 이용하여 통상의 사출성형방식 또는 압출방식에 의한 열 압착에 따른 성형과정을 거쳐 희망하는 모양으로 최종의 난연스티로폼을 제조할 수 있다.

이렇게 제조된 난연스티로폼의 외형은 도5와 같고, 그 난연스티로폼을 이용하여 난연 3등급을 실험을 한 모습이 도6과 같다.

이하, 본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지, 그 수지를 이용하여 제조되는 난연피복제, 그 피복제를 이용한 제조되는 난연스티로폼알갱이, 그 알갱이를 이용한 제조되는 난연스티로폼의 구체적인 내용 및 그에 따른 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지는 초산비닐과 아크릴을 공중합체 형태로 유화 중합하여 제조하고, 보호콜로이드와 유화제를 적절하게 조합하여 하나의 입자상으로 제조함으로써, 종래에서 나타낼 수 없는 접착력 및 안정성을 가질 수 있다.

상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지는 단일 고분자 사슬에 서로 vinyl group 및 acryl group을 가짐으로 난연 무기물과 스티로폼의 결합력과 결착력을 향상시키고, 그러한 물성이 스티로폼알갱이의 표면에 잘 접착되며, 잘 박리되지 않게 하는 역할을 한다. 그 중 아크릴수지는 코팅층을 단단하고 견고하게 만드는 역할을 하고, 폴리초산비닐수지는 코팅층에 연성을 부여하여 코팅층이 깨지거나 균열이 발생하는 것을 방지하는 역할을 하여 코팅층을 더욱더 안정화시킬 수 있는 역할을 한다.

상기한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 혼합비율은 최종의 물성을 형성하는데 있어 혼합비율이 상당히 중요한데, VAM의 혼합비가 기준치 이하일 경우 최종의 코팅층이 쉽게 깨지거나 균열이 발생하는 문제점이 있고, 기준치 이상일 경우 코팅층의 강도가 저하되는 문제점이 있으며, EAM의 혼합비가 기준치 이하일 경우 코팅층의 강도가 저하되는 문제점이 있고, 기준치 이상일 경우 코팅층이 쉽게 깨지거나 균열이 발생하는 문제점이 있고, SLA, PVA, 암모니아수, KPS의 혼합비가 기준치 이하 또는 이상일 경우 물성 간의 결합력, 유화 중합반응, 유화안정화, 중합안정화, pH의 조절, 개시 등이 불안정하고, 난연재의 박리가 쉬워지는 문제점이 발생한다. 따라서 상술한 혼합비율에 최대한 근접하도록 혼합하는 것이 바람직하다.

상기한 난연피복제에서 난연재는 난연기능을 발휘하기 위한 것으로서, 외부의 열기나 화염이 내부로 전달되는 것을 차단하여 내부의 스티로폼알갱이가 용융되는 것을 방지하는 역할을 한다. 그 중 팽창흑연은 외부의 열기에 의해 온도가 상승하는 과정에서 흑연이 팽창하여 막을 형성하고, 그 막에 의해 외부의 공기가 내부로 유입되는 것을 차단하는 역할을 하며, 수산화알루미늄은 약 200℃에서 열분해에 의한 물의 생성으로 인해 열을 차단하는 역할을 하고, 수산화마그네슘은 약 300℃에서 열분해에 의한 물의 생성으로 인해 열을 차단하는 역할을 하며, 이들 성분들의 분해 잔류물들은 잔재로 표면에 존재하고, 그 재의 피막으로 고온에서 코팅층을 보호하고 열을 차단하는 역할을 한다.

상기한 난연피복제에서 난연재 혼합비율에 있어 팽창흑연의 혼합비가 기준치 이하일 경우 막의 형성이 어려워 쉽게 외부의 공기가 쉽게 내부로 유입되어 열 차단이 떨어지는 문제점이 있고, 기준치 이상일 경우 제조원가가 상승함은 물론 무게가 무거워지며, 스티로폼알갱이로부터 스티로폼으로 성형하기가 어려워지는 문제점이 있고, 수산화알루미늄과 수산화나트륨의 혼합비가 기준치 이하일 경우 열기가 쉽게 내부로 전달되어 전체적인 난연 능력이 떨어지는 문제점이 있으며, 기준치 이상일 경우 상술한 바와 같이 제조원가가 상승함은 물론 무게가 무거워지고, 스티로폼알갱이로부터 스티로폼으로 성형하기가 어려워지는 문제점이 있다. 따라서 상술한 혼합비율에 최대한 근접하도록 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 난연피복제의 입자크기는 난연코팅층에 대한 최종의 물성을 형성하는데 있어 상당히 중요한데, 팽창흑연의 입자크기가 기준치 이하일 경우 막이 형성이 어려워지는 문제점이 있고, 기준치 이상일 경우 팽창에 의해 흑연의 박리가 쉬워지는 문제점이 있으며, 수산화알루미늄과 수산화나트륨의 입자크기가 기준치 이하일 경우 열분해에 의한 물의 생성이 너무 빨라 난연능력이 떨어지는 문제점이 있고, 기준치 이상일 경우 열분해에 의한 물의 생성이 너무 느려 내부의 스티로폼알갱이가 용융되는 문제점이 있다. 따라서 상술한 입자크기에 최대한 근접하도록 선별하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 제조방법에 따른 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

환류 응축기(condenser)가 부착된 1L 5구 플라스크에 공업용수 150.0g을 투입하고 교반속도 40~50 rpm으로 교반을 실시하면서 유화제 Sodium persulfate를 3.0g, 유화안정제인 PVA를 5.0g 투입한 후, 80℃까지 승온하여 1시간 동안 충분히 교반하여 내용물을 완전히 용해 시킨다. 상기한 내용물이 용해하는 동안 500㎖분액여두에 vinyl acetate monomer 90.0g, ethylacrylate monomer 10.0g을 투입하고 충분히 교반해 둔다. 상기 공정이 종료되면 5구 플라스크의 내온을 68~72℃로 유지하고 중합안정제 및 pH조절제인 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution을 0.3g을 투입하고, 개시제인 KPS 0.5g을 투입한 후, 내온을 일정하게 유지하면서 분액여두에 있는 모노머 혼합액을 3시간 동안 일정하게 투입하면서 유화중합을 실시한다. 상기한 반응이 종료되면 내온을 70~75℃로 유지하면서 3시간 동안의 숙성반응을 실시한다. 반응이 종료되면 충분히 냉각하고 증류수 10.0g을 투입하여 40중량% 고형분으로 조절하고 별도로 보관해 둔다.

상기 실시예 1의 공정으로 고분자 수지를 합성하는데 있어 유화제 및 유화안정제의 투입량을 조절하여 비교 예 1~3을 생성하고, 이를 실시 예 1과 비교한 표가 아래와 같다.

구분	성분명	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3
1L 5구 반응기	Water	150	150	150	150
	SLS⁽¹⁾	3.0	0.0	3.0	3.0
	PVA⁽²⁾	5.0	5.0	0.0	5.0
	KPS⁽³⁾	0.5	0.5	0.5	0.5
	pH Buffer⁽⁴⁾	0.3	0.3	0.3	0.0
500㎖ 분액여두	VAM	90	90	90	90
500㎖ 분액여두	EAM	10	10	10	10
냉각	Water	10	10	10	10

(1) : Sodium lauryl sulfate(anion surfactant)

(2) : Poly vinyl alcohol(MW ;500)

(3) : Potassium persulfate(initiator)

(4) : 27중량% Ammonia solution

위 표1을 살펴보면, 초산비닐 고분자 수지는 초산비닐 단독 중합 면에서 비교적 양호하나 acryl 계통의 모노머, 특히 methyl methacrylate, butyl acrylate, ethyl acrylate 계통의 모노머는 반응속도 상수의 차이로 공중합 수지를 합성하기 어렵고 각각의 호모폴리머형태로 중합되는 경우가 많다. 그러므로 공중합 공정에서는 유화안정제, 반응안정제, pH buffer제의 투입이 중요한 변수로 작용함을 알 수 있다.

비교 예 1의 경우 유화제 SLS를 투입하지 않은 경우로 반응이 초기에는 양호하게 진행되었으나 모노머 투입이 80중량%정도 지난 다음 점도가 상승되고, 모노머 및 고분자 입자와 분리되어 합성이 불균일하게 진행되었다. 반응 종료 후에 미반응 모노머가 과량으로 존재하며 상층부에 모노머 분리가 일부 관찰 되었다. 비교예 2는 보호콜로이드 혹은 유화 안정제로 작용하는 PVA를 사용하지 않은 경우로 합성 초기에는 반응이 잘 진행 되었으나 모노머가 50중량% 정도 투입된 이후 안정성 불량으로 반응 중에 유화입자 입자파괴로 겔이 되었다. 비교예 3은 pH buffer제를 사용하지 않은 경우로 반응은 모노머가 모두 투입될 때 까지 잘 진행 되었다. 모노머 투입이 종료되고 숙성 과정에서 점도가 조금 상승되는 것이 관찰 되었다. 합성 형태는 양호하나 점도가 상승되는 것으로, 이는 숙성과정에서 유화안정성의 불안정 등이 원인인 것으로 생각된다. 고분자 수지의 점도가 너무 상승되는 경우 무기계 난연재를 배합하는 과정에서 혼화성 문제, 최종 난연수지 복합제의 점도 상승으로 스티로폼 폴의 표면 코팅성 결여 등의 문제가 발생 될 가능성이 있다.

따라서 실시 예 1와 비교 예 1~3을 통해서 알 수 있듯이 본 발명에서 고분자 수지의 중합은 유화제, 유화안정제 그리고 pH 안정제 등이 모두 매우 중요한 인자로 작용함을 알 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용한 난연피복제의 제조방법에 따른 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

고속교반장치가 부착된 1L stainless beaker형 반응기에 앞선 실시예 1에서 합성하여 별도로 준비한 폴리초산비닐 아크릴 공중합 수지를 100g 투입하고 500rpm으로 교반하면서 팽창흑연 50g을 서서히 투입하여 5분간 교반하여 완전히 분산 시킨 다음, 수산화마그네슘 15g, 수산화알루미늄 15g을 투입하고 10분간 1000rpm으로 고속 교반하여 완전히 분산시키고 여기에 공업용수 20g을 투입하여 점도 및 고형분을 조절하고 난연복합 수지를 제조하였다.

상기 실시예 2의 공정으로 난연피복제를 제조하는데 있어 팽창흑연, 고분자수지, 무기 첨가제의 투입량을 변경하여 비교 예 4~7를 준비하고, 이를 스티로폼알갱이 20g에 난연피복제를 28g씩 혼합하며, 이를 다시 가로, 세로 및 높이가 각각 10cm×10cm×5cm인 사면체 형틀에 투입하여 증열 건조 및 성형을 실시한 스티로폼으로 제조하여, KS M 2001의 방법으로 난연 3등급 평가를 실시 한 표가 아래와 같다.

성분명	실시예 2	비교예 4	비교예 5	비교예 6	비교예 7
고분자 수지⁽¹⁾	100	100	100	90	130
팽창흑연	50	35	65	50	50
수산화마그네슘	15	25	10	15	15
수산화알루미늄	15	20	5	15	15
Water	20	20	20	20	20

(1) : 실시예 1의 합성으로 준비한 고분자 수지

위 표2를 살펴보면, 잔재 특성에서 실시 예 2의 조성은 아주 균일한 잔재 특성을 보였으며 나머지 비교 예 4~7은 잔재가 규격을 벗어나거나 균열이 관찰되었다. 실시 예 2의 잔재 특성 결과는 도 5와 같다.

따라서 실시 예 2와 비교 예 5~7을 통해서 알 수 있듯이 본 발명에서 팽창흑연, 고분자수지, 무기 첨가제의 투입량은 최종의 스티로폼의 난연등급을 결정하는데 매우 중요한 인자로 작용함을 알 수 있다.

이하, 본 발명에 부가할 수 있는 구성에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 제조공정 중 PVA가 투입되는 시점에 중량 100% 대비 ethylene-vinyl acetate copolymer(EVA) 2~4중량%를 더 첨가할 수 있다. 이렇게 첨가되는 EVA는 전 혼합물에 점성을 더 부가하여 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지의 더욱더 안정화시킬 수 있는 역할을 한다.

또한, 본 발명에 따른 난연피복제의 제조공정 중 난연재를 투입하는 공정에 중량 100% 대비 5~10㎛로 이루어지는 탄산칼슘 1~2중량%를 더 첨가할 수 있다. 이렇게 첨가되는 탄산칼슘은 최종의 난연스티로폼으로 제조되어 연소 될 때 재가 형성되고, 그 재가 표면에 피막으로 형성되어 외부의 열이 내부로 유입되는 것을 역할을 하며, 이로 인해 열의 확산을 막고 고온에서 견딜 수 있게 하는 작용효과가 있다.

이하, 본 발명의 구성 및 제조방법에 따른 응용을 설명을 하면 다음과 같다.

본 발명은 본 발명에서 추구하고자 하는 제조방법의 원리와 그 원리에 대한 이해를 돕고자 본 발명에 포함되는 구성물을 선정하고, 그 구성물에 대한 바람직한 혼합비율과 입자크기를 제시한 것이며, 본 발명의 제조방법에 포함되는 구성물은 본 발명에서 추구하고자 하는 원리를 감안하여 해당 구성물을 선택하고, 그 구성물에 따라 혼합비율을 다양하게 변경될 수 있다. 본 발명에서 제시한 제조방법에 포함되는 구성물은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명에서 얻고자 하는 효과와 그 효과로부터 응용 가능한 효과를 얻기 위해 어떠한 원리를 적용하는 것이 가장 바람직한 것인지를 예시한 것이다. 이에 따라서 본 발명은 본 발명에서 제안하는 제조방법에 포함된 구성물을 모두 포함하여 본 발명은 완성하는 것이 가장 바람직하나, 각 구성물이 가지고 있는 각자의 원리, 용도, 기능, 역할, 작용 등을 감안하여 원가절감이나 제조의 편의성, 환경조건 또는 필요에 따라 여러 구성물 중 일부를 선택하거나 배제하여 제조를 완성할 수 있고, 선택적으로 병행하여 완성될 수도 있다. 이를 기반으로 하여 본 발명은 청구항과 같이 청구항에 대한 권리범위를 최대한 넓힐 수 있는 방향으로 특정하여 청구하였다.

이상으로, 본 발명의 설명을 모두 마치며, 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 기술자라면 상술한 구체적인 내용을 통해 본 발명에서 추구하고자 하는 요지를 충분히 파악할 수 있을 것으로 보이고, 이를 기반으로 이 기술분야의 발전은 물론 사용상의 효율성을 증대시킬 수 있을 것이다.

Claims

중량 100% 대비 vinyl acetate monomer(VAM) 32~35중량%, ethyl acrylate monomer(EAM) 5~8중량%, sodium lauryl sulfate(SLA) 2~4중량%, poly vinyl alcohol(PVA) 2~4중량%, 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution(암모니아수) 0.1~0.2중량%, potassium persulfate(KPS) 0.2~0.4중량%, 물 50~53중량%를 혼합한 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지;
상기 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지는, 주반응기에 중량 100% 대비 물 140~160중량%, Sodium lauryl sulfate를 3~5중량%, PVA를 3~5중량%를 투입하여 투입물을 용해하는 단계; 보조반응기에 중량 100% 대비 vinyl acetate monomer 80~90중량%, ethyl acrylate 10~20중량%를 투입하여 투입물을 혼합하는 단계; 상기 주반응기의 용해가 완료되면, 주반응기의 내온을 68~72℃로 유지시킨 상태에서 중량 100% 대비 물 100중량%에 암모니아 27중량%를 용해한 ammonia solution 0.3~0.5중량%, KPS 0.5~1중량%를 투입하여 혼합하는 단계; 상기 보조반응기의 혼합이 완료되면, 주반응기의 내온을 유지시킨 상태에서 보조반응기의 혼합물을 주반응기에 투입하여 혼합하는 단계; 상기 주반응기의 혼합이 완료되면, 주반응기의 내온을 70~75℃로 유지시키면서 혼합물을 숙성하는 단계; 상기 주반응기의 숙성이 완료되면, 혼합물을 냉각하는 단계; 상기 주반응기의 냉각이 완료되면, 주반응기에 증류수를 투입하여 최종의 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 만드는 단계;로 이루어지는 것을 포함하며,
상기 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지, 팽창흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 물을 포함하는 혼합물로 이루어지는 난연피복제;
상기 난연피복제를 스티로폼알갱이에 피복한 다음 건조하여 스티로폼알갱이의 표면에 난연 코팅층이 형성된 난연스티로폼알갱이;
상기 난연스티로폼알갱이를 열 압착으로 성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 난연성 초산비닐고분자 에멀션 수지를 이용하여 제조되는 난연스티로폼.