KR101917355B1 - 폴리우레탄 성형폼용 이형제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 이형제 조성물, 친환경 이형제 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 설명하면, 인체 유해 성분인 벤젠 등을 포함하는 용제를 사용하지 않으면서 화재 발생 위험성이 크게 줄어든 친환경 이형제 및 이의 제조에 사용되는 조성물 및 이를 이용하여 이형제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

폴리우레탄 성형폼용 이형제의 제조방법{Manufacturing method of eco-friendly releasing agent}

본 발명은 폴리우레탄 성형폼에 사용되는 이형제, 이의 제조에 사용되는 조성물 및 이를 이용하여 친환경 이형제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

수지나 고무로부터 이루어지는 성형폼을 수득하는 데에는, 금형에 수지나 고무 재료를 충전하여 성형을 행하나, 통상적으로는 충전 전에 외부 이형제를 금형에 미리 도포하여 둔다. 외부이형제로는, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스와 같은 왁스류, 폴리디메틸실록산 오일, 실리콘 오일과 같은 실리콘류, 글리콜, 지방산 유도체, 퍼플루오로알킬기 함유 화합물과 같은 유기 화합물 광물유, 탈크, 마이카와 같은 무기 화합물 등을 물 또는 유기 용제에 분산 또는 용해시켜서 사용한다.
이들 외부 이형제는 통상적으로 매회 도포하여 사용하고 있으나, 작업성 면에서 공정수를 감소시키기 위해, 이형 수명이 연장된 이형제의 개발이 요망하고 있다. 또한, 매회 도포로 인한 외부이형제의 퇴적에 의한 금형의 오염 문제가 발생하며, 특히 왁스계 이형제는 오염의 정도가 심하다. 또한, 매회 도포가 필요한 것은 기본적으로 성형폼측으로의 이형제의 일부 이동이 있기 때문이며, 이것은 성형폼의 끈적거림의 부착 등의 마무리의 나쁨, 후 공정에서의 성형폼에의 도장 불량이나 접착 불랑 등의 원인이 됨으로써, 성형 후, 트리클로로에탄 등의 유기 용제에 의한 세정이 행하여지고 있다. 특히, 실리콘계 이형제는 도장 불량이나 접착 불량의 원인이 되기 쉽다.
이형을 용이하게 하기 위한 또 다른 방법은 내부 이형제(IMRA)를 사용하는 것이다. IMRA는 통상적으로 수지 용적으로부터 수지/금형 계면으로 이동할 수 있는 수지 제제 중의 표면 활성 첨가제이다. IMRA는 제제에 혼입되기 때문에, 외부이형제를 금형 표면 상에 반복적으로 적용할 필요가 없다. 성형 후, IMRA는 금형으로부터의 성형 물품의 접착을 줄여 금형으로부터의 성형 물품의 분리를 용이하게 한다.
폴리우레탄을 위해 효과적인 IMRA를 발견하기 위해 수십년 동안 연구가 수행되었다. 이전에, 지방산 유도체, 에스테르, 금속 비누, 유기염 및 실록산/실리콘이 폴리우레탄 IMRA로서 시도되었다. 그런데, 기존 IMRA 제조시, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 인체에 유해한 성분이 함유된 용제를 사용하여 기존 IMRA는 인화점이 낮아서 화재 위험이 있는 문제가 있다.

대한민국 공개특허번호 10-2015-0121063호(공개일 2015년 10월 28일)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점과 필요성의 해결을 위해 수많은 실험과 연구 끝에 완성된 발명으로서, 본 발명자는 기존 이형제 보다 이형제 내 동일 면적 당 고형분 함량을 줄이고, 톨루엔 등의 유해 성분 함량이 없는 새로운 최적의 조성 및 조성비를 가지는 폴리우레탄 성형폼용 이형제 조성물, 이를 이용한 이형제, 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폴리우레탄 성형폼(mold form)용 이형제 조성물은 왁스, 촉매, 부식방지제, 분산보조제, 폴리우레탄 셀 안정제 및 비방향족 정제석유계 용제를 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 제조한 폴리우레탄 성형폼용 이형제를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 폴리우레탄 성형폼용 이형제를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 이형제는 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 인체에 유해 성분을 포함하는 방향족계 용제를 사용하지 않고, 기존 이형제에 비해 도포 사용량이 적어서 대기오염 유발도 줄일 수 있는 바 친환경적일뿐만 아니라, 70℃ 이상의 비등점을 가지기 때문에 사용 및 보관시 발생할 수 있는 화재 위험을 줄일 수 있다.

이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 이형제는 왁스, 촉매, 부식방지제, 분산보조제, 폴리우레탄 셀 안정제 및 비방향족 정제석유계 용제를 포함하는 이형제 조성물을 이용하여 제조한다.
상기 이형제 조성물 성분 중 왁스는 폴리에틸렌 왁스 및 파라핀 왁스 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌 왁스 및 파라핀 왁스를 1 : 0.15 ~ 0.35 중량비로 혼합하여 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌 왁스 및 파라핀 왁스를 1 : 0.18 ~ 0.28 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 파라핀 왁스 함량비가 0.15 중량비 미만이면 혼합사용으로 인한 코팅성 및 이형성 효과가 미비할 수 있고, 0.35 중량비를 초과하여 사용하면 오히려 폴리우레탄 성형폼의 셀 안정성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
또한, 조성물 전체 중량 중 왁스의 함량은 5 ~ 15 중량%, 바람직하게는 6.5 ~ 12 중량%, 더욱 바람직하게는 7.5 ~ 10 중량%이며, 이때 조성물 전체 중량 중 왁스의 함량이 5 중량% 미만이면 폴리우레탄 성형폼의 셀 안정성 및 이형성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 15 중량%를 초과하면 도포가 잘 안되어 빌드업(buildup) 문제가 있을 수 있다. 즉, 성형 몰드에 연속적으로 작업 시 이형제는 휘발성분인 용제 및 기타 첨가제를 제외한 왁스는 몰드 표면에 일부 남게 되어 외관(skin면)이 불규칙해지기 때문에, 주기적으로 성형 몰드를 청소해주는 것이 필수이다. 이때, 적절한 양의 왁스를 사용하지 않고 과량 사용 시 성형 몰드에 쌓이는 왁스량이 많아져서 몰드의 청소 주기가 빨라질뿐만 아니라 완성된 성형폼의 외관에 왁스 입자들이 불규칙하게 묻어 나와 제품의 오염을 유발시킬 수 있다.
이형제 조성물 성분 중 상기 촉매는 폴리우레탄 성형폼의 경화촉진 및 이형성을 보완하는 역할을 하는 것으로서, 당업계에서 사용하는 일반적인 촉매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 DBTDL(Dibutyltin dilaurate), DOTL(Dioctyltin dilaurate), DBTO(Dibutyltin Oxide) 및 DOTO(Dioctyltin Oxide) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 그리고, 촉매의 사용량은 조성물 전체 중량 중 0.05 ~ 2 중량%를, 바람직하게는 0.1 ~ 1 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.2 ~ 0.6 중량%를 사용할 수 있으며, 이때, 촉매 사용량이 0.05 중량% 미만이면 경화촉진 및 이형성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 촉매 사용량이 2 중량%를 초과하면 제조된 폴리우레탄 성형폼의 외관 문제가 있다.
이형제 조성물 성분 중 상기 부식방지제는 금형의 부식을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 당업계에서 사용하는 일반적인 부식방지제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스테아릴아민(Stearylamine), 옥타데실아민(Octadcylamine), 티오글리세롤 및 벤조트리아졸 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 그리고, 부식방지제의 사용량은 조성물 전체 중량 중 0.1 ~ 1 중량%를, 바람직하게는 0.1 ~ 0.8 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.2 ~ 0.5 중량%를 사용할 수 있으며, 이때, 부식방지제 사용량이 0.1 중량% 미만이면 금형의 부식 문제가 있을 수 있고, 부식방지제 사용량이 1 중량%를 초과하면 미세 입자가 다량 발생하는 품질 문제가 있다.
이형제 조성물 성분 중 상기 분산보조제는 부식방지제의 조성물 내 분산성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 당업계에서 사용하는 일반적인 분산보조제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 알케인카르복실염, 사이클로헥사논산, 비누화처리된 몰탄왁스 및 칼슘스테아레이트 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 그리고, 분산보조제의 사용량은 조성물 전체 중량 중 0.1 ~ 1 중량%를, 바람직하게는 0.1 ~ 0.8 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 0.5 중량%를 사용할 수 있으며, 이때, 분산보조제 사용량이 1 중량%를 초과하면 폴리우레탄 성형폼의 셀 오픈(cell open) 불량 문제가 있다.
이형제 조성물 성분 중 상기 폴리우레탄 셀 안정제는 폴리우레탄 성형폼의 스킨(skin) 안정 역할, 즉, 폴리우레탄 셀(cell) 안정화 역할을 하는 것으로서, 당업계에서 사용하는 일반적인 폴리우레탄 셀 안정제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리실록세인으로 개질된 폴리에테르, 폴리디메틸실록산, 유기관능성 폴리디메틸실록산 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 폴리우레탄 셀 안정제의 사용량은 조성물 전체 중량 중 0.01 ~ 0.5 중량%를, 바람직하게는 0.05 ~ 0.3 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.08 ~ 0.25 중량%를 사용할 수 있으며, 이때, 폴리우레탄 셀 안정제 사용량이 0.01 중량% 미만이면 폴리우레탄 셀 안정성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 폴리우레탄 셀 안정제 사용량이 0.5 중량%를 초과하면 셀 입자가 작아지며, 탈형성 문제가 있을 수 있다.
이형제 조성물 성분 중 상기 정제석유계 용제로는 비방향족계 용제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 인화점 70℃ 이상인 비방향족 정제석유계 용제를 사용하는 것이 좋다. 이러한 비방향족 정제석유계 용제로는 바람직하게는 수소처리된 경질정제유, 수소처리된 중질나프타 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 그리고, 정제석유계 용제의 사용량은 조성물 전체 중량 중 왁스, 촉매, 부식방지제, 분산보조제 및 폴리우레탄 셀 안정제를 제외한 나머지 잔량의 중량%만큼 사용된다.
본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하면, 본 발명의 친환경 이형제는 비방향족 정제석유계 용제에 왁스, 부식방지제 및 분산보조제 투입한 다음, 교반 및 용해시켜서 왁스 용해액을 제조하는 1단계; 비방향족 정제석유계 용제가 투입되어 있는 탱크믹서에 폴리우레탄 셀 안정제, 촉매 및 상기 왁스 용해액을 차례대로 투입한 후, 호모믹서와 패들로 동시 교반 및 반응시켜서 반응액을 제조하는 2단계; 상기 반응액을 패들 교반시키면서 냉각수를 투입하여 반응액을 냉각시키는 3단계; 및 냉각된 반응액을 필터링하는 4단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
1단계에서 상기 교반은 95 ~ 120℃ 하에서, 바람직하게는 95 ~ 110℃ 하에서, 더욱 바람직하게는 98 ~ 105℃ 하에서 수행하는 것이 좋으며, 이때, 온도가 95℃ 미만이면 왁스 성분이 정제석유계 용제에 잘 용해되지 않고, 용해 시간이 너무 길어지는 문제가 있을 수 있고, 120℃를 초과하면 작업시간이 불필요하게 길어지는 문제가 있을 수 있다.
2단계에서 상기 교반은 2,000 ~ 4,000rpm 하에서, 바람직하게는 2,500 ~ 3,500rpm 하에서, 더욱 바람직하게는 2,500 ~ 3,000rpm 하에서 호모믹서와 패들로 동시 교반시키는 것이 균일 교반 및 점도를 낮추는 측면에서 유리하다.
그리고, 2단계에서 반응이 시간은 호모믹서와 패들 동시 교반으로 40 ~ 50분간 반응시켜서, 바람직하게는 42 ~ 47분간, 더욱 바람직하게는 43 ~ 46분간 반응이 진행되도록 한다. 이때 상기 2단계의 반응액은 2단계의 반응생성물 등을 포함하는 용액을 의미한다.
또한, 3단계는 완료되면, 페들 교반 및 추가 반응시킨 후, 냉각수를 투입하여, 온도를 24℃ 이하로, 바람직하게는 15 ~ 24℃로, 더욱 바람직하게는 16 ~ 20℃ 낮춰서 냉각된 반응액을 제조한다. 이때, 상기 냉각된 반응액은 3단계의 반응생성물 등을 포함하는 용액을 의미한다.
4단계의 필터링은 냉각된 반응액 내 불필요한 고형분 및 불순물 등을 제거하고, 최종 반응생성물인 본 발명의 친환경 이형제 얻기 위한 것으로서, 당업계에서 사용하는 일반적인 필터링 방법을 사용할 수 있다.
이렇게 제조된 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제는 인화점이 70℃ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 70 ~ 75℃, 더욱 바람직하게는 70 ~ 73.5℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제는 점도가 25℃에서의 점도가 112 ~ 140cps, 바람직하게는 115 ~ 138cps, 더욱 바람직하게는 120 ~ 136cps일 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제는 비중이 0.750 ~ 0.850, 바람직하게는 비중이 0.770 ~ 0.830, 더욱 바람직하게는 0.780 ~ 0.815일 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제는 비등점이 200 ~ 300℃, 바람직하게는 200 ~ 250℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제는 고형분 함량이 이형제 전체 중량 중 6 ~ 10 중량%, 더욱 바람직하게는 7.5 ~ 10 중량%, 더욱 바람직하게는 8.2 ~ 9.8 중량%로 매우 큰 특징이 있다.
이러한, 본 발명의 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제는 바람직하게는 폴리우레탄 성형폼의 외부 이형제로 사용할 수 있다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1 : 폴리우레탄 폼용 친환경 이형제의 제조
폴리에틸렌 왁스 및 파라핀 왁스를 1 : 0.15 ~ 0.35 중량비로 혼합하여 혼합 왁스를 준비하였다. 그리고, 상기 혼합 왁스, 스테아릴아민(부식방지제) 및 알칸 카르복실염(분산보조제)를 비방향족 정제석유계 용제에 투입한 후, 온도를 100℃까지 올린 후, 이 온도에서 패들을 가동하여 교반 및 용해시켜서 왁스 용해액을 제조하였다.
다음으로, 비방향족 정제석유계 용제가 투입되어 있는 탱크믹서에 폴리실록산으로 개질된 폴리에테르 (폴리우레탄 셀 안정제) 및 DBTDL(촉매)를 투입한 다음, 상기 왁스 용해액을 투입하였다. 다음으로, 100℃ 이하에서 호모믹서와 패들로 45분간 동시 교반 및 반응시켜, 반응생성물을 포함하는 반응액을 제조하였다.
다음으로, 상기 반응액에 페들 교반 및 추가반응시킨 다음, 냉각수 투입 및 교반시켜서 20 ~ 21℃의 냉각된 반응액을 제조하였다.
다음으로, 상기 냉각된 반응액을 여과, 필터링하여 폴리우레탄 성형폼용 친환경 이형제를 제조하였다. 그리고, 제조에 사용된 조성의 조성비는 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2 ~ 실시예 5 및 비교예 1 ~ 비교예 10
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이형제를 제조하되, 하기 표 1과 같은 조성비를 가지도록 하여 이형제 각각을 제조하여 실시예 2 ~ 5 및 비교예 1 ~ 10을 실시하였다.

실험예 1 : 이형제의 물성 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 이형제의 인화점, 점도, 비중, 고형분 함량을 하기 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
(1) 인화점 측정
KS M ISO 3679 시험방법에 의거하여 측정하였다.
(2) 점도 측정
KS A 0531 시험방법에 의거하여 측정하였다.
(3) 비중 측정
KS A 0601 시험방법에 의거하여 측정하였다.
(4) 고형분 함량 측정
KS M ISO 3251 시험방법에 의거하여 측정하였다.

상기 표 2를 살펴보면, 실시예 및 비교예 모두 인화점이 70℃ 이상을 보였다.
파라핀왁스 적게 사용한 비교예 1의 경우, 실시예와 비교할 때 점도가 낮은 문제가 있었으며, 파라핀왁스를 너무 많이 사용한 비교예 2의 경우, 점도가 높은 문제가 있었다. 또한, 왁스 자체를 5 중량% 미만으로 적게 사용한 비교예 3 및 촉매 사용량이 너무 적었던 비교예 5의 경우, 이형제의 점도가 너무 낮은 문제가 있었고, 왁스 자체를 15 중량% 초과하여 사용한 비교예 4 및 촉매 사용량이 너무 많았던 비교예 6의 경우, 점도가 너무 높은 문제가 있었다.
또한, 부식방지제 함량이 1 중량%를 초과한 비교예 7 및 분산보조제 함량이 1 중량%를 초과한 비교예 8의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 점도, 고형분 함량뿐만 아니라, 비중도 상대적으로 높은 문제가 있었다.
그리고, 폴리우레탄 셀 안정제를 0.01 중량%를 미만으로 사용한 비교예 9 및 폴리우레탄 셀 안정제를 0.5 중량% 초과하여 사용한 비교예 10의 경우, 인화점이 70℃ 미만으로 낮았으며, 비교예 10의 경우, 점도가 낮으면서 고형분 함량이 높은 문제가 있었다.
상기 실시예 및 실험예를 통하여, 본 발명이 이형제 내 동일 면적 당 고형분 함량을 줄이면서도, 톨루엔 등의 유해 성분을 사용하지 않는 친환경적인 이형제를 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 인화점 70℃ 이상인 비방향족 정제석유계 용제에 왁스, 부식방지제 및 분산보조제 투입한 다음, 95 ~ 120℃ 하에서 교반 및 용해시켜서 왁스 용해액을 제조하는 1단계;
   비방향족 정제석유계 용제가 투입되어 있는 탱크믹서에 폴리우레탄 셀 안정제, 촉매 및 상기 왁스 용해액을 차례대로 투입한 후, 호모믹서와 패들로 2,000 ~ 4,000 rpm 교반속도로 40 ~ 50분간 동시 교반을 수행하여 반응시켜서 반응액을 제조하는 2단계;
   상기 반응액을 패들 교반 및 추가 반응시킨 다음, 냉각수를 투입하여 24℃ 이하로 반응액을 냉각시키는 3단계; 및
   냉각된 반응액을 필터링하는 4단계;를 포함하며,
   2단계의 상기 반응액은 왁스 5 ~ 15 중량%, 촉매 0.05 ~ 2 중량%, 부식방지제 0.1 ~ 1 중량%, 분산보조제 0.1 ~ 1 중량% 및 폴리우레탄 셀 안정제 0.01 ~ 0.5 중량% 및 잔량의 비방향족 정제석유계 용제를 포함하며,
   상기 왁스는 폴리에틸렌 왁스 및 파라핀 왁스를 1 : 0.15 ~ 0.35 중량비로 포함하고,
   4단계 공정을 수행하여 제조한 이형제는 고형분 함량이 이형제 전체 중량 중 7.5 ~ 10 중량%이고,
   상기 이형제는 인화점이 70 ~ 75℃, 25℃에서의 점도 115 ~ 138 cps, 비중 0.770 ~ 0.830 및 비등점 200 ~ 250℃인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 성형폼용 이형제의 제조방법.
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