KR101919506B1

KR101919506B1 - 수분 함량이 높은 발포성 폴리스티렌 비드의 제조 방법

Info

Publication number: KR101919506B1
Application number: KR1020160154981A
Authority: KR
Inventors: 이진희; 이범석; 이섭주
Original assignee: 금호석유화학 주식회사
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-11-16
Also published as: KR20180056974A

Abstract

본 발명은 흡착력이 우수한 분말 활성 탄소를 이용하여 1 내지 15중량%의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드를 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 발포성 폴리스티렌 비드는 분말 활성 탄소를 함유하는 폴리스티렌 입자 또는 펠렛 형태의 시드를 압출하고, 시드를 수성상에서 중합을 실시하고 발포제를 투입하는 단계를 통해서 이루어진다.
이러한 방법에 의하여 제공된 발포성 폴리스티렌 비드는 물이 발포보조제의 역할을 하여 펜탄 함량이 비교적 낮지만, 양호한 발포 능력을 가지는 장점이 있다.

Description

수분 함량이 높은 발포성 폴리스티렌 비드의 제조 방법{Method for producing the expandable polystyrene beads which have high water contents}

본 발명은 수분 함량이 높은 발포성 폴리스티렌 비드의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 흡착력이 우수한 분말 활성 탄소를 이용하여 1 내지 15 중량%의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드를 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

폴리스티렌 발포체(Expanded Polystyrene)는 가격 대비 우수한 단열 성능 및 간편한 시공성으로 건축자재로 널리 사용되고 있으나, 최근 전 세계적으로 지구 온난화 방지 및 오존층 보호를 목적으로 변성 프레온계 발포제와 같은 특정 물질의 사용을 규제하는 등, 환경 보호를 위해서는 탄화수소 발포제의 함량을 최소화하는 것이 바람직하다. 이에 관련 산업계에서는 발포성 폴리스티렌 입자에 물을 보조 발포제로 도입하여 탄화수소 발포제를 최소화하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

미국 공개특허 US005096931A 호는 현탁중합 시 수분 흡수성을 가진 유기 고분자를 0.001 내지 1중량%를 도입하여 발포제와 함께 0.05 내지 3중량%의 물을 함유하는 발포성 스티렌 폴리머의 제조 방법을 기재하고 있다. 그러나 수분 흡수성을 가진 부분적으로 가교 결합된 폴리아크릴산은 낮은 pH로 인해 현탁중합이 방해받는 단점이 있고, 폴리스티렌 쇄의 분지화를 유발할 수 있다.

다른 방법으로 대한민국 공개특허 10-2004-0073277 호에는 흑연 입자 또는 카본블랙 입자 0.1 내지 25중량%, 및 펜탄 2.2 내지 6 중량%와 물 1 내지 10중량%의 혼합물인 휘발성 발포제를 포함하는 발포성 스티렌 중합체 비드를 기재하고 있다. 그러나 상기 물 1 내지 10중량%의 물을 함유하는 발포성 스티렌 중합체 비드를 얻기 위해서는, 흑연 입자 또는 카본블랙 입자를 0.5 내지 30중량%인 폴리스티렌의 스티렌 용액에 현탁시켜 중합하거나, 0.5 내지 70% 전환율의 벌크 예비 중합 스티렌을 먼저 제조하고 이 예비 중합체를 수성상 중에서 흑연 입자 또는 카본블랙 입자와 함께 현탁시킨 후, 중합을 완료하는 번거로운 공정이 수반된다.

또 다른 방법으로 대한민국 공개특허 10-2005-0024330 호에는 발포성을 향상시키기 위해 0.05 내지 1.5중량%의 물을 포함하는 발포성 스티렌 중합체를 기재하고 있다. 그러나 탄화수소 발포제와는 달리 압출 공정에서는 발포시 기포 크기에 영향을 미치는 물의 분산이 용이하지 않고, 과량의 물을 분산시킬 수 없는 단점이 있다.

미국 공개특허 US005096931A 호 대한민국 공개특허 10-2004-0073277 호 대한민국 공개특허 10-2005-0024330 호

따라서, 본 발명의 목적은 흡착력이 우수한 분말 활성 탄소를 이용하여 1 내지 15중량%의 과량의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드를 효과적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 상기 종래 기술들의 문제점들을 보완하기 위하여, 큰 비표면적과 많은 미세기공으로 흡착력이 우수한 분말 활성 탄소를 함유하는 폴리스티렌 입자 또는 펠렛 형태의 시드를 압출하고, 시드를 수성상에서 중합을 실시하고 발포제를 투입함으로써 1 내지 15중량%의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드를 제조하였다.

이러한 방법에 의해서 얻어진 발포성 폴리스티렌 비드는 물이 발포보조제의 역할을 하여 펜탄 함량이 비교적 낮지만, 양호한 발포 능력을 가질 수 있다.

본 발명은 흡착력이 우수한 분말 활성 탄소를 이용하여 1 내지 15중량%의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드를 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 발포성 폴리스티렌 비드는 분말 활성 탄소를 함유하는 폴리스티렌 입자 또는 펠렛 형태의 시드를 압출하고, 시드를 수성상에서 중합을 실시하고 발포제를 투입하는 단계를 통해서 제조된다.

본 발명의 실시에 있어서, 분말 활성 탄소는 야자각(coconut shell), 석탄(coal), 목재(wood), 합성수지 등의 원료를 이용하여 500 내지 600℃, 불활성 가스 분위기에서 숯(char)이 되는 탄화(carbonizaton)단계를 거쳐 900 내지 1000℃의 고온에서 수증기, 탄산가스, 공기 등의 산화가스와 접촉 반응시키는 활성화(activation) 공정을 통해 제조된다. 따라서 일반적인 숯에 비해 비 표면적이 훨씬 크고 미세세공이 더욱 발달된 무정형의 집합체로, 이러한 1g당 1,000㎡ 이상 내부 표면적을 가진 수많은 미세세공은 이들 구조적 특성과 표면에 존재하는 탄소원자와 결합된 관능기가 관여하는 물리적 및 화학적 작용에 의해 주위의 액체 또는 기체를 흡착하는 성질이 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 분말 활성 탄소의 입자 크기는 0.1 내지 100㎛가 적합하다. 입자 크기가 0.1㎛ 이하이면, 겉보기 비중이 낮아서 압출이 용이치 않고, 100㎛ 이상이면, 발포시 기포 구조를 파괴하여 성형품의 기계적 강도 저하 및 수축을 유도한다.

본 발명의 실시에 있어서, 분말 활성 탄소의 함량은 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 0.05 ~ 20 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5 ~ 10 중량부를 사용한다.

본 발명의 실시에 있어서, 분말 활성 탄소에 추가적으로 단열성능을 보완하기 위해 흑연과 같은 적외선 흡수제를 도입할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 폴리스티렌 입자 또는 펠렛 형태의 시드는 단축 압출기 또는 이축 압출기를 이용하고, 압출 온도 180 내지 250℃ 범위에서 수중 펠렛화기(Under Water Cutting) 또는 수냉식 다이면(Die-face) 펠렛화기의 사용에 의해 얻을 수 있다. 이렇게 압출에 의해 제조된 폴리스티렌 입자 또는 펠렛 형태의 시드는 통상의 발포성 폴리스티렌 제조공정에 사용되는 현탁 시스템을 사용하여 현탁 가능하도록 부피가 5 ㎣ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 발포제는 발포성 폴리스티렌 비드에 사용되는 통상의 발포제로서, 적합한 발포제로는 탄소 원자수 4 ~ 6의 지방족 탄화수소를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 부탄과 펜탄이다. 발포제의 함량은 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 2 내지 10 중량부를 사용할 수 있고, 바람직하게는 3 내지 8 중량부를 사용한다.

본 발명의 실시에 있어서, 시드 중합에서 통상의 현탁 안정화제, 과산화물 개시제, 용제, 난연보조제 및 핵 생성제가 첨가될 수 있다.

본 발명자는 분말 활성 탄소를 이용하여 제조한 1 내지 15중량%의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드는, 과량의 물을 함유함에도 불구하고, 가공상에 원료 이송 방해 등의 문제를 유발하지 않고, 비드 내 효과적으로 분산된 물은 기계적 물성 저하 없이 발포성 향상에 도움이 된다.

이하, 본 발명을 실시 예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시 예 1> 발포성 폴리스티렌 비드 100중량부를 기준으로 분말 활성 탄소 4 중량부 도입품

폴리스티렌(금호석유화학; GP 150) 100kg에 분말 활성 탄소(NCP 325 ; ㈜NEVENCARBON) 9kg을 투입하여 혼합하고, 이 혼합 조성물을 이축성형기에서 230℃로 용융시키고, 수중 펠렛화기(Under water cutting)를 이용하여 분말 활성 탄소가 포함된 평균 부피가 2.0 mm³이하의 폴리스티렌 펠렛 형태의 시드를 얻었다. 100L 반응기에 초순수 40kg에 분산제(트리칼슘 포스페이트; 듀본유화) 0.2kg을 투입하여 교반하고, 상기 분말 활성 탄소가 포함된 시드 20kg을 투입하였다. 이후, 60℃까지 반응기 온도를 승온시키고, 스티렌 단량체(Styrene Monomer; SK) 5kg에 난연제(헥사브로모시클로도데칸; GLC; CD75P^TM) 1kg, 저온 개시제(벤조일 퍼옥사이드; 한솔케미칼) 0.05kg, 고온 재시제(t-부틸 퍼옥시 벤조네에트; 호성케멕스) 0.03kg을 용해시켜 2시간 동안 투입하였다. 이후 반응기 입구를 닫고 스티렌 단량체 15kg을 60℃에서 125℃까지 3.5시간 동안 승온 시키면서 천천히 투입하여 중합을 진행시켰다. 이것이 완료된 후 125℃에서 발포제(펜탄; SK) 2kg을 질소 압력으로 반응기에 투입하고 최종 반응기 압력을 13kgf/cm² 를 유지하면서 5시간 동안 함침을 실시하였다. 이후 30℃ 이하로 냉각시키고 제품을 반응기에 배출하였다. 이 제품을 수세, 건조시키고, 통상적인 발포성 폴리스티렌 비드에 사용하는 블랜딩제를 도포하여 물성 평가를 진행하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

<실시 예 2> 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 분말 활성 탄소 4 중량부, 흑연 2 중량부 도입품

폴리스티렌(금호석유화학; GP 150) 100kg에 분말 활성 탄소(NCP325 ; ㈜NEVENCARBON) 9kg와 함께 흑연(HCN 905 ; 현대코마산업) 4.5kg을 혼합하고, 압출하여 평균 부피가 2.0 mm³이하의 펠렛 형태의 시드를 얻는 것 이외에는 실시 예 1을 반복하였다. 이 제품을 수세, 건조시키고, 통상적인 발포성 폴리스티렌 비드에 사용하는 블랜딩제를 도포하여 물성 평가를 진행하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

<비교 예 1> 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 흑연 4 중량부 도입품

폴리스티렌(금호석유화학; GP 150) 100kg에 분말 활성 탄소를 미투입하고, 흑연(HCN 905 ; 현대코마산업) 9kg을 혼합하고, 압출하여 평균 부피가 2.0 mm³이하의 펠렛 형태의 시드를 얻는 것 이외에는 실시 예 1을 반복하였다. 이 제품을 수세, 건조시키고, 통상적인 발포성 폴리스티렌 비드에 사용하는 블랜딩제를 도포하여 물성 평가를 진행하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

항 목	실시 예1	실시 예2	비교예1
물 함량(중량%)	4.8	4.9	0.8
펜탄 함량(중량%)	3.4	3.3	3.5
발포성(배)	54	55	46
융착(%)	70	60	40
열전도율(W/mK)	0.0341	0.0320	0.0318

주1)성형품 밀도 : 25kg/㎥

주2)실시 예 1에 있어서, 분말 활성 탄소를 함유하는 폴리스티렌 시드의 물 함량은 0.1% 수준임

상기 표 1에 있어서, 물 함량, 펜탄 함량, 발포성, 융착, 열전도율은 구체적으로 다음과 같이 수행하였다.

1) 물 함량 : Karl Fischer 수분측정기로 측정함(중량%)

2) 펜탄 함량 : GC(Gas Chromatography)로 측정함(중량%)

3) 발포성 : 0.3K의 스팀압으로 5분간 발포했을 때 발포 배수(배)

4) 융착 : 성형품의 발포립간 서로 밀착된 상태를 나타내고, 성형품 파단면 중 발포립자 내부가 파단된 비율(%)

5) 열전도율 : 한국산업규격 KS L 9016에 규정된 보온재의 열전도도 측정 방법의 종류 중에 평판 열류계법으로 측정한 수치임(W/mK)

상기 표 1의 결과로부터, 분말 활성 탄소를 함유한 폴리스티렌 시드는 물 함량이 폴리스티렌 시드를 기준으로 0.1중량% 수준이지만, 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 분말 활성 탄소 4 중량부를 도입할 경우, 물 속에서 시드 중합하는 과정에서 분말 활성 탄소의 높은 흡착력으로 인해 발포성 폴리스티렌 비드를 기준으로 4.8중량% 정도 흡수함을 알 수 있다.

결과적으로 발포성 폴리스티렌 비드에 고르게 분산된 물은 보조 발포제 역할을 하여 유사한 펜탄 함량에서 발포성이 향상되고, 융착이 우수함을 확인하였고, 더하여 분말 활성 탄소에 추가적으로 흑연을 도입하여 발포성은 유지하고, 열전도율을 개선할 수 있었다. 참고로, 비교 예 1과 같이 평균 입자 크기가 5㎛ 수준인 흑연을 도입한 시드 중합의 경우, 물 함량이 낮음을 알 수 있다.

본 발명이 상기 실시 예에 있어서, 상세하게 설명되었다 할지라도, 상기 실시 예는 본 발명의 범위를 한정하기 위해서 기술된 것이 아니며, 단지 예시적인 목적으로 기술된 것이다.

당업자는 본원 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 발명의 변형이 가능하다는 것을 인식할 것이며, 본원 발명의 범위는 하기 특허청구범위에 의해서 결정된다.

Claims

분말 활성 탄소를 함유하는 폴리스티렌 입자 또는 펠렛 형태의 시드를 압출하고, 시드를 수성상에서 중합을 실시하고 발포제를 투입하여, 발포성 폴리스티렌 비드 전체 중량을 기준으로 1 내지 15중량%의 물을 함유하는 발포성 폴리스티렌 비드를 제조하는 방법.
제1항에 있어, 상기 분말 활성 탄소의 입자 크기가 0.1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어, 상기 분말 활성 탄소는 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 0.05 내지 20 중량부를 사용하는 방법.
제1항에 있어, 상기 분말 활성 탄소와 함께 적외선 흡수제를 발포성 폴리스티렌 비드 100 중량부를 기준으로 0.05 내지 10중량부 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.