KR101928336B1 - 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법 - Google Patents

발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발포 폴리스티렌 조성물은 폴리스티렌 수지 100 중량부 및 코팅용 수지 조성물로 코팅된 팽창흑연분말 0.5 내지 3 중량부를 포함하며, 상기 코팅용 수지 조성물은 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함할 수 있으며, 이로부터 제조된 압출 폴리스티렌 폼은 단열성이 우수하며, 직사광선에 의한 변형률이 작은 특징을 가질 수 있다.

Description

발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법{Composition for polystyrene foam and a manufacturing method for extruded polystyrene form using the same}
본 발명은 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단열성이 우수하며, 직사광선에 의한 변형률이 작은 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것이다.
건축물 등 다양한 산업에서 다양한 재료들을 사용하여 외적 미려함과 단열기능을 도모하고 있고, 현재는 발포 폴리스티렌 보드가 광범위하게 사용되고 있다. 또한 화재 등 위험으로부터 생명과 재산을 보호하기 위하여 최근에는 일정 수준 이상의 난연성을 갖출 것이 요구되고 있다.
건축물의 단열을 위해 사용되는 발포 폴리스티렌은 보드 형태로 가공된 것이 널리 사용되고 있다. 발포 폴리스티렌을 제조하기 위하여 일반적으로 비드법 또는 압출법이 사용되고 있다. 비드법은 비드 입자를 미리 가열하여 1차 발포시키고, 이것을 일정 시간 숙성시킨 후 판 모양 등의 금형에 채우고, 다시 가열하여 2차 발포에 의해 융착 및 성형하여 발포 폴리스티렌을 제조한다. 압출법은 원료를 가열 및 용융하고 연속적으로 압출 및 발포시켜 성형하여 발포 폴리스티렌을 제조한다.
일반적으로 비드법에 의한 발포 폴리스티렌은 가격이 저렴하고 가공성과 단열 시공 시 취급이 우수하다는 장점이 있으나, 난연성이 약하며, 압출법에 의한 보드에 비하여 단열성이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.
최근에는 발포 폴리스티렌에 난연성 등의 기능성을 향상시키기 위한 기술이 개발되고 있는데, 단열성을 위하여 무기입자 등을 혼입하는 경우 열전도도를 감소시킬 수 있으나 야외에 노출시 적외선 흡수가 용이하여 보드의 위아래 온도차에 따라 수축, 팽창 및/또는 휨이 발생하는 문제가 생긴다.
한국등록특허 제10-0602205호는 난연 특성이 우수한 팽창 흑연를 포함하는 난연 조성물을 개시하는 것으로, 폴리스티렌 발포입자에 팽창흑연, 열경화성 액상 페놀 수지 및 경화 촉매의 혼합물을 코팅 가교하여 EPS 비드의 난연성을 향상시키는 것이다.
한국공개특허 제2015-0000051호는 발포 폴리스타이렌 폼 난연성 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 난연성 조성물은 폴리비닐아세테이트-폴리부틸아크릴레이트 공중합체 에멀젼 및 알칼리 실리케이트 화합물의 복합 용액, 석회석 분말 및 팽창 흑연을 포함하고 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은 단열성이 우수하며, 직사광선에 의한 변형률이 작은 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 폴리스티렌 수지 100 중량부 및 코팅용 수지 조성물로 코팅된 팽창흑연분말 0.5 내지 3 중량부를 포함하며, 상기 코팅용 수지 조성물은 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연분말은 팽창흑연 분말 100 중량부에 대하여 상기 코팅용 수지 조성물 15 내지 100 중량부를 혼합 및 교반하여 얻어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 팽창흑연분말은 밀도가 0.002 내지 0.004 g/㎤ 이고, 팽창율은 200 내지 500%이며, 기공의 직경은 20 내지 100 ㎛이고, 기공형상은 벌집 모양인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 이수석고 0.1 내지 5 중량부, 소성규조토 0.1 내지 5 중량부 및 수산화알루미늄 0.1 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 팽창흑연 분말 100 중량부 및 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함하는 코팅용 수지 조성물 15 내지 100 중량부를 혼합 및 교반하여 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창 흑연분말을 마련하는 단계; 상기 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창 흑연 분말 0.5 내지 3 중량부 및 폴리스티렌 수지 100 중량부를 포함하는 발포 폴리스티렌 조성물을 혼합 및 용융하여 마스터 배치를 마련하는 단계; 상기 마스터 배치를 압출기에 투입하여 1차 발포하는 단계; 및 상기 1차 발포 후 발포 가스를 주입하여 2차 발포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법을 제공한다.
상기 팽창흑연분말은 밀도가 0.002 내지 0.004 g/㎤ 이고, 팽창율은 200 내지 500%이며, 기공의 직경은 20 내지 100 ㎛이고, 기공형상은 벌집 모양인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발포 폴리스티렌 조성물은 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 이수석고 0.1 내지 5 중량부, 소성규조토 0.1 내지 5 중량부 및 수산화알루미늄 0.1 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 발포 폴리스티렌 조성물로 제조된 압출 폴리스티렌 폼은 우수한 단열성을 가지며, 직사광선에 의한 변형률이 작은 특징을 가진다.
단열성을 향상시키기 위하여 흑연분말을 첨가하는 경우 단열성이 개선될 수는 있으나, 직사광선에 노출시 폴리스티렌 폼 내에 온도차가 발생하여 수축, 팽창 및/또는 휨에 의하여 변형이 발생할 수 있으나, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연 분말을 사용함으로써 직사광선에 의한 변형률을 억제할 수 있으며 우수한 단열효과까지 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출 폴리스티렌 폼의 변형률을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 모식도이다.
이하, 본원의 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태를 들어 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 “상에”또는 “전에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함할 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 “~ (하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명은 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발포 폴리스티렌 조성물은 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연분말 0.5 내지 3 중량부를 포함하며, 상기 코팅용 수지 조성물은 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 발포 폴리스티렌 조성물로 제조된 압출 폴리스티렌 폼은 우수한 단열성을 가지며, 직사광선에 의한 변형률이 작은 특징을 가진다.
일반적으로 단열성을 향상시키기 위하여 압출 폴리스티렌 폼에 흑연분말을 첨가하는 경우 단열성이 개선될 수는 있으나, 직사광선에 노출시 폴리스티렌 폼 내에 온도차가 발생하여 수축, 팽창 및/또는 휨이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연 분말을 사용함으로써 직사광선에 의한 변형률을 억제할 수 있으며 우수한 단열효과까지 발휘할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 발포 폴리스티렌 조성물 및 이를 이용한 발포 폴리스티렌의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 발포 폴리스티렌 조성물은 폴리스티렌 수지 및 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연분말를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 단순 팽창흑연을 사용하는 것이 아니라, 팽창흑연에 코팅용 수지 조성물이 코팅된 것을 사용하는 것으로, 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연 분말의 함량은 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3 중량부일 수 있다.
상기 팽창흑연은 열에 의하여 함유하고 있는 물과 산화화합물이 가스를 발생하여, 비늘 조각 모양의 흑연이 팽창하여 열이나 화학품에 안정된 다공성 탄화층을 형성하는 것으로, 난연 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 팽창흑연 분말은 밀도가 0.002 내지 0.004 g/㎤ 이고, 팽창율은 200 내지 500%이며, 기공의 직경은 20 내지 100 ㎛이며, 기공형상이 벌집 모양인 것을 사용할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 상기 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연은 하기와 같은 방법으로 얻어질 수 있다.
우선, 인상흑연을 산 처리하고, 1차 물 세척한 후 열처리를 하여 팽창시킬 수 있다. 이후 2차 물 세척을 한 후 건조하여 팽창 흑연을 얻을 수 있다.
상기 팽창흑연 분말을 코팅용 수지 조성물과 혼합 및 교반하여 팽창흑연에 코팅용 수지 조성물을 코팅할 수 있으며, 팽창흑연 분말 100 중량부에 대하여 코팅용 수지 조성물은 15 내지 100 중량부를 사용할 수 있다. 상기 코팅용 수지 조성물은 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함할 수 있다. 상기 코팅용 수지 조성물에서 폴리에틸렌 왁스의 비율을 상기 범위 내에서 자유롭게 조절될 수 있다.
팽창흑연은 열의 이동을 방해하여 열전도율을 떨어뜨리는 역할을 한다. 그러나 이로 인하여 직사광선에 장시간 노출되는 경우 발포 폴리스티렌에 온도 차이가 발생하여 휨 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태와 같이 코팅용 수지 조성물이 코팅됨에 따라 팽창흑연의 온도상승을 감소시켜 휨이 발생하는 현상을 예방할 수 있다. 압출 후에 코팅용 조성물이 팽창흑연 표면에 완전히 코팅된 채 존재하지 않을 수 있으나, 일부 팽창 흑연 표면에 잔존할 수 있다. 메카니즘은 명확하게 규명되지 않았으나, 압출 후에 팽창흑연 표면에 잔존하는 코팅용 수지 조성물에 의하여 발포 폴리스티렌 폼의 휨 현상을 방지하는 것으로 관찰되었다.
상기 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연 분말의 함량이 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 0.5 중량부 미만이면 단열성이 저하될 우려가 있고, 3 중량부를 초과하면 뭉침 현상이 발생하거나 휨 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 발포 폴리스티렌 조성물에는 이수석고, 소성 규조토, 수산화알루미늄을 추가로 포함할 수 있다.
상기 이수석고는 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
이수석고는 압출 보드의 변형률을 낮추는 역할과 단열성 및 난연성 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 이수석고의 함량이 0.1 중량부 미만이면 상기와 같은 효과를 기대하기 어렵고, 5 중량부를 초과하면 열저항이 감소할 우려가 있다.
상기 소성 규조토는 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
소성 규조토는 압출 보드의 변형률을 낮추는 역할과 단열성 및 난연성 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 소성 규조토의 함량이 0.1 중량부 미만이면 상기와 같은 효과를 기대하기 어렵고, 5 중량부를 초과하면 열저항이 감소될 우려가 있다.
상기 수산화알루미늄은 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
수산화알루미늄은 저 발연성을 가지는 것으로, 발포 폴리스티렌의 난연성을 향상시킬 수 있다.
상기 수산화알루미늄의 함량이 0.1 중량부 미만이면 난연 효과가 미비할 수 있고, 5 중량부를 초과하면 열저항이 감소될 우려가 있다.
제조되는 발포 폴리스티렌의 두께에 따라 열에 의한 변형 정도가 달라질 수 있으므로, 두께에 따라 이수석고, 소성 규조토 및 수산화알루미늄의 함량이 조절될 수 있다. 두께가 증가할수록 이수석고, 소성 규조토 및 수산화알루미늄의 함량은 상기 범위 내에서 조금씩 증가될 수 있다.
상기와 같은 발포 폴리스티렌 조성물로 압출 폴리스티렌 폼을 제조하기 위하여, 상기 조성을 가지는 발포 폴리스티렌 조성물을 혼합 및 용융하여 마스터 배치를 마련할 수 있다. 상기 혼합 및 용융은 180 내지 220℃의 온도에서 수행될 수 있다. 용융 온도는 조성물의 각 성분이 충분히 혼합 및 용융될 수 있는 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 마스터 배치를 압출기에 투입하여 1차 발포를 수행할 수 있다. 1차 발포된 상태에서 발포 가스를 주입하여 2차 발포를 수행하여 압출 폴리스티렌 폼를 얻을 수 있다. 압출 폴리스티렌 폼의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 다양한 형태로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따라 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
실시예
폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 코팅용 수지 조성물(Tosaf사로부터 상품명 FA0953PE를 구입하여 사용)이 코팅된 팽창흑연 3 중량부를 투입하였다. 상기 코팅용 수지 조성물은 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate, Cas No.144-55-8) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스(Polyethylene wax, Cas No. 9002-88-4)를 포함하는 것이다.
추가적으로 이수석고 1 중량부, 소성규조토 1 중량부, 수산화알루미늄 1 중량부를 더 투입하여 마스터 배치를 제조하였다. 이를 180~220℃의 온도에서 혼합 용융하고, 이를 압출기에 투입하여 1차 발포시키고, 이에 발포 가스를 투입하여 2차 발포하여, 압출 폴리스티렌 폼을 얻었다. 얻어진 압출 폴리스티렌 폼의 규격은 두께 150mm, 폭 900mm, 길이 1800mm였다. 얻어진 압출 폴리스티렌 폼의 열전도율과 변형률을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
상기 실시예와 같은 방법으로 제조하되, 코팅용 수지 조성물가 코팅된 팽창흑연분말의 첨가 없이 압출 폴리스티렌 폼을 제조하였다. 얻어진 압출 폴리스티렌 폼의 열전도율과 변형률을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
상기 실시예와 같은 방법으로 제조하되, 코팅용 수지 조성물이 코팅되지 않은 팽창흑연을 첨가하여 압출 폴리스티렌 폼을 제조하였다. 얻어진 압출 폴리스티렌 폼의 열전도율과 변형률을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
항목 실시예 비교예 1 비교예2
열전도율(w/mk) 0.027 0.029 0.027
변형률(%) 1.7 1.5 3.0
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 압출 폴리스티렌 폼의 변형률을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 1을 참조하면, 제조된 압출 폴리스티렌 폼(10)을 직사광선에 120시간 노출 시킨 후 하기식에 의하여 변형률(%)을 계산하였다. 시험체의 표면 최고온도는 40 내지 45℃였고, 표면 최저온도는 15 내지 25℃였다.
[식]
변형률(%)= T/L ×100
상기 식에서, L은 시험체의 길이이고, T는 시험체의 휘어진 정도로써, 시험체를 바닥에 놓은 후 시험체의 중심부가 바닥에서 상승한 길이를 측정하였다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 실시예는 비교예 2와 비교하여 열전도율은 비슷한 결과를 나타내었지만, 변형률에서 50%이상 감소되는 결과를 나타내었으며, 흑연을 포함하지 않는 비교예 1과 유사한 변형률을 나타내었다. 비교예 1은 흑연을 포함하지 않기 때문에 변형률은 작으나, 열전도율이 높아 단열성이 저하되는 결과를 가져올 것으로 예상된다.
이상, 구현예 및 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 구현예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다. 또한, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 압출 폴리스티렌 폼

Claims (7)

  1. 폴리스티렌 수지 100 중량부 및 코팅용 수지 조성물로 코팅된 팽창흑연분말 0.5 내지 3 중량부를 포함하며, 상기 코팅용 수지 조성물은 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌 조성물에 있어서,
    상기 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창흑연분말은 팽창흑연 분말 100 중량부에 대하여 상기 코팅용 수지 조성물 15 내지 100 중량부를 혼합 및 교반하여 얻어지는 것을 특징으로 하며,
    상기 팽창흑연분말은 밀도가 0.002 내지 0.004 g/㎤ 이고, 팽창율은 200 내지 500%이며, 기공의 직경은 20 내지 100 ㎛이고, 기공형상은 벌집 모양인 것을 특징으로 하고,
    상기 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 이수석고 0.1 내지 5 중량부, 소성규조토 0.1 내지 5 중량부 및 수산화알루미늄 0.1 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 팽창흑연 분말 100 중량부 및 40 내지 50 중량%의 탄산수소나트륨(sodium Bicarbonate) 및 50 내지 60 중량%의 폴리에틸렌 왁스를 포함하는 코팅용 수지 조성물 15 내지 100 중량부를 혼합 및 교반하여 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창 흑연분말을 마련하는 단계;
    상기 코팅용 수지 조성물이 코팅된 팽창 흑연 분말 0.5 내지 3 중량부 및 폴리스티렌 수지 100 중량부를 포함하는 발포 폴리스티렌 조성물을 혼합 및 용융하여 마스터 배치를 마련하는 단계;
    상기 마스터 배치를 압출기에 투입하여 1차 발포하는 단계; 및
    상기 1차 발포 후 발포 가스를 주입하여 2차 발포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서,
    상기 팽창흑연분말은 밀도가 0.002 내지 0.004 g/㎤ 이고, 팽창율은 200 내지 500%이며, 기공의 직경은 20 내지 100 ㎛이고, 기공형상은 벌집 모양인 것을 특징으로 하며,
    상기 발포 폴리스티렌 조성물은 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 이수석고 0.1 내지 5 중량부, 소성규조토 0.1 내지 5 중량부 및 수산화알루미늄 0.1 내지 5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 폴리스티렌 폼의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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