KR102048077B1 - 변성 이소시아네이트를 사용한 단열재용 고분자 조성물 - Google Patents

변성 이소시아네이트를 사용한 단열재용 고분자 조성물 Download PDF

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Abstract

본원은, 변성 이소시아네이트를 사용한 단열재용 고분자 조성물, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

변성 이소시아네이트를 사용한 단열재용 고분자 조성물{POLYMER COMPOSITION FOR HEAT INSULATING MATERIAL USING MODIFIED ISOCYANATE}
본원은, 변성 이소시아네이트를 사용한 단열재용 고분자 조성물, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
폴리우레탄 폼(polyurethane foam), 특히 경질 폴리우레탄 폼은 다양한 분야에서 사용되고 있으며 해당 적용 분야에 따라 요구되는 물성에 차이가 존재한다. 이 중 건축 내외장재용 단열재로 사용되는 경우에는 특히 난연성, 치수안정성, 성형성, 단열성 및 친환경성 등이 요구된다.
폴리우레탄의 필수 성분인 이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI) 또는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)가 가장 보편적으로 사용되고 있다.
다만, 난연성을 강화하기 위하여 주제(Resin)로서 폴리에스테르 폴리올을 사용하는 경우, 이를 종래 이소시아네이트와 반응시켜 제조한 폴리우레탄 폼은 피착재와의 접착력이 낮고 제품 성형시 흐름성이 나빠서 불량이 자주 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 피착재와의 접착력이 낮은 문제점 및 흐름성을 개선하기 위하여 종래의 이소시아네이트를 대체하는 신규의 방안에 대한 필요성이 요구되고 있다.
KR 101772523 B1 KR 1020170002955 A
본원은, 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 제조된 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합시켜 형성된, 폴리우레탄 폼을 포함하는, 단열재용 고분자 조성물에 관한 것이다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 제조된 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합시켜 형성된, 폴리우레탄 폼을 포함하는, 단열재용 고분자 조성물을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 변성 이소시아네이트를 제조하고, 상기 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합하여 폴리우레탄 폼을 수득하는 것을 포함하는, 단열재용 고분자 조성물의 제조 방법을 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 단열재용 고분자 조성물은, 이소시아네이트와 제 1 폴리에스테르 폴리올을 반응시켜 제조한 변성 이소시아네이트를 사용하므로, 단열재 제조 시 불량율을 낮추고, 난연성을 강화하기 위해 폴리에스테르 폴리올을 사용하더라도 종래 이소시아네이트를 사용한 경우에 비해 피착재와의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 기공(Void) 형성을 방지하고 다량으로 원료를 과포장(Over Packing)하지 않아도 폴리우레탄 폼 성형에 문제가 없고 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 구체적으로, 종래의 이소시아네이트를 사용할 경우, 종래 이소시아네이트는 NCO%가 높아서 폴리올과 같은 활성화 수소와 급격히 반응함으로써 생산 시 발포 거동이 급격하게 되어 제품에 기공이 형성되거나, 흐름성이 불량하여 제품이 미충진되고 과량의 원료를 과포장(Over Packing)되므로 제품의 밀도가 높고 원가가 상승되는 문제점이 있었다. 그러나 본원의 변성 이소시아네이트는 종래의 이소시아네이트 일부를 미리 폴리올과 반응시켜 NCO%를 낮추어진 상태로 제조되므로, 우레탄 폼 반응에서 발포 거동이 완만하게 진행되므로 상기 기공 형성 등 불량 요인을 감소시킬 수 있고, 흐름성이 좋으므로 원료의 과포장을 방지함으로써 제품의 밀도를 낮추어 원가 및 생산 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 상기 변성 이소시아네이트는 폴리에테르 폴리올이 아닌 제 1 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 제조하는 것이므로, 저가이면서도 보다 접착력이 우수한 단열재용 고분자 조성물을 제공할 수 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 재활용 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 사용하여 제조할 수 있으므로, 버려진 페트병 또는 페트 필름과 같은 플라스틱으로 인한 환경 오염을 줄일 수 있으며, 단열재의 생산 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 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, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "폴리올"은 평균 1.0보다 큰 분자 당 히드록시기를 갖는 유기 분자를 의미할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "폴리우레탄 폼"은 디(di-) 또는 다가이소시아네이트를 이소시아네이트-반응성 수소-함유 화합물(폴리올, 아미노알코올 및/또는 폴리아민)과 발포제(blowing agent)와 반응시켜 얻어지는 셀 구조의(cellular) 발포 생성물을 의미할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "수산기 값(hydroxyl number)"은 반응에 참여할 수 있는 반응성 히드록시기의 량을 표시하는 지표로서, 폴리올 1g으로부터 얻어진 아세틸 화합물에 결합된 초산을 중화하는데 필요한 KOH의 mg 수를 의미한다 (단위: ㎎ KOH/g).
본원 명세서 전체에서, 용어 "NCO%"는 이소시아네이트 샘플에 함유되어 있는 NCO의 중량%를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "산가(acid number)"는 폴리올 샘플 1g에 존재하는 산을 중화시키는데 필요한 KOH의 mg수를 의미한다(단위: ㎎ KOH/g).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 제조된 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합시켜 형성된, 폴리우레탄 폼을 포함하는, 단열재용 고분자 조성물을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따른 단열재용 고분자 조성물은, 종래 이소시아네이트와 폴리에스테르 폴리올을 반응시켜 제조한 변성 이소시아네이트를 사용하므로, 단열재 제조 시 불량율을 낮추고, 난연성을 강화하기 위해 폴리에스테르 폴리올을 사용하더라도 종래 이소시아네이트를 사용한 경우에 비해 피착재와의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 기공(Void) 형성을 방지하고 다량으로 원료를 과포장(Over Packing)하지 않아도 폴리우레탄 폼 성형에 문제가 없고 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 구체적으로, 종래의 이소시아네이트를 사용할 경우, 종래 이소시아네이트는 NCO%가 높아서 폴리올과 같은 활성화 수소와 급격히 반응함으로써 생산 시 발포 거동이 급격하게 되어 제품에 기공이 형성되거나, 흐름성이 불량하여 제품이 미충진되고 과량의 원료를 과포장(Over Packing)되므로 제품의 밀도가 높고 원가가 상승되는 문제점이 있었다. 그러나 본원의 변성 이소시아네이트는 종래의 이소시아네이트 일부를 미리 폴리올과 반응시켜 NCO%를 낮추어진 상태로 제조되므로, 우레탄 폼 반응에서 발포 거동이 완만하게 진행되므로 상기 기공 형성 등 불량 요인을 감소시킬 수 있고, 흐름성이 좋으므로 원료의 과포장을 방지함으로써 제품의 밀도를 낮추어 원가 및 생산 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 상기 변성 이소시아네이트는 고가인 폴리에테르 폴리올이 아닌 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 제조하는 것이므로, 저가이면서도 보다 접착력이 우수한 단열재용 고분자 조성물을 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 변성 이소시아네이트는 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올 10 내지 40 중량부와 상기 이소시아네이트 60 내지 90 중량부를 반응시켜 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 보다 구체적으로, 상기 변성 이소시아네이트는 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올 10 내지 20 중량부와 상기 이소시아네이트 80 내지 90 중량부를 반응시켜 제조된 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 변성 이소시아네이트는 NCO%가 15 내지 30이고, 점도(25℃)가 250 내지 1,000 cps, 비중 1 내지 2인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 KOH/g의 수산화기 값이 50 mg 내지 700 mg이며, 점도(25℃)가 100 cps 내지 50,000 cps인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이소시아네이트는, 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸-시클로헥산(이소포론 디이소시아네이트), 2,4-헥사하이드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사하이드로톨루엔 디이소시아네이트, 디시클로헥실메탄-4,4'-디이소시아네이트(수소화 MDI, 또는 HMDI), 1,3-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'-디이소시아네이트, 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI), 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트, 트리페닐-메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트(crude MDI), 노르보르난 디이소시아네이트, m-이소시아네이토페닐 설포닐이소시아네이트, p-이소시아네이토페닐 설포닐이소시아네이트, 과염소화 아릴폴리이소시아네이트, 카르보디이미드-개질 폴리이소시아네이트, 우레탄-개질 폴리이소시아네이트, 알로파네이트-개질 폴리이소시아네이트, 이소시아누레이트-개질 폴리이소시아네이트, 우레아-개질 폴리이소시아네이트, 뷰렛-함유 폴리이소시아네이트 및 이소시아네이트-말단 프리폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이소시아네이트는 약 1.5 내지 3.5의 관능기 수, 약 15 내지 50의 NCO%인 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 건축용 단열재로 적합한 이소시아네이트는 약 1.5 내지 3.0, 구체적으로 약 2.5 정도의 관능기 수인 것일 수 있으며, 약 20 내지 30 범위의 NCO%값, 구체적으로 약 27 내지 32의 NCO% 값을 갖는 MDI, 폴리머릭 MDI 또는 crude MDI(p-MDI, 전형적으로는 중량평균분자량(Mw): 약 350 내지 420)일 수 있다. 상기 p-MDI는 전형적으로 상온에서 갈색 액상을 띄며, 점도 범위(25℃)는 약 100 내지 3,000 cps, 구체적으로 약 100 내지 300 cps 범위를 나타낼 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리올은 제 2 폴리에스테르 폴리올 및 폴리에테르 폴리올 중 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 제 2 폴리에스테르 폴리올은 테레프탈산(terephthalate), 프탈산(phthalate), 식물성 기름 및/또는 아디프산(adipic acid)을 지방족 또는 방향족 알코올, 예를 들어 디에틸렌글리콜 등 디올, 글리세롤 및/또는 트리올과 반응시켜 얻어진 1종의 폴리올 또는 2종 이상의 폴리올 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 폴리에테르 폴리올은 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 1.2-프로판글리콜(1,2-propane glycol), 부틸렌글리콜(butylene glycol), 1,6-헥산디올(1,6-hexanediol),1,8-옥탄디올(1,8-oxtanediol), 네오펜틸글리콜(neopentyl glycol), 2-메틸-1,3-프로판디올(2-methyl-1,3-propanediol), 글리세롤(glycol), 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 1,2,3-헥산트리올(1,2,3-hexanetriol), 1,2,4-부탄트리올(1,2,4-butanetriol), 트리메틸올메탄(trimethylolmethane), 펜타에리트리톨 (pentaerythriol), 디에틸렌글리콜(diethyleneglycol), 트리에틸렌글리콜(triethylene glycol), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 트리프로필렌글리콜(tripropylene glycol), 폴리프로필렌글리콜(polypropyleneglycol), 디부틸렌글리콜(dibutylene glycol), 폴리부틸렌글리콜(polybutyleneglycol), 솔비톨(sorbitol), 슈크로스(sucrose), 하이드로퀴논(hydroquinone), 레소시놀(resorcinol), 카테콜(catechol) 및 비스페놀 (bisphenol)로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 또는 이들의 혼합물을 반응시켜 중합함으로써 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 변성 이소시아네이트와 상기 폴리올의 중량비는 100 : 100 내지 200 : 100인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리올과 변성 이소시아네이트 간의 반응은 경화 시간 등을 단축하기 위하여 우레탄 촉매의 존재 하에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 촉매는 특별히 제한되지 않으나, 통상적으로 2급 또는 3급 아민 화합물 등과 같은 아민계 촉매, 유기 금속과 같은 금속 촉매로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 아민계 촉매로서, 트리에틸렌디아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리이소프로판올아민, 트리부틸아민, 트리옥틸아민, 헥사데실디메틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 3-메톡시-N-디메틸-프로필아민, 디에틸에탄올-아민, N-코코모르폴린, N,N-디에틸-3-디에틸아미노프로필 아민, 트리스(3-디메틸아미노) 프로필헥사히드로트리아민, N-메틸몰포린, N-에틸몰포린, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 디메틸에탄올아민, 트리에탄올아민, N-메틸디에탄올아민, N,N-디메틸에탄올아민, 디에틸렌트리아민, N,N,N',N'-테트라메틸부탄디아민, N,N,N',N'-테트라에틸헥사메틸렌디아민, 펜타메틸렌디에틸렌디아민, N,N'-디메틸벤질아민, N,N-디메틸시클로헥실아민, N,N,N',N',n'-펜타메틸디에틸렌트리아민 및 트리에틸렌디아민로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 이때, N,N-디메틸시클로헥실아민은 상품명 Polyact8, N,N,N',N',n'-펜타메틸디에틸렌트리아민는 상품명 Polyact5, 및 트리에틸렌디아민의 경우는 상품명 TEDA-33P 등이 사용될 수 있다.
상기 금속 촉매로, 포타슘옥테이트(potassium octoate), 포타슘아세테이트(potassium acetate), 비스무스계 겔 촉매(bismuth-based gel catalyst) 및 주석계 촉매(tin type catalyst)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 우레탄 촉매는 상기 폴리올 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 10 중량부, 구체적으로는 약 0.1 내지 5.0 중량부 범위로 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 통상적으로, 촉매는 사용량이 증가할수록 폴리우레탄 폼을 형성하는 반응 속도가 증가되나, 반응 속도가 지나치게 빠른 경우에는 추후 단열재 공간을 채우기 전에 폴리올 및 변성 이소시아네이트가 고상으로 변화할 수 있고, 작업성이 나쁜 문제가 야기될 수도 있으므로 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 발포제는 폴리우레탄 폼 제조에 사용될 수 있으며, 상기 발포제는 우레탄 반응 중 기포를 발생시키는 역할을 하고, 우레탄 반응에는 참여하지 않고 반응열에 의하여 기화(승화)되어 기포를 형성하는 물리적 발포제 및 화학적 발포제인 물(이소시아네이트와 반응하여 이산화탄소를 발생시킴)로 구분할 수 있는 바, 상기 2가지 타입을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
상기 물리적 발포제는 반응열에 의해 발포제가 기화(승화)되며, 이로 인한 가스는 폼의 둘러싸인 셀에 의하여 쌓여짐으로써 제조되는 폼이 낮은 열전도율을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 물리적 발포제는 폴리우레탄 폼의 요구 특성(밀도 등)을 조절할 수 있다.
상기 물리적 발포제로서, 탄화수소계인 C-pentane, 수소화염화불화탄소계인 HCFC-141b(1,1-디클로로-1-플루오로에탄), 하이드로불화탄소(HFC)계인 HFC-245fa(1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판), HFC-365mfc, 혼합 HFC-365mfc/227ea, 상품명이 ECOMATE인 메틸포르메이트(Methyl formate), 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 종래에 사용되었던 CFC계 발포제의 사용을 배제하는 것은 아니나, 환경 문제를 야기할 수 있으므로 가급적 사용을 배제하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로 친환경적 성분인 C-Pentane, HFC계 및 ECOMATE 등을 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발포제는 폴리올 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 50 중량부를 포함할 수 있으며, 구체적으로 물리적 발포제는 폴리올 100 중량부에 대하여 약 5 내지 35 중량부, 보다 구체적으로 10 내지 30 중량부 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 화학적 발포제는 폴리올 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부, 보다 구체적으로 0.5 내지 3 중량부 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 폴리우레탄 폼 내의 셀 구조에 영향을 주는 계면활성제를 사용할 수 있다. 상기 계면활성제는 반응 원료의 혼합 안정화, 균일한 기포 형성, 기포의 안정화 등의 작용을 할 수 있다. 예를 들면, 표면장력을 감소시켜 셀의 크기를 작게 함으로써 표면적을 증가시킬 수 있고, 표면 탄성을 증가시켜 셀 파괴가 일어나기 전에 임계적으로 확장하는 막을 회복할 수 있도록 함으로써 폼 안정성을 높일 수 있으며, 그리고 셀 구조의 변형을 감소시키는 표면점도를 증가시킬 수 있다. 발포 폴리우레탄 내의 셀 구조를 고려하여 계면활성제의 종류를 적절하게 선정할 수 있으며, 이의 구체적인 예로서 실리콘계 계면활성제 또는 정포제가 있고, 예를 들면, Evonik 사의 제품명 B-8404, B-8462 등이 있다. 특히, 발포제로서 물을 사용하는 경우, 실리콘계 계면활성제의 사용이 바람직할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 계면활성제의 사용량은 폴리올 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5.0 중량부, 구체적으로 0.5 내지 3.0 중량부 범위일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이외에도 본원은 사슬 연장제, 난연제, 착색제, 필러, 내부 이형제, 대전 방지제, 항균제, 셀 조절제 및 반응억제제 등을 단독으로 또는 조합하여 적절하게 첨가하여 반응시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 사슬 연장제로서, 저분자량의 다가알코올(예를 들면, 에틸렌 글리콜, 1,4-부탄디올, 글리세린 등), 저분자량의 아민폴리올(디에탄올아민, 트리에탄올아민 등), 폴리아민(에틸렌디아민, 자일렌디아민 등)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 난연제는 최종 제조되는 폴리우레탄 폼에 난연성을 부여하기 위하여 사용되는 성분으로서, 필요시 요구되는 수준을 고려하여 적절한 량으로 사용할 수 있으며, 구체적으로 인계 난연제(TCPP, TCEP, Phosphorus ester 등)를 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단열재용 고분자 조성물로부터 형성되는 단열재는 열방출시험 4 MJ/m2 이하이고, 가스유해성 시험의 행동 정지 시간이 9분 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로부터 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 재활용 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 사용하여 제조할 수 있으므로, 버려진 페트병 또는 페트 필름과 같은 플라스틱으로 인한 환경 오염을 줄일 수 있으며, 단열재의 생산 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 재활용 페트병 또는 재활용 페트 필름으로부터 수득된 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 따른 단열재용 고분자 조성물로부터 제조되는 단열재는, 종래 석유계 원료로부터 제조되는 단열재에 비해 발포 밀도가 낮고 압축 강도가 높으며, 피착재와의 접착력이 향상된 효과 및 한국 난연 규격 기준으로 열방출 시험 및 가스 유해성 검사에서 난연성이 향상된 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 충진제(filler)로서 탄산칼슘, 황산바륨, 염화칼슘 및 수산화 알루미늄 중에서 1 종 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 따른 단열재용 고분자 조성물은, 특히 상기 탄산 칼슘 등의 충진제를 포함하는 재활용 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 사용하는 경우 발포 밀도, 압축 강도, 피착재와의 접착력 및 난연성이 현저히 향상되는 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 충진제의 함량은 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 100 중량부 대비 5 내지 40 중량부, 구체적으로 10 내지 30 중량부, 보다 구체적으로 10 내지 20 중량부, 또는 5 내지 10 중량부인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 한편, 상기 충진제는 입자 사이즈가 10 nm 이하의 미세 분말을 사용하여 최종 폴리올 제품에 분산성이 좋도록 하였으며, 최소 1년 이상 장기 보관시에도 층분리 등의 불량이 발생하지 않도록 최적의 입자 사이즈를 갖는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 충진제를 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 재활용 페트병 또는 재활용 페트 필름으로부터 수득된 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 혼합하여 변성 이소시아네이트를 제조하고, 상기 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합하여 폴리우레탄 폼을 수득하는 것을 포함하는, 단열재용 고분자 조성물의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 1 측면의 단열재용 고분자 조성물에 기재된 내용과 중복되는 내용은 본원의 제 2 측면의 단열재용 고분자 조성물의 제조 방법에 공히 적용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 산(acid) 화합물, 식물성 기름 및 알코올을 혼합하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산 화합물은 무수프탈산, 테레프탈산 및 아디프산 중에서 선택되는 1 종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 10 내지 50 중량부, 상기 산 화합물 10 내지 30 중량부, 상기 식물성 기름 2 내지 50 중량부 및 상기 알코올 10 내지 50 중량부를 혼합하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[ 실시예 ]
1. 변성 MDI용 폴리에스테르 폴리올 제조
온도계, 교반기, 분별 증류관 및 질소 주입 장치가 포함된 4구 플라스크에 재활용 PET 200 g, 산 화합물 250 g, 재활용 식물성 기름 100 g, 알코올 화합물 450 g 및 촉매로로서 T-12(dibutlytindilaurate) 100 ppm를 정확히 계량하여 넣고 서서히 승온하였다. 질소 분위기에서 약 150 ℃ 내지 200 ℃ 범위에서 고체상의 원료들이 반응을 하며 서서히 액상 화합물로 변하였다. 이후 온도를 서서히 상승시키면서 일부 반응 중 생성된 수분을 분별 증류관을 통하여 배출하였다.
온도 범위 약 200 ℃ 내지 250 ℃에서 약 10시간 이상 반응시켜 더 이상 수분이 발생하지 않을 때 진공 펌프를 사용하여 잔류 수분을 완전히 제거하였다. 산가(Acid Value, AV)을 분석하여 1.5 % 이하일 때 반응을 종결하고 온도를 상온으로 낮추었으며, 이후 생성물을 여과하여 962 g의 폴리에스테르 폴리올을 수득하였다. 수득된 폴리에스테르 폴리올의 수산기값(OHV), 점도 및 수분 함량을 분석하였으며, 결과 하기 표 1과 같다.
Figure 112018108823465-pat00001
상기 반응에서 재활용 PET는 알코올과 반응하여 폴리에스테르 폴리올 및 부산물로서 메틸렌글리콜(Methyleneglycol, MEG)을 생성하며, 메틸렌글리콜은 알코올과 함께 무수프탈산, 테레프탈산 또는 아디프산과 반응하여 폴리에스테르 폴리올을 생성하고, 반응 중 생성된 소량은 물(H2O)은 배출된다. 따라서, 재활용 PET를 사용하는 본원은, 부산물인 메틸렌글리콜을 산 화합물과 반응시켜 폴리우레탄 폼 제조 원료인 폴리에스테르 폴리올을 제조할 수 있으므로, 종래의 폴리우레탄 폼 제조 방법과 비교하여 소량의 물(H2O)이 생성되므로, 물(폐수)로 인한 제조 수율이 저하되는 문제, 환경 오염 및 원가 상승을 야기하는 종래 제조 방법의 문제점을 해결할 수 있다. 한편, 재활용 식물성 기름은 에스테르 글리세린 화합물로서, 알코올과 트랜스 에스테르화 반응을 하며, 이때 생성된 글리세린은 상기 재활용 PET와의 에스테르화 반응의 알코올로 참여 및 산 화합물과 반응하여 폴리에스테르 폴리올을 제조하거나 최종 생성된 폴리에스테르 폴리올에 잔류하여 우레탄 폼 형성 반응 시 가교 결합을 생성한다.
2. 변성 이소시아네이트(MDI) 제조
온도계, 교반기, 질소 주입기 및 냉각 장치가 포함된 4구 플라스크에 상기 제조한 변성 MDI용 폴리에스테르 폴리올 150 g 및 Crude MDI 850 g을 정확히 계량하여 넣고 약 80 ℃에서 2시간 정도 반응시켰다. 이후 상온으로 냉각시킨 후 여과하여 1,000 g의 변성 이소시아네이트를 수득하였으며, 이를 분석한 값은 하기 표 2와 같다.
Figure 112018108823465-pat00002
3. 변성 이소시아네이트를 사용한 폴리우레탄 폼 제조
하기 표 3의 성형 조건 및 표 4의 발포 조건으로 상기 제조한 변성 이소시아네이트 및 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 폴리우레탄 폼을 제조하였으며 (실시예), 동일한 조건으로 종래 이소시아네이트 Crude MDI와 상기 제조한 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 폴리우레탄 폼을 제조하였다 (비교예). 제조된 폴리우레탄 폼의 성능을 비교하면 하기 표 5와 같다.
Figure 112018108823465-pat00003
Figure 112018108823465-pat00004
Figure 112018108823465-pat00005
상기 표 5와 같이, 변성 이소시아네이트 화합물을 사용하면 종래의 Crude MDI를 사용한 경유와 비교하여 반응이 완만하게 진행되어 반응성이 느리며 자유 밀도는 유사한 정도를 나타내었다. 또한, 변성 이소시아네이트 화합물을 사용하면 흐름성(flowability)이 좋아서 Crude MDI를 사용한 경우에 비하여 폴리우레탄 폼의 밀도 편차(Dov/Dco)가 적고 저스트 패킹밀도(Just Pack, JP)가 적어서 Crude MDI 와 같이 다량으로 원료를 과포장(Over Packing)하지 않아도 폴리우레탄 폼 성형에 문제가 없으며, 그 결과 원가 절감이 상당하다는 것을 알 수가 있었다. 또한, 동일 조건에서 접착력 또한 종래의 Crude MDI보다 변성 이소시아네이트를 사용한 경우가 현저히 우수한 것으로 나타났다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 제조된 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합시켜 형성된, 폴리우레탄 폼을 포함하는, 단열재로서,
    상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로부터 제조된 것이고,
    상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 충진제를 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 및 재활용 페트병 또는 재활용 페트 필름으로부터 수득된 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 혼합물을 포함하는 것이고,
    상기 충진제의 함량은 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부이고,
    상기 충진제는 입자 사이즈가 10 nm 이하인 것인,
    단열재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변성 이소시아네이트는 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올 10 내지 40 중량부와 상기 이소시아네이트 60 내지 90 중량부를 반응시켜 제조된 것인, 단열재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변성 이소시아네이트는 NCO%가 15 내지 30이고, 점도(25 ℃)가 250 내지 1,000 cps, 비중 1 내지 2인 것인, 단열재.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 KOH/g 수산화기 값이 50 내지 700 mg이며, 점도(25℃)가 100 내지 50,000 cps인 것인, 단열재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이소시아네이트는, 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메틸-시클로헥산(이소포론 디이소시아네이트), 2,4-헥사하이드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사하이드로톨루엔 디이소시아네이트, 디시클로헥실메탄-4,4'-디이소시아네이트(수소화 MDI, 또는 HMDI), 1,3-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4- 및 2,6-톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'-디이소시아네이트, 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI), 나프틸렌-1,5-디이소시아네이트, 트리페닐-메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 폴리페닐-폴리메틸렌-폴리이소시아네이트(crude MDI), 노르보르난 디이소시아네이트, m-이소시아네이토페닐 설포닐이소시아네이트, p-이소시아네이토페닐 설포닐이소시아네이트, 과염소화 아릴폴리이소시아네이트, 카르보디이미드-개질 폴리이소시아네이트, 우레탄-개질 폴리이소시아네이트, 알로파네이트-개질 폴리이소시아네이트, 이소시아누레이트-개질 폴리이소시아네이트, 우레아-개질 폴리이소시아네이트, 뷰렛-함유 폴리이소시아네이트 및 이소시아네이트-말단 프리폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상을 포함하는 것인, 단열재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변성 이소시아네이트와 상기 폴리올의 중량비는 100 : 100 내지 200 : 100인 것인, 단열재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리올은 제 2 폴리에스테르 폴리올 또는 폴리에테르 폴리올인 것인, 단열재.
  9. 제 1 폴리에스테르 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 변성 이소시아네이트를 제조하고,
    상기 변성 이소시아네이트와 폴리올을 중합하여 폴리우레탄 폼을 수득하는 것
    을 포함하는, 제 1 항에 따른 폴리우레탄 폼을 포함하는 단열재의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로부터 제조된 것이고,
    상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 충진제를 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 및 재활용 페트병 또는 재활용 페트 필름으로부터 수득된 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 혼합물을 포함하는 것이고,
    상기 충진제의 함량은 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부이고,
    상기 충진제는 입자 사이즈가 10 nm 이하인 것인,
    폴리우레탄 폼을 포함하는 단열재의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 산(acid) 화합물, 식물성 기름 및 알코올을 혼합하여 제조되는 것인, 폴리우레탄 폼을 포함하는 단열재의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 변성 이소시아네이트는 상기 제 1 폴리에스테르 폴리올 10 내지 40 중량부와 상기 이소시아네이트 60 내지 90 중량부를 반응시켜 제조되는 것인, 폴리우레탄 폼을 포함하는 단열재의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 변성 이소시아네이트와 상기 폴리올의 중량비는 100 : 100 내지 200 : 100인 것인, 폴리우레탄 폼을 포함하는 단열재의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 폴리에스테르 폴리올은 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 10 내지 50 중량부, 상기 산 화합물 10 내지 30 중량부, 상기 식물성 기름 2 내지 50 중량부, 상기 알코올 10 내지 50 중량부를 혼합하여 제조되는 것인, 폴리우레탄 폼을 포함하는 단열재의 제조 방법.
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