KR102127311B1

KR102127311B1 - 젤 타입의 고체 연료 조성물 및 이를 이용한 젤 타입의 고체 연료 패키지

Info

Publication number: KR102127311B1
Application number: KR1020190091995A
Authority: KR
Inventors: 이영대; 서병호
Original assignee: 주식회사 파인
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2020-06-26

Abstract

본 발명은 환경이나 인체에 유해한 물질을 발생시키지 않고, 산업 현장에서 활용할 수 있는 점도, 열량 및 연소시간을 만족하는 젤 타입의 고체 연료 조성물 및 이를 이용한 젤 타입의 고체 연료 패키지에 관한 것으로서, 에탄올을 성분으로 하면서 특징적인 증점제 및 이와 반응하는 pH 조절제를 함유하고, 성분의 조성비를 특정한 것을 특징으로 하고, 이를 통하여 점도, 열량 및 연소시간 등의 특성을 만족하고, 인체에 유해한 성분을 발생하지 않으며, 또한 본 발명에 따른 연료 패키지는 충분한 지속 연소 시간을 확보하여 다양한 산업 현장에서 널리 사용될 수 있다.

Description

젤 타입의 고체 연료 조성물 및 이를 이용한 젤 타입의 고체 연료 패키지 {Gel-type solid fuel composition and solid fuel package using the same}

본 발명은 건설 현장 등에서 사용할 수 있는 젤 타입의 고체 연료 조성물 및 이를 이용한 젤 타입의 고체 연료 패키지로서, 더욱 상세하게는 환경이나 인체에 유해한 물질을 발생시키지 않고, 산업 현장에서 활용할 수 있는 점도, 열량 및 연소시간을 만족하는 젤 타입의 고체 연료 조성물 및 이를 이용한 젤 타입의 고체 연료 패키지에 관한 것이다.

매년 겨울철 건설 현장에서는 콘크리트 타설 후 콘크리트의 양생을 위해 피우던 갈탄을 보충하거나 또는 양생 상태 확인 작업을 하다가 일산화탄소 등의 유해가스 질식으로 인한 사고가 발생하고 있으며, 이를 개선한 열풍기 작업에서도 최근에 사고가 발생하고 있다. 또한, 다양한 알코올 연료를 종래에 사용하였으나, 알코올 연료는 강한 휘발성으로 인하여 유독가스의 발생, 낮은 저장 안정성과 짧은 연소 지속시간 등의 문제점이 있고, 액상이기 때문에 화재의 위험성이 높은 문제점도 있다.

이러한 액상 알코올 연료를 대체하기 위하여 파라핀계 고체연료가 사용되고 있지만, 파라핀계 고체연료도 연소시 그 성분 중 일부가 액화되는 경우 종래의 액상 알코올과 같이 화재의 위험성이 높고, 유동성이 없는 고체상이기 때문에 활용에 있어 제한점이 있다.

알코올을 젤화시킨 젤형 알코올 연료는 고체상 연료에 비하여 유동성이 있고 액상 연료에 비해서는 유동성이 낮으므로, 용기파손, 취급 부주의 경우에도 연료가 쉽게 유출되지 않으므로 화재의 위험성이 낮다. 따라서 젤형 알코올 연료는 종래의 액상 연료 또는 고체상 연료가 가진 문제점을 어느 정도 개선할 수 있으므로 널리 사용되고 있다.

다만, 종래의 젤형 연료는 메탄올이 주로 사용되고 있는데, 메탄올 자체가 유독물이고, 연소시 포름산과 같은 유해물질을 발생시키는 문제가 있고 현재에도 시중에 유통되고 있는 고체연료 (젤타입, 고체타입 모두)의 경우 유해 화학 물질인 메탄올을 주로 사용하고 있으며, 젤 타입의 경우 대표적인 휘발성 유기 화합물로 꼽히는 벤젠까지 검출되는 등 인체에 좋지 않은 영향을 미친다.

또한, 대부분 짧은 연소시간으로 인하여 불편함이 있고, 산업 현장에서 유용하게 활용할 수 있도록 충분한 점도와 열량을 가지면서 장시간의 지속 연소시간을 확보할 수 있는 젤 타입의 고체 연료의 개발이 절실히 필요한 실정이다.

대한민국 특허등록 제10-0156372호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 유해물질의 배출이 없고 안정적이며 충분한 점도 및 열량을 확보할 수 있는 젤 타입의 고체 연료 조성물과, 이를 이용하여 장시간의 지속 연소 시간을 확보할 있는 고체 연료 패키지를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 에탄올, 카르복시비닐 폴리머 증점제, 상기 증점제에 안정적으로 반응하는 pH 조절제, 그리고 물을 포함하는 젤 타입 고체 연료 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 젤 타입 고체 연료 조성물에서, 증점제에 안정적으로 반응하는 pH 조절제는 Tallow Amine으로서 하기 [구조식 1]과 같이 표시되는 것을 특징으로 한다.

[구조식 1]

상기 [구조식 1]에서, R은 탄소수 10 내지 30의 알킬기이고, m + n은 8 내지 15의 정수이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 [구조식 1]에서 R은 탄소수 18의 알킬기이고, m + n은 8 또는 15의 정수일 수 있다. 즉, m + n, 즉 EO (Ethylene Oxide)가 8몰 또는 15몰일 때 증점제인 카르복시비닐 폴리머와 가장 안정적으로 반응하면서, 젤 타입의 조성물이 6,000 cps 이상의 점도를 가지면서 원하는 물성을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 종래 통상적으로 사용되는 TEA, TETA, DMEA 등의 아민과 암모니아수, NaOH, KOH 등을 사용하는 경우에 젤 타입 조성물의 점도가 너무 낮아지는 문제가 있고, 증점제와의 반응 안정성 등에 문제가 있는 점을 확인하고, 증점제와 안정적으로 반응하면서 원하는 점도를 구현할 수 있도록 상기 [구조식 1]과 같은 아민 화합물을 사용하고, 나아가서 에탄올의 휘발성을 낮추어 젤 연료의 장기 안정성까지 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 젤 타입의 고체 연료 조성물의 조성은 상기 에탄올 100 중량부에 대하여, 카르복시비닐 폴리머 0.5 ~ 1.5 중량부, pH 조절제 10 ~ 20 중량부 및 물 10 ~ 30 중량부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 카르복시비닐 폴리머는 분자량 900,000 ~ 4,500,000의 범위를 갖는 고분자로서 폴리아크릴산의 공중합체 또는 교차 중합체로서, 카보머 980 (카보폴 980) (CARBOMER 980, CARBOPOL 980)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 종래 사용된 카보머 940 (카보폴 940)을 사용한 경우에 인체에 유해한 벤젠이 검출되는 점을 확인하고, 이를 해결하기 위하여 카보머 980 (카보폴 980)을 사용한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 젤 타입의 고체 연료 조성물은 카르복시비닐 폴리머를 0.5 ~ 0.8 중량%로 포함하고, pH 조절제를 1.0 ~ 1.3 중량%로 포함할 수 있다.

상기와 같이 증점제 및 이와 반응하는 pH 조절제의 함량을 조절하여 원하는 점도를 구현할 수 있고, 증점제의 함량이 상대적으로 낮은 경우에는 젤형 연료의 흐름성이 높아 젤형성이 어려워질 수 있고, 증점제의 함량이 높은 경우에는 높은 점도의 젤을 형성되거나 이후 연소시에 불순물이 과다하게 발생할 수 있다.

본 발명은 젤 타입의 고체 연료 조성물을 포함하는 젤 타입 고체 연료 패키지를 제공하고, 상기 젤 타입 고체 연료 패키지는 사각 육면체 형태를 갖는 사각철 캔 형상이며 사각철 캔 상부에 형성되는 원형 뚜껑을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 연료 패키지의 지속 연소시간을 10 시간 이상 확보하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원형 뚜껑은 지름이 100 ~ 170 mm이고, 사각철 캔의 높이는 220 ~ 240 mm일 수 있다.

또한, 상기 젤 타입 고체 연료 패키지는 젤 타입의 고체 연료 조성물을 상기 연료 패키지 내에 9.0 ~ 9.5 kg 양으로 포함할 때 지속 연소시간을 10 시간 이상 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물은 에탄올을 성분으로 하면서 특징적인 증점제 및 이와 반응하는 pH 조절제를 함유하고, 성분의 조성비를 특정하여 환경이나 다양한 산업 현장에서 유용하게 활용할 수 있는 점도, 열량 및 연소시간 등의 특성을 만족하고, 인체에 유해한 성분을 발생하지 않으며, 또한 본 발명에 따른 연료 패키지는 충분한 지속 연소 시간을 확보하여 다양한 산업 현장에서 널리 사용될 수 있다.

이하에서 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물은 에탄올을 사용하고, 증점제로서 아크릴 다가산 중합체로 알려진 카르복시비닐 폴리머 (카보머 980, 카보폴 980)을 사용하며, 증점제와 안정적으로 반응하는 아민 화합물(Tallow Amine)을 사용하였다.

실시예 1 : 증점제 비교실험

본 발명에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물에서, 증점제를 카보머 980 대신에 카보머 940을 사용한 조성물과 비교 실험을 수행하였다.

항목 (단위 g)	성분	비교예 1	비교예 2	실시예 1
원료	정제 메탄올	409
	비정제 에탄올		438	438
	카보머 940	2.9	2.9
	카보머 980			2.9
	물	65.5	73	73
	TN-15	3	8	8
총량		480.4	513.9	513.9
최종점도		22,000 cps	8,800 cps	7,000 cps

상기 비교예 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 메탄올을 사용하면서, 카보머 940을 사용하는 경우 증점력이 높아서 그 사용량을 줄일 수 있고, 이에 따라 원가절감이 가능하지만, 원료에 함유되어 있는 벤젠으로 인하여 환경이나 사용시 유해하다는 문제를 갖고 있다.

실제 본 발명에 따른 실시예 1에 대해서는 카보머 980을 약 0.6 중량% 이상 사용한 경우에도 VOCs 분석시 벤젠이 검출되지 않았으나, 비교예 1 및 2와 같이 카보머 940을 사용하는 경우에는 약 0.5 중량%만 사용하여도 45.5 ppm의 벤젠이 검출되었다.

실험예 2 : pH 조절제 EO 몰수에 따른 비교 실험

본 발명에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물에서, 증점제와 반응하는 pH 조절제로 하기 [구조식 1]과 같은 아민 화합물을 사용하였으며, 하기 [구조식 1]에서, m + n, 즉 EO (Ethylene Oxide)를 5몰 (TN-5K), 8몰 (TN-8K), 15몰 (TN-15), 40몰 (TN-40)로 하여 비교 실험을 수행하였다.

[구조식 1]

항목	성분	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
원료	비정제 에탄올	461	461	461	461
	카보머 980	2.9	2.9	2.9	2.9
	물	46	46	46	46
	TN-40	5.8
	TN-15		5.8
	TN-8K			5.8
	TN-5K				5.8
총량		515.7	515.7	515.7	515.7
점도		5,600 cps	6,400 cps	7,900 cps	4,700 cps

먼저, 본 발명에 따른 상기 [구조식 1]과 같은 아민 화합물 (Tallow Amine)을 제외한, 종래에 널리 사용된 TEA, TETA, DMEA 등의 아민과 암모니아수, NaOH, KOH 등은 점도가 너무 낮아지거나 증점제와의 반응 안정성 문제가 있어 이를 제외하였다.

상기 [표 2]에서 확인할 수 있는 바와 같이, m + n, 즉 EO (Ethylene Oxide)가 8몰, 15몰일 때 6,000 cps 이상의 점도를 가지면, 8몰일 때 가장 바람직함을 알 수 있다.

실험예 3 : 열량 비교 실험

항목	성분	비교예 1	비교예 3	실시예 6	실시예 7
원료	정제 메탄올	409
	비정제 에탄올		461	438	380
	카보머 940	2.9	2.9
	카보머 980			2.9	2.7
	물	65.5	46	73	81
	TN-15	3
	TN-8K		8	5	6.3
총량		480.4	517.9	518.9	470
발열량		4,500 Kcal	6,400 Kcal	6,020 Kcal	5,800 Kcal

상기 [표 3]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 젤 타입 연료 조성물의 경우에 에탄올과 물의 비율을 조절하여 6,000 Kcal 이상의 열량을 만족할 수 있다.

실험예 4 : 점도 비교 실험

항목	성분	실시예 8	실시예 9	실시예 10	실시예 11
원료	비정제 에탄올	461	461	461	450
	카보머 980	2.9	2.9	3.0	3.5
	물	46	46	73	74
	TN-8K	3	7	7.3	6.3
총량		512.9	516.9	544.3	533.8
점도		1,700 cps	9,300 cps	12,600 cps	15,600 cps

상기 [표 4]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 에탄올과 물의 비율, 그리고 카보머 980과 pH 조절제 (TN-8K)의 비율을 각각 조절하는 경우에 점도 15000 cps 이상을 만족할 수 있다.

실험예 5 : 캔 타입의 연료 용기 (사각철 캔)의 변화에 따른 연소시간 비교 실험

본 발명에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물을 이용하여 실용화할 수 있는 연료 용기를 제작할 때, 사각철 캔의 높이를 230 mm (12 L), 255 mm (13 L), 275 mm (15 L)로 각각 세분하고, 원형 뚜껑의 지름을 150 mm, 155 mm, 160 mm, 170 mm, 188 mm로 각각 세분하여 실험을 수행하였다

또한, 연료 조성물은 에탄올과 물의 함량 비율을 조정하여 5,800 Kcal (실시예 7), 6,020 Kcal (실시예 6)로 구분하여 수행하였으며, 하기 [표 5]의 결과는 실외 온도 30 ℃ 기준으로 연소한 실험 결과이다.

캔의 높이	포장량	뚜껑 지름	에탄올/물의 비율	연소결과
사각 12 L	8.5 kg	150 mm	6020 Kcal	빨리 연소됨
	9.0 kg	150 mm	6020 Kcal	10시간
	9.5 kg	160 mm	6020 Kcal	10시간 25분
원형 12 L	10.0 kg	170 mm	6020 Kcal	너무 빨리 연소됨
사각 13 L	8.5 kg	150 mm	6020 Kcal	중간에 꺼짐
	9.0 kg	150 mm	6020 Kcal	중간에 꺼짐
	10.0 kg	160 mm	6020 Kcal	빨리 연소됨
		155 mm	6020 Kcal	빨리 연소됨
		150 mm	6020 Kcal	중간에 꺼짐
사각 15 L	10.0 kg	188 mm	5800 Kcal	너무 빨리 연소됨
		170 mm	5800 Kcal	중간에 꺼짐
		150 mm	5800 Kcal	중간에 꺼짐
	10.0 kg	188 mm	6020 Kcal	너무 빨리 연소됨
		170 mm	6020 Kcal	중간에 꺼짐
		150 mm	6020 Kcal	중간에 꺼짐

상기 [표 5]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 사각철 캔의 높이가 230 mm이고, 연료량이 9.0 ~ 9.5 kg이며, 사각철 캔 상부에 형성되는 뚜껑의 지름이 150 ~ 160 mm인 경우에 6,000 Kcal 열량을 만족하는 연료가 10 시간 이상 지속하는 연소시간을 만족할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물은 식물에서 추출한 에탄올과, 증점제로서 카르복시비닐 폴리머 980 (카보머 980), pH 조절제로서 Tallow Amine 및 물을 성분으로 하여 제조한 결과, 열량은 6,000 Kcal 이상, 점도 15000 cps 이상 및 연소시간 10시간 이상을 만족하는 젤 타입의 고체 연료 및 이를 이용한 연료용 캔을 제공할 수 있다.

Claims

에탄올, 카르복시비닐 폴리머, 하기 [구조식 1]로 표시되는 pH 조절제 및 물을 포함하고,
[구조식 1]

상기 [구조식 1]에서, R은 탄소수 18의 알킬기이고, m + n은 8 또는 15이며,
상기 에탄올 100 중량부에 대하여, 카르복시비닐 폴리머 0.5 ~ 1.5 중량부, pH 조절제 10 ~ 20 중량부 및 물 10 ~ 30 중량부를 포함하고,
상기 카르복시비닐 폴리머는 카보머 980인 것을 특징으로 하는 젤 타입의 고체 연료 조성물.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 연료 조성물은 카르복시비닐 폴리머를 0.5 ~ 0.8 중량%로 포함하고, pH 조절제를 1.0 ~ 1.3 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 타입의 고체 연료 조성물.
제1항에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물을 포함하는 젤 타입 고체 연료 패키지로서,
상기 패키지는 사각 육면체 형태를 갖는 사각철 캔 용기에 상기 젤 타입의 고체 연료 조성물을 포함하는 것으로서, 상기 사각철 캔 용기의 상부에 형성되는 원형 뚜껑을 포함하며,
상기 원형 뚜껑은 지름이 100 ~ 170 mm이고, 사각철 캔의 높이는 220 ~ 240 mm인 것을 특징으로 하는 젤 타입 고체 연료 패키지.
제6항에 있어서,
상기 젤 타입 고체 연료 패키지는 상기 제1항에 따른 젤 타입의 고체 연료 조성물을 9.0 ~ 9.5 kg 양으로 포함하는 것을 특징으로 하는 젤 타입 고체 연료 패키지.