KR102149238B1

KR102149238B1 - 팽창흑연을 발포한 폴리스티렌 수지 입자에 코팅하는 방법

Info

Publication number: KR102149238B1
Application number: KR1020180037211A
Authority: KR
Inventors: 김재천
Original assignee: 김재천
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-08-28
Also published as: KR20190114462A

Abstract

본 발명은 발포성 폴리스티렌(EPS, Expandable Polystyrene)수지 입자를 발포하고 표면을 오존으로 산화처리하여 소수성인 입자을 친수성으로 개질시킨 후 접착력을 강화시키고 팽창흑연을 0.005MPa ~ 0.1MPa 압력으로 교반하여 팽창흑연 입자의 파손없이 수지 입자의 표면층에 견고하게 코팅하여 성형하고 성형물에 가열하면 팽창하는 도막을 형성하여 준불연성을 확보한 폴리스티렌(스티로폼)폼을 제조 할 수 있으므로 화재예방에 기여할 수 있다.

Description

팽창흑연을 발포한 폴리스티렌 수지 입자에 코팅하는 방법 {A method of coating expanded polystyrene resin particles expanded graphite}

본 발명은 발포성폴리스티렌(Expandable Polystyrene 이하' EPS'라 칭한다)수지 입자를 발포하고 팽창흑연을 발포한 폴리스티렌 수지 입자에 코팅하여 도막을 형성한 폴리스티렌 폼에 관한 것으로, 팽창율(Expansion rato) 20ml/g - 500ml/g 이며, 입도직경이 20mesh - 300mesh 인 팽창흑연을 EPS를 발포한 입자에 코팅하는 방법 및 팽창흑연 도막이 형성된 폴리스티렌 폼(스티로폼)을 얻기 위한 것이다. 보다 상세하게는 중합을 완료한 소수성인 EPS 입자를 발포한 후 오존으로 산화하여 친수성으로 개질하고 팽창율(Expansion rato) 20ml/g - 500ml/g 이며, 입도직경이 20mesh - 300mesh 인 팽창흑연을 파라핀을 매질로 하여 0.005MPa ~ 0.1MPa의 압력으로 코팅한 후 성형하고 가열하면 팽창하는 도막을 성형물에 형성시켜 불연성의 폴리스티렌 폼(스티로폼)을 수득하는 방법에 관한 발명이다.

발포성폴리스티렌(EPS)은 스티로폼의 원료 물질인 스티렌의 중합체로 직경 약 0.2mm - 1.5mm의 원구형 수지입자이다. 입자 내부에는 발포성 가스가 함유되어 있으며 소정의 온도로 가열하여 입자를 80배 이상 발포하고 발포한 입자를 숙성시키고, 증기로 성형한 성형품을 통상 스티로폼이라 한다.

최근에는 불연성이 높은 스티로폼 단열재가 요구되고 있는 실정으로 불연성을 향상시키기 위한 다양한 방식의 노력이 시도되고 있으며, 스티렌 중합공정 및 압출 공정에서 수지입자 내부에 불연성 물질을 분산시키거나 EPS 입자를 증기로 가열하여 발포하고 발포입자에 난연성 또는 방염성 물질을 코팅하여 성형하는 제조방법들이 있다.

본 발명자의 대한민국 특허 제1300627호에는 발포성 폴리스티렌 수지입자를 저온플라즈마를 방전 처리하여 개질 된 발포성 수지 입자 표면층에 단열재와 난연재와 기능성 물질들을 강력하게 밀착 코팅하여 단열성이 우수한 발포성 폴리스티렌 수지 입자를 제조하는 기술이 개시되어 있으며 대한민국 특허 제1494801호에는 설탕과 인산을 혼합 반응시켜서 캐러멜을 형성 시키고 팽창흑연 분산제 이소시아네이트를 혼합한 접착제를 제조하는 방법을 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 10-2016-0134452호에는 팽창에 의하여 발포가 일어나 부피가 약 500배로 확대된 팽창된 흑연을, 분쇄하고 코팅제에 첨가하여 팽창된 흑연을 첨가한 코팅제와 그 제조방법 및 용도에 관한 제조 방법을 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 10-2011-0065707 스티렌계 폴리머 내에 실리콘계 분말 및 팽창질석 분말을 포함하는 것임을 특징으로 하는 난연성 발포성 폴리스티렌 수지입자의 제조방법을 개시하고 있다.

이와 같은 종래의 다양한 선행 기술들은 팽창흑연 분말을 코팅제와 혼합하거나 팽창 흑연에 각종 무기물 및 금속 비금속을 수지에 혼합하여 코팅제를 제조하여 사용하는 방법이므로 팽창흑연의 팽창력이 미약하고 소수성인 EPS 입자에 접착 코팅하기 곤란하며 코팅한 분말들이 쉽게 떨어지므로 최종 물성이 난연재료(난연3급) 성능에 미달하는 문제점과 제조 공정이 비경제적이었다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결한 것으로 중합을 완료한 EPS 입자를 발포한 후 오존으로 산화하여 친수성으로 개질하고 팽창흑연을 파손 없는 압력으로 코팅하는 단계로 성형한 후 성형물에 팽창흑연을 다시 도포하여 가열하면 팽창하는 도막을 형성시킨 불연성의 폴리스티렌 발포폼(스티로폼)에 관한 발명이다.

대한민국 특허 제1300627호 대한민국 특허 제1494801호 대한민국 공개특허 제10-2016-0134452호 대한민국 공개특허 제10-2011-0065707호

본 발명의 목적은 EPS 수지 입자를 발포하고 오존으로 산화 개질하여 접착력을 강화하고 팽창흑연을 견고하게 코팅하여 불연성을 확보하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 팽창흑연을 입자의 파손 없이 0.005Mpa - 0.1Mpa 저 압력으로 코팅하여 팽창력을 유지시켜 열원으로부터 불연성을 확보하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 EPS 수지 입자를 성형하고 성형물을 팽창 흑연으로 도포하여 가열하면 팽창하는 도막을 형성시켜서 불연성의 폴리스티렌 발포폼(스티로폼)을 확보하는데 그 목적이 있다.

삭제

본 발명에서 사용하는 발포성 폴리스티렌(EPS, Expandable Polystyrene)수지 입자는 통상적으로 스티렌 단독 중합체 혹은 공중합체를 기초수지로 하고 여기에 발포제로 부탄 또는 펜탄 가스를 함유하고 있다.

EPS 입자는 소수성이므로 친수성인 팽창흑연의 접착 코팅을 반발하는 성질이 있어 본 발명은 EPS 입자를 발포하고 오존으로 개질하여 입자 표면층을 산화시켜 친수성으로 개질함으로서 팽창흑연의 접착 코팅이 용이하도록 한다.

상기의 오존은 산소분자(O₂)가 분해되어 3개의 산소원자가 결합한 물질로서 3개의 산소원자가 4가지 형상의 공명 구조로 결합된 형태로 존재한다.

오존은 불소 다음으로 강력한 산화력을 가지며 유무기물과의 반응성은 산화력에 의한 것이다. 오존의 발생은 통상 산소에 물리, 화학적인 에너지를 가해 오존으로 변화시키는 것인데 무성 방전법, 전해법, 광화학법, 방사선 조사법 등으로부터 발생시킬 수 있다.

통상적으로 무성방전법이 가장 널리 이용되며, 무성방전법은 1쌍의 전극 사이에 유리나 세라믹 같은 유전체를 끼우고 공기나 산소를 불어넣고, 전극에 6kv

18kv 교류고압을 가하면 방전영역에서 오존이 발생된다. 무성방전법의 오존발생은 공기를 사용한 경우, 10g

35 g/m3, 산소를 사용할 경우에는 50g

150 g/m3의 오존을 얻을 수 있고 소비 전력은 수냉식 냉각수 온도 25℃의 경우 산소를 주입 할 때 10

13 kwh/kg-O3 이며, 공기를 주입할 때는 15

20 kwh/kg-O3이다. 오존 발생장치는 넓게 분류하여 원형의 동축 원통형과 판상의 평판형이 있으며, 본 발명에서는 산업용에 널리 사용하고 있는 무성방전법의 동축원통형의 전극구조를 사용하였다.

다음 반응식에 의하여 오존이 발생된다.

O₂ + e^--> O + O + e^-

O₂ + e^--> O₂ ⁺

O + O₂ +M -> O₃ + M

O₂ + O₂ -> O₃ + O

팽창흑연은 천연 인편흑연을 산성재료로 화학 처리를 하여 흑연의 층간에 산성 화합물을 침투시켜 건조한 것으로 150℃ 이상으로 가열하면 분해되어 가스를 발생하면서 체적의 20배 ~ 500배로 팽창이 될 수 있으며 이를 통상적으로 팽창흑연 (Expandable Graphite)이라 한다.

본 발명에서 팽창흑연을 사용하는 목적은 가열에 의해 20-500배로 팽창하는 탄소 발포층이 열원을 차단하여 폴리스티렌 폼의 연소를 방해하는 작용을 활용하는 것이므로 팽창흑연은 팽창율(Expansion rato) 20ml/g - 500ml/g 인 팽창흑연 중에서 선택하여 사용할 수 있으며 바람직한 팽창율은 20ml/g - 300ml/g 이고, 바람직한 입도는 60mesh - 200mesh 이다.

본 발명에서 팽창흑연이 고압 또는 충격 등에 의해 파손되거나 팽창성이 없는 무기물질 및 금속 비철금속들이 10중량부 이상 포함 되면 팽창하는 물성이 감소되므로 0.005Mpa - 0.1Mpa의 저 압력으로 교반하여 팽창흑연 입자의 파손이 없어야 하며 접착성 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지를 조절하여 사용 한다.

열경화성 수지는 가열로 인해 경화된 수지의 결합이 팽창흑연의 팽창력을 억제하는 문제점이 있다. 발포한 EPS 입자 100중량부에 대하여 팽창흑연 1 ~ 50 중량부를 코팅할 수 있으며 바람직하게는 10 ~ 25 중량부를 접착 코팅한다. 이 범위를 초과하면 물성의 증진이 미약하고, 경제성이 떨어지므로 탄소함량 92% (Carbon Content), 팽창율(Expansion rate) 20ml/g ~ 300ml/g, 입도(Particle distribution) 60 mesh 이상의 팽창흑연을 사용하는 것이 바람직하다.

팽창 흑연을 파손 없이 코팅하기 위하여 윤활성이 우수한 매질을 사용할 수 있으며 예를 들어서 파라핀을 사용 할 수 있으며 파라핀은 고체의 탄화수소 혼합물이며 에테르나 벤젠 에스테르에 녹는 물질로 윤활성과 흡착성이 우수하다 팽창흑연을 EPS에 접합 코팅하는 단계에서 투입되며 팽창흑연 입자 표면에 코팅 된다.

파라핀은 염화파라핀, 고형파라핀, 유동파라핀 중에서 선택하여 1종 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다 발포한 EPS 입자 100중량부에 대하여 1 -20 중량부 사용하며 바람직하게는 5 ~ 15 중량부 사용한다.

본 발명에서 사용하는 접착성 수지(고형분 30%)는 팽창 흑연을 EPS 입자에 접착 시킬 수 있는 물성이 제한 없이 선택하여 사용 할 수 있으며,

예를 들어서 아크릴수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리스티렌수지, 초산비닐수지, 불소수지, 염화비닐수지, 폴리아미드수지, 아세틸수지, 폴리카보네이트수지 ABS수지 등이 있다.

이들 중, 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 발포한 EPS 입자 100중량부에 대하여 1 - 50 중량부 사용 할 수 있으며 바람직하게는 1중량부 - 30중량부를 사용하며

1. 직경 0.2mm-1.5mm의 EPS 입자를 발포하고 숙성 시키는 단계;

2.오존화 된 공기로 발포 된 EPS 입자를 산화하여 친수성으로 개질하여 접착력을 강화 시키는 단계;

3. 상기 발포 입자에 팽창흑연과 파라핀 및 접착성수지를 투입하고 0.005 MPa - 0.1 MPa로 1 - 10rpm 으로 코팅하는 단계;

4. 팽창흑연이 코팅된 EPS 입자를 건조하는 단계;

5. 건조된 수지입자를 성형기에 투입하고 증기를 가하여 성형하는 단계;

6. 성형품 표면층에 팽창흑연을 도포하여 가열하면 20 - 500배 팽창하는 도막을 형성하는 단계로 본 발명은 완성 된다.

믹서기는 팽창흑연의 파손을 방지하기 위하여 0.005 MPa ~ 0.1MPa 압력으로 가동하였고 직경 1m 길이 1.5m 의 원통형이며 통이 회전하여 충격이 약한 텀블러형 믹서기를 사용하였다.

본 발명의 최종 목적은 수득한 EPS 발포 입자를 성형하면 불안정한 불연성이 형성되므로,

성형물 표면층에 팽창흑연을 도포하고 가열에 팽창하는 도막을 형성하여 불연성을 형성 시키려는 것이 본 발명의 최종 목적이다. 성형물에 팽창 흑연을 도포함에 있어, 분사하여 도포하거나, 도색방법으로 도포하거나 또는 팽창흑연을 머금은 상하 롤러 사이로 폼을 통과시키며 도포하거나 또는 성형품을 팽창흑연에 함침 하는 방법 등으로 팽창 흑연 도막을 형성시킬 수 있으며,

바람직하게는 팽창 흑연을 접착제에 혼합하여 성형품에 도포하는 방법으로 경제적이고 효율적이며 목적은 성형품 표면에 팽창흑연의 도막을 형성하여 함유시키는 것이다.

본 발명은 팽창율(Expansion rato)이 20ml/g - 500ml/g 인 팽창흑연을 0.005 MPa - 0.1 MPa의 압력으로 파손 없이 코팅하고 또한, 윤활성이 우수한 파라핀을 사용함으로써, 팽창력을 극대화하였으며, 성형물에 가열하면 팽창하는 도막을 형성시킴으로써 불연성이 뛰어난 본 발명의 폴리스티렌 폼(스티로폼)은 화재 예방에 크게 기여 할 수 있다.

기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며,

본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고, 본 발명의 발포한 EPS 수지입자와 이를 성형한 성형물 표면층에 팽창흑연을 도포하여 가열하면 20 - 300배로 팽창하는 도막을 형성하여 성형물의 연소를 방지하려는 의도와 목적에 부합하면 다소 변형된 다른 도포방법들도 본 발명의 범위 안에 있다. 이하, 본 발명의 실시예에서 제조된 발포성 폴리스티렌을 발포 성형한 발포폼(스티로폼)의 불연 물성 등에 대하여 설명하나, 본 발명의 범위는 실시예의 범위에 한정되지 아니하며 실시예로 부터 뒷받침되는 모든 범위를 포함한다고 할 수 있다.

<실시예 1>

제1단계

중합이 완료된 발포성 폴리스티렌 입자를 스팀을 가하여 비드법으로 60배로 발포하고 5시간 숙성 하였다.

제2단계

숙성된 발포한 수지입자를 오존화 된 공기로 산화 개질하며 수지입자 100kg에 대하여 팽창흑연 35kg, 파라핀 5kg을 믹서기에 투입하였다.

제3단계

믹서기를 0.005 MPa - 0.1 MPa의 압력 1 - 10rpm 교반하며 초산비닐수지(고형분 30%) 15kg, 염화비닐수지 15kg을 분사하며 팽창 흑연을 코팅하였다.

제4단계

상기의 팽창흑연이 코팅된 수지입자를 40도 이하의 열풍으로 건조한 후 공지의 비드법으로 성형하여 성형품을(밀도20kg/m3) 얻었다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일하게 시행하되 공지의 비드법으로 900x1200x600cm로 성형하여 밀도가 20kg/m3인 성형품을 얻었으며 성형품을 900x1200x100cm 절단하여 표면에 팽창흑연 25kg과 초산비닐 수지수지(고형분 30%) 25kg을 도포하여 도막을 형성하였고 불연성을 측정하였다.

<비교예 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였고 오존으로 EPS를 산화 개질하는 공정을 제외 하였다.

<열방출시험>

실시예 1의 시료 및 실시예 2의 시료와 비교예 1의 시료로 폴리스티렌 발포 폼(스티로폼)을 제조한 상기의 시료들의 열방출 시험을 실시하였다. 시험은 건축물의 내장재료 및 구조의 연소성능 시험(KS F ISO 5660-1:2008)에 의하여 준불연자재 성능시험을 3회씩 하였으며, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 스티로폼 블록 시편을 사용하여 측정하였다.

그 결과는 하기 [표 1]과 같다.

시험항목		실시예 1	실시예2	비교예 1	판정기준
열방출실험	총방출량(MJ/m²)	7	5	11	8 이하
	열방출량이연속으로 200 kw/m²를초과하는시간(S)	12	6	14	10 이하
	심재의 전부용융, 관통하 는 균열 및 구멍 등의 변화	없음	없음	없음	없을 것

상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 실시예 1 보다 실시예 2는 열방출량이 매우 낮게 나타나고 있으며 가열 후 3 - 5초부터 표면에 형성된 팽창 흑연의 도막이 70배로 팽창하며 불연층을 형성하며 성형품을 열원으로부터 보호하였다. 비교예1의 경우에는 총방출량이 판정기준치인 8MJ/m²를 초과하는 11MJ/m²를임을 알 수 있어 실시예 2에 비하여 불연성이 약한 것으로 확인되었다.

Claims

a) 발포성 폴리스티렌 입자를 발포하여 교반기에 투입하는 단계;
b) 오존화된 공기를 교반기에 주입하여 발포한 폴리스티렌 입자를 산화 개질하여 접착력을 향상시키는 단계;
c) 발포한 폴리스티렌 입자 100중량부에 대하여 팽창율이 20ml/g - 50ml/g 이며, 입도직경이 20mesh - 30mesh 인 팽창흑연 5 - 50중량부, 파라핀 1 - 10중량부를 투입하고 0.005Mpa - 0.1Mpa의 압력으로 교반하면서, 아크릴수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리스티렌수지, 초산비닐수지, 불소수지, 염화비닐수지, 폴리아미드수지, 아세틸수지, 폴리카보네이트수지 및 ABS수지 중에서 1종 단독 또는 2종 이상 혼합한 접착성수지를 분사하여 코팅하는 단계;
d) 팽창 흑연이 코팅된 입자를 수득하고 성형한 후 성형품 표면에 팽창흑연 5 - 50중량부와 접착성수지 1 - 30중량부를 도포한 후 가열하면서 탄소발포층을 형성하는, 팽창흑연 도막을 형성하는 단계;
로 이루어진 팽창흑연을 발포한 수지 입자에 코팅하는 방법
삭제
제1항에 있어서,
상기의 파라핀은 염화파라핀, 고형파라핀 및 유동파라핀 중에서 1종 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 발포한 수지 입자에 코팅하는 방법.
삭제
삭제
발포성 폴리스티렌 입자의 성형물 100중량부에 대하여, 표면층에 팽창율이 20ml/g - 50ml/g 이며, 입도직경이 20mesh - 30mesh이고, 가열시 탄소 발포층이 열원을 차단하는 팽창흑연 1 - 50중량부와 아크릴수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리스티렌수지, 초산비닐수지, 불소수지, 염화비닐수지, 폴리아미드수지, 아세틸수지, 폴리카보네이트수지 및 ABS 수지 중에서 1종 또는 2종 이상 혼합한 접착성수지 1 - 50중량부로 도막을 형성한 폴리스티렌 성형물.