KR102216871B1 - 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치 - Google Patents

발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치 Download PDF

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KR102216871B1
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Abstract

본 발명은 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 마이크로웨이브를 통한 전처리(pretreatment)로 인해 바텀 애쉬 내에 존재하는 수분 및 미연탄을 제거할 수 있고, 우수한 경도 및 방염효과를 가지며, 크고 작은 다양한 크기의 기공이 고르게 분포되어 있어 1,000 Hz 이하의 특정 주파수 영역에서 향상된 흡음 또는 차음 효과를 나타내고, 스크류(screw)를 이용하여 바텀 애쉬 등의 고른 혼합이 가능하여 우수한 재현성을 가져 대량 산업에 적용하기에 용이한 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치에 관한 것이다.

Description

발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치 {Foam, method for preparing thereof and foam preparing apparatus for thereof}
본 발명은 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 마이크로웨이브를 통한 전처리(pretreatment)로 인해 바텀 애쉬 내에 존재하는 수분 및 미연탄을 제거할 수 있고, 우수한 경도 및 방염효과를 가지며, 크고 작은 다양한 크기의 기공이 고르게 분포되어 있어 1,000 Hz 이하의 특정 주파수 영역에서 향상된 흡음 또는 차음 효과를 나타내고, 스크류(screw)를 이용하여 바텀 애쉬 등의 고른 혼합이 가능하여 우수한 재현성을 가져 대량 산업에 적용하기에 용이한 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치에 관한 것이다.
고분자 수지계 발포체는 석재, 목재, 금속 등과 비교하여 가볍고, 단열성, 방음성, 충격흡수성 및 방수성이 우수하므로, 토목 건축재, 건축용 판재, 전기전자제품의 완충포장재, 자동차용 내장재, 가구, 완구, 문구 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있으나, 가연성 물질이므로 화재 위험성이 크며, 이랜드 연수원 화재나 대구 지하철 방화에서 확인되듯이, 화재 시 수많은 인적/물적 손실을 발생시킨다. 예를 들어, 건축용 샌드위치 복합 패널의 개발 동향을 살펴보면, 과거에는 유리섬유, 광물섬유 등의 난연성이 우수한 무기질 섬유가 내부 충진재로 사용되었는데, 무기질 섬유는 노화에 따른 섬유의 비산으로 발암물질을 발생시키고, 중량이 무거워서 시공 및 취급 시 불편하며, 우수 또는 흡습에 의한 섬유의 미끄러짐으로 패널이 변형되는 단점이 있다.
이와 같은 무기질 섬유의 대체품으로서 발포폴리스티렌(스티로폼)이 사용되고 있다. 발포폴리스티렌은 가격이 저렴하고, 중량이 가벼워서 시공성이 우수할 뿐만 아니라, 단열성, 방음성, 충격흡수성 및 방수성이 우수하나, 쉽게 부숴지는 성질이 있어, 미세분진에 의한 환경오염을 유발시킨다. 또한, 발포폴리스티렌은 중합반응기 내에서 유동상 발포제를 용해시켜 제조되므로, 고체인 난연제를 동시에 투입할 수 없어, 난연성이 불량하고, 화재 발생시 빠른 속도로 연소되며, 불완전 연소시 흑색의 독성가스를 발생시키는 단점이 있다. 따라서, 미국, 일본 등 선진국에서는 발포폴리스티렌의 사용이 단계적으로 금지되고 있으며, 국내에서도 2002년부터 발포폴리스티렌의 사용을 금지하려는 공청회가 진행되었으나, 적합한 대체 재료가 없어 뚜렷한 해결책을 찾지 못하고 있다.
따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 우수한 강도를 가지며, 대량 생산에 적용하기 용이한 발포체의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-0883319호 대한민국 등록특허공보 제10-1490570호
본 발명의 목적은 마이크로웨이브를 통한 전처리(pretreatment)로 인해 바텀 애쉬 내에 존재하는 수분 및 미연탄을 제거할 수 있고, 우수한 경도 및 방염 효과를 가지며, 크고 작은 다양한 크기의 기공이 고르게 분포되어 있어 1,000 Hz 이하의 특정 주파수 영역에서 향상된 흡음 또는 차음 효과를 나타내며, 스크류(screw)를 이용하여 바텀 애쉬 등의 고른 혼합이 가능하여 대량 산업에 적용하기에 용이한 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치를 제공하는 것이다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치를을 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 바텀 애쉬 30 내지 50 중량%; 폴리올 25 내지 35 중량%; 및 이소시아네이트계 화합물 25 내지 35 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 바텀 애쉬는 20 내지 100 mesh의 입도 크기; 및 5 내지 30 m2/g 비표면적;을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 폴리올은 디에틸렌 글리콜 무수프탈산 폴리머(Diethylene glycol phthalic anhydride polymer) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염(Tris 2-chloroisopropyl Phosphate)를 포함하는 제1 폴리올; 모노에틸 아디페이트(Monoethyl Adipate), 폴리프로필렌글리콜(Poly propylene glycol) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 포함하는 제2 폴리올; 및 폴리옥시프로필렌 글리콜 트리에테르(Polyoxypropylene glycol triether) 및 프로폭실화된 자당(Propoxylated Sucrose)을 포함하는 제3 폴리올;을 포함하는 혼합 폴리올인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 발포체는 폴리메틸렌 폴리페닐 폴리이소시아네이트(Polymethylene polyphenyl polyisocyanat)를 포함하는 경화제;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 발포체는 100 내지 650 Hz에서 NCR 0.3 이상의 흡음율을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포체의 제조방법을 제공한다.
(S1) 바텀 애쉬(bottom ash)를 마이크로웨이브로 전처리 (pretreatment)하는 단계;
(S2) 상기 전처리된 바텀 애쉬에 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(S3) 상기 혼합물을 경화시켜 발포체를 제조하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 (S1) 단계는 상기 바텀 애쉬의 무게가 5 내지 15 kW의 마이크로웨이브 조건 하에서 18 내지 25% 감소량을 가질 때까지 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계는 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
(S2a) 상기 전처리된 바텀 애쉬를 0.05 내지 0.3 Mpa 압력 하에서 투입하는 단계; 및
(S2b) 상기 바텀 애쉬를 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계.
또한, 본 발명은 전처리된 바텀 애쉬를 저장하는 바텀 애쉬 저장소; 폴리올을 저장하는 폴리올 저장소; 이소시아네이트계 화합물을 저장하는 ICN 저장소; 및 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하는 혼합 저장소;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포체 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 바텀 애쉬 저장소는 상기 전처리 되어 균일한 입도 크기를 갖는 바텀 애쉬에 압력을 가하기 위한 압력부; 상기 바텀 애쉬를 균일한 양을 투입하기 위한 스크류; 및 상기 스크류를 통해 투입된 바텀 애쉬를 균일한 양을 배출하기 위한 바텀애쉬배관;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합 저장소는 상기 혼합 저장소의 하면에 연결되어 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 배출시키기 위한 혼합 배관; 상기 혼합 배관 내에 위치하여 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 균일하게 혼합하기 위한 혼합스크류; 상기 혼합 배관 하면에 위치하여 상기 균일하게 혼합된 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물이 배출하기 위한 노즐; 및 상기 배출된 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물의 혼합물이 경화되는 컨베이어 벨트;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 노즐 입구 직경과 상기 혼합 배관의 직경은 1 : 3 내지 8(노즐 입구 직경 : 혼합 배관 직경)의 직경비로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.
본 발명의 발포체, 이의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치는 마이크로웨이브를 통한 전처리(pretreatment)로 인해 바텀 애쉬 내에 존재하는 수분 및 미연탄을 제거할 수 있고, 우수한 경도 및 방염효과를 가지며, 크고 작은 다양한 크기의 기공이 고르게 분포되어 있어 1,000 Hz 이하의 특정 주파수 영역에서 향상된 흡음 또는 차음 효과를 나타내고, 스크류(screw)를 이용하여 바텀 애쉬 등의 고른 혼합이 가능하여 대량 산업에 적용하기에 용이하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발포체의 제조방법을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 발포체의 제조방법에 사용된 발포체 제조 장치를 대략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발포체의 제조방법에 사용된 발포체 제조 장치를 대략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 (a) 20 mesh 이하(비교 발포체 1), (b) 200 mesh 이상(비교 발표체 2) 및 (c) 20 내지 100 mesh의 입도 크기를 갖는 바텀 애쉬를 사용하여 제조된 발포체(실시예 1)의 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 발포체의 방염 효과를 확인한 방염성적서이다
도 6은 본 발명에 따른 발포체를 흡음재로 사용했을 때의 흡음율을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 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.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
발포체
본 발명은 바텀 애쉬(bottom ash); 및 혼합 우레탄;을 포함하는 발포체에 관한 것이다.
상기 발포체는 바텀 애쉬(bottom ash); 폴리올; 및 이소시아네이트계 화합물;을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 바텀 애쉬 30 내지 50 중량%; 폴리올 25 내지 35 중량%; 및 이소시아네이트계 화합물 25 내지 35 중량%;를 포함할 수 있다.
상기 바텀 애쉬(bottom ash)는 석탄회에서 약 20% 정도를 차지하며, 화력발전소의 연소 과정에서 바닥에 연소 부산물로 남게 되는 물질이며, 석탄회 중에 약 80% 정도를 차지하며 연소 과정에서 공중에서 포집되는 물질인 플라이애쉬(fly ash)와 물리적 성질로 인해 구별되는 물질이다.
상기 바텀 애쉬는 상기 발포체에 30 내지 50 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바텀 애쉬가 30 중량% 미만으로 포함될 경우 불규칙한 기공이 형성되지 않아 다양한 주파수 영역의 흡음 또는 차음이 불가능하여 소리 흡수율이 저하되고, 상기 바텀 애쉬가 50 중량% 초과하여 포함될 경우 상기 혼합 우레탄와 혼합할 때 교반이 원활하지 않아 어려움이 발생하여 상기 발포체가 제대로 형성되지 않을 수 있으므로, 상기 바텀 애쉬는 30 내지 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 바텀 애쉬는 20 내지 100 mesh의 입도 크기를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바텀 애쉬의 입도 크기가 20 mesh 미만일 경우 제조되는 발포체에 기공이 고르게 형성되지 않고, 상기 바텀 애쉬의 입도 크기가 100 mesh 초과할 경우 기공의 크기가 과도하게 크게 형성되어 발포체로서 역할을 수행할 수 없게 되므로, 상기 바텀 애쉬의 입도 크기는 20 내지 100 mesh인 것이 바람직하다.
상기 바텀 애쉬는 5 내지 30 m2/g의 비표면적을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바텀 애쉬의 비표면적이 30 m2/g을 초과할 경우 상기 바텀 애쉬에 포함되는 함수율이 증가되며, 상기 함수율의 증가로 인해 발포체의 기공 크기 및 구조가 일정하지 않아 재현성이 확보되지 않는 문제점이 있으므로, 상기 바텀 애쉬의 비표면적은 5 내지 30 m2/g인 것이 바람직하다.
상기 바텀 애쉬는 상기 바텀 애쉬 총 중량% 대비 5 내지 10 wt%의 탄소(carbon, C)을 함유할 수 있다. 상기 바텀 애쉬 총 중량% 대비 탄소를 10 wt% 미만으로 포함함으로써 미연탄의 함량을 현저히 감소시킬 수 있다. 상기 미연탄이 10 wt% 초과하여 포함할 경우, 상기 발포체 내에 과도하게 큰 기공이 형성되어 발포체의 강도가 저하될 수 있으며, 재현성이 떨어져 대량생산에 적합하지 않다.
상기 폴리올은 상기 발포체에 25 내지 35 중량% 포함될 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “폴리올(polyol)”은 분자중에 수산기 (Hydroxyl Group, -OH) 혹은 아민기 (Amine Group, -NH2)를 2개 이상 갖는 다관능(Multifunctional) 알코올 또는 방향족 아민 등의 개시제(Initiator)와 산화프로필렌(Propylene Oxide, PO) 또는 산화에틸렌(Ethylene Oxide,EO)을 적정 조건하에서 반응시켜 얻어지는 물질을 의미한다.
상기 폴리올은 디에틸렌 글리콜 무수프탈산 폴리머(Diethylene glycol phthalic anhydride polymer) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염(Tris 2-chloroisopropyl Phosphate)를 포함하는 제1 폴리올; 모노에틸 아디페이트(Monoethyl Adipate), 폴리프로필렌 글리콜(Poly propylene glycol) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 포함하는 제2 폴리올; 및 폴리옥시프로필렌 글리콜 트리에테르(Polyoxypropylene glycol triether) 및 프로폭실화된 자당(Propoxylated Sucrose)을 포함하는 제3 폴리올;을 포함하는 혼합 폴리올일 수 있다.
상기 제1 폴리올은 상기 디에틸렌 글리콜 무수프탈산 폴리머 : 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 80 내지 99 : 1 내지 20 중량% 포함할 수 있으며, 바람직하게는 85 내지 95 : 5 내지 10 중량% 포함할 수 있다.
상기 제2 폴리올은 상기 모노에틸 아디페이트 : 폴리프로필렌 글리콜 : 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 35 내지 60 : 30 내지 55 : 5 내지 15 중량% 포함할 수 있고, 바람직하게는 45 내지 55 : 35 내지 45 : 5 내지 10 중량% 포함할 수 있다.
상기 제3 폴리올은 상기 폴리옥시프로필렌 글리콜 트리에테르 : 프로폭실화된 자당을 60 내지 80 : 20 내지 40 중량% 포함할 수 있다.
상기 제1 폴리올, 제2 폴리올 및 제3 폴리올을 포함하는 혼합 폴리올은 상온 또는 실온에서 1,000 내지 10,000 cps의 점도를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합 폴리올이 상온 또는 실온에서 1,000 cps 미만의 점도를 가질 경우 경도가 저하되는 문제점이 발생하고, 상기 혼합 폴리올이 상온 또는 실온에서 10,000 cps 초과하는 점도를 가질 경우 너무 높은 점도로 인해 상기 바텀 애쉬가 첨가되어 교반되지 않아 고르게 혼합되지 않고, 이로 인해 상기 발포체가 형성될 때 다양한 크기의 기공이 고르게 형성되지 않는 문제점이 발생할 수 있으므로, 상기 혼합 폴리올은 상온 또는 실온에서 1,000 내지 10,000 cps의 점도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 이소시아네이트계 화합물은 상기 발포체에 25 내지 35 중량% 포함될 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “이소시아네이트(isocyanate)”는 RN=C=O 작용기를 포함하는 화합물을 의미한다.
상기 이소시아네이트계 화합물은 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(Methylene diphenyl diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate), 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI) 및 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate, HMDI)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 발포체는 폴리메틸렌 폴리페닐 폴리이소시아네이트(Polymethylene polyphenyl polyisocyanate)를 포함하는 경화제;를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 발포체는 크고 작은 다수의 기공이 형성됨으로써 넓은 주파수 영역에서 흡음 또는 차음 효과를 나타낼 수 있다. 특히, 종래의 대부분의 발포체는 1,000 Hz 초과하는 영역에서 흡음 또는 차음 효과를 나타내지만, 본 발명에 따른 발포체는 1,000 Hz 미만인 영역, 보다 구체적으로 100 내지 650 Hz에서 종래의 발포체와 비교하여 향상된 흡음 또는 차음 효과를 갖는다.
발포체의 제조방법 및 이를 제조하기 위한 발포체 제조장치
본 발명은 하기의 단계를 포함하는 발포체의 제조방법을 제공한다.
(S1) 바텀 애쉬(bottom ash)를 마이크로웨이브로 전처리(pretreatment)하는 단계;
(S2) 상기 전처리된 바텀 애쉬에 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(S3) 상기 혼합물을 경화시켜 발포체를 제조하는 단계.
상기 발포체는 앞서 바텀 애쉬를 포함하는 발포체에서 언급한 바와 같다.
상기 (S1) 단계는 바텀 애쉬(bottom ash)를 마이크로웨이브로 전처리(pretreatment)하는 단계;로서 상기 전처리는 상기 바텀 애쉬를 상기 마이크로웨이브를 이용한 건조 단계일 수 있다.
상기 마이크로웨이브를 이용한 전처리는 5 내지 15 kW에서 상기 바텀 애쉬의 무게가 18 내지 25% 감소량을 가질 때 까지 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 바텀 애쉬 500 g에 대해 마이크로웨이브를 이용하여 건조할 경우 최종적으로 375 내지 410 g이 될 때까지 건조시켜 전처리를 수행할 수 있다.
상기 전처리된 바텀 애쉬는 1.0 내지 2.5%의 함수율을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바텀 애쉬가 1.0 % 미만의 함수율을 가질 경우 상기 바텀 애쉬는 높은 에너지 사용에 따라 소결 현상, 즉 상기 바텀 애쉬에 불이 붙어 상기 발포체의 구성으로 사용할 수 없으며, 상기 바텀 애쉬가 3.0% 초과하는 함수율을 가질 경우 제조되는 발포체의 기공 크기가 조절되지 않아 비재현성의 문제점이 발생하므로, 상기 바텀 애쉬는 전처리를 통해 1.0 내지 2.5%의 함수율을 갖는 것이 바람직하다.
상기 전처리 단계로 인해 상기 바텀 애쉬는 상기 바텀 애쉬 내에 존재하는 미연탄이 제거될 수 있으며, 상기 20 내지 100 mesh의 균일한 입도 크기를 가짐과 동시에 5 내지 30 m2/g 비표면적을 가질 수 있다.
상기 (S2) 단계는 하기의 단계로 구성될 수 있다.
(S2a) 상기 전처리된 바텀 애쉬를 0.05 내지 0.3 Mpa 압력 하에서 투입하는 단계; 및
(S2b) 상기 바텀 애쉬를 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계.
상기 (S2) 단계는 도 2 및 도 3에 대략적으로 도시된 발포체 제조 장치(1)를 이용하여 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 발포체의 제조방법에 사용된 발포체 제조 장치를 대략적으로 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 발포체의 제조방법에 사용된 발포체 제조 장치를 대략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 발포체 제조 장치(1)는 상기 전처리된 바텀 애쉬(11)를 저장하는 바텀 애쉬 저장소(10); 폴리올을 저장하는 폴리올 저장소(20); 이소시아네이트계 화합물을 저장하는 ICN 저장소(30); 및 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하는 혼합 저장소(40);를 포함할 수 있다.
상기 바텀 애쉬 저장소(10)는 상기 전처리되어 저장되어 있는 균일한 입도 크기를 갖는 바텀 애쉬(11)에 압력을 가하기 위한 압력부(12); 상기 바텀 애쉬(11)를 균일한 양을 투입하기 위한 스크류(13); 및 상기 스크류(13)을 통해 투입된 바텀 애쉬(11)를 균일한 양을 배출하기 위한 바텀애쉬배관(14);으로 구성될 수 있다.
상기 압력부(12)는 상기 전처리된 바텀 애쉬(11)가 상기 바텀 애쉬 저장소(10) 내에서 원활하게 배출될 수 있도록 부상(float)할 수 있도록 일정 압력을 가할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 (S2a) 단계의 압력은 0.05 내지 0.3 Mpa 압력일 수 있다. 상기 압력이 0.05 Mpa 미만일 경우 상기 바텀애쉬 분말을 밀어내는 힘이 약해 정량을 투입하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 0.3 Mpa를 초과할 경우 내부로 투입되는 공기 흐름에 의해 상기 바텀 애쉬 분말이 비산되는 문제점이 발생할 수 있으므로, 상기 압력은 0.05 내지 0.3 Mpa인 것이 바람직하다.
상기 스크류(13)는 상기 바텀 애쉬 배관(14) 내에 위치하여 나선형의 돌기가 형성되어 있으며, 상기 돌기로 인해 상기 전처리된 바텀 애쉬(11)를 균일한 양으로 투입시킬 수 있다.
상기 스크류(13)를 통해 투입된 균일한 양의 바텀 애쉬(11)를 상기 바텀애쉬배관(14)이 상기 혼합 저장소(40)로 배출시킬 수 있다.
상기 폴리올 저장소(20)는 상기 제1 폴리올, 제2 폴리올 및 제3 폴리올이 혼합된 폴리올이 저장되는 공간으로, 상기 폴리메틸렌 폴리페닐 폴리이소시아네이트(Polymethylene polyphenyl polyisocyanate)를 포함하는 경화제가 추가적으로 포함될 수 있다. 또한, 상기 폴리올 저장소(20)는 상기 제1 폴리올, 제2 폴리올 및 제3 폴리올이 혼합된 폴리올 또는 상기 혼합폴리오과 경화제를 상기 혼합 저장소(40)에 전달할 수 있도록 하면에 폴리올배관(21)과 연결될 수 있다.
상기 ICN 저장소(30)는 이소시아네이트계 화합물을 저장되는 공간으로, 상기 혼합 저장소(40)에 상기 이소시아네이트계 화합물을 전달하기 위해 하면에 ICN 배관(31)과 연결될 수 있다.
상기 (S3) 단계는 최종적으로 본 발명에 따른 발포체를 제조하는 단계;일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바텀 애쉬 저장소(10)에서 배출된 바텀 애쉬, 상기 폴리올 저장소(20)에서 배출된 폴리올(또는 폴리올 및 경화제) 및 상기 ICN 저장소(30)에서 배출된 이소시아네이트계 화합물은 상기 혼합 저장소(40)에서 혼합되고, 상기 혼합 저장소의 하면에 연결된 혼합 배관(41)을 통해 배출될 수 있다. 이때, 상기 혼합 배관(41) 내에 위치하는 혼합스크류(42)에 의해 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물이 보다 균일하게 혼합되고, 상기 혼합 배관(41) 하면에 위치한 노즐(43)을 통해 상기 균일하게 혼합된 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물이 배출될 수 있다.
상기 노즐(43) 입구 직경과 상기 혼합 배관(41)의 직경은 1 : 3 내지 8(노즐 입구 직경 : 혼합 배관 직경)의 직경비로 형성될 수 있다. 종래의 노즐 입구 직경과 혼합 배관의 직경은 약 1 : 20의 직경비를 가져 상기 혼합물이 배출될 때 상기 노즐의 입구가 막히거나 상기 혼합물이 균일하지 않게 뭉치는 문제점을 가지게 되어, 상기와 같은 문제점을 해결하고자 상기 노즐(43) 입구 직경을 종래 노즐 입구 직경보다 크게 설정하여 상기와 같은 문제점을 극복하도록 하였다.
상기 배출된 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물의 혼합물은 컨베이어 벨트(44)로 배출되어 상기 컨베이어 벨트(44) 상에서 경화될 수 있다. 종래의 경우 60 내지 120 ℃의 고온 영역에서 5 내지 10 시간 동안 건조하여 경화시켰으나, 본 발명은 상온 또는 실온에서 0.1 내지 5 시간 동안 건조시킴으로써 상기 혼합물을 고체 형태로 경화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발포체의 제조방법 및 이를 위한 발포체 제조장치는 바텀 애쉬 내에 존재하는 수분 및 미연탄을 용이하게 제거할 수 있고, 대량 산업에 적용할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1. 본 발명에 따른 발포체 제조
1. 재료 준비
500 g의 바텀 애쉬를 10kW에서 390.7 g이 될 때까지 마이크로웨이브 건조하여 전처리하였고, 이때 상기 바텀 애쉬는 2.1%의 함수율을 가졌다.
디에틸렌 글리콜 무수프탈산 폴리머(Diethylene glycol phthalic anhydride polymer) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염(Tris 2-chloroisopropyl Phosphate)을 90:10 중량%로 혼합한 제1 폴리올; 모노에틸 아디페이트(Monoethyl Adipate), 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 50:40:10 중량%로 혼합한 제2 폴리올; 및 폴리옥시프로필렌 글리콜 트리에테르(Polyoxypropylene glycol triether) 및 프로폭실화된 자당(Propoxylated Sucrose)을 70:30 중량%로 혼합한 제3 폴리올이 혼합된 폴리올을 준비하였다. 상기 혼합 폴리올 내에 폴리메틸렌 폴리페닐 폴리이소시아네이트(Polymethylene polyphenyl polyisocyanate)로 구성된 경화제를 추가적으로 첨가하였다.
2. 발포체 제조
상기 전처리된 바텀 애쉬(300 g)를 바텀 애쉬 저장소에 넣고, 0.1 Mpa 압력 하에서 상기 바텀 애쉬를 부상시키고, 상기 바텀 애쉬를 스크류로 방출하여 20 내지 100 mesh의 입도 크기를 갖도록 분쇄하고 바텀애쉬배관을 통해 혼합 저장소로 배출하였다. 그리고 폴리올 저장소 및 ICN 저장소에 각각 저장된 혼합 폴리올(202.5 g) 및 이소시아네이트계 화합물(210 g)을 폴리올 배관 및 ICN 배관을 통해 상기 혼합 저장소로 배출하였다. 상기 혼합 저장소에 모인 상기 바텀 애쉬, 혼합 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 상기 혼합 저장소 하면과 연결된 13 cm의 직경을 갖는 혼합 배관으로 방출되고, 이때 상기 혼합 배관 내에 위치하는 혼합용 스크류를 회전시켜 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물이 보다 균일하게 혼합하여 2 cm의 직경을 갖는 노즐을 통해 컨베이어 벨트로 배출시켰다. 상기 컨베이어 벨트로 배출된 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물의 혼합물은 상온에서 3 시간 동안 경화시켜 본 발명에 따른 발포체를 제조하였다.
실험예 1. 바텀 애쉬 입도 크기에 따른 기공 확인
본 발명에 따른 발포체에 형성된 기공을 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1의 모든 공정과 조건을 동일하되, 바텀 애쉬의 기공 기크만을 각각 상이한 것을 사용하여 제조된 (a) 비교 발포체 1(20 mesh 미만) 및 (b) 비교 발포체 2(200 mesh 초과)를 제조하였고, (c) 본 발명에 따른 발포체(실시예 1, 20 내지 100 mesh)와 함께 상기 발포체의 표면에 형성된 기공을 확인하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, (a) 비교 발포체 1(20 mesh 미만)의 경우 바텀 애쉬의 입도 크기가 너무 작아 발포체에 기공이 고르게 형성되지 못하였고, (b) 비교 발포체 2(200 mesh 초과)의 경우 기공의 크기가 과도하게 크게 형성되어 발포체의 경도가 저하되는 문제점이 발생하였다. 반면, (c) 본 발명에 따른 발포체(실시예 1, 20 내지 100 mesh)는 크고 작은 다양한 크기의 기공 발포체 전체 면적에 고르게 형성되면서 향상된 경도(강도)를 갖는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2. 전처리 효과 확인
본 발명의 발포체 제조방법에 있어서, 바텀 애쉬의 전처리에 따른 함수율 변화 및 내부 조성비를 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1의 모든 공정과 조건을 동일하되, 전처리 방법을 열풍 건조로 수행한 단계만을 다르게 수행하여 제조된 (a) 비교 발포체 3을 제조하였고, (b) 본 발명에 따른 발포체와 함께 함수율 및 내부 조성비를 확인하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112020084105004-pat00001
상기 [표 1]을 참조하면, 본 발명에 따른 발포체(실시예 1)의 경우 비교 발포체 3과 비교하여 탄소의 함량이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다. 상기 결과로부터, 본 발명에 따른 발포체(실시예 1)는 마이크로웨이브 건조로 인해 바텀 애쉬 내의 미연탄이 제거된 것을 확인할 수 있다.
실험예 3. 방염 효과 확인
본 발명에 따른 발포체의 방염효과를 확인하기 위해 방염성능기준(소방청고시 제2019-2호) 제7조에 따라 20.0±15.0 ℃의 온도 및 50±30 %의 상대습도(Relative Humidity, RH)에서 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 5 및 [표 2]에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112020084105004-pat00002
도 5 및 [표 2]를 참조하면, 본 발명에 따른 발포체는 방염성능기준인 잔염시간, 잔신시간, 탄화면적, 탄화길이 및 접염횟수가 모두 시험 기준에 만족하는 바, 우수한 방염효과를 갖는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 본 방염 실험에 이용된 용어의 정의는 다음과 같다.
- 잔염시간 : 버너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리며 연소하는 상태가 그칠 때 까지의 시간
- 잔신시간 : 버너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리지 아니하고 연소하는 상태가 그칠 때 까지의 시간(잔염이 생기는 동안의 시간은 제외)
- 탄화면적 : 불꽃에 의하여 탄화된 면적
- 탄화길이 : 불꽃에 의하여 탄화된 길이
- 접염횟수 : 불꽃에 의하여 녹을 때까지 불꽃의 접촉횟수
실험예 4. 흡음 효과 확인
본 발명에 따른 발포체를 이용한 흡음재의 흡음 효과 영역을 확인하기 위해 KS F 2814-2에 따른 흡음률 측정방법을 통해 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 발포체를 이용한 흡음재(실시예 1)의 경우 비교 발포체 3을 이용한 흡음재와 비교하여 100 내지 650 Hz 주파수 영역에서 우수한 흡음 효과를 갖는 것을 확인할 수 있다.
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
발포체 제조 장치 : 1
바텀 애쉬 저장소 : 10
바텀 애쉬 : 11
압력부 : 12
스크류 : 13
바텀애쉬배관 : 14
폴리올 저장소 : 20
폴리올배관 : 21
ICN 저장소 : 30
ICN 배관 : 31
혼합 저장소 : 40
혼합 배관 : 41
혼합스크류 : 42
노즐 : 43
컨베이어 벨트 : 44

Claims (11)

  1. 바텀 애쉬 30 내지 50 중량%; 폴리올 25 내지 35 중량%; 및 이소시아네이트계 화합물 25 내지 35 중량%;를 포함하고,
    상기 폴리올은
    디에틸렌 글리콜 무수프탈산 폴리머(Diethylene glycol phthalic anhydride polymer) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염(Tris 2-chloroisopropyl Phosphate)를 포함하는 제1 폴리올;
    모노에틸 아디페이트(Monoethyl Adipate), 폴리프로필렌 글리콜 (Polypropylene glycol) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 포함하는 제2 폴리올; 및
    폴리옥시프로필렌 글리콜 트리에테르(Polyoxypropylene glycol triether) 및 프로폭실화된 자당(Propoxylated Sucrose)을 포함하는 제3 폴리올;을 포함하는 혼합 폴리올인 것을 특징으로 하는 발포체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바텀 애쉬는 20 내지 100 mesh의 입도 크기; 및 5 내지 30 m2/g 비표면적;을 갖는 것을 특징으로 하는 발포체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발포체는 폴리메틸렌 폴리페닐 폴리이소시아네이트(Polymethylene polyphenyl polyisocyanate)를 포함하는 경화제;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 발포체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발포체는 100 내지 650 Hz에서 NCR 0.3 이상의 흡음률을 갖는 것을 특징으로 하는 발포체.
  6. (S1) 바텀 애쉬(bottom ash)를 마이크로웨이브로 전처리(pretreatment)하는 단계;
    (S2) 상기 전처리된 바텀 애쉬에 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    (S3) 상기 혼합물을 경화시켜 발포체를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (S1) 단계는 상기 바텀 애쉬의 무게가 5 내지 15 kW의 마이크로웨이브 조건 하에서 18 내지 25% 감소량을 가질 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 발포체의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (S2) 단계는
    (S2a) 상기 전처리된 바텀 애쉬를 0.05 내지 0.3 Mpa 압력 하에서 투입하는 단계; 및
    (S2b) 상기 바텀 애쉬를 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 발포체의 제조방법.
  9. 전처리된 바텀 애쉬를 저장하는 바텀 애쉬 저장소;
    폴리올을 저장하는 폴리올 저장소;
    이소시아네이트계 화합물을 저장하는 ICN 저장소; 및
    상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 혼합하는 혼합 저장소;를 포함하고,
    상기 폴리올은
    디에틸렌 글리콜 무수프탈산 폴리머(Diethylene glycol phthalic anhydride polymer) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염(Tris 2-chloroisopropyl Phosphate)를 포함하는 제1 폴리올;
    모노에틸 아디페이트(Monoethyl Adipate), 폴리프로필렌 글리콜 (Polypropylene glycol) 및 트리스 2-클로로이소프로필 인산염을 포함하는 제2 폴리올; 및
    폴리옥시프로필렌 글리콜 트리에테르(Polyoxypropylene glycol triether) 및 프로폭실화된 자당(Propoxylated Sucrose)을 포함하는 제3 폴리올;을 포함하는 혼합 폴리올인 것을 특징으로 하는 발포체 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바텀 애쉬 저장소는
    상기 전처리 되어 균일한 입도 크기를 갖는 바텀 애쉬에 압력을 가하기 위한 압력부;
    상기 바텀 애쉬를 균일한 양을 투입하기 위한 스크류; 및
    상기 스크류를 통해 투입된 바텀 애쉬를 균일한 양을 배출하기 위한 바텀애쉬배관;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발포체 제조 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 혼합 저장소는
    상기 혼합 저장소의 하면에 연결되어 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 배출시키기 위한 혼합 배관;
    상기 혼합 배관 내에 위치하여 상기 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물을 균일하게 혼합하기 위한 혼합스크류;
    상기 혼합 배관 하면에 위치하여 상기 균일하게 혼합된 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물이 배출되기 위한 노즐; 및
    상기 배출된 바텀 애쉬, 폴리올 및 이소시아네이트계 화합물의 혼합물이 경화되는 컨베이어 벨트;로 구성되고,
    상기 노즐 입구 직경과 상기 혼합 배관의 직경은 1 : 3 내지 8(노즐 입구 직경 : 혼합 배관 직경)의 직경비로 형성되는 것을 특징으로 하는 발포체 제조 장치.
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