KR102312877B1 - 복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제 및 이의 제조방법 - Google Patents

복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 데실 알코올(decyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 도데실 알코올(dodecyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 데실 알코올(decyl alcohol), 트리데실 알코올(tridecyl alcohol) 및 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 알킬폴리글리코시드 100 내지 200중량부; 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether) 10 내지 100중량부; 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 1 내지 30중량부; 글리콜 기반 용매 1 내지 30중량부; 수용성 고분자 1 내지 10중량부; 산 용액 0.1 내지 1중량부; 물 700 내지 800중량부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제 및 이의 제조방법{COMBINED FUNCTIONAL WET TYPE ECO-SCATTERING INHIBITOR AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비산방지제는 피막형과 습윤형으로 나뉘어진다. 피막형은 계면활성제인 유화제에 유화중합된 수지가 pile 표면에 피막을 형성하고 바람 영향을 차단하여 저장중의 미세한 석탄의 비산을 방지한다. 습윤형 비산방지제는 계면활성제 용액이 미세한 석탄의 젖음(보습)을 촉진하여 선박에서 석탄을 하역할 때 미세한 석탄의 비산을 방지하거나 저장중의 pile 표면에서의 미세한 석탄의 비산을 방지한다.
피막형 비산방지제 관련하여, 피막형 표면경화제인 에멀젼 수지는 고분자 물질에 분산된 수지로써 스티렌-부타디엔 고무 라텍스, 폴리삭산비닐 에멀젼, 아크릴산계 에멀젼이 사용되고 있으며, 이와 같은 에멀젼 고분자는 생분해성이 매우 좋지 않아 수질을 악화시키고 환경오염을 초래하는 문제점이 있기 때문에 환경 생태학적으로 매우 유해한 물질이다.
현재 유통되고 있는 습윤형 비산방지제는 설페이트계 음이온 계면활성제가 사용되고 있는데, 이러한 음이온 계면활성체는 피부에 대한 자극성이 심하다. 예를 들어 소듐 라우레스 설페이트(SLES: sodium laureth sulfate)은 수용성 성분이기 때문에 대기에 배출되면 계면활성제로의 재사용이 어려울 뿐만 아니라 생분해성이 매우 느리게 진행된다. 또한 소듐 라우레스 설페이트 제조 공정에서 독성이 매우 강한 포름알데히드와 1,4-다이옥산(dioxane)이 방출되는 문제점이 있다.
따라서 석탄, 자갈, 모래 운송 중 발생하는 먼지와 같은 다양한 산업에서 발생하는 미세입자의 비산을 방지하면서 독성이 없어 친환경적인 비산방지제에 대한 기술개발이 필요한 실정이다.
국내 등록특허공보 제10-1488862호, 2015.01.27.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 알킬폴리글리코시드를 포함하고 분체상 물질에 대한 부착력이 우수한 습윤형 친환경 비산방지제와, 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 데실 알코올(decyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 도데실 알코올(dodecyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 데실 알코올(decyl alcohol), 트리데실 알코올(tridecyl alcohol) 및 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 알킬폴리글리코시드 100 내지 200중량부; 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether) 10 내지 100중량부; 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 1 내지 30중량부; 글리콜 기반 용매 1 내지 30중량부; 수용성 고분자 1 내지 10중량부; 산 용액 0.1 내지 1중량부; 및 물 700 내지 800중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 습윤형 친환경 비산방지제를 제공한다.
바람직하게는, 상기 수용성 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(PVP: polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 메톡시폴리에틸렌 글리콜(methoxypolyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 및 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(polyethylene glycol dimethacrylate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 산촉매 존재 하에, 데실 알코올(decyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 도데실 알코올(dodecyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 데실 알코올(decyl alcohol), 트리데실 알코올(tridecyl alcohol) 및 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 고급 지방족 알코올, 포도당 및 글루코스를 반응시켜 1차 처리물을 제조하는 단계; 상기 1차 처리물을 110 내지 130℃에서 가열하면서 반응시키고, 반응 중에 생성되는 물을 제거하여 2차 처리물을 제조하는 단계; 상기 2차 처리물에 염기성 물질을 첨가하여 pH 7.5 내지 8.5로 중화시켜 3차 처리물을 제조하는 단계; 상기 3차 처리물을 130 내지 160℃에서 가열하여 잔류 고급 지방족 알코올을 제거하여 4차 처리물을 제조하는 단계; 상기 4차 처리물에 증류수를 첨가하여 희석한 후 pH 10 내지 11로 조절하고, 과산화수소를 첨가하여 70 내지 95℃에서 탈색하여 알킬폴리글루코시드를 수득하는 단계; 및 물 700 내지 800중량부에 수용성 고분자 1 내지 10중량부를 용해시킨 용해물에 상기 알킬폴리글루코시드 100 내지 200중량부, 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether) 10 내지 100중량부, 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 1 내지 30중량부 및 글리콜 기반 용매 1 내지 30중량부를 첨가 및 용해시킨 후 산 용액 0.1 내지 1중량부를 이용하여 pH 5.5 내지 6.5의 비산방지제를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 습윤형 친환경 비산방지제의 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 수용성 고분자는, 폴리비닐피롤리돈(PVP: polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 메톡시폴리에틸렌 글리콜(methoxypolyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 및 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(polyethylene glycol dimethacrylate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따르면, 천연 계면활성제인 알킬폴리글리코시드와 비이온 계면활성제, 수용성 고분자 등을 이용해 독성이 배출되지 않는 친환경 비산방지제를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 비산방지제는 데실 알코올과 트리데실 알코올의 혼합 알코올, 도데실 알코올과 트리데실 알코올의 혼합 알코올, 데실 알코올, 트리데실 알코올 및 테트라데실 알코올의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 알킬폴리글리코시드를 포함하므로, 강알칼리성 용액이나 기타 전해질에도 쉽게 용해되고 다양한 종류의 음이온 또는 비이온 계면활성제와의 높은 호환성을 가질 수 있어, 습윤 특성이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 비산방지제는 증발 잔류량이 많아 분체상 물질과의 계면장력을 이루어 분체상 물질에 대한 도포력 및 부착력이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알킬폴리글리코시드의 피부 자극성을 비교하여 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 drop(침강) 분석을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명에 따른 drop(침강) 분석 결과를 비교하여 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 비산먼지 저감률 분석을 나타낸 사진.
도 5는 본 발명에 따른 비산먼지 억제값 결과를 비교하여 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 내풍성 분석을 나타낸 사진.
도 7은 본 발명에 따른 비산방지제 및 상용 제품의 내풍성 분석을 나타낸 그래프.
도 8은 내풍성의 최대 풍속을 비교하여 나타낸 그래프.
도 9는 비산먼지 억제 효과를 비교하여 나타낸 그래프.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 습윤형 친환경 비산방지제에 관한 것으로, 데실 알코올(decyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 도데실 알코올(dodecyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 데실 알코올(decyl alcohol), 트리데실 알코올(tridecyl alcohol) 및 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 혼합 알코올을 포함하는 알킬폴리글리코시드 100 내지 200중량부와, 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether) 10 내지 100중량부와, 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 1 내지 30중량부와, 글리콜 기반 용매 1 내지 30중량부와, 수용성 고분자 1 내지 10중량부와, 산 용액 0.1 내지 1중량부와, 물 700 내지 800중량부를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 습윤 특성(wetting property)은 계면활성제가 물의 표면장력을 감소시켜 액체의 확산을 개선하는 능력을 의미하는데, 알킬폴리글리코시드는 탄소수 8 내지 18의 탄소를 갖는 고급 지방 알코올과 글루코스를 산촉매 하에 반응시켜 합성되어 습윤 특성이 우수하고 피부에 대한 자극성이 낮은 계면활성제로써, 예컨대 화학식 1과 같이 표시될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112021061158569-pat00001
화학식 1과 같은 알킬폴리글리코시드는 강알칼리 용액이나 기타 전해질에 쉽게 용해되고, 다양한 종류의 음이온 및 비이온성 계면활성제와의 높은 호환성을 갖는 특징이 있다.
알킬폴리글리코시드는 탄소수 8 내지 18의 탄소를 갖는 2종 이상의 고급 지방족 알코올을 이용하여 합성될 수 있다. 탄소수 10인 데실 알코올(decyl alcohol), 탄소수 13의 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)과 포도당을 산촉매의 존재 하에 반응시켜 합성할 수 있, 탄소수 12인 도데실 알코올(dodecyl alcohol), 탄소수 13의 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)과 포도당을 산촉매 존재 하에 반응시켜 합성할 수 있으며, 탄소수 10인 데실 알코올(decyl alcohol), 탄소수 13인 트리데실 알코올(tridecyl alcohol), 탄소수 14인 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)과 포도당을 산촉매 존재 하에 반응시켜 합성할 수 있다.
반면 탄소수 8인 옥틸 알코올(octyl alcohol), 탄소수 13의 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)과 포도당이 산촉매 존재 하에 합성되는 알킬폴리글리코시드에 있어서는 습윤 특성이 저하될 수 있는데, 이는 탄소수 8의 저급 알코올인 옥틸 알코올(octyl alcohol)의 경우 친수성이 강해 활성이 오히려 떨어질 수 있기 때문이다.
탄소수 14인 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)만을 포도당과 산촉매 존재 하에 합성되는 경우 물에 대한 용해성이 좋지 않아 습윤력이 다소 저하될 수는 있다.
이와 같이 탄소수 10인 데실 알코올, 탄소수 13인 트리데실 알코올 및 글루코스를 이용해 합성되는 decyl-tridecyl polyglucoside이거나, 탄소수 12인 도데실 알코올, 탄소수 13인 트리데실 알코올 및 글루코스를 이용해 합성되는 dodecyl-tridecyl polyglucoside이거나, 탄소수 10인 데실 알코올, 탄소수 13인 트리데실 알코올, 탄소수 14인 테트라데실 알코올 및 글루코스를 이용해 합성되는 decyl-tridecyl-tetradecyl polyglucoside로 이루어진 알킬폴리글리코시드 계면활성제의 습윤 효과를 갖는다.
알킬폴리글리코시드는 100 내지 200중량부 범위로 포함될 수 있는데, 100중량부 미만으로 첨가되면 음이온 또는 비이온 계면활성제와 높은 호환성을 가지기에 부족한 양이고, 200중량부를 초과하면 비산방지에에 습윤 특성을 부여하기에 충분하기는 하나, 오히려 물성 변형을 초래할 수 있어 제품성이 없게 되는 단점이 있다.
본 발명에 있어서, 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether)는 비이온 계면활성제로써 알킬폴리글리코시드와 함께 습윤상승 효과 작용을 한다.
폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르는 10 내지 100중량부 범위로 포함될 수 있으며, 10중량부 미만이면 알킬폴리글리코시드와의 호환성을 향상시키기 어려워 결국 습윤상승 작용을 못하는 문제점이 있고, 100중량부를 초과하면 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르가 알킬폴리글리코시드 complex 형성이 원활하지 못하여 물성 저하를 초래할 수 있어 이 역시 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 역시 비산방지에 기여하는 것으로, 1 내지 30중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트가 1중량부 미만으로 함유되면 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르와의 시너지 효과를 발현하지 못하고, 30중량부를 초과하면 오히려 미량의 불순물로 남아 비산방지제의 수율이 저하되는 단점이 있다.
본 발명에 있어서, 글리콜 기반 용매는 글리콜에테르일 수 있는데, 바람직하게는 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 부틸 카비톨(butyl carbitol) 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 부틸 카비톨일 수 있다.
글리콜 기반 용매가 1중량부 미만이면 알킬폴리글리코시드, 폴리옥시 에틸렌 트리데실 에테르, 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트 등의 홉합성을 저하시켜 계면활성제의 효율성이 떨어져 비산방지제의 효과가 떨어지며 반면 글리콜 기반용매 30 중량부를 초과하면 계면활성제가 글리콜에 용해되어 CMC(임계미셀농도)가 높고 계면장력이 높게되어 비산방지제의 Wetting(습윤력)이 떨어진다. 따라서 글리콜 기반 용매는 비산방지제 전체 중량 중에서 1 내지 30중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 수용성 고분자는 폴리비닐피롤리돈(PVP: polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 메톡시폴리에틸렌 글리콜(methoxypolyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 및 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(polyethylene glycol dimethacrylate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는, 화학식 2로 표시되는 폴리비닐피롤리돈일 수 있다. 단, 화학식 2에서 n은 반복 단위의 수를 나타내며 자연수일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112021061158569-pat00002
화학식 2와 같은 폴리비닐피롤리돈은 피막 형성, 보습 및 분산 기능을 하여 화장품에 사용될 정도로 독성, 자극성이 없는 안정한 물질인 바, 다른 물질과 결합하여 독성과 자극성을 감소시키고 흡습성이 있어 필름 형성 후에도 수분을 유지해줄 수 있다. 특히 폴리비닐피롤리돈은 계면활성제인 알킬폴리글루코시드와 컴플렉스(complex)를 형성하여 계면활성제의 효율을 향상시키게 된다.
수용성 고분자가 1중량부 미만으로 포함되면 알킬폴리글루코시드와 컴플렉스를 형성하기에 부족한 양일 뿐만 아니라 비산방지제의 독성과 자극성을 감소시키는데 도움을 주지 못한다. 반면, 수용성 고분자가 10중량부를 초과하여 포함되면 알킬폴리글루코시드와 컴플렉스를 형성하지 못하고 남은 잔여물로 존재하여 비산방지제 내에서 불순물로 작용하는 단점이 있다. 따라서 수용성 고분자는 1 내지 10중량부 범위 내로 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 산 용액은 비산방지제의 pH를 5.5 내지 6.5 범위로 조절하는 작용을 한다. 산 용액이 0.1중량부 미만으로 첨가되면 비산방지제의 pH를 5.5 내지 6.5 범위로 맞출 수 없게 되며, 1중량부를 초과하여 첨가되면 비산방지제의 갑작스러운 pH 변형으로 물성 저하를 초래한다. 이 때문에 산 용액은 0.1 내지 1중량부 범위 내에서 적절하게 사용하는 것이 바람직하다. 산 용액의 경우 안정적인 시트르산(citric acid)을 사용하는 것이 바람직하나, 상기 시트르산에 한정되는 것만은 아니고 비산방지제의 pH를 안정적으로 조절할 수 있는 산이라면 다양하게 사용 가능하다.
본 발명에 있어서, 물(water)은 비산방지제의 대부분 양을 차지하는 베이스 용액으로, 700중량부 미만으로 함유되면 비산방지제의 농도가 높아져 안정적인 물성을 기대할 수 없게 되고, 800중량부를 초과하면 너무 많은 물의 함유량으로 인해 유효성분을 갖는 다른 성분들이 희석되어버려 비산방지제의 제 역할을 충분히 할 수 없게 되는 문제점이 있으므로, 물은 700 내지 800중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 습윤형 친환경 비산방지제는 산촉매 존재 하에 탄소수 8 내지 18의 탄소를 갖는 고급 지방족 알코올, 포도당 및 글루코스를 반응시켜 1차 처리물을 제조하는 단계(S10)와, 1차 처리물을 110 내지 130℃에서 가열하면서 반응시키고, 반응 중에 생성되는 물을 제거하여 2차 처리물을 제조하는 단계(S20)와, 2차 처리물에 염기성 물질을 첨가하여 pH 7.5 내지 8.5로 중화시켜 3차 처리물을 제조하는 단계(S30)와, 3차 처리물을 130 내지 160℃에서 가열하여 잔류 고급 지방족 알코올을 제거하여 4차 처리물을 제조하는 단계(S40)와, 4차 처리물에 증류수를 첨가하여 희석한 후 pH 10 내지 11로 조절하고, 과산화수소를 첨가하여 70 내지 95℃에서 탈색하여 알킬폴리글루코시드를 수득하는 단계(S50)와, 물에 수용성 고분자를 용해시킨 용해물에 상기 알킬폴리글루코시드, 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether), 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 및 글리콜 기반 용매를 첨가 및 용해시킨 후 산 용액을 이용하여 pH 5.5 내지 6.5의 비산방지제를 제조하는 단계(S60)를 통하여 제조될 수 있다.
상술한 제조방법에 따르면 먼저, 산촉매 존재 하에 탄소수 8 내지 18의 탄소를 갖는 고급 지방족 알코올, 포도당 및 글루코스를 반응시켜 1차 처리물을 제조한다(S10).
고급 지방족 알코올과 글루코스의 반응이 이루어지기 위하여 글루코스와 고급 지방족 알코올은 1 : 2 내지 8의 중량비로 이루어지는 것이 바람직하다. 고급 지방족 알코올이 글루코스 1중량비에 대해 2중량비 미만으로 첨가되면 고급 지방족 알코올이 알킬폴리글루코시드로의 합성에 충분히 기여하지 못해 고수율의 알킬폴리글루코시드를 얻기 어려워지고, 8중량비를 초과하여 첨가되면 고급 지방족 알코올이 알킬폴리글루코시드로의 합성에 기여하고 잔류 알코올로 남아 불순물로 작용할 우려가 있다.
다만, 고급 지방족 알코올의 유성 성분이 친유성이고 글루코스는 친수 성분이어서 고급 지방족 알코올과 글루코스의 두 성분이 혼합되지 않을 뿐더러 글루코스는 비중이 높아 분산이 잘 이루어지지 않아 반응 수율이 좋지 않기 때문에, 유화제로써의 분산성을 가지면서 유동성을 갖는 유화제, 분산제 및 유동화제 겸용인 글리세린 지방산 에스테르를 사용하여 고급 지방 알코올에 대해 불용성인 글루코스를 미세하고 균일하게 분산시켜서 고급 지방 알코올과 글루코스 간의 반응성을 향상시킬 수 있다.
이렇게 글리세린 지방산 에스테르를 사용함으로써 반응 수율을 높이고 유동성을 증가시켜, 과량으로 사용한 고급 지방족 알코올을 높은 수율로 회수하면서 미반응 잔류 알코올을 1% 이하까지 낮춘 천연 계면활성제인 알킬폴리글루코시드를 수득할 수 있게 된다.
글리세린 지방산 에스테르는 고급 지방 알코올과 글루코스의 양을 합한 100중량부에 대하여 0.1 내지 1중량부가 첨가될 수 있는데, 글리세린 지방산 에스테르가 0.1중량부 미만으로 혼합되면 고급 지방 알코올에 글루코스의 분산이 잘 이루어지지 않아 반응 시간이 오래 걸리고 수율이 좋지 못하며, 1중량부를 초과하여 혼합되면 친수성이 강해져 알킬폴리글리코시드의 젖음성이 저하된다.
산촉매의 경우, 고급 지방 알코올과 글루코스의 양을 합한 100중량부에 대하여 0.03 내지 0.3중량부를 사용할 수 있다. 산촉매가 0.03중량부 미만이면 반응이 완료되는데까지 많은 시간이 소모되고 이에 따라 수율이 저하될 수 있다. 이와 달리 산촉매가 0.3중량부를 초과하는 경우 색상 변화가 심하고 알킬폴리글리코시드가 아닌 폴리글리코시드로 생성되어 버리는 단점이 있다. 또한 산촉매가 0.3중량부를 초과하게 되면 알코올을 회수하여 물에 희석 시 점도가 상승하여 페이스트(paste) 상으로 변해 결국 물성이 변해버리는 문제점이 초래된다.
산촉매는 유기산, 무기산으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택될 수 있다. 무기산인 인산, 황산 및 염산의 경우에는 반응이 원활히 진행되지 않을 우려가 있고 색상 변화가 심할 수 있으므로, 무수프탈산, 옥살산, 구연산 및 p-톨루엔설폰산과 같은 유기산을 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 1차 처리물을 110 내지 130℃에서 가열하면서 반응시키고, 110 내지 130℃를 유지하면서 진공도 35 내지 60mmHG 조건 하에서 반응 중에 생성되는 물을 제거하여 2차 처리물을 제조한다(S20).
다음으로, 2차 처리물에 염기성 물질을 첨가하여 pH 7.5 내지 8.5로 중화시켜 3차 처리물을 제조한다(S30).
산화 마그네슘(MgO: magnesium oxide), 수산화 칼륨(KOH: potassium hydroxide) 중 하나 이상의 염기성 물질을 사용하여 2차 처리물을 중화할 수 있으며, 3차 처리물로 제조되는 과정 중에서 pH가 7.5 미만이 되면 산성에 가까워져 물성 조절에 바람직하지 않고, pH가 8.5를 초과하면 강알칼리성으로 변하면서 색상이 변하므로 바람직하지 않다.
다음으로, 3차 처리물을 130 내지 160℃에서 가열하여 잔류 고급 지방족 알코올을 제거하여 4차 처리물을 제조한다(S40).
잔여하는 고급 지방족 알코올 잔류물 제거를 위하여 130 내지 160℃ 하에서 진공도 3Torr 조건으로 3차 처리물을 열처리할 수 있으며, 130℃ 미만이면 불순물로 존재하는 고급 지방족 알코올 잔류물을 증발 및 제거하는데 까지 많은 시간이 소모되어 바람직하지 않고, 160℃를 초과하면 알코올 특성상 펌핑되어 시료 손실이 발생될 수 밖에 없다.
다음으로, 4차 처리물에 증류수를 첨가하여 희석한 후 pH 10 내지 11로 조절하고, 과산화수소를 첨가하여 70 내지 95℃에서 탈색하여 알킬폴리글루코시드를 수득한다(S50).
앞서 3차 처리물에 함유된 고급 지방족 알코올 잔류물이 제거된 후 증류수를 첨가하여 4차 처리물을 농도 50%까지 희석하고, 30% 수산화 나트륨(NaOH: sodium hydroxide) 용액을 이용하여 pH 10 내지 11로 조절한 후, 과산화수소에 안정제인 규산소다 및 트리폴리인산소다 용액을 첨가하여 70 내지 95℃에서 탈색이 마무리된다.
이러한 과정을 거쳐 합성되는 알킬폴리글루코시드는 친유 성분과 친수 성분으로 이루어진 분자 구조를 가짐으로써, 계면에 집합되면서 계면의 성질을 변화시키는 작용을 하게 된다.
마지막으로, 물에 수용성 고분자를 30 내지 35℃에서 용해시킨 용해물에 상기 알킬폴리글루코시드, 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether), 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 및 글리콜 기반 용매를 첨가 및 용해시킨 후 산 용액을 이용하여 pH 5.5 내지 6.5의 비산방지제를 제조한다(S60).
수용성 고분자를 물에 30 내지 35℃에서 먼저 용해시키는 이유는 수용성 고분자와 알킬폴리글루코시드의 안정적인 컴플렉스를 형성하기 위함이며, 만약 수용성 고분자를 물에 먼저 용해하지 않을 경우 수용성 고분자와 알킬폴리글루코시드가 융합되지 않고 물(water) 상에서 단독으로 존재할 수 밖에 없기 때문에 비산방지제를 제조하는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 물에 수용성 고분자의 용해 시 30℃ 미만의 온도 조건을 설정하면 수용성 고분자가 용해되는데 까지 많은 시간이 걸리면서 물에 포함된 수용성 고분자의 물성 변형을 초래할 수 있고, 35℃를 초과하면 수용성 고분자가 용해되는 시간을 줄이는 장점이 있긴 하나 추후 알킬폴리글루코시드를 투입할 때 펌핑 현상이 발생할 수 있는 단점이 있다.
이처럼 비산방지제는 천연 계면활성제인 알킬폴리글루코시드를 포함하게 됨으로써, 비산방지제에 기름 방울을 떨어뜨리게 될 경우 알킬폴리글루코시드가 표면장력을 낮추어 기름 방울을 유화시켜 액체 확산을 개선할 수 있게 된다. 특히 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 비산방지제는 증발 잔류량이 많아 분체상 물질과의 계면장력을 이루어 분체상 물질에 대한 도포력 및 부착력이 우수한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1-1> 데실 알코올과 트리데실 알코올을 이용한 알킬폴리글리코시드의 합성
2ℓ 4구 플리스크에 온도계(200℃ 수은 온도계) 디지털 교반기, 교반봉, 콘덴서, 수분포집장치, 진공펌프, 진공게이지, 클램프가 설치된 플라스크에 데실 알코올과 트리데실 알코올을 1 : 1.8로 혼합한 혼합 알코올 678g, 산촉매인 파라톨루엔 술포닉산 0.975g, 글루코스 250g, 유화제 및 유동화제 겸용인 모노글리세린 지방산 에스테르 3.5g을 첨가하여 116 내지 125℃로 승온시키고 35 내지 50mmHG 진공도에서 3시간 동안 감압하여 반응을 실시하였다.
반응 종료 후 200mesh에서 미반응 글루코스를 여과 및 제거(약 0.03g)한 후 마그네슘옥사이드 중화제 0.42g를 첨가하여 80 내지 95℃에서 30분 동안 중화 후 120 내지 160℃로 승온시켜 진공도 3Torr 이하의 고진공에서 과잉 알코올을 회수하고 잔류 알코올을 1% 농도 이하까지 낮췄고 회수된 알코올은 535.696g이었다. 이에 따라 중합도 1.4인 연한 황색의 생성물 344.8g를 얻었다. 생성물의 조성은 알킬폴리글루코시드 99.9% 이상, 미반응 글루코스 0.05% 이하, 잔류 알코올 1% 이하였다.
이어서 344.8g의 생성물을 증류수에 희석하여 농도 50% 용액으로 조절 후 가성소다 1.5g/H2O 5g의 희석액 첨가하고 1% 규산소다 용액 8.75g 첨가. H2O2(35%) 12.5g 첨가 후 80 내지 95℃에서 50분 탈색 후 40℃에서 냉각시켜 완료하였다. 최종적으로 고형분 50 + 1%였으며, APHA color 50이었다.
<실시예 1-2> 도데실 알코올과 트리데실 알코올을 이용한 알킬폴리글리코시드의 합성
실시예 1-1에서 설치된 실험기구에서, 도데실 알코올 325g, 트리데실 알코올 350g, 글루코스 250g, 파라톨루엔 술포닉산 0.975g을 첨가하고, 유화제 및 유동화제 겸용인 모노글리세린 지방산 에스테르 3.5g을 첨가하여 120 내지 126℃, 진공도 35 내지 40mmHG에서 3시간 동안 감압하여 반응을 실시하였다.
반응 종료 후 200mesh에서 미반응 글루코스를 여과 및 제거(약 0.03g)한 후 마그네슘옥사이드 중화제 0.42g를 첨가하여 80 내지 95℃에서 30분 동안 중화 후 130 내지 166℃에서 진공도 3Torr 이하의 고진공에서 과잉 알코올을 회수하고 잔류 알코올을 1% 농도 이하까지 낮췄고 회수된 알코올은 510g이었다. 이에 따라 중합도 1.2인 생성물 397g를 얻었다. 생성물의 조성은 알킬폴리글루코시드 99.9% 이상, 미반응 글루코스 0.05% 이하, 잔류 알코올 1% 이하였다.
이어서 397g의 생성물을 증류수에 희석하여 농도 50% 용액으로 조절 후 가성소다 1.5g/H2O 5g의 희석액 첨가하고 1% 규산소다 용액 8.75g 첨가. H2O2(35%) 12.5g 첨가 후 80 내지 95℃에서 50분 탈색 후 40℃에서 냉각시켜 완료하였다. 최종적으로 고형분 49 + 1%였으며, APHA color 50이었다.
<실시예 1-3> 데실 알코올, 트리데실 알코올 및 테트라데실 알코올을 이용한 알킬폴리글리코시드의 합성
실시예 1-1에서 설치된 실험기구에서, 데실 알코올 278g, 트리데실 알코올 250g, 테트라데실 알코올 147g, 글루코스 250g, 파라톨루엔 술포닉산 0.975g을 첨가하고, 유화제 및 유동화제 겸용인 모노글리세린 지방산 에스테르 3.5g을 첨가하여 122 내지 128℃, 진공도 30 내지 35mmHG에서 3시간 동안 감압하여 반응을 실시하였다.
반응 종료 후 200mesh에서 미반응 글루코스를 여과 및 제거(약 0.08g)한 후 마그네슘옥사이드 중화제 0.42g를 첨가하여 80 내지 95℃에서 30분 동안 중화 후 130 내지 170℃에서 진공도 3Torr 이하의 고진공에서 과잉 알코올을 회수하고 잔류 알코올을 1% 농도 이하까지 낮췄고 회수된 알코올은 510g이었다. 이에 따라 중합도 1.2인 생성물 395g를 얻었다. 생성물의 조성은 알킬폴리글루코시드 99.9% 이상, 미반응 글루코스 0.05% 이하, 잔류 알코올 1% 이하였다.
이어서 397g의 생성물을 증류수에 희석하여 농도 50% 용액으로 조절 후 가성소다 1.5g/H2O 5g의 희석액 첨가하고 1% 규산소다 용액 8.75g 첨가. H2O2(35%) 12.5g 첨가 후 80 내지 95℃에서 50분 탈색 후 40℃에서 냉각시켜 완료하였다. 최종적으로 고형분 49 + 1%였으며, APHA color 52였다.
<실시예 2-1> 실시예 1-1의 알킬폴리글루코시드를 이용한 비산방지제의 제조
교반기 모터 수은 온도계 100℃, heating mentle, 클램프, 4구 1ℓ짜리 플라스크가 설치된 장치에 물 755g, polyvinyl pyrrolidone 4g을 첨가해 30 내지 35℃에 30분 동안 용해 후 실시예 1-1에서 제조된 decyl polyglucoside 및 tridecyl polyglucoside의 혼합물 160g, polyoxy ethylene tridecyl ether 60g, polyoxy ethylene sorbitan trioleate 10g, butyl carbitol 10g 첨가하여 30분 동안 용해 후 citric acid 1g을 첨가하여 용해시켰으며, pH 5.5 내지 6.0으로 조절하여 완료하였다.
<실시예 2-2> 실시예 1-2의 알킬폴리글루코시드를 이용한 비산방지제의 제조
교반기 모터 수은 온도계 100℃, heating mentle, 클램프, 4구 1ℓ짜리 플라스크가 설치된 장치에 물 755g, polyvinyl pyrrolidone 4g을 첨가해 30 내지 35℃에 30분 동안 용해 후 실시예 1-2에서 제조된 dodecyl polyglucoside 및 tridecyl polyglucoside의 혼합물 160g, polyoxy ethylene tridecyl ether 60g, polyoxy ethylene sorbitan trioleate 10g, butyl carbitol 10g 첨가하여 30분 동안 용해 후 citric acid 1g을 첨가하여 용해시켰으며, pH 5.5 내지 6.0으로 조절하여 완료하였다.
<실시예 2-3> 실시예 1-3의 알킬폴리글루코시드를 이용한 비산방지제의 제조
교반기 모터 수은 온도계 100℃, heating mentle, 클램프, 4구 1ℓ짜리 플라스크가 설치된 장치에 물 755g, polyvinyl pyrrolidone 4g을 첨가해 30 내지 35℃에 30분 동안 용해 후 실시예 1-3에서 제조된 decyl polyglucoside, tridecyl polyglucoside 및 tetradecyl polyglucoside의 혼합물 160g, polyoxy ethylene tridecyl ether 60g, polyoxy ethylene sorbitan trioleate 10g, butyl carbitol 10g 첨가하여 30분 동안 용해 후 citric acid 1g을 첨가하여 용해시켰으며, pH 5.5 내지 6.0으로 조절하여 완료하였다.
<비교예 1>
상용 BT-210w 비산방지제를 준비하였다.
<시험예 1> 피부 자극성 분석
본 시험예에서는 알킬폴리글리코시드의 피부 자극성을 분석해 보았다. 관련하여, 도 1은 본 발명에 따른 알킬폴리글리코시드의 피부 자극성을 비교하여 그래프로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면 20명의 피시험자가 1% 알킬폴리글리코시드 활성 상태에서 24시간 동안 표피 코팅 테스트를 한 결과를 나타낸 것임을 알 수 있다.
테스트된 알킬폴리글리코시드 샘플의 pH 값은 중성으로 유지되었으며, 자극성이 있는 음이온 계면활성제와의 1 : 1 혼합된 경우 피부자극성을 감소시킴을 알 수 있었다. 단, 소디움 라우릴스 설페이트(ldurethe sulfate), 알킬벤제술폰상염(LAS: linear alkybenzene sulfonate), 알킬에테르황산에스테르염(AES: alkyl ether sulfate)은 음이온 계면활성제를 의미한다.
<시험예 2> drop 분석
본 발명에 따른 비산방지제가 석탄에 얼마나 빨리 젖음(wetting) 및 침투되는지 알아보기 위하여, 실제 석탄 이송 및 저장에 직접 투여하는 형태를 역으로 적용하여 침투력 정도를 분석해 보았다.
관련하여, 도 2는 본 발명에 따른 drop 분석을 사진으로 나타낸 것으로, 미분탄 coal(약 200mesh)을 각 시료별로 0.25g, stop watch, 1ℓ 비커, chemical balance, 도 2(a)에 도시된 분쇄기(crusher)를 준비하고, 실시예 2-1에 의해 제조된 비산방지제(GDP-70w로 표기), 비교예 1에 의해 준비된 상용 BT-210w와, blank용 water를 준비하였다.
이에 따른 방법으로는, (1) 석탄 시료를 자연 건조하고 고습도 영향을 고려하여 육안으로 기건 상태 확인 후 여과(1.3cm 이하)하였다. (2) 석탄 시료를 분쇄기(crusher)를 이용하여 3 내지 5분 동안 3,900rpm/분으로 미분화시켰다. (3) 미분탄 석탄 시료를 sieve(약 200mesh 체)를 이용하여 굵은 입자를 분리하였다. (4) 미분탄 시료를 dry oven(80 내지 90℃)에서 1 내지 2시간 항량 후 수분을 완전 제거하였다. (5) 1ℓ 비커를 세척, 건조 후 본 발명의 비산방지제, 상용 BT-210w 비산방지제를 각각 700㎖ 표선까지 채웠다. 이때 본 발명의 비산방지제와 상용 BT-210w 비산방지제 원액을 700 : 1로 희석한 용액을 사용하였다. (6) 이렇게 비산방지제가 채워진 비커에 준비된 미분탄 석탄 시료 0.25g을 동시에 투입 후 미분탄 석탄 시료가 침강될 때까지의 시간(sec)을 측정하였다(도 2(b) 참고).
drop time 목표값은 150sec 이내를 만족해야 하는데, 침강 시간을 측정한 결과는 본 발명에 따른 drop 분석 결과를 비교하여 그래프로 나타낸 도 3을 통하여 확인할 수 있다. 이와 함께 시료 종류별 침강 시간 외 용액중 비산방지제의 분산 상태를 관찰한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 미분탄 석탄 시료 침강 시간 용액 상태
GDP-70w 비산방지제 139sec 맑음
BT-210w 비산방지제 142.5sec 맑음
물(blank) 측정 불가 혼탁
도 3 및 표 1을 참조하면, 일반적으로 미세 다공성(micro porous) 특징을 갖는 미분탄은 표면장력이 낮은 용액에 흡착(침투)성이 높아 비산방지제 용액층에서 drop(침강)이 잘 이루어지며 침강 시간이 짧을수록 침투(흡착) 성능이 우수함을 의미한다.
2회 측정 평균값 결과, 본 발명의 비산방지제가 139sec로 150sec 이하의 성능기준을 만족하였으며, 침강 후 용액 상태로 맑은 상태를 유지했으며, 침강 속도도 GDP-70w가 BT-210w 보다 빨리 침강되어 본 발명의 비산방지제가 더 우수한 침강 성능을 보임을 알 수 있었다. 반면, blank인 물에서 미분탄 석탄 시료는 침강이 거의 이루어지지 않으며 용액 상태 또한 매우 혼탁한 상태임을 확인할 수 있었다.
<시험예 3> TSP 측정 및 비산먼지 저감률 분석
본 시험예에서는 석탄 시료를 살포(watting)하기 위해 발전소 석탄 하역 설비를 미니어처(형상화)한 test bed 장치를 이용하여 비산먼지 방지제를 석탄 시료에 균일하게 일정 시간 연속 wetting과 동시에 시료 낙하 중에 미세먼지(TSP)를 측정해 보았다.
관련하여, 도 4는 본 발명에 따른 비산먼지 저감률 분석을 사진으로 나타낸 것으로, 우선 실시예 2-1에 의해 제조된 비산방지제(GDP-70w로 표기), 비교예 1에 의해 준비된 상용 BT-210w와, blank용 약품 미처리 raw coal을 준비하였다. 그리고 건조, 여과(1.3cm 이하)된 coal 시료 일정량(8kg씩 진행)을 준비하였다. 외부 바람과 먼지 영향을 배제하기 위한 옥내 공간인 clean house, 도 4(a)와 같은 test bed, 시료받이, 팬(1 내지 4단), 풍속계, 시료 덮개용 비닐, 방진마스크, 분무기, 온습도계를 구비하고, 측정장비는 TSP 측정기(도 4(b) 참고)로 하였다.
이에 따른 방법으로는, 유효성 평가 시험을 위해 앞서 언급한 장비, 비품을 준비하고 오염을 막기 위하여 비닐 sheet 설치 후 상기 물품을 clean house에 세팅하였다. 시험 전 방호복, 마스크 등을 착용하여 비산먼지 피해를 최소화할 수 있도록 하였다. 필요량 만큼 시료 저장통에 연속 투입을 위해, 시료 8kg 단위로 사전 weighting하여 시료통에 넣어두었다. 원액을 700 : 1 희석하여 시험 용액별 희석통에 담아두었다. 이때 원액 20ml를 분취하여 희석통에 넣어 전체 용액이 14L가 되도록 하였다. test bed의 상,하부 컨베이어벨트 구동속도를 일정하게 맞추고, 인버터 단수를 6단 조정하여 시료 저장통 게이트를 조정하여 시료 공급 속도를 8kg/2분으로 일정하게 맞추었다. 비산 억제 효과가 뚜렷한 data 확보를 위하여 측정 시 인위적으로 팬을 구동하며, 사전에 상태를 확인 해두었다(fan 4단/2.9 내지 3.2m/s). 이는 도 4(c)의 사진에 의해 확인할 수 있다.
약품 pumping 시험 관련, 용액 살포(노즐분무) 상태 및 노즐 개방 개수에 따른 wetting 상태를 사전에 확인해두었다(노즐 개방 수 5개). 석탄 저장통에서 시료를 일정속도로 공급하며, 상부 컨베이어에서 시료 낙하와 동시에 용액살포 펌프를 기동하여 분무 wetting하였다. 하부 컨베이어에서 wetting 시료 낙하 및 팬구동과 동시에 3분 동안 TSP 측정하였다. 사전에 TSP 영점 조정, cleaning, data 파일명을 설정하고, 시료의 일정한 시료 투입속도 유지를 위하여 30초 간격으로 측정하였다. 시험 편차를 줄이고 시험 신뢰성을 높이기 위하여 연속으로 2 내지 3회 반복하였다. blank(raw coal) 및 BT-210w도 상기와 같이 동일한 방식으로 시험을 진행하였다(fan, 노즐 수, 개방 수, 측정시간 등 동일 시험 조건준수).
노즐 5개를 오픈하고, 비산방지제 희석배율 700 : 1, 습도 80%, 석탄 시료 8kg 조건에 따른 TSP 측정값은 blank 값 대비 80% 이상 감소치를 보여야 하며, 그 결과는 표 2와 같다.
구분 TSP 측정값 성능기준(blank 대비) 결과치
GDP-70w 비산방지제 3.06 80% 이상 85%
BT-210w 비산방지제 7.3 80% 이상 85%
raw coal(blank) 50.4 - -
또한 비산먼지 저감률은 하기 계산식 1로 계산되며, 결과값은 하기 표 3과 같다.
[계산식 1]
Figure 112021061158569-pat00003
구분 성능기준 비산먼지 저감률
GDP-70w 비산방지제 80% 이상 93%
BT-210w 비산방지제 80% 이상 85%
raw coal(blank) - -
표 2를 참조하면, blank인 비산방지제 미처리 시료(원탄, raw coal), GDP-70w 비산방지제, BT-210w 비산방지제를 wetting한 시료와 TSP 측정값 비교 결과, 성능기준인 미처리 시료 대비 80% 이상 감소로 성능기준을 만족하였다.
본 발명에 따른 GDP-70w 비산방지제가 BT-210w 비산방지제 측정값보다 작아 비산먼지 저감 성능이 더욱 우수함을 알 수 있다(raw coal 50.4mg/m3 > BT-210w 7.3mg/m3 > GDP-70w 3.06mg/m3).
표 3을 참조하면, 성능기준인 미산먼지 저감률도 계산식 1에 따른 계산 결과 93%(기준 80% 이상) 얻어 성능기준을 만족함을 알 수 있다.
또한 도 5는 본 발명에 따른 비산먼지 억제값 결과를 비교하여 그래프로 나타낸 것으로, 도 5(a)는 시간에 따른 비산먼지 억제값을 나타낸 것이고, 도 5(b)는 비산먼지 억제 실험 평균값을 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 비산방지제, 상용 BT-210w 비산방지제 및 raw coal의 농도 변화 추이를 확인할 수 있으며, 본 발명에 따른 비산방지제의 비산먼지 억제 효율이 가장 좋음을 알 수 있었다.
단, test bed를 통한 약품 wetting과 동시에 TSP 측정 시 효과를 더욱 뚜렷한 결과로 얻기 위하여 fan(4단, 풍속 2.5m/s) 기동하면서 TSP 값을 측정하였으며, 외부 풍속 및 미세먼지 영향, 습도 고려하여 무풍 조건인 clean house내에서 동시간대에 측정하였으며 매회 측정 시 통풍, 살수 등으로 부유된 석탄먼지를 충분히 제거된 상태에서 측정하여 data의 신뢰도를 높였다. 불균일한 석탄 시료 size 특성과 시료 공급(수동) 속도의 일정 유지는 어려우나, 측정 시간은 약 3분으로 대조 시료와 동일하게 하여 데이터 신뢰도를 높였다.
<시험예 4> 내풍성 분석
본 시험예에서는 비산방지제를 석탄 시료에 wetting(젖음)한 후 풍속별로 먼지 농도를 측정하여 한계풍속(5.0 내지 5.3m/s)까지 비산억제 효과가 유지될 수 있는 정도를 분석해 보았다.
관련하여, 도 6은 본 발명에 따른 내풍성 분석을 사진으로 나타낸 것으로, 우선 시험대상 약품은 실시예 2-1에 의해 제조된 비산방지제(GDP-70w로 표기), 비교예 1에 의해 준비된 상용 BT-210w를 준비하였다. coal 시료 각각 50kg씩 진행했으며, wetting 시료는 GDP-70w 및 BT-210w이다. 그리고 시료받이, 서큘레이터(1 내지 12단), 풍속계, 시료 덮개용 비닐, TSP 측정기, test bed 장치 또한 준비하였다.
이에 따른 방법으로는, 도 6(a)에서와 같은 test bed 장치를 이용하여 석탄 시료에 GDP-70w 및 BT-210w 용액이 균일하게 wetting 되도록 동일 조건으로 살포하였다(도 6(b) 참고). 동일 조건은 노즐(45ml/min) 4개 open, 석탄 시료 각 50kg(5분간 공급)을 의미한다. raw coal 시료 50kg도 blank 용으로 배치하였다. 비산먼지 유발면 최대화를 위해 시료대에 시료 file(더미)을 cone type으로 만들어 두었다. 이어서 서큘레이터 단계별(6, 8, 10, 12단)로 풍속을 측정해 두었다. 각 단계별 풍속에서 동일 조건으로 TSP 값을 측정하여 비교하되, 서큘레이터와 시료 간격, 측정 지점과 시료 간격은 각 50cm로 동일하게 이격하여 측정하였다. 매 측정 직전 시료 더미를 충분히 혼합 후 측정하고, 무풍 상태의 실내 측정과, 동일 시간대 측정(온,습도 동일)을 조건으로 한다. 최종 측정값이 5mg/㎥ 이하가 되어야 한다. 이후 data 산출 및 평가를 하였다.
도 7a은 본 발명에 따른 비산방지제의 내풍성 분석을 그래프로 나타낸 것이고, 도 7b는 상용 BT-210w 비산방지제의 내풍성 분석을 그래프로 나타낸 것이며, 도 8은 내풍성의 최대 풍속을 비교하여 그래프로 나타낸 것이다. 도 7 및 도 8을 참조하면 본 발명의 비산방지제와, 본 발명의 비산방지제가 목표로 하는 BT-210w 비산방지제의 단수별 내풍성을 측정하여 나타낸 그래프임을 알 수 있으며, 이에 따른 결과를 표 4에 나타내었다.
구분 단수(풍속 m/s) 성능기준 이하 측정값(mg/m3) 비고
GDP-70w
비산방지제		 6단(2.3 내지 2.7) 5mg/m3 0.104 만족
(기준 대비 0.78%)
8단(3.3 내지 3.7) 0.082
10단(4.3 내지 4.7) 0.034
12단(5 내지 5.3) 0.039
BT-210w
비산방지제		 6단(2.3 내지 2.7) 5mg/m3 0.115 (기준 대비 1.18%)
8단(3.3 내지 3.7) 0.378
10단(4.3 내지 4.7) 0.044
12단(5 내지 5.3) 0.059
시험 조건: 온도 19℃, 습도 22%
표 4를 참조하면, 전 풍속구간에서 TSP 측정값은 5mg/㎥ 이하로 측정되어 성능기준을 충족하며, 서큘레이터 최대 풍속(12단)에서 TSP 측정 결과, 본 발명의 비산방지제 값이 0.039mg/㎥이고, BT-210w 비산방지제 값이 0.59mg/㎥로, 본 발명의 비산방지제 값이 더 작은 값을 보여 내풍성이 상대적으로 우수함을 알 수 있다.
풍속 단계별 및 비교군별 측정값이 성능기준값(5mg/㎥) 대비 크지 않은 것은 비산 노출면(시료 더미 표면)이 작은 것이 주원인으로 판단되며, 풍속을 올리면서 측정을 반복할수록 TSP 값이 미세하게 증가하는 현상은 초기 측정 시 초미세 먼지의 일부 loss가 그 원인이 됨을 알 수 있다. 8단 풍속에서 BT-210w TSP 측정 값이 다소 높게 나온 것은 측정 직전 혼합 정도 차이가 원인이 되었다.
<시험예 5> 도포력 분석
본 시험예에서는 동일 조건에서 본 발명의 비산방지제(GDP-70w)과 상용 비산제(BT210-w)의 자연 증발 건조량 실험을 통하여 비산방지제 건조량(고형화, solidfication) 정도 파악과 석탄 시료(분체상)에 어느정도의 오랜 시간동안 부착(도포)성이 있는지를 직간접적으로 파악하고, 또한 cross cut 기구를 이용하여 고형 형태의 경화제 부착력을 분석해 보았다.
이를 위해 본 발명의 비산방지제(GDP-70w)과 상용 비산제(BT-210w), 표면경화제를 대상시료로 하고, 샬렛, 전자저울(chemical balance), 온습도계, cross cut dahesion test를 준비하였다.
이에 따른 방법으로는, (1) 샬렛에 각각의 시료를 일정량(5g) 칭량 후 라벨링하였으며, 시료명은 GDP-70w, BT210-w, 표면경화제로 하고, 원액은 700 : 1 희석액으로 하였다. (2) 칭량 후 약품의 표면 유동성 확인 및 샬렛을 기울여 바닥 전 부분 도포되도록 하였다. (3) 칭량된 시료를 연구실 table에 비치하였다. 이때 날씨 변화, 미세먼지 낙진을 고려하여 샬렛 덮개 사용하였다(실험군·대조군 동일 조건). (4) 1주 및 2주 경과 후 시료의 무게를 칭량하였다. (5) 경화제와 부착력 비교 시험을 위하여 cross cut adhesion test 활용을 병행하였다. 단, 습윤 방식인 비산제는 계면활성제 함유로 증발건조시간이 길어 일반 표면 스크레칭 도포력 시험은 다소 어려움이 있다. (6) 시험목표값은 개발대상품(BT-210w)과 동등하거나 이상 건조 잔량이 확보되어야 한다(원액시험 조건적용). (7) data 산출 및 평가하였으며, 1주, 2주마다 고형화 상태를 확인하였으며, 2주 후 최종 증발건조량을 확인해 보았다. 에에 따른 1주 후의 결과를 표 5에 나타내었다.
구분 샬렛 시료 칭량값 증발량 건조잔유물
GDP-70w
비산방지제		 원액 114.540g 5.050g 115.607g 3.983g
(78.87%)		 1.067g
(21.13%)
1 : 700
희석액		 116.270g 5.036g 116.273g 5.033g
(99.94%)		 0.003g
(0.06%)
BT-210w
비산방지제		 원액 114.440g 4.999g 115.150g 4.289g
(85.80%)		 0.710g
(14.20%)
1 : 700
희석액		 114.762g 5.008g 114.763g 5.007g
(99.98%)		 0.001g
(0.02%)
표면경화제 원액 116.273g 5.016g 117.232g 4.057g
(80.88%)		 0.959g
(19.12%)
1 : 700
희석액		 115.468g 5.003g 115.476g 4.995g
(99.84%)		 0.008g
(0.16%)
* 증발량 = 샬렛값 + 시료량 - 칭량값
* 건조잔유물 = 시료량 - 증발량
2주 후의 결과는 하기 표 6과 같다.
구분 샬렛 시료 칭량값 증발량 건조잔유물
GDP-70w
비산방지제		 원액 114.540g 5.050g 115.580g 4.010g
(79.41%)		 1.040g
(20.59%)
1 : 700
희석액		 116.270g 5.036g 116.272g 5.034g
(99.96%)		 0.002g
(0.04%)
BT-210w
비산방지제		 원액 114.440g 4.999g 115.138g 4.031g
(86.04%)		 0.698g
(13.96%)
1 : 700
희석액		 114.762g 5.008g 114.762g 5.008g
(100%)		 0.000g
(0%)
표면경화제 원액 116.273g 5.016g 117.229g 4.060g
(80.94%)		 0.956g
(19.06%)
1 : 700
희석액		 115.468g 5.003g 115.468g 5.003g
(100%)		 0.000g
(0%)
표 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 비산방지제 원액의 총 건조잔류량이 1.040g(20.59%)이고, 상용 비산방지제 원액의 총 건조잔류량이 0.698g(13.96%)으로, 상용 비산방지제 원액보다 본 발명의 비산방지제 원액의 잔류량이 더 많아 도포력이 우수함을 알 수 있다. 본 발명의 비산방지제 원액을 1 : 700로 희석한 희석액의 총 건조잔류량이 0.002g(0.04%)이고, 상용 비산방지제 원액을 1 : 700로 희석한 희석액의 총 건조잔류량이 0.000g(0%)으로, 상용 비산방지제 희석액보다 본 발명의 비산방지제 희석액보다 잔류량이 많아 도포력이 우수하다. 단, 대조군으로 표면경화제 원액의 경우 건조잔류량이 0.956g(19.06%)이고, 1 : 700로 희석한 희석액의 경우 건조잔류량이 0.000g(0%)으로써 상용 비산방지제보다 잔류량이 많음이 확인된다.
즉 원액 조건에서 본 발명의 비산방지제가 상용 제품보다 증발 잔류량이 많아 계면장력 성분에 의해 분체상 물질(예컨대 석탄)에 부착력이 우수하게 된다. 이는 본 발명에 따른 비산방지제의 건고량이 많아 용액이 용질을 머금고 있는 수분(total moisture)의 함유량이 더 많음을 의미하고, 이로 인해 분체상 물질인 석탄 부착에 유리하다. 또한 스크래칭 기구에 의한 표면경화제 부착 결과, 0 내지 5단 구간 중 1단 정도로 경화에 부착성이 매우 높았다. 따라서 본 발명의 비산방지제가 증발 잔류량이 많음으로써 분체상 물질에 부착성 효과가 크다.
<시험예 6> 비산먼지 억제 효과 지속성 분석
본 시험예에서는 본 발명의 비산방지제, 상용 제품을 wetting한 석탄 시료와 원탄(raw coal, 약품 미처리) 시료의 TSP를 2주간(격일간) 일정 풍속에서 측정하여 (미)처리 시료간 차이를 분석하여 시간 흐름에 따른 비산먼지 억제 효과 지속성을 분석해 보았다.
이를 위해 (1) 시험 용액: 본 발명의 비산방지제(GDP-70w), 상용 제품(BT210-w), raw coal(blank 용), (2) coal 시료: 대조 개체별 각 40 내지 48kg, (3) test bed 장치(wetting 용), (4) 시료받이, 서큘레이터, 풍속계, 시료 덮개용 비닐, TSP, 저울, clean house를 준비하였다.
이에 따른 방법으로는, (1) test bed 장치인 상,하부 컨베이어 구동, 용액살포 펌프 및 노즐 상태를 확인하고, (2) 위 장치를 이용하여 본 발명의 비산방지제, 상용 제품(benetech) 용액을 균일하게 석탄에 wetting 되도록 동일량 살포하면서 시료받이에 받아두었다. (3) 인위적 비산유발을 위하여 시료받이에 있는 시료 더미를 cone type으로 만들어 두었다(비산먼지 유발면 최대화를 위함). (4) 서큘레이터 5단계(2.0 내지 2.5m/s)에서 비치된 시료더미 방향으로 향하게 하여 TSP 값을 측정하였다. (5) 표면의 미세먼지 비산(loss) 상태를 고려하여 매회 측정 직전 석탄더미를 충분히 혼합하여 동일한 형태를 조성하여 시험을 진행하였다. (6) 본 발명의 비산방지제 및 상용 제품, raw coal(blank) 모두 동일 조건으로 시험하였다. (7) 시험일수는약 2 내지 3일 간격으로 2weeks까지 측정하여 비산제 미처리 시료와 본 발명의 비산방지제, 상용 제품 처리 시료와의 TSP를 측정하였다. (8) 초기 TSP 값 차이(△C = 미처리-처리)와 2주 후 TSP 값 차이를 분석하여 2주 후 증감 여부를 평가하였다. (9) 미세 분진 특성상 습도 민감성 편차와 초기 시험 대비 비산시험 진행 할수록 미세먼지 자연 loss(제거) 감안하여 저감률 편차를 ±5% 미만 유지를 성능기준 만족으로 한다. GDP-70w 측정 값은 하기 표 7에 나타내었고, BT-210w 측정 값은 하기 표 8에 나타내었다.
Figure 112021061158569-pat00004
Figure 112021061158569-pat00005
표 7 및 도 8을 그래프로 나타내면 도 9와 같다. 즉 도 9는 비산먼지 억제 효과를 비교하여 그래프로 나타낸 것으로, 이를 참조하면 석탄 시료의 습도 민감성과 미세먼지 자연 loss(제거), 매회 측정 시 시료더미 혼합 차이 감안하여 본 발명의 비산방지제(GDP-70w) 초기 저감률과 2Weeks 후 저감률 편차가 +3%로 측정되어 평가기준(±5% 미만)을 충족하며, TSP 농도 절대값 추이 검토 결과치도 GDP-70w 및 BT-210w 모두 초기 농도와 2주 후 측정값 변화가 ±0.05mg/m3 미만으로 효과가 지속되었다. 본 발명의 비산방지제와 상용 제품의 2주 후 비산농도 절대값 또한 본 발명의 비산방지제(0.150㎎/㎥)가 상용 제품 값(0.153㎎/㎥)보다 미세하게 적어 효과지속성이 우수함을 확인할 수 있었다.
정리하면, 본 발명은 복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제에 관한 것으로, 천연 계면활성제인 알킬폴리글리코시드와 비이온 계면활성제, 수용성 고분자 등을 이용해 습윤 타입의 친환경 비산방지제를 제조할 수 있는 특징이 있다.
이와 같은 비산방지제는 데실 알코올과 트리데실 알코올의 혼합 알코올, 도데실 알코올과 트리데실 알코올의 혼합 알코올, 데실 알코올, 트리데실 알코올 및 테트라데실 알코올의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 알킬폴리글리코시드를 포함하여, 강알칼리성 용액이나 기타 전해질에도 쉽게 용해되고 다양한 종류의 음이온 또는 비이온 계면활성제와의 높은 호환성을 가질 수 있으므로, 습윤 특성이 우수한 비산방지제를 합성할 수 있는데 큰 의미가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사항을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사항의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사항은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 산촉매 존재 하에, 데실 알코올(decyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 도데실 알코올(dodecyl alcohol)과 트리데실 알코올(tridecyl alcohol)의 혼합 알코올, 데실 알코올(decyl alcohol), 트리데실 알코올(tridecyl alcohol) 및 테트라데실 알코올(tetradecyl alcohol)의 혼합 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 고급 지방족 알코올, 포도당 및 글루코스를 반응시켜 1차 처리물을 제조하는 단계;
    상기 1차 처리물을 110 내지 130℃에서 가열하면서 반응시키고, 반응 중에 생성되는 물을 제거하여 2차 처리물을 제조하는 단계;
    상기 2차 처리물에 염기성 물질을 첨가하여 pH 7.5 내지 8.5로 중화시켜 3차 처리물을 제조하는 단계;
    상기 3차 처리물을 130 내지 160℃에서 가열하여 잔류 고급 지방족 알코올을 제거하여 4차 처리물을 제조하는 단계;
    상기 4차 처리물에 증류수를 첨가하여 희석한 후 pH 10 내지 11로 조절하고, 과산화수소를 첨가하여 70 내지 95℃에서 탈색하여 알킬폴리글루코시드를 수득하는 단계; 및
    물 700 내지 800중량부에 수용성 고분자 1 내지 10중량부를 용해시킨 용해물에 상기 알킬폴리글루코시드 100 내지 200중량부, 폴리옥시 에틸렌 글리콜 트리데실 에테르(polyoxyethylene tridecyl ether) 10 내지 100중량부, 폴리옥시 에틸렌 소르비탄 트리올레이트(polyoxy ethylene sorbitan trioleate) 1 내지 30중량부 및 글리콜 기반 용매 1 내지 30중량부를 첨가 및 용해시킨 후 산 용액 0.1 내지 1중량부를 이용하여 pH 5.5 내지 6.5의 비산방지제를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수용성 고분자는,
    폴리비닐피롤리돈(PVP: polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 메톡시폴리에틸렌 글리콜(methoxypolyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate) 및 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(polyethylene glycol dimethacrylate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합기능성 습윤형 친환경 비산방지제의 제조방법.
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