KR102690693B1 - 바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 단열재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 단열재의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 제 1 바이오폴리올로서 피마자 유 20 ~ 22 중량부와 제 2 바이오폴리올로서 폴리트리메틸렌에테르글리콜 45 ~ 48 중량부를 사용하고, 재생 폴리올로서 폐폴리우레탄 폼 폴리올 32 ~ 33 중량부를 사용한다. 이러한 폴리올들은 종래의 PPG와 같은 폴리올 제품을 대체하여 사용되는 것이고, 친환경 제품으로 자리잡은 것이다. 본 발명은 이러한 바이오폴리올과 재생폴리올을 혼합하여 순전한 친환경 폴리올 혼합물을 만들고, 이러한 친환경 폴리올 혼합물을 기반으로 하여, 종래의 우레탄 반응을 그대로 적용하여 실시할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 이와 같은 방식으로 폴리우레탄 제품을 제조하였을 경우에도, 종래의 경질 폴리우레탄에 비하여 그 물성이 뒤떨어지지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 이와 같은 방식으로 폴리우레탄 제품을 제조하였을 경우에도, 종래의 경질 폴리우레탄에 비하여 그 물성이 뒤떨어지지 않는 장점이 있다.
Description
본 발명은 바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오폴리올과 폐폴리우레탄 폼 폴리올을 이용하여 기존의 폴리올 혼합물을 대체하여 활용할 수 있고, 통상적인 방식으로 우레탄 반응을 진행시킬 경우에도, 경질 폴리우레탄 폼 제품을 안정적이고 효율적으로 제조할 수 있는 바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 사용 후 발생하는 각종 폐기물의 적절한 처리 기술은 인류 미래를 위한 지구 환경보호 차원에서 매우 중요한 과제로 부상되고 있다.
폴리우레탄의 경우, 경질 폴리우레탄 폼으로서는 가장 대표적으로 폐 냉장고의 단열재와 건축물의 단열재로 주로 사용되고 있고, 연질 폴리우레탄 폼으로서는 자동차의 시트 또는 침대 매트리스 등에 주로 사용되고 있다.
이러한 폴리우레탄 제품들은 사용된 이후, 환경오염을 방지하는 차원에서 일부 회수되어지고 있지만, 우레탄 제품의 가교결합 구조를 해체하여 다시 원래의 상태로 회복하는 것이 쉽지 아니하다. 이에 대한 방식으로, 소각처리 방식과 화학적인 분해 방식이 등장하고 있다.
먼저, 소각처리방식은 그 소각과정에서 시안화수소와 일산화탄소를 발생시키고 있고, 시안화수소와 일산화탄소를 재활용하기 어려워서, 2차 환경 파괴의 문제점을 가지고 있다. 이 점에서, 소각처리 방식은 일정한 한계를 가지고 있으며, 폐폴리우레탄 폼의 재활용 방법으로서는 적합하다고 할 수 없다.
다음, 화학적인 분해 방식은 폐폴리우레탄 폼 제품을 회수하여, 글리콜리시스 반응을 하도록 유도하여 해중합물을 얻고, 그 해중합물을 다시 가공처리하는 방식으로 진행되고 있다. 이러한 방식은 폴리우레탄의 견고한 가교결합을 극복하여 폐폴리우레탄의 해중합물을 얻게 되었지만, 그 해중합물 내지 그로부터 얻어진 폐폴리우레탄폼 폴리올을 다시 재활용하는 기술이 아직 등장하지 않은 것으로 여겨지고 있다.
한편, 현재 진행되고 있는 종래의 폴리우레탄 폼 제조방법은 원유로부터 얻어진 폴리올 화합물을 사용하고 있으므로, 이에 대한 대책으로 바이오폴리올을 이용한 친환경 단열재 및 그 제조방법에 관한 필요성이 제기되기에 이르렀다.
바이오폴리올을 이용한 친환경 단열재는 바이오 기반 친환경 폴리올을 이용하게 되므로, 폴리우레탄 폼의 제품 생산과정 중에서 발생하는 탄소발자국(Carbon footprint) 감소 효과를 통해, PPG를 포함한 다양한 폴리올을 대체할 수 있고, 이로 인하여 제품의 친환경성을 증가시키는 소재로 사용할 수 있는 장점이 있다.
다만, 이러한 바이오폴리올을 이용하였을 경우, 우레탄 보드의 강도 유지와, 보드의 부서짐을 방지하는 유연성 등의 문제 해결이 시급한 실정이다.
본 발명은, 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바이오폴리올과 폐폴리우레탄 폼 폴리올을 이용하여 기존의 폴리올 혼합물을 대체하여 활용할 수 있고, 통상적인 방식으로 우레탄 반응을 진행시킬 경우에도, 경질 폴리우레탄 폼 제품을 안정적이고 효율적으로 제조할 수 있는 바이오폴리올을 이용한 친환경 단열재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 제1 바이오 폴리올로서 피마자 유 20 ~ 22 중량부와 폴리트리메틸렌에테르글리콜 45 ~ 48 중량부와 폐폴리우레탄 폼 폴리올 32 ~ 33 중량부를 혼합하여 바이오폴리올 혼합물을 얻는 제 1단계와;
제 1단계에서 얻은 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여, 그 첨가제로서
실리콘 정포제 1.50 ~ 1.86 중량부와,
점도조절제 15.0 ~ 17.0 중량부와,
아민 촉매 1.80 ~ 2.0 중량부와,
삼량화 촉매 0.55 ~ 0.75 중량부와,
화학 발포제 14.0 ~ 15.0 중량부와,
증류수 2.0 ~ 2.17 중량부를 칭량하여,
상기 바이오폴리올 혼합물에 상기 첨가제를 투입하고, 혼련하여 폴리올 시스템을 얻는 제 2 단계와;
제 2 단계에서 얻은 폴리올 시스템 100 중량부에 대하여 이소시아네이트 105 ~ 115 중량부를 투입하고, 이를 우레탄 반응으로 진행하는 제 3 단계; 를 포함하고 있다.
본 발명에 있어서, 상기 피마자유는 Caster oil로서 분자당 3개의 수산기를 가지고 있으며, 그 당량은 350 이하의 제품을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 폴리트리메틸렌에테르글리콜은 옥수수를 발효하여 1,3-Propandiol을 생성하고 이것을 중합하여 합성된 것을 이용할 수 있다.
본 발명은 기존의 신재 폴리올 제품을 사용하지 않고, 바이오폴리올 제품과 폐폴리올폼의 재생 폴리올을 사용하여, 경질 제품으로서 충분한 밀도와 강도를 가지고 있는 폴리우레탄폼 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 바이오폴리올 제품을 그 원재료의 단계에서부터 친환경 제품을 사용할 수 있는 장점이 있는 동시에, 기존의 폐폴리우레탄 제품의 해중합물로부터 얻은 폐폴리올폼의 재생 폴리올을 사용할 수 있으므로, 폐자원의 재활용 활동을 활성화할 수 있는 장점이 있는 것이다.
도 1은, 피마자유의 개략적인 분자구조를 나타낸 개략도이고,
도 2는, 본 발명에서 사용되는 제2 바이오폴리올의 제조과정을 나타낸 개략도이며,
도 3은, 본 발명의 제조방법에 의해 얻은 폴리우레탄 제품의 시험성적서에 관한 자료이다.
도 2는, 본 발명에서 사용되는 제2 바이오폴리올의 제조과정을 나타낸 개략도이며,
도 3은, 본 발명의 제조방법에 의해 얻은 폴리우레탄 제품의 시험성적서에 관한 자료이다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적이고 상세하게 설명한다.
본 발명에서 제공되는 구체적인 수치 또는 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 실시 양태로서, 본 발명의 기술사상을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 명백하다.
또한, 본 발명의 명세서에 있어서, 이 기술분야에서 공지된 것으로서 통상의 기술을 가진 자에 의해 용이하게 창작될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 기존의 폴리올 화합물을 사용하지 않고, 바이오폴리올과 재생 폴리올을 이용하고, 이들을 혼련하여 바이오폴리올 혼합물을 준비하여 사용하는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.
본 발명은 제1 바이오 폴리올로서 피마자 유 20 ~ 22 중량부와 제 2 바이오 폴리올로서 폴리트리메틸렌에테르글리콜 45 ~ 48 중량부와 재생 폴리올로서 폐폴리우레탄 폼 폴리올 32 ~ 33 중량부를 혼합하여 바이오폴리올 혼합물을 얻는 제 1단계를 포함하고 있다.
상기 제 1 단계에서 사용되는 피마자유는 Castor Oil로써, 아주까리 기름이라 칭하며, 피마자콩을 압착한 식물성 기름을 일컫는다. Castor Oil은, 일반적인 보통의 기름 종류와는 다르게, 우레탄 반응을 할 수 있는 수산기(-OH)를 분자 구조당 약 3개씩 가지고 있으므로, 우레탄 반응용 바이오폴리올 제품으로 사용되는 것이다.
첨부된 도 1은 본 발명에서 사용될 수 있는 제1 바이오폴리올 제품으로 사용될 수 있는 피마자유의 분자구조를 나타내 보여주고 있다.
또한, 상기 피마자유는 분자량이 1,026.75 이고, 그 당량은 342 이다. 이는 폴리우레탄 반응에 요구되는 폴리올로서 다소 큰 당량을 가지고 있는 것으로 여겨지고 있다. 그러나, 상기 피마자유로 인한 높은 당량의 문제는 더 낮은 당량의 폴리올을 혼합 사용함으로써, 이러한 문제점을 충분히 극복할 수 있다. 본 발명자들이 개발하여 얻은 폐폴리우레탄폼의 재생폴리올을 혼합함으로써 해결할 수 있다. 경질 우레탄 단열재의 역할을 할 수 있다.
상기 제 1 단계에서 사용되는 제 2 바이오 폴리올은 폴리트리메틸렌에테르글리콜이다. 상기 폴리트리메틸렌에테르글리콜은 옥수수를 발효하여 얻는 것을 지칭한다. 이는 옥수수를 발효시켜서 1차적으로 1,3-Propandiol을 생성하고, 이것을 2차로 중합하여 합성된 것을 이용하는 것이 바람직하다.
첨부된 도 2는 본 발명에서 사용될 수 있는 제2 바이오폴리올 제품으로 사용될 수 있는 폴리트리메틸렌에테르글리콜(Polythrimethylene ether glycol: PO3G)의 분자구조를 나타내 보여주고 있다.
상기 Polytrimethylene ether glycol은 그 분자의 내부에 수산기(-OH)를 2개씩 가지고 있으며, 그 분자량을 다양하게 조절하여 얻을 수 있다. 예컨대, 현재 생산회사는 미국의 Dupont Cerenol, 대한민국의 SK케미칼, 기타 ECOTRION, ALLESSA Velvetol 등을 예시할 수 있으며, 그 중에서 Dupont Cerenol 은 제일 분자량이 낮은 500 제품을 생산하고 있으며 이것의 당량은 250 으로 알려져 있다. 따라서, 상기 Polytrimethylene ether glycol은 상기 제 1 바이오폴리올인 Castor Oil 에 비해서도 경질 우레탄 폴리올에 매우 적합한 구조를 가지고 있다고 할 수 있다.
상기 제 1 단계에서 사용되는 재생 폴리올로서 폐폴리우레탄 폼 폴리올은 다음과 같은 방식으로 제조하여 준비할 수 있다.
폐 냉장고의 단열재로부터 수집된 폴리우레탄 폼을 잘게 분쇄하여 반응기에 10 중량부를 투입한 다음, 모노에탄올아민 4 중량부를 반응기에 더욱 첨가하여 상기 폴리우레탄 폼 분말을 화학적으로 분해하도록 한다. 상기 반응기에 질소기체 주입하여 질소분위기를 만들고, 그 상태에서 반응기의 온도를 170℃ 까지 승온시켜 6시간 동안 교반시키면서 반응을 진행시킨다. 해중합 반응 결과 폴리우레탄폼 스크랩들이 화학적 반응을 거쳐 균일한 액상의 아민기 말단의 화합물 10 중량부를 얻게 된다. 이렇게 얻어진 상기 반응 생성물 8k 중량부를 고압반응기에 넣고, 그 고압반응기에 다시 프로필렌옥시드 16 중량부를 3시간에 걸쳐 서서히 부가시키고, 8시간 정도 숙성하게 되면, 점성이 있는 재생 폴리올을 얻게 되는 것이다.
이와 같은 방식으로 얻어진 폐폴리우레탄 폼 폴리올은 제품명칭 RAP-9200으로 명명되어지고, 그의 분자량은 대략 660 이고, 이 제품의 당량은 165으로 경질폴리올에 매우 적합할 뿐만아니라, 본래의 폐폴리우레탄 폼 원료에 사용되었던 폴리이소시아네이트가 폴리올화되어 있다. 따라서, 상기 폐폴리우레탄 폼 폴리올은 견고한 Aromatic (벤젠) 구조를 가진 폴리올이므로 단단하고 견고한 물성을 충분히 발현할 수 있는 기반을 가지고 있다.
본 발명은 상기 제 1단계에서 얻은 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여, 각각의 첨가제들을 칭량하고, 그 각각의 첨가제들을 상기 바이오폴리올 혼합물에 투입하고 혼련하여 폴리올 시스템을 얻는 제 2 단계를 포함하고 있다.
상기 제 2 단계에서 사용되는 각종 첨가제들로서, 실리콘 정포제는 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 1.50 ~ 1.86 중량부를 사용한다. 실리콘 정포제는 발포제로 인한 셀 구조를 안정화시키는 기능을 수행한다.
상기 제 2 단계에서 사용되는 점도조절제는 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 15.0 ~ 17.0 중량부를 사용한다. 점도조절제는 혼합물의 점도를 낮추어서 균일한 혼련 효과를 얻을 수 있도록 한다.
상기 제 2 단계에서 사용되는 촉매는 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 1.8 ~ 2.0 중량부를 사용한다. 상기 촉매는 아민계 촉매가 바람직하고, 우레탄 반응의 촉진을 도모한다.
상기 제 2 단계에서 사용되는 삼량화 촉매는 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 0.55 ~ 0.75 중량부를 사용한다. 상기 삼량화 촉매는 나중에 투입되는 이소시아네이트와 삼량화 반응을 유도하여 최종 제품의 강도를 향상시켜주는 기능을 수행한다.
상기 제 2 단계에서 사용되는 증류수는 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 2.0 ~ 2.17 중량부를 사용한다. 상기 증류수는 우레탄 반응시 이산화탄소를 발생시켜서, 그 이산화탄소가 발포제로서 기능을 수행할 수 있도록 하기 위하여 사용된다.
상기 제 2 단계에서 사용되는 화학 발포제는 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 14.0 ~ 15.0 중량부를 사용한다. 상기 화학 발포제는 우레탄 반응의 진행 과정에서 형성된 이산화탄소 만으로는 충분한 셀 형성 능력이 약하므로, 이를 보완하고, 균일하고 충분한 발포 성능을 얻기 위하여 투입된다.
본 발명은 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 각각의 첨가제를 각각 칭량하고, 그 투입량을 결정하여 투입하고, 이들을 혼련하여 본 발명에 의한 폴리올 시스템을 얻게 됨으로써, 상기 제 2 단계를 완료하게 된다.
본 발명은 상기 제 2 단계에서 얻은 폴리올 시스템 100 중량부에 대하여 이소시아네이트 105 ~ 115 중량부를 투입하고, 혼련하여, 이를 우레탄 반응으로 진행하는 제 3 단계를 포함하고 있다.
상기 제 3 단계는 우레탄 제조공정에서 통상적인 방식으로 진행되는 방식을 따라 진행될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 구체적으로 설명한다.
<< 실시예 1 >>
실험에 사용한 폴리우레탄 폼은 아래의 < 표 1>과 같은 배합 처방으로 각각의 원재료들을 준비하고 칭량하여 사용하였다.
< 표 1 >에 제시된 바와 같이 제1 바이오폴리올과 제2 바이오폴리올 및 재생폴리올을 혼합하여 폴리올 혼합물을 준비하고, 역시 < 표 1 >에 제시되어 있는 각각의 첨가제들을 25℃에서 계량하여 반응 용기에 투입하고, 고속 교반기로 2000 rpm으로 5 분 정도 혼합하였다. 또한, < 표 1 >에 기재된 범위의 이소시아네이트를 투입한 다음, 다시 고속 교반기로 15초 동안 혼합하여 우레탄 반응을 진행하였다.
그 이후, 400 X 400 X 400 ㎜ 의 나무로 제작한 상자에 도입하여 경질 폴리우레탄 폼을 얻을 수 있었다.
상기 실시예 1에 의하여 완성된 경질 폴리우레탄 폼을 얻을 수 있었다.
| 원부 재료 | 조성비 (중량부) | |
| Polyol part | ||
| 제1 바이오폴리올 | Castor Oil | 21.0 |
| 제2 바이오폴리올 | PO3G | 47.0 |
| 재생 폴리올 | RAP-9200 | 32.0 |
| 정포제 | B-8462 | 1.60 |
| 점도조절제 | Aldrich 제품 | 16.0 |
| 촉매(1) | Polycat 8 | 1.30 |
| 촉매(2) | Polycat 41 | 0.60 |
| 삼량화 촉매 | D뮤채 TMR | 0.60 |
| 증류수 | Water | 2.10 |
| 화학발포제 | 싸이클로펜탄 | 14.5 |
| Isocyanate part | ||
| Polymeric MDI (NCO 함량: 31wt%) |
150 | |
<< 폴리우레탄 폼의 물성 테스트 >>
본 발명자들은 상기 실시예 1에 의하여 얻은 폴리우레탄 폼의 물성을 객관적으로 확인하고자 하였고, 이를 위하여, 상기 실시예 1에 의하여 얻은 폴리우레탄 폼 제품을 샘플로 만들어, 국내 시험기관에 의뢰하기로 결정하였다.
본 발명자들은 상기 샘플을 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하였으며, 그 샘플 제품의 주요 물성은 < 표 2 >에 나타낸 바와 같았다.
| 특성 | 밀도 | 압축강도 | 굴곡파괴하중 | 흡수량 | 열전도도 |
| 단위 | Kg/ ㎥ | MPa | N | g/100㎡ | W/(mK) |
| 물성 | 35 | 17 | 70 | 1.0 | 0.023 |
본 발명자들은 상기 < 표 2 >의 폴리우레탄 폼의 물성 테스트 결과에 의할 경우, 그 폴리우레탄 폼의 밀도는 35 Kg/ ㎥ 임을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 의한 방식으로 폴리우레탄 폼을 제조할 경우, 경질 폴리우레탄 폼으로서 충분한 정도의 밀도를 가지고 있음을 의미하는 것이고, 이는 실질적이고 객관적인 자료에 의해 확인되고 있음을 의미하는 것이라고 할 것이다.
또한, 본 발명자들은 상기 < 표 2 >의 폴리우레탄 폼의 물성 테스트 결과에 의할 경우, 그 폴리우레탄 폼의 열전도도는 0.023 3 W/mK 임을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 의한 방식으로 폴리우레탄 폼을 제조할 경우, 경질 폴리우레탄 폼으로서 충분한 정도의 단열성을 가지고 있음을 의미하는 것이고, 이는 실질적으로 종래의 경질 폴리우레탄 폼의 단열성과 비교하여 동등한 수준임을 의미하는 것으로 받아들여졌다.
이에, 본 발명자드은 위와 같은 물성 테스트의 결과를 근거로 하여 살펴볼 때, 본 발명에 의한 방식으로 제조된 폴리우레탄 폼 제품이, 바이오폴리올 및 재생 폴리올을 주원료로 사용하고 있음에도 불구하고, 기존의 경질 폴리우레탄 폼 단열재의 물성에 비하여, 결코 뒤지지 아니한 물성을 보유하고 있을 뿐만 아니라, 자연친화적인 제품으로서, 전혀 손색이 없다는 점을 객관적으로 확인하게 되었다.
이상에서 본 발명에 의한 바이오폴리올을 이용한 친환경 단열재 및 그 제조 방법을 구체적으로 제시하였으나, 이는 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 구체화된 것일 뿐, 본 발명의 모든 특징이 위에서 언급한 항목에만 적용되는 것이라고 한정하여 해석되어서는 아니될 것이다.
또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.
Claims (3)
- 제1 바이오 폴리올로서 피마자 유 20 ~ 22 중량부와 폴리트리메틸렌에테르글리콜 45 ~ 48 중량부와 폐폴리우레탄 폼 폴리올 32 ~ 33 중량부를 혼합하여 바이오폴리올 혼합물을 얻는 제 1단계와;
상기 제 1단계에서 얻은 상기 바이오폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여, 그 첨가제로서, 실리콘 정포제 1.50 ~ 1.86 중량부와,
점도조절제 15.0 ~ 17.0 중량부와,
아민 촉매 1.80 ~ 2.0 중량부와,
삼량화 촉매 0.55 ~ 0.75 중량부와,
화학 발포제 14.0 ~ 15.0 중량부와,
증류수 2.0 ~ 2.17 중량부를 칭량하여,
상기 바이오폴리올 혼합물에 상기 첨가제를 투입하고, 혼련하여 폴리올 시스템을 얻는 제 2 단계와;
상기 제 2 단계에서 얻은 폴리올 시스템 100 중량부에 대하여 이소시아네이트 105 ~ 115 중량부를 투입하고, 우레탄 반응으로 진행하는 제 3 단계; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 한,
바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 단열재의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 폴리트리메틸렌에테르글리콜은,
제2 바이오폴리올로서, 옥수수를 발효하여 얻어지고,
상기 옥수수를 1차적으로 발효하여 1,3-Propandiol을 생성하고,
상기 1,3-Propandiol을 2차로 중합하여 합성된 것을 이용하는 것을 특징으로 한, 바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 폼 단열재의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 의하여 제조된 바이오폴리올을 이용한 친환경 폴리우레탄 폼 단열재.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |