KR20000071114A - 이소시아네이트 및 보다 고점성의 폴리올 배합물로부터 반응혼합물을 제조하기 위한 방법 및 혼합 헤드 - Google Patents

이소시아네이트 및 보다 고점성의 폴리올 배합물로부터 반응혼합물을 제조하기 위한 방법 및 혼합 헤드 Download PDF

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쿠르트 크리플
볼프강 프리데리히스
우베 퀸첼
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빌프리더 하이더
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Abstract

이소시아네이트 및 보다 높은 점성의 폴리올 배합물로부터 반응 혼합물을 교반 장치 없이 제조하는 방법 및 교반 장치 없는 혼합 헤드가 개시되어 있으며, 여기서 구성성분들은 둘다 혼합 대역으로 공급되어 거기서 서로 혼합되며, 점도 3000 mPa.s 이상의 폴리올 배합물은 저압에서 혼합 대역으로 공급되고, 저점성 구성성분들 (이소시아네이트 및 임의로는 저점성 폴리올)의 2개 이상의 흐름은 고압에서 높은 점성의 폴리올 배합물의 흐름으로 사출된다.

Description

이소시아네이트 및 보다 고점성의 폴리올 배합물로부터 반응 혼합물을 제조하기 위한 방법 및 혼합 헤드{Method and Mixing Head for Producing a Reaction Mixture from an Isocyanate and a Higher-Viscous Polyol Formulation}
본 발명은 이소시아네이트 및 폴리올 배합물로부터 폴리우레탄 형성 반응 혼합물을 교반 장치 없이 제조하는 방법에 관한 것으로, 여기서 이들 두 성분은 혼합 대역으로 공급되어 거기서 서로 혼합되며, 1종 이상의 성분들은 점도가 3000 mPa.s를 넘고, 바람직하게는 5000 mPa.s를 넘는다.
신규한 응용 분야에는 보다 고점성의 폴리올 배합물의 처리가 요구된다. 보다 고점성의 성분을 사용하는 경우, 여러가지 잇점들이 제공된다. 일반적으로, 폴리에테르 폴리올 및 특히 폴리에스테르 폴리올의 점도가 그들의 관능도가 증가함에 따라 증가한다는 것은 명백하다. 고도의 가교 결합에 의해 보다 양호한 수준의 기계적 특성을 달성하기 위해, 구성성분으로서 높은 관능도의 폴리올 성분을 비교적 보다 많은 양 사용하는 것이 바람직하다.
높은 점도의 성분으로서, 이소시아네이트 성분은 또한 예비중합체의 형태로 사용된다.
교반 장치를 전혀 포함하지 않는 자정 (self-cleaning) 혼합 챔버에서의 만족스런 혼합에는 이러한 성분들의 점도가 증가하는 만큼 여전히 어려움들이 있다. 문헌 ["Kunststoff-Handbuch", 제7권, "Polyurethanes"의 제175면, 마지막 문단 (1993년 3월, Carl Hanser Verlag에 의해 출판됨)]에는 "이전에는 1500 mPa.s에서 혼화도 한계에 도달하였지만, 요즘에는 사출 방법에 따라 2000 mPa.s를 넘는 점성물질을 취급하는 것이 가능하다."라고 기술되어 있다. 그러나, 실제로 향류 고압 사출 방법에 따라 3000 mPa.s를 넘는 점도의 반응 성분들을 처리하는 것은 아직 가능하지 않다. 생성된 포말은 찰흔 (striations)을 포함하고, 물리적 가치는 급격히 떨어진다. 따라서, 교반 장치를 포함하는 혼합 헤드의 사용이 요구되어 왔다.
점도를 상승하는 처리 온도에서 2000 내지 3000 mPa.s로 경감시키는 것도 또한 공지되어 있다 ("Kunststoff-Handbuch", 제125면). 그러나, 증가하는 성분 온도에 의해 계의 반응성 증가가 초래되어 발포 공정은 더이상 조절될 수 없게 된다.
하기 관찰들은 고점성 성분으로서의 폴리올 성분에 관한 것이지만, 이것은 예시적이다. 이 관찰들은 이소시아네이트 성분이 고점성 성분으로서 사용되는 경우에도 상응하게 적용된다.
본 발명의 목적은 교반 장치를 사용하지 않고 반응에 의해 고품질의 생성물을 형성하는, 서두에서 언급된 유형의 반응 혼합물을 제조하는 것이 가능한 방법 및 혼합 헤드를 제공하는 것이다.
이 목적은 점도 3000 mPa.s 이상의 폴리올 배합물을 저압에서 혼합 대역으로 공급하고, 2개 이상의 스트림의 저점성 성분들 (이소시아네이트 및 임의로는 저점성 폴리올)을 고압에서 고점성의 폴리올 배합물의 스트림으로 사출시키므로써 달성된다.
놀랍게도, 이로 인해 보다 고점성의 성분들이 양호하게 혼합된다. 본 발명은 보다 고점성의 성분을 2개 이상의 서브스트림으로 분리한 결과, 그의 에너지에 변화가 일어남에도 불구하고 에너지가 전체적으로 증가한다는 사실을 이용한다.
바람직하게는, 폴리올 배합물 스트림의 단면적은 이소시아네이트 스트림들의 단면적의 합 보다 10 내지 100 배 더 크다.
임의로는, 이소시아네이트에 대한 50 내지 300 bar의 바람직한 처리 압력과 폴리올 배합물에 대한 20 bar 미만의 처리 압력을 조합시키는 경우, 양호한 결과가 달성된다. 70 내지 250 bar의 압력이 바람직하고, 100 내지 200 bar의 압력이 특히 바람직하다.
바람직하게는, 이소시아네이트 성분의 서브스트림을 직교류로 사출시킨다.
본 명세서에서 직교류 유입부로부터의 편향이 그다지 크지 않은 경우, 비교적 양호한 결과가 여전히 얻어지는 것을 주목해야 한다.
사출 분사구는 혼합 대역의 중심 축 방향으로 향하지 않는 것이 또한 유리하며, 이는 적어도 대략적으로 접선 방향의 유입에 의해 추가의 난류의 결과로서 양호한 혼합도가 제공되기 때문이다. 통상적으로 유입 위치는 혼합 대역의 외주에 균일하게 분포되어 있고, 임의로는 저점성의 성분만이 말단측에서 공급될 것이다.
성분의 점도가 2000 mPa.s 미만인 고전적인 향류 사출 원리의 경우, 하기 수학식 1의 에너지 분포식이 사용된다.
(m폴리× p폴리) + (m이소× p이소) = E
100 bar의 사출 압력에서 폴리올 (점도 4000 mPa.s)의 사출량이 4 kg/분이고 이소시아네이트 (점도 50 mPa.s)의 사출량이 6 kg/분이며, 따라서 총 사출량이 10 kg/분인 경우, 다음의 에너지 분포가 일어난다:
(4 × 100) + (6 × 100)
폴리올 에너지 400 + 이소시아네이트 에너지 600 = 1000.
역으로, 신규한 방법에서 폴리올이 10 bar에서 공급되고 이소시아네이트가 180 bar에서 서로 대향하는 2개의 서브스트림으로 직교류로 사출되는 경우:
(m폴리× p폴리) + [(m이소/2 × p이소) + (m이소/2 × p이소)] = E
4 × 10 + (6/2 × 180) + (6/2 × 180)
폴리올 에너지 40 + 이소시아네이트 에너지 1080 = 1120.
신규한 방법의 또다른 실시양태에 따르면, 모든 스트림은 동일면에서 혼합 대역내로 도입된다.
폴리올 배합물의 보다 고점성의 구성성분만을 저압에서 공급하고, 이와는 별도로 저점성의 구성성분 및 이소시아네이트를 고압에서 고점성 구성성분의 스트림으로 사출시키는 것도 또한 가능하다.
하기의 예가 본 명세서에서 고려될 수 있다: 2/3는 고점성이고 1/3은 저점성인 폴리올 4 kg/분을 처리한다. 고점성 구성성분을 10 bar의 압력에서 수직 방식으로 혼합 대역으로 유입한다. 저점성 구성성분 및 이소시아네이트 6 kg/분을 150 bar에서 120。로 상쇄된 총 3개의 서브스트림으로 횡방향 사출시킨다. "폴리 H"가 고점성 폴리올이고 "폴리 N"이 저점성 폴리올인 관련된 에너지 계산은 다음과 같다:
[(1/3m폴리H× p폴리) + (2/3m폴리N× P폴리)] +
[(m이소/2 × p이소) + (m이소/2 × p이소)] = E
(1.33 × 10) + (2.66 × 150) + (6/2 × 150) + (6/2 × 150)
폴리올 에너지 413 + 이소시아네이트 에너지 900 = 1313.
폴리올 배합물을 고점성 및 저점성 구성성분으로 분리하는 경우, 고점성 구성성분은 또한 수직 방식으로 혼합 챔버내로 도입될 수 있는 반면, 저점성 구성성분은 하나의 스트림으로 사출되고, 이소시아네이트의 총량이 상기 스트림과 서로 대향하는 또다른 스트림으로 사출되는 경우:
[(1/3m폴리H× p폴리) + (2/3m폴리N× p폴리)] +
(m이소× p이소) = E
(1.33 × 10) + (2.66 × 150) + (6 × 150)
폴리올 에너지 413 + 이소시아네이트 에너지 900 = 1313.
물론, 이소시아네이트 및(또는) 저점성 폴리올 모두는 다수의 서브스트림으로 사출될 수도 있다.
성분들을 위한 유입구를 갖는 혼합 챔버를 포함하는, 교반 장치가 없는 혼합 헤드는 바람직하게는 신규한 방법을 실행하는데 적합하다.
신규성은 보다 고점성의 폴리올 배합물용 유입구 및 저점성 성분들 (이소시아네이트 및 임의로는 저점성 폴리올)을 위한 2개 이상의 유입구에 있는 것으로 여겨지며, 이 때 보다 고점성의 폴리올 배합물용 유입구의 단면적은 저점성 성분(들)용 유입구들의 단면적의 합 보다 10 내지 100 배 더 크다.
이러한 혼합 헤드는 자정능이 있고, 원칙적으로 이들의 조절 설비들에 따라, 예를 들어 하류 벨트 시스템에 대한 연속 운전, 또는 충진되는 다른 공동 또는 성형 도구의 충진을 위한 회분식 운전도 또한 가능하다.
본 발명에 의해 점도가 3000 mPa.s를 넘는, 특히 10,000 내지 50,000 mPa.s의 폴리올 성분들을 사용한 반응 혼합물의 제조가 가능하다.
폴리올 성분의 점도 한계는 요구되는 운반 수단에 의해 부여된다. 기어 펌프, 스크류-스핀들 (screw-spindle) 펌프 또는 웜 (worm) 컨베이어도 또한 100,000 mPa.s 이하에서의 적합한 운반 수단이다.
다음에서 본 발명은 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명될 것이다.
도 1a 및 1b는 슬롯 다이 (slot die) 형태의 출구를 갖는 본 발명에 따른 혼합 헤드의 예시도.
도 2는 스푼 또는 팬 노즐 형태의 출구를 갖는 본 발명에 따른 혼합 헤드의 예시도.
도 3a 및 3b는 회분식 운전을 위한 본 발명에 따른 혼합 헤드의 예시도.
도 4a, 4b 및 4c는 회분식 운전을 위한 본 발명에 따른 혼합 헤드의 또다른 실시양태의 예시도.
도 1a에 나타낸 본 발명에 따른 혼합 헤드 (1)는 고점성 폴리올용 공급관 (11) 및 이소시아네이트용 유입구 (12)를 포함한다. 유입구 (12)에는 예비응력 스프링에 대해 가동가능한 밀봉 콘 (15)이 있고, 이것은 이소시아네이트가 요구되는 압력에서 (화살표 14로) 공급되는 경우 개방된다. 기하학적 면에서 명확하게 한정되지는 않는 혼합 대역 (13)은 단순한 유통관 형태이고, 그 내부로 이소시아네이트용 사출 노즐 (12)이 개방된다. 혼합 대역 (13)은 난류를 일으키는 어떠한 종류의 내장 부재도 포함하지 않는다. 이소시아네이트용 사출 노즐 (12)은 바람직하게는 혼합 대역 (13)의 축 방향으로 향하지 않으나, 이러한 방식으로 축에 대해 수직인 면에서 회전하여 이소시아네이트의 사출 결과, 고점성 폴리올 스트림은 혼합을 돕기 위해 혼합 대역 (13)에서 회전 운동을 겪게 된다. 혼합 헤드 (1)의 출구 (2)는 슬롯 다이 형태이다. 도 1b는 혼합 헤드 출구 (2)를 통한 도 1a의 도면에 대해 수직인 단면을 나타낸다.
도 2는 도 1a에서와 같은 혼합 헤드 (1)를 나타내지만, 출구 (2)가 팬 노즐 형태이다.
도 3a에서 혼합 헤드 (1)는 포말 성형물의 제조를 위한 간헐성 회분식 운전에 적합하다. 혼합 헤드는 축 방향 (화살표 21)으로 수압으로 가동가능한 밀봉 피스톤 (20)을 갖는다. 주형을 충진시키기 위해, 밀봉 피스톤 (20)은 뒤로 (화살표 21에 의해 나타내지는 바와 같음) 이동되어 고점성 폴리올용 유입구 (11) 및 이소시아네이트용 사출 노즐 (12)이 혼합 대역 (13)으로의 도입을 위해 개방된다. 혼합물은 혼합 대역 (13)으로부터 혼합물이 주형으로 도입되는 유출관 (2)으로 보내진다. 주형의 충진이 완료되는 경우, 밀봉 피스톤 (20)은 나타내진 위치로 되돌아가 혼합 대역 (13)에 대한 유입구들 (11 및 12)은 차단된다. 동시에, 유입구들 (11 및 12)은 밀봉 피스톤 (20)내의 홈들 (28 및 29)에 의해 고점성 폴리올 및 이소시아네이트가 각각의 저장 용기로 송환되는 재순환관들 (24 및 25)과 연결된다. 재순환 스트림은 폴리우레탄 제조 기술에서 통상정인 바와 같이, 뱃치들 사이에서 휴지 동안 유지된다. 혼합 헤드는 또한 뱃치의 말단에 수압으로 운전되는 세정 피스톤 (26)을 갖고, 일단 밀봉 피스톤 (20)이 밀봉 위치로 이동하면, 유출관 (2)내에 남아 있는 혼합물을 유출관 (2)으로부터 방출시킨다. 도 3b는 도 3a를 통한 A-A 단면을 나타낸다. 예시적으로 나타내지는 도면에서, 3개의 사출 노즐은 이소시아네이트를 도입시키기 위해 제공된다. 혼합 헤드 구조의 변형이 가능하며, 베커/브라운 (Becker/Braun)의 문헌["Kunststoff-Handbuch", 제7권, "Polyurethanes", 제177 내지 182면 (1993)]으로부터 당업계의 숙련자들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명에 중요한 것은 이소시아네이트 유입구에 비해 넓은 단면적의 고점성 폴리올용 공급관이고, 상응하게는 넓은 단면적의 재순환관이며, 그 결과 고점성 폴리올은 실질적으로 압력을 가하지 않는 방식으로 운반될 수 있다.
도 4a는 간헐성 회분식 운전을 위한 본 발명에 따른 혼합 헤드의 또다른 실시양태를 나타내며, 이 때 고점성 폴리올에 대한 전향 각은 작게 유지된다. 동일한 참고 부호들은 도 3a에서와 동일한 부재들을 나타낸다. 도 4b는 도 4a를 통한 B-B 단면을 나타낸다. 도 4c는 밀봉 피스톤 (20)이 밀봉 위치로 이동한 상태의 도 4a에 상응하는 도면을 나타낸다. 혼합 대역 (13)내로 도입시, 공급관 (11)을 통해 공급된 고점성 폴리올 스트림은 단지 20 내지 35。 전향한다. 이소시아네이트의 도입 (서로 대향하여 쌍으로 배열된 4개의 유입구들 (12a 및 12b))은 폴리올 스트림에 대해 수직으로 행해진다. 본 명세서에서, 이소시아네이트 공급관들 (14a 및 14b)은 이러한 방식으로 쌍으로 상쇄되어 도입면의 폴리올 스트림은 대향하여 회전하게 된다. 뱃치의 말단에서의 이소시아네이트의 재순환은 밀봉 피스톤 (20)내의 홈 (29)에 의해 행해진다. 고점성 폴리올의 재순환은 밀봉 피스톤 (20)을 관통하는 천공기 (28)에 의해 행해지고, 이 천공기에 의해 밀봉 위치에서 재순환관 (24)과 연결된다.

Claims (9)

  1. 두 성분들 중 하나는 고점성인 이소시아네이트 및 폴리올 배합물이 혼합 대역으로 공급되어 거기서 서로 혼합되고 상기 두 성분으로부터 교반 장치 없이 반응 혼합물을 제조하는 방법으로서, 점도 3000 mPa.s 이상의 고점성 성분을 저압에서 혼합 대역으로 공급하고, 2개 이상의 스트림의 저점성 성분을 고압에서 고점성 폴리올 배합물 스트림으로 사출시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 고점성 성분 스트림의 단면적이 고압 스트림들의 단면적의 합 보다 10 내지 100 배 더 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1 또는 2항에 있어서, 저점성 성분 스트림을 50 내지 250 bar의 압력에서 압력이 20 bar 미만인 고점성 성분 스트림으로 사출시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 서브스트림들을 직교류로 사출시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 스트림을 혼합 대역의 동일면에서 도입시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리올 배합물 중 고점성 구성성분만을 저압에서 공급하고, 이와는 별도로 저점성 구성성분 및 이소시아네이트를 고압에서 보다 고점성의 구성성분 스트림으로 사출시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 저점성 성분 및 보다 고점성의 성분으로부터 반응 혼합물을 제조하기 위한, 유입구를 갖는 혼합 챔버를 포함하고 교반 장치가 없는 혼합 헤드로서, 단면적이 저점성 성분(들)용 유입구들의 단면적의 합 보다 10 내지 100 배 더 큰 고점성 성분용 유입구 및 2개 이상의 저점성 성분 스트림용 유입구를 특징으로 하는 혼합 헤드.
  8. 제8항에 있어서, 저점성 성분(들)용 유입구들이 혼합 챔버의 외주에 균일하게 분포되어 있고, 혼합 챔버의 축에 대해 적어도 대략적으로 수직으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합 헤드.
  9. 제7항에 있어서, 모든 유입구들이 동일면에서 혼합 챔버로 개방되는 것을 특징으로 하는 혼합 헤드.
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