KR20030083270A - 균일한 발포비를 가지는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리올레핀 발포입자(pre-foamed polyolefin beads)의 제조방법에 관한 것으로, 입자의 발포가 진행되는 전과정에 걸쳐 발포비가 균일한 폴리올레핀 발포입자를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 폴리올레핀 발포 입자의 제조방법은 (a) 폴리올레핀 수지입자를 물과 발포제와 함께 고압용기에 넣고 상부에 기체상 공간이 존재하는 상태에서 가열하면서 교반하여 발포제를 수지입자 내부로 침투시키는 발포제 침투단계와; (b) 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하여 용기 내부의 기체상을 상부로 배출하는 기체상 제거단계와; (c) 기체상이 제거된 상태에서 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하면서 수지입자를 용기의 상부로 배출시키는 수지입자 배출단계를 포함한다.

Description

균일한 발포비를 가지는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법{production method of pre-foamed polyolefin beads having uniform expansion ratio}

본 발명은 폴리올레핀 발포입자(pre-foamed polyolefin beads)의 제조방법에 관한 것으로 특히, 입자의 발포가 진행되는 전과정에 걸쳐 발포비가 균일한 폴리올레핀 발포입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

합성수지 발포입자는 합성수지 내부에 미세한 기포를 형성시킨 것으로 유연성, 내충격성, 단열성이 좋고, 가벼워서 포장재, 완충재, 단열재, 내장재 및 경량 구조재 등으로 널리 사용되는데 주로 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀을 발포 시켜 제조한다.

폴리올레핀 발포입자는 폴리올레핀 수지입자를 물, 발포제 및 분산제와 함께 고압용기(이하, 용기라 함)에 투입하고 가열하면서 교반하여 발포제를 수지입자에 침투시킨 후, 발포제가 침투된 수지입자를 연화점 이상의 온도에서 용기 밖으로 배출하여 감압시킴으로써 수지입자 내에 기포를 형성시켜 제조한다.

상기 통상의 제법은 물보다 가벼운 수지입자가 물 속에서 고르게 분산되도록 내용물을 교반하면서 물과 수지입자의 혼합물을 용기의 하부로 배출하여 제조하는것인데 배출이 진행되는 동안 용기 내의 압력이 변화하면 이에 따라 용기 내부에서 아직 배출되지 않고 있는 수지입자 내부의 발포제의 농도가 변화하기 때문에 발포입자의 발포비가 변화하게 된다.

이와 같은 발포비의 변화를 억제하기 위하여 미국특허 제4,436,840호에는 수지입자의 배출이 이루어지는 동안 고압질소 등을 주입하여 용기압력을 적어도 발포제 증기압의 0.7배 이상으로 유지하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이 방법은 고압가스가 주입되면 용기 내부 기체상의 발포제 분압이 변하게 되고 이에 따라 기체상과 열역학적 평형을 이루며 접촉하고 있는 수지입자 내부의 발포제 농도가 변하기 때문에 수지입자가 배출되는 동안 발포입자의 발포비가 변화되는 것을 효과적으로 억제할 수가 없다. 또한, 용기 상부에 존재하는 발포제 증기가 고압가스와 혼합되기 때문에 발포제를 분리하여 회수하기가 어렵다.

미국특허 제4,889,671호에는 수지입자의 배출이 이루어지는 동안 용기압력을 유지하기 위하여 열수를 주입하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이 방법은 배출이 진행되는 동안 용기 압력을 유지하기 위해서 용기 내부의 기체상의 체적을 일정하게 유지하도록 열수를 주입해야 하는데 수지입자를 모두 배출하기 위해서는 열수가 매우 많이 소요되므로 (교반에 의해 수지입자가 물에 고르게 분산되므로 아무리 많은 열수를 공급하여도 용기 내부의 수지입자를 전부 배출하는 것이 이론적으로는 불가능함) 에너지가 많이 소요될 뿐만 아니라 외부에서 공급되는 열수에 의해 액체상의 발포제 농도가 낮아지고 이에 따라 수지입자 내의 발포제 농도가 낮아지기 때문에 발포입자의 발포비가 낮아지게 된다.

따라서, 미국특허 제4,436,840호 및 제4,889,671호에 의하더라도 입자의 배출이 진행되는 전과정에 걸쳐 발포입자의 발포비를 균일하게 유지하는 것은 용이하지 않다.

본 발명의 목적은 수지입자의 배출이 진행되는 전과정에 걸쳐 균일한 발포비를 가지는 폴리올레핀 발포입자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리올레핀 발포입자 제조방법은, (a) 폴리올레핀 수지입자를 물과 발포제와 함께 고압용기에 넣고 상부에 기체상 공간이 존재하는 상태에서 가열하면서 교반하여 발포제를 수지입자 내부로 침투시키는 발포제 침투단계와; (b) 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하여 용기 상부의 기체상을 배출하는 기체상 제거단계와; (c) 기체상이 제거된 상태에서 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하면서 수지입자를 용기의 상부로 배출시키는 수지입자 배출단계를 포함한다.

이를 각 단계별로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

(a) 발포제 침투단계

수지입자를 물, 발포제와 함께 용기에 투입하고, 용기 상부에 발포제 증기와 수증기로 이루어지는 기체상 공간이 존재하는 상태에서 교반하면서 가열하여 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 단계로, 공지기술과 동일한 방법으로 진행된다.

용기 내 상부에 기체상 공간을 확보하는 것은 물과 수지와 발포제를 효과적으로 접촉시켜 발포제가 수지 내부로 신속하고 고르게 침투시키기 위함이다.

본 단계는 발포제가 수지입자의 내부로 신속히 침투되고, 수지입자가 배출되면서 발포될 때 기포가 용이하게 성장할 수 있도록 수지의 연화점 이상의 온도에서 진행하는데 기체상, 액체상, 고체상에서 발포제 농도가 열역학적 평형에 근접할 때까지 진행시켜야 균일한 발포비를 가지는 발포입자를 제조할 수 있다. 여기에서, 기체상은 발포제의 증기와 수증기로 이루어지고, 액체상은 발포제 수용액 단상 또는 발포제 수용액과 액상 발포제의 2상으로 이루어지며, 고체상은 발포제를 함유한 수지입자이다.

(b) 기체상 제거단계

용기 내부로 발포제 수용액을 공급하여 용기 상부의 기체상을 용기 밖으로 배출시키는 단계이다. 용기 내부로 공급되는 발포제 수용액과 용기 내부의 온도 차이는 5℃ 이내로, 용기 내부로 공급되는 발포제 수용액의 발포제 농도와 용기 내부 액체상의 발포제 농도는 해당 온도에서의 포화 농도로 하는 것이 바람직하다.

발포가 진행되는 동안 용기 내부의 온도가 변하면 입자수지의 점도가 변하게 되어 수지입자의 발포비가 변하게 된다. 또한, 액체상의 발포제 농도가 변하면 이와 접촉하고 있는 수지입자의 발포제 농도가 변하므로 발포비가 변화된다.

본 단계에서 배출된 기체상은 다음 회분의 발포제 침투단계에서 다시 용기에 주입하여 사용할 수 있다.

(c) 수지입자 배출단계

기체상을 배출시켜 용기 내에 액체상과 고체상만이 존재하게 된 상태에서, 교반을 멈추거나 교반속도를 늦추어 물보다 비중이 가벼운 수지입자를 용기의 상부로 몰리게 한 후, 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하면서 수지입자를 용기 상부로 배출하여 감압시킴으로써 발포입자를 제조하는 단계이다.

본 단계에서는 용기 내 압력을 발포제 침투단계보다 낮아지지 않게 유지하는 것이 바람직하다. 용기 압력이 발포제 침투단계의 압력보다 낮아지면 액체상 및 고체상의 발포제가 기화하여 기체상이 다시 생성되며 기체상이 존재하게 되면 본 발명의 효과가 상실되기 때문이다.

기체상 배출단계에서와 마찬가지로 용기 내부로 공급되는 발포제 수용액의 온도와 용기 내부의 온도 차이는 5℃ 이내로, 용기 내부로 공급되는 발포제 수용액의 발포제 농도와 용기 내부 액체상의 발포제 농도는 해당 온도에서의 포화 농도로 하는 것이 바람직하다.

공지기술과 비교할 때 본 발명의 가장 특징있는 차이점은 기체상을 제거한 상태에서 수지입자의 배출이 진행되므로 수지입자 내부의 발포제 농도의 변화를 억제할 수 있다는 점이다. 기체상이 존재할 경우 용기내부의 온도 및 압력이 변화하면 기체상과 고체상 간에 빠른 속도로 발포제의 이동이 진행되어 수지입자의 발포제 농도가 변화하며, 기체상과 액체상 간에도 빠른 속도로 발포제의 이동이 진행되어 액체상과 접촉하고 있는 수지입자의 발포제 농도가 변화하게된다. 그러나, 기체상이 제거된 상태에서는 용기 내부의 압력이 증가하거나 온도가 다소 변화하여도액체상과 고체상간의 발포제 이동이 거의 진행되지 않기 때문에 수지입자 내부의 발포제 농도 변화를 용이하게 억제할 수 있다.

또한, 공지기술이 수지입자와 물을 용기의 하부로 배출하므로 물보다 가벼운 수지입자를 배출하기 위해서는 물과 수지입자 혼합물의 전부를 배출해야만 하는데 반하여, 본 발명은 수지입자가 상부로 몰리게 한 상태에서 상부로 배출하므로 공지기술보다 상대적으로 적은 양의 물을 배출하여도 수지입자를 전부 배출할 수 있다. 즉, 공지기술은 침투단계에 사용된 고온의 물을 전부 배출한 후, 다음 회분에서 새로운 물 또는 배출되어 냉각된 물을 가열하여 사용해야 하지만, 본 발명은 침투단계에 사용된 고온의 물을 절반 이하만 배출하여도 수지입자를 모두 배출할 수 있고 미배출된 고온의 물은 다음 회분의 발포제 침투단계에 그대로 이용할 수 있으므로 물의 가열에 필요한 에너지를 절반 이하로 줄일 수 있는 것이다.

하기 실시예를 통하여 본 발명의 구성이 보다 명확해지고, 효과가 입증될 것이다.

<실시예 1-5>

10L의 고압용기에 폴리올레핀 수지입자 2kg, 물 4L, 표시된 양의 발포제, 탄산칼슘 50g, 도데실벤젠설폰산나트륨 5g을 넣고 300rpm의 속도로 교반하면서 가열하여 발포제를 수지입자 내부로 침투시켰다.

이어서, 교반속도를 50rpm으로 낮추고, 용기 압력을 유지하면서 탄산칼슘 5%, 도데실벤젠설폰산나트륨 0.5%를 함유하는 포화농도의 발포제 수용액을 공급하여 용기 상부의 기체상을 배출시켜 제거하고, 교반속도를 50rpm으로 유지하면서 발포제 수용액을 공급하여 용기 상부로 수지입자와 발포제 수용액의 혼합물을 배출하여 발포입자를 제조하였다.

그 결과, 다음의 [표 1]에서 보는 바와 같이 배출이 진행되는 동안 용기 내부의 온도와 압력이 다소 변화하여도 제조된 발포입자의 발포비는 거의 변화하지 않았다. 각 실시예별 작업조건 및 결과를 [표 1]에 정리하여 기재하였으며, (발포비) = (발포되지 않은 수지입자의 비중) ÷ (발포입자의 비중)으로 계산하였다.

실시예	수지	Tm(℃)	발포제	용기내부	공급수용액	배출단계초기	배출단계말기
			명칭	사용량(kg)	온도(℃)	압력(bar)	온도(℃)	온도(℃)	압력(bar)	발포비(배)	온도(℃)	압력(bar)	발포비(배)
1	폴리에틸렌	125	이소부탄	0.5	120	22	122	120	23	25	121	22	25
2	폴리프로필렌	165	n-부탄	0.6	135	25	137	136	26	30	136	25	30
3	폴리에틸렌폴리프로필렌랜덤공중합체	143	펜탄	0.6	130	10	126	130	11	25	128	13	25
4	폴리에틸렌폴리프로필렌1-부텐 공중합체	137	이소부탄	0.4	125	25	128	125	27	15	126	25	15
5	폴리에틸렌폴리프로필렌랜덤공중합체	143	CO2	_	145	45	143	145	45	15	144	47	15

단, 실시예 5에서 사용한 발포제 CO₂는 침투단계의 소정 온도에서 소정 압력에 도달할 때까지 공급하였으며, 정량적으로 측정하지 아니하였다.

수지입자가 배출되는 동안 용기의 온도와 압력이 다소 변화하더라도 발포입자의 발포비가 변화되지 않아 수지입자가 배출되는 전과정에 걸쳐 균일한 발포비의 발포 입자를 용이하게 제조할 수 있고, 수지입자를 배출하는데 고온의 물을 전부 배출하지 않아도 되므로 물의 가열에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.

Claims (3)

1. (a) 폴리올레핀 수지입자를 물과 발포제와 함께 고압용기에 넣고 상부에 기체상 공간이 존재하는 상태에서 가열하면서 교반하여 발포제를 수지입자 내부로 침투시키는 발포제 침투단계와;

   (b) 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하여 용기 내부의 기체상을 상부로 배출하는 기체상 제거단계와;

   (c) 기체상이 제거된 상태에서 발포제 수용액을 용기 내부로 공급하면서 수지입자를 용기의 상부로 배출시키는 수지입자 배출단계를 포함하는 폴리올레핀 발포 입자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 수지입자 배출단계의 용기 압력을 발포제 침투단계보다 낮지 않게 유지하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 입자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 기체상 제거단계와 수지입자 배출단계에서 용기 내부로 공급되는 발포제 수용액 온도와 용기 내부 온도의 차이가 5℃ 이내인 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 입자의 제조방법.