KR20040095426A - 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체 - Google Patents

탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체는 폴리올 100 중량부, 이소시아네이트 100∼350 중량부, 폴리올 23∼50 중량% 및 이소시아네이트 77∼50 중량%로 이루어진 혼합물 100 중량부에 대하여 탄산칼슘 40∼90 중량부, 및 첨가제 10∼40 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체{A Rigid Polyurethane Foam Containing Calcium Carbonate}
발명의 분야
본 발명은 경질 폴리우레탄 발포체에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체에 탄산칼슘을 첨가한 경질 폴리우레탄 발포체에 관한 것이다.
발명의 배경
종래의 폴리우레탄 발포체는 그 경도에 따라 연질, 반경질, 및 경질 우레탄 발포체로 분류된다. 연질 또는 반경질의 폴리우레탄 발포체는 쿠션이나 자동차 내장재 등에 사용되고, 경질 발포체는 단열재와 같은 건축용 자재에 주로 사용된다. 이러한 폴리우레탄 발포체는 가볍고 내열성, 단열성, 내약품성, 내후성 등이 우수하고, 경도와 밀도 선택이 용이하며, 세균이나 해충의 피해를 입을 염려가 적다.또한, 충격 흡수성이 좋고, 신장력과 내마찰성이 크다. 또한, 폴리우레탄 발포체는 착색가공이 자유롭고 접착이 쉬운 점 등의 많은 장점을 지니고 있다.
특히, 경질 폴리우레탄 발포체는 소재가 가볍고 시공이 편리하며, 단열성이 좋고, 자기접착력을 가지고 있어 별도의 접착제가 필요 없는 점에서 우레탄 울(wool) 패널(panel)과 같은 건축자재에 보편적으로 사용되고 있다.
그러나, 일반적인 경질 폴리우레탄 발포체는 상대적으로 무거워 운반 및 작업성이 떨어지고, 화재가 발생하였을 때에 많은 양의 유독가스가 배출되며, 인체에 해롭고 또한 가격이 비싸다는 단점이 있다.
이에 본 발명자는 이러한 단점들을 극복하고 종래의 경질 폴리우레탄 발포체의 장점을 그대로 가지고 있는 탄산칼슘을 포함한 경질 폴리우레탄 발포체를 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체의 주원료에 탄산칼슘을 첨가함으로써 단열효과 및 난연성이 우수한 경질 폴리우레탄 발포체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체에 탄산칼슘이 첨가되어 작업성이 향상되고 경제성이 우수한 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체에 무기질인 탄산칼슘을 첨가하여 연소할 때에 유독 가스의 방출을 줄인 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체에 탄산칼슘을 첨가하여 흡음 및 차음 효과가 우수한 경질 폴리우레탄 발포체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
발명의 요약
본 발명에 따른 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체는 폴리올 100 중량부, 이소시아네이트 100∼350 중량부, 폴리올 23∼50 중량% 및 이소시아네이트 77∼50 중량%로 이루어진 혼합물 100 중량부에 대하여 탄산칼슘 40∼90 중량부, 및 첨가제 10∼40 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 발포체의 용도에 따라 경화제, 사슬 연장제, 폼 안정제, 무기 충전제, 이형제 또는 핵제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
본 발명에 따른 탄산칼슘을 함유한 폴리우레탄 발포체는 폴리올, 탄산칼슘,물, 발포제, 촉매제, 및 기타 첨가제를 혼합하여 제조한 레진 프리믹스(resin premix)(A액)와 이소시아네이트(B액)를 혼합하여 제조한다.
본 발명의 각 성분에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.
(A) 폴리올(Polyol)
본 발명의 상기 폴리올(A)은 본 발명에 따른 발포체를 형성하기 위해 이소시아네이트와 짝을 이루어 반응하는 물질이다. 활성수소를 가지고 있으며 분자량과 반비례 관계에 있는 OH기의 수에 의해 그 특징이 나타난다.
상기 폴리올(A)은 폴리에테르계 폴리올과 폴리에스테르계 폴리올로 나눌 수 있는데, 본 발명에서는 주로 폴리에테르계 폴리올을 사용한다. 이러한 폴리에테르계 폴리올은 알칼리 촉매 하에서 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드를 중합시켜 제조한다. 본 발명에서는 분자 중에 하이드록실기, 카르복실기, 아민기 등의 활성수소기를 2개 이상 가지면서 체인길이가 짧은 폴리올이 바람직하다. 개시제로는 주로 낮은 분자량의 이관능 또는 다관능기 알코올 또는 아민을 사용한다.
본 발명에 있어서 폴리올의 함량은 100 중량부를 기준으로 하여 다른 성분들을 첨가하여 사용한다.
(B) 이소시아네이트(Isocyanate)
본 발명의 이소시아네이트(B)는 상기 폴리올(A)과 짝을 이루어 반응하는 매우 중요한 물질이다. 상기 이소시아네이트(B)는 NCO함량% 및 관능기의 수에 따라성질이 결정된다. 상기 이소시아네이트(B)는 NCO 관능기의 구조에 따라 여러 종류가 있는데 가장 폭넓게 사용되는 것은 디페닐 메탄 디이소시아네이트(MDI) 및 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)이다. MDI는 모노메릭 MDI(MMDI)와 폴리메릭 MDI(PMDI)가 있는데, 이 중 경질 폴리우레탄 발포체에 사용되는 것은 PMDI이다. PMDI는 갈색의 액체이며 2개 이상의 방향족 환(ring)과 이소시아네이트 그룹을 가진다. 관능기는 MMDI보다 많으나 NCO함량%가 MMDI에 비해 낮아 반응성은 상대적으로 떨어지지만 경도가 높고 TDI에 비해 인체에 무해한 특성 때문에 경질 발포체 제작에 적합하다.
상기 이소시아네이트(B)는 두 단계의 합성과정을 거치는데, 먼저 첫 번째 단계에서는 포스겐(phosgene)과 함께 1차 아민을 반응시켜 염산을 제거하면서 염화 카바믹산(carbamic acid chloride)을 생성한다. 이 염화 카바믹산은 분리가 잘되지 않지만 염산을 또 한번 제거하면서 이소시아네이트가 만들어진다.
상기 이소시아네이트(B) 는 물과 반응하여 아민을 만들고 이산화탄소 가스를 방출한다. 이산화탄소 가스는 화학적 발포제의 기능을 한다. 따라서, 본 발명에서는 물이 1 내지 4 중량부가 첨가된 레진 프리믹스를 제조하여 상기 이소시아네이트(B)와 반응시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서 상기 이소시아네이트(B)는 100 내지 350 중량부가 바람직하다.
(C) 탄산칼슘(CaCO3)
본 발명에 사용되는 제품 전체의 기계적 강도 및 단열 효과 향상에 중요한역할을 하는 동시에 탄산칼슘은 무기질을 가진 것으로 난연제로서의 역할도 한다.
일반적으로 탄산칼슘을 공업상에서 발포시킬 경우에는 보통 고온 고압로에서 가열하는데, 이 경우 탄산칼슘으로부터 이산화탄소와 석회(CaO)가 생성된다. 다른 방법으로는 희유산을 사용하여 발포시킬 수도 있다. 이 경우에는 탄산칼슘과 희유산의 반응으로 석고가 생성되는데, 이것이 종래의 폴리우레탄 발포체와 혼합되어 보다 나은 제품 특성을 얻을 수 있다.
본래의 난연제는 원재료 및 첨가물과의 혼합성이 좋을 것, 최종제품의 기계적인 성질에 영향을 주지 않을 것, 그리고 연소할 때에 발연 및 독성가스의 발생이 적을 것이 요구된다. 탄산칼슘은 이러한 조건을 잘 만족시킨다. 그러나, 본 발명에서의 탄산칼슘(C)은 단순히 난연제의 기능뿐만 아니라 원료와의 혼합성이 뛰어나기 때문에 제품의 경도가 증대된다. 또한, 탄산칼슘의 공급이 보다 용이하여 경제적으로도 유리하다.
또한 탄산칼슘을 사용하여 폴리우레탄 발포체의 밀도조절을 용이하게 할 수 있어, 흡음성 및 차음효과를 개선할 수 있고, 원하는 밀도의 자재를 생산할 수 있으므로 작업성 면에서도 유리하다.
본 발명에서의 상기 탄산칼슘(C)은 상기 폴리올(A) 23∼50 중량% 및 상기 이소시아네이트(B) 77∼50 중량%로 이루어진 혼합물 100 중량부에 대하여 40∼90 중량부가 바람직하다.
(D) 기타 첨가제
본 발명에 따른 발포체를 제조하기 위해서는 반드시 발포제가 필요하다. 폴리우레탄 발포체는 기체분자가 레진 프리믹스(A액)와 상기 이소시아네이트(B액)의 액체 반응 혼합물 속에서 생성되어 폴리우레탄 발포체가 경화되는 동안 그 속에 갇히게 되면서 만들어진다. 처음 생긴 폼(foam)이 꺼지는 것을 막기 위해서 올바른 촉매와 폼 안정제를 더 포함할 수 있다.
발포제는 그 작용원리에 따라 물리적 발포제와 화학적 발포제로 구분된다. 물리적 발포제는 반응열에 의해서 기화될 수 있을 정도로 끓는점이 낮은 물질을 말하며 폴리올이나 다른 첨가제와 같이 혼합된다. 화학적 발포제는 첨가중합반응이 일어나는 과정 중에 가스를 생성하는 물질을 말한다.
화학적 발포제에는 물 또는 이산화탄소가 있으며, 물리적 발포제에는 n-펜탄, 이소펜탄, 시클로펜탄, 또는 시클로헥산과 같은 탄화수소와 테트라플루오로에탄, 펜타플루오로프로판, 헵타플루오로프로판, 펜타플루오로부탄, 헥사플루오로부탄, 또는 디클로로모노플루오로에탄과 같은 할로겐화 탄화수소가 있다.
결국, 상기 이소시아네이트(B)와 물과의 반응에서 생성되는 이산화탄소가 화학적 발포제의 역할을 한다. 그러나 경질 우레탄 발포체의 물성, 특히 밀도는 발포제의 종류와 농도에 따라 많은 영향을 받기 때문에, 이산화탄소 외에 CFC, 저비점 중성 할로겐 탄화수소, 일부 펜탄(pentane)계 물질을 발포제로 함께 사용한다. 다만, 본 발명에서는 탄산칼슘을 주성분으로 하기 때문에 통상의 물리적 발포제의 양보다는 적은 양으로도 같은 효과를 얻을 수 있다.
CFC는 오존층을 파괴하는 물질로 생산 및 사용량이 제한되어 있어 물, 이산화탄소, 질소 등이 발포제로 각광을 받고 있지만, 이들 만으로는 경질 폴리우레탄 발포체의 난연성이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명에서의 탄산칼슘은 난연제로도 작용하기 때문에 이러한 난연성 저하 문제도 바람직하게 해결할 수 있다. 본 발명에서는 상기 이소시아네이트(B)와 물과의 반응에서 발생하는 이산화탄소 외의 발포제를 10 내지 20 중량부를 사용한다.
본 발명에 따른 발포체를 제조하는 데 있어서, 탄산칼슘은 난연제로도 역할을 한다. 일반적으로 난연제로 쓰이는 물질은 할로겐계와 인계로 구분된다. 할로겐계 난연제는 연소에 의해 원자 및 분자인 가스 상태로 난연작용을 한다. 인계 난연제는 연소에 의해 우레탄 결합을 끊고 탈수소 및 탈수 반응을 거쳐 화재를 진압하는 탄화층을 형성시킨다. 그 밖에 인계 난연제와 질소계 난연제의 혼합형도 있다. 경질 폴리우레탄 발포체에 사용되는 난연제로는 트리스(2,3-디클로로프로필)포스페이트, 트리스(2-클로로프로필 포스페이트), 또는 디암모늄 포스페이트 등이 있다.
종래의 경질 폴리우레탄 발포체를 제조할 때에 난연제는 통상 10∼15 중량부 정도를 사용하지만, 본 발명에 따른 폴리우레탄 발포체는 3 내지 7 중량부만 첨가하여도 동일한 난연효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 원료의 혼합을 용이하게 하고 혼합액의 표면장력을 낮추어 기포성장을 돕기 위해 유화제를 첨가한다. 그럼으로써 기포를 성장시키고, 기포간 압력차를 낮추어 가스의 확산을 막고 셀이 성장하여 불균일화 되는 것을 막아준다. 본 발명에 사용되는 유화제는 주로 실리콘 유화제를 사용하며 그 함량은 1∼3 중량부가 바람직하다.
본 발명에서 촉매제는 경질 폴리우레탄 폼의 반응속도뿐만 아니라 생성물의 물성에도 영향을 미친다. 촉매제는 아민 촉매와 유기금속촉매가 사용된다.
아민 촉매에는 디메틸 에탄올 아민, 트리에틸아민, 트리에틸렌디아민, 테트라에틸렌디아민, 펜타메틸디에틸렌트리아민, 또는 테트라메틸디아미노메틸 에테르 등이 있고, 유기금속촉매에는 틴 디아세테이트, 틴 디옥타노에이트, 또는 디알킨틴 디라우레이트와 같은 주석(tin)이 함유된 유기금속촉매가 사용된다. 본 발명에 사용되는 촉매제는 1 내지 5 중량부가 바람직하다.
본 발명에 따른 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체에는 상기 성분 외에도 용도에 따라 경화제, 사슬 연장제, 폼 안정제, 무기 충전제, 이형제 또는 핵제 등이 첨가될 수 있다. 이 경우의 첨가제의 함량은 상기 구성성분 (A)+(B)+(C) 100 중량부에 대하여 대하여 0.5∼1.5 중량부가 바람직하다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 예시에 불과하며 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
각 구성성분의 조성은 표1에 나타낸 바와 같게 하여 레진 프리믹스 A액과 이소시아네이트 B액을 혼합하여 발포체를 제조하고 물성을 측정하였다. 발포제로는 시클로펜탄을 사용하였고, 유화제로는 실리콘 유화제를, 촉매제는 TEDA(Tetraetylenediamine)를 사용하였다.
본 발명의 실시예 및 비교실시에에서 난연제 7 중량부, 물 4 중량부, 실리콘유화제 2.5 중량부, 및 TEDA 4 중량부를 사용하였다.
실시예 비교실시예
1 2 3 1 2
폴리올 100 100 100 100 100
이소시아네이트 150 150 150 150 150
탄산칼슘 120 250 250 - -
발포제(시클로펜탄) 10 10 20 20 40
표1의 조성에 따라 실시예 1∼3에서는 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체를, 비교실시예 1∼2에서는 탄산칼슘을 함유하지 않은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체를 제조하여 물성을 측정하였다.
(1) 열전도율
KS M-3809 규격에 따라 열전도율을 측정하였으며, 단위는 kcal/mh℃이다.
(2) 밀도
KS M-3809 규격에 따라 밀도를 측정하였으며, 단위는 kg/m3이다.
(3) 난연성
UL 94 VB 난연규정에 따라 난연등급을 측정하였다.
실시예 비교실시예
1 2 3 1 2
열전도율(kcal/mh℃) 0.015 0.013 0.012 0.017 0.018
밀도(kg/m3) 51 55 56 39 41
난연성(1/12″) V-1 V-1 V-0 V-2 V-1
표2에서 나타낸 바와 같이, 탄산칼슘을 보다 많이 함유한 발포체가 열전도율이 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 발포체는 열전도율이 낮으므로 단열효과가 뛰어남을 알 수 있다.
물리적 발포제인 시클로펜탄의 양을 비교실시예보다 1/2 수준으로 사용하여 제조하여도 폼(foam)의 단열효과나 내연성에 있어서 불리하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 물리적 발포제의 양을 1/2 수준으로 사용하고서도 단열효과 및 난연성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1∼3에서의 밀도는 비교실시예 1∼2에서 보다 증가한다. 이러한 특성으로 인해 건축자재 등에 사용될 경우 경도가 좋아 운반이나 작업성 면에서 종래의 폴리우레탄 발포체보다 유리하다.
본 발명은 종래의 경질 폴리우레탄 발포체의 주원료에 탄산칼슘을 추가하여 폴리우레탄 발포체를 제조함으로써 단열효과 및 난연성이 우수하고, 흡음 및 차음효과가 우수하며, 밀도조절이 용이해 운반 및 작업성이 뛰어나고 상대적으로 폴리우레탄의 함량이 낮기 때문에 연소할 때에 유독 가스의 방출을 줄일 수 있는 발명의 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (5)

  1. 폴리올 100 중량부, 이소시아네이트 100∼350 중량부, 폴리올 23∼50 중량% 및 이소시아네이트 77∼50 중량%로 이루어진 혼합물 100 중량부에 대하여 탄산칼슘 40∼90 중량부, 및 첨가제 10∼40 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 물 1∼4 중량부, 발포제 10∼20 중량부, 난연제 3∼7 중량부, 유화제 1∼3 중량부, 및 촉매제 1∼5 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발포제는 n-펜탄, 이소펜탄, 시클로펜탄, 시클로헥산, 테트라플루오로에탄, 펜타플루오로프로판, 헵타플루오로프로판, 펜타플루오로부탄, 헥사플루오로부탄, 및 디클로로모노플루오로에탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체.
  4. 제2항에 있어서, 상기 유화제는 실리콘 유화제인 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체.
  5. 제2항에 있어서 상기 촉매제는 디메틸 에탄올 아민, 트리에틸아민, 트리에틸렌디아민, 테트라에틸렌디아민, 펜타메틸디에틸렌트리아민, 테트라메틸디아미노메틸 에테르, 틴 디아세테이트, 틴 디옥타노에이트, 및 디알킨틴 디라우레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체.
KR1020030026725A 2003-04-28 2003-04-28 탄산칼슘을 함유한 경질 폴리우레탄 발포체 KR20040095426A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100690356B1 (ko) * 2006-03-29 2007-03-12 금오공과대학교 산학협력단 하이드록시아파타이트 및 폴리우레탄의 복합 폼 제조 방법
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