KR20060116555A

KR20060116555A - 투명 바인더용 조성물

Info

Publication number: KR20060116555A
Application number: KR1020050039012A
Authority: KR
Inventors: 강좌영; 박달원
Original assignee: 강좌영; 박달원
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-11-15
Also published as: KR100706263B1; CN1861728A

Abstract

본 발명은 투명 바인더용 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 에스테르 화합물에 폴리스티렌 수지를 균일하게 용해시킨 투명 바인더용 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 투명 바인더용 조성물은 무색에 가까우면서 투명하며, 기존의 칼라 아스콘용 무색 바인더와 비교하여 제조 원가가 크게 낮은 특징이 있다.

폴리스티렌, 재생품, 스티로폴, 아스콘, 무색, 투명, 바인더, 지방산, 에스테르, 바이오디젤, 프탈산, 방향족, 수지

Description

투명 바인더용 조성물{Composition for transparent binder}

도 1은 일반적으로 바이오디젤이 생성되는 반응식을 나타낸 개략도이다.

본 발명은 투명 바인더용 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 칼라 아스콘용 투명 바인더로 활용하기 위해 폴리스티렌 수지와 이를 균일하게 녹일 수 있는 용제로서 에스테르 화합물을 포함하는 투명 바인더용 조성물에 관한 것이다.

폴리스티렌은 널리 사용되는 플라스틱으로, 스티렌의 중합체이고, 무색 투명한 열가소성 물질로, 100℃ 이상에서 부드러워 지고 185℃ 정도가 되면 점성의 액체가 되며, 산, 알칼리, 기름, 알코올 등에 강한 성질을 가지고 있다.

발포폴리스티렌 또는 스티로폴은 폴리스티렌 수지에 펜탄 또는 부탄 등의 탄화수소가스를 주입한 뒤 이를 증기로 부풀린 발포제품으로 체적의 98%가 공기이고, 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재로서 영문 머리글자를 따서 EPS(Expanded Polystylene)로 약칭되기도 한다. 스티로폴은 독일 종합화학회사인 바스프(BASF AG)의 상표명이고, 스티로폼은 미국 다우케미컬사의 단열재 상표명으로, 한국에서는 스티로폴이 널리 알려져 있다.

현재 국내에서 상태가 양호한 스티로폴 폐기물은 부피를 줄이는 감용기에 의해 잉고트가 된 후, 펠릿 형태의 재생품으로 만들어 진다. 이러한 폴리스티렌 재생품은 폴리스티렌 신품에 비하여 품질이 떨어지기 때문에 용도가 제한적이고 부가가치도 낮은 편이다. 또한 폴리스티렌으로 만들어 지는 일회용 용기 또는 유제품 용기 등도 사용 후 회수되어 세척과정을 거쳐서 파쇄품 또는 펠릿 형태의 재생품으로 만들어 진다.

최근 생활수준의 향상으로 보도에 보도블록 대신에 다양한 색상을 띄는 칼라 아스콘을 시공하여 보행자와 자전거 모두 사용이 가능하게 하게 하여 시민들로부터 좋은 반응을 얻고 있으며, 이때 사용되는 칼라 아스콘에는 바인더로서 검은색의 역청(아스팔트)이 사용되지 않고 SBS(Styrene Butadiene Styrene), 석유수지, 폴리스티렌 왁스 등을 높은 비점의 파라핀 용제에 녹여서 제조된 반투명의 무색 바인더가 사용된다.

도로포장용 아스콘용 바인더로 사용되는 검은색 역청은 원유로부터 비점이 500℃ 이상의 유분을 분리하여 대량으로 얻어지고 가격도 중유보다 낮다. 그러나 현재 사용되고 있는 칼라 아스콘용 무색 바인더의 가격은 매우 높아서, 칼라 아스콘에는 무색 바인더가 약 4∼5% 배합되지만, 칼라 아스콘 가격은 도로포장용 검은색 아스콘 가격의 3배 이상이다.

이에 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 수행한 결과, 폴리스티렌을 균일하게 녹일 수 있는 용제에 폴리스티렌, 특히 폐기물로 부터 제조된 폴리스티렌 재생품을 일정 비율 녹여서 혼합하면, 그 혼합물을 칼라 아스콘용 투명 바인더로서 사용할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이를 기초로 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 무색에 가까우면서 투명하며, 기존의 칼라 아스콘용 무색 바인더와 비교하여 제조 원가가 크게 낮아질 수 있는 투명 바인더용 조성물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 투명 바인더용 조성물은 에스테르 화합물에 폴리스티렌 수지를 균일하게 용해시킨 것으로 구성된다.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

현재 시중에서 사용되고 있는 칼라 아스콘용 반투명의 무색 바인더의 경우 하기 표 1과 같이 검은색의 역청인 AP-3의 물성 규격을 기준치로 하고 있다.

칼라 아스콘용 바인더의 물성 기준치

시험명	규격치 또는 요구치	비고
인화점 (COC)	230℃ 이상	AP-3 규격
135℃ 회전점도	3,000 cP 이하	SHRP 기준
25℃ 침입도 (100g, 5초)	80 ∼ 100	AP-3 규격
15℃ 신도 (5cm/mm)	100cm 이상	AP-3 규격

용제에 포함된 방향족 화합물의 비율이 높을 경우, 폴리스티렌이 용제에 균일하게 녹을 수 있다. 용제에 톨루엔과 같은 단일 고리 방향족화합물은 50% 이상 포함되어 있으면 폴리스티렌은 용제에 균일하게 녹을 수 있으며, 알킬나프탈렌과 같은 이중고리 방향족 화합물의 경우는 60% 이상 포함되어야 한다. 그러나 이러한 방향족 화합물들은 인화점이 충분히 높지 않기 때문에, 여기에 폴리스티렌을 녹여서 제조된 바인더는 상기 표 1에서 나타난 인화점 기준치를 만족시키지 못한다.

따라서, 폴리스티렌을 균일하게 녹일 수 있으면서, 인화점이 충분히 높고 가격도 저렴한 용제를 찾아내고, 칼라 아스콘용 바인더 물성 기준치를 만족되도록 용제와 폴리스티렌 재생품의 배합비율을 찾아내는 것이 본 발명을 통하여 달성하고자 하는 목표이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 특정 용제에 폐기물로부터 제조된 폴리스티렌 재생품을 균일하게 녹여서 그 혼합물을 칼라 아스콘용 투명 바인더로 활용하는 방법에 관한 것이다.

폴리스티렌을 균일하게 녹일 수 있고 바인더의 인화점 규격을 맞출 수 있을 만큼 높은 비점구간의 유분을 찾기 위한 조사를 수행하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.

폴리스티렌을 균일하게 녹이면서 인화점이 높은 용제의 출처

출처	화합물 구성 비율	비고
중유의 유동층 접촉 열분해를 통하여 만들어지는 열분해유의 비점구간 320-400℃ 유분	방향족 화합물 80% 이상	발색물질 및 발색물질 전구체(Precursor)의 제거가 필요함.
나프타 유분의 열분해를 통하여 만들어지는 열분해유의 비점구간 320-400℃ 유분	방향족 화합물 90% 이상	발색물질 및 발색물질 전구체의 제거가 필요함.
바이오디젤(Biodiesel)	에스테르 화합물 95% 이상
DOP (Dioctyl Phthalate)	에스테르 화합물 98% 이상	무색의 점성 액체

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 열분해유로부터 얻어지는 비점구간320-400℃의 유분 2종은 모두 방향족 화합물의 비율이 충분히 높으나, 수소첨가 처리(Hydrotreating) 또는 흡착(Adsorption)을 통하여 발색 및 발색 전구체가 제거되어야, 투명 바인더용 용제로 사용이 가능하다. 그러나 흡착으로 이러한 물질들을 완벽하게 제거하는 것이 어려우며, 수소첨가 처리의 경우는 제거는 가능하나, 방향족 화합물이 수첨반응을 통하여 비방향족 화합물로 전환되는 근본적인 문제점을 가지고 있다.

한편, 도 1의 반응식과 같이 식용유 또는 동물성 유지를 메탄올과 반응시키면 지방산 메틸 에스테르(Fatty Acid Methyl Ester)가 얻어지는데, 이와 같이 식물성 또는 동물성 유지를 알코올과 반응시켜 얻어지는 지방산 알킬 에스테르를 바이오디젤이라고 한다. 에탄올, 이소프로판올 등을 반응시키면 더 좋은 품질의 바이오디젤이 만들어 지나, 대부분의 바이오디젤은 가장 싼 메탄올을 이용하여 만들어 진다.

최근 미국과 유럽을 중심으로 바이오디젤의 사용량이 증가하고 있는 추세이며, 국내에서도 바이오디젤이 도입되는 단계에 있어서 비교적 저렴한 가격으로 구입할 수 있다.

바이오디젤 역시 폴리스티렌을 균일하게 녹일 수 있기 때문에 그 혼합물을 칼라 아스콘용 무색 바인더로서 사용할 수 있다. 바이오디젤의 경우 하기 표3에서와 같이 원료물질에 따라 인화점 등의 특성에서 차이가 있으며, 인화점이 높고 유동점이 낮은 바이오디젤이 바람직하다. 특히, 지방산 벤질 에스테르가 바람직하다.

원료별 지방산 메틸 에스테르의 물성

	인화점(℃)	유동점 (℃)	요오드값 (g 요오드/100g)
대두유 지방산 메틸 에스테르	165	-2.5	130
채종유 지방산 메틸 에스테르	190	-10	110
팜유 지방산 메틸 에스테르	180	12.5	53
우지 지방산 메틸 에스테르	170	15	56

한편, 가소제로서 널리 사용되는 하기 표 4에서와 같은 프탈산 에스테르(Phthalic Acid Esters) 역시 폴리스티렌을 균일하게 녹일 수 있는데, 이들 중 물에 녹지 않고 바이오디젤보다 인화점이 높고 녹는점이 낮은 프탈산 다이벤질 에스테르, 다이옥틸 프탈레이트(Dioctyl Phthalate)와 다이이소노닐 프탈레이트(Diisononyl Phthalate)가 바람직하다.

프탈산 에스테르 화합물의 물성

이름	분자식	인화점(℃)	녹는점 (℃)	수분 용해도
디부틸 프탈레이트	C₆H₄(COOC₄H₉)₂	165-170	-35	약간 녹음
다이옥틸 프탈레이트	C₆H₄(COOC₈H₁₇)₂	215	-55	불용
다이이소노닐 프탈레이트	C₆H₄(COOC₁₀H₂₁)₂	225	-50	불용

한편, 본 발명에 따른 조성물의 25℃ 침입도를 높이는 동시에 135℃ 점도를 낮출 목적으로 연화점이 135℃ 이하인 방향족 수지를 첨가할 수 있는데, 표 5에서와 같은 방향족 석유수지가 바람직하다. 또한, 상기 수지의 사용량은 최종 조성물에 대하여 20중량% 이하가 바람직하며, 이를 초과하면 최종 조성물의 신도가 떨어지는 경향이 있다.

방향족 석유수지의 물성

제품명	분자량	연화점(℃)	색상(APHA)
코오롱사 Hikotack P-90	900	95	6 이하
코오롱사 Hikotack P-120	1100	120	4 이하
코오롱사 Hikotack P-150	1500	155	5 이하

본 발명에 따르면, 상기 에스테르 화합물과 폴리스티렌 수지의 혼합비는 무게비로 에스테르 화합물 100 일 경우 폴리스티렌 수지는 60∼200의 범위가 바람직하며, 이때 상기 수지의 혼합비가 60 미만이면 25℃ 침입도가 너무 높아지고, 200을 초과하면 135℃ 점도가 너무 높아지는 경향이 있다.

이렇게 얻어진 본 발명에 따른 바인더는 무색에 가까우면서 투명하며, 이러한 특징으로 인하여 응용분야가 상대적으로 넓을 것으로 기대된다. 그러나 무엇보다도, 본 발명을 통하여 기대되는 가장 중요한 효과는, 현재 고가의 고분자 수지 등으로 만들어 지고 있는 칼라 아스콘용 무색 바인더와 비교하여, 제조 원가가 크게 낮아질 수 있는 것이다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

대두유로부터 만들어진 혼합 지방산(RCOOH, 평균 분자량 265) 265g과 벤질알코올 (C₆H₅CH₂OH, 분자량 108) 108g 및 산성 촉매인 파라톨루엔설포닉산(p-Toluenesulfonic Aicd) 5g을 1,000cc 둥근 플라스크에 넣고 이를 회전형 진공증발기에 설치하여 둥근 플라스크를 회전시키면서 수조 온도를 80℃까지 높이고 둥근 플라스크 내부 압력을 60torr 까지 낮춘다.

이와 같은 상태가 유지되는 동안 에스테르화 반응

을 통해 생성된 수분이 증발 제거되면서 지방산 벤질 에스테르(Fatty Acid Benzyl Ester)가 생성된다. 산성 촉매를 제거하기 위하여 회수된 지방산 벤질 에스테르를 물로 2회 세척하고 진공증발기를 이용하여 수분을 제거한다.

상기와 같은 에스테르화 반응을 프탈산과 벤질알코올을 가지고도 수행하여 프탈산 다이벤질 에스테르를 생성하여 회수하였다. 회수된 지방산 벤질 에스테르와 프탈산 다이벤질 에스테르의 물성을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 6과 같다.

대두유 지방산 벤질 에스테르와 프탈산 다이벤질 에스테르의 물성

	평균 분자량	인화점	유동점
지방산 벤질 에스테르	355	230℃ 이상	-5℃
프탈산 다이벤질 에스테르	346	230℃ 이상	-

상기 표 6에서와 보는 바와 같이 인화점이 충분히 높고 유동점이 낮기 위해서는 지방산 벤질 에스테르와 프탈산 다이벤질 에스테르 등과 같이 벤질기를 포함하는 에스테르 화합물이 바람직하다.

상기에서 얻어진 대두유 지방산 벤질 에스테르 100g에 연화점 120℃의 방향족 석유수지 25g, 및 폴리스티렌 재생 펠릿 160g을 500cc 비이커에 넣고, 이를 135℃ 오븐에서 구동 믹서를 이용하여 균일하게 녹인 후, 그 혼합물의 135℃ 회전점도, 25℃ 침입도, 및 15℃ 신도를 측정하였다.

상기와 같은 측정을 대두유 지방산 벤질 에스테르, 프탈산 다이벤질 에스테르, 방향족 석유수지, 및 폴리스티렌 재생 펠릿의 비율을 달리하면서 실시하였으며, 그 결과는 하기 표 7과 같다.

지방산 벤질 에스테르 또는 프탈산 다이벤질 에스테르로 제조된 바인더의 물성

지방산 알킬 에스테르	방향족 수지	재생 펠릿	135℃ 회전점도 (cP)	25℃ 침입도	15℃ 신도 (cm)
지방산 벤질 에스테르 100g	0 g	200 g	1,800	100	100 이상
지방산 벤질 에스테르 100g	25 g	160 g	1,450	95	100 이상
지방산 벤질 에스테르 100g	50 g	120 g	1,000	90	100 이상
프탈산 다이벤질 에스테르 100g	0 g	100 g	1,600	90	100 이상
프탈산 다이벤질 에스테르 100g	20 g	80 g	1,300	85	100 이상
프탈산 다이벤질 에스테르 100g	40 g	60 g	1,100	80	100 이상

상기 표 7에서 보는 바와 같이, 방향족 석유수지를 추가하면 혼합물의 135℃ 점도가 낮아지고 25℃ 침입도는 감소하는 특성을 보인다. 그러나 방향족 석유수지 가격은 kg당 1,300 원으로 펠릿 가격 kg당 300∼500원 보다 월등히 높기 때문에, 가능한 방향족 석유수지의 배합비율을 낮추는 것이 바람직하다.

현재 국내에서는 년간 십수 만톤의 스티로폴이 신규로 생산되고 있으며, 스티로폴 폐기물도 년간 수만톤이 발생하고 있다. 이 중 상태가 양호한 것들은 재생 품으로 만들어 지고 있으나, 신품에 비하여 품질이 떨어져서 용도가 제한적이기 때문에 부가가치도 낮은 편이다. 더구나 건축용 단열재로 사용되었던 스티로폴 폐기물은 미세한 이물질을 포함하고 있는 경우가 대부분이어서, 재생되지 못 하고 매립 또는 소각되고 있는 실정이다.

칼라 아스콘용 무색 바인더의 경우 이러한 미세한 이물질들은 문제가 되지 않으며, 따라서 본 발명에 따른 조성물을 이용하면, 미세한 이물질 때문에 재활용되지 못 하고 매립 또는 소각되는 스티로폴 폐기물의 비율이 크게 낮아질 것으로 기대된다.

한편, 기존의 판매되는 무색바인더는 반투명하나, 본 발명을 통하여 만들어진 바인더는 무색에 가까우면서 투명하며, 이러한 특징으로 인하여 응용분야가 상대적으로 넓을 것으로 기대된다. 그러나 무엇보다도, 본 발명을 통하여 기대되는 가장 중요한 효과는, 현재 고가의 고분자 수지 등으로 만들어 지고 있는 칼라 아스콘용 무색 바인더와 비교하여, 제조 원가가 크게 낮아질 수 있다는 것이다.

Claims

에스테르 화합물에 폴리스티렌 수지를 균일하게 용해시킨 것을 특징으로 하는 투명 바인더용 조성물.
제1항에 있어서, 상기 폴리스티렌 수지가 폴리스티렌 재생품인 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 상기 에스테르 화합물이 지방산 에스테르 또는 프탈산 에스테르인 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 상기 에스테르 화합물이 지방산 벤질 에스테르 또는 프탈산 다이벤질 에스테르인 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 상기 투명 바인더가 칼라 아스콘용 투명 바인더인 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 상기 조성물이 연화점이 135℃ 이하인 방향족 수지를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 상기 에스테르 화합물과 폴리스티렌 수지의 혼합비가 무게비로 100 : 60∼200 인 것을 특징으로 하는 조성물.