KR20070056668A - 냉각성능을 향상시킨 다이를 이용하여 제조된 열가소성수지의 미세발포체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열가소성 수지의 미세발포체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공극율 5 % 미만인 스킨층과 공극율 5 % 이상인 코어층을 포함하며, 상기 스킨층의 두께가 전체 두께의 5 내지 50 %인 미세발포체에 관한 것이다.
본 발명의 미세발포체는 일반적인 미세발포체에 비하여 스킨층의 두께가 두껍고, 코어층의 미세공극의 크기가 작으며, 그 분포가 균일하여 기존의 무발포 시트와 유사한 기계적 물성을 나타내는 장점이 있다.
미세발포체, 폴리비닐클로라이드, 스킨층, 압출, 냉각구간

Description

냉각성능을 향상시킨 다이를 이용하여 제조된 열가소성 수지의 미세발포체{A MICROCELLULAR FOAM OF THERMOPLASTIC RESIN PREPARED WITH A DIE HAVING IMPROVED COOLING PROPERTY}
도 1은 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간을 함께 포함하는 압출다이의 일 예를 나타낸 단면도.
도 2는 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간을 함께 포함하며 다수의 냉각수단과 가열수단을 포함하는 압출다이의 일 예를 나타낸 단면도.
도 3은 본원발명의 실시예의 미세발포체 제조를 위한 압출장치의 구성을 나타낸 구성도.
도 4는 본원발명의 비교예 1, 및 2의 미세발포체 제조를 위한 압출 다이의 구성을 나타낸 단면도.
도 5는 본원발명의 비교예 3의 미세발포체 제조를 위한 압출 다이의 구성을 나타낸 단면도.
도 6은 실시예 1에 따른 미세발포체 시트의 파단면 주사전자현미경 사진.
도 7은 비교예 3에 따른 발포체 시트의 파단면 주사전자현미경 사진.
[산업상 이용분야]
본 발명은 열가소성 수지의 미세발포체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 비중으로 종래의 무발포 시트와 유사한 기계적 물성을 가지는 열가소성 수지의 미세발포체에 관한 것이다.
[종래기술]
방음재, 단열재, 건재, 경량구조재, 포장재, 절연재료, 쿠션재, 방진재, 신발 등에서 단열, 흡음, 부력, 탄력, 경량, 방음 등의 목적으로 플라스틱을 기계적으로 발포하거나, 발포가스나 발포제를 이용하여 발포시키는 발포체는 물리적 발포제나 화학적 발포제를 사용하여 제조될 수 있다.
물리적 발포제의 예로는 이산화탄소, 질소, 또는 하이드로플루오르카본 등이 사용되며, 화학적 발포제의 예로는 아조디카본아마이드 등과 같은 기체 생성 유기물질이 사용될 수 있다.
미합중국 특허 제6,225,365호에 의하면, 화학적 발포제는 분해 후에 잔류물이 남기 때문에 최종제품의 물성이 저하되는 반면에, 물리적 발포제는 잔류물이 전혀 없어 더 우수한 발포체를 얻을 수 있다고 기재되어 있다. 그러나 이러한 발포방법의 경우에는 생성되는 공극이 비교적 크고(약 100 ㎛ 이상) 높은 수준의 공극율(약 50 %이상)을 갖기 때문에 기계적 강도와 인성이 낮은 경향을 나타낸다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 공극밀도가 크고 공극 크기가 작은 가소성 발포체를 제조하기 위한 초 미세발포방법이 개발되었으며, 이러한 방법은 미합중국 특허 제4,473,665호(1984.09.25)에 기재되어 있다.
이외에도 미세구조를 갖는 발포물질을 연속적으로 생성하기 위한 다양한 방법들이 제시되어 왔다. 미합중국 특허 제5,866,053호(1999.02.02)에서는 미세발포체를 형성하는 연속적인 방법이 개시되어 있다. 이 발명은 발포제 및 중합체의 단일상 용액의 압력을 신속히 강하시켜 공극의 핵을 생성하고 핵 생성속도를 최종 제품에서 미세발포구조를 형성하기에 충분히 높게 유지시키는 것을 특징으로 한다.
대한민국 공개특허 제2004-34975호에서는 섬유형성성 고분자를 압출기에서 용융, 혼련시에 초임계 기체를 상기 압출기 내로 도입하여 균일한 농도의 단일상 고분자 용융액-기체용액을 제조한 다음, 연속해서 급격한 압력 강하 속도가 부여되도록 하여 미세다공 토출물을 제조하고, 상기 미세다공 토출물을 토출직후에 냉각매체로 급냉하고, 방사드래프트가 2 내지 300이 되도록 10 내지 6,000 m/분의 권취속도로 권취하는 것을 특징으로 하는 미세다공질 섬유의 제조방법이 개시되어 있다.
일본 특허 제3,555,986호에서는 제1압출기와 이것에 연결되는 혼합부를 갖는 어댑터에 의하여 용융한 열가소성 수지에 발포제인 불활성 가스를 함침시키어 열가소성 수지와 불활성 가스의 완전 상용상태를 형성하는 가스용해공정과, 제2압출기에 의하여 가압상태를 유지한 채 용융 수지의 온도를 내리는 냉각공정과, 급격한 압력저하에 의하여 다수의 기포핵을 발생시키는 핵생성공정과, 기포 지름을 제어하는 발포제어공정을 포함하는 미세하고 다수의 기포를 균일하게 가지는 열가소성 수지 발포체의 제조방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허 제2004-322341호에서는 결정성의 열가소성 수지를 포함하는 성형재료를 용융하는 용융공정, 용융된 성형재료에 불활성 유체를 혼합하는 혼합공정, 불활성 유체가 혼합된 용융상태의 성형재료를 결정화 온도에 대하여 0.5 내지 5℃ 높은 온도의 범위 내에서 압출하는 공정을 포함하는 미세셀 발포체의 압출발포 성형방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허 제2004-338396호에서는 열가소성 수지를 포함하는 성형재료를 용융하는 용융공정, 용융된 성형재료에 불활성 유체를 혼합하는 혼합공정, 불활성 유체가 혼합된 용융상태의 성형재료를 고화온도보다 높은 온도로 그리고 압출순간에는 실질적으로 발포하지 않거나 저발포 상태가 되도록 압출하는 압출공정, 압출된 성형재료에 외력을 가하고 발포시키는 외력부여공정을 포함하는 미세셀 발포체의 압출발포 성형방법이 개시되어 있다.
그러나 아직도 상기 특허들에 의해 제조되는 최종 제품들이 가지는 기계적 물성은 무발포체에 비하여 낮다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 비중이 낮은 미세발포체로서, 스킨층의 두께를 두껍게 하고, 코어층의 미세공극의 크기와 분포를 제어하여 무발포체와 유사한 기계적 물성을 나타내는 미세발포체를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 공극율 5 % 미만인 스킨층과 공극 율 5 % 이상인 코어층을 포함하며, 상기 스킨층의 두께가 전체 두께의 5 내지 50 %인 미세발포체를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 미세발포체는 일반적인 미세발포체에 비하여 두꺼운 스킨층과 미세공극이 형성된 코어층을 포함한다. 본 발명에서 공극율은 하기 계산식 1로 계산되며, '스킨층'은 공극율이 5 % 미만인 부분으로 정의되며, '코어층'은 공극율이 5 % 이상인 부분으로 정의된다. 다만, 본 발명에서 코어층은 우수한 기계적 물성을 확보하기 위하여 공극율이 5 내지 90 %인 것이 더 바람직하다.
[계산식 1]
공극율(%) = (ρN-ρF)/ρN × 100
상기 식에서 ρN 은 무발포체의 밀도, ρF 은 발포체의 밀도를 나타낸다.
본 발명의 미세발포체에 있어서, 상기 스킨층의 두께는 전체 미세발포체 두께의 5 내지 50 %인 것이 바람직하고, 10 내지 40 %인 것이 더 바람직하다. 상기 스킨층의 두께가 전체 미세발포체 두께의 5 % 미만인 경우에는 신율 등과 같은 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 50 %를 초과하는 경우에는 원하는 비중감소의 효과를 얻기 어렵다.
본 발명의 미세발포체의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 일면 또는 양면에 스킨층이 형성된 시트, ㄱ자형 단면, 또는 내부에 챔버가 있는 샤시 형태인 것이 바람직하다. 상기 미세발포체는 용도에 따라 적절한 두께로 제조할 수 있으므로, 상기 미세발포체의 단면의 두께는 특별히 한정되지 않으나 0.5 내지 5 mm의 두께를 가지는 것이 더 바람직하다.
또한, 본 발명의 미세발포체에 있어서, 상기 스킨층은 각각 50 내지 500 ㎛의 평균두께를 가지는 것이 바람직하다. 상기 스킨층의 두께가 50 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 물성의 감소를 유발하며, 500 ㎛를 초과하는 경우에는 원하는 비중감소를 얻기 힘들다.
본 발명의 미세발포체는 전체적으로 평균 5 내지 80 %의 공극율을 가지는 것이 바람직하고, 10 내지 70 %의 공극율을 가지는 것이 더 바람직하며, 15 내지 30 %의 공극율을 가지는 것이 가장 바람직하다. 미세발포체의 전체 공극율이 평균 5 % 미만인 경우에는 미세발포체로서의 특성을 가지지 못하며, 80 %를 초과하는 경우에는 과도한 공극생성으로 인하여 미세발포체의 물성이 저하될 수 있다.
특히, 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %인 경우에, ASTM D 4226 방법에 따라 측정한 유변학적 낙하 측정(Rheometric Drop Test)에 의한 충격흡수에너지가 동등한 조건으로 제조된 무발포체에 대비하여 70 %이상인 것이 바람직하며, 90 내지 150% 인 것이 더 바람직하다. 상기 충격흡수 에너지는 높을수록 좋으나, 무발포체 대비 150% 이상의 충격흡수 에너지를 얻기는 사실상 어렵다.
상기 미세발포체의 코어층에 형성되는 공극은 0.1 내지 50 ㎛의 평균 직경을 가지는 것이 바람직하며, 1 내지 30 ㎛의 평균직경을 가지는 것이 바람직하다. 상기 공극의 크기가 작을수록 미세발포체의 물성 개선 효과가 우수하나, 0.1 ㎛미만의 미세공극을 형성하기가 어려우며, 50 ㎛를 초과하는 경우에는 기계적 물성의 저 하가 커진다.
본 발명의 미세발포체는 발포체의 형성이 가능한 열가소성 수지를 포함하며, 바람직하게는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것이 바람직하고, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 및 폴리스티렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 미세발포체는 ASTM D638법에 따라 측정한 신율이 동등한 조건으로 제조된 무발포체의 신율에 대하여 70% 이상인 것이 바람직하며, 90 내지 150 %인 것이 더 바람직하다. 상기 발포체의 신율은 높을수록 좋으나, 무발포체 대비 150% 초과의 신율을 얻기는 사실상 어려우며, 발포체의 신율이 무발포체의 신율에 대하여 70% 미만인 경우에는 제품으로서의 적용이 어려워진다.
또한 본 발명의 미세발포체는 ASTM D638법에 따라 측정한 인장강도가 동등한 조건으로 제조된 무발포체의 인장강도에 대하여 70% 이상인 것이 바람직하며, 90 내지 150 %인 것이 더 바람직하다. 상기 미세발포체의 인장강도는 높을수록 좋으나, 무발포체 대비 150% 초과의 인장강도를 얻기는 사실상 어려우며, 무발포체의 인장강도에 대하여 70% 미만인 경우 물성저하에 따른 제품으로서의 적용이 어려워진다.
본 발명의 미세발포체는 필요에 따라 건축용 내외장재, 또는 디스플레이 장 치의 광학적 반사판 등의 용도로 사용될 수 있으며, 그 중에서도 건축용 내외장재로 사용되기에 적합하며, 특히 방음재, 단열재, 건재, 경량구조재, 포장재, 절연재료, 쿠션재, 또는 방진재 등의 건축용 내외장재로 사용되기에 적합하다.
본 발명의 미세발포체의 제조방법은 a) 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하는 단계, b) 상기 가소화된 혼합물을 압출다이의 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하는 단계, 및 c) 상기 미세 공극이 형성된 용융혼합물을 압출다이의 냉각구간으로 통과시키며 냉각시키는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 압력강하구간의 끝지점의 온도와 상기 냉각구간의 시작지점의 온도는 30 내지 200 ℃의 온도차이를 가지도록 하는 것이 바람직하며, 50 내지 150 ℃의 온도차이를 가지도록 하는 것이 더 바람직하다. 상기 온도차이가 30 ℃ 미만인 경우에는 압력강하구간에서 형성된 미세공극이 계속 성장하게 되고, 발포체에 충분한 두께의 스킨층이 형성되기 어려우며, 상기 온도차이가 200 ℃를 초과하게 되면, 급격한 고화로 인하여 제조공정이 진행되기 어렵다.
상기 압력강하구간, 및 냉각구간은 하나의 압출 다이(Die)에 일체형으로 포함되거나 구간별 분리된 블록형 압출다이에 각각 별도로 포함될 수 있다. 다만, 하나의 압출다이에 일체형으로 포함되는 것이 미세발포체의 미세공극 제어 및 스킨층 형성에 바람직하며, 분리형 압출다이에 각각 별도로 포함되는 경우에는 압력강하구간의 끝지점의 압력이 냉각구간에서 유지되도록 강하게 체결하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압출 다이는 압력강하구간의 끝지점에 온도저하 방지를 위한 가열수단을 포함할 수 있다. 상기 가열수단은 상기 압출다이의 압력강하구간의 내부에 형성되거나, 또는 상기 압출다이의 압력강하구간의 내부 및 외부에 함께 형성될 수 있다.
상기 가열수단으로는 통상의 전기발열체를 사용할 수 있으며, 기타 다른 가열수단도 사용할 수 있으므로, 본 발명에서는 특별히 한정되지 않는다.
상기 압출 다이는 냉각구간의 시작지점에 온도상승 방지를 위한 냉각수단을 포함할 수도 있다. 상기 냉각수단도 상기 가열수단과 같이 압출다이의 냉각구간의 내부에 형성되는 것이 바람직하며, 상기 압출다이의 냉각구간의 내부 및 외부에 함께 형성될 수도 있다.
상기 냉각수단으로는 냉매가 흐르는 파이프라인 등의 냉각장치를 사용할 수 있으며, 기타 다른 냉각수단도 사용할 수 있으므로, 본 발명에서는 특별히 한정되지 않는다.
도 1는 압력강하구간(11), 온도변화구간(12), 및 냉각구간(13)을 함께 포함하는 압출다이(10)의 일 예를 나타낸 단면도이다. 상기 압출다이(10)의 내부에는 노즐(14)이 압출방향으로 형성되어 있으며, 실제 압력강하가 이루어지는 곳은 노즐이 끝나는 부분이다.
상기 압출다이는 압력강하구간을 일정온도로 유지하기 위한 가열수단(15), 및 상기 냉각구간의 온도를 유지하기 위한 냉각수단(17)을 포함한다. 다만, 본 발명의 제조방법에 사용되는 압출 다이의 형태가 상기 도 1의 경우로만 한정되는 것 은 아니다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 압력강하구간의 끝지점의 온도는 사용되는 열가소성 수지에 따라 바람직한 범위로 조절할 수 있으나, 150 내지 250℃인 것이 바람직하다. 상기 압력강하구간의 끝지점의 온도가 150℃미만인 경우에는 충분한 미세공극이 형성되기 어렵고, 250℃를 초과하는 경우에는 열가소성 수지의 열화 및 과발포가 일어날 염려가 있다.
또한, 상기 냉각구간의 시작지점의 온도도 사용되는 열가소성 수지에 따라 바람직한 범위로 조절될 수 있는 것으로서, 열가소성 수지의 융점 또는 연화점보다 약간 높은 수준에서 유지되는 것이 바람직하며, 40 내지 150℃인 것이 더 바람직하다. 상기 냉각구간의 시작지점의 온도가 40℃ 미만인 경우에는 급격한 고화로 인하여 제조공정이 진행되기 어렵게 되며, 150℃를 초과하는 경우에는 압력강하구간에서 형성된 미세공극이 냉각구간에서도 계속 성장하게 되어 발포체에 충분한 두께의 스킨층이 형성되기 어렵다.
특히, 상기 압력강하구간과 냉각구간에서의 온도변화는 ±5℃ 이내로 유지되는 것이 바람직하며, ±2℃ 이내로 유지되는 것이 더 바람직하다. 상기 압력강하구간 및 냉각구간에서의 온도변화가 ±5 ℃를 초과하는 경우에는 균일한 압출물을 얻기 힘들어 기계적 물성이 낮아진다.
상기 압력강하구간과 냉각구간에서 열가소성 고분자 수지의 이송 속도는 통상적인 공정성을 확보할 수 있는 범위 안에서 특별히 한정되지 않으나, 0.5 내지 20 m/min인 것이 바람직하다.
본 발명의 미세발포체의 제조방법에 있어서 상기 압력강하구간과 냉각구간의 사이에 온도변화구간을 포함할 수 있다. 상기 온도변화구간에서는 급격한 온도변화가 일어나며, 압력강하구간과 냉각구간 사이의 열교환을 방지하는 역할을 한다. 상기 온도변화구간에서는 하기 계산식 2로 표시되는 진행방향에 따른 온도변화율이 2 ℃/mm 이상인 것이 바람직하고, 3 내지 40 ℃/mm인 것이 더 바람직하다. 상기 온도변화율은 높을수록 좋으며, 2 ℃/mm 미만인 경우에는 냉각구간에 의한 미세공극 제어의 효과가 미미하다.
[계산식 2]
TL=(Th-Tc)/L
상기 식에서, TL은 온도변화율, Th는 압력강하구간 끝지점의 온도, Tc는 냉각구간 시작지점의 온도, L은 온도변화구간의 길이이다.
상기 온도변화구간의 길이는 좁을수록 급격한 온도변화를 일으킬 수 있으므로, 좁을수록 본원발명의 제조방법에 유리하나, 1 내지 150 mm인 것이 바람직하다. 상기 온도변화구간의 길이가 150 mm를 초과하는 경우에는 압력강하구간과 냉각구간의 사이에서 완만한 온도변화가 일어나 미세발포체의 제조에 바람직하지 못하다.
이 때, 상기 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간은 하나의 압출 다이(Die)에 일체형으로 포함되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 압출 다이는 압력강하구간의 끝지점에 온도저하 방지를 위한 가열수단을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 냉각구간의 시작지점에 온도상승 방지를 위한 냉각수단을 포함하는 것이 바람직 하다. 이 때, 상기 가열수단과 냉각수단에 관한 내용은 앞서 기재한 내용과 동일하고, 상기 온도변화구간은 상기 가열수단과 냉각수단 사이의 구간으로 정의될 수 있다.
도 2는 상기 가열수단과 냉각수단의 효과를 높이기 위하여 다수의 가열수단(25, 26)과 냉각수단(27, 28)을 추가한 압출다이(20)를 나타낸다. 이 경우에도 압력강하구간(21), 온도변화구간(22), 및 냉각구간(23)이 하나의 다이에 일체형으로 포함되는 것이 바람직하나, 내부 유로의 압력만 유지할 수 있다면 구간별 분리된 블록형 압출다이를 사용하여도 가능하다. 상기 압출다이(20)의 내부에는 노즐(24)이 압출방향으로 형성되어 있다.
상기 가열수단과 냉각 수단은 필요에 따라 적절한 수로 추가하여 사용할 수 있으며, 본 발명의 제조방법에 사용되는 압출 다이의 형태가 상기 도 2의 경우로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 미세발포체의 제조에 사용되는 열가소성 고분자 수지는 발포체의 형성이 가능한 열가소성 수지이면 어느 것이라도 사용가능하며, 바람직하게는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것이 바람직하고, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 및 폴리스티렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다.
또한, 본 발명의 제조방법에 사용되는 상기 발포제는 불활성기체를 사용하는 것이 바람직하며, 이산화탄소, 질소, 또는 이들의 혼합기체를 사용하는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 발포제는 열가소성 수지 97 내지 99.9 중량부에 대하여 3 내지 0.1 중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 발포제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 압력강하구간에서 충분한 발포가 일어나지 못하여 미세공극을 형성할 수 없으며, 3 중량부를 초과하는 경우에는 수지에 더 이상 용융되지 못하여 의미가 없다.
상기 발포제는 초임계 상태로 혼합되는 것이 바람직하다. 발포제가 초임계 상태를 이루게 되면 고분자 수지에 대한 상용성이 증가하여 수지 내부에 균일한 공극을 형성할 수 있게 하며, 공극의 크기를 감소시키고 공극밀도를 증가시킬 수 있다. 상기 발포제는 이미 초임게 상태인 발포제를 사용하거나 또는 압출기에 투입된 후, 초임계 상태로 전환될 수 있다.
예를 들자면, 이산화탄소의 경우 임계압력은 75.3 ㎏f/cm2, 임계온도는 31.35 ℃이며 질소의 경우 임계압력은 34.6 kgf/cm2, 임계온도는 -147 ℃이다. 통상적으로 압출기 내에서 상기 기체를 초임계 상태로 전환시키기 위한 조건은 압력 70 내지 400 kgf/cm2, 온도 100 내지 400 ℃인 것이 바람직하다.
또한 질소를 초임계상태로 전환 시키기 위한 조건은 사용되는 발포제의 종류에 따라 조절될 수 있는 것이므로, 본 발명에서는 특별한 범위로 한정되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
도 3과 같이, 온도조절이 가능한 압력강하구간(31), 온도변화구간(32), 및 냉각구간(33)이 일체형으로 형성된 압출다이(34)와 어댑터(35)를 이축 압출기(Gㆆttfert Extrusiometer 350)(36)에 장착하여 미세발포체 제조를 위한 압출장치(30)를 준비하였다. 이 때, 상기 압출다이의 압력강하구간(31)의 길이는 125 mm, 온도변화구간(32)의 길이는 27 mm, 냉각구간(33)의 길이는 40 mm가 되도록 하였다.
창호 및 건축 내외장재로 사용되는 경질 폴리비닐클로라이드(PVC) 컴파운드 (LG 화학 제조) 98 중량부를 상기 압출기에 투입하여 상기 PVC를 완전히 가소화시킨 후, 고압펌프를 이용하여 2 중량부의 질소를 압출기의 도 3의 배럴 4 에 주입하여 단일상의 혼합물을 제조하고, 이를 발포 성형하여 두께 2mm, 폭 100mm인 미세발포체 시트를 제조하였다.
상기 압출기의 조건은 배럴1의 온도가 190 ℃, 배럴 2~4의 온도가 180 ℃, 배럴 5의 온도가 175℃가 되도록 하였으며, 어댑터의 온도는 135 ℃를 유지하도록 하였다.
또한, 상기 압출 다이의 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간의 조건은 하기 표 1에 정리하였다.
실시예 2 내지 3
상기 압출기의 배럴 조건과 압출 다이의 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간의 조건을 하기 표 1과 같이 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 미세발포체 시트를 제조하였다.
실시예 4
상기 압출기의 배럴 조건과 압출 다이의 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간의 조건을 하기 표 1과 같이 변화시키며 또한 두께 1mm의 시트가 제조되는 다이를 사용한 것을 제외하고 나머지 조건을 실시예1과 동일한 방법으로 미세발포체 시트를 제조하였다.
비교예 1
발포제를 사용하지 않고, 도 4와 같이 온도변화구간 및 냉각구간을 가지지 않고, 압력강하구간에 노즐(44)과 가열수단(45, 46)만이 형성된 압출다이(40)를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무발포체 시트를 제조하였다.
비교예 2
도 4와 같이 온도변화구간 및 냉각구간을 가지지 않고, 압력강하구간에 노즐(44)과 가열수단(45, 46)만이 형성된 압출다이(40)를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 발포체 시트를 제조하였다.
비교예 3
도 5와 같이 압력강하구간(51), 온도변화구간(52), 및 냉각구간(53) 을 포함하며, 압력강하구간의 내부에 노즐(54)이 형성되고, 상기 압력강하구간의 외부에 가열수단(55)이 구비되며, 상기 냉각구간의 내부에 냉각수단(57, 58)이 구비된 압출다이(50)를 이용하여 하기 표 1의 조건을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 발포체 시트를 제조하였다.
[표 1]
온도(℃) 압력강하구간 온도변화구간 냉각구간
위 치 시작점 끝지점 시작점 끝지점 시작점 끝지점
실시예 1 165 165 165 52 52 50
실시예 2 175 175 175 45 45 43
실시예 3 160 160 160 50 50 50
실시예 4 177 177 177 77 77 74
비교예 1 180 180 - - - -
비교예 2 180 180 - - - -
비교예 3 170 155 145 100 91 75
[시험예]
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 시트에 대하여 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
1. 비중 : ASTM D 792 방법에 따라 전체시트의 비중을 측정하였다.
2. 공극율, 공극의 크기, 및 스킨층의 두께 : 시트에 파단면을 낸 후, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 측정하였다.
도 6은 실시예 1에 따른 미세발포체 시트의 파단면 주사전자현미경 사진이며, 도 7은 비교예 3에 따른 발포체 시트의 파단면 주사전자현미경 사진이다.
3. 인장강도, 및 신율 : ASTM D 638 방법에 따라 시트의 인장강도 및 신율을 측정하였다.
4. 충격저항강도 : 유변학적 낙하 측정(Rheometric Drop Test, RDT) 장치를 이용하여 ASTM D 4226 방법에 의하여 의한 충격흡수에너지를 측정하였다.
[표 2]
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3
비중 1.2 1.14 1.2 1.15 1.4 1.0 1.0
스킨층 두께(㎛) 300 300 200 150 없음 50 미만 50 미만
평균공극크기(㎛) 30 20 25 30 없음 126 60
신율(%) 136 150 136 112 130 24 42
인장강도(N/mm2) 40 43 41 44 44 23.9 36
충격흡수에너지(J) 12 13 11 8 15.2 1.2 3.3
상기 표 2에서 보는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세발포체는 도 6과 같이 공극의 크기가 미세하고, 균일한 분포를 가지며, 스킨층이 두꺼워 낮은 비중에서도 무발포 시트와 동등한 수준의 물성을 나타내는 반면에, 냉각구간을 형성하지 않거나, 완만한 냉각처리를 거친 비교예의 발포체 시트는 도 7과 같이 공극의 크기가 크고, 스킨층의 두께도 얇아 물성이 좋지 못한 것을 알 수 있다.
본 발명의 미세발포체는 일반적인 미세발포체에 비하여 스킨층의 두께가 두껍고, 코어층의 미세공극의 크기가 작으며, 그 분포가 균일하여 기존의 무발포체와 유사한 기계적 물성을 나타내는 장점이 있다.

Claims (16)

  1. 하기 계산식 1로 정의되는 공극율이 5 % 미만인 스킨층과 공극율이 5 % 이상인 코어층을 포함하며, 상기 스킨층의 두께가 전체 두께의 5 내지 50 %인 미세발포체:
    [계산식 1]
    공극율(%) = (ρN-ρF)/ρN × 100
    상기 식에서 ρN 은 무발포체의 밀도, ρF 은 발포체의 밀도임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는 일면 또는 양면에 스킨층이 형성된 시트, ㄱ자형 단면, 또는 내부에 챔버가 있는 샤시형태 형태인 미세발포체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미세발포체는 단면의 두께가 0.5 내지 5 mm인 시트, ㄱ자형 단면, 또는 내부에 챔버가 있는 샤시형태인 미세발포체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스킨층은 50 내지 500 ㎛의 평균두께를 가지는 것인 미세발포체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체의 전체 공극율이 5 내지 80 %인 미세발포 체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %이며, ASTM D 4226 방법에 따라 측정한 유변학적 낙하 측정(Rheometric Drop Test)에 의한 충격흡수에너지가 동등한 조건으로 제조된 무발포체에 대하여 70 %이상인 미세발포체.
  7. 제6항에 있어서 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %이며, ASTM D 4226 방법에 따라 측정한 유변학적 낙하 측정(Rheometric Drop Test)에 의한 충격흡수에너지가 동등한 조건으로 제조된 무발포체에 대하여 90 내지 150 %인 미세발포체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 코어층은 0.1 내지 50 ㎛의 평균 직경을 가지는 공극이 형성된 것인 미세발포체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %이며, ASTM D638법에 따라 측정한 신율이 동등한 조건으로 제조된 무발포체의 신율에 대하여 70 %이상인 미세발포체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %이며, ASTM D638법에 따라 측정한 신율이 동등한 조건으로 제조된 무발포체의 신율에 대하여 90 내지 150 %인 미세발포체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %이며, ASTM D638법에 따라 측정한 인장강도가 동등한 조건으로 제조된 무발포체의 인장강도에 대하여 70 %이상인 미세발포체.
  12. 제11항 있어서, 상기 미세발포체는 전체의 공극율이 15 내지 30 %이며, ASTM D638법에 따라 측정한 인장강도가 동등한 조건으로 제조된 무발포체의 인장강도에 대하여 90 내지 150 %인 미세발포체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것인 미세발포체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는 건축용 내외장재인 미세발포체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 미세발포체는
    a) 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하는 단계;
    b) 상기 가소화된 혼합물을 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하는 단계; 및
    c) 상기 미세 공극이 형성된 용융혼합물을 냉각구간으로 통과시키며 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 압력강하구간의 끝지점의 온도와 상기 냉각구간의 시작지점의 온도가 30 내지 200 ℃의 온도차이를 가지며, 상기 압력강하구간, 및 냉각구간을 모두 포함하는 압출 다이(Die)를 이용하여 제조되는 미세발포체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 미세발포체는 상기 압출 다이(Die)가 압력강하구간과 냉각구간의 사이에 온도변화구간을 더 포함하며, 하기 계산식 2로 표시되는 상기 온도변화구간에서의 진행방향에 따른 온도변화율이 2 내지 40 ℃/mm인 제조방법으로 제조되는 것인 미세발포체:
    [계산식 2]
    TL=(Th-Tc)/L
    상기 식에서, TL은 온도변화율, Th는 압력강하구간 끝지점의 온도, Tc는 냉각구간 시작지점의 온도, L은 온도변화구간의 길이임.
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