KR20090051444A

KR20090051444A - 종이와 전분을 이용한 발포단열재의 제조방법

Info

Publication number: KR20090051444A
Application number: KR1020070117836A
Authority: KR
Inventors: 슈시 기타무라
Original assignee: 가부시키가이샤 티에스피; 스미토모 쇼지 케미컬 가부시키가이샤; 주식회사 제일리폼
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-05-22
Also published as: EP2217645A1; KR100954903B1; CN101827884A; ES2389209T3; MX2008014729A; CN101827884B; EP2217645B1; ATE515530T1; US20090127731A1; WO2009066147A1

Abstract

본 발명은, 지분(紙粉, 종이가루)과 전분과 폴리프로필렌을 주성분으로 하며, 지분의 중량비율보다도 전분의 중량비율이 많아지도록 설정되고, 폴리프로필렌이 전체의 50중량%미만으로 설정된 원료에, 물을 첨가하고, 압출기에 의해 압출 발포시킴으로써 발포단열재를 제조하는 방법으로서, 상기 폴리프로필렌에 용융유량(Melt Flow Rate)이 1 ~ 15g/10min의 범위에 있는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 종이와 전분를 이용한 발포단열재의 제조방법이다.

Description

종이와 전분을 이용한 발포단열재의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF FOAMED HEAT-INSULATING MATERIAL USING PAPER AND STARCH}

본 발명은, 지분(紙粉)(종이의 분쇄물)과 전분 및 폴리프로필렌을 주원료로 하며, 이것을 수증기압 하에서 발포시켜서 단열재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래, 합성수지를 원료로 하는 발포체는, 완충재, 보온재, 혹은 단열재로서 널리 사용되고 있다. 그러나, 합성수지만으로 이루어지는 제품은, 사용 후 폐기되었을 경우, 자연계에 존재하는 미생물에 의해 용이하게 분해되지 않는다고 하는 문제가 있다.

또, 소각했을 경우에는, 발생열량이 높기 때문에 소각로를 쉽게 손상시킨다는 문제가 있다.

또한 폴리스타이렌계 플라스틱 발포체는, 상기 문제에 부가해서, 환경호르몬의 문제가 지적되고 있다.

그래서 최근, 플라스틱 발포체에 비해서, 폐기 시 및 소각 시에 있어서의 환경에 대한 영향이 적은 발포체의 개발이 진행되고, 옥수수전분 등의 전분재료와, 폴리프로필렌 또는 생분해성 수지를 원료로 하는 발포체가 실용화되고 있다. 또, 종이를 원료로 사용한 발포체도 연구되고 있다. 예를 들면 특허문헌 1에, 지분과, 전분ㆍ미세 목분(木粉)ㆍ차잎파쇄물 등의 식물성 재료와, 열가소성 합성수지를 원료로 하고, 이들을 물과 함께 압출기에 공급해서 가열 혼련한 후, 용융혼합물을 압출기로부터 압출할 시에 수증기압 하에서 발포시킴으로써, 발포체를 제조하는 것이 기재되어 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2000-273800호 공보

지분, 전분, 열가소성 합성수지를 원료로 하고, 이들을 압출기에 의해 압출 발포시켜서 제조한 발포체를, 건축용 단열재로 이용하는 경우, 얻어진 제품의 열전도율 및 밀도가 중요하다. 열전도율이 낮을수록 단열성이 우수하며, 밀도가 작을수록 경량으로 되어서 취급이 용이하게 된다.

그런데, 발포체의 열전도율 및 밀도는, 발포체 내부의 기포구조에 크게 의존한다. 즉, 발포율이 높고 또한 각 기포가 독립해 있으면, 발포체의 열전도율 및 밀도를 모두 작게 할 수 있다. 그리고, 발포체의 발포상태는, 원료의 유동성, 환언하면, 압출기에 의한 압출 발포 시에 있어서의 원료의 용융점도에 의해서 결정된다고 사료된다.

본 발명은, 종이와 전분을 이용해서 발포단열재를 제조하는 데에 있어서, 우수한 단열성능을 발휘시키기 위한 수단을 제공하는 것으로서, 그 특징으로 하는 바는, 청구항 1에 기재한 바와 같이, 지분과 전분과 폴리프로필렌을 주성분으로 하며, 지분의 중량비율보다도 전분의 중량비율이 많아지도록 설정되고, 폴리프로필렌이 전체의 50wt%미만으로 설정된 원료에, 물을 첨가하고, 압출기에 의해 압출 발포시킴으로써 발포단열재를 제조하는 방법으로서, 상기 폴리프로필렌에, 용융유량(Melt Flow Rate)이 1 ~ 15g/1Omin(바람직하게는 3 ~ 13g/1Omin)의 범위에 있는 것을 이용하는 것이다.

본 발명에 사용되는 지분은, 종이ㆍ판지를 미세하게 파쇄한 것, 혹은, 종이ㆍ판지의 해섬물(解纖物)이지만, 고지(古紙)를 사용하면 원료비용을 저감시킬 수 있다. 또 일반적으로, 회수된 고지는 대부분이 제지원료로 사용되고 있지만, 제지원료로 되지 못하는 것(이른바 저급 고지)도, 본 발명의 지분용 재료로 사용할 수 있다.

지분의 크기는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 입자직경 0.3㎜이하가 바람직하다. 이와 같은 지분을 제조하는 수단으로서, 일본국 특허제3738367호에 기재된 분쇄기를 이용하면 된다.

본 발명에 있어서, 원료로서 사용하는 전분은, 청구항 2에 기재된 옥수수전분을 이용하는 것이 원료비용의 면에서 유리하지만, 기타, 감자전분, 소맥전분, 타피오카전분 등을 이용하는 것도 무방하다.

사용되는 압출기는, 2축이든 단축이든 되고, 물첨가장치를 구비하는 것이어도 되며, 또 일반적으로, 압출기의 선단부에는, 다이와 사이징(sizing)이 장착된다.

종이와 전분을 이용한 발포단열재를 제조하는 데에 있어서, 지분 쪽이 전분보다도 중량비율이 커지면, 제품의 발포성이 악화되고 기포형상도 거칠어지기 때문에, 단열성능이 저하된다. 그래서 본 발명에서는, 지분비율을 전분보다도 낮게 억제한다. 구체적으로는 지분 : 전분 = 2 : 8 ~ 4 : 6(중량비)의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 지분비율을 낮게 하면, 단열재 제품의 탄력성이 높아지므로, 건축재로 서 시공성이 향상되는 이점도 얻을 수 있다.

또, 환경에 미치는 영향을 억제하기 위해서, 폴리프로필렌의 배합비율은 50중량%미만으로 설정하지만, 발포성을 고려하면 40중량%이상으로 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 발포체의 단열성을 좌우하는 기포구조는, 압출 발포 시에 있어서의 원료의 용융점도와 밀접하게 관련되지만, 압출 발포 시에 있어서의 원료의 용융점도를 직접 측정하는 것은 사실상 곤란하다. 그래서 본 발명에서는, 합성수지의 용융 시 점도의 지표로서 이용되고 있는 용융유량( = Melt Flow Rate: 이하, MFR이라고 함)에 의해서, 소정의 단열성능을 발휘하는 데에 필요한 폴리프로필렌의 물성을 규정하였다.

MFR의 측정방법에 대해서는 국제표준규격 ISO1133(일본공업규격 JIS K7210)에 규정되어 있으며, 그것에 의하면,

(A) 단위시간당의 수지압출량을 측정하는 방법

(B) 일정량의 수지를 압출하는 데에 필요로 하는 시간을 측정하는 방법

이 있다. 일반적으로, A법은 비교적 MFR이 낮은 재료, B법은 비교적 MFR이 높은 재료가 적용대상이라고 되어 있다. 따라서, 본 발명의 대상으로 하는 폴리프로필렌의 MFR은, A법에 의한 측정치를 채용하는 것이 바람직하다.

그러나, A법과 B법에 의한 측정치는 거의 일치한다고 되어 있으므로, B법에 의해 측정된 MFR을 채용하는 것도 무방하다.

폴리프로필렌의 MFR이 높은 경우(15g/10min을 초과하는 경우), 원료의 용융 점도가 낮기 때문에, 압출 발포 시에 기포가 쉽게 파괴되며, 인접하는 기포끼리가 일체화되어서, 용적이 큰 기포를 형성한다. 그 결과, 열전도율이 저하되고, 단열성능이 악화된다.

이때, 압출 발포 시의 온도를 낮춰서 원료의 용융점도를 높이는 것도 고려되지만, 온도저하에 의해서, 발포에 필요한 수증기압도 저하되기 때문에, 원료를 발포시키기 위한 팽창력이 부족하며, 결과적으로 발포 불충분한 제품이 된다.

반대로 폴리프로필렌의 MFR이 낮은 경우(1g/10min미만인 경우), 원료의 용융점도가 높기 때문에, 압출 발포 시의 수증기압에서는 원료를 충분히 발포시키지 못하고, 그 결과, 발포체의 밀도가 높아져서 열전도율이 저하되고, 역시 단열성능이 악화된다.

이때, 압출 발포 시의 온도를 상승시켜서 원료의 용융점도를 낮추는 것도 고려되지만, 온도상승에 의해서, 내열성이 낮은 전분이 변성 또는 분해될 우려가 있다.

이와 같은 조건에서, 본 발명에서는, 사용되는 폴리프로필렌의 MFR의 값을, 1 ~ 15g/10min(최적으로는 3 ~ 13g/10min)의 범위로 설정하였다. 이것에 의해, 원료를 압출 발포시켰을 때에, 원료를 적절하며 충분히 발포시키는 것이 가능하고, 특별한 온도설정을 할 필요도 없다.

그 결과, 청구항 3에 기재한 바와 같이, 열전도율이 0.035W/mㆍK이하라고 하는 우수한 단열성을 발휘하는 발포단열재를 제공할 수 있다.

또한, 청구항 4에 기재한 바와 같이, 밀도가 0.07g/㎤이하인 경량인 발포단 열재를 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 사용되는 폴리프로필렌의 MFR을 규정함으로써, 특별한 압출기를 이용하거나 특수한 온도조건을 설정하거나 하지 않고, 단열성이 우수하며 경량인 발포단열재를, 종이와 전분을 사용해서 용이하게 제조하는 것이 가능하다.

본 발명 방법에 의해 제조되는 발포단열재는, 지분과 전분과의 비율이, 전체의 50중량%를 초과하므로, 폐기 시 또는 소각 시에 있어서, 환경에 대한 영향을 적게 억제할 수 있다. 또 연소 시의 열량이 낮기 때문에, 소각해도 노(爐)를 손상시키지 않는다.

본 발명에 관련되는 발포단열재를 제조하기 위해서는, 우선 원료가 되는 지분, 전분, 및, MFR이 1 ~ 15g/10min(바람직하게는 3 ~ 13g/10min)인 폴리프로필렌을 준비한다. 지분은, 고지 등의 종이제품을 예를 들면 일본국 특허제3738367호에 기재된 분쇄기를 이용해서, 0.12㎜이하의 크기로 미분쇄해서 제조한다. 이들 지분과 전분과 폴리프로필렌을 미리 혼합해서, 또는, 각각을 별도로 압출기에 공급한다. 혹은, 지분과 전분을 미리 혼합ㆍ조립(造粒)해서 펠릿형상으로 성형해 두어도 된다.

지분과 전분과의 비율은 4 : 6 정도가 바람직하며, 폴리프로필렌의 원료 전체에 차지하는 중량비율은 40% ~ 50%미만으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 관련되는 발포단열재는, 종이성분과 식물재료가 주성분이기 때문에, 환경에 우수한 제품이라고 할 수 있다.

압출기는, 실린더에 물을 주입할 수 있는 물첨가장치(예를 들면 액첨가펌프 등)가 부속된 범용의 2축 압출기를 이용할 수 있다. 각 원료를 공급한 후, 물을 주입하고, 가열 혼련해서, 선단부의 다이로부터 용융혼합물을 압출한다.

물의 주입량은, 적정한 수증기압을 얻을 수 있으며, 또한, 압출 발포시킨 제품 내에 기화하지 않았던 잉여의 수분이 잔량하지 않도록 설정한다.

또 압출기에 있어서의 실린더나 다이의 가열온도는, 사용되는 폴리프로필렌의 융점이나, 전분의 내열성을 고려해서 결정한다.

용융혼합물은, 압출된 시점에서, 수증기압에 의해 발포해서 팽창된 후, 즉시 기화열의 방출에 의해 냉각되어서 고체화된다.

실시예 1

(제조공정)

(1) 봉투제조업자로부터 배출된 봉투 단재(端材)를, 일본국 특허제3738367호에 기재된 분쇄기에서 분쇄하여, 입경 0.12㎜이하의 지분으로 한다.

(2) 상기 지분 40중량부와 옥수수전분 60중량부를 혼합기에서 혼합하고, 얻어진 혼합분말 100중량부에 대해서, 3.75% 폴리비닐알코올수용액 60중량부를 첨가하고, 충분히 혼련한 후, 압출식 조립기에서 습식 조립하였다. 다음에, 조립에 의해 얻어진 펠릿화된 원료를 건조시켜서 수분율 15%로 조정하였다(이하, 이것을 「종이펠릿」이라고 함).

(3) 가부시키가이샤 티에스피사 제품 2축 압출기 MTE77을 사용하여, 2개의 피더(feeder) 중의 한쪽(No.1)으로부터 종이펠릿을, 다른 한쪽의 피더(No.2)로부터 파우더형상의 폴리프로필렌을 공급하였다. 종이펠릿과 폴리프로필렌과의 배합비율은 종이펠릿 55wt%에 대해서 폴리프로필렌 45wt%이다. 사용된 폴리프로필렌의 MFR은 10g/10min이다.

(4) 압출기의 실린더 내에 물을 액첨가펌프에 의해 주입한 후, 다이온도 175℃로 설정하고, 스크류회전수 270rpm으로 원료를 압출하였다.

(5) 압출된 발포체(두께 50㎜ × 폭 265㎜)는, 인수 컨베이어에 연속해서 설치한 절단기에 의해, 길이 약 2m마다 절단하고, 일시보관용 대차(臺車)에 얹어서 2일간 방랭(放冷)하였다.

(결과)

얻어진 발포단열재의 조성비율은,

지분 약 18wt%

전분(옥수수전분) 37wt%

폴리프로필렌(MFR = 10) 45wt%

이며, 밀도 = 0.020g/㎤, 열전도율 = 0.0335W/mㆍK였다.

실시예 2

(제조공정)

상기 실시예 1과 동일하다. 단, 사용된 폴리프로필렌은, 펠릿형상이며, MFR은 3g/10min이다.

(결과)

얻어진 발포단열재의 조성비율은,

지분 약 18wt%

전분(옥수수전분) 37wt%

폴리프로필렌(MFR = 3) 45wt%

이며, 밀도 = 0.018g/㎤, 열전도율 = 0.0333W/mㆍK였다.

비교예

(제조공정)

상기 실시예 1과 동일하다. 단, 사용된 폴리프로필렌은, 펠릿형상이며, MFR은 20g/10min이다.

(결과)

얻어진 발포단열재의 조성비율은,

지분 약 18wt%

전분(옥수수전분) 37wt%

폴리프로필렌(MFR = 20) 45wt%

이며, 밀도 = 0.019g/㎤, 열전도율 = 0.0368W/mㆍK였다.

(평가)

실시예 1, 2와 비교예를 비교하면 명백한 바와 같이, 본 발명에 의거하여 MFR = 3 또는 10g/10min의 폴리프로필렌을 이용했을 경우는, 열전도율이 0.035W/mㆍK이하인 단열성이 우수한 발포체를 얻을 수 있었지만, MFR = 20g/10min의 폴리프로필렌을 이용했을 경우에는, 발포체의 밀도에는 큰 차가 없었음에도 불구하고, 열 전도율에 대해서는 목표치인 0.035W/mㆍK를 하회할 수 없었다.

Claims

지분(紙粉, 종이가루)과 전분과 폴리프로필렌을 주성분으로 하며, 지분의 중량비율보다도 전분의 중량비율이 많아지도록 설정되고, 폴리프로필렌이 전체의 50중량%미만으로 설정된 원료에, 물을 첨가하고, 압출기에 의해 압출 발포시킴으로써 발포단열재를 제조하는 방법으로서, 상기 폴리프로필렌에 용융유량(Melt Flow Rate)이 1 ~ 15g/10min의 범위에 있는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 종이와 전분을 이용한 발포단열재의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 전분은 옥수수전분인 것을 특징으로 하는 종이와 전분을 이용한 발포단열재의 제조방법.
제 1항 또는 제 2항에 기재된 방법에 의해 제조된 열전도율이 0.035W/mㆍK이하인 것을 특징으로 하는 종이와 전분을 이용한 발포단열재.
제 3항에 있어서,

밀도가 O.O7g/㎤이하인 것을 특징으로 하는 종이와 전분을 이용한 발포단열재.