KR20100007270A - 폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 발포입자의 제조시 배압가스를 회수하는 기술과 공정액을 회수하는 기술, 수지입자를 분리하는 기술과 수지입자표면과 공정흐름에서 미립자를 제거하는 기술, 그리고 최종적으로는 폴리올레핀 발포입자를 제조함과 동시에 바로 성형체를 제조하는 기술에 관한 것이다.
종래에는 공정흐름을 대기압으로 감압팽창한 후에 세척, 건조 등의 과정을 거쳐서 발포입자를 제조하여 저장하였다가, 이를 이송 및 전처리한 후 성형체를 제조하였다. 본 발명에서는 대기압으로 감압팽창하기 전에 공정흐름의 보유에너지를 이용하여 세척, 건조를 완료하고 배압가스와 공정액을 효율적으로 회수할 뿐만 아니라, 발포입자를 제조함과 동시에 저장이나 전처리과정 없이 바로 성형체를 제조함으로써, 에너지와 비용을 크게 절감할 수 있게 하였다.
Figure P1020080067837
폴리올레핀, 발포, 발포입자, 발포제, 성형체, 연속성형장치, 분산제

Description

폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법 및 제조장치 {The method and apparatus for the production of foamed particles and foam-molded articles of polyolefin resin}
본 발명은 폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 폴리올레핀 발포입자의 제조공정에 있어서 발포시 배압가스를 회수하는 기술과 공정액을 회수하는 기술, 수지입자를 분리하는 기술과 수지입자표면과 공정흐름에서 미립자를 제거하는 기술, 그리고 최종적으로는 폴리올레핀 발포입자를 제조함과 동시에 그 입자를 사용하여 바로 성형체를 제조하는 기술에 관한 것이다.
참고로, 본 발명은 폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 총 5개의 발명군(發明群)으로 구성되어 있다. 본 란에서는 설명의 편의상 발명군 별로 설명을 할 것이다.
“발명의 내용” 란과 “발명의 실시를 위한 구체적인 내용” 란에서 각각 발명군 별로 설명할 것이며 필요시 “배경기술”에 관해서도 언급할 것이다. 각 발명군의 세부발명은 발명군 번호와 세부발명 번호를 표시할 것이다. 예컨대, 제 2 발명군 중의 제 3 세부발명은 “제 (2-3) 발명”으로 표시할 것이다.
본 발명의 구성은 다음과 같다.
제 1 발명군 : 발포시 배압 발포가스를 회수하는 기술(청구항 1 - 8).
제 2 발명군 : 최종발포 단계 이전에 공정액을 회수하는 기술(청구항 9 - 17).
제 3 발명군 : 최종발포 단계 이전에 수지입자를 분리하는 기술과 미립자를 제거하는 기술(청구항 18 - 26).
제 4 발명군 : 제 2, 제 3 발명군을 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조공정에 적용하는 기술(청구항 27 - 30).
제 5 발명군 : 발포입자 제조와 동시에 그 성형체를 제조하는 기술(청구항 31 - 39).
합성수지 발포체는 합성수지 내부에 많은 수의 작은 기포를 형성시킨 것으로 가벼울 뿐 아니라 유연성 내충격성 단열성이 좋아서 포장재 완충재 단열재 경량구조재 등으로 널리 사용된다.제조방법은 화학적 방법과 물리적 방법이 있다. 화학적 방법은 합성수지와 발포제를 잘 혼합한 후, 적절한 조작을 하여 발포제를 분해하여 기체를 발생시켜 발포체를 제조하는 방법이며, 물리적 방법은 발포제를 수지 내에 침투시킨 후에 감압팽창하여서 발포체를 제조하는 방법이다. 화학적 방법은 주로 폴리우레탄과 폴리올레핀의 발포에 적용되고, 물리적 방법은 주로 폴리스티렌과 폴리올레핀의 발포에 적용된다.
환경문제가 대두되면서 화학적 방법보다는 물리적 방법으로 합성수지 발포입 자를 제조하는 방법이 널리 채용되게 되었다. 물리적 방법의 발포제로는 CFC, 프로판, 부탄 등 유기발포제와 이산화탄소, 질소 등의 무기발포제가 사용될 수 있으나 대기오염 등을 고려하여 이산화탄소와 같은 무기발포제의 사용이 증가하는 추세다.
통상의 회분식(batch type) 발포입자 제조공정을(이산화탄소를 발포제로 사용하는 공정) 도 6에 예시하였는데, 이를 설명하면 다음과 같다. 수지입자를 물(분산매) 및 분산제와 함께 고압밀폐용기인 반응조(BP1)에 투입하고, 발포제(이산화탄소)를 소정의 압력까지 투입하여 이들을 가열 및 교반을 함으로써 발포제를 폴리올레핀 입자 내부로 침투시킨 후, 수지입자와 물을 고압용기 밖으로 배출하여 발포장치(BP2, 예컨대 오리피스)를 통하여 감압팽창시킴으로써 발포입자를 제조하는 것이다. 발포시에는 반응조(BP1) 내의 압력을 유지하기 위해서 발포가스 저장조(BP15)로부터 가스를 반응조로 계속 공급하여야 한다. 그렇게 하여 발포가 완료된 입자는 세척장치(BP3, 입자표면에 부착된 분산제 가루 등을 제거할 목적)와 탈수장치(BP4)를 통과하여 싸이로(BP5)에 저장된다. 그러한 제조방법에 대해서는 예컨대 미국 특허 제4,379,859호에 개시되어 있다.
그러나 통상의 발포입자 제조공정에서는 발포시 반응조에 공급되는 배압용 발포가스(이산화탄소)를 발포가 끝난 후에 대기로 방출한다는 문제와 발포 후에 발포입자를 세척하고 탈수하기 위해서 큰 규모의 장치와 많은 운전비가 소요된다는 문제 등이 있다.
발포입자를 성형하는 통상의 방법은 이러하다. 싸이로에 저장된 발포입자는 그 기포 내에 발포가스를 함유하고 있는데 이는 성형전에 공기로 치환하여야 한다 (대기 중에 방치하거나 더운 공기를 불어 넣어주는 방법으로 치환할 수 있음). 발포제로 부탄을 사용한 경우에는 화재의 위험 때문에 치환하여야 하고, 발포제로 이산화탄소를 사용한 경우에는 팽창력 부족 때문에 치환하여야 한다. 치환이 완료된 발포입자는 운송되며, 성형 공장에서는 성형기에 투입하기 전에 통상 발포입자를 압력용기에 넣어서 공기로 가압상태하에 두며 그 목적은 입자 기포내의 내압을 높여서 성형시 팽창력을 증진하기 위함이다.
폴리올레핀 발포입자는 다양한 조건의 금형(mold)을 사용하여 성형할 수 있어서, 압축성형법(일본특허공보 제(소)46-38359호), 가압숙성법(일본특허공보 제(소)51-22951호), 압축충전법(일본특허공보 제(평)4-462217호), 상압충전법(일본특허공보 제(평)6-22919호), 기타방법(일본특허공보 제(평)6-22919호) 등의 방법이 있다. 이중 압축성형법과 가압숙성법이 통상 사용되는 방법이다.
압축성형법은 대기압 또는 감압하에 자형 금형과 웅형 금형의 한쌍의 금형으로 이루어진 캐비티 내에 폴리올레핀 발포입자를 충전한 후에 금형 캐비티 체적을 5 내지 70% 감소하도록 압축한 다음, 스팀 등의 열매를 캐비티 내로 도입하여 가열 융착시키는 방법이다.
가압숙성법은 휘발성 발포제 또는 무기가스의 하나 이상에 미리 발포입자를 처리하여 발포입자의 2차 발포력(팽창력)을 높인 다음에, 이러한 2차 발포력을 유지하면서 대기압 또는 감압하에 자형 금형과 웅형 금형의 한쌍의 금형으로 이루어진 캐비티 내에 발포입자를 충전한 후, 금형 캐비티 내에 스팀 등의 열매를 도입하여 발포입자를 가열 융착시키는 방법이다.
위와 같은 성형공정은 발포체 비드의 운송비용과 전처리 비용(가압숙성법), 그리고 에너지 소요비용(성형을 위한 가열과 냉각)이 과다하다는 문제가 있다.
연속식(continuous type) 발포입자 제조방법은( 미국 특허 제5,928,674호 및 도 14 참조) 전술한 회분식 제조방법에 비해서 장치비 소요가 적고 발포시 배압가스가 필요치 않다는 장점이 있으나 고온고압의 공정액을 회수하지 못한다는 단점과 발포 후 세척공정이 필요하다는 단점 등이 있다. 연속식 발포입자 제조방법은 아직 상업화되지 못하였다.
연속식 공정으로 생산된 발포입자의 경우도 그 성형방법은 상기한 성형방법과 동일하며 그 문제점도 동일하다.
[ 제 1 발명군 ]
본 발명(제 1 발명군)은 폴리올레핀 발포입자의 제조공정에서 사용되는 배압용 발포가스를 효율적으로 회수하는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
종래에는 발포단계가 완료된 후 반응조에 잔류하는 발포가스를 이런 방식으로 처리하고 있다. 발포제를 부탄으로 하는 경우에는 잔류 발포가스를 회수하여 액화하는 방법이 사용되는데, 이는 액화 및 기화에 에너지가 많이 들어가고 또 제조 싸이클 타임도 길어진다는 문제가 있다. 발포제를 이산화탄소로 하는 경우에는 통상 잔류가스를 대기 중으로 방출하는데, 이는 제조원가의 상승이라는 문제와 환경오염이라는 문제가 있다. 반응조 잔류 이산화탄소를 압축기로 흡입하여 압력용기에 저장하는 방법도 있으나, 이 또한 에너지 소요와 제조 싸이클 타임 면에서 불리하다.
폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서 발포가스를 회수하는 방법으로서는, 특허 제 10-0333405호(2002.04.09)가 알려져 있다. 이 특허기술은, 반응조에 수지입자와 물과 발포제를 투입 및 교반가열하여 수지내부로 발포제를 침투시키는 함침반응이 끝난 후에, 별도로 설치된 수용액저장조로 반응조 상부에 존재하는 발포제 기체를 보낸 후에 다시 고압기체를 반응조 상부로 밀어넣음으로써 발포단계를 수행하는 것으로 되어있다. 그러나 발포제가 아닌 다른 고압기체로 대체하여 발포단계를 수행하게되면, 반응기 상부의 발포제 분압을 맞추기 위해서 물과 수지내부에 침투 되었던 발포제가 다시 나오게 되므로, 발포입자의 발포정도가 크게 작아지게 된다는 문제가 있다. 또한, 동 특허기술 중 반응조 내로 고압기체를 주입하여 공정액을 회수하는 단계도 실제로는 구현하기가 거의 불가능하다. 왜냐하면, 발포직전 단계의 수지입자는 고온으로 인하여 연화되고 점착성이 있는 상태이므로, 물회수 노즐의 망을 막거나 반응조 안에서 수지입자끼리 붙게 될 것이기 때문이다.
본 발명(제 1 발명군)은 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 제조공정에서 사용되는 배압용 발포가스를 효율적으로 회수하고 회분(batch) 당 제조소요시간을 단축함으로써, 소요에너지와 생산비용을 절감하는데 그 목적이 있다.
상기 목적 과제를 해결하는 수단은 아래 제시한 제 1 발명군이다.
본 발명 중 제 (1-1) 발명은(제 1 발명군 중의 제 1 발명), 반응조의 가스공간과 가스회수조를 유기적으로 활용하는 방법으로서, 발포시에는 가스회수조의 발포가스를 반응조로 보내고(배압가스용), 발포가 끝난 후에는 반응조의 잔류가스를 다시 가스회수조로 회송하는 것이 그 핵심인데, 좀 더 구체적으로는 다음과같이 이루어지는 방법이다.
하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
(a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키면서, 동시에 반응조로 발포가스를 공급하여 반응조의 배압을 유지하되, 내부에 발포가스와 분산매를 포함하는 가스회수조로 가스가 아닌 유체(분산매 또는 분산매와 수지입자 등의 혼합유체)를 투입하여 그 가스회수조로부터 밀려나는 발포가스를 반응조의 배압유지용으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 발포단계;
(c) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조로 투입된 유체를 반응조로 이송함으로써 반응조로부터 가스회수조로 발포가스가 회수되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스회수단계;
(d) 가스회수 완료 후 반응조에는 (c)단계에서 이송된 유체와 잔존 가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계. (청구항 1)
상기 제조방법은 회분식 공정(batch process)으로서 한 회분(batch)은 상기 단계들인 (d)원료투입단계, (a)발포제 침투단계, (b)발포단계, (c)가스회수단계를 순차적으로 거치게 된다.
위 제조방법(청구항 1)에서보다 발포가스를 좀 더 많이 회수할 수 있도록 수지공급조를 설치운용할 수 있다. 그 방법은 이러하다.
상기 방법의 (d)단계를, 하기 단계들을 포함하는 단계로 하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
(a) 반응조 상부에 설치된 수지공급조에 한 회분(one batch) 정량의 수지입자를 투입하는 수지예비투입단계;
(b) 가스회수 완료 후, 반응조 내의 분산매를 일부 배출하거나 보충함으로써 분산매가 한 회분(one batch) 정량이 되도록 조정하는 분산매조절단계;
(c) 반응조 상부와 수지공급조 상부에 연결된 등압관을 개방하여 양 용기를 등압화하고 수지공급조 하부를 개방하여 수지입자를 반응조로 이송하는 단계로서, 반응조가 고압인 상태에서 이송함을 특징으로 하는, 수지투입단계. (청구항 2)
본 발명 중 제 (1-2) 발명은, 발포 시에 배압가스를 공급하기 위해서 가스회수조에 분산매(물)를 투입하는( 제 (1-1) 발명) 대신에, 가스회수조에 분산매와 수지입자를 함께 투입함으로써, 발포가스를 완전히 회수할 수 있고 또 회분(batch) 당 제조소요시간을 단축할 수 있다는 것이 특징이다. 좀 더 구체적으로는 다음과같이 이루어지는 방법이다.
제 (1-1) 발명에(청구항 1) 있어서,
가 스회수조로 투입되는 유체를 분산매와 수지입자의 혼합물로 한정함을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
( a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키면서, 동시에 반응조로 발포가스를 공급하여 반응조의 배압을 유지하되, 내부에 발포가스와 분산매를 포함하는 가스회수조로 분산매와 수지입자의 혼합유체를 투입하여 그 가스회수조로부터 밀려나는 발포가스 를 반응조의 배압유지용으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 발포단계;
(c) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조로 투입된 혼합유체를 반응조로 이송함으로써 반응조로부터 가스회수조로 발포가스가 회수되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스회수단계;
(d) 가스회수 완료 후 반응조에는 (c)단계에서 이송된 혼합유체와 잔존 가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 필요시 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계. (청구항 3)
또한, 상기 방법(청구항 3)에서와는 달리 가스회수조로는 분산매를 투입하고 수지는 별도의 수지공급조를 통하여 투입하는 방법을 채용할 수도 있는데 이는 다음과같이 이루어지는 방법이다.
제 (1-1) 발명에(청구항 1) 있어서,
가스회수조용 분산매 투입펌프와 가스회수조 사이에 수지공급조를 설치하여 가스회수조에 분산매와 함께 수지입자를 투입할 수 있는 것을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
(a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키면서, 동시에 반응조로 발포가스를 공급하 여 반응조의 배압을 유지하되, 내부에 발포가스와 분산매를 포함하는 가스회수조로 분산매와 수지입자를 수지공급조를 경유해서 투입하여 그 가스회수조로부터 밀려나는 발포가스를 반응조의 배압유지용으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 발포단계;
(c) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조로 투입된 분산매를 수지공급조를 통하여 수지입자와 함께 반응조로 이송함으로써 반응조로부터 가스회수조로 발포가스가 회수되도록 하며 동시에 원료투입이 병행되는 것을 특징으로 하는 가스회수단계;
(d) 발포완료 후 다음 회분(batch)의 발포시작 전까지의 기간에, 수지공급조에서 분산매를 배출하고 수지공급조에 수지입자 1 회분(a batch)을 투입하고 수지공급조 내의 공극을 분산매로 채우는 수지예비투입단계;
(e) 가스회수 완료 후 반응조에는 (c)단계에서 이송된 혼합유체(수지입자와 분산매 등)와 잔존 발포가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 필요시 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계. (청구항 4)
본 발명 중 제 (1-3) 발명은, 전기한 가스회수조나 수지공급조를 사용하지 않고, 반응조 내에 보조용기를 장설하여 배압가스를 공급하고 회수하는 방법으로서, 좀 더 구체적으로는 다음과같이 이루어지는 방법이다.
하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
(a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는 발포단계;
(c) 발포단계와 동시에, 반응조로 내부에 장설된 보조용기(용기 부피의 수축과 팽창이 자유로운 것이 특징임.)에 가스나 액체를 공급하여 배압용 발포가스를 공급하지 않으면서 반응조의 배압을 유지함을 특징으로 하는, 배압유지단계;
(d) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스와 수증기 등 잔존 가스와 (c)단계에서 보조용기에 이송된 유체가 존재하는데, 그 유체를 배출하고 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계. (청구항 6)
상기 방법에 사용되는 보조용기가 장설된 반응장치는 다음과같이 구성된다.
하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 폴리올레핀 발포입자 제조용 반응장치:
(a) 내압 밀폐형인 원통형 용기로서;
(b) 용기 측면 외측으로 가열장치를 형성하고, 상부 또는 측부에 원료 투입노즐을 형성하며;
(c) 용기 하부에는 공정액과 수지입자의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하고, 용기 하부를 관통하여 교반장치를 형성하며;
(d) 용기 상부 내측에 신축이 자유로운 벨로즈(bellows)형의 보조용기를 장설하되, 그 보조용기의 상부판은 용기(반응장치)의 상부에 고착하고 보조용기 하부판은 상하이동을(하부판이) 할 수 있도록 용기(반응장치) 측벽에 형성된 가이드에 맞물려 설치하며, 상부판에는 가스나 액체가 출입할 수 있도록 용기(반응장치) 상부를 관통하여 노즐을 형성함. (청구항 8)
이상 본 발명 중 제 1 발명군에 관한 배경기술과 발명의 내용 등을 설명하였고, 제 1 발명군에 따른 효과에 대해서 설명하면 다음과 같다.
종래의 방법(액화법, 대기배출법, 압축법)에 비해서 본 발명은 발포가스를 액화도 하지 않고 압축도 하지 않으면서 발포가스를 효율적으로 회수함으로써, 에너지를 절감할 수 있고 제조 싸이클타임을 단축할 수 있으며 친환경적이다. 특히, 벨로즈형의 보조용기가 장설된 반응장치를 채용하는 경우에는, 제조공정이 간단해지고 장치 투자비가 대폭 축소되어서 제조비용이 더욱 절감된다.
[ 제 2 발명군 ]
본 발명(제 2 발명군)은 최종발포 단계 이전에 공정액을 회수하는 기술(청구항 9 - 17)로서, 폴리올레핀 수지의 분산매로 사용되는 공정액을 회수하여 재사용함으로써 소요에너지를 최소화하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서 공정액을 회수하는 방법으로서는, 특허 제10-0373604호(2003.02.12)가 알려져 있다. 이 특허기술은 수지입자의 배출장치에 관한 것으로, 동 장치를 반응조의 배출계통에 장착 운용함으로써 수지입자를 소량씩 연속적(단속적)으로 배출하는 것이 목적이며, 그 과정에서 수지입자와 분산매(물)가 망위를 통과하게 함으로써 공정액(물)를 회수하는 것으로 기술되어 있다. 이 배출장치는 반응조 상부 노즐과 관으로 연결되어 설치되며(이 특허기술에서는 발포시 반응조 상부노즐을 통해서 발포하도록 되어있다), 발포시 반응조 상부노즐로 올라오는 수지입자와 분산매를 단속적으로 배출 및 발포하는 장치인데, 그 구성은 고정반과 고정반의 상부에서 기밀을 유지하며 회전축을 중심으로 주기적으로 회전하는 회전반으로 되어있다. 고정반에는 반응조 상부 노즐을 통해서 들어오는 수지입자와 분산매(물)를 회전반에 공급하기 위한 공급실이 있고 또 회전반에서 수지입자와 분산매를 전달받아 발포시키는 배출실이 있다. 회전반에는 저장실이 있는데(저장실 상부로는 통기관이 형성되어있다), 이는 고정반의 공급실 상부에 위치할 때 수지입자와 분산매를 공급받고, 회전반이 다시 회전하여 저장실이 고정반의 배출실 상부에 위치할 때 수지입자와 분산매를 배출실에 전달하도록 되어있다.
공정액을 회수하는 방법은, 고정반의 공급실과 배출실 사이에 액체분리실(상부가 스크린(망)으로 되어있음)을 두어서 회전반의 저장실이 고정반의 공급실을 통과하여 액체분리실 상부로 왔을 때 회전반의 통기관으로 고압기체를 공급하여 공정액만을 배출한다고 기술되어 있다.
그러나 이 특허기술은 아래 이유로 실현가능성이 매우 희박하다.
① 반응조 상부 노즐과 공급실이 막힐 가능성이 많다. 발포시의 수지입자는 고온상태로 점착성이 있으므로 흐름이 정체되어(이 특허기술에서는 흐름이 단속적이다.) 수지입자가 부력으로 상승할 경우에는 수지입자끼리 융착될 것이기 때문이다.
② 공급실에서 저장실로 수지입자를 공급하는 과정에서 수지입자의 손상이 생길 것이다. 저장실이 공급실 상부에 있다가 회전하게 되는 과정에서 양자 사이에 끼인 수지입자는 잘리거나 으깨어질 것이다. 이러한 수지입자 부스러기는 고정반과 회전반의 접촉면 사이로 틈입할 수 있고 이는 기밀(sealing)에 문제를 야기할 것이다. 수지입자 부스러기는 액체분리실 스크린을 막을 수도 있다.
③ 액체분리시 통기관으로 공급되는 고압기체가 문제다. 발포가스가 아닌 고압기체를 사용하는 경우에는 수지입자에 함침된 발포가스가 분압차이 때문에 빠져나올 수 있다(수지입자의 발포비(팽창비)가 낮아진다). 그리고 발포가스를 쓰는 경우에는 가격이 비싸므로 원가가 추가된다.
④ 실링장치의 기계적인 문제가 있다. 장치내 압력이 고압(20 - 50 kg/cm2 )이며 실링면에 캐비티(공급실 저장실 등)가 있을 뿐 아니라 단속적 회전방식이므로 기계적으로 어려울 뿐 아니라, 공정유체 중에는 분산제 가루와 점착성이 있는 수지입자 부스러기가 존재하므로 이들이 실링면을 마모케하는 등의 문제가 있어서, 현실적으로 그런 실링장치를 개발하기도 어렵고 경제적 타당성도 없을 것이다.
폴리올레핀 발포입자의 제조방법에 있어서, 종래에는 발포 단계 이후에 공정액을(온도가 많이 떨어진 상태) 회수하였기 때문에 에너지 손실이 많았는데, 이를 개선하기 위하여 본 발명(제 2 발명군)에서는 발포단계 이전에 고온고압의 공정액을 회수하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결수단을 이하에 기술한다.
본 발명(제 2 발명군) 중 제 (2-1) 발명은(제 2 발명군 중의 제 1 발명),
발포단계 이전에 공정액(분산매와 용해발포제 및 첨가제 등을 포함하는 액체) 회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법이다.
(a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 발포노즐로 배출하는 과정에 있어서, 반응조와 발포노즐 사이에 공정액 회수장치(8)를 설치하여 고온고압의 공정액을 회수하는 것을 특징으로 하는, 공정액회수단계;
(c) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 발포노즐을 통하여 배출하되 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는, 발포단계;
(d) 발포 완료 후 반응조에는 잔존 가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계. (청구항 9)
본 발명 중 제 (2-2) 발명은 상기 공정액 회수단계에 사용할 수 있는 장치로서 다음과 같은 것들이다.
폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서, 반응조와 발포장치 사이에 설치되어 공정흐름 중 공정액을 일부 회수하는 장치로서, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
(a) 상부가 위로 갈수록 좁아지는 형태로 형성된 원통형 용기로서;
(b) 용기 측면 상부에 공정액과 수지입자의 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하거나, 용기 벽을 관통하여 용기 내부로 관을 도입하여 그 끝이 용기의 상부에 위치하도록 공정액과 수지입자의 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하고;
(c) 용기 상부 최첨단에 공정액과 수지입자의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하고;
(d) 용기 하부에 회수되는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함. (청구항 10)
상기 공정액 회수장치에 있어서,
공정액과 수지입자의 투입노즐(inlet nozzle)을 용기 하부 바닥 중앙에 형성하되 그 관(pipe)을 용기내로 연장하여 그 끝이 용기 상부에 위치하도록 형성하고, 용기 하부 바닥 중앙부에 회수되는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하여서 된, 공정액 회수장치. (청구항 11)
폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서, 반응조와 발포장치 사이에 설치되어 공정흐름 중 공정액을 일부 회수하는 장치로서, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
(a) 원통형 용기로서;
(b) 용기 중앙을 상하로 관통하는 관(pipe)을 형성하여 그 하부로 공정액과 수지입자가 투입되어 상부로 나가도록 하되, 그 관통하는 관 중 용기 내부에 위치하는 부분은 수지입자보다 작은 눈(mesh)의 망이나 타공판으로 관을 형성하고;
(c) 용기 측면에 회수되는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함. (청 구항 12)
본 발명 중 제 (2-3) 발명은 제 1 발명군과 본 발명의 공정액 회수기술을 조합한 발명으로서 다음과 같다,
제 1 발명군의 제조방법에 있어서,
발포단계와 병행하여 가스회수조에 분산매나 수지를 투입할 시에, 전기 공정액 회수장치에서 회수된 고온고압의 공정액을 함께 투입함으로써 에너지를 절감할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법이다.(청구항 13)
제 1 발명군 중 보조용기가 장설된 반응조를 이용하는 방법에 있어서,
발포단계와 병행하여 보조용기에 유체를 공급할 시에, 전기 공정액 회수장치에서 회수된 고온고압의 공정액을 함께 투입함으로써 에너지를 절감할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법이다.(청구항 14)
제 (2-4) 발명은, 공정액회수단계를 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법에 있어서, 세척단계를 추가하는 방법과 세척기능이 포함된 공정액회수장치에 관한 것으로 좀 더 구체적으로는 다음과 같다.
공정액 회수단계를 포함하는 제조방법(청구항 9) 또는 가스회수조에 회수공정액을 투입하는 제조방법(청구항 13) 또는 보조용기에 회수공정액을 투입하는 제조방법(청구항 14)에 있어서,
공정액회수단계와 병행하여 공정액 회수장치에 세척수를 통과시키는 방법으로 하는 세척단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.(청구항 15)
공정액 회수장치(청구항 10 - 12)에 있어서,
수지입자의 세척기능을 추가한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
(a) 용기 측면 상부에(공정액의 배출노즐 부근) 세척수 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하고;
(b) 용기 하부에(회수되는 공정액의 배출노즐 부근) 폐세척수 또는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함.
이상 본 발명 중 제 2 발명군에 관한 배경기술과 발명의 내용 등을 설명하였고, 제 2 발명군에 따른 효과에 대해서 설명하면 다음과 같다.
① 제 2 발명군에서는 모든 공정액이 회수되는 것은 아니지만(미회수 공정액은 발포 직후에 회수하면 된다.) 발포 이전에 고온고압의 공정액을 회수하므로 에너지가 절감되며, 이를 공정에 고압상태로 직접 투입 및 재사용하므로 공정액에 용해된 발포제까지 회수된다.
② 공정액 회수용 장치가 아주 작기 때문에(반응조 용량의 1/20 - 1/100) 설비투자비가 적고 회수시 별도의 에너지가 소요되지 않으므로 운전비용이 미미하다.
③ 제 1 발명군의 가스회수기술과 연계할 경우, 회수공정액을 위한 별도 보관용기가 필요치 않고 또한 가스회수조에 고압펌핑하여야 할 분산매의 양이 회수공정액 양만큼 줄어드는 등, 시너지 효과가 있다.
④ 제 1 발명군의 보조용기가 장설된 반응기를 이용한 제조공정과 연계하여 보조용기에 회수공정액을 투입하는 경우, 가스회수와 공정액회수가 되는 간단하고 효율적인 공정이 된다.
[ 제 3 발명군 ]
본 발명(제 3 발명군)은 최종발포 단계 이전에 수지입자를 분리하는 기술과 미립자를 제거하는 기술(청구항 18 - 26)로서, 제 2 발명군의 방법으로 공정액의 일부를 회수한데 이어서(공정액 일부 회수가 본발명의 선행필수조건은 아니다.) 공정흐름에서 공정액을 전부 제거하여 수지입자를 분리하고 다시 수지입자(또는 발포입자)와 기체흐름에서 미립자를 제거하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
상기 기술에 관하여 현재까지 당업계에서 개발된 기술은 알려져 있지 않으며, 통상은 발포(감압팽창)가 완료된 후에 공정액 회수와 발포입자의 세척과 건조 등의 공정을 거치게 된다. 그러므로 통상의 기술에 있어서는 공정유체가 고에너지에서 저에너지로 변화하는 과정(예컨대 감압팽창에 의한 발포과정)에서 에너지의 손실이 불가피하며, 발포 후 필요한 공정에 소요되는 제조비용도 크다.
본 발명(제 3 발명군)에서는 상기의 종래 문제점을 개선하여 최종발포 단계 이전에 공정흐름 중에서 수지입자를 분리하고 미립자를 제거함으로써 에너지를 절감하는 것이 목적이다. 또한 최종발포 단계 이전에 그러한 공정을 수행함으로써 제 5 발명군의 <발포입자 제조와 동시에 그 성형체를 제조하는 기술>을 가능케하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결수단을 이하에 기술한다.
본 발명(제 3 발명군) 중 제 (3-1) 발명은(제 3 발명군 중의 제 1 발명), 수지입자의 최종팽창(대기압으로 감압팽창) 이전에 수지입자분리단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법이다.
(a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 배출하여 감압팽창하는 과정에 있어서, 반응조와 최종팽창(대기압으로 감압팽창)장치 사이에 수지입자분리장치(9)를 설치하여 외부에서 도입한 가스나 공정액 자체에서 나오는 발포가스와 수증기를 이용하여 공정액을 가스로 대체하여 수지입자(또는 발포입자)를 분리하는 것을 특징으로 하는, 수지입자분리단계;
(c) 수지입자분리장치에서 배출되는 수지입자(또는 발포입자)와 가스를 수지입자분리장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여(또는 같은 압력 분위기로 방출한 후 추후 감압하여) 수지입자를 발포시키는, 발포단계;
(d) 발포 완료 후, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계. (청구항 18)
상기 발명은 수지입자분리장치(9) 또는 그 전단계에서 감압팽창공정이 필수요건이 아니지만, 감압팽창공정을 두어서 공정액 자체의 용해 발포제가 기화케 함으로써 그 기체를 이용하거나 공정액의 기화에 의한 수증기를 이용하여 수지입자를 분리하는데 활용할 수도 있다.
즉, 수지입자분리장치 내의 압력을 반응조 내 압력보다 낮은 압력으로 함으로써 공정액에서 나오는 가스(발포제와 수증기)를 공정액 제거용으로 이용함을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법이다. (청구항 19)
본 발명 중 제 (3-2) 발명은 상기 수지입자 분리단계에 사용할 수 있는 장치로서 다음과 같은 것들이다.
① 기본형 수지입자 분리장치.
반응조와 최종팽창(대기압으로 감압팽창)장치 사이에 설치되며 반응조에서 배출되는 공정 흐름 중 공정액을 제거하여 수지입자를 분리하기 위한 장치에 있어서, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
(a) 내압 밀폐형의 원통형 용기로서;
(b) 용기 중앙을 상하로 관통하는 관(pipe) 계통을 형성하되, 용기 상부의 돌출부는 공정액과 수지입자의 투입노즐이고 용기 하부의 돌출부는 수지입자와 가스의 배출노즐이며, 용기내부 관 계통 중 상부는 수지입자보다 작은 눈(mesh)의 망이나 타공판으로 된 공정액 배출부이며 그 하부는 통상의 관으로 된 수지입자와 가스의 배출관이 되도록, 관 계통을 형성하고;
(c) 용기 내 하부는 공정액 배출부를 통해서 나온 공정액을 수집하는 공간이며, 용기 외측하부는 수집 공정액을 배출하기 위한 공정액 배출노즐을 형성함. (청구항 20)
② 방사상 흐름 유도 수단이 있는 수지입자 분리장치.
상기 ①항의 기본형 수지입자 분리장치에 있어서,
공정액 배출부에서 공정액의 원활한 배출이 일어나도록 공정액 배출부 내부의 흐름에서 방사상(radial) 방향의 흐름을 유도하는 수단을 채용한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소들 중 하나를 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
(a) 공정액 배출부 벽으로부터 내부방향으로 돌출한 2개 이상의 날개를 형성하되, 날개들의 각도는 수직에서 예각으로 경사져있으며 날개의 시작부분(공정유체 흐름과 처음 만나는 부분)은 폭이 좁고 끝부분은 폭이 넓게(최대 폭은 관의 반경) 되도록 날개들을 형성함;
(b) 공정액과 수지입자 투입노즐 내부로 가스를 투입할 수 있도록 가스투입노즐을 형성함;
(c) (b)항의 가스투입노즐에서 가스투입관을 공정액 배출부 내부로 연장하여 형성하되 그 관에는 외부에 미세 구멍을 다수개 형성하여 가스가 공정액 배출부 일부 또는 전체에 걸쳐서 고루 공급될 수 있도록 형성함;
(d) (b)항 또는 (c)항의 가스투입노즐에 추가하여 용기 측면에 가스회수노즐을 형성하여, 이 두 노즐을 외부 관으로 연결하고 중간에 컴프레서를 설치하여 가스의 순환구조(circulation loop)를 형성함. (청구항 21)
③ 물수집장치가 장착된 수지입자 분리장치.
상기 ①항의 기본형 수지입자 분리장치에 있어서,
공정액 배출부(메쉬관)에서 공정액이 배출될 때 동시에 배출되는 가스의 양을 절약함으로써 공정액의 효율적인 배출이 이루어질 수 있는 수단을 채용한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소를 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
(a) 공정액 배출부를 감싸는 물수집장치를 형성하되;
(b) 물수집장치는 다수의 물수집실로 형성하며;
(c) 물수집실은 그 상부와 하부에 칸막이를 형성하되;
(d) 하부 칸막이의 외주는 아래로 경사지게 형성하여 배출된 공정액이 물수집실 측벽과 경사칸막이의 사이공간에 수집될 수 있도록 하며;
(e) 물수집실 측벽하부에는 다수개의 물배출구를 형성함. (청구항 22)
④ 자가청소 기능이 있는 수지입자 분리장치
상기 ①항 내지 ③항의 수지입자 분리장치에 있어서,
공정액 배출부 내에 자가청소용(self cleaning) 회전체를 장설함을 특징으로 하는, 하기의 구성요소를 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
(a) 공정액 배출부 내부에 원통형의 회전체를 장설함;
(b) 회전체는 공정액 배출부 내벽에 밀착할 정도로 형성함;
(c) 회전체는 나선형의 날개가 형성되어 있는 축으로 형성함;
(d) 하부 축은 용기 하부를 관통하여 외부 구동부와 연결함. (청구항 23)
본 발명 중 제 (3-3) 발명은 상기 수지입자 분리단계에 이어서 미립자제거단계를 추가한 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 및 그 제조장치이다.
미립자제거단계를 추가한 폴리올레핀 발포입자의 제조방법은 다음과 같다.
수지입자분리단계를 포함하는 폴리올레핀 발포체 제조 방법(청구항 18)에 있어서,
수지입자분리단계에 이어서 분산제, 물방울, 등의 미립자를 제거하는 것을 특징으로 하며, 수지입자분리단계 이후에 하기 요건들을 포함하는 미립자제거단계를 추가한, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
(a) 수지입자분리장치에서 배출되는 수지입자(발포입자)와 미립자를 포함한 가스를 수지입자분리장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 감압팽창하되, 동 압력은 수지입자분리장치 배출흐름의 온도에서의 포화수증기압 이하로 유지함으로써 수지입자 표면에 부착한 물이 일부 비등(boil)케 하는, 비등단계;
(b) 비등단계에서 수지입자(발포입자) 표면에 부착한 물은 미세한 물방울로 되어서 수지입자에서 떨어져 나오며 동시에 수지표면에 부착한 분산제 등의 가루도 같이 떨어져 나오게 되고, 공정유체는 표면 잡물이 제거된 깨끗한 발포입자와 물방울, 먼지, 발포가스, 수증기로 구성될 것인데, 이들 미립자(물방울, 먼지 등)를 제거함에 있어서 싸이클론 집진 방법을 이용하거나 미립자와 공정가스를 배출하고 깨끗한 가스를 보충해 주는 방법 등을 이용하여 미립자를 제거하는, 미립자제거단계. (청구항 24 )
상기 미립자제거단계에 사용할 수 있는 장치는 다음과 같은 것들이다.
① 2중관식 미립자 제거장치.
하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 미립자 제거장치:
(a) 내압 밀폐형의 원통형 용기로서;
(b) 용기 중앙을 상하로 관통하는 이중관(pipe)을 형성하되, 안쪽관은 미세구멍들이 다수개 형성된 관이며 바깥관은 상하 일부를 제외한 부분에는 수지입자보 다 작은 눈(mesh)의 망이나 타공판으로 형성된 관이며;
(c) 상기 안쪽관과 바깥관 사이로는 그 하부로 수지입자와 미립자와 가스가 투입되어 상부로 나가도록 하며, 안쪽관으로는 깨끗한 가스가 공급되어 미세구멍들을 통하여 이중관 사이 공간으로 방출되어서 그 공간에 존재하는 가스와 미립자를 바깥관 밖으로 배출함을 특징으로 하며;
(d) 상기 이중관이 끝나는 용기 하부에서 수지입자(또는 발포입자) 투입노즐 사이에는 수지입자의 발포장치를 형성하고;
(e) 상기 이중관이 끝나는 용기 상부의 후단(down stream)에는 발포입자 배출노즐을 형성하고;
(f) 용기 측면에 미립자와 가스가 배출되는 미립자 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함. (청구항 25)
② 마이크로파 가열장치가 장설된 미립자 제거장치.
상기 ①항의 2중관식 미립자 제거장치에 있어서,
용기 하부에 있는 공정유체 투입노즐의 전단에 관내(in-line) 마이크로파 가열장치를 장설하여 공정유체 중 물을 가열함으로써 비등(boil)을 촉진하는 것을 특징으로 하는, 미립자 제거장치. (청구항 26)
③ 싸이클론(cyclone)식 미립자 제거장치.
싸이클론에 공정액이 제거된 수지입자와 기체와 미립자로 된 공정유체를 감압팽창하여 투입하고, 상부로 기체와 미립자를 배출하고 하부로 수지입자(발포입자)를 배출하도록 된 싸이클론식 미립자 제거장치다. 이러한 싸이클론 장치는 시중 에서 쉽게 구할 수 있다. (청구항에 기재하지 않음)
이상 본 발명 중 제 3 발명군에 관한 배경기술과 발명의 내용 등을 설명하였고, 제 3 발명군에 따른 효과에 대해서 설명하면 다음과 같다.
① 최종발포(최종감압팽창) 이전에 고온고압의 공정액을 회수하므로 에너지가 절감되며, 이를 공정에(예컨대 가스회수조(2)) 직접 투입하는 경우 공정액에 용해된 발포제까지 회수할 수 있다.
② 공정흐름을 감압팽창하여(상압까지 감압팽창할 필요는 없음) 수지입자 분리장치를 운전할 경우, 수지입자 분리에 자체발생 기체(발포가스와 수증기)를 이용하므로 추가 에너지 소요가 거의 없다.
③ 미립자 제거장치는 장치크기가 아주 작거나(2중관식 미립자 제거장치) 운전 소요에너지가 거의 없으며(싸이클론식 미립자 제거장치), 미립자 제거는 발포입자의 건조효과도 있으므로 종래와 같은 건조장치가 필요치 않다.
④ 최종발포(최종감압팽창) 이전에 공정액과 미립자를 제거한 발포입자(팽창력이 잔존하는 상태임)를 만들 수 있으므로 제 5 발명군의 <발포입자 제조와 동시에 그 성형체를 제조하는 기술>을 가능케 한다.
[ 제 4 발명군 ]
본 발명(제 4 발명군)은 연속식 반응장치(tubular reactor or plug flow reactor)를 채용하는 폴리올레핀 발포입자의 연속식(continuous type) 제조방법에 있어서, 최종발포단계 이전에 공정액을 회수하고 미립자를 제거하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 최종발포 단계 이전에 고온고압의 공정액을 회수하고 또한 수지입자에 부착된 미립자(분산제 등의 오염물질)를 제거함으로써, 공정에 소요되는 에너지를 절감하는 데 있다.
상기 목적 과제를 해결하는 수단은, 기존에 성립되어있는 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조기술에(미국 특허 제5,928,674호 및 도 14 참조) 제 2 발명군과 제 3 발명군의 기술을 적용하는 것으로, 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 목적 과제의 해결수단 중 하나인 제 (4-1) 발명은, 최종발포 단계 이전에 공정액을 회수하는 발명(청구항 27)과 회수된 공정액을 다시 공정으로 투입하는 발명(청구항 28)으로서 다음과 같다.
① 공정액을 회수하는 발명
연속식 반응장치(tubular reactor or plug flow reactor)를 채용하는 연속식(continuous type) 제조방법에 있어서, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법:
(a) 원료혼합조에 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 분산제를 각각 일정 유속으로 연속 투입하고 이를 교반하여 다음 공정으로 연속 배출하는 원료투입단계;
(b) (a)항의 공정흐름을 고압펌프를 통하여 다음 공정으로 연속 이송하는 가압이송단계;
(c) 발포제를 (b)항의 토출 흐름에 고압 연속으로 추가하여 발포제를 원료 흐름에 혼합분산하거나 용해하는 발포제 추가단계;
(d) (c)항의 발포제가 추가된 공정흐름을 가열장치와 침투장치를 통과케 함에 있어서, 공정유체의 흐름선속도를 빠르게 유지함으로써 난류(turbulence)를 형성케 하는 등의 방법으로 수지입자의 분산상태를 유지하면서, 가열장치로 수지입자를 그 연화점 이상으로 가열하고, 침투장치에서는 충분한 체류시간을 줌으로써 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(e) 침투가 완료된 침투장치의 배출구를 통하여 수지입자와 분산매를 침투장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는 발포단계;
(f) (e)단계와 병행하여 그 최종발포단계 이전에, 제10항 내지 제12항의 공정액 회수장치를 최종발포장치 전단에 설치함으로써 공정액(분산매)을 회수하는 것을 특징으로 하는 공정액(분산매) 회수단계. (청구항 27)
② 회수공정액을 재투입하는 발명
상기 ①항의 발명에 있어서,
회수된 고온고압의 공정액을 원료투입공정 중 고압공정(예컨대 발포제 용해조)에 다시 투입함으로써 에너지를 절감하는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법. (청구항 28)
상기 제 (4-1) 발명에 의하여 연속식 제조공정에서 고온고압의 공정액을 회수하고 이를 다시 제조공정으로 투입하여 에너지를 절감할 수 있으나, 동 기술만 가지고는 공정액을 일부만 회수할 수 있다는 문제와 그 후의 공정으로서 세척공정과 건조공정을 거쳐야 한다는 문제가 있다.
이하 설명할 제 (4-2) 발명은, 최종발포단계 이전에 공정액을 대부분 회수하 고 수지입자를 분리할 수 있는 기술과 수지입자 표면에 부착된 미립자(분산제 가루 등)를 제거할 수 있는 기술을 포함한 발명으로서, 위에서 지적한 문제점을 해결할 수 있는 기술이다.
연속식 반응장치(tubular reactor or plug flow reactor)를 채용하는 연속식(continuous type) 제조방법에 있어서, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법:
(a) 원료혼합조에 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 분산제를 각각 일정 유속으로 연속 투입하고 이를 교반하여 다음 공정으로 연속 배출하는 원료투입단계;
(b) (a)항의 공정흐름을 고압펌프를 통하여 다음 공정으로 연속 이송하는 가압이송단계;
(c) 발포제를 (b)항의 토출 흐름에 고압 연속으로 추가하여 발포제를 원료 흐름에 혼합분산하거나 용해하는 발포제 추가단계;
(d) (c)항의 발포제가 추가된 공정흐름을 가열장치와 침투장치를 통과케 함에 있어서, 공정유체의 흐름선속도를 빠르게 유지함으로써 난류(turbulence)를 형성케 하는 등의 방법으로 수지입자의 분산상태를 유지하면서, 가열장치로 수지입자를 그 연화점 이상으로 가열하고, 침투장치에서는 충분한 체류시간을 줌으로써 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(e) 침투가 완료된 침투장치의 배출구를 통하여 수지입자와 분산매를 침투장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는 발포단계;
(f) (e)단계와 병행하여 그 최종발포단계 이전에, 제20항 내지 제23항의 수 지입자분리장치를 최종발포장치 전단에 설치하거나, 제25항 또는 제26항의 미립자 제거장치를 최종발포장치 전단에 설치함으로써, 발포후 세척과 건조 등 발포후 처리 공정을 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는, 최종발포전 처리단계. (청구항 29)
이상 본 발명 중 제 4 발명군에 관한 과제 및 그 해결수단에 대해서 설명하였고, 제 4 발명군에 따른 효과에 대해서 설명하면 다음과 같다.
① 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법은 회분식 제조방법에 비해서 제조원가가 싸다는 장점이 있는데, 연속식 제조방법에 제 2 발명군과 제 3 발명군의 기술을 적용함으로써 에너지를 더욱 절감할 수 있다.
② 세척과 건조가 최종발포 단계 이전에 완료되는 연속식 공정기술이 성립되었으므로, 앞으로 설명할 “발포 즉시 성형”방법(제 5 발명군) 중에서 연속 성형 공정이 가능하게 되었다.
[ 제 5 발명군 ]
본 발명(제 5 발명군)은 폴리올레핀 발포입자의 제조와 동시에 그 성형체를 제조하는 기술로서(청구항 31 - 39), 제 3 발명군의 방법으로 공정흐름 중의 공정액(물)을 제거하여 수지입자(발포입자)를 분리하고 수지입자 표면에 부착한 분산제 가루 등의 미립자를 제거하되 수지입자의 팽창력을 남겨둔 상태로 발포입자를 제조한 후, 그 발포입자의 온도와 내부압력을 유지한 채로 성형을 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
상기 기술에 관하여 현재까지 당업계에서 개발된 기술은 알려져 있지 않다. 종래의 발포 성형체 제조방법은 이러하다. 제조된 발포입자는, 기포 내부에 있는 발포가스를 공기로 치환하는 과정과, 압력용기에서 압축공기 하에 두어서 발포입자의 내부 압력을 올리는 가압과정을 거치게 되며, 그러한 준비과정들을 거친 발포입자는 성형기에 투입되어 가열과 냉각 과정을 통해서 성형체로 제조된다. 그러나 종래의 성형방법은 시간과 에너지가 많이 소요된다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 종래의 준비과정들을 생략하고 발포입자를 바로 성형장치에 투입하여 발포 성형체를 생산하여 제조원가를 대폭 절감하는 것이다.
참고로, 상기의 ‘발포입자 제조 즉시 성형하는 방법’이 당업계에서 개발되지 못하였던 원인은 다음과 같이 추측할 수 있다.
① 폴리올레핀 발포체 제조산업에 선행하였던 폴리스티렌 발포체(스티로폼) 제조산업의 경우에도 ‘발포입자 제조 즉시 성형하는 방법’이 개발되지 못하였다.
② 폴리올레핀 발포입자 제조공정의 배출흐름에는 다량의 공정액(물)이 포함되어서 나오게 되는데, 고압상태에서(즉, 수지입자가 점착성을 보유한 상태에서) 공정액을 제거하는 기술이 개발되지 않았다.
③ 발포입자를 성형하기 위해서는 세척공정이 선행되어야 하는데, 고압상태에서 발포입자를 세척하는 기술이 개발되지 않았다.
상기 ①항의 원인은 스티로폼의 발포제로 쓰이는 펜탄이 상온에서 액상이기 때문에 이를 공기로 치환하지 않고 성형할 경우에 수축이 심하다는 현상 때문인 것으로 판단되며, 상기 ②항과 ③항의 기술은 본 발명 중 제 3 발명군에서 개발이 되었다.
상기 목적 과제의 해결수단 중 하나인 제 (5-1) 발명은, 공정흐름에서 공정액을 제거하는 수지입자 분리단계를 거친 발포입자를 바로 금형(mold)에 투입하여 성형하는 기술(청구항 31)과, 수지입자 분리단계에 이어서 미립자 제거단계를 거친 발포입자를 바로 금형에 투입하여 성형하는 기술(청구항 32) 등으로 구성되어 있으며, 좀 더 구체적으로는 다음과 같이 이루어지는 방법이다.
하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법:
(a) 반응장치에(발포입자를 제조하기 위한 배치식 또는 연속식 반응장치) 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 분산상태로(수지입자를 분산매에 분산시키고 발포제를 분산매에 분산시키거나 용해시킨 상태) 유지하면서 가열하여 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
(b) 침투단계가 완료된 후, 반응장치 내의 수지입자와 분산매는 반응장치의 일단을 통과하여 일련의 감압팽창장치들을 거치면서 순차적으로 발포(또는 팽창)하여 최종적으로는 대기압 분위기로 방출되어 팽창을 완료하게 되는데, 여기서 최종팽창(대기압으로 감압팽창)을 하지 않고 그 전 단계까지만 수지입자를 발포(또는 팽창)함으로써 수지입자(발포입자)가 팽창력을 보유한 상태로 하는 것을 특징으로 하는 발포단계;
(c) 상기 발포단계(b)의 감압팽창장치의 하나로서 수지입자분리장치(9)를 설치하여, 그 장치에 외부에서 가스를 공급하거나 공정액(분산매) 자체에서 나오는 발포가스와 기화가스(수증기)를 이용하여, 그 장치로 들어오는 공정흐름 중 공정액을 가스로 밀어내어 수지입자(발포입자)를 분리하는 것을 특징으로 하는, 수지입자 분리단계;
(d) 상기 단계( (b), (c) )가 완료된 후, 공정흐름(발포입자와 가스)을 성형장치에 투입하여(가스는 배출하면서) 금형(mold)에 발포입자를 충전한 후에 금형을 밀폐하고 수증기 등으로 발포입자를 가열하고 금형 내부압력을 대기압으로 감압함으로써 충전 발포입자가 팽창하고 접합케 하여 발포체 성형체를 형성하되, 발포입자가 보유하고 있는 열량과 팽창력을 이용함으로써 에너지를 절감하는 것을 특징으로 하는, 발포 성형체 제조단계. (청구항 31)
수지입자 분리단계에 이어서 미립자 제거단계를 거쳐 성형하는 방법은 다음과 같다.
상기 발명(청구항 31)에 있어서,
수지입자분리단계에 이어서 분산제, 물방울, 등의 미립자를 제거하는 것을 특징으로 하며, 수지입자분리단계 이후에 하기 요건들을 포함하는 미립자제거단계를 추가한, 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법:
(a) 수지입자분리장치에서 배출되는 수지입자(발포입자)와 미립자를 포함한 가스를 수지입자분리장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 감압팽창하되, 동 압력은 수지입자분리장치 배출흐름의 온도에서의 포화수증기압 이하로 유지함으로써 수지입자 표면에 부착한 물이 일부 비등(boil)케 하는, 비등단계;
(b) 비등단계에서 수지입자(발포입자) 표면에 부착한 물은 미세한 물방울로 되어서 수지입자에서 떨어져 나오며 동시에 수지표면에 부착한 분산제 등의 가루도 같이 떨어져 나오게 되고, 공정유체는 표면 잡물이 제거된 깨끗한 발포입자와 물방 울, 먼지, 발포가스, 수증기로 구성될 것인데, 이들 미립자(물방울, 먼지 등)를 제거함에 있어서 싸이클론 집진 방법을 이용하거나 미립자와 공정가스를 배출하고 깨끗한 가스를 보충해 주는 방법 등을 이용하여 미립자를 제거하는, 미립자제거단계. (청구항 32)
미립자 제거단계는 다음의 방법으로 생략할 수 있다.
상기 발명(청구항 31)에 있어서,
수지입자분리단계 이전에 공정액회수단계를 거치게 하고 이와 병행하여 공정액 회수장치에 세척수를 통과시키는 방법으로 하는 세척단계를 거치는 함으로써 제32항의 미립자제거단계를 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법. (청구항 33)
제 (5-1) 발명에서는 발포입자를 밀폐금형에 투입하여 성형체를 제조하는 배치식 성형방법인데 비해서, 제 (5-2) 발명은 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법으로서, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 (5-1) 발명에 있어서,
청구항 제31항 (d)의 밀폐 금형을 이용하는 배치식(회분식) 성형체 제조방법 대신에 연속식 성형체 제조방법을 채용하는 것을 특징으로 하되, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법:
(a) 구조재로 형성되며 사각형 단면을 갖는 통로 내의 상부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트와, 상기 통로 내의 하부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트 사이에 발포입자를 공급하되, 발포입자 제조공정에서 배출되는 발포입자를(팽창력 을 보유하고 있는 상태) 내압밀폐된 공급부를 통하여 공급함으로써 발포입자의 온도와 내부압력을(성형에 필요한) 유지하는 것을 특징으로 하는, 발포입자의 공급단계;
(b) 발포입자가 상기 통로로 투입된 직후에 동 흐름의 압력을 일부 감압하여 발포입자를 팽창케 함으로써 입자간 공극을 없애도록 하는, 발포입자의 일차 팽창단계;
(c) 투입된 발포입자들을 상기 통로내의 가열 영역과 냉각 영역에 연속적으로 통과시킴으로써 발포체를 성형하는, 발포체의 성형단계. (청구항 34)
상기 발명(청구항 34)은 다음의 방법들을 추가함으로써 좀더 개선될 수 있다.
① 발포입자 공급시 압축 방법.
상기 상부 및 하부 벨트는 그들 사이의 공간이 발포입자의 공급측으로부터 통로 쪽을 향해 좁아지도록 구성되어 상기 두 벨트 사이에 공급된 발포입자들이 압축되면서 통로 쪽으로 이송됨을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법. (청구항 35)
② 잔류 기체 제거 방법.
상기 통로 내의 잔류 기체(가열가스, 수증기, 발포가스와 미립자 등)를 가열영역의 하류측에서 흡입하여 제거하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법. (청구항 36)
③ 발포입자의 원활한 투입방법.
상기 내압밀폐된 발포입자의 공급부의 상류(up-stream)에 싸이클론(cyclone)식 미립자 제거장치를 장치함으로써, 공정흐름(발포입자, 가스, 미립자)을 싸이클론으로 투입하여 미립자를 제거하는 동시에 발포입자가 성형장치의 공급 영역으로 차곡차곡 투입될 수 있도록 함을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법. (청구항 37)
제 (5-3) 발명은 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조장치로서, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
구조재로 형성되며 사각형 단면을 갖는 통로 내의 상부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트와, 상기 통로 내의 하부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트 사이에 발포입자를 공급하되, 발포입자 제조공정에서 배출되는 발포입자를(팽창력을 보유하고 있는 상태) 내압밀폐된 공급부를 통하여 공급함으로써 발포입자의 온도와 내부압력을(성형에 필요한) 유지하면서 발포입자를 공급한 다음, 발포입자들을 상기 통로내의 가열 영역과 냉각 영역에 연속적으로 통과시킴으로써 발포 성형체를 연속제조하는 장치에 있어서;
발포입자가 상기 통로로 투입된 직후에 1차 흡입수단을 형성하여 발포입자 흐름의 압력을 일부 감압하여 발포입자를 팽창케 함으로써 입자간 공극을 없애고 상기 통로 내에 밀폐영역을 형성하며;
상기 내압밀폐된 발포입자의 공급부는 동 영역의 상하부 롤러 부근에 각각 실링수단(sealing means)을 형성함으로써, 상기 밀폐영역과 함께 내압밀폐구조로 형성하며;
가열영역과 냉각영역 사이에 2차 흡입수단을 형성하여 상기 통로 내의 잔류 기체(가열가스, 수증기, 발포가스와 미립자 등)를 흡입하여 제거하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조장치. (청구항 38)
상기 연속제조장치는 발포입자의 원활한 공급을 위해서 수직형으로 할 수도 있다.
발포입자를 공급할 때 이들의 원활한 흐름을 위하여(발포입자의 점착성 때문에 부분적인 정체 가능성이 있음.), 발포입자 공급영역을 전술한 수평형 대신에 수직형으로 형성한 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조장치. (청구항 39)
이상 본 발명 중 제 5 발명군에 관한 배경기술과 발명의 내용 등을 설명하였고, 제 5 발명군에 따른 효과에 대해서 설명하면 다음과 같다.
① 발포입자의 보유에너지를 유지한 상태로(종래는 압력이 대기압으로 떨어지고 온도도 상온으로 떨어지게 됨.) 즉시에 성형체를 제조하므로 에너지가 대폭 절감된다.
② 발포입자의 내압을 증가시키기 위한 가압과정이 생략되므로 제조시간이 크게 단축된다.
③ 결과적으로 발포 성형체의 제조원가가 크게 절감되어 제조원가면에서 스티로폼과 충분한 경쟁력을 가질 수 있다. 환경적으로 문제가 있는 스티로폼을 대체할 경우 환경보존에 기여할 수 있다.
본 발명 전체(제 1 발명군 - 제 5 발명군)의 특징과 효과를 종합하면 다음과 같다.
폴리올레핀 발포입자와 그 성형체의 제조방법에 있어서, 종래에는 공정흐름을 대기압으로 감압팽창한 후에 세척, 건조 등의 과정을 거쳐서 발포입자를 제조하여 저장하였다가, 이를 이송 및 전처리한 후 성형체를 제조하였다. 본 발명은 대기압으로 감압팽창하기 전에 공정흐름의 보유에너지를 이용하여 세척, 건조를 완료할 뿐만 아니라, 발포입자를 제조함과 동시에 저장이나 전처리과정 없이 바로 성형체를 제조하는 기술이다.
상기한 장점 이외에도 본 발명에서는 발포입자 제조공정에서 배압발포가스와 고온고압의 공정액을 효율적으로 회수하고 성형에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있다.
따라서 본 발명은 폴리올레핀 성형품의 가격을 스티로폼(폴리스티렌 발포체)과 충분히 경쟁할 수 있을 수준까지 인하할 수 있으며, 또한 환경적으로 문제가 있는 스티로폼을 대체할 수 있게 한, 획기적인 발명이다.
[ 제 1 발명군 ]
우선 통상의 폴리올레핀 발포입자 제조공정에 대해서 상세히 설명한다. 이산화탄소를 발포제로 사용하는 통상의 공정이 도 6에 도시되어 있는데, 이를 단계별로 설명하면 다음과 같다.
(가) 원료투입단계
반응조(BP1)에 원료를 투입하는 단계로서, 이때 반응조(BP1)는 내용물이 모두 배출되어 이산화탄소와 일부 공기로 차있는 상태이며 압력은 대기압인 상태다. 반응조(BP1)에 한 회분 정량의 수지와 물과 분산제(융착방지제)를 투입하고 용기를 밀폐한 후, 이산화탄소를 투입한다.
(나) 발포제 침투단계
반응조(BP1)에 투입된 원료를 교반하면서 가열하여 발포제가 수지입자 내부로 침투케 하는 단계다. 발포제의 침투를 신속하게 하고 감압발포시에 수지입자 내부에서 기포가 용이하게 성장하게 하도록 침투단계는 수지의 연화점 이상, 융해 종료온도 이하에서 진행된다. 반응조(BP1)의 압력은 수지의 목표 발포비(팽창비)에 따라 다르나 25kg/cm2 - 50kg/cm2 정도인데 이 압력은 가스저장조(BP15)에서 이산화탄소를 추가하거나 반응조(BP1)로부터 이산화탄소를 대기로 배출하여서 조정할 수 있다. 참고로, 침투단계에서는 수지 결정구조의 변화도 일어나는데, 이는 나중에 발포입자를 성형할 때 성형성 향상과 기계적 강도 향상에 도움이 된다.
(다) 발포단계
반응조(BP1) 하단을 개방하여, 발포제 침투단계가 완료된 수지입자를 발포장치(BP2)를 통하여 상압분위기인 세척조(BP3)로 배출감압함으로써 수지입자에 함유된 발포제(이산화탄소)를 팽창시켜 수지입자 내부에 기포를 형성하는 단계다. 수지입자는 소량씩 배출되며 총 소요시간은 수십분 정도다. 본 단계에서는 수지입자와 물이 함께 배출되며 반응조(BP1)가 일정 압력을 유지하기 위해서는 발포제(이산화 탄소)가 반응조(BP1) 상부의 기체공간으로 계속 투입되어야 한다.
이산화탄소는 가스저장조(BP15)로부터 공급되며, 이 가스저장조(BP15)로는 액체이산화탄소 저장탱크(도시되지 않음) - 펌프(BP13) - 이산화탄소 기화기(BP14)를 거쳐서 이산화탄소가 보충된다.
본 발포단계에서는 배압(back pressure)을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 더 정확하게는 반응조(BP1) 상부 기체공간의 이산화탄소(발포제) 분압(partial pressure)을 일정하게 유지해야 한다. 만약 배압이 감소한다면 이미 수지 내부에 침투되었던 발포제가 다시 빠져나오게 되기 때문에, 수지입자 발포시에 발포제의 팽창력이 부족하여 발포입자의 발포비(팽창비)가 낮아지게 된다. 발포제가 아닌 다른 기체로(예를 들어 질소가스) 배압을 유지하는 경우에도 비슷한 현상이 나타나게 된다. 발포제의 분압이 낮아지기 때문이다.
감압배출되어 발포된 발포입자는 세척장치(BP3)를 통과하면서 표면에 부착된 분산제(융착방지제) 가루가 세척되고 탈수장치(BP4)를 지나 발포입자 싸이로(BP5)로 저장된다.
발포단계가 끝나면 반응조(BP1)에는 고압의 이산화탄소가 충만되어있는 상태이며, 다음 회분의 원료를 투입하기 위해서 이 고압 이산화탄소를 제거하여야 하는데, 통상의 공정에서는 이를 대기 중으로 배출한다.
이러한 단계들은(원료투입단계, 발포제 침투단계, 발포단계) 순차적 반복적으로 진행되면서 발포입자를 제조하게 된다. 이상 이산화탄소를 발포제로 사용하는 통상의 공정을 설명하였다.
본 발명(제 (1-1) 발명)에서는 압축기와 응축기를 사용하지 않는 방식의 가스회수단계를 도입함으로써 효율적인 가스(발포제) 회수를 할 수 있도록 하였는데, 이를 본 발명에 적합한 공정의 1 실시예를 도시한 도 1을 참조하여, 종래기술과 비교하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다(이산화탄소를 발포제로 사용하는 공정을 기준으로 하여 설명함.).
(a) 발포제 침투단계
밀폐 반응조(1)에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계로서 종래기술과 동일하다.
참고로, 발포제는 최초 투입(원료투입단계) 이후에도 발포체의 발포정도를 조정하기 위해서 발포제 침투단계에서 추가 투입되기도 한다.
(b) 발포단계
반응조(1)의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매(물)를 반응조(1) 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시킨다는 점에서는 종래기술과 동일하나, 반응기의 배압을 유지하기 위해서 발포가스를 반응조(1)로 공급하는 방식은 종래기술과 다르다. 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 종래기술에서는 배압용 발포가스를 가스저장조(BP15, 도 6)로부터 반응조로 공급하는데 비하여, 본 발명에서는 내부에 발포가스(또는 수증기)와 분산매를 포함하는 가스회수조(2)로 분산매를 투입하여 가스회수조(2)로부터 밀려나는 발포가스를 반응조(1)로 공급한다는 것이 특징이다.
이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
반응조 하부밸브(V1)와 팽창밸브(V2)를 열어 수지와 분산매를 함께 배출하기 시작한다. 배출된 공정유체는 발포장치(21)를 통해서 세척공정으로 가게 되는데 세척공정의 압력은 상압이며, 수지는 팽창(발포)하게 된다. 배출시 반응조의 압력은 25-50kg/cm2이며(발포제를 이산화탄소로 하는 경우) 온도는 수지의 연화점 이상 으로서 폴리프로필렌 공중합체(에틸렌 3%)인 경우에는 140-150 ℃ 이다. 배출시간은 1m3 반응조의 경우 20분정도다. 팽창밸브(V2)를 여는 것과 동시에 반응조(1)내 압력은 일정하게 유지하여야 한다.
발포장치(21)는 관내 흐름을 감압팽창시키는 장치로서, 오리피스(orifice)나 노즐식이나 벤추리(venturi)식의 장치를 사용할 수 있다. 오리피스 구멍의 직경은 발포시 반응조의 압력을 유지할 정도로 작아야 하고, 연화된 수지입자로 막히지 않을 정도로 커야한다. 관경이 1인치인 경우 오리피스 구멍은 4 - 6 mm 정도가 적당하다.
배압용 발포가스는 다음 방법으로 공급된다.
① 폐쇄되어있던 컨트롤 밸브(V3)를 자동운전모드로 활성화하고 배압용 발포가스를 공급하기 시작한다.
② (V4) (V6)를 개방하고 펌프(P1)를 가동하여 분산매 저장조(3)로부터 가스회수조(2)로 고압의 분산매를 공급한다.
③ 이때 압력조절밸브(V5)는 자동으로 놓고 운전한다. 가스회수조(2)의 압력이 충분치 않은 경우에는 이 밸브(V5)를 통하여 발포가스를 반응조(1)로 공급한다.
④ 배압용 발포가스의 공급은 반응조(1)내 공정액(분산매와 수지 등)이 완전히 배출될 때까지 계속한다.
배압용 발포가스를 발포가스 공급시스템(펌프, 기화기, 저장조)로부터 주로 공급하지 않고, 펌프(P1)로 분산매를 가스회수조(2)로 고압펌핑하는 방식으로 발포가스를 주로 공급하는 까닭은, 발포완료후 반응조(1) 잔여 발포가스를 회수시에 이 분산매를 이용하여 신속히 회수하기 위함이다. 잔여 발포가스 회수시에 가스회수조(2)의 분산매를 이용하지 않고 상압의 분산매를 직접 반응조(1)로 투입하는 방법도 생각할 수 있겠으나, 이 경우에는 펌핑속도가 느리다는 문제 외에도 회수되는 발포가스를 보낼 공간이 문제가 될 것이다. 예컨대, 가스저장조를 두어서 그곳으로 회수 발포가스를 보내는 경우에는 가스저장조의 압력상승문제가 생기게 될 것이다. 본 발명에서는 가스회수조(2)에 있는 분산매를 반응조(1)로 보냄으로써 그 줄어드는 가스회수조 공간으로 회수가스를 받음으로써 압력상승문제가 발생하지 않는다.
참고로, 배압용 발포가스를 공급하는데 소요되는 에너지는 통상방법보다 본 발명의 경우가 훨씬 적다. 통상방법에서는 액체 발포제를 기화하는데 에너지가 많이 들기 때문이다. 발포제로 이산화탄소를 사용하는 경우에는, 배압가스 공급에 소요되는 에너지는 통상방법의 경우가 본 발명의 경우의 4 - 7배가 소요된다.
(c) 가스회수단계
이 단계는, 발포 완료 후 반응조(1)에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조(2)로 투입된 분산매를 반응조(1)로 이송하고 동시에 반응조(1)로부터 가스회수조(2)로 발포가스가 회수되는 것을 특징으로 하는 가스회수단 계로서, 종래기술에서는 없었던 단계이며 구체적으로는 다음과같이 진행된다.
발포가 끝나면 (V1) (V2) (V3)를 폐쇄하여 반응조(1)를 밀폐상태로 만들고 고압분산매 공급펌프(P1)를 끄고 (V5) (V6)를 폐쇄한다. 이때 가스회수조(2)의 분산매레벨은 상당히 올라간 상태로서, 반응조(1) 한 배치 분량 이상의 분산매를 공급할 수 있다. 한 배치분 분산매의 부피는 반응조(1) 부피의 50% 전후이다.
반응조(1) 내에는 공정액(분산매)과 수지는 다 배출되고 발포가스로 충만한 상태가 되는데 이 가스를 회수하여야 한다. 회수 공정은 이렇다.
① (V7)을 개방하고 펌프(P2)를 가동하여 반응조(1)에 분산매를 공급하기 시작하여 반응조(1) 압력이 가스회수조(2) 압력과 등압이 되는 시점에서 (V3)를 개방하여 가스를 가스회수조(2)로 밀어보낸다. 가스회수조(2)에서는 물이 나가는 만큼 가스가 들어오게 된다. 따라서 펌프(P2)에 걸리는 부하가 작고 유량이 커질 수 있다.
② 가스회수조(2)의 분산매 레벨이 원래 위치로 줄어든 상태에서 펌프(12)를 끄고 (V7)을 폐쇄한다. (V3) (V4)를 폐쇄한다.
발포단계에서 가스회수조(2)로 공급되었던 분산매는 전부 반응조(1)로 보내지게 되어 그 부피만큼 잔류발포가스가 가스회수조(2)로 회수되기 때문에, 가스회수를 많이 하려면 가스회수조(2)로 공급되는 분산매량을 가능한 한 많게 하여야 한다.
본 발명(제 (1-1) 발명)에서는, 배압용 발포가스는 가스회수조(2)에 저장되어 있다가 발포단계에서 배압용 가스로 공급되며, 발포가 끝난 후 다시 가스회수 조(2)로 회수 저장되는 식으로 매 회분마다 같은 방식으로 운전되는데, 발포 후 배압가스를 대기로 배출하는 종래기술과 비교하여 발포가스 소요량이 절감될 뿐 아니라 액체발포제를 기화하는데 소요되는 에너지도 절감된다는 장점이 있다.
종래기술(폴리올레핀 발포입자를 제조하는 통상의 공정)에도 가스회수단계를 추가할 수 있다. 발포단계가 끝난 후 반응조(1)에 잔류하는 발포가스를 회수한다는 점만을 목적으로 한다면, 압축기와 가스저장조를 설치함으로써 용이하게 목적을 달성할 수 있다.
예를 들어서, 압축기로 반응조(1)에 잔류하는 발포가스를 가스저장조로 압송하여 저장했다가 이를 압축기를 이용하여 다시 배압용 발포가스로 공급하는 방법이다. 그러나 그런 방법은 본 발명과 비교하여 이러한 문제점이 있다.
첫째, 발포가스 회수에 소요되는 시간이 길다는 문제점이다. 본 발명의 경우에는 가스회수시 분산매 이송 원심펌프(P2)의 흡입과 토출압력이 거의 비슷한 수준이기 때문에 유량이 많은 데 비해서, 위 방법의 경우는 압력 차가 최대 50kg/cm2 까지 커질 수 있으므로 유량이 느리고 회수 소요시간이 많게 된다. 참고로, 본 발명에서는 시간이 많이 걸리는 고압펌핑(펌프(P11)을 통한 분산매 펌핑) 단계를 가스회수단계가 아닌 발포단계에 둠으로써 효율화를 기했다. 폴리올레핀 발포입자의 제조공정에 있어서 회분(batch)의 싸이클 타임(cycle time) 축소는(이는 단위시간당 생산량의 증가를 의미함) 매우 중요한 지향점이다.
가스회수 소요시간을 단축하기 위해서 가스저장조를 매우 크게 할 수도 있 고, 플로팅타입(floating type)이나 발룬타입(baloon type)의 상압가스 저장조를 채용할 수도 있다. 이 경우 가스회수 소요시간은 크게 개선될 것이지만, 장치 투자비가 커지고 소요에너지도 커진다는 문제가 있다.
둘째, 펌핑 에너지 소요가 많다는 문제점이다. 펌핑 에너지는 배압가스공급과 반응기 잔류가스회수의 두 과정에 소요되는 총 펌핑 에너지를 함께 고려하여야 한다. 본 발명에서의 총 펌핑 에너지는 배압가스 공급시 소요 펌핑 에너지만이라고 볼 수 있다(가스회수 펌핑에너지는 흡입압과 토출압을 같다고 보아 무시할 수 있음). 위의 ‘압축기와 가스저장조 방식’에서의 총 펌핑 에너지는, 배압가스 공급시 에너지는 무시할 수 있으므로(가스저장조를 일정 압력으로 눌러주는 피스톤이 있는 대형 고압실린더라고 가정함. 따라서 배압가스 공급시에는 피스톤이 원위치로 내려오면 되니까 별도의 펌핑 에너지는 불요함.) 가스회수시 펌핑 에너지만이라고 볼 수 있다.
본 발명에서의 펌핑에너지는 비압축성 유체(물)를 일정압력(상압)에서 흡입하여 ‘발포시 반응기 압력’(이하 발포압이라고 함)으로 밀어주면 되는 데 비해서, 위의 ‘압축기와 가스저장조 방식’에서는 반응조 내 발포가스를 흡입하여(흡입압력은 처음에는 발포압이었지만 발포가스를 회수함에 따라 압력이 점차 내려감.) 발포압으로 밀어주어야 하는데, 이는 압축기의 흡입압력이 크게 변동한다는(상압에서 50kg/cm2) 의미이므로 압축기 효율의 저하가 불가피하고 따라서 펌핑 소요에너지가 더 많이 소요된다.
종래기술(폴리올레핀 발포입자를 제조하는 통상의 공정)에도 가스회수단계를 추가하는 또 하나의 방법으로 발포가스를 회수하여 응축하는 방법도 있다. 응축이 용이한 발포제(예컨대 부탄)를 쓰는 경우에는 이런 방법이 채용되기도 한다. 이 방법은 가스저장조가 없어도 된다는 장점은 있으나 발포제를 응축하고 기화하는데 에너지가 많이 든다는 단점이 있다. 발포제로서 부탄을 사용하는 공정에 있어서도, 본 발명을 채용하게 되면 소요에너지 절감, 싸이클 타임 감축, 그리고 설비투자비 감소 등 여러 장점을 실현할 수 있다. 이산화탄소를 발포제로 사용하는 경우에는 응축이 용이하지 않으므로 장치비와 운전비 소요가 많다. 통상 이산화탄소의 응축시스템 운전조건은 압력 22kg/cm2 , 온도 영하 23 ℃ 인데, 이는 상당히 큰 운전경비를 의미한다.
(d) 원료투입단계
이 단계는 발포단계와 가스회수단계가 완료된 후에 다음 회분(batch)을 위하여 정량의 원료를 반응조(1)에 투입하는 단계다. 가스회수 완료 후 반응조(1)에는 분산매와 발포가스가 존재하는데, 반응조(1)를 상압화하고 반응조(1) 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하여야 한다. 좀더 상세한 공정 설명은 다음과 같다.
발포 및 가스회수단계가 끝난 후 반응조(1)의 상태는 이렇다. 압력은 가스회수조(2)의 압력과 같은 고압이며, 분산매는 가스회수단계에서 이미 투입되어있는 상태다. 그리고 수지호퍼(4)에는 한 배치분의 수지 정량이(투입 분산매 정량의 약 30중량%) 투입되어있는 상태다.
반응조(1) 상부의 벤트(vent) 라인을 열어서 잔류 고압가스를 대기로 방출하여 반응조(1)의 압력을 상압으로 만들고, 반응조(1) 하부의 드레인(drain) 라인을 열어서 분산매 일부를 배출함으로써 반응조(1)에 한 배치분의 분산매 정량이(반응조 부피의 약 50% 정도) 남도록 한다. 벤트라인을 열어놓은 상태에서 (V9)을 개방하여 수지를 투입하고 교반을 시작한다. 분산제(융착방지제)는 수지호퍼(4)를 통해서 넣을 수도 있고 별도의 반응조 노즐을 통하여 넣을 수도 있다.
수지, 분산매, 분산제(융착방지제)의 정량 투입이 끝나면 반응조(1)를 밀폐한 후, (V3), (V5)를 개방하여 정량의 발포가스를 공급하고(실제로는 반응조 압력이 일정 압이 되도록 발포가스를 공급함.) 다시 반응조(1)를 밀폐함으로써 원료투입단계는 완료된다.
단위시간당 생산량을 늘리려면 한 회분(batch)의 싸이클타임을 최소화하고 한 회분의 원료투입량(수지)을 최대화하여야 한다. 본 발명에서는 원료인 분산매가 가스회수단계에서 이미 투입되었으므로 싸이클타임 최소화에 기여한다. 수지 투입량은 수지입자간 융착이 발생하지 않고 공정유체가 원활하게 교반이 될 수 있는 한 최대로 투입하는 것이 좋으나, 구체적으로 어느 정도까지 투입할 것인지는 실제 공정조건에 따라서 결정되어야 할 것이다.
본 발명에 있어서, 폴리올레핀 수지로는 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 에틸렌과 프로필렌 공중합체(랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 그라프트 공중합체 등) 등을 들 수 있다. 또한 에틸렌-프로필렌-1부텐 공중합체, 에틸렌-프로필렌-부타디엔 공중합체 등 에틸렌과 프로필렌 이외의 다른 올레핀계 단량체와 에틸렌 및 프로필렌 공중합체도 사용할 수 있고, 비닐아세테이트, 스티렌 등 비올레핀계 단량체와 올레핀계 단량체의 공중합체도 사용할 수 있다.
수지입자를 발포제와 함께 분산케하는 분산매로는, 통상 물이 사용되지만 그 이외에도 메탄올, 에탄올, 글리세린, 에틸렌 글리콜 등도 사용가능하다.
발포제로는 CFC(Chloro Fluoro Carbon), 프로판, 부탄, 펜탄 등 휘발성 유기화합물이나 이산화탄소(CO2, 이산화탄소), 질소 등 무기가스 등을 사용할 수 있다. 그러나 CFC는 오존층을 파괴하는 물질로서 사용이 제한되어 있으며 프로판은 증기압이 높고 펜탄은 가격이 비싸다는 점 때문에, 현재 주로 사용되고 있는 발포제는 부탄과 이산화탄소다. 다만, 부탄은 값이 비싸고 화재위험성이 있으며 VOC(Volatile Organic Compound) 규제 대상이라는 약점이 있고, 이산화탄소는 부탄에 비해서 발포력이 약하므로 고압공정을 필요로 한다는 약점이 있다.
분산제는 미세 입자상의 물질로서 수지입자끼리 융착하는 것을 방지할 목적으로 사용되며, 수산화칼슘, 탄산칼슘, 염기성 탄산칼슘, 인산삼칼슘, 염기성 탄산마그네슘, 산화알미늄, 규산염광물(활석, 카올린 등) 등을 사용할 수 있다. 분산제의 사용량을 줄이기 위해서 분산조제를 같이 사용할 수도 있다. 분산조제는 계면활성제로서 알킬벤젠 술폰산 나트륨, 알킬술폰산 나트륨, 레시틴 등을 사용할 수 있다.
이상으로 본 발명 중 제 (1-1) 발명 중 기본 실시예를 종래기술과 비교하면서 설명하였는데, 이 발명은 그 원료투입단계에 고압용기인 수지공급조(5, 도 5 참조)를 도입하여 반응조(1)의 압력을 유지한 채로 수지입자를 반응조(1)로 투입하는 방법을 취함으로써 더 효율적으로 발포가스를 회수할 수 있다.
즉, 일련의 단계로( (a)발포제 침투단계, (b)발포단계, (c)가스회수단계, (d)원료투입단계 ) 구성되는 단계 중 (d)원료투입단계를, 하기 단계들을 포함하는 단계로 개선함으로써 발포가스 회수를 더 효율화 할 수 있다.
(a) 반응조(1) 상부에 설치된 수지공급조(5)에 한 회분(one batch) 정량의 수지입자를 투입하는 수지예비투입단계;
(b) 가스회수 완료 후, 반응기 내의 분산매를 일부 배출하거나 보충함으로써 분산매가 한 회분(one batch) 정량이 되도록 조정하는 분산매조절단계;
(c) 반응조(1) 상부와 수지공급조(5) 상부에 연결된 등압관을 개방하여 양 용기를 등압화하고 수지공급조(5) 하부를 개방하여 수지입자를 반응조(1)로 이송하는 단계로서, 반응조(1)가 고압인 상태에서 이송함을 특징으로 하는, 수지투입단계.
도 2를 참조하여, 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
발포 및 가스회수단계가 끝난 후 반응조(1)의 상태는 이렇다. 반응조(1)는 밀폐된 상태로서 압력은 가스회수조(2)의 압력과 같은 고압이며, 분산매는 가스회수단계에서 이미 한 회분 정량 이상 투입되어있는 상태다. 그리고 수지공급조(5)에는 한 배치분의 수지 정량이(투입 분산매 정량의 약 30중량%) 투입되어있는 상태 다. 이는 전번 배치의 원료투입단계가 완료된 후 이번 배치의 원료투입단계 시작 전까지의 기간 중에 투입하면 된다.
반응조(1) 하부의 드레인 라인을 열어서 일부 분산매를 배출하여 반응조 내부 잔류 분산매가 한 회분 정량이 되도록 한 후 드레인 라인을 폐쇄한다. 반응조(1) 상부의 밸브(V8)을 서서히 열어서 수지공급조(5)가 반응조(1)와 동압이 되게 한 후에 (V9)를 열어서 정량의 수지와 분산제 등을 투입한 후 반응조(1)의 모든 밸브를 폐쇄하여 반응조를 밀폐상태로 한다. 원료투입시 반응조(1)의 교반기를 가동한다.
반응조(1)의 압력이 부족할 경우에는 (V3) (V5)를 개방하여 반응조에 이산화탄소(발포제)를 투입하여 반응조 압력을 일정압력까지 올린 후 (V3) (V5)를 폐쇄한다. 이로써 원료투입단계는 완료되었고, 다음에는 발포제 침투단계로 진행하면 된다.
상기 단계(수지공급조를 이용한 원료투입단계)의 이점(利點)은 이렇다.
반응조(1)의 압력을 상압화하지 않은 고압상태에서 수지 등 원료를 투입함으로써, 별도의 에너지를 사용함이 없이, 반응조(1) 내 분산매에 용해된 이산화탄소를 대기로 배출하지 않고 그대로 재사용할 수 있으며 또한 반응조(1) 상부에 가스상태로 존재하던 발포가스 중 상당부분을 재사용할 수 있다는 점이다. 또한 반응조(1)를 상압화하는데 소요되는 시간이 필요치 않게 되므로 싸이클타임이 축소된다는 이점도 있다.
반응조(1)에 원료를 투입한 후 수지공급조(4)에는 고압의 발포가스가 잔류하 는데, 이는 대기로 배출할 수도 있지만, 압축기(P5)를 통해서 가스회수조(2)로 회수하여 재사용할 수도 있다.
본 발명의 운전방식은 배압가스 공급시 가스회수조에 투입하는 분산매의 양에 따라서 2 가지로 대분할 수 있다. 참고로, 투입 분산매의 양(부피)과 가스회수조에서 배출되는 가스의 양(부피)은 후자가 적은 데, 그 까닭은 가스가 분산매에 용해되기 때문이다(가스의 온도와 압력과도 관계가 있다).
첫째 방법은 가스회수조에서만 배압가스를 공급하는 방식인데, 이 경우에는 분산매의 투입량이 한 배치 정량보다 많아지고 따라서 반응조(1) 잔류 발포가스의 회수량도 많아지는 대신에 가스회수 후에 반응조에 존재하는 잉여 분산매를 배출해야 한다. 잉여 분산매 배출시에 반응조(1) 압력이 강하하게 될 것이고 따라서 수지공급 후 수지공급조(4)의 압력도 낮아지게 되므로 발포가스 손실이 적게 될 것이다. 수지공급조(4)의 압력등급을 낮출 수 있다는 장점도 있다.
둘째 방법은 가스회수조에 분산매를 한 배치 정량만큼만 투입하는 방법인데, 부족한 배압가스는 (V5)를 통해서 보충될 것이다. 이 경우에는 반응조(1)에서 잉여 분산매를 배출할 필요가 없다는 장점이 있는 대신에 가스회수량은 적어진다. 그렇지만 압축기(P5)를 사용하여 수지공급조(4) 잔류 발포가스를 회수하는 경우에는 발포가스 손실이 전혀 없게 된다.
이상으로 제 (1-1) 발명을 상세히 설명하였다.
제 (1-2) 발명은, 발포 시에 배압가스를 공급하기 위해서 가스회수조(2)에 분산매(물)를 투입하는( 제 (1-1) 발명) 대신에, 가스회수조(2)에 분산매와 수지입 자를 함께 투입함으로써, 발포가스를 완전히 회수할 수 있고 또 회분(batch) 당 제조소요시간을 단축할 수 있다는 것이 특징을 가지는 발명으로서, 본 발명(제 (1-2) 발명)은 제 (1-1) 발명과 비교하여 대부분 같으나 다음 사항이 다르다.
① 본 발명에서는 가스회수조(2)에 분산매와 수지입자를 함께 투입함.
② 본 발명에서는 수지공급조(5)가 없음. (청구항 3)
③ 본 발명에서는 수지공급조(5)의 위치가 분산매 투입펌프(P1)와 가스회수조(2) 사이에 있음. (청구항 4)
④ 본 발명에서는 분산매와 수지입자 투입량이 1 배치분 정량임.
⑤ 본 발명에서는 가스회수조(2)에 교반장치를 설치함이 바람직함.
⑥ 본 발명에서는 발포시 반응조(2) 바깥으로 배출되는 공정흐름에 포함된 발포제 이외에는 발포제 손실이 전혀 없음.
이하 본 발명(제 (1-2) 발명)을, 제 (1-1) 발명과의 상이점을 대상으로 하여 설명하되, 도 2와(청구항 3 관련) 도 3을(청구항 4 관련) 참조하여 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.
(a) 발포제 침투단계
이 단계는 제 (1-1) 발명의 경우와 같다.
(b) 발포단계
본 발명에서는 발포시 배압용 발포가스를 공급하는 방법에 있어서, 내부에 발포가스(또는 수증기)와 분산매를 포함하는 가스회수조(2)로 분산매와 수지입자를 투입하여 가스회수조(2)로부터 밀려나는 발포가스를 반응조(1)로 공급한다는 것이 특징이다.
배압용 발포가스는 다음 방법으로 공급된다.
① 폐쇄되어있던 컨트롤 밸브(V3)를 자동운전모드로 활성화하고 배압용 발포가스를 공급하기 시작한다.
②-1 (V4) (V6)를 개방하고 펌프(P1)를 가동하여 원료혼합조(6)으로부터 가스회수조(2)로 분산매와 수지입자를 공급한다. 원료혼합조(6)에는 한 배치분의 분산매와 수지입자 등이 투입되어있는 상태다. (청구항 3 관련, 도 2 참조)
아래 ②-2항은 ②-1항 대신에 채용할 수 있는 배압용 발포가스 공급방법의 하나다.
②-2 (V4) (V6) (V16)을 개방하고( (V15)는 폐쇄상태임) 펌프(P1)를 가동하여 분산매를 수지공급조(5)를 통하여 펌핑함으로써 수지공급조(5)에 있는 수지입자와 함께 분산매를 가스회수조(2)로 공급한다. 수지공급조(5)에는 한 배치분의 수지입자가 분산매와 함께 가스공간없이 가득 차 있는 상태다. (청구항 4 관련, 도 3 참조)
③ 이때 압력조절밸브(V5)는 자동으로 놓고 운전한다. 가스회수조(2)의 압력이 충분치 않은 경우에는 이 밸브(V5)를 통하여 발포가스를 반응조(1)로 공급한다.
④ 배압용 발포가스의 공급은 반응조(1)내 공정액(분산매와 수지 등)이 완전히 배출될 때까지 계속한다.
이상의 방법으로 발포시 배압가스를 반응조(1)로 공급하게 되는데, 가스회수조(2)로 물과 수지입자를 함께 투입하는 이점(利點)은 이러하다. 원료투입단계에서 반응조(1)에 수지입자를 투입하기 위해서 반응조(1)를 상압화할 필요도 없고 수지 공급조(5, 도 2 참조)를 설치할 필요도 없다는 점이다. 본 발명 중 수지공급조(5, 도 3 참조, 도 2와 설치 위치가 다름.)를 설치하는 목적은 펌프(P1)의 마모나 막힘 등을 방지하여, 보수를 위한 공정의 중단기간을 최소화하기 위함이다.
위 ②-2항에서 수지공급조(5)에 수지를 예비투입하는 방법은 이러하다. 즉, (V6) (V16)을 폐쇄하고 벤트 밸브(미 도시)를 개방한 후에 수지호퍼로부터 수지입자 한 배치분을 투입한 후, 분산매(물)을 투입하여 수지입자간 공극부분을 채우고 공기 등 가스를 벤트하는 것이다. 이러한 예비투입 작업은 전 배치의 발포단계가 끝난 시점으로부터 현 배치의 발포단계가 시작되기 전까지의 기간에 실시하면 된다.
가스회수조(2)에 투입하는 분산매와 수지입자의 양은 각각 한 배치분 정량으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우 배압용 가스의 공급량이 부족하게 될 것인데 이는 발포가스 공급헤더에서 (V5)를 통하여 보충하면 된다.
(c) 가스회수단계
이 단계는, 가스회수조(2)에서 반응조(1)로 이송되는 유체가 분산매와 수지입자라는 점을 제외하고는, 제 (1-1) 발명의 경우와 같다.
가스회수조(2)의 분산매와 수지입자를 펌프(P2)로 이송하기 위해서는 수지입자가 분산매에 잘 분산된 상태이어야 하므로 가스회수조(2)에는 교반장치가 설치되어있어야 할 것이다.
(d) 원료투입단계
이 단계는 발포단계와 가스회수단계가 완료된 후에 다음 회분(batch)을 위하 여 정량의 원료를 반응조(1)에 투입하는 단계다. 가스회수 완료 후 반응조(1)에는 분산매와 수지입자와 발포가스가 존재하는데, 반응조(1)를 밀폐한 상태에서 반응조(1) 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하여야 한다. 좀더 상세한 공정 설명은 다음과 같다.
발포 및 가스회수단계가 끝난 후 반응조(1)의 상태는 이렇다. 압력은 가스회수조(2)의 압력과 같은 고압이며, 분산매와 수지입자는 가스회수단계에서 이미 투입되어있는 상태다. 이들 분산매와 수지입자는 각각 1 배치분 정량이 투입되는 것이 바람직하지만(그래야 반응조에서 잉여 분산매 등을 배출할 필요가 없다. 분산매 배출은 용해된 발포가스의 손실을 의미한다.), 정량과 다를 경우에는 다음과 같은 방법으로 이를 조정할 수 있다.
수지입자는 원료혼합조(6)나 수지공급조(5)에 1 배치분 정량을 투입하므로 문제가 되지 않을 것이고 분산제가 과량 투입되었을 경우에는 반응조(1) 하부의 드레인 발브를 열어서 반응조(1)의 레벨을 보면서 드레인을 하면 된다.
발포가스는 가스회수단계 완료 후 가스회수조(2)의 압력과 동일한 상태이므로 그대로 사용하면 된다. 참고로, 반응조 투입원료를 가열하여 함침반응을 진행하면 발포가스가 수지에 함침되므로 압력이 떨어지게 되는데 이때는 발포가스 공급헤더에서 발포가스를 반응조로 공급하여 원하는 압력에 맞추면 된다.
이상 제 (1-2) 발명을 상세히 설명하였는데, 동 발명의 특징은 발포 후 반응기에 잔류하는 발포가스를 완전히 회수할 수 있다는 점과 제조공정의 싸이클타임이 단축되었다는 점이다.
이하 제 1 발명군 중 제 (1-3) 발명을 도 4와 도 5를 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.
제 (1-3) 발명은, 전기한 가스회수조(2)나 수지공급조(5)를 사용하지 않고, 반응조(7) 내에 보조용기(22)를 장설하여 운영하는 방법과 그에 적합한 장치로서, 좀 더 구체적으로는 다음과 같다.
(a) 침투단계
이 단계는 제 (1-1) 발명의 경우와 같다.
(b) 발포단계
이 단계는, 아래 (c)항의 배압유지방법을 제외하고는, 제 (1-1) 발명의 경우와 같다.
(c) 배압유지단계
발포단계와 동시에, 반응조(7)로 내부에 장설된 보조용기(22)(용기 부피의 수축과 팽창이 자유로운 것이 특징임.)에 가스나 액체를 공급하여 배압용 발포가스를 공급하지 않으면서 반응조의 배압을 유지함을 특징으로 하는 단계이다.
보조용기(22)는 내부와 외부의 압력차에 따라서 용기의 부피가 변화하도록 되어있어서 내부압이 외부압보다 높을 경우에는 부피가 팽창한다. 그리고 용기의 상부는 반응조(7)의 상부에 고정되어 있다.
발포시 반응조(7)의 배압을 유지하는 방법은 다음과 같다.
① 발포전 침투단계에서는 반응조(7)의 반응공간 확보를 위해서 보조용기(7) 는 최소용적을 유지한다. 즉, 침투단계 이전에는 내외부 압력이 동일한 상태를 유지하여야 한다. 반응조를 가열함에 따라서 반응조 압력은 점차 올라가게 되는데, 이때 보조용기(22)의 압력도 같이 올려주어야 한다. 이는 압력조절밸브(V27)을 통하여 자동 컨트롤된다. 컨트롤 시스템은 보조용기 내외부 압을 각각 측정하여 밸브(V27)을 조절한다.
원료투입단계에서는 수지입자와 분산매를 투입한 후 발포가스를 투입하기 위해서 반응조(7)를 밀폐하게 되는데, 그때 (V25)를 개방하고 압력조절밸브(V27)를 자동으로 놓는다. 그 후에 발포가스투입 조절밸브(V26)을 통해서 발포가스가 들어오고 반응조 압력이 올라가기 시작하면 압력조절밸브(V27)가 작동하여 보조용기(22) 내의 압력도 같은 압력으로 조정된다. 반응조 압력이 목표치까지 올라가면 발포가스투입 조절밸브(V26)는 폐쇄한다.
② 발포가 시작됨에 따라서 반응조(7)에 배압을 공급해야 하는데, 본 발명에서는 보조용기(22)에 무기가스나 물 등을 투입함으로써 문제를 해결한다. 제 (1-1) 발명에서는 배압가스를 반응조(7)에 직접 공급하는 데 비해서, 본 발명에서는 보조용기 내로 유체를 공급하여 같은 효과를 얻을 수 있다.
(V21) (V22)를 열어서 발포를 시작할 때는 압력컨트롤 밸브(V27)을 발포모드로 놓아서 반응조 압력이 목표압력(set pressure)을 유지하도록 보조용기내로 유체를 공급한다. 이 유체는 불활성 무기가스나 또는 물과같은 액체이어도 무방하지만 가격이 싼 압축공기가 바람직하다.
③ 발포가 끝나면 (V21) (V22) (V26) (V25) (V27)을 폐쇄하는 등 반응조를 밀폐한다.
(d) 원료투입단계
발포 완료 후 반응조(7) 내의 보조용기(22)는 부피가 팽창하여 그 하부판(37)이 반응조 바닥 근처까지 내려온 상태가 되며, 보조용기 내부에는 반응조의 압력과 동일한 무기가스가 존재하고 반응조(7) 내에는 발포가스와 수증기 등이 존재한다.
원료투입방법을 설명하면 다음과 같다.
① 반응조(7)를 상압화하기 위해서 반응조 내 발포가스와 보조용기(22) 내 무기가스를 외부로 배출한다. 이 경우 보조용기(22)의 내외부 압력차가 크면 보조용기가 손상을 입을 가능성이 있으므로 적절한 압력차 이내로 유지하면서 배출을 하여야 한다. 보조용기 내의 무기가스는 오염되지 않은 것이므로 일부 무기가스 압축시스템으로 회송할 수 있으며, 발포가스는 발포가스 공급시스템으로 압축기를 통해서 압송할 수도 있다.
② 반응기가 상압화되면 (V29)와 벤트 밸브를 개방하여 수지입자, 분산매 등 원료를 투입한 후 반응조(7)를 밀폐하고 (V26)을 통해서 발포가스를 소정의 압력까지 공급한다.
이상 원료투입방법을 설명하였는데, 원료투입을 상압상태에서 할 수도 있지만 고압상태로에서 할 수도 있다. 이는 고압 수지공급조를 설치하거나 고압 펌핑 방법 등으로( 제 (1-1) 발명과 제 (1-2) 발명에서 소개한 방법 참조 ) 해결할 수 있으며, 이 경우 발포 후 반응조 잔류 발포가스를 그대로 반응에 이용할 수 있다는 장점이 있다. 고압상태 원료투입시 본 발명에서는 보조용기(22) 내의 유체를 먼저 배출한 후에 원료를 투입하게 되는데, 보조용기 내 유체 배출에 따라서 반응기 압력이 크게 줄어들기 때문에 그만큼 원료의 고압투입에 유리하다.
이하 본 발명의 장점에 대해서 설명한다.
본 발명은 배압용 가스로 비싼 발포가스를 쓰는 대신에 저렴한 압축공기를 사용할 수 있으며, 공정이 간단하여 제조원가를 크게 절감할 수 있다.
또한, 발포 후 반응조 잔류 발포가스를 회수하기 위한 장치비가 대폭 감소된다. 가스회수조(2), 고압펌프(P1), 고압수지공급조(5) 등을 쓰지 않는 대신에 보조용기(22)만으로 문제를 해결하였다. 이 보조용기는 내외압력차이가 거의 없으므로 내압용기일 필요가 없고, 따라서 장치비가 저렴하다.
이상 본 발명(제 (1-3) 발명) 중 방법에 대해서 설명하였고, 이하 그 방법에 사용되는 장치에 대해서 설명하기로 한다.
상기 방법에 사용되는 보조용기가 장설된 반응장치는 다음과같이 구성된다.
하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 폴리올레핀 발포입자 제조용 반응장치:
(a) 내압 밀폐형인 원통형 용기로서;
(b) 용기 측면 외측으로 가열장치를 형성하고, 상부 또는 측부에 원료 투입노즐을 형성하며;
(c) 용기 하부에는 공정액과 수지입자의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하고, 용기 하부를 관통하여 교반장치를 형성하며;
(d) 용기 상부 내측에 신축이 자유로운 벨로즈(bellows)형의 보조용기를 장설하되, 그 보조용기의 상부판은 용기(반응장치)의 상부에 고착하고 보조용기 하부판은 상하이동을(하부판이) 할 수 있도록 용기(반응장치) 측벽에 형성된 가이드에 맞물려 설치하며, 상부판에는 가스나 액체가 출입할 수 있도록 용기(반응장치) 상부를 관통하여 노즐을 형성함. (청구항 8)
이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
용기의 설계압력은 70 kg/cm2 , 설계온도는 180 ℃, 재질은 스텐레스 스틸이며, 용기 상부에는 보조용기(22)를 분리할 수 있도록 플랜지를 형성하고, 용기 측면의 가열장치는 통상의 증기 자케트로 하면 족하다.
교반장치(35)는 용기하부에 설치하여 발포시 보조용기(22)가 팽창하여 하부판(37)이 내려오더라도 교반에 지장이 없도록 하여야 하며, 완전한 실링(sealing)을 위해서 마그네틱 드라이브를 채용하는 것이 바람직하다.
보조용기(22)는 가능한대로 반응조(1)의 내벽과 근접하게 하고 상부판(36)은 용기 상부에 고착하며(예컨대 상부판을 외측으로 연장하여 반응장치의 플랜지에 끼워서 고정할 수도 있다.), 하부판(37)은 보조용기의 팽창 수축에 따른 상하이동시에 요동치 않고 원활하게 움직일 수 있도록 반응조(7) 내벽에 형성된 가이드(38)과 맞물리게 형성한다(예컨대, 가이드를 4개 설치하고 하부판을 그 가이드와 밀착케 하여 미끄러짐(sliding)으로 이동하게 할 수 있다.). 하부판과 가이드의 접촉면은 가능한대로 작게하는 것이 바람직하다. 그리고 필요시에는 상부판과 하부판 사이에 도우넛 형상의 중간판을 설치할 수도 있다.
보조용기(22) 측면의 주름판은 발포가스가 침투 및 관통하지 않는 재질로서 반응온도에서 연화되거나 열화되지 않으며 신축성이 있는 재질이면 어떤 재질이어도 좋으며, 보조용기의 내외압력 차이가 없으므로 기계적 강도가 고압에 견뎌야 할 필요가 없으므로, 금속박판이나 내열성 합성수지 또는 복합재료로써 형성할 수 있다. 필요시에는 하부판(37)의 원위치 복귀를 담보하기 위해서 보조용기(22) 내부로 상부판과 하부판 사이에 스프링을 장설할 수도 있다.
가이드는 반응조 내벽에 고착하여 수직으로 2개 이상 형성하며 하부 끝에는 하부판(37) 움직임을 정지하도록 스토퍼 돌기를 형성한다. 이 가이드는 교반에 있어서 배플(baffle)의 역할도 한다.
상기 보조용기가 내장된 반응장치는 당업계에서 제안된 바 없는 새로운 발명으로서, 동 발명을 이용하는 경우에 폴리올레핀 발포입자 제조 경비가 크게 절감될 수 있다.
[ 제 2 발명군 ]
본 발명(제 (2-1) 발명)은 발포단계 이전에 공정액(분산매와 용해발포제 및 첨가제 등을 포함하는 액체) 회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법으로서, 이를 본 발명에 적합한 공정의 1 실시예를 도시한 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다(이산화탄소를 발포제로 사용하는 공정을 기준으로 하여 설명함.).
폴리올레핀 발포입자의 제조공정에 대하여는 앞서 이미 설명되었기 때문에(제 (1-1) 발명 설명 참조) 여기서는 공정액 회수와 관련된 공정을 주로 설명하기로 한다. 참고로, 공정액에 대해서 설명하자면, 공정액은 반응조(1) 내에 있던 것으로서 분산매(통상 물이다)와, 분산제 등 첨가제, 그리고 용해된 발포제를 포함하는 개념이다.
반응조(1)는 반응이 끝나고 발포하기 직전의 상태이며, (V1) (V2) (V11) (V12) (V13) (V14) (V15)는 폐쇄되어있는 상태다(도 2 및 도 3 참조). 공정액 회수장치(8)는 공정액으로 가득 차 있는 상태다. 참고로, 밸브들과 공정액 회수장치(8)의 연결관계는 이렇다(도 7a 참조). (V1)은 공정액과 수지입자의 투입노즐(44)과 연결되어 있고 (V2)는 공정액과 수지입자의 배출노즐(45)과 연결되어 있고 (V11)은 회수공정액의 배출노즐(46)과 연결되어 있으며 (V12)은 회수공정액의 회송노즐(47)과 연결되어 있다.
반응조(1)에서 수지입자와 공정액을 배출하여 발포를 시작하기 위해서 (V11) (V12)를 열고 펌프(P3)를 기동하여 전량순환(total circulation) 상태로 둔다. 공정액 회수장치(8) 내의 압력은 반응조(1)의 압력과 동일하게 한다.
그런 상태에서 (V1) (V2)를 개방하여 발포를 시작하며 동시에 (V13) (V14)를 서서히 열고 (V12)를 서서히 닫기 시작한다. 투입노즐(44)을 통해서 공정액과 수지입자가 공정액 회수장치(8)로 들어오게 되는데, 흐름의 단면적이 급증함에 따라 선속도가 급격히 떨어지게 된다. 공정액은 일부는 상부의 배출노즐(45)로 나가게 되고 나머지 일부는 하부의 회수공정액 배출노즐(46)으로 나가게 된다. 한편, 투입된 수지입자는 자체 부력에 의하여 상부 배출노즐(45) 쪽으로 이동하게 된다.
부력에 의한 수지입자의(폴리프로필렌의 경우) 부상속도는 이러하다.
실험에 사용된 수지입자는 원통형으로서 직경 1mm 길이 2mm이며 무게는 1.6mg인데, 정지상태의 물속에서(온도는 상온) 부상하는 속도는 2.5 - 3.0 cm/sec로 나타났다.
(V1)을 통해서 나오는 공정액 중 (V13)쪽으로 회수되는 비율은, (V12)와 (V13)의 개도(開度)를 적절히 조절하는 것으로 정해지는데, 공정액회수장치(8) 내의 공정액을 너무 많이 회수하면 공정액회수장치(8) 상부에 공정액이 부족하게 되어서 수지입자끼리 근접하게 되므로 서로 융착할 가능성이 많아진다. 회수공정액의 유량 조절은 펌프(P3) 토출라인에 유량컨트롤 밸브(미도시)를 설치하여서 한다.
발포시 회수되는 고온의 공정액은, 별도의 공정액 저장조(미도시)에 저장하였다가 나중에 반응조(1)에 원료로 투입하여 그 열에너지를 활용할 수도 있고, 발포가스 저장조(일반 공정에서도 필요한 것임, 예컨대 도 6의 BP15)로 보낸 후, 다른 원료 투입이 끝나고 밀폐상태로 있는 반응조(1)에 발포가스 저장조에 저장되어있는 회수공정액을 이송함으로써 그 에너지와 용해발포가스를 활용할 수도 있다. 좀 더 효율적인 방법으로는, 공정액을 가스회수조(2)로 이송하는 방법인데, 이는 제 (2-3) 발명의 설명에서 다루기로 한다.
반응조(1)내의 모든 수지입자와 공정액이 배출되어 발포가 끝나면 (V1) (V2)를 폐쇄하고, (V11) (V12) (V13) (V14)를을 폐쇄하고 펌프(P3)를 끈다. 발포가 끝날 때는 잠깐 동안 반응조(1)에서 가스가 공정액 회수장치(8)를 통과하게 되는데, 이때 공정액 회수장치(8) 안에는 공정액과 가스 외에도 미처 배출되지 못한 수지입자가 존재한다. 미배출 수지입자는 회수된 공정액을 잠깐 동안 공정액 회수장치로 공급하여 배출 발포하면 제거될 수 있다. 구체적으로는, 회수공정액 저장조(미도시)나 가스회수조(2)에서 회수공정액 배출노즐(46)을 통하여 (V2)와 발포장치(21)로 배출한 후에, 공정액이 가득찬 상태인 공정액 회수장치(8)를 밀폐한 상태로 다음번 발포작업을 대기하면 된다.
상기 공정액 회수공정에 있어서 가장 문제가 되는 것은 수지입자끼리 접합(또는 융착)될 가능성이다. 일반적으로 반응조(1)에 투입되는 수지입자의 분량은 생산성 향상을 위해서 가능한 한 최대로 조정되기 때문에, 그 분량 이상으로 수지입자를 투입하는 경우에는(즉, 수지입자 과밀상태) 수지입자끼리 접합되거나 발포노즐이 막히는 현상이 나타나게 될 가능성이 높다. 그런데 본 발명자의 경험(5년 이상의 폴리올레핀 발포입자 제조공장 운전 경험과 연구개발 경험)에 의하면, 수초(數秒) 정도의 수지입자 과밀상태는 수지입자간 접합을 야기하지 않는 것으로 나타났다. 예를 들어서, 반응조(1)에서 반응이 끝나고 발포단계로 이르렀을 때, 교반기 시스템에 고장이 생긴 경우에 수지입자들은 수면으로 부상하게 되어 서로 접촉하게 되는데 수십초 내로 교반기를 다시 가동하는 경우에는 수지입자간 접합이 나타나지 않았다는 점이다. 또 한가지 예는, 반응조(1)에서 나오는 발포관(직경 1인치)의 길이를 5m 이상으로 한 경우에도 수지입자간 접합이 나타나지 않았다는 것이다. 수지입자끼리 접촉하였으나 접합이 일어나지 않는 이유는, 반드시 정확한 것은 아니지만, 수지입자간 접합에는 어느 정도 이상의 접촉시간과 접촉압력이 필요하기 때문인 것으로 추측된다.
이상 제 (2-1) 발명을 설명하였고, 이하는 동 발명에 사용될 수 있는 공정수 회수장치에 대해서 설명한다.
제 (2-2) 발명은 공정수 회수를 위한 장치로서 “망(스크린)을 사용하지 않는” 방식과(청구항 10, 11) “망(스크린)을 사용하는” 방식이(청구항 12) 있는데, 도 7a - 7c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
“망(스크린)을 사용하지 않는”공정수 회수장치는 수지입자 자체의 부력을 이용하여 공정액을 회수한다는 점이 특징으로서, 다음과 같이 구성되어있다.
반응조(1)로부터 오는 수지입자의 투입노즐(44)을 공정액 회수장치의 상부에 위치케하여 수지입자의 체류시간을 최소화하되, 상부구조를 원추형 등처럼 상부로 갈수록 점차 좁아지는 구조로 하여 수지입자 상승시 저항이 되는 부분을 없게하여 중간에 수지입자가 체류되지 않도록 하고, 공정액 회수장치의 직경을 충분히 크게 함으로써 공정액의 하향 선속도를 작게 하여 그 흐름에 잡힌 일부 수지입자가 이를 거슬러서 자체부력으로 상승할 수 있게 해야하며, 투입노즐(44)로부터 용기하부까지는 충분한 거리를 두어 투입노즐(44)에서 회수공정액의 배출노즐로 이르는 흐름에 채널링현상이 방지해야 한다.
용기(8) 직경은, 투입노즐(44) 직경이 1인치인 경우, 8 - 12 인치 정도로 하여 회수공정액의 용기내 선속도를 0.5 - 1.5 cm /sec로 하도록 하는 것이 바람직하다(수지입자의 부력에 의한 상승속도는 2.5 - 3.0 cm/sec임). 또한 수지입자의 체 류시간은 10 초 이내, 더 바람직하게는 5초 이내로 한다.
용기(8) 측면에는 회수공정액의 회송노즐(47)를 둘 수도 있는데, 이는 회수공정액의 양을 조절하는 데 도움이 된다.
이상 도 7a에 예시된 공정액 회수장치를 설명하였는데 도 7b와 같은 구성으로 할 수도 있다. 도 7a에서는 공정액과 수지입자 투입노즐(44)이 공정액 회수장치(8) 측면 상부에 형성되어있는데, 이를 도 7b에서처럼 하부 바닥 중앙에 형성하되 그 관(pipe)을 용기내로 연장하여 그 끝이 용기 상부에 위치하도록 형성하면 공정액 회수장치(8)의 성능을 개선할 수 있다. 투입노즐(44) 끝이 용기의 정중앙에 위치하기 때문에 안정적인 운전상태를 유지할 수 있을 뿐 아니라 투입 수지입자의 운동방향이 상향으로서 수지입자의 배출노즐(45)을 향하고 있기 때문에 체류시간을 더 단축할 수 있다.
“망(스크린)을 사용하는”공정액 회수장치는(청구항 12 참조) 크기가 작다는 특징을 가지고 있으며, 도 7c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
반응조(1)에서 배출되는 공정액과 수지입자의 혼합물은 공정액 회수장치(8)의 하부 투입노즐(44)로 들어가서 망이나 타공판으로 된 관(35)을 통과하여 상부의 배출노즐(45)로 나가게 된다. 이때 공정액 회수장치(8) 측면에 있는 회수공정액의 배출노즐(46)로 공정액을 회수하게 되는데, 이때 상기 관(23)의 망을 통하여 공정액이 일부 나오게 된다(수지입자는 망에 걸려서 나오지 못한다).
일반적으로, 망을 이용하여 수지입자와 공정액을 분리하는 방법은 망막힘을 유발할 수 있다. 수지입자가 연화되어 점착성이 있는데다가 망에 의해서 수지입자 의 움직임이 제한되어, 망과 수지입자간 또는 수지입자끼리 접합압력이 발생하므로 망막힘이나 수지입자간 접합이 더 쉽게 발생할 수 있다.
그러나 망을 이용한 장치는 도 7a나 도 7b에 예시된 장치와 비교하여 장치크기가 작고(직경이 작음) 제작이 간편하므로, 필요시 망으로 된 관(23)을 주기적으로 교체하여 사용하는 방식으로 운전한다면 타당성이 있다. 접합의 중요요인인 접합압력을 줄이기 위해서는 망으로 된 관(23)에서 망을 통과하여 나오는 공정액의 흐름속도를 작게 하면 되는데, 이는 관(23)의 길이를 길게 하여 관표면적을 넓게하면 된다. 또한 상기 흐름을 균일하게 하려면 회수공정액의 배출노즐(46)을 장치(8)의 길이 방향에 따라서 다수 개 설치하면 용이하게 해결될 수 있다.
망을 이용한 공정수 회수장치(8)(도 7c 참조)는 공정흐름의 방향에 바꾸어도 운전에 지장이 없으므로 장치(8)의 자세에 제한이 없다. 상하를 바꾸어도 되고 수평으로 놓아도 문제가 없다.
이상 제 (2-2) 발명에 대해서 설명하였는데, 동 발명은 크기가 작다는 장점 이외에도 운전에 소요되는 에너지가 매우 적다는 장점이 있다(펌핑도 흡입/토출 압력차가 적으므로 소요 에너지가 적다). 또한 제 (2-2) 발명은 폴리올레핀 발포입자의 제조공정 이외의 공정에도 적용될 수 있다. 예로서 점착성이 있는 입자와 분산매의 혼합물에서 양자를 분리하는 공정에 적용될 수 있다. 일반적으로 상기 경우에는 동 혼합물의 온도를 낮추거나 하는 방법으로 입자의 점착성을 낮춘 후에 체나 망을 이용하여 양자를 분리하게 되지만, 본 발명을 적용할 경우에는 분산매의 온도를 낮추지 않은 상태에서 분리할 수 있으므로(먼저 분리 후 입자를 냉각함) 에너지 절감을 할 수 있다는 장점이 있다.
제 (2-3) 발명은(청구항 13, 14) 제 1 발명군과 상기의 공정액 회수기술을 조합한 발명으로서, 도 2 - 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
폴리올레핀 발포입자의 제조공정에 대하여는 앞서 이미 설명되었기 때문에(제 (1-1) 발명과 제 (2-1) 발명의 설명 참조) 여기서는 공정액 회수기술을 제 1 발명군의 기술에 추가하고 조합하는 관련공정을 주로 설명하기로 한다.
앞에서 설명한(제 (2-1)발명 설명) 바와같이, 침투단계가 끝나면 발포단계가 시작되며, 이때 공정액 회수단계도 동시에 진행되어 공정액 회수장치(8)와 펌프(P3)를 통하여 공정액이 회수 배출된다. 한편 제 (1-1) 발명과 제 (1-2) 발명에서는, 발포단계와 동시에 분산매 공급펌프(P1)을 통하여 분산매를 가스회수조(2)로 공급하여 동 용기에서 밀려나는 발포가스를 배압용으로 반응조(1)로 공급하게 된다. 본 발명에서는 회수공정액을 펌프(P3)를 통하여 가스회수조로 공급함으로써 에너지를 절감한다는 것을 특징으로 한다. 이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
발포시 회수되는 공정액은 펌프(P3)로 가스회수조(2)로 이송되는데, 이에 따라서 고온고압의 공정액이 가지는 에너지를 다시 사용할 수 있으며 또한 공정액에 용해되어있는 발포제도 다시 사용할 수 있다는 이점이 있다. 또 한가지 이점은 반응조(1)에 배압가스를 공급할 때 가동되는 분산매 투입펌프(P1)의 부담을 줄여준다는 점이다. 배압가스를 공급할 때는 펌프(P1)를 가동하여 상압의 분산매 저장조(3) 또는 원료혼합조(6)로부터 분산매를 가스회수조(2)로 고압으로 공급하여 그 부피만큼의 발포가스를 반응조(1)로 밀어내게 되는데, 회수공정액을 가스회수조(2)로 펌 핑(P3)하는 경우에는 그 회수공정액의 부피만큼 분산매 투입펌프(P1)의 부담이 줄어들게 된다. 여기서 특기할 사항은 분산매 투입펌프(P1)는 흡입과 토출의 압력차가 매우 큰데 비해서 회수공정액 배출펌프(P3)는 압력차가 거의 없다는 점이며, 따라서 에너지 소요가 적다는 점이다.
회수공정액을 가스회수조(2)로 공급하는 방법은 이러하다.
회수공정액의 단위 시간당 유량은 거의 일정하고 또 가스회수조(2)의 총 소요 유량의 일부이므로(총 소요유량은 발포시 반응조에서 배출되는 유량과 같은데, 회수공정액은 그 중의 일부이다) 회수공정액 흐름은 따로 컨트롤할 필요가 없으며, 따라서 분산매 투입펌프(P1)의 유량을 컨트롤하면 된다. 투입펌프는 통상 유량이 컨트롤되는 왕복식 펌프(positive displacement pump)를 사용하므로 가스회수조(2)의 압력을 측정하여 자동 컨트롤함으로써 용이하게 해결될 수 있다.
가스회수조(2)에 분산매만을 투입하지 않고 분산매와 수지를 함께 투입하는 경우의 회수공정액 투입방법은 다음과 같다.
도 2의 공정인 경우, 원료혼합조(6)에는 분산매와 수지입자 등 한 배치분 원료 정량을 투입하여 이를 펌프(P1)로 가스회수조(2)로 공급하게 되는데, 회수공정액을 펌프(P3)를 통하여 가스회수조(2)로 같이 공급하는 경우에는 발포시 나오는 회수공정액 총량을 예상하여 원료혼합조(6)의 조성을 조정하면 된다. 이들 원료는 가스회수단계에서 반응조(1)로 공급되는데, 원료조성중 분산매의 양이 정량과 다른 경우에는 반응조(1)의 레벨을 보고 분산매를 일부 배출하거나 보충하면 된다.
도 3의 공정인 경우도 상기의 경우와 비슷하게 처리하면 된다. 다만, 분산매 투입펌프(P1)으로는 수지공급조(6)를 통하여 분산매를 펌핑함으로써, 먼저 수지공급조(6)의 내용물(수지입자 등)을 가스회수조(2)로 이송한 후에, 수지공급조(6)를 밀폐하고 (V15)를 개방하여 그쪽을 통해서 분산매를 가스회수조(2)로 공급하는 것이 바람직하다. 수지공급조(6) 다음 번 배치의 수지입자를 투입하는 시간여유를 크게 하기 위함이다.
보조용기가 내장된 반응장치(7)를 이용하는 폴리올레핀 발포입자 제조방법에 있어서, 회수된 공정액을 이용하여 에너지를 절감할 수 있는 방법을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다(청구항 14 참조).
보조용기가 내장된 반응장치(7)를 이용하는 폴리올레핀 발포입자 제조방법(제 (1-3) 발명)에 대해서는 앞에서 설명하였으므로, 여기서는 회수공정액을 보조용기(22)로 투입하여 이를 발포시 배압유지용으로 이용하는 방법을 상세히 설명한다.
함침단계가 완료되면 발포단계로 진행하게 되는데, 제 (1-3) 발명에서는 보조용기(22)로 압축공기 등을 공급하여 반응장치(7)의 배압을 유지하는데 비해서, 본 발명에서는 보조용기(22)에 압축공기 등의 유체를 공급할 시에 공정액 회수장치(8)에서 회수된 고온고압의 공정액을 함께 투입함으로써 에너지를 절감하는 것이 특징이다. 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
(V21) (V22)를 개방하여 발포장치(21)를 통하여 분산매와 수지입자 등을 감압팽창시키면서 동시에 (V25) (V27)을 개방하여 보조용기(22)에 압축공기를 공급하여 보조용기(22)가 팽창하는 방법으로 배압을 유지한다. 잠시 후 운전이 안정화되 면 (V23)을 (V24) 개방하고 펌프(P4)를 가동하여 보조용기(22)로 회수공정액을 투입하는데, 이때 (V27)을 통하여 공급되는 압축공기는 그 유량이 자동조절된다. 회수되는 공정액의 부피는 반응장치(7)에서 감소되는 부피(공정액과 수지입자)보다 적으므로 그 부피 차이만큼은 압축공기로 공급되어야 한다.
발포가 완료되면 펌프(P4)를 (V21) (V22) (V23) (V24) (V25) (V27)을 폐쇄하여 반응장치 계통을 밀폐한다. 보조용기(22)는 부피가 많이 팽창한 상태로서 그 하부판(37)은 반응장치(7)의 하부 쪽으로 내려가 있는 상태이며, 반응장치(7) 하부공간에는 고압의 발포가스와 수증기가 잔류한다.
보조용기(22)를 원상태로 하기 위해서, 보조용기의 벤트라인(미도시)을 열어 보조용기의 내용물을 배출한다. 그 후에는 원료투입단계를 진행하면 되는데, 우선은 반응장치(7)내의 압력을 상압으로 내린 후에 (V29)를 통하여 원료를 투입한다(물론 압력을 상압으로 감압하지 않고 고압펌프 등을 이용해서 고압상태에서 원료를 투입할 수도 있다.). 그 후 (V26)을 통하여 발포가스를 목표압력이 될 때까지 공급함으로써 원료투입단계가 완료되고 다음에 침투단계로 진행하면 된다.
위의 방식대로 하는 경우에는 보조용기(22)가 원상태로 수축하였을 때 그 안에는 고온의 물(공정액)로 가득찬 상태로 될 것인데, 그대로 원료투입단계로 진행하여도 되지만, 다음과 같은 방법으로 물을 배출할 수도 있다.
예컨대, 보조용기(22) 내에 배출관을 설치하되 그 흡입구가 하부판(37) 부근에(보조용기가 축소된 상태를 기준으로 하여) 위치하도록 된 배출관을 설치해서, 보조용기내에 기체압력을 가함으로써 물이 밀려 나가게 하는 방법이다. 배출되는 물은 (V28)을 통하여 반응장치(7)로 공급할 수도 있다. 다른 방법으로는 하부판에 밸브를(미도시, 전기나 공기압으로 작동하는 밸브.) 설치하여 보조용기(22) 내의 공정액을 반응장치로 보낼 수도 있다.
이상 발포시에 회수되는 공정액을 보조용기(22) 공급하여 발포시 배압을 유지하는 폴리올레핀 발포입자 제조방법에 대하여 설명하였는데, 이 방법의 장점은 별도의 분산매 회수용기를 거치지 않고 바로 회수된 분산매의 에너지를 활용할 수 있다는 점이다.
이상 제 (2-3) 발명을 설명하였고, 이하 제 (2-4) 발명(청구항 15 - 17)을 설명한다.
본 발명(제 (2-4) 발명)은 공정액 회수단계에 있어서, 그 단계와 병행하여 공정액 회수장치에 세척수를 통과시키는 방법으로 하는 세척단계를 거치는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법 및 장치에 관한 것이다. 이를 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
공정액 회수단계를 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법은 이미 설명한 바 있으며, 상기 세척단계는 발포단계와 병행하여 진행하는 것으로 공정액 회수장치(8) 내에서 진행되는 것이어서 반응조(1)나 가스회수조(2) 등과는 직접적인 관계가 없으므로, 여기서는 세척 시스템에 대해서 간략히 설명하고 주로 공정액 회수장치(8)에 관해서 상세히 설명하기로 한다.
폴리올레핀 발포입자의 제조에 있어서, 반응조(1)에서는 수지입자를 연화점 이상으로 가열하게 되므로 수지입자들은 서로 융접할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해서 일반적으로 원료투입시에 무기 분산제(융착방지제) 가루를 같이 투입하는데, 이 분산제 가루는 폴리올레핀 발포입자 표면에 잔류하게 되므로 이를 미리 제거하여야 한다. 분산제 가루를 제거하지 않으면 발포입자로 성형체를 제조시에 발포입자간 융착이 저해되어 좋은 품질의 성형체를 제조하기 어렵다.
통상의 공정에서는 발포가 완료된 발포입자를 상압의 세척장치(상온의 세척수를 가하여 세척함)에 통과시키는 방법으로 세척을 하는데, 통상의 세척방식은 세척효율이 좋지않고 다량의 세척수가 필요하며 폐세척수를 처리하고 재생하는 데 많은 운전비용이 든다. 따라서 당업계에서는 세척공정의 개선을 위해서 많은 노력을 하고 있는 바, 투입 분산제의 양을 줄이는 방법이나 폐세척수를 용이하게 재생하는 방법이나 분산제가루를 사용하지 않는 방법 등 여러 연구가 진행되고 있는 것으로 알려져 있으나 아직 발포단계(감압팽창) 이전에 분산제 가루를 제거하는 방법은 발명되지 않았다.
본 발명에서는 수지입자를 감압팽창시키기 전에 공정액 회수장치 내에서 세척을 하는데, 이는 세척효율이 높다는 장점과 소요세척수가 적다는 장점을 가지고 있다. 수지입자를 감압팽창한 후에는 공정흐름의 부피가 커지므로 흐름공간 중의 수지입자 농도가 그만큼 희박해지는데 비해서, 본 발명에서는 흐름공간 중의 수지입자 농도가 크고 수지입자의 크기가 작으므로(발포 이전이므로 작음) 세척효율이 높다.
본 발명의 실시에 적합한 세척시스템은, 예컨대 다음과 같이 구성할 수 있다.
① 세척수 공급탱크 : 세척수는 공정액과 같은 온도이어야 하고 또 같은 발포제농도를 가지고 있어야 하므로 가열장치가 있어야 하고 또 용기내에는 고압의 발포가스가 존재하여야 한다. 그런데 이는 기존의 가스회수조(2)를 활용함으로써 용이하게 해결할 수 있다.
② 세척수 순환펌프 : 세척수 유량은 통상의 <발포 후 세척방식>에 비하여 훨씬 적으며 또한 흡입압력과 토출압력이 거의 같은 수준이므로 비교적 작은 규모의 펌프로 충분하다.
③ 세척장치 : 이는 기존의 공정액 회수장치를 이용한다. 세척수는 공정액 회수장치로 들어가서 공정액과 섞이게 되어 대부분 수지입자와 함께 배출된다.
④ 원심분리장치 : 폐세척수로부터(폐세척수는 공정액 회수노wmf(49)로 나오는 흐름이다) 분산제가루를 분리제거하는 장치이며 재생이 된 세척수는 바로 ①항의 세척수 공급탱크로 보내진다. 참고로 이 원심분리장치에서는 수지 부스러기까지 동시에 분리제거될 수 있다.
위 일련의 장치는 고온고압 상태에서 운전되는 밀폐순환시스템이므로, 세척수의 보유량은 소량으로 충분하고 가열장치도 작은 능력으로 충분하다.
세척기능이 있는 공정액 회수장치(8)의 1 실시예가 도 8a에 제시되어있다. 이는 도 7a의 공정액 회수장치에 세척수 투입노즐(48)을 추가한 것이다. 발포 단계에서 공정액 회수장치(8)가 운전되고 있는 상태에서, 세척수 투입노즐(48)로 세척수를 투입하기 시작하면서 공정액 배출노즐(49)로 나가는 유량을 증가하면(투입 세척수 유량 정도로 증가) 수지입자는 부력으로 상승하면서 공정액과 세척수를 통과 하며서 세척되어 결국 세척수와 함께 배출노즐(45)을 통하여 배출하게 된다. 공정액의 배출노출(49)로 나가는 흐름 중의 일부는 ④항의 원심분리장치로 가게 된다. 도 8b의 장치도 비슷한 방식으로 운전된다.
도 8c에 예시된 세척기능이 있는 공정액 회수장치(8)는 도 7c와 동일한 장치이지만 장치의 측면 상부와 하부의 노즐의 흐름방향이 다르게 되어있다. 상부의 노즐(48)로 세척수가 투입되어 메쉬관(23)내를 거치면서 수지입자를 세척하고 세척수의 대부분은 수지입자와 함께 배출노즐(45)로 배출된다. 하부노즐(49)로는 공정액이 배출되어 일부 원심분리장치로 가는 것은 위에서 설명한 것과 같다.
상기 장치를 개선한 실시예 하나가 도 8d에 예시되어있다(도 8d의 아래 그림은 장치의 단면도임). 도 8c의 장치에서는 세척수가 메쉬관(23)을 통과하는 것이 불확실하므로, 메쉬관 전후로 수직칸막이(25)를 형성하고 용기 내에 수평칸막이(24)를 형성한 것이다.
상부 노즐(48)로 세척수가 투입되면 그중 일부는 배출노즐(45)로 나가고 일부는 메쉬관을 통과하여 연결관(50)으로 가는데, 이는 다시 수평칸막이(24)를 건너서 그 아래의 세척단위로 투입되며 다시 메쉬관을 통과하여 연결관(50)을 지나 그 아래의 세척단위로 투입되는 식으로 진행하여 최종적으로는 배출노즐(49)로 배출하게 된다. 각 세척단위에서는 세척이 이루어지는데 위로 갈수록 깨끗하게 된다.
이상 제 2 발명군에 대해서 상세히 설명하였다.
[ 제 3 발명군 ]
본 발명(제 3 발명군) 중 제 (3-1) 발명은, 최종발포단계 이전에 수지입자분리단계를 거치는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법으로서(청구항 18과 청구항 19), 동 제조방법은 통상의 폴리올레핀 발포입자의 제조공정 중 반응조(1)와 최종 발포장치 사이에 수지입자분리장치(9)를 추가하여 운용하는 제조방법이며(도 18 참조), 이를 상세히 설명하면 다음과 같다(이산화탄소를 발포제로 사용하는 공정을 기준으로 하여 설명함.).
참고로, “최종발포단계”란 폴리올레핀 발포입자의 제조공정에 있어서 수지입자가 최종팽창하는 단계를 의미한다. 통상의 제조공정에서는 수지입자를 1회 감압팽창하는(대기압 분위기로) 것으로 발포가 완료되는데, 본 발명(특히 제 5 발명군)에서는 수지입자를 다수 회 감압팽창하는 경우도 발생하므로 “최종발포단계”는 그러한 다수회 감압팽창 중에서 최종의 팽창단계를 의미한다. 제 5 발명군의 경우까지 확장하여 본다면, “최종발포단계”는 팽창력이 잔존하는 발포입자를 금형(mold)에 투입한 후 성형할 때 발포입자가 팽창하는 단계이다.
폴리올레핀 발포입자의 제조공정에 대하여는 앞서 이미 설명되었기 때문에(제 (1-1) 발명 설명 참조) 여기서는 제 (3-1) 발명을 구성하는 여러 단계 중 수지입자분리단계에 대해서 주로 설명하기로 한다.
반응조(1)에서 반응이 완료되면 반응조 일단을 개방하여 수지입자 분리장치(9)로 공정유체가 이송되는데, 이 중에서 공정액을 제거하여 수지입자를 분리하는 것이 본 발명의 목적이다.
통상의 제조공정에서처럼 수지입자 분리장치의 전단에(up-stream) 최종발포 장치를 두어서 공정흐름을 대기압 분위기로 감압팽창하는 경우에는, 발포입자의 온도가 100도 이하로 떨어지게 되므로 발포입자 상호간 접합할 위험이 크게 줄어들기 때문에 공정흐름에서 수지입자(발포입자)를 분리하는 것은 용이하다. 그렇지만, 공정흐름의 온도와 압력이 떨어지고 또 발포입자의 팽창력도 소진된 상태이므로, 에너지의 효율적인 회수라든지 자체 에너지를 이용한 추가적인 공정(세척공정이나 성형공정 등)을 할 수 없게 된다는 단점이 있다.
본 발명의 실시를 위해서 고려해야할 중요 사항은 다음과 같다.
① 수지입자간 접합문제 해결.
② 소요 에너지의 최소화.
③ 후단(down stream) 공정을 위한 에너지 보유.
④ 체류시간의 최소화.
⑤ 회수공정액의 처리 방법.
수지입자간 접합문제에 대해서 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 액체와 고체를 분리하는 방법은 비중차에 의한 분리방법과 체(sieve)에 의한 분리방법을 생각할 수 있다. 그런데 두 방법 모두 분리과정에서 고체(여기서는 수지입자)가 서로 접근하게 된다는 문제가 있어서, 고온의 점착성있는 수지입자를 분리하는 데는 어려움이 있다. 본 발명에서는 체를 사용하면서도 수지입자의 흐름속도를 적절히 유지하는 등의 방법으로 수지입자간 접합문제를 해결하였다.
수지입자분리장치(9)로 들어오는 공정흐름은 발포제가 포화용해된 공정액(물)과 그 공정액 중에 분산된 수지입자와 첨가제 등으로 구성된 액상흐름으로서 온도는 140-150 ℃(폴리프로필렌 공중합체(에틸렌 3%)인 경우임)이며 압력은 25-50 kg/cm2(발포제를 이산화탄소로 하는 경우임. 발포입자의 목표발포비에 따라 조정됨.)인데, 이 액상 공정흐름에서 공정액을 제거하여 수지입자를 분리하기 위해서는 기체를 공급하여 공정액을 기체와 교체하여야 한다. 기체를 외부에서 공급할 경우에는 기체는 공정흐름과 같은 온도이어야 한다. 공정흐름보다 온도가 높은 경우에는 수지입자의 점착성이 증가하여 수지입자간 접합이 일어날 가능성이 커지며, 온도가 낮은 경우에는 발포입자의 발포비(팽창비)가 작아지게 될 것이다. 기체의 부피유량은 공정액을 교체할 수 있을 정도로 커야함은 물론이고 수지입자분리장치 내에서 수지입자가 충분한 선속도를 가질 수 있도록 커야 한다. 수지입자 선속도가 느린 경우에는 수지입자간 접근이나 흐름의 정체가 발생할 수 있다. 기체의 부피유량은 공정액 부피유량의 10배 이상이 되는 것이 바람직하다. 외부 공급기체로만 운전되는 수지입자분리장치(9)의 1 실시례가 도 9a에 제시되어 있는데, 이에 대해서는 제 (3-2) 발명(수지입자 분리장치)의 설명에서 좀더 상세히 다루기로 한다.
수지입자 분리공정에 있어서 소요 에너지의 최소화에 대하여 설명하면 다음과 같다.
외부에서 가스를 공급하는 방식은 공정의 압력과 온도가 떨어지지 않는다는 장점은 있으나 가스공급비용이 많이 든다는 문제가 있다. 그러므로 수지입자분리장치(9)의 전단에서 공정흐름을 감압팽창하여 그 때 발생하는 발포가스(공정액에 용해된 발포제가 기화하여 나오는 가스)와 수증기를 이용하여 공정액을 제거하는 방 법이 바람직하다(청구항 19). 감압의 정도는 필요한 기체유량이 나올 수 있을 정도이상으로 한다. 폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서 공정흐름의 감압팽창은 어차피 필요한 단계인데, 본 발명에서는 최종발포단계 이전에 중간발포(감압팽창)을 함으로써 별도의 에너지를 들이지 않고 고온공정액을 회수하고 또 수지입자를 분리할 수 있게 하였다. 도 9b 내지 도 12에 자체 발생기체로 운전되는 수지입자분리장치(9)의 실시례가 제시되어 있는데, 이에 대해서는 제 (3-2) 발명(수지입자 분리장치)의 설명에서 좀더 상세히 다루기로 한다.
다음은, 후단(down stream) 공정을 위한 에너지 보유 문제에 대해서 설명한다. 후단 공정은 크게 두 가지로 대별할 수 있다. 그 하나는 발포입자를 제조하기 위한 공정(세척공정과 건조공정 등)이고, 다른 하나는 발포입자를 제조함과 동시에 그 입자를 금형에 투입하여 성형하는 공정까지 포함하는 후단공정이다. 발포입자 제조와 동시에 성형을 하는 공정을 위하여는 발포입자는 잔여 팽창력을 보유하고 있어야 하며 비교적 높은 온도를 가지고 있어야 하는 등 상당수준의 에너지를 보유하고 있어야 하는데, 이에 대해서는 제 (3-3) 발명에서 상세히 설명하기로 하고 여기서는(제 (3-1) 발명의 설명) “발포입자를 제조하기 위한 공정”에 국한하여 설명하기로 한다.
앞서 언급한 것처럼, 수지입자분리장치(9)는 반응조(1)압력과 동일 압력에서 운전할 수도 있고 감압상태로 운전할 수도 있다. 동일 압력에서 운전하는 방법은 공정흐름의 에너지가 거의 그대로 유지되므로(그러나 운전에 추가되는 에너지가 있음), 후단공정을 위한 에너지 보유 문제는 없다. 수지입자분리장치(9)를 감압상태 로 운전하는 경우에는 발포입자(수지입자) 표면에 부착한 분산제 가루나 기타 오염물질을 제거하는 공정을 위한 에너지를 남겨 두어야 한다.
미립자 제거공정(청구항 24)를 위해서 수지입자 분리장치(9)를 나오는 공정흐름의 온도는 공정액의 끓는 온도 이상이 되도록 하여야 한다. 즉, 100 ℃ 이상이 되어야 한다(미립자 제거장치(10)이 대기압에서 운전되는 경우). 충분한 기화량을 위해서는 120 ℃ 이상으로 함이 바람직하다. 그렇게 하기 위해서는 수지입자 분리장치(6)의 운전압력은 2 kg/cm2 이상으로 함이 바람직하다. 즉 수지입자분리장치는 25-50 kg/cm2 의 액상 공정흐름을 2 kg/cm2 으로 감압팽창하여 운전함으로써 미립자 제거공정을 위한 에너지를 남겨 두게 되는 것이다.
수지입자 분리공정에 있어서 체류시간의 최소화 대하여 설명하면 다음과 같다.
공정흐름을 감압팽창하는 경우, 수지입자는 내부에 함침된 발포제의 압력으로 팽창하면서 기포(cell)를 형성하게 되는데 그 과정에서 기포의 벽(film)을 통하여 발포가스가 새어나가는 현상도 동시에 발생한다. 본 발명의 수지입자분리공정은 최종발포단계가 아닌 중간발포단계이므로 일단 발포가 된 후에 위에서 말한 기포벽을 통한 발포가스 새어나감이 계속될 것이며 이는 최종제품(발포입자)의 발포비 저하를 야기할 수 있다. 따라서 수지입자분리장치에서 수지입자(발포입자)가 체류하는 시간을 최소화하여야 하며 0.1초 이내로 하는 것이 바람직하다.
반응이 완료된 상태의 반응조(1)의 가스 중의 성분은 발포제가 대부분이지 만(25 - 50 kg/cm2의 총압력 중 수증기의 분압은 140-150 ℃의 증기압에 해당하는 2.65 - 3.82 kg/cm2에 불과함.), 중간발포가 이루어진 수지입자분리장치(9) 내에서는 수증기 성분이 상당히 늘어나게 된다. 따라서 중간발포가 완료된 상태는 이렇게 될 것이다. 즉, 발포입자의 기포내 압력은 수지입자분리장치의 압력과 동일할 것이지만 발포입자 외부 기체중 발포가스의 분압은 수지입자분리장치의 압력보다 상당히 낮을 것이다. 기포에서 새어나가는 발포가스의 양은 내부와 외부의 발포가스의 분압 차에 비례하므로 발포가스가 발포입자 외부로 그만큼 새어나갈 것이다.
한편, 수증기의 분압은 발포가스와 반대의 상태에 있으므로 수증기는 기포 내부로 스며들게 될 것이다. 기포 내의 압력은 새어나가는 발포가스의 양과 스며들어오는 수증기의 양에 따라서 결정된다. 그 양들이 같다면 기포 내 압력은 변화하지 않을 것이고 최종제품(발포입자)의 발포비(팽창비)에 악영향이 없을 것이다.
이산화탄소와 수증기의 기포벽(폴리프로필렌 필름의 경우) 통과속도는 이산화탄소가 더 빠르기 때문에 중간발포된 발포입자에서는 발포제인 이산화탄소가 빠져나가게 될 것이다. 그러나 발포제가 부탄인 경우에는 필름통과 속도가 비슷하여 문제가 없다.
이산화탄소를 발포제로 사용하는 경우 발포입자에서 이산화탄소가 새어나가는 것을 개선하기 위해서는 장치의 크기를 작게 하고 흐름의 선속도를 빠르게 함으로써 용이하게 해결할 수 있다. 예를 들어서, 수지입자분리장치의 입구 측에 충분한 량의 이산화탄소를 공급하고 출구 측에서 이를 다시 회수하는 방식으로 이산화 탄소를 순환시켜준다면, 선속도도 빠르게 할 수 있고 이산화탄소 분압도 높일 수있으므로 문제를 해결할 수 있다. 참고로, 감압팽창하지 않고 반응조(1)와 동일한 온도로 운전하는 수지입자분리장치의 경우에는 수지입자에서 발포제가 새어나가는 문제는 없다.
수지입자분리단계에서는 공정흐름 중에서 공정액을 대부분 회수하게 되는데, 회수공정액의 처리방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.
회수공정액은 100도 이상의 고온으로서 발포제도 용해되어있는 상태다. 이 공정액은 회수즉시 고압펌프를 통하여 가스회수조(2)로 이송함으로써 반응조(1)에 배압가스를 공급하는 공정에 이용될 수 있다. 이는 제 (2-3) 발명과 비슷한 방법으로서, 에너지를 효율적으로 절감하는 효과가 있다.
이상 제 (3-1) 발명에 대해서 설명하였는데, 동 발명은 공정흐름이 가지는 에너지를 활용하여, 고온의 공정액을 회수 및 이용한다는 장점과 수지입자를 분리함으로써 미립자 분리공정을 가능케 한다는 특징을 가진 발명이다.
본 발명(제 3 발명군) 중 제 (3-2) 발명은, 반응조(1)와 최종팽창(대기압으로 감압팽창)장치 사이에 설치되는 장치로서, 반응조에서 배출되는 공정흐름 중 공정액을 제거하여 수지입자를 분리하기 위한 장치인데, 기본형, 방사상 흐름 유도형, 물수집형, 자가청소형 등 유형이 있으며, 이를 도 9a 내지 도 12를 참조하여 유형별로 설명하면 다음과 같다.
① 기본형 수지입자 분리장치(청구항 20).
기본형에는 수지입자 분리장치(9)에 투입되는 공정흐름을 감압팽창하지 않고 그대로 처리하는 방식과 감압팽창하여 처리하는 방식이 있다.
도 9a는 감압팽창하지 않는 방식의 실시예를 도시한 것인데, 이를 설명하면 다음과 같다.
이 장치는 액상의 공정흐름에 가스를 투입하여 공정액을 제거하는 장치로서 메쉬관(26)이 경사지게 설치되었다는 점이 특징이며, 또 메쉬관(26)과 그 바깥 벽 사이의 간격이 좁게 되어있다는 점이 특징이다. 경사지게 한 것은 공정액이 중력에 의해서 메쉬를 통해서 배출되도록 한 것이고(수평식으로 하면 공정액 배출면에서는 좋으나 수지입자가 정체될 가능성이 있음), 위에서 말한 간격을 좁게 한 것은 유속을 빠르게 하여 수지입자가 정체되지 않도록 한 것이다. 참고로, 메쉬관(26)의 직경은 반응조(1)의 배출관과 같은 크기(예컨대 1인치)로 하는 것이 바람직하다.
투입노즐(51)로 들어간 액상의 공정흐름(공정액과 수지입자)은 연결관(50)으로 들어온 수지입자분리용 가스와 혼합되어 메쉬관(26)을 통과하게 되는데, 그 과정에서 공정액은 중력에 의해서 메쉬관(26) 바깥으로 배출하게 되어 장치 하부로 모이게 되며 이는 공정액 배출노즐(54)를 통하여 나가게 된다. 수지입자는 일부 수지입자분리용 가스와 함께 메쉬관(26)을 지나서 배출노즐(52)로 나가게 된다.
수지입자분리용 가스는 질소가스같은 무기가스이어도 되지만 수지입자에 함침된 발포제의 새어나감을 방지하기 위해서 공정에서 사용되는 발포제와 같은 가스를 쓰는 것이 바람직하다. 수지입자분리용 가스는 공정흐름과 같은 온도로 공급되어야 하는데 그 공급유량은 메쉬관(26) 내의 유속을 크게 하기 위해서 과량으로 공급하는 것이 바람직하며 그 일부는 가스회수노즐(57)을 통하여 회수할 수 있다. 회 수된 가스는 일부 보충가스와 함께 압축기를 통해서 다시 연결관(50)으로 투입하는 순환시스템을 구성하는 것이 바람직하다.
이 장치는 구조가 간단하고 크기가 작다는 장점과 고온의 공정액을 회수할 수 있다는 장점이 있으나, 고압의 수지입자분리용 가스가 소요된다는 단점이 있다. 가스소요량을 줄이기 위해서는, 배출노즐(52)로 나가는 수지입자들이 접합되지 않는 범위에서, 가스회수노즐(57)로 가스를 최대한 회수하면 된다. 이 경우 수지입자 접합을 방지하기 위해서 배출노즐(52)을 나가자마자 수지입자를 감압팽창하는 것이 바람직하다.
도 9b는 감압팽창하여 처리하는 방식의 수지입자 분리장치가 예시되어 있는데(이 도면에는 기본형에는 필요하지 않은 부분들도 포함되어있음), 이를 가지고 기본형 장치를 설명하면 다음과 같다.
이 장치는 투입노즐(51)에 들어오는 공정흐름(공정액과 수지입자)을 발포장치(21)를 통하여 감압팽창하여 그 흐름을 용기 전체로 퍼지도록 하되, 수지입자는 메쉬관(26) 내부로 움직임을 제한함으로써, 공정액 배출부(53) 바깥으로 공정액이 배출되어 용기 하부에 수집되었다가 공정액 배출노즐(54)로 나가게 하고, 수지입자(발포입자)는 감압팽창 시 자체발생한 기체와 함께 배출노즐(52)로 나가도록한 장치로서, 외부에서 가스가 공급되지도 않고 또 별도의 에너지도 공급되지 않으면서 자체 에너지로 수지입자를 분리할 수 있는 것이 특징이다.
발포장치(21)에서 공정흐름이 감압팽창되면 공정액(물)의 일부가 기화되어 수증기가 발생하고 또한 공정액에 용해되었던 발포제가 일부 기화하여 발포가스가 발생하며, 물은 작은 물방울로 되어서 발생 기체와 함께 용기 전체에 퍼져나가게 된다. 기체는 메쉬 또는 타공판으로 된 공정액 배출부(53)의 상부에서는 용기 벽쪽으로 퍼져나가며 이 기체는 용기 하부로 이동하다가 공정액 배출부(53)의 하부를 통하여 메쉬관(26) 안쪽으로 들어가서 배출노즐(52)로 나가게 되는데, 이 과정에서 기체와 함께 메쉬관(26)을 빠져 나온 작은 물방울들은 대부분 용기 하부로 떨어지게 된다(일부 아주 미세한 물방울은 기체흐름을 타고 메쉬관(26) 안으로 다시 들어갈 수 있음.).
수지입자는 발포장치(21)를 초속 50m 정도의 선속도로 나오는데, 수지입자 내부에 함침된 발포제가 팽창하여 다수개의 기포를 형성함으로써 발포입자가 되어 메쉬관(26)을 통하여 배출노즐(52) 쪽으로 이동하게 되는데, 용기 내의 기체흐름속도가 느리기 때문에 수지입자는 자체의 운동에너지를 가지고 메쉬관(26)의 하부까지 이동하며 거기서부터는 기체의 선속도가 늘어나기 때문에(메쉬관 바깥으로 나갔던 기체가 다시 들어옴.) 기체 흐름을 타고 배출노즐(52)로 이동한다. 수지입자 간의 거리를 보자면, 발포직후에는 발포전보다 간격이 상당히 떨어졌다가 메쉬관 중간부분으로 가면서 간격이 줄어들고 메쉬관(26) 하부에서는 다시 간격을 회복하게 되는데, 여기서 중요한 것은 메쉬관 중간부분에서 수지입자간 접합이나 수지입자의 정체가 생기지 않도록 해야한다는 점이다. 이는 수지입자의 발포초기 속도, 메쉬관(26)의 길이, 용기의 직경, 발생 가스의 양 등을 조정함으로써 해결할 수 있다. 메쉬관(26)은 관막힘을 방지하기 위해서 테플론같은 비점착성물질로 코팅하는 것이 바람직하다.
참고로, 용기는 그 직경이 작을수록 용기내부 기체흐름이 빨라지므로 수지입자간 접합 가능성이 줄어들게 되고, 직경이 클수록 공정액의 배출이 더 많이 이루어지고 또 용기내 압력 조정도 용이해진다.
용기내의 압력은 수지입자 분리장치(6)의 감압팽창조건과 후단(down stream)의 감압팽창조건(오리피스 구멍크기, 기타 흐름저항요인, 온도와 압력 등)을 조정함으로써 원하는 압력을 정할 수 있지만, 반응조(1)의 반응조건을 변동할 필요가 있음을 고려하여(최종 발포입자의 발포비를 변동하려면 반응조건을 변동하여야 함) 수지입자 분리장치(6)에 노즐을 형성하여 압력조절시스템을 추가하여도 좋을 것이다.
발포시에는 통상 거품이 발생하는데, 수지입자 분리장치(6)에서 거품은 일부는 배출노즐(52)을 통해서 나갈 것이고 일부는 장치 하부의 물위에 쌓일 것인데 이는 주기적으로 제거해 주어야 할 것이다.
투입되는 공정흐름에는 수지 부스러기나 반응공정의 잘못으로 인한 실같은 형태의 잡물이 포함될 수 있어서, 이들이 메쉬관의 메쉬를 막을 가능성이 있다. 따라서 필요시 메쉬관(27)을 정기적으로 청소하거나 교체하여 사용하여야 할 것이다.
도 9b에서는 공정흐름이 위에서 투입되어 아래로 배출되는 수직하향방식의 실시예를 보였으나, 도 9a에서처럼 경사하향방식으로 하여도 수지입자 분리를 할 수 있다. 또한 수직상향방식으로 하여도 수지입자가 메쉬관(26)을 순조로이 통과할 수 있을 정도로 수지입자의 운동에너지가 충분하거나 가스흐름속도가 충분하다면 운전이 가능하다(이 경우 발포장치(21)도 위치를 용기 아래의 노즐로 옮겨야 할 것임.)
② 방사상 흐름 유도 수단이 있는 수지입자 분리장치(청구항 21).
이 유형의 수지입자 분리장치는 상기 ①항의 기본형 장치에 공정액의 원활한 배출이 일어나도록 공정액 배출부 내부의 흐름에서 방사상(radial) 방향의 흐름을 유도하는 수단을 채용한 것을 특징으로 하는 수지입자 분리장치로서, 날개방식, 이중관방식, 가스순환구조방식 등의 방식으로 구성할 수 있다.
상기 ①항의 기본형 장치에서는 공정액을 메쉬관(26) 밖으로 배출한 후에도 메쉬관 안에 공정액 방울이 잔류할 수 밖에 없다는 단점이 있었는데, 여기서는 메쉬관 내부에 방사상흐름을 유도하는 수단을 도입함으로써 그런 단점을 해결할 수 있다. 방사상흐름을 유도하는 수단을 도입하는 경우에는 메쉬관(26) 바깥으로의 물방울 흐름이 어느 정도 강제되는 것이므로 용기의 직경을 기본형보다 작게 해도 된다는 장점도 있다.
도 10에 메쉬관(26) 내부에 장설되는 날개(27)를 예시하였다. 그림에는 날개 한 단위가 2장으로 되어있으나 필요시 한 단위를 날개 4장 또는 그 이상으로 할 수도 있다. 날개는 메쉬관(26)의 상부(메쉬관 바깥으로 나가는 가스흐름이 있는 부분)에 설치하는 것이 바람직하며 필요시 상하로 여러 단위를 설치할 수 있다.
발포 후 공정흐름은(수지입자, 물방울, 수증기, 발포가스 등) 날개(27)를 통과하면서 원심력이 작용하여 메쉬관(26) 바깥으로 배출될 수 있는데 특히 선속도가 빠른 수지입자와 큰 물방울은 날개(27)를 통과 후에 메쉬관의 벽(메쉬나 타공판)에 고속으로 부딪치게 되어서 수지입자에 부착된 물과 큰 물방울은 메쉬관 바깥으로 나가게 된다.
날개를 설계할 때 중요한 고려사항은 흐름에 방해가 되는 부분을 최소화하여야 한다는 점이다. 발포 후 공정흐름에는 끈같은 형태의 점착성있는 불순물이 존재하는 경우가 있기 때문에 관내부에 어떤 돌출물이 있는 경우에는 그 위로 그런 불순물이 쌓이게 되어서 관막힘의 원인이 될 수도 있다. 예컨대, 관에 버터플라이 밸브를 설치한다면 그런 불순물들이 밸브 축 주위로 계속 쌓이게 되어 결국 관이 막히게 될 것이다.
본 날개(27)는 윗부분을 뾰족하게 하여 그런 흐름방해물이 없도록 고안된 것으로서, 구조가 간단하고 제작비가 저렴하며 기계적으로도 튼튼하다는 장점을 가지고 있다.
이상 날개 방식을 설명하였고, 이하 이중관 방식을 설명한다.
이중관 방식은, 일차적으로는 기본형 장치의 투입노즐(51) 내부로 외부가스를 투입할 수 있도록 가스투입노즐(56)을 형성하여 메쉬관(26) 내로 다량의 가스를 공급함으로써 방사상 흐름을 크게 할 수 있도록 한 방식이며, 이차적으로는 그 노즐(56)을 메쉬관(26) 내부로 연장하되 그 연장관에는 미세 구멍을 다수개 형성하여 외부가스가 골고루 공급될 수 있도록 한 방식이다.
도 9b에 외부가스 공급방식이 예시되어 있다. 상기 ①항의 기본형 장치에서는 발포시에 공정흐름 자체에서 발생하는 기체를 가지고 장치를 운전하였으나 여기서는 가스투입노즐(56)을 통하여 외부가스를 추가하였고, 그럼으로써 메쉬관(26) 외부로 나가는 흐름을 크게 하여 공정액의 배출량을 늘릴 수 있다. 물론 외부가스는 발포장치(21)를 나오는 공정흐름의 온도와 같은 온도로 공급되어야 한다.
도 9c에는 이차적인 이중관 방식이 예시되어 있다. 위 외부가스 공급방식으로는 메쉬관 내부의 물방울을 확실하게 메쉬관 밖으로 내보낼 수 없기 때문에 가스공급관을 메쉬관 내로 연장하였다. 그렇게 하면 그렇게 하면 연장된 가스공급관이 있는 위치까지 방사상의 흐름을 생성할 수 있기 때문에 그 위치까지 메쉬관 내부의 물방울을 배출할 수 있다. 도면에서 볼 수 있듯이 이 경우에는 용기의 직경이 작아도 된다.
참고로, 그림에서는 이중관의 내관(32)이 공정액 배출부(53)의 거의 끝까지 연장되어있으나, 용기에 가스회수노즐(57)이 없는 경우에는 공정액 배출부(53)의 상부로 배출된 가스가 다시 그 하부로 들어와야 하므로 이중관의 내관(32)은 공정액 배출부(53)의 중간 정도까지만 연장되어야 할 것이다.
이하로는 도 9b와 도 9c를 참조하여 가스순환구조 방식에 대해서 설명한다. 이는 위에서 설명한 이중관 방식에 가스순환구조를 도입함으로써 충분한 방사상 흐름을 유도하면서도 가스의 소비량을 줄일 수 있는 방식이다.
용기 측면에 가스회수노즐(57)을 형성하고 이를 가스투입노즐(56)과 외부 관계통으로 연결하되, 중간에 컴프레서를 설치하여 가스의 순환구조를 형성하는 방식인데, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
투입된 가스는 회수가스의 유량을 조절함으로써 전량 회수할 수도 있지만, 배출노즐(52)로 나가는 수지입자(발포입자)의 흐름을 좀 더 빠르게 하고 수지입자간 간격을 좀 더 띄워놓고자 한다면 투입가스의 일부를 메쉬관(26)의 하부를 통하여 들어가게 할 수도 있다. 이 경우 상기 컴프레서 전단에는 가스 보충 라인을 설 치해야 할 것이다.
투입된 가스는 수지입자 분리장치(9)를 통과하면서 수증기 성분이 증가하게 된다. 투입 가스로 과열증기를 사용하여도 되므로 수증기 성분의 증가가 수지입자 분리공정에 심각한 영향을 미치는 것은 아니지만, 용기 내 기체 중 발포가스의 분압의 저하는 수지입자에 함침된 발포제를 새어나가게 하는 영향이 있으므로 투입 가스로는 발포가스(예컨대 이산화탄소)를 사용하는 것이 좋으며, 가스의 순환시스템에도 수증기 제거 장치를 두는 것이 바람직하다.
③ 물수집장치가 장착된 수지입자 분리장치(청구항 22).
이 유형의 수지입자 분리장치는 상기 ①항의 기본형 장치 중 공정액 배출부(53)에 그것을 감싸는 물수집장치(39)를 형성하여서 된 것으로, 공정액 배출부(메쉬관)에서 공정액이 배출될 때 동시에 배출되는 가스를 절약하기 위한 것이며, 이를 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
공정흐름은 투입노즐(51)로 들어와서 발포장치(21)를 통하여 감압팽창되어 메쉬관(21)을 통과하게 되는데, 이 흐름중 일부는 메쉬를 통해서 물수집실(40)로 나갔다가 들어오게 되며 이 과정에서 물방울은 물수집실의 하부칸막이로 떨어져서 물배출구(62)를 통하여 바깥으로 배출된다. 물수집실(40)은 상하 직렬로 다수개 형성되어 물수집장치(39)를 이루는데, 공정흐름은 물수집장치를 통과하면서 공정액(물)을 배출할 수 있다.
상기 ①항의 기본형 장치와 비교하여 본 장치는 물배출에 따른 가스의 배출이 매우 적기 때문에 메쉬관(26) 내의 흐름속도를 빠른 상태로 유지할 수 있다. 따 라서 수지입자가 정체할 우려가 없으며 메쉬관의 길이를 길게 할 수도 있다는 장점이 있다.
참고로, 메쉬관(26) 내의 흐름속도를 빠르게 유지하려면 메쉬관과 용기 사이의 공간을 작게 하는 것으로도 가능하지만, 그 경우에는 물배출되는 양이 아주 적어진다는 문제가 있다.
④ 자가청소 기능이 있는 수지입자 분리장치(청구항 23)
상기 ①항 내지 ③항의 수지입자 분리장치(9)는 공정흐름에 포함될 수 있는 찌꺼기로 인해서 메쉬관(26)의 메쉬가 막힐 수 있다는 단점이 있는데, 본 장치는 메쉬관 내에 자가청소용(self cleaning) 회전체를 장설함으로써 문제를 해결하였다. 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
회전체(28)는 압출기(extruder) 내부의 스크류(screw)와 비슷하게 중심축 외부로 나선형의 날개가 형성되어 있으며 그 날개는 메쉬관의 내벽에 밀착할 정도로 형성되어 있고 하부 축은 용기 하부를 관통하여 외부 구동부와 연결되어 있다.
발포장치(21)를 통과한 공정흐름은 회전체(28)의 날개로 인하여 형성된 나선형 채널(channel)을 통해서 흐르게 되는데, 이는 방사상 흐름을 야기하여 공정액의 배출을 돕는 효과도 있다.
회전체(28)는 메쉬관에 부착된 찌꺼기 제거가 목적이므로 매우 느린 속도로 회전해도(예컨대 10RPM 이하) 좋기 때문에, 축(29)의 최상부는 고정장치(movable joint) 없이 두어도 되고, 축을 연장하여 용기 상부노즐의 플랜지 부분에 고정하여도 된다.
자가청소용 회전체를 도입함으로써 청소를 위한 가동중지기간을 배제할 수 있으므로 이는 생산성 증진에 도움이 된다.
이상 제 (3-2) 발명에 대해서 설명하였다.
제 (3-3) 발명은 상기 수지입자 분리단계(제 (3-1) 발명)에 이어서 미립자제거단계를 추가한 폴리올레핀 발포입자의 제조방법(청구항 24) 및 그 제조장치(청구항 25와 청구항 26)로서, 공정액이 대부분 제거된 공정흐름(수지입자와 발포가스와 수증기 등)에서 수지입자(발포입자)에 부착된 이물질(분산제 가루, 기타 성형에 방해가 되는 잡물)을 제거하는 것이 주 목적인데, 본 발명 중 주로 미립자 제거단계에 대하여 도 13a와 도 13b를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다(이산화탄소를 발포제로 사용하는 공정을 기준으로 하여 설명함.).
미립자 제거단계를 위해서는 공정흐름 중에서 공정액을 대부분 제거하는 수지입자 분리단계가 선행되어야 한다. 수지입자 분리장치(9)를 나오는 공정흐름은 수지입자(발포입자), 수증기, 발포가스, 그리고 약간의 공정액(수지입자에 부착된 것과 물방울 형태로 비산하는 것 포함) 등으로 구성되어 있는데, 이 공정흐름은 미립자 제거장치(10 또는 11)의 투입노즐(58)로 투입되어 발포장치(21)를 통하여 감압팽창하게 된다.
투입되는 공정흐름의 온도는 미립자 제거장치에서 공정액(물)의 일부가 비등할 수 있을 정도로 높아야 한다. 미립자 제거장치의 압력이 대기압이라면 투입 공정흐름의 온도는 100도 이상이 되어야 하는데, 공정액 중 상당부분이 기화하여야 하므로 온도는 120도 정도인 것이 바람직하다. 이 경우 투입 공정액의 약 3.7%가 기화할 것이며(온도차 20도가 전부 기화에너지로 쓰인다고 보는 경우), 이를 부피로 환산하면 투입 공정액 부피의 약 60배에 해당한다.
본 발명의 핵심은 감압팽창 시 물의 비등으로 인한 급격한 부피증가를 이용하여 수지입자에 부착된 잡물을 제거하는 방법이다. 장치에 투입되는 수지입자에는 분산제 가루와 물이 부착하여 있는데, 수지입자가 감압팽창하면서 물이 비등하게 되면 물은 미세입자들로 분해되면서 그 부피가 60배로(위에서 예시한 숫자) 팽창하여 수지입자 표면을 이탈하게 된다. 이때의 폭풍으로 분산제 가루도 수지입자 표면을 이탈하고(분산제 가루 자체로 이탈하는 것도 있고 더 많은 부분은 물의 미세입자에 포함되어 이탈할 것이다) 그리하여 수지입자 표면은 깨끗하게 청소될 것이다. 물의 기화에 더하여 물에 용해되었던 발포제도 기화되는데 이것도 상기의 수지입자 표면 청소에 기여하게 될 것이다.
표면 청소가 일어난 순간의 공정흐름 상태는 이러할 것으로 생각된다. 즉, 공간 중에 깨끗한 수지입자들이 여기저기 떠있고 그 사이 공간에는 미립자들의 구름이 형성되어 있을 것이다.
그런 상태에서 수지입자를 수집하려면 “미립자의 구름”을 통과할 수 밖에 없고 따라서 순간적으로 깨끗해진 수지입자라도 다시 미립자를 접촉해야 하고 일부 재오염이 될 수 밖에 없다. 재오염을 최소화하기 위해서는 수지입자를 수집시 통과하여야 하는 거리를 최소화하고 또 미립자구름의 농도를 낮추어야 할 것이다. 만약 물을 완전히 기화시킬 수 있다면 재오염은 최소화될 것이다. 참고로, 앞에서 미립자 제거단계를 위해서는 공정액을 대부분 회수한 상태로 투입하여야 한다고 했는 데, 그것은 재오염을 최소화하기 위한 것이다.
상기한 가설이 반드시 옳은 것이라고 할 수는 없지만 상당 부분 실험에 의해서 뒷받침된 것이다. 실험용 반응기에서 대기 중으로 그냥 발포하였을 경우에(통상의 경우는 망으로 된 주머니 속으로 발포한다거나 발포용 용기 속으로 발포함. 이 경우는 재오염이 매우 심각해짐.) 일부 발포입자는 건조되고 표면이 깨끗한 상태인 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 재오염을 피해 움직인 발포입자라고 볼 수 있기 때문이다.
미립자 제거단계를 거친 발포입자는 거의 건조된 상태이므로 별도의 처리과정없이 제품저장장치로 이송하면 된다. 본 발명은 별도의 에너지를 들이지 않고 공정흐름의 자체 에너지를 이용하여 세척과 건조를 할 수 있으므로, 통상의 방법(세척수로 세척을 하고 오염된 세척수를 처리하고 세척된 발포입자는 다시 건조해야 함)에 비하여 크게 진보된 기술이다.
이상 미립자제거단계를 추가한 폴리올레핀 발포입자의 제조방법에 대해서 설명하였고 다음에는 그 제조장치에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명에 적합한 제조장치 중 가장 일반적인 것은 싸이클론 집진기를 이용하는 것이다. 싸이클론 투입구 전단에 발포장치를 설치하고 공정흐름을 투입하면 미립자는 위로 올라가고 발포입자는 아래로 떨어지게 될 것이다. 단, 싸이클론 내부온도는 100도 이상으로 유지하여 수증기의 응축을 방지하여야 한다. 싸이클론 상부로 나온 미립자 흐름은 별도의 집진기로 걸러낸 후에 기체는 대기로 방출하면 된다.
싸이클론을 이용한 장치로도 충분한 효과를 볼 수 있을 것이지만, 싸이클론은 장치도 비교적 큰 편이고 운전 중 내부벽에 부착되는 물에 의한 문제도 있다.
도 13a 에는 크기도 작고 효과도 확실한 이중관식 미립자 제거장치(10)를 예시하였는데 이를 상세히 설명하면 다음과 같다(장치내 압력이 대기압인 경우에 국한해서 설명함).
이 장치의 특징은 이중관(30) 방식을 이용하여 재오염을 최소화하였다는 점이다. 감압팽창된 공정흐름이 흐르는 메쉬관(31) 내부에 내관(32)을 형성하되 그 내관에는 미세구멍들을 다수개 형성된 이중관(30)을 형성하여, 내관(32)으로 깨끗한 가스를 공급하여 그 가스가 미세구멍을 지나 메쉬관(31) 바깥으로 나가게 함으로써 공정흐름에 존재하는 “미립자 구름”을 신속히 제거하는 것이 특징이다.
이를 좀더 상세히 설명한다. 수지입자 분리장치(9)를 나온 공정흐름은 투입노즐(58)로 들어가서 발포장치(21)를 통하여 감압팽창되어(이때 공정액은 일부 비등함.) 메쉬관(31)을 지나가게 된다. 깨끗한 가스는 세척가스 투입노즐(61)로 공급되어 메쉬관(31) 내부에 형성된 내관(32)으로 진행하여 내관을 작은 구멍을 통해서 메쉬관(32) 전체에 걸쳐서 골고루 나가게 된다.
공정흐름은 세척가스에 의해서 메쉬관(31)의 벽쪽으로 밀리게 되어서 “미립자 구름”은 메쉬관 바깥으로 나가게 되는데, 이 과정에서 물방울이 메쉬관 벽에 부착된다. 공정흐름이 상부로 진행함에 따라서 “미립자 구름”은 완전히 제거되고 메쉬관의 상부는 물방울이 부착되지 않게 된다.
“미립자 구름”을 벗어난 발포입자는 배출노즐(59)로 나가서 제품저장장치 로 보내진다. 메쉬관(31) 밖으로 나온 흐름은(“미립자 구름”과 세척가스) 미립자 배출노즐(60)로 나가게 되는데 이는 별도의 집진장치에서 처리될 수 있다. 장치의 하부로는 “미립자 구름”에서 떨어진 물이 고이게 되는데 이는 드레인 발브(미도시)를 통하여 배출하면 된다.
세척용 가스는 압축공기를 사용할 수 있으며(발포제로 이산화탄소를 사용할 경우에는 화재위험이 없음), 가스의 온도는 100도 이상으로 하는 것이 바람직하지만 경우에 따라서는 상온으로 할 수도 있다. 일단 물이 비등하기만 하면 되므로(위에서 설명한 것처럼 본 장치는 수증기의 응축에 의한 영향을 덜 받음.) 발포 후 공정흐름이 일정 거리를 진행한 후부터 세척가스를 공급하는 방식으로 문제를 해결할 수 있다. 세척용 가스의 부피 유량은, 공정흐름이 메쉬관을 통과하는 동안에 내관(32) 벽에서 메쉬관(31) 벽까지 밀어주면 되니까, 상당히 적은 양이다. 다만, 메쉬관내의 흐름속도를 적정 수준으로 유지하기 위해서 좀더 많은 양을 공급할 수 있다.
필요에 따라서, 수지입자 투입라인(58)에는 공정흐름을 승온시키기 위한 마이크로파 가열장치(33)를 설치할 수도 있다. 예컨대 부탄을 발포제로 사용하는 경우에는 반응온도를 130도 이하로 하는 경우가 많으므로 이런 경우 수지입자 분리공정을 거친 공정흐름의 온도는 미립자 제거장치용으로 불충분할 것이다. 마이크로파 가열장치는 극성물질인 물과 수증기를 가열하게 되는데, 가열시간이 짧다는 점과 골고루 가열할 수 있다는 장점이 있다. 마이크로파 가열장치의 발진장치는 관 내(in-line)에 장설하여야 할 것인데 수지입자 투입라인의 압력은 3 kg/cm2 정도이므로 세라믹소재로 밀폐할 경우 기계적인 문제는 없다.
참고로, 미립자 제거공정은 앞서 말한 “공정액 회수장치를 이용한 세척방법”(청구항 17 참조)과 선택적으로 또는 보완적으로 사용할 수 있다.
도 13b에는 다른 방식의 미립자 제거장치를 도시하였다. 미립자 제거장치에서는 감압발포시에 수지입자(발포입자)가 메쉬관(31)내로 골고루 퍼지게 하는 것이 중요한데, 도 13a 에서는 오리피스 구멍을 여러개 형성함으로써 문제를 해결하였지만(구조가 약간 복잡하여 제작비가 상승됨), 도 13b에서는 세척가스 투입노즐(61)을 장치 상부에 형성하고 내관(32)의 하부 끝부분을 뾰족하게 형성함으로써 문제를 해결하였다(이 경우 발포장치가 단순해짐).
미립자 제거장치(10)는 공정흐름이 아래로 들어가서 위로 나오는 상향식을 기준으로 하여 설명하였는데, 상향식의 장점은 메쉬관 벽에 응결되는 물이 중력에 의해서 밑으로 떨어지기 때문에 장치를 나가는 발포입자를 오염시키지 않을 것이라는 점과 메쉬관과 본 장치의 외벽 사이에서 발생하는 물방울이 미립자 배출노즐(60)의 흐름과 분리된다는 점 등이다. 그러나 본 장치는 180도 회전하여 사용할 수도 있다(즉, 공정흐름이 하향식으로 됨). 이 경우 위에서 언급한 장점은 사라지지만 메쉬관(31) 내 공정흐름이 원활해진다는 장점이 있다.
이상 제 3 발명군에 대해서 설명하였는데, 주로 발포입자를 생산하는 목적에 국한하여 설명하였기 때문에, 이하는 생산 목적이 성형품인 경우에 대해서 설명하 기로 한다. 이는 제 5 발명군과 관련되는 것인데 여기서 미리 설명하기로 한다.
도 18은 본 발명 전체구성의 1 실시예를 도시한 개략 공정도인데, 수지입자 분리장치(9)와 미립자 제거장치(10 또는 11)를 지난 발포입자는 발포입자 싸이로(silo)로 저장될 수도 있고 연속 성형체 제조장치(12)로 보내서 성형체(sheet형)로 성형될 수도 있다. 후자가 위에서 말한 “생산목적이 성형품인 경우”이다. 그 경우에는, 미립자 제거장치에서 나오는 발포입자가 성형에 적합한 상태에 있어야 하는데, 구체적으로는 다음과 같은 조건이 필요하다.
① 발포입자에 내압(기포 내부의 압력)이 잔류하고 있어야 한다. 발포입자의 발포비(팽창비)에 따라서 필요한 내압이 달라질 있으나 0.5-2.5 kg/cm2(게이지압력) 정도이다.
② 발포입자의 온도는 가능한 대로 성형온도에 가깝게 되어있어야 한다. 이는 성형시 발포입자의 가열을 최소화하기 위함이다.
③ 발포입자 표면은 성형시 융착이 잘 될수 있을 만큼 충분히 청소되어 있어야 한다(분산제 가루 기타 불순물 제거).
따라서, 수지입자 분리장치(9)나 미립자 제거장치(10 또는 11)의 운전조건도 “생산목적이 발포입자인 경우”와는 상당히 달라져야 하며, 여기서는 주로 그러한 사항에 대해서 설명한다.
통상의 성형방법(발포입자를 가압탱크에서 4 - 12 시간 가압하여 내압을 형성하고 그 입자를 금형에 투입하고 포화수증기로 가열을 하여 성형하는 방법)에 의 한 성형압력이 포화수증기 압력 2.8 kg/cm2이라고 하면 그 온도는 141.4도인데, 미립자 제거장치에서 나오는 발포입자가 그런 성형조건을 가지게 하도록 미립자 제거장치의 운전조건을 검토하기로 한다.
수지는 폴리프로필렌 랜덤 코폴리머로서 융점 146도이고 발포제는 이산화탄소이며 반응조건이 43kg/cm2 148도인 경우라고 할 때, 미립자 제거장치의 투입흐름의 최고온도는 148도를 초과할 수 없으므로 미립자 제거장치는 투입흐름 43kg/cm2 148도로 하고 장치내 압력은 2.8kg/cm2 로 운전하면 될 것이다(온도차에 의한 물의 기화량은 충분치 않으나 용해된 이산화탄소의 기화량이 많으므로 미립자 제거가 가능하다.). 수지입자 분리공정은 반응조 압력과 같은 압력에서 운전되는 수지입자 분리장치(도9a 참조)를 이용하여 하면 될 것이다.
위와 같은 조건으로 운전하여도 제조된 발포입자를 바로 금형에 투입 충전하여 금형을 밀폐한 후 압력을 대기압으로 빼주면 성형이 될 수 있다. 발포입자의 내압이 충분하고 온도도 성형온도로 올라가 있는 상태이므로 금형에서 압력을 빼어주면 발포입자가 팽창하여 입자간 공극을 메꾸는 동시에 융착이 될 것이기 때문이다. 물론 배압 후에 성형체를 냉각하여야 한다. 이 방법에서 문제가 되는 것은 발포입자의 내압이 과다하다는(미립자 제거장치의 압력과 같은 2.8kg/cm2 임) 점이며, 성형체의 안정화를 위해서는 배압시간과 냉각시간을 충분히 길게 잡아야 한다. 또한 과도한 내압이 발포입자의 팽창에 효과적으로 이용되지 못하였기 때문에 발포비(팽 창비)가 낮아진다는 문제도 있다.
미립자 제거장치의 다른 운전 방법은 이렇다.
금형에 투입되는 발포입자의 조건 중 가장 중요한 것은 적절한 내압을 보유하는 것이다. 온도가 낮은 경우에는 재가열을 함으로써 용이하게 해결할 수 있으나 내압이 상실된 경우는 다시 가압하기가 현실적으로 불가능하기 때문이다. 한편 발포비의 향상을 고려하자면 발포입자의 잔류내압은 가능한 한 최저로 하는 것이 좋다. 그러므로 미립자 제거장치의 최저 운전압력은 발포입자의 최저 목표 내압과 같은 압력이다(미립자 제거장치의 운전압력과 발포입자의 내압은 실질적으로 같다.).
미립자 제거장치의 운전압력을 예컨대 발포입자의 목표 내압인 1 kg/cm2 으로 하는 경우 그 온도는 그 압력의 포화수증기 온도인 120도 부근이 될 것이므로, 미립자 제거장치(10)로 들어오는 공정흐름의 온도는 적절한 물의 비등과 기화량을 위하여 140도 정도로 하면 될 것이다. 이를 다시 정리하면 다음과 같다.
반응조(1)에서 나오는 공정흐름은 43kg/cm2 148도이며 이는 운전압력이 3kg/cm2 인 수지입자분리장치(9)로 들어가서 감압팽창하고 거기서 공정액(물)은 대부분 제거되며, 발포된 수지입자(발포입자)는 운전압력이 1kg/cm2 인 미립자 제거장치(10 또는 11)로 통과하면서 발포입자 표면에 부착한 분산제 가루 등의 미립자가 청소되어 120도 상태로 나오게 된다. 이 발포입자는 금형으로 투입 충전된 후(금형의 압력은 1kg/cm2 으로 유지됨. 발포입자가 투입되면서 가스는 계속 배출됨.) 수증 기 압력 2.8kg/cm2 까지 가열하고 배기 냉각과정을 거쳐서 성형이 된다.
이상과 같이 “발포 즉시 성형” 방법에 대해서 설명하였는데 이는 제 5 발명군의 설명란에서 좀더 상세하게 설명할 것이다. 여기서는 “발포 즉시 성형” 방법에 필요한 운전방법(수지입자 분리장치와 미립자 제거장치 등) 중 하나를 예시한 것이다.
이상 제 3 발명군에 대해서 상세히 설명하였다.
[ 제 4 발명군 ]
도 18은 본 발명 전체구성의 1 실시예를 도시한 개략 공정도인데, 도 18에서 볼 수 있듯이 제 3 발명군에서는 배치식 제조공정에 본 발명의 신규 장치들을(공정액 회수장치(8), 수지입자 분리장치(9), 미립자 제거장치(10 또는 11)) 적용하였으나, 제 4 발명군에서는 연속식 제조공정에 그 신규 장치들을 적용하였다.
관형 반응기(tubular reactor)를 채용한 연속식 폴리올레핀 발포입자 제조방법은 미국 특허 제5,928,674호에 제안되어 있는데 아직 상업규모 플랜트는 건설되지 않은 것으로 알려져 있다.
우선 도 14를 참조하여 연속식 폴리올레핀 발포입자 제조 방법을 공정의 단계별로 개략 설명한다. 발포제로 부탄을 사용하는 공정을 기준으로 하여 설명하기로 한다.
① 원료투입단계
원료혼합조(CP1)는 상압이며 교반설비가 있는 용기이다. 원료인 수지입자, 물, 분산제, 첨가제는 각각 개별적으로 계량되어 원료혼합조(CP1)에 연속으로 투입되면서 혼합교반된다. 총 원료 중의 수지입자 구성비는 5-15 중량%이다. 참고로 회분식의 경우에는 수지입자 구성비는 30 중량% 수준이다.
② 가압이송단계
혼합원료는 고압펌프를 통하여 다음 단계로 이송된다. 토출압력은 25 - 30 kg/cm2 이며 유량은 55 LPM(Liter Per Minute) 부근이다. 유량은 흐름이 난류가(turbulent flow) 될 정도로 빨라야 하는데 그 이유는 흐름 중의 수지입자 등이 잘 분산되게 하기 위함이다.
③ 발포제 추가단계
발포제인 부탄은 액상으로 공급되는데(고압펌프를 이용), 도면에서처럼 발포제 용해조(CP3)로 공급될 수도 있고, 바로 ②항의 토출 라인에 투입될 수도 있다. 공급량은 혼합원료의 유량에 따라서 조절된다.
④ 침투단계
발포제가 추가된 공정흐름은 가열장치(CP4)를 통하여 수지의 연화점 이상으로 가열된 후에(110 - 130도) 침투조(CP5)로 들어가게 된다. 공정흐름은 침투조의 하부로 들어가서 위로 나오는데, 흐름의 선속도는 수지입자의 부력에 의한 자유상승속도 이상으로 한다(침투조 내에서는 흐름이 난류가 아니다). 침투조(CP5)의 내경은 6인치 정도이며 여러 개로 구성된다.
발포제의 침투에 필요한 체류시간은 25 - 45 분이다.
⑤ 발포단계
함침이 완료된 수지입자는 발포장치(CP6)를 통하여 저압의 발포용기로 감압팽창되어 발포입자가 된다.
⑥ 후처리단계
발포용기에 수집되는 물은 외부로 배출되며, 발포입자는 세척과정과 건조과정을 거쳐서 발포입자 저장장치에 저장된다. 이 과정에서 발포제인 부탄은 회수되어 재사용되거나 보일러 연료로 사용된다.
이상 통상의 연속식 폴리올레핀 발포입자 제조방법에 대해서 설명하였고, 제 (4-1) 발명을(청구항 27, 청구항 28) 도 15를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
공정액 회수방법(재사용 방법 포함) 및 회수장치에 대해서는 제 2 발명군의 설명에서 이미 상세 다루었으므로(회분식 폴리올레핀 발포입자 제조공정의 경우), 여기서는 연속식 공정에 공정액 회수장치를 조합하는 방법에 대해서 주로 설명한다.
회분식 공정이나 연속식 공정이나 발포 직전의 공정유체의 상태는 같다. 양자의 공정유체 모두 수지입자의 연화점 이상으로 가열되어 상당기간의 체류기간(침투기간)을 거쳐서 수지입자는 발포제가 침투되어있는 상태이다. 따라서 회분식 반응조(1)에 연결하여 운전할 수 있는 공정액 회수장치는 연속식 침투조(CP5)에도 연결하여 운전할 수 있다. 연속식인 경우에는 회분식의 경우와는 달리, 장치를 연속 으로 운전하므로 오히려 운전이 용이하다.
도 15에서 볼 수 있는 바와같이, 최종 침투조(CP5)에서 배출되는 공정흐름(발포제로 함침된 수지입자, 물, 용해발포제, 분산제와 기타 첨가제)은 공정액 회수장치(8)의 투입구로 들어가서 하부로 일부 공정액(물)이 회수되고 상부로는 수지입자와 물 등이 배출되어 결국 발포장치를 통하여 감압팽창하게 된다. 참고로, 공정액 회수장치(8)는 침투조(CP5)와 같은 압력 같은 온도에서 운전되며 액상만이 존재한다.
장치 하부로 배출된 고온고압의 공정액은 공정액 회수펌프(CP30)을 통하여 발포제 용해조(CP3)로 회송된다. 회송되는 공정액에는 발포제도 함유되어 있으므로 발포제도 그만큼 회수되어 재사용된다. 참고로, 펌프(CP30)의 흡입압과 토출압의 차이는 작으므로 펌핑에너지는 적다.
회송되는 공정액과 발포제, 그리고 분산제의 양만큼 원료 투입 유량은 감량조절되어야 한다. 원료혼합조(CP1)으로 들어가는 물의 유량과 분산제의 유량을 감량조절하고 발포제 용해조(CP3)로 공급되는 발포제의 유량도 감량조절하면 된다. 그 결과 가열장치(CP4)의 열부담도 줄어들게 될 것이다. 공정의 제반흐름이 안정화되면 공정은 더 이상의 조정없이 자동연속으로 운전될 것이다.
앞서 설명한 바와같이, 연속식 공정에서는 회분식 공정에 비하여 투입수지량에 비해서 투입물의 양이 많기 때문에(약 2배), 연속식 공정에서 고온고압의 물을 회수 재사용하는 것은 중요하다. 공정액 회수에 의해서 열에너지를 회수하는 것 이외에도 가압이송 펌프(CP2)의 펌핑에너지도 감소된다는 이점이 있다.
이상 제 (4-1) 발명에 대해서 설명하였다.
제 (4-2) 발명은 연속식 폴리올레핀 발포입자 제조방법에 수지입자 분리기술과 미립자 제거기술을 조합한 발명인데, 수지입자 분리기술과 미립자 제거기술에 대해서는 제 3 발명군에서 그 운전방법과 장치 등에 관하여 상세하게 설명한 바 있으므로 여기서는 그 기술들을 연속식 제조방법에 조합하는 방법에 대해서 주로 설명하기로 한다.
도 15에 수지입자 분리장치(9)와 미립자 제거장치(10)를 조합하는 1 실시례를 예시하였다. 침투조(CP5)에서 배출되는 공정흐름은 공정액 회수장치(8)를 통하여 수지입자 분리장치(9)에 투입된다(공정액 회수장치를 거치지 않고 침투조에서 바로 투입될 수도 있다.). 투입된 공정흐름은 감압팽창과정을 거치면서 공정액의 대부분은 장치 하부로 수집되어 배출되며 수지입자(발포입자)는 수증기 및 발포가스와 함께 하부로 나가게 된다. 이 배출 흐름의 압력은 경우에 따라서 달라질 수 있으나 대체로 1 kg/cm2 - 4 kg/cm2 정도이다. 장치 하부로 수집된 공정액은 100도 이상의 고온인데, 이는 고압펌프(CP31)를 통해서 발포제 용해조(CP3)로 회송될 수 있다(회수공정액의 공정 재투입에 대해서는 상기 제 (4-1) 발명의 설명을 참조).
수지입자 분리장치(9)를 나온 공정흐름은 미립자 제거장치(10)를 통하여 수지입자(발포입자) 표면에 부착된 오염물(분산제 가루 등)이 제거되고 또한 수분도 제거된 상태로 처리된다. 미립자 제거장치는 경우에 따라서 상압으로 운전될 수도 있고(발포입자 생산이 목적인 경우임.) 1 kg/cm2 정도의 압력 상태로 운전될 수도 있다(발 포 즉시 성형물을 생산할 경우임. 이 경우 발포입자는 팽창력을 보유한 상태임.). 미립자 제거장치를 나온 발포입자는 저장장치로 보내서 저장할 수도 있고, 바로 성형장치로 보내서 성형품 생산을 할 수도 있다.
연속식 폴리올레핀 발포입자 제조공정에는 발포제로서 부탄을 사용할 수도 있고 이산화탄소를 사용할 수도 있는데 일반적으로 제조원가는 이산화탄소를 발포제로 사용하는 경우가 낮다. 위에서 언급한 연속공정기술(미국 특허 제5,928,674호)에서는 발포제를 공정에 투입하는 방법으로서 액상의 발포제를 펌핑하여 바로 공정라인에 투입하는 것으로 제안되어 있다. 그런데 이는 이산화탄소(기체상태)를 발포제로 사용하는 공정에는 적합지 않다. 왜냐하면 액상흐름인 공정라인에 기체를 공급하는 경우에는 흐름이 불안정해지고 난류형성에 문제가 생길 수 있으므로 수지입자를 공정흐름에 균일하게 분산하기 어렵기 때문이다.
본 발명(청구항 30)에서는 발포제 용해조(CP3)를 이용하는 발포제 추가 공정을 도입함으로써 이산화탄소를 발포제로 사용하는 공정을 가능케 하였다.
이상 제 4 발명군에 대하여 상세히 설명하였다.
[ 제 5 발명군 ]
도 18(본 발명 전체구성의 1 실시예를 도시한 개략 공정도)에서 볼 수 있듯이, 제 5 발명군을 위한 발포입자의 생산방법은 두 가지로 대분할 수 있다. 발포제 침투단계(71)를 반응조(1)를 이용한 배치식 제조공정으로 할 수도 있고 침투장치(13)를 이용한 연속식 제조공정으로 할 수도 있다. 또한, 침투단계가 끝난 수지 입자는 공정액 회수장치(8), 수지입자 분리장치(9), 미립자 제거장치(10 또는 11)를 거쳐서 발포입자 싸이로(silo)에 저장될 수도 있고 곧바로 성형장치로 보내져서 성형체로 제조될 수도 있다. 이상 일련의 공정에 대해서는 제 2 발명군 내지 제 4 발명군의 설명란에서 상세하게 설명된 바 있으며, 본 란에서는 함침단계와 세척단계(미립자 제거단계) 등을 거친 발포입자(팽창력을 보유한 비교적 고온의 입자)를 가지고 곧바로 성형하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
앞서 설명한 바와같이(“배경기술”란 참조), 당업계에서 통상 사용되는 성형 방법은 압축성형법과 가압숙성법인데 본 발명에서는 성형장치에 공급되는 발포입자가 내압을 보유한 상태(즉, 팽창력을 보유한 상태)이므로 성형과정은 가압숙성법과 비슷하다고 볼 수 있다. 본 발명은, 밀폐금형을 이용한 배치식 성형방법(도 16 참조)과, 연속 성형체 제조장치(12)를 통한 연속 성형방법을 포함한다.
본 발명(제 5 발명군) 중 제 (5-1) 발명은, 공정흐름에서 공정액을 제거하는 수지입자 분리단계와 미립자 제거단계를 거친 발포입자를 바로 금형(mold)에 투입하여 성형하는 기술(청구항 31 내지 청구항 33)로서, 이를 도 16과 도 18을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
미립자 제거장치(10 또는 11)를 나온 발포입자는 호퍼(15)를 통하여 금형(18)에 공급되는데, 성형을 위한 발포입자의 조건은 다음과 같다.
① 내압에 관한 사항
발포입자에 내압(팽창력)을 보유케하는 이유는, 금형에 투입되어 가열되고 대기압으로 감압될 때 발포입자가 팽창하여 입자간 공극(interparticle space)을 메우면서 융접하기 위함이다. 입자간 공극은 전체부피의 40% 정도이므로 예컨대 내압을 1 기압(게이지압)으로 하였다면 이를 대기압으로 감압할 경우 발포체 부피는 두 배로 늘어날 수 있으므로 상기 공극을 메울 수 있다. 그런데 입자의 팽창성은 수지의 성질과 성형온도에 영향을 받고 또한 공극 내 존재물(응축수, 증기, 잡물 등)의 배출성에 따라서 제한을 받기 때문에, 내압은 여유있게 설정하는 것이 바람직하다.
그러나 내압을 너무 높게 하는 경우에는, 성형시에 가열용 증기압을 높여야 하고 또 냉각시간을 길게 해야 한다는 문제가 있다. 특히 본 발명에 있어서는, 내압을 높게 할수록 발포입자의 발포비(팽창비)가 낮아지게 된다는 문제가 있다.
본 발명의 경우 내압은 0.5-2.5 kg/cm2(게이지압력) 정도이다. 참고로, 내압은 미립자 제거장치(10 또는 11)의 운전압력과 실질적으로 같다.
② 온도에 관한 사항
본 발명의 목적 중 하나는 발포입자가 가지는 에너지를 최대한 활용하는 것이므로 온도(실질적으로 미립자 제거장치의 운전온도와 같다)는 가능한 한 성형온도에 근접하게 하는 것이 바람직하다. 즉, 성형과정에서 최소한의 열 에너지를 공급하여 성형체를 제조하는 것이다.
한편, 미립자 제거장치의 공정흐름은 수지입자를 제외하면 대부분 포화수증기와 물로 되어있으므로 온도와 압력은 연동하여 변화한다. 온도를 높게 운전하면 압력도 올라가고 따라서 발포입자의 내압도 증가하며, 발포비(팽창비)도 저하하게 된다. 또한 온도가 너무 높으면 발포입자의 점착성이 증가하여 성형과정(발포입자의 이송과 성형기 투입 등)에서 문제가 발생할 가능성이 있다.
그러므로 상기한 요인들을 종합하여 적절한 온도범위를 정하여야 할 것이다. 본 발명에서의 발포입자의 온도는 사용수지나 발포입자의 결정구조 그리고 발포배율 등에 따라서 달라지지만, 대체로 (성형온도 - 25도) - (성형온도 - 5도)의 범위가 바람직하다.
③ 표면성질에 관한 사항
발포입자는 성형을 위해서 이송한다거나 일시 저장되는 경우에 서로 접합이 되지 않도록 점착성이 적어야 하며(이는 상기 ②항의 온도조절로 해결할 수 있음), 금형 내에서 가열 및 감압 팽창시에 서로 융접할 수 있을 만큼 표면에 잡물(분산제 가루나 첨가제 등)이 제거되어야 한다.
본 발명에서는 미립자 제거단계를 거치거나(청구항 32) 공정액 회수장치(8)에 세척수를 통과시키는 방법으로 하는 세척단계를 거치는 것으로(청구항 15) 문제를 해결하였다. 참고로, 저배율 발포입자를 제조하는 경우에는 분산제 가루를 사용하지 않거나 아주 적게 사용해도 되는데, 이 경우에는 별도의 세척단계는 필요치 않다. 또한 분산제 가루를 사용하지 않는 발포입자 제조방법도 제안되어 있는 것으로 알려져 있는데, 그러한 경우에도 별도의 세척단계는 필요치 않을 것이다.
④ 체류시간에 관한 사항
발포입자의 기포 안에 존재하는 발포제는 기포벽을 통과해서 천천히 바깥으로 빠져나가게 된다. 예를 들어서 공기로 가압된 내압이 1 기압인 상온의 발포입자 는 이를 대기에 1 시간 방치할 경우에 기포 안의 공기는 상당량 빠져나가게 되어 성형에 부적절하게 된다(당업계에서는 10 - 20분 내에 성형을 하여야 한다는 것이 통설임). 발포입자의 온도가 높은 경우에는 수지 고분자의 구조가 느슨해 지므로 가스가 새어나가는 속도가 빨라진다.
본 발명에서는 발포입자의 온도가 비교적 고온이므로 내압가스의 새어나감을 방지하기 위해서 체류시간(미립자 제거장치에서 나온 후부터 성형장치에서 팽창 및 융접이 완료된 때까지의 기간)을 최소화하여야 한다. 발포입자의 내압과 주위 압력은 같지만 발포제의 분압에는 차이가 있으므로 발포제가 새어나가게 된다.
⑤ 기타 고려 사항
성형장치에 공급되는 발포입자의 흐름에 물이 다량 포함되어 있다면, 이는 성형에 매우 불리하다. 발포입자의 이송이 원활치 않고 금형에 충전하기가 어려우며 성형성이 나쁘고 건조시간이 많이 소요될 것이기 때문이다. 본 발명에서는 수지입자 분리장치(9)를 통하여 공정액(물)을 대부분 제거하고 미립자 제거장치(10 또는 11)를 통하여 미세 물방울도 제거한다.
본 발명에 사용되는 수지입자를 시차주사열량계(differential scanning calorimetry)로 측정하면 DSC 곡선 상에 흡열정점 1개가 나타나는데, 그 수지입자를 소정의 공정에 따라서 감압발포하여 발포입자를 제조하면 그 발포입자는 DSC 곡선 상에 흡열정점 두 개를 나타내게 된다. 발포전 수지입자의 흡열정점(즉, 용융온도)에 비해서, 그 보다 높은 온도와 낮은 온도에 흡열정점이 각각 하나씩 나타난다. 두 개의 흡열정점을 가지는 발포입자는 한 개의 흡열정점을 가지는 발포입자에 비해서(예를 들어 압출발포방식으로 제조된 발포입자는 정점을 한 개만 가진다.) 성형성이 우수하고 성형품의 치수안정성 및 기계강도가 우수하다는 장점이 있다. 성형온도는 통상 DSC 곡선 상의 낮은 온도 측의 흡열정점을 참고하여 정해진다(low peak 온도의 ± 5도 정도의 범위). 이러한 두 개의 흡열정점은 발포입자 제조공정의 조건에 따라서 그 위치와 강도를 어느 정도 조절할 수 있는데, 본 발명에서 상기 ① 내지 ③항의 조건을 정함에 있어서 두 개의 흡열정점에 관한 사항을 감안하여야 할 것이다.
본 발명에 사용되는 수지입자의 무게나 발포입자의 밀도(즉 팽창배율)에 관하여는 특별한 제한이 없다. 통상 수지입자의 무게는 0.5 - 3mg 이며 밀도는 0.09 - 0.015 g/㎤ (이는 팽창배율 10 - 60배에 해당함)인데, 본 발명의 목적 제품은 주로 블록 성형체 또는 쉬트형 성형체이므로 수지입자는 특별히 작을 필요는 없으며 팽창배율은 본 발명의 우수한 성형성에 힘입어 초저팽창배율(예컨대 3배)도 가능하다.
이상 호퍼(15)를 통하여 금형(18)에 공급되는 발포입자의 조건에 대해서 상세히 설명하였고, 다음에는 발포입자를 금형에 충전하는 방법에 대해서 설명한다.
종래의 충전 방법으로는(호퍼 내에 저장되어 있는 발포입자를 이송하여 금형에 충전하는 방법) 다음의 방법이 알려져 있다.
① 충전시에 금형 내를 진공흡입하여 공기의 흐름을 만들고 이 공기의 흐름으로 발포입자를 금형까지 이송함과 동시에 금형에 충전하는 방법(일본 공개특허공보 소53-43762호).
② 금형에 장착된 급송장치의 압축공기 분출구에서 압축공기를 분출시켜 공기의 흐름을 만들고 이 공기의 흐름으로 발포입자를 금형까지 이송함과 동시에 금형에 충전하는 방법(일본 공개특허공보 소53-43762호, 일본 공개특허공보 소62-46623호, 일본 특허공고공보 평5-77331호).
③ 호퍼 내의 발포입자를 가압하에 두고, 호퍼 내 압력과 상기 ②항의 방법을 병용하여 공기의 흐름을 만들고 이 공기의 흐름으로 발포입자를 금형까지 이송함과 동시에 금형에 충전하는 방법(일본 공개특허공보 소62-87327호, 일본 특허공고공보 평5-87364호).
그런데 상기 ①항의 방법은 최대 압력차가 1 기압이므로 높은 충전밀도로 충전하기 어렵다는 점과 금형에 충전되지 않은 잔여 발포입자를 호퍼로 블로우백(blow back)할 수 없다는 문제가 있다. 상기 ②항의 방법은 ①항과 비교하여 충전밀도와 블로우백의 면에서 개선된 방법이다. 상기 ③항의 방법은 호퍼 내의 압력보다 금형 내의 압력이 낮은 경우에는 발포입자의 팽창으로 인하여 배관이 막히는 문제가 발생할 수 있으며 블로우백도 어렵게 될 수 있다는 문제가 있다.
본 발명에서는 당업계에서 통용되고 있는 상기 ②항의 방법을 사용하여 발포입자를 금형에 충전할 수 있는데, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
미립자 제거장치(10 또는 11)을 거쳐 나온 공정흐름은 (V41)을 통하여 발포입자 호퍼(15)로 공급되며 호퍼의 압력은 자동압력조절밸브인 (V42)를 통하여 일정 압력으로 유지된다(호퍼압력과 미립자 제거장치의 압력은 실질적으로 같다). 금형(mold)은 닫혀있고 그 캐비티(77)는 비어있는 상태이며 그 온도는 호퍼 내 발 포입자의 온도와 같도록 예열되어있는 상태다.
금형에 충전을 하기 위해서는 우선 캐비티(77)와 호퍼(15)를 동압화한다. 이는 (V43), (V45), (V46)을 개방함으로써 할 수 있고 동압화가 완료된 후에는 (V43)을 밀폐한다.
급송기(16)의 피스톤(17)은 후퇴된 상태이며 이때 (V51)과 압축공기 분출구(74)를 통하여 공기의 흐름을 형성한다. 캐비티(77)를 형성하는 금형의 벽에는 공기나 증기는 통과하지만 발포입자는 통과하지 못하는 다수개의 작은 구멍이 형성되어 있는데, 압축공기 분출구(74)를 통하여 나온 공기 흐름은 캐비티(77) 벽의 구멍을 통하여 (V44)로 배출된다. 캐비티 압력은 자동압력조절밸브인 (V44)를 통하여 호퍼(15)의 압력과 같은 수준으로 유지된다.
이때 (V49)를 개방하면 호퍼 내의 발포입자는 발포입자 공급구(73)와 발포입자 도입구(75)를 통하여 금형(18)의 캐비티(77) 내로 충전되기 시작하며, 충전이 완료되면 분출구(74)를 나오는 압축공기의 흐름은 역류하기 시작하여 공급기에 잔류하던 발포입자는 호퍼(15)로 되돌아가게 된다. 이러한 과정으로 하여 캐비티(77)는 넘치지도 않고 모자라지도 않게 발포입자로 적절하게 충전된다.
그 다음에는 피스톤(17)을 전진시켜 금형을 밀폐하고 (V51), (V49), (V45), (V46)을 폐쇄함으로써 발포입자의 금형내 충전작업이 완료된다.
참고로, 본 발명에서는 (V41)을 통하여 발포입자가 연속하여 호퍼(15) 내로 공급되므로(통상 공정에서는 필요시 필요량만큼 공급할 수 있지만, 본 발명에서는 발포입자 제조공정이 계속 진행되고 있으므로 중지하려면 비용이 발생함) 한 성형 장치에 입자공급이 끝난 후에는 예컨대 (V50)을 통하여 다른 성형장치로 공급을 하거나 상압으로 감압팽창하여 발포입자를 제조하여야 한다.
금형에 충전이 완료된 후에는 (V47)이나 (V48)을 개방하여 캐비티(77) 내로 수증기를 투입하여 미리 정해진 압력과 시간동안 가열을 한다. 가열이 완료된 후에는 (V47)과 (V48)을 폐쇄하고 (V52) (V53)을 개방하여 대기압으로 감압배기함으로써 캐비티 내의 발포입자가 팽창 및 융접케 하여 성형체를 형성한다. 그 후에는 냉수관(미도시)을 통해서 찬물로 냉각시킨 후에 성형체는 금형에서 꺼낸다.
이상, “공정흐름에서 공정액을 제거하는 수지입자 분리단계와 미립자 제거단계를 거친 발포입자를 바로 금형에 투입하여 성형하는 기술”에 대해서 상세히 설명하였다.
종래의 성형방법과 비교한 본 발명의 특징을 설명하면 다음과 같다.
① 성형장치에서 추가하여야 할 열량이 종래보다 크게 줄어들었으므로 성형 싸이클 타임이 단축된다.
② 두께가 두꺼운 성형체를 제조할 수 있다.
폴리올레핀 수지의 특성상 종래에는 두께 150mm가 제조가능한 성형체 두께의 한계였다. 그런 한계를 개선하기 위해서 성형시에 금형 내에서 예열과정을 둠으로써 500mm 두께까지도 성형할 수 있는 방법이 제안되었는데(EPA 출원번호 91913820.6), 본 발명에서는 발포입자를 성형장치에 공급할 때부터 이미 예열이 되어있는 상태이므로 상기의 별도 예열과정이 없이도 두꺼운 성형체를 제조할 수 있다.
③ 첨가제의 마이그레이션(migration) 효과로 인한 성형불량을 개선할 수 있다. 예를 들어, 난연제와 같은 첨가제는 수지의 3-10중량% 정도로 혼련을 하여야 하는데 이 첨가제는 시간의 경과에 따라서 발포입자의 표면으로 migration하게 되어 이는 성형불량의 원인이 되어왔는데, 본 발명의 경우에는 발포입자의 제조와 동시에 성형을 하게 되므로 문제를 개선할 수 있다.
이상 제 (5-1) 발명(배치식 성형방법)에 대하여 상세히 설명하였고 다음에는 도 17을 참조하여 제 (5-2) 발명(연속 성형방법)에 대하여 설명한다.
배치식 성형방법에 비하여 연속 성형방법은 일반적으로 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 발포입자로부터 성형체를 연속 제조할 수 있으므로 제조비용을 낮출 수 있으며 또한 연속적인 길이의 성형체를 제조할 수 있다는 점이다. 폴리스티렌 수지의 발포입자의 경우에는, 발포입자를 전달하기 위해 위쪽과 아래쪽에 설치된 벨트 사이에 발포입자를 두고 가열영역에 통과시키면서 연속적으로 성형하는 방법이 사용되고 있다. 그런데 폴리올레핀 수지의 발포입자의 경우에는, 폴리스티렌의 경우에 비해서 팽창력이 부족하고 고압의 가열용 증기가 필요하기 때문에 연속성형장치의 발포입자 공급부 쪽으로 증기가 누출되거나 역류하는 문제점이 있다. 그러한 문제점을 해결하기 위해서, 발포입자 공급부에서 발포입자를 일시적으로 압축하였다가 압축을 일부 해제하는 수단을 도입함으로써 일시적 압축상태의 영역이 증기누출을 방지하는 역할을 하도록 하고, 그 후에 가열영역과 냉각영역을 연속적으로 통과함으로써 연속성형되게 하는 방법이 제안되었다(특허 제 10-0536739호).
본 발명(제 (5-2) 발명)은 상기 ‘일시 압축’방법 대신에 감압팽창 방법으 로 증기누출을 방지하도록 함을 특징으로 하는 기술로서, 이를 도 17 및 도 18을 참조하여 단계별로 설명하면 다음과 같다.
(a) 발포입자 공급단계.
본 발명은, 제 (5-1) 발명에서의 발포입자 제조와 관련된 침투단계/발포단계/수지입자분리단계/미립자제거단계 등의 면에서는 동일하고, 다만 제조된 발포입자를 연속성형장치에 투입하여 성형체를 연속제조하는 기술이라는 면에서 다르다(제 (5-1) 발명에서는 금형에 투입하여 제조하는 배치식 성형기술임.).
연속성형장치에 공급되는 발포입자의 조건(내압, 온도, 표면상태 등등)은 제 (5-1) 발명의 경우와 같다. 공급 흐름의 방식은 제 (5-1) 발명의 경우는 단속적(斷續的) 방식이지만 본 발명은 연속적이며, 따라서 일시적 저장기능을 가지는 호퍼(15)도 필요치 않고 급송기(16)도 필요치 않다.
미립자 제거장치(10 또는 11)을 나오는 발포입자는 호퍼(80)를 통하여 발포입자 공급영역(S1)으로 공급되며, 통로(S7) 쪽으로 경사판(85)을 따라서 진행하면서 점진적으로 압축이 될 수 있다(필수 조건은 아니다). 참고로, 미립자 제거장치와 호퍼(80)과 발포입자 공급영역의 압력은 실질적으로 같다.
(b) 발포입자의 일차 팽창단계.
발포입자가 벨트(83, 84)에 따라서 통로(S7) 진입했을 때의 상태는, 압축되기는 하였으나 입자간 공극이 완전히 메워진 상태는 아니므로, 그런 상태로 가열부(86)에서 가열가스를 공급하는 경우에는 상기 입자간 공극을 통해서 누출되거나 역류할 가능성이 있다.
물론, 발포입자의 압축률을 높인다거나 내압을 충분히 높이는 방법으로 하면 상기의 가열가스 누출문제는 최소화할 수 있다. 그러나 이 경우에는 성형체의 팽창비가 작아진다거나 가열가스의 압력을 높게 해야한다거나 냉각시간을 길게 하여야 한다는 문제점이 있다.
본 발명에서는, 발포입자가 통로(S7)로 진입한 직후의 위치에 흡입부(87)을 설치하여 발포입자 흐름의 압력을 일부 감압하여 발포입자를 팽창케 함으로써 입자간 공극을 없애도록 하는 방법으로 문제를 해결하였다.
종래의 성형방법에서는 발포입자가 내압을 보유하고 있더라도 기포의 벽(film)은 늘어남 저항이 크므로(온도가 상온이니까) 단순히 주위 압력을 감압하는 것만 가지고는 팽창이 잘 일어나지 않는데 비해서, 본 발명의 경우에는 공급되는 발포입자의 온도가 상당히 고온이므로 감압에 의한 팽창이 용이하다.
(c) 발포체의 성형단계.
1차 흡입영역(S2)를 지나서 팽창되어 입자간 공극이 메워진 발포입자는 통로(S7) 내의 가열영역(S4)과 2차 흡입영역(S5)과 냉각영역(S6)를 연속적으로 통과함으써 발포체의 성형이 완료된다.
1차 흡입영역과 가열영역 사이에는 밀폐영역(S3)를 두는 것이 바람직하다. 만약 밀폐영역없이 1차 흡입영역과 가열영역을 인접하여 설치하는 경우에는 가열영역에서 공급되는 가열가스가 1차 흡입영역으로 역류하게 되어서 흡입효율을 떨어뜨리고 따라서 발포입자의 팽창 및 입자간 공극의 제거에 장해가 될 것이기 때문이다.
가열영역(S4)으로 들어오는 발포입자는 상당히 높은 온도 상태이므로 가열부(86)에서 공급하여야 할 열에너지는 비교적 적으며(발포입자를 5 - 25도 승온시킬 정도의 에너지, 종래의 경우에는 100도 정도를 승온해야 함.) 따라서 종래의 성형법에서보다 균일한 내부온도분포를 가질 수 있다.
가열가스로는 무기가스나 수증기 등을 사용할 수 있는데 수증기의 열용량이 더 크므로 수증기를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 성형품내의 수분함유를 방지하기 위해서는 과열증기를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 참고로, 성형품 내에 수분이 함유되는 경우에는 성형 후에 이를 건조하기 위해서 건조시간과 에너지가 들어가게 된다.
가열영역을 통과한 성형체 입자는 2차 흡입영역(S5)을 통과하면서 통로(S7) 내에 존재하던 잔류기체(가열가스, 수증기, 발포가스, 미립자 등)이 제거되는 동시에 발포입자는 팽창하고 융접되어 성형체를 형성하며 이는 다시 냉각영역(S6)를 통과하면서 안정화되어 성형이 완료된다. 동 흡입부(87)는 진공흡입기 등을 장치하여 적극적으로 잔류기체를 제거케 할 수도 있으나 그 대신에 단순한 통기구멍(vent hole)을 형성하여 대기로 배출하여도 된다.
이상 연속성형방법에(청구항 34 내지 청구항 36) 대해서 설명하였는데, 동 방법은 다음의 방법을 추가함으로써 좀더 개선될 수 있다.
즉, 발포입자 공급영역(S1)의 상부에( 호퍼(80)의 상부) 싸이클론(cyclone)식 미립자 제거장치(11)를 장치함으로써, 공정흐름(발포입자, 가스, 미립자)을 싸이클론으로 투입하여 미립자를 제거하는 동시에 발포입자가 성형장치의 공급영역(S1)으로 차곡차곡 투입될 수 있도록 하는 방법이다.
싸이클론식 장치에서는, 투입되는 공정흐름 중 기상흐름은 대부분 싸이클론의 상부로 배출되므로 하부로 나오는 발포입자의 흐름은 상당히 느리고 조용하다. 따라서 이 흐름은 호퍼(80) 내에서 무질서하게 흩날리지도 않고 정체되지도 않으며, 공급영역(S1)으로 조용히 차곡차곡 쌓일 수 있다.
배치식 성형방법과 비교하여 본 발명인 연속성형방법은 이러한 장점을 가진다.
① ‘발포 즉시 성형’하는 방법에 더 적합하다. 발포입자 제조공정은 일단 발포단계가 시작된 이후에는 발포작업을 중지하는 것은 바람직하지 않다. 배치식 성형방법에서는 발포입자의 흐름이 단속적이므로 계속 생산되는 발포입자 흐름과 보조를 맞추기가 어려운 데 비해서, 연속성형방법은 벨트의 이동속도를 조절하는 것으로 용이하게 양자 흐름을 맞출 수 있다는 이점이 있다.
② 에너지가 절약된다. 배치식 성형방법에서는 동일한 금형구조재를 가열하고 이를 다시 냉각하여야 하는데 비해서, 연속성형방법에서는 가열영역과 냉각영역이 분리되어 있으므로 소요 열에너지가 훨씬 적다. 또한 연속성형방법에서는 발포입자 공급장치도 필요없고 따라서 그에 소요되는 압축공기도 필요없다.
③ 성형체의 표면에 합성수지막을 적층하여 얻게 되는 합성패널(laminated panel)의 제조도 연속적이고 능률적으로 수행할 수 있다.
이상 제 (5-2) 발명에 대하여 상세히 설명하였는데, 동 설명은 미립자 제거장치(10 또는 11)를 나오는 공정흐름의 온도와 압력을 각각 별도로 조정하기 어려 운 경우에 국한하는 것이었다(이는 제 (5-1) 발명에 대해서도 마찬가지임). 온도와 압력을 별도 조정하기 어려운 까닭은, 미립자 제거장치내의 기상물질은 포화수증기가 대부분이므로 온도/압력은 많은 부분 포화수증기의 평형조건에 의해서 지배되기 때문이다. 그런데 발포입자로 성형체를 제조하는 데 있어서, 온도와 압력을 각각 따로 조정하는 것이 바람직한 경우도 있다. 예를 들어, 압력(이는 발포입자의 내압과 실질적으로 같음)은 낮게 하고 온도는 높게 조정하는 경우인데(포화수증기의 평형조건에 비교하여), 그런 운전조건이라면 발포입자의 팽창배율을 좀더 향상할 수 있고 성형시 금형에 소요되는 열량을 줄일 수 있고 또한 성형시 발포입자가 균일한 온도분포를 가지도록 할 수도 있다. 아래에 온도/압력 별도 조정을 위한 방법을 예시한다.
도 13b에는 이중관식 미립자 제거장치가 도시되어있는데, 그 장치 상부에 같은 장치를(단, 발포장치(21)은 제거하여도 된다) 장착하여 운전하는 방식으로 저압력/고온도의 공정흐름을 얻을 수 있다. 하부 장치에서 나오는 흐름은 수분이 거의 제거된 상태로서 그 온도/압력은 포화수증기 조건에 가까운 데, 상부 장치의 이중관의 내관(32)으로 고온의 가열가스를 공급함으로써 하부장치에서 올라온 공정흐름 중 기체를 제거하고 발포입자는 가열함으로써 용이하게 해결할 수 있다. 상하 두 개의 장치를 운용하는 대신에 장치 하나를 길게 연장하고 그 중간에 격벽(메쉬관과 용기 외벽간의 공간을 차단하는 격벽)을 설치하여서 운용하여도 된다.
가열가스로는 과열수증기를 사용하여도 되지만 발포가스(예컨대 이산화탄소)를 사용하는 것이 바람직하다. 그 경우에 장치를 나가는 공정흐름 중 기상흐름에는 수증기는 거의 없고 대부분 이산화탄소로 되어있으므로 발포입자에 함침된 발포제가 새어나오지 않게 된다는 장점이 있다. 그러므로 성형공정에서도 체류시간에 의한 발포제 누출현상도 없다.
성형과정(이송과정 포함)에서 배출되는 발포제(이산화탄소)는 회수하여 가열가압과정을 거쳐서 재사용함으로써 에너지 손실을 막을 수 있다.
다음에는 제 (5-3) 발명(연속성형장치)을 도 17을 참조하여 상세히 설명한다. 연속성형장치의 공정원리와 흐름에 대해서는 제 (5-2) 발명에서 설명하였으므로 여기서는 주로 장치의 기계적인 면에 대해서 설명하기로 한다.
장치 중 일부(발포입자 공급영역(S1))은 내압밀폐구조로 되어있다, 상세히는 호퍼(80)와 상하 벨트(83과 84)(더 정확히는 두께조절판(92, 93)과 경사판(85))와 통로(S7) 내의 밀폐영역(S3)으로 둘러싸인 부분이다(상부롤러(81a)는 그 전체가 밀폐영역에 포함된다). 롤러(81a와 82a) 부근에는 실링장치(91)가 형성되어있다. 공급영역(S1) 내의 압력은 1기압 전후이며 발포제가 가연성도 아니고 유해성도 없는 경우(예컨대 이산화탄소) 약간의 누출은 허용된다. 실링장치는 마찰열이 적은 래비린스 장치(Labyrinth Seal)가 바람직하다.
상부벨트(83)은 상부롤러(81a, 81b) 사이에서 움직이며 상부롤러(81b)는 축을 중심으로 회전하도록 구동되며 상부롤러(81b)는 회전하지 않는다. 하부롤러(82a, 82b)도 마찬가지다. 벨트는 롤러(81a, 82a) 상에서 미끄럼운동을 하게 되어있으며 그 롤러(81a, 82a)의 표면에는 테플론과 같은 비점착성물질로 코팅(coating)되어 벨트의 미끄럼성을 높여준다.
두께조절판(92, 93)과 경사판(85)는 알미늄판 같은 금속판으로 되어있으며, 테플론같은 비점착성물질이 벨트와 접촉하게 되는 상기 판등의 표면에 코팅되어 벨트의 미끄럼성을 좋게 한다.
벨트는 상부측과 하부측에만 설치되는 것에 국한되지 않으며, 측면에도 설치할 수 있다. 이 경우 통로(S7) 내부를 통과하는 발포입자나 성형체가 폭조절판(미도시)과 접촉하지 않게 되므로(상하 벨트만 있는 경우에는 성형체는 폭조절판에 미끄러지면서 움직인다) 성형체의 외관이 개선될 수 있다.
경사판(85)의 경사각은 10도 미만으로 함이 바람직하다. 경사각이 너무 클 경우에는 압축된 발포입자들의 반력으로 인해서 발포입자들이 호퍼쪽으로 돌아가려는 경향이 나타난다.
벨트는 그것을 통과하여 공정흐름의 기체가 흡입되거나 수증기가 공정흐름으로 공급되어야 하므로 기체의 투과성이 좋아야 한다. 0.2 - 1.0mm의 두께를 가지는 스테인레스강에 약 10 - 50mm의 피치로 0.5 - 3.0mm의 직경을 갖는 다수의 관통공들이 형성된 벨트가 일반적으로 사용된다.
가열부(86)에서 제공된 가열가스는 두께조절판(92, 93)에 형성된 관통공과 벨트에 형성된 관통공들을 통하여 통로((S7) 안으로 공급된다. 흡입부(87)의 경우도 마찬가지다.
냉각수단(88)으로는 예컨대, 냉각수 순환파이프가 구비된 냉각판이 사용된다.
발포입자가 이송되는 방향에 수직인 통로(S7)의 단면적은 성형체가 완전히 냉각될 때까지 가열영역(S4)의 시작점으로부터 하류측 방향으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 만약 통로 단면적이 하류측으로 좁아진다면 흐름흔적(flow mark)이 성형체의 표면에 나타날 수 있으며, 단면적이 넓어진다면 냉각이 불완전하게 이루어질 수 있다.
이상 본 발명의 연속성형장치의 기계적인 사항에 대하여 설명하였는대, 동 장치는 발포입자의 원활한 공급을 위해서 수직형으로 할 수도 있다. 특히 발포체 발포입자 공급영역(S1)(내압밀폐영역)은 이를 수직형으로 하는 것이 바람직하다. 연속제조장치에 공급되는 발포입자의 온도는 가능한 대로 높게 하는 것이 바람직한데 그럴 경우에는 발포입자가 정체할 가능성이 커지기 때문에 공급영역을 수직형으로 하여서 원활한 발포입자 공급을 가능토록 하기 위함이다.
도 1은 제 1 발명군의 1 실시예를 도시한 공정도.
도 2는 제 1 발명군의 다른 실시예를 도시한 공정도.
도 3은 제 1 발명군의 또 다른 실시예를 도시한 공정도.
도 4는 제 1 발명군 중 벨로즈식 반응조를 이용한 실시예를 도시한 공정도.
도 5는 제 1 발명군 중 벨로즈식 반응조의 1 실시예를 도시한 개략도.
도 6은 종래의 회분식 폴리올레핀 발포제 입자 제조공정을 도시한 공정도.
도 7a, 7b, 7c는 제 2 발명군 중 공정액 회수장치의 실시예를 도시한 개략도.
도 8a 내지 8d는 제 2 발명군 중 공정액 회수장치의 다른 실시예를 도시한 개략도.
도 9a 내지 9c는 제 3 발명군 중 수지입자 분리장치의 실시예를 도시한 개략도.
도 10은 도 9b 중의 날개 부분을 확대한 사시도.
도 11은 제 3 발명군 중 수지입자 분리장치의 다른 실시예(자가청소용 회전체가 장설된 예)를 도시한 개략도.
도 12는 제 3 발명군 중 수지입자 분리장치의 다른 실시예(물수집장치가 장착된 예)를 도시한 개략도.
도 13a, 도13b는 제 3 발명군 중 수지입자 분리장치의 실시예를 도시한 개략도.
도 14는 종래의 연속식 폴리올레핀 발포제 입자 제조공정을 도시한 공정도.
도 15는 제 4 발명군의 1 실시예를 도시한 개략 공정도.
도 16은 제 5 발명군 중 금형을 이용한 성형방법의 1 실시예를 도시한 개략도.
도 17은 제 5 발명군 중 연속 성형체 제조장치의 1 실시예를 도시한 개략도.
도 18은 본 발명 전체구성의 1 실시예를 도시한 개략 공정도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1 : 반응조 2 : 가스회수조
3 : 분산매 저장조 4 : 수지 호퍼(hopper)
5 : 수지공급조 6 : 원료혼합조
7 : 벨로즈 내장식 반응조 8 : 공정액 회수장치
9 : 수지입자 분리장치 10 : 미립자 제거장치
11 : 싸이클론 12 : 연속 성형체 제조장치
13 : 연속식 제조공정의 침투장치 14 : 발포입자 싸이로(silo)
15 : 발포입자 호퍼(hopper) 16 : 급송기
17 : 피스톤 18 : 금형(mold)
21 : 발포장치(감압팽창장치) 22 : 보조용기(벨로즈)
23 : 메쉬관(또는 타공판관) 24 : 수평칸막이
25 : 수직칸막이 26 : 메쉬관(또는 타공판관)
27 : 날개 28 : 자가청소용 회전체
29 : 자가청소용 회전체 축 30 : 이중관
31 : 메쉬관(또는 타공판관) 32 : 이중관의 내관
33 : 마이크로파 가열장치 34 : 증기 재킷
35 : 교반기 36 : 상부판
37 : 하부판 38 : 가이드
39 : 물수집장치 40 : 물수집실
41 : 원료투입노즐 42 : 공정액과 수지입자 배출노즐
43 : 보조용기 출입구 노즐 44 : 공정액과 수지입자의 투입노즐
45 : 공정액과 수지입자의 배출노즐
46 : 회수공정액의 배출노즐 47 : 회수공정액의 회송노즐
48 : 세척수 투입노즐 49 : 폐세척수 또는 공정액의 배출노즐
50 : 연결관 51 : 공정액과 수지입자의 투입노즐
52 : 수지입자와 가스의 배출노즐
53 : 공정액 배출부 54 : 공정액 배출노즐
55 : 압력조절노즐 56 : 가스투입노즐
57 : 가스회수노즐
58 : 수지입자(또는 발포입자) 투입노즐
59 : 발포입자 배출노즐 60 : 미립자 배출노즐
61 : 세척가스 투입노즐 62 : 물배출구
71 : 발포제 침투단계 72 : 미립자 제거단계
73 : 발포입자 공급구 74 : 압축공기 분출구
75 : 발포입자 도입구 76 : 발포입자
77 : 공극 (cavity)
M1 : 수지입자
M2 : 분산제
M3 : 분산매(물)
M4 : 발포가스
M5 : 발포입자와 공정유체(분산매와 분산제와 발포제, 액체와 기체 포함.)
M6 : 압축공기
M7 : 수지입자와 공정액(분산매와 분산제와 발포제, 기체 불포함)
M8 : 공정액(분산매와 분산제와 발포제)
M9 : 세척액(분산매와 발포제)
M10 : 수지입자분리용 가스(발포가스 또는 수증기 또는 무기가스)
M11 : 발포입자와 수증기와 발포가스와 딸려온(entrained) 공정액
M12 : M10과 공정기체(수증기와 발포가스)의 혼합물
M13 : 세척된 공정흐름(발포입자와 수증기와 발포가스)
M14 : 세척용 가스(발포가스 또는 수증기 또는 무기가스)
M15 : M14와 미립자와 공정기체(수증기와 발포가스)의 혼합물
M16 : 가열용 수증기
M17 : 수증기와 발포가스
P1, P2, P3, P4 : 펌프
P5 : 압축기
V1~V16, V21~V29, V41~V53 : 밸브(valve)
80 : 호퍼(내압용기) 81a, 81b : 상부롤러
82a, 82b : 하부롤러 83 : 상부 벨트
84 : 하부 벨트 85 : 경사판
86 : 가열부 87 : 흡입부
88 : 냉각수단 89 : 발포입자
90 : 성형체 91 : 실링장치(sealing means)
92, 93 : 두께 조절판
S1 : 발포입자 공급영역 S2 : 1차 흡입영역
S3 : 밀폐영역 S4 : 가열영역
S5 : 2차 흡입영역 S6 : 냉각영역
S7 : 발포입자 및 성형체의 통로
BP1 : 반응조 BP2 : 발포장치
BP3 : 세척장치 BP4 : 탈수장치
BP5 : 싸이로
BP11 : 수지 호퍼(hopper) BP12 : 분산매(물) 저장조
BP13 : CO2(발포제) 펌프 BP14 : 발포제 기화기
BP15 : 발포가스 저장조 BP16 : 액체 CO2
BP17 : 분산제, 첨가제
CP1 : 원료혼합조 CP2 : 고압펌프
CP3 : 발포제 용해조 CP4 : 가열장치
CP5 : 침투조 CP6 : 발포장치
CP11 : 유량조절밸브 CP12 : 압력조절밸브
CP21 : 수지입자 CP22 : 물
CP23 : 분산제 CP24 : 첨가제
CP25 : 발포제 CP26 : 발포입자
CP27 : 혼합원료
CP30 : 회수공정액 펌프 CP31 : 회수공정액 고압펌프

Claims (39)

  1. 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키면서, 동시에 반응조로 발포가스를 공급하여 반응조의 배압을 유지하되, 내부에 발포가스와 분산매를 포함하는 가스회수조로 가스가 아닌 유체(분산매 또는 분산매와 수지입자 등의 혼합유체)를 투입하여 그 가스회수조로부터 밀려나는 발포가스를 반응조의 배압유지용으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 발포단계;
    (c) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조로 투입된 유체를 반응조로 이송함으로써 반응조로부터 가스회수조로 발포가스가 회수되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스회수단계;
    (d) 가스회수 완료 후 반응조에는 (c)단계에서 이송된 유체와 잔존 가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계.
  2. 제1항에 있어서,
    제1항 (d)단계를, 하기 단계들을 포함하는 단계로 하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 반응조 상부에 설치된 수지공급조에 한 회분(one batch) 정량의 수지입자를 투입하는 수지예비투입단계;
    (b) 가스회수 완료 후, 반응조 내의 분산매를 일부 배출하거나 보충함으로써 분산매가 한 회분(one batch) 정량이 되도록 조정하는 분산매조절단계;
    (c) 반응조 상부와 수지공급조 상부에 연결된 등압관을 개방하여 양 용기를 등압화하고 수지공급조 하부를 개방하여 수지입자를 반응조로 이송하는 단계로서, 반응조가 고압인 상태에서 이송함을 특징으로 하는, 수지투입단계.
  3. 제1항에 있어서,
    가스회수조로 투입되는 유체를 분산매와 수지입자의 혼합물로 한정함을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키면서, 동시에 반응조로 발포가스를 공급하 여 반응조의 배압을 유지하되, 내부에 발포가스와 분산매를 포함하는 가스회수조로 분산매와 수지입자의 혼합유체를 투입하여 그 가스회수조로부터 밀려나는 발포가스를 반응조의 배압유지용으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 발포단계;
    (c) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조로 투입된 혼합유체를 반응조로 이송함으로써 반응조로부터 가스회수조로 발포가스가 회수되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스회수단계;
    (d) 가스회수 완료 후 반응조에는 (c)단계에서 이송된 혼합유체와 잔존 가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 필요시 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계.
  4. 제1항에 있어서,
    가스회수조용 분산매 투입펌프와 가스회수조 사이에 수지공급조를 설치하여 가스회수조에 분산매와 함께 수지입자를 투입할 수 있는 것을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키면서, 동시에 반응조로 발포가스를 공급하 여 반응조의 배압을 유지하되, 내부에 발포가스와 분산매를 포함하는 가스회수조로 분산매와 수지입자를 수지공급조를 경유해서 투입하여 그 가스회수조로부터 밀려나는 발포가스를 반응조의 배압유지용으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 발포단계;
    (c) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스로 충만한 상태가 되는데, (b)단계에서 가스회수조로 투입된 분산매를 수지공급조를 통하여 수지입자와 함께 반응조로 이송함으로써 반응조로부터 가스회수조로 발포가스가 회수되도록 하며 동시에 원료투입이 병행되는 것을 특징으로 하는 가스회수단계;
    (d) 발포완료 후 다음 회분(batch)의 발포시작 전까지의 기간에, 수지공급조에서 분산매를 배출하고 수지공급조에 수지입자 1 회분(a batch)을 투입하고 수지공급조 내의 공극을 분산매로 채우는 수지예비투입단계;
    (e) 가스회수 완료 후 반응조에는 (c)단계에서 이송된 혼합유체(수지입자와 분산매 등)와 잔존 발포가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 필요시 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    발포제가 이산화탄소인 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.
  6. 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는 발포단계;
    (c) 발포단계와 동시에, 반응조로 내부에 장설된 보조용기(용기 부피의 수축과 팽창이 자유로운 것이 특징임.)에 가스나 액체를 공급하여 배압용 발포가스를 공급하지 않으면서 반응조의 배압을 유지함을 특징으로 하는, 배압유지단계;
    (d) 발포 완료 후 반응조에는 발포가스와 수증기 등 잔존 가스와 (c)단계에서 보조용기에 이송된 유체가 존재하는데, 그 유체를 배출하고 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계.
  7. 제6항에 있어서,
    보조용기에 공급하는 유체를 압축공기로 함을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.
  8. 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 폴리올레핀 발포입자 제조용 반응장치:
    (a) 내압 밀폐형인 원통형 용기로서;
    (b) 용기 측면 외측으로 가열장치를 형성하고, 상부 또는 측부에 원료 투입노즐을 형성하며;
    (c) 용기 하부에는 공정액과 수지입자의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하고, 용기 하부를 관통하여 교반장치를 형성하며;
    (d) 용기 상부 내측에 신축이 자유로운 벨로즈(bellows)형의 보조용기를 장설하되, 그 보조용기의 상부판은 용기(반응장치)의 상부에 고착하고 보조용기 하부판은 상하이동을(하부판이) 할 수 있도록 용기(반응장치) 측벽에 형성된 가이드에 맞물려 설치하며, 상부판에는 가스나 액체가 출입할 수 있도록 용기(반응장치) 상부를 관통하여 노즐을 형성함.
  9. 발포단계 이전에 공정액(분산매와 용해발포제 및 첨가제 등을 포함하는 액체) 회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 발포노즐로 배출하는 과정에 있어서, 반응조와 발포노즐 사이에 공정액 회수장치(8)를 설치하여 고온고압의 공정액을 회수하는 것을 특징으로 하는, 공정액회수단계;
    (c) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 발포노즐을 통하여 배출하되 반응조 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는, 발포단계;
    (d) 발포 완료 후 반응조에는 잔존 가스가 존재하는데, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계.
  10. 폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서, 반응조와 발포장치 사이에 설치되어 공정흐름 중 공정액을 일부 회수하는 장치로서, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
    (a) 상부가 위로 갈수록 좁아지는 형태로 형성된 원통형 용기로서;
    (b) 용기 측면 상부에 공정액과 수지입자의 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하거나, 용기 벽을 관통하여 용기 내부로 관을 도입하여 그 끝이 용기의 상부에 위치하도록 공정액과 수지입자의 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하고;
    (c) 용기 상부 최첨단에 공정액과 수지입자의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하고;
    (d) 용기 하부에 회수되는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함.
  11. 제10항에 있어서,
    공정액과 수지입자의 투입노즐(inlet nozzle)을 용기 하부 바닥 중앙에 형성하되 그 관(pipe)을 용기내로 연장하여 그 끝이 용기 상부에 위치하도록 형성하고, 용기 하부 바닥 중앙부에 회수되는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하여서 된, 공정액 회수장치.
  12. 폴리올레핀 발포입자 제조에 있어서, 반응조와 발포장치 사이에 설치되어 공정흐름 중 공정액을 일부 회수하는 장치로서, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
    (a) 원통형 용기로서;
    (b) 용기 중앙을 상하로 관통하는 관(pipe)을 형성하여 그 하부로 공정액과 수지입자가 투입되어 상부로 나가도록 하되, 그 관통하는 관 중 용기 내부에 위치하는 부분은 수지입자보다 작은 눈(mesh)의 망이나 타공판으로 관을 형성하고;
    (c) 용기 측면에 회수되는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함.
  13. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    발포단계와 병행하여 가스회수조에 분산매나 수지를 투입할 시에, 전기 공정액 회수장치에서 회수된 고온고압의 공정액을 함께 투입함으로써 에너지를 절감할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.
  14. 제6항에 있어서,
    발포단계와 병행하여 보조용기에 유체를 공급할 시에, 전기 공정액 회수장치에서 회수된 고온고압의 공정액을 함께 투입함으로써 에너지를 절감할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.
  15. 제9항 또는 제13항 또는 제14항에 있어서,
    공정액회수단계와 병행하여 공정액 회수장치에 세척수를 통과시키는 방법으로 하는 세척단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.
  16. 제10항 내지 제12항에 있어서,
    수지입자의 세척기능을 추가한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
    (a) 용기 측면 상부에(공정액의 배출노즐 부근) 세척수 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하고;
    (b) 용기 하부에(회수되는 공정액의 배출노즐 부근) 폐세척수 또는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함.
  17. 제12항에 있어서,
    수지입자의 세척기능을 추가한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 공정액 회수장치:
    (a) 용기 측면 상부에(공정액의 배출노즐 부근) 세척수 투입노즐(inlet nozzle)을 형성하고 용기 하부에(회수되는 공정액의 배출노즐 부근) 폐세척수 또는 공정액의 배출노즐(outlet nozzle)을 형성하되;
    (b) 용기에 수평 칸막이를 형성하여 용기를 2개 이상으로 구획하고, 각 구획에는 수직칸막이를 형성하며;
    (c) 용기내의 세척수가 상부구획으로부터 인접 하부구획으로 흐르도록 인접 구획간에는 연결관을 형성하되, 각 구획내에서 세척수가 메쉬관을 관통하여 흐르도록 상기 연결관들을 지그재그 식으로 형성함.
  18. 수지입자의 최종팽창(대기압으로 감압팽창) 이전에 수지입자분리단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 밀폐 반응조에 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 교반하면서 가열하여 그 수지입자를 분산매에 분산시키고, 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 반응조의 일단을 개방하여 수지입자와 분산매를 배출하여 감압팽창하는 과정에 있어서, 반응조와 최종팽창(대기압으로 감압팽창)장치 사이에 수지입자분리장치(9)를 설치하여 외부에서 도입한 가스나 공정액 자체에서 나오는 발포가스와 수증기를 이용하여 공정액을 가스로 대체하여 수지입자(또는 발포입자)를 분리하는 것을 특징으로 하는, 수지입자분리단계;
    (c) 수지입자분리장치에서 배출되는 수지입자(또는 발포입자)와 가스를 수지입자분리장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여(또는 같은 압력 분위기로 방출한 후 추후 감압하여) 수지입자를 발포시키는, 발포단계;
    (d) 발포 완료 후, 반응조 내부 조성이 한 회분(one batch) 정량이 되도록, 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 투입 또는 조정하는 원료투입단계.
  19. 제18항에 있어서
    수지입자분리장치 내의 압력을 반응조 내 압력보다 낮은 압력으로 함으로써 공정액에서 나오는 가스(발포제와 수증기)를 공정액 제거용으로 이용함을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법.
  20. 반응조와 최종팽창(대기압으로 감압팽창)장치 사이에 설치되며 반응조에서 배출되는 공정 흐름 중 공정액을 제거하여 수지입자를 분리하기 위한 장치에 있어서, 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
    (a) 내압 밀폐형의 원통형 용기로서;
    (b) 용기 중앙을 상하로 관통하는 관(pipe) 계통을 형성하되, 용기 상부의 돌출부는 공정액과 수지입자의 투입노즐이고 용기 하부의 돌출부는 수지입자와 가스의 배출노즐이며, 용기내부 관 계통 중 상부는 수지입자보다 작은 눈(mesh)의 망이나 타공판으로 된 공정액 배출부이며 그 하부는 통상의 관으로 된 수지입자와 가스의 배출관이 되도록, 관 계통을 형성하고;
    (c) 용기 내 하부는 공정액 배출부를 통해서 나온 공정액을 수집하는 공간이며, 용기 외측하부는 수집 공정액을 배출하기 위한 공정액 배출노즐을 형성함.
  21. 제20항에 있어서,
    공정액 배출부에서 공정액의 원활한 배출이 일어나도록 공정액 배출부 내부의 흐름에서 방사상(radial) 방향의 흐름을 유도하는 수단을 채용한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소들 중 하나를 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
    (a) 공정액 배출부 벽으로부터 내부방향으로 돌출한 2개 이상의 날개를 형성하되, 날개들의 각도는 수직에서 예각으로 경사져있으며 날개의 시작부분(공정유체 흐름과 처음 만나는 부분)은 폭이 좁고 끝부분은 폭이 넓게(최대 폭은 관의 반경) 되도록 날개들을 형성함;
    (b) 공정액과 수지입자 투입노즐 내부로 가스를 투입할 수 있도록 가스투입노즐을 형성함;
    (c) (b)항의 가스투입노즐에서 가스투입관을 공정액 배출부 내부로 연장하여 형성하되 그 관에는 외부에 미세 구멍을 다수개 형성하여 가스가 공정액 배출부 일부 또는 전체에 걸쳐서 고루 공급될 수 있도록 형성함;
    (d) (b)항 또는 (c)항의 가스투입노즐에 추가하여 용기 측면에 가스회수노즐을 형성하여, 이 두 노즐을 외부 관으로 연결하고 중간에 컴프레서를 설치하여 가스의 순환구조(circulation loop)를 형성함.
  22. 제20항에 있어서,
    공정액 배출부(메쉬관)에서 공정액이 배출될 때 동시에 배출되는 가스의 양을 절약함으로써 공정액의 효율적인 배출이 이루어질 수 있는 수단을 채용한 것을 특징으로 하는, 하기의 구성요소를 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
    (a) 공정액 배출부를 감싸는 물수집장치를 형성하되;
    (b) 물수집장치는 다수의 물수집실로 형성하며;
    (c) 물수집실은 그 상부와 하부에 칸막이를 형성하되;
    (d) 하부 칸막이의 외주는 아래로 경사지게 형성하여 배출된 공정액이 물수 집실 측벽과 경사칸막이의 사이공간에 수집될 수 있도록 하며;
    (e) 물수집실 측벽하부에는 다수개의 물배출구를 형성함.
  23. 제20항 내지 제22항에 있어서,
    공정액 배출부 내에 자가청소용(self cleaning) 회전체를 장설함을 특징으로 하는, 하기의 구성요소를 포함하여 형성된 수지입자 분리장치:
    (a) 공정액 배출부 내부에 원통형의 회전체를 장설함;
    (b) 회전체는 공정액 배출부 내벽에 밀착할 정도로 형성함;
    (c) 회전체는 나선형의 날개가 형성되어 있는 축으로 형성함;
    (d) 하부 축은 용기 하부를 관통하여 외부 구동부와 연결함.
  24. 제18항에 있어서,
    수지입자분리단계에 이어서 분산제, 물방울, 등의 미립자를 제거하는 것을 특징으로 하며, 수지입자분리단계 이후에 하기 요건들을 포함하는 미립자제거단계를 추가한, 폴리올레핀 발포입자의 제조방법:
    (a) 수지입자분리장치에서 배출되는 수지입자(발포입자)와 미립자를 포함한 가스를 수지입자분리장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 감압팽창하되, 동 압력은 수지입자분리장치 배출흐름의 온도에서의 포화수증기압 이하로 유지함으로써 수 지입자 표면에 부착한 물이 일부 비등(boil)케 하는, 비등단계;
    (b) 비등단계에서 수지입자(발포입자) 표면에 부착한 물은 미세한 물방울로 되어서 수지입자에서 떨어져 나오며 동시에 수지표면에 부착한 분산제 등의 가루도 같이 떨어져 나오게 되고, 공정유체는 표면 잡물이 제거된 깨끗한 발포입자와 물방울, 먼지, 발포가스, 수증기로 구성될 것인데, 이들 미립자(물방울, 먼지 등)를 제거함에 있어서 싸이클론 집진 방법을 이용하거나 미립자와 공정가스를 배출하고 깨끗한 가스를 보충해 주는 방법 등을 이용하여 미립자를 제거하는, 미립자제거단계.
  25. 하기의 구성요소들을 포함하여 형성된 미립자 제거장치:
    (a) 내압 밀폐형의 원통형 용기로서;
    (b) 용기 중앙을 상하로 관통하는 이중관(pipe)을 형성하되, 안쪽관은 미세구멍들이 다수개 형성된 관이며 바깥관은 상하 일부를 제외한 부분에는 수지입자보다 작은 눈(mesh)의 망이나 타공판으로 형성된 관이며;
    (c) 상기 안쪽관과 바깥관 사이로는 그 하부로 수지입자와 미립자와 가스가 투입되어 상부로 나가도록 하며, 안쪽관으로는 깨끗한 가스가 공급되어 미세구멍들을 통하여 이중관 사이 공간으로 방출되어서 그 공간에 존재하는 가스와 미립자를 바깥관 밖으로 배출함을 특징으로 하며;
    (d) 상기 이중관이 끝나는 용기 하부에서 수지입자(또는 발포입자) 투입노즐 사이에는 수지입자의 발포장치를 형성하고;
    (e) 상기 이중관이 끝나는 용기 상부의 후단(down stream)에는 발포입자 배출노즐을 형성하고;
    (f) 용기 측면에 미립자와 가스가 배출되는 미립자 배출노즐(outlet nozzle)을 형성함.
  26. 제25항에 있어서,
    용기 하부에 있는 공정유체 투입노즐의 전단에 관내(in-line) 마이크로파 가열장치를 장설하여 공정유체 중 물을 가열함으로써 비등(boil)을 촉진하는 것을 특징으로 하는, 미립자 제거장치.
  27. 연속식 반응장치(tubular reactor or plug flow reactor)를 채용하는 연속식(continuous type) 제조방법에 있어서, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법:
    (a) 원료혼합조에 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 분산제를 각각 일정 유속으로 연속 투입하고 이를 교반하여 다음 공정으로 연속 배출하는 원료투입단계;
    (b) (a)항의 공정흐름을 고압펌프를 통하여 다음 공정으로 연속 이송하는 가압이송단계;
    (c) 발포제를 (b)항의 토출 흐름에 고압 연속으로 추가하여 발포제를 원료 흐름에 혼합분산하거나 용해하는 발포제 추가단계;
    (d) (c)항의 발포제가 추가된 공정흐름을 가열장치와 침투장치를 통과케 함에 있어서, 공정유체의 흐름선속도를 빠르게 유지함으로써 난류(turbulence)를 형성케 하는 등의 방법으로 수지입자의 분산상태를 유지하면서, 가열장치로 수지입자를 그 연화점 이상으로 가열하고, 침투장치에서는 충분한 체류시간을 줌으로써 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (e) 침투가 완료된 침투장치의 배출구를 통하여 수지입자와 분산매를 침투장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는 발포단계;
    (f) (e)단계와 병행하여 그 최종발포단계 이전에, 제10항 내지 제12항의 공정액 회수장치를 최종발포장치 전단에 설치함으로써 공정액(분산매)을 회수하는 것을 특징으로 하는 공정액(분산매) 회수단계.
  28. 제27항에 있어서,
    회수된 고온고압의 공정액을 원료투입공정 중 고압공정(예컨대 발포제 용해조)에 다시 투입함으로써 에너지를 절감하는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법.
  29. 연속식 반응장치(tubular reactor or plug flow reactor)를 채용하는 연속 식(continuous type) 제조방법에 있어서, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법:
    (a) 원료혼합조에 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 분산제를 각각 일정 유속으로 연속 투입하고 이를 교반하여 다음 공정으로 연속 배출하는 원료투입단계;
    (b) (a)항의 공정흐름을 고압펌프를 통하여 다음 공정으로 연속 이송하는 가압이송단계;
    (c) 발포제를 (b)항의 토출 흐름에 고압 연속으로 추가하여 발포제를 원료 흐름에 혼합분산하거나 용해하는 발포제 추가단계;
    (d) (c)항의 발포제가 추가된 공정흐름을 가열장치와 침투장치를 통과케 함에 있어서, 공정유체의 흐름선속도를 빠르게 유지함으로써 난류(turbulence)를 형성케 하는 등의 방법으로 수지입자의 분산상태를 유지하면서, 가열장치로 수지입자를 그 연화점 이상으로 가열하고, 침투장치에서는 충분한 체류시간을 줌으로써 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (e) 침투가 완료된 침투장치의 배출구를 통하여 수지입자와 분산매를 침투장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 수지입자를 발포시키는 발포단계;
    (f) (e)단계와 병행하여 그 최종발포단계 이전에, 제20항 내지 제23항의 수지입자분리장치를 최종발포장치 전단에 설치하거나, 제25항 또는 제26항의 미립자 제거장치를 최종발포장치 전단에 설치함으로써, 발포후 세척과 건조 등 발포후 처리 공정을 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는, 최종발포전 처리단계.
  30. 제27항 내지 제29항에 있어서,
    발포제가 이산화탄소인 폴리올레핀 발포입자의 연속식 제조방법.
  31. 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법:
    (a) 반응장치에(발포입자를 제조하기 위한 배치식 또는 연속식 반응장치) 투입된 폴리올레핀 수지입자와 분산매와 발포제를 분산상태로(수지입자를 분산매에 분산시키고 발포제를 분산매에 분산시키거나 용해시킨 상태) 유지하면서 가열하여 그 수지입자 내부로 발포제를 침투시키는 침투단계;
    (b) 침투단계가 완료된 후, 반응장치 내의 수지입자와 분산매는 반응장치의 일단을 통과하여 일련의 감압팽창장치들을 거치면서 순차적으로 발포(또는 팽창)하여 최종적으로는 대기압 분위기로 방출되어 팽창을 완료하게 되는데, 여기서 최종팽창(대기압으로 감압팽창)을 하지 않고 그 전 단계까지만 수지입자를 발포(또는 팽창)함으로써 수지입자(발포입자)가 팽창력을 보유한 상태로 하는 것을 특징으로 하는 발포단계;
    (c) 상기 발포단계(b)의 감압팽창장치의 하나로서 수지입자분리장치(9)를 설치하여, 그 장치에 외부에서 가스를 공급하거나 공정액(분산매) 자체에서 나오는 발포가스와 기화가스(수증기)를 이용하여, 그 장치로 들어오는 공정흐름 중 공정액을 가스로 밀어내어 수지입자(발포입자)를 분리하는 것을 특징으로 하는, 수지입자 분리단계;
    (d) 상기 단계( (b), (c) )가 완료된 후, 공정흐름(발포입자와 가스)을 성형장치에 투입하여(가스는 배출하면서) 금형(mold)에 발포입자를 충전한 후에 금형을 밀폐하고 수증기 등으로 발포입자를 가열하고 금형 내부압력을 대기압으로 감압함으로써 충전 발포입자가 팽창하고 접합케 하여 발포체 성형체를 형성하되, 발포입자가 보유하고 있는 열량과 팽창력을 이용함으로써 에너지를 절감하는 것을 특징으로 하는, 발포 성형체 제조단계.
  32. 제31항에 있어서,
    수지입자분리단계에 이어서 분산제, 물방울, 등의 미립자를 제거하는 것을 특징으로 하며, 수지입자분리단계 이후에 하기 요건들을 포함하는 미립자제거단계를 추가한, 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법:
    (a) 수지입자분리장치에서 배출되는 수지입자(발포입자)와 미립자를 포함한 가스를 수지입자분리장치 내보다 저압의 분위기로 방출하여 감압팽창하되, 동 압력은 수지입자분리장치 배출흐름의 온도에서의 포화수증기압 이하로 유지함으로써 수지입자 표면에 부착한 물이 일부 비등(boil)케 하는, 비등단계;
    (b) 비등단계에서 수지입자(발포입자) 표면에 부착한 물은 미세한 물방울로 되어서 수지입자에서 떨어져 나오며 동시에 수지표면에 부착한 분산제 등의 가루도 같이 떨어져 나오게 되고, 공정유체는 표면 잡물이 제거된 깨끗한 발포입자와 물방 울, 먼지, 발포가스, 수증기로 구성될 것인데, 이들 미립자(물방울, 먼지 등)를 제거함에 있어서 싸이클론 집진 방법을 이용하거나 미립자와 공정가스를 배출하고 깨끗한 가스를 보충해 주는 방법 등을 이용하여 미립자를 제거하는, 미립자제거단계.
  33. 제31항에 있어서,
    수지입자분리단계 이전에 공정액회수단계를 거치게 하고 이와 병행하여 공정액 회수장치에 세척수를 통과시키는 방법으로 하는 세척단계를 거치는 함으로써 제32항의 미립자제거단계를 생략할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 제조방법.
  34. 제31항 내지 제33항에 있어서,
    제31항 (d)의 밀폐 금형(mold)을 이용하는 배치식(회분식) 성형체 제조방법 대신에 연속식 성형체 제조방법을 채용하는 것을 특징으로 하되, 하기 단계들을 포함하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법:
    (a) 구조재로 형성되며 사각형 단면을 갖는 통로 내의 상부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트와, 상기 통로 내의 하부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트 사이에 발포입자를 공급하되, 발포입자 제조공정에서 배출되는 발포입자를(팽창력을 보유하고 있는 상태) 내압밀폐된 공급부를 통하여 공급함으로써 발포입자의 온 도와 내부압력을(성형에 필요한) 유지하는 것을 특징으로 하는, 발포입자의 공급단계;
    (b) 발포입자가 상기 통로로 투입된 직후에 동 흐름의 압력을 일부 감압하여 발포입자를 팽창케 함으로써 입자간 공극을 없애도록 하는, 발포입자의 일차 팽창단계;
    (c) 투입된 발포입자들을 상기 통로내의 가열 영역과 냉각 영역에 연속적으로 통과시킴으로써 발포체를 성형하는, 발포체의 성형단계.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 벨트는 그들 사이의 공간이 발포입자의 공급측으로부터 통로 쪽을 향해 좁아지도록 구성되어 상기 두 벨트 사이에 공급된 발포입자들이 압축되면서 통로 쪽으로 이송됨을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 통로 내의 잔류 기체(가열가스, 수증기, 발포가스와 미립자 등)를 가열영역의 하류측에서 흡입하여 제거하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 내압밀폐된 발포입자의 공급부의 상류(up-stream)에 싸이클론(cyclone)식 미립자 제거장치를 장치함으로써, 공정흐름(발포입자, 가스, 미립자)을 싸이클론으로 투입하여 미립자를 제거하는 동시에 발포입자가 성형장치의 공급 영역으로 차곡차곡 투입될 수 있도록 함을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조방법.
  38. 구조재로 형성되며 사각형 단면을 갖는 통로 내의 상부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트와, 상기 통로 내의 하부면을 따라 연속적으로 이동하는 벨트 사이에 발포입자를 공급하되, 발포입자 제조공정에서 배출되는 발포입자를(팽창력을 보유하고 있는 상태) 내압밀폐된 공급부를 통하여 공급함으로써 발포입자의 온도와 내부압력을(성형에 필요한) 유지하면서 발포입자를 공급한 다음, 발포입자들을 상기 통로내의 가열 영역과 냉각 영역에 연속적으로 통과시킴으로써 발포 성형체를 연속제조하는 장치에 있어서;
    발포입자가 상기 통로로 투입된 직후에 1차 흡입수단을 형성하여 발포입자 흐름의 압력을 일부 감압하여 발포입자를 팽창케 함으로써 입자간 공극을 없애고 상기 통로 내에 밀폐영역을 형성하며;
    상기 내압밀폐된 발포입자의 공급부는 동 영역의 상하부 롤러 부근에 각각 실링수단(sealing means)을 형성함으로써, 상기 밀폐영역과 함께 내압밀폐구조로 형성하며;
    가열영역과 냉각영역 사이에 2차 흡입수단을 형성하여 상기 통로 내의 잔류 기체(가열가스, 수증기, 발포가스와 미립자 등)를 흡입하여 제거하는 것을 특징으로 하는 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조장치.
  39. 제38항에 있어서,
    발포입자를 공급할 때 이들의 원활한 흐름을 위하여(발포입자의 점착성 때문에 부분적인 정체 가능성이 있음.), 발포입자 공급영역을 전술한 수평형 대신에 수직형으로 형성한 것을 특징으로 하는, 폴리올레핀 발포 성형체의 연속제조장치.
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