KR20120055088A

KR20120055088A - 고압 저압 일체형 우레탄 발포장치

Info

Publication number: KR20120055088A
Application number: KR1020100116597A
Authority: KR
Inventors: 호진원
Original assignee: 주식회사 에스피씨
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-05-31

Abstract

본 발명은 우레탄 발포장치에 있어서, 고압 발포 장치가 갖는 고효율의 혼합방식이라는 장점과, 저압 발포 장치가 분말(10) 형상의 원료를 투입할 수 있다는 장점을 통합하기 위하여, 고압 발포 헤드(7)와 저압 발포 헤드(9)를 일체형으로 하는 우레탄 발포장치에 대한 것으로서, 고효율 혼합으로 인해 단열성이 우수한 고품질의 우레탄 폼을 제조함과 동시에 폐 우레탄 폼을 분말로 만들어 재활용할 수 있고, 그외 다른 기능성 분말도 사용할 수 있어 우레탄의 품질을 제고할 수 있는, 고압 저압 일체형 우레탄 발포장치에 관한 것이다.

Description

고압 저압 일체형 우레탄 발포장치{Urethane mixing equipment of high And low pressure all-in-one body}

본 발명은 우레탄 폼을 제조하는 장치인 우레탄 발포기에 대한 것으로, 고압 발포 장치가 갖는 고효율의 혼합방식이라는 장점과, 저압 발포 장치가 분말(10) 형상의 원료를 투입할 수 있다는 장점을 통합하기 위하여, 고압 발포 헤드(7)와 저압 발포 헤드(9)를 일체형으로 하는 우레탄 발포장치에 대한 것으로서, 고효율 혼합으로 인해 단열성이 우수한 고품질의 우레탄 폼을 제조함과 동시에 폐 우레탄 폼을 분말로 만들어 재활용할 수 있고, 그외 다른 기능성 분말도 사용할 수 있어 우레탄 폼의 품질을 제고할 수 있는, 고압 저압 일체형 우레탄 발포장치에 관한 것이다.

일반적으로, 우레탄 폼은 주제(1)와 경화제(2)의 두 개의 원액을 급속하게 섞어 화학적인 반응을 일으켜 형성된다. 주제(1)라 불리는 폴리우레탄 시스템은 폴리올을 주성분으로 하고 여기에 발포제, 촉매, 난연제 및 계면활성제를 혼합하여 만들어지며, 여기에 경화제(2)라 불리는 아이소시아네이트(Isocyanate)가 화학적으로 결합하여 발포되어 고체인 우레탄 폼을 형성한다. 상기 두 개의 원액을 급속하게 섞어서 화학적 반응을 일으키기 위해서 사용하는 기계를 발포기라고 하고 일반적으로 사용되는 발포기에는 주제(1)와 경화제(2)를 혼합하는 방식에 따라 고압 발포기와 저압 발포기의 두 종류로 나뉜다.

상기 고압 발포기는 위에 언급된 주제(1)인 폴리올시스템과 경화제(2)인 아이소시아네이트 원액이 고압 발포 헤드(7) 내부의 좁은 챔버(8) 내부에서 서로 고압으로 만나서 급속하게 섞기 되는데, 이 원액들이 챔버(8) 내부로 고압으로 분사되기 위해서는, 원액들(1,2)을 고압 하에서도 정량을 공급할 수 있는 고압 정량 펌프(5)로 발포 헤드(7)까지 이송한 후, 헤드 내부 혼합 챔버(8)로 뿜어나오는 말단 노즐(6)을 통해 정량이 빠져나가려는 원액이 결국 100bar(약 102kgf/cm²) 이상의 압력을 만들어 분사되게 하고, 이렇게 분사된 원액(1,2)들은 작은 챔버(8) 내부에서 서로 강력하게 부딪쳐 순식간에 섞이게 되어 높은 효율로 혼합된다. 따라서 화학적 반응이 충실하게 일어나게 되고 결과적으로는 우레탄 폼을 형성하는 셀의 크기가 미세하고 균질한 우수한 폼을 만들 수 있다.

반면 저압 발포기는 큰 압력 없이 저압으로 원액(1,2)들을 이송하되, 저압 발포 헤드(9) 안에서 원액(1,2)들을 원활히 섞어주기 위해서 모터(12)에 의해 빠르게 회전하는 회전체(9-1)를 사용하는데, 짧은 시간에 섞임 효율을 좋게 하기 위해서는 회전체(9-1)가 고속으로 돌면서 회전체(9-1)에 돌출된 많은 돌기 형상의 회전날개(9-2)가 주제(1)인 폴리올과 경화제(2)인 아이소시아네이트를 짧은 시간 내에 가능한 많이 서로 충돌하게 하여 혼합 효율을 증대하는 방식을 사용한다.

저압 발포기는 고압 발포기와 비교할 때, 상대적으로 고압 정량 펌프(5)가 필요 없고, 따라서 고압 배관(3)도 필요 없으며, 고압 발포 헤드의 경우처럼 노즐(6)이 없고, 따라서 원액의 아주 미세한 불순물까지도 걸러주는 미세 필터(4)도 필요 없어 설비가 간단한 장점이 있으나, 우레탄 폼의 품질을 결정하는 원액(1,2)의 혼합 효율이란 면에서는 고압 발포기를 따라갈 수 없다. 저압 발포 장치의 가장 큰 장점은, 일반적으로 고압 발포 장치의 경우에는 말단에 노즐(6)이 막히지 않도록 고압 발포 헤드(7)까지 원액들(1,2)이 이송되는 과정에서까지 100 micron meter (0.1mm)이하의 미세한 구멍을 가진 필터(4)를 사용하여 원액들(1,2)을 걸러주는 것에 반해, 저압 발포기는 말단에 노즐(6)이 없어 필터(4)가 필요 없으며, 따라서 결과적으로는 일정한 크기를 가진 입자가 있는 분말재료(10)도 원료로 사용할 수 있다는 것이다. 분말재료(10)를 사용할 수 있으면, 폐기될 우레탄 폼을 소각하여 폐기하는 대신에, 폐 우레탄 폼을 갈아서 미분으로 만들어 우레탄 폼 발포시 발포 헤드(9)에 재투입하면 재활용 우레탄 폼을 만들 수 있다. 우레탄 폼은 열경화성 물성이 있어 열에 녹지 않으며 타버리기 때문에 재활용하기가 힘들어, 그간 여러 가지 재활용 방법이 모색되기는 하였으나 경제성이 없어 우레탄 폼을 재활용하여 사용하는 것에 성공한 예가 드문 현실이다. 폐 우레탄 폼을 갈아서 재활용하는 것 이외에도, 우레탄 폼을 제조할 때 첨가하면 우레탄 폼의 물성을 향상할 수 있는 기능이 있는 멜라민, 세라믹파우더 등 기능성 분말상태(10)의 원료의 투입이 가능해져서 난연성 및 강도를 증대할 수 있다. 이에 더하여 저압 발포 헤드(9)에 이산화탄소(Co₂) 가스 등 발포가스(11)를 발포가스 투입구(11-1)을 통해 투입하여 원액 및 분말을 혼합할 때 첨가하면, 더욱더 미세한 셀을 형성하는 후로스 폼(froth foam)을 제조하는 등 우레탄 폼의 물성을 개선할 수 있다.

우레탄 폼을 제조하기 위해 사용하는 우레탄 고압 발포 장치는 원액들(1,2)을 고압으로 이송하고 발포 헤드(7) 안에서 고압으로 혼합하므로 혼합 효율이 좋아서 결과적으로 우레탄 폼을 형성하는 셀이 미세하고 균질 하여 제조된 우레탄 폼의 품질이 우수하지만, 고압을 발생하기 위해서는 원액(1,2)이 분사되는 고압 발포 헤드(7) 내부의 노즐(6)이 막히지 않기 위해서는 일정 크기의 입자가 있는 분말(10)상태의 원료을 사용할 수 없다. 반면에, 저압 발포 장치의 경우에는 고압을 발생하는 고압용 정량 펌프(5)나 고압 배관(3) 등이 없어 시설비가 저렴하고, 유지보수가 쉽고, 분말(10)을 원료로 투입할 수 있는 장점은 있으나, 상대적으로 혼합 효율이 떨어져서 우레탄을 구성하는 셀의 크기가 크고, 균질 하지 못하여 우수한 품질의 우레탄 폼을 얻기 어렵다.

본 발명은 고압과 저압의 두 가지 혼합 방식의 발포장치가 가진 각각의 장점을 고려하여, 고압 발포 헤드(7)와 저압 발포 헤드(9)를 하나로 묶어서 저압 발포 헤드(9) 측면에 고압 발포 헤드(7)를 설치하고, 먼저 고압 발포 헤드(7)에서 고압으로 충분히 혼합된 액이 유입통로(13)를 통해 측면에 위치한 저압 발포 헤드(9)로 들어오게 되고, 저압 발포 헤드(9)에는 분말(10)을 투입하는 투입구(10-1)가 있어, 고압 발포 헤드(7)에서 고압으로 충분하게 혼합된 액에다가 저압 발포 헤드(9) 내부로 분말(10)을 투입하고 또한 발포 가스(11)을 투입하여, 저압 발포 헤드(9) 내부에서 회전날개(9-2)로 혼합함으로써, 고압 발포 헤드(7)의 혼합 효율이 좋은 장점과 저압 발포 헤드(9)에서는 분말 상태의 재료(10)와 발포가스(11) 혼합할 수 있는 장점을 모두 가진, 고압 저압 일체형 발포 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고압 저압 일체형 우레탄 발포 장치에 따르면, 우레탄 원액을 발포시켜 우레탄 폼을 제조했을 때, 고압 발포 헤드의 우수한 혼합 효율로 우레탄 폼을 구성하는 셀이 아주 미세하고 균질 하여지고, 최종적으로는 우레탄 폼의 가장 주된 사용 목적인 열전도율이 낮아 열을 차단하는 효과가 우수한 양질의 우레탄 폼을 만들면서, 동시에 저압 발포 헤드 부분에서는, 폐기하기 위해서는 소각을 하거나 땅에 묻어 처리하여 그간 심각한 환경오염을 일으켜온 폐 우레탄 폼을, 분쇄하여 분말(10)로 만들어 원료로서 재투입하여 재활용할 수 있어 환경을 보호하고, 석유화학 재료로서 국내에서는 100%로 수입하는 원료로 만든 폐 우레탄 폼을 재활용하여 에너지 자원을 절약하는 효과가 있으며, Kg 당 약 3000원이나 하는 원액 대신에 폐자재를 원료로 재활용함으로써 그 경제적 효과가 크다. 그외에도 멜라민, 세라믹 필러 등 기능성 분말 원료(10)와 발포성을 좋게 하는 가스(11)를 우레탄 폼에 첨가하여 우레탄 폼의 난연성을 강화하고, 폼의 굽힘 강도나 압축강도를 강하게 하고, 밀도를 증대하는 등 우레탄 폼의 물성을 제고할 수 있다.

도 1 기존 고압 발포 헤드 구조도
도 2 기존 고압 발포 장치의 구성도
도 3 기존 저압 발포 헤드 구조도
도 4 본 발명의 고압 저압 일체형 발포 헤드 구조도
도 5 본 발명의 고압 저압 일체형 발포 장치 구성도

이하, 본 발명에 의한 고압 저압 일체형 발포장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적으로 사용되는 고압 발포 헤드(7)의 구조를 설명한 도면이다. 고압 발포 헤드(7)는 고압 정량 펌프(5)에서 이송되어온 원액들(1,2)이 고압 발포 헤드(7) 안으로 원액 투입구(1-1,2-1)를 통해서 들어가고, 고압 정량 펌프(5)에 의해 일정한 양이 지속적으로 이송되는 원액들(1,2)을 고압 발포 헤드(7) 안에 있는 노즐(6) 말단에 아주 작은 구멍형상의 노즐 분사구(6-1)을 통과하면서 높은(100 bar 이상) 압력이 발생한다. 이때 이 노즐 분사구(6-1)을 통과하면서 높은 압력이 발생한 원액들(1,2)이 혼합을 위한 작은 챔버(8)에서 만나서 분사된 압력에 의해서 순식간에 혼합된 후 토출구(14)로 분사되어 발포가 일어나게 된다.

도 2는 기존 고압 발포 시스템의 구성도이다. 상기 설명한 것과 같이 우레탄 폼이 형성되기 위해서는 폴리올을 주성분으로 하는 주제(1)와 아이소시아네이트를 주성분으로 하는 경화제(2)가 혼합되어 우레탄 반응을 일으켜 폼을 형성하게 된다. 고압으로 발포하는 장치을 구성하기 위해서는 고압의 압력 조건에서도 일정한 양의 원액(1,2)을 밀어줄 수 있는 정량 고압 펌프(5)가 필요하고, 고압의 압력을 견딜 수 있는 고압 배관(3)이 필수적이다. 또한 발포 헤드(7)에서 고압 정량 펌프(5)가 일정한 양으로 밀어주는 원액(1,2)을 노즐(6)의 아주 작은 노즐 분사구(6-1)를 통과하면서 높은 압력이 발생하고, 이 압력으로 분사된 원액(1,2) 들은 발포 헤드(7) 내부의 좁은 챔버(8) 안에서 만나 혼합된다. 상기와 같은 시스템으로 노즐(6)에서 고압을 발생시키는 고압 발포 시스템은 노즐 분사구(6-1)가 막히지 않도록 원액에 포함될 수 있는 미세한 찌꺼기까지 걸러 줄 수 있는 필터(5)가 필요하다. 따라서 고압 발포 장치에서는 분말로 된 재료(10)를 사용할 수 없는 단점이 있다.

도 3은 저압 발포 헤드의 구조를 설명한 도면이다. 저압 발포는 원액(1,2)이 저압으로 발포 헤드(9)까지 이송되어와서 각각의 원액 투입구(1-1,2-1)로 발포 헤드(9) 안으로 투입되고, 고속으로 돌려주는 모터(12)에 의해서 회전체(9-1)가 돌되 혼합 효율을 좋게 하기 위해 돌출된 회전날개(9-2)에 원액들(1,2)이 부딪혀 혼합되는 방식이다.

도 4는 본 발명의 고압 저압 일체형 발포장치에 대한 구조도로, 상기 설명한 고압 발포 헤드(7)와 저압 발포 헤드(9)를 일체형으로 만들어, 먼저 고압 발포 헤드(7)에서 원액(1,2)를 혼합하고 이후에 혼합된 원액이 저압 발포 헤드(9)로 연결된 유입 통로(13)를 통하여 저압 발포 헤드(9)로 이송되고, 이후 폐 우레탄 폼의 가루, 멜라민 파우더, 세라믹 파우더 등 기능성 분말(10)을 분말 투입구(10-1)로 투입할 수 있고, 또한 발포가스(11)도 가스 주입구(11-1)를 통해서 발포 헤드(9) 안으로 투입할 수 있어, 원액들(1,2)과 함께 혼합된 후 토출구(14)로 분사되어 발포하게 된다.

도 5는 본 발명의 고압 저압 일체형 발포장치의 구성도이다. 본 장치는 고압 발포 헤드(7)와 저압 발포 헤드(9)를 동시에 갖추고 있어서 고압 발포 시스템에 필요한 고압 정량 펌프(5)와 고압 배관(3) 그리고 필터(4)를 모두 갖추고 있어야 한다. 또한 저압 발포 헤드(9)를 고압 발포 헤드(7) 측면부위 장착하여 고압 헤드(7)와 저압 헤드(9)를 연결하는 유입 통로(13)를 통해 고압 헤드(7)에서 1차로 혼합된 원액을, 저압 헤드(9)로 이송하여 저압 헤드에 위치한 분말 투입구(10-1)로 공급된 분말 원료(10)와 가스 주입구(11-1)로 공급되는 발포 가스(11)와 합하여 회전체(9-1)에 달린 회전 날개(9-2)로 다시 한번 혼합하여 토출구(14)로 분사하여 발포한다.

1. 주제 - 폴리올을 주원료로 발포제, 촉매, 난연재 및 계면활성제가 일정비율로 혼합된 우레탄 폼의 원료.
2. 경화제 - 아이소시아네이트
3. 고압 배관 4. 필터 5. 고압 정량 펌프
6. 노즐 6-1. 노즐 분사구 7. 고압 발포 헤드
8. 챔버 9. 저압 발포 헤드 9-1 회전체 9-2 회전 날개
10. 분말 원료 10-1 분말 투입구
11. 발포 가스 11-1 가스 주입구
12. 모터 13. 고압 헤드에서 저압 헤드로 연결되는 원액 통로
14. 혼합된 액이 밖으로 나오는 토출구

Claims

일측과 타측에 각각 고압 발포 헤드(7)와 저압 발포 헤드(9)가 형성되고, 두 헤드를 연결하는 원액 통로(13))가 있어, 고압 발포 헤드(7)에서 일차로 혼합된 원액이 원액 통로(13)를 통하여 저압 발포 헤드(9)로 넘어가고
저압 발포 헤드(9)에는 분말(10) 원료 투입구(10-1)와 발포 가스(11) 주입구(11-1)가 있어 분말(10)원료 및 발포 가스(11)를 추가로 투입하여 다시 한번 혼합하는 것을 특징으로 하는 고압 저압 일체형 우레탄 발포장치.