KR20130063903A

KR20130063903A - 단열 성능이 향상된 친환경 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼

Info

Publication number: KR20130063903A
Application number: KR1020110130524A
Authority: KR
Inventors: 김지문; 이응기; 이민희; 김명희; 김정근
Original assignee: (주)엘지하우시스
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-17
Also published as: WO2013085300A1; JP5782571B2; JP2015500356A

Abstract

기존의 페놀 폼에 비하여 단열 성능이 향상된 친환경 페놀 폼에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 페놀 수지, 탄화수소계 발포제, 핵제 및 첨가제를 포함하고, 독립기포 셀의 크기가 20 ~ 200 ㎛ 이하인 발포체를 형성할 수 있어, 이를 통해 제조되는 본 발명에 따른 페놀 폼은 기존의 페놀 폼이 갖는 단열성능보다 우수한 단열 성능을 가지며, 또한 탄화수소계 발포제를 사용함으로써 지구온난화에 대한 위험요소가 없고 장기적으로 높은 단열성능을 갖는 장점이 있다.

Description

단열 성능이 향상된 친환경 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼{PHENOLIC FOAM RESIN COMPOSITION AND PHENOLIC FOAM USING THE SAME}

본 발명은 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페놀 수지에 핵제를 첨가하여 단열성이 향상된 친환경 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼 단열재를 제공하는 기술에 관한 것이다.

발포 타입의 단열재로서 폴리이소시아누레이트 폼 및 폴리우레탄 폼 등은 폴리올, 이소시아네이트, 촉매 및 발포제 등을 혼합하여 반응시킴으로써 제조할 수 있으며, 상기 반응 중에 생기는 발포 기체로 인하여 다공성의 폼이 형성된다.

한국공개특허공보 제10-1985-0000145호에서는 이와 같은 우레탄폼 발포체를 이용한 복합단열재와 관련된 기술이 개시되어 있다. 상기 발포 기체는 폴리이소시아누레이트 폼의 셀 구조 내에 포함되어 있으며 시간이 지날수록 외부로 확산되고 셀의 내부가 공기로 치환된다. 공기는 일반적으로 발포기체보다 열전도도가 높기 때문에 폼의 열전도도는 시간이 지날수록 점점 증가하여 단열성능이 저하된다.

또한, 현재 대부분의 발포 단열재에서는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC) 계열의 발포제를 많이 사용하고 있다. 따라서, 오존층 파괴의 문제를 갖고 있으며, 시간에 따라 단열성능이 하락하는 기존의 단열재를 대체하기 위해 친환경 발포가스로 제조한 페놀 폼 단열재의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 친환경적이면서 기존의 페놀 폼에 비하여 단열 성능이 향상된 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 페놀 수지, 탄화수소계 발포제, 핵제 및 첨가제를 포함하며, 독립기포 셀의 크기가 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 발포체를 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 페놀 폼은 핵제가 포함된 수지 조성물로 제조됨으로써, 기존의 페놀 폼 수지 조성물을 이용하여 형성된 페놀 폼에 비하여 우수한 단열 성능을 갖는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 탄화수소계 발포제를 사용하여 지구온난화에 대한 위험요소가 없으며, 이를 통해 제조되는 페놀 폼은 장기적으로 높은 단열성능을 갖는 장점이 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 페놀 수지, 탄화수소계 발포제, 핵제 및 첨가제를 포함하며, 독립기포 셀의 크기가 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 발포체를 형성할 수 있는 페놀 수지 조성물인 것을 특징으로 한다.

상기 페놀 폼 수지 조성물은 발포성 페놀 수지를 주성분으로 하며, 상기 페놀 수지는 레졸형, 노볼락형 가운데 어느 타입을 사용하여도 무관하다.

상기 페놀 수지로서는 알칼리 금속 수산화물 또는 알칼리 토금속 수산화물에 의해 합성된 레졸형 페놀 수지를 들 수 있다. 레졸형 페놀 수지 이외에, 산 촉매에 의해 합성된 노볼락형 페놀수지, 암모니아에 의해 합성된 암모니아 레졸형 페놀 수지, 또는 나프텐산 납 등에 의해 합성된 벤질에테르형 페놀 수지 등을 들 수 있다. 또한, 페놀 수지는 상이한 타입의 혼합물이어도 된다.

일 예로서 상기 레졸형 페놀 수지는, 페놀과 포르말린을 원료로서 알칼리 촉매에 의해 40 ∼ 100 ℃ 의 온도 범위에서 가열하여 중합시킴으로써 얻어진다. 또, 필요에 따라 레졸 수지 중합 시에 우레아 등의 첨가제를 첨가해도 된다. 우레아를 첨가하는 경우에는, 미리 알칼리 촉매로 메틸올화한 우레아를 레졸 수지에 혼합하는 것이 더욱 바람직하다. 합성 후의 레졸 수지는 통상적으로 과잉의 물을 함유하고 있으므로, 발포 시, 발포에 적합한 수분량까지 조정된다.

또한, 페놀 수지에, 지방족 탄화수소 또는 고비등점의 지환식 탄화수소 또는 그 들의 혼합물이나 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 등의 점도 조정용의 희석제, 그 외 필요에 따라 첨가제를 첨가할 수도 있다.

본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 핵제를 포함한다. 핵제가 포함된 페놀 폼 수지 조성물로부터 형성된 발포체는 독립기포 셀(cell)의 숫자가 비약적으로 증가되며, 상기 셀의 크기가 작고 균일하게 되어 단열효과가 향상된다.

구체적으로 페놀 폼 수지 조성물에 핵제를 첨가하게 되면, 극성을 갖는 페놀 수지와 비극성을 갖는 핵제가 서로 잘 섞이지 않아 초기 반응 시에는 수많은 핵을 형성하게 된다. 따라서, 상기 핵제의 첨가로 인해 수 많은 독립기포 셀 들이 생성된다. 이때 반응물은 핵제의 불용해성에 의하여 에멀젼 상태를 유지하게 되어 상기 독립기포들의 표면장력을 감소시키며, 상기 독립기포가 성장 시에 서로 결합하는 것을 억제하게 된다. 따라서, 핵제를 포함하는 페놀 폼 안에는 크기가 작은 독립기포 셀들이 균일하게 존재하게 된다.

본 발명에 따른 페놀 폼은 핵제가 포함된 페놀 폼 수지 조성물을 이용하여 제조된다. 따라서, 본 발명의 페놀 폼은 작고 균일한 독립기포 셀이 다수 존재하게 되며, 이를 통해 기존의 페놀 폼에 비하여 우수한 단열 성능을 갖는다.

본 발명에서 사용되는 핵제는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 실란계 핵제, 실록산계 핵제, 또는 퍼플루오르알칸계 핵제 등이 사용될 수 있다. . 보다 바람직하게는 표면 장력이 낮고 페놀 수지와 상용성이 우수한 실란계 화합물 및 실록산계 화합물이 사용될 수 있으며, 이들이 1종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. 상기 실란계 화합물로서는 헥사메틸디실라제인, 및 디메톡시디메틸실란과 같은 화합물이 사용될 수 있고, 상기 실록산계 화합물로서는 헥사메틸디실록산이 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물에서 상기 핵제는 상기 조성물 100 중량부를 기준으로 1~5 중량부 포함되는 것이 바람직하다. 상기 핵제가 1 중량부 미만으로 포함되면 핵제 사용에 따른 효과가 미비하고, 5 중량부를 초과하여 포함되면 페놀 폼의 발포 밀도를 감소시키는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 독립기포 셀의 크기가 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 발포체를 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 독립기포 셀의 크기란 셀의 직경을 의미한다. 본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 앞서 언급하였듯이 핵제를 포함하고 있기 때문에, 이를 통해서 제조되는 발포체는 독립기포 셀의 크기가 20 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 독립기포 셀의 크기가 200 ㎛를 초과하는 경우에는 발포체의 단열 성능과 장기 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 독립기포 셀의 크기를 작게 형성하려면 제조단가가 비약적으로 상승하는 문제점이 있기 때문에 본 발명에서는 제조단가 및 제품의 품질을 고려하여 발포체의 독립기포 셀 크기를 20 ㎛ 초과로 한정한다.

또한, 본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 탄화수소계 발포제를 포함한다. 상기 발포제는 폼(foam) 구조를 형성하는 기능을 한다.

본 발명에서, 발포제는 탄소수가 1~8인 지방족 탄화수소계 발포제를 사용한다. 기존에는 프레온 가스 또는 HCFC(hydro-chloro-fluoro-carbon)를 발포제로 사용하여 오존층 파괴로 인한 지구 온난화의 문제가 있다. 그러나, 본 발명에서는 탄화수소를 발포제로 이용함에 따라 종래에 비하여 환경 위협의 위험성 에 대한 부담을 해소할 수 있다.

본 발명에서 발포제로 사용할 수 있는 탄화수소의 종류로는 싸이클로펜탄, 이소펜탄, 이소부탄 등이 있으며 발포제의 열전도율과 끓는 점을 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.

상기 발포제는 이소펜탄(Isopentane), 이소부탄(isobutane) 및 싸이클로펜탄 (Cyclopentane) 중 하나 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 탄화수소를 발포제로 사용함으로써, 본 발명에 따른 페놀 폼의 초기 열전도율과 장기 내구성이 원하는 물성 값을 가질 수 있게 되며, 환경 오염에 대한 부담도 해소하게 된다.

상기 발포제는 페놀 폼 수지 조성물 전체 중량의 3~15 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 발포제의 함량이 3중량% 미만이면 충분히 발포가 이루어지지 않기 때문에 발포체의 고체면을 통한 열 전달이 이루어지게 되므로 효율의 저하가 발생하게 된다. 반대로, 발포제의 함량이 15중량%를 초과하면 과량의 발포제가 경화 팽창 과정에서 기포 벽을 터뜨리며 빠져나가는 현상이 발생하게 되어 독립기포율과 열전도율이 악화된다.

본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물은 첨가제로서 계면활성제, 경화제, 가소제 및 중화제를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서, 상기 계면활성제는 미세하게 분산된 발포제 등의 소수성 물질과 수지 등의 친수성 물질의 계면 안정의 역할을 할 뿐 아니라, 발포가 진행될 때, 기포면이 안정적으로 형성되어 찢어지지 않게 한다. 구체적인 예로 폴리실록산계, 폴리옥시에틸렌소르비탄 지방산 에스테르, 피마자유의 에틸렌옥사이드 부가물 등의 비이온성 계면 활성제등을 이용할 수 있다.

계면활성제는 페놀 폼 수지 조성물 전체 중량의 0.5~10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 계면활성제의 함량이 0.5중량% 미만인 경우 원재료간의 상용성이 저하되어 기포가 크고 독립기포율이 낮은 페놀 폼이 형성 되며, 5중량%를 초과하는 경우에는 페놀 폼의 경도가 낮아져 완성품의 취급성이 안 좋아지게 된다.

본 발명에서, 상기 경화제는 페놀 수지를 100℃이하의 온도에서 경화시키는 역할을 한다. 구체적인 예로 황산, 인산 등의 무기산, 벤젠술폰산, 에틸벤젠술폰산, 파라톨루엔술폰산, 자일렌술폰산, 나프톨술폰산, 페놀술폰산 등의 유기산이 이용된다. 이들 중에서 벤젠술폰산, 에틸벤젠술폰산, 파라톨루엔술폰산, 자일렌술폰산, 나프톨술폰산 및 페놀술폰산이 바람직하다. 이들 경화제는 1종을 단독으로 이용해도 되고, 2 종 이상을 조합하여 이용해도 된다.

경화제는 페놀 폼 수지 조성물 전체 중량의 5~20중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 경화제의 함량이 5중량% 미만인 경우 경화보다 발포가 먼저 진행되게 되므로 발포가스가 빠져나가 기포가 제대로 형성되지 않게 되고, 20중량% 초과의 경우에는 경화가 빠르게 진행되게 되어 발포가 충분히 이루어지지 않게 될 뿐 아니라 pH가 과도하게 낮아지게 된다.

본 발명에서, 상기 가소제는 기포 벽면에 유연성을 주어 벽면이 깨지거나 열화되어 기포 내의 발포가스가 빠져나가며 공기와 치환되는 것을 막아 장기내구성을 높이는 역할을 한다. 구체적인 예로 인산트리페닐, 테레프탈산디메틸, 이소프탈산디메틸, 폴리에틸렌글리콜, 폴리올 등을 이용할 수 있다.

가소제는 페놀 폼 수지 조성물 전체 중량의 1~15중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 첨가제의 함량이 1중량% 미만인 경우 장기내구성에 영향을 주지 못하고, 15중량% 초과의 경우에는 페놀 폼의 성능을 저하하게 된다.

본 발명에서, 상기 중화제는 페놀 폼 수지 조성물의 pH를 3~9정도로 높여주는 역할을 한다.

일반적으로 페놀 폼의 제조시 산성 경화제를 사용하므로 제품이 산성을 띄는바, 완성된 판재와 금속 접착면에서 부식이 발생하는 등 신뢰도의 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 중화제를 이용하여 페놀 수지 경화 발포체가 중성을 띄도록 한다. 본 발명에서의 중화제로는, 예를 들어 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화아연 등의 금속의 수산화물이나 산화물, 아연 등의 금속 분말, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산바륨, 탄산아연 등의 금속의 탄산염을 함유시킬 수 있다. 이들은 1종을 단독으로 이용해도 되고, 2종 이상을 조합해서 이용해도 된다. 중화제는 페놀 폼 수지 조성물 전체 중량의 0.5~50중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

중화제의 함량이 0.5중량% 미만인 경우 페놀 폼이 산성을 띄게 되고, 50중량% 초과의 경우에는 물성 변화의 문제가 발생한다.

상기와 같은 페놀 수지 조성물을 발포, 경화시켜 본 발명에 따른 페놀 폼을 얻을 수 있다.

페놀 수지 폼의 발포 및 경화는 상온 또는 가열하여 행할 수 있고, 일정 속도로 주행하는 표면재 상에 발포성 페놀 수지 조성물을 토출시킨 후, 경화로 내의 컨베이어 간에 판형상으로 성형하는 방법을 채용할 수 있다.

본 발명에 따른 페놀 폼 수지 조성물 및 이를 이용한 페놀 폼의 구체적인 실시예를 살펴보면 이하와 같다.

[페놀 폼의 제조]

실시예 1

페놀 수지 200 g과 첨가제로서 폴리옥시에틸렌소르비탄 지방산 에스테르(계면활성제), 에틸벤젠술폰산(경화제), 인산트리페닐(가소제) 및 이소펜탄(발포제)으로 구성되는 첨가제 40g 및 전체 수지 조성물 100중량부를 기준으로 액상 실란계 화합물인 헥사메틸디실라제인(핵제) 1중량부를 포함하는 페놀 폼 수지 조성물을 마련하였다.

상기 페놀 폼 수지 조성물을 발포, 경화시켜 실시예 1에 따른 페놀 폼을 얻었다. 실시예 1에 따른 페놀 폼의 단면을 관찰하여 독립기포 셀의 크기(직경)를 측정한 결과, 상기 독립기포 셀의 크기가 모두 20 ~ 200 ㎛ 의 범위를 만족하는 것으로 나타났다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 조건으로 페놀 폼을 제조하되, 핵제로서 디메톡시디메틸실란을 전체 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 2중량부 포함되도록 하였다. 실시예 2에 따른 페놀 폼의 단면을 관찰하여 독립기포 셀의 크기(직경)를 측정한 결과, 상기 독립기포 셀의 크기가 모두 20 ~ 200 ㎛ 의 범위를 만족하는 것으로 나타났다.

실시예 3

상기 실시예 1과 동일한 조건으로 페놀 폼을 제조하되, 핵제로서 헥사메틸디실라제인 및 핵사메틸디실록산의 혼합물을 전체 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 3중량부 포함되도록 하였다. 실시예 3에 따른 페놀 폼의 단면을 관찰하여 독립기포 셀의 크기(직경)를 측정한 결과, 상기 독립기포 셀의 크기가 모두 20 ~ 200 ㎛ 의 범위를 만족하는 것으로 나타났다.

비교예1

상기 실시예 1과 동일한 조건으로 페놀 폼을 제조하되, 상기 헥사메틸디실라제인(핵제)를 포함하지 않았다. 비교예 1에 따른 페놀 폼의 단면을 관찰하여 독립기포 셀의 크기(직경)를 측정한 결과, 상기 독립기포 셀의 크기는 모두 200 ㎛ 를 초과하는 것으로 나타났다.

[성능 시험 및 평가]

상기한 실시예 1~3 및 비교예 1에 따라 제조된 페놀 폼 샘플을 85℃의 항온 챔버에 각각 넣고 3개월 간 유지하면서, 전체 가열을 실시하지 않은 것과 열전도율을 비교하면서 실시하였다. 이때, 열전도율의 측정에는 HC-074-200(EKO社 제조) 열전도 측정기를 사용하였다. 다음으로, 가속 펙터를 적용하여 0 ~ 10년까지의 단열성을 예측하였으며, 결과는 열전도율(W/mK)로 환산하여 하기 표 1과 같이 나타내었다.

[표 1]

실시예 1~3의 경우, 초기 열전도율이 비교예 보다 낮을 뿐만 아니라, 시간에 따른 증가량도 비교예들 보다 낮게 나타남을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 페놀 수지 조성물을 이용한 페놀 폼은 기존의 페놀 폼에 비하여 초기 단열 성능과 장기 내구 성능이 모두 우수함을 알 수 있다. 이로 인하여 본 발명에 따른 페놀 폼은 에너지 부하 절감율이 높아 고효율 건축물 마감재로 이용이 가능하다.

이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

페놀 수지, 탄화수소계 발포제, 핵제 및 첨가제를 포함하며,
독립기포 셀의 크기가 20 ~ 200 ㎛인 발포체를 형성하는 페놀 폼 수지 조성물.
제1항에 있어서,
상기 핵제는
실란계 화합물 및 실록산계 화합물 가운데 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제1항에 있어서,
상기 핵제는
상기 조성물 100중량부를 기준으로 1 ~ 5 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제1항에 있어서,
상기 발포제는
이소펜탄(Isopentane), 이소부탄(isobutane) 및 싸이클로펜탄(Cyclopentane) 계열의 발포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 조성물은
계면활성제, 경화제, 가소제 및 중화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제5항에 있어서,
상기 계면활성제는
폴리실록산계 계면활성제, 폴리옥시에틸렌소르비탄 지방산 에스테르, 및 비이온성 계면 활성제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제5항에 있어서,
상기 경화제는
황산, 인산, 벤젠술폰산, 에틸벤젠술폰산, 파라톨루엔술폰산, 자일렌술폰산, 나프톨술폰산 및 페놀술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제5항에 있어서,
상기 가소제는
인산트리페닐, 테레프탈산디메틸, 이소프탈산, 디메틸, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제5항에 있어서,
상기 중화제는
수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화아연, 아연, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산바륨 및 탄산아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페놀 폼 수지 조성물.
제1항 내지 제9항의 페놀 폼 수지 조성물이 발포, 경화되어 형성되며, 독립기포 셀의 크기가 20 ~ 200 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 페놀 폼.