KR20210004369A - 단열 성능이 우수한 폴리스티렌 발포체의 제조방법 - Google Patents

단열 성능이 우수한 폴리스티렌 발포체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단열 성능이 우수한 폴리스티렌 발포체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 폴리스티렌 발포체는 발포체의 기포 크기가 매우 작아 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율이 낮고, 발포제가 공기로 치환되는 속도가 늦어 열전도율의 상승률이 작은 것을 특징으로 한다.

Description

단열 성능이 우수한 폴리스티렌 발포체의 제조방법{A PREPARATION METHOD OF POLYSTYRENE INSULATION FOAM WITH EXCELLENT INSULATION PERFORMANCE}
본 발명은 단열 성능이 우수한 폴리스티렌 발포체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 폴리스티렌 발포체는 기포 크기가 매우 작아 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율이 낮고, 발포제가 공기로 치환되는 속도가 늦어 열전도율의 상승률이 작은 것을 특징으로 한다.
발포성 폴리스티렌의 열전도율(λtotal)은 수지의 열전도율(λsolid), 발포제의 열전도율(λgas), 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율(λradiation) 및 기포 내부에서 발포제의 대류에 의한 열전도율(λconvection)의 합으로 나타난다.
λtotal = λsolid + λgas + λradiation + λconvection
상기 발포성 폴리스티렌에서 수지가 차지하는 체적은 약 2~10%로 매우 작기 때문에 상기 수지의 열전도율(λsolid)이 발포성 폴리스티렌의 열전도율(λtotal)에 미치는 영향은 미미하다.
상기 발포제의 대류에 의한 열전도율(λconvection)은 기포의 크기(직경)가 약 4mm 이상인 경우에 확인되며 기포 크기가 마이크로미터인 수지 발포체에서는 무시할 수 있는 정도이다.
따라서 발포성 폴리스티렌의 열전도율(λtotal)에 영향을 미치는 인자는 발포제의 열전도율(λgas) 및 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율(λradiation)이다.
상기 발포성 폴리스티렌의 열전도율(λtotal)의 약 70% 이상을 차지하는 것은 발포제의 열전도율(λgas)이다. 상기 발포성 폴리스티렌 내부의 발포제는 시간이 지날수록 공기로 치환되며, 공기의 열전도율은 발포제의 열전도율보다 높기 때문에 상기 발포성 폴리스티렌의 열전도율(λtotal)은 시간이 지날수록 높아지게 된다. 이는 상기 발포성 폴리스티렌의 단열 성능의 저하를 의미한다.
종래에는 발포성 폴리스티렌의 단열 성능을 개선하기 위해 적외선 흡수 물질을 발포성 폴리스티렌 입자의 내부에 도입하거나, 발포성 폴리스티렌 입자의 표면에 코팅하였다.
그러나 위와 같은 기술은 발포제가 공기로 치환되어 열전도율이 높아지는 현상을 막을 수 없어 시간이 지날수록 단열 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
한국등록특허 제10-1662546호
본 발명은 폴리스티렌 발포체의 내부에 잔존하는 발포제가 공기로 치환되는 속도를 늦추고, 치환되는 양을 줄여 폴리스티렌 발포체의 열전도율이 상승하는 것을 억제함으로써 상기 폴리스티렌 발포체의 단열 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율을 낮춰 폴리스티렌 발포체의 단열 성능을 한층 더 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리스티렌 발포체의 제조방법은 무기 입자 및 폴리스티렌 수지를 포함하는 혼합물을 압출하여 펠렛을 얻는 단계, 상기 펠렛과 스티렌계 단량체를 중합하며 발포제를 투입하여 함침시켜 비드(Bead)를 얻는 단계 및 상기 비드를 발포하여 발포립(Insulation granule)을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 폴리스티렌 발포체는 발포립의 기포 크기가 50㎛ 이하인 것일 수 있다.
상기 무기 입자의 함량은 폴리스티렌 수지 100중량부를 기준으로 0.1 내지 30중량부일 수 있다.
상기 폴리스티렌 수지는 스티렌, 에틸스티렌, 디메틸스티렌, 파라-메틸스티렌, 알파-메틸스티렌, 알파-에틸스티렌, 알파-프로필스티렌, 알파-부틸스티렌, 클로로스티렌, 및 브로모스티렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단량체의 중합체; 또는 이 단량체와 비닐 톨루엔, 아크릴로니트릴, 부타디엔, 메틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 이소부틸렌, 염화비닐 및 이소포렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 단량체와의 공중합체를 포함하고, 중량 평균 분자량이 180,000 내지 300,000g/mol인 것일 수 있다.
상기 무기 입자는 입자 크기가 0.1 내지 20㎛인 흑연을 포함하는 것일 수 있다.
상기 펠렛 및 스티렌계 단량체의 중량비는 10 ~ 90 : 90 ~ 10일 수 있다.
상기 발포제는 이소펜탄(isopentane)일 수 있다.
상기 발포제는 중합물 100중량부를 기준으로 1 내지 15중량부로 투입되는 것일 수 있다.
상기 발포하는 단계는 상기 비드에 0.03 내지 0.45kgf/cm2의 스팀압을 가하여 발포하는 것일 수 있다.
상기 폴리스티렌 발포체는 60℃ 이상의 온도에서 보관시, 기포 크기가 150㎛ 이하인 것일 것 있다.
상기 발포체는 하기 식 1을 만족하는 것일 수 있다.
[식 1]
0.5 ≤ Mn/M0
여기서, M0는 발포립에 잔존하는 발포제의 함량이고, Mn은 60일 이상이 경과하였을 때 상기 폴리스티렌 발포체에 잔존하는 발포제의 함량이다.
상기 폴리스티렌 발포체는 열전도율이 0.03W/mK 미만이고, 시간의 경과에 따른 열전도율의 상승률이 6% 미만인 것일 수 있다.
본 발명인 폴리스티렌 발포체 및 이의 제조방법에 따르면 종래에 비해 기포 크기가 현저하게 작은 폴리스티렌 발포체를 얻을 수 있다. 그에 따라 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율(λradiation)이 상당히 낮아져 폴리스티렌 발포체의 열전도율(λtotal)이 낮다. 또한 상기 폴리스티렌 발포체의 내부에 잔존하는 발포제가 공기로 치환되는 속도가 매우 늦어 열전도율의 경시적인 안정성이 크게 향상된다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리스티렌 발포체의 제조방법을 간략히 도시한 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각 실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 폴리스티렌 발포체에 대해 SEM(Scanning electron microscope) 분석을 실시한 결과이다.
도 3a 내지 도 3d는 각각 표 1의 순번1 내지 순번4에 대한 광학현미경 분석을 실시한 결과이다.
도 4a 내지 도 4d는 각각 표 2의 순번1 내지 순번4에 대한 광학현미경 분석을 실시한 결과이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 폴리스티렌 발포체에 대해 특정 시점에서 잔존하는 발포제의 함량을 측정한 결과이다.
도 6은 실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 폴리스티렌 발포체에 대해 특정 시점에서 열전도율을 측정한 결과이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 발명에 따른 폴리스티렌 발포체는 기포 크기가 50㎛ 이하, 바람직하게는 30㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 종래의 일반적인 폴리스티렌 발포체는 기포 크기가 100㎛ 내지 200㎛인 점을 고려하면, 본 발명에 따른 폴리스티렌 발포체는 기포 크기가 굉장히 작은 것을 특징으로 한다. 그에 따라 기포벽 간의 복사에 의한 열전도율(λradiation)이 상당히 낮아지고, 잔존하는 발포제의 함량이 많아지기 때문에 폴리스티렌 발포체의 열전도율(λtotal)이 낮다. 이는 단열 성능이 우수함을 의미한다. 또한 폴리스티렌 발포체의 내부에 잔존하는 발포제가 공기로 치환되는 속도가 매우 늦어 상기 폴리스티렌 발포체의 열전도율 측면의 경시적인 안정성도 크게 향상된다.
참고로 상기 폴리스티렌 발포체의 기포 크기의 하한은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 5㎛ 이상, 바람직하게는 10㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 20㎛ 이상일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리스티렌 발포체의 제조방법을 간략히 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 제조방법은 무기 입자 및 폴리스티렌 수지를 포함하는 혼합물을 압출하여 펠렛을 얻는 단계(S10), 상기 펠렛과 스티렌계 단량체를 중합하며 발포제를 투입하여 함침시켜 비드(Bead)를 얻는 단계(S20) 및 상기 비드를 발포하여 발포립(Insulation granule)을 얻는 단계(S30)를 포함한다. 상기 제조방법은 상기 발포립을 성형하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 "폴리스티렌 발포체"는 상기 발포립을 의미하는 것일 수도 있고, 상기 발포립을 성형하여 얻은 성형체를 의미하는 것일 수도 있다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기 기재 중 "폴리스티렌 발포체", "발포립"에 대한 설명의 문맥을 통해 이들이 의미하는 대상이 무엇인지 명확하게 파악할 수 있을 것이다.
상기 펠렛은 폴리스티렌 수지 및 무기 입자를 혼합한 뒤, 용융 압출하여 얻을 수 있다(S10). 구체적으로 폴리스티렌 수지 및 무기 입자의 혼합물을 단축 성형기 또는 이축 성형기에서 200 내지 250℃ 범위에서 용융시킨 뒤, 수중 펠렛화기(Under Water Cutting) 또는 수냉식 다이면(Die-face) 펠렛화기를 사용하여 펠렛화할 수 있다. 이와 같이 압출된 펠렛은 현탁이 가능하도록 부피가 약 2mm3 이하인 것이 바람직하다.
상기 폴리스티렌 수지는 스티렌, 에틸스티렌, 디메틸스티렌, 파라-메틸스티렌, 알파-메틸스티렌, 알파-에틸스티렌, 알파-프로필스티렌, 알파-부틸스티렌, 클로로스티렌, 및 브로모스티렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단량체의 중합체; 또는 이 단량체와 비닐 톨루엔, 아크릴로니트릴, 부타디엔, 메틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 이소부틸렌, 염화비닐 및 이소포렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 단량체와의 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 폴리스티렌 수지의 중량 평균 분자량은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 180,000 내지 300,000g/mol일 수 있다.
상기 무기 입자는 흑연을 포함할 수 있다. 상기 무기 입자는 입자 크기가 0.1 내지 20㎛인 것일 수 있고, 그 함량은 상기 폴리스티렌 수지 100중량부를 기준으로 0.1 내지 30중량부일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
위와 같이 준비한 상기 펠렛과 스티렌계 단량체를 혼합한 뒤, 핵중합을 실시하고 발포제를 투입하여 함침함으로써 비드를 얻을 수 있다(S20).
상기 스티렌계 단량체는 목적한 전량을 한번에 투입할 수도 있고, 복수회로 분할하여 투입할 수도 있다. 또한 상기 발포제는 중합과 동시에 투입할 수도 있고, 이시(異時)에 투입할 수도 있다. 이는 특별히 제한되지 않으며 목적하는 바에 따라 적절히 조절할 수 있다.
구체적으로 상기 펠렛을 물에 현탁시키고 이에 스티렌계 단량체를 투입한 뒤, 중합 반응을 일으킬 수 있다. 이때, 스티렌계 단량체와 함께 개시제, 분산제, 기포조절제, 난연제 등을 투입할 수 있다. 보다 구체적인 방법은 다음과 같다. 먼저 초순수, 펠렛 및 분산제를 반응기에 투입하여 분산시킨다. 상기 반응기의 온도를 60 내지 90℃ 사이로 상승 및 유지시킨 뒤, 스티렌계 단량체의 일부, 개시제, 기포 조절제, 난연제를 2 내지 3시간에 걸쳐 서서히 투입한다. 이후 반응기의 입구를 닫고 나머지 스티렌계 단량체를 투입을 한다. 이 과정은 온도를 60℃ 내지 90℃ 에서 100℃ 내지 130℃까지 3 내지 6시간 동안 승온하면서 수행한다. 이렇게 핵중합이 완료되면 발포제를 투입하여 100℃ 내지 130℃의 온도에서 3시간 내지 6시간 유지하며 함침을 진행한다.
상기 스티렌계 단량체는 스티렌, 알킬스티렌, 에틸스티렌, 디메틸스틸렌, 파라-메틸스티렌, 알파-알킬스티렌, 알파-메킬스티렌, 알파-프로필스티렌, 알파-부틸스티렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 펠렛 및 스티렌계 단량체의 중량비가 10 ~ 90 : 90 ~ 10이 되도록 상기 스티렌계 단량체를 투입할 수 있다. 상기 중량비는 목적하는 기능성, 물리적 특성에 따라 적절히 조절할 수 있다.
상기 분산제는 발포성 폴리스티렌 입자의 중합 단계에서 통상적으로 사용되는 모든 분산제를 사용할 수 있다. 예를 들면, 무기분산제; 트리칼슘 포스페이트, 마그네슘 피로포스페이트 등의 유기분산제; 폴리 비닐 알코올; 메틸 셀롤로오스; 폴리 비닐 피롤리돈 등을 사용할 수 있다. 분산제의 투입량은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 초순수 100중량부를 기준으로 0.5 내지 3.0 중량부를 투입할 수 있다.
상기 개시제는 중합 단계에서 통상적으로 사용되는 모든 개시제를 사용할 수 있다. 예를 들면, t-부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, (1,1-다이(t-부틸퍼옥실)사이클로헥산과 같은 두 종류의 개시제를 투입할 수 있다. 개시제의 투입량은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 스티렌계 단량체 100중량부를 기준으로 0.1 내지 0.5 중량부를 투입할 수 있다.
상기 기포 조절제는 폴리 에틸렌 왁스 및 에틸렌 비스 스테아르아마이드 (Ethylene Bis Stearamide), 탄산칼슘, 활석, 점토, 실리카, 규조토, 시트르산과 중탄산 나트륨을 사용할 수 있으며, 상기 펠렛 100중량부를 기준으로 0.1 내지 3.0중량부를 사용할 수 있다. 상기 기포 조절제는 기포의 크기를 작게 하여 단열성 및 성형품 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 난연제로는 벤젠, 1,1'-(1-메틸에틸리덴) 비스 [3,5-디브로모-4-(2,3-디브로모-2-메틸프로폭시)], 헥사브로모 시클로도데칸, 테트라브로모 시클로옥탄, 테트라브로모 비닐시클로헥산, 2,2'(4-알릴옥시-3,5-디브로모페닐)프로판, 트리브로모페닐 알릴 에테르 등의 브롬계 난연제와 통상적인 염소계, 인계 난연제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 벤젠, 1,1'-(1-메틸에틸리덴) 비스 [3,5-디브로모-4-(2,3-디브로모-2-메틸프로폭시)]를 사용할 수 있다. 상기 난연제는 상기 펠렛 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5.0중량부를 사용할 수 있다.
본 발명은 종래와 차별화된 발포제를 사용하여 발포립의 기포 크기를 50㎛ 이하, 바람직하게는 30㎛ 이하로 현저하게 줄인 것을 기술적 특징으로 한다.
구체적으로 본 발명은 상기 발포제로 이소펜탄(Isopentatne)을 단독으로 사용한 것을 특징으로 한다. 종래에는 폴리스티렌 발포체를 제조함에 있어서, 발포제로 노르말펜탄(n-Penatne)과 이소펜탄(Isopentatne)을 특정 비율로 혼합한 것을 사용하였다. 본 발명은 종래와 달리 발포제로 이소펜탄만을 사용하면 발포립의 기포 크기가 현저히 작게 형성되어 전술한 바와 같이 폴리스티렌 발포체의 단열 성능 및 단열성의 경시적인 안정성이 크게 향상된다는 것에 기인한 것이다.
상기 발포제의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 상기 펠렛과 스티렌계 단량체의 중합물 100중량부를 기준으로 1 내지 15중량부를 사용할 수 있다.
상기 발포제는 10kgf/cm2 내지 13kgf/cm2의 스팁압으로 투입할 수 있다.
위와 같이 얻은 비드를 발포하여 발포립을 얻을 수 있다(S30). 발포 조건은 특별히 제한되지 않으나, 상기 비드에 0.03kgf/cm2 내지 0.45kgf/cm2의 스팀압을 가하여 발포하는 것일 수 있다. 일반적으로 스팀압이 낮으면 발포시간이 길어지고 그에 따라 발포립의 기포 크기가 굉장히 많이 커진다. 본 발명에 따르면 상기 발포제로 이소펜탄을 사용하는 경우 스팀압이 0.03kgf/cm2로 굉장히 낮은 조건에서 발포하더라도 발포시간이 짧고, 발포립의 기포 크기가 50㎛ 이하로 형성된다. 즉, 본 발명에 따르면 일반적인 발포 조건보다 완화된 조건에서도 기포 크기가 작은 폴리스티렌 발포체를 얻을 수 있어 폴리스티렌 발포체의 공정성 및 물성재현성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 폴리스티렌 발포체의 제조방법은 상기 발포립을 성형하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다. 상기 성형 단계는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 형상 또는 제품에 따라 적절한 방법 및 장치 등으로 수행할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
(S10) 폴리스티렌(금호석유화학; GP 125E) 10kg에 흑연(하은테크; WF99-5) 0.9kg을 투입하여 혼합하고, 이 혼합 조성물을 이축 성형기에서 230℃로 용융시키고, 수중 펠렛화기(Under water cutting)를 이용하여 지름이 0.85~1.0mm 수준의 펠렛을 얻었다.
(S20) 15L 반응기에 초순수 4.5kg, 분산제(트리칼슘포스페이트; ㈜두본) 50g 및 계면활성제(소듐알킬벤젠술폰네이트; 엘지생활건강) 4.5g을 투입하여 310RPM으로 교반하고, 상기 펠렛 2.9kg을 투입한다. 이후 70℃까지 반응기 온도를 승온시키고, 스티렌 모노머(Styrene Monomer; SK) 700g, 저온 개시제(t-부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트; 세기아케마) 3g, 고온 개시제(1,1-다이(t-부틸퍼옥실)사이클로헥산; 세기아케마) 6g, 난연제(벤젠, 1,1'- (1- 메틸에틸리덴) 비스 [3,5- 디브로모 -4- (2,3- 디브로모 -2- 메틸프로폭시)]; 한외통상) 100g, 난연 보조제(디큐밀퍼옥사이드; 명진폴리켐) 140g, 계면활성제(소듐알킬벤젠술폰네이트; 엘지생활건강) 2.5g, 유기 분산제(폴리 비닐 피롤리돈; 바스프) 1.6g, 순수 1.5kg과 유화시켜 1.5시간 동안 투입한다. 투입이 완료되면 반응기 입구를 닫고 70℃에서 115℃까지 3.5시간 동안 승온시키면서 나머지 스티렌 모노머 2.4kg을 천천히 투입하여 중합을 진행한다.
승온이 완료된 후 발포제로 이소펜탄(Isopentane; 대정) 420g을 질소 압력으로 반응기에 투입하고 최종 반응기 압력을 13kgf/cm2로 유지하면서 4.5시간 동안 함침을 진행한다. 이후 반응기 내부 온도를 30℃ 이하로 냉각시키고, 냉각이 완료되면 비드를 반응기에서 배출한다. 상기 비드를 수세 및 건조한 뒤, 통상적인 블랜딩제를 도포하였다.
(S30) 상기 비드를 1호 (밀도 33kg/㎥)로 발포 후 24시간 발포립 숙성을 진행한 뒤 성형하여 폴리스티렌 발포체를 얻었다.
비교예1
발포제로 노르말펜탄(n-Pentane; 대정)을 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법 및 조성으로 폴리스티렌 발포체를 제조하였다.
비교예2
발포제로 시클로펜탄(Cyclopentane; 대정)을 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법 및 조성으로 폴리스티렌 발포체를 제조하였다.
비교예3
발포제로 노르말펜탄(n-Pentane; 대정)과 이소펜탄(Isopentatne; 대정)을 80 : 20의 중량비로 혼합한 것을 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법 및 조성으로 폴리스티렌 발포체를 제조하였다.
실험예1
상기 실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 폴리스티렌 발포체의 기포 크기를 확인하기 위해 SEM(Scanning electron microscope) 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 2a 내지 2c와 같다. 구체적으로 도 2a는 실시예의 결과이고, 도 2b는 비교예1의 결과이며, 도 2c는 비교예2의 결과이다.
이를 참조하면, 발포제로 이소펜탄을 단독 사용한 본 발명에 따른 폴리스티렌 발포체인 실시예는 약 30 내지 45㎛, 발포제로 노르말펜탄을 사용한 비교예1은 약 55 내지 70㎛, 발포제로 시클로펜탄을 사용한 비교예2는 약 75 내지 110㎛의 기포 크기를 보임을 알 수 있다.
실험예2
실시예 및 비교예3에서 스팀압을 표 1과 같이 변경하며 비드를 발포하였고, 그에 따른 발포시간 및 기포 크기를 측정하였다. 그 결과는 표 1 및 도 3a 내지 도 3d와 같다.
구분 순번 발포제 스팀압
[kgf/cm2]		 발포시간
[초]		 기포 크기
[㎛]
실시예 1 이소펜탄 0.45 11 30~35
2 0.03 41 45~60
비교예3 3 노르말펜탄과 이소펜탄의 혼합물 0.45 17 40~70
4 0.03 84 75~110
표 1의 각 순번에 따른 기포 크기는 도 3a 내지 도 3d과 같이 광학현미경 분석을 통해 측정하였다. 구체적으로 도 3a 내지 도 3d는 각각 표 1의 순번1 내지 순번4의 결과이다.
표 1 및 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 실시예는 스팀압이 0.03kgf/cm2으로 굉장히 낮은 조건에서 발포 단계(S30)를 수행하더라도 비교예3에 비해 발포시간이 짧고, 기포 크기가 50㎛로 작게 형성됨을 알 수 있다.
실험예3
발포성 폴리스티렌 입자는 보관이나 운송 과정에서 고온에 노출되면 최종 폴리스티렌 발포체의 인접한 기포들이 뭉쳐져 대립화되는 현상이 일어난다. 즉, 기포의 크기가 커지는 것이다. 이에 실시예와 비교예3에 따른 발포성 폴리스티렌 입자의 고온 안정성을 평가하기 위해 각 발포성 폴리스티렌 입자를 특정 온도에 같은 시간 동안 노출시킨 뒤, 최종 폴리스티렌 발포체의 기포 크기를 측정하였다. 그 결과는 표 2와 같다.
구분 순번 발포제 노출온도
[℃]		 기포 크기
실시예 1 이소펜탄 40 100㎛ 이하
2 60 150㎛ 이하
비교예3 3 노르말펜탄과 이소펜탄의 혼합물 40 200㎛ 이하
4 60 500㎛
위 표 2의 각 순번에 따른 기포 크기는 도 4a 내지 도 4d과 같이 광학현미경 분석을 통해 측정하였다. 구체적으로 도 4a 내지 도 4d는 각각 표 2의 순번1 내지 순번4의 결과이다.
표 2 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 실시예는 60℃의 높은 온도에 노출되어도 기포의 대립화 정도가 낮아 기포의 크기가 150㎛ 이하로 유지되는 반면에, 비교예3은 같은 조건에서 기포의 크기가 약 500㎛까지 증가함을 알 수 있다.
결과적으로 본 발명에 따르면 고온 안정성이 우수한 발포성 폴리스티렌 입자를 얻을 수 있음을 확인하였다.
실험예4
실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 폴리스티렌 발포체에 대해 특정 시점에서 잔존하는 발포제의 함량을 측정하였다. 그 결과는 도 5a 내지 도 5c와 같다. 구체적으로 도 5a 내지 도 5c는 각각 실시예, 비교예1 및 비교예2의 결과이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예의 경우 발포립에 잔존하는 발포제의 함량이 약 3.65중량%이고, 상기 발포립을 성형(발포체)한 뒤에 잔존하는 발포제의 함량이 약 3.17중량%이며, 상기 발포체를 상온에서 28일 및 62일 방치한 뒤에 잔존하는 발포제의 함량이 각각 약 1.87중량%, 1.84중량%임을 알 수 있다. 상기 실시예는 기포의 크기가 매우 작기 때문에 발포체 내에 발포제의 함량이 높다. 또한 상기 발포체는 약 30일이 경과하면 발포제의 유출이 거의 없어진다. 따라서 본 발명에 따른 폴리스티렌 발포체는 하기 식 1을 만족한다.
[식 1]
0.5 ≤ Mn/M0
여기서, M0는 발포립에 잔존하는 발포제의 함량이고, Mn은 시간의 경과에 따른 상기 폴리스티렌 발포체에 잔존하는 발포제의 함량이다. "시간의 경과에 따른" 것은 약 한 달 이상, 바람직하게는 60일 이상이 경과하였을 때를 의미한다. 참고로 상기 식 1의 Mn/M0의 상한은 특별히 한정되지 않고, 1 미만일 수 있다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 비교예1 및 비교예2의 경우 약 62일이 경과할 때까지 지속적으로 발포제의 함량이 줄어들고 있음을 알 수 있다. 이는 기포의 크기가 크기 때문에 발포제가 공기로 계속 치환되고 있음을 의미한다.
실험예5
실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 폴리스티렌 발포체에 대해 특정 시점에서 열전도율을 측정하였다. 열전도율은 Netzsch사의 열전도율 기기를 치용하여 측정하였다(HFM 436/3/1). 그 결과는 도 6과 같다.
도 6을 참조하면, 실시예는 열전도율이 0.03W/mK 미만, 구체적으로는 성형 후 하루 경과 시점의 열전도율이 0.028W/mK, 성형 후 28일 경과 시점의 열전도율이 0.029W/mK로 굉장히 낮을 뿐만 아니라, 시간의 경과에 따른 열전도율의 상승률이 6% 미만임을 알 수 있다.
반면에 비교예1 및 비교예2는 성형 후 28일 경과 시점의 열전도율이 각각 0.031W/mk 및 0.031W/mK로 상기 실시예에 비해 높고, 특히 비교예1은 28일 경과 시점에서 열전도율의 상승률이 약 11%에 달함을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. 무기 입자 및 폴리스티렌 수지를 포함하는 혼합물을 압출하여 펠렛을 얻는 단계;
    상기 펠렛과 스티렌계 단량체를 중합하고 발포제를 투입하여 함침시켜 비드(Bead)를 얻는 단계; 및
    상기 비드를 발포하여 발포립(Insulation granule)을 얻는 단계;를 포함하고,
    상기 발포립의 기포 크기가 50㎛ 이하인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기 입자의 함량은 폴리스티렌 수지 100중량부를 기준으로 0.1 내지 30중량부인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 수지는 스티렌, 에틸스티렌, 디메틸스티렌, 파라-메틸스티렌, 알파-메틸스티렌, 알파-에틸스티렌, 알파-프로필스티렌, 알파-부틸스티렌, 클로로스티렌, 및 브로모스티렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단량체의 중합체; 또는 이 단량체와 비닐 톨루엔, 아크릴로니트릴, 부타디엔, 메틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 이소부틸렌, 염화비닐 및 이소포렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 단량체와의 공중합체를 포함하고,
    중량 평균 분자량이 180,000 내지 300,000g/mol인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기 입자는 입자 크기가 0.1㎛ 내지 20㎛인 흑연을 포함하는 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펠렛 및 스티렌계 단량체의 중량비가 10 ~ 90 : 90 ~ 10인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발포제는 이소펜탄(isopentane)인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발포제는 중합물 100중량부를 기준으로 1 내지 15중량부로 투입되는 것인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비드에 0.03 내지 0.45kgf/cm2의 스팀압을 가하여 발포하는 것인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 발포체는 발포성 폴리스티렌 입자를 60℃ 이상의 온도에서 보관시, 기포 크기가 150㎛ 이하인 발포성 폴리스티렌 입자의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 발포체는 하기 식 1을 만족하는 것인 발포성 폴리스티렌 입자의 제조방법.
    [식 1]
    0.5 ≤ Mn/M0
    여기서, M0는 상기 발포립에 잔존하는 발포제의 함량이고, Mn은 60일 이상이 경과하였을 때 상기 폴리스티렌 발포체에 잔존하는 발포제의 함량이다.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 발포체는 열전도율이 0.03W/mK 미만이고,
    시간의 경과에 따른 열전도율의 상승률이 6% 미만인 것인 폴리스티렌 발포체의 제조방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되고, 기포 크기가 50㎛ 이하인 폴리스티렌 발포체.
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