KR20210150848A - TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법 - Google Patents

TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TVOCs(총유기휘발분)가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 대두유 추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 바이오 폴리올(NPO) 100중량부에 대하여, 개질화된 메틸렌디페닐이소시아네이트(MDI; Methylene diphenyl diisocyanate) 35~55중량부를 혼합한 후, 반응시켜 완성되는 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 가지는 바이오 프리폴리머(Prepolymer) 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5~5.5 중량부를 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법이 개시된다.

Description

TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법{Eco-friendly vegetable viscoelastic mattress foam with reduced TVOCs and its manufacturing method thereof}
본 발명은 TVOCs(총유기휘발분)가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 대두유추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 점탄성의 바이오 폴리올 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 지니고 있는 바이오 프리폴리머에 개질화된 MDI를 결합시킴으로써 VOCs(유기휘발분)이 현저히 감소되는 효과를 가지며, 또한, 현저한 개방형 셀기공 구조를 확보함으로써 인체 체압하중과 압점 완화 성능이 우수하고, 고통기성을 확보하도록 한 TVOCs(총유기휘발분)가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다양한 관련 기술 분야에서 점탄성 발포체는 이소시아네이트 성분과 이소시아네이트 성분과 반응성인 이소시아네이트 반응성 성분의 반응 생성물인 조성물로부터 형성한다. 이들 발포체 관련 기술은 미국특허 6,204,300; 유럽특허출원 1,178,061; 및 PCT 공개 WO 01/32736에 기재되어 있다.
점탄성 폴리우레탄 발포체는 현재 미국에서 틈새(niche) 출원이다. 자동차용 응용시 상당한 양의 작업이 수행되기 때문에 주로 가정 및 사무용 가구에 사용한다. 가정용 가구 응용에 있어서 점탄성 발포체 시장은 미국에서 현재 약 2500만 lbs/yr로 추정된다. 지금은 시장 크기가 상대적으로 작지만, 연간 약 20% 내지 30%의 추정 속도로 성장하고 있다.
점탄성 발포체는 압축 사이클 동안 느린 회복을 나타내며, 따라서 히스테리시스(hysteresis)가 높다. 그들은 또한 통상 낮은 볼 반동(rebound) 수치를 가진다. 이들 특성은, 발포체로 공기가 다시 들어가는 속도에 의해 회복이 제한됨에 따라, 낮은 기류로부터, 또는 발포 중합체의 고유 성질에 의해 유래한다.
중합체 점탄성은 일반적으로 온도-민감성이며, 중합체가 유리 전이될 때 최대화된다. 현재 연구되는 점탄성 발포체의 경우, 이런 유리전이는 연질 폴리에테르 단편 상의 유리질화(vitrification)로부터 기인한다. 연질 단편 페이즈(soft segment phase)의 구조 및 조성을 조작함으로써 유리 전이 온도가 대략적으로 물질의 "사용 온도"와 일치하게 되며, 그물질의 점탄성 성질이 최대화된다.
이 물질을 매트리스 또는 좌석 쿠션으로 사용하는 경우, 사용자로부터의 체열이 그 물질의 일부를 데우게 되고, 따라서 그것이 부드러워진다. 결과적으로 쿠션이 그것과 접촉하고 있는 신체 일부의 형상으로 몰딩되고, 더 균일한 압력 분포를 유발시키며, 편안함이 증가하게 된다. 게다가, 물질의 나머지는 딱딱함을 유지하여, 지지를 제공한다. 따라서, 온도 민감성이 그 물질의 효과적인 지지 팩터를 증가시키며, 금속 스프링 없이도 매트리스의 구성을 허용하게 된다.
발포체를 사용하는 온도에서 유리 전이가 발생하도록 이소시아네이트 성분의 유형 및 이소시아네이트 반응성 성분의 작용성 및 히드록실수(hydroxyl number)를 선택하고 제제화한다. 점탄성 발포체의 대부분의 물리적 성질이 종래의 발포체와 유사하지만, 점탄성 발포체의 회복력(resilience)이 일반적으로 약 15% 이하로 더 낮다. 점탄성 발포체에 대한 적절한 응용은 그것의 형상 순응성, 에너지 감소, 및 소음 감소(sound damping) 특성이라는 장점을 제공한다.
이들 특성을 획득하는 한가지 방법은 미국특허 4,367,259에서와 같이 이소시아네이트 반응성 성분, 이소시아네이트 성분, 계면활성제, 촉매, 충전재(filler), 또는 다른 성분의 함량 및 유형을 변경시켜, 낮은 회복력, 뛰어난 부드러움, 및 우수한 가공 특성을 갖는 발포체에 도달하게 되는 것이다. 그렇지만, 흔히, 이들 제제를 가공하기 위한 윈도우는 의도하지 못한 만큼 좁다. 이들 접근은 미국특허 6,495,611 및 5,420,170에 보여진다. 다른 발포체 관련 기술은 미국특허 4,334,031; 4,374,935; 및 4,568,702; PCT 공개 WO 01/25305; 유럽특허 0934962; 및 유럽특허출원 1125958 및 0778301에 보여진다. 그렇지만, 이들 관련 기술 특허 중 어느 것도 유일하고 신규한 본 발명의 폴리우레탄 점탄성 발포체을 개시하거나 또는 제안하지 않는다.
점탄성 발포체를 제조하기 위한 다른 접근은 폴리에테르 폴리올과 다른 성분의 혼합물을 발견하는 것에 따라 정해진다. 예를 들면, 미국특허 4,987,156은 각각 수산 작용기 2 이상을 가지는 고분자량과 저분자량의 폴리올의 혼합물 및 -20℃ 이하의 응고점을 갖는 가소제로, 부드럽고, 낮은-회복력 발포체를 얻었다.
그렇지만, '156 특허는 점탄성 발포체를 개시하고 있지 않으며 가소제의 존재시 폴리올과 이소시아네이트가 반응하게 되는 것을 필요로 하였다. 미국특허 5,420,170은 수산 작용기 23-28을 가지는 하나의 폴리올과 작용기 2-3을 가지는 다른 폴리올을 포함하는 혼합물의 용도를 교시하고 있다.
미국특허 5,919,395은 2500 내지 6500 중량 평균 분자량 폴리올로서 작용기 25 내지 6을 가지는 것과 강성(rigid) 폴리올로서 분자량 300 내지 1000 및 작용기 25 내지 6을 가지는 것을 함유하는 폴리올 혼합물에 대한 유사한 접근을 개시하고 있다. '170 특허 또는 '395 특허 어느 것도 발포체의 유리 전이 온도를 변경시키기 위해 조성물에 사슬 연장제를 첨가하는 것에 대해서는 개시하고 있지 않다.
다른 조성물 관련 기술은 Lutter 및 Mente의 논문 "Novel MDI-Based Slabstock Foam Technology"에 개시되어있다. 개시된 조성물은 이소시아네이트-종결 프리폴리머, 가요성 폴리올, 및 에틸렌-옥사이드 풍부 폴리올로부터 점탄성 발포체를 제조한다. 그렇지만, 이 논문은 향상된 성질을 가지는 점탄성 발포체를 제조하기 위한 유의적인 양으로 존재하는 사슬 연장제를 개시하지 않는다.
모노올, 예컨대 단일작용기성 알콜은, 또한 다양한 이유로 가요성 폴리우레탄 발포체에 포함되지만, 예컨대 미국특허 6,391,935에서와 같이 점탄성 발포체에는 거의 사용하지 않는다. '935 특허는 TDI 계 점탄성 발포체를 개시하며 발포체 실질적으로 TDI가 없는 발포체를 개시하고 있지 않다. '935 특허는 또한 발포체의 유리 전이온도를 변경시키기 위한 사슬 연장제를 사용하는 것에 대하여 개시하고 있지 않다. 모노올을 포함하는 대부분의 참고문헌은 높은 회복력을 가지는 발포체를 형성하는 조성물을 교시하고 있다. 예컨대 미국특허 4981,880, 3,875,086, 및 3,405,077 참조. 그렇지만, 이들 참고문헌 중 어느 것도 점탄성 발포체를 제조하기 위한 사슬 연장제를 포함하는 방염제(flame retardant)가 실질적으로 없는 조성물을 사용하는 것을 개시하고 있지 않다.
다른 참고문헌은 저분자량 단일작용기성 물질을 사용하는 것을 교시하고 있다. 예를 들면, 미국특허 5,631,319는 비-점탄성 발포체 중 하이드록시케톤과 조합된 C1-C25 모노알콜을 사용하는 것을 교시하고 있다.
미국특허 4,209,593은 나프톨 또는 다른 "벌크" 모노하이드록시 화합물을 사용하여 에너지-흡수 발포체를 제조하는 것을 교시하고 있다. '319 특허 및 '593 특허는 모두 본 발명에 따른 점-탄성 발포체를 개시하고 있지 않다. 불행히도, 점탄성 발포체 중 저분자량(<1000)을 비롯하여, 히드록실 수치가 높은 (>60 mg KOH/g) 모노올은 중요한 발포체 성질, 구체적으로 압축 세트에 반대로 영향을 미칠 수 있다. 게다가, 어떤 모노올도, 특히 저-인덱스(index) 제제에서 대량으로 반응하지 않고 남아있을 수 없으며, 결과적으로 만졌을 때 기름과 같으며 "핸드 필(hand feel)"이 좋지 않은 발포체를 형성하게 된다.
유럽특허출원 0913414는 폴리에테르 모노올을 함유하는 점탄성 [0010] 폴리우레탄 발포체를 개시하고 있다. 모노올로서, 분자량이 1500 이하인 것은, 분자량이 1800 이상인 폴리올과 함께 사용한다. 모든 예는 90 이하의 저 이소시아네이트 인덱스를 가지는 발포체를 제조한다. 미국특허 4,950,695는 가요성 폴리우레탄 발포체를 유화시키기 위한 단일작용기성 알콜 또는 폴리에테르를 교시하고 있다. 그 제제는 또한 2000 내지 6500 분자량인 트리올을 개시하고 있다. '695 특허는 추가 방염제를 첨가하지 않은 방염제인 점탄성 발포체를 개시하고 있지 않다.
이들 발포체는 1 또는 그 이상의 문제점을 특징으로 한다. 따라서, 이들 문제점을 극복한 점탄성 폴리우레탄 발포체를 제공하는 것이 유리하다. 게다가, 이소시아네이트 성분과 이소시아네이트 반응성 성분의 반응 생성물이며 발포체의 물리적 성질 및 점탄성을 향상시키기 위한 사슬 연장제를 포함하는 조성물로부터 형성된 점탄성 발포체를 제공하는 것이 유리하다.
상기한 종래의 연질형 폴리우레탄 매트리스 발포제 대부분은 2개 이상의 수산기(-OH)를 가진 폴리머 구조화합물과 방향족 이소시아네이트(Aromatic Isocyanate) 화합물 구성으로 된 우레탄 가교결합물로, 이러한 요인에 의해 침구 및 침장제품 고유의 본연적 특성인 인체 안락감과 무해성을 극대화시키지 못한다는 단점과 더불어 TVOCs(총유기휘발분)이나 유해한 잔존성분으로부터 완전히 자유로울 수 없는 제약된 유해환경에 의해 제공된 매트리스가 대부분이다.
1. 대한민국등록특허공보 제10-1429308호 2. 대한민국등록특허공보 제10-1088628호 3. 대한민국등록특허공보 제10-1914020호
본 발명에서는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 인체 안락감과 무해성을 극대화시키고, 더불어 TVOCs(총유기휘발분)이나 유해한 잔존성분으로부터 자유로울 수 있는 유해환경 요소로부터 자유로운 친환경의 식물성이면서 고통기성의 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
상기한 과제를 해결한 본 발명의 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체는 본 발명에서는 식물계에서 유래하는 대두유(Soybean-oil) 추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 점탄성의 바이오 폴리올(NOP)에 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 지니고 있는 바이오 프리폴리머(Prepolymer) 100중량부와 개질화된 MDI(Methyene Di-phenyl Isocyanate) 35~55 중량부로 구성 후 결합된 TVOCs(총유기휘발분)이 저감된 친환경 식물성의 점탄성 매트리스를 고안함으로, 종래의 2개 이상의 수산기가(-OH)를 가진 폴리머 구조화합물 및 이소시아네이트(Isocyanate) 사용을 통해 비롯되는 TVOCs(총유기휘발분) 영향에서 5~10ppm 이상방출량 검지시험(MS 300-55)에서 현저히 감소되는 효과를 보았으며 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 대두유 추출물은 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil) 100중량부에 대하여, 메탄올 15 ~ 35 중량부와, 산촉매 1.5 ~ 3.5 중량부를 혼합한 후, 50℃ 이상의 온도로 열을 가하여 25 ~ 35분간 메탄올 분해(Methanolysis) 과정을 거친 후 냉각시키고, 산을 제거하기 위해 중화제를 투입하여 염을 형성하고, 상기 염을 여과한 후 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 합성되는 대두유(Soybean Oil) 기반 바이오 폴리올(NPO)인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 중화제는 과산화수소수, 염화나트륨, 수산화나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 대두로부터 식물성 정제유인 대두유 추출물을 얻는 제1단계;
상기 제1단계의 대두유 추출물을 유기반응 결합시켜 바이오 폴리올(NOP)을 합성하는 제2단계;
상기 제2단계의 바이오 폴리올(NOP)을 반응시켜 바이오 프리폴리머(Prepolymer)를 완성하는 제3단계;
상기 제3단계의 바이오 프리폴리머 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 포함하도록 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 제4단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 제공되는 제조방법에 의해 제조되는 친환경 식물성의 점탄성 매트리스 발포체는 대두유추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 점탄성의 바이오 폴리올 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 지니고 있는 바이오 프리폴리머에 개질화된 MDI를 결합시킴으로써 종래의 2개 이상의 수산기가(-OH)를 가진 폴리머 구조화합물 및 이소시아네이트(Isocyanate) 사용을 통해 비롯되는 VOCs(유기휘발분) 영향에서 5 ~ 10ppm 이상 방출량 검지시험(MS 300-55)에서 현저히 감소되는 효과를 가지며, 또한, 현저한 개방형 셀기공 구조를 확보함으로써 인체 체압하중과 압점 완화 성능이 우수하고, 고통기성을 확보하여 종래의 매트리스 발포체의 열세한 통기성능에 따른 숙면시 체압분산 효과미비와 낮은 압점완화 성능 문제점을 해결할 수 있는 장점을 가진다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 TVOCs(총유기휘발분)이 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil)에 메탄올과 산촉매(황산)를 혼합하여 메탄올 반응을 시키고, 중화제처리하여 산을 제거하여 염을 만들고, 상기 염을 여과하여 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 최종의 식물계 유래 대두유(Soybean Oil) 기반 바이오 폴리올(NOP)을 사용하여 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있는 것으로,
보다 구체적으로 본 발명에 따른 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체는 대두유 추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 바이오 폴리올(NPO) 100중량부에 대하여, 개질화된 메틸렌디페닐이소시아네이트(MDI; Methylene diphenyl diisocyanate) 35~55중량부를 혼합한 후, 반응시켜 완성되는 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 가지는 바이오 프리폴리머(Prepolymer) 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 것에 그 특징이 있다.
바람직하게 상기 바이오 폴리올은 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil) 100중량부에 대하여, 메탄올 15 ~ 35 중량부와, 산촉매 1.5 ~ 3.5 중량부를 혼합한 후, 50℃ 이상의 온도로 열을 가하여 25 ~ 35분간 메탄올 분해(Methanolysis) 과정을 거친 후 냉각시키고, 산을 제거하기 위해 중화제를 투입하여 염을 형성하고, 상기 염을 여과한 후 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 합성되는 대두유(Soybean Oil) 기반 바이오 폴리올(NOP)을 사용하는 것이다.
이때, 상기 메탄올의 사용량이 15 중량부 미만일 경우에는 ESO(Epoxidized Soybean Oil)의 1차적인 초기 분해반응 저하로 감압증류시 순수한 정제유 기반 폴리올을 얻기 어려운 문제가 있고, 35 중량부를 초과할 경우에는 과도한 초기 분해반응으로 정제된 원액성분의 기반 폴리올을 수득하시 어려운 문제가 있다.
상기 산촉매로는 황산을 사용하며, 상기 황산의 사용량이 1.5 중량부 미만일 경우에는 탈검화 반응에 따른 불순물 제거가 어려운 문제가 있고, 3.5 중량부를 초과할 경우에는 과도한 탈검화 반응에 따른 순수한 원액성분의 손실을 가져올 수 있는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 중화제는 과산화수소수, 염화나트륨, 수산화나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이 좋다. 바람직하게 상기 중화제는 상기 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil) 100중량부에 대하여, 15 ~ 25 중량부를 투입하는 것이다. 만일, 그 투입량이 15 중량부 미만일 경우에는 잔류 메탄올 성분과 산 성분이 함유되어 수소이온지수(pH농도값)이 2.5~3.5 산성화되는 단점이 있고, 25 중량부를 초과할 경우에는 과도한 해리(解離) 현상으로 화합물 내의 이온분자간 결합력 저하로 우레탄 반응시 가교력이 현격히 저하되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에서는 상기 개시되는 매트리스 발포체의 제조방법에 제공된다.
보다 구체적으로 본 발명에 따른 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체의 제조방법은 하기의 단계를 포함하여 이루어지는 것에 그 기술적 특징이 있는 것이다.
그 제조방법은
대두로부터 식물성 정제유인 대두유 추출물을 얻는 제1단계;
상기 제1단계의 대두유 추출물을 유기반응 결합시켜 바이오 폴리올(NOP)을 합성하는 제2단계;
상기 제2단계의 바이오 폴리올(NOP)을 반응시켜 바이오 프리폴리머(Prepolymer)를 완성하는 제3단계;
상기 제3단계의 바이오 프리폴리머 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 포함하도록 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 제4단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 제 2 단계의 유기반응 결합은 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil)에 메탄올과 산촉매(황산)를 혼합한 후, 50℃ 이상의 온도로 25 ~ 35분간 열을 가하여 메탄올 분해(Methanolysis) 과정을 거친 후 냉각시키고, 산을 제거하기 위해 중화제를 투입하여 염을 형성하고, 상기 염을 여과한 후 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 합성되는 과정으로 이루어지는 것이다.
바람직하게 상기 ESO와 메탄올과 산촉매(황산)는 ESO 100중량부에 대하여, 메탄올 15 ~ 35 중량부와, 산촉매(황산) 1.5 ~ 3.5 중량부를 포함하도록 투입하여 혼합하는 것이다.
이때, 상기 합성과정 중 감압증류는 일반적으로 온도가 높을수록 액체의 증기압은 증가한다. 액체의 증기압이 외부압력과 같아질 때의 온도를 끓는점이라고 하며 특히 외부 압력이 1기압일 때의 끓는점을 정상 끓는점이라고 한다. 일반적인 증류는 이런 정상 끓는점까지 액체를 가열하여 분리하는 방법이다. 진공펌프 등을 사용하여 압력을 낮추면 정상 끓는점보다 낮은 온도에서 액체가 끓기 시작하므로 이를 이용하여 낮은 온도에서 성분물질을 분리해낼 수 있다. 본 발명의 감압증류는 2~3mmHg, 약 200~ 250℃범위의 조건하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 제 3 단계는
상기 바이오 폴리올(NOP)과 점탄성을 가지는 수평균분자량 200 ~ 600 수준의 반경질형 폴리올을 액비 5 : 5 로 혼화한 후, MDI(Methylene diphenyl di-isocyanate)를 투입하고, 30분 이상 승온을 시작하여 온도 80±3℃에서 2~3시간 동안 1,500 ~2,000rpm으로 유지하여 교반하면서 반응시킨 후, 탈포 및 감온을 위해 300~500rpm으로 감속시켜 55℃까지 냉각시키는 과정으로 이루어지는 것이다.
이때, 상기 승온은 바람직하게 3 ~ 5℃/분의 승온속도로 30 ~ 50분간 승온시키는 것이다. 만일, 상기 승온속도의 임계치를 벗어날 경우에는 점탄성을 가지는 250~600 범위의 저분자량의 폴리올 원료성분이 이성질화(isomerization) 반응이 촉진되어 점탄성을 가지는 우레탄 반응의 -OH/NCO비의 균형비가 맞지 않게 됨으로써 원하는 점탄성을 가지는 기계적 물성을 가지는 매트리스 발포가 어려워지거나 혹은 균일한 상태의 원료수지액을 얻기가 어려워 우레탄 반응결합간의 가교력이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한, 승온시간은 30분 미만일 경우에는 균일간 성상의 원료분산액을 얻기가 어려워지는 문제가 있을 수 있고, 50분을 초과할 경우에는 지나치게 연화되어 발포시 매트리스 제품의 특질 자체가 고탄성 연성화되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 MDI를 투입하여 반응시킨 후, 바이오 폴리올과 디이소시아네이트의 NCO/OH비가 1.0 ~ 1.8인 것에 그 특징이 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 바람직한 예시로서, 하기의 실시예로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 통상의 기술자라면 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 변형 가능한 것이다.
[실시예]
1. 대두유 추출물 수득
대두콩 10kg을 준비하고, 깨끗하게 세척 후, 충분히 건조하여 준비한다.
상기 준비된 대두콩을 가열(볶기) -> 압착 -> 용매추출 -> 탈검화(Degumming) -> 정제(Deacidification) -> 표백 -> 탈취 -> 첨가작업의 순서로 이루어지는 통상의 식물성 정제유를 얻는 공정을 통해 가공하여 대두유 추출물을 준비하였다.
2. 바이오 폴리올(NOP)합성
준비된 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil)에 메탄올과 산촉매(황산)를 혼합한 후, 50 ± 5℃ 이상의 온도로 15 ~ 35분간 열을 가하여 메탄올 분해(Methanolysis) 과정을 거친 후 냉각시키고, 산을 제거하기 위해 중화제를 투입하여 염을 형성하고, 상기 염을 여과한 후 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 바이오 폴리올(NOP)을 합성하여 준비한다.
이때, 상기 ESO와 메탄올과 산촉매는 ESO 100중량부에 대하여, 메탄올 15 ~ 35 중량부, 산촉매 1.5 ~ 3.5 중량부를 포함하도록 혼합하였다. 그리고, 상기 메탄올 분해과정을 거친 후 투여되는 중화제는 과산화수소수, 염화나트륨, 수산화나트륨을 사용하였으며, 그 투입량은 상기 ESO 100중량부에 대하여, 15 ~ 25 중량부를 투입하였다.
3. 바이오 프리폴리머 제조
상기 준비된 바이오 폴리올(NOP)과 점탄성을 가지는 수평균분자량 200 ~ 600 수준의 반경질형 폴리올을 액비 5 : 5 로 혼화한 후, MDI(Methylene diphenyl di-isocyanate)를 투입하고, 30분 이상 승온을 시작하여 온도 80±3℃에서 2~3시간 동안 1,500 ~ 2,000rpm으로 유지하여 교반하면서 반응시킨 후, 탈포 및 감온을 위해 300~500rpm으로 감속시켜 55℃까지 냉각시켜 바이오 프리폴리올을 제조하여 준비한다.
본 발명에서는 사용한 프리폴리머(Prepolymer) 중합 반응장치는 온도조절기가 부착된 Oil-bath, 질소가스 주입부, 환류냉각기로 이루어진 500 mL 3-necked 반응장치를 사용하였고, 환류냉각기 부분에는 수분에 의한 경화방지를 위해 칼슘관을 설치하였다.
4. 매트리스 발포체 제조
상기 준비된 바이오 프리폴리머 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 포함하도록 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법으로 통상의 조건을 적용하여 발포시킨 발포체를 준비하였다.
[비교예]
종래의 2개 이상의 수산기(-OH)를 가진 폴리머 구조화합물 및 이소시아네이트를 사용하여 제조한 A사의 발포체를 준비하였다.
comp 비교예 실시예
폴리올 점탄성 100 --
바이오 프리폴리머 -- 100
정포제 1.0 ~ 2.5 1.0 ~ 2.5
아민촉매 0.05 ~ 0.25 0.05 ~ 0.25
유기주석 촉매 0.10 ~ 0.35 0.10 ~ 0.35
물 1.5 ~ 5.5 1.5 ~ 5.5
파라핀 오일 -- 1.0 ~ 2.5
계피분 -- 2.5 ~ 5.5
이소시아네이트(MDI) 35 ~ 55 35 ~ 55
밀도(kg/m3) 25 ~ 50 25 ~ 50
회탄성(SRT, sec) 5 ~ 7 8 ~ 12
회탄성(SRT _ Slow Recovery Time ; sec)
일정 규격의 시험편(가로*세로*높이 = 300*300*25mm)상에 50 ~ 100gram 중량을 가지는 철제봉으로 시험편을 함께 밀착되게 감은 후 완전 복원되기 이전까지의 측정 시간
<성능시험>
상기 준비된 실시예의 매트리스 발포체와 비교예에서 준비된 A사의 발포체시료를 길이 × 폭 × 두께 = 50mm × 50mm × 10mm 의 크기와 공기투과도 시험측정을 위해 길이 × 폭 × 두께 = (50 )mm × (50 )mm × (25 )mm의 크기로 준비하였다.
준비된 발포체의 물성시험으로 TVOCs(총유기휘발분)와, 통기성을 비교시험하여 보았으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
(1) 시험방법
가. TVOCs(총유기휘발분)
MS 300-55 규격으로 시험
· 샘플백 밑단을 절편 후 PU 샘플시료 투입 후 welding기로 밀봉 (샘플백 재질: PET film)
· 유량계를 이용하여 2L의 공기를 주입
·무취공기를 불어 넣어 3회 반복 세척
오븐에서 샘플 가열 (온도: 65℃ * 시간: 2hrs)
가열 후 상온에서 30min 방치
질소 1L 충전 후 시료 흡착
HPLC : Formaldehyde 분석
GC/MS : Benzene, Touene, Ethylbenzene, Xylene, Styrene 및 TVOC 분석
시험결과값은 ppm(mg/kg 단위)로 보고
나. 통기성
통기성(AirFlow) - ft³/min (ASTM D 3574-77)
폼 패드의 공기 투과도르 측정하는것으로, 시료크기 50mm*50mm*25mm 규격의 시료 9개를 준비후 공기주입구에 장착하여 시험장비 내부의 흡입펌프(Suction-pump)에 의해 유입되는 공기량을 측정후 Digital화된 Display-window에 측정결과값이 표시되는 시험매뉴얼로, 최소값과 최대값 제외 산술평균값으로 측정결과값(ft3/min)을 보고한다. 폼의 닫힌 셀(Closed Cell)이 적을수록 통기성의 수치값은 적어지며, 개방 셀(Open cell)이 많을수록 통기성의 수치값은 상대적으로 커진다.
구분항목 단위 실시예 비교예
TVOCs ppm 5.617 0.131
통기성 ft3/min% 1.221 5.263
위 표 2의 결과로, 본 발명의 식물성 점탄성 매트리스 발포체는 대두유추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 점탄성의 바이오 폴리올 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 지니고 있는 바이오 프리폴리머에 개질화된 MDI를 결합시킴으로써, 종래의 2개 이상의 수산기가(-OH)를 가진 폴리머 구조화합물 및 이소시아네이트(Isocyanate) 사용을 통해 비롯되는 VOCs(유기휘발분) 영향에서 10~15ppm 이상 방출량 검지시험(MS 300-55)에서 현저히 감소되는 장점을 가지고 있으며, 또한, 현저한 개방형 셀기공 구조를 확보함으로써 인체 체압하중과 압점 완화 성능이 우수하고, 고통기성을 확보하여 종래의 매트리스 발포체의 열세한 통기성능에 따른 숙면시 체압분산 효과미비와 낮은 압점완화 성능 문제점을 해결할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (7)

  1. 대두유 추출물로부터 유기반응 결합을 통해 생성된 바이오 폴리올(NPO) 100중량부에 대하여, 개질화된 메틸렌디페닐이소시아네이트(MDI; Methylene diphenyl diisocyanate) 35~55중량부를 혼합한 후, 반응시켜 완성되는 양말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 가지는 바이오 프리폴리머(Prepolymer) 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 폴리올은 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil) 100중량부에 대하여, 메탄올 15 ~ 25 중량부와, 산촉매 1.5 ~ 3.5 중량부를 혼합한 후, 50℃ 이상의 온도로 열을 가하여 25 ~ 35분간 메탄올 분해(Methanolysis) 과정을 거친 후 냉각시키고, 산을 제거하기 위해 중화제를 투입하여 염을 형성하고, 상기 염을 여과한 후 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 합성되는 대두유(Soybean Oil) 기반 바이오 폴리올(NPO)인 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중화제는 과산화수소수, 염화나트륨, 수산화나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체.
  4. 대두로부터 식물성 정제유인 대두유 추출물을 얻는 제1단계;
    상기 제1단계의 대두유 추출물을 유기반응 결합시켜 바이오 폴리올(NOP)을 합성하는 제2단계;
    상기 제2단계의 바이오 폴리올(NOP)을 반응시켜 바이오 프리폴리머(Prepolymer)를 완성하는 제3단계;
    상기 제3단계의 바이오 프리폴리머 100중량부에 대하여, 파라핀오일(Paraffin-oil) 1.0~2.5중량부, 계피향 2.5~5.5중량부, 물 1.5 ~ 5.5 중량부를 포함하도록 혼합한 혼합물을 단속식 몰드공법 또는 연속시 우레탄 발포공법으로 발포시키는 제4단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 유기반응 결합은 대두유 추출물로부터 합성된 ESO(Epoxidized Soybean Oil)에 메탄올과 산촉매(황산)를 혼합한 후, 50℃ 이상의 온도로 25 ~ 35분간 열을 가하여 메탄올 분해(Methanolysis) 과정을 거친 후 냉각시키고, 산을 제거하기 위해 중화제를 투입하여 염을 형성하고, 상기 염을 여과한 후 미반응 메탄올을 회수하여 감압증류를 통해 합성되는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는
    상기 바이오 폴리올(NOP)과 점탄성을 가지는 수평균분자량 200 ~ 600 수준의 반경질형 폴리올을 액비 5 : 5 로 혼화한 후, MDI(Methylene diphenyl di-isocyanate)를 투입하고, 30분 이상 승온을 시작하여 온도 80±3℃에서 2~3시간 동안 1,500 ~2,000rpm으로 유지하여 교반하면서 반응시킨 후, 탈포 및 감온을 위해 300~500rpm으로 감속시켜 55℃까지 냉각시키는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    사익 MDI를 투입하여 반응시킨 후, 바이오 폴리올과 디이소시아네이트의 NCO/OH비가 1.0 ~ 1.8인 것을 특징으로 하는 TVOCs가 저감된 친환경 식물성 점탄성 매트리스 발포체의 제조방법.
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