KR20230063680A - 고온 숙성을 이용한 밀도가 균일한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 발포입자에 난연 코팅층을 형성한 후, 스팀 발포성형하여 이루어진 난연 발포폴리스티렌 성형물에 있어서의 밀도의 불균일에 의한 품질의 불균일성을 고온 숙성 과정을 통해 개선한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법이 제공된다.

Description

고온 숙성을 이용한 밀도가 균일한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법{Method of manufacturing EPS foam having emproved density uniformity}

본 발명은 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 발포입자에 난연 코팅층을 형성한 후, 스팀 발포성형하여 이루어진 난연 발포 폴리스티렌 성형물에 있어서의 밀도의 불균일에 의한 품질의 불균일성을 개선한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법에 관한 것이다.

발포 폴리스티렌(EPS)은 발포된 폴리스티렌의 거품 속에 공기가 밀폐된 구조로 이루어져, 경량성과 완충성, 단열성, 방음성 등의 특성을 갖는다.

이러한 발포 폴리스티렌의 성형물을 성형하기 위한 과정은, 일반적으로 직경 0.2~1.8mm 정도의 발포성 폴리스티렌 비드를 발포기에서 스팀으로 가열하여 예비 발포한 후, 이 발포 입자를 건조 및 숙성·저장하였다가 성형장치 내에서 재차 스팀 가열하여 발포 성형하는 과정을 거쳐 이루어지게 된다.

이 과정을 좀 더 상세하게 설명하면,

먼저, 원료 수지 제조공장에서 스티렌 모노머를 현탁 중합하는 과정에서 펜탄 또는 부탄과 같은 발포제를 투입하여 예컨대 직경 0.2~0.3mm 정도의 구상의 입자(비드)를 얻고, 이를 세척, 건조하여 입자 크기별로 선별한 후, 용도에 따라 코팅공정 등을 거쳐 발포성 폴리스티렌 수지 입자가 출하된다. 성형공장에서는 상기 입자상의 원료수지를 발포기에 넣고 교반하면서 포화증기에 의해 103~105℃ 정도의 온도로 가열하고 팽창시켜 원하는 비중까지 발포시키는 예비 발포를 실시하고, 이 발포 입자를 건조·숙성한 후 사일로에 일시적으로 보관한다. 성형시에는 상기 저장된 발포 폴리스티렌 입자를 에어 또는 진공에 의해 성형틀에 충진한 후, 110~120℃의 고온의 증기를 주입하여 성형틀 내부 온도를 108~116℃ 정도로 가온하여 발포수지 입자에 함유된 발포제를 발포시켜 성형한다. 이때 발포에 의해 입자가 팽창함으로써 약 40~50%에 이르던 입자 사이의 공극이 메워지고 입자의 표면이 연화하여 융착함으로써 전체적으로 원하는 형태의 성형물이 된다. 성형이 이루어진 다음에는 냉각수 또는 진공에 의해 성형틀을 냉각시키고, 이형시켜 완성된 성형물을 얻게 된다.

성형물의 형태는 성형틀에 의해 결정되며, 예컨대 전기 전자 포장재나 박스와 같은 형상의 제품의 성형할 경우에는 형물 성형기를 이용하여 완성품의 형태대로 성형을 하고, 단열재나 토목용 블록과 같은 제품은 평판 성형기를 이용하여 큰 덩어리의 블록(BLOCK) 형태로 성형한 다음, 필요한 두께와 너비로 절단하여 사용하게 된다.

그런데, 발포폴리스티렌 성형물은 발포체 구조의 특성으로 인해 상기한 경량성과 단열성 등의 장점과 함께 가연성이 매우 높은 특징을 가지기 때문에 단열재로 사용시 화재의 피해가 크다는 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 대한민국 특허 제479218호 공보에 나타난 것과 같이, 예비발포한 발포 입자의 표면에 난연제 등의 기능성 첨가제를 포함하는 기능성 스킨층(예컨대 난연성 코팅층)을 형성한 후, 스팀발포 성형하여 성형물을 제조함으로써, 개별 발포입자의 외벽에 형성된 기능성 스킨층에 의해 다수의 격벽이 형성된 형태의 성형물을 형성함으로써, 화재의 전파를 지연시키고 성형물이 열기에 의해 녹아내려 붕괴되는 것을 방지할 수 있는 기술이 개발되어 현재 널리 사용되고 있다.

그런데, 이렇게 스팀발포성형을 통해 블록형태로 성형한 후 절단하여 이루어진 난연성 발포폴리스티렌 단열재의 경우에, 전체적으로 균일한 밀도를 형성하는 것이 매우 어려워 단열성의 측면에서나 난연성의 측면에서 균일한 성능을 담보할 수 없는 문제가 발생하고 있다.

즉, 단열성과 난연성능을 담보하고, 외관상 품질의 우수성을 어필하기 위해서는 전체적으로 균일한 밀도의 성형물을 얻는 것이 필수적인데, 생산공정에서 발포의 불균일성이나 코팅과정에서의 문제 등으로 인하여 균일한 밀도의 성형물이 얻어지지 않는 문제가 발생하고 있다.

KR 10-0589433 B1 KR 10-0499218 B1

본 발명은 상술한 종래 난연 발포폴리스티렌 성형물에 있어서의 문제를 해소하기 위해 이루어진 것이며, 난연 발포폴리스티렌 성형물에 있어서 단열성능이나 난연성능의 저하와 불균일을 초래하는 밀도의 불균일을 해소하고 품질이 균일한 성형물을 얻을 수 있는 밀도가 균일한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 밀도가 균일한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법은,

발포제를 내포한 발포성 폴리스티렌 입자를 스팀가열하여 예비 발포하는 과정;

상기 예비 발포를 통해 얻어진 예비 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 난연제를 포함하는 코팅액을 도포하는 과정;

상기 예비 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 도포된 코팅액을 열풍을 가하여 40~50℃의 온도에서 건조하여 난연성 코팅층을 형성하는 과정;

70~80℃의 온도에서의 1~3시간 숙성을 통해 예비발포단계에서 발포가 불충분한 난연성 코팅층이 형성된 예비 발포 폴리스티렌 입자의 추가 발포를 유도하는 고온 숙성 과정;

상기 고온 숙성 단계를 거친 난연성 코팅층이 형성된 예비 발포 폴리스티렌 입자를 성형틀에 주입하여 스팀가열하여 발포성형하는 성형과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 따르면, 예비 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 난연성 코팅층을 형성한 후에, 고온 숙성 과정을 거침으로써 예비 발포 과정에서 불충분한 발포가 이루어지거나 난연성 코팅층을 형성하는 과정에서 외력에 의해 함몰되거나 압축된 발포 폴리스티렌 입자의 발포가 추가적으로 이루어지게 되어, 성형틀에서 성형이 이루어지기 이전에 밀도가 상대적으로 높은 불완전한 형태의 발포 입자의 밀도의 저하와 구형으로의 형상의 복원을 통해 성형이 완료된 이후에 성형물에서의 밀도의 균일성과 그에 따른 외관, 단열성능, 난연성능 등의 품질에 있어서의 향상과 균질성이 확보되는 효과가 있다.

도 1과 도 2는, 본 발명의 실시예에서 성형물을 제조하는 과정에서 얻어진 발포 폴리스티렌 입자의 무게 측정 결과를 보여주는 사진;
도 3 내지 도 4는, 본 발명의 실시예서 성형물을 제조하는 과정에서 얻어진 난연성 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자의 무게 측정 결과를 보여주는 사진;
도 5 내지 도 6은, 본 발명의 실시예에서 성형물을 제조하는 과정에서 얻어진 고온 숙성 과정을 거친 발포 폴리스티렌 입자의 무게 측정 결과를 보여주는 사진;
도 7 내지 도 9는, 본 발명의 실시예에서 얻어진 난연성 발포 폴리스티렌 성형물의 서로 다른 부위에서 채취한 부위별 시편의 무게를 측정한 결과를 보여주는 사진;
도 10 내지 도 12는, 본 발명의 비교예에서 얻어진 난연성 발포 폴리스티렌 성형물의 서로 다른 부위에서 채취한 부위별 시편의 무게를 측정한 결과를 보여주는 사진.

이하, 실시예와 비교예를 통해 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.

실시예

예비 발포 과정

시판 제2종 발포성 폴리스티렌(EPS) 비드를 사용하여, 추천 발포조건(발포기에 넣고 교반하면서 포화증기에 의해 103~105℃ 정도의 온도로 가열하여 팽창시킴)에 따라 80배를 목표로 예비 발포를 진행하여 발포 폴리스티렌 입자를 얻었다.

예비 발포된 발포 폴리스티렌 입자를 250㎖ 용량의 비이커에 넣고, 무게를 측정하여 발포 입자의 평균 밀도를 계산하였다.

도 1에 무게 측정 결과를 촬영한 사진을 나타내었으며, 측정된 발포 폴리스티렌 입자의 무게는 3.33g이었으며, 밀도를 계산한 결과 13.3g/㎥(K)로 계산되었다.

그리고, 이 결과를 토대로 계산한 발포 배율은 75배이었다. 이는 처음 목표로 한 발포 배율 80배에 도달하지 못한 것이며, 80배 발포가 되려면 밀도는 12.5g/㎥가 되어야 한다.

측정의 정밀성을 높이기 위해 대용량의 용기로 측정을 시도하였다.

즉, 도 2에 나타낸 것과 같이 2800㎖ 용량의 배율컵에 예비 발포된 발포 폴리스티렌 입자를 담고, 무게를 측정한 결과 35g으로 측정되었으며, 밀도를 계산한 결과 13.2g/㎥(K)로 나타났다.

첫 번째 측정치보다는 밀도가 조금 낮아진 결과였지만, 첫 번째 측정결과와 큰 차이는 없었으며, 역시 80배 발포시의 밀도인 12.5g/㎥와는 상당한 차이가 있었다.

80배 발포 조건에 맞추어 예비 발포를 진행하였지만, 실제 밀도가 80배가 되지 못한 것은 예비 발포시에 모든 비드가 완벽하게 발포가 이르지 못하고 일부 비드는 불완전하게 발포되어 발포 입자가 일정하지 않고 간간이 주름진 형태로 존재하기 때문인 것으로 관찰되었다.

난연성 코팅액 도포 과정 및 난연성 코팅층 형성 과정

상기 예비 발포가 이루어진 발포 폴리스티렌 입자를 사용하여, 난연제를 포함하는 난연성 코팅액을 발포 입자의 표면에 균일하게 도포하였다.

난연성 코팅액은, 아크릴 수성 바인더 10~30중량%와 물 20~40중량%, 및 팽창흑연과 수산화알루미늄을 포함하는 분말상 난연제 40~50중량%를 포함하는 것이다.

본 실시예에서는 아크릴 수성 바인더 30중량%(아크릴 고형분 50%)에 농도 희석용으로 물 16중량%를 첨가하여 희석하고, 팽창흑연과 수산화알루미늄을 3:2의 중량비로 포함하는 난연성의 기능성 첨가제 분말 44중량%를 첨가하여 균일하게 혼합하여 제조하였다. 이렇게 하여 제조된 난연성 코팅액은 고형분 함량이 약 60%이었다.

이때 난연성 코팅액의 양은 발포 폴리스티렌 입자 무게의 2배로 하였다.

코팅액의 도포 후에는 열풍의 가하여 40~50℃의 온도 조건하에서 개별 입자로 분리되도록 하면서 건조를 진행하여 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 난연성 코팅층이 형성되도록 하였다.

난연성 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자의 밀도를 측정하기 위해, 250㎖ 용량의 비이커에 입자를 넣고, 무게를 측정하였다.

도 3에 이와 같이 무게 측정한 결과를 촬영한 사진을 나타내었으며, 측정된 난연성 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자의 무게는 7.76g이었으며, 밀도를 계산한 결과 31.04g/㎥(K)로 계산되었다.

측정의 정밀성을 높이기 위해 대용량의 용기로 측정을 시도하였다.

즉, 도 4에 나타낸 것과 같이 2800㎖ 용량의 배율컵에 난연성 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자를 담고, 무게를 측정한 결과 89g으로 측정되었으며, 밀도를 계산한 결과 31.7g/㎥(K)로 나타났다.

즉, 난연제를 포함한 코팅액을 도포한 후, 건조하여 난연성 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자의 밀도는 31.0K와 31.7K로 계측되었다.

코팅된 입자들의 상태를 보면, 코팅층은 비교적 균일하게 형성되었으나, 각 입자들의 크기의 편차가 관찰되었다.

고온 숙성 과정

상기 난연성 코팅층이 형성된 비드를 70℃에서 1시간 동안 유지하는 방법으로 고온 숙성 과정을 실시하였다.

이와 같이 고온 숙성 과정을 거친 난연층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자를 250㎖ 용량의 비이커에 넣고, 무게를 측정하여 고온 숙성된 발포 입자의 평균 밀도를 계산하였다.

도 5에 무게 측정 결과를 촬영한 사진을 나타내었으며, 측정된 발포 폴리스티렌 입자의 무게는 7.61g이었으며, 밀도를 계산한 결과 30.44g/㎥(K)로 계산되었다.

측정의 정밀성을 높이기 위해 대용량의 용기로 측정을 시도하였다.

즉, 도 6에 나타낸 것과 같이 2800㎖ 용량의 배율컵에 고온 숙성 과정을 거친 발포 폴리스티렌 입자를 담고, 무게를 측정한 결과 86g으로 측정되었으며, 밀도를 계산한 결과 30.71g/㎥(K)로 나타났다.

이와 같은 결과는, 밀도가 각각 31.0K와 31.7K로 계측되었던 건조 후의 밀도에 비해 약 3% 정도 감소된 것으로 계산된다.

그리고, 고온 숙성을 거친 입자들의 외관을 관찰한 결과, 주름지거나 함몰된 형태의 입자들이 적고 대부분 표면이 평활하고 입자의 크기도 균일한 것을 확인할 수 있어, 고온 숙성 과정을 통해 발포가 부족한 발포 폴리스티렌 입자들의 발포가 추가적으로 진행되어 목표로 한 발포 배율에 근접하였음을 알 수 있었다.

성형 과정

상기 고온 숙성 과정을 거친 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자들을 사용하여, 통상의 방법에 의해 블록형태로 스팀가열 발포 성형을 실시하였다. 즉, 상기 고온 숙성된 코팅층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자들을 성형틀에 충진한 후, 110~120℃의 고온의 증기를 주입하여 성형틀 내부 온도를 108~116℃ 정도로 가온하여 발포수지 입자에 함유된 발포제를 발포시켜 블록 형상으로 성형하였다.

성형이 완료된 후, 냉각이 이루어진 상태의 성형 블록을 가로*세로*높이 100mm*100mm*50mm의 시편으로 잘라서 시편 무게를 측정하였으며, 측정된 결과를 보여주는 사진을 도 7에 나타내었다.

도 7에서 보는 것과 같이, 시편의 무게는 15.42g으로 나타났으며, 이를 토대로 밀도를 계산한 결과 30.84g/㎥(K)로 산출되었다.

그리고, 상기 시편을 채취한 성형 블록의 시편 채취 부위의 상부와 하부에서 동일한 크기의 시편을 잘라 무게를 측정하였다.

무게를 측정한 결과를 보여주는 사진을 각각 도 8와 도 9에 나타내었으며, 이들 도면에서 보는 것과 같이, 이들 시편의 무게는 각각 15.45g과 15.44g으로 중간 부분의 시편의 무게와 큰 차이가 없었으며 육안으로도 비교적 균일한 입자 크기 분포를 확인할 수 있었다.

계산된 밀도는 각각 30.92K와 30.88K이었다.

즉, 예비 발포를 거친 후에 불충분하게 발포된 입자가 존재하여 밀도가 계산된 수치보다 높고, 육안상으로 불균일한 상태를 보여주던 발포 폴리스티렌 입자들이 성형물 내에서 육안상으로도 밀도상으로도 균일한 상태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 본 실시예의 시험 결과로부터 고온 숙성 과정을 거치는 본 발명의 방법에 따라 제조된 난연 발포폴리스티렌 성형물은 성형물의 부위에 상관없이 일정한 크기의 입자들이 균일하게 분포하여 밀도가 전체적으로 균일하므로, 외관상으로 예측되는 품질의 신뢰성이 높을 뿐만 아니라, 이로부터 도출되는 단열성과 난연성도 균일한 품질을 유지하는 것으로 기대할 수 있게 된다.

비교예

고온 숙성 과정을 거치지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예에서와 동일한 과정을 거쳐 블록 형태의 난연 발포 폴리스티렌 성형물을 얻었다.

즉, 난연성 코팅층 형성 과정까지 동일하게 진행한 입자들 중에서 일부를 분리하여, 고온 숙성 과정을 거치지 않고 상온에서 1시간 유지한 후에, 성형 과정에 투입하였다.

실시예에서와 동일한 조건으로 스팀가열 발포성형을 실시한 후에, 냉각이 이루어진 상태의 비교예의 성형 블록을 가로*세로*높이 100mm*100mm*50mm의 시편으로 잘라서 시편 무게를 측정하였으며, 측정된 결과를 보여주는 사진을 도 10에 나타내었다.

도 10에서 보는 것과 같이, 시편의 무게는 16.00g으로 나타났으며, 이를 토대로 밀도를 계산한 결과 32g/㎥(K)로 산출되었다. 이는 동일한 크기에서 30.84K의 밀도를 나타낸 실시예의 시료에 비해 약 3% 밀도가 높다는 것을 의미한다.

그리고, 상기 시편을 채취한 성형 블록의 시편 채취 부위의 상부와 하부에서 동일한 크기의 시편을 잘라 무게를 측정하였다.

무게를 측정한 결과를 보여주는 사진을 각각 도 11와 도 12에 나타내었으며, 이들 도면에서 보는 것과 같이, 이들 시편의 무게는 각각 15.79g과 16.79g으로 중간 부분의 시편의 무게와 상당한 편차가 있었으며, 육안으로도 부위별로 입자가 균일하지 못하다는 것을 확인할 수 있었다.

측정된 무게를 기초로 계산된 밀도는 각각 30.18K와 33.58K로 상부와 하부간의 밀도차가 존재함을 확인할 수 있다.

따라서, 고온 숙성을 거치지 않은 종래의 방법에 따라 제조된 난연 폴리스티렌 성형물은 외관상으로 예측되는 품질의 신뢰성이 낮을 뿐만 아니라, 부위별로 밀도의 차이가 나므로 이로부터 도출되는 단열성과 난연성도 균일한 품질을 유지하기 어려우며, 밀도의 차이가 큰 부분은 성능을 담보할 수 없어 불량품으로 로스 처리하여야 하므로, 제조원가 상승의 원인이 된다.

Claims (2)

1. 발포제를 내포한 발포성 폴리스티렌 입자를 스팀가열하여 예비 발포하는 과정;
   상기 예비 발포를 통해 얻어진 예비 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 난연제를 포함하는 코팅액을 도포하는 과정;
   상기 예비 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 도포된 코팅액을 열풍을 가하여 40~50℃의 온도에서 건조하여 난연성 코팅층을 형성하는 과정;
   70~80℃의 온도에서의 1~3시간 숙성을 통해 예비발포단계에서 발포가 불충분한 난연성 코팅층이 형성된 예비 발포 폴리스티렌 입자의 추가 발포를 유도하는 고온 숙성 과정;
   상기 고온 숙성 단계를 거친 난연성 코팅층이 형성된 예비 발포 폴리스티렌 입자를 성형틀에 주입하여 스팀가열하여 발포성형하는 성형과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 숙성을 이용한 밀도가 균일한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 난연성 코팅액은, 아크릴 수성 바인더 10~30중량%와 물 20~40중량%, 및 팽창흑연과 수산화알루미늄을 포함하는 분말상 난연제 40~50중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 숙성을 이용한 밀도가 균일한 난연 발포폴리스티렌 성형물의 제조방법.

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