KR20230146296A - 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리올 함유 화합물, 이소시아네이트 함유 화합물 및 보강섬유 조각을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 형성되되, 보강섬유 조각은 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 10 내지 15 중량부가 포함되는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제공한다.
Description
본 발명은 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 글라스버블과 보강섬유 조각을 포함하여 폴리우레탄 폼을 제조함으로써, 액화가스 저장탱크에 적용되는 폴리우레탄 폼 단열재의 기계적 강도와 단열 성능을 향상시킬 수 있는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경적 문제로 전 세계적으로 에너지 저장 및 운송 관련 기술이 주목을 받으면서 천연가스, 질소, 수소 및 헬륨 등의 가스를 액화시켜 저장하기 위한 극저온 단열소재 관련 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
특히, 선박의 배출가스에 대한 규제가 계속해서 강화되고 있어, 천연가스 및 수소 등의 사용이 해결책으로 각광받고 있다.
천연가스와 수소는 액화온도가 극저온 영역이므로 이들을 효율적으로 저장 및 운송하기 위해서는 단열 저장 기술의 개발이 필수적이다.
한편, 현재 극저온 연료를 저장하는 액화가스 저장탱크에는 단열을 위한 단열재로서 폴리우레탄 폼이 사용되고 있고, 폴리우레탄 폼의 성능을 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
폴리우레탄 폼은 다공성 재료로서 폴리우레탄 폼 내의 기공을 통해 단열을 하며, 기공을 유지하는 구조체를 통해 하중을 전달 또는 저항하게 된다.
또한, 폴리우레탄 폼의 강도를 높이기 위해서는 밀도를 조절할 수 있는데, 밀도를 높이면 구조체의 밀도가 높아져 강도를 높일 수 있으나, 구조체의 밀도가 높아질 경우 기공의 크기가 상대적으로 작아져 열전도도는 높아짐으로써 단열 성능이 저하되게 되며, 이는 단열재 두께의 증가로 이어져 연료의 용적 부피를 줄이게 된다.
선박에 구비된 액화가스 저장탱크에서 단열재의 두께 감소는 공간이 한정적인 선박의 화물 및 연료의 적재량을 증가시키는데 큰 장점으로 작용할 수 있다.
특히, 저장 공간을 향상시키기 위해서는 액체 화물의 움직임으로 인한 슬로싱 하중을 견딜 수 있는 기계적 강도와 연료의 기화율을 줄일 수 있는 단열 성능이 확보되어야 한다.
이에 따라, 선박의 극저온 연료를 저장하는 액화가스 저장탱크의 구조적 하중 및 온도 특성에서 요구하는 기계적 특성을 충족시킬 수 있고, 향상된 기계적 강도와 단열 성능을 구비하여 효율적인 연료의 운반이 가능한 단열재의 기술 개발이 필요하다.
본 발명에서는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법, 구체적으로는 글라스버블과 보강섬유 조각을 포함하여 폴리우레탄 폼을 제조함으로써, 액화가스 저장탱크에 적용되는 폴리우레탄 폼 단열재의 기계적 강도와 단열 성능을 향상시킬 수 있는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 폴리올 함유 화합물, 이소시아네이트 함유 화합물 및 보강섬유 조각을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 형성되되, 보강섬유 조각은 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 10 내지 15 중량부가 포함되는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제공한다.
또한, 고분자 화합물은 글라스 버블을 더 포함하고, 글라스버블은 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부가 포함되며, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합하여 중간 혼합물을 생성하고, 중간 혼합물과 이소시아네이트 함유 화합물 및 보강섬유 조각을 혼합하여 고분자 혼합물을 형성하는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는, 믹싱헤드 장치를 이용한 폴리우레탄 폼의 제조방법에 있어서, 믹싱헤드 장치는, 상하부에 각각 투입부와 토출부가 구비되고 내부에 혼합 공간이 형성된 믹싱챔버, 믹싱챔버의 일측에 연결되는 제1 주입부, 제1 주입부에 연결되는 제2 주입부 및 믹싱챔버의 타측에 연결되는 제3 주입부를 포함하여, 제1 주입부에 폴리올 함유 화합물을 투입하고, 제2 주입부을 통해 제1 주입부 내로 글라스버블을 투입하며, 제3 주입부에 이소시아네이트 함유 화합물을 투입하고, 투입부에 보강섬유 조각과 발포제를 투입하여, 믹싱챔버 내에서 혼합함으로써 고분자 혼합물을 생성하고, 생성된 고분자 혼합물을 토출부를 통해 토출하여 제조되는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼은, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합한 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제를 혼합하고 발포 성형하여 폴리우레탄 폼으로 형성함으로써, 기계적 강도와 단열 성능을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 종래의 단열재 대비 두께를 줄일 수 있어 저장탱크 내 연료의 용적 공간을 증대시킬 수 있다.
또한, 제조된 폴리우레탄 폼은, 폼을 이루는 셀과 셀 사이의 기공에 보강재 역할을 하는 글라스버블이 개재됨으로써, 단열재의 밀도가 높아지고 열전도도가 낮아질 수 있으며, 글라스버블과 함께 보강섬유 조각이 혼합 배치되어 있어, 폴리우레탄 폼의 단열 성능, 압축강도 및 인장강도가 크게 향상될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제조하는 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리우레탄 폼을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼과 비교예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 인장 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼과 비교예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 압축 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리우레탄 폼을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼과 비교예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 인장 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼과 비교예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 압축 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼은, 극저온의 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크에 적용되는 단열재로서, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합한 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 보강섬유 조각 및 발포제를 혼합하여 제조함으로써, 종래의 폴리우레탄 폼 단열재에 비해 두께를 줄일 수 있고, 기계적 강도와 단열 성능을 획기적으로 향상된 단열재를 형성할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 폴리우레탄 폼을 액화천연가스 또는 액화수소가스의 수송을 위한 액화가스 저장탱크 내 단열재로 사용하는 경우, 유체압력을 견딜 수 있는 압축강도가 요구되고, 선박의 6 자유도 운동으로 인해 발생하는 하중 및 유체 충격하중에 견딜 수 있는 기계적 강도와 선체 굽힘에 의해 단열재에 발생하는 인장력에 대한 내구성이 요구되는데, 본 실시예에 따라 제조된 폴리우레탄 폼은 글라스버블과 보강섬유 조각을 포함함으로써, 액화가스 저장탱크의 단열재로서 요구되는 압축강도와 인장강도를 만족시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼은, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블이 혼합된 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 보강섬유 조각 및 발포제를 포함하며, 이를 통하여 제조될 수 있다.
일 예로써, 본 실시예에서는 도 1에 도시된 믹싱헤드 장치(100)를 이용하여, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 첨가 및 혼합하여 중간 혼합물을 생성하고, 생성된 중간 혼합물과, 이소시아네이트 함유 화합물, 발포제 및 보강섬유 조각을 믹싱챔버(140) 내에서 혼합한 후 토출하여, 발포 과정을 통해 폴리우레탄 폼으로 형성할 수 있다.
여기서, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합하여 중간 혼합물을 생성한 후, 생성된 중간 혼합물과, 이소시아네이트 함유 화합물, 발포제 및 보강섬유 조각을 혼합하는 이유는, 통상의 글라스버블의 경우 미량의 수분을 포함하고 있기 때문에, 이소시아네이트 함유 화합물에 글라스버블이 직접적으로 투입되면 글라스버블에 포함된 수분이 이소시아네이트와 반응을 일으킬 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위함에 있다.
또한, 폴리올 함유 화합물에 첨가되는 글라스버블은, 상술한 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 발포제 및 보강섬유 조각을 혼합하여 생성된 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부가 첨가될 수 있다.
폴리올 함유 화합물은 탄화수소 사슬에 알콜기가 2개 이상 붙은 액상 고분자물질로서, 폴리에테르 폴리올 또는 폴리에스테르 폴리올로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 폴리에테르 폴리올은 에틸렌글리콜, 1,2-프로판글리콜, 1,3-프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 1,6-헥산디올, 1,8-옥탄디올, 네오펜틸글리콜, 2-메틸-1,3-프로판디올, 글리세롤, 트리메틸올프로판, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-부탄트리올, 트리메틸올메탄, 펜타에리트리톨, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디부틸렌글리콜, 폴리부틸렌글리콜, 솔비톨, 슈그로스, 하이드로퀴논, 레소시놀, 카테콜, 비스페놀 또는 이 중에서 둘 이상의 폴리올과 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 또는 이들의 혼합물을 중합시켜 제조된 것일 수 있다.
또한, 폴리에스테르 폴리올은 무수프탈산 또는 디프산과 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 또는 이들의 혼합물을 중합시켜 제조된 것일 수 있다.
폴리올 함유 화합물에 첨가되는 글라스버블은 구슬 모양으로 형성되되 중공형의 쉘(Shell) 구조로 형성될 수 있고, 저밀도의 글라스버블로 형성될 수 있다.
글라스버블은 입자 크기가 0.01 내지 100㎛인 흰색 파우더 타입의 마이크로스피어 소재로서, 밀도가 0.1 내지 0.6g/cc로 매우 가볍고 열전도도가 약 0.04 내지 0.2W/mK인 것을 적용할 수 있으며, 강도가 250 내지 28000psi로 강도 향상의 목적으로 사용될 수 있다.
이와 같은 글라스버블은 적용되는 제품의 필요 물성에 따라 직경을 조정하여 형성할 수 있고, 본 실시예의 폴리우레탄 폼에 적용될 시 기계적 강도와 단열성능을 향상시킬 수 있도록, 바람직한 예로서 밀도가 0.1 내지 0.3g/cc로 형성된 것을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 글라스버블의 내부는 비어있고 쉘 부분은 50 내지 300㎚ 두께의 소다라임 보로실리케이트 글래스(Soda Lime Borosilicate Glass) 또는 실리카(SiO₂)로 구성된 글라스버블로 형성될 수 있다.
이러한 글라스버블은 내부가 비어 있기 때문에 코어 부분이 밀집되어 형성된 일반적인 소다라임 보로실리케이트 글래스(Soda Lime Borosilicate Glass) 또는 실리카(SiO₂)와 비교하여 상대적으로 낮은 밀도로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 글라스버블은 폴리올 함유 화합물에 첨가 및 혼합되어 중간 혼합물로 형성될 수 있다.
이때, 글라스버블은 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 발포제 및 보강섬유 조각을 포함하는 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부로 첨가될 수 있고, 이를 통해, 제조되는 폴리우레탄 폼의 기계적 강도와 단열성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 바람직하게는 고분자 혼합물 100 중량부 대비 글라스버블이 1 내지 2 중량부로 첨가될 수 있고, 더욱 바람직하게는 고분자 혼합물 100 중량부 대비 글라스버블이 1.5 중량부로 첨가될 수 있다.
이소시아네이트 함유 화합물은 폴리올과 반응하여 우레탄기를 형성한 것으로서, 당업계에 공지된 지방족, 지환족 또는 방향지방족 다작용성 이소시아네이트로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 방향족 다작용성 이소시아네이트로 이루어질 수 있다.
이러한 유형의 다작용성 이소시아네이트는 당업계에 공지되어 있거나 또는 당업계에 공지되어 있는 방법에 의해 수득 가능하다.
이때, 다작용성 이소시아네이트는 혼합물로서 사용될 수도 있고, 분자 당 2개의 이소시아네이트기(이하, '디이소시아네이트'로 지칭됨) 또는 그 이상의 기를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 상술한 이소시아네이트 함유 화합물은, 알킬렌 라디칼에서 4 ~ 12개의 탄소 원자를 갖는 알킬렌디이소시아네이트, 예컨대 도데칸 1,12-디이소시아네이트, 2-에틸테트라메틸렌 1,4-디이소시아네이트, 2-메틸펜타메틸렌 1,5-디이소시아네이트, 테트라메틸렌 1,4-디이소시아네이트, 바람직하게는 헥사메틸렌 1,6-디이소시아네이트; 지환족 디이소시아네이트, 예컨대 시클로헥산 1,3- 및 1,4-디이소시아네이트 및 또한 상기 이성질체의 임의의 혼합물, 1-이소시아나토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아나토메틸시클로헥산(IPDI), 헥사히드로톨릴렌 2,4- 및 2,6-디이소시아네이트 및 또한 상응한 이성질체 혼합물, 디시클로헥실메탄 4,4'-, 2,2'- 및 2,4'-디이소시아네이트 및 또한 상응한 이성질체 혼합물, 바람직하게는 방향족 폴리이소시아네이트, 예컨대 톨릴렌 2,4- 및 2,6-디이소시아네이트 및 상응한 이성질체 혼합물, 디페닐메탄 4,4'-, 2,4'- 및 2,2'-디이소시아네이트 및 상응한 이성질체 혼합물, 디페닐메탄 4,4'- 및 2,2' 디이소시아네이트, 폴리페닐폴리메틸렌 폴리이소시아네이트의 혼합물, 디페닐메탄 4,4'-, 2,4'- 및 2,2'-디이소시아네이트 및 폴리페닐폴리메틸렌 폴리이소시아네이트(미정제 MDI)의 혼합물 및 미정제 MDI 및 톨릴렌 디이소시아네이트의 혼합물일 수 있다.
발포제는 고분자 복합재료의 발포 용도로 사용되는 것으로, 고분자 반응 중 기포를 형성하여 물질이며, 반응열에 의하여 기화(승화)되어 기포를 형성하는 물리적 발포제 및 화학적 발포제인 물(이소시아네이트와 반응하여 이산화탄소를 발생시킴)을 각각 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
여기서, 물리적 발포제는 반응열에 의해 발포제가 기화(승화)되며, 이로 인한 가스는 폼의 셀에 의하여 둘러싸임으로써, 제조되는 폼이 낮은 열전도율을 나타낼 수 있다.
이때, 특별히 이에 한정되는 것은 아니지만, 탄화수소계인 C-pentane, 수소화염화불화탄소계인 HCFC-141b(1,1-디클로로-1-플루오로에탄), 하이드로불화탄소(HFC)계인 HFC-245fa(1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판), HFC-365mfc(1,1,1,3,3-펜타플루오르부탄), 혼합 HFC-365mfc/227ea(1,1,1,3,3-펜타플루오르부탄/1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판), 이들의 혼합물 등을 발포제로 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
물리적 발포제는 제조하고자 하는 폴리우레탄 폼의 밀도 등의 요구 특성에 따라 사용량을 정할 수 있는 바, 예를 들면 폴리올 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 30 중량부 이하, 바람직하게는 3 내지 25 중량부, 보다 바람직하게는 4 내지 20 중량부 범위일 수 있다.
또한, 화학적 발포제는 이소시아네이트의 활성을 이용해 물 등과의 반응으로 생기는 이산화탄소에서 발포하기 때문에 물이 발포제로 사용될 수 있다.
이때, 물의 사용량은 폴리올 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부, 보다 바람직하게는 0.1 내지 5 중량부 범위일 수 있다.
보강섬유 조각은 폴리우레탄 폼의 기계적 강도를 더욱 강화하기 위한 것으로서, 유리섬유 조각을 사용할 수 있고, 이외에도 폴리아미드, 폴리에스테르 등의 합성섬유와, 탄소섬유, 세라믹섬유 등과 같은 무기섬유를 조각으로 커팅하여 사용할 수 있다.
이러한 보강섬유 조각은 고분자 혼합물의 100 중량부를 기준으로 10 내지 15 중량부로 혼합되는 것이 바람직하고, 보강섬유 조각의 함유율이 10 중량부 미만이면 저온 수축안정성과 크랙(crack) 발생의 방지효과가 현저하게 떨어지고, 15 중량부를 초과하면 발포 시 폼의 이상발포 및 폼의 갈라짐 현상이 발생할 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 실시예의 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼은, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합한 중간 혼합물과, 이소시아네이트 함유 화합물, 발포제 및 보강섬유 조각을 혼합하여 제조될 수 있고, 제조된 폴리우레탄 폼은 폼을 이루는 셀과 셀 사이의 기공에 보강재 역할을 하는 글라스버블이 개재됨으로써, 단열재의 밀도가 높아지고 열전도도가 낮아질 수 있으며, 글라스버블과 함께 보강섬유 조각이 혼합되어 있어, 폴리우레탄 폼의 기계적 강도와 단열 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼의 제조 과정에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제조하는 과정을 도시한 것이다.
설명에 앞서, 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 사용되는 따른 믹싱헤드 장치(100)는, 내부에 혼합 공간이 형성되는 믹싱챔버(140)와, 믹싱챔버(140)에 폴리올 함유 화합물을 주입하기 위한 제1 주입부(110)와, 제1 주입부(110) 상에 글라스버블을 주입하기 위한 제2 주입부(120)와, 믹싱챔버(140)에 이소시아네이트 함유 화합물을 주입하기 위한 제3 주입부(130)와, 믹싱챔버(140)에 유리섬유 조각 및 발포제를 투입하기 위한 투입부(150)와, 믹싱챔버(140) 내에서 혼합된 고분자 혼합물을 외부로 토출하는 토출부(160)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 주입부(110)는 믹싱챔버(140)의 일측에 연결되고, 제2 주입부(120)는 제1 주입부(110)의 통로 상에 연결됨으로써, 제2 주입부(120)를 통해 투입된 글라스버블이 제1 주입부(110)의 통로로 유입되어, 제1 주입부(110)를 통해 이송되는 폴리올 함유 화합물과 혼합될 수 있다.
더불어, 제3 주입부(130)는 믹싱 챔부의 타측에 연결되고, 제1 주입부(110)와 제3 주입부(130)의 통로 내에는 투입된 물질을 믹싱챔버(140)로 이송하는 이송부재(170)가 구비될 수 있다.
또한, 투입부(150)는 믹싱챔버(140)의 상부에 형성되고, 토출부(160)는 믹싱챔버(140)의 하부에 형성될 수 있으며, 믹싱챔버(140) 내의 혼합 공간에는 교반기(미도시)가 구비될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼을 제조하는 과정에 있어서는, 믹싱헤드 장치(100)의 제1 주입부(110)에 폴리올 함유 화합물을 투입하고, 제2 주입부(120)에 글라스버블을 투입할 수 있다.
더불어, 제3 주입부(130)에 이소시아네이트 함유 화합물을 투입하고, 투입부(150)를 통해 유리섬유 조각을 투입할 수 있다.
이때, 제2 주입부(120)를 통해 투입된 글라스버블은 제1 주입부(110)의 통로 내로 유입되어, 제1 주입부(110)를 통해 이송되는 폴리올 함유 화합물과 혼합될 수 있으며, 혼합된 중간 혼합물은 제1 주입부(110)의 통로를 통해 믹싱챔버(140)로 주입될 수 있다.
이와 동시에, 제3 주입부(130)를 통해 투입된 이소시아네이트 함유 화합물이 믹싱챔버(140)로 주입되고, 투입부(150)를 통해 믹싱챔버(140) 내로 유리섬유 조각 및 발포제가 투입되어, 믹싱챔버(140) 내에서 교반기(미도시)에 의해 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물 및 발포제가 혼합되어 고분자 혼합물이 생성될 수 있다.
이때, 글라스버블은 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 대하여 1 내지 3 중량부가 첨가될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 주입부(110,120)를 통해 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합하여 사전에 중간 혼합물을 먼저 생성한 후, 생성된 중간 혼합물과, 이소시아네이트 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제를 믹싱챔버(140) 내에서 혼합하는 이유는, 통상의 글라스버블의 경우 미량의 수분을 포함하고 있기 때문에, 이소시아네이트 함유 화합물에 글라스버블이 직접적으로 투입되면 글라스버블에 포함된 수분이 이소시아네이트와 반응을 일으켜, 제조된 폴리우레탄 폼의 단열 특성 또는 강도 특성에 영향을 줄 수 있으므로, 이를 방지하기 위함에 있다.
믹싱챔버(140) 내 교반기(미도시)를 통해 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제를 혼합하는 과정에서는, 1분간 4000rpm의 속도로 교반할 수 있으며, 이를 통해 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제가 균일하게 혼합된 고분자 혼합물을 형성할 수 있다.
이때, 상기와 같은 교반은 10 내지 40℃의 온도 범위에서 4000rpm 이하의 속도로 수행되는 것이 바람직한데, 상기 온도 범위를 초과하는 온도에서 교반하는 경우에는 반응이 지나치게 빠르게 진행되는 문제가 발생할 수 있다.
교반기(미도시)를 통한 교반 과정에서 이소시아네이트 함유 화합물은 중간 혼합물 내 폴리올 함유 화합물과 반응하여 우레탄기를 형성할 수 있고, 폴리올 함유 화합물은 이소시아네이트 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 83 내지 91 중량부로 첨가될 수 있다.
이때, 유리섬유 조각은 고분자 혼합물의 100 중량부를 기준으로 10 내지 15 중량부로 투입될 수 있고, 발포제는 HFC-245fa를 사용하는 경우 폴리올 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 4 ~ 12 중량부 범위로 첨가될 수 있다.
한편, 믹싱챔버(140) 내 교반과정에 의해 형성된 고분자 혼합물은 토출부(160)를 통해 토출되어 몰드(210)에 주입될 수 있다.
일 예로써, 도 2를 참조하면, 믹싱헤드 장치(100)가 구비된 주입장치(200)를 이용하여, 몰드(210)에 고분자 혼합물을 주입하고 가열하여 본 실시예에 따른 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있다.
이때, 성형하고자하는 폴리우레탄 폼의 크기 및 형상에 대응하는 몰드(210)를 준비하고, 사전에 몰드(210)에서 고분자 혼합물이 접촉하는 면에 이형제를 도포할 수 있으며, 이후 몰드(210)에 고분자 혼합물을 주입하고 소정의 온도로 가열하여 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있다.
또한, 폴리우레탄 폼을 제조하는 과정에서는, 고분자 혼합물이 주입된 몰드(210)를 조절장치 내에 구비하여, 조절장치를 통해 폴리우레탄 폼을 성형하기 위한 발포 조건 및 환경을 조절할 수 있다.
이때, 폴리우레탄 폼을 성형하기 위한 발포 조건으로는 조절장치의 내부 온도를 25℃ 내지 40℃ 범위로, 습도는 70% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 다른 예로써, 컨베이어 벨트 등의 이송장치에 가이드 형태의 몰드를 설치하여 연속발포성형을 수행할 수 있는데, 이 경우에는 믹싱헤드 장치를 통해 이송장치로 고분자 혼합물을 토출하면, 토출된 고분자 혼합물이 가이드 형태의 몰드를 따라 이송되면서 가열에 의해 발포 성형됨으로써, 연속적으로 폴리우레탄 폼을 제조할 수도 있다.
이와 같이 제조된 본 실시예에 따른 폴리우레탄 폼은, 믹싱헤드 장치(100)를 이용하여, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합한 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제를 혼합하여 제조될 수 있고, 발포 과정에서 온도 및 습도를 조절하여 기계적 강도와 단열 성능에 영향을 미치는 셀의 형태를 균일하게 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 폴리우레탄 폼은, 글라스버블이 폼의 셀과 셀 사이의 공간에 채워지고, 보강섬유 조각이 혼합되어 형성됨으로써, 종래의 단열재보다 기계적 강도와 단열 성능이 크게 향상될 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 폼에 대해 설명한다.
다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
1. 폴리우레탄 폼 제조
[실시예 1]
믹싱헤드 장치(100)를 이용하여, 믹싱헤드 장치(100)의 제1 주입부(110)에 폴리올 함유 화합물을 투입하고, 제1 주입부(110)와 연결된 제2 주입부(120)에 글라스버블을 투입하여, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합시킴으로써 중간 혼합물을 생성하고, 생성된 중간 혼합물을 믹싱챔버(140)로 주입시켰다.
동시에, 믹싱헤드 장치(100)의 제3 주입부(130)에 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI) 함유 화합물을 투입하여 믹싱챔버(140)로 주입시켰고, 믹싱헤드 장치(100)의 투입부(150)를 통해 유리섬유 조각과 발포제(HFC-245fa)를 믹싱챔버(140)로 투입하였으며, 믹싱챔버(140) 내 교반기(미도시)로 교반하여 고분자 혼합물을 생성하였다.
여기서, 폴리올 함유 화합물은 MDI 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 91 중량부를 투입하였고, 글라스버블로는 밀도 0.1g/cc 소다라임 보로실리케이트 글래스를 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 1.5 중량부를 투입하였다.
또한, 유리섬유 조각은 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 15 중량부 투입하였고, 발포제(HFC-245fa)는 폴리올 함유 화합물 100 중량부에 대하여 7 중량부 투입하였다.
또한, 교반 과정에서는 믹싱챔버(140)에 주입된 중간 혼합물, MDI 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제를 촉매제(CF3CH2CHF2)와 함께 상온에서 1분간 4000rpm으로 교반하였다.
이때, 교반 과정에서의 반응 온도는 15도 내지 25도로 하였고, 교반된 고분자 혼합물을 믹싱헤드 장치(100)의 토출부(160)를 통해 몰드(210)로 토출하여, 몰드(210)에서 폴리우레탄 폼을 제조하였다.
[비교예 1]
글라스버블을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리우레탄 폼을 제조하였다.
실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 폴리우레탄 폼의 압축강도, 인장강도 및 열전도도를 측정한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 실시예 1 |
비교예 1
|
| 압축강도(MPa) (20℃) |
0.837 | 0.739 |
| 인장강도(MPa) (20℃) |
2.145 | 1.477 |
| 압축강도(MPa) (-163℃) |
1.756 | 1.518 |
| 인장강도(MPa) (-163℃) |
2.276 | 2.181 |
| 열전도도 (W/mK) |
0.025 | 0.025 |
| 밀도 (kg/m3) |
110 | 110 |
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 글라스버블과 유리섬유 조각이 첨가된 폴리우레탄 폼이, 글라스버블이 첨가되지 않은 비교예 1과 대비하여, 상온 및 액화가스가 저장되는 영하 163도에서 각각, 동일한 밀도 내 열전도도는 유지한 채로 압축 강도 및 인장 강도가 크게 증대되었음을 확인할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리우레탄 폼을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 3을 참조하면, 폴리우레탄 폼을 이루는 셀(이소시아네이트 함유 화합물 및 폴리올 함유 화합물에 의해 생성) 사이에 글라스버블이 위치하고 있음을 확인할 수 있고, 중공의 글라스버블로 인하여 열유입이 억제되기 때문에 열전도를 낮춰줄 수 있으며, 셀 사이의 구비되는 글라스버블이 보강재의 역할을 수행하여 기계적 강도(압축강도 및 인장강도)의 향상 또한 담보할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼과 비교예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 인장 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼과 비교예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 압축 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상술한 실시예 1에 따라 제조된 폴리우레탄 폼과 비교에 1에 따라 제조된 폴리우레탄 폼의 기계적 성능을 평가하기 위해 상온(20℃)및 극저온(-163℃)에서 인장 시험을 수행하였으며, 그 결과 실시예 1의 폴리우레탄 폼이 비교예 1의 폴리우레탄 폼에 비해 인장강도 및 압축강도가 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼은, 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합한 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 유리섬유 조각 및 발포제를 혼합하고 발포 성형하여 폴리우레탄 폼으로 형성함으로써, 기계적 강도와 단열 성능을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 종래의 단열재 대비 두께를 줄일 수 있어 저장탱크 내 연료의 용적 공간을 증대시킬 수 있다.
또한, 제조된 폴리우레탄 폼은, 폼을 이루는 셀과 셀 사이의 기공에 보강재 역할을 하는 글라스버블이 개재됨으로써, 단열재의 밀도가 높아지고 열전도도가 낮아질 수 있으며, 글라스버블과 함께 보강섬유 조각이 혼합 배치되어 있어, 폴리우레탄 폼의 단열 성능, 압축강도 및 인장강도가 크게 향상될 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 믹싱헤드 장치 110 : 제1 주입부
120 : 제2 주입부 130 : 제3 주입부
140 : 믹싱챔버 150 : 투입부
160 : 토출부 170 : 이송부재
200 : 주입장치 210 : 몰드
120 : 제2 주입부 130 : 제3 주입부
140 : 믹싱챔버 150 : 투입부
160 : 토출부 170 : 이송부재
200 : 주입장치 210 : 몰드
Claims (6)
- 폴리올 함유 화합물, 이소시아네이트 함유 화합물 및 보강섬유 조각을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 형성되되,
상기 보강섬유 조각은 상기 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 10 내지 15 중량부가 포함되는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼.
- 제 1항에 있어서,
상기 고분자 화합물은 글라스 버블을 더 포함하고,
상기 글라스버블은 상기 고분자 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부가 포함되며, 상기 폴리올 함유 화합물에 상기 글라스버블을 혼합하여 중간 혼합물을 생성하고, 상기 중간 혼합물과 상기 이소시아네이트 함유 화합물 및 상기 보강섬유 조각을 혼합하여 상기 고분자 혼합물을 형성하는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼.
- 믹싱헤드 장치를 이용한 폴리우레탄 폼의 제조방법에 있어서,
상기 믹싱헤드 장치는,
상하부에 각각 투입부와 토출부가 구비되고 내부에 혼합 공간이 형성된 믹싱챔버, 상기 믹싱챔버의 일측에 연결되는 제1 주입부, 상기 제1 주입부에 연결되는 제2 주입부 및 상기 믹싱챔버의 타측에 연결되는 제3 주입부를 포함하여,
상기 제1 주입부에 폴리올 함유 화합물을 투입하고, 상기 제2 주입부을 통해 상기 제1 주입부 내로 글라스버블을 투입하며, 상기 제3 주입부에 이소시아네이트 함유 화합물을 투입하고, 상기 투입부에 보강섬유 조각과 발포제를 투입하여, 상기 믹싱챔버 내에서 혼합함으로써 고분자 혼합물을 생성하고, 상기 생성된 고분자 혼합물을 상기 토출부를 통해 토출하여 제조되는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 제2 주입부에 투입된 글라스버블은, 상기 제1 주입부의 통로로 유입되면서 상기 폴리올 함유 화합물과 혼합된 상태로 상기 믹싱챔버로 주입되어, 상기 글라스버블에 포함된 수분과 상기 이소시아네이트 함유 화합물이 반응하는 것을 사전에 억제하는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 믹싱챔버 내에 구비된 교반기를 통해, 상기 폴리올 함유 화합물과 상기 글라스버블이 혼합된 중간 혼합물, 상기 이소시아네이트 함유 화합물, 상기 보강섬유 조각 및 상기 발포제를 혼합하여 고분자 혼합물을 생성하고, 상기 생성된 고분자 혼합물을 상기 토출부를 통해 토출시켜 발포 성형하는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
- 폴리올 함유 화합물에 글라스버블을 혼합하여 중간 혼합물을 생성하는 단계;
상기 중간 혼합물, 이소시아네이트 함유 화합물, 보강섬유 조각 및 발포제를 교반하여 고분자 혼합물을 생성하는 단계; 및
상기 고분자 혼합물을 발포 성형하여 폴리우레탄 폼을 제조하는 단계를 포함하는 액화가스 저장탱크용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR101004963B1 (ko) | 2008-10-16 | 2011-01-04 | 주식회사 화인텍 | 친환경 발포제를 사용한 폴리우레탄 폼 및 이를 이용한 ｌｐｇ 선박용 초저온 보냉재 |
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