KR20240054796A - 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템 및 후처리 방법 - Google Patents

에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템 및 후처리 방법 Download PDF

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Abstract

에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템이 개시된다. 상기 후처리 시스템은 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 이송하여 압출하는 교반/압출기; 상기 교반/압출기에서 압출된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드(strand)로 고형화하도록 구성된 냉각 파이프; 그리고 상기 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제작하도록 구성된 절단기를 포함할 수 있다.
상기 후처리 시스템을 이용하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법이 더 개시된다.

Description

에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템 및 후처리 방법{AFTER-TREATMENT SYSTEM AND AFTER-TREATMENT METHOD FOR ETHYLENE-VINYLALCOHOL COPOLYMER}
본 발명은 에틸렌-비닐알코올 공중합체(Ethylene-Vinyl Alcohol Copolymer, EVOH)의 후처리 시스템 및 후처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 스트랜드(strand) 형태로 냉각 파이프로 압출하여 고형화된 EVOH 스트랜드를 제작하고, EVOH 스트랜드를 절단하여 EVOH 펠렛으로 제작하며, EVOH 펠렛을 세정함으로써 세정 및 핸들링이 용이한 EVOH의 후처리 시스템 및 후처리 방법에 관한 것이다.
에틸렌-비닐알코올 공중합체(Ethylene-Vinyl Alcohol Copolymer, EVOH)는 산소 등 기체 차단성, 투명성, 내유성, 비대전성, 기계 강도 등이 우수하여 필름, 시트, 용기 등의 재료로 널리 사용되고 있다.
상기 EVOH는 에틸렌과 초산 비닐의 공중합에 의해 제조되는 에틸렌-초산비닐 공중합체(Ethylene-Vinyl Acetate, EVAc)의 비누화 반응을 통해 제조될 수 있다. 구체적으로, EVAc를 알칼리 촉매 존재 하에서 비누화하고, EVOH를 가열하여 탈알코올화하며, 중합체 성분을 압출하고 펠렛으로 성형한 다음, 펠렛에 잔류하는 촉매 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 수세하고, 건조하는 과정을 포함하는 제조방법이 일반적으로 알려져 있다.
그러나 상기와 같은 방법은 펠렛 내의 불순물 제거가 용이하지 않은 단점이 있다. 특히 EVOH의 비누화도를 높이기 위해 알칼리 촉매를 과량 사용한 경우 펠렛 내의 촉매 불순물 함량도 높아지는데, 이를 충분하게 제거하기 위해서는 과도한 세정 공정이 필요하여 다량의 폐수가 발생하고, 전체적인 생산 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 세정 공정의 효율을 높이기 위하여 펠렛의 크기를 줄이면 압출 및 펠렛화 공정의 생산성이 저하되므로, 마찬가지로 생산 효율 측면에서 바람직하지 않다. 더 나아가, EVOH를 가열하여 압출하므로 EVOH의 열변형이 심할 수 있었다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 스트랜드(strand) 형태로 냉각 파이프로 압출하여 고형화된 EVOH 스트랜드를 제작하고, EVOH 스트랜드를 절단하여 EVOH 펠렛으로 제작하며, EVOH 펠렛을 세정함으로써 세정 및 핸들링이 용이한 EVOH의 후처리 시스템 및 후처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템은 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 이송하여 압출하는 교반/압출기; 상기 교반/압출기에서 압출된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드(strand)로 고형화하도록 구성된 냉각 파이프; 그리고 상기 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제작하도록 구성된 절단기를 포함할 수 있다.
상기 후처리 시스템은 상기 절단기의 하류에 배치되며, 상기 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 수세정하도록 구성된 세정조를 더 포함할 수 있다.
상기 교반/압출기는 일측에 형성되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 공급받도록 구성된 입구와, 타측에 형성되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각 파이프로 압출하도록 구성된 출구를 포함하는 하우징; 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되어 입구를 통하여 공급된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 출구를 향하여 이송하도록 구성된 스크류; 그리고 상기 스크류에 회전 동력을 제공하도록 구성된 구동 모터를 포함할 수 있다.
상기 교반/압출기는 상기 하우징 내에서 이송되는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 보온하도록 구성될 수 있다.
상기 냉각 파이프는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액이 흘러가는 내부 파이프와, 상기 내부 파이프를 둘러싸며 냉매가 흘러가는 외부 파이프를 포함하는 이중 파이프 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법은 교반/압출기에 의하여, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하여 이송하며 압출하는 단계; 냉각 파이프에 의하여, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드로 고형화하는 단계; 그리고 절단기에 의하여, 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 후처리 방법은 세정조에 의해, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 수세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 교반/압출기는 이송되는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 보온하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 펠렛을 제작하고, 이 펠렛을 세정함으로써 세정 및 핸들링이 용이하여 간단하고 고순도의 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 생산 효율이 증대될 수 있고, 세정 공정에서 발생하는 폐수량을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, EVOH를 가열하여 압출하지 않고 냉각하여 펠렛을 제조함으로써 EVOH의 열변형이 감소할 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
본 명세서의 실시예들은 유사한 참조 부호들이 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하는 첨부한 도면들과 연계한 이하의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 후처리 방법을 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 후처리 시스템의 일부를 도시한 개략도이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 발명의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 발명의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
여기에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 또한 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 후처리 방법을 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 후처리 방법을 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 제조방법은 에틸렌-초산비닐 공중합체를 알칼리 촉매 및 C1-4 알코올 용매 존재 하에 비누화하여, 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 포함하는 반응 혼합물을 수득하는 단계(S10); 상기 반응 혼합물을 농축한 다음 물을 투입하여, 용매 중 상기 C1-4 알코올 및 물의 중량비가 1:9 내지 9:1이고, 고형분 함량이 10 중량% 이상 내지 25 중량% 미만인 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 제조하는 단계(S20); 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 이송함과 동시에 교반하여 압출하는 단계(S30); 상기 압출되는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드(strand)를 제작하는 단계(S40); 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절삭하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제작하는 단계(S50); 상기 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 수세정하는 단계(S60); 및 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 건조하는 단계(S0)를 더 포함할 수 있다. 여기서, S30 단계에서 S0 단계까지를 후처리 공정이라 칭한다.
기존의 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 제조방법은 에틸렌-초산비닐 공중합체의 비누화 반응 이후 탈알코올화(세정)하고, 펠렛 장치로 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 펠렛화하며, 이를 다시 세정 및 건조하는 단계를 포함하였다. 그러나 탈알코올화 공정은 다단 증기 타워에서 수행되어 여러 차례의 장시간의 세정 공정이 필요한 문제가 있었다. 또한, 펠렛화 과정에서 가열된 후 압출하여 펠렛화하므로 열변형이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명에 따르면, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체의 비누화 반응 후 탈알코올화(세정) 공정 없이 압출하여 냉각함으로써 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 제작하고, 이를 절단하여 제작된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 세정함으로써 세정 및 핸들링이 용이한 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 제조방법에 포함된 후처리 방법과, 상기 후처리 방법을 실행할 수 있는 후처리 시스템을 개발하였다. 또한, 본 발명에 따르면, 가열하여 압출하지 않고 냉각하여 절단함으로써 펠렛을 제조하므로 EVOH의 열변형이 감소할 수 있다.
이하, 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 에틸렌-초산비닐 공중합체를 알칼리 촉매 및 C1-4 알코올 용매 존재 하에 비누화하여, 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 포함하는 반응 혼합물을 수득한다(S10). 여기서, 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 제조하기 위한 반응 물질인 에틸렌-초산비닐 공중합체는 시판품을 사용하거나, 또는 에틸렌 및 초산비닐 단량체를 공중합하여 제조될 수 있다.
상기 에틸렌-초산비닐 공중합체는 에틸렌 및 초산비닐 외에, 이들과 공중합할 수 있는 단량체를 더 포함하여 공중합된 것일 수 있다. 이러한 단량체의 예로는 프로필렌, 이소부틸렌, α-옥텐, α-도데센 등의 α-올레핀; 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 말레인산, 이타콘산 등의 불포화산, 그 염, 그 무수물 또는 단일 또는 디알킬에스테르; 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 등의 니트릴류; 아크릴아미드, 메타크릴아미드 등의 아미드류; 에틸렌술폰산, 아릴술폰산, 메타아릴술폰산 등의 올레핀술폰산 또는 그 염; 알킬비닐에테르류, 비닐케톤, N-비닐피롤리돈, 염화비닐, 염화비닐리덴 등의 비닐계 단량체 등을 들 수 있다.
에틸렌-초산비닐 공중합체의 에틸렌 함량은 목적하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 물성에 따라 적절히 조절될 수 있다. 일례로, 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 가스 배리어성 및 용융 성형성을 확보하기 위하여, 에틸렌-초산비닐 공중합체의 에틸렌 함량은 20 몰% 이상, 25 몰% 이상, 또는 30 몰% 이상이면서, 60 몰% 이하, 50 몰% 이하, 또는 40 몰% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 에틸렌 함량은 에틸렌-초산비닐 공중합체, 또는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 1H-NMR 데이터의 피크 적분비로부터 계산될 수 있다.
상기 에틸렌-초산비닐 공중합체의 중량평균분자량(Mw)은 특별히 제한되지 않으나, 일례로 150,000 g/mol 이상, 170,000 g/mol 이상, 또는 180,000 g/mol 이상이면서, 290,000 g/mol 이하, 270,000 g/mol 이하, 또는 250,000 g/mol 이하일 수 있다. 상기 중량평균분자량을 만족하는 에틸렌-초산비닐 공중합체의 비누화 반응으로 수득되는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 중량평균분자량은 110,000 g/mol 이상, 120,000 g/mol 이상, 또는 130,000 g/mol 이상이면서, 220,000 g/mol 이하, 200,000 g/mol 이하, 또는 190,000 g/mol 이하의 범위를 만족할 수 있다.
상기 에틸렌-초산비닐 공중합체 및 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 중량평균분자량은 겔투과 크로마토그래피(GPC)를 통해 측정될 수 있다.
에틸렌-초산비닐 공중합체의 비누화 반응에는 통상 알코올 용매가 사용되며, 본 발명에서는 탄소수 1 내지 4의 저급 알코올을 용매로 사용한다. 상기 C1-4 알코올의 예로는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, 및 t-부탄올로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있고, 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다.
상기 알코올의 사용량은 특별히 제한되지 않으며, 반응물의 양 및 반응 조건에 따라 사용량을 결정할 수 있다.
상기 알칼리 촉매는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 나트륨 메톡사이드, 나트륨 에톡사이드, 칼륨 t-부톡사이드, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 초산나트륨, 초산칼륨, 및 프로피온산나트륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 나트륨 메톡사이드, 및 나트륨 에톡사이드로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 에틸렌-초산비닐 공중합체의 비누화 반응이 원활히 진행될 수 있도록, 알칼리 촉매는 에틸렌-초산비닐 공중합체의 초산 비닐 단위 1몰에 대하여 0.01몰 이상, 또는 0.015몰 이상이면서, 0.05몰 미만, 또는 0.04몰 이하의 함량으로 사용될 수 있다.
상기 비누화 반응 시 반응 온도는 40 ℃ 이상, 50 ℃ 이상, 또는 60 ℃ 이상이면서, 120 ℃ 이하, 110 ℃ 이하, 또는 100 ℃ 이하일 수 있다. 반응 온도가 40 ℃ 미만인 경우 비누화 반응 속도가 지나치게 더디어질 수 있고, 120 ℃를 초과하는 경우 부반응이 발생하기 쉽다.
또한, 비누화 반응 시 반응 압력은 0.01 bar 이상, 또는 0.05 bar 이상이면서, 0.5 bar 이하, 또는 0.4 bar 이하의 범위일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 비누화 반응은 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 분위기 하에서 이루어질 수 있고, 전환율을 높이기 위해 부생하는 초산 메틸을 지속적으로 계외로 배출시키면서 반응을 진행할 수 있다.
상기 비누화 반응이 진행되어 목적하는 전환율이 달성되면, 초산 등 산을 첨가하여 반응 혼합물을 중화함으로써 반응을 정지시킨다. 이후, 중화된 반응 혼합물로부터 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 정제하기 위한 과정(S20 단계 내지 S60 단계)을 수행한다. 여기서, S30 단계 내지 S60 단계의 후처리 공정은 도 2에 도시된 후처리 시스템을 사용하여 수행될 수 있다.
상기 반응 혼합물을 중화하기 위한 산의 첨가량은 사용된 알칼리 촉매량에 따라 조절될 수 있으며, 일례로 알칼리 촉매 1 당량에 대하여 0.9 당량 이상, 또는 1.0 당량 이상이면서, 1.5 당량 이하, 또는 1.2 당량 이하의 산을 첨가할 수 있다.
다음으로, 상기 중화된 반응 혼합물을 농축한 다음 물을 투입하여, 용매 중 C1-4 알코올 및 물의 중량비가 1:9 내지 9:1이고, 고형분 함량이 10 중량% 이상 내지 25 중량% 미만인 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 제조한다(S20).
반응 혼합물의 농축은 용매인 C1-4 알코올을 전부 또는 일부 증발시키기 위한 과정으로, 그 방법은 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 중화조 내의 중화된 반응 혼합물을 가열하면서 질소, 아르곤 등의 불활성 기체를 불어넣어 C1-4 알코올을 증발시킴으로써 반응 혼합물을 농축할 수 있다. 상기 가열 온도는 사용된 C1-4 알코올 및 반응 혼합물의 조성에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 일례로 상압(760 torr) 하에서 35 ℃ 이상, 또는 45 ℃ 이상이면서, 65 ℃ 이하, 또는 55 ℃ 이하일 수 있다. 또는, 중화조 내의 압력을 낮춘 상태에서 보다 저온에서 불활성 기체를 불어넣으면서 C1-4 알코올을 증발시킬 수 있다. 상기 농축 후 반응 혼합물에 잔류하는 C1-4 알코올은 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액 제조 시 공용매로 이용될 수 있다.
상기와 같이 농축한 반응 혼합물에 물을 투입하여, C1-4 알코올 및 물의 중량비가 1:9 내지 9:1, 또는 7:3 내지 3:7, 또는 4:6 내지 6:4이고, 고형분 함량이 10 중량% 이상, 또는 15 중량% 이상이면서, 25 중량% 미만, 또는 20 중량% 이하인 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 제조한다.
상기 물은, 전기전도도가 10 μS/cm 이하, 바람직하게는 5 μS/cm 이하인 증류수 혹은 탈이온수일 수 있다. 상기 물의 전기전도도는 낮을수록 우수한 것으로, 하한은 제한되지 않으나, 일례로 0.1 μS/cm 이상, 또는 0.3 μS/cm 이상일 수 있다.
상기 C1-4 알코올은 반응 혼합물의 농축 후 잔류하는 것일 수 있고, 또는 상기 용매 비율을 달성하기 위하여, 물 첨가 시 추가적으로 C1-4 알코올을 더 첨가하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 제조할 수 있다.
에틸렌-비닐알코올 공중합체는 C1-4 알코올 또는 물을 단독 사용하였을 때 용해되기 어려우나, 상기와 같이 C1-4 알코올 및 물이 1:9 내지 9:1 중량비로 혼합된 용매에는 용해될 수 있다. 이에, C1-4 알코올 및 물의 혼합 용매를 이용하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 제조한 후 교반/압출기(200; 도 2 참고)를 통하여 이송함과 동시에 교반하여 냉각 파이프(300)로 압출하고(S30), 냉각 파이프(300)에서 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드(strand)를 제작하며(S40), 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절삭하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제작한다(S50).
만일 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액의 용매 중의 C1-4 알코올의 함량이 지나치게 적거나, 고형분 함량이 25 중량%를 초과하여 지나치게 높을 경우, 이후 과정에서 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드의 절단이 용이하지 않고, 따라서 이어지는 세정 공정의 효율이 저하될 수 있다.
반대로, 용매 중의 물의 함량이 지나치게 적거나, 고형분 함량이 10 중량%에 미달하는 경우, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드의 굳기(단단함)가 부족하여 펠렛으로 절단되지 않고 슬러리 형태가 되어 세정이 용이하지 않으며, 세정 공정 중 에틸렌-비닐알코올 공중합체가 미세 입자 형태로 빠져나와 손실율이 높아질 수 있어 바람직하지 않다.
다음으로, 상기 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 이송하고, 냉각 파이프(300)로 스트랜드 형태로 압출한다(S30). 이 때, 교반/압출기(200)는 보온 장치가 구비되어 교반/압출기(200)로 이송되는 EVOH 용액이 고형화되는 것을 방지한다. 그 후, 스트랜드 형태로 압출된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액은 냉각 파이프(300)에서 냉각되어 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드로 제작되고, 냉각 파이프(300)의 출구 측에 장착된 절단기(400)로 절단되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛으로 제작된다(S50). 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, EVOH를 가열하여 압출하지 않고 냉각하여 펠렛으로 제조하기 때문에 EVOH의 열변형을 감소할 수 있다.
상기 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절삭하여 제작된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛은 기존의 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛에 비하여 수세정시 보다 효과적인 불순물 제거가 가능하며, 핸들링이 용이하다. 따라서 간단한 세정 공정으로 고순도의 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 제조할 수 있다.
상기 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 수득하기 위한 냉각 공정은 -15 ℃ 내지 -1 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 또는 -10 ℃ 내지 -3 ℃ 범위에서 수행될 수 있다. 일례로, 교반/압출기(200)로 냉각 파이프(300)의 내부 파이프(310; 도 2 참고)에 상기 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 압출하고 -15 ℃ 내지 -1 ℃의 냉매를 냉각 파이프(300)의 외부 파이프(320; 도 2 참고)로 흘러보내 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 얻을 수 있다.
상기 고형화된 에틸렌-비닐알코올 스트랜드는 교반/압출기(200)의 압력으로 인하여 밀려나며 절단기(400)에 의하여 절단되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛으로 제작된다(S50).
다음으로, 상기 펠렛을 수세정하여 정제된 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 수득한다(S60). 상기 펠렛을 세정조(500)에 투입하고, 물을 첨가하여 교반한 다음 원심탈액기 등을 통해 탈액하여 수세정 과정을 수행할 수 있다. 상기 수세정 과정은 1회 수행될 수 있고, 또는 필요에 따라 2회 이상 반복될 수 있다.
상기 수세정시 사용되는 물은, 전기전도도가 10 μS/cm 이하, 바람직하게는 5 μS/cm 이하인 증류수 혹은 탈이온수일 수 있다. 상기 물의 전기전도도는 낮을수록 우수한 것으로, 하한은 제한되지 않으나, 일례로 0.1 μS/cm 이상, 또는 0.3 μS/cm 이상일 수 있다.
상기 수세정시 투입되는 물의 양은, 각 회차 당 펠렛 100 중량부에 대하여 100 중량부 이상, 또는 200 중량부 이상, 또는 300 중량부 이상이면서, 1,000 중량부 이하, 또는 800 중량부 이하, 또는 600 중량부 이하가 바람직할 수 있다. 물의 투입량이 너무 적으면 펠렛으로부터 불순물이 충분히 용해될 수 없고, 물의 투입량이 너무 많으면 세정 효율의 증가 없이 세정수 소모량만 늘 수 있다.
상기 수세정시 물의 온도는 10 ℃ 내지 40 ℃, 또는 20 ℃ 내지 30 ℃인 것이, 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 손상을 방지하면서 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 스트랜드를 절삭하여 얻어진 펠렛은 세정 효율이 우수하므로 상기 조건에서 1회의 수세정으로도 약 90% 이상, 또는 약 94% 이상의 불순물을 제거할 수 있다. 그러나 보다 고순도의 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 수득하기 위하여, 필요에 따라 2회 이상 수세정 및 탈액을 반복할 수 있다.
상기 수세정 및 탈액의 반복 횟수는 특별히 제한되는 것은 아니나, 일례로 2회 이상, 또는 3회 이상이면서, 7회 이하, 또는 5회 이하로 수세정 및 탈액을 반복할 수 있다. 상기 수세정 및 탈액 횟수는 일시에 처리되는 펠렛의 양에 따라 조절될 수 있지만, 대체로 상기 조건 하에서 3회의 수세정 및 탈액으로 약 99.5%의 불순물이 제거되고, 5회의 수세정시 약 99.9%의 불순물이 제거되므로, 공정의 경제성 및 효율성을 고려할 때, 수세정 및 탈액 횟수는 7회 이하, 또는 5회 이하가 바람직할 수 있다.
또는, 상기 수세정은 탈액된 세정액의 전기 전도도가 10 μS/cm 이하, 또는 8 μS/cm 이하, 바람직하게는 7 μS/cm 이하를 만족할 때까지 수 회 반복될 수 있다. 세정액의 전기 전도도는 펠렛 내 잔류 알칼리 촉매량과 불순물 함량을 나타내는 척도로, 세정액의 전기 전도도가 낮을수록 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 순도가 높은 것으로 판단할 수 있다.
상기 수세정 시간은 각 회차 당 20분 이상, 또는 30분 이상이면서, 2시간 이하, 또는 1시간 이하일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 세정 효율이 현저히 향상되므로 2시간 이내의 세정 시간으로도 우수한 세정 효과를 확보할 수 있다.
상기 수세정을 완료한 후 얻어진 에틸렌-비닐알코올 공중합체는 잔류 나트륨 함량이 30 ppm 이하, 또는 20 ppm 이하, 또는 10 ppm 이하로, 불순물 함량이 극히 적다. 잔류 나트륨 함량은 낮을수록 우수한 것으로, 이론적으로 0 ppm일 수 있다.
이후, 수세정이 완료된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛은 열풍 건조기 등에 의하여 건조된다(S70).
이상의 제조방법에 따르면 기존의 에틸렌-비닐알코올 공중합체 제조방법에 비하여 세정 공정의 효율이 현저히 향상되므로, 비교적 간단한 세정 공정을 통해 고순도의 에틸렌-비닐알코올 공중합체를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 생산 효율이 향상될 수 있고, 세정 공정에서 발생하는 폐수량을 최소화할 수 있어 환경 오염을 줄일 수 있다. 또한, 냉각되어 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛으로 제작하고, 이 펠렛을 수세정하므로 세정 및 핸들링이 용이하다. 더 나아가, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제조하기 위하여 가열하여 압출하는 대신 냉각하여 절단하기 때문에 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 열변형이 감소할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법을 수행할 수 있는 후처리 시스템을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 후처리 시스템의 일부를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 후처리 시스템은 교반/압출기(200), 냉각 파이프(300), 절단기(400), 그리고 세정조(500)를 포함한다. 상기 후처리 시스템은 탈액기와 건조기를 더 포함한다.
교반/압출기(200)는 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVOH) 용액을 교반하여 이송하며 냉각 파이프(300)로 압출하도록 구성된다. 상기 교반/압출기(200)는 그 일측에 비누화 반응기(100)로부터 EVOH 용액을 공급받도록 구성된 입구(210)와, 그 타측에 교반되어 이송한 EVOH 용액을 냉각 파이프(300)로 압출하도록 구성된 출구(220)가 형성된 하우징(205)을 포함한다. 상기 하우징(205)의 내부에는 스크류(230)가 회전 가능하게 배치되고, 스크류(230)의 외주면에는 스크류 날이 형성되어 있다. 이에 따라, 스크류(230)가 회전하면 입구(210)를 통해 하우징(205) 내로 공급된 EVOH 용액은 출구(220)를 향해 일측에서 타측으로 이송되며 교반된다.
상기 하우징(205)의 외부에는 구동 모터(240)가 구비되며, 구동 모터(240)의 모터축은 하우징(205)의 일단을 관통하여 상기 스크류(230)에 연결되어 스크류(230)에 회전 동력을 전달할 수 있다.
상기 교반/압출기(200)는 하우징(205)의 내부에서 타측으로 이송되는 EVOH 용액의 고형화를 방지하기 위해 EVOH 용액을 보온하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 하우징(205)의 외부 또는 내부에는 하우징(205) 내부의 EVOH 용액을 보온하도록 구성된 보온 장치(도시하지 않음)가 장착될 수 있다. 보온 장치는, 예를 들어 하우징(205) 내부의 EVOH 용액의 온도를 약 35 ℃ ~ 65 ℃로 유지시키도록 구성될 수 있다. 상기 온도는 예시적인 것일 뿐, 본 발명은 예시된 온도에 한정되지 아니한다. 당업자는 하우징(205) 내부의 EVOH 용액이 고형화되지 않도록 하는 적절한 온도를 설정할 수 있다.
상기 교반/압출기(200)의 타단에는 냉각 파이프(300)가 연결된다. 상기 냉각 파이프(300)는 교반/압출기(200)에서 압출된 EVOH 용액을 냉각하여 고형화된 EVOH 스트랜드(strand)를 제작하도록 구성된다. 이러한 목적으로, 상기 냉각 파이프(300)는 내부 파이프(310)와 외부 파이프(320)를 포함하는 이중 파이프 구조를 가진다.
내부 파이프(310)는 교반/압출기(200)에서 압출된 EVOH 용액이 이동하도록 구성된다. 상기 내부 파이프(310)의 일단은 개구되어 상기 교반/압출기(200)의 출구(220)에 유체가 흘러가도록 연통된다. 상기 내부 파이프(310)의 타단은 개방되어 고형화된 EVOH 스트랜드가 배출되도록 구성된다.
외부 파이프(320)는 상기 내부 파이프(310)를 둘러싸며, 예를 들어 -15 ℃ 내지 -1 ℃의 냉매가 흘러가도록 구성된다. 상기 컨베이어 하우징(205)의 외주면에는 냉각 자켓(240)이 구비된다. 외부 파이프(320)를 흐르는 -15 ℃ 내지 -1 ℃의 냉매는 상기 내부 파이프(310)를 통해 이송되는 EVOH 용액을 냉각하여 고형화된 EVOH 스트랜드를 생성할 수 있다. 따라서, 교반/압출기(200)로부터 압력을 받아 내부 파이프(310) 내의 EVOH가 일측에서 타측으로 이송되면, EVOH 용액은 외부 파이프(320)를 흐르는 -15 ℃ 내지 -1 ℃의 냉매에 의해 EVOH 스트랜드로 고형화되고, 내부 파이프(310)의 타단을 통해 냉각 파이프(300)로부터 배출된다.
절단기(400)는 냉각 파이프(300)의 타단에 연결되어 냉각 파이프(300)로부터 배출되는 고형화된 EVOH 스트랜드를 절단하여 EVOH 펠렛으로 제작하도록 구성된다. 이를 위하여, 상기 절단기(400)의 일단은 상기 내부 파이프(310)의 타단에 연결되어 고형화된 EVOH 스트랜드를 공급받는다. 절단기(400)에 공급된 EVOH 스트랜드는 타측을 향해 이동하며 절단기(400)에서 절단되어 EVOH 펠렛으로 제작되며, EVOH 펠렛은 후속적으로 세정조(500)로 이송된다. 이에 따라, EVOH 용액의 제조부터 EVOH 펠렛의 세정이 연속적으로 수행될 수 있다.
세정조(500)는 상기 절단기(400)의 하류에 연결되어 절단기(400)로부터 EVOH 펠렛을 공급받고, 이를 수세정하도록 구성된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 세정조(500)의 상류 또는 하류에는 탈액기가 배치될 수 있고, 세정조(500)의 하류에는 EVOH 펠렛을 건조하기 위한 건조기가 더 배치될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 후처리 장치는 EVOH 용액이 교반되며 이송되어 냉각 파이프(300)로 압출되며, 냉각 파이프(300)를 통과하며 EVOH 스트랜드로 고형화되고, 고형화된 EVOH 스트랜드는 절단기(400)에서 EVOH 펠렛으로 절단되어 세정된다. 따라서, 세정 공정의 효율이 현저히 향상되어 생산 효율이 향상될 수 있고, 세정 공정에서 발생하는 폐수량을 최소화할 수 있어 환경 오염을 줄일 수 있다. 또한, 고형화된 EVOH 스트랜드가 절단된 EVOH 펠렛이 세정되므로, 세정 및 핸들링이 용이하다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 비누화 반응기 200: 교반/압출기
205: 하우징 210: 입구
220: 출구 230: 스크류
240: 구동 모터 300: 냉각 파이프
310: 내부 파이프 320: 외부 파이프
400: 절단기 500: 세정조

Claims (10)

  1. 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 이송하여 압출하는 교반/압출기;
    상기 교반/압출기에서 압출된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드(strand)로 고형화하도록 구성된 냉각 파이프; 그리고
    상기 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제작하도록 구성된 절단기;
    를 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절단기의 하류에 배치되며, 상기 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 수세정하도록 구성된 세정조를 더 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교반/압출기는
    일측에 형성되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 공급받도록 구성된 입구와, 타측에 형성되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각 파이프로 압출하도록 구성된 출구를 포함하는 하우징;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되어 입구를 통하여 공급된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 출구를 향하여 이송하도록 구성된 스크류; 그리고
    상기 스크류에 회전 동력을 제공하도록 구성된 구동 모터;
    를 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 교반/압출기는 상기 하우징 내에서 이송되는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 보온하도록 구성된 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 파이프는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액이 흘러가는 내부 파이프와, 상기 내부 파이프를 둘러싸며 냉매가 흘러가는 외부 파이프를 포함하는 이중 파이프 구조인 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 시스템.
  6. 교반/압출기에 의하여, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하여 이송하며 압출하는 단계;
    냉각 파이프에 의하여, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드로 고형화하는 단계; 그리고
    절단기에 의하여, 고형화된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 스트랜드를 절단하여 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 제조하는 단계;
    를 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    세정조에 의해, 에틸렌-비닐알코올 공중합체 펠렛을 수세정하는 단계를 더 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 교반/압출기는
    일측에 형성되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 공급받도록 구성된 입구와, 타측에 형성되어 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 냉각 파이프로 압출하도록 구성된 출구를 포함하는 하우징;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되어 입구를 통하여 공급된 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 교반하며 출구를 향하여 이송하도록 구성된 스크류; 그리고
    상기 스크류에 회전 동력을 제공하도록 구성된 구동 모터;
    를 포함하는 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교반/압출기는 상기 하우징 내에서 이송되는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액을 보온하도록 구성된 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 파이프는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 용액이 흘러가는 내부 파이프와, 상기 내부 파이프를 둘러싸며 냉매가 흘러가는 외부 파이프를 포함하는 이중 파이프 구조인 에틸렌-비닐알코올 공중합체의 후처리 방법.
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