KR20090077369A - 카본 블랙 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체 수지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 30~140 nm 크기의 카본 블랙 입자를 포함하는 발포성 스티렌 중합체 수지를 제공한다. 본 발명에 따른 발포성 스티렌 중합체 수지는 특별한 스크류 조합을 가지는 이축 압출기에 의한 혼련에 의하여 형성됨으로써 그것을 발포시키면 낮은 밀도에서 높은 단열성을 갖는 팽창된 스티렌 중합체 수지 발포체를 얻을 수 있다.
발포성 스티렌 중합체, 카본 블랙, 발포, 이축 압출기, 니딩 블록, 디스크 두께
Description
본 발명은 카본 블랙 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체 수지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 낮은 밀도에서도 우수한 단열 특성을 가지는 발포체를 형성할 수 있는, 카본 블랙 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체 수지에 관한 것이다.
발포성 스티렌 중합체 수지는 단열용 보드로 성형되며, 형성되는 발포체는 일반적으로 30 g/l의 밀도를 갖는다. 이것은 스티렌 중합체 수지의 발포체가 상기 밀도에서 열전도도의 최소값을 가지기 때문이다. 따라서, 일반적인 발포성 스티렌 중합체 수지의 경우, 재료 및 공간의 절약을 위하여 상기 밀도보다 낮은 밀도의 단열용 보드로 성형할 경우 단열 성능이 감소되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 발포성 스티렌 중합체 수지에 흑연, 금속 산화물, 카본 블랙, 금속 산화물과 같은 유기물과 무기물을 첨가함으로써 저밀도에서 단열 성능을 유지 또는 상승시킬 수 있음은 공지되어 있다.
그런데 폴리스티렌 수지에 카본 블랙을 혼합하여 발포체를 제조하는 경우에는 가공상의 어려움과 그에 따른 제품 품질상의 문제가 발생한다. 이러한 문제점에 관한 해결책을 국제 특허 공개 공보 제94/13721호는 제시하였다. 즉, 그 특허에는 폴리스티렌과 카본 블랙 농축물을 압출기를 사용하여 혼합한 후 상기한 혼합물에 발포제를 투입하여 발포체를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
그러나 상기 특허에는 입자 크기가 150nm이상인 카본 블랙(써멀 블랙)을 함유한 카본 블랙 농축물을 사용해야 발포체 제조의 목적을 쉽게 달성할 수 있다. 상기 특허의 제조 방법은 카본 블랙을 제조 공정중에 분산시키는 기능이 열악하기 때문에 반드시 카본 블랙 농축물을 사용해야 하는 제한이 있고, 카본 블랙의 사용 또한 써멀 블랙과 같이 입자 크기가 큰 카본 블랙을 사용해야 하는 제한이 있다. 따라서, 상기 특허는 상기한 종래기술상의 문제점을 제한적으로 해결하고 있을 뿐이다. 이에 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙이 혼합된 발포체를 제조함에 있어서 가공상 및 제품 품질상의 개선은 여전히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 낮은 밀도에서 높은 단열성을 갖는 팽창된 스티렌 중합체 수지 발포체를 형성하고 우수한 물리적 및 난연 특성을 갖도록 가공될 수 있는, 카본 블랙을 함유하는 발포성 스티렌 중합체 수지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 낮은 밀도에서 높은 단열성을 갖는 팽창된 스티렌 중합체 수지 발포체를 제공하는 것이다.
본 발명의 발포성 스티렌 공중합체 수지는 0.05~25 중량%의 카본 블랙 입자, 1~15 중량%의 발포제 및 나머지 양의 스티렌 중합체을 포함한다. 이때, 상기 카본 블랙 입자는 30~140 nm의 평균입자크기를 가지는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는, 상기 카본 블랙 입자는 30~100 nm의 평균입자크기를 가지는 것이다. 이러한 본 발명의 발포성 스티렌 공중합체 수지는 발포되면 낮은 밀도에서 우수한 단열성을 갖는다. 즉, 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지는 19 ~ 20 g/l의 밀도로 발포될 때 29 ~ 30 mW/m·K의 열전도도를 가지고, 15 g/l의 밀도로 발포될 때 34 mW/m·K 이하의 열전도도를 가진다. 또한, 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지에서 상기 카본 블랙 입자는 벌크 밀도가 0.03~0.5 g/ml일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 발포성 스티렌 중합체 수지를 발포시켜 형성되는 스티렌 중합체 발포체를 제공한다. 상기 발포체의 밀도는 10 내지 30 g/l인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지는 발포에 의하여 낮은 밀도에서 높은 단열성을 가지는 팽창된 스티렌 중합체 수지 발포체를 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지는 낮은 벌크밀도를 가지는 카본블랙 입자를 함 유할 수 있을 뿐만 아니라 높은 벌크밀도를 가지는 카본블랙 입자를 함유하면서도 낮은 밀도에서 높은 단열성을 가질 수 있다.
본 발명자들은 카본 블랙 입자를 발포성 스티렌 중합체 수지에 함유시켜서 발포성 스티렌 중합체 수지가 낮은 밀도에서 우수한 단열성을 갖도록 하기 위하여, 상당한 연구를 하였는바, 이러한 목적은 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙의 최적화된 용융혼합공정(컴파운딩)에 의하여 달성될 수 있음을 알게 되었다.
본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지를 얻기 위하여, 스티렌 중합체와 카본 블랙 입자의 용융혼합공정에서 중요한 점은 카본 블랙의 분산성을 향상시키기 위해 이축 압출기를 사용하는 것이다. 본 발명자들은 이축 압출기가 단축 압출기와 비교할 때 상기 목적을 달성하기에 더 용이하다는 것을 알았다. 이러한 방법에서, 이축 압출기 호퍼에 스티렌 중합체 수지를 투입하며, 카본 블랙은 상기한 스티렌 중합체 수지와 함께 호퍼로 투입되거나 또는 호퍼 이외의 이축 압출기의 다른 투입구에 투입된다. 본 발명에서 스티렌 중합체 수지는 용융된 상태에서 카본 블랙과 균일하게 혼련된다. 이와 같이 균일하게 혼련된 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙 입자의 혼합물은 그것에 발포제를 혼입시킴으로써 발포성 스티렌 중합체 수지로 형성된다.
더욱 구체적으로, 본 발명자들은 이축 압출기에서 분산 혼련이 충분히 가능하도록 스크류 조합을 설계함으로써 어떠한 크기의 카본 블랙도 분산이 가능하다는 것을 알게 되었다. 이것은 카본 블랙 농축물을 만들 필요가 없어져 더욱 편리하며 경제적인 방식이다.
도 1은 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지를 제조하기 위하여 사용되는 압출기의 개략적 구조를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지를 제조하기 위하여 사용되는 압출기의 니딩 블록의 구성을 나타낸 것이다. 본 발명에서는 이축 압출기를 사용하지만, 도면에서는 간략화를 위하여 하나의 축만을 도시하였다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 압출기의 축은 크게 스크류 구간(Screw Zone)(나 구간)과 니딩 블록(Kneading Block)(가 구간)으로 구분될 수 있다. 스크류 구간은 호퍼로 투입되는 수지 및 카본 블랙 입자를 스크류의 진행 방향으로 밀어내는 역할을 주로 하며, 니딩 블록은 주로 용융과 혼련에 중요한 역할을 한다. 니딩 블록에 의하여 혼련되어 형성된 수지와 카본 블랙 입자의 혼합물은 다시 스크류 구간에 의하여 진행방향으로 밀려가게 된다.
도 2에서 보는 바와 같이, 일반적인 니딩 블록은 몇 개의 디스크로 구성되어 있으며, 니딩 블록의 설계 요소로는 1) 스태거 앵글(staggered angle), 2) 디스크의 개수, 3) 디스크의 두께이다. 일반적으로 사용되는 디스크의 두께는 0.25 * D (D: 압출기 배럴의 외경; *: 곱셈 표시) 이하이다. 예시된 스크류 조합과 같이 호퍼에 투입되는 플라스틱 소재는 고체상태이며, 투입된 후 첫 번째 만나는 니딩 블록(들)이 있는 구간('가')에서 가소화(용융)가 일어난다.
본 발명자들은 이 구간의 니딩 디스크들의 두께가 일반적인 값보다 큰, 0.3 * D 이상일 때 카본 블랙의 분산이 잘 일어나며, 특히 디스크의 두께가 0.3 * D ~ 0.4 * D 인 니딩 블록을 연속적으로 2개 이상 배열하였을 때 카본 블랙의 분산과 이후 발포 공정에 어떠한 문제도 발생하지 않음을 알게 되었다. 또한, 호퍼로부터 첫 번째 니딩 블록을 만나기까지의 거리인 '나'의 길이가 8 x D 보다 짧은 경우에 상기 효과가 더욱 증폭됨을 알게 되었다.
본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지를 제조하기 위하여, 니딩 블록의 디스크의 두께 및 스크류 구간의 길이가 상기와 같다면, 니딩 블록의 디스크의 개수는 어떠하든지 상관없으나, 니딩 블록의 디스크의 개수는 도 2에 도시된 바와 같이, 5개 또는 그 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에서 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙의 용융, 혼련을 원활하게 수행하기 위하여 적용되는 압출기의 운전조건은 통상적으로 설정될 수 있으며, 기본 재료 및 첨가제의 종류 및 상태에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 통상적으로 축의 회전속도는 150 내지 300 rpm 정도가 적당하고, 배럴의 온도는 120 내지 250 ℃ 정도가 적당하다.
다음으로, 본 발명은 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙 입자의 혼합물에 발포제를 함유시킨다. 본 발명에서, 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙의 혼합물에 발포제를 투입하는 방법은 두 가지이다. 발포제를 스티렌 중합체 수지와 카본 블랙의 혼합물이 용융상태로 있는 압출기에 직접 투입한 후 압출기 출구에서 급냉 시켜 발포성 스티렌 중합체 수지를 만드는 방법이 있다. 발포제를 투입하는 또 다른 방법은 발포제의 투입 없이 상기 압출 공정에서 카본 블랙과 스티렌 중합체 수지의 혼 합물을 얻고, 상기 혼합물을 압력용기에 투입한 후 일정한 온도와 압력에서 발포체를 혼합물에 함침시켜서 발포성 스티렌 중합체 수지를 만드는 방법이다.
본 발명에 의하여 제조되는 발포성 스티렌 중합체 수지에서 카본 블랙은 0.05~25 중량%, 바람직하게는 2 내지 8 중량%, 발포제는 1~15 중량% 그리고 스티렌 중합체는 나머지 양으로 포함될 수 있다. 또한, 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지는 상기에 더하여, 필요에 따라 난연제, 난연조제, 발포 핵제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하여 형성되는 발포성 스티렌 중합체 수지는 평균 직경이 0.2내지 2mm인 구상 비드 형태 또는 직경 0.2 내지 2mm이고, 길이 0.2 내지 3mm인 원통형 펠렛 형태로 제조될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 카본 블랙 입자의 평균 입도는 30 - 140 nm일 수 있고, 바람직하게는 30 - 100 nm 이다. 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지에서 카본 블랙 입자가 140 nm 이상인 경우에는 발포시 균일한 발포 쎌을 형성하는데 불리하며, 특히 카본 블랙 입자가 상당히 큰 경우에는 낮은 밀도의 발포물 자체를 얻을 수 없는 경우도 있다. 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지는 국제특허공개공보 제94/13721호에서 개시한 카본블랙의 입자크기보다 작은 것을 포함하면서도 동일 밀도로 발포할 경우 더 우수한 단열성을 가지며, 또한 동일한 입자크기의 카본블랙 입자를 함유하더라도 동일 밀도로 발포할 경우 더 우수한 단열성을 가진다. 또한, 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지는 다른 종래의 발포성 스티렌 중합체 수지에 비하여 동일한 밀도에서 더 우수한 단열성능을 나타낸다.
또한 본 발명에서 사용되는 카본블랙은 벌크 밀도는 0.03 - 0.5 g/ml의 벌크 밀도를 가질 수 있다. 일반적으로 벌크 밀도가 큰 경우에는 가공상 취급이 용이하다. 그러나, 발포성 스티렌 중합체 수지에 카본 블랙 입자를 함유시킴에 있어서, 종래에는 큰 벌크 밀도를 가지는 카본 블랙을 함유시키는 경우에는 균일한 혼련이 어려웠고 그에 따라 형성되는 발포성 스티렌 중합체 수지의 발포성 및 단열성이 좋지 않았다. 이에 반하여, 본 발명에서는 높은 벌크 밀도를 가지는 카본블랙 입자를 사용하더라도 균일한 혼련이 가능하여 우수한 발포성 및 단열성을 얻을 수 있다는 추가적 이점이 있다.
본 발명에서 사용되는 카본 블랙 입자는 30 - 1000 m2/g의 비표면적을 가질 수 있다.
본 발명에서 사용되는 발포제로는 발포성 수지의 제조를 위하여 통상적으로 사용되는 발포제들이 적용될 수 있다. 예를 들어, 탄소수 3~6의 탄화수소가 사용될 수 있다. 이러한 탄화수소의 예는 n-부탄, 이소부탄, 사이클로부탄, n-펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄, 사이클로펜탄, n-헥산, 사이클로헥산 등을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 스티렌 중합체 수지는 스티렌 단일 중합체일 수도 있고, 스티렌과 다른 공단량체의 공중합체일 수도 있다. 이 때, 스티렌 단량체로는 스티렌 화합물뿐만 아니라 스티렌 유도체도 사용될 수 있으며, 스티렌 단량체와 공중합할 수 있는 공단량체로는 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같이 제조한, 카본 블랙 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체 수지는 발포되어 밀도가 5 - 35 g/l, 바람직하게는 10 내지 30g/l 및 특히 10-15g/l인 스티렌 중합체 수지 발포체를 형성할 수 있다. 이러한 발포체는 낮은 밀도에서 매우 우수한 단열 성능을 나타낸다. 특히 본 발명에 따라 제조된 스티렌 중합체 수지 발포체는 19 ~ 20 g/l의 밀도에서 29 ~ 30 mW/m·K, 특히 15 g/l의 밀도에서 34 mW/m·K 이하의 열전도도를 가지는 정도로 우수한 단열성을 발휘한다. 이러한 단열성능은 동일한 밀도 및 동일한 카본블랙의 입자크기에서는 종래에는 결코 얻을 수 없는 것이었다.
본 발명에서 상기 수지를 발포시키는 방법은 통상적으로 알려져 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 예시한다. 다만, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 된다.
<실시예 1>
폴리스티렌 (LG화학 제품 GPPS 24HRE) 20.0kg과 36.5nm의 평균입자크기를 가지는 카본 블랙(Mitsubish Chemical Co., Ltd., Ketjen black EC-300J) 0.8kg을 상온에서 혼합한 후 이축 압출기를 사용하여 카본 블랙이 폴리스티렌 내에 균일하게 혼합된 혼합물 펠렛을 제조하였다. 제조된 펠렛을 가압용기에 투입한 후 섭씨 130 도 최대 압력 6 kgf/cm2의 조건에서 이소펜탄을 혼합물에 함침시켜 카본 블랙을 함유한 발포성 스티렌 중합체를 얻었다. 상기 중합체를 증기를 사용하여 발포시켜 밀도 21.9 g/l로 발포화될 수 있다. 열전도도를 DIN 52 612에 따라 측정하여 그 값이 29 mW/m·K였다.
<실시예 2>
실시예 1에서 제조된 발포성 스티렌 중합체를 밀도 18.5 g/l으로 발포시키니 발포체의 열전도도는 31 mW/m·K였다.
<비교예 1>
카본 블랙을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 밀도 21.0 g/l으로 발포화되었을 경우 발포체의 열전도도는 34 mW/m·K였고, 밀도 18.1 g/l로 발포화되었을 경우 열전도도는 37 mW/m·K였다.
<실시예 3>
실시예 1에서 사용된 카본 블랙보다 평균 입자 크기가 더 큰, 즉 58 nm의 평균입자크기를 가지는 카본 블랙(Korea Carbon Black Co., Ltd., HIBLACK 170)으로 대체하여 실시예 1을 반복하였다. 밀도 21.2 g/l로 발포화되었고, 발포체의 열전도도는 30 mW/m·K였다.
<비교예 2>
실시예 1에서 사용된 카본 블랙보다 평균 입자 크기가 더 큰, 즉 200 nm의 평균입자크기를 가지는 카본 블랙(Severgazprom Co., Ltd., N991)으로 대체하여 실시예 1을 반복하였다. 실시예 1과 동일한 발포조건에서 밀도 28 g/l 이하의 발포물을 얻을 수 없었다.
도 1은 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지를 제조하기 위하여 사용되는 압출기의 개략적 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 발포성 스티렌 중합체 수지를 제조하기 위하여 사용되는 압출기의 니딩 블록의 구성을 나타낸 것이다.
Claims (8)
- 0.05~25 중량%의 카본 블랙 입자, 1~15 중량%의 발포제 및 나머지 양의 스티렌 중합체를 포함하는 발포성 스티렌 중합체 수지이고, 상기 카본 블랙 입자는 30~140 nm의 평균입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항에 있어서,상기 카본 블랙 입자는 30~100 nm의 평균입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 발포성 스티렌 중합체 수지는 19 ~ 20 g/l의 밀도로 발포될 때 29 ~ 30 mW/m·K의 열전도도를 가지는 스티렌 중합체 수지 발포체로 형성되는 것임을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 발포성 스티렌 중합체 수지는 15 g/l의 밀도로 발포될 때 34 mW/m·K 이하의 열전도도를 가지는 스티렌 중합체 수지 발포체로 형성되는 것임을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 카본 블랙 입자는 벌크 밀도가 0.03~0.5 g/ml인 것을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 발포성 스티렌 중합체 수지는 평균 직경이 0.2 내지 2 mm인 구상 비드 형태 또는 평균 직경이 0.2 내지 2 mm 그리고 평균 길이가 0.2 내지 3 mm인 원통형 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 발포제는 탄소수 3~6의 탄화수소 화합물 또는 그것들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 발포성 스티렌 중합체 수지.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 발포성 스티렌 중합체 수지를 발포시켜 형성되는 스티렌 중합체 발포체로서, 상기 발포체의 밀도는 10 내지 30 g/l인 것을 특징으로 하는 스티렌 중합체 발포체.
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| CN119912758A (zh) * | 2025-03-03 | 2025-05-02 | 河北信泰新材料有限公司 | 一种炭黑复合聚苯乙烯材料及其制备方法 |
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- 2008-01-11 KR KR1020080003289A patent/KR101153045B1/ko active Active
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