압출법보온판(XPS) 제조에서 HCFCs 대안으로
오존 및 기후친화적인 발포제
1) 서론
환경 친화적인 사람에게 ‘오존 살인자’로부터 폼에 대한 발포제의 전환은 아직 세계적으로 자리를 차지하고 있지 않습니다. 유럽에서는 100% 전환이 달성되었습니다. 미국은 2010년 소송에따른 것입니다. 다른 나라들은 단계적 일정에 따라 늦어도 2030년에 전환됩니다.
그러나 실제로 저렴하고 쉽게 전환할 수 있는 해결책이 이미 존재하기 때문에 이러한 긴 시간을기다릴 필요가 없습니다.
이러한 해결책의 예를 제공하기 위해, 아래에서 서술하는 자료에서 건설 산업에서 압출법보온판(XPS) 생산에 사용되는 환경 친화적인 발포제로 전환을 설명합니다.
2) 압출법보온판(XPS) 생산의 전환
20년 이상, 압출법보온판(XPS)은 건설업계에서 성공적으로 사용되어 왔습니다. 압출법보온판(XPS)의 주요 특성은 내압성 및 낮은 흡습성입니다. 2000년까지 압출법보온판(XPS)는 HCFC발포제를 사용하였습니다. 이것은 액체 발포제를 직접 압출기를 통하여 수지 흐름으로 주입하는 물리적 발포방법입니다. 압출법보온판(XPS)은 연속적으로 생산되었고, 라인에서 발포되고,생산 라인 끝에서 자동 포장되었습니다.
요구 특성 및 발포제의 품질을 유지하기 위한 HCFC 대체 발포제를 선택할 때, 가능한 모든 경제성과 제약되는 가능성을 고려해야합니다. 제약 조건을 평가하고, 전환 단계의 시험을 수행한후, CO2와 에탄올은 전체에서 가장 최적의 해결책이 될 것 같았습니다.
서유럽에서 압출법보온판(XPS) 제조업체 대부분은 이미 6~8년 전에 CO2를 기반으로 하는발포시스템으로 전환하였습니다. CO2와 에탄올은 압출법보온판(XPS) 두께 60mm에 사용됩니다. 두꺼운 압출법보온판(XPS)의 경우 제3의 발포제가 사용됩니다.이것은 펜탄, 부탄 또는 HFC 등의 탄화수소일 수 있습니다.
[압출법보온판(XPS) 시공]
CO2를 기반으로 하는 발포제는 모든 기술적인 전제조건을 충족하고 저렴하고 쉽게 사용할 수있습니다. CO2 발포제로 생산된 압출법보온판(XPS)의 품질은 EN13164의 모든 요구사항과시험기준을 충족해야합니다. 압출법보온판(XPS) 생산에 가연성 발포제가 사용되는 경우, 안전 관련 변경 사항을 포함하여 설비를 적절하게 수정 및 추가함으로써, 친환경 발포제로 전환이성공적으로 유럽 압출법보온판(XPS) 업계에서 완성되었 습니다. 전환 비용은 기존의 압출법보온판(XPS) 압출 설비의 사용 년 수에 크게 의존합니다. 절대적으로 필요한 추가적인 발포제 탱크와 설비뿐만 아니라 발포제를 섞어 주요 압출기와 같은 더블스크루 압출기를 포함합 니다. 가스 경고시스템과 개선된 화재예방 시스템의 설치도 권장합니다.
압출법보온판(XPS) 압출 설비의 새로운 발포제 시스템 및 난연성 때문에, 변환장치에 부식을일으킬 수 있어 주요 압출기는 내식성이 강한 재료를 사용해야합니다.
400kg/h 생산 속도의 소형 공장에서 기후친화적인 발포제로 유럽의 기술을 변환하는 총 비용은새로운 압출법보온판(XPS) 설비에 대한 투자비용의 약 40%를, 1,500kg/h 속도의 대형 공장은약 60%를 차지합니다. 어떤 경우에는 기존 컴퓨터 기술의 정확한 분석이 필수적이며 경제 효율이 포함됩니다.
오래된 설비는 완전히 새로운 압출법보온판(XPS) 설비에 투자하는 것이 바람직합니다.
[그림1]은 환경친화적인 발포제를 사용하여 최신의 압출 발포 설비공장의 레이아웃을 나타냅니다.
[압출법보온판(XPS) 압출 공정]
좋은 질량의 압력과 낮은 에너지 유입을 유지하면서 높은 스크류 속도와 두 개의 압출기는CO2계 발포제에 좋은 침투의 가능성을 제공합니다. 대형 냉각 압출기는 매우 낮은 스크류 속도동안 작동하고 증가된 냉각 용량을 갖는 최적화된 스크류 설계는 CO2의 낮은 냉각 효과에 균형을 맞춥니다.
CO2로 전환하는 제한된 냉각효과 때문에 이전에 설비는 감소된 속도로 실행되어야합니다.
이미 유럽에서 압출법보온판(XPS)에서 대체 발포제로 움직임이 있었고, KraussMaffei Berstorff는 상당한 경험을 가지고 있습니다. 발포제 취급과 필요한 설비 기술에서 모두 매우 잘 시험되었고 지금은 성숙단계에 있습니다. 독일 법률의 초기 변화에 대한 지원으로 산업은 매우 빠르게 필요한 변환을 수행할 수 있었습니다. 압출법보온판(XPS) 생산에서 CO2를 기반으로 하는대체발포제는 HCFCs보다 훨씬 저렴하기 때문에 투자 비용은 빠르게 회수할 수 있었습니다.
CO2로 변환하는 압출법보온판(XPS) 제조업계의 망설임은 CO2를 기반으로 하는 발포제의 낮은 가격으로 극복할 수 있었습니다. 대략적인 기준으로 환경친화적인 압출법보온판(XPS) 1㎥는 HCFC 발포제 압출법보온판(XPS)보다 약 8€ 저렴하다고 가정할 수 있습니다.즉 압출법보온판(XPS) 1㎥ 판매 가격의 10%에 해당합니다.
KraussMaffei Berstorff는 압출법보온판(XPS) 생산에 환경친화적인 발포제로 변환하기 위한필요한 장치뿐만 아니라, 필요한 공정지원을 제공하고 압출법보온판(XPS) 생산 공장을 시작하도록 도울 수 있습니다. 이 실험에서 새로운 발포제 및 공정, 고객의 요구 사항을 시험할 수 있는 가능성을 제공하는 발포 압출기가 있습니다.
[압출법보온판(XPS) 시공]
3) 특수 주입기술에 초점
유럽에서 압출법보온판(XPS) 생산에 CO2와 같은 기후 친화적인 발포제 그리고 다른 발포제는 몇 년 동안 사용되어 왔습니다. 특수 주입 및 압출 기술시스템은 이러한 발포제를 사용하는 것이 필요합니다.냉각 보
조 압출기와 싱글 압출기와 함께 주 압출기와 같은 두 개의 압출기로 구성된 직렬 라인은 압출법보온판 (XPS) 생산을 위해 최적의 해결책입니다.
두 개의 스크류 기술을 통해 최대 3개의 다른 발포제 그리고 다른 용융 흐름 지수(MFI)와 폴리머 및 첨가제는 하나의 단계에서 혼합될 수 있습니다. 대형의 싱글 압출 성형기는 ‘발포제를 함유한 융용’의 냉각을 위한 최고의 선택입니다. 다음 페이지는 친환경발포제를 사용하여 압출법보온판(XPS)를 위한 특별한 기술의 압출에 의한 직접 가스 처리에 대해 자세히 설명합니다.
(1) 압출에 의한 직접 가스처리는 무엇인가?
2006년 폴리머 폼의 전 세계 총 소비는 대략 17,000,000톤입니다. 발포 폼의 약 65%는 경질 우레탄 폼이고, 24% 는 EPS, 2%는 PE 그리고 PVC와 같은 화학적 발포체입니다. [그림2]에서 보여주는 바와 같이 대략 9~10%는 압출에 의해 직접적으로 가스를 처리하는 방법으로 압출에 의해 물리적으로 발포된 물질 이었습니다.
[전 세계적으로 고분자 발포 폼 소비(출처: KraussMaffei Berstorff)]
이 과정을 위하여 PS, PE와 PP와 같은 표준 폴리머는 대부분 사용하고 PET, EVA 등 다른 폴리머도 가능 합니다. 이 제품의 중요 시장은 [그림3]과 같이 자동차 산업과 레져 산업을 위한 제품과 포장제품, 건축을 위한 단열재입니다.
[표준 고분자 시장]
압출법보온판(XPS)의 압출에 의한 물리적 발포는 [그림4] 및 [그림5]에서 보여줍니다. 모든 첨가제 및 중합체는 압출기 호퍼에 공급한 다음 균일한 용융물로 용융됩니다. 20 D의 길이로, 액체 발포제는 높은 압력(200bar) 아래에서 용융물에 주입합니다.
[1단계 공정 후, 압출기에 물리적 발포의 원리]
발포제에서 혼합한 후, 용융은 주 폴리머의 융점까지 냉각되어야합니다. 압출법보온판(XPS) 생산은 압출기의 끝에서, 발포 튜브, 시트 또는 보드를 형성하는 다른 금형이 있습니다.
[2단계 공정에서 압출기에 물리적 발포의 원리]
4) 친환경발포제
아래에서 우리는 압출법보온판(XPS) 생산에 필요한 발포제의 몇 가지 중요한 요구 사항의 관점에서 기후 친화적인 발포제를 평가해야합니다.
(1) 환경 특성
발포제의 환경 특성은 [표1]에서 보여줍니다. 두 가지 속성이 있으며 오존파괴지수(ODP, ozone deple -tion potential)와 지구온난화지수(GWP, global warming potential)입니다. CFC-11과 CFC-12는 ‘나쁜 유형’의 오존층 파괴 잠재력이 있으며 다른 발포제와 비교됩니다. 지구온난화 잠재력, 반대의 경우는 다음과 같습니다. CO2는 1로 설정되어 있으며 다른 모든 발포제는 CO2와 비교됩니다.
[다른 발포제의 환경특성]
(2) 물리적 특성
다른 발포제의 물리적 특성은 [표2]에서 보여줍니다. 발포제에 최고의 물리적 특성은 고분자량, 저 비등 점, 낮은 증기압, 낮은 수증기 열전도율입니다.
[다른 발포제의 물리적 특성(Dechema, 1990)]
이러한 발포제의 대부분은 압출법보온판(XPS) 발포에 시험되었습니다. 최고의 물성은 아니지만 CO2와 에탄올이 선택된 것은 더 나은 특성을 가지는 발포제 중 일부는 지금 금지되어 있고, 너무 비싸거나 때로 는 사용할 수 없습니다.
[압출법보온판(XPS)]
(3) 가연 특성
가연성 발포제를 사용하는 경우, 압출법보온판(XPS) 발포 장비 주면에 가스경보시스템을 설치하는 것이 좋습니다. 아래의 [표3]은 다른 발포제의 가연성에 대한 개요를 보여줍니다.
[다른 발포제의 가연성]
(4) CFC/HCFC 발포제의 단계적 폐지 일정
오존층 파괴물질에 관한 몬트리올 의정서에서 CFCs의 제한된 양은 2010년까지, HCFCs는 세계의 많은 지역에서 2030년까지 허용됩니다.
(5) 제품의 품질 및 압출법보온판(XPS) 밀도
일반적으로 환경친화적인 발포제는 과거에 사용된 CFCs와 HCFCs와 같은 밀도 그리고 동일한 높은 압출법보온판(XPS)의 품질을 달성할 수 있습니다. 그러나 특히 CO2는 더 높은 밀도 그리고 열악한 물리적 특성을 가지고 있기 때문에 생산된 압출법보온판(XPS) 및 폴리머와 혼합하는 것은 쉽지 않습니다. CO2의 혼합물, 에탄올과 HCFCs 또는 다른 물질(물, 아세톤 등)은 더 나은 압출법보온판(XPS) 발포체의 특성을 얻기 위해서 사용되었습니다.
시장에는 발포제 혼합에 대해 광범위한 특허를 가지고 있으며, 많은 기업들은 혼합 비밀을 유지하고 있습니다. 발포제 혼합물은 최종 압출법보온판(XPS) 생성물이 요구되는 특정 기능을 달성하도록 수정 됩니다. 그 이유는, 이 최적에 대한 해결책에 대해 판단을 제안하는 것은 쉽지가 않습니다.
(6) 압출 기술
발포제 선택을 위한 또 다른 중요한 기준은 사용에 필요한 기술과 가격입니다. CO2와 에탄올의 조합은 HCFCs보다 저렴합니다. CO2를 위한 탱크 단위는 HCFCs보다 더 비싸고 더 복잡하지만, 이것에 대한 투자 수익은 150,000㎥/년의 생산량을 하면 1년 이내에 도달할 수 있습니다.
압출법보온판(XPS)을 생산하기 위한 장비에 대한 비용은 표준 라인의 비용보다 높지만, 양호한 압출법 보온판(XPS) 발포체의 품질을 달성하는 것이 필요합니다. 일부 경우, 추가 비용은 스크류 및 몸통 부식 보호에 투자해야 합니다.
[압출법보온판(XPS)의 시공]
5) 친환경 발포제를 위한 압출법보온판(XPS) 설비에 대한 요구사항
(1) 다른 폴리머, 첨가제 그리고 발포제의 유입
위에서 언급한 바와 같이, 대부분의 압출법보온판(XPS) 생산자는 단지 하나의 발포제를 사용하지 않고 동시에 두 개 또는 세 개의 발포제를 사용하기를 원합니다. 이러한 CO2나 에탄올 등의 환경친화적인 발포제를 사용하여 중량은 CFCs와 HCFCs를 사용하는 경우보다 낮습니다. 이것은 용융물의 점도를 증가시킵니다.
다소 점도를 감소시키기 위해(용융물의 좋은 냉각을 보장하기 위해) 그 고분자의 두세 가지 다른 MFI 유형을 혼합하는 것이 바람직합니다. 이 두 가지 이유를 들어, 가장 좋은 해결책은 둘 또는 세 개의 발포제의 혼합 그리고 고분자 형태의 양호한 혼합을 보장하기 위하여 두 개의 스크류 압출기입니다.
(2) 혼합 용량
동회전 두 개의 스크류 압출기는 우수한 혼합 능력을 가지고 있습니다. 두 개의 스크류가 있다는 사실은 매우 좋은 혼합을 보장하고 빠른 스크류 속도를 가능하게 합니다. 특별한 스크류 디자인은 빠른 전단 속도를 방지하고 공정에 충분한 용융 압력을 생성할 수 있습니다. 용융에서 발포제의 균일한 분배를 위해 특수 혼합요소는 주입지점 후 요구됩니다.
두 개의 스크류 압출기에서 다양한 스크류 요소는 일체형 스플라인 축에 장착됩니다. 이 방식으로, 스크류 의구성은 공정 요구사항에 적합할 수 있습니다. 다른 형상과 스크류 요소의 다양함은 이송, 혼합 및 전단을 위해사용할 수 있습니다. 이송 요소는 0.75L/D, 1L/D 그리고 1.25L/D로 다른 이송 능력을 갖습니다. 서로 다른 길이의 혼합 블록은 분배 혼합에 사용됩니다. 0.75L/D와 1.25L/D의 반죽되는 블록은 분산전단 효과가 있습니다. 또한 증가된 압력의 강하와 요소 반죽과 그리고 뒤로 이송하는 효과가 있습니다.
(3) 냉각 용량
단일 압출기의 두 번째 부분 또는 직렬 라인의 보조 압출기는 용융 온도 아래로 냉각하는 작업이 있습니다. 좋은 냉각 작업에 대한 요구사항은 낮은 스크류 속도, 큰 냉각 영역 그리고 냉각 구간 또는 냉각 압출기의 길이에 비해 낮은 압력 강하입니다. 이를 달성하기 위해, 400mm까지의 직경을 갖는 단일 스크류 압출기가 사용됩니다.
압출기 몸통은 물로 냉각됩니다. 스크류는 매우 낮은 스크류 속도로 실행되며, 예를 들어 400mm 스크류 직경에 2~3rpm(분당 회전 수)으로 하나의 큰 혼합 요소로 설계되어 있습니다. 입구의 압력과 냉각 압출기의 출구 압력 사이의 압력 차이가 매우 중요합니다. 이것은 가능한 낮아야합니다. 실제로 델타 p(출구와 입구 압력의 차)의 10~20bar는 달성될 수 있습니다. 냉각 스크류의 특정 에너지 입력은 0.03~0.07kWh/kg(예를 들어, 1,500kg/h 동안 75kW)입니다.
[압출법보온판(XPS) 시공]
6) 해결책: 단일 스크류/두 개 스크류 직렬시스템
(1) 단일 스크류/두 개 스크류 시스템 장점
두 개 스크류 압출기의 흡입작용은 단축 압출기의 흡입 작용보다 훨씬 우수합니다. 두 개 스크류는 재활용 재료와 분말 첨가제의 높은 부피로 걸릴 수 있습니다. 일부 압출법보온판(XPS) 생산업체에 공급되는 10 개의다른 구성 요소를 필요로 하는 방법을 사용합니다. 두 개 스크류는 최대 1,500kg/h의 높은 처리량을 위해 더효율적이고 단일 스크류 압출기보다 훨씬 적습니다.
두 개 스크류 압출기의 스크류 및 몸통의 모듈 설계는 분할 공급, 분말 및 과립의 흡입, 다른 지점에서 주입등과 같은 특수한 작업을 위한 스크류 최적화를 위해 광범위한 가능성을 허용합니다. 보다 높은 냉각 능력(습식 라이너 구성) 또는 4D 또는 6D의 서로 다른 길이 그리고 추가적인 주입 링 등 몸통을 변경하는 것도가능합니다.
마지막으로 두 개 스크류를 사용하여 압출법보온판(XPS)의 발포 품질, 셀의 분포 그리고 더나은 셀 구조로 향상 시킵니다.
[두 개 스크류 압출기의 모듈 디자인]
대형 몸통 표면을 통해, 하나의 큰 냉각 압출기는 다른 냉각시스템과 비교하여 매우 높은 냉각 능력을 보유하고 있습니다. 냉각 압출기는 동적 냉각 믹서로 작동합니다. 이것은 나사가 차가운 표면과 접촉하기 위해따뜻한 부분을 허용하고 몸통의 차가운 내부 표면에서 용융하는 것을 의미합니다. 용융 냉각 아래 그리고절연층은 몸통에 집중하지 않습니다. 몸통 및 스크류 사이의 간격을 폐쇄하면[그림8] 효율성이 높은 경우에만 달성할 수 있습니다.
[발포체 라인을 위한 냉각 압출기]
(2) 활성 용융 밀폐
냉각 압출기의 뒷면에서 빠져 나가는 발포제의 일부를 방지하기 위해, 활성 용융 밀봉시스템이 개발되었습니다. 이 시스템은 냉각 압출기에 소량의 폴리머를 공급함으로써 작동합니다. 이 폴리머를 흡입한 후 1차측과 2차측 압출기 파이프 사이에 용융 압력보다 더 높은 축적된 용융 압력 그리고 재료는 스크류에 녹습니다.주 폴리머 흐름보다 더 높은 압력의 폴리머의 ‘측면 공급’이 발포제가 빠져 나가지 못하도록 보장합니다.
[냉각 압출기에 대한 활성 용융 밀폐]
(3) 직렬 라인의 다른 크기
다른 출력의 경우, 다른 크기의 직렬 라인이 사용됩니다. [그림10]은 200㎏/h에서 최대 1,800㎏/h 출력의압출기 크기를 보여줍니다. 200㎏/h 미만의 생산에서 출력과 직렬 라인을 사용하는 것은 비 경제적으로낮은 출력을 위하여 하나의 압출기 라인을 권장합니다.
[출력과 압출기 크기]
(4) 요약
지난 5년 동안, 많은 두 개/단일 직렬시스템은 환경친화적인 발포제의 사용을 활성화하기 위해 기존의 단일/단일 직렬시스템으로 교체했습니다. 두 개/단일시스템은 다른 발포제를 주입하고 다른 폴리머와 첨가제를공급하기에 적합합니다. PS, 특히 압출법보온판(XPS)용, CO2 그리고 에탄올과 제3의 발포제 (HCFCs)와 같은비 결정질 폴리머로 만든 제품에 사용됩니다.
부분적으로 결정성 폴리머(PE, PP) 부탄은 낮은 압출법보온판(XPS) 밀도(약 20~40㎏/㎥)에서 대부분의 경우발포제로 사용됩니다. 고밀도(200~400㎏/㎥) 압출법보온판(XPS)에서는 오직 물(TPE-물 발포) 또는 N2, CO2를 사용하여 생산합니다. 많은 회사는 특정한 압출법보온판(XPS) 생산을 위해 새로운 친환경발포제로 이루어진 그들 독자적인 발포제를 혼합하여 개발하려고합니다.
7) 결론
친환경 발포제에 대한 전환은 이미 유럽에서 성공적으로 달성되었습니다. 필요한 기계 기술과 공정 노하우는사용할 수 있으며 압출법보온판(XPS) 제품은 시장에서 허용되고 있습니다. CO2 기술의 단점으로 인한 품질과높은 가격에 의한 시장 손실과 같은 실현되지 않았습니다. 반대로, 전환은 환경에 확실하고 소비자와 생산자모두에게 가치를 증명하였습니다.