KR100506356B1

KR100506356B1 - 스폰지의 제조방법 및 그 스폰지를 이용한 담체

Info

Publication number: KR100506356B1
Application number: KR10-2003-0072903A
Authority: KR
Inventors: 김부용; 김부남
Original assignee: 주식회사 바이오카본텍
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-08-08
Also published as: KR20030091863A

Abstract

본 발명은 스폰지의 제조방법 및 그 스폰지 이용한 담체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리우레탄 스폰지의 원료인 폴리올과 이소시아네이트에 발포제와 함께, 폴리비닐알콜, 활성탄, 모데나이트 등을 투입하고 발포시킴으로써, 우수한 비표면적, 내약품성, 인장강도 및 탈취력을 갖을 뿐만 아니라 내구성이 우수하여 건축 내외장용으로는 물론 미생물 담채로서 활용할 수 있도록 한 것으로, 폴리올 20∼40중량%, 이소시아네이트 20∼40중량%, 폴리비닐알콜 5∼20중량%, 활성탄 5∼25중량% 및 발포제 10∼15중량%를 투입하고 교반하는 원료배합단계(S1)와: 배합된 원료를 20∼30℃에서 24∼36 시간동안 숙성하는 숙성단계(S2)와: 숙성된 배합원료를 교반하는 교반단계(S3)와: 교반된 배합원료를 금형에 투입하고 120∼130℃의 온도로 10∼20분간 가열하는 1차 가열단계(S4)와: 1차 가열된 배합원료를 160∼170℃의 온도로 20∼30분간 가열하는 2차 가열단계(S5)와: 2차 가열된 배합원료를 15∼40℃의 온도에서 냉각하는 냉각단계(S6)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스폰지의 제조방법 및 그 스폰지 이용한 담체이다.

Description

스폰지의 제조방법 및 그 스폰지를 이용한 담체{Manufacturing method of sponge and carrier using the sponge}

본 발명은 스폰지의 제조방법 및 그 스폰지 이용한 담체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리우레탄 스폰지의 원료인 폴리올과 이소시아네이트에 발포제와 함께, 폴리비닐알콜, 활성탄, 모데나이트 등을 투입하고 발포시킴으로써, 우수한 비표면적, 내약품성, 인장강도 및 탈취력을 갖을 뿐만 아니라 내구성이 우수하여 건축 내외장용으로는 물론 미생물 담채로서 활용할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 폴리우레탄 스폰지는 침구류, 음이온 필터, 자동차 내장재, 헬멧, 어린이용 완구, 가구용 폼, 건축자재, 여성의 브레이지어 컵, 바디세척용 수세미, 신발창 등 전 산업분야에 널리 사용되고 있으나, 이러한 폴리우레탄 스폰지는 우레탄이 가지고 있는 독성에 의하여 피부와 접촉시 피부질환을 일으키는 문제점이 있었다.

일부에서는 폴리우레탄 스폰지가 피부와 접촉시 그 접촉부의 피부 혈액순환을 촉진시키기 위하여 세라믹을 함유시켜 제조하고 있는 실정이나, 세라믹의 가격이 고가이고 구입이 용이하지 못할 뿐만 아니라, 스폰지의 탄성력 및 복원력이 저하되어 폴리우레탄 스폰지의 기능을 제대로 수행할 수 없었다.

한편, 환경보전에 대한 인식의 부족으로 인하여 대기는 물론 수질 또한 그 오염의 정도가 매우 심각한 지경에 이르렀다. 특히, 생활하수, 농·축산폐수 및 산업폐수 등은 호소, 내만 및 내해 등의 공용 수역과 도시 중소 하천 등의 수질을 오염시키는 원인이 되고 있으며, 수질의 오염으로 인한 호소, 내만 및 내해 등의 총질소(N)와 총인(P)에 관련된 수질환경 기준인 COD(Chemical Oxygen Demand), BOD(Biochemical Oxygen Demand)의 달성률은 매우 낮은 상태이다.

더욱이 하천, 호소 및 댐은 식수원인 경우가 많기 때문에 곰팡이 냄새, 여과장해 및 유독성 조류의 이상 증식 등은 커다란 환경 문제로 대두되고 있다. 수처리 방법에 있어서 최근에는 생물학적 처리공법에 물리적 처리공법과 화학적 처리공법이 통합적으로 적용되어 운영되는 추세에 있으나, 원수 중에 포함된 질소성분은 물리·화학적으로 처리하기가 곤란하다는 문제가 있다. 화학적으로 질소를 분해시킬 경우 처리비용의 증가로 미생물에 의한 처리가 절대적이라고 할 수 있다.

전세계적으로 보면 폭기조 내에 다양한 미생물여재가 개발되어 적용되고 있다. 미생물여재의 가장 큰 장점은 1차적으로 표면적을 증가시키어 미생물의 번식효과를 개선시키는 것이다. 국내외에 사용되고 있는 고정상 또는 유동상의 미생물여재를 보면 제올라이트, 분말 활성탄, 나일론사, 폴리우레탄, 페비닐수지, 다공성세라믹 등 여러 가지 재질로 다양한 방법으로 폭기조 내의 미생물 번식효과를 증가 시키기 위하여 계속적으로 개발되고 있다. 제올라이트나 분말 활성탄 자체를 사용하는 경우에는 슬러지와 함께 배출되므로 재료비용이 상승하여 전체 처리비용이 증가하는 단점이 있다.

최근 국내에서는 폴리우레탄 여재(media)를 만들어서 폭기조에 유동상으로 사용할 수 있도록 한 부상식 여재 등을 통해 미생물을 부착시켜 하·폐수를 생물학적으로 처리하는 기술이 개발되었으나, 이러한 기술에서의 여재는 겉표면적을 넓히는데 한계가 있어 유기물, 인 및 질소의 흡착효과가 저조하여 미생물의 활동력이 저하된다는 문제가 있다.

전술한 바와 같은 유동상 접촉여재의 단점은 폭기조 내에서 질소(N)나 인(P)같은 영양물질의 농도가 떨어지면 미생물번식이 낮아져 유동상 여재의 밀도가 낮아져 부상하는 현상이 빈번히 일어나게 되어 안정적으로 수질규제를 하기에 어려움이 있다. 또한, 활성탄을 분말 형태 또는 펠릿(Pellet) 형태로 폭기조에 단순 투입하는 경우에는 배출되는 슬러지 용량이 증가될 뿐만아니라, 고가인 활성탄을 한번 쓰고 버려야 하기 때문에 처리비용이 상승하는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 새장 구조를 가지고 있으면서 비중 조절 물체를 삽입할 수 있게 되어 있어 비중 조절이 가능한 유동상 담체가 대한민국 특허공고 제96-9384호에 제시되어 있으나, 제작이 어렵고 복잡하며 수세미상 미생물 접촉재를 삽입함으로써 물리/화학적으로 불안정하여 미생물의 탈리가 빈번하며, 점토류계 세라믹 담체가 가지는 미생물 친화 작용을 갖지 못하는 단점이 있다.

또한 대한 민국 특허 공개 제97-26944호는 내부 중심에 발포 스티렌을 충진하여 부유시킨 유동상 담체로 그물형 외부 표면에 동결 건조시킨 균주가 부착된 다공성 유리 담체를 충진하는 기술을 제시하고 있는데, 이 담체 또한 제작이 용이하지 않고 그물형으로 되어 있어 유체가 내부까지 원활하게 흐르지 않으며 효율이 떨어진다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 스폰지가 지닌 제반 문제점을 해결하기 위하여, 폴리우레탄 스폰지의 원료인 폴리올과 이소시아네이트에 발포제와 함께, 폴리비닐알콜, 활성탄, 모데나이트 등을 투입하고 발포시킴으로써, 우수한 비표면적, 내약품성, 인장강도 및 탈취력을 갖을 뿐만 아니라 내구성이 우수하여 건축 내외장용으로는 물론, 미생물 담채로서 활용할 수 있도록 하여 수질오염을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 스폰지의 제조방법 및 그 스폰지를 이용한 담체는, 폴리올 20∼40중량%, 이소시아네이트 20∼40중량%, 폴리비닐알콜 5∼20중량%, 활성탄 5∼25중량% 및 발포제 10∼15중량%를 투입하고 교반하는 원료배합단계(S1)와: 배합된 원료를 20∼30℃에서 24∼36 시간동안 숙성하는 숙성단계(S2)와: 숙성된 배합원료를 교반하는 교반단계(S3)와: 교반된 배합원료를 금형에 투입하고 120∼130℃의 온도로 10∼20분간 가열하는 1차 가열단계(S4)와: 1차 가열된 배합원료를 160∼170℃의 온도로 20∼30분간 가열하는 2차 가열단계(S5)와: 2차 가열된 배합원료를 15∼40℃의 온도에서 냉각하는 냉각단계(S6)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 스폰지의 제조공정도로서, 원료배합단계(S1), 숙성(S2), 교반(S3), 1차 가열(S4), 2차 가열(S5) 및 냉각단계(S6)로 이루어진다.

원료배합단계(S1)는 망으로 된 그물구조로 되어 있는 폴리올을 일렬 횡대로 펴기 위해 충진재 및 기타약품을 혼합하는 단계로, 이소시아네이트(isocyanate)의 배합비가 20중량% 미만이면 생산성이 저하되고 40중량%를 초과하면 생산원가가 상승하며, 폴리비닐알콜이 5중량% 미만이면 인장강도, 가수분해, 친수성, 내약품성의 효과가 미미하고, 20중량%를 초과하면 혼합 및 발포가 이루어지지 않으며, 활성탄이 5중량% 미만이면 그 효과가 미미하여 탈취력과 비표면적이 저하되고 25중량%를 초과하면 고른 발포가 이루어지지 않으며, 발포제가 10중량% 미만이면 발표가 충분히 일어나지 않고 15중량%를 초과하면 과량이되어 균일한 발포가 이뤄지지 않으므로, 그 배합비율을 폴리올 20∼40중량%, 이소시아네이트 20∼40중량%, 폴리비닐알콜 5∼20중량%, 활성탄 5∼25중량% 및 발포제 10∼15중량%으로 한다.

이 때, 상기 배합원료에 모데나이트분말을 혼합하여 교반하면 음이온이 방사되어 담채 및 기타 건축자재로 활용할 시 미생물의 접착은 물론 인체건강에 우수한 영향을 줄 수 있게 되는 바, 그 배합비율로는 상기 폴리올 20∼40중량%, 이소시아네이트 20∼40중량%, 폴리비닐알콜 5∼20중량%, 활성탄 5∼25중량% 및 발포제 10∼15중량%로 된 배합원료에 모데나이트분말을 1 : 0.005∼0.010 중량비로 투입하도록 한다.

상기 모데나이트분말의 배 합비가 0.005 중량비 미만이면 그 효과가 충분히 나타나지 않고, 0.010 중량비를 초과하면 스폰지로서의 물성이 저하된다.

또한 상기 폴리올은 폴리에스테르 폴리올 또는 폴리에테르 폴리올 등을 이용할 수 있는 것이며, 폴리에스테르 폴리올은 폴리카르보닐산(polycarbonyl acid)과 폴리하이드로 알코올(polyhydro alcohol)을 축합반응시켜 제조한 평균분자량이 500∼4000인 것을 사용할 수 있고, 이 때 카르복닐산은 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid) 등을 사용할 수 있으며, 폴리에테르 폴리올은 평균분자량이 500∼4000인 2∼3개의 히드록시기가 포함된 폴리옥시알킬렌폴리올과 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 폴리비닐알콜은 강한 물성을 갖는 것으로, 폴리올과의 혼합으로 인해 스폰지의 내마모성을 향상시켜 주며, 폴리우레탄 스폰지의 단점인 가수분해 및 인장강도를 높여 줄 뿐만 아니라, 경제적인 측면에서 유리한 폴리우레탄의 장점을 활용할 수 있는 것이다.

또한 활성탄분말과 모데나이트분말은 약 800∼1000mesh 정도로 미분쇄(milling)하여 사용하는 것이며, 활성탄은 역청탄(bituminous coal)을 미분쇄하고 850∼1150℃의 온도범위에서 불연소화합방식인 수증기부활법으로 활성화시켜 제조하는 것으로, 흡착에 관여하는 세공이 미세공으로 형성되며 비표면적이 약 1000㎡/g으로 요오드흡착력이 900∼950mg/g에 이르고, 또한 계속적으로 산화 및 환원반응을 함으로써 우수한 통풍, 제습 및 탈취효과를 갖으며, 모데나이트분말은 계속적으로 500∼1000이온/cc 정도의 음이온을 발생시켜 주변 공기를 쾌적하게 하고 세포의 활동을 활성화시키는 등의 효과를 갖는 것이고, 활성탄분말과 모데나이트분말의 입도가 800mesh 미만이면 발포시 고른 발포가 이루어지지 않으며 1000mesh를 초과하면 제조원가가 상승하므로, 경제성을 고려할 때 800∼1000mesh가 바람직하나 이를 반드시 제한하는 것은 아니다.

발포제로는 수지입자의 내부에서 기화되어 기포로 형성될 수 있는 물질은 모두 사용가능한 것으로, 특히 트리클로로플루오르메탄(CFC-11), 디클로로디플루오르메탄(CFC-12), 프로판, 부탄, 펜탄 또는 이산화탄소 등이 효과적이나, CFC 물질은 오존층을 파괴하는 물질로 알려져 있어 사용이 규제되고 있으며, 프로판은 증기압이 높아 공정상에 문제점이 있고, 펜탄은 고가이므로 경제성이 저하되며, 화재 및 폭발의 위험성이 없는 이산화탄소는 작업압력이 높아지므로 부탄을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

원료를 배합(S1)한 후 배합원료를 숙성(S2)하는 것은 내부에 혼련된 약품성이 서로 전이하여 활성화를 조성하기 위한 것이며, 숙성단계(S2)를 거치지 않으면 찐빵을 찌듯 전표면이 부풀어올라 고른 팽창, 상승이 이루어지지 않으므로 스폰지로서의 물성을 갖지 못하는 문제점이 있으며, 숙성온도가 20℃ 미만이면 약품성의 전이가 용이하지 않고 30℃를 초과하면 발포가 시작될 문제점이 있으므로 20∼30℃의 온도범위에서 숙성한다. 이 때 숙성시간이 24시간 미만이면 충분한 숙성이 이루어지지 않고 36시간을 초과하면 생산성이 저하되므로 24∼36시간 숙성하는 것이 바람직하나 반드시 이를 제한하는 것은 아니다.

숙성(S2) 후, 숙성된 배합원료를 교반(S3)하여 배합원료가 충분히 혼합되도록 한 후, 교반된 배합원료를 금형에 투입하여 120∼130℃의 온도에서 10∼20분간 1차 가열(S4)하고, 1차 가열된 배합원료를 다시 160∼170℃의 온도에서 20∼30분간 2차 가열(S5)한다.

상기 가열단계(S4)(S5)는 스폰지의 고른 발포와 우수한 물성을 위하여 2번에 걸쳐 행하는 것이며, 이 때 1차 가열온도가 120℃ 이하이면 발포속도가 늦어 생산성이 저하되고 130℃를 초과하면 단시간 내에 발포가 이루어져 스폰지의 물성이 저하되므로 120∼130℃의 온도로 10∼20분간 1차 가열(S4)한 뒤, 우레탄의 가공온도인 160∼170℃에서 20∼30분간 2차 가열(S5)하는 것이 바람직하다.

2차 가열(S5) 후, 2차 가열된 배합원료를 15∼40℃에서 냉각(S6)하여 발포반응을 멈추게 하며, 상기 냉각온도가 15℃ 미만이면 별도의 냉각공정을 거쳐야 하므로 경제성이 좋지 못하고 40℃를 초과하면 발포반응이 계속적으로 일어나게 되므로 15∼40℃에서 냉각하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 방법으로 제조된 스폰지는 미세한 독립기포 구조로 되어 있어 열전도율이 극히 낮기 때문에 열기나 냉기의 침입에 매우 우수한 차단 효과를 가질 뿐만 아니라, 모데나이트분말로 인한 음이온 방사로 인하여 주변 공기를 쾌적하게 할 수 있음과 동시에, 식품 신선도를 장기간 유지시키는 등의 효과를 제공할 수 있음으로써, 가구, 의류, 신발, 매트리스 뿐만 아니라 식품 포장재 등의 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 특히 스폰지가 갖는 큰 비표면적과 높은 기공률, 계속적인 음이온 방사효과 등 으로 인하여 미생물 담체로 이용할 수 있는 것이다.

담체는 저성장 및 저점성균인 질산화균을 빨리 부착하여야 하는 바, 이를 위해서는 담채 재질의 친수성이 가장 중요하다고 할 수 있다.

담채재질의 표면(S)과 물(L)의 친수성정도는 접촉각(Contact angle : θ)로 표현할 수 있으며, 이는 표면장력(γ)과 관계가 있어 하기와 같은 수학식 1로 표현된다.

담체표면(S)에서 물(L)과의 접촉각(θ)

cosθ = (γ_SV- γ_SL) / γ_LV

S : Supporting Material

V : Vapor(air)

L : Liquid(water)

상기와 같은 수학식으로 본 발명의 스폰지 담채의 친수성을 살펴보면, 본 발명의 담채는 폴리우레탄폼이나 폴리비닐알콜폼의 접촉각보다 친수성이 뛰어남을 알 수 있었다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

하기 표 1과 같은 배합비율로 본 발명의 스폰지를 제조하였다.

스폰지의 배합비율 (단위: g)

구분	폴리올	이소시아네이트	폴리비닐알콜	활성탄	모데나이트	발포제
실시예	300	300	150	150	5	100

상기와 같은 배합비율로 본 발명의 스폰지를 제조한 결과, 하기 표 2와 같은 효과가 나타남을 알 수 있었다.

실시예의 물성특성 시험결과

시험항목	단위	시험결과	시험방법
비표면적	㎡/g	530	BET법
비중(20℃)	-	1.24	KS M 3016
인장강도	N/㎠	104	KS M 3014
신장율	%	20	KS M 3014
겉보기밀도	g/㎠	0.14	KS M 3014

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 의해 제조된 스폰지는 높은 비표면적과 인장강도 등을 갖음을 알 수 있었다.

하기 표3은 본 발명의 실시예에 의한 스폰지의 탈취시험 결과이다.

실시예에 의한 스폰지의 탈취시험 결과 (단위:ppm)

시험구분	시험항목	초기농도	30분	1시간	2시간	4시간	6시간
탈취시험	암모니아	50	0.5미만	0.5미만	0.5미만	0.5미만	0.5미만

상기와 같이 본 발명의 스폰지를 대기오염물질의 한 종류인 암모니아를 이용하여 탈취시험을 실시한 결과 30분이 경과한 후 암모니아가 0.5ppm 미만으로 감소한 것을 확인할 수 있었다.

또한 하기 도2는 본 발명의 실시예에 의한 스폰지의 600배 SEM사진으로 무수한 다공성을 갖고 있어, 비표면적이 증가되는 것을 알 수 있었다.

하기 표 4는 실시예에 의한 스폰지의 접촉각 측정 결과이다.

실시예에 의한 스폰지 표면에서 물과의 접촉각 측정 결과. (단위:℃)

구분	접촉각
실시예	50
비교예1(폴리우레탄 폼)	65
비교예2(고무 폼)	57
비교예3(폴리비닐알콜 폼)	0

상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 접촉각이 다른 실시예들보다 더 작은 것으로 나타나 물과의 친수성이 큰 것을 알 수 있어, 담채로의 활용력이 우수함이 나타났다.

이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며, 폴리올 뿐만 아니라 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비닐 등의 플라스틱에 활성탄분말과 모데나이트분말을 혼합하여 발포시킬 수 있는 것으로, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이 본 발명의 스폰지의 제조방법 및 그 스폰지를 이용한 담체에 의하면, 폴리우레탄 스폰지의 원료인 폴리올과 이소시아네이트에 발포제와 함께, 폴리비닐알콜, 활성탄, 모데나이트 등을 투입하고 발포시킴으로써, 우수한 비표면적, 내약품성, 인장강도, 음이온 방사력 및 탈취력을 갖을 뿐만 아니라 내구성이 우수하여 건축 내외장용으로는 물론, 미생물 담채로서 활용할 수 있도록 하여 수질오염을 방지할 수 있도록 하는 등의 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 제조공정도.

도 2는 본 발명에 의한 스폰지의 600배 SEM 촬영사진.

Claims

스폰지의 제조방법에 있어서,

폴리올 20∼40중량%, 이소시아네이트 20∼40중량%, 폴리비닐알콜 5∼20중량%, 활성탄 5∼25중량% 및 발포제 10∼15중량%를 투입하고 교반하는 원료배합단계(S1)와: 배합된 원료를 20∼30℃에서 24∼36 시간동안 숙성하는 숙성단계(S2)와: 숙성된 배합원료를 교반하는 교반단계(S3)와: 교반된 배합원료를 금형에 투입하고 120∼130℃의 온도로 10∼20분간 가열하는 1차 가열단계(S4)와: 1차 가열된 배합원료를 160∼170℃의 온도로 20∼30분간 가열하는 2차 가열단계(S5)와: 2차 가열된 배합원료를 15∼40℃의 온도에서 냉각하는 냉각단계(S6)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스폰지의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 원료배합단계(S1)시, 폴리올 20∼40중량%, 이소시아네이트 20∼40중량%, 폴리비닐알콜 5∼20중량%, 활성탄 5∼25중량% 및 발포제 10∼15중량%로 된 배합원료에 모데나이트분말을 1:0.005∼0.010 중량비로 투입하여 교반하는 것을 특징으로 하는 스폰지의 제조방법.
제 1 또는 2항의 제조방법으로 제조되는 스폰지를 이용하는 것을 특징으로 하는 담체.