유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치{Method and apparatus for manufacturing sulfur polymer cement(SPC)}
본 발명은 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속적으로 유황 폴리머 시멘트를 생산할 수 있고 또한 보다 품질 좋은 유황 폴리머 시멘트를 생산할 수 있는 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 시멘트라 하면 건설 구조물 등에 널리 이용되는 결합 경화제로서 흔히 석회, 실리카, 알루미나, 산화철 등이 포함된 포틀랜드 시멘트를 가리킨다. 그러나 시멘트는 넓은 뜻으로 물질과 물질을 접착하는 결합재로서 이러한 건설 구조물 등에 널리 사용될 수 있는 시멘트의 종류는 포틀랜드 시멘트 이외에도 다양하다. 한편, 이러한 건설 구조물 등에 이용될 수 있는 시멘트로서 유황을 이용하여 종래의 포틀랜드 시멘트를 대신하거나 또는 포틀랜드 시멘트와 함께 사용하여 건설 구조물의 형성 등에 이용하는 다양한 기술이 연구 개발되고 있다. 특히, 포장 재료나 건축용 자재나 토목용 자재 또는 폐기물 고화재용 자재 등으로 이용될 수 있으며, 이와 관련하여 한국은 물론 미국, 일본 등에서 다양한 기술이 연구 개발되어 있으며, 또한 많은 특허들이 출원 및 등록되어 있는 실정이다. 이러한 유황을 이용하여 제조되는 시멘트는 유황 시멘트 또는 유황의 화학적 처리를 통해 시멘트로서 기능하게 하므로 유황 폴리머 시멘트, 개질 유황 또는 개질 유황 결합재 등의 다양한 명칭으로 불리워지고 있으나, 이하에서는 유황 폴리머 시멘트(SPC: sulfur polymer cement)라는 용어로 통일하여 사용하기로 한다. 한편, 이러한 유황 폴리머 시멘트는 전술한 바와 같이 유황의 물리적, 화학적 처리에 따라 다양한 물리적, 화학적 특성을 가질 수 있으며, 특히 유황 폴리머 시멘트의 화학적 조성과 유황 폴리머 시멘트의 이용 방법과 이용 분야 등과 관련하여 다양한 연구가 진행되고 있다. 그러나 종래의 유황 폴리머 시멘트 제조 방법은 유황과 유황의 물리적, 화학적 성질을 개질시키기 위한 개질재를 한번에 모두 반응기에 투입하여 유황 폴리머 시멘트 제조를 하는 배치(batch) 방식을 사용한다. 이러한 유황 폴리머 시멘트를 제조하기 위한 종래의 제조 방법을 도 1을 참조하여 살펴본다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 유황 폴리머 시멘트 제조 방법은 먼저 유황과 유황의 물리적, 화학적 성질을 개질하기 위한 물질인 하나 이상의 개질재를 함께 반응기에 투입한다(S100). 반응기에 투입된 유황과 개질재가 물리적, 화학적으로 반응하도록 하기 위해서는 유황의 용융이 필요하므로 반응기의 온도를 유황이 용융할 수 있는 온도인 119℃ 이상으로 조절하여(S102) 먼저 유황이 용융되도록 한다. 그런 다음, 용융된 유황이 개질재와 반응할 수 있도록 하는 반응 온도를 다시 조절하여(S104) 유황과 개질재가 서로 반응하도록 하여(S106) 유황 폴리머 시멘트를 제조하는 방법이 사용되고 있다. 물론 용융된 유황이 개질재와 반응할 수 있도록 하는 반응 온도를 유황이 용융될 수 있는 온도를 그대로 유지하는 경우도 있으나, 개질재의 종류나 투입량 그리고 제조하고자 하는 유황 폴리머 시멘트의 종류에 따라 온도를 변화하게 되는 경우도 있다. 한편, 이러한 배치 방식의 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법은 유황과 개질재가 상호 작용하여 유황의 성질을 개질시키기 위한 개질재의 종류, 반응 온도 및 반응 시간 등의 조건을 한번에 모두 조절하기 용이한 이점이 있다. 그러나 이러한 배치 방식의 경우, 유황 폴리머 시멘트 제조를 위한 재료를 한번에 투입하게 되므로, 재료의 투입량에 따른 반응 온도와 반응 시간을 조절하기 어려우므로 균일한 품질의 유황 폴리머 시멘트가 제조되지 못하게 되고, 유황 폴리머 시멘트 제조 공정에서 효율적으로 유황 폴리머 시멘트를 생산하지 못하는 문제점이 있다. 한편, 이러한 문제점을 해결하기 위해 유황의 융융과 개질재의 투입을 별개로 수행하는 방법이 한국등록특허 10-0927174호에서 제안되었다. 그러나 이러한 종래 등록특허의 유황의 융융과 개질재의 투입을 별개로 수행하는 방법의 경우에도 유황의 용융만이 별개로 이루어지며 실제로 중합 반응은 모두 별도의 반응기에서 수행되므로 반응 시간이 길어지는 문제점이 있다. 또한, 반응기에서 중합 반응이 수행되는 동안 유황과 개질재 혼합물의 점도에 따른 응고 현상을 방지하기 위해 40rpm(revolution per minute) 이상으로 교반기의 회전수를 유지하여야만 하는 문제점이 있다. 특히 교반기의 회전수를 고속으로 유지함에 따라 투입되는 개질재의 종류에 따라 유황 폴리머 시멘트의 성질이 변화되는 경우도 발생하며, 따라서 다양한 종류의 유황 폴리머 시멘트를 제조하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 일반적으로 고온에서 중합 반응에 의해 제조되고, 또한 발열 반응인 중합 반응에 의해 유황 폴리머 시멘트가 제조되므로 유황 폴리머 시멘트의 완제품 제조를 위해서는 별도의 유황 폴리머 시멘트의 냉각 시간이 요구되어 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간이 증가되는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 본래 목적한 성질이 변화되지 않는 유황 폴리머 시멘트가 제조될 수 있도록 하는 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치를 제안하는 것이다. 또한, 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 단축하고, 유황 폴리머 시멘트의 제조를 위한 교반 회전수를 적게 하여 유황 폴리머 시멘트의 본래 목적한 성질이 변화되지 않게 하는 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치를 제안하는 것이다. 그리고 하나의 제조 공정에서 다양한 물성을 가진 다양한 종류의 유황 폴리머 시멘트가 제조될 수 있도록 하고 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간도 단축할 수 있는 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치를 제안하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 유황 폴리머 시멘트(SPC: sulfur polymer cement)의 제조 방법에 있어서, 유황을 용융하는 단계; 상기 용융된 유황과 적어도 하나의 개질재 각각을 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재를 반응시키기 위한 반응기로 이송하되, 상기 반응기로 이송하기 전에 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재를 혼합하는 단계; 및 상기 반응기에서 상기 혼합된 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 반응하도록 하여 유황 폴리머 시멘트를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법이 제공된다. 상기 개질재는 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene), 에틸리덴노보넨(ENB: ethylidenenorbornene), 비닐노보넨(VNB: vinylnorbornene), 테트라하이드로인덴(THI: tetrahydroindene), 유기실레인(organosilane)을 포함하는 다황화물(polysulfide), 및 다환형 방향성 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon) 중 적어도 하나일 수 있다. 그리고 상기 개질재는 복수개이고, 상기 복수개의 개질재 중 하나가 상기 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene)인 경우, 다른 개질재는 시클로펜타디엔(CPD: cyclopentadiene), 올레핀 올리고머(olefin oligomer), 헤테로고리 아민류(heterocyclic amine), 알킬 아민류(alkyl amine), 암모늄염(ammonium salt), 요소 화합물(urea compounds) 또는 아미노산 화합물(amino acid compounds) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 유황을 용융하는 단계는 120~160℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 상기 반응기에서 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 반응하도록 하는 것은 120~160℃의 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 상기 반응기에서 상기 혼합된 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 반응하도록 하는 것은 상기 혼합된 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 응고되지 않도록 하는 교반 과정을 더 수행하여 이루어질 수 있다. 그리고 상기 교반 과정에서 상기 교반을 위한 회전수는 40rpm(revolution per minute) 이하일 수 있다. 상기 반응기에서 상기 혼합된 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 반응하도록 하여 유황 폴리머 시멘트를 제조하는 단계는 상기 제조된 유황 폴리머 시멘트를 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치가 제공된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치에 있어서, 유황을 용융하는 유황 용융기; 개질재가 각각 저장되는 적어도 하나의 개질 저장기; 및 상기 유황 용융기로부터 이송되는 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질 저장기로부터 이송되는 상기 개질재가 반응하도록 하여 유황 폴리머 시멘트가 제조되는 반응기; 및 상기 유황 용융기로부터 이송되는 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재 저장기로부터 이송되는 상기 적어도 하나의 개질재 각각을 상기 반응기로 이송하기 전에 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재를 혼합하는 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치가 제공된다. 상기 개질재는 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene), 에틸리덴노보넨(ENB: ethylidenenorbornene), 비닐노보넨(VNB: vinylnorbornene), 테트라하이드로인덴(THI: tetrahydroindene), 유기실레인(organosilane)을 포함하는 다황화물(polysulfide), 또는 다환형 방향성 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon) 중 적어도 하나일 수 있다. 그리고 상기 개질재는 복수개이고, 상기 복수개의 개질재 중 하나가 상기 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene)인 경우, 다른 개질재는 시클로펜타디엔(CPD: cyclopentadiene), 올레핀 올리고머(olefin oligomer), 헤테로고리 아민류(heterocyclic amine), 알킬 아민류(alkyl amine), 암모늄염(ammonium salt), 요소 화합물(urea compounds) 또는 아미노산 화합물(amino acid compounds) 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 상기 개질재가 상기 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclo pentadiene)인 경우 상기 개질 저장기는 20~90℃의 온도 범위에서 상기 개질재를 저장할 수 있다. 상기 유황 용융기는 120~160℃의 온도 범위에서 상기 유황의 용융을 수행할 수 있다. 상기 혼합기는 상기 유황 용융기에서 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질 저장기에 저장된 상기 개질재를 상기 반응기로 이송하면서 혼합하는 라인 믹서(line mixer)일 수 있다. 상기 반응기는 120~160℃의 온도 범위에서 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 반응하도록 하는 것일 수 있다. 상기 반응기는 상기 혼합된 상기 용융된 유황과 상기 적어도 하나의 개질재가 응고되지 않도록 하는 교반기를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 교반기의 회전수는 40rpm(revolution per minute) 이하일 수 있다. 상기 반응기는 상기 제조되는 상기 유황 폴리머 시멘트를 제조하는 과정에서 중합 반응시 발생되는 발열을 냉각시키는 냉각기를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법 및 장치에 의하면 본래 목적한 성질이 변화되지 않는 유황 폴리머 시멘트가 제조될 수 있는 장점이 있다. 또한, 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 단축하고, 유황 폴리머 시멘트의 제조를 위한 교반 회전수를 적게 하여 유황 폴리머 시멘트의 본래 목적한 성질이 변화되지 않게 되는 장점이 있다. 그리고 하나의 제조 공정에서 다양한 물성을 가진 다양한 종류의 유황 폴리머 시멘트를 제조할 수 있고, 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간도 단축할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 살펴보기로 한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법은 먼저 유황과 개질재가 반응하여 유황 폴리머 시멘트가 제조되는 반응기와는 별도로 구비되는 유황 용융기에서 유황을 용용한다(S200). 이러한 유황을 용융하기 위한 온도는 전술한 바와 같이 유황이 용융되는 온도인 119℃ 이상이며, 바람직하게는 120~160℃ 사이의 온도에서 용융이 이루어질 수 있다. 이러한 유황의 용융이 이루어지면 용융된 유황을 유황 용융기와 반응기 사이에 연결된 파이프 등의 연결부를 통해 반응기로 이송한다(S202). 용융된 유황을 반응기로 이송하면서 개질재도 개질재가 저장되는 개질재 저장기와 반응기 사이에 연결된 파이프 등의 연결부를 통해 반응기로 이송한다(S204). 그리고, 용융된 유황을 반응기로 이송하고, 개질재를 반응기로 이송하면서 반응기에 투입되어 중합 반응이 이루어지기 전에 용융된 유황과 개질재가 상호 혼합되도록 한다(S206). 이러한 반응기로의 투입 전에 용융된 유황과 개질재가 상호 혼합되도록 하는 것은 예를 들어 별도의 믹서와 같은 혼합기를 거쳐 먼저 용융된 유황과 개질재가 상호 혼합되도록 한 후, 혼합된 용융된 유황과 개질재를 반응기로 이송할 수 있다. 또한, 별개의 혼합 과정을 거친 후 반응기로 이송되도록 하지 않고 용융된 유황과 개질재 각각의 이송 과정에서 상호간의 혼합이 이루어지도록 예를 들면, 이송 과정에서 혼합이 이루어질 수 있는 라인 믹서(line mixer) 등의 장치를 이용하는 것이 가능하다. 특히 라인 믹서 등의 장치를 이용하여 용융된 유황과 개질재 각각의 이송 과정에서 상호간의 혼합이 이루어지도록 하는 경우 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 더욱 단축할 수 있게 된다. 한편, 개질재는 유황의 물리적, 화학적 성질을 변화시켜 결합재인 시멘트로서의 기능을 수행하며, 유황의 물성을 변화시키기 위한 것으로서 유황의 물성을 변화시키고 결합재인 시멘트로서 기능하게 하는 것이라면 그 성분의 종류나 개질재의 개수 등은 아무런 제한이 없다. 개질재는 예를 들면, 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene), 에틸리덴노보넨(ENB: ethylidenenorbornene), 비닐노보넨(VNB: vinylnorbornene), 테트라하이드로인덴(THI: tetrahydroindene), 유기실레인(organosilane)을 포함하는 다황화물(polysulfide), 역청(bitumen)과 같은 다환형 방향성 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon) 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 하나의 개질재뿐만 아니라 복수개의 개질재를 이용하여 유황 폴리머 시멘트를 제조할 수 있으며, 따라서 단계 204에서 반응기로 이송되는 개질재는 복수개의 개질재일 수 있다. 그리고 복수개의 개질재는 각각 별도의 개질재 저장기에 보관되었다가 파이프 등을 통해 반응기로 이송될 수 있다. 한편, 유황 폴리머 시멘트의 복수의 개질재가 이용되고, 전술한 DCPD를 포함하여 복수개의 개질재가 이용되는 경우에는, DCPD 이외에도 시클로펜타디엔(CPD: cyclopentadiene), 올레핀 올리고머(olefin oligomer), 헤테로고리 아민류(heterocyclic amine), 알킬 아민류(alkyl amine), 암모늄염(ammonium salt), 요소 화합물(urea compounds), 아미노산 화합물(amino acid compounds) 등 다양한 개질재가 이용될 수 있다. 한편, 복수개의 개질재를 투입하는 경우 개질재의 종류와 투입량, 반응 시간, 반응 속도, 반응 온도 등 다양한 조건을 고려하여 먼저 용융된 유황과 하나 이상의 개질재만을 먼저 혼합하여 반응기로 투입하고 이후에 다른 개질재를 투입하는 것도 가능하다. 예를 들면, 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene), 에틸리덴노보넨(ENB: ethylidenenorbornene), 비닐노보넨(VNB: vinylnorbornene), 테트라하이드로인덴(THI: tetrahydroindene), 유기실레인(organosilane)을 포함하는 다황화물(polysulfide), 역청(bitumen)과 같은 다환형 방향성 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon)의 경우 반응기로 투입하기 전 미리 용융된 유황과 이러한 개질재가 먼저 혼합되도록 한 후에 반응기에서 중합 반응이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 반면, 전술한 예시에서 DCPD를 포함하여 복수개의 개질재가 이용되는 경우에는, DCPD 이외의 시클로펜타디엔(CPD: cyclopentadiene), 올레핀 올리고머(olefin oligomer), 헤테로고리 아민류(heterocyclic amine), 알킬 아민류(alkyl amine), 암모늄염(ammonium salt), 요소 화합물(urea compounds), 아미노산 화합물(amino acid compounds) 등의 개질재의 경우 DCPD와 달리 용융된 유황과 먼저 혼합되기 보다는 반응기로 바로 투입되어 중합 반응이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 의하면 다양한 종류의 유황 폴리머 시멘트에서 각각의 유황 폴리머 시멘트의 제조 조건이 달라지는 경우에도 능동적으로 각각 다른 물성을 가지는 유황 폴리머 시멘트의 제조가 가능하게 된다. 또한, 용융된 유황과 개질재와의 중합 반응이 유황의 용융과는 독립적으로 이루어지게 할 뿐만 아니라 용융된 유황과 개질재가 먼저 혼합되도록 함으로써 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 단축하고 유황과 개질재의 혼합으로 인하여 발생되는 고속의 교반 회전수가 필요없게 된다. 특히, 이러한 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법에 의하면 종래의 40rpm 이상의 교반 회전수보다 낮은 즉 40rpm 이하의 교반 회전수로도 유황과 개질재의 혼합물의 응고 현상이 발생하지 않게 된다. 뿐만 아니라 개질재의 종류에 따라서는 유황과 개질재의 혼합을 위한 교반을 전혀 수행하지 않아도 유황과 개질재의 혼합물의 응고 현상이 발생하지 않게 된다. 한편, 혼합된 용융된 유황과 개질재가 반응기로 이송되면 반응기에서는 유황과 개질재가 중합 반응이 이루어져(S206) 최종적으로 유황 폴리머 시멘트가 제조되게 된다. 유황과 개질재가 반응하도록 하기 위해 반응기의 온도는 바람직하게는 120~160℃ 사이의 온도에서 이루어질 수 있으며, 전술한 바와 같이 필요한 경우 용융된 유황과 개질재가 반응하도록 하면서 응고 현상이 발생하지 않도록 교반기 등을 이용하여 유황과 개질재가 고르게 섞이도록 할 수 있다. 그리고, 유황과 개질재의 중합 반응이 완료되어 제조되는 유황 폴리머 시멘트는 고온의 상태에 있게 되므로 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 단축하기 위해 반응기에서 냉각 과정을 수행하도록 할 수 있으며, 필요한 경우 운반과 보관이 용이하고 실제 사용시 용해성과 작업이 편리하도록 분말 형태로 생성하는 과정을 더 수행하는 것도 가능하다. 그리고 이러한 유황 폴리머 시멘트의 냉각과 과립이나 펠렛과 같은 분말 형태로의 형성은 반응기내에 냉각기나 반응기에 직접 연결되는 분말 형성을 위한 장치를 포함하여 이루어지거나 또는 별도의 분말 형성기를 반응기와 연결하여 유황 폴리머 시멘트를 분말 형태로 형성되도록 할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 이러한 본 발명에 의한 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법이 수행될 수 있게 하는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치를 살펴보기로 한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 장치(300)는 유황 용융기(310)와 개질재 저장기(320), 혼합기(330) 및 반응기(340)를 포함한다. 먼저 유황 용융기(310)는 유황을 전술한 바와 같이 유황이 용융되는 온도인 119℃이상에서 용융한다. 유황을 용융하기 위한 유황 용융기(310)의 온도는 바람직하게는 119℃이상인 120~160℃사이의 온도일 수 있으나, 유황이 용융되는 온도인 119℃이상이면 아무런 제한이 없다. 유황 용융기(310)는 유황을 용융하는 것뿐만 아니라 용융된 유황을 저장하였다가 유황 폴리머 시멘트의 제조시 반응기(330)와 연결되는 파이프 등의 연결부를 통해 용용된 유황을 반응기(330)로 이송하는 기능도 수행한다. 따라서, 유황 용융기(310)에는 유황을 용융하고 용융된 유황을 액상으로 유지하기 위해 가열 장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 용융된 유황이 상호 결합되어 굳어지는 것을 방지하기 위해 용융된 유황을 섞어주는 교반기와 같은 장치가 포함될 수 있다. 그리고 융융된 유황을 반응기로 이송하기 위한 펌프와 같은 이송 장치가 포함될 수 있으며, 유황 폴리머 시멘트의 제조를 위해 필요한 유황만이 반응기(330)로 이송되도록 하는 이송량을 제어하는 장치가 펌프와 같은 이송 장치에 포함되거나 또는 별도로 유황 용융기(310)에 연결되도록 하는 것이 가능하다. 개질재 저장기(320)는 전술한 바와 같이 유황의 물리적, 화학적 성질을 개질시키기 위한 물질이 저장될 수 있으며, 유황 폴리머 시멘트의 제조시 반응기(330)와 연결되는 파이프 등의 연결부를 통해 개질재를 반응기(330)로 이송하는 기능도 수행한다. 또한, 개질재의 종류에 따라 개질재의 온도를 유지하기 위해 가열 장치 등이 포함될 수 있으며, 개질재가 상호 결합되어 굳어지는 것을 방지하기 위해 개질재를 섞어주는 교반기와 같은 장치가 더 포함될 수 있다. 그리고 개질재를 반응기(330)로 이송하기 위한 펌프와 같은 이송 장치가 포함될 수 있으며, 유황 폴리머 시멘트의 제조를 위해 필요한 투입량의 개질재만이 반응기(330)로 이송되도록 하는 이송량을 제어하는 장치가 펌프와 같은 이송 장치에 포함되거나 또는 별도로 개질재 저장기에 연결되도록 하는 것이 가능하다. 한편, 전술한 바와 같이 개질재는 예를 들면, 디시클로펜타디엔(DCPD: dicyclopentadiene), 에틸리덴노보넨(ENB: ethylidenenorbornene), 비닐노보넨(VNB: vinylnorbornene), 테트라하이드로인덴(THI: tetrahydroindene), 유기실레인(organosilane)을 포함하는 다황화물(polysulfide), 역청(bitumen)과 같은 다환형 방향성 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon) 중 적어도 하나일 수 있다. 특히 개질재로서 DCPD를 사용하는 경우 개질재 저장기의 온도는 20~90℃ 범위내의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 유황 폴리머 시멘트의 복수의 개질재가 이용되고, 전술한 DCPD를 포함하여 복수개의 개질재가 이용되는 경우에는, DCPD 이외에도 시클로펜타디엔(CPD: cyclopentadiene), 올레핀 올리고머(olefin oligomer), 헤테로고리 아민류(heterocyclic amine), 알킬 아민류(alkyl amine), 암모늄염(ammonium salt), 요소 화합물(urea compounds), 아미노산 화합물(amino acid compounds) 등 다양한 개질재가 이용될 수 있음은 전술한 바와 같다. 한편, 복수개의 개질재 저장기(320)를 포함하는 경우에는 각각의 개질재가 선택적으로 반응기(330)로 이송되어 반응기(330)에 투입되도록 함으로써 다양한 종류의 유황 폴리머 시멘트를 제조하는 것이 가능하다. 예를 들어, 유황 용융기(310)와 DCPD가 저장되는 제1 개질재 저장기(320)와 ENB가 저장되는 제2 개질재 저장기(320)를 본 발명에 의한 유황 폴리머 시멘트 제조 장치에 포함하는 경우 필요에 따라 선택적으로 유황과 DCPD가 결합된 유황 폴리머 시멘트를 생산하거나 또는 유황과 ENB가 결합된 유황 폴리머를 생산하는 것이 가능하게 된다. 또한, 유황 용융기(310)와 DCPD가 저장되는 제1 개질재 저장기(320)와 올레핀 올리고머가 저장되는 제2 개질재 저장기(320) 그리고 헤테로고리 아민류가 저장되는 제3 개질재(320) 그리고 알킬 아민류가 저장되는 제4 개질재 저장기(320)를 본 발명에 의한 유황 폴리머 시멘트 제조 장치에 포함하는 경우 필요에 따라 선택적으로 유황과 DCPD가 결합되어 있으나 필요에 따라 서로 다른 물성을 가지는 유황 폴리머 시멘트를 생산하는 것이 가능하게 된다. 한편, 혼합기(330)는 용융된 유황과 개질재가 반응기(340)로 투입되기 전에 미리 혼합되도록 하여, 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 단축하고, 용융된 유황과 개질재의 혼합물의 높은 점도로 인하여 반응기(340)에서 반드시 수행하여야만 하는 교반을 수행하지 않거나 보다 적은 회전수의 교반기의 회전으로도 응고 현상을 방지할 수 있게 한다. 이러한 혼합기(330)는 전술한 바와 같이 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 더욱 단축하기 위해 용융된 유황과 개질재 저장기(320)에서 개질재가 반응기(330)로 이송되는 과정에서 혼합되도록 라인 믹서(line mixer)와 같은 장치를 이용하는 것도 가능하다. 한편, 용융된 유황의 이송을 위한 파이프와 같은 연결부 그리고 용융된 유황과 개질재가 반응기(330)에 투입되기 전에 혼합되도록 하는 라인 믹서 등의 온도는 용융된 액상의 유황이 굳지 않도록 119℃이상을 유지하는 것이 바람직하다. 반응기(340)에서는 용융된 유황과 개질재가 상호 반응하게 되며, 반응기의 온도는 바람직하게는 120~160℃일 수 있다. 한편, 반응기(340)에서의 온도는 제조되는 유황 폴리머 시멘트의 종류에 따라 변화될 수 있으므로 유황과 개질재의 중합 반응을 제어하기 위해 온도의 제어가 요구되므로, 반응기(330)에 온도 제어 장치를 포함하거나 별도의 온도 제어 장치를 연결할 수 있다. 그리고 필요한 경우 용융된 유황과 개질재의 혼합물이 응고되지 않도록 서로 섞어 주는 교반 과정을 반응기에서 더 수행할 수 있으며, 이러한 경우 반응기(340)에 교반기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그리고 본 발명에 의한 교반기는 전술한 바와 같이 용융된 유황과 개질재를 미리 혼합함으로써 종래와 달리 40rpm 이하의 저속의 교반기 회전 속도로 교반할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 반응기(340)에서 유황과 개질재의 중합 반응이 완료되면 제조된 유황 폴리머 시멘트를 냉각하기 위한 냉각 장치를 반응기(340)에 포함하거나 별개의 장치로 더 포함할 수 있다. 그리고 운반과 보관이 용이하고 실제 사용시 용해성과 작업이 편리하도록 분말 형태로 생성하는 과정을 더 수행하는 것도 가능하며, 유황 폴리머 시멘트의 과립이나 펠렛 등의 다양한 형태의 분말 형태로의 형성은 반응기와 직접 연결되는 분말 형성을 위한 장치를 포함하여 이루어지거나 또는 별도의 분말 형성기를 사용하여 유황 폴리머 시멘트를 분말 형태로 형성되도록 할 수 있다. 이러한 본 발명에 의한 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법과 장치에 의하면 유황과 개질재의 중합 반응이 유황의 용융과는 별개로 이루어지므로 용융을 위한 온도와 중합 반응을 위한 온도가 달라 온도가 변화되어 본래 목적한 성질의 유황 폴리머 시멘트가 제조되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 유황과 개질재가 반응기에서 중합 반응을 하기 전에 미리 혼합되도록 함으로써 유황 폴리머 시멘트의 제조 시간을 단축하고, 유황과 개질재 혼합물의 응고 현상을 방지하기 위해 고속의 교반 회전을 수행하지 않아도 되게 된다. 그리고 복수개의 개질재 저장기를 포함하는 경우 하나의 제조 공정과 하나의 장치에서 다양한 물성을 가진 다양한 종류의 유황 폴리머 시멘트를 제조하는 것이 가능하게 된다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
<도면에 사용된 기호의 설명>
300: 유황 폴리머 시멘트 제조 장치 310: 유황 용융기
320: 개질재 저장기 330: 혼합기 340: 반응기 |
