JP2007326888A - Emulsified material of plastic and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は塗料及びインクのベース材及びプラスチックの添加材として使用されるプラスチックのエマルジョン材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a plastic emulsion material used as a base material for paints and inks and an additive for plastics, and a method for producing the same.
最近、無公害の塗料、インクとして水性エマルジョンが注目されており、この水性エマルジョンは、例えば、酢酸ビニル、塩化ビニリデン、アクリル酸エステル等の組成物を乳化剤(界面活性剤)、重合開始剤等を用い、乳化装置により乳化重合して粒径0.1〜0.2μmの粒子を水に浮遊させるようにして調整されている。
このようなエマルジョンの樹脂粒径は十分に細かいが、実際上は凝縮してしまい、その粒径は1μm以上となり、塗料、インクに使用した場合に接着力あるいは速乾性を増すためには、エマルジョン内の樹脂粒子更には水成分も更に細かくする必要性がある。 The resin particle size of such an emulsion is fine enough, but in practice it is condensed, and the particle size becomes 1 μm or more. In order to increase the adhesive force or quick drying property when used in paints and inks, the emulsion It is necessary to further refine the resin particles and the water component.
そこで、本発明のエマルジョン材は、水性エマルジョンを形成する樹脂粒子と水成分とからなり、前記エマルジョン材の粒子径は5〜100nm(ナノメーター)であり、エマルジョン中の空気(酸素)を0.001%以下とする。 Therefore, the emulsion material of the present invention comprises resin particles that form an aqueous emulsion and a water component, and the particle size of the emulsion material is 5 to 100 nm (nanometer), and the air (oxygen) in the emulsion is reduced to 0. 001% or less.
また、本発明のエマルジョン材の製造方法は、水性エマルジョンを形成する樹脂粒子と水成分とを真空雰囲気で混合撹拌しつつ膨潤させ樹脂粒子と水成分とを切断分解して細粒化し、次いで超臨界流体で膨潤細粒化された樹脂粒子と水成分とを更に分解により微細化するとともに高圧で樹脂粒子を固化するようにした。 Also, the method for producing an emulsion material of the present invention comprises swelling resin particles and water components that form an aqueous emulsion while mixing and stirring them in a vacuum atmosphere, cutting and decomposing the resin particles and water components, and then pulverizing them. The resin particles swollen and refined with the critical fluid and the water component were further refined by decomposition and the resin particles were solidified at high pressure.
本発明のエマルジョン材を塗料、インクのベース材とした場合には、粒子径が5〜100nmであるので、接着力が著しく増大し、プラスチックの核剤としての使用も可能となり、更に、空気含有量が著しく少ないので、難燃性が向上し塗膜に膨れがなくなる。 When the emulsion material of the present invention is used as a base material for paints and inks, since the particle diameter is 5 to 100 nm, the adhesive force is remarkably increased, and it can be used as a plastic nucleating agent. Since the amount is remarkably small, the flame retardancy is improved and the coating film is not swollen.
更に、本発明のエマルジョン材の製造方法によれば、真空状態で水分と樹脂粒子とを膨潤させつつ撹拌させ、これと同時に切断分解させるので、それらの粒子を小さくしつつ乳化重合を確実に行わせることができるとともに、水成分中に溶存している空気を0.001%以下にすることができる。 Furthermore, according to the method for producing an emulsion material of the present invention, water and resin particles are swollen and stirred in a vacuum state, and at the same time, they are cut and decomposed, so that emulsion polymerization is reliably performed while reducing these particles. In addition, the air dissolved in the water component can be made 0.001% or less.
本発明に係るエマルジョンは、水性の酢酸ビニル、塩化ビニリデン、アクリル酸エステル等の合成樹脂粒子60〜90重量%と水10〜40重量%からなり、前記樹脂粒子の粒径は5〜100nm(ナノメータ)であり、前記エマルジョン中に空気(酸素)含有量を0.001%以下とする。特に、樹脂粒子としては、アクリル酸エステル重合体又は、スチレン−アクリル酸共重合体が好ましく、この成分中にメタケイ酸ナトリウムなどの塩基性物質を加えて処理することにより架橋結合されたものは弾力性が負荷される(合成ゴム変性アクリル共重合体)。また、この代わりにスチレン・ブタジエン系合成樹脂エマルジョンを使用することも可能である。 The emulsion according to the present invention comprises 60 to 90% by weight of synthetic resin particles such as aqueous vinyl acetate, vinylidene chloride, and acrylate, and 10 to 40% by weight of water, and the resin particles have a particle size of 5 to 100 nm (nanometers). And the air (oxygen) content in the emulsion is 0.001% or less. In particular, as the resin particles, an acrylate polymer or a styrene-acrylic acid copolymer is preferable, and those which are crosslinked by adding a basic substance such as sodium metasilicate to this component are elastic. Is loaded (synthetic rubber-modified acrylic copolymer). Alternatively, it is possible to use a styrene / butadiene synthetic resin emulsion.
また、架橋構造を備えたアクリル酸エステル重合体又はスチレン−アクリル酸エステル共重合体はCO2を利用した超臨界の酸性(pH2〜3)雰囲気にも十分耐え、しかも 接着剤としての機能をも有するので、塗料、インクのベース材として最適である。しかも水性塗料のベースとして使用しても乾燥後は耐水性にも強い。 In addition, the acrylic ester polymer or styrene-acrylic ester copolymer having a crosslinked structure sufficiently withstands a supercritical acidic (pH 2 to 3) atmosphere using CO 2 and also functions as an adhesive. Therefore, it is most suitable as a base material for paints and inks. Moreover, even if it is used as a base for water-based paints, it is also strong in water resistance after drying.
本発明において、水成分が10〜40重量%と少なくても、粒子径が5〜100nmと小さいので粘性が少なく塗布するのに支障がない。また、このように水成分が少ないと乾燥も早くなり、塗布後の水の蒸発による弊害も少ない。 In the present invention, even if the water component is as small as 10 to 40% by weight, the particle diameter is as small as 5 to 100 nm, so that the viscosity is low and there is no problem in coating. In addition, when the water component is small as described above, drying is quickened, and there are few harmful effects caused by evaporation of water after application.
本発明に係るエマルジョンは、以下のようにして製造される。 The emulsion according to the present invention is produced as follows.
酢酸ビニル、塩化ビニリデン、合成ゴム変性アクリル共重合体等の水性合成樹脂粒子の単量体組成物、界面活性剤及び重合開始剤等を高速乳化装置により乳化重合させて粒子径平均0.3〜0.5μm、固形分40〜50%、水分50〜60%からなるエマルジョンを通常の方法で準備する(第1工程)、次いで、このエマルジョンを真空釜内に注入し、真空雰囲気下で撹拌混合しながら高速回転する機械的切断又は超音波発信装置のような切断分解装置より真空下でエマルジョンから空気を放出させつつ(0.001%以下)膨潤した合成樹脂成分と水成分とを切断分解して水のクラスター及び合成樹脂粒子を細粒化する(粒子径0.1〜0.2μm)(第2工程)。このとき、水分は飛んでしまい、水分量を10〜40%に調整する。次いで、このエマルジョンを超臨界の圧力容器に移して、例えば、CO2を200気圧、40℃程度にして超臨界処理をする。このとき、細粒化されてはいるが膨潤された樹脂粒子は、超臨界流体により更に細分化されるとともに、その圧力により収縮され微細化され、その粒子径は5〜50ナノメータになる(第3工程)。 Monomer composition of water-based synthetic resin particles such as vinyl acetate, vinylidene chloride, synthetic rubber-modified acrylic copolymer, surfactant, polymerization initiator and the like are emulsion-polymerized with a high-speed emulsifier, and the average particle size is 0.3 to Prepare an emulsion consisting of 0.5 μm, solid content of 40-50% and moisture of 50-60% by the usual method (first step), then inject the emulsion into a vacuum kettle and stir and mix under vacuum atmosphere While cutting and decomposing the swollen synthetic resin component and water component while releasing air from the emulsion under vacuum from a cutting and decomposing device such as a mechanical cutting or ultrasonic transmission device that rotates at high speed (0.001% or less) The water clusters and the synthetic resin particles are finely divided (particle diameter 0.1 to 0.2 μm) (second step). At this time, moisture will fly off and the amount of moisture will be adjusted to 10-40%. Next, the emulsion is transferred to a supercritical pressure vessel, and supercritical processing is performed, for example, with CO 2 at about 200 atm and 40 ° C. At this time, the finely divided but swollen resin particles are further subdivided by the supercritical fluid, and are shrunk and refined by the pressure, and the particle diameter becomes 5 to 50 nanometers (first number) 3 steps).
なお、上述の方法では、3工程を別個の装置(高速乳化、真空釜、超臨界装置)で行っているが、これら3工程を1つの装置内で行うことも可能であり、第1、第2工程を1つの装置で、第2工程と第3工程とを1つの装置で行うことも可能である。 In the above method, the three steps are performed in separate devices (high-speed emulsification, vacuum kettle, supercritical device). However, these three steps can be performed in one device. It is also possible to perform the two steps with one device and the second step and the third step with one device.
このようにして作られたエマルジョン材は、塗料、インクのベース材としてそのまま利用できるし、プラスチックの添加剤としても利用できる。前記エマルジョンはナノオーダの微粒子であり、しかもその樹脂成分は接着剤としての機能を有するので、プラスチック成形時にエマルジョンの水成分を飛ばしながらプラスチック内に分散せしめれば、樹脂成分が結晶の核剤として機能するばかりか、プラスチック強化剤としても作用し、透明であるので、添加量は強度度合いに応じて自由に調整できる。 The emulsion material thus prepared can be used as it is as a base material for paints and inks, and can also be used as an additive for plastics. The emulsion is nano-order fine particles, and the resin component has a function as an adhesive. Therefore, if the water component of the emulsion is blown away during plastic molding and dispersed in the plastic, the resin component functions as a crystal nucleating agent. In addition, since it acts as a plastic reinforcing agent and is transparent, the amount added can be freely adjusted according to the strength level.
また、製造後のエマルジョンの凝集が問題となるが、この凝集を防止するには、エマルジョンに電場をかけ樹脂粒子を帯電させれば、粒子同士が反発しあって粒子同士の凝集を防ぐことができる。更に、製造後に純水を20〜30重量%加えてナノ粒子を浮遊させれば、凝集を有効に防止できる。 In addition, aggregation of the emulsion after production becomes a problem. To prevent this aggregation, if an electric field is applied to the emulsion and the resin particles are charged, the particles repel each other and prevent aggregation of the particles. it can. Furthermore, aggregation can be effectively prevented by adding 20 to 30% by weight of pure water after production and allowing the nanoparticles to float.
以下、実施例について説明する。 Examples will be described below.
図1、2、3に示す分子構造を有するスチレン−アクリル酸エステル共重合体(図1、2)及びアクリル酸エステル重合体(昭和高分子製)と水とを高速乳化装置により乳化重合し、乳白色エマルジョンを得た(第1工程)。これらエマルジョンは樹脂分40〜50重量%で水分50〜60重量%であった。pHは6〜8であり、粘度は1,500〜4,500(mPa・S:BH型回転粘度計)であった。 Styrene-acrylic acid ester copolymer (FIGS. 1 and 2) and acrylic acid ester polymer (manufactured by Showa Kogyo) having the molecular structure shown in FIGS. A milky white emulsion was obtained (first step). These emulsions had a resin content of 40-50% by weight and a water content of 50-60% by weight. The pH was 6 to 8, and the viscosity was 1,500 to 4,500 (mPa · S: BH type rotational viscometer).
図1に示すスチレン−アクリル酸エステル共重合体は、交叉した炭素主鎖50、50を有しており、これら主鎖50にエステル基COOR53、53…53とスチレン成分(ベンゼン環52、52…52を備えており、両主鎖50間には架橋51、51が形成さている。この架橋51はメタケイ酸ナトリウムなどの塩基性物資により行われ、これにより樹脂成分は弾力性を備えており、この樹脂は接着性、耐水性が良好であり、紫外線を照射しても殆ど黄変しなかった。また、図2に示すスチレン−アクリル酸エステル共重合体はベンゼン環52が図5の共重合体により減少しており、接着性、耐水性、更には耐紫外線に対する黄変度も改良されていた。図3に示すアクリル酸エステル重合体はスチレン成分であるベンゼン環を全くなくし、主鎖50にエステル基53のみを統合させたものであり、これは紫外線に対しては全く黄変しなかった。このような分子構造をもったものは、難燃性でガスバーナの火を当てても煤が発生しなかった。
The styrene-acrylic acid ester copolymer shown in FIG. 1 has crossed carbon
上述の重合体は架橋結合されており、この分子構造をもつアクリル酸エステルは合成ゴム変性アクリル酸エステルと呼ぶことができる。 The above-mentioned polymer is cross-linked, and an acrylate ester having this molecular structure can be called a synthetic rubber-modified acrylate ester.
このように準備したエマルジョンを図4に示すような真空釜1に注入する。前記真空釜1はエマルジョンを撹拌混合するための真空釜の周壁に沿って回転する回転羽根2を有し、この回転羽根2はゆっくりとエマルジョンを撹拌する。この回転羽根2の内側には、高速回転して(1500rpm)、エマルジョンの水成分及び樹脂成分を切断分解する切断分解装置3が設けられ、この装置3はモータMにより回転される回転軸4を有し、この回転軸4には円板5が固定され、この円板5上には一定間隔で切断羽根6、6…6が立設されている。また、真空釜1には真空ポンプ7が設けられている。真空釜内を真空状態にして3時間程度撹拌すると水成分及び樹脂成分は潤滑し、水成分も飛んで水成分が減少するとともに水中に混入していた空気(酸素)も飛んでその含有量は0.001%以下となっていた。これによりエマルジョンを使った塗料は加熱されたときに不燃性が増大するとともに“ふくれ”もなくなった。膨潤状態のエマルジョンは切断刃6でカットされ粒子は細粒化された(0.1〜0.4μm)(第2工程)。膨潤状態の粒子はカットされ易いし、物理的な切断刃6の代わりに図示しない超音波発信装置からの超音波でも膨潤状態の樹脂粒子は分解され易い。
The emulsion thus prepared is poured into a
次いで、図5に示すような超臨界装置Sにより処理することによりエマルジョンを更に微細化した(5〜100nm)。このように樹脂粒子をナノオーダーに微粒子化すると、粒子の表面積が著しく大きくなり、浮遊させる水分が多く必要となるので20〜30重量%の水分を加えると凝集が有効に防止できる。前記超臨界装置Sは圧力容器10を有し、この圧力容器10にはCO2ボンベ11が接続され、このボンベ11からのCO2は圧力ポンプ12により200気圧以上に昇圧される。前記圧力容器10内には撹拌装置16が設けられ、この装置16によりエマルジョンが撹拌され、圧力容器10の周囲にはヒータ15が巻回され
、このヒータ15により容器内は40℃程度に維持される。前記エマルジョンは1時間程度超臨界処理されるとエマルジョンは完全に微細化され粘性も減少した(500〜2000mPa・s)(第3工程)。これを塗料として使ったら、薄膜(1〜10μm)が形成され、乾燥も早く、数秒で指に付着しなくなった。これをインクに使用すると乾燥が早すぎてインクジェットスプレーの場合にはノズルが詰まってしまうので、不凍液(エチレングリコール)を2〜3%加えたらノズルが詰まらなくなった。これは不凍液が微細樹脂粒子の周囲をコーティングして水分の蒸発を遅らせるためでときには、エチレングリコールが直ちに蒸発し、粒子内の水分の蒸発を促すので、印刷後の乾燥は遅れない。
Next, the emulsion was further refined (5 to 100 nm) by treatment with a supercritical apparatus S as shown in FIG. When the resin particles are made into nano-order particles in this way, the surface area of the particles is remarkably increased, and a large amount of water is required to be suspended. Therefore, aggregation of 20 to 30% by weight of water can be effectively prevented. The supercritical unit S has a pressure vessel 10, this is the pressure vessel 10 is connected to CO 2 gas cylinder 11, CO 2 from the cylinder 11 is raised above 200 atm by
次に、高速乳化装置により乳化重合した乳白色エマルジョンを空気除去、細粒化、微粒化処理するための第2工程、第3工程を共通の装置で行なう場合について説明する。 Next, a case where the second step and the third step for subjecting the milky white emulsion emulsion-polymerized by the high-speed emulsification device to air removal, atomization, and atomization are performed by a common device will be described.
図8において、多機能エマルジョン処理装置40は、圧力容器41を有し、この圧力容器41は開閉蓋42によって開閉自在とされ、この圧力容器41内には撹拌切断装置43が設けられている。前記撹拌切断装置43はモータ71によって高速回転する軸70に取付けられた羽根44、44…44を有し、この羽根44は切断刃45を備えている。前記圧力容器41と開閉蓋42とは、それらのフランジ傾斜面49、50が複数設けたクランプ47の咬え面51と係合することによって密閉され、クランプ47は油圧シリンダ48によって水平方向に移動する。前記開閉蓋42には真空ポンプ52、CO2ボンベ53及びこの中のCO2を200気圧以上に加圧する加圧ポンプ54が接続されている。前記圧力容器の41の周壁には、コイル55が巻回され、このコイル55には、プラズマ波発信器56が接続され、この発信器56からは135000Hzの周波数の電流がコイル55に与えられる。これにより、圧力容器41の周壁にはそれに沿う磁界が生じ、圧力容器内には周方向の電気力線をもつ電場が与えられ、この電場は圧力容器41内のエマルジョン液に周方向の撹拌力を与える。
In FIG. 8, the multifunctional
更に、コイル55の外側には、温度調節装置57が設けられ、この装置は温度調節された液媒を通すジャケットででもよく、ヒータでもよい。前記圧力容器41の底壁には超音波振動子60が臨まされ、その振動子60には超音波発信器61が接続されている。
Further, a temperature adjusting device 57 is provided outside the coil 55, and this device may be a jacket through which the temperature-controlled liquid medium passes or a heater. An
第1工程で準備されたエマルジョンは開閉蓋42を開放して圧力容器41内に注入され、開閉蓋42を閉じた後に真空ポンプ52の作用により圧力容器内が真空になり、水と樹脂成分が膨潤しエマルジョンから空気が飛び出すと同時に水分も一部蒸発する。このときには、前記撹拌切断装置43が駆動し、羽根44、切断刃45は軸70(1500rpm)とともに回転し、膨潤した樹脂成分をカットし細粒化する。このとき、前記超音波発信子60を動作せしめ膨潤した樹脂成分を分解してもよい。更に、コイル55を動作せしめ、プラズマ波により撹拌効果を増大せしめる。
The emulsion prepared in the first step is injected into the
エマルジョンから出た水蒸気と空気を図示しない弁を開いて圧力容器外に排出した後に超臨界処理が行われる。すなわち、ボンベ53からのCO2を200気圧以上に加圧ポンプ54により昇圧して圧力容器41内に送り込む。この時、撹拌効果を出すためにプラズマ波(コイル55の作動)を与えるとともに、膨潤して細粒化された樹脂成分の切断分解効果を出すために切断撹拌装置43及び超音波装置を駆動させる。なお、プラズマ波装置と超音波装置のどちらかを選択的に使用してもよい(空気除去、細粒化、微粒化のいずれの工程においても選択的でよい。)
A supercritical process is performed after opening the valve which is not shown in figure and exhausting the water vapor | steam and air which came out of emulsion from the pressure vessel. That is, the pressure of
更に、第3工程を経てナノ化したエマルジョンは時間の経過とともに凝集するので、直ちに図6に示すような電場装置20に収納するようにする。前記電場装置20は、電源21を有し、この電源21には絶縁箱24で絶縁状態にされた電極22が接続され、この電極22にエマルジョン容器23が載置され、容器内のエマルジョンの粒子は帯電し、この帯電した粒子は互いに反発してその凝集が防止される。前記電源21からは、電極板22に10V〜1KVの電圧が与えられ、特に微細振動を与えるためには、図7に示すような周波数11Hz〜50KHzのパルス電流が好ましい。
Furthermore, since the emulsion nano-sized through the third step aggregates with time, it is immediately stored in the
本発明のエマルジョン材は、塗料、インクのベースとして使用できるばかりでなく、プラスチックの添加剤としてのその補強を図ることもでき、粘着性が高いので、石粉、木粉、竹粉を固めて建築資材としたり、食品を入れる容器、トレー等の成形に使用できる。 The emulsion material of the present invention can be used not only as a base for paints and inks, but also can be reinforced as an additive for plastics and has high adhesiveness. It can be used as a material or for forming containers and trays for food.
1…真空釜
2…回転羽根
3…切断装置
6…切断刃
10…圧力容器
11…CO2ボンベ
16…撹拌装置
20…電場装置
21…電源
22…電極版
30…パルス電流
40…多機能処理装置
1 ...
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2006
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