JP2015101702A - 発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法 - Google Patents

発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】難燃性及び断熱性に優れ、融着率が高く、外観に優れたポリスチレン系樹脂発泡成形体を得ることができると共に、残留モノマー量が少なく、粒度分布におけるばらつきの小さい発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法を提供すること。【解決手段】黒鉛及び臭素系難燃剤を含有する発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を製造する方法である。ポリスチレン系樹脂、黒鉛、及び臭素系難燃剤を混練してなるポリスチレン系樹脂種粒子を水性媒体中に分散させる。次いで、スチレン系単量体をポリスチレン系樹脂種粒子に含浸、重合させる。重合中又は重合後に物理発泡剤を樹脂粒子に含浸させて発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を得る。【選択図】図1

Description

本発明は、黒鉛及び臭素系難燃剤を含有する発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法に関する。
ポリスチレン系樹脂発泡成形体は、その優れた断熱性能により建築物用断熱材や保冷箱等に使用されている。ポリスチレン系樹脂発泡成形体は、例えば発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を用いて作製される。具体的には、まず、発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を発泡させることにより、ポリスチレン系樹脂発泡粒子が得られる。次いで、成形型内において多数のポリスチレン系樹脂発泡粒子同士を相互に融着させることにより、ポリスチレン系樹脂発泡成形体が得られる。
軽量化のために、ポリスチレン系樹脂発泡成形体の発泡倍率を高めて密度を低くしていくと、密度25kg/m3あたりからポリスチレン系樹脂発泡成形体の断熱性能が低下する傾向にある。そこで、低密度のポリスチレン系樹脂発泡成形体の断熱性能をより向上させるために、ポリスチレン系樹脂発泡成形体に黒鉛を配合する技術が知られている。
一方、黒鉛を含有するポリスチレン系樹脂発泡成形体には、燃えやすいという課題がある。そこで、発泡成形体にさらに難燃剤を配合する技術が知られている。一般に、黒鉛や難燃剤を含有する発泡性ポリスチレン系樹脂粒子は、スチレンモノマー、難燃剤、黒鉛を用いた懸濁重合により作製されることが知られている(特許文献1参照)。しかし、この方法で得られる発泡性ポリスチレン系樹脂粒子においては、残留モノマー量が多くなるという課題や、粒度分布におけるばらつきが大きくなるという課題がある。このような課題を解決すべく、黒鉛を含有するポリスチレン系樹脂種粒子に難燃剤を溶かしたスチレンモノマーを含浸、重合させることにより、発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を作製する方法(シード重合法)が開発されている(特許文献2及び3参照)。
特開2001−522383号公報 特表2009−536687号公報 特開2013−209608号公報
しかしながら、上述の従来のシード重合法によって得られる発泡性ポリスチレン系樹脂粒子には、所望の難燃性を得るために必要な難燃剤の添加量が増大してしまうという問題や、発泡成形性が悪くなるという問題がある。その結果、ポリスチレン系樹脂発泡成形体の融着率が低下してしまうという問題を生じる。また、発泡成形体の表面が斑模様になったり、発泡成形体を構成する発泡粒子間に多くのボイドが発生することにより、発泡成形体の外観が悪くなるという問題を生じる。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、難燃性及び断熱性に優れ、融着率が高く、外観に優れたポリスチレン系樹脂発泡成形体を得ることができると共に、残留モノマー量が少なく、粒度分布におけるばらつきの小さい発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、黒鉛及び臭素系難燃剤を含有する発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法であって、
ポリスチレン系樹脂、黒鉛、及び臭素系難燃剤を混練してなるポリスチレン系樹脂種粒子を水性媒体中に分散させる分散工程と、
上記水性媒体中にスチレン系単量体を供給し、該スチレン系単量体を上記ポリスチレン系樹脂種粒子に含浸、重合させる重合工程と、
該重合工程における重合中又は重合後に物理発泡剤を樹脂粒子に含浸させて上記発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を得る発泡剤含浸工程とを有することを特徴とする発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法にある。
上記製造方法は、上記のように、分散工程と重合工程と発泡剤含浸工程とを有する。即ち、上記製造方法においては、ポリスチレン系樹脂(以下、適宜「PS系樹脂」という)、黒鉛、及び臭素系難燃剤(以下、適宜「難燃剤」という)を混練することによりポリスチレン系樹脂種粒子(以下、適宜「種粒子」という)を作製し、該種粒子にスチレン系単量体を含浸、重合させ、さらに物理発泡剤を含浸させている。上記製造方法においては、上記種粒子に黒鉛を練り込んであるため、黒鉛を含有する発泡性樹脂粒子が製造される。そして、該発泡性樹脂粒子を用いることにより、黒鉛を含有するポリスチレン系樹脂発泡成形体(以下、適宜「発泡成形体」という)が得られる。該発泡成形体は、黒鉛を含有するため、低密度でも優れた断熱性を発揮することができる。さらに、上記製造方法においては、難燃剤が種粒子に練り込まれている。そのため、上記製造方法によって得られる発泡性樹脂粒子を用いることにより、難燃剤の添加量を少なくしても、優れた難燃性を発揮できるポリスチレン系樹脂発泡成形体が得られる。
また、上記のごとく難燃剤が種粒子中に練り込まれているため、発泡性に優れた発泡性樹脂粒子が得られる。一般に、難燃剤の量を増やすと発泡性が低下する傾向にあるが、上記製造方法によって得られる発泡性樹脂粒子は、例え難燃剤量を増やしても、優れた発泡性を発揮することができる。
また、上記のごとく難燃剤が種粒子中に練り込まれているため、上記発泡性樹脂粒子を用いて得られる発泡成形体の融着率が低下することを防止できる。即ち、融着率の高い発泡成形体が得られる。また、発泡成形体が斑模様になったり、発泡成形体を構成する発泡粒子間に多くのボイドが発生したりすることを防止することができる。即ち、発泡成形体の外観が悪くなることを防止することができる。また、発泡成形体の表面の溶融も防止することができる。
また、上記製造方法においては、上記重合工程を行うことにより、スチレン系単量体を上記種粒子に含浸、重合させている。そのため、発泡性樹脂粒子の粒度分布におけるばらつきを小さくすることができ、さらに残留モノマー量を少なくすることができる。
実施例1における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 実施例2における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 実施例3における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 実施例4における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 比較例1における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 比較例2における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 比較例3における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。 比較例4における発泡性樹脂粒子の電子顕微鏡写真を示す写真代用図。
次に、上記発泡性樹脂粒子の製造方法における好ましい実施形態について説明する。
上記発泡性樹脂粒子は、これを発泡させることにより、ポリスチレン系樹脂発泡粒子(以下、適宜「発泡粒子」という)を製造し、さらにこれらの発泡粒子を型内成形することにより、上記発泡成形体を製造するために用いられる。発泡性樹脂粒子は、上述のように、分散工程、重合工程、及び発泡剤含浸工程を行うことにより製造される。
上記分散工程においては、PS系樹脂、黒鉛、及び難燃剤を混練してなる種粒子が用いられる。種粒子は、PS系樹脂、黒鉛、難燃剤を配合し、これらを溶融混練してから細粒化することにより製造することができる。黒鉛及び難燃剤は、粉末状のものを直接配合することもできるが、PS系樹脂をベースレジンとする黒鉛及び/又は難燃剤のマスターバッチを準備し、該マスターバッチをPS系樹脂に配合することもできる。上述の溶融混練は、押出機により行うことができる。
PS系樹脂は、スチレン系単量体成分単位が50質量%以上の樹脂をいう。即ち、PS系樹脂は、スチレン系単量体の単独重合体、2種以上のスチレン系単量体の共重合体だけでなく、1種以上のスチレン系単量体と、これと共重合可能なビニル単量体との共重合体を含む概念である。PS系樹脂におけるスチレン系単量体成分単位は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。
スチレン系単量体としては、例えばスチレン、α−メチルスチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−エチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、p−メトキシスチレン、p−n−ブチルスチレン、p−t−ブチルスチレン、o−クロロスチレン、m−クロロスチレン、p−クロロスチレン、2,4,6−トリブロモスチレン、ジビニルベンゼン、スチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸ナトリウムなどが挙げられる。これらは、単独でも2種類以上を混合したものを用いても良い。
また、スチレン系単量体と共重合可能なその他のビニル単量体としては、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、水酸基を含有するビニル化合物、ニトリル基を含有するビニル化合物、有機酸ビニル化合物、オレフィン化合物、ジエン化合物、ハロゲン化ビニル化合物、ハロゲン化ビニリデン化合物、マレイミド化合物などが挙げられる。
アクリル酸エステルとしては、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2−エチルヘキシル等がある。
メタクリル酸エステルとしては、例えばメタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸2−エチルヘキシル等がある。
水酸基を含有するビニル化合物としては、例えばヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート等がある。
ニトリル基を含有するビニル化合物としては、例えばアクリロニトリル、メタクリロニトリル等がある。
有機酸ビニル化合物としては、例えば酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等がある。
オレフィン化合物としては、例えばエチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン等がある。
ジエン化合物としては、例えばブタジエン、イソプレン、クロロプレン等がある。
ハロゲン化ビニル化合物としては、例えば塩化ビニル、臭化ビニル等がある。
ハロゲン化ビニリデン化合物としては、例えば塩化ビニリデン等がある。
マレイミド化合物としては、例えばN−フェニルマレイミド、N−メチルマレイミド等がある。
これらのビニル単量体は、単独でも2種類以上を混合したものを用いても良い。
種粒子はPS系樹脂から構成される。種粒子のPS系樹脂としては、発泡性を高めるという観点から、ポリスチレンが特に好ましい。また、種粒子中には、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエステル系樹脂などのポリスチレン系樹脂以外のその他の熱可塑性樹脂や、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマーなどの熱可塑性エラストマーを含有させることができる。これらの熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーを配合する場合には、その配合量は、種粒子のPS系樹脂100質量部に対して20質量部以下とすることが好ましく、10質量部以下とすることがより好ましく、5質量部以下とすることがさらに好ましい。
種粒子のガラス転移温度(Tg)は、90℃以上、110℃未満であることが好ましい。この場合には、発泡性樹脂粒子の発泡性を向上させることができ、発泡時の収縮を防止することができる。さらに、発泡後に得られる発泡粒子の型内成形時に、発泡粒子同士の融着性を向上させることができ、発泡成形体の寸法安定性を向上させることができる。種粒子のTgは、95〜105℃であることがより好ましく、95〜100℃であることがさらに好ましい。
上記黒鉛としては、板状、鱗片状、薄片状、球状、粒状、不定形状、針状などの各種形状の粉末を用いることができる。好ましくは薄片状、鱗片状がよい。高い断熱性向上効果が得られるという観点から、黒鉛の平均粒子径は、0.1〜100μmであることが好ましく、1〜20μmであることがより好ましい。黒鉛の平均粒子径は、黒鉛の粉末を水中に分散させ、レーザー回折散乱法等により測定することができる。具体的には、レーザー回折散乱法によって得られる粒度分布における体積積算値50%での粒径をもって平均粒子径とすることができる。
また、発泡成形体の断熱性を確実に向上させるという観点から、発泡性樹脂粒子における黒鉛の含有量は、発泡性樹脂粒子のPS系樹脂100質量部に対して0.1質量部以上であることが好ましく、0.5質量部以上であることがより好ましく、1質量部以上であることがさらに好ましい。また、発泡性樹脂粒子の発泡性をより向上させたり、発泡成形体の表面外観をより向上させるという観点からは、発泡性樹脂粒子における黒鉛の含有量は、PS系樹脂100質量部に対して6質量部以下であることが好ましく、5質量部以下であることがより好ましく、3質量部以下であることがさらに好ましい。
なお、種粒子中の黒鉛の含有量は、上述のように発泡性樹脂粒子中の黒鉛の含有量が上述の範囲となるように適宜調整すればよい。
発泡性樹脂粒子中への難燃剤の配合量は、所望の難燃性に応じて適宜調整することができる。例えば、JIS A9511(2006R)の5.13.1の燃焼性の規格を満足するような高度な難燃性を発泡樹脂成形体に付与するという観点から、発泡性樹脂粒子のPS系樹脂100質量部に対する難燃剤の配合割合が0.5質量部以上となるように、種粒子に難燃剤を配合することが好ましい。一方、所望の型内成形性や機械的物性を得るという観点からは、発泡性樹脂粒子のPS系樹脂100質量部に対する難燃剤の配合割合が4質量部以下となるように、種粒子に難燃剤を配合することが好ましい。同様の観点から、難燃剤の配合量は、発泡性樹脂粒子のPS系樹脂100質量部に対して0.7〜3質量部であることがより好ましい。
発泡性樹脂粒子を用いて得られる発泡成形体に優れた難燃性を確実に付与することができるという観点から、種粒子中の難燃剤の配合量は、1質量%以上であることが好ましい。また、発泡性樹脂粒子の発泡性をより向上させたり、発泡成形体の外観をより良好なものにするという観点から、種粒子中の難燃剤の配合量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。
より高い難燃性を付与するという観点から、難燃剤中の臭素含有量は、60質量%以上であることが好ましく、63質量%以上であることがより好ましい。なお、上記臭素含有量は、JIS K7392(2009年)に基づき求めることができる。
また、種粒子の製造時における難燃剤の分解を抑制するという観点から、難燃剤の5%重量減少温度は、250〜280℃であることが好ましく、255〜270℃であることがより好ましい。難燃剤の5%減少温度は、熱重量測定法(TG法)により求めることができる。
難燃剤としては、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモ−2”−メチルプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモ−2−メチルプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]スルホン、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]スルホン、1,3,5−トリス(2’,3’−ジブロモ−2’−メチルプロピル)イソシアヌレート、1,3,5−トリス(2’,3’−ジブロモプロピル)イソシアヌレート、2,4,6−トリブロモフェノール−2’,3’−ジブロモ−2’−メチルプロピルエーテル、2,4,6−トリブロモフェノール−2’,3’−ジブロモプロピルエーテル、1,2,5,6,9,10−ヘキサブロモシクロドデカン、1,2,5,6−テトラブロモシクロオクタン等の臭素化有機化合物を用いることができる。また、臭素化ブタジエン系重合体、臭素化ポリスチレン、臭素化エポキシ樹脂等の臭素化重合体を用いることもできる。難燃剤は、1種又は2種以上を用いることができる。
好ましくは、下記(1)及び/又は(2)の難燃剤であることがよい。この場合には、少ない添加量で難燃性により優れた発泡性樹脂粒子を得ることができる。
(1)臭素化ブタジエン系重合体
(2)2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモ−2”−メチルプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン25〜75質量%と、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン25〜75質量%との複合難燃剤(但し、両者の合計が100質量%である)
特に、好ましくは臭素化ブタジエン系重合体がよい。この場合には、水分量の少ない発泡性樹脂粒子を得ることができる。また、発泡性樹脂粒子から発泡成形体を得る過程においては、通常、例えば10℃以下の低温度環境下に発泡前の発泡性樹脂粒子を保管する期間が設けられる。この期間を熟成期間という。難燃剤として臭素化ブタジエン系重合体を用いた場合には、この熟成期間を短くすることができる。
また、種粒子との相溶性を考慮すると、臭素化ブタジエン系重合体は、スチレン系単量体の成分単位を含むブロック共重合体、ランダム共重合体、又はグラフト共重合体であることが好ましく(これらを併せて「臭素化ブタジエン−スチレン共重合体」ともいう。)、ポリスチレン系重合体ブロックと臭素化ポリブタジエンブロックとのブロック共重合体であることがより好ましい。臭素化ブタジエン系重合体におけるスチレン系単量体としては、スチレン、臭素化スチレン、塩素化スチレン、2−メチルスチレン、4−メチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、α−メチルスチレンなどが例示できる。これこれらの中でも、スチレン、4−メチルスチレン、α−メチルスチレン、又はこれらの混合物が好ましく、スチレンがより好ましい。
代表的な臭素化ブタジエン系重合体である臭素化ブタジエン−スチレンブロック共重合体は、下記の一般式(1)により表すことができる。なお、一般式(1)において、X、Y、Zは、正の整数である。また、一般式(1)におけるブロック共重合体は、トリブロック共重合体であるが、ジブロック共重合体であってもよい。
臭素化ブタジエン−スチレンブロック共重合体は、たとえばスチレン−ブタジエンブロック共重合体を臭素化することにより製造される。臭素化ブタジエン−スチレンブロック共重合体の好ましい例としては、Chemtura社製の「Emerald3000」、ICL−IP社の「FR122P」等の市販品が挙げられる。
臭素化ブタジエン系重合体のポリスチレン換算平均分子量は、1000以上、300000以下であることが好ましく、10000以上、200000以下であることがより好ましく、100000以上、150000以下であることがさらに好ましい。
また、種粒子の製造時における難燃剤の熱安定性を向上させるために、難燃剤と共に、エポキシ化合物、酸化防止剤等の安定剤を併用することができる。
エポキシ化合物は、種粒子の押出加工時に難燃剤から脱離した臭素に由来するHBrを捕捉する性質を有する。この性質を利用して、エポキシ化合物は、HBrによるPS系樹脂の分解を抑制することができる。エポキシ化合物としては、例えばビスフェノール型エポキシ化合物、ノボラック型エポキシ化合物等が挙げられる。より具体的には、たとえばICL−IP社製の「F2200HM」、DIC社製の「EPICLONシリーズ」、HUNTUMAN社製の「Araldaite ECN1280」等の市販品を挙げることができる。これらのエポキシ化合物としては、1種又は2種以上を併用することができる。エポキシ化合物の使用量は、難燃剤100質量部に対して1〜30質量部であることが好ましく、5〜20質量部であることがより好ましい。
また、酸化防止剤としては、例えばフェノール系酸化防止剤、ヒンダードアミン系酸化防止剤、ホスファイト系酸化防止剤等が挙げられる。これらの酸化防止剤は、1種又は2種以上を併用することができる。酸化防止剤は、種粒子の押出加工時に臭素化ブタジエン系重合体が分解して発生するハロゲンラジカルやハロゲンイオンを補足する性質を有する。この性質を利用して、酸化防止剤は、PS系樹脂の分子量の低下や着色を抑制することができる。このような観点から、酸化防止剤としてはフェノール系酸化防止剤とホスファイト系酸化防止剤とを併用することが好ましい。酸化防止剤の使用量は、難燃剤100質量部に対して0.2〜20質量部であることが好ましく、1〜15質量部であることがより好ましい。
また、上述のエポキシ化合物、酸化防止剤に加えて、他の安定剤を併用することもできる。このような安定剤としては、例えば金属石鹸、有機スズ化合物、鉛化合物、ハイドロタルサイト、多価アルコール、β−ケトン、イオウ系化合物等が挙げられる。
種粒子には、本発明の効果を損なわない限り、公知の気泡調整剤、顔料、スリップ剤、帯電防止剤、可塑剤等の添加剤をさらに添加することができる。
気泡調整剤としては、例えばエチレンビス脂肪酸アマイド、脂肪酸モノアマイド、脂肪酸ビスアマイド、タルク、シリカ、ポリエチレンワックス、メチレンビスステアリン酸、メタクリル酸メチル系共重合体、シリコーン等を用いることができ、好ましくは、エチレンビス脂肪酸アマイドを用いることがよい。気泡調整剤の添加方法は、上記種粒子に練り込んでもよいし、水性媒体に添加することによりスチレンと共に種粒子に含浸させてもよい。気泡調整剤の添加量は、発泡性スチレン系樹脂粒子100重量部に対して、0.01〜1重量部が好ましい。これにより、気泡径を十分に安定化させることが可能になる。
また、断熱性により優れた発泡成形体を得るためには、種粒子のPS系樹脂中に黒鉛を均一に分散させることが好ましい。そのため、例えばダルメージタイプ、マドックタイプ、ユニメルトタイプ等の高混練タイプのスクリュを有する単軸押出機あるいは二軸押出機を用いて溶融混練を行うことが好ましい。種粒子の細粒化は、押出機で溶融混練を行った後、ストランドカット方式、ホットカット方式、水中カット方式等により行うことができる。種粒子の細粒化は、所望の粒子径が得られる方法であれば、他の方法により行うこともできる。
種粒子の生産性や種粒子から得られる発泡粒子の金型内への充填性という観点から、種粒子の粒子重量は、0.1〜3mgが好ましく、0.3〜1.5mgがより好ましい。また、同様の観点から、種粒子の粒子径は、0.1〜3.0mmが好ましい。なお、押出機を用いる場合には、種粒子の重量及び粒子径は、例えば0.5〜2mm程度の口径を有する孔から樹脂を押出し、カットスピードを変えることにより調整することができる。なお、種粒子の粒子径は、例えば次のようにして測定することができる。即ち、まず、種粒子を顕微鏡写真により観察し、200個以上の種粒子について各種粒子における最大径を測定する。次いで、測定された最大径の算術平均値を種粒子の粒子径とする。
上記分散工程においては、種粒子を水性媒体中に分散させる。水性媒体中への分散は、例えば撹拌機を備えた密閉容器を用いて行うことができる。水性媒体としては、例えば脱イオン水等が挙げられる。また、分散工程においては、懸濁剤を含有する水性媒体中に種粒子を分散させることが好ましい。懸濁剤としては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、ポリビニルピロリドンなどの親水性高分子を用いることができる。また、懸濁剤として、第三リン酸カルシウム、ピロリン酸マグネシウムなどの難水溶性無機塩を用いることもできる。さらに必要に応じて、界面活性剤を併用しても良い。なお、難水溶性無機塩を使用する場合は、アルキルスルホン酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシルジフェニルエーテルスルホン酸二ナトリウム、α−オレフィンスルホン酸ナトリウムなどのアニオン系界面活性剤を併用することが好ましい。
懸濁剤の使用量は、種粒子100質量部に対して、0.01〜5質量部が好ましい。上述のように難水溶性無機塩とアニオン性界面活性剤とを併用する場合は、種粒子100質量部に対して、難水溶性無機塩を0.05〜3質量部、アニオン性界面活性剤を0.0001〜0.5質量部用いることが好ましい。上述の界面活性剤は、単独で、又は複数組み合わせて用いることができる。好ましくは、アニオン系界面活性剤を用いることがよい。より好ましくは、炭素数8〜20のアルキルスルホン酸アルカリ金属塩(好ましくはナトリウム塩)がよい。これにより、懸濁を充分に安定化させることができる。
また、水性媒体には、必要に応じて、例えば塩化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、コハク酸ナトリウム等の電解質を添加することができる。
次に、上記重合工程においては、種粒子を分散させた水性媒体中にスチレン系単量体を供給する。そして、スチレン系単量体を種粒子に含浸、重合させる。
重合工程において用いるスチレン系単量体としては、上述のスチレン系単量体を用いることができる。特に好ましくはスチレンがよい。この場合には、発泡性樹脂粒子の発泡性を高めることができる。なお、スチレン系単量体以外のビニル単量体をスチレン系単量体と共に添加し、種粒子中でスチレン系単量体と共重合させることもできる。この場合には、PS系樹脂のガラス転移温度は110℃未満であることが好ましく、105℃以下がより好ましく、102℃以下がさらに好ましく、100℃以下がさらにより好ましい。ビニル単量体の配合比は、上述のPS系樹脂のガラス転移温度を満足する範囲で適宜設定することができる。スチレン以外の単量体の配合割合は、添加する全単量体中に10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、0であることが特に好ましい。
重合工程におけるスチレン系単量体の添加量は、種粒子100質量部に対して15質量部以上、300質量部以下であることが好ましい。この場合には、種粒子中にスチレン系単量体が含浸しやすくなる。さらにこの場合には、発泡性樹脂粒子の内部側に比べて表面側のPS系樹脂の分子量を高くすることができる。その結果、発泡性樹脂粒子の発泡成形性をより向上させることができる。スチレン系単量体の添加量は、種粒子100質量部に対して20質量部以上であることがより好ましく、50質量部以上であることがさらに好ましい。また、スチレン系単量体の添加量は、200質量部以下であることがより好ましく、120質量部以下であることがさらに好ましい。スチレン系単量体の添加量は、上述の上限及び下限の好ましい範囲、より好ましい範囲、及びさらに好ましい範囲の全ての組み合わせから決定することができる。
上記種粒子にスチレン系単量体を含浸させて重合させるにあたって、使用量の全量のスチレン系単量体を一括して添加することもできるが、使用する全スチレン系単量体を例えば第1モノマー、第2モノマー、第3モノマー等のように複数のモノマーに分割し、これらのモノマーを異なるタイミングで添加することもできる。後者のように、スチレン系単量体を複数回に分割して添加することにより、重合時における樹脂粒子同士の凝結を十分に抑制することが可能になる。
具体的には、上記分散工程においては、上記種粒子を分散させた水性媒体中に、まず、第1モノマー(配合予定のスチレン系単量体全量のうち一部)と重合開始剤とを添加し、水性媒体中に第1モノマーを分散させることができる。次いで、水性媒体を加熱し、所定温度において第2モノマー(配合予定のスチレン系単量体全量のうち残部)を所定の添加時間をかけて水性媒体中に添加することができる。これにより、種粒子にこれらのスチレン系単量体を含浸させて重合させることができる。
なお、第1モノマーのシード比(種粒子に対する第1モノマーの配合比(質量比:第1モノマーの質量/種粒子の質量))は、0.1以上であることが好ましい。この場合には、発泡性樹脂粒子が扁平になることを防止し、成形時の充填性を向上させることができる。同様の観点から、第1モノマーのシード比は、0.2以上であることがより好ましい。
また、第1モノマーのシード比は、1以下であることが好ましい。この場合には、スチレン系単量体が種粒子に充分に含浸される前に重合してしまうことを抑制することができる。また、この場合には、スチレン系単量体を安定化させることができ、樹脂の塊状物の発生を抑制することができる。同様の観点から、第1モノマーのシード比は、0.5以下であることがより好ましい。第1モノマーのシード比の範囲は、上述の上限及び下限に関する好ましい範囲、より好ましい範囲の全ての組み合わせから決定することができる。
上記重合開始剤は、スチレン系単量体に可溶で、10時間半減期温度が50〜120℃であることが好ましい。
具体的には、重合開始剤としては、例えばクメンヒドロキシパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、ベンゾイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、t−アミルパーオキシ−2−エチルヘキシルカーボネート、ヘキシルパーオキシ−2−エチルヘキシルカーボネート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルモノカーボネート、ラウロイルパーオキサイド等の有機過酸化物を用いることができる。また、重合開始剤としては、アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ化合物等を用いることもできる。これらの重合開始剤は1種類、または2種類以上を組み合わせて用いることができる。また、残留スチレンモノマー量を低減しやすいという観点から、重合開始剤としては少なくともt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルモノカーボネートを用いることが好ましい。重合温度は、使用する重合開始剤の種類によって異なるが、60〜120℃であることが好ましい。
また、スチレン系単量体には、必要に応じて、公知の可塑剤、油溶性重合禁止剤、難燃剤、難燃助剤、染料、気泡調整剤等を添加することができる。
次に、発泡剤含浸工程においては、種粒子におけるスチレン系単量体の重合中及び/又は重合後に物理発泡剤(以下、単に「発泡剤」ともいう)を樹脂粒子に含浸させる。これにより、発泡性樹脂粒子を得る。具体的には、重合中又は重合後の樹脂粒子を収容する容器内に発泡剤を圧入し、樹脂粒子中に含浸させる。なお、上述の樹脂粒子は、種粒子におけるスチレン系単量体の含浸重合途中の粒子や、含浸重合後の粒子を含む概念である。
発泡剤としては、例えば炭素数3〜6の飽和炭化水素化合物、炭素数5以下の低級アルコール、エーテル化合物等を用いることができる。具体的には、飽和炭化水素化合物としては、例えばプロパン、n−ブタン、イソブタン、シクロブタン、n−ペンタン、イソペンタン、ネオペンタン、シクロペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサンなどを用いることができる。また、低級アルコールとしては、メタノール、エタノールなどを用いることができる。また、エーテル化合物としては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテルなどを用いることができる。これらの発泡剤は、単独で又は2種以上の混合物で用いることができる。なお、エーテル化合物としては、例えば炭素数6以下のものを用いることができる。好ましくは、発泡剤としては、炭素数3〜6の飽和炭化水素化合物から選ばれる1種又は2種以上を用いることがよい。
また、発泡性樹脂粒子における発泡剤の含有量は、3〜10質量%であること好ましい。この場合には、発泡性樹脂粒子の発泡性をより向上させることができ、発泡時の収縮を防止することができる。さらに、発泡後に得られる発泡粒子の型内成形時に、発泡粒子同士の融着性をより向上させることができ、発泡成形体の寸法安定性を向上させることができる。
また、発泡剤含浸工程後には、発泡性樹脂粒子を脱水乾燥し、必要に応じて表面被覆剤を発泡性樹脂粒子に被覆させることができる。表面被覆剤としては、例えばステアリン酸亜鉛等の金属石鹸を用いることができる。また、表面被覆剤としては、ステアリン酸トリグリセライド、ステアリン酸モノグリセライド、ひまし硬化油等を用いることもできる。また、機能性の表面被覆剤として、公知のブロッキング防止剤、帯電防止剤などを使用することもできる。表面被覆剤の添加量は、上記発泡性樹脂粒子100質量部に対して0.01〜2質量部であることが好ましい。
上記製造方法によって得られる発泡性樹脂粒子は、これらを発泡成形させて上記発泡成形体を得るために用いることができる。該発泡成形体は、住宅、温水タンク、パイプ、自動車等の断熱材として用いることができる。
(実施例1)
次に、実施例にかかる発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法を説明する。本例においては、分散工程、重合工程、及び発泡剤含浸工程を行うことにより、黒鉛と難燃剤とを有する発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を作製する。以下、具体的に説明する。
(1)種粒子の作製
まず、φ30mm単軸押出機を用いて、ポリスチレン樹脂(PSジャパン社製の「680」)86質量部と、難燃剤組成物4質量部と、黒鉛マスターバッチ(以下、適宜「黒鉛MB」という)10質量部とを210〜230℃の温度で溶融混練した。次いで、押出機の穴径1.4mmのダイスから溶融混練物をストランド状に押し出した。押出物を直ちに水槽へ導入して冷却した後、ストランドカットにより切断した。これにより、0.9mg/個のペレットを作製した。このペレットが本例の種粒子(以下、本例の種粒子を「種粒子A」という)である。種粒子Aについて、その配合組成、使用した難燃剤の種類、難燃剤の配合量、黒鉛の配合量を後述の表1に示す。なお、本例における難燃剤組成物(以下、適宜「難燃剤組成物A」という)は、難燃剤としての臭素化ブタジエン−スチレンブロック共重合体(ケムチュラ社製の「エメラルド3000」、ポリスチレン換算重量平均分子量:13万、臭素含有量:64質量%、5%重量減少温度:262℃)80質量部と、安定剤(エポキシ化合物)としてのノボラック型エポキシ樹脂(DIC社製の「EPICLON N680」)10質量部と、安定剤(フェノール系酸化防止剤)としてのペンタエリスリトールテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](BASF社製の「Irganox1010」)5質量部と、安定剤(ホスファイト系酸化防止剤)としてのビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトール−ジホスファイト(ADEKA社製の「PEP36」)5質量部とを溶融混練してなる。本例において用いた難燃剤(ケムチュラ社製の「エメラルド3000」)を、以下適宜「難燃剤a」という。また、黒鉛MBは、平均粒子径(d50)が約5μmの黒鉛(日本黒鉛社製の鱗片状黒鉛「J−CPB」)40質量部を含有し、残部がポリスチレン樹脂からなる(但し、黒鉛とポリスチレン樹脂との合計が100質量である)。
(2)発泡性樹脂粒子の作製
撹拌装置の付いた内容積が3Lのオートクレーブ内に、脱イオン水783gと、ピロリン酸ナトリウム4.6gと、硝酸マグネシウム11.4gとを投入し、塩交換を行うにより懸濁剤としてのピロリン酸マグネシウムをオートクレーブ内で合成した。次いで、オートクレーブ内に、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.09gと、気泡調整剤としてのエチレンビスステアリン酸アマイド(花王社製の「カオーワックス EB−FF」)0.7gと、種粒子345gとを投入した。このようにして、種粒子を水性媒体中に分散させた。
次に、脱イオン水146gと、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.12gと、スチレン系単量体としてのスチレン(第1モノマー)104gと、重合開始剤としてのt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルモノカーボネート(化薬アクゾ社製の「トリゴノックス117」、10時間半減期温度:98℃)2.6gと、難燃助剤としてのジクミルパーオキサイド(日油社製の「パークミルD」、10時間半減期温度:116℃)3.5gとをホモジナイザーを用いて混合することにより、乳化液Aを得た。
次に、オートクレーブ内の空気を窒素にて置換した後、オートクレーブ内を密閉した。
次いで、オートクレーブ内の分散液を350rpmで撹拌しながら温度80℃まで昇温させた。この温度80℃に到達後に、上述の乳化液Aをオートクレーブ内に投入した。次いで、オートクレーブ内を温度80℃で1時間保持した後、4時間かけて温度100℃まで昇温させた。そして、温度80℃から100℃への昇温中に、スチレン系単量体としてのスチレン(第2モノマー)242gを4時間かけてオートクレーブ内に連続的に添加した。温度100℃到達後、この温度100℃で3時間保持し、さらに温度112℃まで2時間かけて昇温させた。次いで、この温度112℃で3時間保持し、その後室温まで冷却した。なお、上述の温度100℃到達時に、オートクレーブ内に発泡剤としてのペンタン(n−ペンタン80%,i−ペンタン20%)46gを30分かけて添加すると共に、発泡剤としてのブタン(n−ブタン60%、i−ブタン40%)10gを10分かけて添加することにより、樹脂粒子中に発泡剤を含浸させた。
オートクレーブ内を室温まで冷却した後、オートクレーブ内から発泡性樹脂粒子を取り出した。発泡性樹脂粒子を希硝酸で洗浄することにより表面に付着した懸濁剤を溶解除去した。次いで、発泡性樹脂粒子を水で洗い、さらに遠心分離機を用いて発泡性樹脂粒子を脱水した。
次に、発泡性樹脂粒子100質量部に対して、帯電防止剤としてのアルキルジエタノールアミン0.01質量部を添加して、発泡性樹脂粒子の表面を帯電防止剤により被覆した。その後、室温の空気を10分間流動させることにより、発泡性樹脂粒子の表面の水分を除去した。得られた発泡性樹脂粒子100質量部に、ブロッキング防止剤としてのステアリン酸亜鉛0.1質量部と、帯電防止剤としてのグリセリンモノステアレート0.05質量部とを添加し、発泡性樹脂粒子の表面をこれらのブロッキング防止剤及び帯電防止剤で被覆した。このようにして、本例の発泡性樹脂粒子(発泡性ポリスチレン系樹脂粒子)を得た。
(3)発泡成形体の作製
上記のようにして得られた発泡性樹脂粒子を温度6℃で1週間熟成させた。その後、発泡性樹脂粒子500gを容積30Lの常圧バッチ発泡機内に投入し、この発泡機内にスチームを供給して発泡性樹脂粒子を加熱し、嵩密度が16kg/m3の発泡粒子を得た。得られた発泡粒子を室温で1日間熟成させた後、型物成形機(DABO社製の「DSM−0705VS」)に取り付けられた金型内に充填した。そして、ゲージ圧0.07MPaのスチームで金型内に充填した発泡粒子を10秒間加熱した。次いで、冷却後、発泡粒子が相互に融着してなる発泡成形体(ポリスチレン系樹脂発泡成形体)を金型から取り出した。このようにして、発泡成形体を得た。
(実施例2)
本例は、実施例1とは組成が異なる種粒子を用いて、発泡性樹脂粒子及び発泡成形体を製造する例である。
具体的には、まず、ポリスチレン樹脂(PSジャパン社製の「680」)86.5質量部と、安定剤を含む難燃剤(以下、適宜「難燃剤組成物B」という)3.5質量部と、黒鉛MB10質量部とを実施例1と同様にして溶融混練した。本例における難燃剤組成物Bは、難燃剤としての2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモ−2”−メチルプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン(第一工業製薬(株)製の「SR130」、臭素含有量:65.8質量%、5%重量減少温度:260℃)60質量部と、難燃剤としての2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン(第一工業製薬(株)製の「SR720」、臭素含有量:67.8質量%、5%重量減少温度:296℃)40質量部と、安定剤(ヒンダードアミン系酸化防止剤)としてのビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)セバケート(チバジャパン社製の「TINUVIN770DF」)0.2質量部との混合物である。本例において用いた難燃剤のうち、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモ−2”−メチルプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン(第一工業製薬(株)製の「SR130」)を、以下適宜「難燃剤b」といい、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン(第一工業製薬(株)製の「SR720」)を、以下適宜「難燃剤c」という。黒鉛MBは、実施例1と同様のものである。
そして、溶融混練物から実施例1と同様にしてペレットを作製した。このペレットが本例の種粒子(以下、これを「種粒子B」という)である。種粒子Bについて、その配合組成、使用した難燃剤の種類、難燃剤の配合量、黒鉛の配合量を後述の表1に示す。次いで、この種粒子Bを用いた点を除いては実施例1と同様に発泡性樹脂粒子を作製した。そして、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が18kg/m3の発泡粒子を用いた。
(実施例3)
本例においては、種粒子として上述の種粒子B(実施例2参照)を用い、種粒子の投入量を207gに変更し、第1モノマーとしてのスチレンの添加量を62gに変更し、第2モノマーとしてのスチレンの添加量を421gに変更した点を除いては、実施例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が21kg/m3の発泡粒子を用いた。
(実施例4)
本例においては、まず、種粒子の作製時におけるポリスチレン樹脂の添加量を87.9質量部に変更し、安定剤を含む難燃剤の添加量を2.1質量部に変更した点を除いては、実施例1と同様にして種粒子を作製した。以下、本例の種粒子を「種粒子C」という。種粒子Cについて、その配合組成、使用した難燃剤の種類、難燃剤の配合量、黒鉛の配合量を後述の表1に示す。次いで、この種粒子Cを用い、種粒子の投入量を276gに変更し、気泡調整剤としてのエチレンビスステアリン酸アマイドの添加量を0.35gに変更し、第1モノマーとしてのスチレンの添加量を83gに変更し、第2モノマーとしてのスチレンの添加量を331gに変更した点を除いては、実施例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が17kg/m3の発泡粒子を用いた。
(実施例5)
本例においては、種粒子として上述の種粒子C(実施例4参照)を用い、種粒子の投入量を552gに変更し、気泡調整剤としてのエチレンビスステアリン酸アマイドの添加量を6.9gに変更し、さらに第1モノマーとしてのスチレンの添加量を110gに変更し、第2モノマーとしてのスチレンの添加量を28gに変更した点を除いては、実施例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が18kg/m3の発泡粒子を用いた。
(実施例6)
本例においては、種粒子として上述の種粒子B(実施例2参照)を用い、種粒子の投入量を621gに変更し、第1モノマーとしてのスチレンの添加量を69gに変更し、第2モノマーを添加しなかった点を除いては、実施例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が20kg/m3の発泡粒子を用いた。
(実施例7)
本例においては、まず、脱イオン水の投入量を651gに変更した点を除いては、実施例1と同様にして懸濁剤を合成した。次いで、種粒子として上述の種粒子B(実施例2参照)を用いた点を除いては、実施例1と同様にして水性媒体中に種粒子を分散させた。次に、オートクレーブ内の空気を窒素にて置換した後、オートクレーブ内を密閉した。次いで、オートクレーブ内の分散液を350rpmで撹拌しながら温度72℃まで昇温させたた後、オートクレーブ内をこの温度72℃で1時間保持した。
上述の温度72℃の到達時に、オートクレーブ内に下記の乳化液Bを投入し、さらに72℃に到達してから1時間後に下記の乳化液Cを投入した。乳化液Bは、脱イオン水145gと、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.12gと、スチレン系単量体としてのスチレン(第1モノマー)35gと、重合開始剤としてのt−ブチルパーオキシ−2−エチルモノカーボネート(化薬アクゾ社製の「トリゴノックス117」、10時間半減期温度:98℃)2.6gと、難燃助剤としてのジクミルパーオキサイド(日油社製の「パークミルD」、10時間半減期温度:116℃)3.5gとをホモジナイザーを用いて混合することにより得た。また、乳化液Cは、脱イオン水145gと、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.12gと、スチレン系単量体としてのスチレン(第2モノマー)35g、重合開始剤としての過酸化ベンゾイル(日油社製の「ナイパーBW」、10時間半減期温度:74℃)1.7gとをホモジナイザーを用いて混合することにより得た。
次いで、オートクレーブ内を温度72℃から4時間かけて温度93℃まで昇温させた。この温度72℃から93℃への昇温中に、スチレン系単量体としてのスチレン(第3モノマー)276gを4時間かけてオートクレーブ内に連続的に添加した。温度93℃到達後、オートクレーブ内をこの温度93℃で3時間保持し、さらに温度112℃まで2時間かけて昇温させた。次いで、オートクレーブ内をこの温度112℃で3時間保持し、その後室温まで冷却した。なお、温度93℃到達時に、オートクレーブ内に発泡剤としてのペンタン(n−ペンタン80%,i−ペンタン20%)46gを30分かけて添加すると共に、発泡剤としてのブタン(n−ブタン60%、i−ブタン40%)10gを10分かけて添加することにより、樹脂粒子中に発泡剤を含浸させた。その後、実施例1と同様の操作を行うことにより、発泡性樹脂粒子を得た。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が15kg/m3の発泡粒子を用いた。
(比較例1)
本例は、難燃剤を含有していない種粒子を用い、難燃剤を溶解させたスチレン系単量体を種粒子に含浸、重合させることにより、難燃剤を含有する発泡性樹脂粒子を作製する例である。以下、本例について詳細に説明する。
(1)種粒子の作製
まず、φ30mm単軸押出機を用いて、ポリスチレン樹脂(PSジャパン社製の「680」)90質量部と、黒鉛MB10質量部とを210〜230℃の温度で溶融混練した。黒鉛MBとしては、実施例1と同様のものを用いた。次いで、溶融混練物から実施例1と同様にペレットを作製した。このペレットが本例の種粒子(以下、これを「種粒子D」という)である。種粒子Dについて、その配合組成、黒鉛の配合量を後述の表1に示す。
(2)発泡性樹脂粒子の作製
まず、実施例1と同様に、撹拌装置の付いた内容積が3Lのオートクレーブ内で、懸濁剤としてのピロリン酸マグネシウムを合成した。次いで、オートクレーブ内に、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.09gと、種粒子(種粒子D)345gとを投入した。このようにして、種粒子を水性媒体中に分散させた。
また、脱イオン水146gと、難燃剤としての臭素化ブタジエン−スチレンブロック共重合体(ケムチュラ社製の「エメラルド3000」、難燃剤a)11.7gと、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.12gと、重合開始剤としてのt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルモノカーボネート(化薬アクゾ社の「トリゴノックス117」)2.6gと、難燃助剤としてのジクミルパーオキサイド(日油社製の「パークミルD」)3.5gと、スチレン系モノマーとしてのスチレン(第1モノマー)104gとをホモジナイザーを用いて混合することにより、乳化液Dを得た。
次に、オートクレーブ内の空気を窒素にて置換した後、オートクレーブ内を密閉した。次いで、オートクレーブ内の分散液を350rpmで撹拌しながら温度80℃まで昇温させた。そして、温度80℃に到達後に、上述の乳化液Dをオートクレーブ内に投入した。次いで、オートクレーブ内を温度80℃で1時間保持した後、4時間かけて温度100℃まで昇温させた。この温度80℃から100℃への昇温中に、スチレン系単量体としてのスチレン(第2モノマー)242gを4時間かけてオートクレーブ内に連続的に添加した。そして、温度100℃到達後、この温度100℃で3時間保持し、さらに温度112℃まで2時間かけて昇温させた。次いで、この温度112℃で3時間保持し、その後室温まで冷却した。なお、上述の温度100℃到達時に、オートクレーブ内に発泡剤としてのペンタン(n−ペンタン80%,i−ペンタン20%)46gを30分かけて添加すると共に、発泡剤としてのブタン(n−ブタン60%、i−ブタン40%)10gを10分かけて添加することにより、樹脂粒子中に発泡剤を含浸させた。その後、実施例1と同様の操作を行うことにより、発泡性樹脂粒子を得た。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が22kg/m3の発泡粒子を用いた。
(比較例2)
本例においては、難燃剤として、難燃剤b(第一工業製薬(株)製の「SR130」)を用いて乳化液を作製した点を除いては、比較例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が24kg/m3の発泡粒子を用いた。
(比較例3)
本例においては、難燃剤として、難燃剤b(第一工業製薬(株)製の「SR130」)を用い、乳化液への難燃剤bの配合量を6.9gに変更した点を除いては、比較例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が18kg/m3の発泡粒子を用いた。
(比較例4)
本例においては、乳化液への難燃剤a(ケムチュラ社製の「エメラルド3000」)の配合量を6.9gに変更した点を除いては、比較例1と同様にして発泡性樹脂粒子を作製した。さらに、この発泡性樹脂粒子を用いて実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が22kg/m3の発泡粒子を用いた。
(比較例5)
本例は、上述のような種粒子へのスチレン系単量体の含浸重合を行うことなく、難燃剤が混練されたポリスチレン系樹脂粒子に発泡剤を含浸させることにより、発泡性樹脂粒子を作製する例である。以下、本例について詳細に説明する。
(1)ポリスチレン系樹脂粒子の作製
φ30mm単軸押出機を用いて、ポリスチレン樹脂(PSジャパン社製の「680」)94質量部と、難燃剤組成物1質量部と、黒鉛MB5質量部とを210〜230℃の温度で溶融混練した。難燃剤組成物、黒鉛MBとしては、実施例1と同様のものを用いた。次いで、溶融混練物から実施例1と同様にペレットを作製した。このペレットが本例のスチレン系樹脂粒子である。なお、本例においては、後述のようにシード重合を行わない。したがって、本例のスチレン系樹脂粒子は、厳密には種粒子ではないが、説明の便宜のため、スチレン系樹脂粒子を適宜「種粒子E」という。種粒子Eの配合組成、使用した難燃剤の種類、難燃剤の配合量、黒鉛の配合量を後述の表1に示す。
(2)発泡性樹脂粒子の作製
撹拌装置の付いた内容積が3Lのオートクレーブ内に、脱イオン水900gと、アルキルスルホン酸ナトリウム0.9gと、ジクミルパーオキサイド(日油社製の「パークミルD」)2.6gと、塩化ナトリウム6.4gと、硝酸ナトリウム2.6gと、種粒子E600gとを投入した。次に、オートクレーブ内の空気を窒素にて置換した後、オートクレーブ内を密閉した。次いで、オートクレーブ内の分散液を350rpmで撹拌しながら、温度120℃まで昇温させた。そして、この温度120℃に到達後、ペンタン(n−ペンタン80%,i−ペンタン20%)48gを60分かけてオートクレーブ内に添加し、樹脂粒子中に発泡剤を含浸させた。その後、実施例1と同様の操作を行うことにより、発泡性樹脂粒子を得た。この発泡性樹脂粒子を用いて、実施例1と同様にして発泡成形体を作製したが、発泡成形体の表面が溶融した。この溶融を防ぐために、本例においては、ゲージ圧0.05MPaのスチームで金型内に充填した発泡粒子を10秒間加熱することにより、発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が14kg/m3の発泡粒子を用いた。
(比較例6)
本例は、難燃剤を溶解させたスチレン系単量体を懸濁重合することにより、発泡性樹脂粒子を作製する例である。以下、本例について詳細に説明する。
まず、撹拌装置の付いた内容積が3Lのオートクレーブ内に、脱イオン水761gと、ピロリン酸ナトリウム2.7gと、硝酸マグネシウム5gとを投入し、塩交換を行うことにより、懸濁剤としてのピロリン酸マグネシウムをオートクレーブ内で合成した。また、難燃剤b(第一工業製薬(株)製の「SR130」)5gと、ジクミルパーオキサイド(日油社製の「パークミルD」)2.3gと、過酸化ベンゾイル(日油社製の「ナイパーBW」)0.8gと、ポリスチレン樹脂(PSジャパン社製の「680」)99gと、平均粒子径(d50)が5μmの黒鉛粉(SECカーボン社製の鱗片状黒鉛「SNO−5」)15.2gをスチレン661gに分散させることにより、スチレンと黒鉛との混合物を得た。次いで、オートクレーブ内の懸濁剤を含む水性媒体を350rpmで撹拌しながら、オートクレーブ内に、上述のスチレンと黒鉛との混合物を投入した。
次に、オートクレーブ内の空気を窒素にて置換した後、オートクレーブ内を密閉した。次いで、オートクレーブ内の分散液を350rpmで撹拌しながら、1時間40分間かけて温度80℃まで昇温させた。そして、この温度80℃到達後に、アルキルスルホン酸ナトリウム0.14gをオートクレーブ内に添加した。次いで、オートクレーブ内の分散液の温度を20分かけて90℃まで昇温させ、さらに4時間かけて134℃まで昇温させた。次いで、この134℃でオートクレーブ内の温度を4時間保持した後、室温まで冷却させた。なお、分散液の温度が上述の90℃に到達してから2時間後にi−ブタン65gをオートクレーブ内に添加し、樹脂粒子中に発泡剤を含浸させた。その後、実施例1と同様の操作を行うことにより、発泡性樹脂粒子を得た。この発泡性樹脂粒子を用いて、実施例1と同様にして発泡成形体を作製した。なお、本例における発泡成形体の作製にあたっては、嵩密度が14kg/m3の発泡粒子を用いた。
(実験例)
次に、上述の実施例及び比較例において作製した発泡性樹脂粒子及び発泡成形体について、以下の評価を行った。その結果を表2及び表3に示す。なお、これらの表中には、各実施例、比較例の発泡性樹脂粒子について、製造時の重合条件、使用した難燃剤の種類、PS系樹脂100質量部に対する難燃剤の配合量(質量部)及び黒鉛の配合量(質量部)等を併記する。また、実施例1〜4、比較例1〜4において得られた発泡性樹脂粒子については、これらの電子顕微鏡写真を撮影した。その結果をそれぞれ図1〜図8に示す。
「粒度分布」
日機装株式会社の粒度分布測定装置「ミリトラック JPA」を用いて、各実施例及び比較例において得られた発泡性樹脂粒子の粒度分布を調べた。具体的には、まず、測定装置の試料供給フィーダーから発泡性樹脂粒子40gを自由落下させ、投影像をCCDカメラで撮像した。次いで、撮像した画像情報に対して演算・結合処理を順次行い、粒度分布・形状指数結果を出力する画像解析方式の条件で測定した。これにより、粒度分布における体積積算値90%での粒径(d90)、体積積算値50%における粒径(d50)、体積積算値10%での粒径(d10)、粒径0.21mm未満の細粒の割合(質量%)を求めた。さらに粒径比((d90−d10)/d50)を算出した。
「発泡剤の含有量」
まず、各実施例及び比較例において得られた発泡性樹脂粒子をジメチルホルムアミド(DMF)に溶解させた。得られた溶解物についてガスクロマトグラフィーを行うことにより、添加した各発泡剤成分の含有量を測定した。発泡剤の含有量は、各発泡剤成分の含有量を合計することにより求めた。ガスクロマトグラフによる定量は、具体的には以下の手順で行った。
まず、100mLのメスフラスコ内でシクロペンタノール約5gを正確に小数点以下第3位まで秤量した。この重量がWiである。次いで、メスフラスコ内のシクロペンタノールにDMFを加えて全体の容量を100mLに調整した。このDMF溶液をさらにDMFで100倍に希釈することにより、内部標準溶液を作製した。次いで、測定対象となる発泡性樹脂粒子約1gを小数点以下第3位まで正確に秤量した。この重量がWs(g)である。秤量した発泡性樹脂粒子を約18mLのDMFに溶解させた。得られた溶解物に、ホールピペットを用いて内部標準溶液2mLを加えた。この溶液1μLをマイクロシリンジにて採集し、ガスクロマトグラフィー装置に導入し、クロマトグラムを得た。得られたクロマトグラムから各発泡剤成分及び内部標準のピーク面積を求め、下式により各成分濃度を求めた。
各成分濃度(質量%)=[(Wi/10000)×2]×[An/Ai]×Fn÷Ws×100
Wi:内部標準溶液の作製に用いたシクロペンタノール重量(g)
Ws:DMFに溶解させた発泡性樹脂粒子の重量(g)
An:ガスクロマトグラフ測定時の各発泡剤成分のピーク面積
Ai:ガスクロマトグラフ測定時の内部標準物質のピーク面積
Fn:あらかじめ作成した検量線より求めた各発泡剤成分の補正係数
また、上記ガスクロマトグラフ分析の条件は以下の通りとした。
使用機器:(株)島津製作所製のガスクロマトグラフGC−6AM
検出器:FID(水素炎イオン化検出器)
カラム材質:内径3mm、長さ5000mmのガラスカラム
カラム充填剤:[液相名]FFAP(遊離脂肪酸)、[液相含浸率]10質量%、[担体名]ガスクロマトグラフ用珪藻土Chomasorb W、[担体粒度]60/80メッシュ、[担体処理方法]AW−DMCS(水洗・焼成・酸処理・シラン処理)、[充填量]90mL
注入口温度:250℃
カラム温度:120℃
検出部温度:250℃
キャリヤーガス:N2、流量40ml/分
「残留モノマー量」
上述の発泡剤の含有量の測定と同様に、ガスクロマトグラフィーを行うことにより、各実施例及び比較例において得られた発泡性樹脂粒子中のスチレンモノマーの含有量を測定した。そして、測定値を検量線で校正することにより定量を行った。ガスクロマトグラフィーの条件は上述の通りである。
「水分量」
カールフィッシャー水分計を用いて、各実施例及び比較例における製造直後の発泡性樹脂粒子の水分量を求めた。
「平均分子量」
ポリスチレンを標準物質としたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により、発泡性樹脂粒子の平均分子量(数平均分子量、重量平均分子量、Z平均分子量)を測定した。具体的には、東ソー(株)製のHLC−8320GPC EcoSECを用いて、溶離液:テトラヒドロフラン(THF)、THF流量:0.6ml/分、試料濃度:0.1wt%という測定条件で測定した。カラムとしては、TSKguardcolumn SuperH−H×1本、TSK−GEL SuperHM−H×2本を直列に接続したカラムを用いた。即ち、発泡性樹脂粒子をテトラヒドロフラン(THF)に溶解させ、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)で分子量を測定した。そして、測定値を標準ポリスチレンで校正することにより、数平均分子量、重量平均分子量、Z平均分子量をそれぞれ求めた。
「発泡性の評価」
発泡性の評価は、発泡性樹脂粒子を棚式発泡機により発泡させて得られる発泡粒子の嵩密度を測定することによって行った。具体的には、まず、各実施例及び比較例において得られた発泡性樹脂粒子を室温で風乾した。次いで、棚式発泡機内で発泡性樹脂粒子を発泡させて発泡粒子を得た。発泡は、ゲージ圧3kPaのスチームを発泡機内に270秒間供給して発泡性樹脂粒子を加熱することにより行った。得られた発泡粒子を1日間室温で養生させた。その後、1Lのメスシリンダーを用意し、このメスシリンダーにおける1Lの標線まで発泡粒子を充填した。そして、この体積1Lあたりの発泡粒子の質量を(g)を計量した。次いで、体積1L当たりの質量を単位換算することにより、嵩密度(kg/m3)を算出した。
「必要熟成日数」
各実施例及び比較例における製造直後の発泡性樹脂粒子を密閉容器に入れ温度6℃で保管した。保管開始時、及び保管開始から24時間経過する毎に密閉容器から発泡性樹脂粒子を取り出し、上述の発泡性の評価と同様にして発泡性樹脂粒子を棚式発泡機により発泡させて発泡粒子を得た。得られた発泡粒子を1日間室温で養生させた後、発泡粒子の平均気泡径を測定した。平均気泡径が0.3mm以下の場合を熟成完了と判定し、熟成完了までにかかった時間(日数)を計測した。なお、発泡粒子の平均気泡径は、次のようにして測定した。
具体的には、まず、剃刀刃を用いて発泡粒子をその中心を通るように2つに切断し、蒸着処理(Au−Pdターゲット)を行った後、走査型電子顕微鏡(キーエンス社製の「VE7800」)により、発泡粒子の断面を撮影した(観察倍率20倍)。得られた電子顕微鏡写真において、発泡粒子の中心を通るように直線を引き、該直線の実際の長さ、及び直線上に存在する気泡数を計測し、発泡粒子の直径を気泡数で除して気泡径(mm)とした。10個の発泡粒子について同様に気泡径を計測し、算術平均により平均気泡径を求めた。
「発泡粒子の嵩密度」
1Lのメスシリンダーを用意し、このメスシリンダーにおける1Lの標線まで、各実施例及び比較例において得られた発泡粒子を充填した。そして、この体積1Lあたりの発泡粒子の質量(g)を計量した。次いで、体積1L当たりの質量を単位換算することにより、嵩密度(kg/m3)を算出した。
「発泡粒子の平均気泡径」
各実施例及び比較例において得られた発泡粒子について、平均気泡径の測定を行った。平均気泡径の測定方法は上述の通りである。
「融着率」
まず、各実施例及び比較例において得られた発泡成形体から150mm(長さ)×75mm(幅)×25mm(厚み)の試験片を切り出した。この試験片の長さ方向の中央部において一方の表面(長さ150mm、幅25mmの面の一方の面)に深さ2mmの切込みを、全幅を横切るように入れた。次いで、試験片の切り込みを広げる方向に、試験片が破断するまで、又は試験片の両端部が当接するまで試験片を折り曲げた。次に、試験片の破断面を観察し、目視により内部で破断した発泡粒子と界面で剥離した発泡粒子数をそれぞれ計測した。次いで、内部で破断した発泡粒子と界面で剥離した発泡粒子の合計数に対する内部で破断した発泡粒子の割合を算出し、これを百分率で表して融着率(%)とした。なお、異なる5個の試験片に対して上記試験を行い、それぞれの試験片について得られた融着率の算術平均値を表中に示した。
「色」
各実施例及び比較例において得られた発泡成形体の外観を目視にて観察した。そして、下記の判定基準に基づいて、発泡成形体の色を評価した。
○:発泡成形体の表面の色彩が均一である場合
×:発泡成形体の表面の色彩が斑である場合
「表面のボイド」
各実施例及び比較例において得られた発泡成形体の外観を目視にて観察した。そして、下記の判定基準に基づいて、発泡成形体の表面における発泡粒子間の間隙(ボイド)を評価した。
○:発泡成形体の表面における発泡粒子間の間隙が少なく、表面が平滑である場合
×:発泡成形体の表面における発泡粒子間の間隙が多く、表面が平滑でない場合
「見かけ密度」
各実施例及び比較例において得られた発泡成形体の外形寸法から体積を求め、次いで発泡成形体の質量を測定した。そして、質量を体積で除することにより、発泡成形体の見かけ密度(kg/m3)を算出した。
「断熱性」
断熱性の評価は、各実施例及び比較例において得られた発泡成形体の熱伝導率を測定することにより、行った。
まず、発泡成形体から200mm×200mm×25mmの板状の試験片を切り出した。この試験片を温度60℃の雰囲気下で1週間以上静置し、さらに温度23℃で1日間以上静置した。そして、この試験片について、JIS A 1412−2(1999年)に準拠し熱伝導率を測定した。測定は、温度差20℃の加熱板と冷却熱板との間に試験片を挟み、試験片の平均温度を23℃にするという条件にて行った。
「難燃性」
まず、各実施例及び比較例における発泡成形体から200mm×25mm×10mmの板状の試験片を切り出した。この試験片を温度40℃で3日間静置し、さらに温度23℃で1日間静置した。この試験片について、JIS A 9511(2006年)の燃焼試験(A法)に準拠して燃焼試験を行い、消火するまでの時間を計測した。計測は3秒まで行い、消火まで3秒以上かかった場合には、その結果を「3秒以上」とした。
表1及び表2より知られるごとく、ポリスチレン系樹脂、黒鉛、及び臭素系難燃剤を混練してなるポリスチレン系樹脂種粒子を用い、この種粒子にスチレン系単量体を含浸、重合させることにより、発泡性に優れ、残留モノマー量が少なく、粒度分布のばらつきが小さい発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を製造することができる(実施例1〜7参照)。発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の外観には、難燃剤による斑模様なども発生していない(図1〜図4参照)。また、このようにして得られた発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を用いることにより、難燃性及び断熱性に優れ、融着率が高く、外観に優れたポリスチレン系樹脂発泡成形体を得ることができる(実施例1〜7参照)。
一方、表1及び表3より知られるごとく、難燃剤を溶解させたスチレン系単量体を種粒子に含浸、重合させることにより作製した発泡性樹脂粒子においては、上述の実施例の発泡性樹脂粒子に比べて発泡成形性が悪くなっていた。その結果、発泡成形体における融着率が低下したり、発泡粒子間にボイドが多く発生していた(比較例1及び2参照)。また、発泡性樹脂粒子の外観に関しては、黒色の発泡性樹脂粒子の表面に難燃剤が凝集した被覆物が形成されていたり(図5参照)、黒色の発泡性樹脂粒子の表面に難燃剤による白い斑模様が形成されていた(図6参照)。また、このような発泡性樹脂粒子を用いて得られる発泡成形体は、上述のように外観に問題があった(比較例1及び2参照)。
また、難燃剤を溶解させたスチレン系単量体を種粒子に含浸、重合させることにより作製した発泡性樹脂粒子においては、難燃剤量を減らすと、上述の被覆物や斑模様の形成を抑制することができるものの(図7及び図8参照)、難燃性が不十分な発泡成形体しか得られなかった(比較例3及び4参照)。また、発泡成形性も大きくは向上せず、発泡成形体の融着率も低い値であった。
また、スチレン系単量体の含浸重合を行うことなく、難燃剤が混練されたポリスチレン系樹脂粒子に発泡剤を含浸させることにより得られた発泡性樹脂粒子においては、発泡成形性に問題があった。その結果、実施例と同じスチーム圧という加熱条件下では、発泡成形体の表面に溶融が観察された(比較例5参照)。そこで、スチーム圧力を下げて型内成形を行ったが、発泡成形体における融着率が低下し、発泡粒子間にボイドが多く発生していた(比較例5参照)。
また、難燃剤を溶解させたスチレン系重合体の懸濁重合により得られた発泡性樹脂粒子においては、残留モノマー量が多く、粒度分布のばらつきが大きくなっていた(比較例6参照)。このような発泡性樹脂粒子を用いて得られる発泡粒子においては、平均気泡径が大きくなっており、発泡成形体においては、融着率が低下していた。
また、表2より知られるごとく、難燃剤として臭素化ブタジエン系重合体を用いることにより、発泡性樹脂粒子の水分量を少なくしたり、発泡成形体を得る際の熟成期間を短くすることが可能になる。

Claims (4)

  1. 黒鉛及び臭素系難燃剤を含有する発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法であって、
    ポリスチレン系樹脂、黒鉛、及び臭素系難燃剤を混練してなるポリスチレン系樹脂種粒子を水性媒体中に分散させる分散工程と、
    上記水性媒体中にスチレン系単量体を供給し、該スチレン系単量体を上記ポリスチレン系樹脂種粒子に含浸、重合させる重合工程と、
    該重合工程における重合中又は重合後に物理発泡剤を樹脂粒子に含浸させて上記発泡性ポリスチレン系樹脂粒子を得る発泡剤含浸工程とを有することを特徴とする発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法。
  2. 上記ポリスチレン系樹脂種粒子中の上記臭素系難燃剤の配合量が1〜10質量%であることを特徴とする請求項1に記載の発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法。
  3. 上記スチレン系単量体の添加量が、上記ポリスチレン系樹脂種粒子100質量部に対して15〜300質量部であることを特徴とする請求項1又は2に記載の発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法。
  4. 上記臭素系難燃剤が、下記の(1)及び/又は(2)であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発泡性ポリスチレン系樹脂粒子の製造方法。
    (1)臭素化ブタジエン系重合体
    (2)2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモ−2”−メチルプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン25〜75質量%と、2,2−ビス[4’−(2”,3”−ジブロモプロポキシ)−3’,5’−ジブロモフェニル]プロパン25〜75質量%との複合難燃剤(但し、両者の合計が100質量%である)
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