JP2018502965A - ジオポリマー複合材並びにジオポリマー複合材を含んでなる発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物及び発泡ビニル芳香族ポリマーフォーム - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献7は、カーボンブラックを含有する発泡性ポリスチレンを教示している。懸濁重合プロセスでは、カーボンブラックは、水性懸濁液中で重合時に存在している。また、ポリマーをカーボンブラックと一緒に押出機に供給し、続いて発泡剤および可能なさらなる添加剤を溶融ポリマーに注入した後に、ダイを通して押出し成形する発泡性ポリスチレンを塊状に調製するための連続プロセスが開示されている。
a)ジオポリマー;
b)ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c)不伝熱性添加剤を含んだジオポリマー複合材
の、ビニルモノマー及び任意選択で1つまたは複数のコモノマーから作製される発泡ポリマーフォーム(すなわちホモポリマー又はコポリマー)における使用は、該発泡フォームの熱伝導度を、該フォームの自己消火性及び機械的性質に悪影響を及ぼすことなく、低下させる(低下はISO8301に従って測定される)ということが本発明に従って見出された。
I)ジオポリマー及び不伝熱性添加剤からの、ジオポリマー複合材の生産のためのプロセス;
II)ジオポリマー複合材;
III)発泡ビニルポリマーフォームにおける、i)ジオポリマーの、ii)ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせの、及びiii)ジオポリマー複合材の、使用;
IV)1)押出しプロセス又は2)懸濁プロセスにおける、ビニル芳香族ポリマー、1つまたは複数の噴射剤、並びにi)ジオポリマー、ii)ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ、及びiii)ジオポリマー複合材の、を含有する発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の生産のためのプロセス;
V)発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物;
VI)発泡ビニルポリマーフォーム;並びに
VII)ビニルポリマーと、a)、b)及びc)のうち少なくともいずれかとを含んでなるマスターバッチ、
を有している。
本発明に従って使用されるようなジオポリマーは、強アルカリ性条件下でのアルミノシリケートとポリシリケート溶液との反応によって形成された合成無機アルミノシリケート材料群である。上記の条件下、遊離のSiO4及びAlO4 −の四面体ユニットが生成され、かつ連結されて2つの四面体ユニットの間の全ての酸素原子を共有することによりポリマー前駆体を生じると同時に、水分子が放出される。四面体ユニットは、骨組みのキャビティの中に存在して四面体配位におけるAl3+の負電荷(すなわちAlO4 −)を平衡せしめる、グループIの陽イオン(Na+、K+、Li+、Ca2+、Ba2+、NH4 +、H3O+)によって平衡している。加えて、この材料群は、極めて高度な耐火性を含むセラミック様の特性を示す。ジオポリマーは非晶質材料にも結晶質材料にもなりうる。ジオポリマーは、高度に多孔質のネットワーク内に分散した細孔を伴って小さなアルミノシリケートクラスタを含んでなる、(TEMによって観察されるような)ナノメートル規模の微細構造を有する。クラスタの大きさは典型的には5〜10nmである。
概して、本発明によるジオポリマー複合材の生産のためのプロセスは、下記ステップすなわち:
a)アルミノシリケート成分をアルカリシリケート溶液と混合し、ゲルを形成するステップ、
b)ゲルに不伝熱性添加剤成分を添加し、充填ゲルを形成するステップ、
c)充填ゲルを混合して、充填ジオポリマーを形成するステップ、
d)硬化、乾燥及び粉砕を行って、充填ジオポリマー粒子を得るステップ、
e)充填ジオポリマー粒子から陽イオンを任意選択で除去し、その後乾燥させるステップ、並びに、
f)ジオポリマー複合材を得るステップ
を含んでなる。
本発明によるプロセスが実際にステップe)を含み、かつステップe)が、酸性溶液を用いた陽イオンの除去を含んでなることに加えて、水で洗浄することをさらに含んでなることが、特に好ましい。次に、ジオポリマー複合材懸濁液の濾過及び濃縮、並びに最後に、乾燥プロセスが後続する。
より好ましくは、アルミノシリケート成分は、メタカオリン又はメタカオリナイト、メタフライアッシュ及びシリカヒュームで構成されている群から選択される1つまたは複数を含んでなり、
特に、アルミノシリケート成分は、メタカオリン若しくはメタカオリナイト、又はこれらの混合物である。
a.カーボンブラック、石油コークス、黒鉛化カーボンブラック、酸化黒鉛、様々な種類の黒鉛(殊に50〜90%の範囲の炭素含量を有する、形態に乏しいもの及び非晶質形態)及びグラフェン、並びに
b.酸化チタン、イルメナイト、ルチル、シャモット、フライアッシュ、ヒュームドシリカ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物、硫酸バリウム及びペロブスカイト構造を有する鉱物
で構成されている群から選択された1つまたは複数の不伝熱性添加剤を含んでなり、
好ましくは、不伝熱性添加剤成分は、熱吸収体及び熱反射体の群から選択された1つまたは複数の炭素系不伝熱性添加剤を含んでなり、
特に、不伝熱性添加剤成分は、カーボンブラック、黒鉛、又はこれらの混合物である。
シランが、ジオポリマー複合材の重量に基づいて、0.01〜10重量%、より好ましくは0.05〜5重量%の範囲内、最も好ましくは0.1〜3重量%、及びこれらの混合物から選択されることが最も好ましい。
i)アルミノシリケート成分、例えば脱ヒドロキシル化されたカオリナイト(メタカオリン又はメタカオリナイト)を重量比範囲で10/1〜10/5、好ましくは10/1〜10/3としてケイ酸カルシウムと混合したものを、ポリシリケート、一般にケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムのアルカリ溶液中で混合する。該混合プロセスにおいて、アルミノシリケート成分の溶解及び加水分解がアルカリシリケート溶液中で起こり、その結果[Mz(AlO2)x(SiO2)yMOH・H2O]ゲルの形成がもたらされる。この重合作用は次の式:
Al−Si材料(s)+MOH(aq)+Na2SiO3(s又はaq) (1)
Al−Si材料(s)+[Mz(AlO2)x(SiO2)y・nMOH・mH2O]ゲル (2)
Al−Si材料(s)[Ma((AlO2)a(SiO2)b)nMOH*mH2O]ジオポリマー (3)
によって記述することが可能である。
第2の態様では、本発明は、II)ジオポリマー及び不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材、に関する。
a.カーボンブラック、石油コークス、黒鉛化カーボンブラック、酸化黒鉛、様々な種類の黒鉛(殊に50〜90%の範囲の炭素含量を有する形態に乏しいもの及び非晶質形態)及びグラフェン、並びに
b.酸化チタン、硫酸バリウム、イルメナイト、ルチル、シャモット、フライアッシュ、ヒュームドシリカ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物、及びペロブスカイト構造を有する鉱物、
で構成されている群から選択され、
好ましくは、不伝熱性添加剤は、熱吸収体及び熱反射体の群から選択された1つまたは複数の炭素系不伝熱性添加剤を含んでなり、
特に、不伝熱性添加剤成分は、カーボンブラック、黒鉛、又はこれらの混合物である。
a)炭素質物、例えば様々な等級のカーボンブラック、例えばファーネスブラック、ランプブラック、チャネルブラック、サーマルブラック及びアセチレンブラックなど;様々な等級の石油コークス、例えば針状、レギュラー及びスポンジコークス、か焼石油コークス;様々な等級の天然黒鉛及び人造黒鉛、
b)鉱物であって合成及び天然のもの、例えば二酸化チタン、ルチル、イルメナイト、ペロブスカイト構造を有する鉱物、カオリン、マイカ、滑石、硫酸バリウム、トリカルシウムスルファート(tricalcium sulfate)、リン酸三カルシウム、シリカ並びに考えられるさらなる物質であって特許文献2乃至9、及び本願において言及されたその他の実施例によるもの、
が使用されることが好ましい。
a)ジオポリマー、
b)ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ、又は
c)ジオポリマー複合材
の使用に関する。
第2の実施形態では、b)、ジオポリマーが不伝熱性添加剤と組み合わされて使用される。この実施形態では、ジオポリマー及び不伝熱性添加剤は別々に添加されて、充填ビニルポリマーフォームをもたらすことができる。別例として、ジオポリマー(粉体)及び不伝熱性添加剤(粉体)が最初に混合され、次にジオポリマー及び不伝熱性添加剤の混合物として添加されて、充填ビニルポリマーフォームがもたらされる。
i)ビニル芳香族ポリマー、又はISO1133に従った測定で4〜20g/10分の範囲内で様々である異なるMFI指標を有する異なる種類のビニル芳香族ポリマーの混合物を、成核剤並びに粉体又は顆粒の形態の難燃剤系であって、少なくとも難燃剤及び共力剤並びに任意選択で熱酸化安定化剤及び熱安定剤としての臭素酸掃去剤(エポキシ樹脂及び臭素化エポキシ樹脂を含む)、加えてハイドロタルカイト及びハイドロマグネサイト/ハンタイトのうち少なくともいずれか一方のような鉱物を含んでなるものと一緒に、共回転二軸の主押出機の中に供給するステップ。
代替の噴射剤は、例えばn−プロパン、n−ブタン、イソブタン、ネオペンタン、シクロペンタン、n−ヘキサン、若しくはシクロヘキサン、又はジクロロジフルオロメタン若しくはトリフルオロクロロメタンのようなハロゲン化炭化水素である。
水圧は、好ましくは0.7〜1.3MPa(7〜13バール)、好ましくは0.8〜1.1MPa(8〜11バール)、より好ましくは0.9〜1MPa(9〜10バール)の範囲にある。
加工水の温度は、40〜80℃、好ましくは50〜70℃、より好ましくは60〜70℃の範囲内にある。ダイプレートの温度は、150〜270℃、好ましくは200〜240℃、より好ましくは205〜235℃の範囲内にある。
好ましい懸濁プロセスの第1のステップにおいて、ラジカルで開始される共重合が、好ましくはa.ジオポリマー、又はb.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ、又はc.ジオポリマー複合材、の粉体であって各々が好ましくはカップリング剤、特にビニルシランによって表面が疎水化されているもの、の存在下で行われる。次のステップでは、第1のステップで得られるようなプレポリマーとビニル芳香族ポリマーとの混合が、好ましくは共回転二軸押出機において行われる。水中造粒により顆粒状物の形態のマスターバッチが得られる。その後、このマスターバッチは好ましくは、難燃剤及び成核剤と一緒にスチレンに溶解される。次に水が、続いて過酸化物及び界面活性剤が添加される。重合は75〜130℃の範囲の温度で継続される。次に、結果として生じたポリマーはポリマー粒子(顆粒状物)から水を取り除くために遠心分離処理され、粒子は乾燥せしめられ、最終的にはマグネシウム(又は亜鉛)ステアリン酸塩と、グリセリンのモノステアリン酸塩及び/又はジステアリン酸塩及び/又はトリステアリン酸塩とのうち少なくともいずれかの混合物でコーティングされる。
i)第1のステップでは、a.ジオポリマー、又はb.ジオポリマーと不伝熱性添加剤(好ましくは、カーボンブラック、石油コークス、黒鉛、二酸化チタン、硫酸バリウム、イルメナイト、ルチル、ペロブスカイト鉱物、シャモット、ヒュームドシリカ、フライアッシュ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物の群に由来する)との組み合わせ、又はc.ジオポリマー複合材であって、いずれも好ましくはカップリング剤によって(特に、ビニルシラン、例えばビニルトリエトキシシラン若しくはメタクリルオキシプロピルトリメトキシシランによって)表面が疎水化されたものが、次の共重合パラメータすなわち:0.01〜1の範囲のパラメータ「Q」及び−0.1〜−0.9の範囲のパラメータ「e」を伴って、ビニル芳香族モノマーとともにラジカル共重合せしめられる。
プロセス温度は、好ましくは50〜130℃、より好ましくは70〜120℃、最も好ましくは80〜100℃の範囲にある。混合速度は最適でなければならず、最良の撹拌機は粘性の高い液体を扱うことができるものである。コモノマー重合率は、モノマー重合の適切な時間を調整するために、屈折率計で約5分又は10分ごとに測定される。
iii)次のステップは、分散したa.ジオポリマー、又はb.ジオポリマーと不伝熱性添加剤(好ましくは、カーボンブラック、石油コークス、黒鉛、二酸化チタン、硫酸バリウム、イルメナイト、ルチル、ペロブスカイト鉱物、シャモット、ヒュームドシリカ、フライアッシュ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物の群に由来するもの)との組み合わせ、又はc.ジオポリマー複合材、又はa.〜c.のうち任意のものの混合物を含有する、調製されたマスターバッチを、スチレンモノマー及びそのコモノマー誘導体のうち少なくともいずれかの中に、難燃剤、成核剤及び1つの過酸化物、殊に過酸化ジクミルと一緒に溶解することによる、有機相調製であることが好ましい。溶解は、10〜60分にわたって、好ましくは30分にわたって、20℃で開始して最大70℃までの温度で行われ、次に溶解は、温度を、好ましくは78〜85℃、殊に79〜83℃である重合温度まで上昇させながら、継続される。該ステップは、典型的には4翼のタービン型撹拌機を備えた20L反応器において行なわれる。以降のステップはすべて、同じ反応容器において継続された。
−過硫酸カリウム−有機相の総重量あたり0.00001〜1.0%、好ましくは0.00005〜0.5%の範囲で添加される。これは懸濁物の安定性を増大させる。
−リン酸三カルシウム−例えば有機相の総重量あたり0.4%(懸濁化剤として使用)、典型的な含量範囲は0.01〜1.0%。
加えて、塩、例えば水相あたり0.01〜3重量%、好ましくは0.05〜1.5重量%、最も好ましくは0.1〜1重量%の範囲の量の酢酸ナトリウム、又は水相あたり0.01〜3重量%、好ましくは0.1〜2重量%、最も好ましくは0.5〜1.5重量%の範囲の量の塩化ナトリウムが、ポリマー中の内部水含有量を低減するために添加されることも可能である。内部水の低減は発泡プロセスの際の構造形成にとって重要である。水がより少ないほど、より均一な構造の形成をもたらす。
vi)その後、重合は、105〜130℃の高温で、好ましくは最大125℃までの温度で、より好ましくは約120℃で、プロセス温度に応じて最短60分かつ最大240分にわたって継続される。重合が開始される前に、界面活性剤の一部が添加され、好ましくはPoval(登録商標)217又はPoval(登録商標)224が、0.01〜0.2重量%、好ましくは0.5〜0.1重量%の濃度で使用されることが可能である。別例として、0.01〜0.1重量%の濃度のナフタレン−2−スルホン酸ナトリウム塩(Spolostan(商標)4P)が、リン酸三カルシウムと共に使用されることも可能である。任意選択で、過硫酸カリウムの代わりに、p−スチレンスルホン酸のナトリウム塩が同様の濃度で使用されることができる。その他の無機ナトリウム塩−特許文献9に記載されているような(ピッカリング乳化剤として知られている)陰イオン表面活性剤として使用されるものが、代替で添加されることもできる。
a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマー複合材
を含んでなる発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物に関する。
さらに好ましいのは、発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物、及び該顆粒状物で作製された発泡フォーム製品であって、スチレンモノマーから調製された任意選択で1つまたは複数のビニルコモノマーが組み込まれたビニル芳香族ポリマーと、
a)0.01〜50重量%(固体及び存在する場合には液状の添加剤を含めるが噴射剤を除いたポリマー重量による)の、粉体形態のジオポリマーであって、ISO13320−1に従ってマルバーン(Malvern)のマスターサイザー(Mastersizer)装置を使用した測定で0.01μm〜200μmの平均粒子径、及びISO9277:2010に従ってマイクロメリティックス(Micromeritics)のGemini(登録商標)2360表面積測定装置を使用した測定で0.01〜10000m2/gの範囲のBET表面(BET surface)を備えたもの、
b)0.01〜50重量%(固体及び存在する場合には液状の添加剤を含めるが噴射剤を除いたポリマー重量による)の、ジオポリマーとカーボンブラック若しくは少なくとも2種類のカーボンブラックの混合物との組み合わせ。ジオポリマーとカーボンブラック若しくは少なくとも2つのカーボンブラックの混合物との比率は、典型的には1/100〜100/1の範囲内にある。第1のカーボンブラックと第2、第3若しくは第4のカーボンブラックとの重量比は、典型的には1/100〜100/1の範囲内にあり;同じ比率の、第2と第3、若しくは第3と第4とのカーボンブラックの混合物が可能である。最高10種の異なるカーボンブラックが、1/100〜100/1の範囲内にあるそれぞれの比率で使用されることも考えられる、
並びに、
c)0.01〜50重量%(固体及び存在する場合には液状の添加剤を含めるが噴射剤を除いたポリマー重量による)の、粉体形態のジオポリマー複合材であって、ISO13320−1に従ってマルバーンのマスターサイザー装置を使用した測定で0.01μm〜200μmの平均粒子径、及びISO9277:2010に従ってマイクロメリティックスのGemini(登録商標)2360表面積測定装置を使用した測定で0.01〜10,000m2/gの範囲のBET表面を備えたもの、
のうち少なくともいずれかと、を含んでなるものである。
典型的には、難燃剤は、自己消化性の発泡ビニル芳香族ポリマーを作製するために本発明のすべての態様によって使用される。難燃剤は通常、2種類の化合物、すなわち臭素系の脂肪族、脂環式、芳香族又はポリマー系化合物であって少なくとも50重量%の臭素を含有している化合物と、第2の化合物(いわゆる共力剤化合物)であってビクミル(すなわち2,3−ジメチル−2,3−ジフェニルブタン)及びそのポリマー形態のうち少なくともいずれか、又は2−ヒドロペルオキシ−2−メチルプロパンであり得る化合物との組み合わせである。
本発明に従って使用されるジオポリマー複合材は、好ましくはメタカオリン(耐火粘土を基にしたジオポリマー系結合剤−メタクレイ(metaclay))及びナトリウム又はカリウムの多ケイ酸塩溶液から合成され、好ましくはナトリウム溶液が使用されてよく、かつ/又は、カーボンブラック及び/若しくは石油コークス及び/若しくは黒鉛及び/若しくはシャモット及び他の結晶性耐火粘土が架橋前駆体として、及び/若しくは二酸化チタン、及び/若しくは硫酸バリウム及び/若しくは合成ルチル及び/若しくはイルメナイト及び/若しくはペロブスカイト及び/若しくはヒュームドシリカ及び/若しくはフライアッシュ及び/若しくはハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物も同様に使用されることが可能である。
−レーザ回折、特に規格ISO13320−1に従ってマルバーンのマスターサイザー装置を使用して測定される平均粒子径。該平均粒子径は、0.01〜200μm、好ましくは0.1〜50μm、より好ましくは0.5〜30μm、殊に1〜25μmの範囲内にあるべきである。
<カオリナイト及びメタカオリン>
本発明によって使用されるカオリナイトは、式Al2O3・2SiO2・2H2Oを有するアルミノシリケートオキシドからできている粘土鉱物である。これは、1枚の四面体シートが酸素原子によって1枚のアルミナ八面体の八面体シートに連結されている、多層のケイ酸塩鉱物である。
550〜900℃、好ましくは600〜800℃以上、より好ましくは600〜700℃でのカオリン粘土のか焼により、本発明によって好ましく使用されるメタカオリンが生じる。
25〜50重量%、好ましくは30〜45重量%及びより好ましくは33〜43重量%の範囲の量の酸化アルミニウム、
35〜70重量%、好ましくは50〜65重量%及びより好ましくは55〜60重量%の範囲の量の二酸化ケイ素
からできている。
二酸化チタンは、3つのよく見られる結晶質相の形態、すなわちルチル型、アナターゼ型及びブルカイト型で生じる。ルチルは最も安定な形態である一方、アナターゼ及びブルカイトは、550℃及び570℃より高く加熱すると徐々にルチルへと転換する。二酸化チタンの3つの形態はすべて、その単位セルに6個のチタン原子が配位されている。ルチル及びアナターゼの構造は正方晶系である。二酸化チタンはその優れた加工特性、濡れ易さ及び分散を特徴とする。さらに、二酸化チタンは赤外線を吸収する能力を有し、よってこのように、発泡ビニル芳香族ポリマーの(ISO8301に従って測定される)熱伝導度を低下させるために、本発明のジオポリマー複合材の合成に使用された。
イルメナイトは鉄チタン酸化物鉱物(FeTiO3)であり、弱磁性で、チタンの最も重要な鉱石と考えられている。イルメナイトはほとんどの場合かなり多量のマグネシウム及びマンガンを含有し、完全な化学式は(Fe、Mg、Mn、Ti)O3として表現されることが可能である。イルメナイトは三方晶系に結晶する。結晶構造は、コランダム型構造の秩序型の派生形で構成されている。
ルチルは主として二酸化チタン(TiO2)からなる鉱物である。天然のルチルは、最大で10%の鉄並びにかなりの量のニオブ及びタンタルを含有しうる。ルチルは正方晶系に結晶する。
A及びBは陽イオンでありかつXは陰イオンである、一般式ABX3の鉱物であって、ペロブスカイト結晶構造を有する鉱物が存在することが好ましい(以降は「ペロブスカイト構造を有する鉱物」、又は「ペロブスカイト」)。この種の添加剤は、より高い粘性を備えたチャーを作り出すことにより火炎形成を低減し、よって滴下及び有炎燃焼を低減する。
一般式ABX3を備えた結晶構造であって、A及びBは異なる大きさの2つの陽イオンでありXは両方に結合する陰イオンであり、A原子はB原子よりも大きく、かつそのイオン半径は陰イオンXのイオン半径に近く、よってこれらはともに空間群Pm3mを伴って立方(斜方晶系)最密充填を形成することが可能であるもの。該構造において、Bの陽イオンは酸素陰イオンを6配位し、Aの陽イオンは12配位する。
好ましくは、Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Ce、Fe、及びこれらの混合物で構成されている群から選択される。さらに、A原子は、有機・無機ハイブリッド原子団、例えば(CH3NH3)+によっても表わされることが可能である。
−上記に説明されるようにASTM C1069及びISO9277に従った測定で0.01〜100m2/gの範囲のBET表面サイズ。活性なBET表面積は、好ましくは0.05〜50m2/gの範囲、より好ましくは0.1〜15m2/gの範囲にある。
水ガラスは、化学式M2O:2SiO2*nH2O(nは2〜6から成っている)に相当するある一定のモル比のM2O:SiO2(MはNa若しくはK、又はNaとKとの混合物を表わす)を備えた、水溶性のアルカリ金属ケイ酸塩である。本発明では、Mは1つの実施形態ではNaであることが好ましい。
1以上のCa/Si原子数比を備えたケイ酸カルシウム、例えばウォラストナイトCa(SiO3)、ゲイラナイト(2CaO・Al2O3・SiO2)、オケルマナイト(2CaO・MgO・2SiO2)が好ましい。これらの物質の粒子がアルカリ性溶液(NaOH又はKOH)に曝露されると、CaOの非常に迅速な脱着が生じ、その結果Ca/Si原子数比は1未満となって0.5に近くなる。ジオポリマー反応に寄与する可溶性のカルシウムジシリケートCa(H3SiO4)2はin situで生産される。産業副産物及び高温残留物は塩基性シリケートのゲイラナイト、オケルマナイト及びウォラストナイトを本質的に含有しており、よって非常に適している。これらは高炉スラグ中に見出される。
<最も好ましい不伝熱性添加剤又は成分としてのカーボンブラック>
本発明に従ったジオポリマー複合材の調製において最も好ましく使用されるカーボンブラックは、ASTM6556規格に従った測定で、5〜1000m2/gの範囲のBET表面を有する。このBET表面積範囲内にある次のカーボンブラックについて、特徴を示すことができる:
−ファーネスブラック、これは最も重要なカーボンブラックであり、炭化水素を部分燃焼させて直ちに水でクエンチしたものである。一次粒子はいくつかのグラフェン様の層で構成されており、これらは結合して卵形又は球状の粒子を形成する。加工条件は粒子径に影響を及ぼす。一次粒子は結合し、種々の大きさ及び構造の凝集物を形成する。
−カーボンブラックのBET表面は、ISO9477規格に従った測定で、5〜200m2/g、好ましくは10〜150m2/g、特に15〜100m2/gであること、
−カーボンブラックの硫黄含量は、規格ASTM D1619に従った測定で、50〜20,000ppmの範囲内、好ましくは3,000〜10,000ppmであること、
−カーボンブラックのヨウ素価は、規格ISO1304に従った測定で、10〜100mg/g、特に20〜80mg/g、殊に25〜50mg/gであること、
−カーボンブラックのオイル吸収量(oil number)(OAN)は、ISO4656に従った測定で、50〜150cc/100g、殊に60〜110cc/100gであること、
−カーボンブラックの含水量は0.2〜1.5%であること、
−カーボンブラックの着色力は、ISO5435に従った測定で、5〜100%、好ましくは10〜最大50%であること。
純度、コーカーにおける条件及びその後のか焼に応じて、様々な異なる種類のコークスが生産され得る。典型的なコークス製品は、針状コークス、レギュラーコークス、及びスポンジコークスである。針状コークスは高度に構造化したグラフェン層で構成されている。レギュラーコークスは不規則に配向したグラフェン層で構成されている。スポンジコークスは高度に多孔質の構造を備えたコークスである。本発明によれば、ジオポリマー複合材の調製に、硫黄分をASTM D1619に従った測定で1〜100000ppm、好ましくは50〜20000ppmの範囲で、かつ灰分を0.1〜1%有しているコークスを使用することが好ましい。加えて、好ましくは、コークス粒の平均径サイズは、0.01〜100μmの範囲内、より好ましくは0.1〜30μmの範囲内、適切には0.5〜25μmであるべきである。
−ヨウ素価が、規格ISO1304に従った測定で、10〜60mg/g、特に20〜50mg/g、殊に25〜40mg/g。
−着色力が、規格ISO5435に従った測定で、1〜100%、好ましくは5〜最大50%。
本発明によって好ましく使用されるシャモットは、以下から成っていることが好ましい:
25〜50重量%、好ましくは30〜45重量%かつより好ましくは33〜43重量%の範囲の量の、酸化アルミニウム。
0.1〜4.5重量%、好ましくは0.5〜4.0重量%かつより好ましくは1〜3重量%の範囲の量の、酸化鉄(III)。
本発明によって使用されるようなシャモットの吸水率は、最大10重量%、好ましくは7重量%未満、かつより好ましくは5重量%未満であることが好ましい。
<ヒュームドシリカ>
本発明において、サーマルシリカヒューム(thermal silica fume)という用語は、シリカを含む材料の、一般に約2000℃での超高温電気融合から生じるSiO蒸気の凝縮により得られた非晶質タイプのシリカを専ら称しており;前記アルカリシリケートは、好ましくは前記サーマルシリカをNaOH及びKOHのうち少なくともいずれか一方の濃溶液中に溶解することにより得られる。
<ハンタイト及びハイドロマグネサイト>
ハンタイト(式Mg3Ca(CO3)4を有する炭酸カルシウムマグネシウム)及びハイドロマグネサイト(式Mg5(CO3)4(OH)2・4H2Oを有する炭酸マグネシウム水和物)又はこれらのある一定比率での組み合わせは、チャーを形成促進する難燃剤として本発明によって使用される。本発明によるハンタイト及びハイドロマグネサイトは以下の固有の特性:
0.24〜0.36kg/m3の嵩密度。
35重量%超、好ましくは45重量%超、及びより好ましくは50重量%超の、1000℃でのチャー残渣。
9〜12の範囲のpH。
鉱物についてのモースの尺度に従って2〜3の範囲の硬度。
を有することが好ましい。
発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物は、好ましくは、1種類または複数種類のジオポリマー複合材(カーボンブラック、石油コークス、黒鉛化カーボンブラック、酸化黒鉛、黒鉛及びグラフェン、酸化チタン、硫酸バリウム、イルメナイト、ルチル、シャモット、フライアッシュ、ヒュームドシリカ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物、ペロブスカイト鉱物の群から選択された、カプセル封入されているか又は物理的若しくは化学的に修飾された不伝熱性添加剤を含有している)を含んでなる。
i)第1のステップは好ましくは、産業界で第1の発泡ステップと認識される予備的発泡であって、例えばおよそ11又は12kg/m3のさらに低い密度を得るための第2の発泡ステップの前の、およそ17kg/m3の必要な密度を得るための発泡である。当然ながら、第1の発泡ステップは、ブロックモールド成形プロセスに即時使用可能な発泡ビーズを得るためだけに使用されることが可能である。0.02〜0.22kPaの範囲の蒸気圧が使用される。蒸気処理時間は30〜100秒であってもよい。
a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマー複合材
を含んでなる発泡ビニルポリマーフォームに関する。
第7の態様(VII)の第1の実施形態では、本発明は、ビニルポリマーと、a.ジオポリマーとを含んでなるマスターバッチであって、ジオポリマーの量はマスターバッチの重量に基づいて10〜70重量%の範囲にあるマスターバッチに関する。好ましいのは、その量がマスターバッチの重量に基づいて10〜65重量%の範囲にあり、より好ましくはその量が20〜60重量%の範囲にあり、最も好ましくはその量が25〜55重量%の範囲にある、マスターバッチである。
a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマー複合材
に加えて、上記に説明されるように、さらなる添加剤を含有しうる。
さらに、説明において任意の添加剤の「ポリマーの重量比での」量に言及される場合は常に、これは(固体及び存在する場合は液体の)添加剤を含むがただし噴射剤を除外したポリマー成分の重量比での、添加剤の量を指す。
本実施例は、16重量%のジオポリマー複合材が添加された、押出し加工に基づくポリマー顆粒状物から得られたフォーム、及びその調製についての、並びにそれぞれ10及び5重量%のジオポリマー複合材が添加された、懸濁に基づく複合材フォームについての、本発明の利点を示す。
成分:572kgの、メタカオリナイト及びケイ酸カルシウムを最適な重量比率で含んでなる混合物(チェスケー・ルプコヴェー・ザーヴォディ有限会社(Ceske lupkove zavody, a.s.)の製品BaucisL160)並びに457kgのナトリウム水ガラスが、容積2m3の遊星形ミキサに投入されて15分間にわたって混合され、チキソ性のパルプ状物が得られた。その後、不伝熱性添加剤、すなわち石油コークス(5μmの平均直径の粒子サイズ、28.7m2/gのBET表面積、及び10,100ppmの硫黄含量を有する、リヒャルト・アントン・カーゲー(Richard Anton KG)のRanco9895)が250kgの量で添加され、163Lの水が続いて該パルプ状物に添加され、その後15分間混合された。その後、粘性の高い均質なパルプ状物がミキサからポリプロピレン製の密閉型モールドへと(do the hermetic moulds)送り出された(各部はそれぞれ100kgであった)。該モールドは次いでホール(重縮合密閉室)へと移送されてラック上に置かれた。24時間後、即時使用可能ブロック(それぞれおよそ100kg)がモールドから取り出されて再びラック上に置かれ、約70℃の温度の温風が重縮合ホールの一階から天井までポンプ移送された。この条件下で、ジオポリマー複合材は24時間かけて乾燥し、かつ25重量%の過剰な水分が材料から蒸発した。乾燥したジオポリマー複合材ブロックはその後クラッシングミルに入れられ、該材料のバラスト形態が得られた。10mmの平均径を備えたバラストは回転式円筒乾燥機の中で140℃の温度で30分間乾燥された。次のステップでは、バラストは粉砕されて、平均径の大きさが6μmであってD90=10μm、D99=15μm、D100=20μmの微粒子(粉体)が得られた。
2.押出しプロセスによる発泡性ビニル芳香族ポリマーの調製
1.5重量%のポリマー型臭素化難燃剤(Emerald3000)を含有している顆粒の形態のビニル芳香族ポリマーと、0.3重量%のビクミルとの混合物は、32D/40mm共回転二軸の主押出機のメインホッパに投入された。主押出機における溶融温度は180℃であった。
−規格ISO8301による熱伝導度。
−試験方法:EN ISO11925−2及びDIN4102 B1,B2による燃焼性。
−発泡性ポリマー粒子の合計含水量は、ASTM E203による標準的なカール・フィッシャー滴定法によって決定された。
フレーム型撹拌機を装備した50L、2MPa(20バール)の反応容器に、20kgのスチレンモノマーが投入された。ジオポリマー複合材(実施例1に従って生産されているが1重量%のビニルトリエトキシシランを用いてシラン化されたもの)は、各々4kgに等分されて部分ごとに反応器に導入された。組成物は混合されて均質のペーストが得られ、0.5重量%の過酸化ベンゾイル及び同じ0.5重量%の濃度の過酸化ジクミルが添加された。反応器は閉止され、0.1MPa(1バール)の窒素圧力が設定された。激しく混合された集合物は100℃に加熱され、その温度に40分間維持された。その後、メルトポンプにより溶融物が、溶融物中に10重量%の濃度のジオポリマー複合材を提供する速さで54D/25mm共回転二軸押出機へと転送された。マスターバッチの全質量あたり30重量%の量のジオポリマー複合材粉体(2重量%のビニルトリエトキシシランでシラン化されたもの)がサイドフィーダによって押出機に導入された後、押出機由来の溶融物が注入された。高分子量のビニル芳香族ポリマー(Mnは80kg/モル)は、押出機の第1ゾーンのメインホッパに投入された。このように、ジオポリマー複合材を含んだコポリマー(スチレンとともに共重合され、ポリスチレンでグラフトされたもの)は、ポリマーマトリクス中に40重量%のジオポリマー複合材を含有しているマスターバッチ顆粒の形態で得られた。高い剪断力及び押出機のすべてのゾーンについて設定された190℃の加工温度は良好な反応能力を提供した。3mmの平均顆粒サイズを備えたマスターバッチが、水中造粒法によって生産された。
−過硫酸カリウム−0.0001重量%
−Poval(登録商標)205−0.18重量%の5%濃縮水溶液
−Poval(登録商標)217(別例としてPoval(登録商標)224)−0.09重量%の5%濃縮水溶液
−DCloud45−0.1重量%
−Arbocel(登録商標)CE 2910HE50LV−0.1重量%(J.レッテンマイヤー・アンド・ゾーネ・ゲーエムベーハー(J.RETTENMAIER and SOEHNE GMBH)によって供給されたヒドロキシプロピルメチルセルロース)
が導入された。
本実施例は、実施例1に類似しているがフォーム中のジオポリマー複合材の量はより少なく、かつ複合材中の炭素系不伝熱性添加剤の含有量はより多い。
本実施例は、ジオポリマー複合材の粘着性及びフォームの機械的性質に対するシラン化の影響について示す。この実施例は実施例1に類似している。
本実施例では、異なる不伝熱性添加剤が使用された。本実施例は、同一又は非常に類似したフォーム特性を独立に得ることが可能であることを示している。
本実施例は、構造及びフォーム複合材の特性に対する純粋ジオポリマーの添加の影響を比較し、かつ特性はジオポリマー複合材が使用された実施例に非常に類似していることを示す。
本実施例は、炭素系不伝熱性添加剤(存在しなければ発泡性ビニル芳香族ポリマーから作製された発泡フォームの自己消火性を低下させるであろう)がジオポリマーマトリックスの中に良好にカプセル封入される場合には完全に不活性であり、よって難燃剤の濃度の低減が本発明に従って可能であることが好都合であることを示す。
実施例7
本実施例は、熱安定剤及び熱酸化安定化剤が混合物に組み込まれる場合は一層少ない量の難燃剤が添加されればよいことを示すことに、さらに重点がおかれている。
本実施例では、複雑なジオポリマー複合材が調製されて発泡フォームの調製に使用された。本実施例は特に、フォームの熱伝導度低下に対する、イルメナイト、ルチル及びカーボンブラックの混合物に基づいたジオポリマー複合材の影響を示すために実施された。
本実施例では、ペロブスカイト、チタン酸バリウム(BaTiO3)を備え、ハイドロマグネサイト/ハンタイト(製品名UltraCarb1250)及びシャモットを少量含んだ、ジオポリマー複合材が調製された。その後は極めて少量の難燃剤も使用された(0.7重量%)。
本実施例では、実施例1のポイント3において詳述された懸濁プロセスが発泡フォームを調製するために使用され;10重量%のジオポリマー複合材が組み込まれた。懸濁液用の有機安定化システムが使用された。
本実施例では、懸濁液は、ジオポリマー複合材の濃度が5重量%に低減され、無機の安定化系は過硫酸カリウム及びリン酸三カルシウムベースにされたことを除き、実施例10に従って調製された。
Claims (19)
- ジオポリマー複合材の生産のためのプロセスであって、前記プロセスは、
a)アルミノシリケート成分をアルカリシリケート溶液と混合し、ゲルを形成するステップ、
b)ゲルに不伝熱性添加剤成分を添加し、充填ゲルを形成するステップ、
c)充填ゲルを混合して、充填ジオポリマーを形成するステップ、
d)硬化、乾燥及び粉砕を行って、充填ジオポリマー粒子を得るステップ、
e)充填ジオポリマー粒子から陽イオンを任意選択で除去するステップ、並びに、
f)ジオポリマー複合材を得るステップ
を含んでなるプロセス。 - アルミノシリケート成分は、メタカオリン、メタカオロナイト(metakaolonite)、メタフライアッシュ、炉スラグ、シリカヒューム、鉱山尾鉱、ポゾラン、カオリン、及び建設系残渣で構成されている群から選択された1つまたは複数の材料を含んでなり、
好ましくは、アルミノシリケート成分は、メタカオリン又はメタカオリナイト、メタフライアッシュ、シリカヒュームで構成されている群から選択された1つまたは複数の材料を含んでなり、
特に、アルミノシリケート成分は、メタカオリン若しくはメタカオリナイト、又はこれらの混合物である、
請求項1に記載のプロセス。 - 不伝熱性添加剤成分は、
a.カーボンブラック、石油コークス、黒鉛化カーボンブラック、酸化黒鉛、黒鉛及びグラフェン、並びに
b.酸化チタン、硫酸バリウム、イルメナイト、ルチル、シャモット、フライアッシュ、ヒュームドシリカ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物、及びペロブスカイト構造を有する鉱物、
で構成されている群から選択された1つまたは複数の不伝熱性添加剤を含んでなり、
好ましくは、不伝熱性添加剤成分は、熱吸収体及び熱反射体の群から選択された1つまたは複数の炭素系不伝熱性添加剤を含んでなり、
特に、不伝熱性添加剤成分は、カーボンブラック、黒鉛、又はこれらの混合物である、
請求項1又は請求項2に記載のプロセス。 - アルカリシリケートは、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムのうち一方又は両方を含んでなり、
好ましくは、アルカリシリケートはケイ酸カリウムである、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロセス。 - ステップa)におけるアルカリシリケート溶液との混合の前に、アルミノシリケート成分にシランが添加され、
シランは、アミノプロピルトリエトキシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、及びこれらの混合物から選択される、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のプロセス。 - 任意選択のステップe)の後に、及び好ましくはステップf)の後にジオポリマー複合材にシランが添加され、
好ましくは、シランはアミノプロピルトリエトキシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、及びこれらの混合物から選択される、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のプロセス。 - シランの濃度は、ジオポリマー複合材の重量に基づいて、0.01〜10重量%の範囲内、より好ましくは0.05〜5重量%の範囲内、最も好ましくは0.1〜3重量%である、請求項5又は6に記載のプロセス。
- ステップe)を含み、
好ましくは、ステップe)は、酸性溶液を用いた陽イオンの除去、及びその後の乾燥を含んでなり、
特に、ステップe)は、酸性溶液を用いた陽イオンの除去、水を用いた洗浄、及びその後の乾燥を含んでなる、
請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロセス。 - ジオポリマーに由来し、かつ不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材であって、
不伝熱性添加剤は、
a.カーボンブラック、石油コークス、黒鉛化カーボンブラック、酸化黒鉛、黒鉛及びグラフェン、並びに
b.酸化チタン、ルチル、シャモット、フライアッシュ、ヒュームドシリカ、ハイドロマグネサイト/ハンタイト鉱物、及びペロブスカイト構造を有する鉱物、
のうちの1つまたは複数を含んでなり、
好ましくは、不伝熱性添加剤は、熱吸収体及び熱反射体から選択された1つまたは複数の炭素系不伝熱性添加剤を含んでなり、
特に、不伝熱性添加剤は、カーボンブラック、黒鉛、又はこれらの混合物である、
ジオポリマー複合材。 - a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマーに由来し、かつ不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材の、
ビニルポリマーを含んでなるフォームの熱伝導度を低下させるための(低下はISO8301によって測定される)使用であって、
好ましくは、ビニルポリマーはビニル芳香族ポリマーである、使用。 - 押出しプロセス又は懸濁プロセスによる発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の生産のためのプロセスであって、前記プロセスは、
a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマーに由来し、かつ不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材
の添加を含んでなるプロセス。 - 発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物であって、ビニル芳香族ポリマー、1つまたは複数の噴射剤、及び
a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマーに由来し、かつ不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材
を含んでなる発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物。 - 請求項11に記載のプロセスに従って得られるような、請求項12に記載のビニル芳香族ポリマー顆粒状物。
- 発泡ビニルポリマーフォームであって、ビニルポリマー、及び
a.ジオポリマー;
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせ;又は
c.ジオポリマーに由来し、かつ不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材
を含んでなり、
該フォームは、
8〜30kg/m3の密度、及び
25〜35mW/K・mの熱伝導度(ISO8301に従った測定による)
を有している、発泡ビニルポリマーフォーム。 - フォームはビニル芳香族ポリマーを含んでなり、
好ましくは、フォームは、請求項12又は請求項13に記載の顆粒状物の発泡によって得ることができる、
請求項14に記載の発泡ビニルポリマーフォーム。 - マスターバッチであって、ビニルポリマー、並びに、
a.ジオポリマーであって、ジオポリマーの量はマスターバッチの重量に基づいて10〜70重量%の範囲にある、ジオポリマー;
又は
b.ジオポリマーと不伝熱性添加剤との組み合わせであって、ジオポリマー及び不伝熱性添加剤の合計量はマスターバッチの重量に基づいて10〜70重量%の範囲にある、組み合わせ;
又は
c.ジオポリマーに由来しかつ不伝熱性添加剤を含んでなるジオポリマー複合材であって、ジオポリマー複合材の量はマスターバッチの重量に基づいて10〜70重量%の範囲にある、ジオポリマー複合材
を含んでなる、マスターバッチ。 - a.、b.、又はc.ごとの量は、マスターバッチの重量に基づいて10〜65重量%の範囲にあり、
好ましくは、その量は20〜60重量%の範囲にあり、
より好ましくは、その量は25〜55重量%の範囲にある、
請求項16に記載のマスターバッチ。 - ビニルポリマーはビニル芳香族ポリマーであり、
好ましくは、ビニル芳香族ポリマーはISO1133に従った測定で4〜30g/10分の範囲のメルトインデックスを有し、
より好ましくは、ビニル芳香族ポリマーはホモポリマーであるか又はp−tert−ブチルスチレン若しくはα−メチルスチレンとのコポリマーである、
請求項16又は請求項17に記載のマスターバッチ。 - 1つまたは複数のシラン(好ましくはアミノプロピルトリエトキシシラン、アミノプロピルトリメトキシシラン、及びフェニルトリエトキシシランから選択される)をさらに含んでなり、
好ましくは、シランの量は、マスターバッチ中のa.、b.又はc.のそれぞれの重量に基づいて0.01〜1重量%の範囲にある、
請求項16〜18のいずれか1項に記載のマスターバッチ。
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