JP4324250B2 - グラファイト粒子を含有する発泡可能のスチレン重合体 - Google Patents
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Description
膨張したポリスチレン発泡体は、古くから公知であり、又多くの分野で使用されている。このような発泡体は、発泡剤で含浸されたポリスチレン粒子を発泡させ、このようにして形成される発泡粒子を相互に溶融接着して型成形体をもたらすことにより得られる。ことに重要な用途は、建築物及び構築物における熱絶縁である。
発泡体の多くの用途、ことに建築物、構築物において、発泡体が自己消火性であることが要求される。これが難燃化剤、例えば臭素化合物の添加により達成され得ることは知られているが、発泡体が特定の燃焼テストをパスするか否かは、種々のファクタ、例えば発泡体の組成及び密度、難燃化剤のタイプ及び量、更には他の添加剤の種類及び量に応じて異なる。
膨張せしめられたポリスチレンから形成される熱絶縁用の発泡板体は、少なくとも30g/lの密度を有する。膨張せしめられたポリスチレン発泡体の熱伝導性は、この密度において最少限度だからである。材料節約のためには、熱絶縁のため、更に低密度、例えば≦15g/lの低密度の発泡板体を使用するのが好ましい。このような発泡体の製造には、ことに技術上の制約は存在しない。しかしながら、このような低密度の発泡板体の熱絶縁性能は急激に低下し、従って熱伝導性クラス035(DIN18164、第1部)の要件を最早充足しない。
発泡体の熱伝導性が、カーボンブラック、金属酸化物、金属粉ないしピグメントのような不透熱性材料の添加により低減され得ることは知られている。
そこで、EP−A372343号公報には、1から25重量%のカーボンブラックを含有するポリスチレン発泡体が記載されている。このカーボンブラックは、10から100nmの粒度、10から1500m2/gの表面積を有する。これに記載されているポリスチレン発泡体は、大部分が押出法により製造されたものであって、この種発泡体の典型として、32−40g/lの密度を有するものが好ましい。難燃化剤の添加に言及されてはいるが、1.7重量%のヘキサブロモシクロデカンを添加する各実施例の膨張ポリスチレン発泡体は、DIN4102による燃焼テストB2は通過しない。
又WO94/13721号公報には、カーボンブラック粒度が150nm未満の同様の発泡体が記載されている。
EP−A620246号公報には、同様に、粒子状不透熱性材料、ことにカーボンブラック、更にはグラファイトを含有する膨張ポリスチレン発泡体が記載されている。この型成形体の密度は20g/l未満である。材料粒子は、予備発泡ポリスチレンビーズの表面コーティングにより、あるいは未だ発泡されていないポリスチレン粒子内への埋没により、型形成体中に一体化されるのが好ましい。しかしながら、この粒子の表面上の分布により、予備発泡ビーズの相互融着に対する重大な障害、従って発泡体の低品質をもたらすおそれがある。更に粒子は型成型品表面からこすり落とされる可能性がある。いずれの場合にも、ポリスチレン粒子中の均斉な分布はもたらされない。この文献には、難燃化剤の添加につき全く記載されていない。
同様の方法は、GB−A1588314号公報にも記載されており、これによれば、グラファイト懸濁液で、非発泡もしくは予備発泡粒子をコーティングすることにより非帯電性ポリスチレン発泡体が形成される。
そこで、本発明の目的とするところは、低い密度と低い熱伝導性とを併せ備え、又良好な加工処理特性及び良好な物理特性、ことに極めて良好な難燃性を有する、膨張ポリスチレン発泡体を形成し得る、グラファイト粒子含有、膨張性スチレン重合体を提供することである。
しかるに、この目的は、均斉に分布されたグラファイト粒子を含有し、かつ加工処理により35g/l未満の密度を有し、ことに自己消火性を示し、燃焼テストB2(DIN4102による)をパスする発泡体をもたらし得る、膨張性、粉末状スチレン重合体により達成されることが、本発明者らにより見出された。
本発明は又、この膨張性スチレン重合体を製造する方法、及びこれから形成される膨張ポリスチレン発泡体を提供する。本発明に関連して、膨張性スチレン重合体は発泡剤を含有する。
本発明の膨張性スチレン重合体中の重合体マトリックスは、ことに、スチレン単独重合体、又は重合体重量に対して、20重量%までのエチレン性不飽和コモノマー、ことにアルキルスチレン、ジビニルベンゼン、アクリロニトリル、α−メチルスチレンを含有するスチレン共重合体である。ポリスチレンと他の重合体、ことにポリフェニレンエーテルとのブレンドも使用可能である。
このスチレン重合体は、慣用で周知の助剤、添加剤、例えば難燃化剤、核形成剤、UV安定剤、連鎖転移剤、発泡剤、可塑剤、ピグメント、酸化防止剤などを含有し得る。
膨張性粒子は、周知慣用のコーティング材料、例えば金属ステアラート、グリセロールエステル、微粉砕珪酸塩でコーティングされる。粒子寸法は、0.2−2mmであるのが好ましい。
使用されるグラファイトは、1から50μm、ことに2.5から12μmの平均粒径、100から500g/lの嵩密度、5から20m2/gの比表面積を有するのが好ましい。天然グラファイト又は磨砕合成グラファイトのいずれも使用可能である。グラファイト粒子は、スチレン重合体中に、0.05から25重量%、ことに2から8重量%の割合で存在するのが好ましい。ただし、グラファイト粒子が、0.5重量%未満の微量で存在する場合においても有効である意外な事実が見出された。
グラファイト粒子の使用に関連して生ずる問題は、グラファイト粒子含有膨張ポリスチレン発泡体の易発炎燃焼性の問題である。グラファイト含有ポリスチレン発泡体は、建築物、構築物のために必要な燃焼テスト(DIN4102によるテストB1,B2)にこれまでパスすることができなかった。
この欠点を克服するため、本発明の好ましい実施態様においては、膨張性スチレン重合体に、難燃化剤、ことに有機臭素化合物を基礎とする難燃化剤が添加される。この臭素化合物(相乗剤なし)は、膨張性スチレン重合体重量に対して、3重量%より多い量で添加される。上記テストB1,B2には、難燃化剤慣用量の添加ではパスしない。有機臭素化合物は、70重量%以上の臭素分を含有するべきである。
このような難燃化剤の添加量は、全く意外にも、グラファイト含有膨張性ポリスチレン発泡体の機械特性を全く阻害しないことが判明した。
ことに適当な難燃化剤は、脂肪族、脂環式及び芳香族の臭素化合物、例えばヘキサブロモシクロデカン、ペンタブロモクロロシクロヘキサン、ペンタブロモフェニルアリルエーテルである。
フッ素含有難燃化剤の効果は、C−C−又はO−O−不安定有機化合物の添加によりかなり改善される。適当な難燃化相乗剤の例としては、ジクミル及びジクミル過酸化物が挙げられる。これらの適当な組み合わせは、0.6から5重量%の有機臭素化合物、0.1から1.0重量%のC−C−もしくはO−O−不安定有機化合物である。
本発明による膨張性スチレン重合体は種々の方法により製造され得る。
好ましい実施態様において、グラファイト粒子は、スチレン重合体の溶融体と、ことに押出機中で混合される。これと同様に発泡剤が溶融体中に計量、給送される。グラファイト粒子は、又発泡剤を含有する溶融スチレン重合体と混合されることもできる。この場合、懸濁重合で形成される発泡剤含有ポリスチレンビーズの過大寸法及び過小寸法部分を使用するのが有利である。発泡剤及びグラファイト粒子含有ポリスチレン溶融体は押出機から押し出され、発泡剤含有顆粒を形成する。グラファイトは強力な核形成能力を有するので、押出後、発泡を回避するため、加圧下に迅速に冷却されるべきである。この理由から、顆粒形成は圧力下に水中で行われるのが好ましい。
又、発泡剤はグラファイト粒子含有スチレン重合体に別個の工程で添加されることもできる。この場合、グラファイト粒子は、次いでことに水性懸濁液状の発泡剤で含浸される。
以上の三実施態様すべてにおいて、微粉砕グラファイト粒子は、ポリスチレン溶融体に直接、添加され得るが、これは又ポリスチレンに濃縮液の形態で添加されることもできる。しかしながら、ポリスチレン顆粒と、グラファイト粒子を共に押出機中に導入し、ポリスチレンを溶融させると共にグラファイトを混合させるのが好ましい。
又グラファイト粒子は、又懸濁重合の間に合併されることも原則的に可能である。この場合、グラファイト粒子は、単量体スチレンを懸濁させる前にこれに添加され、あるいは重合の過程において、ことに重合サイクルの前半において重合反応混合物に添加される。発泡剤は重合の間に添加されるのが好ましいが、後にスチレンポリマーに合併されることもできる。この場合、ポリスチレン(場合によりスチレン共重合体)のスチレン溶液が、懸濁液安定性の観点から、懸濁重合開始時において存在するのが好ましいことが見出された。好ましいのは、0.5−30重量%濃度、ことに5−20重量%濃度の、スチレン中ポリスチレン溶液から出発することである。これは、スチレン単量体に新たなポリスチレンを溶解させることによりもたらされるが、膨張性ポリスチレンの製造に際して得られる各種各様の粒径ビーズの分別により除外された過大、過小粒径のビーズを利用するのが有利である。実際上、さもなければ使用され得ない過大ないし過小粒径ビーズの粒度は2.0mm以上又は0.2mm以下である。再循環使用ポリスチレン、再循環使用ポリスチレン発泡体も使用され得る。更に他の製造方法として、0.5から70%の転化率でスチレンを塊状予備重合させ、このプレポリマーをグラファイト粒子と共に懸濁させ、重合を完結させることもできる。
発泡剤は、重合体重量に対して約3−10重量%の慣用量で使用される。発泡剤としては、通常、3から10、ことに4から6の炭素原子を有する脂肪族炭化水素が使用される。
本発明によるグラファイト含有、膨張性スチレンポリマーは、一般的に5−35g/l、好ましくは8−25、ことに10−15g/lの密度を有するポリスチレン発泡体をもたらすように加工処理される。この目的から、膨張性粒子は予備発泡される。この処理は、通常予備発泡装置において、粒子を水蒸気により加熱することにより行われる。
このようにして予備発泡された粒子は、次いで相互融着され、成形体をもたらす。この目的のために、予備発泡ビーズは、気密に密閉されない型内に導入され、水蒸気による加熱で成形された発泡体は、冷却後、開放された型から取り出される。
グラファイト粒子の添加によるさらに他の予想外の効果は、相互融着発泡成形体が、型から取り出され得るまでの冷却時間の短縮である。例えば0.5から5重量%のグラファイトの添加は、冷却時間を10から90%短縮する。
本発明により膨張性スチレンポリマーから得られる発泡体は、優れた熱絶縁性能を有する。この効果は、ことに低密度において著しい。すなわち、膨張性スチレンポリマーに2重量%のグラファイトを添加することにより、10g/lの発泡体密度における熱伝導性を、44mW/m・Kから35mW/m・K未満に低減させ得る。
本発明は、更に35g/l未満の密度を示し、0.05から25重量%の均斉に分布されたグラファイト粒子を含有し、その熱伝導性がクラス035(DIN18164の第1部表4による)の要件を完全に充足するまで低減され、好ましい自己消火性を示し、燃焼テストB2(DIN4102による)をパスし得るポリスチレン発泡体をもたらす。
同じ熱伝導性におけるスチレンポリマーの密度を著しく低減し得る能力は、前述した材料の節減を可能ならしめる。従来慣用の膨張性スチレンポリマーに比べて、著しく低い密度で同じ熱絶縁性能が達成されるので、本発明により製造され得る膨張性ポリスチレン粒子は、容積の節減を可能ならしめる更に薄い発泡板体を使用することができるからである。
本発明による膨張性スチレンポリマーは、予想に反して、全く問題なく加工処理され、低密度発泡体を形成することができる。すなわち、この分野の技術者としては、添加されるグラファイトが核形成剤として作用し、発泡体内に好ましくない微小気胞をもたらし、相互融着が不充分となることを予想した筈であるに拘わらず、実際上は、発泡剤のロスをもたらすこともなく、又発泡体の気胞構造に分裂、崩壊を生ずることもない。更に、グラファイト粒子を添加するにも拘わらず、燃焼テストB2を、更には多くの場合燃焼テストB1をパスし得る充分な自己消火性発泡体がもたらされ得たのである。
グラファイト粒子は重合体マトリックス中に合体されるため、グラファイト粒子の摩擦剥離をもたらさず、従ってこれにより処理する場合、汚損も生じない。
本発明による発泡体は、建築物及び建築物部分の断熱、各種機械及び家庭用設備の断熱のために、又包装材料として使用され得る。
以下の実験例により、従来技術と対比して、本発明を更に具体的にただし、例示的に説明する。
実験例1(実施例)
耐圧性撹拌容器中において、0.498kgの過大/過小粒径EPSを16.6kgのスチレンに溶解させる。16.6gの粉末グラファイト(グラファイトウエルク、クロプフミューレ社、UF2 96/97)、すなわちスチレン及びEPSの合計量に対して0.1%のグラファイトを上記溶液に均斉に懸濁させ、83.0gの過酸化ジクミル、4.15gの過酸化ジベンゾイル及び112.033gのヘキサブロモシクロドデカン(HBCD)をこれに添加する。この有機相を、50l容積の撹拌容器中の脱イオン水19.3l中に導入する。水性相は46.127gのピロ燐酸ナトリウムと、86.348gの硫酸マグネシウム(エプソム塩)を含有する。懸濁液を140分間にわたって80℃に加熱する。次いで、2.32gの乳化剤K30/40(バイエル社)を添加し、更に40分後、1330gのペンタンを計量、給送し、126℃で重合を完了する。
水性相を分離除去して、1.18mmの平均粒径を有する均斉灰色ビーズが得られる。水蒸気によりこのビーズを2回予備発泡させ、10.0g/lのビーズ密度をもたらす。その含水分は、1.5%未満であり、残余スチレン分は1000ppm未満である。水蒸気により予備発泡ビーズを相互融着させで発泡体ブロックをもたらす。10g/lの密度における熱伝導性(ペンスゲン法)は42mW/m・Kである。
実験例2(対比例)
グラファイトを添加せずに、実験例1と同様の処理を反覆し、得られるブロックの熱伝導性は、10g/l密度において44mW/m・Kを示す。
実験例3(実施例)
耐圧性撹拌容器中において、150部の脱イオン水、0.1部のピロ燐酸ナトリウム、100部のスチレン、0.45部の過酸化ベンゾイル、0.15部の過安息香酸−t−ブチル、5部のクロプフミューレ社のグラファイト粉末UFZ99.5、2部のヘキサブロモシクロデカン(HBCD)及び0.4部の過酸化ジクミルを、撹拌しながら、90℃で加熱した。
90℃において2時間後、ポリビニルピロリドンの10%濃度水溶液4部を添加した。次いで、この混合物を90℃でさらに2時間加熱し、80%のn−ペンタンと20%のイソペンタンから成る混合物7部を添加し、この混合物を110℃で2時間、最後に140℃で2時間加熱した。
得られた膨張性ポリスチレンビーズを脱イオン水で洗浄し、0.7−1.0mm径ビーズを選別し、加熱空気で乾燥した。
流動水蒸気でビーズを予備発泡させ、1日間貯蔵保管してから、非密閉、閉鎖型内において、更に水蒸気で処理して相互に融合接着させ、15g/lの密度を有する発泡ブロック形成体を得た。
熱伝導性の測定は、DIN52612により10℃で行った。その結果、34mW/m・Kの数値が得られた。
実験例4(実施例)
2.55kgのポリスチレン(BASF社のPS158K)を17.03kgのスチレンに溶解させ、196gの粉末グラファイト(グラフィトウェルケ、クロプフミューレ社、UF2 96/97)、すなわちスチレン及びポリスチレン総量に対して6%のグラファイトを上記溶液に分散させ、59.6gの過酸化ジクミルと20.4gの過酸化ジベンゾイルをこれに添加する。50l容積の撹拌容器中において、有機相を19.5lの脱イオン水に導入する。この水性相は、69.8gのピロ燐酸ナトリウムと129.5gの硫酸マグネシウムを含有する。195.8gのペンタンを上記懸濁液に計量、給送し、次いで80℃に加熱する。140分後、3.51gの乳化剤K30/40(バイエル社)を添加し、更に30分後、別個に1175.1gのペンタンを計量、給送し、重合を134℃で完了する。水性相の分離により、平均粒径0.82mmの均質な暗色ビーズが得られる。このビーズは水蒸気を使用して発泡され、3分後、密度10.2g/lの発泡体をもたらす。熱伝導性は、発泡体ブロックに関し、DIN52612により10℃において測定され、その結果は、実験例4以下のそれと共に下表1に示される。
実験例5(実施例)
4%のグラファイトを使用して、実験例4の処理を反覆した。
実験例6(実施例)
2%のグラファイトを使用して、実験例4の処理を反覆した。
実験例7(実施例)
1%のグラファイトを使用して、実験例4の処理を反覆した。
実験例8(実施例)
0.5%のグラファイトを使用して、実験例4の処理を反覆した。
実験例9(実施例)
0.2%のグラファイトを使用して、実験例4の処理を反覆した。
実験例10(対比例)
グラファイトを使用することなく、実施例の処理を反覆した。
実験例11(実施例)
難燃化剤として127gのヘキサブロモシクロデカン及び85gのジクミルを使用して、実験例4の処理を反覆した。重合を125℃で行い、34mW/m・kの熱伝導性をもたらし、クラスB2の火災予防性を達成した。
実験例12−14(実施例)
平均分子量(Mw)220000を有し、2.1%のHBCD及び0.42%のジクミルを含有するポリスチレン(BASF社のPS148H)を、ポリスチレン中20%濃度のマスターバッチとして表1に示されるグラファイト量を添加して、加熱二軸押出機中、180℃で可塑化し、多数の1mm径オリフィスが穿設されたダイプレートを経て押し出した。押出成形体を水浴中で固化し、回転ナイフで2×2×2mm寸法の顆粒に切断した。
これら顆粒を、21300gの脱イオン水、76gのピロ燐酸ナトリウム76g、硫酸マグネシウムヘプタヒドラート155g及びアルキルベンゼンスルホナート(バイエル社のMersolat K30)の40%溶液50gと共に、50l容積の撹拌溶液中に装填した。
この撹拌容器を閉鎖し、250rpmで撹拌しながら120℃に加熱し、この温度が達成された後、80%のn−ペンタンと20%のイソペンタンの混合物500gを15分間にわたって撹拌容器中に噴射し、120℃において更に6時間撹拌した。得られた膨張性ビーズを洗浄し、0.7−1mmの粒径に選別し、乾燥し、処理して、発泡体ブロックを成形した。この発泡体は、10.1g/lの密度において32mW/m・Kの熱伝導性を示し、またB2テストに合格した。
実験例13においては、難燃化剤を使用せず、B2テストには合格しなかった。
実験例14(対比例)においては、グラファイトを使用せず、発泡体ブロックの熱伝導性は43mW/m・Kであった。
実験例15−18
加熱された二軸押出機中において、グラファイト2%と、n−ペンタン80%及び20%イソペンタンの混合物5.0%を、平均分子量(Mw)220000、2.1%のHBCD及び0.42%ビクミルを含有する溶融ポリスチレン中に約160℃で計量給送し、この均質混合物を、180℃の溶融温度において、0.8mm径オリフィスの穿設されたダイプレートから押出し、このダイプレートに装着された水中顆粒化装置中に5バールの圧力下に押圧された紐状体は、回転ブレードにより1.5mm径の顆粒ないしビーズになされた。
実験例15(実施例)において、発泡は10.3g/lの密度で行われ、実施例16(実施例)において、蒸気処理時間は若干短くなされ、15g/lの密度になされた。それぞれの熱伝導性は、34及び32mW/m・Kであった。両側の発泡体ブロック共にB2テストにパスした。
実験例17においては難燃化剤が、実験例18においては、難燃化剤、グラファイトが共に使用されなかった。それぞれ、34及び44mW/m・Kの熱伝導性がもたらされ、各試料は共にテストB2をパスしなかった。
実験例19(実施例)
ポリスチレンPS158K(BASF社)を、2%のグラファイト、1.4%のHBCD及び0.7%のビクミルと共に、二軸押出機(ZSK)中に計量、給送した。更に押出機中の溶融体に5%のペンタンを添加混合した。押出機ダイプレートから排出される溶融体を、米国ガラ社の水面下顆粒化装置により5バールの圧力下に(顆粒化装置と乾燥装置間の長さ50mのホースに設けたスロットルで形成)顆粒化した。これにより平均粒径約1.5mmの暗色ビーズがもたらされ、これを予備発泡させ、発泡ビーズを融着成型して得られた発泡体は、13g/lの密度、35mW/m・Kの熱伝導性を示した。
実験性20(対比例)
グラファイトによる表面コーティング)
混合装置中において、予備発泡させたFPS樹脂を2.0%のグラファイトと混合したが、ビーズ表面には不完全なコーティング、グラファイトの不均斉な分布が観察された。更に他の処理の間にビーズ表面からのグラファイト粉末の剥落が生じた。しかしながら、結合剤(例えばステアリン酸グリセリル、ホワイトオイルなど)の使用は、コーティング結果の質的改善を考慮して断念せざるを得ず、発泡成形体との接着は不満足なものにならざるを得なかった。
Claims (5)
- 処理により35g/l又はこれより小さい密度を有する発泡体をもたらすことができ、かつ
発泡剤を含有し、
平均粒径が1から50μmの、均斉に分布された0.05から8重量%のグラファイト粉末を含有し、
難燃化剤として、70重量%又はこれより多い臭素分を有する臭素化脂肪族、脂環式又は芳香族化合物から選択される有機臭素化合物を、重合体に対して0.6から5重量%含有し、
相乗難燃化剤として、ジクミル又はジクミル過酸化物を、重合体に対して0.1から1.0重量%含有し、
燃焼テストB2(DIN4102による)にパスする自己消火性発泡体をもたらすように処理され得ることを特徴とする膨張性スチレン重合体粒子。 - 発泡剤として、炭素原子数3から10の炭化水素を3から10重量%含有することを特徴とする、請求項1の膨張性スチレン重合体粒子。
- グラファイト粉末及び発泡剤を、押出機中において、溶融ポリスチレンと混合し、次いで溶融体を押出し、加圧下で冷却して顆粒化することを特徴とする、請求項1又は2の膨張性スチレン重合体粒子の製造方法。
- グラファイト粉末を、押出機中において、発泡剤含有溶融ポリスチレンと混合し、次いで溶融体を押出し、加圧下で冷却して顆粒化することを特徴とする、請求項1の膨張性スチレン重合体粒子の製造方法。
- 35g/lまたはそれ以下の密度を有し、重合体に対して、それぞれ2から8重量%の、平均粒径が1から50μmの均斉に分布されたグラファイト粉末、
0.6から5重量%の、臭素分が70重量%又はこれより多い有機臭素化合物、及び
0.1から1.0重量%のジクミル又はジクミル過酸化物
を含有し、自己消火性であり、燃焼テストB2(DIN4102による)に適合し、熱伝導性クラス035(DIN18164、第1部、表4による)の要件を充分に満足させるように熱伝導性を低減させたことを特徴とするポリスチレン発泡体。
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