JP7050136B2 - 低減した熱伝導度を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 - Google Patents

低減した熱伝導度を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 Download PDF

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Description

本発明は、発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の生産のための押出しプロセス、それにより生産できる発泡性ポリマー顆粒状物、およびそのような顆粒状物から生産できるビニル芳香族ポリマーフォームに関する。
ビニル芳香族ポリマーは公知であり、様々な用途に採用される発泡製品の製造に使用され、その用途の最も重要なものが断熱のためのものである。低い熱伝導度並びに良好な機械的性質および自己消火性の両方を有する発泡ビニル芳香族ポリマーの需要が絶えず増加している理由がここにある。
熱吸収体(例えばカーボンブラック)、熱散乱体(例えばシリカおよび酸化チタンの群に由来する鉱物)および熱反射体(例えばアルミニウム顔料および黒鉛)からなる群に由来する不伝熱性(athermanous)充填材の添加はポリマーの熱伝導度を低減させることが一般に知られている。そのような種類のポリマーの例としては、ビニル芳香族モノマー(特にスチレン)および任意選択のコモノマー、の重合によって得られるものがある。
典型的には、赤外線の経路を延長するために熱放射を吸収または散乱することができる不伝熱性充填材の組み合わせを添加すると、熱伝導度が著しく低下する。しかしながら、最も有利な効果はIR反射体の添加に起因する。IR散乱体とIR反射体の組み合わせは、典型的なIR吸収剤(カーボンブラックなど)の濃度の低下に影響を与え、ポリスチレンフォームの自己消火効果の改善につながる。
特許文献1は、ポリマー溶融物から発泡されるまたは発泡可能な粒子を製造する方法を教示している。リサイクルされたポリマー溶融物は、副押出機を介してポリマー溶融物中に導入され、添加剤を含み得る。これは、マスターバッチの使用よりも経済的であると述べられている。臭化物含有防炎剤または他の熱的に不安定な添加剤がリサイクルされたポリマー中に存在する場合、またはリサイクルされたポリマーに添加される場合、副押出機および以下のすべてのシステム構成要素におけるプロセス温度は、添加剤の熱安定性によって定義される値を制限する温度および滞留時間を超えるべきではない。
特許文献2は、a)ケイ酸のような無機粉体材料からなる群より選択される充填材、およびb)カーボンブラックまたは黒鉛、を含有する発泡性スチレンポリマー顆粒状物を教示している。さらに、特許文献3乃至6は、押出しプロセスによって得られるポリスチレンフォーム中における黒鉛の使用を教示している。
特許文献2はまた、無水マレイン酸変性スチレンコポリマー、エポキシ基含有ポリマー、有機シランまたはイソシアネートまたは酸基を有するスチレンコポリマーのような接着促進剤(カップリング剤)を使用することによって充填材を含有する熱可塑性ポリマーの機械的性質を改善できることを教示している。特許文献1と同様に、特許文献2はまた、固体および感熱添加剤などの添加剤を導入するために副押出機を使用することも提案している。しかしながら、この配置は、熱に敏感ではなくむしろ完全な混合を必要とする添加剤が導入されるべき状況では望ましくない。その理由は、完全な混合を必要とする添加剤がポリマーの主要部分に導入される場合、多量の材料を処理する必要があるからである。これは経済的に望ましくない。専用カップリング剤の添加は、特に多量に使用する必要がある場合には、同様に望ましくない。
特許文献7は、ポリマーマトリックス中に、5~40m/gの範囲の活性表面積を有するある種のカーボンブラックを含む発泡性ビニル芳香族ポリマーを教示している。14g/lの密度を有する材料の熱伝導度は、36.5mW/m・Kであると報告されている。
特許文献8は、ASTM D 6556に従って測定されたとき、550~1600m/gの範囲である非常に高いBET表面を有するカーボンブラックを添加剤として含む発泡性ポリスチレン組成物を教示している。実施例は、ASTM D 1622に従って、それぞれ、密度13.3g/lで36.16mW/m・K、密度19.4g/lで34.21mW/m・Kの熱伝導度を有するポリスチレンフォームを報告している。
特許文献9は、発泡性ビニル芳香族ポリマーの熱伝導度を低減させるために、特定の導電性を有するカーボンブラックの使用を開示している。カーボンブラックは、懸濁重合時またはポリマー押出し時に導入される。実施例は、17g/lの密度で31.0mW/m・Kの熱伝導度を有するポリスチレンフォームを報告している。
特許文献10は、ポリスチレンフォームの熱伝導度を低減させるために、特定の粒子径および放熱反射率を有するアルミニウム顔料、二酸化チタンおよび黒鉛の使用を教示している。実施例7~11は押出しプロセスにより生産され、25~30mW/m*Kの熱伝導度を有するポリスチレンフォームを教示しており、ここでは、出発材料としてマスターバッチが使用されている。
特許文献11は、スチレンポリマー粒子フォーム材料を教示している。
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。
上述したように、発泡ビニルポリマーの熱伝導度を低下させる解決法の1つは、不伝熱性充填材をそこへ添加することである。しかしながら、不伝熱性充填材の存在は、多くの場合、発泡ビニル芳香族ポリマーフォームの自己消火性および機械特性の低下を招く。例えば、ビニル芳香族ポリマーから作製されるとともに炭素系の不伝熱性充填材を含むフォームは、非常に悪い自己消火性を有していることが一般に知られている。その結果、ドイツ工業規格DIN4102(B1、B2)に従う燃焼性試験に合格するための適切な性能を達成するためには、より高濃度の難燃剤を使用しなければならない。さらに、BET表面が40m/gを超えるような高性能活性表面を有するカーボンブラックの種類を使用する場合、DIN4102(B1、B2)に合格するには、自己消火性が不十分である。
一方、熱散乱体タイプの少量の不伝熱性充填材、例えば鉱物(シリカ、リン酸カルシウムおよびペロブスカイト構造を有する鉱物など)の存在は、難燃性ポリマーフォームの自己消火性の実質的な劣化をもたらさない。むしろ、これらの特性は改善されるが、フォームの熱伝導度の低下は、炭素系添加剤を含むフォーム、すなわち熱吸熱体または熱反射体タイプの不伝熱性添加剤(特にカーボンブラックおよび/または黒鉛)を含むフォームにおけるものほど顕著ではない。
よって、所望の発泡ビニル芳香族ポリマーフォームは、フォームの自己消火性及び機械的性質を、そのような充填材を伴わない発泡ビニル芳香族ポリマーにおけるものと同じ範囲内に維持し、同時にフォームの熱伝導度を低減するタイプおよび量の不伝熱性充填材を含むべきである。
特許文献12は、発泡しているスチレンポリマー顆粒を生産する方法を教示している。同方法は、ポリマー溶融物と発泡剤のフローを混合ゾーンに供給することを含む。添加剤または薬剤は、混合ゾーンに装填され、完全なせん断混合により、発泡剤とともにポリマー溶融物中に均一に分布される。しかしながら、特許文献12に従う顆粒状物から生成されるフォームは、熱的性質及び機械的性質が不十分である。
特許文献13は、スタティックミキサーのためのモジュールおよびPVCへの添加剤の組み込みのためのそれらの用途を教示している。特許文献14は、添加剤が導入された原料溶融物からの成形塊の製造に関する。
特許文献15は、a)1つまたは複数の重合可能なモノマーを含むベースの重合によって生成されるポリマーマトリックス、b)ポリマーマトリックス中に封入された発泡剤、およびc)特定の寸法を有するナノスケールのグラフェンプレートを含む不伝熱性充填材、を含む発泡性熱可塑性ポリマーをベースとするナノコンポジット組成物を教示している。
特許文献16は、スチロールポリマー溶融物であって、噴射剤および防炎剤を含有する溶融物を、ノズルプレートを通して押し出し、続いて水中造粒することによる、耐炎性の発泡性スチロールポリマー(EPS)を製造する方法に関する。
特許文献17は、a)ビニル芳香族ポリマーのマトリックス、b)ポリマーマトリックスに包埋された発泡剤、c)特定の寸法を有するタルク、d)カーボンブラック、および任意選択のe)タルクおよびカーボンブラック以外の1つまたは複数の充填材であってポリマーマトリックス中に均一に分布した充填剤、を含む発泡性ビニル芳香族ポリマーを開示している。
米国特許出願公開第2008/0249199A1号明細書 国際公開第2006/058733号 欧州特許出願公開第0863175号明細書 欧州特許出願公開第0981574号明細書 欧州特許出願公開第1758951号明細書 欧州特許出願公開第1771502A2号明細書 国際公開第2004/087798号 国際公開第2006/061571号 国際公開第2008/061678号 特開昭63-183941号公報 国際公開第2005/123816号 米国特許出願公開第2008/0203597A1号明細書 欧州特許出願公開第0856353A1号明細書 欧州特許出願公開第1892034A1号明細書 米国特許出願公開第2012/264836A1号明細書 独国特許出願公開第102004034516A1号明細書 国際公開第2012/032022号
ビニル芳香族モノマーと任意選択の1つまたは複数のコモノマーとをベースとしたポリマーから調製される改善されたフォームであって、改善された機械的性質、熱的性質および自己消火性を有するフォーム、およびその生産のためのプロセスの必要性が絶えず存在する。
本発明によれば、この目的は、以下のステップを含む発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の生産のための押出しプロセスによって解決される:
i)ビニル芳香族ポリマーを含む第1のポリマー成分を第1のミキサーに供給するステップ;
ii)第1のミキサーに第1の添加剤成分a)を供給して、第1のポリマー成分および第1の添加剤成分から第1の混合物を生成するステップ;
iii)ビニル芳香族ポリマーを含む第2のポリマー成分b)を第2のミキサーに供給するステップ;
iv)第2のミキサーに第2の添加剤成分b)を供給して、第2のポリマー成分および第2の添加剤成分から第2の混合物を生成するステップであって、第2のミキサー内の処理条件が第1のミキサー内の処理条件より厳しく、より高いせん断力を提供することによって、第2の混合物を生成するステップ;
v)第1の混合物と第2の混合物とを混合して第3の混合物を生成するステップ;
vi)発泡剤c)を第3の混合物に注入して第4の混合物を生成するステップ;
vii)第4の混合物を混合するステップ;および
viii)第4の混合物を造粒して顆粒状物を得るステップ。
本発明のプロセスは押出しを含む。同プロセスは、発泡性の顆粒状物を得るために、第1の添加剤成分および第2の添加剤成分を、最終的には噴射剤が充填されて造粒される混合物に、別々に添加することを可能にする。第1の添加剤成分および第2の添加剤成分を別々に添加するので、本発明のプロセスは非常に柔軟性があり、特に、異なる添加剤成分がそれぞれの所望の機能を最良に発揮することができるために必要であるこれらの加工条件下でのそれらの安定性の観点から、非常に異なる加工要件を有する添加剤の加工を可能にする。したがって、本発明に従うプロセスは、第1の添加剤成分a)および第2の添加剤成分b)の任意の種類のものに広く適用することができる。
特許文献2とは対照的に、本発明に従うプロセスは、異なる添加剤の別々の導入を可能にする。従って、それぞれのミキサーでの条件を、特定の必要条件に適合させることが可能であり、それにより、例えば、充填材(不伝熱性充填材を含む)に対して加えられるカップリング剤、または任意の他の相溶化剤の必要量を低減させることができるか、或いは、カップリング剤の添加を完全になくすことさえもできる。
本発明によれば、特に、b1)シリカ、リン酸カルシウム、ペロブスカイト構造を有する鉱物、ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材、並びにb2)カーボンブラック、黒鉛および/またはコークスの共使用が、ビニル芳香族モノマー(および任意選択の1つまたは複数のコモノマー)をベースとするポリマーにおいて、同ビニル芳香族モノマーおよび任意選択の1つまたは複数のコモノマーをベースとするポリマーから調製されたフォームの熱伝導度を、同フォームの燃焼性および機械的性質に悪影響を与えることなく減少させることを見出した。
特許文献1のプロセスによれば、さらなる薬剤を添加したときに、得られる顆粒状物において所望とされる噴射剤の量が既にブレンドに含まれているので非常に特異的な処理条件を観察しなければならない。本発明に従うプロセスでは、その代わりに、噴射剤を導入する前に、有利には、異なる添加剤を別々に導入することが可能であるために、特異的な処理条件(特定の添加剤により必要とされ得る処理条件を除く)を観察する必要はない。
特に、p-tert-ブチルスチレンまたはp-ビニルトルエンのような類似のモノマー、他のメチルスチレン異性体、ジビニルベンゼンまたはその異性体がコモノマーとして使用される場合、おそらくはビニル芳香族コモノマーまたはオリゴマーをカーボンブラックの表面にグラフトすることによって、発泡ビニル芳香族ポリマーの自己消火性が改善されることも見出された。
カーボンブラックは強力なラジカルスカベンジャーであることが一般的に知られている。第2のミキサー、例えば二軸共回転押出機におけるより厳しい処理は、上記のポリマーの小さくても非常に有効な機械的化学的分解を達成し、これはマクロラジカルを生成し、それらはカーボンブラックの表面にグラフトし、最終的にはカーボンブラックを、例えばスチレン-ブタジエンゴムをベースとする任意の臭素系難燃剤から隔離することによって自己消火性を改善する。一般に、そうでなければカーボンブラックの存在によって引き起こされるであろう臭素系難燃剤のいかなる分解および架橋も回避されるか、または著しく低減される。従って、カーボンブラックを含む発泡ビニル芳香族ポリマー中のポリマー臭素系難燃剤の濃度を著しく低減させることができる。
他の利点は、グラフトされた表面を有するカーボンブラックがより小さいラジカル活性を有し、したがって任意のラジカル反応のためのカーボンブラックの通常の強い抑制能力が大幅に低減されることである。これは、臭素ラジカルが気相中で活性である臭素系難燃剤によって誘発される難燃性プロセスにおいて特に重要である。カーボンブラックの表面をグラフト化する結果として、同表面は、発泡ビニル芳香族ポリマーの自己消火プロセスに関与する臭素ラジカルおよび任意の他の重要なラジカル種を捕捉することができない。
本発明の好ましい実施形態を示すプロセス図を示す。
従って、第1の態様において、本発明は、以下のステップを含む発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の生産のための押出しプロセスに関する:
i)ビニル芳香族ポリマーを含む第1のポリマー成分を第1のミキサーに供給するステップ;
ii)第1のミキサーに第1の添加剤成分a)を供給して、第1のポリマー成分および第1の添加剤成分から第1の混合物を生成するステップ;
iii)ビニル芳香族ポリマーを含む第2のポリマー成分b)を第2のミキサーに供給するステップ;
iv)第2のミキサーに第2の添加剤成分b)を供給して、第2のポリマー成分および第2の添加剤成分から第2の混合物を生成するステップであって、第2のミキサー内の処理条件が第1のミキサー内の処理条件より厳しく、より高いせん断力を提供することによって、第2の混合物を生成するステップ;
v)第1の混合物と第2の混合物とを混合して第3の混合物を生成するステップ;
vi)発泡剤c)を第3の混合物に注入して第4の混合物を生成するステップ;
vii)第4の混合物を混合するステップ;および
viii)第4の混合物を造粒して顆粒状物を得るステップ。
本発明に従って、プロセスは押出しを含む。好ましくは、混合するステップv)は、第2の混合物を第1のミキサーに供給して、第3の混合物を生成する。この好ましい実施形態において、第1の混合物の生成は、第2の混合物を第1のミキサーに導入する地点から上流側にて起こる。
より好ましくは、第3の混合物を生成するために混合は第1のミキサーで行う。従って、この最も好ましい実施形態において、第2のミキサーは、第2の混合物を第1のミキサーに供給する副押出機であり、第2の混合物は第1の混合物の生成よりも下流側で第1のミキサーに導入され、かつ第1の混合物および第2の混合物の混合されたストリームは第1のミキサーにて継続し、同第1のミキサーで第3の混合物を生成する。
第1のミキサー
第1のミキサーにおける好ましい条件は:
i)100乃至250℃、好ましくは150乃至230℃、より好ましくは160乃至210℃、最も好ましくは170乃至200℃の範囲の加工温度;および
ii)30乃至100バール(3乃至10MPa)の範囲、より好ましくは50乃至90バール(5乃至9MPa)の範囲の加工圧
である。
好ましい種類の第1のミキサーは、共回転二軸押出機である。特に好ましいものは、最後のバレルゾーンに2~6個の混合要素を有するスクリュを備えた32D/40mmタイプの押出機である。他のxD長さ寸法及びスクリュ径も可能である。
第2のミキサー
第2のミキサーにおける好ましい条件は:
100乃至250℃、好ましくは150乃至230℃、より好ましくは160乃至210℃の範囲の加工温度;
1乃至100バール(0.1乃至10MPa)、より好ましくは5乃至70バール(0.5乃至7MPa)、より好ましくは10乃至50バール(1乃至5MPa)の範囲の加工圧;
適当なせん断力を発生させるようなスクリュ速度;速度は、好ましくは100~2000rpm、より好ましくは500~1500rpm、最も好ましくは600~1200rpmの範囲の適切なレベルに設定しなければならない;および
せん断速度に関して:最も好ましい速度および同じ混練要素の構成を備える場合、適切なせん断速度は、1/5s-1~1/100s-1、好ましくは1/10~1/80s-1、より好ましくは1/20~1/60s-1の範囲にて生成される;
である。
第2のミキサーにおける混合(compounding)プロセスでは、せん断によって熱が発生し、必要な加工ゾーンにおいて溶融温度を約10~70℃上昇させることができる。この効果は、カーボンブラックの再凝集および脱凝集プロセス、および最終的にはグラフト反応を促進するために有意義である。
第2の混合機としては、共回転二軸押出機が好ましい。これは特に、高いせん断力を提供するように設計されたスクリュを備えている54D/25mm押出機である。他のxD長さ寸法及びスクリュ径も可能である。
好ましい実施形態では、ステップvi)において、注入は第3混合物中へ行われ、第3混合物は溶融物である。
本発明に従って使用されるビニル芳香族ポリマーは、1種類の(または複数種の)ビニル芳香族モノマー、好ましくはスチレン、および任意選択で1種または複数種のコモノマーをベースとし、すなわちホモポリマーまたはコポリマーである。
立体障害を有する特定のスチレンコモノマー、特にp-tert-ブチルスチレン、またはα-メチルスチレンコモノマー、またはいくつかの他の立体障害性スチレンコモノマーからなるコモノマーのスチレンへの添加は、このようなビニル芳香族コポリマーのガラス転移温度を有利に増大し得る。このようにして、特定のスチレンコモノマーをスチレンモノマーに添加することにより、ビニル芳香族コポリマーの熱安定性が改善され、これにより、同ビニル芳香族コポリマーから形成される成形ブロックの寸法安定性が改善される。
本発明で使用されるビニル芳香族コポリマーは、以下のように、好ましくは、1~99重量%のスチレンモノマーおよびそれに対応して99~1重量%のp-tert-ブチルスチレンモノマーからなる(重量%での量、モノマーの総量に基づく):
Figure 0007050136000001
あるいは、本発明で使用されるビニル芳香族コポリマーは、以下のように、好ましくは、1~99重量%のスチレンモノマーおよびそれに対応して99~1重量%のα-メチルスチレンモノマーからなる(重量%での量、モノマーの総量に基づく):
Figure 0007050136000002
さらに、ホモポリマーまたはコポリマー中のカーボンブラックの任意の含有量は、熱不安定性を引き起こし得る。従って、カーボンブラックを含むフォームの熱劣化(thermal agning)は、成形ブロックの最終寸法に深刻な影響を及ぼす。カーボンブラックは、ビニル芳香族ポリマーのガラス転移温度を低下させるか、または一般にフォームの熱容量を増加させることがあり、これは熱調整中に成形ブロックの収縮または寸法の変化をもたらす。これらの現象は、望ましくないことに、成形されたブロックのセクショニング(sectioning)時にスクラップの形成を引き起こす可能性がある。従って、本発明の好ましい実施形態において、ビニル芳香族ポリマーから製造され、カーボンブラックを含むフォームブロックの寸法安定性は、p-tert-ブチルスチレンまたはα-メチルスチレンのコモノマーまたは他の何らかの立体的に障害のあるスチレンコモノマーを有するビニル芳香族コポリマーからポリマーフォームを調製することによって改善される。本発明に従ってさらにtert-ブチル基またはα-メチル基によってグラフトされたカーボンブラックは、ポリマーマトリックス内により良好に分散され、これにより、一層熱安定性が改善され、従って発泡フォームの機械的性質もアップグレードされる。
好ましくは、第1のコポリマー成分および第2のコポリマー成分におけるビニル芳香族ポリマーは、40~150kg/モルの範囲の平均数分子量を有する。
第1のポリマー成分
第1のポリマー成分は、ISO1133に従って測定したときに、4~20g/10分のメルトインデックスを有するビニル芳香族ポリマーであってもよい。
第2のポリマー成分
第2のポリマー成分は、ISO1133に従って測定したときに、4~30g/10分の範囲のメルトインデックスを有するビニル芳香族ホモポリマー、または好ましくはp-tertブチルスチレンまたはα-メチルスチレンとのコポリマー、であってもよい。
第1の混合物
第1のポリマー成分に加えて、第1の混合物は最終的には第1の添加剤成分a)を含んでいる。第1の添加剤成分a)は、好ましくは、
a1)成核剤、
a2)難燃剤、
a3)共力剤、
a4)熱酸化安定剤、
a5)難燃熱安定剤、および
a6)分散助剤、
の1つまたは複数を含む。
第1の添加剤成分a)の種々の成分は、第1の混合物を与えるために、異なる場所にて第1の混合機に添加されてもよい。これらの成分a1)~a6)の1つまたは複数は、第2の混合物の導入の下流においてさえ添加することができる。しかしながら、成分a1)~a6)は、顆粒状物中に存在する場合、第2の添加剤成分b)の成分と比較したとき、それらの一般的により制限された(熱的)安定性の観点から、第2の混合物を導入する前に全て導入されることが好ましい。
例えば、難燃剤系、通常、2種類の化合物、すなわち、a2)少なくとも50重量%の臭素を含有する臭素化脂肪族、環式脂肪族、芳香族または高分子化合物と、第2の化合物(いわゆる共力剤化合物、a3))(それはビクミル(すなわち、2,3-ジメチル-2,3-ジフェニルブタン)または2-ヒドロペルオキシ-2-メチルプロパン、またはジクミルペルオキシド、クメンヒドロキシド、または3,4-ジメチル-3,4-ジフェニルブタンであり得る)との組み合わせである難燃剤系が存在していてもよい。
難燃剤系の全含有量、すなわちa2)+a3)は、典型的には、ビニル芳香族ポリマー(固体および場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)の全量に対して0.1~5.0重量%の範囲であり、好ましくは0.2~3重量%である。臭素化合物a2)の共力剤化合物a3)に対する重量対重量の比は、好ましくは1:1~15:1の範囲、通常は3:1~10:1の範囲、特に2:1~7:1の範囲にある。
第2の添加剤成分b)
好ましくは、第2の添加剤成分b)は、1つまたは複数の粉体を含む。
また、第2の添加剤成分b)は、b1)鉱物成分およびb2)炭素質成分の一方または両方であると好ましい。好ましくは、第2の添加剤成分b)は、b1)鉱物成分およびb2)炭素質成分から構成されている。
鉱物成分b1)
好ましくは、鉱物成分は、
b1a)シリカ、
b1b)リン酸カルシウム、
b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および
b1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材
のうちの1つまたは複数である。
b1a)シリカ
本発明に従って典型的には使用されるシリカは非晶質であり、以下の特定の特性を有する:
(i)以下に説明される手順に従って測定されたときに、1~100m/gのBET表面、および
(ii)3nm~1000nmの範囲内の平均粒子径。
シリカのBET表面を測定する方法は、ASTM C1069およびISO 9277の規格に基づいており、以下のように実施される:第1のステップにおいて、2~5gの試料を105℃で乾燥させ、冷却およびさらなる脱気のためにデシケータ内に置かれる。続いて、乾燥材料の0.3~1.0gを試験管に秤量し、約30分間脱気ユニットに入れる。その後、試料は測定ユニットに移され、Micromeritics Tristar3000(商標)装置を用いて測定される。
本発明に従って好ましくは使用されるシリカは、3~80g/m、より好ましくは5~70m/g、最も好ましくは8~60m/g、例えば10~50m/gの範囲、特に、例えば約20m/gのような、13~40m/gまたは15~30m/gの範囲にあるBET表面を有する。
さらに、本発明に従って好ましくは使用されるシリカは、以下に詳述される手順に従って測定されたときに、3nm~1000nmの平均粒子径を有するものとして定義される。
本発明の記載における平均粒子径は、メジアン一次粒子径D(ν、0.5)またはd(0.5)を意味し、試料の50%がより小さく、50%がより大きいサイズである。この値は、質量中央径(Mass Median Diameter)(MMD)または容積分布の中央値とも呼ばれる。
シリカの平均粒子径を測定する方法は以下のようにして行われる:第1のステップでは、蒸留水45gと試料5gをビーカーに入れ、撹拌して試料全体を濡らす。続いて、試料を100%の振幅で5分間、外部超音波プローブに分散させる。測定は、マルバーン(Malvern)のマスターサイザー(Mastersizer)2000(商標)装置の一次凝集プログラムを使用して自動的に実施される。
本発明に従って使用されるシリカの平均粒子径は、20~800nm、好ましくは30~600nm、例えば40~400nm、特に100~200nmの範囲内であることが好ましい。
本発明によれば、シリカは、存在する場合は、好ましくは(固体および場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて、0.01重量%~2重量%未満の量で使用され、より好ましくは、0.1~1.6重量%、最も好ましくは0.5~1.5重量%、特に、例えば約1.0重量%のような0.7~1.3重量%量にて使用される。好ましくは、シリカは、球形のシリカである。
本発明に従って使用されるシリカa)は約150nmの平均一次粒子径および約20m/gの低いBET表面積を有するエルケム社(ELKEM)から入手できるSidistar(登録商標)タイプの材料を含み、最も好ましくはa)がSidistar(登録商標)T120であることが、最も好ましい。
b1b)リン酸カルシウム
本発明に従って典型的に使用されるリン酸カルシウムb1b)は、レーザー回折によって測定されたとき、0.01μm~100μmの粒子径を有する。粒子径は、0.1μm~50μm、例えば0.5μm~30μmであることが好ましい。
リン酸カルシウムは、リン酸三カルシウム(具体的にはヒドロキシアパタイトの一種)であることが好ましい。
本発明によれば、リン酸カルシウムは、もし存在するならば、好ましくは、顆粒状物中のビニル芳香族ポリマー(固体および場合によっては液体添加剤を含むが、噴射剤を除く)の重量に基づいて、0.01~50重量%、より好ましくは0.1~15重量%、最も好ましくは0.5~10重量%、特に1~8重量%、の量で使用される。
b1c)ペロブスカイト
本発明の好ましい実施形態において、一般式ABXの鉱物(式中、AおよびBは陽イオンであり、Xは陰イオンであり、鉱物はペロブスカイト結晶構造を有する(以下において「ペロブスカイト構造を有する鉱物」または「ペロブスカイト」))の使用によって、ビニル芳香族ポリマーフォームにおいて、熱伝導度(ISO8301に従って測定されたとき)が低減され、機械的性質が改善され(圧縮強さおよび曲げ強さが、EN13163に従って測定されたときに増大される)、および/または自己消火性が改善される(EN ISO 11925に従って測定されたとき、或いはDIN 4102/B1、B2に従って測定されたとき)。この種類の添加剤は、より高い粘度を有するチャー(char)を生成することによって火炎の発達を低減させ、従って滴下(dripping)および燃焼を低減する。
熱伝導度の顕著な低減、自己消火性および機械的性質の更なる増大のための好ましいペロブスカイトの濃度は、固体および場合により液体の添加剤(噴射剤を除く)を含む顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて0.01~50重量%の範囲であるが、より好ましくは0.05~25重量%、最も好ましくは0.1~15重量%、特に0.5~12重量%、例えば1~8重量%である。
本発明に従って使用されるペロブスカイト構造を有する鉱物は、一般式ABXの結晶構造を有し、ここで、Aおよび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原子がB原子より大きく、それらのイオン半径は陰イオンXのイオン半径に近く、したがってそれらは空間群Pm3mを伴って立方最密充填(斜方晶系の最密充填)形成することができる。この構造において、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。理想的な立方ペロブスカイト構造は、立方体の角に陽イオンAを、そして中心に陽イオンBを有し、面心位置(face-centered position)に酸素イオンを有する。化学量論的なペロブスカイト酸化物については、A及びBの陽イオンの酸化状態の合計は6に等しいはずである。
好ましくは、Aは、Ca、Sr、Ba、Bi、Ce、Feおよびそれらの混合物からなる群から選択される。さらに、A原子はまた、有機-無機ハイブリッド基、例えば、(CHNHにより示され得る。
B原子は、好ましくは、アンモニウム基並びにTi、Zr、Ni、Al、Ga、In、Bi、Sc、Cr、Pbで表される。X原子は、好ましくは、酸素またはハロゲン化物イオン、またはそれらの混合物で表される。
ペロブスカイト構造の最も好ましい代表例には、誘電性のBaTiO、高温半導体のYBaCu7-x、磁気抵抗を示す材料のR1-xMnO(式中、Rは、La3+、Pr3+または他のアースイオン(earth ion)、Aは、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Bi2+、Ce2+、およびマルチフェロイック材料)が挙げられる。
ペロブスカイトは、広波長における高反射率特性を有し、遠赤外線領域であっても高い光学定数を有する。したがって、ペロブスカイトは、太陽光などに含まれる赤外線を反射して赤外線領域のエネルギー吸収量を低減する赤外線反射材料である。
好ましいペロブスカイトは、上記に説明するように、ASTM C1069およびISO 9277規格に従って測定したときに、0.01~100m/gの範囲のBET表面サイズを有する。BET活性表面は、好ましくは0.05~50m/gの範囲、より好ましくは0.1~15m/gの範囲である。
典型的なペロブスカイトは、マルバーンのマスターサイザー2000装置(商標)を使用する標準的な手順に従って測定したときに、0.01~100μmの範囲の粒子径を有する。粒子径は0.1~50μmの範囲が好ましく、0.5~30μmの範囲がより好ましい。
さらに、ビニル芳香族ポリマーフォームの熱伝導度、機械的性質および自己消火性は、レーザー回折によって測定されたとき、0.01μm~600μmの範囲の平均粒子径を有するペロブスカイト構造を有する鉱物の使用によって改善される(自己消化性における改善は、DIN 4102 B1およびB2試験法に従って測定される)。
さらに好ましい実施形態において、ペロブスカイト構造を有する鉱物は、10W/m・K未満の熱伝導度、好ましくは、5W/m・k以下の熱伝導度を有する(300℃)。
ペロブスカイト構造を有する鉱物は、0.01~3.0重量%の範囲、好ましくは0.05~1.5重量%の範囲の含水量を有するとさらに好ましい。
b1d)ジオポリマー
さらに、ジオポリマー、またはジオポリマーと種々の種類の不伝熱性充填材とから調製されたジオポリマー複合材の添加によって、フォームの自己消火性および機械的性質を、充填材または他の任意の不伝熱性添加剤を添加していない発泡ビニル芳香族ポリマーと同じ範囲に維持することが可能である一方で同時に、熱伝導度を著しく低減させることができることが発見された。これは、ジオポリマーそれ自体が耐火性を付与し、複合材中に不伝熱性添加剤の粒子、特にb)炭素をベースとする不伝熱性添加剤をカプセル封入し、それらを火炎、ビニル芳香族ポリマーまたは難燃剤とのいかなる相互作用から隔離する可能性があるために可能になる。ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材は、熱放射を散乱させる効果ゆえに、熱伝導度をさらに低下させる。
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。これらの条件下、遊離のSiO及びAlO 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(AlO )を平衡させるはずである、グループIの陽イオン(Na、K、Li、Ca2+、Ba2+、NH 、H)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得、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5~10nmである。アルミノシリケート材料からのそれらの合成は、Si-O-Al型の結合の形成を伴うアルミナート基とシリケート基との重縮合現象を含む、いわゆるジオポリマー化プロセスによって起こる。ダビドビッツ(Davidovits)によって使用された初めの原料は、水酸化ナトリウム(又はカリウム)及びケイ酸ナトリウム(又はカリウム)によって活性化された、メタカオリナイトである。後に、ヴァン・デヴェンダー(Van Devender)は、多くの他のSi-Al材料、例えばフライアッシュ、炉スラグ、シリカヒューム、鉱山尾鉱、ポゾラン、カオリン、建設系残渣(building residue)、及びいくつかの天然鉱物などが、ジオポリマーを作製するための供給源となる可能性があることを見出した。ほぼ数時間の硬化の後、これらの材料は軽量及び高強度のような優れた特徴を示すが、さらには理想的な耐火性であって、煙霧及び煤煙は無毒であり、かつ全ての有機溶媒に耐性である。
好ましい実施形態において、ジオポリマーは、マトリックス内に炭素系不伝熱性充填材をカプセル封入し、カーボン系の充填材、特にカーボンブラックと、臭素系難燃剤(殊にポリスチレン-ブタジエンゴムを基にしたものを含む)との間の接触(界面相)を制限する。カーボンブラックが強力なラジカルスカベンジャーであることは良く知られている。例えば二軸共回転押出機において高い剪断力が適用されると、ラジカルの架橋形成及び臭化水素の脱離を伴った、スチレン-ブタジエンゴムを基にしたポリマー型臭素系難燃剤の分解を引き起こし得る。自己消火性はこの事実により著しく低減される。難燃性かつ低コストの無機マトリックス中へのカーボンブラックのカプセル封入は好都合である。この溶液は、一般に、本来ならば臭素系難燃剤の有効性を低減することになるであろうカーボンブラックとのいかなるラジカル反応も阻止する。ジオポリマーマトリックスによる炭素系充填材のカプセル封入は、該炭素系充填材を、ビニル芳香族ポリマー型臭素系難燃剤とのラジカル反応について完全に不活性とし、かつ臭素ラジカルが主要な役割を果たす難燃性を阻害するラジカルプロセスにおいて不活性とする。この現象は、発泡性ビニル芳香族ポリマーにおいて必要とされる臭素系難燃剤の濃度のかなりの減少を可能にする。
引き続く発想は、発泡構造の均一性を安定化させる方法を見つけることであった。加えて、それは、ジオポリマーまたはジオポリマー複合材の添加によって行われた。ジオポリマーのナノ多孔質構造は強力な炭化水素吸着能力を有するので、発泡剤の吸着及びその後の発泡プロセスの間の同剤の脱着により、発泡性ビニル芳香族ポリマー中のジオポリマー又はジオポリマー複合材の含有量とは無関係に非常に類似した構造を得ることが可能であるようになることが見出された。驚くべきことに、均一なセル構造が熱伝導度の低下にとって有益であることが見出された。
発泡性ビニル芳香族ポリマー中へのジオポリマーまたはジオポリマー複合材の適用の重要な利点は、押出しによる生産時、そして同様に懸濁重合法による生産時にポリマー粘性の改変能力を有することである。ジオポリマーにより生み出される強力なイオン力が、溶融状態のポリマーの巨大分子を接合する粘着力を緩和する。押出しプロセスにおける圧力を著しく低下させることが可能であり、かつダイプレート中のポリマーフローが相当に改善されることもありうることが見出された。
好ましいジオポリマー複合材は、ジオポリマー複合材の生産時に不伝熱性添加剤成分が存在するプロセスによって調製され、ジオポリマー複合材が不伝熱性添加剤成分を組み込む。好ましくは、この不伝熱性添加剤成分は、以下からなる群:即ち、
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、種々の種類の黒鉛(特に50~90%の範囲の炭素含有量を有する形態不良なものおよび非晶質の形態)およびグラフェン、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、硫酸バリウムおよびペロブスカイト構造を有する鉱物、
から選択される1つまたは複数の不伝熱性添加剤を含み、
好ましくは、不伝熱性添加剤成分は、吸熱剤および熱反射体の群から選択される1つまたは複数の炭素系の不伝熱性添加剤を含み、
特に、不伝熱性添加剤成分は、カーボンブラック、黒鉛、またはそれらの混合物である。
ジオポリマー複合材の調製の更なる詳細は、本明細書と同日に出願された発明の名称が「ジオポリマーおよびその複合材およびそれを含む発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物および発泡ビニル芳香族ポリマーフォーム」、PCT/EP2016/050594に見ることができる。
本発明の第1の好ましい実施形態によれば、鉱物成分b1)は、b1a)特定の種類のシリカである。
本発明の第2の好ましい実施形態によれば、鉱物成分b1)は、b1b)特定の種類のリン酸カルシウムである。
本発明の第3の好ましい実施形態によれば、鉱物成分b1)は、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物である。
本発明の第4の好ましい実施形態によれば、鉱物成分b1)は、b1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材である。
本発明の第5の好ましい実施形態によれば、鉱物成分b1)は、b1a)特定の種類のシリカ、および/またはb1b)特定の種類のリン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材、鉱物の混合物である。
最も好ましいのは、b1a)特定の種類のシリカ、および/またはb1b)特定の種類のリン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材からなる第2の添加剤成分b)であって、b2a)カーボンブラックを備えた第2の添加剤成分b)である。
さらに、添加剤の組み合わせa)およびb)の対応する成分が、同時に添加されることは、本発明に従って必要ではない。これに代えて、第1の混合物及び第2の混合物をそれぞれ与えるために添加される第1の添加剤成分および第2の添加剤成分は、各々が1つの単一の成分から構成され、かつ任意の更なる成分は、所望であれば、下流側にて添加されてもよい。
本発明によれば、成分b1)の全体量、即ち、特定されたものとしてのb1a)シリカの量(存在する場合)および特定されたものとしてのb1b)リン酸カルシウムの量(存在する場合)、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物の量(存在する場合)およびb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材の量(存在する場合)の合計は、それぞれ、顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量(添加剤を含むが噴射剤は除く)に基づいて、0.01~50重量%未満である。b1a)特定の種類のシリカ、およびb1b)特定の種類のリン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、およびb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材の各々が存在している場合、b1)の最小の全体量は、好ましくは、顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量(添加剤を含むが噴射剤は除く)に基づいて、0.1重量%である。
炭素質成分b2)は、好ましくは、
b2a)カーボンブラック、
b2b)黒鉛、および
b2c)コークス
の1つまたは複数である。
より好ましくは、炭素質成分b2)は、b2a)カーボンブラックおよびb2b)黒鉛の一方または両方から構成されている。
カーボンブラック
本発明に従って好ましくは使用されるカーボンブラックは、ASTM6556に従って測定されたときに、40~250m/gを超えるBET表面を有する。
本発明に従って使用されるカーボンブラックのBET表面は、41~200m/g、好ましくは45~150mm/g、特に50~100m/gであることが好ましい。
本発明に従って好ましくは使用されるカーボンブラックの硫黄含有量は、ASTM D1619に従って測定したときに、50~20,000ppm、好ましくは3,000~10,000ppmの範囲にある。
カーボンブラックは、好ましくは、添加剤を含むが噴射剤を除く顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて0.1~12重量%、好ましくは0.2~12.0重量%、より好ましくは0.5~9.0重量%、例えば1.0~8.0重量%、特に、2.0~7.0重量%(例えば約5.0重量%といった、3.0~6.0重量%のような)、の量で存在している。
黒鉛
本発明において、b2b)として好ましくは使用される黒鉛は、以下の特性を有する:
(i)GK社のL-03-00の内部仕様に従って測定されたものとして、50~99.99重量%の範囲、好ましくは95~99.9重量%の範囲、およびより好ましくは99.5重量%を超える、の炭素含有量、
(ii)Cilas(登録商標)930を用いた内部のレーザー回折法を用いて測定されたとき、0.01~50μm、好ましくは5~8μmの範囲の粒子径。
より好ましくは、ビニル芳香族ポリマーフォームの熱伝導度の更なる低減のために、
b1a)シリカおよび/またはb1b)リン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材と、
b2a)カーボンブラックおよび/またはb2b)黒鉛と、
の組み合わせが最も好ましい。
上記した添加剤成分a)およびb)に加え、本発明に従う材料(ポリマー組成物、顆粒状物、フォームおよびマスターバッチ)は、以下に記載されるように、さらなる添加剤を含んでいてもよい。
第3の混合物を生成するために混合するステップv)は、
第1の混合物の溶融物と、
第2のミキサーからの、好ましくは第2のミキサーから直接の、第2の混合物の溶融物と、
からなることが、本発明に従ってさらに好ましい。
従って、第2のミキサーからの第2の混合物からの溶融物は、第1の混合物の溶融物と組み合わせられ、それは、エネルギー効率の観点から特に有利である。
代替的に、本発明に従うプロセスは、第3の混合物を生成するために混合するステップv)が、
第1の混合物の溶融物と、
第2の押出機からの第2の混合物のマスターバッチであって、好ましくは第2の混合物が第2のミキサーから排出されるときに冷却されるマスターバッチと、
からなるように実施されてもよい。
マスターバッチを使用するこの代替的な実施形態において、プロセスは、第1の添加剤と第2の添加剤の別々の加工を提供し、従って、上述したように有利である。しかしながら、第2の混合物は、上記に参照された好ましい実施形態にあるように、第1の混合物の溶融物と直接組み合わせられる溶融物としてではないので、この代替的なプロセスは、エネルギー的には有利ではなく、従って、あまり好ましくない。この代替的な実施形態において、第2の混合物は、好ましくは最初に冷却されて、次いで再加熱され、その後、第1の混合物と混合されるv)。
本発明のプロセスの全ての実施形態において、第2のミキサーでの厳しい加工条件は、第1のミキサーにおける条件と比較した場合、より高いせん断を含む。
本発明の好ましい実施形態を示すプロセス図(process scheme)を図1に示す。
発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物は、例えば、以下のステップを含む例示的な押出しプロセスにて調製されてもよい:
1)ビニル芳香族ポリマーを
a1)成核剤および
難燃剤系(a2)難燃剤およびa3)共力剤を含む)、
a4)熱酸化安定剤、
a5)難燃剤熱安定剤(臭素酸掃去剤)および
a6)分散助剤、
とともに共回転二軸主押出機に供給するステップ、
2)ビニル芳香族ポリマーを粉体の形態である、
b1a)シリカおよび/またはb1b)リン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材と、b2a)カーボンブラックとともに、あるいは
b1a)シリカおよび/またはb1c)リン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材と、b2b)黒鉛とともに、
サイドアーム付き共回転二軸押出機に供給するステップ、
3)上述の添加剤a)およびb)を含むビニル芳香族ポリマーの溶融物中に発泡剤を注入するステップ、
4)1)、2)および3)を含む均一な溶融物を単軸冷却押出機より押出すステップ、
5)顆粒状物を得るために、混合物を適切な圧力下の水中ペレタイザー中で造粒するステップ。
本発明のプロセスに従うステップi)およびii)において、ビニル芳香族ポリマー(特に、ポリスチレンホモポリマー、或いは例えばp-tert-ブチルスチレンとのそのビニルコポリマー、或いは異なるMFIインデックスを有する異なる種類のポリスチレンの混合物)およびa1)成核剤は、難燃剤系(即ち、a2+a3)とともに、共回転二軸主押出機に供給される。押出機の温度は、好ましくは、100~250℃の範囲であり、より好ましくは150~230℃の範囲である。好ましくは、ビニル芳香族ポリマーは、40~150kg/モルの範囲の平均分子量を有する。
本発明のプロセスに従うステップiii)およびiv)において、
b2a)カーボンブラックと、b1a)シリカおよび/またはb1b)リン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材と、或いは
b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物のみ、若しくはb1a)シリカの特定の混合物のみ、若しくはb1b)リン酸カルシウムのみ、若しくはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材のみがb2b)黒鉛とともに、
粉体の形態にて添加され、圧縮された形態での添加もまた可能である。
本発明のプロセスに従うステップiv)の第1の有利な効果は、ポリスチレンにおけるIR吸収体添加剤の適切な予備的分散である。従って、良好な予備的分散を提供するために、粉体の添加剤は、好ましくは10:90から60:40までの重量比で、ビニル芳香族ポリマーと混合される。引き続いて、ビニル芳香族ポリマーおよびコポリマー溶融物中への添加剤の適切な分散は、特定のシラン、特にトリエトキシ(フェニル)シランの添加によってさらに改善可能であることが観察された。
本発明のプロセスに従うステップiv)の第2の有利な効果は、パラビニルトルエン、他のメチルスチレン異性体、ジビニルベンゼンおよびその異性体のようなコモノマー、特にパラ-t-ブチルスチレン又はモノマーに基づいて、ビニル芳香族コポリマーによりカーボンブラックのグラフトを提供し得る点にある。
驚くべきことに、自己消化性は、難燃剤の分散の改善によって改善され得ることが本発明に従って見出された。これは、分散助剤、特にスチレン及び無水マレイン酸のコポリマー(コポリマー中の無水マレイン酸含量は5~50%の範囲内、好ましくは10~30%、より好ましくは10~20%)、又はBYK分散剤(同じ濃度範囲)を組み込むことによって達成できた。
a2)ポリマー型臭素化スチレン-ブタジエンゴムは、熱分解および機械的分解に対して非常に感受性であるので、a5)熱安定剤およびa4)臭素酸掃去剤のパッケージが、150~230℃の加工温度で比較的高いせん断速度でのその熱安定性を改善させるために使用されてもよい。パッケージは好ましくは、固体添加剤の重量の2重量%を超えない全量にて使用される。
本発明のプロセスに従うステップv)において、第1の混合物と第2の混合物が混合されて第3の混合物が生成される。
続いて、本発明のプロセスに従うステップvi)において、共回転二軸主押出機の最後のセクションにおいて、第3の混合物(好ましくは溶融物)中に、発泡剤(噴射剤)が注入され、かつ溶解される。典型的には、使用される発泡剤は、n-ペンタン、シクロペンタン、i-ペンタン、それらのうちの2つの組み合わせ又はこれらの混合物である。加えて、1~3個の炭素を含有するハロゲン化脂肪族炭化水素又はアルコールが、一般に使用される。
その後、本発明のプロセスに従うステップvii)において、噴射剤を含む塊状物がいわゆる「冷却押出機」に移送され、230℃の温度から150℃へと冷却される。
最後に、本発明のプロセスに従うステップviii)において、均一なポリマー混合物(「第4の混合物」)であって、
b2a)カーボンブラックとともにb1a)シリカ、および/またはb1b)リン酸三カルシウム、および/またはb1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材、或いは、b2b)黒鉛と、b1a)シリカ、および/またはb1b)リン酸三カルシウム、および/またはb1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および/またはb1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材との1:3の重量比での混合物、および
a1)成核剤、および
難燃系(a2+a3)および
任意選択にて、上述のa6)分散剤、および
c)発泡剤、
を含む均一なポリマー混合物が、スタティックミキサー、ポリマーメルトフィルタ、切換弁、最終的なダイの孔を通して押し出され、マイクロペレット(顆粒状物)を得るために、圧縮された水中ペレタイザユニットにおいて、回転ナイフによって切削される。
ペレットは、好ましくは、脂肪酸とステアリン酸塩のモノ-およびトリグリセリドの混合物のコーティングを適用することにより予め処理され、蒸気の使用により予備発泡される。
第2の態様において、本発明は、本発明の第1の態様に従う押出しプロセスによって調製されるような発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物(粒子)に関する。
好ましくは、プロセスに関して上記に設定された、b1a)シリカ、b1b)リン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、b1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材、b2a)カーボンブラック、b1a)シリカ、b1b)リン酸カルシウム、b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、b1d)ジオポリマーおよび/またはジオポリマー複合材とb2)黒鉛との混合物に関するパラメータ、さらにはスチレンコポリマーのp-tert-ブチルスチレンとの使用は、発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物についても等しく適用できる。
好ましくは、発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物は、石油コークス、黒鉛化カーボンブラック、酸化黒鉛及びグラフェンから選択される1つまたは複数の不伝熱性添加剤をさらに含む。
第3の態様において、本発明は、発泡ビニル芳香族ポリマーフォームに関する。
本発明に従うフォームは典型的には、8~30kg/mの密度及び25~35mW/K・mの熱伝導度を有する。
出発物質としての添加剤の特性とは異なり、顆粒状物またはフォームに含まれる添加剤の特性は、決定することが非常に困難であることが知られていることに留意されたい。最初に使用された添加剤の特性を参照して、顆粒状物およびフォームにおいて添加剤を特徴付けることが当該技術分野においてより適切であると考えられることが多い。
本発明の利点は、以下の実施例から明らかになる。他に指示がない限り、百分率はすべて重量で与えられる。
さらに、本発明の説明において、「ビニル芳香族ポリマーの重量による」添加剤の量が参照されるときはいつでも、これはポリマーの重量((固体および任意には液体である)添加剤を含むが、噴射剤は除く)による添加剤の量を意味する。
本発明に従って、粉体形態の不伝熱性充填材を加えて、押出しプロセスにて、発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物を調製した(実施例1乃至15)。
実施例1
汎用ポリスチレン(Synthos PS585X(商標))を、2.5重量%の量の難燃剤(Emerald3000)、0.5重量%の量のビクミル、0.125重量%の量のIrganox(登録商標)1010、0.125重量%の量のIrgafos(登録商標)126、および0.25重量%の量のEpon(商標)164とともに共回転二軸主押出機(32D/40mm)に投入した。主押出機の溶融温度は180℃であった。
サイドアーム付き(54D/25mm)共回転二軸押出機へは、汎用ポリスチレン(Synthos PS585X(商標))を主ホッパへ、55.0m/gのBET表面を備えたR350タイプのカーボンブラック(キャボット社(Cabot Corporation)より入手)を5重量%濃度にて、エルケム社(ELKEM)から入手できる球形の非晶質二酸化ケイ素を1重量%の量にて、およびリン酸三カルシウム(イノフォス社(Innophos)からのExpandia R(登録商標))を3重量%の量にて(全てが最初に予備混合して1つの一様の混合物をなしている)、一方のサイドフィーダを介して投入した。鉱物性の不伝熱性充填材を含む40重量%の濃縮カーボンブラックを含む溶融物を主押出機に移送した。押出機内の溶融物の温度は190℃であった。
発泡剤(n-ペンタン/イソペンタン混合物、80/20%)は、二軸の副押出機からの溶融物の注入の下流において32D/40mmの主押出機に注入された。発泡剤の濃度は生成物の全質量に対する計算で5.5重量%であった。
難燃剤、ビクミル、カーボンブラック、鉱物性の不伝熱性充填材および発泡剤を含有するビニル芳香族ポリマーの溶融物は、30D/90mmの冷却押出機へと移送され、スタティックミキサー、メルトポンプ、スクリーン交換機、切換弁を通してポンプ移送され、直径0.75mmの穴を備えたダイヘッドを通して押し出され、回転ナイフによって水中造粒された。下流では、丸みを帯びた生成物である顆粒状物であって0.8~1.6mm画分が99.9%の粒度分布を備えた顆粒状物が、水を除去するために遠心分離処理され、最後に、ステアリン酸マグネシウムとモノステアリン酸グリセリン及びトリステアリン酸グリセリンとの適切な混合物によってコーティングされた。冷却押出機における溶融温度は170℃であった。
コーティングされたビーズは発泡せしめられ、発泡フォーム複合材の最終的な一般的特性すなわち以下が測定された。
-規格ISO8301による熱伝導度。
-規格EN13163による機械的性質(圧縮強さ及び曲げ強さ)。
-試験方法:EN ISO11925-2及び一層好ましくはDIN4102 B1、B2による燃焼性。
実施例2
実施例1に従う成分を使用し、さらに、15%の無水マレイン酸を含有するスチレン無水マレイン酸コポリマーを1重量%の量で共回転二軸主押出機に添加した。
実施例3
実施例2に従う成分を使用し、さらに、臭素化ビスフェノール樹脂(F 22000 HM)を1重量%の量で共回転二軸主押出機に添加した。
実施例4
実施例3に従う成分を使用したが、シリカおよびリン酸三カルシウムに代えて、3重量%の量のチタン酸カルシウムを共回転二軸副押出機中にて使用した。
実施例5
実施例4に従う成分を使用したが、チタン酸カルシウムの濃度を5重量%の量にて使用した。
実施例6
実施例1に従う成分を使用したが、カーボンブラック、シリカおよびリン酸三カルシウムに代えて6重量%の量のチタン酸カルシウムを使用した。
実施例7
実施例1に従う成分を使用したが、カーボンブラック、シリカおよびリン酸三カルシウムに代えて6重量%の量のチタン酸バリウムを使用した。難燃剤を1.5重量%の量にて、およびビクミルを0.3重量%の量にて加えた。材料は、XIRAN15170、F 2200 HM、Irganox(登録商標)1010、およびIrgafos(登録商標)126を加えずに調製した。
実施例8
実施例5に従う成分を使用したが、ポリスチレンの全量に基づいて、標準グレードの15重量%のPS 585Xに代えて、パラ-tert-ブチルスチレンコモノマー(40%の含量)によって修飾された汎用ポリスチレン(Synthos PS585X(商標))を15重量%の量にて共回転二軸副押出機に添加した(即ち、混合物の全量において6%のp-TBS)。
実施例9
実施例1に従う成分を使用した。カーボンブラックに代えて、GK社から入手した3重量%の黒鉛CR5995をシリカとともに添加した。熱酸化安定剤およびEpon(商標)を使用することなく、2重量%の量の難燃剤を使用した。
実施例10
実施例9に従う成分を投入し、黒鉛CR5995の含量を3重量%から4重量%に増大した。Sidistar(登録商標)の含量は、CR5995黒鉛に対して1:3の重量比にて維持した。
実施例11
実施例9に従う成分を投入した。黒鉛CR5995の含量を3重量%から5重量%に増大した。Sidistar(登録商標)シリカは組成物から省いた。この例は、実施例9および10(黒鉛含量がより低く、かつSidistar(登録商標)シリカを使用した実施例)に続くとき、良好なフォーム特性が得られることを示すために特に実施した。一方、実施例11では5重量%の黒鉛を使用した。
実施例12
実施例9に従う成分を投入し、そして、シリカを2重量%のチタン酸カルシウムに変更した。
実施例13
実施例6に従う成分を投入し、そして、チタン酸カルシウムを、6μmの平均粒子径を有する10重量%の純粋なジオポリマー粉体に変更した。
実施例14
実施例13に従う成分を投入し、そして、ジオポリマー粉体を、25重量%の石油コークス(コークスの種類はRanco9895)を含有する16重量%のジオポリマー複合材に変更した。ジオポリマー複合材の平均粒子径は6μmであった。
実施例15
実施例14に従う成分を投入し、そして、Ranco9895を含むジオポリマー複合材を、71.8m/gの表面積を有する20重量%のMonarch(登録商標)460ファーネス(furnace)カーボンブラックを含有する15重量%のジオポリマー複合材(平均粒子径6μm)に変更した。
Figure 0007050136000003
Figure 0007050136000004
Figure 0007050136000005
実施例16~29:マスターバッチの形態での不伝熱性充填材の添加を伴う押出しプロセスでの発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の調製
実施例16
汎用ポリスチレン(Synthos PS585X(商標))を、共回転二軸主押出機に投入した。以下の原材料を実施例1において使用した同じ主押出機で調製された50重量%の濃縮マスターバッチの形態にて投入した:Emerald3000(2.5重量%)、ビクミル(0.5重量%)、Irganox(登録商標)1010(0.125重量%)、Irgafos(登録商標)126(0.125重量%)およびEpon(商標)164(0.25重量%)、F 2200 HM(1重量%)、XIRAN(登録商標)15170(1重量%)。カーボンブラック、即ちR350(5重量%)、球形の非晶質二酸化ケイ素(1重量%)およびExpandia R(登録商標)(3重量%)は、実施例1のプロセスにおいて使用した同じ副押出機で調製された40重量%のマスターバッチの形態にて投入した。
実施例17~29
実施例16に従うプロセスを使用し、実施例2~15に従う濃度を有する成分を使用した。
マスターバッチプロセスを用いて調製された実施例16~29についての結果は、(直接)副押出しプロセスを用いて調製された実施例1~15について得られた結果と同等である。

Claims (16)

  1. 発泡性ビニル芳香族ポリマー顆粒状物の生産のための押出しプロセスにおいて、前記プロセスは、
    i)ビニル芳香族ポリマーを含む第1のポリマー成分を第1のミキサーに供給するステップと、
    ii)第1のミキサーに第1の添加剤成分a)を供給して、第1のポリマー成分および第1の添加剤成分から第1の混合物を生成するステップと、
    iii)ビニル芳香族ポリマーを含む第2のポリマー成分b)を第2のミキサーに供給するステップと、
    iv)第2のミキサーに第2の添加剤成分b)を供給して、第2のポリマー成分および第2の添加剤成分から第2の混合物を生成するステップであって、第2のミキサー内の処理条件が第1のミキサー内の処理条件より厳しく、より高いせん断力を提供することによって、第2の混合物を生成するステップと、
    v)第1の混合物と第2の混合物とを混合して第3の混合物を生成するステップと、
    vi)発泡剤c)を第3の混合物に注入して第4の混合物を生成するステップと、
    vii)第4の混合物を混合するステップと、
    viii)第4の混合物を造粒して顆粒状物を得るステップと、
    を含み、
    前記プロセスは押出しを含み、
    前記第1の添加剤成分a)は、
    a1)成核剤、
    a2)少なくとも50重量%の臭素を含有する、臭素化脂肪族、環式脂肪族、芳香族または高分子化合物である難燃剤、
    a3)共力剤、
    a4)熱酸化安定剤、
    a5)難燃熱安定剤、および
    a6)分散助剤、
    のうちの1つまたは複数を含み、
    前記第2の添加剤成分b)は
    b1)鉱物成分および
    b2)炭素質成分の
    一方または両方であり、
    前記炭素質成分b2)は、
    b2a)カーボンブラック、
    b2b)黒鉛、および
    b2c)コークス
    の1つまたは複数であり、
    前記第2のミキサーは押出機またはスタティックミキサーであり、
    第1の混合物と第2の混合物とを混合するステップは、第3の混合物を生成するために、第2の混合物を第1のミキサーに供給し、混合は第1のミキサーにて行われ、
    第2のミキサーが共回転二軸押出機であり、かつ第2のミキサーの条件が:
    100~250℃の範囲の加工温度;
    1~100バール(0.1~10MPa)の範囲の加工圧;
    100~2000rpmのスクリュ速度;および
    1/5s-1~1/100s-1のせん断速度、
    であり、
    a2)+a3)の全含有量が、ビニル芳香族ポリマー(固体および場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)の全量に対して0.1~5.0重量%の範囲である、プロセス。
  2. 第1のミキサーは押出機またはスタティックミキサーであり、好ましくは共回転二軸押出機である、請求項1に記載のプロセス。
  3. 第1のミキサーの温度は100~250℃の範囲にあり、より好ましくは150~230℃の範囲にある、請求項1または請求項2に記載のプロセス。
  4. 注入vi)は、第3の混合物中への注入であり、第3の混合物は溶融物である、請求項1~3のいずれか一項に記載のプロセス。
  5. 前記第2の添加剤成分b)は、1つまたは複数の粉体を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載のプロセス。
  6. 前記第2の添加剤成分b)はb1)鉱物成分およびb2)炭素質成分の両方から構成される請求項1~5のいずれか一項に記載のプロセス。
  7. 前記鉱物成分は、
    b1a)シリカ、
    b1b)リン酸カルシウム、
    b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物、および
    b1d)ジオポリマーおよびジオポリマー複合材のうちの少なくとも一方
    のうちの1つまたは複数から構成される、請求項1に記載のプロセス。
  8. b1a)シリカは非晶質であり、
    1~100m/g、好ましくは3~80m/g、より好ましくは5~70m/g、例えば、8~60m/g、例えば10~50m/gのような、特に、例えば約20m/gのような、13~40m/gまたは15~30m/gの範囲にあるBET表面を有し、
    3nm~1000nm、好ましくは3nm~1000nm、より好ましくは20~800nm、例えば40~400nmのような30~600nmの範囲内にある平均粒子径を有し、
    シリカは使用される場合、(固体のおよび場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて、0.01重量%~2重量%未満、好ましくは0.1~1.6重量%、より好ましくは0.5~1.5重量%、例えば約1.0重量%の量にて存在しており、
    b1b)リン酸カルシウムは0.01μm~100μm、好ましくは0.1μm~50μm、例えば0.5μm~30μmの粒子径を有し、
    リン酸カルシウムは使用される場合、(固体のおよび場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて、0.01~50重量%、好ましくは0.1~15重量%、より好ましくは0.5~10重量%の量にて存在しており、かつ
    b1c)ペロブスカイト構造を有する鉱物は、
    0.01~100m/gの範囲、好ましくは0.05~50m/gの範囲、より好ましくは0.1~15m/gの範囲のBET表面を有し、
    0.01~100μmの範囲、好ましくは0.1~50μmの範囲、より好ましくは0.5~30μmの範囲の粒子径を有し、
    ペロブスカイト構造を有する鉱物は使用される場合、(固体のおよび場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて、0.01~50重量%、好ましくは0.1~15重量%、より好ましくは0.5~10重量%の範囲にて存在している、請求項7に記載のプロセス。
  9. リン酸カルシウムは、リン酸三カルシウムである、請求項7または請求項8に記載のプロセス。
  10. 前記炭素質成分b2)は、b2a)カーボンブラックおよびb2b)黒鉛の一方または両方から構成されている、請求項1~9のいずれか一項に記載のプロセス。
  11. b2a)カーボンブラックは、
    ASTM6556に従って測定されたときに、40m/g超から250m/gまでの、好ましくは41~200m/g、特に45~150mm/g、例えば50~100m/gのBET表面を有し、
    ASTM D1619に従って測定したときに、50~20,000ppmの範囲の硫黄含有量を有し、かつ
    カーボンブラックは、(固体のおよび場合によっては液体の添加剤を含むが、噴射剤を除く)顆粒状物中のビニル芳香族ポリマーの重量に基づいて、0.1~12重量%、好ましくは0.2~12.0重量%、より好ましくは0.5~9.0重量%、例えば1.0~8.0重量%、特に、例えば約5.0重量%といった、3.0~6.0重量%のような2.0~7.0重量%の量にて存在している、請求項10に記載のプロセス。
  12. ビニル芳香族コポリマーは、スチレンおよび立体障害性スチレンコモノマー(それは好ましくはp-tert-ブチルスチレンである)から作製され、
    好ましくは、スチレンベースのコポリマーは、モノマーの総重量に基づいて、1~99重量%のp-tert-ブチルスチレンコモノマー、より好ましくは1~50重量%のp-tert-ブチルスチレンコモノマー、特に2~30重量%のp-tert-ブチルスチレンコモノマーを含む、請求項1~11のいずれか一項に記載のプロセス。
  13. 第3の混合物を生成するために混合するステップv)は、
    第1の混合物の溶融物と、
    第2のミキサーからの、好ましくは第2のミキサーから直接の、第2の混合物の溶融物と、
    からなる、請求項1~12のいずれか一項に記載のプロセス。
  14. 第3の混合物を生成するために混合するステップv)は、
    第1の混合物の溶融物と、
    第2の押出機からの第2の混合物のマスターバッチであって、好ましくは第2の混合物が第2のミキサーから排出されるときに冷却されるマスターバッチと、
    からなる、請求項1~12のいずれか一項に記載のプロセス。
  15. 第2の混合物は、最初に冷却されて、次いで再加熱され、その後、第1の混合物と混合される、請求項14に記載のプロセス。
  16. 第2のミキサーにおける厳しい処理条件は、1/10~1/80s-1、好ましくは1/20~1/60s-1の範囲のせん断速度を含む、請求項1~15のいずれか一項に記載のプロセス。
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