JPWO2016047490A1 - 発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子、予備発泡粒子、発泡成形体、及び消失模型 - Google Patents

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Abstract

本発明は、着火した際の煤煙が発生しづらいメタクリル酸メチル系発泡成形体において、高倍率に発泡可能であり、変形に対して破断しづらい発泡成形体を提供することを課題とする。発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子であって、メタクリル酸メチル90重量%以上98重量%以下とアクリル酸のC2-8アルキルエステル2重量%以上10重量%以下からなるアクリル系モノマー100重量部と、二官能性単量体0.05重量部以上0.15重量部以下を重合してなる発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子により達成できる。

Description

本発明は、難燃性及び耐熱性に優れ、揮発性有機化合物の含有量が少ない発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子、予備発泡粒子、発泡成形体、及び消失模型に関する。
金属鋳造を行う際、発泡成形体で作製された模型を鋳造砂に埋没し、そこに溶融金属を流し込んで置換することで鋳物を鋳造する消失模型鋳造法(フルモールド法)が知られている。一般的にフルモールド法では発泡成形体の燃え残りである残渣が鋳物の欠陥につながるため、鋳造時の残渣低減が試みられている。
例えば、特許文献1ではスチレン系発泡成形体をフルモールド法に使用する例が提案されている。スチレン系発泡成形体は煤煙による残渣が発生しやすいため、この文献においては金属珪素を溶融混練したスチレン系種粒子を使用する方法により残渣低減を試みている。しかし、多量の金属珪素を使用する必要があるためコストや品質面で満足のいくものではなかった。
一方、メタクリル酸メチル系発泡体は残渣が生じにくいことが知られており、特許文献2、3、4では、フルモールド法に適したメタクリル酸メチル系発泡体が紹介されている。メタクリル酸メチル系発泡体は、樹脂の溶融時の粘度が水蒸気による発泡に向いておらず、高倍率への発泡が難しく、成形時の内部融着が得ずらい。特許文献2ではスチレン系単量体とメタクリル酸メチル単量体との共重合により、発泡性、成形性を改善しているが、スチレン系単量体を使用しているため、残渣低減が十分とはいえなかった。特許文献3、4ではメタクリル酸メチル単量体とアクリル酸メチル単量体の共重合を行うことにより発泡挙動の改善を試みている。しかしながら、これらの成形体は樹脂の変形に対して破断しやすいため、切削作業や鋳造作業時に割れやすいという問題があった。
また、特許文献5において焼却処分に適した架橋メタクリル系発泡体が紹介されている。ただし、燃焼特性の調整のために高度に架橋されていることから、消失模型に適した倍率領域まで発泡することができなかった。
さらに、特許文献6において、メタクリル酸メチル単量体とメタクリル酸イソブチルの共重合による樹脂粒子及びその発泡成形体が紹介されている。しかしながら、強度の点で不十分な場合があった。
特開2008−73720号公報 特開2007−314774号公報 特開2001−233986号公報 特開2006−241256号公報 特開平11−269300号 特開2001−123001号公報
以上のような状況に鑑み、本発明は、着火した際の煤煙が発生しづらいメタクリル酸メチル系発泡成形体において、高倍率に発泡可能であり、変形に対して破断しづらい発泡成形体を提供することを課題とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、本発明の完成に至った。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
本発明の第1は、発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子であって、メタクリル酸メチル90重量%以上98重量%以下とアクリル酸のC2-8アルキルエステル2重量%以上10重量%以下からなるアクリル系モノマー100重量部と、二官能性単量体0.05重量部以上0.15重量部以下を重合してなることを特徴とする発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子に関する。前記アクリル酸のC2-8アルキルエステルは、アクリル酸ブチルであることが好ましい。
本発明の第2はゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算重量平均分子量が30万以上35万以下であることを特徴とする第1の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子に関する。
本発明の第3は沸点50℃以上の溶剤成分を1.5重量%以上3.0重量%以下含有することを特徴とする第1または第2の発明に記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子に関する。
本発明の第4は二官能性単量体を0.08重量%以上0.12重量%含むことを特徴とする第1〜第3のいずれかの発明に記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子に関する。
本発明の第5は沸点50℃以上の溶剤成分2.2重量%以上3.5重量%以下を重合工程から発泡剤含浸工程の間に添加してなることを特徴とする第1〜4のいずれかの発明に記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子関する。
本発明の第6は第1〜第5のいずれかに記載の発明の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を予備発泡させてなるメタクリル酸メチル系予備発泡粒子に関する。
本発明の第7は第6の発明に記載のメタクリル酸メチル系予備発泡粒子を成形してなる発泡成形体に関する。
本発明の第8は曲げ試験における破断点変位が20mm以上であることを特徴とする第7の発明に記載の発泡成形体に関する。
本発明の第9は第7または第8の発明に記載の発泡成形体からなることを特徴とする消失模型に関する。
本発明によれば、着火した際の煤煙が発生しづらいメタクリル酸メチル系発泡成形体において、高倍率に発泡可能であり、変形に対して破断しづらい発泡成形体を提供できる。さらに、金属鋳造の際に使用する消失模型や建築構造物への使用に適したメタクリル酸メチル系樹脂発泡体を提供できる。
本発明の発泡性樹脂粒子は、メタクリル酸メチル90重量%以上98重量%以下とアクリル酸と、アクリル酸のC2-8アルキルエステル2重量%以上10重量%以下からなるアクリル系モノマー100重量部と、二官能性単量体0.05重量部以上0.15重量部以下を重合してなることを特徴とする。
メタクリル酸メチル単量体とアクリル酸C2-8アルキルエステル単量体の比率は、これらの合計を100重量%とした時、メタクリル酸メチル92重量%以上97重量%以下とアクリル酸C2-8アルキルエステル3重量%以上8重量%以下が好ましく、より好ましくはメタクリル酸メチル93重量%以上96重量%以下とアクリル酸C2-8アルキルエステル4重量%以上7重量%以下である。メタクリル酸メチル単量体成分比率が多いと、発泡性、成形性に劣る傾向があり、表面が美麗な発泡成形体を得づらく、アクリル酸C2-8アルキルエステル単量体成分が多すぎると発泡成形体が収縮しやすい傾向にある。
前記アクリル酸C2-8アルキルエステルのアルキル部分の炭素数は、3〜7が好ましく、より好ましくは3〜5、特に好ましくは4である。アクリル酸アルキルエステルとしては、具体的には、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、アクリル酸ペンチル、アクリル酸ヘキシル、アクリル酸ヘプチル、アクリル酸オクチル、アクリル酸2−エチルヘキシル等が挙げられる。
発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子は、メタクリル酸メチルとアクリル酸C2-8アルキルエステルからなるアクリル系モノマーに加えて、このアクリル系モノマーと共重合可能な他のモノマーを、本発明を阻害しない範囲で含んでいてもよい。微量であれば、スチレン系モノマーを含むことも可能であり、また他の(メタ)アクリル系モノマーを含んでいてもよい。他の(メタ)アクリル系モノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸等の(メタ)アクリル酸;アクリル酸メチル;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、メタクリル酸ペンチル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸2−エチルヘキシル等のメタクリル酸C2-8アルキルエステル等が挙げられる。
他のモノマーは、メタクリル酸メチルとアクリル酸C2-8アルキルエステルの合計100重量部に対して、10重量部以下が好ましく、より好ましくは5重量部以下、さらに好ましくは1重量部以下であり、0重量部であってもよい。
メタクリル酸メチル単量体とアクリル酸C2-8アルキルエステル単量体の合計を100重量部とした場合、燃焼時の残渣低減と分子量の調整のために多官能性単量体、好ましくは二官能性単量体を使用する必要がある。多官能性単量体、特に二官能性単量体としては、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等のエチレングリコールまたはそのオリゴマーの両末端水酸基をアクリル酸またはメタクリル酸でエステル化したもの、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ブタンジオールジ(メタ)アクリレート等の2価のアルコール(特に、アルカンジオール)の水酸基をアクリル酸またはメタクリル酸(特に、アクリル酸)でエステル化したもの、ジビニルベンゼン等のアルケニル基を2個有するアリール化合物等があげられる。
多官能性単量体(好ましくは二官能性単量体)は分子量調整のしやすさから炭素数4〜6のアルカンジオールの水酸基をアクリル酸またはメタクリル酸でエステル化したアルカンジオールジ(メタ)アクリレートが好ましく、ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレートが好ましい。使用量はメタクリル酸メチル単量体とアクリル酸C2-8アルキルエステル単量体の合計100重量部に対して0.05重量部以上0.15重量部以下である必要があり、0.08重量部以上0.13重量部がより好ましい。多官能性単量体(好ましくは二官能性単量体)の量が少ないと残渣が残りやすい上に強度に劣る傾向にあり、多官能性単量体(好ましくは二官能性単量体)の量が多いと発泡性、成形性に劣る傾向にある。
本発明の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子はゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算重量平均分子量が、30万以上38万以下であることが好ましく、30万以上35万以下であることがより好ましい。重量平均分子量が低いと鋳造時の残渣が残りやすく、高いと表面性のよい成形体が得られづらい。
本発明の発泡性樹脂粒子を製造する方法としては水性懸濁液中で重合を行う懸濁重合が挙げられる。
本発明における「水性懸濁液」とは、攪拌等を用いて、樹脂粒子および単量体液滴を、水または水溶液に分散させた状態を指し、水中には水溶性の界面活性剤や単量体が溶解していても良く、また、水に不溶の分散剤、開始剤、連鎖移動剤、架橋剤、気泡調整剤、難燃剤、可塑剤等が共に分散していても良い。
樹脂と水の重量比は、得られるメタクリル酸系樹脂/水の比として、1.0/0.6〜1.0/3.0が好ましい。
懸濁重合に使用できる分散剤としては、例えば、第三リン酸カルシウム、ピロリン酸マグネシウム、ハイドロキシアパタイト、カオリンなどの難水溶性無機塩、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドンなどの水溶性高分子などが挙げられ、難水溶性無機塩を使用する場合には、α―オレフィンスルホン酸ソーダ、ドデシルベンゼンスルホン酸ソーダなどのアニオン系界面活性剤を併用することが効果的である。これらの分散剤は必要に応じて重合の途中で追加しても良い。
分散剤の使用量は、種類によるが難水溶性無機塩としては水100重量部に対して0.03重量部以上0.35重量部以下が好ましい。アニオン系界面活性剤や水溶性高分子としては30ppm以上100ppm以下が好ましい。
本発明の懸濁重合は一段階目の重合を行い主要な反応を行った後、一段階目よりも高温で二段階目の重合反応で残存モノマーを低減させることが好ましい。
重合に用いられる重合開始剤としては、一般に熱可塑性重合体の製造に用いられるラジカル発生型重合開始剤を用いることができ、代表的なものとしては、例えば、過酸化ベンゾイル、ラウロイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシベンゾエート、イソプロピル−t−ブチルパーオキシカーボネート、過安息香酸ブチル、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーピバレート、t−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、ジ−t−ブチルパーオキシヘキサハイドロテレフタレート、1,1−ジ(t−ブチルパーオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(t−アミルパーオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、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などの有機過酸化物や、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスジメチルバレロニトリルなどのアゾ化合物が挙げられる。これらの重合開始剤は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても良い。中でも、有機過酸化物が好ましい。
重合開始剤の使用量は一段目と二段目を合計して、例えば単量体100重量部に対して0.1重量部以上0.5重量部以下が好ましい。
また本発明における重合においては、連鎖移動剤としてメタクリル酸メチルの重合に用いられる周知のものを使用するのが好ましい。例えば、n−ドデシルメルカプタン等のアルキルメルカプタン類、チオグリコール酸エステル類等の単官能連鎖移動剤、エチレングリコール、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン、ソルビトール等の多価アルコール水酸基をチオグリコール酸または3−メルカプトプロピオン酸でエステル化した多官能性連鎖移動剤があげられる。
発泡剤としては、例えば、プロパン、イソブタン、ノルマルブタン、イソペンタン、ノルマルペンタン、ネオペンタン等の炭素数3以上5以下(特に炭素数4)の炭化水素である脂肪族炭化水素類、例えば、ジフルオロエタン、テトラフルオロエタン等のオゾン破壊係数がゼロであるハイドロフルオロカーボン類等の揮発性発泡剤があげられる。これらの発泡剤は併用しても何ら差し支えない。また、使用量としては、発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子100重量部に対して、好ましくは5重量部以上12重量部以下、さらに好ましくは7重量部以上10重量部以下である。発泡剤の量が少ないと発泡倍率を得ることが難しく、発泡剤の量が多いと発泡剤含浸工程で樹脂の凝集が生じやすくなる。
本発明において使用する添加剤としては、目的に応じて溶剤、可塑剤、気泡調整剤等が使用できる。溶剤としては沸点50℃以上のものがあげられ、トルエン等のC6以上の芳香族炭化水素、へキサン、ヘプタン等のC6以上の脂肪族炭化水素(特に鎖状炭化水素)、シクロヘキサン、シクロオクタン等のC6以上の脂環族炭化水素、などが挙げられる。この中でトルエン、シクロヘキサン等の芳香族炭化水素又は脂環族炭化水素が発泡性を得る上で好ましい。溶剤の沸点は、50℃以上160℃以下であることが好ましく、75℃以上120℃以下であることがより好ましい。溶剤は、発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子中、1.1重量%以上3.3重量%以下含まれることが好ましく、1.5重量%以上3.0重量%以下含まれることがより好ましい。1.5重量%以下であると十分な発泡力を得ることができず、3.0重量%以上だと成形時に成形体表面に膨れが生じやすく、寸法安定性に劣る。
本発明の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子に沸点50℃以上の溶剤成分を前記の量含有させるには、メタクリル酸メチル、アクリル酸C2-8アルキルエステル、及び二官能性単量体の合計100重量部に対して、好ましくは1.8重量部以上3.8重量部以下、より好ましくは2.2重量部以上3.5重量部以下を重合工程から発泡剤含浸工程の間に添加することが好ましい。
可塑剤としては、沸点200℃以上の高沸点可塑剤が挙げられ、例えば、ステアリン酸トリグリセライド、パルミチン酸トリグリセライド、ラウリン酸トリグリセライド、ステアリン酸ジグリセライド、ステアリン酸モノグリセライド等の脂肪酸グリセライド、ヤシ油、パーム油、パーム核油等の植物油、ジオクチルアジペート、ジブチルセバケート等の脂肪族エステル、流動パラフィン、シクロヘキサン等の有機炭化水素等があげられる。気泡調整剤としては、例えば、メチレンビスステアリン酸アマイド、エチレンビスステアリン酸アマイド等の脂肪族ビスアマイド、ポリエチレンワックス等が挙げられる。
得られた発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子は、一般的な予備発泡方法によって、予備発泡粒子とすることができる。具体的には攪拌機を具備した容器内に入れ水蒸気等の熱源により加熱することで、所望の発泡倍率までに予備発泡を行う。予備発泡倍率は、例えば、30〜70倍であることが好ましく、40〜65倍であることがより好ましい。
予備発泡する際の温度は、102〜105℃が好ましい。
更にメタクリル酸メチル系予備発泡粒子は、一般的な型内成形方法によって成形し、発泡成形体にすることができる。具体的には、閉鎖し得るが密閉しえない金型内に充填し、水蒸気により加熱融着することでメタクリル酸メチル系発泡成形体とする。
成形体の密度は、14.3〜33.3kg/m3が好ましい。
本発明のメタクリル酸メチル系発泡成形体は発泡倍率55倍に予備発泡し、成形した場合の曲げ強度測定時の破断変位が20mm以上であることが、作業時に割れにくく好ましい。
本願は、2014年9月22日に出願された日本国特許出願第2014−192421号に基づく優先権の利益を主張するものである。2014年9月22日に出願された日本国特許出願第2014−192421号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。
以下に実施例、及び比較例を挙げるが、本発明はこれによって限定されるものではない。
(発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子中の溶剤量の測定)
発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子0.25gを塩化メチレン20cc(内部標準シクロペンタノール)に溶解し、ガスクロマトグラフィー(島津製作所製 GC−14B、カラム:3m、充填剤:PEG−20M 25%、カラム温度:110℃、キャリアガス:ヘリウム)を用いて、発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子中に含まれるトルエン量、シクロヘキサン量を検量線から定量した。
(重量平均分子量測定)
発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子0.02gをテトラヒドロフラン20ccに溶解し、GPC(東ソー(株)製HLC−8020、カラム:TSKgel Super HZM−H、カラム温度:40℃、流速:0.35mL/1min.)にて測定した。重量平均分子量は標準ポリスチレンの換算値として求めた。
(予備発泡粒子の製造)
発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を篩い分けして粒子径0.5〜1.4mmの発泡性樹脂粒子を分取した。
分取した発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を、加圧式予備発泡機「大開工業製、BHP」を用いて、吹き込み蒸気圧0.09〜0.10MPaの条件で嵩倍率55倍への予備発泡をし、その後、常温下で1日放置して嵩倍率55倍の予備発泡粒子を得た。
(発泡成形体の製造)
得られたメタクリル酸メチル系予備発泡粒子を、成形機「ダイセン製、KR−57」を用いて吹き込み蒸気圧0.05MPaで型内成形を行うことで、厚み150mmで長さ400mm×幅350mmの平板状の発泡成形体を得た。
(成形体の表面性)
発泡成形体の表面の状態を目視観察にて評価した。数値が大きいほうが粒子同士の隙間が少ない美麗な表面状態であり、5点満点で表現した3以上を合格とした。
5:隙間が見当たらない
4:部分的に隙間があるが、ほとんどわからない
3:ところどころ隙間があるが、全体としては許容できる
2:隙間が目立つ
1:隙間が多い
(曲げ試験破断点変位)
得られた予備発泡粒子を、成形機「ダイセン製、KR−57」を用いて吹き込み蒸気圧0.05MPaで型内成形を行うことで厚み20mm、長さ400mm、幅350mmの平板状の発泡成形体を得た。そこから幅75mm、長さ350mm、厚み20mmの試験片を切り出し、JIS A 9511に準拠して曲げ試験を実施した。
成形体が破断した時点の変位を読み取り、4回測定した平均値を破断点変位とした。
(実施例1)
撹拌機付き6Lオートクレーブに水150重量部、第3リン酸カルシウム0.105重量部、α−オレインスルフォン酸ソーダ0.0075重量部、及び、ラウロイルパーオキサイド0.08重量部、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン0.1重量部、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート0.1重量部(メタクリル酸メチル系単量体に対して0.09ビニル基mol%)、n−ドデシルメルカプタン0.24重量部を仕込んだ後、メタクリル酸メチル96.5重量部、アクリル酸ブチル3.5重量部、トルエン1重量部を仕込み、80℃で約4時間20分重合を行った。その後、シクロヘキサン1.5重量部、ノルマルリッチブタン(ノルマル/イソ=70/30)9部を仕込んだ後、102℃に昇温して10時間重合を行い、冷却後、洗浄・脱水・乾燥することにより発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を得た。
得られた発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を篩い分けして粒子径0.5〜1.4mmの発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を採取し、重量平均分子量、樹脂中の溶剤量の測定を実施した。予備発泡し嵩倍率55倍の予備発泡粒子を得た。得られた予備発泡粒子を室温で1日養生させた後、ダイセンKR−57成形機を用いて300×450×150(t)mmサイズの金型にて発泡成形品を得、成形体の表面性を評価した。同様に300×450×20mm(t)サイズの金型にて成形体を得、曲げ試験時の破断点変位を評価した。
(実施例2〜8、比較例1〜6)
表1に示すように、単量体成分と二官能性単量体量、溶剤量を変化させた以外は実施例1と同様に発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子、予備発泡粒子、発泡成形体を得、同様に評価した。
評価結果は表1に示した。
Figure 2016047490

Claims (10)

  1. 発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子であって、メタクリル酸メチル90重量%以上98重量%以下と、アクリル酸のC2-8アルキルエステル2重量%以上10重量%以下とからなるアクリル系モノマー100重量部と、多官能性単量体0.05重量部以上0.15重量部以下の重合体であることを特徴とする発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子。
  2. 前記アクリル酸アルキルエステルがアクリル酸ブチルである請求項1記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子。
  3. ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算重量平均分子量が30万以上35万以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子。
  4. 沸点50℃以上の溶剤成分を1.5重量%以上3.0重量%以下含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子。
  5. 二官能性単量体を0.08重量%以上0.12重量%含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子。
  6. 沸点50℃以上の溶剤成分2.2重量%以上3.5重量%以下を重合工程から発泡剤含浸工程の間に添加してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子。
  7. 請求項1〜6のいずれかに記載の発泡性メタクリル酸メチル系樹脂粒子を予備発泡させてなるメタクリル酸メチル系予備発泡粒子。
  8. 請求項7記載のメタクリル酸メチル系予備発泡粒子を成形してなる発泡成形体。
  9. 曲げ試験における破断点変位が20mm以上であることを特徴とする請求項8記載の発泡成形体。
  10. 請求項8又は9に記載の発泡成形体からなることを特徴とする消失模型。
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