KR0160344B1 - 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법에 관한 것으로, 알킬아크릴레이트와 공단량체를 3단계 투입성장방법으로 공중합하여 제조한 응집제를 사용하여 고무라텍스를 효과적으로 응집하기 위한 방법을 제공하고, 응집제가 최대의 응집효과를 발휘할 수 있는 제타포텐셜(zeta-potential)에 관련된 pH의 영역을 정해주며, 본 발명에 따라 응집된 고무라텍스를 원료로 하여 제조되는 내충격성 수지를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 알킬아크릴레이트를 음이온성 계면활성제와 음이온성 개시제의 존재하에서 회분식으로 공중합하는 1단계와, 1단계의 중합물에 알킬아크릴레이트, 이온성 공단량체를 투입하여 공중합을 진행시키는 2단계와, 2단계의 중합물에 알킬아크릴레이트, 이온성공단량체와 이차개시제를 투입하여 반응을 완료시키는 3단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법

본 발명은 내충격수지의 충격보강제로 사용되는 고무라텍스의 효과적인 응집을 위한 응집제의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 내충격수지로 대표되는 ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌)수지의 제조방법은 고무라텍스를 제조하고 이 고무라텍스에 스티렌과 아크릴로니트릴 단량체를 그라프트 중합시켜 응집시킨 후 매트릭스상을 이루는 SAN(스티렌-아크릴로니트릴)과 혼련하는 공정으로 이루어진다.

ABS수지의 제조에 있어서 핵심적인 공정 중의 하나는 고무라텍스의 제조공정으로서 고무라텍스의 입자 직경이 최종제품의 내충격성을 크게 좌우한다는 사실은 이미 공지되어 있다.

폴리부타디엔 고무의 입자직경을 0.25-003㎛이상의 상업적으로 유용한 크기로 제조하기 위해서는 40시간 이상의 제조시간이 요구되어진다.

이를 개선하기 위해 부타디엔 단량체에 소량의 스티렌 또는 아크릴로니트릴 단량체를 첨가하여 반응시간을 단축하기도 하지만 이 경우 현격한 개선이 어렵고 유리전이온도(glass transition temperature)가 상승하기 때문에 최종 ABS수지의 충격강도가 저하되는 단점을 가지고 있다. 이러한 결점을 해결하기 위하여 미합중국 특허 3,509,238, 3,576,910, 4,510,287, 4,221,883에서는 소입경 폴리부타디엔 라텍스를 비교적 짧은 시간안에 제조한 후 이를 단시간내에 응집시켜 대입경고무입자로 제조하여 반응시간도 줄이고 충격강도도 향상시키는 방법을 이용하고 있다. 이러한 응집을 일으키는 방법으로서 여러 가지 방법이 사용되고 있는데, 기능성을 지닌 응집제를 이용하여 폴리부타디엔 라텍스를 응집시키는 사례가 미합중국 특허 3,049,500, 3,056,758, 3,330,795, 3,228,741, 일본특허공보 소 46-14539에 나와 있다.

대한민국 특허공고 제86-302호에는 α,β-불포화 카르복실산, 알킬아크릴레이트 및 다른 공중합성 단량체로 구성된 단량체 중에서 5 내지 90중량%의 단량체를 먼저 중합시키고 95 내지 10중량%의 잔여단량체를 연속적으로 중합시켜 0.05 내지 0.2㎛의 평균입자직경을 갖는 응집제를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 이러한 알킬아크릴계의 응집제를 사용할 때에는 아크릴레이트계 화합물의 심한 발열반응으로 인하여 반회분식의 중합방법이 쓰이게 되는데 이러한 방법의 사용시에는 반응 중 제열효과는 좋지만 균일한 핵생성이 이루어지지 않기 때문에 최종입자의 입자크기분포가 넓어지게 된다. 또한 응집제의 제조시, 불포화 카르복실산 또는 아크릴계아마이드(이하 공단량체로 칭한다)를 공중합시킬 때에는 수상에서 발생되는 이온성공단량체로 구성된 수용성 호모폴리머의 생성을 억제하여야 하는데 2단계로 나누어 공중합시킬 때 제1단계에 이온성 공단량체가 함유되어 있지 않을 경우 기존 고무라텍스와 2단계에서 반응하는 이온성 공단량체의 혼화성 차이로 인해 이온성 공단량체의 수용성 호모폴리머의 발생을 억제하기 힘들게 된다. 그리고 이온성 공단량체를 반회분식으로 균일하게 투입하는 경우 이온성 공단량체가 응집제의 표면에 존재하지 않고 입자의 중심에도 존재하는 문제점이 있다.

본 발명자는 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 예의연구한 결과, 응집제의 제조에 있어서, 적은 양의 이온성공단량체를 사용하여 최대의 응집효과를 발휘할 수 있도록 모노머의 투입을 3단계로 나누어서 행하고, 개시제의 투입도 2단계로 나누어서 행하는 경우, 같은 양의 이온성공단량체를 사용하여 보다 더 나은 응집효과를 거둘 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

즉 본 발명은 응집제의 제조에 있어서, 제1단계에서는 반응중에 사용되는 전체 알킬아크릴레이트 100중량부에 대하여 약 5-15중량부의 알킬아크릴레이트와 일차개시제를 넣어 균일한 핵생성을 유지하고, 2단계에서 소량의 이온성 공단량체를 투입함으로써 2단계와 3단계에서 중합되는 고무라텍스간의 혼화성을 향상시키며, 제3단게에서 더 많은 이온성 공단량체와 이차개시제를 투입하여 반응을 완료함으로써, 이온성공단량체가 제조되는 응집제 표면에 분포할 확률을 높여 응집효과를 상승시킴을 특징으로 한다.

이와 같은, 본 발명은 알킬아크릴레이트와 공단량체를 3단계 투입성장방법으로 공중합하여 제조한 응집제를 사용하여 고무라텍스를 효과적으로 응집하기 위한 방법을 제공함을 그 목적으로 하며, 또 다른 목적으로는 응집제가 최대의 응집효과를 발휘할 수 있는 제타포텐셜(zeta-potential)에 관련된 pH의 영역을 정해주는 것이고, 또 다른 목적으로는 본 발명에 따라 응집된 고무라텍스를 원료로 하여 제조되는 내충격성 수지를 제공하는 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 응집제는 탄소수가 1-12인 알킬아크릴레이트를 음이온성 계면활성제 및 음이온성 개시제와 함께 회분식으로 중합하여 전환율이 90% 이상이 되도록 하는 제1단계와 상기중합물에 알킬아크릴레이트와 이온성 공단량체를 일정한 투입속도의 반회분식으로 투입하는 제2단계와 상기반응물에 제2단계에서는 유속보다 더 빠른 투입속도로 알킬아크릴레이트와 이온성 공단량체 및 2차 개시제를 넣어 단시간 내에 전환율이 95%이상 되도록 중합시키는 3단계의 공정에 의해 제조된다.

이때 알킬아크릴레이트는 전체 알킬아크릴레이트 100중량부에 대하여 1단계에서는 5-15중량부가 사용되고 제2단계에서는 70-90중량부가 사용되며, 3단계에서는 5-10중량부가 사용된다.

미량의 음이온성 계면활성제는 제1단계에서 사용되며, 제2,3단계에서는 사용되지 않는다.

미량의 음이온성 개시제는 제1단계 및 제3단계에서 사용된다.

음이온성 계면활성제와 음이온성 개시제의 사용량은 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의하여 용이하게 인식될 수 있는데, 미량의 음이온성개시제의 전체 사용량은 전체 알킬아크릴레이트 100중량부에 대해서 0.3-2.0중량부이며, 이 중 제1단계에서의 사용량은 전체 사용량의 90-70중량%이며, 나머지는 제3단계에서 투입한다.

이온성 공단량체는 상기 제2단계와 제3단계에서 사용되는데, 사용되는 전체량은 상기 1단계, 2단계와 3단계에서 사용되는 전체 알킬 아크릴레이트 100중량부에 대하여 0.1-3중량부로서, 만일 이온성 공단량체의 량이 3중량부를 초과할 경우에는 효과적인 응집현상이 일어나기 힘들기 때문에 좋지 않다. 상기의 이온성 공단량체 중에서 5-20중량%는 제2단계에 사용되며 나머지 80-95중량%가 제3단계에 사용된다.

본 발명에서의 이온성 공단량체로서, 불포화 카르복실산으로는 메타크릴산, 아크릴산, 이타코닉산, 무수말레인산 등이 사용되고, 아크릴계 아마이드로는 아크릴 아마이드, 메타크릴 아마이드, 에타크릴 아마이드, n-부틸아크릴 아마이드 등이 사용된다.

본 발명의 응집제의 3단계 투입성장방법은 반회분식 공중합 방법과 유사하다.

제1단계에서는 단량체를 반응기에 넣고 약 10-30분 동안 중합시켜서 전환율이 90%정도가 되게 하는데 이것은 10% 내외의 단량체를 넣어서 일단의 시드(seed)를 만들어 일반적인 반회분식 공정에서의 입자크기분포가 넓어지는 것을 방지하고 입자크기를 균일하게 하는 공정이다.

제2단계는 알킬아크릴레이트가 중합반응시에 내는 반응열을 조절하는 단계로서 중합반응열과 외계로 방출되는 열과의 균형을 맞출 수 있는 모노머 투입속도를 결정할 수 있다. 본 응집제 제조공정에서는 알킬아크릴레이트를 100중량부로 했을 때 0.1에서 1.0중량부/분의 투입속도가 바람직하다.

제3단계에서는 응집제제조공정에 사용되는 전체 이온성 공단량체 중 절반이상이 사용되는데 이것은 이온성 공단량체가 되도록이면 라텍스 표면에 위치하여 응집효과를 높이기 위함이며 이때의 단량체의 투입속도는 본 응집제 제조공정에서의 알킬아크릴레이트를 100중량부로 했을 때 0.5에서 2중량부/분이 바람직하다.

3단계 투입과정을 더 구체적으로 설명하면, 제1단계에서 환류냉각 장치가 부착된 5L반응기에 알킬아크릴레이트 단량체, 계면활성제, 물과 소디움바이카보네이트(NaHCO₃)를 넣고 교반속도는 300rpm으로 하며, 반응온도가 70℃에 이르면 개시제 수용액을 넣는다. 개시반응에 의해 올라간 반응온도가 떨어질 때쯤에 제2단계로서 두 번째 단량체 혼합물을 반회분식으로 투입한다. 두 번째 단량체 혼합물이 다 투입된 후에 세 번째 단량체 혼합물과 두 번째 개시제 수용액을 투입하여 반응을 완료시킨다. 이렇게 제조된 응집제의 평균입자 직경은 0.05-0.2㎛인 경우가 바람직하다.

상기의 제조방법에 따라 제조된 응집제를 고무라텍스에 혼합하여 고무라텍스를 응집하는데, 고무라텍스 100중량부에 대해 0.1-5중량부의 응집제를 부가하여 응집시킨다.

본 발명의 응집제를 사용하여 고무라텍스를 응집시키는 경우에 그 응집효과는 응집제의 표면전하에 영향을 받을 수 있다. 이러한 응집제의 표면전하밀도는 제타포텐셜로 정량화할 수 있으며 이것은 응집제의 pH에 따라 변화한다. 본 발명에서는 pH7-10에서 우수한 응집효과를 나타낸다.

상기방법에 따라 응집된 고무라텍스는 0.25 내지 1.0㎛의 평균입자 직경을 갖는 것이 바람직하다.

상기 방법에 따라 응집된 고무라텍스를 원료로 하여 내충격성을 가지는 ABS수지를 제조하게 된다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 설명하면 다음과 같으며, 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 예시에 불과한 것으로 본 발명의 보호범위를 제한하거나 한정하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

반응기에 이온교환수 400g, Aerosol 501 2.4g, 부틸아크릴레이트 20g을 넣고 교반속도를 300rpm으로 하여 온도를 상승시켰다. 온도가 70℃에 이르렀을 때 이온교환수 20g에 1g의 포타슘퍼설페이트를 녹여 투입하였다. 개시반응에 의해 올라간 반응온도가 떨어질 때쯤에 제2단계로서 부틸아크릴레이트 160g과 0.2g의 메타크릴산을 반회분식으로 투입하였다. 두 번째 단량체 혼합물이 다 투입된 후에 제3단계로 부틸아크릴레이트 20g, 메타크릴산 1.8g, 이온교환수 10g에 포타슘퍼설페이트 0.2g으로 만든 두 번째 개시제 수용액을 투입하여 반응을 완료시켰다. 이렇게 제조된 응집제의 평균입자 직경은 0.13㎛였고 전환율은 97.0%였다. 실시예 1에서 사용된 전체 메타크릴산은 전체 사용된 부틸아크릴레이트 100중량부에 대하여 1중량부였다.

[실시예 2]

메타크릴산의 양을 2단계에서 1g으로 하고 3단계에서 1g으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 응집제를 제조하였다.

[실시예 3]

메타크릴산의 양을 2단계에서 1.8g으로 하고 3단계에서 0.2g으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 응집제를 제조하였다.

[실시예 4]

메타크릴산의 전체양을 1g으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 응집제를 제조하였다. 즉 메타크릴산을 2단계에서 0.1g으로 하고, 제3단계에서 0.9g을 투입하였다.

[비교예 1]

300g의 부틸아크릴레이트, 3g의 메타크릴산, Aerosol 501 2.4g, 포타슘퍼설페이트 1.2g 및 400g의 이온교환수를 부가하여 종래의 회분식 중합방법에 따라 응집제를 제조하였다. 이 제조방법은 초기에 단량체를 투입한 방법이다.

[비교예 2]

35g의 부틸아크릴레이트, Aerosol 501 2.4g, 포타슘퍼설페이트 0.2g 및 200g의 이온교환수를 부가하여 1시간동안 중합시킨 후 부틸아크릴레이트 65g, 메타크릴산 1g, 포타슘퍼설페이트 1.0g을 1시간에 걸쳐서 부가하여 응집제를 제조하였다. 이 제조방법은 2차에 걸쳐 단량체를 투입한 방법이다.

[비교예 3]

부틸아크릴레이트를 1차에 10g을 사용하고 두 번째 단계에서 90g을 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 응집제를 제조하였다.

상기의 제조방법에 따라 제조된 응집제를 평균입경이 0.08㎛인 고무라텍스에 혼합하여 고무라텍스를 응집하였는데, 고무라텍스 100중량부에 대해 3중량부의 응집제를 부가하여 응집시켰다.

* 응집반응 및 측정 데이타

표 1은 응집에 합성방법을 달리하여 제조한 응집제를 사용하여 응집한 결과에 대한 표이다.

표 1에서 보는 바와 같이 일반적인 회분식방법 보다는 이온성 공단량체를 2단계로 나누어 반회분식으로 투입하는 방법이 응집효과가 컸으며, 반회분식 방법에서도 이온성 공단량체의 대부분을 투입말기에 넣은 방법으로 제조된 응집제의 응집효과가 컸다.

표 2는 응집제의 pH의 변화에 따른 제타포텐셜의 변화와 응집된 입자크기의 변화이다. 사용된 응집제는 실시예 4에 의하여 제조된 응집제이며 pH조절은 0.1N의 수산화나트륨 수용액을 사용하였다. 표 2에서 보는 바와 같이 응집제의 제타포텐셜은 pH의 변화에 따라 변화하며, pH7-10에서 제타포텐셜이 -50㎷이상 나왔는데, 이것은 응집효과가 가장 잘 나타날 수 있는 영역이며, 제일 큰 제타포텐셜을 낸 pH8부분에서 응집된 입자의 크기가 가장 컸다.

이와 같이 본 발명은 알킬아크릴레이트와 이온성 단량체를 3단계 반회분식 투입성장방법으로 공중합하여 제조한 응집제를 사용하여 고무라텍스를 응집하기 위한 것으로, 응집제의 pH에 따른 제타포텐셜에 따라 응집되는 고무라텍스의 입자크기를 조절할 수 있는 발명의 효과를 갖는다.

Claims (7)

1. 알킬아크릴레이트를 음이온성 계면활성제와 음이온성 개시제의 존재하에 회분식으로 공중합하는 제1단계와, 제1단계의 중합물에 알킬아크릴레이트, 이온성 공단량체를 투입하여 공중합시키는 제2단계와, 제2단계의 중합물에 알킬아크릴레이트, 이온성 공단량체와 음이온성 2차개시제를 투입하여 반응을 완료시키는 제3단계로 구성되되, 반응에 사용되는 전체 알킬아크릴레이트 100중량부에 대하여 제1, 2, 3단계에서 투입되는 알킬아크릴레이트의 양이 각각 5-15중량, 70-90 중량부이고, 5-10중량부인 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 제2단계에 투입되는 이온성 공단량체의 양이 반응에 사용되는 전체 이온성 공단량체 100중량부에 대하여 5-20중량부인 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 제1단계에 투입되는 음이온성 개시제의 양은 전체 개시제 사용량의 90-70중량%인 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 제1단계의 전환율이 90% 이상이 된 상태에서 제2단계를 행하는 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 투입되는 전체 이온성 공단량체의 양이 반응에 사용되는 전체 알킬아크릴레이트 100중량부에 대하여 0.1-3중량부인 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 제3단계에 투입되는 이차개시제를 3단계에서 투입되는 단량체 혼합물과 동시에 투입하여 반응을 완료시키는 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 제조방법.
7. 제1항의 기재된 제조방법으로 제조된 응집제의 pH를 7-10으로 조절하여 사용하는 것을 특징으로 하는 고무라텍스 응집을 위한 응집제의 사용방법.