KR100372803B1 - 발포 효율이 우수한 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포성 폴리스티렌계 수지를 제조함에 있어서 화학구조상 입체방해(steric hindrance)가 큰 고분자 화합물을 보조발포제로 사용하여 부탄이나 펜탄과 같은 저비점 발포제를 3∼5 중량%로 비교적 낮은 함량으로 제한하면서도 발포율은 최대 90 배 정도로 통상의 제품에 적용 가능한 발포제 효율이 우수한 폴리스티렌수지 입자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용하는 보조발포제는 신규의 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물로서 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 혹은 알킬메타크릴레이트 중합체가 바람직하다. 상기 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물은 투입되는 스티렌 단량체에 대하여 5∼10 중량%의 양으로 첨가된다.

Description

발포 효율이 우수한 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법 {Method of Preparing Polystyrene Beads with High Degree of Expansion}

발명의 분야

본 발명은 발포제 함량이 통상적인 수준보다 매우 적으면서도 발포 효율이 높은 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 대기 환경 오염문제로 인해 사용량이 제한되고 있는 추세인 저비점의 펜탄, 부탄 등과 같은 발포제 함량이 3∼5 중량%로 매우 적으면서도 최대 발포성은 90 배 이상으로 통상의 성형품을 제조하는데 문제가 없는 발포제 효율이 우수한 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법에 관한 것이다.

발명의 배경

본 발명에 의해 제조된 발포성 폴리스티렌 수지 입자는 통상적인 발포성 폴리스티렌 수지 입자와는 달리 발포제 함량이 매우 낮아서 환경 오염을 적게 시키는 환경친화적 제품이며 매우 적은 발포제를 포함하고 있음에도 불구하고 최대 발포배율이 90 배 이상으로 제품 적용성이 종래의 발포성 폴리스티렌수지와 크게 다르지 않아 기존의 발포성 폴리스티렌 수지를 대체할 수 있다. 특히 점차 환경에 관련된 관심도와 규제가 심해지는 추세로 볼 때 적용범위의 확대가 기대되며 실제 미국 등과 같은 지역에서는 발포 및 성형공정중 대기로 방출되는 펜탄의 함량을 법령으로 규제하고 있는 실정임으로 발포성 폴리스티렌 수지 제조업체를 중심으로 기존의 고함량 펜탄를 함유한 발포성 폴리스티렌수지를 대체하고자 노력하고 있으며 또한 상업화되어 있는 제품도 판매되고 있다.

본 발명과 관련된 미국특허 제5,112,875호 및 제5,110,524호에서는 저발포제 고발포성 폴리스티렌 수지 제조를 위하여 특수한 쇄전환제(Chain Transfer Agent)의 사용을 제시하고 있으며 이러한 신규물질 사용을 통한 분자량 분포 최적화를 획득함으로써 저함량 발포제로서도 원하는 발포성을 획득하였고 이를 통한 신규의 저발포제 고발포성 폴리스티렌 수지 입자의 제조의 예를 제시하고 있다.

본 발명에서는 신규의 화학구조상 입체방해(steric hindrance)가 큰 고분자 화합물을 발포보조제로 사용하여 발포제 함량이 3∼5 중량%로 매우 적으면서도 최대 발포율이 90 배 이상인 발포성 폴리스티렌 수지 입자의 신규한 제조방법을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 화학구조상 입체방해(steric hindrance)가 큰 고분자 화합물을 발포보조제로 사용하여 발포제 함량이 3∼5 중량%로 매우 적으면서도 최대 발포율이 90 배 이상인 발포성 폴리스티렌 수지 입자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 모두 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명은 발포성 폴리스티렌 수지를 제조함에 있어서 화학구조상 입체방해(steric hindrance)가 큰 고분자 화합물을 보조발포제로 사용하여 부탄이나 펜탄과 같은 저비점 발포제를 3∼5 중량%로 비교적 낮은 함량으로 제한하면서도 발포율은 최대 90 배 정도로 통상의 제품에 적용 가능한 발포제 효율이 우수한 폴리스티렌수지 입자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용하는 보조발포제는 신규의 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물로서 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 혹은 알킬메타크릴레이트 중합체가 바람직하다. 상기 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물은 투입되는 스티렌 단량체에 대하여 5∼10 중량%의 양으로 첨가된다. 이하 본 발명의 내용을 상세히 기술하면 다음과 같다.

본 발명은 일차적으로 3∼5 중량% 이하의 저함량 발포제를 함유하면서도 최대발포율이 90 배 정도에 이르는 발포성 폴리스티렌 수지를 그 특징으로 하고 있다. 이를 위하여 본 발명에서는 폴리스티렌 비드에 발포제를 함침시켜 발포성 폴리스티렌을 제조하는 경우, 신규의 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물을 발포보조제로 사용하는데, 폴리스티렌 개시제를 함유한 폴리스티렌 모노머에 신규의 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물을 용해시킨 후 수성매체 존재하에 중합시킨 다음 저함량의 발포제를 함침하고 탈수, 건조, 선별 등의 과정을 거쳐 얻어진 발포성 폴리스티렌 비드 표면에 통상의 코팅제를 도포함으로써 발포제 효율이 우수한 발포성 폴리스티렌 비드를 얻는다.

본 발명에 있어서 사용하는 신규의 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물은 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 혹은 알킬메타크릴레이트와 같은 중합체가 사용된다. 이런 물질들은 폴리스티렌과는 달리 화학구조상 입체방해가 크기 때문에 이로 인해 펜탄, 부탄 등의 발포제의 발포력을 높이는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 폴리스티렌과 분자구조가 비슷하면서도 입체방해가 큰 알파메칠폴리스티렌을 사용한 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체가 좋으며 통상의 상업화된 고분자를 사용할 수 있다. 즉, 본 공중합체 내의 알파메칠폴리스티렌 함량이 70 내지 80 중량% 사이의 어느 것을 사용하더라도 무방하며 분자량 역시 상업화된 5만 내지 20만 사이의 것이면 가능하다.

본 발명에 사용되는 화학구조상 입체방해가 큰 고분자 화합물의 투입량은 폴리스티렌 모노마에 대해 5∼10 중량%가 적당한데 5 중량%보다 적으면 그 효과가 적으며 10 중량%보다 많으면 수득된 폴리스티렌 수지의 내열성이 높아져 오히려 일정 온도의 스팀 조건에서는 발포성이 떨어지는 현상이 발생될 수 있으므로 좋지 않다.

입체방해가 큰 고분자 화합물 대신에 입체방해가 큰 모노마를 중합에 첨가하여 공중합시켜도 무방하지만, 이럴 경우 제2의 개시제를 따로 첨가하고 중합시 분산에 영향을 주어 입자크기 분포가 넓어지는 등 제조 방법상 어려운 점과 유효 입자 수득율이 적은 단점이 있음으로 좋지 않다.

본 발명에서는 발포 효율이 우수한 폴리스티렌 수지 입자를 다음과 같이 제조한다. 먼저 교반기가 달린 용기에 스티렌 단량체를 넣고 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체를 일정량 넣고 상온에서 용해시킨다. 여기에 폴리스티렌에 적합한 개시제를 넣어 일정 시간 교반한다. 다음 내압 반응용기에 물을 넣고 분산제를 가한 다음 잘 교반하여 수성 현탁액을 만들고 여기에 미리 준비한 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체와 개시제를 포함한 모노머를 가하고 교반을 계속하면서 일정온도로 승온하여 중합을 진행시킨다. 70%의 중합율이 되면 일반적인 발포성 폴리스티렌 수지보다 적은 소정량의 휘발성 발포제를 압입한 후 반응용기 내부온도를 상승시켜 소정시간 함침시킨 후 반응용기 내부를 냉각시켜 휘발성 발포제가 함침된 발포성 폴리스티렌 비드를 제조한다. 그 다음 탈수기를 이용하여 물을 탈수시키고 40℃ 이하에서 건조시킨 후 선별기로 선별하여 일정 범위의 크기와 분포를 가진 폴리스티렌 비드를 수득하고 수득된 비드를 교반기가 달린 혼합기에 넣고 여기에 징크 스테아레이트와 글리세롤 모노 스테아레이트 및 글리세롤 트리 스테아레이트 소정량을 넣어 일정 시간 혼합하여 최종 수지를 얻는다.

분산제는 스티렌 모노머를 수중에 분산시킬 목적으로 쓰이는 것인데, 종래에 알려진 어떠한 것도 사용 가능하나 트리칼슘포스페이트, 질산나트륨, 도데실벤젠술포네이트, 마그네슘퍼설페이트을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명의 구체예를 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 실시예 및 본 특허출원에서 별도의 언급이 없는 한 "부"는 모두 중량을 기준으로 하며 전체 조성물을 100으로 했을 때의 값이다.

실시예 1

예비용해조 1에 폴리스티렌 모노머 10 kg을 넣고 110 rpm으로 교반하면서 발포립 셀 조절제인 폴리에틸렌왁스 50 g을 넣은 후 70℃로 승온하고 60 분 유지함으로써 투입한 왁스를 용해시킨 후 상온에 방치하여 냉각시킨다.

예비용해조 2에 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 1.2 kg을 스티렌 단량체 28.8 kg에 넣고 상온에서 용해시킨 후 벤조일퍼옥사이드 157 g과 t-부틸퍼벤조에이트 100 g을 차례로 넣고 용해시킨 후 예비용해조 1에서 만든 용액을 붓고 다시 30 분간 교반하여 모노마액을 제조한다.

별도로, 100 L 내압 반응조에 순수 40 kg을 넣고 분산제로 트리칼슘포스페이트 150 g, 질산나트륨 60 g, 도데실벤젠솔포네이트 15 g, 마그네슘퍼설페이트 8.0 g을 가하여 현탁액을 제조한 후 예비용해조 2에서 만든 모노마액을 넣고 60 분간 110 rpm으로 교반시킨다. 그 후 반응기의 온도를 90℃로 승온, 유지시키면서 중합시킨다. 중합율이 70%에 이르면 반응조를 밀폐하고 2,400 g의 펜탄을 40 g/분의 속도로 60 분간 일정량씩 투입한다. 이때 반응기 온도를 펜탄 투입과 동시에 승온 시작하여 70 분간에 110℃에 이르도록 한다. 110℃ 온도에서 5 시간 유지시켜 미반응된 폴리스티렌 모노머를 중합시켜 함량이 2,000 ppm 이하까지 되도록 한다.

이때 투입된 발포제는 유리전이된 폴리스티렌 비드내에 함침되어 발포성 폴리스티렌 수지 입자로 만들어지게 된다.

이후 45℃ 이하까지 냉각시킨 후 잔류 발포제를 벤트시킨다. 이때 반응조의 압력이 상압까지 떨어지면 배출하여 슬러리 상태로 발포성 폴리스티렌 수지 입자를 수득할 수 있다.

수득된 중합물은 탈수를 통하여 물과 분리시킨 후 유동층 건조를 통하여 입자 표면의 물기를 0.3% 이하까지 제거시킨 다음 입자 크기별로 선별한다.

선별된 비드중 입자 크기가 0.5∼1.2 mm인 중합물 1 kg을 혼합기에 넣고 징크스테아레트 0.3 g, 글리세롤 모노스테아레이트 0.6 g, 및 글리세롤 트리 스테아레이트 1 g을 첨가하여 30 분간 교반시켜서 발포성 폴리스티렌수지 입자를 최종적으로 완성한다.

이와 같이 얻어진 최종물의 발포제(펜탄) 함량을 가스 크로마토그라피를 이용하여 측정한 후 표 1에 기록하였다.

또한 입경 0.5∼1.2 mm로 선별된 최종물을 (주)대공에서 특수 제작한 시간발포기를 사용하여 시간발포성을 측정하여 표 1에 기록하였다.

실시예 2

실시예 1의 예비용해조 2에서 모노마액을 제조할 때 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 2 kg을 스티렌 모노마 28 kg에 넣고 상온에서 용해시킨 후벤조일퍼옥사이드 157 g과 t-부틸퍼벤조에이트 100 g을 차례로 넣고 용해시킨 후 예비용해조 1에서 만든 용액을 붓고 다시 30 분간 교반하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

실시예 3

실시예 1의 예비용해조 2에서 모노마액을 제조할 때 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 2.8 kg을 스티렌 모노마 27.2 kg에 넣고 상온에서 용해시킨 후 벤조일퍼옥사이드 157 g과 t-부틸퍼벤조에이트 100 g을 차례로 넣고 용해시킨 후 예비용해조 1에서 만든 용액을 붓고 다시 30 분간 교반하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

실시예 4

실시예 1의 예비용해조 2에서 모노마액을 제조할 때 알파메칠폴리스티렌- 아크릴로니트릴 공중합체 6 kg을 스티렌 모노마 24 kg에 넣고 상온에서 용해시킨 후 벤조일퍼옥사이드 157 g과 t-부틸퍼벤조에이트 100 g을 차례로 넣고 용해시킨 후 예비용해조 1에서 만든 용액을 붓고 다시 30 분간 교반하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

비교실시예 1

실시예 1의 예비용해조 2에서 모노마액을 제조할 때 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체를 넣지 않고 벤조일퍼옥사이드 157 g과 t-부틸퍼벤조에이트 100 g을 tm티렌 모노마 30 kg에 차례로 넣고 용해시킨 후 예비용해조 1에서 만든 용액을 붓고 다시 30 분간 교반하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

항목	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교실시예1
발포제함량(%)	4.8	4.7	4.7	4.8	4.9
시간발포성	3분	40	45	48	42	35
	5분	52	60	64	55	48
	7분	64	78	80	67	58
	9분	70	92	95	75	65
	11분	71	91	93	73	64

본 발명은 발포성 폴리스티렌 수지를 제조함에 있어서 화학구조상 입체방해(steric hindrance)가 큰 고분자 화합물을 보조발포제로 사용하여 부탄이나 펜탄과 같은 저비점 발포제를 3∼5 중량%로 비교적 낮은 함량으로 제한하면서도 발포율은 최대 90 배 정도로 통상의 제품에 적용 가능한 발포제 효율이 우수한 폴리스티렌수지 입자를 제조하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (5)

1. 발포성 폴리스티렌 수지를 제조함에 있어서, 부탄, 펜탄, 또는 그 혼합물 중 선택된 주발포제 외에 화학구조상 입체방해(steric hindrance)가 큰 고분자 화합물을 보조발포제로 사용하는 것을 특징으로 하는 발포성 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 보조발포제는 알파메칠폴리스티렌-아크릴로니트릴 공중합체 또는 알킬메타크릴레이트 중합체인 것을 특징으로 하는 발포성 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 보조발포제는 투입되는 스티렌 단량체에 대하여 5∼10 중량%의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 발포성 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 주발포제의 함량은 3∼5 중량%인 것을 특징으로 하는발포성 폴리스티렌 수지 입자의 제조방법.
5. 제1항에 따른 방법으로 제조된 발포성 폴리스티렌 수지 입자.