KR100547348B1 - 고순도 난연성 폴리에스테르 수지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 난연성 폴리에스테르 수지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난연성 폴리에스테르 수지에 있어서, 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 몰비로 1: 1.2∼1.4로 혼합한 혼합물, 인산에스테르계 난연제 0.3∼0.5중량%, 및 알칼리화합물 0.025∼0.25중량%로 이루어지는 고순도 난연성 폴리에스테르 수지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고순도 난연성 폴리에스테르 수지는 디에틸렌글리클의 생성을 억제하고 반응물의 pH를 산성에서 약산성 내지 약한 알칼리성으로 조절하여, 열적특성의 저하, 용융점도의 저하 및 강도저하를 억제시킬 수 있다.
지방족 디올, 방향족 디엑시드, 인산에스테르계 난연제, 알칼리화합물, 고순도 난연성 폴리에스테르 수지

Description

고순도 난연성 폴리에스테르 수지{Flame retardent polyester resin having high quality properties}
본 발명은 고순도 난연성 폴리에스테르 수지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올의 혼합물, 난연성능을 부여하기 위한 인산에스테르계 난연제, 및 pH조절을 위한 알칼리화합물로 이루어진 고순도 난연성 폴리에스테르 수지에 관한 것이다.
일반적으로 폴리에스테르 수지는 고결정성으로 열적 및 내화학적 특성 등이 우수하여 섬유나 필름 등의 다양한 용도로 사용되어 왔으나, 화학구조적으로 친수성기가 없는 소수성기로 된 구조화합물이기 때문에 물과의 친화력이 없어 정전기로 인한 전기충격이나 방전으로 인한 충격에도 인화될 수 있고 심하면 화재사고까지 불러 일으킬 여지가 있다. 특히, 최근에는 항공기나 많은 사람들이 모이는 극장이나 호텔 같은 곳에서 화재로 인한 대형 인명사고에 노출되어 있는 실정이다. 이에 폴리에스테르 수지에 난연성을 부여하고자 하는 노력이 계속되어 왔는데, 지금까지는 대부분 제직공정중에 난연수지를 가공처리해서 난연성을 부여하는 후방염에 의한 방법이 개발되어 왔다. 그러나 이 방법은 난연수지가 폴리에스테르 수지와 물리 적으로 결합되어 있기 때문에, 난연수지가 폴리에스테르 수지의 표면에 불균일하게 도포될 확률이 높고, 세탁에 의해 난연수지가 탈락하여 난연성이 저하되는 문제점이 지적되어 왔지만 아직도 많은 중소기업체에서는 원가적인 측면에서 이런 후방염에 의한 난연수지가공을 행하고 있다.
한편, 세탁에 의한 난연성 저하를 방지하기 위한 방법으로는, 중합반응중에 난연제를 첨가하여 난연제와 폴리에스테르 수지를 화학적으로 결합시키는 선방염에 의한 방법이 알려져 있는데, 이 방법은 세탁에 의한 난연성의 저하가 없는 반영구적이 난연성을 부여할 수 있는 방법으로 알려져 왔다. 이 방법은 미국특허 제 3,941,752호, 일본국 특공소 제 55-41460호 및 대한민국 특허출원 제 87-9678호(공고번호 제 91-3587호) 등에 기재되어 있으며, 폴리에스테르 수지에 대하여 인산에스테르 난연제를 첨가하는데 인성분이 폴리에스테르 수지중에 다량 함유될 수 있도록 아릴포스폰산 유도체를 첨가하였다. 특히, 일본국 특공소 제 59-191716호에는 유기 인화합물을 중축합반응이 어느정도 진행된 후 투입하면서 중축합촉매를 추가로 넣어주어 상기 인성분을 폴리에스테르 수지중에 다량 함유시키는 방법 등이 제안되어 있다. 이 방법은 폴리에스테르 사슬 중에 인산에스테르 난연제가 화학적으로 결합되어 있는 공중합 형태이며, 폴리에스테르에 대하여 0.3∼0.5중량%를 혼합하여 중합한 후, 용융방사 및 연신한 것을 특징으로 한다. 그러나, 상기 방법으로 제조된 난연성 폴리에스테르 수지 조성물은 난연성은 우수하지만, 난연제를 첨가함에 따라 산성도가 증가하여 부반응으로 생성되는 에틸렌글리콜의 이량체인 디에틸렌글리콜의 생성으로 인하여 열적특성의 저하, 용융점도의 저하, 및 강도저하를 초 래하여 방사/연신공정중에 단사의 원인이 되며, 염색공정에서의 염색의 불균일의 원인이 된다.
이러한 디에틸렌글리콜의 생성으로 인한 열적특성의 저하, 용융점도의 저하, 및 강도저하를 방지하기 위하여 본 발명자는 광범위한 연구를 수행한 결과, 반응물의 pH를 조절함으로써 상술한 문제점을 해결할 수 있음을 발견하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하여 결정화도가 높고 열적특성, 용융점도 및 강도의 저하가 없으며 내알칼리성이 우수한 고순도 난연성 폴리에스테르 수지를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고순도 난연성 폴리에스테르 수지는 난연성 폴리에스테르 수지에 있어서, 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 몰비로 1: 1.2∼1.4로 혼합한 혼합물, 인산에스테르계 난연제 0.3∼0.5중량%, 및 알칼리화합물 0.025∼0.25중량%로 이루어진다.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 폴리에스테르 수지는 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올의 혼합물, 인산에스테르계 난연제 및 알칼리화합물로 이루어진다.
본 발명에서 사용되는 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물은 기본적으로 한정되는 것은 아니지만, 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 2, 6-나프탈렌 디카르복실산, 디메틸테레프탈레이트, 디메틸이소프탈레이트, 및 디메틸프랄레이트 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 지방족 디올도 기본적으로 한정되는 것은 아니지만, 에틸렌글리콜, 1,3-프로판 디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥사메틸렌디올, 디에틸렌글리콜 등을 들 수 있다.
상기 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올은 통상적으로 1: 1.2∼1.4의 몰비로 혼합하며, 폴리에스테르 수지에 대하여 인산에스테르계 난연제를 0.3∼0.5중량%로 첨가한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 인산에스테르계 난연제는 페닐포스피닉산, 페닐포스포닉산, 3-(하이드록시페닐포스피닐)프로피오닉산 및 디(폴리옥시에틸렌)하이드록시메틸포스네이트 등이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 종래의 난연성 폴리에스테르 수지에서는 폴리에스테르 수지에 난연제를 첨가함으로써 강한 산성분위기하에서 쉽게 생성되는 부산물, 디에틸렌글리콜에 의해 여러 문제점이 초래된다. 여기서, 그 작용을 살펴보면, 디에틸렌글리콜은 에틸렌글리콜의 이량체로서 에테르기로 메틸올기를 연결시켜주는 화학구조를 갖고 있는데, 디에틸렌글리콜은 폴리에스테르의 에스테르화 반응 및 축중합 반응중에 부산물로서 생성되며, 특히 강한 산성분위기하에서 쉽게 생성된다. 난연제로 사용되는 인산계 난연제가 주로 인산에스테르의 화학구조를 가지며 산성을 띠고 있기 때문에 디에틸렌글리콜의 생성을 촉진하게 되며, 일반적으로 난연성 폴리에스테르 수지는 고온에서 방사한 후, 연신/제직공정후 및 염색공정전에 알칼리 화합물에 의하여 감량가공을 하게 되는데, 이때 인산에스테르계 난연제의 첨가로 인하여 디에틸렌글리콜이 과다생성됨으로써 오히려 알칼리 화합물에 의하여 폴리머 사슬이 쉽게 공격을 받아 결국에는 사슬 절단반응이 일어나 중합도가 저하되는 현상이 일어난다. 또한 이러한 중합도의 저하는 방사/연신공정시, 절사 및 단사현상 등의 원인이 되고, 최종 물성인 강도저하를 초래하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 문제를 해결하기 위해 폴리에스테르 수지에 대하여 알칼리 화합물을 0.025∼0.25중량%로 투입하여 에스테르 반응 및 축중합조건을 강산성분위기에서 약산성 내지 약알칼리성으로 조절하여 디에틸렌글리콜의 생성을 억제시킨다.
상기 알칼리 화합물로서는 소디움하이드록사이드, 칼륨 하이드록사이드, 및 테트라에틸암모늄하이드록사이드(tetraethylammoniumhydroxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 들 수 있으며, 가장 바람직하게는 하기 화학식 1로 표시되는 테트라에틸암모늄하이드록사이드를 들 수 있다.
(CH3CH2)4N(OH)
상기 알칼리 화합물을 적정량 첨가하여 반응물의 pH를 강산성에서 pH 4.0∼7.5로 조절하여 디에틸렌글리콜의 생성을 억제시킨다. 이렇게 제조된 폴리에스테르 수지는 상대적으로 에테르 결합이 적어 알카리 화합물의 공격성을 저하시킬 수 있으며, 용융점도의 저하를 방지할 수 있고, 따라서 중합도의 저하를 방지할 수 있다.
폴리에스테르 수지에 대하여 상기 알칼리 화합물이 0.025중량% 미만이면 산의 농도가 높아 반응물의 pH가 여전히 산성을 띠어 디에틸렌글리콜의 생성억제효과가 떨어지고, 0.25중량%를 초과하면 산의 농도가 낮아 반응물의 pH가 알칼리성을 보여 반응속도가 현저하게 떨어지는 문제가 있다.
또한, 부산물로서 생성되는 디에틸렌글리콜의 측정은 생성된 칩(Chip)상의 폴리에스테르수지를 액체 질소를 이용하여 동결분쇄하여 분말상으로 만든 다음, 에탄올을 이용하여 에탄올화(ethanolysis)시켜 저분자로 만든 후, 가스크로마토그라피(Gas Chromatography)를 이용하여 측정하였다.
또한, 본 발명에 따른 고순도 폴리에스테르 수지에는 각각의 용도에 따라 난연조제, 무기물 첨가제, 산화방지제, 광안정제, 촉매, 정색제 등이 부가될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
테레프탈산과 에틸렌글리콜을 몰비로 1:1.2로 혼합하고, 여기에 테트라에틸암모늄하이드록사이드 0.025중량% 혼합하여 혼합물의 pH를 4.5로 조절하였다. 이 혼합물을 250℃에서 1kg/㎟의 압력하에서 가압반응시켜 생성된 물을 계외로 유출시키면서 에스테르화 반응시켰다. 에스테르화 반응이 종료되면 정색제로 코발트아세테이트를 60ppm, 열안정제로 포스포릭산을 150ppm 첨가하고, 축중합촉매로서 안티몬트리아세테이트를 400ppm정도 첨가하고, 난연제로 페닐포스피닉산을 3200ppm (0.32중량%) 첨가하고 280℃의 중합온도 및 0.3mmHg의 감압하에서 축중합시켰다. 여기서, 테레프탈산 및 에틸렌글리콜의 혼합물, 테트라에틸암모늄하이드록사이드 및 페닐포스피닉산의 합이 100중량%이다. 이렇게 하여 제조된 폴리에스테르 칩을 액체질소를 이용하여 동결분쇄시켜 에탄올화하여 저분자로 분해시켜 가스크로마트그라피를 이용하여 디에틸렌글리콜의 함량을 측정하였다. 내알칼리성은 제조된 폴리에스테르 칩을 130℃에서 8시간 진공건조시킨 후, 280℃의 핫프레스(Hot Press)에서 3분간 가열하여 20마이크로미터 정도의 얇은 필름을 만들어 내알칼리성을 평가하였고, 방사성은 130℃에서 8시간 진공건조된 칩을 토요(Toyo)정기의 실험실용 용융방사기를 이용하여 방사온도 280∼290℃에서 방속 800m/min, 토출량을 20g으로 하여 방사한 후, 연신 플레이트온도 180℃, 연신룰러 온도 80℃에서 연신비 3.0으로 연신하여 난연성 폴리에스테르사를 제조하였다.
실시예 2
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.075중량% 혼합하여 수지 혼합물의 pH를 5로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.125중량% 혼합하여 수지 혼합물의 pH를 5.5로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 4
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.175중량% 혼합하여 수지 혼합물의 pH를 6으로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 5
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.25중량% 혼합하여 수지 혼합물의 pH를 7.5로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 6
테레프탈산과 에틸렌 글리콜을 몰비로 1:1.2로 혼합하고, 250℃에서 1kg/㎟의 압력하에서 가압반응을 시켜 생성되는 물을 계외로 유출시키면서 에스테르화반응시켰다. 에스테르화반응이 종료되면 정색제로 코발트아세테이트를 60ppm, 열안정제로 포스포릭산을 150ppm 첨가하고 난연제로 페닐포스피닉산을 3200ppm (0.32중량%) 첨가하고 pH조절제인 테트라에틸암모늄하이드록사이드 0.075중량% 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 여기서, 테레프탈산 및 에틸렌글리콜의 혼합물, 테트라에틸암모늄하이드록사이드 및 페닐포스피닉산의 합이 100중량%이다.
실시예 7
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.125중량% 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
실시예 8
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.175중량% 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
실시예 9
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.25중량% 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
비교예 1
테레프탈산과 에틸렌글리콜을 몰비로 1:1.2로 혼합하고, 테트라에틸암모늄하이드록사이드는 첨가하지 않을 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 2
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.0125중량% 첨가한 것을 제외하고 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 3
테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.5중량% 첨가한 것을 제외하고 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 4
테레프탈산과 에틸렌글리콜을 몰비로 1:2로 혼합하고, 테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.0125중량%를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 5
테레프탈산과 에틸렌글리콜을 몰비로 1:2로 혼합하고, 테트라에틸암모늄하이드록사이드를 0.5중량%를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.
상기 실시예 및 비교예에 의한 시편의 특성을 측정하여 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
구분 화합물(중량%) 고유점도 (dl/g) DEG함량 (중량%) Tg/Tm (℃) 색상 L b
에스테르화초기 축중합초기
실시예 1 0.025 - 0.620 5.0 70/243 73.1 4.1
실시예 2 0.075 - 0.620 3.0 74/246 73.6 3.5
실시예 3 0.125 - 0.620 2.5 75/248 73.7 3.0
실시예 4 0.175 - 0.620 2.4 75/249 73.9 2.8
실시예 5 0.25 - 0.620 2.4 75/249 73.9 2.8
실시예 6 - 0.075 0.620 2.5 75/248 73.7 3.0
실시예 7 - 0.125 0.620 2.4 75/249 73.8 2.8
실시예 8 - 0.175 0.620 2.2 76/250 74.2 2.5
실시예 9 - 0.25 0.620 2.2 76/250 74.1 2.5
비교예 1 - - 0.620 8.9 65/231 71.1 5.5
비교예 2 0.0125 - 0.620 7.5 66/235 72.2 4.7
비교예 3 0.50 - 0.620 7.0 67/237 72.6 4.4
비교예 4 - 0.0125 0.620 7.4 67/235 72.1 4.6
비교예 5 - 0.50 0.620 7.0 67/237 72.5 4.4
구분 강도 (g/De') 신도 (%) 제사성 내알칼리성
처리전IV 처리후IV IV감소율
실시예 1 4.24 32 O 0.062 0.590 4.84
실시예 2 4.25 31 O 0.062 0.595 4.03
실시예 3 4.27 30 O 0.062 0.600 3.23
실시예 4 4.21 33 O 0.062 0.605 2.42
실시예 5 4.20 33 O 0.062 0.605 2.42
실시예 6 4.26 34 O 0.062 0.600 3.23
실시예 7 4.28 32 O 0.062 0.605 2.42
실시예 8 4.23 32 O 0.062 0.608 1.94
실시예 9 4.22 33 O 0.062 0.614 0.97
비교예 1 3.60 33 X 0.062 0.550 11.3
비교예 2 3.80 28 X 0.062 0.565 8.87
비교예 3 3.80 27 X 0.062 0.570 8.06
비교예 4 3.90 25 X 0.062 0.567 8.55
비교예 5 3.85 26 X 0.062 0.570 8.06
각종 물성의 측정방법은 다음과 같다.
<고유점도>
건조한 시료를 오르쏘 클로로페놀 용매에 용해시킨 후 25℃ 오스트발트 점도 계에서 측정하였다.
<유리전이온도 및 융점>
퍼킨-엘머 시차주사열량 분석기를 이용하여 시료의 유리전이온도(Tg) 및 융점(Tm)을 10℃/분의 승온속도로 실온에서 300℃까지 측정하였다.
<강·신도>
인장시험기를 사용하여 실온에서 시료의 강도·신도를 측정하였다.
<제사성>
폴리에스테르 수지를 24시간(50kg) 방사하여 얻은 미연신사를 연신할 때의 절사 및 단사의 횟수에 의하여 평가하였다.
O: 절사, 단사가 거의 없음
X: 절사 5회 이상
<색상(color)>
맥베스(Macbeth)의 CE-7700의 칼라 유(Color Eue)을 가지고 색상 L 및 b값을 측정하였다.
<내알칼리성>
제조된 칩을 20마이크로미터정도의 얇은 필름으로 만들어 5% NaOH수용액에 98℃에서 30분간 침지시켜, 침지전과 침지후의 고유점도의 변화(IV 감소율=침지전 IV-침지후 IV/침지전 IV)를 이용하여 평가하였다.
상기 표 1과 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 난연성 폴리에스테르 수지는 디에틸렌글리콜의 생성을 현저히 떨어뜨려, 열적으로 우수하고 방사 및 연손공정에서의 단사현상이 없는 우수한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 난연성 폴리에스테르 수지에 있어서, 방향족 디엑시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 몰비로 1: 1.2∼1.4로 혼합한 혼합물, 인산에스테르계 난연제 0.3∼0.5중량%, 및 알칼리화합물 0.025∼0.25중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 난연성 폴리에스테르 수지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 알칼리화합물은 소디움하이드록사이드, 칼륨하이드록사이드, 및 테트라에틸암모늄하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나임을 특징으로 하는 고순도 난연성 폴리에스테르 수지.
KR1019990012315A 1999-04-08 1999-04-08 고순도 난연성 폴리에스테르 수지 KR100547348B1 (ko)

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