KR100573636B1 - 팽창된 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1.5 g/cm3 미만의 밀도를 갖는 팽창된 발포성 흑연 입자의 존재하에 수성 현탁액 중에서 스티렌을 중합시킴으로써, 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
스티렌, 흑연, 발포성 스티렌 중합체.
Description
본 발명은 팽창된 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
팽창된 폴리스티렌 발포체는 오랫 동안 알려져 왔으며, 여러 용도에서의 그의 유용성이 증명되었다. 그러한 발포체는 발포제를 침지시킨 폴리스티렌 입자를 발포시킴으로써 제조되고, 이어서 제조된 발포 입자를 용접(溶接)하여 성형품을 제조한다. 중요한 응용 분야는 건축 산업에서의 열 절연재이다.
카본 블랙, 금속 산화물, 금속 분말 또는 안료와 같은 부전열성 물질을 포함시킴으로써 발포체의 열 전도율을 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
국제 특허 출원 PCT/EP97/02457에서는 0.05 내지 25 중량%의 흑연 입자의 존재하에 수성 현탁액에서 스티렌의 중합에 의해 발포성 폴리스티렌 입자를 제조함으로써 폴리스티렌 발포체의 열 전도율을 감소시키는 것을 제안하고 있다. 시판되는 흑연은 밀도가 2.1 내지 2.3 g/cm3이다. 국제 특허 출원 PCT/EP97/02457에 따르면, 중합은 스티렌 중의 폴리스티렌의 용액을 사용하여 행하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 조작법은 스티렌 중의 폴리스티렌의 용해라는 추가의 공정 단계가 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 이러한 공정 단계를 피하고, 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체의 제조를 위한 간단한 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 밀도가 1.5 g/cm3 미만인 팽창된 발포성 흑연 입자를 사용함으로써 달성된다.
따라서, 본 발명은 밀도가 1.5 g/cm3 미만인 팽창된 발포성 흑연 입자의 존재하에, 중합 전, 도중 또는 후에 발포제를 가하여 수성 현탁액에서 임의로는 스티렌 중량의 20% 함량의 공단량체와 함께 스티렌을 중합함으로써 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체 (EPS)를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 밀도가 0.1 내지 1.2 g/cm3인 균일하게 분포 팽창된 발포성 흑연 입자를 0.05 내지 25 중량% 함유하는 발포성 미립자형 스티렌 중합체에 관한 것이다.
밀도가 1.5 g/cm3보다 큰 팽창되지 않은 발포성 흑연은 발포체, 특히 폴리우레탄 발포체용 방염제 및 발포되지 않은 스티렌 중합체용 방염제로 유용한 것으로 알려져 있다.
층-격자 구조로 인해, 흑연은 틈새형 화합물의 특이한 형태를 형성할 수 있다. 이러한 틈새형 화합물에서, 다른 원자 또는 분자가 탄소 원자 사이의 공간에, 때로는 화학량론적 비율로 삽입된다. 틈새 분자로서 예를 들어 황산을 함유하는 이러한 흑연 화합물(공업적 규모로도 생산될 수 있음)을 발포성 흑연이라 칭한다. 이러한 발포성 흑연의 밀도는 1.5 내지 2.1 g/cm3의 범위이고, 입자 크기는 100 내지 1000 ㎛이다. 대략 150℃ 초과, 특히 500 내지 1000℃의 온도로 가열함으로써 발포성 흑연은 팽창될 수 있고, 이 공정으로 밀도가 0.01 g/cm3 미만의 값으로 낮추어질 수 있다. 이 팽창된 발포성 흑연은 더 이상 삽입된 분자를 함유하지 않고, 임의의 목적한 입자 크기로 분쇄될 수 있다. 본 발명의 목적상, 밀도가 0.1 내지 1.2 g/cm3인 입자가 바람직하고, 입자의 평균 직경은 바람직하게는 1 내지 200 ㎛이고, 특히 2 내지 50 ㎛이다.
본 발명의 목적상, 발포성 스티렌 중합체는 발포제를 함유하는 스티렌 중합체를 의미한다.
본 발명의 발포성 스티렌 중합체의 중합체 매트릭스는, 특히 단독폴리스티렌, 또는 에틸렌계 불포화 공단량체, 특히 알킬 스티렌, 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴 또는 α-메틸스티렌을 중합체의 중량을 기준으로 20 중량% 이하의 함량으로 함유하는 스티렌 공중합체를 포함한다.
본 발명의 현탁 중합에서, 퍼옥시드 개시제, 현탁 안정화제, 발포제, 사슬-전이제, 팽창 보조제, 성핵제 및 가소제와 같은 통상적인 보조제를 첨가할 수 있다. 각각 얻어지는 스티렌 중합체를 기준으로 방염제를 특히 0.6 내지 6 중량%, 방염 상승제를 0.1 내지 1 중량% 가하는 것이 특히 바람직하다. 바람직한 방염제는 헥사브로모시클로도데칸, 펜타브로모모노클로로시클로헥산 및 펜타브로모페닐알릴 에테르와 같은 지방족, 시클로지방족 및 방향족 브롬 화합물이다. 적절한 상승제는 불안정한 C-C 또는 O-O 결합을 갖는 유기 화합물, 예컨대 디큐밀 및 디큐밀 퍼옥시드이다. 발포제는 스티렌 중합체를 기준으로 3 내지 10 중량%의 양으로 가한다. 발포제는 중합 전, 도중 또는 후에 현탁액에 가할 수 있다. 적절한 발포제는 4 내지 6개의 탄소 원자를 함유하는 지방족 탄화수소이다. 현탁 안정화제로서 무기 피커링(Pickering) 분산제, 예컨대 피로인산마그네슘 또는 인산칼슘을 사용하는 것이 유리하다.
본 발명자들은 현탁액의 안정성을 위해 현탁 중합 개시시에 폴리스티렌 용액을 사용할 필요가 없음을 발견하였다.
현탁 중합은 바람직하게는 2가지의 온도에서 수행하는데, 먼저 저온에서 분해되는 퍼옥시드, 예를 들어 디벤조일 퍼옥시드, 바람직하게는 t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트를 80 내지 100℃에서 사용하고, 이어서 혼합물을 110 내지 140℃로 가열하여 승온에서 분해되는 퍼옥시드, 예를 들어 디큐밀 퍼옥시드를 사용하여 중합을 계속한다.
본 발명의 현탁 중합에서, 얻어지는 스티렌 중합체를 기준으로 바람직하게는 0.05 내지 25 중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 8 중량%, 가장 바람직하게는 1 내지 4 중량%의 팽창된 흑연 입자를 가한다. 또한, 원칙적으로는 현탁 중합 동안에만 흑연 입자를 가할 수 있고, 바람직하게는 중합 주기의 처음 절반 동안에 가한다. 현탁 중합에 의해, 평균 직경이 0.2 내지 2 mm의 범위이고, 흑연 입자가 균일하게 분포된 비드형, 사실상 구형 입자가 형성된다. 이것들은 통상적인 코팅 물질, 예를 들어, 금속 스테아레이트, 글리세롤 에스테르 및 미분된 실리케이트로 코팅될 수 있다.
팽창된 발포성 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체는 밀도가 5 내지 35 g/cm3, 바람직하게는 8 내지 25 g/cm3, 더욱 바람직하게는 10 내지 15 g/cm3인 폴리스티렌 발포체를 제공하도록 가공될 수 있다.
이를 위해, 발포성 입자를 예비 팽창시킨다. 이것은 일반적으로 입자를 예비 발포기 내에서 증기로 가열함으로써 수행된다.
이렇게 하여 예비 팽창된 입자는 함께 용접되어 성형품을 형성한다. 이런 목적으로, 예비 팽창된 입자를 기밀 (gastight) 방식으로 밀봉되지 않은 성형틀에 충전하고, 증기 처리한다. 냉각시킨 후, 성형품을 성형틀로부터 꺼낸다.
본 발명의 발포성 스티렌 중합체로부터 제조된 발포체는 탁월한 열 절연 특성을 갖는다. 이러한 효과는 저온에서 특히 명확하게 나타난다. 따라서, 발포성 스티렌 중합체에 팽창된 발포성 흑연을 2 중량% 가함으로써, 발포체의 밀도 10 g/cm3에서, 열 전도율이 44 mW/m·K에서 35 mW/m·K 미만으로 감소될 수 있다.
스티렌 중합체의 밀도를 동일한 열 전도율을 유지하면서 현저히 감소시킬 수 있으므로, 재료를 절약할 수 있다. 통상적인 발포성 스티렌 중합체에 비해, 현저히 더 낮은 벌크 밀도에서 동일한 정도의 열 절연이 달성될 수 있으므로, 본 발명의 방법으로 제조된 발포성 폴리스티렌 입자를 사용하는 경우, 더 얇은 발포체 패널을 사용할 수 있어, 공간을 효율적으로 이용하고, 특히 재료를 절약할 수 있다.
또한, 팽창된 발포성 흑연을 (그 부피비가 매우 증가되는 것을 고려할 때) 비교적 소량, 예를 들어 5 내지 15 중량% 가함으로써 전기 전도성과 함께 정전방지 특성을 갖는 EPS 발포체를 제조할 수 있다.
본 발명을 하기하는 실시예를 참고로 하여 예시한다.
<실시예 1> 열 전도율
밀도가 1.0 g/cm3이고, 평균 입자 크기가 10 ㎛인 분말의 팽창된 발포성 흑연 200 g을 스티렌 20.4 kg 중에 균일하게 현탁시키고, 여기에 디큐밀 퍼옥시드 85.0 g 및 t-부틸퍼옥시-2-에틸-헥사노에이트 13.6 g을 혼합시켰다. 따라서, 흑연의 양은 스티렌의 중량을 기준으로 1 중량%에 상응하였다. 유기상을 용량이 50 L인 교반 탱크 중의 탈이온수 19.5 L에 가하였다. 수성 상은 피로인산나트륨 46.6 g 및 황산마그네슘 (엡섬염(Epsom salt)) 86.3 g을 함유하였다. 현탁액을 80℃로 가열하였다. 140분이 지난 후, 유화제 K 30/40 (Bayer AG) 2.34 g을 가하였다. 추가의 30분 후에, 펜탄 1277.1 g을 계량 주입하고, 134℃에서 중합을 완료하였다.
폴리스티렌 비드를 수득하였고, 이를 팽창시켜 밀도가 15 g/cm3이고 열 전도율이 32 mW/m·K인 발포체 패널을 제조하였다.
<실시예 2> 정전방지 특성
밀도가 0.5 g/cm3이고, 평균 입자 크기가 20 ㎛인 분말의 팽창된 발포성 흑연 1000 g을 스티렌 20.4 kg 중에 균일하게 현탁시키고, 여기에 디큐밀 퍼옥시드 85.0 g 및 t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 13.6 g을 혼합시켰다. 따라서, 흑연의 양은 스티렌의 중량을 기준으로 1.0 중량%에 상응하였다. 유기상을 용량이 50 L인 교반 탱크 중의 탈이온수 19.5 L에 가하였다. 수성 상은 피로인산나트륨 46.6 g 및 황산마그네슘 (엡섬염) 86.3 g을 함유하였다. 현탁액을 80℃로 가열하였다. 140분이 지난 후, 유화제 K 30/40 (Bayer AG) 2.34 g을 가하였다. 추가의 30분 후에, 펜탄 1277.1 g을 계량 주입하고, 134℃에서 중합을 완료하였다.
비체적 저항이 1.8×105 Ω인 폴리스티렌 비드를 수득하였다(대조용으로 흑연을 첨가하지 않은 것: > 1014 Ω).
Claims (8)
- 수성 현탁액에서, 밀도가 1.5 g/cm3 미만인 팽창된 발포성 흑연 입자의 존재하에 중합 전, 도중 또는 후에 발포제를 가하여 스티렌을 중합함으로써 흑연 입자를 함유하는 발포성 스티렌 중합체(EPS)를 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 스티렌 중합체를 기준으로 0.05 내지 25 중량%의 팽창된 발포성 흑연의 존재하에 중합을 수행하는 방법.
- 제1항에 있어서, 밀도가 0.1 내지 1.2 g/cm3인 팽창된 발포성 흑연을 사용하는 방법.
- 제3항에 있어서, 평균 입자 직경이 1 내지 200 ㎛인 팽창된 발포성 흑연을 사용하는 방법.
- 밀도가 0.1 내지 1.2 g/cm3인 균일하게 분포 팽창된 발포성 흑연 입자를 0.05 내지 25 중량% 함유하는 발포성 미립자형 스티렌 중합체.
- 제5항에 정의된 발포성 미립자형 스티렌 중합체로부터 제조된, 밀도가 5 내지 35 g/cm3인 발포체.
- 제1항에 있어서, 스티렌 중합체를 기준으로 20 중량% 함량의 공단량체와 함께 스티렌 중합을 수행하는 방법.
- 제2항 또는 제7항에 있어서, 스티렌 중합체를 기준으로 0.5 내지 8 중량%의 팽창된 발포성 흑연의 존재하에 중합을 수행하는 방법.
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