KR102106655B1 - 반경류의 회전자-고정자 혼합기 및 중합체성 포말을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

수정된 반경류의 회전자-고정자 혼합기는
A. 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함한 하우징;
B. 하우징 내에서 제1 챔버와 제2 챔버를 형성하고, 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 유체 소통을 제공하기 위해 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치된 회전자(회전자는 회전축에 연결됨);
C. 저전단 영역에서 제1 챔버 내에 배치된 1차 주입구;
D. 1차 주입구의 것보다 더 높은 전단의 하나 이상의 영역에서 제1 챔버 내에 배치된 둘 이상의 2차 주입구; 및
E. 제2 챔버 내에 배치된 배출구
를 포함한다.

Description

반경류의 회전자-고정자 혼합기 및 중합체성 포말을 제조하는 방법{RADIAL-FLOW ROTOR-STATOR MIXER AND PROCESS TO PRODUCE POLYMERIC FROTHS}

본 발명은 회전자-고정자 혼합기에 관한 것이다. 한 측면에서, 본 발명은 다중의 2차 주입구를 가진 회전자-고정자 혼합기에 관한 것이며, 또 다른 측면에서 본 발명은 다중의 2차 주입구를 가진 회전자-고정자 혼합기를 사용하여 작은 평균 기포 직경 및 좁은 기포 크기 분포를 가진 액체-중-기체 분산물을 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이다.

액체-중-기체 분산물, 예컨대 중합체성 포말에서 기포 크기는 유체 물리적 성질(점도, 계면 장력 등) 및 회전자-고정자 혼합기 유체역학(전단 속도, 지속시간(duration) 등) 둘 다에 의존한다. 표준 회전자-고정자 혼합기는 단일 주입 스트림과 단일 배출 스트림을 가진다. 일부 표준 회전자-고정자 혼합기는 수정되어 하나 이상의 2차 주입구를 가지며, 이는 예컨대 WO 2008/077116에 교시되어 있다. 표준 및 수정된 회전자-고정자 혼합기 둘 모두는 기능적 중합체성 포말을 제조하지만, 현재 이용가능한 회전자-고정자 혼합기에서 제조된 것보다 더 작은 평균 기포 크기와 더 좁은 기포 크기 분포를 가진 중합체성 포말을 제조하는 회전자-고정자 혼합기에 대한 관심이 계속된다.

한 실시태양에서, 본 발명은 다음을 포함하는 반경류의 회전자-고정자 혼합기이다:

A. 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함한 하우징;

B. 하우징 내에서 제1 통로(pass)와 제2 통로를 형성하고, 제1 통로와 제2 통로 사이에 유체 소통(fluid communication)을 제공하기 위해 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치된 회전자(회전자는 회전축에 연결됨);

C. 저전단 영역에서 제1 통로로의 1차 주입구;

D. 1차 주입구의 것보다 더 높은 전단의 하나 이상의 영역에서 제1 통로로의 둘 이상의 2차 주입구; 및

E. 제2 통로로부터의 배출구.

본 발명의 혼합기는 제1 통로 내에서 가변적인 전단장(shear field)의 이점을 취하며, 이는 장치의 제1 통로 내의 다수의 위치에서 유체 첨가의 수단을 제공한다. 이들 영역은 고정자 반경이 상이하며, 따라서 상이한 전단 속도 수준에 의해 특징지어진다. 또한, 비유사한 밀도 또는 점도의 유체, 예컨대 기체 및 액체의 첨가는 저전단의 영역 내로 주입될 때보다는 고전단의 영역 내로 주입될 때 더 안정한 혼합물을 형성한다. 한 실시태양에서, 본 발명은 반경류의 회전자-고정자 혼합기의 제1 통로를 따라 셋 이상의 2차 주입구의 배치이며, 각각의 2차 주입구는 1차 주입구의 것보다 혼합기에서 더 큰 전단의 영역에 위치한다.

한 실시태양에서, 본 발명은 반경류의, 회전자-고정자 혼합기를 사용한 중합체성 포말의 제조 프로세스이며, 혼합기는

A. 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함한 하우징;

B. 하우징 내에서 제1 통로와 제2 통로를 형성하고, 제1 통로와 제2 통로 사이에 유체 소통을 제공하기 위해 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치된 회전자(회전자는 회전축에 연결됨);

C. 저전단 영역에서 제1 통로로의 1차 주입구;

D. 1차 주입구의 것보다 더 높은 전단의 하나 이상의 영역에서 제1 통로로의 둘 이상의 2차 주입구; 및

E. 제2 통로로부터의 배출구를 포함하며;

프로세스는 다음을 포함한다:

1. 1차 주입구를 통해 액체를 포함한 제1 공급물을 제1 통로의 제1 전단 영역 내로 도입하는 단계(제1 공급물은 단량체, 프레폴리머, 또는 중합체를 포함);

2. 하나 이상의 2차 주입구를 통해 기체를 포함한 제2 공급물을 제1 통로의 제2 전단 영역 내로 도입하는 단계(제1 전단 영역의 전단보다 더 큰 전단의 제2 전단 영역);

3. 제1 통로 내에서 제1 및 제2 공급물의 포말을 형성하는 단계;

4. 제1 통로에서 제2 통로로 포말을 이동시키는 단계; 및

5. 혼합기의 배출구를 통해 포말을 배출하는 단계.

한 실시태양에서, 제1 고정자 원위부(distal)를 따라 축으로의 거리에서 제1 통로에서 혼합기에 진입하도록, 제1 공급물은 혼합기의 축에 가깝게 도입되며, 추가 공급물은 둘 이상의 2차 주입구를 통해 공급된다.

본 발명은 오직 특정 실시태양을 설명하기 위한 목적으로 도면을 참조하여 일반적으로 기술되나, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 목적이 아니다. 도면에서 유사한 번호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭하는데 사용된다.
도 1a는 1차 주입구에 비해 혼합기의 고전단 영역에서 두 개의 2차 주입구 배치로 수정된 표준 반경류의, 회전자-고정자 혼합기의 단면이다.
도 1b는 두 개의 고정자들 사이의 공간 내에 회전자가 배치된, 선 1B-1B를 따라 취한 도 1a의 부분도이다.
도 1c는 두 개의 고정자들 사이의 공간에서 회전자가 제거된, 선 1B-1B를 따라 취한 도 1a의 부분도이다.
도 2는 제1 고정자의 평면도이다.

정의

당업계의 맥락 또는 관습과 대조적, 충돌적으로 언급되지 않는다면, 모든 부분 및 퍼센트는 중량을 기준으로 하며, 모든 시험 방법은 본 개시내용의 출원일자 현재 통용된다. 미국 특허법의 목적을 위해, 임의의 참조된 특허, 특허 출원 또는 출판물의 내용은 특히, 정의의 개시(본 개시내용에서 구체적으로 제공되는 임의의 정의와 불일치하지 않는 정도에서) 및 당업계에 일반적인 지식에 관해서, 그의 전체가 인용에 의해 포함된다(또는 그의 동등한 US 판이 인용에 의해 포함됨).

본 개시내용에서 수치 범위는 근사치이며, 따라서 그밖에 지시가 없다면 범위 밖의 값도 포함할 수 있다. 수치 범위는 한 단위의 증가에서, 하위 및 상위 값을 포함하는 모든 값을 포함하며, 단 임의의 하위 값과 임의의 상위 값 사이에는 둘 이상 단위의 분리가 있다. 예로서, 조성적, 물리적 또는 다른 성질, 예컨대 분자량 등이 100 내지 1,000인 경우, 모든 개별 값, 예컨대 100, 101, 102 등 및 하위 범위, 예컨대 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등이 분명히 열거된다. 1 초과의 분수(예컨대, 1.1, 1.5 등)를 포함하거나 1 미만인 값을 포함하는 범위에 있어, 한 단위는 적절하게 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1인 것으로 간주된다. 10 미만의 한 자리 숫자를 포함하는 범위에 있어(예컨대, 1 내지 5), 한 단위는 전형적으로 0.1인 것으로 간주한다. 이들은 구체적으로 의도된 것의 단지 예이며, 열거되는 최하 값과 최상 값 사이의 수치의 모든 가능한 조합이 본 개시내용에서 분명히 언급되는 것으로 간주한다. 수치 범위는 다른 것들 중에서, 분자량에 대해 본 개시내용 내에서 제공된다.

"유체 소통" 및 유사 용어는 유체, 예컨대 액체, 기체 등이 한 정의된 구역에서 또 다른 정의된 구역으로 중단 없이 직접적으로 통과할 수 있는 것을 의미한다. 예컨대, 액체는 1차 주입구로부터 환형 챔버 내로, 이어서 제1 통로 내로 연결 채널을 통해 제2 통로 내로, 이어서 배출구를 통해 직접적으로 중단 없이 통과할 수 있다. 혼합기의 각 구역은 다른 것과 유체 소통한다.

"반경의" 및 유사 용어는, 반경류의, 회전자-고정자 혼합기의 맥락에서, 회전자 축에서 수직(즉, 직각의) 방향을 의미한다.

"반경류의" 및 유사 용어는 회전자 축에서 또는 그 가까이에서 제1 통로로 들어오는 유체가 제1 통로를 따라 회전자 축 위로 또는 멀어지게 회전자 축으로부터 최원위 영역으로, 및/또는 회전자 축으로부터 아래로 또는 최원위 제2 통로 내 영역에서 회전자 축에 또는 그 가까이의 제2 통로 내 영역 방향으로 이동하는 경로를 의미한다.

"통로" 및 유사 용어는 고정자 및 회전자의 표면에 접촉하지 않으나 대향(opposing)하는 것으로 정의된 유동 경로 또는 채널을 의미한다. 제1 통로는 제1 고정자의 페이셜면과 회전자의 대향면에 의해 형성된 유동 경로이다. 제1 통로의 유체는 회전축에서 또는 그 가까이에서, 즉 회전자-고정자 중심에서 또는 그 가까이에서, 저전단 영역으로부터 회전자-고정자의 주변부에서 또는 그 가까이에서, 즉 제1 통로와 연결 채널의 접합점(juncture)에서 또는 그 가까이에서, 또는 즉, 회전자 축에서 가장 먼 제1 통로의 지점에서 또는 그 가까이에서 고전단 영역으로 이동한다. 제2 통로는 제2 고정자의 페이셜면과 회전자의 대향면에 의해 형성된 유동 경로이다. 제2 통로의 유체는 회전자-고정자의 주변부에서 또는 그 가까이에서, 즉 연결 채널과 제2 통로의 접합점에서 또는 그 가까이에서, 또는 즉, 회전자 축에서 가장 먼 제2 통로의 지점에서 또는 그 가까이에서 고전단 영역으로부터, 전형적으로 회전자-고정자의 중심에 또는 그 가까이에 있는 혼합기 배출구로 이동한다. 본 발명의 결과 및 맥락과 같이, 유체는, 저전단의 영역 내 제1 통로로 진입함으로써 회전자-고정자 혼합기를 통해 이동하며, 제1 통로에서 증가하는 전단 구배를 통해 이동하며, 연결 채널을 거쳐 제2 통로로 이동하며, 감소하는 전단 구배를 통해 제2 통로 아래를 통과하여, 저전단의 영역으로부터 제2 통로를 떠나며, 혼합기 배출구를 통해 혼합기를 나온다.

"전단" 및 유사 용어는 유체(액체, 기체 또는 둘 다)가 회전자-고정자 혼합기의 제1 및 제2 통로를 통해 이동하기 때문에 유체에 부여되는 속도 구배를 의미한다. 전단 속도는 통로의 크기, 길이 및 형상, 고정자와 회전자의 페이셜 형상, 회전자의 회전 속도, 유체의 점도 및 속도, 통로 내에서 유체 상의 압력 등을 포함하나, 이에 한정되지 않는 인자의 조합의 결과이다.

"전단 영역" 및 유사 용어는 유체가 전단 응력을 가짐, 즉 유체의 단면과 동일 평면의 응력 구성요소를 가지는 통로 내의 공간 또는 부피를 의미한다. 전단 응력은 단면과 평행한 힘 벡터 구성요소로부터 발생한다. 다른 한편, 수직 응력은 그것이 작용하는 물질 단면에 수직인 힘 벡터 구성요소로부터 발생한다. 본 개시내용의 목적을 위해, 전단 영역은 유체가 통로를 통해 이동하든 또는 하지 않든 통로 내 공간 또는 부피에 적용된다.

"고전단 영역", "저전단 영역" 및 유사 용어는 유체가 통로를 통해 이동하든 또는 하지 않든, 통로 내 다른 공간 또는 부피에 대한 통로의 공간 또는 부피를 지정하는데 사용되는 상대적 용어이다. 고전단 영역은 이 공간 또는 부피를 통해 이동하는 유체가, 통로 내 하나 이상의 다른 영역을 통해 유체가 이동할 때보다 더 크거나 더 많은 전단 응력 하에 있는 통로의 공간 또는 부피이다. 유체가 통로를 통해 더 멀리 이동하고 회전자-고정자의 중심에서 더 멀리 떨어질수록, 유체는 더 많은 전단 응력을 경험할 것이다. 따라서, 통로를 따라 유사한 크기의 두 영역 중, 회전자-고정자 중심에서 가장 먼 영역이 고전단 영역이 될 것이며, 회전자-고정자 중에서 가장 가까운 영역이 저전단 영역이 될 것이다.

반경류의 , 회전자-고정자 혼합기

도 1a를 참조하여, 반경류의, 회전자-고정자 혼합기(10)는 회전자(12)에 연결된 회전자 축(11) 및 모터(도시 생략)(이와 회전자의 회전을 유발)를 포함한다. 회전자(12)는 하우징(13) 내에 배치되며, 하우징(13)은 제2 하우징 구획(15)에 수단(31)으로 접합된 제1 하우징 구획(14)을 포함한다. 제1 하우징 구획(14)은 제1 고정자(16)를 포함하며, 제2 하우징 구획(15)은 제2 고정자(17)를 포함한다. 제1 및 제2 고정자는 서로 대향하여 배치되어 그들 사이에 회전자(12)에 의해 차지되는 부피(18)(도 1c)를 형성한다. 회전자(12)는 부피(18)를 제1 통로 또는 채널(19) 및 제2 통로 또는 채널(20)로 분할하고(도 1b), 둘 모두는 회전자 제1 표면(21)이 제1 고정자(16)에 인접하게 배치되고, 회전자 제2 표면(22)이 제2 고정자(17)에 인접하게 배치된 매우 작은 부피이다. 두 개의 하우징 구획은 서로로부터 분리되어 회전자와 고정자로의 접근을 제공할 수 있다.

1차 주입구(24)는 회전자 축(11)을 둘러싼 환형 챔버(25)와 유체 소통에 있다. 환형 챔버(25)는 다시 제1 통로(19)와 유체 소통하며, 제1 통로(19)는 연결 채널(23)을 거쳐 제2 통로(20)와 유체 소통하며, 제2 통로(20)는 배출구(26)와 유체소통한다. 따라서, 액체는 1차 주입구(24)를 통해 진입하여, 환형 챔버(25) 내를 통해, 제1 통로(19) 내를 통해 혼합기(10)를 통과할 수 있으며, 연결 채널(23)을 통해 제2 통로(20) 쪽으로 넘어가 배출구(26)를 통해 밖으로 나갈 수 있다.

제1 하우징 구획(14)은 제1 냉각 자켓(27A)이 구비되어 있고, 제2 하우징 구획(15)은 제2 냉각 자켓(27B)이 구비되어 있다. 제1 냉각 자켓(27A)은 제1 고정자(16)에 인접한 제1 하우징 구획(14)에 부착하며, 냉각 유체(도시 생략)는 제1 냉각 유체 주입구(28) 및 제1 냉각 유체 배출구(도시 생략)에 의해 그를 통해 순환된다. 제2 냉각 자켓(27B)은 제2 고정자(17)에 인접한 제2 하우징 구획(15)에 부착하며 냉각 유체(도시 생략)는 제2 냉각 유체 주입구(29) 및 제2 냉각 유체 배출구(도시 생략)에 의해 그를 통해 순환된다.

제1 하우징 구획(14)은 제1 통로(19)와 유체 소통하는 제1 2차 주입구(30A) 및 또한 제1 통로(19)와 유체 소통하는 제2 2차 주입구(30B)를 포함한다. 환형 챔버가 제1 통로 내로 공급하는 영역보다 더 큰 전단의 영역에서 2차 주입구가 제1 통로 내로 공급한다는 것이 본 발명에서 중요하다. 제1 및 제2 통로는 가변적인 전단의 영역이다. 회전자의 회전으로 인해, 전단은 축에서 가장 먼 통로 또는 최원위부 둘 다에서 최대이며, 축에 가장 가까운 통로들 둘 다에서 최소다.

도 1a에서, 환형 챔버(25)로부터 제1 챔버로 진입하는 액체는 회전축(11)에서 또는 이에 가깝게 진입하며, 따라서 회전축에서 가장 멀리 배치된 영역에 비해 저전단인 제1 통로의 영역으로 진입한다. 제2 2차 주입구(30B)로부터 제1 통로 내로 진입하는 유체는 제1 고정자(16)의 약 절반보다 높게 진입하며, 따라서 회전축(11)에서 보다 더 가까운 제1 통로의 영역에서의 전단에 비해 더 큰 전단의 영역에서 제1 통로 내로 진입한다. 제1 2차 주입구(30A)로부터 제1 통로 내로 진입하는 유체는 제1 고정자(20)의 말단에서 또는 그 가까이에서 회전축(11)으로부터 최원위 영역 내로 진입하며, 따라서, 회전자 축(11)에서 가장 가까운 제1 통로의 영역에서의 전단에 비해 최대의 전단의 영역 내로 진입한다.

도면에는 나타내지 않았지만, 반경류의, 회전자-고정자 혼합기(10)는 둘 초과의 2차 주입구를 구비할 수 있다. 이들 선택적 추가 주입구는 또한 환형 챔버에 의해 공급되는 것보다 더 큰 전단의 영역에서 제1 통로 내로 공급한다. 각각의 2차 주입구는, 각각이 환형 챔버가 공급하는 영역의 전단보다 더 큰 전단의 영역 내로 공급하는 한, 하나 이상의 다른 2차 주입구로서 제1 통로의 동일하거나 상이한 영역 내로 공급할 수 있다. 환형 챔버가 액체를 공급하는 제1 통로의 영역 내로 기체를 공급하도록 하나 이상의 2차 주입구를 배치하는 것은, 혼합기로 만든 포말이 보다 큰 기포를 가지는 경향이 있고, 모든 2차 주입구가 액체가 공급되는 영역의 것보다 더 큰 전단을 가진 영역 내로 기체를 공급할 때 만들어진 포말의 것보다 더 큰 기포 크기 분포를 가지는 경향이 있기 때문에, 선호되지 않는다.

반경류의, 회전자-고정자 혼합기(10)는 도 2를 참조하여 추가로 기술된다. 도 2를 참조하여, 제1 고정자(16)는 임의의 형태를 가질 수 있으며, 예컨대, 제1 고정자(16)는 원 형상을 가질 수 있다. 제1 고정자(16)는 중심 채널(32)을 추가로 포함할 수 있다. 제1 고정자(16)에 임의의 수의 일반적으로 고리-형태인 고정자 톱니(teeth)(33)가 제공될 수 있으며, 예컨대, 제1 고정자(16)는 둘 이상의 일반적으로 고리-형태인 고정자 톱니(33)가 제공될 수 있다. 각각의 일반적으로 고리-형태인 고정자 톱니(33)에 원주 방향에서 다수의 빗-형태의 톱니(34)가 제공된다. 일반적으로 고리-형태인 고정자 톱니(33)는 추가로 서로로부터 임의의 거리(35)로 떨어져 위치될 수 있다.

제1 고정자(16)는 환형 챔버(25)를 통해 1차 주입구(24)와 유체 소통하는 제1 고정자 주입구 포트(36), 제2 2차 주입구(30B)와 유체 소통하는 제1 고정자 주입구 포트(37), 및 제1 2차 주입구(30A)와 유체 소통하는 제1 고정자 주입구 포트(38)를 포함한다(도 2에서, 제1 고정자(16)는 고정자-회전자 혼합기(10)가 네 개의 2차 주입구를 구비하며, 이 중 셋은 회전자 축으로부터 제1 통로 상의 최대 거리에서 또는 그 가까이에서 제1 고정자에 대해 동등하게 위치되는 도 1a-1c에 나타내지 않은 실시태양을 설명하는 세 개의 주입구 포트(38)로 나타난다). 도 2는 또한 제2 고정자를 포함하는 제2 하우징 구획(도 2에서 도시 생략)에 제1 고정자를 포함한 제1 하우징 구획을 접합하거나 연결하기 위한 수단(31)을 도시한다. 두 구획을 접합하거나 연결하기 위한 수단(31)은 인터로킹(interlocking) 매커니즘, 너트와 볼트, 및 나사를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

전단 구배 화살표(39)는 제1 통로를 따라, 또는 즉 제1 고정자(16)의 반경을 따라, 증가하는 전단의 방향을 지칭한다. 전단은 외부 둘레(40)에서 또는 그 가까이에서 최대이며, 회전자 축(11)(도시 생략)이 통과하는 중심 채널(32)의 가장 가까이에서 최소이다.

제2 고정자(17)의 형상은 제1 고정자의 형상과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 전형적으로, 형상이 동일하지 않은 경우, 유사하다. 회전자의 페이스는 그들이 대향하는 고정자의 형상을 상호보완한다. 고정자 형상 및/또는 다른 인자의 차이로 인해, 제1 통로 내 임의의 한 특정 영역의 전단이 제2 통로의 상응하는 영역에서의 전단 고정자와 상이하고, 전형적으로 더 클 수 있음에도, 제2 통로의 전단 구배 화살표는 제2 통로와 동일하다.

회전자(12)는 결국, 회전자에 회전 이동을 부여하는 전원, 예컨대 전기 모터(도시 생략)에 연결된 회전축(11)(도 1)에 연결하기 위한 수단(도시 생략)을 포함한다. 회전자를 회전축에 연결하기 위한 수단은 인터로킹 매커니즘, 너트와 볼트 및 나사를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

중합체성 포말 형성의 프로세스

한 실시태양에서, 반응성 수소 관능기 예컨대, 폴리올을 가진 제1 프레폴리머 상이 1차 주입구(24)를 통해 제1 통로 내로 도입되며, 이소시아네이트 관능기를 가진 제2 프레폴리머 상이 계면활성제 및, 선택적으로 촉매의 존재하에서 2차 주입구(30B)를 통해 제1 통로 내로 도입되며, 이들 중 하나 또는 둘 다는 제1 및 제2 프레폴리머 상의 하나 또는 둘 모두와 조합되거나, 다른 2차 주입구를 통해 별개로 도입될 수 있다. 제1 프레폴리머 상이 도입되는 전단 영역에 비해 제1 통로의 고전단 영역에서 2차 주입구(30A)를 통해 제1 통로 내로의 비활성 기체의 도입으로 포말이 형성된다. 당업자는 제1 및 제2 프레폴리머 상이 그들이 제1 통로 내로 도입되고/되거나 다수의 주입구 중에서 갈라지는 맥락에서 반전될 수 있음을 인식한다. 본 발명의 중요한 특징은 비활성 기체가 반응성 성분이 도입되는 영역에 비해 고전단의 영역 내로 제1 통로 내로 도입된다는 것이다. 다른 실시태양에서, 전단 추가의 순서는 달라지며, 예컨대, 폴리올은 저전단에서 추가되며, 기체는 중간 전단에서 추가되며, 이소시아네이트는 고전단에서 추가된다.

반응 혼합물은 비활성 기체와 조합하여 균일한 크기의 비말동반(entrain)되고, 미세하게 분할된 기포와 액체 혼합물의 포말을 형성한다. 포말은 우선 제1 통로에서 형성된 다음, 회전자의 원위 말단에서 반경 통로를 거쳐 제1 챔버와 유사한 전단 구배를 가진 제2 통로로 이동한다. 제1 통로에서, 반응 혼합물은 비교적 저전단에서 비교적 고전단으로, 반경 통로를 넘고 이를 통한 다음, 비교적 고전단의 영역에서 비교적 저전단으로 제2 챔버 아래로 이를 통해 이동하고, 최종적으로 폴리우레탄 포말이 배출구 포트(23)를 통해 제2 챔버와 혼합기를 나간다. 혼합기, 즉 주입구에서 배출구까지의 두 통로들 내에서 물질의 체류 시간은 물질의 성질, 혼합기의 작동 조건에 따라 상이할 수 있으나, 전형적으로 체류 시간은 수 초에서 일 분 미만이다.

용어 이소시아네이트 프레폴리머 상은 실질적으로 유기 용매를 함유하지 않으며, 또한 한 분자당 두 개 이상의 이소시아네이트 기를 가지는 액체를 지칭한다. 상기 이소시아네이트 프레폴리머는 프레폴리머 상의 총 중량을 기준으로 프레폴리머 중 유기 용매의 함량이 10 중량% 이하인 이소시아네이트 프레폴리머를 추가로 지칭한다. 유기 용매를 제거하는 단계를 제외하기 위해서, 유기 용매의 함량은 프레폴리머 상의 총 중량을 기준으로 예컨대, 5 중량% 이하일 수 있거나, 또는 다르게는, 유기 용매의 함량은 프레폴리머 상의 총 중량을 기준으로 1 중량% 이하일 수 있거나, 또는 다르게는, 유기 용매의 함량은 프레폴리머 상의 총 중량을 기준으로 1 중량% 이하일 수 있다. 바람직한 실시태양에서, 이소시아네이트 프레폴리머 상은 어떠한 용매도 함유하지 않는다.

본 발명에 사용되는 이소시아네이트 프레폴리머의 수평균 분자량은 예컨대, 무-용매 기준으로 1,000 내지 200,000, 전형적으로 1,000 내지 50,000의 수평균 분자량(Mn)을 가진 단량체 물질 내지 프레폴리머의 범위 내일 수 있다.

본 발명에 사용되는 이소시아네이트 프레폴리머는 임의의 종래의 공지 프로세스, 예컨대, 용액 프로세스, 고온 용융 프로세스, 또는 프레폴리머 혼합 프로세스로 제조될 수 있다. 또한, 이소시아네이트 프레폴리머는, 예컨대, 폴리이소시아네이트 화합물을 활성 수소 함유 화합물과 반응시키는 프로세스를 통해 제조될 수 있으며, 예는 (i) 유기 용매를 사용하지 않고 폴리이소시아네이트 화합물을 폴리올 화합물과 반응시키는 프로세스, 및 (ii) 유기 용매에서 폴리이소시아네이트 화합물을 폴리올 화합물과 반응시킨 후 용매를 제거하는 프로세스를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

폴리이소시아네이트 화합물의 예는 2,4-톨릴렌 디이소시아네이트, 2,6-톨릴렌 디이소시아네이트, m-페닐렌 디이소시아네이트, p-페닐렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 2,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 3,3'-디메톡시-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 3,3'-디클로로-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 1,5-테트라히드로나프탈렌 디이소시아네이트, 테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트, 도데카메틸렌 디이소시아네이트, 트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,3-시클로헥실렌 디이소시아네이트, 1,4-시클로헥실렌 디이소시아네이트, 자일릴렌 디이소시아네이트, 테트라메틸자일릴렌 디이소시아네이트, 수소화된 자일릴렌 디이소시아네이트, 라이신 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 4,4'-디시클로헥실메탄 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-디시클로헥실메탄 디이소시아네이트, 이의 이성질체, 및/또는 이들 중 둘 이상의 조합을 포함한다.

본 발명에 사용되는 활성 수소-함유 프레폴리머는 비교적 고분자량을 가진 화합물("고분자량 화합물") 및 비교적 저분자량을 가진 화합물("저분자량 화합물")을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

고분자량 화합물의 Mn은 예컨대, 300 내지 50,000 범위 내, 또는 다르게는 500 내지 5,000 범위 내일 수 있다. 저분자량 화합물의 수평균 분자량은 예컨대, 300 미만일 수 있다. 이들 활성 수소-함유 화합물은 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 이들의 둘 이상의 종류가 조합으로 사용될 수 있다.

이들 활성 수소-함유 화합물 중에서, 고분자량 화합물의 예는 카프로락톤 기반의 폴리에스테르 폴리올을 포함한 지방족 및 방향족 폴리에스테르 폴리올, 씨드 오일 기반의 폴리에스테르 폴리올, 임의의 폴리에스테르/폴리에테르 하이브리드 폴리올, PTMEG-기반의 폴리에테르 폴리올; 에틸렌 옥시드, 프로필렌 옥시드, 부틸렌 옥시드 및 이의 혼합물에 기반한 폴리에테르 폴리올; 폴리카르보네이트 폴리올; 폴리아세탈 폴리올, 폴리아크릴레이트 폴리올; 폴리에스테르아미드 폴리올; 폴리티오에테르 폴리올; 폴리올레핀 폴리올, 예컨대, 포화 또는 불포화 폴리부타디엔 폴리올, 폴리티오에테르 폴리올, 폴리올레핀 폴리올, 예컨대, 폴리부타디엔 폴리올 등을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 활성 수소 함유 화합물은 또한 1차 및 2차 아민, 또는 1차 또는 2차 아민으로 종결된 프레폴리머를 포함할 수 있다.

폴리에스테르 폴리올로서, 예컨대, 글리콜과 산의 축중합 반응으로 수득된 폴리에스테르 폴리올이 사용될 수 있다.

폴리에스테르 폴리올을 수득하는데 사용될 수 있는 글리콜의 예는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 3-메틸-l,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜, 비스히드록시에톡시벤젠, 1,4-시클로헥산디올, 1,4-시클로헥산-디메탄올, 비스페놀 A, 1,3- 및 1,4-시클로헥산디메탄올(우녹솔™(UNOXOL™)-디올)의 혼합물, 수소화된 비스페놀 A, 히드로퀴논, 및 이의 알킬렌 옥시드 부가물을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 이들 저분자량 종류는 또한 혼합기에 직접 사용될 수 있으며, 그의 유사한 아민도 그럴 수 있다.

폴리에스테르 폴리올을 수득하는데 사용될 수 있는 산의 예는 숙신산, 아디프산, 아젤라산, 세바스산, 도데칸디카르복실산, 말레산 무수물, 푸마르산, 1,3-시클로펜탄디카르복실산, 1,4-시클로헥산디카르복실산, 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 2,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 나프탈산, 비페닐디카르복실산, l,2-비스(페녹시)에탄-p,p'-디카르복실산 및 이들 디카르복실산의 무수물 또는 에스테르 형성 유도체; 및 p-히드록시벤조산, p-(2-히드록시에톡시)벤조산, 및 이들 히드록시카르복실산의 에스테르 형성 유도체를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

또한 시클릭 에스테르 화합물의 고리-열림 중합 반응에 의해 수득된 폴리에스테르, 예컨대, C-카프로락톤 및 이의 코폴리에스테르가 사용될 수 있다.

폴리에테르 폴리올의 예는 둘 이상의 활성 수소 원자를 가진 화합물의 한 종류 이상의 폴리-첨가 반응에 의해 수득된 화합물, 예컨대, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 트리메틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸 글리콜, 글리세린, 트리메틸올에탄, 트리메틸올프로판, 소르비톨, 수크로오스, 아코나이트 당류, 트리멜리트산, 헤미멜리트산, 인산, 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 트리이소프로판올아민, 피로갈롤, 디히드록시벤조산, 히드록시프탈산, 및 에틸렌 옥시드, 프로필렌 옥시드, 부틸렌 옥시드, 스티렌 옥시드, 에피클로로히드린, 테트라히드로푸란 및 시클로헥실렌 중 1 종 이상을 가진 1,2,3-프로판트리티올을 포함하나, 이제 한정되지 않는다.

폴리카르보네이트 폴리올의 예는 글리콜, 예컨대 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올 및 디에틸렌 글리콜과 디페닐 카르보네이트 및 포스겐의 반응으로 수득되는 화합물을 포함하나, 이제 한정되지 않는다.

활성 수소-함유 화합물 중에서, 저분자량 화합물은 한 분자당 둘 이상의 활성 수소를 가지고 300 미만의 수평균 분자량을 가지는 화합물이며, 이의 예는 폴리에스테르 폴리올의 원료로 사용되는 글리콜 성분; 폴리히드록시 화합물, 예컨대, 글리세린, 트리메틸올에탄, 트리메틸올프로판, 소르비톨 및 펜타에리트리톨; 및 아민 화합물, 예컨대, 에틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민, 피페라진, 2,5-디메틸피페라진, 이소포론디아민, 4,4'-디시클로헥실메탄디아민, 3,3'-디메틸-4,4'-디시클로헥실메탄디아민, 1,4-시클로헥산디아민, 1,2-프로판디아민, 히드라진, 디에틸렌트리아민 및 트리에틸렌테트라아민을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

본원에서 사용되는 용어 "계면활성제"는 액체와 기체 사이의 표면장력을 감소시키는 임의의 화합물을 지칭한다. 비-이온성 계면활성제가 본 발명의 실시에 유용하며, 이는 에틸렌 옥시드 및 실리콘 계면활성제를 함유한 블록 공중합체, 예컨대, 에톡시화 알코올, 에톡시화 지방산, 소르비탄 유도체, 라놀린 유도체, 에톡시화 노닐 페놀, 또는 알콕시화 폴리실록산을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 계면활성제는 그들이 성장하는 중합체 내로 도입될 수 있도록 반응성 수소 관능기를 함유할 수 있다.

폴리우레탄 프레폴리머는 당업자에게 익히 공지된 쇄 연장제를 사용하여 전형적으로 쇄 연장된다.

본 발명의 실시에 사용되는 촉매는 금속계 촉매, 예컨대, 주석 유도체 및 3차 아민을 포함한다. 본 발명의 실시에 사용되는 비활성 기체는 노블 가스(noble gas), 질소, 이산화탄소 및 혼합 조건하에서 혼합물의 다른 성분과 반응하지 않는 임의의 다른 기체를 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 기체의 양과 기체 첨가 속도는 적용에 따라 변할 것이다. 최대 기체 함량은 연속상으로서 액체를 유지하는 능력에 의해 결정된다. 최소 기체 함량은 최종 적용의 요건에 의해 결정된다. 액체는 기체 없이 첨가된다, 즉, 제1 통로 내로 들어가지 전에 액체 중 기체가 없다. 전형적으로, 기체 및 액체 스트림이 간단히 접합된 경우(예컨대, 교차 파이프의 T-접합부에서 혼합됨), 비균질 포말이 실시예 1에서 나타낸 바와 같이 형성된다.

구체적 실시태양

실시예 1: 유동 안정화

이소시아네이트 프레폴리머와 폴리에테르 폴리올의 반응성 혼합에 의해 오크스(Oakes) 혼합기에서 폴리우레탄 포말이 발생되었다. 질소를 포말발생 기체로 사용하였고, 제파민을 제형에 추가하였다. 표준 4" 오크스 혼합기를 수정하여 반응물 스트림의 스테이징을 허락하였다. 이소시아네이트, 폴리올, 제파민 및 기체의 매스 유동은 각각 180, 410, 9, 0.26 g/분이었다. 폴리올과 제파민은 혼합되어 축을 따라 회전자-고정자 혼합기로 진입하였다. 이소시아네이트와 기체 스트림은 T-접합 파이프 교차점에서 합쳐져서 다음 주입구에서 오크스 혼합기 내로 공급되었다. 본 구성의 작동 동안, 혼합기의 기체 유동 미터 업스트림 상에서 과도(transient) 기체 유동이 관찰되었다. 진동은 주기 및 진폭 둘 다에서 변하였다. 일부 진동은 최대 60 초 지속되었다. 기체 유동의 변화 크기는 최대 80 %였다. 기체 유동을 안정하게 하기 위해, 기체 주입구 위치를 스테이징된 주입구(회전자 톱니의 5와 6 열 사이) 내로 이동하였다. 이 변화는 기체 유동 진동을 거의 제거시켰다. 상기 변화 이후 관찰된 유동에서 기체 유동은 단지 < 5 % 변화로 매우 안정하였다.

실시예 2: 시약 스테이징

이소시아네이트 프레폴리머와 폴리에테르 폴리올의 반응성 혼합에 의해 수정된 오크스 혼합기에서 폴리우레탄 포말이 발생되었다. 질소를 포말발생 기체로 사용하였고, 제파민을 제형에 추가하였다. 표준 4" 오크스 혼합기를 수정하여 제1 통로 상의 세 개의 추가 위치 및 제2 통로 상의 두 개의 추가 위치에서 반응물 스트림의 스테이징을 허락하였다. 수정된 혼합기의 다이어그램, 도 1a가 본 특허 출원에 포함된다. 이소시아네이트, 폴리올, 제파민 및 기체의 매스 유동은 각각 180, 410, 9, 0.25 g/분이었다. 처음에, 유동 안정성을 개선시키도록 스테이징된 기체를 제외하고, 반응물을 표준 오크스 혼합기의 표준 주입구 포트를 통해 가져왔다. 상기 구성에서, 41 마이크로미터의 표준 편차를 가진 76 마이크로미터의 기포 크기가 관찰되었다.

반응물 스트림이 스테이징되는(가변적인 체류 시간을 가진 혼합기 내로 별도로 진입함) 제2 구성을 연구하였다. 유속 및 실험 조건을 일정하게 유지하였고, 폴리올이 1차 주입구 위치에서 회전자-고정자 혼합기에 진입하였다. 오크스 혼합기의 제1 통로 상에 세 개의 스테이징된 주입구가 이소시아네이트, 제파민, 및 질소를 포함하였다. 촉매가 제2 통로 주입구 상의 장치에 진입하였다. 상기 구성은 제조 포말의 기포 크기를 22 마이크로미터의 표준 편차를 가진 51 마이크로미터로 감소시킨다.

본 발명이 바람직한 실시태양의 선행된 설명을 통해 특정 세부사항으로 기술되었지만, 상기 세부사항은 설명이 주요 목적이다. 다음의 청구항에 기술되는 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어남 없이, 다수의 변형 및 수정이 당업자에 의해 행해질 수 있다.

Claims (11)

1. A. 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함한 하우징;
   B. 하우징 내에서 제1 통로와 제2 통로를 형성하고, 제1 통로와 제2 통로 사이에 유체 소통을 제공하기 위해 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치된, 회전축에 연결된 회전자;
   C. 저전단 영역에서 제1 통로로의 1차 주입구;
   D. 1차 주입구의 것보다 더 높은 전단의 하나 이상의 영역에서 제1 통로로의 둘 이상의 2차 주입구이며, 하나 이상의 2차 주입구가 회전축으로부터 최대 거리 또는 그 가까이에 있는 2차 주입구; 및
   E. 제2 통로로부터의 배출구
   를 포함하고,
   유체 및 기체는 2차 주입구를 통해 제1 통로로 도입되는 것인 반경류의 회전자-고정자 혼합기.
2. 제1항에 있어서, 1차 주입구의 것보다 더 높은 전단의 하나 이상의 영역에서 제1 통로로의 셋 이상의 2차 주입구를 포함하고, 둘 이상의 2차 주입구가 회전축으로부터 최대 거리 또는 그 가까이에 있는 것인 반경류의 회전자-고정자 혼합기.
3. 제1항에 있어서, 2차 주입구는 1차 주입구가 제1 통로에 공급하는 위치와는 상이한 제1 통로의 위치에 공급하는 것인 반경류의 회전자-고정자 혼합기.
4. A. 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함한 하우징;
   B. 하우징 내에서 제1 통로와 제2 통로를 형성하고, 제1 통로와 제2 통로 사이에 유체 소통을 제공하기 위해 제1 고정자와 제2 고정자 사이에 배치된, 회전축에 연결된 회전자;
   C. 저전단 영역에서 제1 통로로의 1차 주입구;
   D. 1차 주입구의 것보다 더 높은 전단의 하나 이상의 영역에서 제1 통로로의 둘 이상의 제2 주입구이며, 하나 이상의 2차 주입구가 회전축으로부터 최대 거리 또는 그 가까이에 있는 2차 주입구; 및
   E. 제2 통로로부터의 배출구
   를 포함한 반경류의, 회전자-고정자 혼합기를 사용한,
   1. 1차 주입구를 통해 단량체, 프레폴리머, 또는 중합체를 포함하는 액체를 포함한 제1 공급물을 제1 통로의 제1 전단 영역 내로 도입하는 단계;
   2. 하나 이상의 2차 주입구를 통해 유체 및 기체를 포함하는 제2 공급물을 제1 전단 영역의 전단보다 더 큰 전단의, 제1 통로의 제2 전단 영역 내로 도입하는 단계;
   3. 제1 통로 내에서 제1 및 제2 공급물의 포말을 형성하는 단계;
   4. 제1 통로로부터 제2 통로로 포말을 이동시키는 단계; 및
   5. 혼합기의 배출구를 통해 포말을 배출하는 단계
   를 포함하고,
   유체 및 기체는 2차 주입구를 통해 제1 통로로 도입되는 것인 중합체성 포말의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 제1 통로의 제2 전단 영역 내로 도입된 유체가 기체인 중합체성 포말의 제조 방법.
   
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