KR19990022606A - 고 분산상 유화액으로부터 유도된 포움 물질의 절연체로서의 용도 - Google Patents

고 분산상 유화액으로부터 유도된 포움 물질의 절연체로서의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중합성 포움 물질을 절연체로서 사용하는 방법에 관한 것이다. 이러한 중합성 포움은 주로 고분산상 유화액 또는 HIPE로 알려진, 수상 대 유상의 비가 비교적 높은 유중수 유화액의 중합에 의해 제조된다. 본 발명에 사용되는 HIPE-유도 포움 물질은 일반적으로 소수성이고, 가요성이고, 상호연결된 연속기포형의 반-가요성이거나 경질 비이온성 중합성 포움 구조물을 포함한다. 상기 포움 구조물은 (A) 약 0.01m2/cc 이상의 포움 부피 당 비표면적;(B) 약 0.05g/cc 미만의 밀도; 및 (C) 약 -20℃ 내지 90℃의 유리전이온도(Tg)의 특징을 갖는다. 이러한 포움은 열적, 소리적 및/또는 기계적 절연 물질이다. 바람직한 실시태양에서 포움은 압축된 고밀도 상태에서 제조되고, 포장되고, 선적되며, 활성화시(예, 가열시) 원래의 포움 밀도로 튀어오른다.

Description

고 분산상 유화액으로부터 유도된 포움 물질의 절연체로서의 용도
효율적이고 효과적인 절연체는 상업적으로 상당히 관심을 끄는 대상이었다. 이는 특히 열절연체인 물질, 예를 들면 임의의 장치, 구조물 또는 컨테이너의 열손실률(또는 열흡수율)을 감소시키는 물질의 경우에 그러하다. 포움은 절연체로서 널리 사용된다. 포움의 용도 및 성질을 기술하는 참고문헌은 오텔 지(Oertel, G.)의 문헌[Polyurethane Handbook Hanser Publishers, Munich, 1985] 및 깁슨 엘 제이(Gibson,L.J.) 및 애쉬비 엠 에프(Ashby, M.F.)의 문헌[Cellular Solids Structure and Properties, Pergamon Press, Oxford, 1988]을 포함한다. 절연체란 한 위치에서 다른 위치로 에너지가 전달되는 것을 감소시키는 임의의 물질을 말한다. 이러한 에너지는 열, 소리 및/또는 기계적 에너지를 포함할 수 있다. 열절연은 특히 중요하며 절연 매체의 열전도성과 관련이 있다.
완벽한 절연체는 진공이다. 그러나, 절연시킬 영역의 주위에 비어있는 공간을 만들고 유지하는 일은, 특히 부피가 클 경우에는 비현실적이다. 진공 용기상에 가해지는 대기압을 견디는데 요구되는 구조적인 일체성이 논란이 될 수 있다.
통상적인 절연 매체는 일체성을 제공하는 고체에 의해 둘러싸인 다공성 영역을 가짐으로써 포움 또는 다포질 물질이다. 절연체로서의 포움의 기능은 공기를 포획하고 전술된 유형들의 열전도를 감소시키는 것이다. 포움은 일반적으로는 밀도(포움내의 개방 구조-대-고체 구조 비와 거의 같다) 뿐만 아니라 구조내의 공극 또는 기포의 크기에 의해 특징지워진다.
임의의 포움의 열전도성은 (1) 공극을 통한 대류; (2) 기체를 통한 전도; (3) 중합체를 통한 전도; (4) 기포벽을 통해 기포 소공을 가로지르는 열복사라는 네가지의 특징을 갖는다.
절연 매체의 공극을 통한 기체의 움직임에 의한 대류는 기포 크기가 약 4mm로 감소됨에 따라서 줄어들며, 이보다 더 감소되면 무시할만한 정도가 된다. 공극을 통한 대류는 10mm 보다 더 작은 기포에서는 억제된다. 대부분의 포움은 mm 단위보다 훨씬 더 작은 기포를 갖는다.
기체를 통한 전도는 전형적으로 시스템의 열전도의 ⅔정도를 차지한다. 이러한 이유 때문에, 기체는 전형적으로 시간이 흐름에 따라 대기와 교환되지만, 저전도성 기체로 채워진 포움이 바람직할 수 있다. 고체 중합체를 통한 전도는 저밀도 포움과 마찬가지로 무시할만한 정도이다.
열복사는 포움내의 열전도의 ¼ 내지 ⅓을 차지할 수 있다(글릭스만 엘 알(Glicksman,L.R.), 토페이 엠(Torpey,M.) 및 마지 에이(Marge,A.)의 문헌[J.Cell.Plastics 1992, 28, 571] 및 데보스 알(DeVos, R.), 로스보탐 디(Rosbothan, D.) 및 데스샤짓 제이(Deschaght, J.)의 문헌[ibid, 1994, 30, 302]을 참조). 복사성 열 전달은 포움의 기포 크기에 상당히 의존하는 편이며 기포 크기(바람직하게는 100㎛ 이하)에 따라 감소된다. 코다마(Kodama) 등은 폴리우레탄 포움 계열(PUF)이 0.052g/cc의 밀도에서 평균 기포 크기가 350㎛ 내지 200㎛로 감소됨에 따라 상기 포움의 k 인자(열절연능의 척도)가 개선됨을 보고한다(문헌[ibid, 1995, 31, 24]을 참조). 도오지(Doerge)는 밀도가 약 0.037g/cc보다 적은 포움은, 전형적으로 이러한 낮은 밀도에서 일어나는 기포 크기의 증가로 인해, 부분적으로는 기포벽의 투명도의 증가 및 기포벽 파열(저전도성 기체 충진재의 빠른 확산을 허용)로 인해 증가된 열전도성을 나타낸다고 보고한다(도오지 에이치 피(Doerge, H.P.)의 문헌[ibid, 1992, 28, 115]을 참조). 가장 좋은 절연 경질 포움은 낮은 열전도 계수를 갖는 기체로 채워진 가능한한 가장 작은 기포를 갖는(또는 기체를 전혀 갖지 않는) 저밀도(불연속 기포 PUF의 경우 약 0.03 내지 0.77g/cc) 포움이다. 따라서, 저밀도 및 매우 작은 기포(예를 들면 100㎛이하)를 갖는 포움을 제조하는 것이 바람직하다. 이러한 포움은 명백하게는 최신식의 취입 포움 과정에 의해서는 제조될 수 없다.
설비 산업용(예를 들면 냉장고, 수식 난방기 등) 절연 포움을 제조하는 종래래의 시도는, 특히 폴리우레탄 및 폴리이소시아네이트 출발 물질을 기준으로 한 포움의 경우에 물리적 팽창제로서 클로로플루오로카본(CFC)을 사용하는 것이었다. CFC와 오존 층 고갈의 상관관계가 보고됨으로써 CFC의 생산이 격감하였으며, 포움을 제조하기 위한 대체 물질 및/또는 제조방법에 대한 요구가 증가하였다. 그러나 이산화탄소 또는 펜탄과 같은 또다른 취입제는 CFC로 제조된 것에 비해 덜 효율적인 절연 포움을 생성시킨다. 이로써 CFC의 취입 포움으로 가능한 미세구조의 세립도(fineness) 및 밀도를 달성시키는데 어려움이 생긴다. 무어 에스 이(Moore, S.E.)의 문헌[J.Cell.Plastics 1994, 30, 494] 및 1991년 7월 23일자로 웨닝(Wenning) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,034,424 호를 참조하도록 한다. 또한 오텔(Oertel)의 문헌(p 273) 및 깁슨 및 애쉬비의 문헌(Chapter 7, p 201)을 참조하도록 한다.
폴리우레탄 포움은 아마도 상기 용도에 가장 널리 사용되는 유형이다. 공정에 사용되는 화학은 불량한 광안정성(발렌타인 씨(Valentine,C.), 크레이그 티 에이(Craig,T.A.) 및 헤이거 에스 엘(Hager,S.L.)의 문헌[J.Cell.Plastics 1993, 29, 569]을 참조), 포움내의 원치않는 화학적 잔기의 불가피한 존재(상기 잔기를 최소화하는 방안을 기술하는 1980년 7월 8일자로 커(Kehr) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,211,847 호 및 1984년 3월 27일자로 구쓰리(Guthrie) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,439,553 호를 참조) 및 조성물내의 질소 원자의 존재로 인한 연소시의 유독 가스의 발생(헤르첼 지 이(Hartzell, G.E.)의 문헌[J.Cell.Plastics, 1992, 28, 330]을 참조)을 포함하는 몇몇 결점을 제공한다. 이는 특히 인화가능성이 있는 보트, 자동차, 열차 및 비행기와 같은 공공 수송수단에서 사고가 일어날 경우에 문제가 될 수 있다. 상기 유독 가스의 흡입만으로 상해를 입거나 사망할 수 있다(오텔의 문헌(p 273) 및 깁슨 및 애쉬비의 문헌(Chapter 8, p 212)을 참조). 이는 또한 포움이 소각 폐기 스트림내로 폐기될 때 논란이 될 수 있다.
건물 절연 산업에서는 (유리 배팅(glass batting) 및 취입 셀룰로스 절연외에도) 포움 폴리스티렌 경질 패널을 널리 사용해왔다. 스티렌 포움 패널은 단단하여 건축시에 못으로 박아 고정시킬 수 있고, 소수성이라 내습성(내습성이 없으면 절연값이 감소된다)을 제공하며, 비교적 값이 싸다는 점에서 유용하다(오텔의 문헌(p 277)을 참조). 상기 물질은 또한 음료수용 컵 및 식품 용기로서 널리 사용된다. 상기 물질의 기포 크기는 전형적으로 300 내지 500㎛의 범위이다. 본원에 참고로 인용된 문헌[Chemetch, 1991, 290] 및 1992년 7월 7일자로 엘리오트(Elliott) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,128,382 호에 기술된 열 유도된 상 분리 방법(TIPS)을 사용하여 보다 작은 기포로 된 폴리스티렌 포움이 제조되었다. 상업적으로 매력이 있는 중합성 절연 포움을 제조하는데 있어서 중요한 문제는 경제성이다. 포움의 경제성은 사용되는 단량체의 양 및 가격 뿐만 아니라 단량체를 유용한 중합성 포움으로 전환시키는데 드는 비용에 달려있다. 이렇게 절연 포움의 비용을 감소시키는 노력으로 인해, 특히 단량체의 총 사용량을 감소시킨다는 측면에서 볼때, 목적하는 절연 및 기계적 성질을 달성하는 것이 어렵게 되었다.
따라서, (1) 사용 요건에 따라 적당한 강성 또는 가요성을 갖고; (2) 복사에 의해 분배되는 열전도성을 제한하는 비교적 작은 크기의 기포를 갖도록 제조될 수 있고; (3) 바람직하지 못한 환경적 문제를 유도할 수 있는 클로로플루오로카본 등이 없이도 제조될 수 있고; (4) 연소시에 독성 가스를 방출할 수 있는, 구조내에 결합된 질소를 갖지 않으며; (5) 목적하는 절연 및 기계적 성질을 허용불가능할 정도로 잃지 않고도 경제적으로 제조될 수 있는 연속기포형 절연 중합성 포움 물질을 제조하는 것이 바람직하다.
발명의 개요
본 발명은 절연용 중합성 포움 물질의 용도에 관한 것이다. 중합성 포움은 수상 대 유상의 비가 비교적 높은 특정 유중수적형 유화액(당해 분야에 HIPE라고 공지됨)의 중합에 의해 제조된다. 본원에서 사용된, 유화액의 중합에 의해 생성된 중합성 포움 물질은 이하 HIPE 포움이라고 칭한다. 본 발명에서 사용되는 HIPE 포움 물질은 일반적으로 소수성이고, 가요성이고, 상호연결된 연속기포형의 반-가요성이거나 경질 비이온성 중합성 포움 구조물을 포함한다. 상기 포움 구조물은 하기 특성을 갖는다:
(A) 약 0.01m2/cc 이상의 포움 부피 당 비표면적;
(B) 약 0.05g/cc 미만의 밀도; 및
(C) 약 -20℃ 내지 90℃의 유리전이온도(Tg).
본 발명은 수상 대 유상의 비가 약 12:1 이상인 불연속 수상 및 연속 유상을 포함하는 HIPE의 중합에 의해 제조된다. 수상은 일반적으로 전해질 및 수용성 개시제를 함유한다. 유상은 일반적으로 자유 라디칼, 유화제 및 기타 후술될 임의적인 성분에 의해 중합가능한 실질적으로 수-불용성인 단량체로 이루어진다. 단량체는 결과적으로 수득되는 중합성 포움에 목적하는 성질, 예를 들면 약 -20℃ 내지 90℃의 유리전이온도(Tg), 최종 용도에 충분한 기계적 일체성 및 경제성을 부여하는 것으로 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서, 사용되는 포움은 제조되어 포장된 후, 고밀도의 압축된 상태로 선적되며, 활성화되면(예를 들면 가열되면) 포움의 원래 밀도 및 크기로 튀어오른다(spring back). 이러한 포움을 이하 압축성 포움이라고 칭하기로 한다. 이러한 포움은 1995년 6월 7일자로 티.데스마레이스(T.DesMarais) 및 제이.다이어(J.Dyer)에게 허여된 동시계류중인 미국 특허 제 호에 기술되고 특허청구되어 있다. 이러한 압축성 포움은 특히 건물 절연시에 유용한데, 이 경우에는 둘둘 말린 절연체 배트를 선적시켜 도처로 운반하며 운송 수단의 제한 무게에 도달할때까지 절연체를 운송 수단의 총부피만큼 완전히 채울 수가 있다.
본 발명은 절연 물질로서 미세다공성 연속기포형(open-celled) 중합성 포움 물질의 용도에 관한 것이다. 본 출원은 특히 고 분산상(internal phase) 유화액으로부터 제조된 포움 물질의 용도에 관한 것이다.
도 1은 단량체 성분이 12:14:62:12의 스티렌:공업용 등급의 디비닐 벤젠(약 55% DVB 및 약 45% 에틸 스티렌):2-에틸헥실 아크릴레이트:1,4-부탄디올 디메타크릴레이트 중량비로 구성되고, 5%(유상 중량 기준)의 디글리세롤 모노올레에이트(DGMO) 및 1%의 시판용 스판 85(Span 85) 유화제가 사용되고, 48:1의 수상-대-유상 중량비를 갖고 57℃에서 유동하는 HIPE로부터 만들어진, 본 발명에서 유용한 대표적인 중합성 포움의 단면의 현미경 사진(250배 확대)이다.
도 2는 도 1의 포움의 현미경 사진(1000배 확대)이다.
도 3은 단량체 성분이 20:20:60의 스티렌:공업용 등급의 디비닐 벤젠(약 55% DVB 및 약 45% 에틸 스티렌):2-에틸헥실 아크릴레이트 중량비로 구성되고, 6%(유상 중량 기준)의 디글리세롤 모노올레에이트(DGMO)가 사용되고, 140:1의 수상-대-유상 중량비를 갖고 37℃에서 유동하는 HIPE로부터 만들어진, 본 발명에 유용한 대표적인 중합성 포움의 단면의 현미경 사진(250배 확대)이다.
도 4는 도 3의 포움의 현미경 사진(1000배 확대)이다.
1. 중합성 포움의 용도
A. 개론
본 발명에 사용하기 위한 중합성 포움은 열 절연 물질로서 널리 유용하다. 열 절연 용도에서, 이러한 중합성 포움은 다소의 강성이 요구되는 용도를 위해 비교적 단단한 평판(slab)으로서 및 진공 절연 패널 또는 지지체에 못으로 고정시키기 위한 건축용 절연 패널로 제공될 수 있다. 이러한 용도에서, 포움은 일반적으로는 완전 팽창된 상태로 제공되며 약 50℃ 내지 약 80℃의 비교적 높은 Tg를 달성시키는 배합물을 포함한다. 배합물은 또한 후술되는 바와 같이 비교적 더 높은 수준의 강화 단량체를 함유한다. 본 발명의 포움은 단단한 평판으로서, 다른 지지 매체에 적층되거나 결합되어 단단하고, 강하고, 보다 좋은 절연성을 나타낸다. 예를 들면 반사 호일의 박리지를 포움 평판의 한면 또는 양면에 적층시켜 구조물을 통한 복사성 열전달을 추가로 감소시킬 수 있다.
중합성 포움은 또한 외관상 임의의 목적하는 형태로서 제공될 수 있다. 이러한 형태는 중합된 유화액의 압축적 탈수를 허용하여 수분 제거와 연관된 비용 및 노력을 한정시켜주는 형태인 것이 바람직하다.
B. 절연 제품
HIPE로부터 유도된 중합성 포움은 설비(냉장고, 오븐, 레인지, 토스터, 냉동고), 운송 수단(자동차, 열차, 비행기, 보트), 빌딩(벽 절연, 지붕과 천장사이의 절연) 및 많은 기타 용도에 특히 유용하다. 한 바람직한 실시태양은 포움의 슬라이스의 가장 얇은 크기의 약 ⅓ 이상으로 압축되고, 두루마리로서 저장, 선적 및 적용되고, 시간 및/또는 열을 가하면 팽창되어 원래 크기 및 절연 성질을 복원하는 포움의 연속적인 슬라이스의 용도를 포함한다.
또한 본 발명에 사용하기 위한 포움은 진공 절연 패널의 내부에 사용되어 중합체 구조물을 통한 열 대류의 경로를 제공하기 위해 많은 양이 첨가되지 않고도 패널에 강성 및 경성을 제공한다. 이러한 용도의 경우, 일반적으로 높은 Tg,예를 들면 약 50℃ 내지 80℃의 Tg를 갖는 본 발명의 포움을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 포움은, 쥐어짜면서 물을 대략 Tg까지 가열시키면 여전히 효과적으로 탈수된다. 본 발명의 포움을 쥐어짜냄으로써 물을 제거할 수 있는 능력은 비용 및 공정의 복잡성이 한정시킬 수 있으므로 바람직하다. 본 발명의 포움은 매우 낮은 밀도(예를 들면 0.020g/cc 미만)를 갖도록 제조될 수 있는데, 이들은 진공 절연 구조 충진제로서 특히 유용하다. 이러한 포움으로 가능한 작은 기포 크기로 인해 진공 패널을 통한 복사성 열전달이 감소된다. 저밀도는 열에너지가 전도될 수 있는 비교적 작은 고체 중합체를 제공한다. 이러한 두가지 성질은 포움 기체를 통한 전도가 미미한 경우 특히 중요하다.
C. 기타 용도
이러한 포움은 또한 소리 및 기계 에너지에 대한 절연체로서도 사용될 수 있다. 소리 및/또는 기계적 진동의 전달에 대한 절연체로서 사용할 경우에 이러한 포움은 특히 물질의 Tg 및 전이 폭 둘다가 특정 용도를 위해 최적화 될 경우에 특히 유용하다. 포움의 Tg는 절연시킬 소리 또는 진동 에너지의 중간점의 온도 및 진동수와 매우 유사한 것이 바람직하다. 본 발명의 포움은 후술될 바와 같이 상기 지점까지 쉽게 조율된다. 예를 들면, 25℃에서 1000Hz의 연속적인 잡음을 약화시키는 경우, 1000Hz에서 측정된 포움의 Tg는 25℃이어야 한다. 잡음 또는 진동이 진동수의 조합인 경우(대체로 그러하다), 또는 보다 넓은 범위에서 이들을 약화시키는 것이 바람직한 경우, 포움의 유리-대-고무 전이 영역은 가능한한 넓어야 한다. 또다르게는, 포움을 제 2 중합성 물질로 후처리하여 두 중합체 모두가 상이한 영역의 온도 및 진동수에서 소리/진동을 약화시킬 수 있는 거시적인 상호침투 망상구조를 이룰 수 있다. 소리 또는 기계적 충격 절연체로서의 포움의 일반적인 용도를 추가로 기술한 내용은 브랜덥 제이(Brandup,J.) 및 이머굿 이 에이치(Immergut,E.H.)의 문헌[Polymer Handbook, 2nd Ed., Wiley-Interscience, New York, NY, 1975, pp 240-242 및 pp 210-216 및 pp 286-325]에 있다.
II. 절연 중합성 포움
A. 일반적인 포움의 특성
본 발명에 따라 사용되는 중합성 포움은 비교적 연속기포형이다. 이는 포움의 개별적인 기포가 인접한 기포와 완전히 연통되어 있음을 의미한다. 이러한 실질적으로 연속기포형인 포움 구조물에 있어서의 기포는 포움 구조물내에서 한 기포와 다른 기포가 연통되는 큰 기포간 구멍 또는 창(window)을 갖는다.
상기 실질적으로 연속기포형인 포움 구조물은 일반적으로 다수의 상호 연결된, 3차원적으로 분지된 웹에 의해 한정되는 개별적인 기포를 갖는 망상 조직의 특성을 가질 것이다. 이러한 분지된 웹을 형성하는 중합성 물질의 스트랜드를 스트러트(strut)라고 지칭할 수 있다. 전형적인 스트러트형 구조를 갖는 연속기포형 포움은 도 1 및 도 2의 현미경 사진에서 예시적으로 보여진다. 본원에서, 포움 구조물에서 크기 1㎛ 이상인 기포의 80% 이상이 하나 이상의 인접한 기포와 유체 연통되는 경우 포움 물질은 연속기포형이다.
이러한 중합성 포움은 연속기포형일 뿐만 아니라, 포움을 통한 수성 유체의 통과를 금지시킬 수 있을만큼 충분히 소수성이다. 포움 구조물의 내면은 이후에 설명되듯이, 중합반응 이후 포움 구조물에 남겨진 친수화 계면활성제 및 염의 제거에 의해 또는 선택된 후-중합반응 포움 처리 절차에 의해 소수성이 된다.
본 발명에 따라 사용되는 포움은 각 특정 용도에서 목적하는 성질을 제공하도록 쉽게 최적화된다. 포움의 넓은 범위의 성질을 쉽게 조절할 수 있다는 것은 전례가 없는 일이다. 예를 들면, 이러한 포움은 친수성 또는 소수성(바람직하게는 소수성)일 수 있고; 미세기포형(10㎛ 미만) 내지 중간 크기 기포형(약 100㎛)일 수 있고; 낮은 밀도(0.05g/cc) 내지 매우 낮은 밀도(0.005g/cc)일 수 있고; 경직성 내지 가요성(높은 Tg 내지 낮은(상온이하)Tg)일 수 있고; 강성 내지 연성일 수 있다. 포움은 최종 용도에 따라 연속적 시이트, 단단한 두꺼운 판지, 다양한 크기의 입자, 및 특정 형태 등으로서 제공될 수 있다. 그러나, 이러한 포움은 최적화되면 전술된 포움 방법과 관련된 결함을 피할 수 있다. 즉, 이들은 바람직하게는 질소를 함유하지 않으므로 연소동안에 통상적인 유독 가스를 생성시키지 않으며, 제조시에 CFC 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 필요로 하지 않으며, 평판, 두루마리, 입상 포움 등으로서 합리적인 가격으로 용이하게 대량 생산될 수 있다. 추가로, 본 발명에서 사용되는 포움은 원래가 광안정성이다.
바람직한 실시태양에서, 중합성 포움은 열이 가해지거나 시간이 경과되면 팽창되어 원래의 절연능을 복원하는 압축된 중합성 포움의 형태로 사용될 수 있다(이하 압축성 포움이라고 칭함). 이들 붕괴된 중합성 포움은 통상적으로는, 중합된 HIPE 포움으로부터 압축력에 의해 수상을 만들거나/만들고 열건조 및/또는 진공 탈수에 의해 제조된다. 압축 및/또는 열건조/진공탈수후에 급속 냉각시켜 중합성 포움을 압축되거나 압축되지 않은 상태로서 제조한다.
포움의 주요 척도는 유리 전이 온도(Tg)이다. Tg는 중합체의 유리질 상태와 고무질 상태 사이의 전이의 중간점을 나타낸다. 사용 온도보다 더 높은 Tg를 갖는 포움은 매우 강하나 또한 매우 단단하여 잠재적으로 파괴되기 쉬울 것이다. 또한 이러한 포움은 오랜 기간동안 압축된 상태로 저장된 후 팽창된 상태로 회복하는데에 많은 시간이 소요된다. 특정 포움의 목적하는 Tg를 결정하는데 중요한 인자가 포움의 최종 용도이긴 하지만, 약 0 내지 약 50℃의 Tg를 갖는 포움이 바람직하다. 더욱 바람직한 것은 약 10 내지 약 40℃의 Tg를 갖는 포움이다.
B. 포움 밀도
본 발명에 사용되는 절연 포움의 또다른 중요한 성질은 밀도이다. 달리 언급이 없는 한 포움 밀도(즉 공기중 포움 부피 ㎤당/포움의 g)란 건조 중량을 기준으로 한다. 포움 구조물의 단위 부피당 고체 포움 물질의 무게를 결정하는 임의의 적합한 중력 방법을 사용하여 포움 밀도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 본원에 참고로 인용된, 1995년 2월 7일자로 다이어(Dyer) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,387,207 호의 시험 방법(TEST METHODS) 절에 더욱 상세하게 기술되어 있는 ASTM 중력 방법이 밀도 결정시 사용할 수 있는 방법이다. 공기의 밀도 미만에서부터 중합체의 재료의 벌크 밀도 미만의 밀도에 이르는 임의의 밀도 범위를 갖도록 포움을 제조할 수 있지만, 본 발명의 포움은 팽창 상태에서 약 0.05g/cc미만, 바람직하게는 약 0.08 내지 약 0.004g/cc, 더욱 바람직하게는 약 0.038 내지 0.013g/cc, 가장 바람직하게는 약 0.03g/cc의 건조 밀도를 가질 때 가장 유용하다.
C. 중합성 포움의 기타 성질
포움 기포, 및 특히 비교적 단량체가 없는 수상 소적을 둘러싸는 단량체-함유 유상을 중합반응시킴으로써 형성된 기포는 형태에 있어서 흔히 실질적으로 구형일 것이다. 이러한 구형 기포의 크기 또는 직경은 일반적으로 포움을 특징짓는데 통상적으로 사용되는 척도이다. 중합성 포움의 주어진 시료의 기포는 반드시 동일한 크기는 아니므로, 평균 기포 크기, 즉 평균 기포 직경이 흔히 특정화될 것이다.
많은 기술들이 포움의 평균 기포 크기를 측정하는데 사용가능하다. 그러나, 포움의 기포 크기를 측정하는 가장 유용한 기술은 포움 시료의 주사 전자 현미경사진에 기초한 간단한 측정을 포함한다. 예를 들면, 도 1은 팽창된 상태의 본 발명의 전형적인 HIPE 포움 구조물을 나타낸다. 20㎛의 치수를 나타내는 눈금을 현미경사진 위에 겹쳐놓는다. 이러한 눈금을 사용하여 이미지 분석 절차를 통해 평균 기포 크기를 측정할 수 있다.
본원에 주어진 기포 크기 측정은 예를 들면, 도 1에서 보여지는 바와 같이, 팽창된 상태의 포움의 수평균 기포 크기에 기초한다. 본 발명에 따라 절연체로서 유용한 포움은 바람직하게는 약 100㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 50㎛ 및 가장 바람직하게는 약 15㎛ 내지 약 35㎛의 수평균 기포 크기를 가질 것이다.
D. 비표면적
포움의 또다른 중요한 척도는 비표면적(specific surface area)인데, 비표면적은 포움내의 기포 단위의 크기 및 중합체의 밀도 둘다에 의해 결정되므로, 포움에 의해 제공되는 고체 표면의 총량을 결정짓는 수단이 된다.
공지된 무게 및 크기를 갖는 포움 시료내에서 일어나는 저 표면 장력 액체(예를 들면 에탄올)의 모세관 흡수량을 결정함으로써 비표면적을 결정한다. 모세관 흡입 방법에 의해 포움의 비표면적을 결정하는 방법은 본원에 참고로 인용된, 1995년 2월 7일자로 다이어 등에게 허여된 미국 특허 제 5,387,207 호의 시험 방법절에 상세히 기술되어 있다. 비표면적을 결정짓는 또다른 유사한 시험 방법을 본 발명의 절연 포움에 사용할 수 있다.
본 발명의 포움은 약 0.01㎡/cc 이상, 바람직하게는 약 0.025㎡/cc 이상의 비표면적을 갖는다.
E. 압축성 포움
압축 상태로 유지될 수 있는 포움과 관련해서, 중합체의 Tg보다 실질적으로 낮게 중합성 포움을 유지시킴으로써 압축 상태를 유지할 수 있다. 이런 상태에서, 개별적인 중합체쇄의 유동은 비교적 느리다. 그러나, 포움의 열경화 특성(비교적 높은 수준의 가교결합제를 혼입시켜 유도함) 때문에 이전의 팽창된 상태가 기억된다. 따라서 포움을 가열시키거나 억제되지 않은 상태로 방치시키면, 포움은 그의 원래 크기를 회복할 것이다. 이 크기는 유용한 절연 물질을 제공할만한 낮은 밀도를 제공한다. 이 성질은, 포움이 주택의 지붕과 천장 사이의 공간과 같은 비교적 넓은 영역을 덮는 용도의 두루마리 형태로 선적, 저장 및 적용될때 특히 유용하다. 이 단계에서 포움은 예를 들면 유리섬유 배팅보다 훨씬 작은 부피를 점유한다. 적용 전후에, 열을 가하거나 시간이 경과되면 포움은 그의 원래 크기 및 절연능을 회복한다. 중합성 포움의 Tg는 압축 상태에서의 안정성을 유지하는데 확실히 중요하고 적당한 기간내에 또는 달성가능한 온도에서 재팽창할 수 있게 한다.
압축된 포움이 열에 노출되거나 시간이 경과되면, 바람직한 실시태양에 사용된 압축된 포움은 이들의 원래 크기 및 형태를 다시 갖게 된다. 이는 포움을 제조하는데 사용되는 중합체의 열경화성 성질 때문이다. 일반적으로, 포움은 포움의 얇게 절단된 시이트의 가장 얇은 크기(z-방향)로 압축된다. 포움이 원래 팽창된 크기를 회복할때에, 팽창시 가장 얇은 크기 대 압축된 상태의 가장 얇은 크기의 비와 관련된 팽창 인자가 정해질 수 있다. 압축성 포움의 경우, 팽창 인자는 약 3배 이상, 즉 팽창된 상태의 포움의 두께가 압축된 상태의 포움의 두께의 약 3배이상이다. 압축성 포움은 전형적으로는 약 3배 내지 약 10배의 팽창 인자를 갖는다. 비교해보면, 압축된 유리섬유 배팅 포움은 전형적으로 단지 약 2배의 회복가능한 팽창 인자를 갖는다.
예를 들면, 35%의 스티렌, 20%의 디비닐 벤젠, 및 45%의 2-에틸헥실 아크릴레이트를 포함하는 HIPE를 중합시킴으로써 제조되고 0.020g/cc의 밀도를 갖고 40℃의 Tg를 갖는 포움이 압축된 후 40℃에서 물로 채워지고 압축된 상태가 이완된 직후에 냉각될 수 있다. 압축의 정도는 포움이 통과되는 닙롤의 기하학적 구조 및 포움의 밀도에 의해 결정되고, 이보다는 덜 중요하지만 압축 속도 및 온도에 의해서도 결정된다. 이 경우에, 포움을 그의 원래 두께의 약 5% 내지 약 20%로 압축시킬 수 있다. 압축된 포움은 약 8℃ 이상 내지 포움의 Tg 미만(이 경우 약 32℃ 미만)의 온도에서 저장시에 거의 무한정으로 상기 상태를 유지한다. 즉, 압축된 포움은 비제한된 조건의 주위온도(22℃)에서 적어도 약 1 주일동안에 걸쳐 원래 두께의 약 10% 이하로 회복될 것이다. 달리 말하자면 상기 포움은 원래 두께의 약 30%이하로 팽창할 것이다. 실질적으로, 포움은 특히 예를들어 수축-랩핑된 롤 형태로 적절하게 포장된다면 오랜 시간이 경과한후에도 훨씬 적게 성장할 것이다. 포움이 적어도 이것의 Tg(이 경우 40℃) 온도로 가열된다면 약 1시간 후(바람직하게는 이보다 적은 시간에서)에는 실질적으로 원래의 두께로, 또는 원래의 약 80% 이상의 두께로 회복될 것이다. 실제에 있어서, 상기 포움이 약 40℃이상의 온도로 1시간 미만의 시간동안 가열된다면 상기 포움은 원래의 90% 이상의 두께로 회복될 것이다. 이러한 조건은 예를들어 여름의 가정내에서 압축된 포움이 수축-랩핑된 조건이 해지되어 바라는 곳에 적용되었을 때와 유사하다.
III. 비교적 높은 물-대-오일 비를 갖는 HIPE로부터 중합성 포움의 제조
A. 개론
본 발명에 유용한 중합성 포움은 HIPE의 중합에 의해 제조된다. HIPE를 형성하기 위해 사용된 물 및 유상의 상대 함량은 여러 많은 변수중에서 생성된 중합성 포움의 구조적 특성, 기계적 특성, 및 성능을 측정하는데 중요하다. 특히, 유화액에서 물 대 오일의 비는 포움의 밀도, 기포 크기 및 비표면적과 포움을 형성하는 포움 스트러트의 크기에 영향을 미친다. 일반적으로 HIPE 포움을 제조하는데 사용되는 유화액에서 수상 대 유상의 부피 대 중량는 약 12:1 내지 약 250:1, 더욱 바람직하게는 약 25:1 내지 약 125:1, 가장 바람직하게는 약 30:1이다.
이러한 포움을 형성하는 방법은 다음 단계를 포함한다:
(A) (1)(i) 약 35℃ 이하의 Tg를 갖는 동종중합체를 형성할 수 있는 실질적으로 수-불용성인 일작용성 단량체 약 10 내지 약 70 중량%, (ii) 스티렌에 의해 제공된 인성과 거의 동일한 인성을 부여할 수 있는 실질적으로 수-불용성의 일작용성 공단량체 약 10 내지 약 70%, (iii) 디비닐 벤젠 및 이것의 유사물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 실질적으로 수-불용성의 다작용성 가교 결합제 약 2 내지 약 50% 및 (iv) 디올의 디아크릴레이트 및 이것의 유사물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 실질적으로 수-불용성의 다작용성 가교 결합제 약 0 내지 약 15%를 포함하는, 약 -20℃ 내지 약 90℃의 Tg를 갖는 공중합체를 형성할 수 있는 약 80 내지 약 98 중량%의 단량체 성분(a); 및 안정한 유중수 유화액을 형성하는데 적합하고 유상에 가용성인 약 2 내지 약 20 중량%의 유화제 성분(b)을 포함하는 유상;
(2) 수용성 전해질 약 0.1 내지 약 20 중량%를 포함하는 수상; 및
(3) 약 12:1 내지 약 250:1의 부피:중량 비를 갖는 수상 대 유상
으로부터 낮은 전단 혼합 및 약 30℃ 이상의 온도에서 유중수 유화액을 형성하는 단계; 및
(B) 중합성 포움 물질을 형성하도록 유중수 유화액의 유상에 단량체 성분을 중합시키는 단계.
중합성 포움 물질은 그후 반복되는 세정 및 탈수에 의해 바라는 형상을 갖는 건조된 소수성 포움을 형성한다. 일반적으로 상기 형상화는 비교적 얇은 시이트로 나누는 것을 포함한다. 이러한 시이트는 임의적으로 예를들어 압축 닙을 통해 얇은 상태로 연속적으로 압축되어 롤 상태로 감겨질 수 있다. 바람직한 압축성 시이트는 풀어져서 바라는 곳에 적용된후 이것의 활성화 온도(일반적으로 중합체의 Tg)로 가열되어나 비교적 오랜 기간, 예를들어 주위 온도에 따라 수 주일 또는 수 개월 동안 방치될때까지 비교적 얇은 압축 상태로 유지될 것 이다.
1 유상 성분
HIPE의 연속 유상은 고체의 포움 구조물을 형성하기 위해 중합되는 단량체를 포함한다. 이러한 성분은 약 -20℃ 내지 약 90℃, 바람직하게는 약 15℃ 내지 약 50℃, 더욱 바람직하게는 약 20℃ 내지 약 40℃의 Tg를 갖는 공중합체를 형성하도록 배합된다.(동적 기계적 분석(Dynamic Mechenical Analysis; DMA)에 의해 Tg를 측정하는 방법은 하기 시험 방법(TEST METHODS)에 기재되어 있다). 상기 단량체 성분은 (a) 그의 어택틱 비결정성 중합체가 약 25℃ 이하의 Tg를 갖는 하나이상의 일작용성 단량체(Brandup, J.; Immergut, E.H. Polymer Handbook, 2nd Ed., Wiley-Interscience, New York, NY, 1975, III-139 참조); (b) 포움의 인성 또는 내인열성을 향상시키는 하나이상의 공단량체; (c) 제 1 다작용성 가교 결합제; 및 (d) 임의적으로 제 2 다작용성 가교 결합제를 포함한다. 일작용성 단량체 및 공단량체 및 다작용성 가교 결합제의 특정 형태 및 함량의 선택은 상기 물질이 본발명의 용도로서 적합하도록 바라는 구조적 및 기계적 조합 특성을 갖는 흡수성 HIPE 포움의 형성에 중요하다.
단량체 성분은 생성되는 중합성 포움 구조물에 고무 유사 특성을 갖게 하는 하나이상의 단량체를 포함한다. 이러한 단량체는 약 25℃이하의 Tg를 갖는 고분자량(10000 이상) 어택틱 비결정성 중합체를 제조할 수 있다. 이러한 종류의 단량체는 예를들어 부틸 아크릴레이트, 헥실 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 노닐 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 도데실(라우릴) 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 테트라데실 아크릴레이트와 같은 C4-C14알킬 아크릴레이트; 벤질 아크릴레이트 및 노닐 아크릴레이트와 같은 알킬 및 알카릴 아크릴레이트; 헥실 메타크릴레이트, 옥틸 메타크릴레이트, 노닐 메타크릴레이트, 데실 메타크릴레이트, 이소데실 메타크릴레이트, 도데실(라우릴) 메타크릴레이트, 및 테트라데실 메타크릴레이트와 같은 C6-C16알킬 메타크릴레이트; N-옥타데실 아크릴아미드와 같은 아크릴 아미드; p-n-옥틸스티렌과 같은 C4-C12알킬 스티렌 및 이러한 단량체들의 혼합물등 이다. 이러한 단량체중에서 이소데실 아크릴레이트, 도데실 아크릴레이트 및 2- 에틸헥실 아크릴레이트가 가장 바람직하다. 일작용성 단량체는 일반적으로 단량체 성분중의 10 내지 약 70중량%, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 50 중량%를 차지할 것이다.
또한, HIPE의 유상에 유용한 단량체 성분은 스티렌에 의해 제공되는 인성과 거의 동일한 인성을 생성된 중합성 포움 구조물에 부여할 수 있는 하나이상의 일작용성 공단량체를 포함한다. 더욱 인성이 큰 포움이 실질적인 실패없이 변형되는 능력을 갖는다. 이러한 일작용성 공단량체 종류로서 스티렌계 공단량체(예, 스티렌 및 에틸 스티렌) 또는 메틸 메타크릴레이트와 같은 기타 단량체를 들 수 있으며, 이때 관련 동종 중합체가 대표적인 인성인 것으로 알려져 있다. 이러한 종류의 바람직한 일작용성 공단량체는 스티렌계 단량체이며, 스티렌 및 에틸 스티렌이 가장 바람직한 단량체이다. 일작용성의 인성화 공단량체는 단량체 성분중의 약 10 내지 약 70 중량%, 바람직하게는 약 20 내지 약 50 중량%, 가장 바람직하게는 약 30 내지 약 50 중량%를 차지한다.
특정한 경우에, 인성화 공단량체는 또한 생성되는 중합체에 바라는 유사 고무 특성을 부여할 수 있다. C4-C12알킬 스티렌, 특히 p-n-옥틸스티렌이 이러한 공단량체의 예이다. 이러한 공단량체에 있어서, 단량체 성분에 포함될 수 있는 함량은 조합된 통상적인 단량체 및 공단량체의 양이다.
또한, 단량체 성분은 제 1(및 임의적으로 제 2) 다작용성 가교결합제를 포함한다. 일작용성 단량체 및 공단량체와 마찬가지로, 가교결합제의 특정 형태 및 양의 선택은 구조적, 및 기계적 특성들의 바라는 조합을 갖는 바람직한 중합성 포움의 궁극적인 실현에 매우 중요하다.
제 1 다작용성 가교결합제는 디비닐벤젠 및 이의 유사물과 같은 둘 이상의 활성화 비닐 그룹을 함유하는 다양한 단량체로부터 선택될 수 있다. 본원에 유용한 디비닐벤젠의 유사물의 보기로서 트리비닐 벤젠, 디비닐톨루엔, 디비닐크실렌, 디비닐나프탈렌, 디비닐알킬벤젠, 디비닐페난트렌, 디비닐비페닐, 디비닐디페닐메탄, 디비닐벤질, 디비닐페닐에테르, 디비닐디페닐설파이드, 디비닐푸란, 디비닐설파이드, 디비닐설폰 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 디비닐벤젠은 통상적으로 약 55:45의 비로 에틸 스티렌과 혼합되어 사용가능하다. 한 성분 또는 다른 성분으로 유상을 풍부하게 하도록 상기 비를 변화시킬 수 있다. 일반적으로, 단량체 혼합물중의 스티렌의 함량을 감소시킴과 동시에 에틸 스티렌 성분을 혼합물에서 풍부하게 하는 것이 바람직하다. 디비닐벤젠 대 에틸 스티렌의 바람직한 비는 약 30:70 내지 55:45, 가장 바람직하게는 약 35:65 내지 약 45:55이다. 에틸 스티렌을 더 많이 함유하면 생성되는 공중합체의 Tg를 스티렌이 증가시키는 정도까지 증가시키지 않고서도, 요구되는 인성을 부여할 수 있다. 제 1 가교결합제는 일반적으로 단량체 성분(100% 기준)중 약 2 내지 약 50 중량%, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 35 중량%, 가장 바람직하게는 약 15 내지 약 25 중량%의 양으로 HIPE의 유상에 포함될 수 있다.
임의적인 제 2 가교결합제는 디올의 디아크릴레이트 및 이것의 유사물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 다작용성 아크릴레이트로부터 선택될 수 있다. 이러한 가교 결합제의 예로서 메타크릴레이트, 아크릴아미드, 메타크릴아미드 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 이것들은 디-, 트리- 및 테트라-메타크릴레이트외에 디-, 트리- 및 테트라-아크릴레이트; 디-, 트리- 및 테트라-메타크릴아미드외에 디-, 트리- 및 테트라-아크릴아미드; 및 이들 가교결합제의 혼합물을 포함한다. 적합한 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 가교결합제는 1,10-데칸디올, 1,8-옥탄디올, 1,6-헥산디올, 1,4-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부트-2-엔디올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 하이드로퀴논, 카테콜, 레소르시놀, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 솔비톨 등을 포함하는 디올, 트리올 및 테트라올로부터 유도될 수 있다(아크릴아미드 및 메타크릴아미드 가교결합제는 상응하는 디아민, 트리아민 및 테트라아민으로부터 유도될 수 있다). 바람직한 디올은 2개 이상, 더욱 바람직하게는 4개 이상 및 가장 바람직하게는 6개 이상의 탄소 원자를 갖는다. 제 2 가교결합제는 일반적으로 단량체 성분의 0 내지 약 15 중량%의 양으로 HIPE의 유상에 포함될 수 있다.
HIPE의 유상의 대부분은 앞서 언급된 단량체, 공단량체 및 가교결합제를 포함한다. 필수적으로, 상기 단량체, 공단량체 및 가교결합제가 수상이 아니라 유상에서 주로 가용성일 수 있도록 이들은 실질적으로 수-불용성이다. 이러한 실질적으로 수-불용성인 단량체의 사용은 적합한 특성 및 안정성을 가진 HIPE가 실현될 수 있게 한다. 물론, 본원에서 사용되는 단량체, 공단량체 및 가교결합제가 생성되는 중합성 포움이 적합하게 비독성이고 적합하게 화학적으로 안정하도록 하는 형태인 것이 크게 바람직하다. 후-중합반응 포움 가공 및/또는 사용동안 상기 단량체, 공단량체 및 가교결합제가 매우 낮은 잔여 농도로 존재하는 경우, 이들은 바람직하게는 독성을 거의 갖지 않거나 전혀 갖지 않아야 한다.
HIPE의 유상의 또다른 필수 성분은 주요 유화제를 적어도 포함하는 유화제 성분이다. 적합한 주요 유화제는 당 기술 분야에 잘 공지되어 잇다. 특히 바람직한 유화제로서 Span 20TM, Span 40TM ,Span 60TM, 및 Span 80TM을 들 수 있다. 이러한 물질은 일반적으로 라우르산, 미리스트산, 스테아르산 및 올레산으로부터 각각 유도된 소르비탄 에스테르이다. 기타 바람직한 유화제로서 모노올레이트, 모노미리스테이트, 모노팔미테이트 및 모노이소스테아레이트 산으로부터 유도된 디글리세롤 에스테르를 들 수 있다. 바람직한 보조 유화제는 디탈로우디메틸 암모늄 메틸 설페이트이다. 이러한 유화제의 혼합물은 특히 소량의 이소소르바이드 및 폴리올 불순물을 함유하는 각각의 소르비탄 에스테르의 정제된 변형물로서 특히 유용하다.
상기 주요 유화제이외에 보조 유화제가 임의적으로 유화제 성분에 포함될 수 있다. 당해 기술 분야의 숙련가들은 공지된 다양한 유화제를 사용할 수 있다는 것을 알고 있다. 이들 보조 유화제는 유상에서 주요 유화제와 적어도 공용해성이다. 이들 보조 유화제는 시중에서 구입하거나 또는 당해 기술분야에 공지된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 바람직한 보조 유화제는 디탈로우 디메틸 암모늄 메틸 설페이트 및 디탈로우 디메틸 암모늄 메틸 클로라이드이다. 이들 임의적인 보조 유화제가 유화제 성분에 포함될 때, 주요 유화제 대 보조 유화제의 중량 비는 통상적으로 약 50:1 내지 약 1:4, 바람직하게는 약 30:1 내지 약 2:1이다.
전술한 바와 같이, 당해기술 분야의 숙련가들은 본 발명의 포움을 형성하는 방법에 어떠한 유화제들이 사용될 수 있는지 잘 알고 있다. 예를들면 미국 특허 제 5,387,207 호 및 스톤(Stone)등에 의해 1995년 1월 10일에 제출된 동시 계류중인 미국 특허출원 제 08/370,695 호를 참조할 수 있다.
HIPE를 형성하는데 사용되는 유상은 단량체 성분 약 85 내지 약 98 중량% 및 유화제 성분 약 2 내지 약 15 중량%를 포함한다. 바람직하게는, 유상은 단량체 성분 약 90 내지 약 97 중량% 및 유화제 성분 약 3 내지 약 10 중량%를 포함한다. 또한, 유상은 다른 임의적인 성분들을 함유할 수 있다. 이러한 임의적인 성분중 하나는 당해 기술분야의 숙련자에게 잘 공지된 일반적인 형태의 오일 가용성 중합반응 개시제로서, 본원에 참고로 인용되고 1994년 3월 1일자로 허여된 미국 특허 제 5,290,820 호(바스 등(Bass et al))에 개시되어 있다.
바람직한 임의적인 성분은 장애 아민 광 안정제(HALS)(예: 비스-(1,2,2,5,5-펜타메틸피레리디닐) 세바케이트(티누빈(Tinuvin)-765(등록상표))) 또는 장애 페놀성 안정제(HPS)(예: 이가녹스(Irganox)-1076(등록상표) 및 t-부틸하이드록시퀴논)와 같은 산화방지제이다. 또다른 바람직한 임의적인 성분은 디옥틸 아젤레이트, 디옥틸 세바케이트 또는 디옥틸 아디페이트와 같은 가소제이다. 기타 임의적인 성분은 중합체를 강화시키거나 열전연성을 증가시키는 충진제 입자이다. 충진제 입자의 예는 알루미늄, 이산화 티탄, 카본 블랙, 그래파이트, 탄산 칼슘, 활석등이다. 일반적으로, 적외선 영역에서 중합체를 불투명하게 하는 카본 블랙 및 그래파이트와 같은 입자가 바람직하다. 기타 임의 성분으로 착색제(염료 또는 안료), 형광제, 불투명화제, 쇄이동제 등을 포함한다.
2. 수상 성분
HIPE의 불연속 수 분산상은 일반적으로 하나 이상의 용해된 성분을 함유하는 수용액이다. 수상의 한가지 필수적인 용해된 성분은 수용성 전해질이다. 이 용해된 전해질은 주로 오일 가용성인 단량체, 공단량체 및 가교결합제의 성질을 최소화시켜 수상에서도 용해시킨다. 즉, 이것은 중합성 물질이 중합반응 동안 수상 소적에 의해 형성된 오일/물 계면에서 기포 창을 충진시키는 정도를 최소화시킨다고 생각된다. 따라서, 전해질의 존재 및 수상의 이온 강도가 생성되는 바람직한 중합성 포움이 연속기포형일 수 있는지의 여부 및 어느 정도까지 연속기포형일 수 있는지를 결정한다고 생각된다.
수상에 이온 강도를 부여할 수 있는 임의의 전해질이 사용될 수 있다. 바람직한 전해질은 수용성 할로겐화물과 같은 1가, 2가 또는 3가 무기 염(예: 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 염화물, 질산염, 황산염)이다. 예로는 염화나트륨, 염화칼슘, 황산나트륨 및 황산마그네슘을 들 수 있다. 염화칼슘은 HIPE 제조시 가장 바람직하게 사용된다. 일반적으로 전해질은 HIPE의 수상에서 수상의 중량에 대해 약 0.2 내지 약 20 중량%의 범위의 농도로 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 전해질은 수상의 약 1 내지 약 10 중량%를 차지한다.
또한, HIPE는 통상적으로 유효량의 중합반응 개시제를 함유한다. 이러한 개시제 성분은 일반적으로 HIPE의 수상에 첨가되고, 임의의 통상적인 수용성 자유 라디칼 개시제일 수 있다. 이것은 과황산나트륨, 과황산칼륨 및 과황산암모늄, 과산화수소, 과아세트산나트륨, 과탄산나트륨 등과 같은 과산소 화합물을 포함한다. 종래의 산화 환원 개시제 시스템 또한 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 상기 과산소 화합물을 중아황산나트륨, L-아스코브산 또는 철 염과 같은 환원제와 혼합함으로써 형성된다.
개시제는 유상에 존재하는 중합반응가능한 단량체의 총 몰을 기준하여 약 20 몰%까지 존재할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 개시제는 유상의 중합반응가능한 단량체의 총 몰을 기준하여 약 0.001 내지 약 10 몰%의 양으로 존재한다.
3. 친수성화 계면활성제 및 수화성 염
HIPE 포움 구조물을 형성하는 중합체는 바람직하게는 실질적으로 극성 작용 그룹이 없을 것이다. 이것은 중합성 포움이 특성상 비교적 소수성이라는 것을 의미한다. 이들 포움이 절연 물질로 사용되는 경우, 내수성이 일반적으로 요구하는 특징이다. 중합 반응 후에 잔존하는 유화제 및/또는 염은 일반적으로 하기에 상세히 설명되는 방식으로 제거되는 것이 바람직하다.
B. HIPE 포움을 수득하기 위한 공정 조건
포움 제조방법은 통상적으로 1) 안정한 고 분산상 유화액(HIPE)을 형성하는 단계; 2) 이 안정한 유화액을 고체 중합성 포움 구조물을 형성하기에 적합한 조건하에 중합/경화하는 단계; 3) 임의적으로는 고체 중합성 포움 구조물을 세척하여 중합성 포움 구조물로부터 원래의 잔여 수상, 유화제 및 염을 제거하는 단계; 및 4) 이 중합성 포움 구조물을 탈수시키는 단계를 포함한다.
1. HIPE의 형성
유상 및 수상 성분을 전술한 특정 비로 혼합하여 HIPE를 형성한다. 유상은 통상적으로 필수 단량체, 공단량체, 가교결합제 및 유화제, 및 임의적 성분(예: 가소제, 산화방지제, 난연제 및 쇄이동제)을 함유할 것이다. 수상은 통상적으로 전해질 및 중합반응 개시제를 함유할 것이다.
HIPE는 혼합된 유상과 수상으로부터 이들 혼합된 상을 전단 교반시켜 형성될 수 있다. 전단 교반은 일반적으로 안정한 유화액을 형성하는데 필요한 정도의 시간까지 적용한다. 이러한 공정은 회분식 또는 연속식으로 수행할 수 있으며, 일반적으로 생성된 중합성 포움이 필수의 구조적 특징을 갖는 정도로 수상 소적이 분산된 유화액을 형성하기에 적합한 조건하에 수행한다. 유상 및 수상 혼합물의 유화는 종종 핀 임펠러(pin impeller)와 같은 혼합 또는 교반 장치의 사용을 포함한다.
HIPE를 형성하는 한가지 바람직한 방법은 필수 유상 및 수상을 합하여 유화시키는 연속 공정을 수반한다. 이러한 공정에서, 유상을 포함하는 액체 스트림이 형성된다. 동시에, 수상을 포함하는 별개의 액체 스트림이 또한 형성된다. 상기 별개의 두 스트림을 전술된 수상 대 유상의 필요 중량비가 달성되도록 적합한 혼합 챔버 또는 대역에서 혼합한다.
혼합 챔버 또는 대역에서는, 혼합된 스트림을 일반적으로, 예를 들면 적합한 형태 및 치수의 핀 임펠러에 의해 제공되는 전단 교반에 적용시킨다. 전단력은 통상적으로 혼합된 유상/수상 스트림에 적당한 속도로 적용된다. 안정한 액체 HIPE가 형성되면, 이를 혼합 챔버 또는 대역으로부터 수거할 수 있다. 연속 공정에 의해 HIPE를 형성하는데 바람직한 방법은 본원에 참조로 인용되고 데스마라이스에게 1992년 9월 22일자로 허여된 미국 특허 제 5,149,720 호에 기술되어 있다. 또한, 본원에 참고로 인용되고 1995년 1월 10일에 출원된 동시계류중인 미국 특허원 제 08/370694 호(데스마라이스)는 HIPE를 위한 재순환 루프를 갖는 개선된 연속 공정을 기술한다.
2. HIPE의 중합/경화
형성된 HIPE를 일반적으로 중합 또는 경화될 적합한 반응기, 반응 용기 또는 반응 영역에서 수취하거나 붓는다. 한 실시양태에서, 반응기는 폴리에틸렌으로 구성된 통(tub)을 포함하는데, 중합/경화 반응후 최종적인 중합/경화된 고체 포움 물질을 추가의 가공을 위해 이로부터 쉽게 제거할 수 있다. HIPE를 반응기에 주입할때의 온도는 중합/경화 온도와 대략 동일한 것이 바랍직하다.
적합한 중합/경화 조건은 유화액(특히 사용된 유화제 시스템)의 유상 및 수상의 단량체 및 다른 구성물, 및 사용된 중합반응 개시제의 종류 및 양에 따라 크게 달라질 것이다. 그러나, 종종 적합한 중합/경화 조건은 약 30℃ 이상의 온도, 더 바람직하게는 약 35℃ 이상의 온도에서 약 2 내지 약 64시간동안, 더 바람직하게는 약 4 내지 약 48시간동안 HIPE를 유지시키는 것을 포함한다. HIPE는 또한 본원에 참조로 인용되고 브라운스콤브(Brownscombe) 등에게 1993년 2월 23일자로 허여된 미국 특허 제 5,189,070 호에 기술된 것과 같은 단계로 경화시킬 수 있다.
HIPE에 사용되는 더욱 강한 유화제 시스템의 한 특별한 이점은 중합/경화 조건이 약 50℃ 이상, 더 바람직하게는 약 60℃ 이상의 더 높은 온도에서 수행될 수 있다는 것이다. 통상적으로는, HIPE는 약 60 내지 약 99℃, 더욱 통상적으로는 약 65 내지 약 95℃의 온도에서 중합/경화될 수 있다.
다공성의 물-충진된 연속기포형 HIPE 포움은 통상적으로 통과 같은 반응기중에서 중합/경화한 후 수득된다. 이 중합된 HIPE 포움은 통상적으로 시이트와 같은 형태로 절단되거나 얇게 베어진다. 중합된 HIPE 포움의 시이트는 후속 처리/세척 및 탈수 단계 동안 처리하고, 또한 절연 물질에 사용하기 위한 HIPE 포움을 제조하기에 더 쉽다. 중합된 HIPE 포움은 통상적으로 절단되고/얇게 베어져서 약 0.08인치 내지 약 3.5인치의 절단 두께를 제공한다. 포움을 z-방향으로 압축시키는 후속 탈수는 상기 절단 두께의 약 10 내지 약 17%의 두께를 갖는 HIPE 포움을 생성한다.
3. HIPE 포움의 처리/세척
형성된 중합된 HIPE 포움은 일반적으로 HIPE를 제조하는데 사용된 잔여 수상 물질로 충진될 것이다. 이러한 잔여 수상 물질(일반적으로 전해질, 잔여 유화제, 및 중합반응 개시제의 수용액)은 추가의 가공 및 포움의 사용 이전에 제거되어야 한다. 이러한 원래의 수상 물질의 제거는 통상적으로 포움 구조물을 압축시켜 잔여 액체를 짜내고/짜내거나 포움 구조물을 물 또는 다른 세척 수용액으로 세척함으로써 수행될 것이다. 종종 수회의 압축 및 세척 단계, 예컨대 2 내지 4회의 단계를 사용할 수 있다. 이들 세척에 사용된 바람직한 물은 압축적 탈수 동안 중합체의 가요성 및 컴플라이언스(compliance)를 유지하여 포움 구조물의 손상을 감소시키고 방지하기 위해 중합체의 약 Tg 이상의 온도로 가열한다.
4. 포움의 탈수
HIPE 포움을 처리/세척한 후, 탈수될 것이다. 탈수는 포움을 압축하여 잔여 물을 짜내거나, 포움 또는 그안의 물을 약 60 내지 약 200℃ 또는 전자파 처리에 적용시키거나, 진공 탈수하거나 또는 압축 및 가열건조/전자파/진공 탈수 기술의 조합에 의해 달성할 수 있다. HIPE 포움은 통상적으로 완전히 팽창된 두께의 약 1/3(3%) 이하의 두께로 압축적으로 탈수된다. 탈수 단계는 일반적으로 HIPE 포움을 즉시 사용할 수 있고 사용할 수 있을 정도로 건조해질 때까지 수행한다. 종종 이러한 압축 탈수된 포움은 건조중량 기준으로 약 1 중량% 내지 약 15 중량%, 더 바람직하게는 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 물(수분) 함량을 가질 것이다.
IV. 시험 방법
A. 동적 기계적 분석(DMA)
DMA는 중합성 포움을 포함하는 중합체의 Tg를 측정하는데 사용한다. 포움의 시료들을 3 내지 5mm 두께의 블록으로 얇게 자르고, 각 세척 사이에 롤러 닙을 통해 유체를 짜내면서 증류수로 3 내지 4회 세척한다. 생성된 포움 블록을 공기중에서 건조시킨다. 건조된 포움 슬라이스를 둥글게 말아 직경 25mm의 원통을 수득한다. 직경 25mm 평행 판을 사용하는 압축 모드로 레오메트릭스(Rheometrics) RSA-II 동적 기계적 분석기를 사용하여 이들 원통을 분석한다. 사용된 장치의 변수들은 하기와 같다:
약 85℃로부터 2.5℃씩 단계적으로 -40℃까지 온도 강하,
온도 변화 사이에 125 내지 160초의 침지 간격,
0.1% 내지 1.0%(보통 0.7%)로 설정된 동적 변형율,
1.0 라디안/초로 설정된 진동,
초기 정적 힘이 5g으로 설정되어 있을 때 정적 힘을 추적하는 동적 힘 모드로 설정된 자기인장력.
유리질 전이 온도는 손실 탄젠트(tangent) 대 온도 곡선의 최대점으로서 취한다.
B. 팽창율
팽창율은 찌그러진(압축된) 상태 및 팽창된 상태의 포움 시료의 두께를 측정함으로써 정량화될 수 있다. 팽창된 두께 대 초기 찌그러진 두께의 비가 팽창율이다.
압축된 상태의 포움 시료를 시료 두께를 측정하기에 적합한 계기하에 편평한 화강암 베이스상에 올려놓는다. 시료상에 0.08psi의 압력이 가해지도록 계기를 설정한다. 1 in2(6.5cm2) 이상의 원형 표면적을 갖고 0.0010in(0.025mm)의 두께까지 측정할 수 있는 푸트(foot)가 장착된 임의의 계기를 사용할 수 있다. 이러한 계기의 예는 암즈 모델 482(암즈 캄파니; 메사추세츠주 왈탐 소재) 또는 오노-소키 모델 EG-225(오노-소키 캄파니, 리미티드; 일본 소재)이다. 초기 두께(X0)를 기록한다.
포움을 포함한 조립체를 하기 수학식 (1)로 표시되는 온도의 오븐안에 놓는다:
T = Tg + 20℃
60분 후, 팽창된 두께(X1)를 측정한다. 팽창율(EF)은 하기 수학식 (2)에 의해 산출된다:
EF = X1/X0
비팽창된 시료의 부피로 완전하게 회복되도록 1일 이상동안 상기 수학식 (3)으로 표시되는 온도로 설정된 온도에서 저장한 후에 팽창율을 기록한다. 일반적으로, 시료는 고온에서 추가의 재팽창이 기록되지 않을 때까지 남아있다.
C. 비표면적
전술된 바와 같이, 모세관 흡수 방법을 통해 포움의 비표면적을 측정하는 상세한 방법이 미국 특허 제 5,387,207 호의 시험 방법란에 개시되어 있다.
V. 구체적인 실시예
하기 실시예는 본 발명에 유용한 HIPE 포움의 제조를 예시한다.
실시예 1: HIPE로부터 포움의 제조
A) HIPE 제조
무수 염화 칼슘(36.32㎏) 및 과황산 칼륨(189g)을 378ℓ의 물에 용해시킨다. 이는 HIPE를 형성시키는 연속 공정에서 사용되는 수상 스트림을 제공한다.
스티렌(2400g), 디비닐벤젠 55% 공업용 등급(1200g) 및 2-에틸헥실아크릴레이트(2400g)를 포함하는 단량체 혼합물에 Span 40TM(480g)을 첨가한다. 혼합한 후에, 이 용액을 하룻밤동안 정치시킨다. 상층액을 따라내어 유상에서 HIPE를 형성하기위한 유화제로서 사용한다( 생성된 끈적끈적한 잔여물은 폐기한다)
유상(25℃) 및 수상(42 내지 44℃)의 개별적인 스트림은 동적 혼합기로 공급된다. 동적 혼합기중의 혼합 스트림의 완전한 혼합은 핀 임펠러를 이용하여 달성된다. 이러한 작동 수준에서, 적절한 핀 임펠러는 약 21.6㎝의 길이와 약 1.9㎝의 직경을 갖는 원통형 샤프트를 포함한다. 샤프트는 17개의 핀을 갖는 2열, 16개의 핀을 갖는 2열인 4열의 핀을 구비하며, 이때 각각의 핀은 샤프트의 중심 축으로부터 1.6㎝의 길이로 외향 연장되는 0.5㎝의 직경을 갖는다. 핀 임펠러는 원통형 슬리브에 탑재되어 동적 혼합기를 형성하고, 핀은 원통형 슬리브의 벽으로부터 0.8㎜의 간격을 갖는다.
나선형 정적 혼합기는 동적 혼합기의 하부에 탑재되어 동적 혼합기에 배압을 제공하고 성분들이 최종적으로 형성되는 유화액으로 보다 잘 혼입되게 한다. 이러한 정적 혼합기는 길이가 14인치(35.6㎝)이고 외경이 0.5인치(1.3㎝)이다. 정적 혼합기는 2.4인치(6.1㎝)를 절단함으로써 변형된 TAH 인더스트리즈 모델 070-821이다.
합쳐진 혼합기는 3부의 물 대 1부의 오일의 비율로 유상 및 수상으로 충진되도록 설정된다. 동적 혼합기는 이 혼합기를 완전히 충진시키면서 공기가 빠져나갈 수 있도록 되어 있다. 충진동안의 유동 속도는 1.89g/초 유상 및 5.68cc/초 수상이다.
일단 혼합기가 충진되면, 임펠러가 1800rpm으로 회전하면서 동적 혼합기내에서 교반이 시작된다. 그후 수상의 유동 속도는 점진적으로 45.4cc/초의 속도로 증가되고 유상 유속은 약 2분 동안 0.82g/초로 감소된다. 이 시점에서 동적 및 정적 혼합기에 의해 발생되는 배압은 13.4PSI(92kPa)이다. 다음, 임펠러 속도를 120초동안 점진적으로 1200rpm의 속도로 감소시킨다. 배압은 5.4PSI(37kPa)로 감소된다. 이 시점에서, 임펠러 속도는 곧 1800rpm으로 증가된다. 시스템 배압은 6.5PSI(44kPa)로 증가하고 이후로는 일정하게 유지된다. 생성된 HIPE는 약 55:1의 물-대-오일 비율을 갖는다.
B) HIPE의 중합/경화
정적 혼합기로부터의 HIPE를 17인치(43㎝)의 직경 및 7.5인치(10㎝)의 높이를 갖고, 셀콘(Celcon) 플라스틱으로 제조된 중심 삽입체를 갖는 둥근 폴리프로필렌 통에 모은다. 삽입체는 바닥 직경이 5인치(12.7㎝)이고 상부 직경이 4.75인치(12㎝)이고 높이가 6.75인치(17.14㎝)이다. HIPE 함유 통을 18시간동안 65℃로 유지되는 방에 방치하여 중합성 HIPE 포움을 경화시키고 제조시킨다.
C) 포움 세척 및 탈수
경화된 HIPE 포움을 통으로부터 꺼낸다. 이때, 포움은 중합된 단량체 중량의 약 50 내지 60배의 잔여 수상(용해된 유화제, 전해질, 개시제 잔여물 및 개시제)을 갖는다. 포움을 날카로운 강화 톱날을 사용하여 두께 0.2인치(0.5cm)의 시이트로 얇게 자른다. 그런 다음, 이들 시이트를 진공을 구비한 직렬 배열의 2개의 다공성 닙롤에서 압축하여 포움의 잔여 수상 함량을 중합된 단량체 중량의 약 6배로 점진적으로 감소시킨다. 그후, 시이트를 60℃의 물로 재포화시키고, 진공이 구비된 직렬 배열의 3개의 다공성 닙롤서 압착하여 수상 함량이 약 4배가 되게한다. 선택적으로, 포움을 재포화시키는데 사용된 물은 약 1%의 중탄산 나트륨을 함유한다. 이는 세척된 포움을 친수성 만드는 잔여 염화 칼슘과 반응하여 불용성 비흡습성 탄산 칼슘을 형성한다. 포움의 CaCl2함량은 약 1% 미만이다.
포움은 최종 닙 다음에서 약 0.019인치(0.048㎝)의 두께로 압축된다. 그런 다음 포움을 공기중에서 약 16시간 동안 건조시킨다. 이런 건조는 중합반응된 물질의 약 1 내지 8 중량%로 수분 함량을 감소시킨다. 압축된 상태에서, 포움의 밀도는 약 0.14g/cc이다. 팽창시, 포움은 약 0.018g/cc의 건조 밀도 및 50℃의 유리 전이 온도를 갖는다.
실시예 2: HIPE로부터 포움의 제조
A) HIPE 제조
무수 염화 칼슘(36.32㎏) 및 과황산 칼륨(189g)을 378ℓ의 물에 용해시킨다. 이는 HIPE를 형성하는 연속 공정에서 사용되는 수상 스트림을 제공한다.
증류된 디비닐벤젠(40% 디비닐벤젠 및 60% 에틸 스티렌)(2100g), 2-에틸헥실아크릴레이트(3300g) 및 헥산디올 디아크릴레이트(600g)을 포함하는 단량체 혼합물에 매우 높은 순도의 디글리세롤 모노올리에이트(360g) 및 티누빈 765(30g)을 첨가한다. 디글리세롤 모노올리에이트 유화제(글린드스테드 프로덕츠(Grindsted Products); 덴마크 브라브랜드 소재)는 약 81%의 디글리세롤 모노올리에이트, 1%의 다른 디글리세롤 모노에스테르, 3%의 폴리글리세롤 및 15%의 다른 폴리글리세롤 에스테르를 포함하고, 약 2.5dyne/㎝의 최소 유상/수상 계면 장력치를 부여하고 약 2.9중량%의 임계 응집 농도를 갖는다. 혼합한 후에, 이 유화제 혼합물을 침강하도록 하룻밤동안 정치시킨다. 눈에 보이지 않는 잔여물이 형성되지 않으면 모든 혼합물을 따라내고, 유상에서 HIPE를 형성하기 위한 유화제로서 사용한다.
유상(25℃) 및 수상(53 내지 55℃)의 개별적인 스트림을 실시예 1에서의 동적 혼합기에 공급한다. 동적 혼합기에서 배출되는 물질의 일부를 따라내고, 1995년 1월 10일자로 출원된, 동시계류중인 미국 특허원 제 08/370694 호(토마스 에이 데스마라이스)의 도면에 도시되고 개시된 재순환 루프를 이용하여 동적 혼합 영역으로 흐르는 오일 및 수상 유동 스트림의 주입점으로 재순환시킨다.
합쳐진 혼합 및 재순환 장치는 3부의 물 대 1부의 오일의 비율로 유상 및 수상으로 충진된다. 동적 혼합기는 이 혼합기를 완전히 충진시키면서 공기가 빠져나가도록 되어 있다. 충진동안의 유동 속도는 3.78g/초의 유상 및 11.35cc/초의 수상이고, 재순환 루프에서는 약 15cc/초이다.
일단 장치가 셋-업되면, 수상 유속이 절반으로 감소되어 배기가 폐쇄되는 동안 증강되는 압력을 감소시킨다. 임펠러가 1800rpm으로 회전하면서 동적 혼합기내에서 교반이 시작된다. 그런 다음, 수상의 유동 속도는 약 1분 동안 점진적으로 45.4cc/초의 속도로 증가되고 유상 유속은 약 2분 동안 0.757g/초로 감소된다. 재순환 속도는 후자의 기간동안 약 45 cc/초로 점진적으로 증가된다. 이 시점에서 동적 및 정적 혼합기에 의해 발생되는 배압은 약 10PSI(69kPa)이다. 그런 다음, 워케사(Waukesha) 펌프 속도를 점진적으로 감소시켜 약 11cc/초의 재순환 속도를 생성한다.
B) HIPE의 중합/경화
정적 혼합기로부터 형성된 유화액 흐름을 17인치(43㎝)의 직경 및 7.5인치(10㎝)의 높이를 갖고, 셀콘(Celcon) 플라스틱으로 제조된 중심 삽입체를 갖는 둥근 폴리프로필렌 통에 수취한다. 삽입체는 바닥 직경이 5인치(12.7㎝)이고 상부 직경이 4.75인치(12㎝)이고 높이가 6.75인치(17.14㎝)이다. 유화액-함유 통을 18시간동안 65℃로 유지되는 방에 두어 용기내에 유화액의 중합을 일으켜 중합성 포움을 형성시킨다.
C) 포움 세척 및 탈수
경화된 HIPE 포움을 통으로부터 꺼낸다. 이때 포움은 중합된 단량체 중량의 약 50 내지 60 배의 잔여 수상(용해된 유화제, 전해질, 개시제 잔여물 및 개시제를 함유한다)을 갖는다. 포움을 날카로운 강화 톱날을 이용하여 두께가 0.160인치(0.406㎝)인 시이트로 얇게 자른다. 그런 다음, 이들 시이트를 진공이 구비된 직렬배열의 2개의 다공성 닙롤에서 압착하여, 포움의 잔여 수상 함량을 점진적으로 감소시켜 중합반응된 물질 중량의 약 6배가 되게한다. 이 시점에서, 시이트를 60℃에서 재포화시키고, 진공이 구비된 직렬배열의 3개의 다공성 닙롤에서 압착하여 수상 함량이 약 4배가 되게한다. 포움의 CaCl2함량은 1% 미만이다.
포움은 최종 닙 다음에 약 0.021인치(0.053㎝)의 두께로 압축된다. 그런 다음, 포움을 공기중에서 약 16시간동안 건조시킨다. 이런 건조는 중합반응된 물질의 약 9 내지 17 중량%로 수분 함량을 감소시킨다. 이때, 포움 시이트는 매우 드레이프성이 있다. 포움은 또한 약 5 중량%의 잔여 디글리세롤 모노올리에이트 유화제를 함유한다. 찌그러진 상태에서, 포움의 밀도는 약 0.14g/cc이다. 팽창시, 이 포움은 약 0.018g/cc의 건조 밀도 및 약 23℃의 유리질 전이 온도를 갖는다.
실시예 3 내지 11: 상이한 단량체로부터 HIPE 포움의 제조
상기 실시예 1 또는 2에서 개시된 방법과 유사한 방법을 이용하여 다양한 단량체 성분을 갖는 HIPE로부터 흡수성 포움을 제조한다. 단량체 제형, 물-대-오일(W:O) 비율, 및 생성된 Tg는 하기 표 1에서 기재되어 있다.
포움 조성 및 Tg
실시예 번호 STY% DVB% EHA% Tg(℃)*
3 40% 22% 38% 52℃
4 34% 22% 44% 44℃
5 32% 24% 44% 50℃
6 31% 22% 47% 38℃
7 29% 24% 47% 41℃
8 25% 22% 53% 32℃
9 38% 22% 40% 54℃
10 36% 22% 42% 49℃
11 28% 22% 50% 30℃
STV: 알드리치 케미칼 코오포레이숀으로부터 구입가능한 스티렌DVB: 다우 케미칼 코오포레이숀으로부터 구입가능한 45%의 에틸 스티렌 불순물을 갖고 55%의 순도를 갖는 디비닐 벤젠EHA: 알드리치 케미칼 코오포레이숀으로부터 구입가능한 2-에틸헥실 아크릴레이트* 1.0 복사/초에서 동적 기계 분석을 통해 측정
실시예 12 내지 16: 상이한 단량체로부터 HIPE 포움의 제조
본 발명의 포움은 실시예 1에서 기술한 바에 따라 본질적으로 제조된다. 이들 포움의 절연성은 ASTM C177-85를 통해 측정된다. 그 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.
포움의 절연값
실시예 번호 밀도(g/cc) STY(%) DVB(%) EHA(%) Tg(℃)* 열 전도도**
12 0.011 20% 40%a 40% 60℃ 38
13 0.012 20% 40% 40% 60℃ 34
14 0.008 0% 40%b 60% -18℃ 37
15c 0.015 0% 33% 55% -23℃ 34
16c 0.012 0% 33% 55% -23℃ 35
* DMA 사용하여 측정** 단위 mW/(m.K), ASTM C177-85를 사용하여 측정a: 55%의 순도를 갖는 DVB를 사용b: 50%의 순도를 갖는 DVB를 사용c: 12%의 1,6-헥산디올디아크릴레이트를 사용
상기 데이터는 본 발명의 포움이 탁월한 열절연성를 나타냄을 보여주고 있다.
실시예 17
연속 포움 시이트(12 너비 및 3 두께)는 실시예 1에 기술된 공정에 의해 50:1의 물-대-오일의 비율로 40%의 스티렌, 20%의 DVB 및 40%의 EHA를 포함하는 HIPE로부터 제조된다. 상기 포움은 2, 1, 0.5 및 0.3의 연속 틈을 갖는 압축 탈수성 닙 롤을 통해 가온(약 40℃)되는 동안 탈수된다. 포움 슬라이스는 본 단계에서 약 0.5의 두께를 유지한다. 이후, 연속 포움 슬라이스는 0.01 두께의 알루미늄 호일에 적층되고 약 2.5'직경의 베일에 감겨진다. 이후, 이것은 수축 랩 플라스틱에 포장된다. 포움은 창고, 선적, 소매 전시 및 사용을 통해서도 그 형태를 안정하게 유지한다. 제품을 풀어서 바라는 절단 길이로 주거용 다락의 천정 들보 사이에 삽입시켜 사용한다. 이때, 상기 제품은 약 0.5 두께를 유지한다. 다락에서의 상승된 온도로 인해 포움의 3의 원래 두께 및 0.020g/cc의 밀도로 빠르게 재팽창한다. 따라서, 제조업자에서부터 최종 사용자에 이르기까지 편리한 탁월한 절연 물질이 제공된다.

Claims (12)

  1. A) 0.01㎡/㏄ 이상의 포움 부피 당 비표면적
    B) 0.05g/cc 미만의 건조 밀도 및
    C) -20℃ 내지 약 90℃의 유리전이온도(Tg)를 갖는 중합성 포움 물질을 절연체로서 사용하는 방법.
  2. A) 0.01㎡/㏄ 이상의 포움 부피 당 비표면적,
    B) 0.05g/cc 미만의 건조 밀도 및
    C) -20℃ 내지 90℃의 유리전이온도(Tg)를 가지며,
    (A) (1)(i) 35℃ 이하의 Tg를 갖는 동종중합체를 형성할 수 있는 실질적으로 수-불용성의 일작용성 단량체 10 내지 70 중량%, (ii) 스티렌에 의해 제공된 인성과 동일한 인성을 부여할 수 있는 실질적으로 수-불용성의 일작용성 공단량체 10 내지 70 중량%, (iii) 디비닐 벤젠 및 이것의 유사물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 실질적으로 수-불용성의 다작용성 제 1 가교 결합제 2 내지 50% 및 (iv) 디올의 디아크릴레이트 및 이것의 유사물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 실질적으로 수-불용성의 다작용성 제 2 가교 결합제 0 내지 15%를 포함하는, -20℃ 내지 90℃의 Tg를 갖는 공중합체를 형성할 수 있는 80 내지 98 중량%의 단량체 성분(a); 및 안정한 유중수 유화액을 형성하는데 적합하고 유상에 가용성인 2 내지 20 중량%의 유화제 성분(b)을 포함하는 유상;
    (2) 수용성 전해질 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 수상; 및
    (3) 12:1 내지 250:1의 부피 대 중량비의 수상 대 유상
    으로부터 낮은 전단 혼합 및 약 30℃ 이상의 온도에서 유중수 유화액을 형성하는 단계; 및
    (B) 유중수 유화액의 유상에 단량체 성분을 중합시켜 중합성 포움을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 중합성 포움 물질을 절연체로서 사용하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    중합성 포움 물질이 0 내지 50℃의 유리전이온도를 갖는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    중합성 포움 물질이 100㎛ 미만의 수평균 기포 크기를 갖는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    중합성 포움 물질이 10 내지 50㎛, 바람직하게는 15 내지 35㎛의 수평균 기포 크기를 갖는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    중합성 포움 물질이 10 내지 40℃의 유리전이온도를 갖는 방법.
  7. A) 0.025㎡/㏄ 이상의 포움 부피당 비표면적,
    B) 0.08g/cc 내지 0.004g/cc의 건조 밀도,
    C) 0℃ 내지 50℃의 유리전이온도(Tg) 및
    D) 10 내지 50㎛의 수평균 기포 크기를 갖는 소수성 중합성 포움 물질을 절연체로서 사용하는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    단계(A)에서 사용된 단량체 성분이 10 내지 70%의 일작용성 공단량체(ii), 바람직하게는 20 내지 50%의 일작용성 공단량체(ii)를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    단계(A)에서 사용된 단량체 성분이 20 내지 50%의 일작용성 단량체(i)를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    단계(A)에서 사용된 단량체 성분이 10 내지 30%의 가교 결합제(iii)를 포함하는 방법.
  11. 제 2 항에 있어서,
    단량체 성분중의 일작용성 단량체(i)가 2-에틸헥실 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 라우릴 아크릴레이트 및 라우릴 메타크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 단량체 성분중의 일작용성 공단량체(ii)가 스티렌, 에틸 스티렌 및 p-n-옥틸스티렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 단량체 성분중의 제 1 가교 결합제(iii)가 디비닐벤젠, 트리비닐벤젠, 디비닐톨루엔 및 디비닐크실렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  12. 제 2 항에 있어서,
    부피 대 중량 비의 수상 대 유상이 25:1 내지 125:1인 방법.
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