KR20040035815A - 발포성 폴리스티렌의 제조 방법 - Google Patents

발포성 폴리스티렌의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 원자수가 4 내지 6인 탄화수소 1 내지 5 중량%, 및 비점이 70 ℃ 초과인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.5 중량%의 존재하에, 및 폴리스티렌의 분자량을 감소시키는 연쇄 전달제의 부재하에 스티렌을 현탁 중합시키는 것에 의한 비드형의 발포된 폴리스티렌의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

발포성 폴리스티렌의 제조 방법 {Method for the Production of Expandable Polystyrene}
본 발명은 발포제 및 발포 조제 존재하에 수성 현탁액 중에서 스티렌을 중합시키는 것에 의한 비드형 발포성 폴리스티렌의 제조 방법에 관한 것이다.
스티렌 중합체계 발포체는 때때로 공지되었고, 문헌에 널리 기재되어 있다. 발포제를 함유한 폴리스티렌 비드를 발포시키고, 이어서 슬라브 (slab), 성형물 및 다른 발포체를 수득하기 위해 이들 발포 비드를 융합시킴으로써 제조하는 폴리스티렌 성형 발포체에 부착시키는 것이 특히 중요하다.
발포제를 함유한 발포성 폴리스티렌 비드는 단량체 스티렌을 현탁하고, 수용액 중에 중합시키는 현탁 중합으로 보통 제조된다. 발포제는 중합 동안 보통 첨가되지만, 차후 가공 단계에서 발포제를 폴리스티렌 비드에 첨가하는 것도 가능하다. 바람직한 발포제는 C4-C6-탄화수소, 특히 펜탄이다. 산업 공정에서, 이들은 단량체를 기준으로 하여 6 내지 7 중량%의 양으로 사용된다. 환경 보호를 위해, 펜탄의 양을 줄일려고 노력하지만; 이는 US-A 5,112,875에 따라 처리가 발포된 폴리스티렌의 분자량을 줄이는 연쇄 전달제, 예를 들면 메르캅탄의 존재하에 수행되는 경우에만 가능하다. 이는 발포제를 덜 사용하는 비교적 고-분자-량 폴리스티렌의 발포동안 폴리스티렌의 발포성, 즉 발포 비드의 발포 정도는 매우 낮아진다는 것이 밝혀졌기 때문이다. 그러나, 다른 한편으로, 저-분자-량 폴리스티렌계 EPS 비드는 발포 동안 고착 및 수축되는 경향이 있다. 또한, 이는 EP-A 758 667에 따라 비점이 70 ℃ 초과인 포화 탄화수소 0.01 내지 1.0 중량%가 추가 발포 조제로서 첨가되고, 가공을 연쇄 전달제로서 이량체 α-메틸스티렌 0.05 내지 0.5 중량%의 존재하에 수행되는 경우이다. 발포 조제가 가소제로서 발포된 비드의 바람직하지 않은 수축을 초래하기 때문에 더 많은 양의 발포 조제의 첨가가 EP-A 758 667에 대해 권해진다.
WO 00/15703에는 스티렌을 탄화수소 발포제 0.5 내지 4 중량% 및, 필요에 따라, 화이트 오일 (white oil) 및 연쇄 전달제의 존재하에 현탁 중합시키는 것에 의한 EPS 비드의 제조 방법이 기재되어 있다. EPS 비드는 제1 단계에서 0.2 내지 0.6 g/㎥의 벌크 밀도로 발포되는데, 즉 이들의 발포성은 매우 낮다.
본 발명의 목적은 비교적 낮은 발포제 함량 및 양호한 발포성을 가지지만 낮은 점성 및 낮은 수축의 발포 비드로 전환될 수 있는 EPS 비드의 제조 방법을 개발하는 것이다.
본 발명자는 이 목적이
A. 발포제로서 탄소 원자수가 4 내지 6이고 비점이 70 ℃ 미만인 포화 지방족 탄화수소 1 내지 5 중량%, 및
B. 발포 조제로서 비점이 70 ℃ 초과인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.5 중량%의 존재하에; 그리고
폴리스티렌의 분자량을 감소시키는 연쇄 전달제의 부재하에
중합시킴으로써 달성된다는 것을 밝혀냈다.
본 발명에 따른 EPS는 중합체의 중량을 기준으로 하여 20 중량% 이하의 에틸렌계 불포화된 공단량체, 특히 알킬스티렌, 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴 또는 α-메틸스티렌을 중합체 매트릭스, 호모폴리스티렌 또는 스티렌 공중합체로서 포함한다.
EP-A 758 667에 기재된 바와 같이, 상업적으로 입수가능한 스티렌은 에틸벤젠 및 쿠멘을 불순물로서 함유할 수 있다. 이들 물질은 안전한 것으로 인식되지 않기 때문에, 에틸벤젠 및 쿠멘을 1000 ppm 이하, 바람직하게는 500 ppm 이하 함유한 스티렌이 가능한 어느 경우에 있어서나 사용되어야 한다.
현탁 중합은 현탁 안정화제 및 통상의 스티렌-가용성 중합 개시제의 존재하에 수행된다. 분자 콜로이드, 예컨대 폴리비닐 알콜 (PVA) 및 폴리비닐피롤리돈 (PVP) 이외에, 본원에 사용되는 현탁 안정화제는 보통 연장제, 예컨대 도데실벤젠술포네이트와 조합된 저-가용성 염, 예컨대 Mg2P2O7및 Ca3(PO4)2(소위, 픽커링 (Pickering) 염)이다. 비드 크기를 조절하기 위해, 소량의 무기 알칼리 금속 염, 예를 들면 술페이트, 클로라이드, 카르보네이트 또는 탄산수소를 추가로 첨가할 수 있다. 통상의 유리-라디칼 중합 개시제, 예를 들면 디벤조일 퍼옥시드, tert-부틸 퍼벤조에이트, tert-부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 또는 디쿠밀 퍼옥시드를 중합에 첨가한다.
본 발명에 따라, 중합 전후 또는 동안 하기 조제를 첨가할 수 있다:
A. 발포제로서 비점이 70 ℃ 미만인 C4-C6-탄화수소 1 내지 5 중량%, 바람직하게는 2 내지 4 중량%. 적합한 발포제의 실례에는 부탄, 이소부탄, n-펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄, 시클로펜탄 및 헥산, 및 이들의 혼합물이 있다. n-펜탄이 바람직하다.
B. 스티렌을 기준으로 하여, 비점이 70 ℃ 초과, 바람직하게는 150 ℃ 초과, 특히 200 ℃ 초과인 포화 탄화수소 0.5 내지 3.5 중량%, 바람직하게는 1.1 내지 3.0 중량%, 특히 1.6 내지 3.0 중량%. 비점이 매우 낮은 경우, 발포 조제는 발포성 폴리스티렌 비드를 매우 신속하게 확산시키고, 마찬가지로 환경 오염의 원인이 될 수 있다. EP-A 758 667의 전조에 비해 소량의 발포제가 본 발명에 따라 사용되는 경우 심지어 더 많은 양의 발포 조제조차 발포된 비드의 수축을 발생시키지 않는다는 것을 밝혀냈다. 특히 바람직한 발포 조제는 비등 범위가 250 ℃ 내지 300 ℃인 라이트 미네랄 오일 (light mineral oil) 및 비등 범위가 430 내지 540 ℃인 화이트 오일이다.
중합이 분자량을 감소시키는 연쇄 전달제의 부재하에 수행되는 것이 필수이다. 본원의 용어 "분자량의 감소"는 점도를 2 ml/g 이상, 바람직하게는 1 ml/g 이상까지 감소시키는 것을 의미한다.
스티렌 중합체는 또한 특정 특성을 갖는 발포성 생성물을 제공하는 다른 물질의 통상의 첨가를 포함할 수 있다. 유기 브롬 또는 염소 화합물 기재의 난연제의 실례로서, 예컨대 트리스디브로모프로필 포스페이트 및 헥사브로모시클로도데칸; 난연제용 협력제의 실례로서, 예컨대 디쿠밀; 발포체 열 전도성 감소제로서, 예컨대 흑연, 카본 블랙 또는 알루미늄; 또한 대전 방지제, 안정화제, 염료, 윤활제, 충전제 및 예비-발포 동안 항-접착 작용을 갖는 물질의 실례로서, 예컨대 아연 스테아레이트, 멜라민-포름알데히드 응축물 또는 규산; 최종 발포 동안의 탈형 시간 단축제로서, 예를 들면 글리세롤 에스테르 또는 히드록시카르복실산 에스테르를 언급할 수 있다. 첨가제는 비드 중에 균일하게 기여될 수 있거나 또는 의도된 효과에 따라 표면 코팅의 형태가 될 수 있다.
대응적으로, 첨가제는 본 발명에 따른 방법에 추가되거나 또는 이어서 발포성 스티렌 중합체에 적용된다.
중합이 완료된 때에, 본 발명에 따른 방법으로 수득한 비드형 발포성 스티렌 중합체는 공지된 방식으로 수상으로부터 분리되고, 세척되고, 건조된다.
또한, 본 발명은
A. 탄소 원자수가 4 내지 6이고 비점이 70 ℃ 미만인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.0 중량%,
B. 비점이 70 ℃ 초과, 바람직하게는 200 ℃ 초과인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.5 중량%, 바람직하게는 1.1 내지 3.0 중량%, 및
C. 폴리스티렌의 분자량 Mw를 감소시키는 연쇄 전달제 0.02 중량% 미만, 바람직하게는 0.002 중량% 미만
의 함량을 갖는 비드형 발포성 폴리스티렌에 관한 것이다.
본 발명에 따른 EPS 비드는 일반적으로는 0.2 내지 4 mm의 직경을 가진다. 통상의 방법, 예를 들면 증기를 1 단계로 상기 EPS 비드를 예비-발포시켜 직경이 0.1 내지 2 cm이고 벌크 밀도가 0.1 g/㎤ 미만인 발포 비드를 수득할 수 있는데; 2-단계 발포의 경우에 벌크 밀도가 0.005 내지 0.05 g/㎤인 발포 비드를 달성할 수 있다.
예비-발포된 비드를 이어서 통상의 방법으로 발포시켜 밀도가 0.005 내지 0.1 g/㎤인 발포 성형물을 수득할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 EPS 비드는 양호한 프로세싱 항상성, 즉 성형물 생산 동안 균일하게 높은 정도의 발포, 균일하게 높은 발포 속도 및 균일하게 짧은 탈형 시간으로 탁월하다. 또한, 예비-발포 가공 동안 고착 경향이 낮다.
그러나, 특히, EPS 비드는 비교적 문제가 없는 저-비등 탄화수소를 포함한다.
실시예에 인용된 백분율은 중량에 관한 것이다.
실시예 1
탈염수 9.0 L 중의 황산마그네슘 MgSO41.852 kg의 용액 및 탈염수 33.1 L 중의 피로인산나트륨 Na4P2O70.988 g의 용액으로부터 제조된 피로인산마그네슘의 새롭게 침전된 현탁액 45 kg 및 탈염수 482 L를 1 ㎥ 내압 교반된-탱크 반응조 내에 도입시켰다.
폴리스티렌 5.62 kg을 용해시킨 스티렌 562 kg, 화이트 오일 (2%, 스티렌계) (윈터샐 (Wintershall)로부터의 위노그 (Winog) 70) 11.24 kg, 폴리에틸렌 왁스 (바스프 (BASF)로부터의 폴리와크스 2000 마이크로 (Polywachs 2000 Micro)) 0.562 kg, 디쿠밀 퍼옥시드 2.25 kg 및 디벤조일 퍼옥시드 (75%) 0.6 kg을 포함하는 유기상을 그에 첨가하였다. 반응 혼합물을 1.5 시간 경과에 걸쳐 95 ℃로 가열하였다. 온도를 이어서 3.5 시간 경과에 걸쳐 137 ℃로 올리며, (1.3%) 유화제 K 30 (바이엘 (Bayer)) 5.06 kg을 150 분 후에 첨가하고, 펜탄 (3.5%, 스티렌계) 19.67 kg을 175 분 후에 40 분 기간에 걸쳐 첨가하였다. 마지막으로, 137 ℃에서 2.5 시간 동안 혼합물의 중합을 완성시켰다. 수득한 비드를 원심분리해내고, 건조시켰다. 이는 펜탄 2.9%, 잔여 스티렌 130 ppm 및 에틸벤젠 500 ppm을 포함하였다.
점도수 (DIN 51562, 파트 2에 따라 측정함)가 77 ml/g이었다. 증기를 사용하는 예비-발포 동안, 단지 발포 비드 7%가 고착되고, 시험공장 실험에 여전히 허용가능하였다.
실시예 2 (비교)
실시예 1를 반복하지만, (EP-A 758 667의 실시예 5에 따름) 이량체 α-메틸스티렌 0.25% 및 화이트 오일 0.315%를 첨가하였다. 수득한 EPS 비드는 펜탄 함량이 3.0%이고, 점도수가 58 ml/g이고; 예비-발포 동안, 발포 비드 21%가 고착되었다.
실시예 3
실시예 1을 반복하지만, 화이트 오일을 단지 1%만 첨가하였다. 펜탄 함량및 점도수가 실시예 1에서와 동일하고, 성형물 생산 동안 발포 비드의 융합이 실시예 1보다 덜하였다.

Claims (6)

  1. 수성 현탁액 중에서
    현탁 안정화제 및 통상의 스티렌-가용성 중합 개시제의 존재하에; 그리고
    A. 단량체를 기준으로 하여, 발포제로서 탄소 원자수가 4 내지 6이고 비점이 70 ℃ 미만인 포화 지방족 탄화수소 1 내지 5 중량%, 및
    B. 단량체를 기준으로 하여, 발포 조제로서 비점이 70 ℃ 초과인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.5 중량%
    의 존재하에 필요에 따라 20 중량% 이하의 통상의 공단량체와 함께 스티렌을 중합시키되,
    폴리스티렌의 분자량을 감소시키는 연쇄 전달제의 부재하에 중합시키는 것을 포함하는 비드형 발포성 폴리스티렌 (EPS)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 중합을 발포제 A 2 내지 4 중량% 및 발포 조제 B 1.1 내지 3.0 중량%의 존재하에 수행하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 발포 조제 B가, 비등 범위가 250 ℃ 내지 300 ℃인 라이트 미네랄 오일인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 발포 조제가, 비등 범위가 430 ℃ 내지 540 ℃인 화이트 오일인 방법.
  5. A. 폴리스티렌을 기준으로 하여, 탄소 원자수가 4 내지 6이고 비점이 70 ℃ 미만인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.0 중량%,
    B. 비점이 70 ℃ 초과인 포화 지방족 탄화수소 0.5 내지 3.5 중량%, 및
    C. 폴리스티렌의 분자량을 감소시키는 연쇄 전달제 0.04 중량% 미만
    의 함량을 갖는 비드형 발포성 폴리스티렌.
  6. 증기를 사용하여 0.1 g/㎤ 미만의 벌크 밀도로 1 단계로 EPS 비드를 발포시키는 폴리스티렌 발포체 비드의 방법에 있어서 제5항에 청구된 EPS 비드의 용도.
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