본 발명의 내화학성이 우수한 ABS 수지의 제조방법은 입자크기가 2500 내지 3500 Å인 응집 고무 라텍스 및 입자크기가 2300 내지 2700 Å인 통상의 유화중합으로 제조된 고무 라텍스로 이루어진 혼합고무 라텍스에 대하여 아크릴로니트릴과 스티렌으로 이루어진 모노머 혼합물을 투입하여 제1차 그라프트 중합하고; 그리고 상기 1차 그라프트 중합물에 잔량의 모노머 혼합물을 투입하여 제2차 그라프트 중합하는 단계로 이루어진다. 이하, 이들 각 단계에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.
제1차 그라프트 중합
본 발명의 제1차 그라프트 중합은 입자크기가 2500 내지 3500 Å인 응집 고무 라텍스 및 입자크기가 2300 내지 2700 Å인 통상의 유화중합으로 제조된 고무 라텍스로 이루어진 혼합고무 라텍스 40중량부 내지 70중량부에 아크릴로니트릴과 스티렌으로 이루어진 모노머 혼합물, 분자량 조절제, 개시제, 유화제, 환원제, 이온교환수를 투입하여 중합된다.
상기 혼합고무 라텍스는 입자크기가 2500 내지 3500 Å인 응집 고무 라텍스 40-60 중량부 및 입자크기가 2300 내지 2700 Å인 통상의 유화중합으로 제조된 고무 라텍스 60-40 중량부로 이루어진다.
상기 응집 고무 라텍스가 60 중량부를 초과할 경우, ABS 수지 제조시 고무들 간의 엉김현상이 발생되어 ABS수지 전반의 물성을 저하시키며, 40 중량부미만으로 첨가할 경우, 응집 고무 라텍스를 이용한 ABS수지의 상업적 이용의 목적인 제조시간 단축에 큰 효과를 미치지 못한다.
또한 상기 응집 고무 라텍스의 입자크기가 2500 Å미만인 것을 사용할 경우, 내충격성이 저하되어 실용성이 없고 입자크기가 3500 Å를 초과하는 응집 고무 라텍스를 사용할 경우, 광택도가 떨어진다.
본 발명의 2500 내지 3500 Å의 입자크기를 갖는 응집 고무 라텍스는 (1) 종자 합성고무 라텍스에 음이온성 유화제와 비이온성 유화제 투입하여 종자 합성고무 라텍스를 전처리 하는 제1단계; (2) 불포화산 함유 공중합체 라텍스에 이온교환수, 비이온성 유화제 및 전해질을 혼합하여 고형분 함량을 1 내지 10 중량%, pH를 5 내지 11로 조정하여 입자경 비대화제를 전처리하는 제2단계; 및 (3) 상기 전처리된 종자 합성 고무 라텍스에 전처리된 입자경 비대화제를 일괄 투입하고 pH를 9 내지 12로 재조절하여 응집 고무 라텍스를 제조하는 제3단계로 이루어지며, 상기 제조방법은 국내 특허출원 제2002-28672호에 개시되어 있다.
본 발명의 2300 내지 2700 Å의 입자크기를 갖는 고무 라텍스는 통상의 유화중합으로 제조될 수 있다. 예컨대, 종자 합성 고무 라텍스 제조와 동일한 방법에서 유화제 함량 및 전해질 함량 등을 조절하여 중합시간을 20시간 이상 유지하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 고무 라텍스의 입자크기가 2300 Å 미만인 것을 사용할 경우, 내충격성이 저하되고, 입자크기가 2700 Å를 초과하는 경우, 중합시간이 30시간이상으로 ABS 제조 효율이 저하된다.
본 발명의 아크릴로니트릴 모노머와 스틸렌 모노머의 혼합물은 전체 30 내지 60 중량부로 투입되며, 제1차 그라프트 중합에 모노머의 혼합물 15-55 %를 투입하고, 잔량 모노머의 혼합물 45-85 %은 제2차 그라프트 중합에 투입한다.
1차 그라프트 중합시 모노머 혼합물이 전체 모노머 혼합물의 15 %미만일 경우 2차 그라프트 중합에 사용되는 모노머 혼합물의 양의 증대로 인해 전체 중합 시간의 증대로 효율이 저하되며 고무 내부에 형성되는 Occlusion SAN의 양이 작아 내충격성이 저하된다. 반면 1차 그라프트 중합시 모노머 혼합물을 55 % 초과하여 투입하는 경우, 그라프트 중합 SAN의 분자량 조절이 어려워 ABS수지에 적용시 물리적 성질 저하 현상을 야기시킨다.
하지만 1차 그라프트 중합에 투입되는 모노머 혼합물의 양을 증가시킬 경우, 2차 그라프트 중합시 사용되는 모노머 혼합물이 적어지므로 전체 그라프트 중합시간을 줄일 수 있다.
따라서, 1차 그라프트 중합시 모노머 혼합물과 분자량 조절제, 개시제 등의 함량을 적절히 조절해야만 ABS수지의 물리적 성질 저하없이 전체 그라프트 중합시간을 최소화 할 수 있는 것이다.
본 발명에서 1차 그라프트 중합시 투입되는 분자량 조절제의 구체적 예로는 알파 메틸 스틸렌 이중체나 터셔리 도데실 머캅탄과 같은 머캅탄류가 있다. 상기 분자량 조절제는 1차 그라프트 중합에 사용되는 모노머의 0.02 %내지 0.5 %의 범위로 투입하는 것이 ABS수지의 물리적 성질 저하 없이 전체 그라프트 중합시간을 최소화 할 수 있으며, 2차 그라프트 중합시 터서리도데실머캅탄 투입량은 0.1 내지 0.25 중량%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 개시제의 구체적인 예로는 경우에는 터셔리부틸퍼옥사이드, 터셔리부틸퍼옥시벤조에이트 및 큐멘하이드로퍼옥사이드 등이 있으며, 1차 그라프트 중합에 사용되는 모노머의 0.03 % 내지 1.0 %의 범위에서 상기의 분자량 조절제를 기준으로 0.5-2.0 배 범위로 투입하는 것이 ABS수지의 물리적 성질 저하 없이 전체 그라프트 중합시간을 최소화 할 수 있다.
응집 고무 라텍스를 그라프트 중합시킬 때는 반응기의 교반 조건과 중합 온도가 그라프트 공중합 거동을 변화시킨다. 본 발명에서 응집 고무 라텍스의 그라프트 중합시 130 내지 400rpm 의 범위로 교반하는 것이 바람직하며, 중합온도는 50℃내지 75℃ 범위가 바람직하다.
그라프트 중합시 교반 rpm이 130이하일 경우 교반이 국부적으로 진행되어 그라프트 중합의 균일성을 저하시키고, rpm이 400 이상인 경우 중합 그라프트 중합 안정성이 급격히 저하되어 응고물이 발생하게 된다.
또한, 중합온도가 50℃이하일 경우 중합안정성은 우수하나, 중합속도가 감소되어 그라프트 중합 생산효율을 저하시킨다. 중합온도는 높을수록 그라프트 중합시간을 단축시킬 수 있으나 80℃이상 중합은 아크릴로니트릴의 끓는점이 대기압 상태에서 77.3℃이기 때문에 기포발생으로 인한 미셀의 파괴현상이 일어나 중합 안정성이 저하된다.
교반조건이 130rpm내지 400rpm에서는 응집 고무라텍스가 준안정 상태로 입자경이 비대화되어 있기 때문에 교반 조건과 온도에 따라 응집 입자들이 풀리거나, 입자경 비대화제의 활성에 의한 재응집 현상이 발생되기 때문으로 교반 조건과 온도에 따라 10Å 내지 2000Å의 입자경 변화를 줄 수 있다. 상기의 그라프트 중합시 응집 고무 라텍스의 입자경 변화는 ABS수지의 물리적 성질에 큰 영향을 미친다.
제2차 그라프트 중합
2차 그라프트 중합은 1차 그라프트중합이 진행되면서 발생되는 중합열로 반응기 온도가 70 ℃에 도달한 직후 연속적으로 진행한다. 상기 1차 그라프트 중합물에 잔량의 단량체 혼합물 45-85 %, 분자량 조절제를 혼합 교반하여 개시제를 반응기에 투입하여 2차 중합을 진행한다.
상기 분자량 조절제 및 개시제는 제1차 그라프트 중합에서 사용된 것과 동일하다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기재될 뿐이며 본 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
(1) 응집고무 라텍스의 제조
A. 제1단계: 종자 합성 고무 라텍스 제조 및 전처리
종자 합성고무 라텍스는 이온교환수 130 중량부, 부타디엔 100 중량부, t-도데실메르캡탄(t-DDM) 0.7 중량부, 라우릴 황산 나트륨 3.0 중량부, 탄산칼륨 1.0 중량부 및 포타슘 퍼설페이트 0.5 중량부를 반응온도 70℃에서 9 시간동안 중합하여 제조하였으며, 제조된 종자합성 고무 라텍스는 입자경이 1450Å, 고형분 함량이 45 중량% 이었다.
상기에서 제조된 종자 합성고무 라텍스 100 중량부(고형분 45중량%)에 음이온성 유화제인 로진산 비누를 1.0 중량부, 비이온성 유화제로서 폴리에틸이미드축합물을 0.2 중량부로 투입하여 종자 합성고무 라텍스를 전처리 하였다.
B. 제2단계: 입자경 비대화제 제조 및 전처리
입자경 비대화제인 공중합체 라텍스는 이온교환수 185 중량부, 부타디엔 10 중량부, 메타크릴산 10 중량부, 에틸 아크릴레이트 80 중량부, 도데실벤젠술폰산 나트륨 5.0 중량부, 탄산칼륨 0.5 중량부 및 포타슘 퍼설페이트 0.5 중량부를 반응온도 70 ℃에서 6 시간동안 중합하여 제조되었으며, 입자경이 750 Å이고, 고형분 함량이 35 중량%, pH가 2.5인 공중합체 라텍스를 제조하였다.
상기에서 제조된 입자경 비대화제인 공중합체 라텍스 100중량부 (고형분 35 중량%)에 음이온성 유화제인 도데실벤젠술폰산 나트륨 0.5 중량부와 비이온성 유화제인 폴리에틸이미드축합물을 0.1중량부, 이온교환수 150중량부 및 탄산칼륨 수용액(2%)을 혼합, 교반하여 고형분 함량을 10 중량%, pH를 7.0±0.5로 조정하였다.
C. 제3단계: 응집고무 라텍스의 제조(입자경 비대화)
상기의 전처리된 종자 합성 고무 라텍스 100 중량부를 반응기에 투입하고 150 rpm으로 교반하면서 온도를 65 ℃로 올린 후 전처리된 입자경 비대화제 3.5 중량부를 5분간 일괄 투입하였다. 응집 입자경은 입자경 비대화제 투입 1시간부터 96시간까지 NICOMP 370(입자크기 분석기)로 측정하여 하기의 표 1에 입자경 변화를 나타내었다.
전처리된종자 합성 고무라텍스 |
전처리된입자경 비대화제 |
pH조절 |
입자경 비대화P/size (Å) |
100중량부 |
3.5중량부 |
11.0 |
3015 |
(2) 혼합 고무 라텍스의 그라프트 중합
A. 1차 그라프트 중합
그라프트 중합 반응기에 상기에서 제조된 평균 입자경이 3015 Å인 응집 고무 라텍스 30 중량부 및 통상의 유화중합으로 제조된 평균 입자경이 2450 Å인 일반 고무 라텍스 30 중량부를 혼합하고, 여기에 아크릴로니트릴 모노머 3.5 중량부, 스틸렌 모노머 10.5 중량부, 터서리도데실머캅탄 0.09 중량부, 큐멘하이드로퍼옥사이드 0.1 중량부, 포타슘스테아레이트 0.2 중량부, 수산화나트륨 0.3 중량부 및 이온교환수 140 중량부를 투입한 후, 반응기의 온도를 60 ℃로 승온하고, 황산제1철 0.003 중량부 및 테트라소듐파로포스테이트 0.15 중량부를 투입하여 1차 그라프트 중합을 진행하였다.
B. 2차 그라프트 중합
2차 그라프트 중합은 1차 그라프트중합이 진행되면서 발생되는 중합열로 반응기 온도가 70 ℃에 도달한 직후 연속적으로 진행하였다. 상기 1차 그라프트 중합물에 아크릴로니트릴 모노머 6.5 중량부, 스틸렌 모노머 19.5 중량부 및 터서리도데실머캅탄 0.2 중량부를 혼합 교반하여 큐멘하이드로퍼옥사이드 0.22 중량부와 각각 일정 속도로 2시간 동안 반응기에 투입하여 2차 중합을 진행하였다.
2차 중합 완료 후 1시간 동안 자연 냉각을 시키고, 이후 강제 냉각과 함께 산화방지제를 투입하여 전체 그라프트 중합을 종료시켰다. 그리고 중합 후 라텍스를 황산 1.0 %의 수용액에 고속 교반시키면서 투입 및 응고하였고 세척과 건조과정을 거쳐 그라프트-ABS 분말을 얻었다.
비교 실시예 1
평균 입자경이 3100 Å인 일반 고무 라텍스 60 중량부를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라프트 중합을 수행하였다.
비교 실시예 2
평균 입자경이 2450 Å인 일반 고무 라텍스 60 중량부를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라프트 중합을 수행하였다.
상기 실시예 및 비교실시예 1-2에서 사용된 라텍스의 응고물 양, 그라프트 효율 및 입자경을 하기 표 2에 나타내었다.
|
응집 고무 라텍스 |
일반 고무 라텍스 |
그라프트 중합 후 라텍스 물성 |
중량부 |
크기(Å) |
중량부 |
크기(Å) |
응고물 |
그라프트 효율(%) |
입자경 |
실시예 1 |
30 |
3015 |
30 |
2450 |
0.08% |
90.5% |
3542Å |
비교예 1 |
- |
- |
60 |
3100 |
0.20% |
90.4% |
3536Å |
비교예 2 |
- |
- |
60 |
2450 |
0.23% |
93% |
2897Å |
ABS수지 조성물 제조 및 평가
상기 실시예 1 및 비교실시예 1-2에서 제조된 그라프트-ABS 수지를 사용한 ABS수지의 물리적 성질을 평가하기 위하여 ABS 수지 조성물을 하기의 방법으로 제조하였다.
그라프트 공중합체 25 중량부에 아크릴로니트릴 함량이 27 중량%, 중량 평균분자량이 120,000이고 분자량 분포가 1.88인 SAN 공중합체 75 중량부, 안정제로 칼슘스테아레이트 1 중량부 및 에틸렌비스스테아로이드 1 중량부를 혼합 압출 및 사출 성형하여 물성 측정용 시편을 제작하였다. 제조된 각 시편의 내화학성 성질을 평가하기 위하여 각각 임계곡율(0.4, 0.5)에 oil 원액과 3 %초산을 이용하여 24시간 방치 후 Tensile Strength, Tensile Elongation을 측정하여, 하기의 표 3에 나타내었다. 시편 규격은 ASTM D638을 기준으로 하였으며, 측정 기기는 SHIMADZU AG-2000G를 사용하였다.
|
STD |
Oil원액 |
3% Acetic Acid |
- |
0.4 |
0.5 |
0.4 |
0.5 |
TS |
TE |
TS |
TE |
TS |
TE |
TS |
TE |
TS |
TE |
실시예1 |
측정값 |
430 |
6.6 |
450 |
9.2 |
460 |
8.5 |
450 |
17.6 |
430 |
18.5 |
440 |
6.6 |
440 |
5.5 |
460 |
6.3 |
450 |
10 |
440 |
17 |
440 |
6.1 |
440 |
5.8 |
470 |
8.6 |
450 |
19.7 |
440 |
16.9 |
평균 |
437 |
6.4 |
443 |
6.8 |
463 |
7.8 |
450 |
15.8 |
437 |
17.5 |
Retention (%) |
- |
- |
101.4 |
106.3 |
105.9 |
121.9 |
103 |
246.9 |
100 |
273.4 |
비교예1 |
측정값 |
440 |
6 |
450 |
5.7 |
450 |
6.2 |
460 |
9.2 |
440 |
11.5 |
450 |
5.4 |
450 |
5.6 |
450 |
5.6 |
450 |
10.8 |
440 |
16.1 |
450 |
5.4 |
450 |
6.7 |
470 |
6 |
440 |
7.3 |
440 |
8.8 |
평균 |
447 |
5.6 |
450 |
6 |
457 |
5.9 |
450 |
9.1 |
440 |
12.1 |
Retention (%) |
- |
- |
100.7 |
107.1 |
102.2 |
105.4 |
100.7 |
162.5 |
98.4 |
216.1 |
비교예2 |
측정값 |
430 |
6 |
410 |
5.5 |
390 |
5.2 |
380 |
6.2 |
371 |
6.3 |
425 |
5.1 |
395 |
5.1 |
405 |
5.2 |
375 |
6.9 |
384 |
7.2 |
428 |
5 |
408 |
5.3 |
398 |
5.1 |
400 |
7.1 |
372 |
8.1 |
평균 |
427 |
5.4 |
404 |
5.3 |
398 |
5.2 |
385 |
6.7 |
376 |
7.2 |
Retention (%) |
- |
- |
94.6 |
98.1 |
93.2 |
96.3 |
90.2 |
124.1 |
88.1 |
133.3 |
상기 표 2 및 3에 나타난 바와 같이, 응집 고무 라텍스에 일반 고무 라텍스를 혼합한 실시예 1의 경우, 응고물이 적게 형성되었으며, 우수한 내화학성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.