KR20090028643A - 난연성 폴리스티렌 발포체 조성물 - Google Patents

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KR20090028643A
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킴벌리 에이 맥스웰
다니엘 에프 고센스
아서 지 맥
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알베마를 코포레이션
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Abstract

난연성을 갖는 팽창성 폴리스티렌 발포체 조성물, 난연성 팽창 폴리스티렌 발포체, 상기 발포체의 제조 방법, 및 상기 조성물 및 발포체를 포함하는 생성물이 제공된다. 난연화된 팽창 폴리스티렌 발포체는 하기 구조 (I) 를 갖는 난연성 화합물을 함유한다:
Figure 112009007268107-PAT00001
[식 중, R 은 H 또는 CH3 임].
난연성, 폴리스티렌 발포체 조성물, 비드

Description

난연성 폴리스티렌 발포체 조성물 {FLAME RETARDANT POLYSTYRENE FOAM COMPOSITIONS}
본 발명은 난연성 조성물 및 이로부터 형성된 팽창 폴리스티렌 발포체와 관련된다.
스티렌 중합체 조성물 및 발포체, 예컨대 팽창성 폴리스티렌 발포체는 성형 물품, 페인트, 필름 코팅재, 및 잡화의 제조에 널리 사용된다. 전형적으로, 물 중 스티렌 단량체(들) 및 난연제의 혼합물의 현탁 중합에 의해 팽창성 스티렌계 중합체, 예컨대 팽창 폴리스티렌을 제조하여 스티렌계 중합체 비드를 형성한다. 소형 비드 (예를 들어, 직경이 평균 약 1 mm 임) 를 증기를 이용하여 예비-팽창시키고, 증기를 이용하여 재성형하여, 원하는 치수로 절단되는 대형 블록 (예를 들어, 높이가 수미터 이하이고 폭이 2-3 미터임) 을 제조한다.
일부 제품 적용을 위해, 이러한 조성물 및 발포체의 가연성을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 팽창 폴리스티렌 발포체에 사용하기 위한 난연제는 열 안정성, 상당한 스티렌 중 용해도, 및 높은 난연성을 포함하는 여러 요건을 필요로 한다.
할로겐화 난연성 화합물은 다양한 중합체에서의 사용이 제안되어 왔다. 예를 들어, 각각 그 전체가 참조로써 삽입되는, 미국 특허 제 3,784,509 호; 제 3,868,388 호; 제 3,903,109 호; 제 3,915,930 호; 및 제 3,953,397 호를 참조한다. 그러나, 일부 난연성 조성물은 스티렌 중에 충분히 가용성이지 않아, 폴리스티렌 발포체의 형성 및 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 불용성 입자가 핵형성 부위로서 작용할 경우, 스티렌/물 혼합물의 갑작스러운 점도 증가 및 반응기 내에서의 커다란 폴리스티렌 덩어리의 급속한 형성을 야기하는 가능한 현탁 실패가 일어날 수 있다.
스티렌 중에 충분히 가용성이어서 발포체의 형성을 방해하지 않을, 팽창 폴리스티렌 발포체에 사용하기 위한 난연성 화합물이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 난연화된 팽창 폴리스티렌 발포체에 관한 것이다. 본 발명의 한 측면에 따르면, 팽창 폴리스티렌 발포체는 하기의 구조를 갖는 난연성 화합물을 함유한다:
Figure 112009007268107-PAT00002
[식 중, R 은 H 또는 CH3 임].
난연성 화합물은 발포체의 약 0.1 내지 약 10 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 한 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 0.5 내지 약 7 중량% 의 양으로 존재한다. 다른 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 0.7 내지 약 5 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 1 내지 약 2 중량% 의 양으로 존재한다.
난연제는 약 25℃ 에서 약 0.5% 내지 약 8% 의 스티렌 중 용해도를 가질 수 있다. 한 측면에서, 난연제는 약 40℃ 에서 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다.
팽창 폴리스티렌 발포체는 제조 물품의 형성을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 팽창 폴리스티렌 발포체는 단열재의 형성을 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 25℃ 에서 약 0.5 중량% 내지 약 8 중량% 의 스티렌 중 용해도를 갖는 난연성 화합물을 함유하는 난연화된 팽창 폴리스티렌 발포체에 대해 고찰한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 스티렌 중에 가용화된 난연성 화합물을 약 0.5 중량% 내지 약 8 중량% 함유하는 조성물이 제공되는데, 상기 화합물은 하기와 같다:
*
Figure 112009007268107-PAT00003
[식 중, R 은 H 또는 CH3 임].
본 발명은 나아가 난연성 팽창 폴리스티렌 발포체의 제조 방법에 대해 고찰한다. 상기 방법은 스티렌 중에 가용화된 난연성 화합물 및 발포제를 함유하는 조성물을 형성하고, 스티렌을 중합하여 폴리스티렌 비드를 형성하는 것을 포함하는데, 여기서, 상기 난연성 화합물은 25℃ 에서 약 0.5 중량% 내지 약 8 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가지며, 하기 구조를 가진다:
Figure 112009007268107-PAT00004
[식 중, R 은 H 또는 CH3 임].
본 발명은 더욱 나아가 성형된 난연성 팽창 폴리스티렌 생성물의 제조 방법에 대해 고찰한다. 상기 방법은 폴리스티렌, 발포제, 및 하기 구조를 갖는 난연성 화합물을 포함하는 비팽창된 비드를 예비-팽창시키고, 예비-팽창된 비드를 성형하고, 임의로는 상기 비드를 추가로 팽창시켜, 생성물을 형성하는 것을 포함하는데, 여기서, 상기 비드는 실질적으로 삼산화안티몬을 함유하지 않는다:
Figure 112009007268107-PAT00005
[식 중, R 은 H 또는 CH3 임].
상기 생성물은 단열재일 수 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 일반적으로 난연성을 갖는 팽창성 폴리스티렌 발포체 조성물, 난연성 팽창 폴리스티렌 발포체, 상기 발포체의 제조 방법, 및 상기 조성물 및 발포체를 포함하는 생성물에 관한 것이다. 본 발명의 한 측면에 따르면, 난연성 팽창성 폴리스티렌 발포체 조성물은 스티렌계 중합체, 예를 들어, 폴리스티렌, 및 하 나 이상의 난연성 화합물을 포함한다. 임의로, 상기 조성물은 하나 이상의 상승제 (synergist), 안정화제, 또는 각종 기타 첨가제를 포함할 수 있다.
본 발명의 난연성 화합물은 하기 구조를 갖는 화합물; 이의 호변이성체, 입체이성체, 및 다형체 ("화합물 (I)" 로 총칭됨) 이다:
Figure 112009007268107-PAT00006
[식 중, R 은 H, CH3, 또는 선형 또는 분지형, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 약 6 의 지방족 기임].
따라서, 본 발명은 하기 화합물, 이의 호변이성체, 입체이성체 및 다형체에 대해 고찰한다:
Figure 112009007268107-PAT00007
및
(각각, "화합물 (II)" 및 "화합물 (III)" 으로 총칭됨).
난연성 조성물을 형성하기 위해 상기 화합물들을 사용하면 열적으로 안정하고도 효과적인 팽창 폴리스티렌 발포체가 형성된다는 것을 발견하였다. 발포체 형성을 방해하는 다른 화합물들과는 달리, 화합물 (I) 은 스티렌 중에 충분히 가용성이어서 폴리스티렌 발포체의 형성에 악영향을 미치지 않는다.
난연성 화합물은 약 25℃ 에서 약 0.5 내지 약 8 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다. 한 측면에서, 난연성 화합물은 약 25℃ 에서 약 3 내지 약 7 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다. 다른 측면에서, 난연성 화합물은 약 25℃ 에서 약 4 내지 약 6 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다.
더욱이, 난연성 화합물은 약 40℃ 에서 약 0.5 내지 약 10 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다. 한 측면에서, 난연제는 약 40℃ 에서 약 4 내지 약 8 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다. 다른 측면에서, 난연제는 약 40℃ 에서 약 6 내지 약 8 중량% 의 스티렌 중 용해도를 가진다.
난연성 화합물은 전형적으로 조성물 내에 조성물의 약 0.1 내지 약 10 중량% 의 양으로 존재한다. 한 측면에서, 난연성 화합물은 조성물의 약 0.3 내지 약 8 중량% 의 양으로 존재한다. 다른 측면에서, 난연성 화합물은 난연성 화합물은 조성물의 약 0.5 내지 약 7 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 난연성 화합물은 조성물의 약 0.7 내지 약 5 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 난연성 화합물은 조성물의 약 1 내지 약 2 중량% 의 양으로 존재한다. 여기에 다양한 예시 범위가 주어져 있으나, 사용되는 난연성 화합물의 정확한 양은 원하는 난연성 (flame retardancy) 의 정도, 사용되는 구체적인 중합체, 및 생성된 생성물의 최종 용도에 좌우되는 것으로 이해될 것이다.
본 발명의 팽창 발포체는 스티렌계 중합체로부터 형성된다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 스티렌계 중합체에는, 비닐 방향족 단량체, 즉, 불포화 부분 및 방향족 부분을 갖는 단량체의 단독중합체 및 공중합체가 포함된다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 비닐 방향족 단량체는 하기 화학식을 가진다:
H2C=CR-Ar
[식 중, R 은 수소 또는 탄소수 1 내지 4 의 알킬기이고, Ar 은 탄소수 약 6 내지 약 10 의 방향족 기 (각종 알킬 및 할로-고리-치환된 방향족 단위를 포함함) 임]. 이러한 비닐 방향족 단량체의 예에는, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 오르소-메틸스티렌, 메타-메틸스티렌, 파라-메틸스티렌, 파라-에틸스티렌, 이소프로페닐톨루엔, 이소프로페닐나프탈렌, 비닐 톨루엔, 비닐 나프탈렌, 비닐 비페닐, 비닐 안트라센, 디메틸스티렌, t-부틸스티렌, 몇몇 클로로스티렌 (예컨대, 모노- 및 디클로로-변형체), 및 몇몇 브로모스티렌 (예컨대, 모노-, 디브로모- 및 트리브로모-변형체) 이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 단량체는 스티렌이다. 폴리스티렌은 당업계에 공지된, 벌크 (bulk) 또는 덩어리, 용액, 현탁 또는 에멀젼 중합 기법에 의해 용이하게 제조된다. 중합은 자유 라디칼, 양이온성 또는 음이온성 개시제, 예컨대 디-t-부틸 퍼옥시드, 아조-비스(이소부티로니트릴), 디-벤조일 퍼옥시드, t-부틸 퍼벤조에이트, 디큐밀 퍼옥시드, 칼륨 퍼술페이트, 알루미늄 트리클로라이드, 붕소 트리플루오라이드, 에테레이트 착물, 티탄 테트라클로라이드, n-부틸리튬, t-부틸리튬, 큐밀칼륨, 1,3-트리리티오시클로헥산 등의 존재 하에서 실시할 수 있다. 단독 또는 스티렌과 공중합가능한 하나 이상의 단량체의 존재 하에서의 스티렌의 중합에 관한 추가적인 세부사항은 널리 공지되어 있으며, 여기서 상세히 설명하 지 않는다.
폴리스티렌은 전형적으로 약 1,000 이상의 분자량을 가진다. 본 발명의 한 측면에 따르면, 폴리스티렌은 약 50,000 이상의 분자량을 가진다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 폴리스티렌은 약 150,000 내지 약 500,000 의 분자량을 가진다. 그러나, 적합하거나 또는 원하는 경우, 더 큰 분자량을 갖는 폴리스티렌이 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
본 발명의 난연성 조성물은 임의로 상승제를 포함할 수 있다. 상승제는 일반적으로 조성물의 약 0.01 내지 약 5 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 한 측면에서, 상승제는 조성물의 약 0.05 내지 약 3 중량% 의 양으로 존재한다. 다른 측면에서, 상승제는 조성물의 약 0.1 내지 약 1 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 상승제는 조성물의 약 0.1 내지 약 0.5 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 상승제는 조성물의 약 0.2 중량% 의 양으로 존재한다.
상승제가 사용될 경우, 상승제의 총량 대 난연성 화합물의 총량의 비는 전형적으로 약 1:1 내지 약 1:7 이다. 본 발명의 한 측면에 따르면, 상승제의 총량 대 난연성 화합물의 총량의 비는 약 1:2 내지 약 1:4 이다. 본 발명에 따라 사용하기에 적합할 수 있는 상승제의 예에는, 디큐밀, 산화제2철, 아연 산화물, 아연 붕산염, 및 V 족 원소, 예를 들어, 비스무트, 비소, 인 및 안티몬의 산화물이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 한 측면에 따르면, 상승제는 디큐밀 퍼옥시드이다.
그러나, 여기에서 상승제의 사용을 설명하였으나, 효과적인 난연성 조성물을 얻기 위해 상승제가 필요하지는 않은 것으로 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 한 측면에 따르면, 난연성 조성물은 실질적으로 상승제를 함유하지 않는다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 난연성 조성물은 실질적으로 안티몬 화합물을 함유하지 않는다. 본 발명의 또다른 측면에 따르면, 조성물은 상승제를 함유하지만, 실질적으로 삼산화안티몬을 함유하지 않는다.
본 발명의 난연성 발포체는 임의로 열 안정화제를 포함한다. 열 안정화제의 예에는, 제올라이트; 히드로탈시트; 탈크; 유기주석 안정화제, 예를 들어, 부틸 주석, 옥틸 주석, 및 메틸 주석 메르캅티드, 부틸 주석 카르복실레이트, 옥틸 주석 말레에이트, 디부틸 주석 말레에이트; 에폭시 유도체; 중합체성 아크릴계 결합제; 금속 산화물, 예를 들어, ZnO, CaO 및 MgO; 혼합 금속 안정화제, 예를 들어, 아연, 칼슘/아연, 마그네슘/아연, 바륨/아연 및 바륨/칼슘/아연 안정화제; 금속 카르복실레이트, 예를 들어, 아연, 칼슘, 바륨 스테아레이트 또는 기타 장쇄 카르복실레이트; 금속 포스페이트, 예를 들어, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 또는 아연; 또는 이들의 임의의 조합물이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다.
열 안정화제는 일반적으로 난연성 화합물의 약 0.01 내지 약 10 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 한 측면에서, 열 안정화제는 난연성 화합물의 약 0.3 내지 약 10 중량% 의 양으로 존재한다. 다른 측면에서, 열 안정화제는 난연성 화합물의 약 0.5 내지 약 5 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 열 안정화제는 난연성 화합물의 약 1 내지 약 5 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 열 안정화제는 난연성 화합물의 약 2 중량% 의 양으로 존재한다.
본 발명의 조성물 및 발포체에 사용될 수 있는 다른 첨가제에는, 예를 들어, 압출 보조제 (예를 들어, 바륨 스테아레이트 또는 칼슘 스테아레이트), 유기퍼옥시드 또는 디큐밀 화합물 및 유도체, 염료, 안료, 충전제, 열 안정화제, 산화방지제, 정전기방지제, 강화제 (reinforcing agent), 금속 스캐빈저 (scavenger) 또는 불활성화제, 충격 조절제, 가공 보조제, 금형 이형제 (mold releasing agent), 윤활제, 블로킹 방지제, 다른 난연제, 다른 열 안정화제, 산화방지제, UV 안정화제, 가소제, 유동 보조제 (flow aid), 및 유사 물질이 포함된다. 원하는 경우, 핵형성제 (예를 들어, 탈크, 칼슘 실리케이트 또는 인디고) 를 폴리스티렌 조성물 내에 포함시켜 셀 크기를 조절할 수 있다.
본 발명의 난연성 조성물은 난연화된 폴리스티렌 발포체, 예를 들어, 팽창성 폴리스티렌 발포체를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 발포체는 단열재를 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다수의 목적을 위해 사용될 수 있다. 난연성 폴리스티렌 발포체는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다. 일반적으로, 상기 방법은 "1 단계 방법" 또는 "2 단계 방법" 중 어느 하나를 포함한다.
보다 통상적으로 사용되는 "1 단계 방법" 은, 스티렌 중 난연제 용해, 이어서 2 단계로 수행되는 수성 현탁 중합을 포함한다. 중합은 약 9O℃ 에서 수시간 동안 수행되는데, 여기서, 디벤조일 퍼옥시드와 같은 개시제가 중합을 촉진시킨 후, 약 13O℃ 까지 상승시키고, 그 동안 고압 하에 발포제를 첨가한다. 상기 온도에서, 디큐밀 퍼옥시드는 중합을 완료시킬 것이다. 덜 통상적으로 사용되 는 "2 단계 방법" 은 약 130℃ 까지 상승시키는 동안 발포제와 함께, 이후 단계에서 난연제를 첨가하는 것을 포함한다. 통상적으로 펜탄 가용성 난연제가 "2 단계 방법" 에 사용된다.
본 발명에 따라 사용하기에 적합할 수 있는 방법의 추가적인 예에는, 각각 그 전체가 본원에 참조로써 삽입되는, 미국 특허 제 2,681,321 호; 제 2,744,291 호; 제 2,779,062 호; 제 2,787,809 호; 제 2,950,261 호; 제 3,013,894 호; 제 3,086,885 호; 제 3,501,426 호; 제 3,663,466 호; 제 3,673,126 호; 제 3,793,242 호; 제 3,973,884 호; 제 4,459,373 호; 제 4,563,481 호; 제 4,990,539 호; 제 5,100,923 호; 및 제 5,124,365 호에 제공된 방법이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다. 스티렌계 중합체의 팽창성 비드를 발포 성형체로 전환시키는 절차는, 예를 들어, 각각 그 전체가 본원에 참조로써 삽입되는, 미국 특허 제 3,674,387 호; 제 3,736,082 호; 및 제 3,767,744 호에 기재되어 있다.
다양한 기포제 (foaming agent) 또는 발포제 (blowing agent) 가 본 발명의 팽창 또는 발포된 난연성 중합체의 제조에 사용될 수 있다. 적합한 물질의 예는, 그 전체가 본원에 참조로써 삽입되는 미국 특허 제 3,960,792 호에 제공되어 있다. 예를 들어, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌, 이소부탄, 펜탄, 네오펜탄, 이소펜탄, 헥산, 헵탄, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하는 지방족 탄화수소; 휘발성 탄화수소 및/또는 할로탄화수소 (halohydrocarbon), 예컨대 메틸 클로라이드, 클로로플루오로메탄, 브로모클로로디플루오로메탄, 1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 디클로로플루오로메탄, 디클로로디플루 오로메탄, 클로로트리플루오로메탄, 트리클로로플루오로메탄, 유사(sym)-테트라클로로디플루오로에탄, 1,2,2-트리클로로-1,1,2-트리플루오로에탄, 유사(sym)-디클로로테트라플루오로에탄; 휘발성 테트라알킬실란, 예컨대 테트라메틸실란, 에틸트리메틸실란, 이소프로필트리메틸실란, 및 n-프로필트리메틸실란, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하는 휘발성 탄소-함유 화학 물질이 이러한 목적을 위해 널리 사용된다. 플루오르-함유 발포제의 일례는 상표명 HFC-152a (FORMACEL Z-2, E.I. duPont de Nemours and Co.) 으로 제공되는 1,1-디플루오로에탄이다. 미세하게 분할된 옥수수속대와 같은 함수 (water-containing) 식물성 물질이 또한 발포제로서 사용될 수 있다. 그 전체가 본원에 참조로써 삽입되는 미국 특허 제 4,559,367 호에 기재된 바와 같이, 이러한 식물성 물질은 또한 충전제로서 작용할 수 있다. 이산화탄소는 또한 발포제로서, 또는 이의 구성성분으로서 사용될 수 있다. 이산화탄소를 발포제로서 사용하는 방법은 예를 들어, 그 전체가 본원에 참조로써 삽입되는, 미국 특허 제 5,006,566 호; 제 5,189,071 호; 제 5,189,072 호; 및 제 5,380,767 호에 기재되어 있다. 발포제 및 발포제 혼합물의 다른 예에는, 질소, 아르곤, 또는 이산화탄소를 함유하거나 함유하지 않은 물이 포함된다. 원할 경우, 이러한 발포제 또는 발포제 혼합물을, 적당한 휘발성이 있는 에테르, 탄화수소 또는 알콜과 혼합할 수 있다. 예를 들어, 그 전체가 본원에 참조로써 삽입되는 미국 특허 제 6,420,442 호를 참조한다.
팽창 폴리스티렌 발포체는 전형적으로 각종 구성성분 및 첨가제를, 발포체의 형성에 사용되는 조성물과 관련하여 앞서 기술한 상대적인 양으로 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 발명에 따른 팽창 폴리스티렌 발포체는 난연성 화합물을, 발포체의 약 0.1 내지 약 10 중량% 의 양으로 함유할 수 있다. 한 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 0.3 내지 약 8 중량% 의 양으로 존재한다. 다른 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 0.5 내지 약 7 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 0.7 내지 약 5 중량% 의 양으로 존재한다. 또다른 측면에서, 난연성 화합물은 발포체의 약 1 내지 약 2 중량% 의 양으로 존재한다. 여기에 특정 범위 및 양을 기재하였으나, 발포체 중 구성성분의 기타 상대적인 양은 본 발명에 의해 정해지는 것으로 이해될 것이다.
팽창 폴리스티렌 발포체 생성물, 예를 들어, 단열재를 형성하는 방법은 다음과 같다. 팽창 폴리스티렌 발포체의 제조에 사용되는 원료 수지를, 직경이 0.5 내지 1.3 mm 의 범위인 소형 비드 형태로 얻었다. 소형 비드는 제조업자에 의해 적은 비율의 발포제를 함유하도록 제조 및 제형화된 것이다. 발포제를 각 소형 비드의 본체 전체에 함침시켰다. 제조 중의 예비-팽창기 (pre-expansion phase) 는 간단히, 소형 비드를 가열 및 그의 유리 전이기 동안 비드로부터의 신속한 가스 방출을 통해 그의 원래 크기의 거의 50 배까지 팽창시키는 것이다.
미리 정해진 양의 비드를 팽창 장비 내로 도입한다. 증기를 용기 내로 도입하고, 증기 중의 열이 비드로부터 펜탄을 방출시킴에 따라 팽창하는 비드를 교반기가 혼합한다. 수준 표시기는 원하는 특정 부피에 도달된 시기를 표시한다. 압력 균등화기 (pressure equalization phase) 이후, 팽창된 비드를 층 건조기 (bed dryer) 내로 방출시키고, 표면으로부터 모든 응축된 증기 수분을 건조시킨다. 예비-팽창이 완료되고, 또다른 주기의 가동이 준비된다. 이 공정은 완료까지 대략 200 초가 소요된다.
팽창된 비드를 건조시킨 후, 숙성 공정을 위해 이들을 대형의 오픈 보관 백 (bag) 내로 취입 (blowing) 한다. 비드는 생성된 수백만 개의 셀 내에서 비드 내부가 진공이 되는 동적 물리적 변형을 겪었다. 이러한 진공은 대기압과 같아져야 하며; 그렇지 않을 경우, 이러한 미묘한 균형이 비드의 붕괴 또는 내파 (implosion) 를 야기할 것이다. 이러한 팽창된 비드의 숙성 공정은 비드에 다시 공기를 채워 균등화되게 한다. 이러한 숙성은 원하는 비드의 팽창 밀도에 따라, 12 시간 내지 48 시간이 소요될 수 있다. 숙성이 완료된 후, 비드는 이어서 블록으로 성형하기에 용이하다.
성형 공정은 느슨하게 팽창된 비드를 취하여, 진공 보조, 블록 금형을 사용하여 상기 비드를 고체 블록으로 형성하는 것을 포함한다. 로드 셀 (load cell) 의 시스템을 활용함으로써, 컴퓨터는 금형 공동 내로 도입되는 비드의 정확한 중량을 조절할 수 있다. 일단 공동이 채워지면, 컴퓨터는 진공 시스템을 사용하여 공동으로부터 잔류 공기를 제거한다. 진공은, 공동 내에서 전체 비드 덩어리 위로 흐르는 생증기 (live steam) 에 의해 완화된다. 이러한 진공 헹굼 공정은 비드 표면의 중합체 구조를 연화시키고, 그 직후, 보다 생증기로 금형 공동을 가압한다. 증기로부터의 잠열 및 후속적인 압력 증가는 비드를 더욱 팽창시킨다. 이는 폐쇄된 환경이기 때문에, 비드가 팽창할 수 있는 유일한 방법은 이 들 사이에 임의의 공간을 채워서 연질 표면이 다면체 형 고체 구조 내로 함께 융합되게 하는 것이다. 컴퓨터는 미리 정해진 설정점에 도달한 후 압력을 방출한다. 이제 느슨한 비드는 고체 블록으로 융합된다.
열 경화는 상기 공정에서 그 다음 단계이다. 이는 갓 성형된 블록의 경화 공정을 촉진시키고, 상기 물질이 치수적으로 안정하도록 보장하며, 완전 건조 물질에 최상의 제작 결과를 제공한다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 설명되는데, 이 실시예는 어떠한 식으로든 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 본원의 기재내용을 읽고난 후 본 발명의 정신 및 첨부된 청구항의 범주에서 벗어나지 않고 당업자에게 제안될 수 있는 이의 각종 기타 측면, 구현예, 변형, 및 등가물이 사용될 수 있음을 명백히 이해할 것이다.
실시예 1
본 발명의 조성물이, 이후 팽창 폴리스티렌 발포체의 형성을 위해 사용될 수 있는 난연성 폴리스티렌 비드를 형성하기 위해 성공적으로 사용될 수 있음을 입증하기 위해, 팽창성 폴리스티렌 비드를 제조하였다. 샘플 A 를 형성하기 위해, 약 200 g 의 탈이온수 중 약 0.28 g 의 폴리비닐 알콜 (PVA) 을 1 리터들이 뷔히 (Buchi) 유리관 내로 부었다. 별도로, 약 200 g 의 스티렌 중 약 2.10 g 의 화합물 (II), 약 0.22 g 의 디큐밀 퍼옥시드, 및 약 0.64 g 의 디벤조일 퍼옥시드 (물 중 75%) 를 함유하는 용액을 형성하였다. 상기 후자의 용액을 PVA 수용액을 함유하는 용기 내로 부었다. 상기 액체를, 반응기 내에서 전단응력을 생성하기 위한 배플 (baffle) 의 존재 하에 1000 rpm 으로 고정된 임펠러 형 교반기를 사용하여 혼합하였다. 이어서, 혼합물을 하기의 가열 프로파일에 적용하였다: 2O℃ 에서 9O℃ 까지 45 분 내 가열 및 9O℃ 에서 4.25 시간 유지 (제 1 단계 조작); 9O℃ 에서 13O℃ 까지 1 시간 내 가열 및 13O℃ 에서 2 시간 유지 (제 2 단계 조작); 및 13O℃ 에서 2O℃ 까지 1 시간 내 가열.
제 1 단계의 마지막에, 반응기를 질소로 가압하였다 (2 바아). 일단 냉각되면, 반응기를 비우고 혼합물을 여과하였다. 공정에서 형성된 난연성 비드를 6O℃ 에서 하룻밤 동안 건조시키고, 체질하여 비드 크기 분포를 측정하였다. 이 절차에서, 맨 위에 체 크기가 가장 큰 것에서부터 바닥에 체 크기가 가장 작은 것의 순서로 체를 적층시키고, 그 밑에 캐치팬 (catch pan) 을 두었다. 체를 10 분 동안 50% 출력 세팅으로 진동시키고, 체의 무게를 개별적으로 재었다 (체 스크린의 용기 무게를 공제함). 물질의 총 질량에 근거하여, 각 체 크기에서의 물질의 중량% 를 계산하였다. 85.2% 전환이 이루어졌다.
2.14 g 의 화합물 (III) 을 사용하여 샘플 A 와 유사하게 샘플 B 를 제조하였다. 1.40 g 의 HP-900P 를 사용하여 샘플 A 와 유사하게 비교용 샘플 C 를 제조하였다. 2.10 g 의 BN-451 을 사용하여 샘플 A 와 유사하게 비교용 샘플 D 를 제조하였다. 난연제를 첨가하지 않고 샘플 A 와 유사하게 대조군 샘플 E 를 제조하였다. 결과는 표 1 에 제시하였다.
Figure 112009007268107-PAT00008
상기 결과는, 본 발명의 조성물이 폴리스티렌 비드의 형성을 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라, 팽창 폴리스티렌 발포체의 형성을 위해 사용될 수 있음을 나타낸다.
실시예 2
11.43 g 의 백색 고체 분말 난연성 화합물 (III) 을 Dow Chemical Company 사의 238.57 g 의 SYRON
Figure 112009007268107-PAT00009
678E 다목적 폴리스티렌 (GPPS) 고체와 브라벤더 (brabender) 혼합하여 다양한 샘플을 제조하였다. 믹서를 150-160℃ 로 가열하고, 25-60 rpm 에서 1 내지 3 분 동안 난연제를 용융된 폴리스티렌에 점증적으로 첨가하였다. 배합 혼합물을 판독하는 열전쌍은, 70 rpm 에서 5 분 혼합하는 동안 173-176℃ 사이에서 판독하였다. 이어서, 생성된 배합된 혼합물을 150℃ 에서 5 분간 압축 성형하였다. 금형으로부터 LOI 시험용 바 (bar) 를 절단하고, ASTM 표준 시험법 D 2863-87 에 따라 시험하였다. 유사한 방식으로 다른 샘플들을 제조하였다. 결과는 표 2 에 제시하였다.
Figure 112009007268107-PAT00010
상기 결과는, 본 발명의 조성물이 폴리스티렌 대조군 (E) 에 비해 난연성 특징을 나타냄을 보여준다.
전술한 내용은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 전체를 망라한다거나 본 발명을 개시된 정확한 실시예 또는 구현예로 제한하고자 하는 것이 아니다. 상기 교시내용의 견지에서 명백한 변형 또는 변화가 가능하다. 논의된 구현예(들) 는, 당업자가 본 발명을 다양한 측면에서 및 고찰되는 특정 용도에 적합한대로 다양한 변형을 가해 활용할 수 있도록, 본 발명의 원리 및 이의 실제 적용에 대한 최상의 예시를 제공하도록 선택 및 기재되었다. 모든 이러한 변형 및 변화는 공정하고도 합법적으로 주어진 범위에 따라 해석될 경우 첨부된 청구항에 의해 결정되는 바와 같은 본 발명의 범주 내에 있다.
이하의 청구항이 물질, 구성성분 및/또는 성분을 현재 시제 ("포함한다", "이다" 등) 로 언급하더라도, 이러한 언급은 하나 이상의 다른 물질, 구성성분 및/또는 성분과 먼저 접촉, 배합 또는 혼합되기 직전의 시기에 존재했던 대로의, 또는 용액 중에 형성된 경우라면 용액 중에 형성되지 않은 경우에 존재하는 대로의, 본 명세서에 따른 모든 물질, 구성성분 또는 성분을 가리킨다. 본 명세서에 따라 수행된다면, 물질, 구성성분 또는 성분이 상기 접촉, 배합, 혼합 또는 제자리 형성 과정 동안 변형 또는 화학적 반응을 통해 그의 본래의 정체성을 상실할 수도 있음은 문제가 되지 않는다.

Claims (2)

  1. 하기를 포함하는, 난연화된 팽창성 폴리스티렌 비드의 제조 방법:
    a. 0.1 중량% 내지 약 10 중량% 의 하기 구조를 갖는 난연성 화합물을 용질로서 함유하는 스티렌 단량체-기재의 용액을 제조함;
    Figure 112009007268107-PAT00011
    [식 중, R 은 H 또는 CH2 임];
    b. 스티렌 단량체-기재의 용액에 존재하는 스티렌을 중합함;
    c. 상기 b 의 중합을 완결하기에 앞서 스티렌 단량체-기재의 용액에 발포체를 첨가함.
  2. 난연제로서 하기 구조를 갖는 화합물을 함유하는 난연화된 팽창성 폴리스티렌 발포체:
    Figure 112009007268107-PAT00012
    [식 중, R 은 H 또는 CH3 임].
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