KR20110084949A - 실리카를 함유하는 폴리올 분산액의 제조 방법 및 폴리우레탄 물질을 제조하기 위한 그 분산액의 용도 - Google Patents

실리카를 함유하는 폴리올 분산액의 제조 방법 및 폴리우레탄 물질을 제조하기 위한 그 분산액의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리케이트 함유 폴리올의 제조 방법으로서,
(i) 평균 입자 직경 1 내지 150 nm, 사용된 SiO2 함량을 기준으로 한, SiO2로서 계산된 실리카 함량 1 내지 60 중량% 및 pH 1 내지 6을 갖는 수성 실리카 졸(K)과, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-2-프로판올, 1-클로로-2-프로판올, 시클로로펜탄올, 시클로헥산올, 1,4-디옥산, 테트라히드로푸란, 1-메톡시-2-프로판올, 1-에톡시-2-프로판올, 2-에톡시에탄올, 2-메틸-2-프로판올, 2-메톡시에탄올, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 설폭사이드, 아세톤, 메틸에틸케톤 및 에틸아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매(L) (물의 양을 기준으로 하는) 0.1 내지 20 배의 양을 혼합하는 단계,
(ii) 그 생성된 혼합물을 폴리올과 혼합하는 단계,
(iii) 증류에 의해 물과 유기 용매(L)를 적어도 일부 제거하는 단계,
(iv) 하나 이상의 적어도 모노알콕시화된 실릴 기 및 헤테로원자를 함유할 수 있는 적어도 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 치환기를 갖는 하나 이상의 화합물(S)로서, 상기 치환기는 알콜, 아민 또는 이소시아네이트에 대하여 반응성인 기를 임의로 갖는 것인 하나 이상의 화합물(S)을 (K)의 표면적 m2 당 0.1 내지 20 μmol의 양으로 혼합하는 단계(단계 (i), (ii) 및 (iv)는 동시적으로 또는 임의 순서상 연속적으로 수행할 수 있음),
(v) 임의로, 실라카 함유 폴리올의 pH를 강한 염기성 화합물의 첨가에 의해 7 내지 12의 값으로 조정하는 단계(단계 (v)는 또한 단계 (iii)와 (iv) 사이에서 수행할 수 있음)
를 포함하는 제조 방법에 관한 것이다.

Description

실리카를 함유하는 폴리올 분산액의 제조 방법 및 폴리우레탄 물질을 제조하기 위한 그 분산액의 용도{METHOD FOR PRODUCING POLYOL DISPERSIONS CONTAINING SILICA AND USE THEREOF FOR PRODUCING POLYURETHANE MATERIALS}
본 발명은 실리카 함유 폴리올 분산액을 제조하는 방법 및 폴리우레탄 물질을 제조하기 위한 그 분산액의 용도에 관한 것이다.
폴리우레탄 물질의 기계적 특성은 폴리우레탄 물질의 성분(이소시아네이트 또는 폴리올 성분) 중의 나노입자의 존재에 의해 표적화 방식으로 영향을 받을 수 있는 것으로 공지되어 있다.
따라서, DE-A 103 38 164에는 폴리우레탄 폼을 제조하는 공정이 개시되어 있으며, 그 공정은 폴리이소시아네이트 및 폴리올을, 발포제의 존재 하에 그리고 실리카 겔 입자의 존재 하에, 아미노프로필트리에톡시실란에 의해 작용화되어 있는 실리카 겔 입자와 반응시키는 단계를 포함한다. 그 실란화(silanizing) 시약은 실리카 겔 입자의 입자 표면을 친수성으로 만들고, 이 친수성 표면은 이소시아네이트에 대하여 반응성인 표면 기를 갖는다. 대개, 그 입자는 중합 반응 동안 그 폼의 중합체 매트릭스에 공유 결합되어 폴리우레탄 폼을 형성하고 강화 물질로서 작용을 한다. 이는 폴리우레탄 폼 내의 연속 기포(open cell)의 비율을 조정 가능하게 하고, 이는 폴리우레탄 폼의 음향 특성(음향 감쇠) 및 열 절연 성능에서의 개선을 유도할 수 있다. 그 표면 작용화된 SiO2 입자는 폴리올 성분 내에 혼입된다. 그 SiO2 입자는 유기 용매 중의 테트라에톡시실란으로부터 제조되는 것이 바람직하다. 이 합성 경로는 비용이 비싼데, 그 이유는 값비싼 전구체가 사용되고 또한 합성에서 입자 수율이 낮기 때문이다. 더구나, 이러한 합성은 100 nm 이상의 크기를 갖는 입자를 생성하며, 그것은 통상적인 충전제로서 고려될 수 있다.
EP-A 1 366 112에는 이산화규소 분산액을 제조하는 공정이 개시되어 있으며, 이는 (a) 수성 실리케이트 용액의 초기 충전, (b) 실리케이트의 입자 크기 3 내지 50 nm로의 중축합, (c) 얻어진 실리카 졸의 알칼리 pH로의 조정, (d) 임의로 졸의 농축, (e) 졸과 분산액의 외부 유동성 상(phase)의 구성성분과의 혼합, 및 (f) 임의로 분산액으로부터 물 및/또는 다른 용매 구성성분의 제거에 의해 이루어진다. 언급된 외부 유동성 상은 폴리올, 폴리아민, 선형 또는 분지형 폴리글리콜 에테르, 폴리에스테르 및 폴리락톤이다. 실시예에서, pH가 10.5-11로 설정되어 있는 실리카 졸은 이소프로판올과 혼합되고, 물은 대기압 증류에 의해 ＜ 0.1%의 함량까지 제거된다. 이어서, 다양한 폴리에테르가 교반하면서 첨가된다. 후속적으로, 휘발성 구성성분이 감압 하에 50℃에서 증류에 의해 제거된다. 폴리우레탄, 폴리실록산, 폴리올레핀 또는 폴리스티렌을 기초로 한 독립 기포(closed-cell) 또는 연속 기포(open-cell) 폼의 제조에 그 이산화규소 분산액을 사용한다. 졸은 10 내지 12의 pH를 가지므로 취급하기 어렵다. 졸은 단지 저 농도의 이산화규소 입자(졸 100 부 당 SiO2 입자 15부 이하)만을 갖는다. 비교적 다량의 용매가 요구되며, 이는 이산화규소 분산액의 제조를 상대적으로 비싸게 만든다.
EP-A 0 699 626에는 산성 수성 이산화규소 졸에 프로판올을 첨가하고 또한 메탄올도 첨가하여 산성 수성 이산화규소 졸의 수성 매질을 프로판올로 대체하고 그 졸을 증류시킴으로써 안정한 이산화규소-프로판올 졸을 제조하는 공정이 개시되어 있다. 폴리올의 존재가 언급되어 있지 않다. 졸은 렌즈, 병 및 합성 수지 필름 상의 경질 얇은 필름을 제조하기 위한 코팅 조성물 내의 구성성분으로서 사용되며, 콜로이드성 이산화규소는 그 형성된 경질 얇은 필름 내의 마이크로크기 충전제(microfiller)로서 작용을 한다.
W0 01/05883에는 나노크기 충전제를 포함하는 폴리우레탄 탄성중합체를 제조하는 공정이 개시되어 있다. 그 충전제는 전적으로 폴리에스테르계 탄성중합체이다. 이소프로판올 중에서 pH 8-9를 갖는 이산화규소는 그러한 탄성중합체를 제조하기 위한 출발 물질로서 사용된다.
WO 2004/03543에는 실란화 클로이드성 이산화규소 분산액을 제조하는 공정 및 코팅 조성물에서 또는 시멘트 재료용 첨가제로서 그 분산액의 용도가 개시되어 있다. 이러한 목적을 위해, 수성 실리카 졸은 실란, 특히 에폭시실란과 혼합되고, 물, 바람직하게는 6 내지 12의 pH에 있는 물에 의해 희석되는 것이 바람직하다.
WO 2006/128793은 비정질 이산화규소의 분말 콜로이드성 입자를 제조하는 공정에 관한 것이다. 여기서, 8 내지 250 nm 범위에 있는 입자 크기를 갖는 알칼리-안정화된 실리카 졸이 물 및/또는 수용성 유기 용매에 의해 희석되고, 실란 및/또는 폴리올 또는 디카르복실산이 첨가되며, 졸이 음이온 교환 수지 또는 양이온 교환 수지에 의해 탈이온화되고, 실릴화된 탈이온화 졸이 감압 하에 건조되고, 이 건조된 졸이 임의로 미분말로 분쇄된다. 그 실릴화된 이산화규소 분말은 폴리우레탄을 제조하기 위한 폴리올 성분 중에 또는 이소시아네이트 성분 중에 분산될 수 있다. 100 nm 이하의 현저히 낮은 입자 크기를 갖는 입자의 재분산은 어려울 수 있는데, 그 이유는 입자-입자 상호작용이 너무 커서 덩어리 없는(agglomerate-free) 분산액을, 예를 들면 폴리올 중에서 얻을 수 없기 때문이다. 그 미분말의 취급은 또한 산업 위생 예방(occupational hygiene precaution)을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 폴리올 중에 ＜ 150 nm의 입자 직경을 갖는 이산화규소 입자의 저 점도 분산액을 제공하는데 있다. 실리카 함유 폴리올 분산액을 제조하기 위한 공정은 상업적으로 이용가능한 수계 실리카 졸로부터 출발하여 수행할 수 있어야 한다.
그 목적은 실리카 함유 폴리올 분산액을 제조하는 공정에 의해 달성되며, 상기 공정은
(i) 평균 입자 직경 1 내지 150 nm, SiO2로서 계산된 실리카 함량 1 내지 60 중량% 및 pH 1 내지 6을 갖는 수성 실리카 졸(K)과, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-2-프로판올, 1-클로로-2-프로판올, 시클로로펜탄올, 시클로헥산올, 1,4-디옥산, 테트라히드로푸란, 1-메톡시-2-프로판올, 1-에톡시-2-프로판올, 2-에톡시에탄올, 2-메틸-2-프로판올, 2-메톡시에탄올, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 설폭사이드, 아세톤, 메틸에틸케톤 및 에틸아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매(L) (물의 양을 기준으로 하는) 0.1 내지 20 배의 양을 혼합하는 단계,
(ii) 그 형성된 혼합물을 하나 이상의 폴리올과 혼합하는 단계,
(iii) 증류에 의해 물과 유기 용매(L)를 적어도 일부 제거하는 단계,
(iv) 하나 이상의 적어도 모노알콕시화된 실릴 기 및 헤테로원자를 함유할 수 있는 하나 이상의 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 치환기를 갖는 하나 이상의 화합물(S)로서, 상기 치환기는 알콜, 아민 또는 이소시아네이트에 대하여 반응성인 기를 임의로 갖는 것인 하나 이상의 화합물(S)을 (K)의 표면적 m2 당 0.1 내지 20 μmol의 양으로 혼합하는 단계(단계 (i), (ii) 및 (iv)는 동시적으로 또는 임의 순서상 연속적으로 수행할 수 있음),
(v) 임의로, 얻어지는 실라카 함유 폴리올 분산액의 pH를 강한 염기성 화합물의 첨가에 의해 7 내지 12의 값으로 조정하는 단계(단계 (v)는 또한 단계 (iii)와 (iv) 사이에서 수행할 수 있음)
를 포함한다.
수성 실리카 졸(K)의 pH의 1 내지 6, 바람직하게는 2의 값으로의 조정은 수성 실리카 졸의 용해도 특성을 변경한다. 저 pH에서, 물과 아조트로피(azeotrope)를 형성하는 알콜은 유기 용매(L)로서 사용될 수 있다. 바람직한 알콜(L)은 2-프로판올, 1-프로판올, 1-메톡시-2-프로판올, 2-부탄올 및 이들의 혼합물이다.
용매(L) 및 폴리올의 첨가 후, 용매 및 물은 바람직하게는 30 내지 140℃, 특히 60 내지 120℃의 온도에서 그리고 감압, 바람직하게는 ＜ 100 hPa의 압력에서 증류 제거된다.
사용된 폴리규산(polysilic acid) 입자의 수성 콜로이드성 용액(K)(실리카 졸)은 1 내지 150 nm, 바람직하게는 2 내지 120 nm, 특히 바람직하게는 3 내지 100 nm, 매우 특히 바람직하게는 4 내지 80 nm, 구체적으로 5 내지 50 nm, 아주 구체적으로 8 내지 40 nm의 평균 입자 직경을 갖는 입자를 포함한다.
SiO2로서 계산된 실리카 함량은 1 내지 60 중량%, 바람직하게는 10 내지 60 중량%, 특히 바람직하게는 10 내지 40 중량%이다. 보다 적은 함량을 갖는 실리카 졸이 또한 사용될 수 있지만, 추가적인 함량의 물은 추후 단계에서 증류에 의해 분리 제거되어야 한다.
수성 용액(K)은 필요한 경우 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 암모늄, 알루미늄, 철(II), 철(III) 및/또는 지르코늄 이온, 바람직하게는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 암모늄 및/또는 철(III) 이온, 특히 바람직하게는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및/또는 암모늄 이온, 매우 특히 바람직하게는 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 이온, 구체적으로 알칼리 금속 이온에 의해 작은 정도로 안정화될 수 있는 폴리규산의 콜로이드성 용액이다.
알칼리 금속 이온 중에서도, 나트륨 및/또는 칼륨 이온인 것이 바람직하고, 나트륨 이온인 것이 특히 바람직하다.
알칼리 토금속 이온 중에서도, 마그네슘, 칼슘 및/또는 베릴륨 이온인 것이 바람직하고, 마그네슘 및/또는 칼슘 이온인 것이 특히 바람직하며, 마그네슘 이온인 것이 매우 특히 바람직하다.
(K) 중에서 금속 이온 대 규소 원자의 몰비는 0:1 내지 0.1:1, 바람직하게는 0.002 내지 0.04:1이다.
pH 조정 후, 사용된 실리카 졸(K)은 1 내지 6, 바람직하게는 2 내지 6, 보다 바람직하게는 2 내지 4의 수성 상의 pH를 갖는다.
본 명세서의 목적상, 수성 콜로이드성 용액은 1 내지 150 nm 범위의 평균 입자 직경을 갖고 20℃에서 1개월 기간 동안 저장하는 과정에서도 침전되지 않는 임의로 안정화된 실리카 입자의 용액이다.
본 명세서의 목적상, 졸은 수 중의 고체의 용액으로서, 콜로이드성의 분산성, 비응집성(즉, 각 입자가 자유로운 유동성인) 용액이다. 여기서, 실리카 졸은 수 중의 이산화규소의 콜로이드성의 분산성 용액이다.
본 발명에 따라 사용된 산성 수성 실리카 졸(K)은, 예를 들면 하기 3가지 상이한 방식에 의해, 즉
- 상응하는 알칼리 실리카 졸을 산성화함으로써,
- 저분자량 규산, 바람직하게는 물 유리, 즉 1 nm 이하의 직경을 갖는 염-유사 입자로부터 제조함으로써, 또는
- 저분자량 규산의 에스테르를 축합함으로써
얻어질 수 있다.
일칼리 실리카 졸의 수성 용액은 일반적으로 8 내지 12, 바람직하게는 8 내지 11의 pH를 갖는다. 이러한 알칼리 실리카 졸은 상업적으로 이용가능하고, 그러므로 본 발명의 공정에 용이하게 이용가능하고 바람직한 출발 물질을 나타낸다.
이러한 알칼리 실리카 졸 중의 입자는 일반적으로 1 내지 150 nm, 바람직하게는 2 내지 120 nm, 특히 바람직하게는 3 내지 100 nm, 매우 특히 바람직하게는 4 내지 80 nm. 구체적으로 5 내지 50 nm, 매우 구체적으로 8 내지 40 nm의 평균 입자 직경을 갖는다.
SiO2로서 계산된 실리카 함량은 1 내지 60 중량%, 바람직하게는 10 내지 60 중량%, 특히 바람직하게는 10 내지 40 중량%이다. 또한, 보다 낮은 고체 함량을 갖는 알칼리 실리카 졸을 사용하는 것도 가능하지만, 추가적인 함량의 물은 추후 단계에서 증류에 의해 분리 제거되어야 한다.
알칼리 실리카 졸은 상기 언급된 금속 이온에 의해 안정화될 수 있다.
(K) 중의 금속 이온 대 규소 원자의 몰비는 O:1 내지 0.1:1, 바람직하게는 0.002 내지 0.04:1이다.
이러한 알칼리 실리카 졸의 pH는 일반적으로 8 이상, 바람직하게는 8 내지 12, 특히 바람직하게는 8 내지 11, 매우 특히 바람직하게는 8 내지 10이다.
이러한 알칼리 실리카 졸로부터 본 발명에 따라 사용하고자 하는 실리카 졸(K)의 제조는 이러한 실리카 졸의 소정의 pH를, 예를 들면 무기산을 첨가함으로써 또는 알칼리 실리카 졸을 이온 교환제와 혼합함으로써, 수행한다.
산성화는 임의의 산, 바람직하게는 염산, 질산, 인산, 황산, 아세트산, 포름산, 메틸설폰산, 파라톨루엔 설폰산을 사용함으로써, 또는 산성 이온 교환제와 혼합함으로써, 바람직하게는 염산, 질산, 인산, 황산 또는 아세트산, 특히 바람직하게는 염산, 질산 또는 황산, 매우 특히 바람직하게는 황산을 사용함으로써 수행할 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 실리카 졸(K)은 알칼리 실리카 졸을 이온 교환제와 혼합함으로써 제조된다. 이는 결과적으로 저 함량, 예를 들면 0.2 중량% 미만, 바람직하게는 0.1 중량% 미만인 실리카 졸(K)의 전해질 함량을 생성하게 된다.
본 발명의 목적상, 전해질은 실리케이트, 히드록사이드 및 양성자를 제외한 무기 이온 구성성분이다. 알칼리 실리카 졸의 안정화로부터 주로 유래되는 이러한 전해질은 입자를 안정화하기 위해서 졸이 제조된 후 현탁액에 첨가된다.
또한, 물 유리로부터, 산성화에 의해, 예를 들면 이온 교환제에 의해 또는 무기 산과의 혼합에 의해 실리카 졸(K)을 제조하는 것도 고려될 수 있다. 이러한 목적을 위한 물 유리로서, 특히 바람직하게는 알칼리 금속 산화물 1 mol에 대한 SiO2 1 내지 10 mol의 비율, 매우 특히 바람직하게는 알칼리 금속 산화물 1 mol에 대한 SiO2 1.5 내지 6 mol, 특히 2 내지 4 mol의 비율을 갖는 칼륨 및/또는 나트륨 실리케이트를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 경우, 소정 크기의 실리카 졸(K)이 형성될 때까지 반응 혼합물이 반응하고, 이어서 발명의 공정이 지속된다.
저 분자량 규산(오르토규산 및 올리고규산)은 일반적으로 소수 중량%의 함량을 갖는 고 희석 수용액에서만 안정하고, 그러므로 일반적으로 추가 사용 전에 농축된다.
더구나, 실리카 졸(K)은 저분자량 규산의 에스테르의 축합에 의해 제조될 수 있다. 그 에스테르는 일반적으로 산성 또는 염기성 실리카 졸(K)을 형성하는 올리고규산, 특히 오르토규산의 C1-C4 알킬, 특히 에틸 에스테르이다.
단계(i)에서, 수성 산성 실리카 졸은 하나 이상의 유기 용매(L)의 0.1 내지 20배, 바람직하게는 0.3 내지 15배, 특히 바람직하게는 0.5 내지 10배, 매우 특히 바람직하게는 1 내지 5배 양(사용된 실리카 졸의 물의 양을 기준으로 함)의 양과 혼합된다. 물에 의한 희석은 사전에 또는 동시에 임의로 수행된다.
유기 용매(L)는 다음의 기준에 따라 선택된다: 그것은 혼합 조건 하에 물과의 충분한 혼화성과 폴리올과의 혼화성도 가져야 한다.
반응 조건 하에 물과의 혼화성은 5 중량% 이상(최종 물-용매 혼합물을 기준으로 함), 바람직하게는 25 중량% 이상, 특히 바람직하게는 70 중량% 이상이어야 하고, 특히 용매는 물과의 모든 혼합 비율에서 균질한 용액을 형성해야 하는데, 그 이유는, 그 혼화도가 너무 낮을 때, 겔이 개질 실리카 졸로부터 형성되거나 비교적 큰 나노입자 응집체가 응집될 위험이 있기 때문이다.
폴리올은 용매(L) 또는 수-용매 혼합물 중에 완전 가용성이어야 한다.
또한, 용매(L)는 침전 없이 형성된 실리케이트 2 g/l 이상을 현탁시킬 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 용매(L)는 대기압 내지 5 hPa의 압력 범위에서 150℃ 미만의 비점을 가져야 하므로, 그것은 증류에 의해 용이하게 분리 제거될 수 있다.
용매(L)는 물의 제거를 위한 공비점 분리제(entrainer)로서 작용을 한다. 바람직한 실시양태테서, 용매(L)는 증류의 조건 하에 물과 아조트로피 또는 헤테로아조트로피를 형성하므로, 증류물은 증류 후 수성 상과 유기 상을 형성한다.
적합한 용매(L)의 예로는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-2-프로판올, 1-클로로-2-프로판올, 시클로펜탄올, 시클로헥산올, 1,4-디옥산, 테트라히드로푸란, 1-메톡시-2-프로판올, 1-에톡시-2-프로판올, 2-에톡시에탄올, 2-메틸-2-프로판올, 2-메톡시에탄올, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 2-메틸-2-프로판올, 2-메톡시에탄올, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 설폭사이드 및 아세톤이 있다. 추가 예로는 메틸에틸케톤 및 에틸아세테이트가 있다.
단계(ii)에서, 그러한 용액에 폴리올이 도입된다. 바람직한 폴리올은 폴리에테롤(b1)이다. 적합한 폴리에테롤(b1)은 96 g/mol 이상의 분자량을 갖는 것이 바람직하다. 추가로 바람직한 것은 550 내지 4000 g/mol의 분자량을 갖는 폴리테트라히드로푸란(b3)이다.
폴리에테롤(b1)은 공지된 공정에 의해, 예를 들면 알킬렌 라디칼 내에 2개 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 알킬렌 옥사이드로부터, 보통 결합 형태로 2개 내지 8개의 수소 원자를 갖는 하나 이상의 출발물질 분자의 첨가와 함께 알칼리 금속 수산화물 또는 알칼리 금속 알콕사이드를 촉매로서 사용하는 음이온 중합에 의해 또는 안티몬 펜타클로라이드 또는 보론 플루오라이드 에테레이트와 같은 루이스 산을 사용하는 양이온 중합에 의해 제조된다. 적합한 알킬렌 옥사이드로는 예를 들면 테트라히드로푸란, 1,3-프로필렌 옥사이드, 1,2- 또는 2,3-부틸렌 옥사이드, 바람직하게는 에틸렌 옥사이드 및 1,2-프로필렌 옥사이드가 있다. 또한, DMC 촉매로서 공지된 다금속 시아나이드 화합물을 촉매로서 사용할 수도 있다. 또한, 3급 아민, 예를 들면 트리에틸아민, 트리부틸아민, 트리메틸아민, 디메틸에탄올아민 또는 디메틸시클로헥실아민이 촉매로서 사용될 수 있다. 알킬렌 옥사이드는 개별적으로, 대안상 연속적으로 또는 혼합물로서 사용될 수 있다.
바람직한 폴리올은 프로필렌 옥사이드 및 에틸렌 옥사이드를 기초로 한다. 적합한 폴리올은 슬랩스톡 폼 폴리올, 성형 폼 폴리올, 경질 폼 폴리올, C.A.S.E. 폴리올("코팅, 접착제, 실란트, 탄성중합체") 및 글리콜, 예컨대 폴리프로필렌 글리콜을 포함한다. 그 폴리올 작용가는 2 내지 10일 수 있고, 분자량은 96 내지 20 000 g/mol일 수 있으며, 폴리프로필렌 옥사이드 함량은 일반적으로 50 내지 100 중량%, 바람직하게는 50 내지 99 중량%이다.
폴리올은 또한 폴리이소시아네이트 예비중합체를 제조하는데 사용될 수 있다.
가능한 출발물질 분자는 물 또는 2- 및 3- 작용성 알콜, 예컨대 에틸렌 글리콜, 1,2- 및 1,3-프로판디올, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 1,4-부탄디올, 글리세롤, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 소르비톨, 및 수크로즈이다. 추가 가능성이 있는 것은 아민 출발물질을 기초로 한 폴리올, 예컨대 트리에탄올아민, 디에탄올아민, 에틸렌디아민 및 톨루엔 아민이다.
폴리테트라히드로푸란은 또한 폴리에테롤로서 사용될 수 있다. 여기서, 폴리테트라히드로푸란의 수 평균 분자량은 보통 550 내지 4000 g/mol, 바람직하게는 750 내지 30000 g/mol, 특히 바람직하게는 800 내지 2500 g/mol, 구체적으로 약 2000 g/mol이다.
또한, 폴리에테롤의 혼합물을 사용하는 것도 가능하다.
단계(iii)에서, 물과 유기 용매는 그 용액으로부터 증류 제거된다. 증류에 의한 물 및 유기 용매(L)의 제거는 대기압 또는 감압 하에, 바람직하게는 100 hPa 내지 대기압 하에, 특히 바람직하게는 50 hPa 내지 대기압 하에, 매우 특히 바람직하게는 20 hPa 내지 대기압 하에, 구체적으로 10 hPa 내지 대기압 하에 수행된다.
증류가 수행되는 온도는 각각의 압력에서 물 및/또는 유기 용매(L)의 비점에 따라 좌우된다.
증류 조건은, 특히 물과 용기 용매가 조건 하에 아조트로피를 형성하도록, 유기 용매가 조건 하에 물에 대한 유효한 공비점 분리제로서 작용을 한다.
온도는 바람직하게는 140℃ 이하, 특히 바람직하게는 120℃ 이하이다.
증류는 배치 방식으로, 반연속적 방식으로 또는 연속적 방식으로 수행될 수 있다.
예를 들면, 그것은, 필요한 경우, 짧은 정류 컬럼이 배치될 수 있는 교반 용기로부터 배치 방식으로 수행될 수 있다.
교반 용기 내로의 열의 도입은 통상적인 유형 및/또는 이중벽 가열의 내부 및/또는 외부 열 교환기, 바람직하게는 자연 대류 또는 강제 순환에 의한 외부 손환 기화기를 통해 수행된다. 반응 혼합물의 혼합은 공지된 방식으로, 예를 들면 교반, 펌프 순환 또는 자연 대류에 의해 수행된다.
연속적 실시양태에서, 증류는 증류하고자 하는 혼합물을 강하 막 증발기(falling film evaporator) 또는 열 교환기에 통과시킴으로써 수행되는 것이 바람직하다.
이러한 목적에 적합한 증류 장치는 해당 기술 분야에서 당업자에게 공지된 모든 증류 장치, 예를 들면 순환 증발기, 박막 증발기, 강하 막 증발기, 와이프드 막(wiped film) 증발기이고, 필요한 경우, 각각 경우에는 정류 컬럼 또는 스트립핑 컬럼이 배치되어 있다. 적합한 열 교환기로는 예를 들면 로버트 기화기 또는 튜브 또는 플레이트 열 교환기가 있다.
물 및 용매(L)는 일반적으로 대부분 증류 제거된다. 폴리올 중의 실리카의 함량은 5 내지 60 중량%, 바람직하게는 5 내지 50 중량%, 특히 바람직하게는 10 내지 40 중량%이다.
최종 생성물 중의 물의 잔류 함량은 5 중량% 미만, 바람직하게는 3 중량% 미만, 특히 바람직하게는 2 중량% 미만, 매우 특히 바람직하게는 1 중량% 미만, 구체적으로 0.5 중량% 미만, 보다 구체적으로 0.3 중량% 미만이어야 한다.
최종 생성물 중의 용매(L)의 잔류 함량은 5 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만, 특히 바람직하게는 0.5 중량% 미만, 매우 특히 바람직하게는 0.2 중량% 미만이어야 한다.
물의 제거는 또한 증류 대신에 멤브레인을 통한 흡수, 투과증발 또는 확산에 의해 수행될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 실리카 입자는 단계(iv)에서 실란(S)의 첨가에 의해 표면 개질된다. 그 실란(S)은 하나 이상의, 바람직하게는 정확히 하나의, 적어도 모노알콕시화, 예를 들면 모노알콕시화 내지 트리알콕시화, 바람직하게는 디알콕시화 또는 트리알콕시화, 특히 바람직하게는 정확하게 트리알콕시화, 실릴 기를 갖는다. 또한, 실란은 하나 이상의 알킬, 아릴 또는 시클로알킬 치환기를 가지며, 이 치환기는 알콜, 아민 또는 이소시아네이트에 대하여 비반응성 또는 반응성일 수 있는 헤테로원자를 임의로 갖는다.
본 발명의 목적상, 알콕시화 실릴 기는 기 (R1-O-)n-Si-이고, 여기서 R1은 C1-C20 알킬, 바람직하게는 C1-C4 알킬이고, n은 1 내지 3, 바람직하게는 2 내지 3, 특히 3의 정수이다.
C1-C20 알킬의 예로는 메틸, 에틸, 이소프로필, n-프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, 2-에틸헥실, n-데실, n-도데실, n-테트라데실, n-헥사데실, n-옥타데실 및 n-에이코실이 있다.
C1-C4 알킬의 예로는 메틸, 에틸, 이소프로필, n-프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸 및 tert-부틸이 있다.
바람직한 라디칼 R1은 메틸, 에틸, n-부틸 및 tert-부틸, 특히 바람직하게는 메틸 및 에틸이다.
치환기는 알콜, 아민 또는 이소시아네이트에 대하여 반응성 또는 비반응성일 수 있다. 비반응성 치환기는 1개 내지 20개의 C 원자를 갖는 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 기, 예컨대 C1-C20 알킬, 예를 들면 메틸, 에틸, 이소프로필, n-프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, 2-에틸헥실, n-데실, n-도데실, n-테트라데실, n-헥사데실, n-옥타데실, n-에이코실, 시클로헥실 및 페닐일 수 있다.
바람직한 화합물(S)은 메틸트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, 이소부틸트리에톡시실란, n-부틸트리메톡시실란, t-부틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 벤질트리에톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 알릴트리메톡시실란, 알릴트리에톡시실란, 부테닐트리에톡시실란, n-데실트리에톡시실란, 디-n-부틸디메톡시실란, 디이소프로필디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 도데실메틸디에톡시실란, 도데실트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 헥사데실트리에톡시실란, 헥사데실트리메톡시실란, 헥실트리메톡시실란, 헥실트리에톡시실란, 이소부틸메틸트리에톡시실란, 이소부틸트리메톡시실란, n-옥타데실트리에톡시실란, n-옥타데실트리메톡시실란, n-옥타데실메틸디메톡시실란, n-옥타데실메틸디에톡시실란, n-옥틸메틸디에톡시실란, 옥틸디메틸메톡시실란, 펜틸트리에톡시실란, 페닐메틸디메톡시실란, 페닐트리에톡시실란이다.
또한 비반응성 기는 헤테로원자를 가질 있으며, 예를 들면 에테르 및 티오에테르 기일 수 있다. 그 치환기의 구체적인 부류는 일작용성 폴리옥시알킬렌 화합물, 예를 들면 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드를 기초로 한 화합물에 의해 이루어진다.
바람직한 화합물(S)은 2-[메톡시(폴리에틸렌옥시)프로필]트리메톡시실란, 3-메톡시프로필트리메톡시실란, 브로모페닐트리메톡시실란, 3-브로모프로필트리메톡시실란, 2-클로로에틸메틸디메톡시실란, (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로데실)트리에톡시실란, (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로데실)트리메톡시실란, 디에틸포스파토에틸트리에톡시실란, 2-(디페닐포스피노)에틸트리에톡시실란, 3-(N,N-디메틸아미노프로필)트리메톡시실란, 3-메톡시프로필트리메톡시실란, 3-(메타크릴옥시)프로필트리메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-(메타크릴옥시)프로필트리에톡시실란, 3-(메타크릴옥시)프로필메틸디메톡시실란이다.
반응성 기는 일반적으로 스페이서 기로서 알킬렌, 시클로알킬렌 또는 아릴렌 기, 바람직하게는 알킬렌 기를 통해 실릴 기에 결합된다.
그 예로는 메틸렌, 2,2-에틸렌(-CH2-CH2-), 1,2-프로필렌(-CH(CH3)-CH2-) 및/또는 1,3-프로필렌(-CH2-CH2-CH2-), 1,2-, 1,3- 및/또는 1,4-부틸렌, 1,1-디메틸-1,2-에틸렌, 1,2-디메틸-1,2-에틸렌, 1,6-헥실렌, 1,8-옥틸렌 또는 1,10-데실렌, 바람직하게는 메틸렌, 1,2-에틸렌, 1,2- 또는 1,3-프로필렌, 1,2- 1,3- 또는 1,4-부틸렌, 특히 비람직하게는 메틸렌, 1,2-에틸렌, 1,2- 및/또는 1,3-프로필렌 및/또는 1,4-부틸렌, 매우 특히 바람직하게는 메틸렌, 1,2-에틸렌, 1,2- 및/또는 1,3-프로필렌이 있다.
바람직한 반응성 기는 1차 아미노 기, 히드록사이드 기, 티올 기 및 에폭시 기이다.
바람직한 화합물(S)은 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리에톡시실란, 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-아미노프로필메틸디메톡시실란, 3-아미노프로필디메틸메톡시실란, 3-아미노프로필디메틸에톡시실란, N-(2'-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-(2'-아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-(2'-아미노에틸)-3-아미노프로필메톡시실란, N-(2'-아미노에틸)-3-아미노프로필에톡시실란, 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란, 4-아미노부틸트리에톡시실란, 1-아미노-2-(디메틸에톡시실릴)프로판, (아미노에틸아미노에틸)펜에틸트리메톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란, p-아미노페닐트리메톡시실란, 3-아미노프로필메틸디에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 11-아미노운데실트리에톡시실란, (3-글리시독시프로필)트리메톡시실란, (3-글리시독시프로필)트리에톡시실란, N-(히드록시에틸)-N-메틸아미노프로필트리메톡시실란, 히드록시메틸트리에톡시실란, 3-머캅토프로필메틸디메톡시실란, 3-머캅토프로필메틸디에톡시실란, N-메틸아미노프로필메틸디메톡시실란, 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란이다.
특히 바람직한 화합물(S)은 하기 기:
-CH2-CH2-CH2-NH2
-CH2-CH2-CH2-SH
-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-NH2
-CH2-CH2-CH2-N(CH2-CH2OH)2
에 의해 치환된 트리알콕시실란이다.
언급된 기들은 이소시아네이트 기와 반응하고 이로써 결과적으로 PU 매트릭스에 대한 실리케이트 입자의 공유 결합을 생성하게 된다. 또한, 글리시독시프로필 기 -CH2-CH2-CH2-O-CH2-CH(O)CH2에 의해 치환되는 트리알콕시실란이 바람직하다. 에폭시 기는 아미노기, 예를 들면 일작용성 폴리에테르아민 또는 히드록실 기를 함유하는 성분, 예를 들면 과분지형 폴리올과 반응할 수 있다.
2개 이상의 스페이서 기를 갖는 실란 화합물이 또한 사용될 수 있다. 그러한 화합물은 WO 2004/035649에 기술되어 있다. 예로는 비스(3-메틸디메톡시실릴프로필)폴리프로필렌 옥사이드, 비스(트리에톡시실릴)에탄, 비스(트리에톡시실릴)옥탄, 1,6-비스(트리메톡시실릴)헥산, 비스(메틸디에톡시실릴프로필)아민 및 비스(트리에톡시실릴프로필)아민이 있다.
화합물(S)과의 반응은 사용된 실리카 졸(K)의 표면을 개질시키므로, 초기 극성 실리카 졸과 폴리올 간의 상용성은 개선된다. 구체적인 효과는 다양한 실란을 배합함으로써, 예를 들면 반응성 실란 및 비반응성 실란을 배합함으로써 표적화 방식으로 생성될 수 있다. 또한, 상이한 방식으로 개질된 실리카 입자의 혼합물을 사용하는 것도 가능하다.
일반적으로, (S)는 (K) 표면적 1 m2 당 0.1 내지 20 μmol의 양으로 사용된다.
이는 일반적으로 (K) 그램 당 (S) 0.01 내지 5 mmol, 바람직하게는 (K) 그램 당 (S) 0.05 내지 4 mmol, 특히 바람직하게는 (K) 그램 당 (S) 0.1 내지 3 mmol의 양에 해당한다.
이 목적을 위해서, (S)와 반응은 10 내지 100℃, 바람직하게는 20 내지 90℃, 특히 바람직하게는 30 내지 80℃의 온도에서 교반하면서 수행된다.
이러한 방응 조건 하에서, 그 혼합물은 1 내지 48 시간 동안, 바람직하게는 2 내지 48 시간 동안, 특히 바람직하게는 2 내지 36 시간 동안, 매우 특히 바람직하게는 4 내지 24 시간 동안 반응하도록 한다.
실란(S)은 SiO2 함량을 기준으로 하여 0.1 내지 30 mol%, 바람직하게는 0.3 내지 25 mol%, 특히 바람직하게는 0.5 내지 20 mol%의 양으로 첨가된다.
실란(S)은 단계(i)에서 얻어지는 수성 실리카 졸(K)과 용매(L)의 혼합물에 첨가될 수 있다.
그러나, 실란(S)은 (ii) 그 혼합물을 폴리올과 혼합하는 단계 및 (ii) 증류에 의해 유기 용매(l)를 적어도 일부 제거하는 단계 후에 첨가되는 것이 바람직하다. 실란(S)이 단지 증류 단계(iii) 후에만 첨가되는 경우, 실란과 함께 도입된 임의의 용매 및 또한 추가의 휘발성 구성성분이 제거되는 제2 증류 단계가 수행되는 것이 바람직하다.
임의의 단계(v)에서, 실리케이트 함유 폴리올의 pH는 7 내지 12의 값으로 설정된다. 이는 강한 염기성 화합물의 첨가에 의해 수행된다. 적합한 강한 염기성 화합물로는 알칼리 금속 수산화물(NaOH, KOH, LiOH) 및 알칼리 금속 알콕사이드가 있다. 폴리올 성분의 반응성은 강한 염기성 화합물의 첨가에 의해 증가될 수 있다. 이는 아민 촉매를 흡착할 수 있는 실리카 입자의 표면 상의 산성 실란올 기에 기인하며, 그 결과로서, 폴리우레탄 시스템의 반응성은 감소된다. 이는 염기성 화합물의 첨가에 의해 정반대인 것일 수 있다.
강한 염기성 화합물의 첨가에 의한 pH의 조정은 또한 실란의 첨가 전에 수행될 수 있다. 본 발명의 공정의 하나의 실시양태에서, pH가 우선 7 내지 12의 값으로 설정되고, 강한 염기성 화합물과 함께 도입된 임의의 용매가 적어도 부분적으로 증류 제거되며, 이어서 실란(S)이 첨가되고 휘발성 구성성분이 실란화 후에 증류 제거된다. 본 발명의 공정의 추가 실시양태에서, 실란(S)이 우선 첨가되고, 이어서 pH가 강한 염기성 화합물의 첨가에 의해 7 내지 12의 값으로 설정되며, 휘발성 구성성분이 실란화 후에 제거된다.
본 발명에 따라 제조된 실리케이트 함유 폴리올은 폴리우레탄을 제조하기 위한 폴리올 성분으로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 실리케이트 함유 폴리올의 사용 분야는 매우 넓다. 예를 들면, 그것은 치밀한 폴리우레탄, 예를 들면 접착제, 코팅, 바인더, 캡슐화 조성물, 열가소성 폴리우레탄 및 탄성중합체를 제조하는데 사용될 수 있다. 또한, 그것은 마이크로기포 폴리우레탄 폼, 예를 들면 신발 용도의 것, 구조적 폼, 인테그랄 폼 및 RIM 폴리우레탄, 예를 들면 범퍼 바의 것을 제조하는데 사용될 수 있다. 그것은 또한 고밀도 폼, 예를 들면 반경질 폼 및 카펫트 백킹용 폼, 저밀도 폼, 예를 들면 가요성 폼, 경질 폼, 열성형 폼 및 팩킹 폼을 제조하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 물질은 (a) 유기 폴리이소시아네이트를 (b) 실리카 함유 폴리올을 비롯한 폴리올, 필요한 경우, (c) 사슬 연장제 및/또는 가교제, (d) 발포제, (e) 촉매 및 필요한 경우 (f) 보조제 및 첨가제와 혼합하여 반응 혼합물을 형성시키고 이 반응 혼합물을 완전 반응시킴으로써 제조된다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 물질을 제조하는데 사용된 폴리이소시아네이트(a)는 메탄디(페닐 이소시아네이트)(이후에는 MID라고 칭함), 톨릴렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 나프탈린 디이소시아네이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트를 기초로 한 화합물을 포함한다. 본 발명의 목적상, MDI는 2,4-MDI, 4,4'-MDI 및 2 이상의 고리를 갖는 고급 동족체 및 이들의 혼합물이다.
폴리이소시아네이트(a)는 폴리이소시아네이트 예비중합체의 형태로 사용될 수 있다. 이 폴리이소시아네이트 예비중합체는 상기 (a1)에서 설명된 바와 같은 MDI를, 예를 들면 30 내지 100℃, 바람직하게는 약 80℃의 온도에서, 폴리에테롤(b1) 및/또는 폴리에스테롤(b2)과 반응시켜서 예비중합체를 형성성시킴으로써 얻어질 수 있다. 폴리에테롤(b1)로서는 상기 설명된 바와 같은 폴리에테롤을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 폴리에테르를 기초로 한 폴리이소시네이트 예비중합체 및 폴리에스테르를 기초로 한 폴리이소시아네이트 예비중합체 뿐만 아니라 이들의 혼혼합물 및 폴리에테르 및 폴리에스테르를 기초로 한 폴리이소시아네이트 예비중합체를 사용하는 것이 가능하다. 예비중합체의 NCO 함량은, 예를 들면 MDI계 예비중합체의 경우에서, 바람직하게는 2% 내지 30%, 특히 비람직하게는 5% 내지 28%, 구체적으로 10% 내지 25%의 범위에 있다.
예비중합체의 제조에서 폴리올 성분으로서, 또한 본 발명의 실리카 함유 폴리에테롤 분산액을 사용하는 것도 가능하다.
필요한 경우, 통상적인 사슬 연장제(c)는 이소시아네이트 예비중합체의 제조에서 언급된 폴리올에 첨가된다. 그러한 물질은 (d) 하에 하기에서 설명된다.
폴리올(b)로서는, 실리카 함유 분산액에서 사용되기도 하는 폴리에테롤(b1) 또는 폴리-THF(b3)가 사용될 수 있다. 그러나, 다른 폴리에테롤(b1), 폴리에스테롤(b2) 및 폴리-THF(b3)이 마찬가지로 사용될 수 있다. 적합한 폴리올(b)은 문헌[The Polyurethane Book, Randall and Lee, Wiley 2002, pp. 99-112]에 기술되어 있다. 적합한 폴리에스테롤(b2)로는, 예를 들면, 2개 내지 12개의 탄소 원자, 바람직하게는 2개 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 다작용성 알콜, 바람직하게는 디올과 2개 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 다작용성 카르복실산, 예를 들면 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 수베르산, 아젤라산, 세바신산, 데칸디카르복실산, 말레산, 푸마르산, 프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산 및 이성질체 나프탈렌 디카르복실산의 축합에 의해 생성된다.
또한, 발포제(d) 및/또는 물은 폴리우레탄 폼의 제조에서 존재한다. 발포제(d)로서, 물 및 추가로 일반적으로 공지된 화학적 및/또는 물리적 작용 화합물을 사용하는 것이 가능하다. 본 발명의 목적상, 화학적 발포제는 이소시아네이트와 반응하여 가스 생성물, 예를 들면 물 또는 포름산을 형성하는 화합물이다. 물리적 발포제는 폴리우레탄 제조를 위한 출발 물질 내에 용해 또는 유화되고 폴리우레탄 형성의 조건 하에 기화되는 화합물이다. 이러한 것으로는 예를 들면 탄화수소, 할로겐화 탄화수소, 및 다른 화합물, 예를 들면 퍼플루오르화 알칸, 예컨대 퍼플루오로헥산, 클로로플루오로카본 및 에테르, 에스테르, 케톤, 아세탈 및 또한 가열시 질소를 방출하는 무기 및 유기 화합물 또는 이들의 혼합물, 예를 들면 4개 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 (시클로)지방족 탄화수소 또는 플루오르화 탄화수소, 예컨대 Solkane(등록상표) 365 mfc(Firma Solvay Fluorides LLC)가 있다.
사슬 연장제(c)로서, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 2개의 수소 원자를 갖는, 분자량이 바람직하게는 600 g/mol 이하, 특히 바람직하게는 56 내지 600 g/mol인 물질을 사용한다. 이것은 개별적으로 또는 바람직하게는 혼합물의 형태로 사용될 수 있다. 분자량이 바람직하게는 600 이하, 특히 바람직하게는 60 내지 400, 구체적으로 60 내지 300인 디올을 사용하는 것이 바람직하다. 가능한 사슬 연장제로는, 예를 들면 2개 내지 14개, 바람직하게는 2개 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 지방족, 고리지방족 및/또는 아릴지방족 디올, 예를 들면 에틸렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 펜탄디올, 트리프로필렌 글리콜, 1,10-데칸디올, 1,2-, 1,3-, 1,4-디히드록시클로로헥산, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 바람직하게는 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올 및 비스-(2-히드록시에틸)히드로퀴논 및 에틸렌 옥사이드 및/또는 1-,2-프로필렌 옥사이드를 기초로 한 저분자량 히드록실 함유 폴리알킬렌 옥사이드 및 상기 언급된 디올이 출발물질 분자로서 존재한다, 사슬 연장제(d)로서는 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 2-메틸-1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
필요한 경우, 가교제가 또한 사슬 연장제와 함께 사용될 수 있거나, 또는 그 대신에 사용될 수 있다. 그 가교제로는 이소시아네이트에 대하여 반응성인 3개의 수소 원자 및 450 g/mol 이하의 분자량을 갖는 물질, 예를 들면 트리올, 예컨대 1,2,4-, 1,3,5-트리히드록시시클로헥산, 글리세롤 및 트리메틸롤프로판 또는 에틸렌 옥사이드 및/또는 1,2-프로필렌 옥사이드를 기초로 한 저분자량 히드록실 함유 폴리알킬렌 옥사이드 및 상기 언급된 트리올이 출발물질 분자로서 존재한다.
사슬 연장제(d)가 사용되는 경우, 그것은 성분(b) 내지 성분(f)의 중량을 기준으로 하여 1 내지 60 중량%, 바람직하게는 1.5 내지 50 중량%, 특히 2 내지 40 중량%의 양으로 사용되는 것이 유리하다.
폴리우레탄 물질을 제조하기 위한 촉매(e)로서, 발포제와 이소시아네이트 기를 갖는 화합물(a)의 반응을 강하게 가속하는 화합물을 사용하는 것이 비람직하다. 예를 들면, 아미딘, 예컨대 2,3-디메틸-3,4,5,6-테트라히드로피리미딘, 3급 아민, 예컨대 트리에틸아민, 트리부틸아민, 디메틸벤질아민, N-메틸모르폴린, N-에틸모르폴린, N-시클로헥실모르폴린, N,N,N',N'-테트라메틸에틸렌디아민, N,N,N',N'-테트라메틸부탄디아민, N,N,N',N'-테트라메틸헥산디아민, 펜타메틸디에틸렌트리아민, 비스(디메틸아미노에틸) 에테르, 우레아, 비스(디메틸아미노프로필)우레아, 디메틸피페라진, 1,2-디메틸이미다졸, 1,2-아자바이시클로[3.3.0]옥탄, 바람직하게는 1,4-디아자바이시클로[2.2.2]옥탄 및 알칸올아민 화합물, 예컨대 트리에탄올아민, 트리이소프로판올아민, N-메틸디에탄올아민 및 N-에틸디에탄올아민 및 디메틸에탄올아민, N,N-디메틸에탄올아민, N,N-디메틸시클로헥실아민, 비스(N,N-디메틸아미노에틸) 에테르, N,N,N',N',N'-펜타메틸디에틸렌트리아민, 1,4-디아자바이시클로[2.2.0]옥탄, 2-(2-디메틸아미노에톡시)에탄올, 2-((-디메틸아미노에톡시)에틸메틸아미노)에탄올, 1-(비스(3-디메틸아미노)프로필)아미노-2-프로판올, N,N',N"-트리스(3-디메틸아미노프로필)헥사히드로트리아진, 비스(모르폴리노에틸)에테르, N,N-디메틸벤질아민, N,N,N',N",N"-펜타메틸디프로필렌트리아민, N,N'-디에틸프페라진을 들 수 있다. 추가 가능한 촉매로는 유기 금속 화합물, 바람직하게는 유기 주석 화합물, 예컨대 유기 카르복실산의 주석(II) 염, 예를 들면 주석(II) 아세테이트, 주석(II) 옥토에이트, 주석(II) 에틸헥사노에이트 및 주석(II) 라우레이트 및 유기 카르복실산의 디알킬주석(IV) 염, 예를 들면 디부틸주석 디아세테이트, 디부틸주석 디라우레이트, 디부틸주석 말레에이트, 디부틸주석 머캅타이드 및 디옥틸주석 디아세테이트, 및 또한 비스무트 카르복실레이트, 예컨대 비스무트(III) 네오데카노에이트, 비스무트 2-에틸헥사노에이트 및 비스무트 옥타노에이트 또는 이들의 혼합물, 페닐수은 프로피오네이이트, 납 옥토에이트, 칼륨 아세테이트/옥토에이트, 4급 암모늄 포르메이트 및 철 아세틸아세토네이트가 있다. 유기 금속 화합물은 단독으로 사용될 수 있거나, 바람직하게는 강한 염기성 아민과의 조합으로 사용될 수 있다.
성분(a) 내지 성분(d)의 중량을 기준으로 하여 0.001 내지 5 중량%, 특히 0.05 내지 2 중량%의 촉매 또는 촉매 조성물을 사용하는 것이 바람직하다.
보조제 및/또는 첨가제(f)가 또한, 필요한 경우, 폴리우레탄 물질을 제조하기 위한 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 예를 들면, 표면 활성 물질, 폼 안정화제, 기포 조정제, 추가 발포제, 충전제, 염료, 안료, 가수분해 억제제, 냄새 흡착 물질 및 정진균성 및/또는 정균성 물질을 들 수 있다.
가능한 표면 활성 물질은 예를 들면 출발 물질의 균질화에 도움을 주는 작용을 하고 또한 기포 구조를 조정하는데 적합할 수도 있는 화합물이다. 예를 들면, 유화제, 예컨대 캐스타 오일 설페이트의 나트륨 염 또는 지방산의 나트륨 염 및 또한 지방산과 아민의 염, 예를 들면 디에탄올아민 올레이이트, 디에탄올아민 스테아레이트, 디에탄올아민 리시놀레이트, 설폰산의 염, 예를 들면 도데실벤젠설폰산 또는 디나프틸메탄디설폰산 및 리시놀레산의 알칼리 금속 또는 암모늄 염; 폼 안정화제, 예컨대 실록산-옥시알킬렌 공중합체 및 다른 오가노폴리실록산, 에톡시화 알킬페놀, 에톡시화 지방 알콜, 파라핀 오일, 캐스타 오일 또는 리시놀레산 에스테르, 터키 레드 오일 및 땅콩 오일; 및 기포 조정제, 예컨대 파라핀, 지방 알콜 및 디메틸폴리실록산을 들 수 있다. 폴리옥시알킬렌 및 플루오로알칸 라디칼을 측쇄기로서 갖는 올리고머 아크릴레이트는 또한 유화 작용, 기포 구조 및/또는 폼의 안정화를 개선시키는데도 적합하다. 표면 활성 물질은 일반적으로 성분(a) 내지 성분(d) 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 5 중량부의 양으로 사용된다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 물질은 저압 또는 고압 기법의 보조로 원-삿(one-shot) 또는 예비중합체 공정에 의해 제조된다. 그 폼은 슬랩스톡 폼 또는 성형 폼으로서 제조될 수 있다. 이들 공정은, 예를 들면 문헌["The Polyurethanes Book", Randall and Lee, Eds, Wiley, 2002]에 기술되어 있다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 예시된다.
A. 미개질된 이산화규소 나노입자의 폴리올 내로의 이동 및 안정한 이산화규소 분산액의 제조
실시예 A1:
이소프로판올 450 g, n-프로판올 450 g, 폴리올 1 720 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 900 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 20 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A2:
상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 400 g은 DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가에 의해 탈이온화하여 pH 2.1로 만들었다. 탈이온화된 실리카 졸 333 g을 이소프로판올 333 g과 폴리올 1 400 g과 혼합하였다. 물-이소프로판올 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 20 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A3:
상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 100/45%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 30 nm, pH 10.0, 이산화규소 농도: 45 중량%) 500 g은 DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가에 의해 탈이온화하여 pH 2.1로 만들었다. 탈이온화된 실리카 졸 444.4 g을 이소프로판올 222 g, n-프로판올 222 g 및 폴리올 1 800 g과 혼합하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 20 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A4:
상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 300/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 9 nm, pH 10.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 700 g은 DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가에 의해 탈이온화하여 pH 2로 만들었다. 탈이온화된 실리카 졸 666.7 g을 이소프로판올 300 g, n-프로판올 300 g 및 폴리올 1 1133.3 g과 혼합하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 15 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A5:
이소프로판올 750 g, n-프로판올 750 g, 폴리올 2 340 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 300 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 15 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A6:
이소프로판올 1000 g, n-프로판올 500 g, 폴리올 3 425 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 375 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 15 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A7:
이소프로판올 200 g, n-프로판올 200 g, 폴리올 4 160 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 200 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 6 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 20 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A8:
이소프로판올 100 g, n-프로판올 100 g, 폴리올 5 226.7 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 200 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 6 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 15 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A9:
이소프로판올 160 g 및 폴리올 6 160 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 200 g에 첨가하였다. 물과 이소프로판올의 혼합물을 6 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 20 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A10:
이소프로판올 100 g, n-프로판올 100 g, 폴리올 7 40 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 200 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 6 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 50 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 A11:
이소프로판올 1000 g, n-프로판올 1000 g, 폴리올 8 583.3 g을 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 1250 g에 첨가하였다. 물, 이소프로판올 및 n-프로판올의 혼합물을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 30 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
B: 폴리올 중의 이산화규소 나노입자의 표면 개질
표면 개질 후 분산액의 이산화규소 농도는 순수 이산화규소를 기초로 한다.
실시예 B1:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 500 g, 폴리올 1 214.3 g, 물 10.8 g(0.6 mol) 및 메틸트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 27.2 g(0.2 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 증류 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B2:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 500 g, 폴리올 1 214.3 g, 물 4 g(0.22 mol) 및 디메틸디메톡시실란(Fluorochem, 영국 올드 글로소프 소재) 13.2 g(0.11 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 증류 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B2b:
교반기를 구비한 1 L 유리 플라스크에서, 상업적으로 이용가능한 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 150 g, 이소프로판올 75 g, n-프로판올 75 g 및 폴리올 1 170 g을 혼합하였다. 이어서, 디메틸디메톡시실란(Fluorochem, 영국 올드 글로소프 소재) 4.8 g(0.04 mol)을 첨가하고, 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 물/이소프로판올/n-프로판올 혼합물 및 추가의 휘발성 구성성분을 4 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 증류에 의해 제거하였다. 이는 이산화규소 농도가 15 중량%인 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B3:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 750 g, 폴리올 1 500 g, 물 8.9 g(0.5 mol) 및 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62 중량% 세기 에탄올성 용액 82.4 g(0.16 mol)을 혼합하였다. 휘발성 구성성분을 감압 하에 75℃에서 2 시간에 걸쳐 증발시킨 후, 이산화규소 농도 12 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 얻었다.
실시예 B4:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 300 g, 폴리올 1 300 g 및 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 8.8 g(0.04 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 제거하였는데, 이는 이산화규소 농도 10 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B5:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 300 g, 폴리올 1 300 g 및 3-머컵토프로필트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 12.9 g(0.07 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 제거하였는데, 이는 이산화규소 농도 10 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B6:
교반기를 구비한 1 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 440.7 g, 과분지형 폴리올에 의해 작용화된 트리에톡시실란(HBP-실란) 55 g(0.023 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 제거하였는데, 이는 이산화규소 농도 16.6 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다. 과분지형 폴리올에 의해 작용화된 트리에톡시실란은 3-아미노프로필트리에톡시실란 11.07 g(0.05 mol)과 2,4-디이소시아네이토-1-메틸벤젠(2,4-TDI) 8.71 g(0.05 mol)을 디클로로메탄 700 ml 중에 실온에서 1 시간 동안 반응시킴으로써 얻었다. 이어서, 과분지형 폴리올(Mw = 1940 g/mol) 97 g(0.05 mol)과 촉매량의 디부틸주석 디라우레이트를 첨가하였고, 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하고, 디클로로메탄을 감압 하에 분리 제거하였다.
실시예 B7:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 실시예 A1로부터 얻은 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 600 g, 폴리올 1 200 g 및 트리메톡시실란(3-(2,3-에폭시프로폭시)프로필트리메톡시실란과 Jeffamine XTJ-505의 반응에 의해 얻을 수 있음) 53.5 g(0.06 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 분리 제거하였는데, 이는 이산화규소 농도 15 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다. 상기 실란을 제조하기 위해서, 3-(2,3-에폭시프로폭시)프로필트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 28.3 g(0.12 mol)과 Jeffamine XTJ-505(Huntsman) 71.7 g(0.12 mol)을 혼합하고, 60℃에서 밤새 동안 교반하였다.
실시예 B8:
교반기를 구비한 3 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 1000 g, 폴리올 1 818 g 및 N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)에틸렌디아민(Z6020, Dow Corning) 59.3 g(0.27 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 제거하였는데, 이는 이산화규소 농도 11 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B9:
교반기를 구비한 1 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 150 g, 폴리올 1 50 g 및 메틸트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 2.72 g(0.02 mol) 및 디메틸디메톡실란(Fluorochem, 영국 올드 글로소프 소재) 2.40 g(0.02 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 증류 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 15 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
실시예 B10:
교반기를 구비한 1 L 유리 플라스크에서, 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 실시예 A1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 150 g, 폴리올 1 50 g, 물 1.08 g(0.04 mol) 및 메틸트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 2.04 g(0.015 mol)을 혼합하고, 실온에서 15 분 동안 교반하였다. 이 혼합물에 아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 3.32 g(0.015 mol)을 첨가하였다. 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하고, 이어서 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 증류 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 15 중량%를 갖는 폴리올 중의 안정한 투명 이산화규소 분산액을 생성하였다.
C: 이산화규소- 폴리올 분산액의 pH 의 조정
실시예 C1: 에탄올 중의 나트륨 에톡사이드의 20% 세기 용액을 사용하는 이산화규소 분산액의 pH의 변경
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 실시예 A1로부터 얻은 20 중량%의 이산화규소 농도를 갖는 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 1100 g을 폴리올 1 471 g과 혼합하였는데, 이는 폴리올 중의 14% 세기 이산화규소 분산액을 생성하였다(이 분산액 3 g과 탈이온수 17 g의 혼합은 결과적으로 pH 4.3을 형성하였고, 이 혼합물에 대한 산-염기 인디케이터로서 에탄올 중의 0.1% 세기 크레졸 레드 용액 0.4 g의 첨가는 황색으로의 색상 변화를 발생시켰다). 에탄올 중의 나트륨 에톡사이드의 20% 세기 용액(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 4.4 g을 첨가하고, 그 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 30 분 동안 교반하고, 에탄올을 75℃에서 감압 하에 분리하였다. 이는 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 안정한 투명한 이산화규소-폴리올 분산액을 생성하였다. 이 분산액 3 g과 탈이온수 17 g의 혼합은 결과적으로 pH 8.9를 생성하였고, 그 혼합물에 대한 (산-염기 인디케이터로서) 0.1% 세기 에탄올성 크레졸 레드 용액 0.4 g의 첨가는 적색으로의 색상 변화를 발생시켰다. pH 값은 HI 1131 pH 전극을 구비한 Hanna Instruments HI 221 pH 미터를 사용하여 측정하였다.
실시예 C2: 실시예 C1로부터 얻은 샘플의 표면 개질
교반기를 구비한 21 L 유리 플라스크에서, 실시예 C1로부터 얻은 이산화규소 농도 14 중량% 및 pH 8.9를 갖는 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 785 g, 물 4.3 g(0.24 mol) 및 디메틸디메톡시실란(Fluorochem, 영국 올드 글로소프 소재) 14.5 g(0.12 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 혼합물을 냉각한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 그리고 감압 하에 2 시간에 걸쳐 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 안정한 투명 이산화규소-폴리올 분산액을 생성하였다. 이 분산액 3 g과 탈이온수 17 g의 혼합은 결과적으로 pH 9.5를 생성하였고, 그 혼합물에 대한 (산-염기 인디케이터로서) 0.1% 세기 에탄올성 크레졸 레드 용액 0.4 g의 첨가는 적색으로의 색상 변화를 발생시켰다. pH 값은 HI 1131 pH 전극을 구비한 Hanna Instruments HI 221 pH 미터를 사용하여 측정하였다.
실시예 C3: 폴리올 중에서 표면 개질 및 pH의 후속적 변경
교반기를 구비한 21 L 유리 플라스크에서, 실시예 A1로부터 얻은 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 550 g, 폴리올 1 235.7 g, 물 4.3 g(0.23 mol) 및 디메틸디메톡시실란(Fluorochem, 영국 올드 글로소프 소재) 14.5 g(0.12 mol)을 혼합하였다. 결과로 생성된 혼합물을 70℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 이 분산액 3 g과 탈이온수 17 g의 혼합은 결과적으로 pH 4.6를 생성하였고, 그 혼합물에 대한 산-염기 인디케이터로서 0.1% 세기 에탄올성 크레졸 레드 용액 0.4 g의 첨가는 황색으로의 색상 변화를 발생시켰다. 혼합물을 냉각한 후, 나트륨 에톡사이드의 20% 세기 에탄올성 용액(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 2.2 g을 첨가하였다. 340 분 동안 교반한 후, 휘발성 구성성분을 75℃에서 감압 하에 2 시간에 걸쳐 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 인정한 투명 이산화규소-폴리올 분산액을 생성하였다. 이 분산액 3 g과 탈이온수 17 g의 혼합은 결과적으로 pH 10.2를 생성하였고, 그 혼합물에 대한 ( 산-염기 인디케이터로서) 0.1% 세기 에탄올성 크레졸 레드 용액 0.4 g의 첨가는 적색으로의 색상 변화를 발생시켰다. pH 값은 HI 1131 pH 전극을 구비한 Hanna Instruments HI 221 pH 미터를 사용하여 측정하였다.
D: 수-용매 중의 이산화규소 나노입자의 표면 개질 및 폴리올 내로의 그 개 질된 이산화규소 입자의 이동
실시예 D1:
교반기를 구비한 2 L 유리 플라스크에서, 상업적으로 이용가능한 수성 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 의한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 500 g, 이소프로판올 250 g 및 n-프로판올 250 g을 혼합하였다. 이어서, 메틸트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 15 g(0.11 mol)을 첨가하고, 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 실란화를 종료한 후, 폴리올 1 400 g을 첨가하고, 교반 후, 물, 이소프로판올, n-프로판올 및 추가의 휘발성 구성성분을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 분리 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 안정한 투명 이산화규소-폴리올 분산액을 생성하였다.
실시예 D2:
상업적으로 이용가능한 수성 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 의한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 500 g은 DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가에 의해 탈이온화하여 pH 2.1로 만들었다, 탈이온화된 실리카 졸 400 g을 이소프로판올 200 g 및 n-프로판올 200 g을 혼합하였다. 이어서, 메틸트리메톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 18 g(0.13 mol)을 첨가하고, 결과로 생성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 실란화를 종료한 후, 폴리올 1 480 g을 첨가하고, 교반 후, 물, 이소프로판올, n-프로판올 및 추가의 휘발성 구성성분을 8 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 분리 제거하였다. 이는 이산화규소 농도 20 중량%를 갖는 안정한 투명 이산화규소-폴리올 분산액을 생성하였다.
실시예 D3:
교반기를 구비한 1 L 유리 플라스크에서, 상업적으로 이용가능한 수성 산성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 의한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 250 g 및 이소프로판올 250 g과 혼합하였다. 이어서, 트리메톡시실란(3-(2,3-에폭시프로폭시)프로필트리메톡시실란과 Jeffamine XTJ-505의 반응에 의해 얻어짐) 21.5 g(0.026 mol)을 첨가하고, 결과로 형성된 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 실란화를 종결한 후, 폴리올 1 450 g을 첨가하고, 교반 후, 물, 이소프로판올, n-프로판올 및 추가의 휘발성 구성성분을 6 시간에 걸쳐 감압 하에 그리고 30℃에서 75℃로 단계적으로 증가되는 온도에서, 온도가 최종 1-2 시간에 걸쳐 75℃에 있도록 하여, 분리하였다. 이는 이산화규소 농도 10 중량%를 갖는 안정한 투명 이산화규소-폴리올 분산액을 생성하였다. 상기 실란의 합성은 3-(2,3-에폭시프로폭시)프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 28.3 g(0.12 mol)과 Jeffamine XTJ-505(Huntsman) 71.7 g(0.12 mol)을 혼합하고, 60℃에서 밤새 교반하였다.
E: 이산화규소 나노입자에 의해 강화된 폴리우레탄 탄성중합체의 기계적 특성
기계적 시험을 위한 견본의 제조는 폴리우레탄 산업에서 통상적인 방법으로 수행하였다. 실시예에서 중합체 물질을 제조하는데 사용된 출발 물질은 표 1a-1b에 나타내었다.
폴리우레탄 제형을 위한, 폴리올과 이산화규소 입자 및 다른 출발 물질과의 잘 혼합된 균질한 블렌드에 이소시아네이트를 첨가하였다. 이 제형을 개방 모울드 내에 부어 넣고, 50℃에서 반응 및 경화시켜서 200 × 150 × 5 mm의 치수를 갖는 플레이트를 생성하였다. 얻어진 이 재료를 60℃에서 24 시간 동안 가열하고, 기계적 특성을 그 플레이트의 중간 부분으로부터 절단된 상응하는 시험 견본에 대하여 측정하였다. 최종 폴리우레탄은 1.5 내지 9.8 중량%의 SiO2를 포함하였다. 이 측정은 폴리우레탄 중합체의 시험에 통상적인 시험 방법을 이용하여 수행하였다.
실시예 E1: 폴리우레탄 탄성중합체의 제조 - 참조예
실리콘 함유 계면활성제(Tegostab(등록상표) B4113) 0.94 g. TEG 중의 1,4-디아자바이시클로[2.2.2]옥탄의 33 중량% 세기 용액(Dabco(등록상표) 33LV) 1.06 g 및 K-Ca-Na-제올라이트 페이스트 14.08 g의 혼합물을 폴리올 1 210.7 g과 1,4-부탄올 8.4 g에 첨가하였다. 결과로 생성된 혼합물을 고속력 혼합기에서 1 분 동안 혼합한 후, 실온에서 30 분 동안 방치하도록 하였다. NCO 함량 23%를 갖는 연질 탄성중합체 및 성형 연질 폼을 위한 상업적 MDI 예비중합체(Lupranat(등록상표) MP 102)를 첨가하고, 고속력 혼합기에서 1 분 동안 교반한 후, 개방 모울드 내로 부어 넣고, 50℃에서 반응 및 경화시켜서 200 × 150 × 5 nm의 치수를 갖는 플레이트를 생성하였다. 얻어된 재료를 60℃에서 24 시간 동안 가열하고, 기계적 특성을 그 플레이트의 중간 부분으로부터 절단된 상응하는 시험 견본에 대하여 측정하였다.
실시예 E2-3(표 2 참조): 이산화규소 나노입자를 포함하는 폴리우레탄 탄성중합체의 제조
실시예 B1로부터 얻은 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 폴리올 1 중의 개질된 이산화규소 나노입자의 분산액 126.1 g, 폴리올 89.8 g 및 1,4-부탄올 7.95 g을 혼합하고, 이 혼합물에 Tegostab(등록상표) B4113 0.88 g, Dabco(등록상표) 33LV 0.99 g 및 K-Ca-Na-제올라이트 페이스트 13.25 g을 첨가하였다. 결과로 생성된 혼합물을 고속력 혼합기에서 1 분 동안 균일화한 후, 실온에서 30 분 동안 방치하도록 하였다. Lupranat(등록상표) MP 102 61 g을 첨가하고(이는 결과적으로 이소시아네이트 지수 105를 생성함), 고속력 혼합기에서 1 분 동안 교반한 후, 혼합물을 개방 모울드 내에 부어 넣고, 50℃에서 반응 및 경화시켜서 200 × 150 × 5 mm의 치수를 갖는 플레이트를 생성하였다. 얻어진 이 재료를 60℃에서 24 시간 동안 가열하고, 기계적 특성을 그 플레이트의 중간 부분으로부터 절단된 상응하는 시험 견본에 대하여 측정하였다. 최종 폴리우레탄은 SiO2 5.9 중량%를 포함하였다.
추가 탄성중합체는 탄성중합체 중의 다양한 입자 농도를 이용하여 유사한 방식으로 제조하였다. 이는 보다 작은 양의 농축된 폴리올-입자 블렌드와 보다 많은 양의 순수 캐리어 폴리어의 사용에 의해 달성되었고, 상기 농축된 폴리올-입자 블렌드로서는 B1로부터 얻은 분산액을 사용하였다. 추가 탄성중합체는 상이한 표면 개질을 갖는 입자를 사용하고 상이한 방법에 의해 개질된 입자를 사용하여 유사한 방식으로 제조하였다.
실시예 E3-1 내지 E3-5에서는 실시예 B2로부터 얻은 농축된 폴리올-입자 블랜드를 사용하였고, 실시예 E4-1 내지 E4-4에서는 실시예 B3로부터 얻은 농축된 폴리올-입자 블렌드를 사용하였으며, 실시예 E5-1 내지 E5-5에서는 실시예 B4로부터 얻은 농축된 폴리올-입자 블렌드를 사용하였고, 실시예 E6-1 내지 E6-3에서는 실시예 B6으로부터 얻은 농축된 폴리올-입자 블랜드를 사용하였으며, 실시예 E7-1 내지 E7-4에서는 실시예 D1로부터 얻은 농축된 폴리올-입자 블렌드를 사용하였고, 실시예 E8-1 및 E8-2에서는 실시예 D3으로부터 얻은 농축된 폴리올-입자 블렌드를 사용하였다.
[표 1a] 폴리올
Figure pct00001

[표 1b] 이소시아네이트 및 첨가제
Figure pct00002
[표 1c] 실리카 졸
Figure pct00003

[표 1d] 실란
Figure pct00004

[표 2]
Figure pct00005
F: 이산화규소 나노입자에 의해 강화된 폴리우레탄 폼의 기계적 특성
기계적 시험을 위한 견본의 제조는 폴리우레탄 산업에서 통상적인 방법을 이용하여 수행하였다. 실시예에서 그 중합체 물질을 제조하는데 사용된 출발 물질은 표 1a-b에 나타내었다.
폴리우레탄 제형을 위한, 이산화규소 입자를 포함하는 폴리올과 다른 출발 물질의 잘 혼합된 균질한 블렌드에 이소시아네이트를 첨가하였다. 이 제형을 개방 모울드 내에 부어 넣고, 실온에서 반응 및 경화시켰다. 기계적 특성을 그 폼 블록의 중간부로부터 절단된 상응하는 시험 견본에 대하여 표준 시험 방법에 따라 측정하였다. 이러한 방식으로 얻어진 폴리우레탄 폼은 1.5 내지 3.9 중량%의 SiO2를 포함하였다.
실시예 F1: 연질 폼의 제조 - 참고예
Tegostab(등록상표) B4113 0.46 g, 실리콘 함유 계면활성제(Tegostab(등록상표) B8680) 0.46 g, Dabco(등록상표) 33LV 1.53 g 및 촉매로서 DPG 중의 비스(N,N-디메틸아미노에틸)에테르의 70 중량% 세기 용액(Niax(등록상표) A1) 0.46 g을 폴리올 1 306.2 g에 첨가하였다. 이 얻어진 블렌드를 실험용 교반기에 의해 혼합하였다. 물 9.19 g을 첨가하였다. 이 혼합물을 실험용 교반기에 의해 1 분 동안 균질화하고, 이어서 실온에서 30 분 동안 방치하도록 하였다. 이소시아네이트 1(NCO 값 31.3% 및 Fn = 2.25를 갖는, 4,4'-MDI, 2,4'-MDI 및 중합체 MDI의 42.0/21.0/37.0의 비율의 혼합물) 131.7 g을 첨가하였다. 1500 rpm으로 실험용 교반기에 의해 10 초 동안 교반한 후, 그 혼합물을 개방 모울드 내에 부어 넣고, 실온에서 반응 및 경화시켜서, 6 L 폼 블록을 생성하였다. 실온에서 24 시간에 걸쳐 경화를 종료한 후, 그 폼을 모울드로부터 제거하고, 기계적 특성을 측정하였다.
실시예 F2: 이산화규소 나노입자를 포함하는 연질 폼의 제조
실시예 B4로부터 얻은 이산화규소 농도 10 중량%를 갖는 폴리올 1 중의 실란화된 이산화규소 분산액 176 g과 폴리올 1 134.9 g을 혼합하고, 이 블렌드에 Tegostab(등록상표) B4113 0.44 g, Tegotab(등록상표) B8680 0.44 g, Dabco(등록상표) 33LV 2.05 g 및 Niax(등록상표) A1 0.44 g을 첨가하였다. 이 얻어진 블렌드를 실험용 교반기에 의해 혼합하였다. 물 8.8 g을 첨가하였다. 혼합물을 실험용 교반기에 의해 1 분 동안 균질화한 후, 실온에서 30 분 동안 방치하도록 하였다. 이소시아네이트 1 126.9 g을 첨가하고, 1500 rpm으로 실험용 교반기에 의해 10 초 동안 교반한 후, 혼합물을 개방 모울드 내에 부어 넣고, 실온에서 반응 및 경화시켜서, 6 L 폼 블록을 생성하였다. 실온에서 24 시간에 걸쳐 경화를 종료한 후, 그 폼을 모울드로부터 제거하고, 기계적 특성을 측정하였다. 최종 폴리우레탄 폼은 SiO2 3.9 중량%를 함유하였다.
표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 압축 변형 값은 이산화규소의 첨가에 의해 개선되었다.
[표 3]
Figure pct00006

실시예 F3: 예비중합체의 제조
이소시아네이트 1 775.7 g을 이산화규소 농도 14 중량%를 갖는 실시예 B1로부터 얻은 폴리올 1 중의 이산화규소 분산액 224.3 g과 혼합하였다. 결과로 형성된 혼합물을 80℃에서 3 시간 동안 교반하여, 이산화규소 농도 3.1 중량%를 갖는 예비중합체 중의 안정한 이산화규소 분산액을 생성하였다. 그 예비중합체는 연질 폼을 제조하는데 사용할 수 있다.
비교예
비교예 G1:
상업적으로 이용가능한 산성 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 300 g과 이소프로판올 300 g을 혼합하였다. 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62% 세기 에탄올성 용액 32.9 g을 서서히 첨가한 후, 겔 유사 생성물을 얻었다.
비교예 G2:
상업적으로 이용가능한 산성 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 50 g과 이소프로판올 360 g을 혼합하였다. 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62% 세기 에탄올성 용액 5.5 g을 서서히 첨가한 후, 겔 유사 생성물을 얻었다.
비교예 G3:
상업적으로 이용가능한 산성 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 300 g을 물 300 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62% 세기 에탄올성 용액 32.9 g을 서서히 첨가한 후, 겔 유사 생성물을 얻었다.
비교예 G4:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 200 g을 물 130 g 및 이소프로판올 270 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62% 세기 에탄올성 용액 32.9 g을 서서히 첨가한 후, 겔 유사 생성물을 얻었다.
비교예 G5:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 200 g을 물 400 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62% 세기 에탄올성 용액 32.9 g을 서서히 첨가하고, 결과로 생성된 용액을 실온에서 24 시간 동안 교반하였다. 겔 형성으로 인하여, 폴리올 1 내로의 직접적인 이동도 가능하지 않았고, 또한 이소프로판올과의 혼합과 폴리올 1 내로의 후속적인 이동도 가능하지 않았다.
비교예 G6:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 200 g을 물 400 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 비스(2-히드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(ABCR GmbH & Co KG, 독일 칼스루에 소재)의 62% 세기 에탄올성 용액 32.9 g을 서서히 첨가하고, 결과로 생성된 용액을 실온에서 24 시간 동안 교반한 후, DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가에 의해 탈이온화하여 pH를 4로 만들었다. 탈이온화된 실리카 졸을 이소프로판올 540 g 및 폴리올 1 540 g과 혼합하였다. 감압 하에 75℃에서 물-이소프로판올 혼합물을 증발시켜서 겔 유사 생성물을 생성하였다.
비교예 G7
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 200 g을 물 400 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 14.6 g을 첨가한 후, 유사 생성물을 얻었다.
비교예 G8:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 200 g을 물 400 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 8.9 g을 서서히 첨가하고, 결과로 생성된 용액을 실온에서 18 시간 동안 교반하였다. 겔 형성으로 인하여, 폴리올 1 내로의 직접적인 이동도 가능하지 않았고, 이소프로판올과의 혼합 후에도 폴리올 1 내로의 이동도 가능하지 않았다.
비교예 G9:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 30 중량%) 200 g을 물 400 g으로 희석하여 이산화규소 함량을 10 중량%로 만들었다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 8.9 g을 서서히 첨가하고, 결과로 생성된 용액을 실온에서 18 시간 동안 교반하였다. DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가 후, 그 실란화된 졸은 신속하게 겔 유사 상태로 되었다.
비교예 G10:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 20 중량%) 300 g을 메탄올 120 g으로 희석하였다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 6.6 g을 메탄올 100 g에 용해시키고, 그 결과로 생성된 용액을 10 g/h의 속도로 서서히 희석된 졸에 첨가하였다. 이 첨가를 완료한 후, 이미 혼탁된 용액을 실온에서 5 시간 동안 더 교반하였다. DOWEX(등록상표) MONOSPHERE(등록상표) 650C(H) 양이온 교환 수지의 첨가 후, 이미 혼탁된 실란화 졸은 신속하게 겔 유사 상태로 되었다.
비교예 G11:
상업적으로 이용가능한 산성 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200/30%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 9.0, 이산화규소 농도: 20 중량%) 300 g을 메탄올 300 g으로 희석하였다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 6.6 g을 메탄올 100 g에 용해시키고, 그 결과로 생성된 용액을 10 g/h의 속도로 서서히 희석된 졸에 첨가하였다. 이 첨가를 완료한 후, 용액을 실온에서 5 시간 동안 더 교반하였다. 폴리올 1 270 g을 첨가한 후, 실란화된 졸은 신속하게 겔 유 사 상태로 되었다.
비교예 G12:
상업적으로 이용가능한, 알칼리 안정화된 수성 실리카 졸(Levasil(등록상표) 200E/20%, H.C. Starck GmbH & Co KG, 독일 레버쿠젠 소재, BET 방법에 기초한 입자 직경: 15 nm, pH 2.5, 이산화규소 농도: 20 중량%) 100 g 및 이소프로판올 120 g을 혼합하였다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(Merck Schuchardt OHG, 독일 호헨브룬 소재) 13.3 g을 서서히 첨가한 후, 겔-유사 생성물을 얻었다.

Claims (10)

  1. 실리케이트 함유 폴리올의 제조 방법으로서,
    (i) 평균 입자 직경 1 내지 150 nm, 사용된 SiO2 함량을 기준으로 한, SiO2로서 계산된 실리카 함량 1 내지 60 중량% 및 pH 1 내지 6을 갖는 수성 실리카 졸(K)과, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-2-프로판올, 1-클로로-2-프로판올, 시클로로펜탄올, 시클로헥산올, 1,4-디옥산, 테트라히드로푸란, 1-메톡시-2-프로판올, 1-에톡시-2-프로판올, 2-에톡시에탄올, 2-메틸-2-프로판올, 2-메톡시에탄올, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 설폭사이드, 아세톤, 메틸에틸케톤 및 에틸아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매(L) (물의 양을 기준으로 하는) 0.1 내지 20 배의 양을 혼합하는 단계,
    (ii) 그 생성된 혼합물을 폴리올과 혼합하는 단계,
    (iii) 증류에 의해 물과 유기 용매(L)를 적어도 일부 제거하는 단계,
    (iv) 하나 이상의 적어도 모노알콕시화된 실릴 기 및 헤테로원자를 함유할 수 있는 적어도 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 치환기를 갖는 하나 이상의 화합물(S)로서, 상기 치환기는 알콜, 아민 또는 이소시아네이트에 대하여 반응성인 기를 임의로 갖는 것인 하나 이상의 화합물(S)을 (K)의 표면적 m2 당 0.1 내지 20 μmol의 양으로 혼합하는 단계(단계 (i), (ii) 및 (iv)는 동시적으로 또는 임의 순서상 연속적으로 수행할 수 있음),
    (v) 임의로, 실라카 함유 폴리올의 pH를 강한 염기성 화합물의 첨가에 의해 7 내지 12의 값으로 조정하는 단계(단계 (v)는 또한 단계 (iii)와 (iv) 사이에서 수행할 수 있음)
    를 포함하는 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계(i)에서 사용된 수성 실리카 졸(K)의 pH가 2 내지 6이고, 그 평균 입자 직경이 5 내지 150 nm이며, 그 실리카 함량이 10 내지 60 중량%인 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폴리올로서는 폴리에테르 폴리올을 사용하는 것인 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드를 기초로 하고 몰 중량 96 내지 20,000 g/mol을 갖는 폴리에테르 폴리올 또는 몰 중량 550 내지 4,000 g/mol을 갖는 폴리테트라히드로푸란을 사용하는 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 화합물(S)는 적어도 모노알콕시화된 실릴 기 (R1-O-)n-Si-를 가지며, 여기서 R1은 C1-C20 알킬이고, n은 1 내지 3의 정수인 것인 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, R1이 C1-C4 알킬이고, n이 2 또는 3인 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 화합물(S)은 헤테로원자를 함유할 수 있는 비반응성 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 치환기를 함유하는 것인 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 화합물(S)은 반응성 기로서 1차 아미노 기, 히드록실 기, 티올 기 또는 에폭시 기를 갖는 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 치환기를 함유하는 것인 제조 방법.
  9. 폴리우레탄 물질의 제조 방법으로서, (a) 유기 폴리이소시아네이트를 (b) 폴리올, 필요한 경우, (c) 사슬 연장제 및/또는 가교제, (d) 발포제, (e) 촉매 및 필요한 경우 (f) 보조제 및 첨가제와 혼합하여 반응 혼합물을 형성시키고, 이 반응 혼합물을 완전 반응시키는 공정을 포함하고, 여기서 폴리올(b)은 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 방법에 의해 얻어질 수 있는 실리케이트 함유 폴리올인 것인 제조 방법.
  10. 폴리우레탄 물질을 제조하기 위한, 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 방법에 의해 얻어질 수 있는 실리케이트 함유 폴리올의 용도.
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