KR20140100466A - 페놀 수지를 기재로 하는 발포 물질 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 페놀 수지에 기초한 발포 물질 및 그것의 이용에 관한 것이다. 본질적으로 변함없는 발포 물질 특성 내에서, 개선된 특성, 특히 개선된 난연 특성을 갖는 바이오-기반의, 열경화성 발포 물질을 제공하기 위해서, 적어도 다음 단계들에 의해 제조되는 발포 물질이 제안된다: a) 적어도 하나의 페놀 화합물과 포름알데히드를 1:1.0 내지 1:3.0 의 비율로, 50 내지 100 ℃ 의 온도 범위에서, 사용된 원료의 양에 대하여 0.15 내지 5 중량 퍼센트의 염기성 촉매를 이용해서, 반응 혼합물의 굴절률이 1.4990 내지 1.5020 이 될 때까지 축합에 의해 예비중합체를 제조하는 단계, 그리고 이어서 b) 50 내지 100 ℃ 의 온도에서 적어도 하나의 천연 폴리페놀을 사용된 원료의 양에 대하여 2 내지 40 중량 퍼센트 첨가하는 단계, c) 하나 이상의 유화제 및 그들의 혼합물을 사용된 원료의 양에 대하여 2 내지 10 중량 퍼센트 첨가하는 단계, d) 하나 이상의 발포제 및 그들의 혼합물을 사용된 원료의 양에 대하여 2 내지 10 중량 퍼센트 첨가하는 단계, 그리고 e) 경화제를 사용된 원료의 양에 대하여 10 내지 20 중량 퍼센트 첨가하는 단계, 그리고 f) 경화하는 단계.
Description
본 발명은 페놀 수지에 기초한 발포체 및 그것의 이용에 관한 것이다.
페놀 수지에 기초한 발포체는 건물 건축, 광업 및 터널 공사 분야에서 실링재(sealing) 및 단열재로 주로 사용된다. 이러한 발포체는 일반적으로 수성 레졸(aqueous resols)을 기재로 해서 제조되며, 발포제(blowing agent) 및 경화제(curative)를 사용해서 가열과 함께 또는 가열하지 않고 페놀 수지 발포체로 가공된다.
DE 3 718 724 는, 첫 번째 단계가 페놀-포름알데히드 수지를 발포제, 유화제(emulsifier) 및 경화제와 혼합하는 것인, 페놀 수지 발포체의 일반적인 제조 공정을 기술하며, 여기서 경화제는 무기산이거나 또는 강한 유기산이다. 산(acid)의 선택은 원하는 경화 시간 및 온도에 의존한다. 사용되는 발포제는 전형적으로 할로겐화 또는 비-할로겐화 지방족 탄화수소이다.
본 발명의 목적은, 본질적으로 변함없는 발포 특성과 결부된, 개선된 특성, 특히 개선된 난연(flame-retardant) 특성을 갖는 바이오 기반의 열경화성 발포체를 제공하는 것이다.
이 목적은 발포체가 적어도 다음 단계들에 의해 제조되는 경우에 본 발명에 따라서 달성된다:
a) 적어도 하나의 페놀 화합물과 포름알데히드를 1:1.0 내지 1:3.0 범위의 비율로, 50 내지 100 ℃ 의 온도 범위에서, 원료 소요량을 기준으로 0.15 내지 5 wt% 의 염기성 촉매의 지원 하에서, 반응 혼합물의 굴절률이 1.4990 내지 1.5020 범위에 있을 때까지 축합하는 것에 의해, 예비중합체를 준비하는 단계, 그리고 이후에
b) 50 내지 100 ℃ 의 온도에서 적어도 하나의 천연 폴리페놀을 원료 소요량을 기준으로 5 내지 40 wt% 첨가하는 단계,
c) 하나 이상의 유화제 및 그들의 혼합물을 원료 소요량을 기준으로 2 내지 10 wt% 첨가하는 단계,
d) 하나 이상의 발포제 및 그들의 혼합물을 원료 소요량을 기준으로 2 내지 10 wt% 첨가하는 단계, 그리고
e) 경화제를 원료 소요량을 기준으로 10 내지 20 wt% 첨가하는 단계, 그리고
f) 경화하는 단계.
본 발명은, 본질적으로 변함없는 발포 특성과 결부된, 개선된 특성, 특히 개선된 난연(flame-retardant) 특성을 갖는 바이오 기반의 열경화성 발포체를 제공하는 효과가 있다.
염기성 촉매의 존재 하에서 페놀, 포름알데히드 및 천연 페놀 그룹으로부터의 하나 이상의 재생가능한 원료 사이에 축합 반응의 특정한 형태에 의해 발포 수지가 얻어진다 (a 및 b 단계). 이 바이오 기반의 수지로부터 얻어진 발포체는 (c 내지 e 단계), 발포체의 다른 특성들, 예를 들어 열전도도, 내마모성, 독립기포율(closed cell content) 및 압축강도는 본질적으로 변함없으면서 난연 특성을 뚜렷하게 개선하였으며, 따라서 화재, 열, 추위 및 소음으로부터 보호하는 적용에 매우 유용하다.
페놀 및/또는 크레졸(cresol) 예를 들어, 쉬운 이용성을 위해 바람직한 페놀로부터 선택된 적어도 하나의 페놀 화합물과, 1:1.0 내지 1:3.0 범위의 비율에서 종래의 방식으로 축합되는 포름알데히드에 의해 예비중합체가 준비된다. 페놀에 대한 유리 포름알데히드(free formaldehyde)의 비율이 그러면 이상적으로 균형잡히고 최종 생성물의 단량체 함량이 최소화되기 때문에, 1:1.5 내지 1:2.5 범위의 비율이 바람직하다. 원료 소요량을 기준으로 0.15 내지 5 wt%, 바람직하게는 0.3 내지 1.5 wt% 의 염기성 촉매(예를 들어, 수산화 칼륨(KOH), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 바륨(Ba(OH)2), 트리에틸아민(triethylamine))의 영향 하에서 축합이 일어난다. 50 내지 100 ℃ 의 온도 범위에서 30 내지 150 분 범위의 기간에 걸쳐 포름알데히드가 첨가된다. 75 및 85 ℃ 사이의 온도에서 50 내지 70 분 범위의 기간에 걸치는 것이 선호되는데, 그것이 반응의 최적 발열 제어를 보장하기 때문이다. 축합 반응은 반응 혼합물의 굴절률이 1.4990 내지 1.5020 범위에 있도록, 바람직하게는 1.4995 내지 1.5015 범위에 있도록 조절된다. 굴절률은 축합 정도의 척도이다. 굴절률은 DIN 51423-2 에 따라서 25 ℃ 에서 아베 굴절계(Abbe refractometer)를 이용하여 측정된다. 최종 생성물에서 아주 적은 유리 페놀(free phenol)이 존재하도록 하기 위해서 유리 페놀 함량이 그 단계에서 이미 10 % 미만인 경우가 바람직하다.
페놀 화합물과 포름알데히드 사이에 반응이 일어난 이후에, 캐슈열매껍질액(cashew nut shell liquid, CNSL), 탄수화물 식품, 탄닌(예를 들어, 케브라초 탄닌(quebracho tannin))과 그들의 유도체 및/또는 리그닌과 그들의 유도체(예를 들어, 리그노술폰산 나트륨(sodium lignosulphonate))으로부터 선택되는 적어도 하나의 천연 폴리페놀이 원료 소요량을 기준으로 5 내지 40 wt% 첨가된다. CNSL, 탄닌 및/또는 리그닌 화합물의 5 내지 20 wt% 가 특히 유리한데, 이것은 최종 발포체의 난연 특성에서 훨씬 더 뚜렷한 개선을 가져다주는 것으로 판명되었기 때문이며, 제품의 더 넓은 효용으로 이어진다. 또한, CNSL, 탄닌 및/또는 리그닌 화합물은 자연적으로 재생가능한 원료이며, 따라서 환경에 대한 의식이 높은 방식으로 제품을 제공하는 것에 기여한다. 천연 폴리페놀은 50 내지 100 ℃, 바람직하게는 75 내지 85 ℃ 의 온도에서, 90 내지 210 분, 바람직하게는 120 내지 180 분 범위의 기간에 걸쳐 첨가된다.
이어서 40 내지 70 ℃로 냉각하고 감압 하에서 7 내지 20 % 의 수분 함량에 이르기까지 정제하는 것은 유리하지만 절대적으로 필요한 것은 아니며, 따라서 바이오 기반의 발포 수지는 2000 내지 14000 mPas 범위에서 점도를 갖고, 이것은 최적의 추가 공정을 가능하게 한다.
a) 및 b) 단계로부터의 생성물은 저온에 저장될 수 있고 필요할 때 사용될 수 있다.
c) 단계는 본 발명의 발포 수지를 포함하며, 그것은 재생가능한 원료를 기반으로 하고 a) 및 b) 단계에서 수득되고, 원료 소요량을 기준으로 2 내지 10 wt% 의 하나 이상의 유화제와 혼합된다. 4 내지 8 wt% 의 양을 사용하는 것이 바람직하다. 4 wt% 미만의 양과 8 wt% 를 초과하는 양은 균일한 혼합을 보장하지 않으며, 대신에 d) 내지 e) 단계에서 첨가되는 물질들이 어느 정도 분리되는 원인이 된다. 유화제는 포화 및 불포화 지방산, 수산화 지방산, 지방 알코올(fatty alcohols), 글리세리드(glycerides) 또는 식물성 오일 상에 산화에틸렌(ethylene oxide) 및/또는 산화프로필렌(propylene oxide)의 부가물 및/또는 디메틸프탈레이트(dimethyl phthalate), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 무수 프탈산(phthalic anhydride) 및/또는 그들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 유화제, 또는 둘 이상의 유화제의 혼합물은 20 내지 30 ℃ 의 온도에서 혼합된다.
이어서, d) 단계에서, 하나 이상의 발포제 및/또는 그들의 혼합물이 원료 소요량을 기준으로 2 내지 10 wt%, 바람직하게는 3 내지 8 wt% 의 농도로 혼합된다. 발포제의 농도가 2 wt% 미만인 경우, 수지의 발포는 일어나지 않는다. 10 wt% 를 초과하는 양의 발포제는 경화하는 동안 몰드(mould) 내의 압력을 과도하게 하고 발포체가 붕괴하는 원인이 된다. 발포제가 발포가능한 수지에 첨가되는 온도는 15 내지 25 ℃ 범위이다. 사용되는 발포제는 종래기술로부터의 관습상의 물질, 예를 들어 이소프로필클로라이드(isopropyl chloride), 이소펜탄(isopentane), 사이클로펜탄(cyclopentane), 부탄(butane), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 및/또는 헵탄(heptane) 및/또는 그들의 혼합물이다.
e) 단계에서 혼합물에 하나 이상의 경화제(예를 들어 인산, 황산, 페놀설폰산(phenolsulphonic acid), p-톨루엔설폰산(p-toluenesulphonic acid), 크실렌설폰산(xylenesulphonic acid)와 같은 무기산 또는 유기산)를 원료 소요량을 기준으로 10 내지 20 wt% 첨가하는 것 및 몰드에 혼합물을 주입하는 것은 본 발명의 발포체가 40 내지 70 ℃ 의 온도에서 통상의 방식으로 경화하게 한다 (f 단계).
일반적으로, 난연제, 가공보조제(processing aid), 가소제, 중화 시약 또는 반응도에 영향을 미치는 첨가제들과 같은 추가 물질들은 a) 내지 e) 단계에서 혼합될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태가 아래에서 실시예에 의해 더 상세히 설명될 것이다.
실시예
1 - 본 발명의
실시예
(발포가능한 수지 1)
교반기를 구비한 실험실 반응 장치 내에서, 100 g 의 페놀이 109.2 g 의 포름알데히드 (45%) 및 1.2 g 의 NaOH (50%)와 혼합되었다. 이 용액은 80 ℃ 로 가열되고 1.5002 의 굴절률 및 10 % 미만의 유리 페놀 함량에 이르기까지 축합된다. 냉각 이후에, 20 g 의 유기용제형 리그닌(organosolv lignin)이 첨가되며, 혼합물은 유리 페놀 함량이 7.5 % 미만이 될 때까지 약 80 ℃ 의 온도에서 유지된다. 감압 하에서 15.7 % 의 수분 함량에 이르기까지 정제가 이것을 뒤따른다.
실시예
2 - 본 발명의
실시예
(발포된 수지 1)
542 g 의 발포가능한 수지 1 에 23 g 의 에톡실화 피마자유(ethoxylated castor oil), 25 g 의 디메틸프탈레이트 및 85 wt% 의 이소펜탄과 15 wt% 의 사이클로펜탄으로 이루어진 59 g 의 발포체 혼합물이 교반 하에서 연속하여 첨가되었다. 마지막에, 80 wt% 의 페놀설폰산과 20 wt% 의 인산(75%)으로 이루어진 118 g 의 경화제가 교반된다. 반응 혼합물은 60 ℃ 에서 예열된 목재 몰드로 즉시 옮겨지고, 몰드는 제자리에 단단히 볼트로 조여지는 목재 뚜껑으로 밀폐되었다. 몰드는 60 ℃ 에서 가열된 열 캐비닛에 놓여졌다. 한 시간 후에, 발포 공정이 종료되고, 발포체를 몰드로부터 들어내었다. 이어서 발포체는 24 시간 동안 60 ℃ 에서 열 캐비닛 내에 후기-경화를 겪도록 놓여졌다.
발포체는 다음의 특성을 갖는다:
밀도 = 36.2 kg/m3
λ = 35.9 mW/m*K
독립기포율 = 93.5 %
화염 특성 : 자기-소화성 및 무연성
파쇄율 : 1.0 % / 4:00 분
실시예
3 - 본 발명의
실시예
(발포가능한 수지 2)
유기용제형 리그닌이 열분해 리그닌으로 바뀐 것을 제외하고는 실시예 1 이 전체로 반복되었다.
실시예
4 - 본 발명의
실시예
(발포된 수지 2)
수지 4 는 실시예 2 의 제형과 동일하게 발포되었다. 발포된 수지는 다음의 특성을 갖는다:
밀도 = 47.5 kg/m3
λ = 25.4 mW/m*K
독립기포율 = 95.2 %
화염 특성 : 자기-소화성 및 무연성
파쇄율 : 0.1 %
실시예
5 -
비교예
(발포가능한 수지 3)
교반기를 구비한 실험실 반응 장치 내에서, 100 g 의 페놀이 109.2 g 의 포름알데히드 (45%) 및 1.2 g 의 NaOH (50%)와 혼합되었다. 이 용액은 80 ℃ 로 가열되고 1.5476 의 굴절률에 이르기까지 축합된다.
감압 하에서 17.3 % 의 수분 함량에 이르기까지 정제가 이것을 뒤따른다.
실시예
6 -
비교예
(발포된 수지 3)
수지 4 는 실시예 2 의 제형과 동일하게 발포되었다. 발포된 수지는 다음의 특성을 갖는다:
밀도 = 42.2 kg/m3
λ = 23.0 mW/m*K
독립기포율 = 100.0 %
화염 특성 : 자기-소화성 및 무연성
파쇄율 : 14.2 % / 3:20 min
실시예들에서 화염 특성은 내부 측정 방법을 이용해서 재현 가능하도록 시험되었다. 이것은 샘플에 불을 붙이는 것과 화염이 타들어간 시간 및/또는 샘플의 일부가 파쇄되는 시간을 측정하는 것을 수반한다.
요컨대, 본 발명의 제품을 사용하는 것은 난연 특성에서 뚜렷한 개선을 가져오는 것으로 밝혀졌다. 종래기술(실시예 5 및 6)로부터 알려진 구성은 뚜렷하게 열위의 파쇄율을 보였기 때문에, 이것은 예견할 수 없었다. 본 발명에 따른 실시예들의 단열 특성은 종래 기술의 그것과 비슷한 수준이었다.
Claims (10)
- 적어도 다음 단계들에 의해 획득되는 발포체:
a) 적어도 하나의 페놀 화합물과 포름알데히드를 1:1.0 내지 1:3.0 범위의 비율로, 50 내지 100 ℃ 의 온도 범위에서, 원료 소요량을 기준으로 0.15 내지 5 wt% 의 염기성 촉매의 지원 하에서, 반응 혼합물의 굴절률이 1.4990 내지 1.5020 범위에 있을 때까지 축합하는 것에 의해, 예비중합체를 준비하는 단계, 그리고 이후에
b) 50 내지 100 ℃ 의 온도에서 적어도 하나의 천연 폴리페놀을 원료 소요량을 기준으로 5 내지 40 wt% 첨가하는 단계,
c) 하나 이상의 유화제 및 그들의 혼합물을 원료 소요량을 기준으로 2 내지 10 wt% 첨가하는 단계,
d) 하나 이상의 발포제 및 그들의 혼합물을 원료 소요량을 기준으로 2 내지 10 wt% 첨가하는 단계, 그리고
e) 경화제를 원료 소요량을 기준으로 10 내지 20 wt% 첨가하는 단계, 그리고
f) 경화하는 단계. - 제1항에 있어서, 적어도 하나의 페놀 화합물 대 포름알데히드의 비율이 1:1.5 내지 1:2.5 범위에 있는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 제1항 및/또는 제2항에 있어서, a) 단계에서 획득되는 예비중합체의 유리 페놀 함량이 10 % 미만인 것을 특징으로 하는 발포체.
- 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 있어서, 굴절률이 1.4995 내지 1.5015 범위에 있는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 있어서, 천연 폴리페놀은 탄닌 및/또는 리그닌 화합물 및/또는 캐슈열매껍질액으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 있어서, 천연 중합체가 원료 소요량을 기준으로 5 내지 20 wt% 의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 있어서, 천연 폴리페놀은 75 내지 85 ℃ 의 온도에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 있어서, 유화제는 포화 및 불포화 지방산, 수산화 지방산, 지방 알코올, 글리세리드 또는 식물성 오일 상에 산화에틸렌 및/또는 산화프로필렌의 부가물 및/또는 디메틸프탈레이트, 디에틸렌글리콜, 무수 프탈산 및/또는 그들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 있어서, 발포제는 이소프로필클로라이드, 이소펜탄, 사이클로펜탄, 부탄, 펜탄, 헥산, 및/또는 헵탄 및/또는 그들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발포체.
- 단열 및 격리 목적을 위한 선행하는 항들 중 적어도 한 항에 따른 발포체의 이용.
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