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KR100220649B1 - 난연성, 내충격성 스티렌 중합체 배합물 - Google Patents

난연성, 내충격성 스티렌 중합체 배합물 Download PDF

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KR100220649B1
KR100220649B1 KR1019920014703A KR920014703A KR100220649B1 KR 100220649 B1 KR100220649 B1 KR 100220649B1 KR 1019920014703 A KR1019920014703 A KR 1019920014703A KR 920014703 A KR920014703 A KR 920014703A KR 100220649 B1 KR100220649 B1 KR 100220649B1
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엘톤 토레스 제임스
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이. 휘트헤드 엘모어
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Abstract

난연제 및 내충격성 개량제를 함유하는 농축물 또는 마스터 배치를 형성하고, 그 농축물을 HIPS 또는 ABS 수지와 배합하여 수득한 배합물로 제품을 제조함으로써, 내충격성 개량제를 함유하는 난연성 배합 HIPS 또는 ABS 수지로 제조된 물품의 내충격성이 증가된다.

Description

난연성, 내충격성 스티렌 중합체 배합물
본 발명은 1종 이상의 브롬화 유기 난연제(flame retardant)로 난연성화된 열가소성 합성 수지 배합물, 특히 HIPS (내충격성 폴리스티렌: high impact polystyrene) 및 ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌)수지 뿐만 아니라 이 배합물의 제조방법에 관한 것이다.
HIPS 및 ABS 수지는 양호한 화학적 내성뿐만 아니라 탁월한 기계적 성질을 나타내는 공지된 고무개질 스티렌계 중합체이다. 이들의 성질을 개질하기 위하여, 통상 중합체를 내충격성 개량제, 안정화제, 가공 보조제, 안료 및 상승제 등과 같은 각종 첨가제들과 배합하고, 이들이 배합 수지의 약 50이하를 구성하도록 할 수 있다.
각종 방법으로 첨가제를 수지에 배합할 수 있다. 예를 들면, 고체를 혼합하고, 가열하여 연화시키며, 덩어리를 균질화하여, 배합물을 압연(sheeting), 세단(chopping) 및 펠릿화(pelletizing)하여 고체 첨가물을 수지와 건조 배합시킬 수 있다.
각종 첨가제를 배합하는 것은 사소한 일이 아니며, 배합 수지로부터 제조된 물품의 성질이 그것이 만들어지는 방식에 의해 영향을 받을 수 있다.
할로겐화 유기 화합물과 같은 난연제는 배합 HIPS 또는 ABS 수지에 배합물의 약 30중량정도를 구성하도록 종종 배합된다. 이러한 배합은 인화성이 아닌 배합 수지의 성질에 역효과를 줄수 있다. 예를 들면, 데카브로모디페닐에탄 또는 데카브로모디페닐옥사이드와 같은 고융점 범위를 지닌 난연제는 수지 배합물에 필러형(filler-type)효과를 나타내는 반면, 저융점 범위를 지닌 난연제는 가소화(plasticizer)효과를 나타낼 것이다. 난연제가 이러한 수지 배합물로 만들어진 물품에 대해 나타내는 효과로 인해, 이러한 배합물 및 배합기술의 개선이 매우 요구되며, 상업적으로도 매우 중요하다.
난연제 및 중합성 내충격성 개량제를 포함하고, 또한 마스터 배치(masterbatch)성분의 균질 배합을 제공하기에 충분한 소량의 HIPS 또는 ABS 수지 및/또는 기타 첨가제를 임의로 함유하는 균질 배합물인 마스터배치 또는 농축물을 경유하여 난연제를 배합함으로써 난연성 HIPS 또는 ABS주시로부터 제조된 물품의 내충격성의 실질적인 증가가 상당히 있게됨을 발견하였다.
(A) HIPS 수지 50중량이상, 할로겐화 난연제 525중량, 중합성 내충격성 개량제 112중량및 난연성 상승제 06중량또는 (B) ASB 수지 50중량이상, 할로겐화 난연제 530중량, 중합성 내충격성 개량제 838중량및 난연성 상승제 06중량를 함유하는 난연성 배합물이, 농축물을 형성하고 HIPS 또는 ABS 수지와 건조 배합하는 마스터배치 방법에 의하여 제조될 때, 배합물로부터 제조된 물품은 ASTM D 256-88로 측정한 바와 같이, 향상된 IZOD 내충격성을 지닌다. 실제로, 초기에 난연제 및 내충격성 개량제로된 농축물 또는 마스터배치를 형성하지 않고 성분들이 배합되는 비교가능한 배합물로부터 제조한 물품의 IZOD 내충격성 보다, 이러한 물품의 IZOD 내충격성이 현저하게 상승한다는, 놀랍고도, 매우 의외적인 사실을 발견하였다.
본 발명에서 실제로 배합된 HIPS 수지는 스티렌, α-알킬스티렌 및 이의 아르-할로 및 아르-알킬-치환 유도체와 같은 스티렌계 화합물로 된 고무 개질 중합체 또는 공중합체이다. 이것들은 다른 방법에 의해서도 제조가 가능하지만, 폴리부타디엔과 같은 엘라스토머 또는 부타디엔과 같은 엘라스토머 형성 단량체 존재하에서 1종 이상의 스티렌계 화합물을 중합하여 그라프트 또는 블록 공중합체를 형성함으로써 통상 수득한다.
배합물의 수지 성분이 HIPS 이면, 상업적으로 가용한 많은 수지로부터 그것을 선택할 수 있다. 이러한 수지로는 예를 들면, 스티렌/부타디엔 공중합체인 Dow Styron수지가 포함된다. 본 발명의 배합 HIPS 수지의 HIPS 수지의 성분은 배합물의 50중량이상, 통상 약 65중량이상을 함유하고, 배합물의 약 85중량정도를 함유할 수 있다.
본 발명에서 실제로 배합된 ABS 수지는 아크릴로니트릴, 부타디엔 및 각종 화학적 결합에서의 스티렌 구조 단위를 포함하고; 일반적으로, 폴리부타디엔 분산상과 배합된 경질 스티렌/아크릴로니트릴 연속상을 함유하며; 경질상과 엘라스토머상을 연결하는 폴리부타디엔 사슬상에서 소량의 스티렌 및 아크릴로니트릴로된 그라프트 공중합체를 종종 함유하는 공지의 열가소성 수지이다.
배합물의 수지 성분이 ABS이면, 상업적으로 가용한 많은 수지로부터 그것을 선택할 수 있다. 이러한 수지로는 예를 들면 GE Cycolac수지, Monsanto Lustran수지 및 Dow Magnum수지가 포함된다. 본 발명의 배합 ABS수지의 ABS수지 성분은 배합물의 약 50중량이상을 함유하고, 배합물의 약 70중량정도를 함유할 수 있다.
본 발명의 배합 수지에 존재할 수 있는 첨가제의 하나로 이러한 적용시에 사용되고 권고되는 1종 이상의 난연제 및 할로겐화 난연제가 있다. 본 발명에서 실제로 특히 유용한 할로겐화 난연제는 테트라할로비스페놀 -A, N, N' - 비스(테트라할로프탈이미드), N, N'-에틸렌비스(테트라할로프탈이미드), 할로겐화 폴리스티렌 및 펜타할로벤질 아크릴레이트로 구성된 군에서 선택되며, 상기 모두에서 할로는 클로로 및 브로모에서 선택되고, 또한 비스-할로페닐 화합물은 주위 온도에서 고체인 하기 구조식으로 표시된다.
(상기 식중, 각각의 X는 염소 및 브롬에서 독립적으로 선택되고 ; m 및 n은 동일 또는 상이하고 1 내지 5범위에서 선택될 수 있으며; Y는 산소, 알킬렌, -NR- (여기에서, R은 수소 및 히드로카르빌로부터 선택된다), 알킬렌디옥시, 아릴디옥시 및 화학 결합에서 선택된다), 알킬렌은 바람직하게는 메틸렌, 에틸렌, 이소프로필렌, 부틸렌 및 t-부틸렌과 같은 직쇄 또는 측쇄 C1 C6저급 알킬렌이며, 메틸렌 또는 에틸렌이 바람직하다. 히드로카르빌은 알킬렌, 특히 저급 알킬렌 뿐만아니라 페닐 및 알킬페닐 또는 할로페닐과 같은 불포화 알킬렌 및 방향족기를 포함한다. 알킬렌디옥시는 예를 들면, 메틸렌디옥시 및 1,2-디옥시에틸렌을 포함하는 반면, 아릴디옥시는 예를 들면 디옥시페닐을 포함한다. 바람직한 난연제에서, 할로 및 X는 브로모이다. 전술한 난연제 중에서, 비스 - 할로페닐 화합물이 바람직하며, 이들 화합물중, 데카브로모디페닐옥사이드, 데카브로모디페닐 에탄, 1,2 - 비스(트리브로모페녹시)에탄 및 데카브로모디페닐 아민이 특히 주의를 끌만한다.
1종 이상의 할로겐화 난연제에 덧붙여, 본 발명의 배합 수지는 임의로 약 6중량이하, 예를 들면 26중량의 난연성 상승제를 포함한다. 다수의 물질, 예를 들면 금속 산화물(예 ; 산화철, 산화주석, 산화아연, 3산화 알루미늄, 알루미나, 3산화 안티몬 및 5산화 안티몬) 및 붕소 화합물(예; 붕소화 아연) 뿐만 아니라 규산 안티몬 및 페로센이 난연제, 특히 할로겐화 난연제의 효능을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 특히 효과적이고 바람직한 상승제는 3산화 안티몬이다. 난연성 상승제는 농축물 또는 마스터 배치에서 내충격성 개량제 및 난연제와 배합될 수 있으며, 상승제는 배합물의 수지 성분과 혼합될 수 있다.
난연제에 덧붙여, 본 발명의 배합 HIPS는 1종 이상의 중합성 내충격성 개량제를 포함한다. ABS 또는 HIPS 수지에 어떤 물질을 첨가하면 그들로부터 성형된 물품이 강하게되는 경향이 있음은 잘 알려져 있다. 이들 물질로는 스티렌/ 부타디엔/ 스티렌 3원블록 공중합체, 스티렌/ 이소프렌/스티렌 3원블록 공중합체, 스티렌/부타디엔 2원 블록 공중합체, 폴리카프로락톤 및 기능화 에틸렌/프로필렌 공중합체 및 -ABS수지의 경우에-폴리(할로올레핀)이 있다. 이들 내충격성 개량제 중에서, 스티렌/부타디엔/스티렌 3원 블록 공중합체가 HIPS 또는 ABS 양자 모두에 특히 효과적이며; 블록 공중합체를 염화 폴리에틸렌과 같은 할로겐화 폴리올레핀 수지와 함께 ASB 중에 함께 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 농축물 또는 마스터 배치는 교반 용기, 드럼 혼합기, 혼합 튜브, 기계적 고강도 혼합기, 반죽기 또는 압출기에서 난연제, 내충격성 개량제 및 임의의 첨가제를 연속적이거나 회분식으로 배합하여 농축물 또는 마스터 배치의 균질 배합물을 수득하는 것과 같은 종래 기술에 의하여 형성될 수 있다. 완전히 배합된 HIPS 또는 ABS수지로부터 제조된 물품의 IZOD 내충격성에 역효과를 주지 않는 무해한 성분만이 농축물 또는 마스터 배치에 내포될 것임은 물론이다. 간단한 시행착오 기술에 의해 실험적으로 이러한 결정을 할 수 있다. 따라서, 임의의 첨가제를 안료, 난연성 상승제, 열 안정제, 가소제, 대전 방지제, 자외선 안정제, 발포제, 충진제, 강화고무 등으로부터 선택할 수 있다.
본 발명의 농축물 또는 마스터 배치를 형성하는 온도는 결정적이지 않지만, 단, 온도는 농축물의 열 분해를 피할 수 있을 정도로 충분히 낮아야하고, 농축물의 성분의 균질 배합을 제공할 정도로 충분히 높아야한다. 당업계의 기술자라면, 적당한 가공 온도를 쉽게 결정할 수 있다.
농축물 또는 마스터 배치가 형성된 후에, 그것을 HIPS 또는 ABS수지와 배합하여 난연성 수지 배합물을 형성한다. 1축 또는 2축 스크류 압출기, 고강도 혼합기 또는 연속 혼합기를 사용하여 이러한 배합을 할 수 있다. 물론, 압출기를 사용하면, 농축물 및 수지를 배합하여 압출기로 공급할 수 있거나 농축물 및 수지를 분리하여 압출기로 공급할 수 있음을 이해하여야 한다.
하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이나 본 발명을 제한하지는 않는다. 특별히 언급이 없으면, 이들 실시예에서 언급되는 양은중량에 의한 양이다.
[비교예 A]
하기와 같이 배합 HIPS 수지를 제조하고 시험한다:
(1) 하기 성분들을 플라스틱 백에서 2분간 함께 흔들고:
HIPS 수지(Dow Styron492T) 80.5부, 스티렌/부타디엔/스티렌 블록 공중합체 내충격성 개량제(KratonD4141; Shell Chemical Co.) 3부, 데카브로모디페닐에탄 난연제(Ethyl Corp.) 12부, Sb2O3상승제 4부 및 스테아르산 아연 가공 보조제 0.5부,
(2) 175 - 190 - 215 -215, 65rpm 하에, 2축 스크류 압출기 헤드가 장착된 Haake - Buchler System 40 Rheometer에서 혼합물을 압출하고, 얼음욕에서 압출된 물질을 냉각하며, 압출된 물질을 펠릿화하고, 216에서 Battenfeld BSKM 100/40 장치에서 1/8"(3.2mm)시험 막대형태로 펠릿을 사출 성형하며,
(3) ASTM D 256-88에 따라 막대의 IZOD 내충격성을 시험한다.
막대는 1.40.1 ft-lbs/inch (4.80.3 J/cm) 절흠의 IZOD 내충격성을 갖는 것으로 확인되었다.
[실시예 1]
난연제, 내충격성 개량제 및 가공 보조제를 175, 66 rpm에서 Brabender 혼합기중에서 2분간 미리 배합하고, 생성된 배합물을 2중 로올 밑에서 압연하고 Osterizer 혼합기중에서 작은 조각으로 세단하여, 종이백에서 HIPS 및 3산화 안티몬과 함께 흔들기전에 마스터 배치를 형성함을 제외하고 비교예 A를 반복한다. 시험 막대는 2.040.03 ft-lbs/inch (7.00.1 J/cm)절흠의 IZOD 내충격성을 지닌다.
2축 스크류 압출기의 온도가 160 - 190 - 215 -215임을 제외하고 실시예를 반복하면, 시험 막대의 IZOD 내충격성은 2.020.05 ft-lbs/inch(7.00.2 J/cm)절흠이다. 따라서 양쪽 압출 조건하에서, 마스터 배치는 배합물의 내충격성을 46정도 향상시킨다.
[비교예 B]
하기와 같은 배합 ASB 수지를 제조하고 시험한다:
(1) 하기 성분들을 플라스틱 백에서 2분간 함께 흔들고:
ABS 수지(Dow MagnumPG-914) 64.9부, 폴리클로로에틸렌 내충격성 개량제(Tyrin3611 ; Dow Chemical Co.) 13.1 부, 스티렌/부타디엔/스티렌블록 공중합체 내충격성 개량제 (Shell KratonD1102) 5부, 데카브로모디페닐에탄 난연제(Ethyl Corp.) 12부, Sb2O3상승제 4부 및 말레산 디부틸주석 안정제(Thermolite13 ; Atochem No. Am.) 0.5부,
(2) 210 - 210 - 220 - 220, 60rpm하에, 2축 스크류 압출기 헤드가 장착된 Haake - Buchler System 40 Rheometer에서 혼합물을 압출하고, 압출된 물질을 펠릿화하며, 88에서 4시간 동안 건조하고, 195에서 Battenfeld BSKM 100/40 장치에서 1/8" (3.2mm)시험 막대형태로 펠릿을 사출 성형하며,
(3) ASTM D 256-88에 따라 막대의 IZOD 내충격성을 시험한다.
막대는 4.80.2ft-lbs/inch (16.50.7J/cm)절흠의 IZOD 내충격성을 갖는 것으로 확인되었다.
[실시예 2]
비교예 B의 배합물과 비교가능한 배합물을 하기와 같이 제조한다 : (1) 폴리클로로에틸렌 내충격성 개량제 (Tyrin3611; Dow Chemical Co.)13.1부, 스티렌/부타디엔/스티렌 블록공중합체 내충격성 개량제(Shell KratonD1102) 5부, 데카브로모디페닐에탄 난연제(Ethyl Corp.) 12.5부, 스테아르산 아연 가공 보조제 0.5부 및 말레산 디부틸주석 안정화제 (Thermolite13; Atochem No. Am) 1.0부를 175, 66rpm하에 Brabender 혼합기에서 2분간 배합하고, 생성된 배합물을 2중 로울 밑에서 압연하며, 이것을 Glouster 분쇄기로 작은 조작들로 세단하여 마스터 배치를 형성하고,
(2) ABS 수지(Dow MagnumPG-914) 63.9부 및 Sb2O3상승제 4부와 이 마스터 배치를 건조 배합하며,
(3) 비교예 2에서와 같이 이 배합물을 압출, 펠릿화, 건조, 성형 및 시험한다.
시험막대는 9.00.4 ft-lbs/inch (311.4J/cm) 절흠의 IZOD 내충격성을 지니며, 비교예 B의 내충격성에 대해88정도 향상된다.
[실시예 3]
스티렌/부타디엔/스티렌 블록 공중합체 내충격성 개량제를 마스터 배치에 내포시키는 대신 ABS 수지 및 상승제와 함께 마스터 배치와 건조 배함시킴을 제외하고 실시예 2를 반복한다. 시험 막대의 IZOD 내충격성은 5.80.2 ft-lbs/inch(200.7J/cm)절흠이다.
[실시예 4]
폴리클로로에틸렌 내충격성 개량제를 마스터 배치에 내포시키는 대신 ABS 수지 및 상승제와 함께 마스터 배치와 건조 배합시킴을 제외하고 실시예 2를 반복한다. 시험 막대의 IZOD 내충격성은 7.60.3ft-lbs/inch (26.21.0J/cm)절흠이다.
실시예 3 및 4에서 시험한 바와 같이, 내충격성의 향상은 모든 내충격성 개량제보다 적게 마스터 배치에 내포시킬 때 만큼 크지 않다.

Claims (10)

  1. 할로겐화 난연제, 중합성 내충격성 개량제, HIPS 또는 ABS 수지 50중량이상 및 난연성 상승제 06중량를 함유하는 배합물로부터 제조한 물품의 내충격성을 향상시키는 난연성 고무 개질 스티렌계 중합성 배합물의 제조방법으로서, (a)할로겐화 난연제 및 중합성 내충격성 개량제를 함유하는 농축물을 형성하는 단계 및 (b) 생성된 농축물을 HIPS 또는 ABS 수지와 배합하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, (a) 중합성 내충격성 개량제를 스티렌/부타디엔/스티렌 3원 블록 공중합체, 스티렌/이소프렌/스티렌 3원 블록 공중합체, 스티렌/부타디엔 2원 블록 공중합체, 폴리카르로락톤, 기능화 에틸렌/프로필렌 공중합체 및 폴리(할로올레핀)으로 구성된 1종 이상의 군에서 선택하고, (b) 할로겐화 난연제를 테트라할로비스페놀-A, N, N'-비스(테트라할로프탈이미드), N, N'-에틸렌비스(테트라할로프탈이미드), 할로겐화 폴리스티렌, 펜타할로벤질 아크릴레이트 및 하기 구조식의 비스-할로페닐 화합물의 1종 이상으로부터 선택함을 특징으로 하는 방법.
    (상기 식중, 각각의 X는 염소 및 브롬에서 독립적으로 선택되고; m 및 n은 동일 또는 상이한 15의 정수이며; Y는 산소, 알킬렌, -NR-(여기에서, R은 수소 또는 히드로카르빌이다), 알킬렌디옥시, 아릴디옥시 및 화학 결합에서 선택된다).
  3. 제2항에 있어서, 중합성 내충격성 개량제가 스티렌/부타디엔/스티렌 3원 블록 공중합체를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 난연제를 데카브로모디페닐 옥사이드, 데카브로모디페닐에탄, 1,2-비스(트리브로모페녹시)에탄, 데카브로모디페닐아민, 펜타브로모벤질 아크릴레이트 및 이의 혼합물에서 선택함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 난연제가 데카브로모디페닐에탄인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 난연제가 N,N'-에틸렌비스(테트라브로모프탈이미드)인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 배합물이 금속 산화물, 수산화물 및 규산염, 붕소 화합물 및 페로센으로부터 선택된 1종 이상의 난연성 상승제 26중량를 함유하고, 제조 방법이 (a)할로겐화 난연제, 난연성 상승제 및 중합성 내충격성 개량제를 함유하는 농축물을 형성하고, (b) 생성된 농축물을 HIPS 또는 ABS 수지와 배합하는 단계를 포함함을 특징으로하는 방법.
  8. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 배합물이 금속 산화물, 수산화물 및 규산염, 붕소 화합물 및 페로센으로부터 선택된 1종 이상의 난연성 상승제 26중량를 함유하고, 제조 방법이 제조 방법이 (a)할로겐화 난연제 및 중합성 내충격성 개량제를 함유하는 농축물을 형성하고, (b) 생성된 농축물을 HIPS 또는 ABS수지 및 난연성 상승제와 배합하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 배합물이 HIPS 수지 50중량이상, 할로겐화 난연제 525중량, 중합성 내충격성 개량제 112중량및 난연성 상승제 06중량를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 배합물이 ABS 수지 50중량이상, 할로겐화 난연제 530중량, 중합성 내충격성 개량제 838중량및 난연성 상승제 06중량를 함유함을 특징으로 하는 방법.
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