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KR20150036288A - 발포 거동에서의 탈크의 핵형성 효율 및 폴리머-기반 발포체의 셀 구조 - Google Patents

발포 거동에서의 탈크의 핵형성 효율 및 폴리머-기반 발포체의 셀 구조 Download PDF

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KR20150036288A
KR20150036288A KR20157002570A KR20157002570A KR20150036288A KR 20150036288 A KR20150036288 A KR 20150036288A KR 20157002570 A KR20157002570 A KR 20157002570A KR 20157002570 A KR20157002570 A KR 20157002570A KR 20150036288 A KR20150036288 A KR 20150036288A
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KR
South Korea
Prior art keywords
polymer
talc
composition
foam
based foam
Prior art date
Application number
KR20157002570A
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English (en)
Inventor
길레스 멜리
Original Assignee
이메리스 탈크 외로쁘
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Application filed by 이메리스 탈크 외로쁘 filed Critical 이메리스 탈크 외로쁘
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Abstract

폴리머, 및 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 최대 20 중량%의 탈크 입자를 포함하는 폴리머-기반 발포체 조성물이 기재되어 있다. 탈크 입자는 미정질 탈크이다.

Description

발포 거동에서의 탈크의 핵형성 효율 및 폴리머-기반 발포체의 셀 구조 {NUCLEATION EFFICIENCY OF TALC IN THE FOAMING BEHAVIOUR AND CELLULAR STRUCTURE OF POLYMER-BASED FOAMS}
본 발명은 개선된 셀 구조를 가지고 핵 형성제로서 탈크를 사용하는 폴리머-기반 발포체에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 발포체를 제공하는 방법, 및 이의 용도에 관한 것이다.
폴리머 재료와 관련한 주요 과제들 중 하나는 식품 포장 또는 자동차 산업과 같은 적용에서 사용하기 위한 개선된 성질들을 갖는 점점 더 경량의 구성 요소들의 개발에 있다. 가능한 전략은 베이스 물질의 발포에 의한 중량 감소와 셀 핵화제(cell nucleant) 또는 촉진제로서 작용하는 강화 및/또는 기능적 충전제의 도입을 결합시키는 것이다. 셀 핵 형성제는 통상적으로 셀 핵형성을 향상시키기 위해 폴리머 발포 공정에서 사용된다. 핵 형성제의 존재 하에, 비균질 핵형성은 폴리머 발포 공정 동안에 셀 형형성의 지배적인 모드가 된다.
폴리프로필렌 발포체는 당해 분야에 알려져 있지만, 이러한 것은 통상적인 폴리프로필렌과 비교하여 감소된 강성도(stiffness) 및 기계적 강도를 갖는다. 오일 가격의 상승은 플라스틱 수지 및 최종 플라스틱 제품의 생산 비용의 증가에 기여한다. 플라스틱 수지 비용이 통상적으로 임의의 제공된 플라스틱 제품의 총 비용의 50 내지 60%를 차지하기 때문에, 플라스틱 제품의 기계적 성질 및 다른 성질들을 유지시키면서 동시에 플라스틱 중의 수지 양의 감소는 상당한 경제적 이익을 제공한다.
WO 2010/065053 A1호에는 폴리하이드록시알카노에이트 발포체의 생산에서 셀 핵형성 조성물의 용도가 기재되어 있다. 고 종횡비 탈크 (FlexTalc® 610D)를 포함하는 광범위한 핵 형성제들이 사용되었다. 폴리하이드록시알카노에이트는 생분해성 폴리머로서, 주로 식품 포장용 생분해성 필름의 생산에서 고려된다. 발포되지 않은 제품과 비교하여, 얻어진 발포체의 성질들에 대해서 어떠한 것도 명시되어 있지 않다.
KR 10-0837106 B1호에는 93 내지 98 중량부의 폴리프로필렌 호모폴리머와 3 중량부 이하의 탈크의 혼합물을 압축시키는 단계, 및 이후에 발포제로서 1 내지 4 중량부의 부탄을 주입하여 발포시키는 단계를 포함하는 비-가교된 폴리프로필렌 발포 시트를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 최종 제품의 물리적 성질들 (예를 들어, 밀도, 기계적 강도 또는 강성도)과 관련하여 어떠한 것도 명시되어 있지 않다.
KR 10-2007-0028736 A호에는 5 내지 10 중량부의 10 내지 13 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 탈크 및 0.1 내지 0.4 중량부의 항산화제를, 90 내지 95 중량부의 폴리프로필렌 수지를 포함하는 수지 혼합물 100 중량부와 용융-혼합시킴으로써 제조된 복합 수지(composite resin)로부터 제조된 자동차 내장재용 경질 발포체(rigid foam)가 기재되어 있다.
본 발명의 첨부된 청구항들에서 규정된다.
일 양태에서, 본 발명은 폴리머; 및 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 20 중량% 이하의 탈크 입자를 포함하는, 폴리머-기반 발포체 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물은 탈크 입자가 미정질 탈크인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 일 구체예에서, 폴리머-기반 발포체 조성물을 위해 사용되는 폴리머는 폴리프로필렌 폴리머, 예를 들어 폴리프로필렌 호모폴리머이다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 폴리머는 폴리머-기반 발포체 조성물의 주성분일 수 있다 (즉, 조성물의 50 중량% 초과).
본 발명의 특정의 구체예에 따르면, 폴리머-기반 발포체 조성물은 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정, 또는 1-단계 사출-성형 발포 공정, 예를 들어 Mucell® 발포 공정 중 어느 하나에 의해 생산될 수 있다. 이러한 공정들은 본 명세서의 실시예 섹션에서 보다 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 제2 양태는 식품 포장 제품의 생산에서 및/또는 자동차용 플라스틱 부품의 생산에서, 뿐만 아니라 패키징 제품(packaging product), 일반적으로, 단열 및/또는 방음 발포체, 파이프, 소비재 및 가전 제품에서의 폴리머-기반 발포체 조성물의 용도이다.
본 발명의 제3 양태는 본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물을 포함하는 조성물 및 제품을 제공한다. 이러한 제품은 예를 들어 식품 포장 제품, 또는 자동차 산업용 구조적 부품일 수 있다.
본 발명의 제4 양태는 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정, 또는 1-단계 압출 성형 및 발포 공정, 예를 들어 Mucell® 공정 중 어느 하나를 포함하는 폴리머-기반 발포체 조성물을 발포시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 특정 구체예의 핵형성된 폴리머 발포체는 전체 기계적 성질들에 악영향을 미치지 않으면서 물질의 밀도를 감소시킬 수 있고 이에 따라 물질 성능이 발포되지 않은 재료의 성능에 가깝게 될 수 있는 양호한 핵형성 효과를 발달시킨다.
본 발명의 예시적인 구체예는 하기 도면을 참조로 하여 추가로 예시될 것이다.
도 1a는 미정질 구조를 갖는 탈크의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 도시한 것이다.
도 1b는 거정질 구조(macrocrystalline structure)를 갖는 탈크의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 도시한 것이다.
도 2는 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에서 사용되는 바와 같은 CO2-용해 발포 공정의 도식을 도시한 것이다.
도 3은 1-단계 사출-성형 발포 공정을 이용하여 형성된 발포체 샘플의 다이아그램을 도시한 것이다.
도 4는 셀의 방향 및 이의 셀 크기
Figure pct00001
및
Figure pct00002
를 도식적으로 도시한 것이다.
도 5는 샘플의 DMTA 특징분석을 위해 사용되는 바와 같은 단일 캔틸레버 클램프를 도시한 것이다.
도 6 내지 도 21은 다양한 스케일의 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 및 8 내지 12에 따른 발포체의 SEM 현미경 사진을 도시한 것이다.
도 22는 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 발포체의 셀 구조의 흐름 방향 (FD) 및 횡 방향 (TD) 측정의 도해를 도시한 것이다.
도 23 내지 도 40은 다양한 스케일의 실시예 8 내지 19 및 비교예 13 내지 16에 따른 발포체의 SEM 현미경 사진을 도시한 것이다.
도 41 내지 58c는 다양한 스케일의 실시예 20 내지 31 및 비교예 17 내지 20에 따른 발포체의 SEM 현미경 사진을 도시한 것이다.
첨부된 청구항들에 따른 본 발명은 높은 가스 부피 분율의 도입에 의해 야기되는 폴리머 강성도 및 기계적 강도의 상당한 감소가 핵 형성제 및 강화 충전제 둘 모두로서 작용하는, 미정질 탈크의 도입에 의해 적어도 일부 보상되는 폴리머 발포체를 제공한다.
일반적으로, 개개 판상체 크기, 즉 하기 실험부에 기술된 바와 같이 세디그래프(Sedigraph) 방법에 의해 측정하는 경우 개개 탈크 판상체 (수 천개의 기본 시트)의 중간 직경은 광상(deposit)의 형성 조건에 따라, 대략적으로 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 이상으로 다양할 수 있다. 개개 판상체 크기는 탈크의 층상성(lamellarity)를 결정한다. 고도의 라멜라 탈크(highly lamellar talc)는 큰 개개 판상체를 갖는 반면, 미정질 탈크는 작은 판상체를 가질 것이다. 모든 탈크가 라멜라라 칭하여질 수 있지만, 이의 판상체 크기는 광상들 간에 상이하다. 미정질 탈크로서 알려진 작은 결정은 컴팩트하고 조밀한 광석을 제공한다. 거정질 탈크로서 알려진 큰 결정은 종이 같은 층(papery layer)을 형성한다. 공지된 미정질 탈크 광상은 몬타나 (엘로우스톤) 및 호주 (쓰리 스프링)에 위치되어 있다. 미정질 구조에서, 탈크 기본 입자들은 보다 큰 판(plate)으로 이루어진 거정질 구조와 비교하여 작은 판으로 이루어져 있다. 도 1a 및 도 1b는 r각각 미정질 구조 및 거정질 구조를 갖는 탈크의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 도시한 것이다.
본 발명의 특정 구체예에 따르면, 미정질 탈크는 폴리머 발포체의 생산에서 핵화제 및/또는 충전제로서 사용하기에 적합하다. 폴리머 발포체는 열가소성 수지, 물리적 발포제(blowing agent)로 발포되는 열가소성 엘라스토머, 및 폴리스티렌 또는 폴리프로필렌 발포체로부터 선택될 수 있다. 폴리프로필렌 발포체는 식품 포장 및 자동차 산업에서 사용하기에 적합하다. 폴리스티렌 발포체는 예를 들어, 패키징 제품으로서, 또는 절연 재료(insulating material)로서 사용하기에 적합하다.
또한, 본 발명의 특정 구체예에 따르면, 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정, 또는 1-단계 사출-성형 발포 공정을 이용하여 생산되는 지의 여부와는 무관하게 개선된 성질들을 제공한다. 실제로, 1-단계 사출-성형 발포 공정이 사용될 때에, 유리한 물리적 성질들이 성형의 흐름 방향 (FD) 및 성형 방향에 대해 수직 방향 (TD) 둘 모두에서 얻어진다는 것을 발견하였다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 폴리머는 폴리머-기반 발포체 조성물의 주성분일 수 있으며, 즉 조성물의 50 중량% 보다 큰 양으로 존재할 수 있다. 구체예에서, 폴리머는 55% 또는 그 초과, 60% 또는 그 초과, 70% 또는 그 초과, 80% 또는 그 초과, 90% 또는 그 초과, 95%, 또는 99% 또는 그 초과의 양 (조성물의 중량 기준)으로 존재할 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머 기반 발포체 조성물은 다양한 농도의 미정질 탈크가 적재된 폴리프로필렌 발포체, 예를 들어 폴리프로필렌 호모폴리머 발포체일 수 있다. 예를 들어, 미정질 탈크는 복합 (발포되지 않은) 물질의 총 중량을 기준으로 하여, 20 중량% 이하, 또는 10 중량% 이하의 양, 또는 5 중량% 이하의 양, 또는 0.1 중량% 내지 5 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머 발포체에 포함되는 미정질 탈크는 0.5 내지 10 ㎛ 범위의 세디그래프에 의한 d50을 가질 수 있다. 예를 들어, 미정질 탈크의 d50은 1.0 내지 7.5 ㎛, 예를 들어 1.0 내지 5 ㎛, 또는 3.0 내지 4.5 ㎛의 범위일 수 있다. 세디그래프 방법은 하기 실험부에 기술되어 있다.
또한, 본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머 발포체에 포함되는 미정질 탈크는 5 내지 25 ㎡·g-1, 예를 들어 8 내지 25 ㎡·g-1, 또는 10 내지 15 ㎡·g-1, 또는 10 내지 12 ㎡·g-1 범위의 BET 표면적을 가질 수 있다. 본원에서 사용되는 BET 표면적(surface BET area)은 DIN ISO 9277에 따라 측정된 비표면적이다.
또한, 본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머 발포체에 포함되는 미정질 탈크는 3 내지 25, 5 내지 20, 9 내지 15, 또는 10 내지 15 범위의 제닝스 이론에 따른 종횡비를 가질 수 있다. 종횡비의 제닝스 이론(Jennings theory) (또는 제닝스 근사치(Jennings approximation))는 예를 들어 문헌[Pabst W., Berthold C: Part. Part. Syst. Charact. 24 (2007), 458]에 기술된 바와 같이, 문헌[W. Pabst, E. Gregorova, and C. Berthold, Department of Glass and Ceramics, Institute of Chemical Technology, Prague, and Institut fuer Geowissenschaften, Universitaet Tuebingen, Germany]에서 수행되는 연구를 기반으로 한 것이다.
특정 구체예에서, 폴리머-기반 발포체 조성물에 포함되는 미정질 탈크는 0.5 내지 10 ㎛의 세디그래프에 의한 평균 입자 크기 d50, 및 3 내지 25의 제닝스 이론에 따른 종횡비, 및 5 내지 25 ㎡·g-1의 BET 표면적을 가질 수 있다. 다른 구체예에서, 폴리머-기반 발포체 조성물에 포함되는 미정질 탈크는 3 내지 4.5 ㎛의 세디그래피에 의한 평균 입자 크기 d50, 9 내지 15의 제닝스 이론에 따른 종횡비, 및 10 내지 15 ㎡·g-1의 BET 표면적을 가질 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물은 수직 방향 (
Figure pct00003
), 폭 방향 (
Figure pct00004
) 중 어느 하나, 또는 둘 모두에서 150 ㎛ 또는 그 미만, 또는 100 ㎛ 또는 그 미만, 또는 80 ㎛ 또는 그 미만, 또는 심지어 40 ㎛ 또는 그 미만의 평균 셀 크기를 가질 수 있다. 수직 방향에서의 평균 셀 크기
Figure pct00005
에 대한 폭 방향에서의 평균 셀 크기
Figure pct00006
의 비
Figure pct00007
/
Figure pct00008
는 0.7 또는 그 초과, 예를 들어 0.8 또는 그 초과, 또는 심지어 0.9 또는 그 초과일 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물은 1 × 105개 셀-cm-3 또는 그 초과, 예를 들어 1 × 106개 셀-cm-3 또는 그 초과, 또는 심지어 5 × 106개 셀-cm-3 또는 그 초과, 또는 일부 경우에서 심지어 1 × 107개 셀-cm-3 또는 그 초과의 발포체에서의 셀 농도 (Nf)를 가질 수 있다. 본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물은 1 ㎤ 당 106개 또는 그 초과의 셀 (Nf)을 함유할 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물은 개개 발포되지 않은 베이스 물질과 비교할 때에, 0.40 내지 0.95 범위, 예를 들어 0.55 내지 0.90 범위의 상대 밀도를 가질 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물에서, 탄성 저장 계수(elastic storage modulus)는 발포되지 않은 제품의 탄성 저장 계수와 비교할 때에 발포에 의해 영향을 받을 수 있는데, 예를 들어, 5% 미정질 탈크가 충전된 폴리머 기반 발포체의 비탄성 저장 계수(specific elastic storage modulus) (1052.7 MPa·cm3/g)는 거의 동일한 중량 감소(-15%)에 대하여 충전되지 않은 폴리머-기반 발포체 (926.8 MPa·cm3/g) 보다 13% 높을 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 5%의 미정질 탈크가 충전된 폴리머 기반 발포체의 비탄성 저장 계수 (1052.7 MPa·cm3/g)는 충전되지 않고 발포되지 않은 폴리머 (1148.6 MPa·cm3/g) 보다 9% 낮을 수 있지만, 16%의 중량 감소가 달성된다. 특정 구체예에서, 편차 파라미터 "n"은 상응하는 발포되지 않은 제품에 관하여 물리적 성질에 대한 발포의 상대적 효과를 측정하는 것으로서, 이는 1.5 또는 그 미만, 예를 들어 1.4 또는 그 미만이다.
실시예
2-단계 압출-혼합 및 발포 공정 및 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 제조된 충전되지 않은 그리고 충전된 폴리프로필렌 및 폴리스티렌 발포체의 시험 및 분석 결과는 별도로 기술된다. 상술된 바와 같이, 임의의 이러한 공정에 따라 제조된 탈크-핵형성된 폴리프로필렌 및 폴르스티렌 발포체는 본 발명의 일부를 형성한다.
2-단계 압출-혼합 및 발포 공정:
배합: 동시 회전하는 트윈-스크류 압출기 "Collin Kneter 25X36D"를 이용하여 폴리프로필렌 (폴리프로필렌 호모폴리머 "Moplen HP501 L", LyondellBasell에 의해 제공됨)을 상이한 탈크들 (비교 탈크 A 내지 D, 및 탈크 A 및 B)과 용융-혼합하여 모든 물질들을 제조하였다. 표 1에 기술된 바와 같은 압출 온도 프로파일 및 스크류 속도를 사용하였다:
표 1: 수 개의 폴리프로필렌-탈크 복합물의 제조에서 사용되는 압출 온도 프로파일 및 스크류 회전 속도:
Figure pct00009
광범위한 탈크를 폴리머 발포체에서 충전제/핵화제로서의 이의 가능한 사용에 대해 시험하였다. 이러한 것은 표 2에서 이의 개개의 모폴로지(morphology) 및 주요 물리적 성질과 함께 나열되어 있다. 달리 기술하지 않는 한, 무기 미립자 물질에 대해 본원에서 언급되어 있는 입자 크기 성질을 당업자에게 알려진 방법에 따라 측정하였다. 달리 언급하지 않는 한, 본원에서 "Micrometrics Sedigraph 5100 unit"으로서 언급되는, Micrometrics Instruments Corporation (Norcross, Georgia, USA)에 의해 공급되는 바와 같은 "Sedigraph 5100" 기계를 이용하여 수성 매질에서 전부 분산된 조건 하에서 미립자 물질을 침강시켜 성질들을 측정하였다. 이러한 기계는 측정, 및 당해 분야에서 제공된 '대등 구 지름(equivalent spherical diameter)' (e.s.d)으로서 언급되는 e.s.d 값 미만의 크기를 갖는 입자의 누적 중량 백분율을 제공한다. 본원에 제공된 중간 입자 크기 d50은 이러한 방식으로 결정된 입자 e.s.d의 값으로서, 여기에서, 입자의 50 중량%가 d50 값 미만의 대등 구 지름을 갖는다는 것이다.
표 2: 상이한 탈크 등급의 주요 특징:
Figure pct00010
폴리프로필렌-탈크 마스터배치를 2 중량%의 공칭 양의 탈크를 이용하여 0.5, 1, 1.3 및 1.7 중량%의 공칭 탈크 농도로 희석시킴으로써 비교 탈크 A 및 B 폴리프로필렌 복합물을 제조하였다. 비교 탈크 C 및 D, 탈크 A 및 B 복합물의 경우에, 폴리프로필렌-탈크 마스터배치를 5 중량%의 공칭 양의 탈크로 희석시킴으로써 1 중량% 탈크-폴리프로필렌 복합물을 제조하였다.
전체 균질화를 제공하기 위하여, 트윈-스크류 압출기 내측에서 물질을 2회 가공하여 모든 복합물을 제조하였다. 비교 목적을 위하여, 탈크가 없는 폴리프로필렌 호모폴리머를 또한 동일한 온도 프로파일을 이용하여 2회 가공하였다. 환형 압출 다이의 배출구 (
Figure pct00011
= 3 mm)에서, 모든 물질들을 수욕을 이용하여 냉각시키고, 고체 발포 전구체 제조 이전에 펠렛화하였다.
고체 발포 전구체 제조: 발포를 위한 고체 전구체를 제조하기 위하여, 표 3에 기술된 조건을 이용하여 펠렛을 3.5 m 두께의 환형 강철 모울드 (
Figure pct00012
=74 m)에 배치시켜 배합 단계의 마지막에 얻어진 상이한 펠렛화된 물질들을 핫-플레이트 프레스 IQAP-LAP PL-15에서 압축-성형하였다.
표 3: 고체 발포 전구체 압축-성형 조건:
Figure pct00013
표 2에 기술된 다양한 농도의 다양한 탈크를 포함하는, 폴리프로필렌-탈크 복합물을 제공하였다. 복합물 중의 실제 탈크 함량을 UNE-EN ISO 3451-1에 따라 얻어진 세 개의 값의 평균으로서 계산함으로써 결정하였다. 대략적으로 5.0 g의 샘플 중량을 사용하였으며, 탈크 함량을 하기 방정식에 따라 계산하였다:
Figure pct00014
상기 식에서, Mo는 빈 도가니의 중량이며, Mc는 하소 이전에 샘플을 함유한 도가니의 중량이며, Mb는 연소된 샘플을 함유한 도가니의 중량이다. 사용된 다양한 복합물은 표 4에 나타내었다. 조기 시험은, 탈크 A를 포함하는 폴리프로필렌 조성물이 잠재적으로 유망한 결과를 제공하였음을 지시하며, 이에 따라, 이러한 탈크를 포함하는 보다 넓은 범위의 물질들이 시험되었다.
표 4: UNE-EN ISO 3451-1에 따른 600℃에서의 하소에 의해 결정된 여러 폴리프로필렌-탈크 복합물의 탈크 함량
Figure pct00015
발포를 CO2-용해에 의해 수행하였다. 고체 발포 전구체 디스크를 물리적 발포제로서 CO2와 함께 가스 용해 배치-발포 공정을 이용하여 발포시켰다 (도 2에 도시된 도식 참조). 디스크를 고압 용기에서 CO2로 포화시킴으로써 발포체를 수득하였으며, 압력 저하를 적용함으로써 포화된 샘플은 1-단계로 발포된다. 200 bar 및 155℃ (포화 온도)에서 30분 동안 가압하고, 포화 온도에서 발포 온도(135℃)로 냉각시키고 180 bar (발포 압력)에서 0 bar로 감압시킴으로써, 즉 180 bar의 압력 저하를 적용함으로써 C02-포화 디스크를 발포시켰다. 발포체를 제조하기 위해 사용되는 발포 조건은 표 5에 제시되어 있다:
표 5: 1-단계 CO2-용해에 의해 발포체를 제조하기 위해 사용되는 발포 조건:
Figure pct00016
C02-발포 공정 동안에 발생된 발포된 시편의 외부 스킨을 제거하지 않고 다양한 복합물(발포된 및 발포되지 않음)의 밀도를 ISO 845에 따라 측정하였다. 그 결과는 표 6에 나타내었다. 상대 밀도는 개개 발포된 제품과 발포되지 않은 제품 간의 밀도의 비
Figure pct00017
를 지칭한다.
표 6: 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 형성된 발포되지 않은 폴리프로필렌 및 발포된 폴리프로필렌의 절대 밀도 및 상대 밀도:
Figure pct00018
1-단계 사출-성형 발포 공정:
발포된 폴리프로필렌의 생산을 Mucell® 발포 공정으로서 공지된 사출-성형 물리적 발포에 의한 발포를 이용하여 수행하였다. 폴리프로필렌 호모폴리머 "Moplen EP300K" (LyondellBasell에 의해 제공됨)를 물리적 발포제로서 초임계 N2 (0.7 내지 0.8 중량%)를 사용하여 발포시켜 치수 10 cm × 10 cm × 5 cm의 사각판을 수득하였다. 도입된 탈크는 1, 2 및 5 중량% 농도의 탈크 A (표 2 참조)이다. 사출-성형 기계 "Engel Victory 110"는 110 톤의 투입력(closing force), 250 ㎤의 최대 가소화 부피, 2500 bar의 최대 사출 압력, 40 mm의 스크류 직경을 갖는다. 사출 유닛의 온도는 표 7에 나타난 바와 같다. 사출 동안 카운터 역압(counter back-pressure)은 20 MPa이며, 모울드 온도는 35℃이며, 모울드 내측의 냉각 시간은 35 내지 45초이다. 사출 속도는 실시예 8 내지 19의 경우에 0.200 m·s-1, 및 실시예 8*의 경우에 0.065 m·s-1이다.
표 7: 사출 유닛 온도
Figure pct00019
다양한 발포체를 상술된 공정을 이용하여 생산하였다. 각 발포 조건에 대한 폴리머 투여량 및 사출 속도는 표 8에 나타낸 바와 같다:
표 8: 각 발포 조건에 대한 폴리머 투여량 및 사출 속도
Figure pct00020
1, 2 및 5 중량% 탈크 A를 포함하는 폴리프로필렌으로부터 형성된 다양한 발포체, 및 이의 발포되지 않은 균등물은 표 9에 나타낸 밀도를 갖는다. 밀도는 ISO 845에 따라 측정된 것이다.
표 9: 발포되지 않은 폴리프로필렌 및 발포된 폴리프로필렌의 밀도:
Figure pct00021
발포체 특성분석:
상술된 실시예 및 비교예에 따라 형성된 다양한 발포체의 셀 구조를 액체 질소를 사용하여 극저온으로 파쇄시키고 금 박막의 스퍼터 증착에 의해 전도성을 갖는 샘플로부터 "JEOL JSM-5610" 주사 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 연구하였다. 평균 셀 크기 (
Figure pct00022
) 및 셀 밀도 (Nf)를 절편 카운팅 방법 [G.L.A. Sims and C. Khunniteekool, Cell size measurement of polymeric foams, Cellular Polymers, 13, 137 (1994)]을 이용하여 저비율 현미경으로부터 직접적으로 획득하였다. 특히, Nf를 하기 방정식에 따라 결정하였다:
Figure pct00023
상기 식에서, n은 면적 A (cm2 단위) 당 셀의 수이며, ρs 및 ρf는 각각 고체 밀도 및 발포체 밀도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 두 개의 상이한 셀 크기,
Figure pct00024
및
Figure pct00025
를 결정하였는데,
Figure pct00026
는 수직 방향을 나타내는 것으로서, 이러한 경우에 이는 압력 방출 방향에서의 세포 크기이며,
Figure pct00027
는 폭 방향을 나타낸 것이다.
상술된 실시예 및 비교예에 따라 형성된 다양한 발포체를 동적 기계적 열적 분석 (Dynamic Mechanical Thermal Analysis; DMTA) 특징분석을 이용하여 추가로 특징분석하였다. 사용된 장비는 TA Instruments에 의해 제공되는 "Dynamic Mechanical Thermal Analysed DMA Q800"이다. 사용되는 방법은 0.02%의 변형 조절을 갖는 DMA 다중-주파수 변형(DMA multi-frequency strain)이다. 시험된 샘플은 사각형 기하학적 구조를 가지고, 도 5에 도시된 바와 같이, 단일 캔틸레버 클램프에 의해 유지된 것이다. 발포 동안에 발생되는 외부 스킨을 제거한 후에 샘플을 시험하였으며, 이러한 샘플은 2.8 mm의 두께, 13.0 mm의 폭, 35.0 mm의 길이, 17.5 mm의 스팬 길이(span length)를 갖는다.
물질의 탄성 저장 계수 E를 하기 방정식에 따라 결정하였다:
Figure pct00028
상기 식에서, Ks는 측정된 강성도를 나타내며, L은 샘플 길이를 나타내며, v는 푸아송 비(Poisson's ratio)를 나타내며, t는 샘플의 두께를 나타낸다. I는 식
Figure pct00029
(여기서, w는 샘플의 폭임)에 의해 나타내는 샘플의 관성 모멘트이며, Fc는 하기 식에 의해 정의되는 클램핑 보정 인자이다:
Figure pct00030
이후에, 탄성 저장 계수 E가 깁슨-애쉬비(Gibson-Ashby) 모델에 따라 분석될 것인데, 이는 하기와 같이 물질의 상대 탄성 저장 계수 및 밀도에 따른 파라미터 n을 정의한다:
Figure pct00031
상기 식에서, n은 발포되지 않은 균등물과 비교하여 발포체의 기계적 성질의 저하의 척도이다. 본원에서 사용되는 "n"은 발포체 밀도에 대해, 개개 베이스 고체의 성질과 발포체의 제공된 성질 (예를 들어, 탄성 계수 또는 강도)의 편차를 나타낸다. 일반적으로, "n"은 통상적으로 1 내지 2 범위의 값을 갖는다는 것이 허용된다. "n"은 셀 구조와 밀접하게 관련이 있는데, 이러한 값은 물질이 수 마이크로미터의 평균 셀 크기를 갖는 폐쇄 셀 타입의 셀 구조(마이크로셀 발포체)를 나타내는 경우에 1에 가깝다. n = 1인 경우에, 발포체의 성질과 다양한 밀도를 갖는 고체의 성질의 편차는 선형이다(예를 들어, 20% 밀도 감소는 측정된 성질의 20% 감소를 초래할 것임). 셀 크기 및/또는 셀 전도도가 증가함에 따라 "n"은 증가하는 경향이 있다. 일반적으로 말하면, 개방-셀 발포체가 2에 가까운 "n" 값을 갖지만, n = 2의 값이 반드시 셀 구조가 완전히 개방된 셀인 것을 의미하는 것은 아님을 인지한다.
결과:
2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 형성된 다양한 발포체의 셀 구조를 상술된 절차에 따라 측정하였고, 표 10에 나타내었다:
표 10: 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 형성된 폴리프로필렌-탈크 발포체의 셀 구조:
Figure pct00032
2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 형성된 다양한 발포체의 셀 구조는 도 6 내지 도 21에 도시되어 있다.
알 수 있는 바와 같이, 탈크의 도입은 보다 낮은 평균 셀 크기 (268 ㎛의 충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체에서 대략 170 ㎛의 비교 탈크 A 및 비교 탈크 B를 갖는 폴리프로필렌 발포체로의 셀 크기 감소 - 표 10에 나타낸 비교예 1 내지 4 및 8 참조) 및 보다 높은 셀 밀도 (2.67×105개 셀·cm-3에서 최대 3.40×105개 셀·cm-3으로 증가함)를 갖는 발포체를 형성시켰는데, 이에 따라 탈크 입자에 의해 촉진된 불균일 셀 핵형성 효과를 입증한 것이다. 또한, 폴리프로필렌-탈크 발포체는 충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체와 비교할 때에 더욱 등방성-유사 셀 구조를 나타내었다 (도 6과, 도 7 및 9를 비교).
평균 셀 크기, 셀 밀도 및 셀 종횡비의 측면에서, 폴리프로필렌 발포체의 셀 구조에서의 탈크 농도의 효과를 비교 탈크 A를 사용하여 평가하였다. 표 10에 나타낸 결과에 의해 알 수 있는 바와 같이, 보다 미세한 셀 구조는 탈크 함량을 0.5 중량%에서 최대 1.7 중량%로 증가시킴으로써 얻어졌는데 (대략 160 ㎛ 및 2.30 × 105개의 셀·cm-3에서 대략 153 ㎛ 및 3.40 × 105개의 셀·cm-3), 이는 탈크 입자에 의해 촉진된 불균일 셀 핵형성 효과를 나타내는 것이다. 0.5 중량%의 비교 탈크 A 발포체 (비교예 1)가 충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체에 보다 명확하게 낮은 셀 밀도를 나타내지만(2.67 × 105개의 셀·cm-3의 충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체와 비교하여 2.30 × 105개의 셀·cm-3), 이러한 작은 차이는 보다 높은 상대 밀도로 달성된 것이며, 이는 Nf의 결정에 영향을 미친다 (방정식 참조). 실제로, 폴리프로필렌 + 0.5 중량% 비교 탈크 A 발포체 (비교예 1)는 또한 다른 폴리프로필렌-탈크 발포된 복합물과 유사한 상당히 보다 낮은 셀 크기 값 (268 ㎛의 충전되지 않은 폴리프로필렌과 비교할 때 대략 160 ㎛)을 나타내었다. 그럼에도 불구하고, 셀 구조와 관련한 주요한 차이는 주로 1 중량% 이상의 탈크 농도에 대하여, 폴리프로필렌에 탈크의 도입과 함께 관찰된다 (충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체와 비교할 때에 셀 크기 감소, 증가된 셀 밀도, 및 개선된 셀 등방성).
도 12 및 도 14 내지 17, 뿐만 아니라 비교 방식에서 도 13은 미정질 탈크 농도가 증가함에 따라 점점 더 미세한 셀 (보다 작은 셀 크기) 및 보다 큰 등방성-유사 셀 구조를 나타내며, 10 중량%의 탈크 A 양 (실시예 5)까지 얻었다. 셀 핵형성 효율의 측면에서 시스템의 포화는 탈크 농도가 10 중량%에 도달할 때에 얻었다.
단지 약간의 차이는 비교 탈크 A 발포체와 비교 탈크 B 발포체 사이에 발견되었다. 보다 높은 셀 크기 감소가 예를 들어 비교 탈크 B 대응물과 비교할 때에 비교 탈크 A-1.7 발포체 (1.7 중량% 비교 탈크 A; (비교예 4))의 경우에 명확하게 관찰되었지만, St-1.7 발포체가 비교 탈크 A -1.7 (비교예 4에서의 1.7 중량% 비교 탈크와 비교하여, 비교예 8에서의 1 중량% 비교 탈크 B)와 비교할 때에 보다 낮은 탈크 함량을 나타낸다는 것이 고려되어야 한다. 보다 유사한 탈크 함량과 비교할 때에, 두 개의 탈크 타입에 대한 셀 크기의 측면에서 거의 동일한 결과가 얻어졌으며, 보다 미세한 탈크 (비교 탈크 B)의 도입이 보다 높은 셀 밀도 (1% 비교 탈크 발포체의 경우 3.00 × 105 개의 셀·cm-3과 비교하여 3.15 × 105 개의 셀·cm-3; 비교예 2)를 갖는 발포체를 초래하는데, 이는 주로 보다 낮은 상대 밀도(보다 높은 팽창)와 관련된다.
탈크 모폴로지의 효과: 탈크 A의 첨가 (실시예 1 내지 5)가 비교 탈크 C와 비교할 때에 보다 높은 셀 크기 (비교예 1 내지 4; 156 ㎛와 비교하여 대략 187 ㎛)를 갖는 발포체를 형성시키지만, 실시예 4에 따른 이러한 발포체는 폴리프로필렌 + 비교 탈크 C 발포체 보다 2배 이상 더욱 큰 셀 밀도를 나타내었으며, 이는 이는 폴리프로필렌 + 탈크 A 발포체의 보다 낮은 상대 밀도, 즉 보다 높은 팽창, 뿐만 아니라 탈크 입자의 미정질 모폴로지와 관련이 있다. 가장 큰 셀 핵형성은 5 중량% 탈크 A (미정질 탈크)에서 얻어졌다. 10 중량% 탈크 A에서, 보다 낮은 셀 형성은 폴리프로필렌 매트릭스에서 탈크 입자의 상당한 응집으로 인해 얻어진다.
특히, 핵화제는 가장 균일한 가능한 크기, 형상, 및 표면 성질의 조합을 가질 것이다. 비교 탈크 C와 비교할 때에 탈크 A가 미정질 모폴로지를 가지고, 이에 따라 보다 높은 그리고 균일한 표면적 (6.5 m2/g의 비교 탈크 C와 비교하여 11.0 m2/g)을 갖기 때문에, 고도의 라멜라 탈크의 훨씬 큰 개개 판상체와 비교하여 미정질 탈크의 보다 작은 판상체의 직접적인 결과로, 보다 높은 셀 핵형성이 달성된다. 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 이러한 보다 양호한 셀 핵형성이 미정질 탈크의 거칠고 보다 높은 표면적이 보다 많은 공기를 가두어서 보다 많은 핵 그리고 보다 미세한 버블을 생성시키는 경향이 있다는 사실에 기인할 수 있는 것으로 사료된다.
이러한 분석은, 1 중량% 탈크 비교 탈크 D (비교예 12) 및 1 중량% 탈크 B (실시예 7) 둘 모두의 첨가가 상당히 유사한 평균 셀 크기 (대략 190 ㎛)를 갖는 발포체를 형성시키지만, 제2 타입의 (미정질) 탈크가 보다 상당히 높은 셀 밀도 (폴리프로필렌 + 1 중량% 탈크 B 발포체 (실시예 7)의 경우에 2.68 × 105 개의 셀·cm-3, 및 폴리프로필렌 + 1 중량% 비교 탈크 D의 경우에 1.21 × 105 개의 셀·cm-3, 도 19 및 21에 도시된 것을 비교하여 참조)를 갖는 발포체를 형성하였는데, 이는 탈크 B의 미정질 탈크 모폴로지와 관련이 있다.
2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 형성된 발포체를 상술된 바와 같이 DMTA 특징분석으로 분석하였다. 이러한 결과 및 추정된 n 값은 표 11에 나타내었다:
표 11: 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 형성된 폴리프로필렌-탈크 발포체의 DMTA-특징분석:
Figure pct00033
파라미터 n은 발포되지 않은 균등물과 비교하고, 발포체의 감소된 밀도를 고려하여, 발포체 성질 저하의 지표이다. 보다 낮은 n-값은 상응하는 발포체의 보다 양호한 성능을 지시한다. 표 11에 나타낸 결과는, 본 발명에 따른 실시예의 발포된 물질이 비교예의 측면에서 개선되거나 동일한 성능을 갖는다는 것을 나타내며, 여기서 라멜라 및 고도의 라멜라 탈크가 사용되었다. 심지어, 고 함유량의 미정질 탈크가 입자들의 응집을 야기시키는 실시예 5의 경우에서도, 탈크-로딩된 폴리프로필렌 발포체의 성능은 비교 물질과 유사하다.
1-단계 사출-성형 Mucell® 발포 공정에 따라 형성된 다양한 발포체의 셀 구조를 측정하였다. 측정이 흐름 방향 (FD) 및 횡 방향 (TD)으로 이루어지는 지의 여부에 따라 셀 구조의 성질들이 사각 평판에서 달라지기 때문에, 두 방향 모두의 측정이 표 12 및 표 13에 나타내었다. 도 22는 횡 방향 (TD) 및 흐름 방향 (FD)으로 고려되는 구역들을 예시한 것이다.
실시예 8*는 실시예 8에서와 동일한 성분 및 비율을 갖는 물질을 나타내지만, 여기에서 1-단계 사출-성형 발포 공정에서 사출 속도는 표준 0.200 m·s-1에서 0.065 m·s-1로 감소되었다.
표 12: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리프로필렌-탈크 발포체의 흐름 방향 (FD)에서의 셀 구조:
Figure pct00034
표 13: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리프로필렌-탈크 발포체의 횡 방향 (TD)에서의 셀 구조:
Figure pct00035
1-단계 사출 성형 발포 공정에 따라 형성된 다양한 발포체의 셀 구조는 도 23 내지 도 40에 도시되어 있다.
알 수 있는 바와 같이, 탈크의 도입은 보다 낮은 평균 셀 크기를 갖는 발포체를 야기시켰다. 표 12 및 13의 실시예 8 및 8*, 및 도 29 및 38에 나타낸 바와 같이, 보다 낮은 사출 속도는 흐름 방향 (FD) 및 횡 방향 (TD) 둘 모두에서 보다 높은 셀 크기 및 보다 낮은 셀 농도를 갖는 발포체를 형성시켰다. 이에 따라, 사출 속도는 다른 모든 실시에에서 0.200 m·s-1에서 유지되었다.
충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체 1 내지 3 (비교예 13 내지 15)에서, 모든 방향에서의 셀 크기
Figure pct00036
는 여전히 110 ㎛ 이상이고, 셀 수는 106 개의 셀·cm-3 미만이다. 흐름 방향 (FD) 및 횡 방향 (TD)에서의 셀 크기의 차이는 비교적 높으며, 셀 종횡비
Figure pct00037
는 1 미만이다. 다른 한편으로, 폴리프로필렌/탈크 A 복합물로부터 제조된 발포체는 모든 방향에서 80 ㎛ 미만, 때때로 40 ㎛ 미만의 셀 크기
Figure pct00038
, 및 106 개의 셀·cm-3 이상, 일부 경우에서 심지어 107 개의 셀·cm-3 이상의 셀 갯수 농도를 갖는다. 또한, 흐름 방향 (FD) 및 횡 방향 (TD)에서의 셀 크기 간의 차이는 비-핵형성된 발포체와 비교하여 비교적 적으며, 셀 종횡비는 1에 가까운데, 이는 발포체가 더욱 등방성임을 의미하는 것이다. 발포 시에 흐름 방향의 영향이 더욱 낮으며, 이에 따라 더욱 치수적으로 균일한 ("대칭적인") 발포체가 얻어질 수 있다.
핵형성된 폴리프로필렌 발포체 중에서, 다양한 탈크 농도 간의 차이는 유의미하지 않았다. 그러나, 보다 높은 탈크 함유량이 셀 농도에 대한 증가된 Nf-값을 야기시킨다. 매우 많은 양의 미정질 탈크의 첨가는 셀 크기의 측면에서, 특히 보다 고도로 팽창된 발포체의 경우에, 특히 횡 방향 (TD)에서 보다 높은 효과를 갖는다. 이러한 것은 흐름 방향에서 셀 크기의 보다 큰 차이를 촉진시키는, 탈크의 가소화 효과로 인한 것일 수 있다는 것이 추측된다.
도 33은 셀 구조에 대한 탈크 도입 및 농도의 효과를 도시한 것이다. 15 내지 16%의 중량 감소의 경우에 (실시예 8, 12 및 16), 탈크의 양이 증가될 때에 높은 셀 핵형성 효과가 얻어진다는 것이 명확하게 나타난다. 일부 특정 경우에서, 점점 보다 높은 농도의 탈크가 심지어 보다 높은 셀 밀도를 갖는 발포체를 형성시키지만, 가장 큰 차이는 충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체와 미정질 탈크를 갖는 발포체 간에 발견되었다.
1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 발포체는 상술된 바와 같이 DMTA 특징분석에 의해 분석되었다. 발포화 동안에 형성된 샘플의 스킨은 2 단계 발포 공정과는 상반되게 보유되었다. 이러한 측정은 또한 흐름 방향 (FD ) 및 횡 방향 (TD) 둘 모두에서 얻어졌다 (도 22 참조). 결과 및 외삽된 n 값은 표 14 및 15에 나타내었다.
표 14: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리프로필렌-탈크 발포체의 흐름 방향 (FD)에서의 DMTA-특징 분석:
Figure pct00039
표 15: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리프로필렌-탈크 발포체의 횡 방향 (TD)에서의 DMTA-특징 분석:
Figure pct00040
이러한 데이타에서는, 발포되지 않은 복합물의 E'spec-값이 탈크 적재가 증가함에 따라 증가되는 것으로 나타낸다. 일반적으로 말하면, E'spec-값은 상대 밀도가 감소함에 따라 (즉, 중량 감소가 증가함에 따라) 감소하였다. 또한, 탈크를 갖는 폴리프로필렌 발포체는 특히 흐름 방향 (FD)에서 개개의 충전되지 않은 폴리프로필렌 발포체 보다 더욱 높은 E'spec-값을 나타내었다. 이러한 효과는 탈크로 인한 발포체의 보다 미세한 구조 및 기계적 강화 효과의 결합과 관련이 있는 것으로 여겨진다.
기계적 성질의 측면에서 탈크 양이 증가함에 따른 포괄적인 경향이 존재하지는 않지만, 2% 및 5% 탈크 A를 갖는 폴리프로필렌 발포체 (실시예 12 내지 19)는 깁슨-애쉬비의 지수 n의 보다 낮은 값에 의해 평가되는 바와 같이, 발포와 함께 횡 방향에서 개선된 기계적 거동을 나타낸다. 이는 발포된 폴리프로필렌 복합물에서 미정질 탈크의 양을 증가시킴에 따라, 발포의 기계적 성질의 보다 낮은 저하를 시사한다.
동일한 시험을 폴리프로필렌 발포체 대신에 폴리스티렌 발포체를 사용하여 수행하였다. 발포된 폴리스티렌의 생산을 또한 Mucell® 발포 공정으로서 공지된 사출-성형 물리적 발포에 의한 발포를 이용하여 수행하였다. BASF에 의해 제공된, 폴리스티렌 어택틱 호모폴리머 "Polystyrol 165H"를 물리적 발포제로서 초임계 N2 (0.7 내지 0.8 중량%)를 사용하여 발포시켜 치수 10 cm × 10 cm × 5 cm의 사각판을 수득하였다. 도입된 탈크는 1, 2 및 5 중량% 농도의 탈크 A (표 2 참조)이다. 먼저 10 중량% 탈크 A를 포함하는 폴리스티렌-탈크 마스터배치를 제조하고, 이후에 마스터배치를 희석시켜 요망되는 농도로 얻음으로써 복합물을 생산하였다.
사출-성형 발포 Mucell® 공정 동안 사출 유닛의 온도는 표 16에 나타내었다. 사출 동안 카운터 역압은 20 MPa이었으며, 모울드 온도는 20℃이었으며, 모울드 내측의 냉각 시간은 45 내지 50초이었다.
표 16: 사출 유닛 온도
Figure pct00041
다양한 발포체를 상술된 공정을 이용하여 생산하였다. 폴리머 투여량 및 사출 속도는 표 17에 나타내었다:
표 17: 폴리머 투여량 및 사출 속도
Figure pct00042
다양한 발포체를 1, 2 및 5 중량% 탈크 A를 포함하는 폴리스티렌으로부터 생산하였으며, 이들의 발포되지 않은 균등물은 표 18에 기술된 밀도를 갖는다. 밀도는 ISO 845에 따라 측정되었다.
표 18: 발포되지 않은 폴리프로필렌 및 발포된 폴리프로필렌의 밀도:
Figure pct00043
발포체 특징분석:
다양한 폴리스티렌 발포체의 셀 구조를 상기 폴리프로필렌 발포체와 동일한 방식으로 분석하고 평가하였다. 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 따라 생산된 다양한 폴리스티렌 발포체의 셀 구조를 상술된 절차에 따라 측정하고, 표 19 및 20에 나타내었다.
표 19: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 생산된 폴리스티렌-탈크 발포체의 흐름 방향 (FD)에서의 셀 구조:
Figure pct00044
표 20: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 생산된 폴리스티렌-탈크 발포체의 횡 방향 (TD)에서의 셀 구조:
Figure pct00045
1-단계 사출 성형 발포 공정에 따라 생성된 다양한 발포체의 셀 구조는 도 41 내지 58c에 도시되어 있다.
알 수 있는 바와 같이, 탈크의 도입은 보다 낮은 평균 셀 크기를 갖는 발포체를 초래하였다. 충전되지 않은 폴리스티렌 발포체 2 내지 4 (비교예 18 내지 20)에서, 모든 방향에서의 셀 크기
Figure pct00046
는 대략 50 ㎛ 내지 60 ㎛이었으며, 셀 갯수는 대략 107 개의 셀·cm-3 또는 그 미만이었다. 충전되지 않은 폴리스티렌 발포체 1 (비교예 17)는 FD 및 TD 방향 둘 모두에서 대략 85 ㎛ 내지 90 ㎛의 보다 높은 셀 크기, 및 106 개의 셀·cm-3 미만의 셀 갯수를 명확하게 나타내었다. 이는 낮은 비율의 발포제 및 보다 낮은 유효 셀 핵형성에 기인한 것으로 사료된다. 충전되지 않은 폴리스티렌 발포체의 경우에, 셀 밀도는 발포 효율이 높아짐에 따라 증가하였다.
핵형성된 폴리스티렌 발포체 중에서, 다양한 탈크 농도 간의 차이는 유의미하지 않았다. 그러나, 보다 높은 탈크 함유량이 일반적으로 셀 농도에 대하여 증가된 Nf-값을 야기시키는 것으로 나타날 수 있다. 탈크의 도입은 두 방향 모두에서 셀 크기를 명확하게 감소시켰는데, 이는 훨씬 높은 셀 밀도를 갖는 발포체의 형성을 촉진시킨다. 검출된 셀 크기는 50 ㎛ 미만, 일부 경우에 심지어 20 ㎛ 미만이며, 셀 밀도는 107 개의 셀·cm-3 초과, 일부 경우에 심지어 108 ·cm-3 초과이었다. 또한, 흐름 방향 (FD)과 횡 방향 (TD)에서 셀 크기의 차이는 비-핵형성된 발포체와 비교하여 비교적 낮았으며, 셀 종횡비는 1에 가까운데, 이는 발포체가 더욱 등방성임을 의미한다. 발포에 대한 흐름 방향의 영향은 낮으며, 이에 따라 보다 치수적으로 균일한 ("대칭") 발포체가 얻어질 수 있다. 이는 또한 도 57에 도시되어 있다.
탈크의 양을 증가시켰을 때, 유의미한 차이가 또한 고찰되었는데, 발포체는 보다 낮은 셀 크기 및 보다 높은 셀 밀도를 나타낸다. 탈크 농도를 증가시킴에 따라 셀 핵형성 효과가 명확하게 높아진다. 셀 크기 감소 및 셀 밀도 증가는 특히 16 및 28%의 발포체 중량 감소의 경우에 탈크의 중량을 증가시킴에 따라 특히 현저하였으며, 이는 탈크에 의해 유도된 셀 핵형성이 보다 낮은 중량 감소에서 더욱 효과적이라는 결론에 이르게 한다.
1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리스티렌 발포체를 또한 상술된 DMTA 특징분석으로 분석하였다. 발포 동안 형성된 샘플의 스킨은 2-단계 발포 공정과는 상반되게 유지되었다. 이러한 측정을 또한 흐름 방향 (FD) 및 횡 방향 (TD) 둘 모두에서 획득하였다. 결과는 표 21 및 22에 나타내었다:
표 21: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리스티렌-탈크 발포체의 흐름 방향 (FD)에서의 DMTA-특징분석:
Figure pct00047
표 22: 1-단계 사출-성형 발포 공정에 따라 형성된 폴리스티렌-탈크 발포체의 횡 방향 (TD)에서의 DMTA-특징분석:
Figure pct00048
이러한 데이타에서는 발포되지 않은 복합물의 E'spec-값이 발포 방향 및 횡 방향 둘 모두에서 탈크 함유량이 증가함에 따라 증가됨을 나타낸다. 일반적으로 말하면, E'spec-값은 상대 밀도가 감소함에 따라 (즉, 중량 감소가 증가함에 따라) 감소한다. 또한, 탈크를 갖는 폴리스티렌 발포체는 특히 16% 및 28%의 중량 감소의 경우에, 개개의 충전되지 않은 폴리스티렌 발포체 보다 더욱 높은 E'spec-값을 나타내었다. 이러한 효과는 탈크 입자에 의해 유도되는 훨씬 미세한 셀 구조와 관련이 있는 것으로 여겨진다.
탈크를 갖는 폴리스티렌 발포체는 개개의 충전되지 않은 폴리스티렌 발포체와 비교할 때에 비저장 탄성률(specific storage modulus) 값의 보다 낮은 감소를 나타내었다. 다시 한번, 가장 큰 차이는 16% 및 28%의 발포체 중량 감소의 경우에 발견되었으며, 여기서 탈크에 의해 유도된 셀 핵형성은 더욱 효과적이었다. 특히, 폴리스티렌 발포체에서 핵 형성제로서 2 중량% 탈크의 사용은 최상의 개선을 갖는 것으로 나타난다.

Claims (15)

  1. 폴리머; 및
    조성물의 총 중량을 기준으로 하여 20 중량% 이하의 탈크 입자를 포함하며,
    탈크 입자가 미정질 탈크인 폴리머-기반 발포체 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 폴리머-기반 발포체 조성물이 10 중량% 이하의 탈크 입자를 포함하는 폴리머-기반 발포체 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폴리머가 열가소성 수지, 열가소성 엘라스토머, 고무 또는 폴리프로필렌 폴리머인 폴리머-기반 발포체 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 폴리프로필렌 폴리머가 폴리프로필렌 호모폴리머인 폴리머-기반 발포체 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리머가 조성물의 주성분인 폴리머-기반 발포체 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 미정질 탈크가 0.5 내지 10 ㎛의 세디그래프(Sedigraph)에 의한 평균 입자 크기 d50, 및/또는 9 내지 15의 제닝스 이론(Jennings theory)에 따른 종횡비, 및/또는 5 내지 25 ㎡·g-1의 BET 표면적을 갖는 폴리머-기반 발포체 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 방향 (
    Figure pct00049
    ) 또는 폭 방향 (
    Figure pct00050
    ) 중 어느 하나 또는 두 방향 모두에서
    Figure pct00051
    = 150 ㎛ 또는 그 미만의 평균 셀 크기를 갖는 폴리머-기반 발포체 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 0.7 또는 그 초과의 폭 방향에서의 평균 셀 크기
    Figure pct00052
    에 대한 수직 방향에서의 평균 셀 크기
    Figure pct00053
    의 비
    Figure pct00054
    /
    Figure pct00055
    를 갖는 폴리머-기반 발포체 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, Nf = 1 ㎤ 당 105 또는 그 초과의 셀을 함유하는 폴리머-기반 발포체 조성물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 2-단계 압출-혼합 및 발포 공정에 의해 형성된 폴리머-기반 발포체 조성물.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 1-단계 사출-성형 발포 공정에 의해 형성된 폴리머-기반 발포체 조성물.
  12. 패키징, 식품 포장 제품, 자동차용 플라스틱 부품, 단열 및/또는 방음 발포체, 파이프, 소비재 및 가전 제품의 생산에서 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 폴리머-기반 발포체 조성물의 용도.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 폴리머-기반 발포체 조성물을 포함하는 제품(product).
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 폴리머-기반 발포체 조성물을 형성시키는 방법으로서,
    a) 폴리머 조성물을 제공하고,
    b) 미정질 탈크 제품을 제공하고,
    c) 압출-혼합 공정에서 미정질 탈크 제품을 폴리머 조성물에 도입하고,
    d) 폴리머 조성물을 가스, 예를 들어 CO2, 질소 또는 불활성 가스를 사용하여 발포시키는 것을 포함하는 방법.
  15. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 폴리머-기반 발포체 조성물을 형성시키는 방법으로서,
    a) 폴리머 조성물을 제공하고,
    b) 미정질 탈크 제품을 제공하고,
    c) 미정질 탈크 제품을 폴리머 조성물에 도입하고 조성물을 1-단계 사출 성형 발포 공정을 이용하여 발포시키는 것을 포함하는 방법.
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