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KR100464696B1 - 고내열 열가소성 수지의 제조방법 - Google Patents

고내열 열가소성 수지의 제조방법 Download PDF

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KR100464696B1
KR100464696B1 KR10-2001-0084976A KR20010084976A KR100464696B1 KR 100464696 B1 KR100464696 B1 KR 100464696B1 KR 20010084976 A KR20010084976 A KR 20010084976A KR 100464696 B1 KR100464696 B1 KR 100464696B1
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제일모직주식회사
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Abstract

본 발명의 고내열 열가소성 수지는 제1반응기에서 스티렌 단량체가 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F, 제1반응기로 투입되는 전체유량을 F1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F2, 제1반응기의 반응기 내용적을 V1, 제1반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V1'라고 했을 때, F = F1+ F2,5.3 ≤ F1/F2≤ 6.3, 1.6 ≤ V1/V1' ≤ 1.9 의 조건으로 연속괴상중합하고; 제2반응기에서 제2반응기의 반응기 내용적을 V2, 제2반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V2'라고 했을 때, 2.0 ≤ V2/V2' ≤ 2.8, F = F1+ F2의 조건 하에 최종 펠릿 기준으로 탄화수소 화합물 0.0∼0.2 중량%를 연속적으로 투입하여 연속괴상중합하고; 그리고 제2반응기로부터 생성된 중합물로부터 미반응 단량체를 분리한 후 펠릿 형태로 절단하여 제조되고, 평균분자량이 26∼33만이고, 내열도가 99 ℃ 이상이고, 황색도가 1.0 이하이다.

Description

고내열 열가소성 수지의 제조방법{Process of High Heat Resistance Thermoplastic Resin}
발명의 분야
본 발명은 고내열 열가소성 수지의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 제1반응기에서의 반응조건을 조절하여 체류시간을 대폭 증대하고, 제2반응기에서는 저온유지 및 반응시간을 줄일 수 있도록 반응조건을 조절하며 연속괴상중합하여 고형분(폴리스티렌) 함량이 일정범위이고, 분자량이 특정범위에 해당하는 열가소성 수지를 제조함으로써, 황색도가 양호하고 내열성이 우수할 뿐만 아니라 강성이 크게 향상되어 고온 식음료 저장용기, 가전제품 케이스, 컴팩트 디스크 케이스, 아이스크림 용기 등의 제조에 유용한 고내열 열가소성 수지의 제조방법에 관한 것이다.
발명의 배경
일반적으로 고온 식음료 저장용기, 가전제품 케이스, 컴팩트 디스크 케이스, 아이스크림 용기 등의 제조에는 고내열 폴리스티렌이 사용되어왔다. 이러한 고내열 폴리스티렌을 제조하기 위한 종래 기술로는 다수의 반응기를 사용하고, 제조공정이 용액중합으로 진행되며, 원료용액을 모두 제1반응기에 투입하여 중합하는 방법들이 있으며, 상기 방법들은 일본 및 미국 특허문헌 등을 통해 다수 알려져 있다.
그러나, 상기 방법에 의할 경우 분자량이 높은 고내열 폴리스티렌을 얻을 수 있지만 반응기의 수가 많아 생산성이 떨어질 뿐만 아니라, 품종 교체시 불량 발생량이 많아지는 단점이 있다. 또한, 솔벤트(EB, MEK)를 이용한 용액중합으로 반응이 이루어지기 때문에 투명성을 제일의 우수조건으로 삼고 있는 폴리스티렌에는 제품의 저급화를 가져오게 된다.
이에 본 발명자들은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 2개의 반응기로 연속괴상중합함으로써 황색도가 양호하면서 내열성이 뛰어난 고분자량의 폴리스티렌 수지의 제조방법을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 내열성이 뛰어난 열가소성 수지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 황색도가 양호하고 내열성이 우수할 뿐만 아니라 강성이 크게 향상되어 고온 식음료 저장용기, 가전제품 케이스, 컴팩트 디스크 케이스, 아이스크림 용기 등의 제조에 유용한 고내열 열가소성 수지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 모두 하기에 설명되는 본 발명에 의해서 달성될 수 있다. 이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고내열 열가소성 수지를 제조하기 위한 연속괴상중합장치를 모식적으로 나타낸 개략도이다.
* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *
1 : 스티렌 단량체가 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량(F)
2 : 스티렌 단량체가 제1반응기로 투입되는 전체유량(F1)
3 : 스티렌 단량체가 제2반응기로 투입되는 전체유량(F2)
4 : 제1반응기의 반응기 내용적(V1)
5 : 제1반응기에서 반응액이 점하는 내용적(V1')
6 : 제2반응기의 반응기 내용적(V2)
7 : 제2반응기에서 반응액이 점하는 내용적(V2')
발명의 요약
본 발명의 고내열 열가소성 수지는 스티렌 단량체(원료용액)를 제1반응기와 제2반응기에서 연속적으로 괴상중합하여 폴리스티렌을 제조함에 있어서, 상기 스티렌 단량체의 전체 투입 유량의 비율을 조절하여 제1반응기와 제2반응기에 분리 투입하여 제조된다.
제1반응기에서는 스티렌 단량체를 고내열 수지로 생성할 수 있는 조건인 고분자량의 폴리스티렌을 만드는 핵심 반응이 진행되고, 제2반응기에서는 연속적으로 이동되는 제1반응기의 반응물에 저분자량 폴리스티렌 생성을 억제하고, 추가의 반응을 부여하여 최종 고형분의 비율을 상승시키고, 수지에 우수한 내열특성을 부여하기 위하여 석유로부터 추출한 탄화수소 화합물이 적당량 첨가된다.
본 발명에 따른 고내열 열가소성 수지는 제1반응기에서 스티렌 단량체 투입유량 및 반응시간을 하기식(A)∼(C)의 조건으로 유지하며 연속괴상중합하고; 제2반응기에서 반응조건을 하기식(D)의 조건으로 유지하며 연속괴상중합하고; 그리고 제2반응기에서 생성된 중합물(고형분)로부터 미반응 단량체를 분리하여 제조된다:
F = F1+ F2(A)
5.3 ≤ F1/F2≤ 6.3 (B)
1.6 ≤ V1/V1' ≤ 1.9 (C)
2.0 ≤ V2/V2' ≤ 2.8 (D)
상기식에서, F는 스티렌 단량체가 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량이고,F1은 스티렌 단량체가 제1반응기로 투입되는 전체유량이고, F2는 스티렌 단량체가 제2반응기로 투입되는 전체유량이고, V1은 제1반응기의 반응기 내용적이고, V1'는 제1반응기에서 반응액이 점하는 내용적이고, V2는 제2반응기의 반응기 내용적이고, V2'는 제2반응기에서 반응액이 점하는 내용적임.
본 발명에 따른 제조방법에서 제1반응기에서 연속괴상중합은 110∼120 ℃에서 시행되고, 제2반응기에서 연속괴상중합은 130∼150 ℃로 시행된다. 상기와 같은 방법으로 얻어진 폴리스티렌의 함량은 고형분 기준으로 제2반응기에서 50∼65 중량%이고, 최종 펠릿 수지의 평균 분자량은 26∼33만이고, 내열도가 99 ℃ 이상이고, 황색도가 1.0 이하이다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
이하 본 발명의 고내열 열가소성 수지를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선 제1반응기 및 제2반응기에서는 스티렌 단량체가 저장된 탱크로부터 스티렌 단량체를 연속적으로 공급받는다. 본 발명에서 사용될 수 있는 스티렌 단량체는 스티렌; α-에틸스티렌 및 α-메틸스티렌과 같은 옆사슬 알킬치환 스티렌류; 비닐크실렌, O-t-부틸스티렌, P-t-부틸스티렌 및 P-메틸 스티렌과 같은 핵알킬 치환 스티렌류; 모노클로로 스티렌, 디클로로 스티렌,트리브로모 스티렌 및 테트라 히드로 스티렌과 같은 활로겐화스티렌; P-히드록시 스티렌; 및 O-메록시 스티렌이 있다. 이 중에서 일반적으로 스티렌이 가장 많이 사용된다.
(1) 제1반응기에서의 중합
원료용액(스티렌 단량체)이 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F, 원료용액이 제1반응기로 투입되는 전체유량을 F1, 원료용액이 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F2, 제1반응기의 반응기 내용적을 V1, 제1반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V1'라고 했을 때, F = F1+ F2,5.3 ≤ F1/F2≤ 6.3, 1.6 ≤ V1/V1' ≤ 1.9 의 조건으로, 제1차반응기의 교반기 회전수를 30 회/분으로 조절하여 110∼120 ℃에서 연속괴상중합한다.
F1/F2〉6.3 의 경우에는 고분자량의 폴리스티렌이 형성될 수 없고, F1/F2< 5.3 의 경우에는 반응물의 점도가 지나치게 높아져서 이송 불량이 발생하여 제2반응기의 온도 조절이 어려울 뿐만 아니라, 제2반응기에서 저분자량 폴리스티렌이 다량 발생하여 원하는 고내열 수지를 얻을 수 없다. 또한, 제1반응기에서 5.3 ≤ F1/F2≤ 6.3, F = F1+ F2의 조건을 유지하는 이유는 2개의 반응기를 효과적으로 이용하여 점도조절을 하고, 반응물의 이송을 원활하게 하며, 고분자량의 스티렌 수지가 고내열성을 갖도록 하기 위한 것이다.
V1/V1' > 1.9 의 경우에는 점도가 지나치게 높아져 교반기의 부하가 증가하여 운전이 어려울 뿐 아니라, 비상상황 발생시 대처할 수 있는 시간 부족으로 위험에처하게 된다. 반면, V1/V1' < 1.6 의 경우에는 원하는 함량의 고형분을 얻을 수 없으며, 분자량이 저하되어 고분자량의 수지를 얻을 수 없다.
결국, 제1반응기에서 상기 반응조건을 유지함으로써 솔벤트를 사용하지 않는 연속괴상중합에서 원활한 반응물의 이송이 가능하고, 평균분자량 26∼33만의 고내열 고분자량 수지를 얻을 수 있다.
제1반응기에서 반응이 진행된 중합물은 제2반응기로 연속적으로 공급되어 연속괴상중합된다.
(2) 제2반응기에서의 중합
원료용액(스티렌 단량체)이 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F, 원료용액이 제1반응기로 투입되는 전체유량을 F1, 원료용액이 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F2, 제2반응기의 반응기 내용적을 V2, 제2반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V2'라고 했을 때, 2.0 ≤ V2/V2' ≤ 2.8, F = F1+ F2의 조건을 유지하고, 반응기의 회전수를 20 회/분으로 고정하여 130∼150 ℃에서 고형분이 50∼65 중량%가 되도록 연속괴상중합한다. 또한, 여기에 최종 펠릿 기준으로 탄화수소 화합물을 0.0∼0.2 중량% 연속적으로 투입한다.
본 발명에 사용 가능한 탄화수소 화합물은 일반적으로 말하는 화이트 오일(white oil)이 있다.
제2반응기에서 V2/V2' > 2.8 의 경우에는 고형분의 함량이 감소되어 생산성이 떨어지고, V2/V2' < 2.0 의 경우에는 저분자량 생성이 많아져 고내열성의 수지를 얻을 수 없으며, 발열량 증대로 중합온도 조절이 어렵다.
제2반응기에서 온도를 130 ℃ 미만으로 유지하면 생산성의 감소를 가져오며, 151 ℃ 이상으로 유지하면 고분자량 생성비율이 낮아 원하는 고내열 수지를 얻을 수 없다.
따라서, 제2반응기의 반응조건을 2.0 ≤ V2/V2' ≤ 2.8, F = F1+ F2, 130∼150 ℃로 유지하고, 탄화수소 화합물 0.0∼0.2 중량%를 연속적으로 투입함으로써 가치 있는 생산성을 유지하면서 내열성이 뛰어난 고분자량의 폴리스티렌을 얻을 수 있다.
제1반응기 또는 제2반응기에 분자량 조절제와 같은 기타의 첨가제가 첨가될 수 있으며, 이는 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다. 예를 들어, 대전방지제, 산화방지제 등을 각각의 용도에 따라 적절히 첨가하여 사용할 수 있다.
제2반응기에서 중합반응이 완료된 반응물은 승온기, 휘발조 등을 거치면서 미반응 단량체를 분리한 후 펠릿 형태로 절단된다. 이 펠릿 형태의 최종 수지의 평균분자량은 26∼33만이고, 내열도가 99 ℃ 이상이고, 황색도가 1.0 이하이다.
본 발명의 제조방법에 따라 투명성이 양호하며 고내열 특성을 유지하는 고분자량의 폴리스티렌이 추가의 솔벤트 투입 없이 2개의 반응기를 이용하여 효율적으로 제조된다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
제1반응기에서 중합은 원료용액(스티렌 단량체)이 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F, 원료용액이 제1반응기로 투입되는 전체유량을 F1, 원료용액이 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F2, 제1반응기의 반응기 내용적을 V1, 제1반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V1'라고 했을 때, F = F1+ F2,F1/F2= 5.8, V1/V1' = 1.75의 반응조건에서 실시하였다. 교반기 회전수를 30 회/분으로, 중합온도를 115 ℃로 연속괴상중합을 하였다.
제1반응기의 중합물은 제1반응기의 공급유량과 동일하게 제2반응기로 연속 공급하여, 원료용액(스티렌 단량체)이 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F, 원료용액이 제1반응기로 투입되는 전체유량을 F1, 원료용액이 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F2, 제2반응기의 반응기 내용적을 V2, 제2반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V2'라고 했을 때, V2/V2' = 2.6, F = F1+ F2로 유지하였다. 반응기의 회전수는 20 회/분으로 고정하고, 반응온도는 139 ℃로 유지했다.
제2반응기에 석유로부터 추출한 탄화수소 화합물인 화이트 오일을 최종 펠릿 내에서 0.1 중량%가 되도록 별도의 저장탱크에서 연속 투입했다.
제2반응기에서 얻어진 최종 중합물은 탈휘공정에 연속적으로 보내서 245 ℃까지 승온하여 미반응 단량체등 휘발성분을 제거하여 펠릿 형태로 제조하였다. 얻어진 펠릿 상의 수지에 대해 분자량, 황색도, 인장강도 및 내열도를 측정하였다.
인장강도는 ASTM D638에 의하여 20 ㎜/분의 속도에서 측정하였다.
황색도는 JIS K7105에 의하여 측정하였다.
분자량은 최종 펠릿 중 시료 5 ㎎을 채취하여 THF 5㎖를 혼합하여 진탕기(shaker)에 넣고 30분간 흔들어 완전히 용해한 후, 이 용액을 SPECTRA-PHYSICS ANALYTICAL社의 젤투과 크로마토그래프(Gel Permeation Chromatograph)로 측정하였다.
내열도는 ISO R306B에 의하여 측정하였다.
실시예 2
F1/F2= 6.1로 하고, 제2반응기에 연속적으로 투입되는 화이트 오일을 0.2 중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3
제1반응기의 체류시간을 조절하여 V1/V1' = 1.86으로 하고, 제2반응기에 연속적으로 투입되는 화이트 오일을 0.2 중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 4
제2반응기의 체류시간을 조절하여 V2/V2' = 2.7로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 5
제2반응기의 온도를 146 ℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 6
제2반응기에 연속으로 투입되는 화이트 오일을 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 시행하였다.
비교실시예 1
원료용액(스티렌 단량체)의 반응기 투입비율을 조절하여 F2= 0으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교실시예 2
제1반응기의 체류시간을 조절하여 V1/V1' = 2.15로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교실시예 3
제2반응기의 체류시간을 조절하여 V2/V2' = 1.8로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교실시예 4
제2반응기의 온도를 160 ℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교실시예 5
제2반응기에 화이트 오일을 0.7 중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교실시예 6
제2반응기에 연속으로 투입되는 화이트 오일을 1.3 중량%로 조절한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 시행하였다.
상기 실시예 1∼6 및 비교실시예 1∼6에서 사용된 반응조건과 각 실시예에 따라 제조된 수지에 대한 물성 측정결과를 각각 표 1 및 표 2에 나타내었다.
실시예
1 2 3 4 5 6
반응조건 F1/F2 5.8 6.1 5.8 5.8 5.8 5.8
V1/V1' 1.75 1.75 1.86 1.75 1.75 1.75
V2/V2' 2.4 2.4 2.4 2.7 2.4 2.4
탄화수소 화합물 (중량%) 0.1 0.2 0.2 0.1 0.1 0.0
제2반응기 온도 (℃) 139 139 139 139 146 139
물성 평균분자량 (Mw x 1,000) 290 310 280 320 330 290
인장강도 (㎏/㎠) 520 530 520 540 550 515
황색도 (YI) 0.9 0.8 0.9 0.7 0.9 0.9
내열도 (℃) 99.5 99.7 99.1 100.3 101.5 101.0
비교실시예
1 2 3 4 5 6
반응조건 F1/F2 F2=0 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8
V1/V1' 1.75 2.15 1.75 1.75 1.75 1.75
V2/V2' 2.4 2.4 1.8 2.4 2.4 2.4
탄화수소 화합물 (중량%) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.7 1.3
제2반응기 온도 (℃) 139 139 139 160 139 139
물성 평균분자량 (Mw x 1,000) 240 250 260 255 280 281
인장강도 (㎏/㎠) 470 460 480 475 510 500
황색도 (YI) 1.3 0.9 0.7 1.5 0.9 0.9
내열도 (℃) 96.2 96.5 97.1 96.3 96.5 96.0
상기 표 1,2의 결과로부터, 본 발명에 따른 반응조건 하에서 연속괴상중합함으로써 우수한 황색도, 내열도 및 강성을 갖는 고분자량의 폴리스티렌 수지를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 황색도가 양호하고 내열도 우수할 뿐만 아니라 강성이 크게 향상되어 고온 식음료 저장용기, 가전제품 케이스, 컴팩트 디스크 케이스, 아이스크림 용기 등의 제조에 유용한 고내열 열가소성 수지의 제조방법을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

  1. 제1반응기에서 스티렌 단량체가 제1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F, 제1반응기로 투입되는 전체유량을 F1, 제2반응기로 투입되는 전체유량을 F2, 제1반응기의 반응기 내용적을 V1, 제1반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V1'라고 했을 때, F = F1+ F2,5.3 ≤ F1/F2≤ 6.3, 1.6 ≤ V1/V1' ≤ 1.9 의 조건으로 연속괴상중합하고;
    제2반응기에서 제2반응기의 반응기 내용적을 V2, 제2반응기에서 반응액이 점하는 내용적을 V2'라고 했을 때, 2.0 ≤ V2/V2' ≤ 2.8, F = F1+ F2의 조건 하에 최종 펠릿 기준으로 탄화수소 화합물 0.0∼0.2 중량%를 연속적으로 투입하여 연속괴상중합하고; 그리고
    제2반응기로부터 생성된 중합물로부터 미반응 단량체를 분리한 후 펠릿 형태로 절단하는;
    단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 고내열 열가소성 수지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1반응기의 온도가 110∼120 ℃로 유지되고, 제2반응기의 온도가 130∼150 ℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 고내열 열가소성 수지의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2반응기에서 폴리스티렌 고형분 함량이 50∼65 중량%인 것을 특징으로 하는 고내열 열가소성 수지의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 화합물이 화이트 오일(white oil)인 것을 특징으로 하는 고내열 열가소성 수지의 제조방법.
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