KR20060011958A - 카르복시 다중산과 폴리아민을 함유하는 광물 섬유 사이징조성물과, 이를 제조하는 방법과, 이로부터 얻은 제품 - Google Patents

카르복시 다중산과 폴리아민을 함유하는 광물 섬유 사이징조성물과, 이를 제조하는 방법과, 이로부터 얻은 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 유리 또는 암(rock) 섬유와 같은 광물 섬유에 부착되도록 의도된 사이징 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 적어도 하나의 카르복시 다중산과 적어도 하나의 폴리아민을 함유한다. 본 발명은 또한 앞에서 명시한 조성물을 제조하는 방법과, 단열 및/또는 방음 제품을 형성하기 위해 광물 섬유의 사이징에 이를 사용하는 방법과, 이렇게 얻은 제품에 관한 것이다.

Description

카르복시 다중산과 폴리아민을 함유하는 광물 섬유 사이징 조성물과, 이를 제조하는 방법과, 이로부터 얻은 제품{MINERAL FIBRE SIZING COMPOSITION CONTAINING A CARBOXYLIC POLYACID AND A POLYAMINE, PREPARATION METHOD THEREOF AND RESULTING PRODUCTS}
본 발명은 광물 섬유를 위한 사이징 조성물의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 폴리카르복시산과 폴리아민을 포함하는 수성 사이즈(aqueous size)와, 이를 제조하는 방법과, 이 사이즈로 코팅되어 있는 광물 섬유를 주성분으로 하는 제품에 관한 것이다.
광물 섬유를 함유하는 대부분의 단열 및/또는 방음 제품은 섬유를 결합하고 이 제품이 의도하는 용도에 적합한 기계적으로 완전한 상태(mechanical integrity)를 제공하는 사이즈(size)의 사용을 필요로 한다. 또한 이 제품은 최종 설치 전 여러 가지 처리 작업을 견딜 수 있는 충분한 응집성과 강도를 가져야만 한다.
사이즈는, 사용된 광물의 성질 (유리, 암석 등)에 따라, 특히 내부 또는 외부 원심분리 섬유화의 이미 알려진 기술을 사용해서, 여러 가지 방법으로 얻어진 섬유에 부착된다. 내부 원심분리는 많은 작은 구멍을 갖는 스피너(spinner)에 용융된 물질을 투입하는 것으로, 이 물질은 길이가 다양한 필라멘트(filament) 형태로 장치의 주변 벽에 뿌려진다. 이 장치의 출구에서, 필라멘트는 연신되고 무작위로 분산된 섬유의 직물을 형성하기 위해서, 고온의 고속 기체 흐름에 의해 수용 부재 쪽으로 운반된다.
섬유의 상호 조립을 보장하기 위해, 스피너를 빠져나가는 섬유는 열경화성 수지를 함유하는 사이징 조성물과 분무된다.
다음에 사이즈로 코팅된 섬유 직물은 수지를 교차결합하기 위해 일반적으로 100℃ 이상의 온도에서 열 처리되고, 이에 따라 단열 및/또는 방음 제품을 형성하는데 필요한 특성, 특히 치수 안정성, 인장 강도, 압축 후 두께 회복 및 균일한 컬러를 갖는 경화 제품을 얻는다.
사이징 작업은 사이즈가 섬유 위에 균일하게 분산되도록 하는 조건 하에서 수행되어야만 한다. 특히, 맥석(脈石)(gangue)으로 둘러싸인 섬유 다발(fiber bundle)의 형성을 방지하는 것이 필요한데, 이러한 것은 결합되지 않은 섬유 내에 분산되고, 이러한 결합되지 않은 섬유는 쉽게 파단되어 먼지를 일으킨다. 이 작업은 접합점(junction point)에 의해 결합된 섬유를 얻는 것을 목적으로 하고, 이러한 섬유는 우수한 응집을 보장하고 제품이 사용시 뜯어지지 않는 것을 보장할 정도로 충분히 강하다. 그러나, 응집성은 결합이 가요성(flexibility)을 유지하고 최종 제품이 특정한 변형성을 유지하도록 지나치게 크지는 말아야 한다. 특히, 섬유간 접합은 제품의 저장 및 운반에 의한 압축을 견딜 수 있을 정도로 충분히 안정하고 강한 망상 조직(network)을 제공하고, 제품 제조시 공급업자의 규격을 만족시켜야만 한다.
이 방법의 조건 하에서, 사이즈(size)는, 앞에 기술한 바와 같이, 형성되는 섬유 위에 분무된다. 결과적으로, 사이즈는 교차결합되지 않은 상태에서 낮은 점성을 가져야만 하고, 열의 작용을 통해 중합체 망상 조직을 제공하기 전 보다 점성이 강한 상태로 신속하게 진행하는 경향이 있다. 교차결합되지 않은 상태에서 점성도가 지나치게 크다면, 사이즈는 점성이 강한 경향을 갖고 섬유 직물의 열 처리 동안 수용 부재 위에 부착물(deposit)을 형성하는 위험이 있다.
이미 알려진 많은 열적으로 교차결합될 수 있는 중합체들은 앞에서 명시한 조건들을 만족시킬 수 있다. 그러나, 단열에 관해서, 대부분의 시장은 가격이 주요 요인인 표준 소비자 제품으로 표시된다. 이러한 이유 때문에, 고가의 폴리우레탄 및 에폭사이드(epoxide)와 같은 열적으로 교차결합될 수 있는 중합체는 이들 중합체가 기술적으로 적합함에도 불구하고 산업적인 이용에는 현재 사용되지 않고 있다.
사이즈에 가장 흔히 사용되는 열경화성 중합체는 페노플라스트 타입의 수지(phenoplast-type resin)(페놀-포름알데히드 수지) 또는 아미노플라스트 타입의 수지(aminoplast-type resin)(멜라민-포름알데히드 또는 요소-포름알데히드 수지) 형태이다. 사이즈에서, 이 수지는 일반적으로 희석제인 물과, 유리된 포름알데히드의 양을 줄이고 또한 결합제로도 작용하는 요소와, 오일, 암모니아수, 염료 또는 안료 및 선택적으로 충전제(filler)와 같은 여러 가지 첨가제와 결합된다.
이러한 수지를 함유하는 사이즈는, 제품을 형성하기 위해 교차결합하는 단계 동안 150℃ 이상으로 가열시, 또는 가정용 오븐과 같은 특정한 경우에 심지어 700 ℃ 이상으로 가열되는 경우, 바람직하지 않은 가스, 특히 포름알데히드, 메틸 이소시아네이트(MIC) 및/또는 이소시안산(isocyanic acid)(ICA)을 생성하는 경향이 있기 때문에 전적으로 만족스럽지는 않다.
바람직하지 않은 배기가스를 줄이기 위해 여러 가지 해결책이 제안되었다.
제 1 수단은, 예를 들어 알루미늄 포스페이트를 함유하는 광물 사이즈(mineral size)를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 사이즈가 비록 500℃ 이하, 또는 심지어 700℃ 이하의 온도에 대해 만족스러운 것으로 밝혀지더라도, 이들 사이즈는 다른 단점을 갖고 있다. 즉, 이들 사이즈는 수분에 민감하고 저장 중 팽창하고 얇게 갈라지는 경향이 있는데, 이는 취급시 이들 제품의 일부가 뜯어지는 위험을 증가시킨다.
바림직하지 않은 배기가스를 제한하는 다른 수단은 페놀 포름알데히드 수지 이외의 유기 수지(organic resin)를 주성분으로 하는 사이즈의 사용을 기초로 한다.
특히, 폴리카르복시산과 폴리올(polyol)을 포함하고, 바람직하게는 알칼리 금속과 유기인 산(organophosphorus acid)의 염으로 이루어진 타입의 촉매와 결합된 (EP-A-0 990 727, EP-A-0 990 728 및 EP-A-0 990 729 참조) 사이즈를 통해 광물 섬유를 주성분으로 하는 제품을 형성하는 것이 제안되었다. 폴리카르복시산은 바람직하게는 10000 미만의 질량을 갖고 하나 이상의 카르복시기를 함유하는 올리고머 또는 중합체이고, 폴리올은 적어도 두 개의 하이드록시기를 갖는다. 예는 폴리(아크릴산) 및 트리에탄올아민을 사용한다.
WO-A-93/36368은 카르복시기 작용기 및/또는 β-하이드록시알킬아미드 작용기를 갖는 하나 이상의 화합물을 포함하는 사이즈에 의해 교차결합된 광물 섬유를 기재하고 있다. 예시적인 예는 카르복시산과 디에탄올아민 또는 트리에탄올아민의 반응으로부터 나온다.
EP-A-1 164 163은 유리솜(glass wool)을 제조하는 방법을 개시하는데, 이 방법은 카르복시산과 알칸올아민(alkanolamine), 또는 카르복시산과 알칸올아민으로부터 미리 합성된 수지 중 하나를 포함하는 사이즈를, 카르복시기를 함유하는 중합체와 반응시키는 단계를 포함한다.
EP-A-1 170 265에는, 두 개의 단계로 사이즈를 제조하는 것이 제안되어 있는데, 이는 무수물이 아민에 실질적으로 용해되고/용해되거나 이와 반응할 때까지, 반응 조건에서 무수물과 아민을 반응시킨 다음, 반응을 종료시키기 위해 물을 첨가하는 것이다.
마지막으로, EP-A-1 086 932는 광물면(mineral wool)에 사용하는 사이즈를 제안하는데, 이는 아민과 제 1 무수물 및 제 1 무수물과는 다른 제 2 무수물의 반응으로부터 생성된 비중합체 반응 생성물을 포함하는 수지를 함유한다.
바람직하지 않은 가스의 배출과 관련해서 만족스럽더라도, 앞에서 명시한 사이즈는 종래의 페놀-포름알데히드 수지를 함유하는 것보다 덜 효과적이다. 폴리아크릴과 β-하이드록시알킬아민을 주성분으로 하는 사이즈가 노후(ageing) 전 우수한 기계적 특성을 가져오더라도, 이러한 것은 이 제품이 매우 습한 대기에서 40℃ 이상의 온도에 노출되면 실질적으로 열화(劣化)된다.
또한, 폴리아크릴을 주성분으로 한 사이즈의 교차결합은 일반적으로 약 180℃의 온도에서 시작하고, 이 온도에서 처리 시간이 연장되거나 온도가 약 240℃까지 증가되는 경우에만 최종 단계에 도달한다. 페놀-포름알데히드 수지를 주성분으로 하는 사이즈와 비교해서, 이러한 조건은 보다 제한적이고, 오븐의 길이가 늘어나야만 하고/하거나 보다 강한 가열 수단이 사용되어야만 한다는 것을 의미하기 때문에 더 고가이다. 폴리아크릴은 또한 교차결합 전 직물의 섬유를 뻣뻣하게 하는 경향이 있어서, 이 결과 섬유가 밀집되기 어렵고 결합점(bonding point)의 개수가 더 적어진다.
폴리에스테르를 주성분으로 한 사이즈는 직물 운반용 장치에 끈적한 부착물을 형성하기 때문에 사용이 더욱 어렵다는 것을 주목해야 한다.
환경 요건을 충분히 만족시키기 위해 낮은 수준의 바람직하지 않은 가스 배출을 갖고, 사이징 조성물의 고유 특징, 특히 표준 조건에서 교차결합될 수 있는 특징을 유지하는 사이징 조성물(sizing compoistion)에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은, 특히 단열 및/또는 방음 제품을 형성하기 위해 광물 섬유를 코팅할 수 있는 새로운 사이징 조성물을 제공함으로써 전술한 결점을 해결하는 것이다.
본 발명의 목적은, 유리한 (더 효과적이거나 적은 비용의) 사이즈를 얻을 수 있도록 하는 상기 조성물을 제조하는 방법을 또한 제공하는 것이다.
본 발명의 주제는, 또한 단열 및/또는 방음 제품을 형성하기 위해 광물 섬유를 결합하기 위한 상기 조성물의 사용 방법과, 이에 따라 얻어진 제품에 관한 것이다.
광물 섬유에 부착되도록 의도되는 본 발명에 따른 사이징 조성물은, 적어도 하나의 폴리카르복시산 및 적어도 하나의 폴리아민을 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 폴리카르복시산은, 폴리아민과 반응할 수 있는 카르복시기의 수로 표시된, 2 이상, 바람직하게는 5000 미만, 유리하게는 2000 미만 또는 심지어 500 미만의 작용성(functionality)을 갖는다.
폴리카르복시산의 분자량은 50 내지 105 g/mol의 범위를 갖고, 바람직하게는 104 g/mol 미만의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 지시된 범위 내에 분자량을 유지시켜, 최종 교차 결합된 제품의 강도(stiffness)는 과도하게 크지 않을 수 있다.
저분자량의 폴리카르복시산의 일례로, 숙신산, 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 아젤라산(azelaic acid), 세바스산(sebacic acid), 주석산, 프탈산(phthalic acid) 및 테트라히드로프탈산과 같이 작용성이 2인 카르복시산, 구연산과 트리멜리트산(trimellitic acid)과 같이 작용성이 3인 카르복시산, 및 1,2,3,4-부탄테트라카르복시산(BTCA)과 같이 작용성이 4인 카르복시산을 들 수 있다.
더 높은 분자량의 폴리카르복시산은, 특히 아크릴 산, 메타크릴 산, 크로톤산, 이소크로톤산, 말레산, 신남산(cinnamic acid), 2-메틸말레산, 이타콘산(itaconic acid), 2-메틸이타콘산 및 α,β-메틸렌글루타르산과 같은 불포화 산의 동종 중합(homopolymerization)에 의해 얻어진 올리고머와 중합체로부터 선택될 수 있다. 폴리카르복시산은 또한 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌 및 스티렌과 그 유도체, 및 말단 불포화를 갖는 거대단위체(macromonomer)(하나 이상의 반응성 불포화 작용기를 함유한 올리고머)와 같이, 예를 들어 올레핀으로부터 선택된, 하나 이상의 다른 친수성 및/또는 소수성 불포화 단위체와 전술한 단위체 중 하나 이상을 공중합시켜서 얻어질 수 있다.
단위체, 올리고머 또는 중합체의 형태인 전술한 폴리카르복시산은 전술한 산, 또는 존재시 해당 무수물로부터 이미 알려진 방식으로 얻어질 수 있다. 예로서, 숙신 무수물, 글루타르 무수물, 프탈 무수물, 테트라히드로프탈 무수물, 트리멜리트 무수물, 말레 무수물 및 메타크릴 무수물이 언급될 수 있다.
폴리카르복시산은 구연산 또는 주석산, 1,2,3,4-부탄테트라카르복시산(BTCA), 폴리(아크릴 산)과 같은 폴리아크릴, 에틸렌/아크릴 산 공중합체 및 아크릴 산/말레산 공중합체로부터 선택되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, 주석산, BTCA, 폴리아크릴 산 및 아크릴 산/말레산 공중합체를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 폴리아민은, 2 이상, 바람직하게는 200 미만의 아민 작용 기의 수로 표현된 작용성을 갖는다. 유리하게, 이러한 작용기는 일차 및/또는 이차 아민 작용기이다.
폴리아민은, 광범위한 폴리아민, 예를 들어, 가능하면 하나 이상의 헤테로 원자, 특히 N 및/또는 O를 함유한 포화 또는 불포화, 선형, 가지형 또는 고리형 사슬을 갖는 지방족 폴리아민, 및 방향족 폴리아민으로부터 선택될 수 있다. 1,3-비스(아미노메틸)시클로헥산 및 m-크실렌-α, α'-디아민을 예로 들 수 있다.
폴리아민은 1000 g/mol 미만, 더 바람직하게는 500 g/mol 미만의 분자량을 갖는 것이 바람직하다.
다음의 일반식을 충족시키는 폴리아민이 특히 유리한 것으로 증명된다:
Figure 112005058568483-PCT00001
여기서,
x는 2 내지 10, 바람직하게는 2 내지 4이고,
y는 1 내지 10 사이에서 변화한다.
유리하게, 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌테트라민(TETA) 및 테트라에틸렌펜타민(TEPA)이 사용된다.
더 큰 분자량을 갖는 폴리아민 중에서, 폴리에틸렌이민, 폴리아미노스티렌, 및 기본 매질(키토산)에서 키틴(chitin)의 분해로부터 얻어진 생성물을 언급할 수 있다.
특정 폴리아민은 물에서 매우 드물게 수용성인 것으로 증명될 수 있다. 매우 희석된 용액 형태의 폴리아민을 사용해야 하고, 이에 따라 많은 양의 물을 처리하고 저장해야 하는 형태로 폴리아민을 사용해야만 하는 것을 피하기 위해, 이러한 폴리아민을 적어도 부분적으로 더 용해도가 큰 염으로 변환시키는 것이 유리하다. 이를 행하기 위해, 폴리아민은 예를 들어 술팜산 또는 염산과 같은 유기산 또는 무기산을 함유하는 물에서 용해된다.
사용될 산의 양은 폴리아민의 용해도와 형성될 염의 성질에 좌우된다. 일반적으로, 1 내지 10 몰 당량(molar equivalent), 바람직하게는 약 1 몰 당량의 아미드 염과, 1 내지 10 몰 당량, 바람직하게는 약 5 몰 당량의 폴리아민을 함유하는 용액을 얻는 것이 필요하다.
본 발명의 정황 내에서 유용한 폴리아민 수용액은 10 내지 50% 사이에서 변화하고, 바람직하게는 약 25%, 특히 18%인, 중량 기준의 고형물 함량을 갖는다.
사이징 조성물은, 일반적으로 물에서 폴리카르복시산 및 폴리아민을 선택적으로 나중에 한정된 첨가제로 희석시키거나 에멀션화시켜 얻어진다.
제 1 구현 방법에 따라, 바람직하게는 최대 10 중량%를 함유한 용액 및 수성 분산액의 폴리카르복시산을, 바람직하게 최대 10 중량%를 함유하는 수용액의 폴리아민과 혼합하고, 선택적으로는 첨가제와 혼합함으로써 사이즈가 형성된다.
제 2 구현 방법에 따라, 바람직하게는 최대 10 중량%를 함유하는 폴리카르복시산의 수용액 또는 분산액에 직접 폴리아민을 주입해서 예비 혼합물이 형성되고, 이후 선택적인 첨가제가 첨가된다.
이러한 구현 방법은 폴리카르복시산이 폴리아민과 반응하고, 침전하고 사이즈를 사용하지 못하게 하는 생성물을 형성하지 못하게 한다.
사전 혼합(premixing)은, 일반적으로 폴리카르복시산과 폴리아민의 어떠한 제어되지 않은 반응(높은 발열 반응)을 피하기 위해 약 75℃, 바람직하게는 약 70℃에서 혼합물의 온도를 제어하기 위한 냉각 시스템이 설치된 디바이스에서 수행된다. 사전 혼합은 안정할 수 있고, 특히 사이즈에 사용되기 전 수일 동안 20℃에서 저장될 수 있다.
다중산을 적어도 부분적으로 폴리아민과 반응시키기 위해 예비 혼합물을 열처리하는 것이 유리한 것으로 증명될 수 있다. 이러한 절차는, 잔류 시간을 단축시키고/단축시키거나 오븐의 온도를 낮추고, 이에 따라 완제품의 가격을 낮출 수 있게 한다. 열처리는 약 50 내지 100℃의 중간 온도에서 수행되어, 반응 정도를 제어할 수 있게 하며, 특히 점도가 크게 증가하는 것을 방지해서, 섬유에 결합제가 적절히 부착되는 것을 방지하게 된다.
이에 따라 형성된 사이징 조성물은 건조 물질의 부분으로 표현된, 일반적으로 20 내지 80 중량부의 폴리카르복시산과, 80 내지 20 중량부의 폴리아민을 포함한다.
일반적으로, 사이징 조성물은 더욱이 폴리카르복시산과 폴리아민의 건조 물질 100 중량부를 기준으로, 다음 첨가제를 포함한다:
- 0 내지 20 중량부, 바람직하게는 6 내지 15 중량부의 오일과;
- 0 내지 2 중량부, 바람직하게는 0.4 중량부의 실란과;
- 0 내지 5 중량부의 촉매와;
- 0 내지 20 중량부의 가소제.
전술한 첨가제의 잘 알려진 역할은 여기에 간략하게 상기될 것이다:
- 물은 윤활제의 역할을 하고, 분무 상태에 대한 점도를 조절하고, 섬유를 냉각시키고, 사전 겔화 효과(pregelling effect)를 제한시킬 수 있게 한다;
- 오일은 섬유를 에멀젼화시키고, 완제품(예를 들어 절연 시트)을 취급시 생성될 수 있는 먼지의 양을 감소시키며, 감촉을 향상시킬 수 있게 한다. 오일은 일반적으로 다른 성분에 대해 불활성이고, 물에서 에멀션화될 수 있다. 일반적으로, 이것은 석유로부터 추출된 탄화수소로 구성된 오일이다;
- 실란은 광물 섬유와 폴리카르복시산/폴리아민 교차 결합 제품의 결합을 제공한다. 실란은 기계적 특성을 향상시키고, 노화 내성을 개선시킨다. 실란은 일반적으로 아미노실란, 바람직하게는 γ-아미노프로필트리에톡시실란이다;
- 촉매는 폴리아민과의 폴리카르복시산의 반응 속도를 가속화 시키는데 사용되어, 오븐에서 직물(web)의 잔류 시간을 감소시키는데 사용된다. 일례로, LiC1, LiOCOCH3, CaCl2, MgCl2, ZnCl2, ZnO 및 P(OCH3)3를 예로 들 수 있고;
- 가소제는 사전 겔화 효과를 제한하고 완제품의 강도를 완화시키는데 사용된다. 알코올, 바람직하게는 글리세롤과 같은 폴리올, 및 트리에탄올아민을 예로 들 수 있다.
본 발명에 따른 사이징 조성물로 처리된 광물 섬유는 박판화되고(sheeted out), 150 내지 250℃, 바람직하게는 180 내지 220℃로 변하는 온도에서 열 작용을 통해 결합된다.
그 교차 결합 형태에서, 결합제는, 고체이고 불용해성이며 물에서 녹지 않고, 섬유의 전체 중량의 약 1 내지 15%를 차지한다. 얻어진 생성물은 예를 들어, 섬유의 직물(web) 또는 베일(veil) 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.
광물 섬유, 특히 유리 섬유의 베일은 일반적으로 10 내지 300 m2/g의 평량(grammage)을 갖고, 바람직하게는 적어도 1 중량%, 또는 2 중량% 심지어 4 중량% 이상의 사이즈를 포함한다. 그 자체로 사용될 수는 있지만, 베일은 특히 위에 설명된 바와 같이 단열 직물의 적어도 한 외부 면을 코팅하도록 의도된다.
본 발명의 문맥 내에서 얻어진 생성물은 특히 건물과 가정용 오븐을 위한 단열과 방음 제품을 형성하도록 의도된다. 이들 제품은 또한 토양이 없이 경작하기 위한 기재(substrate)로도 사용될 수 있다.
다음의 비제한적인 예들은 본 발명을 나타낸다.
이러한 예에서,
- 교차 결합 후에, 사이즈의 반응성과 결합제의 특성은 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)라 불리는 방법을 이용하여 측정되는데, 이는 중합체 물질의 점탄성(viscoelastic) 작용이 규정되도록 한다.
그 과정은 다음과 같다: 사이징(sizing) 용액이 주입된 와트만 용지(Whatmann paper)의 시험편은 두 개의 고정된 조오(jaw)와 시험편의 상부면에 가해지는 진동 소자 사이에 수평으로 클램핑(clamping)되는데, 가해지는 스트레인(strain)의 함수로 스트레스를 측정하기 위한 디바이스를 구비한 이러한 소자는 탄성률(E)을 계산하는데 사용된다. 시험편은 5℃/min의 속도로 20 내지 300℃ 범위의 온도까지 가열된다. 측정으로부터, 온도(℃)의 함수로 탄성률(E)(MPa로 표시)의 변화 곡선이 그래프로 나타나는데, 그 전체적인 형태가 도 1에 도시되어 있다. 곡선으로부터, 사전 겔화(pregelling)가 시작되는 온도(TPG), 교차 결합 시작 온도(TR), 교차 결합 속도(V)에 해당하는 기울기(MPa/min으로 표시), 탄성률의 최대 변화(△Emax)(MPa로 표시)와 220℃의 온도에 대한 탄성률(E220)이 결정된다. 곡선 아래의 영역은 또한 다음의 식을 이용하여 TR과 220℃ 사이의 온도에 대해 계산되고,
A = (E220 - ETR) ×V
이 식에서, E220과 V는 위에 주어진 의미를 갖고, ETR은 온도(TR)에서의 탄성률(E)을 나타낸다. 표 1은 참조로 선택된 예 8의 영역(Aref)에 대한 각 예의 영역(A)의 비를 나타내고,
- 포름알데히드 배출은 시험하고자 하는 약 3 내지 4g의 사이징 용액(약 30%의 고체 함량을 갖는)을 공기 흐름(1 l/min)에서 한 시간 동안 180℃의 오븐에 놓아서 측정된다. 오븐으로부터 배출된 증기는 직렬로 연결된 물을 포함하는 두 개의 살포기(sparger)로 보내진다. 갇힌(trapped) 포름알데히드는 분광 측색기(spectrocolorimetry)에 의해 정량 분석되고, 그 함량은 교차 결합된 결합제의 mg/g으로 나타나 있다.
도 1은, 온도(℃)의 함수로 탄성률(E)(MPa로 표시)의 변화의 곡선을 나타낸 도면.
예 1
술팜산(sulfamic acid) 5g이 물 15.53g을 포함하는 투넥 플라스크(two-necked flask)로 공급되고, 90℃까지 가열되고 상부에 기포 응축기가 장착된다. 산이 완전히 용해되면, 온도는 15분 동안 60℃에 맞춰지고, 이어서 트리에틸렌테트라민(TETA) 7.66 ml가 첨가된다. 15분 후에, 그 혼합물은 냉각되고 TETA 38.32 ml가 추가 첨가된다. 얻어진 용액은 소금 처리된 (salified) TETA 1 당량과 TETA 5 당량을 함유했다. 고체 함량은 76.4%이었다. 물에 녹은 1,2,3,4-부탄테트라-카르복시산(BTCA)의 20 중량% 용액 5g과, 앞에서 설명된 TETA 용액 0.37 ml가 용기에 부어졌다. 그 혼합물은 약 15분 동안 교반되었다.
23.9 중량%의 고체를 포함하는 투명한 용액이 얻어졌다. 폴리카르복시산/폴리아민의 중량비는 81/19이었다.
얻어진 용액의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련되는 측정은 표 1에 나타나 있다.
예 2
술팜산 5g이 물 15.53g을 포함하는 투넥 플라스크에 공급되고, 90℃까지 가열되며, 상부에 기포 응축기가 장착되었다. 산이 완전히 용해되면, 온도는 15분 동안 60℃에 맞춰지고, 이어서 테트라에틸렌펜타민(TEPA) 9.79 ml가 첨가되었다. 15분 후에, 그 혼합물은 냉각되고 TEPA 48.96 ml가 추가 첨가되었다. 얻어진 용액은 소금 처리된 TEPA 1 당량과 TETA 5 당량을 포함했다. 고체 함량은 80.3%이었다.
물에 녹은 20 중량%의 1,2,3,4-부탄테트라-카르복시산(BTCA) 용액 5g과, 앞 서 설명된 TEPA 용액 1.46 ml가 용기에 부어졌다. 그 혼합물은 약 15분 동안 교반되었다.
25 중량%의 고체를 함유하는 투명 용액이 얻어졌다. 폴리카르복시산/폴리 아민의 중량비는 44/56이었다.
얻어진 용액의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련된 측정은 표 1에 나타나 있다.
예 3
물에 녹은 30 중량%의 주석산 8g과 물에 녹은 30 중량%의 테트라에틸렌펜타민(TEPA) 용액 2g이 용기에 부어졌다. 그 혼합물은 약 15분 동안 교반되었다.
30 중량%의 함량을 갖고, 노란색 내지 연주황의 색을 띠는 투명한 용액이 얻어졌다. 폴리카르복시산/폴리아민 중량비는 80/20이었다.
얻어진 용액의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련된 측정은 표 1에 나타나 있다.
예 4
물에 녹은 30 중량%의 폴리아크릴산 (1500g/mol의 분자량) 용액 5.5g과 물에 녹은 30 중량%의 테트라에틸렌펜타민(TEPA) 용액 4.5g이 용기에 부어졌다. 그 혼합물은 약 15분 동안 교반되었다.
30 중량%의 고체 함량을 갖는 투명한 용액이 얻어졌다. 폴리카르복시산/폴리아민의 중량비는 55/45이었다.
얻어진 용액의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련된 측정은 표 1에 나 타나 있다.
예 5
30 중량%의 폴리아크릴산 수지 (Rohm and Haas 社에 의해 판매되는 ACUSOL 440® 분자량 3700 g/mol) 용액 3.9g과 물에 녹은 테트라에틸렌펜타민(TEPA) 용액 6.1g이 용기에 부어졌다. 그 혼합물을 약 15분 동안 교반되었다.
30 중량%의 고체 함량을 갖는 투명한 용액이 얻어졌다. 폴리카르복시산/폴리아민의 중량비는 39/61이었다.
얻어진 용액의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련된 측정은 표 1에 나타나 있다.
예 6
표 1에 표시된 바와 같이 아크릴산/말레산의 공중합체 (BASF 社의 SOKOLAN® 12S)와 테트라에틸렌펜타민(TEPA)의 다양한 함량을 갖는 여러 사이징 조성물이 제조되었다. 필요시, 사이징 조성물은 고형 물질 100 중량부당 5 내지 10 중량부의 글리세롤을 함유했다 (공중합체와 TEPA를 기초로 산출된). 다양한 사이즈의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련된 측정은 표 1에 나타나 있다.
예 7 (비교예)
EP-A-O 148 050의 예 1에 따라 얻어진 10 중량%의 기존의 페놀 수지를 포함하는 사이징 용액이 사용되었다. 수지는, 냉각 단계동안 요소(urea)를 첨가하고 수지를 황산으로 중화시켜, NaOH 존재시 포름알데히드/페놀의 몰비가 3.5인 페놀과 포름알데히드의 축합물로 얻어졌다.
얻어진 사이즈의 반응성과 결합제의 기계적인 특성과 관련된 측정은 표 1에 나타나 있다.
예 8 (비교예)
폴리아크릴산(분자량 약 60000)과 트리에탄올아민(Rohm and Haas 社에 의해 판매되는 HF05)의 반응에 의해 얻어진 폴리에스테르 수지 용액이 사용되었다.
용액의 반응성과 결합제의 기계 특성과 관련된 측정은 표 1에 나타나 있다.
Figure 112005058568483-PCT00002
본 발명에 따른 사이징 조성물에 의해 얻어진 결과는 페놀 수지(예 7) 및 폴리에스테르 수지(예 8)를 주성분으로 한 알려진 사이즈와 쉽게 구별 가능하다.
구체적으로, 예 6에 따른 사이즈는 예 7의 종래의 페놀 수지보다 상당히 더 적은 양(약 10배 더 적은 양)의 포름알데히드와 예 8의 폴리에스테르 수지와 동일한 정도의 양의 포름알데히드를 방출한다.
본 발명에 따른 사이즈는 예 7의 페놀 사이즈를 초과하고 그 대부분의 경우에 예 8의 폴리에스테르 사이즈 미만인 교차결합 시작 온도(TR)를 가진다.
A/Aref 비가 항상 1보다 더 크다는 것은, 폴리에스테르 기준 수지에 비해, 본 발명에 따른 사이즈가 교차결합 면에서 더 우수한 기능을 가진다는 것을 보여준다. 그러나, 이 기준 사이즈의 온도보다 더 높거나 같은 정도의 온도(TR)를 가지는 예 3 내지 예 5의 사이즈는 더 높은 교차결합 속도를 가지며, 이것은 교차결합 오븐에 섬유(fiber)의 잔류 시간을 저감시킬 수 있게 하는 이점을 제공한다. 더 낮은 온도에서 교차결합을 시작하는 사이즈에 있어, 이들 사이즈는 더 높은 최종 탄성률(modulus) (E220)을 가지고 있어 비용의 증가 없이 더 우수한 기계적 특성을 제공한다.
예 4 및 예 6에 따른 사이즈는 알려진 사이즈의 탄성률 값보다 2배를 초과하는 E220 탄성률 값에 용이하게 도달하기 때문에 특히 유리한 이점이 있다.
이 사이즈에 글리세롤을 추가하면 사전 겔화 효과(pregelling effect)를 저감시키거나 심지어 방지하는 것에 의해 처리 조건을 조절하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 환경적인 요건을 충분히 만족시키기 위해 낮은 수준의 바람직하지 않은 가스 배출을 갖고, 사이징 조성물의 고유 특징, 특히 표준 조건에서 교차결합될 수 있는 특징을 유지하는 사이징 조성물을 제조하는데 사용된다.

Claims (23)

  1. 광물 섬유(mineral fiber), 특히 유리 섬유(glass fiber) 또는 암면(rock fiber)을 주성분으로 하는 단열 및/또는 방음 제품을 제조하기 위한 사이징 조성물(sizing composition)에 있어서,
    적어도 하나의 폴리카르복시산과 적어도 하나의 폴리아민을 포함하는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리카르복시산은, 상기 폴리아민과 반응할 수 있는 카르복시기의 개수의 표시된, 2 이상, 바람직하게는 5000 미만, 유리하게는 2000 미만, 또는 심지어 500 미만의 작용성(functionality)을 갖는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리카르복시산은, 50 내지 105 g/mol, 바람직하게는 104g/mol 미만의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리카르복시산은, 숙신산, 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 아젤라산(azelaic acid), 세바스산(sebacic acid), 주석산, 프탈산(phthalic acid) 및 테트라히드로프탈산과 같이 작용성이 2인 카르복시산, 구연산과 트리멜리트산(trimellitic acid)과 같이 작용성이 3인 카르복시산, 및 1,2,3,4-부탄테트라카르복시산(BTCA)과 같이 작용성이 4인 카르복시산으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 카르복시산은, 구연산, 주석산, 또는 1,2,3,4-부탄테트라카르복시산(BTCA)인 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 폴리카르복시산은, 아크릴 산, 메타크릴 산, 크로톤산, 이소크로톤산, 말레산, 신남산(cinnamic acid), 2-메틸말레산, 이타콘산(itaconic acid), 2-메틸이타콘산 및 α,β-메틸렌글루타르산과 같은 불포화 산의 동종 중합(homopolymerization)과, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌 및 스티렌과 그 유도체, 및 말단 불포화를 갖는 거대단위체(macromonomer)와 같이, 올레핀으로부터 선택된, 하나 이상의 다른 친수성 및/또는 소수성 불포화 단위체와 상기 단위체 중 하나 이상의 공중합을 통해 얻어진 올리고머와 중합체로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 폴리카르복시산은, 폴리(아크릴산), 에틸렌/아크릴 산 공중합체 및 아크릴산/말레산 공중합체와 같은 폴리아크릴로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리아민은, 2 이상, 바람직하게는 200 미만의, 아민 작용 기의 수로 표현된 작용성을 갖는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아민 작용기는 일차 및/또는 이차 아민 작용기인 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리아민은, 가능하면 하나 이상의 헤테로 원자, 특히 N 및/또는 O를 함유한 포화 또는 불포화, 선형, 가지형 또는 고리형 사슬을 갖는 지방족 폴리아민, 및 방향족 폴리아민으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리아민은 1000 g/mol 미만, 바람직하게는 500 g/mol 미만의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리아민은,
    - x는 2 내지 10, 바람직하게는 2 내지 4이고,
    y는 1 내지 10 사이에서 변하는
    - 다음 화학식의 화합물과;
    Figure 112005058568483-PCT00003
    - 폴리에틸렌이민, 폴리아미노스티렌, 및 기본 매질(키토산)에서 키틴(chitin)의 분해로부터 얻어진 생성물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사이징 조성물은, 건조 물질의 부분으로 표현된, 20 내지 80 중량부의 폴리카르복시산과, 80 내지 20 중량부의 폴리아민을 포함하는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사이징 조성물은,
    폴리카르복시산과 폴리아민의 건조 물질 100 중량부를 기준으로,
    - 0 내지 20 중량부, 바람직하게는 6 내지 15 중량부의 오일과,
    - 0 내지 2 중량부, 바람직하게는 0.4 중량부의 실란과,
    - 0 내지 5 중량부의 촉매와,
    - 0 내지 20 중량부의 가소제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 사이징 조성물.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 사이징 조성물을 제조하는 방법으로서,
    물에서 폴리카르복시산 및 폴리아민을 선택적으로 첨가제로 희석시키거나 에멀션화시키는, 사이징 조성물 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 바람직하게는 최대 10 중량%를 함유한 용액 및 수성 분산액의 폴리카르복시산을, 바람직하게 최대 10 중량%를 함유하는 수용액의 폴리아민과 혼합하고, 선택적으로 상기 첨가제와 혼합하는, 사이징 조성물 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 바람직하게는 최대 10 중량%를 함유하는 폴리카르복시산의 수용액 또는 분산액에 직접 상기 폴리아민을 주입해서 예비 혼합물(premix)을 형성하고, 이후 상기 선택적인 첨가제를 첨가하는, 사이징 조성물 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 예비 혼합물은, 상기 폴리카르복시산과 상기 폴리아민 상에서 부분적인 예비 반응을 수행할 목적으로, 특히 약 50 내지 100℃의 온도에서 열 처리되는, 사이징 조성물 제조 방법.
  19. 광물 섬유, 특히 유리 또는 암면의 사이징을 위해, 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 조성물이나 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 사용하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 사이징 조성물에 의해 서로 결합된 광물 섬유.
  21. 제 20 항에 있어서, 유리 또는 암석으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 광물 섬유.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 기재된 광물 섬유로 필수 구성된 단열 및/또는 방음 제품.
  23. 광물 섬유, 특히 유리 섬유의 베일(veil)로서,
    상기 베일은, 제 19 항에 기재된 섬유를 포함하고, 10 내지 300 g/m2의 평량(grammage)을 갖는 것을 특징으로 하는, 베일.
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