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KR101174172B1 - 비휘발성 불순물을 제거하여 폴리에테르 폴리올을 정제하는 방법 - Google Patents

비휘발성 불순물을 제거하여 폴리에테르 폴리올을 정제하는 방법 Download PDF

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KR101174172B1
KR101174172B1 KR1020067021515A KR20067021515A KR101174172B1 KR 101174172 B1 KR101174172 B1 KR 101174172B1 KR 1020067021515 A KR1020067021515 A KR 1020067021515A KR 20067021515 A KR20067021515 A KR 20067021515A KR 101174172 B1 KR101174172 B1 KR 101174172B1
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존 에스 스파이어
알렉산더 거스하노비치
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바스프 코포레이션
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Abstract

본 발명은 폴리우레탄 발포체 및 폴리우레탄 발포체 제조에 사용하기 위해, 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법을 제공한다. 이 방법은 비휘발성 불순물이 함유된 미정제 폴리에테르 폴리올을 제공하는 단계를 포함한다. 미정제 폴리에테르 폴리올은 활성탄, 규조토, 숯, 아타풀가이트 및 점토 중 1종 이상으로부터 선택되는 흡착제와 접촉시켜 불순물을 제거하고, 여과하여 정제된 폴리에테르 폴리올을 형성한다. 미정제 폴리에테르 폴리올을 여과하는 단계는 여과재를 통해 수행하며, 이 여과재는 흡착제를 첨가하기 전 사전 여과 단계와, 흡착제를 제거하기 위한 여과 단계의 두 단계 모두에서 사용됨으로써, 고점도에 기인한 정제된 폴리에테르 폴리올 손실량을 저감한다. 그 후, 정제된 폴리에테르 폴리올을 사용하여 안정성이 개선된 폴리우레탄 발포체를 제조한다.

Description

비휘발성 불순물을 제거하여 폴리에테르 폴리올을 정제하는 방법{METHOD OF PURIFYING POLYETHER POLYOLS OF NON-VOLATILE IMPURITIES}
본 발명은 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법에 관한 것이다.
프로필렌 옥시드는 이소시아네이트와의 반응에 의한 폴리우레탄 발포체의 제조에 이용될 수 있는 폴리에테르 폴리올의 제조를 위한 유용한 전구체이다. 일반적으로, 상기 용도를 위한 상업적으로 유용한 프로필렌 옥시드는 고순도이며, 이 프로필렌 옥시드 생성물은, 상업적으로 이용하기 전에, 예비 반응에서 생성되거나 프로필렌 옥시드 생성물 자체의 정제 시 도입되는 다른 성분들로부터의 증류 및/또는 분리를 포함하는 다양한 정제 기법을 실시함으로써 이로부터 실질적으로 모든 불순물을 제거한 것이다.
프로필렌 옥시드를 이와 같은 상업적으로 적합한(허용 가능한) 형태로 만들기 위해 당해 기술 분야에 공지된 기법이 광범위하게 이용되고 있다. 이러한 방법들 대다수는 탄화수소 존재 하에서의 프로필렌 옥시드의 증류, 분별 또는 분리를 포함한다. 다수의 기법들이 단독으로 또는 병용되어 상업적으로 적합한 프로필렌 옥시드 생성물의 제조에 성공적으로 사용되어 왔지만, 그러한 상업적으로 유용한 프로필렌 옥시드 조성물로부터 유래되는 폴리에테르 폴리올에 기초한 특정 폴리우레탄 발포체는, 그 중간체를 비롯하여 그러한 폴리우레탄 발포체 생성물의 제조에 이용되는 원료가 적절한 명세를 충족함에도 불구하고, 종종 붕괴되는 경우가 있다는 것이 인식되었다.
발포체 붕괴는 폴리에테르 폴리올의 제조 시 이용되는 프로필렌 옥시드 출발 물질 중에 존재하는 특정 비휘발성 불순물의 존재에 의한 것일 수 있다. 따라서, 상업적으로 적합한 명세를 충족하는 프로필렌 옥시드를 얻은 후에라도, 불안정한 발포체 상승(높이; rise), 발포체 붕괴 및/또는 상당한 내부 블로홀(blow hole)을 보이는 부적절한 폴리우레탄 발포체 생성물을 초래하는 비휘발성 불순물의 존재로 인하여, 프로필렌 옥시드의 최종 상업적 적합성은 예측할 수 없었다. 이는 비휘발성 불순물, 즉 분자량이 50,000 이상인 폴리(프로필렌 옥시드)(PPO)에 기인한 것이다. 이러한 불순물로 인하여 프로필렌 옥시드는, 적절한 폴리우레탄 발포체를 특정 배합으로 제조 시 이소시아네이트와 함께 사용될 수 있는 폴리에테르 폴리올을 제조하는 데 사용하기에 부적절하게 될 수 있다.
정제 공정 후에는 일반적으로 프로필렌 옥시드(PO)를 원하는 폴리에테르 폴리올로 즉시 전환시키는 공정이 이루어진다. 그러나, 전환 전에, PO는 통상적인 탄소강으로 제조되는 용기에 넣어 운송하거나 저장할 수 있다. 통상적인 탄소강은 소정의 온도에서 일정 시간에 걸쳐 원치않는 고분자량 PPO 불순물의 형성을 촉진할 수 있다.
이와 같은 상업적으로 유용한 프로필렌 옥시드 생성물은, 그러한 폴리에테르 폴리올 생성물의 통상적 분석이 불량한 품질의 발포체 생성물임을 나타내는 오염물의 존재를 밝힐 수 없음에도 불구하고, 블로홀 및/또는 낮은 발포체 상승을 갖는 불안정한 폴리우레탄 발포체를 생성하는 폴리에테르 폴리올을 생산한다. 고분자량 PPO 불순물의 수준이 저감된 프로필렌 옥시드로부터 제조된 폴리에테르 폴리올은 발포체 상승이 향상되고 블로홀 형성이 감소된 폴리우레탄 발포체를 생성하는 것으로 확인되었다.
따라서, 상업적으로 적합한 상태가 된 후의 프로필렌 옥시드를 정제 및/또는 분리하기 위한 방법이 개발되었다. 미국 특허 제4,692,535호는 폴리우레탄 발포체를 형성하기 위해 폴리에테르 폴리올을 제조함에 있어서 중간체로서 적합한 프로필렌 옥시드 생성물을 출발 물질로 하는 방법을 개시한다. PPO는, 폴리우레탄 발포체를 형성하는 데 사용하기 위한 폴리에테르 폴리올을 형성하기 전에, 상업적으로 적합한 다른 프로필렌 옥시드로부터 실질적으로 제거되었다.
상기 미국 특허 제4,692,535호는 PO를 흡수재의 고정상을 통해 여과 또는 삼투시키는 방법을 개시한다. 이 흡수재는 입상형 또는 분말형의 활성탄, 숯(charcoal) 및 아타풀가이트를 포함하였다. 처리되는 PO의 단위 부피당 사용되는 흡수체의 양은 프로필렌 옥시드 1 g당 고형 흡수체 약 0.001～약 0.01 g 이상으로 추산되며, 접촉 시간은 약 1분～약 15분이고, 온도는 약 10℃～100℃이며, 압력은 대기압에서 초대기압의 범위이다.
허용 불가능한 양의 PPO를 함유하는 프로필렌 옥시드를 정제하기 위한 또 다른 방법은 미국 특허 제5,235,075호에 기재되어 있다. 이 방법은 오염물의 양을 허 용 가능한 수준으로 감소시키기에 충분한 조건 하에 충분한 시간 동안 프로필렌 옥시드를 규조토와 접촉시키는 단계를 포함한다. 또한, 정제는 형성된 폴리에테르 폴리올이 아니라 프로필렌 옥시드 자체를 대상으로 한 것이었다.
따라서, 폴리에테르 폴리올이 형성된 후에 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법을 제공하는 것이 유익할 것이다. 선행 기술은 폴리에테르 폴리올을 형성하기 전에 프로필렌 옥시드를 정제하지만, 프로필렌 옥시드는 폴리에테르 폴리올로 도입되기 전에 여전히 오염될 수 있다. 따라서, 출발 성분 대신에 폴리에테르 폴리올을 정제한다면, 불안정한 발포체 생성물로 이어지는 오염 가능성이 더 적어질 것이다. 또한, 그 정제 및 여과 중에 물질의 대량 손실 없이 폴리에테르 폴리올을 정제하는 방법을 제공하는 것이 유익할 것이다. 소정의 폴리에테르 폴리올 생성물의 특정 발포체 배합만이 PPO의 존재에 의해 크게 영향을 받는다면, 요구 기준에 따라 이용될 수 있는 시스템 역시 유익할 것이다.
발명의 개요
본원에서는 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법을 개시한다. 이 방법은 수 평균 분자량이 25,000 이상인 1종 이상의 비휘발성 불순물이 함유된 미정제 폴리에테르 폴리올을 제공하는 단계 및 상기 미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함한다. 미정제 폴리에테르 폴리올의 접촉은 실질적으로 모든 비휘발성 불순물이 흡착제에 흡착되기에 충분한 조건 하에 충분한 시간 동안 지속한다. 그 후, 정제된 폴리에테르 폴리올을 흡착제로부터 분리한다. 그 후 정제된 폴리에테르 폴리올은 이소시아네이트와 반응시켜 안정성이 개선된 폴리우레탄 발포체를 형성할 수 있다.
본 발명은, 프로필렌 옥시드와 같은 출발 성분들을 정제하는 대신에, 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법을 제공한다. 이것은 폴리에테르 폴리올의 오염 가능성을 낮추어 안정성이 증가된 폴리우레탄 발포체가 생성될 수 있도록 보조한다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 의하면, 정제 및 여과 과정 중에 물질의 대량 손실 없이 폴리에테르 폴리올을 정제하여, 배합 요건 및/또는 제시된 성능에 따른 요구 기준에 따라 폴리에테르 폴리올을 정제할 수 있다.
본 발명의 다른 장점들은 첨부 도면과 관련하여 고려할 때 후술하는 상세한 설명을 참조하면 더 잘 이해되기 때문에 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 상부 개방형 용기 중의 비오염 폴리에테르 폴리올로부터 형성된 폴리우레탄 발포체의 개략 단면도이다.
도 2는 불순물이 함유된 오염된 폴리에테르 폴리올로부터 비교예 1에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 단면도이다.
도 3은 비교예 1에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 평면도이다.
도 4는 정제된 폴리에테르 폴리올로부터 실시예 1에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 단면도이다.
도 5는 실시예 1에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 평면도이다.
도 6은 불순물이 함유된 공지의 오염된 폴리에테르 폴리올을 사용하여 비교예 2에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 단면도이다.
도 7은 비교예 2에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 평면도이다.
도 8은 정제된 폴리에테르 폴리올을 사용하여 실시예 2에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 단면도이다.
도 9는 실시예 2에서 제조한 폴리우레탄 발포체의 개략 평면도이다.
본 발명은 폴리우레탄 발포체 및 이 폴리우레탄 발포체를 제조하는 데 사용하기 위해 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법을 제공한다. 이 방법은 미정제 폴리에테르 폴리올을 제공하는 단계를 포함한다. 미정제 폴리에테르 폴리올이란 용어는 일반적으로 비휘발성 불순물이 함유된 폴리에테르 폴리올을 의미한다. 미정제 폴리에테르 폴리올은 상업적으로 허용 가능한 프로필렌 옥시드(PO)로부터 형성된 것일 수도 있고 아닐 수도 있다. 본 발명의 경우, 비휘발성 불순물을 상업적으로 허용 가능한 PO로부터 형성된 폴리에테르 폴리올에 첨가하여, 이 불순물의 부정적 효과를 입증하고 폴리우레탄 발포체 안정화의 성공을 입증하였다. 본 발명은 의도적으로 오염시킨 것은 아니지만 운송 및 보관 과정에서 정제됨으로 인하여 오염된 상업적으로 허용 가능한 PO에 대해 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 예로서 폴리에테르 폴리올을 의도적으로 오염시켰으나 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 출발 물질로서 사용되는 PO는 PO의 제조를 위해 현재 실시되고 있는 상업적으로 유용한 임의의 경로로 얻을 수 있다. 따라서, PO는 염소, 프로필렌 및 물의 반응을 이용하는 전통적 클로로히드린 경로에 의해 프로필렌 클로로히드린을 형성하고, 그 후 이것을 수산화칼슘으로 탈수소염소화(dehydrochlorinate)하여 PO를 형성하여 얻거나, 또는 대안으로 소정의 금속 촉매 존재 하에 유기 히드로퍼옥시드와 프로필렌을 반응시켜 얻을 수 있다. 전술한 상업적 방법 중 어느 하나에 의해 얻어진 PO로는 먼저, 미반응 반응물, 부산물 및 기타 처리제의 제거를 포함하는 통상의 정제 및 회수 기법을 실시함으로써 지금까지 허용 가능한 상업적 명세를 충족하는 프로필렌 옥시드로 언급되었던 생성물을 생성하였다.
임의의 정제 방법으로부터 얻어진 PO는 내재적으로 또는 차후에, 운송 중에 또는 보관 시에, 예를 들어 금속(예, 탄소강)과 접촉 시에 불순물로 오염될 수 있다. 이 비휘발성 불순물은 수 평균 분자량이 약 25,000 달톤 이상이었다. 특히 유해한 불순물 중 하나는 수 평균 분자량이 45,000 달톤 이상, 바람직하게는 약 50,000 달톤 이상, 일반적으로 약 100,000 달톤을 초과하는 프로필렌 옥시드(PPO)이다. 특정 이론에 구속되기를 원하는 것은 아니지만, 이러한 오염물은 상기 PPO로 오염된 조성물로부터 유래된 폴리에테르 폴리올을 주체로 하는 안정한 폴리우레탄 발포체의 생산을 방해하는 것으로 생각된다.
또한, 폴리에틸렌 옥시드(PEO)의 가용형 역시 또 다른 유해 불순물일 수 있다는 놀라운 사실을 확인하였다. 이 사실은, 임의의 큰 분자로 이루어진 PEO는 미반응 에틸렌 옥시드(EO)뿐 아니라 PO/EO 랜덤 또는 블록 공중합체로서 존재하는 최종 폴리에테르 폴리올에도 불용성이며, 일반적으로 표준 기법을 이용하여 분리할 수 있는 것으로 생각되기 때문에 놀라운 것이다. 그러나, 블록 또는 랜덤 공중합체로서의 EO 및 PO의 혼합물로 구성된 폴리에테르 폴리올은 고분자량 불순물을 매우 고농도로 포함하고 있다는 사실을 발견하였다. 불순물은 고분자량의 PPO와 PEO의 혼합물을 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 명료성을 위해, 본 발명은 PPO를 다루는 것으로 기술할 것이나 본 발명이 이에만 국한되는 것은 아니다.
실험적 평가를 위한 의도적 도입에 의해 PPO를 함유하는 것으로 알려진 것이거나 발포체 불안정성에 의해 확인되는 바와 같이 PPO를 함유하는 것으로 의심되는 폴리에테르 폴리올은 실질적으로 모든 비휘발성 불순물을 흡착제에 흡착시키기에 충분한 조건 하에 충분한 시간 동안 흡착체와 접촉시킨다. 사용된 흡착제의 양은 미정제 폴리에테르 폴리올 100 중량을 기준으로 0.1～5 중량부이며, 바람직하게는 0.5～3 중량부, 가장 바람직하게는 1～1.8 중량부이다. 처리되는 폴리에테르 폴리올의 단위 부피당 이용되는 고체 흡착제의 양은 불순물을 흡착하는 고체 흡착제의 효율뿐 아니라 접촉 시에 존재하는 불순물의 양과 원하는 접촉 시간 및 회수 효율에 따라 달라질 것이다. 처리 시 사용되는 흡착제의 양이 5 중량%를 초과할 경우, 물질 손실량은 더 많아지지만 불순물을 더 신속하게 제거할 수 있다. 따라서, 당업자는 5 중량%를 초과하는 흡착제 사용량을 선택할 수 있다.
미정제 폴리에테르 폴리올은 미정제 폴리에테르 폴리올과 흡착제를, 5～120분 동안, 바람직하게는 30～90분 동안, 가장 바람직하게는 45～75분 동안 혼합함으로써 흡착제와 접촉시킨다. 흡착제를 사용한 처리는 약 10℃～약 100℃ 범위의 온도에서 실시할 수 있다. 본 발명의 경우, 당업자라면 흡착제가 슬러리 형태가 아니라 층으로서 사용될 수 있음을 인식할 것으로 이해되어야 한다. 상기 처리 시간은 불순물이 흡착제를 교환하거나 흡착제에 부착하거나 흡착제를 흡수 또는 흡착하게 한다. 또한, 흡착제는 크로마토그래피에서와 같이 컬럼 조립체로 사용될 수 있다.
흡착제는 활성탄, 규조토, 숯, 아타풀가이트 및 점토 중 하나 이상으로부터 선택된다. 흡착제는 천연 및/또는 합성 실리케이트일 수도 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따르면, 미정제 폴리에테르 폴리올은 이러한 흡착제로 정제함으로써, 여과 중에 정제된 폴리에테르 폴리올의 대량 손실을 막으면서 블로홀 형성을 줄이고 원하는 높은 상승을 달성할 수 있음을 발견하였다. 특히 유용한 활성탄 또는 숯은 갈탄, 가스 블랙, 코코넛, 버개스, 목재, 톱밥, 토탄, 펄프 분쇄 폐기물(pulp-mill waste), 혈액, 뼈 등으로부터 얻어지는 것들을 포함한다. 구체적인 활성탄으로는 칼곤 코포레이션(Calgon Corporation) 입상탄, 노릿(NORIT) 입상 활성탄, 센트럴 사이언티픽 컴퍼니(Central Scientific Company)의 제품, 누카(Nuchar) 활성탄, 웨스트 버지니아 펄프 앤 페이퍼 컴퍼니(West Virginia Pulp and Paper Company)의 제품 및 ICI 어메리카 인코포레이티드의 다코 디비젼 (Darco Division, ICI AMERICAS, Inc.)의 제품을 포함한다. 상업적으로 유용한 탄소의 예로는 Type CAL 입상탄(칼곤 코포레이션) 및 NORIT R 0.8 입상 활성탄(노릿 코포레이션)을 들 수 있다.
본 발명의 정제 공정에 이용될 수 있는 아타풀가이트 흡착제는 엥겔하르트 미네랄스 앤 케미칼스 코포레이션(Engelhard Minerals and Chemicals Corporation)으로부터 입수할 수 있다. 접촉 정제에 일반적으로 권장되는 아타풀거스 점토의 등급은 100/UP 메쉬 RVM 및 200/UP 메쉬 RVM이다. 100/UP RVM이 사용되는 높은 여과 속도가 요구되지 않는다면 미세 등급 200/UP RVM이 일반적으로 사용된다.
또 다른 적절한 흡착제는 규조토이며, 이것은 해양 또는 호수 퇴적물의 퇴적암으로부터 형성될 수 있는 것으로 당업자에게 알려져 있으며, 주로 규조류[바실라리류의 현미경적, 단세포, 무화(無火) 식물]에 의해 분비되는 함수 실리카의 껍질 또는 피각 축적물로 구성된다. 그러나, 화학적 측면에서 규조토는, 일반적으로 접하게 되는 것과는 다른 물리적 구조로 존재하는 것도 있지만, 주로 이산화규소로 구성된다. 불순물은 일반적으로 기타의 수생 화석, 모래, 점토, 화산재, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 규산염, 가용염 및 무기물을 포함하는 한편, 건시료 기준으로 한 전형적 분광학적 분석에 의하면 SiO2, CaO, MgO, Al2O3, Fe2O3, Na2O, V2O5 및 TiO2를 나타낼 수 있다. 물리적 측면에서 보면, 대부분의 규조토는 평균 입경이 20～0.75 ㎛인 분말이나, 미세 분말로 이루어진 직경 1.27 cm의 응집체를 얻을 수도 있다. 민물 유래의 규조토 중 한 예가 "ODW" 등급 규조토(Oil-Dri Corporation of America)로서 시판되고 있다.
혼합 후에 정제된 폴리에테르 폴리올은 흡착제로부터 분리한다. 정제된 폴리에테르 폴리올을 흡착제로부터 분리하기 위해서는, 정제된 폴리에테르 폴리올로부터, 흡착된 비휘발성 불순물과 함께 흡착제를 제거하기 위해 여과법이 이용된다. 이용된 여과법은 상업적으로 유용한 여과 기법, 예컨대 스테리 테크날러지 인코포레이티드(Steri Technologies, Inc.)에서 제조한 Funda Type 압력 필터 등으로부터 선택할 수 있다. 당업자라면, 주요 여과 조작법(단, 이에 국한되지 않음)을 비롯하여 임의의 여러 여과 기법 및 방법이 적합하게 이용되고, 그 후 최종 여과 단계에 의해 초미세 입자를 제거할 수 있음을 이해할 것이다.
혼합물의 여과는 흡착제와 비휘발성 불순물을 실질적으로 제거하도록 지속한다. 정제된 폴리에테르 폴리올의 여과재를 통한 여과는 0.7～3.5 바(10～50 psig), 바람직하게는 0.7～1.7 바(10～25 psig), 보다 바람직하게는 0.7～1 바(10～50 psig)의 압력 하에 수행하는 것이 바람직하다. 또한 정제된 폴리에테르 폴리올의 여과 단계는 흡착제와 비휘발성 불순물이 실질적으로 제거되도록 1～5 시간 동안 지속한다.
본 발명 이전에는 당업자가 본 발명에서 제시된, 완성된 폴리에테르 폴리올의 정제에 착수하지 못하였는데, 그 이유는 정제된 폴리에테르 폴리올의 손실 가능성으로 인하여 이득이 없었기 때문이다. 그러나, 본 발명자들은 정제된 폴리에테르 폴리올의 대량 손실은 여과재가 재사용될 경우 발생하지 않는다는 놀라운 사실을 발견하였다. 정제된 폴리에테르 폴리올의 대량 손실을 방지하기 위해서는, 미정제 폴리에테르 폴리올과 흡착제를 접촉시키기 전에 미정제 폴리에테르 폴리올을 여과재에 통과시켜 사전 여과한다. 폴리에테르 폴리올의 표준 제조 관행에서와 같이, 출발 성분으로부터 폴리에테르 폴리올을 형성하는 과정에 MAGNESOL(등록상표) 및 펄라이트와 같은 추가 성분들을 사용한다. 이러한 추가 성분들은 흡착제에 첨가하기 전에 여과재에 통과시켜 여과한다. 사전 여과는 0.7～3.5 바(10～50 psig), 바람직하게는 0.7～1 바(10～25 psig), 보다 바람직하게는 0.7～1 바(10～15 psig)의 압력 하에 수행하는 것이 바람직하다.
사전 여과를 완료한 후에, 이 여과재는 흡착된 비휘발성 불순물을 함유한 흡착제와 정제된 폴리에테르 폴리올을 여과하는 데 사용된다. 상기 여과재를 통해 흡착제에 미정제 폴리에테르 폴리올을 접촉시킴에 의해, 정제된 폴리에테르 폴리올은 미정제 폴리에테르 폴리올의 점도가 큼에도 불구하고 예상했던 바와 같은 대량 손실이 발생하지 않는다.
폴리우레탄 발포체는, 당업자에게 공지된 전형적 반응 조건 하에 일반적으로 용인되는 방법으로, 정제된 폴리에테르 폴리올과 1종 이상의 이소시아네이트를 반응시켜 제조한다. 일반적으로, 물 및/또는 일부 다른 발포제가 다른 통상적인 물질, 예를 들어 무기 충전제, 계면활성제, 촉매, 보조 발포제와 함께 사용되며, 침하, 수축 및/또는 붕괴 감소를 나타내며 블로홀 형성이 크게 감소된 안정한 폴리우레탄 발포체를 제공한다. 이소시아네이트는 2개 이상의 이소시아네이트기를 함유하는 것을 특징으로 하는 지방족, 지환족 및 방향족 이소시아네이트를 포함할 수 있다. 이러한 이소시아네이트는 디이소시아네이트 및 고작용성 이소시아네이트, 특히 방향족 폴리이소시아네이트를 포함한다. 폴리이소시아네이트는 표준 조건 하에 과량의 폴리이소시아네이트를 폴리올과 반응시킴으로써 제조한 이소시아네이트 말단의 예비 중합체일 수 있으며, 폴리이소시아네이트 대 폴리올의 비는 약 20:1～2:1일 수 있다.
또한, 이용될 수 있는 이소시아네이트의 예로는 톨루엔-2,4- 및 2,6-디이소시아네이트 또는 이들의 혼합물; 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트 및 디페닐메탄-2,4'-디이소시아네이트 또는 이들의 혼합물(이 혼합물은 실온에서 액체로 존재하도록 약 10 중량부 이상의 2,4'-디이소시아네이트를 함유하는 것이 바람직함); 폴리메틸렌 폴리페닐 이소시아네이트; 나프탈렌-1,5-디이소시아네이트; 3,3'-디메틸 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트; 트리페닐-메탄 트리이소시아네이트; 헥사메틸렌 디이소시아네이트; 3,3'-디톨릴렌-4,4-디이소시아네이트; 부틸렌 1,4-디이소시아네이트; 옥틸렌-1,8-디이소시아네이트; 4-클로로-1,3-페닐렌 디이소시아네이트; 1,4-, 1,3-, 및 1,2-시클로헥실렌 디이소시아네이트를 들 수 있다.
하기의 실시예는 본 발명에 따른 폴리우레탄 발포체의 형성 방법을 예시하고 본원에 제시된 바와 같은 폴리우레탄 발포체의 몇 가지 특성들을 예시하는데, 이 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
하기의 대조예, 실시예 1 및 2 및 비교예 1 및 2에서는, 폴리우레탄 발포체를 형성하였다. 각 실시예에서는, 폴리에테르 폴리올 A[PLURACOL(등록상표) 1509 폴리올, 솔비탈 및 글리신 공개시 중합체, 모두 EO 캡을 보유하며 OH 수가 약 27.5인 PO임] 및 그래프트 폴리올 B[PLURACOL(등록상표) 2145 폴리올, 아크릴로니트릴, 스티렌 그래프트 공중합체, 고형분 45%](둘 다 바스프 코포레이션으로부터 입수)로부터 발포체를 형성하였다.
실시예 1 및 비교예 1에서는 폴리올 A에 불순물을 첨가한 반면, 대조예의 폴리올 A는 오염시키지 않았다. 불순물의 첨가는, 폴리에테르 폴리올을 오염된 프로필렌 옥시드로부터 형성할 경우 발생하게 되는 오염을 모의하였다. 불순물 함유 폴리에테르 폴리올 A을 제조하기 위해, 시판되는 PO 시료로부터 분리된 고분자량 PPO를 함유하는 것으로 알려진 비휘발성 잔류물 시료를 용매에 용해시켜서, PLURACOL(등록상표) 1509 폴리올 시료에 첨가하였다. 그 후, PPO를 함유하는 폴리올 시료에 도입된 용매는 진공 하에 제거하였다. 이론에 구속되기를 원하는 것은 아니지만, 잔류 성분들은 고분자량 불순물이었던 것으로 생각된다. 이 불순물은 용매로 희석하여 용액 1 밀리리터(ml)당 불순물 7.3 밀리그램(mg)의 농도로 조정하였다. 용매는 테트라히드로퓨란이었다. 따라서, 용액 6 ml 중에 43.8 mg의 불순물이 존재하였다. 실시예 1 및 비교예 1의 경우, 오염된 폴리올 A를 형성하기 위해, 폴리올 A 1200 그램(g)에 불순물 농도가 7.3 mg/ml인 6 ml의 오염물을 첨가(spiking)하였다.
하기 표에는 각 실시예에 대한 발포체를 형성하는 데 이용된 세부 조성과 제조된 발포체의 최종 높이 및 중량을 기재하였다.
[표 1]
폴리우레탄 발포체의 배합법
폴리올 특성 대조예 비교예 1 실시예 1 비교예 2 실시예 2
폴리올 A-
히드록실 수		 32 32 32 32 32
폴리올 B-
히드록실 수		 19 19 19 19 19
고형분(%), 폴리올 B 45 45 45 45 45
원하는 수지 고형분(%) 10 10 10 15 15
조성, pbw
폴리올 A 77.8 77.8 77.8 66.7 66.7
폴리올 B 22.2 22.2 22.2 33.3 33.3
가교제 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4
물 5.4 5.4 5.4 5.4 5.4
촉매 A 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08
촉매 B 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35
계면활성제 1 1 1 1 1
총 수지 108.23 108.23 108.23 108.23 108.23
이소시아네이트
100 지수		 61.7 61.7 61.7 61.5 61.5
이소시아네이트
110 지수		 67.9 67.9 67.9 67.6 67.6
자유 상승 안정성
발포체 높이, mm 365 330 345 135 335
발포체 중량,
그램		 560 552 557 N/A N/A
가교제는 유니온 카바이드(Union Carbide)에서 시판하는 NIAX(등록상표) DEOA-LF이다. 촉매 A는 DABCO(등록상표) BL-11이며, 촉매 B는 DABCO(등록상표) 33 LV이며, 계면활성제는 DABCO(등록상표) DC 5043으로서, 각각 에어 프러덕츠(Air Products)에서 시판하는 것이다. 이소시아네이트는 바스프 코포레이션에서 시판하는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)이다.
각 실시예는 표 1에 기재된 중량부를 이용하여 조성물을 가열하면서 형성하였다. 대조예의 경우, 혼합물의 총량은 690 g이었다. 690 g 중, 수지는 424 g이었고 이소시아네이트는 265.9 g(이소시아네이트 지수 110)이었다. 폴리올 A는 304.8 g의 양으로 사용되었고 폴리올 B는 87.1 g의 양으로 사용되었다. 계면활성제는 3.92 g의 양으로 사용되는 한편, 물과 촉매는 28.33 g의 혼합물로서 사용되었다. 대조예에서 사용된 폴리올 A는 폴리우레탄 발포체 형성 전에 불순물로 오염시키지 않았으며, 안정한 폴리우레탄 발포체를 생성하는 것으로 알려졌다.
실시예 1 및 비교예 1의 경우, 혼합물의 총량은 690 g이었다. 690 g 중, 수지는 424 g이었고 이소시아네이트는 265.9 g(이소시아네이트 지수 110)이었다. 폴리올 A는 304.8 g의 양으로 사용되었고 폴리올 B는 87.1 g의 양으로 사용되었다. 계면활성제는 3.92 g의 양으로 사용되는 한편, 물과 촉매는 28.33 g의 혼합물로서 사용되었다. 그러나, 이들 실시예 각각에 대해, 폴리올 A는 폴리우레탄 발포체 형성 전에 전술한 바와 같이 오염시켰다.
실시예 1의 경우, 폴리에테르 폴리올 A는 활성탄으로 처리하여 폴리우레탄 발포체 형성 전에 흡착제 상의 불순물을 실질적으로 전부 흡착시켰다. 구체적으로, 활성탄으로 처리하기 전에, 오염된 폴리올 A 시료 1200 g을 폴리올 제조용으로 당업자에게 알려져 있는 바와 같은 마그네솔, 펄라이트 및 물로 95℃에서 3 시간 동안 처리하였다. 마그네솔은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부의 양으로 사용되었고, 펄라이트는 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 0.2 중량부의 양으로 사용되었다. 물은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 3.0 중량부의 양으로 사용되었다. 그 후, 미정제 폴리올 A는 약 6～10 mmHg의 진공 하에 표준 여과지를 통해 약 120분 동안 여과하여 MAGNESOL(등록상표) 및 펄라이트를 제거하고, 물은 공지의 방법으로 제거하였다. 여과재는 여과 케이크를 형성하였으며, 이것은 추가여과를 위해 모았다.
그 후, 폴리올 A는 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부의 양의 활성탄으로 약 3 시간 동안 처리하였다. 그 후, 폴리올 A는 약 6～10 mmHg의 진공 하에 약 120분 동안 여과 케이크를 통해 여과하여 활성탄을 제거하였다. 그 후, 정제된 폴리올 A는 폴리우레탄 발포체를 제조하는 데 사용하였다.
비교예 1의 경우, 오염된 폴리올 A 시료 400 g을 폴리올 처리용으로 당업자에게 알려져 있는 바와 같은 마그네솔, 펄라이트 및 물로 95℃에서 3 시간 동안 처리하였다. 마그네솔은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부의 양으로 사용되었고, 펄라이트는 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 0.2 중량부의 양으로 사용되었다. 물은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 3.0 중량부의 양으로 사용되었다.폴리올 A는 약 6～10 mmHg의 진공 하에 표준 여과지를 통해 약 120분 동안 여과하여 MAGNESOL(등록상표) 및 펄라이트를 제거하였다. 그 후, 미정제 폴리올 A는 폴리우레탄 발포체를 제조하는 데 사용하였다.
실시예 2 및 비교예 2의 경우, 폴리올 A는 고분자량 불순물을 함유하고 있으며 붕괴되고 마는 폴리우레탄 발포체를 형성하는 것으로 알려져 있다. 이들 실시예에 대한 폴리우레탄 발포체를 형성함에 있어서, 혼합물의 총량은 690 g이었다. 690 g 중, 수지는 425 g이었고 이소시아네이트는 265.3 g(이소시아네이트 지수 110)이었다. 폴리올 A는 261.6 g의 양으로 사용되었고 폴리올 B는 130.8 g의 양으로 사용되었다. 계면활성제는 3.92 g의 양으로 사용되는 한편, 물과 촉매는 28.37 g의 혼합물로서 사용되었다.
실시예 2의 경우, 폴리에테르 폴리올 A는 규조토로 처리하여 폴리올 A를 정 제하였다. 규조토로 처리하기 전에, 폴리올 A는 폴리올 제조용으로 당업자에게 알려져 있는 바와 같은 마그네솔, 펄라이트 및 물로 95℃에서 3 시간 동안 처리하였다. 마그네솔은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부의 양으로 사용되었고, 펄라이트는 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 0.2 중량부의 양으로 사용되었다. 물은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 3.0 중량부의 양으로 사용되었다. 그 후, 미정제 폴리올 A는 약 6～10 mmHg의 진공 하에 표준 여과지를 통해 약 120분 동안 여과하여 MAGNESOL(등록상표) 및 펄라이트를 제거하고, 물은 공지의 방법으로 제거하였다. 여과재는 여과 케이크를 형성하였으며, 이것은 추가 여과를 위해 모았다.
그 후, 폴리올 A는 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부의 양의 규조토로 3 시간 동안 처리하였다. 그 후, 폴리올 A는 약 6～10 mmHg의 진공 하에 여과 케이크를 통해 120분 동안 여과하여 규조토를 제거하였다. 그 후, 정제된 폴리올 A는 폴리우레탄 발포체를 제조하는 데 사용하였다.
비교예 2의 경우, 폴리에테르 폴리올 A는 규조토로 처리하지 않았다. 폴리올 A는 폴리올 제조용으로 당업자에게 알려져 있는 바와 같은 마그네솔, 펄라이트 및 물로 95℃에서 3 시간 동안 처리하였다. 마그네솔은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 1.5 중량부의 양으로 사용되었고, 펄라이트는 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 0.2 중량부의 양으로 사용되었다. 물은 폴리올 A 100 중량부를 기준으로 3.0 중량부의 양으로 사용되었다. 그 후, 미정제 폴리올 A는 약 6～10 mmHg의 진공 하에 표준 여과지를 통해 약 120분 동안 여과하여 MAGNESOL(등록상표) 및 펄라이트를 제거하고, 물은 공지의 방법으로 제거하였다. 그 후, 미정제 폴리올 A는 폴리우레탄 발 포체를 제조하는 데 사용하였다.
상기 실시예 각각에 있어서, 처리 조건은 동일하였으며 다음과 같았다. 성분들의 온도는 상온, 즉 25℃였다. 사용된 혼합기는 3-인치 German 혼합 블레이드를 이용하여 100%로 작동되는 Dayton 가변 속도 DC 모터 혼합기였다. 수지 혼합 시간은 최고 속도에서 45초였으며, 1-쿼트 밀크 쉐이크 컵에서 혼합하였다. 발포체 혼합 시간은 2400～3600 RPM에서 6초였으며, 그 후 이것을 5 갤런 페이라이너(payliner) 용기로 옮기고, 이 혼합물을 12초 동안 주입하였다.
대조예는 도 1에 도시된(일정한 비례 아님) 19 리터(5 갤런) 용기의 개략 단면도를 갖는 폴리우레탄 발포체를 생성하였다. 다시 말해서, 실제 발포체 시료는 대조예에 따라 제조하였으며, 도 1은 이것의 정확한 도해이다. 이 발포체는 발포체 높이가 385 mm, 발포체 중량이 560 g이었다. 이 발포체는 어떠한 내부 공극도 실질적으로 존재하지 않았으며, 용기 바닥을 따라 약간의 전단 붕괴가 관찰되었다. 이 폴리우레탄 발포체의 표면은 평활하였으며 우수한 안정성을 나타내었다.
도 2는 불순물이 함유된, 비교예 1에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 단면도를 예시한다. 도 3은 비교예 1에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 평면도이다. 다시 말해서, 실제 발포체 시료는 비교예 1에 따라 제조하였으며, 도 2 및 3은 이의 정확한 도해이다. 이 발포체는 발포체 높이가 330 mm, 발포체 중량이 552 g이었다. 대조예와 비교하여 발포체 높이는 약 9.5% 감소하였다. 이 발포체는 많은 내부 공극을 포함하였으며 용기의 측부를 따라 다수의 전단 붕괴가 관찰되었다. 도 3을 참조하면, 폴리우레탄 발포체의 표면은 표면 아래에 공극이 있음을 나타내는 불안정 성을 보인다.
도 4는 활성탄을 사용하여 폴리올 A로부터 불순물을 여과한, 실시예 1에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 단면도를 도시한다. 도 5는 실시예 1에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 평면도이다. 다시 말해서, 실제 발포체 시료는 실시예 1에 따라 제조하였으며, 도 4 및 5는 이의 정확한 도해이다. 이 발포체는 발포체 높이가 345 mm, 발포체 중량이 557 g이었다. 대조예와 비교하여 실시예 1에서 발포체 높이는 단지 약 5.5% 감소하였으며, 중량은 단지 0.5% 감소하였다. 실시예 1에서 제조된 발포체는 폴리올 A로부터 불순물이 제거됨으로 인하여 비교예 1에서 제조된 발포체보다 더 우수하다. 이 발포체는 비교예 1에서 제조된 발포체보다 내부 공극이 더 적었다. 도 5를 참조하면, 폴리우레탄 발포체의 표면은 더 평활하였으며, 이는 표면 아래 공극이 적고 더욱 안정한 형태임을 나타내는 것이다.
도 6은 공지의 오염된 폴리올 A로부터 형성된, 비교예 2에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 단면도를 도시한다. 도 7은 비교예 2에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 평면도이다. 다시 말해서, 실제 발포체 시료는 비교예 2에 따라 제조되었으며, 도 6 및 7은 이의 정확한 도해이다. 이 발포체는 불순물의 존재로 인하여 붕괴되었기 때문에 발포체 높이가 135 mm에 불과하였다. 도 7을 참조하면, 폴리우레탄 발포체의 표면은 표면 아래와 표면에 큰 공극을 나타낸다.
도 8은 폴리올 A로부터 불순물이 여과된, 비교예 2에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 단면도를 도시한다. 도 9는 비교예 2에서 형성된 폴리우레탄 발포체의 평면도이다. 다시 말해서, 실제 발포체 시료는 실시예에 따라 제조되었으며, 도 8 및 9는 이의 정확한 도해이다. 이 발포체의 높이는 335 mm였다. 규조토를 사용하여 폴리올 A로부터 불순물을 제거하였기 때문에 비교예 2에 비해 발포체 높이가 약 148% 향상되었다. 이 발포체는 약간의 내부 공극을 포함하고 있긴 하지만, 비교예 2에서 제조된 발포체보다 훨씬 더 개선되었다. 도 9를 참조하면, 폴리우레탄 발포체의 표면은 더 평활한데, 이것은 표면 아래 공극이 적고 더욱 안정한 형태임을 나타내는 것이다.
지금까지 본 발명을 예시적 구체예를 참조하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않도록 본 발명에 다양한 변형이 이루어질 수 있으며 그 구성요소에 균등 치환이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 필수 범위로부터 벗어나지 않도록 본 발명의 교시에 특정한 상황 또는 물질을 채용하도록 다수의 변경이 가해질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최적의 양태로서 개시된 특정 구체예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 첨부하는 청구 범위 내에 속하는 모든 구체예를 포함한다.

Claims (13)

  1. 이소시아네이트와의 반응에 의해 폴리우레탄 발포체를 제조하는 데 이용될 수 있는 폴리에테르 폴리올을, 이로부터 폴리에틸렌 옥시드 및 폴리프로필렌 옥시드 중 하나 이상으로 구성된 비휘발성 불순물을 제거하여 정제하는 방법으로서,
    수 평균 분자량이 25,000 달톤 이상인 폴리에틸렌 옥시드 및 폴리프로필렌 옥시드 중 하나 이상으로 구성되는 1종 이상의 비휘발성 불순물을 함유하는 미정제 폴리에테르 폴리올을 제공하는 단계;
    실질적으로 모든 비휘발성 불순물이 흡착제에 흡착되도록 하기에 충분한 조건 하에 충분한 시간 동안, 상기 미정제 폴리에테르 폴리올을 활성탄, 규조토, 숯(charcoal), 아타풀가이트 및 점토로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 흡착제와 접촉시키는 단계; 및
    정제된 폴리에테르 폴리올을 상기 흡착제로부터 분리하는 단계
    를 포함하는 정제 방법.
  2. 제1항에 있어서, 정제된 폴리에테르 폴리올을 분리하는 단계는 비휘발성 불순물이 흡착된 흡착제를 정제된 폴리에테르 폴리올로부터 여과하기 위해 여과재를 제공하는 것으로 추가로 정의되는 것인 정제 방법.
  3. 제2항에 있어서, 정제된 폴리에테르 폴리올과 비휘발성 불순물이 흡착된 흡착제의 혼합물을 여과재를 통해 여과하여 흡착제 및 비휘발성 불순물을 실질적으로 제거하는 단계를 더 포함하는 정제 방법.
  4. 제3항에 있어서, 정제된 폴리에테르 폴리올을 여과하는 단계는 0.7～3.5 바(10～50 psig)의 압력 하에 폴리에테르 폴리올을 여과재를 통해 여과하는 것으로 추가로 정의되는 것인 정제 방법.
  5. 제3항에 있어서, 정제된 폴리에테르 폴리올을 여과하는 단계는 흡착제 및 비휘발성 불순물을 실질적으로 제거하기 위해 1～5 시간 동안 지속하는 것인 정제 방법.
  6. 제2항에 있어서, 미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 접촉시키기 전에, 미정제 폴리에테르 폴리올을 여과재를 통해 사전 여과하는 단계를 더 포함하는 정제 방법.
  7. 제6항에 있어서, 미정제 폴리에테르 폴리올을 사전 여과하는 단계는 0.7～3.5 바(10～50 psig)의 압력 하에 수행하는 것인 정제 방법.
  8. 제6항에 있어서, 미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 접촉시킨 후, 정제된 폴리에테르 폴리올과 비휘발성 불순물이 흡착된 흡착제를, 미정제 폴리에테르 폴리올을 사전 여과하는 데 사용된 것과 동일한 여과재를 통해 여과하는 단계를 더 포함하는 정제 방법.
  9. 제1항에 있어서, 미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 접촉시키는 단계는 미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 혼합하는 것으로 추가로 정의되는 것인 정제 방법.
  10. 제9항에 있어서, 미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 혼합하는 단계는 5～120분의 시간 동안 수행하는 것인 정제 방법.
  11. 폴리우레탄 발포체를 제조하는 방법으로서,
    실질적으로 모든 비휘발성 불순물이 흡착제에 흡착되도록 하기에 충분한 조건 하에 충분한 시간 동안, 수 평균 분자량이 25,000 달톤 이상인 폴리에틸렌 옥시드 및 폴리프로필렌 옥시드 중 하나 이상으로 구성되는 비휘발성 불순물을 함유하는 미정제 폴리에테르 폴리올을 활성탄, 규조토, 숯, 아타풀가이트 및 점토로 구성된 군에서 선택되는 흡착제와 접촉시키는 단계;
    미정제 폴리에테르 폴리올을 흡착제와 접촉시킨 후, 정제된 폴리에테르 폴리올을 상기 흡착제로부터 분리하는 단계; 및
    상기 정제된 폴리에테르 폴리올을 1종 이상의 이소시아네이트와 반응시켜서, 미정제 폴리에테르 폴리올을 사용하여 제조된 발포체에 비해 안정성이 증가된 폴리우레탄 발포체를 제조하는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비휘발성 불순물은 수 평균 분자량이 45,000 달톤 이상인 정제 방법.
  13. 삭제
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