JP2011504959A - 1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物および1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法 - Google Patents

1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物および1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】金属ナノ触媒を含む1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物および1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法に関し、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物は、極性共単量体の含有量が高く、結晶性がなく、光学素材などの用途として使用できる1−アルケン−アクリレート系共重合体を製造するのに用いることができる。前記1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、高温高圧の重合条件が必要ではなく、温和な重合条件の単純な工程で製造可能であり、物性制御が容易である。
【選択図】図1

Description

本発明は、金属ナノ触媒を含む1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物および1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法に関する。本出願は2007年11月28日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2007−0122198号の出願日の利益を主張し、その内容の全ては本明細書に含まれる。
1−アルケン、特にエチレンはアルキルアクリレート系共単量体と共重合する場合、単純なポリエチレンから得ることのできない相異なる物性を有する重合体を形成することができる。前記物性は、例えば、接着力、低温靭性などのような一部特性であり、アルキルアクリレート系共単量体の含有量が増加するにつれて相当改善される。したがって、このような1−アルケンと他の共単量体を混用した共重合体の開発は多くの研究の対象となってきた。
エチレンとアルキルアクリレート系共重合体は、高温高圧反応から得られるのが一般的な従来技術である。したがって、チューブ型反応器やオートクレーブ反応器を利用し、1000気圧以上、100℃以上の苛酷な条件で、エチレンとアクリレート系単量体を同時に投入した製造方法が開示されている。前記のような条件から得られた高分子は、エチレン基準に極性単量体であるアクリレート系単量体が3〜35%含まれた共重合体である。
しかし、このような高温高圧の条件を実現するためには、1次圧縮機、2次圧縮機、特殊反応器など、作業者の安全のための付加装置が必要となる。また、苛酷な工程条件であるため、共重合体の組成変化を所望の方向に変えるのに多くの制約条件が伴う。
また、従来方法により製造されたエチレン系共重合体は若干の極性基を含む程度に過ぎない。すなわち、極性単量体の含有量が高くないため、ポリエチレンの結晶性が共重合体に残存するようになり、透明フィルムなどの光学用素材としての使用には制約がある。
また、従来のチューブ型反応器やオートクレーブでの高温高圧法によって得られた高分子は、結局、透明性に大きい影響を与えない製品の開発に力を注ぐしかなかった。
したがって、高温高圧の苛酷な重合条件ではないつつ、極性共単量体の含有量が高く、結晶性のない共重合体を製造することができる新しい極性共重合体製造方法の開発が求められている。
本発明は、極性単量体の含有量が高く、結晶性のない共重合体を製造するのに用いることができる1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物、および前記高温高圧の苛酷な重合条件が必要ではなく、200気圧以下でありつつ、150℃以下の温和な条件で、単純な工程で物性制御が容易な1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、金属ナノ触媒を含む1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物を提供する。
また、本発明は、1−アルケン単量体、アクリレート系共単量体を金属ナノ触媒下で重合反応させるステップを含む1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法を提供する。
また、本発明は、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法によって製造される1−アルケン−アクリレート系共重合体を提供する。
また、本発明は、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体を含む光学用フィルムを提供する。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体用触媒組成物は、極性共単量体の含有量が高く、結晶性のない1−アルケン−アクリレート系共重合体を製造するのに用いることができ、1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、高温高圧の重合条件が必要ではなく、温和な重合条件の単純な工程であって、物性制御が容易である。
実施例3から得られたエチレン−メチルアクリレート共重合体の水素核磁気共鳴スペクトル(1H−NMR spectrum)である。 比較例1から得られたエチレン−メチルアクリレート共重合体の水素核磁気共鳴スペクトル(1H−NMR spectrum)である。 実施例3から得られた共重合体に対する示差走査熱量(DSC)グラフである。 比較例1から得られた共重合体に対する示差走査熱量(DSC)グラフである。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物は、下記化学式1で示される金属ナノ触媒を含むことを特徴とする。
[化学式1]
M/Nxy
前記化学式1において、
Mは第3族〜第12族の遷移金属からなる群から選択され、
Nは第3族〜第14族原子からなる群から選択され、
Oは酸素原子であり、xおよびyはNの酸化状態に応じて決定され、
xおよびyは各々独立に1以上20以下の実数であり、
前記Mはナノ粒子であって、Nxyで構成された支持体で囲まれているか、支持体の表面に吸着した状態で結合されて固定された状態で存在する。
この時、前記Nxyは、酸化アルミニウム(Al23)、酸化イットリウム(Y23)、酸化亜鉛(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化珪素(SiO2)、酸化ボロン(B23)、酸化セシウム(CeO2)、酸化ジスプロシウム(Dy23)、酸化エルビウム(Er23)、酸化ユーロピウム(Eu23)、酸化ガドリニウム(Gd23)、酸化ホルミウム(Ho23)、酸化ランタン(La23)、酸化ルテニウム(Lu23)、酸化ネオジム(Nd23)、酸化プラセオジム(Pr611)、酸化サマリウム(Sm23)、酸化テルビウム(Tb23)、酸化トリウム(Th47)、酸化ツリウム(Tm23)、酸化イッテルビウム(Yb23)、Dy3Al512、Y3Al512およびCeAl1118からなる群から選択された1つ以上の金属酸化物を含むことが好ましい。
また、前記Mは、Ru、Rh、Pd、Pt、Ir、Co、Cu、Sm、Au、Ag、Re、Ni、Fe、OsおよびScからなる群から選択された1つ以上のナノ粒子を含むことが好ましい。
前記金属ナノ触媒におけるMの含有量は、金属ナノ触媒の総含量を基準に0.1〜10wt%を含むことが好ましい。含有量が10wt%を超過したり、0.1wt%未満であったりする場合には反応性が顕著に落ちるので好ましくない。
前記金属ナノ触媒におけるMの大きさは2〜200nmであることが好ましい。前記Mの大きさが2nm未満であったり、200nmを超過したりする場合には反応性が落ちる問題点がある。
前記金属ナノ触媒は、一般的に金属ナノ粒子を無機物支持体に化学的、物理的吸着法またはゾル−ゲル法によって固定化して製造することができる。
本明細書に用いられた用語「共重合体」は、2以上の共単量体から製造された共重合体を全て含む。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、1−アルケン単量体およびアクリレート系共単量体を前記化学式1で示される金属ナノ触媒下で重合反応させるステップを含むことを特徴とする。
前記金属ナノ触媒は、アクリレート系共単量体を基準に0.01〜200モル%の含有量で含まれることが好ましい。前記金属ナノ触媒の含有量が0.01モル%未満である場合には1−アルケン−アクリレート共重合体における1−アルケン単量体の含有量が低くなる問題があり、200モル%を超過する場合には攪拌重合器の使用時に攪拌速度が低下する問題があるので好ましくない。
前記のような金属ナノ触媒は、特に水分安全性に優れて効率的であり、リサイクルが可能である。
前記1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法において、重合反応の条件は、圧力が5〜200気圧であり、温度が30〜150℃であることが好ましい。より好ましくは、圧力が20〜50気圧であり、温度が50〜80℃の温度条件で反応させる。
前記圧力が5気圧未満である場合には1−アルケン−アクリレート系共重合体中の1−アルケン単量体の含有量が低くなる問題があり、200気圧を超過する場合には工程上の追加装置の設置が必要となる。また、前記温度が30℃未満である場合には開始剤が活性化しない問題があり、150℃を超過する場合には工程制御の問題がある。
上記のように、本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、高温高圧の苛酷な条件が要求される従来技術とは異なり、前記化学式1の金属ナノ触媒を用いることにより、200気圧以下、150℃以下の温和な条件で1−アルケン−アクリレート系共重合体を製造することができる。したがって、本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、工程が単純であり、ここに用いられた金属ナノ触媒は、重合後、濾過装置だけで容易に100%回収してリサイクルが可能であるので製造原価を顕著に下げることができる。また、水分および空気の安定性にも優れ、効率よく、重合工程を単純化することができるので産業的な適用可能性が大きい。
したがって、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法によって製造された1−アルケン−アクリレート系共重合体の物性は制御するのが容易である。
本発明の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法に用いられる前記アクリレート系共単量体は下記化学式2で示される化合物を含む。
Figure 2011504959
前記化学式2において、
1、R2およびR3は各々独立に水素原子であるか、ヘテロ原子を含む炭素数1〜30の1価炭化水素基であり;
4は水素原子または炭素数1〜6のアルキル基である。
この時、前記炭化水素基は、アルキル、アルケニル、シクロアルキル、アルキニル、ノルボルニルまたはアリールであることが好ましい。
前記アクリレート系共単量体は、C1−C12の直鎖または分枝鎖状のアルキル基を含むアルキルアクリレート、C1−C12の直鎖または分枝鎖状のアルキル基を含むアルキルメタクリレートおよびC1−C12の直鎖または分枝鎖状のアルキル基を含むアルキルブタクリレートからなる群から選択することができる。
前記アクリレート系共単量体は、ビニルアセテート、ヒドロキシアルキルアクリレート、カルボキシアルキルアクリレート、ビニルエステル、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸および一酸化炭素からなる群から選択された1種以上の共単量体をさらに含むことができる。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法に用いられる前記アクリレート系共単量体は、1−アルケン単量体およびアクリレート系共単量体の総量を基準に30〜99モル%で含まれることが好ましく、より好ましくは50〜95モル%で含まれる。前記アクリレート系共単量体の含有量が30モル%未満である場合には1−アルケン−アクリレート系共重合体において接合性に問題があり、99モル%を超過する場合には壊れやすい問題があるので好ましくない。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法に用いられる極性単量体であるアクリレート系共単量体の含有量が増加する場合、エチレンなどの1−アルケン単量体の固有物性である結晶性を防止できるので無結晶性共重合体の製造が可能である。このような無結晶性の1−アルケン−アクリレート系共重合体は従来技術では製造し難い。
本発明の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法により製造される共重合体は、無結晶性で高い透明性を有し、接着性などにも優れるので光学素材として用いることができ、特に極性官能基を多く含んでいるために金属などとの接着力に優れるので電気素子としての適用に有利である。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法に用いられる前記1−アルケン単量体は、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン、1−ノネン、1−デセンおよびノルボルネンからなる群から選択することができる。
前記1−アルケン単量体のうちのノルボルネンとしては下記化学式3で示される化合物を含む。
Figure 2011504959
前記化学式3において、
mは0〜4の整数であり、
7、R7’、R7’’およびR7’’’は各々独立に非極性官能基または極性官能基を含み、
7、R7’、R7’’およびR7’’’は互いに連結され、炭素数4〜12の飽和または不飽和環状基、または炭素数6〜24の芳香族環を形成することができる。
前記非極性官能基は、水素;ハロゲン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数1〜20の線状または分枝鎖状のアルキル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数2〜20の線状または分枝鎖状のアルケニル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数2〜20の線状または分枝鎖状のアルキニル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数3〜12のシクロアルキル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数6〜40のアリール;およびハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数7〜15のアラルキルからなる群から選択することができる。
また、前記極性官能基は、少なくとも1つ以上の酸素、窒素、リン、硫黄、シリコン、またはボロンを含む下記化学式を含む非炭化水素極性基(non−hydrocarbonaceous polar group)であり、−R8OR9、−OR9、−OC(O)OR9、−R8OC(O)OR9、−C(O)R9、−R8C(O)OR9、−C(O)OR9、−R8C(O)R9、−OC(O)R9、−R8OC(O)R9、−(R8O)k−OR9(kは1〜10の整数)、−(OR8k−OR9(kは1〜10の整数)、−C(O)−O−C(O)R9、−R8C(O)−O−C(O)R9、−SR9、−R8SR9、−SSR9、−R8SSR9、−S(=O)R9、−R8S(=O)R9、−R8C(=S)R9、−R8C(=S)SR9、−R8SO29、−SO29、−R8OSO29、−R8SO39、−SO39、−R8OSO39、−R8N=C=S、−N=C=S、−NCO、−R8−NCO、−CN、−R8CN、−NNC(=S)R9、−R8NNC(=S)R9、−NO2、−R8NO2および下記極性基からなる群から選択される。
Figure 2011504959
Figure 2011504959
Figure 2011504959
Figure 2011504959
Figure 2011504959
Figure 2011504959
前記極性官能基において、R8およびR11は互いに同じであるか異なり、各々、ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数1〜20の線状または分枝鎖状のアルキレン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数2〜20の線状または分枝鎖状のアルケニレン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数2〜20の線状または分枝鎖状のアルキニレン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数3〜12のシクロアルキレン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数6〜40のアリーレン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数7〜15のアラルキレン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換されたアルコキシレン;またはハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換されたカルボニルオキシレンであり;前記2以上のR11は互いに同じであるか異なってもよく、
各々のR9、R12、R13およびR14は互いに同じであるか異なり、各々、水素;ハロゲン;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数1〜20の線状または分枝鎖状のアルキル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数2〜20の線状または分枝鎖状のアルケニル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数2〜20の線状または分枝鎖状のアルキニル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数3〜12のシクロアルキル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数6〜40のアリール;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換された炭素数7〜15のアラルキル;ハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換されたアルコキシ;およびハロゲン、アルキル、アルケニル、アルキニル、ハロアルキル、ハロアルケニル、ハロアルキニル、アリール、ハロアリール、アラルキル、ハロアラルキル、アルコキシ、ハロアルコキシ、カルボニルオキシ、ハロカルボニルオキシ、アリールオキシ、ハロアリールオキシ、シリルおよびシロキシのうちから選択された1以上の置換基で置換もしくは非置換されたカルボニルオキシからなる群から選択された1つである。
ここで、特に説明がない場合、アルキル、アルコキシおよびカルボニルは炭素数1〜20が好ましく、アルケニルおよびアルキニルは炭素数2〜20が好ましく、アリールは炭素数6〜40が好ましく、アラルキルは炭素数7〜15が好ましい。
前記化学式3で示される化合物は、5−エチルエステル−2−ノルボルネン、t−ブチル−5−ノルボルネン−2−カルボキシレート(NB−TBE)、メチル−5−ノルボルネン−2−メチル−2−カルボキシレート(NB−MMA)、5−メチレン−2−ノルボルネンおよび5−n−ブチル−2−ノルボルネンからなる群から選択された1つ以上を含む。
また、本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、重合開始剤を追加するステップを含む。前記重合開始剤は、過酸化物およびアゾ化合物からなる群から選択された1つ以上を含むことが好ましい。この時、前記重合開始剤は、任意の適切な方式により、例えば、純粋な形態、適切な溶媒に溶解された形態、単量体または共単量体供給物ストリームと混合された形態などで前記1−アルケン−アクリレート系共重合体組成物に含まれ得る。
また、前記重合開始剤の含有量は、アクリレート系共単量体を基準に0.001〜0.1モル%で含まれることが好ましい。前記重合開始剤の含有量が0.001モル%未満である場合には収率が低く、0.1モル%を超過する場合には過量の重合開始剤によって低分子量の1−アルケン−アクリレート系共重合体が生成される問題がある。
前記過酸化物としては、例えば、過酸化水素、デカノイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシネオデカノエート、t−ブチルパーオキシピバレート、3,5,5−トリメチルヘキサノイルパーオキシド、ジエチルパーオキシド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシイソブチレート、ベンゾイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシアセテート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、ジ−t−ブチルパーオキシド、t−アミルパーオキシネオデカノエート、t−アミルパーオキシピバレート、t−アミルパーオキシ−2−エチルヘキサノエートおよび1,1,3,3−テトラメチルブチルヒドロパーオキシド;アルカリ金属パーサルフェート、パーボレートおよびパーカーボネートなどが挙げられる。
前記アゾ化合物としてはアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)などが挙げられる。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法において、重合反応は、トルエン、ベンゼン、クロロベンゼン、n−ヘキサン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、エタノール、メタノール、アセトンおよびメチレンクロライドからなる群から選択された1つ以上の溶媒において遂行されることが好ましい。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法の一実現例として、前記アクリレート系共単量体はメチルメタクリレートまたはメチルアクリレートであり、1−アルケン単量体はエチレンまたはノルボルネンであり、金属ナノ触媒の金属は遷移金属であり、反応圧力は5〜60気圧であり、反応温度は50〜80℃であり、重合開始剤としてAIBNを含む条件が好ましい。
また、本発明は、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法により製造された1−アルケン−アクリレート系共重合体を提供する。
本発明に係る触媒組成物を用いて製造した前記1−アルケン−アクリレート系共重合体から製造されたフィルムは、従来に比べ、柔軟性および耐熱性に優れる。
具体的には、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、1−アルケン単量体と極性単量体のランダム共重合体でありつつ、極性基の含有量が格段に高いのでエチレンの結晶性が存在しないため、高分子フィルムなどに加工した後にも高分子の透明性には影響がないので光学素材などの用途として用いることができる。
前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、ガラス転移温度が20〜170℃であるノルボルネン−メチルアクリレート共重合体、ガラス転移温度が50〜130℃であるエチレン−メチルメタクリレート共重合体、ガラス転移温度が−50〜20℃であるエチレン−メチルアクリレート共重合体、ガラス転移温度が0〜150℃であるエチレン−メチルアクリレート−ノルボルネン三元共重合体などを含む。
前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、数平均分子量が5,000〜150,000であり、重量平均分子量が10,000〜500,000であることが好ましい。数平均分子量が5,000未満であるか、重量平均分子量が10,000未満である場合には、低い分子量のため、応用分野によっては物性に問題があり得るし、数平均分子量が150,000を超過するか、重量平均分子量が500,000を超過する場合には、加工上の問題があり得る。
前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、熱重量分析(TGA)から得られる初期重量の50%が分解される温度(Td_50、median toxic dose)が350〜500℃であることが好ましく、Td_50は共重合される1−アルケン単量体の含有量に応じて変わる。共重合されずにPMMA(poly methyl methacrylate)単独重合体が得られる場合、Td_50は350℃未満である。
また、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、光透過度が80〜100%であることが好ましい。前記1−アルケン−アクリレート系共重合体の光透過度が高いほど、光学用フィルムのような光学素材に有利である。
また、本発明は、前記1−アルケン−アクリレート系共重合体を含む光学用フィルムを提供する。
前記光学用フィルムは、光透過度の高いアクリレート系共重合体を用いて製造するために高い光透過度を有し、極性官能基を有する単量体の含有量が高いために接着性に優れるので、偏光板などのような積層フィルムとして使うのに好適である。具体的には、延伸などによって複屈折率を有する位相差補償フィルム、ヨード溶液との後処理によって偏光フィルムに製造することもでき、その他の様々な光学用フィルムとして使用可能である。
以下、下記実施例によって本発明をより具体的に説明する。但し、これらの実施例は本発明を例示するためのものに過ぎず、本発明がこれらだけに限定されるものではない。
重合に必要な有機試薬と溶媒はAldrich社製のものを利用して標準方法によって精製し、エチレンはApplied gas Technology社の高純度製品を水分および酸素濾過装置を通過させた後に利用した。
高分子触媒の構造を立証するために、Varian社の500MHz NMRを利用した。高分子のガラス転移温度はTA Instrument社のDSC Q100で測定し、Td_50は同一社のTGAを利用した。
分子量および分子量分布は、Waters社のGPC(gel permeation chromatography)分析によって得られた。分析温度は25℃であり、テトラヒドロフラン(THF)を溶媒として用い、ポリスチレンで標準化して数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)を求めた。
<実施例1>
125mL高圧反応装置を真空に作った後にアルゴンを充填した。前記アルゴン雰囲気の反応器に、ルテニウム含有量が0.1wt%である金属ナノ触媒(2.86g、28.05mmol)、トルエン23mL、メチルメタクリレート(2.81g、28.05mmol)を投入した。そして、トルエンに溶かした開始剤AIBN 0.056mmolを投入した。次に、30barのエチレンを充填した後に反応器の温度を70℃までに上昇させ、マグネチックバーを利用して500rpmで攪拌し、18時間重合を実施して重合体溶液を製造した。
重合反応が終わった後、反応温度を常温に下げた後、フィルタリングによって金属ナノ触媒を回収した。この後、金属ナノ触媒が除去された重合体溶液を非溶媒であるエタノールに落とし、高分子を固体相として沈殿させた。固体相を沈殿させて上清液を除去し、エタノールを添加して再度洗浄した後、粒子を堅固にするために水を添加して攪拌し、これをフィルタリングして共重合体を回収した。このように得られた共重合体を80℃の真空オーブンで1日間乾燥した。
<実施例2>
ルテニウム含有量が1wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例3>
ルテニウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例4>
パラジウム含有量が0.1wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例5>
パラジウム含有量が1wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例6>
パラジウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例7>
パラジウム含有量が10wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例8>
プラチナム含有量が5wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例9>
イリジウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例10>
ロジウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例11>
銅含有量が5wt%である金属ナノ触媒を用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
前記実施例1〜11の各々の具体的な実験条件および結果は下記表1に記載した。
Figure 2011504959
<比較例1>
125mL高圧反応装置を真空に作った後にアルゴンを充填した。前記アルゴン雰囲気の反応器に、酸化アルミニウム(2.86g、28.05mmol)、トルエン(23mL)、メチルメタクリレート(2.81g、28.05mmol)を投入した。そして、トルエンに溶かした開始剤AIBN0.056mmolを投入した。次に、30barのエチレンを充填した後に反応器の温度を70℃までに上昇させ、マグネチックバーを利用して500rpmで攪拌し、18時間重合を実施して重合体溶液を製造した。
重合反応が終わった後、反応温度を常温に下げた後、フィルタリングによって酸化アルミニウムを回収した。この後、酸化アルミニウムが除去された重合体溶液を非溶媒であるエタノールに落とし、高分子を固体相として沈殿させた。固体相を沈殿させて上清液を除去し、エタノールを添加して再度洗浄した後、粒子を堅固にするために水を添加して攪拌し、これをフィルタリングして共重合体を回収した。このように得られた共重合体を80℃の真空オーブンで1日間乾燥した。
<比較例2>
酸化アルミニウム5.72gを用いたことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を比較例1と同様にして共重合体を製造した。
前記比較例1〜2に対する各々の具体的な実験条件および結果は下記表2に記載した。
Figure 2011504959
<実施例12>
125mL高圧反応装置を真空に作った後にアルゴンを充填した。前記アルゴン雰囲気の反応器に、ルテニウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒(2.86g、28.05mmol)、トルエン23mL、メチルアクリレート(2.41g、28.05mmol)を投入した。そして、トルエンに溶かした開始剤AIBN0.056mmolを投入した。次に、30barのエチレンを充填した後に反応器の温度を70℃までに上昇させ、マグネチックバーを利用して500rpmで攪拌し、18時間重合を実施して重合体溶液を製造した。この後、重合後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例13>
開始剤を0.028mmolに設定したことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
前記実施例12〜13に対する各々の具体的な実験条件および結果は下記表3に記載した。
Figure 2011504959
<実施例14>
125mL高圧反応装置を真空に作った後にアルゴンを充填した。前記アルゴン雰囲気の反応器に、ルテニウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒(4.13g、14.03mmol)、トルエン23mL、メチルアクリレート(2.81g、28.05mmol)、およびノルボルネン56.1mmolを投入した。次に、トルエンに溶かした開始剤AIBN0.056mmolを投入した後に反応器の温度を60℃までに上昇させ、マグネチックバーを利用して500rpmで攪拌し、18時間重合を実施して重合体溶液を製造した。この後、重合後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
<実施例15>
温度を65℃に設定したことを除いては、重合反応の条件と後処理過程を実施例14と同様にして共重合体を製造した。
<実施例16>
125mL高圧反応装置を真空に作った後にアルゴンを充填した。前記アルゴン雰囲気の反応器に、ルテニウム含有量が5wt%である金属ナノ触媒(2.86g、28.05mmol))、トルエン23mL、メチルアクリレート(2.81g、28.05mmol)、およびノルボルネン56.1mmolを投入した。次に、トルエンに溶かした開始剤AIBN0.056mmolを投入した後に反応器の温度を70℃までに上昇させ、マグネチックバーを利用して500rpmで攪拌し、18時間重合を実施して重合体溶液を製造した。この後、重合後処理過程を実施例1と同様にして共重合体を製造した。
前記実施例14〜16に対する各々の具体的な実験条件および結果は下記表4に記載した。
Figure 2011504959
実施例1〜16から得られた共重合体は、全て核磁気共鳴スペクトルを利用して構造を分析した。得られた各々の共重合体において、エチレンあるいはノルボルネンのホモ重合体は確認されず、単にランダム共重合体が生成された。
実施例3と比較例1から得られた共重合体に対する1H NMR測定結果とDSC測定結果を図1〜4に示す。図1と2に示すように、金属ナノ触媒が金属酸化物より高い活性を示し、エチレン含有量が向上された。また、図3と4に示すように、既存のポリオレフィンに現れる溶融温度は現れず、ガラス転移温度(Tg)が1つずつだけ現れた。したがって、ホモ重合体は確認されず、前記実施例によって製造された共重合体は、温度変化にも相変化が伴われない無結晶性共重合体である。
また、前記実施例12および15から得られた共重合体の場合、従来に知られたPMMAのTd_50である350℃より高い400℃以上においてTd_50が現れた。したがって、高温条件に用いられる場合にも熱による変性の危険が減少するため、熱が伴われる電気素子などの場合にも適用することができる。
また、既存の高温高圧法によって得られたLDPE(low density polyethylene)、EVA(ethylene vinyl acetate)などの場合は、分子量分布がlogMw値で4以上である広い分子量分布を有している。しかし、本発明に係る触媒組成物を用いてラジカル重合法により製造された実施例12〜16から得られた共重合体は、2.5未満の狭い分子量分布(PDI)を得ることができるということが分かる。このように重合体が狭い分子量分布を有する場合に各種物性を向上させることができる。
また、実施例1〜11のように金属ナノ触媒が100%近く回収され、空気および水分安定性に優れるのでリサイクルが可能である。
本発明に係る1−アルケン−アクリレート系共重合体用触媒組成物は、極性共単量体の含有量が高く、結晶性のない1−アルケン−アクリレート系共重合体を製造するのに用いることができ、1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法は、高温高圧の重合条件が必要ではなく、温和な重合条件の単純な工程であって、物性制御が容易である。

Claims (20)

  1. 下記化学式1で示される金属ナノ触媒を含む1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物:
    [化学式1]
    M/Nxy
    前記化学式1において、
    Mは第3族〜第12族の遷移金属からなる群から選択され、
    Nは第3族〜第14族原子からなる群から選択され、
    Oは酸素原子であり、xおよびyはNの酸化状態に応じて決定され、
    xおよびyは各々独立に1以上20以下の実数であり、
    前記Mはナノ粒子であって、Nxyで構成された支持体で囲まれているか、又は前記支持体の表面に吸着した状態で結合されて固定された状態で存在する。
  2. 前記Nxyは、酸化アルミニウム(Al23)、酸化イットリウム(Y23)、酸化亜鉛(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化珪素(SiO2)、酸化ボロン(B23)、酸化セシウム(CeO2)、酸化ジスプロシウム(Dy23)、酸化エルビウム(Er23)、酸化ユーロピウム(Eu23)、酸化ガドリニウム(Gd23)、酸化ホルミウム(Ho23)、酸化ランタン(La23)、酸化ルテニウム(Lu23)、酸化ネオジム(Nd23)、酸化プラセオジム(Pr611)、酸化サマリウム(Sm23)、酸化テルビウム(Tb23)、酸化トリウム(Th47)、酸化ツリウム(Tm23)、酸化イッテルビウム(Yb23)、Dy3Al512、Y3Al512およびCeAl1118からなる群から選択された1つ以上の金属酸化物を含む、請求項1に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物。
  3. 前記Mは、Ru、Rh、Pd、Pt、Ir、Co、Cu、Sm、Au、Ag、Re、Ni、Fe、Os、およびScからなる群から選択された1つ以上のナノ粒子を含む、請求項1に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物。
  4. 前記金属ナノ触媒におけるMの含有量は、前記金属ナノ触媒の総含量を基準に0.1〜10wt%の範囲である、請求項1に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体製造用触媒組成物。
  5. 1−アルケン単量体およびアクリレート系共単量体を下記化学式1で示される金属ナノ触媒下で重合反応させるステップを含む1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法:
    [化学式1]
    M/Nxy
    前記化学式1において、
    Mは第3族〜第12族の遷移金属からなる群から選択され、
    Nは第3族〜第14族原子からなる群から選択され、
    Oは酸素原子であり、xおよびyはNの酸化状態に応じて決定され、
    前記Mはナノ粒子であって、Nxyで構成された支持体で囲まれているか、又は前記支持体の表面に吸着した状態で結合されて固定された状態で存在する。
  6. 前記金属ナノ触媒は、前記アクリレート系共単量体を基準に0.01〜200モル%の含有量で含まれる、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  7. 前記重合反応の条件は、圧力が5〜200気圧であり、温度が30〜150℃である、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  8. 前記アクリレート系共単量体は下記化学式2で示される化合物を含む、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法:
    Figure 2011504959
    前記化学式2において、
    1、R2およびR3は各々独立に水素原子であるか、またはヘテロ原子を含む炭素数1〜30の1価炭化水素基であり;
    4は水素原子または炭素数1〜6のアルキル基である。
  9. 前記アクリレート系共単量体は、C1−C12の直鎖または分枝鎖状のアルキル基を含むアルキルアクリレート、C1−C12の直鎖または分枝鎖状のアルキル基を含むアルキルメタクリレートおよびC1−C12の直鎖または分枝鎖状のアルキル基を含むアルキルブタクリレートからなる群から選択される、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  10. 前記アクリレート系共単量体は、ビニルアセテート、ヒドロキシアルキルアクリレート、カルボキシアルキルアクリレート、ビニルエステル、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸および一酸化炭素からなる群から選択された1種以上の共単量体をさらに含むことを特徴とする、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  11. 前記アクリレート系共単量体は、1−アルケン単量体およびアクリレート系共単量体の総量を基準に30〜99モル%で含まれる、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  12. 前記1−アルケン単量体は、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン、1−ノネン、1−デセンおよび下記化学式3で示される化合物からなる群から選択された1つ以上を含む、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法:
    Figure 2011504959
    前記化学式3において、
    mは0〜4の整数であり、
    7、R7’、R7’’およびR7’’’は各々独立に極性官能基または非極性官能基を含み、
    7、R7’、R7’’およびR7’’’は互いに連結され、炭素数4〜12の飽和もしくは不飽和環状基、または炭素数6〜24の芳香族環を形成してもよい。
  13. 重合開始剤を追加するステップをさらに含む、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  14. 前記重合反応は、トルエン、ベンゼン、クロロベンゼン、n−ヘキサン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、エタノール、メタノール、アセトンおよびメチレンクロライドからなる群から選択された1つ以上の溶媒において遂行される、請求項5に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法。
  15. 請求項5の1−アルケン−アクリレート系共重合体の製造方法によって製造された1−アルケン−アクリレート系共重合体。
  16. 前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、ガラス転移温度が20〜170℃であるノルボルネン−メチルアクリレート共重合体を含む、請求項15に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体。
  17. 前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、ガラス転移温度が50〜130℃であるエチレン−メチルメタクリレート共重合体を含む、請求項15に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体。
  18. 前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、ガラス転移温度が−50〜20℃であるエチレン−メチルアクリレート共重合体を含む、請求項15に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体。
  19. 前記1−アルケン−アクリレート系共重合体は、ガラス転移温度が0〜150℃であるエチレン−メチルアクリレート−ノルボルネン三元共重合体を含む、請求項15に記載の1−アルケン−アクリレート系共重合体。
  20. 請求項15の1−アルケン−アクリレート系共重合体を含む光学用フィルム。
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