JP2023504843A - ペレット型ポリエチレン樹脂組成物およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明では、パイプ耐圧特性と寸法安定性、そして加工性を同時に改善させることができるペレット型ポリエチレン樹脂組成物およびその製造方法が提供される。

Description

関連出願との相互引用
本出願は2020年8月19日付韓国特許出願第10-2020-0103997号および2021年8月5日付韓国特許出願第10-2021-0103418号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、パイプ耐圧特性と寸法安定性、そして加工性を同時に改善させることができるペレット型ポリエチレン樹脂組成物およびその製造方法に関するものである。
PE-RT(Polyethylene of Raised Temperature resistance) type IIは架橋を行わなくても高温でMRS(Minimum Required Strength)9.3MPa以上の高い耐圧特性を示す。これにより、給水管または給湯管など熱水を移送する多様な分野に活用されてきた。最近は160mm以下であった最大口径を250mm以下に拡大してさらに多くの分野にその活用範囲を広めていっている。
200mm以上の大口径PE-RTは、パイプ押出時、厚い管が下に垂れる現象(slumping)の防止と関連した寸法安定性のため、高い樹脂粘度が要求される。しかし、高い粘度は加工負荷を高め線速の減速を招いて加工性低下を誘発する。
したがって、パイプ耐圧特性と大口径での寸法安定性、そして加工性をバランス良く改善させることができるポリエチレンの開発が必要である。
本発明は、パイプ耐圧特性と寸法安定性、そして加工性を同時に改善させることができるペレット型ポリエチレン樹脂組成物およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物を用いて製造することにより、優れた耐圧特性と寸法安定性、加工性を示すパイプを提供することを目的とする。
本発明の一実施形態によれば、エチレン/1-ヘキセン共重合体を含み、下記(a1)~(a5)の条件を充足する、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物が提供される:
(a1)溶融指数(MI:ISO 1133-1によって190℃で5.0kg荷重で測定):0.40~0.80g/10min
(a2)密度(ASTM D 1505によって測定):0.945~0.950g/cm
(a3)FlogMw<5.0:58~65%
(FlogMw<5.0は前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時分子量分布曲線からlogMw<5.0分画の面積を積分して全体面積に対する比率で示した値であり、この時、Mwは重量平均分子量である)
(a4)下記数式1によるバイモーダルインデックス(BMI):0.95~1.2
[数式1]
バイモーダルインデックス=[(バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlogMw差)/(FWHM×FA+FWHM×FB)]
(上記数式1で、バイモーダルピークA(bimodal peak A)とバイモーダルピークB(bimodal peak B)のlog Mw差は、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時分子量分布曲線のピークデコンボリューション(peak deconvolution)をガウス確率関数(Gaussian probability function)を用いて低分子分画と高分子分画を分離した後、高分子分画である前記バイモーダルピークBの最大強度(maximum intensity)値から低分子分画である前記バイモーダルピークAの最大強度値を引いた値である、二つのピークの間の距離であり、
FWHMおよびFWHMは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBの半値幅(full width half maximum)値であり、
FAおよびFBは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBをそれぞれ積分して求めた面積比である)
(a5)溶融破断開始時点のせん断速度(shear rateonset of M.F)(ASTM D3835によって測定):800(1/s)以上。
本発明のまた他の一実施形態によれば、
混成担持触媒の存在下で、エチレン単量体と1-ヘキセン共単量体を重合反応させてエチレン/1-ヘキセン共重合体を製造する段階、および
前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物の製造後、ペレット状に押出する段階を含み、
前記混成担持触媒は、下記化学式1で表される化合物または下記化学式2で表される化合物を含む第1遷移金属化合物;下記化学式3で表される第2遷移金属化合物;および担体;を含み、
前記第1遷移金属化合物および第2遷移金属化合物は1:0.5~1:1.4のモル比で含まれ、
前記1-ヘキセン共単量体は前記エチレン単量体100重量部に対して0.75~10重量部で投入される、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の製造方法を提供する:
[化学式1]
(Cp(Cp)M 3-n
上記化学式1中、
は、4族遷移金属であり;
CpおよびCpは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のヒドロカルビル基で置換されるかまたは非置換のシクロペンタジエニルであり;
およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素、炭素数1~20のアルキル、炭素数1~20のアルコキシ、炭素数2~20のアルコキシアルキル、炭素数6~20のアリール、炭素数6~20のアリールオキシ、炭素数2~20のアルケニル、炭素数7~40のアルキルアリール、炭素数7~40のアリールアルキル、炭素数8~40のアリールアルケニル、または炭素数2~10のアルキニルであり;
は、ハロゲン、炭素数1~20のアルキル、炭素数2~20のアルケニル、炭素数7~40のアルキルアリール、炭素数7~40のアリールアルキル、炭素数6~20のアリール、置換もしくは非置換のアミノ基、炭素数2~20のアルコキシアルキル、炭素数2~20のアルキルアルコキシ、または炭素数7~40のアリールアルコキシであり;
nは、1または0であり;
Figure 2023504843000002
上記化学式2中、
は、4族遷移金属であり;
Aは、炭素、ケイ素、またはゲルマニウムであり;
およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲンまたは炭素数1~20のアルキルであり;
およびLは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキレンであり;
およびDは、酸素であり;
およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキル、炭素数2~20のアルケニル、炭素数6~20のアリール、炭素数7~40のアルキルアリール、または炭素数7~40のアリールアルキルであり;
およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキルであり;
Figure 2023504843000003
上記化学式3中、Cpは、下記化学式4a~4dで表されるリガンドのうちのいずれか一つであり、
Figure 2023504843000004
上記化学式4a~4dにおいて、R~Rは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素、炭素数1~30のヒドロカルビル基または炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基であり;
Zは、-O-、-S-、-NR10-または-PR11-であり;
10およびR11は、それぞれ独立して、水素、炭素数1~20のヒドロカルビル基、炭素数1~20のヒドロカルビル(オキシ)シリル基または炭素数1~20のシリルヒドロカルビル基であり;
は、Ti、ZrまたはHfであり;
およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲン、ニトロ基、アミド基、ホスフィン基、ホスフィド基、炭素数1~30のヒドロカルビル基、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基、-SiH、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基、炭素数1~30のスルホネート基または炭素数1~30のスルホン基であり;
Tは、
Figure 2023504843000005
であり;
は、C、Si、Ge、SnまたはPbであり;
およびYは、それぞれ独立して、水素、炭素数1~30のヒドロカルビル基、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基、-SiH、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基、ハロゲンで置換された炭素数1~30のヒドロカルビル基、または-NR1213であり;
およびYは、それぞれ独立して、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基であり;
12およびR13は互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素および炭素数1~30のヒドロカルビル基のうちのいずれか一つであるか、あるいは互いに連結されて脂肪族または芳香族環を形成するものである。
また、本発明の他の一実施形態によれば、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物を用いて製造されたパイプを提供する。
本発明によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、製造時溶融指数(MI)を減少させて加工領域の粘度を高めることによって優れた寸法安定性を示し、また低分子分画の含量が強化されたバイモーダル型構造を有することによって溶融破断の発生が減少し流束が向上できる。その結果、耐圧特性と寸法安定性および加工性がバランス良く改善できる。これにより、パイプ、特に大口径PE-RTパイプの製造に特に有用である。
実施例1でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 実施例2でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 実施例3でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 実施例4でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例1でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例2でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例3でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例4でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例5でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例6でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例7でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例8でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例9のポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例10でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。 比較例11でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析結果を示したグラフである。
本明細書で使用される用語は単に例示的な実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なるものを意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書で、「含む」、「備える」または「有する」などの用語は実施された特徴、段階、構成要素またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
本発明は多様な変更を加えることができ様々な形態を有することができるところ、特定実施形態を例示して下記で詳細に説明する。しかし、これは発明を特定の開示形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解されなければならない。
以下、発明の具体的な実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物、その製造方法およびこれを用いて製造したパイプなどについて説明する。
本発明では、ポリエチレン樹脂組成物の製造時、特定構造を有する異種の遷移金属化合物を含む混成担持触媒を用いてエチレン/1-ヘキセン共重合体を重合して使用し、またこれを押出してペレット化することによって、パイプ、特に大口径パイプの製造に要求される最適組み合わせ物性を有し、結果として耐圧特性と寸法安定性および加工性がバランス良く改善できる。
具体的に、本発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物はエチレン/1-ヘキセン共重合体を含み、下記(a1)~(a5)の条件を充足する:
(a1)溶融指数(MI:ISO 1133-1によって190℃で5.0kg荷重で測定):0.40~0.80g/10min
(a2)密度(ASTM D 1505によって測定):0.945~0.950g/cm
(a3)FlogMw<5.0:58~65%
(FlogMw<5.0は、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時分子量分布曲線からlogMw<5.0分画の面積を積分して全体面積に対する比率で示した値であり、この時、Mwは重量平均分子量である)
(a4)下記数式1によるバイモーダルインデックス(BMI):0.95~1.2
[数式1]
バイモーダルインデックス(BMI)=[(バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差)/(FWHM×FA+FWHM×FB)]
(前記数式1中、バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差は二つのピークの間の距離を意味し、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時分子量分布曲線のピークデコンボリューションを用いて、低分子分画と高分子分画を分離した後、高分子分画である前記バイモーダルピークBの最大強度値から低分子分画である前記バイモーダルピークAの最大強度値を引いた値であり、
FWHMおよびFWHMは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBの半値幅値であり、
FAおよびFBは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBをそれぞれ積分して求めた面積比である)
(a5)Melt fracture on-set pointのせん断速度(Shear rateon_set of M.F、ASTM D3835によって測定):800(1/s)以上。
また、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、前記(a1)~(a5)条件を充足すると同時に、下記(b1)~(b6)の条件のうちの1以上、または2以上、または3以上、または6個の条件をさらに充足することができる:
(b1)溶融流動率比(MI21.6/MI2.16、ASTM 1238によって190℃、21.6kg荷重条件で測定した溶融指数値を、ASTM 1238によって190℃、2.16kg荷重条件で測定した溶融指数値で割った値):96以上
(b2)多分散指数(PDI):10~15
(b3)伸長粘度(ASTM D4065による測定):300,000Pa・S以上
(b4)加工領域粘度(η at 25/s、ISO 3219によって測定):6,000Pa・s以下、
(b5)降伏応力(σyield、ASTM D638 type 4規格による試片製造後、ISO 527によって23℃で50mm/min速度で測定):240kg/cm以上
(b6)ひずみ硬化モジュラス(Strain hardening modulus)(ISO 18488によって80℃、および20mm/minの条件で応力/ひずみ曲線(stress/strain curve)を測定し、これからNeo-Hookean構成モデル(constitutive model)曲線(x軸:
Figure 2023504843000006
y軸:σtrue、この時、λは延伸比であり、σtrueは真応力(true stress)を示す)を得た後、前記Neo-Hookean構成モデル(constitutive model)曲線で、真ひずみ(true strain)8から12の間を線形フィッティング(fitting)した傾き値である):22.0~25MPa。
本発明において、ペレット(pellet)またはペレット型(pellet-type)とは、原料物質の押出によって形成される小さな粒子または欠片であって、円形、平板形、鱗片状、多角形、棒状など当該技術分野でペレットとして分類される形態を全て含む。
従来の粉末型ポリエチレン樹脂組成物の場合、酸化防止剤の種類が制限され、粉末別に酸化防止剤の含量偏差が大きくて、これを用いて製造した物品での物性偏差が大きい問題があった。
これに対して、本発明のポリエチレン樹脂組成物は、構成成分の混合後、溶融押出を通じてペレット形態に製造することによって、ペレット内の酸化防止剤をはじめとする構成成分が均一混合され、結果として製造される原糸も均一な物性を示すことができる。
一方、前記ペレットの大きさは用途および形態によって適切に決定されるものであって、特に限定されないが、通常1mm水準の小さな平均直径を有する粉末と区分することができるように、本発明におけるペレットは平均直径が2mm以上であると定義する。具体的には、本発明におけるペレットは、平均直径が2mm以上、または3mm以上であり、200mm以下、または100mm以下、または50mm以下、または10mm以下、または5mm以下であるものであってもよい。この時、「直径」はペレット状外周面の任意の直線距離のうちの最長距離であり、映像顕微鏡などを用いて測定することができる。
より具体的に、発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、特定構造を有する異種の遷移金属化合物を最適含量比率で含む触媒を使用し、共単量体の投入比制御を通じて製造されたエチレン/1-ヘキセン共重合体を含むことによって、0.40~0.80g/10minの低い溶融指数(MI)を示す。
本発明において前記ポリエチレン樹脂組成物の溶融指数は、ISO 1133-1によって190℃で5.0kg荷重下で測定することができ、10分間溶融して重合体の重量(g)で示す。
ポリエチレン樹脂組成物の溶融指数は寸法安定性および加工性に影響を与える。MIが0.40g/10min未満であれば加工圧力が上昇して加工性が低下する恐れがあり、0.80g/10minを超過すれば高流動性によって寸法安定性が低下することがある。
通常、溶融指数は、重合工程時、触媒の種類および水素投入量制御を通じて調節可能であり、水素投入量は使用される触媒の水素反応性によって決定される。本発明では、低い水素反応性を有する遷移金属化合物を使用することによって、製造されるエチレン/1-ヘキセン共重合体の溶融指数を減少させ、結果として加工領域での粘度を高めて寸法安定性を向上させることができる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は、0.40g/10min以上、または0.45g/10min以上、または0.48g/10min以上、または0.50g/10min以上であり、0.80g/10min以下、または0.75g/10min以下、または0.74g/10min以下、または0.60g/10min以下、または0.55g/10min以下のMIを示すことができる。
また、発明の一実施形態による前記ポリエチレン樹脂組成物は、前記のように低いMIと共に0.945~0.950g/cmの高い密度を示し、結果として優れた耐水圧特性および寸法安定性を示すことができる。
本発明において、前記ポリエチレン樹脂組成物の密度はASTM D 1505によって測定することができる。前記ポリエチレン樹脂組成物の密度が0.950g/cmを超過すれば過度に高い密度によって耐水圧特性が低下することがあり、0.945g/cm未満であれば寸法安定性が低下することがある。より具体的には、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は0.945g/cm以上、または0.9455g/cm以上、または0.9456g/cm以上であり、0.950g/cm以下、または0.949g/cm以下、または0.948g/cm以下、または0.9477g/cm以下、または0.946g/cm以下の密度を示すことができる。
また、発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、58~65%のFlogMw<5.0を示す。
logMw<5.0はゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析を通じて、x軸上のLog Mw対y軸上のdwf/dLog Mw(質量検出器反応)の分子量分布曲線(GPC curve)からlog Mw<5.0分画の面積を積分して全体面積に対する比率で示した値であって、樹脂組成物の流動性と関連した加工性の尺度を意味する。この時、前記GPC分析はPolymer Laboratories PLgel MIX-B 300mm長さカラムが備えられたWaters PL-GPC220機器を用いて、測定温度160℃、溶媒として1,2,4-トリクロロベンゼン使用および流速1mL/minの条件で行うことができ、具体的なGPC分析方法および条件は以下実験例で説明する通りである。
前記ポリエチレン樹脂組成物は前記範囲のFlogMw<5.0を有することによってMFRRが増加し、結果として優れた加工性を示すことができる。FlogMw<5.0が58%未満であれば加工領域の粘度が高く、溶融破断(melt fracture)が発生することがあり、また溶融破断開始時点のせん断速度(shear rateonset of M.F)が800(1/s)未満で低くて加工性が大きく低下することがある。また、FlogMw<5.0が65%を超過する場合には、寸法安定性と耐水圧特性が低下することがある。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は、58%以上、または58.5%以上、または60%以上であり、65%以下、または64%以下、または63.8%以下、または63.5%以下のFlogMw<5.0を示すことができる。
また、発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、GPC分析時バイモーダル型分子量分布を有し、0.95~1.2の下記数式1によるバイモーダルインデックス(bimodality index、BMI)を示す。
バイモーダルインデックス(BMI)はGPC分析による分子量分布曲線でバイモーダルの程度を表わす指数であって、下記数式1によって計算することができる:
[数式1]
バイモーダルインデックス=[(バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差)/(FWHM×FA+FWHM×FB)]
上記数式1中、
バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差は二つのピークの間の距離を意味し、前記ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析時、x軸上のLog Mw対y軸上のdwf/dLog Mw(質量検出器反応)の分子量分布曲線(GPC curve)のピークデコンボリューション(peak deconvolution)をガウス確率関数(Gaussian probability function)を用いて、低分子分画と高分子分画を分離した後、高分子分画である前記バイモーダルピークBの最大強度(maximum intensity)値から低分子分画である前記バイモーダルピークAの最大強度値を引いた値であり、
FWHMおよびFWHMは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBの半値幅(full width half maximum)値であり、
FAおよびFBは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBをそれぞれ積分して求めた面積比である。
一方、本発明においてバイモーダルピークAおよびバイモーダルピークBは、前記ポリエチレン樹脂組成物試片に対するGPC分析時、分子量分布曲線のピークデコンボリューションをガウス確率関数(Gaussian probability function)を用いて、低分子分画と高分子分画に分離した時、低分子分画に該当するピークをバイモーダルピークA、そして高分子分画に該当するピークをバイモーダルピークBとそれぞれ定義する。この時、前記GPC分析はPolymer Laboratories PLgel MIX-B 300mm長さカラムが備えられたWaters PL-GPC220機器を用いて、測定温度160℃、溶媒として1,2,4-トリクロロベンゼン使用および流速1mL/minの条件で行うことができ、具体的な分析方法および条件は以下実験例で説明する通りである。
バイモーダル型ポリエチレン樹脂組成物の場合、分子量差が大きいと、相分離によってよく混合されない低分子分画が表面に分離されて存在する。これにより、内部と外部の応力緩和時間の差によって溶融破断(melt fracture)と呼ばれる表面欠陥が発生する。
もしバイモーダルインデックスが0.95未満であればバイモーダルの程度が過度に小さくて低分子量分画と高分子量分画の分子量差が少なくて、加工性と物性バランスが合わないことがあり、バイモーダルインデックスが1.2を超過すればバイモーダルの程度が過度に大きくて、溶融破断の発生時点が早くなり、溶融破断の発生も増加することがある。前記ポリエチレン樹脂組成物は前記のように低分子分画の含量が強化された、前記バイモーダルインデックス条件を充足するバイモーダル型分子量分布を有することによって、低いMIによる加工性低下を補完し、結果として溶融破断の発生が減少し、流束が増加できる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は0.95以上、または0.97以上、または1以上、または1.01以上、または1.015以上、または1.02以上であり、1.2以下、または1.15以下、または1.1以下、または1.08以下、または1.05以下のバイモーダルインデックスを有することができる。
また、発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、96以上の溶融流動率比(MFRR、MI21.6/MI2.16)を示すことができる。
一般に、MFRRはせん断薄化(shear thinning)効果を示す値として活用され、樹脂組成物の分子量分布と溶融指数の影響を受ける。前記ポリエチレン樹脂組成物は、前述のような分子量分布、具体的には58~65%のFlogMw<5.0の条件を満足し、また低い溶融指数を有することによって96以上の高いMFRRを示し、結果として優れた加工性を示すことができる。
より具体的には、前記ポリエチレン樹脂組成物は96以上、または100以上、または101以上、または103以上であり、150以下、または130以下、または120以下、または115以下、または110以下のMFRRを示すことができる。
一方、本発明において、前記ポリエチレン樹脂組成物のMFRRはASTM 1238によって190℃、21.6kg荷重条件で測定した溶融指数(MI21.6)値を、ASTM 1238によって190℃、2.16kg荷重条件で測定した溶融指数(MI2.16)値で割った値である。
また、発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は前記物性と共に10以上、具体的には10~15の高い多分散指数(PDI)を示すことができ、結果として溶融破断が減少できる。
PDIが10未満であれば溶融破断が増加し、PDIが15を超過すれば低分子分画と高分子分画の混練性が減少して均一なパイプ物性実現が難しいことがある。さらに具体的には、前記ポリエチレン樹脂組成物のPDIは、10以上、または10.5以上、または11以上であり、15以下、または14.6以下、または14.5以下、14以下、または12以下、または11.5以下、または11.06以下であってもよい。
本発明において、PDIはGPCを用いてポリエチレン樹脂組成物のMwおよびMnを測定し、測定値からPDI(Mw/Mn)を計算することができる。この時、前記GPC分析はPolymer Laboratories PLgel MIX-B 300mm長さカラムが備えられたWaters PL-GPC220機器を用いて、測定温度160℃、溶媒として1,2,4-トリクロロベンゼン使用および流速1mL/minの条件で行うことができ、分析結果からMwおよびMn値の誘導はポリスチレン標準を用いて形成された検定曲線を使用した。具体的な分析方法および条件は以下実験例で説明する通りである。
前記のように低いMIと高い密度、そして低分子量分画の含量が強化されたバイモーダル型構造および最適範囲のバイモーダルインデックスを有することによって、発明の一実施形態による前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は耐水圧特性と寸法安定性、そして加工性が同時にバランス良く改善できる。
具体的に、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、毛細管粘度計(capillary rheometer)を用いてASTM D3835によって測定した溶融破断開始時点(Melt fracture on-set point)のせん断速度(Shear rateon_set of M.F)が800(1/s)以上であってもよい。
前記Shear rateon_set of M.Fはポリエチレン樹脂組成物のパイプ加工特性を示す値であって、Shear rateon_set of M.Fが高いほど優れたパイプ加工性を示し生産速度が速く、Shear rateon_set of M.Fが低いほど、特に800(1/s)未満の時、加工性が劣化し、結果として生産性が低下することを意味する。前記ポリエチレン樹脂組成物は、800(1/s)以上の高いShear rateon_set of M.Fを示すことによって優れた加工性を示すことができる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物のShear rateon_set of M.Fは800(1/s)以上、または900(1/s)以上、または1000(1/s)以上、または1000(1/s)超過であってもよい。通常、Shear rateon_set of M.Fが1000(1/s)を超過して高い場合には冷却設備などの生産設備能力を超過して優れた加工性を示すことを意味するので評価の意味がなく、但し、樹脂加工領域を考慮する時、Shear rateon_set of M.Fの上限は1200(1/s)、即ち、Shear rateon_set of M.Fは1200(1/s)以下であってもよい。
一方、前記ポリエチレン樹脂組成物のshear rateonset of M.FはASTM D3835によって測定することができ、具体的な測定方法および条件は以下実験例で説明する通りである。
また、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、DMA(dynamic mechanical analysis)を用いてASTM D4065による測定時、300,000Pa・S以上の高い伸長粘度を示すことができる。
伸長粘度が300,000Pa・S未満であれば、寸法安定性が低下して250mm以上のパイプ寸法不均一が発生することがある。しかし、前記ポリエチレン樹脂組成物は前述のような組み合わせ物性と共に300,000Pa・S以上の高い伸長粘度を有する場合、さらに増加された寸法安定性を示すことができる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は300,000Pa・S以上、または300,100Pa・S以上、または302,000Pa・S以上、または305,000Pa・S以上、または310,000Pa・S以上、または315,000Pa・S以上、または316,000Pa・S以上、または320,000Pa・S以上の高い伸長粘度を示すことができ、但し、伸長粘度が過度に高い場合、加工粘度の増加によるパイプ生産性が低下することがあるのを考慮する時、400,000Pa・S以下、または380,000Pa・S以下、または350,000Pa・S以下、または349,000Pa・S以下、または345,000Pa・S以下、または340,000Pa・S以下の伸長粘度を示すことができる。
また、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、回転式粘度計(Rotational rheometer)を用いてISO 3219によって190℃および25/s条件で粘度測定時、6,000Pa・s以下の低い加工領域粘度(η at 25/s)を示すことができる。
加工領域粘度が6,000Pa・sを超過して高い場合、溶融破断の発生が増加し、せん断速度が減少して加工性が低下することがある。しかし、前記ポリエチレン樹脂組成物は前述のような組み合わせ物性と共に6,000Pa・s以下の低い加工領域粘度を有することによって、溶融破断の発生が著しく減少し、さらに改善された加工性を示すことができる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は6,000Pa・s以下、または5,800Pa・s以下、または5,600Pa・s以下、または5,550Pa・s以下、または5,500Pa・s以下の加工領域粘度を示すことができ、但し、加工領域粘度が過度に低い場合、寸法安定性が低下することがあるのを考慮する時、4,500Pa・S以上、または4,800Pa・S、または5,000Pa・s以上、または5,200Pa・S以上、または5,300Pa・S以上の加工領域粘度を示すことができる。
また、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物はASTM D638 type 4規格による試片製造後、ISO 527によって23℃で50mm/min速度で測定時、240kg/cm以上の降伏応力(Yield stress;σyield)を示すことができる。
降伏応力はポリエチレン樹脂組成物の引張強度特性を示すものであって、降伏応力が240kg/cm未満であれば外力による構造変形の抵抗力が低くなって耐圧特性が低下することがある。一方、降伏応力が大きいほど、優れた引張強度特性を示す。しかし、降伏応力は密度とほとんど線形的関係があって、降伏応力の増加は密度の増加を意味する。これにより、密度増加時、強度は増加するが、硬度が低くなって壊れやすくなり、結果として長期耐圧安定性が低下するようになる。これにより、降伏応力が280kg/cmを超過すれば、密度が前述の範囲を超過して外部衝撃吸収効果が低下することがある。しかし、前述の範囲での密度を維持したまま降伏応力が増加する場合、特に降伏応力が260kg/cmを超過しても外部衝撃吸収効果の低下なく優れた引張強度特性および耐水圧特性を示すことができる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は240kg/cm以上、または242kg/cm以上、または244kg/cm以上、または245kg/cm以上であり、280kg/cm以下、または265kg/cm以下、または263kg/cm以下、または260kg/cm以下、または255kg/cm以下の降伏応力を示すことができる。
また、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、22MPa~25MPaのひずみ硬化モジュラス(Strain hardening modulus、<Gp>)を示すことができる。
前記ひずみ硬化モジュラスは耐水圧特性を示す物性指標であって、ISO 18488によって80℃、および20mm/minの条件でひずみ/応力曲線(strain/stress curve)を求めて、これからNeo-Hookean構成モデル(constitutive model)曲線(x軸:
Figure 2023504843000007
y軸:σtrue、この時、λは延伸比であり、σtrueは真応力(true stress)を示す)を得た後、前記Neo-Hookean構成モデル(constitutive model)曲線で、真ひずみ(true strain)8から12の間を線形フィッティング(fitting)した時の傾き値である。前記ひずみ硬化モジュラスの具体的な測定方法および条件は以下実験例で説明する通りである。
前記ポリエチレン樹脂組成物のひずみ硬化モジュラスが前記範囲条件を満足する時、ISO 9080標準を使用して評価されるパイプ製造時、最小要求強度(minimum required strength、MRS)9.3水準を示すことができる。もし前記範囲条件を逸脱する場合、MRS9.3水準を充足せず、劣化した耐水圧特性を示す。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は、22MPa以上、または23MPa以上、または23.2MPa以上、または23.5MPa以上であり、25MPa以下、または24.5MPa以下、または24MPa以下のひずみ硬化モジュラスを示すことができる。
また、前記ポリエチレン樹脂組成物は、11MPa以上、より具体的には11~14MPaの特性応力(characteristic stress;C.S)を示すことができる。
前記C.Sは延伸速度が異なる4個の応力-ひずみ曲線(stress-strain curve)の降伏応力(yield Stress)および引抜応力(drawing stress)をそれぞれプロット(plot)した後、外挿した二つの直線が接する地点の応力(stress)値であって、樹脂組成物の長期耐圧特性を示す。前記降伏応力は各延伸速度別に応力の最大点での応力値であり、引抜応力はひずみ(Strain)100%での応力(Stress)値であり、延伸速度別降伏応力と引抜応力は一次関数形態を有し、二つの一次関数交差点に該当する応力がC.Sとなる。この時、前記延伸速度は0.001~3mm/mm/sの範囲で選択でき、前記ひずみは10^0~10^3(/h)の範囲で変化できる。
C.Sが高いほど長期耐圧特性に優れる。但し、降伏応力と同様に、C.Sも密度とほとんど線形的関係があって、C.Sが14を超過すれば密度も増加して前述の密度範囲を逸脱することによって、硬度低下で長期耐熱安定性が低下するようになる。しかし、前述のような範囲での密度を維持したままC.Sのみ増加させる場合、C.Sが14を超過しても外部衝撃吸収効果の低下なく優れた長期耐圧特性を示すことができる。より具体的に、前記ポリエチレン樹脂組成物は、11MPa以上、または12MPa以上、または12.5MPa以上であり、14MPa以下、または13.9MPa以下、または13.5MPa以下、または13MPa以下のC.Sを示すことができる。
前記のような物性的特徴を有する発明の一実施形態によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、下記化学式1で表される化合物または下記化学式2で表される化合物を含む第1遷移金属化合物、下記化学式3で表される第2遷移金属化合物、および担体を含む混成担持触媒の存在下で、エチレン単量体と1-ヘキセン共単量体を重合反応させてエチレン/1-ヘキセン共重合体を製造する段階;および前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物の製造後、ペレット状に押出する段階;を含み、前記第1および第2遷移金属化合物は1:0.5~1:1.4のモル比で含まれ、前記1-ヘキセン共単量体は前記エチレン単量体100重量部に対して0.75~10重量部で投入される、製造方法によって製造できる。これにより、発明の他の一実施形態によれば、前述のようなペレット型ポリエチレン樹脂組成物を製造する方法が提供される:
[化学式1]
(Cp(Cp)M 3-n
上記化学式1中、
は、4族遷移金属であり;
CpおよびCpは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のヒドロカルビル基で置換されるかまたは非置換のシクロペンタジエニルであり;
およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素、炭素数1~20のアルキル、炭素数1~20のアルコキシ、炭素数2~20のアルコキシアルキル、炭素数6~20のアリール、炭素数6~20のアリールオキシ、炭素数2~20のアルケニル、炭素数7~40のアルキルアリール、炭素数7~40のアリールアルキル、炭素数8~40のアリールアルケニル、または炭素数2~10のアルキニルであり;
は、ハロゲン、炭素数1~20のアルキル、炭素数2~20のアルケニル、炭素数7~40のアルキルアリール、炭素数7~40のアリールアルキル、炭素数6~20のアリール、置換もしくは非置換のアミノ基、炭素数2~20のアルコキシアルキル、炭素数2~20のアルキルアルコキシ、または炭素数7~40のアリールアルコキシであり;
nは、1または0であり;
Figure 2023504843000008
上記化学式2中、
は、4族遷移金属であり;
Aは、炭素(C)、ケイ素(Si)、またはゲルマニウム(Ge)であり;
およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲンまたは炭素数1~20のアルキルであり;
およびLは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキレンであり;
およびDは酸素(O)であり;
およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキル、炭素数2~20のアルケニル、炭素数6~20のアリール、炭素数7~40のアルキルアリール、または炭素数7~40のアリールアルキルであり;
およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキルであり;
Figure 2023504843000009
上記化学式3中、Cpは、下記化学式4a~4dで表されるリガンドのうちのいずれか一つであり;
Figure 2023504843000010
上記化学式4a~4dにおいて、R~Rは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素、炭素数1~30のヒドロカルビル基または炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基であり;
Zは、-O-、-S-、-NR10-または-PR11-であり;
10およびR11は、それぞれ独立して、水素、炭素数1~20のヒドロカルビル基、炭素数1~20のヒドロカルビル(オキシ)シリル基または炭素数1~20のシリルヒドロカルビル基であり;
は、Ti、ZrまたはHfであり;
およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲン、ニトロ基、アミド基、ホスフィン基、ホスフィド基、炭素数1~30のヒドロカルビル基、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基、-SiH、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基、炭素数1~30のスルホネート基または炭素数1~30のスルホン基であり;
Tは
Figure 2023504843000011
であり;
は、C、Si、Ge、SnまたはPbであり;
およびYは、それぞれ独立して、水素、炭素数1~30のヒドロカルビル基、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基、-SiH、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基、ハロゲンで置換された炭素数1~30のヒドロカルビル基、または-NR1213であり;
およびYは、それぞれ独立して、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基であり;
12およびR13は互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素および炭素数1~30のヒドロカルビル基のうちのいずれか一つであるか、あるいは互いに連結されて脂肪族または芳香族環を形成するものである。
また、前記化学式中、「・」は、Tとの結合位置を意味する。
一方、本明細書で特別な制限がない限り次の用語は下記のように定義することができる。
ヒドロカルビル基は炭化水素から水素原子を除去した形態の1価官能基であって、炭素数1~30のアルキル基、炭素数2~30のアルケニル基、炭素数2~30のアルキニル基、炭素数6~30のアリール基、炭素数7~30のアラルキル基、炭素数8~30のアラルケニル基、炭素数8~30のアラルキニル基、炭素数7~30のアルキルアリール基、炭素数8~30のアルケニルアリール基および炭素数8~30のアルキニルアリール基などを含むことができる。そして、炭素数1~30のヒドロカルビル基は、炭素数1~20または炭素数1~10のヒドロカルビル基であってもよい。具体的に、炭素数1~30のヒドロカルビル基は、メチル基、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、iso-ブチル基、tert-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-へプチル基、シクロヘキシル基などの炭素数1~30の直鎖、分枝状または環状アルキル基;ビニル、1-プロペニル、イソプロペニル、1-ブテニル、2-ブテニル、3-ブテニル、1-ペンテニル、2-ペンテニル、3-ペンテニル、3-メチル-1-ブテニル、1,3-ブタジエニル、またはアリルなどの炭素数1~30の直鎖、または分枝状アルケニル基;エチニル、2-プロパニルなどの炭素数2~30の直鎖または分枝状アルキニル基;フェニル基、ナフチル基、またはアントラセニル基などの炭素数6~30のアリール基;ベンジル基、フェニルプロピルまたはフェニルヘキシルなどの炭素数7~30のアラルキル基;メチルフェニル、エチルフェニル、n-プロピルフェニル、iso-プロピルフェニル、n-ブチルフェニル、iso-ブチルフェニル、tert-ブチルフェニルまたはシクロヘキシルフェニルなどの炭素数7~30のアルキルアリール基;などであってもよい。
ヒドロカルビルオキシ基は、ヒドロカルビル基が酸素に結合した官能基である。具体的に、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基は、炭素数1~20または炭素数1~10のヒドロカルビルオキシ基であってもよい。より具体的に、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、n-プロポキシ基、iso-プロポキシ基、n-ブトキシ基、iso-ブトキシ基、tert-ブトキシ基、n-ペントキシ基、n-ヘキトキシ基、n-ヘプトキシ基、シクロヘキトキシ基などの炭素数1~30の直鎖、分枝状または環状アルコキシ基;またはフェノキシ基またはナフタレンオキシ(naphthalenoxy)基などの炭素数6~30のアリールオキシ基であってもよい。
ヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基は、ヒドロカルビル基の1つ以上の水素が1つ以上のヒドロカルビルオキシ基で置換された官能基である。具体的に、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基は、炭素数2~20または炭素数2~15のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基であってもよい。より具体的に、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基は、メトキシメチル基、メトキシエチル基、エトキシメチル基、iso-プロポキシメチル基、iso-プロポキシエチル基、iso-プロポキシヘキシル基、tert-ブトキシメチル基、tert-ブトキシエチル基、tert-ブトキシヘキシル基またはフェノキシヘキシル基などであってもよい。
ヒドロカルビル(オキシ)シリル基は、-SiHの1~3個の水素が1~3個のヒドロカルビル基またはヒドロカルビルオキシ基で置換された官能基である。具体的に、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基は、炭素数1~20、他炭素数1~15、炭素数1~10のまたは炭素数1~5のヒドロカルビル(オキシ)シリル基であってもよい。より具体的に、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基は、メチルシリル基、ジメチルシリル基、トリメチルシリル基、ジメチルエチルシリル基、ジエチルメチルシリル基およびジメチルプロピルシリル基などの炭素数1~30のアルキルシリル基;メトキシシリル基、ジメトキシシリル基、トリメトキシシリル基およびジメトキシエトキシシリル基などの炭素数1~30のアルコキシシリル基;メトキシジメチルシリル基、ジエトキシメチルシリル基およびジメトキシプロピルシリル基などの炭素数2~30のアルコキシアルキルシリル基などであってもよい。
シリルヒドロカルビル基は、ヒドロカルビル基の1以上の水素がシリル基で置換された官能基である。前記シリル基は、-SiHまたはヒドロカルビル(オキシ)シリル基であってもよい。具体的に、炭素数1~20のシリルヒドロカルビル基は、炭素数1~15または炭素数1~10のシリルヒドロカルビル基であってもよい。より具体的に、炭素数1~20のシリルヒドロカルビル基は、-CH-SiH、メチルシリルメチル基またはジメチルエトキシシリルプロピル基などであってもよい。
ハロゲン(halogen)は、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)またはヨウ素(I)であってもよい。
スルホネート基は-O-SO-Rの構造であって、Rは炭素数1~30のヒドロカルビル基であってもよい。具体的に、炭素数1~30のスルホネート基は、メタンスルホネート基またはフェニルスルホネート基などであってもよい。
スルホン基は-Rb'-SO-Rb”の構造であって、ここで、Rb’およびRb”は互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~30のヒドロカルビル基のうちのいずれか一つであってもよい。具体的に、炭素数1~30のスルホン基は、メチルスルホニルメチル基、メチルスルホニルプロピル基、メチルスルホニルブチル基またはフェニルスルホニルプロピル基などであってもよい。
アルキレン基は、アルカン(alkane)から2つの水素原子を除去した形態の2価官能基である。具体的に、アルキレン基は、炭素数1~20、炭素数1~5、または炭素数1~3のアルキレン基であってもよい。より具体的に、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基またはペンチレン基であってもよい。
本明細書で互いに隣接する2つの置換基が互いに連結されて脂肪族または芳香族環を形成するということは、2つの置換基の原子および前記2つの置換基が結合された原子が互いに連結されて環を成すことを意味する。具体的に、-NR10のRおよびR10が互いに連結されて脂肪族環を形成した例としては、ピペリジニル(piperidinyl)基などが挙げられ、-NR10のRおよびR10が互いに連結されて芳香族環を形成した例としては、ピロリル(pyrrolyl)基などを例示することができる。
前述の置換基は、目的とする効果と同一乃至類似の効果を発揮する範囲内で任意的にヒドロキシ基;ハロゲン;ヒドロカルビル基;ヒドロカルビルオキシ基;14族~16族のヘテロ原子のうちの一つ以上のヘテロ原子を含むヒドロカルビル基またはヒドロカルビルオキシ基;-SiH;ヒドロカルビル(オキシ)シリル基;ホスフィン基;ホスフィド基;スルホネート基;およびスルホン基からなる群より選択された1以上の置換基で置換されてもよい。
炭素数1~20のアルキル基は、直鎖、分枝状または環状アルキル基であってもよい。具体的に、炭素数1~20のアルキル基は、炭素数1~15の直鎖アルキル基;炭素数1~10の直鎖アルキル基;炭素数1~5の直鎖アルキル基;炭素数3~20の分枝状または環状アルキル基;炭素数3~15の分枝状または環状アルキル基;または炭素数3~10の分枝状または環状アルキル基であってもよい。より具体的に、炭素数1~20のアルキル基は、メチル基、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、iso-ブチル基、tert-ブチル基、n-ペンチル基、iso-ペンチル基、neo-ペンチル基またはシクロヘキシル基などであってもよい。
炭素数2~20のアルケニル基は、直鎖、分枝状または環状アルケニル基であってもよい。具体的に、炭素数2~20のアルケニル基は、炭素数2~20の直鎖アルケニル基、炭素数2~10の直鎖アルケニル基、炭素数2~5の直鎖アルケニル基、炭素数3~20の分枝状アルケニル基、炭素数3~15の分枝状アルケニル基、炭素数3~10の分枝状アルケニル基、炭素数5~20の環状アルケニル基または炭素数5~10の環状アルケニル基であってもよい。より具体的に、炭素数2~20のアルケニル基は、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基またはシクロヘキセニル基などであってもよい。
炭素数6~30のアリールは、モノサイクリック、バイサイクリックまたはトリサイクリック芳香族炭化水素を意味することができる。具体的に、炭素数6~30のアリールは、フェニル基、ナフチル基またはアントラセニル基などであってもよい。
炭素数7~30のアルキルアリールは、アリールの1以上の水素がアルキルによって置換された置換基を意味することができる。具体的に、炭素数7~30のアルキルアリールは、メチルフェニル、エチルフェニル、n-プロピルフェニル、iso-プロピルフェニル、n-ブチルフェニル、iso-ブチルフェニル、tert-ブチルフェニルまたはシクロヘキシルフェニルなどであってもよい。
炭素数7~30のアリールアルキルは、アルキルの1以上の水素がアリールによって置換された置換基を意味することができる。具体的に、炭素数7~30のアリールアルキルは、ベンジル基、フェニルプロピルまたはフェニルヘキシルなどであってもよい。
前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の製造方法において、エチレン/1-ヘキセン共重合体は、前記化学式1で表される化合物または前記化学式2で表される化合物を含む第1遷移金属化合物;前記化学式3で表される第2遷移金属化合物;および担体;を含む混成担持触媒の存在下で、エチレン単量体と1-ヘキセン共単量体を重合反応させることによって製造される。
前記第1遷移金属化合物は、優れた触媒活性を有し、低い共重合性によって高密度ポリエチレンの製造に有利である。また、工程安定性が向上して従来のポリエチレン重合時発生したファウリング問題を防止することができる。
具体的に、前記第1遷移金属化合物において、化学式1で表される化合物は共単量体(co-monomer)である1-ヘキセン(1-hexene)との反応性が弱いため高密度ポリエチレンの製造に有利であり、後述の第2遷移金属化合物と共に使用する場合、ポリエチレンの高い耐圧特性と長期耐熱安定性などパイプに必要な機械的物性を容易に実現することができる。
より具体的に、前記化学式1中、Mはジルコニウム(Zr)またはハフニウム(Hf)であり、好ましくはZrであってもよい。
そして、前記化学式1中、CpおよびCpはそれぞれ独立して1つ以上の炭素数1~20のアルキルで置換されるかまたは非置換のシクロペンタジエニルであり、前記RおよびRはそれぞれ独立して水素、炭素数1~6の直鎖または分枝状アルキル、炭素数1~6のアルコキシで置換された炭素数1~6のアルキル、炭素数6~12のアリールで置換された炭素数1~6のアルキル、または炭素数6~12のアリールであってもよい。一例として、前記RおよびRはそれぞれ、水素、メチル(Me)、エチル(Et)、n-プロピル(n-Pr)、イソ-プロピル(i-Pr)、n-ブチル(n-Bu)、tert-ブチル(t-Bu)、n-ペンチル(n-Pt)、n-ヘキシル(n-Hex)、tert-ブトキシ(t-Bu-O)ヘキシル、フェニルヘキシル、またはフェニル(Ph)であってもよい。この中でも前記CpおよびCpはそれぞれ非置換のシクロペンタジエニルであり、前記RおよびRはそれぞれ独立してtert-ブトキシ(t-Bu-O)ヘキシルのような炭素数1~6のアルコキシで置換された炭素数1~6のアルキルであってもよい。
そして、前記化学式1中、Zはそれぞれハロゲンであってもよく、より具体的にはクロロであってもよい。
そして、前記化学式1中、nは1または0である。
そして、前記第1遷移金属化合物は、下記構造式のうちの一つで表されるものであってもよい:
Figure 2023504843000012
上記構造式で表される第1遷移金属化合物は公知の反応を応用して合成でき、より詳細な合成方法は実施例を参照することができる。
また、前記第1遷移金属化合物において、化学式2で表される化合物も共単量体である1-ヘキセンとの反応性が弱いため高密度ポリエチレンの製造に有利であり、後述の第2遷移金属化合物と共に使用する場合、ポリエチレンの高い耐圧特性と長期耐熱安定性などパイプに必要な機械的物性を容易に実現することができる。
より具体的に、前記化学式2中、MはZrまたはHfであり、好ましくはZrであってもよい。
そして、前記化学式2中、AはSiであってもよい。
そして、前記化学式2中、XおよびXはそれぞれ独立してハロゲンであってもよく、より具体的にはクロロであってもよい。
そして、前記化学式2中、LおよびLはそれぞれ独立して炭素数1~6のアルキレンであってもよく、より具体的にはそれぞれ独立してメチレン、エチレン、またはプロピレンであってもよい。
そして、前記化学式2中、DおよびDはそれぞれOである。
そして、前記化学式2中、RおよびRはそれぞれ独立して炭素数1~6の直鎖または分枝状アルキルまたは炭素数6~12のアリールであってもよく、具体的には、メチル(Me)、エチル(Et)、n-プロピル(n-Pr)、イソ-プロピル(i-Pr)、n-ブチル(n-Bu)、tert-ブチル(t-Bu)、またはフェニル(Ph)であってもよい。
そして、前記化学式2中、RおよびRはそれぞれ独立して直鎖または分枝状炭素数1~6のアルキルであってもよく、より具体的には、RおよびRはそれぞれ独立してメチル(Me)、エチル(Et)、n-プロピル(n-Pr)、n-ブチル(n-Bu)、n-ペンチル(n-Pt)、またはn-ヘキシル(n-Hex)であってもよい。また、前記RおよびRは互いに同一なものであってもよい。
具体的に、前記化学式2で表される化合物は、下記構造式のうちの一つで表されるものであってもよい:
Figure 2023504843000013
Figure 2023504843000014
前記構造式で表される化合物は公知の反応を応用して合成でき、より詳細な合成方法は実施例を参照することができる。
一方、前記第2遷移金属化合物において、化学式3で表される化合物は互いに異なるリガンドとしてチオフェン(thiophene)を含む芳香族環化合物と14族または15族原子を含むベース化合物を含み、互いに異なるリガンドは-T-によって架橋されており、互いに異なるリガンドの間にM(X)(X)が存在する構造を有する。このような構造的特徴によってエチレン重合体の重合反応時、高い活性を示す。また、前記化学式3で表される化合物は共単量体である1-ヘキセンに対して高い反応性を有して共単量体によるタイ分子(tie molecule)生成を促進し、結晶生成時、絡み合い強度を増加させて長期的耐熱安定性を増加させる物性を実現するようにする。
より具体的に、前記化学式3で表される遷移金属化合物の構造内でCpのリガンドは、例えば、エチレン重合活性と重合特性に影響を与えることがある。特に、Cpのリガンドとして、前記化学式4a~4d中、R~R、RおよびRがそれぞれ独立して水素または炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、より具体的には、それぞれ独立して水素または炭素数1~10のアルキルであり、R~Rがそれぞれ独立して炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、より具体的には、それぞれ独立して炭素数1~10のアルキルであるリガンド、さらに具体的には、前記化学式4a~4d中、R~R、RおよびRがそれぞれ独立して水素またはメチルであり、R~Rがそれぞれメチルであるリガンドを含む化学式3の遷移金属化合物はオレフィン重合工程で非常に高い触媒活性を示す。
そして、前記化学式3で表される遷移金属化合物で、Zリガンドは、例えば、オレフィンの重合活性に影響を与えることがある。特に、化学式3のZが-NR10-であり、前記R10が炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、より具体的には炭素数1~10のアルキルであり、さらに具体的にはt-ブチルなどの炭素数3~6の分枝状アルキルである場合、オレフィン重合工程で非常に高い活性を示す触媒を提供することができる。
前記CpのリガンドおよびZのリガンドは、-T-によって架橋されて優れた担持安定性および重合活性を示すことができる。このような効果のために、前記-T-は
Figure 2023504843000015
の構造を有することができ、ここで、TはCまたはSiであり、Yは炭素数1~30のヒドロカルビル基および炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基のうちのいずれか一つであり、Yは炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基のうちのいずれか一つであってもよい。具体的に、TはSiであり、Yは炭素数1~20または炭素数1~10のアルキルであり、Yは炭素数2~20または炭素数2~10のアルコキシアルキルであるか、炭素数7~20または炭素数7~14のアリールオキシアルキル基であり、より具体的に、Yはメチル基、エチル基、n-プロピル基およびn-ブチル基のうちのいずれか一つであり、Yはメトキシメチル基、メトキシエチル基、エトキシメチル基、iso-プロポキシメチル基、iso-プロポキシエチル基、iso-プロポキシヘキシル基、tert-ブトキシメチル基、tert-ブトキシエチル基、tert-ブトキシヘキシル基およびフェノキシヘキシル基のうちのいずれか一つであってもよい。
一方、架橋されたCpのリガンドとZのリガンドの間にはM(X)(X)が存在し、M(X)(X)は金属錯体の保管安定性に影響を与えることがある。このような効果をさらに効果的に担保するために、XおよびXがそれぞれ独立してハロゲンのうちのいずれか一つ、より具体的にはクロロである遷移金属化合物を使用することができる。
前記化学式3の化合物として、下記化学式5~8で表される化合物を例示することができる。
Figure 2023504843000016
上記化学式5~8中、R~R10、M、X、X、T、YおよびYは先に定義した通りである。
具体的に、前記化学式5~8中、R~R、RおよびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して水素または炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、より具体的にはそれぞれ独立して水素または炭素数1~10のアルキルであり、
~Rは互いに同一または異なって、それぞれ独立して炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、より具体的には炭素数1~10のアルキルであり、
10は炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、より具体的には炭素数1~10のアルキルであり、
はTi、ZrまたはHfであり、より具体的にはTiであり、
およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立してハロゲンであり、より具体的にはクロロであり、
はCまたはSiであり、より具体的にはSiであり、
は炭素数1~30のヒドロカルビル基または炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基であり、より具体的には、炭素数1~20または炭素数1~10のアルキルであり、
は炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基であり、より具体的には、炭素数2~20または炭素数2~10のアルコキシアルキルであるか、炭素数7~20または炭素数7~14のアリールオキシアルキル基である。
さらに具体的に、前記化学式3で表される化合物は下記のような構造を有することができる:
Figure 2023504843000017
前記化学式3で表される遷移金属化合物は公知の反応を応用して合成でき、より詳細な合成方法は実施例を参照することができる。
一方、本発明で、前記第1および第2遷移金属化合物はそれぞれ、メソ異性体、ラセミ異性体、またはこれらの混合された形態であってもよい。
本明細書で、「ラセミ形態(racemic form)」または「ラセミ体」または「ラセミ異性体」は、二つのシクロペンタジエニル部分上の同一な置換体が、前記化学式1~3でM~Mで表される遷移金属、例えば、ジルコニウム(Zr)またはハフニウム(Hf)などの遷移金属を含む平面および前記シクロペンタジエニル部分の中央に対して反対側上にある形態を意味する。
そして、本明細書で、用語「メソ形態(meso isomer)」または「メソ異性体」は、前述のラセミ異性体の立体異性体であって、二つのシクロペンタジエニル部分上の同一な置換体が、前記化学式1~3でM~Mで表される遷移金属、例えば、ジルコニウム(Zr)またはハフニウム(Hf)などの遷移金属を含む平面および前記シクロペンタジエニル部分の中央に対して同じ側上にある形態を意味する。
前記第1および第2遷移金属化合物は、1:0.5~1:1.4のモル比で使用できる。前記混合モル比で使用される場合、優れた担持性能と触媒活性を示し、前述のペレット型ポリエチレン樹脂組成物の物性実現が可能である。
前記第1遷移金属化合物と第2遷移金属化合物の混合モル比が担持比率が1:1.4を超過して、第2遷移金属化合物の含量が過度に高い場合、第2遷移金属化合物のみ主導的に作用して前述のペレット型ポリエチレン樹脂組成物の物性実現が難しい。また、混合モル比が1:0.5未満であって、第2遷移金属化合物の含量が過度に低い場合には、第1遷移金属化合物のみ主導的に役割を果たして所望の重合体の分子構造を再現しにくくなることがある。より具体的には、前記第1遷移金属化合物と第2遷移金属化合物は、1:0.5モル比以上であり、1:1モル比以下、または1:0.7モル比以下に混合されてもよい。
一方、前記第1および第2遷移金属化合物は、シリカ担体に担持された担持触媒の状態で使用される。
担持触媒状態で使用時、製造される重合体の粒子形態およびかさ密度が優れており、従来のスラリー重合またはバルク重合、気相重合工程に適するように使用可能である。また、様々な担体の中でもシリカ担体は、前記遷移金属化合物の官能基が化学的に結合して担持されるため、エチレン重合工程で担体表面から遊離して出る触媒が殆どなく、その結果、スラリーまたは気相重合でポリエチレンを製造する時、反応器壁面や重合体粒子同士が付着するファウリングを最少化することができる。
前記シリカ担体は、20~40μmの平均粒径(D50)を有するものであってもよい。前記粒子大きさを有する場合、より優れた効率で遷移金属化合物を担持することができ、結果として触媒活性を高めることができる。より具体的には、20μm以上、または25μm以上であり、40μm以下、または30μm以下であってもよい。
一方、本発明において、前記シリカ担体の平均粒径(D50)は、粒子大きさ(粒径)による粒子個数累積分布の50%地点での粒径を意味する。前記D50はレーザ回折法(laser diffraction method)を用いて測定することができ、具体的には、測定対象シリカ担体を脱イオン水などの分散媒中に分散させた後、市販されるレーザ回折粒度測定装置(例えば、Microtrac S3500)に導入して粒子がレーザビームを通過する時の粒子大きさによる回折パターン差を測定して粒度分布を算出する。測定装置における粒径による粒子個数累積分布の50%になる地点での粒子大きさを算出し、これを平均粒子大きさとする。
また、前記シリカ担体に担持時、前記第1および第2遷移金属化合物は、シリカ1000gを基準にしてそれぞれ0.04mmol以上、または0.05mmol以上であり、0.1mmol以下、または0.08mmol以下、または0.06mmmol以下の含量範囲で担持されてもよい。前記含量範囲で担持される時、適切な担持触媒活性を示して触媒の活性維持および経済性面から有利になる。
また、前記触媒組成物は、高い活性と工程安定性を向上させる側面から、助触媒を追加的に含むことができる。
前記助触媒は、下記化学式9で表される化合物、化学式10で表される化合物、および化学式11で表される化合物のうちから選択される1種以上を含むことができる:
[化学式9]
-[Al(R11)-O]
上記化学式9中、
11は互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲン;炭素数1~20のヒドロカルビル基;またはハロゲンで置換された炭素数1~20のヒドロカルビル基であり;
mは、2以上の整数であり;
[化学式10]
J(R12
上記化学式10中、
12は互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲン;炭素数1~20のヒドロカルビル基;またはハロゲンで置換された炭素数1~20のヒドロカルビル基であり;
Jは、アルミニウムまたはホウ素であり;
[化学式11]
[E-H][QDまたは[E][QD
上記化学式11中、
Eは、中性または陽イオン性ルイス塩基であり;
Hは、水素原子であり;
Qは、13族元素であり;
Dは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、1以上の水素原子がハロゲン、炭素数1~20のヒドロカルビル基、アルコキシまたはフェノキシで置換されるかまたは非置換の、炭素数6~20のアリール基または炭素数1~20のアルキル基である。
前記化学式9で表される化合物の例としては、メチルアルミノキサン、エチルアルミノキサン、イソブチルアルミノキサンまたはブチルアルミノキサンなどのアルキルアルミノキサン系化合物が挙げられ、これらのうちのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用できる。
また、前記化学式10で表される化合物の例としては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリプロピルアルミニウム、トリブチルアルミニウム、ジメチルクロロアルミニウム、トリイソプロピルアルミニウム、トリ-s-ブチルアルミニウム、トリシクロペンチルアルミニウム、トリペンチルアルミニウム、トリイソペンチルアルミニウム、トリヘキシルアルミニウム、トリオクチルアルミニウム、エチルジメチルアルミニウム、メチルジエチルアルミニウム、トリフェニルアルミニウム、トリ-p-トリルアルミニウム、ジメチルアルミニウムメトキシド、ジメチルアルミニウムエトキシド、トリメチルボロン、トリエチルボロン、トリイソブチルボロン、トリプロピルボロン、またはトリブチルボロンなどが挙げられ、これらのうちのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用できる。
また、前記化学式11で表される化合物の例としては、トリエチルアンモニウムテトラフェニルボロン、トリブチルアンモニウムテトラフェニルボロン、トリメチルアンモニウムテトラフェニルボロン、トリプロピルアンモニウムテトラフェニルボロン、トリメチルアンモニウムテトラ(p-トリル)ボロン、トリメチルアンモニウムテトラ(o,p-ジメチルフェニル)ボロン、トリブチルアンモニウムテトラ(p-トリフルオロメチルフェニル)ボロン、トリメチルアンモニウムテトラ(p-トリフルオロメチルフェニル)ボロン、トリブチルアンモニウムテトラペンタフルオロフェニルボロン、N,N-ジエチルアニリニウムテトラフェニルボロン、N,N-ジエチルアニリニウムテトラペンタフルオロフェニルボロン、ジエチルアンモニウムテトラペンタフルオロフェニルボロン、トリフェニルホスホニウムテトラフェニルボロン、トリメチルホスホニウムテトラフェニルボロン、トリエチルアンモニウムテトラフェニルアルミニウム、トリブチルアンモニウムテトラフェニルアルミニウム、トリメチルアンモニウムテトラフェニルアルミニウム、トリプロピルアンモニウムテトラフェニルアルミニウム、トリメチルアンモニウムテトラ(p-トリル)アルミニウム、トリプロピルアンモニウムテトラ(p-トリル)アルミニウム、トリエチルアンモニウムテトラ(o,p-ジメチルフェニル)アルミニウム、トリブチルアンモニウムテトラ(p-トリフルオロメチルフェニル)アルミニウム、トリメチルアンモニウムテトラ(p-トリフルオロメチルフェニル)アルミニウム、トリブチルアンモニウムテトラペンタフルオロフェニルアルミニウム、N,N-ジエチルアニリニウムテトラフェニルアルミニウム、N,N-ジエチルアニリニウムテトラペンタフルオロフェニルアルミニウム、ジエチルアンモニウムテトラペンタテトラフェニルアルミニウム、トリフェニルホスホニウムテトラフェニルアルミニウム、トリメチルホスホニウムテトラフェニルアルミニウム、トリプロピルアンモニウムテトラ(p-トリル)ボロン、トリエチルアンモニウムテトラ(o,p-ジメチルフェニル)ボロン、トリブチルアンモニウムテトラ(p-トリフルオロメチルフェニル)ボロン、トリフェニルカルボニウムテトラ(p-トリフルオロメチルフェニル)ボロン、またはトリフェニルカルボニウムテトラペンタフルオロフェニルボロンなどが挙げられ、これらのうちのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用できる。
前記化合物の中でも前記助触媒は、より具体的にはメチルアルミノキサンなどのアルキルアルミノキサン系助触媒であってもよい。
前記アルキルアルミノキサン系助触媒は、前記第1および第2遷移金属化合物を安定化させ、またルイス酸として作用して、前記第1および第2遷移金属化合物の橋かけ基(bridge group)に導入された官能基とルイス酸-塩基相互作用による結合を形成することができる金属元素を含むことによって触媒活性をさらに増進させることができる。
また、前記助触媒の使用含量は、目的とする触媒とペレット型ポリエチレン樹脂組成物の物性または効果によって適切に調節できる。例えば、前記担体としてシリカを使用する場合、前記助触媒は担体重量当り、例えば、シリカ1000gを基準にして8mol以上、または10mol以上であり、20mol以下、または15mol以下の含量で担持されてもよい。
前記構成を有する触媒組成物は、担体に助触媒化合物を担持させる段階、および前記担体に前記第1および第2遷移金属化合物を担持させる段階を含む製造方法によって製造することができ、この時、助触媒と第1および第2遷移金属化合物の担持順序は必要によって変わってもよく、第1および第2遷移金属化合物の担持順序も必要によって変わってもよい。前記第1および第2遷移金属化合物は同時に担持されてもよい。担持順序によって決定された構造の担持触媒の効果を考慮する時、この中でも担体に対する助触媒担持後、第2および第1遷移金属化合物を順次に担持することが、製造された担持触媒がポリエチレンの製造工程で高い触媒活性と共により優れた工程安定性を実現することができる。
一方、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体は、前記化学式1の遷移金属化合物を含む触媒組成物と、エチレン単量体および1-ヘキセン共単量体を水素気体の存在または不存在下で接触させる重合工程を通じて製造できる。
この時、前記エチレン単量体と1-ヘキセン共単量体の投入量は、製造しようとする共重合体の物性によって決定できる。具体的には、前述のような密度範囲を満足するペレット型ポリエチレン樹脂組成物を製造しようとする場合には、前記1-ヘキセン共単量体はエチレン単量体100重量部に対して0.75重量部以上、または0.9重量部以上であり、10重量部以下、または5重量部以下、または3重量部以下の量で1-ヘキセンを投入することができる。1-ヘキセン共単量体の投入量が0.75重量部未満であるかまたは10重量部を超過する場合、製造されるペレット型ポリエチレン樹脂組成物の密度が前記最適範囲を逸脱して過度に高まるか低まるようになり、結果として耐水圧特性が低下するか寸法安定性が低下するようになる。
また、前記重合反応において、水素気体は、メタロセン触媒の非活性サイトを活性化させ連鎖移動反応(chain transfer reaction)を起こして分子量を調節する役割を果たす。本発明で使用される第1および第2遷移金属化合物は水素反応性に優れ、したがって、重合工程時、前記水素気体使用量の調節によって、所望の水準の分子量と溶融指数を有するポリエチレンが効果的に得られる。
前記水素気体が投入される場合、単量体、即ち、エチレン単量体と1-ヘキセン共単量体の総合計重量に対して、120ppm以上、または150ppm以上、または170ppm以上であり、2500ppm以下、または1000ppm以下、または900ppm以下の量で投入されてもよい。
また、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体の重合反応は連続式重合工程で行われてもよく、例えば、溶液重合工程、スラリー重合工程、懸濁重合工程、または乳化重合工程などオレフィン単量体の重合反応として知られた多様な重合工程を採用することができる。特に、製造されるエチレン/1-ヘキセン共重合体において狭い分子量分布および高流動性を実現し、また製品の商業的生産を考慮する時、触媒、単量体および選択的に水素気体が連続的に投入される、連続式バルクスラリー重合工程を採用することができる。
また、前記重合反応は、40℃以上、または60℃以上、または70℃以上であり、110℃以下、または100℃以下の温度と1kgf/cm以上、または5kgf/cm以上であり、100kgf/cm以下、または50kgf/cm以下の圧力下で行われてもよい。このような温度および圧力下に重合が行われて、目的とするエチレン/1-ヘキセン共重合体が収率高く製造できる。
また、前記重合反応時、前記エチレン単量体および1-ヘキセン共単量体の総合計重量に対して0.01重量%以上、または0.05重量%以上、または0.1重量%以上であり、1重量%以下、または0.5重量%以下の含量でトリエチルアルミニウムなどのトリアルキルアルミニウムが選択的にさらに投入されてもよい。重合反応器内に水分や不純物が存在すれば触媒の一部が分解(decomposition)されるようになるが、前記トリアルキルアルミニウムは反応器内に存在する水分や不純物を事前に捕捉するスカベンジャー(scavenger)役割を果たすため、製造に使用される触媒の活性を極大化することができ、その結果として前記物性的要件を充足するエチレン/1-ヘキセン共重合体をより効率良く製造することができる。
前述のような重合工程を通じて製造されたエチレン/1-ヘキセン共重合体は、低い溶融指数および高密度を示す。これにより、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の製造時、加工性および寸法安定性を改善させることができる。
その次に、前記で製造したエチレン/1-ヘキセン共重合体を用いてペレット型ポリエチレン樹脂組成物形成のための樹脂組成物を製造した後、これを押出することによって、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物を製造する。
発明の一実施形態による前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物形成のための前記樹脂組成物は前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含み、選択的に酸化防止剤をさらに含んでもよい。
前記酸化防止剤としては、具体的に、カルシウムステアレート、アルミニウムパラ-ターシャリーブチル安息香酸、ナトリウム安息香酸、またはカルシウム安息香酸などの有機金属系酸化防止剤;または1,3,5-トリメチル-2,4,6-トリス(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシベンジル)ベンゼンまたはペンタエリスリトールテトラキス(3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(Irganox 1010(登録商標)、BASF社製)などのフェノール系酸化防止剤、より具体的には、ヒンダードフェノール系酸化防止剤が挙げられ、これらのうちのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用できる。
通常の酸化防止剤の中でも前記有機金属系化合物は優れた酸化防止特性を有して、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体と組み合わせて使用時、空気中酸素や熱による分解を効率良く防止して加工性をさらに改善させることができる。
また、前記フェノール系酸化防止剤は、リン系酸化防止剤など通常の酸化防止剤に比べて熱による分解防止特性に優れる。また、従来のペレット型でない粉末型樹脂組成物では粉末状のエチレン/1-ヘキセン共重合体に酸化防止剤を添加することによって酸化防止剤分布の均一性が低下するだけでなく、粉末内部にまで分布しにくくて効果が低下したが、本発明では前記フェノール系酸化防止剤を前記エチレン/1-ヘキセン共重合体と組み合わせて使用することによって、ペレット型樹脂組成物内に酸化防止剤が均一分散することによってより優れた熱分解防止効果を示し、加工性を増進させることができる。
より具体的に、前記酸化防止剤としては前記有機金属系化合物とフェノール系酸化防止剤を混合使用することによって、加工性をさらに増進させることができる。
この場合、前記有機金属系化合物は、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物形成のための、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物総重量に対して0.01~1重量%で使用することができ、より具体的には、前記樹脂組成物総重量に対して0.01重量%以上、または0.1重量%以上、または0.2重量%以上であり、0.5重量%以下、または0.3重量%以下の量で使用することができる。
また、前記フェノール系酸化防止剤は、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物総重量に対して0.01~1重量%で使用することができ、より具体的には0.1重量%以上、または0.2重量%以上、または0.3重量%以上であり、1重量%以下、または0.5重量%以下、または0.45重量%以下、または0.4重量%以下の量で使用することができる。
また、前記有機金属系化合物とフェノール系酸化防止剤は、前記それぞれの含量範囲を充足する条件下で、1:1~1:2の重量比で混合使用することができ、より具体的には1:1以上、または1:1.3以上、または1.4以上であり、1:2以下、または1:1.5以下の重量比で使用することができる。前記重量比で「以上」および「以下」はフェノール系酸化防止剤の使用量を基準にする。
前記のような含量範囲、およびひいては混合重量比で使用時、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の加工性をさらに増進させることができる。
また、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物形成のための、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物は、エチレン/1-ヘキセン共重合体、有機金属系化合物およびフェノール系酸化防止剤以外にも中和剤、スリップ剤、アンチブロッキング剤、UV安定剤、帯電防止剤などの添加剤を1種以上さらに含んでもよい。前記添加剤の含量は特に限定されず、一例としてそれぞれエチレン/1-ヘキセン共重合体総重量に対して500ppm以上、または700ppm以上であり、2500ppm以下、または1500ppm以下の含量で使用することができる。
その次に、前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物に対する押出工程を行ってペレット型のポリエチレン樹脂組成物を製造する。
前記押出工程は、ペレットダイ温度を150~190℃の温度範囲に制御することを除いては通常の方法によって行うことができる。
具体的に、押出工程は通常の押出機を使用して行うことができ、この時、押出機バレルの温度および速度は特に限定されないが、一例として50~250℃および100~1000rpm条件で行うことができる。
また、前記押出時、ペレットダイ温度は溶融状態の樹脂温度を低めることによって粘度を上昇させてペレット化を可能にするが、ペレットダイ温度が150℃未満であればエチレン/1-ヘキセン共重合体が十分に溶融しなくてペレット化が十分に行われないか、または固化されてダイ内部を塞ぐことによって生産性を低下させる恐れがある。また、ペレットダイ温度が190℃を超過する場合、粘度が過度に低下して流体のように流れるため、ペレット形態へのカッティング(cutting)が不可能であるなどペレット製造が難しいことがある。より具体的には、ペレットダイ温度は155℃以上、または160℃以上であり、180℃以下、または170℃以下の温度で行うことができる。
また、前記ペレットダイ温度と共に圧力をさらに制御する場合、ペレットダイ圧力は20bar以上、または30bar以上であり、50bar以下、または35bar以下であってもよい。このような範囲内に圧力制御時、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の形状および物性をより容易に実現することができる。
前記方法で製造されたペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、エチレン/1-ヘキセン共重合体、および選択的に酸化防止剤を含み、前述のような物性的特徴を示すことによって、優れた耐水圧特性、寸法安定性および加工性を示すことができる。これによってパイプ、特に大口径パイプ、PE-RTパイプ製造に有用である。
これにより、発明の他の一実施形態によれば、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物を用いて製造したパイプを提供する。
一方、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物内のエチレン/1-ヘキセン共重合体および酸化防止剤の種類および含量は先に製造方法で説明した通りである。
以下、本発明の理解のために好ましい実施例を提示する。但し、下記の実施例は本発明を例示するためのものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例によって限定されるのではない。
<触媒製造>
製造例1
まず、シリカ(Grace Davison社製造 SP952、平均粒径(D50)28μm)を250℃の温度で12時間真空を加えた状態で脱水、乾燥して担体として準備した。
20L容量のステンレススチール(sus)材質の高圧反応器にトルエン溶液3.0kgを入れ、先に準備したシリカ1000gを投入した後、反応器温度を40℃に上げながら60分間攪拌してシリカを十分に分散させた。その後、10wt%のメチルアルミノキサン(MAO)/トルエン溶液6.5kgを投入して200rpmで12時間攪拌した。反応器温度を60℃に上げた後、下記構造の第1遷移金属化合物(1a)0.059mmolをトルエンに溶液状態に溶かした後、投入して、50℃で200rpmで攪拌しながら2時間反応させた。
反応終了後、下記構造の第2遷移金属化合物(3a)0.059mmolをトルエンに溶かした溶液を前記反応液に投入して、50℃で200rpmで攪拌しながら2時間反応させた。
前記反応が終わった後、攪拌を中止し30分間settlingさせた後、反応溶液をデカンテーション(decantation)した。その後に、十分な量のトルエンで洗浄した後、再びトルエン3.0kgを投入して30分間攪拌後に止めて十分な量のトルエンで洗浄して、反応に参加しなかった化合物を除去した。その後、反応器にヘキサン3.0kgを投入して攪拌した後、このヘキセンスラリーをフィルターに移送してフィルタリングした。
常温で減圧下に5時間1次乾燥し、50℃で4時間減圧下に2次乾燥して混成担持触媒を得た。混成担持触媒内の第1遷移金属化合物(1a):第2遷移金属化合物(3a)のモル比は1:1であった。
Figure 2023504843000018
製造例2
前記製造例1で第1遷移金属化合物として下記構造の化合物(2a)を使用し、第1遷移金属化合物(2a):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を1:0.7のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で行って触媒を製造した。
Figure 2023504843000019
製造例3
前記製造例1で第1遷移金属化合物(1a):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を1:1.20のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で行って触媒を製造した。
製造例4
前記製造例1で第1遷移金属化合物(1a):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を1:1.30のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で行って触媒を製造した。
比較製造例1
第1遷移金属化合物(2a):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を1:1.43のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例2と同様な方法で行って触媒を製造した。
比較製造例2
第1遷移金属化合物として下記化学式Iの化合物を、第2遷移金属化合物として下記化学式IIの化合物を使用し、第1遷移金属化合物(I):第2遷移金属化合物(II)の混合比を1:1.25のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例2と同様な方法で行って触媒を製造した。
Figure 2023504843000020
比較製造例3
第1遷移金属化合物(2a):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を1:2のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例2と同様な方法で行って触媒を製造した。
比較製造例4
第2遷移金属化合物として下記化学式IIIの化合物を使用し、第1遷移金属化合物(1a):第2遷移金属化合物(III)の混合比を1:1.3のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例2と同様な方法で行って触媒を製造した。
Figure 2023504843000021
比較製造例5
第2遷移金属化合物として下記化学式IVの化合物を使用し、第1遷移金属化合物(1a):第2遷移金属化合物(IV)の混合比を1:4のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で行って触媒を製造した。
Figure 2023504843000022
比較製造例6
第1遷移金属化合物として下記構造の化合物(I)を使用し、第2遷移金属化合物として下記構造の化合物(3a)を使用し、前記第1遷移金属化合物(I):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を1:0.75のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で行って触媒を製造した。
Figure 2023504843000023
比較製造例7
前記製造例1で第1遷移金属化合物(1a):第2遷移金属化合物(3a)の混合比を2.1:1.0のモル比になるように変更したことを除いては、前記製造例1と同様な方法で行って触媒を製造した。
実施例1
段階1:エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造
前記製造例1で製造した混成担持触媒の存在下で、ループ反応器を用いてエチレンのバルク-スラリー重合を行った。
具体的には、ループ反応器にエチレン33kg/hrで投入を維持し、水素気体および共単量体である1-ヘキセン(1-hexene)はそれぞれポンプを用いて投入し、前記製造例1で製造した混成担持触媒は4重量%でiso-ブタン(iso-butane)に分散させて2ml/minの量で投入した。この時、1-ヘキセン(1-hexene)は0.3kg/hrで投入し、前記水素気体は前記エチレンと1-ヘキセン(1-hexene)を含む単量体総重量基準170ppmの量で投入し、反応器の温度は93℃、時間当り生産量は33kgに維持しながらエチレン/1-ヘキセン共重合体を製造した。
段階2:ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の製造
前記で製造したエチレン/1-ヘキセン共重合体、有機金属系化合物としてカルシウムステアレート、そしてフェノール系酸化防止剤としてIrganox 1010(登録商標)(BASF社製)を混合して樹脂組成物を製造した後、二軸押出機を使用して下記条件で押出してペレット型ポリエチレン樹脂組成物を製造した(ペレット平均直径:4mm)。この時、前記有機金属系化合物およびフェノール系酸化防止剤は樹脂組成物総重量に対してそれぞれ約0.25重量%および約0.35重量%の量で投入した。
<押出条件>
スクリュー速度:150rpm
供給速度(feed rate):20kg/hr
押出機バレル温度:50℃→100℃→150℃→250℃→200℃→150℃に順次調整
ペレットダイ温度:160℃
ペレットダイ圧力:30bar
実施例2
前記製造例2で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
実施例3
前記製造例3で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
実施例4
前記製造例4で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例1
前記比較製造例1で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例2
前記比較製造例1で製造した混成担持触媒を使用し、また重合工程で水素投入量を単量体総重量基準170ppmから210ppmに増加させたことを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例3
前記比較製造例2で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例4
前記比較製造例3で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例5
前記比較製造例4で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例6
メタロセン触媒を用いて製造したエチレン/1-ヘキセン共重合体としてXP9020(登録商標)(大林社製)を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例7
前記比較製造例5で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例8
前記比較製造例6で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例9
ペレット型樹脂組成物として押出する工程を行わないことを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびポリエチレン樹脂組成物を製造した。
比較例10
前記製造例2で製造した混成担持触媒を使用し、1-ヘキセンの投入量を0.3kg/hrから0.24kg/hrに減少させることを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
比較例11
前記比較製造例7で製造した混成担持触媒を使用することを除いては、前記実施例1と同様な方法で行ってエチレン/1-ヘキセン共重合体およびペレット型ポリエチレン樹脂組成物(ペレット平均直径:4mm)を製造した。
実験例:ペレット型ポリエチレン樹脂組成物の物性評価
前記実施例および比較例で製造したペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対して次のような方法で物性評価を行った。その結果を下記表1および2、および図1~15に示した。但し、比較例5の場合、バイモーダル(bimodal)構造ではないのでピークデコンボリューション(peak deconvolution)を行わなかった。
(1)バイモーダルインデックス(Bimodality index;BMI)
前記実施例および比較例で製造したペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対して下記‘(4)PDI’測定時と同様な方法でGPC分析を行い、その結果を用いてBMIを算出した。具体的には、Polymer Laboratories PLgel MIX-B 300mm長さカラムが備えられたWaters PL-GPC220機器を用いて、測定温度160℃、溶媒として1,2,4-トリクロロベンゼン使用および流速1mL/minの条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析を行った。この時、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物のサンプルは10mg/10mLの濃度で調製した後、200μLの量で供給した。結果として得られた分子量分布曲線から下記数式1によってBMIを計算した。
[数式1]
バイモーダルインデックス(BMI)=[(バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差)/(FWHM×FA+FWHM×FB)]
(上記数式1で、バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差は二つのピークの間の距離であって、前記ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時、分子量分布曲線のピークデコンボリューションをガウス確率関数(Gaussian probability function)を用いて低分子分画と高分子分画に分離し、高分子分画である前記バイモーダルピークBの最大強度値から低分子分画である前記バイモーダルピークAの最大強度値を引いた値であり、
FWHMおよびFWHMはそれぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBの半値幅(full width half maximum)値であり、
FAおよびFBはそれぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBをそれぞれ積分して求めた面積比である)
(2)密度(g/cm:ASTM D 1505によって密度を測定した。
(3)溶融指数(MI、5kg):ISO 1133-1によって190℃で5.0kg荷重下で測定し、10分間溶融して出た重合体の重量(g)で示した。
(4)PDI:ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を用いてMwおよびMnを測定し、測定値からPDI(Mw/Mn)を計算した。
具体的には、Polymer Laboratories PLgel MIX-B 300mm長さカラムが備えられたWaters PL-GPC220機器を使用した。測定温度は160℃とし、1,2,4-トリクロロベンゼンを溶媒として使用し、流速は1mL/minにした。ペレット型ポリエチレン樹脂組成物のサンプルは10mg/10mLの濃度で調製した後、200μLの量で供給した。ポリスチレン標準を用いて形成された検定曲線を用いてMwおよびMnの値を誘導した。ポリスチレン標準品の分子量(g/mol)は2,000/10,000/30,000/70,000/200,000/700,000/2,000,000/4,000,000/10,000,000の9種を使用した。
(5)MFRR(MI21.6/MI2.16)
ASTM D1238規定によって前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物のMI2.16(190℃、2.16kg荷重条件)とMI21.6(190℃、21.6kg荷重条件)をそれぞれ測定し、前記MI21.6の値をMI2.16で割ってMFRR(Melt Flow Rate Ratio)を計算した。MFRRはせん断減粘(shear thinning)効果を表わす値であって、一般に活用される。
(6)FlogMw<5.0(%)
logMw<5.0は、前記(4)PDI測定時得られた分子量分布曲線(GPC curve)からlogMw<5.0分画の面積を積分して求め、全体面積に対する比率で示した。
(7)shear rateonset of M.F(MFon_set)(1/s)
shear rateonset of M.Fは、溶融破断が発生する時点のせん断速度(shear rate、1/s)である。ASTM D3835によって、毛細管粘度計(Capillary rheometer)を用いて前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対してせん断速度を変化させながらストランド(strand)押出時せん断粘度(shear viscosity、Pa・s)を測定した。
結果として、せん断速度によるせん断粘度の変化をグラフで示し、せん断速度/せん断粘度曲線でせん断粘度の不安定性が大きくなって傾きが急激に変わる地点を溶融破断が発生する時点(onset of melt fracture)と定義し、この時のせん断速度を溶融破断発生時点のせん断速度(shear rateonset of M.F)とした。
具体的には、毛細管粘度計(Rheo-tester 2000、GΦTTFERT社製)を用いてせん断速度を102.0、102.2、102.4、102.6、102.8、102.9、102.95、および102.301/sに変更しながら押出されるストランド(strand)の表面を肉眼で観察し、ストランド(strand)表面の不均一現象が起こる開始点でのせん断粘度を測定した。この時、オリフィス(orifice)の形態はroundhole typeであり、穴の長さ(hole length)は10mm、直径(diameter)は2mmであり、run in angleは180゜、測定温度は210℃である。
(8)加工領域の粘度(η at 25/s)(Pa・S)
回転式粘度計としてTA社のARES-G2レオメータを使用して、25/s ISO 3219によって、190℃および25/s条件で加工領域の粘度を測定した。
(9)伸長粘度(Pa・S)
回転式粘度計としてTA社のARES-G2レオメータを使用した。測定時、EVF(Extensional Viscosity Fixture)を使用し、温度は190℃で測定し、伸長速度は0.1/sに固定した。この時、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物を試片長さ20mm、幅10mmおよび厚さ約0.5mmの試片として製造して測定した。
(10)降伏応力(σyield、kg/cm
Instron社のモデルElectromechanical 3382Aを用いて測定した。具体的には、前記実施例および比較例でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物をASTM D638 type 4に試片を製造した後、ISO 527によって23℃で50mm/minの速度で降伏応力を測定した。
(11)C.S(MPa)
Instron社のモデルElectromechanical 3382Aを用いて測定した。具体的には、前記実施例および比較例でのペレット型ポリエチレン樹脂組成物をASTM D638 type Aに試片を製造した後、延伸速度0.005mm/mm/s、0.01mm/mm/s、0.05mm/mm/s、および0.1mm/mm/sの速度で引っ張ってそれぞれの延伸速度別Stress-strain curveを求めた。各延伸速度に対して応力(ストレス)の最大点での応力を降伏応力(yield stress)として、ひずみ(strain)100%での応力を引抜応力(drawing stress)として求めた。求められた延伸速度別降伏応力と引抜応力を用いて前記延伸速度別降伏応力の傾きおよび延伸速度別引抜応力の傾きをそれぞれ一次関数で示し、この二つの一次関数交差点に該当する応力を特性応力(Characteristic stress;C.S)と定義した。
(12)ひずみ硬化モジュラス(Strain hardening modulus、<Gp>)
耐水圧特性の物性指標として、前記実施例および比較例で製造したペレット型ポリエチレン樹脂組成物に対してISO 18488によって80℃および20mm/minの条件でひずみ/応力曲線(strain/stress curve)を求め、これからNeo-Hookean構成モデル(constitutive model)曲線(x軸:
Figure 2023504843000024
y軸:σtrue、この時、λは延伸比であり、σtrueは真応力(true stress)を示す)を求めた。前記Hookean構成モデル(constitutive model)曲線で真ひずみ(true strain)8から12の間を線形フィッティング(fitting)して傾きを求め、これをひずみ硬化モジュラス(<Gp>)として示した。
Figure 2023504843000025
Figure 2023504843000026
上記表1および2で、「-」は測定していないことを意味する。
実験結果、実施例1~4のペレット型ポリエチレン樹脂組成物は、本発明での最適組み合わせ物性を充足することによって、優れた耐水圧特性、寸法安定性および加工性を示すことを確認した。
反面、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、第1および第2遷移金属化合物の混合モル比が本発明での混合モル比条件を充足しない比較例1の場合、MIが0.4g/10min以下であり、FlogMw<5.0が58%未満であって加工領域の粘度(η at 25/s)が高く、溶融破断が発生する開始時点のせん断速度(shear rateonset of M.F)が100/sであって低くて加工性が低下することが分かる。また、前記比較例1と同一な混成担持触媒を使用するが、重合工程で水素投入量を増加させた比較例2の場合、PDIが過度に広く、MFRRが低く、shear rateonset of M.Fが低くて加工性が低下し、また伸長粘度が低くて寸法安定性が低下することが分かる。
また、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、第1および第2遷移金属化合物の構造が本発明での構造条件を充足しない比較例3の場合、バイモーダルインデックスが0.78であって大きく低く、FlogMw<5.0は58%未満であって加工領域の粘度が高く、またshear rateonset of M.Fが低くて加工性が低下することが分かり、また伸長粘度が低くて寸法安定性が低下し、低い降伏応力で耐水圧特性も低下することが分かる。
また、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、混成担持触媒において第1遷移金属化合物に対する第2遷移金属化合物が過度に高い含量で使用された比較例4の場合、MIが最適範囲条件を満足し、また伸長粘度の増加で寸法安定性は優れるが、FlogMw<5.0が58%未満であって加工領域の粘度が高く、またshear rateonset of M.Fが低くなって加工性が低下することが分かる。
また、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、第2遷移金属化合物の構造が本発明での構造条件を充足しない比較例5の場合、FlogMw<5.0が62.06%であり、加工領域の粘度が低く、shear rateonset of M.Fが高くて加工性は優れるが、バイモーダル構造を示さず、PDIが過度に狭く、MIが過度に高く、密度は0.945g/cm未満であって低く、伸長粘度が低くて寸法安定性が低下し、また低い降伏応力で耐水圧特性も低下することが分かる。
従来のメタロセン触媒を用いて製造した商業用エチレン/1-ヘキセン共重合体XP9020(登録商標)(大林社製)を含む比較例6の場合、バイモーダルインデックスが過度に高く、密度が低く、FlogMw<5.0が58%以下であった。また、shear rateonset of M.Fが低くて溶融破断発生時点が速くなり、溶融破断の発生も増加するなど加工性が大きく低下することが分かる。
また、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、第2遷移金属化合物の構造が本発明での構造条件を満足しないのみならず、その使用量が第1遷移金属化合物に比べて過度に高い比較例7の場合、バイモーダルインデックスが0.88であって低く、分子量分布が過度に狭く、FlogMw<5.0が58%未満であって加工領域の粘度が高かった。その結果、加工性が低下することが分かる。また、比較例7は低い降伏応力であって耐水圧特性も低下することが分かる。
またエチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、第2遷移金属化合物の構造が本発明での構造条件を満足しない比較例8は、バイモーダルインデックスが過度に高く、分子量分布が狭く、FlogMw<5.0が58%未満であって、shear rateonset of M.Fが低くなって溶融破断発生時点が速くなり、溶融破断の発生も増加するなど加工性が低下することが分かる。また、低い降伏応力で耐水圧特性も低下することが分かる。
一方、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、触媒および水素投入の条件は全て満足するが、その後ペレット型樹脂組成物製造のための押出工程を行わなかった比較例9の粉末型ポリエチレン樹脂組成物は、shear rateonset of M.Fが低くなって溶融破断発生時点が早くなり、溶融破断の発生も増加するなど加工性が低下し、また伸長粘度が低くて、寸法安定性が低下することが分かる。
また、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、エチレン単量体に対する1-ヘキセンの投入量が過度に低い比較例10は、密度が過度に高くて21.0MPaの低い<GP>を示し、これから耐水圧特性が大きく低下することが分かる。
また、エチレン/1-ヘキセン共重合体の製造時、第1および第2遷移金属化合物の構造条件は満足するが、混合比条件を満足しない比較例11は、FlogMw<5.0が65%を超過し、降伏応力が低くて寸法安定性と耐水圧特性が低下し、また加工領域の粘度が高く、shear rateonset of M.Fが低くて加工性も低下することが分かる。

Claims (15)

  1. エチレン/1-ヘキセン共重合体を含み、下記(a1)~(a5)の条件を充足する、ペレット型ポリエチレン樹脂組成物:
    (a1)溶融指数(ISO 1133-1によって190℃で5.0kg荷重で測定):0.40~0.80g/10min
    (a2)密度(ASTM D 1505によって測定):0.945~0.950g/cm
    (a3)FlogMw<5.0:58~65%
    (FlogMw<5.0は前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時分子量分布曲線からlogMw<5.0分画の面積を積分して全体面積に対する比率で示した値であり、この時、Mwは重量平均分子量である)
    (a4)下記数式1によるバイモーダルインデックス:0.95~1.2
    [数式1]
    バイモーダルインデックス=[(バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差)/(FWHM×FA+FWHM×FB)]
    (上記数式1中、バイモーダルピークAとバイモーダルピークBのlog Mw差は、前記ペレット型ポリエチレン樹脂組成物試片に対するゲル浸透クロマトグラフィー分析時分子量分布曲線のピークデコンボリューションをガウス確率関数(Gaussian probability function)を用いて、低分子分画と高分子分画を分離した後、高分子分画である前記バイモーダルピークBの最大強度値から低分子分画である前記バイモーダルピークAの最大強度値を引いた値である、二つのピークの間の距離であり、
    FWHMおよびFWHMは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBの半値幅値であり、
    FAおよびFBは、それぞれ、前記バイモーダルピークAとバイモーダルピークBをそれぞれ積分して求めた面積比である)
    (a5)溶融破断開始時点のせん断速度(ASTM D3835によって測定):800(1/s)以上。
  2. 下記(b1)~(b6)の条件のうちの1以上をさらに充足する、請求項1に記載のペレット型ポリエチレン樹脂組成物:
    (b1)溶融流動率比(ASTM 1238によって190℃、21.6kg荷重条件で測定した溶融指数値を、ASTM 1238によって190℃、2.16kg荷重条件で測定した溶融指数値で割った値):96以上
    (b2)多分散指数:10~15
    (b3)伸長粘度(ASTM D4065による測定):300,000Pa・S以上
    (b4)加工領域粘度(η at 25/s、ISO 3219によって測定):6,000Pa・s以下、
    (b5)降伏応力(σyield、ASTM D638 type 4規格による試片製造後、ISO 527によって23℃で50mm/min速度で測定):240kg/cm以上
    (b6)ひずみ硬化モジュラス(ISO 18488によって80℃、および20mm/minの条件でひずみ/応力曲線を求め、これからNeo-Hookean構成モデル(constitutive model)曲線(x軸:
    Figure 2023504843000027
    y軸:σtrue、この時、λは延伸比であり、σtrueは真応力を示す)を得た後、前記Hookean構成モデル(constitutive model)曲線で真ひずみ8から12の間を線形フィッティングした傾き値である):22.0~25MPa。
  3. 前記ポリエチレン樹脂組成物総重量に対して0.01~1重量%の量で酸化防止剤をさらに含む、請求項1または2に記載のペレット型ポリエチレン樹脂組成物。
  4. 前記酸化防止剤は、有機金属系酸化防止剤およびフェノール系酸化防止剤を1:1~1:2の重量比で含む、請求項3に記載のペレット型ポリエチレン樹脂組成物。
  5. 混成担持触媒の存在下でエチレン単量体と1-ヘキセン共単量体を重合反応させてエチレン/1-ヘキセン共重合体を製造する段階、および
    前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物の製造後、ペレット状に押出する段階を含み、
    前記混成担持触媒は、下記化学式1で表される化合物および下記化学式2で表される化合物のうちの1種以上を含む第1遷移金属化合物;下記化学式3で表される第2遷移金属化合物;および担体;を含み、
    前記第1遷移金属化合物および第2遷移金属化合物は1:0.5~1:1.4のモル比で含まれ、
    前記1-ヘキセン共単量体は前記エチレン単量体100重量部に対して0.75~10重量部で投入される、
    請求項1から3のいずれか一項に記載のペレット型ポリエチレン樹脂組成物の製造方法:
    [化学式1]
    (Cp(Cp)M 3-n
    上記化学式1中、
    は、4族遷移金属であり;
    CpおよびCpは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のヒドロカルビル基で置換されるかまたは非置換のシクロペンタジエニルであり;
    およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素、炭素数1~20のアルキル、炭素数1~20のアルコキシ、炭素数2~20のアルコキシアルキル、炭素数6~20のアリール、炭素数6~20のアリールオキシ、炭素数2~20のアルケニル、炭素数7~40のアルキルアリール、炭素数7~40のアリールアルキル、炭素数8~40のアリールアルケニル、または炭素数2~10のアルキニルであり;
    は、ハロゲン、炭素数1~20のアルキル、炭素数2~20のアルケニル、炭素数7~40のアルキルアリール、炭素数7~40のアリールアルキル、炭素数6~20のアリール、置換もしくは非置換のアミノ基、炭素数2~20のアルコキシアルキル、炭素数2~20のアルキルアルコキシ、または炭素数7~40のアリールアルコキシであり;
    nは、1または0であり;
    Figure 2023504843000028
    上記化学式2中、
    は、4族遷移金属であり;
    Aは、炭素、ケイ素、またはゲルマニウムであり;
    およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲンまたは炭素数1~20のアルキルであり;
    およびLは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキレンであり;
    およびDは、酸素であり;
    およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキル、炭素数2~20のアルケニル、炭素数6~20のアリール、炭素数7~40のアルキルアリール、または炭素数7~40のアリールアルキルであり;
    およびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~20のアルキルであり;
    Figure 2023504843000029
    上記化学式3中、
    Cpは、下記化学式4a~4dで表されるリガンドのうちのいずれか一つであり;
    Figure 2023504843000030
    上記化学式4a~4dにおいて、R~Rは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素、炭素数1~30のヒドロカルビル基または炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基であり、
    Zは、-O-、-S-、-NR10-または-PR11-であり、
    10およびR11は、それぞれ独立して、水素、炭素数1~20のヒドロカルビル基、炭素数1~20のヒドロカルビル(オキシ)シリル基または炭素数1~20のシリルヒドロカルビル基であり、
    は、Ti、ZrまたはHfであり、
    およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲン、ニトロ基、アミド基、ホスフィン基、ホスフィド基、炭素数1~30のヒドロカルビル基、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基、-SiH、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基、炭素数1~30のスルホネート基または炭素数1~30のスルホン基であり、
    Tは、
    Figure 2023504843000031
    であり、
    は、C、Si、Ge、SnまたはPbであり、
    およびYは、それぞれ独立して、水素、炭素数1~30のヒドロカルビル基、炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基、-SiH、炭素数1~30のヒドロカルビル(オキシ)シリル基、ハロゲンで置換された炭素数1~30のヒドロカルビル基、または-NR1213であり、
    およびYは、それぞれ独立して、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基であり、
    12およびR13は互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素および炭素数1~30のヒドロカルビル基のうちのいずれか一つであるか、あるいは互いに連結されて脂肪族または芳香族環を形成するものである。
  6. は、ZrまたはHfであり、
    CpおよびCpは、それぞれ独立して、1つ以上の炭素数1~20のアルキルで置換されるかまたは非置換のシクロペンタジエニルであり、
    およびRは、それぞれ、水素、炭素数1~6の直鎖または分枝状アルキル、炭素数1~6のアルコキシで置換された炭素数1~6のアルキル、炭素数6~12のアリールで置換された炭素数1~6のアルキル、または炭素数6~12のアリールであり、
    は、それぞれハロゲンである、
    請求項5に記載の製造方法。
  7. 前記第1遷移金属化合物は、下記構造式のうちの一つで表される、請求項5または6に記載の製造方法:
    Figure 2023504843000032
  8. は、ZrまたはHfであり、
    Aは、Siであり、
    およびXは、それぞれ独立して、ハロゲンであり、
    およびLは、それぞれ独立して、炭素数1~6のアルキレンであり、
    およびRは、それぞれ独立して、炭素数1~6の直鎖または分枝状アルキル、または炭素数6~12のアリールであり、
    およびRは、それぞれ独立して、炭素数1~6の直鎖または分枝状アルキルである、
    請求項5から7のいずれか一項に記載の製造方法。
  9. 前記化学式2で表される化合物は、下記構造式のうちの一つで表される、請求項5から8のいずれか一項に記載の製造方法:
    Figure 2023504843000033
    Figure 2023504843000034
  10. 前記化学式3で表される化合物は、下記化学式5~8で表される化合物のうちのいずれか一つである、請求項5から9のいずれか一項に記載の製造方法:
    Figure 2023504843000035
    上記化学式5~8中、
    ~R、RおよびRは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、水素または炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、
    ~Rは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、
    10は、炭素数1~10のヒドロカルビル基であり、
    は、Ti、ZrまたはHfであり、
    およびXは互いに同一または異なって、それぞれ独立して、ハロゲンであり、
    は、CまたはSiであり、
    は、炭素数1~30のヒドロカルビル基または炭素数1~30のヒドロカルビルオキシ基であり、
    は、炭素数2~30のヒドロカルビルオキシヒドロカルビル基である。
  11. 前記第2遷移金属化合物は、下記構造式のうちの一つで表される、請求項5から10のいずれか一項に記載の製造方法:
    Figure 2023504843000036
  12. 前記重合反応時、水素気体が前記エチレン単量体と1-ヘキセン共単量体の総重量に対して、120~2500ppmの量で投入される、請求項5から11のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. 前記エチレン/1-ヘキセン共重合体を含む樹脂組成物の製造時、前記樹脂組成物総重量に対して0.01~1重量%の量で酸化防止剤がさらに投入される、請求項5から12のいずれか一項に記載の製造方法。
  14. 前記押出は、ペレットダイ温度150~190℃の温度で行われる、請求項5から13のいずれか一項に記載の製造方法。
  15. 請求項1から4のいずれか一項によるペレット型ポリエチレン樹脂組成物を用いて製造したパイプ。
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