JP7261890B2 - 触媒組成物およびこれを用いた炭化水素樹脂の製造方法 - Google Patents

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Description

本出願は、2019年8月26日付けの韓国特許出願第2019‐0104242号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、オキソニウムイオン系触媒および添加剤を含む触媒組成物およびこれを用いた炭化水素樹脂の製造方法に関する。
炭化水素樹脂(hydrocarbon resin)は、ナフサなどの高温熱分解油の中にある不飽和炭化水素を原料として製造される低分子量の熱可塑性樹脂である。炭化水素樹脂は、粘度のある液相では硬脆性(hard、brittle)の固相であり、単量体の種類に応じて、無色透明、淡黄色、暗褐色などの色を示す。前記炭化水素樹脂は、紫外線(UV)に対する安全性に優れ、接着性を与える特性を有しており、代表的な粘着付与剤(tackifier)として接着テープやペイント、インク、ゴム、タイヤなどの製品、医療用品、木工用品、衛生用品などに粘着性や接着性を持たせる物質として多様に使用されている。
従来、炭化水素樹脂の製造のためには、通常、ジオレフィンであるC5またはC9留分を触媒を用いて重合した後、脱触媒、洗浄、樹脂分離などの工程により製造し、近年、熱重合やラジカル重合などの他の重合方式によって物性の改良を試みている。
具体的には、前記のように、C5またはC9留分内に含まれた単量体をカチオン重合して炭化水素樹脂を製造することができるが、かかるカチオン重合のために、触媒または開始剤としてアルミニウムまたはホウ素系のルイス酸が一般的に使用されている。ルイス酸触媒の例としては、AlX3、BX3(X=F、Br、Cl、I)などが挙げられるが、これは腐食性であり、クエンチング過程で、HCl、HFなどのハロゲン成分が発生し、これが製品に残って品質の低下を引き起こす問題がある。また、ルイス酸触媒は、多量の触媒を必要とし、反応後、触媒を除去するために多量の塩基物(NaOH、KOH、NH4OHなど)を使用し、さらに水で洗浄するため、多量の廃水が発生する。
一方、炭化水素樹脂の重合に一般的に用いられるカチオン重合は、水分と不純物に非常に敏感で、ポリマーの鎖の成長するときに、少量の水分または不純物と反応して反応が終了するか、連鎖移動(chain transfer)が生じることがあり、高分子量の樹脂の製造に困難がある。また、銀試薬を用いて製造された従来の金属複合体で触媒を製造する場合、製造工程で生じるリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩または銀塩を完壁に除去することが難しいため、塩が重合反応に不純物として含まれ、触媒の活性度も低下する問題がある。
韓国公開特許第2007‐0085152号
本発明は、オキソニウムイオン系触媒および添加剤を含む触媒組成物およびこれを用いた炭化水素樹脂の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、下記化学式1で表される触媒および下記化学式2で表される添加剤を含む触媒組成物の存在下で、C5またはC9不飽和炭化水素単量体のうち1種以上を含む単量体混合物を重合するステップを含む、炭化水素樹脂の製造方法を提供する。
Figure 0007261890000001
前記化学式1中、
Rは、炭素数4~12のアルキル基であり、
1~R4は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン基、または置換または非置換の炭素数1~20のアルキル基であり、
o、p、qおよびrは、それぞれ独立して、1~5の整数であり、
Figure 0007261890000002
前記化学式2中、
aは、水素、炭素数1~20のアルキル基、炭素数3~20のシクロアルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数7~20のアルキルアリール基または炭素数7~20のアリールアルキル基であり、
Xは、ニトリル基、ピリジン基、炭素数1~20のアルコキシ基または炭素数6~20のアリールオキシ基である。
本発明のオキソニウムイオン系触媒は、従来のアルミニウムまたはホウ素系ルイス酸触媒の代わりに使用可能であり、これを添加剤と混合した触媒組成物を炭化水素樹脂の製造に使用する場合、高い転化率で炭化水素樹脂を取得することができる。
以下、本発明に関する理解を容易にするために、本発明をより詳細に説明する。
本発明の説明および請求の範囲で使用されている用語や単語は、通常的もしくは辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者らは、自分の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適宜定義することができるという原則に則って、本発明の技術的思想に合致する意味と概念に解釈すべきである。
本発明において、「組成物」とは、当該組成物の材料から形成された反応生成物および分解生成物だけでなく、当該組成物を含む材料の混合物を含む。
本発明において、「アルキル基(alkyl group)」とは、直鎖状、環状または分岐状の1価の炭化水素残基を意味し、非制限的に、メチル、エチル、n‐プロピル、イソプロピル、n‐ブチル、イソブチル、t‐ブチル、n‐ペンチル、イソペンチルおよびヘキシルを含むが、これに制限されない。
本発明において、「シクロアルキル基」とは、炭素原子で構成された非‐芳香族環式炭化水素ラジカルを指す。「シクロアルキル」は、非制限的な例示として、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルおよびシクロヘプチルを含むが、これに制限されない。
本発明において、「アリール基」とは、任意的に置換されたベンゼン環を指すか、または一つ以上の任意的な置換基を融合させることで形成され得る環システムを指す。フェニル、ナフチル、テトラヒドロナフチル、ビフェニル、インダニル、アントラシルまたはフェナントリル、およびこれらの置換された誘導体を含むが、これに制限されない。
本発明において、「アルキルアリール基」とは、少なくとも一つのアルキル基で置換されたアリール基を意味する。
本発明において、「アリールアルキル基」とは、少なくとも一つのアリール基で置換されたアルキル基を意味する。
本発明において、「アルコキシ基」とは、‐OR(Rは、前記アルキル基)の化学式を有する1価の基を意味し、この具体的な例としては、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基などが含まれる。
本発明において、「アリールオキシ基」とは、‐OR´(R´は、前記アリール基)を示す。
本発明の炭化水素樹脂の製造方法は、下記化学式1で表される触媒および下記化学式2で表される添加剤を含む触媒組成物の存在下で、C5またはC9不飽和炭化水素単量体のうち1種以上を含む単量体混合物を重合するステップを含む。
Figure 0007261890000003
前記化学式1中、
Rは、炭素数4~12のアルキル基であり、
1~R4は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン基、または置換または非置換の炭素数1~20のアルキル基であり、
o、p、qおよびrは、それぞれ独立して、1~5の整数であり、
Figure 0007261890000004
前記化学式2中、
aは、水素、炭素数1~20のアルキル基、炭素数3~20のシクロアルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数7~20のアルキルアリール基または炭素数7~20のアリールアルキル基であり、
Xは、ニトリル基、ピリジン基、炭素数1~20のアルコキシ基または炭素数6~20のアリールオキシ基である。
本発明では、前記化学式1で表される触媒をC5またはC9不飽和炭化水素単量体のうち1種以上を含む単量体混合物のカチオン重合に使用する。本発明の触媒は、電子を引き寄せる性質が強いハロゲン基の置換基を1個以上フェニル基に含有する有機ボレートをアニオン部として含んでおり、C‐B結合が強く、本発明の化学式2で表される添加剤とともにカチオン重合に使用され、優れた効率を示すことができる。一方、アニオン部のフェニル基に置換基がないか、アルキル置換基などが結合している場合、本発明の助触媒と混合した時に副反応が起こり、触媒が分解するなどの問題が発生し得る。
前記化学式2で表される添加剤は、炭化水素樹脂の製造のための単量体混合物の重合反応において、重合転化率を高める役割を果たすことができる。化学式2で表される添加剤は、 非共有電子対を有する窒素原子または酸素原子を含むが、これは、プロトン(proton)との結合が容易で、これを伝達する連鎖移動(chain transfer)反応を促進し、これにより重合反応の転化率を向上させることができる。
本発明において、かかる役割を効果的に果たすためには、窒素原子や酸素原子の周りにバルキー(bulky)な官能基が存在せず、プロトンとの結合を妨害してはならない。また、前記窒素原子や酸素原子を複数個含むとともにこれらが近接して位置したリジッド(rigid)な構造の化合物を使用する場合、非共有電子対が、前記触媒と偶然にでも結合した場合、非常に強い配位結合を形成して触媒の活性サイト(active site)をすべて塞ぐことになるため、触媒の活性を著しく低下させ、重合反応がまともに行われない問題が発生することもある。
したがって、本発明では、前記のように適切なプロトンとの結合および伝達によって連鎖移動剤の役割を果たし、重合転化率を増加させ、且つ触媒の活性を低下させない適切な構造の化合物として、化学式1で表される触媒とともに化学式2で表される添加剤を使用している。
具体的には、前記化学式1中、前記Rは、炭素数4~12のアルキル基、炭素数4~6のアルキル基、例えば、プロピル基またはブチル基であってもよく、R1~R4は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン基、またはハロゲン基で置換された炭素数1~12のアルキル基であってもよく、前記o、p、qおよびrは、それぞれ独立して、4または5の整数であってもよい。最も好ましくは、前記R1~R4は、それぞれ独立して、ハロゲン基であり、o、p、qおよびrは、5であってもよい。
また、前記化学式1で表される化合物に含まれた有機ボレートである
Figure 0007261890000005
は、具体的には、テトラキス(フェニル)ボレート、テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート、テトラキス[3,5‐ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレートおよびその誘導体からなる群から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートであってもよい。
具体的には、前記化学式2中、前記Raは、炭素数1~20のアルキル基、炭素数1~12のアルキル基、または炭素数1~6のアルキル基であるか、炭素数6~20のアリール基、炭素数6~12のアリール基であってもよく、Xは、ニトリル基、ピリジン基、炭素数1~12または炭素数2~6のアルコキシ基、または炭素数6~12のアリールオキシ基であってもよい。
より具体的には、前記化学式2で表される添加剤は、アセトニトリル(acetonitrile)、ベンゾニトリル(benzonitrile)、2‐フェニルピリジン(2‐phenylpyridine)、ジエチルエーテル(diethyl ether)およびジブチルエーテル(dibutyl ether)からなる群から選択される1種以上であってもよいが、これに制限されない。
前記化学式1で表される触媒および化学式2で表される添加剤の当量比は、1:1~1:200であってもよく、炭化水素樹脂を高い効率で製造し、数平均分子量を所望の範囲に制御するための面で、具体的には、1:1~1:20、または1:1~1:7、1:1~1:2であってもよい。
前記添加剤の含量が、化学式1で表される触媒1当量に対して1当量未満の場合、添加剤を用いたカルボカチオンの安定化効果が大きくなく、炭化水素樹脂の効率的製造が難しいことがあり、添加剤の含量が化学式1で表される触媒1当量に対して200当量超の場合、添加剤がカルボカチオンと結合し、重合反応を早期終結させるという問題が生じ得る。
本発明において、前記化学式1で表される触媒は、ハロゲン化炭化水素溶媒に溶解して使用してもよく、ハロゲン化炭化水素溶媒とともに非極性炭化水素溶媒を混合して化学式1で表される触媒を溶解させるために使用することができる。
本発明において、カチオン重合の開始のためには、化学式1で表される触媒の酸素原子の間に存在する水素原子が単量体混合物と反応して、エーテル化合物(R‐O‐R)が解離され、C5またはC9不飽和炭化水素単量体のカルボカチオンを生成しなければならず、このように生成されたカルボカチオンをイオン状態で長く維持し、重合反応性を高めるために、極性を有するハロゲン化炭化水素溶媒を使用する。
ただし、重合反応の開始時点には、前記のようにハロゲン化炭化水素溶媒の使用が有利であるが、ハロゲン化炭化水素溶媒に溶解された状態では、ハロゲン毒性などによって化学式1で表される触媒の安定性が低いため、混合直後に重合に使用しない場合、時間の変化に伴い化学式1で表される触媒の活性が徐々に低下する。
一方、本発明で使用している化学式1で表される触媒の場合、ジクロロメタン(dichloromethane;DCM)のようなハロゲン化炭化水素溶媒に溶解して組成物に製造した後、所定の時間保管してから重合に使用しても依然として高い重合転化率によって同等な物性の炭化水素樹脂を製造できるという利点がある。
また、前記ハロゲン化炭化水素溶媒は、クロロメタン、ジクロロメタン、卜リクロロメタン、1‐クロロブタンおよびクロロベンゼンからなる群から選択される1種以上であってもよいが、これに制限されない。
前記非極性炭化水素溶媒は、脂肪族炭化水素溶媒または芳香族炭化水素溶媒であってもよい。例として、前記脂肪族炭化水素溶媒は、ブタン、ペンタン、ネオペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ヘプタンおよびオクタンからなる群から選択される1種以上であってもよく、前記芳香族炭化水素溶媒は、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンからなる群から選択される1種以上であってもよいが、これに制限されない。
本発明において、単量体混合物は、C5不飽和炭化水素単量体、C9不飽和炭化水素単量体、またはこれらがすべて混合されていてもよい。
前記C5不飽和炭化水素単量体は、イソプレン、1‐ペンテン、2‐ペンテン、2‐メチル‐2‐ブテン、シクロペンテン、シクロペンタジエン、1,3‐ペンタジエンおよび1,4‐ペンタジエンからなる群から選択される1種以上であってもよいが、これに制限されない。
前記C9不飽和炭化水素単量体は、脂肪族炭化水素であるか、芳香族炭化水素環を含むものであってもよく、具体的には、ビニルトルエン、インデンおよびアルファ‐メチルスチレンからなる群から選択される1種以上であってもよいが、これに制限されない。
炭化水素樹脂の製造のために、当該技術分野で使用される公知のC5不飽和炭化水素単量体、C9不飽和炭化水素単量体であれば、その種類に関係なく、適宜選択して本発明に適用することができる。
また、前記単量体混合物は、イソブチレン、2‐メチル‐1‐ペンテン、2‐メチル‐2‐ペンテン、1,3‐ヘキサジエン、1,4‐ヘキサジエンおよびジシクロペンタジエンからなる群から選択される1種以上の単量体をさらに含むことができる。
本発明において、前記化学式1で表される触媒は、単量体の全重量に対して、0.01重量%以上、0.02重量%以上、0.2重量%以下、0.1重量%以下、0.05重量%以下、0.03重量%以下で使用され得る。
上述のように、前記化学式1で表される触媒および添加剤は、ハロゲン化炭化水素溶媒に溶解して使用してもよい。この際、化学式1で表される触媒は、触媒組成物を基準に5~50重量ppm、または10~40重量ppmで使用され得る。また、前記化学式1で表される触媒の含量は、単量体混合物を基準に5~250重量ppm、または10~100重量ppm、または10~50重量ppmであり得る。前記数値範囲を満たす場合、重合反応が効率的に行われ得、前記数値範囲よりも過量が投入される場合、原料費用の増加に比べて重合効率はそれほど向上しないこともある。
本発明において、前記単量体混合物の重合は、-10℃以上、-5℃以上、-2℃以上、30℃以下、10℃以下、5℃以下、2℃以下、0℃で行われ得る。また、前記温度で、重合反応は、30分以上、50分以上、3時間以下、2時間以下、1時間行われ得る。例えば、前記重合は、-10~30℃の温度で30分~2時間行われ得る。
本発明の炭化水素樹脂の製造方法は、単量体混合物を重合するステップの後、触媒を除去するステップをさらに行うことができる。本発明で使用した化学式1で表される触媒は、物理的に単純ろ過するステップにより効率的に除去することができるため、従来技術のルイス酸触媒に比べて使用および除去がはるかに容易である。
具体的には、単量体混合物を重合した後、有機溶媒を除去して、有機溶媒を炭化水素樹脂の40重量%以下、20重量%以下、または5重量%以下に調節することができる。
次いで、流動性のある炭化水素樹脂の場合、80メッシュ以上、100メッシュ以上、または200メッシュ以上のガラスフィルタを使用して不溶性物質をフィルタリングするステップを行う。もしくは、シリカ、セライトまたはゼオライトフィルタを使用して流動性のある重合体を通過させることで、触媒を除去することができる。
一方、流動性の少ない炭化水素樹脂の場合、直鎖状アルキル基溶媒、例えば、ペンタン、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、およびエーテル溶媒、例えば、ジエチルエーテル、石油エーテルからなる群から選択される1種以上を使用して流動性を付与した後、前記ガラスフィルタ、シリカ、セライトまたはゼオライトフィルタを介してフィルタリングするステップを行うことができる。
通常、生成された炭化水素樹脂をペンタン、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ジエチルエーテルまたは石油エーテルなどの有機溶媒に溶解した後、水洗して触媒を除去するが、本発明は、前記のような単純ろ過ステップにより触媒を効率的に除去することができ、別の水洗ステップを行わなくてもよい。
実施例
以下、本発明の理解を容易にするために、好ましい実施例を提示するが、下記の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明の範疇および技術思想の範囲内で様々な変更および修正が可能であることは、通常の技術者にとって明らかであり、かかる変形および修正が添付の特許請求の範囲に属することは言うまでもない。
[製造例1]
グローブボックスで1gの[H(Et2O)2][B(C654]を丸底フラスコに入れ、10mLのジクロロメタンを入れた。常温で、この溶液に5当量の無水ジブチルエーテル(Sigma‐Aldrich社製)を入れて30分間撹拌した。撹拌後、真空条件ですべての溶媒を除去した。得られた白色の粉末を無水ヘキサンを用いて5mL×3回洗浄した後、また真空条件で乾燥して[H(nBu2O)2][B(C654]を取得した。
[実施例1]
単量体であるアルファ‐メチルスチレン5mLおよび溶媒DCM5mLをバイアルに投入し、前記製造例1の触媒(アルファ‐メチルスチレン基準0.02重量%)をDCMに溶解して添加し、化学式2で表される添加剤であるアセトニトリル(製造例1の触媒と同一当量)を添加して、0℃に維持したエタノール浴で1時間重合した。反応終了後、過量のメタノールに沈殿させ、減圧ろ過して溶媒と分離した後、常温で24時間乾燥し、50℃で1時間真空乾燥して炭化水素樹脂を取得した。
[実施例2~5、比較例1~3]
前記触媒組成物の製造の際、下記表1のように化学式2で表される添加剤の種類を変更した以外は、前記実施例1と同様に炭化水素樹脂を製造した。
Figure 0007261890000006
<実験例1>
前記実施例および比較例で製造した炭化水素樹脂を対象とし、下記の方法にしたがって重量平均分子量、数平均分子量および分子量分布値を測定し、表2に示した。
(1)重量平均分子量および数平均分子量
炭化水素樹脂を下記のゲル浸透クロマトグラフィ(GPC)分析の条件下で測定した。
‐カラム:PL MiniMixed B×2
‐溶媒:THF
‐流速:0.3ml/min
‐試料濃度:2.0mg/ml
‐注入量:10μl
‐カラム温度:40℃
‐Detector:RI detector(Agilent社製)
‐Standard:Polystyrene(三次関数で補正)
‐Data processing:ChemStation
(2)分子量分布
「重量平均分子量/数平均分子量」で計算した。
Figure 0007261890000007
前記表2の実施例1と同様、本発明の触媒を用いて高い転化率で炭化水素樹脂を製造することができた。また、様々な種類の化学式2で表される添加剤を触媒組成物に添加して使用した実施例2~5を参照すると、転化率がより増加し、より優れた効率で炭化水素樹脂を製造できるということが分かった。また、添加剤を使用していない比較例1の場合、転化率において、添加剤を使用した実施例よりも低い結果が得られた。これは、添加剤を使用することで、プロトンとの結合が容易な非共有電子対を有する窒素原子または酸素原子を介して、連鎖移動(chain transfer)反応を促進させることができるためである。
化学式2に該当しないルチジンを使用した比較例2の場合、窒素原子に隣接した両炭素の両方にメチル基が結合しており、窒素原子とプロトンとの結合反応が容易でないため、連鎖移動(chain transfer)を促進させることができず、重合転化率が非常に低く示されることを確認することができた。
また、窒素原子二つが同時に配位結合を形成できる構造をなすフェナントロリンを使用した比較例3の場合、触媒に窒素原子が同時に配位結合を形成して触媒活性を低下させることで、重合反応がまともに行われず、炭化水素樹脂が形成されない結果を確認した。

Claims (10)

  1. 下記化学式1で表される触媒および下記化学式2で表される添加剤を含む触媒組成物の存在下で、C5またはC9不飽和炭化水素単量体のうち1つ以上を含む単量体または単量体混合物を重合するステップを含む、炭化水素樹脂の製造方法。
    Figure 0007261890000008

    前記化学式1中、
    Rは、炭素数4~12のアルキル基であり、
    1~R4は、それぞれ独立してハロゲン基、または置換もしくは非置換の炭素数1~20のアルキル基であり、
    o、p、qおよびrは、それぞれ独立して、0~5の整数であり、
    Figure 0007261890000009

    前記化学式2中、
    aは、水素、炭素数1~20のアルキル基、炭素数3~20のシクロアルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数7~20のアルキルアリール基または炭素数7~20のアリールアルキル基であり、
    Xは、ニトリル基、ピリジン基、炭素数1~20のアルコキシ基または炭素数6~20のアリールオキシ基である。
  2. 前記C5不飽和炭化水素単量体は、イソプレン、1‐ペンテン、2‐ペンテン、2‐メチル‐2‐ブテン、シクロペンテン、シクロペンタジエン、1,3‐ペンタジエンおよび1,4‐ペンタジエンからなる群から選択される1つ以上である、請求項1に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  3. 前記C9不飽和炭化水素単量体は、ビニルトルエン、インデンおよびアルファ‐メチルスチレンからなる群から選択される1つ以上である、請求項1または2に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  4. 前記単量体混合物は、イソブチレン、2‐メチル‐1‐ペンテン、2‐メチル‐2‐ペンテン、1,3‐ヘキサジエン、1,4‐ヘキサジエンおよびジシクロペンタジエンからなる群から選択される1つ以上の単量体をさらに含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  5. 前記化学式2で表される添加剤は、アセトニトリル、ベンゾニトリル、2‐フェニルピリジン、ジエチルエーテルおよびジブチルエーテルからなる群から選択される1つ以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  6. 前記Rは、ブチル基である、請求項1~5のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  7. 前記R1~R4は、それぞれ独立して、ハロゲン基またはハロゲン基で置換された炭素数1~12のアルキル基である、請求項1~6のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  8. 前記化学式1で表される触媒に含まれたボレート系のバルキーなアニオンは、テトラキス(フェニル)ボレート、テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート、テトラキス[3,5‐ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレートおよびその誘導体からなる群から選択される1つ以上である、請求項1~7のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  9. 前記化学式1で表される触媒は、ハロゲン化炭化水素溶媒に溶解して使用する、請求項1~8のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
  10. 前記重合は、-10~30℃の温度で30分~2時間行われる、請求項1~9のいずれか一項に記載の炭化水素樹脂の製造方法。
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