KR100204815B1 - 수소화된 중합체 용액으로부터 제8족 금속을 함유한 수소화 촉매의 제거방법 - Google Patents

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Abstract

제VIII 족 금속 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액을 이미노디아세테이트 이온을 포함한 킬레이트화 수지와 접촉시키는 단계, 및 용액을 기준으로, 수소화 촉매 잔류물 금속 5 중량 ppm 이하를 포함한 중합체 용액을 회수해 주는 단계로 구성되는 방법이 제공된다. 바람직한 실시양태에 있어, 교반 하에, 킬레이트화 수지 입자를 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액과 혼합시켜 킬레이트화 수지를 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액과 접촉시키고, 수소화 촉매 금속 5 ppm 이하를 함유한 중합체 용액을 킬레이트화 수지 및 결과 생성된 침전된 수소화 촉매 잔류물로부터 여과에 의해 회수한다.

Description

수소화된 중합체 용액으로부터 제VIII 족 금속을 함유한 수소화 촉매의 제거방법
본 발명은 수소화된 중합체의 정제방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 중합체 용액으로부터 수소화 촉매 잔류물의 제거에 관한 것이다.
디올레핀 중합체를 포함한 중합체 물질의 용도는 보호 페인트, 피복물, 전선절연물, 자동차용 구조패널, 파이핑 및 윤활유 점도 지수 향상제와 같은 다양한 영역 내에서 계속하여 빠르게 증가하고 있다. 많은 이들 적용에 있어서, 중합체의 안정성은 중요한 매개 변수이다. 디올레핀 중합체의 수소첨가는 이들 중합체의 산화, 열 및 자외선 분해에 대한 안정성을 크게 향상시킨다. 그러므로, 중합체 수소화 방법은 뛰어난 안정성 및 다른 바람직한 성질을 갖는 신규한 물질을 제조하는 방법으로서 수년간 연구되어 왔다. 초기, 중합체 수소화 공정은 저분자량 올레핀과 방향족의 수소화에 유용할 것으로 알려진 불균형질 촉매들을 사용했다. 이들 촉매계는 키에젤구르(kieselguhr) 상의 니켈과 같은 촉매를 포함했다. 미세한 촉매 분말이 바람직하며, 합리적인 시간 내에 수소화를 완결시키는데 다량의 촉매가 필요했다. 반응은 중합체 분자가 활성니켈 금속이 존재하는 촉매의 공극 내로 확산되는 것을 요하므로, 그러한 공정은 단지 부분적으로 성공했다. 이것은 중합체 수소 첨가시에 느린공정이다.
니켈옥토에이트/트리에틸 알루미늄 수소화 촉매계의 발견은 중합체의 빠른 수소화를 가능케했다. 이들 공정은 촉매를 중합체를 함유한 용액 내의 콜로이드 현탁액으로서 사용한다. 이 촉매 유형은 균질성 촉매로 일컬어진다. 그러한 공정은 프리미엄 모터 오일에 있어 점도 지수 향상제로 사용되는 수소화된 부타디엔-스티렌 중합체를 제조하는데 수년간 사용되어 왔다. 미국 특허 제3,554,991 호에는 대표적인 공정이 기술되어 있다. 니켈 이외에 제VIII족 금속이 일반적으로 이들 계 내에서 활성 금속으로 작용할 것이며, 특히, 철, 코발트 및 팔라듐이 허용가능한 것으로 공지되어 있다.
균질성 촉매가 사용될 때에, 공극 확산은 제한되지 않는다. 수소첨가 공정은 빠르며 몇분 내에 완결된다. 그러나, 중합체 내에 남아 있는 금속, 특히 니켈이 중합체 생성물의 분해를 촉진시키기 때문에, 중합체 생성물로부터 촉매를 제거시키는 것이 필요하다. 중합체 욕액으로부터의 촉매 제거는 암모늄 포스페이트-수용액 및 공기를 첨가시켜 니켈을 이가 상태로 산화시킴으로써 대개 수행된다. 이어서, 혼합된 니켈-암모늄 포스페이트는 수소화된 중합체 용액으로부터 여과에 의해 제거될 수 있다.
수소화된 중합체 용액으로부터 수소화 촉매 잔류물을 제거시키는 대인적인 방법은 미국 특허 제4,595,749호에 공개된 바와 같은 이카르복시산 및 산화제로의 처리; 미국 특허 제4,098,991호에 공개된 바와 같은 이종의 아민 또는 그 염으로의 처리; 및 미국 특허 제4,028,485호에 공개된 바와 같은 비-수성산으로의 처리에 이은 무수 염기로의 중화 및 여과를 포함한다. 이들 방법은 중합체 용액과 중합체를 오염시키는 화합물의 접촉을 수반한다. 이들 오염물을 제거시키는데 추가적인 공정 단계가 필요할 수 있다. 미극 특허 제4,278,506호 및 제4,471,099호에는 수소화된 중합체 용액으로부터 그러한 오염물을 제거시키는 방법이 기술되어 있다. 이들 방법들은 화합물의 부식성에 기인하여 비교적 값비싼 야금술을 필요로 하기 때문에, 이들 촉매 제거 시스템 중 일부는 바람직하지 않다. 많은 경우 또한 반응물의 연속 흐름의 소비를 요하며, 촉매 및 처리 화학 물질의 잔류물을 함유한 슬러지를 생성한다.
그러므로, 중합체 용액으로부터 제VIII족 금속을 함유한 수소화 촉매 잔류물을 제거시키는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 중합체 용액을 포스페이트 화합물로 처리시킴을 요하지 않는, 중합체 용액으로부터 수소화 촉매 잔류물을 제거시키는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다. 다른 측면에서, 중합체 용액으로부터 수소화 촉매 잔류물을 용액을 기준으로 제VIII 족 금속 5ppm 이하 수준으로 제거시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 가용성 오염물을 중합체 용액 내로 도입시키지 않는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명의 목적은, 제VIII족 금속 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액을 금속 이온 결합에 있어 킬레이트화 기로 작용하는 아미노디아세테이트 이온을 포함하는 킬레이트화 수지와 접촉시키는 단계, 용액을 기준으로 제VIII족 금속 5중량 ppm 미만을 포함하는 중합체 용액을 회수하는 단계로 구성되는 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시 양태에서, 교반 하에, 킬레이트화 수지 입자물 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액과 접촉시켜, 킬레이트화 수지를 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액과 접촉시키며, 제VIII족 금속 5ppm 미만을 함유한 중합체 용액을 킬레이트화 수지 및 결과 생성된 침전된 촉매 입자로부터 여과에 의해 회수시킨다. 이 킬레이트화제는 예기치 않게, 중합체 용액으로부터 빠르게 분리될 수 있는 입자에 대해 수소화 촉매 잔류물의 응결 및 침전을 증진시키는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 본 발명의 킬레이트화 수지는 물리적으로 분리가능한 고체이므로, 중합체를 오염시키거나 중합체 제조 공정 중에 물리적 분리 이외의 정제 단계를 요하지 않는다. 킬레이트화 수지는 보일러 공급수의 탈이온화, 폐수로부터의 중금속의 제거 및 금속 이온의 제거에 의한 물의 정제와 같은 이온 교환 공정 중에 전형적으로 사용되었다. 이들 킬레이트화 수지는 선택적으로 특징 금속 이온, 특히 이가 금속 이온과 반응한다. 이어서 수지는 HCI과 같은 산의 농축 수용액으로 세척해 준 다음 물로 헹구어 주어 재생된다. 이들 킬레이트화 수지는 또한 촉매 잔류물 입자의 응결을 위한 촉진제로 작용하면서 금속 이온과 반응할 것이다. 그러므로, 수지의 재생 및 회수는 임의로 본 발명의 방법 내에 포함된다.
바람직한 킬레이트화 수지는 스티렌-디비린벤젠 공중합체 상에 지지된 이미노디아세테이트 이온으로 구성된다. 그러한 킬레이트화 수지는 상표명 킬렉스(chelex) 20 및 킬렉스 100 하에 캘리포니아주 리치몬드 시 bio-Rad 실험실로부터 얻을 수 있다. 이들 생성물은 압지 크기에 의해서만 다양하며, 킬렉스 20은 20내지 50 메쉬 크기로 입수 가능하며 킬렉스 100은 50 내지 900 메쉬 이하 크기로 입수 가능하다. 대안적인 스티렌-비닐벤젠 지지된 이미노아세테이트 이온 함유 킬레이트화 수지는 펜실바니아주 필라델피아시 Rohm 및 Haas 로부터 입수가능한, 앰버라이트(Amberlite) IRC-718(앰버라이트는 상표명임)이다.
본 발명의 중합체 용액은 용액의 중량을 기준으로 바람직하게 중합체 1 내지 40중량%를 포함하며, 더 바람직하게 중합체 2 내지 2 중량%를 포함한다. 일반적으로, 중합체는 부분적으로, 선택적으로 또는 전적으로 수소화된 매우다양한 서로 다른 유형의 중합체일 것이다. 그러므로, 중합체는 열가소성 중합체, 또는 탄성 중합체일 것이며, 넓은 현재 사이의 다양한 분자량을 가질 것이다. 가장 전형적으로, 수소화로 유리하게 되는 중합체는 중합된 공역 디올레핀으로 구성된 것들이다. 그러므로, 이들 공역 디올레핀을 함유한 중합체는 본 발명의 실행에 바람직하다. 그들은 라디칼, 음이온 또는 양이온 중합으로 제조될 것이며, 다른 단량체 단위와 공중합될 수 있다. 공중합체는 랜덤, 블록 또는 페이터링(tapering)될 수 있으며, 선형, 분지형, 방사상 또는 성상 구조를 가질 수 있다.
가장 바람직한 실시 양태에 있어, 중합체는 불활성 용매 내에서 음이온 중합된 다음 같은 용매 내에서 수소화되어 수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액을 형성한 음이온 중합된 공역 디올레핀 중합체이다.
음이온 개시제가 사용될 때, 중합체는 온도 -100내지 -300℃, 바람직하게 온도 0 내지 100℃에서 적합한 용매 내에서 단량체들을 유기 알칼리 금속 화합물과 접촉시켜 제조될 것이다. 특히 효과적인 중합 개시제는 일반식 RLin(여기서, R은 C1-C20을 갖는 지방족, 지환식 또는 방향족 탄화수소 라디칼이고; n은 1 내지 4의 정수 임)을 갖는 유기리튬 화합물이다.
중합체가 블록 공중합체일 때, 상기 공중합체는 바람직하게 스티렌-공역 디올레핀 블록 공중합체이다. 이것은 이들 중합체의 열가소성 및 탄성에 기인한다. 폴리(공역 올레핀)과 흔화 불가능한 폴리스티렌은 분리된 영역을 형성하며, 이들 영역은 비교적 높은 유리 전이 온도를 갖는다. 플리스티렌 영역의 유리 전이 온도 위에서, 중합체는 용융물이며 다른 성분과 성형되고, 압출되거나 블렌딩될 수 있다. 폴리스티렌의 유리전이 온도 아래에서, 경질 폴리스티렌 영역은 고무성 다중 공역 디올레핀 연쇄간의 물리적 가교로 작용한다. 이것은 뛰어난 탄성 중합체 성질을 초래한다.
본 발명에 따라서, 시클로헥산, 헥산 디에틸에테르, 틀루엔 또는 벤젠과 같은 불활성 용액 내의 중합체 용액이 수소화 촉매 및 수소화 접촉된다. 수소화 촉매는 자체로 잘 이해되지 않는 복잡한 구조를 가지므로, 대개 그들을 제조하는데 사용되는 방법에 의해 기술된다. 수소화 촉매는 제VIII족 금속 카르복실레이트 또는 알콕시드(촉매)를 멘델레예브(Mendeleev)의 원소 주기율표(조촉매)의 제I-A족, 제II-1족 및 제III-B족 중에서 선택된 알킬또는 금속의 수소화물과 결합시켜 제조될 수 있다. 그러한 촉매의 제조는 미국 특허 제3,591,064호 및 제4,028,485호에 알려져 있다.
전형적으로, 수소화될 중합체 100g 당 제VIII족 금속 0.09 내지 10 mmole이 사용된다. 이것은 용액 리터 당 제VIII족 금속 0.1 내지 13 mmole 에 상응한다.
바람직한 촉매 금속은 철, 코발트, 니켈 및 팔라듐을 포함한다. 니켈 및 코발트가 특히 바람직하다. 철은 다른 것들보다 덜 활성이기 때문에 특히 바람직하지 않으며, 팔라듐은 니켈 및 코발트보다 더 값비싸기 때문에 특히 바람직하지 않다.
리튬, 마그네슘 및 알루미늄은 이들 조촉매를 포함한 촉매-촉매계의 뛰어난 활성에 기인하여 바람직한 조촉매이다.
수소화 촉매는 중합체 용액 내에 불용성이며, 콜로이드 현탁액을 형성한다. 킬레이트화 수지는 제VIII족 금속 이온의 일부와 반응하여, 이 공유 부착에 의하여 수소화 촉매를 제거하나, 킬레이트화 수지는 또한 콜로이드 입자가 통상적인 수단으로 중합체 용액으로부터 분리될 수 있는 입자로 응결되도록 촉진시킨다.
수소화 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액은 연속 공정 또는 뱃치 공정으로 킬레이트화 수지와 접촉된다. 수지는 고정상을 통과하는 중합체 용액과 고정상 내에 있을 수 있거나, 수지는 중합체 용액과 교반된 다음 분리될 수 있다.
처리된 중합체 용액은 점성 액체로부터 고체를 분리시키는 임의의 공지 수단에 의해 킬레이트화 수지-중합체 용액 혼합물로부터 회수될 수 있다. 원심기 또는 사이클론과 같은 원심분리 수단이 사용될 수 있다. 바람직하게 필터 보조구가 존재하는 가운데 여과가 또한 따르기와 같은 중력 침강 또는 평행판 분리기 내의 침강과 함께 사용될 수 있다. 필터 보고구를 사용한 여과가 미립자를 중합체 용액으로부터 분리시키는데 효과적으로 공지되어 있으므로 바람직하다.
중합체 용액이 킬레이트화제와 접촉할 때, 분자 또는 퍼옥시드와 같은 산화제가 임의로 존재할 것이다. 산화제는 수소화 촉매 금속의 원자가를 증가시켜, 촉매 입자의 응결 및 침전을 향상시킬 것이다.
[실시예]
개시제로 Sec-부틸 리튬을 사용하여 음이온 중합체 의하여 폴리스티렌-이소프렌 블록 공중합체 97,600 분자량을 제조했다. 중합을 시클로헥산 내 65℃에서 수행했다. 이어서 메탄올을 첨가하여 중합을 종결시켰다.
결과 생성된 중합체 용액은 중합체 15중량%를 함유했다.
이어서 이 중합체 용액을 총 용액을 기준으로, 시클로 헥산 내의 니켈2-에틸헥사노에이트/트리에틸알루미늄 촉매로 니켈 100 중량 ppm을 첨가시켜 수소화시켰다. 중합체 용액을 반응기 내에서 70℃ 및 48.6 atm(700psig)수소 부분압 하 90℃에서 25분 동안 더 유지시켰다. 본래 에틸렌형 불포화의 95% 이상을 수소화시켰다. 시클로헥산 희석에 기인하여, 결과 생성된 중합체 용액은 11 중량 % 중합체를 함유했다.
중합체 용액을 시클로 헥산으로 5.5 중량% 중합체로 더 희석시켰다.
특별한 산화 방법을 사용하지 않았으나, 용액을 실험에 사용되는 용기로 이동하는 동안 공기에 노출시켰다. 이어서 앰버라이트 IRC-178 수지, 이미노디아 세트산 관능이 거대망상 매트릭스에 결합된 킬레이트화 양이온 교환수지를 용액 대 앰버라이트 IRC-718의 중량비 10:1, 50:1 또는 150:1로 수소화된 플리스티렌-폴리이소프렌 블록 공중합체 용액에 첨가시켰다. 병을 3일간 롤링시키고, 샘플리 밤새 중량 침강되게 하였다. 수지 고체로부터 분리된 중합체 용액으로부터 흑색 고체를 침전시켰다. 결과 생성된 니켈 농축물을 투명 탄화수소 상에서 측정하였다 :
이 실시예는 제VIII족 금속을 함유한 중합체 용액의 침전을 개시시키기 위한 약제로서 이미노디아세테이트 이온 함유 수지의 유용성을 예증한다.

Claims (11)

  1. a) 제VIII족 금속 수소화 촉매 잔류물을 함유하는 중합체 용액을 이미노디아세테이트 이온을 포함한 킬레이트화 수지와 접촉시키는 단계; 및 b) 용액을 기준으로 5 ppm 미만의 수소화 촉매 잔류물 금속을 포함한 중합체 용액을 회수하는 단계로 구성되는, 수소화된 중합체 용액으로부터 제VIII족 금속을 함유한 수소화 촉매 잔류물을 제거시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제VIII족 금속 카르복실레이트 또는 알콜시드를 멘델레예브의 원소주기율표의 제I-A족, 제II-A족 및 제III-B족 중에서 선택된 금속의 수소화물 또는 알킬과 결합시켜, 수소화 촉매를 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제VIII족 금속 카르복실레이트 또는 알콕시드를 알루미늄 , 리튬 또는 마그네슘의 수소화물 또는 알킬과 결합시켜 수소화 촉매를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제VIII족 금속이 니켈, 코발트, 철 또는 팔라듐인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 니켈 카르복실레이트, 니켈 알콕시드, 코발트 카르복실레이트, 철 알콕시드, 팔라듐 카르복실레이트 및 팔라듐 알콕시드로 구성된 군 중에서 선택된 성분을 리튬 알킬, 리튬 수소화물, 마그네슘 알킬, 마그네슘 수소화물, 알루미늄 알킬 및 알루미늄 수소화물로 구성된 군 중에서 선택된 성분과 결합시켜 수소화 촉매를 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 니켈 2-에틸헥사노에이트와 트리에틸 알루니늄을 결합시켜 수소화 촉매를 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 킬레이트화 수지가 이미노디아세테이트 이온을 함유한 스티렌 디비닐벤젠 공중합체인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 중합체 용액이 스클로 헥산, 톨루엔, 헥산, 디에틸에테르 및 벤젠으로 구성된 군 중에서 선택된 불활성 용매 내의, 총 중합체 용액을 기준으로 1 내지 40 중량%의 중합체로 구성되는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 중합체가, 공역 디올레핀의 단량체 단위로 구성된 하나 이상의 블록 및 스티렌 단량체 단위로 구성된 하나 이상의 블록으로 구성된 선택적으로 수소화된 블록 공중합체인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 중합체 용액을 킬레이트화 수지가 접촉시키기 전에 접촉시키는 동안, 산소 또는 공기를 포함한 기체 스트림을 중합체 용액을 통해 스퍼징(sparging)시켜 수소화 촉매 잔류물을 함유하는 중합체 용액과 접촉시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 중합체 용액이 킬레이트화 수지와 접촉하기 전에 또는 접촉하는 동안 촉매 잔류물을 함유한 중합체 용액을 과산화물과 접촉시키는 단계를 포함하는 방법.
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