상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 코발트염 화합물, 니오디뮴염 화합물, 다음 화학식 1로 표시되는 유기알루미늄 화합물 및 다음 화학식 2로 표시되는 염소알루미늄 화합물을 혼합하고 숙성시켜 제조되는 촉매를 이용하여 비극성 용매의 존재하에 1,3-부타디엔을 중합하는 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔의 제조방법을 그 특징으로 한다.
화학식 1
상기 화학식 1에서 R1, R2및 R3는 수소원자 또는 탄소수 1 ∼ 10인 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 아릴알킬기 또는 알콕시기이다.
화학식 2
상기 화학식 2에서 R4는 탄소수 2 ∼ 7의 알킬기, 아릴기, 카르복실기, 알킬실리콘, 아릴실리콘 또는 알콕시기이고, R5는 수소원자 또는 탄소수 1 ∼ 10인 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 아릴알킬기 또는 알콕시기이다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 1,3-부타디엔을 중합하여 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 제조하는데, 코발트염 화합물, 니오디뮴염 화합물, 상기 화학식 1로 표시되는 유기알루미늄 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 염소알루미늄 화합물을 반응시켜 활성을 가지게 한 후, 이를 비극성 용매 하에서 1,3-부타디엔과의 중합반응시 중합촉매로 사용함으로써 상온 이상의 온도에서도 폴리부타디엔을 중합할 수 있고, 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 제조할 수 있는데 특징이 있다.
본 발명에 따른 폴리부타디엔 중합촉매의 구성성분인 니오디뮴염 화합물로는 비극성 용매에 용해도가 좋은 리간드를 함유하고 있는 카르복실레이트 화합물이 좋다. 이러한 니오디뮴염 화합물의 예를 들면 니오디뮴 헥사노에이트, 니오디뮴 헵타노에이트, 니오디뮴 옥타노에이트, 니오디뮴 옥토에이트, 니오디뮴 나프터네이트, 니오디뮴 스티어레이트, 니오디뮴 버스테이트 등과 같은 탄소수가 6개 이상인 카르복실레이트 염으로 이루어진 니오디뮴염 화합물이 적합하다.
또다른 구성성분인 코발트염 화합물로는 상기 니오디뮴염 화합물과 동일하게 비극성 용매에 용해도가 높은 카르복실기를 리간드로 가지는 화합물이 좋다. 예를 들면, 코발트 옥토에이트, 코발트 버스테이트 등이 적합하다. 이때, 코발트염 화합물은 니오디뮴염 화합물에 대하여 1:1 ∼ 10:1의 몰비로 사용하는 것이 바람직한 바, 만일 코발트염 화합물의 사용량이 상기 범위를 벗어나면 합성된 고분자에 젤이 증가하는 문제가 있다.
또한, 유기알루미늄 화합물로는 상기 화학식 1로 표시되는 알킬알루미늄 화합물을 사용할 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 알킬알루미늄 화합물로는 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리헥실알루미늄 및 디이소부틸알루미늄하이드라이드 중에서 선택한 것을 사용할 수 있다. 이때, 알킬알루미늄은 코발트염 화합물에 대하여 10:1∼ 200:1의 몰비로 사용하는 것이 바람직하다.
염소알루미늄 화합물로는 상기 화학식 2으로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다. 이때, 중합촉매의 성능을 높이기 위하여 염소알루미늄 화합물은 코발트염 화합물에 대하여 1:1 ∼ 20:1의 몰비로 사용하는 것이 좋다.
상기와 같은 니오디뮴염 화합물, 코발트염 화합물, 유기알루미늄 화합물 및 염소알루미늄 화합물을 혼합하고 숙성시켜 폴리부타디엔 제조용 종합촉매를 제조하는 바, 이 중합촉매를 이용하여 1,3-부타디엔 단량체를 용액중합하여 시스함량이 95%이상이며 분자량이 100,000 ∼ 2,000,000인 폴리부타디엔을 제조하는데 본 발명의 특징이 있다.
용액중합을 수행할 때, 촉매와 반응성이 없는 비극성 용매를 촉매의 중합용매로 사용하는 것이 좋은 바, 이러한 비극성 용매로는 최소한 하나 이상의 부탄, 펜탄, 헥산, 이소펜탄, 헵탄, 옥탄, 이소옥탄 등과 같은 지방족 탄화수소와 시클로펜탄, 메틸시클로펜탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산 등과 같은 시클로지방족 용매 및 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등과 같은 방향족 탄화수소를 사용할 수 있다. 비극성 용매는 고분자 중합에 큰 영향을 미치기 때문에 산소와 물이 제거된 상태에서 사용되어야 한다.
숙성촉매를 제조하기 위한 각 구성성분의 투입순서는 1,3-부타디엔이 함유 또는 비함유되어 있는 니오디뮴염 화합물 용액과 코발트염 화합물을 염소알루미늄 화합물과 유기알루미늄 화합물이 투입된 질소분위기의 촉매반응기에 넣는다. 촉매제조시에 1,3-부타디엔을 첨가하게 되면 촉매의 활성유지 뿐만 아니라 침전생성을막아주고 또한 고무의 물리적 성질에 영향을 미친다. 이때, 1,3-부타디엔은 니오디뮴에 대하여 1:2 ∼ 1:10의 중량비로 사용하는 것이 적합하다.
상기 촉매의 투입순서는 수분내로 이루어지는데, 공정에 따라서는 그 투입순서를 달리할 수 있고, 숙성 과정 없이 반응기에 바로 투입할 수도 있다.
고순도 질소분위기에서 중합시 반응온도는 상온 ∼ 150℃, 바람직하기로는 20 ∼ 100℃인 것이 좋다. 또한, 적합한 촉매조건하에서 중합시간은 1 ∼ 48시간, 바람직하기로는 30분 ∼ 3시간이 적절하며, 70% 이상의 수율로 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 얻을 수 있다.
반응 후 생성물은 반응정지제로 폴리옥시에틸렌글리콜에테르유기인산과 2,6-디-t-부틸파라크레졸을 첨가한 후 메탄올이나 에탄올에 침전시켜 얻는다.
상기와 같은 방법에 따라 제조된 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔의 분자량 및 분자량 분포도를 측정한 결과, 중량평균분자량은 100,000 ∼ 5,000,000, 바람직하기로는 100,000 ∼ 2,000,000까지 조절될 수 있고, 분자량 분포는 2.5 ∼ 7.5까지 조절될 수 있으며, 무니점도(ML1+4, 100℃)는 10 ∼ 70 정도를 얻을 수 있고, 용액점도는 100 ∼ 1,000정도를 얻을 수 있다. 그리고, 1,4-시스 함량은 95% 이상으로 얻을 수 있다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
반응에 사용된 지글러-나타 촉매는 코발트 옥토에이트(1.0% 시클로헥산용액), 니오디뮴 버스테이트(1.0% 시클로헥산 용액), 디에틸알루미늄클로라이드(1.5% 시클로헥산 용액) 디이소부틸알루미늄하이드라이드, 트리이소부틸알루미늄(0.8% 시클로헥산 용액)이며, 단분자 100g당 2.8 ×10-4몰비가 되도록 코발트와 니오디뮴 촉매를 조합하였다.
중합과정은 1ℓ압력반응기를 질소로 충분히 불어 넣어준 후 시클로헥산 중합용매 및 단량체인 1,3-부타디엔을 정해진 양만큼 가한 후, 코발트 옥토에이트 및 니오디뮴 버스테이트를 합한 것과 디에틸알루미늄클로라이드 그리고 트리이소부틸알루미늄 및 디이소부틸알루미늄하이드라이드를 합한 것을 1:3:30 몰비가 되도록 수분내로 순차적으로 가한 후 40℃에서 2시간동안 반응시켰다.
이때, 중합용매와 단량체의 비는 5이며, 반응 후 산화방지제로 2,6-디-t-부틸파라크레졸, 반응종결제로서 폴리옥시에틸렌포스페이트 및 에탄올을 가하여 반응을 종결하여 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 제조하였다.
실시예 2 ∼ 4
다음 표 1에 나타낸 촉매조성으로 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 제조하였다.
실시예 |
촉매구성 |
Co농도(㏖) |
Al농도(㏖) |
DIBAL농도 |
비율(Nd/Co/Al/Cl) |
1 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/Al(iBu)3/DIBAL/AlEt2Cl |
1.4 ×10-4 |
8.4 ×10-4 |
7.56 ×10-3 |
1:1:60:6 |
2 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/Al(iBu)3/DIBAL/AlEt2Cl |
1.4 ×10-4 |
1.68 ×10-3 |
6.72 ×10-3 |
1:1:60:6 |
3 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/Al(C6H5)3/DIBAL/(CH3)2HSiCl |
1.4 ×10-4 |
2.52 ×10-3 |
5.88 ×10-3 |
1:1:60:6 |
4 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/Al(OCH3)3/DIBAL/AlEtClOOC6H15 |
1.4 ×10-4 |
4.2 ×10-3 |
4.2 ×10-3 |
1:1:60:6 |
(주)Nd(ver) : 니오디뮴 버스테이트, Co(oct) : 코발트 옥토에이트DIBAL : 디이소부틸알루미늄하이드라이드 |
비교예 1
반응에 사용된 촉매는 코발트 옥토에이트(1.0% 시클로헥산용액), 디에틸알루미늄클로라이드(1.5% 시클로헥산 용액), 디이소부틸알루미늄하이드라이드이다.
중합과정은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 1ℓ압력반응기를 질소로 충분히 불어 넣어준 후 시클로헥산 중합용매 및 단량체인 1,3-부타디엔을 정해진 양만큼 가한 후, 코발트 옥토에이트, 디에틸알루미늄클로라이드 및 디이소부틸알루미늄하이드라이드를 1:3:30 몰비가 되도록 수분 내로 순차적으로 가한 후, 40℃에서 2시간동안 반응시켰다.
이때, 중합용매와 단량체의 비는 5이며, 반응 후 산화방지제로 2,6-디-t-부틸파라크레졸, 반응종결제로서 폴리옥시에틸렌포스페이트 및 에탄올을 가하여 반응을 종결하여 1,4-시스 폴리부타디엔을 제조하였다.
비교예 2 ∼ 7
다음 표 2 및 표 3에 나타낸 촉매조성으로 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 1,4-시스 폴리부타디엔을 제조하였다.
비교예 |
촉매구성 |
Co농도(㏖) |
Al농도(㏖) |
비율(Co/Al/Cl) |
1 |
Co(oct)2/DIBAL/AlEt2Cl |
2.8 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
1:30:3 |
2 |
Co(oct)2/Al(iBu)3/AlEt2Cl |
2.8 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
1:30:3 |
3 |
Co(oct)2/DIBAL/Al(iBu)3/AlEt2Cl |
2.8 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
1:30:3 |
비교예 |
촉매구성 |
Nd농도(㏖) |
Co농도(㏖) |
Al농도(㏖) |
비율(Co/Al/Cl) |
4 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/DIBAL/AlEt2Cl |
1.4 ×10-4 |
1.4 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
1:1:60:6 |
5 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/DIBAL/AlEt2Cl |
1.12 ×10-4 |
1.68 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
2:3:150:15 |
6 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/Al(iBu)3/AlEt2Cl |
1.4 ×10-4 |
1.4 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
1:1:60:6 |
7 |
Nd(ver)3/Co(oct)2/Al(iBu)3/AlEt2Cl |
1.12 ×10-4 |
1.68 ×10-4 |
8.4 ×10-3 |
2:3:150:15 |
실험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 1,4-시스 폴리부타디엔에 대하여 수율, 시스함량 및 점도를 측정하고, 그 결과를 다음 표 4에 나타내었다.
구 분 |
반응시간(hr) |
온도(℃) |
수율(%) |
시스함량(%) |
점도(㎟/s) |
실시예 1 |
2 |
40 |
81.9 |
100 |
272 |
실시예 2 |
2 |
40 |
77.5 |
97.1 |
350 |
실시예 3 |
2 |
40 |
62.9 |
100 |
1000 |
실시예 4 |
2 |
40 |
57.9 |
98 |
1000 |
비교예 1 |
2 |
40 |
<10% |
- |
35 |
비교예 2 |
2 |
40 |
<1% |
- |
11 |
비교예 3 |
2 |
40 |
<5% |
- |
18 |
비교예 4 |
2 |
40 |
100 |
95.2 |
50 |
비교예 5 |
2 |
40 |
86.1 |
95.2 |
80 |
비교예 6 |
2 |
40 |
86.5 |
70 |
2000 |
비교예 7 |
2 |
40 |
54.5 |
100 |
2000 |