KR100471716B1 - 연속식 음이온 중합에 의한 내충격 비닐 방향족 고분자의제조방법 - Google Patents

연속식 음이온 중합에 의한 내충격 비닐 방향족 고분자의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비닐 방향족류 100몰에 대해 중합 개시제 0.01∼1몰, 공액디엔 단량체 1∼100몰을 투입하여 전체 반응물 대비 50∼500 (w/v)% 양의 탄화수소 용매 존재 하에서 30∼160℃의 중합 온도로 연속식 음이온 용액 중합방법에 의해 투명 내충격 고분자를 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속식 음이온 중합방법은 3기의 완전교반 반응기를 직렬식으로 연결한 후 첫 번째 반응기(1a)에서는 반응개시제, 비닐 방향족 단량체, 용매 및 극성유기물을 연속적으로 투입하여 비닐 방향족 고분자를 제조하고, 두 번째 반응기(1b)에서는 첫 번째 반응기에서 중합된 비닐 방향족 고분자에 다시 유기용매, 비닐 방향족 단량체, 공액디엔 단량체를 연속적으로 투입하여 테이퍼드 공액디엔-비닐 방향족 공중합체의 분자사슬을 형성시키고, 세 번째 반응기(1c)에서는 두 번째 반응기에서 중합된 고분자에 다시 유기용매와 비닐 방향족 단량체 또는 다관능성 화합물을 투입하여 내충격 고분자를 제조하여 반응 종결제로 반응을 종결시켜 잔류 탄화수소 용매와 미반응 단량체를 제거시킴을 특징으로 하는 최종 고분자의 수평균 분자량이 20,000∼1,000,000 이고 분자량 분포도가 1.1∼20 인 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의해 제조된 고분자는 큰 분자량 분포도를 가지게 되어 최종 제품의 가공이 용이하게 되고, 용이한 반응열 제어에 의한 생산 안정성, 소량의 용매 사용으로 인한 반응 용매의 회수 용이성 및 높은 생산성을 가지게 된다. 또한 본 발명은 유기 금속화합물을 개시제로 사용하며, 완전 교반 연속식 반응기를 이용하여 투명 내충격 고분자, 특히 산업적으로 많이 사용되는 투명 내충격 폴리스티렌수지의 제조에 관한 새로운 방법이며, 연속식 반응을 이용하여 배치식 중합법의 낮은 생산성을 보완한 것이다.

Description

연속식 음이온 중합에 의한 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법{Process for preparing high impact vinyl aromatic polymer by continuous anion polymerization method}
본 발명은 연속식 음이온 용액 중합법에 의한 투명 내충격 고분자의 제조 방법 및 이로부터 제조된 투명 내충격 고분자에 관한 것이며 주로 투명 내충격 폴리스티렌 수지에 관한 것이다.
폴리스티렌(GPPS : general purpose polystyrene) 수지의 경우 값이 싸고 가공이 쉬우며 투명하고 강직(rigidity)하다는 장점이 있으나, 유연성과 질김성 등에 취약하였다.
이를 개선하기 위하여 내충격 폴리스티렌(HIPS : high impact polystyrene)이 고안되었는데, 이는 폴리스티렌 내에 폴리부타디엔 고무입자가 분산되어 있는 형태학적 특징으로 인하여 폴리스티렌 수지의 취성(brittleness)을 상당히 개선하는 효과를 가져왔다. 하지만 이런 내충격 폴리스티렌은 불투명하다는 단점을 가지고 있으며 투명한 용도에 사용할 목적으로 다양한 중합법이 개발되어져 왔다.
일반적으로 산업적으로 생산되고 있는 투명 내충격 폴리스티렌 수지는 고무를 스티렌에 녹인 후 라디칼 중합법에 의하여 제조되고 있으며, 사용되는 고무의 종류에 따라서 다양한 종류의 투명 내충격 폴리스티렌을 제조하고 있다. 일본공개특허 평12-61444호와 일본공개특허 소60-181112호에 따르면 부타디엔 고무를 스티렌 단량체에 녹인 후 고광택 내충격 폴리스티렌을 제조하고 있고, 일본공개특허 소63-048317호, 영국공개특허 1490625호, 일본공개특허 평4-088006호, 일본공개특허 평 2-132112호, 미국특허 5,349,013호, 미국특허 4,839,418호에 의하면 스티렌-부타디엔 블록공중합체를 이용하여 제조하고 있다.
또한 다양한 고무를 사용하여 여러 가지 형태의 투명 내충격 폴리스티렌을 제조하고 있지만 이는 모두 라디칼 중합법에 의한 내충격 폴리스티렌을 제조방법에 관한 것이다.
또한 투명하고 질기며 유연하면서도 강도를 가진 폴리스티렌계 수지에 대한 수많은 연구가 진행되었는데, 그 일환으로서 유기 금속 화합물을 개시제로 사용하는 음이온 중합법을 이용한 블록 공중합체가 제안되었다.
미국특허 4,584,346호, 5,705,569호, 6,096,828호 등에는 음이온 중합법을 이용하여 개시제와 단량체를 수차 투입하여 여러 가지 블록 공중합체들의 조성물을 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 얻어진 조성물은 기존의 내충격 폴리스티렌의 기계적 물성을 갖는 반면, 복잡한 중합 방법 및 배치식으로 제조되기 때문에 생산성이나 공정성 등에 있어서 단점을 가지고 있다.
이에 반하여 비교적 간단한 중합방법을 사용한 일본특개 소56-28925호에 기재된 공중합체는 S-B/S 형식으로 표시할 수 있는데, 여기서 S는 비닐 방향족 블록을, B/S는 공역디엔 단량체와 비닐 방향족 단량체의 동시 혹은 순간적 순차투입에 의한 테이퍼드 블록(tapered block)을 표시한다. 하지만 이 방법 또한 배치식 중합법을 사용하기 때문에 생산성의 저하 및 물성저하가 나타나고 있다.
이와는 다르게 미국특허 5,795,938호에 의하면 각기 다른 2개의 튜브 반응기를 이용하여 연속식 음이온 중합법을 이용해 내충격 폴리스티렌을 제조하였다. 한 개의 반응기에서는 폴리스티렌을 중합하고, 다른 반응기에서는 스티렌-부타디엔 블록 공중합체를 중합한 후 이를 서로 혼합하여 내충격성을 보완할 수 있는 부분을 도입하고 있지만, 이는 2개의 서로 다른 두 고분자의 단순 혼합 공정에 관한 것이다.
위에서 살펴본 것 같이 이제까지 알려진 유기 금속 화합물을 개시제로 사용하는 음이온 중합법을 이용한 블록 공중합체 기술의 문제점은 여러 가지 물성의 균형을 얻기 위하여 다블록, 다조성 공중합체를 시도하였기 때문에 중합방법이 너무 복잡하고 어렵다는 점이며, 배치식 반응이기 때문에 생산성에 큰 제한이 있으며, 그 반면에 물성은 매우 제한적으로 구현된다는 점이다.
본 발명에서는 유기 금속화합물을 개시제로 사용하여 기존의 튜브 반응기를 사용한 단순 혼합 공정이 아니라, 완전 교반 연속식 반응기를 이용하여 투명 내충격 고분자, 특히 산업적으로 많이 사용되는 투명 내충격 폴리스티렌수지의 제조에 관한 새로운 방법을 고안하게 되었다. 본 발명은 연속식 반응을 이용하여 배치식 중합법의 낮은 생산성을 보완한 연속식 음이온 중합법이며, 선형 또는 고분자 사슬의 가지수가 3개 이상인 라디얼(Radial)형태 또는 이들의 혼합형태의 투명 내충격 고분자를 제조하는 새로운 방법 및 생성물에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 투명 내충격 고분자의 제조를 위해서 완전 교반 연속식 반응기에서 탄화수소 용매 하에서 중합 개시제와 비닐 방향족 단량체 및 공액디엔 단량체를 연속적으로 투입하여 중합시킴으로서, 중합열의 제어가 용이하며, 최종 성형품의 치수 안정성 및 물성을 얻는데 필요한 적절한 분자량 분포도 와 생산성을 가지는 투명 내충격 고분자의 제조 방법을 제공하는 것이다. 중합되어진 고분자는 최종적으로 다관능성 화합물 또는 반응 종결제를 사용하여 원하고자 하는 선형, 라디얼 형태 또는 이들의 혼합 형태인 투명 내충격 고분자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이에, 본 발명에서는 연속식 음이온 중합법을 사용하여 첫째, 반응제어가 어려워 선형성(브랜치 밀도 등), 분자량 등을 자유자재로 제어할 수 없는 자유라디칼 중합의 단점을 극복하고 둘째, 폭주 반응, 겔화 반응 등이 용이하게 일어날 수 있는 단계반응(step-reaction)을 사용하지 않으며 셋째, 중합 용매의 양을 현저히 줄일 수 있고, 다관능성의 화합물을 사용하여 선형, 비선형 구조가 혼합된 다조성 중합체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데도 그 목적이 있다.
다시 말해, 본 발명은 비닐 방향족 단량체 또는 공역 디엔 단량체, 그리고 다관능성 화합물을 사용하여 완전교반 연속식 반응기에서 음이온 중합법으로 제조되는 선형, 비선형성(직쇄형, 브랜치형, 라디알형 등이 혼합되어 존재하는 혼합 중합체) 구조가 혼합된 중합체를 제공하며, 또한 이를 제조하는데 있어서는 연속식 음이온 중합 방법을 사용하되 기존 음이온 중합법으로는 용이하게 반응성이 제어되지 않는 다관능성 화합물의 반응성을 적절히 제어하는 방법을 사용하여 자유 라디칼 중합과 단계중합, 그리고 기존 음이온 중합 반응 등의 반응 비제어성과 물성의 비안정성 등이 극복된 선형, 비선형성(직쇄형, 브랜치형, 라디알형 등이 혼합되어 존재하는 혼합 중합체) 구조가 혼합된 중합체를 원활히 제조하는 방법의 제공을 목적으로 한다.
따라서 본 발명은 비닐 방향족류 100몰에 대해 중합 개시제 0.01∼1몰, 공액디엔 단량체 1∼100몰을 투입하여 전체 반응물 대비 50∼500 (w/v)% 양의 탄화수소 용매 존재 하에서 30∼160℃의 중합 온도로 연속식 음이온 용액 중합방법에 의해 투명 내충격 고분자를 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속식 음이온 중합방법은 3기의 완전교반 반응기를 직렬식으로 연결한 후 첫 번째 반응기(1a)에서는 반응개시제, 비닐 방향족 단량체, 용매 및 극성유기물을 연속적으로 투입하여 비닐 방향족 고분자를 제조하고, 두 번째 반응기(1b)에서는 첫 번째 반응기에서 중합된 비닐 방향족 고분자에 다시 유기용매, 비닐 방향족 단량체, 공액디엔 단량체를 연속적으로 투입하여 테이퍼드 공액디엔-비닐 방향족 공중합체의 분자사슬을 형성시키고, 세 번째 반응기(1c)에서는 두 번째 반응기에서 중합된 고분자에 다시 유기용매와 비닐 방향족 단량체 또는 다관능성 화합물을 투입하여 내충격 고분자를 제조하여 반응 종결제로 반응을 종결시켜 잔류 탄화수소 용매와 미반응 단량체를 제거시킴을 특징으로 하는 최종 고분자의 수평균 분자량이 20,000∼1,000,000 이고 분자량 분포도가 1.1∼20 인 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법을 제공하는 것이다.
이때, 상기 비닐 방향족류는 음이온 용액 중합이 가능한 스티렌치환체의 단량체인 스티렌, 알파메틸스티렌, 브로모스티렌 또는 이들 혼합물임을 특징으로 하고, 상기 공역디엔 단량체는 탄소수 4∼6의 공역디엔 단량체인 1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔 또는 그 혼합물임을 특징으로 한다.
상기 탄화수소 용매는 시클로헥산, 벤젠, n-헥산, n-헵탄, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디에틸에테르 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하고, 상기 중합 개시제는 n-부틸리튬, sec-부틸리튬, tert-부틸리튬, 메틸리튬, 에틸리튬, 페닐리튬, 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 한다.
상기 다관능성 화합물은 할로겐류, 관능성 비닐 방향족류, 이소시아네이트류, 에스터류, 안하이드라이드류, 락톤류, 알데히드류, 에폭사이드류, 케톤류 또는 이들의 혼합물로서, 다관능 비닐 방향족 화합물은 디비닐벤젠, 1,2,4-트리비닐벤젠, 1,3-디비닐나프탈렌, 1,3,5-트리비닐나프탈렌, 2,4-디비닐바이페닐파라디아이소프로펜닐벤젠 또는 그 혼합물을 사용할 수 있고, 에폭시화 된 탄화수소 고분자류, 유기알킬포스파이트류, 아릴알킬포스파이트류, 다관능이소시아네이트류, 다관능이민류, 다관능알데하이드류, 다관능할라이드류, 금속다관능할라이드류 등을 사용함을 특징으로 하며, 반응 종결제로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 물 등을 사용할 수 있으며, 리튬 화합물을 효과적으로 제거하기 위하여 이산화탄소도 동시에 사용함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 고점도 연속방식의 음이온 중합법에 따라 3기의 완전교반 반응기를 직렬식으로 연결하여 첫 번째 반응기에서는 비닐 방향족 고분자를 제조하고 두 번째 반응기에서는 비닐 방향족 화합물과 공액디엔 단량체를 동시에 투입시켜 테이퍼드(Tapered) 공액디엔-비닐 방향족 블록 공중합체를 분자 사슬에 연결한 후 세 번째 반응기에서 비닐 방향족 화합물과 다관능성 화합물을 투입시켜 고분자를 제조한다. 이렇게 제조된 고분자는 반응종결제를 첨가하여 반응을 종결시킨 후 통상적인 방법으로 잔류 탄화수소 용매와 미반응 단량체를 제거한다.
비닐 방향족 단량체와 공역 디엔 단량체의 비는 비닐 방향족 단량체의 양에 대해 공역디엔 단량체가 1∼100 몰%이며, 바람직하게는 5∼50 몰%이다.
사용되어지는 단량체와 용매의 비는 단량체의 양에 대해 50∼500 중량%이며, 바람직하게는 50∼300 중량%이다.
첫 번째 반응기에서 탄화수소 용매, 비닐 방향족 단량체, 및 중합 개시제를 그리고 반응속도 조절을 위한 극성 유기물을 연속 반응기에 동시에 투입하여 중합을 실시하며, 수평균 분자량이 5,000∼500,000이며, 바람직하게는 10,000∼200,000의 분자량 범위를 갖는 고분자를 제조한다. 연속식 중합의 경우 넓은 분자량 분포와 느린 중합 속도로 인해 중합 반응열 제어가 용이하며, 본 발명에서 사용하는 개시제는 사용 단량체 100몰당 0.01∼1 Mol %에 해당되는 양을 연속적으로 투입하고, 중합온도 30∼160℃인 범위에서 중합시켜, 최종적으로 분산도가 1.05∼10인 고분자를 제조함을 특징으로 한다. 이때 상기 중합 개시제는 n-부틸리튬, sec-부틸리튬, tert-부틸리튬, 메틸리튬, 에틸리튬, 페닐리튬, 또는 이들의 혼합물을 사용함을 특징으로 한다.
두 번째 반응기에서는 첫 번째 반응기에서 제조된 고분자에 추가적으로 비닐 방향족 단량체와 공액 디엔 단량체를 동시에 투입한다. 이때 두 번째 반응기에 투입되는 비닐 방향족 단량체의 양은 첫 번째 반응기에서 투입된 양의 5∼100 몰%이며 공액디엔 단량체의 양도 역시 5∼100 몰%이다. 첫 번째 반응기에서 제조된 고분자 말단에 테이퍼드 공액디엔-비닐 방향족 공중합체가 형성되며 반응온도는 30∼160℃인 범위에서 중합시켜 분자량 분포가 1.05∼10이며 고분자 중합체의 중량 평균 분자량은 10,000∼800,000이며, 바람직하게는 20,000∼400,000의 분자량 범위를 갖는 고분자를 제조한다.
세 번째 반응기에서는 추가적으로 비닐 방향족 단량체를 첫 번째 반응기에서 투입된 양의 5∼200 몰%를 첨가하여 다시 말단에 폴리스티렌 블록을 형성시킴과 동시에 다관능성 화합물을 첨가한다. 이때 다관능성 화합물은 중합개시제 양의 0.01∼50 몰%를 첨가함을 특징으로 한다. 이때 사용 가능한 화합물은 할로겐류, 다관능성 비닐 방향족류, 이소시아네이트류, 에스터류, 안하이드라이드류, 락톤류, 알데히드류, 에폭사이드류, 및 케톤류 등이며 또는 이들의 혼합물을 사용한다. 이렇게 제조된 고분자 중합체의 중량 평균 분자량은 20,000∼1,000,000 정도이며 바람직하게는 50,000∼500,000의 분자량 범위를 갖는다. 분자량 분포는 1.1∼20이다. 최종적으로 얻어진 고분자는 반응종결제를 첨가하여 반응을 종결시킨 후 통상적인 방법으로 잔류 탄화수소 용매와 미반응 단량체를 제거한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 중합반응은 통상의 음이온 중합 조건에서 실시하는 데 공기 및 수분이 제거된 상태에서 10∼160℃, 바람직하게는 30∼150℃에서 실시하였다.
본 발명에서 중합 개시제로는 C1∼C6의 알리파틱 또는 아로마틱 치환된 화합물, 예를 들어 n-부틸리튬, sec-부틸리튬, tert-부틸리튬, 메틸리튬, 에틸리튬, 페닐리튬 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 비닐 방향족 단량체로는 음이온 용액 중합에 가능한 모든 종류 스티렌 치환체의 단량체, 예를 들어 스티렌, 알파메틸스티렌, 브로모스티렌 또는 이들 혼합물 등을 사용할 수 있다.
공역 디엔 단량체로서는 탄소수 4∼6의 공역디엔 단량체이면 가능하며, 구체적으로는 1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-부타디엔(일명, 이소프렌), 2-에틸-1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔 또는 그 혼합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 1,3-부타디엔과 2-메틸-1,3-부타디엔이 적합하다.
본 발명에서 사용하는 다관능성 화합물은 크게 분류하면 할로겐류, 관능성 비닐 방향족류, 이소시아네이트류, 에스터류, 안하이드라이드류, 락톤류, 알데히드류, 에폭사이드류, 및 케톤류 등이며 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있고, 이를 좀더 구체적으로 표현하면 다관능 비닐 방향족 화합물로는 디비닐벤젠, 1,2,4-트리비닐벤젠, 1,3-디비닐나프탈렌, 1,3,5-트리비닐나프탈렌, 2,4-디비닐바이페닐파라디아이소프로펜닐벤젠 또는 그 혼합물을 사용할 수 있으며, 그 중에서도 디비닐벤젠이 가장 적절하다. 또한 에폭시화 된 탄화수소 고분자류, 유기알킬포스파이트류, 아릴알킬포스파이트류, 다관능이소시아네이트류, 다관능이민류, 다관능알데하이드류, 다관능할라이드류, 금속다관능할라이드류등이 사용될 수 있으며 유용한 다관능 제로는 에폭시다이즈드소이빈오일, 에폭시다이즈드린스드오일 혹은 이들의 혼합물 등의 에폭시다이즈드 베지터블 오일이다. 가장 적절한 커플링제로는 에폭시다이즈드 베지터블 오일로서 에폭시다이즈드 소이빈오일이다.
반응 용매로는 무극성 또는 극성 탄화수소 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들면, 시클로헥산, 벤젠, n-헥산, n-헵탄, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디에틸 에테르 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 또한, 반응 종결제로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 물 등을 사용할 수 있으며, 리튬 화합물을 효과적으로 제거하기 위하여 이산화탄소도 동시에 사용되는 데 일반적으로 사용 개시제의 몰수보다 많거나 같은 양으로 사용한다.
이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 도 1에서 나타내는 것처럼 3기의 완전교반 반응기를 직렬식으로 연결한 후 첫 번째 반응기(1a)에서는 펌프 2a, 2b, 2c를 이용하여 반응개시제, 비닐 방향족 단량체, 용매를 연속적으로 투입한다. 이때 반응속도를 조절하는데 사용하는 극성유기물은 유기 용매를 투입 시 같이 투입하게 된다. 첫 번째 반응기에서는 열교환기를 이용하여 반응온도를 일정하게 유지시키면서 반응을 진행하게 되는데, 30∼160℃에서 반응온도를 유지한다. 일정시간이 흐른 후 반응물이 2번째 반응기(1b)로 이송되면 펌프 2d, 2e, 2f를 이용하여 유기용매, 비닐 방향족 단량체, 공액디엔 단량체를 연속적으로 투입한다. 이때 반응온도는 열교환기를 이용하여 일정하게 유지하되, 30∼160℃ 사이에서 조절한다.
세 번째 반응기(1c)에서는 펌프 2g, 2h, 2i를 이용하여 유기용매와 비닐 방향족 단량체, 그리고 다관능성 화합물을 투입하게 되며 열교환기를 이용하여 반응온도를 일정하게 유지하되, 30∼160℃ 사이에서 조절한다.
최종적으로 얻어진 고분자는 반응종결제를 이용하여 반응을 종결시킨다.
이하 본 발명의 실시예를 통하여 좀 더 상세히 설명하나 본 발명이 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
본 실시예는 연속식 음이온 중합에 의한 비선형과 선형이 혼합되어 있는 내충격 폴리스티렌 제조 방법을 설명한다.
중합은 6리터의 자켓 스테인레스 스틸 반응기 3기가 연속으로 연결되어 있는 연속 반응기 속에서 고순도의 질소 하에 수행된다. 첫 번째 반응기에 에틸벤젠 50 g/분, 스티렌 50 g/분, 및 n-부틸리튬 0.05 M 용액 20 g/분 속도로 투입하였으며, 첫 반응기의 온도는 열교환기를 이용하여 70℃를 유지하였다. 두 번째 반응기에 스티렌을 10 g/분, 부타디엔 15 g/분, 에틸벤젠 25 g/분의 속도로 투입하였으며, 두 번째 반응기는 70℃를 유지하였다. 세 번째 반응기에는 스티렌을 35 g/분, 에틸벤젠 35 g/분, 그리고 다관능성 화합물인 다이 비닐벤젠 0.05 M 용액을 1 g/분의 속도로 첨가하였다. 이러한 연속식 반응기로 중합된 폴리스티렌의 수평균 분자량은 150,000이었으며, 분자량 분포도가 3.2인 고분자 용액을 제조하였다.
상기 고분자 용액에 이산화탄소와 물로서 반응을 종결시킴으로서 용융지수가 5.5g/10분(ASTM D-1238에 의해 측정)인 최종 폴리머를 얻었다.
(실시예 2)
본 실시예는 서로 다른 공액 디엔 단량체가 혼입되어 있는 내충격 폴리스티렌 제조방법을 설명한다.
중합은 6리터의 자켓 스테인레스 스틸 반응기 3기가 연속으로 연결되어 있는 연속 반응기 속에서 고순도의 질소 하에 수행된다. 첫 번째 반응기에 톨루엔 50 g/분, 스티렌 50 g/분, 및 n-부틸리튬 0.05 M 용액 20 g/분 속도로 투입하였으며, 첫 반응기의 온도는 열교환기를 이용하여 70℃를 유지하였다. 두 번째 반응기에 스티렌을 10 g/분, 부타디엔과 이소프렌의 1:1 혼합물을 15 g/분, 톨루엔을 25 g/분의 속도로 투입하였으며, 두 번째 반응기는 70℃를 유지하였다. 세 번째 반응기에는 스티렌을 35 g/분, 톨루엔을 35 g/분, 그리고 다관능성 화합물인 에폭사이즈드 소이빈오일을 0.05 M 용액 2 g/분의 속도로 첨가하였다. 이러한 연속식 반응기로 중합된 폴리스티렌의 수평균 분자량은 140,000이었으며, 분자량 분포도가 3.0인 고분자 용액을 제조하였다.
상기 고분자 용액에 이산화탄소와 물로서 반응을 종결시킴으로서 용융지수가 6.2g/10분(ASTM D-1238에 의해 측정)인 최종 폴리머를 얻었다.
(실시예 3)
본 실시예는 선형과 라디얼 형태가 혼합된 내충격 폴리스티렌 제조방법을 설명한다.
중합은 6리터의 자켓 스테인레스 스틸 반응기 3기가 연속으로 연결되어 있는 연속 반응기 속에서 고순도의 질소 하에 수행된다. 첫 번째 반응기에 톨루엔 60 g/분, 스티렌 40 g/분, 및 n-부틸리튬 0.05 M 용액 25 g/분 속도로 투입하였으며, 첫 반응기의 온도는 열교환기를 이용하여 70℃를 유지하였다. 두 번째 반응기에 스티렌을 10 g/분, 부타디엔을 30 g/분, 톨루엔을 40 g/분의 속도로 투입하였으며, 두 번째 반응기는 70℃를 유지하였다. 세 번째 반응기에는 스티렌을 20 g/분, 톨루엔을 20 g/분, 그리고 다관능성 화합물인 에폭사이즈드 소이빈오일을 0.05 M 용액 3ml/분의 속도로 첨가하였다. 이러한 연속식 반응기로 중합된 폴리스티렌의 수평균 분자량은 130,000이었으며, 분자량 분포도가 3.1인 고분자 용액을 제조하였다.
상기 고분자 용액에 이산화탄소와 물로서 반응을 종결시킴으로서 용융지수가 8.1g/10분(ASTM D-1238에 의해 측정)인 최종 폴리머를 얻었다.
(비교예 1)
본 비교예는 연속식 음이온 중합에 의한 폴리스티렌 제조 방법을 설명한다.
중합은 6리터의 자켓 스테인레스 스틸 반응기 3기가 연속으로 연결되어 있는 연속 반응기 속에서 고순도의 질소 하에 수행된다. 첫 번째 반응기에 톨루엔 100 g/분, 스티렌 100 g/분, 및 n-부틸리튬 0.05 M 용액 15 g/분 속도로 투입하였으며, 첫 반응기의 온도는 열교환기를 이용하여 70℃를 유지하였다. 두 번째 반응기에는 다른 단량체를 첨가하지 않고 세 번째 반응기에는 다관능성 화합물인 에폭사이즈드 소이빈오일을 0.05 M 용액 5 g/분의 속도로 첨가하였다. 이러한 연속식 반응기로 중합된 폴리스티렌의 수평균 분자량은 145,000이었으며, 분자량 분포도가 2.6인 고분자 용액을 제조하였다.
상기 고분자 용액에 이산화탄소와 물로서 반응을 종결시킴으로서 용융지수가 7.5g/10분(ASTM D-1238에 의해 측정)인 최종 폴리머를 얻었다.
(실시예 4)
실시예 1∼3 및 비교예 1로부터 제조된 고분자 및 상업적으로 생산되고 있는 기존 상용제품A와 B의 투명 내충격 폴리스티렌의 시편을 제작하여 ASTM 방법에 의거해 기계적 물성을 측정하였다.
샘플명 용융지수 인장강도 신율 굴곡강도 굴곡탄성율 열변형온도 충격강도
G/10min kgf/㎠ % kgf/㎠ kgf/㎠ ℃ Kj/㎡
실시예1 5.5 420 110 430 23460 68.8 2.4
실시예2 6.2 380 115 426 21650 69.2 2.6
실시예3 8.1 410 150 410 18570 65.7 2.8
비교예1 7.5 450 1.1 450 31186 80.6 1.2
A 6.5 264 124 340 16370 57.5 2.5
B 6.3 294 86 386 16367 60.3 2.6
본 발명의 효과는 연속식 음이온 용액 중합법에 의한 내충격성이 향상된 고분자를 제조하는데 있으며, 용이한 중합 반응열 제어, 넓은 분자량 분포, 및 높은 생산성을 갖는 선형, 라디얼(Radial)형태 또는 이들의 혼합 형태인 투명 내충격 고분자, 특히 폴리스티렌 수지의 제조 방법에 있다. 이러한 고분자의 제조를 위해서 중합 개시제를 연속적으로 투입하여 중합을 실시하며, 반응을 종결시키거나 동시에 다관능성 화합물을 사용하는 방법으로 분산도가 1.1∼20, 수평균 분자량이 20,000∼1,000,000인 투명 내충격 고분자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 3개의 반응기의 배열과 각 화합물의 흐름을 나타내는 개략도이다.

Claims (7)

  1. 비닐 방향족류 100몰에 대해 중합 개시제 0.01∼1몰, 공액디엔 단량체 1∼100몰을 투입하여 전체 반응물 대비 50∼500 (w/v)% 양의 탄화수소 용매 존재 하에서 30∼160℃의 중합 온도로 연속식 음이온 용액 중합방법에 의해 투명 내충격 고분자를 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속식 음이온 중합방법은 3기의 완전교반 반응기를 직렬식으로 연결한 후 첫 번째 반응기(1a)에서는 반응개시제, 비닐 방향족 단량체, 용매 및 극성유기물을 연속적으로 투입하여 비닐 방향족 고분자를 제조하고, 두 번째 반응기(1b)에서는 첫 번째 반응기에서 중합된 비닐 방향족 고분자에 다시 유기용매, 비닐 방향족 단량체, 공액디엔 단량체를 연속적으로 투입하여 테이퍼드 공액디엔-비닐 방향족 공중합체의 분자사슬을 형성시키고, 세 번째 반응기(1c)에서는 두 번째 반응기에서 중합된 고분자에 다시 유기용매와 비닐 방향족 단량체 또는 다관능성 화합물을 투입하여 내충격 고분자를 제조하여 반응 종결제로 반응을 종결시켜 잔류 탄화수소 용매와 미반응 단량체를 제거시킴을 특징으로 하는 최종 고분자의 수평균 분자량이 20,000∼1,000,000 이고 분자량 분포도가 1.1∼20 인 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비닐 방향족류는 음이온 용액 중합이 가능한 스티렌치환체의 단량체인 스티렌, 알파메틸스티렌, 브로모스티렌 또는 이들 혼합물임을 특징으로 하는 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
  3. 제 1항에 있어서, 상기 공역디엔 단량체는 탄소수 4∼6의 공역디엔 단량체인 1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔 또는 그 혼합물임을 특징으로 하는 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
  4. 제 1항에 있어서, 상기 탄화수소 용매는 시클로헥산, 벤젠, n-헥산, n-헵탄, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디에틸에테르 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
  5. 제 1항에 있어서, 상기 중합 개시제는 n-부틸리튬, sec-부틸리튬, tert-부틸리튬, 메틸리튬, 에틸리튬, 페닐리튬, 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
  6. 제 1항에 있어서, 상기 다관능성 화합물은 할로겐류, 관능성 비닐 방향족류, 이소시아네이트류, 에스터류, 안하이드라이드류, 락톤류, 알데히드류, 에폭사이드류, 케톤류 또는 이들의 혼합물로서, 다관능 비닐 방향족 화합물은 디비닐벤젠, 1,2,4-트리비닐벤젠, 1,3-디비닐나프탈렌, 1,3,5-트리비닐나프탈렌, 2,4-디비닐바이페닐파라디아이소프로펜닐벤젠 또는 그 혼합물을 사용할 수 있고, 에폭시화 된 탄화수소 고분자류, 유기알킬포스파이트류, 아릴알킬포스파이트류, 다관능이소시아네이트류, 다관능이민류, 다관능알데하이드류, 다관능할라이드류, 금속다관능할라이드류 등을 사용함을 특징으로 하는 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
  7. 제 1항에 있어서, 반응 종결제로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 물 등을 사용할 수 있으며, 리튬 화합물을 효과적으로 제거하기 위하여 이산화탄소도 동시에 사용함을 특징으로 하는 투명 내충격 비닐 방향족 고분자의 제조방법
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