KR100513106B1 - 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지 및 이의 제조방법 - Google Patents

친수성이 우수한 폴리에스테르 수지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올로 이루어진 폴리에스테르의 제조방법에 있어서, 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물에 대하여 0.1 내지 1.0몰%로 첨가하여 중합반응시킨 후, 방사 및 연신공정을 거친 연신사 및 제직물을 후처리공정에서 0.1 내지 0.5N의 HCl 용액으로 상온에서 10∼30분간 처리하여 소디움에스테르기를 카르복실기로 치환시켜 친수성을 갖도록 한 폴리에스테르 수지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리에스테르 수지는 친수성 및 제전성이 우수하여 전기충격이나 방전으로 인한 화재사고를 방지할 수 있고, 방사/연신공정시 절사 및 단사현상을 일으키지 않으므로 공정이 용이하여 산업적으로 유용하다.
화학식 1
화학식 2
화학식 3

Description

친수성이 우수한 폴리에스테르 수지 및 이의 제조방법
본 발명은 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 지방족 디올(diol)과 방향족 디에시드(diacid) 또는 이들의 에스테르 화합물에 친수성을 높이기 위하여 소디움에스테르를 가진 방향족 디카르복실산을 첨가하여 반응시킨 후, 저농도의 염산처리에 의하여 소디움기를 카르복실기로 전환시킨 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 폴리에스테르는 화학 구조적으로 카르복실기, 하이드록시기, 아민기 등의 극성기가 없는 소수성기로 된 구조화합물로 물과의 친화력이 없어 정전기로 인한 전기충격이나 방전으로 인한 화재사고까지 불러 일으킬 소지가 있어 폴리에스테르 수지에 친수성 및 흡습성을 개선하려는 노력이 계속되어져 왔다. 이러한 친수성 및 흡습성을 개선하는 방법으로 직접 친수성기를 가진 화합물을 공중합시키거나 블렌딩(blending)에 의하여 도입하는 직접적인 방법과, 친수성기가 있는 화합물을 연신공정이나 후가공공정에서 첨가해 후처리에 의하여 친수성기를 생성케하는 간접적인 방법이 있다.
대한민국 특허출원 제 93-27817호 (공고번호 제 96-2881호)는 친수성기를 가진 화합물을 이용한 상기 직접적인 방법중 블렌딩에 의한 방법의 한 예로서, 전체 산성분에 대하여 600 내지 6000의 분자량을 갖는 폴리테트라메틸렌글리콜 (polytetramethyleneglycol) 20 내지 60중량%, 무수 트리멜리트산 (trimellitic acid) 0.01 내지 5중량% 및 술포네이트 (sulfonate) 화합물 3 내지 15중량%를 함유하는 주반복단위가 부틸렌테레프탈산 (butyleneterephthalic acid)인 폴리에테르에스테르 칩 (chip)을 일반 폴리에스테르에 대하여 0.5 내지 30중량%로 혼합하여 용융방사, 제사한 것을 특징으로 하는 친수·제전성 폴리에스테르 섬유가 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법으로 제조한 폴리에스테르 수지는 방사시 용융혼련에 의하여 일반 폴리에스테르 칩과 폴리에테르에스테르 칩을 균일하게 섞어야 하는데 사출 성형기(extruder)의 혼련부분의 길이가 충분히 길지 않으면 불균일하게 섞이게 되어, 방사·연신공정시 절사 및 단사현상 등의 원인이 된다. 이 경우 혼련효과를 좋게 하기 위하여 온도를 상승시키는데, 너무 상승시키면 열분해 등이 일어날 소지가 있다.
한편, 일본 특개소 제 51-37993호에서는 친수성기를 가진 화합물을 이용한 직접적인 방법중 공중합에 의한 방법을 개시하고 있는데, 이의 한 예로서 폴리옥시알킬렌유도체를 중합시 투입하는 방법이 개시되어 있으며, 일본 특개소 제 63-308059호에서는 폴리옥시알킬렌유도체와 알킬설폰산금속염을 중합시 병행하여 첨가하는 방법이 제시되어 있으나, 이러한 방법은 친수·제전성능을 향상시킬 수 있는 반면, 방사성을 떨어뜨리고 폴리머 (polymer)의 내열성에 있어서 문제를 초래하는 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 개선시킬 수 있는 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 반응시켜 폴리에스테르를 제조하는 방법에 있어서, 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 1 : 2의 몰비로 반응시키면서 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 상기 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물에 대하여 0.1∼1.0몰%을 첨가하여 반응시킨후, 방사 및 연신공정을 거친 연신사 및 제직물을 제조하고, 이를 0.1∼0.5N의 HCl 용액으로 상온에서 10∼30분간 처리하여 소디움에스테르기를 카르복실기로 치환시키는 것으로 이루어진다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지는 상기 방법으로 제조되며, 그 표면저항값이 7∼12 log(Ω㎝)를 갖는다.
이하 본 발명의 방법을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 방법은 기존에 알려진 공중합에 의한 방법이지만, 별도의 친수성 화합물을 투입하는 것이 아니라, 폴리에스테르 수지의 중합원료인 1,2,4,5-벤젠테트라카르복실산의 2 및 5 위치에 있는 카르복실기를 디소디움화시킨 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 1,2,4-벤젠트리카르복실산의 2 위치의 카르복실기를 소디움화시킨 하기 화학식 2로 표시되는 화합물, 및 1,3,5-벤젠트리카르복실산의 3 위치의 카르복실기를 디소디움화시킨 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물에 대하여 0.1 내지 1.0몰%로 첨가하여 약 275∼285℃에서 중합하여, 방사 및 연신공정을 거친 연신사 및 제직물을 0.1 내지 0.5N의 HCl 용액으로 상온에서 10∼30분간 처리하여 소디움에스테르기 대신 카르복실기를 다시 생성시켜 친수성 폴리에스테르 수지를 제조한다.
화학식 1
화학식 2
화학식 3
한편, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물을 각각 비교하면, 우선 화학식 1로 표시되는 화합물은 염산으로 처리한 후 친수성을 나타내는 카르복실기의 수가 많아 화학식 2로 표시되는 화합물이나 화학식 3으로 표시되는 화합물에 비교해 친수성에 기여하는 정도가 크다. 화학식 3의 화합물은 화학식 2의 화합물과 비교해 친수성에 대한 기여 정도는 비슷하나 이를 첨가하여 폴리에스테르 수지를 제조하였을 때 구조상 폴리에스테르의 결정구조를 깨뜨려 상대적으로 용융온도가 저하되는 단점이 있다.
본 발명에 사용되는 지방족 디올은 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 1,3-프로판디올(1,3-propanediol), 1,4-부탄디올(1,4-butanediol), 1,6-헥사메틸렌디올 (1,6-hexamethylenediol) 및 디에틸렌글리콜 (diethyleneglycol)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상이 바람직하며, 상기 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물은 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산(phthallic acid), 디메틸테레프탈레이트(dimethylterephthalate), 디메틸이소프탈레이트(dimethyl- isoterephthalate) 및 디메틸프탈레이트(dimethylphthalate)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상이 바람직하다. 이때, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물의 함량은 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물에 대하여 0.1∼1.0몰%가 바람직하다. 여기서, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물의 함량이 0.1몰% 미만이면 친수성이 떨어지고, 1.0몰%을 초과하면 친수성은 좋아지지만 과잉의 소디움에스테르기가 이온 클러스터를 형성하여 연신사의 강도 및 신도저하를 초래하는 단점이 있다. 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물의 투입량이 상기와 같이 결정되었을 때, 0.1∼0.5N의 HCl 용액처리후의 카르복실산의 농도는 60∼120ppm으로 유지되게 된다. 한편, 상기 HCl 용액처리는 상온에서 10∼30분간 수행하는데 상기 HCl의 농도가 0.1N 미만이면 소디움기에서 카르복실기로의 전환율이 떨어지고, 0.5N을 초과하면 연신사의 사물성을 떨어뜨릴 소지가 있고, 처리시간이 10분 미만이면 소디움에스테르의 카르복실기로의 전환율이 충분치 못하고, 30분을 초과하면 연신사의 사물성을 떨어뜨릴 소지가 있다.
본 발명에 따른 제조방법의 일예로서 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 이용한 반응은 하기 반응식 1과 같다.
상기 화학식 2 및 3으로 표시되는 화합물도 상기 반응식 1에 준하여 반응된다.
한편, 친수성의 평가는 제조된 칩을 20마이크로미터(㎛) 정도의 얇은 필름으로 만들어 적외선분광기(FT-IR)를 이용하여 3300-3500㎝-1에서의 남아있는 카르복실기의 OH로 인한 흡수 피크의 면적과 흡수거리, 표면저항으로 평가하였다. 여기서, 친수성이 발현되기 위해서는 OH로 인한 흡수 피크의 면적이 50 이상의 값과 흡수거리는 50㎜ 이상, 표면저항은 7∼12 log(Ω㎝) 정도의 값이 바람직한데, 천연섬유인 면의 경우, 표면저항의 값이 7∼8 log(Ω.㎝)를 갖는다. 여기서 12 log(Ω.㎝)를 초과하면 친수성이 떨어진다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
각종 물성의 측정방법은 다음과 같다.
<고유점도>
건조한 시료를 오르쏘 클로로페놀 (ortho-chlorophenol) 용매에 용해시킨 후, 25℃ 오스트발트 점도계에서 측정하였다.
<유리전이온도 및 융점>
퍼킨-엘머 시차주사열량 분석기를 이용하여 시료의 유리전이온도(Tg) 및 용융온도(Tm)를 10℃/분의 승온속도로 실온에서 300℃까지 측정하였다.
<강·신도>
인장시험기를 사용하여 실온에서 시료의 강도·신도를 측정하였다.
<제사성>
폴리에스테르 폴리머를 24시간(50kg) 방사하여 얻은 미연신사를 연신할 때의 절사 및 단사의 횟수에 의하여 평가하였다.
O; 절사, 단사가 거의 없음
X; 절사 5회 이상
<컬러>
Macbeth의 CE-7700의 Color Eue를 이용하여 Color L 및 b값을 측정하였다.
<OH 흡수율>
적외선분광기(FT-IR)를 이용하여 3300-3500㎝-1에서의 남아있는 하이드록시기의 OH로 인한 흡수 피크의 면적을 측정하였다.
<흡수거리>
알카리처리 전·후의 시편을 Birec법에 의하여 가로 25㎜ × 세로 200㎜의 시료를 수조에 닿게 한 후, 실온에서 10분간 방치시킨 후의 올라간 거리를 측정하였다.
〈COOH 말단기〉
알카리처리 전·후의 시편을 적정법에 의하여 측정하였다.
실시예 1
테레프탈산 1몰, 에틸렌글리콜을 2몰에 테레프탈산에 대하여 0.1몰%의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 혼합하여 중합온도 250℃, 1kg/cm2의 가압상태에서 3시간동안 에스테르화 반응시킨 후, 여기에 정색제로 코발트아세테이트를 60ppm, 열안정제로 디메틸포스페이트를 210ppm 첨가하여, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 반복단위가 3∼5개인 비스하이드록시에틸 테레프탈레이트를 제조한 후, 중합촉매로서 안티몬트리아세테이트를 500ppm 첨가하여 중합온도 280℃, 0.3㎜Hg의 감압하에서 축중합시켰다. 이렇게 얻어진 폴리에스테르 칩은 고유점도가 0.620 dl/g이었고, 유리전이온도 및 융점은 각각 78℃ 및 260℃이었다. 이렇게 얻어진 칩을 130℃에서 3시간, 그리고 160℃에서 9시간동안 충분히 건조시켜 칩중의 수분율을 0.007% 이하로 유지시킨 후, 용융방사기를 이용하여 290℃에서 방사속도 1200m/min로 용융방사시켜 얻은 미연신사를 연신온도 85℃/180℃에서 연신비 3.0으로 연신한 후 강·신도 등의 사물성을 측정하였다. 그리고, 연신사를 상온에서 0.1N의 HCl 용액에서 30분간 처리하여 처리 전·후의 카르복실기의 농도변화를 측정하였다.
실시예 2∼6
상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 사용량을 하기 표 1에 준하여 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 7
상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 사용량을 0.1몰%로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 8∼9
상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 사용량을 하기 표 1에 준하여 변경한 것 외에는 실시예 7과 동일하게 실시하였다.
실시예 10
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물의 사용량을 0.1몰%로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 11∼12
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물의 사용량을 하기 표 1에 준하여 변경한 것 외에는 실시예 10과 동일하게 실시하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일조건으로 하되, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 첨가하지 않았다.
비교예 2
실시예 1과 동일조건으로 하되, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 0.05몰% 혼합하였다.
비교예 3∼4
상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 사용량을 하기 표 1에 준하여 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 및 비교예에 의거하여 얻은 폴리에스테르수지 특성 결과를 하기 표 1과 2에 나타내었다.
구분 화합물(몰%) 고유점도(dl/g) Tg/Tm(℃) 컬러
(1) (2) (3) L b
실시예 1 0.1 - 0.620 79/260 76.3 2.1
실시예 2 0.3 - 0.620 78/257 76.2 1.6
실시예 3 0.5 - 0.620 78/257 76.5 0.8
실시예 4 0.7 - 0.625 78/256 76.2 0.9
실시예 5 0.9 - 0.625 76/255 76.9 1.2
실시예 6 1.0 - 0.625 75/253 76.3 1.9
실시예 7 - 0.1 0.620 78/258 76.3 2.1
실시예 8 - 0.5 0.620 78/255 76.3 2.1
실시예 9 - 1.0 0.620 78/253 76.3 2.3
실시예 10 0.1 0.620 74/250 76.3 2.3
실시예 11 0.5 0.620 72/243 76.3 2.3
실시예 12 1.0 0.620 71/235 76.3 2.3
비교예 1 - - 0.620 78/258 75.1 1.5
비교예 2 0.05 - 0.625 80/260 75.2 0.8
비교예 3 1.5 - 0.600 77/251 77.6 0.6
비교예 4 3.0 0.600 71/247 77.8 0.5
구분 강도(g/De') 신도(%) 제사성 처리후 -OH 피크 -COOH 말단기 흡수거리(㎜) 처리후표면저항(log(Ω.㎝)
처리전 처리후 처리전 처리후
실시예1 4.24 32 O 59 25 54 3 49 11
실시예2 4.25 31 O 63 25 60 3 55 11
실시예3 4.27 30 O 65 25 68 3 60 10
실시예4 4.21 33 O 68 25 73 3 66 10
실시예5 4.20 33 O 73 25 78 3 72 10
실시예6 4.18 34 O 75 25 80 3 74 9
실시예7 4.20 32 O 57 25 52 3 47 12
실시예8 4.22 31 O 61 25 58 3 53 11
실시예9 4.23 31 O 62 25 65 3 57 10.5
실시예10 3.97 34 O 56 25 53 3 58 12
실시예11 3.95 35 O 62 25 57 3 53 11
실시예12 3.87 35 O 68 25 65 3 57 10.5
비교예1 4.18 33 O 10 25 25 2-5 2-5 15
비교예2 4.20 32 O 40 25 40 3 30 14
비교예3 3.50 20 × 90 25 90 3 79 8.5
비교예4 2.90 21 × 97 25 95 3 82 8
이상에서 살펴본 바와 같이, 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올로 이루어진 폴리에스테르의 제조에 있어서, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 첨가하여 반응시킨 후 산처리에 의하여 친수성기를 도입시키는 본 발명의 방법은 폴리에스테르 수지에 우수한 친수성 및 제전성을 제공하여 전기충격이나 방전으로 인한 화재사고를 방지할 수 있으며, 방사/연신공정시 절사 및 단사현상을 일으키지 않으므로 공정이 용이하여 산업적으로 유용하다.

Claims (4)

  1. 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 반응시켜 폴리에스테르를 제조하는 방법에 있어서, 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물과 지방족 디올을 1 : 2의 몰비로 반응시키면서 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 상기 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물에 대하여 0.1∼1.0몰%을 첨가하여 반응시킨후, 방사 및 연신공정을 거친 연신사 및 제직물을 제조하고, 이를 0.1∼0.5N의 HCl 용액으로 상온에서 10∼30분간 처리하여 소디움에스테르기를 카르복실기로 치환시키는 것을 특징으로 하는 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지의 제조방법.
    화학식 1
    화학식 2
    화학식 3
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지방족 디올은 에틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,6-헥사메틸렌디올 및 디에틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 하나 또는 그 이상 선택됨을 특징으로 하는 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 방향족 디에시드 또는 이들의 에스테르 화합물은 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 디메틸테레프탈레이트, 디메틸이소프탈레이트 및 디메틸프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상임을 특징으로 하는 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지의 제조방법.
  4. 제 1항의 방법으로 제조되며, 표면저항 값이 7∼12 log(Ω.㎝)인 것을 특징으로 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지.
KR10-1998-0023278A 1998-06-20 1998-06-20 친수성이 우수한 폴리에스테르 수지 및 이의 제조방법 KR100513106B1 (ko)

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