KR101479335B1 - 폴리아미드의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
폴리아미드의 반복적인 배치식 제조에 있어서, 배치식 반응 장치에 공급되는 디카르복시산 성분 및 디아민 성분은 용매의 비존재하에 용융중합된다. 상기 디아민 성분을 용융된 디카르복시산 성분에 첨가한 후, 상기 용융중합은 수증기를 도입하여 배치식 반응 장치 내의 기상부의 압력을 0.1 MPaG 이상으로 유지하면서, 제조되는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상의 온도에서 적어도 10분간 더 계속된다. 이렇게 제조되는 폴리아미드는 이전의 배치식 제조 이후에 잔존하는 폴리아미드의 존재하에 용융중합이 수행될 때조차도 겔에 의해 거의 영향을 받지 않는다. 이의 성형품은 피쉬아이를 거의 포함하지 않는다.
Description
본 발명은 성형 물질, 병, 시트, 필름 및 섬유의 제조용으로 적합한 폴리아미드의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 디카르복시산 성분과 70몰% 이상의 크실릴렌디아민을 포함하는 디아민 성분을 용매의 비존재하에 직접 용융중합시켜 폴리아미드를 반복하여 배치(batch)식으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 폴리아미드는 디카르복시산 성분 및 디아민 성분의 나일론염의 수용액이 가압하에 용융중합되는 중축합에 의해 널리 제조되어 왔다.
나일론염의 수용액을 생략하는 방법으로서, 일본 특개 소57-200420A는 용매의 비존재하의 디카르복시산 성분과 디아민 성분의 직접 용융중합을 개시하고 있다. 이 방법에서, 상기 디아민 성분은 제조되는 폴리아미드의 융점보다 높은 온도로 반응 시스템을 가열하여 상기 반응 시스템을 용융 상태로 유지한 상태에서 첨가된다. 이 방법은 증류에 의해 물(나일론염의 수용액 유래의 물) 및 용매를 제거하 는 것이 불필요하기 때문에 경제적으로 유리하다.
이 방법은 상기 디아민 성분의 비점이 제조되는 폴리아미드의 비점 이상인 경우에 유리하다. 상기 비점이 제조되는 폴리아미드의 비점 이하이면, 첨가되는 디아민이 즉시 증발되어 버려 용융중합이 효율적으로 진행되지 않는다. 크실릴렌디아민의 비점은 정상압 하에 약 274℃로서, 폴리아미드의 제조에 일반적으로 사용되는 디아민, 예를 들면 헥사메틸렌디아민의 비점(199 내지 205℃)에 비해 더 높다. 따라서, 용매의 부존재하에 상기 디카르복시산 성분 및 디아민 성분을 직접 용융중합시키는 것은, 상기 디아민 성분이 크실릴렌디아민일 때 유리하다.
배치식 반응 장치를 이용하여 폴리아미드를 제조하는 경우, 용융된 폴리아미드는 일반적으로 매우 점성이 높아서 반응 장치의 내벽 및 교반 날개(stirring blade)에 부착된 상기 폴리아미드는 완전히 배출되기 어렵기 때문에, 제조된 폴리아미드를 배출한 후 그 일부가 필연적으로 반응 장치 내에 남아 있게 된다. 잔존 폴리아미드 양은 배출을 위한 시간을 더 늘이거나, 배치식 제조 후에 매번 용매로 상기 반응 장치를 세척함으로써 줄어들 수 있지만, 제조 수율이 낮아지게 된다. 따라서, 일반적으로 상기 배출은 잔존 폴리아미드 양이 허용가능한 수준까지 줄어들게 될 때 중지되며, 다음 배치식 제조가 시작된다.
큰 반응 장치를 이용한 산업적인 제조에서, 상기 반응 장치는 제조 후에도 여전히 고온을 유지하기 때문에, 잔존 폴리아미드는 열이력을 받아서 열적으로 분해된다. 상기 열분해로 인해, 폴리아미드에 불용해성(insoluble)이고 불용융성(infusible)인 '겔'이라 불리는 결함 물질이 형성된다. 상기 겔은 폴리아미드 필름에 '피쉬아이(fisheye)(점과 같은 작은 흠)'라 불리는 결함을 초래한다. 피쉬아이의 수가 증가할수록 생성물의 품질은 불리하게 감소된다.
크실릴렌디아민 단위를 포함하는 폴리아미드는 나일론 66 및 나일론 6과 같은 다른 타입의 폴리아미드에 비해 쉽게 겔을 형성하는 경향이 있다. 이는 벤질 위치의 수소가 쉽게 잡아당겨짐으로 인한 크실릴렌 구조의 벤질 위치에서의 가교반응 및 일반적으로 폴리아미드 겔화의 원인으로 간주되고 있는 말단기에 대한 가교반응 때문일 수 있다. 폴리아미드의 겔은 일반적으로 물에 의해 쉽게 깨어지는 가교점(쉬프 염기(Shiff's base))을 갖는다. m-크실릴렌디아민 단위를 갖는 폴리아미드의 겔은 나일론 66에 비해 적은 양의 가교점을 갖는다고 제안되어 왔다(Tsukamoto et al., "Kobunshi Kagaku", July, 1973, vol. 30, 339, p.419). 따라서, m-크실릴렌디아민 단위를 갖는 폴리마이드의 겔은 수증기에 의해 분해되기 어렵다고 예측되어 왔다.
따라서, 디카르복시산 성분 및 크실릴렌디아민을 포함하는 디아민 성분을 용매 부존재하에 직접 용융중합시켜 폴리아미드를 제조함에 있어서, 이전의 배치식 제조 유래의 잔존 폴리아미드에 존재하는 겔이 다음 배치식 제조에서 제조된 폴리아미드 내로 들어가게 되어, 성형품에서의 피쉬아이 수를 증가시키게 된다. 따라서, 잔존 폴리아미드 내의 겔의 영향을 감소시키기 위한 방법이 요구되고 있다.
일본 특개 평9-95532A는 겔과 황변이 적은 크실릴렌디아민 단위를 갖는 폴리아미드가 수증기압 P (㎏f/㎠G), 중합 시간 t (h) 및 중합 온도 T (℃)의 생성물 (P × t)의 특정한 상관관계를 충족시키는 조건하에 170 내지 220℃의 중합 온도에 서 중합시킴으로써 제조될 수 있음을 개시하고 있다. 그러나, 중합하는 동안에 겔의 형성 및 황변이 방지된다는 것을 고려하더라도, 일본 특개 평9-95532A는 이전의 배치식 제조 유래의 잔존 폴리아미드 내의 겔의 영향을 감소시키는 것에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다.
일본 특개 2001-329062A는 디카르복시산 성분 및 폴리아미드의 융점보다 5℃ 이상 높은 비점을 갖는 디아민을 80 몰% 포함하는 디아민 성분을 중합하여 폴리아미드를 제조하는 방법으로서, 상기 디아민을 용융된 디카르복시산에 첨가한 후 반응 장치를 대기압 또는 그 이상의 압력에서 적어도 5분간 유지시키는 방법에 대해 개시하고 있다. 상기 제시된 방법은 디카르복시산 성분과 디아민 성분 사이의 몰 균형을 정확하게 조절하기에는 적합하지만, 일본 특개 2001-329062A는 이전의 배치식 제조 유래의 잔존 폴리아미드 내의 겔의 영향을 감소시키고, 수증기를 도입하면서 상기 용융중합을 계속하는 것에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다.
본 발명의 목적은 이전의 배치식 제조 유래의 폴리아미드가 남아있더라도, 잔존 폴리아미드 내의 겔의 영향을 감소시켜 성형품에서의 피쉬아이를 감소시킬 수 있는, 폴리아미드를 반복하여 배치식으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 광범위한 연구 결과, 본 발명자들은 수증기를 도입하여 배치식 반응 장치 내의 기상부(vapor phase)를 가압한 후, 소정의 온도에서 소정의 기간동안 용융중합을 계속함으로써 상기 겔의 유해효과가 감소될 수 있음을 발견하였다. 또한, 이렇게 제조된 폴리아미드 필름 또는 다른 성형품이 피쉬아이를 거의 포함하지 않는다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이러한 발견에 기초한 것이다.
따라서, 본 발명은 디카르복시산 성분과 디아민 성분을 용매의 비존재하에 직접 용융중합시켜 폴리아미드를 반복하여 배치식으로 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
(1) 배치식 반응 장치 내에 고체 또는 용융 디카르복시산 성분을 공급하고, 상기 배치식 반응 장치 내에서 상기 디카르복시산 성분의 용융 상태를 유지하는 공정;
(2) 크실릴렌디아민을 70몰% 이상 포함하는 디아민 성분을 상기 배치식 반응 장치 내에서 용융 상태로 유지되고 있는 디카르복시산 성분에 연속적 또는 간헐적으로 첨가하는 공정;
(3) 디아민 성분의 첨가 종료 후 상기 배치식 반응 장치 내에 수증기를 도입하는 공정; 및
(4) 상기 배치식 반응 장치의 기상부의 압력을 0.1 MPaG 보다 큰 압력으로 유지하고, 또한 상기 용융 중합을, 생성하는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상의 온도에서 적어도 10분간 계속하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따르면, 겔에 의해 거의 영향을 받지 않는 폴리아미드가 제조된다. 특히, 이전의 배치식 제조 유래의 폴리아미드가 남아있는 경우라도, 성형품 상의 잔존 폴리아미드 내의 겔의 유해효과는 감소된다. 따라서, 성형품의 피쉬아이는 감소된다.
본 발명에 있어서, 디카르복시산 성분은, 디카르복시산 성분 및 크실릴렌디아민을 포함하는 디아민 성분의 이전의 중합 후에 잔존하는 폴리아미드의 존재하에 배치식 반응 장치 내로 새롭게 공급된다. 이후, 크실릴렌디아민을 70 몰% 이상(100 몰%를 포함함) 포함하는 디아민 성분이 상기 배치식 반응 장치에 새롭게 공급되어 용융중합을 시작한다. 비록, 주반응은 새롭게 공급되는 디카르복시산 성분 및 디아민 성분 사이의 반응이지만, 잔존 폴리아미드는 상기 새로운 디카르복시산 성분 및/또는 새로운 디아민 성분과 반응하거나, 또는 그 내부에 용해될 수 있다.
상기 디카르복시산 성분의 예로는 아디프산, 숙신산, 세바신산, 도데카디온산(dodecadioic acid), 이소프탈산, 테레프탈산 및 나프탈렌디카르복시산을 포함하 며, 이중 아디프산을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 디카르복시산은 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 디카르복시산 성분은 70 몰% 이상(100 몰%를 포함함)의 아디프산을 포함한다.
크실릴렌디아민의 예로는 m-크실릴렌디아민, p-크실릴렌디아민 및 o-크실릴렌디아민을 포함하며, 이중 m-크실릴렌디아민을 사용하는 것이 바람직하다. 이들은 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 크실릴렌디아민은 70 몰% 이상(100 몰%를 포함함)의 m-크실릴렌디아민을 포함하는 것이 바람직하다. 크실릴렌디아민 이외의 디아민 성분의 예로는 1,2-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1,3-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1,4-비스(아미노메틸)시클로헥산, 트리메틸렌디아민, 테트라메틸렌디아민, 펜타메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 1,7-디아미노헵탄, 1,8-디아미노옥탄, 1,9-디아미노노난, 1,10-디아미노데칸, o-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민 및 p-페닐렌디아민을 포함한다.
상기 배치식 반응 장치 내로 각각 새롭게 공급되는 상기 디카르복시산 성분 및 디아민 성분은, 상기 잔존 폴리아미드를 위한 원료로 사용된 디카르복시산 성분 및 디아민 성분과 동일하거나 또는 달라도 되며, 동일한 것이 바람직하다. 동일한 배치식 반응 장치를 이용한 반복적 배치식 제조에서, 상기 잔존 폴리아미드는 이전의 배치식 제조에서 제조된 폴리아미드일 수 있다.
상기 디아민 성분 및 디카르복시산 성분 이외의 선택적인 폴리아미드-형성 성분의 예로는 카프로락탐, 발레로락탐, 라우로락탐 및 운데카락탐과 같은 락탐; 및 1,1-아미노운데칸산(aminoundecanoic acid) 및 1,2-아미노도데칸산과 같은 아미 노카르복시산을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
용융중합하는 동안의 탈색을 방지하기 위하여, 상기 용융중합은 인산, 아인산, 차아인산 및 이의 염 또는 에스테르와 같은 인 화합물의 존재하에 수행될 수 있다. 인산염의 예로는 인산칼륨, 인산나트륨, 인산칼슘, 인산마그네슘, 인간망간, 인산니켈 및 인산코발트를 포함한다. 인산 에스테르의 예로는 메틸 포스페이트, 에틸 포스페이트, 이소프로필 포스페이트, 부틸 포스페이트, 헥실 포스페이트, 이소데실 포스페이트, 데실 포스페이트, 스테아릴 포스페이트 및 페닐 포스페이트를 포함한다. 아인산염의 예로는 아인산칼륨, 아인산나트륨, 아인산칼슘, 아인산마그네슘, 아인산망간, 아인산니켈 및 아인산코발트를 포함한다. 아인산 에스테르의 예로는 메틸 포스파이트, 에틸 포스파이트, 이소프로필 포스파이트, 부틸 포스파이트, 헥실 포스파이트, 이소데실 포스파이트, 데실 포스파이트, 스테아릴 포스파이트 및 페닐 포스파이트를 포함한다. 차아인산염의 예로는 차아인산칼륨, 차아인산나트륨, 차아인산칼슘, 차아인산마그네슘, 차아인산망간, 차아인산니켈 및 차아인산코발트를 포함한다. 이들 화합물은 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
상기 인 화합물은 배치식 반응 장치 내로 공급하기 전에 상기 디아민 성분 또는 디카르복시산 성분에 첨가되거나, 또는 용융중합하는 동안에 상기 반응 시스템에 첨가될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 배치식 반응 장치는 특정한 타입으로 한정되는 것은 아니며, 교반 장치를 구비하고 중합에 적합한 임의의 반응 장치가 사용될 수 있다. 가압 반응 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 디아민 성분 및 디카르복시산 성분이 반응 시스템 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여, 온도-조절가능한 전열면(heating surface)을 갖는 분축기를 구비한 반응 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 디아민 성분이 70 몰% 이상의 크실릴렌디아민을 포함하기 때문에, 상기 중합은 디아민 성분이 연속적 또는 간헐적으로 용융된 디카르복시산 성분에 첨가되는 용융중합에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 산화로 인한 탈색을 방지하기 위하여, 상기 디카르복시산 성분은 질소와 같은 불활성 대기 내에서 용융되는 것이 바람직하다. 상기 디카르복시산 성분은 배치식 반응 장치 내에서 용융되거나, 또는 별도의 용융 탱크에서 준비된 용융된 디카르복시산 성분이 상기 배치식 반응 장치 내로 공급될 수 있다. 반응 장치의 효율을 향상시킨다는 관점에서, 상기 디카르복시산 성분은 별도의 용융 탱크에서 용융된 후에 배치식 반응 장치에 공급되는 것이 바람직하다.
원하는 몰 균형(디아민 성분 풍부, 디카르복시산 성분 풍부, 및 동일한 몰 균형)을 갖는 폴리아미드를 제조하기 위하여, 충진된 성분의 몰 균형은 자유롭게 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 몰 균형은 용융 탱크와 함께 용융된 디카르복시산을 칭량하고, 상기 용융된 디카르복시산을 배치식 반응 장치에 공급하고, 이후 디아민을 저장하고 있는 탱크를 칭량하면서 상기 디아민을 배치식 반응 장치에 공급함으로써 조절된다. 상기 디아민 성분 또는 디카르복시산 성분의 중량은 로드 셀(load cell) 및 저울과 같은 중량 측정 장치에 의해 적절히 칭량된다.
상기 디아민 성분은 아미드화가 실질적으로 일어나도록 하는, 바람직하게는 160℃ 이상의 온도로 가열된 용융된 디카르복시산 성분에 첨가된다. 반응 시스템의 온도는 생성되는 중간체 올리고머 및/또는 저분자량의 폴리아미드가 용융되고 전체 반응 시스템이 균일하고 유동가능한 상태로 유지되는 온도로 세팅되어 있는 것이 바람직하다. 상기 용융중합 온도는 일반적으로 180 내지 290℃ 범위에서 선택된다. 구체적으로, 상기 디아민 성분은 상기 용융된 디카르복시산 성분에 교반하에 연속적 또는 간헐적으로 첨가되며, 첨가되는 동안에는 가열에 의해 반응 혼합물을 소정의 온도로 유지한다.
반응 시스템의 승온(昇溫) 속도는 아미드화의 열, 축합에 의해 생성되는 물의 잠열 및 공급되는 열에 따라 다르다. 따라서, 디아민 성분의 첨가가 완료된 때의 반응 혼합물의 온도는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상이고 상기 융점 + 35℃ 보다는 낮은 것이 바람직하고, 융점 + 15℃보다 낮은 것이 보다 바람직하며, 융점 + 5℃보다 낮은 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위 내라면, 반응 혼합물이 용융된 상태로 유지되며, 디아민 성분의 첨가 속도를 적절하게 조절할 수 있다. 상기 디아민 성분의 첨가 과정에서 잔존 폴리아미드가 반드시 완전히 용융되거나 용해되지는 않더라도, 첨가가 완료될 때 상기 반응 혼합물이 균일한 용융 상태인 것이 바람직하다.
중축합이 진행될 때 생성되는 물은 분축기 및 응축기를 통해 반응 시스템으로부터 증류 및 제거된다. 생성된 물과 함께 반응 시스템으로부터 유출되는 디아민 성분의 증기, 승화에 의해 반응 시스템으로부터 유출되는 디카르복시산 등은 상 기 분축기에서 수증기와 분리되어 배치식 반응 장치로 되돌려진다. 나일론염의 수용액을 이용하는 공지된 가압 방법과 같이, 원료의 유출, 특히 반응 시스템으로부터의 디아민 성분의 유출은 본 발명에서 방지하기가 어렵다. 따라서, 상기 배치식 반응 장치는 분축기를 구비하여 디아민 성분의 유출을 효과적으로 방지하는 것이 바람직하다.
디아민 성분의 첨가는 대기압에서 수행되는 것이 바람직한데, 그 이유는 생성된 물이 효과적으로 제거되고 용융중합이 촉진되기 때문이다. 그러나, 디아민 성분의 첨가는 질소 또는 수증기압 하에서 수행될 수도 있다. 생성된 물을 효과적으로 제거한다는 관점에서, 상기 압력은 0.9 MPaG 이하인 것이 바람직하다.
디아민 성분을 용융된 디카르복시산 성분에 첨가하는 것을 완료한 후 수증기를 배치식 반응 장치에 도입한다. 이후, 수증기의 도입을 유지함으로써 배치식 반응 장치의 기상부를 0.1 MPaG 이상으로 유지하면서, 제조되는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상의 온도에서 적어도 10분간 용융중합을 계속 진행한다. 상기 조건하에 용융중합을 계속함으로써, 겔이 거의 없고 상기 겔에 의해 거의 영향을 받지 않는 폴리아미드가 얻어진다. 심지어 디카르복시산 성분이 폴리아미드, 예를 들면 이전의 배치식 제조 후에 잔존하는 폴리아미드를 포함하는 배치식 반응 장치에 도입되고, 이후 용융중합이 수행되는 제조에 있어서도, 폴리아미드 내의 겔은 중합 과정에서 생성되고 도입된 수증기로부터 유래되는 반응 혼합물 내의 충분한 물에 의해 분해되어, 겔을 거의 포함하지 않고 피쉬아이를 거의 형성하지 않는 폴리아미드를 얻게 된다. 이것은 겔이 물에 의해 분해될 뿐만 아니라, 디아민 성분의 첨가 직후에 존재하는 프리폴리머에 상대적으로 많은 양이 포함되어 있는 말단 카르복시기의 산성 성질에 의해 분해되기 때문일 수 있다.
본 발명의 효과는 용융 중합 전에 배치식 반응 장치에 잔존하는 폴리아미드 양(잔존량)이 제조되는 폴리아미드 양의 0.3 중량% 이상일 때 현저하다. 본 명세서에서 사용되는 "제조되는 폴리아미드 양"이라는 용어는 잔존량과 배치식 반응 장치 내로 공급되는 원료량으로부터 계산되는 이론적인 폴리아미드 양의 총합이다. 상기 잔존량이 0.3 중량% 이하이면, 적은 잔존량이 생성물의 품질에 미치는 유해효과가 거의 없기 때문에 본 발명의 효과는 매우 현저하지는 않는다. 본 발명의 효과는 폴리아미드 내의 겔의 함량이 클 때도 얻어지기 때문에, 잔존량의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상기 상한은 실제적으로는 10 중량% 이하인데, 그 이유는 10 중량%를 초과하면 교반 날개를 구동하기 위해 높은 동력을 필요로 할 수 있기 때문이다. 잔존량이 10 중량%를 초과한다면, 상기 잔존량은 제조 전에 잔존 폴리아미드를 다시 방출시킴으로써 단시간에 교반 날개를 구동하기 위한 동력을 증가시키지 않는 수준으로 감소될 수 있다.
상기 기상부 압력은 수증기를 도입함으로써 0.1 MPaG 이상으로 유지되어야 한다. 생성된 물의 양이 중합이 진행함에 따라 줄어들 수 있기 때문에, 중합에 의해 생성된 물만으로 상기 압력을 유지하는 것은 어려울 수 있다. 수증기를 도입함으로써, 충분한 양의 물이 폴리아미드 내에 공급되어 겔의 분해를 촉진한다. 질소와 같은 불활성 가스를 사용하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 물이 폴리아미드 내로 도입되지 않고 불활성 가스 내로 증발하여 폴리아미드 내의 수분 함량을 감소시키기 때문이다.
0.1 MPaG 이하의 압력은 바람직하지 않은데, 그 이유는 폴리아미드 내의 낮은 수분 함량으로 인해 겔이 천천히 분해되기 때문이다. 압력의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 0.9 MPaG이다. 0.9 MPaG를 초과하면, 제조되는 폴리아미드의 분자량이 작아지고, 충분히 큰 분자량을 갖는 폴리아미드를 얻기 위해 많은 시간이 필요하게 된다.
상기 조건하에서 용융중합을 계속하기 위한 온도는, 예를 들면 제조되는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상의 온도와 같이 상기 반응 혼합물이 용융 상태로 유지되는 한 한정되지 않는다. 반응 혼합물을 효율적으로 교반한다는 측면에서, 상기 온도는 225℃ 이상인 것이 바람직하고, 240℃ 이상인 것이 보다 바람직하다. 상한은 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 폴리아미드의 분해 온도라는 측면에서 300℃가 바람직하다. 용융중합을 계속하기 위한 시간은 10분 이상인 것이 바람직하고, 30분 이상인 것이 보다 바람직하다. 10분 이하라면 겔의 분해가 불충분하다. 상한은 특별히 한정되지 않지만, 효율 측면에서 상대적으로 짧은 기간, 예를 들면 60분 이하로 용융중합을 계속하는 것이 권고된다.
상기 수증기는 바람직하게는 금속 필터로 여과된 후 배치식 반응 장치 내로 도입된다. 수증기의 파이프라인은 일반적으로 스테인레스 스틸 대신 강철로 만들어진다. 따라서, 상기 공급 라인이 스테인레스 스틸로 만들어졌을 때에도, 수증기는 다른 라인 유래의 철녹(iron rust)으로 오염되기 쉽다. 체눈(mesh)의 크기는 중요하지 않으며, 50 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
디아민 및 디카르복시산이 반응 시스템 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여, 배치식 반응 장치는 분축기가 구비되어 있는 것이 바람직하다. 상기 조건하에서 용융중합을 계속하기 위한 공정 동안에, 상기 분축기의 전열면은 상기 반응 시스템 압력에서의 포화 수증기 온도 또는 그 이하의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 포화 수증기 온도 또는 그 이하라면, 충분한 양의 물이 분축기 내에서 환류되어 상기 분축기에 부착되어 있는 올리고머를 효과적으로 제거해버린다.
상기 기상부를 0.1 MPaG 이상에서 적어도 10분간 유지한 후, 상기 배치식 반응 장치를 비워 반응 시스템의 기상부로부터 수증기를 제거할 수 있다. 아미드화 평형은 생성물 쪽으로 옮겨지고, 중합도는 더욱 증가된다. 다른 한편으로, 상기 중합도는 불활성 가스를 상기 배치식 반응 장치의 기상부 내로 도입하여 수증기를 제거함으로써 더욱 증가될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 폴리아미드는 고상 중합되어 중합이 더욱 진행되도록 할 수 있다. 따라서, 더 큰 분자량을 갖는 폴리아미드가 제조된다. 다른 한편으로, 더 큰 분자량을 갖는 폴리아미드는 본 발명에 따라 제조된 폴리아미드가 용융 상태에서 연속식 중합 장치에서 추가로 중합되도록 함으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 폴리아미드는 겔에 의해 거의 영향을 받지 않고, 피쉬아이가 거의 없는 성형품으로 제조된다. 상기 폴리아미드는 성형 물질로 유용하며, 병, 시트, 필름, 섬유, 등의 제조에 적합하게 사용된다.
본 발명은 실시예 및 비교예를 참고하여 보다 상세히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명의 범위가 이에 한정되지 않을 것임을 주목해야 한다.
각 분석 방법이 아래에 개시되어 있다.
(1) 말단 아미노기의 농도
0.3 내지 0.5 g의 폴리아미드를 정확하게 칭량하고, 실온에서 교반하에 페놀/에탄올 혼합 용매(부피비로 4:1) 30 ㎖에 용해시켰다. 완전히 용해한 후, 상기 폴리아미드 용액을 0.01 ㏖/ℓ의 염산으로 중화 적정하여 말단 아미노기의 농도를 결정하였다.
(2) 말단 카르복시기의 농도
0.3 내지 0.5 g의 폴리아미드를 정확하게 칭량하고, 질소 흐름하에 160 내지 180℃에서 교반하면서 30 ㎖의 벤질 알코올에 용해시켰다. 완전히 용해한 후, 상기 폴리아미드 용액을 질소 흐름하에 80℃로 냉각시켰다. 이후, 10 ㎖의 메탄올을 상기 용액에 교반하면서 첨가하였고, 상기 용액을 0.01 ㏖/ℓ의 수산화나트륨 수용액으로 중화 적정하여 말단 카르복시기의 농도를 결정하였다.
(3) 수 평균 분자량
측정된 말단 아미노기 농도 및 말단 카르복시기 농도로부터, 하기 식에 따라 수 평균 분자량을 계산하였다:
수 평균 분자량 = 2 / ([NH2] + [COOH])
상기에서, [NH2]는 말단 아미노기의 농도(㏖/g)이고, [COOH]는 말단 카르복시기의 농도(㏖/g)이다.
(4) 피쉬아이의 수
폴리아미드를 T-다이를 갖는 25-㎜ 단축 압출기로 270℃에서 압출하여 두께 50 ㎛, 폭 150 ㎜의 비연신 필름을 얻었다. 상기 필름은 육안으로 관찰하여 일본 민트(Japan Mint)에 의해 공개된 "먼지 평가 차트(Dirt Estimation Chart)"를 이용하여 0.05 ㎟ 이상인 피쉬아이의 수를 계수하였다. 피쉬아이의 수는 1 ㎡당 수로 표시된다.
(5) 황변 지수(yellowness index, YI)
일본 덴쇼쿠 산업 주식회사(Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.)에 의해 제조된 ZE-2000을 이용하여 폴리아미드 펠렛(pellet) 상에서 측정하였다.
실시예
1
(1) 잔존 폴리아미드 양의 조절
비어있는 배치식 반응 장치에 99.85 wt%의 순도를 갖는 아디프산 15 ㎏을 용융시켰다. 상기 용융된 아디프산이 190℃에 도달되었을 때, 99.98 wt%의 순도를 갖는 m-크실릴렌디아민(MXDA) 14 ㎏을 대기압에서 2시간에 걸쳐 교반하에 적하하였다. MXDA 첨가가 완료된 때의 내부 온도가 245℃가 되도록 가열을 조절하였다. MXDA를 첨가한 후, 대기압에서 30분간 중합을 계속하였다. 이후, 압력을 80 kPaA로 줄이고, 교반하에 20분간 중합을 계속하였다. 질소압하에서 수냉으로 생성물을 과립화하여 16,000의 수 평균 분자량을 갖는 폴리(m-크실릴렌 아디파미드)(나일론 MXD 6)을 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 1,190/㎡였다. 제조된 폴리아미드를 배치식 반응 장치로부터 배출시켰고, 잔존 폴리아미드 양(이론적인 수율 - 배출 양)은 250 g이었다.
(2) 잔존 폴리아미드 존재하에서의 배치식 제조
이전의 배치식 제조로부터의 잔존 폴리아미드 250 g(제조되는 폴리아미드 양의 1 중량%)을 포함하는 배치식 반응 장치에 99.85 wt%의 순도를 갖는 아디프산 14.7 ㎏을 용융시켰다. 상기 용융된 아디프산이 190℃에 도달되었을 때, 99.98 wt%의 순도를 갖는 MXDA 13.6 ㎏을 대기압에서 2시간에 걸쳐 온도를 올리면서 적하하였다. MXDA 첨가가 완료된 때의 내부 온도가 245℃가 되도록 가열을 조절하였다. MXDA를 첨가한 후, 13 ㎏f/㎠의 수증기를 도입하여 기상부의 압력을 0.4 MPaG로 조정하였고, 30분간 중합을 계속하였다. 이후, 압력을 30분에 걸쳐 대기압으로 줄였다. 이후, 압력을 80 kPaA로 줄이고, 교반하에 20분간 중합을 계속하였다. 질소압하에서 수냉으로 생성물을 과립화하여 16,000의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 1,110/㎡였다. 그 결과는 표 1에 나타나 있다.
실시예
2
수증기에 의해 기상부를 0.2 MPaG로 가압한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 16,000의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 1,230/㎡였다. 그 결과는 표 1에 나타나 있다.
실시예
3
수증기에 의해 기상부를 0.4 MPaG로 가압하고, 이후 중합을 10분간 계속한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 15,700의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 1,560/㎡였다. 그 결과는 표 2에 나타나 있다.
실시예
4
이전의 배치식 제조로부터의 잔존 폴리아미드의 양을 1,250 g(제조되는 폴리아미드 양의 5 중량%), 아디프산의 양을 14.1 ㎏ 및 MXDA의 양을 13.1 ㎏으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 16,100의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 1,070/㎡였다. 그 결과는 표 2에 나타나 있다.
실시예
5
이전의 배치식 제조로부터의 잔존 폴리아미드의 양을 75 g(제조되는 폴리아미드 양의 0.3 중량%), 아디프산의 양을 14.8 ㎏ 및 MXDA의 양을 13.7 ㎏으로 변경 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 16,200의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 1,150/㎡였다. 그 결과는 표 2에 나타나 있다.
비교예
1
MXDA 첨가까지는 실시예 1의 과정을 반복하였다. MXDA를 첨가한 후, 대기압에서 30분간 중합을 계속하였다. 이후, 압력을 80 kPaA로 줄이고, 상기 혼합물을 20분간 교반하였다. 질소압하에서 수냉으로 생성물을 과립화하여 16,200의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 3,350/㎡였다. 그 결과는 표 1에 나타나 있다.
비교예
2
수증기에 의해 기상부를 0.1 MPaG로 가압한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 15,800의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 2,190/㎡였다. 그 결과는 표 1에 나타나 있다.
비교예
3
이전의 배치식 제조로부터의 잔존 폴리아미드의 양을 75 g(제조되는 폴리아미드 양의 0.3 중량%), 아디프산의 양을 14.8 ㎏ 및 MXDA의 양을 13.7 ㎏으로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방식으로 15,800의 수 평균 분자량을 갖는 나일론 MXD 6를 25 ㎏ 얻었다. 측정된 피쉬아이의 수는 2,100/㎡였다. 그 결과는 표 2에 나타나 있다.
표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 수증기를 도입하여 배치식 반응 장치 내의 기상부의 압력을 0.1 MPaG 이상으로 유지하면서, 제조되는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상의 온도에서 용융중합이 적어도 10분간 계속될 때, 제조되는 폴리아미드 양의 0.3 중량% 이상의 잔존 폴리아미드 존재하에서 제조될 때조차도 폴리아미드 성형품에서의 피쉬아이의 수는 감소된다.
| 실시예 | 비교예 | ||||
| 1 | 2 | 1 | 2 | ||
| 잔존 폴리아미드 양 (중량%) | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| 연속 중합 |
온도 (℃) | 245 | 245 | 245 | 245 |
| 압력 (MPaG) | 0.4 | 0.2 | 대기압 | 0.1 | |
| 시간 (분) | 30 | 30 | 30 | 30 | |
| 압력을 대기압으로 감소시키기 위해 걸린 시간 (분) |
30 | 30 | - | 30 | |
| 80 kPaA에서의 교반 (분) | 20 | 20 | 20 | 20 | |
| 수 평균 분자량 | 16,000 | 16,000 | 16,200 | 15,800 | |
| 황변 지수 (YI) | -11 | -13 | -12 | -12 | |
| 1 ㎡당 피쉬아이의 수 | 1,110 | 1,230 | 3,350 | 2,190 | |
| 실시예 | 비교예 | ||||
| 3 | 4 | 5 | 3 | ||
| 잔존 폴리아미드 양 (중량%) | 1 | 5 | 0.3 | 0.3 | |
| 연속 중합 |
온도 (℃) | 245 | 245 | 245 | 245 |
| 압력 (MPaG) | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 대기압 | |
| 시간 (분) | 10 | 30 | 30 | 30 | |
| 압력을 대기압으로 감소시키기 위해 걸린 시간 (분) |
30 | 30 | 30 | - | |
| 80 kPaA에서의 교반 (분) | 20 | 20 | 20 | 20 | |
| 수 평균 분자량 | 15,700 | 16,100 | 16,200 | 15,800 | |
| 황변 지수 (YI) | -12 | -12 | -11 | -12 | |
| 1 ㎡당 피쉬아이의 수 | 1,560 | 1,070 | 1,150 | 2,100 | |
Claims (9)
- 디카르복시산 성분과 디아민 성분을 용매의 비존재하에 직접 용융중합시켜 폴리아미드를 반복하여 배치(batch)식으로 제조하는 방법으로서, 각각의 배치는(1) 이전의 배치 제조에서 얻어진 폴리아미드가 잔존하고 있는 다음의 배치식 반응 장치 내에 고체 또는 용융 디카르복시산 성분을 공급하고, 상기 배치식 반응 장치 내에서 상기 디카르복시산 성분의 용융 상태를 유지하는 공정;(2) 크실릴렌디아민을 70몰% 이상 포함하는 디아민 성분을 상기 배치식 반응 장치 내에서 용융 상태로 유지되고 있는 디카르복시산 성분에 연속적 또는 간헐적으로 첨가하는 공정;(3) 디아민 성분의 첨가 종료 후 상기 배치식 반응 장치 내에 수증기를 도입하는 공정; 및(4) 상기 배치식 반응 장치의 기상부의 압력을 0.1 MPaG 보다 큰 압력으로 유지하고, 또한 상기 용융 중합을, 생성하는 폴리아미드의 융점 또는 그 이상의 온도에서 적어도 10분간 계속하는 공정을 포함하는 방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,잔존 폴리아미드의 양이, 잔존 폴리아미드와 상기 다음의 배치 제조를 위해 배치식 반응 장치에 공급하는 디카르복시산 성분 및 디아민 성분의 양으로부터 계산되는 폴리아미드의 이론 수량의 합계량의 0.3 중량% 이상인 방법.
- 청구항 1에 있어서,크실릴렌디아민의 70몰% 이상이 메타크실릴렌디아민인 방법.
- 청구항 1에 있어서,디카르복시산 성분의 70몰% 이상이 아디프산인 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 수증기는 금속 필터를 이용해 여과한 후 상기 배치식 반응 장치에 도입되는 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 배치식 반응 장치가 분축기를 구비하고, 또한 상기 공정 4에 있어서 상기 분축기의 전열면의 온도를 상기 공정 4의 압력에서의 포화 수증기 온도 또는 그 이하로 유지하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 공정 4 후에 회수한 폴리아미드를 고상 중합하는 공정을 추가로 포함하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 공정 4 후에 회수한 폴리아미드를 용융 상태로 연속식 반응 장치에 공급하여 상기 용융 중합을 더욱 진행시키는 공정을 추가로 포함하는 방법.
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