KR101880774B1 - 연속식 고상중합 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연속식 고상중합 장치는 연속적으로 예비중합체를 투입하기 위한 피더; 상기 피더에 제1 연결부를 통해 연결되어, 상기 피더로부터 예비중합체를 수용하여 고상중합이 수행되며, 반응기 자체가 회전하는 횡형 반응기; 상기 횡형 반응기에 제2 연결부를 통해 연결되어, 횡형 반응기로부터 배출된 고상중합이 완료된 중합체를 수용하고 배출하기 위한 챔버; 및 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부를 밀봉하기 위한 밀봉 부재를 포함하며, 상기 피더, 상기 횡형 반응기, 및 상기 챔버는 진공 상태인 것을 특징으로　한다. 상기 연속식 고상중합 장치는 예비중합체의 정체 구간 형성을 방지하고, 불활성 가스 없이, 진공 상태에서 연속적으로 고상중합이 가능하다.

Description

연속식 고상중합 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTINUOUS SOLID STATE POLYMERIZATION}

본 발명은 연속식 고상중합 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로　본 발명은 예비중합체의 정체 구간 형성을 방지하고, 불활성 가스 없이, 진공 상태에서 연속적으로 고상중합이 가능한 연속식 고상중합 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 부품, 전기, 전자제품, 기계부품, 음료용기, 섬유, 필름, 타이어 코드 등에 고내열 특성을 갖는 고분자(중합체) 조성물이 널리 사용되고 있다. 상기 중합체로는 나일론(Nylon) 66, 나일론 6 등의 지방족 폴리아미드 중합체, 나일론 6T, 나일론 9T, 나일론 10T, 나일론 12T 등의 방향족 폴리아미드 중합체(고내열 나일론 수지), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지 등의 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트(PC) 수지 등을 예시할 수 있다.

통상적으로 중합체의 고내열, 고충격 특성을 향상시키기 위해서는 중합체의 고유점도(IV)를 높이는 것이 필요하다. 예를 들어, 0.5 dl/g 이상의 높은 고유점도를 가지는 중합체를 얻기 위한 방법으로서, 용융 공정이라고 불리는 용융된 수지의 중축합(condensation polymerization) 과정을 수행할 수 있다.

그러나, 이러한 용융 공정은 중합체(특히, 결정성 고분자)의 높은 점성으로 인해 중축합 및 이송 중 높은 전단(shear)이 발생되고, 이로 인해, 생성물이 분해될 우려가 있다. 이를 해소하기 위해서는 상기 용융 공정 중, 중합물의 온도를 용융온도 이상으로 높게 올려 운전 및 생산해야 하므로, 특히 용융온도가 높은 고내열성 수지에서는 엄청난 에너지 사용량 등에 의해 경제적이지 못하다. 또한, 장기 운전 시 중합물이 탄화되어 최종 제품에 탄화 이물(contamination)이 다량 포함될 수 있고, 제품이 변색(discoloraton) 되어 높은 백색도를 요구하는 제품에 사용되지 못할 수 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 통상적으로 사용되는 기법이 고상중합(solid-state polymerization: SSP)이다. 종래의 고상중합은 무정형 상태인 중합체 칩(chip), 예비중합체(prepolymer) 등을 고상중합 반응기에 투입한 뒤, 불활성 가스를 순환 공급하면서, 수 시간에서 수십 시간 동안 가열하는 공정을 포함한다.

상기 불활성 가스로는, 중합체의 유리전이온도 이상 용융온도 미만, 예를 들면, 130 내지 250℃ 범위로 가열한 질소가 주로 사용된다. 상기 고상중합에 불활성 가스를 사용하는 이유는 중합이 수행되는 계 내에 산소와 같은 활성 가스가 존재할 경우, 고온 상태에서 중합이 진행되면서 일부 제품에서는 심각한 황변, 갈변 등의 변색 문제가 발생될 수 있기 때문이다. 즉, 반응기에 불활성 가스를 순환시킴으로써, 활성 가스 유입을 최소화하고, 상기 공정 중 발생하는 물, 알데히드, 글리콜, 페놀 등의 반응 부산물을 함께 배출할 수 있다. 상기 부산물이 고상중합 반응기로 재순환될 경우, 순환되는 불활성 가스의 순도가 점차적으로 저하되고, 그 결과, 중합체가 변색되거나, 높은 부산물의 농도에 의해 반응속도가 저하되거나 중합반응이 역으로 진행될 수 있다. 따라서, 불활성 가스는 재투입 전에 부산물을 제거하여야 한다. 이와 같이, 종래의 고상중합 방식은 불활성 가스 기류에 포함된 물 등의 부산물을 제거하고 순도를 유지하기 위해, 많은 에너지와 비용을 필요로 하여, 경제적이지 못하다는 단점이 있다.

종래의 배치(batch)식 고상중합 반응설비로는, 수직형의 반응기 상부에 회전날개를 장착해 교반하면서 반응을 진행하는 고정식과 상, 하부 모두 원추형으로 되어있는 반응기를 활용해 예비중합체를 투입한 후 밀봉하고 진공 상태에서 반응기 몸체 전체를 회전시키면서 반응을 진행하는 회전형(tumbler) 방식(일본특허공개 JPA2001-270940호 등)이 있다.

또한, 종래의 연속식 고상중합 반응설비로는, 호퍼(hopper)형(국제공개특허 WO1998-023666호 등)과 수평 원형 반응기 방식(일본특개평 10-87821호 등)이 있다. 상기 호퍼형은 원통상의 상부와 역원추상의 바닥부를 가지는 수직형의 반응기를 사용하여, 상부에 예비중합체를 투입하고, 동시에 반응기 하부 역원추상의 바닥 부근에서 가열된 불활성 가스를 투입하여, 바닥으로 최종 제품(중합체)이 배출되고 상부로 반응 중 발생된 불순물을 함유한 불활성 가스가 배출되도록 구성된 것이다. 상기 수평 원형 반응기 방식은 내부에 스크류나 디스크형의 교반 날개를 가진 횡형의 원형 반응기를 사용하여, 입구 쪽으로 예비중합체를 투입하고, 동시에 가열된 불활성 가스를 투입하며 교반 날개를 활용해 믹싱하여, 제품(중합체)은 입구 반대 방향의 배출구 쪽으로 배출하고, 불순물을 함유한 불활성 가스는 반응기 배출구 쪽 상부로 배출 되도록 구성된 것이다.

배치식 반응설비는 연속식 반응설비에 비하여 예비중합체의 열이력을 동등하게 유지할 수 있기 때문에 균일한 고유점도(IV)를 얻을 수 있으나, 배치 로트(lot) 당 생산량이 적고, 사이클 타임(cycle time)이 길며, 반응을 위해 지속적으로 승온 및 냉각 과정을 반복해야 하므로 에너지 손실이 커서 제품의 원가가 높아지는 단점이 있다.

연속식 반응설비는 배치식에 비하여 안정적(steady state)이고 사이클 타임이 짧아 높은 로트 생산성을 가지며, 작은 크기의 설비로도 양산이 가능하여, 투자비 및 에너지 손실이 적고 제품 원가를 낮출 수 있다. 그러나, 배치식 대비 분자량 분포가 다소 넓어질 수 있으며, 이에 따라, 최종 제품으로 몰드 성형 시, 1개 몰딩에 필요한 사이클 타임이 길어져 몰드 제품의 생산성이 저하될 수 있다. 또한, 반응기 몸체가 고정되고,　교반 날개가 회전하는 횡형 반응기의 경우, 고상중합 시, 교반 날개 끝단부의 팁(tip) 부분 면과 반응기 내벽 사이에 설비의 열팽창 문제로 빈 공간이 존재하여야 한다. 그러나, 상기 공간에 중합체가 유동이 거의 없는 정체 구간(stagnant zone)이 형성될 수 있고, 이로 인해 탄화 이물(contamination) 등이 생성되어 제품 품질이 저하될 우려가 있으며, 예비중합체의 분쇄로 인한 입도변화의 원인이 될 수 있다. 또한, 연속식은 진공 상태에서 연속적으로 원료를 공급/배출 시키는 것이 어렵기 때문에 통상적으로 불활성 가스를 사용하나, 가스의 가열과 냉각을 반복해야 하며 부산물을 제거한 순수한 불활성 가스만을 회수하기 위해서는 별도의 불활성 가스의 정제공정이 필요하다. 이로 인해, 회전형 배치식 고상중합 반응설비에 비해 에너지 효율이 좋지 않다는 단점이 있다.

따라서, 예비중합체의 정체 구간 형성을 방지할 수 있고, 진공 상태에서 반응이 가능한 연속식 고상중합 장치(반응기)의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은 예비중합체의 정체 구간 형성을 방지할 수 있는 연속식 고상중합 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 불활성 가스의 사용 없이, 진공 상태에서 연속적으로 고상중합할 수 있는 경제적인 연속식 고상중합 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 하나의 관점은 연속식 고상중합 장치에 관한 것이다. 상기 연속식 고상중합 장치는　연속적으로 예비중합체를 투입하기 위한 피더; 상기 피더에 제1 연결부를 통해 연결되어, 상기 피더로부터 예비중합체를 수용하여 고상중합이 수행되며, 반응기 자체가 회전하는 횡형 반응기; 및 상기 횡형 반응기에 제2 연결부를 통해 연결되어, 상기 횡형 반응기로부터 배출된 고상중합이 완료된 중합체를 수용하고 배출하기 위한 챔버;를 포함하며, 상기 피더, 상기 횡형 반응기, 및 상기 챔버는 진공 상태인 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 연속식 고상중합 장치는 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부에서 기체 및 액체가 누출 및 유입되는 것을 방지하기 위한 밀봉 부재를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 밀봉 부재는 자성유체씰(magnetic fluid seal)일 수 있다.

구체예에서, 　상기 챔버에 진공 펌프가 연결될 수 있다.

구체예에서, 　상기 피더에 진공 펌프가 더욱 연결될 수 있다.

구체예에서, 상기 횡형 반응기는 예비 가열 구간, 가열 구간, 및 냉각 구간을 포함할 수 있다.

구체예에서, 상기 연속식 고상중합 장치는, 외부에서 예비중합체가 투입되고 상압을 유지하는 제1 호퍼; 및 상기 제1 호퍼와 연결되어 상압에서 제1 호퍼로부터 배출되는 상기 예비중합체가 투입되고, 진공 상태에서 상기 피더로 상기 예비중합체를 투입하는 제2　호퍼를 더욱 포함할 수 있다.

구체예에서, 상기 연속식 고상중합 장치는,　상기 챔버와 연결되어 진공 상태에서 상기 챔버로부터 배출되는 상기 중합체가 투입되고, 상압에서 외부로 상기 중합체를 배출하기 위한　제3 호퍼를 더욱 포함할 수 있다.

구체예에서, 상기 예비중합체는 고유점도(IV)가 0.09 내지 0.49　dL/g일 수 있다.

구체예에서, 상기 고상중합이 완료된 중합체는 고유점도(IV)가 0.5 내지 1.5 dL/g일 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 연속식 고상중합 방법에 관한 것이다. 상기 연속식 고상중합 방법은　연속식 고상중합 장치를 사용하는 고상중합방법이며, 상기 피더에 예비중합체를 투입하는 단계; 투입된 예비중합체를 상기 횡형 반응기에서 고상중합시키는 단계; 및 고상중합된 중합체를 상기 챔버로 배출하는 단계를 포함하며, 상기 단계들은　연속적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 고상중합은 0.1 내지 100 torr의 압력 하에서 수행될 수 있다.

본 발명은 예비중합체의 정체 구간 형성을 방지할 수 있고, 불활성 가스의 사용 없이, 진공 상태에서 연속적으로 고상중합할 수 있는 경제적인 연속식 고상중합 장치 및 방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 고상중합 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 고상중합 장치의 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하면, 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 고상중합 장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연속식 고상중합 장치는,　연속적으로 예비중합체를 투입하기 위한 피더(10), 상기 피더(10)에 제1 연결부를 통해 연결되어, 상기 피더(10)로부터 예비중합체를 수용하여 고상중합이 수행되며, 반응기 자체가 회전하는 횡형 반응기(20), 및 상기 횡형 반응기(20)에 제2 연결부를 통해 연결되어, 상기 횡형 반응기(20)로부터 배출된 고상중합이 완료된 중합체를 수용하고 배출하기 위한 챔버(30)를 포함하며, 상기 피더(10), 상기 횡형 반응기(20), 및 상기 챔버(30)는 진공 상태인 것을 특징으로 한다.

일 구체예에서, 상기 연속식 고상중합 장치는 진공 상태를 유지하기 위하여, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부에서 기체 및 액체가 누출 및 유입되는 것을 방지할 수 있는 밀봉 부재(40)를 제1 및 제2 연결부를 둘러싸도록 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 진공 상태는 상압(760 torr)보다 낮은 저압 또는 감압 상태를 의미하며, 예를 들면, 0.1 내지 100 torr 압력 하의 상태일 수 있다.

본 발명에서, 상기 고상중합은 축합중합을 활용하는 수지 제품에 제한 없이 적용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 연속식 고상중합 장치 및 방법은 나일론 46, 나일론(Nylon) 66, 나일론 6 , 나일론 6,10 등의 지방족 폴리아미드 중합체 및 이의 공중합체, 나일론 6T, 나일론 9T, 나일론 10T, 나일론 12T 등의 방향족 폴리아미드 중합체 및 이의 공중합체(고내열 나일론 수지), 나일론 6T/66, 나일론 6T/46/66 등의 방향족 폴리아미드와 지방족 폴리아미드의 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지 등의 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트(PC) 수지 등에 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 고상중합은 일반적으로 예비중합체(prepolymer)를 사용하여 수행되는 것이나, 이미 높은 분자량(고유점도)를 갖는 중합체에 대하여, 내열성을 향상시키기 위해 더욱 높은 분자량 가지도록 하기 위한 방법으로, 상기 고상중합을 확대 적용할 수도 있다.

본 발명에서, 상기 예비중합체는 통상적인 예비중합이 완료된 용액상 예비중합체를 고압 하에서 급격히 압력을 제거(flash 공정)함으로써 얻을 수 있는 낮은 겉보기 비중(예를 들면, 0.3 내지 0.5)을 갖는 분체, 칩, 입자 등의 다양한 형태 및 크기(예를 들면, 30 ㎛ 내지 3 mm)를 갖는 저차 중합체가 1 내지 30 중량%의 수분이나 유기용매를 함유하고 있는 ?케?(wet cake) 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 예비중합체로는, 황산 용액(98%)에 녹인 후, 25℃에서 우베로드(Ubbelodhde) 점도계를 사용하여 측정한 고유점도(IV)가 0.09 내지 0.49 dL/g인 중합체를 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 예비중합체의 고유점도는 0.11 내지 0.15 dL/g일 수 있다. 상기 범위에서 반응기 내 예비중합체 등이 부착되어 정체 구간을 형성하는 것을 줄이거나 방지할 수 있고, 양호한 고상중합이 수행될 수 있다.

본 발명에 사용되는 피더(10)로는 연속식 고상중합 반응기에 예비중합체를 연속적으로 공급할 수 있는 통상의 피더(feeder)를 사용할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 "피더"는 피더뿐만 아니라 이와 연결되는 호퍼, 챔버 등을 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 상기 피더로는 예를 들면, 로스 인 웨이트(Loss in Weight) 방식의 정량 피더(스크류 피더 등), 부피제어 피더(volumetric feeder) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

구체예에서, 상기 스크류 피더는 콘트롤러에 입력한 투입 목표 값을 유지하기 위해서 피더의 스크류 회전속도가 자동으로 조절되는 방식으로 연속 공급을 진행할 수 있다.

본 발명에 사용되는 횡형 반응기(20)는 투입부가 상기 피더(10)와 제1 연결부를 통해 연결되어 상기 피더(10)로부터 예비중합체를 수용하여 고상중합이 수행되는 공간이며, 반응기 자체가 수평축을 기준으로 회전하도록 하여 중합체가 정체될 수 있는 정체 구간을 제거한 것을 특징으로 한다. 상기 횡형 반응기(20)로는 로터리 킬른(rotary kiln dryer)형 반응기를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 반응기 내부 벽면에 플래트(flat)형, 후크(hook)형, 60~120˚의 엘보우(elbow)형 등의 다양한 모양과 높이(예를 들면, 10 내지 800　mm)를 갖는 플라이트(flight)를 설치한 로터리 킬른형 반응기을 사용할 수 있다. 상기 플라이트는 반응기 하부에 있는 중합체가 충진층의 상부 쪽으로 지속적으로 섞이도록 하는 것이다. 설치되는 플라이트의 개수는 반응기의 크기(scale)에 따라 달라질 수 있으나, 2 내지 16개, 바람직하게는 6 내지 12개일 수 있다. 예를 들면, 상기 횡형 반응기(20)의 투입구에서 중간 이전 부분에는 플라이트가 중합체를 최대한 길게 끌고 올라갈 수 있도록, 90˚ 엘보우형의 플라이트를 배치할 수 있으며, 필요에 따라 엘보우형 플라이트의 각도를 조절하여 설계할 수 있다.

구체예에서, 상기 횡형 반응기(20)는 직경(내경)이 15 내지 240　cm일 수 있고, 길이가 2 내지 20　m일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

구체예에서, 상기 횡형 반응기(20)는 중력 유동(gravity flow) 및 반응기 회전을 통하여 중합체가 배출구 쪽으로 유동할 수 있도록, 경사(slope)를 형성할 수 있다. 상기 경사 각도는 반응기의 투입구 쪽이 배출구 쪽보다 높은 곳에 위치하도록, 예를 들면 0.05 내지 3.0˚, 바람직하게는 0.2 내지 1.0˚일 수 있다.

또한, 상기 횡형 반응기(20)의 회전속도(선단속도(tip speed))는 반응기의 크기, 사용되는 중합체의 필요 체류시간 등에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들면, 0.03 내지 0.6 m/sec, 바람직하게는 0.06 내지 0.3 m/sec일 수 있다. 상기 범위에서 중합체의 정체 구간 형성을 줄이거나 방지할 수 있다.

또한, 상기 횡형 반응기(20)에서, 상기 예비중합체의 투입 속도는 반응기의 크기, 사용되는 중합체의 필요 체류시간 등에 따라 달라질 수 있으나, 0.1 내지 1,500　kg/hr일 수 있다.

본 발명에 사용되는 챔버(30)는 상기 횡형 반응기(20)의 배출부가 제2 연결부를 통해 연결되며, 상기 횡형 반응기(20)에서 고상중합이 완료된 중합체가 모이고, 배출되는 곳으로서, 통상의 고상중합 반응기에 사용되는 배출 챔버(chamber)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 진공 펌프에 의해 진공상태를 유지할 수 있는 챔버를 사용할 수 있다.

본 발명에 사용되는 밀봉 부재(40)는 고정되어 있는 상기 피더(10) 및 상기 챔버(30)와 회전하는 상기 횡형 반응기(20)가 연결되는 제1 및 제2 연결부로부터 기체 및 액체가 누출 및 유입되는 것을 방지함으로써, 상기 피더(10), 상기 횡형 반응기(20) 및 상기 챔버(30)를 진공 상태로 유지하고 공기 유입을 최소화하기 위한 것이다.

구체예에서, 상기 밀봉 부재(40)는 자성유체씰(magnetic fluid seal)일 수 있다. 상기 자성유체씰은 정지되어 있는 자석과 그 중심에서 회전하는 회전부 사이에 자력 형성을 유도하여 자성유체(magnetic fluid, ferro fluid) 주입 시, 자성유체가 자극 부재(pole piece)와 회전축 사이에서 O-링과 같은 막을 형성함으로써 씰링을 하는 장치이다. 이러한 자성유체씰은 비접촉식이므로 회전 시에 마찰이 거의 없는 장점이 있다. 바람직하게는 진공도를 최대 10^-7　torr까지 유지할 수 있는 고진공용 씰(자성유체씰)을 사용할 수 있다.

구체예에서, 상기 피더(10), 상기 횡형 반응기(20) 및 상기 챔버(30)의 최대 허용 진공 누출량(leakage)은, 반응 시작 전 상기 피더(10), 상기 횡형 반응기(20) 및 상기 챔버(30)를 포함하는 모든 연결계가 비어있는 상태에서 1 torr까지 진공 펌프를 활용해 진공을 확보한 뒤, 진공 펌프의 흡입부 밸브를 잠근 상태에서 압력을 1시간 정도 체류시켰을 때, 최대 0.7 torr liter/sec일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 고상중합 장치의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연속식 고상중합 장치는 상기 챔버(30), 또는 상기 피더(10) 및 챔버(30)에 진공 펌프(50)가 연결될 수 있다.

본 발명에 사용되는 진공 펌프(50)는 상기 피더(10), 상기 횡형 반응기(20) 및 상기 챔버(30)를 진공 상태로 유지하며, 기체화된 미반응 단량체, 올리고머, 수증기 등의 부산물 등을 외부로 배출할 수 있는 것이다. 상기 진공 펌프(50)로는 통상의 진공 펌프를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 건식 진공펌프, 수공식 진공펌프, 오일 베인(oil vane) 타입 진공펌프 등을 사용할 수 있다.　또한, 필요 진공도에 따라서, 진공 이젝터(ejector), 진공 부스터(booster) 등을 진공 펌프(50)의 전단부에 연결하여 사용할 수도 있다. 예를 들면, 상기 진공 이젝터, 진공 부스터 등을 직렬로 1개 또는 2개 연결하고, 그 후단부에 진공 펌프(50)를 연결하여 사용할 수 있다.

구체예에서, 상기 수증기 등은 상기 진공 부스터 등을 통해 압축이 된 상태로 냉각 및 부분 응축(partial condensation)된 후 최종 진공 펌프(50)로 유입되어 배출될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수증기 등은 상기 횡형 반응기(20)에서 배출된 후, 사이클론 등을 거쳐 진공 배관으로 함께 배출된 고상 제품을 1차로 걸러 낸 후, 순수한 수증기는 쟈켓 배관형 가스 쿨러(duplex cooler) 등의 냉각기를 통해 1차 냉각되고, 1~2단의 진공 부스터(booster)를 통과해 압축이 된 상태로 냉각 및 부분 응축된 후, 최종 진공 펌프(50)로 유입되어 배출될 수 있다. 진공 펌프(50)의 토출부로 배출된 수증기 등은 냉각수를 활용한 응축기, 스크러버(scrubber) 등을 사용하여 전량 회수될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 횡형 반응기(20)는 예비 가열(pre-heating) 구간, 가열(main-heating) 구간, 및 냉각(cooling) 구간을 포함할 수 있다. 상기 각 구간은 별도의 설비에서 진행될 수 있는 것이나, 본 발명에서는 상기 예비 가열, 가열, 및 냉각 공정을 하나의 반응기에서 수행할 수 있도록 구성하여, 진공 상태 유지를 용이하게 하였다.

구체예에서, 상기 각 구간의 범위는 사용되는 중합체, 반응기 크기 등에 의해 달라질 수 있으나, 상기 예비 가열 구간은 횡형 반응기(20)의 투입부로부터 반응기 전체 길이의 약 1/4 범위일 수 있고, 상기 가열 구간은 상기 예비 가열 구간 다음의 반응기 전체 길이의 약 2/4 범위일 수 있으며, 상기 냉각 구간은 상기 가열 구간 다음 반응기 전체 길이의 약 1/4 범위의 상기 횡형 반응기(20)의 배출부일 수 있다.

상기 각 구간은 열매체, 냉각수 등이 순환되는 자켓(jacket), 내부 코일 등의 순환기(온도제어 시스템)를 반응기 외벽,　내벽　등에 각각 설치하여 구성할 수 있다. 예를 들면, 상기 예비 가열 구간은 예비 가열용 순환기(22)를 예비 가열 구간 부분(반응기(20) 및 피더(10) 포함)에 형성하고, 여기에 210℃ 이하, 바람직하게는 150 내지 210℃의 열매체(hot oil)를 순환시켜 형성할 수 있다. 또한, 상기 가열 구간은 가열용 순환기(24)을 가열 구간 부분에 형성하고, 상기 가열용 순환기(24)에 200 내지 300℃, 바람직하게는 210　내지 260℃의 열매체(hot oil)를 순환시켜 형성할 수 있다. 단, 상기 예비 가열용 순환기(22) 및 가열용 순환기(24)에 사용되는 열매체의 온도는 고상중합　하고자 하는 중합체의 종류에 따라 달라질 수 있다.

또한, 상기 냉각 구간은 냉각용 순환기(26)를 냉각 구간 부분에 형성하고, 여기에 상온의 공기를 설치된 냉각용 순환기(26)의 스프레이 노즐을 통해 스프레이 하거나, 냉각수 등의 냉매를 순환시켜 형성할 수 있다. 필요에 따라, 상기 냉각 구간의 반응기(20) 내벽에는 냉각되는 중합체가 배출부 쪽으로 쉽게 전진할 수 있도록 격자 모양의 덤핑(dumping) 플라이트가 설치될 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의　연속식 고상중합 장치는 외부에서 예비중합체가 투입되고 상압을 유지하는 제1 호퍼(12), 및 상기 제1 호퍼(12)와 연결되어 상압에서 제1 호퍼(12)로부터 배출되는 상기 예비중합체가 투입되고, 진공 상태에서 상기 피더(10)로 상기 예비중합체를 투입하는 1개 이상, 바람직하게는 2개 이상의 제2　호퍼(14a, 14b)를 더욱 포함할 수 있다. 상기 제2 호퍼(14a, 14b)는 예비중합체의 잔류량에 따라 선택적으로 제1 호퍼(12)로부터 예비중합체를 받을 수 있으며, 두 개 이상의 호퍼를 번갈아 가며 운전할 경우,　연속형 피딩이 가능하다. 예를 들면, 상기 제2 호퍼(14a, 14b)는 상기 피더(10)로 예비중합체를 공급하는 배관을 닫고,　상부 벤트(vent)를 열어 내부 압력을 진공 상태에서 상압으로 바꾸거나, 상기 제1 호퍼(12)로부터 예비중합체를 공급받는 배관을 닫고, 진공 펌프(50)로 가스를 배출하여 내부 압력을 상압에서 진공 상태로 바꾸는 것이 가능한 것이다. 따라서, 2개 이상의 제2 호퍼(14a, 14b)를 사용할 경우, 둘 중 하나의 제2 호퍼(14a 또는 14 b)는 진공 상태에서 피더(10)로 예비중합체를 공급하고, 다른 하나의 제2 호퍼(14a 또는 14 b)는 상압에서 상기 제1 호퍼(12)로부터 예비중합체를 받아, 상기 하나의 제2 호퍼(14a 또는 14b)에 예비중합체 잔량이 거의 남아있지 않을 때, 바로 교체하여 진공 상태에서 상기 피더(10)로 예비중합체를 공급할 수 있도록 준비(stand-by)할　수 있다. 이와 같은 과정을 반복하여,　횡형 반응기(20)의 진공 상태에 영향을 주지 않고, 예비공중합체를 연속적으로 투입할 수 있는 것이다.

또한, 상기 연속식 고상중합 장치는,　상기 챔버(30)와 연결되어 진공 상태에서 상기 챔버(30)로부터 배출되는 상기 고상중합이 완료된 중합체가 투입되고, 상압에서 외부로 상기 중합체를 배출하기 위한　제3 호퍼(32a, 32b)를 더욱 포함할 수 있다. 상기 제3 호퍼(32a, 32b)는 상기 제2 호퍼(14a, 14b)와 동일한 방식으로 내부 압력을 진공 상태 또는 상압으로 변경할 수 있는 것으로서, 진공상태를 유지해야 하는 챔버(30)로부터 진공 상태에서, 고상중합이 완료된 중합체를 이송받은 후, 챔버(30)와 연결을 차단하여 반응기의 진공 상태에 영향을 주지 않는 상태에서, 상압으로 변경하고 외부로 중합체를 배출할 수 있다.

구체예에서, 상기 고상중합이 완료된 중합체는 고유점도(IV)가 0.5 내지 1.5 dL/g일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 연속식 고상중합 방법은　상기 연속식 고상중합 장치를 사용하는 고상중합방법이며, 상기 피더(10)에 예비중합체를 투입하는 단계; 투입된 예비중합체를 상기 횡형 반응기(20)에서 고상중합시키는 단계; 및 고상중합된 중합체를 상기 챔버(30)로 배출하는 단계를 포함하며, 상기 단계들은　연속적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 예비중합체는 제1 및 제2 호퍼(12, 14a, 14b)를 통해 상기 피더(10)에 투입될 수 있고, 고상중합이 완료된 중합체는 상기 챔버(30)에서, 상기 제3 호퍼(32a, 32b)로 이송된 후, 외부로 배출될 수 있다.

또한, 상기 고상중합은 상기 횡형 반응기(20)의 예비 가열 구간, 가열 구간, 및 냉각 구간을 거치며 수행될 수 있다.

구체예에서, 상기 고상중합은 0.1 내지 100 torr, 바람직하게는 3 내지 50 torr의 압력 하에서 수행될 수 있다. 상기 범위에서 불활성 가스 없이도 고상 중합된 중합체 제품의 백색도 등이 우수할 수 있다.

상기 고상중합방법은 불활성 가스의 사용 없이, 진공 상태에서 연속적으로 수행되므로, 불활성 가스의 회수 및 재활용 비용을 아낄 수 있고, 활성 가스에 의한 품질 저하를 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예

실시예 1

도 1 및 2의 횡형 반응기(20)로서, 내경이 600 mm, 축방향 길이가 7,000 mm인 원통의 횡형 회전식 가마 반응기를 사용하였으며, 투입구에 비해 배출구 쪽이 낮아지도록 0.2˚의 기울기를 갖도록 하였다. 예비 중합체로서, 평균 입자크기 0.7 mm 및 고유점도(IV) 0.2 dL/g인 입자형 폴리아미드 수지의 저차원 중합체가 수분(water)을 5 중량% 포함하고 있는, 혼합 겉보기 비중이 0.33인 ?케?(wet cake)을 사용하였다. 상기 예비 중합체를 피더(10)로서, 80℃의 열매체(hot oil)가 피더(10) 외벽에 설치된 쟈켓(미도시)을 통해서 순환되고 있는 스크류형 피더(screw feeder)를 사용하여, 10 kg/hr의 일정 속도로 연속적으로 상기 횡형 반응기(20)에 공급하였다. 상기 반응기(20)는 반응기(20)의 외부 벽에 설치된 예비 가열용 자켓(22)을 통해서 170℃의 일정한 온도로 순환시켜 예비 가열 구간(길이: 1,500 mm)을 형성하였고, 가열용 자켓(24)을 통해 245℃의 열매체를 순환시켜 가열 구간(길이: 4,000 mm)을 형성하였다. 중합체가 상기 예비 가열 구간 및 가열 구간에서 평균 체류시간을 4.5 ~ 5.0 시간을 갖도록 한 후, 냉각용 자켓(26)에 의해 형성된 냉각 구간(길이: 1,500 mm)으로 연속해서 이동하도록 하였다. 이때, 반응기 내부의 압력은 5 torr　수준의 진공이 유지되도록 진공 부스터(vacuum booster)를 수공식 진공 펌프 앞에 설치한 진공 펌프 시스템(50)을 통해 진공 조건을 유지하였다. 또한, 상기 냉각 구간은 반응기(20)의 외벽과 일정한 간격이 떨어진 공간에 속이 빈 원형의 공기 공급 챔버(chamber)를 포함하는 냉각용 자켓(26)을 설치하고 외부로부터 유입한 상온의 공기를 챔버를 통해서 반응기(20) 외벽 표면으로 분사시키는 방법을 통해서 반응기 외벽과 내부의 중합체를 냉각시켰다. 또한, 상기 반응기(20)의 회전 속도(선단 속도)는 0.19 m/sec(6 RPM)이었다.

실시예 2

도 1 및 2의 횡형 반응기(20)로서, 내경이 600 mm, 축방향 길이가 7,000 mm인 원통의 횡형 회전식 가마 반응기를 사용하였으며, 투입구에 비해 배출구 쪽이 낮아지도록 0.2˚의 기울기를 갖도록 하였다. 예비 중합체로서, 고유점도(IV) 0.23 dL/g인 폴리카보네이트 수지의 저차원 중합체를 클로로포름에 일정농도로 ?인후 아세톤/메탄올의 혼합 비용매를 사용하여 결정화 시킨 평균입경 1.0mm의 　　분체를 사용하였다. 상기 예비 중합체를 피더(10)로서, 80℃의 열매체(hot oil)가 피더 외벽에 설치된 쟈켓(미도시)을 통해서 순환되고 있는 스크류형 피더(screw feeder)를 사용하여, 10 kg/hr의 일정 속도로 연속적으로 상기 횡형 반응기(20)에 공급하였다. 상기 반응기(20)는 반응기(20)의 외부 벽에 설치된 예비 가열용 자켓(22)을 통해서 200℃의 일정한 온도로 순환시켜 예비 가열 구간(길이: 1,500 mm)을 형성하였고, 가열용 자켓(24)을 통해 240℃의 열매체를 순환시켜 가열 구간(길이: 4,000 mm)을 형성하였다. 중합체가 상기 예비 가열 구간 및 가열 구간에서 평균 체류시간을 4.5 ~ 5.0 시간을 갖도록 한 후, 냉각용 자켓(26)에 의해 형성된 냉각 구간(길이: 1,500 mm)으로 연속해서 이동하도록 하였다. 이때, 반응기 내부의 압력은 5 torr　수준의 진공이 유지되도록 진공 부스터(vacuum booster)를 수공식 진공 펌프 앞에 설치한 진공 펌프 시스템(50)을 통해 진공 조건을 유지하였다. 또한, 상기 냉각 구간은 반응기(20)의 외벽과 일정한 간격이 떨어진 공간에 속이 빈 원형의 공기 공급 챔버(chamber)를 포함하는 냉각용 자켓(26)을 설치하고 외부로부터 유입한 상온의 공기를 챔버를 통해서 반응기(20) 외벽 표면으로 분사시키는 방법을 통해서 반응기 외벽과 내부의 중합체를 냉각시켰다. 또한, 상기 반응기(20)의 회전 속도(선단 속도)는 0.19 m/sec(6 RPM)이었다.

실시예 3

도 1 및 2의 횡형 반응기(20)로서, 내경이 600 mm, 축방향 길이가 7,000 mm인 원통의 횡형 회전식 가마 반응기를 사용하였으며, 투입구에 비해 배출구 쪽이 낮아지도록 0.2˚의 기울기를 갖도록 하였다. 예비 중합체로서, 평균 입자크기 2 mm 및 고유점도(IV) 0.30 dL/g인 입자형 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 저차원 중합체를 사용하였다. 상기 예비 중합체를 피더(10)로서, 80℃의 열매체(hot oil)가 피더 외벽에 설치된 쟈켓(미도시)을 통해서 순환되고 있는 스크류형 피더(screw feeder)를 사용하여, 10 kg/hr의 일정 속도로 연속적으로 상기 횡형 반응기(20)에 공급하였다. 상기 반응기(20)는 반응기(20)의 외부 벽에 설치된 예비 가열용 자켓(22)을 통해서 220℃의 일정한 온도로 순환시켜 예비 가열 구간(길이: 1,500 mm)을 형성하였고, 가열용 자켓(24)을 통해 260℃의 열매체를 순환시켜 가열 구간(길이: 4,000 mm)을 형성하였다. 중합체가 상기 예비 가열 구간 및 가열 구간에서 평균 체류시간을 4.5 ~ 5.0 시간을 갖도록 한 후, 냉각용 자켓(26)에 의해 형성된 냉각 구간(길이: 1,500 mm)으로 연속해서 이동하도록 하였다. 이때, 반응기 내부의 압력은 5 torr　수준의 진공이 유지되도록 진공 부스터(vacuum booster)를 수공식 진공 펌프 앞에 설치한 진공 펌프 시스템(50)을 통해 진공 조건을 유지하였다. 또한, 상기 냉각 구간은 반응기(20)의 외벽과 일정한 간격이 떨어진 공간에 속이 빈 원형의 공기 공급 챔버(chamber)를 포함하는 냉각용 자켓(26)을 설치하고 외부로부터 유입한 상온의 공기를 챔버를 통해서 반응기(20) 외벽 표면으로 분사시키는 방법을 통해서 반응기 외벽과 내부의 중합체를 냉각시켰다. 또한, 상기 반응기(20)의 회전 속도(선단 속도)는 0.19 m/sec(6 RPM)이었다.

실험예

고상중합이 완료된 폴리아미드의 고유점도, 색상 및 백색도를 측정하고, 반응 후, 반응기 내벽의 중합체 부착성을 확인하여 하기 표 1에 나타내었다.

물성 평가 방법

(1) 부착성 확인: 반응기 표면에 3 kg/cm²G 압력의 air로 blowing 후 표면 상태를 육안으로 확인하였다.

◎ : 부착성 거의 없음(air blowing 전 소량 부착되어있으나 air로 제거가능)

○ : Air blowing 후 부착이 소량 있으나 손으로 쉽게 제거가능

△ : Air로 blowing 후 부착이 있으며, 기구로 물리적인 힘을 가해 쉽게 제거가능 수준

× : Air로 blowing 후 부착이 있으며, 기구로 물리적인 힘을 가해도 쉽게 제거되지 않으며 solvent로 cleaning을 해야 제거되는 수준

(2) 고유 점도(IV) 측정: 황산 용액(98%)에 녹인 후, 25℃에서 우베로드(Ubbelodhde) 점도계를 사용하여 측정하였다.

(3) 색상 및 백색도 측정: 각각 3개의 샘플을 채취하여, 고체 시료 샘플 홀더에 담고, KONICA MINOLTA사의 CM-2600d Spectrophtometer를 사용하여 샘플 당 5회의 색상(SCI)(백색도(whiteness: L) 및 황색도(yellowness: b*))을 총 15회 측정하고 평균치를 계산하였다.

(4) 수평균분자량(Mn), 중량평균분자량(Mw) 및 다분산도(PDI) 측정: GPC(Gel Permeation Chromatography)를 사용하여 측정하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3
고유점도　(dL/g)	0.98	0.93	0.89
Mn (g/mol)	9.6k	12.1k	11.1k
Mw (g/mol)	32.6k	27.9k	23.3k
PDI	3.4	2.3	2.1
백색도(L)	90	92	93
황색도(b*)	6.72	5.42	4.71
부착성	○	○	○

상기 표 1의 결과로부터, 본 발명의 연속식 고상중합 장치를 사용하여 중합체를 고상중합할 경우, 불활성 가스 없이도, 상업적으로 의미있는 고유점도인 0.8 내지 1.2 dL/g를 갖는 중합체를 백색도 및 황색도 저하 없이 경제적으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (12)

1. 연속적으로 예비중합체를 투입하기 위한 피더;
   상기 피더에 제1 연결부를 통해 연결되어, 상기 피더로부터 예비중합체를 수용하여 고상중합이 수행되며, 반응기 자체가 회전하는 횡형 반응기;
   상기 횡형 반응기에 제2 연결부를 통해 연결되어, 상기 횡형 반응기로부터 배출된 고상중합이 완료된 중합체를 수용하고 배출하기 위한 챔버; 및
   상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부에서 기체 및 액체가 누출 및 유입되는 것을 방지하기 위한 자성유체씰(magnetic fluid seal)을 포함하며,
   상기 피더, 상기 횡형 반응기 및 상기 챔버는 진공 상태인 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 챔버에 진공 펌프가 연결되는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 피더에 진공 펌프가 더욱 연결되는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 횡형 반응기는 예비 가열 구간, 가열 구간, 및 냉각 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 연속식 고상중합 장치는,
   외부에서 예비중합체가 투입되고 상압을 유지하는 제1 호퍼; 및
   상기 제1 호퍼와 연결되어 상압에서 제1 호퍼로부터 배출되는 상기 예비중합체가 투입되고, 진공 상태에서 상기 피더로 상기 예비중합체를 투입하는 제2　호퍼를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 연속식 고상중합 장치는,　상기 챔버와 연결되어 진공 상태에서 상기 챔버로부터 배출되는 상기 중합체가 투입되고, 상압에서 외부로 상기 중합체를 배출하기 위한 제3 호퍼를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 예비중합체는 고유점도(IV)가 0.09 내지 0.49　dL/g인 중합체인 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 고상중합이 완료된 중합체는 고유점도(IV)가 0.5 내지 1.5 dL/g인 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 장치.
    
11. 제1항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 연속식 고상중합 장치를 사용하는 고상중합방법이며,
    상기 피더에 예비중합체를 투입하는 단계;
    투입된 예비중합체를 상기 횡형 반응기에서 고상중합시키는 단계; 및
    고상중합된 중합체를 상기 챔버로 배출하는 단계를 포함하며,
    상기 단계들은　연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 방법.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 고상중합은 0.1 내지 100 torr의 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연속식 고상중합 방법.

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