KR102259312B1 - 에틸렌 중합용 촉매의 제조 방법 - Google Patents

에틸렌 중합용 촉매의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌을 제조하는데 사용할 수 있는 이염화 마그네슘에 담지된 티타늄 고체 촉매의 제조방법에 관한 것이다. 사염화티타늄과 프탈레이트 화합물을 함유한 고체 촉매를 이용하여, 중합반응을 수행함으로써, 균일한 입도와 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌을 제조할 수 있다.

Description

에틸렌 중합용 촉매의 제조 방법{The preparation method of catalyst for ethylene polymerization}
본 발명은 마그네슘 담지 티타늄 고체 촉매 및 이를 이용한 초고분자량 폴리에틸렌의 제조방법에 관한 것으로서, 사염화 티타늄과 프탈레이트 화합물을 함유한 고체 촉매를 제조한 후 중합반응을 수행함으로써, 균일한 입도와 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌을 제조할 수 있는 방법이다.
초고분자량 폴리에틸렌은 무게평균분자량이 250,000 - 10,000,000 g/mol 인 폴리에틸렌을 의미하며, 범용 폴리에틸렌에 비해 분자량이 굉장히 크기 때문에 강성, 내마모성, 내화학성 및 전기적 물성 등이 뛰어난 특성을 가진다. 초고분자량 폴리에틸렌은 열가소성 엔지니어링 플라스틱 중에서 기계적 물성과 내마모성이 우수하기 때문에 기어, 베어링, 캠 등의 내마모성이 요구되는 기계부품에 사용되어 왔을 뿐만 아니라, 특히 내마모성과 더불어 충격강도와 생체친화도가 우수하여 인공관절의 재료로도 사용된다.
초고분자량 폴리에틸렌은 분자량이 매우 커서 용융상태에서의 흐름성이 거의 없어 파우더 형태로 생산 된다. 따라서 파우더의 입도 및 분포 그리고 겉보기 밀도가 매우 중요하다. 초고분자량 폴리에틸렌은 용융가공이 어려운 특성으로 인하여 적절한 용매에 용해시켜 가공하는 방법을 사용하는데, 입도가 큰 파우더는 용해특성이 저해될 수 있다. 또한 겉보기 밀도가 낮을 경우 파우더의 이송에 문제가 발생하기 때문에, 파우더의 입도 및 겉보기 밀도는 가공과정에서 생산성에 영향을 주는 중요한 요소로 작용한다.
마그네슘과 티타늄 화합물을 함유한 촉매 제조 및 이를 이용한 초고분자량 폴리에틸렌의 제조 방법은 여러 특허에서 보고되었다. 한국등록특허 제0822616호에서는 촉매 활성이 높고 입도 분포가 균일한 초고분자량 폴리올레핀 중합체를 제조할 수 있는 마그네슘, 티타늄 및 실란화합물을 포함하는 촉매의 제조 방법을 개시하였으나 겉보기 밀도 측면에서 개선의 여지가 있으며, 미국특허 제 4,962,167호에서는 마그네슘 할라이드 화합물, 티타늄알콕사이드, 알루미늄 할라이드 및 실리콘 알콕사이드 화합물을 반응시켜 초고분자량 폴리에틸렌 촉매 제조 방법이 보고되었으나, 촉매 활성과 겉보기 밀도가 상대적으로 낮은 특징이 있다. 미국특허 제 5,587,440에서는 티타늄 화합물을 유기알루미늄과 반응시켜 얻은 촉매를 사용하여 균일한 입도분포와 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌의 제조 방법을 개시하고 있으나, 촉매의 중합 활성이 낮은 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 초고분자량 폴리에틸렌의 요구 특성인 균일한 입도분포와 높은 겉보기 밀도를 충족시키면서 높은 중합 활성을 제공할 수 있는 초고분자량 폴리에틸렌용 촉매의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서는 중합 활성이 우수하면서 균일한 입도와 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌을 제공할 수 있는 촉매 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성할 수 있는 촉매의 제조방법은 다음 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
(1) 이염화 마그네슘 (MgCl2)을 알코올과 반응시켜 마그네슘 화합물 용액을 제조하는 단계;
(2) 상기 (1) 단계에서 제조된 마그네슘 화합물 용액에 사염화 티타늄과 반응시켜 전구체를 제조하는 단계;
(3) 상기 전구체를 사염화티타늄 및 하기 일반식 (I)로 표시되는 1종이상의 프탈레이트 화합물을 반응 시켜 촉매를 제조하는 단계
R1OOC(C6H4)COOR2 …… (I)
[R1, R2는 탄소원자 1 내지 10개의 알킬기이다.]
본 발명에서 사용한 마그네슘 화합물 용액은 이염화 마그네슘을 탄화수소 용매의 존재하에서 알코올을 사용하여 마그네슘 화합물 용액을 제조 할 수 있다.　　여기에 사용될 수 있는 탄화수소 용매의 종류로는 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 그리고 케로센과 같은 지방족 탄화수소, 시클로펜탄, 메틸시클로펜탄, 시클로헥산, 그리고 메틸시클로헥산과 같은 지환족 탄화수소, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠, 큐멘, 그리고 시멘과 같은 방향족 탄화수소, 디클로로프로판, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 사염화탄소, 그리고 클로로벤젠과 같은 할로겐화 탄화수소 등이 가능하다.　
상기 (1) 단계에서 마그네슘 화합물 용액을 준비하기 위해 사용되는 알코올은 특별히 한정되지는 않으나, 탄소수가 4~20 개인 알코올이 바람직하다.
본 발명의 중합 반응은 상기 방법에 의해 제조된 마그네슘 담지 티타늄 촉매와 주기율표 제 Ⅱ족 및 제 Ⅲ족 유기금속 화합물을 사용하여 수행된다.　
본 발명에서 폴리에틸렌 중합 시 조촉매로서 사용되는 유익한 유기금속 화합물은 MRn의 일반식으로 표기할 수 있는데, 여기에서 M은 마그네슘, 칼슘, 징크, 보론, 알루미늄, 갈륨과 같은 주기율표 Ⅱ족 또는 ⅢA족 금속 성분이며, R은 메틸, 에틸, 부틸, 헥실, 옥틸, 데실과 같은 탄소수 1 내지 20개의 알킬기를 나타내며, n은 금속 성분의 원자가를 표시한다. 보다 바람직한 유기금속 화합물로는 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄과 같은 탄소수 1개 내지 6개의 알킬기를 가진 트리알킬알루미늄과 이들의 혼합물이 유익하다. 경우에 따라서는 에틸알루미늄 디클로라이드, 디에틸알루미늄 클로라이드, 에틸알루미늄 세스퀴클로라이드, 디이소부틸알루미늄히드리드와 같은 한개 이상의 할로겐 또는 히드리드기를 유기알루미늄 화합물이 사용될 수 있다.
중합 반응은 유기용매 부재 하에서 기상 또는 벌크 중합이나 유기용매 존재하 에서 액상 슬러리 중합 방법으로 가능하다. 이들 중합법은 산소, 물, 그리고 촉매독으로 작용할 수 있는 기타 화합물의 부재 하에서 수행된다.
용제로는 펜탄, 헥산, 헵탄, n-옥탄, 이소옥탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산과 같은 알칸 또는 시클로알칸; 톨루엔, 자이렌, 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 에틸톨루엔, n-프로필벤젠, 디에틸벤젠과 같은 알킬아로마틱; 클로로벤젠, 클로로나프탈렌, 오소-디클로로벤젠과 같은 할로겐화 아로마틱; 그리고 이들의 혼합물이 중합열의 제거 및 높은 촉매 활성을 얻는데 유익하다.
본 발명은 중합 활성이 우수하면서 균일한 입도와 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌을 제공할 수 있는 촉매를 간단하면서도 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들 실시예들은 예시적인 목적일 뿐 본　발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
[초고분자량 폴리에틸렌 제조용 고체 촉매의 제조]
(1) 단계: 마그네슘 할라이드 알코올 부가물 (adduct) 용액 제조
기계식 교반기가 설치된 1L 반응기를 질소 분위기로 치환시킨 후 고체 이염화마그네슘 (MgCl2) 20g, 톨루엔 120ml, 노말부탄올 60ml를 투입하고 350 rpm으로 교반하였다. 온도를 1시간 동안 65℃로 승온시킨 후, 2시간 동안 유지하여 용매에 잘 녹아 있는 균일한 마그네슘 할라이드 알코올 부가물 용액을 얻었다.
(2) 단계: 마그네슘 할라이드 담체 제조
(1) 단계에서 제조된 용액의 온도를 20℃로 냉각한 후 TiCl4 20ml를 40분동안 천천히 주입하였다(0.5 ml/min). 그 이후 TiCl4 62.5 ml를 100분 동안 좀 더 빠르게 주입하였다(0.625 ml/min). 이 때 반응기의 온도가 25℃이상으로 올라가지 않도록 유의하여 온도를 유지 하였다. 주입이 완료되면 반응기의 온도를 1시간동안 60℃로 승온하고 추가적으로 1시간동안 유지 하였다. 모든 과정이 완료되면 반응기를 정치시켜 고체 성분을 완전히 가라앉혀 상등액을 제거한 후, 반응기 안의 고체 성분을 300ml의 톨루엔으로 1회 세척 및 침전 시켜 액상의 불순물을 완전히 제거하여 담체를 얻었다.
(3) 단계: 티타늄 및 diisobutyl phthalate가 담지된 촉매 제조
상기 담체에 톨루엔 200ml을 넣고 250 rpm으로 교반하면서 25℃를 유지하였다. 그 이후 TiCl4 27 ml를 한번에 주입하고 1시간동안 유지하여 1차 반응을 시켰다. 이후 diisobutyl phthalate 36.2 mmol을 주입한 후 반응기 온도를 60℃로 승온한 후 1시간 동안 유지하여 TiCl4와 담체사이의 2차 반응을 시켰다. 모든 과정이 완료되면 반응기를 정치시켜 고체 성분을 완전히 가라앉힌 후 상등액을 제거하였다. 제조된 고체 촉매는 헥산 200ml로 6회 세척 및 침전하여 불순물을 제거하였다.
[초고분자량 폴리에틸렌 중합]
2 리터 용량의 배치 반응기를 질소와 진공을 교대로 3회 조작하여 반응기 안을 질소 분위기를 조성했다. 헥산 1000ml를 반응기에 주입한 후, 트리에틸알루미늄 1밀리몰과 고체 촉매를 티타늄 원자 기준으로 0.005밀리몰을 주입하였다. 수소를 9 psi주입 한 후, 700rpm으로 교반시키면서 반응기의 온도를 80℃로 올리고 에틸렌 압력을 120 psig로 조정한 후, 90분 동안 슬러리 중합을 실시하였다. 중합이 끝나면 반응기의 온도를 상온으로 내리고 중합체를 포함한 헥산 슬러리를 필터 및 건조하여 백색 분말의 중합체를 얻었다.
중합 활성 (kg-PE/g-촉매)은 사용한 촉매량당 생성된 중합체의 무게비로 계산하였다. 중합체의 입자 크기 분포도는 레이저 입자 분석기(Mastersizer X, Malvern Instruments)를 이용하여 측정하였고, 결과는 평균입자 크기는 D(v,0.5)로, 입자크기 분포는 (D(v,0.9)-D(v,0.1))/D(v,0.5)로 나타내었다. 여기서 D(v,0.5)는 50%의 샘플이 나타내는 입자 크기를 나타내며, 　D(v,0.9)와 D(v,0.1)는 각각 90%와 10%의 샘플이 나타내는 입자 크기를 표시한다. 분포의 숫자가 작을수록 분포가 좁음을 의미한다. 중합체의 Mw(무게 평균 분자량) 및 분자량 분포 (Mw/Mn)은 겔투과크로마토그래피를 통해 측정 및 분석하였다. 중합 결과는 중합체의 겉보기 밀도(g/ml)와 함께 표 1에 나타내었다.
실시예 2
실시예 1에서 diisobutyl phthalate 대신에 dimethyl phthalate 36.2 mmol로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 3
실시예 1에서 diisobutyl phthalate 대신에 diethyl phthalate 36.2 mmol로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 1
실시예 1에서 diisobutyl phhtlate 대신에 ethyl benzoate 36.2 mmol로 를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 2
실시예 1에서 diisobutyl phthalate를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 3
(1) 단계: 마그네슘 할라이드 알코올 부가물 (adduct) 용액 제조
기계식 교반기가 설치된 1L 반응기를 질소 분위기로 치환시킨 후 고체 이염화마그네슘 (MgCl2) 20g, 톨루엔 120ml, 테트라하이드로퓨란 20ml 및 노말부탄올 40ml를 투입하고 350 rpm으로 교반하였다. 온도를 1시간 동안 65℃로 승온시킨 후, 2시간 동안 유지하여 용매에 잘 녹아 있는 균일한 마그네슘 할라이드 알코올 부가물 용액을 얻었다.
(2) 단계: 마그네슘 할라이드 담체 제조
(1) 단계에서 제조된 용액의 온도를 20℃로 냉각한 후 TiCl4 20ml를 40분동안 천천히 주입하였다(0.5 ml/min). 그 이후 TiCl4 62.5 ml를 100분 동안 좀 더 빠르게 주입하였다(0.625 ml/min). 이 때 반응기의 온도가 25℃이상으로 올라가지 않도록 유의하여 온도를 유지 하였다. 주입이 완료되면 반응기의 온도를 1시간 동안 60℃로 승온하고 추가적으로 1시간 동안 유지 하였다. 모든 과정이 완료되면 반응기를 정치시켜 고체 성분을 완전히 가라앉혀 상등액을 제거한 후, 반응기 안의 고체 성분을 300ml의 톨루엔으로 1회 세척 및 침전 시켜 액상의 불순물을 완전히 제거하여 담체를 얻었다.
(3) 단계: 티타늄 및 diisobutyl phthalate가 담지된 촉매 제조
상기 담체에 톨루엔 200ml을 넣고 250 rpm으로 교반하면서 25℃를 유지하였다. 그 이후 TiCl4 27 ml를 한번에 주입하고 1시간 동안 유지하여 1차 반응을 시켰다. 이후 diisobutyl phthalate 36.2 mmol을 주입한 후 반응기 온도를 60℃로 승온한 후 1시간 동안 유지하여 TiCl4와 담체사이의 2차 반응을 시켰다. 모든 과정이 완료되면 반응기를 정치시켜 고체 성분을 완전히 가라앉힌 후 상등액을 제거하였다. 제조된 고체 촉매는 헥산 200ml로 6회 세척 및 침전하여 불순물을 제거하였다.
[초고분자량 폴리에틸렌 중합]
2 리터 용량의 배치 반응기를 질소와 진공을 교대로 3회 조작하여 반응기 안을 질소 분위기를 조성했다. 헥산 1000ml를 반응기에 주입한 후, 트리에틸알루미늄 1밀리몰과 고체 촉매를 티타늄 원자 기준으로 0.005밀리몰을 주입하였다. 수소를 9 psi주입 한 후, 700rpm으로 교반시키면서 반응기의 온도를 80℃로 올리고 에틸렌 압력을 120 psig로 조정한 후, 90분 동안 슬러리 중합을 실시하였다. 중합이 끝나면 반응기의 온도를 상온으로 내리고 중합체를 포함한 헥산 슬러리를 필터 및 건조하여 백색 분말의 중합체를 얻었다.
중합 활성 (kg-PE/g-촉매)은 사용한 촉매량당 생성된 중합체의 무게비로 계산하였다. 중합체의 입자 크기 분포도는 레이저 입자 분석기(Mastersizer X, Malvern Instruments)를 이용하여 측정하였고, 결과는 평균입자 크기는 D(v,0.5)로, 입자크기 분포는 (D(v,0.9)-D(v,0.1))/D(v,0.5)로 나타내었다. 여기서 D(v,0.5)는 50%의 샘플이 나타내는 입자 크기를 나타내며, D(v,0.9)와 D(v,0.1)는 각각 90%와 10%의 샘플이 나타내는 입자 크기를 표시한다. 분포의 숫자가 작을수록 분포가 좁음을 의미한다. 중합체의 Mw(무게 평균 분자량) 및 분자량 분포 (Mw/Mn)은 겔투과크로마토그래피를 통해 측정 및 분석하였다. 중합 결과는 중합체의 겉보기 밀도(g/ml)와 함께 표 1에 나타내었다.
Figure 112019133521414-pat00001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 ~ 3의 방법으로 제조된 촉매는 중합 활성이 우수하면서 균일한 입도와 매우 높은 겉보기 밀도를 가지는 초고분자량 폴리에틸렌을 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 다음 단계를 포함하여 무게평균분자량이 250,000~10,000,000g/mol이고, 겉보기 밀도가 0.42g/ml 이상인 초고분자량 폴리에틸렌을 제조하는 것을 특징으로 하는 초고분자량 폴리에틸렌 제조용 촉매의 제조 방법:
    (1) 탄화수소 용매의 존재하에서 이염화마그네슘 (MgCl2)을 알코올로만 반응시켜 마그네슘 화합물 용액을 제조하는 단계;
    (2) 상기 (1) 단계에서 제조된 마그네슘 화합물 용액에 사염화티타늄과 반응시켜 전구체를 제조하는 단계;
    (3) 상기 전구체를 사염화티타늄 및 프탈레이트 화합물과 반응시켜 촉매를 제조하는 단계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 알코올은 탄소수가 2~10인 1차 알코올인 것을 특징으로 하는 초고분자량 폴리에틸렌 제조용 촉매의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 프탈레이트 화합물은 하기 일반식 (I)로 표현되는 1종이상의 프탈레이트 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 초고분자량 폴리에틸렌 제조용 촉매의 제조방법:
    R1OOC(C6H4)COOR2 …… (I)
    [R1 및 R2는 탄소원자 1내지 10개의 알킬기이다.]
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