KR102377332B1 - 개환반응을 통한 락톤계 중합체 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개환반응을 통한 락톤계 중합체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 바이오매스에서 유래 가능한 발리로 락톤계 화합물을 활용하여 내후성과 내오염성이 우수한 락톤계 중합체를 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 락톤계 중합체는 분체도료화에 적용하여 액체도료에 비해 작업성, 내칩성(chipping)이 좋고, 가격 및 보관비용을 절감할 수 있어 가전제품, 배관, 자동차 코팅제 등에 사용할 수 있다.
Description
본 발명은 개환반응을 통한 락톤계 중합체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바이오매스에서 유래 가능한 발리로 락톤(valerolactone)계 화합물을 활용하여 내후성과 내오염성이 우수한 폴리에스터계 분체용 고분자 소재에 관한 것이다.
각종 산업 및 가정에서 심미적 효과와 제품의 마감을 향상시키기 위해 폭 넓게 사용되고 있는 도료는 액상으로 각종 용제 및 희석제를 포함하고 있다. 그러나 최근 국내외적으로 상기 용제 및 희석제에 의해 발생하는 환경오염에 대한 관심이 증가하고 있으며, 유독성을 가진 휘발성 유기화합물에 대한 규제가 법규화되어 친환경 제품에 대한 요구가 증가하고 있다.
분체도료는 일반도료에서 사용되는 유기용제, 반응성 단량체 및 물 등의 용매를 함유하지 않으며 필요에 따라 적절한 안료, 경화제 등을 배합하여 균일하게 용융 및 혼합시킨 분사체를 냉각한 다음 일정한 범위의 입도로 분쇄시켜 규정된 범위의 입도만으로 구성된 분말상의 도료를 의미한다.
유기용제를 전혀 사용하지 않는 친환경 도료인 분체도료는 건축, 가전 및 자동차 산업 등 다양한 산업 등에 많이 사용되고 있다. 특히 해외시장을 중심으로 바이오 수지를 사용한 분체도료 수요가 증가하고 있으나, 국내는 기술 개발이 초기단계이며 사용되는 바이오 수지는 전량 수입에 의존하고 있다.
DSM과 Roquette사는 공동연구체제를 구축하고 전분으로부터 출발하여 소비톨을 거쳐 아이소소바이드로 가는 공정과 글루코스를 거쳐 숙신산과 부탄다이올로 가는 제조 공정을 확보하여 Polybutylene succinate(PBS)와 Polyisosorbide succinate(PIS) 생산기술을 확보하였다고 보고하였으며 (Biovision, Lyon, 8 March 2009, DSM) 특히, PIS는 분체도료에 적용 가능성이 높다고 보고하였다.
원료 개발 및 응용 연구가 선진국 중심으로 이루어지고 있으므로 국내도 시급히 기술 개발 및 조기 사업화를 통해 기술 의존도를 줄여야 한다.
본 발명의 목적은 원료개발이 미흡한 국내 상황을 고려하여 바이오매스에서 유래 가능한 발리로 락톤(valerolactone)계 화합물을 활용하여 내후성과 내오염성이 우수한 폴리에스터계 분체용 고분자 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 구조식 1로 표시되는 락톤계 중합체가 제공된다.
[구조식 1]
구조식 1에서,
Y은 각각 독립적으로 
, 
, 
, 또는 
이고,
q는 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이고,
X는 각각 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기이고,
R1은 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R3는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C3의 알킬기이고,
Z는 각각 독립적으로 
, 
, 또는 
이고,
n1, n2, m1, 및 m2는 각각 독립적으로 반복단위의 반복수이고,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량은 3,000 내지 1,000,000이다.
또한 n1의 반복단위와 n2의 반복단위는 서로 교대로 결합할 수 있다.
또한 n2의 반복단위는 디올로 결합된 이중블록공중합체일 수 있다.
또한 상기 락톤계 중합체의 수평균분자량이 4,000 내지 500,000일 수 있다.
또한 상기 락톤계 중합체의 수평균분자량이 4,000 내지 200,000일 수 있다.
또한 상기 락톤계 중합체가 바이오매스에서 유래된 락톤으로부터 제조될 수 있다.
또한 상기 락톤이 
, 
, 
, 
, 
, 
또는 
중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 락톤계 중합체를 포함하는 분체도료가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 구조식 2로 표시되는 락톤과 구조식 3으로 표시되는 디올을 반응시켜 구조식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계; 및 (b) 구조식 4로 표시되는 화합물을 구조식 5로 표시되는 화합물과 반응시켜 구조식 1로 표시되는 락톤계 중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 락톤계 중합체의 제조방법이 제공된다.
[반응식]
반응식에서,
Y은 각각 독립적으로 
, 
, 
, 또는 
이고,
q는 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이고,
X는 각각 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기이고,
R1은 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R3는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C3의 알킬기이고,
Z는 각각 독립적으로 
, 
, 또는 
이고,
n1, n2, m1, 및 m2는 각각 독립적으로 반복단위의 반복수이고,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량은 3,000 내지 1,000,000이다.
또한 n1의 반복단위와 n2의 반복단위는 서로 교대로 결합할 수 있다.
또한 n2의 반복단위는 디올로 결합된 이중블록공중합체일 수 있다.
또한 상기 단계 (a)에서 촉매가 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,8-diazabicycloundec7-ene(DBU), 2-tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl perhydro-1,3,2-diazaphosphorine (BEMP), N'-tert-butylN,N,N′',N',N'',N''-hexamethylphosphorimidic triamide (P1-tBu) 및 N-methyl TBD (MTBD) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한 상기 단계 (b)에서 촉매가 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,8-diazabicycloundec7-ene(DBU), 2-tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl perhydro-1,3,2-diazaphosphorine (BEMP), dialkylaminopyridine (DMAP), N'-tert-butylN,N,N′',N',N'',N''-hexamethylphosphorimidic triamide (P1-tBu), trifluoromethanesulfonic acid (HOTf), methyl triflate (MeOTf), diphenylammonium triflate (DPAT), 및 N-methyl TBD (MTBD) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명은 바이오매스에서 유래 가능한 발리로 락톤계 화합물을 활용하여 내후성과 내오염성이 우수한 락톤계 중합체를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 락톤계 중합체는 분체도료화에 적용하여 액체도료에 비해 작업성, 내칩성(chipping)이 좋고, 가격 및 보관비용을 절감할 수 있어 가전제품, 배관, 자동차 코팅제 등에 사용할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 반응 (a) 전 후 NMR 데이터를 비교한 그래프이다
도 2는 실시예 1의 반응 (a) 후 수 평균 분자량 (Mn) 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 반응 (a) 후 Tm 을 포함한 열적 거동을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1의 반응 (a) 후 수 평균 분자량 (Mn) 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 반응 (a) 후 Tm 을 포함한 열적 거동을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 "다른 구성요소 상에", " 다른 구성요소 상에 형성되어" 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 구조식 1로 표시되는 락톤계 중합체를 제공한다.
[구조식 1]
구조식 1에서,
Y은 각각 독립적으로 
, 
, 
, 또는 
이고,
q는 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이고,
X는 각각 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기이고,
R1은 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R3는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C3의 알킬기이고,
Z는 각각 독립적으로 
, 
, 또는 
이고,
n1, n2, m1, 및 m2는 각각 독립적으로 반복단위의 반복수이고,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량은 3,000 내지 1,000,000이며, 바람직하게는 4,000 내지 500,000일 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 4,000 내지 200,000일 수 있다.
n1의 반복단위와 n2의 반복단위는 서로 교대로 결합할 수 있다.
n2의 반복단위는 디올로 결합된 이중블록공중합체일 수 있다.
상기 락톤계 중합체가 바이오매스에서 유래된 락톤으로부터 제조될 수 있다.
상기 락톤이 
, 
, 
, 
, 
, 
또는 
중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 
을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 락톤계 중합체를 포함하는 분체도료를 제공한다.
이하, 하기 반응식을 통해 본 발명의 락톤계 중합체의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 구조식 2로 표시되는 락톤과 구조식 3으로 표시되는
디올을
반응시켜 구조식 4로 표시되는 화합물을 제조한다(단계 a).
단계 (a)에서 사용되는 촉매는 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,8-diazabicycloundec7-ene(DBU), 2-tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl perhydro-1,3,2-diazaphosphorine (BEMP), N'-tert-butylN,N,N′',N',N'',N''-hexamethylphosphorimidic triamide (P1-tBu) 및 N-methyl TBD (MTBD) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD)일 수 있다.
다음으로, 구조식 4로 표시되는 화합물을 구조식 5로 표시되는 화합물과 반응시켜 구조식 1로 표시되는 락톤계 중합체를 제조한다(단계 b).
단계 (b)에서 사용되는 촉매는 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,8-diazabicycloundec7-ene(DBU), 2-tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl perhydro-1,3,2-diazaphosphorine (BEMP), dialkylaminopyridine (DMAP), N'-tert-butylN,N,N′',N',N'',N''-hexamethylphosphorimidic triamide (P1-tBu), trifluoromethanesulfonic acid (HOTf), methyl triflate (MeOTf), diphenylammonium triflate (DPAT), 및 N-methyl TBD (MTBD) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
[반응식]
반응식에서,
Y은 각각 독립적으로 
, 
, 
, 또는 
이고,
q는 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이고,
X는 각각 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기이고,
R1은 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R3는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C3의 알킬기이고,
Z는 각각 독립적으로 
, 
, 또는 
이고,
n1, n2, m1, 및 m2는 각각 독립적으로 반복단위의 반복수이고,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량은 3,000 내지 1,000,000이다.
n1의 반복단위와 n2의 반복단위는 서로 교대로 결합할 수 있다.
n2의 반복단위는 디올로 결합된 이중블록공중합체일 수 있다.
[
실시예
]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[반응식]
| X | R1 | R2 | Y | Z | R3 | |
| 실시예1 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 실시예2 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 실시예3 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 실시예4 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 실시예5 | none |
 |
 |
 |
 |
 |
실시예 1: 발리로 락톤을 이용한 락톤계 중합체 제조
상기 반응식과 표 1을 참고하여 설명하면 발리로 락톤을 이용한 락톤계 중합체의 제조방법은 아래와 같다.
2구 50ml 둥근 플라스크에 델타-발리로락톤(δ-Valerolactone)(2)과 TBD 촉매(cat 1)를 넣고, 질소(N2) 풍선을 연결하였다. 교반하면서 천천히 1,3-프로판디올(1,3-Propandiol)(3)을 넣어주고 실온에서 24시간 동안 교반하여 락톤계 화합물 (4)을 제조하였다(반응 (a)).
락톤계 화합물(4)에 succinic acid(5)와 TBD 촉매(cat 2)를 첨가하여 락톤계 중합체(1)을 제조하였다(반응 (b)).
하기 표 2는 반응 (a)의 조건 및 평균 분자량을 나타냈으며, 도 2는 반응 (a) 후 수 평균 분자량(Mn) 분포도를 나타낸 그래프이다.
| δ-VL (mmol) |
Diol (mmol) |
TBD (mol%) |
Mn (No.) |
Mw (No.) |
PDI | |
| 락톤계 화합물 (PDO) |
25 | 0.2 | 0.75 | 14,265 | 30,244 | 2.12 |
실시예 2 내지 실시예 5
표 1과 같은 합성원료와 조건으로 실시예 1과 같은 방법으로 실시예 2 내지 5의 락톤계 중합체를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: NMR 데이터 분석
도 1은 실시예 1의 반응 (a) 전 후 NMR 데이터를 비교한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 락톤계 화합물이 제조된 것을 확인할 수 있었다.
시험예 2: 열적 거동 분석
도 3은 실시예 1의 반응 (a) 후 녹는점(Tm)을 포함한 열적 거동을 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 락톤계 화합물이 결정구조임을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (13)
- 분체 도료에 사용하기 위한 것이고, 구조식 1로 표시되는 락톤계 중합체:
[구조식 1]
구조식 1에서,
Y은 각각 독립적으로,
,
, 또는
이고,
q는 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이고,
X는 각각 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기이고,
R1은 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R3는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C3의 알킬기이고,
Z는 각각 독립적으로 C2의 알킬렌기이고,
n1, n2, m1, 및 m2는 각각 독립적으로 반복단위의 반복수이고,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량은 3,000 내지 1,000,000이다. - 제1항에 있어서,
n1의 반복단위와 n2의 반복단위는 서로 교대로 결합하는 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량이 4,000 내지 500,000인 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체. - 제1항에 있어서,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량이 4,000 내지 200,000인 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체. - 제1항에 있어서,
상기 락톤계 중합체가 바이오매스에서 유래된 락톤으로부터 제조된 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체. - 제6항에 있어서,
상기 락톤이,
,
,
,
,
또는
중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체.
- 제1항의 락톤계 중합체를 포함하는 분체도료.
- (a) 구조식 2로 표시되는 락톤과 구조식 3으로 표시되는 디올을 촉매 존재 하에 반응시켜 구조식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계; 및
(b) 구조식 4로 표시되는 화합물을 구조식 5로 표시되는 화합물과 촉매 존재 하에 반응시켜 구조식 1로 표시되는 락톤계 중합체를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 락톤계 중합체는 분체 도료에 사용하기 위한 것인, 락톤계 중합체의 제조방법:
[반응식]
반응식에서,
Y은 각각 독립적으로,
,
, 또는
이고,
q는 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이고,
X는 각각 독립적으로 C1-C3의 알킬렌기이고,
R1은 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C9의 알킬기이고,
R3는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C3의 알킬기이고,
Z는 각각 독립적으로 C2의 알킬렌기이고,
n1, n2, m1, 및 m2는 각각 독립적으로 반복단위의 반복수이고,
상기 락톤계 중합체의 수평균분자량은 3,000 내지 1,000,000이다. - 제9항에 있어서,
n1의 반복단위와 n2의 반복단위는 서로 교대로 결합하는 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체의 제조방법. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 촉매가 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,8-diazabicycloundec7-ene(DBU), 2-tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl perhydro-1,3,2-diazaphosphorine (BEMP), N'-tert-butylN,N,N′',N',N'',N''-hexamethylphosphorimidic triamide (P1-tBu) 및 N-methyl TBD (MTBD) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 촉매가 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,8-diazabicycloundec7-ene(DBU), 2-tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl perhydro-1,3,2-diazaphosphorine (BEMP), dialkylaminopyridine (DMAP), N'-tert-butylN,N,N′',N',N'',N''-hexamethylphosphorimidic triamide (P1-tBu), trifluoromethanesulfonic acid (HOTf), methyl triflate (MeOTf), diphenylammonium triflate (DPAT) 및 N-methyl TBD (MTBD) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 락톤계 중합체의 제조방법.
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