KR102456365B1 - 이민형 4급 암모늄염 촉매, 그의 제조방법 및 폴리이소시아네이트 조성물의 제조를 위한 그의 용도 - Google Patents

이민형 4급 암모늄염 촉매, 그의 제조방법 및 폴리이소시아네이트 조성물의 제조를 위한 그의 용도 Download PDF

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Abstract

하기 화학식 I에 나타낸 일반 구조식을 갖는 이민형 4급 암모늄염 촉매가 개시된다.
Figure 112020048193359-pct00011

상기 화학식에서, R1 및 R2는 독립적으로 선형 C1-C20 알킬 또는 분지형 C3-C20 알킬 및 C1-C20 하이드록시알킬, C3-C8 사이클로알킬 및 아릴화 알킬로부터 독립적으로 선택되고;
R3은 선형 또는 분지형 알킬, 사이클로알킬 또는 아릴이고;
R4는 수소, 아릴, 선형 C1-C15 알킬 또는 분지형 C3-C15 알킬이다.
또한, 상기 촉매의 제조방법 및 이로부터 제조된 폴리이소시아네이트 조성물이 개시된다. 상기 촉매는 높은 촉매 활성을 보장하는 것에 기초하여 이민 구조를 도입함으로써 고온 분해 및 불활성화 특성을 가질 수 있고, 폴리이소시아네이트의 합성에 적용될 때에 통제되지 않은 반응에 의해 야기되는 폭발성 중합의 위험을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

이민형 4급 암모늄염 촉매, 그의 제조방법 및 폴리이소시아네이트 조성물의 제조를 위한 그의 용도
본 발명은 폴리이소시아네이트의 제조 분야, 구체적으로 폴리이소시아네이트 조성물을 제조하기 위한 이민형 4급 암모늄염 촉매(immine-type quatenary ammoium salt catalyst), 상기 촉매의 제조방법 및 상기 촉매를 사용하여 제조된 폴리이소시아네이트에 관한 것이다.
지방족 디이소시아네이트 화합물은 황변 방지 코팅 및 페인트의 합성에서 대체할 수 없는 장점을 가지며, 코팅 산업에서 널리 사용된다. 그러나, 단량체 지방족 이소시아네이트는 저 증기압의 적용에 대해 더 큰 제한을 가지므로, 가공 과정에서 생물학적 내성을 증가시키고 우수한 성능을 갖는 생성물을 추가로 수득하기 위하여, 이들을 폴리이소시아네이트로 개질하는 것이 보다 일반적이다.
이소시아네이트는 높은 열 안정성, 강한 내방사성, 낮은 점도 및 높은 가교 밀도를 갖기 때문에, 이소시아네이트의 자기 중합반응(self-polymerization)은 과거에 널리 연구되어 왔다. 이 연구는 산업화 과정에서 첨가제의 양을 효과적으로 감소시켜, 고품질의 폴리이소시아네이트 제품을 얻을 수 있는 촉매의 효율적인 구조 형태를 찾는 방법에 중점을 두고 있다.
이소시아네이트 자기 중합반응에 사용되는 촉매는 일반적으로 하기와 같은 구조적 특성을 갖는다:
Mn+R5N-
상기 양이온 형태는 알칼리 금속 이온, 알칼리 토금속 이온, 및 코어로서 N 및 P를 가지며, 하기와 같은 특성을 갖는 이온기 구조를 포함할 수 있다:
Mn+ = [R1R2R3Z+R4], n=1
여기서, R1, R2, R3 및 R4는 동일하거나 상이하고, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 치환된 알킬, 예를 들어 US673062, US6800714 및 US7001973에서 임의로 선택되고, R1은 벤젠 유도체 구조를 함유하고, R2 및 R3은 알킬 또는 치환된 알킬 또는 사이클로알킬이고, R4는 알킬 또는 사이클로알킬 또는 알콕시이며, 생성물을 효율적으로 합성할 수 있다. 그러나, 그의 색수(color number)의 제어는 여전히 낮은 색수의 폴리이소시아네이트 화합물에 대한 산업 생산 요건을 충족시킬 수 없음을 지적하여야 한다. US5489663은 또한 이상적인 색상 조절 효과를 얻기 위해 양이온에 다양한 디자인을 사용하지만, 촉매를 위한 디자인은 반응 활성을 낮추고 반응 온도 제어를 높여야 하며, 온도 제어가 낮으면 반응 시간이 두 배가 된다.
4차 암모늄염에서 일반적으로 사용되는 음이온은 R5COO-, OH-, F-이며, 이상적인 구조를 갖는 삼량체 구조를 얻을 수 있다. 예를 들어 US5124427은 OH-, F-인 음이온 디자인을 채택하고, 생성물의 색수는 40-80 사이에서 제어된다.
특허 CN101927184는 4급 암모늄/포스핀염이 약 염기성 질소-함유 화합물의 6 원 헤테로 사이클릭 화합물을 갖는 화합물로 사용될 때, 우수한 품질을 갖는 밝은 색상의 폴리이소시아네이트 화합물이 효율적으로 제조될 수 있음을 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허에 보고된 모든 제조 공정은 올리고머화 단계에서 종결된 후, 모노머가 제거되어 적격의 샘플을 얻는다는 것이 지적되어야 한다. 공정 안전의 관점에서 볼 때, 이 반응은 잠재적이고 막대한 열 누적 효과를 갖는다. 일단 공정 제어가 통제를 벗어나면 막대한 경제적 손실이 발생하고, 직원 안전이 위협받을 수 있다.
본 발명의 목적 중 하나는 촉매의 설계로부터 출발하여 이민 구조를 도입함으로써, 상기 촉매가 높은 촉매 활성을 보장하는 것에 기초하여 고온 분해 및 불활성화 특성을 갖도록 허용되고, 또한 폴리이소시아네이트의 합성에 사용될 때, 제어되지 않은 반응에 의해 야기되는 폭발성 중합의 위험을 효과적으로 방지할 수 있는 이민형 4급 암모늄 염형 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이민형 4급 암모늄염형 촉매의 제조방법을 제공하는 데 있으며, 상기 제조된 촉매는 폴리이소시아네이트의 합성에서 제어되지 않은 반응에 의해 발생하는 폭발성 중합의 위험을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 촉매를 사용하여 제조된 폴리이소시아네이트 조성물을 제공하는 것이다.
상기 언급된 목적의 일 양태를 달성하기 위하여, 본 발명에 의해 제공되는 이민형 4급 암모늄염형 촉매는 하기의 기술적 해결수단을 채택한다 :
이민형 4급 암모늄염 촉매로서,
상기 촉매는 하기 화학식 I에 나타낸 일반 구조식을 갖는다:
Figure 112020048193359-pct00001
화학식에서, R1 및 R2는 선형 C1-C20(예를 들어, C3, C5, C8, C10, C12 또는 C15) 알킬 또는 분지형 C3-C20(예를 들어, C5, C8, C10, C12 또는 C15)으로부터 독립적으로 선택된다) 알킬 및 C1-C20(예를 들어, C3, C5, C8, C10, C12 또는 C15) 하이드록실 알킬(하이드록시알킬로도 알려짐), C3-C8(예를 들어, C4 또는 C6) 사이클로알킬 및 아릴화 알킬;
R3은 선형 또는 분지형 알킬, 사이클로알킬 또는 아릴이고; 예를 들어 선형 C1-C13 알킬(예를 들어, 선형 C1, C3, C7, C9 또는 C13 알킬) 또는 분지형 C3-C15 알킬(분지형 C5, C8, C10, C12 또는 C15 알킬), 또는 C3-C8 사이클로알킬(C4, C5 또는 C6과 같은) 또는 아릴, 예를 들어, 페닐, 펜메틸;
R4는 수소, 아릴, 선형 C1-C15(예를 들어, C3, C5, C8, C10 또는 C12) 알킬 또는 분지형 C3-C15(예를 들어, C5, C8, C10 또는 C12) 알킬이다.
상기 언급된 목적의 다른 측면을 달성하기 위하여, 본 발명에 의해 제공되는 이민형 4급 암모늄염형 촉매의 제조방법은 하기의 기술적 해결수단을 채택한다:
하기 단계를 포함하는 이민형 4급 암모늄염 촉매의 제조방법:
(1) 빙수조 조건하에서 트리메틸클로로실란을 이치환된 2차 아민에 점진적으로 첨가한 후, 실온으로 회복시켜 반응을 계속한 다음, 빙수를 반응용액에 첨가하여 반응을 종료시킨 후, 분리하여 중간 생성물 a를 수득하는 단계;
Figure 112020048193359-pct00002
(2) 빙수조 조건 하에서 트리메틸클로로실란을 카르복실산에 점진적으로 첨가한 후, 실온으로 회복시켜 반응을 계속한 다음, 빙수를 반응용액에 첨가하여 반응을 종료시킨 후, 분리하여 중간 생성물 b를 수득하는 단계;
Figure 112020048193359-pct00003
(3) 상기 분리된 중간 생성물 a, 상기 중간 생성물 b 및 디메틸 아세탈을 알코올 용매에 용해시키고, 50-80℃에서 반응시킨 후, 선택적으로 알코올 용매의 일부를 제거하여, 목표 농도의 이민형 4급 암모늄염 촉매를 함유하는 알코올 용액을 수득하는 단계;
Figure 112020048193359-pct00004
바람직하게는, 상기 이민형 4급 암모늄염 촉매는 상기 화학식 I에 나타낸 바와 같은 일반 구조식을 갖는다.
여기서, "선택적으로 제거하는"은 제거하거나 제거하지 않는 것을 의미하며, 통상의 기술자는 이것이 촉매의 목표 농도에 따라 실제로 결정될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 촉매의 제조방법에 따르면, 바람직하게는 상기 단계 (1)에서, 트리메틸클로로실란의 몰량은 이차 아민의 몰량 이상, 바람직하게는 이차 아민 몰량의 1-1.2 배이다; 일 구체예에서, 중간 생성물은 추출에 의해, 예를 들어 추출제로 추출한 후, 건조 및 증류에 의한 분리하여 중간 생성물 a를 수득할 수 있고; 상기 추출제는 바람직하게는 디클로로메탄, 에틸아세테이트, 클로로포름 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 건조 처리는 바람직하게는 무수 황산나트륨 및/또는 무수 황산마그네슘과 같은 건조제를 첨가하여 수행된다.
본 발명의 촉매의 제조방법에 따르면, 바람직하게는, 상기 단계 (1)에서의 반응은 실온으로 회복한 후 및 종료하기 전에 0.5-2 시간, 예컨대 1 또는 1.5 시간 동안 계속되도록 제어된다.
본 발명의 촉매의 제조방법에 따르면, 바람직하게는 상기 단계 (2)에서, 트리메틸클로로실란의 몰량은 카르복실산의 몰량 이상, 바람직하게는 카르복실산 몰비의 1 내지 1.2 배이다; 일 구체예에서, 중간 생성물은 추출에 의해, 예를 들어 추출제로 추출한 후, 건조 및 증류에 의한 분리를 하여 중간 생성물 b를 수득할 수 있다; 추출제는 바람직하게는 디클로로메탄, 에틸아세테이트, 클로로포름 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 건조 처리는 바람직하게는 무수 황산나트륨 및/또는 무수 황산마그네슘과 같은 건조제를 첨가하여 수행된다.
본 발명의 촉매의 제조방법에 따르면, 바람직하게는, 상기 단계 (2)의 반응은 실온으로 회복한 후 종료하기 전에 0.5-1 시간 동안 계속되도록 제어된다.
본 발명의 촉매의 제조방법에 따르면, 바람직하게는 상기 단계 (3)에서 상기 중간 생성물 a, 상기 중간 생성물 b 및 디메틸 아세탈이 실질적으로 동 몰량으로 공급되고; 본 발명에서, "실질적으로 등 몰량"은 3 가지 물질 중 임의의 2개의 공급 몰량 사이의 차이가 이들 중 더 작은 것의 10%, 바람직하게는 5%, 보다 바람직하게는 2%를 초과하지 않는 것을 의미한다.
본 발명의 촉매의 제조방법에 따르면, 상기 단계 (3)에서의 반응은 바람직하게는, 50-80℃, 예컨대 60 또는 70℃에서 3-8시간 동안, 예컨대 4, 5 또는 6시간 동안 수행된다.
바람직하게는, 알코올 용매는 1가 알코올 및/또는 2가 알코올이고; 여기서 1가 알코올은 바람직하게는 C1-C10-지방족, 사이클로 지방족, 아르 지방족(araliphatic) 및 방향족 알코올 또는 페놀로 이루어진 군으로부터 선택되고, 1가 알코올은 바람직하게는 선형, 분지형 또는 사이클릭 알코올 또는 페놀 형태이고; 이가 알콜은 하기로 제한되지 않으며, 예를 들어 에틸렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,2-펜탄디올, 1,3-펜탄디올, 1,4-펜탄디올, 네오펜틸 글리콜, 1,6-헥산디올, 1,7-헵탄디올, 1,8-옥탄디올 1,9-노난디올, 1,10-데칸디올, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리테트라메틸렌 글리콜, 2-메틸-1,3-프로판디올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 2-메틸-1, 8-옥탄디올 및 2,2-디에틸-1,3-프로판디올.
상기 언급된 목적의 또 다른 양태를 달성하기 위하여, 본 발명은 또한 상기 촉매를 사용하여, 바람직하게는 하기의 기술적 해결수단을 채택하여 제조된 폴리이소시아네이트 조성물을 제공한다;
폴리이소시아네이트 조성물, 여기서 상기 폴리이소시아네이트 조성물은 이소시아누레이트, 우레탄, 알로파네이트 및 이미노옥사디아진기를 가지며, 상기 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로파네이트기)의 몰비는 0.1-0.8, 바람직하게는 0.2-0.6, 예컨대 0.3, 0.4 또는 0.5; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.1-0.7, 바람직하게는 0.2-0.5, 예컨대 0.3 또는 0.4이고; 이미노옥사디아 진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.005-0.15, 바람직하게는 0.01-0.1, 예컨대 0.02, 0.05 또는 0.08이다.
본 발명에 따른 상기 조성물은 상기 언급된 이민형 4급 암모늄염 촉매의 존재하에서, NCO 작용기 > 1을 갖는 1종 이상의 이소시아네이트 단량체의 올리고머화에 의해 제조된다. 올리고머화 반응은 당업계에 잘 알려져 있으며, 예를 들어 중합 반응은 4량체화를 초과하지 않는다.
본 발명의 상기 조성물에 따르면, 바람직하게는, 이소시아네이트 단량체는 지방족 디이소시아네이트로부터 선택되고, 바람직하게는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 2-메틸펜탄-1,5-디이소시아네이트, 2,4,4-트리메틸-1,6-헥산 디이소시아네이트, 2,2,4-트리메틸-1,6-헥산 디이소시아네이트, 4-이소시아네이토메틸-1,8- 옥탄 디이소시아네이트, 3(4)-이소시아네이토메틸-1-메틸사이클로헥실 이소시아네이트(IMCI), 이소포론 디이소시아네이트(IPDI), 1,3- 및 1,4 비스(이소시아네이토메틸)벤젠(XDI), 및 1,3- 및 1,4-비스(이소시아네이토메틸)사이클로헥산(H6XDI) 중 하나 이상이다.
본 발명의 상기 조성물에 따르면, 표적 반응을 보다 촉진시키기 위하여, 바람직하게는, 제조 공정 동안 촉매가 알코올 용액의 형태로 첨가되고, 바람직하게는 알코올 중 촉매의 질량 농도는 0.25-50%, 예를 들면 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 또는 40%이고; 사용된 촉매의 양은 0.001-5%, 바람직하게는 유기 이소시아네이트 질량의 0.002-2%, 예를 들면 1%, 0.5%, 1% 또는 1.5%이다.
본 발명의 상기 조성물에 따르면, 바람직하게는 올리고머화는 0-100℃, 바람직하게는 20-90℃, 예컨대 30, 50 또는 70℃의 온도에서 수행된다.
본 발명의 상기 조성물에 따르면, 바람직하게는 올리고머화는 이소시아네이트 단량체의 5-80 중량%, 바람직하게는 10-70 중량%, 예를 들면 40 중량% 또는 50 중량%; 보다 바람직하게는, 올리고머화는 촉매를 불활성화시킴으로써 종결되고, 촉매는 열분해에 의해 또는 산 또는 산 유도체를 첨가함으로써 불활성화되는 것이 보다 바람직하며; 여기서, 상기 첨가된 산 또는 산 유도체는 벤조일 클로라이드, 인 또는 황을 함유하는 산의 산 에스테르 및 산 자체이며; 상기 촉매는 열분해에 의해 불활성화되는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에서, 반응이 종결된 후, 유기 이소시아네이트의 미반응 단량체는 반응 혼합물로부터 분리되어 재순환될 수 있다.
본 발명의 긍정적인 효과는, 촉매의 설계로부터 출발하여 이민 구조를 도입함으로써, 촉매가 높은 촉매 활성을 보장하는 것에 기초하여 고온 분해 및 불활성화 특성을 갖도록 하고; 폴리이소시아네이트의 합성에 적용될 때, 촉매는 제어되지 않은 반응에 의해 야기되는 폭발성 중합의 위험을 효과적으로 방지할 수 있다.
동시에, 상기 촉매를 사용하여 제조된 본 발명의 폴리이소시아네이트 조성물은 이소시아누레이트, 우레탄, 알로파네이트, 이미노옥사디아진디온기를 특정 비율 범위로 가지며, 우수한 내습성 및 박화 안정성(thinning stability)의 특성을 나타낸다.
본 발명에 대한 추가적인 설명은 실시예와 조합하여 하기에 제공된다. 이들 실시예는 본 발명에 의해 청구된 보호범위에 대한 제한을 구성하지 않는다는 점에 유의하여야 한다.
본 발명에서 언급된 모든 백분율은 달리 명시되지 않는 한, 질량 백분율이다.
NCO 함량은 본 발명에서 GB/T 12009.4-1989의 방법에 따라 측정된다.
제품의 색수는 본 발명에서 GB/T 3143-1982의 방법에 따라 측정된다.
본 발명의 폴리이소시아네이트 조성물(즉, 이소시아네이트 경화제) 중의 이소시아누레이트기, 우레탄기, 알로파네이트기 및 이미노옥사디아진디온기의 몰비에 대해서는 Bruker Biospin에 의해 제조된 AVANCE400을 사용하고, 중수소화 클로로포름 CDCl3을 사용하였다. 용매로서, 13C 핵자기 공명 스펙트럼을 100 MHz 조건 하에서 60 질량% 농도의 샘플(폴리이소시아네이트 조성물)로 밤새 측정하였다.
상기 측정에서, 하기 신호의 적분값은 측정된 탄소의 수로 나눠졌으며, 이로부터 각각의 몰비가 계산되었다.
이소시아누레이트기: 약 148.6 ppm
알로파네이트기: 약 154ppm
우레탄기: 약 156.5 ppm
이미노옥사디아진디온기: 약 137.3 ppm
몰비 1: 알로파네이트기/(알로파네이트기+이소시아누레이트기) = (154ppm 근처의 신호 영역/(154ppm 근처의 신호 영역+148.6/3 근처의 신호 영역)
몰비 2: 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기) = (154ppm 근처의 신호 영역)/(154ppm 근처의 신호 영역+156.5ppm 근처의 신호 영역)
몰비 3: 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기 = 137.3 ppm 근처의 신호 면적/(148.6/3 근처의 신호 면적)
본 발명의 동적 점도는 25℃에서 S21 로터와 함께 Brookfield DV-I Prime viscomete를 사용함으로써 얻어진다. 문헌 보고서(CN200710180169.X)에 따르면, 상이한 전단 속도(shear rates)는 본 발명의 폴리이소시아네이트의 유변학적 데이터가 이상적인 유체 거동에 부합하도록 보장할 수 있으므로, 전단 속도는 여기서 구체적으로 제공되지 않는다.
달리 명시되지 않는 한, 본 발명의 합성 공정에 사용된 모든 시약은 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)로부터 구매하였다.
실시예 1: 촉매 I의 제조
(1) 빙수조 조건 하에서, 디메틸아민 5 부(중량부, 이하 같다)에 트리메틸클로로실란 12 부를 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 0.5시간 동안 반응을 계속한 다음, 상기 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 생성물 I-a를 수득하였다;
(2) 빙수조 조건 하에서, 트리메틸클로로실란 12 부를 2-에틸헥사노익산 16 중량부에 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜, 반응 후 1시간 동안 반응을 지속시켰다. 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 I-b를 수득하였다;
(3) 상기 분리된 중간체 생성물 Ia, 중간체 생성물 Ib 및 13 부의 디메틸-n-부티랄을 243 부의 n-헥산올 용액에 용해시키고, 50℃에서 5시간 동안 반응시킨 후, 10% 촉매 I의 n-헥산올 용액을 수득하였다.
상기 촉매 I의 구조는 하기와 같다:
Figure 112020048193359-pct00005
실시예 2: 촉매 II의 제조
(1) 빙수조 조건 하에서, 메틸에틸아민 6.5 부에 트리메틸클로로실란 12 중량부를 적가한 후, 실온으로 회복시켜 0.5시간 동안 반응을 계속하였다.
상기 반응 후, 상기 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 유기상을 증류 제거하여 중간체 생성물 II-a를 수득하였다;
(2) 빙수조 조건 하에서, 트리메틸클로로실란 12 부를 2-에틸헥사노익산 16 부에 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 상기 반응을 1시간 동안 반응을 지속시켰다. 상기 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 유기상을 증류 제거하여 중간체 II-b를 얻었다;
(3) 상기 분리된 중간체 a, 중간체 b 및 디메틸벤잘레이션 16.8 중량부를 32 부의 메탄올 용액에 용해시키고, 50℃에서 8시간 동안 반응시킨 후, 50% 촉매 II의 메탄올 용액을 수득하였다.
상기 촉매 II의 구조는 하기와 같다:
Figure 112020048193359-pct00006
실시예 3: 촉매 III의 제조
(1) 빙수조 조건 하에서, N-(4-에틸벤질)에틸아민 15 부에 트리메틸클로로실란 12 부를 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 3시간 동안 반응을 계속하였다. 상기 반응 후, 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 생성물 III-a를 수득하였다;
(2) 빙수조 조건 하에서, 트리메틸클로로실란 12 부를 포름산 4.24 부에 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 1시간 동안 반응을 지속시켰다. 상기 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 III-b를 수득하였다;
(3) 상기 분리된 중간 생성물 a, 중간 생성물 b 및 디메틸아세탈 8.3 부를 1,3-부탄디올 용액 2144 부에 용해시키고, 70℃에서 8시간 동안 반응시킨 후, 1% 촉매 III의 1,3-부탄디올 용액을 수득하였다.
상기 촉매 III의 구조는 하기와 같다:
Figure 112020048193359-pct00007
실시예 4: 촉매 IV의 제조
(1) 빙수조 조건 하에서, N-메틸-2-인단 16 부에 트리메틸클로로실란 12 부를 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 1.5시간 동안 반응을 계속하였다. 상기 반응 후, 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 생성물 IV-a를 수득하였다;
(2) 빙수조 조건 하에서, 트리메틸클로로실란 12 부를 부티르산 8.1 부에 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 1시간 동안 반응을 지속시켰다. 상기 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 디클로로메탄으로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 IV-b를 수득하였다;
(3) 상기 분리된 중간 생성물 a, 중간 생성물 b 및 디메틸사이클로펜틸알데하이드 15.9 부를 2-에틸 헥산올 용액 133.2 부에 용해시키고, 80℃에서 8시간 동안 반응시킨 후, 20% 촉매 IV의 2-에틸 헥산올 용액을 수득하였다.
상기 촉매 IV의 구조는 하기와 같다:
촉매 IV의 구조는 하기와 같다:
Figure 112020048193359-pct00008
실시예 5: 촉매 V의 제조
(1) 빙수조 조건 하에서, 디메틸아민 5 부에 트리메틸클로로실란 12 부를 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 0.5시간 동안 반응을 계속하였다. 상기 반응 후, 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 에틸 아세테이트로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 생성물 V-a를 수득하였다;
(2) 빙수조 조건 하에서, 트리메틸클로로실란 12 부를 벤조산 13.5 부에 적가한 후, 온도를 실온으로 회복시켜 1시간 동안 반응을 지속시켰다. 상기 반응용액에 빙수 50 부를 첨가하여 반응을 정지시키고, 에틸 아세테이트로 추출한 후 유기상을 얻었다. 무수 황산나트륨 10 부를 첨가하여 상기 유기상을 건조시킨 후, 상기 유기상을 감압하에 증류시켜 용매를 제거하여 중간체 V-b를 수득하였다;
(3) 상기 분리된 중간 생성물 a, 중간 생성물 b 및 디메틸아세탈 8.3 부를 에틸렌 글리콜 용액 4269 부 및 n-부탄올 4269 부의 용액에 용해시키고, 60℃에서 8시간 동안 반응시킨 후, 0.25% 촉매 V의 혼합 알코올 용액을 수득하였다.
촉매 V의 구조는 하기와 같다:
Figure 112020048193359-pct00009
실시예 6:
20℃/50mbar의 조건 하에서, 600g의 HDI를 10분 동안 탈기시켰다. 질소 보호 하에서, 처리된 HDI를 60℃로 예열하고, 10% 촉매 I의 헥산올(10% catalyst I in hexanol) 용액 1.2g을 HDI에 적가하고, 시스템의 온도를 60-65℃로 제어하고, 반응 동안 NCO% 변화를 모니터링 하였다. NCO% 값이 38로 떨어졌을 때, 0.12 g의 인산을 첨가하여 반응을 종결시켰다. 반응용액을 박막 증발시켜 잔류 단량체를 제거하여 약 260g의 이소시아네이트 경화제를 수득하였다.
제품 색인:
점도: 1650 cp/ 25℃
NCO%: 22.2%
색수(color number): 20 Hazen
유리 단량체: 0.03 %
제조된 경화제에서 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로네이트기)의 몰비는 0.1이고; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.7이며; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.1이다.
실시예 7:
20℃/50mbar의 조건 하에서, 600g의 HDI를 10분 동안 탈기시켰다. 질소 보호 하에서, 처리된 HDI를 60℃로 예열하고, 3% 촉매 II의 헥산올 용액 4.0g을 HDI에 적가하고, 시스템의 온도를 60-65℃로 제어하고, 반응 동안 NCO% 변화를 모니터링 하였다. NCO% 값이 38로 떨어졌을 때, 반응 온도를 20분 내에 100℃로 상승시킨 후, 1시간 이내에 NCO%가 더 이상 변하지 않고, 촉매가 열에 의해 비활성화되며, 반응이 종결되었다. 반응용액을 박막 증발시켜 잔류 모노머를 제거하여 260g의 이소시아네이트 경화제를 수득하였다.
제품 색인:
점도: 1700 cp/ 25℃
NCO%: 22.1%
색수: 20 Hazen
유리 단량체: 0.04 %
제조된 경화제에서 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로네이트기)의 몰비는 0.1이고; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.7이며; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.1이다.
실시예 8:
20℃/50mbar의 조건 하에서, 600g의 HDI를 10분 동안 탈기시켰다. 질소 보호 하에서, 처리된 HDI를 60℃로 예열하고, 1% 촉매 III의 1,3-부탄디올 용액 6g을 HDI에 적가하고, 시스템의 온도를 60-65℃로 제어하고, 반응 동안 NCO% 변화를 모니터링 하였다. NCO% 값이 38로 떨어졌을 때, 반응 온도를 20분 내에 100℃로 상승시킨 후, 1시간 이내에 NCO%가 더 이상 변하지 않고, 촉매가 열에 의해 비활성화되며, 반응이 종결되었다. 반응용액을 박막 증발시켜 잔류 모노머를 제거하여 240g의 이소시아네이트 경화제를 수득하였다.
제품 색인:
점도: 2800 cp/ 25℃
NCO%: 21.0%
색수: 18 Hazen
유리 단량체: 0.03%
제조된 경화제에서 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로네이트기)의 몰비는 0.3이고; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.6이며; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.08이다.
실시예 9:
20℃/50mbar의 조건 하에서, 600g의 HDI를 10분 동안 탈기시켰다. 질소 보호 하에서, 처리된 HDI를 60℃로 예열하고, 20% 촉매 IV의 2-에틸헥산올 용액 30g을 HDI에 적가하고, 시스템의 온도를 70-75℃로 제어하고, 반응 동안 NCO% 변화를 모니터링 하였다. NCO% 값이 36으로 떨어졌을 때, 반응 온도를 20분 내에 100℃로 상승시킨 후, 1시간 이내에 NCO%가 더 이상 변하지 않고, 촉매가 열에 의해 비활성화되며, 반응이 종결되었다. 반응용액을 박막 증발시켜 잔류 모노머를 제거하여 260g의 이소시아네이트 경화제를 수득하였다.
제품 색인:
점도: 600 cp/ 25℃
NCO%: 19.8%
색수: 16 Hazen
유리 단량체: 0.03%
제조된 경화제에서 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로네이트기)의 몰비는 0.65이고; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.65이며; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.12이다.
실시예 10:
20℃/50mbar의 조건 하에서, 600g의 HDI를 10분 동안 탈기시켰다. 질소 보호 하에서, 처리된 HDI를 60℃로 예열하고, 0.5% 촉매 IV의 2-에틸-1,3-헥산디올 용액 20g을 HDI에 적가하고, 시스템의 온도를 60-65℃로 제어하고, 반응 동안 NCO% 변화를 모니터링 하였다. NCO% 값이 30으로 떨어졌을 때, 반응 온도를 20분 내에 100℃로 상승시킨 후, 1시간 이내에 NCO%가 더 이상 변하지 않고, 촉매가 열에 의해 비활성화되며, 반응이 종결되었다. 반응용액을 박막 증발시켜 잔류 모노머를 제거하여 360g의 이소시아네이트 경화제를 수득하였다.
제품 색인:
점도: 8000 cp/ 25℃
NCO%: 18.5%
색수: 21 Hazen
유리 단량체: 0.03%
제조된 경화제에서 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로네이트기)의 몰비는 0.52이고; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.5이며; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.1이다.
비교예 1:
20℃/50mbar의 조건 하에서, 600g의 HDI를 10분 동안 탈기시켰다. 질소 보호 하에서, 처리된 HDI를 60℃로 예열하고, 40% 상업용 N, N, N-트리메틸-N-벤질 암모늄 하이드록사이드의 메탄올 용액 0.3g을 HDI에 적가하고, 시스템의 온도를 60-65℃로 제어하고, 반응 동안 NCO% 변화를 모니터링 하였다. NCO% 값이 42로 떨어졌을 때, 0.06g의 인산을 첨가하여 반응을 종결시켰다. 반응용액을 박막 증발시켜 잔류 모노머를 제거하여 230g의 이소시아네이트 경화제를 수득하였다.
제품 색인:
점도: 2000 cp/ 25℃
NCO%: 22.0%
색수: 22 Hazen
유리 단량체: 0.05%
실시예 11:
실시예 6, 7, 8, 9 및 10에서 제조된 생성물 30g을 각각 다른 유리병(상기 유리병의 용량은 150mL임)으로 칭량한 다음, 물 함량이 1000 ppm인 부틸 아세테이트 70g 및 DBTL 0.05g을 각각의 유리병 안에 첨가하고, 균일하게 교반한 후, 용기를 밀봉하고 35℃의 인큐베이터에 넣어 생성물의 겔화 시간을 관찰하였다.
샘플명 겔화 시간
실시예 6의 생성물 3.5 시간
실시예 7의 생성물 3.0 시간
실시예 8의 생성물 5 시간
실시예 9의 생성물 4.5 시간
실시예 10의 생성물 4 시간
비교예 1의 생성물 2 시간
상기의 실시예들에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 폴리이소시아네이트 조성물은 우수한 내습성과 박화 안정성의 특성을 나타내며, 동시에 그의 제조방법은 촉매의 설계로부터 시작되며, 상기 촉매는 이민 구조를 도입함으로써 고온(100℃) 분해 및 불활성화의 특성을 갖도록 허용된다. 따라서, 폴리이소시아네이트의 합성에 적용될 때, 상기 촉매는 제어되지 않은 반응으로 인한 폭발성 중합의 위험을 효과적으로 방지할 수 있으며, 동시에 상기 촉매는 정상 반응온도 범위에서 여전히 높은 촉매 활성을 유지한다.

Claims (18)

  1. 하기 화학식 I에 나타낸 일반 구조식을 갖는 폴리이소시아네이트 조성물을 제조하기 위한 이민형 4급 암모늄염 촉매:
    Figure 112021144979416-pct00012

    상기 화학식에서, R1 및 R2는 독립적으로 선형 C1-C20 알킬 또는 분지형 C3-C20 알킬 및 C1-C20 하이드록시알킬, C3-C8 사이클로알킬 및 아릴화 알킬로부터 독립적으로 선택되고;
    R3은 선형 또는 분지형 알킬, 사이클로알킬 또는 아릴이고;
    R4는 수소, 아릴, 선형 C1-C15 알킬 또는 분지형 C3-C15 알킬이다.
  2. 하기 단계를 포함하는 이민형 4급 암모늄염 촉매의 제조방법으로,
    상기 이민형 4급 암모늄염 촉매는 청구항 1의 화학식 I에 나타낸 일반 구조식을 갖는 것인 이민형 4급 암모늄염 촉매의 제조방법:
    (1) 빙수조 조건하에서 트리메틸클로로실란을 이치환된 2차 아민에 점진적으로 첨가한 후, 실온으로 회복시켜 반응을 계속한 다음, 빙수를 반응용액에 첨가하여 반응을 종료시킨 후, 분리하여 중간 생성물 a를 수득하는 단계;
    (2) 빙수조 조건 하에서 트리메틸클로로실란을 카르복실산에 점진적으로 첨가한 후, 실온으로 회복시켜 반응을 계속한 다음, 빙수를 반응용액에 첨가하여 반응을 종료시킨 후, 분리하여 중간 생성물 b를 수득하는 단계;
    (3) 상기 분리된 중간 생성물 a, 상기 중간 생성물 b 및 디메틸 아세탈을 알코올 용매에 용해시키고, 50-80℃에서 반응시킨 후, 선택적으로 알코올 용매의 일부를 제거하여, 목표 농도의 이민형 4급 암모늄염 촉매를 함유하는 알코올 용액을 수득하는 단계.
  3. 제2항에 있어서,
    단계 (1)에서, 상기 트리메틸클로로실란의 몰량이 상기 2차 아민의 몰량 이상이고;
    단계 (2)에서, 상기 트리메틸클로로실란의 몰량은 상기 카르복실산의 몰량 이상이고;
    단계 (3)에서, 상기 중간 생성물 a, 중간 생성물 b 및 디메틸 아세탈은 등 몰량으로 공급되며, 이는 3 가지 물질 중 임의의 2개의 공급 몰량의 차이가 이들 중 더 작은 것의 10%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 단계 (1)에서의 반응은 실온으로 복귀시킨 후 종료시키기 전에 0.5-2시간 동안 계속되고;
    상기 단계 (2)에서의 반응은 실온으로 복귀시킨 후 종료시키기 전에 0.5-1시간 동안 계속되며;
    상기 단계 (3)에서의 반응은 50 내지 80℃에서 3-8시간 동안 수행되고, 상기 알코올 용매는 1가 알코올 및/또는 2가 알코올인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 이소시아누레이트, 우레탄, 알로파네이트 및 이미노옥사디아진디온기를 가지며, 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로파네이트기)의 몰비는 0.1-0.8; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.1-0.7; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.005-0.15인 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트 조성물은 제1항에 따른 이민형 4급 암모늄염 촉매 또는 제2항에 따른 제조방법에 의해 제조된 이민형 4급 암모늄염 촉매의 존재하에서, NCO 작용기 > 1을 갖는 1종 이상의 이소시아네이트 단량체의 올리고머화에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이소시아네이트 단량체가 지방족 디이소시아네이트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  8. 제6항에 있어서, 상기 촉매는 제조 공정 동안 알코올 용액의 형태로 첨가되고;
    상기 사용된 촉매의 양은 이소시아네이트 단량체 질량의 0.001-5%인 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  9. 제6항에 있어서, 상기 올리고머화는 0℃-100℃의 온도에서 반응하는 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  10. 제6항에 있어서, 상기 올리고머화는 이소시아네이트 단량체의 5-80 중량%로 전환된 후에 종결되는 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  11. 제1항에 따른 이민형 4급 암모늄염 촉매 또는 제2항에 따른 제조방법에 의해 제조된 이민형 4급 암모늄염 촉매를 사용하여 제조된 폴리이소시아네이트 조성물.
  12. 삭제
  13. 제3항에 있어서,
    단계 (1)에서, 상기 트리메틸클로로실란의 몰량이 상기 2차 아민의 몰량의 1-1.2 배이고;
    단계 (2)에서, 상기 트리메틸클로로실란의 몰량은 상기 카르복실산의 몰량의 1-1.2 배인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  14. 제5항에 있어서, 알로파네이트기/(이소시아누레이트기+알로파네이트기)의 몰비는 0.2-0.6이고; 알로파네이트기/(알로파네이트기+우레탄기)의 몰비는 0.2-0.5이며; 이미노옥사디아진디온기/이소시아누레이트기의 몰비는 0.01 내지 0.1인 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  15. 제7항에 있어서, 상기 이소시아네이트 단량체가 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 2-메틸펜탄-1,5-디이소시아네이트, 2,4,4-트리메틸-1,6-헥산 디이소시아네이트, 2,2,4-트리메틸-1,6-헥산 디이소시아네이트, 4-이소시아네이토메틸-1,8-옥탄 디이소시아네이트, 3(4)-이소시아네이토메틸-1-메틸사이클로헥실 이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 1,3- 및 1,4-비스(이소시아네이토메틸)벤젠, 및 1,3- 및 1,4-비스 (이소시아네이토메틸)사이클로헥산 중 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  16. 제8항에 있어서, 알코올 중 촉매의 질량 농도는 0.25%-50 %이고;
    상기 사용된 촉매의 양은 이소시아네이트 단량체 질량의 0.002-2%인 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  17. 제9항에 있어서, 상기 올리고머화는 20 내지 90℃의 온도에서 반응하는 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
  18. 제10항에 있어서, 상기 올리고머화는 이소시아네이트 단량체의 10-70 중량%로 전환된 후에 종결되고;
    상기 올리고머화는 촉매를 불활성화 시킴으로써 종결되는 것을 특징으로 하는 폴리이소시아네이트 조성물.
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