KR19990047641A

KR19990047641A - 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법

Info

Publication number: KR19990047641A
Application number: KR1019970066136A
Authority: KR
Inventors: 홍종택; 김태현; 심용호; 고명석
Original assignee: 김윤; 주식회사 삼양사
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-07-05
Also published as: KR100227321B1

Abstract

본 발명은 히드록시산(hydroxy acid) 계열의 공중합체를 연속중합방식에 의거 제조하는 방법에 관한 것으로, 원료공급반응기(1)(1')로 부터 서로 성분이 다른 히드록시산이 용융 반응기(2)에 각각 공급되어 균일하게 용융되도록 하고, 이와 같이 용융된 혼합액은 촉매투입구(9)를 통해 투입된 주석계열의 촉매와 함께 예비중합반응기(3)에 공급되어 중합반응됨에 따라 저점도의 폴리머가 제조되도록 하고, 이와같이 제조된 저점도의 폴리머는 열매순환방식에 의해 3단계로 열을 가할 수 있도록 이루어진 반응사출기(7)의 관내에 일정량씩 연속적으로 공급됨에 따라 연속적인 공중합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법

본 발명은 히드록시산(hydroxy acid) 계열의 공중합체를 연속중합방식에 의거 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 글리콜산과 락트산의 연속 공중합 방법에 관한 것이다.

히드록시산 계열의 물질들은 고분자로 존재할 때 아래와 같이 가수분해 작용이 일어날 수 있는 물질들로서, 이들 고분자들은 생체 적합성 및 생분해성이라는 성질을 갖고 있으므로 많은 연구가 이루어지고 있다.

HO〔(CR₂)_nCO₂〕_mH + H₂O → HO〔(CR₂)_nCO₂〕_m-₁H + HO(CR₂)_nCO₂H

R = 수소, 알킬 또는 아릴

n,m = 정수

이 들 고분자중 폴리글리콜산이나 폴리락트산은 생체내에서 자극 및 독성을 일으키지 않고, 체내에서 시간이 경과함에 따라 자연적으로 분해, 흡수되는 성질을 갖고 있어 수술용 봉합재료나 의약전달용 기재, 인조신경, 골접합제 등 다양한 용도로 쓰이고 있다.

히드록시산계열의 중합체나 공중합체의 회분식 합성에 대한 기술은 많이 알려져 있는데 대표적으로는 광학적 활성을 갖는 폴리글리콜산의 합성이 USP 2758987호에 개시되어 있고, 수술용 봉합사의 제조에 대한 기술은 USP 3297033호, USP 3463158호 및 USP 3620218호 등에서 알려져 있다.

히드록시산(hydroxy acid) 계열의 중합체나 공중합체들은 회분식으로 합성할 경우 중합수율이 낮을 뿐 아니라 합성 후 반응기의 세척이 까다롭고 많은 시간이 걸리는 등의 불편한 점이 있다.

또, 매 반응시 반응기의 내부와 외부 등 모든 조건이 동일해야만 원하고자 하는 폴리머를 얻게 되는데, 반응조건 조절이 매우 복잡하고 어렵기 때문에 좋은 품질의 제품을 얻는데 어려움이 많고, 만일 조건이 서로 다르면 매 회분식 중합때마다 결과물의 물성이 달라져서 후가공처리를 할 때 제품으로서의 가치가 떨어지게 되어 고가의 원료를 낭비하는 결과를 초래한다.

이러한 회분식 합성법에서의 폐단을 개선하기 위해서, 본 출원인은 연속중합에 의한 제조방법을 구상하여 국내출원번호 제97-12693호로서 이미 출원한 바 있다.

상기 연속중합에 의한 제조방법은 여러 개의 초기중합반응기를 이용하여 저온상태에서 연속적인 초기 중합반응에 의한 저점도 폴리머를 생성하고, 계속하여 열매순환방식에 의해서 3단계로 열을 가할 수 있게 된 카운터 스크류형 중합반응기의 관내에서 연속중합을 실시하는 것으로서, 균일한 물성을 갖는 글리콜산 폴리머를 95%이상의 높은 수율로 얻을 수 있다.

따라서 종래 회분중합식 합성의 중합수율이 75%에 불과한 점과 매회분 중합반응시 반응기 초기화 조건조절의 어려움과 반응 후의 반응기 세척과 정의 번거로움을 비교해 본다면 연속중합에 의한 폴리머 합성법은 비약적인 개선이 이루어졌다고 할 수 있다.

한편 생분해성 고분자로는 폴리글리콜산이나 폴리락트산, 폴리카프로락톤 등의 중합방법이 알려져 있는데 이들 생분해성 고분자들은 분해속도나 강도, 분자량 등의 물성이 모두 다르고 각각의 장단점이 있으므로 각 물질의 단점을 보완하고 장점을 살려서 양호한 물성을 얻기 위해서는 두 종류 이상의 고분자물질을 섞어서 공중합체를 제조할 필요가 있다. 이러한 필요성에 따라서 과거에도 글리콜산과 락트산의 공중합체의 중합방법이 USP 2363511호, USP 3736646호, USP 4273920호 및 USP 4683288호에서 공지되었고 락트산과 카프로락톤의 공중합체는 USP 4054418호, USP 4595713호, 및 USP 4791929호에서 공지되었으며 글리콜산과 카프로락톤의 공중합체의 합성도 USP 4624256호, USP 4605736호, USP 4700704호 및 USP 4791929호에서 시도되었다.

그러나 위의 대부분의 중합방법들은 회분식 중합방법으로서, 기본적으로 150∼250℃ 사이에서 반응이 이루어지므로 탄화 및 분해가 일어나고, 반응이 끝난후 회수하는 과정과 반응기를 세척하는 과정이 복잡할뿐만 아니라 결과물들의 중합률이 낮아서 결과물에 대한 정제과정이 별도로 필요하게 되는바, 실제로 실험을 하거나 상용화하는 데에는 많은 어려움이 있고, 인적 물적인 낭비가 크게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 생분해성을 갖는 히드록시산 계열의 공중합체를 연속중합함으로써 각 폴리머의 장점을 갖는 공중합체를 제조할 수 있을 뿐 아니라 회분식 중합방법에 비하여 균일한 물성의 공중합체를 높은 수율로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 사용되는 연속중합공정의 개략도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1,1' : 원료공급반응기 2 : 용융반응기

3 : 예비중합반응기 4,4',5,6 : 계량펌프

7 : 반응사출기 8,9 : 촉매투입구

종래의 회분식 중합은 고순도로 정제되고 잘 건조된 글리콜라이드를 질소분위기하에서 용기에 투입하고 삼산안티몬이나 안티몬트리할라이드 등의 촉매를 이용하여 중합하면 245℃에서 용융점도 20,000포아즈인 고분자량의 폴리글리콜산을 얻을수 있게 되나 이 폴리글리콜산 고분자는 고점도이므로 중합수율이 떨어져 65%수준에 불과하며 매 회분식 중합을 실시 할 때마다 균일한 점도를 갖는 폴리머 제조가 어려워서, 이 폴리머를 이용한 이용한 방사나 연신 등의 후가공 처리를 할 경우 물성 차이로 인해서 팩압변동 등 방사할 경우 문제가 발생이 된다.

그러나 이러한 문제점들이 연속중합 공정을 통하면 중합수율이 크게 올라가고 균일한 물성을 얻게 되어서 원가절감 및 생산성이 향상된다.

따라서 본 발명자는 이러한 기술을 사용하여 글리콜산/락트산 공중합체를 중합하고자 하였으며 용융점도가 12,000에서 13,000짜리의 고분자를 95%이상의 수율로 합성할 수 있게 되었다.

이하 본 발명을 전체 공정도를 나타낸 도 1로부터 상세히 설명하고자 한다.

(1)(1')(2)(3)은 반응기이며, (4)(4')(5)(6)은 각 반응기에서 다음 반응기로 일정량의 내용물을 공급해주는 계량펌프이다.

상기 반응기(1)(1')는 원료공급 반응기로서, 그 내부에는 각각 다른 종류의 원료를 저장하고 있다. 실험이 시작되면 원료공급 반응기 (1)과 (1')에 있던 원료가 일정비율로 용융반응기(2)에 공급되며,

상기 용융반응기(2)에서는 이와같이 공급된 원료를 균일하게 녹인 다음 예비중합반응기(3)에 연속적으로 일정량씩 공급하게 되는데 상기 과정중에는 촉매투입구(8)를 통해서 단량체의 분자량을 조절하기 위한 촉매인 라우릴알콜이 일정량 투입된다.

한편, 상기 예비중합반응기(3)에서는 이와 같이 연속적으로 공급된 원료와 촉매투입구(9)를 통해서 투입된 주석계열의 촉매가 일정량씩 섞여서 중합반응 함에 따라 저점도의 폴리머가 제조된다. 이때 투입되는 주석촉매 양은 8∼16ppm이며 바람직하게는 11∼13ppm이다.

주석촉매를 8ppm이하로 첨가할 경우에는 24시간이 지나도 중합도가 올라가지 않으며, 16ppm을 초과한 양을 첨가할 경우에는 급속도로 중합도가 올라가서 고화현상을 일으키게 되므로 바람직하지 못하다.

이와 같이 예비중합반응기(3)에서 제조된 폴리머는 일정량씩 연속적으로 반응사출기(7)의 반응기 관내에 공급되고 여기에서는 고점도의 폴리글리콜산/폴리락트산이 최종적으로 제조되어진다.

이 실험에서 중요한 것은 각 반응기에서 나가는 양은 각 반응기 내의 유체와 동일한 조성을 가진다는 사실과, 중합시작에서부터 종료까지 연속적으로 중합이 이루어지는 공정시스템을 갖는다는 것이다.

연속중합에서의 온도조건은 초기반응인 반응기(1)(1')(2)(3)에서의 반응은 150℃하에서 이루어진다. 그리고 반응사출기(7)의 반응기 관에서 부터 150℃이상의 조건에서 실험이 이루어지는데, 이 반응기 관은 열매를 가열하여 3단계로 온도조절이 가능한 계로서 제1단계에서는 150∼170℃, 제2단계에서는 170∼220℃, 제3단계에서는 220∼230℃로 가열한다하면 최적 상태의 결과물을 얻을 수 있다.

또 반응사출기(7)에서는 원료의 체류시간은 적어도 5분 이상 되어야 하고 30분은 초과하지 말아야 하는데, 10∼20분의 체류시간이 가장 바람직 하다. 즉, 원료의 체류시간이 5분 이하일 경우에는 충분한 중합이 이루어지지 않아서 원하는 물성의 고분자를 얻지 못하게 되며, 원료의 체류시간이 30분 이상일 경우에는 탄화현상 또는 열분해 현상이 일어날 수 있게 되므로 바람직하지 못하다.

이하 본 발명을 연속중합방법을 사용한 실시예와 회분식 중합법을 사용한 비교예로 자세히 설명하고자 한다.

실시예 1

글리콜라이드 600g과 락타이드 600g을 원료공급반응기(1)(1')에 각각 넣은 다음, 계량펌프(4)를 작동하여 글리콜라이드와 락타이드의 혼합비를 7:3으로 하여 300g 만큼 용융반응기(2)로 공급하는데, 이 과정중 촉매투입구(8)에 라우릴 알콜을 0.3중량%의 비율로 공급하여 혼합되도록 한다. 이때 원료공급기(1)(1')와 용융반응기(2)는 110℃의 온도를 유지하도록 하고, 예비중합반응기(3)는 140℃의 온도를 유지하도록 하는 조건에서 중합반응이 시작되는 것이다.

이와 같은 상태에서 계량펌프(5)를 작동하여 상기 혼합액이 예비중합반응기(3)에 300g/시간의 유량으로 공급되도록 하는데, 이때 촉매투입구(9)에서 톨루엔에 희석된 주석촉매를 12ppm의 농도로 공급한다. 여기서 예비중합반응기(3)에 체류하는 시간을 3시간으로 설정하여서 저점도의 고분자를 제조한 후 계량펌프(6)을 이용하여 반응사출기(7)의 반응기 관으로 공급을 하였다. 반응기 관내의 온도는 제1단계는 150℃로, 제2단계는 170℃로, 제3단계는 220℃로 맞춰놓고 반응기 관내에서 10분간 체류시켜서 연속중합을 실시하였다. 그래서 얻은 고분자를 노즐과 쿨링베스를 이용하여 일정한 크기의 펠렛화 된 폴리글리콜산/폴리락트산 공중합체를 얻었다. 제조되는 폴리머의 물성의 균일도를 평가하기 위해서 얻어지는 펠렛을 30분 간격으로 취해서 용융점도를 측정한 결과 12,500±300 포아즈의 균일한 물성을 얻었으며 이때의 중합수율은 96%이었다.

실시예 2

반응사출기(7)의 반응기관 내의 온도를 제1단계는 160℃, 제2단계는 190℃, 제3단계는 225℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 이와같이 제조된 폴리머의 물성을 체크한 결과 12,600±400 포아즈의 균일한 물성을 얻었으며, 이때의 중합수율은 96%이었다.

실시예 3

반응사출기(7)의 반응기관 내의 온도를 제1단계는 170℃, 제2단계는 120℃, 제3단계는 230℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 이와 같이 제조된 폴리머의 물성을 체크한 결과 12,500±400 포아즈의 균일한 물성을 얻었으며, 이때의 중합수율은 97%이었다.

실시예 4

글리콜라이드와 락타이드의 혼합비를 3:7로 정하여 원료를 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 이와 같이 제조된 폴리머의 물성을 체크한 결과 12,400±400 포아즈의 균일한 물성을 얻었고 중합수율은 96% 이었다.

실시예 5

글리콜라이드와 락타이드의 혼합비를 9:1로 정하여 원료를 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 이와 같이 제조된 폴리머의 물성을 체크한 결과 12,700±400 포아즈의 균일한 물성을 얻었고 중합수율은 96% 이었다.

비교예 1

반응기(3)에 글리콜라이드 210g과 락타이드 90g을 넣고 110℃에서 녹인 후, 라우릴 알콜을 0.3중량%의 비율로 공급을 한다. 한시간이 지난 후 상기 반응기(3)에 톨루엔에 희석된 주석촉매를 12ppm의 농도로 공급을 해주었다. 그리고 실시예 1과 마찬가지로 3시간을 체류시킨 후 반응기(7)로 보내려고 하였나 내부의 반응물들이 고화반응을 일으켜서 반응기(3)에서 빠져 나오지 못하여 결과를 얻지 못하였다.

비교예 2

반응기(3)에서의 체류시간을 2시간으로 줄이고 온도를 230℃로 올려서 중합을 실시하여 반응기(7)로 보내지 않고 곧바로 노즐을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실험을 하였다. 이 경우 반응물이 짙은 갈색을 띠고 용융점도 5,000∼7,000 포아즈의 저점도 고분자가 얻어졌다.

이 발명은 위에서 설명한 연속적으로 중합이 가능한 장치를 사용함으로써 글리콜산과 락트산의 공중합체 및 다른 종류의 히드록시산 계열의 원료의 공중합체를 항상 균일한 조성과 물성을 갖는 폴리머로서 제조할 수 있으며, 반응 전후로 생기는 손실을 방지해줌으로써 원가절감의 효과를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다.

Claims

원료공급반응기(1)(1')로 부터 서로 성분이 다른 히드록시산이 용융 반응기(2)에 각각 공급되어 균일하게 용융되도록 하고, 이와 같이 용융된 혼합액은 주석계열의 촉매와 함께 예비중합반응기(3)에 공급되어 중합반응됨에 따라 저점도의 폴리머가 제조되도록 하고, 이와같이 제조된 저점도의 폴리머는 열매순환방식에 의해 3단계로 열을 가할 수 있도록 이루어진 반응사출기(7)의 관내에 일정량씩 연속적으로 공급됨에 따라 연속적인 공중합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 원료공급반응기(1)(1')로 부터 공급되는 히드록시산과 함께 단량체 분자량을 조절하기 위한 촉매인 라우릴 알콜이 촉매투입구(8)를 통해서 상기 용융반응기(2)에 일정량 공급되는 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

주석계열 촉매의 양이 8∼16ppm인 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

글리콜산과 락트산의 혼합비가 1:9∼9:1인 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 원료공급반응기(1)(1'), 용융반응기(2), 예비중합반응기(3)에서는 초기 중합온도를 150℃ 이하로 실행함을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 반응사출기(7)에서의 3단계 가열반응기중 제1단계 가열은 150∼170℃ 범위에서 이루어지고, 제2단계 가열은 170∼220℃ 범위에서 이루어지며, 제3단계 가열은 220∼230℃ 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.
청구항 6에 있어서,

상기 반응사출기(7)에서의 원료의 체류시간은 5∼30분 인 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 공중합체의 제조방법.