KR19990060041A - 가공성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경제적인 슬러리 제법에 의하여 루이스산 촉매 존재하에 -100∼-85℃ 온도조건에서 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체 를 제조하는데 있어서, 촉매와 함께 적정량의 개시제를 사용함으로써 촉매활성을 증대시키고 공단량체로 사용하는 메틸시클로펜타디엔의 도입비율을 조절함으로써, 중합체의 수평균 분자량이 100,000 이상, 이때 불포화도가 1∼15 몰% 로 가공성 및 기계적 물성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 겔생성없이 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

가공성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체의 제조 방법

본 발명은 이소부텐-시클로디엔 공중합체의 제조 방법에 관한 것으로, 경제적인 슬러리 제법에 의하여 루이스산 촉매 존재 하에 -100∼-85℃ 온도조건에서 이소부텐-시클로디엔 공중합체 를 제조하는데 있어서, 촉매와 함께 적정량의 개시제를 사용함으로써 촉매활성을 증대시키고 공단량체로 사용하는 메틸시클로펜타디엔의 도입비율을 조절함으로써, 중합체의 수평균 분자량이 100,000만 이상, 이때 불포화도가 1∼15몰%로 가공성 및 기계적 물성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 겔생성 없이 제조하는 방법에 관한 것이다.

기존의 이소부텐-디엔 공중합체의 대표적인 것으로 잘 알려진 이소부텐-이소프렌 공중합체 (이하, 부틸고무) 는 이중결합을 제공하는 공단량체인 이소프렌 함량이 2.5 몰% 이하로 타 고무와 결합할 수 있는 가교 반응점이 상대적으로 적고 인접 고무와의 가교 특성이 달라 접착력이 약한 단점이 있기 때문에 타이어 인너라이너 소재로는 적합하지 않다.

부틸고무의 접착력 향상을 위한 방안으로 염소나 브롬과 같은 가교반응을 촉진시킬 수 있는 할로겐 화합물을 첨가하는 방법과 이소프렌의 함량을 높이는 방법이 제안되었다. 그러나 전자의 경우는 중합체 생성 후 이를 할로겐화하는 공정이 추가되므로 추가 설비에 대한 투자 부담 및 환경문제 유발 가능성이 있으며, 후자는 접착력이 향상되는 결과를 얻을 수는 있으나 부틸고무의 가장 큰 장점인 기체 차단성이 저하되는 문제점이 발견되었다. 더욱이 미국특허 제3,356,661호, 제 3,165,503호, 제3,466,268호 등에는 이소프렌 함량이 높을 경우 수평균 분자량이 낮고 겔화되어 이용가치가 낮은 공중합체가 생성되는 것으로 나타나 있다.

또한 불포화결합의 구조와 양에 따라 고무의 노화에 대한 저항성이 영향을 받는데, 부틸고무의 경우 천연고무에 비해서는 불포화결합량이 적어 다소 노화에 안정하나 공단량체인 이소프렌으로부터 제공되는 불포화결합이 고무의 주쇄에 존재하기 때문에 산화제에 의한 공격을 받게 되면 주쇄가 절단되므로 결국 노화를 피할 수 없게 된다.

한편, 부틸고무와 유사한 부류로서의 이소부텐-시클로디엔 공중합체는 부틸고무에 비하여 높은 불포화도에서도 기체차단성이 우수할 뿐만 아니라 고리구조를 갖는 시클로디엔화합물이 공중합되어 있어 노화에 약한 불포화결합이 주쇄에 존재하지 않기 때문에 노화에 대한 저항성이 우수하며, 불포화도를 높임에 따라 접착력을 증가시킬 수 있어 타이어 인너라이너 소재로서 매우 적합한 특성을 지니고 있다.

이와 같이 이소부텐-시클로디엔 공중합체는 기존의 부틸고무가 지닌 단점이 개선되어 타이어 소재로서 탁월한 물성을 지닌 이용성이 높은 우수한 소재로 인식되고 있음에도 불구하고 불포화도를 높이면 겔 생성량이 증가하고 분자량이 저하되는 등 제조 공정상의 문제로 인하여 아직 실제 제품생산 단계까지는 이르지 못하고 있는 실정이다.

이소부텐-시클로디엔 공중합체 중 가장 실용성 있을 것으로 여겨지는 이소부텐-시클로펜타디엔 공중합체의 슬러리중합 및 용액중합에 의한 중합특성, 중합체의 물리적 특성, 가류특성에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다.

그 한 예로 미국특허 제2,577,822호에서는 슬러리중합에 의한 이소부텐-시클로펜타디엔 중합에서 가교결합제로 디비닐벤젠을 사용하여 시클로펜타디엔에 의한 분자량 감소를 극복하고자 하였으나, 제조된 중합체의 불포화도가 10몰% 이하이고 물리적 특성이 열악하여 상업적 가치가 없는 것으로 나타났다.

미국특허 제3,808,177호에서는 불포화도 8몰% 이상, 수평균 분자량 120,000이상인 이소부텐-이소프렌, 이소부텐-시클로펜타디엔 공중합체 또는 이소부텐-이소프렌-시클로펜타디엔 삼공중합체를 -120℃ 이하의 온도에서 용액중합법으로 제조한 것으로 나타나있다. 그러나 이후 특허(미국특허 제4,153,773호)에서는 -100℃ 온도조건에서 용액중합법으로 시클로펜타디엔이 8 몰%이상 포함된 공중합체를 제조하면 분자량 감소 현상이 심하여 중합체가 고무소재로서 적절한 기계적 특성을 발현하기 위한 기준치인 수평균 분자량 100,000에 이르지 못하는 것으로 지적되었다.

따라서 미국특허 제4,153,773호에서는 시클로펜타디엔 또는 메틸시클로펜타디엔의 함량 증가로 인한 분자량 감소 및 물리적 특성 저하를 극복하기 위해서는 8∼45 몰% 정도의 높은 불포화도가 요구되며, -100℃ 온도조건에서 용액중합법으로 제조되는 중합체의 수평균 분자량은 30,000∼90,000인 것으로 나타나있다.

그러나 상기 선행 기술은 공중합체의 분자량이 낮은 것 외에 제조 공정 상 다음과 같은 문제점을 지니고 있다.

즉, 공단량체인 시클로펜타디엔은 분자량의 감소를 초래할 뿐만 아니라 루이스산 촉매와 안정한 콤플렉스를 형성하여 촉매의 중합활성을 현저히 저하시킨다. 제조된 고무의 물리적 특성 및 가황특성을 향상시키기 위하여 시클로펜타디엔의 투입량이 많아질수록 겔 생성 가능성이 높아지고 촉매의 중합활성이 감소하며, 전환율을 높이기 위하여 촉매투입량이 많아지게 되면 과잉촉매에 의한 부반응, 염소에 의한 장치의 부식 및 최종 중합체의 잔류염소농도 증가 등 문제가 발생한다. 따라서 용액중합법에서는 겔생성을 억제하기 위하여 주단량체인 이소부텐의 전환율을 낮게 유지해야 하는데 이는 재순환되는 반응물 및 용매량이 급증함으로써 증류설비의 거대화가 불가피하여 설비투자비 증대와 함께 제조원가의 상승을 초래하게 되며, 공단량체인 시클로펜타디엔, 이소프렌이 완전히 반응하지 못한 채 남게되므로 이를 분리하여 재순환시켜야 하는 부담이 따르게 된다. 또한 생산성이 낮아 제조공정을 상업화하기에는 적절하지 못하다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 개선하여 용액중합법보다 효율적이고 경제적인 슬러리 제법에 의해 가공성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조하는데 있어서, 공단량체로 사용하는 메틸시클로펜타디엔의 도입비율을 조절하여 분자량 분포가 넓으며 무늬점도가 높아 고무산업에 사용 적합한 특성을 갖는 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 겔생성 없이 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 겔투과 크로마토그래피법으로 측정한 이소부텐-시클로펜타디엔-메틸시클로펜타디엔 삼공중합체와 이소부텐-메틸시클로펜타디엔 공중합체의 분자량 및 분자량 분포 측정결과이다.

따라서 본 발명은 이소부텐 90 내지 99 중량%와 1-메틸시클로펜타디엔, 2-메틸시클로펜타디엔, 1,3-디메틸시클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물을 제 1 공단량체로 시클로펜타디엔, 6각고리 구조의 콘쥬게이티드 디엔, 비닐기가 치환된 벤젠고리 화합물 그리고 에틸리덴노보넨, 알파피넨, 베타피넨과 같은 2중 고리화합물 또는 이들의 혼합물을 제 2 공단량체로 하여 제 1 공단량체와 제 2 공단량체의 혼합물 1 내지 10 중량%를 반응 원료로 하고 반응 원료에 대하여 1 내지 10 중량배의 극성 용매를 반응 용매로 하여 루이스 산촉매의 존재하에, -100 내지 -85℃의 반응 온도에서 슬러리 중합 반응을 수행하여 제조되는 중합체로부터 잔류 촉매를 -100℃∼-25℃의 저온 상태에서 제거하여 이소부텐-시클로디엔계 공중합체를 제조하는 방법에 있어서, 중합체중 제 2 공단량체에 대한 제 1 공단량체의 도입 몰비율을 3 이상으로 조절하고, 개시제의 사용량을 조절함을 특징으로 하는 수평균 분자량 100,000 이상, 불포화도 1 내지 15 몰%, 겔 생성율 0.5 중량% 이하, 무늬점도 25∼60, 분자량 분포 2∼7인 이소부텐-시클로디엔계 공중합체의 제조방법 및 이 방법으로 제조된 공중합체에 관한 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 중합체 분자량이 커짐에 따라 고무의 기계적 특성(인장강도, 인열강도)과 내흐름성, 성형성 등은 좋아지지만 소성변형이 어렵게 되어 혼합, 캘렌더링 과정에서 문제가 발생하므로 분자량이 큰 중합체에서는 stress relaxation 이 빠른 특성이 요구된다. 즉 분자량이 큰 부분과 분자량이 작은 부분의 특성이 조화를 이루어야 하며 중합체의 분자량분포를 조절하여 이 목적을 달성할 수 있다. 또 다른 요구 특성으로서 무늬점도가 높으면 가공성이 향상되고 인장강도, 인열강도, 모듈러스 등의 기계적 물성이 향상되나 너무 높을 경우에는 압출표면상태가 불량해지며 혼합시 전력소모가 과다해지는 단점이 있어 무늬점도를 25∼60 정도 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

종래의 부틸고무 제조기술에서 중합체의 분자량 및 분자량 분포는 가교결합제(미국특허 제2,577,822호) 또는 별형 분지결합을 유도하는 첨가물(유럽특허 0 320 263 A2)을 반응용액에 투입하거나, 한 분자에 여러 개의 관능기를 갖는 개시제를 사용하는 방법(미국특허 제5,194,538호)으로 조절 가능하지만, 분자량의 감소 또는 촉매활성 저하 현상이 나타나며, 경우에 따라서는 중합반응 후 첨가물을 중합체로부터 제거해야하는 일도 발생하게 된다.

본 발명에서는 메틸기가 1개 내지 2개 치환된 시클로펜타디엔(1-메틸시클로펜타디엔, 2-메틸시클로펜타디엔, 1,3-디메틸시클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물, 이하 메틸시클로펜타디엔으로 지칭)을 제 1 공단량체로 사용하며 메틸시클로펜타디엔의 도입비율에 따라 분자량 및 분자량분포, 무늬점도 조절이 가능하여 중합체의 물성변화를 적게 하면서 중합반응기에서 직접 가공성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조하는 방법을 제시한다.

도 1은 본 발명에 의하여 제조된 이소부텐-시클로디엔 공중합체의 겔투과 크로마토그램으로서 메틸시클로펜타디엔 도입량에 따른 중합체의 분자량 및 분자량 분포 변화를 나타낸 것이다.

중합체 A 와 B를 비교하면 공중합체중 메틸시클로펜타디엔 도입량이 증가함에 따라 고분자량 부분이 생성되어 전체 중합체의 수평균 분자량 및 무늬점도가 높아진다. 일반적으로 불포화도가 증가함에 따라 수평균 분자량이 낮아지는데 반하여 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체의 분자량은 메틸시클로펜타디엔의 도입량이 증가하여도 공중합체의 수평균 분자량이 낮아지지 않으면서 분자량 분포가 변화됨을 알 수 있다. 그림 중 중합체 C는 공단량체로서 메틸시클로펜타디엔만을 사용한 것으로 메틸시클로펜타디엔에 의한 분자량 증가 현상을 더욱 뚜렷이 보여준다. 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체는 가황특성이 이소부텐-시클로펜타디엔 공중합체 보다 우수하므로 타이어 소재로 사용되기 위해서 종래의 이소부텐-시클로펜타디엔 공중합체와 같이 높은 불포화도를 필요로 하지 않는다. 불포화도가 낮아짐에 따라 중합체의 분자량, 내오존성, 유연성 등이 증가하게 되어 타이어 소재로서 우수한 물성을 가지게 되며 제조과정에서도 촉매활성증가, 파울링(fouling) 감소 등 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에서는 메틸시클로펜타디엔을 제 1 공단량체로 사용하여 중합체중의 제 2 공단량체에 대한 도입비율을 3 이상으로, 전체 불포화도를 1∼15 몰% 범위로 낮게 조절함으로써, 종래 기술에서 불포화도를 높일 때 나타난 중합체의 물성저하, 분자량 저하현상을 방지하고 분자량 분포(중량평균분자량/수평균분자량)를 2 내지 7로 조절하여 가공성 및 기계적 특성이 개선된 중합체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 슬러리제법으로 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조하는데 있어서, 촉매의 효율을 높이고 파울링을 방지하여 제조공정의 경제성을 제고하는 것이다.

일반적으로 이소부텐-디엔 공중합체 제조에서 디엔계 공단량체의 도입량이 많아짐에 따라 촉매의 활성은 저하되고 중합체의 분자량은 작아지게 되며, 시클로디엔계 공단량체에서는 이 현상이 더욱 심각하다. 이 상태에서 반응이 진행됨에 따라 불포화도가 높고 분자량이 낮은 중합체에 의하여 반응기 벽, 교반기 날개, 열교환기 표면 등에 중합체가 부착되거나 과량 주입된 촉매에 의한 부반응으로 겔이 생성되어 파울링현상이 나타난다.

중합반응과 동시에 가교반응이 진행되면, 용액중합법에서는 용액 전체의 겔화 반응으로 진행되지만 본 발명과 같은 슬러리 중합에서는 개개의 슬러리 입자 내부에서만 가교반응이 부분적으로 진행되어 겔 생성은 억제되고 고분자량 부분이 증가할 가능성이 높다.

본 발명에서 제 1 공단량체로 사용된 메틸시클로펜타디엔은 부분적인 가교결합을 형성하여 중합체의 분자량을 증가시켜 중합체의 물리적 특성 및 가공성을 개선시킬 뿐만 아니라 슬러리 입자의 안정성을 증가시켜 파울링 억제효과가 우수한 것으로 나타났다. 메틸시클로펜타디엔의 도입량에 따라 증가하는 중합체의 분자량 및 무늬점도는 개시제를 적정량 주입하여 감소시킬 수 있으며 이때 사용가능한 개시제는 물, 염화수소, 알킬할라이드 등으로 촉매에 대하여 1/50∼1/2 몰비로 사용하는 경우 물성저하 없이 분자량 및 무늬점도를 조절할 수 있는 것으로 나타났다.

본 발명에서는 공단량체로 도입되는 메틸시클로펜타디엔과 개시제의 사용량을 조합함으로써 촉매효율을 높이고 파울링이 억제된 제조 조건에서 가공성이 개선된 중합체 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 이소부텐을 주단량체로 사용하고 1-메틸시클로펜타디엔, 2-메틸시클로펜타디엔, 1,3-디메틸시클로펜타디엔과 같은 메틸기가 1개내지 2개 치환된 시클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물을 제 1 공단량체로, 시클로펜타디엔, 6각고리 구조의 콘쥬게이티드 디엔, 비닐기가 치환된 벤젠고리 화합물 그리고 에틸리덴노보넨, 알파피넨, 베타피넨과 같은 2중 고리화합물 또는 이들의 혼합물을 제 2 공단량체로 사용하여 루이스 산촉매 존재 하에 슬러리제법에 의해 -100∼-85℃에서 겔 생성없이 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조함으로써 접착력, 내오존성 및 기계적 특성이 기존의 부틸고무에 비해 현저히 우수한 공중합체를 보다 효율적이고 경제적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 적합한 제 1 공단량체로는 1-메틸시클로펜타디엔, 2-메틸시클로펜타디엔, 1,3-디메틸시클로펜타디엔 등 메틸기가 1개 내지 2개 치환된 시클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물이 사용된다. 또한 제 2 공단량체로는 시클로펜타디엔 또는 1,3-시클로헥사디엔, 1-메틸-1,3-헥사디엔, 1-메틸렌-2-시클로헥센, 2-메틸-1,3-헥사디엔, 1,3-디메틸헥사디엔 등의 6각고리 구조의 콘쥬게이티드 디엔 또는 스티렌, 알파메틸스티렌, 파라메틸스티렌 등 비닐기가 치환된 벤젠고리 화합물, 또는 에틸리덴노보넨, 알파피넨, 베타피넨과 같은 2중 고리화합물 또는 이들의 혼합물이 사용된다.

상세하게는 이소부텐 90∼99 중량%와 제 1 공단량체와 제 2 공단량체의 혼합물 1∼10 중량%를 반응원료로 하고, 제 2 공단량체에 대한 메틸시클로펜타디엔(1-메틸시클로펜타디엔, 2-메틸시클로펜타디엔, 1,3-디메틸시클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물) 도입 몰비를 3 이상으로 조절하고 반응원료에 대해 2∼5 중량배의 극성용매를 반응용매로 하고, 촉매용매인 알킬 할라이드에 용해시킨 루이스 산촉매를 반응원료(주단량체+공단량체)에 대하여 0.01∼1.0 중량% 사용하며 -100∼-85℃의 반응온도에서 겔 생성없이 중합반응을 수행하여 수평균 분자량 100,000이상, 불포화도 1∼15 몰%의 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체 제조방법을 제공하는 것이다.

메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체는 낮은 불포화도에서도 높은 가황성능을 갖게되어, 기존의 공중합체 제조시 접착성 및 가황성능 개선을 위하여 불포화도를 높일 때 나타나는 분자량 저하, 겔화, 촉매효율 감소 등의 문제점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 슬러리가 안정되는 효과도 나타낸다. 또한 불포화도가 낮아 유리전이온도(T_g)도 같이 낮아지며, 보다 고분자량의 공중합체 제조가 가능하여 기계적 물성의 향상을 가져오게 된다.

본 발명에서 사용된 중합원료인 이소부텐과 디시클로펜타디엔, 메틸시클로펜타디엔 이량체의 순도는 각각 99.5%와 97%, 95% 이상이며, 반응원료 조성비는 이소부텐 90 내지 99 중량%, 공단량체 1 내지 10 중량% 이고 시클로펜타디엔(제 2 공단량체)에 대한 메틸시클로펜타디엔(제 1 공단량체) 도입 몰비는 3 이상이다. 공단량체로서 시클로펜타디엔과 메틸시클로펜타디엔은 각각의 이량체를 분해하여 중합에 사용하였으며, 분해, 회수되는 고온 조건에서 이량체의 재생성을 억제하기 위해 일차적으로 얻은 단량체를 상온 감압조건에서 반복 증류하여 단량체의 순도를 높였다. 회수용기는 -70℃ 이하의 냉각상태를 유지하여 재이량화반응을 억제하였다.

반응원료의 농도를 조절하고 반응열을 제거하기 위한 반응용매로 극성 용매를 사용하며, 반응 원료에 대해 1 내지 10 중량배, 바람직하게는 2 내지 5 중량배의 양으로 사용한다.

반응용매로 적합한 극성 용매로는 탄소수 1 내지 3 의 알킬 할라이드, 바람직하게는 탄소수 1 내지 3 개의 알킬 클로라이드, 더욱 바람직하게는 메틸클로라이드, 에틸클로라이드를 사용하고 또한 촉매용매 제조에 적합한 용매는 반응용매와 동일하다.

상술한 극성 용매를 반응 용매로 사용할 경우에는 반응도중 생성되는 중합체가 이에 용해되지 않고 슬러리 상태를 유지하게 되는데, 이로써 반응 혼합물의 점도 상승이 억제되어 효과적인 반응열 제거가 가능하게 되므로 반응기 내부의 온도 편차를 억제할 수 있어 반응온도 유지가 원활할 뿐 아니라, 교반에 소요되는 동력비가 절감되고 이송이 용이하다는 장점이 있어 결국 반응 전환율을 용액 제법에 비해 현저히 높게 유지할 수 있다.

촉매로는 루이스산 형태의 촉매가 사용되는데, 바람직하게는 알루미늄 할라이드, 알킬 알루미늄 할라이드, 보론 할라이드, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 알루미늄 클로라이드, 메틸 알루미늄 디클로라이드, 에틸 알루미늄 디클로라이드, t-부틸 알루미늄 디클로라이드, 보론 플루오라이드, 보론 클로라이드 또는 이들의 혼합물을 사용한다. 각각의 촉매는 원하는 일정 비율로 서로 혼합하여 반응에 사용할 수도 있다.

촉매 용해 및 주입에 사용되는 용매로서, 탄소수 1 내지 3 개의 알킬 할라이드가 사용되며, 바람직하게는 알킬 클로라이드, 더욱 바람직하게는 메틸 클로라이드, 에틸클로라이드가 사용된다.

반응 원료에 대한 촉매의 농도는 0.01 내지 1.0 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 중량% 로 조절한다. 촉매 공급 농도가 높을 경우에는 격렬한 반응열로 인한 국부적인 온도 상승이 발생되기 때문에 저분자량의 공중합체와 겔이 생성될 가능성이 높으므로 촉매 농도를 일정 범위이하로 유지해야 한다.

촉매를 활성화시키기 위하여 루이스 산촉매와 함께 적정량의 개시제가 사용되어지는데, 물, 염화수소, 알킬 할라이드 등이 본 발명의 촉매시스템에 적합하며, 도입 촉매량에 대하여 1/50 내지 1/2 몰비 범위에서 사용가능한데 원하는 비율만큼 사전에 반응원료 탱크에 혼합하거나 촉매와 함께 혼합하여 반응기로 도입되어진다.

반응온도는 -100 내지 -85℃, 바람직하게는 -97 내지 -90℃ 로 유지하는데, 반응물과 촉매용액은 각각의 유량계를 거쳐 예냉기에서 반응온도 부근까지 예냉된 후, 미세 조절밸브에 의해 일정량을 연속적으로 쟈켓 형태의 반응기로 공급하며, 공급되는 즉시 균일 혼합이 이루어지도록 격렬히 교반한다. 또한 반응용매를 먼저 반응기에 채운 후 반응물 및 촉매를 도입함으로써 반응 초기의 급격한 반응으로 인한 온도 상승을 피할 수 있어, 반응기내의 국부적 온도 상승에 따른 저분자량의 공중합체와 겔의 생성을 억제할 수 있게 된다.

반응기 상부로 연속적으로 배출되는 중합체는 촉매 활성 제거제로 아민류, 알콜류 등을 사용하여 중합반응을 종결시킨 후, 적정량의 산화방지제를 투입하여 진공 오븐에서 50℃, 24시간 건조 시켜 회수한다.

잔류 촉매의 활성제거는 반응기로부터 유출되는 즉시 저온 상태에서 실시되어야 한다. 온도가 상승된 후에는 잔류촉매에 의해 저분자량의 공중합체가 생성되어 최종 생성물의 물성을 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라, 겔화 반응을 포함한 다른 형태의 반응들도 진행될 수 있어 원하는 중합체와 구조적으로 다른 형태의 것이 생성될 수도 있게 된다. 따라서 잔류 촉매의 제거는 처리 온도조건에 크게 의존하며, 반응기로 부터 유출되는 즉시 중합 온도에 근접한 저온 상태에서 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 이소부텐-시클로디엔 공중합체는 수평균 분자량이 100,000 이상이고 불포화도가 1 내지 15 몰%, 분자량 분포도 2 내지 7 그리고 무늬점도( ML₁₊₈125℃) 25 내지 60 이다.

이하, 본 발명을 실시예와 비교예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1∼4)

주단량체로 이소부텐을, 공단량체로 시클로펜타디엔과 메틸시클로펜타디엔을 사용하고, 이들 반응원료의 중량에 대해 3중량배의 메틸클로라이드를 반응용매로 사용하여, 메틸클로라이드에 용해시킨 0.2 중량%의 알루미늄 클로라이드 촉매용액을 반응원료에 대해 1 중량배 조건으로 도입하고 개시제로서 물을 촉매에 대해 1/20 몰비로 반응원료에 혼합하여 -95 ℃ 의 반응 온도에서 연속중합 반응을 수행하여, 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조하였다. 제조된 중합체는 -80℃ 에서 에탄올을 사용하여 촉매활성을 제거하고 침전시켜 회수하였다. 중합반응의 전환율은 50∼80%, 중합체의 겔 생성율은 0.5 중량 % 이하의 미량이었다.

표 1의 결과 중합체에 메틸시클로펜타디엔을 도입함에 따라 불포화도가 증가하여도 무늬점도 및 수평균분자량 저하현상이 크지 않고 분자량 분포가 2 내지 4 범위로 조절되었음을 알 수 있다. 앞의 도면에서 예시한 것과 같이 메틸시클로펜타디엔을 공단량체로 사용하는 경우 중합체 중 메틸시클로펜타디엔 도입량에 따라 고분자량부분이 증가하므로 분자량분포가 넓어지며 수평균분자량 및 무늬점도 저하현상이 크지 않음을 알 수 있다.

실시예	반응원료 중MCPD/CPD(중량%)	중합체 중MCPD/CPD(몰비)	수평균분자량	중량평균분자량	무늬점도(125℃)	불포화도(몰%)
실시예1	1.8/0.5	3.0	182,000	509,000	32	2.6
실시예2	3.6/0.9	3.6	143,000	457,000	43	5.0
실시예3	3.7/0.7	4.9	156,000	535,000	58	4.8
실시예4	5.9/1.7	3.2	123,000	362,000	45	9.8

MCPD : 메틸시클로펜타디엔, CPD : 시클로펜타디엔

(비교예 1∼5)

공단량체로 시클로펜타디엔만이 사용되었거나 중합체 중의 시클로펜타디엔에 대한 메틸시클로펜타디엔의 도입 비율이 3 이하인 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일 조건하에서 중합반응을 수행하였다.

이소부텐-시클로펜타디엔 공중합체(비교예 1, 2)와 시클로펜타디엔에 대한 메틸시클로펜타디엔의 도입비율이 3 이하인 중합체 경우(비교예 3, 4, 5)는 수평균 분자량은 100,000 이상이나 무늬점도 값이 25이하로 기계적 특성이 저하된 중합체가 생성되는 것으로 나타났다.

비교예	반응원료 중MCPD/CPD(중량%)	중합체 중MCPD/CPD(몰비)	수평균분자량	중량평균분자량	무늬점도(125℃)	불포화도(몰%)
1	0/2.8	0	167,000	284,000	16	3.6
2	0/3.7	0	145,000	276,000	13	4.9
3	1.8/0.7	2.4	180,000	450,000	21	2.8
4	3.6/1.4	2.1	152,000	319,000	21	5.4
5	3.9/1.8	2.0	112,000	268,000	23	7.5

(실시예 5∼7)

중합체의 불포화도가 높은 것 외에는 표 1에 나타낸 실시예와 동일 조건하에 중합반응을 수행하였다. 불포화도가 12몰% 에서 수평균 분자량이 중합체의 기계적 특성을 발현하기 위한 기준인 100,000 정도의 중합체가 제조됨을 알 수 있으며, 메틸시클로펜타디엔의 도입비율을 3 이상으로 높일 경우 높은 불포화도에서도 고무가공에 적합한 수평균 분자량 및 무늬점도를 갖는 중합체제조가 가능한 것으로 나타났다.

실시예	반응원료 중MCPD/CPD(중량%)	중합체 중MCPD/CPD(몰비)	수평균분자량	중량평균분자량	무늬점도(125℃)	불포화도(몰%)
5	7.1/2.0	3.2	103,000	339,000	38	11.7
6	7.1/2.1	3.1	108,000	345,000	35	12.0
7	8.4/1.5	5.1	118,000	413,000	58	12.2

(실시예 8)

공단량체로 알파 메틸스티렌과 메틸시클로펜타디엔을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 조건과 동일하게 중합반응을 수행하여 이소부텐-시클로디엔 삼공중합체를 제조하였다. 제조된 중합체는 중합체 중의 알파메틸스티렌에 대한 메틸시클로펜타디엔의 도입 비율이 3.2이고, 불포화도 6몰% 이었으며, 무늬점도 35 그리고 수평균 분자량은 148,000 으로서 시클로펜타디엔을 제 2 공단량체로 사용한 상기 실시예의 결과와 유사한 기계적 특성을 갖는 것으로 나타났다.

(비교예 6, 7)

표 4의 결과에서 시클로펜타디엔에 대한 메틸시클로펜타디엔 비율이 높은 공중합체는 가교결합이 과도하게 발생하여 무늬점도 값이 70 이상으로 제조된 중합체의 가공이 용이하지 않은 것으로 나타났다.

비교예	반응원료 중MCPD/CPD(중량%)	중합체 중MCPD/CPD(몰비)	수평균분자량	중량평균분자량	무늬점도(125℃)	불포화도(몰%)
6	4.0/0.2	18.0	208,000	687,000	75	5.4
7	8.3/0.7	10.7	175,000	595,000	70	11.5

(실시예 9∼17)

표 5에서는 비교예 6, 7에서의 중합결과 무늬점도 값이 높게 나타난 이소부텐-시클로디엔 중합체 경우에 대하여 적정량의 개시제를 사용함으로써 무늬점도 값이 감소하여 적정 수준으로 조절되는 결과를 얻었다. 중합조건은 앞의 실시예 경우와 동일하며, 개시제 사용량을 증가시켜 가면서 연속적으로 중합실험을 수행하였다. 개시제로 물을 사용한 경우 촉매량에 대하여 1/10∼1/2 몰비 범위에서 분자량이 100,000 이상인 중합체가 제조 가능하였으며, 무늬점도 값은 40∼60 범위로 조절되었다. 개시제로 t-부틸클로라이드를 사용한 경우는 상대적으로 분자량 감소 현상이 심한 것으로 나타났고 촉매량에 대하여 1/5 몰비 이하로 사용할 경우 요구 분자량 및 무늬점도 값을 가지는 것으로 나타났다. 또한 개시제로 염화수소를 사용한 결과는 t-부틸클로라이드를 사용할 때와 유사하였다.

실시예	반응원료 중MCPD/CPD(중량%)	불포화도(몰%)	수평균분자량	중량평균분자량	무늬점도(125℃)	개시제	개시제/촉매(몰비)
9	4.0/0.2	5.1	145,000	473,000	58	물	1/10
10			123,000	378,000	45	물	1/5
11			125,000	412,000	51	물	1/5
12			105,000	332,000	34	물	1/2
13	4.0/0.2	4.7	121,000	385,000	43	t-부틸 클로라이드	1/10
14			101,000	304,000	31	t-부틸 클로라이드	1/5
15			126,000	416,000	42	염화수소	1/10
16			110,000	313,000	36	염화수소	1/5
17	7.5/1.0	10.8	100,000	315,000	35	t-부틸 클로라이드	1/5

이상에서 살펴본 바와 같이, 이소부텐과 시클로펜타디엔, 메틸시클로펜타디엔을 중합반응시킬 때, 반응물의 농도 조절과 반응열 제거를 위한 반응용매로서 극성용매를 반응원료에 대하여 1∼10 중량배로 사용하여 생성되는 중합체가 용해되지 않도록 하고, 촉매로서 알루미늄 할라이드, 알킬 알루미늄 할라이드, 보론 할라이드를 사용하여, -100∼-85℃ 온도조건에서 중합반응을 수행하여, 반응기로부터 유출되는 중합체를 저온상태에서 즉시 잔류 촉매를 제거하여 젤의 생성을 억제하는 제조방법에 있어서, 본 발명의 방법에 의하면 메틸시클로펜타디엔의 도입비율 및 개시제 사용량을 조절함에 따라 반응전환율 50% 이상으로 수평균 분자량 100,000 이상, 불포화도 1∼15 몰%, 무늬점도 25∼60, 분자량분포 2∼7 그리고 겔 생성율 0.5 중량% 이하의 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조할 수 있다.

본 발명의 효과는 경제적인 슬러리 제법에 의하여 루이스산 촉매 존재하에 -100∼-85℃ 온도조건에서 메틸시클로펜타디엔이 포함된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 제조하는데 있어서, 촉매와 함께 적정량의 개시제를 사용함으로써 촉매활성을 증대시키고 공단량체로 사용하는 메틸시클로펜타디엔의 도입비율을 조절함으로써, 중합체의 수평균 분자량이 100,000 이상, 이때 불포화도가 1∼15 몰% 로 가공성 및 기계적 물성이 개선된 이소부텐-시클로디엔 공중합체를 겔생성없이 제조하는 방법을 제공하게 된 것이다.

Claims (9)

1. 이소부텐 90 내지 99 중량%와 1-메틸시클로펜타디엔, 2-메틸시클로펜타디엔, 1,3-디메틸시클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물을 제 1 공단량체로 시클로펜타디엔, 6각고리 구조의 콘쥬게이티드 디엔, 비닐기가 치환된 벤젠고리 화합물 그리고 에틸리덴노보넨, 알파피넨, 베타피넨과 같은 2중 고리화합물 또는 이들의 혼합물을 제 2 공단량체로 하여 제 1 공단량체와 제 2 공단량체의 혼합물 1 내지 10 중량%를 반응 원료로 하고 반응 원료에 대하여 1 내지 10 중량배의 극성 용매를 반응 용매로 하여 루이스 산촉매의 존재하에, -100 내지 -85℃의 반응 온도에서 슬러리 중합 반응을 수행하여 제조되는 중합체로부터 잔류 촉매를 -100℃∼-25℃의 저온 상태에서 제거하여 이소부텐-시클로디엔계 공중합체를 제조하는 방법에 있어서, 중합체중 제 2 공단량체에 대한 제 1 공단량체의 도입 몰비율을 3 이상으로 조절하고, 개시제의 사용량을 조절함을 특징으로 하는 수평균 분자량 100,000 이상, 불포화도 1 내지 15 몰%, 겔 생성율 0.5 중량% 이하, 무늬점도 25∼60, 분자량 분포 2∼7인 이소부텐-시클로디엔계 공중합체의 제조방법
2. 제 1 항에 있어서, 상기 6각고리 구조의 콘쥬게이티드 디엔은 1,3-시클로헥사디엔, 1-메틸-1,3-헥사디엔, 1-메틸렌-2-시클로헥센, 2-메틸-1,3-헥사디엔, 1,3-디메틸헥사디엔 인 것을 특징으로 하는 방법
3. 제 1 항에 있어서, 비닐기가 치환된 벤젠고리 화합물은 스티렌, 알파메틸스티렌, 파라메틸스티렌 인 것을 특징으로 하는 방법
4. 제 1항에 있어서, 개시제로는 물, 염화수소, t-부틸클로라이드를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법
5. 제 1 항에 있어서, 개시제는 촉매 대비 1/50∼1/2 몰비로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법
6. 제 1항에 있어서, 반응 온도는 -97 내지 -90 ℃ 인 것을 특징으로 하는 방법
7. 제 1항에 있어서, 반응 용매는 메틸클로라이드, 에틸클로라이드이며, 반응원료에 대해 2 내지 5 중량배의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법
8. 제 1항에 있어서, 촉매는 알루미늄 할라이드, 알킬 알루미늄 할라이드, 보론 할라이드 또는 이들의 혼합물로서 반응 원료중 0.01 내지 1.0 중량% 의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법
9. 제 1항에 따라 제조된 수평균 분자량 100,000 이상, 불포화도 1 내지 15 몰%, 겔 생성율 0.5 중량% 이하, 무늬점도 25∼60, 분자량 분포 2∼7인 이소부텐-시클로디엔계 공중합체