KR19990074320A

KR19990074320A - 글리콜산과 락트산 블록 공중합체의 연속중합방법

Info

Publication number: KR19990074320A
Application number: KR1019980007822A
Authority: KR
Inventors: 심용호; 홍종택; 고명석; 김태현
Original assignee: 김윤; 주식회사 삼양사
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-10-05

Abstract

본 발명은 히드록시산(hydroxy acid)계열의 블록 공중합체를 연속중합방식에 의거 제조하는 방법에 관한 것으로, 원료공급반응기 (1),(1)로부터 글리콜라이드와 락타이드가 용융반응기 (2),(2')로 각각 공급되어 균일하게 용융 중합하여그 올리고머를 만들고, 제조된 각각의 올리고머는 주석계열의 촉매와 함께 예비중합반웅기(3)에 공급되어 중합반응됨에 따라 저점도의 올리고머가 제조되도록 하고,이와 같이 제조된 저점도의 폴리머는 열매순환방식에 의해 3단계로 열을 가할 수있도록 이루어진 반응사출기(7)의 관내에 일정량씩 연속적으로 공급됨에 따라 연속적인 공중합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 글리클산과 락트산 블록 공중합체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

글리콜산과 락트산 블록 공중합체의 연속중합방법

본 발명은 히드록시산(hydroxy acid)계열의 블록 공중합체를 연속중합방식에의거 제조하는 방법에 관한 것으로, 자세하게는 최근 들어 의료계에서 각광받고 있는 생분해성 소재인 글리콜라이드, 락타이드 및 그 이성질체, 카프로락탐, 트리메틸렌카보네이트 등을 원료로 사용하여 연속중합방식으로 이들의 블록 공중합체를 합성하는 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 글리콜라이드와 락타이드를 각각의 원료공급반응기와 용융반응기로 공급하여 균일하게 용융 중합하여 그 올리고머를 만들고, 제조된 각각의 올리고머를 주석계열의 촉매와 함께 예비중합반응기 및 열매순환방식에 의해 3단계로 열을 가할 수 있도록 이루어진 반응사출기의 관내에 연속적으로 투입함으로써 생산수율이 높고 물성이 균일한 글리콜산과 락트산 블록 공중합체를 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근에는 다양한 기능을 갖는 고분자 물질들이 개발되고 있으며 특히 환경 보호에 대한 관심이 증가하면서 생분해성 재료에 대한 요구가 증가하고 있다.

일상적으로 쓰이는 생분해성 고분자들은 수분이나 햇빛에 오랜 시간 노출되면 분해가 일어나는 것이 대부분이며, 의료용으로는 물이나 효소 등에 의해서 분해가 일어나는 종류가 쓰이고 있다

이러한 생분해성 고분자의 원료로는 에스테르 화합물이 꼽히는데 그중에서도히드록시산 계열의 고분자 물질들은 생체 내에서 물이나 가수분해 효소들에 의해서아래와 같이 가수분해되어 생체 내로 흡수가 가능한 물질들로서, 생체 적합성 및생분해성을 지니므로 많은 연구가 이루어지고 있다.

HO [(CR₂)_nCO₂]_mH + H₂O ---->HO [(CR₂)_nCO₂]_m-1H +HO(CR₂)_nCO₂H

R = H or alkyl or aryl

n, m = 정수

이 들 고분자 중 특히 폴리글리콜산이나 폴리락트산은 생체 내에서 자극 및 독성을 일으키지 않고 체내에서 시간이 경과함에 따라 자연적으로 분해, 흡수되는 성질을 갖고 있어 의료용(예를 들면 수술용 물질)으로 많이 쓰이고 있다.

이들을 회분식으로 제조하는 기술로는 대표적으로 광학적 활성을 띠는 폴리글리콜산의 합성이 USP 2,758,987호에 개시되어 있고, 수술용 봉합사의 제조에 대한기술은 USP 3,297,033호, USP 3,463,158호 및 USP 3,620,218호 등에 알려져 있다.

수술용 봉합사 외에도 골접합 재료, 스태플러, 집게 등 용도가 세분화됨에 따라 각자의 용도에 맞추어 보다 나은 물성을 갖는 제품을 얻기 위해 분해 속도, 강도, 또는 분자량 등의 물성이 다른 각각의 생분해성 고분자들을 적절히 섞어서 각고분자들의 장점들을 극대화시키는 공중합체 중합기술이 개발되었다.

공중합체는 불규칙 공중합체와 교대 공중합체(alternating copolymer), 블록공중합체(bloc1k copolymer), 그래프트 공중합체(graft copolymer) 등으로 분류되고 이들은 각자가 물성에 차이가 있다.

상기 공중합체의 제조방법으로는 글리콜산과 락트산의 공중합체의 중합방법이USP 2,363,511호, USP 3,736,646호, USP 4,273,920호 및 USP 4,683,288호에서 공지되었고, 락트산과 카프로락톤의 공중합체는 USP 4,054,418호, USP 4,595,713호 및USP 4,791,929호에서 공지되었으며, 글리콜산과 카프로락톤의 공중합체의 합성도USP 4,624,256호, USP 4,605,736호, USP 4,700,704호 및 USP 4,791,929호에서 시도되었다.

상기 방법들은 보통 모노머를 섞어서 중합하는 방법으로, 결과물은 대부분 불규칙 공중합체(random copolymer)가 된다.

상기의 불규칙 공중합체 제조법에 반해 USP 4,243,775호 및 USP 4,300,565호에서는 블록 공중합체의 제조방법을 개시하고 있다. 블록 공중합체는 불규칙 공중합체보다 결정성이 크고 녹는점이 높으며, 섬유화가 용이하고 생체내에서의 흡수도 우수하다고 알려져 있다. 이러한 이유로 블록 공중합체의 연구도 꾸준히 진행되고 있다.

앞에서 언급한 연구들은 대부분 회분식으로 합성을 하였는데, 대부분의 합성이 중합수율이 낮을 뿐아니라, 합성 후 반응기의 세척이 복잡하고 시간이 걸리는등의 불편한 점이 있다. 또한, 매 반응시 반응기 내부와 외부의 모든 조건이 동일해야 동일 물성의 물질을 얻게 되는데, 이때의 조건 조절이 매우 복잡하면서도 힘들어, 좋은 품질의 제품을 얻는데 어려움이 많다. 만일 조건이 서로 다르면 매 회분식 중합 때마다 결과물의 물성이 달라져서 후가공 처리 등을 할 때 제품으로서의가치가 떨어지게 되어 고가의 원료를 낭비하는 결과를 초래한다. 더구나 반응이 기본적으로 150 ∼ 250℃에서 장시간 이루어지므로 반응 도중 탄화 및 분해가 일어나고, 또 매 반응 때마다 반응종결 후 회수하는 과정과 반응기를 세척하는 과정이요구되어 복잡할 뿐만 아니라, 결과물들의 중합률이 낮아서 별도의 정제과정이 필요하게 되는바, 실제로 실험을 하거나 상용화하는 데에는 많은 어려움이 있고, 인적 물적 자원의 낭비가 크게 되는 문제점이 있었다

이러한 회분식 합성법에서의 폐단을 개선하기 위해서, 본 출원인은 연속중합에 의거한 제조방법을 구상하여 국내출원번호 제 97-66136호로서 이미 출원한 바있다.

상기 연속중합에 의한 제조방법은 여러 개의 초기중합반응에 의한 저점도의 폴리머를 생성하고, 계속하여 열매순환방식에 의해서 3단계로 열을 가할 수 있게된 카운터 스크류형(counter type screw) 반응사출기의 중합반응관 내에서 220-24O℃를 유지하여 10분정도 만에 연속중합을 실시하는 것으로서, 균일한 물성을 갖는 글리콜산과 락트산의 공중합체를 높은 수율로 얻을 수 있다.

그러나, 이 방법으로 제조되는 공중합체는 불규칙 공중합체로 본 발명의 생성물과 같은 블록 공중합체를 제조하는데는 한계가 있었다.

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

도 1은 본발명에 사용되는 연속중합공정의 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,1' : 원료공급반응기 2, 2' : 용융반응기

3 : 예비중합반응기 4, 4', 5, 5', 6 : 계량 펌프

7 : 반응사출기 8, 8' 9 : 촉매투입구

본 발명은 글리콜라이드와 락타이드를 각각의 원료공급반응기와 용융반응기로공급하여 균일하게 용융 중합하여 그 올리고머를 만들고, 제조된 각각의 올리고머를 주석계열의 촉매와 함께 예비중합반응기 및 열매순환방식에 의해 3단계로 열을가할 수 있도록 이루어진 반응사출기의 관내에 연속적으로 투입하여 글리콜산과 락트산 블록 공중합체를 연속적으로 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.

종래의 회분식 중합은 고순도로 정제되고 잘 건조된 글리콜라이드를 질소 분위기하에서 용기에 투입하고 삼산화안티몬이나 안티몬트리할라이드 등의 촉매를 이용하여 중합하면 245℃에서 용융점도 20,000포아즈인 고분자량의 폴리글리콜릭산을얻을 수 있게 되나, 이 폴리글리콜산 고분자는 고점도이므로 중합수율이 떨어져65% 수준에 불과하며, 매 회분식중합을 실시할 때마다 균일한 점도를 갖는 폴리머제조가 어려워서, 이 폴리머를 이용한 방사나 연신 등의 후가공 처리를 할 경우 물성 차이로 인해서 팩압변동 등 방사할 경우 문제가 발생된다.

그러나, 이러한 문제점들이 연속중합 공정을 통하면 중합수율이 크게 올라가고 균일한 물성을 얻게 되어서 원가절감 및 생산성이 향상된다. 따라서, 본 발명자는 연속중합 기술을 사용하여 글리콜산과 락트산 블록 공중합체를 중합하고자 하였으며 용융점도가 11,500에서 13,500짜리의 고분자를 95% 이상의 수율로 합성할 수 있게 되었다.

이하 본 발명을 전체 공정도를 나타낸 도 1로부터 자세히 설명하고자 한다. (1), (1'), (2), (2'), (3)은 반응기이며, (4), (4'), (5), (5'), (6)은 각 반응기에서 다음 반응기로 일정량의 내용물을 공급해주는 계량펌프이다.

상기 반응기 (1), (1')는 원료공급 반응기로서, 그 내부에는 각각 다른 종류의 원료를 저장한다. 실험이 시작되면 계량펌프 (4), (4')를 이용하여, 일정 속도로 원료공급 반응기(1), (1')에 있던 원료가 용융반응기 (2), (2')로 공급된다.

상기 용융반응기 (2), (2')에서는 공급된 원료를 균일하게 녹인 다음, 150℃에서 1시간 가량 체류시켜서 올리고머를 만들고, 이를 계량펌프(5),(5')를 이용하여 예비중합반응기(3)으로 연속적으로 일정량씩 공급하게 되는데 상기 과정 중 (8), (8')의 투입구를 통해서 단량체의 분자량을 조절하는 촉매로서 라우릴알콜이 일정량이 투입된다.

한편, 상기 예비중합반응기(3)에서는 연속적으로 투입되는 원료와 촉매투입구(9)를 통해서 투입된 용매에 회석된 주석계열의 촉매가 일정량씩 섞여서, 중합반응을 하여 저점도의 폴리머가 제조된다. 이와 같이 예비중합반응기(3)에서 제조된 폴리머롤 계량펌프(6)을 이용하여 일정량씩 연속적으로 반응사출기(7)의 반응기 관 내로공급되고, 여기에서 고점도의 글리콜산과 락트산 블록 공중합체가 최종적으로 제조되어진다.

이 실험에서 중요한 것은 각 반응기에서 나가는 양은 각 반응기내의 유체와동일한 조성을 가진다는 사실과 중합시작에서부터 종료까지 연속적으로 중합이 이루어지는 공정시스템을 갖는다는 것이다.

연속중합에서의 온도조건은 초기반응인 반응기(1), (1')에서의 반응은 150℃ 이하에서 이루어지고 올리고머를 만들기 위한 반응기 (2), (2'), (3)은 140 내지 150℃를 유지해야 한다. 이때 이 반응기들의 온도가 140℃ 이하이면 중합도가 충분히 높지 않아서 점도가 낮은 고분자를 얻고, 150℃가 넘을 경우에는 고화되는 현상이 일어나 바람직하지 않다. 그리고 반응사출기(7)의 반응관에서는 150℃ 이상의 조건에서 실험이 이루어지는데, 이 반응관은 열매로 열을 가열하여 3단계로 온도조절이 가능한 계로서 제1단계에서는 150 ∼ 170℃, 제2단계에서는 170 ∼ 220℃, 제3단계에서는 220 ∼ 230℃로 가열하면 최적의 조건으로 결과물을 얻을 수 있다. 또 반응사출기(7)에서는 원료의 체류시간이 5 내지 30분이고, 10 내지 20분이 바람직하다.

5분 이하의 조건에서는 충분한 중합이 이루어지지 않아서 원하는 물성의 고분자를얻지 못하고, 또 원료의 체류시간이 30분 이상일 경우에는 너무 오랜시간 체류를 함으로써 탄화되거나 열분해가 일어나는 경향이 있어서 바람직하지 못하다.

이하 본 발명을 실시예와 비교예로 자세히 설명하고자 하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

글리콜라이드 600g과 L-락타이드 600g을 110℃를 유지하는 반응기 (1), (1')에 각각 넣고 계량펌프(4), (4')를 이용하여 반응기 (2), (2')로 공급한다. 그리고 여기에 촉매투입구 (8), (8')에 라우릴 알콜을 0.3 중량%의 비율로 공급한다. 이때반응기 (2), (2')의 온도를 150℃로 맞추어 1시간 체류시킨다. 그리고 예비반응기(3)으로 글리클라이드와 락타이드를 9:1의 비율로, 300g/시간의 유량으로 계량펌프(5),(5')를 이용하여 공급하였다. 이때 촉매투입구(9)를 통해 톨루엔에 희석된 주석촉매를 12ppm의 농도로 공급해주었다. 반응기(3)에서 3시간 체류시켜 저점도의 고분자를 제조한 후 계량펌프(6)을 이용하여 (7)의 반응관 내로 공급하였다. 반응관 내의 온도는 제1단계는 150℃, 제2단계는 170℃, 제3단계는 220℃로 맞춰 놓고10분간 체류시켜서 연속중합을 실시하였다. 얻은 고분자를 노즐과 쿨링베스를 이용하여 일정한 크기로 펠렛화된 글리콜산과 락트산 블록 공중합체를 얻었다. 제조되는 폴리머의 물성의 균일도를 평가하기 위해서 얻어지는 펠렛을 30분 간격으로 취해서 용융점도를 측정한 결과 13,200±300 포아즈의 균일한 물성을 얻었다. 중합수율은 97%이었다.

실시예 2

글리콜라이드와 D-락타이드를 원료로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 13,100±300포아즈이고 중합수율은 97%이었다.

실시예 3

글리콜라이드와 D, L-락타이드를 원료로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 12,800±300포아즈이고 중합수율은 96%이었다.

실시예 4

글리콜라이드와 L-락타이드를 7:3의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 12,700±300 포아즈이고 중합수율은 95%이었다.

실시예 5

글리콜라이드와 L-락타이드를 5:5의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 12,200±300 포아즈이고 중합수율은 95%이었다.

실시예 6

글리콜라이드와 L-락타이드를 3:7의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 12,000±400 포아즈이고 중합수율은 97%이었다.

실시예 7

글리콜라이드와 L-락타이드를 1:9의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 11,800±300 포아즈이고 중합수율은 95%이었다.

비교예 1

반응기(2), (2')의 온도를 130℃로 맞추어서 중합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도는 700±300 포아즈이고 중합수율은 92%이었다.

비교예 2

반응기(2), (2')의 온도를 160℃로 맞추어서 중합한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 조건에서 연속중합을 실시하였다. 제조된 폴리머의 용융점도를 측정하려하였으나 반응기 (3)에서 고화되어 결과를 얻지 못 하였다.

이 발명은 위에서 설명한 연속적으로 중합이 가능한 장치를 사용함으로써, 글리콜산과 락트산의 블록 공중합체를 연속중합을 통해서 항상 균일한 조성과 물성을갖는 폴리머 제조가 가능하며, 반응 전후로 생기는 손실을 방지해줌으로써 원가절감의 효과를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다.

Claims

원료공급반응기 (1),(1')로부터 글리콜라이드와 락타이드가 용융반응기 (2), (2')로 각각 공급되어 균일하게 용융 중합하여 그 올리고머를 만들고, 제조된 각각의 올리고머는 주석계열의 촉매와 함께 예비중합반응기(3)에 공급되어 중합반응됨에 따라 저점도의 올리고머가 제조되도록 하고, 이와 같이 제조된 저점도의 폴리머는 열매순환방식에 의해 3단계로 열을 가할 수 있도록 이루어진 반응사출기(7)의관내에 일정량씩 연속적으로 공급됨에 따라 연속적인 공중합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 블록 공중합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 글리콜라이드과 락타이드의 혼합비가 1:9∼9:1인 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 블록 공중합체의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 용융반응기 (2), (2')에서의 중합온도가 140∼150℃인 것을 특징으로 하는 글리콜산과 락트산 블록 공중합체의 제조방법.