KR20010078571A - 불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공액디엔 단위의 불포화 이중결합을 가진 중합체 또는 공중합체 용액을 주촉매로서 다음 화학식 1로 표시되는 유기티타늄 화합물과 조촉매로 리튬하이드라이드(LiH)의 존재하에 선택적으로 수소화하는 방법에 관한 것으로서, 이 촉매계는 수평균 분자량이 약 500에서 1,000,000인 공액디엔계 중합체와 공액디엔계 모노머와 비닐치환 방향족 모노머와의 공중합체 중 디엔 단위의 불포화 이중결합을 선택적으로 수소화하는 데 있어서 높은 수첨안정성과 수첨활성을 나타낸다.

상기 식에서, X는 할로겐 원자, N(SiR₃)₂는 비스트리알킬실릴아미드(여기서, R은 탄소수 1~4의 알킬기)이고, n은 1∼2의 정수이다.

Description

불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화방법{Process for the hydrogenation of unsaturated polymer}

본 발명은 톨루엔중의 유기티타늄 화합물과 고활성의 리튬하이드라이드(LiH)를 수소화촉매로 사용하여 수첨중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

중합체 중의 불포화 이중결합을 가진 올레핀계 중합체는 열안정성, 내후성 및 내오존성에 약한 결점을 가지고 있는데, 이러한 결점을 해결하기 위한 방법으로서 올레핀 단위의 핵중합체에 수소를 첨가시키는 방법이 알려져 있다.

일반적으로 올레핀성 이중결합을 가진 중합체를 수소화시키는 촉매로서는 크게 두 가지 종류로 나뉜다.

첫 번째는 니켈, 코발트의 유기산염 또는 아세토아세틸염과 유기알루미늄등의 환원제를 용매 중에 반응시킨 지글러성 촉매 또는 메탈로센 계열의 균일상 촉매와, 두 번째로 니켈, 팔라듐, 로듐 등과 같은 금속을 카본, 알루미나, 실리카, 실리카알루미나, 클레이 등의 담체에 담지시킨 담지형 불균일상 촉매가 잘 알려져 있다.

이 중 불균일상 촉매를 사용한 수소화 반응은 올레핀성 중합체를 적절한 용매에 녹인 다음 불균일 촉매의 존재 하에 수소를 접촉시키는 방법으로, 중합체의 입체장애와 상대적으로 높은 점도 등의 영향으로 반응물과 촉매간의 접촉이 쉽지 않다. 또한 중합체가 촉매표면에 강하게 흡착하여 한번 수소가 첨가되면 떨어지지 않아 수소화되지 않은 다른 중합체가 활성점에 접근하기가 매우 어렵다. 이러한 경우 이중결합들에 완전히 수소를 첨가시키기 위해서는 많은 양의 촉매와 고온, 고압의 가혹한 반응조건이 요구되는데, 그 결과 종종 중합체의 분해와 겔화를 일으킨다. 뿐만 아니라 수첨된 중합체 용액으로부터 촉매를 물리적으로 분리하기가 극히 어렵고, 어떤 불균일계 촉매는 중합체와 강하게 흡착하기 때문에 이를 완전히 제거하기가 불가능하다.

반면에 균일상 촉매를 사용하는 수소화 반응은 불균일계 촉매를 사용한 경우에 비하여 활성이 높고, 적은 양으로도 저온 저압의 온화한 조건에서 고수율을 기대할 수 있다. 뿐만 아니라 적절한 수소화 조건에서 비닐방향족 탄화수소와 공액디엔의 공중합체 사슬 중 방향족 탄화수소부분을 제외한 이중결합에만 선택적으로 수소를 첨가할 수 있다.

그럼에도 불구하고 균일계 촉매를 사용하여 공액디엔 중합체의 이중결합을 수소화하는 방법은 촉매자체의 안정성이 낮고, 수첨된 중합체로부터 분해된 촉매를 분리해내는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 수첨 반응 후 중합체의 미세분자구조의 변형에도 영향을 줄 수 있는 단점이 있다. 또한 조촉매로 사용되어지는 알킬 알루미늄 등의 환원제는 발화의 위험을 내포하고 있다.

공액디엔 중합체의 불포화 이중결합을 수소화 또는 선택적 수소화하는 몇 가지 방법이 있는 데, 예를 들면 미합중국 특허 제3,494,942호; 제3,670,054호; 및 제3,700,633호 등에는 에틸렌성 불포화 이중결합을 함유하는 중합체 및 방향족과 에틸렌성 불포화 이중결합을 갖는 중합체를 수소화 또는 선택적으로 수소화하기 위해 선행기술에 공지된 적합한 촉매, 특히 VIII족 금속을 함유하는 촉매 또는 촉매선구 물질을 사용하는 방법에 대해 기술되어 있다. 상기 특허에 기술된 방법에서, 촉매는 VIII족 금속, 특히 니켈 또는 코발트 화합물을 알루미늄 알킬과 같은 적합한 환원제와 조합하여 제조된 것을 사용하고 있다. 환원제의 종류에서는 알루미늄 알킬이 바람직한 환원제이나, 이외에도 원소 주기율표의 IA족, IIA족 및 IIIB족 금속, 특히 리튬, 마그네슘 및 알루미늄 알킬 또는 수소화물이 효과적인 환원제라고 공지되어 있다. 이때, IA족, IIA족 및 IIIB족 금속과 VIII족 금속은 0.1:1∼20:1 몰비, 바람직하게는 1:1∼10:1 몰비의 범위에서 조합된다.

미합중국 특허 제4,501,857호에는 적어도 하나의 비스(시클로펜타디에닐)티타늄 화합물 및 적어도 하나의 탄화수소 리튬화합물의 존재 하에 공액디엔 중합체를 수소화함으로써 상기 중합체내 이중결합을 선택적으로 수소화할 수 있음을 밝혔다.

미합중국 특허 제4,980,421호에는 직접 첨가되거나 유기리튬화합물과 알콜성 또는 페놀성 화합물과 반응혼합물로서 첨가될 수 있는 알콕시 리튬화합물과 비스(시클로펜타디에닐)티타늄 화합물을 조합하여 사용하므로써 유사 수소화 활성을 갖게 할 수 있음을 밝혔다. 여기서는 촉매가 수첨 중합체의 안정성에 역으로 영향을주지 않을 만큼 소량 사용하더라도 효과적일 만큼 활성이고, 탈회단계를 요하지 않는 것으로 언급되었다.

미합중국 특허 제4,673,714호에서는 비스(시클로펜타디에닐)티타늄화합물이 바람직하게 공액디엔의 이중결합을 수소화하며, 이때 알킬리튬의 사용을 요하지 않음을 밝혔다. 이러한 티타늄화합물의 구체적인 예는 비스(시클로펜타디에닐)티타늄 디아릴 화합물이며, 탄화수소 리튬화합물을 사용하지 않는 것을 이 촉매 시스템의 장점으로 언급하였다.

미합중국 특허 제5,039,755호에는 적합한 용매에서 공액디엔 단량체를 유기알칼리 금속 중합개시제로 중합 또는 공중합하여 리빙 중합체를 생성시키는 것을 포함하는 공액디엔 중합체의 수소화 방법에 대해 제시되어 있다. 이때, 생성된 리빙중합체(living polymer)는 수소의 첨가로 중합이 종결된다. 종결된 중합체의 공액디엔 단위에서 이중결합의 선택적 수소화는 (C₅H₅)₂TiR₂(R=아릴알킬기) 촉매 존재 하에서 수행되었다.

미합중국 특허 제5,583,185호에는 균일계 촉매로서 Cp₂Ti(PhOR)₂(단, 여기서 Cp는 시클로펜타디에닐이며, OR은 탄소원자수 1∼4인 알콕시화합물이다.) 또는 Cp₂TiR₂(단, 여기서 R은 CH₂PPh₂이다)를 사용하여 공액디엔의 이중결합을 수소화하는 방법에 대해 기술되어 있다.

문헌 Journal of Organometallic Chemistry, 382 (1990) 69-76에서는 촉매로서 Cp₂TiCl₂또는 (C₆H₁₀(p-CH₃OC₆H₄)C₅H₄)₂TiCl₂를 용액 중에서 만든 고활성의 알칼리금속하이드라이드(MH)와 혼합하여 사용하여 올레핀성 모노머의 수소화 방법에 대해 기술했다.

그러나, 상기와 같은 균일계 촉매는 일반적으로 외부의 환경에 매우 민감하여 공기, 수분 또는 기타 극성화합물등에 의해 쉽게 촉매가 변질되며, 수소화 활성이 촉매의 환원상태에 따라 크게 변화하는 문제가 있다. 이같은 경향은 결국 수소화 반응의 재현성을 떨어뜨리므로 고수소화율과 높은 재현성을 동시에 만족하는 수소화된 중합체를 얻는데 어려움이 있다.

또한 촉매 활성성분이 반응이 진행됨에 따라 비활성의 물질로 변하는 경향이 있고, 결국 이로 인해 수소화 활성이 저하되어 반응 재현성을 떨어뜨리는 원인으로 작용한다.

따라서 균일계 촉매에 의한 중합체의 수소화 반응공정을 공업적으로 적용하는 데에는 상기한 문제점들이 있는 바, 이러한 문제점들이 개선된 안정하고 재현성이 있는 고활성의 수소화 촉매의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 균일계 촉매의 단점인 불안정성을 해결하고 고수소화율과 높은 재현성으로 수소화된 중합체를 생산할 수 있는 새로운 촉매를 사용한 수소화 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 공액디엔 모노머의 단독 중합체 또는 공액디엔 모노머와 방향족 비닐모노머와의 공중합체 중에서 선택된 중합체에 있어서공액디엔만을 선택적으로 수소화하는 공정으로서,

1) 적어도 하나의 공액디엔을 유기 리튬화합물을 개시제로 하여 단독중합 또는 공중합하여 생성된 리빙중합체(living polymer)를 동일 당량의 말단 변성물질을 사용하여 실활시킨 후,

2) 주촉매로서 다음 화학식 1로 표시되는 모노시클로펜타디에닐티타늄 실릴아미드화합물과 조촉매로 리튬하이드라이드 콜로이드 용액을 수소와 함께 상기 중합체 용액에 가하거나 외부에서 혼합한 뒤 가하여 선택적으로 공액디엔을 수소화시키는 데 그 특징이 있다.

화학식 1

상기 식에서, X는 할로겐 원자, N(SiR₃)₂는 비스트리알킬실릴아미드(여기서, R은 탄소수 1~4의 알킬기)이고, n은 1∼2의 정수이다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 촉매계는 비스트리알킬실릴아미드로 치환된 모노시클로펜타디에닐티타늄 화합물과 용액 중에서 유기리튬화합물과 수소와의 반응에 의해 만들어진 고활성의 리튬하이드라이드(LiH)의 혼합에 의해 만들어진다. 수소화 반응은 상기의 촉매계를 말단 변성된 중합체에 개별적으로 가하거나 외부의 불활성 기체하에서 혼합한 용액을 가한 뒤 수소를 첨가하여 수행한다.

특히 고활성의 리튬하이드라이드는 n-부틸리튬, s-부틸리튬 등을 기체상태인 수소와 용액 중에서 반응시켜 콜로이드상으로 제조한 것이며, 리튬하이드라이드의 첨가량은 비스트리알킬실릴아미드로 치환된 모노시클로펜타디에닐티타늄 화합물에 대하여 3∼30 몰비로 사용하는 것이 바람직하다.

주촉매인 비스트리알킬실릴아미드로 치환된 모노시클로펜타디에닐티타늄 화합물의 구체적인 예는 다음과 같다; 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리메틸실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리메틸실릴아미드, 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리에틸실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리에틸실릴아미드, 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리프로필실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리프로필실릴아미드, 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리부틸실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리부틸실릴아미드에서 선택된 것이며, 단독 또는 혼합으로 사용될 수 있다.

이와 같은 수소화 촉매의 사용량은 중합체 100g 당 0.01∼20mmol이 적당하며, 더욱 바람직하게는 중합체 100g 당 0.05∼5mmol이 적절하다.

상기의 수소화 촉매로부터 분자량 500∼1,000,000인 공액디엔 중합체 또는 공액디엔과 공중합가능한 비닐치환 방향족 모노머와의 공중합체로서 랜덤, 테이퍼드 또는 블록 공중합체의 공액디엔단위의 불포화이중결합에의 수소 첨가가 가능하다.

잘 알려진 바와 같이 에틸렌 불포화 이중결합 및 임의의 방향족 불포화 이중결합을 함유하는 중합체는 하나 이상의 폴리올레핀, 특히 디올레핀을 단독 중합하거나 하나 이상의 알케닐 방향족 탄화수소 단량체와 공중합하여 제조될 수 있다.

공중합체는 선형, 성상 또는 방사상 뿐만 아니라 랜덤, 테이퍼드, 블록 또는 이들의 조합일 수 있다.

에틸렌 불포화 이중결합 또는 방향족 및 에틸렌 불포화 이중결합 둘 다를 함유하는 공중합체는 유기리튬 화합물과 같은 음이온성 개시제 또는 지글러 나타 중합촉매를 사용하여 제조될 수 있다. 상기 중합체 제조시 그 방법은 통상의 방법, 즉 벌크, 용액 또는 유탁액 기술을 사용할 수 있다.

여기서, 음이온형으로 중합될 수 있는 공액디엔은 1,3-부타디엔, 이소프렌, 피페릴렌, 페닐부타디엔, 3,4-디메틸-1,3-헥사디엔, 4,5-디에틸-1,3-옥타디엔등과 같은 4∼12개의 탄소원자를 함유한 공액디엔계 화합물을 사용할 수 있고, 바람직하기로는 탄소원자수 4∼9인 공액 디올레핀을 사용하는 것이다.

그리고, 상기 공액디엔계 화합물과 공중합 가능한 알케닐 방향족 탄화수소는 스티렌, 각종 알킬기로 치환된 스티렌, 알콕시기로 치환된 스티렌, 2-비닐 피리딘, 4-비닐 피리딘, 비닐 나프탈렌, 알킬기로 치환된 비닐 나프탈렌 등과 같은 비닐 아릴 화합물을 포함한다.

상기와 같은 공액디엔 화합물이나 공액디엔 화합물과 공중합 가능한 비닐 방향족 화합물 중 적어도 하나 이상의 화합물을 유기 리튬화합물을 개시제로 하여 단독중합 또는 공중합하여 리빙중합체(living polymer)를 만든다.

이때, 방향족 비닐계 모노머와 공액디엔 모노머를 혼용할 경우 그 중량비는 0.5:9.5∼9.5:0.5인 것이 바람직하다.

그리고, 개시제로 첨가되는 유기 리튬화합물은 구체적으로는 n-부틸리튬이나 s-부틸리튬 등을 사용할 수 있다.

형성된 리빙중합체는 동일 당량의 말단 변성물질을 사용하여 말단을 비활성시키는 데, 이때 말단 변성물질로는 아민류, 알콜류, 에스테르류, 케톤류, 할로겐류 화합물 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 벤질클로라이드, 벤질브로마이드, 벤질아이오다이드, 메틸클로라이드, 메틸브로마이드, 메틸아이오다이드, 에틸클로라이드, 에틸브로마이드, 에틸아이오다이드, 부틸클로라이드, 부틸브로마이드, 부틸아이오다이드, 아세톤, 메틸이소부틸케톤, 디페닐케톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜, 부탄올, 페놀, 크레졸, 2,6-디-t-부틸 4-메틸 페놀, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 트리메틸실릴플로라이드, 트리메틸실릴클로라이드, 트리메틸실릴브로마이드, 트리메틸실릴아이오다이드, 트리에틸실릴플로라이드, 트리에틸실릴클로라이드, 트리에틸실릴브로마이드, 트리에틸실릴아이오다이드, 트리부틸실릴플로라이드, 트리부틸실릴클로라이드, 트리부틸실릴브로마이드, 트리부틸실릴아이오다이드, 트리페닐실릴플로라이드, 트리페닐실릴클로라이드, 트리페닐실릴브로마이드, 트리페닐실릴아이오다이드에서 선택된 것이다.

본 발명의 수소화 반응은 불활성 용매 중에서 공액디엔을 중합하여 얻어진 중합체를 사용하여 수행된다.

여기서, 불활성 용매란 중합이나 수소화 반응의 어떠한 반응물과도 반응하지 않는 용매를 의미하며, 적합한 용매로는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄 등의 지방족 탄화수소류; 시클로헥산, 시클로헵탄과 같은 지환족 탄화수소류; 및 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란과 같은 에테르류를 들 수 있으며, 이들 중에서 선택하여 단독 또는 혼합 사용할 수 있다.

또한 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠과 같은 방향족탄화수소도 선택된 수소화 반응조건 하에서 방향족성 이중결합에 수소가 첨가되지 않는 범위 내에서 사용할 수 있다.

본 발명의 수소화 반응은 용매에 대해 중합체의 농도가 1∼50중량%, 바람직하게는 5∼25중량%에서 수행된다.

한편, 본 발명의 수소화 반응은 중합체 용액을 수소나 불활성 기체 분위기 하에서 일정온도로 유지한 후, 교반 또는 미교반상태에서 수소화 촉매를 첨가하고, 그 다음 수소 가스를 일정 압력으로 주입함으로써 수행된다. 또한, 수소화 반응에 사용되는 촉매량은 수소첨가될 고분자 100g 당 0.01∼20mmol의 양이 적당하며, 더욱 바람직하게는 중합체 100g당 0.05∼5mmol이 적절하다.

불활성 기체는 헬륨, 질소 및 아르곤등으로서, 수소화 반응의 어떠한 반응물과도 반응하지 않는 가스분위기를 의미하며, 공기나 산소는 수소화 촉매를 산화 또는 분해시켜 촉매의 활성저하를 초래하므로 바람직하지 않다.

수소화 반응은 일반적으로 0∼150℃의 온도범위에서 수행된다. 만일, 그 온도가 0℃ 보다 낮으면 촉매의 활성이 저하되고 동시에 수소 첨가속도도 떨어져 다량의 촉매를 필요로 하게 되므로 경제적이지 못할 뿐만 아니라 수소화된 중합체의 불용화로 중합체가 석출되기 쉽다. 반면, 그 반응온도가 150℃ 보다 높으면 촉매의 활성을 저하시키고 중합체의 겔화나 분해를 유발시키기 쉽고 또한 방향족성 이중결합에 수소화가 일어나기 쉽게 되어 수소 첨가의 선택성이 저하되는 경향이 있다. 더 바람직하게는 반응온도가 50∼140℃의 범위가 적당하다.

또한, 수소화 반응에 사용되는 수소의 압력은 특별히 제한된 것은 아니나, 1∼100 kg/㎠가 적합하다. 만일, 수소의 압력이 1kg/㎠ 미만에서는 수소화 속도가 느려지고, 100kg/㎠를 초과한 압력에서는 실질적으로 불필요한 부반응인 겔화가 초래되므로 좋지 않다. 더 바람직하게는 수소압력이 2∼30 kg/㎠으로 촉매 첨가량 등 수소화 조건과의 관계에서 최적 수소압력이 선택되는 바, 실질적으로 수소화 촉매량이 적을 때는 수소압력은 고압을 택하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 수소화 반응시간은 통상 수분 내지 1440분이다. 더 바람직하게는 30분 내지 360분이 적당하다. 다른 수소화 반응조건의 선택에 있어서 수소화 반응시간은 상기 범위 내에서 적절히 선택하여 실시된다. 본 발명의 수소화 반응은 배치식, 연속식 등 어떠한 방법을 사용해도 무방하다.

한편, 수소화 반응의 진행은 수소 흡수량을 추적하는 것으로 파악할 수 있다.

본 발명에 따른 중합방법으로는 중합체의 공액디엔 단위의 불포화 이중결합이 50%이상 바람직하게는 90%이상 수소화되는 수소화된 중합체를 얻을 수 있다. 더욱 바람직하게는 공액디엔과 비닐치환 방향족 탄화수소와의 공중합체를 수소화하는경우 공액디엔 단위의 불포화 이중결합의 수소화율이 90%이상인 동시에 방향족성 이중결합의 수소화율이 5%미만으로 공액디엔 단위의 불포화 이중결합이 선택적으로 수소화된 공중합체를 얻는 것이 가능하다.

이상과 같이 고활성의 새로운 촉매를 사용하여 공액디엔 중합체를 수소화하는 경우 온화한 조건으로 수소화를 수행할 수 있고, 특히 공액디엔과 비닐치환 방향족 탄화수소와의 공중합체에 있어서의 공액디엔단위의 불포화 이중결합을 극히 선택적으로 수소화할 수 있다. 특히 본 발명의 방법에 있어서 공액디엔중합체를 원료로 하므로 동일 반응기에서 연속적으로 수소화가 가능하며, 동시에 소량의 촉매첨가로 극히 높은 활성을 나타낼 수 있으므로 경제적이고 간편한 공정으로 공업상 유리하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제조예 1: 고활성 리튬하이드라이드(LiH)의 합성.

5ℓ의 오토클레이브 반응기 안에 불활성 기체 분위기에서 3.5리터의 n-부틸리튬 용액 또는 s-부틸리튬 용액(0.2M, 시클로헥산 용액)을 넣고 0.5리터의 테트라하이드로퓨란을 가하였다. 반응기의 온도를 상온으로 유지하면서 교반기를 500rpm으로 회전시키면서 기체상태의 수소를 가하여 10 kg/㎠의 압력을 유지하면서 1시간 동안 방치하였다. 한 시간 후 용액은 하얀 색의 콜로이드용액으로 변하였다. 반응의 종말점은 용액의 일부를 취하여 스티렌모노머와 반응시켜 색깔변화가 없는것을 육안으로 확인하였다. 만일 미반응 알킬 리튬이 용액 중에 남아 있으면 스티렌모노머의 중합반응이 진행되므로 노란색을 띠게 된다.

제조예 2: 디클로로시클로펜타디에닐티타늄 비스트리메틸실릴아미드의 제조

트리클로로시클로펜타디에닐티타늄 4.4g을 500ml 3구 플라스크에 넣은 다음 정제된 톨루엔 200㎖로 용해시켜 0.1M 용액으로 만들었다. 3.35g의 리튬 비스트리메틸실릴아미드를 100㎖의 정제된 테트라히드로퓨란 용액에 녹인 다음 플라스크내로 점적하였다. 반응용액을 60분간 격렬히 저어준 후 얻어진 적갈색의 용액을 1㎖ 취하여 불활성분위기에서 말린 후¹H-NMR로 확인하였다.

수율: 90%

¹H-NMR(CDCl₃)δ(ppm): 6.627(H(C₅H₅)), 0.438(H(CH₃))

제조예 3: 스티렌-부타디엔-스티렌형 블록 공중합체 합성

10ℓ의 오토클레이브 반응기 중에 시클로헥산 4800g을 넣고 테트라하이드로퓨란 11g, 스티렌모노머 124g 및 n-부틸리튬 16mmol을 주입한 후 30분간 중합한 다음, 1,3-부타디엔 모노머 552g을 반응기 내로 주입하여 1시간동안 중합시켰다. 마지막으로 스티렌 모노머 124g을 첨가하고 30분 동안 중합한 후 1.7g의 트리메틸실릴클로라이드를 첨가하여 고분자의 말단을 비활성화시켰다. 그 결과 결합 스티렌 함유율 31.0%(블록스티렌 함량 30.0%), 부타디엔 단위의 1,2-비닐 결합 함유율 38.5%(전 중합체 환산 26.6%), 수평균 분자량 약 50,000인 스티렌-부타디엔-스티렌형 블록 공중합체를 얻었다.

제조예 4: 스티렌-부타디엔 랜덤 공중합체 합성

10ℓ의 오토클레이브 반응기 중에 시클로헥산 5000g을 넣고 테트라하이드로퓨란 100g, 스티렌모노머 130g 및 부타디엔 모노머 870g을 넣은 후 n-부틸리튬 10mmol을 첨가하여 1시간동안 중합한 후 0.9g의 t-부틸클로라이드를 첨가하여 고분자의 말단을 비활성화시켰다. 그 결과 결합 스티렌 함유율 13%, 부타디엔 단위의 1,2-비닐 결합 함유율 57%, 수평균 분자량 약 100,000인 스티렌-부타디엔 랜덤 공중합체를 얻었다.

제조예 5: 부타디엔 중합체 합성

10ℓ의 오토클레이브 반응기 중에 시클로헥산 5000g을 넣고 부타디엔 모노머 1000g을 넣은 후 n-부틸리튬 10mmol을 첨가하여 2시간동안 중합한 후 0.9g의 t-부틸클로라이드를 첨가하여 고분자의 말단을 비활성화시켰다. 그 결과 부타디엔 단위의 1,2-비닐 결합 함유율 10%, 시스 결합 함유율35%, 수평균 분자량 약 100,000인 부타디엔 단독중합체를 얻었다.

제조예 6: t-부틸클로라이드로 처리된 이소프렌 단독중합체 합성

10ℓ의 오토클레이브 반응기 중에 시클로헥산 5000g을 넣고 이소프렌 모노머 1000g을 넣은 후 n-부틸리튬 10mmol을 첨가하여 2시간동안 중합한 후 0.9g의 t-부틸클로라이드를 첨가하여 고분자의 말단을 비활성화시켰다. 그 결과 이소프렌 단위의 1,2-비닐 결합 함유율 10%, 수평균 분자량 약 100,000인 이소프렌 단독중합체를 얻었다.

실시예 1

상기 제조예 3에서 얻어진 중합체 400g을 포함하는 용액 2800g을 5ℓ오토클레이브 반응기에 넣고 400rpm(분당회전수)에서 60℃로 가열하였다. 그 다음 상기 제조예 1에서 얻은 0.2M 리튬하이드라이드 용액 30㎖를 반응기의 중합체 용액에 투입하였다. 상기 제조예 2에서 얻은 0.09M 디클로로시클로펜타디에닐티타늄 비스트리메틸실릴아미드용액 6.7㎖를 첨가하고 반응기를 10kg/㎠의 수소로 가압하여 수소화 반응을 1시간 동안 계속하도록 하였다. 반응종료 후 반응기를 냉각시키고 압력을 상압으로 낮춘 후 반응용액을 메탄올에 투입하여 고분자를 침전시켰다.

얻어진 수소화된 폴리머의¹H-NMR 분석결과, 부타디엔 단위의 수소화율 이 98% 및 스티렌단위의 수소 첨가율은 나타나지 않았다.

실시예 2

상기 제조예 4에서 얻어진 스티렌-부타디엔 랜덤 공중합체를 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 수소화 반응을 실시하였다. 다만 실시예 1에서 사용하였던 디클로로시클로펜타디에닐티타늄 비스트리메틸실릴아미드와 리튬하이드라이드의 양을 각각 2배로 늘려 반응 시켰으며 반응시간은 180분으로 유지시켰다.

반응종료후 반응기를 냉각시키고 압력을 상압으로 낮춘 후 반응용액을 메탄올에 투입하여 고분자를 침전시켰다. 얻어진 수소화된 폴리머의¹H-NMR 분석결과, 부타디엔 단위의 수소화율이 98% 및 스티렌단위의 수소 첨가율은 나타나지 않았다.

실시예 3

상기 제조예 5에서 얻어진 부타디엔 중합체 400g을 포함하는 용액 2800g을사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 수소화 반응을 실시하였다. 다만 실시예 1에서 수소화반응시간을 180분으로 유지시켰다.

반응종료후 반응기를 냉각시키고 압력을 상압으로 낮춘 후 반응용액을 메탄올에 투입하여 고분자를 침전시켰다. 얻어진 수소화된 폴리머의¹H-NMR 분석결과, 부타디엔 단위의 수소화율이 97%로 나타났다.

실시예 4

상기 제조예 6에서 얻어진 이소프렌 중합체 400g을 포함하는 용액 2800g을 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 수소화 반응을 실시하였다. 다만 실시예 1에서 반응기의 수소압력을 20kg/cm²으로 하였으며 수소화반응시간을 120분으로 유지시켰다.

반응종료후 반응기를 냉각시키고 압력을 상압으로 낮춘 후 반응용액을 메탄올에 투입하여 고분자를 침전시켰다. 얻어진 수소화된 폴리머의¹H-NMR 분석결과, 디엔 단위의 수소화율이 95%로 나타났다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 일반식 CpTiX_(3-n)[N(SiR₃)₂]_n로 표시되는 모노시클로펜타디에닐티타늄 실릴아미드화합물과 용액 중에서 알킬리튬과 수소를 반응시켜 만든 고활성의 리튬하이드라이드의 혼합으로 만들어지는 새로운수소화 촉매계로서 공액디엔 중합체, 공액디엔과 비닐치환 방향족 탄화수소와의 블럭 또는 랜덤 공중합체를 저온 저압의 온화한 조건하에서도 수소화시킬 수 있고, 특히 중합체내의 공액디엔 단위의 불포화 이중결합을 극히 선택적으로 수소화할 수 있으며, 공액디엔 중합체를 원료로 사용하므로 동일 반응기에서 연속적으로 수소화가 가능하다. 또한 수소화 반응이후에 중합체의 미세분자구조에도 영향을 주지 않으면서 소량의 촉매첨가로 극히 높은 활성을 나타낼 수 있는 경제적이고 단순한 공정이므로 공업적으로 특히 유용하게 사용할 수 있는 방법이다.

Claims (7)

1. 공액디엔 모노머의 단독 중합체 또는 공액디엔 모노머와 방향족 비닐모노머와의 공중합체 중에서 선택된 중합체를 디엔 단위의 불포화 이중결합만을 선택적으로 수소화하는 공정에 있어서,

   1) 적어도 하나의 공액디엔을 유기 리튬화합물을 개시제로 하여 단독중합 또는 공중합하여 생성된 리빙중합체(living polymer)를 동일 당량의 말단 변성물질을 사용하여 실활시킨 후,

   2) 주촉매로서 다음 화학식 1로 표시되는 모노시클로펜타디에닐티타늄 실릴아미드화합물과 조촉매로 리튬하이드라이드 콜로이드 용액을 수소와 함께 상기 중합체 용액에 가하거나 외부에서 혼합한 뒤 가하여 선택적으로 공액디엔을 수소화시키는 방법.

   화학식 1

   상기 식에서, X는 할로겐 원자, N(SiR₃)₂는 비스트리알킬실릴아미드(여기서, R은 탄소수 1~4의 알킬기)이고, n은 1∼2의 정수이다.
2. 제 1 항에 있어서, 리튬하이드라이드와 티타늄화합물의 몰비율은 3/1∼30/1인 것임을 특징으로 하는 불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 리튬하이드라이드는 유기리튬화합물과 기체상태인 수소를 용액 중 반응에 의해 제조된 것임을 특징으로 하는 불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 화학식 1로 표시되는 비스트리알킬실릴아미드로 치환된 모노시클로펜타디에닐티타늄 화합물은 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리메틸실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리메틸실릴아미드, 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리에틸실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리에틸실릴아미드, 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리프로필실릴아미드, 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리프로필실릴아미드, 클로로시클로펜타디에닐티타늄 디-비스트리부틸실릴아미드 및 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리부틸실릴아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 혼합물인 것임을 특징으로 하는 불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화 방법.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 수소화 촉매는 디-클로로시클로펜타디에닐티타늄비스트리메틸실릴아미드인 것임을 특징으로 하는 불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 수소화반응은 반응온도 0∼150℃, 반응압력 1∼100kg.f./㎠, 촉매량 0.01∼20mmol/100g 고분자, 반응시간 15∼1440분 사이에서 수행되는 것임을 특징으로 하는 불포화 이중결합을 가진 중합체의 수소화 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 공액디엔 모노머의 단독 중합체 또는 공액디엔 모노머와 방향족 비닐모노머와의 공중합체로는 수평균분자량이 500∼1,000,000인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 불포화 이중결합을 가진 공액디엔 중합체의 수소화 방법.