KR20030021540A - 열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여제조되는 수지 - Google Patents

열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여제조되는 수지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 잠재성 촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 촉매를 폴리비닐피롤리돈계 수지등의 고분자 물질로 코팅하여 반응 온도 조절이 가능하면서 반응 온도를 높이는 열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여 제조되는 수지에 관한 것이다. 종래에 사용되어 왔던 열 잠재성 촉매들은 반응 온도를 높이는 데에는 효과적이었지만, 반응의 조절이 힘들고, 열 잠재성 촉매의 약한 반응성 때문에 미반응물들이 많이 존재하는 등 원하는 생성물을 얻기가 어려웠다. 한편 열 잠재성 촉매의 반응성을 높이기 위하여 열 잠재성 촉매의 사용량을 증가시킬 경우 본래의 높은 반응 온도 특성을 잃어버릴 뿐만 아니라, 목표한 한 가지 물질 조성에만 적용 가능하고, 생성물의 신뢰성이 결여되어 있으며, 고가의 가격으로 인한 사용이 제약되는 등의 한계도 지니고 있었다. 본 발명에 의하여 제조된 열 잠재성 촉매는 기존의 상용되는 일반 촉매를 분자량이 높은 폴리비닐피롤리돈계 수지등의 고분자 물질을 사용하여 적절한 두께로 코팅함으로써 반응 온도를 높이는 것은 물론 반응 온도를 자유로이 조절할 수 있다. 또한 본 발명에 의한 열 잠재성 촉매를 사용하면 반응을 완결시키는데 필요한 시간을 단축시킬 수 있고, 보관 안정성의 효과가 뛰어나며, 생산 공정시 안정된 성형성과 작업성을 확보할 수 있다.

Description

열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여 제조되는 수지{Heat latent catalyst, Method to manufacture the said catalyst, and Resin synthesized by using the said catalyst}
본 발명은 열 잠재성 촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 촉매를 고분자량의 폴리비닐피롤리돈계 수지등의 고분자 물질로 코팅하여 반응 온도 조절이 가능하면서 반응 온도를 높이는 열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여 제조되는 수지에 관한 것이다.
종래에 사용되어 왔던 열 잠재성 촉매들은 반응 온도를 높이는 데에는 효과적이었지만, 반응의 조절이 힘들고 반응성이 약하여 미반응물들이 많이 존재하는 등 원하는 생성물을 얻기가 어려웠다. 한편 열 잠재성 촉매의 반응성을 높이기 위하여 열 잠재성 촉매의 사용량을 증가시킬 경우 본래의 높은 반응 온도 특성을 잃어버렸다. 뿐만 아니라 기존의 열 잠재성 촉매는 주로 목표한 한 가지 물질 조성에만 적용 가능하고, 생성물의 신뢰성이 결여되어 있고, 고가의 가격으로 인한 사용이 제약되는 등의 한계도 지니고 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기존의 열 잠재성 촉매의 단점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 반응 온도를 높이는 것은 물론 자유로운 반응 온도의 조절, 신뢰성 있는 생성물의 생산이 가능하고, 넓은 적용범위를 갖는 저렴한 가격의 열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여 제조되는 수지를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열 잠재성 촉매가 폴리비닐피롤리돈 수지에 의하여 코팅되었음을 보여주는 열 중량 분석(TGA) 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 열 잠재성 촉매가 폴리비닐피롤리돈 수지에 의하여 코팅되었음을 보여주는 적외선 분광(FT-IR) 결과를 도시한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열 잠재성 촉매는 전체 조성물 총중량에 대하여 16중량% 내지는 66중량%의 고분자 물질로 일반 촉매를 코팅하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명의 열 잠재성 촉매는 사용되는 고분자 물질이 폴리비닐피롤리돈계, 폴리메틸메타크릴레이트계, 폴리스티렌계 수지로부터 선택되어 사용될 수 있고, 촉매가 트리페닐포스핀, 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트, 2-메틸이미다졸, 1,8-디아조비시클로[5,4,0]우덱-7-엔 및 이들의 유도체로 구성된 군에서 선택되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열 잠재성 촉매를 제조하는 방법은, 일반 촉매와 고분자 물질을 용매하에 상온에서 교반하는 단계(a); 및 상기 단계(a)의 용액을 진공 오븐에 넣어용매를 제거하는 단계(b)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 열 잠재성 촉매를 제조하는 방법에 있어서, 사용되는 고분자 물질 및 촉매는 상기에서 언급된 바와 같다.
본 발명의 수지는 상기의 열 잠재성 촉매를 전체 조성물 총중량에 대하여 0.0001중량% 내지는 20중량%를 사용하여 합성되어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 폴리비닐피롤리돈계 수지로서 대표적인 폴리비닐피롤리돈 수지는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 수지로서 무게 평균분자량이 1,300,000 정도이며 유리전이온도는 약 188℃ 정도이다.
상기에 도시된 폴리비닐피롤리돈 수지는 폴리아미드 4 또는 나일론 4로 표시되기도 하는 폴리아미드이다. 즉 폴리비닐피롤리돈 수지는 폴리아미드(PA)의 일종인 엔지니어링 플라스틱으로서 기계적 성질 특히 내충격성이 우수한 결정성 플라스틱이며, 상기 화학식에서 보는 바와 같이〔-CO-NH-〕의 구조를 포함하는 선상고분자 물질이다. 폴리비닐피롤리돈 수지는 내마찰, 내마모성, 내약품성, 내유성 등이우수하며, 녹는점이 높고 흡수성도 뛰어나다.
종래 폴리비닐피롤리돈계 수지는 종이, 필름, 로드(rod), 튜브, 프로파일 형태, 코팅제, 취입 성형용 파리손(parison) 등에 사용되어 왔다. 본 발명에서 폴리비닐피롤리돈계 수지는 상용화된 일반 촉매에 코팅되어 차단층(barrier layer)을 형성하는데 사용된다.
본 발명에서 사용되는 폴리비닐피롤리돈계 수지의 양은 전체 열 잠재성 촉매의 16중량% 내지는 66중량%가 적당하다. 한편 폴리비닐피롤리돈계 수지의 사용되는 양에 따라 코팅막(film)의 두께는 유연성 있게 변형 가능하다.
본 발명에서 사용되는 촉매는 하기 화학식 2로 나타낼 수 있는 트리페닐포스핀(a), 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트(b), 또는 2-메틸이미다졸(c) 등이다.
트리페닐포스핀과 2-메틸이미다졸의 경우는 그 동안 우수한 신뢰성에도 불구하고 낮은 반응 온도로 인하여 보관 안정성에 문제가 있었기 때문에 사용에 제약이 따랐었다. 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트는 현재 가장 널리 쓰이고 있는 열 잠재성 촉매이다. 그 외에도 본 발명의 촉매로서 1,8-디아조비시클로[5,4,0]운덱-7-엔(1,8-diazocyclo[5,4,0]undec-7-ene, DBU)을 사용할 수 있다.
본 발명은 내열성이 우수한 고분자 물질로 현재 상용되고 있는 촉매를 코팅하여 기존 촉매들의 신뢰성 및 특성들을 유지하면서 외부로부터 촉매로 전달되는 열을 차단하여 반응 온도만을 높여주는 것을 특징으로 한다. 즉 본 발명에 의한 열 잠재성 촉매는 종래에 사용되던 촉매의 우수한 신뢰성을 유지하면서 보관 안정성의 문제점을 해결하게 된다. 뿐만 아니라 반응 온도를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 원하는 반응 조건의 선택이 가능하여 여러 방면에 걸쳐 각종 문제점을 해결할 수 있다.
이하, 본 발명의 방법을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
<실시예 1-10 : 열 잠재성 촉매 제조>
[제조 공정]
1) 촉매와 고분자의 폴리비닐피롤리돈 수지를 하기 표 1에 나타난 배합비율로 비커에 넣는다.
2) 상기의 비커에 용매 클로로포름을 넣고 상온에서 충분히 교반시킨다.
3) 상기 2)의 용액을 진공 오븐에 넣어 클로로포름을 완전히 제거한다.
고분자물질 촉매
폴리비닐피롤리돈(중량%) 1)트리페닐포스핀(중량%) 2)테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트(중량%) 3)2-메틸이미다졸(중량%)
실시예 1(S 0.5) 33.33 66.67 - -
실시예 2(S 0.7) 41.18 58.82 - -
실시예 3(S 1.0) 50.00 50.00 - -
실시예 4(W 0.1) 9.09 - 90.91 -
실시예 5(W 0.2) 16.67 - 83.33 -
실시예 6(W 0.4) 28.57 - 71.43 -
실시예 7(W 1.0) 50.00 - 50.00 -
실시예 8(M 0.5) 33.33 - - 66.67
실시예 9(M 1.0) 50.00 - - 50.00
실시예 10(M 1.5) 60.00 - - 40.00
1) 호코 케미컬(HOKKO Chemical) : TPP
2) 호코 케미컬(HOKKO Chemical) : TPP-k
3) 쉬코쿠(SHIKOKU) : 2-MI
실시예 1-3은 열 잠재성 촉매의 원료로서 트리페닐포스핀을, 실시예 4-7은 열 잠재성 촉매의 원료로서 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트를, 실시예 8-10은 열 잠재성 촉매의 원료로서 2-메틸이미다졸을 사용하여 제조하였다.
상기의 실시예에 의하여 얻어진 열 잠재성 촉매의 코팅여부를 열 중량 분석기(Thermal Gravimetric Analyzer, TGA)와 적외선 분광기(Fourier Transform infrared spectra, FT-IR)를 이용하여 확인하였으며 각각 도 1과 도 2에 나타내었다.
도 1에서 보는 바와 같이 상기의 실시예에 의해 제조된 열 잠재성 촉매 S 0.7가 트리페닐포스핀에 비해 높은 내열성을 보이고, 한편 도 2에서 보는 바와 같이 새로운 화학결합이 생기지 않는 것으로 보아 폴리비닐피롤리돈이 트리페닐포스핀을 코팅하였다는 것을 알 수 있다.
<제조예 1-10 : 열 잠재성 촉매를 이용한 에폭시 수지 제조>
[제조공정]
1) 상기 실시예 1-10에서 생성된 열 잠재성 촉매를 표 2와 같이 각 성분들을 평량 한 뒤, 믹서기를 이용 균일하게 혼합한다.
2) 상기의 혼합물을 2-롤밀 또는 브라벤더를 이용하여 80℃ 내지는 100℃의온도에서 3분 30초간 용융 혼련한다.
3) 상기의 반응 생성물을 냉각 및 분쇄한다.
에폭시 수지(중량 g) 경화제(중량 g) 촉매(중량 g)
4)노블락 에폭시 5)바이페닐형 에폭시 6)페놀 노블락 다이시안다이아미드
제조예 1(S 0.5) 65.22 - 34.77 - 1.29
제조예 2(S 0.7) 65.22 - 34.77 - 1.46
제조예 3(S 1.0) 65.22 - 34.77 - 1.72
제조예 4(W 0.1) 65.22 - 34.77 - 2.38
제조예 5(W 0.2) 65.22 - 34.77 - 2.59
제조예 6(W 0.4) 65.22 - 34.77 - 3.02
제조예 7(W 1.0) 65.22 - 34.77 - 4.32
제조예 8(M 0.5) - 95.54 - 4.46 0.26
제조예 9(M 1.0) - 95.54 - 4.46 0.34
제조예 10(M 1.5) - 95.54 - 4.46 0.43
4) 일본캬야쿠(NIPPON KAYAKU) : EOCN 1020-65
5) 국도화학 : YD-011
6) 메이화 카세이(MEIWA KASEI) : HF-1M
제조예에서 사용되는 에폭시 수지 원료로서 노블락 에폭시(Novolac Epoxy) 수지는 페놀 노블락과 크레졸 노블락의 두 종류가 있다. 이 수지는 내열도가 높은 경화물을 얻을 수가 있으며, 내약품성과 접착력도 우수하다. 단점으로는 이 수지는 점도가 상당히 높아 취급이 어려운 점이 있다. 대개의 경우 이 수지는 상온에서 반고형이나 고형으로 존재한다.
또 다른 에폭시 수지의 원료로서 비스페놀형의 에폭시는 저점도이며, 고반응성이고, 타수지와의 상용성 또한 우수하며, 저온경화성이고, 가소성이 우수하다.
에폭시 수지는 단독으로 사용되는 경우는 거의 없고 경화제와 배합하여 3차원의 열경화성 물질로 경화시켜 사용되는데 에폭시 수지의 경화제는 종류에 따라 사용량이 극히 미량으로부터 거의 동량 사용되는 것까지 다양하며 경화물의 성질, 혼합하였을 때 가사시간, 점도, 경화온도, 경화시간, 발열 등이 차이가 있으므로 작업성과 경화물의 성능을 검토, 에폭시 수지의 선택과 함께 신중히 선택하여야 한다.
본 제조예에서는 경화제로서 합성수지 초기화합물인 페놀 노블락과 다이시안다이아미드(dicyandiamide)를 사용하였다.
<비교예 1-3 : 일반 촉매를 이용한 에폭시 수지 제조>
[제조공정]
비교예 1은 제조예 1-3의 열 잠재성 촉매에 대응하는 트리페닐포스핀을, 비교예 2는 제조예 4-7의 열 잠재성 촉매에 대응하는 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트를, 비교예 3은 제조예 8-10의 열 잠재성 촉매에 대응하는 2-메틸이미다졸을 사용하여 상기 제조예 1-10과 동일한 방법으로 제조하였으며, 그 배합비율은 하기 표 3에 나타내었다.
에폭시 수지(중량 g) 경화제(중량 g) 촉매(중량 g)
4)노블락 에폭시 5)바이페닐형 에폭시 6)페놀 노블락 다이시안다이아미드
비교예 1 65.22 - 34.77 - 0.86(TPP)
비교예 2 65.22 - 34.77 - 2.16(TPP-k)
비교예 3 - 95.54 - 4.46 0.17(2-MI)
4) 일본캬야쿠(NIPPON KAYAKU) : EOCN 1020-65
5) 국도화학 : YD-011
6) 메이화 카세이(MEIWA KASEI) : HF-1M
경화반응 시험을 위해 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC)를 이용하였고, 그 결과를 촉매별로 트리페닐포스핀 촉매군(제조예 1-3, 비교예 1)을 표 4에, 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트 촉매군(제조예 4-7, 비교예 2)을 표 5에, 2-메틸이미다졸 촉매군(제조예 8-10, 비교예 3)을 표 6에 나타내었다.
제조예 1 제조예 2 제조예 3 비교예 1
7)Ti 80.52 98.23 108.67 69.63
8)Tp 172.63 182.66 190.38 154.76
9)Tf 240.39 239.64 246.36 249.09
10)Q 231.40 228.60 229.30 228.80
7) 반응 시작 온도(℃)
8) 반응 피크(Peak) 온도(℃)
9) 반응이 끝나는 온도(℃)
10) 총 반응 열량(J/g)
제조예 4 제조예 5 제조예 6 제조예 7 비교예 2
7)Ti 143.62 148.41 149.65 150.03 131.42
8)Tp 187.99 190.74 199.44 211.77 183.98
9)Tf 236.09 241.73 245.46 257.42 247.06
10)Q 228.40 226.70 229.80 230.10 229.30
7) 반응 시작 온도(℃)
8) 반응 피크(Peak) 온도(℃)
9) 반응이 끝나는 온도(℃)
10) 총 반응 열량(J/g)
제조예 8 제조예 9 제조예 10 비교예 3
7)Ti 116.80 125.24 141.58 108.50
8)Tp 173.15 186.22 196.24 164.75
9)Tf 269.54 266.48 282.13 276.74
10)Q 184.70 183.80 185.90 181.30
7) 반응 시작 온도(℃)
8) 반응 피크(Peak) 온도(℃)
9) 반응이 끝나는 온도(℃)
10) 총 반응 열량(J/g)
표 4, 표 5, 표 6에 나타난 경화반응을 보면 기존의 촉매를 단독으로 사용하는 것보다 본 발명에 의해 고분자 코팅으로 제조된 열 잠재성 촉매를 사용하는 제조예가 높은 온도에서 반응 하는 것을 알 수 있으며, 코팅 두께에 따라 반응 온도를 자유로이 조절할 수 있음을 알 수 있다.
한편 물성 평가를 위해 제조예 3, 제조예 5, 비교예 1, 및 비교예 2를 핫 프레스를 이용하여 175℃에서 120초 동안 성형시키고 175℃에서 6시간 동안 후경화를 시킨 후 동적 기계 분석기(Dynamic Mechanical Analyzer, DMA)를 이용해 유리전이온도를 측정하였으며 (승온 속도 5℃/min) 그 측정 결과를 표 7에 나타내었다.
평가항목 트리페닐포스핀(TPP) 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트(TPP-k)
제조예 3 비교예 1 제조예 5 비교예 2
유리전이온도Tg(℃) 151.8 150.4 148.2 150.6
동적 기계 분석기(DMA)를 사용하여 유리전이온도를 측정한 결과를 살펴보면 상기의 표 7에서 보는 바와 같이 기존의 촉매와 비교해 큰 변화를 나타내지 않음을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술적 범위를 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명에 의하여 제조된 열 잠재성 촉매는 기존의 상용되는 일반 촉매를 분자량이 높은 폴리비닐피롤리돈계 수지등의 고분자 물질을 사용하여 적절한 두께로 코팅함으로써 반응 온도를 높이는 것은 물론 반응 온도를 자유로이 조절할 수 있다.
일반적으로 수지 반응에 있어서 가열시 그 가열온도에 비례하여 경화 반응을 완결시키는데 필요한 시간을 단축시킬 수 있으므로, 반응을 시키기 위해서 가열 조건을 필요로 하는 경우 본 발명에 의한 열 잠재성 촉매를 사용하면 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의한 열 잠재성 촉매는 그 보관 안정성의 효과가 뛰어나고 생산 공정시 안정된 성형성과 작업성을 확보할 수 있다.

Claims (7)

  1. 전체 조성물 총중량에 대하여 16중량% 내지 66중량%의 고분자 물질로 일반 촉매를 코팅하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열 잠재성 촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    상기의 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈계, 폴리메틸메타크릴레이트계, 폴리스티렌계 수지로부터 선택되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 열 잠재성 촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기의 촉매는 트리페닐포스핀, 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트, 2-메틸이미다졸, 1,8-디아조비시클로[5,4,0]우덱-7-엔 및 이들의 유도체로 구성된 군에서 선택되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 열 잠재성 촉매.
  4. 일반 촉매와 고분자 물질을 용매하에 상온에서 교반하는 단계(a); 및 상기 단계(a)의 용액을 진공 오븐에 넣어 용매를 제거하는 단계(b)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 잠재성 촉매의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기의 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈계, 폴리메틸메타크릴레이트계, 폴리스티렌계 수지로부터 선택되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 열 잠재성 촉매의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기의 촉매는 트리페닐포스핀, 테트라페닐포스핀-테트라페닐보레이트, 2-메틸이미다졸, 1,8-디아조비시클로[5,4,0]우덱-7-엔 및 이들의 유도체로 구성된 군에서 선택되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 열 잠재성 촉매의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 의한 열 잠재성 촉매를 전체 수지 조성물 총중량에 대하여 0.0001중량% 내지는 20중량%를 사용하여 제조되어지는 것을 특징으로 하는 수지.
KR1020010054851A 2001-09-06 2001-09-06 열 잠재성 촉매, 그 제조 방법, 및 상기의 촉매에 의하여제조되는 수지 KR20030021540A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR950004701A (ko) * 1993-07-29 1995-02-18 김영국 자력 동력기
KR100230575B1 (ko) * 1996-10-30 1999-11-15 김충섭 열잠재성 촉매령 경화제인 n-벤질-피라지늄-헥사폴루오로 안티모네이트에 의해 경화된 열잠재성 및 내열성의 이관능성 에폭시 수지 경화물
JP2000246113A (ja) * 1999-02-25 2000-09-12 Sumitomo Bakelite Co Ltd 潜伏性触媒の製造方法

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