KR20050037240A - 투과증발막을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의제조방법 - Google Patents

투과증발막을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투과증발막을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 함불소알코올과 (메타)아크릴산을 산촉매 존재 하에서 에스테르화 반응하는 과정에서 반응 부생성물로서 생성된 물과 미반응 함불소알코올을 응축시킨 후 투과증발막에 통과시켜 물을 효율적으로 제거하고, 물이 제거된 미반응 함불소알코올은 재순환함으로써, 투과증발막 적용에 의한 효율적인 물 제거로 함불소아크릴산에스터화합물의 전환율을 월등히 향상시킴과 동시에 에너지 소비를 감소시키면서 환경친화적으로 함불소아크릴산에스터화합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

투과증발막을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법{New Esterfication Process for Production of Fluoroalkyl (Meth)acrylate by Pervaporation-Aided Membrane Reactor}
본 발명은 투과증발막을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 함불소알코올과 (메타)아크릴산을 산촉매 존재 하에서 에스테르화 반응하는 과정에서 반응 부생성물로서 생성된 물과 미반응 함불소알코올을 응축시킨 후 투과증발막에 통과시켜 물을 효율적으로 제거하고, 물이 제거된 미반응 함불소알코올은 재순환함으로써, 투과증발막 적용에 의한 효율적인 물 제거로 함불소아크릴산에스터화합물의 전환율을 월등히 향상시킴과 동시에 에너지 소비를 감소시키면서 환경친화적으로 함불소아크릴산에스터화합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
함불소아크릴산에스터화합물은 발수발유특성, 방오성이 뛰어나고 낮은 유전율, 낮은 표면에너지 등의 특징을 가지고 있어 광섬유(Optical Fiber) 코팅, 콘택트렌즈, 내산성, 내후성, 발수성 및 발유성 등이 우수한 기능성 페인트, 용매-타입열가소성 페인트, 열경화성 페인트, 에멀전-타입 페인트, UV 타입 페인트, 발수발유제(Water-and-Oil Repellents), 방오가공제(Soil Repellents), 종이, 금속, 고분자 등의 표면개질제(optical fiber)코팅 등에 널리 사용되고 있는 물질이다. 이와 같이 다양하게 활용되고 있는 함불소아크릴산에스터화합물은 5 만원/kg 이상의 가격을 나타내는 고가의 화학물질이며, 특히 2001년도 기준 국내수요는 대략적으로 600 억원 정도에 이르고 있고, 세계시장은 약 8,000 억원 규모에 달한다.
함불소아크릴산에스터화합물의 일례로 함불소(메타)아크릴레이트는 다음 반응식 1에 나타낸 바와 같이 황산이나 톨루엔술포닉산 등의 산촉매하에 함불소알코올(RfOH)과 (메타)아크릴산을 에스테르화 반응하여 제조한다.
상기 에스테르화 반응은 가역적으로 이루어지며, 불소화(메타)아크릴레이트(Rf(M)A)의 생성과 함께 물(H2O)이 부생성물로 얻어진다. 이때, 최대 수율을 얻기 위해서는 계속적으로 물을 빠르게 제거하여 열역학적 평형 상태를 형성하지 못하도록 해야한다.
함불소를 함유하는 아크릴레이트의 제조 원료인 함불소알코올은 매우 가격이 높고, 불소의 영향으로 반응에서 생성된 불순물이 장치를 부식시키기 때문에 알코올에 대한 생성물의 수율을 높이고 또한 반응 부생성물인 물을 적게 생산되도록 다양한 반응을 수행할 필요가 있다. 불소는 높은 전기음성도와 원자반경이 작아 수소, 염소 등의 원소들과는 반응성이 다르며 불소로 치환된 화합물은 유기화학의 지식으로 불소반응을 예측한다는 것은 불가능하다. 특히, 에스테르화 반응에서 함불소 알코올은 물과의 혼합에서 수화물을 만들지 않는 등 독특한 성질이 있으므로 다른 알코올과는 반응성이 다르므로 불소화학이라고 하는 분야의 지식으로 접근해야 한다.
일본특허공개 소59-175452호에서는 함불소알코올(TFEA)과 메타크릴산(MAA)을 반응시켜 에스테르화 반응을 수행하여 불소화메타크릴레이트(TFEMA)를 합성하고, 다음 도 1에 나타낸 반응장치로 벤젠, 헥산, 이소프로필에테르 등의 용매를 사용하는 공비증류공정을 이용하여 반응이 완료된 후 반응물을 5배량의 헥산(n-Hexane) 및 물을 사용하여 추출한 후 같은 량의 물과 가성소다(NaOH) 수용액을 사용하여 수세 및 중화하는 방법으로 불소화 TFEMA를 회수한다. 그러나 반응 중에 생성된 물을 즉시 제거하지 못하기 때문에 전환율이 낮으며, 반응촉매로 사용된 농황산을 중화하기 위해서 다량의 가성소다 용액이 필요할 뿐만 아니라 중화가 완료된 후에도 다량의 물로 수세를 반복적으로 수행해야 되기 때문에 다량의 폐수가 발생되는 문제가 있다.
일본특허공개 소59-181239호에서는 에스테르 반응이 완료된 후 반응물을 즉시 감압증류(40 ∼ 160 mmHg)로 유출시켜 가성소다(NaOH)용액으로 중화시키고 물로 수차례 반복적으로 수세하여 불소화 TFEMA를 회수하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 일본특허 소59-175452호와 동일하게 낮은 전환율 및 다량의 물을 이용한 반복적인 수세로 인한 다량의 폐수발생 등의 한계를 해결하지 못하였다.
즉, 기존의 에스테르화 공정으로 함불소함유 아크릴레이트를 제조하는 공정은 다음과 같은 몇 가지 한계를 가지고 있다. 먼저, 반응 전 함불소알코올 등의 유기용매를 증발시키고 다시 응축시키는 작업을 지속적으로 반복하므로 많은 에너지가 소모된다는 단점이 있다. 특히, 저비점의 불소 알코올의 경우 이러한 증발에 의한 당량비의 불균형 현상이 더욱 두드러지며, 탈수제 등을 사용하는 과정에서 고가의 함불소알코올의 소모가 전체의 30%를 넘는 등 문제점이 많다. 또한 기존 함불소 에스테르화 공정은 사용하는 유독한 불소함유 유기용매의 배출 또는 누출에 의하여 환경오염을 야기하며 작업자의 건강을 해칠 뿐만 아니라 심지어는 폭발의 위험성 등의 문제점도 있다. 제조과정 중에 에스테르화 과정을 촉진시키기 위해 고온이 필요한데, 가열하는 과정에서 산촉매의 작용과 불소의 높은 전기음성도 등으로 다이머 등의 중합물, 부생성물들이 필수적으로 생성되므로 이를 최소화하기 위해 반응과정을 주의깊게 조절해야 하며, 생성된 다이머 등과 탈수용 공비용매 등을 최종제품에서 없애기 위해 추가적인 정제를 필요로 한다. 이에 따라 최종적으로 불소계 에스터 단량체와 같은 고가의 단량체의 생산수율 및 품질을 떨어뜨리는 경제적인 단점을 가지고 있었다.
이에 상기한 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 최근에 물의 선택적 분리에 대해 국내외에서 활발하게 연구되고 방법인 투과증발 복합막 기술에 주목하게 되었다.
투과증발 복합막 공정기술은 원래 독일의 GFT사가 1980년대 후반에 개발하였는데 다공성 지지체위에 폴리비닐알코올(PVA)과 같은 수용성고분자가 가교상태로 코팅된 복합막을 이용하는 기술이다. 이러한 복합막은 물에 대한 높은 친화성과 치밀한 구조로 인해 크기가 작은 물만을 모든 유기용매 내에 선택적으로 통과시키는 특징을 갖으며, 특히 PVA의 물에 대한 높은 친화성으로, 기존 증류공정으로 분리하는 경우 에너지소비가 높은 물-에탄올, 물-이소프로필알코올, 물-아세틱에시드 등과 같은 공비점을 형성하는 물질의 분리에 주로 이용되어 왔다. 복합막을 이용한 분리는 증류 온도보다도 낮은 온도에서 분리공정이 수행되므로 기존 증류를 이용한 분리공정에 비해 에너지의 소비가 1/3이상, 최대 1/10 정도로 낮기 때문에 투과증발 복합막에 의한 분리공정으로 많이 대체가 일어나고 있다.
최근에 미국, 일본, 유럽의 에스테르화 반응의 연구자들은 이러한 탈수기능의 투과증발 복합막을 에스테르화 반응에 이용하는 투과증발 복합막을 이용한 에너지를 적게 소모하는 반응분리 동시공정에 주목하여 집중적인 연구를 수행하고 있다. 본 발명에서도, 앞에서 지적한 과불소알코올의 에스테르화 공정에서 문제점을 해결하는 수단으로 이러한 투과증발 복합막 공정을 에스테르화 반응공정에 도입하는 것을 착안하게 되었다. 즉, 투과증발막 공정이 낮은 온도에서 가동이 가능하며, 물만을 선택적으로 분리하는 밀폐형 공정이므로 함불소알코올의 에스테르화 공정에 투과증발 복합막을 도입한다면, 유기용매를 사용하지 않으며, 다이머 등의 부반응물의 생성없이 간단한 공정으로 반응 전환율을 아주 높게 가져갈 수 있을 것이라고 판단하게 되었다.
이에 본 발명자는 함불소알콜과 (메타)아크릴산의 에스테르 반응의 부생성물인 물(H2O)로 인한 함불소아크릴산에스터화합물로의 낮은 전환율과 다량의 폐수 발생 등의 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과 상기 에스테르 반응결과로 생성된 부생성물인 물과 미반응 함불소알콜의 혼합물을 응축시킨, 투과증발막에 통과시키면 물의 제거율을 고도로 높일 수 있다는 것을 알게 됨으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 함불소알코올과 (메타)아크릴산의 에스테르 반응에 의해 효율적으로 함불소아크릴산에스터화합물을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 함불소알콜과 (메타)아크릴산을 산촉매 존재하에서 에스테르화 반응시켜 함불소아크릴산에스터화합물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 반응의 부생성물인 물과 미반응 함불소화알킬알코올을 응축한 후에 투과증발막에 통과시켜 물을 제거하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법을 그 특징으로 한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 함불소알콜과 (메타)아크릴산의 에스테르화 반응으로 얻어지는 함불소아크릴산에스터화합물로의 전환수율에 큰 영향을 미치는 부생성물인 물(H2O)을 제거하기 위해 물과 미반응 함불소알코올을 응축시킨 후, 이를 투과증발막에 통과시켜 물만 효율적으로 제거시키는 공정으로 부생성물을 분리시키고, 상기 물이 제거된 미반응 알코올을 재순환하여 순도, 수율, 에너지 소모, 환경오염 등의 문제를 효과적으로 해결한 에스테르화 반응에 의한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 함불소알코올과 (메타)아크릴산의 에스테르 반응으로 생성되는 물을 제거하기 위한 방법으로, 응측시킨 부생성물에 투과증발막을 도입하여 분리한 것에 기술 구성상의 특징이 있다. 상기 투과증발막은 물/과불소알콜 혼합용액과 물/아크릴산 혼합용액의 선택도가 100 ∼ 10000 이고, 투과량이 0.1 ∼ 1 kg/m2·h 인 것이 사용될 수 있으며, 상기 범위의 선택도와 투과량 내에서 효과적으로 물이 제거되어 물이 제거된 미반응 함불소알콜을 재순환하여 함불소아크릴산에스터화합물의 전환율을 향상시킬 수 있다. 만일 상기 선택도 100 미만이면 과불소알콜과 아크릴산이 투과부로 누출되므로 바람직하지 못하며, 투과도가 0.1 kg/m2·h 미만이면 처리용량에 따른 막면적의 증대로 막에 대한 비용이 증가함으로 바람직하지 않다. 또한, 투과증발막은 당분야에서 일반적으로 사용되는 예를 들면 가교형태의 폴리비닐알콜 또는 에틸렌-비닐알콜공중합체의 복합막, 상전이 공정으로 제조된 폴리설폰이미드, 폴리아크릴로니트릴 및 독일 슐처켐텍사의 GET막 등의 재료 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 이러한 투과증발막은 평막, 중공사막, 튜브 등의 어떠한 형태를 사용하여도 가능하다. 본 발명은 상기 투과증발막의 사용으로 물과 미반응 함불소알코올을 효과적으로 분리하여 순도가 높은 미반응 함불소알코올을 형성하고, 이를 재순환하여 목적으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 전환율을 향상시킨다.
본 발명의 반응물인 함불소알코올은 다음 화학식 1로 표시되는 화합물이 사용될 수 있다.
W(CF2)ℓ(X)m(CH2)nOH
상기 화학식 1에 있어, W는 -CF3, -CF2H, -CF2Cl, -CF(CF3) 2 또는 -CCl(CF3)2이고, X는 -CH(OH)이고, ℓ 및 n은 0 ∼ 20 의 정수이고, m은 0 또는 1을 나타낸다.
상기 함불소알콜은 예를 들면 CF3CH2OH, CF3CF2CH2OH, CF3CF2CF2CH2CH2OH, CF3CCl(CF3)(CF2)7CH2OH, H(CF2)10 CH2OH, CF2Cl(CF2)10CH2OH, CF3(CF 2)7CH2(OH)CHCH2OH, CF3(CF2)4CH2(OH)CHCH2OH, CF3(CF2 )4CH2OH, CF3(CF2)6(CH2)2 OH, CF3(CF2)6CH2OH, CF3(CF2)7CH2CH2OH, (CF3)2CF(CF 2)3CH2OH, CF3(CF2)7(CH2) 4OH, (CF3)2CF(CF2)6(CH2)3OH, (CF3)2CF(CF2)6CH2CH(OH)CH2OH, CF3 (CF2)6(CH2)2OH, CF3(CF2)8 (CH2)2OH 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 혼합 사용될 수 있으며, 함불소알코올의 종류에 따라 투과증발 복합막의 투과성의 차이를 보이므로 적절한 선택사용이 요구된다.
또한, 본 발명의 에스테르 반응에 의한 함불소아크릴산에스터화합물을 형성하기 위해 상기 함불소알코올과 함께 사용되는 (메타)아크릴산으로는 예를 들면 아크릴산, 메타아크릴산 등의 아크릴산을 갖는 모든 화합물이 사용될 수 있다.
상기 함불소알코올은 상기 아크릴산 1 몰에 대하여 1.5 ∼ 3 몰로 사용하여 반응기내의 [OH]/[H]의 실제 몰비가 1 ∼ 2 몰이 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 몰비가 1 미만이면 반응기에 남아있는 반응물인 알코올이 부족하여 원활한 반응을 기대하기가 어렵고, 3 몰을 초과하는 경우에는 과량의 알코올 사용으로 에너지 소비가 커지는 문제가 발생한다.
본 발명에서 에스테르 반응의 효과 향상을 위해 사용되는 산촉매는 비점이 200 ℃ 이상인 것이 사용될 수 있으며, 상기 온도범위 미만에서는 촉매가 증발되어 내산성에 약한 투과증발 복합막의 선택 분리층의 화학적, 기계적 안정성에 문제가 발생하게 된다. 상기 산촉매의 예를 들면 메탄술폰산, 벤젠술폰산, 톨루엔술폰산, 액상/고상 나피온, 인산, 고체 산촉매 중에서 선택된 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 에스테르화 반응에 의한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
산촉매, 함불소화알킬알코올, 아크릴산을 반응기(1)에 투입하여 에스테르화 반응한다. 상기 반응은 80 ∼ 120 ℃ 온도로 18 ∼ 24 시간동안 수행되며, 반응온도가 80 ℃ 미만이면 정반응이 지연되어 에너지가 많이 소비되고 120 ℃ 초과하는 경우에는 아크릴계 다이머가 생성되거나 불소알코올의 에스테르화에 의한 이성질체가 발생하는 문제가 발생된다. 상기 반응의 부생성물인 물과 미반응 함불소화알킬알코올의 혼합물은 응축기(2)에서 응축하여 액상을 형성한다. 상기 응축된 물과 미반응 함불소알코올은 투과증발 복합막(3)을 통과하여 분리된다. 상기 분리된 미반응 함불소알코올은 재순환하여 반응기(1)에 재투입하는 과정이 포함된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 함불소알코올과 아크릴산의 에스테르 반응을 수행하면 함불소아크릴산에스터화합물을 고순도, 고수율 뿐만 아니라 환경친화적으로 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 : 투과증발 복합막의 제조
제조예 1
1%의 폴리비닐알코올(PVA) 수용액에 가교제로 글루탈알데하이드를 1%의 수용액의 상태로 만든 후에 이들을 혼합하고 미량의 산촉매하에서 고르게 교반한 후, 폴리이미드 다공성 지지체위에 캐스팅장치에 의해 PVA가교 복합막을 제조하여 120 ℃의 온도에서 열적으로 경화시켜 투과증발 복합막을 제조하였다.
상기에서 제조된 투과증발 복합막을 막반응기에 응용하고자 90/10 중량%의 트리플루오로에틸알코올/물 용액, 95/5 중량%의 물/아크릴산 용액, 99/1 중량%의 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액에서 90 ℃의 조건에서 실험을 하였다. 그 결과 트로플루오로에틸/물의 경우 각각 선택도 150, 200, 500, 물투과량 0.5, 0.2, 0.1 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였고, 메타아크릴산/물의 경우 각각 선택도 1500, 2000, 5000, 물투과량 0.3, 0.2, 0.1 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였으며, 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액의 경우 물과 섞이지 않으므로 선택도를 구할 수는 없었으며 순수한 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액의 경우 투과량이 전혀 나오지 않았다. 따라서, 상기 실시예 1의 투과증발 복합막이 막반응기에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
제조예 2
독일의 슐처켐텍사의 GFT막을 막반응기에 응용하고자 90/10 중량%의 트리플루오로에틸알코올/물 용액, 95/5 중량%의 물/아크릴산 용액, 99/1 중량%의 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액에서 90 ℃의 조건에서 실험을 하였다.
그 결과 트로플루오로에틸/물의 경우 각각 선택도 130, 180, 250, 물투과량 0.4, 0.3, 0.1 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였고 메타아크릴산/물의 경우 각각 선택도 2000, 3000, 4000, 물투과량 0.25, 0.2, 0.15 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였으며, 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액의 경우 물과 섞이지 않으므로 선택도를 구할 수는 없었으며 순수한 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액의 경우 투과량이 전혀 나오지 않았다. 따라서, 상기 실시예 2의 투과증발 복합막이 막반응기에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
제조예 3
1%의 에틸렌-비닐알코올의 공중합체 수용액에 가교제로 글루탈알데하이드를 1%의 수용액의 상태로 만든 후에 이들을 혼합하고 톨루엔술포닉산 촉매하에서 고르게 교반한 후 폴리이미드 다공성 지지체위에 캐스팅장치의 도움을 받아 복합막을 제조하여 80 ℃의 낮은 온도에서 열적으로 경화시키는 공정으로 투과증발복합막을 제조하였다.
상기 제조된 막을 90/10 중량%의 과불소알코올/물 용액, 95/5 중량%의 물/아크릴산 용액, 99/1 중량%의 물/과불소알코올메타아크릴레이트 용액에서 90 ℃의 조건에서 실험을 하였다.
그 결과 트로플루오로에틸/물의 경우 각각 선택도 137, 154, 140, 투과량 0.7, 0.4, 0.2 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였고, 메타아크릴산/물의 경우 각각 선택도 190, 250, 350, 물투과량 1.2, 0.5, 0.2 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였다. 따라서, 상기 실시예 3의 투과증발 복합막을 낮은 온도에서 성형하는 경우 막반응기에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
제조예 4
20 중량%의 폴리술폰, 30 중량%의 아세톤, 50 중량%의 엔메틸피롤리돈의 용액을 평막으로 제막하고 이를 1 분동안 증발시킨 다음 물에 침지하여 비대칭막을 만든 후 열처리 및 세정공정을 통해 투과증발복합막을 제조하였다.
상기 제조된 막을 90/10 중량%의 트리플루오로에틸알코올/물 용액, 95/5 중량%의 물/아크릴산 용액, 99/1 중량%의 물/트리플루오로에틸메타아크릴레이트 용액에서 90 ℃의 조건에서 실험을 하였다.
그 결과 트로플루오로에틸/물의 경우 각각 선택도 237, 152, 164, 투과량 1.7, 1.4, 1.2 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였고, 메타아크릴산/물의 경우 각각 선택도 290, 350, 340, 물투과량 0.2, 0.7, 0.3 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였다. 따라서, 상기 실시예 4의 폴리술폰 비대칭막의 투과증발 복합막이 막반응기에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
제조예 5
30 중량%의 폴리에테르이미드, 35 중량%의 테트라하이드로퓨란, 30 중량%의 디메틸포름아마이드의 용액을 평막으로 제막하고 3 분동안 증발시킨 다음 물에 침지하여 비대칭막을 제조한 후 열처리 및 세정공정을 통해 투과증발 복합막을 제조하였다.
상기 제조된 막을 90/10 중량%의 과불소알코올/물, 95/5 중량%의 물/아크릴산, 99/1 중량%의 물/과불소알코올 메타아크릴레이트 용액에서 90 ℃의 조건에서 실험을 하였다.
그 결과 과불소알코올/물의 경우 각각 선택도 337, 252, 264, 투과량 0.7, 0.4, 0.2 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였고, 메타아크릴산/물의 경우 각각 선택도 390, 450, 340, 물투과량 0.32, 0.57, 0.35 kg/m2/hr의 아주 높은 투과도를 보였다. 따라서, 상기 실시예 5의 폴리에테르이미드 비대칭막의 투과증발 복합막이 막반응기에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
실시예 : 투과증발 복합막을 이용하여 함불소아크릴산에스터화합물의 제조
실시예 1
메타아크릴산 78g, 2,2,2-트리플루오로에탄올 48g, 95%, 톨루엔술폰산 6 g(알코올의 1.4배몰)를 반응기(1)에 첨가하여 혼합하였다. 반응기 내의 반응온도는 75 ℃에서 5시간동안 진행되면서 생성된 물은 미반응된 함불소알코올과 함께 증발하여 상부응축기(2)로 유출되도록 하였다. 상기 응축기(2)에서는 응축하여 액상을 형성하였다.
상기 응축된 미반응 함불소알코올과 부생성물인 물은 상기 제조예 1의 투과증발 복합막(3)으로 이송되어 물이 제거되고 순수한 미반응 함불소알코올을 분리하였다. 상기 미반응 함불소알코올은 재순환하여 다시 반응기(1)로 유입되고 이는 메타아크릴산과 다시 반응하여 전환된다. 상기에서 최종적으로 얻어진 반응혼합물을 5배량의 n-헥산 및 물을 사용해서 추출하고, 동량의 물 및 1N 수산화나트륨 수용액을 사용해서 물 세척, 중화를 수행한 후 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 상기 분석결과 2,2,2-트리플루오로에칠메타크릴레이트의 전환율은 99%였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 메타크릴산 77g, 2,2,3,3,3-펜타플르오르프로판올 97g, 95% 나피온 6g, 인산 10.0g을 사용하고, 반응온도 95 ℃에서 10 시간 반응을 수행하였다.
상기에서 최종적으로 얻어진 반응혼합물을 5배량의 n-헥산 및 물을 사용해서 추출하고, 동량의 물 및 1N 수산화나트륨 수용액을 사용해서 물 세척, 중화를 수행한 후 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 상기 분석결과 2,2,2-트리플르오르에칠메타크릴레이트의 전환율은 98.7%였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 실시예 1 함량의 메타아크릴산 2배, 2,2,3,3,3-펜타플루오르프로판올 1배, 95% 고체산 촉매 5.0배로 반응온도 110 ℃에서 5시간 동안, 폴리이미드 투과증발막을 사용하여 수행하였다.
상기에서 최종적으로 얻어진 반응혼합물을 5배량의 n-헥산 및 물을 사용해서 추출하고, 동량의 물 및 1N 수산화나트륨 수용액을 사용해서 물 세척, 중화를 수행한 후 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 상기 분석결과 2,2,2-트리플르오르에칠메타크릴레이트의 전환율은 99%였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 메타아크릴산 700g, 2,2,2-트리플르오르에탄올 25g, 95% 황산 24g 사용하고, 반응온도 135 ℃에서 8시간 반응시키고, 폴리에테르이미드 투과증발 복합막을 사용하여 수행하였다.
상기 반응은 중간에 사용된 투과증발 복합막이 분해가 일어나 적합하지 않다는 것을 알 수 있었다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 메타아크릴산 700g, 2,2,2-트리플르오르에탄올 25g, 고체산 촉매 24g을 사용하여 증류법에 의해 수행하였다.
상기에서 최종적으로 얻어진 반응혼합물을 5배량의 n-헥산 및 물을 사용해서 추출하고, 동량의 물 및 1N 수산화나트륨 수용액을 사용해서 물 세척, 중화를 수행한 후 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 상기 분석결과 2,2,2-트리플루오로에칠메타크릴레이트의 전환율은 49%였으며, 다이머 등 불순물이 아주 많이 발생하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 투과증발막 대신에 종래의 공비증류법을 이용하여 반응을 수행하였다. 상기에서 최종적으로 얻어진 반응혼합물을 5배량의 n-헥산 및 물을 사용해서 추출하고, 동량의 물 및 1N 수산화나트륨 수용액을 사용해서 물 세척, 중화를 수행한 후 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 상기 분석결과 2,2,2-트리플루오로에칠메타크릴레이트의 전환율은 70 %였다.
본 발명에 따라 상기 제조예 1 ∼ 5의 투과증발막을 사용한 실시예 1 ∼ 3이 종래 공비증류법을 사용한 비교예 3에 비하여 전환율이 증가된 것으로 투과증발막 공정의 효율이 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한 반응온도의 범위를 벗어난 비교예 2와 3과 경우 막이 손상되거나 전환율이 매우 저조한 결과를 보였다.
실시예 4 ∼ 7
상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 제조예 2 ∼ 5에서 제조된 투과증발 복합막을 사용하여 각각 반응을 수행하고, 상기 반응의 결과로 생성된 함불소아크릴산에스터화합물의 전환율을 다음 표 1에 나타내었다. 상기 표 1에 나타낸 결과로 본 발명에 따른 투과증발막의 이용시 전환율이 98% 이상의 범위로 매우 효율적임을 확인할 수 있었다.
구 분 투과증발막 전환율(%)
실시예 1 제조예 1 99
실시예 4 제조예 2 98.7
실시예 5 제조예 3 99
실시예 6 제조예 4 98.5
실시예 7 제조예 5 98.3
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반응의 부산물을 투과증발 복합막으로 탈수하여 미반응물을 재순환하는 공정을 사용할 경우 종래 방법보다 산업적으로 유용한 함불소아크릴산에스터화합물의 전환율을 증가시키고, 에너지 소비도 40 %이상 절약하면서 환경 친화적으로 제조할 수 있을 뿐 아니라 에테르 및 케톤 등의 다양한 화합물에 적용이 가능하다.
도 1은 종래 공비증류법을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조공정을 나타낸 설계도이다.
도 2는 본 발명에 따른 투과증발 복합막을 이용한 함불소아크릴산에스터화합물의 제조공정을 나타낸 설계도이다.

Claims (8)

  1. 함불소알콜과 (메타)아크릴산을 산촉매 존재하에서 에스테르화 반응시켜 함불소아크릴산에스터화합물을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 반응의 부생성물인 물과 미반응 함불소화알킬알코올을 응축한 후에 투과증발막에 통과시켜 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 투과증발막은 물/과불소알콜 혼합용액과 물/아크릴산 혼합용액에서의 선택도가 각각 100 ∼ 10000 범위이고, 투과량이 각각 0.1 ∼ 1 kg/m2·h 범위인 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 투과증발막의 재료는 가교형태의 폴리비닐알콜 또는 에틸렌-비닐알콜공중합체의 복합막, 상전이공정으로 제조된 폴리설폰이미드 및 폴리아크릴로니트릴 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 투과증발막은 비대칭구조의 평막, 튜브 또는 중공사 형태인 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 함불소알콜은 다음 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법:
    [화학식 1]
    W(CF2)ℓ(X)m(CH2)nOH
    상기 화학식 1에 있어, W는 -CF3, -CF2H, -CF2Cl, -CF(CF3) 2 또는 -CCl(CF3)2이고, X는 -CH(OH)이고, ℓ 및 n은 0 ∼ 20 의 정수이고, m은 0 또는 1을 나타낸다.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 함불소알코올은 CF3CH2OH, CF3CF2CH 2OH, CF3CF2CF2CH2CH2OH, CF3CCl(CF3 )(CF2)7CH2OH, H(CF2)10CH2OH, CF2Cl(CF2)10CH2OH, CF3(CF2)7CH2(OH)CHCH2OH, CF3(CF2 )4CH2(OH)CHCH2OH, CF3(CF2)4CH 2OH, CF3(CF2)6(CH2)2OH, CF3(CF2)6CH2OH, CF3(CF2)7CH 2CH2OH, (CF3)2CF(CF2)3CH2OH, CF3(CF2)7(CH2)4OH, (CF3)2CF(CF2)6(CH2)3OH, (CF3 )2CF(CF2)6CH2CH(OH)CH2OH, CF3(CF 2)6(CH2)2OH, CF3(CF2)8(CH2)2OH 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 산촉매는 비점이 200 ℃ 이상인 메탄술폰산, 벤젠술폰산, 톨루엔술폰산, 액상/고상 나피온, 인산, 고체 산촉매 중에서 선택된 1종 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 에스테르 반응은 80 ∼ 120 ℃의 반응온도에서 18 ∼ 24 시간동안 수행하는 것을 특징으로 하는 함불소아크릴산에스터화합물의 제조방법.
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