KR20080061506A - 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

고상중합 속도가 향상된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법이 개시된다. 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법은 방향족 디카르복실산 및 디올을 용융 중합하여, 0.5 내지 0.6㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하는 단계; 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트를 40 내지 70℃로 가열된 토출 냉각수에서 펠렛으로 제조한 후, 150 내지 200℃에서 결정화시키는 단계; 및 상기 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 200 내지 230℃의 불활성 기체를 이용하여 고상 중합시키는 단계를 포함한다.
플라스틱, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 고상중합, 토출 냉각수

Description

폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법{Method for preparing polyethylene terephthalate}
본 발명은 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고상중합 속도가 향상된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법에 관한 것이다.
대표적인 폴리에스테르(polyester)인 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate, 이하 'PET'라 함)는 물리적·화학적 특성이 우수하여 섬유, 필름, 타이어코드, 음료 용기 등의 다양한용도에 사용되며, 특히, 탄산 음료, 생수, 과즙 음료 등의 음료 시장 성장과 더불어 기존 유리 용기 및 유해성 플라스틱 용기의 대체물인 병(bottle)용으로서, 그 수요가 꾸준히 증가하고 있다.
통상적으로 PET는 원료인 테레프탈산(terephthalic acid, 이하 TPA) 및 에틸렌글리콜(ethylene glycol, 이하 EG)을 고온 고압의 반응기로 투입시킨 후, 여기서 제조된 저 분자량의 올리고머(oligomer)를 고온 진공 상태에서 반응 촉매, 정색제 및 안정제를 첨가한 후, 용융 중합시켜 제조할 수 있으며, 필요에 따라 성형성 개선을 위한 공중합체를 더욱 첨가할 수 있다. 또한, TPA 대신에 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate, 이하 DMT)를 사용할 수도 있는데, DMT의 경우 EG에 용해되므로, Co, Mn 화합물 등의 적절한 촉매를 첨가하여 올리고머를 제조한 후, 상기 TPA를 사용할 때와 동일한 공정으로 PET를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 PET는 통상적으로 약 0.6dl/g의 고유점도(intrinsic viscosity, IV) 및 20,000 내외의 수평균 분자량을 갖으며, 이는 일반 섬유나 필름으로 사용하기에 충분하다. 그러나 고강도를 요구하는 산업용 섬유 및 병(bottle)용 수지의 경우 보통 고상 중합 공정을 통해 분자량을 증가시킨다. 고상 중합 공정은 용융 중합 공정에서 얻은 수평균 분자량 20,000 내외의 용융상태의 PET 고분자 물질을 상온의 토출 냉각수를 이용하여 펠렛(pellet) 형태로 만들고, 이를 다시 150~200℃에서 결정화시킨 후,200~230℃에서 중합시키는 것으로서, 반응 온도가 270℃ 이상인 용융 중합에 비해 온도가 낮으므로, 착색과 부반응이 적고, 환형 올리고머(cyclic oligomer)를 포함한 바람직스럽지 못한 부산물들이 제품에서 제거되는 특징이 있어 널리 사용되고 있다.
이러한 고상 중합은 반응물이 고체 상태의 PET 펠렛이므로, 중합반응의 진행은 PET 고분자 말단기 사이의 화학반응 및 화학반응 결과 생성되는 휘발성 부산물인 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 물(water), 아세트알데히드(acetaldehyde) 등이 펠렛 내부로부터 펠렛 외부로 확산되어 나오는 확산과정에 의하여 진행된다. 반응의 주체인 고체 고분자들과 반응의 부산물인 상기 휘발성 물질들의 이동(확산)속 도는 액체나 기체와 비교할 때 매우 느리며, 이렇게 느린 반응물의 운동 속도나 부산물의 이동 속도는 전체 고상중합의 속도를 감소시키는데 주요 요인으로 작용하여, 생산성 저하 및 전체적인 설비 효율의 감소를 야기시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 고상중합 속도를 향상시킨 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생산성 및 설비 효율 증대를 위한 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 방향족 디카르복실산 및 디올을 용융 중합하여, 0.5 내지 0.6㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하는 단계; 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트를 40 내지 70℃로 가열된 토출 냉각수에서 펠렛으로 제조한 후, 150 내지 200℃에서 결정화시키는 단계; 및 상기 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 200 내지 230℃의 불활성 기체를 이용하여 고상 중합시키는 단계를 포함하는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법은 방향족 디카르복실산 및 디올을 용융 중합하여, 0.5 내지 0.6㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하는 단계; 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트를 40 내지 70℃로 가열된 토출 냉각수에서 펠렛으로 제조한 후, 150 내지 200℃에서 결정화시키는 단계; 및 상기 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 200 내지 230℃의 불활성 기체를 이용하여 고상 중합시키는 단계를 포함한다.
상기 방향족 디카르복실산 및 디올의 용융 중합은 통상적인 방법으로 실시 할 수 있으며, 예를 들면 방향족 디카르복실산 및 디올을 1 내지 2Kgf/㎠ 압력, 200 내지 250℃에서 가열시켜 제조한 수평균분자량 500 내지 5,000의 에스테르화물을 0.1 torr이하의 압력, 250 내지 300℃로 가열함으로써 용융 중합을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 방향족 디카르복실산 및 디올의 사용량은 상기 방향족 디카르복실산 1몰당 디올 1.02 내지 2몰을 사용할 수 있고, 상기 방향족 디카르복실산 성분으로는 테레프탈산, 이소프탈산 등의 이염기산 또는 상기 이염기산의 저급 알킬 에스테르를 예시할 수 있으며, 테레프탈산을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 이염기산의 저급 알킬 에스테르로는 디메틸테레프탈레이트, 디메틸이소프탈레이트, 디에틸테레프탈레이트, 디에틸이소프탈레이트, 디부틸테레프탈레이트, 디부틸이소프탈레이트 등을 예시할 수 있다. 상기 방향족 디카르복실산과 이의 알킬 에스테르는 단독 또는 둘 이상이 배합된 형태로 사용될 수 있다. 상기 디올로는 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 네오펜틸 글리콜, 프로필렌 글리콜, 부탄디올 등을 예시할 수 있고, 에틸렌 글리콜을 사용하는 것이 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상이 배합된 형태로 사용될 수 있다. 상기 용융 중합은 티타늄(Ti) 화합물, 안티몬(Sb) 화합물, 게르마늄(Ge) 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 금속 촉매의 존재하에서 수행될 수 있으며, 이중 티타늄 화합물 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 티타늄(Ti) 화합물로는 티타늄 테트라부톡사이드, 티타늄 테트라프로폭사이드 등을 예시할 수 있고, 상기 안티몬(Sb) 화합물로는 안티몬 트리옥사이드, 안티몬 아세테이트, 안티몬 테트라에톡사이드 및 안티몬 테트라-n-부톡사이드 등을 예시할 수 있으며, 상기 게르마늄(Ge) 화합물로는 게르마늄 디옥사이드, 게르마늄 테트라에톡사이드, 게르마늄 테트라-n-부톡사이드 등을 예시할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 용융 중합은 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도가 용융 중합 후 통상의 폴리에틸렌테레프탈레이트가 갖는 고유점도인 0.5 내지 0.6㎗/g이 되도록 종료시킨다. 상기 고유점도는 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛 1.2g을 o-클로로페놀(o-chlorophenol) 15㎖중에 가열 용해시킨 후, 냉각하여 25℃에서 측정한 용액점도로부터 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법은 용융 중합된 폴리에틸렌테레프탈레이트를 40 내지 70℃, 바람직하게는 50 내지 60℃로 가열된 토출 냉각수에서 펠렛으로 제조하는 공정을 포함한다. 상기 공정을 수행함으로써, 중합체 내의 기핵의 수가 증가하여 고분자 구정 크기를 줄여줌으로써, 고상중합이 이루어지는 고분자 말단기의 고상중합 반응의 참여 기회를 증가시키고, 부산물의 이동을 원할하게 하는 효과를 얻을 수 있다. 상기 토출 냉각수의 온도가 40℃ 미만인 경우 고상속도의 증가 효과가 떨어지며, 70℃를 초과할 경우 펠렛 간의 융착이 발생하며 원할한 토출이 이루어지지 않는다.
본 발명에 따른 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛의 결정화는 고상 중합 수행 전에 선행되는 공정으로서, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛이 서로 부착되지 못하도록 하기 위한 것이다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛의 결정화 공정은 통상적으로 고상중합의 온도 또는 그 이하의 온도에서 수행되며, 본 발명에서는 100 내지 200℃, 바람직하게는 130 내지 160℃의 공기 또는 불활성 기체 분위기 중에서 수행될 수 있으며, 상기 불활성 기체로는 질소, 아르곤, 탄산가스 등을 예시할 수 있다. 상기 결정화 온도가 100℃ 미만인 경우 결정화가 이루어지지 않거나 결정화 속도가 매우 느린 문제가 있고, 200℃를 초과하면 황변을 야기하는 문제가 있으며, 상기 결정화 공정은 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛의 결정화도가 40 내지 45%가 될 때까지 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고상 중합 공정에서는 상기 결정화 공정이 수행된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 200 내지 230℃의 불활성 기체를 이용하여, 고상 반응기에서 4 내지 18시간 중합시킴으로써, 0.70 내지 0.85㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조할 수 있다. 이때, 상기 불활성 기체의 온도가 200℃ 미만인 경우 고상중합 속도가 감소하고, 230℃를 초과하면 황변현상이 발생된다. 상기 고상 반응기로는 불활성 기체 대류식 탑형의 연속식 고상반응장치 또는 진공형 뱃치식(batch)의 회전식 건조기(rotary drier)를 사용할 수 있으며, 상기 불활 성 기체로는 질소, 아르곤, 탄산 가스 등을 예시할 수 있고, 질소를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 불활성 기체는 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛 100g당 20 내지 150㎣/min.의 유속으로 공급되는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1] 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조
안티몬 촉매(안티몬 트리옥사이드, Sb2O3)의 존재하에서, 테레프탈산 및 에틸렌 글리콜을 용융 중합시켜, 0.60㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조한 후, 50℃로 가열한 냉각수 속을 통과시켜 펠렛을 제조하였다. 다음으로, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 질소 분위기의 150℃에서 30분 동안 결정화시킨 후, 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 210℃로 가열된 질소 대류식 탑형의 연속식 고상반응장치에서 6시간 동안 고상 중합시켜, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하였다. 다음으로 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도를 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛 1.2g을 o-클로로페놀(o-chlorophenol) 15㎖중에 가열 용해시킨 후, 냉각하여 25℃에서 측정한 용액점도로부터 산출한 후, 그 측정값 및 시간당 고유점도 증가율을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.
[비교예 1] 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조
50℃로 가열된 토출 냉각수 대신 상온(25℃)의 토출 냉각수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하였고, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도 측정값 및 시간당 고유점도 증가율을 하기 표 1에 나타내었다.
토출 냉각수 온도 고상중합 전 PET의 고유점도 고상중합 후 PET의 고유점도 시간당 고유점도 증가율(ΔIV/hr ×100)
실시예 1 50℃ 0.60㎗/g 0.83㎗/g 3.83
비교예 1 25℃ 0.60㎗/g 0.81㎗/g 3.50
[실시예 2] 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조
게르마늄 촉매(게르마늄 디옥사이드, GeO2)의 존재하에서, 테레프탈산 및 에틸렌 글리콜을 용융 중합시켜, 0.60㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조한 후, 50℃로 가열한 냉각수 속을 통과시켜 펠렛을 제조하였다. 다음으로, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 질소 분위기의 150℃에서 30분 동안 결정화시킨 후, 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 210℃로 가열된 질소 대류식 탑형의 연속식 고상반응장치에서 8시간 동안 고상 중합시켜, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하였다. 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도 측정값 및 시간당 고유점도 증가율을 하기 표 2에 나타내었다.
[비교예 2] 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조
50℃로 가열된 토출 냉각수 대신 상온(25℃)의 토출 냉각수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2과 동일한 방법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하였고, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도 측정값 및 시간당 고유점도 증가율을 하기 표 2에 나타내었다.
토출 냉각수 온도 고상중합 전 PET의 고유점도 고상중합 후 PET의 고유점도 시간당 고유점도 증가율(ΔIV/hr ×100)
실시예 2 50℃ 0.60㎗/g 0.76㎗/g 2.06
비교예 2 25℃ 0.60㎗/g 0.74㎗/g 1.73
[실시예 3] 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조
티타늄 촉매(티타늄 테트라프로폭사이드, (C3H7O)4Ti)의 존재하에서, 테레프탈산 및 에틸렌 글리콜을 용융 중합시켜, 0.60㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조한 후, 50℃로 가열한 냉각수 속을 통과시켜 펠렛을 제조하였다. 다음으로, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 질소 분위기의 150℃에서 30분 동안 결정화시킨 후, 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 210℃로 가열된 질소 대류식 탑형의 연속식 고상반응장치에서 12시간 동안 고상 중합시켜, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하였다. 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도 측정값 및 시간당 고유점도 증가율을 하기 표 3에 나타내었다.
[비교예 3] 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조
50℃로 가열된 토출 냉각수 대신 상온(25℃)의 토출 냉각수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하였고, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도 측정값 및 시간당 고유점도 증가율을 하기 표 3에 나타내었다.
토출 냉각수 온도 고상중합 전 PET의 고유점도 고상중합 후 PET의 고유점도 시간당 고유점도 증가율(ΔIV/hr ×100)
실시예 3 50℃ 0.60㎗/g 0.74㎗/g 1.16
비교예 3 25℃ 0.60㎗/g 0.71㎗/g 0.90
상기 표 1 내지 3으로부터, 가열된 토출 냉각수에서 제조된 펠렛을 고상 중합시켜 제조한 실시예(1, 2, 3)의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 상온의 토출 냉각수에서 제조된 펠렛을 고상중합시켜 제조한 비교예(1, 2, 3)의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)보다 최종 고유점도가 높음을 알 수 있다. 이는 동일한 용융 중합을 통해 생산된 PET 고분자의 토출 온도에 따라서 고상중합 속도가 증가함을 의미한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법은 고상중합 속도를 향상시켜, 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트를 이용한 제품의 생산성 및 설비 효율을 증대시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 방향족 디카르복실산 및 디올을 용융 중합하여, 0.5 내지 0.6㎗/g의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 제조하는 단계;
    상기 폴리에틸렌테레프탈레이트를 40 내지 70℃로 가열된 토출 냉각수에서 펠렛으로 제조한 후, 150 내지 200℃에서 결정화시키는 단계; 및
    상기 결정화된 폴리에틸렌테레프탈레이트 펠렛을 200 내지 230℃의 불활성 기체를 이용하여 고상 중합시키는 단계를 포함하는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용융 중합은 티타늄(Ti) 화합물, 안티몬(Sb) 화합물, 게르마늄(Ge) 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 금속 촉매의 존재하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌테레프탈레이트 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고상 중합은 불활성 기체 대류식 탑형의 연속식 고상반응장치 또는 진공형 뱃치식의 회전식 건조기를 사용하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고상 중합에서 제조된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고유점도가 0.70 내지 0.85㎗/g인 것인 폴리에틸렌테레프탈레이트의 제조방법.
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