KR20090041930A - 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼플루오로폴리에테르(Perfluoropolyether)의 중화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 불화제로서 불소가스대신, 불화금속을 사용하여 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르의 중화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법은 퍼플루오로폴리에테르의 손실이 없을 뿐만 아니라, 인체에 치명적인 불소가스를 사용하지 않고도 빠른시간 안에 고효율로 퍼플루오로폴리에테르의 산 말단기를 중화시켜 퍼플루오로폴리에테르의 제조비용을 감소시키고, 안전하게 제조할 수 있다.
Figure P1020070107724
퍼플루오로폴리에테르(Polyfluoropolyether), 중화, 불화 금속

Description

퍼플루오로폴리에테르의 중화방법{The neutralization method of perfluoropolyether}
본 발명은 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법에 관한 것이다.
유기폴리머 분자를 구성하는 두 개의 주요 원소는 탄소와 수소이며, 상기 수소의 대부분을 무기의 불소로 치환한 것이 불소 수지이다.
상기 불소수지의 분자는 탄소-탄소의 유기질의 축에 무기질의 불소가 결합되어 있는 완전히 대조적인 구조로, 최외각전자가 2s, 2p궤도가 있는 불소원자의 결합전자는 핵에 가까이 끌어 당겨져 전자와 핵과의 상호작용이 강하기 때문에 분극이 작고, 전기음성도가 원소 중에서 가장 높다. 이에, 전자가 존재하는 궤도가 핵에 가깝고 에너지가 커서 외부로부터의 자극에 의해 전자가 튀어나올 확률이 작고 이온화에너지가 클 뿐만 아니라 불소원자반경이 작아 탄소-불소결합은 다른 원자와의 결합거리가 짧아지고, 이로 인해 불소의 높은 전기음성도에 의해 탄소-불소결합은 다른 결합에 비해 에너지적으로 크다.
이러한 원인으로 불소수지 중 과불소고분자화합물은 일반적으로 내열성, 내 산화성(불연성), 내자외선성(내후성)등의 특성이 매우 우수하다.
상기 과불소고분자화합물 중 폴리에테르와 유사한 구조를 갖는 퍼플루오로폴리에테르는 온도에 관계없이 무미무취의 투명한 액체이며, 유리전이 온도가 영하 100 ℃인 무정형 고분자이다. 또한, 고온에서 산화 및 가수분해에 대한 높은 안정성과 낮은 휘발성으로 인하여 내인화성과 함께 유변학적, 마찰학적으로 우수한 특성을 나타내어 진공 펌프 오일, 열매체 오일, 불소계 윤활유, 하드디스크 드라이브 윤활제 등 산업적으로 광범위하게 사용되고 있다.
상기 퍼플루오로폴리에테르는 말단에 산 성분(acid nature) 또는 케톤 성분(ketonic nature)을 함유할 수 있다. 더욱 안정된 퍼플루오로폴리에테르를 사용하기위해 말단기에 함유되어 있는 산 성분 또는 케톤 성분을 중화하는 방법들이 시도되었다.
영국 등록특허 제1226566호는 불소(Fluorine)가스를 이용하여 50 ~ 250 ℃로, 바람직하게는 100 ~ 200 ℃로 반응시켜 상기의 말단기를 중화하는 방법을 기재하고 있다. 상기 방법과 같이 불소가스를 사용하여 중화시키는 방법은 상온에서는 반응속도가 느리게 진행되나, 가열된 상태에서 불소가스를 이용한 중화방법은 반응속도를 증가시켜 반응시간을 단축시킬 수 있다. 그러나, 상기 방법은 액체 생성물 속으로 투입하는 불소 가스에 의한 비말 동반 때문에 저분자량 퍼플루오로폴리에테르의 중화시 원재료의 중화는 불가능하다는 문제가 있다. 또한, 일반적으로 불소 가스를 이용한 중화반응은 그 반응시간이 70 시간 이상으로 충분히 반응시켜야만 완전히 중화된 퍼플루오로폴리에테르를 제조할 수 있다. 나아가, 불소가스는 인체에 매우 유독하고, 부식성이 강하여 취급이 어렵고 사용시 고가의 처리시설이 요구되어 원가상승의 요인이 된다.
한편, 상기와 같이 가열 분위기가 아닌, 일정 압력 하에서 불소화(fluorination)하는 방법 등이 대체 방법으로 보고되었으나, 이들 방법 또한 여전히 불소 가스를 사용하기 때문에 불소 가스를 사용하는 것에 대한 문제점이 그대로 존재하고 있다.
이에, 본 발명자들은 불소 가스 대신 불화 금속을 사용하여 퍼플루오로폴리에테르의 손실이 없을 뿐만 아니라, 단축된 시간 내에 96 % 이상 퍼플루오로폴리에테르의 산 말단기를 중화시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 인체에 치명적으로 위험한 불소가스를 사용하지 않고, 고 효율로 퍼플루오로폴리에테르를 중화시키는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기위해, 본 발명은 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법을 제공한다.
본 발명에 따른 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법은 퍼플루오로폴리에테르의 손실이 없을 뿐만 아니라, 인체에 치명적인 불소가스를 사용하지 않고도 빠른 시간안에 고효율로 퍼플루오로폴리에테르의 산 말단기를 중화시켜 퍼플루오로폴리에테르의 제조비용을 감소시키고, 안전하게 제조할 수 있다.
본 발명은 반응기 내에 산 말단기를 갖는 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether)와 불화금속(Metal fluoride)을 투입하여 중화반응시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 중화된 퍼플루오로폴리에테르 용액을 증류수로 층 분리시켜 잔존하는 불화금속을 제거하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 층 분리된 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 수분을 제거하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 퍼플루오로폴리에테르 중화방법을 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 퍼플루오로폴리에테르 중화방법의 단계 1은 반응기 내에 산 말단기를 갖는 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether)와 불화금속(Metal fluoride)을 투입하여 중화반응시키는 단계이다.
상기 중화반응에서 사용되는 반응기는 교반기, 가스 분배기, 냉각기와 CO2 트랩이 구비되어있어 중화반응에 요구되는 열을 가열할 수 있으며, 가열과 동시에 교반할 수 있어 최적의 중화반응이 일어날 수 있는 환경을 만들어줄 수 있다.
상기 퍼플루오로폴리에테르는 -Rf-CF2-COF, -Rf-CF2-OCOF, -Rf-CF2CF2-OCOF, -Rf-CF(CF3)-COF, -Rf-CF2-CF(CF3)-OCOF, -Rf-CF(CF3)-CF2-OCOF 및 -Rf-CF2-C(CF3)=O 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나이고;
상기 Rf는 - AO-(CF(CF3)CF2O)n-, - AO-(CF2-CF(CF3)O)m-(CF2O)n-(CF(CF3)O)r-, - AO-(CF2-CF2O)t-(CF2O)p- 및 - AO-(CF2-CF2O)t-(CF2O)n-(CF(CF3)O)r-(CF2CF(CF3)O)m-으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고;
상기 Rf의 A는 -CF3, -C2F5, -C3F7 및 -CF(CF3)2으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나이고;
상기 m, n 및 r은 1 ~ 50인 정수이고; 및
상기 t 및 p는 0 ~ 200인 정수이다.
또한, 상기 불화금속은 불소화제(Fluorination agent)로서 종래의 불소가스 대신 불화알루미늄(AlF3), 불화안티몬(SbF5), 불화코발트(CoF3) 등을 사용하여 퍼플루오로폴리에테르에 포함되어 있는 산 말단기 또는 케톤기를 중화시킬 수 있다.
이때, 상기 중화반응은 50 ~ 150 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 100 ~ 150 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 중화반응이 150 ℃를 초과하면 상기 불화금속이 퍼플루오로폴리에테르를 저분자로 분해시킬 수 있는 문제가 있고, 50 ℃ 미만이면 퍼플루오로폴리에테르의 말단기가 중화되지 않는 문제가 있다.
또한, 상기 중화반응은 50 시간 이내에 수행될 수 있다. 상기 중화반응이 50 시간을 초과하면 공정시간이 길어, 생산성을 저하시키는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 퍼플루오로폴리에테르 중화방법의 단계 2는 상기 단계 1의 중화된 퍼플루오로폴리에테르 용액을 증류수로 층 분리시켜 잔존하는 불화금속을 제거하는 단계이다.
상기 증류수는 불화금속을 분리하기 위한 것으로, 중화반응이 종료된 후 증류수를 투입하고 교반시키면 불화금속이 증류수에 용해되고, 유기 용매에 용해되어 있는 퍼플루오로폴리에테르 용액으로부터 층 분리가 일어난다. 상기 분리된 수용액 층을 제거함으로써 불화금속을 제거할 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 퍼플루오로폴리에테르 중화방법의 단계 3은 상기 단계 2에서 층분리된 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 수분을 제거하는 단계이다.
상기 단계 2에 투입된 증류수는 층 분리를 통해 대부분 제거될 수 있지만, 일부 수분이 퍼플루로오로폴리에테르 용액 내에 잔존할 수 있다. 상기 단계 3에서는 잔존 할 수 있는 수분을 무수 황산 마그네슘(MgSO4)을 이용하여 제거할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르의 제조
디에틸렌글리콜디메틸에테르(Diethyleneglycoldimethylether)용매 3 g에 개시제로서 세슘플로라이드(CsF) 2 g을 첨가한 후, -35 ℃에서 교반하면서 헥사플루오로프로필렌 옥사이드(HFPO, Hexafluoropropylene oxide) 500 g을 9시간에 걸쳐 투입하여 산 말단기(-CFO)를 갖는 퍼플루오로폴리에테르 500 g을 제조하였다. 상기 퍼플루오로폴리에테르를 분별 증류로 정제하여 C3F7O(CF(CF3)CF2O)nCF(CF3)COF 구조를 갖고 평균 분자량(Mw)이 2,000인 퍼플루오로폴리에테르 410 g을 제조하였다.
<제조예 2> 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르의 제조
디에틸렌글리콜디메틸에테르(Diethyleneglycoldimethylether)용매 3 g에 개시제로서 세슘플로라이드 2 g을 첨가한 후, -35 ℃에서 교반하면서 헥사플루오로프로필렌 옥사이드 500 g을 36시간에 걸쳐 투입하여 산 말단기(-CFO)를 갖는 퍼플루오로폴리에테르 500 g을 제조하였다. 상기 퍼플루오로폴리에테르를 분별 증류로 정제하여 C3F7O(CF(CF3)CF2O)nCF(CF3)COF 구조를 갖고 평균 분자량(Mw)이 10,830인 퍼플루오로폴리에테르 430 g을 제조하였다.
<실시예 1> 퍼플루오로폴리에테르의 중화
단계 1. 산 용액을 포함한 퍼플루오로폴리에테르의 중화
상기 제조예 1에서 제조한 산 말단기(-CFO)를 갖는 퍼플루오로폴리에테르 100 g과 불화안티몬(SbF5) 8.0 g을 반응기에 투입하고, 150 ℃에서 48 시간 동안 교반시켰다.
단계 2. 불화금속의 제거
상기 단계 2의 중화반응이 종료된 후, 잔존하는 SbF5을 제거하기 위해 증류수 80 g를 투입, 교반 시킨 후 수용액 층과 퍼플루오로폴리에테르 층을 분리시켰다.
단계 3. 수분 제거
분리하여 얻어진 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 수분을 황산 마그네슘(MgSO4) 20 g 으로 제거하였다.
상기 실시예 1을 19F-NMR과 IR로 분석한 결과, 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 산 말단기의 96 %가 중화되었고, 중화된 퍼플루오로폴리에테르는 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르에 비해 손실이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<실시예 2> 퍼플루오로폴리에테르의 중화
불화금속으로 불화알루미늄(AlF3) 5.2 g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
상기 실시예 2를 19F-NMR과 IR로 분석한 결과, 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 산 말단기의 100 %가 중화되었고, 중화된 퍼플루오로폴리에테르는 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르에 비해 손실이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<실시예 3> 퍼플루오로폴리에테르의 중화
불화금속으로 불화코발트(CoF3) 7.1 g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
상기 실시예 3을 19F-NMR과 IR로 분석한 결과, 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 산 말단기의 97 %가 중화되었고, 중화된 퍼플루오로폴리에테르는 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르에 비해 손실이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<실시예 4> 퍼플루오로폴리에테르의 중화
제조예 2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 제조하였다.
상기 실시예 4를 FT-IR분석하여 도 1에 나타내었고,19F-NMR 분석을 하였다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 제조예 2(b)는 -COF 기를 나타내는 1890 cm-1 피크가 있는 반면 실시예 4(a)는 상기 피크가 사라진 것을 확인하고 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 산 말단기의 100 %가 중화되었음을 확인하였다. 또한, 19F-NMR 분석 결과 중화된 퍼플루오로폴리에테르는 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르에 비해 손실이 발생하지 않았음을 확인하였다.
<비교예 1> 불소가스를 이용한 퍼플루오로폴리에테르의 중화
교반기, 가스 분배기, 냉각기와 CO2 트랩이 구비되어 있는 반응기를 60 ℃로 유지시킨 상태에서 상기 제조예 1 100 g을 투입한다. 산 말단기를 포함한 퍼플루오로폴리에테르를 투입한 반응기에 불소가스를 시간당 10 ℓ으로 70 시간 동안 공급하여 산 말단기를 중화된 퍼플루오로폴리에테르 97.8 g을 제조하였다.
상기 비교예 1을 19F-NMR과 IR로 분석한 결과, 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 산 말단기의 12 %가 중화되었고, 중화된 퍼플루오로폴리에테르는 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르에 비해 2 %의 손실이 발생하였음을 확인하였다.
<비교예 2> 불소 가스를 이용한 퍼플루오로폴리에테르의 중화
반응기를 160 ℃으로 유지시키고, 50 시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하여 94 g을 제조하였다.
상기 비교예 2를 19F-NMR과 IR로 분석한 결과, 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 산 말단기의 26 %가 중화되었고, 중화된 퍼플루오로폴리에테르는 산 말단기를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르에 비해 불소 가스에 의한 비말 동반으로 5.8 %의 손실이 발생하였음을 확인하였다.
상기의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
전환율(%) 96 100 97 12 26
손실율(%) 0 0 0 2 5.8
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명이 불화제로서 불화가스 대신 불화금속을 사용하여 퍼플루오로폴리에테르 중화반응의 위험을 감소시키고, 반응 시간을 단축시켜 생산성을 향상시키면서도, 원 재료의 손실없이 높은 전환율을 갖는 중화 방법임을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 일실시 형태의 FT-IR을 분석한 그래프이다((a) 실시예 4, (b) 제조예 2).

Claims (7)

  1. 반응기 내에 산 말단기를 갖는 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether)와 불화금속(Metal fluoride)을 투입하여 중화반응시키는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 중화된 퍼플루오로폴리에테르 용액을 증류수로 층 분리시켜 잔존하는 불화금속을 제거하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 층 분리된 퍼플루오로폴리에테르에 포함된 수분을 제거하는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 퍼플루오로폴리에테르는 -Rf-CF2-COF, -Rf-CF2-OCOF, -Rf-CF2CF2-OCOF, -Rf-CF(CF3)-COF, -Rf-CF2-CF(CF3)-OCOF, -Rf-CF(CF3)-CF2-OCOF 및 -Rf-CF2-C(CF3)=O 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나이고; 여기서, 상기 Rf는 -AO-(CF(CF3)CF2O)n-, -AO-(CF2-CF(CF3)O)m-(CF2O)n-(CF(CF3)O)r-, -AO-(CF2-CF2O)t-(CF2O)p- 및 -AO-(CF2-CF2O)t-(CF2O)n-(CF(CF3)O)r-(CF2CF(CF3)O)m-으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고; 여기서, A는 -CF3, -C2F5, -C3F7 및 -CF(CF3)2으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나이고; 상기 m, n 및 r은 1 ~ 50인 정수이고; 상기 t 및 p는 0 ~ 200인 정수인 것을 특징으로하는 퍼플루오로폴리에테르 의 중화방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불화금속은 불화알루미늄(AlF3), 불화안티몬(SbF5) 및 불화코발트(CoF3) 인 것을 특징으로 하는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중화반응은 50 ~ 150 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중화반응은 100 ~ 150 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중화반응은 50 시간 이내에 수행되는 것을 특징으로 하는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중화반응에 의해 전환되는 산 말단기의 전환율은 96 ~ 100 % 인 것을 특징으로 하는 퍼플루오로폴리에테르의 중화방법.
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