KR20110058782A - 폴리에스테르의 연속 제조 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은, a) 중합에 효과적인 조건에서 작동하는 연속 혼합 반응기에 사이클릭 에스테르 단량체 및 중합 촉매를 연속적으로 제공하여 예비중합된 반응 혼합물을 형성하는 단계, b) 예비중합된 반응 혼합물을 상기 연속 혼합 반응기로부터 연속적으로 제거하여 예비중합된 반응 혼합물을 중합 조건하에 작동하는 플러그 유동 반응기에 연속적으로 제공해서 중합체를 형성하는 단계(여기서, 상기 반응 혼합물은 적어도 90%의 중합도로 중합된다) 및 c) 중합체를 상기 플러그 유동 반응기로부터 연속적으로 제거하는 단계를 포함하는, 100 내지 240℃의 온도에서 지방족 폴리에스테르를 형성하기 위한 사이클릭 에스테르 단량체의 개환 중합을 위한 연속 공정에 관한 것이다.

Description

폴리에스테르의 연속 제조 공정{Process for the continuous production of polyesters}

본 발명은 사이클릭 에스테르 단량체로부터 폴리에스테르, 특히 지방족 폴리에스테르를 연속적으로 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.

락타이드(L-락타이드, D-락타이드, rac-락타이드(또한 DL-락타이드로서 지칭됨), 메소-락타이드), 글리콜라이드, 트리메틸렌 카보네이트(TMC: trimethylene carbonate), 엡실론-카프로락톤 및 p-디옥사논 및 이들의 조합물과 같은 사이클릭 에스테르 단량체를 기재로 하는 지방족 폴리에스테르는 다수의 이로운 특성을 갖는다. 이것들은 종종 높은 생체적합성 및 이로운 재흡수성(resorbability)을 가져서, 예를 들어 고정 요소, 필름, 막, 봉합사와 같이 사람 또는 동물의 신체에 사용하기 위한 지지체(scaffold) 및 이식물의 제조에 적합하거나, 또한 약제학적 약물 전달 시스템에 적합하다. 또한, 특히 폴리락트산이라고도 또한 불리우는 폴리락타이드는 예를 들어 포장 재료용의 생물기반(biobased)의 중합체의 분야에서 전도유망한 물질이다. 이것이 재생가능한 자원으로부터 유도될 수 있다는 점 때문에 오일로부터 유도된 중합체에 대한 지속가능한 대안물로서 특히 유리하다.

폴리락타이드와 같은 지방족 폴리에스테르를 제조하기 위한 중합 공정은 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 당해 공정에는 개환 중합 공정 및 중축합 공정이 포함된다. 중축합에 의해서는 필요로 하는 고분자량의 폴리에스테르가 수득되지 않기 때문에 중축합 공정을 통해 수득된 폴리락트산은 제한된 가치를 가짐이 밝혀졌다.

따라서, (코)폴리에스테르는 상응하는 사이클릭 단량체, 예를 들어, L-락타이드, D-락타이드, DL-락타이드 또는 rac- 락타이드, 메소-락타이드, 글리콜라이드, 트리메틸렌 카보네이트, 엡실론-카프로락톤 및 p-디옥사논 또는 이들의 혼합물의 개환 중합에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

그러므로, 폴리락타이드의 제조를 위한 공정에 대한 대부분의 간행물은 축합을 통해 락트산이 중합되어 예비중합체를 형성하고, 이 예비중합체가 촉매에 의해 후속적으로 해중합되어 조 락타이드를 형성하는 제1 단계(즉, 폐환 반응)를 기술하고 있다. 상기 조 락타이드는 정제되고, 상기 정제된 락타이드는 개환 중합에 의한 폴리락타이드의 제조에서 단량체로서 사용된다. 이러한 설명을 위해, 폴리락타이드 및 폴리락트산이라는 용어는 상호교환적으로 사용된다.

비록 폴리락타이드와 같은 폴리에스테르의 제조에 대한 문헌이 다수라고 할지라도, 대부분의 간행물은 산업적 규모로 사용되는 특정 장비에 대해서는 언급이 없다. 상기 문헌들은 실험실 규모에만 주로 촛점을 맞추고 있다. 대부분의 간행물에서, 락트산으로부터의 락타이드의 제조 및 락타이드의 후속의 정제는 상세하게 개시하고 있는 반면, 사이클릭 에스테르 단량체(예, 락타이드)로부터 대응하는 폴리에스테르(예, 폴리락타이드)를 형성하는 개환 중합에 대해서는 온도 및 촉매 만을 기술하고 있다. 예를 들어, 국제공개공보 제WO 94/06856호는 락타이드의 폴리락타이드로의 중합 공정이 회분식, 반연속식 또는 연속식 방법으로 실시될 수 있다고만 기술하고 있다. 반응 용기는 통상의 열교환기 및/또는 혼합 장치를 구비할 수 있다.

폴리에스테르를 제조하는 중합 공정은 두 개의 그룹, 즉 물이 없는 용매의 존재하에서의 중합, 예를 들어 현탁 또는 에멀젼 중합과; 용매의 실질적인 부재하에서의 중합, 예를 들어 단량체 및 중합체의 융점 초과의 온도에서 실시되는 용융 중합 또는 중합체의 융점 미만의 온도에서 (회분식으로) 실시되는 괴상(mass) 중합으로 분류될 수 있다.

일반적으로, 폴리에스테르는 중축합에 의해 용매(벌크)의 부재하에서 형성된 모든 것 및 사이클릭 에스테르 단량체가 이미 탈수된 일부 특정의 경우에는 개환 중합에 의해 형성된 모든 것이다. 통상적으로 사용되는 공정은 회분식으로 실시되며, 용융 점도의 증가 및 카르복실산 말단 그룹 농도의 감소를 모니터링하여 전환이 수행된다. 이러한 전형적인 방법은 로진-계의 인쇄 잉크 수지로부터 분말 코팅 폴리에스테르 수지를 통해 PET 얀(yarn)을 위한 예비중합체에 이르기까지 많은 폴리에스테르에서 사용된다. 후자는 용융 중합 후 고상 후-중합(SSP: solid-state post-polymerisation)으로 처리되어 용융된 상태에서 달성할 수 없는 값으로 평균 분자량을 증가시킨다. 비록 SSP가 시간-소모적 공정이라고 할지라도, 부득이하게 산업 규모에서 널리 사용되고 있다.

용매의 부재하에서 사이클릭 에스테르 단량체의 폴리에스테르로의 중합(예, 락타이드의 폴리락타이드로의 중합)에서 종종 직면하는 주요 문제는 발열 중합 반응 동안 발생된 열의 제거이다. 폴리락타이드와 같은 폴리에스테르는 비교적 낮은 열 전도도를 갖는다. 예를 들어, 폴리락트산의 열 전도도는 0.13 W/(m.K)이다. 다른 중합체 및 고무에 있어서도 동일한 정도의 값이 보고되고 있다. 이것은, 반응에 의해 발생된 열이 특히 큰 용기, 교반된 탱크 등에서 항상 효과적으로 제거될 수 없다는 것을 의미한다. 이것은 형성된 중합체의 국부적 과열을 초래하여 중합체의 쇄 분해 및 변색을 유발할 수 있다.

통상의 공정에서, 반응 속도가 느리고 체류 시간이 길도록 경화 공정이 선택된다. 이것은 대형이고 고가인 장비를 초래한다. 다른 종래의 공정은 낮은 잔류 락타이드 함량을 가지면서 고수율로 낮은 황색 지수와 함께 고품질(즉, 고분자량)의 폴리에스테르, 예를 들어 폴리락타이드를 제공하지 않는다.

용매 부재하에서의 사이클릭 에스테르 단량체의 개환 중합에서 직면하는 추가적인 문제는 단량체 용융물과 중합체 용융물 사이에서의 용융 점도의 차이이다. 국제공개공보 제WO 99/50345호에서는, 중합 공정을 위해 플러그 유동(plug flow) 반응기 또는 일련의 플러그 유동 반응기의 사용을 제안하고 있다. 예를 들어 락타이드 중합을 위해 플러그 유동 반응기를 사용하는 경우, 용융된 사이클릭 에스테르 단량체(당해 실시예에서는 락타이드)와 수득된 폴리에스테르(당해 실시예에서는 폴리락타이드) 사이의 용융 점도의 차이가 너무 커서 플러그 유동 조건이 유지될 수 없고 채널링(channelling)이 발생한다는 것을 본 발명자들이 밝혀내었다.

상술된 문제에 대한 적절한 해결 방법이 개시된 적이 없기 때문에, 사이클릭 에스테르 단량체로부터 산업적 규모의 경제적으로 이로운 방식으로 고품질의 고분자량 중합체를 제조하기 위한 연속 공정이 요구되고 있다.

본 발명에 따라, 하기 단계 a) 내지 c)를 포함하는, 100 내지 240℃의 온도에서 사이클릭 에스테르 단량체의 개환 중합을 위한 연속 공정을 제공함으로써 상기의 요구가 해결된다:

a) 중합에 효과적인 조건에서 작동하는 연속 혼합 반응기에 사이클릭 에스테르 단량체 및 중합 촉매를 연속적으로 제공하여 예비중합된 반응 혼합물을 형성하는 단계,

b) 예비중합된 반응 혼합물을 상기 연속 혼합 반응기로부터 연속적으로 제거하여 예비중합된 반응 혼합물을 중합 조건하에 작동하는 플러그 유동 반응기에 연속적으로 제공해서 중합체를 형성하는 단계(여기서, 상기 반응 혼합물은 적어도 90%의 중합도로 중합된다), 및

c) 중합체를 상기 플러그 유동 반응기로부터 연속적으로 제거하는 단계.

최종 생성물의 수평균 몰질량(Mn)(g/mol)은 일반적으로 적어도 10,000 g/mol, 더욱 특히 적어도 30,000 g/mol, 훨씬 더 특히 적어도 50,000 g/mol이다. 몰질량의 상한치는 본 발명에 따른 공정에서 중요하지 않다. 일반적으로, 당해 상한치는 500,000 g/mol 미만, 더욱 특히 300,000 g/mol 미만이다.

개환 중합은 일반적으로 적어도 100℃, 특히 적어도 150℃의 온도에서 실시된다. 중합 온도는 일반적으로 최대 240℃, 특히 최대 220℃, 훨씬 더 특히 최대 200℃이다. 반응기 둘 다에서 온도는 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 온도는, 둘 다의 경우 반응기에 존재하는 매질이 액체 상으로 존재할 정도로 충분히 높아야 한다.

본 발명은 용매의 실질적인 부재하에서 실시되는 중합, 즉 용융 중합에 관한 것이다. 경우에 따라, 예를 들어 촉매용 용매로서 또는 추가적인 반응 성분으로서 첨가된 소량의 용매가 공정에 존재할 수 있다. 상기 공정은, 반응 혼합물이 중합체에 대한 용매를 5 중량% 미만, 특히 2 중량% 미만, 더욱 특히 1 중량% 미만, 훨씬 더 특히 0.5 중량% 미만 함유하는 경우를 포함하고자 한다.

압력은 반응에서 중요하지 않다. 적용된 압력은 반응기를 통해 액체 반응기 성분의 흐름을 보장하는 것이 적절할 것이다. 적합한 반응 압력을 결정하는 것은 당해 기술 분야의 숙련가들의 범주 내에 있다.

연속 혼합 반응기에서의 예비중합 및 플러그 유동 반응기에서의 추가적인 중합 둘다는 무수 질소 또는 아르곤 블랭킷(blanket)과 같은 불활성 조건 하에서 실시되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 공정에서, 통상의 촉매 양을 사용하여 200℃ 미만의 온도에서 3시간 미만, 더욱 특히 2시간 미만, 훨씬 더 특히 1시간 미만의 체류 시간이 적어도 90%의 전환율, 특히 적어도 93%의 전환율, 더욱 특히 적어도 97%의 전환율, 훨씬 더 특히 1% 이내의 화학적 평형 전환도를 달성하기에 충분하다는 것을 알게 되었다. 이는 10시간 이상이 언급되고 있는 통상의 공정에서의 중합 시간에 비해 상당히 빠르다. 예를 들어, 문헌[참조: "Two step process for continuous polymerisation of polylactic acid" N. Okamoto, T. Matuso, Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 41, No. 6, pp. 474-484, 2008]을 참조할 수 있다.

체류 시간은 연속 혼합 반응기에서의 단량체의 도입으로부터 플러그 유동 반응기로부터 중합체의 제거까지로 계산된다.

본 발명의 따른 공정의 제1 단계에서, 사이클릭 에스테르 단량체 및 중합 촉매가 연속 혼합 반응기에 연속적으로 제공된다. 적합한 연속 혼합 반응기에는 연속 교반된 탱크 반응기 및 루프 반응기가 포함되는데, 상기 둘 다의 반응기는 당해 기술 분야에 공지되어 있다.

루프 반응기의 사용이 때때로 바람직할 수 있다. 루프 반응기는 통상적으로 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀 및 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트 또는 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체와 같은 기타 부가 중합체의 제조에 사용된다. 하나의 양태에서, 정적 혼합 부재를 포함하는 루프 반응기가 사용된다. 이로 인해 반응열의 최적 제거와 함께 중합된 생성물을 포함하는 반응 혼합물의 양호한 균질성이 보장될 것이다. 루프 반응기에서, 첨가된 단량체 및 촉매는 반응기에 이미 존재하는 부분적으로 중합된 생성물과 긴밀하게 혼합된다. 이의 하나의 유리한 결과는, 반응 혼합물의 유동학적 거동이 단지 루프 반응기 내에서 점차적으로 변한다는 것이다. 이는 반응기 내에서의 유체 흐름을 제어하는데 도움을 준다. 짧은 거리에서의 점도의 주요한 점프(jump)가 방지되어 반응에 의해 방출된 열이 반응기에 균일하게 분포된다. 증가된 유속 및 바람직하게 존재하는 혼합 부재로 인해, 반응기로부터의 열 제거의 속도가 상당히 향상되고, 추가적으로 반응 조건의 제어에 도움을 준다. 더욱 특히, 높은 유속과 혼합 부재가 조합되어 온도 균질성이 향상되고, 따라서 루프 반응기에서 더욱 균일한 온도 분포가 초래된다. 또한, 좁은 체류 시간 분포를 수득한다. 핫 스팟(hot spot)이 방지되어 중합체의 변색이 적어진다. 루프 반응기에서의 긴밀한 혼합은 또한 상기 중합 반응에 필요한 체류 시간을 감소시키는 작용을 한다. 그러므로, 상기 반응기의 설계는 다른 기술에 비하여 상당한 공정 강화를 초래한다.

연속 혼합 반응기에서, 반응 혼합물은 예비혼합된다. 연속 혼합 반응기에서의 중합도는 일반적으로 적어도 5 중량%, 더욱 특히 적어도 10 중량%이다. 중합도는 40 중량% 만큼 높거나, 심지어 50 중량% 만큼 높다. 중합도는 일반적으로 90 중량% 미만, 더욱 특히 최대 85 중량%이다. 연속 혼합 반응기에서 목표로 하는 중합도는 특히 반응 혼합물의 점도에 좌우될 것이다.

예비혼합된 반응 혼합물은 연속 혼합 반응기로부터 연속적으로 회수되어 플러그 유동 반응기에 연속적으로 제공되며, 여기서, 적어도 90%의 중합도로 추가적으로 중합된다. 정적 혼합 부재가 바람직하게 구비된 플러그 유동 반응기에서, 높은 전환율로 중합이 완료될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 정적 혼합 부재가 추가적으로 강화된 혼합 및 균일한 온도 분포를 제공한다. 이러한 이유 때문에, 분자량 분포, 전환도 및 체류 시간 분포가 정밀하게 제어될 수 있다. 보다 또한, 플러그 유동 반응기에 따른 반응의 온도 프로파일이 고도로 제어될 수 있고 중합 공정의 최적화가 가능할 수 있다.

하나의 양태에서, 루프 반응기 및/또는 플러그 유동 반응기는 정적 믹서 반응기이다. 즉, 반응기들은 정적 혼합 부재를 구비한다. 적합한 정적 혼합 부재는 미국 특허 제4,314,606호에 개시되어 있다.

연속 혼합 반응기에 제공된 반응물은 사이클릭 에스테르 단량체 및 중합 촉매를 포함한다. 경우에 따라, 부가 성분, 예를 들어 공촉매, 분자량 제어용 개시제 및 첨가제가 또한 첨가될 수 있다. 성분들은 그 자체로 직접적으로 첨가되거나, 용매 중에서 첨가되거나, 반응물(이의 일부)이 연속 혼합 반응기에 첨가되기 전에 배합될 수 있다.

적합한 사이클릭 에스테르 단량체는 환 중에 5 내지 7개의 공유 결합 탄소 원자, 환 중에 적어도 1개, 일반적으로 1개 또는 2개의 산소 원자 및 환 중에 산소 원자에 인접한 탄소 원자 상에서 치환된 카보닐 산소 원자(함께 에스테르 결합을 형성함)를 포함하는 단량체이다. 환 중에 1개 초과의 산소 원자가 있는 경우, 모든 산소 원자에 대해 또는 단지 하나의 산소 원자에 대해 이에 인접한 탄소 원자 상에서 산소 원자가 치환될 수 있다. 환 중의 탄소 원자는 C1-C4 알킬 그룹으로 치환될 수 있다. 적합한 단량체에는 락타이드, 글리콜라이드, 트리메틸렌 카보네이트, 엡실론-카프로락톤, p-디옥사논 및 이들의 혼합물이 포함된다. 1개 초과의 유형의 단량체가 사용되는 경우, 폴리에스테르 공중합체가 수득될 것이다. 본 명세서에서 중합체를 언급할 때, 특별하게 제외되지 않는 한 공중합체를 또한 포함한다.

락타이드가 개시 물질로서 사용되는 바람직한 사이클릭 에스테르 단량체이며, 이것은 하나 이상의 글리콜라이드, 트리메틸렌 카보네이트 및 엡실론-카프로락톤과 배합되거나 배합되지 않는다. 본 발명에 사용된 락타이드는 L-락타이드(L-락트산 분자 2개로부터 유도), D-락타이드(D-락트산 분자 2개로부터 유도), 메소-락타이드(L-락트산 분자 및 D-락트산 분자로부터 유도) 또는 상기한 것들의 2 이상의 혼합물일 수 있다. 융점이 약 126℃인 L-락타이드와 D-락타이드의 50/50 혼합물이 종종 문헌에서 D,L-락타이드 또는 rac-락타이드로서 일컬어지고 있다.

본 발명의 하나의 양태에서, 개시 물질로서 사용된 락타이드는 다른 락타이드를 50% 이하로 함유한 L-락타이드이다. 예를 들어, 개시 물질로서 사용된 락타이드는 50% 내지 10%의 D-락타이드를 함유한 L-락타이드일 수 있다. 또 다른 양태에서, 락타이드는 실질적으로 순수한 L-락타이드인데, 여기서, "실질적으로 순수한"이라는 용어는 이것이 다른 락타이드를 10중량% 이하, 예를 들어 5 중량% 이하 또는 1 중량% 이하로 함유할 수 있다는 것을 의미한다. 추가적인 양태에서, 락타이드는 실질적으로 순수한 D-락타이드인데, 여기서, "실질적으로 순수한"이라는 용어는 이것이 다른 락타이드를 10중량% 이하, 예를 들어 5 중량% 이하 또는 1 중량% 이하로 함유할 수 있다는 것을 의미한다.

추가적인 양태에서, D,L-락타이드 및/또는 D-락타이드는 L-락타이드와 중합되어 L/D 단량체 비가 적어도 1:1인 중합체를 형성한다.

바람직한 양태에서, 고품질의 락타이드가 사용된다. 고품질의 락타이드는 본 명세서에서 낮은 유리산 함량 및 낮은 물 함량을 갖는 락타이드로서 정의된다: 즉, 유리산의 함량은 1kg 당 50 밀리당량(meq/kg) 미만, 바람직하게는 20 meq/kg 미만, 가장 바람직하게는 10 meq/kg 미만이어야 한다. 물의 함량은 2000 ppm 미만, 바람직하게는 500 ppm 미만, 더욱 바람직하게는 200 ppm 미만, 보다 심지어 더욱 바람직하게는 100 ppm 미만이어야 한다. 고품질의 락타이드의 사용으로 높은 중합 비율을 갖고 우수한 평균 분자량이 제어되고 낮은 황색 지수를 갖는 폴리락타이드를 경제적으로 제조할 수 있다. 상기 양태에 따라, 단량체는 연속 혼합 반응기에 고체 또는 액체 형태로 제공될 수 있다. 연속 혼합 반응기가 루프 반응기인 경우, 단량체는 액체 형태로 제공되어야 한다. 연속 혼합 반응기가 연속 교반된 탱크 반응기인 경우, 고상으로 단량체를 제공하는 것이 고려될 수 있다.

단량체가 연속 혼합 반응기에 액체 상태로 제공되는 경우, 이들은 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이 예를 들어 용융 탱크 또는 압출기에서 용융될 수 있다.

사이클릭 에스테르 단량체에 추가하여, 중합 촉매가 첨가된다. 본 발명에 사용하기 적합한 촉매는 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 본 발명의 하나의 양태에서, 락타이드는 하기 화학식의 촉매로 중합된다:

(M)(X1, X2 ... Xm)n

상기 화학식에서,

M은 원소 주기율표의 제1족, 제2족, 제4족, 제8족, 제9족, 제10족, 제12족, 제13족, 제14족 및 제15족 금속으로부터 선택되며,

(X1, X2 ... Xm)은 알킬, 아릴, 산화물, 카르복실레이트, 할로겐화물, 알콕사이드, 알킬에스테르의 그룹으로부터 독립적으로 선택되며,

m은 1 내지 6 범위의 정수이며,

n은 1 내지 6 범위의 정수이며,

m 및 n의 값은 금속 이온의 산화 상태에 좌우된다.

제1족에서는 Na의 사용이 바람직하다. 제2족에서는 Ca의 사용이 바람직하다. 제4족에서는, Ti의 사용이 바람직하다. 제8족에서는, Fe의 사용이 바람직하다. 제12족에서는, Zn의 사용이 바람직하다. 제13족에서는, Al, Ga, In 및 Tl의 사용이 언급될 수 있다. 제14족에서는, Sn 및 Pb의 사용이 바람직하다. 제15족에서는, Sb 및 Bi의 사용이 바람직하다. 일반적으로, 제4족, 제14족 및 제15족 금속의 사용이 바람직하다. M이 Sn, Pb, Sb, Bi 및 Ti로부터 선택되는 것이 바람직하다. 사이클릭 에스테르 단량체에 대해 Sn-계 촉매의 사용이 특히 바람직하다.

할로겐화물의 경우, SnCl₂, SnBr₂, SnCl₄ 및 SnBr₄와 같은 할로겐화물을 들 수 있다. 산화물의 경우, SnO 및 PbO를 들 수 있다. 알킬에스테르의 그룹인 경우, 예를 들어 Sn-옥토에이트(또한 Sn(II) 비스 2-에틸 헥사노에이트로서 공지되어 있음), Sn-스테아레이트, 디부틸틴 디아세테이트, 부틸틴 트리스(2-에틸 헥사노에이트), Sb (2-에틸 헥사노에이트), Bi (2-에틸 헥사노에이트), Sb 트리아세테이트, Na (2-에틸 헥사노에이트), Ca 스테아레이트, Mg 스테아레이트 및 Zn 스테아레이트 형태의 옥토산염(=2-에틸 헥사노에이트), 스테아르산염 및 아세트산염을 들 수 있다.

다른 적합한 화합물에는 테트라페닐틴, Sb 트리스(에틸렌 글로콕사이드), 알루미늄 알콕사이드 및 아연 알콕사이드가 포함된다.

촉매의 농도는, 금속 중량으로서 계산하였을 때, 일반적으로 적어도 5 ppm, 더욱 특히 적어도 10 ppm이다. 통상의 양을 초과하는 양이 사용되는 경우, 촉매 농도는 적어도 30 ppm, 더욱 특히 적어도 50 ppm이다. 촉매 농도는 일반적으로 최대 200 ppm, 더욱 특히 최대 150 ppm이다.

또한 옥토산주석으로서 지칭되는 Sn(II)-비스(2-에틸헥사노에이트)의 사용이 바람직할 수 있는데, 이것은 이러한 물질이 시판되고 있고, 실온 및 반응 온도에서 액체이고, 액체 락타이드에 용해되기 때문이다. 또한, 상기 화합물은 많은 통상의 최종 용도에 대해 FDA 승인을 받았다.

경우에 따라, 중합 속도를 추가로 증가시키는 화합물인 공촉매가 락타이드 및 촉매에 첨가될 수 있다. 적합한 공촉매는 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어 미국 특허 제6,166,169호를 참조할 수 있다. 상기 참조 문헌에는 하기 화학식의 공촉매가 개시되어 있다:

(Y)(R1, R2 ... Rq)p

상기 화학식에서,

Y는 주기율표의 제15족 또는 제16족으로부터 선택된 원소이며,

(R1, R2 ...Rq)는 알킬, 아릴, 산화물, 할로겐화물, 옥시알킬, 아미노알킬, 티오알킬, 페녹사이드, 아미노아릴, 티오아릴의 화합물 부류 중의 하나로부터 선택된 치환체이며,

q는 1 내지 6 범위의 정수이며,

p는 1 내지 6 범위의 정수이다.

공촉매는 일반적으로 촉매의 양과 동일한 정도의 양으로, 예를 들어 50:1 내지 1:50의 촉매 대 공촉매의 몰비로 사용된다. 미국 특허 제6,166,169호에서는 공촉매가 인 화합물, 특히 R1, R2, R3이 아릴 및 알킬 그룹으로부터 독립적으로 선택된 P(R1, R2, R3)₃을 포함하는 것이 바람직하다고 개시하고 있다. P(Ph)₃이 특히 바람직하다고 개시하고 있다. 적절한 공촉매, 개시제 및 임의의 첨가제, 예를 들어 항산화제, 인산염, 에폭사이드화 식물성 오일, 가소제 등의 선택은 당해 기술 분야의 숙련가가 인지할 수 있는 범주 내에서 이루어진다.

본 발명에 따른 공정 중의 단계 b)에서, 개시 락타이드를 기준으로 계산될 때 적어도 90%의 전환율이 달성될 때까지 중합 반응이 추가적으로 실시된다. 더욱 특히, 적어도 93%의 전환율, 더욱 특히 적어도 97%의 전환율, 훨씬 더 특히 1% 이내의 화학적 평형 전환율이 달성될 때까지 중합이 실시될 수 있다. 락타이드의 완전한 전환은 열역학적 이유 때문에 가능하지 않다. 최대 전환은 반응 온도 및 체류 시간에 좌우될 것이다. 더욱 높은 전환율에 상응하는 더욱 낮은 잔류 단량체의 함량이 더욱 낮은 중합 온도에서 달성될 것이다. 달성된 전환율은 일반적으로 최대 98%일 것이다. 전환율은 중합 후에 직접적으로 측정될 것이다.

루프 반응기로부터 플러그 유동 반응기로 도입되는 예비중합된 반응 생성물의 점도와 플러그 유동 반응기로부터 제거된 중합체의 점도의 차이가 채널링을 방지할 수 있을 정도로 충분히 작기 때문에, 중합의 제2 부분이 플러그 유동 반응기에서 적합하게 수행될 수 있다. 또한, 뛰어난 방사상 혼합으로 중합 반응에 대한 최대 구동력이 또한 보장될 것이며, 여기서, 전환이 진행되어 반응물의 농도가 감소한다. 상술한 바와 같이, 이러한 두 단계의 중합으로 짧은 체류 시간을 이룰 수 있다.

하나의 양태에서, 플러그 유동 반응기는 수직으로 또는 경사지게 위치한다. 이것은 채널링의 기회 또는 다른 유형의 흐름 이상 분포(maldistribution)의 발생을 감소시키는데 바람직하다.

연속 혼합 반응기와 플러그 유동 반응기의 유동 비는 일반적으로 1,5 내지 50, 더욱 바람직하게는 1,5 내지 15, 가장 바람직하게는 1,5 내지 12에서 설정된다.

형성된 중합체는 플러그 유동 반응기로부터 연속적으로 제거된다.

하나의 양태에서, 이렇게 수득된 물질은 중합체 중의 단량체 함량을 감소시키기 위해 탈휘발화(devolatilisation) 단계에서 처리된다. 탈휘발화 단계 전에 또는 탈휘발화 단계와 동시에 중합체를 안정화 단계에서 처리할 수 있다. 상기 안정화 단계는 일반적으로 플러그 유동 반응기로부터 수득된 중합체를 해중합, 변색 및 분해에 대하여 화합물의 안정성을 증가시키는 화합물로 처리하는 것을 포함한다. 안정화를 위한 적합한 화합물의 예에는 유기 과산화물, 항산화제, 예를 들어 아인산염-함유 화합물, 다관능성 카르복실산, 입체장애된 페놀성 화합물, 촉매 불활성화제, 예를 들어 입체장애된 알킬, 아릴 및 페놀성 하이드라지드, 지방족 및 방향족 모노- 및 디카르복실산의 아미드, 사이클릭 아미드, 지방족 및 방향족 알데하이드의 하이드라존 및 비스하이드라존, 지방족 및 방향족 모노- 및 디카르복실산의 하이드라지드, 비스-아실화 하이드라진 유도체, 헤테로사이클릭 화합물, 아세트산 무수물과의 말단캡핑제 및 이들의 혼합물이 있다. 안정화 화합물을 예를 들어 중합 온도와 동일한 정도의 온도에서 중합체와 혼합시킴으로써 중합체가 안정화 화합물로 처리된다. 이것은 정적 혼합기, 압출기 또는 재료(이 중 하나 이상은 매우 점성임)를 혼합하는 임의의 다른 통상의 방식에 의해 실시될 수 있다.

Sn(II), Pb(II), Sb(III), Bi(III) 및 Ti(II)와 같은 금속 이온에 기초한 촉매를 사용하는 경우, 해중합 및 용융 점도 감소에 대한 안정화 화합물로서 유기 과산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 특정 유형의 촉매와 과산화물의 배합이 크게 안정한 중합체 조성물, 특히 폴리락타이드 조성물을 유도한다고 믿어진다. 이러한 양태에서, Sn(II) 촉매의 사용이 특히 바람직할 수 있다. 상기 양태에 적합한 촉매의 추가적인 상세한 설명은 상기에서 기술된 것을 참조할 수 있다.

일반적으로, 하기 그룹의 유기 과산화물이 상기 요건에 부합된다면 사용될 수 있다: 화학식 R-O-O-R'의 디알킬 퍼옥사이드, 화학식 R-O-O-H의 하이드로퍼옥사이드, 화학식 R-(CO)-O-O-R'의 퍼옥시에스테르, R-(CO)-O-O-(CO)-R'의 디아실퍼옥사이드, 화학식 R-O-(CO)-O-O-R'의 퍼옥시카보네이트, 화학식 R-O-(CO)-O-O-(CO)-O-R'의 퍼옥시디카보네이트 및 화학식 C(O-O-R)₂R'R"의 퍼옥시케탈. 상기 모든 화학식에서, R, R' 및 R"는 1 내지 20개의 탄소 원자를 가지며, 직쇄 또는 분지쇄, 치환 또는 비치환, 포화 또는 불포화되며 헤테로원자가 존재하거나 존재하지 않는 유기 알킬 또는 아릴 그룹이다. 적합한 과산화물은 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 상기 주어진 지침에 따라 적합한 물질을 선택하는 것은 당해 기술 분야의 숙련가의 범주 내에 있다. 적합한 과산화물에는 벤조일 퍼옥사이드, 디라우로일 퍼옥사이드, 3급-부틸퍼옥시-디에틸아세테이트, 3급-부틸퍼옥시-2-에틸 헥사노에이트, 3급-부틸퍼옥시-이소부티레이트, 3급-부틸퍼옥시-아세테이트, 3급-부틸퍼옥시-벤조에이트 및 디벤조일 퍼옥사이드가 포함된다.

과산화물은 일반적으로 적어도 0.01 중량%의 양으로, 특히 적어도 0.05 중량%의 양으로 첨가된다. 첨가된 과산화물의 양은 일반적으로 최대 3 중량%, 특히 최대 2 중량%이다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 중합체의 안정화를 위해 또는 장쇄 분지화 PLA를 형성하기 위해 과산화물이 사용되는 경우, 반응 속도를 더욱 증가시키기 위해 통상적인 경우 보다 더욱 많은 양의 촉매가 사용될 수 있다. 이러한 더욱 많은 양은 상기에서 언급된다.

중합체에 상당량의 단량체의 존재가 중합체의 기계적인 특성 및 처리 거동에 불리한 영향을 줄 수 있기 때문에, 중합체는 또한 일반적으로 탈휘발화 단계에서 처리된다. 용융된 중합체 또는 고체 중합체로부터 휘발 물질, 특히 비반응된 단량체를 제거하기 위해 탈휘발화 단계가 수행된다. 휘발 물질은 감압, 예를 들어 진공 하의 증가된 온도에서 제거된다. 탈휘발화 단계 후에 수득된 생성물에서, 단량체(폴리락타이드의 경우에는 락타이드 단량체)는 일반적으로 2 중량% 미만의 양으로, 더욱 특히 1 중량% 미만의 양으로, 훨씬 더 특히 0.5 중량% 미만의 양으로 존재한다. 탈휘발기의 예에는 압출기, 특히 2축 압출기, 와이프 필름 증발기(wiped film evaporator), 낙하 필름 증발기(falling film evaporator), 회전 탈휘발기(rotary devolatiliser), 회전판 탈휘발기(rotary disk devolatiliser), 원심 탈휘발기(centrifugal devolatiliser), 평판 탈휘발기(flat plate devolatiliser) 및 특수 분배기, 예를 들어 유럽 특허 제1800724호에 기술된 바와 같은 술저(Sulzer) 탈휘발화 기법을 포함하는 정적 팽창 챔버가 포함된다. 정적 팽창 챔버의 사용이 바람직한 것으로 생각된다. 여러 스테이지(stage) 및/또는 여러 유형의 장치의 조합의 탈휘발화가 또한 가능하다. 질소와 같은 스트립핑(stripping) 기체가 하나 또는 수 개의 스테이지에 적용되어 탈휘발화를 촉진시킬 수 있다. 탈휘발화는 또한 고상 후-중합 장비에서 또는 예를 들어 회전식 건조기에서의 진공 또는 불활성 기체 유동 하의 고체 펠릿화 생성물의 건조에 의해 실시될 수 있다.

탈휘발화 단계 후에, 중합체는 승온에서 압출, 취입-성형, 필름 캐스팅, 필름 블로잉(film blowing), 열성형, 발포 또는 섬유-방사에 의해 최종 용도로 직접적으로 추가 처리되어 유용한 제품을 형성한다. 경우에 따라, 중합체는 첨가제, 예를 들어 항산화제, 핵형성제, 무기 충전제, 유리 또는 천연 섬유, 가공 조제, UV-안정화제 또는 당해 기술 분야의 숙련가에게 공지된 다른 중합체 첨가제와 배합될 수 있다. 또한 중합체를 고화시켜 고체 중간 생성물을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 이것은 당해 기술 분야에 공지된 방식으로 입자, 예를 들어 비드, 칩 또는 기타 펠릿화된 또는 분말화된 제품으로 전환되어 최종 사용자에게 판매될 수 있다.

본 발명에 따른 개환 중합 공정에 의해 분자량, 중합체 쇄 구조, 색상 및 잔류 단량체 함량 면에서 제어가능하고 일관성이 있으며 높은 품질을 갖는 폴리에스테르, 특히 폴리에스테르, 더욱 특히 락타이드-기재의 중합체 또는 공중합체가 제공된다. 또한 사이클릭 에스테르 단량체로서 광학적으로 순수한 락타이드 만이 사용되는 경우, 매우 높은 광학 순도가 얻어진다.

본 발명은 하기 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명되지만, 이것으로 또는 이것에 의해 한정되는 것은 아니다.

비교예 1

L-락타이드(Purasorb L, ex PURAC Biomaterials)를 질소 대기 하에서 50 리터의 탱크에서 회분식으로 용융시켰다. 110 내지 125℃ 온도의 용융된 락타이드를 피스톤 펌프에 의해 오일-가열된 직선 관형 중합 반응기에 3 내지 6 kg/h의 유속으로 연속적으로 주입하였다. 상기 직선 관형 중합 반응기의 내부에는 친밀 혼합 및 플러그 유동 거동을 제공하도록 설계된 정적 혼합 부재가 구비되어 있다. 선형 중합 반응기를 따라 동일하게 분포된 4개의 상이한 지점에서 온도 및 압력을 기록하였다.

용융된 락타이드를 중합 반응기의 제1 부분에서는 180 내지 220℃의 반응 온도로 가열시켰다. 옥살산주석 중합 촉매 및 도데칸올 개시제를 톨루엔 중의 농축 용액으로서 HPLC 펌프에 의해 용융된 락타이드에 첨가하였다. 500ppm SnOct₂의 전형적인 촉매 농도 및 100%의 전환율에서 PLLA의 이론적인 평균 Mn 122 kg/mol에 상응하는 0.15 중량%의 도데칸올 농도에 도달하도록 용액 농도 및 유속을 조절하였다,

혼합물을 선형의 관형 반응기를 통해 처리하는 동안에 개환 중합 반응이 개시되었고 용융 점도가 이에 따라 증가하였다. 관형 반응기의 끝에 장착된 1개의 원형 구멍을 지닌 다이판을 통해 관형 반응기에 반응 혼합물을 통과시켰다. 점성의 스트랜드를 수 욕에서 냉각시키고 스트랜드 펠릿화기를 사용하여 펠릿화시켰다. 락타이드의 중합 동안에, 반응기에는 최대 80 바의 가변 압력 강하가 발생되었다. 촉매 및 개시제가 첨가된 지점 바로 다음에서 온도가 약간 증가하였으며, 이는 중합의 개시를 나타내는 것이다. 발열 중합 반응에 의해 발생된 열을 흡수하는 관형 반응기를 싸고 있는 오일 회로의 불능화에 의해 약 5℃ 만큼의 용융물의 온도 증가가 유발되었다.

내부 정적 혼합기를 구비한 이러한 선형의 관형 중합 반응기의 구성은 정상상태의 조건에서 작동할 수 없다는 것이 실험에서 증명되었다. 더욱 특히 기록된 매스(mass) 온도 및 압력은 예측할 수 없게 변동하였다. 반응기의 배출물은 중합체로부터 용융된 락타이드로 변하였고, 다시 용융된 락타이드로부터 중합체로 변하였으며, 락타이드가 다이로부터 분무되었다. 다이로부터 배출된 락타이드에 대한 금속 분석은, 이것이 예상되는 양의 주석 중합 촉매를 함유하고 있으며, 따라서 이것은 중합되어야 함을 나타내고 있다. 용융된 락타이드(촉매를 지님)가 다이를 통과하는 것은 반응기에서의 락타이드 단량체의 체류 시간이 폴리락타이드로 중합되기에는 너무 짧다는 것을 의미한다. 분명하게는, 낮은 점성의 락타이드는 높은 점성의 반응 혼합물을 통해 작은 채널링을 만나서 중합 전에 선형 반응기로부터 이탈되었다.

실시예 1(본 발명에 따름)

질소 대기 하에서 외부 오일 가열을 사용하여 L-락타이드(Puralact L, ex. PURAC)를 100 리터의 교반된 탱크에서 회분식으로 용융시켰다. 110 내지 125℃ 온도의 용융된 락타이드를 중력 및 질소 압력 하에서 200 리터의 공급 탱크로 옮겼다. 공급 탱크 중의 락타이드 단량체를 마이크로 환형 기어 펌프에 의해 중합 반응기의 제1 오일-가열된 정적 혼합기에 25 kg/h의 유속으로 연속적으로 펌핑하였다. 옥살산주석 중합 촉매 및 헥사놀 개시제의 혼합물을 HPLC 펌프에 의해 용융된 락타이드에 연속적으로 첨가하였다. 200 내지 300 ppm SnOct₂의 전형적인 촉매 농도 및 100%의 전환율에서 PLLA의 이론적인 평균 Mn 100 kg/mol에 상응하는 헥사놀 농도가 되도록 혼합물의 유속을 조절하였다.

상기 제1 정적 혼합기를 사용하여 락타이드를 촉매 및 개시제와 혼합시키고, 170 내지 190℃로 가열시켰다. 상기 제1 정적 혼합기에서의 체류 시간은 1 내지 2분이었으며, 이것은 너무 짧아서 용융 점도가 크게 증가될 수 없다.

후속적으로, 루프 배열을 가진 추가의 관형 중합 반응기에 낮은 점성의 반응 혼합물을 공급하였다. 루프 반응기의 내부에는 내부 정적 혼합 부재의 어레이(array) 및 별도의 기어 펌프가 구비되어 있다. 상기 루프 반응기에서의 물질 유속은 전형적으로 250 kg/h로 설정되었다. 루프 반응기에서, 용융물의 점도가 증가하며, 정상상태의 경우에서 전환율은 약 80 내지 85%이다. 180 내지 200℃에서 선택된 매우 일정한 중합 온도에서 루프 반응기를 작동시켰다. 락타이드 단량체에 촉매/개시제의 첨가 시에 유의한 온도 증가가 기록되지 않았다.

공급 대역의 반대 측면에서, 내부 정적 혼합 부재가 구비된 선형의 관형 플러그 유동 반응기를 루프 반응기에 접속시켰다. 예비중합된 물질을 루프 반응기로부터 연속적으로 회수하여 기어 펌프에 의해 플러그 유동 반응기에 제공하였다. 2개의 원형 구멍이 있는 다이판을 플러그 유동 반응기의 끝에 장착하였다. 점성이 큰 중합체를 다이를 통해 반응기에 통과시키고, 중합체 스트랜드를 수 욕에서 냉각시키고, 이어서 스트랜드 펠릿화기에 의해 펠릿화시켰다. 수득된 펠릿은 투명하였으며, 실질적으로 무색의 무정형 PLLA이었다.

내부 정적 혼합기가 구비된 중합 반응기의 케스케이드에서 락타이드의 중합 동안에, 반응기 상에 일정한 압력 강하가 나타났으며, 루프 반응기에서는 60 바 이하의 최대 값이 나타났으며, 플러그 유동 반응기의 펌프 측면에서는 40 바의 최대 압력이 나타났으며, 반응기의 말단으로 압력이 일정하게 감소하였다.

중합 실험 동안에, 온도 및 압력은 수 시간 이상 동안 안정하였으며, 락타이드의 채널링은 관측된 적이 없었다. 따라서, 락타이드의 중합은 내부 정적 혼합기가 구비된 중합 반응기의 이러한 배열에 의해 일관되게 실시될 수 있었다.

공정의 안정한 작동으로부터 수거된 고 융점의 폴리(L-락타이드)는 전형적으로 0.4% 미만의 D-이성체 함량을 나타낸다. 용리액으로서 클로로포름 및 PS 보정 표준물을 사용한 크기-배제 크로마토그래피(SEC: size-exclusion chromatography)에 의한 PLLA의 분자량 분석으로, Mn 값이 130 내지 150 kg/mol이며, Mw 값이 190 내지 210 kg/mol이며, 다분산도가 1.4 내지 1.5임을 확인하였다. 플러그 유동 반응기가 약 190℃의 온도에서 작동하는 경우, PLLA에서의 잔류 락타이드 함량은 4 내지 5%이었다.

당해 실시예는, 예비중합을 수행하는 내부 정적 혼합 부재가 구비된 루프 반응기와 중합을 완결시키는 내부 정적 혼합 부재가 구비된 플러그 유동 반응기를 조합하여 사용함으로써 안정한 중합 공정이 초래됨을 보여 주고 있다.

Claims (15)

100 내지 240℃의 온도에서 지방족 폴리에스테르를 형성하기 위한 사이클릭 에스테르 단량체의 개환 중합을 위한 연속 공정으로서,
a) 중합에 효과적인 조건에서 작동하는 연속 혼합 반응기에 사이클릭 에스테르 단량체 및 중합 촉매를 연속적으로 제공하여 예비중합된 반응 혼합물을 형성하는 단계,
b) 예비중합된 반응 혼합물을 상기 연속 혼합 반응기로부터 연속적으로 제거하여 예비중합된 반응 혼합물을 중합 조건하에 작동하는 플러그 유동 반응기에 연속적으로 제공해서 중합체를 형성하는 단계(여기서, 상기 반응 혼합물은 적어도 90%의 중합도로 중합된다), 및
c) 중합체를 상기 플러그 유동 반응기로부터 연속적으로 제거하는 단계를 포함하는, 연속 공정.

제1항에 있어서, 상기 연속 혼합 반응기와 상기 플러그 유동 반응기의 유동 비가 1,5 내지 50, 더욱 바람직하게는 1,5 내지 15, 가장 바람직하게는 1,5 내지 12인, 연속 공정.

제1항에 있어서, 상기 연속 혼합 반응기가 루프 반응기인, 연속 공정.

제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 혼합 반응기 및/또는 상기 플러그 유동 반응기가 정적 혼합 부재를 포함하는 정적 믹서 반응기인, 연속 공정.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 플러그 유동 반응기가 수직으로 또는 경사지게 위치하는, 연속 공정.

제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 사이클릭 단량체가 락타이드(L-락타이드, D-락타이드, DL-락타이드, 메소-락타이드), 글리콜라이드, 트리메틸렌 카보네이트(TMC), 엡실론-카프로락톤 및 p-디옥사논 및 이들의 조합물로부터 선택되는, 연속 공정.

제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 혼합 반응기에서의상기 중합도가 5 내지 90 중량%, 더욱 특히 10 내지 85 중량%인, 연속 공정.

제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 혼합물이 상기 플러그 유동 반응기에서 적어도 93%, 더욱 특히 적어도 97%의 중합도로 중합되는, 연속 공정.

제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 사이클릭 에스테르 단량체가 락타이드를 포함하며, 상기 락타이드는 유리 산 함량이 50 밀리당량/kg(meq/kg) 미만, 바람직하게는 20 meq/kg 미만, 가장 바람직하게는 10 meq/kg 미만인, 연속 공정.

제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 플러그 유동 반응기로부터 제거된 상기 중합체를 탈휘발화(devolatilisation) 단계로 처리하여 상기 중합체 중의 상기 단량체 함량을 감소시키는, 연속 공정.

제10항에 있어서, 상기 탈휘발화가 정적 팽창 챔버에서 실시되는, 연속 공정.

제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 탈휘발화가 하나 이상의 스테이지로 실시되는, 연속 공정.

제10항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 탈휘발화 단계 후 상기 중합체 중의 상기 단량체 함량이 2 중량% 미만, 더욱 특히 1 중량% 미만, 훨씬 더 특히 0.5 중량% 미만인, 연속 공정.

제10항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 탈휘발화 단계 전에 또는 상기 탈휘발화 단계와 동시에, 상기 중합체를 촉매 불활성화 처리시키는 안정화 단계로 상기 중합체를 처리하는, 연속 공정.

제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 사이클릭 에스테르 단량체, 상기 중합 촉매 및 임의의 공촉매, 개시제 및/또는 첨가제가 상기 연속 혼합 반응기로 공급되기 전에 배합되는, 연속 공정.