KR20150102024A - 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (i) 테레프탈산, 모노에틸렌 글리콜, 안티몬을 함유하는 중축합 촉매, 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 인-함유 안정화제, 및 선택적으로 코발트 이온을 함유하는 색 보정 첨가제의 혼합물을 제공하는 단계; (ii) 상기 혼합물을 220 내지 270℃의 온도까지 가열하여 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터를 제공하는 단계; 및 (iii) 280 내지 310℃의 온도에서 감압 하에 상기 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터의 중축합을 수행하는 단계를 포함하는, 폴리에스터 수지의 제조 방법에 관한 것이다:
[화학식 I]

Description

폴리에틸렌 테레프탈레이트의 제조 방법{PROCESS FOR MANUFACTURING POLYETHYLENE TEREPHTHALATE}
본 발명은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(이하, "PET")의 제조 방법의 개선에 관한 것이다.
PET는 다이메틸 테레프탈레이트와 에틸렌 글리콜의 에스터 상호교환, 또는 에틸렌 글리콜 및 테레프탈산의 직접 에스터화, 및 이어서 안티몬 트라이옥사이드와 같은 촉매의 존재 하의 축합 중합(이하, "중축합")에 의해, 널리 공지된 바와 같이 제조될 수 있다. 이어서, PET 생성물은 압출되고 펠렛화되어 중합체 칩을 생성한다.
이어서, PET 칩은 중합체의 고유 점도를 증가시키고 제조 중에 펠렛에서 생성된 아세트알데하이드를 제거하기 위하여 고체 상태 중합을 거친다. PET의 고유 점도가 공기 또는 불활성 기체 중에서 수행된 고체 상태 중합에 의해 증가될 수 있음이 당업계에 널리 공지되어 있다.
고체 상태 중합이 미국 특허 제5,874,517호에 개시된 바와 같이 폴리에스터 칩에 함유된 아세트알데하이드를 제거하는데 사용될 수 있음이 또한 당업계에 널리 공지되어 있다.
다이메틸테레프탈레이트 및 에틸렌 글리콜의 에스터 상호교환은, 에스터교환 반응에 의해 유리된 메탄올을 재순환시켜야 하는 필요성에 기인하여, 방법을 수행하는 관점에서 불리한 방법이다.
본 발명의 목적은, 더욱 구체적으로, 특히 목적하는 병-등급 PET에 도달하는 중축합 시간(이하, "PC 시간")을 감축하는 간단하고 경제적인 방식으로 음료병을 제조하는데 유용한 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적이 테레프탈산(이하, "PTA") 및 모노에틸렌 글리콜(이하, "MEG")의 직접적인 에스터화 및 방법의 특정 시간에서의 선택된 첨가제의 첨가를 포함하는 방법에 의해 만족됨이 밝혀졌다.
본 발명에 따라서, (i) 테레프탈산, 모노에틸렌 글리콜, 안티몬을 함유하는 중축합 촉매, 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 인-함유 안정화제, 및 선택적으로 코발트 이온을 함유하는 색 보정 첨가제의 혼합물을 제공하는 단계; (ii) 상기 혼합물을 220 내지 270℃의 온도까지 가열하여 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터(이하, "BHET")를 제공하는 단계; 및 (iii) 280 내지 310℃의 온도에서 감압 하에 상기 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터의 중축합을 수행하는 단계를 포함하는, 폴리에스터 수지의 제조 방법이 제공된다:
[화학식 I]
Figure pct00001
.
단계 (i)에 관하여:
본원에 사용된 용어 "폴리에틸렌 테레프탈레이트" 및 "PET"는 어떻게 제조하든 에틸렌 글리콜을 다이메틸 테레프탈레이트 또는 테레프탈산과 축합함으로써 제조된 고분자량 중합체를 포함하는 것으로 일반적으로 사용된다. 또한, 이러한 용어는 소량, 예컨대 약 20 중량% 미만의 중합체, 공단량체 또는 개질제를 포함함으로써 개질된, 널리 공지된(또는 달리 널리 공지된) 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중합체를 포함하는 것을 의미한다. 이러한 공단량체 또는 개질제는 방향족 및 지방족 다이올 및 폴리올; 방향족 및 지방족 카복실산; 또는 카복실산 및 알콜 작용기를 둘다 함유하는 단일 분자를 포함한다. 다이올의 예는 1,4-부탄다이올, 사이클로헥산다이메탄올, 다이에틸렌 글리콜 및/또는 1,3-프로판다이올을 포함한다. 카복실 이산(diacid)의 예는 이소프탈산, 아디프산, 2,6-나프탈렌 다이카복실산 및 p-하이드록시 벤조산을 포함한다. 소량의 쇄 분지화제 및/또는 쇄 종결제가 또한 사용될 수 있다. 이러한 쇄 분지화제는, 예를 들어 다작용성 산 및/또는 다작용성 알콜, 예컨대 트라이메틸올 프로판 및 펜타에리트리톨을 포함한다. 쇄 종결제는 단작용성 알콜 및/또는 단작용성 카복실산, 예컨대 스테아르산 및 벤조산을 포함한다. 쇄 분지화제 및 쇄 종결제의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 단지 설명의 목적을 위하여, 용어 "폴리에틸렌 테레프탈레이트" 및 "PET"가 소량의 개질제 또는 쇄 분지화제를 함유하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중합체를 포함하는 것을 의미하지만, 본 명세서의 나머지 부분들은 일반적으로 이러한 첨가된 개질제 또는 쇄 분지화제를 함유하지 않는 PET에 관한 것이다.
PTA 및 MEG의 몰비는, 중축합이, 바람직하게는 대략 등몰량으로, 바람직하게는 1:1 내지 1:1.4, 더욱 바람직하게는 1:1.1 내지 1:1.3, 가장 바람직하게는 1:1.1 내지 1:1.25의 PTA:MEG의 양으로 발생하도록 하는 양이다.
안티몬을 함유하는 중축합 촉매의 양은 편의상 반응 혼합물의 150 내지 450 중량ppm, 바람직하게는 200 내지 400 중량ppm, 더욱 바람직하게는 200 내지 300 중량ppm, 가장 바람직하게는 225 내지 275 중량ppm(안티몬을 기준으로 계산됨)이다.
안티몬을 함유하는 중축합 촉매는 바람직하게는 안티몬 트라이옥사이드, 안티몬 옥살레이트, 안티몬 글루콕사이드, 안티몬 부톡사이드 및 안티몬 다이부톡사이드로 이루어진 군으로부터 선택되고, 안티몬 트라이옥사이드가 가장 바람직하다.
화학식 I의 화합물을 포함하는 인-함유 안정화제의 양은, P의 양이 편의상 반응 혼합물의 1 내지 20 중량ppm, 바람직하게는 2 내지 15 중량ppm, 더욱 바람직하게는 3 내지 10 중량ppm, 가장 바람직하게는 4 내지 7.5 중량ppm이도록 하는 양이다.
화학식 I의 화합물을 포함하는 상기 인-함유 안정화제는 편의상 인 트라이클로라이드와 1,1'-바이페닐 및 2,4-비스(1,1-다이메틸에틸)페놀[호스타녹스(Hostanox: 등록상표) P-EPQ라는 상표명으로 클라리언트(Clariant)에서 시판중, CAS 38613-77-3]의 반응 생성물이다.
코발트 이온을 함유하는 색 보정 첨가제의 양은 편의상 반응 혼합물의 0 내지 100 중량ppm, 바람직하게는 0 내지 50 중량ppm, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 중량ppm, 가장 바람직하게는 10 내지 30 중량ppm이다. 코발트 이온을 함유하는 상기 색 보정 첨가제는 바람직하게는 코발트(II) 아세테이트 또는 이의 수화물이다.
단계 ( ii )에 관하여:
중간 생성물로서 BHET를 제공하는 축합 반응은 바람직하게는 240 내지 270℃, 더욱 바람직하게는 250 내지 265℃의 온도에서 수행된다. 축합 반응은 편의상 고압, 바람직하게는 1.2 내지 10 bar, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 bar에서 수행된다. 축합 동안 형성된 물은 바람직하게는 반응 혼합물로부터 제거된다.
단계 ( iii )에 관하여:
중축합 반응은 편의상 중축합수를 제거하면서, 바람직하게는 280 내지 300℃, 더욱 바람직하게는 285 내지 295℃의 온도에서, 100 mbar 미만, 바람직하게는 20 mbar 미만, 더욱 바람직하게는 10 mbar 미만의 감압 하에 수행된다. 하한치로서, 0.5 내지 1 mbar가 충분하다.
중축합 반응은 목적하는 고유 점도의 폴리에스터가 수득될 깨까지의 시간 동안 수행된다. PET의 고유 점도는 일반적으로 25℃의 o-클로로페놀에서의 측정으로부터 수행된 계산에 근거하여 약 0.40 내지 약 1.0, 바람직하게는 약 0.50 내지 0.85, 더욱 바람직하게는 약 0.55 내지 약 0.80, 가장 바람직하게는 약 0.55 내지 약 0.70 dL/g이다. 고유 점도의 구체적인 바람직한 범위는 최종 용도에 따라 변한다. 고유 점도의 측정은 DIN 53728에 따라 수행된다.
이어서, PET 반응 생성물은 고온에서 물로 압출되어 물 속에서 고체화될 수 있다. 이어서, 고체 PET는 당업자에게 공지된 수단에 의해 펠렛화될 수 있다. 예를 들어, PET는 수중 펠렛화기에 의해 펠렛화될 수 있다.
본 발명에 유용한 PET는, 바람직하게는 비교적 균일한 크기 및 형상의 펠렛, 칩 또는 과립과 같은 임의의 형태일 수 있다. 참고의 용이함을 위하여, PET는 이하 PET 칩으로 지칭되지만, 본 발명이 임의의 형태의 PET에 적용가능하고, 용어 "PET 칩"이 임의의 형태의 PET를 포함하는 것을 의미함이 이해된다.
다른 양태에서, PET는 PET 반응 생성물이 칩이 아닌 최종 형태로 직접 압출되는 연속 공정에 의해 제조될 수 있다. 이러한 직접 압출은 필름, 섬유 및 다름 물품의 제조에서의 용도에 대해 당업계에 공지되어 있다.
단계 (ii)를 개시하기 전에 단계 (i)에 특정된 모든 성분의 존재는 목적하는 보다 짧은 중축합 시간을 수득하는데 중요하다. 보다 짧은 PC 시간은 증가된 중합체 처리량을 가능하게 하고, 이에 의해 경제적으로 더욱 상당히 매력적인 PET 수지를 생산한다.
실시예 1
중합은 테레프탈산(PTA) 및 모노에틸렌 글리콜(MEG)의 2-단계 중합을 위한 표준 반-기술적 생산 장치에서 수행되고, 약 5 kg의 PET 칩을 생산할 수 있다.
PTA 및 MEG는 1:1.2 PTA:MEG의 몰비로 충전된다. 다른 모든 출발 물질은 공정 전에 첨가되고, 이들은 촉매(Sb203: 반응 혼합물 중에서 250 ppm Sb를 갖도록 투여됨), 색 보정 첨가제(Co(II) 아세테이트: 반응 혼합물 중에서 25 ppm Co를 갖도록 투여됨) 및 인-함유 안정화제(호스타녹스 P-EPQ: 반응 혼합물 중에서 5 ppm P를 갖도록 투여됨)이다.
제1 반응 단계 (ii)에서, 직접 에스터화는 260℃에서 3.76 bar의 압력에서 수행되어 중간체 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터(BHET)를 형성한다. 제2 반응 단계 (iii)에서, BHET의 중축합은 2 mbar의 압력에서 물의 제거 하에 290℃에서 수행되어 0.6 dL/g의 고유 점도를 갖는 PET 폴리에스터를 만든다. 고유 점도의 측정은 DIN 53728에 따라 수행된다.
실시예 2( 비교예 )
중합은, 반응 혼합물에서 5 ppm P를 갖도록 투여된 호스타녹스 P-EPQ가 반응 혼합물에서 5 ppm P를 갖도록 투여된 CEPA(2-카복시에틸 포스폰산)로 대체된 것을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 바와 같이 수행된다.
실시예 3( 비교예 )
중합은, 안티몬 트라이옥사이드 중축합 촉매가 출발 반응 혼합물에 부재하고 단계 (ii)가 마무리된 후에 첨가되는 것을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 바와 같이 수행된다.
Figure pct00002

Claims (15)

  1. (i) 테레프탈산, 모노에틸렌 글리콜, 안티몬을 함유하는 중축합 촉매, 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 인-함유 안정화제, 및 선택적으로 코발트 이온을 함유하는 색 보정 첨가제의 혼합물을 제공하는 단계;
    (ii) 상기 혼합물을 220 내지 270℃의 온도까지 가열하여 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터를 제공하는 단계; 및
    (iii) 280 내지 310℃의 온도에서 감압 하에 상기 비스-하이드록시에틸테레프탈산 에스터의 중축합을 수행하는 단계
    를 포함하는, 폴리에스터 수지의 제조 방법:
    화학식 I
    Figure pct00003
    .
  2. 제1항에 있어서,
    테레프탈산 및 모노에틸렌 글리콜의 몰비가 1:1 내지 1:1.4의 테레프탈산:모노에틸렌 글리콜인 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    테레프탈산 및 모노에틸렌 글리콜의 몰비가 1:1.1 내지 1:1.25의 테레프탈산:모노에틸렌 글리콜인 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    안티몬을 함유하는 중축합 촉매의 양이, 안티몬을 기준으로 계산된, 단계 (i)의 혼합물의 150 내지 450 중량ppm인 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    안티몬을 함유하는 중축합 촉매의 양이, 안티몬을 기준으로 계산된, 단계 (i)의 혼합물의 225 내지 275 중량ppm인 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    안티몬을 함유하는 중축합 촉매가 안티몬 트라이옥사이드, 안티몬 옥살레이트, 안티몬 글루콕사이드, 안티몬 부톡사이드 및 안티몬 다이부톡사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    안티몬을 함유하는 중축합 촉매가 안티몬 트라이옥사이드인 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    화학식 I의 화합물을 포함하는 인-함유 안정화제의 양이, 인의 양이 단계 (i)의 혼합물의 1 내지 20 중량ppm이도록 하는 양인 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    화학식 I의 화합물을 포함하는 인-함유 안정화제의 양이, 인의 양이 단계 (i)의 혼합물의 4 내지 7.5 중량ppm이도록 하는 양인 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    코발트 이온을 함유하는 색 보정 첨가제의 양이 단계 (i)의 혼합물의 0 내지 100 중량ppm인 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    코발트 이온을 함유하는 색 보정 첨가제가 코발트(II) 아세테이트 또는 이의 수화물인 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)가 250 내지 265℃의 온도에서 수행되는 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)가 1.2 내지 10 bar의 압력에서 수행되는 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (iii)이 285 내지 295℃의 온도에서 수행되는 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (iii)이 100 mbar 미만의 압력에서 수행되는 제조 방법.
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