KR20180074043A

KR20180074043A - 프탈로니트릴 수지

Info

Publication number: KR20180074043A
Application number: KR1020160177702A
Authority: KR
Inventors: 이승희; 김상우; 안기호; 김율리아나
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-07-03
Also published as: KR102071911B1

Abstract

본 출원은 프탈로니트릴 수지, 중합성 조성물, 프리폴리머, 복합체, 그 제조 방법 및 용도에 관한 것이다. 본 출원에서는 다른 프탈로니트릴 화합물과 함께 사용되어 경화성이 우수하고, 적절한 가공 온도와 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 나타내며, 우수한 물성의 복합체를 형성할 수 있는 프탈로니트릴 화합물, 그를 사용한 중합성 조성물 및 프리폴리머를 제공할 수 있다.

Description

프탈로니트릴 수지{Phthalonitrile resin}

본 출원은 프탈로니트릴 수지, 중합성 조성물, 프리폴리머, 복합체, 그 제조 방법 및 용도에 대한 것이다.

프탈로니트릴 수지는, 다양한 용도에 사용될 수 있다. 예를 들면, 프탈로니트릴 수지를 유리 섬유나 탄소 섬유 등과 같은 충전제에 함침시켜 형성되는 복합체(composite)는, 자동차, 비행기 또는 선박 등의 소재로 사용될 수 있다. 상기 복합체의 제조 과정은, 예를 들면, 프탈로니트릴과 경화제의 혼합물 또는 그 혼합물의 반응에 의해 형성되는 프리폴리머와 충전제를 혼합한 후에 경화시키는 과정을 포함할 수 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

복합체의 제조 과정이 효과적으로 이루어지기 위해서는, 단량체인 프탈로니트릴 또는 그로부터 형성된 중합성 조성물이나 프리폴리머(prepolymer)가 적절한 용융성과 유동성을 가지고, 소위 프로세스 윈도우(process window)가 넓을 것이 요구된다.

또한, 상기 프탈로니트릴과 경화제의 혼합물이나 프리폴리머가 보이드(void)를 포함하거나, 가공 혹은 경화 과정에서 보이드를 생성할 경우에 복합체의 물성의 저하가 발생할 수 있으므로, 이러한 문제도 고려되어야 한다.

한국등록특허 제0558158호

본 출원은 프탈로니트릴 수지, 중합성 조성물, 프리폴리머, 복합체, 상기 복합체의 전구체와 제조 방법 및 용도를 제공한다. 본 출원에서는 가공성이 떨어지는 프탈로니트릴 화합물의 프로세스 윈도우(process window)를 개선하고, 경화성이 우수하며, 우수한 물성의 복합체를 형성할 수 있는 프탈로니트릴, 그를 사용한 중합성 조성물 및 프리폴리머를 제공할 수 있다.

본 출원은 프탈로니트릴 수지에 대한 것이다. 프탈로니트릴 수지는, 하기 화학식 1 내지 3 중 1개 이상의 프탈로니트릴 화합물(A) 유래의 중합 단위를 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 소정 화합물 유래의 중합 단위는 그 화합물의 중합 내지 경화에 의해 형성된 폴리머의 골격을 의미할 수 있다. 예를 들면, 하기 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위는, 하기 화학식 1의 화합물의 시아노기가 아민이나 히드록시기 등의 경화제에 존재하는 관능기와 반응한 상태의 구조일 수 있다.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

화학식 1 내지 3에서, R₁ 내지 R₁₀은 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 알콕시기, 또는 아릴기이고, X는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이며, L은 알킬렌기, 알킬리덴기, 산소 원자 또는 황 원자이다.

프탈로니트릴 수지는, 상기 화학식 1 내지 3의 화합물 중 1개 이상으로부터 유래된 중합 단위를 포함하거나, 혹은 상기 3종의 화합물 모두로부터 유래된 중합 단위를 포함할 수도 있다.

하나의 예시에서 프탈로니트릴 수지는 적어도 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위를 포함하면서, 상기 화학식 2 및/또는 3의 화합물 유래의 중합 단위를 포함할 수도 있다. 상기와 같은 경우에 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위는 주성분으로 포함될 수 있다. 상기에서 주성분으로 포함된다는 것은 화학식 1 유래의 중합 단위가 전체 프탈로니트릴 유래 중합 단위에서 중량을 기준으로 55% 이상인 경우를 의미할 수 있다.

또한, 상기와 같은 경우에 상기 프탈로니트릴 수지는, 상기 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위 100 중량부에 대하여 상기 화학식 2 및/또는 3의 화합물 유래의 중합 단위를 약 1 내지 200 중량부로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 단위 중량부는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 성분들간의 중량의 비율을 의미할 수 있다. 상기에서 화학식 2 및/또는 3의 화합물 유래의 중합 단위의 중량 비율은, 다른 예시에서 10 중량부 이상, 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상, 50 중량부 이상 또는 60 중량부 이상일 수 있다. 또한, 상기에서 화학식 2 및/또는 3의 화합물 유래의 중합 단위의 중량 비율은, 다른 예시에서 190 중량부 이하, 180 중량부 이하, 170 중량부 이하, 160 중량부 이하, 150 중량부 이하, 140 중량부 이하, 130 중량부 이하, 120 중량부 이하, 110 중량부 이하, 100 중량부 이하, 90 중량부 이하, 80 중량부 이하 또는 70 중량부 이하일 수 있다. 상기와 같은 비율의 범위 하에서 적절한 가공 온도를 유지하고, 또한 넓은 프로세스 윈도우를 확보할 수 있다.

또한, 프탈로니트릴 수지가 화학식 1 내지 3의 화합물 유래의 중합 단위를 모두 포함하는 경우에는, 상기 화학식 2의 화합물 유래의 중합 단위는 상기 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위 100 중량부 대비 1 내지 150 중량부로 포함될 수 있고, 상기 화학식 3의 화합물 유래의 중합 단위도 상기 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위 100 중량부 대비 1 내지 150 중량부로 포함될 수 있다. 상기에서 화학식 2 또는 3의 화합물 유래의 중합 단위의 중량 비율은 다른 예시에서 다른 예시에서 10 중량부 이상, 20 중량부 이상, 30 중량부 이상, 40 중량부 이상, 50 중량부 이상 또는 60 중량부 이상일 수 있다. 또한, 상기에서 화학식 2 또는 3의 화합물 유래의 중합 단위의 중량 비율은, 다른 예시에서 140 중량부 이하, 130 중량부 이하, 120 중량부 이하, 110 중량부 이하, 100 중량부 이하, 90 중량부 이하, 80 중량부 이하, 70 중량부 이하, 60 중량부 이하, 50 중량부 이하, 40 중량부 이하, 30 중량부 이하, 20 중량부 이하 또는 10 중량부 이하일 수 있다. 상기와 같은 비율의 범위 하에서 적절한 가공 온도를 유지하고, 또한 넓은 프로세스 윈도우를 확보할 수 있다.

상기 언급한 화학식 1 내지 3의 화합물 또는 그들의 조합은 구조적 특징으로 인해 프탈로니트릴 수지 제조 과정에서 적절한 가공 온도와 프로세스 윈도우를 나타낼 수 있고, 경화제와의 반응성이 우수하며, 가공성이 떨어지는 프탈로니트릴 화합물의 프로세스 윈도우(process window)를 개선할 수 있다.

이에 따라 경화성이 우수하고, 적절한 가공 온도와 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 나타내며, 우수한 물성의 복합체를 형성할 수 있는 중합성 조성물 및 프리폴리머를 제공할 수 있다.

하나의 예시에서 상기 화합물의 가공 온도는, 예를 들면, 50℃ 내지 200℃의 범위 내에 있을 수 있다. 본 출원에서 용어 가공 온도는, 상기 화합물, 그를 포함하는 하기 중합성 조성물 또는 프리폴리머 등이 가공 가능한 상태로 존재하는 온도를 의미할 수 있다. 이러한 가공 온도는, 예를 들면, 연화점, 용융 온도(Tm) 또는 유리전이온도(Tg)일 수 있다. 이러한 범위는 적절한 유동성과 가공성을 나타내고, 넓은 프로세스 윈도우가 확보되며, 우수한 물성의 복합체를 형성할 수 있는 중합성 조성물 또는 프리폴리머을 구현하는 것에 유리하다.

화학식 1 내지 3의 화합물은 공지의 유기 화합물의 합성법에 따라 합성할 수 있다. 예를 들면, 화학식 1 내지 3의 화합물은, 소위 니트로 치환(nitro displacement) 반응으로 공지되어 있는 반응, 예를 들면, 히드록시기를 포함하는 화합물 및 니트릴기를 포함하는 화합물을 염기성 촉매 등이 존재 하에서 반응시키는 방식으로 합성할 수 있다.

프탈로니트릴 수지는, 상기 화학식 1 내지 3의 프탈로니트릴 화합물의 중합 단위에 추가로 상기 화학식 1 내지 3의 프탈로니트릴 화합물과는 다른 프탈로니트릴 화합물의 중합 단위를 포함할 수도 있다. 이러한 경우에 선택 및 사용될 수 있는 프탈로니트릴 화합물의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 프탈로니트릴 수지의 형성 및 그 물성의 조절에 유용한 것으로 알려진 공지의 화합물이 적용될 수 있다. 이러한 화합물의 예로는, 미국 특허 제4,408,035호, 미국 특허 제5,003,039호, 미국 특허 제5,003,078호, 미국 특허 제5,004,801호, 미국 특허 제5,132,396호, 미국 특허 제5,139,054호, 미국 특허 제5,208,318호, 미국 특허 제5,237,045호, 미국 특허 제5,292,854호 또는 미국 특허 제5,350,828호 등에서 공지되어 있는 화합물이 예시될 수 있으며, 상기 문헌들에 의한 것 외에도 업계에서 공지되어 있는 다양한 화합물이 상기 예시에 포함될 수 있다. 특히, 본원발명의 화학식 1 내지 3의 프탈로니트릴 화합물은 상기 화학식 1 내지 3의 프탈로니트릴 화합물과는 다른 프탈로니트릴 화합물의 가공성을 개선할 수 있다.

프탈로니트릴 수지에서 화학식 1 내지 3의 화합물 등의 중합 단위는, 상기 화학식 1 내지 3의 화합물 등과 경화제의 반응에 의해 형성되는 중합 단위일 수 있다. 따라서, 상기 프탈로니트릴 수지는, 상기 경화제의 중합 단위를 추가로 포함할 수 있다. 경화제의 종류는 화학식 1 내지 3의 화합물 등과 반응하여 고분자를 형성할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 소위 프탈로니트릴 수지의 형성에 유용한 것으로 알려진 화합물이라면 어떠한 화합물도 사용할 수 있다. 프탈로니트릴 수지의 형성에 적합한 것으로 공지된 경화제로는 방향족 아민 화합물, 페놀 화합물, 무기산, 유기산, 금속 또는 금속염 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

하나의 예시에서는 경화제로서 방향족 아민 화합물과 같은 아민 화합물 또는 페놀 등의 히드록시 화합물을 사용할 수 있다. 본 출원에서 히드록시 화합물은, 분자 내에 적어도 하나 또는 두 개의 히드록시기를 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 프탈로니트릴 화합물을 경화시켜 수지를 형성할 수 있는 경화제는 다양하게 공지되어 있고, 이러한 경화제는 본 출원에서 대부분 적용될 수 있다.

하나의 예시에서 경화제로는 하기 화학식 4의 화합물이 사용될 수 있다.

[화학식 4]

화학식 4에서 R₁₁ 내지 R₁₆은 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 아민기 또는 하기 화학식 5의 치환기이고, 단 R₁₁ 내지 R₁₆ 중 2개 이상은 아민기이거나 하기 화학식 5의 치환기이다.

[화학식 5]

화학식 5에서 L₁은, 알킬렌기, 알킬리덴기, 산소 원자 또는 황 원자이고, R₁₇ 내지 R₂₁은 수소, 알킬기, 알콕시기, 아릴기 또는 아민기이되, R₁₇ 내지 R₂₁ 중 적어도 하나는 아민기다.

화학식 5의 치환기가 존재하는 경우, 상기 구조에서 L₁이 화학식 4의 벤젠 고리에 연결될 수 있다.

하나의 예시에서 상기 경화제는 화학식 4에서 R₁₁ 내지 R₁₆ 중 2개가 상기 화학식 5의 치환기인 화합물일 수 있다. 이러한 경우에 화학식 4에서 상기 2개의 화학식 5의 치환기는, 그 중 어느 하나를 기준으로 다른 하나가 오소, 메타 또는 파라 위치에 존재하는 구조일 수 있다. 또한, 이러한 경우에 상기 화학식 5의 치환기에서 R₁₈ 내지 R₂₀ 중 어느 하나가 아민기일 수 있다.

본 출원은 또한 중합성 조성물에 대한 것이다. 중합성 조성물은, 상기 기술한 화학식 1 내지 3 중 2 개 이상의 화합물을 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 중합성 조성물은, 상기 화학식 1의 화합물 및 상기 화학식 2 또는 3의 화합물을 포함하거나, 상기 화학식 1 내지 3의 화합물을 모두 포함할 수 있다.

상기와 같은 경우에 화학식 1 내지 3의 각 화학식의 화합물의 중량 비율은, 전술한 상기 화합물 유래의 중합 단위의 중량 비율에 대한 사항이 동일하게 적용될 수 있다.

중합성 조성물은 상기 화학식 1 내지 3 중 1개 이상의 화합물과 함께 경화제를 추가로 포함할 수 있다.

중합성 조성물에 사용될 수 있는 경화제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 이미 기술한 것과 같은 경화제를 사용할 수 있다.

중합성 조성물에서 경화제의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 상기 비율은, 예를 들면, 조성물에 포함되어 있는 화학식 1 내지 3의 화합물 등의 경화성 성분의 비율이나 종류 등을 고려하여 목적하는 경화성이 확보될 수 있도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 경화제는 중합성 조성물에 포함되어 있는 화학식 1 내지 3의 화합물(화학식 1 내지 3의 화합물 중 2개 이상이 포함되는 경우, 그 전체) 1몰 당 약 0.02몰 내지 1.5몰 정도로 포함되어 있을 수 있다. 그렇지만, 상기 비율은 본 출원의 예시에 불과하다. 통상 중합성 조성물에서 경화제의 비율이 높아지면, 경화제의 종류에 따라 프로세스 윈도우가 좁아지거나 넓어지는 경향이 있어서 가공성이 떨어지거나, 고온의 경화 조건이 필요할 우려가 있다. 또한, 경화제의 비율이 낮아지면, 경화성이 불충분해지는 경향이 있으므로, 이러한 점 등을 고려하여 적절한 경화제의 비율이 선택될 수 있다.

본 출원의 중합성 조성물은, 경화성이 우수하면서, 적절한 가공 온도와 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 나타낼 수 있다.

하나의 예시에서 상기 중합성 조성물의 가공 온도, 즉 용융 온도 또는 유리전이온도는, 50℃ 내지 200℃ 또는 100℃ 내지 200℃의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 경우에 상기 중합성 조성물의 프로세스 원도우, 즉 상기 가공 온도(Tp)와 상기 화학식 1의 화합물 등과 경화제의 경화 반응 개시 온도(To)의 차이(To - Tp)의 절대값은 50℃ 이상, 70℃ 이상 또는 100℃ 이상일 수 있다. 본 출원에서 용어 경화 반응 개시 온도는, 중합성 조성물이나 후술하는 프리폴리머의 중합 내지는 경화가 시작되는 시점의 온도를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 경화 반응 개시 온도(To)가 상기 가공 온도에 비하여 높을 수 있다. 이러한 범위는 중합성 조성물을 사용하여, 예를 들어 후술하는 복합체를 제조하는 과정에서 적절한 가공성을 확보하는 것에 유리할 수 있다. 상기에서 프로세스 윈도우의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 가공 온도(Tp)와 경화 반응 개시 온도(To)의 차이(To - Tp)의 절대값은 600℃ 이하, 500℃ 이하, 400℃ 이하, 300℃ 이하 또는 200℃ 이하일 수 있다.

중합성 조성물은 다양한 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 첨가제의 예로는 다양한 충전제가 예시될 수 있다. 충전제로 사용될 수 있는 물질의 종류는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 용도에 따라 적합한 공지의 충전제가 모두 사용될 수 있다. 예시적인 충전제로는 금속 물질, 세라믹 물질, 유리, 금속 산화물, 금속 질화물 또는 탄소계 물질 등이 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 충전제의 형태도 특별히 제한되지 않고, 아라미드 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 세라믹 섬유 등과 같은 섬유상 물질, 또는 그 물질에 의해 형성된 직포, 부직포, 끈 또는 줄, 나노 입자를 포함하는 입자상, 다각형 또는 기타 무정형 등 다양한 형태일 수 있다. 상기에서 탄소계 물질로는, 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 또는 탄소 나노튜브 등이나 그들의 산화물 등과 같은 유도체 내지는 이성질체 등이 예시될 수 있다.

본 출원은 또한, 상기 기술한 중합성 조성물의 반응에 의해 형성되는 프리폴리머(prepolymer)에 대한 것이다.

본 출원에서 용어 프리폴리머 상태는, 상기 중합성 조성물 내에서 화학식 1의 화합물과 경화제가 어느 정도의 일어난 상태(예를 들면, 소위 A 또는 B 스테이지 단계의 중합이 일어난 상태)이나, 완전히 중합된 상태에는 이르지 않고, 적절한 유동성을 나타내어, 예를 들면, 후술하는 바와 같은 복합체의 가공이 가능한 상태를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 프리폴리머 상태는, 상기 중합성 조성물의 중합이 어느 정도 진행된 상태를 의미할 수 있다.

프리폴리머 역시 우수한 경화성, 적절한 가공 온도 및 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 프리폴리머는, 상온에서 장기간 보관되는 경우에도 경시적으로 안정성을 나타낼 수 있다.

예를 들면, 상기 프리폴리머의 가공 온도, 예를 들어, 유리전이온도 또는 용융 온도는, 50℃ 내지 200℃ 또는 100℃ 내지 200℃의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 경우에 상기 프리폴리머의 프로세스 원도우, 즉 상기 가공 온도(Tp)와 상기 프리폴리머의 경화 반응 개시 온도(To)의 차이(To - Tp)의 절대값은 50℃ 이상, 70℃ 이상 또는 100℃ 이상일 수 있다. 하나의 예시에서 상기 경화 반응 개시 온도(To)가 상기 가공 온도(Tp)에 비하여 높을 수 있다. 이러한 범위는 프리폴리머를 사용하여, 예를 들어 후술하는 복합체를 제조하는 과정에서 적절한 가공성을 확보하는 것에 유리할 수 있다. 상기에서 프로세스 윈도우의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 가공 온도(Tp)와 경화 반응 개시 온도(To)의 차이(To - Tp)의 절대값은 600℃ 이하, 500℃ 이하, 400℃ 이하, 300℃ 이하 또는 200℃ 이하일 수 있다.

프리폴리머는 상기 성분 외에 공지의 임의의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 첨가제의 예로는 전술한 충전제 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 출원은 또한 복합체(composite)에 대한 것이다. 상기 복합체는 상기 기술한 프탈로니트릴 수지 및 충전제를 포함할 수 있다. 상기 기술한 바와 같이, 본 출원의 화학식 1의 화합물 등을 통해 우수한 경화성, 적절한 가공 온도와 넓은 프로세스 윈도우(process window)의 달성이 가능하며, 이에 따라 다양한 충전제를 포함하는 우수한 물성의 소위 강화 수지 복합체(reinforced polymer composite)를 용이하게 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 복합체는 상기 프탈로니트릴 수지와 충전제를 포함할 수 있고, 예를 들면, 자동차, 비행기 또는 선박 등의 내구재 등을 포함한 다양한 용도에 적용될 수 있다.

충전제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 용도를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 사용될 수 있는 충전제로는 이미 기술한 종류가 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

충전제의 비율도 특별히 제한되는 것은 아니며, 목적하는 용도에 따라 적정 범위로 설정될 수 있다.

본 출원은 또한, 상기 복합체를 제조하기 위한 전구체에 대한 것이고, 상기 전구체는 예를 들면, 상기 기술한 중합성 조성물과 상기 충전제를 포함하거나, 혹은 상기 기술한 프리폴리머와 상기 충전제를 포함할 수 있다.

복합체는 상기 전구체를 사용한 공지의 방식으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합체는 상기 전구체를 경화시켜서 형성할 수 있다.

하나의 예시에서 상기 전구체는, 상기 화학식 1의 화합물 및 경화제를 포함하는 중합성 조성물이나, 상기 중합성 조성물이 가경화되어 형성되는 상기 프리폴리머를 가열 등에 의해 용융시킨 상태에서, 필요한 경우에 상기 충전제와 배합하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기와 같이 제조된 전구체를 목적하는 형상으로 성형한 후에 경화시켜서 전술한 복합체의 제조가 가능하다. 상기 중합성 조성물 또는 프리폴리머는 적절한 가공 온도와 넓은 프로세스 온도를 가지고, 경화성이 탁월하여 상기 과정에서 성형 및 경화가 효율적으로 수행될 수 있다.

상기 과정에서 프리폴리머 등을 형성하는 방법, 그러한 프리폴리머 등과 충전제를 배합하고, 가공 및 경화시켜 복합체를 제조하는 방법 등은 공지된 방식에 따라 진행될 수 있다.

본 출원에서는 경화성이 우수하고, 적절한 가공 온도와 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 나타내며, 우수한 물성의 복합체를 형성할 수 있는 프탈로니트릴, 그를 사용한 중합성 조성물 및 프리폴리머를 제공할 수 있다.

도 1 내지 7은 제조예에서 제조된 화합물에 대한 NMR 분석 결과이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원의 프탈로니트릴 수지 등을 구체적으로 설명하지만, 상기 수지 등의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

1. NMR(Nuclear magnetic resonance) 분석

NMR 분석은 Agilent사의 500 MHz NMR 장비를 사용하여 제조사의 매뉴얼대로 수행하였다. NMR의 측정을 위한 샘플은 화합물을 DMSO(dimethyl sulfoxide)-d6에 용해시켜 제조하였다.

2. DSC(Differential scanning calorimetry) 분석

DSC 분석은, TA instrument사의 Q20 시스템을 사용하여 35℃에서 450℃까지 10℃/분의 승온 속도로 승온하면서 N2 flow 분위기에서 수행하였다.

3. TGA(Thermogravimetric Analysis) 분석

TGA 분석은 Mettler-Toledo사의 TGA e850 장비를 사용하여 수행하였다. 실시예 또는 비교예에서 제조된 조성물을 220℃, 250℃, 280℃, 310℃ 및 340℃ 각각의 온도에서 2시간씩 총 10시간동안 후경화시킨 후에 25℃에서 900℃까지 10℃/분의 승온 속도로 승온하면서 N₂ flow 분위기에서 분석하였다.

4. 용융 점도의 측정

프리프레그의 용융 점도 측정은 TA Instrument의 Stress-controlled Rheometer인 DHR(discovery hybrid rheometer) 장비를 사용하여 수행하였다. 25mm parallel plate를 장착하고 유리전이온도 혹은 용융점 이하의 온도에서부터 5℃/분의 승온 속도로 승온하면서 조성물의 점도를 측정하였다.

제조예 1. 혼합물(PN1)의 합성

하기 화학식 A의 화합물, 하기 화학식 B의 화합물 및 하기 화학식 C의 화합물의 혼합물은 다음의 방식으로 합성하였다. 우선, 4,4'-비스(히드록시페닐메탄), 2,4'-비스(히드록시페닐메탄) 및 2,2’-비스(히드록시페닐메탄)의 혼합물 28 g과 150mL의 DMF(dimethyl formamide)를 500 mL의 3넥 RBF(3 neck round-bottom flast)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기 혼합물에서 4,4'-비스(히드록시페닐메탄), 2,4'-비스(히드록시페닐메탄) 및 2,2'-비스(히드록시페닐메탄)의 중량 비율은 60:35:5(4,4'-비스(히드록시페닐메탄):2,4'-비스(히드록시페닐메탄):2,2'-비스(히드록시페닐메탄))였다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 48.5 g을 추가하고, DMF 50 g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 58.1 g 및 DMF 50 g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85℃까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5 시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시킨다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 농도의 염산 수용액에 부어 중화 침전시키고, 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100℃의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하고, 물과 잔류 용매를 제거한 후에 목적 혼합물을 80중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 A의 화합물, 화학식 B의 화합물 및 화학식 C의 화합물의 혼합물의 NMR 분석 결과는 도 1에 기재하였다.

[화학식 A]

[화학식 B]

[화학식 C]

제조예 2. 화합물(PN2)의 합성

하기 화학식 A의 화합물을 다음의 방식으로 합성하였다. 4,4'-비스(히드록시페닐메탄) 28g과 150g의 DMF(dimethyl formamide)를 500mL의 3넥 RBF(3 neck round-bottom flask)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 48.5g을 추가하고, DMF 50g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 58.1g 및 DMF 50g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85°C 까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 염산 수용액에 부어 중화 침전하였다. 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100°C의 진공 오븐에서 하루 동안 건조시켰다. 물과 잔류 용매를 제거한 후에 목적 화합물을 82중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 A의 화합물의 NMR 분석 결과는 도 2에 기재하였다.

[화학식 A]

제조예 3. 화합물(PN3)의 합성

하기 화학식 D의 화합물(PN3)을 다음의 방식으로 합성하였다. 4,4'-비페놀(4,4'-Biphenol) 27.9g 및 150g의 DMF(Dimethyl Formamide)를 3넥 RBF(3 neck round bottom flask)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 51.9g을 추가하고, DMF 50g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 62.2g 및 DMF 50g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85°C 까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 농도의 염산 수용액에 부어 중화 침전시키고, 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100°C의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하고, 물과 잔류 용매를 제거한 후에 화학식 D의 화합물(PN3)을 83중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 D의 화합물의 NMR 분석 결과는 도 3에 기재하였다.

[화학식 D]

제조예 4. 화합물(PN4)의 합성

하기 화학식 E의 화합물(PN4)을 다음의 방식으로 합성하였다. 2,2-비스(4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판 [2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)hexafluoropropane] 41.4g 및 150g의 DMF(Dimethyl Formamide)를 3넥 RBF(3 neck round bottom flask)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 42.6g을 추가하고, DMF 50g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 51.0g 및 DMF 50g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85°C 까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 농도의 염산 수용액에 부어 중화 침전시키고, 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100°C의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하고, 물과 잔류 용매를 제거한 후에 화학식 E의 화합물(PN4)을 87중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 E의 화합물의 NMR 분석 결과는 도 4에 기재하였다.

[화학식 E]

제조예 5. 화합물(PN5)의 합성

하기 화학식 F의 화합물(PN5)을 다음의 방식으로 합성하였다. 4-히드록시페닐 설파이드(4-Hydroxyphenyl sulfide) 27.3g 및 130g의 DMF(Dimethyl Formamide)를 3넥 RBF(3 neck round bottom flask)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 43.3g을 추가하고, DMF 50g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 51.8g 및 DMF 50g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85°C 까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 농도의 염산 수용액에 부어 중화 침전시키고, 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100°C의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하고, 물과 잔류 용매를 제거한 후에 화학식 F의 화합물(PN5)을 86중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 F의 화합물의 NMR 분석 결과는 도 5에 기재하였다.

[화학식 F]

제조예 6. 화합물(PN6)의 합성

하기 화학식 G의 화합물(PN6)을 다음의 방식으로 합성하였다. 1,3,5-트리히드록시 벤젠 (1,3,5-Trihydroxybenzene) 27.3g 및 150g의 DMF(Dimethyl Formamide)를 3넥 RBF(3 neck round bottom flask)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 55.1g을 추가하고, DMF 50g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 65.9g 및 DMF 50g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85°C 까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 농도의 염산 수용액에 부어 중화 침전시키고, 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100°C의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하고, 물과 잔류 용매를 제거한 후에 화학식 G의 화합물(PN6)을 85중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 G의 화합물의 NMR 분석 결과는 도 6에 기재하였다.

[화학식 G]

제조예 7. 화합물(PN7)의 합성

하기 화학식 H의 화합물(PN7)을 다음의 방식으로 합성하였다. 하기 화학식 I의 화합물 27.9g 및 150g의 DMF(Dimethyl Formamide)를 3넥 RBF(3 neck round bottom flask)에 투입하고, 상온에서 교반하여 용해시켰다. 상기에 4-니트로 프탈로니트릴 48.5g을 추가하고, DMF 50g을 추가한 후 교반하여 용해시켰다. 이어서 탄산칼륨 58.1g 및 DMF 50g을 함께 투입한 후에 교반하면서 온도를 85°C 까지 승온하였다. 상기 상태에서 약 5시간 정도 반응시킨 후에 상온까지 냉각시켰다. 냉각된 반응 용액을 0.2N 농도의 염산 수용액에 부어 중화 침전시키고, 필터링 후에 물로 세척하였다. 그 후, 필터링된 반응물을 100°C의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하고, 물과 잔류 용매를 제거한 후에 화학식 H의 화합물(PN7)을 80중량%의 수율로 수득하였다. 제조된 화학식 H의 화합물의 NMR 분석 결과는 도 7에 기재하였다.

[화학식 H]

[화학식 I]

제조예 8. 화합물(CA1)의 합성

하기 화학식 J의 화합물은 TCI(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)사의 시판 제품을 입수하여 추가 정제 없이 사용하였다.

[화학식 J]

실시예 1.

혼합물 PN1과 상기 화학식 D로 표시되는 화합물(PN3)를 중량비로 50:50이 되도록 혼합한 후, 알루미늄 디쉬를 이용하여 240°C의 핫플레이트 위에서 10분간 용융시킨다. 완전히 용융된 혼합 모노머에 경화제인 1,3-Bis(3-aminophenoxy)benzene을(CA1)을 모노머 (PN1+PN3) 1몰 당 약 0.15몰이 존재하도록 첨가하였다. 상기 조성물에 대하여 추가로 240°C의 핫플레이트 위에서 10분간 균일하게 혼합시킨 후 냉각하여 중합성 조성물(프리프레그)을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 1에 기재되어 있다.

준비된 프리프레그는 220°C, 250°C, 280°C, 310°C, 340°C 각각의 온도에서 2시간씩 총 10시간동안 가열하여 오븐에서 경화하였다. 경화를 거쳐 마련된 레진에 대해 TGA 분석을 수행한 결과는 표 3에 기재되어 있다.

실시예 2.

실시예 1에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 E로 표시되는 화합물(PN4)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

준비한 프리프레그를 실시예 1과 동일하게 오븐에서 경화하였다. 경화를 거쳐 마련된 레진에 대해 TGA 분석을 수행한 결과는 표 3에 기재되어 있다.

실시예 3.

실시예 1에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 F로 표시되는 화합물(PN5)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 4.

실시예 1에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 G로 표시되는 화합물(PN6)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 5.

실시예 1에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 H로 표시되는 화합물(PN7)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 6.

화합물 PN2와 화학식 D로 표시되는 화합물(PN3)을 중량비로 50:50이 되도록 혼합한 후, 알루미늄 디쉬를 이용하여 240°C의 핫플레이트 위에서 10분간 용융시킨다. 완전히 용융된 혼합 모노머에 경화제인 1,3-Bis(3-aminophenoxy)benzene(CA1)을 모노머(PN2+PN3) 1몰 당 약 0.15몰이 존재하도록 첨가하였다. 상기 조성물에 대하여 추가로 240°C의 핫플레이트 위에서 10분간 균일하게 혼합시킨 후 냉각하여 중합성 조성물(프리프레그)을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 7.

실시예 6에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 E로 표시되는 화합물(PN4)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 8.

실시예 6에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 F로 표시되는 화합물(PN5)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 9.

실시예 6에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 G로 표시되는 화합물(PN6)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

실시예 10.

실시예 6에서 화합물(PN3) 대신 상기 화학식 H로 표시되는 화합물(PN7)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

비교예 1.

화합물(PN3)를 250°C의 핫플레이트 위에서 10분간 용융시킨다. 용융된 화합물에 경화제(CA1)인 1,3-Bis(3-aminophenoxy)benzeme을 상기 화합물(PN3) 1몰 당 약 0.15몰이 존재하도록 첨가한 후 240°C의 핫플레이트 위에서 10분간 용융 및 혼합시킨 후 냉각하여 중합성 조성물(프리프레그)을 제조하였다. 상기 조성물에 대하여 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 3에 기재되어 있다.

비교예 2.

비교예 1의 화합물(PN3) 대신 화합물(PN4)을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

준비된 프리프레그를 비교예 1과 같이 경화하였다. 경화를 거쳐 마련된 레진에 대해 TGA 분석을 수행한 결과는 표 3에 기재되어 있다.

비교예 3.

비교예 1의 화합물(PN3) 대신 화합물(PN5)을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.

비교예 4.

비교예 1의 화합물(PN3) 대신 화합물(PN6)을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 3에 기재되어 있다.

비교예 5.

비교예 1의 화합물(PN3) 대신 화합물(PN7)을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 중합성 조성물을 제조하였다. 제조한 프리프레그에 대해 DSC 분석을 수행한 결과는 하기 표 3에 기재되어 있다.

실시예 및 비교예에서 사용한 프탈로니트릴 단량체 및 경화제의 종류는 아래 표 1과 같다.

	프탈로니트릴 단량체	경화제
실시예 1	PN1+PN3	CA1
실시예 2	PN1+PN4	CA1
실시예 3	PN1+PN5	CA1
실시예 4	PN1+PN6	CA1
실시예 5	PN1+PN7	CA1
실시예 6	PN2+PN3	CA1
실시예 7	PN2+PN4	CA1
실시예 8	PN2+PN5	CA1
실시예 9	PN2+PN6	CA1
실시예 10	PN2+PN7	CA1
비교예 1	PN3	CA1
비교예 2	PN4	CA1
비교예 3	PN5	CA1
비교예 4	PN6	CA1
비교예 5	PN7	CA1

	유리전이온도(°C)	용융 온도(°C)	Exothermal onset temperature(°C)	Process window(°C)	발열 에너지(J/g)	용융 점도(Pa·s)
실시예 1	48	206	285	237	154	<3
실시예 2	50	203	279	229	133	<3
실시예 3	-	155	279	124	112	<3
실시예 4	-	236	294	59	255	11
실시예 5	55	-	282	227	171	<3
실시예 6	50	206	277	227	121	<3
실시예 7	48	200	294	245	100	<3
실시예 8	-	157	291	133	90	<3
실시예 9	-	177	300	123	201	12
실시예 10	56	-	290	235	180	<3
비교예 1	-	228	276	48	66	<3
비교예 2	-	226	361	134	11	<3
비교예 3	-	175	300	125	50	<3
비교예 4	-	270	277	7	62	측정 불가
비교예 5	96	-	304	208	135	2500

	5% 분해온도(°C)	10% 분해온도(°C)	800°C에서 residue(%)
실시예 1	506	553	77.3
실시예 2	494	526	72.5
실시예 3	480	510	75.2
실시예 4	493	539	75.1
실시예 5	497	540	77.5
실시예 6	505	553	77.3
실시예 7	493	524	72.4
실시예 8	478	509	75.2
실시예 9	492	539	75.2
실시예 10	498	540	77.5
비교예 1	496	539	76.5
비교예 2	499	521	65.3
비교예 3	482	494	70.5
비교예 4	423	447	54.1
비교예 5	476	529	74.8

상기 표에서 알 수 있는 것처럼, 프로세스 윈도우가 좁아 실제 공정에 적용하기 어려운 모노머에 대해 PN1, PN2와 같이 프로세스 윈도우가 넓은 모노머를 혼합하여 프로세스 윈도우를 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한 경화 효율이 낮아 경화 밀도가 낮고 그 결과 내열성이 낮은 모노머에 대해서도 PN1, PN2와 같이 경화 효율이 우수한 모노머를 혼합하여 경화 효율도 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 특히 비교예4에서 볼 수 있듯이 PN6은 그 물질 자체로는 프로세스 윈도우가 7℃로 공정성이 매우 낮아 실제 프탈로니트릴 레진 제작이 불가능하였으나 PN1 또는 PN2와의 혼합을 통해 프탈로니트릴 레진 제작이 가능하였다.

실시예1-4 및 6-9에서 발열 에너지가 비교예 1-4대비 2배이상 증가하였는데 발열 에너지 증가는 효율적 경화를 의미하는 것으로서 PN1 또는 PN2와의 혼합으로 인해 효율적인 경화가 진행되고 그 결과 경화 밀도 향상 효과를 기대할 수 있음을 의미한다.

이것은 TGA를 통한 내열 특성 결과를 통해 확인할 수 있다. 비교예 1-5대비 실시예 1-10에서 모두 내열 특성이 향상되었다. PN7 자체의 용융 점도는 매우 높은데 블렌딩을 통해 저점도 상태를 구현할 수 있었다. 이는 경화된 프탈로니트릴 레진의 보이드 제어에 매우 중요한 특성이다.

Claims

하기 화학식 1 내지 3 중 1개 이상의 프탈로니트릴 화합물(A) 및 화학식 1 내지 3의 프탈로니트릴 화합물과는 다른 프탈로니트릴 화합물(B) 유래의 중합 단위를 포함하는 프탈로니트릴 수지:
[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

화학식 1 내지 3에서, R₁ 내지 R₁₀은 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 알콕시기, 또는 아릴기이고, X는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이며, L은 알킬렌기, 알킬리덴기, 산소 원자 또는 황 원자이다.
제 1항에 있어서, 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위 및 화학식 2 또는 3의 화합물 유래의 중합 단위를 포함하는 프탈로니트릴 수지.
제 1항에 있어서, 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위, 화학식 2의 화합물 유래의 중합 단위 및 화학식 3의 화합물 유래의 중합 단위를 포함하는 프탈로니트릴 수지.
제 2항에 있어서, 화학식 1의 화합물 유래의 중합 단위 100 중량부에 대하여 화학식 2 또는 3의 화합물 유래의 중합 단위 1 내지 200 중량부를 포함하는 프탈로니트릴 수지.
제 1 항에 있어서, 방향족 아민 화합물의 중합 단위를 추가로 포함하는 프탈로니트릴 수지.
하기 화학식 1 내지 3 중 1개 이상의 프탈로니트릴 화합물(A), 화학식 1 내지 3으로 표시되지 않는 프탈로니트릴 화합물(B) 및 경화제(C)를 포함하는 중합성 조성물:
[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

화학식 1 내지 3에서, R₁ 내지 R₁₀은 각각 독립적으로 수소, 알킬기, 알콕시기, 또는 아릴기이고, X는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이며, L은 알킬렌기, 알킬리덴기, 산소 원자 또는 황 원자이다.
제 6항에 있어서, 화학식 1의 화합물; 화학식 2 또는 3의 화합물; 및 경화제를 포함하는 중합성 조성물.
제 6항에 있어서, 화학식 1의 화합물, 화학식 2의 화합물, 화학식 3의 화합물 및 경화제를 포함하는 중합성 조성물.
제 6항에 있어서, 경화제는 방향족 아민 화합물, 페놀 화합물, 무기산, 유기산, 금속 또는 금속염인 중합성 조성물.
제 6항에 있어서, 프탈로니트릴 화합물(B) 및 경화제(C)로 이루어진 중합성 조성물의 프로세스 윈도우보다 프탈로니트릴 화합물(A), 상기 프탈로니트릴 화합물(B) 및 상기 경화제(C)로 이루어진 중합성 조성물의 프로세스 윈도우가 더 넓은 중합성 조성물.
제 6항의 중합성 조성물의 반응물인 프리폴리머.
제 1항의 프탈로니트릴 수지를 포함하는 복합체.
제 12항에 있어서, 충전제를 추가로 포함하는 복합체.
제 6항의 중합성 조성물 또는 제 11항의 프리폴리머를 포함하는 전구체를 경화시키는 단계를 포함하는 복합체의 제조 방법.