KR20190127594A - 폴리프로필렌계 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 폴리프로필렌계 복합재는 (A) 폴리프로필렌, 및 (1) 밀도(d)가 0.85 내지 0.89 g/cc이고, (2) 용융지수(Melt Index, MI, 190℃, 2.16 kg 하중 조건)가 15 g/10분 내지 100 g/10분이고, (3) 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)가 0.8 이하이며, (4) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, total V가 (a) 비닐렌/total V = 0.1 내지 0.7 및 (b) 비닐렌/비닐 = 0.8 내지 1.6을 만족하는 (B) 올레핀계 공중합체를 포함하므로, 우수한 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률을 발휘할 수 있다.
Description
본 발명은 굴곡강도, 인장강도, 굴곡탄성율 등의 물성이 향상된 폴리프로필렌계 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 내외장재 부품용 조성물은 폴리프로필렌(PP)을 주성분으로 하여 충격 보강재와 무기충전제를 포함하는 폴리프로필렌계 수지 조성물이 사용되어 왔다.
메탈로센 촉매를 적용하여 중합한 에틸렌-α-올레핀 공중합체를 개발하기 이전인 1990년대 중반까지는, 자동차 내외장재, 특히 범퍼 커버의 재료로서 대부분 폴리프로필렌계 수지 조성물에 EPR(Ethylene Propylene Rubber)이나 EPDM(ethylene propylene diene rubber)을 충격 보강재로서 주로 사용하였다. 그러나, 메탈로센 촉매에 의해 합성된 에틸렌-α-올레핀 공중합체가 등장한 이후로는 충격 보강재로서 에틸렌-α-올레핀 공중합체가 사용되기 시작하여 현재는 그 주류를 이루고 있다. 왜냐하면 이것을 사용한 폴리프로필렌계 복합재는 충격 강도, 탄성률, 굴곡강도 등의 균형 잡힌 물성을 가지고 성형성이 좋으며 가격도 저렴한 장점 등이 많이 있기 때문이다.
메탈로센 촉매에 의해 합성된 에틸렌-α-올레핀 공중합체 등의 폴리올레핀은 지글러-나타 촉매에 의한 것보다 분자구조가 균일하게 제어되기 때문에 분자량분포가 좁고 기계적 물성도 양호한 편이다. 메탈로센 촉매에 의해 중합된 저밀도의 에틸렌 엘라스토머도, α-올레핀 공중합 단량체가 지글러-나타 촉매에 의한 것보다 폴리에틸렌(PE) 분자 내에 비교적 균일하게 삽입되기 때문에, 저밀도의 고무 특성을 유지하면서 다른 기계적 물성도 양호한 특성을 갖고 있다.
그러나, 다양한 사용 환경에 따라 물성과 가공성 간의 균형이 이루어진 보다 우수한 제품의 제조가 끊임없이 요구되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 굴곡강도, 인장강도, 굴곡탄성율 등의 물성이 향상된 폴리프로필렌계 복합재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (A) 폴리프로필렌, 및 (B) 하기 (1) 내지 (4)의 요건을 충족하는 올레핀계 중합체를 포함하는 폴리프로필렌계 복합재를 제공한다.
(1) 밀도(d)가 0.85 내지 0.89 g/cc이고,
(2) 용융지수(Melt Index, MI, 190℃, 2.16 kg 하중 조건)가 15 g/10분 내지 100 g/10분이고,
(3) 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)가 0.8 이하이며,
(4) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, total V가 아래 (a) 및 (b)를 만족한다.
(a) 비닐렌/total V = 0.1 내지 0.7
(b) 비닐렌/비닐 = 0.8 내지 1.6
또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (1) 폴리프로필렌(A)을 준비하는 단계; (2) 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물의 존재 하에서, 수소를 10 내지 100cc/min으로 투입하여 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 올레핀계 공중합체(B)를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 폴리프로필렌(A) 및 올레핀계 공중합체(B)를 용융 혼련하여 폴리프로필렌계 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 상기 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1은 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알콕시; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬이고,
R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴이고,
R3는 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 6 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬 아미도; 탄소수 6 내지 20의 아릴 아미도; 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴; 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 1 내지 20의 알콕시 및 탄소수 6 내지 20의 아릴로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환된 페닐이고,
R4 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 실릴; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 또는 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이고; 상기 R6 내지 R9 중 서로 인접하는 2개 이상은 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고,
Q는 Si, C, N, P 또는 S이며,
M은 4족 전이금속이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬아미노; 탄소수 6 내지 20의 아릴아미노; 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴이다.
본 발명에 따른 폴리프로필렌계 복합재는, 올레핀계 공중합체 내 불포화 작용기의 함량 및 종류가 조절되어 고유동성이면서도, 경도, 굴곡강도, 인열 강도 등에 있어서 향상된 물성을 나타낼 수 있는 올레핀계 공중합체를 포함하므로, 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 우수한 기계적 강도를 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서, 용어 "중합체"란 동일하거나 상이한 유형의 단량체의 중합에 의해 제조되는 중합체 화합물을 의미한다. "중합체"라는 총칭은 "단독중합체", "공중합체", "삼원공중합체"뿐만 아니라 "혼성중합체"라는 용어를 포함한다. 또 상기 "혼성중합체"란 둘 이상의 상이한 유형의 단량체의 중합에 의해 제조된 중합체를 의미한다. "혼성중합체"라는 총칭은 (두 가지의 상이한 단량체로부터 제조된 중합체를 지칭하는데 통상적으로 사용되는) "공중합체"라는 용어뿐만 아니라 (세 가지의 상이한 유형의 단량체로부터 제조된 중합체를 지칭하는데 통상적으로 사용되는) "삼원공중합체"라는 용어를 포함한다. 이것은 네 가지 이상의 유형의 단량체의 중합에 의해 제조된 중합체를 포함한다.
통상 자동차 범퍼 등의 자동차용 내외장재로서 폴리프로필렌이 사용되고 있으며, 폴리프로필렌의 낮은 충격강도를 보완하기 위한 충격 보강재로서 폴리올레핀계 중합체가 함께 사용되고 있다. 이 중에서도, 다양한 사용 환경에 따른 내충격성, 탄성률 및 인장 물성 등의 특성을 나타내면서도 높은 충격 강도 특성을 갖도록 하기 위해 저밀도의 폴리올레핀계 중합체가 사용되지만, 이 경우 오히려 폴리프로필렌의 강도를 저하시키는 문제가 있었다.
이에 대해 본 발명에서는 폴리프로필렌계 복합재의 제조시, 경도가 향상되어 고유동성이면서도, 동등 수준의 밀도를 가지는 공중합체에 대비하여 인장 강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등에 있어서 향상된 물성을 나타낼 수 있는 올레핀계 공중합체를 사용함으로써, 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 우수한 기계적 강도와 함께 현저히 개선된 충격 강도 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 폴리프로필렌계 복합재는, (A) 폴리프로필렌, 및 (B) 하기 (1) 내지 (4)의 요건을 충족하는 올레핀계 중합체를 포함하는 것이다.
(1) 밀도(d)가 0.85 내지 0.89 g/cc이고,
(2) 용융지수(Melt Index, MI, 190℃, 2.16 kg 하중 조건)가 15 g/10분 내지 100 g/10분이고,
(3) 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)가 0.8 이하이며,
(4) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, total V가 아래 (a) 및 (b)를 만족한다.
(a) 비닐렌/total V = 0.1 내지 0.7
(b) 비닐렌/비닐 = 0.8 내지 1.6
이하 각 구성 성분 별로 상세히 설명한다.
(A) 폴리프로필렌
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리프로필렌계 복합재에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 구체적으로 폴리프로필렌 단독 중합체이거나, 또는 프로필렌과 알파-올레핀 단량체와의 공중합체일 수 있으며, 이때 상기 공중합체는 교대(alternating) 또는 랜덤(random), 또는 블록(block) 공중합체일 수 있다. 단, 본 발명에서 상기 폴리프로필렌은 상기 올레핀 중합체와 중첩될 수 있는 것은 배제되며, 상기 올레핀 중합체와는 상이한 화합물이다.
상기 알파-올레핀계 단량체는 구체적으로 탄소수 2 내지 12, 또는 탄소수 2 내지 8의 지방족 올레핀일 수 있다. 보다 구체적으로는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 3-메틸-1-부텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐, 3-메틸-1-펜텐, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센(1-decene), 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-아이토센, 4,4-디메틸-1-펜텐, 4,4-디에틸-1-헥센 또는 3,4-디메틸-1-헥센 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 폴리프로필렌은 폴리프로필렌 공중합체, 프로필렌-알파-올레핀 공중합체, 및 프로필렌-에틸렌-알파-올레핀 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 이때 상기 공중합체는 랜덤 또는 블록 공중합체일 수 있다.
또한, 상기 폴리프로필렌은 230℃ 및 2.16kg 하중에서 측정된 용융지수(MI)가 0.5 g/10min 내지 100 g/10min인 것으로, 구체적으로 상기 용융지수(MI)는 1 g/10min 내지 90 g/10min일 수 있으며, 보다 구체적으로는 10 g/10min 내지 50 g/10min일 수 있다. 폴리프로필렌의 용융지수가 상기 범위를 벗어날 경우 사출 성형시 문제가 발생할 우려가 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 230℃ 및 2.16 kg 하중에서 측정된 용융지수(MI)가 0.5 g/10min 내지 100 g/10min, 구체적으로는 1 g/10min 내지 90 g/10min인 임펙트 코폴리머(impact copolymer)일 수 있으며, 보다 구체적으로는 프로필렌-에틸렌 임펙트 코폴리머일 수 있으며, 상기 임펙트 코폴리머는 폴리프로필렌계 복합재 총 중량에 대하여 50 중량% 내지 90 중량%, 보다 구체적으로는 80 중량% 내지 90 중량%로 포함될 수 있다. 이와 같은 물성을 갖는 임펙트 코폴리머를 폴리프로필렌로서 상기한 함량 범위로 포함할 경우 강도 특성, 특히 저온 강도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기한 임펙트 코폴리머는 통상의 중합체 제조 반응을 이용하여 상기한 물성적 요건을 충족하도록 제조할 수도 있고, 상업적으로 입수하여 사용할 수도 있다. 구체적인 예로서, LG 화학사제의 SEETE™ M1600 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 구체적으로 120℃ 내지 160℃ 범위의 DSC 융점, 및 ASTM-D 1238에 따라 230℃, 2.16kg 하중 조건에서 측정한, 5 g/10min 내지 120 g/10min 범위의 용융 유속(MFR)을 갖는 하나 이상의 랜덤 프로필렌 공중합체일 수 있으며, 상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 폴리프로필렌계 복합재 총 중량에 대하여 75 중량% 내지 97 중량%, 보다 구체적으로는 85 중량% 내지 91 중량%로 포함될 수 있다. 이와 같은 물성을 갖는 폴리프로필렌을 상기한 함량 범위로 포함할 경우, 경도 등 폴리프로필렌 복합재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 랜덤 프로필렌 공중합체는 통상의 중합체 제조 반응을 이용하여 상기한 물성적 요건을 충족하도록 제조할 수도 있고, 상업적으로 입수하여 사용할 수도 있다. 구체적인 예로서, 브라스켐 아메리카 인코포레이션(Braskem America Inc.)의 Braskem™ PP R7021-50RNA 또는 미국 포르모사 플라스틱스 코포레이션(Formosa Plastics Corporation)의 Formolene™ 7320A 등을 들 수 있다.
(B) 올레핀계 중합체
한편, 본 발명에 따른 폴리프로필렌계 복합재에 포함되는 올레핀계 중합체는 상기한 (1) 내지 (4)의 밀도, 용융지수, 불포화 작용기 수, 비닐렌과 불포화 작용기 수의 비율 및 비닐렌과 비닐의 비율의 관계에 관한 물성적 요건을 동시에 충족하는 것이다.
구체적으로, 상기 올레핀계 공중합체는 ASTM D-792에 따른 측정시 0.85 g/cc 내지 0.89 g/cc의 저밀도를 나타내며, 구체적으로 0.855 내지 0.89 g/cc, 더욱 구체적으로 0.86 내지 0.89 g/cc의 밀도를 가질 수 있다. 상기 올레핀계 공중합체는 상기 범위의 낮은 밀도를 나타내는 것이다.
상기 용융지수(MI)는 올레핀계 공중합체를 중합하는 과정에서 사용되는 촉매의 공단량체에 대한 사용량을 조절함으로써 조절될 수 있으며, 올레핀계 공중합체의 기계적 물성 및 충격강도, 그리고 성형성에 영향을 미친다. 본 명세서에 있어서, 상기 용융지수는 0.85 내지 0.89 g/cc의 저밀도 조건에서 ASTM D1238에 따라 190℃, 2.16kg 하중 조건에서 측정한 것으로, 15 g/10분 내지 100 g/10분일 수 있고, 구체적으로 15 g/10분 내지 80 g/10분, 더욱 구체적으로 16 g/10분 내지 70 g/10분일 수 있다.
상기 올레핀계 공중합체는 (3) 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)가 0.8 이하이며, 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)가 0인 경우는 제외한다. 또한, 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)는 구체적으로 0.01 내지 0.8 개수/1000C, 더욱 구체적으로 0.15 내지 0.7 개수/1000C일 수 있다.
또한, 상기 올레핀계 공중합체는 (4) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, total V가 아래 (a) 및 (b)를 만족한다.
(a) 비닐렌/total V = 0.1 내지 0.7
(b) 비닐렌/비닐 = 0.8 내지 1.6
상기 (a) 및 (b)는 각각 불포화 작용기 중 비닐렌의 비율 및 비닐렌과 비닐의 비율을 나타낸다.
상기 (a) 비닐렌/total V은 0.1 내지 0.7일 수 있고, 구체적으로 0.2 내지 0.6, 더욱 구체적으로 0.25 내지 0.5일 수 있다.
또한, 상기 (b) 비닐렌/비닐은 0.8 내지 1.6일 수 있고, 구체적으로 0.8 내지 1.5, 더욱 구체적으로 0.8 내지 1.4일 수 있다.
상기 올레핀계 공중합체는 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, 불포화 작용기 수(total V)가 상기 (3) 및 (4)의 조건을 만족하므로, 올레핀계 공중합체의 분자량 분포가 감소될 수 있으며, 또한 통상적인 종래의 올레핀계 공중합체와 비교하여 동일 수준의 밀도 및 용융지수(Melting Index)를 가질 때, 더욱 향상된 인장강도, 신율 및 굴곡탄성율을 나타낼 수 있다.
상기 올레핀계 공중합체는 공중합체 내 탄소원자 1000개당 비닐 함량이 0.6개 미만일 수 있다. 구체적으로 상기 비닐 함량은 공중합체를 구성하는 탄소원자 1000개당 0.5개 이하일 수 있고, 더욱 구체적으로 0.3개 이하일 수 있다.
한편, 상기 올레핀계 공중합체는 공중합체 내 탄소원자 1000개당 비닐렌 함량이 0.5개 미만일 수 있다. 구체적으로 상기 비닐 함량은 공중합체를 구성하는 탄소원자 1000개당 0.4개 이하일 수 있고, 더욱 구체적으로 0.3개 이하일 수 있다.
공중합체 내 비닐 또는 비닐렌의 함량은 제조시 중합 온도 및 수소 투입량의 제어를 통해 가능한데, 본 발명에 따른 올레핀계 공중합체는 상기와 같이 낮은 비닐 및 비닐렌 함량을 가짐으로써 분자량 분포가 감소될 수 있다.
본 발명에 있어서, 공중합체 내 비닐 및 비닐렌 함량은 NMR 분석 결과로부터 계산될 수 있다. 구체적으로는 공중합체를 TCE-d2 용매에 용해시킨 후, Bruker AVANCEⅢ 500MHz NMR 장비를 사용하여 상온에서 3초의 습득시간, 30°의 펄스 각도로 2048회 측정하고, 코모노머 함량을 0.5~1.5 ppm 영역의 에틸렌, 1-부텐, 1-옥텐 피크의 적분값을 이용하여 계산하며, 이중 결합 개수는 4.5~6.0 ppm 영역의 이중결합의 적분 값을 기준으로 계산할 수 있다(문헌 Macromolecules 2014, 47, 3782-3790).
또한, 상기 올레핀계 공중합체는 추가로 (5) 중량 평균 분자량(Mw)이 10,000 g/mol 내지 80,000 g/mol을 만족할 수 있고, 상기 중량 평균 분자량(Mw)은 구체적으로 20,000 g/mol 내지 70,000 g/mol일 수 있으며, 더욱 구체적으로 30,000 g/mol 내지 65,000 g/mol일 수 있다.
또한, 상기 올레핀계 공중합체는 추가로 중량평균 분자량(Mw)과 수평균 분자량(Mn)의 비(Mw/Mn)인 (6) 분자량 분포(MWD; Molecular Weight Distribution)가 1.5 내지 3.0인 조건을 만족할 수 있고, 상기 분자량 분포(MWD)는 구체적으로 1.5 내지 2.5, 더욱 구체적으로 1.9 내지 2.15일 수 있다.
본 발명에 있어서, 중량평균 분자량(Mw) 및 수평균 분자량(Mn)은 겔 투과형 크로마토그래피(GPC: gel permeation chromatography)로 분석되는 폴리스티렌 환산 분자량이다.
또한, 상기 올레핀계 공중합체는 추가로 (7) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 알파 올레핀 유래 반복 단위가 15 중량% 내지 45 중량%이며, 구체적으로 20 중량% 내지 45 중량%, 더욱 구체적으로 20 중량% 내지 40 중량%일 수 있다.
통상 올레핀계 공중합체의 밀도는 중합시 사용되는 단량체의 종류와 함량, 중합도 등의 영향을 받으며, 공중합체의 경우 공단량체의 함량에 의한 영향이 크다. 본 발명의 올레핀계 공중합체는 특징적 구조를 갖는 전이금속 화합물을 포함하는 촉매 조성물에 수소(H2)를 투입하여 공중합된 것으로 많은 양의 공단량체 도입이 가능하여 상기한 바와 같은 범위의 저밀도를 가지며, 동일 밀도를 갖는 종래의 공중합체 대비 경도가 증가하며 그 결과 종래의 공중합체에 대비하여 더욱 향상된 인열강도, 신율, 굴곡 탄성율 등의 물성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 올레핀계 공중합체는 이를 제조하기 위한 중합 반응시 최적 함량의 수소가 투입됨으로써, 분자량 분포를 조절하여 상기 범위의 좁은 분자량 분포를 나타낼 수 있다.
상기 올레핀계 공중합체는 올레핀계 단량체, 구체적으로는 알파-올레핀계 단량체, 사이클릭 올레핀계 단량체, 디엔 올레핀계 단량체, 트리엔 올레핀계 단량체 및 스티렌계 단량체 중에서 선택되는 2종 이상의 공중합체 일 수 있다.
상기 알파-올레핀 단량체는 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-아이토센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보넨, 페닐노보넨, 비닐노보넨, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠 및 3-클로로메틸스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 올레핀계 공중합체는 에틸렌과, 탄소수 3 내지 12의 알파-올레핀계 단량체의 공중합체일 수 있고, 구체적으로 에틸렌과 탄소수 3 내지 10의 알파-올레핀계 단량체의 공중합체일 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 일례에 따른 올레핀 공중합체는 에틸렌과 프로필렌, 에틸렌과 1-부텐, 에틸렌과 1-헥센, 에틸렌과 4-메틸-1-펜텐 또는 에틸렌과 1-옥텐의 공중합체일 수 있다.
상기와 같은 물성 및 구성적 특징을 갖는 상기 올레핀계 공중합체는, 단일 반응기에서 1종 이상의 전이금속 화합물을 포함하는 메탈로센 촉매 조성물의 존재 하에 수소를 연속적으로 투입하며 올레핀계 단량체를 중합시키는 연속 용액 중합 반응을 통해 제조될 수 있다.
이에 따라, 상기 올레핀계 공중합체는 중합체 내 중합체를 구성하는 단량체 중 어느 하나의 단량체 유래 반복 단위가 2개 이상 선상으로 연결되어 구성된 블록이 형성되지 않는다. 즉, 상기 올레핀계 공중합체는 블록 공중합체(block copplymer)를 포함하지 않으며, 랜덤 공중합체(random coplymer), 교호 공중합체(alternating copolymer) 및 그래프트 공중합체(graft copolymer)로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 랜덤 공중합체일 수 있다.
구체적으로, 상기 올레핀계 공중합체는 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물의 존재 하에서, 수소를 10 내지 100 cc/min으로 투입하여 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 얻어질 수 있다.
다만 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 올레핀계 공중합체는 그 제조에 있어서, 하기 전이금속 화합물의 구조의 범위를 특정한 개시 형태로 한정하지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명은 상기 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법은 (1) 폴리프로필렌(A)을 준비하는 단계; (2) 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물의 존재 하에서, 수소를 10 내지 100cc/min으로 투입하여 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 올레핀계 공중합체(B)를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 폴리프로필렌(A) 및 올레핀계 공중합체(B)를 용융 혼련하여 폴리프로필렌계 복합재를 제조하는 단계를 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1은 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알콕시; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬이고,
R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴이고,
R3는 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 6 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬 아미도; 탄소수 6 내지 20의 아릴 아미도; 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴; 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 1 내지 20의 알콕시 및 탄소수 6 내지 20의 아릴로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환된 페닐이고,
R4 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 실릴; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 또는 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이고; 상기 R6 내지 R9 중 서로 인접하는 2개 이상은 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고,
Q는 Si, C, N, P 또는 S이며,
M은 4족 전이금속이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬아미노; 탄소수 6 내지 20의 아릴아미노; 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴이다.
본 발명의 일례에 있어서, 상기 화학식 1의 전이금속 화합물에서,
상기 R1은 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알콕시; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬일 수 있고,
상기 R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 1 내지 12의 알콕시; 또는 페닐일 수 있고,
상기 R3는 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬; 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬, 탄소수 2 내지 12의 알케닐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환된 페닐일 수 있고,
상기 R4 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬일 수 있고,
상기 R6 내지 R9 중 서로 인접하는 2개 이상은 서로 연결되어 탄소수 5 내지 20의 지방족 고리 또는 탄소수 6 내지 20의 방향족 고리를 형성할 수 있으며; 상기 지방족 고리 또는 방향족 고리는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 12의 알케닐, 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴로 치환될 수 있고,
상기 Q는 Si일 수 있고,
상기 M은 Ti일 수 있으며,
상기 X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 6 내지 12의 아릴; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 13의 알킬아미노; 탄소수 6 내지 12의 아릴아미노; 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬리덴일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일례에 있어서, 상기 화학식 1의 전이금속 화합물에서,
상기 R1은 수소; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 1 내지 12의 알콕시; 탄소수 6 내지 12의 아릴; 탄소수 7 내지 13의 아릴알콕시; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬일 수 있고,
상기 R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 1 내지 12의 알콕시; 또는 페닐일 수 있고,
상기 R3는 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬; 페닐; 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬, 탄소수 2 내지 12의 알케닐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환된 페닐일 수 있고,
상기 R4 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 6 내지 12의 아릴; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬일 수 있고,
상기 R6 내지 R9 중 서로 인접하는 2개 이상은 서로 연결되어 탄소수 5 내지 12의 지방족 고리 또는 탄소수 6 내지 12의 방향족 고리를 형성할 수 있으며;
상기 지방족 고리 또는 방향족 고리는 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 탄소수 2 내지 12의 알케닐, 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴로 치환될 수 있고,
상기 Q는 Si일 수 있고,
상기 M은 Ti일 수 있으며,
상기 X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬기; 또는 탄소수 2 내지 12의 알케닐일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일례에 있어서, 상기 화학식 1의 전이금속 화합물에서,
상기 R1은 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬일 수 있고,
상기 R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 또는 탄소수 1 내지 12의 알콕시일 수 있고,
상기 R3는 수소; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 또는 페닐일 수 있고,
상기 R4 및 R5는 각각 독립적으로 수소; 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬일 수 있고,
상기 R6 내지 R9는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있고,
상기 Q는 Si일 수 있고,
상기 M은 Ti일 수 있으며,
상기 X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 구체적으로 하기 화학식 1-1 내지 1-10으로 표시되는 화합물 중 어느 하나일 수 있다.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 1-3]
[화학식 1-4]
[화학식 1-5]
[화학식 1-6]
[화학식 1-7]
[화학식 1-8]
[화학식 1-9]
[화학식 1-10]
이외에도, 상기 화학식 1에 정의된 범위에서 다양한 구조를 가지는 화합물일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 전이 금속 화합물은 테트라하이드로퀴놀린이 도입된 시클로펜타디에닐 리간드에 의해 금속 자리가 연결되어 있어 구조적으로 Cp-M-N 각도는 좁고, 모노머가 접근하는 Q3-M-Q4 각도는 넓게 유지하는 특징을 가진다. 또한, 고리 형태의 결합에 의해 Cp, 테트라하이드로퀴놀린, 질소 및 금속 자리가 순서대로 연결되어 더욱 안정하고 단단한 5 각형의 링 구조를 이룬다. 따라서 이러한 화합물들을 메틸알루미녹산 또는 B(C6F5)3와 같은 조촉매와 반응시켜 활성화한 다음에 올레핀 중합에 적용시, 높은 중합 온도에서도 고활성, 고분자량 및 고공중합성 등의 특징을 갖는 올레핀계 공중합체를 중합하는 것이 가능하다.
본 명세서에서 정의된 각 치환기에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에 사용되는 용어 '하이드로카빌(hydrocarbyl group)'은 다른 언급이 없으면, 알킬, 아릴, 알케닐, 알키닐, 사이클로알킬, 알킬아릴 또는 아릴알킬 등 그 구조에 상관없이 탄소 및 수소로만 이루어진 탄소수 1 내지 20의 1가의 탄화수소기를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '할로겐'은 다른 언급이 없으면, 불소, 염소, 브롬 또는 요오드를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '알킬'은 다른 언급이 없으면, 직쇄 또는 분지쇄의 탄화수소 잔기를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '알케닐'은 다른 언급이 없으면, 직쇄 또는 분지쇄의 알케닐기을 의미한다.
상기 분지쇄는 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬일 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 아릴기는 탄소수 6 내지 20인 것이 바람직하며, 구체적으로 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 피리딜, 디메틸아닐리닐, 아니솔릴 등이 있으나, 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
상기 알킬아릴기는 상기 알킬기에 의하여 치환된 아릴기를 의미한다.
상기 아릴알킬기는 상기 아릴기에 의하여 치환된 알킬기를 의미한다.
상기 고리(또는 헤테로 고리기)는 탄소수 5 내지 20개의 고리 원자를 가지며 1개 이상의 헤테로 원자를 포함하는 1가의 지방족 또는 방향족의 탄화수소기를 의미하며, 단일 고리 또는 2 이상의 고리의 축합 고리일 수 있다. 또한, 상기 헤테로 고리기는 알킬기로 치환되거나 치환되지 않을 수 있다. 이들의 예로는 인돌린, 테트라하이드로퀴놀린 등을 들 수 있나, 본 발명이 이들로만 한정되는 것은 아니다.
상기 알킬 아미노기는 상기 알킬기에 의하여 치환된 아미노기를 의미하며, 디메틸아미노기, 디에틸아미노기 등이 있으나, 이들 예로만 한정된 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아릴기는 탄소수 6 내지 20인 것이 바람직하며, 구체적으로 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 피리딜, 디메틸아닐리닐, 아니솔릴 등이 있으나, 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1의 전이금속 화합물은 촉매의 구조적인 특징상 저밀도의 폴리에틸렌뿐만 아니라 많은 양의 알파-올레핀이 도입 가능하기 때문에 밀도 0.89 g/cc 이하, 보다 구체적으로는 밀도 0.85 내지 0.89 g/cc 수준의 저밀도 폴리올레핀 공중합체의 제조가 가능하다.
상기 화학식 1의 전이금속 화합물은 단독으로 또는 상기 화학식 1의 전이금속 화합물 이외에 하기 화학식 2, 화학식 3, 및 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물 중 1종 이상을 추가로 포함하는 조성물 형태로, 중합 반응의 촉매로 사용될 수 있다. 상기 조촉매 화합물은 상기 화학식 1의 전이금속 화합물의 활성화에 도움을 줄 수 있다.
[화학식 2]
-[Al(R10)-O]a-
[화학식 3]
A(R10)3
[화학식 4]
[L-H]+[W(D)4]- 또는 [L]+[W(D)4]-
상기 화학식 2 내지 4에서,
R10은 서로 동일하거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 및 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌로 이루어진 군에서 선택되고,
A는 알루미늄 또는 보론이고,
D는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 치환기로 치환될 수 있는 탄소수 6 내지 20의 아릴 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬이며, 이때 상기 치환기는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 탄소수 1 내지 20의 알콕시 및 탄소수 6 내지 20의 아릴옥시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고,
H는 수소원자이며,
L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이고,
W는 13족 원소이며,
a는 2 이상의 정수이다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 예로는, 메틸알루미녹산(MAO), 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등의 알킬알루미녹산을 들 수 있으며, 또한 상기 알킬알루미녹산이 2종 이상 혼합된 개질된 알킬알루미녹산을 들 수 있고, 구체적으로 메틸알루미녹산, 개질메틸알루미녹산(MMAO)일 수 있다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물의 예로는 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 디메틸클로로알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-s-부틸알루미늄, 트리사이클로펜틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리이소펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 트리옥틸알루미늄, 에틸디메틸알루미늄, 메틸디에틸알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 디메틸알루미늄메톡시드, 디메틸알루미늄에톡시드, 트리메틸보론, 트리에틸보론, 트리이소부틸보론, 트리프로필보론, 트리부틸보론 등이 포함되며, 구체적으로 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄 중에서 선택될 수 있다.
상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 예로는 트리에틸암모늄테트라페닐보론, 트리부틸암모늄테트라페닐보론, 트리메틸암모늄테트라페닐보론, 트리프로필암모늄테트라페닐보론, 트리메틸암모늄테트라(p-톨릴)보론, 트리메틸암모늄테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리부틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론, 트리메틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론, 트리부틸암모늄테트라펜타플루오로페닐보론, N,N-디에틸아닐리늄테트라페닐보론, N,N-디에틸아닐리늄테트라펜타플루오로페닐보론, 디에틸암모늄테트라펜타플루오로페닐보론, 트리페닐포스포늄테트라페닐보론, 트리메틸포스포늄테트라페닐보론, 디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보레이트, 트리에틸암모늄테트라페닐알루미늄, 트리부틸암모늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모늄테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모늄테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리프로필암모늄테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리에틸암모늄테트라(o,p-디메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄, 트리메틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모늄테트라펜타플루오로페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리늄테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리늄테트라펜타플루오로페닐알루미늄, 디에틸암모늄테트라펜타텐트라페닐알루미늄, 트리페닐포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모늄테트라(p-톨릴)보론, 트리에틸암모늄테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리페닐카보늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론 또는 트리페닐카보늄테트라펜타플루오로페닐보론 등을 들 수 있다.
상기 촉매 조성물은, 첫 번째 방법으로서 1) 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 화합물을 접촉시켜 혼합물을 얻는 단계; 및 2) 상기 혼합물에 상기 화학식 4로 표시되는 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
또한, 상기 촉매 조성물은, 두 번째 방법으로서 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 접촉시키는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 촉매 조성물의 제조방법 중에서 첫 번째 방법의 경우에, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/5,000 내지 1/2일 수 있고, 구체적으로 1/1,000 내지 1/10일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1/500 내지 1/20일 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 화합물의 몰 비율이 1/2을 초과하는 경우에는 알킬화제의 양이 매우 작아 금속 화합물의 알킬화가 완전히 진행되지 못하는 문제가 있고, 몰 비율이 1/5,000 미만인 경우에는 금속 화합물의 알킬화는 이루어지지만, 남아있는 과량의 알킬화제와 상기 화학식 4의 화합물인 활성화제 간의 부반응으로 인하여 알킬화된 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못하는 문제가 있다. 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/25 내지 1일 수 있고, 구체적으로 1/10 내지 1일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1/5 내지 1일 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 몰 비율이 1을 초과하는 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해 생성되는 촉매 조성물의 활성도가 떨어질 수 있고, 몰 비율이 1/25 미만인 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아 있는 과량의 활성화제로 촉매 조성물의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어질 수 있다.
상기 촉매 조성물의 제조방법 중에서 두 번째 방법의 경우에, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물/화학식 2로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/10,000 내지 1/10일 수 있고, 구체적으로 1/5,000 내지 1/100일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1/3,000 내지 1/500일 수 있다. 상기 몰 비율이 1/10을 초과하는 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해 생성되는 촉매 조성물의 활성도가 떨어질 수 있고, 1/10,000 미만인 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아 있는 과량의 활성화제로 촉매 조성물의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어질 수 있다.
상기 촉매 조성물의 제조시에 반응 용매로서 펜탄, 헥산, 헵탄 등과 같은 탄화수소계 용매, 또는 벤젠, 톨루엔 등과 같은 방향족계 용매가 사용될 수 있다.
또한, 상기 촉매 조성물은 상기 전이금속 화합물과 조촉매 화합물을 담체에 담지된 형태로 포함할 수 있다.
상기 담체는 메탈로센계 촉매에서 담체로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적으로 상기 담체는 실리카, 실리카-알루미나 또는 실리카-마그네시아 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
이중에서도 상기 담체가 실리카인 경우, 실리카 담체와 상기 화학식 1의 메탈로센 화합물의 작용기가 화학적으로 결합을 형성하기 때문에, 올레핀 중합과정에서 표면으로부터 유리되어 나오는 촉매가 거의 없다. 그 결과, 올레핀계 공중합체의 제조 공정 중 반응기 벽면이나 중합체 입자끼리 엉겨 붙는 파울링의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 상기 실리카 담체를 포함하는 촉매의 존재 하에 제조되는 올레핀계 공중합체는 중합체의 입자 형태 및 겉보기 밀도가 우수하다.
보다 구체적으로, 상기 담체는 고온 건조 등의 방법을 통해 표면에 반응성이 큰 실록산기를 포함하는, 고온 건조된 실리카 또는 실리카-알루미나 등일 수 있다.
상기 담체는 Na2O, K2CO3, BaSO4 또는 Mg(NO3)2 등과 같은 산화물, 탄산염, 황산염 또는 질산염 성분을 추가로 포함할 수 있다.
상기 담체의 건조 온도는 200 내지 800℃가 바람직하고, 300 내지 600℃가 더욱 바람직하며, 300 내지 400℃가 가장 바람직하다. 상기 담체의 건조 온도가 200℃ 미만인 경우 수분이 너무 많아서 표면의 수분과 조촉매가 반응하게 되고, 800℃를 초과하는 경우에는 담체 표면의 기공들이 합쳐지면서 표면적이 줄어들며, 또한 표면에 하이드록시기가 많이 없어지고 실록산기만 남게 되어 조촉매와의 반응자리가 감소하기 때문에 바람직하지 않다.
또, 상기 담체 표면의 하이드록시기 양은 0.1 내지 10 mmol/g이 바람직하며, 0.5 내지 5 mmol/g일 때 더욱 바람직하다. 상기 담체 표면에 있는 하이드록시기의 양은 담체의 제조방법 및 조건 또는 건조 조건, 예컨대 온도, 시간, 진공 또는 스프레이 건조 등에 의해 조절할 수 있다.
한편, 상기 올레핀계 공중합체의 중합반응은 상기한 촉매 조성물의 존재 하에 수소를 연속적으로 투입하며 올레핀계 단량체를 연속 중합시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 올레핀 단량체의 중합 반응은 불활성 용매 하에서 수행될 수 있고, 상기 불활성 용매로는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 큐멘, 헵탄, 사이클로헥산, 메틸사이클로헥산, 메틸사이클로펜탄, n-헥산, 1-헥센, 1-옥텐을 들 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
상기 올레핀계 공중합체의 중합은 약 25 내지 약 500℃의 온도 및 약 1 내지 약 100 kgf/cm2의 압력에서의 반응을 통하여 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 올레핀계 공중합체의 중합은 약 25 내지 약 500℃의 온도에서 이루어질 수 있고, 구체적으로 80 내지 250℃, 보다 바람직하게는 100 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 중합시의 반응 압력은 1 kgf/cm2 내지 150 kgf/cm2, 바람직하게는 1 kgf/cm2 내지 120 kgf/cm2, 보다 바람직하게는 5 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2일 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재는 고무 조성물에 적용시 그 용도 및 이에 따라 요구되는 물성적 특성을 충족할 수 있도록 적절한 함량으로 각각의 구성 성분을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 있어서 상기 폴리프로필렌계 복합재는 상기 (B) 올레핀계 중합체를 5 중량% 내지 40 중량% 포함할 수 있고, 구체적으로 10 중량% 내지 30 중량% 포함할 수 있다.
상기 올레핀계 중합체의 함량이 상기 혼합비 미만일 경우, 충격 강도가 저하될 우려가 있고, 또한 상기 혼합비를 초과하는 경우 인장 강도 및 경도가 저하될 우려가 있다. 상기 폴리프로필렌과 올레핀계 중합체의 혼합비 제어에 따른 개선 효과의 현저함을 고려할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재는 상기 폴리프로필렌 및 올레핀계 중합체와 함께, 폴리프로필렌계 복합재의 기계적 특성 개선을 위하여 무기충진제를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 무기충진제는 구체적으로 분말형 충진제, 플레이크형 충진제, 섬유형 충진재 또는 벌룬형 충진제일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 분말형 충진제로는 미분말 탈크, 카올리나이트, 소성점토, 견운모 등의 천연 규산 또는 규산염; 침강성 탄산칼슘, 중질 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘 등의 탄산염; 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘 등의 수산화물; 산화 아연, 산화 마그네슘 또는 산화티탄 등의 산화물; 함수 규산 칼슘, 함수 규산 알루미늄, 함수 규산 또는 무수 규산 등의 합성 규산 또는 규산염; 탄화규소 등을 들 수 있다. 또, 상기 플레이크형 충진제로는 마이카 등을 들 수 있다. 또 상기 섬유형 충진제로는 염기성 황산 마그네슘 휘스커, 티탄산 칼슘 휘스커, 붕산 알루미늄 휘스커, 세피올라이트, PMF(Processed Mineral Fiber), 또는 티탄산 칼리 등을 들 수 있다. 또 상기 벌룬형 충진제로는 유리 벌룬 등을 들 수 있다. 이중에서도 탈크일 수 있다.
또한, 상기 무기충진제는 폴리프로필렌 복합재의 강도 특성 및 성형 가공성 개선을 위해 표면처리된 것일 수 있다.
구체적으로는 실란 커플링제, 고급 지방산(higher fatty acid), 지방산 금속염, 불포화 유기산, 유기 티타네이트, 수지산 또는 폴리에틸렌 글리콜 등의 표면처리제를 이용하여 물리 또는 화학적으로 표면처리된 것일 수 있다.
또한, 상기 무기충진제는 평균입경(D50)이 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 보다 구체적으로는 7 ㎛ 내지 15 ㎛인 것일 수 있다. 무기충진제의 평균 입경이 1 ㎛ 미만이면 무기충진제 입자간의 응집으로 폴리프로필렌 및 올레핀계 중합체와의 혼합시 균일 분산이 어렵고, 그 결과 폴리프로필렌계 복합제의 기계적 특성 개선효과가 미미할 수 있다. 또 무기충진제의 평균입경이 20 ㎛를 초과하면, 무기충진제 자체의 분산성 저하로 인한 고무조성물의 물성 저하의 우려가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 무기충진제의 평균 입자 직경(D50)은 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 본 발명에 있어서 무기충진제 입자의 평균 입자 직경(D50)은 예를 들어, 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 또는 전계 방사형 전자 현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM) 등을 이용한 전자 현미경 관찰이나, 또는 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 레이저 회절법에 의해 측정시, 보다 구체적으로는, 무기충진제 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac MT 3000)에 도입하여 측정 장치에 있어서의 입경 분포의 50% 기준에서의 평균 입자 직경(D50)을 산출할 수 있다.
상기한 무기충진제는 폴리프로필렌 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 40중량부 포함될 수 있다. 폴리프로필렌 복합재내 무기충진재의 함량이 폴리프로필렌 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만이면 무기충진제 포함에 따른 개선 효과가 미미하고, 40 중량부를 초과하면 폴리프로필렌 복합재의 가공성이 저하될 우려가 있다. 보다 구체적으로 상기 무기충진제는 폴리프로필렌 복합재 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있다.
상기한 바와 같은 구성 및 함량적 조건을 충족하는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리프로필렌계 복합재는, 올레핀계 중합체에 폴리프로필렌 및 선택적으로 무기충진제를 첨가한 후 열처리함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 폴리프로필렌의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 혼합 공정은 통상의 방법에 따라 수행될 수 있다. 구체적으로는, 상기 혼합은 수퍼 믹서 또는 리본 믹서를 이용할 수 있다.
또, 상기 혼합 공정시 필요에 따라 산화방지제, 열 안정제, 자외선 안정제, 대전 방지제 등의 첨가제가 더 포함될 수 있으며, 도장성을 향상시키기 위해 소량의 접착성 수지나 극성기를 갖는 첨가제가 적정 함량 범위 내에서 선택적으로 더 사용될 수도 있다.
또, 상기 열처리 공정은 폴리프로필렌의 융점 이상, 210℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 통상의 이축압출기(twin-screw extruder), 일축압출기(single-screw extruder), 롤밀(roll-mill), 니이더(kneader) 또는 밴버리 믹서(banbury mixer) 등 다양한 배합가공기를 이용하여 수행될 수 있다.
상기한 바와 같은 제조방법에 따라 제조되는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌 복합재는, 폴리프로필렌 복합재의 충격강도를 향상시킬 수 있도록 최적 조합된 이종의 올레핀계 중합체를 사용함으로써, 폴리프로필렌의 분산성을 보다 높일 수 있고, 그 결과로서 폴리프로필렌 복합재의 인장강도 등 기계적 물성 면에서의 저하없이 충격강도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로 상기 폴리프로필렌 복합재는 ASTM D638(조건: 50 mm/min)에 따른 최대 인장강도(tensile strength) 측정시, 최대 인장강도가 170 kgf/cm2 내지 200 kgf/cm2일 수 있다. 또, 상기 폴리프로필렌계 복합재는 ASTM D256 방법에 의해 저온(-30±5℃)에서 측정한 저온 충격 강도가 5kgf·m/m 이상, 구체적으로는 5 kgf·m/m 내지 10 kgf·m/m, 보다 구체적으로는 5.5 kgf·m/m 내지 9 kgf·m/m 일 수 있다. 또, 상기 폴리프로필렌계 복합재는 ASTM D256 방법에 의해 상온(23±5℃)에서 측정한 상온 충격 강도가 40 kgf·m/m 이상, 구체적으로는 50 kgf·m/m 내지 70 kgf·m/m일 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재는, 자동차용, 전선용, 완구용, 섬유용 또는 의료용 등의 재료과 같은 각종 포장용, 건축용, 생활용품 등의 다양한 분야 및 용도에서의 중공성형용, 압출성형용 또는 사출성형용으로 유용하며, 특히 상온뿐만 아니라 저온에서의 인성과 충격 강도가 우수함은 물론, 내열성, 강성 등의 물성이 매우 우수하여 자동차의 내·외장 부품 등에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기한 물성적 요건을 충족하는 폴리프로필렌계 복합재를 이용하여 제조된 성형체 및 자동차 부품을 제공한다.
상기 성형체는 구체적으로 블로우 몰딩 성형체, 인플레이션 성형체, 캐스트 성형체, 압출 라미네이트 성형체, 압출 성형체, 발포 성형체, 사출 성형체, 시이트(sheet), 필름(film), 섬유, 모노필라멘트, 또는 부직포 등일 수 있다.
또한, 상기 자동차 부품은 자동차용 내·외장재 등일 수 있다.
실시예
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
제조예 1 : 전이금속 화합물 1의 제조
[리간드 화합물의 제조]
<N-tert-부틸-1-(1,2-디메틸-3H-벤조[b]시클로펜타[d]티오펜-3-일)-1,1- (메틸)(페닐)실란아민의 합성>
클로로
-1-(1,2-디메틸-3H-
벤조[b]시클로펜타[d]티오펜
-3-일)-1,1-(
메틸
)(페닐)실란의 제조
250 ml 쉬렝크 플라스크에 1,2-디메틸-3H-벤조[b]시클로펜타[d]티오펜 10 g (1.0 eq, 49.925 mmol)과 THF 100 ml를 넣고, n-BuLi 22 ml (1.1 eq, 54.918 mmol, 2.5 M in 헥산)을 -30℃에서 적가한 후, 상온에서 3시간 동안 교반하였다. 교반한 Li-complex THF 용액을 디클로로(메틸)(페닐)실란 8.1 ml(1.0 eq, 49.925 mmol)와 THF 70 ml가 담긴 쉬렝크 플라스크에 -78℃에서 캐뉼레이션 한 후 상온에서 밤새 교반하였다. 교반 후 진공건조 한 다음, 헥산 100 ml로 추출하였다.
N-
tert
-부틸-1-(1,2-디메틸-3H-
벤조[b]시클로펜타[d]티오펜
-3-일)-1,1- (
메틸
)(페닐)실란아민의 제조
추출한 클로로-1-(1,2-디메틸-3H-벤조[b]시클로펜타[d]티오펜-3-일)-1,1-(메틸)(페닐)실란 헥산 용액 100 ml에 t-BuNH2 42 ml(8 eq, 399.4 mmol)를 상온에서 투입한 후, 상온에서 밤새 교반하였다. 교반 후 진공건조한 다음, 헥산 150 ml로 추출하였다. 용매 건조 후 노란색 고체 13.36 g(68 %, dr = 1:1)을 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 7.93 (t, 2H), 7.79 (d,1H), 7.71 (d,1H), 7.60 (d, 2H), 7.48 (d, 2H), 7.40~7.10 (m, 10H, aromatic), 3.62 (s, 1H), 3.60 (s, 1H), 2.28 (s, 6H), 2.09 (s, 3H), 1.76 (s, 3H), 1.12 (s, 18H), 0.23 (s, 3H), 0.13 (s, 3H)
[전이금속 화합물의 제조]
100 ml 쉬렝크 플라스크에 상기 N-tert-부틸-1-(1,2-디메틸-3H-벤조[b]시클로펜타[d]티오펜-3-일)-1,1-(메틸)(페닐)실란아민 4.93 g(12.575 mmol, 1.0 eq)과 톨루엔 50 ml(0.2M)를 넣고 n-BuLi 10.3 ml(25.779 mmol, 2.05 eq, 2.5M in 헥산)를 -30℃에서 적가한 후, 상온에서 밤새 교반하였다. 교반 후에 MeMgBr 12.6 ml(37.725 mmol, 3.0 eq, 3.0 M in 디에틸에터)를 적가한 후, TiCl4 13.2 ml(13.204 mmol, 1.05 eq, 1.0 M in 톨루엔)를 순서대로 넣고 상온에서 밤새 교반하였다. 교반 후 진공건조한 다음 헥산 150 ml로 추출하고, 50 ml까지 용매를 제거한 후에 DME 4 ml(37.725 mmol, 3.0eq)를 적가한 후, 상온에서 밤새 교반하였다. 다시 진공건조한 후 헥산 150 ml로 추출하였다. 용매 건조 후 갈색 고체 2.23 g(38 %, dr = 1:0.5)을 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 7.98 (d, 1H), 7.94 (d, 1H), 7.71 (t, 6H), 7.50~7.30 (10H), 2.66 (s, 3H), 2.61 (s, 3H), 2.15 (s, 3H), 1.62 (s, 9H), 1.56 (s, 9H), 1.53 (s, 3H), 0.93 (s, 3H), 0.31 (s, 3H), 0.58 (s, 3H), 0.51 (s, 3H), -0.26 (s, 3H), -0.39 (s, 3H)
제조예 2: 전이금속 화합물 2의 제조
[리간드 화합물의 제조]
100 mL 쉬렝크 플라스크에 클로로-1-(1,2-디메틸-3H-벤조[b]시클로펜타[d]티오펜-3-일)-1,1-디메틸실란 4.65 g(15.88mmol)을 정량하여 첨가한 후, 여기에 THF 80 mL를 투입하였다. 상온에서 tBuNH2(4eq, 6.68 mL)를 투입한 후, 상온에서 3일 동안 반응시켰다. 반응 후, THF를 제거한 후, 헥산으로 여과하였다. 용매 건조 후 노란색 액체를 4.50 g(86%)의 수율로 얻었다.
1H-NMR(in CDCl3, 500 MHz): 7.99(d, 1H), 7.83(d, 1H), 7.35(dd, 1H), 7.24(dd, 1H), 3.49(s, 1H), 2.37(s, 3H), 2.17(s, 3H), 1.27(s, 9H), 0.19(s, 3H), -0.17(s, 3H).
[전이금속 화합물의 제조]
50 mL 쉬렝크 플라스크에 상기에서 제조된 N-tert-부틸-1-(1,2-디메틸-3H-벤조[b]시클로펜타[d]티오펜-3-일)-1,1-디메틸실란아민(1.06g, 3.22mmol/1.0eq) 및 MTBE 16.0 mL(0.2 M)를 넣고 먼저 교반시켰다. -40℃에서 n-BuLi(2.64 mL, 6.60 mmol/2.05eq, 2.5 M in THF)을 넣고, 상온에서 밤새 반응시켰다. 이후, -40℃에서 MeMgBr(2.68 mL, 8.05 mmol/2.5eq, 3.0 M in 디에틸에터)을 천천히 적가한후, TiCl4(2.68 mL, 3.22 mmol/1.0eq, 1.0 M in 톨루엔)을 순서대로 넣고 상온에서 밤새 반응시켰다. 이후 반응 혼합물을 헥산을 이용하여 셀라이트(Celite)를 통과하여 여과하였다. 용매 건조 후 갈색 고체를 1.07g(82%)의 수율로 얻었다.
1H-NMR (in CDCl3, 500 MHz): 7.99 (d, 1H), 7.68 (d, 1H), 7.40 (dd, 1H), 7.30 (dd, 1H), 3.22 (s, 1H), 2.67 (s, 3H), 2.05 (s, 3H), 1.54 (s, 9H), 0.58 (s, 3H), 0.57 (s, 3H), 0.40 (s, 3H), -0.45 (s, 3H).
실시 제조예 1 : 올레핀계 공중합체의 제조
1.5L 오토클레이브 연속 공정 반응기에 헥산 용매(5 kg/h)와 1-옥텐(2 kg/h을 채운 후, 반응기 상단의 온도를 136℃로 예열하였다. 트리이소부틸알루미늄 화합물(0.05 mmol/min), 촉매로서 상기 제조예 1에서 얻은 전이금속 화합물(0.45 μmol/min), 및 디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보레이트 조촉매(1.35 μmol/min)를 동시에 반응기로 투입하였다. 이어서, 상기 오토클레이브 반응기 속으로 에틸렌(0.87 kg/h) 수소 가스(28 cc/min)를 투입하여 89 bar의 압력으로 연속 공정에서 136℃로 30분 이상 유지시켜 공중합 반응을 진행하여 공중합체를 얻었다. 이후 12시간 이상 건조한 후 물성을 측정하였다.
실시 제조예 2 : 올레핀계 공중합체의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 각 물질의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시 제조예 1과 마찬가지의 방법으로 공중합체를 제조하였다.
비교 제조예 1 내지 5 : 올레핀계 공중합체의 제조
비교 제조예 1로는 Solumer 8730L(SK이노베이션사제)을 구입하여 사용하였고, 비교 제조예 3으로는 DF7350(미쓰이사제)을 구입하여 사용하였으며, 비교 제조예 4로는 LC875(LG화학제)를 구입하여 사용하였다.
비교 제조예 2 및 5는 촉매로서 상기 제조예 2에서 얻은 전이금속 화합물을 사용하여, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 각 물질의 함량을 달리한 것을 제외하고는, 실시 제조예 1과 마찬가지의 방법으로 공중합체를 제조하였다.
| 촉매 (μmol/min) |
조촉매 (μmol/min) |
TiBAl (mmol/min) |
에틸렌 (kg/h) |
수소 (cc/min) |
알파올레핀 단량체 | 반응온도 (℃) |
||
| 1-옥텐 (kg/h) |
1-부텐 (kg/h) |
|||||||
| 실시 제조예 1 |
0.45 | 1.35 | 0.05 | 0.87 | 28 | 2.00 | - | 136 |
| 실시제조예 2 | 0.27 | 0.81 | 0.05 | 0.87 | 34 | - | 0.90 | 135 |
| 비교제조예 2 | 0.70 | 2.10 | 0.05 | 0.87 | 0 | 2.20 | - | 150 |
| 비교제조예 5 | 0.37 | 1.11 | 0.05 | 0.87 | 0 | - | 1.00 | 150 |
실험예 1
상기 실시 제조예 1, 2, 및 비교 제조예 1 내지 5의 올레핀계 공중합체에 대하여 하기 방법에 따라 물성을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.
1) 중합체의 밀도(Density)
ASTM D-792로 측정하였다.
2) 중합체의 용융지수(Melt Index, MI)
ASTM D-1238 (조건 E, 190℃, 2.16 Kg 하중) 로 측정하였다.
3) 중량평균 분자량(g/mol) 및 분자량분포(MWD)
겔 투과 크로마토 그래피(GPC: gel permeation chromatography)를 이용하여 수 평균 분자량(Mn) 및 중량평균 분자량(Mw)을 각각 측정하고, 또, 중량 평균 분자량을 수 평균 분자량으로 나누어 분자량 분포를 계산하였다.
- 컬럼: PL Olexis
- 용매: TCB(Trichlorobenzene)
- 유속: 1.0 ml/min
- 시료농도: 1.0 mg/ml
- 주입량: 200 ㎕
- 컬럼온도: 160℃
- Detector: Agilent High Temperature RI detector
- Standard: Polystyrene (3차 함수로 보정)
| 밀도 (g/mL) |
MI (g/10min) |
Mw | MWD | %[1-C8] (wt%) |
%[1-C4] (wt%) |
|
| 실시제조예 1 | 0.869 | 33.7 | 46,000 | 2.07 | 35.8 | 0 |
| 실시제조예 2 | 0.871 | 32.4 | 47,000 | 2.01 | 0 | 27.0 |
| 비교 제조예 1 | 0.869 | 29.2 | 48,000 | 2.34 | 37.9 | 0 |
| 비교제조예 2 | 0.870 | 33.4 | 46,000 | 2.30 | 36.1 | 0 |
| 비교제조예 3 | 0.870 | 29.5 | 48,000 | 1.93 | 0 | 26.8 |
| 비교제조예 4 | 0.869 | 30.0 | 47,000 | 2.33 | 0 | 28.8 |
| 비교 제조예 5 | 0.870 | 30.3 | 47,000 | 2.12 | 0 | 28.2 |
실험예
2
상기 실시 제조예 1, 2, 및 비교 제조예 1 내지 5의 올레핀계 공중합체에 대하여 하기 방법에 따라 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, 비닐리덴, 총 불포화 작용기 수를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
먼저 시편에 존재할 수 있는 잔류 1-옥텐 또는 1-부텐을 제거하기 위해 NMR 분석 전에 중합체를 재침전하여 준비하였다. 상세하게는, 중합체 1 g을 70℃의 클로로포름에 완전히 용해시키고, 결과로 수득한 중합체 용액을 300ml의 메탄올에 교반하며 천천히 부어 중합체를 재침전시킨 후 재침전된 중합체를 상온에서 진공건조하였다. 상기 과정을 한번 더 반복하여 잔류 1-옥텐 또는 1-부텐이 제거된 중합체를 수득하였다.
상기에서 수득한 중합체의 시편 50 mg을 1 ml의 TCE-d2 용매에 용해시켰다. Bruker AVANCEⅢ 500MHz NMR 장비를 사용하여 상온에서 3초의 습득시간, 30°의 펄스 각도로 2048회 측정하였다. 코모노머 함량은 0.5~1.5 ppm 영역의 에틸렌, 1-부텐, 1-옥텐 피크의 적분값을 이용하여 계산하였다. 이중 결합 개수는 4.5~6.0 ppm 영역의 이중결합의 적분 값을 기준으로 계산하였다. Macromolecules 2014, 47, 3782-3790을 참고하였다.
| 비닐렌 | 3치환 알켄 | 비닐 | 비닐리덴 | Total V | 비닐렌/Total V | 비닐렌/비닐 | |
| 실시제조예 1 | 0.08 | 0.04 | 0.08 | 0.07 | 0.25 | 0.320 | 1.000 |
| 실시제조예 2 | 0.18 | 0.07 | 0.019 | 0.2 | 0.63 | 0.286 | 0.947 |
| 비교 제조예 1 | 0.06 | 0.02 | 0.12 | 0.03 | 0.23 | 0.261 | 0.500 |
| 비교제조예 2 | 0.41 | 0.13 | 0.19 | 0.24 | 0.97 | 0.423 | 2.158 |
| 비교제조예 3 | 0.1 | 0.02 | 0.04 | 0.05 | 0.20 | 0.500 | 2.500 |
| 비교제조예 4 | 0.53 | 0.09 | 0.13 | 0.03 | 0.78 | 0.679 | 4.077 |
| 비교 제조예 5 | 0.62 | 0.09 | 0.29 | 0.35 | 1.35 | 0.459 | 2.138 |
실시예
1: 폴리프로필렌계 복합재의 제조
상기 실시 제조예 1에서 제조한 올레핀 공중합체 20 중량부에, 용융지수가 30 g/10 min인 고결정성 임팩트 코폴리머 폴리프로필렌(CB5230, 대한유화사제) 60 중량부 및 탈크(KCNAP-400™, 코츠사)(평균입경(D50)=11.0 ㎛) 20 중량부를 첨가하고, 산화방지제로서 트리스(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트(A0168) 0.01 중량부를 첨가한 다음, 이축 압출기를 이용하여 용융 혼련하여 펠릿상의 폴리프로필렌계 복합재 컴파운드(compound)를 제조하였다. 이때, 상기 이축 압출기는 직경이 25Φ, 직경과 길이의 비가 40이고, 배럴(barrel) 온도 160℃ 내지 210℃, 스크류 회전 속도 250 rpm, 압출량 25 kr/hr 조건으로 설정하였다.
실시예 2: 폴리프로필렌계 복합재의 제조
상기 실시 제조예 1에서 제조한 올레핀 공중합체를 대신하여 상기 실시 제조예 2에서 제조한 올레핀 공중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 폴리프로필렌계 복합재를 제조하였다.
비교예 1 내지 5: 폴리프로필렌계 복합재의 제조
상기 실시 제조예 1에서 제조한 올레핀계 중합체를 대신하여 각각 비교제조예 1 내지 5의 올레핀계 중합체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 폴리프로필렌계 복합재를 제조하였다.
실험예 2
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 5의 폴리프로필렌계 복합재에 대하여 사출기를 이용하여 200℃의 온도에서 사출성형으로 시편을 제조하였고, 항온 항습실에서 1일간 방치한 후 하기 방법에 따라 인장강도, 굴곡강도, 굴곡 탄성률을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.
1) 폴리프로필렌 복합재의 인장강도
INSTRON 3365 장치를 이용하여 ASTM D638에 따라 측정하였다.
2) 폴리프로필렌 복합재의 굴곡강도, 굴곡 탄성율
INSTRON 3365 장치를 이용하여 ASTM D790에 따라 측정하였다.
| 폴리프로필렌 복합재의 종류 | 인장강도 (kgf/cm2) |
굴곡강도 (kgf/cm2) |
굴곡탄성률 (Secant 1%) (kgf/cm2) |
|
| 실시예 1 | EOR 컴파운드 | 219 | 347 | 19,899 |
| 비교예 1 | EOR 컴파운드 | 216 | 342 | 19,892 |
| 비교예 2 | EOR 컴파운드 | 217 | 346 | 19,889 |
| 실시예 2 | EBR 컴파운드 | 227 | 350 | 20,560 |
| 비교예 3 | EBR 컴파운드 | 223 | 346 | 20,551 |
| 비교예 4 | EBR 컴파운드 | 212 | 323 | 19,468 |
| 비교예 5 | EBR 컴파운드 | 222 | 344 | 20,095 |
상기 표 4에서 EOR 컴파운드는 폴리프로필렌계 복합재가 포함하는 올레핀계 공중합체가 에틸렌과 1-옥텐의 공중합체임을 의미하고, EBR 컴파운드는 폴리프로필렌계 복합재가 포함하는 올레핀계 공중합체가 에틸렌과 1-부텐의 공중합체임을 의미한다.상기 표 4에 EOR 컴파운드와 EBR 컴파운드를 각각 짝지어 그 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 비교하였다. 상기 표 4를 참조하면 실시예의 폴리프로필렌계 복합재는 비교예의 폴리프로필렌계 복합재에 비하여 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡탄성률이 전반적으로 향상되었음을 확인할 수 있다.
이를 통하여 폴리프로필렌에 상기 (1) 내지 (4)의 요건을 모두 충족하는 올레핀계 중합체를 함께 사용하여 폴리프로필렌계 복합재를 제조하였을 경우, 상기 (1) 내지 (4)의 요건을 모두 충족하지 못하는 올레핀계 중합체를 사용한 폴리프로필렌계 복합재에 비해 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율 등의 물성이 우수함을 확인할 수 있었다.
Claims (15)
- (A) 폴리프로필렌, 및
(B) 하기 (1) 내지 (4)의 요건을 충족하는 올레핀계 중합체를 포함하는 폴리프로필렌계 복합재:
(1) 밀도(d)가 0.85 내지 0.89 g/cc이고,
(2) 용융지수(Melt Index, MI, 190℃, 2.16 kg 하중 조건)가 15 g/10분 내지 100 g/10분이고,
(3) 탄소원자 1,000개당 불포화 작용기 수(total V)가 0.8 이하이며,
(4) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 탄소원자 1,000개당 비닐렌, 비닐, total V가 아래 (a) 및 (b)를 만족한다.
(a) 비닐렌/total V = 0.1 내지 0.7
(b) 비닐렌/비닐 = 0.8 내지 1.6
- 제 1 항에 있어서,
상기 (A) 폴리프로필렌은 230℃ 및 2.16 kg 하중에서 측정된 용융지수가 0.5 g/10min 내지 100 g/10min인, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (A) 폴리프로필렌은 230℃ 및 2.16 kg 하중에서 측정된 용융지수가 0.5 g/10min 내지 100 g/10min인 임펙트 코폴리머인, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (B) 올레핀계 공중합체가 추가로 (5) 중량평균분자량(Mw) 10,000 g/mol 내지 80,000 g/mol을 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (B) 올레핀계 공중합체가 추가로 (6) 분자량 분포(MWD) 1.5 내지 3.0을 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (B) 올레핀계 공중합체는 추가로 (7) 핵자기 분광 분석을 통해 측정된 알파 올레핀 유래 반복 단위가 15 중량% 내지 45 중량%를 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (B) 올레핀계 공중합체는 에틸렌과, 탄소수 3 내지 12의 알파-올레핀 공단량체와의 공중합체인, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 7 항에 있어서,
상기 알파-올레핀 공단량체는 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-에이코센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보넨, 페닐노보넨, 비닐노보넨, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠 및 3-클로로메틸스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 폴리프로필렌계 복합재는 상기 (B) 올레핀계 중합체를 5 중량% 내지 40 중량% 포함하는 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 폴리프로필렌계 복합재는 무기충진제를 추가로 포함하는, 폴리프로필렌계 복합재.
- 제 10 항에 있어서,
상기 폴리프로필렌계 복합재는 폴리프로필렌 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 40 중량부의 함량으로 상기 무기충진제를 포함하고,
상기 무기충진제는 평균 입경(D50)이 1 ㎛ 내지 20 ㎛인, 폴리프로필렌계 복합재.
- (1) 폴리프로필렌(A)을 준비하는 단계;
(2) 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물의 존재 하에서, 수소를 10 내지 100cc/min으로 투입하여 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 올레핀계 공중합체(B)를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 폴리프로필렌(A) 및 올레핀계 공중합체(B)를 용융 혼련하여 폴리프로필렌계 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 제 1 항의 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1은 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알콕시; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬이고,
R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴이고,
R3는 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 6 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬 아미도; 탄소수 6 내지 20의 아릴 아미도; 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴; 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 1 내지 20의 알콕시 및 탄소수 6 내지 20의 아릴로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환된 페닐이고,
R4 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 실릴; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 또는 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이고; 상기 R6 내지 R9 중 서로 인접하는 2개 이상은 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고,
Q는 Si, C, N, P 또는 S이며,
M은 4족 전이금속이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬아미노; 탄소수 6 내지 20의 아릴아미노; 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴이다.
- 제 12 항에 있어서,
상기 R1은 수소; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 1 내지 12의 알콕시; 탄소수 6 내지 12의 아릴; 탄소수 7 내지 13의 아릴알콕시; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬이고,
상기 R2a 내지 R2e는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 1 내지 12의 알콕시; 또는 페닐이고,
상기 R3는 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 2 내지 12의 알케닐; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬; 페닐; 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬, 탄소수 2 내지 12의 알케닐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시 및 페닐로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환된 페닐이고,
상기 R4 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 탄소수 3 내지 12의 사이클로알킬; 탄소수 6 내지 12의 아릴; 탄소수 7 내지 13의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 13의 아릴알킬이고,
상기 R6 내지 R9 중 서로 인접하는 2개 이상은 서로 연결되어 탄소수 5 내지 12의 지방족 고리 또는 탄소수 6 내지 12의 방향족 고리를 형성할 수 있으며;
상기 지방족 고리 또는 방향족 고리는 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 탄소수 2 내지 12의 알케닐, 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴로 치환될 수 있고,
상기 Q는 Si이고,
상기 M은 Ti이며,
상기 X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 12의 알킬; 또는 탄소수 2 내지 12의 알케닐인, 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 전이금속 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-10의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종인, 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 1-3]
[화학식 1-4]
[화학식 1-5]
[화학식 1-6]
[화학식 1-7]
[화학식 1-8]
[화학식 1-9]
[화학식 1-10]
- 제 12 항에 있어서,
상기 중합은 110 내지 160℃에서 수행되는, 폴리프로필렌계 복합재의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| WO2021040139A1 (ko) * | 2019-08-28 | 2021-03-04 | 주식회사 엘지화학 | 올레핀계 공중합체 및 이의 제조방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5064802A (en) | 1989-09-14 | 1991-11-12 | The Dow Chemical Company | Metal complex compounds |
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2019
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5064802A (en) | 1989-09-14 | 1991-11-12 | The Dow Chemical Company | Metal complex compounds |
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