KR20200025826A - Manufacturing method of polyacrylonitrile - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은, 높은 분자량 및 좁은 분자량 분포를 가지는 폴리아크릴로니트릴을 높은 전환율로 제조할 수 있는 방법, 이에 따라 제조된 폴리아크릴로니트릴 및 이의 용도에 관한 것이다.The present application relates to a process for producing polyacrylonitrile having high molecular weight and narrow molecular weight distribution with high conversion, polyacrylonitrile thus produced and its use.
탄소 섬유는, 이의 높은 비강도 및 강성, 높은 내약품성 및 낮은 열팽창과 같은 성질로 인하여, 항공 우주, 풍력 에너지 발전 분야 등 다양한 기술분야에서 널리 적용되고 있다. 통상적으로, 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴로부터 제조된다. 통상적인 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법으로서, 자유 라디칼 중합법이 이용될 수 있다. 한편, 이 방법을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴은 상대적으로 높은 다분산 지수 (Polydispersity index, PDI)를 가진다. 고분자의 다분산 지수가 높다는 것은 고분자가 다양한 사슬 길이를 가지는 중합 단위를 포함하는 것을 의미한다. 또한, 고분자가 너무 높은 분자량을 가지는 단위 또는 너무 낮은 분자량을 가지는 단위를 포함하는 경우, 고분자에 분자 결합이 생겨서, 방사 (spinning) 공정 등을 이용하여 제조된 고분자 섬유는 기계적 물성 등의 성질이 저하되는 문제가 있다. 즉, 통상의 자유 라디칼 중합법을 이용하여 제조된 폴리아크릴로니트릴의 경우, 다분산 지수가 높으므로, 이를 방사하여 제조된 탄소 섬유의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.Carbon fiber is widely applied in various technical fields such as aerospace and wind energy generation because of its high specific strength and rigidity, high chemical resistance and low thermal expansion. Typically, carbon fibers are made from polyacrylonitrile. As a conventional method for producing polyacrylonitrile, free radical polymerization can be used. On the other hand, polyacrylonitrile prepared through this method has a relatively high polydispersity index (PDI). The high polydispersity index of the polymer means that the polymer comprises polymerized units having various chain lengths. In addition, when the polymer includes a unit having a molecular weight that is too high or a unit having a molecular weight that is too low, molecular bonds are generated in the polymer, so that the polymer fiber produced using a spinning process or the like degrades properties such as mechanical properties. There is a problem. That is, in the case of polyacrylonitrile prepared using a conventional free radical polymerization method, since the polydispersity index is high, there is a problem that the mechanical properties of the carbon fiber produced by spinning it are lowered.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 1에서는 가역적 첨가-분절화 사슬 전달 (RAFT, Reversible addition-fragmentation chain transfer) 중합 방법으로 제조되고, 좁은 다분산도를 가지는 폴리아크릴로니트릴을 중합하는 방법이 제시된 바 있다. 다만, 이와 같이 제조된 폴리아크릴로니트릴은 낮은 분자량으로 인해 기계적 강도가 약한 문제가 있다.In order to solve such a problem, Patent Document 1 is prepared by a reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization method, a method for polymerizing polyacrylonitrile having a narrow polydispersity is proposed. There is a bar. However, the polyacrylonitrile thus prepared has a weak mechanical strength due to its low molecular weight.
한편, 특허문헌 2에서는 폴리아크릴로니트릴의 분자량이 클수록, 이의 기계적 강도가 강한 것이 제시되어 있다. 즉, 폴리아크릴로니트릴을 탄소 섬유 제조 공정에 적용하기 위해서는 일정 수준 이상의 분자량을 또한 가져야 함을 알 수 있다.On the other hand, Patent Document 2 suggests that the higher the molecular weight of polyacrylonitrile, the stronger its mechanical strength is. That is, it can be seen that in order to apply the polyacrylonitrile to the carbon fiber manufacturing process, it must also have a molecular weight of at least a certain level.
통상적으로, RAFT 중합법을 이용하여 고분자를 제조하는 경우, 제조된 고분자의 분자량은 이에 사용되는 사슬 전달제의 농도에 따라서 조절된다. 사슬 전달제의 농도가 낮을수록 고분자의 분자량이 증가하고, 이의 농도가 높을수록 고분자의 분자량이 감소하게 된다. 또한, 사슬 전달제의 당량 대비 소정 농도의 중합 개시제를 첨가하여 고분자를 중합하여야, 사슬 전달제의 함량이 증가할수록 중합 전환율이 증가하게 된다. 즉, 높은 분자량을 가지는 고분자 중합을 위하여 사슬 전달제 함량을 상대적으로 감소시키게 되는 경우, 이에 따라 중합 전환율이 감소하게 되는 문제점이 존재하게 된다. 즉, RAFT 중합법을 이용하면서도, 높은 분자량, 좁은 다분산지수 및 높은 전환율을 달성하기 위한 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.Typically, in the case of preparing the polymer using the RAFT polymerization method, the molecular weight of the prepared polymer is adjusted according to the concentration of the chain transfer agent used therein. The lower the concentration of the chain transfer agent, the higher the molecular weight of the polymer, and the higher the concentration, the lower the molecular weight of the polymer. In addition, the polymer should be polymerized by adding a polymerization initiator of a predetermined concentration to the equivalent weight of the chain transfer agent, and the polymerization conversion rate increases as the content of the chain transfer agent increases. That is, when the chain transfer agent content is relatively decreased for polymer polymerization having a high molecular weight, there is a problem that the polymerization conversion rate is decreased accordingly. That is, while using a RAFT polymerization method, a study on a method for achieving a high molecular weight, a narrow polydispersity index and a high conversion rate is required.
한편, 특허문헌 3에서는 한 분자 내에 두 개의 말단 작용기를 가지는 사슬 전달제를 사용한 RAFT 중합법으로서, 플루오로모노머의 유화 중합 방법이 개시되어 있다. 유화 중합 방법을 사용하여 고분자를 중합하는 경우, 높은 분자량과 높은 전환율을 고분자를 합성할 수는 있지만, 유화 중합시 사용된 계면활성제의 제거가 어려운 문제점이 있다. 또한, 이러한 계면활성제는 이후 탄소 섬유 제조 과정에서, 구체적으로 고분자의 방사 또는 소성 공정에서 결함으로 작용할 가능성이 높다. 유화 중합을 통하여 합성된 고분자는 수용액 내에서 입자 형태로 분산되어 존재하는데, 이는 탄소 섬유 제조 공정에서 대표적 공정인 습식 방사 공정에 부적합한 문제가 있다. 즉, 유화 중합 방법을 이용하여 제조된 폴리아크릴로니트릴은 탄소 섬유의 전구체로서의 제 역할을 수행하지 못하는 문제점이 있다.On the other hand, Patent Document 3 discloses an emulsion polymerization method of a fluoromonomer as a RAFT polymerization method using a chain transfer agent having two terminal functional groups in one molecule. When the polymer is polymerized using the emulsion polymerization method, the polymer may be synthesized at a high molecular weight and a high conversion rate, but it is difficult to remove the surfactant used in the emulsion polymerization. In addition, these surfactants are likely to act as defects in the subsequent carbon fiber manufacturing process, specifically in the spinning or firing process of the polymer. The polymer synthesized through emulsion polymerization is present in the form of particles dispersed in an aqueous solution, which is not suitable for the wet spinning process which is a typical process in the carbon fiber manufacturing process. In other words, the polyacrylonitrile prepared by the emulsion polymerization method has a problem that can not play a role as a precursor of the carbon fiber.
본 출원은, 소정 구조의 화합물의 존재 하에 아크릴로니트릴을 포함하는 단량체 성분을 중합함으로써, 높은 분자량, 낮은 다분산 지수를 가지는 폴리아크릴로니트릴을 높은 전환율로 제조하는 방법을 제공하고자 한다The present application is to provide a method for producing a high conversion of polyacrylonitrile having a high molecular weight, low polydispersity index by polymerizing a monomer component comprising acrylonitrile in the presence of a compound of a predetermined structure
본 출원에서, 용어 알킬기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 15, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기는 직쇄형, 분지쇄형, 또는 고리형일 수 있으며, 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.In the present application, the term alkyl group may mean an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms, 1 to 10 carbon atoms, and 1 to 4 carbon atoms, unless otherwise specified. The alkyl group may be linear, branched, or cyclic, and may be optionally substituted with one or more substituents.
본 출원에서, 용어 알케닐기 또는 알키닐기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기 또는 알키닐기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐기 또는 알키닐기는 직쇄형, 분지형 또는 고리형일 수 있으며, 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.In the present application, the term alkenyl group or alkynyl group is an alkenyl group or alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, 2 to 16 carbon atoms, 2 to 12 carbon atoms, 2 to 8 carbon atoms, or 2 to 4 carbon atoms, unless otherwise specified. Can mean. The alkenyl group or alkynyl group may be linear, branched or cyclic, and may be optionally substituted with one or more substituents.
본 출원에서, 용어 알킬렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 의미할 수 있다. 상기 알킬렌기는 직쇄형, 분지형 또는 고리형 알킬렌기일 수 있으며, 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.In the present application, the term alkylene group may mean an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, 1 to 12 carbon atoms, 1 to 8 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms, unless otherwise specified. The alkylene group may be a straight chain, branched or cyclic alkylene group, and may be optionally substituted with one or more substituents.
본 출원에서, 용어 알케닐렌기 또는 알키닐렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐렌기 또는 알키닐렌기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐렌기 또는 알키닐렌기는 직쇄형, 분지형 또는 고리형일 수 있으며, 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다In the present application, the term alkenylene group or alkynylene group is an alkenylene group or alkoxy having 2 to 20 carbon atoms, 2 to 16 carbon atoms, 2 to 12 carbon atoms, 2 to 8 carbon atoms, or 2 to 4 carbon atoms, unless otherwise specified. It may mean a nylene group. The alkenylene group or alkynylene group may be linear, branched or cyclic, and may be optionally substituted with one or more substituents.
본 출원에서, 용어 아릴기 또는 아릴렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 하나의 벤젠 고리 구조, 2개 이상의 벤젠 고리가 하나 또는 2개의 탄소 원자를 공유하면서 연결되어 있거나, 또는 임의의 링커에 의해 연결되어 있는 구조를 포함하는 화합물 또는 그 유도체로부터 유래하는 1가 또는 2가 잔기를 의미할 수 있다. 상기 아릴기 또는 아릴렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 예를 들면, 탄소수 6 내지 30, 탄소수 6 내지 25, 탄소수 6 내지 21, 탄소수 6 내지 18 또는 탄소수 6 내지 13의 아릴기일 수 있다.In the present application, unless otherwise specified, the term aryl group or arylene group is one benzene ring structure, two or more benzene rings are connected while sharing one or two carbon atoms, or by any linker It may mean a monovalent or divalent residue derived from a compound or a derivative thereof including the structure to which it is linked. Unless otherwise specified, the aryl group or arylene group may be, for example, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, 6 to 25 carbon atoms, 6 to 21 carbon atoms, 6 to 18 carbon atoms, or 6 to 13 carbon atoms.
본 출원에서, 용어 단일 결합은 해당 부위에 별도의 원자가 존재하지 않는 경우를 의미할 수 있다. 예를 들어, A-B-C로 표시된 구조에서 B가 단일 결합 인 경우에 B로 표시되는 부위에 별도의 원자가 존재하지 않고, A와 C가 직접 연결되어 A-C로 표시되는 구조를 형성하는 것을 의미한다.In the present application, the term single bond may refer to a case where no separate atom exists at a corresponding site. For example, in the structure represented by A-B-C, when B is a single bond, there is no separate atom at the site represented by B, and A and C are directly connected to form a structure represented by A-C.
폴리아크릴로니트릴은 아크릴로니트릴 단량체의 중합 반응에 의하여 형성된다. 또한, 폴리아크릴로니트릴이 높은 분자량, 좁은 다분산 지수를 가질수록 탄소 섬유의 전구체로의 적용이 용이하다. 본 발명자들은 소정 구조의 화합물을 가역적 첨가-분절화 사슬 전달 (RAFT, Reversible addition-fragmentation chain transfer) 중합 방법에서의 사슬 전달제로 사용하는 경우, 높은 분자량과 좁은 다분산 지수를 가지는 폴리아크릴로니트릴을 높은 전환율로 제조할 수 있음을 알아내어 본 발명에 이르게 되었다.Polyacrylonitrile is formed by the polymerization reaction of an acrylonitrile monomer. In addition, the higher the molecular weight of polyacrylonitrile and the narrower the polydispersity index, the easier the application of carbon fiber to the precursor. When the compound of the structure is used as a chain transfer agent in a reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization method, the inventors have found that polyacrylonitrile having a high molecular weight and a narrow polydispersity index is high. It has been found that it can be produced at a conversion rate, which leads to the present invention.
이하, 본 출원에 대하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present application will be described in more detail.
본 출원은 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법에 대한 것이다. 본 출원에 따른 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법은, RAFT 중합 방법에 의하여 수행되고, 상기 방법을 수행하기 위하여 RAFT 중합 방법에 적용되는 사슬 전달제가 이용된다. 구체적으로, 본 출원에서 상기 사슬 전달제는 'RAFT 제제'로 통칭될 수 있으며, 이는 어떤 단량체의 연쇄 반응이 일어나는 라디칼 사슬의 휴면 단계 (dormant stage)를 형성시켜서, 라디칼의 전파 (propagation) 및 라디칼 형성의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 RAFT 제제는 활성 사슬과 휴면 사슬 간의 평형 상태를 빠른 시간 내에 도달하도록 하여, 제조된 고분자가 좁은 분자량 분포를 가지도록 할 수 있다.The present application is directed to a process for preparing polyacrylonitrile. The method for producing polyacrylonitrile according to the present application is carried out by a RAFT polymerization method, and a chain transfer agent applied to the RAFT polymerization method is used to carry out the method. Specifically, in the present application, the chain transfer agent may be collectively referred to as a 'RAFT agent', which forms a dormant stage of the radical chain in which a chain reaction of a certain monomer occurs, so that propagation of radicals and radicals It can be used to control the rate of formation. In addition, the RAFT formulations can reach an equilibrium state between the active chain and the dormant chain in a short time, so that the prepared polymer has a narrow molecular weight distribution.
본 출원의 일 실시 상태는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물의 존재 하에 아크릴로니트릴을 포함하는 단량체 성분을 중합시키는 단계를 포함하는 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법을 제공한다:An exemplary embodiment of the present application provides a method of preparing polyacrylonitrile, which comprises polymerizing a monomer component including acrylonitrile in the presence of a compound represented by Formula 1 below:
[화학식 1][Formula 1]
화학식 1에서, A는 산소 원자, 황 원자, -S(=O)2-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기, -C(=O)-X1-, 또는 -X1-C(=O)-이며, 상기에서 X1은 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 또는 아릴렌기이고, Z1 및 Z2는 각각 독립적으로, 시아노알킬기이다.In formula (1), A is an oxygen atom, a sulfur atom, -S (= O) 2- , an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, -C (= O) -X 1- , or -X 1 -C (= O)-, wherein X 1 is a single bond, oxygen atom, sulfur atom, alkylene group, alkenylene group, alkynylene group, or arylene group, Z 1 and Z 2 are each independently, It is a noalkyl group.
본 출원에서는, 상기 폴리아크릴로니트릴이 상대적으로 높은 분자량과 좁은 다분산 지수를 가지도록, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 사슬 전달제, 구체적으로 RAFT 제제로 사용된다. 즉, 상기 화학식 1과 같이 한 분자 내에 트리티오카보닐 작용기가 2개 이상 포함되고, 트리티오카보닐 작용기가 A로 표시되는 화합물로 결합된 구조를 가지는 화합물을 RAFT 제제로 사용함으로써, 높은 분자량 및 좁은 다분산 지수를 가지는 폴리아크릴로니트릴이 높은 전환율로 중합될 수 있다. 한편, 한 분자 내에 하나의 트리티오카보닐 작용기만을 포함하는 화합물을 RAFT 제제로 사용하여 폴리아크릴로니트릴을 제조하는 경우, 그 분자량이 낮아 충분한 기계적 강도를 확보하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 한 분자 내에 트리티오카보닐 작용기가 2개이상 포함되더라도, 상기의 작용기들이 별도의 링커의 부재(不在) 하에, 직접 결합된 화합물을 RAFT 제제로 사용하는 경우, 폴리아크릴로니트릴의 전환율이 급격히 감소하는 문제가 있다. 본 출원은, 폴리아크릴로니트릴을 상기의 화학식으로 표시되는 화합물의 존재 하에, 리빙 라디칼 중합 방법, 구체적으로 RAFT 중합 방법에 의하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 RAFT 제제에 의한 효과는 이에 결합된 Z1 및 Z2에 특히 의존적일 수 있다. 또한, 상기 Z1 및 Z2는 RAFT 제제 내의 탄소=황 이중 결합에 의한 반응성의 안정성을 조절할 수 있고, 단량체 라디칼의 첨가 및 분절화 속도에 영향을 미칠 수 있다. In the present application, the compound represented by Chemical Formula 1 is used as a chain transfer agent, specifically, a RAFT agent, such that the polyacrylonitrile has a relatively high molecular weight and a narrow polydispersity index. That is, by using a compound having a structure in which two or more trithiocarbonyl functional groups are contained in one molecule as shown in Chemical Formula 1 and the trithiocarbonyl functional group is bonded to the compound represented by A as a RAFT agent, Polyacrylonitrile having a narrow polydispersity index can be polymerized with high conversion. On the other hand, when preparing a polyacrylonitrile using a compound containing only one trithiocarbonyl functional group in one molecule as a RAFT formulation, the molecular weight is low, there is a problem that does not secure sufficient mechanical strength. In addition, even if two or more trithiocarbonyl functional groups are included in one molecule, the conversion rate of polyacrylonitrile may be reduced when a compound directly bonded to the RAFT agent is used in the absence of a separate linker. There is a problem of rapidly decreasing. The present application can produce polyacrylonitrile by a living radical polymerization method, specifically, a RAFT polymerization method, in the presence of a compound represented by the above formula. In addition, the effect by the RAFT agent may be particularly dependent on Z 1 and Z 2 bound thereto. In addition, the Z 1 and Z 2 can control the stability of the reactivity by the carbon = sulfur double bond in the RAFT formulation, and may affect the rate of addition and fragmentation of monomer radicals.
상기 화학식 1에서, A는 구체적으로 -S(=O)2-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기, -C(=O)-X1-, 또는 -X1-C(=O)-이며, 상기에서 X1은 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 또는 아릴렌기일 수 있고, 보다 구체적으로 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 알킬렌기일 수 있다.In Formula 1, A is specifically -S (= O) 2- , an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, -C (= O) -X 1- , or -X 1 -C ( = O)-, wherein X 1 may be a single bond, an oxygen atom, a sulfur atom, an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, or an arylene group, and more specifically, an alkylene group, an alkenylene group, or an alkynyl group. It may be an ethylene group, an arylene group, and more specifically, may be an alkylene group.
또한, 상기 화학식 1의 A는 탄소수 8 내지 20의 알킬렌기일 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 1의 A는 탄소수 9 이상, 또는 10 이상의 알킬렌기일 수 있고, 탄소수 19 이하, 16 이하, 14 이하, 또는 12 이하의 알킬렌기일 수 있다.In addition, A of Formula 1 may be an alkylene group having 8 to 20 carbon atoms. Specifically, A in Formula 1 may be an alkylene group having 9 or more carbon atoms, or 10 or more carbon atoms, and an alkylene group having 19 or less carbon atoms, 16 or less, 14 or less carbon atoms, or 12 or less carbon atoms.
상기 화학식 1에서 각각 독립적으로 시아노알킬기인 Z1 및 Z2는 서로 동일하거나, 상이할 수 있다. 상기 시아노알킬기는 알킬기에 시아노기가 결합된 것을 의미할 수 있고, 임의적으로 하나 이상의 원소 또는 치환기가 더 결합된 것을 의미할 수 있다. 상기 시아노알킬기에 결합될 수 있는 원소 또는 치환기는 수소, 알케닐기, 알키닐기, 히드록시기, 페닐기, 벤질기, 또는 카르복시기일 수 있다.In Formula 1, Z 1 and Z 2 which are each independently a cyanoalkyl group may be the same as or different from each other. The cyanoalkyl group may mean that a cyano group is bonded to an alkyl group, and may optionally mean that one or more elements or substituents are further bonded. The element or substituent that may be bonded to the cyanoalkyl group may be hydrogen, alkenyl group, alkynyl group, hydroxy group, phenyl group, benzyl group, or carboxy group.
상기 화학식 1의 Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 분지형 알킬기를 가지는 시아노알킬기일 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 1의 Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 탄소수 2 이상, 3 이상, 또는 4 이상의 분지형 알킬기를 가지는 시아노 알킬기일 수 있고, 탄소수 7 이하, 6 이하, 또는 5 이하의 분지형 알킬기를 가지는 시아노알킬기일 수 있다.Z 1 and Z 2 in Formula 1 may each independently be a cyanoalkyl group having a branched alkyl group having 1 to 8 carbon atoms. Specifically, Z 1 and Z 2 of Formula 1 may each independently be a cyano alkyl group having a branched alkyl group having 2 or more, 3 or more, or 4 or more carbon atoms, and a powder having 7 or less, 6 or less, or 5 or less carbon atoms. It may be a cyanoalkyl group having a topographic alkyl group.
본 출원의 일 구체예로서, 상기 폴리아크릴로니트릴은 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물의 존재 하에 아크릴로니트릴을 포함하는 단량체 성분을 중합시키는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the polyacrylonitrile may be to polymerize a monomer component including acrylonitrile in the presence of a compound represented by Formula 1-1:
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1의 화합물은 단량체 성분의 전체 단량체 100 몰 대비 0.2 몰 이하, 구체적으로 0.15 몰 이하, 0.10 몰 이하, 또는 0.05 몰 이하의 비율로 존재할 수 있다. 상기 화학식 1의 화합물의 함량의 하한은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들면 단량체 성분의 전체 단량체 100 몰 대비 0 몰 초과, 0.01 몰 이상, 또는 0.03 몰 이상일 수 있다. 상기 범위 내로 상기 화학식 1의 화합물이 존재하는 경우, 높은 분자량 및 낮은 다분산 지수를 가지는 폴리아크릴로니트릴을 높은 전환율로 중합할 수 있다.The compound of Formula 1 may be present in a ratio of 0.2 mol or less, specifically 0.15 mol or less, 0.10 mol or less, or 0.05 mol or less with respect to 100 mol of the total monomers of the monomer component. The lower limit of the content of the compound of Formula 1 is not particularly limited, but may be, for example, more than 0 moles, 0.01 moles or more, or 0.03 moles or more relative to 100 moles of the total monomers of the monomer component. When the compound of Formula 1 is present within the above range, polyacrylonitrile having a high molecular weight and a low polydispersity index may be polymerized at a high conversion rate.
상기 단량체 성분은 상기 아크릴로니트릴에 대한 공단량체를 추가로 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 공단량체란, 어떤 단량체와 다른 종류로서, 그 단량체와 혼합, 또는 중합하여 공중합체를 형성할 수 있는 단량체를 의미한다. 즉, 상기 폴리아크릴로니트릴은 아크릴로니트릴과 상기 공단량체의 공중합체일 수 있다.The monomer component may further comprise a comonomer for the acrylonitrile. As used herein, the term comonomer refers to a monomer that is different from any monomer and that can be mixed with or polymerized with the monomer to form a copolymer. That is, the polyacrylonitrile may be a copolymer of acrylonitrile and the comonomer.
상기 공단량체는 비닐계 산, 비닐계 에스테르, 및 비닐 유도체 중 적어도 하나, 구체적으로 메타크릴산, 아크릴산, 이타콘산, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 비닐 아세테이트, 에틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 비닐 아미다졸, 아크릴아미드 및 디아세톤 아크릴아미드 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 아크릴로니트릴 단량체와 공중합하여, 폴리아크릴로니트릴을 형성할 수 있는 것이면, 공지된 것 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 상기 공단량체의 함량은 아크릴로니트릴 단량체 및 공단량체 총합에 대하여, 0.5 몰% 이상, 0.9 몰% 이상, 또는 1.3 몰% 이상일 수 있고, 5 몰% 이하, 4 몰% 이하, 3 몰% 이하, 또는 2 몰% 이하일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.The comonomer is at least one of vinyl acid, vinyl ester, and vinyl derivative, specifically methacrylic acid, acrylic acid, itaconic acid, methacrylate, methyl methacrylate, vinyl acetate, ethyl acrylate, butyl acrylate, It may include at least one of ethyl methacrylate, vinyl amidazole, acrylamide and diacetone acrylamide, but the type thereof is not particularly limited, and may be copolymerized with an acrylonitrile monomer to form polyacrylonitrile. If so, it can be freely selected from known ones. The content of the comonomer may be 0.5 mol% or more, 0.9 mol% or more, or 1.3 mol% or more, 5 mol% or less, 4 mol% or less, 3 mol% or less, based on the total amount of acrylonitrile monomer and comonomer, Or 2 mol% or less, but is not particularly limited.
상기 단량체 성분은 아크릴로니트릴을 80 몰% 이상 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 단량체 성분은 아크릴로니트릴을 85 몰% 이상, 90 몰% 이상, 또는 95 몰% 이상 포함할 수 있고, 100 몰% 미만, 또는 99 몰% 이하 포함할 수 있다. 즉, 상기 폴리아크릴로니트릴은 아크릴로니트릴을 주성분으로 포함할 수 있다.The monomer component may include 80 mol% or more of acrylonitrile. Specifically, the monomer component may include at least 85 mol%, at least 90 mol%, or at least 95 mol% of acrylonitrile, and may include less than 100 mol%, or up to 99 mol%. That is, the polyacrylonitrile may include acrylonitrile as a main component.
본 출원의 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법은, 구체적으로 아크릴로니트릴 단량체와 공단량체를 용액 중합하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 상태에 따른 단량체 성분은 용매를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 용매로서는 디메틸 설폭사이드, 디메틸 포름아미드, 디메틸 아세트아미드, 에틸렌 카보네이트, 아연 클로라이드, 소듐 티오시아네이트, 및 이들의 수용액 등을 포함될 수 있으나, 어떤 단량체의 용액 중합에 사용되는 것이면, 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한, 용매의 함량은 용매를 포함하는 단량체 성분의 총합 100 중량부 대비 70 중량부 내지 95 중량부의 범위 내의 함량으로 상기 단량체 성분에 포함될 수 있다. 구체적으로, 용매의 함량은 용매를 포함하는 단량체 성분의 총합 100 중량부 대비, 75 중량부 이상일 수 있다. 또한, 용매의 함량은 용매를 포함하는 단량체 성분의 총합 100 중량부 이상일수 있고, 90 중량부 이하, 85 중량부 이하, 또는 80 중량부 이하일 수 있다.The manufacturing method of the polyacrylonitrile of this application may specifically be solution polymerization of an acrylonitrile monomer and a comonomer. That is, the monomer component according to one embodiment of the present invention may further include a solvent. In addition, the solvent may include dimethyl sulfoxide, dimethyl formamide, dimethyl acetamide, ethylene carbonate, zinc chloride, sodium thiocyanate, and an aqueous solution thereof, and the like. Is not particularly limited. In addition, the content of the solvent may be included in the monomer component in an amount within the range of 70 parts by weight to 95 parts by weight relative to the total 100 parts by weight of the monomer component including the solvent. Specifically, the content of the solvent may be 75 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of the total of the monomer components including the solvent. In addition, the content of the solvent may be 100 parts by weight or more, and may be 90 parts by weight or less, 85 parts by weight or less, or 80 parts by weight or less in total of the monomer components including the solvent.
본 출원의 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법은 유화 중합에 의하여 수행되는 것이 아닐 수 있다. 즉, 상기 중합은 계면 활성제의 부존재 하에 수행되는 것일 수 있다. 유화 중합법으로 제조된 폴리아크릴로니트릴은 계면 활성제가 잔류하게 되고, 상기 계면 활성제는 이후 상기 폴리아크릴로니트릴을 탄소 섬유의 제조 공정에 적용 시, 탄소 섬유의 품질 저하의 원인으로 작용할 수 있을 뿐 아니라, 그 제거가 용이하지 않은 문제점이 있기 때문이다.The method for preparing polyacrylonitrile of the present application may not be performed by emulsion polymerization. That is, the polymerization may be carried out in the absence of a surfactant. The polyacrylonitrile prepared by the emulsion polymerization method remains a surfactant, and the surfactant may only act as a cause of deterioration of the carbon fiber when the polyacrylonitrile is subsequently applied to the carbon fiber manufacturing process. This is because there is a problem that the removal is not easy.
본 출원의 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법은 라디칼 중합에 의하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 중합은 라디칼 개시제의 존재 하에 수행될 수 있다. 구체적으로, 본 출원에서 단량체 성분을 중합시키는 단계는 단량체 성분을 가열시킨 후, 라디칼 개시제를 가열된 단량체 성분에 첨가하여 아크릴로니트릴의 중합 반응을 유도하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 단량체 성분을 중합시키 단계는 단량체 성분을 40 ℃ 내지 85 ℃의 범위 내의 온도 까지 가열 시킨 후, 라디칼 개시제를 가열된 단량체 성분에 첨가하여 중합 반응을 유도하는 것일 수 있다. 보다 더 구체적으로 상기 단량체 성분은 45 ℃ 이상, 50 ℃ 이상, 55 ℃ 이상, 60 ℃ 이상, 또는 65 ℃ 이상의 온도까지 가열될 수 있고, 80 ℃ 이하, 75 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이하의 온도까지 가열될 수 있다.The method for preparing polyacrylonitrile of the present application may be performed by radical polymerization. In other words, the polymerization can be carried out in the presence of a radical initiator. Specifically, the step of polymerizing the monomer component in the present application may be to induce a polymerization reaction of acrylonitrile by heating the monomer component, and then adding a radical initiator to the heated monomer component. More specifically, the step of polymerizing the monomer component may be to induce a polymerization reaction by heating the monomer component to a temperature in the range of 40 ℃ to 85 ℃, and then adding a radical initiator to the heated monomer component. Even more specifically, the monomer component may be heated to a temperature of 45 ° C. or higher, 50 ° C. or higher, 55 ° C. or higher, 60 ° C. or higher, or 65 ° C. or higher, and may be 80 ° C. or lower, 75 ° C. or lower, or 70 ° C. or lower. Can be heated.
라디칼 개시제는 아조계 화합물 또는 유기 과산화물, 구체적으로 아조비스이소부티로니트릴, 아조비스시아노발레르산, 2,2'-아조비스-(2,4-디메틸)발레로니트릴, 디라우로릴 퍼옥사이드, 3차부틸 퍼옥사이드, 및 디이소프로필 퍼옥시디카보네이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니고, 아크릴로니트릴의 단량체 라디칼을 형성할 수 있는 화합물이면, 공지된 것 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. Radical initiators are azo compounds or organic peroxides, specifically azobisisobutyronitrile, azobiscyanovaleric acid, 2,2'-azobis- (2,4-dimethyl) valeronitrile, dilaurolyl per It may include at least one of oxide, tertiary butyl peroxide, and diisopropyl peroxydicarbonate, but the kind thereof is not particularly limited, as long as it is a compound capable of forming monomer radicals of acrylonitrile, it is known Can be selected freely.
또한, 라디칼 개시제는 화학식 1의 화합물 1 몰 대비 0.1 내지 1의 비율로 적용될 수 있다. 구체적으로, 라디칼 개시제는 화학식 1의 화합물 1 몰 대비, 0.2 몰 이상, 또는 0.4 몰 이상의 비율로 적용될 수 있고, 0.8 이하, 또는 0.6 몰 이하의 비율로 적용될 수 있다.In addition, the radical initiator may be applied at a ratio of 0.1 to 1 relative to 1 mole of the compound of Formula 1. Specifically, the radical initiator may be applied in a ratio of 0.2 mol or more, or 0.4 mol or more, and may be applied in a ratio of 0.8 or less, or 0.6 mol or less, relative to 1 mol of the compound of Formula 1.
이외에도, 상기 단량체 성분은 커플링제, 촉매, 산화방지제, 안정화제 등의 중합 반응에서 요구되는 공지의 첨가제를 더 포함할 수 있다.In addition, the monomer component may further include known additives required for polymerization reactions such as coupling agents, catalysts, antioxidants, stabilizers and the like.
본 출원에 따른 방법은, 단량체 성분을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 교반하는 단계는 공지의 교반 장비를 이용하여 상기 단량체 성분을 100 rpm 내지 300 rpm의 교반 속도로 교반할 수 있다. 구체적으로, 교반 속도는 120 rpm 이상, 또는 140 rpm 이상일 수 있고, 250 rpm 이하, 200 rpm 이하, 또는 160 rpm 이하일 수 있다.The method according to the present application may further comprise stirring the monomer component. In addition, the stirring step may be stirred at a stirring speed of 100 rpm to 300 rpm using a known stirring equipment. Specifically, the stirring speed may be 120 rpm or more, or 140 rpm or more, and 250 rpm or less, 200 rpm or less, or 160 rpm or less.
단량체 성분을 중합하는 단계는 가열된 단량체 성분의 온도를 45 ℃ 이상, 50 ℃ 이상, 55 ℃ 이상, 60 ℃ 이상, 또는 65 ℃ 이상의 온도로 유지하며 수행될 수 있고, 80 ℃ 이하, 75 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이하의 온도로 유지하며 수행될 수 있다.Polymerizing the monomer component may be carried out while maintaining the temperature of the heated monomer component at a temperature of at least 45 ℃, at least 50 ℃, at least 55 ℃, at least 60 ℃, or at least 65 ℃, 80 ℃ or less, 75 ℃ or less Or, maintained at a temperature of 70 ° C. or less.
단량체 성분을 중합하는 단계는 15 시간 내지 24 시간의 범위 내의 시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로, 중합 시간은 17 시간 이상, 또는 22 시간 이하일 수 있다.The step of polymerizing the monomer component may be carried out for a time in the range of 15 hours to 24 hours. Specifically, the polymerization time may be 17 hours or more, or 22 hours or less.
본 출원에 따른 방법에 의하여 제조된 폴리아크릴로니트릴의 전환율은 70 % 이상일 수 있다. 한편, 전환율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 100 % 미만, 95 % 이하, 90 % 이하, 85 % 이하, 또는 80 % 이하일 수 있다. 어떤 고분자의 전환율은 고분자 제조를 위해 투입된 단량체의 총 함량에 대한 중합된 고분자의 함량을 백분율로 나타낸 것, 즉, 중합의 효율을 의미할 수 있다. 그러므로, 상기 범위의 전환율을 가지는 폴리아크릴로니트릴은 높은 효율로 중합된 것을 의미할 수 있다. 또한, 본 출원에서, 폴리아크릴로니트릴의 전환율은 폴리아크릴로니트릴의 핵자기 공명 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 분석을 통하여, 폴리아크릴로니트릴로 전환된 부분에 해당하는 면적의 면적 비로 측정될 수 있다.The conversion rate of the polyacrylonitrile prepared by the method according to the present application may be 70% or more. On the other hand, the upper limit of the conversion rate is not particularly limited, and may be, for example, less than 100%, 95% or less, 90% or less, 85% or less, or 80% or less. The conversion rate of a polymer may refer to the content of polymerized polymer as a percentage of the total content of monomers input for preparing the polymer, that is, the efficiency of polymerization. Therefore, polyacrylonitrile having a conversion rate in the above range may mean polymerized with high efficiency. In addition, in the present application, the conversion rate of polyacrylonitrile can be measured by the area ratio of the area corresponding to the portion converted to polyacrylonitrile through Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis of polyacrylonitrile. have.
본 출원의 다른 실시 상태는, 하기 화학식 2로 표시되는 폴리아크릴로니트릴을 제공한다:Another embodiment of the present application provides a polyacrylonitrile represented by the following Chemical Formula 2:
화학식 2에서, A는 하기 화학식 3의 단위이고, X는 시아노알킬기이며, Z는 하기 화학식 4로 표시되는 단위이고, B는 아크릴로니트릴에 대한 공단량체의 단위이며, a, b, c, d, e, f, g, h, i 및 j는 각각 독립적으로, 0 또는 양수이되, b+d+g+i는 양수이고, (a+b+c+d+e+f+g+h+i+j)를 1로 환산한 경우 b+d+g+i는 0.8 이상의 수이다:In formula (2), A is a unit of formula (3), X is a cyanoalkyl group, Z is a unit represented by formula (4), B is a unit of comonomer to acrylonitrile, a, b, c, d, e, f, g, h, i and j are each independently 0 or positive, b + d + g + i is positive and (a + b + c + d + e + f + g + h When + i + j) is converted to 1, b + d + g + i is a number greater than or equal to 0.8:
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
화학식 4에서, Y는 산소 원자, 황 원자, -S(=O)2-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기, -C(=O)-X1-, 또는 -X1-C(=O)-이며, 상기에서 X1은 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 또는 아릴렌기이고, *는 화학식 2의 A 및 B 중 적어도 하나와 결합하는 부위이다.In formula (4), Y represents an oxygen atom, a sulfur atom, -S (= O) 2- , an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, -C (= O) -X 1- , or -X 1 -C (= O)-, wherein X 1 is a single bond, oxygen atom, sulfur atom, alkylene group, alkenylene group, alkynylene group, or arylene group, and * is at least one of A and B of formula (2) It is a site that binds with.
화학식 4에서, *가 화학식 2의 A 및 B 중 적어도 하나와 결합한다는 것은, 화학식 2의 Z의 양측 모두에 A가 결합하거나, B가 결합하는 경우와 일측에는 A가 결합하고 타측에는 B가 결합하는 경우를 의미할 수 있다. 예를 들어, 화학식 2에서 e가 0이고, d 및 f가 양수인 경우, 화학식 4의 *는 화학식 2의 A 및 B와 결합하는 부위일 수 있다.In formula (4), * binds to at least one of A and B in formula (2) means that A is bonded to both sides of Z of formula (2), or when B is bonded and A is bonded to one side and B to the other side It may mean that. For example, in Formula 2, when e is 0 and d and f are positive, * in Formula 4 may be a site that binds to A and B in Formula 2.
화학식 4에서, Y는 화학식 1의 A와 동일할 수 있다. 또한, 화학식 4에서 Z 및 X는 상기 화학식 1로부터 유래되는 단위일 수 있다. 화학식 2에서의 시아노알킬기에 대한 설명은 전술한 바와 동일할 수 있다. 화학식 2에서의 X는 화학식 1에서의 Z1 및/또는 Z2와 동일할 수 있다.In Formula 4, Y may be the same as A in Formula 1. In addition, in Formula 4, Z and X may be a unit derived from Formula 1. The description of the cyanoalkyl group in the formula (2) may be the same as described above. X in Formula 2 may be the same as Z 1 and / or Z 2 in Formula 1.
화학식 1로 표시되는 화합물에 존재 하에, 아크릴로니트릴을 포함하는 단량체 성분을 중합하는 경우, 폴리아크릴로니트릴의 양 말단은 화학식 1로 표시되는 화합물로 캡핑되고, 이는 상기 화학식 2에서 X 및 Z로 나타난다. 구체적으로, 화학식 2에서 X는 화학식 1의 Z1 및/또는 Z2를 의미할 수 있다. 또한, 화학식 2에서 Z는 화학식 1에서 Z1 및 Z2가 이탈된 단위를 의미할 수 있으며, 이는 화학식 4로 표시될 수 있다. 화학식 1로 표시되는 화합물이 RAFT 제제로 적용되어, 화학식 1의 Z1 및/또는 Z2가 가역적으로 폴리아크릴로니트릴 라디칼에 첨가 (addition) 또는 분절화 (fragmentation)되기 때문이다.In the presence of the compound represented by Formula 1, when polymerizing a monomer component including acrylonitrile, both ends of the polyacrylonitrile are capped by the compound represented by Formula 1, which is represented by X and Z in Formula 2 above. appear. Specifically, X in Chemical Formula 2 may mean Z 1 and / or Z 2 in Chemical Formula 1. In addition, in Formula 2, Z may refer to a unit in which Z 1 and Z 2 are separated from Formula 1, which may be represented by Formula 4. This is because the compound represented by the formula (1) is applied as a RAFT agent so that Z 1 and / or Z 2 of the formula (1) are reversibly added or fragmented to the polyacrylonitrile radical.
단량체 성분이 아크릴로니트릴에 대한 공단량체를 포함하는 경우, 폴리아크릴로니트릴은 상기 화학식 3으로 표시되는 아크릴로니트릴의 중합 단위 (A)와, 공단량체의 중합 단위 (B)를 포함할 수 있고, A 단위 및 B 단위는 규칙적 또는 불규칙적으로 폴리아크릴로니트릴 내에서 배열될 수 있다. 화학식 2에서, a, b, c, d, e, f, g, h, i 및 j는 각각 독립적으로, 0 또는 양수이기 때문이다. 또한, 화학식 2에서, (a+b+c+d+e+f+g+h+i+j)를 1로 환산한 경우 b+d+g+i는 0.80 이상, 0.85 이상, 0.90 이상, 또는 0.95 이상의 수일 수 있고, 1 미만, 또는 0.99 이하의 수일 수 있다.When the monomer component includes a comonomer for acrylonitrile, the polyacrylonitrile may include a polymerized unit (A) of acrylonitrile represented by Formula 3 and a polymerized unit (B) of comonomer, , A unit and B unit may be arranged in polyacrylonitrile regularly or irregularly. In the formula (2), because a, b, c, d, e, f, g, h, i and j are each independently 0 or positive. In Formula 2, when (a + b + c + d + e + f + g + h + i + j) is converted to 1, b + d + g + i is 0.80 or more, 0.85 or more, 0.90 or more, Or a number greater than or equal to 0.95, and less than 1, or less than or equal to 0.99.
또한, 상기 폴리아크릴로니트릴은 상기의 제조 방법으로 제조된 것일 수 있다.In addition, the polyacrylonitrile may be prepared by the above production method.
상기 폴리아크릴로니트릴은 2 이하의 다분산 지수를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리아크릴로니트릴은 1 초과, 1.1 이상, 1.3 이상, 1.5 이상, 또는 1.7 이상의 다분산 지수를 가질 수 있고, 1.9 이하, 1.85 이하, 또는 1.83 이하의 다분산 지수를 가질 수 있다. 본 출원에서, 용어 다분산 지수는 어떤 고분자의 수평균 분자량에 대한 중량평균 분자량의 비 (Mw/Mn)를 의미할 수 있고, 그 수치가 1에 가까울수록, 중합 반응이 보다 균일하게 일어난 것을 의미할 수 있다.The polyacrylonitrile may have a polydispersity index of 2 or less. Specifically, the polyacrylonitrile may have a polydispersity index of more than 1, 1.1 or more, 1.3 or more, 1.5 or more, or 1.7 or more, and may have a polydispersity index of 1.9 or less, 1.85 or less, or 1.83 or less. In the present application, the term polydispersity index may refer to the ratio of the weight average molecular weight (Mw / Mn) to the number average molecular weight of a certain polymer, and the closer to 1 the value, the more uniform the polymerization reaction means. can do.
또한, 상기 폴리아크릴로니트릴은 200,000 g/mol 이상의 중량평균 분자량을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리아크릴로니트릴은 220,000 g/mol 이상, 240,000 g/mol 이상, 또는 250,000 g/mol 이상일 수 있고, 400,000 g/mol 이하, 350,000 g/mol 이하, 300,000 g/mol 이하, 또는 260,000 g/mol 이하일 수 있다. 어떤 고분자의 중량평균 분자량은, 그 고분자를 탄소 섬유의 제조 공정에 전구체로 적용하는 경우, 탄소 섬유의 기계적 강도에 기여하므로, 상기 범위의 중량평균 분자량을 가지는 폴리아크릴로니트릴로 제조된 탄소 섬유는 충분한 강도를 확보할 수 있다. 본 출원에서, 중량평균 분자량, 수평균 분자량 및 다분산 지수는, 겔투과 크로마토그래피를 이용하여 측정된 것으로서, 표준 폴리메틸메타크릴레이트에 대한 환산 수치로 나타내어질 수 있다.In addition, the polyacrylonitrile may have a weight average molecular weight of 200,000 g / mol or more. Specifically, the polyacrylonitrile may be 220,000 g / mol or more, 240,000 g / mol or more, or 250,000 g / mol or more, 400,000 g / mol or less, 350,000 g / mol or less, 300,000 g / mol or less, or 260,000 or less than or equal to g / mol. Since the weight average molecular weight of a certain polymer contributes to the mechanical strength of the carbon fiber when the polymer is applied as a precursor to the carbon fiber manufacturing process, the carbon fiber made of polyacrylonitrile having the weight average molecular weight in the above range Sufficient strength can be secured. In the present application, the weight average molecular weight, the number average molecular weight, and the polydispersity index, as measured using gel permeation chromatography, may be expressed in terms of conversion to standard polymethylmethacrylate.
상기 폴리아크릴로니트릴의 다분산 지수, 중량평균 분자량 및 전환율의 범위 내에서, 상기 폴리아크릴로니트릴은 결함이 없고, 기계적 강도가 우수한 탄소 섬유의 전구체로 적용될 수 있다. 특히, 폴리아크릴로니트릴이 상기한 범위의 다분산 지수를 가지는 경우, 후술하는 탄소 섬유의 제조 공정, 구체적으로 탄소 섬유의 전구체를 제조하기 위한 방사 공정에 적합한 장점이 있다. 또한, 폴리아크릴로니트릴이 상기한 범위의 중량평균 분자량을 가지는 경우, 이로부터 제조된 탄소 섬유의 기계적 물성이 증대되어, 고강도의 탄소 섬유가 제조될 수 있다.Within the range of polydispersity index, weight average molecular weight and conversion rate of the polyacrylonitrile, the polyacrylonitrile can be applied as a precursor of carbon fiber having no defects and excellent mechanical strength. In particular, when the polyacrylonitrile has a polydispersity index in the above-described range, there is an advantage suitable for the manufacturing process of the carbon fiber described below, specifically, the spinning process for producing a precursor of the carbon fiber. In addition, when the polyacrylonitrile has a weight average molecular weight in the above range, the mechanical properties of the carbon fiber produced therefrom is increased, a high strength carbon fiber can be produced.
본 출원의 또 다른 실시 상태는, 상기 폴리아크릴로니트릴로 제조된 탄소 섬유를 제공한다. 즉, 상기 폴리아크릴로니트릴은 탄소 섬유의 전구체로 적용될 수 있다. 상기와 같이 본 출원의 폴리아크릴로니트릴이 높은 중량평균 분자량 및 좁은 분자량 분포 (다분산 지수)를 가지므로, 상기 탄소 섬유는 기계적 물성, 내화학성, 내열성 등의 우수한 물성을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 탄소 섬유는 다양한 분야에서 널리 적용될 수 있는 이점이 있다. Another embodiment of the present application provides a carbon fiber made of the polyacrylonitrile. That is, the polyacrylonitrile may be applied as a precursor of carbon fiber. As described above, since the polyacrylonitrile of the present application has a high weight average molecular weight and a narrow molecular weight distribution (polydispersity index), the carbon fiber may have excellent physical properties such as mechanical properties, chemical resistance, and heat resistance. Accordingly, the carbon fiber has an advantage that can be widely applied in various fields.
상기 탄소 섬유를 제조하기 위한 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 당업계에서 알려진 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소 섬유의 제조 방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유는 (1) 폴리아크릴로니트릴을 포함하는 폴리머 용액을 형성하고, (2) 상기 폴리머 용액을 습식 방사 또는 건식 방사에 의하여 방사시켜 탄소 섬유 전구체를 형성한 다음, (3) 탄소 섬유 전구체를 제1 온도 (예를 들어, 200 ℃ 내지 300 ℃)에서 산화한 다음, (4) 제1 온도보다 높은 제2 온도(예를 들어, 1000 ℃ 내지 1500 ℃)에서 탄화하는 과정을 통하여 제조될 수 있다. 추가적으로, 상기 공정에서 (5) 제2 온도보다 높은 제3 온도(예를 들어, 2000 ℃ 내지 3000 ℃)에서 흑연화하는 과정이 수행될 수도 있다. 또한, 필요에 따라, 공정성 편의를 위하여 표면 처리 등의 후처리 공정이 추가적으로 수행될 수도 있다.The method for producing the carbon fiber is not particularly limited, and a method for producing carbon fiber using polyacrylonitrile known in the art may be applied. For example, the carbon fibers may (1) form a polymer solution comprising polyacrylonitrile, (2) spin the polymer solution by wet spinning or dry spinning to form a carbon fiber precursor, and then (3) Oxidizing the carbon fiber precursor at a first temperature (eg, 200 ° C. to 300 ° C.), and then (4) carbonizing at a second temperature higher than the first temperature (eg, 1000 ° C. to 1500 ° C.). It can be prepared through. In addition, in the above process, the graphitization may be performed at a third temperature (for example, 2000 ° C. to 3000 ° C.) higher than the second temperature (5). In addition, a post-treatment process such as surface treatment may be additionally performed for convenience of processability.
본 출원에 따른 폴리아크릴로니트릴의 제조 방법은 높은 분자량과 낮은 다분산 지수를 가짐에 따라 탄소 섬유의 전구체로서 적합한 폴리아크릴로니트릴을 높은 전환율로 제조할 수 있다.The method for producing polyacrylonitrile according to the present application has high molecular weight and low polydispersity index, so that polyacrylonitrile suitable as a precursor of carbon fiber can be produced at high conversion rate.
이하 본 발명의 일 실시 상태에 따르는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples according to an exemplary embodiment of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
1. NMR 측정1. NMR measurement
아크릴로니트릴(AN)의 폴리아크릴로니트릴로의 전환율은 1H-NMR을 사용하여, 하기 조건에서 측정하였으며, 그 결과에 따라 하기 수학식 1로 산출하였다.The conversion of acrylonitrile (AN) to polyacrylonitrile was measured under the following conditions using 1 H-NMR, and was calculated by the following Equation 1 according to the result.
<측정 조건><Measurement conditions>
기기: NMR, Varian Unity Inova 500 MHzInstrument: NMR, Varian Unity Inova 500 MHz
용매: DMSO-d6 (dimethyl sulfoxide-d6)Solvent: DMSO-d6 (dimethyl sulfoxide-d6)
[수학식 1][Equation 1]
전환율(%) = 100 X A/(A+B)% Conversion = 100 X A / (A + B)
수학식 1에서, A는 1H-NMR 스펙트럼에서 중합체에 포함되어 있는 PAN으로부터 유래하는 피크 (약 3.15 ppm)의 면적이고, B는 중합되지 않은 AN으로부터 유래하는 피크 (약 6.0 ppm)의 면적이다.In Equation 1, A is the area of the peak (about 3.15 ppm) derived from PAN included in the polymer in the 1H-NMR spectrum, and B is the area of the peak (about 6.0 ppm) derived from unpolymerized AN.
2. 겔투과 크로마토그래피(GPC)2. Gel Permeation Chromatography (GPC)
폴리아크릴로니트릴의 중량평균 분자량 및 다분산 지수(PDI)는 겔투과 크로마토그래피를 이용하여 측정하였다. 2 mL 바이얼(vial)에 실시예 또는 비교예의 폴리아크릴로니트릴을 넣고, 약 4 mg/mL 정도의 농도가 되도록 LiBr이 0.05 M의 농도로 포함된 DMF (dimethylformamide)에 희석한다. 그 후, Calibration용 표준 시료와 분석하고자 하는 시료를 syringe filter (pore size: 0.45 ㎛)를 통해 여과시킨 후 측정하였다. 분석 프로그램은 Waters 사의 Empower2를 사용하였으며, 시료의 elution time을 calibration curve와 비교하여 중량평균분자량(Mw) 및 수평균분자량(Mn)을 각각 구하고, 그 비율(Mw/Mn)로 분자량분포(PDI)를 계산하였다. GPC의 측정 조건은 하기와 같다.The weight average molecular weight and polydispersity index (PDI) of polyacrylonitrile were measured using gel permeation chromatography. Polyacrylonitrile of Examples or Comparative Examples was added to a 2 mL vial, and diluted in DMF (dimethylformamide) containing LiBr at a concentration of 0.05 M to a concentration of about 4 mg / mL. Thereafter, the standard sample for calibration and the sample to be analyzed were filtered through a syringe filter (pore size: 0.45 μm) and measured. For analysis program, Empower2 of Waters was used, and the weight average molecular weight (Mw) and number average molecular weight (Mn) were obtained by comparing the elution time of the sample with the calibration curve, and the molecular weight distribution (PDI) as the ratio (Mw / Mn) Was calculated. The measurement conditions of GPC are as follows.
기기: Waters 사의 Alliance seriesInstrument: Alliance series by Waters
컬럼: PL mixed B 2개 사용Column: Use 2 PL mixed B
용매: 디메틸 포름아미드 (DMF), 0.05 M의 LiBr 포함Solvent: Dimethyl formamide (DMF) with 0.05 M LiBr
컬럼온도: 60 ℃Column temperature: 60 ℃
샘플 농도: 4 mg/mL, 100 μL 주입Sample concentration: 4 mg / mL, 100 μL injection
표준 시료: 폴리메틸 메타크릴레이트 (Mp: 1250000, 903000, 308000, 182000, 93300, 58700, 10000, 2580)Standard samples: polymethyl methacrylate (Mp: 1250000, 903000, 308000, 182000, 93300, 58700, 10000, 2580)
실시예 및 비교예에서 사용된 사슬 전달제 (RAFT 제제)의 구조는 하기와 같다.The structure of the chain transfer agent (RAFT agent) used in the examples and the comparative examples is as follows.
사슬 전달제 A - 비스(2-시아노-2-프로필) 1,10-데켄다일 비스(트리티오카보네이트)Chain transfer agent A-bis (2-cyano-2-propyl) 1,10-dekendyl bis (trithiocarbonate)
다음과 같은 순서로 사슬 전달제 A를 합성하였다:Chain transfer agent A was synthesized in the following order:
1) 상온 조건(약 25 ℃) 하에서, diethylether 용매에 1 당량의 1,10-데켄다이싸이올과 2.6 당량의 소듐하이드라이드 (NaH)를 반응시키고, 2.2 당량의 카본다이설파이드 (CS2)를 반응시켜, 염 형태의 결과물을 수득한다.1) Under normal temperature conditions (about 25 ° C.), 1 equivalent of 1,10-dekeneddithiol and 2.6 equivalents of sodium hydride (NaH) are reacted with a diethylether solvent to give 2.2 equivalents of carbon disulfide (CS 2 ). Reaction to give the result in the form of a salt.
2) 1)에서 수득된 결과물을, 상온 조건 하에서 diethylether 용매를 이용하여 결과물 대비 1.1 당량의 요오드와 반응시켜 그 결과물을 수득한다.2) The resultant obtained in 1) is reacted with 1.1 equivalents of iodine relative to the resultant using a diethylether solvent at room temperature to obtain the resultant.
3) 2)에서 수득된 결과물을 에틸아세테이트 용매를 이용하여 약 78 ℃의 온도 조건에서 과량의 아조비스부티로니트릴 (AIBN)과 반응시켜 시아노프로필기를 도입하여 사슬 전달제 A를 수득한다.3) The resultant obtained in 2) is reacted with an excess of azobisbutyronitrile (AIBN) at about 78 ° C. using ethyl acetate solvent to introduce cyanopropyl group to obtain chain transfer agent A.
사슬 전달제 B - 비스(도데실설파닐티오카보닐)다이설파이드Chain transfer agent B-bis (dodecylsulfanylthiocarbonyl) disulfide
사슬 전달제 B로는 Sigma-Aldrich 사의 제품번호 723126호를 사용하였다.As the chain transfer agent B, Sigma-Aldrich Co. No. 723126 was used.
사슬 전달제 C - 2,21-다이메틸-4,19-다이싸이옥소-3,5,18,20-테트라싸이아도코새인다이오익 액시드Chain transfer agent C-2,21-dimethyl-4,19-dithioxo-3,5,18,20-tetracyadocosaidiioic acid
다음과 같은 순서로 사슬 전달제 C를 합성하였다:Chain transfer agent C was synthesized in the following order:
1) 아세톤/물 혼합 용매에 1 당량의 1,12-dodecanedithiol 과 0.2 당량의 tetrapropylammonium bromide를 약하게 가열하며 혼합하고, 이 용액에 2 당량의 수산화나트륨을 반응시킨다.1) Mix 1 equivalent of 1,12-dodecanedithiol and 0.2 equivalent of tetrapropylammonium bromide with mild heating in an acetone / water mixed solvent and react with 2 equivalents of sodium hydroxide.
2) 냉각수 (얼음물)를 이용하여 용액의 온도를 감소시키고, 2 당량의 CS2를 첨가하여 반응 시킨다.2) Reduce the temperature of the solution with cooling water (ice water) and react by adding 2 equivalents of CS 2 .
3) 상온에서 2 당량의 2-bromo propanoic acid를 반응시켜 사슬 전달제 C를 수득한다.3) A chain transfer agent C is obtained by reacting 2 equivalents of 2-bromo propanoic acid at room temperature.
사슬 전달제 D - 2-시아노-2-프로필 도데실 트리티오카보네이트Chain transfer agent D-2-cyano-2-propyl dodecyl trithiocarbonate
사슬 전달제 D로는 Sigma-Aldrich 사의 제푸번호 723037호를 사용하였다.As chain transfer agent D, Zepu No. 723037 from Sigma-Aldrich was used.
[실시예 1] - 폴리아크릴로니트릴 (A1)의 합성Example 1 Synthesis of Polyacrylonitrile (A1)
아크릴로니트릴 단량체 및 이타콘산 단량체를 98.70:1.30의 몰비로 반응기에 넣고, 전체 용액 대비 약 80 중량%의 디메틸 설폭사이드 (DMSO) 용매를 첨가하였다. 이후 상기 혼합물에 사슬 전달제 A를 상기 단량체 총 몰수에 대하여 0.05 몰% 첨가하여 단량체 성분을 제조하였다. 상기 단량체 성분이 담긴 반응기를 질소로 퍼징한 후, 가열하여 약 67 ℃의 온도에서, 개시제로서 아조비스부티로니트릴 (AIBN)을 사슬 전달제 A의 몰 수 대비 0.5 몰 비로 첨가하였다. 이후, 교반기를 이용하여 약 67 ℃의 온도 및 20 시간 동안, 약 150 rpm으로 교반함으로써, 폴리아크릴로니트릴(A1)를 얻었다.Acrylonitrile monomer and itaconic acid monomer were placed in the reactor in a molar ratio of 98.70: 1.30, and about 80% by weight of dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent relative to the total solution was added. Thereafter, the chain transfer agent A was added to the mixture in an amount of 0.05 mol% based on the total number of moles of the monomer to prepare a monomer component. The reactor containing the monomer component was purged with nitrogen and then heated to add azobisbutyronitrile (AIBN) as an initiator at a molar ratio of 0.5 to the mole number of chain transfer agent A at a temperature of about 67 ° C. Thereafter, a polyacrylonitrile (A1) was obtained by stirring at a temperature of about 67 ° C. and about 150 rpm for 20 hours using a stirrer.
[실시예 2] - 폴리아크릴로니트릴 (A2)의 합성Example 2 Synthesis of Polyacrylonitrile (A2)
단량체 총 몰수에 대하여 0.0666 몰%의 사슬 전달제 A를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 폴리아크릴로니트릴(A2)를 얻었다.Polyacrylonitrile (A2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.0666 mol% of Chain Transfer A was applied to the total number of monomers.
[비교예 1] - 폴리아크릴로니트릴 (B)의 합성Comparative Example 1 Synthesis of Polyacrylonitrile (B)
단량체 총 몰수에 대하여 0.05 몰%의 사슬 전달제 D를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 폴리아크릴로니트릴(B)를 얻었다.Polyacrylonitrile (B) was obtained in the same manner as in Example 1, except that 0.05 mol% of the chain transfer agent D was applied based on the total number of monomers.
[비교예 2] - 폴리아크릴로니트릴 (C)의 합성Comparative Example 2-Synthesis of Polyacrylonitrile (C)
단량체 총 몰수에 대하여 0.0333 몰%의 사슬 전달제 D를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 폴리아크릴로니트릴(C)를 얻었다.Polyacrylonitrile (C) was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.0333 mol% of chain transfer agent D was applied based on the total number of monomers.
[비교예 3] - 폴리아크릴로니트릴 (D)의 합성Comparative Example 3-Synthesis of Polyacrylonitrile (D)
단량체 총 몰수에 대하여 0.02 몰%의 사슬 전달제 D를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 폴리아크릴로니트릴(D)를 얻었다.Polyacrylonitrile (D) was obtained in the same manner as in Example 1, except that 0.02 mol% of chain transfer agent D was applied based on the total number of monomers.
[비교예 4] - 폴리아크릴로니트릴 (E)의 합성Comparative Example 4-Synthesis of Polyacrylonitrile (E)
단량체 총 몰수에 대하여 0.05 몰%의 사슬 전달제 B를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 폴리아크릴로니트릴(E)를 얻었다.Polyacrylonitrile (E) was obtained in the same manner as in Example 1, except that 0.05 mol% of chain transfer agent B was applied to the total number of monomers.
[비교예 5] - 폴리아크릴로니트릴 (F)의 합성Comparative Example 5-Synthesis of Polyacrylonitrile (F)
단량체 총 몰수에 대하여 0.05 몰%의 사슬 전달제 C를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 폴리아크릴로니트릴(F)를 얻었다.Polyacrylonitrile (F) was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.05 mol% of the chain transfer agent C was applied to the total number of monomers.
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 폴리아크릴로니트릴의 물성 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The physical property evaluation results of the polyacrylonitrile prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 5 are shown in Table 1 below.
표 1에 따르면, 본 출원에 따른 조건으로 중합된 폴리아크릴로니트릴인 실시예 1 및 2에 따른 폴리아크릴로 니트릴(A1 및 A2)의 경우, 2 이하의 다분산 지수, 200 kg/mol 이상의 중량평균 분자량을 가지고, 70 % 이상의 높은 전환율로 제조되어, 향후 탄소 섬유 제조에 사용되는 경우, 적합한 폴리아크릴로니트릴임을 알 수 있다. 다만, 본 출원에 따른 조건을 충족하지 못하는 비교예 1 내지 5에 따른 폴리아크릴로니트릴 (B 내지 F)은 본 출원에서 목표로 하는 다분산 지수, 중량평균 분자량 및 전환율 조건 중 적어도 하나를 충족하지 못하는 것을 알 수 있다. According to Table 1, for the polyacrylonitrile (A1 and A2) according to Examples 1 and 2, which are polyacrylonitriles polymerized under the conditions according to the present application, a polydispersity index of 2 or less, weight of 200 kg / mol or more It can be seen that it is a suitable polyacrylonitrile, having an average molecular weight and made at a high conversion of at least 70%, and when used in the future production of carbon fibers. However, the polyacrylonitrile (B to F) according to Comparative Examples 1 to 5, which does not satisfy the conditions according to the present application, does not meet at least one of the polydispersity index, weight average molecular weight, and conversion rate conditions targeted by the present application. I can see that I can not.
Claims (14)
[화학식 1]
화학식 1에서, A는 산소 원자, 황 원자, -S(=O)2-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기, -C(=O)-X1-, 또는 -X1-C(=O)-이며, 상기에서 X1은 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 또는 아릴렌기이고, Z1 및 Z2는 각각 독립적으로, 시아노알킬기이다.A method for producing a polyacrylonitrile comprising the step of polymerizing a monomer component comprising acrylonitrile in the presence of a compound represented by the formula (1):
[Formula 1]
In formula (1), A is an oxygen atom, a sulfur atom, -S (= O) 2- , an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, -C (= O) -X 1- , or -X 1 -C (= O)-, wherein X 1 is a single bond, oxygen atom, sulfur atom, alkylene group, alkenylene group, alkynylene group, or arylene group, Z 1 and Z 2 are each independently, It is a noalkyl group.
[화학식 2]
화학식 2에서, A는 하기 화학식 3의 단위이고, X는 시아노알킬기이며, Z는 하기 화학식 4로 표시되는 단위이고, B는 아크릴로니트릴에 대한 공단량체의 단위이며, a, b, c, d, e, f, g, h, i 및 j는 각각 독립적으로, 0 또는 양수이되, b+d+g+i는 양수이고, (a+b+c+d+e+f+g+h+i+j)를 1로 환산한 경우 b+d+g+i는 0.8 이상의 수이다:
[화학식 3]
[화학식 4]
화학식 4에서, Y는 산소 원자, 황 원자, -S(=O)2-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기, -C(=O)-X1-, 또는 -X1-C(=O)-이며, 상기에서 X1은 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, 알킬렌기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 또는 아릴렌기이고, *는 화학식 2의 A 및 B 중 적어도 하나와 결합하는 부위이다.Polyacrylonitrile represented by the following formula (2):
[Formula 2]
In formula (2), A is a unit of formula (3), X is a cyanoalkyl group, Z is a unit represented by formula (4), B is a unit of comonomer to acrylonitrile, a, b, c, d, e, f, g, h, i and j are each independently 0 or positive, b + d + g + i is positive and (a + b + c + d + e + f + g + h When + i + j) is converted to 1, b + d + g + i is a number greater than or equal to 0.8:
[Formula 3]
[Formula 4]
In formula (4), Y represents an oxygen atom, a sulfur atom, -S (= O) 2- , an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, -C (= O) -X 1- , or -X 1 -C (= O)-, wherein X 1 is a single bond, oxygen atom, sulfur atom, alkylene group, alkenylene group, alkynylene group, or arylene group, and * is at least one of A and B of formula (2) It is a site that binds with.
Carbon fiber made of the polyacrylonitrile of claim 11.
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