KR20200090622A

KR20200090622A - 폴리에틸렌 및 이의 염소화 폴리에틸렌

Info

Publication number: KR20200090622A
Application number: KR1020200005492A
Authority: KR
Inventors: 김선미; 이시정; 홍복기; 최이영; 홍대식; 정철환; 이진석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-07-29

Abstract

본 발명에 따른 폴리에틸렌은, 분자 구조내 높은 중고분자 영역을 구현하여, 이를 클로린과 반응시켜 염화 가공 시 탈산, 탈수 및 건조 공정을 용이하게 하고, 염화 온도 상향을 가능하게 함으로써 염화 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

폴리에틸렌 및 이의 염소화 폴리에틸렌 {POLYETHYLENE AND ITS CHLORINATED POLYETHYLENE}

본 발명은 분자 구조내 높은 중고분자 영역을 구현하여, 염화 가공 시 탈산, 탈수 및 건조 공정을 용이하게 하고, 염화 온도 상향을 가능하게 함으로써 염화 생산성을 높일 수 있는 폴리에틸렌 및 이의 염소화 폴리에틸렌에 관한 것이다.

폴리에틸렌과 클로린을 반응시켜 제조되는 염소화 폴리에틸렌(CPE, Chlorinated Polyethylene)은, 폴리에틸렌에 비하여 물리적 및 기계적 특성이 보다 개선되는 것으로 알려져 있으며, 특히 가혹한 외부 환경에서도 견딜 수 있기 때문에, 각종 용기, 섬유, 파이프 등 패킹 재료와 전열 재료로 사용된다.

염소화 폴리에틸렌은 일반적으로 폴리에틸렌을 현탁액 상태로 만든 다음 클로린과 반응시켜 제조하거나, 폴리에틸렌을 HCl 수용액에 넣고 클로린과 반응시켜 폴리에틸렌의 수소를 염소로 치환하여 제조한다. 이렇게 폴리에틸렌을 염소화(chlorination)하는 과정을 통해 CPE는 고무와 같은 성질을 띠게 된다.

염소화 폴리에틸렌의 특성을 충분히 발현하기 위해서는 폴리에틸렌에 균일하게 염소가 치환되어야 하는데, 이는 클로린과 반응하는 폴리에틸렌의 특성에 영향을 받는다. 특히, CPE(Chlorinated Polyethylene) 등의 염소화 폴리에틸렌은 무기물 첨가제 및 가교제와 컴파운딩을 통해 전선 및 케이블 등의 용도로 많이 사용되는데, 염소화 폴리에틸렌의 물성에 따라 컴파운드의 강도 등이 달라진다.

또한, 염소화 폴리에틸렌은 일반적으로 폴리에틸렌을 현탁액 상태에서 클로린과 반응시켜 제조하거나, 폴리에틸렌을 HCl 수용액에서 클로린과 반응시켜 제조할 수 있다. 구체적으로, CPE 생산시 염화, 탈산, 탈수, 건조의 과정을 거치게 되는데, 폴리에틸렌의 결정 구조가 안정적으로 유지되지 못할 경우 고온의 염화 반응을 거치면서 결정 구조가 무너지고 폴리에틸렌 입자의 공극(pore)이 막힐 수 있다. 탈산 이후 과정에서는 폴리에틸렌 입자 내 잔류 HCl을 제거하기 위해 물을 이용한 세척이 필요한데 공극(pore)이 막혀있을 경우 탈산 시간 지연에 따른 전체 생산 시간이 지연되어 염화 생산성이 저하된다. 특히, 염화 공정 내에서 승온에 따라 폴리에틸렌 사슬이 용융 되는 현상이 심해질 수록 입자들이 서로 녹아 붙어 한 덩어리가 되는 블록킹(blocking)이 발생하고, 스웰링(swelling)되면서 내부에 물이 갇혀 염화 후 건조시간이 오래 걸리게 된다. 이러한 현상에 의해 CPE 업체의 CPE의 생산성은 염화 단계에서 수세 및 건조 시간과 효율이 좋을수록 우수한 것으로 알려져 있다.

이에 따라, 전선 및 케이블 등의 용도로 컴파운딩시 우수한 강도 및 압출시 가공성 향상을 위하여 염소화 폴리에틸렌의 최적화된 물성 확보가 필요하고, 이와 함께 염소화 공정에서 생산성 향상을 위하여 중고분자 영역이 많은 분자 구조를 가지는 폴리에틸렌을 제조할 수 있는 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

본 발명은 분자 구조내 높은 중고분자 영역을 구현하여, 우수한 강도 및 압출시 가공성을 향상시킨 염소화 폴리에틸렌을 제조할 수 있는, 폴리에틸렌 및 이의 염소화 폴리에틸렌을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 상기 폴리에틸렌을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

발명의 일 구현예에 따르면, 용융 지수 MI₅(190 ℃, 5 kg 하중에서 측정)가 0.7 g/10min 내지 1.0 g/10min이고, 밀도(Density)가 0.953 g/cm³ 이상이고, 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)가 43000 Paㆍs 이상이고, 주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω500), complex viscosity)가 550 Paㆍs 내지 850 Paㆍs인 폴리에틸렌이 제공된다.

또한, 본 발명은 상기 폴리에틸렌을 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 폴리에틸렌과 클로린을 반응시켜 제조되는 염소화 폴리에틸렌을 제공한다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌은, 분자 구조내 높은 중고분자 영역을 구현하여, 이를 클로린과 반응시켜 염소화 생산성 및 열안정성이 우수한 염소화 폴리에틸렌을 제조할 수 있다.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

또한, 본 명세서에서 "중량부 (part by weight)"란 어떤 물질의 중량을 기준으로 나머지 물질의 중량을 비로 나타낸 상대적인 개념을 의미한다. 예를 들어, A 물질의 중량이 50 g이고, B 물질의 중량이 20 g이고, C 물질의 중량이 30 g으로 포함된 혼합물에서, A 물질 100 중량부 기준 B 물질 및 C 물질의 양은 각각 40 중량부 및 60 중량부인 것이다.

또한, "중량% (% by weight)" 란 전체의 중량 중 어떤 물질의 중량의 중량을 백분율로 나타낸 절대적인 개념을 의미한다. 상기 예로 든 혼합물에서, 혼합물 전체 중량 100 % 중 A 물질, B 물질, 및 C 물질의 함량은 각각 50 중량%, 20 중량%, 30 중량%인 것이다. 이 때, 각 성분 함량의 총합은 100 중량%를 초과하지 않는다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

발명의 일 구현예에 따르면, 중고분자 영역이 높은 분자 구조를 구현하여, 우수한 강도와 함께 압출시 가공성을 향상시킨 염소화 폴리에틸렌을 제조할 수 있는 폴리에틸렌이 제공된다.

상기 폴리에틸렌은, 용융 지수 MI₅(190 ℃, 5 kg 하중에서 측정)가 0.7 g/10min 내지 1.0 g/10min이고, 밀도(Density)가 0.953 g/cm³ 이상이고, 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)가 43000 Paㆍs 이상이고, 주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω500), complex viscosity)가 550 Paㆍs 내지 850 Paㆍs인 것을 특징으로 한다.

일반적으로 염소화 폴리에틸렌은, 폴리에틸렌과 클로린을 반응시켜 제조되는 것으로, 폴리에틸렌의 수소 일부가 염소로 치환된 것을 의미한다. 폴리에틸렌의 수소가 염소로 치환되면, 수소와 염소의 원자 체적이 다르기 때문에 폴리에틸렌의 특성이 변하게 되는데, 예를 들어, 염소화 생산성 및 열안정성이 보다 증가하게 된다. 특히, 염소화 폴리에틸렌 입자의 전체 크기가 작고 균일할수록 염소가 폴리에틸렌 입자의 중심까지 침투하기 쉽기 때문에 입자 내 염소 치환도가 균일하여 우수한 물성을 나타낼 수 있으며, 이를 위하여 본 발명에 따른 폴리에틸렌은 분자 구조내 중고분자 영역이 높아 우수한 강도와 함께 압출시 가공성을 향상시킨 염소화 폴리에틸렌을 제공할 수 있다.

본 발명의 폴리에틸렌은 분자 구조내 중고분자 영역이 높아, 용융 지수 MI₅(190 ℃, 5 kg 하중에서 측정)와 밀도를 최적화함과 동시에, 저주파 영역에서 복소 점도는 최대화하고, 고주파 영역에서 복소 점도는 최적 범위를 유지하는 것이 특징이다. 이로써, 폴리에틸렌의 중고분자 함량이 증가하며 염소화 생산성 및 열안정성, 기계적 물성이 모두 우수한 염소화 폴리에틸렌을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌은, 별도의 공중합체를 포함하지 않는 에틸렌 호모 중합체일 수 있다.

상기 폴리에틸렌은, 상술한 바와 같이 ASTM D 1238의 방법으로 온도 190 ℃ 및 하중 5 kg의 조건 하에서 측정된 용융 지수 MI₅가 약 0.7 g/10min 내지 1.0 g/10min이어야 하고, 혹은 약 0.75 g/10min 내지 1.0 g/10min, 또는 약 0.79 g/10min 내지 0.99 g/10min일 수 있다. 상기 용융 지수 MI₅은 낮을수록 점도가 높아져 염소화 폴리에틸렌 제조시 무늬 점도 등의 물성이 최적 범위를 벗어나게 되고, 그럴 경우 전선 및 케이블 등으로 제품 가공시 압출 공정에서 가공 부하가 많이 걸리며, 무기물 분산이 잘 안되는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 상기 용융 지수 MI₅은 제품 가공시 압출 가공 부하를 줄이고 우수한 외관 물성 확보 측면에서 약 0.7 g/10min 이상이 되어야 한다. 또한, 상기 용융 지수 MI₅은 너무 높을 경우에 저분자 함량이 많아져 염화 공정 시 저분자가 고온에서 녹아 덩어리가 형성되는 등 입자의 형태 변화가 많아져 열안정성이 떨어지게 된다. 이에, 상기 용융 지수 MI₅은 우수한 열안정성을 구현하는 측면에서 약 1.0 g/10min 이하가 되어야 한다.

또한, 상기 폴리에틸렌은, 밀도가 약 0.953 g/cm³ 이상이어야 한다. 하고, 구체적으로, 상기 폴리에틸렌의 밀도는 약 0.953 g/cm³ 이상 또는 약 0.953 g/cm³ 내지 약 0.960 g/cm³, 혹은 약 0.954 g/cm³ 이상 또는 약 0.954 g/cm³ 내지 약 0.9568 g/cm³일 수 있다. 이는 폴리에틸렌의 결정 구조의 함량이 높고 치밀하다는 것을 의미하며, 이는 염소화 공정 중 결정 구조의 변화가 일어나기 어려운 특징을 갖는다. 특히, 상기 폴리에틸렌의 밀도가 약 0.953 g/cm³ 미만인 경우, 입자의 결정성을 떨어뜨려 열안정성을 떨어지게 만들며 염화 공정시 입자의 형태 변화가 많아져 덩어리가 형성되는 등 염화 생산성이 떨어질 수 있다.

특히, 상기 폴리에틸렌은, 후술되는 바와 같이 특정의 메탈로센 촉매와 수소 투입량을 최적화하여 제조함으로써, 상기 용융지수 및 밀도와 함께 특정의 주파수에 따른 복소 점도를 최적화하여, 분자 구조내 중고분자 영역이 많게 하여 염화 가공 시 탈산, 탈수 및 건조 공정을 용이하게 하고, 염화 온도 상향을 가능하게 함으로써 염화 생산성을 높일 수 있으며, 이로써 최종 제품인 CPE 컴파운드(Compound)의 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 폴리에틸렌은, 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)가 약 43000 Paㆍs 이상 또는 약 43000 Paㆍs 내지 약 110000 Paㆍs으로 높게 나타난다. 구체적으로, 상기 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)는 약 43000 Paㆍs 이상 또는 약 43000 Paㆍs 내지 약 65000 Paㆍs, 혹은 약 45000 Paㆍs 이상 또는 약 45000 Paㆍs 내지 약 60000 Paㆍs일 수 있다. 또한, 주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω500), complex viscosity)가 550 Paㆍs 내지 850 Paㆍs으로 최적 범위를 나타낸다. 구체적으로, 주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω500), complex viscosity)는 약 580 Paㆍs 내지 약 800 Paㆍs, 혹은 약 600 Paㆍs 내지 약 750 Paㆍs일 수 있다. 여기서, 상기 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)은 폴리에틸렌의 염화 생산성을 향상시키는 측면에서 약 43000 Paㆍs 이상이어야 한다. 또한, 상기 주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω500), complex viscosity)는 폴리에틸렌이 염소화 공정 후 컴파운드 제품 가공을 위한 압출시 가공 부하가 적절히 유지되도록 하는 측면에서 상술한 바와 같은 범위가 유지되어야 한다.

일반적으로, 완전한 탄성의 물질은 탄성 전단 응력(elastic shear stress)에 비례하여 변형이 발생하며, 이를 후크의 법칙이라고 한다. 또한, 순수한 점섬의 액체의 경우 점성 전단 응력(viscous shear stress)에 비례하여 변형이 발생하며, 이를 뉴튼 법칙이라고 한다. 완전한 탄성의 물질은 탄성 에너지가 축적되어 탄성 전단 응력이 제거되면 변형이 다시 회복될 수 있고, 완전한 점성의 물질은 에너지가 변형으로 모두 소멸되기 때문에, 점성 전단 응력이 제거되더라도 변형이 회복되지 않는다. 또한, 물질 자체의 점성이 변하지 않는다.

그러나, 고분자는 용융 상태에서 완전한 탄성의 물질과 점성의 액체의 중간 정도의 성질을 가지는데, 이를 점탄성(viscoelasticity)이라고 한다. 즉, 고분자는 용융 상태에서 전단 응력을 받으면 변형이 전단 응력에 비례하지 않으며, 또한 전단 응력에 따라 점성이 변하는 특성이 있으며, 이를 비뉴튼 유체라고도 한다. 이러한 특성은, 고분자가 거대한 분자 크기와 복잡한 분자간 구조를 가져 전단 응력에 따른 변형의 복잡성에 기인한다.

특히, 고분자를 이용하여 성형품을 제조할 경우에, 비뉴튼 유체가 가지는 특성 중에서도 전단 유동화 현상(shear thinning)이 중요하게 고려된다. 전단 유동화 현상이란, 전단 속도(shear rate)가 증가함에 따라 고분자의 점성이 감소하는 현상을 의미하는데, 이러한 전단 유동화 특성에 따라 고분자의 성형 방법이 결정된다. 특히, 본 발명과 같이 대구경 파이프나 복합관과 같이 큰 성형품이나 높은 속도의 고분자 압출이 필요한 성형품 제조시, 상당한 압력이 용융 고분자에 가해져야 하므로 전단 유동화 특성을 나타내지 않는다면 이러한 성형품의 제조가 어려운바, 전단 유동화 특성이 중요하게 고려된다.

이에 본 발명에서는 주파수(frequency, ω[rad/s])에 따른 복소 점도(complex viscosity, η*[Pa.s])를 통하여 전단 유동화 특성을 측정한다. 특히, 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s 및 500 rad/s에서 복소 점도를 최적화하여 염화 생산성이 우수하고 컴파운드의 물성이 우수한 특성을 구현할 수 있다. 이와 함께, 주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 복소 점도를 통해 염소화 폴리에틸렌의 무늬점도(MV) 등의 물성 범위를 예측할 수 있다.

특히, 본 발명에 따라 용융지수와 밀도, 및 특정의 주파수에 따른 복소 점도에 의해서 최적화된 분자구조로 만들어진 폴리에틸렌은, 고온으로 승온시키는 염화 가공 시 고온에 의한 입자 변화를 최소화할 수 있어, 열안정성을 향상시키며 뭉치고 덩어리지는 현상 방지할 수 있고, 입자 변화가 최소화되면서 염소의 분포도 고르게 치환되어 이로써 컴파운드의 인장강도를 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 폴리에틸렌은, 전술한 바와 같이 용융 지수 MI₅를 최적화함과 동시에, 용융 흐름 지수(MFRR_21.6/5, ASTM D 1238의 방법으로 190 ℃, 21.6 kg 하중에서 측정한 용융 지수를 190 ℃, 5 kg 하중에서 측정한 용융 지수로 나눈 값)를 최적화하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 폴리에틸렌의 용융 흐름 지수(MFRR_21.6/5, ASTM D 1238의 방법으로 190 ℃, 21.6 kg 하중에서 측정한 용융 지수를 190 ℃, 5 kg 하중에서 측정한 용융 지수로 나눈 값)는 약 16 내지 약 25일 수 있다. 구체적으로, 상기 용융 흐름 지수는 약 17 내지 약 23 또는 약 18 내지 약 22일 수 있다. 상기 용융 흐름 지수는 압출 시 가공성 측면에서 약 16 이상일 수 있고, CPE의 MV(Mooney viscosity)를 증가시켜 우수한 기계적 물성을 확보하는 측면에서 약 25 이하일 수 있다.

상기 폴리에틸렌은, 중량 평균 분자량이 약 150000 g/mol 내지 약 200000 g/mol 이며, 혹은 약 153000 g/mol 내지 약 190000 g/mol, 혹은 약 155000 g/mol 내지 약 185000 g/mol일 수 있다. 이는 폴리에틸렌의 분자량이 높고 고분자량 성분의 함량이 높다는 것을 의미하며, 이는 후술할 연결 분자의 함량을 증가시키는 효과를 유발한다.

또한, 상기 폴리에틸렌의 분자량 분포는 약 5.5 내지 약 10, 혹은 약 6 내지 약 9, 혹은 약 6.5 내지 약 8일 수 있다. 이는 폴리에틸렌의 분자량 분포가 좁다는 것을 의미한다. 분자량 분포가 넓으면 폴리에틸렌 간의 분자량 차이가 크기 때문에, 염소화 반응 후 폴리에틸렌 간의 염소 함유량이 달라질 수 있어 염소의 균일한 분포가 어렵다. 또한, 저분자량 성분이 용융되면 유동성이 높기 때문에 폴리에틸렌 입자의 기공을 막아 염소화 생산성을 저하시킬 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기와 같은 분자량 분포를 가지기 때문에, 염소화 반응 후 폴리에틸렌 간의 분자량 차이가 크지 않아 염소가 균일하게 치환될 수 있다.

일 예로, 상기 분자량 분포(MWD, polydispersity index)는 겔 투과 크로마토그래피(GPC, gel permeation chromatography, Water사 제조)를 이용하여 폴리에틸렌의 중량평균 분자량(Mw)과 수평균 분자량(Mn)을 측정하고, 중량평균 분자량을 수평균 분자량으로 나누어 산측할 수 있다.

구체적으로, 겔투과 크로마토그래피(GPC) 장치로는 Waters PL-GPC220 기기를 이용하고, Polymer Laboratories PLgel MIX-B 300 mm 길이 칼럼을 사용할 수 있다. 이때 측정 온도는 섭씨 온도(Celsius temperature) 160 ℃이며, 1,2,4-트리클로로벤젠(1,2,4-Trichlorobenzene)을 용매로서 사용할 수 있으며, 유속은 1 mL/min로 적용할 수 있다. 상기 폴리에틸렌 시료는 각각 GPC 분석 기기 (PL-GP220)을 이용하여 BHT 0.0125% 포함된 트리클로로벤젠(1,2,4-Trichlorobenzene)에서 160 ℃, 10시간 동안 녹여 전처리하고, 10 mg/10mL의 농도로 조제한 다음, 200 μL의 양으로 공급할 수 있다. 폴리스티렌 표준 시편을 이용하여 형성된 검정 곡선을 이용하여 Mw 및 Mn의 값을 유도할 수 있다. 폴리스티렌 표준 시편의 중량평균 분자량은 2000 g/mol, 10000 g/mol, 30000 g/mol, 70000 g/mol, 200000 g/mol, 700000 g/mol, 2000000 g/mol, 4000000 g/mol, 10000000 g/mol의 9종을 사용할 수 있다.

한편, 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상술한 바와 같은 폴리에틸렌을 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌의 제조 방법은, 하기 화학식 1로 표시되는 제1 메탈로센 화합물 1종 이상; 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 제2 메탈로센 화합물 1종 이상의 존재 하에, 수소 기체를 50 내지 125 ppm으로 투입하며, 에틸렌을 중합하는 단계를 포함할 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

R₁ 내지 R₈ 중 어느 하나 이상은 -(CH₂)_n-OR이고, 여기서, R은 C_1-6의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고, n은 2 내지 6의 정수이고,

R₁ 내지 R₈ 중 나머지는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬로 이루어진 군에서 선택된 작용기이거나, 또는 서로 인접하는 2개 이상이 서로 연결되어 C_1-10의 하이드로카빌기로 치환 또는 비치환된 C_6-20의 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고,

Q₁ 및 Q₂는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_2-20 알콕시알킬, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬이고;

A₁은 탄소(C), 실리콘(Si), 또는 게르마늄(Ge)이고;

M₁은 4족 전이금속이며;

X₁ 및 X₂는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_6-20 아릴, 니트로기, 아미도기, C_1-20 알킬실릴, C_1-20 알콕시, 또는 C_1-20 설포네이트기이고;

m은 0 또는 1의 정수이고,

[화학식 2]

상기 화학식 2에서,

Q₃ 및 Q₄는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_2-20 알콕시알킬, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬이고;

A₂는 탄소(C), 실리콘(Si), 또는 게르마늄(Ge)이고;

M₂는 4족 전이금속이며;

X₃ 및 X₄는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_6-20 아릴, 니트로기, 아미도기, C_1-20 알킬실릴, C_1-20 알콕시, 또는 C_1-20 설포네이트기이고;

C₁및C₂는 중 하나는 하기 화학식 3a 또는 화학식 3b로 표시되고, C₁및C₂는 중 나머지 하나는 하기 화학식 3c, 화학식 3d, 또는 화학식 3e로 표시되며;

[화학식 3a]

[화학식 3b]

[화학식 3c]

[화학식 3d]

[화학식 3e]

상기 화학식 3a, 3b, 3c, 3d 및 3e에서, R₉ 내지 R₃₉ 및 R_17' 내지 R_21'은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_1-20 할로알킬, C_2-20 알케닐, C_1-20 알킬실릴, C_1-20 실릴알킬, C_1-20 알콕시실릴, C_1-20 알콕시, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬이며, 단, R₁₇ 내지 R₂₁ 및 R_17' 내지 R_21' 중 하나 이상은 C_1-20 할로알킬이고,

R₂₂ 내지 R₃₉ 중 서로 인접하는 2개 이상이 서로 연결되어 C_1-10 의 하이드로카빌기로 치환 또는 비치환된 C_6-20의 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있으며;

*는 A₂ 및 M₂와 결합하는 부위를 나타낸 것이다.

본 명세서에서 특별한 제한이 없는 한 다음 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.

할로겐(halogen)은 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 또는 요오드(I)일 수 있다.

하이드로카빌기는 하이드로카본으로부터 수소 원자를 제거한 형태의 1가 작용기로서, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 아르알킬기, 아르알케닐기, 아르알키닐기, 알킬아릴기, 알케닐아릴기 및 알키닐아릴기 등을 포함할 수 있다. 그리고, 탄소수 1 내지 30의 하이드로카빌기는 탄소수 1 내지 20 또는 탄소수 1 내지 10의 하이드로카빌기일 수 있다. 일예로, 하이드로카빌기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알킬일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 30의 하이드로카빌기는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, 사이클로헥실기 등의 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알킬기; 또는 페닐, 비페닐, 나프틸, 안트라세닐, 페난트레닐, 또는 플루오레닐 등의 아릴기일 수 있다. 또한, 메틸페닐, 에틸페닐, 메틸비페닐, 메틸나프틸 등의 알킬아릴일 수 있으며, 페닐메틸, 페닐에틸, 비페닐메틸, 나프틸메틸 등의 아릴알킬일 수도 있다. 또한, 알릴, 알릴, 에테닐, 프로페닐, 부테닐, 펜테닐 등의 알케닐일 수 있다.

또한, 탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 알킬은 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알킬일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 1 내지 20의 알킬은 탄소수 1 내지 20의 직쇄 알킬; 탄소수 1 내지 15의 직쇄 알킬; 탄소수 1 내지 5의 직쇄 알킬; 탄소수 3 내지 20의 분지쇄 또는 고리형 알킬; 탄소수 3 내지 15의 분지쇄 또는 고리형 알킬; 또는 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 또는 고리형 알킬일 수 있다. 일예로, 상기 탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 알킬은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, n-부틸, tert-부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 2 내지 20(C_2-20)의 알케닐로는 직쇄 또는 분지쇄의 알케닐을 포함하고, 구체적으로 알릴, 알릴, 에테닐, 프로페닐, 부테닐, 펜테닐 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 알콕시로는 메톡시기, 에톡시, 이소프로폭시, n-부톡시, tert-부톡시, 시클로헥실옥시기 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 2 내지 20(C_2-20)의 알콕시알킬기는 상술한 알킬의 1개 이상의 수소가 알콕시로 치환된 작용기이며, 구체적으로 메톡시메틸, 메톡시에틸, 에톡시메틸, iso-프로폭시메틸, iso-프로폭시에틸, iso-프로폭시프로필, iso-프로폭시헥실, tert-부톡시메틸, tert-부톡시에틸, tert-부톡시프로필, tert-부톡시헥실 등의 알콕시알킬을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 6 내지 40(C_6-40)의 아릴옥시로는 페녹시, 비페녹실, 나프톡시 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 7 내지 40(C_7-40)의 아릴옥시알킬기는 상술한 알킬의 1개 이상의 수소가 아릴옥시로 치환된 작용기이며, 구체적으로 페녹시메틸, 페녹시에틸, 페녹시헥실 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 알킬실릴 또는 탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 알콕시실릴기는 -SiH₃의 1 내지 3개의 수소가 1 내지 3개의 상술한 바와 같은 알킬 또는 알콕시로 치환된 작용기이며, 구체적으로 메틸실릴, 디메틸실릴, 트라이메틸실릴, 디메틸에틸실릴, 디에틸메틸실릴기 또는 디메틸프로필실릴 등의 알킬실릴; 메톡시실릴, 디메톡시실릴, 트라이메톡시실릴 또는 디메톡시에톡시실릴 등의 알콕시실릴; 메톡시디메틸실릴, 디에톡시메틸실릴 또는 디메톡시프로필실릴 등의 알콕시알킬실릴을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 실릴알킬은 상술한 바와 같은 알킬의 1 이상의 수소가 실릴로 치환된 작용기이며, 구체적으로 -CH₂-SiH₃, 메틸실릴메틸 또는 디메틸에톡시실릴프로필 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

또한, 탄소수 1 내지 20(C_1-20)의 알킬렌으로는 2가 치환기라는 것을 제외하고는 상술한 알킬과 동일한 것으로, 구체적으로 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 펜틸렌, 헥실렌, 헵틸렌, 옥틸렌, 시클로프로필렌, 시클로부틸렌, 시클로펜틸렌, 시클로헥실렌, 시클로헵틸렌, 시클로옥틸렌 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 6 내지 20(C_6-20)의 아릴은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트라이사이클릭 방향족 탄화수소일 수 있다. 일예로, 상기 탄소수 6 내지 20(C_6-20)의 아릴은 페닐, 비페닐, 나프틸, 안트라세닐, 페난트레닐, 플루오레닐 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

탄소수 7 내지 20(C_7-20)의 알킬아릴은 방향족 고리의 수소 중 하나 이상의 수소가 상술한 알킬에 의하여 치환된 치환기를 의미할 수 있다. 일예로, 상기 탄소수 7 내지 20(C_7-20)의 알킬아릴은 메틸페닐, 에틸페닐, 메틸비페닐, 메틸나프틸 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다

상기 탄소수 7 내지 20(C_7-20)의 아릴알킬은 상술한 알킬의 1 이상의 수소가 상술한 아릴에 의하여 치환된 치환기를 의미할 수 있다. 일예로, 상기 탄소수 7 내지 20(C_7-20)의 아릴알킬은 페닐메틸, 페닐에틸, 비페닐메틸, 나프틸메틸 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

또한, 탄소수 6 내지 20(C_6-20)의 아릴렌은 2가 치환기라는 것을 제외하고는 상술한 아릴과 동일한 것으로, 구체적으로 페닐렌, 비페닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 페난트레닐렌, 플루오레닐렌 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

그리고, 4족 전이 금속은, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 또는 러더포듐(Rf)일 수 있으며, 구체적으로 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 또는 하프늄(Hf) 일 수 있으며, 보다 구체적으로 지르코늄(Zr), 또는 하프늄(Hf)일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다.

또한, 13족 원소는, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 또는 탈륨(Tl)일 수 있으며, 구체적으로 붕소(B), 또는 알루미늄(Al)일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 제1 메탈로센 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-4 중 어느 하나로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 1-1]

[화학식 1-2]

[화학식 1-3]

[화학식 1-4]

상기 화학식 1-1 내지 1-4에서, Q₁, Q₂, A₁, M₁, X₁, X₂, 및 R₁ 내지 R₈은 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같고, R' 및 R''는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로, C_1-10의 하이드로카빌기이다.

구체적으로, 상기 Q₁ 및 Q₂는 각각 C_1-3 알킬일 수 있으며, 바람직하게는 메틸일 수 있다.

구체적으로, 상기 X₁ 및 X₂는 각각 할로겐일 수 있고, 바람직하게는 클로로일 수 있다.

구체적으로, 상기 A₁은 실리콘(Si)일 수 있다.

구체적으로, 상기 M₁은 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)일 수 있다.

구체적으로, 상기 R₁ 내지 R₈는 각각 수소, 또는 C_1-20 알킬, 또는 C_1-10 알킬, 또는 C_1-6 알킬, 또는 C_1-6 알콕시가 치환된 C_2-6 알킬, 또는 C_1-4 알콕시가 치환된 C_4-6 알킬일 수 있다. 혹은, 상기 R₃₂ 내지 R₃₉ 중 서로 인접하는 2개 이상이 서로 연결되어 C_1-3로 치환된 C_6-20의 지방족 또는 방향족 고리를 형성하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 R₃ 및 R₆은 각각 C_1-6 알킬, 또는 C_1-6 알콕시가 치환된 C_2-6 알킬이거나, 또는 각각 C_4-6 알킬, 또는 C_1-4 알콕시가 치환된 C_4-6 알킬일 수 있다. 일예로, 상기 R₃ 및 R₆은 n-부틸, n-펜틸, n-헥실, tert-부톡시 부틸, 또는 tert-부톡시 헥실일 수 있다.

그리고, R₁, R₂, R₄, R₅, R₇, 및 R₈는 수소일 수 있다.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물로는 예를 들어 하기 구조식들 중 하나로 표시되는 화합물일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 구조식들로 표시되는 제1 메탈로센 화합물은 공지의 반응들을 응용하여 합성될 수 있으며, 보다 상세한 합성 방법은 실시예를 참고할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌의 제조 방법은, 상술한 바와 같은 화학식 1, 또는 화학식 1-1, 1-2, 1-3, 1-4로 표시되는 제1 메탈로센 화합물 1종 이상을, 후술되는 제2 메탈로센 화합물 1종 이상과 함께 사용함으로써, 폴리에틸렌의 용융지수 및 밀도를 최적화함과 동시에 저주파 영역에서 복소 점도는 최대화하고, 고주파 영역에서 복소 점도는 최적 범위를 유지하여 후술되는 CPE 공정에서 높은 생산성과 압출시 우수한 가공성을 확보할 수 있다.

특히, 본 발명에서 상기 화학식 2로 표시되는 제2 메탈로센 화합물은, 폴리에틸렌 분자 구조 내 중고분자 영역이 많게 하여 분자 엉킴을 증가시켜 열에 대한 안정성을 향상시키는 특징이 있다.

한편, 상기 제2 메탈로센 화합물은 하기 화학식 2-1로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 2-1]

상기 화학식 2-1에서, Q₃, Q₄, A₂, M₂, X₃, X₄, R₁₁, 및 R₁₇ 내지 R₂₉는 상기 화학식 2 에서 정의한 바와 같다.

구체적으로, 상기 Q₃ 및 Q₄는 각각 C_1-3 알킬, 또는 C_2-12 알콕시알킬일 수 있으며, 바람직하게는 메틸 또는 tert-부톡시헥실일 수 있다.

구체적으로, 상기 X₃ 및 X₄는 각각 할로겐일 수 있고, 구체적으로는 클로로일 수 있다.

구체적으로, 상기 A₂는 실리콘(Si)일 수 있다,

구체적으로, 상기 M₂는 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)일 수 있으며, 바람직하게는 지르코늄(Zr)일 수 있다.

구체적으로, 상기 R₁₇ 내지 R₂₁ 및 R_17' 내지 R_21'는 각각 수소, 또는 C_1-6 할로알킬일 수 있으며, 혹은 각각 수소, 또는 C_1-3 할로알킬일 수 있다. 일예로, R₁₇ 내지 R₂₀ 또는 R_17' 내지 R_20'는 수소이고, R₂₁ 또는 R_21'는 트리할로메틸, 바람직하게는 트리플루오르메틸이다.

구체적으로, 상기 R₁₁ 및 R_11'는 각각 C_1-6의 직쇄 또는 분지쇄 알킬일 수 있으며, 혹은 C_1-3의 직쇄 또는 분지쇄 알킬일 수 있으며, 바람직하게는 메틸일 수 있다.

구체적으로, 상기 R₂₂ 내지 R₂₉은 각각 수소, 또는 C_1-20 알킬, 또는 C_1-10 알킬, 또는 C_1-6 알킬, 또는 C_1-3 알킬일 수 있다. 혹은, 상기 R₂₂ 내지 R₂₉ 중 서로 인접하는 2개 이상이 서로 연결되어 C_1-3로 치환된 C_6-20의 지방족 또는 방향족 고리를 형성하는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 R₃₀ 내지 R₃₅은 각각 수소, 또는 C_1-20 알킬, 또는 C_1-10 알킬, 또는 C_1-6 알킬, 또는 C_1-3 알킬일 수 있다.

구체적으로, 상기 R₂₆ 내지 R₂₉은 각각 수소, 또는 C_1-20 알킬, 또는 C_1-10 알킬, 또는 C_1-6 알킬, 또는 C_1-3 알킬일 수 있다.

상기 화학식 2로 표시되는 화합물로는 예를 들어 하기 구조식으로 표시되는 화합물일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 구조식으로 표시되는 제2 메탈로센 화합물은 공지의 반응들을 응용하여 합성될 수 있으며, 보다 상세한 합성 방법은 실시예를 참고할 수 있다.

상기 메탈로센 화합물의 제조방법은 후술하는 실시예에 구체적으로 기재하였다.

본 발명에서 사용되는 메탈로센 촉매는 조촉매 화합물과 함께 담체에 담지한 것일 수 있다.

본 발명에 따른 담지 메탈로센 촉매에 있어서, 상기 메탈로센 화합물을 활성화하기 위하여 담체에 함께 담지되는 조촉매로는 13족 금속을 포함하는 유기 금속 화합물로서, 일반적인 메탈로센 촉매 하에 올레핀을 중합할 때 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니다.

상기 조촉매로는 13족 금속을 포함하는 유기 금속 화합물로서, 일반적인 메탈로센 촉매 하에 에틸렌을 중합할 때 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 조촉매는 하기 화학식 4 내지 6으로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다:

[화학식 4]

-[Al(R₄₀)-O]_c-

상기 화학식 4에서,

R₄₀은 각각 독립적으로 할로겐, C_1-20 알킬 또는 C_1-20 할로알킬이고,

c는 2 이상의 정수이며,

[화학식 5]

D(R₄₁)₃

상기 화학식 5에서,

D는 알루미늄 또는 보론이고,

R₄₁은 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, C_1-20 하이드로카빌 또는 할로겐으로 치환된 C_1-20 하이드로카빌이고,

[화학식 6]

[L-H]⁺[Q(E)₄]^-또는 [L]⁺[Q(E)₄]^-

상기 화학식 6에서,

L은 중성 또는 양이온성 루이스 염기이고,

[L-H]⁺는 브론스테드 산이며,

Q는 Br³⁺ 또는 Al³⁺이고,

E는 각각 독립적으로 C_6-20 아릴 또는 C_1-20 알킬이고, 여기서 상기 C_6-20 아릴 또는 C_1-20 알킬은 비치환되거나 또는 할로겐, C_1-20 알킬, C_1-20 알콕시 및 페녹시로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된다.

상기 화학식 4로 표시되는 화합물은, 예를 들어 개질메틸알루미녹산(MMAO), 메틸알루미녹산(MAO), 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등과 같은 알킬알루미녹산일 수 있다.

상기 화학식 5로 표시되는 알킬 금속 화합물은, 예를 들어 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 디메틸클로로알루미늄, 디메틸이소부틸알루미늄, 디메틸에틸알루미늄, 디에틸클로로알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-s-부틸알루미늄, 트리씨클로펜틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리이소펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 에틸디메틸알루미늄, 메틸디에틸알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 디메틸알루미늄메톡시드, 디메틸알루미늄에톡시드, 트리메틸보론, 트리에틸보론, 트리이소부틸보론, 트리프로필보론, 트리부틸보론 등일 수 있다.

상기 화학식 6으로 표시되는 화합물은, 예를 들어 트리에틸암모니움테트라페닐보론, 트리부틸암모니움테트라페닐보론, 트리메틸암모니움테트라페닐보론, 트리프로필암모니움테트라페닐보론, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)보론, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)보론, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리메틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라펜타플루오로페닐보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐 보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플루오로페닐보론, 디에틸암모니움테트라펜타플루오로페닐보론, 트리페닐포스포늄테트라페닐보론, 트리메틸포스포늄테트라페닐보론, 트리에틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리부틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모니움테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄,트리부틸암모니움테트라펜타플루오로페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플로로페닐알루미늄, 디에틸암모니움테트라펜타플루오로페닐알루미늄, 트리페닐포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리페닐카보니움테트라페닐보론, 트리페닐카보니움테트라페닐알루미늄, 트리페닐카보니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리페닐카보니움테트라펜타플루오로페닐보론 등일 수 있다.

이러한 조촉매의 담지량은 담체 1 g을 기준으로 5 mmol 내지 20 mmol일 수 있다.

본 발명에 따른 담지 메탈로센 촉매에 있어서, 상기 담체로는 표면에 하이드록시기를 함유하는 담체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 건조되어 표면에 수분이 제거된, 반응성이 큰 하이드록시기와 실록산기를 가지고 있는 담체를 사용할 수 있다.

예컨대, 고온에서 건조된 실리카, 실리카-알루미나, 및 실리카-마그네시아 등이 사용될 수 있고, 이들은 통상적으로 Na₂O, K₂CO₃, BaSO₄, 및 Mg(NO₃)₂ 등의 산화물, 탄산염, 황산염, 및 질산염 성분을 함유할 수 있다.

상기 담체의 건조 온도는 약 200 ℃ 내지 800 ℃가 바람직하고, 약 300 ℃ 내지 약 600 ℃가 더욱 바람직하며, 약 300 ℃ 내지 약 400 ℃가 가장 바람직하다. 상기 담체의 건조 온도가 약 200 ℃ 미만인 경우 수분이 너무 많아서 표면의 수분과 조촉매가 반응하게 되고, 약 800 ℃를 초과하는 경우에는 담체 표면의 기공들이 합쳐지면서 표면적이 줄어들며, 또한 표면에 하이드록시기가 많이 없어지고 실록산기만 남게 되어 조촉매와의 반응자리가 감소하기 때문에 바람직하지 않다.

상기 담체 표면의 하이드록시기 양은 약 0.1 mmol/g 내지 약 10 mmol/g이 바람직하며, 약 0.5 mmol/g 내지 약 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.

상기 하이드록시기의 양이 약 0.1 mmol/g 미만이면 조촉매와의 반응자리가 적고, 약 10 mmol/g을 초과하면 담체 입자 표면에 존재하는 하이드록시기 이외에 수분에서 기인한 것일 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 담지 메탈로센 촉매에 있어서, 메탈로센 촉매에 포함되는 전체 전이금속 대 담체의 질량비는 1 : 10 내지 1 : 1000일 수 있다. 상기 질량비로 담체 및 메탈로센 화합물을 포함할 때, 최적의 형상을 나타낼 수 있다. 또한, 조촉매 화합물 대 담체의 질량비는 1 : 1 내지 1 : 100일 수 있다.

상기 에틸렌 중합 반응은 하나의 연속식 슬러리 중합 반응기, 루프 슬러리 반응기, 기상 반응기 또는 용액 반응기를 이용하여 진행할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 폴리에틸렌은, 상기 화학식 1로 표시되는 제1 메탈로센 화합물 1종 이상; 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 제2 메탈로센 화합물 1종 이상의 존재 하에, 에틸렌을 호모 중합하여 제조할 수 있다.

상기 제1 메탈로센 화합물 및 상기 제2 메탈로센 화합물의 중량비(제1 메탈로센 화합물: 제2 메탈로센 화합물)는 약 25:75 내지 약 65:35, 또는 약 30:70 내지 약 62:38, 또는 약 35:65 내지 약 60:40일 수 있다. 상기 촉매 전구체의 중량비는, 염소화 생산성 및 열안정성이 우수한 염소화 폴리에틸렌을 제조할 수 있도록, 중고분자의 함량을 증가시키고 저분자량을 최소화하는 측면에서 상술한 바와 같은 중량비가 될 수 있다. 특히, 상기 제1 메탈로센 화합물 및 상기 제2 메탈로센 화합물의 중량비를 상술한 범위로 적용시, 중합 공정에서 수소 투입량이 에틸렌 대비 약 125 ppm으로 적용할 수 있어, 왁스(Wax) 함량이 10% 이하로 낮게 유지할 수 있다. 상기 왁스 함량은 중합 생성물을 원심 분리 장치를 이용하여 분리한 후, 남은 헥산(Hexane) 용매를 100 mL 샘플링하여 2 시간 세틀링(settling)하여 왁스(wax)가 차지하는 부피 비로 측정할 수 있다.

그리고, 상기 중합 온도는 약 25 ℃ 내지 약 500 ℃, 바람직하게는 약 25 ℃ 내지 약 200 ℃, 좀더 바람직하게는 약 50 ℃ 내지 약 150 ℃일 수 있다. 또한, 중합 압력은 약 1 kgf/cm² 내지 약 100 kgf/cm², 바람직하게는 약 1 kgf/cm² 내지 약 50 kgf/cm², 좀더 바람직하게는 약 5 kgf/cm² 내지 약 30 kgf/cm²일 수 있다.

또, 상기 중합 반응은 수소 기체의 투입 조건 하에서 수행된다.

이때, 상기 수소 기체는 메탈로센 촉매의 비활성 사이트를 활성화시키고 체인 이동 반응(chain transfer reaction)을 일으켜 분자량을 조절하는 역할을 한다. 본 발명의 메탈로센 화합물은 수소 반응성이 우수하며, 따라서, 중합 공정시 상기 수소 기체 사용량의 조절에 의해, 원하는 수준의 용융 지수와 밀도, 복소점도 범위를 갖는 폴리에틸렌이 효과적으로 얻어질 수 있다.

상기 수소 기체는 에틸렌의 총 중량에 대하여, 약 50 ppm 내지 약 125 ppm, 또는 약 70 ppm 내지 약 120 ppm, 또는 약 90 ppm 내지 약 115 ppm의 양으로 투입될 수 있다. 상기 범위 내로 수소 기체의 사용량을 조절하여, 충분한 촉매 활성을 나타내면서도 제조되는 폴리에틸렌의 용융 지수 및 밀도, 복소점도를 원하는 범위 내로 조절할 수 있으며, 이에 따라 용도에 따라 적절한 물성을 갖는 폴리에틸렌을 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 상술한 바와 같은 특정의 제1 및 제2 메탈로센 화합물을 사용하는 촉매계에서, 수소 투입량이 에틸렌 대비 약 50 ppm 미만으로 적게 투입되는 경우에는, 폴리에틸렌의 용융 지수 MI가 낮아지고 복소점도가 높아지며, 이에 따라 염소화 공정후 무늬 점도(MV)가 높아져, 후속 컴파운드 가공시 가공 부하기 많이 걸리고 표면이 매끄럽지 않은 현상이 나타날 수 있다. 반면에, 수소 투입량이 에틸렌 대비 약 120 ppm를 초과하여 과량으로 투입되는 경우에는, 저분자량이 많이 생성되어 폴리에틸렌의 복소점도가 저하되며, 염화 가공 시 입자 형태 변화가 많아져 생산성이 저하되고, 가교도가 떨어져 인장강도가 저하될 수 있다.

한편, 상기 중합 반응에서, 상기 메탈로센 촉매는 탄소수 5 내지 12의 지방족 탄화수소 용매, 예를 들면 펜탄, 헥산, 헵탄, 노난, 데칸, 및 이들의 이성질체와 톨루엔, 벤젠과 같은 방향족 탄화수소 용매, 디클로로메탄, 클로로벤젠과 같은 염소원자로 치환된 탄화수소 용매 등에 용해하거나 희석하여 주입할 수 있다. 여기에 사용되는 용매는 소량의 알킬 알루미늄 처리함으로써 촉매 독으로 작용하는 소량의 물 또는 공기 등을 제거하여 사용하는 것이 바람직하며, 조촉매를 더 사용하여 실시하는 것도 가능하다.

한편, 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상술한 바와 같은 폴리에틸렌을 이용한 염소화 폴리에틸렌(CPE)가 제공된다.

본 발명에 따른 염소화 폴리에틸렌은, 상술한 담지 메탈로센 촉매의 존재 하에서 에틸렌을 중합한 다음, 이를 클로린과 반응시켜 제조할 수 있다.

상기 클로린과의 반응은, 상기 제조한 폴리에틸렌을 물, 유화제 및 분산제로 분산시킨 후, 촉매와 클로린을 투입하여 반응시킬 수 있다.

상기 유화제로는 폴리에테르 또는 폴리알킬렌옥사이드를 사용할 수 있다. 상기 분산제로는 중합체 염 또는 유기산 중합체 염을 사용할 수 있으며, 상기 유기산으로는 메타크릴산 또는 아크릴산을 사용할 수 있다.

상기 촉매는 당업계에 사용되는 염소화 촉매를 사용할 수 있으며, 일례로 벤조일 퍼옥사이드를 사용할 수 있다. 상기 클로린은 단독으로도 사용할 수 있으나, 비활성 가스와 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 염소화 반응은 약 60 ℃ 내지 약 150 ℃, 또는 약 70 ℃ 내지 약 145 ℃, 또는 약 80 ℃ 내지 약 140 ℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 반응시간은 약 10 분 내지 약 10 시간, 또는 약 1 시간 내지 약 9 시간, 또는 약 2 시간 내지 약 8 시간이 바람직하다.

상기 반응으로 제조되는 염소화 폴리에틸렌은, 중화 공정, 세정 공정 및/또는 건조 공정을 추가로 적용할 수 있으며, 이에 따라 분말 상의 형태로 수득할 수 있다.

상기 염소화 폴리에틸렌은, 상기 폴리에틸렌이 분자 구조 내 중고분자 영역의 함량을 증가시키고 저분자 영역의 함량을 최소화하여 염화 가공시 열에 대한 안정성이 향상되며, 예컨대 슬러리(물 혹은 HCl 수용액) 상태로 약 60 ℃ 내지 약 150 ℃ 조건 하에서 클로린을 반응시켜 제조한 후에, 121 ℃ 조건 하에서 측정한 무늬 점도(MV, Mooney viscosity)가 약 60 이상부터 약 85 미만까지, 또는 약 62 이상부터 약 82 이하까지, 또는 약 65 이상부터 약 80 이하까지일 수 있다. 특히, 상기 염소화 폴리에틸렌의 무늬 점도가 약 60 미만일 경우에는, 이러한 염소화 폴리에틸렌의 컴파운드로 제조된 전선 및 케이블의 인장강도가 저하되는 문제가 나타날 수 있다. 또한, 상기 염소화 폴리에틸렌의 무늬 점도가 약 85를 초과하는 경우에는 후술되는 바와 같이 무기물 첨가제 및 가교제와 컴파운딩을 통해 전선 및 케이블 등의 용도의 CPE 컴파운드(Compound) 가공 시, 표면이 매끄럽지 못하고 거칠고, 광택이 떨어져 외관상 좋지 못한 문제가 나타날 수 있다.

또한, 상기 염소화 폴리에틸렌은, ASTM D 412의 방법으로 측정한 인장강도(Tensile strength)가 약 12 MPa 이상 또는 약 12 MPa 내지 약 30 MPa, 혹은 약 12.5 MPa 이상 또는 약 12.3 MPa 내지 약 20 MPa, 혹은 약 12.5 MPa 이상 또는 약 12.5 MPa 내지 약 15 MPa일 수 있다. 상기 염소화 폴리에틸렌은, ASTM D 412의 방법으로 측정한 인장신도(Tensile elongation)가 약 500% 이상 또는 약 500% 내지 약 2000%, 혹은 약 700% 이상 또는 약 700% 내지 약 1500%, 혹은 약 900% 이상 또는 약 900% 내지 약 1200%일 수 있다.

구체적으로, 상기 무늬 점도(MV, Mooney viscosity) 및 인장강도, 인장신도는, 폴리에틸렌 약 500 kg 내지 약 600 kg을 슬러리(물 혹은 HCl 수용액) 상태로 약 75 ℃ 내지 약 85 ℃에서부터 약 120 ℃ 내지 약 140 ℃의 최종 온도까지 약 15 ℃/hr 내지 약 18.5 ℃/hr 속도로 승온한 후에, 약 120 ℃ 내지 약 140 ℃의 최종 온도에서 약 2 시간 내지 약 5 시간 동안 기체상의 클로린으로 염소화 반응을 수행하여 얻어진 염소화 폴리에틸렌에 대해 측정한 값일 수 있다. 이 때, 상기 염소화 반응은 승온과 동시에 반응기 내 압력을 약 0.2 MPa 내지 약 0.4 MPa으로 유지하면서 기체상의 클로린을 주입하며, 상기 클로린의 총투입량은 약 650 kg 내지 약 750 kg이 되도록 하여 수행할 수 있다.

또한, 상기 염소화 폴리에틸렌의 무늬 점도(MV, Mooney viscosity) 및 인장강도(Tensile strength), 인장신도(Tensile elongation)를 측정하는 방법은 후술되는 시험예 2에 기재된 바와 같으며, 구체적인 측정 방법은 생략한다.

상기 염소화 폴리에틸렌은 일례로 염소 함량이 약 20 중량% 내지 약 50 중량%, 약 31 중량% 내지 약 45 중량%, 혹은 약 35 중량% 내지 약 40 중량%일 수 있다. 여기서, 상기 염소화 폴리에틸렌의 염소 함량은 연소 이온크로마토그래피(Combustion IC, Ion Chromatography) 분석법을 이용하여 측정할 수 있다. 일예로, 상기 연소 이온크로마토그래피 분석법은 IonPac AS18 (4 x 250 mm) 컬럼이 장착된 연소 IC (ICS-5000/AQF-2100H) 장치를 사용하여, 내부 장치 온도(Inlet temperature) 900 ℃, 외부 장치 온도(Outlet temperature) 1000 ℃의 연소 온도에서 용리액(Eluent)로서 KOH (30.5 mM)를 사용하여 1 mL/min의 유량 조건 하에서 측정할 수 있다. 이외에 상기 염소 함량을 측정하는 장치 조건 및 측정 조건은 후술되는 시험예 2에 기재된 바와 같으며, 구체적인 설명은 생략한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 염소화 폴리에틸렌은, 염소 함량이 35 중량% 내지 40 중량%인 조건 하에서 상술한 바와 같은 무늬 점도(MV, Mooney viscosity)가 약 65 내지 약 80이며, 인장강도(Tensile strength)가 약 12.5 MPa 이상 또는 약 12.5 MPa 내지 약 15 MPa이며, 인장신도(Tensile elongation)가 약 900% 이상 또는 약 900% 내지 약 1200%일 수 있다.

상기 염소화 폴리에틸렌은 일례로 랜덤 염소화 폴리에틸렌일 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 염소화 폴리에틸렌은, 내화학성, 내후성, 난연성, 가공성 등이 우수하여 전선 및 케이블 등으로 많이 사용된다.

또한, 본 발명에 따른 염소화 폴리에틸렌으로 성형품을 제조하는 방법은, 당업계의 통상적인 방법을 적용할 수 있다. 일례로, 상기 염소화 폴리에틸렌을 롤-밀 컴파운딩하고 이를 압출 가공하여 성형품을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[촉매 전구체의 제조]

합성예 1: 제1 메탈로센 화합물 제조

6-클로로헥사놀을 사용하여 문헌(Tetrahedron Lett. 2951(1988))에 기재된 방벙으로 t-butyl-O-(CH₂)₆-Cl을 제조하고, 여기에 NaCp를 반응시켜 t-butyl-O-(CH₂)₆-C₅H₅를 얻었다(수율 60%, b.p. 80 ℃/0.1 mmHg).

또한, -78 ℃에서 t-butyl-O-(CH₂)₆-C₅H₅를 THF에 녹이고 n-BuLi을 천천히 가한 후, 실온으로 승온시킨 후, 8 시간 동안 반응시켰다. 상기 용액을 다시 -78 ℃에서 ZrCl₄(THF)₂ (170 g, 4.50 mmol)/THF(30 mL)의 서스펜젼 용액에 상기 합성된 리튬염 용액을 천천히 가하고 실온에서 6 시간 동안 더 반응시켰다. 모든 휘발성 물질을 진공 건조하여 제거하고, 얻어진 오일성 액체 물질에 헥산을 가하여 필터하였다. 필터 용액을 진공 건조한 후, 헥산을 가하여 저온(-20 ℃)에서 침전물을 유도하였다. 얻어진 침전물을 저온에서 걸러내어 흰색 고체 형태의 [tBu-O-(CH₂)₆-C₅H₄]₂ZrCl₂]을 얻었다(수율 92%).

¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃): 6.28 (t, J=2.6 Hz, 2H), 6.19 (t, J=2.6 Hz, 2H), 3.31 (t, 6.6 Hz, 2H), 2.62 (t, J=8 Hz), 1.7 - 1.3 (m, 8H), 1.17 (s, 9H)

¹³C-NMR (CDCl₃): 135.09, 116.66, 112.28, 72.42, 61.52, 30.66, 30.31, 30.14, 29.18, 27.58, 26.00

합성예 2: 제2 메탈로센 화합물 제조

2-1 리간드 화합물의 제조

8-methyl-5-(2-(trifluoromethyl)benzyl)-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole 2.9 g(7.4 mmol)을 100 mL의 Hexane과 2 mL(16.8 mmol)의 MTBE (methyl tertialry butyl ether)에 녹여 2.5 M n-BuLi Hexane 용액 3.2 mL(8.1 mmol)을 dryice/acetone bath에서 적가하여 상온에서 밤새 교반하였다. 다른 250 mL 슐랭크 플라스크(schlenk flask)에 (6-tert-butoxyhexyl)dichloro(methyl)silane 2 g(7.4 mmol)를 hexane 50 mL에 녹인 후, dryice/acetone bath에서 적가하여 8-methyl-5-(2-(trifluoromethyl)benzyl)-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole의 리튬화 슬러리(lithiated slurry)를 캐뉼라(cannula)를 통해 dropwise 적가하였다. 주입이 끝나 혼합물은 상온으로 천천히 올린 후 상온에서 밤새 교반하였다. 이와 동시에 fluorene 1.2 g(7.4 mmol) 또한 THF 100 mL에 녹여 2.5 M n-BuLi hexane solution 3.2 mL(8.1 mmol)를 dryice/acetone bath에서 적가하여 상온에서 밤새 교반하였다.

8-methyl-5-(2-(trifluoromethyl)benzyl)-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole과 (6-(tert-butoxy)hexyl)dichloro(methyl)silane과의 반응 용액(Si 용액)을 NMR 샘플링하여 반응 완료를 확인하였다.

¹H NMR (500 MHz, CDCl₃): 7.74-6.49 (11H, m), 5.87 (2H, s), 4.05 (1H, d), 3.32 (2H, m), 3.49 (3H, s), 1.50-1.25(8H, m), 1.15 (9H, s), 0.50 (2H, m), 0.17 (3H, d)

앞서 합성 확인한 후, 상기 Si 용액에 fluorene의 lithiated solution을 dryice/acetone bath에서 천천히 적가하여 상온에서 밤새 교반하였다. 반응 후 ether/water로 추출(extraction)하여 유기층의 잔류수분을 MgSO₄로 제거 후, 진공 감압 조건에서 용매를 제거하여 오일상의 리간드 화합물 5.5 g(7.4 mmol)을 얻었으며, 1H-NMR에서 확인할 수 있었다.

¹H NMR (500 MHz, CDCl₃): 7.89-6.53 (19H, m), 5.82 (2H, s), 4.26 (1H, d), 4.14-4.10 (1H, m), 3.19 (3H, s), 2.40 (3H, m), 1.35-1.21 (6H, m), 1.14 (9H, s), 0.97-0.9 (4H, m), -0.34 (3H, t).

2-2 메탈로센 화합물의 제조

상기 2-1에서 합성한 리간드 화합물 5.4 g (Mw 742.00, 7.4 mmol)을 톨루엔 80 mL, MTBE 3 mL(25.2 mmol)에 녹여 2.5 M n-BuLi hexane solution 7.1 mL(17.8 mmol)를 dryice/acetone bath에서 적가하여 상온에서 밤새 교반하였다. ZrCl₄(THF)₂ 3.0 g(8.0 mmol)를 톨루엔 80 mL를 넣어 슬러리로 준비하였다. ZrCl₄(THF)₂의 80 mL 톨루엔 슬러리를 dry ice/acetone bath에서 리간드-Li 용액을 transfer하여 상온에서 밤새 교반하였다.

반응 혼합물을 필터하여 LiCl을 제거한 뒤, 여과액(filtrate)의 톨루엔을 진공 건조하여 제거한 후 헥산 100 mL을 넣고 1 시간 동안 sonication하였다. 이를 필터하여 여과된 고체(filtered solid)인 자주색의 메탈로센 화합물 3.5 g을 (yield 52 mol%) 얻었다.

¹H NMR (500 MHz, CDCl₃): 7.90-6.69 (9H, m), 5.67 (2H, s), 3.37 (2H, m), 2.56 (3H,s), 2.13-1.51 (11H, m), 1.17 (9H, s).

합성예 3: 제2 메탈로센 화합물 제조

3-1 리간드 화합물의 제조

상온에서 50 g의 Mg(s)를 10 L 반응기에 간한 후, THF 300 mL를 가하였다. I₂ 0.5 g을 가한 후, 반응기의 온도를 50 ℃로 유지하였다. 반응기 온도가 안정화된 후 250 g의 6-t-부톡시헥실클로라이드를 피딩 펌프를 이용하여 5 mL/min의 속도로 반응기에 가하였다. 6-t-부톡시헥실클로라이드를 가함에 따라 반응기 온도가 4 내지 5 ℃ 상승하는 것을 관찰하였다. 계속하여 6-t-부톡시헥실클로라이드를 가하면서 12 시간 동안 교반하여 검은색의 반응 용액을 얻었다. 생성된 검은색의 용액을 2 mL 취한 뒤, 물을 가하여 유기층을 얻어 ¹H-NMR을 통하여 6-t-부톡시헥산임을 확인하였으며, 이로부터 그리냐드 반응인 잘 진행되었음을 확인하였다. 이로부터, 6-t-부톡시헥실 마그네슘 클로라이드(6-t-butoxyhexyl magnesium chloride)를 합성하였다.

MeSiCl₃ 500 g과 1 L의 THF를 반응기에 가한 후 반응기 온도를 -20 ℃까지 냉각하였다. 앞서 합성한 6-t-부톡시헥실 마그네슘 클로라이드 중 560 g을 피딩 펌프를 이용하여 5 mL/min의 속도로 반응기에 가하였다. 그리냐드 시약의 피딩이 끝난 후 반응기 온도를 천천히 상온으로 올리면서 12 시간 동안 교반하여, 흰색의 MgCl₂ 염이 생성되는 것을 확인하였다. 헥산 4 L를 가하여 랩도리(labdori)를 통하여 염을 제거하여 필터 dydddor을 얻었다. 얻은 필터 용액을 반응기에 가한 후 70 ℃에서 헥산을 제거하여 엷은 노란색의 액체를 얻었다. 얻은 액체를 ¹H-NMR을 통하여 메틸(6-t-부톡시헥실)디클로로실란 [methyl(6-t-butoxyhexyl)dichlorosilane]임을 확인하였다.

¹H-NMR (CDCl₃): 3.3 (t, 2H), 1.5 (m, 3H), 1.3 (m, 5H), 1.2 (s, 9H), 1.1 (m, 2H), 0.7 (s, 3H)

테트라메틸시클로펜타디엔 1.2 mol(150 g)과 2.4 L의 THF를 반응기에 가한 후 반응기 온도를 -20 ℃로 냉각하였다. n-BuLi 480 mL를 피딩 펌프를 이용하여 5 mL/min의 속도로 반응기에 가하였다. n-BuLi을 가한 후 반응기 온도를 천천히 상온으로 올리면서 12 시간 교반하였다. 이어, 당량의 메틸(6-t-부톡시헥실)디클로로실란(326 g, 350 mL)을 빠르게 반응기에 가하였다. 반응기 온도를 천천히 상온으로 올리면서 12 시간 동안 교반한 후 다시 반응기 온도를 0 ℃로 냉각시킨 후 2당량의 t-BuNH₂를 가하였다. 반응기 온도를 천천히 상온으로 올리면서 12 시간 동안 교반하였다. 이어 THF를 제거하고 4 L의 헥산을 가하여 랩도리를 통하여 염을 제거한 필터 용액을 얻었다. 필터 용액을 다시 반응기에 가한 후, 헥산을 70 ℃에서 제거하여 노란색의 용액을 얻었다. 이를 ¹H-NMR을 통하여, 메틸(6-t-부톡시헥실)(테트라메틸시클로펜타디에닐)t-부틸아미노실란[methyl(6-t-butoxyhexyl)(tetramethylcyclopentadienyl)t-butylaminosilane]임을 확인하였다.

3-2 메탈로센 화합물의 제조

n-BuLi과 리간드 디메틸(테트라메틸CpH)t-부틸아미노실란[dimethyl(tetramethylCpH)t-butylaminosilane]으로부터 THF 용액에서 합성한 -78 ℃의 리간드의 디리튬염에 TiCl₃(THF)₃ 10 mmol을 빠르게 가하였다. 반응 용액을 천천히 -78 ℃에서 상온으로 올리면서 12 시간 동안 교반하였다. 이어, 상온에서 당량의 PbCl₂(10 mmol)를 가한 후 12 시간 동안 교반하여, 푸른색을 띠는 짙은 검은색의 용액을 얻었다. 생성된 반응 용액에서 THF를 제거한 후 헥산을 가하여 생성물을 필터하였다. 얻은 필터 용액에서 헥산을 제거한 후, ¹H-NMR로 [tBu-O-(CH₂)₆](CH₃)Si(C₅(CH₃)₄)(tBu-N)TiCl₂]임을 확인하였다.

¹H-NMR (CDCl₃): 3.3 (s, 4H), 2.2 (s, 6H), 2.1 (s, 6H), 1.8 - 0.8 (m), 1.4 (s, 9H), 1.2 (s, 9H), 0.7 (s, 3H)

[담지 촉매의 제조]

제조예 1: 담지 촉매의 제조

20 L 스테인레트스틸(sus) 고압 반응기에 톨루엔 용액 5.0 kg을 넣고 반응기 온도를 40 ℃로 유지하였다. 600 ℃의 온도에서 12 시간 동안 진공을 가해 탈수시킨 실리카(Grace Davison사 제조, SP948) 1 kg을 반응기에 투입하고 실리카를 충분히 분산시킨 후, 합성예 1의 메탈로센 화합물 128 g을 톨루엔에 녹여 투입하고 40 ℃에서 200 rpm으로 2 시간 동안 교반하여 반응시켰다. 이후 교반을 중지하고 30 분 동안 세틀링하고 반응 용액을 디캔테이션하였다.

반응기에 톨루엔 2.5 kg을 투입하고, 10 wt% 메틸알루미녹산(MAO)/톨루엔 용액 9.4 kg을 투입한 후, 40 ℃에서 200 rpm으로 12 시간 동안 교반하였다. 반응 후, 교반을 중지하고 30 분 동안 세틀링하고 반응 용액을 디캔테이션하였다. 톨루엔 3.0 kg을 투입하고 10 분 동안 교반한 다음, 교반을 중지하고 30 분 동안 세틀링하고 톨루엔 용액을 디캔테이션하였다.

반응기에 톨루엔 3.0 kg을 투입하고, 합성예 2의 메탈로센 화합물 142.3g을 톨루엔 용액 1L에 녹여 반응기에 투입하고, 40 ℃에서 200 rpm으로 2 시간 동안 교반하여 반응시켰다. 이 때, 상기 합성예 1의 메탈로센 화합물과 합성예 2의 메탈로센 화합물과의 비율은 중량 기준으로 47:53가 되었다. 반응기 온도를 상온으로 낮춘 후, 교반을 중지하고 30 분 동안 세틀링하고 반응 용액을 디캔테이션하였다.

반응기에 톨루엔 2.0 kg을 투입하고 10 분 동안 교반한 후, 교반을 중지하고 30 분 동안 세틀링하고 반응 용액을 디캔테이션하였다.

반응기에 헥산 3.0 kg을 투입하고 헥산 슬러리를 필터 드라이로 이송하고 헥산 용액을 필터하였다. 40 ℃에서 4 시간 동안 감압 하에 건조하여 910 g-SiO₂ 혼성 담지 촉매를 제조하였다.

제조예 2: 담지 촉매의 제조

상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 합성예 1의 메탈로센 화합물과 합성예 2의 메탈로센 화합물과의 비율을 중량 기준으로 60:40로 투입하여 혼성 담지 촉매를 제조하였다.

제조예 3: 담지 촉매의 제조

상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 합성예 1의 메탈로센 화합물과 합성예 2의 메탈로센 화합물과의 비율을 중량 기준으로 35:65로 투입하여 혼성 담지 촉매를 제조하였다.

비교 제조예 1: 담지 촉매의 제조

상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 합성예 2의 메탈로센 화합물 대신에 합성예 3의 메탈로센 화합물을 사용하여 합성예 1의 메탈로센 화합물과 합성예 3의 메탈로센 화합물과의 비율을 중량 기준으로 30:70으로 달리하여 혼성 담지 촉매를 제조하였다.

[폴리에틸렌의 제조]

실시예 1-1

상기 제조예 1에서 제조된 담지 촉매를 단일 슬러리 중합 공정에 투입하여, 별도의 공단량체 없이 호모중합체인 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

먼저, 100 m³ 용량의 반응기에 헥산 25 ton/hr, 에틸렌 10 ton/hr, 수소 15 m³/hr, 트리에틸알루미늄(TEAL) 10 kg/hr의 유량으로 각각 주입되고, 또한 제조예 1에 따른 혼성 담지 메탈로센 촉매가 0.5 kg/hr으로 주입되었다. 여기서, 상기 수소 기체의 투입량은 에틸렌 함량 기준으로 106 ppm이었다. 이에, 상기 에틸렌은 반응기 온도 82 ℃, 압력은 7.0 kg/cm² 내지 7.5 kg/cm²에서 헥산 슬러리 상태로 연속 반응시킨 다음, 용매 제거 및 드라이 공정을 거쳐 분말 형태의 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

실시예 1-2

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조예 1에서 제조된 담지 촉매 대신에 제조예 2에서 제조된 담지 촉매를 사용하며, 수소의 투입량을 90 ppm으로 달리하여, 분말 형태의 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

실시예 1-3

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조예 1에서 제조된 담지 촉매 대신에 제조예 3에서 제조된 담지 촉매를 사용하며, 수소의 투입량을 115 ppm으로 달리하여, 분말 형태의 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

비교예 1-1

지글러나타 촉매(Z/N-1, Zeigier-Natta catalyst)를 사용하여 제조하고, 용융지수(MI₅, 190 ℃, 5 kg)가 1.3 g/10min인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 시판 제품(제품명 CE2080, 제조사 LG Chem社)를 비교예 1-1로 준비하였다.

비교예 1-2

지글러나타 촉매(Z/N-2, Zeigier-Natta catalyst)를 사용하여 제조하고, 용융지수(MI₅, 190 ℃, 5 kg)가 0.95 g/10min인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 시판 제품(제품명 CE6040K, 제조사 LG Chem社)를 비교예 1-1로 준비하였다.

비교예 1-3

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 제조예1에서 제조된 담지 촉매 대신에 비교 제조예 1 에서 제조된 담지 촉매를 사용하며, 수소의 투입량을 30 ppm으로 달리하여, 분말 형태의 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

비교예 1-4

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 에틸렌과 함께 공단량체로 1-부텐을 사용하여, 상기 1-부텐을 시간당 45 kg/hr로 투입하고, 수소의 투입량을 98 ppm으로 달리하여, 에틸렌/1-부텐 공중합체를 제조하였다.

비교예 1-5

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 수소의 투입량을 140 ppm으로 달리하여, 분말 형태의 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

비교예 1-6

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 수소의 투입량을 25 ppm으로 달리하여, 분말 형태의 고밀도 폴리에틸렌을 제조하였다.

시험예 1

실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-6에서 제조한 폴리에틸렌에 대해 하기와 같은 방법으로 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

1) 용융지수 (MI, g/10분)

ASTM D 1238의 방법으로 온도 190 ℃에서 각각 하중 5 kg, 및 21.6 kg의 조건 하에서 용융지수(MI₅, MI_21.6)를 측정하였으며, 10분 동안 용융되어 나온 중합체의 무게(g)로 나타내었다.

2) 용융 흐름 지수 (MFRR, MI _21.6/5 )

ASTM D 1238의 방법으로 190 ℃, 21.6kg 하중에서 측정한 용융 지수를, 190℃, 5 kg 하중에서 측정한 용융 지수로 나눈 값으로 용융 흐름 지수(MFRR, MI_21.6/5)를 산측하였다.

3) 밀도 (g/cm ³ )

ASTM D 1505 의 방법으로 폴리에틸렌의 밀도(g/cm³)를 측정하였다.

4) 주파수에 따른 복소 점도 측정

TA instruments의 ARES(Advanced Rheometric Expansion System, ARES G2)으로 주파수에 따른 복소 점도 측정: η*(ω0.05) 및 η*(ω500)을 측정하였다. 샘플은 190 ℃에서 직경 25.0 mm의 parallel plates를 이용하여 gap이 2.0 mm가 되도록 하였다. 측정은 dynamic strain frequency sweep 모드로 strain은 5%, 주파수(frequency)는 0.05 rad/s에서 500 rad/s까지, 각 decade에 10 point씩 총 41 point를 측정하였다.

	실시예			비교예
	1-1	1-2	1-3	1-1	1-2	1-3	1-4	1-5	1-6
촉매	제조예 1	제조예 2	제조예 3	Z/N-1	Z/N-2	비교 제조예 1	제조예 1	제조예 1	제조예 1
수소 투입량 (ppm)	106	90	115	-	-	30	106	140	25
중합체	호모PE	호모PE	호모PE	호모PE	호모PE	호모PE	에틸렌/1-부텐 공중합체	호모PE	호모PE
MI₅ (5kg, 190℃, g/10분)	0.91	0.99	0.79	1.3	0.95	0.81	0.95	1.26	0.31
MFRR (21.6/5)	18.1	17.2	19.8	15.3	10.1	11.2	16.3	19.5	15.2
밀도 (g/cm³)	0.955	0.954	0.956	0.958	0.953	0.951	0.949	0.957	0.952
η* (ω0.05, Paㆍ s)	47060	45240	52300	39160	55136	35440	44300	43500	74300
η* (ω500, Paㆍ s)	670	710	690	680	980	1160	620	510	1110

상기 표 1에서, 실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-3, 1-5, 1-6은 에틸렌 호모 중합체 (호모 PE)를 제조한 것이며, 비교예 1-4는 에틸렌/1-부텐 공중합체를 제조한 것이다.

또한, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 비교예와 대비하여 실시예들은 용융지수와 밀도가 최적화됨과 동시에 주파수(frequency) 0.05 rad/s및 500 rad/s에서 복소 점도가 모두 최적화 범위로 구현되는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 2

실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-5에서 제조한 폴리에틸렌을 사용하여, 하기 실시예 2-1 내지 2-3 및 비교예 2-1 내지 2-5의 염소화 폴리에틸렌을 제조하였다.

[염소화 폴리에틸렌의 제조]

반응기에 물 5000 L와 실시예 1-1에서 제조된 고밀도 폴리에틸렌 550 kg을 투입한 다음, 분산제로 소듐 폴리메타크릴레이트, 유화제로 옥시프로필렌 및 옥시에틸렌 코폴리에테르, 촉매로 벤조일 퍼옥사이드를 넣고, 80 ℃에서 132 ℃까지 17.3 ℃/hr 속도로 승온한 후에 최종 온도 132 ℃에서 3 시간 동안 기체상의 클로린으로 염소화하였다. 이때, 상기 염소화 반응은 승온과 동시에 반응기 내 압력을 0.3 MPa로 기체상의 클로린을 주입하였으며, 상기 클로린의 총투입량은 700 kg이었다. 상기 염소화된 반응물을 NaOH에 투입하여 4 시간 동안 중화하고, 이를 다시 흐르는 물로 4 시간 동안 세정한 다음, 마지막으로 120 ℃에서 건조시켜 분말 형태의 염소화 폴리에틸렌을 제조하였다.

또한, 실시예 1-2 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-5에서 제조된 폴리에틸렌도, 상기와 동일한 방법으로 각각 분말 형태의 염소화 폴리에틸렌을 제조하였다.

상술한 바와 같이, 실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-5에서 제조한 폴리에틸렌 사용하여 제조한, 실시예 2-1 내지 2-3 및 비교예 2-1 내지 2-5의 염소화 폴리에틸렌에 대해 하기와 같은 방법으로 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

1) CPE의 무늬점도 (MV, Mooney viscosity)

무늬 점도계(Mooney viscometer) 내 Rotor를 CPE 샘플로 감싸고 Die를 닫는다. 121 ℃로 1 분(min) 동안 예열한 후, Rotor를 4 min 동안 회전시켜 MV(Mooney viscosity, 121 ℃, ML1+4)을 측정하였다.

2) CPE의 건조 시간 (min)

슬러리(물 혹은 HCl 수용액) 상태로 약 60 ℃ 내지 약 150 ℃ 조건 하에서 클로린을 반응시켜 CPE를 제조한 후에, 생성된 CPE를 NaOH에 투입하여 4 시간 동안 중화하고, 이를 다시 흐르는 물로 4 시간 동안 세정한 다음, 마지막으로 120 ℃에서 건조시켜 분말 형태의 염소화 폴리에틸렌 최종 제품을 제조하였다.

여기서, 최종 제품의 수분 함량이 0.4 wt% 이하가 될 때까지 건조를 진행하고, 이 때 걸리는 시간을 분 단위로 측정하여 건조 시간(min)으로 나타내었다.

	실시예			비교예
	2-1	2-2	2-3	2-1	2-2	2-3	2-4	2-5
CPE MV (121℃, ML1+4)	70	72	70	70	90	95	68	58
건조 시간 (min)	135	150	110	200	150	165	300	200

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예와 대비하여 실시예들은 염화 가공 시 탈산, 탈수 및 건조 공정을 용이하게 하고, 염화 온도 상향을 가능하게 함으로써 CPE 생산성이 우세하면서, 염소화 이후 무늬 점도 또한 최적 범위로 확보할 수 있어, 컴파운딩 공정에서 압출시 가공성을 향상시킴과 동시에 우수한 인장 강도를 확보할 수 있음을 알 수 있다.

Claims

용융 지수 MI₅(190 ℃, 5 kg 하중에서 측정)가 0.7 g/10min 내지 1.0 g/10min이고,
밀도(Density)가 0.953 g/cm³ 이상이고,
주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)가 43000 Paㆍs 이상이고,
주파수(ω, frequency, ω) 500 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω500), complex viscosity)가 550 Paㆍs 내지 850 Paㆍs인,
폴리에틸렌.
제1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌은, 에틸렌 호모 중합체인,
폴리에틸렌.
제1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌은, 밀도(Density)가 0.953 g/cm³ 내지 0.960 g/cm³인,
폴리에틸렌.
제1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌은, 주파수(ω, frequency, ω) 0.05 rad/s에서 측정한 복소 점도(η*(ω0.05), complex viscosity)가 43000 Paㆍs 내지 110000 Paㆍs인,
폴리에틸렌.
제1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌은, 용융 흐름 지수(MFRR_21.6/5, ASTM D 1238의 방법으로 190 ℃, 21.6 kg 하중에서 측정한 용융 지수를 190 ℃, 5 kg 하중에서 측정한 용융 지수로 나눈 값)은 16 내지 25인,
폴리에틸렌.
하기 화학식 1로 표시되는 제1 메탈로센 화합물 1종 이상; 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 제2 메탈로센 화합물 1종 이상의 존재 하에, 수소 기체를 50 ppm 내지 125 ppm으로 투입하며, 에틸렌을 중합하는 단계를 포함하는,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 폴리에틸렌의 제조 방법:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
R₁ 내지 R₈ 중 어느 하나 이상은 -(CH₂)_n-OR이고, 여기서, R은 C_1-6의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고, n은 2 내지 6의 정수이고,
R₁ 내지 R₈ 중 나머지는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬로 이루어진 군에서 선택된 작용기이거나, 또는 서로 인접하는 2개 이상이 서로 연결되어 C_1-10의 하이드로카빌기로 치환 또는 비치환된 C_6-20의 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고,
Q₁ 및 Q₂는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_2-20 알콕시알킬, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬이고;
A₁은 탄소(C), 실리콘(Si), 또는 게르마늄(Ge)이고;
M₁은 4족 전이금속이며;
X₁ 및 X₂는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_6-20 아릴, 니트로기, 아미도기, C_1-20 알킬실릴, C_1-20 알콕시, 또는 C_1-20 설포네이트기이고;
m은 0 또는 1의 정수이고,
[화학식 2]

상기 화학식 2에서,
Q₃ 및 Q₄는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_2-20 알콕시알킬, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬이고;
A₂는 탄소(C), 실리콘(Si), 또는 게르마늄(Ge)이고;
M₂는 4족 전이금속이며;
X₃ 및 X₄는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C_1-20 알킬, C_2-20 알케닐, C_6-20 아릴, 니트로기, 아미도기, C_1-20 알킬실릴, C_1-20 알콕시, 또는 C_1-20 설포네이트기이고;
C₁및C₂는 중 하나는 하기 화학식 3a 또는 화학식 3b로 표시되고, C₁및C₂는 중 나머지 하나는 하기 화학식 3c, 화학식 3d, 또는 화학식 3e로 표시되며;
[화학식 3a]

[화학식 3b]

[화학식 3c]

[화학식 3d]

[화학식 3e]

상기 화학식 3a, 3b, 3c, 3d 및 3e에서,
R₉ 내지 R₃₉ 및 R_17' 내지 R_21'은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C_1-20 알킬, C_1-20 할로알킬, C_2-20 알케닐, C_1-20 알킬실릴, C_1-20 실릴알킬, C_1-20 알콕시실릴, C_1-20 알콕시, C_6-20 아릴, C_7-40 알킬아릴, C_7-40 아릴알킬이며, 단, R₁₇ 내지 R₂₁ 및 R_17' 내지 R_21' 중 하나 이상은 C_1-20 할로알킬이고,
R₂₂ 내지 R₃₉ 중 서로 인접하는 2개 이상이 서로 연결되어 C_1-10 의 하이드로카빌기로 치환 또는 비치환된 C_6-20의 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있으며;
*는 A₂ 및 M₂와 결합하는 부위를 나타낸 것이다.
제6항에 있어서,
상기 제1 메탈로센 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-4 중 어느 하나로 표시되는 것인,
폴리에틸렌의 제조 방법:
[화학식 1-1]

[화학식 1-2]

[화학식 1-3]

[화학식 1-4]

상기 화학식 1-1 내지 1-4에서,
Q₁, Q₂, A₁, M₁, X₁, X₂, 및 R₁ 내지 R₈은 제6항에서 정의한 바와 같고,
R' 및 R''는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로, C_1-10의 하이드로카빌기이다.
제6항에 있어서,
상기 제2 메탈로센 화합물은 하기 화학식 2-1로 표시되는 것인,
폴리에틸렌의 제조 방법:
[화학식 2-1]

상기 화학식 2-1에서,
Q₃, Q₄, A₂, M₂, X₃, X₄, R₁₁, 및 R₁₇ 내지 R₂₉는 제6항에서 정의한 바와 같다.
제6항에 있어서,
R₁₇ 내지 R₂₁ 및 R_17' 내지 R_21'은 각각 수소, 또는 C_1-6 할로알킬인,
폴리에틸렌의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 메탈로센 화합물 및 상기 제2 메탈로센 화합물의 중량비는 25:75 내지 65:35인,
폴리에틸렌의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 폴리에틸렌과 클로린을 반응시켜 제조되는, 염소화 폴리에틸렌.
제11항에 있어서,
상기 염소화 폴리에틸렌은, 121 ℃ 조건 하에서 측정한 무늬 점도(MV, Mooney viscosity)가 60 내지 85인,
염소화 폴리에틸렌.