KR20210021752A - 폴리프로필렌계 복합재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, (A) 폴리프로필렌; 및 (B) 올레핀계 중합체를 포함하고, 상기 올레핀계 중합체는 교차 분획 크로마토그래피(CFC) 측정 시 -20℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 -20℃에서의 가용 분획(SF)을 제외한 2개의 피크를 갖고, T(90)-T(50)<8.0℃를 만족하고, 상기 -20℃에서의 가용 분획(SF)이 10 중량% 이하이며, 15℃<Te(용리온도)< 50℃, 및 Te(용리온도)는 중합체의 밀도와 Te = 1,220×밀도-A (1,031≤A≤1,039) 를 충족하는 폴리프로필렌계 복합재에 관한 것으로, 기계적 강성을 유지하면서 개선된 충격 강도 물성을 나타낸다.

Description

폴리프로필렌계 복합재{Polypropylene-based Composite}
본 발명은 폴리프로필렌계 복합재에 관한 것으로, 구체적으로는 다중 결정성이고 낮은 유동지수를 나타내는 저밀도 올레핀계 중합체를 포함하는 폴리프로필렌계 복합재에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 내외장재 부품용 조성물은 폴리프로필렌(PP)을 주성분으로 하여 충격 보강재와 무기충전제를 포함하는 폴리프로필렌계 수지 조성물이 사용되어 왔다.
메탈로센 촉매를 적용하여 중합한 에틸렌-α-올레핀 공중합체를 개발하기 이전인 1990년대 중반까지는, 자동차 내외장재, 특히 범퍼 커버의 재료로서 대부분 폴리프로필렌계 수지 조성물에 EPR(Ethylene Propylene Rubber)이나 EPDM(ethylene propylene diene rubber)을 충격 보강재로서 주로 사용하였다. 그러나, 메탈로센 촉매에 의해 합성된 에틸렌-α-올레핀 공중합체가 등장한 이후로는 충격 보강재로서 에틸렌-α-올레핀 공중합체가 사용되기 시작하여 현재는 그 주류를 이루고 있다. 왜냐하면 이것을 사용한 폴리프로필렌계 복합재는 충격 강도, 탄성률, 굴곡강도 등의 균형 잡힌 물성을 가지고 성형성이 좋으며 가격도 저렴한 장점 등이 많이 있기 때문이다.
메탈로센 촉매에 의해 합성된 에틸렌-α-올레핀 공중합체 등의 폴리올레핀은 지글러-나타 촉매에 의한 것보다 분자구조가 균일하게 제어되기 때문에 분자량분포가 좁고 기계적 물성도 양호한 편이다. 메탈로센 촉매에 의해 중합된 저밀도의 에틸렌 엘라스토머도, α-올레핀 공중합 단량체가 지글러-나타 촉매에 의한 것보다 폴리에틸렌(PE) 분자 내에 비교적 균일하게 삽입되기 때문에, 저밀도의 고무 특성을 유지하면서 다른 기계적 물성도 양호한 특성을 갖고 있다.
그러나, 다양한 사용 환경에 따라 내충격성 확보에는 한계가 있으며, 이러한 한계를 극복할 수 있는 폴리프로필렌계 복합재의 개발이 요구되고 있다.
미국 특허 등록 제5,064,802호 미국 특허 등록 제6,548,686호
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 우수한 기계적 강도와 함께 저온 및 상온에서 우수한 충격 강도 특성을 나타낼 수 있는 폴리프로필렌계 복합재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 폴리프로필렌계 복합재로 제조된 성형품을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (A) 폴리프로필렌; 및 (B) 하기 (b1) 내지 (b4)의 요건을 충족하는 올레핀계 중합체를 포함하는 폴리프로필렌계 복합재를 제공한다: (b1) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 측정 시 -20℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 -20 ℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외한 2개의 피크를 갖고, T(90)-T(50)<8.0℃ (T(90)은 올레핀계 중합체의 90중량%가 용출되는 온도이고, T(50)은 올레핀계 중합체의 50중량%가 용출되는 온도이다); (b2) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 상에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)이 10 중량% 이하; (b3) 15℃ < Te(용리온도) < 50℃; 및 (b4) Te(용리온도)는 하기의 식 1을 만족한다.
[식 1]
Te = 1,220×중합체의 밀도-A (1,031≤A≤1,039)
본 발명에 따른 폴리프로필렌계 복합재는, 결정성 조절로 우수한 충격 강도를 나타내는 동시에 저온 및 상온에서 현저히 개선된 충격 강도 특성을 나타낼 수 있다.
이에 따라 상기 폴리프로필렌계 복합재는 자동차용, 전선용, 완구용, 섬유용 또는 의료용으로 다양하게 사용될 수 있으며, 이 중에서도 특히 높은 충격 강도 특성이 요구되는 자동차 부품에 유용할 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서, 용어 "중합체"란 동일하거나 상이한 유형의 단량체의 중합에 의해 제조되는 중합체 화합물을 의미한다. "중합체"라는 총칭은 "단독중합체", "공중합체", "삼원공중합체"뿐만 아니라 "혼성중합체"라는 용어를 포함한다. 또 상기 "혼성중합체"란 둘 이상의 상이한 유형의 단량체의 중합에 의해 제조된 중합체를 의미한다. "혼성중합체"라는 총칭은 (두 가지의 상이한 단량체로부터 제조된 중합체를 지칭하는데 통상적으로 사용되는) "공중합체"라는 용어뿐만 아니라 (세 가지의 상이한 유형의 단량체로부터 제조된 중합체를 지칭하는데 통상적으로 사용되는) "삼원공중합체"라는 용어를 포함한다. 이것은 네 가지 이상의 유형의 단량체의 중합에 의해 제조된 중합체를 포함한다.
본 발명에 따른 폴리프로필렌계 복합재는 (A) 폴리프로필렌; 및 (B) 하기 (b1) 내지 (b4)의 요건을 충족하는 올레핀계 중합체를 포함한다:
(1) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 측정 시 -20℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외한 2개의 피크를 갖고, T(90)-T(50)<8.0℃ (T(90)은 올레핀계 중합체의 90중량%가 용출되는 온도이고, T(50)은 올레핀계 중합체의 50중량%가 용출되는 온도이다);
(2) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 상에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)이 10 중량% 이하;
(3) 15℃ < Te(용리온도) < 50℃; 및
(4) Te(용리온도)는 하기의 식 1을 만족함:
[식 1]
Te = 1,220×중합체의 밀도-A (1,031≤A≤1,039)
본 발명의 폴리프로필렌 복합재는, 폴리프로필렌 복합재의 충격강도를 향상시킬 수 있도록 다결정성 올레핀계 중합체를 사용함으로써 폴리프로필렌에의 분산성을 보다 높이고, 그 결과로서 폴리프로필렌 복합재의 기계적 물성을 저하시키지 않으면서 충격강도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이하 각 구성성분을 상세히 설명한다.
(A) 폴리프로필렌
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리프로필렌계 복합재에 있어서 상기 폴리프로필렌은 구체적으로 폴리프로필렌 단독 중합체이거나, 또는 프로필렌과 알파-올레핀 단량체와의 공중합체일 수 있으며, 이때, 상기 공중합체는 교대(alternating) 또는 랜덤(random), 또는 블록(block) 공중합체일 수 있다. 단, 본 발명에 있어서 상기 폴리프로필렌은 (B) 올레핀계 중합체와 중첩될 수 있는 것은 배제함으로써 본 발명의 (B) 올레핀계 중합체와는 상이한 화합물이다.
상기 알파-올레핀계 단량체는 구체적으로 탄소수 2 내지 12, 또는 탄소수 2 내지 8의 지방족 올레핀일 수 있다. 보다 구체적으로는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 3-메틸-1-부텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐, 3-메틸-1-펜텐, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센(1-decene), 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-아이토센, 4,4-디메틸-1-펜텐, 4,4-디에틸-1-헥센 또는 3,4-디메틸-1-헥센 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 폴리프로필렌은 폴리프로필렌 공중합체, 프로필렌-알파-올레핀 공중합체, 및 프로필렌-에틸렌-알파-올레핀 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 이때 상기 공중합체는 랜덤 또는 블록 공중합체일 수 있다.
또, 상기 폴리프로필렌은 230℃ 및 2.16kg 하중에서 측정된 용융지수(MI)가 0.5g/10min 내지 100g/10min, 구체적으로는 1g/10min 내지 90g/10min인 것일 수 있다. 보다 구체적으로는 20g/10min 내지 40g/10min, 또는 80g/10min 내지 100g/10min, 또는 30g/10min 내지 90g/10min일 수 있다. 폴리프로필렌의 용융지수가 상기 범위를 벗어날 경우 사출 성형시 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 임팩트 코폴리머(impact copolymer)일 수 있으며, 보다 구체적으로는 프로필렌-에틸렌 임팩트 코폴리머일 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 폴리프로필렌계 복합재 총 중량에 대하여 40 중량% 내지 90 중량%, 보다 구체적으로는 45 중량% 내지 75 중량%, 또는 45 중량% 내지 65 중량%로 포함될 수 있다. 폴리프로필렌을 상기한 함량 범위로 포함할 경우 기계적 강도 및 충격 강도를 향상시킬 수 있다.
상기한 폴리프로필렌은 통상의 중합체 제조 반응을 이용하여 상기한 물성적 요건을 충족하도록 제조할 수도 있고, 상업적으로 입수하여 사용할 수도 있다. 구체적인 예로서, CB5230 (대한유화사제), CB5290 (대한유화사제) 등을 들 수 있다.
(B) 올레핀계 중합체
본 발명의 올레핀계 중합체는 폴리프로필렌계 복합재 총 중량에 대하여 3 중량% 내지 50 중량%, 보다 구체적으로는 10 중량% 내지 40 중량%, 보다 더 구체적으로는 20 중량% 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. 올레핀계 중합체를 상기한 함량 범위로 포함할 경우 기계적 강도 및 충격 강도를 개선하면서도 우수한 투명성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재는 고무 조성물에 적용시 그 용도 및 이에 따라 요구되는 물성적 특성을 충족할 수 있도록 적절한 함량으로 각각의 구성성분을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 있어서, 상기 폴리프로필렌계 복합재는 상기 (A) 폴리프로필렌과 (B) 올레핀계 중합체를 50:50 내지 90:10 중량비로 포함할 수 있다. 상기 올레핀계 중합체의 함량이 상기 혼합비 미만일 경우, 저온 충격 강도가 저하될 우려가 있고, 또 상기 혼합비를 초과하는 경우 인장 강도 및 경도가 저하될 우려가 있다. 상기 폴리프로필렌과 올레핀계 중합체의 혼합비 제어에 따른 개선 효과의 현저함을 고려할 때, 상기 폴리프로필렌과 올레핀계 중합체는 보다 구체적으로 55:45 내지 85:15 중량비로 사용될 수 있다.
본 발명의 올레핀계 중합체는 하기 (b1) 내지 (b4)의 요건을 충족함에 따라 우수한 충격 강도를 나타내는 동시에 저온 및 상온에서 현저히 개선된 충격 강도 특성을 나타낼 수 있다.
이하에서, 올레핀계 중합체의 (b1) 내지 (b4) 특성에 대하여 구체적으로 살펴본다.
(b1) 교차 분획 크로마토그래피(CFC) 측정 시 -20℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외한 2개의 피크를 갖고, T(90)-T(50)<8.0℃
여기서, 상기 T(90)은 올레핀계 중합체의 90중량%가 용출되는 온도이고, T(50)은 올레핀계 중합체의 50중량%가 용출되는 온도이다.
본 발명의 올레핀계 중합체는 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 측정 시 -20℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 -20 ℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외한 2개의 피크를 가지며, 올레핀계 중합체의 용출량이 50중량%일 때의 용리온도 T(50)와, 용출량 90중량%일 때의 용리 온도 T(90)의 차이, T(90)-T(50)이 8℃ 미만을 만족한다. 상기 T(90)-T(50)은 구체적으로 7.8 ℃ 이하, 보다 구체적으로는 1℃ 내지 7.8℃, 보다 더 구체적으로는 5℃ 내지 7.8℃일 수 있다.
본 명세서에 사용되는 상기 CFC의 측정은 예를 들어, PolymerChar 사의 CFC 기계를 사용하여 측정될 수 있으며, o-디클로로벤젠을 용매로 하여 -20℃부터 120℃까지 승온시키면서 측정할 수 있다.
통상, 밀도 및 결정성이 상이한 올레핀계 중합체를 2종 이상 각각 별개의 반응기에서 제조 후 블렌딩할 경우 이 조성물이나 올레핀 블록 공중합체의 경우 TREF 및 CFC 측정 시 2개의 피크가 나타날 수 있다. 그러나, 본 발명은 이와 달리 단일 반응기 내에서 연속 용액 중합을 통하여 결정성 분포를 조절함으로써, 중합체내 블록을 형성하지 않은 상태에서 TREF 측정시 2개의 피크를 나타내며, T(90)-T(50)이 상기 값을 만족하여 그 차이가 작다.
본 발명의 일례에 따른 올레핀계 중합체는 TREF 측정시 T(90)이 20℃ 이상일 수 있고, 구체적으로 20℃ 내지 60℃, 보다 구체적으로는 25℃ 내지 40℃일 수 있다. 또한, 본 발명의 일례에 따른 올레핀계 중합체는 TREF 측정시 T(50)이 40℃ 미만일 수 있고, 구체적으로 35℃ 이하, 보다 구체적으로는 15℃ 내지 35℃일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, T(50)은 온도에 대한 용출량(dC/dT)으로 표현되는 CFC 용출 곡선에서 전체 용출량의 50 중량%가 용출 종료되는 시점의 온도를 의미하고, T(90)은 온도에 대한 용출량(dC/dT)으로 표현되는 CFC 용출 곡선에서 전체 용출량의 90 중량%가 용출 종료되는 시점의 온도를 의미하며, T(90)-T(50)은 T(90)과 T(50) 두 온도의 차이를 나타낸다.
(b2) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 상에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)이 10 중량% 이하
또한, 본 발명의 올레핀계 중합체는, 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 상에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)이 10 중량% 이하이고, 구체적으로 0.2 중량% 내지 5 중량%일 수 있고, 더욱 구체적으로 0.2 중량% 내지 4 중량%일 수 있다.
상기 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 측정시 낮은 온도에서 용출되는 분획일수록 결정성이 낮으며, 본 명세서에서는 상기 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 상에서 -20℃ 이하에서 용출되는 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 초저결정성 영역으로 정의한다.
통상적으로 중합체의 밀도가 낮을수록 결정성이 낮아지고 초저결정성 영역이 증가하며 충격강도가 개선된다. 하지만 통상적인 올레핀계 중합체에서 초저결정성 영역이 일정 수준 이상이 될 경우 기계적 물성이 악화된다. 본 발명의 폴리프로필렌계 복합재는 다중 결정 구조를 가지고, 초저결정성 함량을 줄여 상대적으로 고결정성 함량을 증가시킨 올레핀계 중합체를 포함함으로써 향상된 인장강도, 인열강도, 굴곡탄성률 등의 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
(b3) 15℃ < Te(용리온도) < 50℃
본 명세서에서 사용되는 용리온도 Te(Elution temperature)는 온도에 대한 용출량(dC/dT)으로 표현되는 TREF 용출 곡선에서 피크의 최고점의 온도를 의미한다.
상기 Te를 계산함에 있어서 온도에 대한 용출량(dC/dT) 그래프에서 각 피크의 시작점은 기준선(base line)을 기준으로 중합체가 용출되기 시작하는 지점으로 정의하며, 각 피크의 끝점은 기준선을 기준으로 중합체의 용출이 종료되는 지점으로 정의할 수 있다. 이때 2개의 피크가 겹쳐 앞 피크의 끝점과 시작점을 기준선을 기준으로 정의할 수 없는 경우에는 상대적으로 저온에서 용출되는 피크가 용출량이 최대점을 찍은 후 감소하다가 다시 증가하기 시작하는 지점을 앞 피크의 종료점이자 뒤 피크의 시작점으로 정의한다. 또한, -20℃ 내지 -10℃에서 표현되는 피크는 -10℃ 이후에 나오는 피크의 일부가 측정 상의 한계로 인하여 이 위치에 나타나는 것으로 볼 수 있으며, 따라서, 이 위치에서 나타나는 피크는 -10℃ 이후에 나오는 피크에 포함시켜 처리할 수 있다.
본 명세서에서 단일 결정성의 의미는 온도에 대한 용출량(dC/dT) 그래프에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외하고 1개의 피크만을 갖는 것을 의미하고 다중 결정성은 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외하고 2개 이상의 피크를 갖는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서는 중합체가 다중 결정성일 경우 Te(용리온도)는 용출량(dC/dT)으로 표현되는 CFC 용출 곡선에서 피크의 최고점의 온도, 즉 크기가 더 큰 피크의 최고점만을 Te로 사용하기로 한다.
본 발명의 일례에 따른 올레핀계 중합체는 15℃ < Te(용리온도) < 50℃를 만족하며, 구체적으로 15℃ ≤ Te(용리온도) ≤ 40℃를 만족할 수 있고, 더욱 구체적으로 20℃ ≤ Te(용리온도) ≤ 40℃를 만족할 수 있다.
(b4) Te(용리온도)는 식 1을 만족
이때 Te(용리온도)는 하기의 식 1을 만족한다.
[식 1]
Te = 1,220×중합체의 밀도-A
상기 식 1에서 A는 1,031≤A≤1,039 범위를 만족한다.
상기 식 1은 중합체의 Te(용리온도)가 밀도와 선형의 상관관계를 가지는 것을 의미할 수 있다. 다시 말해, 본 발명에서는 특징적 구조를 갖는 1종 이상의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매 조성물을 이용하여 제조된 다중 결정성 올레핀계 중합체를 사용할 수 있으며, 이때 상기 올레핀계 중합체는 Te(용리온도)와 밀도가 일종의 선형관계를 나타냄에 따라 상기 식 1을 충족할 수 있다.
(b5) 내지 (b9) 특성
본 발명의 올레핀계 중합체는 추가로 ASTM D-792에 따른 측정시 (b5) 밀도(d)가 0.860 내지 0.890 g/cc을 만족할 수 있고, 구체적으로 0.865 내지 0.890 g/cc을 만족할 수 있으며, 더욱 구체적으로 0.865 내지 0.880 g/cc을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 올레핀계 중합체는 추가로 (b6) 용융지수(Melt Index, MI, 190℃, 2.16 kg 하중 조건)가 0.1 dg/분 내지 10.0 dg/분을 만족할 수 있고, 구체적으로 0.1 dg/분 내지 8.0 dg/분, 더욱 구체적으로 0.1 dg/분 내지 5.0 dg/분을 만족할 수 있다.
상기 용융지수(MI)는 올레핀계 중합체를 중합하는 과정에서 사용되는 촉매의 공단량체에 대한 사용량을 조절함으로써 조절될 수 있으며, 올레핀계 중합체의 기계적 물성 및 충격강도, 그리고 성형성에 영향을 미칠 수 있다.
또한, 본 발명의 일례에 따른 올레핀계 중합체는 (b7) 중량평균 분자량(Mw)이 70,000 내지 500,000을 만족할 수 있고, 구체적으로 70,000 내지 300,000, 더욱 구체적으로 70,000 내지 200,000을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일례에 따른 올레핀계 중합체는 중량평균 분자량(Mw)과 수평균 분자량(Mn)의 비(Mw/Mn)인 (b8) 분자량 분포(MWD; Molecular Weight Distribution)가 1.0 내지 3.0을 만족할 수 있고, 구체적으로 1.5 내지 2.8, 더욱 구체적으로 1.8 내지 2.6을 만족할 수 있다. 본 발명의 올레핀계 중합체는 특징적 구조를 갖는 2종의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매 조성물을 사용하여 중합됨으로써, 좁은 분자량 분포를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 올레핀계 중합체는 분자량 분포 곡선에서 1개의 단일 피크를 갖는다. 본 발명의 올레핀계 중합체는 상기한 바와 같이 다중 결정성을 가지면서도 분자량 분포는 단일 분포를 갖는 특징을 갖는다.
통상 올레핀계 중합체의 밀도는 중합시 사용되는 단량체의 종류와 함량, 중합도 등의 영향을 받으며, 공중합체의 경우 공단량체의 함량에 의한 영향이 크다. 본 발명의 올레핀계 중합체는 특징적 구조를 갖는 2종의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매 조성물을 사용하여 중합된 것으로 많은 양의 공단량체 도입이 가능하여, 본 발명의 올레핀계 중합체는 상기한 바와 같은 범위의 저밀도를 가질 수 있다.
상기 올레핀계 중합체는 (b9) 시차주사열량계(DSC)로 측정하여 얻어지는 DSC 곡선에서 얻어지는 용융 온도(Tm)가 100℃ 이하일 수 있고, 구체적으로 80℃ 이하, 더욱 구체적으로 10℃ 내지 70℃일 수 있다.
상기 올레핀계 중합체는 올레핀계 단량체, 구체적으로는 알파-올레핀계 단량체, 사이클릭 올레핀계 당량체, 디엔 올레핀계 단량체, 트리엔 올레핀계 단량체 및 스티렌계 단량체 중에서 선택되는 어느 하나의 단독 중합체이거나 또는 2종 이상의 공중합체일 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 올레핀계 중합체는 에틸렌과, 탄소수 3 내지 12 또는 탄소수 3 내지 10의 알파-올레핀의 공중합체일 수 있으며, 더욱 구체적으로 에틸렌과 1-옥텐의 공중합체일 수 있다.
상기 알파-올레핀 공단량체는 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-아이토센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보덴, 페닐노보덴, 비닐노보덴, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠 및 3-클로로메틸스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 일례에 따른 올레핀 공중합체는 에틸렌과 프로필렌, 에틸렌과 1-부텐, 에틸렌과 1-헥센, 에틸렌과 4-메틸-1-펜텐 또는 에틸렌과 1-옥텐의 공중합체일 수 있으며, 보다 더 구체적으로, 본 발명의 일례에 따른 올레핀 공중합체는 에틸렌과 1-옥텐의 공중합체일 수 있다.
상기 올레핀계 중합체가 에틸렌과 알파-올레핀의 공중합체일 경우 상기 알파-올레핀의 양은 공중합체 총 중량에 대해 90 중량% 이하, 보다 구체적으로 70 중량% 이하, 보다 더 구체적으로는 5 중량% 내지 60 중량%, 더욱 더 구체적으로 20 중량% 내지 50 중량%일 수 있다. 상기 알파-올레핀이 상기 범위로 포함될 때, 전술한 물성적 특성의 구현이 용이하다.
(6) 올레핀 공중합체의 제조방법
상기와 같은 물성 및 구성적 특징을 갖는 본 발명의 올레핀계 중합체는, 단일 반응기에서 1종 이상의 전이금속 화합물을 포함하는 메탈로센 촉매 조성물의 존재 하에 연속 용액 중합 반응을 통해 제조될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 올레핀계 중합체는 중합체내 중합체를 구성하는 단량체 중 어느 하나의 단량체 유래 반복 단위가 2개 이상 선상으로 연결되어 구성된 블록이 형성되지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 올레핀계 중합체는 블록 공중합체(block copplymer)를 포함하지 않으며, 랜덤 공중합체(random coplymer), 교호 공중합체(alternating copolymer) 및 그래프트 공중합체(graft copolymer)로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 랜덤 공중합체일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 올레핀계 공중합체는 하기 화학식 1의 전이금속 화합물 및 하기 화학식 2의 전이금속 화합물을 1:5 내지 1:10의 당량비, 구체적으로 1:5 내지 1:7의 당량비로 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물의 존재 하에서, 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 얻어질 수 있다.
다만 본 발명의 일 실시예에 따른 올레핀계 중합체의 제조에 있어서, 하기 제 1 전이금속 화합물 및 제 2 전이금속 화합물의 구조의 범위를 특정한 개시 형태로 한정하지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
R1은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 아릴, 실릴, 알킬아릴, 아릴알킬, 또는 하이드로카빌로 치환된 4족 금속의 메탈로이드 라디칼이며, 상기 두개의 R1은 탄소수 1 내지 20의 알킬 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴 라디칼을 포함하는 알킬리딘 라디칼에 의해 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고;
R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 아릴; 알콕시; 아릴 옥시; 아미도 라디칼이며, 상기 R2 중에서 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
R3는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 또는 아릴 라디칼로 치환 또는 비치환된, 질소를 포함하는 지방족 또는 방향족 고리이고, 상기 치환기가 복수개일 경우에는 상기 치환기 중에서 2개 이상의 치환기가 서로 연결되어 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
M1은 4족 전이금속이고;
Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 알케닐; 아릴; 알킬아릴; 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬 아미도; 아릴 아미도; 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴 라디칼이며;
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서,
R4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 아릴, 실릴, 알킬아릴, 아릴알킬, 또는 하이드로카빌로 치환된 4족 금속의 메탈로이드기이며, 상기 두개의 R1은 탄소수 1 내지 20의 알킬 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴을 포함하는 알킬리딘에 의해 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고;
R5는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 아릴; 알콕시; 아릴 옥시; 아미도이며, 상기 R2 중에서 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 또는 아릴로 치환 또는 비치환된, 질소를 포함하는 지방족 또는 방향족 고리이고, 상기 치환기가 복수개일 경우에는 상기 치환기 중에서 2개 이상의 치환기가 서로 연결되어 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
M2는 4족 전이금속이고;
Q3 및 Q4는 각각 독립적으로 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 알케닐; 아릴; 알킬아릴; 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬 아미도; 아릴 아미도; 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬리덴이다.
또한, 본 발명의 다른 일례에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 아릴; 또는 실릴일 수 있고,
R3는 서로 동일하거나 상이하고, 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 아릴; 알킬아릴; 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 아릴옥시; 또는 아미도일 수 있으며; 상기 R3 중 인접하는 2개 이상의 R3 는 서로 연결되어 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
Q1 및 Q2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬아미도; 아릴아미도일 수 있으며,
M1은 4족 전이금속일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서, 상기 R4 및 R5는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 아릴; 또는 실릴일 수 있고,
R6는 서로 동일하거나 상이하고, 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 아릴; 알킬아릴; 아릴알킬; 탄소수 1 내지 20의 알콕시; 아릴옥시; 또는 아미도일 수 있으며; 상기 R6 중에서 2개 이상의 R6는 서로 연결되어 지방족 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
상기 Q3 및 Q4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 1 내지 20의 알킬아미도; 아릴아미도일 수 있으며,
M2는 4족 전이금속일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 전이 금속 화합물은 테트라하이드로퀴놀린이 도입된 시클로펜타디에닐 리간드에 의해 금속 자리가 연결되어 있어 구조적으로 Cp-M-N 각도는 좁고, 모노머가 접근하는 Q1-M-Q2(Q3-M-Q4) 각도는 넓게 유지하는 특징을 가진다. 또한, 고리 형태의 결합에 의해 Cp, 테트라하이드로퀴놀린, 질소 및 금속 자리가 순서대로 연결되어 더욱 안정하고 단단한 5 각형의 링 구조를 이룬다. 따라서 이러한 화합물들을 메틸알루미녹산 또는 B(C6F5)3와 같은 조촉매와 반응시켜 활성화한 다음에 올레핀 중합에 적용시, 높은 중합 온도에서도 고활성, 고분자량 및 고공중합성 등의 특징을 갖는 올레핀계 중합체를 중합하는 것이 가능하다.
본 명세서에서 정의된 각 치환기에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에 사용되는 용어 '하이드로카빌(hydrocarbyl group)'은 다른 언급이 없으면, 알킬, 아릴, 알케닐, 알키닐, 사이클로알킬, 알킬아릴 또는 아릴알킬 등 그 구조에 상관없이 탄소 및 수소로만 이루어진 탄소수 1 내지 20의 1가의 탄화수소기를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '할로겐'은 다른 언급이 없으면, 불소, 염소, 브롬 또는 요오드를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '알킬'은 다른 언급이 없으면, 직쇄 또는 분지쇄의 탄화수소 잔기를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '알케닐'은 다른 언급이 없으면, 직쇄 또는 분지쇄의 알케닐기을 의미한다.
상기 분지쇄는 탄소수 1 내지 20의 알킬; 탄소수 2 내지 20의 알케닐; 탄소수 6 내지 20의 아릴; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴; 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬일 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 아릴기는 탄소수 6 내지 20인 것이 바람직하며, 구체적으로 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 피리딜, 디메틸아닐리닐, 아니솔릴 등이 있으나, 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
상기 알킬아릴기는 상기 알킬기에 의하여 치환된 아릴기를 의미한다.
상기 아릴알킬기는 상기 아릴기에 의하여 치환된 알킬기를 의미한다.
상기 고리(또는 헤테로 고리기)는 탄소수 5 내지 20개의 고리 원자를 가지며 1개 이상의 헤테로 원자를 포함하는 1가의 지방족 또는 방향족의 탄화수소기를 의미하며, 단일 고리 또는 2 이상의 고리의 축합 고리일 수 있다. 또한 상기 헤테로 고리기는 알킬기로 치환되거나 치환되지 않을 수 있다. 이들의 예로는 인돌린, 테트라하이드로퀴놀린 등을 들 수 있으나, 본 발명이 이들로만 한정되는 것은 아니다.
상기 알킬 아미노기는 상기 알킬기에 의하여 치환된 아미노기를 의미하며, 디메틸아미노기, 디에틸아미노기 등이 있으나, 이들 예로만 한정된 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아릴기는 탄소수 6 내지 20인 것이 바람직하며, 구체적으로 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 피리딜, 디메틸아닐리닐, 아니솔릴 등이 있으나, 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 2-1로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
[화학식 1-1]
Figure pat00003
[화학식 1-2]
Figure pat00004
[화학식 2-1]
Figure pat00005
이외에도, 상기 화학식 1 및 2에 정의된 범위에서 다양한 구조를 가지는 화합물일 수 있다.
상기 화학식 1의 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2의 전이금속 화합물은 촉매의 구조적인 특징상 저밀도의 폴리에틸렌뿐만 아니라 많은 양의 알파-올레핀이 도입 가능하기 때문에 밀도 0.850 g/cc 내지 0.890 g/cc 수준의 저밀도 폴리올레핀 공중합체의 제조가 가능하다.
상기 화학식 1 및 화학식 2은 특허공개 제2007-0003071호에 기재된 방법에 따라 제조될 수 있으며, 상기 특허문헌의 내용은 그 전부가 본 명세서에 포함된다.
상기 화학식 1의 전이금속 화합물 및 화학식 2의 전이금속 화합물은 이들이 혼합되어 단독으로 또는 상기 화학식 1의 전이금속 화합물 및 화학식 2의 전이금속 화합물 이외에 하기 화학식 3, 화학식 4, 및 화학식 5로 표시되는 조촉매 화합물 중 1종 이상을 추가로 포함하는 조성물 형태로, 중합 반응의 촉매로 사용될 수 있다.
[화학식 3]
-[Al(R7)-O]a-
[화학식 4]
A(R7)3
[화학식 5]
[L-H]+[W(D)4]- 또는 [L]+[W(D)4]-
상기 화학식 3 내지 5에서,
R7은 서로 동일하거나 다를 수 있고, 각각 독립적으로 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 및 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌로 이루어진 군에서 선택되고,
A는 알루미늄 또는 보론이고,
D는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 치환기로 치환될 수 있는 탄소수 6 내지 20의 아릴 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬이며, 이때 상기 치환기는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 탄소수 1 내지 20의 알콕시 및 탄소수 6 내지 20의 아릴옥시로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고,
H는 수소원자이며,
L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이고,
W는 13족 원소이며,
a는 2 이상의 정수이다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물의 예로는, 메틸알루미녹산(MAO), 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등의 알킬알루미녹산을 들 수 있으며, 또한 상기 알킬알루미녹산이 2종 이상 혼합된 개질된 알킬알루미녹산을 들 수 있고, 구체적으로 메틸알루미녹산, 개질메틸알루미녹산(MMAO)일 수 있다.
상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 예로는 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 디메틸클로로알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-s-부틸알루미늄, 트리사이클로펜틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리이소펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 트리옥틸알루미늄, 에틸디메틸알루미늄, 메틸디에틸알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 디메틸알루미늄메톡시드, 디메틸알루미늄에톡시드, 트리메틸보론, 트리에틸보론, 트리이소부틸보론, 트리프로필보론, 트리부틸보론 등이 포함되며, 구체적으로 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄 중에서 선택될 수 있다.
상기 화학식 5로 표시되는 화합물의 예로는 트리에틸암모늄테트라페닐보론, 트리부틸암모늄테트라페닐보론, 트리메틸암모늄테트라페닐보론, 트리프로필암모늄테트라페닐보론, 트리메틸암모늄테트라(p-톨릴)보론, 트리메틸암모늄테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리부틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론, 트리메틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론, 트리부틸암모늄테트라펜타플루오로페닐보론, N,N-디에틸아닐리늄테트라페닐보론, N,N-디에틸아닐리늄테트라펜타플루오로페닐보론, 디에틸암모늄테트라펜타플루오로페닐보론, 트리페닐포스포늄테트라페닐보론, 트리메틸포스포늄테트라페닐보론, 디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보레이트, 트리에틸암모늄테트라페닐알루미늄, 트리부틸암모늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모늄테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모늄테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리프로필암모늄테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리에틸암모늄테트라(o,p-디메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄, 트리메틸암모늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모늄테트라펜타플루오로페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리늄테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리늄테트라펜타플루오로페닐알루미늄, 디에틸암모늄테트라펜타텐트라페닐알루미늄, 트리페닐포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모늄테트라(p-톨릴)보론, 트리에틸암모늄테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리페닐카보늄테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론 또는 트리페닐카보늄테트라펜타플루오로페닐보론 등을 들 수 있다.
상기 촉매 조성물은, 첫 번째 방법으로서 1) 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물의 1차 혼합물에 상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물을 접촉시켜 혼합물을 얻는 단계; 및 2) 상기 혼합물에 상기 화학식 5로 표시되는 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
또한, 상기 촉매 조성물은, 두 번째 방법으로서 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물의 1차 혼합물에 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 접촉시키는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 촉매 조성물의 제조방법 중에서 첫 번째 방법의 경우에, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/5,000 내지 1/2일 수 있고, 구체적으로 1/1,000 내지 1/10일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1/500 내지 1/20일 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물의 몰 비율이 1/2을 초과하는 경우에는 알킬화제의 양이 매우 작아 금속 화합물의 알킬화가 완전히 진행되지 못하는 문제가 있고, 몰 비율이 1/5,000 미만인 경우에는 금속 화합물의 알킬화는 이루어지지만, 남아있는 과량의 알킬화제와 상기 화학식 5의 화합물인 활성화제 간의 부반응으로 인하여 알킬화된 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못하는 문제가 있다. 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 5로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/25 내지 1일 수 있고, 구체적으로 1/10 내지 1일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1/5 내지 1일 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물/상기 화학식 5로 표시되는 화합물의 몰 비율이 1을 초과하는 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해 생성되는 촉매 조성물의 활성도가 떨어질 수 있고, 몰 비율이 1/25 미만인 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아 있는 과량의 활성화제로 촉매 조성물의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어질 수 있다.
상기 촉매 조성물의 제조방법 중에서 두 번째 방법의 경우에, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물/화학식 3으로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/10,000 내지 1/10일 수 있고, 구체적으로 1/5,000 내지 1/100일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1/3,000 내지 1/500일 수 있다. 상기 몰 비율이 1/10을 초과하는 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해 생성되는 촉매 조성물의 활성도가 떨어질 수 있고, 1/10,000 미만인 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아 있는 과량의 활성화제로 촉매 조성물의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어질 수 있다.
상기 촉매 조성물의 제조시에 반응 용매로서 펜탄, 헥산, 헵탄 등과 같은 탄화수소계 용매, 또는 벤젠, 톨루엔 등과 같은 방향족계 용매가 사용될 수 있다.
또한, 상기 촉매 조성물은 상기 전이금속 화합물과 조촉매 화합물을 담체에 담지된 형태로 포함할 수 있다.
상기 담체는 메탈로센계 촉매에서 담체로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적으로 상기 담체는 실리카, 실리카-알루미나 또는 실리카-마그네시아 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
이중에서도 상기 담체가 실리카인 경우, 실리카 담체와 상기 화학식 1의 메탈로센 화합물의 작용기가 화학적으로 결합을 형성하기 때문에, 올레핀 중합과정에서 표면으로부터 유리되어 나오는 촉매가 거의 없다. 그 결과, 올레핀계 중합체의 제조 공정 중 반응기 벽면이나 중합체 입자끼리 엉겨 붙는 파울링의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 상기 실리카 담체를 포함하는 촉매의 존재 하에 제조되는 올레핀계 중합체는 중합체의 입자 형태 및 겉보기 밀도가 우수하다.
보다 구체적으로, 상기 담체는 고온 건조 등의 방법을 통해 표면에 반응성이 큰 실록산기를 포함하는, 고온 건조된 실리카 또는 실리카-알루미나 등일 수 있다.
상기 담체는 Na2O, K2CO3, BaSO4 또는 Mg(NO3)2 등과 같은 산화물, 탄산염, 황산염 또는 질산염 성분을 추가로 포함할 수 있다.
상기 올레핀계 단량체를 중합하는 중합 반응은 연속식 용액 중합, 벌크 중합, 현탁 중합, 슬러리 중합, 또는 유화 중합 등 올레핀 단량체의 중합에 적용되는 통상적인 공정에 의해 이루어질 수 있다.
상기 올레핀 단량체의 중합 반응은 불활성 용매 하에서 수행될 수 있고, 상기 불활성 용매로는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 큐멘, 헵탄, 사이클로헥산, 메틸사이클로헥산, 메틸사이클로펜탄, n-헥산, 1-헥센, 1-옥텐을 들 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
상기 올레핀계 중합체의 중합은 약 25 내지 약 500℃의 온도 및 약 1 내지 약 100 kgf/cm2의 압력에서 반응시켜 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리올레핀의 중합은 약 25℃ 내지 약 500℃의 온도에서 이루어질 수 있고, 구체적으로 80℃ 내지 250℃, 보다 바람직하게는 100℃ 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 중합시의 반응 압력은 1 kgf/cm2 내지 150 kgf/cm2, 바람직하게는 1 kgf/cm2 내지 120 kgf/cm2, 보다 바람직하게는 5 kgf/cm2 내지 100 kgf/cm2일 수 있다.
(C) 폴리프로필렌계 복합재
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌계 복합재는 상기한 폴리프로필렌 및 올레핀계 중합체와 함께, 폴리프로필렌계 복합재의 기계적 특성 개선을 위하여 무기충진재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 무기충진재는 구체적으로 분말형 충진재, 플레이크형 충진재, 섬유형 충진재 또는 벌룬형 충진재일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 분말형 충진재로는 미분말 탈크, 카올리나이트, 소성점토, 견운모 등의 천연 규산 또는 규산염; 침강성 탄산칼슘, 중질 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘 등의 탄산염; 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘 등의 수산화물; 산화 아연, 산화 마그네슘 또는 산화티탄 등의 산화물; 함수 규산 칼슘, 함수 규산 알루미늄, 함수 규산 또는 무수 규산 등의 합성 규산 또는 규산염; 탄화규소 등을 들 수 있다. 또, 상기 플레이크형 충진재로는 마이카 등을 들 수 있다. 또 상기 섬유형 충진재로는 염기성 황산마그네슘 휘스커, 티탄산 칼슘 휘스커, 붕산 알루미늄 휘스커, 세피올라이트, PMF(Processed Mineral Fiber), 또는 티탄산 칼리 등을 들 수 있다. 또 상기 벌룬형 충진재로는 유리 벌룬 등을 들 수 있다. 이중에서도 탈크일 수 있다.
또 상기 무기충진재는 폴리프로필렌 복합재의 강도 특성 및 성형 가공성 개선을 위해 표면처리된 것일 수도 있다.
구체적으로는 실란 커플링제, 고급 지방산(higher fatty acid), 지방산 금속염, 불포화 유기산, 유기 티타네이트, 수지산 또는 폴리에틸렌 글리콜 등의 표면처리제를 이용하여 물리 또는 화학적으로 표면처리된 것일 수 있다.
또, 상기 무기충진재는 평균입경(D50)이 1㎛ 내지 20㎛, 보다 구체적으로는 7㎛ 내지 15㎛인 것일 수 있다. 무기충진재의 평균입경이 1㎛ 미만이면 무기충진재 입자간의 응집으로 폴리프로필렌 및 올레핀계 중합체와의 혼합시 균일 분산이 어렵고, 그 결과 폴리프로필렌계 복합제의 기계적 특성 개선효과가 미미할 수 있다. 또 무기충진재의 평균입경이 20㎛를 초과하면, 무기충진재 자체의 분산성 저하로 인한 고무조성물의 물성 저하의 우려가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 무기충진재의 평균 입자 직경(D50)은 입경 분포의 50% 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 본 발명에 있어서 무기충진재 입자의 평균 입자 직경(D50)은 예를 들어, 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 또는 전계 방사형 전자 현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM) 등을 이용한 전자 현미경 관찰이나, 또는 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 레이저 회절법에 의해 측정시, 보다 구체적으로는, 무기충진재 입자를 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac MT 3000)에 도입하여 측정 장치에 있어서의 입경 분포의 50% 기준에서의 평균 입자 직경(D50)을 산출할 수 있다.
상기 무기충진재는 폴리프로필렌계 복합재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 40 중량부, 또는 15 중량부 내지 35 중량부, 또는 15 중량부 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 폴리프로필렌 복합재내 무기충진재의 함량이 폴리프로필렌계 복합재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만이면 무기충진재 포함에 따른 개선 효과가 미미하고, 40 중량부를 초과하면 폴리프로필렌 복합재의 가공성이 저하될 우려가 있다.
상기한 바와 같은 구성 및 함량적 조건을 충족하는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리프로필렌계 복합재는, 올레핀계 중합체에 폴리프로필렌 및 선택적으로 무기충진재를 첨가한 후 열처리함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 폴리프로필렌의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 폴리프로필렌계 복합재를 이루는 성분들의 혼합 공정은 통상의 방법에 따라 수행될 수 있다. 구체적으로는, 상기 혼합은 수퍼 믹서 또는 리본 믹서를 이용할 수 있다.
또, 상기 혼합 공정시 필요에 따라 산화방지제, 열 안정제, 자외선 안정제, 대전 방지제 등의 첨가제가 더 포함될 수 있으며, 도장성을 향상시키기 위해 소량의 접착성 수지나 극성기를 갖는 첨가제가 적정 함량 범위 내에서 선택적으로 더 사용될 수도 있다. 그 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으며 통상적인 것을 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 폴리프로필렌계 복합재 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 내지 10 중량부, 또는 0.1 중량부 내지 1.5 중량부, 또는 0.1 중량부 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다.
또, 상기 열처리 공정은 폴리프로필렌의 융점 이상, 210℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 통상의 이축압출기(twin-screw extruder), 일축압출기(single-screw extruder), 롤밀(roll-mill), 니이더(kneader) 또는 밴버리 믹서(banbury mixer) 등 다양한 배합가공기를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리프로필렌 복합재는, 폴리프로필렌 복합재의 충격강도를 향상시킬 수 있도록 다결정성 올레핀계 중합체를 사용함으로써, 폴리프로필렌의 분산성을 보다 높일 수 있고, 그 결과로서 폴리프로필렌 복합재의 인장강도 등 기계적 물성 면에서의 저하없이 충격강도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로 상기 폴리프로필렌 복합재는 ASTM D638(조건: 50mm/min)에 따른 인장강도(tensile strength) 측정시, 인장강도가 145 kgf/cm2 내지 230 kgf/cm2일 수 있다.
또, 상기 폴리프로필렌 복합재는 ASTM D790에 따른 굴곡강도(flexural strength) 측정시, 굴곡강도가 220 kgf/cm2 내지 385 kgf/cm2일 수 있다.
또, 상기 폴리프로필렌 복합재는 ASTM D790에 따른 굴곡탄성율(flexural modulus) 측정시, 굴곡탄성율이 12,000 kgf/cm2 내지 25,000 kgf/cm2일 수 있다.
또, 상기 폴리프로필렌계 복합재는 ASTM D256 방법에 의해 저온(-30±5℃)에서 측정한 저온 충격 강도가 4 kgf·m/m 이상, 구체적으로는 4 kgf·m/m 내지 12 kgf·m/m, 보다 구체적으로는 5.5 kgf·m/m 내지 9 kgf·m/m 일 수 있다.
또, 상기 폴리프로필렌계 복합재는 ASTM D256 방법에 의해 상온(23±5℃)에서 측정한 상온 충격 강도가 28 kgf·m/m 이상, 구체적으로는 30 kgf·m/m 내지 80 kgf·m/m일 수 있다.
본 발명의 폴리프로필렌계 복합재는 향상된 물성을 가지므로, 자동차용, 전선용, 완구용, 섬유용, 의료용 등의 재료와 같은 각종 포장용, 건축용, 생활용품 등의 다양한 분야 및 용도에서의 중공성형용, 압출성형용 또는 사출성형용으로 유용하며, 특히 우수한 충격 강도가 요구되는 자동차용으로 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리프로필렌계 복합재는 성형체의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 성형체는 구체적으로 블로우 몰딩 성형체, 인플레이션 성형체, 캐스트 성형체, 압출 라미네이트 성형체, 압출 성형체, 발포 성형체, 사출 성형체, 시이트(sheet), 필름(film), 섬유, 모노필라멘트, 또는 부직포 등일 수 있다.
실시예
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
합성예 1 : 전이금속 화합물 1의 제조
Figure pat00006
(1) 8-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-시클로펜타디에닐)-1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린(8-(2,3,4,5-Tetramethyl-1,3-cyclopentadienyl)-1,2,3,4-tetrahydroquinoline)의 제조
(i) 리튬 카바메이트의 제조
1,2,3,4-테트라히드로퀴놀린(13.08 g, 98.24 mmol)과 디에틸에테르(150 mL)를 쉬렝크(shlenk) 플라스크에 넣었다. 드라이 아이스와 아세톤으로 만든 -78℃ 저온조에 상기 쉬렝크 플라스크를 담궈 30분간 교반하였다. 이어서, n-BuLi(39.3 mL, 2.5 M, 98.24 mmol)을 질소 분위기 하에 주사기로 투입하였고, 연한 노란색의 슬러리가 형성되었다. 이어서, 플라스크를 2시간 동안 교반한 후에, 생성된 부탄 가스를 제거하면서 상온으로 플라스크의 온도를 올렸다. 플라스크를 다시 -78℃ 저온조에 담가 온도를 낮춘 후 CO2 가스를 투입하였다. 이산화탄소 가스를 투입함에 따라 슬러리가 없어지면서 투명한 용액이 되었다. 플라스크를 버블러(bubbler)에 연결하여 이산화탄소 가스를 제거하면서 온도를 상온으로 올렸다. 그 후에, 진공 하에서 여분의 CO2 가스와 용매를 제거하였다. 드라이박스로 플라스크를 옮긴 후 펜탄을 가하고 심하게 교반한 후 여과하여 흰색 고체 화합물인 리튬 카바메이트를 얻었다. 상기 흰색 고체 화합물은 디에틸에테르가 배위결합 되어있다. 이때 수율은 100% 이다.
1H NMR(C6D6, C5D5N) : δ 1.90 (t, J = 7.2 Hz, 6H, ether), 1.50 (br s, 2H, quin-CH2), 2.34 (br s, 2H, quin-CH2), 3.25 (q, J = 7.2 Hz, 4H, ether), 3.87 (br, s, 2H, quin-CH2), 6.76 (br d, J = 5.6 Hz, 1H, quin-CH) ppm
13C NMR(C6D6) : δ 24.24, 28.54, 45.37, 65.95, 121.17, 125.34, 125.57, 142.04, 163.09(C=O) ppm
(ii) 8-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-시클로펜타디에닐)-1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린의 제조
Figure pat00007
상기 단계 (i)에서 제조된 리튬 카바메이트 화합물(8.47 g, 42.60 mmol)을 쉬렝크 플라스크에 넣었다. 이어서, 테트라히드로퓨란(4.6 g, 63.9 mmol)과 디에틸에테르 45 mL를 차례로 넣었다. 아세톤과 소량의 드라이 아이스로 만든 -20℃ 저온조에 상기 쉬렝크 플라스크를 담가 30분간 교반한 후, t-BuLi(25.1 mL, 1.7 M, 42.60 mmol)을 넣었다. 이때 반응 혼합물의 색깔이 붉은색으로 변했다. -20℃를 계속 유지하면서 6시간 동안 교반하였다. 테트라히드로퓨란에 녹아있는 CeCl3·2LiCl 용액(129 mL, 0.33 M, 42.60 mmol)과 테트라메틸씨클로펜티논(5.89 g, 42.60 mmol)을 주사기 안에서 섞어준 다음, 질소 분위기하에서 플라스크로 투입하였다. 플라스크의 온도를 상온으로 천천히 올리다가 1시간 후에 항온조를 제거하고 온도를 상온으로 유지하였다. 이어서, 상기 플라스크에 물(15 mL)을 첨가한 후, 에틸아세테이트를 넣고 여과해서 여액을 얻었다. 그 여액을 분별 깔때기에 옮긴 후에 염산(2 N, 80 mL)을 넣어서 12분간 흔들어주었다. 그리고, 포화 탄산수소나트륨 수용액(160 mL)를 넣어서 중화한 후에 유기층을 추출하였다. 이 유기층에 무수황산마그네슘을 넣어 수분을 제거하고 여과한 후, 그 여액을 취하고 용매를 제거하였다. 얻어진 여액을 헥산과 에틸아세테이트 (v/v, 10:1) 용매를 사용하여 컬럼 크로마토그래피 방법으로 정제하여 노란색 오일을 얻었다. 수율은 40%였다.
1H NMR(C6D6) : δ 1.00 (br d, 3H, Cp-CH3), 1.63 - 1.73 (m, 2H, quin-CH2), 1.80 (s, 3H, Cp-CH3), 1.81 (s, 3H, Cp-CH3), 1.85 (s, 3H, Cp-CH3), 2.64 (t, J = 6.0 Hz, 2H, quin-CH2), 2.84 - 2.90 (br, 2H, quin-CH2), 3.06 (br s, 1H, Cp-H), 3.76 (br s, 1H, N-H), 6.77 (t, J = 7.2 Hz, 1H, quin-CH), 6.92 (d, J = 2.4 Hz, 1H, quin-CH), 6.94 (d, J = 2.4 Hz, 1H, quin-CH) ppm
(2) [(1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린 -8-일)테트라메틸사이클로펜타디에닐- η 5 , κ -N]티타늄 디메틸([(1,2,3,4-Tetrahydroquinolin-8-yl)tetramethylcyclopentadienyl-eta5,kapa-N]titanium dimethyl)의 제조
Figure pat00008
(i) [(1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린-8-일)테트라메틸사이클로펜타디에닐-η 5, κ-N]디리튬 화합물의 제조
드라이 박스 안에서 상기 단계 (1)을 통하여 제조된 8-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-시클로펜타디에닐)-1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린(8.07 g, 32.0 mmol)과 디에틸에테르 140 mL를 둥근 플라스크에 넣은 후, -30℃로 온도를 낮추고, n-BuLi (17.7 g, 2.5 M, 64.0 mmol)을 교반하면서 천천히 넣었다. 온도를 상온으로 올리면서 6시간 동안 반응시켰다. 그 후에, 디에틸에테르로 여러 번 씻어내면서 여과하여 고체를 얻었다. 진공을 걸어 남아 있는 용매를 제거하여 노란색 고체인 디리튬 화합물(9.83 g)을 얻었다. 수율은 95%였다.
1H NMR(C6D6, C5D5N) : δ 2.38 (br s, 2H, quin-CH2), 2.53 (br s, 12H, Cp-CH3), 3.48 (br s, 2H, quin-CH2), 4.19 (br s, 2H, quin-CH2), 6.77 (t, J = 6.8 Hz, 2H, quin-CH), 7.28 (br s, 1H, quin-CH), 7.75 (brs, 1H, quin-CH) ppm
(ii) (1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린-8-일)테트라메틸사이클로펜타디에닐-η 5,κ-N]티타늄 디메틸의 제조
드라이 박스 안에서 TiCl4·DME (4.41 g, 15.76 mmol)와 디에틸에테르(150 mL)를 둥근 플라스크에 넣고 -30℃에서 교반하면서 MeLi(21.7 mL, 31.52 mmol, 1.4 M)을 천천히 넣었다. 15분 동안 교반한 후에 상기 단계 (i)에서 제조된 [(1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린-8-일)테트라메틸사이클로펜타디에닐-η 5, κ-N]디리튬 화합물(5.30 g, 15.76 mmol)을 플라스크에 넣었다. 온도를 상온으로 올리면서 3시간 동안 교반하였다. 반응이 끝난 후, 진공을 걸어 용매를 제거하고, 펜탄에 녹인 후 여과하여 여액을 취하였다. 진공을 걸어 펜탄을 제거하면 진한 갈색의 화합물(3.70 g)이 얻어졌다. 수율은 71.3% 이었다.
1H NMR(C6D6) : δ 0.59 (s, 6H, Ti-CH3), 1.66 (s, 6H, Cp-CH3), 1.69 (br t, J = 6.4 Hz, 2H, quin-CH2), 2.05 (s, 6H, Cp-CH3), 2.47 (t, J = 6.0 Hz, 2H, quin-CH2), 4.53 (m, 2H, quin-CH2), 6.84 (t, J = 7.2 Hz, 1H, quin-CH), 6.93 (d, J =7.6 Hz, quin-CH), 7.01 (d, J =6.8 Hz, quin-CH) ppm
13C NMR(C6D6) : δ 12.12, 23.08, 27.30, 48.84, 51.01, 119.70, 119.96, 120.95, 126.99, 128.73, 131.67, 136.21 ppm
합성예 2 : 전이금속 화합물 2의 제조
Figure pat00009
(1) 2-메틸-7-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-사이클로펜타디에닐)인돌린의 제조
상기 합성예 1의 (1)에서 1,2,3,4-테트라히드로퀴놀린을 대신하여 2-메틸 인돌린을 사용한 것을 제외하고는, 상기 합성예 1의 (1)과 마찬가지 방법을 통하여, 2-메틸-7-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-사이클로펜타디에닐)인돌린을 제조하였다. 수율은 19%였다.
1H NMR(C6D6) : δ 6.97(d, J=7.2Hz, 1H, CH), δ 6.78(d, J=8Hz, 1H, CH), δ 6.67(t, J=7.4Hz, 1H, CH), δ 3.94(m, 1H, quinoline-CH), δ 3.51(br s, 1H, NH), δ 3.24-3.08(m, 2H, quinoline-CH2, Cp-CH), δ 2.65(m, 1H, quinoline-CH2), δ 1.89(s, 3H, Cp-CH3), δ 1.84(s, 3H, Cp-CH3), δ 1.82(s, 3H, Cp-CH3), δ 1.13(d, J=6Hz, 3H, quinoline-CH3), δ 0.93(3H, Cp-CH3) ppm.
(2) [(2-메틸인돌린-7-일)테트라메틸사이클로펜타디에닐-에타5,카파-N]티타늄 디메틸 ([(2-Methylindolin-7-yl)tetramethylcyclopentadienyl-eta5,kapa-N]titanium dimethyl)의 제조
(i) 8-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-시클로펜타디에닐)-1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린 대신에 2-메틸-7-(2,3,4,5-테트라메틸-1,3-시클로펜타디에닐)-인돌린 (2.25 g, 8.88 mmol)을 사용한 것을 제외하고는 상기 합성예 1의 (2)(i)과 마찬가지의 방법을 통하여 0.58 당량의 디에틸 에테르가 배위된 디리튬염 화합물(화합물 4g)을 얻었다(1.37 g, 50 %).
1H NMR(Pyridine-d8): δ 7.22(br s, 1H, CH), δ 7.18(d, J=6Hz, 1H, CH), δ 6.32(t, 1H, CH), δ 4.61(brs, 1H, CH), δ 3.54(m, 1H, CH), δ 3.00(m, 1H, CH), δ 2.35-2.12(m ,13H, CH, Cp-CH3), δ 1.39(d, indoline-CH3) ppm.
(ii) 상기 (i)에서 제조한 디리튬염 화합물(화합물 4g)(1.37 g, 4.44 mmol)로 상기 합성예 1의 (2)(ii)와 마찬가지의 방법을 통하여 티타늄 화합물을 제조하였다.
1H NMR(C6D6): δ 7.01-6.96(m, 2H, CH), δ 6.82(t, J=7.4Hz, 1H, CH), δ
4.96(m, 1H, CH), δ 2.88(m, 1H, CH), δ 2.40(m, 1H, CH), δ 2.02(s, 3H, Cp-CH3), δ 2.01(s, 3H, Cp-CH3), δ 1.70(s, 3H, Cp-CH3), δ 1.69(s, 3H, Cp-CH3), δ 1.65(d, J=6.4Hz, 3H, indoline-CH3), δ 0.71(d, J=10Hz, 6H, TiMe2-CH3) ppm.
실시 제조예 1
1.5L 연속 공정 반응기에 헥산 용매(7 kg/h)와 1-옥텐(1.15 kg/h)을 채운 후, 반응기 상단의 온도를 150℃로 예열하였다. 트리이소부틸알루미늄 화합물(0.06 mmol/min), 상기 합성예 1에서 얻은 전이금속 화합물 1 및 상기 합성예 2에서 얻은 전이금속 화합물 2를 1:5의 몰비로 혼합한 전이금속 화합물의 혼합물(0.53 μmol/min), 및 디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보레이트 조촉매(1.59 μmol/min)를 동시에 반응기로 투입하였다. 이어서, 상기 반응기 속으로 에틸렌(0.87 kg/h)을 투입하여 89 bar의 압력으로 연속 공정에서 150℃로 30분 이상 유지시켜 공중합 반응을 진행하여 공중합체를 얻었다. 이후 진공 오븐에서 12시간 이상 건조한 후 물성을 측정하였다.
실시 제조예 2
반응물의 투입량 및 중합 온도를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 조절한 것을 제외하고는, 상기 실시 제조예 1과 마찬가지로 공중합 반응을 진행하여 공중합체를 얻었다.
비교 제조예 1
Dow사의 EG8150을 구매하여 사용하였다.
비교 제조예 2
촉매로서 전이금속 화합물 2만을 이용하여 반응물의 투입량 및 중합 온도를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 조절한 것을 제외하고는 상기 실시 제조예 1과 동일한 방법을 이용하여 공중합 반응을 진행하여 공중합체를 얻었다.
비교 제조예 3 및 4
실시 제조예 1과 동일하게 2개의 전이금속 촉매를 이용하여 공중합 반응을 진행하였으며 두 전이금속의 비, 촉매와 조촉매의 비, 그리고 반응 온도 및 공단량체의 양을 하기 표 1과 같이 각각 변경하여 공중합 반응을 진행하여 공중합체를 얻었다.
비교 제조예 5
Dow사의 EG8100을 구매하여 사용하였다.
촉매 비율
(전이금속 화합물 1:2)		 촉매
(μmol/min)		 조촉매
(μmol/min)		 TiBAl
(mmol/min)		 에틸렌
(kg/h)		 헥산
(kg/h)		 1-옥텐
(kg/h)		 반응 온도
(℃)
실시제조예 1 1:5 0.53 1.59 0.06 0.87 7.0 1.15 150
실시제조예 2 1:5 0.70 2.10 0.06 0.87 7.0 1.20 150
비교제조예 2 0:1 0.7 2.1 0.09 0.87 7.0 1.25 149
비교제조예 3 1.4:1 0.3 0.9 0.05 0.87 7.0 1.05 148
비교제조예 4 1:3 0.42 1.26 0.05 0.87 7.0 1.10 149
상기 실시 제조예 1, 2, 및 비교 제조예 1 내지 5의 공중합체에 대하여 하기 방법에 따라 물성을 평가하여 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다.
1) 가용 분획(Soluble Fraction), Te (용리 온도), T(90), T(50)
측정장비는 PolymerChar사의 CFC를 사용하였다. 먼저 o-디클로로벤젠을 용매로 하여 공중합체의 용액을 CFC 분석기 내 오븐에서 130℃에서 60분간 완전히 용해한 후 135℃로 조정된 TREF 컬럼에 부은 후, 95℃로 냉각하여 여기서 45 분 동안 안정화시켰다. 이어서, TREF 컬럼의 온도를 0.5℃/분의 속도로 -20℃까지 저하시킨 후, -20℃에서 10 분 동안 유지시켰다. 그 후, 용리량(질량 %)을 적외선 분광광도계를 이용하여 측정하였다. 이어서, 사전에 설정된 온도까지 TREF 컬럼의 온도 상승률 20℃/min의 속도로 상승시키고 사전 설정된 시간(즉, 약 27 분) 동안 도달한 온도에서 상기 온도를 유지시키는 작업을 TREF의 온도가 130℃에 이를 때까지 반복하고, 각각의 온도 범위 동안 용리된 분획의 양(질량 %)을 측정하였다.
초저결정성 영역의 함량은 -20℃ 이하에서 용출되는 분획의 함량을 의미하며, 용리 온도(Te)는 피크의 최고점의 온도를 측정하였다.
2) 밀도(Density) (g/mL)
ASTM D-792로 측정하였다.
3) 용융지수(Melt Index, MI) (g/10min)
ASTM D-1238[MI2.16(230℃, 2.16kg 하중)]에 따라 측정하였다.
4) 중량 평균 분자량(Mw) 및 분자량 분포(MWD)
겔 투과 크로마토 그래피(GPC: gel permeation chromatography)를 이용하여 수 평균 분자량(Mn) 및 중량 평균 분자량(Mw)을 각각 측정하고, 또한, 중량 평균 분자량을 수 평균 분자량으로 나누어 분자량 분포를 계산하였다.
- 컬럼: PL Olexis
- 용매: TCB(Trichlorobenzene)
- 유속: 1.0 ml/min
- 시료농도: 1.0 mg/ml
- 주입량: 200 ㎕
- 컬럼온도: 160℃
- Detector: Agilent High Temperature RI detector
- Standard: Polystyrene (3차 함수로 보정)
5) 고분자의 녹는점(Tm)
PerKinElmer사에서 제조한 시차 주사 열량계(DSC: Differential Scanning Calorimeter 6000)를 이용하여 얻었다. 즉, 온도를 200℃까지 증가시킨 후, 1 분 동안 그 온도에서 유지하고 그 다음 -100℃까지 내리고, 다시 온도를 증가시켜 DSC 곡선의 꼭대기를 녹는점으로 하였다. 이 때, 온도의 상승과 내림의 속도는 10℃/min 이고, 녹는점은 두 번째 온도가 상승하는 동안 얻어진다.
CFC
피크개수		 결정구조 Te
(℃)		 SF
(%)		 T(90)
(℃)		 T(50)
(℃)		 T(90)-T(50)
실시제조예 1 2 다중결정 28.5 0.7 34.5 27.0 7.5
실시제조예 3 2 다중결정 22.2 3.1 28.0 21.5 6.5
비교제조예 1 1 단일결정 29.3 1.0 34.5 25.0 9.5
비교제조예 2 1 단일결정 19.9 0.3 28.5 19.5 9.0
비교제조예 3 2 다중결정 14.4 0.7 38.0 21.0 17
비교제조예 4 2 다중결정 27.4 1.1 34.5 25.0 9.5
비교제조예 5 1 단일결정 31.8 0.7 37.5 27.0 10.5
밀도
(g/mL)		 MI2.16
(dg/min)		 Mw
(g/mol)		 MWD GPC
피크개수		 Tm
(℃)		 %[1-C8]
실시제조예 1 0.871 0.44 135098 2.35 1 56.6 34.1
실시제조예 2 0.866 1.23 112341 2.29 1 51.0 39.0
비교제조예 1 0.869 0.47 138442 2.18 1 60.1 35.7
비교제조예 2 0.868 0.54 128563 2.33 1 50.3 36.0
비교제조예 3 0.870 0.50 126936 2.31 1 54.5 32.1
비교제조예 4 0.870 0.52 128420 2.30 1 54.7 32.1
비교제조예5 0.868 1.2 155632 2.09 1 58.2 35.2
실시예 1
상기 실시 제조예 1에서 제조한 올레핀계 중합체 15 중량부에 용융지수가 30 g/10min인 폴리프로필렌(CB5230, 대한유화사제) 65 중량부, 탈크(KCNAP-400™, 코츠사제, 평균입경(D50)=11.0 ㎛) 20 중량부, 산화방지제로서 AO1010 (Irganox 1010, 송원사제) 0.1 중량부, AO168 (Irgafos 168, 송원사제) 0.1 중량부, 칼슘 스테아레이트(SC120, 송원사제) 0.3 중량부를 첨가한 후, 이축 압출기를 이용하여 용융 혼련하여 펠릿상의 폴리프로필렌계 복합재 컴파운드(compound)를 제조하였다. 이때, 상기 이축 압출기는 직경이 25Φ, 직경과 길이의 비가 40이고, 스크류 회전 속도 250 rpm, 압출량 25kr/hr, 배럴(barrel) 온도는 전단 170℃, 최종 후단 190℃의 조건으로 설정하였다.
실시예 2 내지 6, 비교예 1 내지 9
올레핀계 중합체, 폴리프로필렌, 탈크, 산화방지제의 종류 및 함량을 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 달리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 폴리프로필렌계 복합재 컴파운드를 제조하였다.
　 원료　 배합비율
POE PP POE
(%)		 PP
(%)		 탈크
(%)		 AO1010
(중량부)		 AO168
(중량부)		 Ca-St
(중량부)
실시예 1 실시제조예1 CB230 15 65 20 0.1 0.1 0.3
실시예 2 실시제조예1 CB230 20 60 20 0.1 0.1 0.3
실시예 3 실시제조예1 CB230 26 54 20 0.1 0.1 0.3
실시예 4 실시제조예1 CB230 35 45 20 0.1 0.1 0.3
실시예 5 실시제조예1 CB290 30 50 20 0.1 0.1 0.3
실시예 6 실시제조예2 CB230 30 25/50 20 0.1 0.1 0.3
CB290 25/50
비교예 1 비교제조예1 CB230 15 65 20 0.1 0.1 0.3
비교예 2 비교제조예1 CB230 20 60 20 0.1 0.1 0.3
비교예 3 비교제조예1 CB230 26 54 20 0.1 0.1 0.3
비교예 4 비교제조예1 CB230 35 45 20 0.1 0.1 0.3
비교예 5 비교제조예3 CB230 20 60 20 0.1 0.1 0.3
비교예 6 비교제조예4 CB230 20 60 20 0.1 0.1 0.3
비교예 7 비교제조예1 CB290 30 50 20 0.1 0.1 0.3
비교예 8 비교제조예2 CB290 30 50 20 0.1 0.1 0.3
비교예 9 비교제조예5 CB230 30 25/50 20 0.1 0.1 0.3
CB290 25/50
실험예 1
상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 9의 폴리프로필렌계 복합재 컴파운드에 대하여 사출기를 이용하여 230℃의 온도에서 사출성형으로 시편을 제조하였고, 항온 항습실에서 1일간 방치한 후 하기 방법에 따라 인장강도, 굴곡강도, 굴곡 탄성률을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다.
인장강도 (kgf/cm 2 )
INSTRON 3365 장치를 이용하여 ASTM D638에 따라 측정하였다.
굴곡강도, 굴곡 탄성율 (kgf/cm 2 )
INSTRON 3365 장치를 이용하여 ASTM D790에 따라 측정하였다.
저온 및 상온 충격강도(kgfm/m)
ASTM D256에 따라 수행하였으며, 상온 충격 강도는 상온(23℃) 조건하에서 충격 강도를 측정하였고, 저온 충격 강도는 저온 챔버(-30℃)에서 12시간 이상 방치 후 충격 강도를 측정하였다.
　 인장강도 굴곡강도 굴곡탄성률 저온충격
(-30℃)		 상온충격(23℃)
(kgf/cm2) (kgf/cm2) (kgf/cm2) (kgfm/m) (kgfm/m)
실시예 1 222 379 23,300 4 28.1
실시예 2 215 342 19,937 5.2 46.7
실시예 3 187 295 17,600 7.2 59.9
실시예 4 148 223 12,144 16.5 71.7
실시예 5 159 237 13,852 11.8 76.1
실시예 6 175 277 15,221 7.2 64
비교예 1 221 378 23,200 3.6 26.1
비교예 2 213 341 19,568 4.4 46.2
비교예 3 183 291 17,300 6.2 59.2
비교예 4 143 216 11,994 15.1 71.2
비교예 5 211 338 19,718 4.2 44
비교예 6 211 338 19,873 4.4 45.7
비교예 7 158 232 13,551 10.6 72.6
비교예 8 158 237 13,990 9.9 68.2
비교예 9 173 276 15,113 6.3 63.3
실시예 2
상기 실시예 2 및 5와 비교예 2 및 5 내지 8의 폴리프로필렌계 복합재 컴파운드에 대하여 사출기를 이용하여 230℃의 온도에서 사출성형으로 시편을 제조하였고, 항온 항습실에서 1일간 방치한 후 하기 방법에 따라 비중, 용융지수 및 수축률을 측정하여 하기 표 6에 나타내었다.
비중 (Specific gravity)
ASTM D792에 따라 측정하였다.
용융지수 (g/10min)
ASTM D-1238[MI2.16(230℃, 2.16kg 하중)]에 따라 측정하였다.
수축률(1/1000)
ASTM D638에 따른 측정 시편을 이용하였으며, 시편 제조시 130mm 간격으로 표시한 마크 간의 길이 변화를 Mituto PJ-A3000 장치를 이용하여 측정하였다.
　 비중 MI 수축률
- (g/10min) (1/1000)
실시예 2 1.033 12.9 10.1
실시예 5 1.018 13.8 8.9
비교예 2 1.033 12.8 10.1
비교예 5 1.038 13 10
비교예 6 1.037 13 10
비교예 7 1.02 12.7 7.8
비교예 8 1.028 13.8 8.1
표 5 및 6을 참조하면, 올레핀계 중합체의 함량을 15 내지 35 중량%로 다르게 하여 평가한 실시예 1 내지 4와, 각각 동일 함량으로 비교 제조예의 올레핀계 중합체를 사용한 비교예 1 내지 4를 각각 비교해보면, 실시예가 비교예와 동등 수준의 기계적 강성을 유지하면서 충격 강도가 더 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 용융지수(230℃, 2.16kg)가 90 g/10min 인 폴리프로필렌(CB5290, 대한유화사제)를 사용한 실시예 5와 비교예 7 및 8을 비교해보면, 동일 비율로 배합하고 올레핀계 중합체의 종류만 달리한 경우, 동등 수준의 기계적 강성을 유지하면서 충격강도가 더 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 용융지수(230℃, 2.16kg)가 30 g/10min 인 폴리프로필렌과 용융지수(230℃, 2.16kg)가 90 g/10min 인 폴리프로필렌을 혼합하여 사용한 실시예 6과 비교예 9를 비교해보면, 동일 비율로 배합하고 올레핀계 중합체의 종류만 달리한 경우, 동등 수준의 기계적 강성을 유지하면서 충격강도가 더 우수한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 저온 및 상온 충격 강도가 모두 우수한 폴리프로필렌계 복합재를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. (A) 폴리프로필렌; 및
    (B) 하기 (b1) 내지 (b4)의 요건을 충족하는 올레핀계 중합체를 포함하는 폴리프로필렌계 복합재:
    (b1) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 측정 시 -20℃ 내지 120℃ 온도 범위에서 -20 ℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)을 제외한 2개의 피크를 갖고, T(90)-T(50)<8.0℃ (T(90)은 올레핀계 중합체의 90중량%가 용출되는 온도이고, T(50)은 올레핀계 중합체의 50중량%가 용출되는 온도이다);
    (b2) 교차 분획 크로마토그래피(CFC, Cross-fractionation Chromatography) 상에서 -20℃에서의 가용 분획(SF, Soluble Fraction)이 10 중량% 이하;
    (b3) 15℃ < Te(용리온도) < 50℃; 및
    (b4) Te(용리온도)는 하기 식 1을 만족한다.
    [식 1]
    Te = 1,220×중합체의 밀도-A (1,031≤A≤1,039)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 추가로 (b5) 밀도(d)가 0.860 내지 0.890 g/cc을 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 추가로 (b6) 용융지수(Melt Index, MI, 190℃, 2.16 kg 하중 조건)가 0.1 dg/분 내지 10.0 dg/분을 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 추가로 (b7) 중량평균 분자량(Mw)이 70,000 내지 500,000을 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 추가로 (b8) 분자량 분포(MWD, molecular weight density) 1.0 내지 3.0을 만족하는, 폴리프로필렌계 복합재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 (b9) 시차주사열량계(DSC)로 측정하여 얻어지는 DSC 곡선에서 얻어지는 용융 온도(Tm)가 100℃ 이하인, 폴리프로필렌계 복합재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 에틸렌과, 탄소수 3 내지 12의 알파-올레핀 공단량체와의 공중합체인, 폴리프로필렌계 복합재.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 알파-올레핀 공단량체는 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-아이토센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보덴, 페닐노보덴, 비닐노보덴, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠 및 3-클로로메틸스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는, 폴리프로필렌계 복합재.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 올레핀계 중합체는 GPC 측정시 1개의 피크를 갖는 단일 분자량 분포를 나타내는, 폴리프로필렌계 복합재.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 폴리프로필렌은 230℃ 및 2.16kg 하중에서 측정된 용융지수가 0.5g/10min 내지 lOOg/lOmin 인, 폴리프로필렌계 복합재.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 폴리프로필렌은 폴리프로필렌 공중합체, 프로필렌-알파-올레핀 공중합체, 및 프로필렌-에틸렌-알파-올레핀 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 폴리프로필렌계 복합재.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 폴리프로필렌과 (B) 올레핀계 중합체를 50:50 내지 90:10 의 중량비로 포함하는, 폴리프로필렌계 복합재.
  13. 제 1 항에 있어서,
    무기충진재를 더 포함하는 폴리프로필렌계 복합재.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 폴리프로필렌계 복합재로 제조된 성형품.
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