KR20210158707A - 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법 - Google Patents

변성 공액디엔계 중합체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공성 및 충진제와의 친화성이 우수하면서 배합 가공성이 향상된 변성 공액디엔계 중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

변성 공액디엔계 중합체의 제조방법{METHOD FOR PREPARING MODIFIED CONJUGATED DIENE POLYMER}
본 발명은 가공성 및 충진제와의 친화성이 우수하면서 배합 가공성이 향상된 변성 공액디엔계 중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 절약 및 환경 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 자동차의 저연비화가 요구되고 있다. 이를 실현하기 위한 방법 중의 하나로서, 타이어 형성용 고무 조성물 내 실리카 또는 카본블랙 등의 무기 충전제를 사용하여 타이어의 발열성을 낮추는 방법이 제안되었으나, 고무 조성물 내 상기 무기 충전제의 분산이 용이하지 않아 오히려 내마모성, 내크랙성 또는 가공성 등을 비롯한 고무 조성물의 물성이 전체적으로 저하되는 문제가 있었다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 고무 조성물 내 실리카 또는 카본블랙 등의 무기 충전제의 분산성을 높이기 위한 방법으로 유기 리튬을 이용한 음이온 중합으로 얻어지는 공액디엔계 중합체의 중합활성 부위를 무기 충전제와 상호작용 가능한 관능기로 변성하는 방법이 개발되었다. 구체적으로는 공액디엔계 중합체의 중합활성 말단을 주석계 화합물로 변성하거나, 아미노기를 도입하는 방법 또는 알콕시실란 유도체로 변성하는 방법 등이 제안되었다.
그러나, 전술한 방법으로 변성된 공액디엔계 중합체를 이용하여 고무 조성물의 제조 시, 저발열성은 확보할 수 있지만 내마모성, 가공성 등의 고무 조성물에 대한 물성 개선 효과는 충분하지 않았다.
또 다른 방법으로, 란탄 계열 희토류 원소 화합물을 포함하는 촉매를 이용한 배위 중합에 의해 얻어지는 리빙 중합체에 있어서, 리빙 활성 말단을 특정의 커플링제나 변성제에 의해 변성하여 가공성, 물성을 개선하는 방법이 개발되었다.
일례로 미국특허 제5,557,784호에 개시된 방법으로, 해당 문헌에서는 네오디뮴 카르복실기염 화합물, 알킬알루미늄 화합물, 할로겐을 함유하는 화합물의 조합으로 이루어진 촉매를 이용하여 비극성 용매 하에서 1,4-시스 폴리부타디엔을 제조한 후 반응정지제와 산화방지제로 반응을 정지시킨 다음 염화황을 첨가하여 분지구조를 도입하는 방법을 개시하고 있다.
미국특허 제5,557,784호
본 발명의 목적은 공액디엔계 중합체를 3차에 걸쳐 변성시키는 단계를 수행함으로써 인장 특성 및 점탄성 특성이 우수한 변성 공액디엔계 중합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 (S1) 탄화수소 용매 중에서, 네오디뮴 화합물을 포함하는 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계; (S2) 상기 활성 중합체를 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응시켜 1차 변성시키는 단계; (S3) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시켜 2차 변성시키는 단계; 및 (S4) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물과 반응시켜 3차 변성시키는 단계;를 포함하는 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
X1은 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 20의 1가 탄화수소기이고,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서,
L1은 직접 결합 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기이고,
R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
[화학식 3]
Figure pat00003
상기 화학식 3에서,
X2는 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 30의 1가 탄화수소기이다.
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 변성 공액디엔계 중합체는 변성제 유래 작용기가 충진제에 대한 우수한 친화성을 보여 고무 조성물 내 분산성이 개선되어 가공성이 우수하고 점탄성 특성(회전 저항성)이 우수하며, 이로부터 제조된 성형품은 인장 강도, 내마모성 등 물성이 개선된 효과가 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 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 발명의 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법은 (S1) 탄화수소 용매 중에서, 네오디뮴 화합물을 포함하는 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계; (S2) 상기 활성 중합체를 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응시켜 1차 변성시키는 단계; (S3) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시켜 2차 변성시키는 단계; 및 (S4) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물과 반응시켜 3차 변성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure pat00004
상기 화학식 1에서,
X1은 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 20의 1가 탄화수소기이고,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
[화학식 2]
Figure pat00005
상기 화학식 2에서,
L1은 직접 결합 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기이고,
R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
[화학식 3]
Figure pat00006
상기 화학식 3에서,
X2는 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 30의 1가 탄화수소기이다.
단계 (S1)
탄화수소 용매 중에서, 네오디뮴 화합물을 포함하는 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계로, 여기서 활성 중합체는 유기금속이 결합된 공액디엔계 중합체를 나타내는 것일 수 있다.
상기 유기금속 부위를 포함하는 활성 중합체에서, 유기금속 부위는 중합체의 말단의 활성화된 유기금속 부위(분지쇄 말단의 활성화된 유기금속 부위), 주 사슬 중의 활성화된 유기금속 부위 또는 측쇄(곁사슬) 중의 활성화된 유기금속 부위일 수 있으며, 이 중에서도 음이온 중합 또는 배위 음이온 중합에 의해 중합체의 활성화된 유기금속 부위를 얻는 경우 상기 유기금속 부위는 말단의 활성화된 유기금속 부위를 나타내는 것일 수 있다.
상기 중합은 라디칼 중합에 의해 실시될 수 있고, 벌크 중합, 용액 중합, 현탁 중합 또는 유화 중합 등의 다양한 중합 방법으로 수행될 수 있으며, 또 배치(batch)법, 연속법, 또는 반연속법으로 수행될 수도 있다. 구체적인 예로, 상기 활성 중합체 제조를 위한 중합은 유기 용매 중에서 상기 촉매 조성물에 대해 공액디엔계 단량체를 투입하여 반응시킴으로써 실시될 수 있다.
구체적으로, 용액 중합에 의해 제조하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 중합체는 중합 용매 중에서 상기한 촉매 조성물에 대해 공액디엔계 단량체를 투입하여 반응시킴으로써 수행될 수 있다.
또한, 상기 중합은 승온 중합, 등온 중합 또는 정온 중합(단열 중합)일 수 있다. 여기에서, 정온 중합은 촉매 조성물의 투입 후 임의로 열을 가하지 않고 자체 반응열로 중합시키는 단계를 포함하는 중합방법을 나타내는 것이고, 상기 승온 중합은 촉매 조성물의 투입 후 임의로 열을 가하여 온도를 증가시키는 중합방법을 나타내는 것이며, 상기 등온 중합은 촉매 조성물의 투입 후 열을 가하여 열을 증가시키거나 열을 뺏어 반응물의 온도를 일정하게 유지하는 중합방법을 나타내는 것이다.
상기 중합은 -20 내지 200℃의 온도범위에서 수행하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 50 내지 150℃, 더욱 구체적으로는 10 내지 120℃, 또는 60 내지 90℃의 온도범위에서 15분 내지 3시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 만약, 상기 중합 시 온도가 200℃를 초과하는 경우에는 중합 반응을 충분히 제어하기 어렵고, 생성된 공액디엔계 중합체의 시스-1,4 결합 함량이 낮아질 우려가 있으며, 온도가 -20℃ 미만이면 중합 반응 속도 및 효율이 저하될 우려가 있다.
또한, 상기 중합은 공액디엔계 중합체 100% 전환율에 이를 때까지 상기한 온도 범위 내에서 5분 내지 1시간 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로 15분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.
상기 공액디엔계 단량체로는 통상 공액디엔계 중합체의 제조에 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적으로 1,3-부타디엔, 이소프렌, 1,3-펜타디엔, 1,3-헥사디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-펜타디엔, 3-메틸-1,3-펜타디엔, 4-메틸-1,3-펜타디엔 또는 2,4-헥사디엔 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 공액디엔계 단량체는 1,3-부타디엔일 수 있다.
상기 중합 반응시 최종 제조되는 활성 중합체의 물성적 특성을 고려하여 공액디엔계 단량체와 공중합 가능한 그 외의 단량체를 더 사용할 수도 있으며, 상기 그 외의 단량체는 구체적으로 스티렌, p-메틸 스티렌, α-메틸스티렌, 1-비닐나프탈렌, 3-비닐톨루엔, 에틸비닐벤젠, 디비닐벤젠, 4-시클로헥실스티렌, 2,4,6-트리메틸스티렌 등과 같은 방향족 비닐 단량체 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 그 외의 단량체는 중합 반응에 사용되는 단량체 총 중량에 대하여 20중량% 이하의 함량으로 사용될 수 있다. 이 때, 상기 공액디엔계 단량체는 공액디엔계 중합체 제조를 위해 사용되는 양이 전체로 비극성 용매에 용해되어 사용되는 것이 아니라, 전체 사용량의 일부가 중합 용매에 용해되어 중합된 후, 중합 전환율에 따라 1회 이상, 구체적으로는 2회 이상, 보다 구체적으로는 2회 내지 4회 분할 투입될 수 있다.
상기 탄화수소 용매는 비극성 용매일 수 있다. 구체적으로 상기 탄화수소 용매는 펜탄, 헥산, 이소펜탄, 헵탄, 옥탄, 이소옥탄 등과 같은 지방족 탄화수소 용매; 시클로펜탄, 메틸시클로펜탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산 등과 같은 시클로지방족 탄화수소 용매; 또는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등과 같은 방향족 탄화수소 용매 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 구체적인 예로 상기 탄화수소 용매는 헥산 등과 같은 지방족 탄화수소 용매일 수 있다. 상기 중합 용매의 사용시 단량체의 농도는 특별히 한정되지 않으나, 3중량% 내지 80중량%, 보다 구체적으로는 10중량% 내지 30중량%일 수 있다.
본 발명의 촉매 조성물은 (a) 네오디뮴 화합물, (b) 제1 알킬화제, (c) 제2 알킬화제 및 (d) 할로겐 화합물을 포함할 수 있으며, (e) 공액디엔계 단량체를 더 포함하는 것일 수 있다.
(a) 네오디뮴 화합물
상기 촉매 조성물은 공액디엔계 단량체 총 100g 기준으로 네오디뮴 화합물이 0.10 내지 1.00 mmol이 되게 하는 양으로 사용하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 공액디엔계 단량체 총 100g 기준으로 0.10 내지 0.80 mmol, 또는 0.10 내지 0.50 mmol이 되게 하는 양으로 사용하는 것일 수 있다.
상기 네오디뮴 화합물은 제1 및 제2 알킬화제에 의해 활성화된 후, 공액디엔의 중합을 위한 촉매 활성종을 형성한다.
상기 네오디뮴 화합물은 이의 카르복실산염(예를 들면, 네오디뮴 초산염, 네오디뮴 아크릴산염, 네오디뮴 메타크릴산염, 네오디뮴 글루콘산염, 네오디뮴 구연산염, 네오디뮴 푸마르산염, 네오디뮴 유산염, 네오디뮴 말레산염, 네오디뮴 옥살산염, 네오디뮴 2-에틸헥사노에이트, 네오디뮴 네오 데카노에이트 등); 유기인산염(예를 들면, 네오디뮴 디부틸 인산염, 네오디뮴 디펜틸 인산염, 네오디뮴 디헥실 인산염, 네오디뮴 디헵틸 인산염, 네오디뮴 디옥틸 인산염, 네오디뮴 비스(1-메틸 헵틸) 인산염, 네오디뮴 비스(2-에틸헥실) 인산염, 또는 네오디뮴 디데실 인산염 등); 유기 포스폰산염(예를 들면, 네오디뮴 부틸 포스폰산염, 네오디뮴 펜틸 포스폰산염, 네오디뮴 헥실 포스폰산염, 네오디뮴 헵틸 포스폰산염, 네오디뮴 옥틸 포스폰산염, 네오디뮴(1-메틸 헵틸) 포스폰산염, 네오디뮴(2-에틸헥실) 포스폰산염, 네오디뮴 디실 포스폰산염, 네오디뮴 도데실 포스폰산염 또는 네오디뮴 옥타데실 포스폰산염 등); 유기 포스핀산염(예를 들면, 네오디뮴 부틸포스핀산염, 네오디뮴 펜틸포스핀산염, 네오디뮴 헥실 포스핀산염, 네오디뮴 헵틸 포스핀산염, 네오디뮴 옥틸 포스핀산염, 네오디뮴(1-메틸 헵틸) 포스핀산염 또는 네오디뮴(2-에틸헥실) 포스핀산염 등); 카르밤산염(예를 들면, 네오디뮴 디메틸 카르밤산염, 네오디뮴 디에틸 카르밤산염, 네오디뮴 디이소프로필 카르밤산염, 네오디뮴 디부틸 카르밤산염 또는 네오디뮴 디벤질 카르밤산염 등); 디티오 카르밤산염(예를 들면, 네오디뮴 디메틸디티오카르바민산염, 네오디뮴 디에틸디티오카르바민산염, 네오디뮴 디이소프로필 디티오 카르밤산염 또는 네오디뮴 디부틸디티오카르바민산염 등); 크산토겐산염(예를 들면, 네오디뮴 메틸 크산토겐산염, 네오디뮴 에틸 크산토겐산염, 네오디뮴 이소프로필 크산토겐산염, 네오디뮴 부틸 크산토겐산염, 또는 네오디뮴 벤질 크산토겐산염 등); β-디케토네이트(예를 들면, 네오디뮴 아세틸아세토네이트, 네오디뮴 트리플루오로아세틸 아세토네이트, 네오디뮴 헥사플루오로아세틸 아세토네이트 또는 네오디뮴 벤조일 아세토네이트 등); 알콕시드 또는 알릴옥시드(예를 들면, 네오디뮴 메톡사이드, 네오디뮴 에톡시드, 네오디뮴 이소프로폭사이드, 네오디뮴 페녹사이드 또는 네오디뮴 노닐 페녹사이드 등); 할로겐화물 또는 의사 할로겐화물(네오디뮴 불화물, 네오디뮴 염화물, 네오디뮴 브롬화물, 네오디뮴 요오드화물, 네오디뮴 시안화물, 네오디뮴 시안산염, 네오디뮴 티오시안산염, 또는 네오디뮴 아지드 등); 옥시할라이드(예를 들면, 네오디뮴 옥시플루오라이드, 네오디뮴 옥시 클로라이드, 또는 네오디뮴 옥시 브로마이드 등); 또는 1 이상의 네오디뮴 원소-탄소 결합을 포함하는 유기 네오디뮴 함유 화합물(예를 들면, Cp3Nd, Cp2NdR, Cp2NdCl, CpNdCl2, CpNd(시클로옥타테트라엔), (C5Me5)2NdR, NdR3, Nd(알릴)3, 또는 Nd(알릴)2Cl 등, 상기 R은 하이드로카르빌기이다) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 네오디뮴 화합물은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물인 것일 수 있다.
[화학식 4]
Figure pat00007
상기 화학식 4에서,
Ra 내지 Rc는 서로 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이고,
단, Ra 내지 Rc가 모두 동시에 수소는 아니다.
또한, 올리고머화에 대한 우려 없이 용매에 대한 우수한 용해도, 촉매 활성종으로의 전환율 및 이에 따른 촉매 활성 개선 효과의 우수함을 고려할 때, 상기 네오디뮴 화합물은 보다 구체적으로 상기 화학식 4에서 Ra는 탄소수 4 내지 12의 알킬기이고, Rb 및 Rc는 서로 독립적으로 수소 또는 탄소수 2 내지 8의 알킬기이되, 단 Rb 및 Rc가 동시에 수소가 아닌 것일 수 있다.
보다 구체적인 예로, 상기 화학식 4에서 Ra는 탄소수 6 내지 8의 알킬기이고, Rb 및 Rc는 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 2 내지 6의 알킬기일 수 있으며, 이때 상기 Rb 및 Rc는 동시에 수소가 아닐 수 있다.
보다 더 구체적으로, 상기 화학식 4에서 Ra는 탄소수 6 내지 8의 알킬기이고, Rb 및 Rc는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬기일 수 있다.
이와 같이, 상기 화학식 4로 표시되는 네오디뮴 화합물은 α(알파) 위치에 탄소수 2 이상의 다양한 길이의 알킬기를 치환기로 포함하는 카르복실레이트 리간드를 포함함으로써, 네오디뮴 중심 금속 주위에 입체적인 변화를 유도하여 화합물 간의 엉김 현상을 차단할 수 있고, 이에 따라, 올리고머화를 억제할 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같은 네오디뮴 화합물은 용매에 대한 용해도가 높고, 촉매 활성종으로의 전환에 어려움이 있는 중심 부분에 위치하는 네오디뮴 비율이 감소되어 촉매 활성종으로의 전환율이 높은 효과가 있다.
보다 구체적으로, 상기 네오디뮴 화합물은 Nd(2-에틸헥사노에이트)3, Nd(2,2-디메틸 데카노에이트)3, Nd(2,2-디에틸 데카노에이트)3, Nd(2,2-디프로필 데카노에이트)3, Nd(2,2-디부틸 데카노에이트)3, Nd(2,2-디헥실 데카노에이트)3, Nd(2,2-디옥틸 데카노에이트)3, Nd(2-에틸-2-프로필 데카노에이트)3, Nd(2-에틸-2-부틸 데카노에이트)3, Nd(2-에틸-2-헥실 데카노에이트)3, Nd(2-프로필-2-부틸 데카노에이트)3, Nd(2-프로필-2-헥실 데카노에이트)3, Nd(2-프로필-2-이소프로필 데카노에이트)3, Nd(2-부틸-2-헥실 데카노에이트)3, Nd(2-헥실-2-옥틸 데카노에이트)3, Nd(2,2-디에틸 옥타노에이트)3, Nd(2,2-디프로필 옥타노에이트)3, Nd(2,2-디부틸 옥타노에이트)3, Nd(2,2-디헥실 옥타노에이트)3, Nd(2-에틸-2-프로필 옥타노에이트)3, Nd(2-에틸-2-헥실 옥타노에이트)3, Nd(2,2-디에틸 노나노에이트)3, Nd(2,2-디프로필 노나노에이트)3, Nd(2,2-디부틸 노나노에이트)3, Nd(2,2-디헥실 노나노에이트)3, Nd(2-에틸-2-프로필 노나노에이트)3 및 Nd(2-에틸-2-헥실 노나노에이트)3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
또한, 상기 네오디뮴 화합물의 용해도는 상온(23±5℃)에서 비극성 용매 6g 당 약 4g 이상일 수 있다. 상기 네오디뮴계 화합물의 용해도는 탁한 현상 없이 맑게 용해되는 정도를 의미하는 것으로, 이와 같이 높은 용해도를 나타냄으로써 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 네오디뮴 화합물은 루이스 염기와의 반응물의 형태로 사용될 수도 있다. 이 반응물은 루이스 염기에 의해, 네오디뮴 화합물의 용매에 대한 용해성을 향상시키고, 장기간 안정한 상태로 저장할 수 있는 효과가 있다. 상기 루이스 염기는 일례로 네오디뮴 원소 1몰 대비 30몰 이하, 또는 1 내지 10몰의 비율로 사용될 수 있다. 상기 루이스 염기는 일례로 아세틸아세톤, 테트라히드로푸란, 피리딘, N,N-디메틸포름아미드, 티오펜, 디페닐에테르, 트리에틸아민, 유기인 화합물 또는 1가 또는 2가의 알코올 등일 수 있다.
(b) 제1 알킬화제
상기 제1 알킬화제는 알루미녹산일 수 있으며, 상기 알루미녹산은 트리히드로카르빌 알루미늄계 화합물에 물을 반응시킴으로써 제조된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 알루미녹산은 하기 화학식 5a의 직쇄 알루미녹산 또는 화학식 5b의 환형 알루미녹산일 수 있다.
[화학식 5a]
Figure pat00008
[화학식 5b]
Figure pat00009
상기 화학식 5a 및 화학식 5b에서, R은 탄소 원자를 통해 알루미늄 원자에 결합하는 1가의 유기기로서, 하이드로카르빌기일 수 있으며, x 및 y는 서로 독립적으로 1 이상의 정수, 구체적으로는 1 내지 100, 또는 2 내지 50의 정수일 수 있다.
상기 알루미녹산은 메틸알루미녹산(MAO), 변성 메틸알루미녹산(MMAO), 에틸알루미녹산, n-프로필알루미녹산, 이소프로필알루미녹산, 부틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, n-펜틸알루미녹산, 네오펜틸알루미녹산, n-헥실알루미녹산, n-옥틸알루미녹산, 2-에틸헥실알루미녹산, 시클로헥실알루미녹산, 1-메틸시클로펜틸알루미녹산, 페닐알루미녹산 또는 2,6-디메틸페닐 알루미녹산 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 변성 메틸알루미녹산은 메틸알루미녹산의 메틸기를 수식기(R), 구체적으로는 탄소수 2 내지 20의 탄화수소기로 치환한 것으로, 구체적으로는 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00010
상기 화학식 6에서, R은 앞서 정의한 바와 같으며, m 및 n은 서로 독립적으로 2 이상의 정수일 수 있다. 또한, 상기 화학식 6에서, Me는 메틸기(methyl group)을 나타내는 것이다.
구체적으로, 상기 R은 탄소수 2 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알케닐기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬기, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 알릴기 또는 탄소수 2 내지 20의 알키닐기일 수 있으며, 보다 구체적으로는 에틸기, 이소부틸기, 헥실기 또는 옥틸기 등과 같은 탄소수 2 내지 10의 알킬기이고, 보다 더 구체적으로는 이소부틸기일 수 있다.
상기 변성 메틸알루미녹산은 메틸알루미녹산의 메틸기의 약 50 내지 90몰%를 상기한 탄화수소기로 치환한 것일 수 있다. 변성 메틸알루미녹산 내 치환된 탄화수소기의 함량이 상기 범위 내일 때, 알킬화를 촉진시켜 촉매활성을 증가시킬 수 있다.
이와 같은 변성 메틸알루미녹산은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 트리메틸알루미늄과 트리메틸알루미늄 이외의 알킬알루미늄을 이용하여 제조될 수 있다. 이때 상기 알킬알루미늄은 트리이소부틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리헥실알루미늄 또는 트리옥틸알루미늄 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제조되는 변성 공액디엔계 중합체의 분자량 분포를 좁게 형성할 수 있고, 이에 따른 중합체의 물성 개선 측면에서 바람직하게, 상기 제1 알킬화제는 메틸알루미녹산 또는 변성 메틸알루미녹산일 수 있다.
(c) 제2 알킬화제
제2 알킬화제는 히드로카르빌알루미늄 디하이드라이드일 수 있으며, 구체적으로 상기 제2 알킬화제는 디에틸알루미늄 하이드라이드, 디-n-프로필알루미늄 하이드라이드, 디이소프로필알루미늄 하이드라이드, 디-n-부틸알루미늄 하이드라이드, 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(DIBAH), 디-n-옥틸알루미늄 하이드라이드, 디페닐알루미늄 하이드라이드, 디-p-톨릴알루미늄 하이드라이드, 디벤질알루미늄 하이드라이드, 페닐에틸알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-프로필알루미늄 하이드라이드, 페닐이소프로필알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-부틸알루미늄 하이드라이드, 페닐이소부틸알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-옥틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴에틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-프로필알루미늄 하이드라이드, p-톨릴이소프로필알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-부틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴이소부틸알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-옥틸알루미늄 하이드라이드, 벤질에틸알루미늄 하이드라이드, 벤질-n-프로필알루미늄 하이드라이드, 벤질이소프로필알루미늄 하이드라이드, 벤질-n-부틸알루미늄 하이드라이드, 벤질이소부틸알루미늄 하이드라이드 또는 벤질-n-옥틸알루미늄 하이드라이드 등의 디히드로카르빌알루미늄 하이드라이드; 에틸알루미늄 디하이드라이드, n-프로필알루미늄 디하이드라이드, 이소프로필알루미늄 디하이드라이드, n-부틸알루미늄 디하이드라이드, 이소부틸알루미늄 디하이드라이드 및 n-옥틸알루미늄 디하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 촉매 조성물에 있어서, 알킬화제는 히드로카르빌기를 다른 금속으로 전달할 수 있는 유기금속 화합물로서 조촉매의 역할을 하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 촉매 조성물은 필요에 따라 상기의 제1 및 제2 알킬화제 외 통상 공액디엔계 중합체의 제조시 알킬화제로서 사용되는 통상적인 알킬화제를 더 포함할 수 있으며, 이러한 알킬화제로는 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리-n-프로필알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-n-부틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리-t-부틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 트리시클로헥실알루미늄, 트리옥틸알루미늄 등의 알킬알루미늄; 디에틸마그네슘, 디-n-프로필마그네슘, 디이소프로필마그네슘, 디부틸마그네슘, 디헥실마그네슘, 디페닐마그네슘, 또는 디벤질마그네슘과 같은 알킬마그네슘 화합물 등을 들 수 있고, 또 상기 유기 리튬 화합물로는 n-부틸리튬 등과 같은 알킬 리튬 화합물 등을 들 수 있다.
(d) 할로겐 화합물
상기 할로겐 화합물은 그 종류가 특별히 한정되지 않지만, 통상 디엔계 중합체의 제조시 할로겐 화합물로서 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하다.
구체적으로, 상기 할로겐 화합물로는 할로겐 단체(單體, simple substance), 할로겐간 화합물(interhalogen compound), 할로겐화수소, 유기 할라이드, 비금속 할라이드, 금속 할라이드 또는 유기금속 할라이드 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이중에서도 촉매 활성 향상 및 이에 따른 반응성 개선 효과의 우수함을 고려할 때 상기 할로겐 화합물로는 유기 할라이드, 금속 할라이드 및 유기금속 할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 할로겐 단체로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드를 들 수 있다.
또한, 상기 할로겐간 화합물로는 구체적으로 요오드 모노클로라이드, 요오드 모노브로마이드, 요오드 트리클로라이드, 요오드 펜타플루오라이드, 요오드 모노플루오라이드 또는 요오드 트리플루오라이드 등을 들 수 있다.
또한, 상기 할로겐화수소로는 구체적으로 불화수소, 염화수소, 브롬화수소 또는 요오드화수소를 들 수 있다.
또한, 상기 유기 할라이드로는 구체적으로 t-부틸 클로라이드(t-BuCl), t-부틸 브로마이드, 알릴 클로라이드, 알릴 브로마이드, 벤질 클로라이드, 벤질 브로마이드, 클로로-디-페닐메탄, 브로모-디-페닐메탄, 트리페닐메틸 클로라이드, 트리페닐메틸 브로마이드, 벤질리덴 클로라이드, 벤질리덴 브로마이드, 메틸트리클로로실란, 페닐트리클로로실란, 디메틸디클로로실란, 디페닐디클로로실란, 트리메틸클로로실란(TMSCl), 벤조일 클로라이드, 벤조일 브로마이드, 프로피오닐 클로라이드, 프로피오닐 브로마이드, 메틸 클로로포르메이트, 메틸 브로모포르메이트, 요오도메탄, 디요오도메탄, 트리요오도메탄 (요오도포름으로도 불리움), 테트라요오도메탄, 1-요오도프로판, 2-요오도프로판, 1,3-디요오도프로판, t-부틸 요오다이드, 2,2-디메틸-1-요오도프로판 ('네오펜틸 요오다이드'로도 불리움), 알릴 요오다이드, 요오도벤젠, 벤질 요오다이드, 디페닐메틸 요오다이드, 트리페닐메틸 요오다이드, 벤질리덴 요오다이드 ('벤잘 요오다이드'로도 불리움), 트리메틸실릴 요오다이드, 트리에틸실릴 요오다이드, 트리페닐실릴 요오다이드, 디메틸디요오도실란, 디에틸디요오도실란, 디페닐디요오도실란, 메틸트리요오도실란, 에틸트리요오도실란, 페닐트리요오도실란, 벤조일 요오다이드, 프로피오닐 요오다이드 또는 메틸 요오도포르메이트 등을 들 수 있다.
또한, 상기 비금속 할라이드로는 구체적으로 삼염화인, 삼브롬화인, 오염화인, 옥시염화인, 옥시브롬화인, 삼불화붕소, 삼염화붕소, 삼브롬화붕소, 사불화규소, 사염화규소(SiCl4), 사브롬화규소, 삼염화비소, 삼브롬화비소, 사염화셀레늄, 사브롬화셀레늄, 사염화텔루르, 사브롬화텔루르, 사요오드화규소, 삼요오드화비소, 사요오드화텔루르, 삼요오드화붕소, 삼요오드화인, 옥시요오드화인 또는 사요오드화셀레늄 등을 들 수 있다.
또한, 상기 금속 할라이드로는 구체적으로 사염화주석, 사브롬화주석, 삼염화알루미늄, 삼브롬화알루미늄, 삼염화안티몬, 오염화안티몬, 삼브롬화안티몬, 삼불화알루미늄, 삼염화갈륨, 삼브롬화갈륨, 삼불화갈륨, 삼염화인듐, 삼브롬화인듐, 삼불화인듐, 사염화티타늄, 사브롬화티타늄, 이염화아연, 이브롬화아연, 이불화아연, 삼요오드화알루미늄, 삼요오드화갈륨, 삼요오드화인듐, 사요오드화티타늄, 이요오드화아연, 사요오드화게르마늄, 사요오드화주석, 이요오드화주석, 삼요오드화안티몬 또는 이요오드화마그네슘을 들 수 있다.
또한, 상기 유기금속 할라이드로는 구체적으로 디메틸알루미늄 클로라이드, 디에틸알루미늄 클로라이드, 디메틸알루미늄 브로마이드, 디에틸알루미늄 브로마이드, 디메틸알루미늄 플루오라이드, 디에틸알루미늄 플루오라이드, 메틸알루미늄 디클로라이드, 에틸알루미늄 디클로라이드, 메틸알루미늄 디브로마이드, 에틸알루미늄 디브로마이드, 메틸알루미늄 디플루오라이드, 에틸알루미늄 디플루오라이드, 메틸알루미늄 세스퀴클로라이드, 에틸알루미늄 세스퀴클로라이드(EASC), 이소부틸알루미늄 세스퀴클로라이드, 메틸마그네슘 클로라이드, 메틸마그네슘 브로마이드, 에틸마그네슘 클로라이드, 에틸마그네슘 브로마이드, n-부틸마그네슘 클로라이드, n-부틸마그네슘 브로마이드, 페닐마그네슘 클로라이드, 페닐마그네슘 브로마이드, 벤질마그네슘 클로라이드, 트리메틸주석 클로라이드, 트리메틸주석 브로마이드, 트리에틸주석 클로라이드, 트리에틸주석 브로마이드, 디-t-부틸주석 디클로라이드, 디-t-부틸주석 디브로마이드, 디-n-부틸주석 디클로라이드, 디-n-부틸주석 디브로마이드, 트리-n-부틸주석 클로라이드, 트리-n-부틸주석 브로마이드, 메틸마그네슘 요오다이드, 디메틸알루미늄 요오다이드, 디에틸알루미늄 요오다이드, 디-n-부틸알루미늄 요오다이드, 디이소부틸알루미늄 요오다이드, 디-n-옥틸알루미늄 요오다이드, 메틸알루미늄 디요오다이드, 에틸알루미늄 디요오다이드, n-부틸알루미늄 디요오다이드, 이소부틸알루미늄 디요오다이드, 메틸알루미늄 세스퀴요오다이드, 에틸알루미늄 세스퀴요오다이드, 이소부틸알루미늄 세스퀴요오다이드, 에틸마그네슘 요오다이드, n-부틸마그네슘 요오다이드, 이소부틸마그네슘 요오다이드, 페닐마그네슘 요오다이드, 벤질마그네슘 요오다이드, 트리메틸주석 요오다이드, 트리에틸주석 요오다이드, 트리-n-부틸주석 요오다이드, 디-n-부틸주석 디요오다이드 또는 디-t-부틸주석 디요오다이드 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 촉매 조성물은, 상기 할로겐 화합물 대신에 또는 상기 할로겐 화합물과 함께, 비배위성 음이온 함유 화합물 또는 비배위 음이온 전구체 화합물을 포함할 수도 있다.
구체적으로, 상기 비배위성 음이온을 포함하는 화합물에 있어서, 비배위성 음이온은 입체 장애로 인해 촉매계의 활성 중심과 배위결합을 형성하지 않는, 입체적으로 부피가 큰 음이온으로서, 테트라아릴보레이트 음이온 또는 불화 테트라아릴보레이트 음이온 등일 수 있다. 또, 상기 비배위성 음이온을 포함하는 화합물은 상기한 비배위성 음이온과 함께 트리아릴 카르보늄 양이온과 같은 카르보늄 양이온; N,N-디알킬 아닐리늄 양이온 등과 같은 암모늄 양이온, 또는 포스포늄 양이온 등의 상대 양이온을 포함하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 비배위성 음이온을 포함하는 화합물은, 트리페닐 카르보늄 테트라키스(펜타플루오로 페닐) 보레이트, N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로 페닐) 보레이트, 트리페닐 카르보늄 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸) 페닐]보레이트, 또는 N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸) 페닐]보레이트 등일 수 있다.
또한, 상기 비배위성 음이온 전구체로서는, 반응 조건 하에서 비배위성 음이온이 형성 가능한 화합물로서, 트리아릴 붕소 화합물(BR3, 이때 R는 펜타플루오로페닐기 또는 3,5-비스(트리플루오로메틸) 페닐기 등과 같은 강한 전자흡인성의 아릴기임)을 들 수 있다.
(e) 공액디엔계 단량체
또한, 상기 촉매 조성물은 공액디엔계 단량체를 더 포함할 수 있으며, 중합 반응에 사용되는 공액디엔계 단량체의 일부를 중합용 촉매 조성물과 미리 혼합하여 전(pre) 중합한 예비중합(preforming) 또는 예비혼합(premix) 촉매 조성물의 형태로 사용함으로써, 촉매 조성물 활성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제조되는 활성 중합체를 안정화시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 "예비중합(preforming)"이란, 네오디뮴 화합물, 알킬화제 및 할로겐화물을 포함하는 촉매 조성물, 즉 촉매 시스템에서 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(DIBAH) 등을 포함하는 경우, 이와 함께 다양한 촉매 조성물 활성종 생성가능성을 줄이기 위해 1,3-부타디엔 등의 공액디엔계 단량체를 소량 첨가하게 되며, 1,3-부타디엔 첨가와 함께 촉매 조성물 시스템 내에서 전(pre) 중합이 이루어짐을 의미할 수 있다. 또한 "예비혼합(premix)"이란 촉매 조성물 시스템에서 중합이 이루어지지 않고 각 화합물들이 균일하게 혼합된 상태를 의미할 수 있다.
이 때, 상기 촉매 조성물의 제조에 사용되는 공액디엔계 단량체는 상기 중합 반응에 사용되는 공액디엔계 단량체의 총 사용량 범위 내에서 일부의 양이 사용되는 것일 수 있으며, 예컨대 상기 네오디뮴 화합물 1몰에 대하여 1 내지 100몰, 구체적으로는 1 내지 50몰, 또는 1 내지 30몰로 사용되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매 조성물은, 유기용매 중에서 전술한 네오디뮴 화합물 및 알킬화제, 할로겐화물 및 공액디엔계 단량체 중 적어도 하나, 구체적으로는 네오디뮴 화합물, 알킬화제 및 할로겐화물, 그리고 선택적으로 공액디엔계 단량체를 혼합함으로써 제조할 수 있다. 이때, 상기 유기용매는 상기한 촉매 조성물의 구성 성분들과 반응성이 없는 비극성 용매일 수 있다.
구체적으로, 상기 비극성 용매는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸, 이소펜탄, 이소헥산, 이소펜탄, 이소옥탄, 2,2-디메틸부탄, 시클로펜탄, 시클로헥산, 메틸시클로펜탄 또는 메틸시클로헥산 등과 같은 선형, 분지형 또는 환형의 탄소수 5 내지 20의 지방족 탄화수소; 석유 에테르(petroleum ether) 또는 석유 주정제(petroleum spirits), 또는 케로센(kerosene) 등과 같은 탄소수 5 내지 20의 지방족 탄화수소의 혼합용매; 또는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등과 같은 방향족 탄화수소계 용매 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 비극성 용매는 상기한 선형, 분지형 또는 환형의 탄소수 5 내지 20의 지방족 탄화수소 또는 지방족 탄화수소의 혼합용매일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 n-헥산, 시클로헥산, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 본 발명의 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법은 상기 활성 중합체를 제조한 후, 폴리옥시에틸렌글리콜포스페이트 등과 같은 중합 반응을 완료시키기 위한 반응정지제 또는 2,6-디-t-부틸파라크레졸 등과 같은 산화방지제 등의 첨가제를 더 사용하여 중합을 종결시키는 단계를 포함할 수 있다. 이외에도, 반응정지제와 함께 용액중합을 용이하도록 하는 첨가제, 예컨대 킬레이트제, 분산제, pH 조절제, 탈산소제 또는 산소포착제(oxygen scavenger)와 같은 첨가제를 선택적으로 더 사용할 수 있다.
또한, 상기 중합 반응은 상기 촉매 조성물 및 중합체를 실활시키지 않기 위해, 일례로 중합 반응계 내에 산소, 물, 탄산가스 등의 실활 작용이 있는 화합물의 혼입을 방지하는 것이 바람직할 수 있다.
상기와 같은 중합 반응의 결과로서, 상기 네오디뮴 화합물을 포함하는 촉매 조성물로부터 활성화된 유기금속 부위를 포함하는 활성 중합체, 보다 구체적으로는 1,3-부타디엔 단량체 단위를 포함하는 네오디뮴 촉매화 공액디엔계 중합체가 생성되고, 상기 제조된 공액디엔계 중합체는 슈도 리빙 특성을 가질 수 있다.
단계 (S2)
상기 활성 중합체를 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응시켜 1차 변성시키는 단계로서, 상기 활성 중합체의 말단에 화학식 1로 표시되는 화합물 유래 작용기를 결합시키는 단계일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00011
상기 화학식 1에서,
X1은 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 20의 1가 탄화수소기이고,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
구체적으로, X1은 말단에 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 20의 1가 탄화수소기일 수 있고, 구체적으로 알릴기, 부테닐기, 펜테닐기, 헥세닐기 등일 수 있고, 바람직하게는 알릴기일 수 있다.
또한, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기일 수 있고, 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 또는 메틸기일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 화학식 1의 정의에 속하는 모든 화합물이 본 발명에 해당한다.
[화학식 1a]
Figure pat00012
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 반응성 작용기와 아민기를 포함하는 1차 변성제로서, 상기 탄소-탄소 이중결합은 단계 (S1)에서 제조된 활성 중합체의 활성 부위에 대해 높은 반응성을 나타냄으로써 활성 중합체를 높은 변성률로 변성시킬 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 아민기를 포함하기 때문에 이를 활성 중합체에 도입시킬 경우 충진제, 특히 실리카, 카본블랙과의 친화성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 후술하는 바와 같이 화학식 2로 표시되는 화합물, 화학식 3으로 표시되는 화합물과 조합하여 사용함으로써 이러한 효과를 극대화시킬 수 있다. 이와 같은 충진제와의 개선된 상호작용은 변성 공액디엔계 중합체를 고무 조성물 및 최종적으로 얻어진 성형품의 물성, 특히 타이어의 인장강도 내마모성, 구름 저항 및 저주행 저항성 등을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물 1당량 기준으로 1 내지 5당량일 수 있고, 구체적으로 3당량 이상, 4당량 이하일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 1당량 미만일 경우, 변성이 충분히 이루어지지 못해 상술한 화학식 1로 표시되는 화합물 유래 작용기를 도입함으로써 나타나는 효과를 구현하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 5당량 초과일 경우, 화합물 사용량을 늘려도 성능 향상에는 한계가 있기 때문에 경제성이 저하될 수 있다.
단계 (S3)
상기 단계 (S2)를 통해 1차 변성된 활성 중합체를 하기 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시켜 2차 변성시키는 단계이다.
상기 단계(S2)에서 화학식 1로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물, 공액디엔계 단량체와 함께 투입되어 X1 작용기를 통해 중합 반응 초기부터 중합체 사슬에 결합하게 되고, 화학식 2로 표시되는 화합물은 이후 투입되어 1차 변성된 중합체의 사슬 중간에 결합하게 되며 이는 공액디엔계 단량체의 추가 투입과 함께 수행될 수 있다.
화학식 2로 표시되는 화합물로부터 유래된 아민기를 포함하는 본 발명의 변성 공액디엔계 중합체는 카본 블랙 또는 실리카와 강한 결합을 가지며 회전 저항 성능이 우수하다.
[화학식 2]
Figure pat00013
상기 화학식 2에서,
L1은 직접 결합 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기이고,
R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
구체적으로, 상기 L1은 직접 결합 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기이고, 바람직하게는 직접 결합일 수 있다. 또한, R7 및 R8은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 또는 메틸기일 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 하기 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 화학식 2의 정의에 속하는 모든 화합물이 본 발명에 해당한다.
[화학식 2a]
Figure pat00014
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물 1당량 기준으로 1 내지 5당량일 수 있고, 구체적으로 3당량 이상, 4당량 이하일 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 1당량 미만일 경우, 변성이 충분히 이루어지지 못해 상술한 화학식 2로 표시되는 화합물 유래 작용기를 도입함으로써 나타나는 효과를 구현하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 5당량 초과일 경우, 화합물 사용량을 늘려도 성능 향상에는 한계가 있기 때문에 경제성이 저하될 수 있다.
단계 (S4)
상기 단계 (S3)를 통해 2차 변성된 활성 중합체를 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물과 반응시켜 3차 변성시키는 단계이다.
상기 단계 (S3)에서 2차 변성된 중합체를 화학식 3으로 표시되는 화합물과 반응시켜 본 발명의 변성 공액디엔계 중합체가 제조되며, 그 결과, 본 발명의 변성 공액디엔계 중합체는 중합체 사슬의 시점(α-end)에는 화학식 1로 표시되는 화합물 유래 작용기가 존재하고, 사슬 내부에는 화학식 2로 표시되는 화합물 유래 작용기가 존재하며, 사슬의 종점(ω-end)에는 화학식 3으로 표시되는 화합물 유래 작용기가 결합되어 있는 구조를 가진다. 이와 같이 3종 변성제의 변성 반응으로 제조된 본 발명의 변성 공액디엔계 중합체는 아민기가 다량 포함되어 있어 카본 블랙 또는 실리카와 강한 결합을 가지며 회전 저항 성능이 우수하다.
[화학식 3]
Figure pat00015
상기 화학식 3에서,
X2는 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 30의 1가 탄화수소기이다.
구체적으로, 상기 X2는 내부에 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 30의 1가 탄화수소기, 탄소수 6 내지 20의 1가 탄화수소기, 탄소수 10 내지 20의 1가 탄화수소기일 수 있다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 하기 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 화학식 3의 정의에 속하는 모든 화합물이 본 발명에 해당한다.
[화학식 3a]
Figure pat00016
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물 1당량 기준으로 1 내지 10당량일 수 있고, 구체적으로 1당량 이상, 3당량 이상일 수 있다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물이 1당량 미만일 경우, 변성이 충분히 이루어지지 못해 상술한 화학식 3으로 표시되는 화합물 유래 작용기를 도입함으로써 나타나는 효과를 구현하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물이 10당량 초과일 경우, 회전 저항 성능이 오히려 하락하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서는 단계 (S1) 내지 단계 (S3)에서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 화합물이 각각 1차 변성제, 2차 변성제 및 3차 변성제로 사용되며, 이 때 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 화합물은 전술한 바와 같이 네오디뮴 화합물 1당량 대비 각각 1 내지 10당량, 1 내지 10당량, 1 내지 15당량일 수 있다.
또한, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 화합물 사이의 당량비는 자유롭게 조절될 수 있다. 구체적으로 상기 당량비는 3 내지 5 : 3 내지 5 : 5 내지 8일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 범위를 벗어나 화학식 1로 표시되는 화합물, 화학식 2로 표시되는 화합물 및/또는 화학식 3으로 표시되는 화합물이 소량일 경우 변성 공액디엔계 중합체의 회전 저항 성능이 하락할 수 있다. 또한, 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물 각각의 네오디뮴 화합물 대비 당량, 상기 화합물 사이의 당량비는 모두 동시에 충족되는 것일 수 있다.
상기 1차 변성, 2차 변성, 3차 변성은 용액 반응 또는 고상 반응에 의해 수행될 수 있고, 구체적인 예로 용액 반응에 의해 수행될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 변성 반응은 배치(batch)식 반응기를 이용하여 수행될 수도 있고, 다단 연속식 반응기나 인라인 믹서 등의 장치를 이용하여 연속식으로 수행될 수도 있다.
상기 변성은 통상 중합반응과 동일한 온도 및 압력 조건에서 수행될 수 있고, 구체적인 예로 20 내지 100℃의 온도에서 수행될 수 있고, 0℃ 내지 90℃에서 1분 내지 5시간 동안 반응을 수행하는 것일 수 있다. 이 범위 내에서 중합체의 점도가 상승하지 않고, 중합체의 활성화된 말단이 실활되지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단계 (S4) 이후 산화방지제 및 지방산 에스테르를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 최종 제조되는 변성 공액디엔계 중합체를 안정화시켜 회수하기 위한 후처리 단계에 해당하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 단계 (S4)이후에 수증기의 공급을 통해 용제의 분압을 낮추는 스팀 스트립핑 등의 탈용매 처리나 진공 건조 처리를 거쳐서 변성 공액디엔계 중합체를 수득할 수 있다. 또한, 상기한 반응의 결과로 수득되는 반응생성물 중에는 상기한 변성 공액디엔 중합체와 함께, 변성되지 않은, 활성 중합체가 포함될 수도 있다.
전술한 본 발명의 제조방법으로 제조된 변성 공액디엔계 중합체는 실리카 및 카본블랙과 같은 고무 조성물에서의 충진제에 대해 보다 강한 친화력을 가지므로, 고무 조성물에 적용시 충진제에 대한 우수한 상용성을 나타내고 충진제의 응집을 방지하며 분산성을 높여 고무 조성물의 가공성을 개선시킬 수 있다. 궁극적으로는 타이어에 요구되는 내마모성 성능의 향상과 높은 습윤저한, 낮은 회전저항의 값을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 변성 공액디엔계 중합체는 100℃에서의 무니점도(mooney viscosity, MV)가 30 내지 60일 수 있고, 구체적으로 40 내지 55일 수 있다. 본 발명에 따른 상기 변성 공액디엔계 중합체는 전술한 범위의 무니점도를 가짐으로써 가공성이 우수할 수 있다.
상기 무니점도는 무니 점도계, 예를 들어, Monsanto사 MV2000E의 Large Rotor를 사용하여 100℃ 및 Rotor Speed 2±0.02rpm의 조건에서 측정하였다. 구체적으로는 중합체를 실온(23±5℃)에서 30분 이상 방치한 후 27±3g을 채취하여 다이 캐비티 내부에 채워 놓고 플래턴(Platen)을 작동시켜 토크를 인가하면서 무니점도를 측정한 것이다.
또한, 상기 변성 공액디엔계 중합체는 중량평균 분자량(Mw)과 수평균 분자량(Mn)과의 비(Mw/Mn)인 분자량 분포(PDI, Polydispersity)가 2.5 내지 4.0의 분자량 분포를 갖는 것일 수 있다.
상기 PDI가 4.0을 초과할 경우 고무 조성물에 적용시 내마모성, 저연비성 등의 기계적 물성이 저하될 우려가 있다. 보다 구체적으로 분자량 분포 제어에 따른 중합체의 기계적 물성 개선 효과의 현저함을 고려할 때, 상기 변성 공액디엔계 중합체의 분자량 분포는 2.5 내지 3.5일 수 있다.
또한, 상기 변성 공액디엔계 중합체는 고무 조성물에 적용시 고무 조성물에 대한 기계적 물성, 탄성률 및 가공성의 발란스 좋은 개선 효과를 고려할 때, 상기 분자량 분포와 함께 중량평균 분자량 및 수평균 분자량 조건을 동시에 충족하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 변성 공액디엔계 중합체는 중량평균 분자량(Mw)이 600,000 내지 800,000 g/mol일 수 있다. 상기 공액디엔계 중합체의 중량평균 분자량이 600,000 g/mol 미만일 경우 가황물의 탄성률이 저하되어 히스테리시스 로스가 상승하고 내마모성이 악화될 우려가 있다. 또 중량평균 분자량이 800,000 g/mol 초과일 경우 가공성 저하로 상기 공액디엔계 중합체를 포함하는 고무 조성물의 작업성이 악화되고 혼반죽이 곤란해져 고무 조성물의 물성을 충분히 향상시키기 어려울 수 있다. 상기 중량평균 분자량 및 수평균 분자량은 각각 겔 투과형 크로마토그래피(GPC)로 분석되는 폴리스티렌 환산 분자량이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 변성 공액디엔계 중합체는 상기한 분자량 분포와 함께 중량평균 분자량 및 수평균 분자량 조건을 동시에 충족하는 경우, 고무 조성물에 적용 시 고무 조성물에 대한 인장특성, 점탄성 및 가공성이 우수하고, 이들 간의 물성 밸런스가 우수한 효과가 있다.
나아가, 상기 변성 공액디엔계 중합체는 이를 포함하는 고무 조성물, 고무 조성물로부터 제조된 성형품에 이용될 수 있다.
상기 고무 조성물은 변성 공액디엔계 중합체를 0.1 내지 100 중량%, 구체적으로는 10 내지 100 중량%, 또는 20 내지 90 중량%로 포함하는 것일 수 있다. 만약, 상기 변성 공액디엔계 중합체의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 결과적으로 상기 고무 조성물을 이용하여 제조된 성형품, 예컨대 타이어의 내마모성 및 내균열성 등의 개선효과가 미미할 수 있다.
또한, 상기 고무 조성물은 상기 변성 공액디엔계 중합체 외에 필요에 따라 다른 고무 성분을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 고무 성분은 고무 조성물 총 중량에 대하여 90 중량% 이하의 함량으로 포함될 수 있다. 구체적으로는 상기 변성 공액디엔계 공중합체 100 중량부에 대하여 1 내지 900 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
상기 고무 성분은 천연고무 또는 합성고무일 수 있으며, 예컨대 상기 고무 성분은 시스-1,4-폴리이소프렌을 포함하는 천연고무(NR); 상기 일반적인 천연고무를 변성 또는 정제한, 에폭시화 천연고무(ENR), 탈단백 천연고무(DPNR), 수소화 천연고무 등의 변성 천연고무; 스티렌-부타디엔 공중합체(SBR), 폴리부타디엔(BR), 폴리이소프렌(IR), 부틸고무(IIR), 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리이소부틸렌-코-이소프렌, 네오프렌, 폴리(에틸렌-코-프로필렌), 폴리(스티렌-코-부타디엔), 폴리(스티렌-코-이소프렌), 폴리(스티렌-코-이소프렌-코-부타디엔), 폴리(이소프렌-코-부타디엔), 폴리(에틸렌-코-프로필렌-코-디엔), 폴리설파이드 고무, 아크릴 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 에피클로로히드린 고무, 할로겐화 부틸 고무 등과 같은 합성고무일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 고무 조성물은 변성 공액디엔계 중합체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 150 중량부의 충진제를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 충진제는 실리카계, 카본블랙 또는 이들 조합인 것일 수 있다. 구체적으로는, 상기 충진제는 카본블랙인 것일 수 있다.
상기 카본블랙계 충진제는 특별히 제한하는 것은 아니나, 예컨대 질소 흡착 비표면적(N2SA, JIS K 6217-2:2001에 준거해서 측정함)이 20 ㎡/g 내지 250 ㎡/g인 것일 수 있다. 또, 상기 카본블랙은 디부틸프탈레이트 흡유량(DBP)이 80 cc/100g 내지 200 cc/100g인 것일 수 있다. 상기 카본블랙의 질소흡착 비표면적이 250 m2/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 우려가 있고, 20 m2/g 미만이면 카본블랙에 의한 보강 성능이 미미할 수 있다. 또한, 상기 카본블랙의 DBP 흡유량이 200 cc/100g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 우려가 있고, 80 cc/100g 미만이면 카본블랙에 의한 보강 성능이 미미할 수 있다.
또한, 상기 실리카는 특별히 제한하는 것은 아니나, 예컨대 습식 실리카(함수규산), 건식 실리카(무수규산), 규산칼슘, 규산알루미늄 또는 콜로이드 실리카 등일 수 있다. 구체적으로는, 상기 실리카는 파괴 특성의 개량 효과 및 웨트 그립성(wet grip)의 양립 효과가 가장 현저한 습식 실리카일 수 있다. 또한, 상기 실리카는 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 120 ㎡/g 내지 180 ㎡/g이고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide) 흡착 비표면적이 100 ㎡/g 내지 200 ㎡/g일 수 있다. 상기 실리카의 질소흡착 비표면적이 120 ㎡/g 미만이면 실리카에 의한 보강 성능이 저하될 우려가 있고, 180 ㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 실리카의 CTAB 흡착 비표면적이 100 ㎡/g 미만이면 충진제인 실리카에 의한 보강 성능이 저하될 우려가 있고, 200 ㎡/g을 초과하면 고무 조성물의 가공성이 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 충진제로서 실리카가 사용될 경우 보강성 및 저발열성 개선을 위해 실란 커플링제가 함께 사용될 수 있다.
상기 실란 커플링제로는 구체적으로 비스(3-트리에톡시실릴프로필)테트라술피드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)트리술피드, 비스(3-트리에톡시실릴프로필)디술피드, 비스(2-트리에톡시실릴에틸)테트라술피드, 비스(3-트리메톡시실릴프로필)테트라술피드, 비스(2-트리메톡시실릴에틸)테트라술피드, 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란, 2-머캅토에틸트리메톡시실란, 2-머캅토에틸트리에톡시실란, 3-트리메톡시실릴프로필-N,N-디메틸티오카르바모일테트라술피드, 3-트리에톡시실릴프로필-N,N-디메틸티오카르바모일테트라술피드, 2-트리에톡시실릴에틸-N,N-디메틸티오카르바모일테트라술피드, 3-트리메톡시실릴프로필벤조티아졸릴테트라술피드, 3-트리에톡시실릴프로필벤졸릴테트라술피드, 3-트리에톡시실릴프로필메타크릴레이트모노술피드, 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트모노술피드, 비스(3-디에톡시메틸실릴프로필)테트라술피드, 3-머캅토프로필디메톡시메틸실란, 디메톡시메틸실릴프로필-N,N-디메틸티오카르바모일테트라술피드 또는 디메톡시메틸실릴프로필벤조티아졸릴테트라술피드 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 보강성 개선 효과를 고려할 때 상기 실란커플링제는 비스(3-트리에톡시실릴프로필)폴리술피드 또는 3-트리메톡시실릴프로필벤조티아질테트라술피드일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 고무 조성물은 황 가교성일 수 있으며, 이에 따라 가황제를 더 포함할 수 있다.
상기 가황제는 구체적으로 황분말일 수 있으며, 고무 성분 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함될 때, 가황 고무 조성물의 필요한 탄성률 및 강도를 확보할 수 있으며, 동시에 저연비성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 고무 조성물은 상기한 성분들 외에, 통상 고무 공업계에서 사용되는 각종 첨가제, 구체적으로는 가황 촉진제, 공정유, 가소제, 노화 방지제, 스코치 방지제, 아연화(zinc white), 스테아르산, 열경화성 수지, 또는 열가소성 수지 등을 더 포함할 수 있다.
상기 가황 촉진제는 특별히 한정되는 것은 아니며, 구체적으로는 M(2-머캅토벤조티아졸), DM(디벤조티아질디술피드), CZ(N-시클로헥실-2-벤조티아질술펜아미드) 등의 티아졸계 화합물, 혹은 DPG(디페닐구아니딘) 등의 구아니딘계 화합물이 사용될 수 있다. 상기 가황촉진제는 고무 성분 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 공정유는 고무 조성물내 연화제로서 작용하는 것으로, 구체적으로는 파라핀계, 나프텐계, 또는 방향족계 화합물일 수 있으며, 보다 구체적으로는 인장 강도 및 내마모성을 고려할 때 방향족계 공정유가, 히스테리시스 손실 및 저온 특성을 고려할 때 나프텐계 또는 파라핀계 공정유가 사용될 수 있다. 상기 공정유는 고무 성분 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하의 함량으로 포함될 수 있으며, 상기 함량으로 포함될 때, 가황 고무의 인장 강도, 저발열성(저연비성)의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 노화방지제로는 구체적으로 N-이소프로필-N'-페닐-p-페닐렌디아민, N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-p-페닐렌디아민, 6-에톡시-2,2,4-트리메틸-1,2-디히드로퀴놀린, 또는 디페닐아민과 아세톤의 고온 축합물 등을 들 수 있다. 상기 노화방지제는 고무 성분 100 중량부에 대하여 0.1 내지 6 중량부로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고무 조성물은 상기 배합 처방에 의해 밴버리 믹서, 롤, 인터널 믹서 등의 혼련기를 사용하여 혼련함으로써 수득될 수 있으며, 또 성형 가공 후 가황 공정에 의해 저발열성이며 내마모성이 우수한 고무 조성물이 수득될 수 있다.
이에 따라 상기 고무 조성물은 타이어 트레드, 언더 트레드, 사이드 월, 카카스 코팅 고무, 벨트 코팅 고무, 비드 필러, 췌이퍼, 또는 비드 코팅 고무 등의 타이어의 각 부재나, 방진고무, 벨트 컨베이어, 호스 등의 각종 공업용 고무 제품의 제조에 유용할 수 있다.
상기 고무 조성물을 이용하여 제조된 성형품은 타이어 또는 타이어 트레드를 포함하는 것일 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
아르곤 조건 하에서, 첫 번째 반응기(10 L)에 4.173 kg 헥산과 500 g의 1,3-부타디엔을 투입하고, 70℃로 승온하였다. 여기에 네오디뮴 베르사테이트(neodymium versatate, NdV) 0.4 mmol, 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(diisobutylaluminum hydride, DIBAH) 16.0 mmol, 디에틸알루미늄 클로라이드(diethylaluminum chloride) 0.96 mmol, 1,3-부타디엔 8.0 mmol을 포함하는 헥산 용액, 메틸알루미녹산(methylaluminoxane, MAO) 40 mmol 톨루엔 용액의 반응을 통해 제조한 촉매 조성물을 첨가한 후, 1,3-부타디엔의 폴리부타디엔으로의 전환율은 약 85%이 될 때까지 중합시키고, 1차 변성제로서 화학식 1에 해당하는 N-allyl-1,1,1-trimethyl-N-(trimethylsilyl)silanamine 화합물(Sigma Aldrich 社 제품 CAS No. 7688-51-9)을 상기 NdV 1당량 기준으로 3당량 투입하여 1차 변성시켰다.
이후, 두 번째 반응기에 2차 변성제로서 화학식 2에 해당하는 4-(dimethylamino)benzaldehyde(Sigma Aldrigh 社 제품 CAS No. 100-10-7)을 NdV 1당량 기준으로 3당량, 첫 번째 반응기의 배출물과 split 1,3-부타디엔 50g과 같이 투입하여 2차 변성시키고 배출시킨 뒤, 3차 변성제로서 화학식 3에 해당하는 올레일 아민(oleylamine)(Sigma Aldrigh 社 제품 CAS No. 100-10-7)을 상기 NdV 1당량 기준으로 3당량, 두 번째 반응기의 배출물과 함께 세 번째 반응기에 투입하여 3차 변성시켰다.
이후 Irganox 1520(BASF 社 제조)을 1.0 g 및 에폭시화 대두유 1.0 g이 포함된 헥산 용액을 첨가하였다. 그 결과 얻어진 중합물을 스팀으로 가열된 온수에 넣고 교반하여 용매를 제거한 다음, 핫 롤 건조하여 잔량의 용매와 물을 제거하여 변성 공액디엔계 중합체를 제조하였다.
실시예 2 내지 5, 비교예 1 내지 7
하기 표 1과 같이 조건을 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 미변성 또는 변성 공액디엔계 중합체를 제조하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7
1차 변성제(Nd 기준 당량) 3 5 5 5 5 0 3 0 0 3 3 0
2차 변성제(Nd 기준 당량) 3 3 5 5 5 0 0 3 0 3 0 3
3차 변성제(Nd 기준 당량) 3 3 3 5 10 0 0 0 3 0 3 3
실험예 1
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 중합체를 대상으로 하기 방법에 따라 물성을 측정하였다.
(1) 변성률(%)
상기 실시예 및 비교예의 변성 공액디엔계 중합체를 대상으로 크로마토그래피 측정으로부터 얻어진 크로마토그램을 이용하여 계산하였다. 구체적으로, 각 중합체를 40℃ 조건 하에서 테트라히드로퓨란(THF)에 녹여 시료를 준비하고, 각 시료를 겔 투과 크로마토그래피(GPC: gel permeation chromatography)에 주입하고, 용리제(Eluent)로 테트라히드로퓨란을 흘려주어 크로마토그램을 얻고, 얻어진 크로마토그램으로부터 하기 식에 의하여 변성률을 계산하였다.
Figure pat00017
(2) 중량평균 분자량(Mw) 및 분자량 분포(MWD)
각 중합체를 40℃ 조건 하에서 테트라히드로퓨란(THF)에 4시간 녹인 후 겔 투과 크로마토그래피(GPC: gel permeation chromatography)에 적재하여 흘려주었다. 이때, 칼럼은 폴리머 라보레토리즈사(Polymer Laboratories)의 상품명 PLgel Olexis 칼럼 두 자루와 PLgel mixed-C 칼럼 한 자루를 조합 사용하였다. 또 새로 교체한 칼럼은 모두 혼합상(mixed bed) 타입의 칼럼을 사용하였으며, 겔 투과 크로마토그래피 표준 물질(GPC Standard material)로서 폴리스티렌(Polystyrene)을 사용하였다.
(3) 무니점도(RP, Raw polymer)
각 중합체에 대해 Alpha Technologies사 MV2000E로 Large Rotor를 사용하여 100℃에서 Rotor Speed 2±0.02 rpm의 조건에서 무니점도(ML1+4, @100℃)(MU)를 측정하였다. 이때 사용된 시료는 실온(23±3℃)에서 30분 이상 방치한 후 27±3g을 채취하여 다이 캐비티 내부에 채워 놓고 플래턴(Platen)을 작동시켜 토크를 인가하면서 무니점도를 측정하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7
변성률(%) 28 30 30 37 30 0 8 8 15 10 20 23
Mw(×105 g/mol) 7.16 7.29 6.28 7.93 7.2 6.61 6.21 6.95 7.07 6.89 7.34 7.51
MWD 2.86 2.92 2.97 3.01 3.23 2.41 2.51 2.62 2.85 2.65 2.91 2.87
무니점도 48 50 45 51 49 46 45 47 48 46 50 50
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 실시예 1 내지 5에서는 변성률이 전반적으로 비교예 대비 높게 나타나는 것을 확인하였다.
실험예 2
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 중합체를 이용하여 고무 시편을 제조한 후 물성을 측정하였다.
구체적으로, 상기 각 중합체 100 중량부에 카본 블랙(N330) 60중량부 및 공정유(process oil) 15중량부, 산화아연(ZnO) 3중량부 및 스테아린산(stearic acid) 2중량부를 배합하고, 황 1.5중량부, 가황 촉진제(TBBS) 0.9중량부를 첨가하고, 50℃에서 1.5분 동안 50rpm으로 약하게 혼합한 후 50℃의 롤을 이용하여 시트 형태의 가황 배합물을 얻었다. 얻은 가황 배합물을 160℃에서 25분 동안 가류하여 고무시편을 제조하였다.
(1) 인장강도(tensile strength, kg·f/cm 2 ), 300% 모듈러스(300% modulus, kg·f/cm 2 )
상기 각 고무 조성물을 160℃에서 t90 × 1.3시간 가류 후 ASTM D412에 준하여 가류물의 인장강도, 300% 신장시의 모듈러스(M-300%)를 측정하였다.
(2) 점탄성 특성(Tanδ @ 60℃)
저연비 특성에 가장 중요한 Tan δ 물성은 독일 Gabo사 DMTS 500N을 사용하여 주파수 10㎐, Prestrain 3%, Dynamic Strain 3%에서 60℃에서의 점탄성 계수(Tanδ)를 측정하였다. 이때, 60℃에서의 Tanδ 값이 낮을수록 히스테리시스 손실이 적고, 회전저항성 특성이 우수함을 나타내는 것으로, 즉 연비성이 우수함을 나타내는 것이다.
측정값은 비교예 1의 결과값을 100으로 하기 수학식 1을 통해 계산하여 지수화(Index)하였다.
[수학식 1]
Index = (기준값/측정값) × 100
실시예 비교예
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7
인장강도(kg·f/cm2) 190 193 193 197 195 185 184 180 186 184 183 190
M-300%(kg·f/cm2) 105 105 104 107 105 92 94 93 96 94 97 100
Tan δat 60℃ 0.124 0.124 0.123 0.117 0.120 0.149 0.145 0.142 0.135 0.139 0.130 0.129
Index 120 120 121 127 124 100 103 105 110 107 115 116
본 발명에 따라 제조한 실시예의 변성 공액디엔계 중합체는 비교예 대비 인장강도 및 300% 모듈러스가 개선되고, 고온 60℃ Tanδ가 향상되어, 히스테리시스 손실이 적고 저주행저항성(연비성)이 우수한 것을 확인하였다.
즉, 본 발명의 제조방법에 따라 1차 변성제, 2차 변성제 및 3차 변성제를 모두 순차적으로 사용하여 공액디엔계 중합체를 변성시킴으로써, 인장 특성 및 점탄성 특성이 모두 향상된 변성 공액디엔계 중합체를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (10)

  1. (S1) 탄화수소 용매 중에서, 네오디뮴 화합물을 포함하는 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계;
    (S2) 상기 활성 중합체를 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응시켜 1차 변성시키는 단계;
    (S3) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시켜 2차 변성시키는 단계; 및
    (S4) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물과 반응시켜 3차 변성시키는 단계;를 포함하는 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00018

    상기 화학식 1에서,
    X1은 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 20의 1가 탄화수소기이고,
    R1 내지 R6는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
    [화학식 2]
    Figure pat00019

    상기 화학식 2에서,
    L1은 직접 결합 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기이고,
    R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
    [화학식 3]
    Figure pat00020

    상기 화학식 3에서,
    X2는 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 30의 1가 탄화수소기이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1에서,
    X1은 말단에 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
    R1 내지 R6는 탄소수 1 내지 6의 알킬기인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 2에서,
    L1은 직접 결합 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기이고,
    R7 및 R8은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 3에서,
    X2는 내부에 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 탄소수 2 내지 20의 1가 탄화수소기인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물 1당량 기준으로 1 내지 5당량인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물 1당량 기준으로 1 내지 5당량인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 네오디뮴 화합물 1당량 기준으로 1 내지 10당량인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 조성물은 네오디뮴 화합물, 제1 알킬화제, 제2 알킬화제 및 할로겐 화합물을 포함하는 것인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 네오디뮴 화합물은 하기 화학식 4로 표시되는 것인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법:
    [화학식 4]
    Figure pat00021

    상기 화학식 4에서,
    Ra 내지 Rc는 서로 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이고,
    단, Ra 내지 Rc가 모두 동시에 수소는 아니다.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공액디엔계 단량체는 1,3-부타디엔, 이소프렌, 1,3-펜타디엔, 1,3-헥사디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2-에틸-1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-펜타디엔, 3-메틸-1,3-펜타디엔, 4-메틸-1,3-펜타디엔 및 2,4-헥사디엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 변성 공액디엔계 중합체의 제조방법.
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