KR20230123816A - 촉매 조성물 제조방법 및 공액디엔계 중합체 제조방법 - Google Patents

촉매 조성물 제조방법 및 공액디엔계 중합체 제조방법 Download PDF

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KR20230123816A
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Abstract

본 발명은 촉매 활성의 저하를 유발하는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 미리 전처리하여, 촉매 활성이 향상된 촉매 조성물을 연속적으로 제조하기 위한 촉매 조성물 제조방법 및 이로부터 제조된 촉매 조성물을 이용한 공액디엔계 중합체 제조방법에 관한 것이다.

Description

촉매 조성물 제조방법 및 공액디엔계 중합체 제조방법{METHOD FOR PREPARING CATALYST COMPOSITION AND METHOD FOR PREPARING CONJUGATED-DIENE POLYMER}
본 발명은 공액디엔계 중합체를 제조하기 위한 촉매 조성물 제조 방법 및 이를 이용한 공액디엔계 중합체 제조방법에 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 폴리부타디엔의 시스 결합 함량 및 선형성을 높이면서도, 분자량 분포를 좁히는 방법이 제안되었다.
폴리부타디엔은 지글러-나타계 촉매를 이용하여 제조될 수 있고, 지글러-나타계 촉매는 유기산 금속 화합물을 알킬 알루미늄 및 할로겐화 알킬 알루미늄 화합물로 활성화하여 제조되며, 제조된 촉매를 1,3-부타디엔 단량체와 반응시켜 폴리부타디엔을 제조한다.
여기서, 상기 유기산 금속 화합물은 티타늄계, 니켈계, 코발트계 및 란탄계가 있고, 폴리부타디엔의 시스 결합 함량 및 선형성을 높이면서도 분자량 분포를 좁게하기 위한 관점에서 란탄계열 희토류 원소 화합물이 주로 이용되고 있다.
상기 란탄계열 희토류 원소 화합물의 대표적인 예로는 네오디뮴계 화합물이 있고, 구체적인 예로 NdV(neodymium versatate) 등을 들 수 있다. 이는 알킬 알루미늄 화합물을 이용한 알킬화 반응(alkylation)을 거친 후, 할로겐화 알킬 알루미늄 화합물을 이용한 할로겐화 반응(halogenation)을 거쳐 활성화 되며, 촉매의 안정화를 위해 상기 알킬화 반응(alkylation) 시 1,3-부타디엔 단량체를 투입하여 프리포밍(preforming)을 실시하기도 한다.
이 때, NdV 등과 같은 란탄계열 희토류 원소 화합물은 단일 화합물 형태로 존재하지 않고, 수분 및 제조 과정에서 사용된 지방족 화합물에 의해 수소 결합된 형태 및/또는 올리고머 형태로 존재하게 된다(비특허문헌 1 및 비특허문헌 2). 그러나, 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태에 대해 곧바로 알킬화 반응(alkylation)을 진행하는 경우, 란탄계열 희토류 원소 화합물이 단일 화합물로 존재하는 경우에 비해 알킬화에 시간이 오래 소요되며, 또한, 알킬화 반응이 충분히 진행되지 않는 문제가 있다. 이렇게 알킬화가 충분히 이루어지지 않은 란탄계열 희토류 원소 화합물이 할로겐화 반응(halogenation)을 실시하기 위한 할로겐화 반응기에 투입되면 촉매 활성을 저하시키는 원인이 되고, 또한, 촉매 제조 장치의 오염을 증가시키는 문제를 발생시킨다.
미국 등록특허공보 제9056303호(특허문헌 1)는 복수 개의 알킬화 반응기를 이용하는 촉매 시스템의 제조방법을 개시한다. 특허문헌 1은 촉매 시스템을 배치 모드로 제조하는 경우의 결점을 해소하기 위해 연속적으로 제조함에 있어서, 반응기 내 겔 형성을 방지하고, 촉매 활성도에 영향을 미치는 알킬화제 및 희토류 원소의 염의 유연성을 확보하기 위해, 반응기의 종류를 구체적으로 특정하고, 라인 출구에서 촉매 시스템의 출구의 유량을 필요한만큼 조절하며, 알킬화 반응 및 염소화 반응에 적합한 잔류 시간 범위 내에서 잔류시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 일본 등록특허공보 제5072191호(특허문헌 2)는 알킬화 반응을 위한 알킬 알루미늄 화합물 및 알킬 알루미늄 하이드라이드를 순차적으로 투입하는 공액디엔 중합용 촉매 제조방법을 개시한다. 그러나, 특허문헌 1 및 2는 촉매 시스템 및 공액디엔 중합용 촉매의 제조 시, 란타넘계 화합물에 대해 직접적으로 알킬화 반응을 실시할 뿐, 알킬화 반응 시 투입되는 란타넘계 화합물의 형태 및 이로 인한 촉매 활성에 대한 영향에 대해서는 인식하지 못하고 있다.
US 9056303 B2 JP 5072191 B2
"A Highly Reactive and Monomeric Neodymium Ctalyst", Macromolecules 2002, 35, 13, 4875-4879 (https://doi.org/10.1021/ma012123p) "Living and non-living Ziegler-Natta catalysts: electronic properties of active site", Polymer, Volume 44, Issue 21, October 2003, Pages 6555-6558 (https://doi.org/10.1016/S0032-3861(03)00698-0)
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 폴리부타디엔의 중합을 위한 촉매 조성물을 연속 제조함에 있어서, 촉매 활성의 저하를 유발하는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 알킬화 반응 이전에 전처리함으로써, 촉매 활성을 향상시키는 것이다.
즉, 본 발명은 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 촉매 활성의 저하를 유발하는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 미리 전처리하여, 촉매 활성이 향상된 촉매 조성물을 제조하기 위한 연속 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 촉매 조성물 제조방법으로부터 제조된 촉매 조성물을 이용하여 시스 결합 함량 및 선형성이 높고, 분자량 분포가 좁은 공액디엔계 중합체를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 촉매 조성물 제조방법 및 공액디엔계 중합체 제조방법을 제공한다.
(1) 본 발명은 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합의 전처리 반응 실시하는 전처리 단계(S10); 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 알킬화제를 혼합하고 반응시키는 알킬화 반응 단계(S20); 및 상기 (S20) 단계에서 알킬화된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 할로겐화물을 혼합하고 반응시키는 할로겐화 반응 단계(S30)를 포함하고, 상기 (S20) 단계는 직렬로 연결된 복수개의 반응기에서 연속적으로 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(2) 본 발명은 상기 (1)에 있어서, 상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 트리알킬 알루미늄을 혼합하고 반응시켜 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(3) 본 발명은 상기 (2)에 있어서, 상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대해 트리알킬 알루미늄에 의한 알킬화 반응이 일어나기 전까지 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(4) 본 발명은 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 네오디뮴 화합물인 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R1 내지 R3이 모두 수소는 아니다.
(5) 본 발명은 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 Nd(2-에틸 헥사노에이트)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 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(6) 본 발명은 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 알킬화제는 하기 화학식 2로 표시되는 알킬 알루미늄 화합물인 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
[화학식 2]
AlR4R5R6
상기 화학식 2에서, R4 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R4 내지 R6이 모두 수소는 아니고, R4 내지 R6이 모두 알킬기인 경우, 알킬기의 탄소수는 3 내지 12이다.
(7) 본 발명은 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 알킬화제는 디알킬 알루미늄 하이드라이드인 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(8) 본 발명은 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 (S10) 단계의 전처리 반응, 상기 (S20) 단계의 알킬화 반응, 또는 상기 (S10) 단계의 전처리 반응 및 상기 (S20) 단계의 알킬화 반응은 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(9) 본 발명은 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 할로겐화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 알루미늄 할라이드 및 하기 화학식 4로 표시되는 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
[화학식 3]
AlR7R8R9
상기 화학식 3에서, R7 내지 R9는 각각 독립적으로 할로겐기 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R7 내지 R9가 모두 할로겐기는 아니고,
[화학식 4]
상기 화학식 4에서, R10 내지 R12는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기이고, X1 내지 X3은 각각 독립적으로 할로겐기이다.
(10) 본 발명은 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 상기 할로겐화물은 디알킬 알루미늄 할라이드 및 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(11) 본 발명은 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 각각 직렬로 연결된 개별적인 반응기에서 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(12) 본 발명은 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 있어서, 상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 연속적으로 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(13) 본 발명은 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 있어서, 상기 알킬화제는 상기 직렬로 연결된 복수개의 반응기에 분할되어 투입되는 것인 촉매 조성물 제조방법을 제공한다.
(14) 본 발명은 탄화수소 용매 중에서, 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 따른 촉매 조성물 제조방법으로 제조된 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계(S100)를 포함하는 공액디엔계 중합체 제조방법을 제공한다.
(15) 본 발명은 상기 (14)에 따른 공액디엔계 중합체 제조방법으로 제조된 공액디엔계 중합체를 제공한다.
(16) 본 발명은 상기 (15)에 따른 공액디엔계 중합체를 포함하는 고무 조성물을 제공한다.
본 발명의 촉매 조성물 제조방법에 따라 제조된 촉매 조성물은 알킬화 반응에 앞서, 촉매 활성의 저하를 유발하는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 미리 전처리하여 제조됨으로써, 촉매 활성이 우수하다.
본 발명의 촉매 조성물 제조방법에 따르면 촉매 조성물을 연속적으로 제조하는 것이 가능하여 촉매 조성물 및 이를 이용한 공액디엔계 중합체의 생산성을 향상시키고, 보다 균일한 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 공액디엔계 중합체 제조방법에 따라 제조된 공액디엔계 중합체는 높은 촉매 활성에 의해 공액디엔계 중합체 내 잔류하는 란탄계열 희토류 원소의 함량이 낮고, 시스 결합 함량 및 선형성이 높으며, 분자량 분포가 좁고, 고무 조성물에 적용 시, 우수한 내마모성 및 저연비성을 나타낸다.
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.
촉매 조성물 제조방법
본 발명은 촉매 조성물 제조방법을 제공한다. 상기 촉매 조성물 제조방법에 따라 제조되는 촉매 조성물은 공액디엔계 중합체의 중합을 위한 촉매 조성물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 조성물 제조방법은 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합의 전처리 반응 실시하는 전처리 단계(S10); 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 알킬화제를 혼합하고 반응시키는 알킬화 반응 단계(S20); 및 상기 (S20) 단계에서 알킬화된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 할로겐화물을 혼합하고 반응시키는 할로겐화 반응 단계(S30)를 포함하고, 상기 (S20) 단계는 직렬로 연결된 복수개의 반응기에서 연속적으로 실시되는 것일 수 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술에 기재한 바와 같이, 란탄계열 희토류 원소 화합물은 단일 화합물 형태로 존재하지 않고, 수분 및 제조 과정에서 사용된 지방족 화합물에 의해 수소 결합된 형태 및/또는 올리고머 형태로 존재하게 된다(비특허문헌 1 및 비특허문헌 2 참조). 그러나, 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태에 대해 곧바로 알킬화 반응을 진행하는 경우, 란탄계열 희토류 원소 화합물이 단일 화합물로 존재하는 경우에 비해 알킬화에 시간이 오래 소요되며, 또한, 알킬화 반응이 충분히 진행되지 않는 문제가 있다. 이렇게 알킬화가 충분히 이루어지지 않은 란탄계열 희토류 원소 화합물이 할로겐화 반응을 실시하기 위한 할로겐화 반응기에 투입되면 촉매 활성을 저하시키는 원인이 되고, 또한, 촉매 제조 장치의 오염을 증가시키는 문제를 발생시킨다. 그러나, 본 발명에 따른 촉매 조성물 제조방법은 상기 (S10) 단계에 따라 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 알킬화 반응 이전에 전처리함으로써, 촉매 활성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 전처리는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 알킬화 반응 이전에 최소화하는 것, 나아가 제거하는 것을 포함하는 의미일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 트리알킬 알루미늄을 혼합하고 반응시켜 실시되는 것일 수 있다. 상기 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄은 알킬화 반응의 알킬화제로서 사용될 수 있음이 공지되어 있다. 그러나, 상기 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄을 본 발명과 같이 (S10) 단계의 전처리 반응을 실시하기 위한 것이 아니라, 단순히 알킬화제로서 이용하는 경우에는 그 목적에 따라 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 알킬화 반응까지 유도할 수 밖에 없고, 이는 곧 알킬화 반응에 장시간이 소요되고, 알킬화 반응이 충분히 진행되지 않는 문제를 야기시킨다. 이러한 관점에서, 상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대해 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 트리알킬 알루미늄에 의한 알킬화 반응이 일어나기 전까지 실시되는 것일 수 있다. 한편, 상기 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄 이외의 알킬화제로 사용 가능한 트리알킬 알루미늄 및/또는 디알킬 알루미늄 하이드라이드는 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합의 전처리 반응을 충분히 유도할 수 없어, 상기 (S10) 단계의 전처리 반응을 위한 트리알킬 알루미늄 화합물로 적합하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물 1 몰에 대하여 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 트리알킬 알루미늄을 1 몰 이상, 2 몰 이상, 3 몰 이상, 4 몰 이상, 5 몰 이상, 6 몰 이상, 7 몰 이상, 8 몰 이상, 9 몰 이상, 또는 10 몰 이상의 몰비로 투입하여 실시될 수 있고, 또한, 20 몰 이하, 19 몰 이하, 18 몰 이하, 17 몰 이하, 16 몰 이하, 15 몰 이하, 14 몰 이하, 13 몰 이하, 12 몰 이하, 11 몰 이하, 또는 10 몰 이하의 몰비로 투입하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 -20 ℃ 이상, -15 ℃ 이상, 또는 -10 ℃ 이상의 온도에서 실시될 수 있고, 또한, 40 ℃ 이하, 35 ℃ 이하, 30 ℃ 이하, 25 ℃ 이하, 또는 20 ℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 10 분 이상, 15 분 이상, 20 분 이상, 25 분 이상, 또는 30 분 이상 실시될 수 있고, 또한, 1 시간 이하, 50 분 이하, 40 분 이하, 또는 30 분 이하 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 상기 란탄계열 희토류 원소 화합물과 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 트리알킬 알루미늄 사이의 몰비, 반응 온도 및 반응 시간을 조절함으로써, 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합의 전처리 반응의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 네오디뮴 화합물일 수 있고, 구체적인 예로, 네오디뮴의 카르복실산염(예를 들면, 네오디뮴 아세트산염, 네오디뮴 아크릴산염, 네오디뮴 메타크릴산염, 네오디뮴 글루콘산염, 네오디뮴 구연산염, 네오디뮴 푸마르산염, 네오디뮴 젖산염, 네오디뮴 말레산염, 네오디뮴 옥살산염, 네오디뮴 2-에틸 헥사노에이트, 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 희토류 원소-탄소 결합을 포함하는 유기 네오디뮴 화합물(예를 들면, Cp3Ln, Cp2LnR, Cp2LnCl, CpLnCl2, CpLn(시클로옥타테트라엔), (C5Me5)2LnR, LnR3, Ln(알릴)3, 또는 Ln(알릴)2Cl 등, 상기 식중 Ln은 희토류 금속 원소이고, R은 하이드로카르빌기이다) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 네오디뮴 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R1 내지 R3이 모두 수소는 아닐 수 있다. 구체적인 예로, 상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 4 내지 12의 알킬기이고, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 2 내지 8의 알킬기이되, R2 및 R3이 모두 수소는 아닐 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 6 내지 8의 알킬기이고, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 2 내지 6의 알킬기이되, R2 및 R3이 모두 수소는 아닐 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 Nd(2-에틸 헥사노에이트)3 (네오디뮴 베르사테이트), 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 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 네오디뮴 화합물은 α-위치에 탄소수 2 이상의 다양한 길이의 알킬기를 치환기를 포함하는 카르복실레이트 리간드를 포함함으로써, 네오디뮴 중심 금속 주위에 입체적인 변화를 유도하여 화합물 간의 엉김 현상을 차단할 수 있고, 이에 따라, 촉매 조성물을 이용한 공액디엔계 중합체의 중합 시, 올리고머화를 억제할 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같은 네오디뮴계 화합물은 용매에 대한 용해도가 높고, 촉매 활성종으로의 전환에 어려움이 있는 중심 부분에 위치하는 네오디뮴 비율이 감소되어 촉매 활성종으로의 전환율이 높은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 네오디뮴 화합물의 용해도는 상온(25 ℃)에서 비극성 용매 100 중량부에 대하여 약 60 중량부 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시될 수 있다. 이는 본 발명에 따라 제조된 촉매 조성물을 이용한 공액디엔계 중합체의 중합 반응에 사용되는 공액디엔계 단량체를 촉매 조성물과 미리 혼합하여 전(pre) 중합한 예비중합(preforming) 또는 예비혼합(premix) 촉매 조성물을 형성하기 위한 것으로서, 이로부터 촉매 조성물의 활성을 더욱 향상시킬 수 있고, 또한, 제조되는 활성 중합체를 안정화시킬 수 있다. 상기 "예비중합(preforming)"은 네오디뮴 화합물, 알킬화제 및 할로겐화물을 포함하는 촉매 조성물, 즉 촉매 시스템에서 다양한 촉매 조성물의 활성종 생성 가능성을 줄이기 위해, 1,3-부타디엔 등의 공액디엔계 단량체를 소량 첨가하여, 1,3-부타디엔 첨가와 함께 촉매 조성물 시스템 내에서 전(pre) 중합이 이루어짐을 의미할 수 있다. 또한, "예비혼합(premix)"은 촉매 조성물 시스템에서 중합이 이루어지지 않고 각 화합물들이 균일하게 혼합된 상태를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계에서 투입될 수 있는 공액디엔계 단량체는 1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔 또는 2-에틸-1,3-부타디엔 등의 1,3-부타디엔 또는 그 유도체들일 수 있고, 또한, 2-메틸-1,3-펜타디엔, 1,3-펜타디엔, 3-메틸-1,3-펜타디엔, 4-메틸-1,3-펜타디엔, 1,3-헥사디엔 또는 2,4-헥사디엔 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계가 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시되는 경우, 상기 공액디엔계 단량체는 란탄계열 희토류 원소 화합물 1 몰에 대하여 공액디엔계 단량체를 1 몰 이상, 5 몰 이상, 10 몰 이상, 15 몰 이상, 또는 20 몰 이상의 몰비로 투입하여 실시될 수 있고, 또한, 100 몰 이하, 90 몰 이하, 80 몰 이하, 70 몰 이하, 60 몰 이하, 또는 50 몰 이하의 몰비로 투입하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 알킬화 반응을 실시하기 위한 단계로서, 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 알킬화제를 혼합하고 반응시켜 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알킬화제는 히드로카르빌기를 다른 금속으로 전달할 수 있는 유기금속 화합물로서 조촉매의 역할을 수행할 수 있다. 상기 알킬화제는 유기 알루미늄 화합물, 유기 마그네슘 화합물, 또는 유기 리튬 화합물 등과 같이, 중합 용매에 가용성이며, 금속-탄소 결합을 함유하는 유기 금속 화합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알킬화제는 유기 알루미늄 화합물일 수 있고, 구체적인 예로 트리-n-프로필 알루미늄, 트리이소프로필 알루미늄, 트리-n-부틸 알루미늄, 트리이소부틸 알루미늄, 트리-t-부틸 알루미늄, 트리펜틸 알루미늄, 트리헥실 알루미늄, 트리시클로헥실 알루미늄, 트리옥틸 알루미늄 등의 알킬 알루미늄; 디에틸 알루미늄 하이드라이드, 디-n-프로필 알루미늄 하이드라이드, 디이소프로필 알루미늄 하이드라이드, 디-n-부틸 알루미늄 하이드라이드, 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드(DIBAH), 디-n-옥틸 알루미늄 하이드라이드, 디페닐 알루미늄 하이드라이드, 디-p-톨릴 알루미늄 하이드라이드, 디벤질 알루미늄 하이드라이드, 페닐에틸 알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-프로필 알루미늄 하이드라이드, 페닐이소프로필 알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-부틸 알루미늄 하이드라이드, 페닐이소부틸 알루미늄 하이드라이드, 페닐-n-옥틸 알루미늄 하이드라이드, p-톨릴에틸 알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-프로필 알루미늄 하이드라이드, p-톨릴이소프로필 알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-부틸 알루미늄 하이드라이드, p-톨릴이소부틸 알루미늄 하이드라이드, p-톨릴-n-옥틸 알루미늄 하이드라이드, 벤질에틸 알루미늄 하이드라이드, 벤질-n-프로필 알루미늄 하이드라이드, 벤질이소프로필 알루미늄 하이드라이드, 벤질-n-부틸 알루미늄 하이드라이드, 벤질이소부틸 알루미늄 하이드라이드 또는 벤질-n-옥틸 알루미늄 하이드라이드 등의 디히드로카르빌알루미늄 하이드라이드; 에틸 알루미늄 디하이드라이드, n-프로필 알루미늄 디하이드라이드, 이소프로필 알루미늄 디하이드라이드, n-부틸 알루미늄 디하이드라이드, 이소부틸 알루미늄 디하이드라이드 또는 n-옥틸 알루미늄 디하이드라이드 등과 같은 히드로카르빌알루미늄 디하이드라이드 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알킬화제는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물에 따른 촉매 반응 및 부반응을 제어하는 관점에서 알킬 알루미늄 화합물이 바람직할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 알킬화제는 하기 화학식 2로 표시되는 알킬 알루미늄 화합물일 수 있다.
[화학식 2]
AlR4R5R6
상기 화학식 2에서, R4 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R4 내지 R6이 모두 수소는 아니고, R4 내지 R6이 모두 알킬기인 경우, 알킬기의 탄소수는 3 내지 12일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 화학식 2에서, R4 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 3 내지 8의 알킬기이되, R4 내지 R6이 모두 수소는 아니고, R4 내지 R6이 모두 알킬기인 경우, 알킬기의 탄소수는 3 내지 6일 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 화학식 2에서, R4 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 3 내지 6의 알킬기이되, R4 내지 R6이 모두 수소는 아닐 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알킬화제는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물에 따른 촉매 반응 및 부반응을 제어하는 관점에서 디알킬 알루미늄 하이드라이드일 수 있고, 디알킬 알루미늄 하이드라이드의 종류는 앞서 기재한 바와 같다. 구체적인 예로, 상기 알킬화제는 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알킬화제는 2종 이상의 알킬 알루미늄 화합물을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 알킬화제는 디알킬 알루미늄 하이드라이드 및 트리알킬 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 알킬화제는 디알킬 알루미늄 하이드라이드 1종 이상 및 트리알킬 알루미늄 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 구체적인 예로, 상기 알킬화제는 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 및 트리이소부틸 알루미늄을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물 1 몰에 대하여 알킬화제를 1 몰 이상, 2 몰 이상, 3 몰 이상, 4 몰 이상, 5 몰 이상, 6 몰 이상, 7 몰 이상, 8 몰 이상, 9 몰 이상, 10 몰 이상, 11 몰 이상, 12 몰 이상, 13 몰 이상, 14 몰 이상, 또는 15 몰 이상의 몰비로 투입하여 실시될 수 있고, 또한, 30 몰 이하, 29 몰 이하, 28 몰 이하, 27 몰 이하, 26 몰 이하, 25 몰 이하, 24 몰 이하, 23 몰 이하, 22 몰 이하, 21 몰 이하, 20 몰 이하, 19 몰 이하, 18 몰 이하, 17 몰 이하, 16 몰 이하, 또는 15 몰 이하의 몰비로 투입하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 -20 ℃ 이상, -15 ℃ 이상, -10 ℃ 이상, 또는 -5 ℃ 이상의 온도에서 실시될 수 있고, 또한, 40 ℃ 이하, 35 ℃ 이하, 30 ℃ 이하, 25 ℃ 이하, 또는 20 ℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 10 분 이상, 15 분 이상, 20 분 이상, 25 분 이상, 또는 30 분 이상 실시될 수 있고, 또한, 2 시간 이하, 1 시간 30 분 이하, 1 시간 이하, 50 분 이하, 40 분 이하, 또는 30 분 이하로 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물과 알킬화제 사이의 몰비, 반응 온도 및 반응 시간을 조절함으로써, 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 상기 (S10) 단계와 동일한 목적에 따라 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시될 수 있다. 이 때, 상기 (S20) 단계아 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시되는 경우, 이는 (S10) 단계와는 별개로, 또는 동시에 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계가 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시되는 경우, 상기 공액디엔계 단량체는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물 1 몰에 대하여 공액디엔계 단량체를 1 몰 이상, 5 몰 이상, 10 몰 이상, 15 몰 이상, 또는 20 몰 이상의 몰비로 투입하여 실시될 수 있고, 또한, 100 몰 이하, 90 몰 이하, 80 몰 이하, 70 몰 이하, 60 몰 이하, 또는 50 몰 이하의 몰비로 투입하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 직렬로 연결된 복수개의 반응기에서 연속적으로 실시되는 것일 수 있다. 이 경우 직렬로 연결된 복수개의 반응기에서 알킬화 반응이 실시됨에 따라 알킬화 반응이 충분히 진행되어 촉매 조성물의 활성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 알킬화제는 상기 (S20) 단계를 실시하기 위해 직렬로 연결된 복수개의 반응기 중 첫번째 반응기에만 투입될 수 있고, 또한, 상기 (S20) 단계를 실시하기 위해 직렬로 연결된 복수개의 반응기에 분할되어 투입될 수 있으며, 알킬화제가 복수개의 반응기에 분할되어 투입되는 경우, 알킬화제가 투입되는 반응기는 필요에 따라 선택할 수 있다. 또한, 상기 직렬로 연결된 복수개의 반응기에 분할되어 투입되는 알킬화제는 각 반응기에 투입되는 알킬화제의 종류가 동일 또는 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계의 직렬로 연결된 복수개의 반응기 내의 반응물의 흐름은 각각 독립적으로 상단투입-하단제거(Top-Down) 방식 또는 하단투입-상단제거(Bottom-Up) 방식으로 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계의 직렬로 연결된 복수개의 반응기 중 적어도 하나 이상의 반응기는 라인 믹서가 구비된 배관형 반응기를 포함할 수 있다. 이 경우 직렬로 연결된 반응기 사이에 연결된 배관형 반응기 내에서 체류시킴으로써 반응물의 지속적인 혼합이 가능하여 알킬화 반응을 더욱 충분히 진행시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 상기 (S20) 단계에서 알킬화된 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 할로겐화 반응을 실시하기 위한 단계로서, 상기 (S20) 단계에서 알킬화된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 할로겐화물을 혼합하고 반응시켜 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐화물은 할로겐 단체(單體), 할로겐간 화합물(interhalogen compound), 할로겐화수소, 유기 할라이드, 비금속 할라이드, 금속 할라이드 또는 유기금속 할라이드 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐 단체는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐간 화합물은 요오드 모노클로라이드, 요오드 모노브로마이드, 요오드 트리클로라이드, 요오드 펜타플루오라이드, 요오드 모노플루오라이드 또는 요오드 트리플루오라이드 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐화수소는 불화수소, 염화수소, 브롬화수소 또는 요오드화수소일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 할라이드는 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 ('요오도포름'으로도 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 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비금속 할라이드는 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 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 할라이드는 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 이요오드화마그네슘 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 금속 할라이드는 알킬 알루미늄 할라이드 또는 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 유기 금속 할라이드는 디메틸 알루미늄 클로라이드, 디에틸 알루미늄 클로라이드, 디메틸 알루미늄 브로마이드, 디에틸 알루미늄 브로마이드, 디메틸 알루미늄 플루오라이드, 디에틸 알루미늄 플루오라이드, 메틸 알루미늄 디클로라이드, 에틸 알루미늄 디클로라이드, 메틸 알루미늄 디브로마이드, 에틸 알루미늄 디브로마이드, 메틸 알루미늄 디플루오라이드, 에틸 알루미늄 디플루오라이드, 메틸 알루미늄 세스퀴클로라이드, 에틸 알루미늄 세스퀴클로라이드(EASC), 이소부틸 알루미늄 세스퀴클로라이드, 메틸 마그네슘 클로라이드, 메틸 마그네슘 브로마이드, 에틸 마그네슘 클로라이드, 에틸 마그네슘 브로마이드, n-부틸 마그네슘 클로라이드, n-부틸 마그네슘 브로마이드, 페닐 마그네슘 클로라이드, 페닐 마그네슘 브로마이드, 벤질 마그네슘 클로라이드, 트리메틸 주석 클로라이드, 트리메틸 주석 브로마이드, 트리에틸 주석 클로라이드, 트리에틸 주석 브로마이드, 디-t-부틸 주석 디클로라이드, 디-t-부틸 주석 디브로마이드, 디-n-부틸 주석 디클로라이드, 디-n-부틸 주석 디브로마이드, 트리-n-부틸 주석 클로라이드, 트리-n-부틸 주석 브로마이드, 메틸 마그네슘 요오다이드, 디메틸 알루미늄 요오다이드, 디에틸 알루미늄 요오다이드, 디-n-부틸 알루미늄 요오다이드, 디이소부틸 알루미늄 요오다이드, 디-n-옥틸 알루미늄 요오다이드, 메틸 알루미늄 디요오다이드, 에틸 알루미늄 디요오다이드, n-부틸 알루미늄 디요오다이드, 이소부틸 알루미늄 디요오다이드, 메틸 알루미늄 세스퀴요오다이드, 에틸 알루미늄 세스퀴요오다이드, 이소부틸 알루미늄 세스퀴요오다이드, 에틸 마그네슘 요오다이드, n-부틸 마그네슘 요오다이드, 이소부틸 마그네슘 요오다이드, 페닐 마그네슘 요오다이드, 벤질 마그네슘 요오다이드, 트리메틸 주석 요오다이드, 트리에틸 주석 요오다이드, 트리-n-부틸 주석 요오다이드, 디-n-부틸 주석 디요오다이드또는 디-t-부틸 주석 디요오다이드 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐화물은 촉매 활성 향상 및 이에 따른 반응성을 개선하는 관점에서, 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 알루미늄 할라이드 및 하기 화학식 4로 표시되는 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
[화학식 3]
AlR7R8R9
상기 화학식 3에서, R7 내지 R9는 각각 독립적으로 할로겐기 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R7 내지 R9가 모두 할로겐기는 아닐 수 있다. 구체적인 예로, 상기 화학식 3에서, R7 내지 R9는 각각 독립적으로 할로겐기 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이되, R7 내지 R9가 모두 할로겐기는 아닐 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 화학식 3에서, R7 및 R8은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, R9는 할로겐기일 수 있다.
[화학식 4]
상기 화학식 4에서, R10 내지 R12는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기일 수 있고, X1 내지 X3은 각각 독립적으로 할로겐기일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 화학식 4에서, R10 내지 R12는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기일 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 화학식 4에서 R10 내지 R12는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 할로겐화물은 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물에 따른 촉매 반응 및 부반응을 제어하는 관점에서 디알킬 알루미늄 할라이드 및 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 디알킬 알루미늄 할라이드 및 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드의 종류는 앞서 기재한 바와 같다. 구체적인 예로, 상기 디알킬 알루미늄 할라이드는 디에틸 알루미늄 클로라이드일 수 있고, 상기 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드는 에틸 알루미늄 세스퀴클로라이드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물 1 몰에 대하여 할로겐화물을 0.1 몰 이상, 0.5 몰 이상, 1.0 몰 이상, 1.5 몰 이상, 2.0 몰 이상, 2.5 몰 이상, 또는 3.0 몰 이상의 몰비로 투입하여 실시될 수 있고, 또한, 5.0 몰 이하, 4.5 몰 이하, 4.0 몰 이하, 3.5 몰 이하, 또는 3.0 몰 이하의 몰비로 투입하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 -20 ℃ 이상, -15 ℃ 이상, 또는 -10 ℃ 이상의 온도에서 실시될 수 있고, 또한, 40 ℃ 이하, 35 ℃ 이하, 30 ℃ 이하, 25 ℃ 이하, 또는 20 ℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 10 분 이상, 15 분 이상, 20 분 이상, 25 분 이상, 또는 30 분 이상 실시될 수 있고, 또한, 1 시간 이하, 50 분 이하, 40 분 이하, 또는 30 분 이하 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물과 할로겐화물 사이의 몰비, 반응 온도 및 반응 시간을 조절함으로써, 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계 내지 (S30) 단계는 유기 용매 중에서 실시될 수 있다. 상기 유기 용매는 촉매 조성물의 구성 성분들과 반응성이 없는 비극성 용매일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 유기 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(petroleumspirits), 또는 케로센(kerosene) 등과 같은 탄소수 5 내지 20의 지방족 탄화수소의 혼합용매; 또는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등과 같은 방향족 탄화수소계 용매 등일 수 있다. 더욱 구체적인 예로, 상기 유기 용매는 상기 선형, 분지형 또는 환형의 탄소수 5 내지 20의 지방족 탄화수소 또는 지방족 탄화수소의 혼합용매일 수 있고, 바람직하게는 n-헥산, 시클로헥산, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 각각 직렬로 연결된 개별적인 반응기에서 실시되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 촉매 조성물 제조방법에 따라 촉매를 제조하기 위해서는 적어도 (S10) 단계를 실시하기 위한 1기 이상의 반응기, (S20) 단계를 실시하기 위한 2기 이상의 반응기 및 (S30) 단계를 실시하기 위한 1기 이상의 반응기, 총 4기 이상의 반응기가 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 연속적으로 실시되는 것일 수 있다. 즉, 상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 각각 직렬로 연결된 개별적인 반응기에서 연속적으로 실시되는 것일 수 있고, 이 경우 촉매 조성물 및 이를 이용한 공액디엔계 중합체의 생산성을 향상시킬 수 있으며, 보다 균일한 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계 내지 (S30) 단계를 포함하는 촉매 조성물 제조방법의 전체 단계는 -20 ℃ 이상, -15 ℃ 이상, -10 ℃ 이상, 또는 -5 ℃ 이상의 온도에서 실시될 수 있고, 또한, 40 ℃ 이하, 35 ℃ 이하, 30 ℃ 이하, 25 ℃ 이하, 20 ℃ 이하, 또는 15 ℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계 내지 (S30) 단계를 포함하는 촉매 조성물 제조방법의 전체 단계는 30 분 이상, 35 분 이상, 40 분 이상, 45 분 이상, 50 분 이상, 55 분 이상, 60 분 이상, 65 분 이상 또는 70 분 이상 실시될 수 있고, 또한, 2 시간 이하, 1 시간 50 분 이하, 1 시간 40 분 이하, 1 시간 30 분 이하, 1 시간 20 분 이하, 또는 1 시간 10 분 이하로 실시될 수 있다.
공액디엔계 중합체 제조방법
본 발명은 공액디엔계 중합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체 제조방법은 탄화수소 용매 중에서, 상기 촉매 조성물 제조방법으로 제조된 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계(S100)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계에서 투입될 수 있는 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-헥사디엔 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계의 탄화수소 용매는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, 이소옥탄, 시클로 헥산, 톨루엔, 벤젠 및 크실렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 조성물은 앞서 기재한 촉매 조성물 제조방법으로 제조된 촉매 조성물일 수 있고, 상기 촉매 조성물은 공액디엔계 단량체 총 100 g에 대하여 네오디뮴 화합물이 0.03 mmol 이상, 0.04 mmol 이상, 0.05 mmol 이상, 또는 0.06 mmol 이상이 되는 양으로 사용할 수 있으며, 또한, 0.15 mmol 이하, 0.14 mmol 이하, 0.13 mmol 이하, 0.12 mmol 이하, 0.11 mmol 이하, 0.10 mmol 이하, 0.09 mmol 이하, 또는 0.08 mmol 이하가 되는 양으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계의 중합은 적어도 2기의 반응기를 포함하는 중합 반응기에서 연속식 중합으로 실시되거나, 회분식 반응기에서 실시될 수 있다. 또한, 상기 중합은 승온 중합, 등온 중합 또는 정온 중합(단열 중합)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정온 중합은 촉매 조성물의 투입 후 임의로 열을 가하지 않고 자체 반응열로 중합시키는 것을 의미하고, 상기 승온 중합은 촉매 조성물의 투입 후 임의로 열을 가하여 온도를 증가시키는 것을 의미하며, 상기 등온 중합은 촉매 조성물의 투입 후 열을 가하여 열을 증가시키거나 열을 뺏어 반응물의 온도를 일정하게 유지시키는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계의 중합은 배위 음이온 중합을 이용하여 실시될 수 있고, 중합 환경은 벌크중합, 용액중합, 현탁중합 또는 유화중합일 수 있으며, 구체적인 예로 용액중합일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계의 중합은 -20 ℃ 이상, -10 ℃ 이상, 0 ℃ 이상, 10 ℃ 이상, 20 ℃ 이상, 30 ℃ 이상, 40 ℃ 이상, 50 ℃ 이상, 또는 60 ℃ 이상의 온도에서 실시될 수 있고, 또한, 200 ℃ 이하, 150 ℃ 이하, 120 ℃ 이하, 또는 90 ℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있고, 이 범위 내에서 중합 반응을 원활히 제어하면서도, 생성된 공액디엔계 중합체의 시스-1,4 결합 함량을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계의 중합은 15 분 이상, 20 분 이상, 30 분 이상, 40 분 이상, 50 분 이상, 또는 1 시간 이상 실시될 수 있고, 또한, 3 시간 이하, 2 시간 30 분 이하, 2 시간 이하 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S100) 단계의 중합에 의해 형성된 공액디엔계 중합체는 촉매 조성물에 의해 활성화된 부위를 포함하는 활성 중합체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 활성 중합체와 변성제를 반응시키는 단계(S200)를 포함하는 것일 수 있다. 상기 변성제는 란탄계열 희토류 원소 화합물을 포함하는 촉매 조성물을 이용한 공액디엔계 중합체 제조 시, 이용될 수 있는 공지된 변성제일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체 제조방법은 상기 활성 중합체를 제조한 후 폴리옥시에틸렌글리콜포스페이트 등과 같은 중합반응을 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, 예를 들어, 킬레이트제, 분산제, pH 조절제, 탈산소제 또는 산소포착제(oxygen scavenger)와 같은 첨가제를 선택적으로 더 사용할 수 있다.
공액디엔계 중합체
본 발명은 공액디엔계 중합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 상기 공액디엔계 중합체 제조방법으로 제조된 것일 수 있다. 즉, 상기 공액디엔계 중합체는 앞서 기재한 촉매 조성물 제조방법으로 제조된 촉매 조성물의 존재 하에 중합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 공액디엔계 단량체 단위를 포함하는 것일 수 있다. 상기 공액디엔계 단량체 단위는 공액디엔계 단량체가 중합에 의해 형성하는 반복 단위를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 1,3-부타디엔 단량체 단량체 단위 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상, 95 중량% 이상, 또는 100 중량%를 포함하는 것일 수 있고, 선택적으로 1,3-부타디엔 단량체와 공중합 가능한 그외의 공액디엔계 단량체 단위 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하를 포함할 수 있으며, 이 범위 내에서 공액디엔계 중합체 내 시스-1,4 결합 함량의 저하를 방지할 수 있다. 상기 1,3-부타디엔 단량체는 1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔 또는 2-에틸-1,3-부타디엔 등의 1,3-부타디엔 또는 그 유도체일 수 있고, 상기 1,3-부타디엔과 공중합 가능한 그 외의 공액디엔계 단량체로는 2-메틸-1,3-펜타디엔, 1,3-펜타디엔, 3-메틸-1,3-펜타디엔, 4-메틸-1,3-펜타디엔, 1,3-헥사디엔 또는 2,4-헥사디엔 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 란탄계열 희토류 원소 화합물을 포함하는 촉매 조성물로부터 촉매화된 공액디엔계 중합체일 수 있다. 즉, 상기 공액디엔계 중합체는 네오디뮴 화합물을 포함하는 촉매 조성물로부터 활성화된 유기금속 부위를 포함하는 공액디엔계 중합체일 수 있다.
본 발며의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 중량평균 분자량(Mw)이 1.0 Х 105 g/mol 이상, 2.0 Х 105 g/mol 이상, 3.0 Х 105 g/mol 이상, 4.0 Х 105 g/mol 이상, 5.0 Х 105 g/mol 이상, 6.0 Х 105 g/mol 이상, 7.0 Х 105 g/mol 이상, 8.0 Х 105 g/mol 이상 또는 9.0 Х 105 g/mol 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.0 Х 106 g/mol 이하, 9.0 Х 105 g/mol 이하, 8.0 Х 105 g/mol 이하, 7.0 Х 105 g/mol 이하, 6.0 Х 105 g/mol 이하, 5.0 Х 105 g/mol 이하, 4.0 Х 105 g/mol 이하, 또는 3.0 Х 105 g/mol 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 공액디엔계 중합체는 수평균 분자량(Mn)이 1.0 Х 105 g/mol 이상, 2.0 Х 105 g/mol 이상, 3.0 Х 105 g/mol 이상, 4.0 Х 105 g/mol 이상, 또는 5.0 Х 105 g/mol 이상인 것일 수 있고, 또한, 6.0 Х 105 g/mol 이하, 5.0 Х 105 g/mol 이하, 4.0 Х 105 g/mol 이하, 3.0 Х 105 g/mol 이하, 2.0Х 105 g/mol 이하, 또는 1.0 Х 105 g/mol 이하인 것일 수 있다. 이 범위 내에서 고무 조성물에 적용 시 인장특성이 뛰어나고, 가공성이 우수하여 고무 조성물의 작업성 개선으로 인해 혼반죽이 용이해, 고무 조성물의 기계적 물성 및 물성 밸런스가 우수한 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 분자량 분포(Mw/Mn)가 1.0 이상, 1.5 이상, 2.0 이상, 2.1 이상, 2.2 이상, 또는 2.3 이상일 수 있고, 또한, 4.0 이하, 3.5 이하, 3.0 이하, 또는 2.5 이하일 수 있다. 상기 분자량 분포는 중량평균 분자량(Mw) 대 수평균 분자량(Mn)의 비(Mw/Mn)로부터 계산될 수 있다. 이 때, 상기 수평균 분자량(Mn)은 n개의 중합체 사슬의 분자량을 측정하고 이들 분자량의 총합을 구하여 n으로 나누어 계산한 개별 중합체 분자량의 공통 평균(common average)이며, 상기 중량평균 분자량(Mw)은 고분자 조성물의 분자량 분포를 나타낸다. 모든 분자량 평균은 몰당 그램(g/mol)으로 표현될 수 있다. 또한, 상기 중량평균 분자량 및 수평균 분자량은 각각 겔 투과형 크로마토그래피(GPC)로 분석되는 폴리스티렌 환산 분자량을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체가 상기 분자량 분포와 함께 중량평균 분자량(Mw) 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 시스-1,4 결합 함량이 97.0 중량% 이상, 97.5 중량% 이상, 97.6 중량% 이상, 97.9 중량% 이상, 98.0 중량% 이상, 또는 98.4 중량% 이상인 것일 수 있고, 또한, 100.0 중량% 이하, 99.5 중량% 이하, 99.0 중량% 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공액디엔계 중합체는 무니점도(ML1+4, @100 ℃)가 30 이상, 35 이상, 40 이상, 41 이상, 43 이상 또는 44 이상일 수 있고, 또한, 70 이하, 60 이하, 50 이하, 49 이하, 또는 45 이하일 수 있다.
고무 조성물
본 발명은 고무 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 조성물은 상기 공액디엔계 중합체를 포함하는 것일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 고무 조성물은 상기 공액디엔계 중합체를 0.1 중량% 이상, 10 중량% 이상, 또는 20 중량% 이상으로 포함하는 것일 수 있고, 또한, 100 중량% 이하, 95 중량% 이하, 또는 90 중량% 이하로 포함하는 것일 수 있으며, 이 범위 내에서 상기 고무 조성물을 이요하여 제조된 성형품, 예를 들어 타이어의 내마모성 및 내균열성 등을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 조성물은 상기 공액디엔계 중합체 외에 필요에 따라 다른 고무 성분을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 고무 성분은 고무 조성물 총 중량에 대하여 90 중량% 이하의 함량으로 포함될 수 있다. 구체적으로는 상기 공액디엔계 공중합체 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 900 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 성분은 천연고무 또는 합성고무일 수 있으며, 예를 들어 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), 폴리부타디 엔(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.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 조성물은 상기 공액디엔계 중합체 100 중량부에 대하여 20 중량부 이상 90 중량부 이하의 충전제를 포함하는 것일 수 있다. 상기 충전제는 실리카계 충전제, 카본블랙계 충전제 또는 이들의 조합일 수 있다. 구체적인 예로 상기 충전제는 카본블랙계 충전제일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 카본블랙계 충전제는 질소 흡착 비표면적(N2SA, JIS K 6217-2:2001에 준거해서 측정함)이 20 m2/g 내지 250 m2/g인 것일 수 있고, 이 범위 내에서 고무 조성물의 가공성이 우수하면서도 충전제에 의한 보강 성능을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 상기 카본블랙계 충전제는 디부틸프탈레이트 흡유량(DBP)이 80 cc/100g 내지 200 cc/100g인 것일 수 있고, 이 범위 내에서 고무 조성물의 가공성이 우수하면서도 충전제에 의한 보강 성능을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리카계 충전제는 습식 실리카(함수규산), 건식 실리카(무수규산), 규산칼슘, 규산알루미늄 또는 콜로이드 실리카 등일 수 있다. 구체적인 예로 상기 실리카계 충전제는 파괴 특성의 개량 효과 및 웨트 그립성(wet grip)의 양립 효과가 가장 현저한 습식 실리카일 수 있다. 또한, 상기 실리카계 충전제는 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 120 m2/g 내지 180 m2/g이고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide) 흡착 비표면적이 100 m2/g 내지 200 m2/g일 수 있고, 이 범위 내에서 고무 조성물의 가공성이 우수하면서도 충전제에 의한 보강 성능을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 충전제로서 실리카계 충전제가 사용될 경우 보강성 및 저발열성 개선을 위해 실란 커플링제가 함께 사용될 수 있다. 상기 실란 커플링제는 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 등일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 실란커플링제는 보강성 개선 효과를 고려할 때 비스(3-트리에톡시실릴프로필)폴리술피드 또는 3-트리메톡시실릴프로필벤조티아질테트라술피드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 조성물은 황 가교성일 수 있고, 이에 따라 가황제를 더 포함할 수 있다. 상기 가황제는 구체적으로 황분말일 수 있으며, 고무 성분 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있고, 이 범위 내에서 가황 고무 조성물의 필요한 탄성률 및 강도를 확보할 수 있으며, 동시에 저연비성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 조성물은 상기 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 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.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공정유는 고무 조성물내 연화제로서 작용하는 것으로, 구체적인 예로 파라핀계, 나프텐계, 또는 방향족계 화합물일 수 있으며, 보다 구체적인 예로 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, 이 범위 내에서 가황 고무의 인장 강도, 저발열성(저연비성)의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 노화방지제는 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 등일 수 있다. 상기 노화방지제는 고무 성분 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 6 중량부로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고무 조성물은 상기 배합 처방에 의해 밴버리 믹서, 롤, 인터널 믹서 등의 혼련기를 사용하여 혼련함으로써 수득될 수 있으며, 또한 성형 가공 후 가황 공정에 의해 저발열성이며 내마모성이 우수한 고무 조성물이 수득될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 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. 구체적인 예로, 상기 고무 조성물을 이용하여 제조된 성형품은 타이어 또는 타이어 트레드를 포함하는 것일 수 있다.
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.
실시예
실시예 1
300 ml 용적을 가지고, 자켓과 교반기가 설치된 내압 반응기 4기를 직렬로 연결하여 촉매 연속 제조 반응기로 이용하였다. 이 때, 세번째 반응기와 네번째 반응기는 라인 믹서가 구비된 배관을 이용하여 연결하였다. 각 반응기는 질소 분위기를 유지하였다. 첫번째 반응기에 n-헥산에 희석된 네오디뮴 베르사테이트 용액을 연속적으로 주입하였고, 동시에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 연속적으로 주입하였고, n-헥산에 희석된 트리에틸 알루미늄 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 트리에틸 알루미늄이 10 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 첫번째 반응기의 온도는 0 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 첫번째 반응기에서 혼합된 혼합물을 두번째 반응기로 이송시키고, 두번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 15 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 두번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 20 분 후, 두번째 반응기의 반응물을 세번째 반응기로 이송시켰다. 세번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 세번째 반응기의 반응물을 네번째 반응기로 이송시켰다. 네번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디에틸 알루미늄 클로라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 세번째 반응기의 온도는 -5 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 질소 분위기로 준비된 내압 용기에 제조된 촉매 조성물을 분취한 후 0 ℃ 이하의 온도에서 보관하였다.
실시예 2
300 ml 용적을 가지고, 자켓과 교반기가 설치된 내압 반응기 4기를 직렬로 연결하여 촉매 연속 제조 반응기로 이용하였다. 이 때, 세번째 반응기와 네번째 반응기는 라인 믹서가 구비된 배관을 이용하여 연결하였다. 각 반응기는 질소 분위기를 유지하였다. 첫번째 반응기에 n-헥산에 희석된 네오디뮴 베르사테이트 용액을 연속적으로 주입하였고, 동시에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 연속적으로 주입하였고, n-헥산에 희석된 트리에틸 알루미늄 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 트리에틸 알루미늄이 10 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 첫번째 반응기의 온도는 0 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 첫번째 반응기에서 혼합된 혼합물을 두번째 반응기로 이송시키고, 두번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 15 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 두번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 15 분 후, 두번째 반응기의 반응물을 세번째 반응기로 이송시켰다. 세번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 15 분 후, 세번째 반응기의 반응물을 네번째 반응기로 이송시켰다. 네번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디에틸 알루미늄 클로라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 세번째 반응기의 온도는 -5 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 질소 분위기로 준비된 내압 용기에 제조된 촉매 조성물을 분취한 후 0 ℃ 이하의 온도에서 보관하였다.
실시예 3
300 ml 용적을 가지고, 자켓과 교반기가 설치된 내압 반응기 4기를 직렬로 연결하여 촉매 연속 제조 반응기로 이용하였다. 이 때, 세번째 반응기와 네번째 반응기는 라인 믹서가 구비된 배관을 이용하여 연결하였다. 각 반응기는 질소 분위기를 유지하였다. 첫번째 반응기에 n-헥산에 희석된 네오디뮴 베르사테이트 용액을 연속적으로 주입하였고, 동시에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 연속적으로 주입하였고, n-헥산에 희석된 트리에틸 알루미늄 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 트리에틸 알루미늄이 10 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 첫번째 반응기의 온도는 0 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 첫번째 반응기에서 혼합된 혼합물을 두번째 반응기로 이송시키고, 두번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 15 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 두번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 두번째 반응기의 반응물을 세번째 반응기로 이송시켰다. 세번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 세번째 반응기의 반응물을 라인 믹서가 구비된 배관 내에서 10 ℃ 온도로 10 분 간 체류시킨 후, 네번째 반응기로 이송시켰다. 네번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디에틸 알루미늄 클로라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 세번째 반응기의 온도는 -5 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 질소 분위기로 준비된 내압 용기에 제조된 촉매 조성물을 분취한 후 0 ℃ 이하의 온도에서 보관하였다.
실시예 4
300 ml 용적을 가지고, 자켓과 교반기가 설치된 내압 반응기 4기를 직렬로 연결하여 촉매 연속 제조 반응기로 이용하였다. 이 때, 세번째 반응기와 네번째 반응기는 라인 믹서가 구비된 배관을 이용하여 연결하였다. 각 반응기는 질소 분위기를 유지하였다. 첫번째 반응기에 n-헥산에 희석된 네오디뮴 베르사테이트 용액을 연속적으로 주입하였고, 동시에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 연속적으로 주입하였고, n-헥산에 희석된 트리에틸 알루미늄 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 트리에틸 알루미늄이 10 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 첫번째 반응기의 온도는 0 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 10 분 후, 첫번째 반응기에서 혼합된 혼합물을 두번째 반응기로 이송시키고, 두번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 15 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 두번째 반응기의 온도는 0 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 두번째 반응기의 반응물을 세번째 반응기로 이송시켰다. 세번째 반응기의 온도는 10 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 15 분 후, 세번째 반응기의 반응물을 라인 믹서가 구비된 배관 내에서 10 ℃ 온도로 10 분 간 체류시킨 후, 네번째 반응기로 이송시켰다. 네번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디에틸 알루미늄 클로라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 세번째 반응기의 온도는 -5 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 질소 분위기로 준비된 내압 용기에 제조된 촉매 조성물을 분취한 후 0 ℃ 이하의 온도에서 보관하였다.
비교예 1
300 ml 용적을 가지고, 자켓과 교반기가 설치된 내압 반응기 2기를 직렬로 연결하여 촉매 연속 제조 반응기로 이용하였다. 각 반응기는 질소 분위기를 유지하였다. 첫번째 반응기에 n-헥산에 희석된 네오디뮴 베르사테이트 용액을 연속적으로 주입하였고, 동시에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 연속적으로 주입하였고, n-헥산에 희석된 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 15 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 첫번째 반응기의 온도는 0 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 첫번째 반응기의 반응물을 두번째 반응기로 이송시키고, 두번째 반응기에 n-헥산에 희석된 디에틸 알루미늄 클로라이드 용액을 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 연속적으로 주입하였다. 두번째 반응기의 온도는 -5 ℃ 온도로 운전하였고, 연속 주입 30 분 후, 질소 분위기로 준비된 내압 용기에 제조된 촉매 조성물을 분취한 후 0 ℃ 이하의 온도에서 보관하였다.
비교예 2
반응기에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 투입하고, 네오디뮴 베르사테이트(Solvay社)를 투입하였다. 이어서, 상기 반응기에 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드를 네오디뮴 1 몰 대비 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드가 15 몰이 되는 함량으로 0 ℃ 온도에서 투입하고 30 분 동안 교반시켰다. 이어서, 상기 반응기에 디에틸 알루미늄 클로라이드를 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 -5 ℃ 온도에서 투입하고 30 분 동안 교반시켜, 촉매 조성물을 제조하였다.
비교예 3
반응기에 n-헥산에 희석된 1,3-부타디엔을 투입하고, 네오디뮴 베르사테이트(Solvay社)를 투입하였다. 이어서, 상기 반응기에 트리이소부틸 알루미늄을 네오디뮴 1 몰 대비 트리이소부틸 알루미늄이 30 몰이 되는 함량으로 0 ℃ 온도에서 투입하고 30 분 동안 교반시켰다. 이어서, 상기 반응기에 디에틸 알루미늄 클로라이드를 네오디뮴 1 몰 대비 디에틸 알루미늄 클로라이드가 3 몰이 되는 함량으로 -5 ℃ 온도에서 투입하고 30 분 동안 교반시켜, 촉매 조성물을 제조하였다.
실험예
실험예 1: 공액디엔계 중합체 제조 및 촉매 조성물 활성 평가
20L 오토클레이브 반응기에 1,3-부타디엔 500 g 및 n-헥산 4.2 kg을 넣은 후 반응기 내부 온도를 70℃로 승온하였다. 상기 반응기에 실시예 1 내지 4에서 제조된 촉매 조성물을 이용하는 경우 분자량 조절제로서 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 0.01 g, 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매 조성물을 이용하는 경우 분자량 조절제로서 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 0.25 g을 각각 투입하고, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매 조성물을 투입한 후, 중합을 실시하였고, 중합 전환율이 98 % 이상이 되었을 때, 중합정지제 1.0 g이 포함된 n-헥산 용액과 산화방지제 Irganox 1520(BASF)가 n-헥산에 30 중량% 용해된 용액을 첨가하여 반응을 종결시키고, 얻어진 중합물을 스팀으로 가열된 온수에 넣고 교반하여 용매를 제거한 다음, 롤 건조하여 잔량의 용매와 물을 제거하여 부타디엔 중합체를 제조하였다.
상기 부타디엔 중합체 제조 시, 중합 개시 후, 반응 시간이 25 분 경과한 때의 중합 용액을 일부 취하여 TSC(total solid contents, %)를 측정한 후, 하기 수학식 1에 따라 중합 전환율을 계산하였다. 반응 시간이 25 분 경과한 때의 중합 전환율을 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 각 촉매 조성물 별로 측정하여 촉매 조성물 활성을 평가하였고, 이를 하기 표 1에 나타내었다. 비교예 2의 측정값을 기준값으로 하고, 하기 수학식 2를 이용하여 각 실시예 및 비교예의 촉매 조성물 활성을 지수화(Index)하였다.
[수학식 1]
중합 전환율(%) = 샘플의 TSC (%) / 투입된 1,3-부타디엔 농도 (wt%)
[수학식 2]
활성 Index = (측정값/기준값) Ⅹ 100
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3
활성(25 분 중합 전환율, %) 88 86 87 85 57 55 45
활성 index (%) 160 156 158 155 104 100 82
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4에서 제조된 촉매 조성물은 비교예 1 및 3 대비 촉매 조성물의 활성이 매우 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
반면, 본 발명에 따라 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대해 트리에틸 알루미늄을 이용한 전처리 단계를 실시하지 않은 비교예 1의 경우, 동일한 알킬화제 및 할로겐화물을 이용한 실시예 1 내지 4 대비 촉매 조성물의 활성이 저하된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따라 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대해 트리에틸 알루미늄을 이용한 전처리 단계를 실시하지 않고, 촉매 조성물을 회분식 반응기를 이용하여 제조한 비교예 2의 경우도, 동일한 알킬화제 및 할로겐화물을 이용한 실시예 1 내지 4 대비 촉매 조성물의 활성이 저하된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따라 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대해 트리에틸 알루미늄을 이용한 전처리 단계를 실시하지 않고, 촉매 조성물을 회분식 반응기를 이용하여 제조한 비교예 3의 경우도, 알킬화제를 트리이소부틸 알루미늄으로 변경하면서 과량 이용하더라도 알킬화 반응이 충분히 진행되지 않아, 실시예 1 내지 4 대비 촉매 조성물의 활성이 저하된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 공액디엔계 중합체 물성 평가
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 촉매 조성물을 이용하여 상기 실험예 1에서 제조된 공액디엔계 중합체에 대하여, 아래와 같이, 무니점도, 분자량 분포 및 시스-1,4 결합 함량을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
* 무니점도(ML1+4, @100℃): 각 중합체에 대해 Monsanto사 MV2000E로 Large Rotor를 사용하여 100 ℃에서 Rotor Speed 2±0.02 rpm의 조건에서 무니점도를 측정하였다. 이 때 사용된 시료는 실온(23±3℃)에서 30 분 이상 방치한 후 27±3 g을 채취하여 다이 캐비티 내부에 채워 놓고 플래턴(Platen)을 작동시켜 토크를 인가하면서 무니점도를 측정하였다.
* 중량평균 분자량(Mw), 수평균 분자량(Mn) 및 분자량 분포(MWD): 각 중합체를 40 ℃ 조건 하에서 테트라히드로퓨란(THF)에 30 분 간 녹인 후 겔 투과 크로마토 그래피(GPC: gel permeation chromatography)에 적재하여 흘려주었다. 이 때, 칼럼은 폴리머 라보레토리즈社(Polymer Laboratories)의 상품명 PLgel Olexis 칼럼 두 자루와 PLgel mixed-C 칼럼 한 자루를 조합 사용하였다. 또한, 새로 교체한 칼럼은 모두 혼합상(mixed bed) 타입의 칼럼을 사용하였으며, 겔 투과 크로마토그래피 표준 물질(GPC Standard material)로서 폴리스티렌(Polystyrene)을 사용하였다.
* 시스-1,4 결합 함량: 푸리에 변환 적외 분광법(FT-IR)으로 공액디엔부의 시스-1,4 결합 함량을 측정하였다. 구체적으로, 동일 셀의 이황화탄소를 블랭크로 하여 5 mg/mL의 농도로 조제한 공액디엔계 중합체의 이황화탄소 용액의 FT-IR 투과율 스펙트럼을 측정한 후, 측정 스펙트럼의 1130 cm-1부근의 최대 피크값(a, 베이스라인), 트랜스-1,4 결합을 나타내는 967 cm-1 부근의 최소 피크값(b), 비닐결합을 나타내는 911 cm-1 부근의 최소 피크값(c), 그리고 시스-1,4 결합을 나타내는 736 cm-1 부근의 최소 피크 값(d)을 이용하여 각각의 함량을 구하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3
무니점도(MU) 43 49 41 44 44 45 48
분자량 분포 2.3 2.3 2.3 2.4 3.0 2.9 3.1
시스-1,4 결합 함량(중량%) 97.6 98.0 98.4 97.9 97.5 97.5 97.1
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4에서 제조된 촉매 조성물을 이용하여 제조된 공액디엔계 중합체는 적정 수준의 무니 점도 및 분자량 분포를 나타내면서, 시스-1,4 결합 함량을 높은 수준으로 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매 조성물을 이용하여 제조된 공액디엔계 중합체는 실시예 1 내지 4 대비 시스-1,4 결합 함량이 저하되었고, 분자량 분포가 넓어진 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 고무 조성물 물성 평가
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 촉매 조성물을 이용하여 상기 실험예 1에서 제조된 공액디엔계 중합체를 이용하여 고무 조성물 및 고무 시편을 제조한 후, 아래와 같은 방법으로 고무 조성물에 대한 무니점도, 내마모성, 인장특성 및 점탄성 특성을 측정하여, 하기 표 3에 나타내었다.
<고무 조성물 및 고무 시편 제조>
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 촉매 조성물을 이용하여 상기 실험예 1에서 제조된 공액디엔계 중합체 100 중량부 각각에 대하여, 카본블랙 70 중량부, 공정오일(process oil, TDAE 오일) 22.5 중량부, 노화방지제(TMDQ) 2 중량부, 산화아연(ZnO) 3 중량부 및 스테아린산(stearic acid) 2 중량부를 배합하여 제조하였다.
이후, 상기 각 고무 조성물에 황 2 중량부, 가류 촉진제(CZ) 2 중량부 및 가류 촉진제(DPG) 0.5 중량부를 첨가하고 50 ℃에서 1 분 30 초 동안 50 rpm으로 약하게 혼합한 후 50 ℃의 롤을 이용하여 시트 형태의 가황 배합물을 제조하고, 가황 배합물을 160 ℃에서 25 분 동안 가류하여 고무 시편을 제조하였다.
* 인장 특성: 상기 제조된 각 고무 조성물을 150 ℃에서 t90분 가류 후 ASTM D412에 의거하여 가류물의 300 % 신장시의 모듈러스(M-300%, kg·f/cm2)를 측정하였다. 비교예 2의 측정값을 기준값으로 하고, 하기 수학식 3을 이용하여 각 실시예 및 비교예의 300 % 모듈러스를 지수화(Index)하였다.
[수학식 3]
M-300% Index = (측정값/기준값) Ⅹ 100
* 점탄성 특성: 독일 Gabo社 DMTS 500N을 사용하여 주파수 10 Hz, Prestrain 3 %, Dynamic Strain 3 %에서 -60 ℃ 내지 60 ℃에서의 점탄성 계수(Tanδ)를 측정하였다. 이 때, 0 ℃에서의 Tanδ 값은 노면 저항성을 나타내는 것이고, 60 ℃에서의 Tanδ 값은 회전저항성 특성(연비성)을 나타내는 것이다. 비교예 2의 측정값을 기준값으로 하고, 하기 수학식 4를 이용하여 각 실시예 및 비교예의 점탄성 특성을 지수화(Index)하였다.
[수학식 4]
Tan δ 60 ℃ Index = (기준값/측정값) Ⅹ 100
* 내마모성: 상기 제조된 각 고무 시편에 대하여 ASTM D5963에 의거하여 DIN마모시험을 진행하여, DIN wt loss index(손실 부피 지수(loss volume indes): ARIA(Abrasion resistance index, Method A))로 나타내었다. 비교예 2의 측정값을 기준값으로 하고, 하기 수학식 5를 이용하여 각 실시예 및 비교예의 내마모성을 지수화(Index)하였다.
[수학식 5]
마모량 Index = (기준값/측정값) Ⅹ 100
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3
인장 특성 M-300% (kg·f/cm2) 88 91 86 87 79 80 81
M-300% Index (%) 110 114 108 109 99 100 101
점탄성 특성 Tan δ 60 ℃ 0.158 0.154 0.160 0.157 0.174 0.171 0.168
Tan δ 60 ℃ index(%) 108 111 107 109 98 100 102
내마모성 마모량 (mg) 19.7 19.1 20.4 20.1 22.1 21.5 21.0
마모량 index (%) 109 113 105 107 97 100 102
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4에서 제조된 촉매 조성물을 이용하여 제조된 공액디엔계 중합체를 포함하여 제조된 고무 조성물은 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매 조성물을 이용하여 제조된 공액디엔계 중합체를 포함하여 제조된 고무 조성물 대비 인장 특성, 점탄성 특성 및 내마모성이 모두 개선된 것을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1에서 제조된 촉매 조성물을 이용하여 제조된 공액디엔계 중합체를 포함하여 제조된 고무 조성물은 비교예 2에서 제조된 촉매 조성물을 이용하여 제조된 공액디엔계 중합체를 포함하여 제조된 고무 조성물 대비 인장 특성, 점탄성 특성 및 내마모성이 모두 저하된 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 공액디엔계 중합체를 제조하기 위한 촉매 조성물 제조 시, 알킬화 반응에 앞서, 촉매 활성의 저하를 유발하는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 미리 전처리함으로써, 향상된 촉매 활성으로부터 기인한 것이다.
이러한 결과로부터, 본 발명의 촉매 조성물 제조방법에 따라 제조된 촉매 조성물은 알킬화 반응에 앞서, 촉매 활성의 저하를 유발하는 수소결합된 란탄계열 희토류 원소 화합물 및/또는 란탄계열 희토류 원소 화합물의 올리고머 형태를 미리 전처리하여 제조됨으로써, 촉매 활성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 공액디엔계 중합체 제조방법에 따라 제조된 공액디엔계 중합체는 높은 촉매 활성에 의해 공액디엔계 중합체 내 잔류하는 란탄계열 희토류 원소의 함량이 낮고, 시스 결합 함량 및 선형성이 높으며, 분자량 분포가 좁고, 고무 조성물에 적용 시, 우수한 내마모성 및 저연비성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (14)

  1. 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대한 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합의 전처리 반응 실시하는 전처리 단계(S10);
    상기 (S10) 단계에서 수소결합, 올리고머 형태, 또는 이들의 조합이 전처리된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 알킬화제를 혼합하고 반응시키는 알킬화 반응 단계(S20); 및
    상기 (S20) 단계에서 알킬화된 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 할로겐화물을 혼합하고 반응시키는 할로겐화 반응 단계(S30)를 포함하고,
    상기 (S20) 단계는 직렬로 연결된 복수개의 반응기에서 연속적으로 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물과, 트리메틸 알루미늄 및 트리에틸 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 트리알킬 알루미늄을 혼합하고 반응시켜 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (S10) 단계는 란탄계열 희토류 원소 화합물에 대해 트리알킬 알루미늄에 의한 알킬화 반응이 일어나기 전까지 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 네오디뮴 화합물인 것인 촉매 조성물 제조방법:
    [화학식 1]

    상기 화학식 1에서,
    R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R1 내지 R3이 모두 수소는 아니다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 란탄계열 희토류 원소 화합물은 Nd(2-에틸 헥사노에이트)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 것인 촉매 조성물 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알킬화제는 하기 화학식 2로 표시되는 알킬 알루미늄 화합물인 것인 촉매 조성물 제조방법:
    [화학식 2]
    AlR4R5R6
    상기 화학식 2에서,
    R4 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R4 내지 R6이 모두 수소는 아니고, R4 내지 R6이 모두 알킬기인 경우, 알킬기의 탄소수는 3 내지 12이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알킬화제는 디알킬 알루미늄 하이드라이드인 것인 촉매 조성물 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계의 전처리 반응, 상기 (S20) 단계의 알킬화 반응, 또는 상기 (S10) 단계의 전처리 반응 및 상기 (S20) 단계의 알킬화 반응은 공액디엔계 단량체를 포함하여 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 할로겐화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 알루미늄 할라이드 및 하기 화학식 4로 표시되는 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 촉매 조성물 제조방법:
    [화학식 3]
    AlR7R8R9
    상기 화학식 3에서,
    R7 내지 R9는 각각 독립적으로 할로겐기 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이되, R7 내지 R9가 모두 할로겐기는 아니고,
    [화학식 4]

    상기 화학식 4에서,
    R10 내지 R12는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기이고,
    X1 내지 X3은 각각 독립적으로 할로겐기이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 할로겐화물은 디알킬 알루미늄 할라이드 및 알킬 알루미늄 세스퀴할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 촉매 조성물 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 각각 직렬로 연결된 개별적인 반응기에서 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계, (S20) 단계 및 (S30) 단계는 연속적으로 실시되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 알킬화제는 상기 직렬로 연결된 복수개의 반응기에 분할되어 투입되는 것인 촉매 조성물 제조방법.
  14. 탄화수소 용매 중에서, 제1항에 따른 촉매 조성물 제조방법으로 제조된 촉매 조성물의 존재 하에 공액디엔계 단량체를 중합하여 활성 중합체를 제조하는 단계(S100)를 포함하는 공액디엔계 중합체 제조방법.
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