WO2019093630A1 - 고용융장력 폴리프로필렌 수지 제조방법 - Google Patents

고용융장력 폴리프로필렌 수지 제조방법 Download PDF

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WO2019093630A1
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ketal
acetal
aryl
catalyst
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우현율
이래하
정수정
민준근
신은혜
채병훈
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롯데케미칼 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a high melt strength polypropylene resin, and more particularly, to a method for producing a polypropylene resin exhibiting a low gel content and a high melt tension using a metallocene catalyst.
  • Polypropylene and related polymers are known to have low melt strength. However, these properties are pointed out as weak points in the main applications such as thermoforming and blow molding.
  • the limitations of the melt strength of polypropylene include excessive settling in sheet extrusion, rapid thinning of the thermoformed component walls in the melt phase, low draw-down ratio in extrusion coating, poor foam formation in extruded foamed materials, As a relative vulnerability in blow molding.
  • polypropylene and related polymers having improved melt strength as well as commercially valuable processability are constantly in demand commercially.
  • An exemplary method is to copolymerize propylene with an? -? - diene to introduce an unsaturated group into the polymer using a conventional Ziegler-Natta catalyst.
  • a processing method is generally a method of obtaining a similar product through peroxide decomposition using a post-process of polymerized polypropylene, so that the manufacturing cost through post-processing is expensive, the peroxide decomposition process may be harmful to the operator, There may arise a problem that the physical properties of the resin are changed due to the unreacted amount of the remaining monomer. Further, there is a problem that gelling of the resin itself occurs due to excessively charged dienes. Therefore, there has been a constant demand for research on propylene polymers having improved melt strength and good processability.
  • Olefin polymerization catalyst systems can be classified into Ziegler-Natta and metallocene catalyst systems, and these two high-activity catalyst systems have been developed to suit their respective characteristics.
  • Ziegler Natta catalyst has been widely applied to commercial processes since its invention in the 1950s.
  • the metallocene catalyst is composed of a combination of a main catalyst, which is the main component of the transition metal compound, and a cocatalyst, which is an organometallic compound mainly composed of aluminum.
  • Such a catalyst is a single site catalyst as a homogeneous complex catalyst According to the single active point characteristics, a polymer having a narrow molecular weight distribution and uniform composition distribution of the comonomer is obtained, and the stereoregularity of the polymer, the copolymerization properties, the molecular weight, and the crystallinity are changed depending on the modification of the ligand structure of the catalyst and the polymerization conditions It has the characteristics to be able to.
  • Polypropylene (PP) has a high melting point and a low density. In addition, excellent chemical resistance and high tensile modulus can be obtained at low cost. For this reason, it boasts an overwhelming market share of plastic products. However, in the process where the tension stiffness is mainly required, the process characteristic is insufficient. In order for polypropylene to be used in shaping processes such as foaming, thermoforming, extrusion coating, blow molding, etc., it is necessary to strain hardening (manifestation of high melt tension) of the melt. In order to improve this, modification of polypropylene is essential .
  • An exemplary method is to copolymerize propylene with an? -? - diene to introduce an unsaturated group into the polymer using a conventional Ziegler-Natta catalyst.
  • a processing method is generally a method of obtaining a similar product through peroxide decomposition using a post-process of polymerized polypropylene, so that the manufacturing cost through post-processing is expensive, the peroxide decomposition process may be harmful to the operator, There may arise a problem that the physical properties of the resin are changed due to the unreacted amount of the remaining monomer.
  • a broader (including bimodal) molecular weight distribution can be a way to improve the melt tension, but rather by adding a long side branch (LCB) to the polypropylene backbone, The method is more effective.
  • Korean Patent Publication No. 2011-0084303 discloses a method for producing long chain-branched isotactic polypropylene after preparation of oligomer polypropylene and a method using two kinds of catalysts, oligomer catalyst and crosslinking catalyst, There is an uneconomical problem in terms of facilities and manufacturing costs.
  • US Patent Nos. 5,368,919, 5,414,027, 5,541,236, 5,554,668, 5,591,785 and 5,731,362 disclose polypropylene polymers having a high melt tension. Although the performance of the polypropylene polymer according to this patent is excellent, there is a problem that the manufacturing cost of the electron beam irradiation equipment is high and the productivity is low, and thus the manufacturing cost of the high melt tension polypropylene is high.
  • U.S. Pat. Nos. 5,416,169, 4,525,257, and WO 97/049759 disclose a method for introducing long chains into polypropylene by reacting organic peroxides with polypropylene under specific reaction conditions, There is a problem that the production time is long and the productivity is low or the reaction extrusion process must be carried out because the reaction conditions are made stepwise in proportion, and the polypropylene is decomposed by the peroxide.
  • Korean Patent Laid-Open Nos. 2017-0114064 and 2017-0114063 disclose a process for producing a diene-modified polypropylene resin in which melt tension is improved by directly contacting propylene and a diene compound using a metallocene catalyst system.
  • this patent has a problem that when the content of the diene is increased to improve the melt tension, the gel content also increases, and thus there is a problem that it is not industrially utilized.
  • the content of the diene exceeds a certain level, There is a problem in that it appears.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a hyperbranched polypropylene resin having a low gel content and improved melt tension by controlling a polymer structure of a diene-modified polypropylene through a process simplification using a metallocene catalyst system And a method for producing the same.
  • the present invention relates to a process for producing a polypropylene resin by polymerizing propylene and a diene compound using a catalyst comprising a transition metal compound represented by the following general formula (1), thereby obtaining a polypropylene resin having a branching index of 0.95 or less, Modified polypropylene resin having a tensile strength (ARES (Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength) of 5 g or more:
  • ARES Advanced Rheometric Expansion System
  • M is a Group 4 transition metal
  • Q 1 and Q 2 are each independently selected from the group consisting of halogen, (C 1 -C 20 ) alkyl, (C 2 -C 20 ) alkenyl, (C 2 -C 20 ) alkynyl, (C 6 -C 20 ) C 1 -C 20) alkyl (C 6 -C 20) aryl, (C 6 -C 20) aryl (C 1 -C 20) alkyl, (C 1 degree or (C 6 -C 20 -C 20) alkyl amido ) aryl amido or, is expressed by the general formula (5), in the general formula (5) R 17 and R 18 are each independently hydrogen, (C 1 -C 20) alkyl, (C 2 -C 20) alkenyl, (C 2 -C 20) alkynyl, (C 6 -C 20) aryl, (C 1 -C 20) alkyl (C 6 -C 20) aryl, (C 6 -C 20)
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen; (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Acetal, which does not include or include a ketal or ether (C 2 -C 20) alkenyl; (C 1 -C 20 ) alkyl (C 6 -C 20 ) aryl, with or without an acetal, ketal or ether group; (C 6 -C 20 ) aryl (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or (C 1 -C 20 ) silyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Two or more of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be connected to each other to form an aliphatic ring or an aromatic ring;
  • R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are each independently hydrogen; (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Acetal, which does not include or include a ketal or ether (C 2 -C 20) alkenyl; (C 1 -C 20 ) alkyl (C 6 -C 20 ) aryl, with or without an acetal, ketal or ether group;
  • R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 are each independently hydrogen; (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Acetal, which does not include or include a ketal or ether (C 2 -C 20) alkenyl; (C 1 -C 20 ) alkyl (C 6 -C 20 ) aryl, with or without an acetal, ketal or ether group; (C 6 -C 20 ) aryl (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or (C 1 -C 20 ) silyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or two or more of R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 may be connected to each other to form an aliphatic ring
  • At least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is hydrogen, at least one of them is (C 4 -C 20 ) alkyl and the others are independently of each other a (C 1 -C 20 ) alkyl , (C 2 -C 20 ) alkenyl, (C 6 -C 20 ) aryl or (C 1 -C 20 ) silyl with or without an acetal, ketal or ether group; Or two or more of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be connected to each other to form an aliphatic ring or an aromatic ring.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is hydrogen and the others are independently of each other (C 1 -C 20 ) alkyl.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are hydrogen and the others are independently of each other (C 1 -C 20 ) alkyl.
  • the catalyst may be a transition metal compound of the formula (1); And at least one promoter compound selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (2) to (4):
  • R 21 is the same or different from each other and is a hydrocarbyl radical having 1 to 20 carbon atoms, which is substituted or unsubstituted independently with a halogen radical or a halogen; n is an integer of 2 or more,
  • A is aluminum or boron;
  • R22 are the same or different and each independently represent a hydrocarbyl radical having 1 to 20 carbon atoms which is substituted or unsubstituted with a halogen radical or a halogen,
  • L is a neutral or cationic Lewis acid
  • H is a hydrogen atom
  • Z is a Group 13 element
  • B are each independently an aryl or alkyl radical having from 6 to 20 carbon atoms in which at least one hydrogen atom is replaced by halogen, hydrocarbyl having from 1 to 20 carbon atoms, alkoxy, or phenoxy radical.
  • the diene compound is at least one selected from aliphatic diene compounds having 4 to 20 carbon atoms and aromatic diene compounds.
  • the diene compound may be at least one selected from the group consisting of 1,5-hexadiene, 1,6-heptadiene, 1,7-octadiene, 1,8-nonadiene, 1,9-decadiene, Dodecadienes, 1,12-tridecadienes, 1,13-tetradecadienes, and the like.
  • diene is added in an amount of 0.008 to 0.25 mol based on 500 g of the propylene, thereby conducting the polymerization reaction.
  • polypropylene resin is a non-monomodal polypropylene resin having a molecular weight distribution of 3.0 or more.
  • the polypropylene resin has a melting peak of 160 DEG C or less.
  • the polypropylene resin manufacturing method according to the present invention is carried out by directly contacting propylene and a diene compound using a metallocene catalyst, so that compared with a conventional high-melt-strength polypropylene manufacturing method such as a two-step reaction or a reaction extrusion method, This is inexpensive and economical.
  • Figure 1 shows a molecular weight distribution curve (non-unimodal) of a polypropylene resin prepared according to the process of the present invention.
  • the present invention relates to a process for polymerizing propylene and a diene compound using a catalyst comprising a transition metal compound represented by the following general formula (1) to obtain a polymer having a branching index of 0.95 or less, a gel content of 3 wt% or less and a melt tension System Melt Strength) of at least 5 grams per gram of the polypropylene resin.
  • M is a Group 4 transition metal
  • Q 1 and Q 2 are each independently selected from the group consisting of halogen, (C 1 -C 20 ) alkyl, (C 2 -C 20 ) alkenyl, (C 2 -C 20 ) alkynyl, (C 6 -C 20 ) C 1 -C 20) alkyl (C 6 -C 20) aryl, (C 6 -C 20) aryl (C 1 -C 20) alkyl, (C 1 degree or (C 6 -C 20 -C 20) alkyl amido ) aryl amido or, is expressed by the general formula (5), in the general formula (5) R 17 and R 18 are each independently hydrogen, (C 1 -C 20) alkyl, (C 2 -C 20) alkenyl, (C 2 -C 20) alkynyl, (C 6 -C 20) aryl, (C 1 -C 20) alkyl (C 6 -C 20) aryl, (C 6 -C 20)
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen; (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Acetal, which does not include or include a ketal or ether (C 2 -C 20) alkenyl; (C 1 -C 20 ) alkyl (C 6 -C 20 ) aryl, with or without an acetal, ketal or ether group; (C 6 -C 20 ) aryl (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or (C 1 -C 20 ) silyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Two or more of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be connected to each other to form an aliphatic ring or an aromatic ring;
  • R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are each independently hydrogen; (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Acetal, which does not include or include a ketal or ether (C 2 -C 20) alkenyl; (C 1 -C 20 ) alkyl (C 6 -C 20 ) aryl, with or without an acetal, ketal or ether group;
  • R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 are each independently hydrogen; (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Acetal, which does not include or include a ketal or ether (C 2 -C 20) alkenyl; (C 1 -C 20 ) alkyl (C 6 -C 20 ) aryl, with or without an acetal, ketal or ether group; (C 6 -C 20 ) aryl (C 1 -C 20 ) alkyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or (C 1 -C 20 ) silyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or two or more of R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 may be connected to each other to form an aliphatic ring
  • the transition metal compound has a structure of the following formula (6), and when n is 2 in the formula (5)
  • R 19 and R 20 are each independently hydrogen, (C 1 -C 20) alkyl, (C 2 -C 20) alkenyl, (C 2 -C 20) alkynyl, (C 6 -C 20) aryl, (C 1 -C 20) alkyl (C 6 -C 20) aryl, (C 6 -C 20 or even) aryl (C 1 -C 20) alkyl, (C 1 -C 20) alkyl amido ( C 6 -C 20 ) arylamido.
  • R 1, R 2, R 3 and R are at least one of the four is hydrogen, at least more than one is (C 4 -C 20) alkyl, and the remainder, independently of each other (C 1 -C (C 1 -C 20 ) alkyl, (C 2 -C 20 ) alkenyl, (C 6 -C 20 ) aryl or (C 1 -C 20 ) silyl, with or without an acetal, ketal or ether group; Or two or more of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be connected to each other to form an aliphatic ring or an aromatic ring.
  • the present invention also provides a method wherein at least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is hydrogen and the others are independently of each other (C 1 -C 20 ) alkyl.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are hydrogen and the others are independently (C 4 -C 20 ) alkyl and the rest are independently of each other (C 1 -C (C 1 -C 20 ) alkyl, (C 2 -C 20 ) alkenyl, (C 6 -C 20 ) aryl or (C 1 -C 20 ) silyl, with or without an acetal, ketal or ether group; At least two of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be connected to each other to form an aliphatic ring or an aromatic ring.
  • the present invention also provides a method wherein at least two of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are hydrogen and the others are independently of each other (C 1 -C 20 ) alkyl.
  • alkyl &quot refers to a monovalent straight or branched saturated hydrocarbon radical consisting solely of carbon and hydrogen atoms.
  • alkyl radicals include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, Butyl, pentyl, hexyl, octyl, dodecyl, and the like.
  • " cycloalkyl " as used in the present invention means a monovalent alicyclic alkyl radical consisting of one ring, examples of which include cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, But are not limited to, cyclononyl, cyclodecyl, and the like.
  • alkenyl &quot also refers to straight or branched chain hydrocarbon radicals containing one or more carbon-carbon double bonds, including ethenyl, propenyl, butenyl, pentenyl and the like, But is not limited to.
  • " aryl " is an organic radical derived from an aromatic hydrocarbon by removal of one hydrogen, including a single or fused ring system.
  • Specific examples include, but are not limited to, phenyl, naphthyl, biphenyl, anthryl, fluorenyl, phenanthryl, triphenylenyl, pyreneyl, perylenyle, klycenyl, naphthacenyl, fluoranthenyl and the like.
  • alkoxy &quot means an -O-alkyl radical where 'alkyl' is as defined above.
  • alkoxy radicals include, but are not limited to, methoxy, ethoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, t-butoxy and the like.
  • &quot means a fluorine, chlorine, bromine or iodine atom.
  • the transition metal compound is a cyclopentadiene derivative ligand connected with a bridge group of silicon or alkenylene and an anisole derivative ligand in which the aryl is substituted at the 4-position, And has an ansa-metallocene structure.
  • the transition metal compound has an aldehyde derivative ligand in which aryl is substituted at the 4-position, and has superior catalytic activity and copolymerization as compared with a transition metal compound having an aryl group-unsubstituted ligand at the 4-position of indene .
  • At least one or more, preferably two or more, of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the structure of Formula (1) are hydrogen and the rest are independently of each other (C 1 - (C 1 -C 20 ) alkyl, (C 1 -C 20 ) alkenyl, (C 1 -C 20 ) aryl or (C 1 -C 20 ) silyl with or without an acetal, ketal or ether group; It is preferable that at least two of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are connected to each other to form an aliphatic ring or aromatic ring, and most preferably R 1 , R 2 , R 3 and R 4 (C 1 -C 20 ) alkyl in the case where two or more of R 1 and R 2 are hydrogen and the rest of them are independently substituted with (C 1 -C 20 ) alkyl, it is possible to control the diene content, branch structure density and molecular weight, In
  • the transition metal compound represented by the above formula (1) can be used as an active catalyst component used in olefin polymerization.
  • the transition metal compound can be obtained by extracting a ligand in the transition metal compound and cationizing the center metal,
  • the compounds represented by formulas (2) to (4) can act together as a cocatalyst.
  • R 21 is the same or different from each other and is a hydrocarbyl radical having 1 to 20 carbon atoms, which is substituted or unsubstituted independently with a halogen radical or a halogen; n is an integer of 2 or more.
  • A is aluminum or boron; R22 are the same or different and each independently represent a hydrocarbyl radical having 1 to 20 carbon atoms which is substituted or unsubstituted with a halogen radical or a halogen.
  • L is a neutral or cationic Lewis acid
  • H is a hydrogen atom
  • Z is a Group 13 element
  • B are each independently an aryl or alkyl radical having from 6 to 20 carbon atoms in which at least one hydrogen atom is replaced by halogen, hydrocarbyl having from 1 to 20 carbon atoms, alkoxy, or phenoxy radical.
  • the compound represented by the above-mentioned formula (2) is not particularly limited as long as it is alkylaluminoxane, and preferred examples thereof include methylaluminoxane, ethylaluminoxane, isobutylaluminoxane, Aluminoxane, and the like. Particularly preferred compounds are methylaluminoxane.
  • the alkyl metal compound represented by the general formula (3) is not particularly limited, but preferred examples thereof include trimethyl aluminum, triethyl aluminum, triisobutyl aluminum, tripropyl aluminum, tributyl aluminum, dimethyl chloro aluminum, triisopropyl aluminum, t-butylaluminum, tricyclopentylaluminum, tripentylaluminum, triisopentylaluminum, trihexylaluminum, trioctylaluminum, ethyldimethylaluminum, methyldiethylaluminum, triphenylaluminum, tri-p- Particularly preferred compounds are selected from among trimethylaluminum, triethylaluminum and triisobutylaluminum.
  • Preferred examples of the compound include trimethylaluminum, trimethylaluminum, trimethylaluminum, trimethylaluminum, triethylaluminum, have.
  • the [LH] + is dimethylanilinium cation dimethyl, wherein [Z (A) 4] - is [B (C 6 F 5) 4] - preferably a , [L] + is [(C 6 H 5 ) 3 C] + , and [Z (A) 4 ] - is [B (C 6 F 5 ) 4 ] - .
  • the co-catalyst compound represented by Formula 4 is not particularly limited, but examples thereof include triethylammonium tetraphenyl borate, tributylammonium tetraphenyl borate, trimethylammonium tetraphenyl borate, tripropylammonium tetraphenyl (O, p-dimethylphenyl) borate, triethylammoniumtetra (p-tolyl) borate, tripropylammoniumtetra (p- tolyl) borate, trimethylammoniumtetra Phenyl) borate, tributylammoniumtetra (ptrifluoromethylphenyl) borate, trimethylammoniumtetra (p-trifluoromethylphenyl) borate, tributylammonium tetrapentafluorophenylborate, N, Amylidium tetraphenylborate, N, N-dieth
  • the catalyst composition may be prepared by using the compounds of the formulas (1) to (4) and then used in the production of the diene-modified polypropylene.
  • the method of preparing the catalyst composition the following exemplified methods may be used.
  • the addition amount of the above-mentioned co-catalyst compound can be determined in consideration of the addition amount of the transition metal compound represented by the above-mentioned formula (1) and the amount necessary for sufficiently activating the above promoter compound.
  • the content of the co-catalyst compound may be 1: 1 to 100,000, based on the molar ratio of the metal contained in the co-catalyst compound to 1 mole of the transition metal contained in the transition metal compound represented by the formula (1) 1: 1 to 10,000, more preferably 1: 1 to 5,000.
  • the compound represented by Formula 2 is preferably used in a molar ratio of 1:10 to 5,000, more preferably 1:50 to 1,000, to the transition metal compound represented by Formula 1 , And most preferably from 1: 100 to 1,000 molar ratio.
  • the molar ratio of the compound represented by the formula (2) to the transition metal compound represented by the formula (1) is less than 1:10, the amount of the aluminoxane is so small that the activation of the metal compound may not proceed completely, The excess aluminoxane acts as a catalyst poison to prevent the polymer chain from growing well.
  • the transition metal compound represented by Formula 1 when A is boron in the co-catalyst compound represented by Formula 3, the transition metal compound represented by Formula 1 is used at a ratio of 1: 1 to 100, preferably 1: 1 to 10 , More preferably in a molar ratio of 1: 1 to 3.
  • the amount of water may vary depending on the amount of water in the polymerization system.
  • the amount of the transition metal compound represented by Formula 1 is preferably 1: 1 to 1000, : 1 to 500, and more preferably 1: 1 to 100.
  • the promoter compound represented by Formula 4 is supported on the transition metal compound represented by Formula 1 at a molar ratio of 1: 0.5 to 30, preferably 1: 0.7 to 20, more preferably 1: 1 to 10, .
  • the ratio of the promoter compound represented by Formula 4 is less than 1: 0.5, the amount of the activator is relatively small and activation of the metal compound is not completely performed, : 30, the activation of the metal compound is completely performed.
  • the unit cost of the catalyst composition is not economical due to an excess amount of the remaining activator, or the purity of the produced polymer is lowered.
  • the catalyst according to the present invention may further include a carrier in the compound represented by Formula 1 and the co-catalyst compound.
  • the carrier inorganic or organic carrier used in the production of the catalyst in the technical field of the present invention may be used without limitation, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, MgCl 2 , CaCl 2 , ZrO 2 , TiO 2 , B 2 O 3 , CaO, ZnO, BaO, ThO 2 , SiO 2 -Al 2 O 3 , SiO 2 -MgO, SiO 2 -TiO 2 , SiO 2 -V 2 O 5 , SiO 2 -CrO 2 O 3 , SiO 2 -TiO 2 -MgO, bauxite, zeolite, starch, cyclodextrine, synthetic polymer and the like can be used.
  • the carrier comprises a hydroxy group on the surface, and may be at least one carrier selected from the group consisting of silica, silica-alumina and silica-magnesia.
  • the method of supporting the transition metal compound and the promoter compound on the carrier includes a method of directly supporting the transition metal compound on a dehydrated carrier, a method of pretreating the carrier with the promoter compound, A method in which the transition metal compound is supported on the support, followed by post treatment with a promoter compound, a method in which the transition metal compound is reacted with a cocatalyst compound, and then a carrier is added and reacted.
  • the solvent usable in the above carrying method may be an aromatic hydrocarbon solvent, an aromatic hydrocarbon solvent, a halogenated aliphatic hydrocarbon solvent or a mixture thereof.
  • the aliphatic hydrocarbon solvent may include, but is not limited to, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, Dodecane and the like.
  • Examples of the aromatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, benzene, monochlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, and toluene.
  • Examples of the halogenated aliphatic hydrocarbon solvent include, but are not limited to, dichloromethane, trichloromethane, dichloroethane, and trichloroethane
  • the step of carrying the transition metal compound and the co-catalyst compound on the carrier is carried out at a temperature of -70 to 200 ° C, preferably -50 to 150 ° C, more preferably 0 to 100 ° C, .
  • the copolymer produced through the polymerization process carried out by contacting the diene and the propylene compound can be produced under the condition that the catalyst site is relatively insoluble and / or rigid so that the polymer chain is rapidly immobilized according to this information Diene and propylene polymerization.
  • immobilisation can be carried out, for example, by using a solid insoluble catalyst and by performing copolymerization in a medium in which the resulting copolymer is generally insoluble and keeping the polymerization reactants and products below the crystalline melting point of the copolymer.
  • the method for producing a diene-modified polypropylene according to the present invention comprises reacting a transition metal compound represented by the formula (1), an aluminum compound represented by the formula (2), an alkyl metal compound represented by the formula (3), and a boron compound represented by the formula In the presence of a transition metal catalyst composition comprising at least one cocatalyst compound selected from the group consisting of ethylene and propylene.
  • Suitable polymerization processes for the copolymerization of diene and propylene are well known to those skilled in the art and include bulk polymerization, solution polymerization, slurry polymerization and low pressure gas phase polymerization.
  • the metallocene catalyst compositions are particularly useful in known operating forms employing fixed bed, moving bed or slurry processes carried out in single, series or parallel reactors.
  • the solvent or propylene and the diene monomer itself can be used as a medium.
  • the catalyst composition presented in the present invention is present in a uniform form in a polymerization reactor, it is preferable to apply to a solution polymerization process carried out at a temperature above the melting point of the polymer.
  • it may also be used for slurry polymerization or gas phase polymerization in the form of a non-uniform catalyst composition obtained by supporting the transition metal catalyst and cocatalyst on a porous metal oxide support as disclosed in U.S. Patent No. 4,752,597. Therefore, when the catalyst composition of the present invention is used together with an inorganic carrier or an organic polymer carrier, it can be applied to a slurry or a gas phase process. That is, the transition metal compound and the promoter compound may be supported on an inorganic carrier or an organic polymer carrier.
  • the solvent usable in the polymerization reaction may be an aliphatic hydrocarbon solvent, an aromatic hydrocarbon solvent, a halogenated aliphatic hydrocarbon solvent or a mixture thereof.
  • the aliphatic hydrocarbon solvent may include, but is not limited to, butane, isobutane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, Decane, undecane, dodecane, cyclopentane, methylcyclopentane, cyclohexane, and the like can be given.
  • the aromatic hydrocarbon solvent may include, but not limited to, benzene, monochlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, toluene, xylene, chlorobenzene, (Chlorobenzene), and the like.
  • the halogenated aliphatic hydrocarbon solvent may include, but not limited to, dichloromethane, trichloromethane, chloroethane, dichloroethane, trichloroethane, 1,2-dichloroethane, 1,2-dichloroethane, and the like.
  • a diene-modified polypropylene process can be prepared by polymerizing propylene and a diene compound in the presence of the transition metal catalyst composition.
  • the transition metal catalyst and the cocatalyst component may be separately introduced into the reactor, or the respective components may be premixed and introduced into the reactor, and there are no particular restrictions on the mixing conditions such as the order of introduction, temperature or concentration.
  • the diene compound may be at least one selected from aliphatic diene compounds having 4 to 20 carbon atoms and aromatic diene compounds, and examples thereof include 1,5-hexadiene, 1,6-heptadiene, 1,7-octadiene, 1 , 8-nonadiene, 1,9-decadien, 1,10-undecadiene, 1,11-dodecadien, 1,12-tridecadiene and 1,13-tetradecadiene Or a mixture of two or more thereof. Most preferably, the diene compound may be 1,5-hexadiene.
  • the diene is used in an amount of 0.008 to 0.25 mol, preferably 0.008 to 0.20 mol, more preferably 0.025 to 0.20 mol, still more preferably 0.04 to 0.020 mol, most preferably 0.04 to 0.15 mol,
  • the polymerization reaction can proceed.
  • the diene is used in an amount of 0.004 to 0.4 mol, preferably 0.008 to 0.3 mol, more preferably 0.016 to 0.2 mol, , And most preferably 0.04 to 0.13 mol, per mole of the polymerization initiator.
  • the catalytic activity may be lowered or the thermal characteristics may be undesirably improved in terms of improving the melt tension.
  • the amount of the catalyst added in the polymerization reaction of the present invention is not particularly limited because it can be determined within a range in which the polymerization reaction of the monomers can sufficiently take place in accordance with slurry, liquid, vapor or massive processes.
  • the amount of the catalyst and is based on the concentration of the central metal (M) in the main catalyst compound per unit volume (L) of the monomer (transition metal compound) 10 -8 to preferably a 1 mol / L, 10 -7 to 10 -1 mol / L it is more preferred, and 10 -7 to 10 -2 mol / L of it is further more preferable.
  • the activity of the preferred catalyst in the process according to the invention may be from 22 to 40 kg / g Cat.hr, more preferably from 26 to 40 kg / g Cat.hr, most preferably from 30 to 40 kg / g Cat.hr.
  • the polymerization reaction of the present invention may be carried out in a batch type, a semi-continuous type or a continuous type, preferably a continuous reaction.
  • the temperature and pressure conditions of the polymerization reaction of the present invention can be determined in consideration of the efficiency of the polymerization reaction depending on the kind of the reaction to be applied and the type of the reaction.
  • the polymerization temperature is preferably 40 to 150 ° C
  • the pressure may be 1 to 100 atm, preferably 5 to 50 atm.
  • the diene-modified polypropylene produced according to the process of the present invention can exhibit high polymerization activity of dienes and propylene, low gel content and high melt tension using a catalyst comprising a main catalyst compound and a cocatalyst compound.
  • the present invention also provides a one-step in-situ polymerization process for producing polypropylene which exhibits a low gel content and a high melt tension by directly contacting propylene and a diene compound with the metallocene catalyst without any additional process such as electron beam irradiation There is an advantage to be able to do.
  • the diene-modified polypropylene has a branching index of 0.95 or less, a gel content of 3 wt% or less, and a melt tension (ARES (Melt Strength of Advanced Rheology Expansion)) of 5 g or more.
  • the gel content of the diene-modified polypropylene may be preferably 2% by weight or less, and most preferably 1% by weight or less.
  • the gel content of the diene-modified polypropylene is preferably 2% by weight or less, more preferably 1% by weight or less, Or less, most preferably 0.5 wt% or less.
  • the melt tension may preferably be 10 g or more, more preferably 20 g or more, still more preferably 30 g or more, and most preferably 40 g or more.
  • the melt-tension of the diene-modified polypropylene may be preferably 10 g or more, more preferably 20 g or more And most preferably 30 g or more.
  • the diene-modified polypropylene produced according to the present invention may have a weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000, preferably 200,000 to 1,000,000, more preferably 300,000 to 1,000,000, and most preferably, 300,000 to 900,000.
  • the molecular weight distribution (Mw / Mn) of the diene-modified polypropylene may be preferably 1 to 30, more preferably 2 to 20, and most preferably 3 to 10.
  • the molecular weight distribution (Mw / Mn) of the diene-modified polypropylene may be preferably 3 to 30, Preferably from 3 to 20, more preferably from 3 to 15, and most preferably from 4 to 10.
  • the metallocene catalyst according to the present invention includes the transition metal compound represented by Formula 6, the branching index of the diene-modified polypropylene is preferably 0.9 or less, more preferably 0.85 or less , And most preferably 0.75 or less.
  • the melting point may be 160 ⁇ or lower, and preferably 155 ⁇ or lower.
  • the product such as a plastic molded article produced using the polypropylene resin produced according to the present invention is not limited in its field of use but can be preferably used mainly for automobile interior and exterior materials and specifically includes automobile interior foamed film / Parts, thermoformed products, trays, sound insulating materials, insulation materials, large hollows, and automobile parts.
  • the polymerization solvent n-hexane
  • the polymerization solvent was passed through a tube filled with 5A molecular sieve and activated alumina and bubbled with high purity nitrogen to sufficiently remove water, oxygen and other catalyst poison substances. All the polymerization was carried out by introducing the required amount of solvent, co-catalyst, monomers to be polymerized, etc. in a high-pressure reactor (autoclave) completely blocked with the external air and then adding the catalyst.
  • the polymerized polymer was analyzed according to the following method.
  • Dupont DSC2910 at a rate of 10 ° C / min under nitrogen atmosphere.
  • the branching PP and the linear PP were measured for viscosity and the branching index was calculated according to the following equation (1).
  • the gel content was measured according to the method of ASTM D2765.
  • the dried product was pulverized, placed in xylene, and extracted at boiling point for 12 hours to determine the residual amount. At this time, the percentage of the remaining sample after extraction with respect to the weight of the sample before extraction was regarded as the gel content.
  • MI Melt Index
  • a specimen with a width of 20 mm, a length of 10 mm and a thickness of 0.7 mm made by hot press melting or injection was fixed to a sample holder using a Rheometric measuring instrument (2KFRTN, TA Instrument), and the sample holder The melt tension was measured by the resistance value applied to the test piece.
  • a Rheometric measuring instrument (2KFRTN, TA Instrument)
  • transition metal compound (4-butyl-2-methylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylzirconium dichloride (4-butyl-2-methylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl- - (4-tert-butylphenyl) indenyl Zr dichloride)
  • Butyllithium (600 ml) and 1-butyl-3-methylcyclopentadiene (50 g) were placed in a 2 L flask and n-BuLi (2.5 M hexane solution) (170 ml) was slowly dropped And the mixture was reacted at room temperature for 12 hours with stirring. The temperature of the reaction solution was lowered to -10 ° C again, and then dimethyldichlorosilane (170 g) was added thereto. The mixture was stirred at room temperature for 12 hours for reaction, and then the reaction product was vacuum-dried. To the reaction mixture was added n-hexane (500 ml) to dissolve the reaction product. The reaction mixture was filtered through a Celite filter. The filtered solution was vacuum-dried to obtain 70 g of dimethyl 4-butyl-2-methylcyclopentadienylchlorosilane (Yield: 70%).
  • Butyl-2-methylcyclopentadienyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylsilane 50 g
  • toluene 300 ml
  • diethyl ether 100 ml
  • n-BuLi 2.5 M hexane solution
  • Butyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenyldilithium salt (40 g), toluene (40 ml) and ether (10 ml) 1 and stirred.
  • Flask # 2 a mixture of toluene (30 ml) and ZrCl 4 (20 g) was prepared. The mixture of flask # 2 was slowly dropped into flask # 1 with a cannula, and then stirred at room temperature for 24 hours. After stirring, the mixture was vacuum-dried, extracted with methylene chloride (500 ml), filtered through a Celite filter, and then the filtrate was vacuum-dried.
  • Silica manufactured by Albemarle
  • silica was placed in a Schlenk flask (100 ml) in a glove box, and 10 ml of anhydrous toluene solution was added thereto. Then, about 10.2 ml of methylaluminoxane (10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle) was slowly added dropwise at 10 DEG C, and the mixture was stirred at 0 DEG C for about 1 hour, , Stirred for 3 hours and cooled to 25 < 0 > C.
  • methylaluminoxane 10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle
  • the synthesized transition metal compound (0.061 g, 100 ⁇ mol) was placed in another 100 ml Schlenk flask in a glove box and taken out of the glove box, followed by addition of 10 ml of anhydrous toluene solution.
  • the solution containing the transition metal compound was slowly added to the solution containing silica and methylaluminoxane at 10 DEG C, and then the temperature was raised to 70 DEG C and stirred for 1 hour, then cooled to 25 DEG C for about 24 hours Lt; / RTI >
  • the resulting reaction product was dried in a vacuum to obtain 2.70 g of a supported catalyst of Free Flowing.
  • transition metal compound tetramethylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylzirconium dichloride (Tetramethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4- ) synthesis
  • N-BuLi (2.5 M hexane solution) (170 ml) was slowly added dropwise at -10 ° C under a nitrogen atmosphere, followed by dropwise addition of 12 (trimethylsilyl) methylene chloride Lt; / RTI > for 1 hour.
  • the temperature of the reaction solution was lowered to -10 ° C again, and then dimethyldichlorosilane (170 g) was added thereto.
  • the mixture was stirred at room temperature for 12 hours for reaction, and then the reaction product was vacuum-dried. Hexane (500 ml) was added thereto to dissolve the reaction product.
  • the reaction product was filtered through a Celite filter, and the filtered solution was vacuum-dried to obtain 70 g of dimethyl tetramethylcyclopentadienyl chlorosilane in the form of yellow oil (yield: 80%).
  • Tetramethylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenyldilithium salt 40 g
  • toluene 40 ml
  • ether 10 ml
  • Flask # 2 a mixture of toluene (30 ml) and ZrCl 4 (20 g) was prepared.
  • the mixture of flask # 2 was slowly dropped into flask # 1 with a cannula, and then stirred at room temperature for 24 hours. After stirring, the mixture was vacuum-dried, extracted with methylene chloride (500 ml), filtered through a Celite filter, and then the filtrate was vacuum-dried.
  • Silica manufactured by Albemarle
  • silica was placed in a Schlenk flask (100 ml) in a glove box, and 10 ml of anhydrous toluene solution was added thereto. Then, about 10.2 ml of methylaluminoxane (10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle) was slowly added dropwise at 10 DEG C, and the mixture was stirred at 0 DEG C for about 1 hour, , Stirred for 3 hours and cooled to 25 < 0 > C.
  • methylaluminoxane 10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle
  • the synthesized transition metal compound (0.060 g, 100 ⁇ mol) was placed in another 100 ml Schlenk flask in a glove box and taken out of the glove box, followed by addition of 10 ml of anhydrous toluene solution.
  • the solution containing the transition metal compound was slowly added to the solution containing silica and methylaluminoxane at 10 DEG C, and then the temperature was raised to 70 DEG C and stirred for 1 hour, then cooled to 25 DEG C for about 24 hours Lt; / RTI >
  • the resulting reaction product was dried in a vacuum to obtain 2.70 g of a supported catalyst of Free Flowing.
  • transition metal compound (1,3,4-trimethylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylzirconium dichloride
  • transition metal compound (1,3,4-trimethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl- - (4-tert-butylphenyl) indenyl Zr dichloride)
  • Silica manufactured by Albemarle
  • silica was placed in a Schlenk flask (100 ml) in a glove box, and 10 ml of anhydrous toluene solution was added thereto. Then, about 10.2 ml of methylaluminoxane (10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle) was slowly added dropwise at 10 DEG C, and the mixture was stirred at 0 DEG C for about 1 hour, , Stirred for 3 hours and cooled to 25 < 0 > C.
  • methylaluminoxane 10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle
  • the synthesized transition metal compound (0.060 g, 100 ⁇ mol) was placed in another 100 ml Schlenk flask in a glove box and taken out of the glove box, followed by addition of 10 ml of anhydrous toluene solution.
  • the solution containing the transition metal compound was slowly added to the solution containing silica and methylaluminoxane at 10 DEG C, and then the temperature was raised to 70 DEG C and stirred for 1 hour, then cooled to 25 DEG C for about 24 hours Lt; / RTI >
  • the resulting reaction product was dried in a vacuum to obtain 2.70 g of a supported catalyst of Free Flowing.
  • transition metal compound (4-butyl-2-methylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylzirconiumditetrahydroborate -4- (4-tert-butylphenyl) indenyl Zr ditetrahydrobrate)
  • Butyllithium (600 ml) and 1-butyl-3-methylcyclopentadiene (50 g) were placed in a 2 L flask and n-BuLi (2.5 M hexane solution) (170 ml) was slowly dropped And the mixture was reacted at room temperature for 12 hours with stirring. The temperature of the reaction solution was lowered to -10 ° C again, and then dimethyldichlorosilane (170 g) was added thereto. The mixture was stirred at room temperature for 12 hours for reaction, and then the reaction product was vacuum-dried. To the reaction mixture was added n-hexane (500 ml) to dissolve the reaction product. The reaction mixture was filtered through a Celite filter. The filtered solution was vacuum-dried to obtain 70 g of dimethyl 4-butyl-2-methylcyclopentadienylchlorosilane (Yield: 70%).
  • Butyl-2-methylcyclopentadienyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylsilane 50 g
  • toluene 300 ml
  • diethyl ether 100 ml
  • n-BuLi 2.5 M hexane solution
  • Butyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenyldilithium salt (40 g), toluene (40 ml) and ether (10 ml) 1 and stirred.
  • Flask # 2 a mixture of toluene (30 ml) and ZrCl 4 (20 g) was prepared. The mixture of flask # 2 was slowly dropped into flask # 1 with a cannula, and then stirred at room temperature for 24 hours. After stirring, the mixture was vacuum-dried, extracted with methylene chloride (500 ml), filtered through a Celite filter, and then the filtrate was vacuum-dried.
  • Methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenyl zirconium dichloride (5.2 g), sodium tetraborate (1.5 g), tetrahydrofuran (100 Ml) was added to the flask and reacted at room temperature for 12 hours. Thereafter, the solid portion was filtered out, and the obtained solution portion was vacuum dried to obtain a white solid. The resulting white solid was transferred to a flask containing 500 ml of diethyl ether, and stirred at room temperature for 5 hours.
  • Silica manufactured by Albemarle
  • silica was placed in a Schlenk flask (100 ml) in a glove box, and 10 ml of anhydrous toluene solution was added thereto. Then, about 10.2 ml of methylaluminoxane (10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle) was slowly added dropwise at 10 DEG C, and the mixture was stirred at 0 DEG C for about 1 hour, , Stirred for 3 hours and cooled to 25 < 0 > C.
  • methylaluminoxane 10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle
  • the solution containing the transition metal compound was slowly added to the solution containing silica and methylaluminoxane at 10 DEG C, and then the temperature was raised to 70 DEG C and stirred for 1 hour, then cooled to 25 DEG C for about 24 hours Lt; / RTI >
  • the reaction product obtained was washed with a sufficient amount of toluene and hexane to remove the unreacted aluminum compound. Thereafter, it was dried in a vacuum to obtain 2.70 g of a supported catalyst of Free Flowing.
  • transition metal compound (1,3,4-trimethylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl-4- (4-t-butylphenyl) indenylzirconiumditetrahydroborate (4-butyl-2-methylcyclopentadienyldimethylsilyl 2-methyl -4- (4-tert-butylphenyl) indenyl Zr ditetrahydrobrate)
  • Silica manufactured by Albemarle
  • silica was placed in a Schlenk flask (100 ml) in a glove box, and 10 ml of anhydrous toluene solution was added thereto. Then, about 10.2 ml of methylaluminoxane (10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle) was slowly added dropwise at 10 DEG C, and the mixture was stirred at 0 DEG C for about 1 hour, , Stirred for 3 hours and cooled to 25 < 0 > C.
  • methylaluminoxane 10 wt% solution of methylaluminoxane in toluene, 15 mmol of Al, manufactured by Albemarle
  • the solution containing the transition metal compound was slowly added to the solution containing silica and methylaluminoxane at 10 DEG C, and then the temperature was raised to 70 DEG C and stirred for 1 hour, then cooled to 25 DEG C for about 24 hours Lt; / RTI >
  • the reaction product obtained was washed with a sufficient amount of toluene and hexane to remove the unreacted aluminum compound. Thereafter, it was dried in a vacuum to obtain 2.70 g of a supported catalyst of Free Flowing.
  • the polypropylene resin was prepared according to the following Table 1 by controlling the amount of the supported catalyst, the amount of the diene introduced and the amount of hydrogen supplied.
  • the polypropylene resin was prepared according to the following Table 3 by controlling the amount of the supported catalyst, the amount of the diene introduced and the amount of hydrogen supplied.
  • Example 1 Catalyst Preparation Example 1 1.0 0 625K 4.9 152
  • Example 2 1.0 10 413K 4.9 152
  • Example 3 2.0 0 674K 5.4 152
  • Example 4 2.0 10 460K 5.4 152
  • Example 5 5.0 0 767K 6.4
  • Example 6 5.0 10 552K 6.3 152
  • Example 7 10.0 0 884K 7.2
  • Example 8 10.0 10 664K 7.1
  • Example 9 15.0 0 1042K 8.1 152
  • Example 10 15.0 10 782K 8.1 152
  • Example 12 1.0 10 301K 4.4 152
  • Example 13 2.0 0 520K 4.7 152
  • Example 14 2.0 10 371K 4.7 152
  • Example 15 5.0 0 644K 5.6 152
  • Example 16 5.0 10 494K 5.6 152
  • Example 14 2.0 10 371K 4.7 152
  • Example 1 1.1 25 0.3 0.85 Example 2 5.7 18 0.2 0.84 Example 3 0.8 34 0.5 0.81 Example 4 4.2 26 0.3 0.81 Example 5 0.4 44 0.8 0.76 Example 6 2.1 38 0.4 0.76 Example 7 0.3 56 1.1 0.72 Example 8 0.9 49 0.6 0.73 Example 9 0.2 65 1.7 0.69 Example 10 0.4 60 0.9 0.69 Example 11 2.9 12 2.1 0.88 Example 12 8 9 1.2 0.88 Example 13 2.1 17 4.4 0.85 Example 14 5.9 14 2.2 0.85 Example 15 0.8 22 8.9 0.80 Example 16 3.7 21 4.3 0.80 Example 17 0.4 16 15.9 0.84 Example 18 0.9 25 7.5 0.79 Example 19 0.2 8 24.5 0.88 Example 20 0.5 20 13.9 0.83 Example 21 2.7 14 2.3 0.87 Example 22 7.8 11 1.3 0.87 Example 23 1.9 19 4.7 0.84 Example 24 5.7 16 2.5 0.84 Example 25 0.6 26 9.4 0.80 Example 3 0.8 34 0.5 0.81 Example 4 4.2 26 0.3 0.81 Example 5 0.4 44 0.8 0.76 Example 6 2.1
  • Example 31 Catalyst Preparation 4 1.0 0 740K 4.9 152
  • Example 32 2.0 10 526K 5.4 152
  • Example 33 5.0 20 443K 6.4 152
  • Example 34 10.0 30 317K 7.2 152
  • Example 35 15.0 30 361K 8.2 152
  • Example 36 Catalyst Preparation 5 1.0 0 468K 4.6 152
  • Example 37 2.0 10 395K 4.9 152
  • Example 38 5.0 20 457K 5.7 152
  • Example 39 10.0 30 394K 5.8 152
  • Example 40 15.0 30 453K 5.1 152 Comparative Example 3
  • Comparative Example 4 - 10 494K 2.8 Comparative Example 5 40 0 No measurement due to crosslinking
  • Catalyst Preparation Example 3 Compared with the catalysts prepared according to Catalyst Preparation Examples 2 and 3, in Catalyst Preparation Example 3, cyclopentadienyl was replaced with one hydrogen instead of methyl group, resulting in relatively less sterically hindered effect. This leads to an increase in the content of diene compounds such as 1,5-hexadiene in the main chain by inducing the insertion reaction of the diene in the case of Catalyst Preparation Example 3, relative to the case of Catalyst Preparation Example 2.
  • diene compounds such as 1,5-hexadiene
  • the charged diene compound will select one of two reaction paths: Cross-linking and Cyclization.
  • Cross-linking is a phenomenon in which a diene compound bonds in the main chain and moves to a chain reaction, and when the remaining double bond becomes an environment that can be introduced to the catalytic active point where the other main chain is growing, It is a reaction that will act as a bridge. When this reaction occurs continuously, the gel content increases as the degree of cross-linking increases.
  • cyclization one double bond of the diene compound is bonded to the main chain and the remaining double bond is immediately bonded to the catalytic active site to form a stable pentagonal structure.
  • the catalyst according to Catalyst Preparation Example 5 formed a high molecular weight due to the effect of BH 4 and exhibited a relatively high melt tension due to a long side chain, Can be seen. This is due to the increase of the diene in the polymer chain as the main chain becomes longer, and the crosslinking is advanced.
  • the gel phenomenon is increased, the gel is advanced, which causes the polymer chain to be separated from the polymer chain which has not undergone the gel phenomenon.
  • a product is processed by injection or extrusion, it causes a difference in polymer flow at a high temperature and causes a deterioration of physical properties when the product is used as a product.
  • Proper cross-linking prevents the gel from developing and gives a long-chain branching effect. This can be regarded as evidence that the proper reaction ratio in the cross-linking reaction and the cyclization reaction by diene shows the gel control and the melt tension effect.

Abstract

메탈로센 촉매 시스템을 이용하여 공정 단순화를 통해 디엔 개질된 폴리프로필렌의 고분자 구조를 제어함으로써 겔 함량이 낮고 용융장력이 개선된 하이퍼 브렌치 폴리프로필렌 수지를 제조할 수 있는 방법이 개시된다. 본 발명은 촉매를 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 중합하여 분지 지수(Branching index)가 0.95 이하, 겔 함량이 3중량% 이하 및 용융장력(ARES(Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength)이 5g 이상인 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

고용융장력 폴리프로필렌 수지 제조방법
본 발명은 고용융장력 폴리프로필렌 수지 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탈로센계 촉매를 이용하여 낮은 겔 함량과 고용융장력을 나타내는 폴리프로필렌 수지의 제조방법에 관한 것이다.
폴리프로필렌 및 관련된 중합체들은 낮은 용융강도를 갖는 것으로 알려져 있다. 하지만 이러한 물성은 열성형 및 취입 성형과 같은 주요 용도 분야에서 약점으로 지적되고 있다. 폴리프로필렌의 용융강도의 한계는 시트 압출에서 과다한 침하, 용융상에서 열성형된 부품벽의 고속 박막화, 압출 피복에서 낮은 인낙비(draw-down ratio), 압출 발포물질에서 불량한 기포 형성, 및 큰-부품의 취입 성형에서의 상대적인 취약성으로서 나타난다. 따라서, 상업적으로 가치있는 가공성뿐만 아니라 개선된 용융강도를 갖는 폴리프로필렌 및 관련된 중합체는 상업적으로 끊임없이 요구되고 있다.
폴리프로필렌과 같은 중합체의 용융강도를 증가시키는 것은 지난 수십년간 산업상 목적이었으나, 그 성공은 제한적이었다. 대표적인 방법으로는 통상적인 지글러-나타형 촉매를 사용하여 중합체내에 불포화기를 도입시키기 위해 프로필렌을 α-ω-디엔과 공중합하는 방법이 있다. 하지만 이러한 가공법은 일반적으로 중합된 폴리프로필렌을 후공정을 이용하여 퍼옥사이드 분해를 통해 유사한 생성물을 수득하는 방법이기 때문에 후공정을 통한 제조 비용이 비싸고, 퍼옥사이드 분해 과정이 작업자에게 유해할 수 있으며, 미반응된 단량체 잔량에 의해 수지의 물성이 변화하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한 과도하게 투입된 디엔류로 인해 수지 자체의 겔화가 발생하는 등 문제가 있었다. 따라서, 개선된 용융 강도 및 우수한 가공성을 갖는 프로필렌 중합체의 연구는 꾸준히 요구되어 왔다.
올레핀 중합 촉매계는 지글러 나타 및 메탈로센 촉매계로 분류할 수 있으며 이 두 가지의 고활성 촉매계는 각각의 특징에 맞게 발전되어 왔다. 지글러 나타 촉매는 50년대 발명된 이래 기존의 상업 프로세스에 널리 적용 되어져 왔으나 활성종이 여러 개 혼재하는 다활성점 촉매(Multi Site Catalyst)이기 때문에 중합체의 분자량 분포가 넓은 것이 특징이며, 공단량체의 조성 분포가 균일하지 않아 원하는 물성 확보에 한계가 있다는 문제점이 있다. 하지만 메탈로센 촉매는 전이금속 화합물이 주성분인 주촉매와 알루미늄이 주성분인 유기 금속 화합물인 조촉매의 조합으로 이루어지며, 이와 같은 촉매는 균일계 착체 촉매로 단일활성점 촉매(Single Site Catalyst)이며 단일활성점 특성에 따라 분자량 분포가 좁고 공단량체의 조성 분포가 균일한 고분자가 얻어지며 촉매의 리간드 구조 변형 및 중합조건의 변경에 따라 고분자의 입체규칙도, 공중합 특성, 분자량, 결정화도 등을 변화시킬 수 있는 특성을 가지고 있다.
폴리프로필렌(PP)은 높은 융점과 낮은 밀도를 갖는다. 또한 우수한 화학적 저항성과 높은 인장계수를 낮은 비용으로 얻을 수 있다. 이러한 이유로 플라스틱 상품의 압도적인 시장 점유율을 자랑하고 있다. 하지만 장력경직이 주로 요구되는 과정에서는 부족한 과정 특성을 보이기도 한다. 폴리프로필렌이 포밍(foaming), 열성형, 압출 코팅, 블로우 성형 등과 같은 정형화 과정에 사용되기 위해서는 용융의 변형 경화 현상(고용융장력의 발현)이 필수적이며 이를 개선하기 위해서는 폴리프로필렌의 개질이 필수적이다.
이에, 폴리프로필렌과 같은 중합체의 용융 강도를 증가시키는 것은 지난 수십년간 산업상 목적이었으나, 그 성공은 제한적이었다. 대표적인 방법으로는 통상적인 지글러-나타형 촉매를 사용하여 중합체내에 불포화기를 도입시키기 위해 프로필렌을 α-ω-디엔과 공중합하는 방법이 있다. 하지만 이러한 가공법은 일반적으로 중합된 폴리프로필렌을 후공정을 이용하여 퍼옥사이드 분해를 통해 유사한 생성물을 수득하는 방법이기 때문에 후공정을 통한 제조비용이 비싸고, 퍼옥사이드 분해과정이 작업자에게 유해할 수 있으며, 미반응된 단량체 잔량에 의해 수지의 물성이 변화하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한 과도하게 투입된 디엔류로 인해 수지 자체의 겔화가 발생하는 등 문제가 있었다. 또 다른 방법으로 광범위한(바이모달을 포함한) 분자량 분포(MWD)는 용융장력을 향상시킬 수 있는 방법이 될 수 있지만, 그보다 폴리프로필렌 주쇄에 긴 곁가지(LCB)를 추가하여 용융장력을 효율적으로 향상시키는 방법이 보다 효과적이다.
한국공개특허 제2011-0084303호는 올리고머 폴리프로필렌 제조 후 장쇄-분지화 이소택틱 폴리프로필렌 제조하는 방법과 올리고머 촉매 및 가교 촉매의 2종의 촉매를 사용하는 방법에 대해 개시하고 있으나, 2단계 반응이 수행되어 시설 및 제조비용 면에서 비경제적인 문제가 있다.
미국등록특허 제5,368,919호, 제5,414,027호, 제5,541,236호, 제5,554,668호, 제5,591,785호 및 제5,731,362호는 고용융장력을 갖는 폴리프로필렌 중합체에 관해 개시하고 있다. 이 특허에 따른 폴리프로필렌 중합체의 성능은 우수하나, 전자선 조사장비의 설치 및 운용비가 고가이고 생산성이 낮아 고용융장력 폴리프로필렌 제조 비용이 높은 문제가 있다.
미국등록특허 제5,416,169호, 제4,525,257호 및 국제공개특허 제1997/049759호는 유기 과산화물을 특정 반응조건에서 폴리프로필렌과 반응시켜 폴리프로필렌에 장쇄를 도입하는 방법을 개시하고 있으나, 과산화물의 반감기 온도에 비례하여 반응조건이 단계별로 이루어지므로 제조시간이 길어 생산성이 낮은 문제 또는 반응압출 공정을 거처야 하는 문제가 있고, 또한 과산화물로 인해 폴리프로필렌이 분해되는 문제가 있다.
한국공개특허 제2017-0114064호, 제2017-0114063호는 각각 메탈로센 촉매 시스템을 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 직접 접촉시켜 용융장력이 향상된 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지의 제조방법을 개시하고 있다. 하지만, 이 특허는 용융장력을 개선하기 위해 디엔 함량을 증가시킬 경우 겔 함량 또한 증가하여 산업적으로 활용하기에 한계가 있는 문제가 있을 뿐만 아니라, 디엔 함량이 일정 수준을 벗어나는 경우 용융장력의 증가에 한계가 나타난다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 메탈로센 촉매 시스템을 이용하여 공정 단순화를 통해 디엔 개질된 폴리프로필렌의 고분자 구조를 제어함으로써 겔 함량이 낮고 용융장력이 개선된 하이퍼 브렌치 폴리프로필렌 수지를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매를 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 중합하여 분지 지수(Branching index)가 0.95 이하, 겔 함량이 3중량% 이하 및 용융장력(ARES(Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength)이 5g 이상인 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지를 제조하는 방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2018009582-appb-I000001
화학식 1에서,
M은 4족 전이금속이고;
Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이거나, 상기 화학식 5로 표현되고, 상기 화학식 5에서 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이고, n은 정수 1 또는 2이고;
[화학식 5]
Figure PCTKR2018009582-appb-I000002
R1, R2, R3 및 R4은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴이고; R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
R5, R6, R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴이고;
R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴이고; 또는 R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있다.
또한 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상은 수소이고, 적어도 1개 이상은 (C4-C20)알킬이며, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C6-C20)아릴 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴일 수 있고; 또는 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 2개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 촉매는 상기 화학식 1의 전이금속 화합물; 및 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 조촉매 화합물;이 담지된 촉매인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다:
[화학식 2]
-[Al(R21)-O]n-
화학식 2에서, R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌 라디칼이고; n은 2 이상의 정수이고,
[화학식 3]
A(R22)3
화학식 3에서, A는 알루미늄 또는 보론이고; R22은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌 라디칼이며,
[화학식 4]
[L-H]+[Z(B)4]- 또는 [L]+[Z(B)4]-
화학식 4에서, L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이고; H는 수소 원자이고;
Z는 13족 원소이고; B는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌, 알콕시, 또는 페녹시 라디칼로 치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴 또는 알킬 라디칼이다.
또한 상기 디엔 화합물은 탄소수 4~20의 지방족 디엔계 화합물 및 방향족 디엔계 화합물로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 디엔 화합물은 1,5-헥사디엔, 1,6-헵타디엔, 1,7-옥타디엔, 1,8-노나디엔, 1,9-데카디엔, 1,10-운데카디엔, 1,11-도데카디엔, 1,12-트리데카디엔 및 1,13-테트라데카디엔으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 디엔은 상기 프로필렌 500g에 대하여 0.008~0.25몰로 첨가하여 중합반응을 진행하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 폴리프로필렌 수지는 분자량 분포도가 3.0 이상인 비(非)유니모달 폴리프로필렌 수지인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 폴리프로필렌 수지는 용융 피크가 160℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 폴리프로필렌 수지 제조방법은 메탈로센 촉매를 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 직접 접촉시켜 수행됨으로써 2단계 반응이나 반응압출법과 같은 기존의 고용융장력 폴리프로필렌 제조방법에 비해 시설 및 제조비용이 저렴하고 경제적인 효과가 있다.
또한 기존의 과산화물을 사용하는 반응에 비해 폴리프로필렌 내 사슬의 분지도 및 분자량 등의 긴 곁가지 구조를 제어하는 것이 가능하여 우수한 물성을 갖는 폴리프로필렌 수지를 제공할 수 있다.
또한 특정 구조의 메탈로센 촉매를 이용함으로써 용융장력이 증가함에도 불구하고 겔 함량은 매우 낮은 폴리프로필렌 수지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법에 따라 제조된 폴리프로필렌 수지의 분자량 분포 곡선(비(非)유니모달)을 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매를 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 중합하여 분지 지수(Branching index)가 0.95 이하, 겔 함량이 3중량% 이하 및 용융장력(ARES(Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength)이 5g 이상인 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지를 제조하는 방법을 개시한다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2018009582-appb-I000003
화학식 1에서,
M은 4족 전이금속이고;
Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이거나, 상기 화학식 5로 표현되고, 상기 화학식 5에서 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이고, n은 정수 1 또는 2이고;
[화학식 5]
Figure PCTKR2018009582-appb-I000004
R1, R2, R3 및 R4은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴이고; R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
R5, R6, R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴이고;
R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴이고; 또는 R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있다.
한편, 상기 Q1 및 Q2가 상기 화학식 5로 표현될 경우 상기 전이금속 화합물은 하기 화학식 6의 구조를 갖고, 상기 화학식 5에서 n이 2인 경우 하기 화학식 7의 구조를 갖는다.
[화학식 6]
Figure PCTKR2018009582-appb-I000005
[화학식 7]
Figure PCTKR2018009582-appb-I000006
상기 화학식 7에서, R19 및 R20은 각각 독립적으로 수소, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이다.
또한 본 발명은 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상은 수소이고, 적어도 1개 이상은 (C4-C20)알킬이며, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C6-C20)아릴 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴일 수 있고; 또는 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 2개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C4-C20)알킬이며, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C6-C20)아릴 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴일 수 있고; 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 2개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 기재된 용어 「알킬」은 탄소 및 수소 원자만으로 구성된 1가의 직쇄 또는 분쇄 포화 탄화수소 라디칼을 의미하는 것으로, 이러한 알킬 라디칼의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, t-부틸, 펜틸, 헥실, 옥틸, 도데실 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
또한 본 발명에 기재된 용어 「사이클로알킬」은 하나의 고리로 구성된 1가의 지환족 알킬 라디칼을 의미하는 것으로, 사이클로알킬의 예는 사이클로프로필, 사이클로부틸, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 사이클로헵틸, 사이클로옥틸, 사이클로노닐, 사이클로데실 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
또한 본 발명에 기재된 용어 「알케닐」은 하나 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 함유하는 직쇄 또는 분지쇄의 탄화수소 라디칼을 의미하는 것으로, 에테닐, 프로페닐, 부테닐, 펜테닐 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
또한 본 발명에 기재된 용어 「아릴」은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 단일 또는 융합고리계를 포함한다. 구체적인 예로 페닐, 나프틸, 비페닐, 안트릴, 플루오레닐, 페난트릴, 트라이페닐레닐, 피렌일, 페릴렌일, 크라이세닐, 나프타세닐, 플루오란텐일 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
또한 본 발명에 기재된 용어 「알콕시」는 -O-알킬 라디칼을 의미하는 것으로, 여기서 '알킬'은 상기 정의한 바와 같다. 이러한 알콕시 라디칼의 예는 메톡시, 에톡시, 이소프로폭시, 부톡시, 이소부톡시, t-부톡시 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
또한 본 발명에 기재된 용어 「할로겐」은 불소, 염소, 브롬 또는 요오드 원자를 의미한다.
본 발명에서 상기 전이금속 화합물은 화학식 1로 표시되는 것과 같이, 실리콘 또는 알케닐렌의 브릿지 그룹에 의해 서로 연결된 시클로펜타디엔 유도체 리간드와 4번 위치에 반드시 아릴이 치환된 인데닐 유도체 리간드를 포함하는 안사-메탈로센(ansa-metallocene) 구조를 갖는다.
이와 같이, 상기 전이금속 화합물은 4번 위치에 아릴이 치환된 인덴 유도체 리간드를 가지고 있어 인덴의 4번 위치에 아릴기 치환되지 않은 리간드를 갖는 전이금속 화합물에 비해 보다 우수한 촉매 활성 및 공중합성을 가진다.
여기서, 본 발명에 따른 전이금속 화합물은 화학식 1 구조에서 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상, 바람직하게는 2개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬, (C1-C20)알케닐, (C1-C20)아릴 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴로 치환될 수 있고; 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬로 치환된 것일 경우 디엔 함량 및 분지구조 밀도, 분자량 등의 제어가 가능하게 함으로써 용융장력의 향상과 겔 형성을 억제하여 요구되는 물성을 충분히 만족시킬 수 있도록 하게되며, 특히, 프로필렌 또는 에틸렌을 단량체로 하는 올레핀 중합 시 활성이 우수하고 고분자량의 폴리올레핀 생산이 가능하다.
한편, 상기 화학식 1의 전이금속 화합물은 올레핀 중합에 사용되는 활성촉매 성분이 되기 위하여, 전이금속 화합물 중의 리간드를 추출하여 중심 금속을 양이온화 시키면서 약한 결합력을 가진 반대이온, 즉 음이온으로 작용할 수 있는 하기 화학식 2 내지 4으로 표시되는 화합물이 조촉매로서 함께 작용할 수 있다.
[화학식 2]
-[Al(R21)-O]n-
화학식 2에서, R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌 라디칼이고; n은 2 이상의 정수이다.
[화학식 3]
A(R22)3
화학식 3에서, A는 알루미늄 또는 보론이고; R22은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌 라디칼이다.
[화학식 4]
[L-H]+[Z(B)4]- 또는 [L]+[Z(B)4]-
화학식 4에서, L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이고; H는 수소 원자이고;
Z는 13족 원소이고; B는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌, 알콕시, 또는 페녹시 라디칼로 치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴 또는 알킬 라디칼이다.
상기 조촉매 화합물이 보다 우수한 활성화 효과를 나타낼 수 있도록 하기 위하여, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 알킬알루미녹산이라면 특별히 한정되지 않으나, 바람직한 예로는 메틸알루미녹산, 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등이 있으며, 특히 바람직한 화합물은 메틸알루미녹산이다.
또한 상기 화학식 3으로 표시되는 알킬 금속 화합물은 특별히 한정되지 않으나, 바람직한 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 있으며, 특히 바람직한 화합물은 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄 및 트리이소부틸알루미늄 중에서 선택될 수 있다.
또한 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물에 있어서, 상기 [L-H]+는 디메틸아닐리늄 양이온이고, 상기 [Z(A)4]-는 [B(C6F5)4]-인 것이 바람직하며, 상기 [L]+는 [(C6H5)3C]+이고, 상기 [Z(A)4]-는 [B(C6F5)4]-인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물은 특별히 한정되지 않으나, 비제한적인 예로 트리에틸암모니움테트라페닐보레이트, 트리부틸암모니움테트라페닐보레이트, 트리메틸암모니움테트라페닐보레이트, 트리프로필암모니움테트라페닐보레이트, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)보레이트, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)보레이트, 트리메틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보레이트, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보레이트, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보레이트, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보레이트, 트리부틸암모니움테트라펜타플루오로페닐보레이트, N,N-디에틸아밀리디움테트라페틸보레이트, N,N-디에틸아닐리디움테트라페닐보레이트, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플루오로페닐보레이트, 디에틸암모니움테트라펜타플루오로페닐보레이트, 트리페닐포스포늄테트라페닐보레이트, 트리메틸포스포늄테트라페닐보레이트, 트리페닐카보니움테트라(p-트리풀로로메틸페닐)보레이트, 트리페닐카보니움테트라펜타플루오로페닐보레이트, 디메틸아닐리늄테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트 등이 있다.
상기 화학식 1 내지 화학식 4의 화합물을 이용하여 촉매 조성물을 제조한 후 디엔 개질된 폴리프로필렌 제조에 이용할 수 있는데, 촉매 조성물을 제조하는 방법으로는 하기 예시된 방법을 이용할 수 있다.
첫 번째로 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물의 Q1 및 Q2 가 할로겐일 경우 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 접촉시키는 방법이다. 두 번째로 상기 화학식 1의 Q1 및 Q2가 알킬 라디칼인 경우의 전이금속 화합물과 상기 화학식 3과 4로 표시되는 화합물을 접촉시켜 촉매 조성물을 제조하거나, 따로 분리하여 중합기에 직접 투입하여 촉매 조성물을 제조하기도 한다.
상기 조촉매 화합물의 첨가량은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물의 첨가량 및 상기 조촉매 화합물을 충분히 활성화시키는 데 필요한 양 등을 고려하여 결정될 수 있다. 상기 조촉매 화합물의 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 함유된 전이금속 1몰에 대하여, 조촉매 화합물에 함유된 금속의 몰비를 기준으로 1:1~100,000일 수 있고, 바람직하게는 1:1~10,000, 보다 바람직하게는 1:1~5,000일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 첫 번째 방법의 경우에 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여 바람직하게는 1:10~5,000 몰비, 더욱 바람직하게는 1:50~1,000 몰비, 가장 바람직하게는 1:100~1,000 몰비로 포함될 수 있다. 상기 화학식 1의 전이금속 화합물에 대한 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 몰비가 1:10 미만일 경우에는 알루미녹산의 양이 매우 작아 금속 화합물의 활성화가 완전히 진행되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 1:5,000을 초과하는 경우에는 과량의 알루미녹산이 촉매독으로 작용하여 고분자 체인이 잘 자라나지 못하게 하는 역할을 할 수 있다.
또한 상기 두 번째 방법의 경우에 상기 화학식 3으로 표시되는 조촉매 화합물에서 A가 보론인 경우에는, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여 1:1~100, 바람직하게는 1:1~10, 더욱 바람직하게는 1:1~3의 몰비로 담지될 수 있다. 그리고, 상기 화학식 3으로 표시되는 조촉매 화합물에서 A가 알루미늄인 경우에는 중합 시스템 내의 물의 양에 따라 달라질 수 있으나, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여 1:1~1000, 바람직하게는 1:1~500, 더욱 바람직하게는 1:1~100의 몰비로 담지될 수 있다.
또한 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여 1:0.5~30, 바람직하게는 1:0.7~20, 더욱 바람직하게는 1:1~10의 몰비로 담지될 수 있다. 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물의 비가 1:0.5 미만일 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해, 생성되는 촉매 조성물의 활성도가 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 1:30을 초과하는 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아있는 과량의 활성화제로 촉매 조성물의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 촉매는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 조촉매 화합물에 담체를 더 포함할 수 있다.
상기 담체로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 촉매의 제조에 사용되는 무기 또는 유기 소재의 담체가 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대 SiO2, Al2O3, MgO, MgCl2, CaCl2, ZrO2, TiO2, B2O3, CaO, ZnO, BaO, ThO2, SiO2-Al2O3, SiO2-MgO, SiO2-TiO2, SiO2-V2O5, SiO2-CrO2O3, SiO2-TiO2-MgO,보오크사이트, 제올라이트, 전분(starch), 시클로덱스트린(cyclodextrine), 합성고분자 등이 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 담체는 표면에 히드록시기를 포함하는 것으로서, 실리카, 실리카-알루미나 및 실리카-마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 담체일 수 있다.
상기 담체에 상기 전이금속 화합물 및 조촉매 화합물을 담지시키는 방법은 수분이 제거된(dehydrated) 담체에 상기 전이금속 화합물을 직접 담지시키는 방법, 상기 담체를 상기 조촉매 화합물로 전처리한 후 전이금속 화합물을 담지시키는 방법, 상기 담체에 상기 전이금속 화합물을 담지시킨 후 조촉매 화합물로 후처리하는 방법, 상기 전이금속 화합물과 조촉매 화합물을 반응시킨 후 담체를 첨가하여 반응시키는 방법 등이 사용될 수 있다.
상기 담지 방법에서 사용 가능한 용매는 방향족 탄화수소계 용매, 방향족 탄화수소계 용매, 할로겐화 지방족 탄화수소계 용매 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 여기서, 상기 지방족 탄화수소계 용매는 비제한적인 예로, 펜탄(Pentane), 헥산(Hexane), 헵탄(Heptane), 옥탄(Octane), 노난(Nonane), 데칸(Decane), 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane) 등을 들 수 있다. 또한 상기 방향족 탄화수소계 용매로는 비제한적인 예로, 벤젠(Benzene), 모노클로로벤젠(Monochlorobenzene), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 트리클로로벤젠(Trichlorobenzene), 톨루엔(Toluene) 등을 들 수 있다. 또한 상기 할로겐화 지방족 탄화수소계 용매는 비제한적인 예로, 디클로로메탄(Dichloromethane), 트리클로로메탄(Trichloromethane), 디클로로에탄(Dichloroethane), 트리클로로에탄(Trichloroethane) 등을 들 수 있다
또한 상기 전이금속 화합물과 조촉매 화합물을 담체 상에 담지시키는 공정은 -70~200℃, 바람직하게는 -50~150℃, 더욱 바람직하게는 0~100℃의 온도 하에서 수행되는 것이 담지 공정의 효율면에서 유리하다.
본 발명의 구현 예에 따르면, 디엔 및 프로필렌 화합물을 접촉시켜 수행되는 중합 과정을 통해 생성되는 공중합체는 촉매 부위가 비교적 불용성이고/이거나 고정성이어서 중합체 쇄가 이들 정보에 따라 신속하게 고정화되는 조건하에 디엔 및 프로필렌 중합에 의해 제조될 수 있다. 이러한 고정화는 예를 들면, 고체 불용성 촉매를 사용하고, 생성된 공중합체가 일반적으로 불용성인 매질에서 공중합이 수행되고, 중합 반응물 및 생성물을 공중합체의 결정 융점 이하로 유지시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 디엔 개질된 폴리프로필렌 제조방법은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물과, 상기 화학식 2로 표시되는 알루미늄 화합물, 상기 화학식 3으로 표시되는 알킬 금속 화합물 및 상기 화학식 4로 표시되는 붕소 화합물 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 조촉매 화합물을 포함하는 전이금속 촉매 조성물 존재 하에서, 디엔 및 프로필렌 화합물을 공중합시키는 단계를 포함하여 수행된다.
디엔 및 프로필렌의 공중합에 적합한 중합 공정은 당해 분야의 숙련자들에게 익히 공지되어 있고, 벌크 중합, 용액 중합, 슬러리 중합 및 저압 기상 중합을 포함한다. 메탈로센 촉매 조성물은 단일, 직렬 또는 병렬 반응기에서 수행되는 고정층, 이동층 또는 슬러리 공정을 사용하는 공지된 조작 형태에 특히 유용하다.
상기 중합 반응이 액상 또는 슬러리상에서 실시될 경우에는 용매 또는 프로필렌 및 디엔 단량체 자체를 매질로 사용할 수 있다.
본 발명에서 제시된 촉매 조성물은 중합반응기 내에서 균일한 형태로 존재하기 때문에 해당 중합체의 용융점 이상의 온도에서 실시하는 용액중합 공정에 적용하는 것이 바람직하다. 그러나 미국특허 제4,752,597호에 개시된 바와 같이 다공성 금속 옥사이드 지지체에 상기 전이금속 촉매 및 조촉매를 지지시켜 얻어지는 비균일 촉매 조성물의 형태로 슬러리 중합이나 기상 중합 공정에 이용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 상기 촉매 조성물을 무기계 담체 또는 유기 고분자 담체와 함께 사용하면 슬러리 또는 기상 공정에도 적용 가능하다. 즉, 상기 전이금속 화합물과 조촉매 화합물은 무기계 담체 또는 유기 고분자 담체에 담지된 형태로도 이용할 수 있다.
중합 반응 시 사용 가능한 용매는 지방족 탄화수소계 용매, 방향족 탄화수소계 용매, 할로겐화 지방족 탄화수소계 용매 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 여기서, 상기 지방족 탄화수소계 용매는 비제한적인 예로, 부탄(Butane), 이소부탄(Isobutane), 펜탄(Pentane), 헥산(Hexane), 헵탄(Heptane), 옥탄(Octane), 노난(Nonane), 데칸(Decane), 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane), 시클로펜탄(Cyclopentane), 메틸시클로펜탄(Methylcyclopentane), 시클로헥산(Cyclohexane) 등을 들 수 있다. 또한 상기 방향족 탄화수소계 용매는 비제한적인 예로, 벤젠(Benzene), 모노클로로벤젠(Monochlorobenzene), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 트리클로로벤젠(Trichlorobenzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 클로로벤젠(Chlorobenzene) 등을 들 수 있다. 또한 상기 할로겐화 지방족 탄화수소 용매는 비제한적인 예로, 디클로로메탄(Dichloromethane), 트리클로로메탄(Trichloromethane), 클로로에탄(Chloroethane), 디클로로에탄(Dichloroethane), 트리클로로에탄(Trichloroethane), 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane) 등을 들 수 있다.
본 발명의 구현 예에 따르면, 디엔 개질된 폴리프로필렌 제조방법은 상기의 전이금속 촉매 조성물의 존재 하에서 프로필렌 및 디엔 화합물을 중합시켜 제조될 수 있다. 이때 전이금속 촉매와 조촉매 성분은 별도로 반응기 내에 투입되거나 또는 각 성분을 미리 혼합하여 반응기에 투입할 수 있으며, 투입 순서, 온도 또는 농도 등의 혼합조건은 별도의 제한이 없다.
상기 디엔 화합물은 탄소수 4~20의 지방족 디엔계 화합물 및 방향족 디엔계 화합물로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예컨대 1,5-헥사디엔, 1,6-헵타디엔, 1,7-옥타디엔, 1,8-노나디엔, 1,9-데카디엔, 1,10-운데카디엔, 1,11-도데카디엔, 1,12-트리데카디엔 및 1,13-테트라데카디엔으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 가장 바람직하게는, 상기 디엔 화합물은 1,5-헥사디엔일 수 있다.
이때, 상기 디엔은 상기 프로필렌 500g에 대하여 0.008~0.25몰, 바람직하게는 0.008~0.20몰, 더 바람직하게는 0.025~0.20몰, 보다 더 바람직하게는 0.04~0.020몰, 가장 바람직하게는 0.04~0.15몰 첨가하여 중합반응을 진행시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 촉매가 상기 화학식 6으로 표현되는 전이금속 화합물을 포함하는 경우 상기 디엔은 상기 프로필렌 500g에 대하여 0.004~0.4몰, 바람직하게는 0.008~0.3몰, 더 바람직하게는 0.016~0.2몰, 가장 바람직하게는 0.04~0.13몰 첨가하여 중합반응을 진행시킬 수 있다.
상기 함량을 벗어날 경우 촉매 활성이 저하되거나, 용융장력 향상 면에서 바람직하지 않은 열적 특성을 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명의 중합 반응에서 상기 촉매의 첨가량은 슬러리상, 액상, 기상 또는 괴상 공정에 따라 단량체의 중합 반응이 충분히 일어날 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있으므로, 특별히 제한하지 않는다. 다만, 상기 촉매의 첨가량은 단량체의 단위 부피(L)당 주촉매 화합물(전이금속 화합물)에서 중심금속(M)의 농도를 기준으로 10-8 내지 1 mol/L인 것이 바람직하고, 10-7 내지 10-1 mol/L인 것이 더욱 바람직하고, 10-7 내지 10-2 mol/L인 것이 더욱 더 바람직하다. 본 발명에 따른 방법에서 바람직한 촉매의 활성은 22~40kg/gCat.hr, 보다 더 바람직하게는 26~40kg/gCat.hr, 가장 바람직하게는 30~40kg/gCat.hr 일 수 있다.
또한, 본 발명의 중합 반응은 배치식(Batch Type), 반연속식(Semi-continuous Type) 또는 연속식(Continuous Type) 반응으로 이루어지며, 바람직하게는 연속식 반응으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 중합 반응의 온도 및 압력 조건은 적용하고자 하는 반응의 종류 및 반응기의 종류에 따라 중합 반응의 효율을 고려하여 결정할 수 있으나, 중합 온도가 40~150℃, 바람직하게는 60~100℃일 수 있으며, 압력이 1~100기압, 바람직하게는 5~50기압일 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 제조되는 디엔 개질된 폴리프로필렌은 주촉매 화합물 및 조촉매 화합물을 포함하는 촉매를 사용하여 디엔 및 프로필렌의 중합 활성이 높고, 낮은 겔 함량 및 높은 용융장력을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명은 전자선 조사와 같은 별도의 추가공정 없이, 프로필렌 및 디엔 화합물을 상기 메탈로센 촉매와 직접 접촉시키는 단계만으로도 낮은 겔 함량과 높은 용융장력을 나타내는 폴리프로필렌을 원스텝 in-situ 중합반응으로 제조할 수 있다는 장점이 있다.
이때, 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 분지 지수(Branching index)가 0.95 이하, 겔 함량이 3중량% 이하 및 용융장력(ARES(Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength)이 5g 이상이다.
이때 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 겔 함량의 경우 바람직하게는 2중량% 이하일 수 있고, 가장 바람직하게는 1중량% 이하일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 메탈로센 촉매가 상기 화학식 6으로 표현되는 전이금속 화합물을 포함하는 경우 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 겔 함량의 경우 바람직하게는 2중량% 이하, 더 바람직하게는 1중량% 이하, 가장 바람직하게는 0.5중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 용융장력의 경우 바람직하게는 10g 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 20g 이상일 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 30g 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 40g 이상일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 메탈로센 촉매가 상기 화학식 6으로 표현되는 전이금속 화합물을 포함하는 경우 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 용융장력의 경우 바람직하게는 10g 이상일 수 있고, 더 바람직하게는 20g 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 30g 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조되는 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 중량평균 분자량이 10,000~1,000,000일 수 있고, 바람직하게는 200,000~1,000,000일 수 있고, 더욱 바람직하게는 300,000~1,000,000일 수 있고, 가장 바람직하게는 300,000~900,000일 수 있다.
또한, 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 분자량분포(Mw/Mn)가 바람직하게는 1~30일 수 있고, 더욱 바람직하게는 2~20일 수 있고, 가장 바람직하게는 3~10일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 메탈로센 촉매가 상기 화학식 6으로 표현되는 전이금속 화합물을 포함하는 경우 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 분자량분포(Mw/Mn)가 바람직하게는 3~30일 수 있고, 더 바람직하게는 3~20일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 3~15일 수 있고, 가장 바람직하게는 4~10일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 메탈로센 촉매가 상기 화학식 6으로 표현되는 전이금속 화합물을 포함하는 경우 상기 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 분지 지수(Branching index)가 바람직하게는 0.9 이하, 더 바람직하게는 0.85 이하, 가장 바람직하게는 0.75 이하일 수 있다.
또한, 디엔 개질된 폴리프로필렌에서 융점이 160℃ 이하일 수 있고, 바람직하게는 155℃ 이하일 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 폴리프로필렌 수지를 이용한 플라스틱 성형품 등의 제품은 그 이용되는 분야에 제한이 없지만, 바람직하게는 자동차 내외장재에 주로 이용될 수 있고, 구체적으로 자동차 내장재 발포 필름/시트, 완충재, 자동차 부품, 열성형 제품, 트레이, 차음재, 단열재, 대형 중공, 자동차 부품에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
별도로 언급되는 경우를 제외하고 모든 리간드 및 촉매 합성 실험은 질소 분위기 하에서 표준 슐렝크(Schlenk) 또는 글로브박스 기술을 사용하여 수행되었으며, 모든 반응에 사용되는 유기용매는 나트륨 금속과 벤조페논 하에서 환류시켜 수분을 제거하여 사용 직전 증류하여 사용하였다. 합성된 리간드 및 촉매의 1H-NMR 분석은 상온에서 Bruker 300 MHz을 사용하여 수행하였다.
중합용매인 n-헥산은 분자체 5A와 활성알루미나가 충진된 관을 통과시키고 고순도의 질소로 버블링시켜 수분, 산소 및 기타 촉매독 물질을 충분히 제거시킨 후 사용하였다. 모든 중합은 외부 공기와 완전히 차단된 고압 반응기(Autoclave) 내에서 필요량의 용매, 조촉매, 각 중합하고자 하는 단량체 등을 주입한 후에 촉매를 넣고 진행하였다. 중합된 중합체는 하기 방법에 따라 분석되었다.
(1) 중량평균 분자량(Mw) 및 분자량 분포(MWD)
PL Mixed-BX2+preCol이 장착된 PL210 GPC를 이용하여 135℃에서 1.0mL/min의 속도로 1,2,3-트리클로로벤젠 용매 하에서 측정하였으며, PL 폴리스티렌 표준물질을 사용하여 분자량을 보정하였다.
(2) 융용점(Tm) 분석
Dupont DSC2910을 이용하여 질소분위기 하에서 10℃/min의 속도로 2nd 가열 조건에서 측정하였다.
(3) 분지 지수(Branching index)
분지형 PP와 선형 PP 각각의 점도를 측정하여 하기 수학식 1에 따라 분지지수를 계산하였다.
Figure PCTKR2018009582-appb-M000001
(4) 겔 함량
ASTM D2765의 방법에 따라 겔 함량을 측정하였다. 건조된 생성물을 분쇄하여 크실렌에 넣고 끓는점에서 12시간 동안 추출하여 잔존량을 측정하였다. 이때 추출 전 시료의 무게에 대한 추출 후 잔존 시료의 백분율을 겔 함량으로 하였다.
(5) 용융지수(Melt Index, MI)
ASTM D 1238에 따라 0min 230℃로 각각 가열한 다음 실린더에 2.16kg의 피스톤을 제위치에 놓고 오리피스(내경: 2.09mm, 길이: 8mm)를 일정시간(분단위) 동안 통과하여 나온 수지의 중량을 측정하여 10분 동안의 통과량으로 환산하였다.
(6) 용융장력(ARES(Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength)
핫프레스 용융 또는 사출을 통해 제작된 가로 20mm, 세로 10mm 및 두께 0.7mm의 시편을 Rheometric 측정 장비(2KFRTN, TA Instrument사)를 이용하여 샘플 거치대에 고정시킨 후 샘플 거치대가 축을 중심으로 회전할 때 시편에 걸리는 저항값으로 용융장력을 측정하였다.
[촉매 제조예 1]
전이금속 화합물(4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride) 합성
1) 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(Dimethyl 4-butyl-2-methylcyclopentadienyl chlorosilane)의 합성
2ℓ 플라스크에 테트라히드로퓨란(600㎖)과 1-부틸-3-메틸시클로펜타디엔(50g)을 넣고, 질소 분위기 하 -10℃에서 n-BuLi(2.5M hexane 용액)(170㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응용액의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 디클로로실란(170g)을 첨가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시킨 다음, 반응물을 진공 건조하였다. 여기에 n-헥산 (500㎖)를 투입하여 반응물을 녹인 후 셀라이트 필터로 여과한 다음, 여과된 용액을 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 클로로실란 70g을 얻었다(수율: 70%).
2) 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(Dimethyl 4-butyl-2-methylcyclopentadienyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl silane)의 합성
톨루엔(200㎖), 테트라히드로퓨란(40㎖)과 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인덴(50g)을 투입한 플라스크를 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(76㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 상기 반응물의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(38g)을 투입하고 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 완료되면 물(400㎖)을 투입하고 다시 상온에서 1.5시간 동안 교반시킨 다음, 톨루엔으로 추출하고 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란 80g을 얻었다(수율 95%).
3) 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride)의 합성
디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(50g), 톨루엔(300㎖) 및 디에틸에테르(100㎖)를 플라스크에 넣고 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(90㎖)를 천천히 적가하였다. 적가가 끝나면 반응온도를 상온으로 올려 48시간 동안 교반시킨 다음, 여과하였다. 얻어진 여과액을 진공 건조하여 고체 형태로 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염 40g(수율 80%)을 수득하였으며, 정제하지 않고 바로 다음 반응에 사용하였다.
4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염(40g), 톨루엔(40㎖) 및 에테르(10㎖)를 플라스크 #1에 넣고 교반하였다. 플라스크 #2에는 톨루엔(30㎖)과 ZrCl4(20g)의 혼합액을 준비하였다. 캐뉼러(cannular)로 플라스크 #2의 혼합액을 플라스크 #1으로 천천히 적가한 뒤, 상온에서 24시간 동안 교반시켰다. 교반이 끝나면 진공 건조시킨 다음, 메틸렌 클로라이드(500㎖)로 추출하여 셀라이트 필터로 여과한 후 여과액을 진공건조하였다. 얻어진 고체를 메틸렌 클로라이드와 n-헥산의 1:3 혼합액(50㎖)을 사용하여 세척한 다음, 진공건조하여 노란색 고체 형태의 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드 32g을 수득하였다(수율 60%).
담지 촉매 제조
글로브 박스 안에서 쉴렌크 플라스크(100㎖)에 실리카(제조사: Grace, 제품명: XPO-2412, 2.0g)를 담은 다음, 여기에 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 메틸알루미녹산 약 10.2㎖(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10중량% 용액, Al 기준 15mmol, 제조사: Albemarle)를 천천히 적가하고, 0℃에서 약 1시간 동안 교반하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 3시간 동안 교반하고 25℃로 식혔다. 이와 별도로, 글로브 박스 안에서 상기 합성된 전이금속 화합물(0.061g, 100μmol)을 또 다른 100㎖ 쉴렌크 플라스크에 담아 글로브 박스 밖으로 꺼낸 다음, 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 상기 전이금속 화합물을 포함하는 용액을 실리카 및 메틸알루미녹산을 포함하는 용액에 천천히 가하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 1시간 동안 교반한 후, 25℃로 식혀 약 24시간 동안 교반하였다. 이후 얻어진 반응 결과물을 진공에서 건조시켜 자유 유동(Free Flowing)의 담지 촉매 2.70g을 얻었다.
[촉매 제조예 2]
전이금속 화합물(테트라메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(Tetramethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride) 합성
1) 디메틸 테트라메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(Dimethyl tetramethylcyclopentadienyl chlorosilane)의 합성
2ℓ 플라스크에 테트라히드로퓨란(600㎖)과 테트라메틸시클로펜타디엔(50g)을 넣고, 질소 분위기 하 -10℃에서 n-BuLi(2.5M hexane 용액)(170㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응용액의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 디클로로실란(170g)을 첨가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시킨 다음, 반응물을 진공 건조하였다. 여기에 n-헥산 (500㎖)를 투입하여 반응물을 녹인 후 셀라이트 필터로 여과한 다음, 여과된 용액을 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 테트라메틸시클로펜타디에닐 클로로실란 70g을 얻었다(수율: 80%).
1H-NMR(300 MHz, CDCl3) δ 0.235(s, 6H), 1.81(s, 6H), 1.97(s, 6H), 3.07(s, 1H)
2) 디메틸 테트라메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(Dimethyl tetramethylcyclopentadienyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl silane)의 합성
톨루엔(200㎖), 테트라히드로퓨란(40㎖)과 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인덴(50g)을 투입한 플라스크를 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(76㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 상기 반응물의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 테트라메틸시클로펜타디에닐 클로로실란 (38g)을 투입하고 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 완료되면 물(400㎖)을 투입하고 다시 상온에서 1.5시간 동안 교반시킨 다음, 톨루엔으로 추출하고 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 테트라메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란 80g을 얻었다(수율 95%).
1H-NMR(300 MHz, CDCl3) δ 0.2-0.23(d, 6H), 1.44(s, 9H), 1.91(s, 6H), 2.05-2.08(d, 6H), 2.29(s, 3H), 2.41(s, 1H), 3.76(s, 1H), 6.87(s, 1H)
3) 테트라메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐
지르코늄 디클로라이드(Tetramethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride)의 합성
디메틸 테트라메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(50g), 톨루엔(300㎖) 및 디에틸에테르(100㎖)를 플라스크에 넣고 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(90㎖)를 천천히 적가하였다. 적가가 끝나면 반응온도를 상온으로 올려 48시간 동안 교반시킨 다음, 여과하였다. 얻어진 여과액을 진공 건조하여 고체 형태로 테트라메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염 40 g(수율 80%)을 수득하였으며, 정제하지 않고 바로 다음 반응에 사용하였다.
테트라메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염(40g), 톨루엔(40㎖) 및 에테르(10㎖)를 플라스크 #1에 넣고 교반하였다. 플라스크 #2에는 톨루엔(30㎖)와 ZrCl4(20g)의 혼합액을 준비하였다. 캐뉼러(cannular)로 플라스크 #2의 혼합액을 플라스크 #1으로 천천히 적가한 뒤, 상온에서 24시간 동안 교반시켰다. 교반이 끝나면 진공 건조시킨 다음, 메틸렌 클로라이드(500㎖)로 추출하여 셀라이트 필터로 여과한 후 여과액을 진공건조하였다. 얻어진 고체를 메틸렌 클로라이드와 n-헥산의 1:3 혼합액(50㎖)을 사용하여 세척한 다음, 진공건조하여 노란색 고체 형태의 테트라메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드 32g을 수득하였다(수율 60%).
1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ 1.09(s, 3H), 1.202(s, 3H), 1.346(s, 9H), 1.887-1.911(d, 6H), 1.989(s, 3H), 2.075(s, 3H), 2.278(s, 3H), 7.0-7.628(m, 8H)
담지 촉매 제조
글로브 박스 안에서 쉴렌크 플라스크(100㎖)에 실리카(제조사: Grace, 제품명: XPO-2412, 2.0g)를 담은 다음, 여기에 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 메틸알루미녹산 약 10.2㎖(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10중량% 용액, Al 기준 15mmol, 제조사: Albemarle)를 천천히 적가하고, 0℃에서 약 1시간 동안 교반하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 3시간 동안 교반하고 25℃로 식혔다. 이와 별도로, 글로브 박스 안에서 상기 합성된 전이금속 화합물(0.060g, 100μmol)을 또 다른 100㎖ 쉴렌크 플라스크에 담아 글로브 박스 밖으로 꺼낸 다음, 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 상기 전이금속 화합물을 포함하는 용액을 실리카 및 메틸알루미녹산을 포함하는 용액에 천천히 가하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 1시간 동안 교반한 후, 25℃로 식혀 약 24시간 동안 교반하였다. 이후 얻어진 반응 결과물을 진공에서 건조시켜 자유 유동(Free Flowing)의 담지 촉매 2.70g을 얻었다.
[촉매 제조예 3]
전이금속 화합물(1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(1,3,4-trimethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride) 합성
1) 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(Dimethyl 1,3,4-trimethylcyclopentadienyl chlorosilane)의 합성
2ℓ 플라스크에 테트라히드로퓨란(600㎖)과 1,3,4-트리메틸시클로펜타디엔(50g)을 넣고, 질소 분위기 하 -10℃에서 n-BuLi(2.5M hexane 용액)(170㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응용액의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 디클로로실란(170g)을 첨가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시킨 다음, 반응물을 진공 건조하였다. 여기에 n-헥산 (500㎖)를 투입하여 반응물을 녹인 후 셀라이트 필터로 여과한 다음, 여과된 용액을 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 클로로실란 70g을 얻었다(수율: 80%).
2) 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(Dimethyl 1,3,4-trimethylcyclopentadienyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl silane)의 합성
톨루엔(200㎖), 테트라히드로퓨란(40㎖)과 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인덴(50g)을 투입한 플라스크를 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(76㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 상기 반응물의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(38g)을 투입하고 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 완료되면 물(400㎖)을 투입하고 다시 상온에서 1.5시간 동안 교반시킨 다음, 톨루엔으로 추출하고 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란 80g을 얻었다(수율 95%).
3) 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(1,3,4-trimethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride)의 합성
디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(50g), 톨루엔(300㎖) 및 디에틸에테르(100㎖)를 플라스크에 넣고 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(90㎖)를 천천히 적가하였다. 적가가 끝나면 반응온도를 상온으로 올려 48시간 동안 교반시킨 다음, 여과하였다. 얻어진 여과액을 진공 건조하여 고체 형태로 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염 40g(수율 80%)을 수득하였으며, 정제하지 않고 바로 다음 반응에 사용하였다.
1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염(40g), 톨루엔(40㎖) 및 에테르(10㎖)를 플라스크 #1에 넣고 교반하였다. 플라스크 #2에는 톨루엔(30㎖)과 ZrCl4(20g)의 혼합액을 준비하였다. 캐뉼러(cannular)로 플라스크 #2의 혼합액을 플라스크 #1으로 천천히 적가한 뒤, 상온에서 24시간 동안 교반시켰다. 교반이 끝나면 진공 건조시킨 다음, 메틸렌 클로라이드(500㎖)로 추출하여 셀라이트 필터로 여과한 후 여과액을 진공건조하였다. 얻어진 고체를 메틸렌 클로라이드와 n-헥산의 1:3 혼합액(50㎖)을 사용하여 세척한 다음, 진공건조하여 노란색 고체 형태의 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드 32g을 수득하였다(수율 60%).
담지 촉매 제조
글로브 박스 안에서 쉴렌크 플라스크(100㎖)에 실리카(제조사: Grace, 제품명: XPO-2412, 2.0g)를 담은 다음, 여기에 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 메틸알루미녹산 약 10.2㎖(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10중량% 용액, Al 기준 15mmol, 제조사: Albemarle)를 천천히 적가하고, 0℃에서 약 1시간 동안 교반하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 3시간 동안 교반하고 25℃로 식혔다. 이와 별도로, 글로브 박스 안에서 상기 합성된 전이금속 화합물(0.060g, 100μmol)을 또 다른 100㎖ 쉴렌크 플라스크에 담아 글로브 박스 밖으로 꺼낸 다음, 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 상기 전이금속 화합물을 포함하는 용액을 실리카 및 메틸알루미녹산을 포함하는 용액에 천천히 가하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 1시간 동안 교반한 후, 25℃로 식혀 약 24시간 동안 교반하였다. 이후 얻어진 반응 결과물을 진공에서 건조시켜 자유 유동(Free Flowing)의 담지 촉매 2.70g을 얻었다.
[촉매 제조예 4]
전이금속 화합물(4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트 (4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr ditetrahydrobrate) 합성
1) 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(Dimethyl 4-butyl-2-methylcyclopentadienyl chlorosilane)의 합성
2ℓ 플라스크에 테트라히드로퓨란(600㎖)과 1-부틸-3-메틸시클로펜타디엔(50g)을 넣고, 질소 분위기 하 -10℃에서 n-BuLi(2.5M hexane 용액)(170㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응용액의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 디클로로실란(170g)을 첨가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시킨 다음, 반응물을 진공 건조하였다. 여기에 n-헥산 (500㎖)를 투입하여 반응물을 녹인 후 셀라이트 필터로 여과한 다음, 여과된 용액을 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 클로로실란 70g을 얻었다(수율: 70%).
2) 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(Dimethyl 4-butyl-2-methylcyclopentadienyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl silane)의 합성
톨루엔(200㎖), 테트라히드로퓨란(40㎖)과 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인덴(50g)을 투입한 플라스크를 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(76㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 상기 반응물의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(38g)을 투입하고 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 완료되면 물(400㎖)을 투입하고 다시 상온에서 1.5시간 동안 교반시킨 다음, 톨루엔으로 추출하고 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란 80g을 얻었다(수율 95%).
3) 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride)의 합성
디메틸 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(50g), 톨루엔(300㎖) 및 디에틸에테르(100㎖)를 플라스크에 넣고 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(90㎖)를 천천히 적가하였다. 적가가 끝나면 반응온도를 상온으로 올려 48시간 동안 교반시킨 다음, 여과하였다. 얻어진 여과액을 진공 건조하여 고체 형태로 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염 40g(수율 80%)을 수득하였으며, 정제하지 않고 바로 다음 반응에 사용하였다.
4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염(40g), 톨루엔(40㎖) 및 에테르(10㎖)를 플라스크 #1에 넣고 교반하였다. 플라스크 #2에는 톨루엔(30㎖)과 ZrCl4(20g)의 혼합액을 준비하였다. 캐뉼러(cannular)로 플라스크 #2의 혼합액을 플라스크 #1으로 천천히 적가한 뒤, 상온에서 24시간 동안 교반시켰다. 교반이 끝나면 진공 건조시킨 다음, 메틸렌 클로라이드(500㎖)로 추출하여 셀라이트 필터로 여과한 후 여과액을 진공건조하였다. 얻어진 고체를 메틸렌 클로라이드와 n-헥산의 1:3 혼합액(50㎖)을 사용하여 세척한 다음, 진공건조하여 노란색 고체 형태의 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드 32g을 수득하였다(수율 60%).
4) 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트 (4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr ditetrahydrobrate) 합성
4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(5.2g), 소듐테트라보레이트(1.5g), 테트라하이드로퓨란(100㎖)를 플라스크에 넣고 상온에서 12시간동안 반응하였다. 이후 고체부분을 걸러내고, 얻어진 용액부분을 진공 건조시켜 흰색의 고체를 얻었다. 얻어진 흰색 고체를 디에틸에테르 500㎖가 담긴 플라스크에 옮긴 후 상온에서 5시간동안 교반하였다. 이후 필터를 이용하여 불용부분을 제거하고 진공하에서 디에틸에테르를 날려 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트 3.4g을 얻었다.
담지 촉매 제조
글로브 박스 안에서 쉴렌크 플라스크(100㎖)에 실리카(제조사: Grace, 제품명: XPO-2412, 2.0g)를 담은 다음, 여기에 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 메틸알루미녹산 약 10.2㎖(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10중량% 용액, Al 기준 15mmol, 제조사: Albemarle)를 천천히 적가하고, 0℃에서 약 1시간 동안 교반하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 3시간 동안 교반하고 25℃로 식혔다. 이와 별도로, 글로브 박스 안에서 상기 합성된 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트(0.056g, 100μmol)를 또 다른 100㎖ 쉴렌크 플라스크에 담아 글로브 박스 밖으로 꺼낸 다음, 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 상기 전이금속 화합물을 포함하는 용액을 실리카 및 메틸알루미녹산을 포함하는 용액에 천천히 가하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 1시간 동안 교반한 후, 25℃로 식혀 약 24시간 동안 교반하였다. 이후 얻어진 반응 결과물을 충분한 양의 톨루엔 및 헥산으로 세척하여 반응하지 않은 알루미늄 화합물을 제거하였다. 그 후 진공에서 건조시켜 자유 유동(Free Flowing)의 담지 촉매 2.70g을 얻었다.
[촉매 제조예 5]
전이금속 화합물(1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트 (4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr ditetrahydrobrate) 합성
1) 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(Dimethyl 1,3,4-trimethylcyclopentadienyl chlorosilane)의 합성
2ℓ 플라스크에 테트라히드로퓨란(600㎖)과 1,3,4-트리메틸시클로펜타디엔(50g)을 넣고, 질소 분위기 하 -10℃에서 n-BuLi(2.5M hexane 용액)(170㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응용액의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 디클로로실란(170g)을 첨가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시킨 다음, 반응물을 진공 건조하였다. 여기에 n-헥산 (500㎖)를 투입하여 반응물을 녹인 후 셀라이트 필터로 여과한 다음, 여과된 용액을 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 클로로실란 70g을 얻었다(수율: 80%).
2) 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(Dimethyl 1,3,4-trimethylcyclopentadienyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl silane)의 합성
톨루엔(200㎖), 테트라히드로퓨란(40㎖)과 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인덴(50g)을 투입한 플라스크를 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(76㎖)를 천천히 적가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 상기 반응물의 온도를 다시 -10℃로 내린 다음, 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 클로로실란(38g)을 투입하고 상온에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 완료되면 물(400㎖)을 투입하고 다시 상온에서 1.5시간 동안 교반시킨 다음, 톨루엔으로 추출하고 진공 건조하여 노란색 오일 형태의 디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란 80g을 얻었다(수율 95%).
3) 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(1,3,4-trimethylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr dichloride)의 합성
디메틸 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 실란(50g), 톨루엔(300㎖) 및 디에틸에테르(100㎖)를 플라스크에 넣고 -10℃로 냉각시킨 다음, n-BuLi(2.5M hexane 용액)(90㎖)를 천천히 적가하였다. 적가가 끝나면 반응온도를 상온으로 올려 48시간 동안 교반시킨 다음, 여과하였다. 얻어진 여과액을 진공 건조하여 고체 형태로 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염 40g(수율 80%)을 수득하였으며, 정제하지 않고 바로 다음 반응에 사용하였다.
1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 디리튬 염(40g), 톨루엔(40㎖) 및 에테르(10㎖)를 플라스크 #1에 넣고 교반하였다. 플라스크 #2에는 톨루엔(30㎖)과 ZrCl4(20g)의 혼합액을 준비하였다. 캐뉼러(cannular)로 플라스크 #2의 혼합액을 플라스크 #1으로 천천히 적가한 뒤, 상온에서 24시간 동안 교반시켰다. 교반이 끝나면 진공 건조시킨 다음, 메틸렌 클로라이드(500㎖)로 추출하여 셀라이트 필터로 여과한 후 여과액을 진공건조하였다. 얻어진 고체를 메틸렌 클로라이드와 n-헥산의 1:3 혼합액(50㎖)을 사용하여 세척한 다음, 진공건조하여 노란색 고체 형태의 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드 32g을 수득하였다(수율 60%).
4) 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트 (4-butyl-2-methylcyclopentadienyl dimethylsilyl 2-methyl-4-(4-tert-butylphenyl)indenyl Zr ditetrahydrobrate) 합성
1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디클로라이드(5.2g), 소듐테트라보레이트(1.5g), 테트라하이드로퓨란(100㎖)를 플라스크에 넣고 상온에서 12시간동안 반응하였다. 이후 고체부분을 걸러내고, 얻어진 용액부분을 진공 건조시켜 흰색의 고체를 얻었다. 얻어진 흰색 고체를 디에틸에테르 500㎖가 담긴 플라스크에 옮긴 후 상온에서 5시간동안 교반하였다. 이후 필터를 이용하여 불용부분을 제거하고 진공하에서 디에틸에테르를 날려 1,3,4-트리메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트 3.4g을 얻었다.
담지 촉매 제조
글로브 박스 안에서 쉴렌크 플라스크(100㎖)에 실리카(제조사: Grace, 제품명: XPO-2412, 2.0g)를 담은 다음, 여기에 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 메틸알루미녹산 약 10.2㎖(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10중량% 용액, Al 기준 15mmol, 제조사: Albemarle)를 천천히 적가하고, 0℃에서 약 1시간 동안 교반하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 3시간 동안 교반하고 25℃로 식혔다. 이와 별도로, 글로브 박스 안에서 상기 합성된 4-부틸-2-메틸시클로펜타디에닐 디메틸실릴 2-메틸-4-(4-t-부틸페닐)인데닐 지르코늄 디테트라하이드로보레이트(0.056g, 100μmol)를 또 다른 100㎖ 쉴렌크 플라스크에 담아 글로브 박스 밖으로 꺼낸 다음, 무수 톨루엔 용액 10㎖를 첨가하였다. 여기에, 10℃에서 상기 전이금속 화합물을 포함하는 용액을 실리카 및 메틸알루미녹산을 포함하는 용액에 천천히 가하였고, 그 후 70℃로 승온시켜 1시간 동안 교반한 후, 25℃로 식혀 약 24시간 동안 교반하였다. 이후 얻어진 반응 결과물을 충분한 양의 톨루엔 및 헥산으로 세척하여 반응하지 않은 알루미늄 화합물을 제거하였다. 그 후 진공에서 건조시켜 자유 유동(Free Flowing)의 담지 촉매 2.70g을 얻었다.
실시예 1 내지 30 및 비교예 1 내지 2
하기 표 1에 따라 담지 촉매, 디엔 투입량 및 수소 투입량을 조절하여 폴리프로필렌 수지를 제조하였다.
구체적으로, 상온에서 내부 용량이 3ℓ인 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 오토클레이브(Autoclave)의 내부를 질소로 완전히 치환하였다. 질소 퍼징(Purging)을 유지하면서, 트리이소부틸알루미늄(triisobutylaluminum, 제조사: Aldrich) 2mmol과 1,5-헥사디엔, 프로필렌 500g을 순서대로 투입한 후 40℃로 승온시켰다.
상기 촉매 제조예 1, 2 또는 3에서 제조된 담지 촉매 0.05g을 n-헥산(n-Hexane) 6㎖와 함께 플라스크에서 교반한 것을 반응기 내에 주입하였다. 5분간 예비중합을 하고, 70℃로 승온하여 1시간 동안 중합 반응을 실시하였다. 상기와 같이 중합반응을 진행한 후 온도를 상온으로 낮춘 다음, 여분의 프로필렌 가스를 배출시켰다. 이어서, 용매 속에 분산되어 있는 중합체 파우더를 여과하여 얻은 후, 진공 오븐 내에서 80℃로 가열하면서 15시간 이상 건조시켜 최종 폴리프로필렌 수지를 제조하였다.
실시예 31 내지 40 및 비교예 3 내지 5
하기 표 3에 따라 담지 촉매, 디엔 투입량 및 수소 투입량을 조절하여 폴리프로필렌 수지를 제조하였다.
구체적으로, 상온에서 내부 용량이 3ℓ인 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 오토클레이브(Autoclave)의 내부를 질소로 완전히 치환하였다. 질소 퍼징(Purging)을 유지하면서, 트리이소부틸알루미늄(triisobutylaluminum, 제조사: Aldrich) 2mmol과 1,5-헥사디엔, 프로필렌 500g을 순서대로 투입한 후 40℃로 승온시켰다.
상기 촉매 제조예 4 또는 5에서 제조된 담지 촉매 0.05g을 n-헥산(n-Hexane) 6㎖와 함께 플라스크에서 교반한 것을 반응기 내에 주입하였다. 5분간 예비중합을 하고, 70℃로 승온하여 1시간 동안 중합 반응을 실시하였다. 상기와 같이 중합반응을 진행한 후 온도를 상온으로 낮춘 다음, 여분의 프로필렌 가스를 배출시켰다. 이어서, 용매 속에 분산되어 있는 중합체 파우더를 여과하여 얻은 후, 진공 오븐 내에서 80℃로 가열하면서 15시간 이상 건조시켜 최종 폴리프로필렌 수지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 40 및 비교예 1 내지 5에 의해 제조된 폴리프로필렌 수지의 물성 측정 결과를 하기 표 2 및 표 4에 나타내었다.
구분 담지 촉매 디엔 투입량(mL) 수소 투입량(mg) 분자량(Mw) 분자량분포 Tm(℃)
실시예 1 촉매 제조예 1 1.0 0 625K 4.9 152
실시예 2 1.0 10 413K 4.9 152
실시예 3 2.0 0 674K 5.4 152
실시예 4 2.0 10 460K 5.4 152
실시예 5 5.0 0 767K 6.4 152
실시예 6 5.0 10 552K 6.3 152
실시예 7 10.0 0 884K 7.2 152
실시예 8 10.0 10 664K 7.1 152
실시예 9 15.0 0 1042K 8.1 152
실시예 10 15.0 10 782K 8.1 152
실시예 11 촉매 제조예 2 1.0 0 437K 4.4 152
실시예 12 1.0 10 301K 4.4 152
실시예 13 2.0 0 520K 4.7 152
실시예 14 2.0 10 371K 4.7 152
실시예 15 5.0 0 644K 5.6 152
실시예 16 5.0 10 494K 5.6 152
실시예 17 10.0 0 732K 4.9 152
실시예 18 10.0 10 643K 5.7 152
실시예 19 15.0 0 781K 4.4 152
실시예 20 15.0 10 695K 5.0 152
실시예 21 촉매 제조예 3 1.0 0 441K 4.5 152
실시예 22 1.0 10 310K 4.5 152
실시예 23 2.0 0 532K 4.8 152
실시예 24 2.0 10 383K 4.8 152
실시예 25 5.0 0 652K 5.6 152
실시예 26 5.0 10 505K 5.6 152
실시예 27 10.0 0 744K 4.8 152
실시예 28 10.0 10 651K 5.8 152
실시예 29 15.0 0 793K 4.3 152
실시예 30 15.0 10 703K 5.0 152
비교예 1 촉매 제조예 1 - - 615K 2.6 152
비교예 2 촉매 제조예 1 30 - 가교로 인한 측정 불가
구분 용융지수(g/10min) 용융장력(g) Gel 함량(wt%) Branching index (g')
실시예 1 1.1 25 0.3 0.85
실시예 2 5.7 18 0.2 0.84
실시예 3 0.8 34 0.5 0.81
실시예 4 4.2 26 0.3 0.81
실시예 5 0.4 44 0.8 0.76
실시예 6 2.1 38 0.4 0.76
실시예 7 0.3 56 1.1 0.72
실시예 8 0.9 49 0.6 0.73
실시예 9 0.2 65 1.7 0.69
실시예 10 0.4 60 0.9 0.69
실시예 11 2.9 12 2.1 0.88
실시예 12 8 9 1.2 0.88
실시예 13 2.1 17 4.4 0.85
실시예 14 5.9 14 2.2 0.85
실시예 15 0.8 22 8.9 0.80
실시예 16 3.7 21 4.3 0.80
실시예 17 0.4 16 15.9 0.84
실시예 18 0.9 25 7.5 0.79
실시예 19 0.2 8 24.5 0.88
실시예 20 0.5 20 13.9 0.83
실시예 21 2.7 14 2.3 0.87
실시예 22 7.8 11 1.3 0.87
실시예 23 1.9 19 4.7 0.84
실시예 24 5.7 16 2.5 0.84
실시예 25 0.6 26 9.4 0.80
실시예 26 3.4 23 4.7 0.80
실시예 27 0.4 15 16.1 0.84
실시예 28 0.7 27 7.9 0.78
실시예 29 0.2 9 24.9 0.89
실시예 30 0.4 19 14.4 0.83
비교예 1 0.5 5 0 1.0
비교예 2 - - 29.9 -
구분 담지촉매 디엔 투입량(mL) 수소 투입량(mg) 분자량(Mw) 분자량분포 Tm(℃)
실시예 31 촉매제조예 4 1.0 0 740K 4.9 152
실시예 32 2.0 10 526K 5.4 152
실시예 33 5.0 20 443K 6.4 152
실시예 34 10.0 30 317K 7.2 152
실시예 35 15.0 30 361K 8.2 152
실시예 36 촉매제조예 5 1.0 0 468K 4.6 152
실시예 37 2.0 10 395K 4.9 152
실시예 38 5.0 20 457K 5.7 152
실시예 39 10.0 30 394K 5.8 152
실시예 40 15.0 30 453K 5.1 152
비교예 3 촉매제조예 4 - - 735K 2.6 152
비교예 4 - 10 494K 2.8 152
비교예 5 40 0 가교로 인한 측정 불가
구분 용융지수(g/10min) 용융장력(g) Gel 함량(wt%) Branching index(g')
실시예 31 0.5 27 0.3 0.85
실시예 32 2.3 33 0.3 0.81
실시예 33 3.1 40 0.1 0.76
실시예 34 7.8 48 0.5 0.72
실시예 35 5.2 55 0.4 0.68
실시예 36 2.5 15 2.5 0.86
실시예 37 3.6 18 2.9 0.84
실시예 38 2.5 23 4.5 0.79
실시예 39 3.4 24 5.5 0.78
실시예 40 2.3 14 11.6 0.83
비교예 3 0.5 5 0 1
비교예 4 2.4 0.4 0 1
비교예 5 - - 38.2 -
표 1 및 표 2를 참조하면, 본 발명에 따라 특정 메탈로센 촉매 시스템을 이용하여 프로필렌 및 특정 함량의 디엔 화합물을 접촉시켜 중합 과정에서 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지를 제조 시, 촉매 활성이 우수하고, 적정 중량평균 분자량 및 분자량 분포를 갖도록 함으로써 종래 방식의 공중합체(비교예 1 및 비교예 2)와 상이한 물성 특성을 나타내어 가공성이 향상되고 용융장력 개선에 적합한 물성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 분지 지수(Branching index)가 향상되고, 겔 함량을 3% 이하로 유지하면서도 용융장력을 최적 수준으로 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 메탈로센 촉매의 구조적 차이(촉매 제조예 1 내지 3)에 따라서 디엔의 첨가량이 증가함에 따라 겔 함량은 급격하게 증가하지만 용융장력의 증가는 한계를 나타내는 것(실시예 1 내지 30 참조)을 확인할 수 있다.
구체적으로, 본원발명의 화학식 1의 구조에서 R1, R2, R3 및 R4 중 수소가 2개 치환된 촉매(실시예 1 내지 10 참조)를 이용하여 폴리프로필렌 수지를 제조할 경우 우수한 용융장력을 유지하면서 겔 함량이 매우 낮은 폴리프로필렌 수지를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있으나, 화학식 1의 구조에서 R1, R2, R3 및 R4 모두가 알킬기로 치환된(수소가 치환되지 않은) 촉매(실시예 11 내지 20 참조)를 이용한 경우 겔 함량이 급격히 증가되고, 화학식 1의 구조에서 R1, R2, R3 및 R4 중 수소가 1개 치환된 촉매(실시예 21 내지 30 참조)를 이용한 경우 역시 겔 함량이 용융장력과 함께 증가되는 것을 확인할 수 있다.
표 3 및 표 4를 참조하면, 본 발명에 따라 특정 메탈로센 담지 촉매를 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 접촉시켜 중합 과정에서 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지를 제조 시(실시예 31 내지 40 참조), 촉매 활성이 우수하고, 적정 중량평균 분자량 및 분자량 분포를 갖도록 함으로써 종래 방식의 공중합체(비교예 3 내지5 참조)와 상이한 물성 특성을 나타내어 가공성이 향상되고 용융장력 개선에 적합한 물성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한 분지 지수(Branching index)가 향상되고, 겔 함량을 0.5% 이하로 유지하면서도 용융장력을 극적으로 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
구체적으로, 본원발명의 화학식 6의 구조에서 R1, R2, R3 및 R4 중 수소가 2개 치환된 촉매(실시예 31 내지 35 참조)를 이용하여 폴리프로필렌 수지를 제조할 경우 우수한 용융장력을 유지하면서 겔 함량이 매우 낮은 폴리프로필렌 수지를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있으나, 화학식 6의 구조에서 R1, R2, R3 및 R4 중 수소가 1개 치환된 촉매(실시예 36 내지 40 참조)를 이용한 경우 겔 함량이 용융장력과 함께 증가되는 것을 확인할 수 있다.
촉매 제조예 2 및 3에 따라 제조된 촉매를 비교하면 촉매 제조예 3에서는 시클로펜타디에닐에 메틸기 대신 수소 1개가 치환되어 있어서 상대적으로 입체적 장애효과를 덜 받게 된다. 이 것은 상대적으로 촉매 제조예 2의 경우보다 촉매 제조예 3의 경우에 디엔의 삽입 반응(Insertion reaction)을 유도하여 주쇄 내에 1,5-헥사디엔과 같은 디엔 화합물의 함량을 증가시키도록 하게 된다.
투입된 디엔 화합물은 두 가지 반응 경로인 가교 결합(Cross-linking)과 5각형 구조의 고리화 반응(Cyclization) 중 한 가지를 선택하게 된다. 가교 결합(Cross-linking)은 디엔 화합물이 주쇄 내에 결합을 하고 사슬 반응으로 이동하다가 남아있는 이중결합이 다른 주쇄를 성장하고 있는 촉매 활성점에 도입될 수 있는 환경이 되었을 때 두 개의 주쇄를 연결하는 가교 역할을 하게 되는 반응이다. 이러한 반응이 지속적으로 일어나게 되면 가교화도가 높아지면서 겔 함량이 증가하게 된다. 고리화 반응(Cyclization)의 경우 디엔 화합물의 한쪽 이중결합이 주쇄에 결합되고 남은 이중결합이 바로 촉매 활성점에 결합이 진행되어 안정적인 5각형 구조를 만들게 된다. 다시 말해서, 주쇄에 디엔 화합물이 결합하고 나서 남은 이중결합이 촉매 활성점에 바로 반응하느냐 아니면 사슬 반응으로 이동해서 다른 주쇄에 반응하느냐에 따라 구조적인 차이점을 보이게 되며, 가교 결합(Cross-linking)과 고리화 반응(Cyclization)은 경쟁적으로 반응하게 된다.
여기서, 고리화 반응이 일어나려면 고리화가 일어나기에 환경적으로 유리한 조건이 필요하다. 고리 형태를 만들기 위해서는 입체적 장애 요소가 적은 쪽이 유리하다. 앞서 언급한 촉매 제조예 2 및 3에 따라 제조된 촉매를 보면 촉매 제조예 3에 따른 촉매가 촉매 제조예 2에 따른 촉매의 구조 대비, 시클로펜타디에닐의 메틸기 1개가 수소로 치환되면서 입체적 장애효과를 적게 받아 디엔의 삽입(insertion) 반응성이 상승하고 이로 인해 분지효과가 높아져 상대적으로 용융장력이 상승하게 된다.
하지만, 시클로펜타디에닐의 메틸기 1개가 수소로 치환되면서 디엔의 고리화 반응으로 가기엔 입체적 장애가 있다. 그래서 투입된 디엔 화합물은 다른 고분자 사슬과의 결합을 유도하고 고도화된 결합들은 겔 함량을 증가시킨다. 촉매 제조예 1에 따라 제조된 촉매의 경우 시클로펜타디에닐의 메틸기 2개가 수소로 치환되면서 디엔의 고리화 반응으로 가기에 입체적 장애 요소가 적다. 그에 따라 가교 결합 및 고리화 반응이 효과적으로 조절되어 겔 현상이 줄어들고 그에 따른 폴리머 브랜치(Branch) 구조가 안정하게 조절되면서 용융장력이 상승하는 효과를 보인다.
또한, 디엔의 삽입(insertion) 반응성이 상승하여 장쇄분지가 많아짐을 확인할 수 있었다. 촉매 제조예 1 및 4에 따라 제조된 촉매를 비교해 볼 때, BH4로 인해 높은 고분자량을 형성하는 것을 알 수 있었다. 이 것은 주쇄의 길이가 길어지면서 디엔의 투입량이 많아지고 측쇄 사슬이 길어져 상대적으로 높은 용융장력을 나타낼 수 있게 한다. 겔 현상이 증가하지 않은 이유는 주쇄 사슬이 증가해도 디엔의 가교 결합과 고리화 반응이 적절히 이루어졌기 때문이다. 촉매 제조예 3및 5에 따라 제조된 촉매에 대하여 비교해 보면, 촉매 제조예 5에 따른 촉매의 경우 BH4 효과로 인해 높은 고분자량을 형성하고 측쇄가 길어져 상대적으로 높은 용융장력을 보이지만 겔 현상이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이 것은 주쇄가 길어지면서 고분자 사슬내에 디엔이 증가하면서 가교결합이 고도화되었기 때문이다. 겔 현상이 많아지면 겔이 고도화되게 되고 이는 폴리머 사슬에서 겔 현상이 일어나지 않은 고분자 사슬과의 괴리가 발생하게 된다. 특히, 사출, 압출 등으로 제품 가공을 할 때 고온에서 고분자 유동의 차이를 발생하게 하고 제품으로 활용 시에 물성이 저하되는 원인이 되기도 한다. 적절한 가교결합은 겔 현상이 나타나지 않도록 하고 장쇄분지 효과를 준다. 이 것은 디엔에 의한 가교결합 반응과 고리화 반응에서의 적절한 반응비가 겔 조절 및 용융장력 효과를 나타내는 증거로 볼 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매를 이용하여 프로필렌 및 디엔 화합물을 중합하여 분지 지수(Branching index)가 0.95 이하, 겔 함량이 3중량% 이하 및 용융장력(ARES(Advanced Rheometric Expansion System) Melt Strength)이 5g 이상인 디엔 개질된 폴리프로필렌 수지를 제조하는 방법:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2018009582-appb-I000007
    화학식 1에서,
    M은 4족 전이금속이고;
    Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이거나, 상기 화학식 5로 표현되고, 상기 화학식 5에서 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도 또는 (C6-C20)아릴아미도이고, n은 정수 1 또는 2이고;
    [화학식 5]
    Figure PCTKR2018009582-appb-I000008
    R1, R2, R3 및 R4은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴이고; R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있고;
    R5, R6, R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴이고;
    R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴이고; 또는 R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상은 수소이고, 적어도 1개 이상은 (C4-C20)알킬이며, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C6-C20)아릴 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴일 수 있고; 또는 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 2개 이상은 서로 연결되어 지방족 고리 또는 방향족 고리를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 1개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 2개 이상은 수소이고, 나머지는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 화학식 1의 전이금속 화합물; 및 하기 화학식 2 내지 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 조촉매 화합물;이 담지된 촉매인 것을 특징으로 하는 방법:
    [화학식 2]
    -[Al(R21)-O]n-
    화학식 2에서, R21은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌 라디칼이고; n은 2 이상의 정수이고;
    [화학식 3]
    A(R22)3
    화학식 3에서, A는 알루미늄 또는 보론이고; R22은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌 라디칼이며;
    [화학식 4]
    [L-H]+[Z(B)4]- 또는 [L]+[Z(B)4]-
    화학식 4에서, L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이고; H는 수소 원자이고;
    Z는 13족 원소이고; B는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카르빌, 알콕시, 또는 페녹시 라디칼로 치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴 또는 알킬 라디칼이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디엔 화합물은 탄소수 4~20의 지방족 디엔계 화합물 및 방향족 디엔계 화합물로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디엔 화합물은 1,5-헥사디엔, 1,6-헵타디엔, 1,7-옥타디엔, 1,8-노나디엔, 1,9-데카디엔, 1,10-운데카디엔, 1,11-도데카디엔, 1,12-트리데카디엔 및 1,13-테트라데카디엔으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디엔은 상기 프로필렌 500g에 대하여 0.008~0.25몰로 첨가하여 중합반응을 진행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지는 분자량 분포도가 3.0 이상인 비(非)유니모달 폴리프로필렌 수지인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 수지는 용융 피크가 160℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
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