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KR20120045441A - Method for preparing pyromellitic acid - Google Patents

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KR20120045441A
KR20120045441A KR1020100106980A KR20100106980A KR20120045441A KR 20120045441 A KR20120045441 A KR 20120045441A KR 1020100106980 A KR1020100106980 A KR 1020100106980A KR 20100106980 A KR20100106980 A KR 20100106980A KR 20120045441 A KR20120045441 A KR 20120045441A
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pyromellitic acid
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에스케이이노베이션 주식회사
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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of pyromellitic acid is provided to manufacture pyromellitic acid with high yield, and to easily separation refining product after reaction. CONSTITUTION: A manufacturing method of pyromellitic acid comprises: (i) a step of primary liquid phase-oxidizing durene by supplying oxygen-containing gas under the presence of an oxidization catalyst component comprising a cobalt compound and bromine compound using acetic acid solvent as a reaction medium; and (ii) a step of secondary liquid phase-oxidization by adding a manganese compound into the product of the step (i). The step (ii) is conducted at temperature higher than step (i). The amount of the cobalt compound is 0.01-1.5 weight% on the basis of acetic acid.

Description

파이로멜리트산의 제조방법{Method for Preparing Pyromellitic Acid}Method for preparing pyromellitic acid {Method for Preparing Pyromellitic Acid}

본 발명은 듀렌(Durene; 1,2,4,5-tetramethyl benzene)을 분자상 산소를 함유하는 가스로 산화하여 파이로멜리트산(Pyromellitic Acid; 1,2,4,5-tetracarboxylic acid)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 출발물질인 듀렌을 액상에서 온도를 달리하는 2 단계 반응으로 산화시켜 파이로멜리트산을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention prepares pyromellitic acid (Pyromellitic Acid; 1,2,4,5-tetracarboxylic acid) by oxidizing Durene (Durene; 1,2,4,5-tetramethyl benzene) to a gas containing molecular oxygen. It is about how to. More specifically, the present invention relates to a method for producing pyromellitic acid by oxidizing the starting material of durene in a two-step reaction in which the temperature is varied in the liquid phase.

파이로멜리트산은 폼 에폭시용 가교제, 가소제, 전자 재료용 폴리이미드, 및 파우터 코팅제의 원료 물질로서 널리 사용되고 있으며, 백색에서 밝은 황색 결정 파우더의 특성을 나타낸다. 전형적으로, 약 276 ℃(무수물)의 융점, 약 1.79의 밀도, 그리고 알코올에 대한 용해성을 나타내는 것으로 알려져 있다.Pyromellitic acid is widely used as a raw material for a crosslinking agent for a foam epoxy, a plasticizer, a polyimide for an electronic material, and a powder coating agent, and exhibits properties of white to light yellow crystalline powder. Typically, it is known to exhibit a melting point of about 276 ° C. (anhydride), a density of about 1.79, and solubility in alcohol.

파이로멜리트산의 상업적 제조 방법으로서, 듀렌의 액상 산화 방식이 널리 알려져 있다. 이때, 출발물질로 사용되는 듀렌은 통상적으로 접촉개질유 또는 열분해유 중의 C10 유분에 존재하며, 증류를 통하여 정제된 형태로 입수 가능하다. 상기 액상 산화 방법은 초산 용매를 사용하여 중금속 촉매의 존재 하에서 하기의 반응식 1에서와 같이 산화시키는 방식이다. As a commercial production method of pyromellitic acid, the liquid phase oxidation of durene is widely known. At this time, the durene used as a starting material is usually present in the C10 fraction in the catalytic reforming oil or pyrolysis oil, and is available in purified form through distillation. The liquid phase oxidation method is a method of oxidizing using acetic acid solvent in the presence of a heavy metal catalyst as in Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

Figure pat00001
Figure pat00001

최근에는, 초산 용매를 반응 매질로 사용하고, 1 또는 2 이상의 금속화합물 및 1 또는 2 이상의 브롬 화합물로 이루어진 촉매의 존재 하에서 분자상 산소 함유 가스(molecular oxygen-containing gas)로 듀렌을 산화시켜 파이로멜리트산을 제조하는 다양한 방법들이 제안되었는 바, 예를 들면 브롬(Br) 화합물을 연속적으로 주입하거나 반응생성물을 분리하여 추가 산화반응시키는 방법들이 알려져 있다. Recently, pyromel is obtained by using acetic acid solvent as a reaction medium and oxidizing durene with a molecular oxygen-containing gas in the presence of a catalyst consisting of one or more metal compounds and one or two bromine compounds. Various methods of preparing lactic acid have been proposed, for example, continuous injection of bromine (Br) compounds or separation of reaction products to further oxidize.

Br 화합물을 반응 단계별로 순차적으로 주입하는 방법(예를 들면, 미국특허번호 제4,755,622호)의 경우, 촉매의 비활성화 및 파이로멜리트산의 선택도를 높일 수 있는 방법이기는 하나, 70몰% 이상의 파이로멜리트산의 수율을 얻지는 못하는 것으로 알려져 있다. In the case of sequentially injecting Br compounds in the reaction step (for example, US Pat. No. 4,755,622), the method of deactivating the catalyst and increasing the selectivity of pyromellitic acid, but not less than 70 mol% of pi It is known that no yield of lomellitic acid is obtained.

한편, 1차 산화반응의 생성물(트리메틸아세트산, 트리메틸벤질알코올 및 트리메틸벤즈 알데하이드)을 분리한 다음, 이중 트리메틸아세트산 및/또는 트리메틸벤즈알데하이드의 추가적인 산화 반응을 통하여 파이로멜리트산을 제조하는 방법의 경우(예를 들면, 일본 특허공개번호 제2005-145954호), 선택도 및 수율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있으나, 공정 운전이 어렵고, 파이로멜리트산의 수율이 여전히 최대 80몰% 수준에 머물고 있다.Meanwhile, in the case of a method of preparing pyromellitic acid by separating the products of the primary oxidation reaction (trimethylacetic acid, trimethylbenzyl alcohol and trimethylbenzaldehyde), and then further oxidation of trimethylacetic acid and / or trimethylbenzaldehyde (For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-145954), although it is known that the selectivity and yield can be improved, the process operation is difficult, and the yield of pyromellitic acid still remains at a maximum of 80 mol%.

따라서, 보다 높은 수율로 파이로멜리트산을 제조할 수 있는 방법이 요구되고 있다. Therefore, there is a need for a method capable of producing pyromellitic acid with higher yields.

본 발명의 구체예에서는 종래 기술에 비하여 높은 수율로 파이로멜리트산을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. In an embodiment of the present invention to provide a method for producing pyromellitic acid in a higher yield compared to the prior art.

본 발명의 구체예에 따르면, According to an embodiment of the invention,

a) 반응 매질로서 초산 용매를 사용하고, 코발트(Co) 화합물 및 브롬(Br) 화합물을 포함하는 산화 촉매 성분의 존재 하에서 분자상 산소-함유 가스를 공급하여 듀렌을 1차 액상 산화시키는 단계;a) first liquid phase oxidation of the durene by supplying a molecular oxygen-containing gas in the presence of an oxidation catalyst component comprising a cobalt (Co) compound and a bromine (Br) compound as a reaction medium;

b) 상기 단계 a)의 생성물에 망간(Mn) 화합물을 수용액 형태로 첨가하여 2차 액상 산화시키는 단계;b) secondary liquid phase oxidation by adding a manganese (Mn) compound in the form of an aqueous solution to the product of step a);

를 포함하며,Including;

상기 단계 b)는 상기 단계 a)보다 높은 온도에서 수행되는 파이로멜리트산을 제조하는 방법이 제공된다. Step b) is provided a method of preparing pyromellitic acid carried out at a higher temperature than step a).

일 구체예에 따르면, 상기 코발트 화합물은 초산 용매를 기준으로 약 0.01 내지 1.5 중량%로 사용할 수 있으며, 이때 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 상기 브롬 화합물 내의 브롬 이온(Br-)의 중량비는 약 0.5 내지 약 15의 범위일 수 있고, 그리고 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 상기 망간 화합물 내의 망간 금속의 중량비는 약 0.1 내지 약 0.8의 범위일 수 있다. According to one embodiment, the cobalt compound may be used in about 0.01 to 1.5% by weight based on the acetic acid solvent, wherein the weight ratio of bromine ions (Br ) in the bromine compound to the cobalt metal in the cobalt compound is about 0.5 And a weight ratio of manganese metal in the manganese compound to cobalt metal in the cobalt compound may range from about 0.1 to about 0.8.

또한, 코발트 금속과 망간 금속에 대한 브롬의 원자비(Br/(Co+Mn))는 약 0.3 내지 약 14의 범위일 수 있다.In addition, the atomic ratio (Br / (Co + Mn)) of bromine to cobalt and manganese metals may range from about 0.3 to about 14.

본 발명의 구체예에 따른 파이로멜리트산의 제조방법은 초산 용매를 반응 매질로 이용하고, 액상 산화 반응을 각각 온도를 달리하는 2 단계로 구성하고, 각 단계에서의 산화 촉매 성분을 특정 형태로 적용함으로써 종래에 알려진 방법에 비하여 높은 수율을 달성할 수 있다. The method for producing pyromellitic acid according to an embodiment of the present invention uses acetic acid solvent as a reaction medium, and the liquid phase oxidation reaction is composed of two stages at different temperatures, and the oxidation catalyst component at each stage is in a specific form. By applying it is possible to achieve higher yields compared to the methods known in the art.

본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. Embodiments provided according to the present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description describes preferred embodiments of the invention, and the invention is not necessarily limited thereto.

본 발명의 구체예에 따르면, 출발물질인 듀렌은 반응 매질로서 초산 용매를 이용하고 분자성 산소를 함유하는 가스를 공급하여 액상 산화되어 파이로멜리트산으로 전환된다. 이때, 전체적인 산화 촉매 성분으로서, 코발트 화합물(코발트 소스), 브롬 화합물(브롬 소스) 및 망간 화합물(망간 소스)의 조합을 채택한다. 상기 구체예에 있어서, 수율 향상을 위하여 상기 액상 산화 단계를 2 단계로 구성하되, 상기 제1 단계와 제2 단계에서의 온도는 다르게 설정된다. 바람직하게는 제2 단계의 온도를 제1 단계보다 높게 설정할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the starting material durene is converted to pyromellitic acid by liquid phase oxidation by using acetic acid solvent as a reaction medium and supplying gas containing molecular oxygen. At this time, a combination of a cobalt compound (cobalt source), a bromine compound (bromine source) and a manganese compound (manganese source) is adopted as the overall oxidation catalyst component. In the above embodiment, the liquid phase oxidation step is configured in two steps to improve the yield, but the temperature in the first step and the second step is set differently. Preferably, the temperature of the second step may be set higher than that of the first step.

또한, 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 코발트 화합물 및 상기 브롬 화합물은 제1 단계 반응에서 전량 초산 용매에 용해시켜 반응계 내로 도입하는 한편, 망간 화합물은 수용액 형태로 제2 단계 반응 단계에서 반응계 내로 도입할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the cobalt compound and the bromine compound are dissolved in the total amount of acetic acid solvent in the first stage reaction and introduced into the reaction system, while the manganese compound is introduced into the reaction system in the second stage reaction step in the form of an aqueous solution. can do.

상기 코발트 화합물 및 망간 화합물의 경우, 한편, 반응 매질인 초산 용매에 용해될 수 있는 형태이면 특별히 제한되지 않는 바, 예를 들면 이들 금속의 초산염, 프로피온산염, 나프텐산염, 옥텐산염 등의 유기산염; 수산화물; 염화물 또는 브롬화물들의 할로겐화물; 붕산염, 질산염, 탄산염 등의 무기산염 등을 들 수 있다. 바람직하게는 초산염, 인산염, 수산화물, 브롬화물 등을 예시할 수 있고, 보다 바람직하게는 초산염이 사용 가능하다. In the case of the cobalt compound and manganese compound, on the other hand, if it is a form that can be dissolved in the acetic acid solvent which is a reaction medium is not particularly limited, for example, organic acid salts such as acetates, propionates, naphthenates, octenates of these metals ; hydroxide; Halides of chloride or bromide; Inorganic acid salts, such as a borate, nitrate, and carbonate, etc. are mentioned. Preferably, acetate, phosphate, hydroxide, bromide, etc. can be illustrated, More preferably, acetate can be used.

한편, 브롬 화합물의 경우, 반응 조건 하에서 브롬 이온을 생성시킬 수 있는 물질(소스)이면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 브롬 소스로서 브롬화수소; 암모늄 브로마이드; 브롬화 나트륨, 브롬화 리튬, 브롬화 칼륨 등의 알칼리 금속 브롬화물; 브롬화 코발트, 브롬화 망간, 브롬화 철 등의 무기 브롬화물; 및 사브롬화 메탄, 사브롬화 에탄, 아세틸 브로마이드, 벤질 브로마이드 등의 유기브롬 화합물을 예시할 수 있다. 바람직하게는 브롬화 나트륨, 브롬화 코발트, 브롬화 망간, 브롬화 암모늄 등을 사용할 수 있고, 브롬화 나트륨이 가장 바람직할 수 있다. In the case of a bromine compound, any substance (source) capable of generating bromine ions under reaction conditions may be used without particular limitation. Hydrogen bromide as the bromine source; Ammonium bromide; Alkali metal bromide such as sodium bromide, lithium bromide and potassium bromide; Inorganic bromide such as cobalt bromide, manganese bromide and iron bromide; And organic bromine compounds such as methane tetrabromide, tetrabromethane ethane, acetyl bromide and benzyl bromide. Preferably sodium bromide, cobalt bromide, manganese bromide, ammonium bromide and the like can be used, with sodium bromide being most preferred.

본 구체예에 따르면, 상술한 코발트 화합물, 망간 화합물 및 브롬 화합물 각각에 대하여 예시적으로 나열된 화합물을 단독으로 사용할 수도 있고, 2 이상 조합하여 사용할 수도 있다. According to this embodiment, the compounds exemplarily listed for each of the above-described cobalt compounds, manganese compounds and bromine compounds may be used alone or in combination of two or more thereof.

산화제로 사용되는 분자상 산소-함유 가스의 경우, 가스 내 산소 농도는 약 5 내지 100%, 보다 구체적으로는 약 10 내지 50% 범위일 수 있는 바, 통상적으로는 공기가 사용 가능하다. 일 구체예에 따르면, 분자상 산소-함유 가스는 반응 매질 내에서 구비되는 적어도 하나의 취입구로부터 연속적으로 공급될 수 있다. 예를 들면, 다단 반응기를 사용하여 산화 반응을 수행하는 경우, 각각의 반응기마다 설치된 1 또는 2 이상의 취입구를 통하여 공급량을 제어하면서 연속적으로 공급될 수 있다. 또한, 상기 반응기는 교반 반응기 형태가 바람직할 수 있다. In the case of molecular oxygen-containing gases used as oxidants, the oxygen concentration in the gas may range from about 5 to 100%, more specifically about 10 to 50%, typically air is available. According to one embodiment, the molecular oxygen-containing gas can be supplied continuously from at least one inlet provided in the reaction medium. For example, when the oxidation reaction is carried out using a multi-stage reactor, it can be continuously supplied while controlling the supply amount through one or two or more intakes provided in each reactor. In addition, the reactor may be in the form of a stirred reactor.

이와 관련하여, 제1 액산 산화 단계에 있어서 분자상 산소-함유 가스를 통하여 공급되는 산소의 량은, 예를 들면 듀렌 1 몰 당 약 2.5 내지 약 4 몰이 적당할 수 있으며, 보다 구체적으로는 듀렌 1 몰 당 약 2.8 내지 3.6 몰 범위일 수 있다. 이에 따라, 제1 단계에서는 듀렌의 벤젠 고리에 결합되어 있는 1 내지 3개의 메틸기에 대하여만 산화시켜 촉매가 비활성화되거나 부반응이 야기되는 현상을 억제하고, 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서 전환되지 않은 벤젠 고리에 결합된 메틸기를 산화시켜 목적물인 파이로멜리트산으로 최종 전환시키게 된다. In this regard, the amount of oxygen supplied through the molecular oxygen-containing gas in the first liquid acid oxidation step may be suitable, for example, about 2.5 to about 4 moles per mole of durene, more specifically It may range from about 2.8 to 3.6 moles per mole. Accordingly, in the first step, only the 1 to 3 methyl groups bonded to the benzene ring of the durene are oxidized to suppress the catalyst deactivation or the side reaction, and in the second step, the conversion is not performed in the first step. The methyl group bound to the benzene ring is oxidized to the final conversion to the desired pyromellitic acid.

한편, 상기 제1 산화 단계 및 제2 산화 단계에 걸쳐, 압력은 반응 매질인 초산 용매가 액상을 유지할 수 있도록 설정되는 것이 바람직할 수 있는 바, 본 구체예가 특정 압력 범위로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 250 내지 500 psig, 보다 구체적으로는 약 300 내지 450 psig 범위로 설정할 수 있다. On the other hand, throughout the first oxidation step and the second oxidation step, it may be preferable that the pressure is set so that the acetic acid solvent as a reaction medium can maintain a liquid phase, but the present embodiment is not limited to a specific pressure range, For example, it may be set in the range of about 250 to 500 psig, more specifically about 300 to 450 psig.

이때, 반응계의 산소 분압의 경우, 반응기로부터 배출되는 오프 가스(off-gas) 중 산소 농도가 약 8 체적% 이하, 보다 구체적으로는 약 1 내지 약 5 체적%가 되도록 반응기 내로 도입되는 분자상 산소-함유 가스의 량을 조절하는 것이 바람직할 수 있다. In this case, in the case of the oxygen partial pressure of the reaction system, molecular oxygen introduced into the reactor such that the oxygen concentration in the off-gas discharged from the reactor is about 8% by volume or less, more specifically, about 1% to about 5% by volume. It may be desirable to adjust the amount of gas containing.

바람직한 구체예에 따르면, 선택적으로 상기 반응기에 환류 콘덴서가 구비되어 오프 가스(배가스) 내에 함유된 용매 및 산화 반응에 의하여 생성되는 물을 응축시키고, 이를 전부 또는 부분적으로 반응기로 리사이클할 수도 있다.According to a preferred embodiment, the reactor may optionally be equipped with a reflux condenser to condense the water produced by the oxidation reaction with the solvent contained in the off-gas (exhaust gas) and recycle it to the reactor in whole or in part.

본 발명에 따른 구체예에 따르면, 제1 단계 반응에 이어 제2 단계 반응을 연속으로 실시하여 의도하는 액상 산화 반응을 실질적으로 완결시킬 수 있다. 이때, 회분식(batch) 다단반응 방식 또는 연속 유동 다단계 반응 방식 중 어느 하나를 채택할 수 있다. 다른 구체예에 따르면, 제1 단계를 연속 모드로 수행하고 제2 단계를 회분식 모드로 수행할 수도 있다. According to an embodiment according to the present invention, the second liquid phase reaction may be continuously performed after the first phase reaction to substantially complete the intended liquid phase oxidation reaction. In this case, either a batch multistage reaction method or a continuous flow multistage reaction method may be adopted. According to another embodiment, the first step may be performed in continuous mode and the second step may be performed in batch mode.

한편, 2단계 액상 산화 반응이 종료되면, 선택적으로 반응생성물을 당업계에서 알려진 정제 처리를 수행할 수도 있는 바, 예를 들면 여과(filtration) 공정 또는 증류(distillation) 공정을 예시할 수도 있다. 경우에 따라서는 파이로멜리트산의 추가 정제 과정을 더 포함할 수 있는 바, 예를 들면 생성물을 물에 용해시킨 수용액을 소정 조건 하에서 냉각시켜 결정화한 다음, 여과, 원심분리 등을 거쳐 수득하는 방법을 예시할 수 있다.On the other hand, when the two-step liquid phase oxidation reaction is completed, the reaction product may optionally be subjected to purification treatment known in the art, for example, it may illustrate a filtration process or a distillation process. In some cases, the method may further include a further purification process of pyromellitic acid, for example, a method in which an aqueous solution in which the product is dissolved in water is cooled by crystallization under predetermined conditions, and then obtained by filtration, centrifugation, or the like. Can be illustrated.

본 발명의 구체예에 따른 파이로멜리트산의 제조방법을 통하여 수율은 적어도 약 80 몰%, 보다 구체적으로는 적어도 약 84 몰%를 달성할 수 있으며, 반응 후 생성물의 분리 정제도 용이할 수 있다. Through the process for preparing pyromellitic acid according to an embodiment of the present invention, the yield may achieve at least about 80 mol%, more specifically at least about 84 mol%, and may also facilitate separation and purification of the product after the reaction. .

이하에서 제1 액상 산화 단계 및 제2 액상 산화 단계의 공정 조건을 보다 상세히 기술한다.
The process conditions of the first liquid phase oxidation step and the second liquid phase oxidation step are described in more detail below.

제1 단계 액상 산화 반응First Stage Liquid Phase Oxidation

제1 단계 산화 반응은 초산 용매를 반응 매질로 하고, 촉매 성분으로서 코발트 화합물 및 브롬 화합물의 조합을 사용하는 바, 분자상 산소-함유 가스를 공급하여 액상에서 산화 반응이 일어날 수 있도록 한다. 이때, 코발트 화합물, 브롬 화합물 및 초산 용매를 전량 사용하여 산화 반응을 수행할 수 있다. 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제1 단계에서의 산화 반응은 출발물질인 듀렌의 전환율이 적어도 약 90%, 보다 구체적으로는 약 90 내지 98% 범위가 될 때까지 진행시킬 수 있는 바, 이는 반응수율 증대 및 촉매 비활성화 방지를 고려한 것이다. The first stage oxidation reaction uses acetic acid solvent as a reaction medium and a combination of cobalt and bromine compounds as catalyst components, which supplies a molecular oxygen-containing gas so that the oxidation reaction can occur in the liquid phase. At this time, the oxidation reaction may be performed using all of the cobalt compound, bromine compound and acetic acid solvent. According to a preferred embodiment, the oxidation reaction in the first step can proceed until the conversion rate of the starting material durene is at least about 90%, more specifically about 90 to 98%, which is the reaction yield Consideration has been made to increase and prevent catalyst deactivation.

일 구체예에 있어서, 반응 매질인 초산 용매는 중량 기준으로 적어도 듀렌의 약 2배, 보다 구체적으로는 약 4 내지 15배 범위로 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 순수한 초산 형태(glacial acetic acid)를 사용할 수도 있으며, 수용액 형태의 초산을 사용할 수도 있다. 다만, 수용액 형태의 초산을 사용할 경우, 물을 지나치게 많이 사용하면 반응 속도에 영향을 미쳐 수율을 저하시킬 가능성이 있다. 이점을 고려하여, 약 40 중량% 이하의 물을 함유하는 것이 적당할 수 있다. 또한, 물로서 바람직하게는 이온교환수 또는 증류수를 사용할 수 있다. In one embodiment, the acetic acid solvent, which is the reaction medium, may be preferably used in at least about 2 times, more specifically, about 4 to 15 times, the weight of the durene. Pure acetic acid may be used, or acetic acid in aqueous solution may be used. However, when using acetic acid in the form of an aqueous solution, too much water may affect the reaction rate and lower the yield. In view of this, it may be suitable to contain up to about 40% by weight of water. In addition, as water, ion-exchanged water or distilled water can be preferably used.

예시적인 구체예에 있어서, 촉매 성분인 코발트 화합물의 사용량이 증가함에 따라 산화 반응 속도가 증가하는데, 지나치게 많이 사용할 경우에는 목적물인 파이로멜리트산 이외의 다른 부반응 생성물이 증가하여 순도 및 수율에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있다. 상기의 점을 고려하여 코발트 화합물 내의 코발트 금속을 기준으로 초산 용매에 대하여 약 0.01 내지 약 1.5 중량% 범위로 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, the rate of oxidation reaction increases as the amount of the cobalt compound as a catalyst component increases, but when used too much, side reaction products other than the target pyromellitic acid increase, which is undesirable for purity and yield. It may not affect. In view of the above, it may be used in the range of about 0.01 to about 1.5 wt% based on the cobalt metal in the cobalt compound with respect to the acetic acid solvent.

한편, 브롬 화합물의 사용량은, 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 브롬 이온의 중량비(Br/Co)가 약 0.5 내지 약 15, 바람직하게는 약 1 내지 14의 범위가 되도록 조절할 수 있다. 브롬 화합물의 사용량이 증가함에 따라 활성이 증가하는 경향을 나타내나, 일정 수준 이상에서는 오히려 목적물 내에 브롬 성분이 혼입된 결과, 순도를 저하시키기 때문에 정제 비용 및 촉매 원가가 증가하며, 촉매 회수 효율성이 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있다.On the other hand, the amount of the bromine compound can be adjusted so that the weight ratio (Br / Co) of the bromine ions to the cobalt metal in the cobalt compound is in the range of about 0.5 to about 15, preferably about 1 to 14. As the amount of bromine compound used increases, the activity tends to increase, but above a certain level, as a result of the incorporation of the bromine component into the target, the purity decreases, thereby increasing the purification cost and the catalyst cost, and decreasing the catalyst recovery efficiency. Can be. Therefore, it may be desirable to adjust the range described above.

상기 제1 단계에 있어서, 액산 산화 반응은, 예를 들면 약 120 내지 약 200 ℃, 바람직하게는 약 130 내지 약 180 ℃ 범위로 설정할 수 있다. 이는 반응 온도가 증가할수록 반응 속도가 증가하는 경향을 나타내기는 하나, 지나치게 높은 온도로 설정할 경우에는 완전 산화반응 등의 부반응의 증가 및 열분해에 의한 듀렌의 탈알킬화 반응이 일어나 수율 감소 및 촉매의 비활성화를 촉진시킬 수 있음을 고려한 것이다. 상기 반응 온도 범위는 예시적인 것으로서 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
In the first step, the liquid acid oxidation reaction may be set, for example, in the range of about 120 to about 200 ° C, preferably about 130 to about 180 ° C. Although the reaction rate tends to increase as the reaction temperature increases, when it is set at an excessively high temperature, an increase in side reactions such as a complete oxidation reaction and dealkylation of durene by pyrolysis occurs, resulting in a decrease in yield and deactivation of the catalyst. Considering that it can promote. The reaction temperature range is exemplary and the present invention is not necessarily limited thereto.

제2 단계 액상 산화 반응Second Stage Liquid Phase Oxidation

제2 단계 반응에서는 촉매 성분으로서의 망간 화합물을 반응계 내로 도입하여 제1 단계 산화 반응에서 전환되지 않은 잔여 메틸기를 산화하여 파이로멜리트산으로 전환시킨다.In the second stage reaction, a manganese compound as a catalyst component is introduced into the reaction system to oxidize residual methyl groups not converted in the first stage oxidation reaction to convert to pyromellitic acid.

이때, 상기 망간 화합물은 수용액 형태로 도입되는 바, 산화반응이 진행되어 생성되는 파이로멜리트산의 농도를 묽게 하여 파이로멜리트산의 수율 증대 및 비활성화를 방지할 수 있기 때문이다. 상기 망간 화합물의 수용액은 초산 용매를 기준으로, 약 30 중량% 이내, 구체적으로는 약 15 내지 약 30 중량%가 바람직할 수 있다.In this case, since the manganese compound is introduced in the form of an aqueous solution, the concentration of pyromellitic acid generated by the oxidation reaction may be diluted to prevent increase in yield and deactivation of pyromellitic acid. The aqueous solution of the manganese compound may be within about 30% by weight, specifically about 15 to about 30% by weight, based on the acetic acid solvent.

본 발명의 구체예에 있어서, 상기 제2 액상 산화 단계에서 도입되는 망간 화합물의 사용량은 전 단계인 제1 액상 산화 반응 단계에 사용된 코발트 화합물 내 코발트 금속에 대한 망간 화합물 내의 망간 금속의 중량비(Mn/Co)가 약 0.1 내지 약 0.8, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6 범위가 되도록 조절할 수 있다. 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니지만, 상술한 범위로 망간 화합물의 사용량을 설정할 경우, 전체 촉매 성분의 활성, 선택성 및 촉매의 회수 조작이 용이할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the amount of the manganese compound introduced in the second liquid oxidation step is a weight ratio of the manganese metal in the manganese compound to the cobalt metal in the cobalt compound used in the first liquid phase oxidation step (Mn). / Co) can be adjusted to range from about 0.1 to about 0.8, preferably from about 0.2 to about 0.6. Although the present invention is not necessarily limited thereto, when the amount of manganese compound used is set in the above-described range, the activity, selectivity of the entire catalyst component, and the recovery operation of the catalyst may be easy.

또한, 2 단계 액상 산화 공정 전체에 걸쳐 코발트 금속과 망간 금속에 대한 브롬의 원자비(Br/(Co+Mn))는 약 0.3 내지 약 14의 범위일 수 있다. 그 이유는 촉매 성분 중 금속 화합물에 비하여 브롬 화합물의 량이 지나치게 적은 경우에는 의도하는 활성을 달성하지 못할 수 있는 반면, 지나치게 많은 경우에는 브롬 화합물로 인한 제품의 순도 저하 및 촉매회수 비용 증가 등이 야기될 수 있음을 고려한 것이다. 다만, 상기 범위는 예시적으로 제시된 것인 만큼, 본 발명의 구체예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the atomic ratio (Br / (Co + Mn)) of bromine to cobalt metal and manganese metal throughout the two stage liquid phase oxidation process may range from about 0.3 to about 14. The reason is that when the amount of bromine compound is too small compared to the metal compound in the catalyst component, the intended activity may not be achieved, while in the case of too much bromine compound, the purity of the product and the increase in the cost of catalyst recovery may be caused. Can be considered. However, the above range is provided as an example, and embodiments of the present invention are not necessarily limited thereto.

제2 단계 액상 산화 반응은, 예를 들면 약 180 내지 약 250 ℃, 바람직하게는 약 200 내지 약 240 ℃ 범위에서 수행될 수 있다. 이는 반응 온도가 지나치게 낮은 경우에는 파이로멜리트산으로의 산화를 완결시키기 어려울 수 있는 반면, 지나치게 높은 경우에는 완전 산화 반응의 증가로 인하여 수율이 감소할 수 있음을 고려한 것이다. 상기 반응 온도 범위는 예시적인 것으로서 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The second stage liquid phase oxidation reaction can be carried out, for example, in the range of about 180 to about 250 ° C, preferably about 200 to about 240 ° C. This is to consider that if the reaction temperature is too low, it may be difficult to complete the oxidation to pyromellitic acid, while if too high, the yield may decrease due to an increase in the complete oxidation reaction. The reaction temperature range is exemplary and the present invention is not necessarily limited thereto.

예시적인 구체예에 있어서, 제2 액상 산화 단계의 반응 온도는 제1 액상 산화 단계와는 상이한 반응 온도 대역에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 제1 산화 단계보다 높은 온도에서 수행될 수 있다. 이때, 제2 산화 단계의 온도는 제1 산화 단계보다 약 20 내지 약 130 ℃, 보다 구체적으로는 약 40 내지 약 110 ℃ 높게 설정하는 것이 바람직할 수 있다. In an exemplary embodiment, the reaction temperature of the second liquid phase oxidation step may be carried out in a different reaction temperature zone than the first liquid phase oxidation step, preferably at a higher temperature than the first oxidation step. In this case, the temperature of the second oxidation step may be set to about 20 to about 130 ℃, more specifically about 40 to about 110 ℃ higher than the first oxidation step.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention, but the following examples are provided only for better understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1 One

본 실시예에서는 환류 냉각기, 교반기 및 공기 취입 노즐을 구비한 티타늄 재질의 1 갤론(3.785 리터) 오토클레이브(autoclave)를 반응기로 사용하였다. 상기 반응기에 반응물로서 듀렌 90.1 g, 초산 720 g, 코발트 아세테이트 2.85 g 및 브롬화 나트륨 1.23 g을 투입하고 비활성 가스인 헬륨 가스로 퍼지(purge)시킨 후 150 ℃의 온도로 승온시켰다. 압력을 400 psig로 유지하였으며, 압축 공기를 상기 오토클레이브에 서서히 주입하면서 액상 산화 반응을 개시하였다.In this example, a 1 gallon (3.785 liter) autoclave of titanium with reflux cooler, stirrer and air blow nozzle was used as reactor. 90.1 g of durene, 720 g of acetic acid, 2.85 g of cobalt acetate, and 1.23 g of sodium bromide were added to the reactor as a reactant, and then purged with helium gas, which is an inert gas, and the temperature was raised to 150 ° C. The pressure was maintained at 400 psig and the liquid phase oxidation reaction was initiated while slowly injecting compressed air into the autoclave.

반응 경과 100 분 후에 압축 공기의 주입을 잠시 멈추고 망간 아세테이트 1.53 g을 물 140 g에 용해시켜 주입하면서 220 ℃의 온도로 승온시킨 후, 다시 압축 공기를 반응기 내로 주입하면서 산화반응을 계속 수행하였다. 오프 가스(off-gas) 중의 산소의 농도를 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하여, 오프가스 중의 산소농도가 8 체적%를 초과하기 시작할 때 압축 공기의 주입을 중지하고 반응을 종료하였다.After 100 minutes of the reaction, the injection of compressed air was stopped for a while, and 1.53 g of manganese acetate was dissolved in 140 g of water and heated to a temperature of 220 ° C., followed by oxidation while continuing to inject compressed air into the reactor. The concentration of oxygen in off-gas was analyzed using gas chromatography to stop the injection of compressed air and terminate the reaction when the oxygen concentration in the off-gas began to exceed 8% by volume.

반응을 종료하면, 반응 생성물을 추출하여 반응물을 메틸에스테르화한 후 가스크로마토그래피(HP사의 제품명: 5890)를 이용하여 파이로멜리트산의 수율을 계산하였다. 그 결과, 88.1 몰%의 파이로멜리트산 수율을 얻었다.
When the reaction was completed, the reaction product was extracted to methyl ester the reaction product, and then the yield of pyromellitic acid was calculated using gas chromatography (HP product name: 5890). As a result, a yield of 88.1 mol% pyromellitic acid was obtained.

실시예Example 2 내지 6 2 to 6

하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응물의 조성 및 반응 조건을 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파이로멜리트산을 제조하였다.
Pyromellitic acid was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition and reaction conditions of the reactants were changed as described in Table 1 below.

조성/반응 조건Composition / Reaction Conditions 단위unit 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 듀렌Duren gg 90.390.3 90.290.2 90.390.3 90.490.4 90.290.2 코발트아세테이트Cobalt acetate gg 4.874.87 3.653.65 2.432.43 1.221.22 4.874.87 코발트/초산Cobalt / acetic acid 중량%weight% 0.160.16 0.120.12 0.080.08 0.040.04 0.160.16 망간아세테이트(1)Manganese Acetate (1) gg 00 00 00 00 00 망간/코발트Manganese / Cobalt 중량비Weight ratio 00 00 00 00 00 망간아세테이트(2)Manganese Acetate (2) gg 2.572.57 1.931.93 1.281.28 0.640.64 2.572.57 망간/코발트Manganese / Cobalt 중량비Weight ratio 0.50.5 0.50.5 0.50.5 0.50.5 0.50.5 브롬화나트륨Sodium bromide gg 13.3913.39 10.0410.04 6.686.68 3.343.34 6.76.7 브롬/코발트Bromine / cobalt 중량비Weight ratio 99 99 99 99 4.54.5 초산Acetic acid gg 720720 720720 720720 720720 720720 반응기 압력Reactor pressure psigpsig 400400 400400 400400 400400 400400 반응 온도(1)Reaction temperature (1) 150150 150150 150150 150150 150150 반응 온도(2)Reaction temperature (2) 220220 220220 220220 220220 220220 공기 주입속도Air injection speed Nℓ/minNℓ / min 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 2.52.5 반응 시간(1)Reaction time (1) min.min. 100100 100100 100100 100100 100100 반응 시간(2)Reaction time (2) min.min. 8080 8080 8080 8080 8080 교반 속도Stirring speed rpmrpm 500500 500500 500500 500500 500500 water gg 130130 130130 130130 130130 130130

(1) 제1 단계 액상 산화반응(1) First Stage Liquid Phase Oxidation

(2) 제2 단계 액상 산화반응
(2) Second Stage Liquid Phase Oxidation

상기 실시예 2 내지 6에 따른 파이로멜리트산의 수율을 하기 표 2에 나타내었다.The yield of pyromellitic acid according to Examples 2 to 6 is shown in Table 2 below.

단위unit 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 파이로멜리트산Pyromellitic acid 몰%mole% 84.384.3 86.586.5 88.388.3 87.887.8 85.685.6 부생성물By-product 몰%mole% 15.715.7 13.513.5 11.711.7 12.212.2 14.414.4

비교예Comparative example 1 One

실시예 1에서와 유사한 방법으로 파이로멜리트산을 제조하였다. 다만, 반응기 내에 초산 700 g, 듀렌 88.5 g, 코발트 아세테이트 2.71 g, 및 브롬화 나트륨 7.2 g을 투입하고 150 ℃에서 100 분 동안 반응시킨 후 제2 단계 산화 반응을 실시하였다. Pyromellitic acid was prepared in a similar manner as in Example 1. However, 700 g of acetic acid, 88.5 g of durene, 2.71 g of cobalt acetate, and 7.2 g of sodium bromide were added to the reactor and reacted at 150 ° C. for 100 minutes, followed by a second step of oxidation.

제2 단계 산화 반응의 온도를 220 ℃로 승온시키는 동안 망간 아세테이트 1.41 g을 초산 90 g에 용해시켜 주입한 다음, 제2 단계 산화 반응을 개시하였다. 그 결과, 82.3 몰%의 파이로멜리트산 수율을 얻었다.
While raising the temperature of the second stage oxidation reaction to 220 ° C., 1.41 g of manganese acetate was dissolved and injected into 90 g of acetic acid, and then the second stage oxidation reaction was started. As a result, a pyromellitic acid yield of 82.3 mol% was obtained.

비교예Comparative example 2 2

실시예 1에서 사용된 반응기에 듀렌 90.2 g, 코발트 아세테이트 2.81 g, 망간 아세테이트 1.48 g, 및 브롬화 나트륨 7.62 g을 투입하고, 반응 온도 220 ℃에서 150 분 동안 반응시켰다. 그 결과, 72.2 몰%의 파이로멜리트산 수율을 얻었다.
90.2 g of durene, 2.81 g of cobalt acetate, 1.48 g of manganese acetate, and 7.62 g of sodium bromide were added to a reactor used in Example 1, and reacted at a reaction temperature of 220 ° C. for 150 minutes. As a result, a yield of 72.2 mol% pyromellitic acid was obtained.

상술한 실험 결과로부터 실시예 1 내지 6에 따라 파이로멜리트산을 제조할 경우, 모두 84 몰% 이상의 수율을 얻을 수 있었다. 반면, 망간 화합물을 초산에 용해시킨 형태로 제2 액상 산화 반응을 수행한 비교예 1의 경우, 80 몰% 이상의 수율을 얻을 수 있었으나, 실시예에 비하여는 낮은 수준이었다. When pyromellitic acid was prepared according to Examples 1 to 6 from the above experimental results, all yields of 84 mol% or more were obtained. On the other hand, in Comparative Example 1 in which the second liquid phase oxidation reaction was performed in the form of dissolving a manganese compound in acetic acid, a yield of 80 mol% or more was obtained, but was lower than that of the example.

또한, 단일 단계 산화 반응을 수행한 비교예 2의 경우, 실시예에 비하여 현저히 낮은 수율을 나타내었다.In addition, Comparative Example 2, which performed a single step oxidation reaction, showed a significantly lower yield than the Example.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 특히, 본 발명이 바람직하거나 특히 유리하다고 언급되어 있는 면에 반드시 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and in particular, are not necessarily limited to the aspect in which the present invention is mentioned as being preferable or particularly advantageous. Specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.

Claims (16)

a) 반응 매질로서 초산 용매를 사용하고, 코발트(Co) 화합물 및 브롬(Br) 화합물을 포함하는 산화 촉매 성분의 존재 하에서 분자상 산소-함유 가스를 공급하여 듀렌을 1차 액상 산화시키는 단계;
b) 상기 단계 a)의 생성물에 망간(Mn) 화합물을 수용액 형태로 첨가하여 2차 액상 산화시키는 단계;
를 포함하며,
상기 단계 b)는 상기 단계 a)보다 높은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.
a) first liquid phase oxidation of the durene by supplying a molecular oxygen-containing gas in the presence of an oxidation catalyst component comprising a cobalt (Co) compound and a bromine (Br) compound as a reaction medium;
b) secondary liquid phase oxidation by adding a manganese (Mn) compound in the form of an aqueous solution to the product of step a);
Including;
The step b) is a method for producing pyromellitic acid, characterized in that carried out at a higher temperature than step a).
제1항에 있어서, 상기 코발트 화합물은 상기 초산 용매를 기준으로 0.01 내지 1.5 중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the cobalt compound is used at 0.01 to 1.5 wt% based on the acetic acid solvent. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 상기 브롬 화합물 내의 브롬의 중량비가 0.5 내지 15의 범위인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method for producing pyromellitic acid according to claim 1 or 2, wherein the weight ratio of bromine in the bromine compound to the cobalt metal in the cobalt compound is in the range of 0.5 to 15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 상기 망간 화합물 내의 망간 금속의 중량비는 0.1 내지 0.8의 범위인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the weight ratio of the manganese metal in the manganese compound to the cobalt metal in the cobalt compound is in the range of 0.1 to 0.8. 제1항에 있어서, 상기 코발트 금속과 망간 금속에 대한 브롬의 원자비 (Br/(Co+Mn))는 0.3 내지 14의 범위인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the atomic ratio (Br / (Co + Mn)) of bromine to the cobalt metal and the manganese metal is in the range of 0.3 to 14. 제1항에 있어서, 상기 단계 a) 및 상기 단계 b)는 250 내지 500 psig의 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the step a) and the step b) is carried out under a pressure of 250 to 500 psig. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)는 120 내지 200 ℃에서 수행되고, 상기 단계 b)는 180 내지 250 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein step a) is performed at 120 to 200 ° C., and step b) is performed at 180 to 250 ° C. 제7항에 있어서, 상기 단계 b)가 상기 단계 a)보다 20 내지 130℃ 높은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein step b) is performed at a temperature of 20 to 130 ° C. higher than step a). 제1항에 있어서, 상기 코발트 화합물은 코발트 아세테이트인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the cobalt compound is cobalt acetate. 제1항에 있어서, 상기 망간 화합물은 망간 아세테이트인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method for producing pyromellitic acid according to claim 1, wherein the manganese compound is manganese acetate. 제1항에 있어서, 상기 브롬 화합물은 브롬화나트륨 또는 브롬화수소인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method for producing pyromellitic acid according to claim 1, wherein the bromine compound is sodium bromide or hydrogen bromide. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)의 액상 산화 반응은 듀렌의 전환율이 적어도 90%가 될 때까지 듀렌 1몰 당 2.5 내지 4 몰의 산소를 공급하여 수행되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the liquid phase oxidation of step a) is carried out by supplying 2.5 to 4 moles of oxygen per mole of durene until the conversion of the durene is at least 90%. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 초산 용매는 중량 기준으로 듀렌의 4 내지 15배 범위로 사용되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제\방법.The method of claim 1, wherein the acetic acid solvent is used in the range of 4 to 15 times the weight of the durene by weight. 제1항에 있어서, 상기 초산 용매는 순수 초산 또는 최대 40 중량%의 물을 함유하는 수용액 형태인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the acetic acid solvent is in the form of pure acetic acid or an aqueous solution containing up to 40% by weight of water. 제1항에 있어서, 상기 분자상 산소-함유 가스는 공기인 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the molecular oxygen-containing gas is air. 제1항에 있어서, 상기 망간 화합물의 수용액은 상기 초산 용매를 기준으로, 15 내지 30 중량 %로 첨가되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.The method of claim 1, wherein the aqueous solution of the manganese compound is added in an amount of 15 to 30% by weight based on the acetic acid solvent.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115232003A (en) * 2021-04-25 2022-10-25 中国石油化工股份有限公司 Method for producing pyromellitic acid by liquid-phase oxidation of pyromellitic tetramethylbenzene
CN118184672A (en) * 2024-05-16 2024-06-14 天津派森新材料技术有限责任公司 Cyano group-containing aromatic dianhydride compound and polyimide film

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