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KR20160002987A - 폴리아세탈 공중합체의 제조방법 - Google Patents

폴리아세탈 공중합체의 제조방법 Download PDF

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KR20160002987A
KR20160002987A KR1020157033117A KR20157033117A KR20160002987A KR 20160002987 A KR20160002987 A KR 20160002987A KR 1020157033117 A KR1020157033117 A KR 1020157033117A KR 20157033117 A KR20157033117 A KR 20157033117A KR 20160002987 A KR20160002987 A KR 20160002987A
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acid
monomer
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polyacetal copolymer
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포리프라스틱 가부시키가이샤
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Abstract

고품질의 폴리아세탈 공중합체를 심플한 프로세스로 경제적으로 제공한다.
본 발명은, 트리옥산 등을 포함하는 원료를 반응장치(1)에 공급하는 원료공급공정과, 반응장치 전화율(후술하는 D/C)이 0.5가 될 때까지의 중합환경온도를 100℃ 이하로 하고, 이후 더욱 중합을 실시하여 반응 혼합물을 얻는 중합반응공정과, 115℃ 이상, 140℃ 미만의 환경온도에서 상기 반응 혼합물로부터 미반응 모노머를 기화 분리시키는 기화분리공정과, 분리된 모노머를 상기 원료공급공정에 공급하는 미반응 모노머 재공급공정과, 상기 반응 혼합물로부터 폴리아세탈 공중합체를 회수하는 폴리아세탈 공중합체 회수공정, 을 포함한다. 이에 따라, 반응장치(1)에 새롭게 공급되는 모노머(A)와, 반응장치(1)로부터 회수 및 재공급되는 모노머(B)의 합으로 규정되는 전체공급 모노머(C)에 대한 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/C)는 0.7 이상이 되고, D/A는 0.85 이상이 된다.

Description

폴리아세탈 공중합체의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING POLYACETAL COPOLYMER}
본 발명은 폴리아세탈 공중합체의 제조방법에 관한 것이다.
종래, 폴리아세탈 공중합체의 제조법으로는, 트리옥산을 주모노머로 하고, 적어도 하나의 탄소-탄소 결합을 가지는 환상 에테르 및/또는 환상 포르말을 코모노머로 하는 양이온 공중합이 알려져 있다. 이들 공중합에 이용되는 양이온 활성 촉매로는, 루이스산, 특히 붕소, 주석, 티탄, 인, 비소 및 안티몬의 할로겐화물, 예를 들면 삼불화붕소, 사염화주석, 사염화티탄, 오염화인, 오불화인, 오불화비소 및 오불화안티몬, 및 그 착화합물 또는 염과 같은 화합물; 프로톤산, 예를 들면, 과염소산; 프로톤산의 에스테르, 특히 과염소산과 저급 지방족 알코올과의 에스테르, 예를 들면 과염소산-3급 부틸에스테르; 프로톤산의 무수물, 특히 과염소산과 저급 지방족 카르본산과의 혼합 무수물, 예를 들면 아세틸퍼클로레이트, 혹은 트리메틸옥소늄헥사플루오르포스페이트, 트리페닐-메틸헥사플루오르아세네이트, 아세틸테트라플루오르보레이트, 아세틸헥사플루오르포스페이트 및 아세틸헥사플루오르아세네이트 등이 제안되고 있다. 이 중에서도 삼불화붕소, 혹은 삼불화붕소와 유기 화합물, 예를 들면 에테르류와의 배위화합물은, 트리옥산을 주모노머로 하는 중합 촉매로서 가장 일반적이며, 공업적으로도 널리 이용되고 있다.
그러나, 삼불화붕소계 화합물과 같은 일반적으로 사용되는 중합 촉매에서는, 중합 후기에 중합 속도가 급감하여 단시간에 100%에 가까운 중합 전화율을 얻기가 매우 어렵고, 극히 장시간을 요하므로 비능률적일 뿐만 아니라, 중합 후기에는 촉매가 생성 중합체의 분해를 촉진하는 작용이 상대적으로 우위가 되어 분자량의 저하를 초래할 뿐만 아니라 열안정성 등의 품질도 떨어지는 결과를 초래한다. 또한 중합 촉매의 양을 증가시키면 전체적으로 중합 속도가 촉진되고 중합 전화율도 향상되나, 생성 조중합체(粗重合體)의 품질은 점점 열화되어 후속 공정에서 복잡한 안정화 처리를 필요로 하므로 제조 공정 전체적으로는 결코 바람직한 방법이 아니다.
이 때문에, 중합율이 비교적 낮은 단계에서 촉매의 실활제(失活劑)를 포함하는 용액을 가하여 중합을 정지시키고, 잔존하는 미반응 모노머를 세정하여 회수하고 정제 하여 재사용하는 방법이 폭넓게 이루어지고 있다.
또한, 중합기나 촉매의 공급법에 개량을 가하여 중합 전화율을 향상시키는 방법도 복수 제안되었다. 예를 들면, 중합기를 1~10°경사지도록 함으로써 장치에 대해서 중합 전화율을 향상시키는 방법(특허문헌 1), 중합기의 배출구에 보를 설치하는 방법(특허문헌 2) 외에, 촉매와 코모노머를 미리 혼합하여 트리옥산에 공급하는 방법(특허문헌 3및 4)이 제안되었다. 이러한 방법은 모두 삼불화붕소계의 중합 촉매를 이용한 경우의 중합 전화율을 향상시키는데 유효하다.
또한, 고활성이면서 불휘발성인 중합 촉매를 이용함으로써 중합 후기에 조중합체의 실활, 세정을 실시하지 않고 직접 미반응 모노머를 회수하여 재사용 하는 방법(특허문헌 5)도 제안되었다. 이 방법에서는 종래 일반적으로 이용되어 온 삼불화붕소계에서는 곤란하였던, 실활전의 조중합체로부터 직접적으로 모노머 회수를 할 수 있을 뿐만 아니라, 고전화율에 도달한 단계에서의 부반응도 삼불화붕소계의 중합 촉매에 비하면 쉽게 일어나지 않기 때문에, 매우 간편한 공정으로 미반응 모노머가 적고 열안정성이 우수한 조중합체를 얻는다.
일본공고특허 특공평 05-008725호 공보 국제공개 제 96/13534호 일본공개특허 특개평 11-255854호 공보 일본공개특허 특개평 11-124422호 공보 일본공개특허 특개평 09-278852호 공보
그러나, 중합율이 비교적 낮은 단계에서 촉매의 실활제를 포함하는 용액을 가하여 중합을 정지시키고, 잔존하는 미반응 모노머를 세정하여 회수하고 정제 하여 재사용하는 경우, 미반응 모노머는 비교적 저농도의 용액으로 회수되기 때문에, 미반응 모노머를 재사용하려면, 분리, 정제에 번잡한 공정과 에너지를 필요로 한다. 한편, 미반응 모노머의 회수를 단념하면 완전한 손실로 이어지므로, 어느 쪽이든 경제적으로 바람직하지 않다.
또한, 특허문헌 1~4에 기재된 방법에서는, 얻어지는 조중합체가 10중량% 이상의 미반응 모노머를 포함하는 것이어서, 실용시에는 실활 및 세정 공정을 거칠 필요가 있고, 또한 삼불화붕소계의 중합 촉매로는 고전화율에 도달한 단계에서의 분해 등의 부반응을 피할 수 없다는 과제가 여전히 남아 있다.
또한, 특허문헌 5에 기재된 방법에서는, 폴리아세탈 공중합체의 고품질화 및 저비용화에 개량의 여지가 있다.
그래서, 본 발명에서는 고품질의 폴리아세탈 공중합체를 심플한 프로세스로 경제적으로 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 트리옥산의 중합반응에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과, (아) 불휘발성의 프로톤산을 중합 촉매로 하고, (이) 다음의 D/C로 정의되는 반응장치 전화율이 50%가 될 때까지의 중합환경온도를 100℃ 이하로 하고, 이후 중합을 더 실시하여, (우) 얻어진 조중합체로부터의 미반응 모노머의 회수를 115℃ 이상, 140℃ 미만의 환경온도에서 실시하고, 이러한 회수 미반응 모노머를 중합에 직접 제공함으로써, 종래의 삼불화붕소계의 중합 촉매를 이용하는 경우에 비해 현저하게 높은 중합 전화율을 얻을 수 있는 동시에, 고품질의 폴리아세탈 공중합체가 얻어진다는 것을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 구체적으로, 본 발명은 이하의 것을 제공한다.
(1) 본 발명은, 2개의 평행하고 서로 동일한 방향 또는 다른 방향으로 회전하는 축과, 각 축상에 장착된 다수의 패들과, 해당 패들 외주에 근접한 배럴, 을 가지며, 주기적으로 패들의 장축단(長軸端)이 상대측의 단축단(短軸端)에 근접하도록 구성되고, 축방향의 일단에 설치된 투입구로부터 원료가 투입되고, 타단에 설치된 복수의 취출구로부터 반응 혼합물 및 미반응 모노머를 얻는 연속교반 혼합기 타입의 반응장치에, 트리옥산, 이 트리옥산과 공중합하는 코모노머 및 불휘발성의 프로톤산을 포함하는 원료를 공급하는 원료공급공정과, 상기 원료의 중합반응을 실시하여 반응 혼합물을 얻는 중합반응공정과, 115℃ 이상, 140℃ 미만의 환경온도에서 상기 반응 혼합물로부터 미반응 모노머를 기화 분리시키는 기화분리공정과, 상기 기화분리공정에서 분리시킨 모노머를 상기 원료공급공정에 공급하는 미반응 모노머 재공급공정과, 상기 반응 혼합물로부터 폴리아세탈 공중합체를 회수하는 폴리아세탈 공중합체 회수공정, 을 포함하고, 상기 중합반응공정은, 상기 반응장치에 새롭게 공급되는 모노머(A)와, 상기 반응장치로부터 회수 및 재공급되는 모노머(B)의 합으로 규정되는 전체공급 모노머(C)에 대한 상기 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/C)가 0.5가 될 때까지의 중합환경온도를 100℃ 이하로 하고, 이후 중합을 더 실시하여 반응 혼합물을 얻는 공정으로, 상기 D/C가 0.7 이상이고, 상기 반응장치에 새롭게 공급되는 모노머(A)에 대한 상기 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/A)가 0.85 이상인, 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
(2) 또한 본 발명은, 상기 불휘발성의 프로톤산이, 헤테로폴리산, 이소폴리산 또는 이들 산성염에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 (1)에 기재된 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
(3) 또한 본 발명은, 상기 불휘발성의 프로톤산이 다음의 일반식(1)로 표시되는 헤테로폴리산 또는 그 산성염을 포함하는 (1)에 기재된 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
Hx[Mm·M＇nOl]·yH2O ··· (1)
〔일반식(1)에서, M은 P 및/또는 Si에서 선택되는 중심 원소를 나타내고, M＇는 W, Mo, V에서 선택되는 1종 이상의 배위원소를 나타낸다. l은 10~100이고, m은 1~10이며, n은 6~40이고, x는 1이상이며, y는 0~50이다.〕
(4) 또한 본 발명은, 상기 헤테로폴리산 또는 그 산성염이, 인몰리브덴산, 인텅스텐산, 인몰리브드텅스텐산, 인몰리브드바나듐산, 인몰리브드텅스트바나듐산, 인텅스트바나듐산, 규텅스텐산, 규몰리브덴산, 규몰리브드텅스텐산, 규몰리브드텅스트바나듐산 또는 이들 산성염에서 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함하는 (3)에 기재된 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
(5) 또한 본 발명은, 상기 불휘발성의 프로톤산이 다음의 일반식 (2) 또는 (3)으로 표시되는 이소폴리산 또는 그 산성염을 포함하는 (1)에 기재된 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
xMI 2O·pMV 2O6·yH2O ···(2)
xMI 2O·pMVI 2O6·yH2O ···(3)
〔일반식 (2) 및 (3)에서, MI는 수소이나, 일부가 금속으로 치환되어 있을 수 있다. MV는 주기율표 V족의 V, Nb, Ta에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낸다. MVI는 주기율표 VI족의 Cr, Mo, W, U에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낸다. P 및 x는 1이상이고, y는 0~50이다.〕
(6) 또한 본 발명은, 상기 이소폴리산 또는 그 산성염이, 파라텅스텐산, 메타텅스텐산, 파라몰리브덴산, 메타몰리브덴산, 파라바나듐산, 메타바나듐산 또는 이들 산성염에서 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함하는 (5)에 기재된 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
(7) 또한 본 발명은, 상기 코모노머가, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜포르말, 1,4-부탄디올포르말, 에틸렌옥사이드에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 (1)에서 (6)의 어느 하나에 기재된 폴리아세탈 공중합체의 제조방법이다.
본 발명에 의하면, 고품질의 폴리아세탈 공중합체를 심플한 프로세스에 의해 경제적으로 제조할 수 있다.
도 1은, 반응장치(1)을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 상세하게 설명하나, 본 발명이 이하의 실시형태로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적의 범위내에서 적절히 변경을 가하여 실시할 수 있다.
본 발명의 제조방법은, (S1) 원료공급공정과, (S2) 중합반응공정과, (S3) 미반응 모노머 기화분리공정과, (S4) 미반응 모노머 재공급공정과, (S5) 폴리아세탈 공중합체 회수공정, 을 포함한다.
<반응장치(1)>
공정(S1)~(S5)를 설명함에 있어서, 먼저 도 1을 참조하면서 반응장치(1)의 개략 구성에 대하여 설명한다. 도 1은, 반응장치(1)을 설명하기 위한 개략도이다. 반응장치(1)은, 원료를 투입하는 투입구(2)와, 이 원료의 중합반응을 실시하여 반응 혼합물을 얻는 혼합부(3)와, 반응 혼합물로부터 미반응 모노머를 기화 분리시키는 기화 분리부(4)와, 반응 혼합물로부터 폴리아세탈 공중합체를 회수하는 폴리아세탈 공중합체 회수부(5), 를 구비한다.
혼합부(3)는, 2개의 평행하며 서로 동일한 방향 또는 다른 방향으로 회전하는 축과, 각 축상에 장착된 다수의 패들과, 해당 패들 외주에 근접하는 배럴, 을 가지며, 주기적으로 패들의 장축단이 상대측의 단축단에 근접하도록 구성되고, 축방향의 일단에 설치된 투입구로부터 원료가 투입되고, 타단에 설치된 복수의 취출구로부터 반응 혼합물 및 미반응 모노머를 얻는 연속교반 혼합기이다.
혼합부(3)는 온도 조절용의 재킷(31~33)을 가지고 있어, 액체 또는 기체를 흘려 온도를 조정할 수 있다. 재킷(31~33)은 축방향으로 복수 구비되어 각각 온도 조절할 수 있는 것일 수 있다.
또한, 연속교반 혼합기는 필요에 따라 출구측을 들어 올려, 수평 방향에 대하여 일정한 경사를 가진 상태에서 반응을 실시할 수 있다.
패들의 선단과 배럴 내면 사이의 클리어런스는, 패들 외접원의 직경의 2% 이하인 것이 바람직하고, 1% 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 패들의 회전 속도는 특별히 한정되지 않으나, 패들 선단의 회전 주속도(周速度)는 1.5m/초 이하인 것이 바람직하다.
또한, 2개의 회전축의 회전 방향은 모두 같은 방향일 수 있고, 서로 다른 방향일 수도 있다.
<(S1) 원료공급공정>
다음으로, (S1) 원료공급공정에 대하여 설명한다. 원료공급공정은, 상기 반응장치(1)에, 트리옥산, 이 트리옥산과 공중합되는 코모노머 및 불휘발성의 프로톤산을 포함하는 원료를 공급하는 공정이다. 이해를 용이하게 하기 위하여, 도 1에서는, 모든 원료의 혼합물이 투입구(2)에 투입되도록 기재되어 있으나, 이러한 양태로 한정되는 것은 아니며, 최종적으로 모든 원료가 투입구(2)에 투입되면 충분하다.
[코모노머]
코모노머로는, 적어도 하나의 탄소-탄소 결합을 가지는 환상 에테르 및 환상 포르말에서 선택되는 화합물이 사용된다. 코모노머로서 사용되는 화합물의 대표적인 예로는, 예를 들면, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜포르말, 1,4-부탄디올포르말, 1,3-디옥산, 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 에피클로로히드린 등을 들 수 있다. 이 중에서도 중합의 안정성을 고려하여, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜포르말, 1,4-부탄디올포르말, 1,3-디옥산, 에틸렌옥사이드 등이 바람직하다. 또한 환상 에스테르, 예를 들면 β-프로피오락톤이나, 비닐 화합물, 예를 들면 스티렌 등도 사용할 수 있다. 또한, 코모노머로서 부틸글리시딜에테르, 2-에틸헥실글리시딜에테르와 같은, 치환기 단위를 가지는 단관능의 환상 에테르나 환상 포르말을 이용할 수도 있다. 더욱이 코모노머로서 알킬렌글리콜의 디글리시딜에테르나 디포르말과 같은 2개의 중합성 환상 에테르기 또는 환상 포르말기를 가지는 화합물, 예를 들면, 브탄디올디메틸리덴글리세릴에테르, 브탄디올디글리시딜에테르 등이나, 글리세린트리글리시딜에테르, 트리메틸올프로판트리글리시딜에테르, 펜타에리트리톨테트라글리시딜에테르 등과 같은 3개 이상의 중합성 환상 에테르기 또는 환상 포르말기를 가지는 화합물을 이용할 수도 있다. 이로 인해 분기 구조나 가교 구조가 형성된 폴리아세탈 공중합체도 본 발명의 대상이 된다.
본 발명에서, 코모노머로서 이용되는 환상 에테르 및 환상 포르말에서 선택되는 화합물의 양은, 전체 모노머(주모노머인 트리옥산과 코모노머의 합계량) 중의 비율로서 0.1~20몰%이고, 바람직하게는 0.2~10몰%이다. 0.1몰% 미만에서는, 중합에 의해 생성되는 조(粗)폴리아세탈 공중합체의 불안정 말단부가 증가하여 안정성이 악화되고, 또한 코모노머 양이 과대해지면 생성 공중합체가 연질이 되어 융점 저하를 일으켜 바람직하지 않다.
본 발명에서, 상기의 주모노머와 코모노머를 중합하여 폴리아세탈 공중합체를 조제함에 있어서, 중합도를 조절하기 위해 공지된 연쇄 이동제, 예를 들면 메틸알과 같은 저분자량의 선상(線狀) 아세탈 등을 첨가할 수도 있다.
또한, 중합반응은 활성 수소를 가지는 불순물, 예를 들면 물, 메탄올, 포름산 등이 실질적으로 존재하지 않는 상태, 예를 들면 이들이 각각 10ppm 이하인 상태에서 실시하는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 이들 불순물 성분을 극력 포함하지 않도록 조제된 트리옥산, 환상 에테르 및/또는 환상 포르말을 주모노머나 코모노머로서 사용하는 것이 바람직하다.
[불휘발성의 프로톤산]
본 발명에서, 불휘발성의 프로톤산은 중합 촉매로서 기능한다. 본 발명에서는, 삼불화붕소계 촉매가 아닌 불휘발성의 프로톤산을 중합 촉매로서 이용하기 때문에, 삼불화붕소계 촉매를 중합 촉매로 이용한 경우에 비해, 중합 전화율을 높일 수 있다.
본 명세서에서 불휘발성의 프로톤산이란, 헤테로폴리산, 이소폴리산 또는 이들의 산성염에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 화합물을 들 수 있다. 헤테로폴리산이란, 이종(異種)의 산소산이 탈수 축합하여 생성되는 폴리산을 말하며, 중심에 특정의 이종 원소가 존재하고, 산소 원자를 공유하여 축합산기가 축합하여 이루어지는 단핵 또는 복핵의 착이온을 갖는다. 이소폴리산이란, 이소다중산, 동핵축합산, 동종다중산이라고도 하며, V가 또는 VI가의 단일 종류의 금속을 가지는 무기산소산의 축합체로 이루어지는 고분자량의 무기산소산을 말한다.
〔헤테로폴리산 또는 그 산성염〕
먼저, 헤테로폴리산 또는 그 산성염에 대하여 상세하게 설명한다. 헤테로폴리산 또는 그 산성염은, 일반식(1)로 표시할 수 있다.
Hx[Mm·M＇nOl]·yH2O ··· (1)
본 발명의 중합 촉매로서 특히 유효한 헤테로폴리산은, 상기 조성식 중의 중심 원소(M)가 P 및/또는 Si에서 선택된 적어도 1종의 원소이고, 배위원소(M＇)가 W, Mo, V에서 선택되는 1종 이상의 원소인 경우이다. 중합 활성의 관점에서, 배위원소(M＇)는 W 또는 Mo인 것이 보다 바람직하다. 또한 일반식(1)에서, l는 10~100이고, m은 1~10이며, n는 6~40이고, x는 1이상이며, y는 0~50이다.
또한, 일반식(1)에서의 Hx가 각종 금속 등으로 치환된 산성염도 본 발명의 촉매로서 이용할 수 있다.
헤테로폴리산의 구체적인 예로서, 인몰리브덴산, 인텅스텐산, 인몰리브드텅스텐산, 인몰리브드바나듐산, 인몰리브드텅스트바나듐산, 인텅스트바나듐산, 규텅스텐산, 규몰리브덴산, 규몰리브드텅스텐산, 규몰리브드텅스트바나듐산 등을 들 수 있다. 특히 중합 활성의 관점에서 헤테로폴리산은, 규몰리브덴산, 규텅스텐산, 인몰리브덴산, 인텅스텐산에서 선택되는 것이 바람직하다.
〔이소폴리산 또는 그 산성염〕
다음으로, 이소폴리산 또는 그 산성염에 대하여 상세하게 설명한다. 이소폴리산 또는 그 산성염은, 일반식 (2) 또는 일반식 (3)으로 표시할 수 있다.
xMI 2O·pMV 2O6·yH2O ···(2)
xMI 2O·pMVI 2O6·yH2O ···(3)
일반식 (2) 및 (3)에서, MI는 수소이나, 일부가 금속으로 치환되어 있을 수 있다. MV는 주기율표 V족의 V, Nb, Ta에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낸다. MVI는 주기율표 VI족의 Cr, Mo, W, U에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낸다. P 및 x는 1이상이고, y는 0~50이다.
이소폴리산은, 이소폴리산염 용액을 이온교환 수지로 처리하는 방법 외에, 이소폴리산염의 농축 용액에 무기산을 가하여 에테르 추출하는 방법 등, 각종 방법에 의해 조제된다. 본 발명에서는, 이소폴리산에 한정되지 않고, 이소폴리산의 산성염도 중합 촉매로서 이용할 수 있다. 이소폴리산염은 상기 일반식 (2), (3)의 어느 것일 수 있고, 중합 활성의 관점에서, 일반식 (3)의 이소폴리산 또는 그 산성염인 것이 바람직하다.
적합한 이소폴리산의 구체적인 예로서, 파라텅스텐산, 메타텅스텐산 등으로 예시되는 이소폴리텅스텐산, 파라몰리브덴산, 메타몰리브덴산 등으로 예시되는 이소폴리몰리브덴산, 메타폴리바나듐산, 이소폴리바나듐산 등을 들 수 있다. 이 중에서도, 중합 활성의 관점에서 이소폴리텅스텐산인 것이 바람직하다.
〔용제〕
중합반응을 균일하게 실시하기 위하여, 불휘발성의 프로톤산은 중합에 악영향이 없는 불활성 용제로 희석하고, 트리옥산 및/또는 코모노머에 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다. 불활성 용매로서 포름산, 초산, 프로피온산, 낙산 등의 탄소수 1~10의 저분자량 카르본산과, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-1-프로판올, 2-메틸-2-프로판올, 1-펜탄올, 3-메틸-1-부탄올, 1-헥산올 등의 탄소수 1~10의 저분자량 알코올의 축합으로 얻어지는 에스테르; 아세톤, 2-부탄온, 2-펜탄온, 3-펜탄온, 2-헥산온, 3-헥산온, 메틸이소부틸케톤, 메틸-t-부틸케톤 등의 탄소수 1~10의 저분자량의 케톤류를 바람직하게 들 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 공업적으로 입수가 용이한 점을 감안하면, 포름산메틸, 포름산에틸, 초산메틸, 초산에틸, 초산부틸, 아세톤, 2-부탄온, 메틸이소부틸케톤 등이 가장 적합하다. 중합 촉매는, 상기 불활성 용매에, 적합하게는 농도 1~30 중량/중량%로 용해되나, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 또한 트리옥산, 코모노머, 분자량 조절제 등의 어느 1종 또는 복수종의 일부량 또는 전체량에, 불휘발성의 프로톤산 소정량을 미리 혼합하고, 이 용액을 중합계에 첨가하여 중합을 실시하는 방법도 바람직하다.
<(S2) 중합반응공정>
다음으로, (S2) 중합반응공정에 대하여 설명한다. (S2) 중합반응공정은, 반응장치 전화율(후술하는 D/C)이 0.5가 될 때까지의 중합환경온도를 100℃ 이하로 하고, 이후 중합을 더 실시하여 반응 혼합물을 얻는 공정이다.
본 명세서에서, 중합환경온도란, 모노머 또는 폴리머의 주변 온도를 말하며, 본 발명의 반응장치에서는 배럴 등의 온도에 상당한다. 중합 초기의 중합환경온도를 억제하는 이유는, 중합 초기의 발생 중합열에 의한 모노머의 증발을 억제하기 위함이다. 중합 초기에 일단 증발 기화된 모노머는 중합성이 낮기 때문에, 반응장치내에서의 높은 중합 전화율을 달성하기 위해서는 모노머의 증발을 억제할 필요가 있다. 따라서, 중합 초기의 중합환경온도를 100℃ 이하로 규정한 것이다.
중합 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 일본공개특허 특개평 11-302349호 공보에 기재된 방법이 적합하다. 이 방법에서는, 트리옥산, 코모노머 및 불휘발성의 프로톤산을, 미리 액상상태를 유지하면서 충분히 혼합하여 얻은 반응 원료 혼합액을 중합 장치(1)에 공급하여 공중합반응을 실시한다. 이 방법에 의해, 촉매로서의 불휘발성의 프로톤산의 양을 억제할 수 있고, 결과적으로 포름알데히드 방출량이 보다 적은 폴리아세탈 공중합체를 얻는데 유리해진다.
<(S3) 미반응 모노머 기화분리공정>
(S3) 미반응 모노머 기화분리공정은, 얻은 반응 혼합물로부터 115℃ 이상 140℃ 미만의 환경온도에서 미반응 모노머를 기화 분리시키는 공정이다. 환경온도가 115℃ 미만일 경우, 모노머 회수가 불충분해지므로 반응장치로부터 회수 및 재공급되는 모노머(B)가 감소하고, 결과적으로 반응장치에 새롭게 공급되는 모노머(A)에 대한 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비D/A가 0.85이상을 만족시키지 못하고 제조 공정이 비효율적이 되어 경제성이 떨어진다. 또한 얻은 폴리아세탈 공중합체중의 잔존 모노머양이 과대해져 경제성, 품질이 떨어진다. 140℃을 넘으면, 분해 반응이 진행됨으로 인해 효율적으로 폴리아세탈 공중합체를 얻기 어려워진다.
본 명세서에서 환경온도란, 반응 혼합물의 주변 온도를 말한다. 배럴을 가지는 반응기의 후부를 이 공정에 적용할 경우에는 배럴의 온도도 환경온도가 된다.
기화 분리의 방법은 특별히 한정되지 않으나, 중합 촉매인 불휘발성의 프로톤산의 활성이 매우 높고, 단시간에 고전화율을 얻을 수 있다는 점, 더욱이 공정의 간략성의 관점에서, 기화 분리부(4)에서 감압, 흡인 또는 불활성 가스 기류의 유통기구를 설치하여 미반응 모노머의 기화 분리를 실시하는 것이 바람직하다.
다만, 필요에 따라 2단 이상의 중합 장치를 이용하여, 전단(前段)의 중합 장치에서 소정의 중합율까지 중합을 실시하고, 후단(後段)의 장치로 이동시켜 한층 더 중합반응을 계속하는 동시에 미반응 모노머를 기화사켜 분리하는 방법, 촉매 실활제 존재하에서 촉매의 실활과 동시에 미반응 모노머의 기화 제거를 병행하여 실시하는 방법 등 모두 가능하며, 또한 이들 이외의 각종 조합에 의한 실시형태를 채용할 수도 있다.
<(S4) 미반응 모노머 재공급공정>
(S4) 미반응 모노머 재공급공정은, (S3) 미반응 모노머 기화분리공정에서 얻은 미반응 모노머를 반응장치(1)에 재차 공급하는 공정이다.
종래 방법에서는 중합반응 후기에 미반응인 모노머는 이후의 촉매 실활 및 세정공정으로 조중합체로부터 제거되고, 저농도 용액으로 분리 포집되기 때문에, 재차 중합계에 공급될 때까지는 농축, 정제에 다량의 에너지를 필요로 하고, 또한 미반응 모노머의 회수를 단념할 경우 완전한 손실이 되므로, 어느 쪽이든 중합반응에서의 손실은 피할 수 없다.
한편, 본 발명에서는 촉매 실활이나 세정 등의 공정을 거치지 않고 미반응 모노머가 제거된다. 이 때문에, 미반응 모노머에 용제 등이 포함되지 않으므로 극히 간단한 정제 처리를 실시하는 것만으로 반응장치(1)에 재차 공급할 수 있다. 이로 인해, 미반응 모노머가 중합 손실은 되지 않는다. 즉, 중합기에 공급되는 전체 모노머(C)는, 새롭게 공급되는 모노머(A)에 더해, 중합기로부터 회수, 직접 재공급되는 모노머(B)로 이루어진다(C=A+B). 이 때문에, 새롭게 공급되는 모노머에 대하여, 얻어지는 조중합체의 비율이 매우 높아진다는 이점을 갖는다.
<(S5) 폴리아세탈 공중합체 회수공정>
(S5) 폴리아세탈 공중합체 회수공정은, 반응 혼합물로부터 폴리아세탈 공중합체를 회수하는 공정이다.
회수된 폴리아세탈 공중합체에 대하여, 일본공개특허 특개 2003-26746호 공보에 개시된 방법, 즉 폴리아세탈 공중합체에 대하여 세정 등을 실시하지 않고 그대로 고체 염기성 화합물을 첨가하여 용융혼련처리를 거치는 방법을 이용함으로써, 폴리아세탈 공중합체에 포함되는 중합 촉매(불휘발성의 프로톤산)의 실활을 완료할 수 있다.
상기 공정(S1)~(S5)를 거침으로써, 반응장치(1)에 새롭게 공급되는 모노머(A)와, 반응장치(1)로부터 회수 및 재공급되는 모노머(B)의 합으로 규정되는 전체 공급 모노머(C)(=A+B)에 대한 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/C)는 0.7 이상이 된다. 또한 반응장치(1)에 새롭게 공급되는 모노머(A)에 대한 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/A)는 0.85 이상이 된다.
[실시예]
이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하나, 본 발명이 이들로 한정되는 것은 아니다.
Figure pct00001
표 1에서의 약칭은 다음과 같다.
(코모노머)
DOXO: 1,3-디옥솔란
DOXP: 1,3-디옥세판
(중합 촉매)
HPA: 인몰리브덴산(불휘발성의 프로톤산)
IPA: 파라텅스텐산(불휘발성의 프로톤산)
BF3: 삼불화붕소(디부틸에테르 착체)(종래 공지된 중합 촉매)
<실시예 및 비교예>
도 1에 나타낸 반응장치(1)를 이용하여, 재킷(31~33)의 온도를 표 1과 같이 설정하고, 패들 선단의 회전 (周速度)가 0.5m/초가 되도록 2개의 회전축을 일정한 속도로 동일한 방향으로 회전시키고, 투입구(2)로 표 1에 나타낸 코모노머를 3.0중량%, 분자량 조절제로서 메틸알 700ppm을 함유하는 트리옥산을 연속적으로 공급하고, 동시에 표 1에 나타낸 중합 촉매를, 전체 공급 모노머에 대한 중합 촉매량이 표 1에 나타낸 양이 되도록 포름산메틸로 조정하여 연속 첨가함으로써, 트리옥산과 코모노머의 공중합을 실시하였다.
그리고, 기화 분리부(4)에서 미반응 모노머를 기화시켜 반응계에서 분리 제거하여 응집기(미도시)로 인도하여 포집하고, 새롭게 공급되는 모노머와 함께 투입구(2)로 반응장치(1)에 재차 공급하는 동시에, 폴리아세탈 공중합체 회수부(5)로부터 폴리아세탈 공중합체를 회수하였다.
<평가>
실시예 및 비교예에 대하여, 원료의 중합 전화율, 회수한 폴리아세탈 공중합체의 잔존 모노머 함량을 측정하였다.
[원료의 중합 전화율]
원료의 중합 전화율의 평가는, 회수한 폴리아세탈 공중합체의 전체 공급 모노머에 대한 중량비(%)와, 회수한 폴리아세탈 공중합체의 원료에 포함되는 모노머에 대한 중량비(%)의 2종류를 측정함으로써 실시하였다. 먼저, 원료에 포함되는 모노머의 중량(A)과, 전체 공급 모노머의 중량(C)를 측정하였다. 계속해서, 중합반응 후의 취득 생성물을 실활제 용액(트리에틸아민 2wt% 수용액)으로 세정 후, 건조시켜 얻은 중합체의 중량(D)를 측정하였다.
그리고, D/C×100 및 D/A×100을 계산하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
[잔존 모노머 함량]
잔존 모노머의 함량은, 회수한 폴리아세탈 공중합체를 트리에틸아민 2wt% 수용액으로 세정하고, 이 세정액중의 모노머의 함량을 가스 크로마토그래피에서 구하였다. 모노머 함량의 회수된 폴리아세탈 공중합체의 함량에 대한 중량%를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
<회수된 폴리아세탈 공중합체(D)의 전체 공급 모노머(C)(=A+B)에 대한 중량비(D/C)의 향상>
실시예 1~7과 비교예 1을 대비하면, 중합환경온도(재킷(1) 및 재킷(2))가 100℃를 넘은 경우에는, D/C가 크게 악화되어 0.5에 이르지 못함이 확인되었다. 실시예 1과 비교예 4를 대비하면, 중합반응의 촉매로서 불휘발성의 프로톤산을 이용함으로써, 중량비(D/C)를 크게 개선할 수 있음이 확인되었다.
<폴리아세탈 공중합체로부터의 미반응 모노머의 회수>
중합반응의 촉매로서 불휘발성의 프로톤산을 이용한 경우, 회수한 폴리아세탈 공중합체로부터 미반응 모노머를 회수할 수 있었다(실시예 1~7). 한편, 중합반응의 촉매로서 삼불화붕소(디부틸에테르 착체)를 이용한 경우, 폴리아세탈 공중합체로부터 미반응 모노머를 회수할 수 없었다(비교예 4). 이것은, 삼불화붕소계의 중합 촉매는 휘발성이기 때문에, 회수 모노머와 함께 휘발된 중합 촉매가 중합반응을 일으켜 중합물이 다량으로 생성되어, 모노머 회수 경로의 폐색을 일으키기 때문이다.
<회수한 폴리아세탈 공중합체(D)의 반응장치(1)에 새롭게 공급되는 모노머(A)에 대한 중량비(D/A)의 향상>
실시예 1~7과 비교예 2 또는 3을 대비하면, 재킷(3)을 115℃ 이상 140℃ 이하로 하여 모노머 회수를 실시한 경우, 중량비(D/A)를 더욱 개선할 수 있고, 이에 더해 잔존 모노머량도 감소된 것을 알 수 있다. 이것은 모노머 회수를 주된 모노머인 트리옥산의 비점 이상의 온도에서 실시함으로써 회수 효율이 향상된 것에 의한 것이라고 생각된다. 중합반응의 촉매로서 삼불화붕소(디부틸에테르 착체)를 이용한 경우, 상술한 바와 같이, 미반응 모노머는 회수할 수 없었다(비교예 4).
본 발명의 제조방법에 의하면, 종래 방법에 비해 간단하고 에너지적으로 유리한 공정으로 이후 공정에 적합한 폴리아세탈 공중합체를 얻을 수 있다.
1 반응장치
2 투입구
3 혼합부
4 기화 분리부
5 폴리아세탈 공중합체 회수부

Claims (7)

  1. 2개의 평행하고 서로 동일한 방향 또는 다른 방향으로 회전하는 축과, 각 축상에 장착된 다수의 패들과, 해당 패들 외주에 근접하는 배럴, 을 가지며, 주기적으로 패들의 장축단(長軸端)이 상대측의 단축단(短軸端)에 근접하도록 구성되고, 축방향의 일단에 설치된 투입구로부터 원료가 투입되고, 타단에 설치된 복수의 취출구로부터 반응 혼합물 및 미반응 모노머를 얻는 연속교반 혼합기 타입의 반응장치에, 트리옥산, 이 트리옥산과 공중합하는 코모노머, 및 불휘발성의 프로톤산을 포함하는 원료를 공급하는 원료공급공정과,
    상기 원료의 중합반응을 실시하여 반응 혼합물을 얻는 중합반응공정과,
    115℃ 이상, 140℃ 미만의 환경온도에서 상기 반응 혼합물로부터 미반응 모노머를 기화 분리시키는 기화분리공정과,
    상기 기화분리공정에서 분리시킨 모노머를 상기 원료공급공정에 공급하는 미반응 모노머 재공급공정과,
    상기 반응 혼합물로부터 폴리아세탈 공중합체를 회수하는 폴리아세탈 공중합체 회수공정, 을 포함하고,
    상기 중합반응공정은, 상기 반응장치에 새롭게 공급되는 모노머(A)와, 상기 반응장치로부터 회수 및 재공급되는 모노머(B)의 합으로 규정되는 전체 공급 모노머(C)에 대한 상기 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/C)가 0.5가 될 때까지의 중합환경온도를 100℃ 이하로 하고, 이후 더욱 중합을 실시하여 반응 혼합물을 얻는 공정으로,
    상기 D/C가 0.7 이상이고,
    상기 반응장치에 새롭게 공급되는 모노머(A)에 대한 상기 폴리아세탈 공중합체(D)의 중량비(D/A)가 0.85 이상인, 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불휘발성의 프로톤산은, 헤테로폴리산, 이소폴리산 또는 이들 산성염에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불휘발성의 프로톤산이 다음의 일반식(1)로 표시되는 헤테로폴리산 또는 그 산성염을 포함하는 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
    Hx[Mm·M＇nOl]·yH2O ··· (1)
    〔일반식(1)에서, M은 P 및/또는 Si에서 선택되는 중심 원소를 나타내고, M＇는 W, Mo, V에서 선택되는 1종 이상의 배위원소를 나타낸다. l는 10~100이고, m은 1~10이며, n는 6~40이고, x는 1이상이며, y는 0~50이다.〕
  4. 제3항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산 또는 그 산성염은, 인몰리브덴산, 인텅스텐산, 인몰리브드텅스텐산, 인몰리브드바나듐산, 인몰리브드텅스트바나듐산, 인텅스트바나듐산, 규텅스텐산, 규몰리브덴산, 규몰리브드텅스텐산, 규몰리브드텅스트바나듐산 또는 이들 산성염에서 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함하는 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 불휘발성의 프로톤산이 다음의 일반식 (2) 또는 (3)으로 표시되는 이소폴리산 또는 그 산성염을 포함하는 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
    xMI 2O·pMV 2O6·yH2O ···(2)
    xMI 2O·pMVI 2O6·yH2O ···(3)
    〔일반식 (2) 및 (3)에서, MI는 수소이나, 일부가 금속으로 치환되어 있을 수 있다. MV는 주기율표 V족의 V, Nb, Ta에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낸다. MVI는 주기율표 VI족의 Cr, Mo, W, U에서 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낸다. p 및 x는 1이상이고, y는 0~50이다.〕
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이소폴리산 또는 그 산성염은, 파라텅스텐산, 메타텅스텐산, 파라몰리브덴산, 메타몰리브덴산, 파라바나듐산, 메타바나듐산 또는 이들 산성염에서 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함하는 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
  7. 제1항에서 제6항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 코모노머는, 1,3-디옥솔란, 디에틸렌글리콜포르말, 1,4-부탄디올포르말, 에틸렌옥사이드에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 폴리아세탈 공중합체의 제조방법.
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