KR100700624B1 - 니오디뮴-탄소나노튜브 합성과, 이를 이용한 고 1,4-시스폴리부타디엔 제조방법 - Google Patents

니오디뮴-탄소나노튜브 합성과, 이를 이용한 고 1,4-시스폴리부타디엔 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니오디뮴-탄소나노튜브 합성과, 이를 이용한 고 1,4-시스 폴리부타디엔 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카르복실산이 표면에 형성된 탄소나노튜브를 리간드 교환하여 니오디뮴이 도입된 신규의 니오디뮴-탄소나노튜브와, 상기 니오디뮴-탄소나노튜브, 특정의 할로겐 화합물 및 특정의 유기금속 화합물을 일정비로 함유한 촉매와, 상기 촉매를 이용하여 시스 함량이 95% 이상이고, 분자량이 10,000 ∼ 2,000,000이면서 동시에, 상기 탄소나노튜브에 의해 탄성력 및 내구력 등의 기계적 물성이 우수한 고 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔의 제조방법에 관한 것이다.
니오디뮴-탄소나노튜브, 촉매, 높은 1,4-시스 함량 폴리부타디엔

Description

니오디뮴-탄소나노튜브 합성과, 이를 이용한 고 1,4-시스 폴리부타디엔 제조방법{Preparation of neodymium carbon nanotube and 1,4-butadiene polymerization using it}
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 카르복실산-탄소나노튜브의 적외선분광분석을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 니오디뮴-탄소나노튜브의 적외선분광분석을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 4에서 제조된 카르복실산-탄소나노튜브의 적외선분광분석을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 5에서 제조된 폴리부타디엔을 적외선분광분석한 미세구조 분석데이타이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에서 제조된 폴리부타디엔을 적외선분광분석을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 폴리부타디엔의 겔투과크로마토그래피를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에서 제조된 폴리부타디엔의 원자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 8는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 폴리부타디엔 용액을 나타낸 것이다.
도 9는 비교예 2에서 제조된 폴리부타디엔 용액을 나타낸 것이다.
본 발명은 니오디뮴-탄소나노튜브 합성과, 이를 이용한 고 1,4-시스 폴리부타디엔 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카르복실산이 표면에 형성된 탄소나노튜브를 리간드 교환하여 니오디뮴이 도입된 신규의 니오디뮴-탄소나노튜브와, 상기 니오디뮴-탄소나노튜브, 특정의 할로겐 화합물 및 특정의 유기금속 화합물을 일정비로 함유한 촉매와, 상기 촉매를 이용하여 시스 함량이 95% 이상이고, 분자량이 10,000 ∼ 2,000,000이면서 동시에, 상기 탄소나노튜브에 의해 탄성력 및 내구력 등의 기계적 물성이 우수한 고 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔의 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)는 미시적으로 하나의 탄소원자에 이웃하는 세 개의 탄소원자가 sp2 형태로 결합되어 있으며, 이러한 탄소원자간의 결합에 의해서 육각환형이 이루어지고 이러한 육각환형이 벌집형태로 반복된 평면이 말려 원통형 또는 튜브 형태를 가진다. 또한, 탄소나노튜브는 그 직경이 수 Å 내지 수십 ㎚이며, 그 길이는 수십 배 내지 수천 배 이상으로 긴 특성을 나타낸다고 알려져 있다.
이러한 탄소나노튜브는 나노크기의 흑연면이 실린더 구조로 둥글게 말린 형태를 가지고 있으며, 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 가지는 거대분자이며, 강도가 5TPa에 이를 정도로 금속이상의 높은 강도를 가지고 있다[J. Mater. Res. 1998, 13(9), 2418]. 또한, 물질의 전기적 특성이 구조와 직경 차이에 의해서 절연체로부터, 반도체 및 금속의 속성까지 나타낸다.
이는 흑연층이 나선형으로 감기면서 탄소나노튜브를 형성하기 때문에, 나선형을 변경하면 전자의 운동이 바뀌어지게 되며, 이 외에 흑연층을 이루는 탄소육각형에 결합에 의해 의자형 혹은 지그재그 방식 등이 있다.
탄소나노튜브 중에서는 직경이 가는 단일벽나노튜브(SWNT)나 다중벽나노튜브 (MWNT)등이 있고, 동일한 함량에서 단일벽나노튜브가 보다 효과적인 전도성 향상을 나타낸다. 또한, 타이어 응용면에서 탄소나노튜브 복합재료는 기존의 카본블랙이나 탄소섬유에 비해서 제품의 표면이 더욱 부드러우며, 카본블랙이 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있다. 특히, 정전기 문제로 실리카를 80% 이상 사용하기 어려운 타이어 제조에서 카본나노튜브를 사용할 경우 95% 이상 실리카를 사용할 수 있다[고분자과학과 기술 2005, 16(2), 162]. 분산이 잘 이루어 질 경우 탄소나노튜브와 폴리스티렌의 복합재료의 경우 1% 정도의 무게비로 40% 이상의 탄성률과 인장강도의 증가가 보고되었다[고분자과학과 기술 2005, 16(2), 176].
탄소나노튜브의 분산성을 향상시키고 메트릭스와 계면을 향상시키는 방법은 비공유결합을 이용한 물리적인 방법과 탄소소재 위에 화학적인 변형을 시켜 공유결합을 유도하는 방법이 있다.
한편, 1,3-부타디엔을 중합하여 폴리부타디엔을 제조하는 데 있어서 중합촉매로써, 란타늄 계열의 금속 즉, 주기율표상 원자번호 57의 란탄늄부터 71의 루테튬까지의 원소를 이용한 촉매계를 사용하는 방법은 니켈, 티타늄, 코발트 등의 전이금속 화합물을 사용하여 하나 또는 그 이상의 공액디엔을 중합하여 높은 1,4-시스 함량을 갖는 고분자를 제공하는 방법과 비교하여 볼 때, 매우 높은 시스 함량을 갖는 디엔 고분자를 제공할 수 있는 방법이다. 란타늄 계열의 금속 중에서도 세륨, 란타늄, 니오디뮴 및 가돌리늄 등이 촉매활성이 뛰어난 것으로 알려져 있으며, 그 중에서도 특히 니오디뮴의 촉매활성이 가장 우수한 것으로 알려져 있다.
WO 제97/36850호와 제98/39283호, 영국특허 제2,140,435호, 유럽특허 제512,346호와 제599,096호, 미국특허 제5,428,199호, 제5,449,387호 및 5,360,898호 그리고 Polymer(1985, vol 26, p147)등에서는 란탄나이드 카르복실레이트염을 란타나이드 클로라이드, 란타나이드 나이트레이트 또는 란타나이드 옥사이드와 카르복실레이트 수용액과 반응시킨 후, 유기용제로 추출하여 폴리부타디엔을 제조하는 방법을 제시하고 있다.
이러한 희토류계 촉매는 일반적으로 니오디뮴 화합물, 유기 알루미늄 조촉매 및 할로겐 화합물로부터 제조되고 있으며, 이중 니오디뮴 카르복실레이트가 특히 효과적이라는 것이 입증되어 있다.
그러나, 이러한 방법들에 의해서는 니오디뮴 촉매의 활성이 불과 7% 밖에 되 지 않으며, 특히 겔이 형성되는 문제가 있었다. 이것은 기존의 니오디뮴 카르복실기가 다량 존재하고, 이 올리고머가 겔을 형성시키고 수율을 저하시키는 역할을 하며 결과적으로 활성이 낮아지는 데 기인한다. 특히, 나이트레이트, 클로라이드, 설페이트류와 같은 염은 생성물에 함유되어 있을 때 제거가 쉽지 않고, 니오디뮴 화합물을 합성할 때 사용되는 물, 알코올, 에테르, 디메틸포름아마이드 등 용매가 니오디뮴 화합물과 배위하여 촉매의 활성도 및 촉매의 응집을 촉진한다[Polyhedron 1989, vol 8(17), p2183; J. Mater. Chem. 1998, vol 8, p2737].
종래 니오디뮴 카르복실레이트를 사용하여 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 제조하는 방법은 예를들면 니오디뮴 카르복실레이트 화합물, 알킬알루미늄 화합물 및 루이스산으로 이루어진 촉매와 비극성 용매 존재하에 1,4-시스-폴리부타디엔을 제조하는 방법이 유럽특허 제11184호 및 미국특허 제4,260,707호와 제5,017,539호에 기재되어 있다.
이에, 본 발명자들은 신규의 촉매를 이용하여 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리디엔을 제조하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 카르복실산이 표면에 형성된 탄소나노튜브를 리간드 교환법에 의하여 니오디뮴이 도입된 신규의 니오디뮴-탄소나노튜브를 제조하고, 상기 니오디뮴-탄소나노튜브를 함유한 촉매하에서 95% 이상의 시스 함량을 갖는 폴리디엔인 높은 1,4-시스 폴리디엔을 제조하여, 상기 니오디뮴-탄소나노튜브가 촉매 역할을 하면서 동시에 보강재 역할을 수행하므로, 제 조된 폴리디엔의 시스 함량이 95% 이상이고, 분자량이 10,000 ∼ 2,000,000이고, 탄성력 및 내구력 등의 기계적 물성이 향상된다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 신규의 니오디뮴-탄소나노튜브와, 이를 함유한 촉매 및 상기 촉매를 이용하여 시스 함량이 높으면서 동시에 탄성력 및 내구력 등의 기계적 물성이 향상된 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리디엔의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 니오디뮴-탄소나노튜브에 그 특징이 있다.
[화학식 1]
Ndx(CNT)(A)y·(HA)q
상기 화학식 1에서, A는 C8 ∼ C20인 카르복실레이트이고, HA는 카르복실산이고, CNT는 탄소나노튜브이고, x는 CNT에 결합되어 있는 니오디뮴 원자의 개수이고, y는 카르복실레이트 그룹의 개수이고, q는 CNT에 결합되어 있는 카르복시산의 개수이며, 이때 y = 3x 이고, 0 ≤ q/x ≤ 10이다.
상기 니오디뮴-탄소나노튜브는 탄소나노튜브를 산화반응을 수행하여 카르복실산을 탄소나노튜브 표면에 형성시킨 카르복실산-탄소나노튜브와, 니오디뮴화합물 리간드 교환법에 의하여 형성된다. 이때, 상기 탄소나노튜브는 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명에서는 직경이 10 ∼ 10000 ㎚이고, 외경이 1 ∼ 50 ㎚이며, 단일벽 또는 다중벽을 갖는 것을 사용한다. 이러한 탄소나노튜브의 산화는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 과산화수소수, 질산, 황산-질산 혼합용액 등의 산 용액을 이용하는 방법이나, 음이온과 이산화탄소를 이용하는 방법 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 그 효과가 보다 우수한 산 용액을 이용하는 방법을 사용하여 카르복실산-탄소나노튜브를 형성한다. 카르복실산은 유기용매에 대한 용해도가 뛰어나 반응 공정이 용이하고, 특히 희토류 금속과의 반응성이 좋아 본 발명에서는 이를 사용하는 바, 이러한 카르복실산은 C8 ∼ C20인 포화, 불포화, 환형 및 선형구조를 갖는 것으로 구체적으로 예를 들면 옥토에이트산, 나프터네이트산, 버스테에이트산 및 스티어에이트산 등이 사용될 수 있다.
또한, 니오디뮴 화합물은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 리간드 교환 수행에 용이하도록 용해 또는 해리 가능한 형태가 바람직하며, 구체적으로 니오디뮴 아세테이트, 니오디뮴 나이트레이트, 니오디뮴 설페이트 및 니오디뮴 클로라이드 등을 선택 사용할 수 있다.
상기 리간드 반응 시 니오디뮴 이외에 이종의 희토류 금속, 구체적으로 예를 들면 세륨, 란탄늄, 가돌리움 등을 추가로 사용할 수 있는 데, 이는 일반적으로 니오디뮴이 산화하는 경우 +3을 가지므로 탄소나노튜브 이외에 다른 리간드 결합이 용이하기 때문이다.
다음으로, 본 발명은
(1) 상기 화학식 1로 표시되는 니오디뮴-탄소나노튜브;
(2) 다음 화학식 2로 표시되는 할로겐 화합물; 및
(3) 다음 화학식 3으로 표시되는 유기금속화합물을 함유하여 이루어진 디엔 중합용 촉매에 특징이 있다.
[화학식 2]
(R1)nAlXn-3
상기 화학식 2에서, R1은 C1 ∼ C10의 알킬기, 아릴기 또는 수소원자이고, X는 할로겐 원자이고, n은 1 또는 2의 정수이다:
[화학식 3]
M(R2)r
상기 화학식 3에서, R2는 C1 ∼ C10의 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 아릴알킬기, 알콕시기 또는 수소원자이고, M은 Al, Mg 및 Li 중에서 선택된 금속원자이며, 1 ≤ r ≤ 3이다.
본 발명자들에 의해 대한민국 특허등록 제10-295600호에, 니오디뮴 화합물, 유기주석할라이드 화합물, 유기알루미늄화합물 및 콘주게이티드 디엔 화합물을 일정량 혼합하여 숙성된 촉매를 사용하여 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리부타디엔을 제조하는 방법에 관한 것이 공지된 바 있다.
본 발명은 일반적인 지글러-나타 형태의 촉매로, 신규의 니오디뮴-탄소나노튜브, 루이스 산인 할로겐 화합물 및 유기금속화합물을 일정 성분비로 함유한 디엔 중합체용 촉매에 특징이 있는 것이다. 즉, 니오디뮴 금속의 활성으로 촉매역할 을 수행하고, 동시에 상기 탄소나노튜브가 골고루 분산되어 제조된 폴리부타디엔의 탄성력 인장강도가 향상시키게 된다. 이와 같은 효과는 단순히 니오디뮴과 탄소나노튜브의 혼합으로 불가능한 바, 이유는 탄소나노튜브의 고른 분산이 불가능하기 때문이다. 본 발명의 경우 촉매역할을 하는 니오디뮴이 탄소나노튜브의 표면 상부에 결합되어 있고, 결합된 촉매 말단에서 고분자가 성장하므로 고른 분산성을 유도하게 되는 것이다.
이때, 상기 유기금속화합물 중금속 성분으로 알루미늄인 것이 바람직하며, 구체적으로 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리헥실알루미늄 및 디이소부틸알루미늄하이드라이드 등을 사용할 수 있다.
상기한 니오디뮴 원자에 대한 할로겐 원자는 1 ∼ 10 몰비 범위로 사용되는 바, 상기 사용량이 1 몰 미만이면 반응이 잘 일어나지 않고 10 몰을 초과하는 경우에는 겔이 형성되는 문제가 발생한다. 또한, 니오디뮴 원자에 대한 유기금속은 10 ∼ 200 몰비 범위로 사용되는 바, 상기 사용량이 10 몰 미만이면 반응이 잘 일어나지 않고, 200 몰을 초과하는 경우에는 반응속도 조절이 어렵다.
다음으로 본 발명은 상기한 디엔 중합용 촉매를 이용하여, 비극성 용매 존재하에서 디엔 화합물과 반응시켜 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리디엔을 제조하는 방법에 또 다른 특징이 있다.
상기 디엔 화합물은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 공액결합이 있는 화합물로 구체적으로 1,3-부타디엔, 이소프렌, 1,3-펜타디엔, 2,3-디메틸-1,3- 부타디엔 또는 미르센 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 비극성 용매는 촉매 성분과 반응성이 없는 것을 사용하는 것이 바람직한 바, 부탄, 펜탄, 헥산, 이소펜탄, 헵탄, 옥탄, 이소옥탄 등의 알리파틱 탄화수소, 시클로펜탄, 메틸시클로펜탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산 등의 시클로알리파틱 및 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등과 같은 방향족 탄화수소 등을 사용할 수 있다. 이러한 비극성 용매는 고분자 중합에 큰 영향을 미치므로 산소와 물이 제거된 질소분위기 상태로, 부타디엔에 대하여 300 ∼ 1000 중량% 범위로 사용하는 것이 좋다. 상기 사용량이 300 중량% 미만이면 용액점도가 높고, 반응열 제어하기가 어렵고 1000 중량%를 초과하는 경우에는 반응속도가 느린 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
이러한 디엔 중합 시 반응온도는 -20 ∼ 100 ℃에서 30 분 ∼ 3 시간 범위로 수행하는 것이 바람직하다. 이후에 반응 후 산화방지제인 2,6-디-t-부틸파라크레졸을 첨가한 후 메틸알콜 또는 에틸알콜에 침전시켜 얻는다.
상기에 의해 시스 함량이 95% 이상이며, 분자량이 10,000 ∼ 2,000,000인 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리디엔이 제조된다.
이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 : 니오디뮴-탄소나노튜브 제조
제조예 1
탄소나노튜브 1.5 g에 질산 20 mL을 투입하여 상온에서 5시간 동안 환류시켰다. 이후에 필터하여 걸러진 고체를 물과 아세톤을 이용하여 세척하고 건조하여 카르복실산-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 카르복실산-탄소나노튜브의 카르복실기 생성을 확인하기 위하여 적외선분광분석을 수행하였다. 그 결과, 다음 도 1에서 나타낸 바와 같이, υOH = 3420, 3175 ㎝- 1와 υC=O = 1719 ㎝- 1으로 카르복실기를 확인할 수 있었다.
상기에서 건조된 카르복실산-탄소나노튜브 1.5 g을 클로로벤젠 50 mL에 분산시킨 후, 니오디뮴 아세테이트 1.5 g을 투입하여 교반 및 환류를 시켰다. 이때, 반응으로 발생되는 초산과 물을 딘-스탁 기구를 이용하여 제거하였다. 이후에, 용매인 클로로벤젠을 제거한 후, 니오디뮴-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 니오디뮴-탄소나노튜브의 니오디뮴의 생성을 확인하기 위하여 적외선분광분석을 수행하였다. 그 결과, 다음 도 2에서 살펴본 바와 같이, υ(cm-1) = 1690으로 니오디뮴이 치환되었다는 것을 확인할 수 있었다.
제조예 2
탄소나노튜브 15 g을 물 500 mL에 분산시키고, 20% 과산화수소수 200 mL를 투입하여, 상온에서 24 시간 동안 교반하였다. 이후에 필터하여 걸러진 고체를 아세톤을 이용하여 세척하고 건조하여 카르복실산-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 카르복실산-탄소나노튜브의 적외선분광분석을 수행하여 카르복실기 생성을 확인하였다.
상기에서 건조된 카르복실산-탄소나노튜브 15 g을 클로로벤젠 500 mL에 분산시킨 후, 니오디뮴 아세테이트 15 g을 투입하여 교반 및 환류를 시켰다. 이때, 반응으로 발생되는 초산과 물을 딘-스탁 기구를 이용하여 제거하였다. 이후에, 용매인 클로로벤젠을 제거한 후, 니오디뮴-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 니오디뮴-탄소나노튜브의 니오디뮴의 생성을 확인하기 위하여 적외선분광분석을 수행하였다. 그 결과, 니오디뮴이 치환되었다는 것을 확인할 수 있었다.
제조예 3
탄소나노튜브 15 g에, 황산과 질산이 3:1로 혼합된 산용액 200 mL를 투입하여 3시간동안 환류 시켰다. 이후에 필터하여 걸러진 고체를 물과 아세톤을 이용하여 세척하고 건조하여 카르복실산-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 고체를 건조기에서 건조한 후, 생성된 카르복실산-탄소나노튜브를 적외선분광기를 통하여 카르복실기의 생성을 확인하였다.
상기에서 건조된 카르복실산-탄소나노튜브 15 g을 클로로벤젠 500 mL에 분산시킨 후, 니오디뮴 아세테이트 15 g을 투입하여 교반 및 환류를 시켰다. 이때, 반응으로 발생되는 초산과 물을 딘-스탁 기구를 이용하여 제거하였다. 이후에, 용매인 클로로벤젠을 제거한 후, 니오디뮴-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 니오디뮴-탄소나노튜브의 니오디뮴의 생성을 확인하기 위하여 적외선분광분석을 수행하였다. 그 결과, 니오디뮴이 치환되었다는 것을 확인할 수 있었다.
제조예 4
건조된 탄소나노튜브 10 g를 수분이 없는 사이클로헥산에 초음파를 통해 분산시킨 후, 상기 분산된 카본나노튜브 혼합물에 1.2 M의 뷰틸리튬 60 mL을 천천히 투입하였다. 상기 혼합물을 상온에서 2시간 교반을 한 후, 드라이아이스 5 g을 반응기에 투입하여 추가로 1시간 교반하였다. 이후에 물 500 mL을 투입하여 교반하여 얻어진 고체를 거른 후, 건조하여 카르복실산-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 카르복실산-탄소나노튜브를 적외선분광 분석하여 카르복실기의 생성(υC=O = 1719 ㎝-1)을 확인하였다.
상기에서 건조된 카르복실산-탄소나노튜브 (15 g)을 클로로벤젠 500 mL에 분산시킨 후, 니오디뮴 아세테이트 (15 g)을 투입하여 교반 및 환류를 시켰다. 이때, 반응으로 발생되는 초산과 물을 딘-스탁 기구를 이용하여 제거하였다. 이후에, 용매인 클로로벤젠을 제거한 후, 니오디뮴-탄소나노튜브를 얻었다.
상기에서 얻어진 니오디뮴-탄소나노튜브의 니오디뮴의 생성을 확인하기 위하여 적외선분광분석을 수행하였다. 그 결과, 니오디뮴이 치환되었다는 것을 확 인할 수 있었다.
실시예 : 디엔계 중합체의 제조
실시예 1
상기 제조예 1에서 얻어진 니오디뮴-카본나노튜브(1.0% 시클로헥산 용액, 2% CNT), 염화디에틸알루미늄(1M 시클로헥산 용액), 디이소부틸알루미늄 하이드라이드(15% n-헥산 용액) 및 트리이소부틸알루미늄(1M 헵탄 용액)을 각각 1:10:5:3 몰비로 혼합하여 단분자 100 g 당 3.0 × 10-4 몰의 니오디뮴 촉매를 제조하였다. 이때, 중합용매는 단량체 함량에 대하여 중량비로 5 배를 사용하였다.
5-L 압력 유리 반응기에 질소를 충분히 불어 넣어준 후 시클로헥산 중합용매, 촉매를 정해진 양만큼 가하고 단량체인 부타디엔 400 g을 넣고 70 ℃에서 60분간 반응시켰다.
상기에서 얻어진 중합물을 적외선분광 분석하여 미세구조를 확인하여 도 4, 5에 나타내었으며, 도 6에 분자량 데이터를 나타내었다. 또한, 0.1% 톨루엔 용액을 실리콘 웨이퍼 위에 1 ∼ 2 방울 떨어뜨린 후, 70 ℃의 진공하에서 1시간 동안 건조한 후, tapping mode(Resonance Frequency : 120 kHz)에서 원자현미경을 측정하여 그 결과를 다음 도 7에 나타내었다.
실시예 2
상기 실시예 1와 동일하게 실시하되, 상기 제조예 2에서 얻어진 니오디뮴-카본나노튜브(1% 시클로헥산 용액, CNT 10%)를 사용하여 중합반응을 수행하고, 얻어진 중합체의 미세구조, 분자량 및 분자량 분포도, 무니점도 및 용액점도을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 3
상기 실시예 1와 동일하게 실시하되, 상기 제조예 3에서 얻어진 니오디뮴-카본나노튜브(1% 시클로헥산 용액, CNT 10%)를 사용하여 중합반응을 수행하고, 얻어진 중합체의 미세구조, 분자량 및 분자량 분포도, 무니점도 및 용액점도을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 4
상기 실시예 1와 동일하게 실시하되, 상기 제조예 4에서 얻어진 니오디뮴-카본나노튜브(1% 시클로헥산 용액, CNT 20%)를 사용하여 중합반응을 수행하고, 얻어진 중합체의 미세구조, 분자량 및 분자량 분포도, 무니점도 및 용액점도을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 니오디뮴 버스테이트(1% 시클로헥산 용액)를 이용한 중합반응을 수행하고 얻어진 중합체의 미세구조, 분자량 및 분자량 분포도, 무니점도 및 용액점도을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 니오디뮴 버스테이트를 이용한 중합반응을 수행하기 전 카본나노튜브 1.6 g을 용매에 투입하여 중합반응을 수행하고 얻어진 중합체의 미세구조, 분자량 및 분자량 분포도, 무니점도 및 용액점도을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
구 분 촉매 함량 (%) 중량 평균 분자량 (Mw) 분자량 분포도 (MWD) 무니 점도 (ML1+4, 100 ℃) 용액 점도 (5.3%, 25 ℃) 전도도 (S/cm) 저온 흐름성 (mg/min)
시스 트렌스 비닐
실시예1 Nd-CNT 97.6 1.8 0.6 609000 3.31 29.5 128 3.6 × 10-9 0.7
실시예2 Nd-CNT 98.2 1.4 0.4 867000 2.66 35.0 217 7.9 ×10-8 0.6
실시예3 Nd-CNT 98.6 1.1 0.3 923000 2.80 39.5 355 2.1 × 10-7 0.5
실시예4 Nd-CNT 98.4 1.2 0.4 653000 3.28 27.5 289 1.1 × 10-8 0.9
비교예1 NdHV4 98.0 1.5 0.5 712000 2.59 33.0 298 1.5 × 10-15 2.9
비교예2 NdHV4 98.3 1.7 0.6 799000 2.79 35.5 327 7.3 ×10-14 2.5
상기 표 1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 신규의 니오디뮴-탄소나노튜브를 함유한 촉매를 사용한 경우, 비교예 1과 같은 중합결과를 얻었다. 실시예 1 ∼ 4의 경우 시스 함량이 97% 이상이고, 중량평균분자량 600000 ∼ 950000이고, 분자량 분포도가 2.5 ∼ 3.5이고, 무니점도가 25 ∼ 40이며, 용액점도가 120 ∼ 370정도의 범위를 유지하게 된다. 또한, 실시예 1 ∼ 4는 전기 전도적인 성질과 구조적인 강화제 역할에 의해 전도도에서 비교예 1에 비해 10000배 이상 우수한 전도도를 보이며, 저온흐름성에서도 3배 이상 흐름을 막아주는 보강제 역할을 한다. 특히, 비교예 2는 탄소나노튜브를 함유하나 분산이 되지 않고 엉겨 있어 본 발명과 효과상의 차이가 확연히 들어난다는 것을 확인할 수 있었다.
다음 도 8과 도 9는 각각 실시예 1과 비교예 2에서 제조된 폴리디엔 용액을 사진을 나타낸 것으로, 실시예 1의 탄소나노튜브의 경우 중합물내에 고르게 분산하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 다음 표 2는 상기와 같은 고른 분산으로 인하여 실시예 2와 3의 물성과, 단순히 탄소나노튜브를 추가한 비교예 1 또는 비교예 2의 물성을 측정하여 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예가 탄성력 및 내구성 등의 기계적 물성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
시험항목 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
MV (100 ℃) 35.0 39.5 33.0 35.5
300%-모듈러스 (kgf/cm2) 121.6 129.5 106.5 101.4
인장강도 (kgf/cm2) 189.4 207.7 140.0 145.9
리바운드(REBOUND) (%) 56.4 57.3 49.3 50.6
피코 마모 (PICO ABRASION) (mg) 12.9 12.5 17.8 17.0
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 신규의 니오디뮴-카본나노튜브가 함유된 촉매를 이용하여 부타디엔 중합촉매로 이용하는 경우, 촉매와 동시에 보강제 역할을 동시에 수행하여 시스 함량이 95% 이상이고 전기전도도와 저온흐름성이 향상된 고 1,4-시스 폴리부타디엔의 제조가 가능하다.

Claims (6)

  1. 다음 화학식 1로 표시되는 니오디뮴-탄소나노튜브:
    [화학식 1]
    Ndx(CNT)(A)y·(HA)q
    상기 화학식 1에서, A는 C8 ∼ C20인 카르복실레이트이고, HA는 카르복실산이고, CNT는 탄소나노튜브이고, x는 CNT에 결합되어 있는 니오디뮴 원자의 개수이고, y는 카르복실레이트 그룹의 개수이고, q는 CNT에 결합되어 있는 카르복시산의 개수이며, 이때 y = 3x 이고, 0 ≤ q/x ≤ 10이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 A는 네오데칸오에이트, 옥토에이트, 스티어에이트 및 나프터네이트 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 니오디뮴-탄소나노튜브.
  3. (1) 다음 화학식 1로 표시되는 니오디뮴-탄소나노튜브;
    (2) 다음 화학식 2로 표시되는 할로겐 화합물; 및
    (3) 다음 화학식 3으로 표시되는 유기금속화합물을 함유하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디엔 중합용 촉매:
    [화학식 1]
    Ndx(CNT)(A)y·(HA)q
    상기 화학식 1에서, A는 C8 ∼ C20인 카르복실레이트이고, HA는 카르복실산이고, CNT는 탄소나노튜브이고, x는 CNT에 결합되어 있는 니오디뮴 원자의 개수이고, y는 카르복실레이트 그룹의 개수이고, q는 CNT에 결합되어 있는 카르복시산의 개수이며, 이때 y = 3x 이고, 0 ≤ q/x ≤ 10이다;
    [화학식 2]
    (R1)nAlXn-3
    상기 화학식 2에서, R1은 C1 ∼ C10의 알킬기, 아릴기 또는 수소원자이고, X는 할로겐 원자이고, n은 1 또는 2의 정수이다;
    [화학식 3]
    M(R2)r
    상기 화학식 3에서, R2는 C1 ∼ C10의 알킬기, 시클로알킬기, 아릴기, 아릴알킬기, 알콕시기 또는 수소원자이고, M은 Al, Mg 및 Li 중에서 선택된 금속원자이며, 1 ≤ r ≤ 3이다.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 할로겐 화합물은 니오디뮴 원자 1몰 기준으로 할로겐 원자가 1 ∼ 20 몰인 것을 특징으로 하는 디엔 중합용 촉매.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 유기금속 화합물은 니오디뮴 원자 1몰 기준으로 유기금속이 20 ∼ 100 몰인 것을 특징으로 하는 디엔 중합용 촉매.
  6. 비극성 용매 존재하에서 디엔 화합물 중합하여 폴리디엔을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 중합은 상기 청구항 3 내지 5 중에서 선택된 어느 하나의 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 높은 1,4-시스 함량을 갖는 폴리디엔의 제조방법.
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