KR102046543B1 - 하이드로플루오로올레핀 화합물을 함유하는 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, HFO 화합물을 함유하는 조성물로서, HFO 화합물의 분해나 산화가 억제되어 안정성이 뛰어나고, 또한 HFO 화합물만을 이용한 경우와 비교해서 열매체로서 사용한 경우의 냉동 능력이 향상된 조성물을 제공한다. 본 발명은, 구체적으로는, HFO-1234yf, (E-/Z-)HFO-1234ze 및 (E-/Z-)HFO-1225ye로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 HFO 화합물과 함염소 화합물을 함유하는 조성물로서, (1)상기 함염소 화합물은, CH2=CHCl, CHF=CHCl, CH2=CFCl, CF3Cl, CH3Cl, CF3CH2Cl, CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며, (2)상기 함염소 화합물의 함유량은, 1~500000질량ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 조성물을 제공한다.

Description

하이드로플루오로올레핀 화합물을 함유하는 조성물
본 발명은, 열매체, 발포제, 용매, 세정제, 분사제, 소화제(消火劑) 등의 용도에 유용한 하이드로플루오로올레핀(HFO) 화합물을 함유하는 조성물에 관한 것이다.
일반식:CF3(CX2)nCF=CH2, 일반식:CF3(CX2)nCH=CHF 등으로 표시되는 하이드로플루오로올레핀(HFO)은, 각종 기능성 재료, 용매, 냉매, 발포제, 기능성 중합체의 모노머 또는 그들의 원료 등으로서 유용한 화합물이며, 예를 들면, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체의 개질용 모노머로서 이용되고 있다.
상기 HFO 화합물 중에서, CF3CF=CH2(HFO-1234yf), CF3CH=CHF((E-/Z-)HFO-1234ze) 및 CF3CF=CHF((E-/Z-)HFO-1225ye)는, 근래, 지구 온난화 계수(GWP)가 낮은 냉매로서 유망시되고 있다.
상기 일반식으로 표시되는 HFO 화합물의 제조 방법의 하나로서, 같은 탄소수를 갖는 함염소 알칸 또는 함염소 알켄을 원료로 하여 촉매의 존재하에서 무수 불화 수소 등의 불소화제와 반응시키는 방법이 보고되어 있다(특허문헌 1 등).
그러나, HFO 화합물은 이중 결합을 갖기 때문에 종래부터 열매체(냉매)로서 사용되고 있는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 하이드로플루오로카본(HFC) 등과 비교해서 안정성이 낮다. 그 때문에, 예를 들면, 공조 기기의 열매체로서 HFO 화합물을 사용하는 경우에는, 사용 조건에 따라, 혼입한 공기나 산소와 반응하거나, 공조 기기의 내부에서 열매체와 접촉하는 부품과의 사이에서 반응하거나, HFO 화합물 자체가 분해하거나 하는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 공조 기기의 성능이 저하하는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에 HFO 화합물의 안정성을 높일 필요가 있다.
또, 공조 기기의 성능은 기기의 개량에 따라 향상해 오고 있지만, 기기의 개량에 따른 성능 향상에는 한계가 있고, 열매체로서의 HFO 화합물에 첨가제를 더함으로써 냉동 능력 등을 향상시키는 시도가 이루어지고 있다.
US20110160497
본 발명은, HFO 화합물을 함유하는 조성물로서, HFO 화합물의 분해나 산화가 억제되어 안정성이 뛰어나고, 또한 HFO 화합물만을 이용한 경우와 비교해서 열매체로서 사용한 경우의 냉동 능력이 향상된 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 당해 안정성이 뛰어난 조성물의, 열매체, 발포제, 용매, 세정제, 분사제, 소화제 등에의 사용을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 특정의 HFO 화합물과 특정의 함염소 화합물을 함유하는 조성물에 의하면, 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 알아내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 하기의 HFO 화합물을 함유하는 조성물에 관한 것이다.
1. HFO-1234yf, (E-/Z-)HFO-1234ze 및 (E-/Z-)HFO-1225ye로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 HFO 화합물과 함염소 화합물을 함유하는 조성물로서,
(1)상기 함염소 화합물은, CH2=CHCl, CHF=CHCl, CH2=CFCl, CF3Cl, CH3Cl, CF3CH2Cl, CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며,
(2)상기 함염소 화합물의 함유량은, 1~500000질량ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 조성물.
2. 상기 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 6질량ppm 초과 500000질량ppm 이내인, 상기 항 1에 기재된 조성물.
3. 상기 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 10000~400000질량ppm인, 상기 항 1에 기재된 조성물.
4. 상기 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 100000~300000질량ppm인, 상기 항 1에 기재된조성물.
5. 상기 HFO 화합물과 상기 함염소 화합물의 혼합물이 공비성(共沸性) 또는 의사공비성(擬似共沸性)인, 상기 항 1~4 중 어느 하나에 기재된 조성물.
6. 상기 HFO 화합물과, CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종의 함염소 화합물의 혼합물이 공비성 또는 의사공비성인, 상기 항 1~4 중 어느 하나에 기재된 조성물.
7. 상기 함염소 화합물이 CF3Cl, CH3Cl, CF3CH2Cl, CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 1~10000질량ppm인, 상기 항 1에 기재된 조성물.
8. HFC-32, HFC-134a, HFC-125, HFC-143a 및 HFC-23으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 HFC 화합물을 더 함유하는, 상기 항 1~7 중 어느 하나에 기재된 조성물.
9. 폴리알킬렌글리콜, 에스테르, 폴리비닐에테르 및 알킬벤젠으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 윤활유를 더 함유하는, 상기 항 1~8 중 어느 하나에 기재된 조성물.
10. 물을 더 함유하고, 또한, 당해 물의 함유량이 1000질량ppm 이하인, 상기 항 1~9 중 어느 하나에 기재된 조성물.
11. 열매체, 발포제 및 분사제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인, 상기 항 1~10 중 어느 하나에 기재된 조성물.
본 발명의 HFO 화합물을 함유하는 조성물은, 특정의 HFO 화합물과 특정의 함염소 화합물을 함유하고, 또한, 함염소 화합물의 함유량이 1~500000질량ppm의 범위로 규정되어 있음으로써, HFO 화합물의 분해나 산화가 억제되어 안정성이 뛰어나고, 또한, HFO 화합물만을 이용한 경우와 비교해서 열매체로서 사용한 경우의 냉동 능력이 향상되어 있다. 따라서, 본 발명의 조성물은, 열매체, 발포제, 용매, 세정제, 분사제, 소화제 등의 용도에 적합하게 이용할 수 있다.
도 1은, 실시예 1에 있어서, HFO-1234yf와 CH2=CHCl(염화비닐)을 혼합한 조성물의 카 에어콘에 있어서의 냉동 능력의 시뮬레이션 평가를 행한 결과를 나타내는 도면이다. 도 1 중, R1140은 염화비닐을 의미한다.
도 2는, 실시예 2에 있어서, HFO-1234yf와 CH2=CHCl(염화비닐)을 혼합한 조성물의 기액 평형을 측정한 결과를 나타내는 도면이다. 도 2 중, R1140은 염화비닐을 의미한다.
본 발명의 HFO 화합물을 함유하는 조성물은, HFO-1234yf, (E-/Z-)HFO-1234ze 및 (E-/Z-)HFO-1225ye로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 HFO 화합물과 함염소 화합물을 함유하는 조성물로서,
(1)상기 함염소 화합물은, CH2=CHCl, CHF=CHCl, CH2=CFCl, CF3Cl, CH3Cl, CF3CH2Cl, CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며,
(2)상기 함염소 화합물의 함유량은, 1~500000질량ppm의 범위인 것을 특징으로 한다. 여기서, 본 명세서에 있어서의 본 발명의 HFO 화합물을 함유하는 조성물은, HFO 화합물 및 함염소 화합물만으로 이루어지는 조성물의 형태도 포함한다. 또, 본 명세서에 있어서의 함염소 화합물의 함유량은, 조성물 전체에 있어서의 함유량을 의미한다.
또한, 본 명세서에 있어서의 수치 범위는, 「미만」및 「초과」의 용어를 사용하는 개소 이외는, 하한치 및 상한치를 포함한 의미이다. 예를 들면, 1~500000질량ppm은 1질량ppm 이상 500000질량ppm 이하를 의미한다.
상기 특징을 갖는 본 발명의 조성물은, 특정의 HFO 화합물과 특정의 함염소 화합물을 함유하고, 또한, 함염소 화합물의 함유량이 1~500000질량ppm의 범위로 규정되어 있음으로써, HFO 화합물의 분해나 산화가 억제되어 안정성이 뛰어나고, 또한 HFO 화합물만을 이용한 경우와 비교해서 열매체로서 사용한 경우의 냉동 능력이 향상되어 있다. 따라서, 본 발명의 조성물은, 열매체, 발포제, 용매, 세정제, 분사제, 소화제 등의 용도에 적합하게 이용할 수 있다.
본 발명의 조성물은, HFO 화합물로서 HFO-1234yf, (E-/Z-)HFO-1234ze 및 (E-/Z-)HFO-1225ye로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 이용한다. 여기서, (E-/Z-)는, E체, Z체로 표시되는 기하 이성체의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 것을 나타낸다. 또, HFO는 하이드로플루오로올레핀을 의미하고, 이른바 HFC(하이드로플루오로카본) 및 HCFC(하이드로클로로플루오로카본)와는 구별되는 용어이다.
상기 HFO 화합물은, 공지의 제조 방법에 의해 얻어진 것을 사용할 수 있다. 제조 방법의 일례로서는, 플루오로알칸을 촉매의 존재하, 탈불화 수소 반응에 제공하는 방법을 들 수 있다(예를 들면, 일본국 특허 공표2012-500182호 공보에 기재된 방법).
구체적으로, HFO 화합물이 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf)이면, 원료로서 1,1,1,2,3-펜타플루오로프로판이나 1,1,1,2,2-펜타플루오로프로판을 사용하고, 이것을 촉매의 존재하에서 탈불화 수소 반응에 제공함으로써, HFO-1234yf를 얻을 수 있다. HFO 화합물이 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜((E-/Z-)HFO-1234ze)이면, 원료로서 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판을 사용하고, 이것을 촉매의 존재하에서 탈불화 수소 반응에 제공함으로써, (E-/Z-)HFO-1234ze를 얻을 수 있다. 또, HFO 화합물이 1,2,3,3,3-펜타플루오로프로펜((E-/Z-)HFO-1225ye)이면, 원료로서 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판이나 1,1,1,2,2,3-헥사플루오로프로판을 사용하고, 이것을 촉매의 존재하에서 수소화, 불소화 및 탈불화 수소화를 순차적으로, 또는 조건에 따라서는 동시에 행함으로써, (E-/Z-)HFO-1225ye를 얻을 수 있다.
상기 제조 방법에서는, 촉매로서는 산화 크롬 또는 불소화된 산화 크롬 등의 크롬 촉매, 그 외의 금속 촉매를 이용할 수 있고, 반응 온도는 일반적으로 200~500℃의 범위 내에서 행할 수 있다. 그 외, HFO 화합물의 제조 방법은 상법에 따라 실시할 수 있다.
본 발명의 조성물은, CH2=CHCl(염화비닐=R1140), CHF=CHCl(HCFC-1131), CH2=CFCl(HCFC-1131a), CF3Cl(CFC-13), CH3Cl(염화메틸), CF3CH2Cl(HCFC-133a), CClF=CHCl(HCFC-1121) 및 CHF=CCl2(HCFC-1121a)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 함염소 화합물을 조성물 중 1~500000질량ppm의 범위에서 함유한다. 이 중에서도, CF3Cl(CFC-13), CH3Cl(염화메틸), CF3CH2Cl(HCFC-133a), CClF=CHCl(HCFC-1121) 및 CHF=CCl2(HCFC-1121a)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 함염소 화합물을 조성물 중 1~500000질량ppm의 범위로 함유하는 형태가 바람직하다.
상기 함염소 화합물을 함유함으로써, 조성물 중에서 HFO 화합물의 분자내 이중 결합이 안정되게 존재할 수 있어, 분해나 산화가 억제되어 있다. 이 효과는, HFO 화합물에 비해 함염소 화합물이 높은 반응성을 가지며, 함염소 화합물이 공기나 산소와 우선적으로 반응함으로써 HFO 화합물의 반응 또는 분해가 억제되는 것에 기초하는 것으로 추측된다.
또, 상기 함염소 화합물을 함유함으로써, HFO 화합물만을 이용한 경우와 비교하여 열매체로서 사용한 경우의 냉동 능력이 향상되어 있다.
또, 상기 함염소 화합물은, 함염소 화합물들, 또는 HFO 화합물의 일부와의 사이에서 2~10량체 정도의 올리고머를 생성하는 경우가 있고, 그 경우에는, 열매체로서 이용함으로써 냉동 장치 내의 슬라이딩성을 향상시켜 냉동 장치의 성능을 높이는 작용도 얻을 수 있다.
또, 상기 함염소 화합물 중에는, CH2=CHCl(염화비닐)과 같이 특유의 악취(CH2=CHCl이면 클로로포름 냄새)를 갖는 것이 있고, 이러한 유취(有臭)의 함염소 화합물을 이용하는 경우에는 조성물의 누설을 검지하기 위한 트레이서로서의 작용도 얻을 수 있다.
또한, 함염소 화합물은 HFO 화합물에 대해서 외부로부터 첨가한 것이어도 되고, HFO 화합물의 제조 과정에 있어서의 부생성물로서 얻어진 것이어도 된다. 후자의 경우에는, 부생성물의 함유량을 조정함으로써 함염소 화합물의 함유량을 1~500000질량ppm의 범위로 조정한다.
상기 함염소 화합물의 함유량은 조성물 중 1~500000질량ppm의 범위이면 되지만, 그 중에서도 10000~400000질량ppm 정도가 바람직하고, 100000~300000질량ppm 정도가 보다 바람직하다.
또한, 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종인 경우에는, 당해 함염소 화합물의 함유량은 6질량ppm 초과 500000질량ppm 이하가 바람직하고, 그 중에서도 10000~400000질량ppm 정도가 보다 바람직하고, 100000~300000질량ppm 정도가 가장 바람직하다.
또한, 함염소 화합물이 CF3Cl, CH3Cl, CF3CH2Cl, CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 경우에는, 당해 함염소 화합물의 함유량은 1~10000질량ppm 정도가 바람직하다.
이들 함염소 화합물 중에서도, HFO 화합물과 함염소 화합물의 혼합물이 공비성 또는 의사공비성이 되는 함염소 화합물을 선택하는 것이 바람직하고, 예를 들면, CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종을 적합하게 사용할 수 있다. 공비성 또는 의사공비성이 되는 조합을 채용함으로써, 비공비가 되는 조합의 경우보다 비점이 낮아지고 열매체로서 사용한 경우의 냉동 능력이 보다 향상한다.
본 발명의 조성물은, 상기 HFO 화합물 및 함염소 화합물 이외에 기존의 열매체로서 공지의 HFC 화합물, HCFC 화합물, CO2 등을 함유할 수 있다. 예를 들면, HFC-32, HFC-134a, HFC-125, HFC-143a, HFC-23 등을 들 수 있다. 이들 첨가물은, 본 발명의 조성물의 냉동 능력, GWP, 연소성 등을 조정하는 목적으로 본 발명의 효과를 방해하지 않는 범위에서 병용할 수 있다. 이들 첨가물의 함유량은, 한정적은 아니지만, HFO 화합물 및 이들 첨가물의 총량 100질량% 중, 40질량% 이하가 바람직하다.
본 발명의 조성물은, 열매체로서 이용하는 경우에는, 폴리알킬렌글리콜, 에스테르, 폴리비닐에테르 및 알킬벤젠으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 윤활유를 더 함유해도 된다. 윤활유는, 조성물 중 10~50질량% 포함할 수 있지만, 냉동 장치의 오일 탱크의 사양에 따라 다르므로, 이 범위로 한정되는 것은 아니다. 또, 이 범위이면, HFO 화합물의 안정성이 손상될 우려는 없다.
본 발명의 조성물은, 물을 더 함유해도 되고, 물의 함유량은 1000질량ppm 이하가 바람직하고, 200질량ppm 이하가 보다 바람직하다. 물을 1000질량ppm 이하의 범위로 함유함으로써, 물을 함유하지 않는 경우와 비교하여 HFO 화합물의 안정성이 보다 향상된다.
물의 종류로서는 특별히 한정되지 않고, 증류수, 이온 교환수, 여과수, 수돗물, 그 외, 시판의 순수 생성기 등으로 얻어지는 초순수 등의 정제수 등을 사용할 수 있다. 한편, HFO 화합물을 제조하는 공정에 있어서 물이 혼재되는 경우가 있지만, 이때 혼재된 물을 조성물에 포함시키는 물로서 사용할 수도 있다. 물론, 제조 공정에서 생긴 물은 일단 제거하고, 별도의 물을 조성물에 포함시키는 물로서 사용해도 된다. 물의 pH에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만 통상은 6~8의 범위 내이면 된다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예의 형태로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
HFO-1234yf와 CH2=CHCl(염화비닐=R1140)을 혼합한 조성물의 카 에어콘에 있어서의 냉동 능력의 시뮬레이션 평가를 행했다. 그 결과를 도 1에 나타낸다.
도 1에 나타내는 바와 같이, HFO-1234yf 단독과 비교해서 염화비닐을 약간이라도 더한 쪽이 성적 계수(COP)가 향상하는 것을 알 수 있다. 또, 냉동 능력은 염화비닐 조성비가 0보다 크고 0.55 이하인 범위에서 HFO-1234yf 단독의 경우보다 양호하고, 염화비닐 조성비가 0.2 정도에서 극대인 것을 알 수 있다.
실시예 2
HFO-1234yf와 CH2=CHCl(염화비닐=R1140)을 혼합한 조성물의 기액 평형을 측정했다. 그 결과를 도 2에 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, HFO-1234yf:염화비닐 조성비가 1:0~0.8:0.2는 공비조성 또는 의사공비성 조성인 것을 알 수 있다.
도 1 및 도 2의 결과로부터, HFO-1234yf와 염화비닐의 혼합 조성물은, 조성비가 0 초과 0.55 이하의 범위에서 냉매 능력이 뛰어나고, 또한 염화비닐 조성비가 0.1~0.3의 범위에서 보다 바람직한 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. HFO-1234yf, (E-/Z-)HFO-1234ze 및 (E-/Z-)HFO-1225ye로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 HFO 화합물과 함염소 화합물을 함유하는 조성물로서,
    (1)상기 함염소 화합물은, CH2=CHCl, CHF=CHCl, CH2=CFCl, CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며,
    (2)상기 함염소 화합물의 함유량은, 1~500000질량ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 6질량ppm 초과 500000질량ppm 이내인, 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 10000~400000질량ppm인, 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 함염소 화합물이 CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 100000~300000질량ppm인, 조성물.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HFO 화합물과 상기 함염소 화합물의 혼합물이 공비성(共沸性) 또는 의사공비성(擬似共沸性)인, 조성물.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HFO 화합물과, CH2=CHCl, CHF=CHCl 및 CH2=CFCl 중 적어도 1종의 함염소 화합물의 혼합물이 공비성 또는 의사공비성인, 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 함염소 화합물이 CClF=CHCl 및 CHF=CCl2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며, 당해 함염소 화합물의 함유량이 1~10000질량ppm인, 조성물.
  8. 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    HFC-32, HFC-134a, HFC-125, HFC-143a 및 HFC-23으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 HFC 화합물을 더 함유하는, 조성물.
  9. 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    폴리알킬렌글리콜, 에스테르, 폴리비닐에테르 및 알킬벤젠으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 윤활유를 더 함유하는, 조성물.
  10. 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    물을 더 함유하고, 또한, 당해 물의 함유량이 1000질량ppm 이하인, 조성물.
  11. 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    열매체, 발포제 및 분사제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인, 조성물.
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