KR20240087761A - ε-카프로락탐의 제조 방법 및 폴리아미드6의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
폴리아미드6 수지 조성물로부터의 ε-카프로락탐의 제조 방법에 있어서, 화석 자원 순환 이용과 지구 온난화 가스 배출량 저감을 양립하는, 그린에서 에너지 절약한 제조 방법을 제공하는 것.
본 발명은 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)과, 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물(B)을 접촉시켜 ε-카프로락탐을 제조하는 방법에 있어서, 물과 폴리아미드6의 질량비를 X:1, 반응 온도 Y℃로 한 경우, X와 Y의 곱을 2,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법이다.
본 발명은 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)과, 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물(B)을 접촉시켜 ε-카프로락탐을 제조하는 방법에 있어서, 물과 폴리아미드6의 질량비를 X:1, 반응 온도 Y℃로 한 경우, X와 Y의 곱을 2,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법이다.
Description
본 발명은 자원 순환 이용과 지구 온난화 가스 배출량 저감을 양립하는 폴리아미드6의 분해 방법으로서, 보다 상세하게는 비열 용량 및 기화열이 높은 물을 소량만 사용하여 폴리아미드6의 해중합을 행하고, 고순도의 ε-카프로락탐을 고수율로 회수하는 리사이클 방법에 관한 것이다.
최근, 해양 플라스틱 문제를 트리거로 지구 환경 문제에 대한 관심이 높아지고, 지속 가능한 사회의 구축이 필요하다는 인식이 널리 퍼지고 있다. 지구 환경 문제에는 지구 온난화를 비롯해, 자원 고갈, 물 부족 등이 있지만, 그 대부분은 산업 혁명 이후의 급속한 인간 활동에 의한 자원 소비량과 지구 온난화 가스 배출량의 증대가 원인에 있다. 그 때문에, 지속 가능한 사회 구축을 위해서는 플라스틱 등의 화석 자원 순환 이용, 및 지구 온난화 가스 배출량 저감에 관한 기술이 점점 중요해진다.
플라스틱 재자원화 기술로서, 플라스틱 폐재를 열분해하고, 가스, 오일 등을 회수하는 열분해 유화 기술이 주목받고, 수많은 방법이 제안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 폐 플라스틱의 열분해, 스팀 크래킹을 포함하는 프로세스에 의해 탄화수소를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이들의 방법은 혼합 폐 플라스틱을 열분해 유화할 수 있다는 이점이 있지만, 열분해유를 플라스틱 모노머 등의 2차 원료로 변환하기 위해서는 800℃ 이상의 고온에서의 크래킹이 필요하며, 또한 폐 플라스틱 중에 예를 들면 폴리염화비닐과 같이 염소, 폴리아릴렌술피드와 같이 황을 포함하는 플라스틱이 혼재한 경우에는 플랜트 부식의 과제, 폴리아미드와 같이 산소나 질소를 포함하는 플라스틱이 혼재한 경우에는 폭발의 우려가 있다.
섬유, 필름, 엔지니어링 플라스틱으로서 각 분야에서 다량으로 사용되고 있는 폴리아미드6의 재자원화 방법으로서는, 인산 촉매의 존재 하, 과열 수증기를 불어 넣음으로써 ε-카프로락탐을 얻는 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
또한, 산이나 염기 등의 촉매를 사용하지 않고 폴리아미드6의 해중합을 행하는 방법으로서, 폴리아미드6과 과열수를 280℃ 내지 320℃의 온도에서 접촉시켜 락탐을 회수하는 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3, 4 참조).
특허문헌 2에 개시된 ε-카프로락탐의 회수 방법은 폴리아미드6의 해중합 수율이 80% 이상으로 고수율한 반응이지만, 해중합 반응에 장시간을 필요로 한다. 또한, 폴리아미드6 섬유에 대하여 약 10배량과 다량의 과열 수증기가 필요하기 때문에, 화석 자원 순환 이용과 지구 온난화 가스 배출량 저감을 양립하기 위해서는 과제가 남는 기술이다. 또한, 본 수법은 인산을 촉매로서 사용한 반응이기 때문에, 플라스틱 중에 포함되는 첨가제나 폐 플라스틱에 있어서의 부착 불순물에 의한 촉매 실활 등, 불순물의 영향을 받기 쉬운 반응이다. 실제로, 본 발명자들이 칼륨염을 포함하는 폴리아미드6을 원료로, 특허문헌 2에 기재된 방법과 동 조건, 유사 조건으로 회수 실험을 행한 경우, 수율이 대폭 저하하는 것이 발견되었다. 이것은 칼륨염에 의한 인산 촉매 작용의 실활 때문이 아닌가라고 생각된다.
한편, 특허문헌 3, 4에 개시된 ε-카프로락탐의 회수 방법은 해중합 반응에 사용하고 있는 것은 물만으로, 상기 인산과 같은 촉매를 사용하고 있지 않기 때문에, 첨가제나 부착 불순물 등에 의한 반응 실활은 일어나지 않는 이점이 있다. 그렇지만, 개시되어 있는 ε-카프로락탐의 회수 방법은 비열용량이 4.2kJ/㎏·K, 기화열이 2,250kJ/㎏로 매우 높은 물을 폴리아미드6에 대하여 약 10배량으로 다량으로 사용하여 장시간 반응을 행하고 있기 때문에, 해중합 반응 및 저농도의 ε-카프로락탐 수용액으로부터의 ε-카프로락탐의 회수에 있어서 다량의 에너지를 필요로 한다. 또한, 동일 조건 또는 유사의 조건으로 단순히 물의 사용량을 낮추어도 ε-카프로락탐의 회수율은 저하할 뿐이었다. 이것은 단순히 물의 사용량을 낮춘 것만으로는, 해중합에 의해 생성된 ε-카프로락탐과 ε-카프로락탐의 가수 개환에 의해 생성하는 선상 올리고머의 열역학적 평형점이 선상 올리고머측으로 이동했기 때문이라고 생각된다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 구성을 갖는다.
1. 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)과, 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물(B)을 접촉시켜 ε-카프로락탐을 제조하는 방법에 있어서, 물과 폴리아미드6의 질량비를 X:1, 반응 온도 Y℃로 한 경우, X와 Y의 곱을 2,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법.
2. 반응 온도 Y℃에서의 체류 시간을 Z분으로 한 경우, X와 Y와 Z의 곱을 60,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 하는, 1항에 기재된 ε-카프로락탐의 제조 방법.
3. 상기 폴리아미드6에 포함되는 환상 2∼4량체 올리고머량이 2.0질량% 이하인 것을 특징으로 하는, 1 또는 2항에 기재된 ε-카프로락탐의 제조 방법.
4. 상기 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)이 알칼리 금속 할로겐화물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 1 내지 3항 중 어느 하나에 기재된 ε-카프로락탐의 제조 방법.
5. 상기 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)이, 적어도 폴리아미드6을 함유하는 수지 성형체의 폐기물인 것을 특징으로 하는, 1 내지 4항 중 어느 하나에 기재된 ε-카프로락탐의 제조 방법.
6. 1 내지 5항 중 어느 하나의 방법에 의해 ε-카프로락탐을 얻고, 폴리아미드6을 중합하는 폴리아미드6의 제조 방법.
본 발명은 폴리아미드6 수지 조성물의 해중합에 있어서, 비열용량이 높은 물의 소량 사용에서의 실시에서도 고수율로 ε-카프로락탐을 제조 가능하기 때문에, 에너지 소비량이 적은 ε-카프로락탐의 제조 방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
(1) 수지 조성물(A)
본 발명은 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)과 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물(B)을 접촉시켜 ε-카프로락탐을 제조하는 방법이다.
본 발명에 사용되는 폴리아미드6이란, 6-아미노카프론산 및/또는 ε-카프로락탐을 주된 원료로 하는 폴리아미드 수지이다. 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서, 다른 단량체가 공중합된 것이어도 좋다. 여기에서, 「주된 원료로 한다」란, 폴리아미드 수지를 구성하는 단량체 단위의 합계 100몰% 중, 6-아미노카프론산 유래의 단위 또는 ε-카프로락탐 유래의 단위를 합계 50몰% 이상 포함하는 것을 의미한다. 6-아미노카프론산 유래의 단위 또는 ε-카프로락탐 유래의 단위를 70몰% 이상 포함하는 것이 보다 바람직하고, 90몰% 이상 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
공중합되는 다른 단량체로서는, 예를 들면 11-아미노운데카산, 12-아미노도데칸산, 파라아미노메틸벤조산 등의 아미노산, ω-라우로락탐 등의 락탐, 테트라메틸렌디아민, 펜타메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 2-메틸펜타메틸렌디아민, 노나메틸렌디아민, 데카메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-/2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나메틸렌디아민 등의 지방족 디아민, 메타크실릴렌디아민, 파라크실릴렌디아민 등의 방향족 디아민, 1,3-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1,4-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥실)메탄, 비스(3-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 1,4-비스(3-아미노프로필)피페라진, 1-(2-아미노에틸)피페라진 등의 지환족 디아민, 아디프산, 수베르산, 아젤라산, 세바신산, 도데칸이산 등의 지방족 디카르복실산, 테레프탈산, 이소프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산, 5-메틸이소프탈산, 5-나트륨 술포이소 프탈산, 2,6-나프탈렌 디카르복실산 등의 방향족 디카르복실산, 1,4-시클로헥산 디카르복실산, 1,3-시클로헥산 디카르복실산, 1,2-시클로헥산 디카르복실산, 1,3-시클로펜탄 디카르복실산 등의 지환족 디카르복실산 등을 들 수 있다. 이들을 2종 이상 공중합해도 좋다.
또한, 이들 폴리아미드6은 중합도 조절제, 말단기 조정제 등이 부가되어 있어도 좋다. 중합도 조절제, 말단기 조정제로서는, 예를 들면 아세트산이나 벤조산 등을 들 수 있다.
본 발명의 폴리아미드6의 중합도에는 특별히 제한은 없지만, 수지 농도 0.01g/mL의 98%의 농황산 용액 중, 25℃에서 측정한 상대 점도가 1.5∼5.0의 범위인 것이 바람직하다. 상대 점도가 이러한 바람직한 범위에 있음으로써 소량의 물과의 반응 효율이 높아지는 경향이 되기 때문에 바람직하게 예시할 수 있다.
본 발명의 폴리아미드6은 하기 식(a)에 나타내는 환상 올리고머를 포함할 수 있다. 폴리아미드6에 포함되는 하기 식(a)에 나타내는 환상 올리고머량에 특별히 제한은 없지만, 2.0질량% 이하인 것이 바람직하고, 1.8질량% 이하인 것이 보다 바람직하고, 1.5질량% 이하인 것이 더욱 바람직하게 예시할 수 있다. 하기 식(a)에 나타내는 환상 올리고머에 있어서, m은 2∼4의 정수이다. 하기 식(a)에 나타내는 환상 올리고머는 용융 휘발하여 라인 폐쇄 등의 원인이 되기 때문에, 환상 올리고머량이 바람직한 범위에 있음으로써 용융 휘발로 의한 라인 폐쇄를 억제할 수 있는 경향이 있다. 또한, 하기 식(a)에 나타내는 m이 5 이상인 환상 올리고머는 그 휘발의 정도를 고려하여 본 발명에서는 주목하고 있지 않다.
본 발명의 수지 조성물(A)에는 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서, 알칼리 금속 할로겐화물을 추가로 포함할 수 있다. 알칼리 금속 할로겐화물로서는, 예를 들면 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드화칼륨, 브롬화리튬, 브롬화나트륨, 브롬화칼륨, 염화리튬, 염화나트륨, 염화칼륨 등의 알칼리 금속 할로겐화물 등을 들 수 있고, 이들을 2종 이상 병용할 수 있다. 이들 중에서도, 입수가 용이하고, 폴리아미드6에의 분산성이 우수하고, 라디칼과의 반응성이 보다 높고, 또한 고온에서의 체류 안정성을 보다 향상시킨다는 관점에서 요오드화칼륨이 바람직하다. 또한, 이들 알칼리 금속 할로겐화물은 요오드화구리(I), 브롬화구리(I), 염화구리(I) 등의 제11족 금속 할로겐화물과 병용되는 것이 더욱 고온에서의 체류 안정성이 향상하기 때문에 보다 바람직하게 사용된다.
이들 알칼리 금속 할로겐화물은 폴리아미드6이 100질량부에 대하여 0.01∼1질량부 배합하여 이루어지는 것이 바람직하다. 알칼리 금속 할로겐화물을 이들 바람직한 범위 배합함으로써, 본 프로세스에 있어서의 가수분해 이외의 부반응을 억제할 수 있어, ε-카프로락탐 수율이 높아지는 경향이 있다. 알칼리 금속 할로겐화물의 배합량은 0.02∼0.5질량부가 보다 바람직하고, 0.03∼0.4질량부인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 수지 조성물(A)에는 섬유상 충전재를 포함하고 있어도 좋다. 여기에서의 섬유상 충전재는 섬유상의 형상을 갖는 어느 충전재이어도 좋다. 구체적으로는, 유리 섬유, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계나 피치계의 탄소 섬유, 스테인리스 섬유, 알루미늄 섬유나 황동 섬유 등의 금속 섬유, 폴리에스테르 섬유, 방향족 폴리아미드 섬유 등의 유기 섬유, 석고 섬유, 세라믹 섬유, 아스베스토 섬유, 지르코니아 섬유, 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 산화티탄 섬유, 탄화규소 섬유, 락울, 티탄산 칼륨 위스커, 질화규소 위스커, 규회석, 알루미나실리케이트 등의 섬유상, 위스커상 충전재, 니켈, 구리, 코발트, 은, 알루미늄, 철 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속으로 피복된 유리 섬유, 탄소 섬유, 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 등을 들 수 있다. 이들을 2종 이상 함유해도 좋다. 섬유상 충전재의 함유량은 수지 조성물(A) 100질량부에 대하여, 1∼200질량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 수지 조성물(A)에는 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서, 또한 섬유상 충전재 이외의 충전제, 폴리아미드6 이외의 열가소성 수지, 각종 첨가제 등을 배합할 수 있다. 섬유상 충전재 이외의 충전제로서는 유기 충전제, 무기 충전제 중 어느 것이어도 좋고, 예를 들면 비섬유상 충전재를 들 수 있고, 이들을 2종 이상 배합해도 좋다. 비섬유상 충전재로서는, 예를 들면 탈크, 규회석, 제올라이트, 세리사이트, 마이카, 카올린, 클레이, 파이로필라이트, 벤토나이트, 아스베스토, 알루미나실리케이트, 규산칼슘 등의 비팽윤성 규산염, Li형 불소 테니올라이트, Na형 불소 테니올라이트, Na형 사규소 불소운모, Li형 사규소 불소운모의 팽윤성 운모 등의 팽윤성 층상 규산염, 산화규소, 산화마그네슘, 알루미나, 실리카, 규조토, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화철, 산화아연, 산화칼슘, 산화주석, 산화안티몬 등의 금속 산화물, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산아연, 탄산바륨, 돌로마이트, 하이드로탈사이트 등의 금속 탄산염, 황산칼슘, 황산바륨 등의 금속 황산염, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 수산화알루미늄, 염기성 탄산마그네슘 등의 금속 수산화물, 몬모릴로나이트, 바이델라이트, 논트로나이트, 사포나이트, 헥토라이트, 소코나이트 등의 스멕타이트계 점토 광물이나 버미큘라이트, 헬로이사이트, 카네마이트, 케나이트, 인산지르코늄, 인산티타늄 등의 각종 점토 광물, 유리 비즈, 유리 플레이크, 세라믹 비즈, 질화붕소, 질화알루미늄, 탄화규소, 인산칼슘, 카본블랙, 흑연 등을 들 수 있다. 상기의 팽윤성 층상 규산염은 층간에 존재하는 교환성 양이온이 유기 오늄 이온으로 교환되어 있어도 좋다. 유기 오늄 이온으로서는, 예를 들면 암모늄 이온이나 포스포늄 이온, 술포늄 이온 등을 들 수 있다.
각종 첨가제의 구체예로서는 N,N'-헥사메틸렌비스(3,5-디-t-부틸-4-히드록시-히드로신나미드), 테트라키스[메틸렌-3-(3',5'-디-t-부틸-4'-히드록시페닐)프로피오네이트]메탄 등의 페놀계 화합물, 인계 화합물, 메르캅토벤조이미다졸계 화합물, 디티오카르바민산계 화합물, 유기 티오산계 화합물 등의 황계 화합물, N,N'-디-2-나프틸-p-페닐렌디아민, 4,4'-비스(α,α-디메틸벤질)디페닐아민 등의 아민계 화합물 등의 열안정제, 이소시아네이트계 화합물, 유기 실란계 화합물, 유기 티타네이트계 화합물, 유기 보란계 화합물, 에폭시 화합물 등의 커플링제, 폴리알킬렌옥사이드 올리고머계 화합물, 티오에테르계 화합물, 에스테르계 화합물, 유기 인계 화합물 등의 가소제, 유기 인 화합물, 폴리에테르에테르케톤 등의 결정핵제, 몬탄산 왁스류, 스테아르산 리튬, 스테아르산 알루미늄 등의 금속 비누, 에틸렌디아민·스테아르산·세바신산 중축합물, 실리콘계 화합물 등의 이형제, 차아인산염 등의 착색 방지제, 윤활제, 자외선 방지제, 착색제, 난연제, 발포제 등을 들 수 있다. 이들 첨가제를 함유하는 경우, 그 함유량은 폴리아미드6을 100질량부로 한 경우, 10질량부 이하가 바람직하고, 1질량부 이하가 보다 바람직하다.
수지 조성물(A)에 포함되는 폴리아미드6 이외의 열가소성 수지의 구체예로서는, 폴리아미드6 이외의 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 변성 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리술폰 수지, 폴리케톤 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리티오에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 4불화폴리에틸렌 수지, 폴리페닐렌술피드 수지 등을 들 수 있다. 이들을 2종 이상 배합해도 좋다. 또한, 여기에서의 폴리아미드6 이외의 열가소성 수지의 배합량은 본 발명의 열가소성 수지(A)에 있어서의 폴리아미드6을 100질량부에 대하여 30질량부 이하로 하는 것이 바람직하게 예시할 수 있다.
본 발명의 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)은 적어도 폴리아미드6을 함유하는 수지 성형체의 폐기물이어도 좋다. 폴리아미드6을 함유하는 수지 성형체의 폐기물로서는 폴리아미드6 제품, 폴리아미드6 제품 제조 과정에서 발생하는 산업 폐기물, 혹은 폴리아미드6 제품 사용 완료 폐기물 등을 포함한다. 폴리아미드6 제품으로서는, 예를 들면 헌옷, 유니폼, 스포츠웨어 및 이너웨어 등의 의료용 섬유 구조물, 커튼, 카펫, 로프, 망, 벨트 및 시트 등의 산업용 섬유 구조물, 주택 건재용 성형 부품, 전기 전자 성형 부품, 항공기 부품, 산업용 기계 부품, 필름 제품, 압출 성형품, 현장 중합 성형품, RIM 성형품 등을 들 수 있다. 또한, 이들의 생산 공정에서 발생하는 제품 부스러기, 펠릿 부스러기, 괴상 부스러기, 절삭 가공 시의 잘라 낸 부스러기 등도 폐기물의 대상이 된다.
(2) ε-카프로락탐의 제조 방법
본 발명의 ε-카프로락탐의 제조 방법은 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)과, 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물(B)을 접촉시킬 때, 물과 폴리아미드6의 질량비를 X:1, 반응 온도를 Y℃로 한 경우, X와 Y의 곱을 2,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 한다.
여기에서 사용되는 물(B)에 특별히 제한은 없지만, 수돗물, 이온교환수, 증류수, 우물물 등, 어떤 물을 사용해도 좋지만, 공존하는 염의 영향에 의한 부반응을 억제한다는 관점에서는 이온교환수나 증류수가 바람직하게 사용된다.
또한, 물(B)로서는 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물이 사용된다. 물은 압력 22.1㎫, 온도 374.2℃까지 올리면 액체도 기체도 아닌 상태를 나타낸다. 이 점을 물의 임계점이라고 하고, 임계점보다 낮은 온도 및 압력의 열수를 아임계수라고 한다. 본 발명에 사용하는 물(B)은 290℃ 이상 350℃ 이하이며 아임계수에 해당한다. 이 아임계수는 물인 것에도 관계 없이, (i) 유전율이 낮고, (ii) 이온 곱이 높다는 특징이 있으며, 아임계수의 유전율, 이온 곱은 온도나 물의 분압에 의존하여 제어하는 것이 가능하다. 유전율이 낮아짐으로써, 물이면서도 유기 화합물이 우수한 용매가 되고, 이온 곱이 높아짐으로써 수소 이온 및 수산화물 이온 농도가 높아지기 때문에 우수한 가수분해 작용을 갖는다. 본 발명의 물(B)의 온도로서는 300℃ 이상 340℃ 이하인 것이 바람직하고, 320℃ 이상 340℃ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 바람직한 범위에 있음으로 반응시의 장치 부식을 억제할 수 있는 경향이 있다. 또한, 물(B)의 압력으로서는 포화 증기압보다 높은 것이 바람직하게 예시될 수 있다. 물(B)로서는 액체 상태에서도 수증기와 같은 기체 상태에서도, 그 양자를 사용해도 좋지만, 반응장으로서는 기체 상태보다 액체 상태 쪽이 반응이 진행되기 쉽기 때문에 물(B)의 압력으로서는 포화 증기압보다 높은 것이 바람직하다. 또한, 물(B)의 압력의 상한으로서는 특별히 제한은 없지만, 20㎫ 이하인 것을 예시할 수 있다. 이러한 압력 범위에 있음으로써, 상기한 물의 이온 곱이 높아지는 경향이 있기 때문에 바람직하다. 물(B)을 이러한 압력 범위로 하기 위해서 압력 용기 내부를 가압하여 밀폐하는 방법을 들 수 있다. 압력 용기 내부를 가압하기 위해서는, 물(B)에 가하여 기체를 봉입하면 좋고, 이러한 기체로서는 공기, 아르곤, 질소 등을 들 수 있지만, 산화 반응 등의 부반응을 억제한다는 관점에서, 질소, 아르곤을 사용하는 것이 바람직하다. 기체 가압의 정도로서는 목적의 압력이 되도록 설정하기 위해서 특별히 한정은 되지 않지만, 0.3㎫ 이상을 들 수 있다.
본 발명의 ε-카프로락탐의 제조 방법은 물과 폴리아미드6의 질량비를 X:1, 반응 온도를 Y℃로 한 경우, X와 Y의 곱이 2,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 한다. X와 Y의 곱은 1,600 이하의 조건으로 하는 것이 바람직하고, 1,300 이하의 조건으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 1,200 이하의 조건으로 하는 것이 특히 바람직하게 예시할 수 있다. 또한, X와 Y의 곱의 하한에 특별히 제한은 없지만, 바람직하게는 300 이상, 보다 바람직하게는 320 이상, 특히 바람직하게는 340 이상의 조건으로 하는 것을 예시할 수 있다. 본 발명은 화석 자원의 순환 이용과 지구 온난화 가스 배출량 저감의 양립을 목적으로 한 폴리아미드6 수지 조성물로부터의 에너지 절약에서의 ε-카프로락탐의 제조에 관한 것이다. 물의 비열 용량은 4.3kJ/㎏·K, 기화열이 2,250kJ/㎏과, 다른 유기 용제와 비교하면 매우 높기 때문에, 물의 사용량을 절감하는 것이 중요하며, X와 Y의 곱을 이들 조건 범위로 함으로써 ε-카프로락탐의 생성 효율과 에너지 절약을 양립할 수 있다. 또한, 반응 온도 Y℃에 있어서의 체류 시간을 Z분으로 한 경우, X와 Y와 Z의 곱이 60,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 바람직하게 예시할 수 있다. 보다 바람직하게는 40,000 이하, 더욱 바람직하게는 30,000 이하, 특히 바람직하게는 20,000 이하의 조건으로 하는 것을 들 수 있다. 또한, X와 Y와 Z의 곱의 하한에 특별히 제한은 없지만, 5,000 이상의 조건으로 하는 것이 바람직하고, 8,000 이상의 조건이 보다 바람직하고, 9,000 이상의 조건이 특히 바람직하게 예시할 수 있다. X와 Y와 Z의 곱을 이러한 바람직한 조건 범위로 함으로써 보다 에너지 절약에서의 ε-카프로락탐의 제조 효율이 높아지는 경향이 있기 때문에 바람직하다. 폴리아미드6과 물의 반응에서는 ε-카프로락탐의 생성에 추가해서, 부반응으로서 ε-카프로락탐과 물의 반응에 의한 선상 올리고머 생성의 부반응이 진행되어, 단순히 사용하는 물의 양을 감한 경우는 선상 올리고머가 다량으로 생성되기 때문에, ε-카프로락탐의 생성 효율은 대폭 저하한다. 본 발명자들은 폴리아미드6과 물의 반응에 의한 ε-카프로락탐의 생성 반응, 및 선상 올리고머 생성의 부반응의 열역학적 평형점을 해명한 결과, X와 Y의 곱, 및 X, Y 및 Z의 곱을 상기 범위로 함으로써 선상 올리고머의 부생을 억제하고, ε-카프로락탐의 생성 효율을 대폭 향상시키는 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다.
본 발명의 ε-카프로락탐의 제조에는, 배치식 및 연속 방법 등 공지의 각종 반응 방식을 채용할 수 있다. 예를 들면, 배치식이면 모두 교반기와 가열 기능을 갖춘 오토클레이브, 종형·횡형 반응기, 교반기와 가열 기능에 더해서 실린더 등의 압축 기구를 구비한 종형·횡형 반응기 등을 들 수 있다. 연속식이면, 모두 가열 기능을 갖춘 압출기, 관형 반응기, 배플 등의 혼합 기구를 구비한 관형 반응기, 라인 믹서, 종형·횡형 반응기, 교반기를 구비한 종형·횡형 반응기, 탑 등을 들 수 있다. 또한, 제조에 있어서의 분위기는 비산화성 분위기 하가 바람직하고, 질소, 헬륨, 및 아르곤 등의 불활성 분위기 하에서 행하는 것이 바람직하고, 경제성 및 취급의 용이함의 면에서는 질소 분위기 하가 바람직하다.
(3) ε-카프로락탐의 회수 방법
본 발명의 ε-카프로락탐의 회수 방법에는 특별히 제한은 없고, 어느 방법도 채용할 수 있다. 예를 들면, 해중합 반응을 배치식으로 행하는 경우는 해중합 반응이 종료하고 나서 물과 함께 유출시켜 ε-카프로락탐 수용액을 얻는다. 해중합 반응을 연속식으로 행하는 경우에는 반응의 진행과 함께 ε-카프로락탐 수용액을 얻을 수 있다. 얻어진 ε-카프로락탐 수용액은 증류에 의해 물과 분리함으로써 순도가 높은 ε-카프로락탐을 회수할 수 있다. 또한, 회수한 ε-카프로락탐 수용액 중에 물에 불용의 성분이 있으면 사전에 고액 분리 등의 공지의 방법에 의해 분리하여, 증류 분리에 제공할 수도 있다.
또한, 고순도의 ε-카프로락탐을 얻는 방법으로서는 회수한 ε-카프로락탐을 정밀 증류하는 방법, 미량의 수산화나트륨을 첨가하여 감압 증류하는 방법, 활성탄 처리하는 방법, 이온 교환 처리하는 방법, 재결정하는 방법 등의 정제 방법으로 조합시킬 수 있다. 이들 방법에 의해, 증류 분리에서는 분리 곤란한 불순물도 효율적으로 제거할 수 있다.
(4) 폴리아미드6 및 그 성형품
본 발명의 기재된 ε-카프로락탐의 제조 방법에서는, 순도가 높은 ε-카프로락탐을 얻을 수 있음으로써, 폴리아미드6의 중합 원료로서 사용할 수 있다. 폴리아미드6은 ε-카프로락탐을 소량의 물의 존재 하에 가열 용융 중합하는 통상 공지의 방법에 의해 제조할 수 있다.
또한, 이와 같이 하여 얻어진 폴리아미드6은 필요에 따라 섬유상 충전재나 각종 첨가제와 용융 혼련함으로써 폴리아미드6 수지 조성물을 제조하고, 사출 성형이나 압출 성형 등의 통상 공지의 방법으로 시트나 필름 등의 각종 성형품을 얻을 수 있다.
본 발명의 폴리아미드6 및 그 성형품은 그 우수한 특성을 살려, 전기·전자 부품, 건축 부재, 각종 용기, 일용품, 생활잡화 및 위생용품 등 각종 용도에 이용할 수 있다. 특히, 인성 및 강성이 요구되는 항공기용 부품, 전기·전자 부품 용도에 특히 바람직하게 사용된다. 구체적으로는, 랜딩 기어 포드, 윙렛, 스포일러, 엣지, 래더, 엘리베이터, 페이링, 리브 등의 항공기 관련 부품, 전기·전자 부품으로서는, 예를 들면 발전기, 전동기, 변압기, 변류기, 전압 조정기, 정류기, 저항기, 인버터, 계전기, 전력용 접점, 개폐기, 차단기, 스위치, 나이프 스위치, 다극 로드, 모터 케이스, 텔레비전 하우징, 노트북 하우징 및 내부 부품, CRT 디스플레이 하우징 및 내부 부품, 프린터 하우징 및 내부 부품, 휴대전화, 모바일 퍼스널 컴퓨터, 핸드헬드형 모바일 등의 휴대 단말 하우징 및 내부 부품, IC나 LED 대응 하우징, 콘덴서 좌판, 퓨즈 폴더, 각종 기어, 각종 케이스, 캐비넷 등의 전기 부품, 커넥터, SMT 대응의 커넥터, 카드 커넥터, 잭, 코일, 코일 보빈, 센서, LED 램프, 소켓, 저항기, 릴레이, 릴레이 케이스, 리플렉터, 소형 스위치, 전원 부품, 코일 보빈, 콘덴서, 배리콘 케이스, 광 픽업 섀시, 발진자, 각종 단자판, 변성기, 플러그, 프린트 기판, 튜너, 스피커, 마이크, 헤드폰, 소형 모터, 자기 헤드 베이스, 파워 모듈, Si 파워 모듈이나 SiC 파워 모듈, 반도체, 액정, FDD 캐리지, FDD 섀시, 모터 브러쉬 홀더, 트랜스 부재, 파라볼라 안테나, 컴퓨터 관련 부품 등의 전자 부품 등을 들 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 들어서 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이들의 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
각 실시예에는 하기 원료를 사용했다.
[폴리아미드6(PA6-A)]
폴리아미드6 수지(Toray Industries, Inc.제 "Amilan"(등록상표) CM1017), ηr=2.70, 융점 225℃, 환상 2∼4량체 올리고머량 0.2질량%.
여기에서, 상기 용액 점도 ηr는 98% 농황산의 0.01g/mL 용액을 사용하여 25℃에서 측정했다. 또한, 융점은 시차 주사형 열량계를 사용하여, 질소 가스 분위기 하, 폴리아미드를 용융 상태로부터 20℃/분의 강온 속도로 30℃까지 강온한 후, 20℃/분의 승온 속도로 융점+40℃까지 승온한 경우에 나타나는 흡열 피크의 온도로 했다. 단, 흡열 피크가 2개 이상 검출되는 경우에는 피크 강도가 가장 큰 흡열 피크의 온도를 융점으로 했다.
여기에서, 상기 환상 2∼4량체 올리고머량은 폴리아미드6을 분쇄하여 JIS 표준체 24mesh를 통과하고, 124mesh는 불투과인 폴리아미드6 분말을 모아 상기 폴리아미드6 분말 20g을 메탄올 200mL로 3시간 속슬레 추출기를 사용하여 추출하고, 추출액에 포함되는 환상 올리고머를 고속 액체 크로마토그래피를 사용하여 정량 분석을 행했다. 측정 조건은 다음과 같다.
<측정 조건>
고속 액체 크로마토그래피: Waters사 600E
컬럼: GL Sciences사 ODS-3
검출기: Waters사 484 Tunable Absorbance Detector
검출 파장: 254nm
용매: 메탄올/물(메탄올수의 조성은 20:80→80:20의 그라디언트 분석)
유속: 1mL/min
[섬유상 충전재]
유리 섬유(Nippon Electric Glass Co., Ltd.제 T-249)
[알칼리 금속 할로겐화물]
요오드화칼륨(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.제)
[참고예 1] 유리 섬유 강화 폴리아미드6(PA6-B)
폴리아미드6(PA6-A), 유리 섬유를 폴리아미드6과 유리 섬유의 질량비가 70/30이 되도록 배합하고, 실린더 설정 온도 250℃, 스쿠르 회전수 150rpm로 설정한 2축 압출기(The Japan Steel Works, Ltd.제 TEX30α)를 사용하여, 폴리아미드6을 주 피더로부터 공급하고, 유리 섬유를 사이드 피더로부터 공급하고, 압출된 거트를 펠릿타이징하여 유리 섬유 강화 폴리아미드6(PA6-B)을 조제했다.
[참고예 2] 요오드화칼륨 첨가 유리 섬유 강화 폴리아미드6(PA6-C)
폴리아미드6(PA6-A), 요오드화칼륨 및 유리 섬유를 폴리아미드6과 요오드화칼륨, 유리 섬유의 질량비가 70/0.2/30이 되도록 배합하고, 실린더 설정 온도 250℃, 스쿠르 회전수 150rpm로 설정한 2축 압출기(The Japan Steel Works, Ltd.제 TEX30α)를 사용하여, 폴리아미드6과 요오드화칼륨을 주 피더로부터 공급하고, 유리 섬유를 사이드 피더로부터 공급하고, 압출된 거트를 펠릿타이징하여 요오드화칼륨 첨가 유리 섬유 강화 폴리아미드6(PA6-C)을 조제했다.
[참고예 3] 폴리아미드6 수지 성형체의 폐기물 I(PA6-D)
유리 섬유를 30질량% 함유하는 폴리아미드6 수지(Toray Industries, Inc.제 "Amilan"(등록상표) CM1011G30)를 성형하여 덤벨편으로 한 후, 파쇄하여 펠릿상의 폴리아미드6 성형체 폐기물 I로 했다.
[참고예 4] 폴리아미드6 수지 성형체의 폐기물 II(PA6-E)
유리 섬유를 30질량% 함유하는 폴리아미드6 수지(Toray Industries, Inc.제 "Amilan"(등록상표) CM1011G30)를 성형하여 너트상의 금속 컬러가 붙은 성형편으로 한 후, 파쇄하여 펠릿상의 폴리아미드6 성형체 폐기물 II로 했다.
[참고예 5] 폴리아미드6 수지 성형체의 폐기물 III(PA6-F)
비강화 폴리아미드6제 파스너 부품(폴리아미드6 함유 비율 99질량% 이상)을 회수하고, 파쇄하여 폴리아미드6 성형체 폐기물 III로 했다. 상기한 고속 액체 크로마토그래피 분석을 한 결과, 폴리아미드6 성형체 폐기물 III에 있어서의 폴리아미드6 중의 환상 2∼4량체 올리고머량은 0.4질량%이었다.
≪평가 방법≫
(ε-카프로락탐의 수율(HPLC))
본 발명의 ε-카프로락탐 수율(HPLC)의 산출은 고속 액체 크로마토그래피 측정에 의해 실시했다. 측정 조건을 하기한다.
장치: Shimadzu Corporation제 LC-10Avp 시리즈
컬럼: Mightysil RP-18GP150-4.6
검출기: 포토다이오드 어레이 검출기(UV=205nm)
유속: 1mL/min
컬럼 온도: 40℃
이동상: 0.1% 아세트산 수용액/아세토니트릴
샘플: 반응 혼합물을 약 0.1g 양 취하고, 약 10g의 탈이온수로 희석, 여과에 의해 탈이온수에 불용한 성분을 분리 제거함으로써 고속 액체 크로마토그래피 분석 샘플을 조제했다.
ε-카프로락탐의 정량: 절대 검량선법에 의해 폴리아미드6에 대한 ε-카프로락탐량을 정량했다.
[실시예 1]
교반기를 구비한 SUS316L제 오토클레이브에, 폴리아미드6(PA6-A) 20.0g, 탈이온수 60.0g을 투입했다. 물과 폴리아미드6의 질량비(X:1)는 3:1이다.
반응 용기의 질소 치환을 행하고, 질소 가압 0.5㎫ 하에 밀폐한 후, 200rpm으로 교반하면서 340℃에서 15분간 유지하여 반응을 행했다. 반응 시의 도달 압력은 13.2㎫이었다. 반응 종료 후, 실온까지 냉각하여 반응 혼합물을 회수했다. 반응 온도 Y℃는 340℃이기 때문에 X와 Y의 곱은 1,020, 반응 온도 340℃에서의 체류 시간이 15분이기 때문에 X와 Y와 Z의 곱은 15,300이다.
회수한 반응 혼합물의 고속 액체 크로마토그래피 측정에 의해 산출한 ε-카프로락탐 수율은 76%이었다.
폴리아미드6에 대한 물의 질량비(X), 반응 온도(Y), ε-카프로락탐 수율, 및 고정값인 물의 비열(4.2kJ/㎏·K), 폴리아미드6의 비열(0.6kcal/㎏·K), 용해열(10kcal/㎏), 분해열(29kcal/㎏), 단위 시간당 필요 가열량의 20% 방열하는 전제로 산출한, ε-카프로락탐을 1kg 제조하는데 필요로 한 가열 열량은 1,817kcal/㎏-Lcm이었다.
또한, 폴리아미드6에 대한 물의 질량비(X), 반응 온도(Y), ε-카프로락탐 수율, 및 체류 시간(Z)과 고정값인 물의 비열(4.2kJ/㎏·K), 폴리아미드6의 비열(0.6kcal/㎏·K), 용해열(10kcal/㎏), 분해열(29kcal/㎏), 단위 시간당 필요 가열량의 20% 방열하는 전제로 산출한, ε-카프로락탐을 1kg 제조하는데 필요로 한 에너지는 1,908kcal/㎏-Lcm이었다.
또한, 상기 반응에 의해 회수한 반응 혼합물을 감압 30mmHg, 가열 온도 55℃에서 물의 증류 분리를 행하고, 농축 ε-카프로락탐 수용액을 얻고, 또한 감압 5mmHg, 가열 온도 150∼170℃로 증류하고, 유출 ε-카프로락탐을 얻었다. 농축, 증류 수율은 95.8%이었다. 유출 ε-카프로락탐의 HPLC 불순물은 0.48%이며, 폴리아미드6의 중합 원료로서 사용 가능한 품질이었다.
[실시예 2∼8, 비교예 1∼4]
원료에 PA6-A를 사용하여, 폴리아미드6에 대한 물의 양, 반응 온도, 반응 시간을 변경하여 실시예 1과 동일한 방법으로 해중합을 행하고, ε-카프로락탐의 제조를 행했다. 반응 조건 및 ε-카프로락탐 수율, ε-카프로락탐 1kg을 제조하는데 필요로 한 가열 열량, 에너지를 표 1에 나타낸다.
표 1로부터 X와 Y의 곱을 2,000 이하, 또한 X와 Y와 Z의 곱을 60,000 이하로 함으로써ε-카프로락탐 제조에 필요로 한 에너지량을 대폭 억제하면서, 고수율로 ε-카프로락탐을 제조 가능한 것을 알았다.
[실시예 9∼13]
원료에 PA6-B∼F를 사용하여, 폴리아미드6에 대한 물의 양을 변경하여 실시예 2와 동일한 조건으로 해중합을 행하고, ε-카프로락탐의 제조를 행했다. 반응 조건 및 ε-카프로락탐 수율, ε-카프로락탐 1kg을 제조하는데 필요로 한 가열량, 에너지를 표 2에 나타낸다.
표 2로부터, 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)이 알칼리 금속 할로겐화물을 포함함으로써 ε-카프로락탐의 수율이 향상 경향이 있는 것을 알았다. 또한, 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)로서 수지 성형체의 폐기물을 사용해도 수율의 저하 없이, 에너지 절약으로 ε-카프로락탐이 얻어지는 것을 알았다.
[실시예 14] 폴리아미드6의 중합
시험관에 실시예 1에 기재된 방법으로 회수한 ε-카프로락탐 10g, 벤조산 2.16mg, 이온교환수 10.0g을 칭량했다. 시험관을 오토클레이브 내에 투입하고, 오토클레이브 내를 질소 치환한 후, 재킷 온도를 250℃로 설정하고, 가열을 개시했다. 내압을 1.0㎫에 도달한 후, 내압을 1.0㎫로 3시간 유지했다. 그 후 1.5시간 걸쳐서 내압을 상압으로 방압, 내온이 228℃에 도달한 시점에서 가열을 정지했다. 중합 완료 후, 시험관으로부터 폴리머를 회수하여 파쇄 처리를 행했다. 파쇄 폴리머를 95℃ 열수 중에서 15시간 처리하고, 미반응 모노머나 저중합물을 추출 제거했다. 추출 후의 폴리머는 80℃에서 24시간 진공 건조에 처리하고, 융점 226℃, ηr=2.75의 폴리아미드6 수지를 얻었다.
[실시예15] 고압 반응
여기에서는, 고압 하에서의 반응 결과에 대해서 기재한다.
교반기를 구비한 SUS316L제 오토클레이브에, 폴리아미드6(PA6-A) 45.0g, 탈이온수 135.0g을 투입했다.
반응 용기의 질소 치환을 행하고, 질소 가압 5.0㎫ 하에 밀폐한 후, 200rpm으로 교반하면서 320℃에서 15분간 유지하여 반응을 행했다. 반응시의 도달 압력은 19.8㎫이었다.
반응 종료 후, 실온까지 냉각하여 반응 혼합물을 회수했다. 반응 온도 Y℃는 320℃임으로써 X와 Y의 곱은 960, 반응 온도 320℃에서의 체류 시간이 15분임으로써 X와 Y와 Z의 곱은 14,400이다.
회수한 반응 혼합물의 고속 액체 크로마토그래피 측정에 의해 산출한 ε-카프로락탐 수율은 83%이었다. 실시예 2과의 비교에 의해, 반응시의 압력을 포화 증기압 이상의 고압으로 함으로써, ε-카프로락탐을 고수율로 얻어지는 경향이 있는 것을 알았다.
[실시예 16]
원료에 PA6-A를 사용하고, 폴리아미드6(60g)에 대한 물(120g)의 양을 변경하여 실시예 15와 같은 방법으로 해중합을 행하여 ε-카프로락탐의 제조를 행했다. 반응 조건 및 ε-카프로락탐 수율, ε-카프로락탐 1kg을 제조하는데 필요로 한 가열 열량, 에너지를 표 3에 나타낸다.
표 3으로부터 고압 하에서 해중합을 행함으로써, ε-카프로락탐의 수율이 향상 경향이 있고, ε-카프로락탐 1kg을 제조하는데 필요로 하는 가열 열량, 소비 에너지가 저감하는 것을 알았다.
Claims (6)
- 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)과, 290℃ 이상 350℃ 이하로 가열된 물(B)을 접촉시켜 ε-카프로락탐을 제조하는 방법에 있어서,
물과 폴리아미드6의 질량비를 X:1, 반응 온도 Y℃로 한 경우, X와 Y의 곱을 2,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
반응 온도 Y℃에서의 체류 시간을 Z분으로 한 경우, X와 Y와 Z의 곱을 60,000 이하의 조건으로 접촉시키는 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 폴리아미드6에 포함되는 환상 2∼4량체 올리고머량이 2.0질량% 이하인 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)이 알칼리 금속 할로겐화물을 포함하는 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 폴리아미드6을 포함하는 수지 조성물(A)이, 적어도 폴리아미드6을 함유하는 수지 성형체의 폐기물인 것을 특징으로 하는, ε-카프로락탐의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 ε-카프로락탐을 얻어, 폴리아미드6을 중합하는 폴리아미드6의 제조 방법.
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