KR20160082485A - Synthesis method of polyetherimides - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폴리에테르이미드의 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing a polyetherimide.
폴리이미드의 한 부류인 폴리에테르이미드(Polyetherimide, PEI)는 분자구조내에 내열성과 강도를 부여하는 이미드기와 가공성(성형성)을 향상시킬 수 있는 에테르기가 동시에 존재하여 일반적인 폴리이미드에 비해 가공성이 향상된 비정형 열가소성 폴리머이다. 폴리에테르이미드는 높은 내열성, 우수한 치수 및 열 안정성, 내화학성 및 내연성을 갖기 때문에 이를 포함한 플라스틱 수지는 DC컨버터, 반도체 트레이, HDD기판 홀더와 같은 전기전자 부품이나 자동차 부품, 항공기 시트 섬유, 안경태 등에 널리 사용되고 있다. Polyetherimide (PEI), a class of polyimide, has an imide group that imparts heat resistance and strength to a molecular structure and an ether group that can improve processability (moldability) at the same time, It is an amorphous thermoplastic polymer. Since polyetherimide has high heat resistance, excellent dimension and thermal stability, chemical resistance and flame resistance, plastic resin including it is widely used in electric and electronic parts such as DC converter, semiconductor tray and HDD substrate holder, automobile parts, .
폴리에테르이미드는 일반적으로 두 가지 방법으로 제조될 수 있다. 첫번째 방법은 분자내 에테르(ether, -O-)결합에 의한 유연기를 갖는 디안하이드라이드 단량체와 디아민 단량체를 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등의 용매에서 중합하여 폴리아믹산(Polyamic acid, PAA)을 만들고 이를 열경화 또는 화학경화 하여 PEI를 제조하는 방법이다. 이러한 방식은 추가적인 공정이 없이는 100% 이미드화를 진행하기가 어렵기 때문에, PEI를 이용하여 제품을 만드는 과정(압출, 사출)에서 물성 변화가 발생될 가능성이 높다.Polyetherimides can generally be prepared in two ways. The first method involves reacting a dianhydride monomer having a flexible group by an ether (-O-) bond in a molecule with a diamine monomer in dimethyl acetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to form a polyamic acid (PAA), which is thermally cured or chemically cured to produce PEI. Since this method is difficult to proceed with 100% imidization without additional processing, there is a high possibility that property changes will occur in the process of making a product (extrusion, injection) using PEI.
반면, 두번째 방법은 이미드화가 100% 이루어진 할로겐화 비스이미드와 hydroxide ion을 포함하는 단량체를 용매에 투입한 후, 촉매하에서 고온 중합하여 PEI를 제조하는 방법이다. 이와 같은 방법은 100% 이미드화가 이루어진 단량체를 사용하므로 추가 공정 없이도 충분한 이미드화가 가능하며, 제품을 만드는 과정(압출, 사출)에서 물성 변화가 발생하지 않는다. 이에 고온의 조건이 요구되므로 부반응(Side reaction)에 의한 PEI의 분자량 제어가 어렵다는 한계가 존재한다는 단점에도 불구하고, 두번째 방법은 상기 첫번째 방법에 비해 폴리에테르이미드 제조방법에 있어 보다 유용하게 적용되고 있다.On the other hand, the second method is a method in which PEI is prepared by introducing a monomer containing hydroxylimide and a halogenated bisimide having imidization of 100% into a solvent and then polymerizing under high temperature in the presence of a catalyst. This method uses a monomer with 100% imidization, so that it can be imidized sufficiently without further processing, and no change in properties occurs in the process of making the product (extrusion, injection). Despite the disadvantage that the molecular weight control of PEI by Side reaction is difficult because of high temperature conditions, the second method is more advantageously applied to the polyetherimide production method than the first method .
비스이미드로부터 폴리에테르이미드를 제조하는 방법과 관련하여, 미국 특허 제 5,229,482 호는 헥사알킬구아니디늄 할로겐화물과 같은 열적으로 안정한 상전이촉매(phase transfer catalyst)의 존재하에서 디클로로벤젠과 같은 낮은 극성의 용매를 사용하여 폴리에테르이미드의 제조를 위한 방법이 개시하고 있다. 또한, 미국 특허 제 5,830,974 호는 용매로서 아니졸과 같은 모노알콕시벤젠을 사용하는 방법을 개시하고 있다. With regard to the process for preparing polyetherimides from bisimides, U.S. Pat. No. 5,229,482 discloses a process for the preparation of polyetherimides from bisimides in the presence of a thermally stable phase transfer catalyst such as a hexaalkyl guanidinium halide in a low polarity solvent such as dichlorobenzene ≪ / RTI > for the preparation of polyetherimides. In addition, U.S. Patent No. 5,830,974 discloses a method of using a monoalkoxybenzene such as anisole as a solvent.
이러한 종래 기술들이 존재함에도 불구하고, 비스이미드로부터 폴리에테르이미드 제조를 위한 최적의 방법 개발은 여전히 해결과제로 남아 있다. 특히, 제조분야에 있어서 보다 빠른 시간 내에 높은 분자량의 폴리에테르이미드를 얻을 수 있는 방법을 개발하는 것은 무엇보다도 중요하게 요구되고 있는 바이다.Despite the presence of these prior arts, the development of optimal methods for the production of polyetherimides from bisimides remains a challenge. Particularly, it is important to develop a method capable of obtaining a polyetherimide having a high molecular weight in a shorter time in the field of manufacture.
이에 본 발명은 폴리에테르이미드(PEI) 제조방법에 있어서, 헥사알킬구아니디늄과 같이 종래에 사용되어 온 촉매를 이용하는것 보다 빠른 반응 시간내에 높은 분자량의 PEI를 합성할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a method for synthesizing PEI having a high molecular weight in a reaction time faster than that using a conventionally used catalyst such as hexaalkyl guanidinium in the process for producing polyetherimide (PEI) .
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 구현예는 (S1) 용매 및 하기 화학식 1로 표시되는 비스이미드 단량체가 10% 내지 30%의 농도로 투입된 반응조에 상이동 촉매로서 크립탠드 또는 크라운 에테르계 리간드 촉매를 적하하는 단계; 및 (S2) 상기 (S1)단계에서 촉매가 적하된 반응조에 하기 화학식 2로 표기되는 음이온성 단량체를 상기 비스이미드 단량체와 동일 몰량(오차범위 ±0.05 이내)으로 적하하고, 반응시켜 폴리에테르이미드를 수득하는 단계를 포함하는 폴리에테르이미드 합성 방법이다.A preferred embodiment of the present invention for solving the above problems is characterized in that (S1) a solvent and a bismediimide monomer represented by the following general formula (1) are added in a concentration of 10% to 30% to a reaction vessel containing a clogende or crown ether ligand Dropping a catalyst; And (S2) an anionic monomer represented by the following formula (2) is added dropwise into a reaction vessel in which the catalyst is dropped in the step (S1) in the same molar amount (within an error range of 0.05) as the bisimide monomer and reacted to react the polyetherimide ≪ RTI ID = 0.0 > polyetherimide < / RTI >
<화학식 1>≪ Formula 1 >
상기 화학식 1에서 A는 F, Cl, Br, I 및 NO2 중 선택된 1종이고, R1 은 Cyclohexane, Cyclopentadiene, Biphenyl 및 diphenyl ether 중 선택된 1종의 유기 화합물로부터 유도된 2가의 결합기이거나, phenylene이다. Wherein A is selected from among F, Cl, Br, I and NO 2 , R 1 is selected from the group consisting of Cyclohexane, Cyclopentadiene, A bivalent linking group derived from one organic compound selected from biphenyl and diphenyl ether, or phenylene.
<화학식 2>(2)
상기 화학식 2에서 B는 K 또는 Na이고, R2은 탄소수 1 내지 10의 alkylene, 탄소수 3 내지 10의 cycloalkylene, Phenylene, 2가의 biphenyl, 2가의 diphenyl sulfone, 2가의 diphenyl ketone 및 2가의 diphenyl propane 중 선택된 1종이다. Wherein B is K or Na and R 2 is selected from alkylene having 1 to 10 carbon atoms, cycloalkylene having 3 to 10 carbon atoms, phenylene, divalent biphenyl, bivalent diphenyl sulfone, bivalent diphenyl ketone and bivalent diphenyl propane One species.
상기 구현예에 따른 반응조는 오일 배스(oil bath) 내에 배치된 것이며, 상기 오일 배스는 (S1)단계에서 130 내지 210℃로 승온되는 것일 수 있다.The reaction vessel according to this embodiment is disposed in an oil bath, and the oil bath may be heated to 130 to 210 ° C in step (S1).
또, 상기 구현예에 따른 용매는 톨루엔, 자일렌, 오르쏘-다이클로로벤젠, 파라-다이클로로벤젠, 다이클로로톨루엔, 1,2,4-트라이클로로벤젠, 다이페닐 설폰, 페네톨, 아니솔, 베라트롤 및 이들의 혼합물 중 선택된 1종 이상인 것일 수 있고, 상기 촉매는 상기 화학식 2에서 B가 Na일 경우, 18-Crown-6 및 Cryptand 221 중 적어도 하나이고, 상기 화학식 2에서 B가 K일 경우, 21-Crown-7 및 Cryptand 222중 적어도 하나일 수 있다.The solvent according to this embodiment may also be selected from the group consisting of toluene, xylene, ortho-dichlorobenzene, para-dichlorobenzene, dichlorotoluene, 1,2,4-trichlorobenzene, diphenylsulfone, , Veratrol, and mixtures thereof, wherein the catalyst is at least one of 18-Crown-6 and Cryptand 221 when B is Na in Formula 2, and B is K And may be at least one of 21-Crown-7 and Cryptand 222. [
이때, 상기 촉매는 비스이미드 단량체 총 몰에 대하여 0.01 내지 0.1몰% 첨가되는 것이 바람직하다.At this time, the catalyst is preferably added in an amount of 0.01 to 0.1 mol% based on the total moles of the bisimide monomer.
나아가 상기 구현예에 따른 (S2)에서의 반응은 1 내지 5시간 수행될 수 있으며, (S2)에서 수득한 폴리에테르이미드의 중량평균분자량은 10,000 내지 70,000일 수 있다.Further, the reaction in (S2) according to the above embodiment may be carried out for 1 to 5 hours, and the weight average molecular weight of the polyetherimide obtained in (S2) may be 10,000 to 70,000.
본 발명에 따르면 극성 촉매를 이용하여 음이온성 단량체를 용해시켰던 기존의 방법과는 달리, 분자 구조내에 이온이 존재하지 않는 촉매를 사용함으로써 소량의 촉매만으로도 합성시 별도의 수분 정제과정 없이 보다 빠른 시간내에 높은 분자량의 폴리에테르이미드를 합성 및 제조할 수 있다.According to the present invention, unlike the conventional method of dissolving anionic monomers by using a polar catalyst, by using a catalyst in which no ions are present in the molecular structure, even a small amount of catalyst can be used in a short period of time High molecular weight polyetherimides can be synthesized and prepared.
특히, 본 발명에서 사용되는 촉매는 Na 또는 K과 킬레이트를 형성하므로, 본 발명은 Na 또는 K이온을 포함하는 음이온성 단량체를 사용하여 PEI를 제조하는 방법에 보다 용이할 수 있다.In particular, since the catalyst used in the present invention forms a chelate with Na or K, the present invention can be more easily performed in a method of producing PEI using an anionic monomer containing Na or K ions.
도 1은 본 발명에 따른 상전이촉매(phase transfer catalyst)의 일예인 18-Crown-6, 21-Crown-7, Cryptand 221 및 Cryptand 222 의 화학구조를 나타낸 것이다.1 shows chemical structures of 18-Crown-6, 21-Crown-7, Cryptand 221 and Cryptand 222, which are one example of a phase transfer catalyst according to the present invention.
본 발명은 단량체 구조내에 이미드기를 이미 포함하고 있는 비스이미드 단량체로부터 폴리에테르이미드를 제조하는 방법으로서 제안된 것이며, 상전이 촉매로 기존에 사용되어온 헥사알킬구아니디늄 대신 크립탠드 또는 크라운 에테르계 리간드 촉매를 이용함에 따라 수분의 제거과정 없이도 빠른 반응 시간내에 높은 중합도를 갖는 폴리에테르이미드를 합성할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.The present invention has been proposed as a method for producing a polyetherimide from a bisimide monomer already containing an imide group in a monomer structure, and it has been proposed to use a cryptand or crown ether ligand catalyst instead of hexaalkyl guanidinium, It is possible to provide a method for synthesizing a polyetherimide having a high polymerization degree within a fast reaction time without removing water.
통상적으로 비스이미드 단량체를 이용한 폴리에테르이미드 제조에서는 비스이미드와의 반응물로서 음이온성 염을 이용하게 되는데, 음이온성 염의 특성상 물이나 알코올과 같은 프로톤성 용매가 아닌 경우 잘 용해되지 않는다. 그런데, 비스이미드 단량체를 용해시킬 수 있는 용매는 프로톤성 용매가 아니므로 비스이미드 단량체를 이용한 반응에서는 음이온성 염을 용매에 용해시키기 위해 촉매를 사용할 수 밖에 없다.Generally, an anionic salt is used as a reactant with bisimide in the production of a polyetherimide using a bisimide monomer. However, the anionic salt does not dissolve well when it is not a protonic solvent such as water or alcohol. However, since the solvent capable of dissolving the bisimide monomer is not a protonic solvent, it is inevitable to use a catalyst to dissolve the anionic salt in the solvent in the reaction using the bisimide monomer.
이러한 촉매로서 기존에는 헥사알킬구아니디늄 클로라이드을 사용하였으나, 이 경우 헥사알킬구아니디늄 클로라이드는 분자내에 이온이 존재하기 때문에 합성과정에서 결합된 수분을 제거하기 어렵고 실험중에 만나게 되는 공기에 있는 수분과 쉽게 결합하는 단점이 있다. 이에 따라, 반응을 제대로 제어하지 못할 경우, 이미드결합기가 수분에 의해 공격받아 깨지게 되므로 높은 중합도의 PEI를 수득하지 못하게 된다. 따라서 헥사알킬구아니디늄을 촉매로 사용하는 방법에서는 반응시 발생하는 수분의 제거 즉, 정제과정이 필수 불가한 것이다.As the catalyst, hexaalkyl guanidinium chloride has been used. In this case, since hexaalkyl guanidinium chloride has ions in the molecule, it is difficult to remove the bound moisture in the synthesis process and the moisture in the air and the There is a disadvantage to combine. Accordingly, if the reaction can not be controlled properly, the imide bond group is attacked by moisture and is broken, so that PEI having high polymerization degree can not be obtained. Therefore, in the method using hexaalkylguanidinium as a catalyst, the removal of water generated during the reaction, that is, the purification process is indispensable.
그러나 본 발명에서 사용하는 크립탠드 또는 크라운 에테르계 리간드 촉매의 경우, 극성이 존재하지 않기 때문에 합성과정에서도 수분을 제거하기 쉽다. 또한 실험을 진행하는 과정에 만나는 수분과도 쉽게 결합하지 않기 때문에, 별도의 수분의 정제과정이 불필요하며, 이에 따라 합성이 보다 간편하게 이루어질 수 있으며, 수분에 의해 이미드기가 깨질 우려가 없기 때문에 보다 높은 중합도의 PEI를 얻을 수 있게 된다.However, in the case of the cryptand or crown ether ligand catalyst used in the present invention, since there is no polarity, it is easy to remove moisture in the synthesis process. In addition, since the water does not easily bind to the water encountered in the course of the experiment, a separate purification process of water is not required, and thus the synthesis can be performed more easily, and since the imide group is not broken by moisture, It is possible to obtain a polymerization degree of PEI.
이를 가능하게 하는 본 발명의 구체적인 방법은 다음 같은 단계로 수행될 수 있다.The specific method of the present invention that enables this can be performed in the following steps.
1 단계(S1)Step 1 (S1)
우선, 본 발명의 폴리에테르이미드 제조방법은 용매 및 하기 화학식 1로 표시되는 비스이미드 단량체가 10% 내지 30%의 농도로 투입된 반응조에 상이동 촉매로서 크립탠드 또는 크라운 에테르계 리간드 촉매를 적하하는 단계로부터 출발된다.First, the process for producing a polyetherimide of the present invention comprises the steps of dropping a criptide or crown ether ligand catalyst as a phase transfer catalyst into a reaction tank in which a solvent and a bisimide monomer represented by the following formula (1) are introduced at a concentration of 10% to 30% Lt; / RTI >
<화학식 1>≪ Formula 1 >
상기 화학식 1에서 A는 F, Cl, Br, I 및 NO2 중 선택된 1종이고, R1 은 Cyclohexane, Cyclopentadiene , Biphenyl 및 diphenyl ether 중 선택된 1종의 유기 화합물로부터 유도된 2가의 결합기이거나, phenylene이다. In Formula 1, A is selected from among F, Cl, Br, I and NO 2 , R 1 is selected from Cyclohexane , Cyclopentadiene , Biphenyl And diphenyl ether Or a divalent linking group derived from one organic compound selected from phenylene to be.
이때, 상기 용매는 비스이미드 단량체가 용해될 수 있는 용매로 선택되는 것이 바람직하며, 톨루엔, 자일렌, 오르쏘-다이클로로벤젠, 파라-다이클로로벤젠, 다이클로로톨루엔, 1,2,4-트라이클로로벤젠, 다이페닐 설폰, 페네톨, 아니솔, 베라트롤 및 이들의 혼합물 중 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.At this time, it is preferable that the solvent is selected as a solvent in which the bismediimide monomer can be dissolved, and toluene, xylene, ortho-dichlorobenzene, para-dichlorobenzene, dichlorotoluene, 1,2,4- Chlorobenzene, diphenylsulfone, phenetole, anisole, veratrol, and mixtures thereof.
상기 비스이미드 단량체에서 치환기 A는 leaving group으로서 반응시 잘 떨어져 나가야 음이온 단량체와의 중합반응 활발이 진행될 수 있기에 전기음성도가 높은 할로겐 원자단 또는 NO2로 치환된 것을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 상기 비스이미드 단량체는 상기 용매에 10% 내지 30% 의 농도로 첨가되는 것이 바람직한데, 농도가 10% 미만일 경우 농도가 낮아서 낮은 분자량의 PEI만 생성될 수 있고, 농도가 30% 초과할 경우, 모노머가 용매에 다 녹지 않아 반응에 참여하지 못한 모노머로 인하여 수율이 낮게 되거나 용매에 점도가 너무 높아져 교반이 안되는 문제가 발생될 수 있다.In the bisimide monomer, the substituent group A is a leaving group. Since the polymerization reaction with the anionic monomer may proceed during the reaction, it may be advantageous to use a halogen atom having high electronegativity or substituted with NO 2 . If the concentration of the bisimide monomer is less than 10%, the concentration of the bisimide monomer may be lowered to produce only low molecular weight PEI. When the concentration exceeds 30% , The monomer may not be completely dissolved in the solvent, resulting in a low yield due to the monomer not participating in the reaction, or the viscosity of the solvent may become too high and the stirring may not be performed.
본 발명에서 상기 반응조는 오일 배스(oil bath) 내에 배치된 것이며, 상기 오일 배스는 (S1)단계에서 130 내지 210℃, 보다 바람직하게는 150 내지 200℃로 승온되는 것이 바람직하다. 오일 배스의 온도를 승온시키는 이유는 중합 반응에 적합한 온도에 도달시키기 위해서이기도 하며, 비스이미드 단량체가 반응조 내에서 용매에 보다 잘 용해될 수 있도록 유도하기 위한 목적이기도 하다. 오일 배스의 온도가 210℃ 이하라면 충분히 높은 분자량의 PEI를 얻을 수 있으나, 130℃미만일 경우, 이후 반응에서 충분한 중합이 이루어지지 않아 최종 수득되는 PEI의 분자량이 저조할 수 있다.In the present invention, the reaction vessel is disposed in an oil bath, and the oil bath is preferably heated to 130 to 210 ° C, more preferably to 150 to 200 ° C in the step (S1). The reason for raising the temperature of the oil bath is to reach a temperature suitable for the polymerization reaction and also to induce the bisimide monomer to be dissolved in the solvent more easily in the reaction tank. If the temperature of the oil bath is 210 캜 or lower, a sufficiently high molecular weight PEI can be obtained. However, if the temperature is lower than 130 캜, sufficient polymerization can not be carried out in subsequent reaction, resulting in a low molecular weight of PEI.
한편, 상기 촉매는 후술하는 2단계(S2)에서 투입될 음이온성 단량체의 용매에 대한 용해도를 향상시키기 위해 첨가되는 것으로서, 크립탠드 또는 크라운 에테르계 리간드 촉매인 것이 바람직하다. 특히, (S2)단계에서 투입할 음이온성 단량체의 종류를 고려하여, 음이온성 단량체에 Na 이온이 포함될 경우 상기 촉매는 18-Crown-6 및 Cryptand 221 중 적어도 하나인 것이 바람직하고, 음이온성 단량체에 K 이온이 포함될 경우 상기 촉매는 21-Crown-7 및 Cryptand 222 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.On the other hand, the catalyst is added to enhance the solubility of the anionic monomer to be added in the second step (S2), which will be described later, and is preferably a cryptand or crown ether ligand catalyst. In particular, considering the kind of the anionic monomer to be charged in step (S2), if the anionic monomer contains Na ions, the catalyst is preferably at least one of 18-Crown-6 and Cryptand 221, and the anionic monomer When K ions are included, the catalyst is preferably at least one of 21-Crown-7 and Cryptand 222.
본 발명에서 상기 촉매는 비스이미드 단량체 총 몰에 대하여 0.01 내지 0.1몰% 첨가되는 것이 바람직할 수 있다. 촉매의 첨가량이 0.01몰% 미만일 경우, 반응속도가 느려 원하는 분자량을 얻을 수가 때문에 바람직하지 않고, 0.1몰%를 초과하면, 오히려 반응 속도가 느려져 원하는 분자량을 얻을 수가 없는 문제가 발생할 수 있다.In the present invention, it is preferable that the catalyst is added in an amount of 0.01 to 0.1 mol% based on the total moles of the bisimide monomer. If the addition amount of the catalyst is less than 0.01 mol%, the reaction rate is slow and the desired molecular weight can not be obtained. If the amount is more than 0.1 mol%, the reaction rate is rather slow and the desired molecular weight can not be obtained.
본 발명의 촉매는 도 1에 도시한 것과 같이 3차원으로 가교하여 고리모양을 이루고 있는 다좌 배위자로서 알칼리 금속 이온, 특히 Na 또는 K을 3차원 공간에 포집하여 킬레이트 착물을 형성하는 특징을 가지고 있다. 폴리에테르이미드 제조에 흔히 사용되는 헥사알킬구아니디늄 클로라이드(Hexaethyl guanidium Chloride)의 경우, 분자내에 이온 결합이 존재하여 PEI 합성공정에서 발생되는 수분이나 공기중에 존재하는 수분과 결합이 쉽기 때문에 별도의 수분 정제 공정을 요구하나, 본 발명의 촉매는 분자내에 이온결합이 존재하지 않기 때문에 합성과정에서 수분을 제거해주는 공정이 없어도 촉매의 활성이 우수하며, 이에 따라 높은 분자량의 PEI을 빠른 시간내에 얻을 수가 있다.As shown in FIG. 1, the catalyst of the present invention has a feature of forming a chelate complex by trapping alkali metal ions, especially Na or K, in a three-dimensional space as a polydentate ligand which is crosslinked three-dimensionally to form an annular ligand. In the case of hexaethyl guanidium chloride, which is often used in the production of polyetherimides, ionic bonds exist in the molecule and are easily combined with moisture generated in the PEI synthesis process or moisture present in the air. Therefore, However, since the catalyst of the present invention has no ionic bond in the molecule, the activity of the catalyst is excellent even when there is no process for removing moisture in the synthesis process, and thus a high molecular weight PEI can be obtained in a short time .
2 단계(S2)Step S2 (S2)
이어서, 본 발명은 상기 (S1)단계에서 촉매가 적하된 반응조에 하기 화학식 2로 표기되는 음이온성 단량체를 상기 비스이미드 단량체와 동일 몰량(오차범위 ±0.05 이내)으로 적하하고 (S1)단계에서 승온된 온도에서 반응시킴으로써, 폴리에테르이미드를 최종적으로 수득할 수 있다.Next, in step (S1), the anionic monomer represented by the following formula (2) is added dropwise to the reaction vessel in which the catalyst is dripped in the same molar amount as the above-mentioned bisimide monomer (within an error range of 0.05) Lt; RTI ID = 0.0 > C, < / RTI > the polyetherimide can be finally obtained.
<화학식 2>(2)
상기 화학식 2에서 B는 K 또는 Na이고, R2은 탄소수 1 내지 10의 alkylene, 탄소수 3 내지 10의 cycloalkylene, Phenylene , 2가의 biphenyl, 2가의 diphenyl sulfone, 2가의 diphenyl ketone 및 2가의 diphenyl propane 중 선택된 1종이다. Wherein B is K or Na, R 2 is alkylene having 1 to 10 carbon atoms, cycloalkylene having 3 to 10 carbon atoms, phenylene , Divalent biphenyl , Divalent diphenyl sulfone , Divalent diphenyl ketone And bivalent diphenyl propane ≪ / RTI >
본 발명에서 상기 음이온성 염은 2개의 수산화기(-OH)를 갖는 다이올 또는 페놀계 음이온성 염으로서, 에틸렌 글리콜과 같은 다이올 또는 하이드로퀴논, 4,4'-하이드록시 비스페놀, 비스(4-하이드록페닐)설폰, 비스(4-하이드로페닐)케톤, 비스페놀 A 등과 같은 페놀계 화합물에서 수산화기의 H가 포타슘(K, 칼륨) 또는 소듐(Na, 나트륨)으로 치환된 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 음이온성 염이 이온화되면서, 포타슘 양이온(K+) 또는 소듐 양이온(Na+)은 촉매에 의해 포집되고, 음이온을 띄는 부분은 비스이미드 말단의 전기음성도가 높은 할로겐원자 또는 NO2에 전자를 내어주면서 대신 비스이미드 말단과 에테르 결합을 이루어 폴리에테르이미드로 중합된다.In the present invention, the anionic salt is a diol or phenolic anionic salt having two hydroxyl groups (-OH), such as diol or hydroquinone such as ethylene glycol, 4,4'-hydroxy bisphenol, bis (4- (K, potassium) or sodium (Na, sodium) is substituted for H of the hydroxyl group in a phenol compound such as bisphenol A, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, bis As a result, the anion salt is ionized and the potassium cation (K + ) or the sodium cation (Na + ) is collected by the catalyst, and the anion portion is a halogen atom having a high electronegativity at the end of the bisimide or NO 2 And ether bonds with the terminal of the bisimide to polymerize into the polyetherimide.
이때, 상기 음이온성 염이 포타슘 또는 소듐으로 치환되어 있음에 따라 상기 촉매에 의한 포집 활성이 보다 활발해지게 되고, 이에 따라 소량의 촉매로도 반응속도는 현저히 빨라질 수 있다. 즉, 동일량의 촉매하에서 수분의 정제과정을 생략한다면, 본 발명의 제조방법에 따라 제조할 경우, 1 내지 5시간의 반응으로도 중량평균분자량(Mw)은 10,000 내지 70,000, 보다 바람직하게는 20,000 내지 70,000, 가장 바람직하게는 50,000 내지 70,000의 폴리에테르이미드를 수득할 수 있으나, 헥사알킬구아니디늄 클로라이드(Hexaethyl guanidium Chloride)를 사용하는 경우 동등 수준의 중합도를 얻기 위해 4시간 내지 6시간의 반응시간이 더 요구되는 것이다. 즉, 궁극적으로 수분의 정제과정이 불필요한 방법인 점을 고려한다면, 본 발명은 단시간에 높은 중합도의 PEI를 제조하는 효율적인 중합 방법을 제공하게 되는 것이다.At this time, since the anionic salt is substituted with potassium or sodium, the trapping activity by the catalyst becomes more active, so that the reaction rate can be remarkably accelerated even with a small amount of the catalyst. That is, if the process of purifying water under the same amount of catalyst is omitted, when the preparation according to the production method of the present invention is carried out, the weight average molecular weight (Mw) is 10,000 to 70,000, more preferably 20,000 To 70,000, and most preferably from 50,000 to 70,000. In case of using hexaethyl guanidium chloride, a reaction time of 4 hours to 6 hours to obtain an equivalent level of polymerization degree Is more demanding. That is, considering that ultimately a water purification process is unnecessary, the present invention provides an efficient polymerization method for producing PEI having a high degree of polymerization in a short time.
본 발명에서 설명되는 중량평균분자량(Mw)는 겔 투과 크로마토그래피(GPC) (Waters사 제품, 모델명 e2695)에 의해 폴리스티렌 환산 중량평균분자량(Mw)을 구한 것을 의미할 수 있다. 측정방법은 보다 구체적으로, 측정하고자하는 중합체를 1%의 농도가 되도록 디메틸포름아미드(DMF)에 용해시켜 GPC에 20㎕를 주입하되, 1.0mL/분의 유속으로 유입하고, 30℃에서 분석을 수행한다. 이때, 컬럼은 Waters사 Styragel HR3 2개를 직렬로 연결하여 사용할 수 있으며, 검출기로는 RI 검출기 (Waters사 제품, 2414)를 이용하여 40℃에서 측정한다.The weight average molecular weight (Mw) described in the present invention may mean that the polystyrene reduced weight average molecular weight (Mw) is determined by gel permeation chromatography (GPC) (model name e2695, manufactured by Waters). More specifically, the polymer to be measured was dissolved in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 1%, and 20 μl was injected into GPC. The solution was flowed at a flow rate of 1.0 mL / min and analyzed at 30 ° C. . At this time, the column can be used by connecting two Styragel HR3 of Waters Co., Ltd. in series, and the detector is measured at 40 캜 using an RI detector (Waters, 2414).
실시예Example
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for the purpose of illustrating the present invention more specifically, and the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예 전체 걸쳐 사용된 시약은 다음과 같다.The reagents used throughout the examples of the present invention are as follows.
- 비스이미드 단량체: Bis-4-Chlorophthalimide-4-phthalimidobenzene (B-4-CPI-4-PIB, Mw: 437.535), Bis-(4-chlorophthalimido))phenyl-4'-(N- phthalimido)phenyl ether(B-4-CPI-4-PPE, Mw: 529.33)Bis-4-chlorophthalimide-4-phthalimidobenzene (B-4-CPI-4-PIB, Mw: 437.535), Bis- (4- chlorophthalimido) (B-4-CPI-4-PPE, Mw: 529.33)
- 음이온성 단량체: Bisphenol-A-Dipotassium anion (BPAP-2, Mw: 304.47), Bisphenol-A-Disodium anion (BPAS-2, Mw: 272.25)- Bisphenol-A-Dipotassium anion (BPAP-2, Mw: 304.47), Bisphenol-A-Disodium anion (BPAS-2, Mw: 272.25)
- 용매: O-dichlorobenzene (ODCB, Solvent)- Solvent: O-dichlorobenzene (ODCB, Solvent)
- 상전이촉매: Cryptand 222 (Mw: 376.488), Cryptand 221 (Mw: 332.44)- phase transition catalysts: Cryptand 222 (Mw: 376.488), Cryptand 221 (Mw: 332.44)
실시예Example 1 One
오일배스 내에 배치된 250ml의 삼구 플라스크에 ODCB 100 ml와 B-4-CPI-4-PIB 9.6g(22.0 mmol)을 첨가하고 오일배스의 온도가 150℃에 도달할 때까지 승온하며 B-4-CPI-4-PIB를 용매에 용해시켰다. 또한 상기 플라스크에 0.00082g 즉, B-4-CPI-4-PIB 대비 0.01몰%(0.0022 mmol)의 Cryptand 222를 적하하였다. 이어서, 상기 승온된 용액에 깔대기를 이용하여 6.7 g(22.0 mmol)의 BPAP-2를 적하시켰으며, 적하가 완료된 시점에서는 150℃의 승온온도를 유지하며 3시간동안 교반하였다. 3시간 후, 용액을 상온으로 냉각시켰으며, 냉각된 용액을 500ml의 메탄올에 부어 합성된 PEI형태로서 갈색 침전물이 얻어지는 것을 확인하였다.In a 250 ml three-necked flask placed in an oil bath, 100 ml of ODCB and 9.6 g (22.0 mmol) of B-4-CPI-4-PIB were added and the temperature of the oil bath was raised to 150 캜, CPI-4-PIB was dissolved in the solvent. Further, 0.00082 g of
실시예Example 2 2
촉매의 함량을 단량체(B-4-CPI-4-PIB) 대비 0.05mol%(0.011 mmol)투입한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 0.05 mol% (0.011 mmol) of the catalyst was added to the monomer (B-4-CPI-4-PIB).
실시예Example 3 3
촉매의 함량을 단량체(B-4-CPI-4-PIB) 대비 0.1mol%(0.022 mmol) 투입한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 0.1 mol% (0.022 mmol) of the catalyst was added to the monomer (B-4-CPI-4-PIB).
실시예Example 4 4
최종 승온 온도를 150℃에서 180℃로 높이는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the final heating temperature was increased from 150 캜 to 180 캜.
실시예Example 5 5
최종 승온온도를 150℃에서 200℃로 높이는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the final temperature was raised from 150 캜 to 200 캜.
실시예Example 6 6
3시간에 걸친 반응 시간을 1시간으로 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the reaction time over 3 hours was adjusted to 1 hour.
실시예Example 7 7
3시간에 걸친 반응 시간을 2시간으로 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the reaction time over 3 hours was adjusted to 2 hours.
실시예Example 8 8
3시간에 걸친 반응시간을 5시간으로 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the reaction time over 3 hours was adjusted to 5 hours.
실시예Example 9 9
B-4-CPI-4-PIB 대신 B-4-CPI-4-PPE 11.64g(22.0 mmol)을 첨가한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 11.64 g (22.0 mmol) of B-4-CPI-4-PPE was added instead of B-4-CPI-4-PIB.
실시예Example 10 10
B-4-CPI-4-PIB 대신 B-4-CPI-4-PPE 11.64g(22.0 mmol), Cryptand 222 대신 0.00073g(0.0022mmol)의 Cryptand 221 그리고 BPAP-2 대신 5.98 g(22.0 mmol)의 BPAS-2를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.11.64 g (22.0 mmol) of B-4-CPI-4-PPE instead of B-4-CPI-4-PIB, 0.00073 g (0.0022 mmol) of
실시예Example 11 11
최종 승온온도를 150℃에서 100℃로 낮춘 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the final temperature-raising temperature was lowered from 150 占 폚 to 100 占 폚.
실시예Example 12 12
최종 승온온도를 150℃에서 140℃로 낮춘 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the final temperature-raising temperature was lowered from 150 占 폚 to 140 占 폚.
실시예Example 13 13
최종 승온온도를 210℃로 설정한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the final temperature-raising temperature was set at 210 占 폚.
실시예Example 14 14
비스 이미드 단량체(B-4-CPI-4-PPE) 대비 0.15mol%(0.11 mmol)의 Cryptand 222촉매를 사용하는 것을 제외하고 상기 실시예 9와 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 9, except that 0.15 mol% (0.11 mmol) of
실시예Example 15 15
비스 이미드 단량체(B-4-CPI-4-PPE) 대비 0.15mol%(0.11 mmol)의 Cryptand 221 촉매를 사용하는 것을 제외하고 상기 실시예 10와 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 10, except that 0.15 mol% (0.11 mmol) of
비교예Comparative Example 1 One
촉매를 사용하지 않는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the catalyst was not used.
비교예Comparative Example 2 2
비스 이미드 단량체(B-4-CPI-4-PIB) 대비 0.1mol%(0.022 mmol)의 Hexaethyl Guanidium chloride(Angene Chemical, China) 촉매를 사용하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.Except that 0.1mol% (0.022 mmol) of hexaethyl guanidium chloride (Angene Chemical, China) catalyst was used in place of the bisimide monomer (B-4-CPI-4-PIB) Were synthesized.
비교예Comparative Example 3 3
상기 비교예 2의 합성과정에서 발생하는 수분을 제거(정제)해준 것을 제외하고 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Comparative Example 2, except that the water generated in the synthesis of Comparative Example 2 was removed (purified).
비교예Comparative Example 4 4
상기 비교예 3에서의 반응 온도를 150℃에서 200로 높여 진행한 것을 제외하고 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 PEI를 합성하였다.PEI was synthesized in the same manner as in Comparative Example 3, except that the reaction temperature in Comparative Example 3 was increased from 150 ° C to 200 ° C.
이어서, 상기 실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 9로부터 각각 수득한 PEI의 분자량(Mw)을 GPC(Gel permeation chromatography)을 이용하여 측정(satandard: polystyrene)하였고, 그 결과를 하기 표 1에 반영하였다.Then, the molecular weights (Mw) of the PEI obtained from each of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 9 were measured by gel permeation chromatography (GPC) (satandard: polystyrene) Respectively.
(℃)Reaction temperature
(° C)
(시간)Reaction time
(time)
(Mw)Molecular Weight
(Mw)
BPAP-2B-4-CPI-4-PPE
BPAP-2
Cryptand
BPAS-2B-4-CPI-4-PPE
BPAS-2
Cryptand
상기 표 1을 통해 확인할 수 있듯이, 상전이촉매로서 크립탠드를 사용한 본 발명의 실시예 1의 경우, 촉매를 사용하지 않은 비교예 1이나, 촉매로서 HEGCI를 사용한 비교예 2에 비해 수득된 PEI의 중합도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 2 또는 3과 같이 촉매의 함량을 좀 더 높일 경우엔 수분을 제거하면서 정반응을 유도하였던 비교예 3과 동등수준 이상의 중합도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 다만, 촉매 함량이 단량체 함량의 0.1몰%를 초과할 경우 실시예 14 및 15처럼, 오히려 반응 속도가 느려져 원하는 분자량이 저하될 수 있는 것으로 확인되었다.As can be seen from the above Table 1, the polymerization degree of PEI obtained in Comparative Example 1 in which catalyst was not used and Comparative Example 2 in which HEGCI was used as a catalyst, in Example 1 of the present invention using creptand as a phase- . In addition, when the content of the catalyst was further increased as in Example 2 or 3, it was found that the degree of polymerization was equal to or higher than that of Comparative Example 3 in which the reaction was induced while removing moisture. However, when the catalyst content exceeds 0.1 mol% of the monomer content, it is confirmed that the reaction rate is lowered and the desired molecular weight can be lowered as in Examples 14 and 15.
한편, 실시예 1, 4 및 5와 같이 동일한 반응시간에서는 150 내지 200℃에서 충분한 중합이 이루어지는 것으로 확인되었고, 다만 실시예 11 및 12와 같이 온도가 낮아질 경우 중합도가 다소 떨어질 수 있는 반면, 실시예 13과 같이 온도를 더 높아진다고 해서 중합도가 더 높아지는 것은 아닌 것으로 나타났다. 또한, 실시예 4 내지 5과 같이 동일한 반응 시간에서는 반응 온도가 높을 경우 중합도가 향상될 수 있으나, 실시예 5와 8로부터 알 수 있듯이 반응시간은 최대 5시간으로 이를 초과하더라도 중합도는 크게 향상되지 않을 것으로 보였다.On the other hand, it was confirmed that sufficient polymerization was carried out at 150 to 200 ° C in the same reaction time as in Examples 1, 4 and 5. However, when the temperature was lowered as in Examples 11 and 12, the degree of polymerization could be somewhat lowered, As shown in Fig. 13, the higher the temperature, the higher the degree of polymerization. Also, as in Examples 4 and 5, the polymerization degree can be improved when the reaction temperature is high in the same reaction time. However, as can be seen from Examples 5 and 8, the reaction time is maximally 5 hours, Respectively.
특히, 실시예 5와 비교예 4의 결과 비교 또는 실시예 9와 비교예 3의 결과 비교를 통해, 촉매의 양과 반응 조건이 동일할 경우 본 발명은 정제과정 없이도 동등수준의 중합도로 반응물(PEI)을 수득할 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 이와 같은 결과에 따라, 본 발명에 따른 폴리에테르 이미드 합성방법은 수분의 정제반응 없이도 높은 중합도의 PEI를 합성할 수 있으며, 그 반응은 동일한 조건에서 종래에 사용되오던 촉매를 적용하는 것보다 단시간에 이루어질 수 있음을 확인할 수 있었다.In particular, comparing the results of Example 5 and Comparative Example 4, or comparing the results of Example 9 and Comparative Example 3, it can be seen that when the amount of catalyst and the reaction conditions are the same, Can be obtained. That is, according to the above results, the method of synthesizing polyetherimide according to the present invention can synthesize PEI having a high degree of polymerization without the purification reaction of water, and the reaction is performed by applying a catalyst that has conventionally been used under the same conditions It can be confirmed that it can be performed in a shorter time.
Claims (7)
<화학식 1>
상기 화학식 1에서 A는 F, Cl, Br, I 및 NO2 중 선택된 1종이고, R1 은 Cyclohexane, Cyclopentadiene, Biphenyl 및 diphenyl ether 중 선택된 1종의 유기 화합물로부터 유도된 2가의 결합기이거나, phenylene이다.
(S2) 상기 (S1)단계에서 촉매가 적하된 반응조에 하기 화학식 2로 표기되는 음이온성 단량체를 상기 비스이미드 단량체와 동일 몰량(오차범위 ±0.05 이내)으로 적하하고, 반응시켜 폴리에테르이미드를 수득하는 단계를 포함하는 폴리에테르이미드 합성 방법.
<화학식 2>
상기 화학식 2에서 B는 K 또는 Na이고, R2은 탄소수 1 내지 10의 alkylene, 탄소수 3 내지 10의 cycloalkylene, Phenylene, 2가의 biphenyl, 2가의 diphenyl sulfone, 2가의 diphenyl ketone 및 2가의 diphenyl propane 중 선택된 1종이다.
Dropping a clogende or crown ether ligand catalyst as a phase transfer catalyst in a reaction vessel where the solvent (S1) and the bisimide monomer represented by the following formula (1) are introduced at a concentration of 10% to 30%; And
≪ Formula 1 >
Wherein A is selected from among F, Cl, Br, I and NO 2 , R 1 is selected from the group consisting of Cyclohexane, Cyclopentadiene, A bivalent linking group derived from one organic compound selected from biphenyl and diphenyl ether, or phenylene.
(S2) In step (S1), an anionic monomer represented by the following formula (2) is added dropwise to the reaction vessel in which the catalyst is dropped in the same molar amount (within an error range of 0.05) as that of the bisimide monomer and reacted to obtain a polyetherimide ≪ RTI ID = 0.0 > polyetherimide < / RTI >
(2)
Wherein B is K or Na and R 2 is selected from alkylene having 1 to 10 carbon atoms, cycloalkylene having 3 to 10 carbon atoms, phenylene, divalent biphenyl, bivalent diphenyl sulfone, bivalent diphenyl ketone and bivalent diphenyl propane One species.
The method according to claim 1, wherein the reaction tank is disposed in an oil bath, and the oil bath is heated to 130 to 210 캜 in step (S1).
The method of claim 1, wherein the solvent is selected from the group consisting of toluene, xylene, ortho-dichlorobenzene, para-dichlorobenzene, dichlorotoluene, 1,2,4-trichlorobenzene, diphenylsulfone, , Veratrol, and mixtures thereof. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
The catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is at least one of 18-Crown-6 and Cryptand 221 when B is Na in Formula 2, and 21-Crown-7 and Cryptand 222 when B is K in Formula 2 ≪ RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
The method for synthesizing polyether imide according to claim 1, wherein the catalyst is added in an amount of 0.01 to 0.1 mol% based on the total moles of the bisimide monomer.
The method for synthesizing polyetherimide as claimed in claim 1, wherein the reaction in (S2) is performed for 1 to 5 hours.
The polyetherimide synthesis method according to claim 1, wherein the polyetherimide obtained in the step (S2) has a weight average molecular weight of 10,000 to 70,000.
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