JP5938521B2 - 逆相懸濁重合および前駆体を用いた架橋ハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明で製造されるハイパーブランチポリアミドアミン粒子は、遷移金属イオンの配位基として作用することが可能な多数のアミンとアミド基とを備えており、水溶液中の遷移金属イオンと錯化合物を形成して金属イオンを効果的に除去することができる。
最近、樹状高分子を用いて汚染廃水中の金属イオンを除去する技術が開発されたが、例えば、韓国公開特許第10−2007−0062972号(2007年6月18日)には、多量の汚染水中の汚染物質のうち少なくとも一部と結合するに十分な量の製剤に接触させて多量の汚染物質結合デンドリマーを生成させ、汚染水から汚染物質結合デンドリマーを濾過することにより、金属イオンが除去された多量の濾過水を生成する方法が開示されている。
前記デンドリマーは、完全に構造が制御された高分子であって、2種の反応基のうちいずれか1種が2つ以上である単量体の繰り返し反応によって3次元的に枝が伸びる形態のものであって、よく制御された大きさと模様を有しているが、多段階の反応を介して合成しなければならず、分離および精製過程が複雑である。
また、前記デンドリマーは、コア、分岐、表面という相異なる構造的位置に相異なる化学的性質を与えることができ、特に多数の官能基が存在する表面および分岐の化学的性質を選択することにより、特定の物質との相互作用を増大させるか或いは捕集することができる。
これに対し、ハイパーブランチ高分子は、多官能性単量体であるAとBとの一次反応生成物であるABx(x≧2)の形態の単量体から一回の重合によって合成することができるため、相対的にデンドリマーに比べて合成が容易で量産が有利である。ところが、ABx単量体は、2種の反応性がある相異なる(AとB)官能基を含んでいるため、前記ABx(x≧2)形態の単量体を製造するために、多段階の合成経路を経なければならないという欠点がある。
前記AB2形態の単量体は、1つの官能基を有するA部分と、2つの官能基を有するB部分とを含む単量体であって、これを重合する場合に得られるハイパーブランチ高分子は、図2に示された構造を有することができる。
前記AB2形態の単量体から合成されるハイパーブランチ高分子は、未反応のB官能基の数によって樹状(dendritic)、線状(linear)および末端(terminal)の3つの形態の繰返し単位構造に分けられる。これを図2から考察することができる。
下記化学式1では、A2+B3単量体を用いたハイパーブランチ高分子の合成を示す。
[化学式1]
このような反応性基を多数備える多官能性化合物を混合して使用する合成方法は、使用可能な多官能性単量体を容易に得ることができるという利点があるが、一般に多官能性単量体を重合させるときに起こる架橋現象を完全に排除することができないため、カロザース(Carothers)方程式またはフローリー(Flory)方程式によって予測される臨界反応進行度(critical extent of reaction)に到達すると、架橋反応によって高分子ゲルが生成され、もはや溶媒に溶解させることができない。
ポリアミドアミンデンドリマーは、多数のアミンとアミド機能性基とを備えるが、このような機能性基をリガンドとして用いると、水溶液中の重金属イオンを非常に効率よく除去することができる。
ところが、前記金属イオンの配位されたデンドリマーを水溶液から分離するために、メンブランを用いる限外濾過(ultrafiltration)分離過程を経なければならないという欠点があって、その改善された方法が求められている。
また、本発明の他の目的は、上記ハイパーブランチポリアミドアミン高分子粒子を用いて、メンブランを使用する限外濾過分離工程を採用することなく、単純濾過工程によって水溶液中の重金属イオンを効率よく除去することが可能な方法を提供することにある。
但し、本発明の解決しようとする課題は、前述した課題に限定されるのではなく、本発明の思想および領域から外れない範囲内で様々に拡張できる。
例示的な実施例によれば、前記多官能性アミン単量体は一つの単量体内のアミン基が少なくとも2つであってもよく、前記多官能性アクリルアミド単量体は一つの単量体内のアクリル基が少なくとも2つであってもよい。
例示的な実施例によれば、前記多官能性アミン単量体と多官能性アクリルアミド単量体とからポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階は、アミン単量体及びアクリルアミド単量体間のマイケル付加反応(Michael addition)によって行うことができる。
例示的な実施例によれば、前記ポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階では、水を溶媒として反応させ、それぞれの単量体を選択するに際して、水に対する溶解度の差がある単量体を使用することにより、各単量体を一時に投入しても、水に対する溶解度の差により、水によく溶解する単量体を含む水溶液相に、水によく溶解しない単量体が徐々に投入されたような効果を出す。
例示的な実施例によれば、前記架橋されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子の架橋度は、更なる架橋剤を使用することなく、多官能性単量体のモル比を変化させて調節することができる。
例示的な実施例によれば、前記逆相懸濁重合は、ポリアミドアミン前駆体水溶液を、2倍〜20倍程度の体積を有する有機溶媒に分散させ、30℃〜80℃で行うことができる。
例示的な実施例によれば、前記ハイパーブランチポリアミドアミン粒子の大きさは50μm〜500μmである。
また、本発明で得られるハイパーブランチポリアミドアミン粒子は、限外濾過工程を必要とせず、単純濾過工程のみで、水溶液中の重金属イオンを非常に効率よく除去することができる。
本出願で使用する用語は、単に特定の実施例を説明するために用いられたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味を表さない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素又はそれらの組み合わせが存在することを示すものであり、1つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素又はそれらの組み合わせの存在又は付加の可能性を予め排除するものではないと理解されるべきである。
他に定義がない限り、技術的用語や科学的な用語を含む、ここで使用される全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に一般的に理解されるのと同一の意味を有する。一般に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上持つ意味と同じ意味を持つと解釈されるべきであり、本出願において明らかに定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味には解釈されない。
具体的なアミン化合物及びアクリルアミド化合物として、アキレンジアミン(A)及びビスアクリルアミド単量体(B)を使用した場合は、それぞれの単量体を用いてポリアミドアミン前駆体混合物を製造する場合に、A−B、A−B−A、B−A−B、A−B−A−B、B−A−B−A、A−B−A−B−A、B−A−B−A−B、…などの線状のオリゴマー化合物が得られる。前記ポリアミドアミン前駆体混合物はこれらの混合物を意味する。
具体的には、A(−B)−B、B−A−B(−B)、(B−)B−A−B(−B)、A(−B−A)−B、B−A−B(−B−A)などの分岐状のオリゴマー化合物が挙げられる。本発明におけるポリアミドアミン前駆体混合物はこれらを含むことを意味する。
前記ジアミンの場合、一次ジアミン(primary diamine)は、一つのアミン基が2つのアクリルアミドとマイケル付加反応することが可能であるため、追加の架橋反応が可能である。
前記多官能性アクリルアミド単量体としては、例えば、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、N,N’−(1,2−ジヒドロキシエチレン)ビスアクリルアミド、N,N’−エチレンビスアクリルアミド、エチニウムブロミド−N,N’−ビスアクリルアミドが使用できるが、好ましくはN,N’−メチレンビスアクリルアミドまたはN,N’−エチレンビスアクリルアミドである。
前記マイケル付加反応は、アクリル基などのカルボニル基のα位にビニル基を求核体が付加反応することにより、求核体とカルボニル基のβ位の炭素とが化学結合する反応を意味する。エチレンジアミンとアクリル酸誘導体との反応を例として挙げると、アミンの窒素が2つのビニル基と全て反応すると仮定する場合、下記化学式2で表される化合物が得られる。ここで、R3はアクリル酸誘導体がを有することが可能な官能基に該当する。
[化学式2]
前記アミン基及びアクリル基を有する単量体として、例えば、反応初期に得られるポリアミドアミン前駆体混合物の末端がアミン基またはアクリル基のいずれか一つのみからなってもよい。
前記方法を用いてポリアミドアミン前駆体混合物を製造すると、追加の架橋反応を抑制することができ、オリゴマー状態のポリアミドアミン前駆体混合物を安定的に製造することができる。
本発明の一実施例として、前記ポリアミドアミン前駆体の製造に使用される温度は0℃〜50℃の温度範囲であり、単量体の濃度は20%〜80%に調節できる。
例示的に、A2単量体とB4単量体を使用する場合、1.0〜2.0モルのA2単量体を1モルのB4単量体と反応させ、逆相懸濁重合を行うと、適切に架橋が行われたハイパーブランチポリアミドアミン粒子を製造することができる。
エチレンジアミンの場合、前記両末端のアミンは2つのアクリル基との反応が可能な化合物であるので、架橋の特性が一層増加することになる。
一実施例として、前記ポリアミドアミン前駆体混合物の水溶液を、水との相溶性がない溶媒、例えばトルエン、シクロヘキサンなどに適切な安定剤を用いて分散させると、逆相懸濁重合を行うことができ、重合反応が行われるにつれて架橋しながら、大きさが調節されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子が作られる。
これに対し、前記逆相懸濁重合は、水に溶解している単量体などがオイルに分散した形態で重合が行われる方法であって、高吸収性高分子などの製造に利用できる。
例示的な実施例として、前記逆相懸濁重合に使用される溶媒は、炭素数5〜12のアルカン、炭素数5〜12のシクロアルカン、および炭素数6〜12の芳香族炭化水素の中から選ばれるいずれか1種であり、前記安定剤は、スパン60、80を含む脂肪酸ソルビタンエステル化合物(sorbitan esters of fatty acids)、12−ブチノイルオキシ−9−オクタデセネート(12-butinoyloxy-9-octadecenate)、およびポリヒドロキシステアリン酸と4−ポリエチレンオキシドのブロック共重合体(poly(hydroxystearic acid)-co-poly(ethylene oxide)block copolymers)の中から選ばれるいずれか1種またはいずれか2種以上の混合物とすることができる。
前記ハイパーブランチポリアミドアミン粒子は、限外濾過工程を行うことなく、重金属の含まれた汚染水中の重金属を除去することができる。
前記得られるハイパーブランチポリアミドアミン粒子の大きさは20μm〜2000μmとすることができ、好ましくは50μm〜500μmの範囲である。
その後、重金属を含むハイパーブランチポリアミドアミン粒子からpH調節などによって重金属を除去することにより、前記ハイパーブランチポリアミドアミン粒子を再使用することができる。
合成された高分子の分析は、核磁気共鳴分光器、赤外線分光器および熱重量分析器によって行った。具体的な分析装備の種類は次のとおりである。
核磁気共鳴分光分析器はFourier Transform AVANCE 400 spectrometerを使用し、熱重量分析器はTA2200 thermal analyzer systemを使用した。
赤外線分光器はBruker EQUINOX−55 spectrometerを使用した。また、製造されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子は偏光顕微鏡と走査電子顕微鏡で分析した。
図3は、参考例1における化学反応式を示すもので、エチレンジアミンとN,N’−メチレンビスアクリルアミドとのマイケル付加重合反応によるハイパーブランチポリアミドアミンの合成を示している。
図3より、アミン基が2つのアクリル基と反応したものと、アミン基が一つのアクリル基と反応したものが混在していることが分かる。
実施例3は、単量体の比率による様々なハイパーブランチポリアミドアミン粒子を製造する方法に関するもので、N,N’−メチレンビスアクリルアミド[MBA]及びエチレンジアミン[EDA]をそれぞれ1/1、1.5/1、および2/1のモル比で用いてハイパーブランチポリアミドアミン粒子を製造した。
実施例4は、単量体の比率を異ならせて得られる様々なハイパーブランチポリアミドアミン粒子の含水率を比較する実験に関するものである。
以下、各実施例に対する具体的な方法について詳細に説明する。
50mLの一口丸底フラスコにエチレンジアミン0.4207g(7mmol)及び水10mLを入れ、常温で撹拌してよく混合した後、N,N’−メチレンビスアクリルアミド1.0793g(7mmol)を添加する。反応の進行に伴って、メチレンビスアクリルアミドは水にゆっくり溶解するが、反応物が均一な混合物となるまでよく撹拌してハイパーブランチポリアミドアミン前駆体混合物を製造する。反応フラスコを窒素で充填し、ゴム栓で封じた後、30℃で6時間さらに反応させてハイパーブランチポリアミドアミン高分子を得る。常温に冷却した後、重合混合物を冷アセトンに沈殿させる。沈殿物を濾過して得た固体を真空乾燥させることにより、所望のハイパーブランチポリアミドアミン1.33gを得る。
Td5(℃):229
また、図5は参考例1で得た高分子の熱重量分析器の分析結果を示している。
一方、参考例1で得たハイパーブランチポリアミドアミン高分子は、適切な大きさに粒子化されず、微細粒子が生成されるので、重金属を除去するためには限外濾過を必要とする。
10mLの一口丸底フラスコにエチレンジアミン0.4207g(7mmol)及び水3mLを入れ、常温で撹拌してよく混合した後、N,N’−メチレンビスアクリルアミド1.0793g(7mmol)を添加する。反応の進行に伴って、メチレンビスアクリルアミドは水にゆっくり溶解するが、反応物が均一な混合物となるまでよく撹拌し、ハイパーブランチポリアミドアミン前駆体混合物を製造する。このように製造された前駆体混合物水溶液を、逆相懸濁重合安定剤であるSpan60(モノステアリン酸ソルビタン、単量体の0.5重量%である0.0075g)およびトルエン20mLが入った50mLの三口丸底フラスコに投入し、撹拌して逆相懸濁重合反応を行う。反応混合物を55℃で8時間反応させ、常温に冷却した後、濾過する。得られた生成物をメタノールとアセトンとで交互に洗浄した後、真空乾燥し、架橋されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子1.40gを得る。
図7および図8は、それぞれ、本発明の実施例2によって製造したハイパーブランチポリアミドアミン粒子の偏光顕微鏡写真および走査電子顕微鏡写真である。
図7および図8に示すように、本発明のハイパーブランチポリアミドアミン粒子は、球状であり、50μm〜500μmの直径を有し、表面が非常に平滑であることが分かる。
N,N’−メチレンビスアクリルアミド[MBA]及びエチレンジアミン[EDA]の比率を異ならせて、実施例2と同様の方法で、架橋されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子を製造した。MBA及びEDAのモル比はそれぞれ1/1、1.5/1および2/1[MBA/EDA]とした。
図9に示すように、単量体の比率が変わっても、得られるハイパーブランチポリアミドアミン粒子の大きさは前記比率と大きい関係がないことが分かる。
実施例3で製造した3つのハイパーブランチポリアミドアミン粒子を用いてそれぞれの含水率を比較した。3つの架橋されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子をそれぞれガラス瓶に入れ、蒸留水を添加する。72時間が経過した後、水和された粒子をろ過して重量を測定する。さらに、水和した粒子を真空乾燥した後、その重量を測定して含水率を計算する。計算式は次のとおりである。
含水率(%)={[湿式粒子(g)−乾式粒子(g)]/乾式粒子(g)}×100(%)
図10は本発明の実施例4によって製造した単量体の比率による様々なハイパーブランチポリアミドアミン粒子の含水率を比較した写真である。
左の写真は水を含む前のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の写真であり、右の写真は水を含むハイパーブランチポリアミドアミン粒子の写真である。右の写真から分かるように、N,N’−メチレンビスアクリルアミド[MBA]及びエチレンジアミン[EDA]の比率が1:1である場合が最も高い含水率を示す。
Claims (14)
- a)多官能性アミン単量体及び多官能性アクリルアミド単量体からポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階と、
b)逆相懸濁重合方法を用いて、前記ポリアミドアミン前駆体混合物を架橋されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子に重合する段階とを含むハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。 - 前記多官能性アミン単量体は、一つの単量体内のアミン基が少なくとも2つである請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記多官能性アクリルアミド単量体は、一つの単量体内のアクリル基が少なくとも2つである請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記多官能性アミン単量体は、一つの単量体内の一次アミン基が2つであるジアミンであり、多官能性アクリルアミド単量体は、一つの単量体内のアクリル基が2つである請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記多官能性アミン単量体及び前記多官能性アクリルアミド単量体からポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階は、アミン単量体及びアクリルアミド単量体間のマイケル付加反応(Michael addition)によって行われる請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記ポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階では、前記前駆体混合物の製造の際にいずれか一つの単量体を残りの単量体に対して徐々に投入することにより、反応初期に得られる前記ポリアミドアミン前駆体混合物の末端を、アミン基またはアクリル基のいずれか一つのみとする請求項5に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記ポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階では、水を溶媒として用い、それぞれの単量体を選択するに際して、水に対する溶解度の差がある単量体を使用して、各単量体を一時に投入しても、水に対する溶解度の差により、水によく溶解しない単量体が、水溶液相の水によく溶解する単量体に徐々に投入されたのと同一の効果を出す請求項5に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記ポリアミドアミン前駆体混合物の製造に使用される温度を0℃〜50℃の範囲、単量体の濃度を20%〜80%に調節する請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記架橋されたハイパーブランチポリアミドアミン粒子の架橋度を、更なる架橋剤を使用することなく、多官能性単量体のモル比を変化させることにより調節する請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記逆相懸濁重合は、安定剤と共にポリアミドアミン前駆体水溶液を、2倍〜20倍程度の体積を有する有機溶媒に分散させ、30℃〜80℃で行う請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記逆相懸濁重合に使用される有機溶媒は、炭素数5〜12の脂肪族炭化水素、炭素数5〜12の脂肪族環状炭化水素、および炭素数6〜12の芳香族炭化水素の中から選ばれるいずれか1種であり、前記安定剤は、スパン60、80を含む脂肪酸ソルビタンエステル化合物(sorbitan esters of fatty acids)、12−ブチノイルオキシ−9−オクタデセネート(12-butinoyloxy-9-octadecenate)、およびポリヒドロキシステアリン酸と4−ポリエチレンオキシドのブロック共重合体(poly(hydroxyl stearic acid)-co-poly(ethylene oxide)block copolymers)の中から選ばれるいずれか1種またはいずれか2種以上の混合物である請求項10に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 前記得られたハイパーブランチポリアミドアミン粒子の大きさが50μm〜500μmである請求項1〜11のいずれか1つに記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- ポリアミドアミン前駆体混合物を製造する段階を、多官能性アミン単量体及び多官能性アクリルアミド単量体から水溶液相のマイケル付加反応によって行う請求項1に記載のハイパーブランチポリアミドアミン粒子の製造方法。
- 請求項1〜13のいずれかに記載の製造方法で得られたハイパーブランチポリアミドアミン粒子を用いて、限外濾過工程を行うことなく重金属含有汚染水中の重金属を除去する方法。
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