KR100444367B1 - Sulfonated Polymers and Methods of Sulfonating Polymers - Google Patents
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Abstract
중합체의 술폰화 방법을 제공한다. 중합체를 술폰화하는 한 방법은 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소를 노출시키고 중합체를 선행 단계의 생성물과 접촉시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소를 노출시키고 중합체를 이 생성물과 접촉시키는 단계들을 감압 환경 하에서 수행한다. 중합체를 술폰화하는 다른 방법은 중합체를 이산화황 및 산소와 접촉시키고 접촉된 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 접촉된 중합체를 노출시키는 것을 포함한다. 중합체를 이산화황 및 산소의 혼합물과 접촉시키거나 이산화황 및 산소에 별도로 접촉시킬 수 있다. 중합체를 이산화황 및 산소에 별도로 접촉시키는 경우, 중합체를 먼저 이산화황과 접촉시킨 다음 산소와 접촉시킬 수 있다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 자외선, 전자빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마, 코로나 방전 또는 감마 방사일 수 있다.Provided is a method for sulfonating a polymer. One method of sulfonating a polymer involves exposing sulfur dioxide and oxygen to energy yielding free radicals and contacting the polymer with the product of the preceding step. Preferably, the steps of exposing sulfur dioxide and oxygen to energy producing free radicals and contacting the polymer with this product are carried out under reduced pressure. Another method of sulfonating a polymer includes contacting the polymer with sulfur dioxide and oxygen and exposing the contacted polymer to energy that yields contacted free radicals. The polymer may be contacted with a mixture of sulfur dioxide and oxygen or separately contacted with sulfur dioxide and oxygen. When the polymer is contacted separately with sulfur dioxide and oxygen, the polymer may be contacted first with sulfur dioxide and then with oxygen. Sources of energy producing free radicals can be ultraviolet light, electron beams, inert gas radio frequency plasma, corona discharges or gamma radiation.
Description
일반적으로 알려진 바와 같이, 특정 중합체, 예컨대 열가소성 중합체의 표면은 본래 비습윤성이거나 또는 소수성이다. 예를 들어, 폴리올레핀 중합체등의 열가소성 중합체가 섬유로 형성될 수 있다는 것 또한 일반적으로 알려져 있다. 그러한 폴리올레핀 섬유는 다양한 상업적 응용에 이용된다. 몇몇 상업적 응용, 예컨대 흡수 생산물, 일회용 흡수 생산물, 일회용 부직포 흡수 생산물에 있어서는 그러한 중합체의 고유한 소수성 성질이 단점이 된다. 이와 같기에, 이렇게 본질적으로 소수성인 중합체를 흡수 제품에 이용할 수 있기에 앞서서 이 중합체의 소수성 성질을 변화시킬 필요가 있다.As generally known, the surface of certain polymers, such as thermoplastic polymers, is inherently non-wetting or hydrophobic. It is also generally known that thermoplastic polymers such as, for example, polyolefin polymers can be formed from fibers. Such polyolefin fibers are used in a variety of commercial applications. In some commercial applications such as absorbent products, disposable absorbent products, disposable nonwoven absorbent products, the inherent hydrophobic nature of such polymers is a disadvantage. As such, it is necessary to change the hydrophobic nature of this polymer before it can be used in absorbent articles.
그러한 중합체, 예를 들어 성형된(shaped) 중합체의 소수성 성질을 변화시키는 한 방법이 술폰화이다. 여기서 사용되는 "성형된 중합체" 또는 "성형된 중합체들"이라는 용어는 기체상, 액체상 또는 용액상의 중합체와는 대조적으로 임의의 고체 형태의 중합체를 의미한다. 따라서, 성형된 중합체는 분말 또는 과립(granule)과 같은 미립자 형태 또는 칩(chip), 성형체, 압출 형상, 섬유, 직포 또는 부직포, 필름, 발포체 등일 수 있다. 여기서 사용되는 "술폰화"라는 용어는 술폰산, -SO2O 기를 포함한 화합물을 형성시키는 방법을 의미한다. 그러한 방법은 예컨대, 유기화합물을 술폰산 또는 구조기 C-SO2-O나 경우에 따라서는 N-SO2-O를 함유한 술폰산 염으로 전환시키는 것을 포함한다.One method of changing the hydrophobic nature of such polymers, such as shaped polymers, is sulfonation. The term "molded polymer" or "molded polymers" as used herein means a polymer in any solid form as opposed to a polymer in gaseous, liquid or solution phase. Thus, the molded polymer may be in particulate form such as powder or granules or chips, shaped bodies, extruded shapes, fibers, woven or nonwovens, films, foams and the like. The term "sulfonation" as used herein refers to a method of forming a compound comprising a sulfonic acid, -SO 2 O group. Such methods include, for example, the conversion of organic compounds to sulfonic acid or sulfonic acid salts containing the structural groups C-SO 2 -O or optionally N-SO 2 -O.
그러나, 많은 경우에 있어서, 전통적인 술폰화 방법은 건강과 안전 모두에 우려를 자아내는 물질을 사용하고(하거나) 보관을 필요로 한다. 그러한 물질의 예는 가령 삼산화황, 진한 황산, 올레움(oleum) 및 클로로황산을 포함한다. 덧붙여, 많은 경우에 있어서는, 가령 폴리올레핀 부직 웹의 표면과 같은 중합체를 전통적인 술폰화 방법으로 수행할 경우에 있어서는, 바람직하지 않은 표면 탈색을 일으킬 수 있다. 이를테면, 폴리올레핀 섬유 및 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유와 같은 미염색된 중합체로부터 형성된 섬유는 일반적으로 반투명이다. 전통적인 술폰화 방법으로 처리한 후에는 섬유의 표면 색깔은 변하여 그 섬유가 보통 노랑색, 갈색 또는 검은색으로 보이게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 중합체는 흡수 물품으로서 용도를 가질 수 있다. 그와 같은 경우, 몇몇 예에서는, 중합체 섬유의 변색은 일반적으로 바람직하지 않고, 그러한 중합체 섬유가 기저귀, 여성 생리대, 성인 실금 용품과 같은 개인 흡수 물품에 함유되는 경우에는 특히 그러하다.In many cases, however, traditional sulfonation methods require the use and / or storage of materials that raise concerns for both health and safety. Examples of such materials include, for example, sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid, oleum and chlorosulfuric acid. In addition, in many cases, undesired surface discoloration may occur when a polymer such as the surface of a polyolefin nonwoven web is carried out by traditional sulfonation methods. For example, fibers formed from undyed polymers such as polyolefin fibers and preferably polypropylene fibers are generally translucent. After treatment with traditional sulfonation methods, the surface color of the fibers changes so that the fibers usually appear yellow, brown or black. As mentioned above, such polymers may have use as absorbent articles. In such cases, in some instances, discoloration of the polymer fibers is generally undesirable, especially when such polymer fibers are contained in personal absorbent articles such as diapers, feminine sanitary napkins, adult incontinence articles.
그러므로, 전통적인 술폰화 공정의 단점을 피할 수 있는 개선된 술폰화 방법이 필요하다. 본 발명은 그러한 개선된 술폰화 방법 및 그 방법에 의한 제품을 제공하고, 본 명세서를 읽어 갈수록 이 점은 더욱 명백해질 것이다.Therefore, there is a need for an improved sulfonation method that avoids the disadvantages of traditional sulfonation processes. The present invention provides such improved sulfonation methods and products by the methods, which will become more apparent as the specification is read.
<발명의 요약>Summary of the Invention
당해 기술분야의 숙련된 자가 부닥치는 상기 문제에 대하여, 본 발명은 다량의 삼산화황, 진한 황산, 올레움, 또는 클로로황산의 보관을 필요로 하지 않는 중합체의 술폰화 방법을 제공한다. 또한 본 발명의 방법은 전통적인 술폰화 공정에 내재하는 바람직하지 않은 변색, 특히 바람직하지 않은 갈변 착색을 피하는 방법을 제공한다.For the above problems encountered by those skilled in the art, the present invention provides a method for sulfonating a polymer that does not require storage of large amounts of sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid, oleum, or chlorosulfuric acid. The process of the present invention also provides a method of avoiding undesirable discoloration, particularly undesirable browning pigmentation inherent in traditional sulfonation processes.
본 발명의 한 바람직한 실시태양에 있어서, 중합체를 술폰화하는 방법은 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 하나의 산소 제공원(源)을 노출시켜 생성물을 형성하고, 중합체를 선행 단계의 생성물과 접촉시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소 제공원을 노출시키는 단계 및 이때 생성된 생성물을 중합체와 접촉시키는 단계는 감압하에서 수행한다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 자외선, 감마 방사선, 전자 빔(beam), 비활성기체 라디오 주파수(rf) 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합일 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the method of sulfonating a polymer exposes sulfur dioxide and one oxygen source to energy which yields free radicals to form a product, and the polymer is contacted with the product of the preceding step. It involves making. Preferably, exposing the sulfur dioxide and oxygen source to energy yielding free radicals and contacting the resulting product with the polymer are carried out under reduced pressure. Sources of energy producing free radicals may be ultraviolet light, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency (rf) plasma or corona discharges. The oxygen source can be oxygen, an oxygen donor gas, or a combination thereof.
다른 실시태양에 있어서, 중합체를 술폰화하는 방법은 중합체를 이산화황 및 산소 제공원과 접촉시키고 이 접촉된 중합체를 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 노출시키는 것을 포함한다. 이 실시태양에서는, 중합체를 이산화황과 산소 제공원과의 혼합물과 접촉시키거나 중합체를 이산화황 및 산소 제공원에 별도로 접촉시킬수 있다. 중합체를 이산화황과 산소 제공원에 별도로 접촉시키는 경우에는 중합체를 먼저 이산화황과 접촉시킨 다음 산소 제공원과 접촉시킬 수 있다. 바람직하게는 접촉 및 노출 단계를 일반적으로 감압 즉, 1기압 미만의 압력 환경에서 행한다. 이 실시태양에서, 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 또한 자외선, 감마 복사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합일 수 있다.In another embodiment, a method of sulfonating a polymer comprises contacting the polymer with sulfur dioxide and an oxygen source and exposing the contacted polymer to energy yielding free radicals. In this embodiment, the polymer may be contacted with a mixture of sulfur dioxide and an oxygen source or the polymer may be contacted separately with a sulfur dioxide and oxygen source. When the polymer is contacted separately with sulfur dioxide and an oxygen source, the polymer may be contacted first with sulfur dioxide and then with an oxygen source. Preferably the contacting and exposing steps are generally carried out under reduced pressure, i.e. under 1 atmosphere. In this embodiment, the source of energy that produces the free radicals may also be ultraviolet light, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharges. The oxygen source can be oxygen, an oxygen donor gas, or a combination thereof.
본 발명의 또 하나의 실시태양은 성형된 중합체에 친수성 특성을 부여하는 방법을 제공한다. 이 방법은 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소 제공원을 노출시키고 그 선행 단계의 생성물에 중합체를 접촉시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 접촉 및 노출 단계는 감압 환경에서 일어난다. 이 실시태양에서, 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 자외선, 감마 복사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a method of imparting hydrophilic properties to the molded polymer. This method involves exposing the sulfur dioxide and oxygen source to energy producing free radicals and contacting the polymer with the product of the preceding step. Preferably, the contacting and exposing step takes place in a reduced pressure environment. In this embodiment, the source of energy that produces the free radicals may be ultraviolet light, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharge. The oxygen source may comprise oxygen, an oxygen donating gas or a combination thereof.
성형된 중합체에 친수성 특성을 부여하는 또 다른 방법은 중합체를 이산화황 및 어떤 산소 제공원과 접촉시키고 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 그 접촉된 중합체를 노출시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 접촉 및 노출 단계는 감압 환경에서 일어난다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 또한 자외선, 감마 복사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Another method of imparting hydrophilic properties to the molded polymer includes contacting the polymer with sulfur dioxide and some oxygen source and exposing the contacted polymer to energy that yields free radicals. Preferably, the contacting and exposing step takes place in a reduced pressure environment. The source of energy for producing free radicals can also be ultraviolet radiation, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharges. The oxygen source may comprise oxygen, an oxygen donating gas or a combination thereof.
본 발명은 표면 변경된 중합체에 관한 것이다. 더 특별하게는, 본 발명은 술폰화된 중합체에 관한 것이다. 더 더욱 특별하게는, 본 발명은 중합체의 기체상 술폰화에 관한 것이다.The present invention relates to surface modified polymers. More particularly, the present invention relates to sulfonated polymers. Even more particularly, the present invention relates to gaseous sulfonation of polymers.
도 1은 반응실(reaction chamber)의 도식도이다.1 is a schematic diagram of a reaction chamber.
여기서 사용되는 "산소 공여 기체" 또는 "산소 제공원"이라는 용어는 이중산소(di-oxygen)를 의미하거나 산소 원자 또는 산소 라디칼을 공급할 수 있는 기체를 의미한다.The term "oxygen donor gas" or "oxygen source" as used herein means either di-oxygen or a gas capable of supplying oxygen atoms or oxygen radicals.
여기서 사용되는 "라디칼을 산출하는 에너지"이라는 용어는 적어도 두 공유결합 원자의 동형 분해 또는 이형 분해가 일어나게 하는 어떠한 에너지를 의미한다.As used herein, the term "energy to produce radicals" refers to any energy that causes isotropic or heterolytic decomposition of at least two covalent atoms.
여기서 사용되는 "친수성" 또는 "친수성 특성"이라는 용어는 예컨대 중합체 또는 성형된 중합체와 같은 물질과 관련되는 경우에 그런 물질의 표면상에 놓인 물방울의 (탈이온화, 증류수) 수접촉각이 90도 보다 작은 것을 의미한다.The term "hydrophilic" or "hydrophilic properties" as used herein refers to a water contact angle (deionized, distilled water) of water droplets placed on the surface of such a material when it relates to a material such as, for example, a polymer or shaped polymer, which is less than 90 degrees. Means that.
여기서 사용되는 "소수성"이라는 용어는 예컨대 중합체와 같은 물질과 관련되는 경우에 그런 물질의 표면상에 놓인 물방울의 (탈이온화, 증류수) 수접촉각이 90도 보다 큰 것을 의미한다.The term "hydrophobic" as used herein means that the water contact angle (deionized, distilled water) of the water droplets placed on the surface of such a material, for example when it relates to a material such as a polymer, is greater than 90 degrees.
여기서 사용되는 "중합체"라는 용어는 합성 및 천연 중합체 둘다를 의미할 수 있다. 천연 중합 물질의 예로는 예시한다면 면, 실크, 모 및 셀룰로스를 포함한다.The term "polymer" as used herein may mean both synthetic and natural polymers. Examples of natural polymeric materials include cotton, silk, wool and cellulose, by way of example.
다음으로 합성 중합체는 열경화성 또는 열가소성 물질일 수 있는데, 열가소성 물질이 더 일반적이다. 열경화성 중합체의 예로는, 예시한다면, 프탈산 무수물-글리세롤 수지, 말레산-글리세롤 수지, 아디프산-글리세롤 수지 및 프탈산무수물-펜타에리스리톨 수지와 같은 알키드 수지; 디알릴 프탈산염, 디알릴 이소프탈산염, 디알릴 말레산염 및 디알릴 클로렌드산염과 같은 단량체가 폴리에스테르 화합물에서 비휘발성 가교제로 역할하는 알릴 수지; 아닐린-포름알데히드 수지, 에틸렌 우레아-포름알데히드 수지, 디시안디아미드-포름알데히드 수지, 멜라민-포름알데히드 수지, 술폰아미드-포름알데히드 수지 및 우레아-포름알데히드 수지와 같은 아미노 수지; 가교된 에피클로로히드린-비스페놀 A 수지와 같은 에폭시 수지; 노보락(Novolac) 및 레졸을 포함하여 페놀-포름알데히드 수지와 같은 페놀 수지; 그리고 열경화성 폴리에스테르, 실리콘 및 우레탄을 포함한다.The synthetic polymer can then be thermoset or thermoplastic, with thermoplastic being more common. Examples of thermosetting polymers include, by way of example, alkyd resins such as phthalic anhydride-glycerol resins, maleic acid-glycerol resins, adipic acid-glycerol resins and phthalic anhydride-pentaerythritol resins; Allyl resins in which monomers such as diallyl phthalate, diallyl isophthalate, diallyl maleate and diallyl chloride are used as nonvolatile crosslinkers in polyester compounds; Amino resins such as aniline-formaldehyde resins, ethylene urea-formaldehyde resins, dicyandiamide-formaldehyde resins, melamine-formaldehyde resins, sulfonamide-formaldehyde resins and urea-formaldehyde resins; Epoxy resins such as crosslinked epichlorohydrin-bisphenol A resins; Phenol resins such as phenol-formaldehyde resins, including Novolac and Resol; And thermosetting polyesters, silicones and urethanes.
열가소성 중합체의 예는, 예시한다면, 폴리(옥시메틸렌) 또는 폴리포름알데히드, 폴리(트리클로로아세트알데히드), 폴리(n-발레르알데히드), 폴리(아세트알데히드), 폴리(프로피온알데히드) 등과 같이 말단이 캡핑된 폴리아세탈; 폴리아크릴아미드, 폴리(아크릴산), 폴리(메타크릴산), 폴리(에틸 아크릴산염), 폴리(메틸 메타크릴산염) 등과 같은 아크릴 중합체; 폴리(테트라플루오로에틸렌), 과불소화된 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리(클로로트리플루오로에틸렌), 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 폴리(플루오르화 비닐리덴), 폴리(플루오르화 비닐) 등과 같은 플루오로카본 중합체; 폴리(6-아미노카프로산) 또는 폴리(ε-카프로락탐), 폴리(헥사메틸렌 아디프아미드), 폴리(헥사메틸렌 세바크아미드), 폴리(11-아미노운데카노산) 등과 같은 폴리아미드; 폴리(이미노-1,3-페닐렌이미노이소프탈로일) 또는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드) 등과 같은 폴리아라미드; 폴리-p-크실릴렌, 폴리(클로로-p-크실릴렌) 등과 같은 파릴렌;폴리(옥시-2,6-디메틸-1,4-페닐렌) 또는 폴리(p-산화페닐렌) 등과 같은 폴리아릴 에테르; 폴리(옥시-1,4-페닐렌술포닐-1,4-페닐렌옥시-1,4-페닐렌-이소프로필리덴-1,4-페닐렌), 폴리(술포닐-1,4-페닐렌옥시-1,4-페닐렌술포닐-4,4'-비페닐렌) 등과 같은 폴리아릴 술폰류; 폴리(비스페놀 A) 또는 폴리(카르보닐디옥시-1,4-페닐렌이소프로필리덴-1,4-페닐렌) 등과 같은 폴리카르보네이트; 폴리(에틸렌 테레프탈산염), 폴리(테트라메틸렌 테레프탈산염), 폴리(시클로헥실렌-1,4-디메틸렌 테레프탈산염) 또는 폴리(옥시메틸렌-1,4-시클로헥실렌메틸렌옥시테레프탈로일) 등과 같은 폴리에스테르; 폴리(p-페닐렌 황화물) 또는 폴리(티오-1,4-페닐렌) 등과 같은 폴리아릴 황화물; 폴리(피로멜리트이미도-1,4-페닐렌) 등과 같은 폴리이미드; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(1-부텐), 폴리(2-부텐), 폴리(1-펜텐), 폴리(2-펜텐), 폴리(3-메틸-1-펜텐), 폴리(4-메틸-1-펜텐), 1,2-폴리-1,3-부타디엔, 1,4-폴리-1,3-부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리클로로프렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아세트산비닐), 폴리(염화비닐리덴), 폴리스티렌 등과 같은 폴리올레핀; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체 등과 같은 상기의 공중합체들을 포함한다.Examples of thermoplastic polymers include, by way of example, poly (oxymethylene) or polyformaldehyde, poly (trichloroacetaldehyde), poly ( n -valeraldehyde), poly (acetaldehyde), poly (propionaldehyde), and the like. Capped polyacetals; Acrylic polymers such as polyacrylamide, poly (acrylic acid), poly (methacrylic acid), poly (ethyl acrylate), poly (methyl methacrylate), and the like; Poly (tetrafluoroethylene), perfluorinated ethylene-propylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, poly (chlorotrifluoroethylene), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, poly (vinyl fluoride) Fluorocarbon polymers such as leaden), poly (vinylidene fluoride), and the like; Polyamides such as poly (6-aminocaproic acid) or poly (ε-caprolactam), poly (hexamethylene adipamide), poly (hexamethylene sebacamide), poly (11-aminoundecanoic acid) and the like; Polyaramids such as poly (imino-1,3-phenyleneiminoisophthaloyl) or poly ( m -phenylene isophthalamide); Parylene such as poly- p -xylylene, poly (chloro- p -xylylene) and the like; poly (oxy-2,6-dimethyl-1,4-phenylene) or poly ( p -phenylene oxide) and the like Polyaryl ethers such as; Poly (oxy-1,4-phenylenesulfonyl-1,4-phenyleneoxy-1,4-phenylene-isopropylidene-1,4-phenylene), poly (sulfonyl-1,4-phenylene Polyaryl sulfones such as oxy-1,4-phenylenesulfonyl-4,4'-biphenylene); Polycarbonates such as poly (bisphenol A) or poly (carbonyldioxy-1,4-phenyleneisopropylidene-1,4-phenylene) and the like; Poly (ethylene terephthalate), poly (tetramethylene terephthalate), poly (cyclohexylene-1,4-dimethylene terephthalate) or poly (oxymethylene-1,4-cyclohexylenemethyleneoxyterephthaloyl) and the like Same polyester; Polyaryl sulfides such as poly ( p -phenylene sulfide) or poly (thio-1,4-phenylene) and the like; Polyimides such as poly (pyromellitimido-1,4-phenylene) and the like; Polyethylene, polypropylene, poly (1-butene), poly (2-butene), poly (1-pentene), poly (2-pentene), poly (3-methyl-1-pentene), poly (4-methyl- 1-pentene), 1,2-poly-1,3-butadiene, 1,4-poly-1,3-butadiene, polyisoprene, polychloroprene, polyacrylonitrile, poly (vinyl acetate), poly (vinyl chloride) Polyolefins such as leadene), polystyrene, and the like; Copolymers such as acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) copolymers and the like.
여기서 사용되는 "성형된 중합체" 또는 "성형된 중합체들"이라는 용어는 기체 또는 액체상 또는 용액상의 중합체와는 대조적으로 임의의 고체 형태의 중합체를 의미한다. 따라서, 성형된 중합체는 분말 또는 과립과 같은 미립자 형태 또는 칩(chip), 성형체, 압출 형상, 섬유, 직포 또는 부직포, 필름, 발포체 등일 수 있다.The term "molded polymer" or "molded polymers" as used herein means a polymer in any solid form as opposed to a polymer in gaseous or liquid or solution phase. Thus, the molded polymer may be in particulate form such as powder or granules or chips, shaped bodies, extruded shapes, fibers, woven or nonwovens, films, foams and the like.
여기서 사용되는 "술폰화"라는 용어는 유기화합물을 술폰산 또는 구조기 C-SO2-O나 경우에 따라서는 N-SO2-O를 함유하는 술폰산염으로 전환시키는 방법을 의미한다. 성형된 중합체의 술폰화는 예컨대 그 성형된 중합체의 표면 성질을 변형시켜 주는 점에서 유용하다. 예를 들면 변형된 표면이 소수성이 되어, 그 위에 접착제가 위치하기에 더 적합해지고(지거나) 인쇄가능해지도록 표면의 성질이 변형될 수도 있다.The term "sulfonation" as used herein means a method of converting an organic compound to a sulfonic acid or sulfonate containing the structural group C-SO 2 -O or optionally N-SO 2 -O. Sulfonation of molded polymers is useful, for example, in modifying the surface properties of the molded polymers. For example, the properties of the surface may be modified such that the modified surface becomes hydrophobic, making it more suitable and / or printable for the adhesive to be placed thereon.
여기서 사용되는 "부직포"라는 용어는 각 섬유 또는 필라멘트가 확인할 수 있는 반복 방식이 아닌 방식으로 서로 개재되어 있는 구조를 가진 직물을 의미한다.As used herein, the term "nonwoven fabric" refers to a fabric having a structure that is interposed with each other in a manner other than the repetitive manner that each fiber or filament can identify.
여기서 사용되는 "스펀본드(spunbond) 섬유"라는 용어는 미세하고 흔히 원형인 다수의 방사구 모세관으로부터 용융된 열가소성 물질이 필라멘트로 압출되어 가령 여기에 참고문헌으로 제시되어 있는 앞펠(Appel) 등의 미국 특허 제4,340,563호, 도르쉬너(Dorschner) 등의 미국 특허 제3,692,618호, 메츄키(Matsuki) 등의 미국 특허 제3,802,817호, 킨니(Kinney)의 미국 특허 제3,338,992호, 제3,341,394호, 레비(Levy)의 미국 특허 제3,502,763호, 제3,909,009호 및 도보(Dobo) 등의 미국 특허 제3,542,615호에서와 같이 압출된 필라멘트의 지름이 급속히 감소되어 형성된 섬유를 의미한다.As used herein, the term "spunbond fiber" refers to a filament in which molten thermoplastic is extruded into filaments from a number of fine and often circular spherical capillaries, such as Appel et al., Incorporated herein by reference. US Patent No. 3,692,618 to Dorschner et al., US Pat. No. 3,802,817 to Matsuki et al., US Patent Nos. 3,338,992, 3,341,394 to Kinney, and Levy. By US Pat. Nos. 3,502,763, 3,909,009 and Dobo et al., US Pat. No. 3,542,615 refers to fibers formed by rapidly reducing the diameter of the extruded filaments.
여기서 사용되는 "멜트블로운(meltblown) 섬유"라는 용어는 용융된 열가소성 물질을 미세하고 흔히 원형인 다수의 다이(die) 모세관을 통해 용융된 실 또는 필라멘트로, 용융된 열가소성 물질의 필라멘트를 가늘게 하는 통상 가열된 고속기체(예를 들면, 공기) 스트림 속으로 압출하여 그의 지름을 줄여 형성시킨 섬유를 의미한다. 그 후, 멜트블로운 섬유는 고속 기체 스트림에 의하여 운반되고 집결 표면 위에 놓여져 불규칙하게 분포된 멜트블로운 섬유의 직물을 형성한다. 멜트블로잉은 예컨대, 여기에 참고문헌으로 제시되어 있는 분틴(Buntin)의 미국 특허 제3,849,241호, 메이트너(Meitner) 등의 미국 특허 제4,307,143호 및 위스네스키(Wisneski) 등의 미국 특허 제4,663,220호에 기재되어 있다.The term " meltblown fiber " as used herein refers to a molten thermoplastic or filament that melts the molten thermoplastic material through a plurality of fine, often circular die capillaries that taper the filaments of the molten thermoplastic material. By fiber, it is usually formed by extruding into a heated stream of high speed gas (eg air) to reduce its diameter. Thereafter, the meltblown fibers are carried by the high velocity gas stream and placed over the gathering surface to form a fabric of irregularly distributed meltblown fibers. Meltblowing is described, for example, in US Pat. No. 3,849,241 to Buntin, US Pat. No. 4,307,143 to Meitner et al. And US Pat. No. 4,663,220 to Wisneski et al. It is described in.
본 발명의 술폰화 방법은 전통적인 술폰화 공정에 있어서 그 개시에 통상적으로 필요한 예컨대 삼산화황, 진한 황산, 올레움 및 클로로황산과 같은 물질을 다량 이용하거나 보관하여야 하는 필요를 피한다. 본 발명의 방법은 또한 많은 전통적인 술폰화 공정에서 발생하는 고유한 갈색 착색을 피한다.The sulfonation process of the present invention avoids the need to use or store large amounts of materials, such as sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid, oleum and chlorosulfuric acid, which are typically required for its disclosure in traditional sulfonation processes. The process of the present invention also avoids the inherent brown coloration that occurs in many traditional sulfonation processes.
본 발명의 한 실시태양에서, 중합체를 술폰화하는 방법은 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소 제공원을 노출시키고 중합체를 선행 단계에서의 생성물과 접촉시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소 제공원을 노출시키는 단계 및 이때 생성된 생성물과 중합체를 접촉시키는 단계를 감압 환경에서 수행한다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 자외선, 감마 방사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 다음에 보다 상세히 기재되어 있는 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method of sulfonating a polymer comprises exposing a sulfur dioxide and oxygen source to energy that yields free radicals and contacting the polymer with the product in a previous step. Preferably, exposing the sulfur dioxide and oxygen source to energy producing free radicals and contacting the resulting product with the polymer in a reduced pressure environment. Sources of energy for producing free radicals may be ultraviolet light, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharges. The oxygen source can be oxygen, an oxygen donor gas, or a combination thereof, described in more detail below.
다른 실시태양으로서, 중합체를 술폰화하는 방법은 중합체를 이산화황 및 산소 제공원과 접촉시키고 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 그 접촉된 중합체를 노출시키는 것을 포함한다. 이 실시태양에서는, 중합체를 이산화황과 산소 제공원과의 혼합물과 접촉시키거나 중합체를 이산화황과 산소 제공원에 별도로 접촉시킬 수 있다. 중합체를 이산화황과 산소 제공원에 별도로 접촉시키는 경우에는 중합체를 먼저 이산화황에 접촉시킨 다음 산소 제공원과 접촉시킬 수 있다. 바람직하게는, 접촉 및 노출 단계를 감압 환경에서 수행한다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 또한 자외선, 감마 방사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합일 수 있다.In another embodiment, a method of sulfonating a polymer includes contacting the polymer with sulfur dioxide and an oxygen source and exposing the contacted polymer to energy that yields free radicals. In this embodiment, the polymer may be contacted with a mixture of sulfur dioxide and an oxygen source or the polymer may be contacted separately with a sulfur dioxide and oxygen source. When the polymer is contacted separately with sulfur dioxide and an oxygen source, the polymer may be contacted first with sulfur dioxide and then with an oxygen source. Preferably, the contacting and exposing steps are carried out in a reduced pressure environment. The source of energy for producing free radicals can also be ultraviolet radiation, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharge. The oxygen source can be oxygen, an oxygen donor gas, or a combination thereof.
본 발명의 또 하나의 실시태양은 성형된 중합체에 친수성 특성을 부여하는 방법을 제공한다. 이 방법은 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 이산화황 및 산소 제공원을 노출시키고 그 선행 단계의 생성물과 중합체를 접촉시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 접촉 및 노출 단계를 감압 환경에서 행한다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 자외선, 감마 방사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소 제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합일 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a method of imparting hydrophilic properties to the molded polymer. This method involves exposing the sulfur dioxide and oxygen source to energy producing free radicals and contacting the polymer with the product of the preceding step. Preferably, the contacting and exposing steps are performed in a reduced pressure environment. Sources of energy for producing free radicals may be ultraviolet light, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharges. The oxygen source can be oxygen, an oxygen donor gas, or a combination thereof.
성형된 중합체에 친수성 성질을 부여하는 또 다른 방법은 이산화황 및 산소 제공원과 중합체를 접촉시키고 자유 라디칼을 산출하는 에너지에 그 접촉된 중합체를 노출시키는 것을 포함한다. 바람직하게는, 접촉 및 노출 단계를 감압 환경에서 수행한다. 자유 라디칼을 산출하는 에너지의 제공원은 또한 자외선, 감마 방사선, 전자 빔, 비활성기체 라디오 주파수 플라스마 또는 코로나 방전일 수 있다. 산소제공원은 산소, 산소 공여 기체 또는 이들의 조합일 수 있다.Another method of imparting hydrophilic properties to the molded polymer includes contacting the polymer with sulfur dioxide and an oxygen source and exposing the contacted polymer to energy that yields free radicals. Preferably, the contacting and exposing steps are carried out in a reduced pressure environment. The source of energy for producing free radicals can also be ultraviolet radiation, gamma radiation, electron beams, inert gas radio frequency plasma or corona discharge. The oxygen park may be oxygen, an oxygen donor gas, or a combination thereof.
상기 실시태양에서, 중합체에 바람직한 정도의 술폰화 및(또는) 친수성 특성을 부여할 수 있는 충분한 농도라면 이산화황 및 산소의 농도는 중요하지 않다. 일반적으로, 이산화황의 양이 산소의 양보다 많거나 이산화황 및 산소의 농도가 화학양론적인 경우에는 이산화황 및 산소(O2)의 농도는 충분하다. 또 다른 경우에 있어서는, 술폰화 반응 동안의 반응 환경에 있어서, 산소의 과량 존재 즉, 산소의 양이 화학양론적인 양보다 많은 것을 회피하는 것이 바람직하다.In this embodiment, the concentrations of sulfur dioxide and oxygen are not critical if the concentration is sufficient to impart the desired degree of sulfonation and / or hydrophilicity properties to the polymer. In general, if the amount of sulfur dioxide is greater than the amount of oxygen or if the concentrations of sulfur dioxide and oxygen are stoichiometric, the concentrations of sulfur dioxide and oxygen (O 2 ) are sufficient. In another case, in the reaction environment during the sulfonation reaction, it is preferable to avoid the excessive presence of oxygen, that is, the amount of oxygen than the stoichiometric amount.
게다가, 반응 환경이 무수성이거나 상당히 또는 비교적 물이 없는 것일 수 있다. 최근의 예로, 소량의 잔수(residual water)를 반응 동안 삼산화황을 형성함으로써 제거할 수 있다. 삼산화황은 물과 반응하여 황산을 생성한다. 반응 환경을 탈수시키고 중합체 기질을 술폰화할 수 있는 충분한 양의 이산화황과 산소가 반응 환경에 존재한다면, 잔수의 존재는 술폰화 반응의 결과에 영향을 미치지 않을 수 있다.In addition, the reaction environment may be anhydrous or considerably or relatively free of water. In a recent example, small amounts of residual water can be removed by forming sulfur trioxide during the reaction. Sulfur trioxide reacts with water to produce sulfuric acid. If sufficient sulfur dioxide and oxygen are present in the reaction environment to dehydrate the reaction environment and sulfonate the polymer substrate, the presence of residual water may not affect the result of the sulfonation reaction.
본 발명의 방법을 수행하기 위한 산소에 대한 이산화황의 상대적인 비율을 몰비로 표현할 수 있다. 본 발명의 술폰화 방법을 위한 산소에 대한 이산화황의 최소 몰비는 2 : 1(즉, 정확히 화학양론적)이다. 바람직하게는, 몰비를 전체 숫자로 표현할 수 있다. 더구나, 산소에 대한 이산화황의 몰비 2 : 1에서는, 술폰화 반응은 일반적으로 황색화 또는 탈색이 없는 술폰화된 중합체를 생성시키는 데에 성공할 것이다. 바람직하게는, 산소에 대한 이산화황의 몰비 범위는 2 : 1 내지 5: 1 범위일 수 있다.The relative ratio of sulfur dioxide to oxygen for carrying out the process of the invention can be expressed in molar ratios. The minimum molar ratio of sulfur dioxide to oxygen for the sulfonation process of the present invention is 2: 1 (ie, exactly stoichiometric). Preferably, the molar ratio can be expressed in whole numbers. Moreover, at a molar ratio of sulfur dioxide to oxygen of 2: 1, the sulfonation reaction will generally succeed in producing sulfonated polymers that are free of yellowing or decolorization. Preferably, the molar ratio of sulfur dioxide to oxygen can range from 2: 1 to 5: 1.
게다가, 이산화황 및 산소의 블렌드에 있어서 필요 산소의 전부 또는 일부를 대신하여 산소 공여 기체를 사용할 수 있다. 예를 들면, 술폰화 공정에 있어서 필요 산소의 전부 또는 일부를 산소 공여 기체 중 하나인 산화질소로 대체할 수 있다. 기타 산소 공여 기체들은 예를 들면, 이산화질소 및 이산화염소와 같은 이산화할로겐을 포함할 수 있다. 기타 산소 및(또는) 산소 공여 기체에 대한 이산화황의 총괄적인 화학양론이 상기에서 표현된 산소에 대한 이산화황의 몰비에 따른다면 산소와 함께이건 아니건 하나 이상의 산소 공여 기체를 이용할 수 있는 것을 더 이해할 것이다.In addition, an oxygen donor gas may be used in place of all or part of the oxygen required for the blend of sulfur dioxide and oxygen. For example, in the sulfonation process, all or part of the oxygen required can be replaced with nitric oxide, one of the oxygen donating gases. Other oxygen donating gases may include, for example, halogen dioxide, such as nitrogen dioxide and chlorine dioxide. It will be further understood that one or more oxygen donor gases, with or without oxygen, may be used if the overall stoichiometry of sulfur dioxide relative to other oxygen and / or oxygen donor gases depends on the molar ratio of sulfur dioxide to oxygen expressed above.
본 발명의 술폰화 방법에 비활성기체를 사용할 수도 있다. 저압 기체상 술폰화 공정의 한 실시태양에서, 비활성기체를 이산화황 및 산소 및(또는) 산소 공여 기체(들)와 블렌드할 수 있다. 선택적으로는, 술폰화 반응을 시작하기에 앞서 다공성 또는 섬유상 웹과 같은 반응 환경 및(또는) 물질로부터 공기와 같은 덜 바람직한 기체를 플러쉬(flush)하기 위해 비활성기체를 이용할 수 있다. 비활성기체를 사용하여 그러한 반응 환경 및(또는) 물질을 플러쉬하는 예에 있어서는, 반응 환경의 압력은 1기압 미만(감압) 또는 1기압이거나 1기압을 초과할 수 있다. 비활성기체의 예는 질소, 아르곤, 헬륨 및 크립톤을 포함한다. 이러한 비활성기체 중에서 아르곤은 그 원자량 및 밀도 때문에 산소를 배제시킬 수 있다.Inert gas may also be used in the sulfonation method of the present invention. In one embodiment of the low pressure gas phase sulfonation process, the inert gas may be blended with sulfur dioxide and oxygen and / or oxygen donor gas (es). Alternatively, an inert gas may be used to flush less desirable gases, such as air, from the reaction environment and / or material, such as a porous or fibrous web, prior to starting the sulfonation reaction. In an example in which an inert gas is used to flush such a reaction environment and / or material, the pressure of the reaction environment may be less than one atmosphere (decompression) or one atmosphere or more than one atmosphere. Examples of inert gases include nitrogen, argon, helium and krypton. Among these inert gases, argon can exclude oxygen because of its atomic weight and density.
다른 실시태양에서는, 아르곤 기체를 연속적인 술폰화 공정에 사용할 수 있다. 이 예에서는, 내부에 포함된 공기를 없애기 위하여 아르곤 기체 스트림으로섬유상 웹과 같은 물질을 퍼징한다. 그 다음에 조사(照射), 술폰화를 위하여 전혀 공기가 없는 웹을 이산화황, 산소(또는 기타 산소 제공원) 및 아르곤의 블렌드가 있는 자외선 실(UV chamber)에 통과시킬 수 있다.In other embodiments, argon gas may be used in a continuous sulfonation process. In this example, a material such as a fibrous web is purged with an argon gas stream to remove the air contained therein. A web which is completely free of air for irradiation and sulfonation can then be passed through a UV chamber with a blend of sulfur dioxide, oxygen (or other oxygen source) and argon.
이산화황 및 산소의 양은 몰분율로 가장 잘 표현된다. 이는 반응환경의 크기를 제한하지 않는 융통성을 제공한다. 따라서, 중합체를 이산화황 및 산소에 별도로 접촉시키는 경우에, 이산화황으로 존재하는 전체 기체 중의 몰 분율 범위는 약 0.83 내지 약 0.2이다. 특히, 중합체를 이산화황 및 산소에 별도로 접촉시키는 경우에, 이산화황으로 존재하는 전체 기체 중의 몰 분율은 약 0.83, 바람직하게는 약 0.8, 더욱 바람직하게는 약 0.75, 가장 바람직하게는 0.67일 수 있다. 대응하는 산소의 몰 분율 범위는 약 0.17 내지 약 0.33이다. 특히, 산소의 몰 분율은 약 0.17, 바람직하게는 0.2, 더욱 바람직하게는 0.25, 가장 바람직하게는 0.33일 수 있다. 다른 산화 기체가 산소를 대신하는 경우에, 그 기체 중의 몰 분율은 삼산화황의 생성을 이끄는 반응의 화학양론에 의해 결정될 것이다.The amounts of sulfur dioxide and oxygen are best expressed in mole fractions. This provides flexibility without limiting the size of the reaction environment. Thus, when the polymer is contacted separately with sulfur dioxide and oxygen, the mole fraction range in the total gas present as sulfur dioxide is from about 0.83 to about 0.2. In particular, when the polymer is contacted separately with sulfur dioxide and oxygen, the mole fraction in the total gas present as sulfur dioxide can be about 0.83, preferably about 0.8, more preferably about 0.75 and most preferably 0.67. The corresponding mole fraction range of oxygen is about 0.17 to about 0.33. In particular, the mole fraction of oxygen may be about 0.17, preferably 0.2, more preferably 0.25, most preferably 0.33. If another oxidizing gas replaces oxygen, the mole fraction in that gas will be determined by the stoichiometry of the reaction leading to the production of sulfur trioxide.
중합체, 바람직하게는 성형된 중합체, 더욱 바람직하게는 중합체 섬유로부터 생성된 직물이 본 발명의 실시에 유용하다. 그러한 중합체 직물은 직포 또는 부직포일 수 있다. 부직포는 에어 레잉(air laying) 공정, 웨트 레이드(wet laid) 공정, 수얽힘 공정, 스펀본딩(spunbonding), 멜트블로잉, 스테이플 섬유 카딩(carding) 및 결합 공정 및 용액 방사를 포함하나 이에 한정적이지는 않은 다양한 공정으로부터 제조될 수 있다. 섬유 자체는 폴리에스테르, 폴리올레핀, 나일론 및 이들의 공중합체를 포함하나 이에 한정적이지는 않은 다양한 중합체 물질로부터 제조될 수 있다. 섬유는 전형적으로 7.62 cm(3인치) 미만의 비교적 짧은, 스테이플 길이 섬유 또는 스펀본딩 공정에서 전형적으로 생산되는 것과 같은 보다 긴 더욱 연속적인 섬유일 수 있다. 그러나, 직포 또는 부직포 이외의 성형된 중합체가 사용될 수 있음을 유념하여야 한다. 그러한 기타 성형된 중합체의 예는 직포 또는 부직포와 함께 이건 아니건 필름, 발포체/필름 라미네이트 및 이들의 조합을 포함한다.Polymers, preferably molded polymers, more preferably fabrics produced from polymer fibers, are useful in the practice of the present invention. Such polymeric fabrics may be woven or nonwoven. Nonwovens include, but are not limited to, air laying processes, wet laid processes, entanglement processes, spunbonding, meltblowing, staple fiber carding, and bonding processes and solution spinning. Can be prepared from various processes. The fibers themselves can be made from a variety of polymeric materials, including but not limited to polyesters, polyolefins, nylons, and copolymers thereof. The fibers may be relatively short, staple length fibers, typically less than 7.62 cm (3 inches), or longer, more continuous fibers such as those typically produced in spunbonding processes. However, it should be noted that molded polymers other than woven or nonwoven can be used. Examples of such other shaped polymers include films, foams / film laminates, and combinations thereof, with or without wovens or nonwovens.
더욱이 이러한 직물은 단층 또는 다층으로 생성될 수 있다. 다층의 경우, 층은 일반적으로 병치 또는 표면 대 표면 관계로 위치하고 층의 모든 부분 또는 일부분이 인접층에 결합될 수 있다. 그런 직물로부터 생성된 부직포의 예는 등록된 양수자인 킴벌리 클라크 주식회사에 의해 생산된 폴리프로필렌 부직포이다.Moreover, such fabrics can be produced in single or multiple layers. In the case of multiple layers, the layers are generally placed in a juxtaposition or surface-to-surface relationship and all or a portion of the layer may be joined to adjacent layers. An example of a nonwoven produced from such a fabric is a polypropylene nonwoven produced by Kimberly-Clark Corporation, a registered assignee.
본 발명의 속성을 설명하기 위하여 하기의 실시예를 제공한다.The following examples are provided to illustrate the nature of the invention.
<배경><Background>
실시예 1 내지 5에 기재된 표본을 술폰화하는 데에 도 1에 나타내어진 석영 반응기 (10)을 사용하였다. 미국 오하이오주 소재의 Technical Glass Products, Inc.의 광학 급(optical grade) 용융 석영 제품으로부터 석영 반응기 (10)을 만든다. 석영 반응기 (10)은 표본을 반응기 틀 (12) 내부에 선택적으로 위치시키고 제거시키기 위하여 각각 (14) 및 (16)의 분리할 수 있는 상부 및 하부를 가지는 반응기 틀 (12)를 포함한다. 상부 (14)는 밸브 (22)에 의해 진공 출처 (20)에 연결되어진 진공 구(vacuum port) (18), 밸브 (28)에 의해 기체 출처 (26)에 연결되어진 기체 구 (24), 및 밸브 (34)에 의해 미국 뉴욕주 소재의 Leybold Inficon, Inc.에서 제조한 커패시턴스 마노미터(capacitance manometer) 모델 번호 CM100과 같은 압력 감지기 (32)에 연결되어진 구 (30)을 더 포함한다.The quartz reactor 10 shown in FIG. 1 was used to sulfonate the samples described in Examples 1-5. The quartz reactor 10 is made from an optical grade fused quartz product of Technical Glass Products, Inc., Ohio, USA. The quartz reactor 10 includes a reactor mold 12 having separable tops and bottoms 14 and 16, respectively, for selectively positioning and removing specimens within the reactor mold 12. The upper portion 14 is a vacuum port 18 connected to the vacuum source 20 by a valve 22, a gas port 24 connected to a gas source 26 by a valve 28, and It further comprises a sphere 30 connected by a valve 34 to a pressure sensor 32 such as a capacitance manometer model number CM100 manufactured by Leybold Inficon, Inc., NY, USA.
표면 분석Surface analysis
모든 ESCA(화학 분석용 전자 분광기) 데이타를 Surface Science Instruments M-Probe ESCA 분광기로 수집하였다. 분광 수집은 각 표본에 있어서 800미크론 영역의 단색 알루미늄 엑스선 여기(excitation)로 수행하였다. 표본의 차동 부하(differential charging)를 전자 총(electron flood gun)으로부터 발생된 저에너지(1 전자볼트) 전자 흐름을 이용하여 보상하였다.All ESCA (chemical analytical electron spectroscopy) data was collected on a Surface Science Instruments M-Probe ESCA spectrometer. Spectroscopic collection was performed with monochromatic aluminum X-ray excitation of the 800 micron region for each sample. Differential charging of the specimens was compensated using a low energy (one electron volt) electron flow generated from an electron flood gun.
습윤을 위한 표면 장력Surface tension for wetting
미국 위스콘신주 하트랜드 소재의 Pillar Technologies, Inc.의 모델 STT 11-1인 습윤 장력 테스트 키트(kit)로 습윤을 위한 표면 장력을 측정하였다. 습윤을 위한 표면 장력은 섬유상 부직포 기질에 자발적으로 흡수되는 유체의 표면 장력으로 간주하였다. 습윤 장력 키트는 ATSM 기준 D2578-67을 따른다.Surface tension for wetting was measured with a wet tension test kit, Model STT 11-1 from Pillar Technologies, Inc., Heartland, Wisconsin. Surface tension for wetting was considered to be the surface tension of the fluid spontaneously absorbed into the fibrous nonwoven substrate. Wet tension kits follow ATSM standard D2578-67.
접촉각Contact angle
접촉각은 Rame-Hart 모델 100-06 NRL 접촉각 측각기를 이용하여 측정하였다. 접촉각은 기질 표면과 접촉하고 있는 유체 방울의 가장자리에 접하는 선으로 간주한다. 접촉각 값은 최소한 3방울로부터 취한 관찰값을 평균하여 유도하였다. 각 방울로부터 2개의 관찰값을 취하였다.Contact angles were measured using a Rame-Hart model 100-06 NRL contact angle goniometer. The contact angle is considered to be the line which borders the edge of the fluid drop in contact with the substrate surface. Contact angle values were derived by averaging observations taken from at least 3 drops. Two observations were taken from each drop.
<실시예 1><Example 1>
폴리프로필렌 멜트블로운의 술폰화Sulfonation of polypropylene meltblown
17 g/m2(0.5의 평방 야드당 온스(osy))의 폴리프로필렌 멜트블로운(PP MB) 물질 표본을 도 1에 나타낸 석영 반응기 (10)에 위치시켰다. 표본을 하부 (16)에 위치시키고, 반응기 틀 (12)을 진공 구 (18)를 통하여 전체 압력 1x10-3토르(Torr) 미만으로 비웠다. 5분 후 반응기 틀 (12)를 비활성기체(질소 또는 아르곤)로 기체 구 (24)를 통하여 압력 760토르까지 다시 채웠다. 그 다음 반응기 틀 (12)를 다시 비웠다. 채우고 비우는 사이클을 3번 반복하고 반응기 틀 (12)를 1x10-3토르 전체 압력 미만으로 최종적으로 비웠다. 최종적으로 비우고 나서 기체 구 (24)를 통하여 반응기 틀 (12)로 이산화황 및 산소 기체 혼합물을 전체 압력 200토르까지 주입하였다. 기체 혼합물 중의 산소에 대한 이산화황의 분압비는 2 : 1이었다. 그 후 반응기를 16개의 저압 수은 램프가 장착된 환상(環狀) 자외선 반응기(Rayonet 광화학 반응기, The Southern New England Ultraviolet Company)에 위치시켰다. 각 램프는 254nm의 주 방출 파장을 가졌다. 반응기 실의 중앙에서 측정한 16개 모든 램프의 총 출력은 제곱 센티미터당 6밀리와트(mW/cm2)이었다.A sample of polypropylene meltblown (PP MB) material of 17 g / m 2 (ozy per 0.5 yard) was placed in the quartz reactor 10 shown in FIG. The sample was placed in the lower part 16 and the reactor mold 12 was emptied through the vacuum port 18 to less than the total pressure 1 × 10 −3 Torr. After 5 minutes, reactor frame 12 was refilled with inert gas (nitrogen or argon) through gas sphere 24 to a pressure of 760 Torr. Then reactor frame 12 was emptied again. The filling and emptying cycle was repeated three times and the reactor mold 12 was finally emptied to less than 1 × 10 −3 Torr overall pressure. Finally, after the emptying, a mixture of sulfur dioxide and oxygen gas was injected into the reactor mold 12 through the gas sphere 24 to a total pressure of 200 Torr. The partial pressure ratio of sulfur dioxide to oxygen in the gas mixture was 2: 1. The reactor was then placed in a cyclic ultraviolet reactor (Rayonet photochemical reactor, The Southern New England Ultraviolet Company) equipped with 16 low pressure mercury lamps. Each lamp had a main emission wavelength of 254 nm. The total power of all 16 lamps measured in the center of the reactor chamber was 6 milliwatts per square centimeter (mW / cm 2 ).
각 PP MB 표본에 대한 자외선 조사(照射) 시간(반응시간)은 5분 내지 15분으로 다양하였다. 자외선 조사에 이어서 잔류 이산화황 또는 삼산화황을 제거하기 위하여 기체 구 (24)를 통하여 비활성기체(질소 또는 아르곤)로 반응기를 퍼징하였다.UV irradiation time (response time) for each PP MB sample varied from 5 to 15 minutes. The reactor was purged with inert gas (nitrogen or argon) through gas sphere 24 to remove residual sulfur dioxide or sulfur trioxide following ultraviolet irradiation.
반응시간 5분Response time 5 minutes
PP MB 물질은 흰색이었고 테스트 수용액에 56 dyne/cm의 표면장력으로 습윤될 수 있었다. PP MB 대조물은 테스트 용액에 35 dyne/cm의 표면장력으로 습윤될 수 있었다. ESCA를 사용하여 술폰화된 멜트블로운 PP의 표면 분석을 함으로써 다음의 표면 원자 조성을 밝혔다 : 88.3 원자%의 탄소, 9.2 원자%의 산소 및 2.5 원자%의 황.The PP MB material was white and could be wetted with a surface tension of 56 dyne / cm in the test aqueous solution. The PP MB control could be wetted with a surface tension of 35 dyne / cm in the test solution. Surface analysis of the sulfonated meltblown PP using ESCA revealed the following surface atomic composition: 88.3 atomic% carbon, 9.2 atomic% oxygen and 2.5 atomic% sulfur.
반응시간 10분Response time 10 minutes
PP MB 물질은 흰색이었고 테스트 수용액에 72 dyne/cm의 표면장력(즉, 물과 등가)으로 습윤될 수 있었다. ESCA를 사용하여 술폰화된 멜트블로운 PP의 표면 분석을 함으로써 다음의 표면 원자 조성을 밝혔다 : 88.5 원자%의 탄소, 9.2 원자%의 산소 및 2.3 원자%의 황.The PP MB material was white and could be wetted with 72 dyne / cm surface tension (ie, equivalent to water) in the test aqueous solution. Surface analysis of the sulfonated meltblown PP using ESCA revealed the following surface atomic composition: 88.5 atomic% carbon, 9.2 atomic% oxygen and 2.3 atomic% sulfur.
반응시간 15분Response time 15 minutes
PP MB 물질은 매우 엷은 갈색이었고 테스트 수용액에 72 dyne/cm의 표면장력(즉, 물과 등가)으로 습윤될 수 있었다. ESCA를 사용하여 이 술폰화된 멜트블로운을 표면 분석함으로써 다음의 표면 원자 조성을 밝혔다 : 84.9 원자%의 탄소, 12.1 원자%의 산소 및 3.0 원자%의 황.The PP MB material was very light brown and could be wetted with 72 dyne / cm surface tension (ie, equivalent to water) in the test aqueous solution. Surface analysis of this sulfonated meltblown using ESCA revealed the following surface atomic composition: 84.9 atomic% carbon, 12.1 atomic% oxygen and 3.0 atomic% sulfur.
멜트블로운 폴리프로필렌 대조물과 비교해 볼 때 각각의 반응시간에 따라 표면 성질이 상당히 변화된 물질이 만들어졌다. 각 표본으로부터 얻어진 ESCA 데이타는 각 물질의 표면에 황이 함입된 증거를 제공한다. 황은 술폰산의 형태로 존재한다. 이는 탄소와 황간의 결합이 R-SO3H 기의 생성을 이끄는 술폰화 반응에서 형성된다는 것을 나타낸다.Compared to the meltblown polypropylene control, a material was produced with a significant change in surface properties with each reaction time. ESCA data obtained from each sample provide evidence of sulfur incorporation on the surface of each material. Sulfur is in the form of sulfonic acid. This indicates that the bond between carbon and sulfur is formed in the sulfonation reaction leading to the formation of R-SO 3 H groups.
<실시예 2><Example 2>
폴리에틸렌 멜트블로운의 술폰화Sulfonation of polyethylene meltblown
폴리에틸렌 멜트블로운(PE MB)을 술폰화하기 위해 사용된 실험 방법은 실시예 1에서 약술한 것과 동일하였다. 이 실시예에서는 204 g/m2(6 osy)의 PE MB 표본을 5분간 이산화황/산소 환경에서 조사하였다.The experimental method used to sulfonate polyethylene meltblown (PE MB) was the same as outlined in Example 1. In this example, 204 g / m 2 (6 osy) PE MB specimens were irradiated in a sulfur dioxide / oxygen environment for 5 minutes.
술폰화 후 PE MB 물질은 외관상 흰색이었다. 그 물질은 테스트 수용액에 72 dyne/cm의 표면장력(즉, 물과 등가)으로 습윤될 수 있었다. 대조적으로, 술폰화 안된 PE MB 대조물의 경우는 겨우 36 dyne/cm 테스트 용액에 습윤될 수 있었다. ESCA를 사용하여 PE MB를 표면 분석함으로써 다음의 표면 조성을 밝혔다 : 95.4 원자%의 탄소, 3.5 원자%의 산소 및 1.1 원자%의 황. 표면상의 황의 출현은 물질의 표면에 황이 함입한 것을 지시한다. 황은 술폰산의 형태로 존재한다.After sulfonation, the PE MB material was white in appearance. The material could be wetted in a test aqueous solution with a surface tension of 72 dyne / cm (ie, equivalent to water). In contrast, the unsulfonated PE MB control could only be wetted with 36 dyne / cm test solution. Surface analysis of PE MB using ESCA revealed the following surface composition: 95.4 atomic% carbon, 3.5 atomic% oxygen and 1.1 atomic% sulfur. The appearance of sulfur on the surface indicates the inclusion of sulfur on the surface of the material. Sulfur is in the form of sulfonic acid.
<실시예 3><Example 3>
셀룰로스의 술폰화Sulfonation of cellulose
셀룰로스를 술폰화하기 위해 사용된 실험 방법은 실시예1에서 약술한 것과 동일하였다. 셀룰로스 기질은 와트만 1형 여과지이었다. 이 실시예에서는 10분간 이산화황/산소 환경에서 셀룰로스 표본을 조사하였다.The experimental method used to sulfonate cellulose was the same as outlined in Example 1. The cellulose substrate was Whatman Type 1 filter paper. In this example, cellulose samples were examined in a sulfur dioxide / oxygen environment for 10 minutes.
술폰화 후 셀룰로스 기질은 흰색이었다. 습윤을 위한 표면 장력을 비교하여도 술폰화 전후에 있어서 셀룰로스 기질에 어떠한 차이가 없었다. 술폰화된 셀룰로스는 약간의 황류 냄새가 있었다. 탈이온수로 세척하고 섭씨 80도에서 건조함으로써 이 냄새를 효과적으로 제거하였다.After sulfonation the cellulose substrate was white. Comparing the surface tension for wetting did not show any difference in the cellulose substrate before and after sulfonation. The sulfonated cellulose had a slight sulfur odor. This odor was effectively removed by washing with deionized water and drying at 80 degrees Celsius.
술폰화되지 않은 셀룰로스 대조물, 술폰화된 셀룰로스 및 물로 세척된 술폰화된 셀룰로스의 표면 조성(ESCA)을 표 1에 요약한다.The surface composition (ESCA) of unsulfonated cellulose control, sulfonated cellulose and sulfonated cellulose washed with water is summarized in Table 1.
표 1Table 1
셀룰로스 표본에 대한 ESCA 분석은 셀룰로스 표면에 황이 함입됨을 명백히 보여준다. 황은 술폰산의 형태로 존재하는 것으로 보인다. 불소의 존재는 와트만 여과지의 불소화학 첨가제 또는 석영 반응기 튜브를 봉인하기 위해 사용된 고진공 그리스에 존재하는 불소화학물질로부터 기인될 수 있다(도 1을 보라).ESCA analysis of cellulose specimens clearly shows the incorporation of sulfur on the cellulose surface. Sulfur appears to be in the form of sulfonic acids. The presence of fluorine may be due to the fluorine chemicals present in the Whatman filter paper or the high vacuum grease used to seal the quartz reactor tube (see FIG. 1).
<실시예 4><Example 4>
폴리에틸렌 테레프탈레산염 섬유의 술폰화Sulfonation of Polyethylene Terephthalate Fiber
폴리에틸렌 테레프탈산염(PET) 섬유를 술폰화하기 위해 사용된 실험 방법은 실시예1에서 약술한 것과 동일하였다. 실시예1에 기술된 이산화황/산소 환경에서 10분간 PET 섬유를 조사하였다.The experimental method used to sulfonate polyethylene terephthalate (PET) fibers was the same as outlined in Example 1. PET fibers were irradiated for 10 minutes in the sulfur dioxide / oxygen environment described in Example 1.
술폰화된 PET 섬유는 흰색이었다. 술폰화된 PET 섬유는 테스트 수용액에 72 dyne/cm의 표면장력(즉, 물과 등가)으로 습윤될 수 있었다. 대조적으로, 술폰화되지 않은 대조 PET 섬유는 56 dyne/cm의 표면장력으로 수용액에 습윤될 수 있었고 수접촉각은 90도 보다 큰 것으로 관찰되었다. 술폰화된 섬유상에서의 수접촉각은 물방울의 자발적인 흡수 때문에 측정될 수 없었다. 술폰화된 PET 섬유를 수세척하고 섭씨 80도에서 건조시켜도 그들의 습윤성은 변화되지 않았다.The sulfonated PET fibers were white. The sulfonated PET fibers could be wetted in the test aqueous solution with a surface tension of 72 dyne / cm (ie equivalent to water). In contrast, unsulfonated control PET fibers could be wetted in aqueous solution with a surface tension of 56 dyne / cm and a water contact angle was observed to be greater than 90 degrees. The water contact angle on sulfonated fibers could not be measured due to the spontaneous absorption of water droplets. Washing sulfonated PET fibers and drying them at 80 degrees Celsius did not change their wettability.
PET 섬유의 표면 조성(ESCA)을 표2에 요약한다.The surface composition (ESCA) of PET fibers is summarized in Table 2.
표 2TABLE 2
ESCA 분석은 PET 섬유 표면에 황이 함입됨을 명백히 보여준다. 황은 술폰산의 형태로 존재한다. 술폰화되고 수세척된 술폰화 섬유상에 존재하는 불소는 석용 튜브 반응기를 봉인하는 데에 사용된 고진공 그리스에 기인한다.ESCA analysis clearly shows the incorporation of sulfur on the surface of PET fibers. Sulfur is in the form of sulfonic acid. The fluorine present on sulfonated and washed sulfonated fibers is due to the high vacuum grease used to seal the stone tube reactor.
<실시예 5>Example 5
폴리스티렌의 술폰화Sulfonation of polystyrene
폴리스티렌(PS) 필름을 술폰화하기 위해 사용된 실험 방법은 실시예 1에서 약술한 것과 동일하였다. 이산화황/산소 환경에서 10분간 PS 필름을 조사하였다.The experimental method used to sulfonate the polystyrene (PS) film was the same as outlined in Example 1. PS film was irradiated for 10 minutes in a sulfur dioxide / oxygen environment.
술폰화된 PS 필름은 술폰화되지 않은 대조물과 비교되는 두드러진 노란색이었다. 술폰화된 PS 필름상에서의 수접촉각은 유효하게 0도이었고, 물방울은 자발적으로 필름에 퍼졌다. 술폰화되지 않은 PS 필름상에서의 수접촉각은 92도였다. 술폰화된 PS 필름을 수세척하여도 그 수습윤성(water wettability)은 변화되지 않았다.The sulfonated PS film was noticeable yellow compared to the unsulfonated control. The water contact angle on the sulfonated PS film was effectively 0 degrees and water droplets spontaneously spread on the film. The water contact angle on the unsulfonated PS film was 92 degrees. Washing the sulfonated PS film did not change its water wettability.
술폰화된 PS 필름의 표면 조성(ESCA)을 표3에 요약한다.The surface composition (ESCA) of the sulfonated PS film is summarized in Table 3.
표 3TABLE 3
a1.12 원자%의 규소 및 0.6 원자%의 염소도 측정됨 a 1.12 atomic% silicon and 0.6 atomic% chlorine are also measured
이상적으로는, 대조 PS 필름은 약 100원자% 탄소의 표면 조성을 가져야 한다. 대조물에서 관찰된 규소, 염소 및 산소는 필름 표본을 조작함으로부터 기인하여 존재한다. 술폰화된 PS 필름에 산소 및 황의 원자 조성 백분율이 크게 증대한 것은 술폰화가 PS 표면을 매우 변화시켰다는 명백한 증거이다. 황은 술폰산 기의 형태로 존재한다. 다시, 불소는 석영 튜브 반응기에 사용된 고진공 그리스에 의한 표면 오염에 기인한다.Ideally, the control PS film should have a surface composition of about 100 atomic% carbon. Silicon, chlorine and oxygen observed in the control are present due to the manipulation of the film specimen. The significant increase in the atomic composition percentages of oxygen and sulfur in the sulfonated PS film is clear evidence that sulfonation has greatly changed the PS surface. Sulfur is present in the form of sulfonic acid groups. Again, fluorine is due to surface contamination by the high vacuum grease used in the quartz tube reactor.
본 발명은 그 구체적인 실시태양과 관련하여 여기에 상세히 기재되어 있지만, 당해 기술분야에서 숙련된 자가 상기한 바를 이해한다면 이 실시태양의 변형물, 변경물 및 등가물을 용이하게 추고할 수 있다는 점을 인식할 것이다.While the present invention has been described in detail herein with reference to specific embodiments thereof, it will be appreciated that variations, modifications, and equivalents thereof may be readily made by those skilled in the art upon understanding the foregoing. something to do.
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