KR100799388B1 - 극성기가 도입된 염색가능한 폴리프로필렌 - Google Patents

극성기가 도입된 염색가능한 폴리프로필렌 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리프로필렌에 극성기를 도입한 염색이 가능한 폴리프로필렌에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 비극성인 폴리프로필렌에 염료 분자와 친화성을 가지는 극성기를 화학적인 방법으로 도입하여, 극성기를 가지는 폴리프로필렌을 제조함으로써 분산염료 및 양이온성 염료에 염색이 가능한 신규의 폴리프로필렌을 제공하고자 하는 것이다. 이렇게 제공된 염색가능한 폴리프로필렌은 필름, 시트, 섬유, 부직포 등으로 가공될 수 있어 각종 포장재, 섬유, 의류 등 여러 가지 용도에 사용 가능하다.
폴리프로필렌, 염색성, 티올, 황산화물

Description

극성기가 도입된 염색가능한 폴리프로필렌{Dyeable polypropylene containing polar group}
본 발명은 폴리프로필렌에 극성기를 도입한 염색이 가능한 폴리프로필렌에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 비극성인 폴리프로필렌에 염료 분자와 친화성을 가지는 극성기를 화학적인 방법으로 도입하여, 극성기를 가지는 폴리프로필렌을 제조함으로써 분산염료 및 양이온성 염료에 염색이 가능한 신규의 폴리프로필렌에 관한 것이다.
폴리프로필렌은 구조식(1)의 구조를 가지는 고분자로서 포장재, 전기전자, 자동차 부품, 필름, 섬유 등 일상용품의 원료로 사용하기에 매우 적합한 물성을 가지고 있으나, 탄소, 수소 이외에 다른 극성기를 가지고 있지 않아서 염색성이 떨어지고, 다른 화합물과의 친화성이 떨어진다.
Figure 112006097738273-pat00001
이러한 특성 때문에 폴리프로필렌에 착색을 하기 위해서는 필름, 섬유 등의 제조 공정시, 안료를 같이 섞어 착색을 하는 극히 제한적인 방법만이 가능하고, 원단 또는 원사 제조 후에는 다른 염료로 염색을 할 수 없는 단점을 지니고 있어, 의류 등과 같은 용도에 사용하는데 극히 제한을 받고 있다.
이와 같이 폴리프로필렌이 염색이 되지 않는 단점을 극복하기 위하여 몇 가지 방법들이 제안되어 왔다.
폴리프로필렌을 직접 개질을 하는 방법으로는, 폴리프로필렌 성형물의 표면을 산처리하여 표면에 극성기를 도입하는 표면 처리법, 오존 처리, 자외선 처리, 전자선 처리, 플라즈마 처리를 하여 표면을 활성화하는 방법(유럽특허 EP 제0093007호, 일본특허공보 제3234721호(B2), 미국특허 제6,479,595호(B1)) 등이 있다. 그러나, 이런 방법들은 폴리프로필렌을 필름 혹은 섬유로 가공한 후, 그 표면만을 개질시키는 방법으로서 다소 염색성을 부여할 수 있으나, 성형된 필름 혹은 섬유의 내부까지 개질되는 것이 아니기 때문에, 염색시 염료분자의 흡착량이 적어 깊은 색상을 얻을 수 없고, 염색 후에도 세척 등에 의해 염료가 쉽게 이탈되기 때문에 견뢰도가 떨어지는 단점이 있다.
또 다른 접근 방법은, 염색이 되는 섬유 고분자를 혼합하는 방법으로서, 극성 고분자의 용융혼합방사법(대한민국특허 제0224294호), 폴리아마이드(미국특허 제4,399,258호), 랜덤코폴리아마이드(미국특허 제5,130,069호), 폴리에스테르(대한민국공개특허 제1995-7003673호), 폴리페닐렌 옥사이드의 금속 설포네이트(미국특허 제4,520,155호), 폴리에테르아민 및 변성 과산화물(미국특허 제5,985,999호), 아크릴계 중합체(미국특허 제5,468,259호, 미국특허 제5,550,192호, 일본공개 제2004-292659호) 등을 혼합하는 방법 등이 소개되어 있다.
그러나, 상기와 같은 블렌드 방법은 근본적으로 폴리프로필렌에 화학구조가 전혀 다른 화합물을 혼합하는 것으로서, 서로 잘 섞이지 않기 때문에 물성이 저하되는 문제가 발생한다. 또한 분산성이 떨어지게 되면 염색 후에도 균일한 색을 얻기 어렵다. 분산성을 개선하기 위하여 상용화제, 계면활성제 등을 혼련하는 경우가 있는데, 제조 과정이 복잡해지고 상용화제, 계면활성제 등에 의한 물성 저하를 가져오는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 극성을 가지는 기능기가 폴리프로필렌 분자 내에 균일하게 치환되어, 염색성이 우수하고, 견뢰도가 높고, 물성이 저하되지 않는 폴리프로필렌을 제공하는 것이다.
본 발명에서는, 할로겐화 폴리프로필렌을 설파이드 화합물과 반응시켜, 상기 폴리프로필렌 내에 티올기를 도입하여, 황이 0.01~80중량% 포함된 염색가능한 폴리프로필렌을 제공한다.
상기 할로겐화 폴리프로필렌은, 폴리프로필렌 분자 사슬 중의 수소 일부가 할로겐 원소로 치환된 것으로, 본 발명에서 사용되는 할로겐화 폴리프로필렌 중의 할로겐 함량에는 특별한 제한이 없다. 할로겐화 폴리프로필렌의 예로서는 불소화 폴리프로필렌, 염소화 폴리프로필렌, 브롬화 폴리프로필렌, 요오드화 폴리프로필렌 을 예로서 들 수 있다. 본 발명에서는 통상적으로 알려진 방법으로 제조된 할로겐화 폴리프로필렌을 사용할 수 있다(Journal of Polymer Science, Vol 55, Pages 169-180 (1961), Progress in Organic Coatings, Vol 23, Pages 155-182 (1993), 일본등록특허 제39019230호, 일본등록특허 제42002799호, 미국특허 제3607855호, 일본등록특허 제46022208호, 일본등록특허 제46027303호 참조).
할로겐화 폴리프로필렌에 티올기를 도입하는 반응은, 용액 중에서 반응이 수행되는데, 예로서 N-메틸-2-피롤리돈을 반응용매로 하여, 할로겐화 폴리프로필렌을 황화합물로서 칼륨하이드로설파이드(KSH), 소듐하이드로설파이드(NaSH), 소듐설파이드(Na2S)와 같은 하이드로설파이드 화합물과 반응시킴으로써 수행된다. 할로겐화 폴리프로필렌은 일반 폴리프로필렌과 달리 용매에 대한 용해도가 좋기 때문에, 반응용매에 쉽게 용해될 수 있고, 반응 역시 균일하게 진행되어, 전체 할로겐화 폴리프로필렌 사슬에 걸쳐 균일하게 티올기로 치환되는 결과를 가져온다.
또한, 할로겐화 폴리프로필렌 중의 할로겐 함량은, 일반적으로 적은 것은 수 중량%에서 많은 것은 70중량%가 넘으며, 이 할로겐을 티올기로 치환시키기 때문에 할로겐의 함량이 다른 할로겐화 폴리프로필렌을 사용하면, 티올기의 함량이 다른 티올화 폴리프로필렌을 얻을 수 있고, 또한 이를 산화시켜 기능기의 함량을 원하는 만큼 도입시킨 염색이 가능한 폴리프로필렌을 제조할 수 있다.
상기와 같이 제조되는, 티올기로 치환된 폴리프로필렌은 티올기가 가지는 극성 성질로 인하여 기능기가 치환되지 않은 일반 폴리프로필렌에 비해 염색성이 향 상된 성능을 보인다.
상기 치환된 황의 함량은 0.01~80중량%가 바람직하며, 더 바람직하게는 0.05~50중량%, 가장 바람직하게는 0.05~30중량%이다. 치환된 황의 함량이 0.01중량% 미만이면 염료와 상호작용을 할 수 있는 황화합물의 양이 너무 적어 염색성의 개선 효과가 없고, 80중량%를 초과하면 과도하게 치환된 치환기 때문에 고분자사슬의 유동성이 떨어져 유리전이 온도가 올라가기 때문에, 압출, 사출, 방사와 같은 통상적인 고분자 가공 방법으로 가공하기가 곤란해질 수 있다.
또한, 상기와 같이 할로겐화 폴리프로필렌에 도입된 티올기를 산화제를 이용하여 산화시켜서 황산화기로 만들면 극성이 더욱 증가하여 양이온성 염료에 대해서 보다 향상된 염색성을 얻을 수 있으며, 산화제의 사용량을 조절하는 것에 의하여 치환된 티올기의 산화 정도를 조절함으로써 염료의 종류에 따라 최적의 효과를 보이는 폴리프로필렌을 제조할 수 있다.
상기 할로겐화 폴리프로필렌에 도입된 티올기를 산화시키면, 다음과 같이 중간물질로서 할로겐화 폴리프로필렌이 가교된 형태가 나타날 수 있다.
R-SH → R-S-S-R', R-SO-R', R-SO2-R', R-SO3-R' 또는 R-SO4-R'
R:할로겐화 폴리프로필렌 분자사슬, R':할로겐화 폴리프로필렌 분자사슬, 수소 또는 금속이온.
티올은 산화된 정도에 따라 최종적으로 여러 가지 산화수의 황산화물을 형성 할 수 있고, 티올을 산화시키기 위한 산화제에는 통상의 산화제를 사용할 수 있으며, 과망간산염, 질산, 과산화수소수, 오산화인, 중크롬산염, 오존 등을 사용할 수 있다.
상기와 같이 황산화물로 치환된 할로겐화 폴리프로필렌은 염색 과정에서 염료 분자와 이온결합 또는 수소결합을 형성할 수 있기 때문에 염료 분자를 흡착하여 짙은 염색이 가능하게 하고, 또한 견뢰도를 높일 수 있게 된다.
할로겐화 폴리프로필렌에 치환된 티올이 산화에 의해 술폰산과 같이 산이 된 경우는 산성형태(acid form) 및 염의 형태(salt form)를 가질 수 있다. pH가 낮을 때에는 술폰산과 같은 산의 형태로 존재하며, pH가 높은 경우에는 술폰산 염의 형태로 존재한다.
따라서, 할로겐화 폴리프로필렌에 도입된 황산화기는 -SM, -SOM, -SO2M 및 -SO3M으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 상기 M은 수소, 금속원소 또는 양이온성 유기화합물이며, 여기에서 금속원소 또는 양이온성 유기화합물은 상기 하이드로설파이드 또는 pH 조정을 위해 통상적으로 사용할 수 있는 산염기 용액 및 완충용액으로부터 유래하는 것으로서, 예를 들면, 금속원소의 경우에는 Na, K, Ca, Mg 또는 Zn 등이며, 양이온성 유기화합물의 경우에는 암모늄 이온 또는 암모늄염 등이 될 수 있다.
이하 제조예 및 실시예로 본 발명을 상세히 설명하나, 본 발명이 이들 제조예 및 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예
제조예1
염소함량이 26중량%인 염소화 폴리프로필렌을 N-메틸-2-피롤리돈에 1.5% 농도로 용해시키고, 염소화 폴리프로필렌:소듐하이드로설파이드(NaSH)가 중량비로 1:0.7이 되도록 소듐하이드로설파이드를 상기 용액에 첨가하여 85℃, 상압에서 3시간 30분동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 같은 부피의 메탄올을 넣어 침전시킨 후, 거르고 세척했다. 걸러진 반응물인 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌을 증류수에 5% 농도가 되도록 분산시킨 후, 상기 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌과 과산화수소의 비율이 중량비로 1:0.5가 되도록 과산화수소수를 첨가하여 80℃에서 24시간 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 상온으로 식히고, 거르고 세척한 후 건조시켰다. 얻어진 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌의 수율은 90%이었고, 상기 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌 중 황의 함량은 12.5중량%이었다.
제조예2
염소함량이 26중량%인 염소화 폴리프로필렌을 N-메틸-2-피롤리돈에 1.5% 농도로 용해시키고, 염소화 폴리프로필렌:소듐하이드로설파이드(NaSH)가 중량비로 1:0.7이 되도록 소듐하이드로설파이드를 상기 용액에 첨가하여 85℃, 상압에서 3시간동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 같은 부피의 메탄올을 넣어 침전시킨 후, 거 르고 세척했다. 걸러진 반응물인 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌을 증류수에 5% 농도가 되도록 분산시킨 후, 상기 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌과 과산화수소의 비율이 중량비로 1:1.9가 되도록 과산화수소수를 첨가하여 80℃에서 24시간 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 상온으로 식히고 1M 탄산나트륨 용액을 넣어 pH10으로 조정하고 6시간가량 반응시킨 후, 거르고 세척한 후 건조시켰다. 얻어진 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌의 수율은 83%이었고, 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌 중 황의 함량은 6.9중량%이었다.
제조예3
염소함량이 26중량%인 염소화 폴리프로필렌을 N-메틸-2-피롤리돈에 1.5% 농도로 용해시키고, 염소화 폴리프로필렌:소듐하이드로설파이드(NaSH)가 중량비로 1:0.7이 되도록 소듐하이드로설파이드를 상기 용액에 첨가하여 85℃, 상압에서 4시간동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 같은 부피의 메탄올을 넣어 침전시킨 후, 거르고 세척했다. 걸러진 반응물인 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌을 증류수에 5% 농도가 되도록 분산시킨 후, 상기 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌과 과산화수소의 비율이 중량비로 1:1이 되도록 과산화수소수를 첨가하여 80℃에서 24시간 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 상온으로 식히고 거르고 세척한 후 건조시켰다. 얻어진 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌의 수율은 84%이었고, 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌 중 황의 함량은 8.1중량%이었다.
제조예4
염소함량이 26중량%인 염소화 폴리프로필렌을 N-메틸-2-피롤리돈 용액에 1.5% 농도로 용해시키고, 염소화 폴리프로필렌:소듐하이드로설파이드(NaSH)가 중량비로 1:0.7이 되도록 소듐하이드로설파이드를 용액에 첨가하여 60℃, 상압에서 3시간 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 같은 부피의 메탄올을 넣어 침전시킨 후, 거르고 세척한 후 건조시켰다. 얻어진 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌의 수율은 91%이었고, 티올기로 치환된 염소화 폴리프로필렌 중 황의 함량은 13.5중량%이었다.
실시예
다음 실시예에서의 염색성은 다음의 방법에 의하여 측정하였다.
각각의 시료는 염색을 하기 위하여 180℃에서 가열 압축하여 50마이크로미터 두께의 필름으로 제조하였다. 염료농도(시료에 대한 염료의 중량비)가 하기 표 1에 제시한 바와 같은 조건이 되도록 염색액을 제조하고, 아세테이트 버퍼용액으로 pH 4.5로 조정하였다. 시료에 염색액을 넣고(염색액:시료의 중량비=40:1) 30분동안 승온시켜 90℃에 이르게 하고, 1시간동안 90℃를 유지한후 30분간 냉각하였다. 염색성의 측정은 염색 전후의 염색액을 적절하게 희석시켜, 측정하는 염료의 최대 흡수파장에서의 흡광도를 스펙트로포토미터를 사용하여 측정한 다음, 미리 준비된 검량선으로부터 염료의 농도를 구하여 다음의 식에 의해 염색성을 계산하였다.
염색성(%)= 100 x (염색전 염색액 중의 염료의 농도 - 염색후 염색액 잔액 중의 염료농도)/ (염색전 염색액 중의 염료의 농도)
하기 실시예의 염색성 평가에서 염기성 염료로 베이직 블루 26을, 분산염료로 분산 오렌지 3을 사용하였다.
실시예1
제조예1에서 제조한 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌으로 필름형태의 시료를 제작하고, 시료 대비 염기성 염료의 비율이 중량비로 0.5%가 되도록 농도를 맞춰 염색액을 제조한 후 염색을 실시하여 염색성을 평가하였다.
실시예2 내지 실시예10
상기 실시예1과 동일하게 염색성을 평가하되, 시료, 염료 및 염료 농도를 하기 표 1에 표기된 조건으로 변경하여 염색을 실시하였다.
비교예1 비교예2
상기 실시예1과 동일하게 염색성을 평가하되, 시료는 기능기가 도입되지 않은 일반 호모 폴리프로필렌으로 시료를 제작하고, 시료, 염료 및 염료 농도를 하기 표 1에 표기된 조건으로 변경하여 염색을 실시하였다.
실시예 및 비교예에서 실시한 염색성 평가 결과는 하기 표 1과 같다.
[표 1]
시료 사용한 염료 염료 농도(중량%) 염색성(%)
실시예1 제조예1 염기성 염료 0.5 99
실시예2 제조예1 염기성 염료 2.0 99
실시예3 제조예1 분산염료 2.0 26
실시예4 제조예2 염기성 염료 0.5 90
실시예5 제조예2 염기성 염료 2.0 72
실시예6 제조예2 분산염료 2.0 33
실시예7 제조예3 염기성 염료 0.5 98
실시예8 제조예3 염기성 염료 2.0 92
실시예9 제조예3 분산염료 2.0 16
실시예10 제조예4 염기성 염료 0.5 10
비교예1 호모폴리프로필렌 염기성 염료 2.0 1미만
비교예2 호모폴리프로필렌 분산염료 2.0 1미만
상기 표 1의 결과에 나타난 것과 같이, 기능기가 치환되지 않은 폴리프로필렌을 사용한 비교예1 및 비교예2는 염색성이 1% 미만으로 거의 염색되지 않는 것에 반해, 본 발명에 의하여 제조한 티올기 또는 황산화기가 도입된 염소화 폴리프로필렌으로 평가한 실시예1 내지 실시예10은 염색성이 크게 향상된 것을 알 수 있다.
본 발명에 의한 극성기가 도입된 폴리프로필렌은 염색성이 우수하므로 필름, 섬유 등으로 가공되어 부직포, 의류 등 여러 가지 용도로 사용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 할로겐화 폴리프로필렌을 설파이드 화합물과 반응시켜, 상기 폴리프로필렌 내에 티올기를 도입하여, 황이 0.01~80중량% 포함된 염색가능한 폴리프로필렌.
  2. 할로겐화 폴리프로필렌을 설파이드 화합물과 반응시켜, 상기 폴리프로필렌 내에 티올기를 도입하여 황을 0.01~80중량% 포함시키고, 상기 티올기를 산화시켜 황산화기를 도입한 염색가능한 폴리프로필렌.
  3. 제2항에 있어서, 상기 황산화기는 -SM, -SOM, -SO2M 및 -SO3M으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나이고, 상기 M은 수소, 금속원소 또는 양이온성 유기화합물이며, 여기에서, 금속원소는 Na, K, Ca, Mg 또는 Zn이며, 양이온성 유기화합물은 암모늄 이온 또는 암모늄염인 것을 특징으로 하는 염색가능한 폴리프로필렌.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 할로겐은 염소인 것을 특징으로 하는 염색가능한 폴리프로필렌.
KR1020060136605A 2006-12-28 2006-12-28 극성기가 도입된 염색가능한 폴리프로필렌 KR100799388B1 (ko)

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