KR20010101647A

KR20010101647A - 폴리사카라이드 섬유

Info

Publication number: KR20010101647A
Application number: KR1020017009271A
Authority: KR
Inventors: 존 피. 오'브리언
Original assignee: 메리 이. 보울러; 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-11-14
Also published as: TW504525B; EP1165867B1; WO2000043580A1; EP1165867A1; DE60009886D1; DE60009886T2; JP2002535501A; US7000000B1; AU2509700A

Abstract

본 발명은 α(1→3) 폴리사카라이드로 제조된 신규한 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 섬유는 "면 유사" 특성을 가지나 연중 계속하여 연속 필라멘트로서 제조할 수 있다. 섬유는 텍스타일 용도에서 유용하다.

Description

폴리사카라이드 섬유{Polysaccharide Fibers}

본 발명은 α(1→3) 폴리사카라이드로 제조된 신규한 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 섬유는 "면 유사" 특성을 가지나 연중 계속해서 연속 필라멘트로서 제조될 수 있다. 섬유는 텍스타일 용도에서 유용하다.

문명 개화 이래로 폴리사카라이드는 자연의 과정에 의해 β(1→4) 글루코시드 결합을 통하여 글루코스로부터 형성된 중합체인 셀룰로오스 형태로 주로 공지되어 왔다. 예를 들어, 문헌[Applied Fibre Science, F. Happey, Ed., Chapter 8, E. Atkins, Academic Press, New York, 1979]을 참조하기 바란다. 수많은 다른 폴리사카라이드 중합체가 또한 상기 문헌에 개시되어 있다.

공지된 수많은 폴리사카라이드 중 셀룰로오스만이 이들로부터 유도된 많은 유용한 생성물의 결과로서 섬유로 두드러지게 시판되고 있다. 특히, 천연 셀룰로오스의 고도로 순수한 형태인 면이 텍스타일 용도에서 그의 이로운 속성으로 인해 널리 공지되어 있다.

셀룰로오스가 용액 중에서 충분한 사슬 신장 및 골격 강성을 나타내어 액정 용액을 형성한다는 것이 또한 공지되어 있다. 예를 들어, 오'브리언(O'Brien)의 미국 특허 제4,501,886호를 참조하기 바란다. 상기 문헌의 교시는 충분한 폴리사카라이드의 사슬 신장은 단지 β(1→4) 결합 폴리사카라이드에서만 달성될 수 있고이 골격 구조로부터 상당히 벗어나기만 하면 정렬된 상의 형성을 위해 필요한 정도 미만으로 분자의 종횡비가 낮추어 질 것임을 제의한다.

보다 최근에, α(1→3) 글루코시드 결합을 특징으로 하는 글루칸 중합체는 스트렙토코쿠스 살리바리우스(Streptococcus salivarius)로부터 단리된 GtfJ 글루코스 전이효소와 수크로스 수용액을 접촉시킴으로써 단리되었다 (문헌[Simpson 등, Microbiology, vol 141, 1451-1460 페이지 (1995)]). 고도의 결정질이며 고도로 배향된 α(1→3)-D-글루칸의 저분자량 필름이 x-선 회절 분석을 위해 제작되었다 (문헌[Ogawa 등, Fiber Diffraction Methods, 47, 353-362 페이지 (1980)]). 오가와(Ogawa)의 문헌에서, 불용성 글루칸 중합체를 아세틸화하고, 아세틸화된 글루칸을 용해시켜 클로로포름 중의 5% 용액을 형성하고, 용액 캐스팅하여 필름을 제조한다. 필름을 이어서 150℃에서 글리세린 중에서 연신시켜, 필름을 배향시키고 용액 캐스트 필름의 원래 길이 6.5배 길이로 연신시킨다. 연신시킨 후, 필름을 압력 용기에서 140℃에서 과열된 물 중에서 열 처리함으로써 탈아세틸화시키고 결정화시킨다. 이러한 뜨거운 수성 환경에 폴리사카라이드를 노출시키면 사슬이 분열되어 분자량이 감소하게 되고 동시에 기계적 특성이 저하된다는 것은 당업계에 널리 공지되어 있다. 따라서, 분자량의 감소없이 섬유에 대해 바람직한 높은 배향 및 결정화도가 제공되는 방법은 상당한 이점을 제공할 것이다.

필름, 섬유 또는 수지로서 유용한 다른 폴리사카라이드를 발견하는 것은 지구의 생태계에서 그의 괌범위한 중요성으로 인해 매우 바람직하다. 글루코스 기재 폴리사카라이드 및 글루코스 자체는 광합성 및 신진대사 과정에서 중요한 역할을하므로 특히 중요하다. 둘다 폴리언하이드로글루코스의 분자 사슬을 기재로 하는 셀룰로오스 및 전분은 지구 상에서 가장 풍부한 중합체이어서 상업적으로 매우 중요하다. 이러한 중합체는 그의 전체 수명 사이클 전반에 걸쳐 친환경적이며 재생가능한 에너지 및 원료원으로부터 제작되는 물질을 제공한다.

셀룰로오스 및 전분에 의해 나타나는 특성은 그의 사슬화 패턴의 본성에 의해 결정된다. 그러므로, α(1→4) 결합 글루코스로 이루는 전분 또는 아밀로스는 물에 의해 팽윤되거나 또는 용해되기 때문에 섬유 용도에는 유용하지 않다. 그와는 달리, β(1→4) 사슬화된 셀룰로오스는 결정성이고 소수성인 양호한 구조의 물질이며, 면 섬유로서 텍스타일 용도에 일반적으로 사용된다. 다른 천연 섬유와 같이, 면은 제약 조건 하에 사용되었으며, 폴리사카라이드 구조 및 물성은 텍스타일 용도에 최적화되어 있지 않았다. 특히, 면 섬유는 섬유 길이가 짧고, 단면 및 섬유 섬도의 변동이 제한적이며 고도의 노동력 및 토지 집약적 공정으로 생산된다.

따라서, 효소 합성과 같은 과정 또는 미생물 또는 식물 숙주의 유전학적 변형을 통한 새로운 구조의 폴리사카라이드, 및 생분해성, 재생가능한 자원 기반 공급원료 및 저가의 바람직한 특성이 있는 이러한 새로운 폴리사카라이드로 제조된 섬유를 형성한다면 바람직할 것이다.

<발명의 요약>

본 발명은 헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글루코시드 결합을 통해 결합된 헥소스 단위를 포함하고 수평균 중합도가 100 이상인 중합체를 포함함을 특징으로 하는 폴리사카라이드 섬유에 관한 것이다.

본 발명은 또한 헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글루코시드 결합을 통해 결합된 헥소스 단위를 포함하는 충분한 양의 중합체를 용매, 또는 용매를 포함한 혼합물 중에 용해시켜 액정 용액을 형성하는 단계, 및 상기 액정 용액으로부터 폴리사카라이드 섬유를 방사하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 폴리사카라이드 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글루코시드 결합을 통해 결합된 헥소스 단위를 포함하는 중합체의 액정을 형성하기에 충분한 양의 중합체 및 용매를 포함함을 특징으로 하는 액정 용액에 관한 것이다.

도 1은 폴리사카라이드 섬유를 형성하기 위한 헥소스 중합체의 액정 용액의 기격(air gap) 또는 습식 방사 장치의 계통도이다.

본 발명의 놀라운 측면 중 하나로, 본 발명자들은 헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글루코시드 결합을 통해 결합된 헥소스 단위를 포함하는 중합체가 충분한 양의 중합체를 용매 또는 용매를 포함한 혼합물 중에 용해시킬 때 액정 용액을 형성할 수 있고, 이 용액으로부터 텍스타일 용도에 매우 적합한 고강도의 면 유사 연속 섬유를 유도된 형태, 비유도된 형태 또는 재생된 형태로 방사할 수 있다는 것을 드디어 발견하였다. "재생"이란 섬유의 제조 동안 부가되는 임의의 유도 기가 제거되는 것을 의미한다.

헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글루코시드 결합을 통해 결합된 헥소스 단량체 반복단위를 포함하는 헥소스 중합체가 본 발명에서 사용하기에 적합하다. 이러한 헥소스 중합체는 단량체 글루코스, 프럭토스, 만노스, 갈락토스, 이들의 배합물 및 이들의 임의의 혼합물로부터 형성된 것을 포함한다. 글루코스 단량체 단위를 포함하는 결합을 글루코시드 결합으로 언급할 수 있다. 본원에서 사용되는 폴리헥소스 중합체는 이러한 중합체의 덱스트로로테이토리(D) 및 레버로테이토리(L) 거울상 이성체 뿐만 아니라 이들의 라세믹 혼합물을 포함한다. D-형이 바람직하고, D-글루코스가 가장 바람직하다. 라세믹 혼합물은 덜 바람직하다.

"α(1→3) 글리코시드 결합"이란 중합체 내에서 단량체 단복단위가 고리화 패턴으로 나타낸 특정 방식으로 결합된 것을 의미한다. 고리화 패턴의 본성은 알도헥소스 고리가 폐쇄될 때 어떻게 고리가 폐쇄되어 헤미아세탈을 형성하는지에 따라 일부 좌우된다. 글루코스(알도헥소스)의 개방 사슬 형태는 4개의 비대칭 중심점이 있다(이하 참조). 따라서, D 및 L 글루코스가 두개로서 2⁴또는 16개의 개방 사슬 형태가 가능하다. 고리가 폐쇄될 때, C1에서 생성된 새로운 비대칭 중심점 및 이로 인한 5번째 비대칭 탄소가 생성된다. 어떻게 고리가 폐쇄되는지에 따라, 글리코스의 경우, α(1→4) 결합 중합체, 예를 들면 전분, 또는 β(1→4) 결합 중합체, 예를 들면 셀룰로오스가 중합체로의 추가의 축합에 의해 형성될 수 있다. 중합체에서 C1에서의 배열(configuration)은 알파 또는 베타 결합 중합체인지를 결정하며, 알파 또는 베타 다음에 나오는 괄호 중의 숫자는 고리화가 발생하는 탄소원자를 의미한다.

본 발명의 폴리사카라이드 섬유를 형성하기 위해 사용되는 중합체는 수평균 중합도가 100 이상이며, 약 5,000 이하일 수 있다. 바람직하게는, 수평균 중합도는 약 200 내지 약 1,000이다.

본 발명의 폴리사카라이드는 호모글리칸 또는 헤테로글리칸일 수 있다. 폴리사카라이드 제조 동안 단지 한 종류의 헥소스 단위가 사용될 경우, 호모글리칸이 형성된다. 글리칸은 글루코스로부터 형성된 호모글리칸이다. 한 종류 이상의 헥소스 단위가 사용될 경우, 헤테로글리칸이 형성된다.

본 발명의 폴리사카라이드 섬유의 중합체는 펜토스와 같이 헥소스 단위 이외의 단량체 단위를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에서 중합체 내의 거의 모든 단량체 단위가 헥소스 단량체 단위인 것이 바람직하다. "거의 모든"이란 90% 이상을 의미한다.

유사한 맥락으로, 본 발명의 폴리사카라이드 섬유는 α(1→4), α(1→6), β(1→2), β(1→3), β(1→4) 또는 β(1→6) 또는 임의의 이들의 조합과 같이 α(1→3) 이외의 글리코시드 결합에 의해 결합된 단량체 단위를 추가로 포함할 수 있다. 중합체에서 글리코시드 결합 50% 이상이 α(1→3) 글리코시드 결합이다. 바람직하게는, 거의 모든 결합이 α(1→3) 글리코시드 결합이며, 가장 바람직하게는 모든 헥소스 단위는 α(1→3) 글리코시드 결합에 의해 결합된다. "거의 모든"이란 90% 이상을 의미한다.

본 발명의 폴리사카라이드 섬유는 상기한 중합체를 용매 또는 용매를 포함한 혼합물 중에 용해시켜, 액정 용액을 형성함으로써 제조된다. 배향된 섬유를 이어서 상기 액정 용액으로부터 방사한다.

각종 폴리사카라이드의 단리 및 정제법이 예를 들어 문헌[The Polysaccharides, G. O. Aspinall, Vol. 1, Chap. 2, Academic Press, New York, 1983]에 기술되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 폴리(α(1→3)-D-글루코스)는 상기 문헌에 교시된 방법에 따라 스트렙토코쿠스 살리바리우스로부터 단리된 GtfJ 글루코실 전이효소와 수크로스의 수용액을 접촉시킴으로써 형성된다. 약 90% 또는 그 이상의 순도가 생성되면 어떠한 방법이든 만족스럽다. 이러한 한 방법을 하기에 상세히 설명한다.

헥소스 단위를 포함하는 중합체는 액정이 형성되기에 충분한 고형분이 달성되도록 방사 용매 중에 폴리사카라이드가 용이하게 용해되게 하기 위하여 유도화, 바람직하게는 아세틸화, 가장 바람직하게는 100% 가까이 아세틸화될 수 있다. 본원에서 유용한 대표적인 폴리사카라이드 유도체의 예는 문헌[The Polysaccharides, G. O. Aspinall, Vol. 2, Chap. 2, Academic Press, New York, 1983]을 참조하기 바란다. 바람직한 유도체는 메틸, 에틸, 히드록시에틸, 니트레이트, 아세테이트, 프로프리오네이트 및 부티레이트를 포함한다. 바람직한 유도된 중합체는 폴리(α(1→3)-D-글루코스 아세테이트)이다. 아세틸화는 아세틸화 셀룰로오스의 경우 오'브리언의 상기 문헌에 기술된 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 빙초산, 아세트산 무수물 및 메틸렌 클로라이드의 혼합물과 같은 아세틸화 혼합물과의 접촉 전에 먼저 아세트산과 접촉시킴으로써 헥소스 중합체를 예비활성화시키는 것이 유용할 수 있다. 혼합물과 접촉시킨 후, 과염소산을 첨가하여 에스테르화 반응을 개시한다.

임의로 형성시키는 유도화 후, 중합체를 용매 또는 용매를 포함한 혼합물 중에 용해시켜 액정 용액을 형성한다. "액정 용액"이란 불규칙하게 분산된 중합체 분자로부터 국부적으로 배향된 분자의 영역으로의 자발적인 상 분리가 발생하는 용액을 의미한다. 액정 용액의 형성은 상기와 같이 용해된 중합체의 고체 함량에 따라 좌우된다. "고체 함량"이란 용해되기 전의 건조 중합체의 양을 의미한다. 이는 (중합체의 중량)/(중합체의 중량 + 용매의 중량)으로 계산한다. 액정 용액은 용액이 방사될 때 배향 섬유를 수득하기 위하여 형성되어야 한다. 액정이 형성되기에 충분한 고체 함량을 제공하기 위해 필요한 중합체의 양은 중합체의 형태 및 중합체의 분자량에 따라 좌우된다. 액정의 개시는 형성되는 용액의 복굴절의 괄목할 증가에 의해 측정할 수 있다. 복굴절은 당업계에 공지된 임의의 통상적인 수단으로 측정할 수 있다.

비유도된 중합체 및 상기와 같이 형성된 유도된 중합체는 유기 할로겐화물, 유기산, 플루오르화 알콜 또는 이들의 혼합물을 포함한 용매 중에 용해된다. 이러한 대표적인 용매는 메틸렌 클로라이드(디클로로메탄), 트리플루오로아세트산, 트리클로로아세트산, 디클로로아세트산, 포름산, 헥사플루오로이소프로판올, 및 트리플루오로아세트산/메틸렌 클로라이드, 트리클로로아세트산/메틸렌 클로라이드, 디클로로아세트산/메틸렌 클로라이드 및 포름산/메틸렌 클로라이드와 같은 혼합물이다. 다른 적합한 용매는 트리플루오로아세트산/물, 트리클로로아세트산/물, 디클로로아세트산/물 또는 포름산/물과 같이 유기 강산과 함께 배합되는 단독으로는 비용매인 분자(예를 들면, 물)를 포함한다. 바람직하게는, 아세틸화된 중합체를 트리플루오로아세트산 및 메틸렌 클로라이드의 혼합물, 가장 바람직하게는 트리플루오로아세트산 및 메틸렌 클로라이드의 60/40 부피/부피 혼합물 중에 약 0 내지 약 25℃의 온도에서 혼합시키면서, 바람직하게는 높은 전단 속도로 혼합시키면서 용해시킨다.

본 발명의 구체적인 이점은 헥소스 단위의 약 50% 이상이 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 헥소스 단위를 포함하는 중합체의 액정을 형성하기에 충분한 양의 중합체 및 용매를 포함함을 특징으로 하고 이로부터 고도로 배향되고 고도의 결정성인 연속 필라멘트가 생성될 수 있는 액정 용액을 형성함으로써 달성된다. 바람직한 액정 용액은 거의 모든 헥소스 단위가 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합된 것이다. 액정 용액을 위해 바람직한 중합체는 폴리(α(1→3)-D-글루코스 아세테이트)이다. 당업계의 숙련자들은 액정 상을 형성하기 위해 필요한 최소 중합체 농도(고체 함량)가 특정 분자 형태 및 중합체의 분자량에 따라 변할 것이라는 것을 이해할 것이다. 고체 함량이 10% 이상인 액정 용액이 바람직하다. 약 10% 내지 약 35%의 고체 함량이 본원에서 바람직하고, 약 20 내지 약 35%가 가장 바람직하다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 100% 폴리(α(1→3)-D-글루코스)의 상 분리를 위한 최소 중합체 농도는 중합체의 수평균 분자량이 약 60,000 달톤일 때 트리플루오로아세트산 및 메틸렌 클로라이드의 60/40 혼합물 중에서 약 15 중량%이라는 것을 발견하였다. 상기 특정 중합체에 대한 최적의 방사가 가장 바람직하게는 약 20 내지 30 중량%의 고체 함량에서 수행된다.

액정 용액으로부터의 방사는 오'브리언의 상기 문헌에 기술된 바와 같이, 당업계에 공지된 수단에 의해 달성될 수 있다. 점성의 방사 용액은 펌프의 작용 또는 피스톤의 밀기와 같은 수단에 의해 단일 또는 다중 구멍 방사구 또는 다른 형상의 다이를 통과할 수 있다. 방사구는 당업계에 공지되어 있는 바와 같이 원형, 평형, 다중 로발(multi-lobal) 등을 포함한 임의의 단면 형상일 수 있다. 압출된 스트랜드를 이어서 통상의 수단으로 방사 용매의 용매를 용해시키나 그의 중합체는 용해시키지 않는 액체가 담겨진 응고 조로 통과시켜, 고도로 배향된 중합체를 발명에 따른 섬유로 응고시킬 수 있다.

일부 경우에서, 압출된 스트랜드가 응고 조로 도입되기 전에 먼저 불활성 비응고 층, 일반적으로 기격을 통과할 때 우수한 결과가 수득된다. 불활성 층이 기격일 때, 이 방사 방법은 기격 방사라 공지되어 있다. 다른 경우에서는, 응고 조로 직접 압출하는 것이 바람직하며, 이는 습식 방사라 공지되어 있다. 응고 조를 위해 바람직한 용매는 지방족 알콜, 특히 메탄올, 에탄올 또는 이소프로판올을 포함한다.

도 1은 폴리사카라이드 섬유의 습식 또는 기격 방사 장치의 계통도이다. 실린지 펌프 (1)는 방사 셀 (4)의 피스톤 (3) 상부에 있는 램 (2)을 제어된 속도로 구동시킨다. 적합한 실린지 펌프는 하바드(Harvard) 모델 44이다. 방사 셀 (4)은 방사구 (6) 상부에 다인알로이(Dynalloy 등록상표) X5, 10㎛ 소결 금속 필터와 같은 금속 필터를 함유할 수 있다. 압출물 (12)은 임의로는 불활성 비응고 층을 통해 액체 응고 조 (8)로 향하고, 예를 들어 세라믹일 수 있거나 또는 테플론(Teflon 등록상표) 플루오로중합체를 포함할 수 있는 가이드 (7) 사이에서 앞뒤로 진행된다. 응고 조에서 나온 후, 압출물은 임의로는 2개의 독립 구동 롤 (9) 사이의 연신 대역을 통과하여 바람직하게는 스테인레스 강철인 보빈 (11) 상에 권취되어 수집될 수 있다.

유도된 형태일 경우, 본 발명의 폴리사카라이드 섬유는 이렇게 유도된 형태로 보유될 수 있다. 그러나, 이들을 히드록실 재생 형태로 다시 전환시킴으로써 이러한 섬유를 재생하는 것이 바람직하다. 이는 과량의 비누화 또는 가수분해 매질과 폴리사카라이드 섬유를 접촉시키는 것과 같이, 당업계에 공지된 수많은 수단으로 달성될 수 있다. 본원에서 만족스러운 것으로 밝혀진 일 탈아세틸화 수단은 염기로 촉매화된 비누화이다. 예를 들어, 아세틸화된 섬유는 0.05 몰 메탄올성 소듐 메톡시드, 또는 5% 수성 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 같은 희석된 염기 수용액과 실온에서 24 내지 72시간 동안 접촉시켜 아세틸기와 같은 에스테르기를 제거할 수 있다.

매우 놀랍게도, 폴리(α(1→3)-D-글루코스)는 액정 용액을 형성하고, 그로부터 본 발명의 매우 바람직한 섬유가 방사될 수 있다. 다른 바람직하지 않은 결합과 함께 α(1→3) 글리코시드 결합을 50% 이상 포함하는 다른 폴리헥소스의 경우도 마찬가지로 액정 거동이 관찰될 수 있다. 예를 들어, α(1→3) 및 α(1→4) 글리코시드 결합을 포함하는 니게란(Nigeran)은 용매에 용해되어 액정 용액을 형성할 수 있다. 그러나, 다른 α-결합 폴리글루코스, 특히 거의 모든 α(1→6) 또는 α(1→4) 결합을 함유하는 것, 보다 일반적인 다른 α-결합 폴리사카라이드, 예를 들어 α(1→4) 결합이 있는 아밀로스 (전분), α(1→6) 결합이 있는 덱스트란, 및 α(1→4) 및 α(1→6) 결합이 있는 풀루란은 유사한 거동이 나타나지 않는다.

본 발명의 광택이 있는 백색의 섬유는 데니어 당 1g 이상, 바람직하게는 데니어 당 2g 이상의 인장 강도를 특징으로 한다.

중합체 단리

실시예 7를 제외한 하기 실시예에서, P1 및 P2로 나타낸 2군의 폴리(α(1→3)-D-글루코스)를 사용하였다.

P1은 하기 절차에 따라 제조하였다. 스트렙토코쿠스 살리바리우스(균주 ATCC 25975)의 gtf-J 유전자로 암호화된 성숙한 펩티드를 진뱅크(Genbank) 고유 번호 Z11873에 기술된 유전자 서열을 근거로 한 프라이머를 사용한 스트렙토코쿠스살리바리우스로부터의 주형 DNA의 PCR 증폭 및 문헌[Giggard 등, J. Gen. Microbiol. 137(Pt 11), 2577-2593 (1991)]에 따라 클로닝하였다.

PCR 반응은 5' 프라이머인 서열 1: 5'-GGGAATTCCATATGAACATTGATGGTAAATATTAC를 사용하여 수행하였다. 여기서, 서열 2인 서열 AACATTGATGGTAAATATTAC는 진뱅크 고유 번호 Z11873의 염기 555 내지 547에 해당하고 나머지 5'쪽 염기는 Nde I 인식 부위 및 약간의 5' 염기를 제공하여 Nde I로 PCR 생성물이 절단되도록 한다.

3' 프라이머인 서열 :3 서열 (5'에서 3'로 판독)은 5'-AGATCTAGTCTTAGTTTAGCACTCTAGGTGG이었다. 여기서, 서열 4인 서열 TTAGTTTAGCACTCTAGGTGG는 진뱅크 고유 번호 Z11873의 염기 4559 내지 4580에 대한 역방향 상보 서열에 해당하며 나머지 염기는 Xba I 부위 및 여분의 염기를 제공하여 Xba I로 PCR 생성물이 절단되도록 한다.

PCR 생성물을 Nde I 및 Xba I로 절단시킨 후 아가로스 겔 전기 영동으로 정제하고 단리하였다. 단편을 Nde I 및 Nhe I로 절단된 대장균(E. coli) 단백질 발현 벡터 pET24a(노바겐(Novagen)) 내로 라이게이션하였다. 이 라이게이션 반응물을 사용하여 대장균 세포주 DH10B를 형질전환시켰고 그러한 형질전환으로부터의 클로날 콜로니 6개를 증식시켜서 플라스미드 DNA를 단리하였다. 이들 각 세포주로부터의 플라스미드 DNA를 사용하여 대장균 세포주 DE3을 형질전환하였다.

각 형질전환으로부터의 단일 콜로니를 풍부 배지 중에서 밤새 증식시키고, 생성된 배양물을 600 nm에서 약 0.05 흡광도로 희석한 후 600 nm에서 2 흡광도까지 재증식시키고 이어서 1 mM 이소프로필티오갈락토시드를 첨가하여 pET24a 플라스미드로부터의 단백질 발현을 유도하였다. 3시간 후 원심분리하여 세포를 모으고, 0.2 mM 페닐메틸술포닐 플루오라이드를 또한 함유하는 50 mM KPO₄pH 6 완충액에 재현탁시키고, 음파처리로 파열시켰다.

활성 덱스트란 수크라제를 생성하는 클로날 배양물은, 50 mM KOP₄완충액의 전체 반응 부피 100 ml 중의 50 mM 수크로스 및 0.5 mg ml-1 T-10 덱스트란 (시그마(Sigma))에 그 세포 추출물 10 ml를 첨가하여 확인하였다. 효소를 생성하는 활성 클론이라면 글루코실 공여물로서 수크로스를 사용하여 글루코스를 중합하여 불용성 중합체를 생성하기 때문에, 약 10분 이내에 반응 용액이 흐려진다. 이 중합체를 동결 건조하여 건조 분말을 형성하였다.

P2는 보다 대규모로 변형시킨 P1 제조 방법으로 제조하였다. 정제 전의 효소의 생성은 P1의 제조를 위해 사용된 절차를 진탕 플라스크 중의 1 리터 배양물 2개로로 확대하여 수행하였다. 단리된 세포를 상기한 완충액 계를 사용하여 프렌치 프레스(French Press) 파열로 파열시켰다. 세포 추출물을 단백질 ml-1 10 mg으로 희석하고, 황산암모늄으로 30% 포화되게 하고, 원심분리하여 소량의 침전물을 제거하였다. 상청액을 황산암모늄 포화도가 70%가 되게 하고, 침전된 단백질을 원심분리로 단리하였다. 단백질 펠렛을 70% 포화 황산암모늄 중의 현탁액으로 보관하고 그 현탁액의 형태로 사용하였다.

이 황산암모늄 현탁액을 50 mM KPO₄pH 6 완충액 중의 200 mM 수크로스의 용액 2ℓ에 첨가하고 28℃에서 밤새 교반하여 폴리(α(1→3)-D-글루코스)를 제조하였다. 제조된 불용성 글루코스 중합체를 원심분리로 용액으로부터 제거하고, 물 (500 ml) 중에 재현탁시키고 다시 원심분리하였다. 물로의 세척을 2번 이상 반복하고, 원심분리된 펠렛을 소결 유리 필터(sintered glass filter) 상에서 진공 여과하여 농축시켰다. 필터 케이크는 사용하기 전에 4℃에서 보관하였다.

시험 방법

비강도, 신도 및 초기 탄성계수와 같은 물성은 시험 시료의 길이가 2.54 cm(1 인치)인 것을 제외하곤 ASTM 표준 D 2101-82에 따른 방법 및 기구를 사용하여 측정하였다. 3 내지 5개의 개별 필라멘트 시험에 대한 기록된 결과를 평균하였다.

<실시예 1>

습윤 중합체 P2 2.86 g을 1 시간 동안 탈이온수 150 ml 중에 끓였다. 냉각시킨 후, 생성물을 여과하여 수집하고 빙초산으로 3회 세척하였다. 아세트산으로 여전히 습윤되어 있는 중합체를 아세트산 무수물 (20 ml), 빙초산 (14 ml) 및 메틸렌 클로라이드 (20 ml)로 이루어진 예비냉각(-25℃)된 아세틸화 혼합물 중에 현탁시켰다. 기계적 교반을 시작하고 70% 수성 과염소산 (0.2 ml)을 첨가하여 에스테르화 반응을 개시하였다. 반응 혼합물을 0℃로 따뜻하게 하고 그 온도에서 3 시간 동안 방치하였다. 반응 혼합물을 이어서 실온으로 따뜻하게 하고 1 시간 동안 방치한 후, 드라이 아이스로 밤새 냉동시킨 후, 다시 실온으로 따뜻하게 하였다.

이렇게 아세틸화된 P2 중합체의 점성 균일 용액을 빠른 교반과 함께 메탄올 중에 침전시키고 여과하여 수집하였다. 여과물을 메탄올로 2회, 탈이온수로 5회 그리고 메탄올로 4회 철저히 세척하였다. 세척된 생성물을 여과하여 수집하고 공기 중에서 건조하여 메틸렌 클로라이드에 가용성인 정제된 아세틸화된 중합체 1.78 g을 수득하였다. 0.1 M 소듐 트리플레이트가 함유된 헥사플루오로이소프로판올로 용출하고 2개의 소우덱스(Showdex) 80 M 컬럼에 통과시켜 크기 배제 크로마토그래피하여 M_n= 60,800 및 M_w= 202,300의 상대 분자량 수치를 수득하였다.

이렇게 제조된 α(1→3) 글루칸 아세테이트 1.5 g을 트리플루오로아세트산(99%) 100 중량부 및 탈이온수 8 중량부로 이루어진 용매 혼합물 2.79 g과 합쳐 35% 고형분 용액을 형성하였다. 그 중에 중합체를 용해시키기 위하여, 중합체 및 용매의 혼합물을 스테인레스 강철 스패츌라를 사용하여 손으로 먼저 교반하여 혼합물을 균일하게 하였다. 균일한 혼합물을 이어서 짧은 길이 3 mm ID 스테인레스 강철 튜빙에 의해 연결된 두 실린지 사이에서 앞뒤로 펌핑하였다. 중합체는 용매 혼합물 중에 실온에서 4 시간 내로 완전히 용해되었다. 교차 편광기를 통해 현미경으로 용액을 검사한 결과, 고도의 복굴절이 관찰되어 배향된 유방성 액정 상이 확인되었다.

이렇게 형성된 액정 용액을 플루이드 다이나믹스/멤텍 그룹(Fluid Dynamics/Memtec Group, 미국 플로리다주 딜랜드 소재)으로부터 시판되는 다인알로이(등록상표) X5 소결 스테인레스 강철 필터가 장착된 수직으로 위치한 폴리에틸렌 실린지 내로 이동시켰다. 갇힌 공기는 실린지의 상부로 이동되도록 하여 실린지 플런저의 설치 동안 배기되게 하였다. 이어서, 표 1에 나타낸 매개변수에 따라 제어된 속도로 압출되도록 수직으로 탑재된 하바드 모델 55-1144 실린지 펌프에 상기어셈블리를 장착하였다. 실린지에는 구멍 직경이 0.0127 cm(0.005 인치)이고 모세관 길이가 0.0254 cm(0.010 인치)인 스테인레스 강철 단일 구멍 방사구가 장착되어 있었다. 방사구의 면은 메탄올 응고 조의 표면으로부터 1.27 cm(0.5 인치) 위에 있었다. 필라멘트는 6.096 m/분(20 ft/분)으로 압출되고, 조 내에서 연신되고 응고 트레이의 양 말단에서 세라믹 가이드 둘레로 향하여 조에서 전체 4.267 m (14 ft) 이동하였다(도 1 참조). 여전히 메탄올로 습윤되어 있는 응고된 섬유는 17.678 m/분(58 ft/분)으로 스테인레스 강철 보빈 상에 권취되었다. 보빈을 밤새 메탄올 중에 담그고, 필라멘트를 기계적 시험 전에 공기 중에 건조하였다. 방사직후 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 4.2 g/데니어, 17.5%, 53.9 g/데니어이었다.

<실시예 2>

실시예 1의 방사직후 섬유를 탈아세틸화하여 기계적 특성이 양호한 폴리(α(1→3)-D-글루코스) 섬유를 제조하였다. 실시예 1의 섬유의 적은 타래를 과량의 0.05 M 메탄올성 소듐 메톡시드에 침지시키고 질소 하에서 24 내지 72 시간 동안 실온에 방치하였다. 타래를 제거하고 메탄올로 세척하고 블로팅하고 공기 중에서 건조하였다. 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 2.7 g/데니어, 12.5%, 51.3 g/데니어이었다.

<실시예 3>

P1 중합체의 건조 분말 1.0 g을 탈이온수 중에 현탁시키고 2 시간 동안 질소 하에서 끓였다. 냉각시킨 후, 분말을 여과하여 수집하고 압착하여 습윤 필터 케이크를 수득하였다. 이를 이어서 100 ml의 빙초산에 침지시키고, 실온에서 5 분 동안 교반하고 여과하여 수집하였다. 아세트산으로 반복하여 린스하고 분말을 수집하고 압착하여 과잉 아세트산을 제거하였다.

필터 케이크를 이어서 아세트산 무수물(10 ml, 99.7%), 빙초산(7 ml) 및 디클로로메탄(10 ml)으로 이루어진 냉각(-25℃)된 아세틸화 매질에 첨가하였다. 과염소산(0.1 ml, 70%)을 첨가하고 반응물을 6 시간 동안 -30℃ 내지 -2℃의 온도에서 교반한 후, 24℃로 따뜻하게 하고 30분 동안 방치하였다. 생성된 점성 혼합물을 빠르게 교반되는 메탄올 중에 침전시킨 후, 여과하였다. 필터 케이크를 이어서 메탄올로 1회, 탈이온수로 2회 그리고 아세톤으로 1회 세척하였다. 건조한 후, 회백색(off-white) 플레이크의 형태로 정제된 아세틸화된 중합체 1.2 g을 수득하였다.

이렇게 제조된 아세틸화된 중합체 1 g을 트리플루오로아세트산(99%) 및 디클로로메탄의 60 부피%/40 부피% 혼합물 3 g 중에 현탁시켰다. 중합체를 용매 중에 분산시킨 후, 용액을 실시예 1에 기재된 바와 같이 혼합하였다. 생성된 용액은 유방성이며 고도의 섬유 형성성이었다. 이렇게 형성된 액정 용액을 필터가 장착된 폴리에틸렌 실린지에 이동시키고 실시예 1에서와 동일한 일반 절차를 사용하여 압출하였다. 필라멘트를 1.27 cm(0.5 인치) 기격을 거쳐 메탄올 중에 3.170 m/분(10.4 fpm)으로 압출하고(조 길이 = 3.962 m(13 ft)), 10.973 m/분(36 ft/분)으로 권취하였다. 방사직후 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 1.6 g/데니어, 11.7%, 34.5 g/데니어이었다.

<실시예 4>

실시예 3의 방사직후 필라멘트의 15.24 cm(6 인치) 타래를 연속 필라멘트의 5개 랩으로부터 제조하고 말단을 함께 묶었다. 50 g 추를 (전체 10개의 필라멘트로 이루어진) 타래의 기저에 매달고 어셈블리를 과량의 0.05 M 메탄올성 소듐 메톡시드에 침지하고 질소 하에서 96 시간 동안 방치하였다. 필라멘트를 제거하고, 새로운 메탄올 중에 침지시켜 세척하고 공기 중에서 건조시켰다. 이렇게 재생되거나 또는 탈아세틸화된 팔라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 2.4 g/데니어, 13.0%, 52.2 g/데니어이었다.

<실시예 5>

권취 속도가 7.01 m/분(23 ft/분)이고 응고 조 온도가 3℃이었던 것을 제외하곤 실시예 3에 기술된 바와 같이 폴리(α(1→3)-D-글루코스 아세테이트) 섬유를 제조하였다. 방사직후 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 1.9 g/데니어, 14.2%, 32.7 g/데니어이었다.

<실시예 6>

중합체 P1 (2.0 g)을 빙초산 (99%, 14 ml), 아세트산 무수물 (99.7%, 10 ml) 및 디클로로메탄(20 ml)의 냉각(0℃)된 혼합물에 건조 분말로서 첨가하였다. 반응물을 질소 하에 두고, 아세트산 무수물(10 ml) 중의 과염소산 (70% 수성, 0.2 ml)의 0℃ 촉매 용액을 빠른 교반과 함께 적가하였다. 촉매 용액을 첨가한 후, 반응물을 실온으로 따뜻하게 하고 5 시간 동안 교반하였다. 이렇게 형성된 호박색 점성 용액을 메탄올 중에 침전시켰다. 필터 케이크를 메탄올로 2회 세척하고 여과하여 수집하고 50℃에서 진공 건조하여 회백색 중합체 플레이크 2.65 g을 수득하였다.

이렇게 아세틸화된 중합체 1.0 g을 트리플루오로아세트산/디클로로메탄 (60/40 부피/부피, 4.0 g) 중에 용해시키고 실시예 1의 방법을 사용하여 혼합하였다. 생성된 용액은 유방성이며 섬유 형성성이었다. 습식 방사를 한 것을 제외하곤, 실시예 1에 기술된 일반적인 절차 및 하기 표 1에 기재된 특정 조건을 이용하여 압출하였다. 방사직후 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 0.94 g/데니어, 14.4%, 23.1 g/데니어이었다.

<실시예 7>

니게란(교호 α(1→3), α(1→4) 글루칸, 아스페리길루스 자포니쿠스(Asperigillus japonicus) 유래, Cat #N2888, 시그마-알드리치사(Sigma-Aldrich Co.)) 0.86 g을 20 분 동안 빙초산 50 ml에 현탁시키고 여과하여 수집하였다. 이 단계를 한번 더 반복하고 (여전히 아세트산으로 습윤된) 출발 물질을 2℃로 예비냉각된 아세틸화 매질을 함유하고 써머커플, 교반기 및 질소 유입관이 장착된 3구 플라스크에 첨가하였다. 아세틸화 매질은 아세트산 무수물(20 ml), 빙초산(14 ml) 및 메틸렌 클로라이드(20 ml)로 어루어져 있었다. 이어서, 2 내지 5℃로 온도를 유지하면서 과염소산(0.2 ml, 70% 수성)을 빠른 교반과 함께 적가하였다. 반응물을 3 시간 동안 상기 온도로 유지시킨 후 추가의 3 시간 동안 실온으로 따뜻하게 하였다. 아세틸화된 중합체를 이어서 메탄올 중에 침전시켜 단리하고, 여과하여 수집하였다. 메탄올로 추가로 세척하여(2회) 백색 생성물 0.96 g을수득하였다.

트리플루오로아세트산/물 (100/8 중량/중량) 중의 상기 중합체의 30% 고형분 용액을 제조하고 교차 편광 필터를 통해 조사하였을 때 복굴절이 관찰되어 액정 용액의 존재가 확인되었다.

<비교예 1>

실시예 6의 정제된 아세틸화된 중합체 0.5 g을 실시예 1의 방법을 사용하여 트리플루오로아세트산/디클로로메탄(60/40 부피/부피, 2.8 g) 중에 용해시켰다. 생성된 용액은 고체 함량이 액정 상 분리를 위한 임계 농도 미만이었기 때문에 유방성이 아니었으며(액정 용액이 형성되지 않았음), 열등한 섬유 형성성이었다. 필라멘트 압출은 표 1의 특정 조건 및 실시예 4에 기술된 바와 같이 실시하였다. 방사직후 섬유를 24 시간 동안 메탄올 중에 담그고 건조하고 시험하였다. 방사직후 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 0.54 g/데니어, 17.2%, 17.4 g/데니어이었다.

<비교예 2>

비교예 1의 방사직후 필라멘트의 타래를 실시예 2에 기재된 절차를 사용하여 0.05 M 메탄올성 소듐 메톡시드 중에서 탈아세틸화하였다. 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 0.4 g/데니어, 2.5%, 25.1 g/데니어이었다. 따라서, 빈약하게 배양된 등방성 방사 전구체 섬유의 재생은 열악한 섬유를 생성시켰다.

<비교예 3>

탈가지화된 아밀로스의 제조

일반 곡물 전분으로부터 α(1→6) 가지점을 하기와 같이 효소적으로 제거하였다. 1 시간 동안 100℃에서 물 8 ℓ중에 가열하여 곡물 전분 300 g을 겔화시켰다. 겔화된 전분을 50℃로 냉각하고 1 M 아세트산 50 ml를 첨가하여 pH를 약 4로 조정하였다. 이소아밀라제(시그마(Sigma))의 1 x 10⁶단위를 소듐 아세테이트 완충액 (50 mM, pH 4.5) 25 ml 중에 첨가하고 혼합물을 4 시간 동안 45℃에서 인큐베이션하였다.

부탄올 1.2ℓ를 상기 반응 혼합물 중에 첨가하고, 혼합물을 1 시간 동안 끓였다. 혼합물을 이어서 밤새 서서히 실온으로 냉각시켰다. 혼합물을 5℃로 다시 냉각하고 원심분리(GS-3 Rotor, 9500 rpm, 30 분)로 침전물을 수집하였다. 수집된 침전물을 물 8ℓ에 재현탁하고, 30 분 동안 끓이고 상기와 같이 두번째로 침전시켰다. 원심분리 후, 침전물을 에탄올로 세척하고 50℃에서 밤새 건조하였다. 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 사용하여 침전 전의 탈가지화된 전분과 생성된 생성물을 비교하여 짧은 아밀로펙틴 가지가 제거되었음을 확인하였다.

폴리(α(1→4)-D-글루코스) 아세테이트(중합체 D)의 제조

곡물 전분으로부터 효소적으로 탈가지화된 아밀로스, α(1→4)-D-글루코스(5.0 g)를 물 100 ml 중에 현탁시키고 질소 하에서 1 시간 동안 끓였다. 냉각시, 현탁물을 0℃로 냉각하고, 팽윤된 전분 그래뉼을 여과하여 수집하였다. 습윤 필터 케이크를 필터 상에서 빙초산으로 4회 세척하고 산-교환된 필터 케이크를 압착하여 과잉의 아세트산을 제거하였다. 이를 패들 교반기가 장착되어 있고 모두 2℃로 냉각된 아세트산 무수물 (99.7%, 200 ml), 아세트산 (99%, 70 ml) 및 디클로로메탄 (100 ml)가 충전된 반응 플라스크에 첨가하였다. 반응 용기 둘레에 얼음 조를 두고 과염소산 (70% 수성, 0.5 ml)을 적가하였다. 2 시간 후, 반응 혼합물이 뚜명해졌고, 이를 빠르게 교반되는 메탄올 중에 부어 첨전시켰다. 백색 생성물을 메탄올로 2회 세척하고 50℃에서 진공 건조하였다. 디클로로메탄, 및 트리플루오로아세트산과 디클로로메탄 또는 물과의 혼합물 중에 용이하게 용해되는 폴리(α(1→4)-D-글루코스 아세테이트) 6.5 g을 수득하였다.

이렇게 아세틸화된 중합체 일부 1.0 g을 디클로로메탄 (4.0 g)에 용해시켰다. 점성 용액은 교차 편광기를 통해 조사하였을 때 복굴절이 없는 것으로 증명되듯이 액정이 아니었다. 섬유 형성 용액을 표 1의 특정 매개변수 및 실시예 1의 일반 절차를 사용하여 압출하였다. 압출물은 응고 조를 여러번 통과할만큼 충분히 강하지 않았고, 최고의 방사 연속성은 기격을 사용하지 않았을 때 관찰되었다. 방사직후 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 0.5 g/데니어, 70.6%, 13.9 g/데니어이었다.

<비교예 4>

비교예 3의 아세틸화된 폴리(α(1→4)-D-글루코스) 1.5 g을 트리플루오로아세트산 및 물의 100/8 중량/중량 혼합물(4.5 g) 중에 용해시켜 25% 고형분 용액을 제조하였다. 생성된 방사액은 교차 편광기를 통해 조사하였을 때 복굴절이 없는 것으로 증명되듯이 액정이 아니었다. 용액을 소결 금속 필터가 장착된 5 ml 실린지에 이동시키고 표 1의 특정 매개변수 및 실시예 1의 일반 절차를 사용하여 0.635cm(0.25 인치)의 기격을 통해 압출하였다. 비교예 2에서와 같이 방사 사조(threadline)는 응고 조에 여러번 통과할만큼 충분히 강하지 않았다. 방사직후 섬유는 무딘 외관을 나타내었고 측정된 필라멘트의 비강도/신도/탄성계수 수치는 각각 0.3 g/데니어, 14.7%, 12.6 g/데니어이었다.

Claims

헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 헥소스 단위를 포함하고 수평균 중합도가 100 이상인 중합체를 포함함을 특징으로 하는 폴리사카라이드 섬유.
제1항에 있어서, 거의 모든 헥소스 단위가 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 폴리사카라이드 섬유.
제1항에 있어서, 중합체가 폴리(α(1→3)-D-글리코스)인 폴리사카라이드 섬유.
제1항에 있어서, 섬유의 인장 강도가 데니어 당 1 g 이상인 폴리사카라이드 섬유.
헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 헥소스 단위를 포함하는 중합체의 충분한 양을 용매, 또는 용매를 포함한 혼합물 중에 용해시켜 액정 용액을 형성하는 단계, 및 상기 액정 용액으로부터 폴리사카라이드 섬유를 방사하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 폴리사카라이드 섬유의 제조 방법.
제5항에 있어서, 거의 모든 헥소스 단위가 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 방법.
제6항에 있어서, 용해시키기 전에, 중합체를 유도시키는 방법.
제7항에 있어서, 중합체가 아세틸화되는 방법.
제8항에 있어서, 유도된 중합체가 폴리(α(1→3)-D-글루코스 아세테이트)인 방법.
제8항에 있어서, 과량의 비누화 또는 가수분해 매질과 폴리사카라이드 섬유를 접촉시켜 재생 폴리사카라이드 섬유를 형성하는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 용매가 유기산, 유기 할로겐화물, 플루오르화 알콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제5항에 있어서, 용액의 고체 함량이 10% 이상인 방법.
제12항에 있어서, 고체 함량이 약 20 내지 약 35%인 방법.
헥소스 단위 50% 이상이 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 헥소스 단위를 포함하는 중합체의 액정을 형성하기에 충분한 양의 중합체 및 용매를 포함함을 특징으로 하는 액정 용액.
제14항에 있어서, 거의 모든 헥소스 단위가 α(1→3) 글리코시드 결합을 통해 결합되는 액정 용액.
제14항에 있어서, 중합체가 폴리(α(1→3)-D-글루코스 아세테이트)인 액정 용액.
제14항에 있어서, 용매가 유기산, 유기 할로겐화물, 플루오르화 알콜 및 이들의 배합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 액정 용액.
제14항에 있어서, 상기 중합체의 양이 10% 이상의 고체 함량을 제공하는 양인 액정 용액.