KR20170056615A - 친수성 개방 셀 폼 - Google Patents

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토니 알. 카로젤라
이브라힘 에스. 건즈
넬슨 알. 코스타
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명의 실시 형태는 친수성 개방 셀 폼에 관한 것이다. 일 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체를 갖는 물품이 포함된다. 개방 셀 폼 구조체는 폴리올 및/또는 폴리아민 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 친수성 폴리우레탄 중합체를 포함할 수 있고, 폴리올 및/또는 폴리아민 성분은 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물을 약 5:95 내지 약 95:5의 작용화 대 비-작용화의 중량비로 포함한다.

Description

친수성 개방 셀 폼{HYDROPHILIC OPEN CELL FOAMS}
친수성 폼(foam)은 다수의 산업 응용 및 소비자 응용을 갖는다. 예로서, 개방 셀 구조체(open cell structure)를 갖는 친수성 폼을 사용하여 물을 흡수할 수 있다. 일부 유형의 친수성 폼은 가역적인 물 흡수를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 개방 셀 네트워크 내로의 물 흡수 후에, 개방 셀 구조체에 압력을 가하여 물을 방출시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 그러한 친수성 폼은 물을 흡수하고 그 후에 물을 방출하는 데 사용될 수 있으며, 다양한 세정 응용을 위한 스펀지로서 사용될 수 있다.
친수성 폼은 천연 재료 및 합성 재료 둘 모두를 포함하는 다양한 재료로 형성될 수 있다. 특히, 중합체 재료가 친수성 폼을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예로서, 셀룰로오스가 친수성 폼을 형성하는 데 사용되는 일반적인 재료이다.
본 발명의 실시 형태는 친수성 개방 셀 폼에 관한 것이다. 일 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체를 갖는 물품이 포함된다. 개방 셀 폼 구조체는 폴리올 및/또는 폴리아민 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 친수성 폴리우레탄 중합체를 포함할 수 있고, 폴리올 및/또는 폴리아민 성분은 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물을 약 5:95 내지 약 95:5의 작용화 대 비-작용화의 중량비로 포함한다.
일 실시 형태에서, 폴리올 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 폴리우레탄 중합체를 포함하는 개방 셀 폼 구조체를 갖는 물품이 포함되며, 폴리올 성분은 수용액에서 중성 pH에서 하전되는 작용기를 포함하는 약 10 중량% 이상의 폴리올과 수용액에서 중성 pH에서 하전되는 작용기가 없는 약 40 중량% 이상의 폴리올의 혼합물을 포함한다.
일 실시 형태에서, 폴리올 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 폴리우레탄 중합체를 포함하는 개방 셀 폼 구조체를 갖는 물품이 포함되며, 폴리올 성분은 약 10 중량% 이상의 설폰화 폴리올과 약 40 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올의 혼합물을 포함한다.
본 개요는 본 출원의 교시의 일부의 개관이며, 본 발명의 주제에 대한 배타적인 또는 철저한 처리를 의도하지는 않는다. 추가의 상세 내용은 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에서 발견된다. 다른 태양은 하기의 발명의 상세한 설명을 읽고 이해할 때 그리고 이의 일부를 형성하는 도면을 볼 때 당업자에게 명백할 것이며, 이들 각각은 제한적인 의미로 여겨지지 않는다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위 및 이의 법적 등가물에 의해 한정된다.
실시 형태는 하기 도면과 관련하여 완전히 이해될 수 있으며, 여기에서:
도 1은 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 물품의 개략 단면도이고;
도 2는 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 물품의 개략 단면도이고;
도 3은 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 물품의 개략 단면도이다.
본 발명의 실시 형태는 다양한 변경 및 대안적인 형태를 허용하지만, 본 발명의 상세 사항은 실시예 및 도면을 통해 나타나 있으며 이는 상세히 설명될 것이다. 그러나, 실시 형태는 기재된 특정 실시 형태에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 반대로, 상기 의도는 본 명세서에 기재된 사상 및 범주에 속하는 변경, 등가물 및 대안을 포함하고자 하는 것이다.
상기에 기재된 바와 같이, 개방 셀 구조체를 갖는 친수성 폼은 다수의 응용을 갖는다. 다수의 기존 폼 제품은 셀룰로오스계 친수성 폼에 의존한다. 다른 유형의 친수성 폼이 셀룰로오스계 친수성 폼보다 더 경제적일 수 있다. 그러나, 많은 이전의 비-셀룰로오스성 친수성 폼은 셀룰로오스계 친수성 폼에 대한 실현 가능한 대체물이 되기에 충분한 기능적 특성을 갖고 있지 않다.
본 발명의 실시 형태는 바람직한 기능적 특성을 나타내는 개방 셀 구조체를 갖는 친수성 폼에 관한 것이다. 예로서, 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 친수성 폼은, 건조한 상태에서도 가요성 및 유연성이 있는 것, 높은 강도를 나타내는 것, 높은 안정성을 나타내는 것, 및 낮은 수축율을 나타내는 것과 같은 하나 이상의 특성을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "폴리우레탄 중합체"는, 내용이 달리 지시하지 않는다면, 우레탄 기를 포함하는 중합체를 포함할 것이며, 따라서 폴리우레탄/폴리우레아 중합체를 포함한다.
다양한 실시 형태를 이제 상세히 설명할 것인데, 여기서 몇몇 도면에 걸쳐 유사한 도면 부호는 유사한 부분 및 조립체를 나타낸다. 다양한 실시 형태의 언급은 본 명세서에 첨부된 청구범위의 범주를 제한하지 않는다. 추가로, 본 명세서에 기술된 임의의 예는 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 첨부된 청구범위에 대한 가능한 다수의 실시예 중 일부를 단순히 기술하는 것이다.
본 발명의 친수성 폼은 폴리우레탄 폼, 폴리우레아 폼, 폴리우레탄/폴리우레아 폼, 폴리에스테르 폴리우레탄 폼 등을 포함할 수 있다.
친수성 폼은 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 폴리우레탄과 관련하여, 한 가지 접근법은, 모든 성분을 동시에 혼합하고, 아이소시아네이트와 폴리올 (또는 폴리하이드록시 화합물)을 반응시켜 중합체를 생성하고 아이소시아네이트와 물을 반응시켜 CO2 가스를 생성하여 폼을 발포시킴으로써, 혼합물을 폼 생성물로 전환시키는 1-단계 (또는 "원 샷"(one shot)) 공정이다. 본 발명에 사용되는 예시적인 폴리올은 폴리에스테르 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르-폴리에테르 폴리올, 폴리알킬렌 폴리올, 및 폴리카프로락톤 폴리올을 포함할 수 있다. 대안적으로, 폴리올 성분을 과량의 아이소시아네이트와 반응시켜 아이소시아네이트 종결된 예비중합체를 얻는 2-단계 (또는 "예비중합체 공정")가 사용될 수 있다. 그 후에, 제2 단계에서, 이 예비중합체를 짧은 폴리올, 물, 또는 사슬 연장제 또는 경화제로 불리는 폴리아민과 반응시켜 폼 생성물을 얻는다. 아이소시아네이트-물 반응을 촉매하기 위해 아민 촉매가 종종 사용되며 ("발포 촉매"), 아이소시아네이트-폴리올 반응의 속도를 조절하기 위해 주석 또는 다른 금속 촉매가 사용될 수 있다 ("겔화 촉매"). 폴리우레아는 유사하게 다이- 또는 폴리-아이소시아네이트와 폴리아민의 반응을 통해 형성될 수 있다. 폴리우레탄/폴리우레아 하이브리드는 다이- 또는 폴리-아이소시아네이트와, 아민-종결된 중합체 수지 및 하이드록실 함유 폴리올의 블렌드와의 반응을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에는 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민 둘 모두의 조합으로부터 제조된 폼이 포함된다. 다양한 실시 형태에서, 폴리올 및/또는 폴리아민 성분은, 약 1:99, 5:95, 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, 95:5, 또는 99:1의 작용화 (예를 들어, 설폰화를 포함하지만 이에 한정되지 않음) 폴리올 및/또는 폴리아민 대 비-작용화 (예를 들어, 비-설폰화를 포함하지만 이에 한정되지 않음) 폴리올 및/또는 폴리아민의 비를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 친수성 폼 내의 폴리올 및/또는 폴리아민 성분은, 임의의 전술한 비가 범위의 상한 또는 하한의 역할을 할 수 있는 범위의, 작용화 및 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민의 혼합물을 포함할 수 있다. 예로서, 다양한 실시 형태에서, 친수성 폼 내의 폴리올 성분은 작용화 및 비-작용화 폴리올의 혼합물을 약 10:90 내지 약 90:10의 작용화 폴리올 대 비-작용화 폴리올의 중량비로 포함할 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 5 중량% 내지 약 95 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 10 중량% 내지 약 90 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 15 중량% 내지 약 85 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 20 중량% 내지 약 80 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 20 중량% 내지 약 60 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 25 중량% 내지 약 75 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 30 중량% 내지 약 70 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물은 약 35 중량% 내지 약 65 중량%의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함할 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 폴리올 성분은 약 10 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 15 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 20 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 25 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 30 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 35 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 40 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 45 중량% 이상의 설폰화 폴리올, 또는 약 50 중량% 이상의 설폰화 폴리올을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 폴리올 성분은 약 40 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 45 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 50 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 55 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 60 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 65 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 70 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올, 또는 약 75 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올을 포함할 수 있다.
작용화 폴리올 및 폴리아민
본 발명의 실시 형태는 구체적으로, 다양한 작용기를 포함하는, 폴리올, 폴리아민, 및/또는 아이소시아네이트 종결된 예비중합체를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 폴리올, 폴리아민 및/또는 예비중합체는 작용화 폴리올, 작용화 폴리아민, 및/또는 작용화 예비중합체를 포함할 수 있다. 예로서, 본 발명의 폴리올, 폴리아민 및/또는 예비중합체에는 중성 pH에서 음으로 하전되는 기로 작용화된 것들이 포함될 수 있다. 구체적인 예로서, 본 발명의 폴리올, 폴리아민 및/또는 예비중합체에는 설폰화 폴리올 (예를 들어, 설포네이트 작용기를 갖는 폴리올), 설폰화 폴리아민, 및/또는 설폰화 예비중합체가 포함될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 생성되는 친수성 중합체는 설폰화 폴리우레탄 중합체, 설폰화 폴리우레아 중합체, 또는 설폰화 폴리우레탄/폴리우레아 중합체일 수 있다.
예시적인 설폰화 폴리올, 설폰화 폴리아민, 설폰화 예비중합체, 및 생성되는 설폰화 폴리우레탄 및 폴리우레아 중합체는 미국 특허 제4,638,017호에 기재되어 있으며, 이의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
그러한 화합물은 다양한 방법에 따라 형성될 수 있음이 이해될 것이다. 한 가지 접근법이 다음의 반응 다이어그램에서 하기에 나타나 있다:
Figure pct00001
상기 식에서,
R1은, 개별 산소 원자,
Figure pct00002
기에 의해 분리될 수 있는 2 내지 12개의 -CH2- 기의 단위로 110개 이하의 탄소 원자의 포화 사슬로 이루어진 (b+1)의 원자가를 갖는 선형 지방족 기이며, 상기 지방족 기는 분자량이 2000 이하이고, b는 1, 2, 또는 3이고;
R2는 (d+2)의 원자가를 갖고, 6 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 아렌폴리일 기 (다가 아렌 기) 또는 2 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알칸폴리일 (다가 알칸) 기이고, d는 1, 2, 또는 3이고;
X는 독립적으로 -O- 또는 -NH-이고;
M은 양이온이다.
그러한 반응의 추가의 태양은 미국 특허 제4,638,017호에서 찾아 볼 수 있으며, 이의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 하기 화학식 III의 구조를 가질 수 있다:
[화학식 III]
Figure pct00003
상기 식에서,
R1은, 개별 산소 원자,
Figure pct00004
기에 의해 분리될 수 있는 2 내지 12개의 -CH2- 기의 단위로 110개 이하의 탄소 원자의 포화 사슬로 이루어진 (b+1)의 원자가를 갖는 선형 지방족 기이며, 상기 지방족 기는 분자량이 2000 이하이고, b는 1, 2, 또는 3이고;
R2는 (d+2)의 원자가를 갖고, 6 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 아렌폴리일 기 (다가 아렌 기) 또는 2 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알칸폴리일 (다가 알칸) 기이고, d는 1, 2, 또는 3이고;
X는 독립적으로 -O- 또는 -NH-이고;
M은 양이온이다.
다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 60 내지 약 10,000일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 2,000 내지 약 10,000일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 1,000 내지 약 6,500일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 200 내지 약 2000일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 300 내지 약 1200일 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올의 설포네이트 당량 중량 (예를 들어, 분자량을 작용가로 나눈 것)은 약 6000 미만일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올의 설포네이트 당량 중량 (예를 들어, 분자량을 작용가로 나눈 것)은 약 3000 미만일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 작용화 폴리올의 설포네이트 당량 중량 (예를 들어, 분자량을 작용가로 나눈 것)은 약 2600일 수 있다.
비-작용화 폴리올 및 폴리아민
본 발명의 실시 형태는 또한 구체적으로, 하이드록실 기 및 아민 기 이외에 작용기가 없는, 폴리올, 폴리아민, 및/또는 아이소시아네이트 종결된 예비중합체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 본 발명의 폴리올에는 하이드록실 기 이외에 작용기가 없는 것들이 포함될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 본 발명의 폴리올에는 하이드록실, 에테르, 및 에스테르 기 이외에 작용기가 없는 것들이 포함될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 본 발명의 폴리아민에는 아민 기 이외에 작용기가 없는 것들이 포함될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 본 발명의 폴리올, 폴리아민, 및/또는 아이소시아네이트 종결된 예비중합체에는 중성 pH에서 하전되는 작용기가 없는 것들이 포함될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 본 발명의 폴리올, 폴리아민, 및/또는 아이소시아네이트 종결된 예비중합체에는 중성 pH에서 음으로 하전되는 작용기가 없는 것들이 포함될 수 있다. 구체적인 예로서, 본 발명의 폴리올 및/또는 예비중합체는 비-설폰화 폴리올, 폴리아민, 및/또는 예비중합체를 포함할 수 있다. 상표명 터레이트(TERATE), 카라돌(CARADOL), BiOH, 테린(TERRIN), 폴리멕(POLYMEG) 등으로 입수가능한 것들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 폴리올, 폴리아민, 및/또는 예비중합체가 구매가능하다.
다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 60 내지 약 10,000일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 2,000 내지 약 10,000일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 1,000 내지 약 6,500일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 1500 내지 약 4500일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 2000 내지 약 4000일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 2500 내지 약 3500일 수 있다.
비-작용화 폴리올과 관련하여, 폴리올의 분자당 아이소시아네이트-반응성 하이드록실 기의 수는 약 2.0 내지 약 8.0일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 폴리올의 분자당 아이소시아네이트-반응성 하이드록실 기의 수는 약 2.0 내지 약 4.0일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 폴리올의 분자당 아이소시아네이트-반응성 하이드록실 기의 수는 약 2.0 내지 약 3.0일 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 상대적으로 소수성일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 작용화 폴리올 또는 폴리아민보다 더 소수성일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 비-작용화 폴리올 또는 폴리아민은 하기 화학식 IV의 구조를 가질 수 있다:
[화학식 IV]
Figure pct00005
상기 식에서,
b는 1, 2, 또는 3이고;
R3은, (b+1)의 원자가를 가지고 설포네이트 작용기가 없으며 0개 이상의 헤테로원자가 개재된 지방족 또는 방향족 탄소 사슬이고;
X는 독립적으로 -O- 또는 -NH-이다.
아이소시아네이트
아이소시아네이트는 다이- 또는 폴리-아이소시아네이트를 포함할 수 있다. 아이소시아네이트는 방향족 또는 지방족일 수 있다. 아이소시아네이트는 아이소시아네이트의 단량체, 중합체 또는 임의의 반응 변이체, 준-예비중합체(quasi-pre-polymer) 또는 예비중합체일 수 있다. 예시적인 아이소시아네이트에는 구체적으로 헥사메틸렌 다이아이소시아네이트, 톨루엔 다이아이소시아네이트 (TDI), 아이소포론 다이아이소시아네이트, 3,5,5-트라이메틸-1-아이소시아나토-3-아이소시아나토메틸사이클로헥산, 4,4'-다이페닐메탄 다이아이소시아네이트 (MDI), 4,4,4"-트라이아이소시아나토트라이페닐메탄, 및 폴리메틸렌폴리페닐아이소시아네이트가 포함될 수 있다. 다른 폴리아이소시아네이트에는 특히 미국 특허 제3,700,643호 및 제3,600,359호에 기재된 것들이 포함될 수 있다. 폴리아이소시아네이트의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 예시적인 아이소시아네이트는 특히 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)로부터 상표명 보라룩스(VORALUX)로; 닛폰 폴리우레탄(Nippon Polyurethane)으로부터 상표명 코로네이트(CORONATE)로; 바스프 코포레이션(BASF Corp.)으로부터 상표명 루프라나트(LUPRANAT)로 구매가능하다.
촉매
다양한 촉매가 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 촉매에는 3차 아민 촉매를 포함하지만 이에 한정되지 않는 아민 촉매가 포함될 수 있다. 촉매는 특히 트라이에틸렌다이아민; 비스(2-다이메틸아미노에틸) 에테르; N, N-다이메틸에탄올아민; 1, 3, 5-트리스 (3-[다이메틸아미노]프로필)-헥사하이드로-s-트라이아진; N, N, N', N'', N''- 펜타메틸다이에틸렌트라이아민; N,N-다이메틸사이클로헥실아민; N,N-다이메틸아미노에톡시에탄올; 2, 2'-다이모르폴리노다이에틸에테르; 및 N, N'-다이메틸피페라진을 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 촉매는 GC 분석에 기초한 순도가 97%보다 큰 N-에틸모르폴린 (NEM) 3차 아민 촉매 (미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치 컴퍼니, 엘엘씨(Sigma-Aldrich Co., LLC)로부터 판매자 카탈로그 번호 04500으로 구매가능함)일 수 있다. 예시적인 아민 촉매에는 또한 에보니크 인더스트리즈(EVONIK Industries)로부터 상표명 테고아민(TEGOAMIN)으로 구매가능한 것들이 포함될 수 있다.
추가적인 성분
친수성 폼은 상기에 기재된 것들에 더하여 다양한 다른 성분을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 예로서, 계면활성제가 본 발명의 다양한 실시 형태에서 사용될 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 계면활성제는 생성되는 개방 셀 구조체 내의 셀 크기를 조절하는 데 도움을 주기에 유용할 수 있다. 계면활성제는 비이온성, 음이온성, 양이온성, 쯔비터이온성 또는 양쪽성 계면활성제 단독 또는 조합일 수 있다. 계면활성제는 소듐 도데실 설페이트, 소듐 스테아릴 설페이트, 소듐 라우릴 설페이트, 플루로닉(pluronic) 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 친수성 폼에 사용될 수 있는 계면활성제의 예는 미국 특허 출원 공개 제2008/0305983호에 기재되어 있으며, 계면활성제에 관련된 이의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 예시적인 계면활성제는, 에보니크 골드슈미트 코포레이션(Evonik Goldschmidt Corp.)으로부터 상표명 테고스탭(TEGOSTAB), 상표명 오르테골(ORTEGOL)로; 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인크.(Air Products & Chemicals, Inc.)로부터 상표명 다이놀(DYNOL)로; 바스프 코포레이션으로부터 상표명 플루로닉(PLURONIC)으로; 바스프 코포레이션으로부터 상표명 테트로닉(TETRONIC)으로; 그리고 다우 케미칼 컴퍼니로부터 상표명 트라이톤(TRITON) X-100으로 구매가능하다.
일부 실시 형태에서, 발포제가 포함될 수 있다. 발포제는 C1 내지 C8 탄화수소, C1 및 C2 염소화 탄화수소, 예를 들어 메틸렌 클로라이드, 다이클로로에텐, 모노플루오로트라이클로로-메탄, 다이플루오로다이클로로메탄, 아세톤뿐만 아니라 비반응성 가스, 예를 들어 이산화탄소, 질소, 또는 공기를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
다양한 실시 형태에서, 염료 또는 다른 착색제가 본 발명의 친수성 폼에 사용될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 난연(fire or flame-retardant) 재료가 본 발명의 친수성 폼에 포함될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 항미생물, 항균, 또는 살균 재료가 본 발명의 친수성 폼에 포함될 수 있다. 다른 성분은 섬유, 미립자 (나노실리카 입자, 나노전분 입자, 다른 다당류 입자, 셀룰로오스 입자, 카르복시메틸 셀룰로오스 입자, 및 목재 입자 또는 목분을 포함하지만 이에 한정되지 않음), 방취제, 의약품, 알코올 등을 포함할 수 있다.
물품 및 방법
본 발명의 다양한 실시 형태에서, 물품이 포함된다. 물품은 개방 셀 폼 구조체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체는 평탄한 층의 형태일 수 있다. 그러나, 개방 셀 폼 구조체는 또한 다양한 다른 형상을 취할 수 있음이 이해될 것이다. 이제 도 1을 참조하면, 다양한 실시 형태에 따른 물품(100)의 개략 단면도가 나타나 있다. 물품(100)은 개방 셀 폼 구조체(102)를 포함할 수 있다. 개방 셀 폼 구조체(102)는 복수의 상호 연결된 기공(104)을 포함하는데, 그 안으로 유체, 예를 들어 물이 흡수되고 이어서 방출될 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체(102)는 평탄한 층으로서 구성된다.
일부 실시 형태에서, 물품은 하나 이상의 추가적인 층을 물품의 하나 이상의 면에 포함할 수 있다. 그러한 층은, 직조 재료, 부직 재료, 편직 재료, 천, 폼, 스펀지, 필름, 인쇄된 재료, 증착된 재료, 플라스틱 망 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 발명의 물품은 스코어링(scouring) 층을 포함할 수 있다. 이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 물품(200)의 개략 단면도가 나타나 있다. 물품(200)은 개방 셀 폼 구조체(202)를 포함할 수 있다. 개방 셀 폼 구조체(202)는 복수의 상호 연결된 기공(204)을 포함할 수 있는데, 그 안으로 유체, 예를 들어 물이 흡수되고 이어서 방출될 수 있다. 물품(200)은 스코어링 층(206)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체(202)는 스코어링 층(206) 위에 배치될 수 있다.
스코어링 층은 다양한 재료로부터 형성될 수 있다. 스코어링 층은, 직물, 부직물, 편물, 천, 폼, 스펀지, 필름, 인쇄된 재료, 증착된 재료, 플라스틱 망 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 재료로부터 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 스코어링 층은 코팅된 연마 층, 연마 수지로 패턴 코팅되거나 인쇄된 천, 또는 구조화된 연마 필름일 수 있다. 스코어링 층을 위한 예시적인 재료는 미국 특허 제4,055,029호; 제7,829,478호; 및 미국 특허 출원 공개 제2007/0212965호에 기재되어 있다.
일부 실시 형태에서, 스코어링 층은 로프티(lofty), 섬유질, 부직 연마 제품을 포함할 수 있다. 예시적인 스코어링 층 재료가 미국 특허 제4,991,362호 및 제8,671,503호에 기재되어 있으며, 이들의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 스코어링 층은 기공을 형성하는 다공성 구조체를 포함할 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 스코어링 층은 개방 셀 폼 구조체에 직접 접합된다. 예로서, 친수성 폼의 재료가 굳기 전에 (예를 들어, 겔화 시간(gel time) 전에) 친수성 폼을 형성하기 위한 조성물을 스코어링 층 상에 부어서, 친수성 폼이 스코어링 층의 기공 내로 섞여 들어가서 개방 셀 폼 구조체가 스코어링 층에 직접 접합되게 할 수 있다. 개방 셀 폼 구조체는 다공성 구조체의 기공 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 스코어링 층은 개방 셀 폼 구조체에 간접적으로 접합될 수 있다. 예로서, 스코어링 층을 개방 셀 폼 구조체에 접합하는 데 접착제가 사용될 수 있다. 접착제는 스코어링 층과 개방 셀 폼 구조체 사이의 계면의 일부 또는 전체 표면을 덮을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 물품은 스코어링 층과 개방 셀 폼 구조체의 평탄한 층 사이에 배치된 접착제의 층을 포함할 수 있다. 이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 물품(300)의 개략 단면도가 나타나 있다. 물품(300)은 개방 셀 폼 구조체(302)를 포함할 수 있다. 개방 셀 폼 구조체(302)는 복수의 상호 연결된 기공(304)을 포함할 수 있는데, 그 안으로 유체, 예를 들어 물이 흡수되고 이어서 방출될 수 있다. 물품(300)은 스코어링 층(306)을 추가로 포함할 수 있다. 접착제의 층(308)이 스코어링 층(306)과 개방 셀 폼 구조체의 층(302) 사이에 추가로 배치될 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체 및/또는 이를 포함하는 물품은 비교적 높은 최대 인장 하중을 나타낼 수 있다. 일부 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체 및/또는 이를 포함하는 물품은 약 0.5 kN/m보다 크거나, 약 0.6 kN/m보다 크거나, 약 0.7 kN/m보다 크거나, 약 0.8 kN/m보다 크거나, 약 0.9 kN/m보다 크거나, 약 1.0 kN/m보다 큰 최대 인장 하중 (ASTM D3574 - 11, 시험-E)을 나타낼 수 있다.
일부 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체 및/또는 개방 셀 폼 구조체를 포함하는 물품은 바람직한 습식 와이프 물 보유 용량을 나타낼 수 있다. 예로서, 일부 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체는 폼 1 g당 약 1.0 g보다 크거나, 폼 1 g당 약 1.5 g보다 크거나, 폼 1 g당 약 2.0 g보다 크거나, 폼 1 g당 약 2.5 g보다 크거나, 폼 1 g당 약 3.0 g보다 크거나, 폼 1 g당 약 3.5 g보다 큰 습식 와이프 물 보유 용량을 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 개방 셀 폼 구조체는 미립자 충전제 재료가 없지만 다른 점에서는 동일한 개방 셀 폼 구조체보다 큰 습식 와이프 물 보유 용량을 나타낼 수 있다.
실시예
실시예 1 내지 실시예 3 (샘플 1 내지 샘플 12)에 사용한 재료가 표 1에 나타나 있다.
[표 1]
Figure pct00006
친수성 시험 절차:
제조된 폼 샘플을 쇠톱(hack saw)의 도움으로 수평으로 절단하여 새로운 폼 표면을 노출시켰다. 그 후에, 피펫을 사용하여 물의 소적을 절단된 표면 상에 놓았다. 놓인 후에 다음 10초 동안 물의 소적을 시각적으로 관찰하였다. 소적이 폼에 의해 10초 이내에 흡수된 경우, 샘플을 친수성으로 칭하였다. 소적이 폼에 의해 흡수되지 않고 표면 상에 머무르는 경우, 샘플을 친수성으로 칭하지 않았다.
실시예 1: 설폰화 폴리올의 형성
1 리터 플라스크에 기계적 교반기, 질소 퍼지, 응축기 및 응축물용 리시버(receiver)를 장착하였다. 플라스크를 1.0 몰 (600 g)의 에틸렌옥사이드 폴리올 (카르보왁스(Carbowax) 600™, 미국 코네티컷주 댄버리 소재의 유니온 카바이드(Union Carbide)), 0.25 몰 (24.0 g)의 다이메틸 소듐 5-설포아이소프탈렐이트 (진공 오븐 내에서 100℃ 초과에서 미리 건조함), 및 100 g의 톨루엔으로 충전하였다. 플라스크를 우즈(Woods) 금속 조에서 130℃로 가열하여 톨루엔을 증류시키고 따라서 반응물을 건조하였다. 톨루엔이 모두 제거되었을 때, 반응물을 200℃로 가열하였고 그 온도에서 0.2 g의 Zn(OAc)2를 첨가하였다 (0.03 중량%). 메탄올 발생이 수반된 에스테르화가 일어났다. 온도를 4시간의 기간 동안 245℃로 상승시키고, 그 온도에서 압력을 30 내지 60분 동안 1 mm으로 감소시켰다. 그 후에, 뜨거운 수지를 건조한 용기 내에 붓고 건조 N2 하에서 뚜껑을 덮어서 물의 흡수를 방지하였다. 이러한 다이올의 OH 당량은 NCO 방법에 의해 결정할 때 전형적으로 대략 465 g/몰 OH였다.
실시예 2: 친수성 폼의 형성
각각의 실험에 대해, 폴리올, 아이소시아네이트, 물, 촉매, 및 계면활성제를 함유하는 혼합물 총 15 그램을 사용하였다. 성분들을 칭량하고 플라스틱 용기에 넣었다. 하기와 같이 제1 혼합물을 얻었다.: 원하는 양의 폴리올, 물, 촉매, 및 계면활성제를 플라스틱 컵에서 칭량하였다. 그 후에, 두 번째 컵에서, 아이소시아네이트를 칭량하였다. 원심 혼합 직전에, 칭량된 양의 아이소시아네이트를 제1 혼합물에 첨가하고, 생성된 최종 혼합물을 원심 혼합기 (스피드믹서(Speedmixer), 플랙텍 인크(FlacTek Inc))에서 15초 동안 2000 rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 혼합물이 담긴 플라스틱 용기를 혼합기로부터 꺼내고, 뚜껑을 열고, 폼 상승(foam rising)을 시각적으로 관찰하였다. 폼 상승은 전형적으로 2 내지 5분 이내에 완료된 것으로 결정되었다. 시험한 제형 (샘플 1 내지 샘플 6)이 하기에 표 2에 나타나 있다.
[표 2]
Figure pct00007
두 손가락 사이에서 폼을 압축하고 이 압축된 폼의 회복을 시각적으로 관찰하여 각각의 폼의 복원성(resiliency)을 시험하였다. 상기에 기재된 바와 같이 친수성을 시험하였다.
샘플들 중에서 샘플 4가 폼 상승의 정도, 복원성, 및 시각적 외관의 최상의 조합을 나타낸 것으로 관찰되었다. 샘플 1, 샘플 2, 및 샘플 3에 대해서는 제한된 폼 상승이 관찰되었다. 샘플 5 및 샘플 6에서는 적절한 발포가 관찰되지 않았다.
샘플 4 상에, 그리고 비교 실험으로서, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 카탈로그 번호 9752-E로 구매가능한 O-CEL-O(등록상표) 익스프레션스 스크러버(EXPRESSIONS SCRUBBER)의 폼 층 상에 물을 천천히 부어서, 샘플 4의 친수성 속성을 입증하였다. 부어진 물은 시판 폼에 의해서는 흡수되지 않았지만, 동일한 양의 부어진 물은 샘플 4에 의해 즉시 흡수되었다.
실시예 3: 다양한 양의 작용화 및 비-작용화 폴리올을 사용한 친수성 폼의 형성
각각의 실험에 대해, 폴리올, 아이소시아네이트, 물, 촉매, 및 계면활성제를 함유하는 혼합물 총 15 그램을 사용하였다. 성분들을 칭량하고 플라스틱 용기에 넣었다. 하기와 같이 제1 혼합물을 얻었다.: 원하는 양의 폴리올, 물, 촉매, 및 계면활성제를 플라스틱 컵에서 칭량하였다. 그 후에, 두 번째 컵에서, 아이소시아네이트를 칭량하였다. 원심 혼합 직전에, 칭량된 양의 아이소시아네이트를 제1 혼합물에 첨가하고, 생성된 최종 혼합물을 원심 혼합기 (스피드믹서, 플랙텍 인크)에서 15초 동안 2000 rpm으로 혼합하였다. 그 후에, 혼합물이 담긴 플라스틱 용기를 혼합기로부터 꺼내고, 뚜껑을 열고, 폼 상승을 시각적으로 관찰하였다. 폼 상승은 전형적으로 2 내지 5분 이내에 완료된 것으로 결정되었다. 시험한 제형 (샘플 7 내지 샘플 12)이 하기에 표 3에 나타나 있다.
[표 3]
Figure pct00008
두 손가락 사이에서 폼을 압축하고, 압축된 폼의 회복을 시각적으로 관찰하여 복원성을 시험하였다. 상기에 기재된 바와 같이 친수성을 시험하였다.
30/70 및 40/60의 폴리올 비를 갖는 샘플 11 및 샘플 12는 친수성인 것으로 관찰되었다. 이들 샘플 상에 놓인 물의 소적은 폼에 의해 수 초 이내에 흡수되었다. 다른 제형 상에 놓인 물의 소적은 흡수되지 않고서 10초 이상 동안 폼 표면 상에 머물렀다. 결과가 하기에 표 4에 나타나 있다.
[표 4]
Figure pct00009
실시예 4: 예비중합체를 사용한 친수성 폼의 형성
이들 실시예 (샘플 13 내지 샘플 17)에 사용한 재료는 표 5에 나타나 있는 바와 같다.
[표 5]
Figure pct00010
하기 절차에 따라 이 실시예를 위한 샘플을 제조하였다:
1. 촉매 및 탈이온수를 유리 비커에 넣고 5분 동안 수동 혼합하여 20 중량% 촉매를 함유하는 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 촉매 혼합물로 칭하였다.
2. 수돗물과 다른 첨가제, 예를 들어 계면활성제, 촉매 혼합물, 안료, 및 충전제의 제1 혼합물을 제조하였다. 성분을 가장 가까운 0.01 그램까지 칭량하고 유리 비커에 넣었다. 그 후에, 용액이 균질해질 때까지 3 내지 5분 동안 비커 내의 혼합물을 수동으로 혼합하였다.
3. 별도의 폴리에틸렌 강성 용기에서, 예비중합체를 가장 가까운 0.01 그램까지 칭량하였다.
4. 4-프로펠러 블레이드를 구비하고 10.2 cm의 블레이드 직경을 갖는 실험실 벤치-탑 혼합기(laboratory bench-top mixer)를 실험에 사용하였다. 최대 혼합기 속도는 3000 rpm으로 설정하였다.
5. 제1 혼합물 및 예비중합체로 제조된 제2 혼합물을 제조하기 위하여, 혼합기를 시동하고, 이미 예비중합체가 들어 있는 폴리에틸렌 강성 용기 내에 회전 블레이드를 침지시켰다. 블레이드가 용기의 측면 및 바닥에 닿지 않도록 주의를 기울였다. 일단 혼합기의 회전 속도가 3000 rpm에 도달하였으면, 강성 폴리에틸렌 용기에 제1 혼합물을 재빨리 첨가하여 예비중합체를 제1 혼합물과 혼합하기 시작하였다. 표 6에 제시된 바와 같이, 다양한 함량의 예비중합체-1 및 예비중합체-2를 갖는 제형을 제조하였다.
6. 제1 혼합물 및 예비중합체를 30초 동안 혼합하여 제2 혼합물을 얻었다. 혼합 동안 블레이드를 용기 주위에서 원형 운동으로 이동시켰다. 블레이드가 용기의 측면 및 바닥에 닿지 않도록 주의를 기울였다.
7. 30초 후에, 혼합기를 정지시키고, 블레이드를 용기 밖으로 꺼내고, 용기 내의 제2 혼합물을 실험실 벤치 상에 방해받지 않는 채로 두었다. 제2 혼합물의 발포를 시각적으로 모니터링하였다.
8. 제2 혼합물로부터 제조된 폼을 25℃에서 최소 5분 동안 방해받지 않는 채로 둔 후에, 이것을 절단하여 추가의 시험에 사용되는 시편을 얻었다. 추가의 시험을 위해, 길이 12 cm, 폭 7.6 cm, 및 두께 1.5 cm의 대략적인 치수를 갖는 직사각형 프리즘-형상의 폼 샘플을 절단하였다.
주위 실험실 온도 및 습도에서 유지된, 제조된 그대로의 폼 샘플을 건조 폼 샘플로 칭하였다. 건조 폼 샘플로부터 취한 임의의 측정치를 건조 측정치로 칭하였다. 실험실 내의 주위 온도는 대략 25℃인 것으로 측정되었으며, 주위 습도는 대략 50%RH인 것으로 측정되었다. 그 후에, 샘플을 하기 시험 절차에 따라 평가하였다:
건조 밀도:
본 발명의 폼은 다양한 건조 밀도를 가질 수 있다. 일부 응용에서, 시판 셀룰로오스 폼과 자릿수(order of magnitude)가 동일한 밀도가 바람직하다. 폼의 밀도를 하기 절차에 따라 평가하였다.
1. 캘리퍼(caliper)의 도움으로, 제조된 그대로의 폼 샘플의 길이, 폭, 및 두께를 가장 가까운 0.01 mm까지 측정하였다. 샘플의 형상이 균일하지 않은 경우, 길이, 폭 및 두께에 대한 다중 측정치를 기록하였다. 각각의 파라미터, 길이, 폭, 및 두께에 대한 다중 측정치의 산술 평균을 샘플 부피의 계산에서 대표값으로서 사용하였다. 폼의 길이, 폭, 및 두께 값을 곱하여 부피를 계산하였다.
2. 제조된 그대로의 폼 샘플의 중량을 가장 가까운 0.01 그램까지 결정하였다.
3. 측정된 중량을 계산된 부피로 나누어서 건조 밀도를 계산하였다.
건조 웨트-아웃 시간(Dry Wet-Out Time):
수돗물의 소적이 건조 폼 샘플에 의해 완전히 흡수되는 지속 시간을 "건조 웨트-아웃 시간"으로 칭하였다. 일부 응용에 대해, 더 짧은 지속 시간은 더 빠른 물 흡수의 지표일 수 있기 때문에, 상대적으로 짧은 건조 웨트-아웃 시간이 바람직할 수 있다. 건조 웨트-아웃 시간을 하기 절차에 따라 평가하였다.
1. 피펫의 도움으로, 수돗물의 소적을 건조 폼의 표면에 천천히 놓았다.
2. 물 소적을 시각적으로 관찰하였다. 소적이 폼 표면을 완전히 웨트 아웃하는 지속 시간을 스톱워치로 결정하고 '건조 웨트-아웃 시간'으로 간주하였다.
3. 일부 샘플 상에 놓인 물 소적은 샘플에 의해 거의 즉시 흡수되었고 합리적인 시간 측정이 불가능하였다. 그러한 경우에, 그러한 샘플에 대한 건조 웨트-아웃 시간은 '즉시'(instantaneous)로 기록하였다.
퍼센트 팽윤(Percent Swell):
건조 폼 샘플이 수돗물에 완전히 잠겼을 때 그리고 1분 동안 수돗물을 흡수하게 둔 후의 팽윤 정도를 퍼센트 팽윤으로 칭하였다. 본 발명의 폼은 다양한 양의 팽윤을 나타낼 수 있음이 이해될 것이다. 그러나, 일부 응용에 대해 상대적으로 더 낮은 퍼센트 팽윤이 바람직할 수 있다.
1. 캘리퍼의 도움으로, 제조된 그대로의 폼 샘플의 길이, 폭, 및 두께를 가장 가까운 0.25 mm까지 측정하였다. 샘플의 형상이 균일하지 않은 경우, 길이, 폭 및 두께에 대한 다중 측정치를 기록하였다. 각각의 파라미터, 길이, 폭, 및 두께에 대한 다중 측정치의 산술 평균을 샘플 부피의 계산에서 대표값으로서 사용하였다. 건조 폼의 길이, 폭, 및 두께 값을 곱하여 건조 부피를 계산하였다.
2. 강성 플라스틱 용기를 수돗물로 채웠다. 건조 폼 샘플을 수돗물로 채워진 용기 내에 완전히 잠기게 하였다. 그 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 압착된 폼 샘플을 다시 한 번 수돗물에 침지시켰다. 이러한 침지/압착/재침지 사이클을 5회 반복하였다.
3. 5회의 사이클을 완료한 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 용기 내의 물을 버리고, 용기를 새로운 수돗물로 채웠다.
4. 폼 샘플을 용기 내의 수돗물에 완전히 침지시키고 1분 동안 물을 흡수하게 두었다.
5. 그 후에, 폼 샘플을 용기로부터 꺼내고, 폼 샘플을 압축하지 않도록 주의를 기울이면서 실험실 벤치 상에 놓았다.
6. 캘리퍼의 도움으로, 폼 샘플의 길이, 폭, 및 두께를 가장 가까운 0.25 mm까지 측정하였다. 이들 값을 습윤 치수로 칭하였다. 샘플의 형상이 균일하지 않은 경우, 길이, 폭 및 두께에 대한 다중 측정치를 기록하였다. 각각의 파라미터, 길이, 폭, 및 두께에 대한 다중 측정치의 산술 평균을 샘플 부피의 계산에서 대표값으로서 사용하였다. 폼의 습윤 길이, 폭, 및 두께 값을 곱하여 습윤 부피를 계산하였다.
7. 습윤 부피와 건조 부피 사이의 차이를 건조 부피로 나누고 여기에 100을 곱하여 퍼센트 팽윤을 계산하였다.
습식 와이프 물 보유 용량:
습식 와이프 물 보유 용량은 폼이 물을 흡수하고 가역적으로 유지하는 방식을 나타내는 것일 수 있다. 세정 응용을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 응용에서 비교적 높은 습식 와이프 물 보유 용량이 유용할 수 있다. 하기 절차를 사용하여 습식 와이프 물 보유 용량을 결정하였다.
1. 25 그램의 수돗물을 폴리싱된 스테인리스 강판 상에 천천히 부었다.
2. 강성 플라스틱 용기를 수돗물로 채웠다. 건조 폼 샘플을 수돗물로 채워진 용기 내에 완전히 잠기게 하였다. 그 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 압착된 폼 샘플을 다시 한 번 수돗물에 침지시켰다. 이러한 침지/압착/재침지 사이클을 5회 반복하였다.
3. 5회의 사이클을 완료한 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 손으로 압착된 폼 샘플을 손의 압력 하에서 작동하는 수동 닙 롤러로 쥐어짰다. 더 이상 물이 제거되는 않는 것으로 보일 때까지, 니핑(nipping) 동작을 다수회 반복하였다. 그 후에, 쥐어짠 폼 샘플의 중량을 결정하였다. 이러한 중량 값을 '쥐어짠 중량'(wrung weight)으로 칭하였다.
4. 와이핑 동작을 용이하게 하기 위해 폼의 전방 단면을 약간 들어 올리면서, 쥐어짠 폼 샘플을 폴리싱된 스테인리스 강판 상에 부어진 물을 가로질러 천천히 통과시켰다.
5. 물을 가로질러 폼 샘플을 통과시킨 후에, 물을 흡수한 폼 샘플의 중량을 결정하였다. 이 중량 값을 "제1 통과"(first pass) 중량으로 칭하였다.
6. '제1 통과' 중량과 '쥐어짠 중량' 사이의 차이를 '쥐어짠 중량'으로 나누어서 습식 와이프 물 보유 용량을 계산하였다.
퍼센트 유효 흡수:
퍼센트 유효 흡수는, 초기의 축축한 폼이 물 흡수의 포화 수준에 도달한 후에 그리고 5분 동안 배수되게 둔 후에 그 폼이 유지하는, 부피 기준의, 물의 퍼센트였다. 세정 응용을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 응용에서 비교적 높은 퍼센트 유효 흡수가 유용한 특성일 수 있다. 하기 절차를 사용하여, 폼 샘플의 부피 및 축축한 중량에 기초하여, 폼 샘플이 유지할 수 있는 물의 총량을 결정하였다.
1. 강성 플라스틱 용기를 수돗물로 채웠다. 건조 폼 샘플을 수돗물로 채워진 용기 내에 완전히 잠기게 하였다. 그 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 압착된 폼 샘플을 다시 한 번 수돗물에 침지시켰다. 이러한 침지/압착/재침지 사이클을 5회 반복하였다.
2. 5회의 사이클을 완료한 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 손으로 압착된 폼 샘플을 손의 압력 하에서 작동하는 수동 닙 롤러로 쥐어짰다. 더 이상 물이 제거되는 않는 것으로 보일 때까지, 니핑 동작을 다수회 반복하였다. 그 후에, 쥐어짠 폼 샘플의 중량을 결정하였다. 이러한 중량 값을 '쥐어짠 중량'으로 칭하였다.
3. 쥐어짠 폼 샘플을 수돗물에 완전히 침지시켰고, 그 동안에 임의의 포획 공기를 제거하기 위해 이 샘플을 압착하였다.
4. 폼 샘플을 여전히 완전히 물에 담근 채로 이완시켜, 물을 흡수하게 하였다. 이완된 폼을 대략 1분 동안 물에 완전히 침지된 채로 두었다.
5. 1분 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내었다. 바인더 클립(binder clip)을 샘플의 에지에 부드럽게 부착하고 샘플을 5분 동안 배수 막대 상에 매달아 두었다. 취급 시에 의도치 않게 스펀지에서 임의의 물을 압착하지 않도록 주의를 기울였다.
6. 5분 후에, 샘플의 중량을 가장 가까운 0.01 그램까지 결정하고 "습윤 중량"으로 기록하였다.
7. 습윤 중량과 쥐어짠 중량 사이의 차이를 쥐어짠 중량으로 나누고, 여기에 100을 곱하여 퍼센트 유효 흡수를 계산하였다.
흡수율:
세정 응용을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 응용에서 비교적 높은 흡수율이 유용할 수 있다. 이 시험에서는, 3.2 mm 깊이의 수돗물이 담긴 용기 내에 폼 샘플을 그의 가장 큰 면으로 넣었다. 5초 만에 폼 샘플에 의해 흡수된 물의 양을 결정한 다음, 흡수율을 계산하였다. 하기 절차를 사용하였다.
1. 강성 플라스틱 용기를 수돗물로 채웠다. 건조 폼 샘플을 수돗물로 채워진 용기 내에 완전히 잠기게 하였다. 그 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 압착된 폼 샘플을 다시 한 번 수돗물에 침지시켰다. 이러한 침지/압착/재침지 사이클을 5회 반복하였다.
2. 5회의 사이클을 완료한 후에, 폼 샘플을 물에서 꺼내고 손의 압력으로 압착하여, 흡수된 물을 가능한 한 많이 제거하였다. 그 후에, 손으로 압착된 폼 샘플을 손의 압력 하에서 작동하는 수동 닙 롤러로 쥐어짰다. 더 이상 물이 제거되는 않는 것으로 보일 때까지, 니핑 동작을 다수회 반복하였다. 그 후에, 쥐어짠 폼 샘플의 중량을 결정하였다. 이러한 중량 값을 '쥐어짠 중량'으로 칭하였다.
3. 천공된 금속판을 강성 플라스틱 용기 내에 넣었다. 용기 안팎으로의 연속적인 물 흐름을 촉진하여 천공 금속판 위의 수심을 대략 3.2 mm로 일정하게 유지하였다.
4. 폼 샘플을 그의 가장 큰 면으로 천공 금속판 상에 놓고 5초 동안 이러한 자세로 유지되게 하였다.
5. 5초 후에, 폼 샘플을 꺼내고 자체 중량을 가장 가까운 0.01 그램까지 결정하였다. 이 값을 "습윤 중량"으로 기록하였다.
6. 습윤 중량과 쥐어짠 중량 사이의 차이를 쥐어짠 중량으로 나누고 여기에 100을 곱하여 흡수율을 계산하였다.
인장 시험:
비교적 높은 인장 강도는 친수성 폼의 바람직한 특성이다. 다양한 응용에서, 더 높은 인장 강도 및 더 높은 최대 연신율(ultimate elongation) 값은 더 큰 내구성을 나타낼 수 있다. 폼 샘플의 최대 인장 하중 및 최대 연신율 값은, 가요성 셀형 재료 - 슬래브, 접합, 및 성형 우레탄 폼에 대한 ASTM 표준 시험 방법(ASTM Standard Test Methods for Flexible Cellular Materials-Slab, Bonded, and Molded Urethane Foams) D3574 - 11, 시험-E: 인장 시험에 따라 결정하였다.
시험한 제형 (샘플 13 내지 샘플 17)이 하기 표 6에 나타나 있다. 폼 샘플의 특성을 상기에 기재된 시험 절차에 따라 시험하였고, 결정된 특성은 표 6에 제시되어 있다.
[표 6]
Figure pct00011
제1 예비중합체 ("예비중합체-1")에 추가하여 제2 예비중합체 ("예비중합체-2")의 존재는, 폼 샘플의 시험된 인장 특성을 상당히 개선한 것으로 관찰되었다.
상기에 기재된 다양한 실시 형태는 단지 예시적으로 제공되며, 첨부된 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에 예시되고 기재된 예시적인 실시 형태 및 적용 형태를 따르지 않고서, 그리고 청구범위의 진정한 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서, 다양한 변경 및 변화가 이루어질 수 있음이 인식될 것이다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 내용이 명확히 달리 지시하지 않는 한 단수형("a", "an", "the")은 복수의 지시 대상을 포함함에 주의하여야 한다. 따라서, 예를 들어 "화합물"을 포함하는 조성물에 대한 언급은 2종 이상의 화합물들의 혼합물을 포함한다. 내용이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 용어 "또는"은 일반적으로 "및/또는"을 포함하는 의미로 사용됨에 또한 주의하여야 한다.
본 명세서에서 모든 간행물 및 특허 출원은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술 수준을 나타낸다. 각각의 개별적인 간행물 또는 특허 출원이 특정적으로 그리고 개별적으로 참고로 나타내어지는 것처럼, 모든 간행물 및 특허 출원이 동일한 정도로 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (28)

  1. 폴리올 및/또는 폴리아민 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 친수성 폴리우레탄 중합체를 포함하는 개방 셀 폼 구조체(open cell foam structure)를 포함하며, 상기 폴리올 및/또는 폴리아민 성분은 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물을 약 5:95 내지 약 95:5의 작용화 대 비-작용화의 중량비로 포함하는, 물품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 중성 pH에서 하전되는 작용기를 포함하는, 물품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 중성 pH에서 음으로 하전되는 작용기를 포함하는, 물품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 설포네이트 기를 포함하는, 물품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 분자량이 약 200 내지 약 2,000인, 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 작용화 폴리올 또는 폴리아민은 분자량이 약 300 내지 약 1,200인, 물품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 하기 화학식 III의 구조를 갖는, 물품:
    [화학식 III]
    Figure pct00012

    상기 식에서,
    R1은, 개별 산소 원자,
    Figure pct00013
    기에 의해 분리될 수 있는 2 내지 12개의 -CH2- 기의 단위로 110개 이하의 탄소 원자의 포화 사슬로 이루어진 (b+1)의 원자가를 갖는 선형 지방족 기이며, 상기 지방족 기는 분자량이 2000 이하이고, b는 1, 2, 또는 3이고;
    R2는 (d+2)의 원자가를 갖고, 6 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 아렌폴리일 기 (다가 아렌 기) 또는 2 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알칸폴리일 (다가 알칸) 기이고, d는 1, 2, 또는 3이고;
    X는 독립적으로 -O- 또는 -NH-이고;
    M은 양이온임.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 중성 pH에서 하전되는 작용기가 없는, 물품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 중성 pH에서 음으로 하전되는 작용기가 없는, 물품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 설포네이트 작용기가 없는, 물품.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 분자량이 약 1,000 내지 약 6,500인, 물품.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 분자량이 약 1,500 내지 약 4,500인, 물품.
  13. 제1항에 있어서, 상기 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민은 하기 화학식 IV의 구조를 갖는, 물품:
    [화학식 IV]
    Figure pct00014

    상기 식에서,
    b는 1, 2, 또는 3이고;
    R3은, (b+1)의 원자가를 가지며 설포네이트 작용기가 없고, 0개 이상의 헤테로원자가 개재된 지방족 또는 방향족 탄소 사슬이고;
    X는 독립적으로 -O- 또는 -NH-임.
  14. 제1항에 있어서, 상기 폴리올 및/또는 폴리아민 성분은 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 혼합물을 약 10:90 내지 약 90:10의 작용화 대 비-작용화의 중량비로 포함하는, 물품.
  15. 제1항에 있어서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 상기 혼합물은 10 중량% 초과 90 중량% 미만의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함하는, 물품.
  16. 제1항에 있어서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 상기 혼합물은 20 중량% 초과 60 중량% 미만의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함하는, 물품.
  17. 제1항에 있어서, 작용화 및 비-작용화 폴리올 및/또는 폴리아민의 상기 혼합물은 30 중량% 초과 50 중량% 미만의 양의 작용화 폴리올 및/또는 폴리아민을 포함하는, 물품.
  18. 제1항에 있어서, 스펀지를 포함하는, 물품.
  19. 제1항에 있어서, 상기 친수성 폴리우레탄 중합체는 폴리우레아 폴리우레탄 중합체를 포함하는, 물품.
  20. 제1항에 있어서, 상기 개방 셀 폼 구조체는 평탄한 층을 포함하는, 물품.
  21. 제20항에 있어서, 상기 물품은 스코어링(scouring) 층을 추가로 포함하고, 상기 개방 셀 폼 구조체는 상기 스코어링 층 위에 배치되는, 물품.
  22. 제21항에 있어서, 상기 스코어링 층은 상기 개방 셀 폼 구조체에 직접 접합되는, 물품.
  23. 제21항에 있어서, 상기 스코어링 층은 기공을 형성하는 다공성 구조체를 포함하고, 상기 개방 셀 폼 구조체는 상기 다공성 구조체의 상기 기공 내에 적어도 부분적으로 배치되는, 물품.
  24. 제21항에 있어서, 상기 스코어링 층과 상기 개방 셀 폼 구조체의 상기 평탄한 층 사이에 배치된 접착제의 층을 추가로 포함하는, 물품.
  25. 제1항에 있어서, 상기 개방 셀 폼 구조체는 약 0.5 kN/m보다 큰 최대 인장 하중 (ASTM D3574 - 11, 시험-E)을 나타내는, 물품.
  26. 제1항에 있어서, 상기 개방 셀 폼 구조체는 약 0.7 kN/m보다 큰 최대 인장 하중 (ASTM D3574 - 11, 시험-E)을 나타내는, 물품.
  27. 폴리올 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 폴리우레탄 중합체를 포함하는 개방 셀 폼 구조체를 포함하며,
    상기 폴리올 성분은 수용액에서 중성 pH에서 하전되는 작용기를 포함하는 약 10 중량% 이상의 폴리올과; 수용액에서 중성 pH에서 하전되는 작용기가 없는 약 40 중량% 이상의 폴리올의 혼합물을 포함하는, 물품.
  28. 폴리올 성분과 아이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 폴리우레탄 중합체를 포함하는 개방 셀 폼 구조체를 포함하며,
    상기 폴리올 성분은 약 10 중량% 이상의 설폰화 폴리올과; 약 40 중량% 이상의 비-설폰화 폴리올의 혼합물을 포함하는, 물품.
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