KR20180045420A - Manufacturing method of antibacterial materials using cation exchange reaction and antibacterial materials manufactured therefrom - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a preparation method of an antibacterial material and the antibacterial material prepared thereby. The preparation method comprises: a first step of preparing a silver-containing zeolite through a cation exchange reaction of sodium cations (Na^+) and silver cations (Ag^+); and a second step of adding a thermoplastic resin and a dispersant to the silver-containing zeolite. The preparation method according to the present invention can prepare the antibacterial material with increased antibacterial properties by adjusting a mole ratio of the sodium cations and the silver cations in the zeolite through the cation exchange reaction, and can prepare the antibacterial material with improved dispersibility by adding the dispersant to the silver-containing zeolite.

Description

양이온 교환반응을 이용한 항균소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 항균소재{Manufacturing method of antibacterial materials using cation exchange reaction and antibacterial materials manufactured therefrom}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing an antibacterial material using a cation exchange reaction and an antibacterial material produced by the method.

본 발명은 항균소재의 제조방법에 관한 발명이다. 구체적으로 나트륨 양이온과 은 양이온의 양이온 교환반응을 통해 항균성을 향상시키고, 분산제를 이용해 분산성을 증대시킨 항균소재 제조방법 및 이에 의해 제조된 항균소재에 관한 발명이다. The present invention relates to a method for producing an antibacterial material. Specifically, the present invention relates to a method for producing an antimicrobial material which improves antimicrobial activity through a cation exchange reaction between a sodium cation and a silver cation, and increases the dispersibility by using a dispersant, and an antibacterial material produced thereby.

최근 위생에 대한 관심이 증가하면서 식품, 의료기기, 의약품, 전가기기, 섬유 등에서 항균소재에 대한 관심이 증대되고 있다. 특히 식품 포장 시장 규모는 2019년에 약 3억 달러에 이를 것으로 전망된다. As interest in hygiene has increased recently, interest in antibacterial materials is increasing in food, medical devices, pharmaceuticals, electronic devices, and textiles. In particular, the food packaging market is expected to reach about $ 300 million by 2019.

이와 같은 항균소재의 경우 아연, 동, 은 이온 등과 같은 금속 이온들이 항균성을 나타내는 것으로 알려져 있는바, 이들을 통해 얻을 수 있다. 이 중 항균성 이온들을 무기계 담체에 침지시킨 무기계 항균소재가 지속적으로 주목 받고 있다. In the case of such antibacterial materials, metal ions such as zinc, copper, and silver ions are known to exhibit antimicrobial activity. Among them, inorganic antibacterial materials in which antimicrobial ions are immersed in an inorganic carrier are continuously attracting attention.

무기계 항균소재는 항균성을 나타내는 아연, 동, 은 이온 등의 금속 이온들을 무기계 담체에 침지시킨 것으로, 이러한 무기계 담체는 수지 등에 첨가, 혼합되어 항균력이 부여된 무기계 항균소재를 제공한다. The inorganic antibacterial material is obtained by immersing metal ions such as zinc, copper or silver ions exhibiting antimicrobial activity in an inorganic carrier. The inorganic carrier is added to a resin or the like and mixed to provide an inorganic antibacterial material having an antibacterial effect.

다만, 금속 이온들을 무기계 담체에 침지시키는 경우, 무기계 담체 내 기존에 존재했던 양이온이 많은 경우, 항균력이 감소하는 문제가 있을 수 있다. However, when the metal ions are immersed in the inorganic carrier, there may be a problem that the antibacterial ability is decreased when the cation existing in the inorganic carrier is large.

또한, 무기계 항균소재를 제공하기 위해, 수지에 항균성 이온을 첨가하는 경우, 수지와의 상용성이 떨어져 결과적으로 항균성 이온이 수지의 국부적인 곳에 응집되는 현상을 가져와, 항균소재의 항균력이 떨어지는 문제점이 있었다. In addition, when an antimicrobial ion is added to a resin in order to provide an inorganic antibacterial material, the compatibility with the resin is decreased, resulting in the phenomenon that the antibacterial ion is coagulated locally in the resin, there was.

이에 본 발명자들은 은 양이온의 농도를 조절함으로써, 무기계 담체인 제올라이트 내 은 양이온과 나트륨 양이온의 몰(mol) 비를 조절하여 무기계 담체 내 항균효과가 우수한 항균소재를 발명하였다.Accordingly, the inventors of the present invention invented an antibacterial material having an excellent antimicrobial effect in an inorganic carrier by controlling the molar ratio of silver cation and sodium cation in zeolite, which is an inorganic carrier, by controlling the silver cation concentration.

또한, 분산제를 첨가함으로써 항균소재의 분산성이 증대되어 항균성 효과를 잘 발휘하는 발명을 완성하였다. In addition, by adding a dispersant, dispersibility of the antibacterial material is increased, and the present invention has been completed which exhibits the antimicrobial effect well.

한국공개특허공보 제1997-0025627호Korean Patent Publication No. 1997-0025627

본 발명은 양이온 교환반응을 통해 은을 함유하는 제올라이트를 제조하고, 이에 분산제를 첨가해 분산성을 향상시킨 항균소재 제조방법 및 이에 의해 제조된 항균소재를 제공하는데 그 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a method for producing an antimicrobial material in which a zeolite containing silver is prepared through a cation exchange reaction and a dispersant is added thereto to improve the dispersibility, and an antibacterial material produced thereby.

본 발명의 제1양태는 나트륨 양이온(Na+)과 은 양이온(Ag+)의 양이온 교환반응을 통해 은을 함유하는 제올라이트(Zeolite)를 제조하는 제1단계; 상기 은을 함유하는 제올라이트에 열가소성 수지 및 분산제를 첨가하는 제2단계;를 포함하는, 항균소재의 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a method for producing a zeolite comprising the steps of: preparing a zeolite containing silver through a cation exchange reaction between a sodium cation (Na + ) and a silver cation (Ag + ); And a second step of adding a thermoplastic resin and a dispersant to the zeolite containing silver.

본 발명의 제2양태는 제1양태에 의해 제조된 항균소재를 제공한다.A second aspect of the present invention provides an antibacterial material produced by the first aspect.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 Zeolite 4A type을 이용해 제올라이트 내 나트륨 양이온을 양이온 교환반응을 통해 항균성을 갖는 은 양이온으로 치환함으로써, 무기계 항균 기능성 분말 소재의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a method for producing an inorganic antibacterial functional powder material by replacing a sodium cation in a zeolite with a silver cation having antimicrobial activity through a cation exchange reaction using Zeolite 4A type.

본 발명은 제올라이트에 다량의 은 양이온(Ag+)이 나트륨 양이온(Na+)와 이온 교환반응 함으로써 제조될 수 있다. 이 때, 나트륨 양이온 이외에 은 양이온과 치환 가능한 양이온, 예를 들면 Ca2 +, Mg2 +와도 치환 할 수 있다. 본 발명에 따르는 은 양이온은 제올라이트 내에 이온결합 상태로 존재한다. The present invention can be produced by ion-exchanging a large amount of a silver cation (Ag + ) with a sodium cation (Na + ) in a zeolite. At this time, in addition to the sodium cation, a substitutable cation such as Ca 2 + and Mg 2 + can be substituted for the silver cation. The silver cations according to the invention are present in the zeolite in ionic bonding.

상기 은 양이온을 함유하는 제올라이트는 균들의 단백질 합성을 방해하는 방식으로 세균을 사멸시켜 살균 및 항균 효과를 나타낸다. The silver cation-containing zeolite kills bacteria in a manner that interferes with the protein synthesis of the microorganisms, thereby exhibiting sterilization and antibacterial effects.

예컨대, 본 발명에 따르는 은 양이온을 함유한 제올라이트는 수중에서 은 양이온이 용출될 수 있으며, 용출된 은 양이온은 미생물인 세균 내 단백질의 -SH, COO-, 또는 OH- 이온을 흡착 결합하여 세포 변형을 일으킬 수 있으며, 축합-탈수 반응으로 이어져 세균의 신진 대사 및 에너지 대사 호흡 등을 어렵게 함으로써, 세균을 사멸시킬 수 있다. For example, the zeolite containing a silver cation according to the present invention can dissolve cations in water, and the eluted silver cations adsorb and bind to the - SH, COO - , or OH - ions of microbial proteins, And can lead to a condensation-dehydration reaction, which makes bacterial metabolism and energy metabolism difficult to breathe, thereby killing bacteria.

본 발명에서 사용 가능한 은은 은 양이온을 의미할 수 있다. 예를 들면, 은 양이온은 AgCl을 제외하고, 대부분 Ag+ 이온 형태로 존재하기 위해 액상으로 존재하며, 고체로는 은 양이온을 형성하기 어려움이 있을 수 있다. 특히, AgCl의 경우 그 결합이 금속결합 중 강한 편이어서, 은 양이온 형성이 어려울 수 있다. Silver which can be used in the present invention may mean a silver cation. For example, silver cations are present in liquid form, mostly in the form of Ag + ions, except for AgCl, and it may be difficult to form silver cations as solids. Especially in the case of AgCl, the bond is strong in the metal bond, so silver cation formation may be difficult.

한편, 은(Ag) 미세분말 등은 은 양이온을 형성하지 않으며, 은 양이온이 항균력을 지닌다.On the other hand, silver (Ag) fine powders and the like do not form silver cations, and silver cations have antibacterial power.

제올라이트는 복수의 기공을 갖는 결정성 알루미노실리케이트(crystalline aluminosilicate)로 정의될 수 있다. 상기 제올라이트는 규소(Si)와 알루미늄(Al)이 산소원자를 통해 삼차원적으로 연결되어 형성되는 무기 고분자(inorganic polymer) 물질로서 보통 1㎛ 크기의 미세한 결정 크기를 갖는다. 이들은 종류에 따라 다양한 모양과 0.3nm 내지 10nm 크기의 나노기공(nanopore)을 가지는 것을 구조적 특징으로 한다. The zeolite may be defined as crystalline aluminosilicate having a plurality of pores. The zeolite is an inorganic polymer material formed by three-dimensionally connecting silicon (Si) and aluminum (Al) via oxygen atoms, and usually has a fine crystal size of 1 μm. They are structurally characterized in that they have various shapes and nanopores of 0.3 nm to 10 nm depending on the type.

본 발명에 있어서 제올라이트는 A형 제올라이트, X형 제올라이트, Y형 제올라이트, 고실리카 제올라이트, 소우덜라이트, 모오데나이트, 애낼나이트, 클리노프틸로라이트, 캐비라이트 및 에니노나이트를로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.In the present invention, the zeolite is selected from the group consisting of A type zeolite, X type zeolite, Y type zeolite, high silica zeolite, sodium dodecylate, mordenite, annenite, clinoptilolite, cabilite and enynonite It can be more than one.

바람직하게는 본 발명에 쓰이는 제올라이트 내에 Na+, Ca2 +, K+ 등의 양이온이 있는 것이면 제한 없이 사용 가능할 수 있다. Preferably, the zeolite used in the present invention can be used without restrictions as long as it has cations such as Na + , Ca 2 + , K +, and the like.

보다 바람직하게는 상기 제올라이트는 Zeolite 4A type 일 수 있다. More preferably, the zeolite may be Zeolite 4A type.

바람직하게는 상기 나트륨 양이온과 은 양이온의 몰비는 1 : 0.5 내지 1 : 1.5 일 수 있다. 나트륨 양이온과 은 양이온의 몰비가 1 : 0.5 미만인 경우, 항균력이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 나트륨 양이온과 은 양이온의 몰비가 1 : 1.5 초과인 경우, 반응이 일어나지 않고 남은 고가의 은 양이온을 낭비하는 문제가 있을 수 있다.Preferably, the molar ratio of the sodium cation to the silver cation may be 1: 0.5 to 1: 1.5. When the molar ratio of the sodium cation to the silver cation is less than 1: 0.5, the antibacterial activity may be lowered. If the molar ratio of the sodium cation to the silver cation is more than 1: 1.5, there may be a problem in that the reaction does not occur and the silver cations remaining in the expensive silver ion are wasted.

일 실시형태에서, 나트륨 양이온 및 은 양이온의 몰비는 1 : 1.2 일 수 있다.In one embodiment, the molar ratio of sodium cations and silver cations can be 1: 1.2.

상기 제1단계의 양이온 교환반응은 pH 7 내지 6.4에서 일어날 수 있다. The cation exchange reaction of the first step may occur at a pH of 7 to 6.4.

이 때, 상기 pH가 7 내지 6.4 범위인 경우, 과산화 수소는 물속에서 H+ 이온과 OH- 이온 형성이 물보다 더 쉽게 일어날 수 있고, 이들은 이온 교환에 촉매 역할을 수행함으로써 반응 속도를 더 증가시키는 역할을 하기 때문에, 양이온 교환반응이 원활하게 일어날 수 있다. At this time, when the pH is in the range of 7 to 6.4, hydrogen peroxide is more easily formed in water than water in the formation of H + ions and OH - ions, and they act as catalysts for ion exchange to further increase the reaction rate , The cation exchange reaction can occur smoothly.

바람직하게는 상기 pH를 조절하기 위한 물질은 과산화수소(H2O2), 아세트산, 및 황산로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있다. 다만, 염산의 경우 Ag+ 이온과 Cl-이온이 결합하여 AgCl을 형성하며 물에 불용성으로 존재하여 침전이 일어나는 현상일 발생하기 때문에 제외할 수 있다. Preferably, the substance for adjusting the pH may be at least one selected from hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), acetic acid, and sulfuric acid. However, in the case of hydrochloric acid, Ag + ion and Cl - ion are combined to form AgCl, which is insoluble in water and precipitates, which can be excluded.

일 실시형태에서, 상기 제2단계의 생성물을 110 내지 200 ℃로 가열하는 제3단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the third step of heating the product of the second step to 110 to 200 캜.

바람직하게는 상기 분산제는 탄산칼슘, 탈크, 산화아연, 또는 스테아레이트 아연(Zinc stearate) 일 수 있다. Preferably, the dispersing agent may be calcium carbonate, talc, zinc oxide, or zinc stearate.

바람직하게는 상기 분산제의 함량은 열가소성 수지 기준으로 0.01 내지 5 중량% 일 수 있다. 상기 분산제의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 은 제올라이트의 분산에 도움을 주지 못하는 문제가 있을 수 있다. 상기 분산제의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우에는 항균소재의 강도 저하 및 투명성 저하, 헤이즈 증가 등 문제가 있을 수 있다. Preferably, the content of the dispersant may be 0.01 to 5% by weight based on the thermoplastic resin. If the content of the dispersing agent is less than 0.01% by weight, there is a problem that the dispersion of silver zeolite does not help. If the content of the dispersing agent exceeds 5% by weight, there may be problems such as a decrease in the strength of the antibacterial material, a decrease in transparency, and an increase in haze.

상기 열가소성 수지는 PP(PolyPropylene), PE(PolyEthylene), PVC(polyvinyl chloride), EVA(Ethylene- Vinyl Acetate), Nylon, 및 PET(poly ethylen terephthalate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.The thermoplastic resin may be at least one selected from the group consisting of PP (PolyPropylene), PE (PolyEthylene), PVC (polyvinyl chloride), EVA (Ethylene-Vinyl Acetate), Nylon and PET (poly ethylen terephthalate).

본 발명에서는 은을 포함하는 제올라이트에 열가소성 수지를 더 포함할 수 있다. 은을 포함하는 제올라이트에 열가소성 수지를 더 포함하는 경우, 구조적으로 열가소성 수지의 높은 점성이 있더라도, 은 양이온의 양이 충분히 많으면, 분산이 잘 이뤄진 은 양이온들은 열가소성 수지 표면에 존재하게 되어, 균의 대사 장애를 충분히 일으킬 수 있다. 이를 통해 열가소성 수지 전체가 항균 기능을 갖는 효과가 발생한다.In the present invention, the zeolite containing silver may further include a thermoplastic resin. When the zeolite containing silver further contains a thermoplastic resin, even if the thermoplastic resin is structurally high in viscosity, if the amount of the silver cation is sufficiently large, silver ions having good dispersion are present on the surface of the thermoplastic resin, It can cause enough disability. As a result, the whole thermoplastic resin has an antibacterial effect.

상기 항균소재는 필름 형태일 수 있다.The antimicrobial material may be in the form of a film.

상기 양이온 교환반응은 나트륨 양이온을 포함하는 제올라이트가 충진된 컬럼에 은 전구체를 통과시켜 진행할 수 있다. The cation exchange reaction can be carried out by passing a silver precursor through a column filled with a zeolite containing a sodium cation.

상기 컬럼은 당해 분야에서 통상적으로 사용하는 것이면 제한없이 사용할 수 있다. The column can be used without limitation as long as it is commonly used in the art.

제올라이트가 충진된 컬럼에 은 전구체를 통과시킴으로써, 사용하고 남은 은 전구체의 재사용이 가능하며, 사용할 수 있는 은 전구체의 양을 보다 정확히 제어할 수 있다. 또한, 이로 인해 고가인 은의 소비를 줄일 수 있다. By passing the silver precursor through the column filled with zeolite, the silver precursor remaining after use can be reused, and the amount of silver precursor that can be used can be controlled more precisely. In addition, this can reduce the consumption of expensive silver.

상기 양이온 교환반응은 은 전구체와 과산화수소를 함께 넣어 진행할 수 있다.The cation exchange reaction can be carried out by adding silver precursor and hydrogen peroxide together.

본 발명에 따르면 양이온 교환반응을 통해 제올라이트 내 나트륨 양이온과 은 양이온의 몰 비를 조절하여, 항균성을 증대시킨 항균소재를 제조할 수 있다.According to the present invention, an antimicrobial material having enhanced antimicrobial activity can be prepared by controlling the molar ratio of sodium cations and silver cations in the zeolite through a cation exchange reaction.

또한, 본 발명에 따르면 상기 은을 함유하는 제올라이트에 분산제를 첨가함으로써 분산성이 향상된 항균소재를 제조할 수 있다. According to the present invention, an antimicrobial material having improved dispersibility can be prepared by adding a dispersant to the zeolite containing silver.

또한 본 발명에 따르면 Zeolite 4A type을 질산은 수용액 (1N)에 침지시켜 나트륨 양이온과 은 양이온이 교환된 Ag-Zeolite를 폴리프로필렌에 0.1 wt% 복합화하여도 항균 기능이 99.99% 나타나는 복합체를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is also possible to prepare a composite in which the Zeolite 4A type is immersed in an aqueous solution of silver nitrate (1N) to obtain a 99.99% antimicrobial function even when 0.1 wt% of Ag-Zeolite in which silver cations and silver cations are exchanged is polypropylene .

도 1은 은 양이온(Ag+) 치환 반응을 통한 무기계 항균 분말 소재 제조방법에 관한 모식도이다.
도 2는 질산은 함량에 따른 분말 샘플의 XPS 분석 그래프이다.
도 3은 나트륨 양이온과 은 양이온의 몰 비에 따른 Ag-Zeolite 샘플의 XPS 분석 그래프이다.
도 4는 각 Ag-Zeolite 샘플의 Ag 원소 binding energy(eV) 분석 그래프이다.
도 5는 Zeolite 4A type 분말의 EDS 분석 그래프이다.
도 6은 양이온(Ag+) 치환 분말 샘플(Ag-Zeolite1.0)의 EDS 분석 그래프이다.
도 7은 양이온(Ag+) 치환 분말 샘플(Ag-Zeolite1.2)의 EDS 분석 그래프이다.
도 8은 양이온 교환반응을 마친 후의 Ag-zeolite의 모식도이다.
도 9는 양이온 교환반응을 마친 후의 Ag-zeolite의 모식도이다.
도 10은 제올라이트 내에 은 양이온 분포에 대한 모식도이다.
도 11은 S. aureus 균주에 대한 항균 시험 이미지이다.
도 12는 E. Coli 균주에 대한 항균 시험 이미지이다.
1 is a schematic diagram of a method for producing an inorganic antibacterial powder material through a silver cation (Ag + ) substitution reaction.
2 is an XPS analysis graph of a powder sample according to the nitrate silver content.
3 is an XPS analysis graph of an Ag-Zeolite sample according to the molar ratio of sodium cation to silver cation.
FIG. 4 is a graph showing an Ag element binding energy (eV) analysis of each Ag-Zeolite sample.
5 is an EDS analysis graph of Zeolite 4A type powder.
6 is an EDS analysis graph of a cation (Ag + ) substituted powder sample (Ag-Zeolite 1.0).
7 is an EDS analysis graph of a cation (Ag + ) substituted powder sample (Ag-Zeolite 1.2).
Figure 8 is a schematic diagram of Ag-zeolite after completion of the cation exchange reaction.
9 is a schematic diagram of Ag-zeolite after completion of the cation exchange reaction.
10 is a schematic diagram of silver cation distribution in zeolite.
11 is an antibacterial test image for S. aureus strain.
12 is an antibacterial test image for E. coli strain.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

참조예Reference Example : 기초 물성 : Basic Properties

Zeolite 4A type (코스모촉매), 질산은 수용액 (1M, Aldrich), Methanol(Samchun) 제품을 사용하였다. Zeolite 4A type의 화학조성은 표 1과 같다. Zeolite 4A type (Cosmo catalyst), silver nitrate solution (1M, Aldrich) and Methanol (Samchun) were used. The chemical composition of Zeolite 4A type is shown in Table 1.

Chemical compositionChemical composition Na2ONa 2 O 17-1917-19 Al2O3 Al 2 O 3 28.5-29.528.5-29.5 SiO2 SiO 2 33-34.533-34.5 H2OH 2 O 18-2118-21

실시예Example 1: 질산은 첨가 몰수에 따른 은 양이온을 함유하는 제올라이트의 제조방법 1: Method for producing zeolite containing silver cations according to the number of moles of silver nitrate added

질산은을 탈이온수에 일정한 농도인 1M로 용해시킨 후, 질산은 용액에 4A type 제올라이트를 담지하고, 기계적 교반기를 이용하여, 100 rpm으로 약 30분 교반하였다. 이때 이온 교환이 잘 일어나도록 35% 과산화수소 (H2O2)를 3ml 투입하였다. 교반이 끝난 후, 거름종이 또는 미세기공 천을 이용하여 걸렀다. 그 후, 미반응 질산은을 제거하기 위해 탈이온수로 3회 세척하고 이를 거른 후, 최종적으로 은을 함유하는 제올라이트를 수분이 없도록 하기 위해 강제순환식 오븐에서 110 ℃로 6시간 이상 건조하였다. The silver nitrate was dissolved in deionized water to a constant concentration of 1M, and 4A type zeolite was loaded on the silver nitrate solution and stirred at 100 rpm for about 30 minutes using a mechanical stirrer. At this time, 3 ml of 35% hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) was added so that the ion exchange occurred well. After the stirring was completed, the paper was squeezed using a filter paper or a fine pore cloth. Thereafter, the unreacted silver nitrate was washed three times with deionized water to remove the silver nitrate, and then filtered. Finally, the zeolite containing silver was dried at 110 DEG C for 6 hours or more in a forced circulation oven.

실시예 1에 따른 은(Ag+) 이온 첨가량은 각각 0.02 mol, 0.06 mol, 0.10 mol, 0.12mol이며, 구체적인 조성은 하기 표 2와 같다. 표 2는 질산은 첨가 몰수에 따른 Ag-Zeolite 샘플의 조성을 나타낸다.The amounts of added silver (Ag + ) ions according to Example 1 were 0.02 mol, 0.06 mol, 0.10 mol, and 0.12 mol, respectively, and specific compositions are shown in Table 2 below. Table 2 shows the composition of the Ag-Zeolite sample according to the number of moles of silver nitrate added.

Figure pat00001
Figure pat00001

실시예 1과 같이 질산은 수용액의 Ag 양이온의 몰수에 따른 항균 기능성 분말 샘플 제조하였다. 질산은의 함량에 따른 제올라이트의 나트륨 양이온의 은 양이온으로 치환 정도를 판단하기 위해 XPS 분석 실시하고, 샘플 중 은 양이온의 몰수가 가장 적은 Ag-Zeolite 2 선정하여 샘플데이터 분석 진행하였다. 이에 대한 결과 데이터는 실험예 1에 나타내었다. As in Example 1, an antibacterial functional powder sample was prepared according to the number of moles of Ag cations in the silver nitrate aqueous solution. XPS analysis was carried out to determine the degree of substitution of the silver cation of the zeolite with the silver nitrate content, and the sample data was analyzed by selecting the Ag-Zeolite 2 having the smallest number of moles of the cation in the sample. The resultant data are shown in Experimental Example 1. [

실시예Example 2: 은 양이온과 나트륨 양이온의 몰 비에 따른 양이온 치환된 제올라이트  2: Cation-substituted zeolite according to the molar ratio of silver cation to sodium cation

제올라이트의 XPS 분석을 통해 질산은과 제올라이트 내의 은 양이온 및 나트륨 양이온의 몰수를 계산하고, 이를 토대로 은 양이온과 나트륨 양이온의 몰 비에 따른 양이온 치환 샘플을 제조하였다. 이로부터 본 발명에서 사용된 Zeolite 4A type의 최적의 양이온 치환 몰 비 분석 실험을 진행하였다. 구체적으로 단위 제올라이트(g 당) 나트륨 양이온 몰 수를 계산하고, 나트륨 양이온 몰 대비 은 양이온 몰 비를 다르게 하여 치환하였다. 실시예 2에 따른 은 양이온과 나트륨 양이온의 몰 비는 각각 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0이며, 구체적인 조성은 하기 표 3과 같다. XPS analysis of the zeolite was used to calculate the number of moles of silver and sodium cations in the silver nitrate and the zeolite, and a cation exchange sample was prepared based on the molar ratio of the silver and sodium cations. From this, an optimal cation exchange molar ratio analysis of the Zeolite 4A type used in the present invention was conducted. Specifically, the number of moles of sodium cation in the unit zeolite (per gram) was calculated, and the sodium cation molarity was substituted by changing the cationic molar ratio. The molar ratios of the silver cation and the sodium cation according to Example 2 were 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 and 2.0, respectively.

Sample nameSample name 요소 비율
(Ag 몰/ Na 몰)
Factor ratio
(Ag mole / Na mole)
제올라이트(g)Zeolite (g) AgNO3 (g)AgNO3 (g) 탈이온수(g)Deionized water (g) 비고 Remarks
zeolitezeolite 1010 비교예 1Comparative Example 1 Ag-zeolite 1.0Ag-zeolite 1.0 1.01.0 68.1068.10 81.9081.90 Ag-zeolite 1.2Ag-zeolite 1.2 1.21.2 81.7281.72 68.2868.28 Ag-zeolite 1.4Ag-zeolite 1.4 1.41.4 95.3495.34 54.6654.66 Ag-zeolite 1.6Ag-zeolite 1.6 1.61.6 108.96108.96 41.0441.04 Ag-zeolite 1.8Ag-zeolite 1.8 1.81.8 122.58122.58 27.4227.42 Ag-zeolite 2.0Ag-zeolite 2.0 2.02.0 136.56136.56 13.4413.44

비교예Comparative Example 1: 은 양이온이 치환되지 않은 제올라이트 1: silver-free zeolite

은 양이온이 치환되지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.Was prepared in the same manner as in Example 2, except that the cation was not substituted.

실시예Example 3: 은을 함유하는 제올라이트와 폴리프로필렌 복합체  3: zeolite containing silver and polypropylene composite

실시예 3의 경우, 실시예 2 및 실험예 2를 통한 XPS 분석을 토대로 최적의 양이온 치환 몰 비 샘플로 Ag-Zeolite1.2를 선정하고, 무기계 항균 분말 소재의 함량에 따른 폴리프로필렌(PP, Polypropylene)과의 복합 분말(composite pellet) 샘플을 제조하였다. In the case of Example 3, Ag-Zeolite 1.2 was selected as an optimal cation-exchange molar ratio sample based on XPS analysis through Example 2 and Experimental Example 2, and polypropylene (PP, polypropylene ) Composite pellet sample was prepared.

먼저 henckel mixer에 폴리프로필렌, Ag-zeoilte, 탄산칼슘, 탈크, 스테아레이트 아연을 넣고 고속으로 교반하였다. 잘 혼합된 재료를 Twin-screw extruder(Siemens) 이용하여 복합화 하였다. 이때 복합화 조건은 교반된 재료를 twin extruder의 hopper에 투입하고, screw speed 400-700rpm, extruder chamber의 온도를 170, 180, 180, 180, 190, 190, 200, 210 (hopper, 6 chamber, die)에서 복합화하였다. 복합화 후 수냉 방식으로 이를 냉각하였다. First, polypropylene, Ag-zeoilte, calcium carbonate, talc and zinc stearate were added to a henckel mixer and stirred at high speed. Well-mixed materials were compounded using Twin-screw extruder (Siemens). In this case, the mixed material was injected into the hopper of the twin extruder, the screw speed was 400-700 rpm and the extruder chamber temperature was 170, 180, 180, 180, 190, 190, 200, 210 (hopper, Respectively. After compounding, it was cooled by water cooling method.

이로부터 compound 공정 조건 하에 항균 분말 함량(wt%) ; 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0의 pellets 샘플을 제조하였다. From this, the antimicrobial powder content (wt%) under compound process conditions; 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 pellets samples were prepared.

Compound 시 일반적으로 첨가되는 윤활제, wax를 사용하였으며, 특히 CaCO3 (평균 입경 100 nm)를 폴리프로필렌 대비 1 wt% 투입하여 Ag-Zeolite의 분산성을 향상시켰다.Particularly, CaCO 3 (average particle diameter 100 nm) was added to 1 wt% of polypropylene to improve the dispersibility of Ag-Zeolite.

실험예Experimental Example 1: 은 첨가 몰수에 따른 은을 함유하는 제올라이트 분석 1: Analysis of zeolite containing silver according to the molar addition of silver

질산은 함량 변화에 따른 은 양이온(Ag+) 치환 비율을 확인하기 위해 각 함량의 무기계 항균 분말 소재 샘플의 XPS 측정하였다. 또한, 샘플의 원소 조성 비율 데이터 분석을 통해 기존 무처리 제올라이트의 원소 조성과 비교하고, 은 및 나트륨 원소의 조성 변화 관찰을 통해 최적의 질산은의 농도를 판단하였다. 표 4는 질산은 첨가량에 따른 각 샘플의 원소 조성 비율을 나타낸 것이다.In order to confirm the substitution ratio of silver cation (Ag + ) according to the change of nitrate silver content, the XPS of the inorganic antibacterial powder material sample of each content was measured. In addition, the elemental composition ratio data of the samples were compared with the element composition of the conventional untreated zeolite, and the optimum concentration of silver nitrate was determined by observing changes in composition of silver and sodium elements. Table 4 shows the element composition ratios of the respective samples according to the addition amount of silver nitrate.

Sample nameSample name AgNO3 (ml)AgNO 3 (ml) Ag3dAg3d O1sO1s Na1sNa1s C1sC1s Si2PSi2P Al2pAl2p ZeoliteZeolite 0.530.53 46.4746.47 10.5410.54 13.8313.83 15.0215.02 13.613.6 Ag-Zeol 2Ag-Zeol 2 2020 6.376.37 40.0140.01 5.935.93 23.4323.43 14.4114.41 9.859.85 Ag-Zeol 6Ag-Zeol 6 6060 14.5714.57 46.0846.08 0.640.64 12.5712.57 12.8212.82 13.3313.33 Ag-Zeol 10Ag-Zeol 10 100100 14.9614.96 46.9846.98 00 11.9211.92 13.3913.39 12.7612.76 Ag-Zeol 12Ag-Zeol 12 120120 14.2614.26 45.7445.74 00 13.0813.08 13.3213.32 13.6113.61

도 2에서 나타낸 바와 같이, 기존에 명시된 Zeolite 4A type 조성과 유사한 조성을 보임을 확인하였다. 또한, 양이온 치환 반응 정도를 판단하기 위한 은 양이온 및 나트륨 양이온의 조성을 보면 질산은의 농도가 증가할수록 은 양이온은 약 14-15%까지 증가하고, 나트륨 양이온은 감소 후 검출되지 않음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 양이온 치환 반응이 Ag-Zeolite 6 샘플 이후에는 완전히 일어났음을 확인하였으며, 모든 샘플에서 질소 이온 검출이 없음을 통해 질산은 수용액의 세척 역시 완벽히 되었음을 확인하였다.As shown in FIG. 2, it was confirmed that the composition showed a composition similar to that of the Zeolite 4A type composition. In addition, the composition of silver cation and sodium cation for judging the degree of cation substitution reaction was found to increase to about 14-15% as the silver nitrate concentration increased, and the sodium cation was not detected after the decrease. As a result, it was confirmed that the cation exchange reaction was completely occurred after the Ag-Zeolite 6 sample, and it was confirmed that the silver nitrate silver solution was completely washed through the absence of nitrogen ion detection in all the samples.

실험예Experimental Example 2: 질산은 수용액과 제올라이트 내의  2: An aqueous solution of silver nitrate and an aqueous solution of zeolite AgAg 및 Na 양이온의 몰수 계산 And the calculation of the number of moles of Na cations

Zeolite 4A type의 나트륨의 몰에 따른 은의 몰 변수를 통해 최적의 몰 비 확인을 위해 실시예 2에 따른 각 샘플에 대한 XPS 측정하였으며, 원소의 함량 변화에 따른 양이온 치환 반응의 정도 분석하였다. 표 5는 Na 및 Ag 몰 비에 따른 Ag-Zeolite 샘플의 원소 조성비를 나타낸 것이다.The XPS of each sample according to Example 2 was measured for the molar ratio of silver according to the mole of sodium of Zeolite 4A type, and the degree of cation exchange reaction according to the content of element was analyzed. Table 5 shows the element composition ratio of the Ag-Zeolite sample according to the Na and Ag mole ratios.

Sample nameSample name Component ratio
(Ag mol/Na mol)
Component ratio
(Ag mol / Na mol)
Ag3dAg3d O1sO1s Na1sNa1s C1sC1s Si2PSi2P Al2pAl2p
ZeoliteZeolite 0.550.55 48.6348.63 13.3613.36 10.4610.46 14.1214.12 12.8912.89 Ag-Zeolite 1.0Ag-Zeolite 1.0 1.01.0 12.8312.83 41.7241.72 0.190.19 16.1316.13 17.4617.46 11.6611.66 Ag-Zeolite 1.2Ag-Zeolite 1.2 1.21.2 11.8911.89 37.6437.64 NoneNone 14.4014.40 24.9324.93 11.1511.15 Ag-Zeolite 1.4Ag-Zeolite 1.4 1.41.4 11.7811.78 37.1037.10 NoneNone 13.6413.64 25.7825.78 11.7011.70 Ag-Zeolite 1.6Ag-Zeolite 1.6 1.61.6 13.4513.45 42.0542.05 NoneNone 14.9614.96 18.4918.49 11.0511.05 Ag-Zeolite 1.8Ag-Zeolite 1.8 1.81.8 12.2412.24 38.6738.67 NoneNone 13.5113.51 24.9824.98 10.6010.60 Ag-Zeolite 2.0Ag-Zeolite 2.0 2.02.0 11.9711.97 38.3038.30 NoneNone 14.9414.94 24.8124.81 9.989.98

XPS 분석 결과 나트륨 양이온 및 은 양이온의 몰 비가 1:1인 Ag-Zeolite 1.0에서 소량의 나트륨 양이온이 검출되었으며, 대부분의 나트륨 양이온이 은 양이온으로 치환되었음을 확인하였다. 상기 실험예에서 최적의 몰 비는 가장 적은 농도에서 나트륨 양이온 검출되지 않은 Ag-Zeolite 1.2로 선정하였다.As a result of XPS analysis, a small amount of sodium cation was detected in Ag-Zeolite 1.0 having a molar ratio of sodium cation and silver cation of 1: 1, and most of the sodium cation was substituted with silver cation. In this experiment, the optimum molar ratio was selected as Ag-Zeolite 1.2, which was not detected at the lowest concentration of sodium cation.

질산은과 제올라이트 내의 은 양이온 및 나트륨 양이온의 몰수를 계산하여 이를 토대로 은과 나트륨의 몰 비에 따른 양이온 치환 샘플 제조하였다. 이 때, 사용된 Zeolite 4A type의 최적의 양이온 치환 몰 비 분석 실험 진행하였다. 표 6는 Zeolite, Ag-Zeolite 1.0, Ag-Zeolite 1.2에서의 원소 함량을 나타낸 것이다. Cations of silver and sodium cations in silver nitrate and zeolite were calculated and cation exchange samples were prepared based on the molar ratio of silver and sodium. At this time, the optimal cation exchange molar ratio analysis of the Zeolite 4A type was conducted. Table 6 shows the elemental contents in Zeolite, Ag-Zeolite 1.0 and Ag-Zeolite 1.2.

Figure pat00002
Figure pat00002

도 3은 나트륨 양이온과 은 양이온의 몰 비에 따른 Ag-zeolite 샘플의 XPS 분석 그래프를 나타낸 것이다. 3 shows an XPS analysis graph of an Ag-zeolite sample according to the molar ratio of sodium cation to silver cation.

도 4는 각 Ag-zeolite 샘플의 Ag 원소 binding energy(eV) 분석 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing an Ag element binding energy (eV) analysis of each Ag-zeolite sample.

XPS 분석 결과에 따른 양이온 치환 정도를 시각적으로 확인하기 위해 EDS 측정 실시하고, Ag 원소가 없는 Zeolite(4A type)과 최적으로 양이온 치환된 Ag-Zeolite1.2 샘플 및 대조군으로써 불완전하게 양이온 치환된 Ag-Zeolite1.0 샘플 분석 진행하였다. In order to visually confirm the degree of cation substitution according to the results of XPS analysis, EDS measurement was carried out, and Zeolite (4A type) without Ag element and Ag-Zeolite 1.2 sample with optimal cation substitution were used. As a control, incompletely cation- Zeolite 1.0 sample was analyzed.

도 5는 Zeolite 4A type 분말의 EDS 분석 그래프이다. Zeolite 4A 분말의 경우, Ag 이온이 검출되지 않으며, Na의 함량이 굉장히 높음을 확인하였으며, 질산은 처리를 통해 본 Na를 Ag로 바꾸는 것이 목적인바, 노란색으로 표시된 Na 이온이 검출되지 않으면 양이온 치환 반응이 완료되었음을 나타낸다. 5 is an EDS analysis graph of Zeolite 4A type powder. In the case of Zeolite 4A powder, it was confirmed that Ag ion was not detected and the content of Na was very high. In order to change the Na to Ag through nitric acid treatment, if the Na ion indicated by yellow is not detected, Indicates that it is complete.

도 6은 은 양이온(Ag+) 치환 분말 샘플(Ag-Zeolite1.0)의 EDS 분석 그래프이다. 기존 제올라이트 분말과는 달리, 샘플 Ag-Zeolite1.0 분말의 경우, 은 양이온이 다량 검출된 반면 나트륨 양이온의 함량이 확연히 떨어진 것을 확인하였다. 소량의 나트륨 양이온 측정되었으나 양이온 치환 반응이 대부분 진행되었음을 확인하였다. 또한 질소 원소 검출 되지 않음을 통해 양이온 치환 반응 후 잔여물이 완전히 세척되었음을 확인하였다. 6 is an EDS analysis graph of a silver cation (Ag + ) substituted powder sample (Ag-Zeolite 1.0). Unlike the conventional zeolite powders, in the case of the sample Ag-Zeolite 1.0 powder, a large amount of silver cations were detected, but the content of sodium cations was clearly decreased. A small amount of sodium cation was measured, but most of the cation exchange reaction was observed. In addition, no nitrogen element was detected and it was confirmed that the residue was completely washed after cation exchange reaction.

도 7은 은 양이온(Ag+) 치환 분말 샘플(Ag-Zeolite1.2)의 EDS 분석 그래프이다. 7 is an EDS analysis graph of a silver cation (Ag + ) substituted powder sample (Ag-Zeolite 1.2).

도 8은 양이온 교환반응을 마친 후의 Ag-zeolite의 모식도이다.Figure 8 is a schematic diagram of Ag-zeolite after completion of the cation exchange reaction.

도 9는 양이온 교환반응을 마친 후의 Ag-zeolite의 모식도이다.9 is a schematic diagram of Ag-zeolite after completion of the cation exchange reaction.

도 10은 제올라이트 내에 은 양이온의 분포에 대한 모식도이다. 이 때, 제올라이트의 구조식은 Na12[(AlO2)·(SiO2)]12·27H2O

Figure pat00003
Ag12[(AlO2)·(SiO2)]12·27H2O 일 수 있다. 10 is a schematic diagram of the distribution of silver cations in the zeolite. At this time, the structural formula of a zeolite is Na 12 [(AlO 2) · (SiO 2)] 12 · 27H 2 O
Figure pat00003
Ag 12 [(AlO 2 ). (SiO 2 )] 12 · 27H 2 O.

실험예Experimental Example 3: 제올라이트-폴리프로필렌 복합체의 분석  3: Analysis of zeolite-polypropylene composites

제조된 각 샘플의 pellet을 Hot press 장비(CARVER) 이용하여 10cm × 10cm 두께 1T의 Ag-Zeolite1.2 함량에 따른 각 샘플의 sheets 제작하고 무기계 항균 소재의 함량에 따른 항균력 분석을 위해 각 sheet 샘플의 항균테스트(ISO 22196) 분석을 진행하였다.The pellets of each sample were prepared by using a hot press equipment (CARVER) to prepare sheets of each sample according to the content of Ag-Zeolite 1.2 of 10 cm × 10 cm and thickness 1 T. To analyze the antibacterial activity according to the content of the inorganic antibacterial material, An antimicrobial test (ISO 22196) analysis was conducted.

샘플 Ag-Zeolite1.2 분말의 경우, 나트륨 양이온이 검출되지 않은 것으로 보아 양이온 치환반응이 모두 진행된 것으로 판단할 수 있으며 또한 최적의 몰 비를 갖는 샘플임을 확인하여 사익 샘플을 선정하여 compound 공정 적용 분말 샘플 제조 및 항균력 테스트를 진행하였다.In the case of the sample Ag-Zeolite1.2 powder, it can be judged that the cation exchange reaction has proceeded because the sodium cation is not detected. Also, it is confirmed that the sample has the optimum molar ratio, Production and antibacterial activity test.

항균 시험 분석을 위해 SIO 22196, Plastics-Measurement of antibacterial activity on plastics surfaces를 사용하였다. 표 7은 상용 항균제(Zeomic) 및 Ag-Zeolite 항균제의 PP composite sheet 샘플에 대한 항균 시험 raw data를 나타낸 것이다.SIO 22196, Plastics-Measurement of antibacterial activity on plastics surfaces was used for antibacterial test analysis. Table 7 shows the antimicrobial test raw data for PP composite sheet samples of commercial antimicrobial (Zeomic) and Ag-Zeolite antimicrobials.

Figure pat00004
Figure pat00004

Claims (12)

나트륨 양이온(Na+)과 은 양이온(Ag+)의 양이온 교환반응을 통해 은을 함유하는 제올라이트(Zeolite)를 제조하는 제1단계; 및
상기 은을 함유하는 제올라이트에 열가소성 수지 및 분산제를 첨가하는 제2단계;
를 포함하는, 항균소재의 제조방법.
A first step of preparing a zeolite containing silver through a cation exchange reaction between a sodium cation (Na + ) and a silver cation (Ag + ); And
A second step of adding a thermoplastic resin and a dispersant to the zeolite containing silver;
≪ / RTI >
제1항에 있어서,
나트륨 양이온과 은 양이온의 몰 비는 1 : 0.5 내지 1.5인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of the sodium cation to the silver cation is 1: 0.5 to 1.5.
제1항에 있어서,
상기 제1단계의 양이온 교환반응은 pH 7 내지 6.4에서 일어나는 것이 특징인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cation exchange reaction in the first step occurs at a pH of 7 to 6.4.
제1항에 있어서,
상기 제2단계의 생성물을 110 내지 200℃로 가열하는 제3단계;를 더 포함하는, 항균 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
And a third step of heating the product of the second step to 110 to 200 占 폚.
제1항에 있어서,
상기 제올라이트는 A형 제올라이트, X형 제올라이트, Y형 제올라이트, 고실리카 제올라이트, 소우덜라이트, 모오데나이트, 애낼나이트, 클리노프틸로라이트, 캐비라이트, 및 에니노나이트를로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the zeolite is at least one selected from the group consisting of an A type zeolite, an X type zeolite, a Y type zeolite, a high silica zeolite, a sodium dodecylate, a mordenite, an annenite, a clinopyroylrite, a cabilite, , A method for producing an antibacterial material.
제1항에 있어서,
상기 분산제는 탄산칼슘, 탈크, 산화아연, 및 스테아레이트 아연(Zinc Stearate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the dispersing agent is at least one selected from the group consisting of calcium carbonate, talc, zinc oxide, and zinc stearate.
제1항에 있어서,
상기 분산제의 함량은 열가소성 수지 기준으로 0.01 내지 5 중량%인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the dispersing agent is 0.01 to 5% by weight based on the thermoplastic resin.
제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 PP(PolyPropylene), PE(PolyEthylene), PVC(polyvinyl chloride), EVA(Ethylene- Vinyl Acetate), Nylon, 및 PET(poly ethylen terephthalate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoplastic resin is at least one selected from the group consisting of PP (PolyPropylene), PE (PolyEthylene), PVC (polyvinyl chloride), EVA (Ethylene-Vinyl Acetate), Nylon and PET (poly ethylen terephthalate) Way.
제1항에 있어서,
상기 항균소재는 필름 형태인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the antibacterial material is in the form of a film.
제1항에 있어서,
상기 양이온 교환반응은 나트륨 양이온을 포함하는 제올라이트가 충진된 컬럼에 은 전구체를 통과시켜 진행하는 것인, 항균소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cation exchange reaction is carried out by passing a silver precursor through a column filled with a zeolite containing sodium cations.
제10항에 있어서,
상기 양이온 교환반응은 은 전구체와 과산화수소를 함께 넣어 진행하는 것인, 항균소재의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the cation exchange reaction is carried out by adding a silver precursor and hydrogen peroxide together.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 항균소재.


An antimicrobial material produced by the method of any one of claims 1 to 11.


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