KR20190077528A - 금속-함유 중합체 수착제를 포함하는 공기 필터 - Google Patents

금속-함유 중합체 수착제를 포함하는 공기 필터 Download PDF

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KR20190077528A
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마이클 에스 웬드랜드
데렉 엠 마눔
마이클 더블유 코베
오스틴 디 그로스
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

안에 함침된 2가 금속을 포함하는 다공성 중합체 수착 입자를 지지하는 필터 지지체를 포함하는 공기 필터.

Description

금속-함유 중합체 수착제를 포함하는 공기 필터
본 발명은 금속-함유 중합체 수착제를 포함하는 공기 필터에 관한 것이다.
공기로부터, 예를 들어 암모니아와 같은 물질을 제거하는 것이 종종 요구된다.
개괄적으로 요약하면, 2가 금속을 포함하는 다공성 중합체 수착 입자를 포함하는 필터 지지체를 포함하는 공기 필터가 본 명세서에 개시된다. 이들 및 다른 태양이 하기의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도, 청구가능한 본 발명의 요지가 최초 출원된 출원의 청구범위에 제시되든, 또는 보정되거나 또는 달리 절차 진행 중에 제시된 청구범위에 제시되든 간에, 이러한 개괄적 요약은 그러한 발명의 요지를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 명세서에 개시된 바와 같은 수착 입자를 포함하는 필터 지지체를 포함하는 예시적인 공기 필터의 일부분을 도시한다.
도 2는 다른 예시적인 공기 필터의 일부분을 도시한다.
도 3은 다른 예시적인 공기 필터의 일부분을 도시한다.
도 4는 다른 예시적인 공기 필터의 일부분을 도시한다.
도 5는 다른 예시적인 공기 필터의 일부분을 도시한다.
도 6은 본 명세서에 개시된 바와 같은 수착 입자를 포함하는 필터 지지체를 포함하는 예시적인 호흡기(respirator)를 도시한다.
도 7은 다른 예시적인 호흡기를 개시한다.
도 8은 본 명세서에 개시된 바와 같은 수착 입자를 포함하는 필터 지지체를 포함하는 프레임형 주름형 공기 필터(framed, pleated air filter)를 개시한다.
용어
용어 "공기 필터"는 필터 지지체에 의해 지지되는, 본 명세서에 기재된 중합체 수착 입자가 공기, 예를 들어 이동하는 공기의 스트림에 제공되어 공기 중에 부유하는(airborne) 물질이 공기로부터 제거될 수 있도록 한 임의의 장치 또는 디바이스를 나타낸다. 용어 "필터 지지체"는, 수착 입자를 보유하고 그것을, 예를 들어 이동하는 공기의 스트림에 제공할 수 있지만, 반드시 이동하는 공기로부터의 미시적 입자의 어떠한 여과도 반드시 수행하지는 않는 임의의 구조물을 나타낸다. 용어 "필터 매체"는, 자체적으로 미시적 입자를 여과할 수 있는 필터 지지체를 나타낸다. "미시적" 입자는 평균 직경(또는 비구형 입자의 경우 등가 직경)이 100 마이크로미터 미만인 입자이다. "미세" 입자는 평균 직경 또는 등가 직경이 10 마이크로미터 미만인 입자이다.
용어 "중합체 수착제" 및 "다공성 중합체 수착제"는, 다공성이고 공기 중에 부유하는 물질(예를 들어, 가스상 또는 증기상 물질; 특히, 암모니아로 예시되는 바와 같은 염기성 질소-함유 화합물)을 수착할 수 있는 중합체 재료를 지칭하는 데 상호교환 가능하게 사용된다. 다공성 재료란, 가수분해되든 그렇지 않든 간에, (2가 금속의 부재 하에서, 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같은 2가 금속의 함침 전에 측정된) BET 비표면적이 적어도 약 50 m2/g을 나타내는 재료를 의미한다. 그러한 재료는 종종, 예를 들어 그의 기공의 크기에 기초하여 특성화된다. 용어 "미세기공(micropore)"은 2 나노미터 미만의 직경을 갖는 기공을 지칭한다. 용어 "메소기공(mesopore)"은 2 내지 50 나노미터 범위의 직경을 갖는 기공을 지칭한다. 용어 "거대기공(macropore)"은 50 나노미터 초과의 직경을 갖는 기공을 지칭한다.
용어 "상류측"은, 필터가 이동하는 공기에 노출되는 상황에 적용가능하고, 이동하는 공기가 필터와 접하게 되는 방향을 지칭하고; "하류측"은 여과된 공기가 필터를 빠져나가는 방향을 지칭한다.
용어 "네팅(netting)"은 비교적 적은 층(5개 이하, 종종 1개)의 고체 재료, 예를 들어 필라멘트로 구성되는 필터 지지체를 지칭한다.
용어 "섬유질 웨브"는 다수의 층(예를 들어, 5개 초과)의 섬유로 구성되는 필터 지지체를 지칭한다.
용어 "멜트블로운(meltblown)"은 압출 오리피스에 매우 근접하게 위치된 공기-취입 오리피스에 의해 도입되는 수렴하는 고속 공기 스트림 내로, 용융된 중합체 스트림을 압출함으로써 형성되는 섬유(및 결과적으로 생성되는 섬유질 웨브)를 지칭한다. 당업자는 멜트블로운 섬유 및 웨브가, 그러한 섬유 및 웨브가 확인되고 다른 유형의 웨브와 구별될 수 있게 하는 특징 및 시그니처(signature)(예를 들어, 섬유를 구성하는 재료의 분자들의 배향 차이이며, 이는, 예를 들어 복굴절, 용융 거동 등과 같은 광학 특성에 의해 밝혀지는 바와 같음)를 특징적으로 나타낼 것임을 이해할 것이다.
도 1에서의 일반적 표현에 도시된 바와 같은 공기 필터(1)가 본 명세서에 개시된다. 공기 필터(1)는, 본 명세서에 개시된 다공성 중합체 수착 입자(100)를 공기에, 예를 들어 이동하는 공기의 스트림(대체적인 기류 방향은 예시적인 실시 형태에서 도 1 및 다른 도면에 블록 화살표로 표시되어 있음)에 노출시켜, 공기 중에 부유하는(예를 들어, 가스상 또는 증기상) 염기성 질소-함유 물질이 공기로부터 적어도 부분적으로 제거될 수 있게 하는 임의의 장치 또는 디바이스일 수 있다. 따라서, 공기 필터(1)는 액체를 처리하는 디바이스, 예를 들어 이온-교환 막 및 디바이스와 구별된다.
공기 필터(1)는 적어도 하나의 필터 지지체(10)를 포함한다. 필터 지지체(10)는, 수착 입자(100)를 공기에 노출시키는 방식으로 수착 입자를 지지하면서, 이와 동시에, 공기가 이동 중인 경우, 수착 입자가 이동하는 공기에 의해 이탈되지 않도록 수착 입자를 보유하는 임의의 구조물일 수 있다. 공기가 이동 중인 경우, 그것은 층류 상태인 동안에 또는 난류 상태인 동안에 개별 수착 입자들과 접할 수 있거나, 또는 유동 체계(flow regime)들 사이에서 전이될 수 있는데, 예를 들어 수착 입자들의 집합체를 통과할 때 그러하다. 하나의 일반적인 유형의 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는 기재 형태를 취할 수 있으며, 기재 상에는 수착 입자(100)가 제공되고(예를 들어, 그의 주 표면에 부착되고), 기재를 가로질러, 예를 들어 이동하는 공기의 스트림이 횡단할 수 있는데, 이는 도 1에서의 일반적 표현에 도시된 바와 같다. 이러한 유형의 일부 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는, 예를 들어 수착 입자가 필터 지지체에 부착되는(예컨대, 접착식으로 접합되는) 방식으로 수착 입자(100)를 보유할 수 있다. 다른 일반적인 유형의 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는, 예를 들어 필터 지지체 내에 수착 입자를 기계적으로 보유함으로써, 수착 입자(100)를 보유할 수 있는데, 이는 도 2에 일반적 표현으로 나타낸 바와 같다. (다시 말하면, 그러한 실시 형태에서, 수착 입자는 반드시 필터 지지체에 부착될 필요는 없을 수 있지만, 필터 지지체는 수착 입자가 필터 지지체로부터 이탈되고 제거되는 것을 물리적으로 차단할 수 있다.) 일부 실시 형태에서, 필터 지지체에 대한 수착 입자의 기계적 보유 및 부착(예를 들어, 접합)의 조합이 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 공기 필터(1)는 수착 입자(100)를 포함하는 필터 지지체(10)일(예를 들어, 이로 본질적으로 이루어질) 수 있다(예를 들어, 그러한 필터 지지체의 독립형 피스(freestanding piece)가, 예를 들어 실내 공기 정화기 내로 설치될 수 있다). 다른 실시 형태에서, 공기 필터(1)는 임의의 목적을 위하여 필요에 따라 (적어도 하나의 필터 지지체(10)에 더하여) 다른 층을 포함할 수 있고/있거나, 임의의 다른 보조 구성요소, 예컨대 주연부 프레임, 하나 이상의 보강 또는 안정화 부재, 하나 이상의 하우징 피스 등을 추가로 포함할 수 있다. 다양한 구체적인 예시적인 실시 형태 및 구성이 본 명세서에서 이후에 상세히 논의된다.
도 1을 참조하여 언급된 바와 같이, 일부 실시 형태에서, 필터 지지체는 기재 형태를 취할 수 있으며(이러한 기재는 공기 불투과성 또는 공기 투과성일 수 있음), 기재의 주 표면 상에는 수착 입자(100)가 배치되며, 예를 들어 부착된다. 이러한 유형의 공기 필터는, 예를 들어 주 표면에 부착된 수착 입자를 함유하는 평면 기재; 수착 입자가 내부 표면에 부착된 중공 튜브; 또는 (예를 들어, 인슬레이(Insley)에게 허여된 미국 특허 제7955570호에 기재된 일반적인 유형의) 적층된 또는 네스팅된(nested) 미세구조화된 기재에 의해 제공되는 관류형 채널의 어레이로서, 수착 입자가 관류형 채널의 내부 표면에 부착된, 관류형 채널의 어레이 등을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 수착 입자(100)는, 예를 들어 임의의 산업-규모 침착 공정에서 통계학적으로 발생할 수 있는 그러한 가끔의 적층을 제외하고는, (예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이) 기재의 표면 상에 적어도 실질적으로 단층(monolayer)으로서 제공될 수 있다.
도 2를 참조하면, 용어 필터 지지체는, 수착 입자(100)를 안에 보유하도록 설계되고 공기를 용기의 내부(13)로 유입되게 하기 위한 적어도 하나의 공기 입구(11) 및 처리된 공기가 용기를 떠날 수 있게 하는 적어도 하나의 공기 출구(12)를 포함하는 임의의 용기를 폭넓게 포함한다. 이러한 일반적인 유형의 그러한 지지체는, 수착 입자(100)가, 예를 들어 하나 이상의 사출 성형된 하우징 부품으로 제조된 카트리지 하우징 내에 보유되는 잘 알려진 필터 카트리지를 포함할 수 있다. 그러한 필터 카트리지에는, 단일 공기 입구 및/또는 출구가 제공될 수 있거나; 또는, 다수의 관통 개구가 필터 카트리지 하우징 내에 제공되어 공기 입구 또는 출구를 집합적으로 제공할 수 있다. 그러한 관통 개구는 수착 입자가 그것을 통과하는 것을 방지하기에 적절한 크기를 가질 수 있고/있거나, 일부 실시 형태에서는, 수착 입자가 카트리지 하우징 내에 보유되는 것을 보장하도록 공기-투과성 보호 층(예를 들어, 스크린 또는 메시)이 제공될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 필터 지지체는 수착 입자에 근접한(예를 들어, 이를 지지 및 보유하는) 지지체의 위치에서 공기에 대해 불투과성일 수 있는데(예를 들어, 관통 개구를 포함하지 않을 수 있는데), 이는 도 1의 설계에서와 같다. 다른 실시 형태에서, 필터 지지체는 수착 입자에 근접한 지지체의 위치에서 공기에 대해 투과성일 수 있는데(예를 들어, 하나 이상의 관통 개구를 포함할 수 있는데), 이는 도 2의 설계에서와 같다. 일부 실시 형태에서, 용기 형태의 필터 지지체(예를 들어, 필터 카트리지)는, 예를 들어 하나 이상의 사출 성형된 하우징 부품으로 구성될 수 있는데, 이들은 함께 조립되고, 공기 입구(들) 및 출구(들)를 제외하고는 공기 불투과성일 수 있다. 그러한 하우징 부품은, 예를 들어 폴리아미드, 폴리스티렌, ABS 중합체, 폴리올레핀 등으로부터 선택되는 열가소성 또는 열경화성 중합체 또는 공중합체로 편리하게 제조될 수 있다. 그러한 용기는 또한, 예를 들어 하나 이상의 탄성 개스킷, 래치(latch), 스플래시 가드(splash guard), 커넥터(예를 들어, 필요에 따라 카트리지를, 예를 들어 개인용 호흡 보호 디바이스에 연결하기 위한 것) 등과 같은 보조 구성요소를 포함할 수 있다.
(예를 들어, 도 2에서와 같은) 용기 형태인 필터 지지체(10)는, 예를 들어 사출 성형된 부품으로 제조된 강성 카트리지의 형태를 반드시 취해야 할 필요는 없다는 것이 강조된다. 오히려, 일부 실시 형태에서, 그러한 용기는, 예를 들어 2개의 공기-투과성 "벽"의 형태를 취할 수 있는데, 이 중 적어도 하나는 비교적 가요성인 재료(예를 들어, 다공성 기재, 예컨대 섬유질 웨브, 천공된 또는 미세천공된 가요성 중합체 필름 등)로 제조되며, 수착 입자가 2개의 벽 사이에 개재된다. 그러한 용기(이는 여전히 일반적으로 필터 "카트리지"로 지칭될 수 있음)는, 예를 들어 파우치 또는 사셰(sachet)의 형태를 취할 수 있다.
또한 추가로, 용어 필터 지지체는 또한 수착 입자(100)가 위에 또는 안에 배치되는 임의의 다공성 공기-투과성 재료를 폭넓게 포함한다. (다공성 공기-투과성 재료란, 예를 들어 폐쇄 셀 폼과 구별되는 바와 같이, 재료를 통한 기류를 가능하게 하도록 상호연결된 내부 다공성을 포함하는 재료를 의미한다.) 그러한 재료는, 예를 들어 임의의 적합한 유형의 개방 셀형 폼 재료일 수 있거나; 또는, 그러한 재료는 다공성 막; 예를 들어, (예를 들어, 와트만(Whatman)으로부터 상표명 뉴클레포어(NUCLEPORE)로 입수가능한 다양한 제품들로 예시되는 유형의) 트랙-에칭 막(track-etch membrane); 또는 (예를 들어, 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이츠(W.L. Gore and Associates)로부터 상표명 고어-텍스(GORE-TEX)로 입수가능하고 셀가드 코포레이션(Celgard corporation)으로부터 상표명 셀가드(CELGARD)로 입수가능한 다양한 제품들로 예시되는 유형의) 연신-팽창된 막(stretch-expanded membrane)일 수 있다. 이러한 일반적인 유형의 필터 지지체(10)는, 예를 들어 전술된 바와 같이 그들 사이에 공간을 한정하도록 쌍으로 사용되는 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 특정 사용 모드에 관계없이, 일부 실시 형태에서, 그러한 필터 지지체(10)는 시트-유사 재료의 형태를 취할 수 있는데, 이러한 형태는 주 평면을 나타내고 약 8, 5, 3, 또는 1 mm 미만의 두께를 나타내고, 적어도 시트-유사 재료의 주 평면에 적어도 대체로 수직인(generally perpendicular) 방향으로 기류가 관통될 수 있도록 구성된다.
상기 논의로부터, 본 명세서에 개시된 바와 같은 필터 지지체는 수착 입자를 공기에, 예를 들어 이동하는 공기의 스트림에 제공할 수 있는 임의의 형태 또는 기하학적 형상의 임의의 재료 또는 구성(및, 예를 들어, 비다공성 기재, 공기-투과성 네팅, 또는 다공성 폼과 같은 단일 독립체로 이루어졌는지, 또는 필터 카트리지를 집합적으로 형성하는 부품들의 조립된 조합으로 제조되었는지의 여부)을 폭넓게 포함함이 이해될 것이다. 일부 실시 형태에서, 필터 지지체는, 이동하는 공기가, (예를 들어, 도 1의 구성에서와 같이) 예를 들어 수착 입자를 함유하는 지지체의 주 표면에 적어도 대체로 평행하게 유동할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이동하는 공기는, (예를 들어, 도 2의 구성에서와 같이) 지지체의 주 표면에 적어도 대체로 수직하게 유동할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이동하는 공기는 이들 2개의 극한 방향 사이의 중간 방향으로 유동할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 두 방향 모두에서의 그리고/또는 이들 2개의 극한 방향 사이의 중간 방향에서의 기류는, 예를 들어 공기 필터의 상이한 부분에서 발생할 수 있다.
도 3에 예시적인 방식으로 예시된 일반적인 유형의 실시 형태에서, 공기 필터(1)는 "허니콤(honeycomb)"(15)의 형태인 필터 지지체(10)를 포함할 수 있다. 당업자는, 기류가 관통할 수 있게 하는 다수의 거시적 관통 개구를 포함하는 관류형 지지 구조물로서 허니콤을 인식할 것이며, 개구들은 허니콤 구조의 격벽(벽)에 의해 서로 분리된다. (용어 허니콤이 편의상 본 명세서에 사용되지만, 당업자는 구조가 임의의 기하형상(예를 들어, 정사각형, 삼각형, 둥근형 등인 개구를 가짐)을 가질 수 있으며, 도 3의 예시적인 설계에 도시된 육각형 기하형상으로 엄격하게 제한되기보다는 다소 불규칙적인 외관을 나타낼 수 있음이 이해될 것이다.) 종종, 그러한 허니콤은, 단지 예를 들어 수 mm 이하의 직경 또는 등가 직경을 갖는 관류형 채널을 종종 포함할 수 있는 전술된 적층된 미세구조화된 기재와 대조적으로, 다소 큰 직경 또는 등가 직경(예를 들어, 10 내지 15 mm)을 갖는 관통 개구를 포함할 수 있다. 허니콤의 벽은 임의의 적합한 재료, 예를 들어 성형 또는 압출된 플라스틱, 판지 또는 마분지, 금속 등으로 제조될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 수착 입자는 허니콤의 개구를 한정하는 내부벽에 부착될 수 있다. 그러나, 일부 실시 형태에서, 도 3에서와 같이 (예를 들어, 수착 입자의 평균 크기, 크기 분포, 및 형상에 따라, 패킹 거동에 의해 허용되는 정도로) 수착 입자로 허니콤의 개구를 부분적으로, 또는 적어도 실질적으로 충전하는 것이 편리할 수 있다. 그러한 경우에, 허니콤에는 상류측 및 하류측 공기-투과성 기재(예를 들어, 적합한 메시 또는 스크린)가 제공될 수 있는데, 이것은 기류가 허니콤의 관통 개구로 들어오고 빠져나갈 수 있게 하고 그러면서도 여전히 허니콤의 관통 개구 내에 수착 입자를 보유할 수 있게 한다. (도 3의 예시적인 허니콤에서의 기류의 방향은 원/도트 화살표로 나타낸 바와 같이 평면외 방향임). 일부 실시 형태에서, 수착 입자는, 예를 들어 입자가 약간 이동 또는 시프팅할 수 있도록 개구 내에 느슨하게 패킹될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 수착 입자는, 예를 들어 개구 내에서의 입자의 시프팅 또는 침강을 최소화하도록 하기 위해, (예를 들어, 입자들을 접촉 지점에서 서로 접합시키기에 충분한 양으로, 그러나 공기 중에 부유하는 입자를 포집할 수 있는 능력에 영향을 미칠 정도로 입자를 허용 불가능하게 폐색하지 않게 하는 양으로, 접착제, 열-활성화 결합제 등의 사용에 의해) 서로 접합될 수 있다. 다시 말하면, (허니콤에서의 사용으로 반드시 제한되지는 않는) 일부 실시 형태에서 수착 입자(100)는 개별 입자로서 제공되기보다는, 함께 접합되는 입자들의 응집에 의해 집합적으로 제공되는 (임의의 원하는 크기 및 형상의) 일체형 공기-투과성 블록 형태로 제공될 수 있다. 그러한 일체형 구조물(이 역시, 예를 들어 용기, 예컨대 카트리지 또는 캐니스터 내로 끼워맞추기 위한, 또는 예를 들어 호흡기의 층을 형성하기 위한, 임의의 원하는 공기 필터 내로의 통합에 적합한 임의의 크기 및 형상을 가질 수 있음)을 제조하는 예시적인 방법은, 예를 들어 브라운(Braun)의 미국 특허 제5033465호에 논의되어 있다. 수착 입자들을 함께 접합시켜, 특히, 적어도 반가요성인(그리고 이에 따라, 예를 들어 가요성 호흡 마스크에 사용하기에 특히 적합할 수 있는) 구조물을 제조하는 방법이, 예를 들어 센쿠스(Senkus)에게 허여된 미국 특허 제6391429호에 논의되어 있다.
당업자는 상기 언급된 실시 형태들 중 일부 사이에(예를 들어, 수착 입자들이 중공 튜브 내에 제공된 것 vs. 수착 입자들이 적층된 미세구조화된 기재에 의해 한정된 채널 내에 제공된 것 vs. 허니콤의 개구 내에 제공된 것 사이에) 명확한 경계선이 반드시 존재하지는 않을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 모든 그러한 설계 및 구성, 및 이들의 조합은 본 명세서에 개시된 바와 같은 하나 이상의 필터 지지체를 포함하는 공기 필터의 일반적인 개념 내에 포함된다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 공기 필터(1)는, 예를 들어 패킹된 베드(packed bed)를 형성하도록 (임의의 기하학적 형태를 갖고, 예를 들어 강성 또는 적어도 반가요성 어느 것이든 간에 임의의 재료로 제조된) 임의의 적합한 용기의 내부 안으로 부분적으로 충전되거나, 또는 적어도 실질적으로 충전된 수착 입자를 포함할 수 있음에 특히 유의한다. 일부 실시 형태에서, 그러한 용기는 중공 튜브, 예를 들어 종종 드래거 튜브(
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tube)로 지칭되는 가스-검출 튜브와 유사한 튜브의 형태를 취할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는, 도 4에서의 예시적인 일반적 표현으로 나타낸 바와 같이, 기류가 관통될 수 있게 하는 다수의 관통 개구(22)를 갖는 얇은 시트-유사 재료를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는 임의의 적합한 네팅, 메시, 스크린, 스크림(scrim), 직조 또는 편조 재료, 멜트스펀 재료, 미세천공된 필름 등의 형태를 취할 수 있다. 용어 네팅은 본 명세서에서 비교적 적은 층(5개 이하; 종종, 도 4에서와 같은 단일 층)의 필라멘트(또는, 일반적으로, 관통 구멍들 사이의 고체 재료의 층)로 구성된 임의의 그러한 재료를 기술하는 데 편의상 사용될 것이다. 종종, 그러한 필라멘트(또는 시트-유사 필터 지지 재료, 예를 들어 미세천공된 필름의 고체 부분)는 직경 또는 그의 등가 치수가 비교적 크다(예를 들어, 0.1, 0.2, 또는 0.5 mm 또는 그 이상). 그러한 네팅은 임의의 적합한 재료, 예를 들어 유기 중합체, 무기 재료(예를 들어, 유리 또는 세라믹), 또는 금속 또는 금속 합금으로 구성될 수 있다.
그러한 실시 형태에서, 기류는 네팅의 고체 부분(21)들(예를 들어, 필라멘트들) 사이의 관통 개구(22)를 통해 주로 발생하여, 기류가 지지체에 적어도 대체로 수직으로 배향되게 할 수 있지만; 필요에 따라, 기류는 네팅에 적어도 대체로 평행하게 발생할 수 있다. 네팅을 통과하는 대체로 수직인 기류의 경우에, 수착 입자는 (도 4에서와 같이) 네팅의 상류측(23)에 위치되는 것이 편리할 수 있다. 그러나, 필요하다면, 수착 입자는 네팅의 하류측(24)에 위치될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 수착 입자는 네팅의 양쪽 면 상에 위치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 수착 입자를 포함하는 네팅(또는, 일반적으로, 임의의 충분히 공기-투과성인 기재)이 도 1 및 도 4의 예시적인 실시 형태에서와 같이 "개방된 면(open-face)"으로 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 충분히 공기-투과성인 2차 보유 층(예를 들어, 제2 네팅 층, 또는 섬유질 웨브, 미세다공성 막 등의 층)이 수착 입자 위에 위치되어 수착 입자를 정위치에 보유하는 데 도움이 될 수 있다. (다시 말하면, 수착 입자는 네팅과 2차 보유 층 사이에 개재될 수 있다.)
많은 실시 형태에서, 수착 입자(100)는, 예를 들어 네팅의 한쪽 면의 적어도 한쪽 주 표면 상에 제공되는 접착제, 예를 들어 감압 접착제, 고온-용융 접착제, 에폭시 접착제 등(28)에 의해 네팅의 고체 재료(예를 들어, 필라멘트)에 접합될, 예를 들어 접착식으로 접합될 수 있다. 수착 입자는 각각, 예를 들어 단일 필라멘트에 접합될 수 있거나, 또는 다수의 필라멘트에 접합될 수 있다. 필라멘트의 평균 직경, 및 필라멘트들 사이의 관통 개구의 평균 크기는, 필요하다면, 수착 입자의 평균 크기를 고려하여 선택될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 그러한 네팅은, 예컨대 0.2 mm 내지 약 2.0 mm 범위의 평균 필라멘트 직경을 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 네팅의 구멍은, 예를 들어 약 0.5 mm의 최단 치수 내지 약 5 mm의 최장 치수의 범위일 수 있고, 수착제의 입자 크기를 고려하여 선택될 수 있다. 구체적인 예로서, 약 1 내지 2 mm 범위의 구멍을 갖는 네팅이 8 × 20 메시 범위의 입자 크기를 나타내는 흡수제와 함께 사용하기에 매우 적합할 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 사용하기에 적합할 수 있는 예시적인 네팅은 델스타 테크놀로지스(Delstar Technologies)로부터 (예를 들어, 상표명 델넷(DELNET)으로) 입수가능한 다양한 제품; 예를 들어, 상표명 KX215P, R0412-10PR, RB0404-10P, N02014-90PP, RB0404-28P, N03011-90PP, 및 TK16-SBSH로 입수가능한 제품을 포함한다.
특정 실시 형태에서, 적합한 감압 접착제(28)가 네팅의 주 표면 상에 제공될 수 있다(다시 말하면, 감압 접착제는 네팅의 그러한 주 표면을 집합적으로 제공하는 필라멘트들의 표면 상에 제공될 수 있다). 이는, 예를 들어 감압 접착제 전구체를 네팅 상에 코팅하고, 이어서 전구체를 감압 접착제로 변환시킴으로써 행해질 수 있다. 전구체는, 예를 들어 유기 용매(들) 중 용액, 에멀젼, 고온-용융 조성물 등일 수 있다. 그러한 전구체는, 예를 들어, 건조시켜 용매 및/또는 물을 제거함으로서, 냉각시켜 고온-용융 조성물을 고화시킴으로써 등에 의해 변환될 수 있다. 침착 및 변환은 (기류가 필터의 통상의 사용 시에 네팅을 통과하지 않는 한) 네팅의 관통 개구를 허용 불가능하게 충전하거나 막히게 하는 것을 피하도록 하는 방식으로 수행되어야 한다.
일부 실시 형태에서, 네팅 상에 배치되는 입자는 (예를 들어, 기계적 얽힘(entanglement)을 통해서보다는) 주로, 예를 들어 접착식 접합으로 인해 네팅에 부착될 수 있음이 인식될 것이다. 일부 실시 형태에서, 수착 입자는 적어도 실질적으로 단층 형태로 필터 지지체 상에 존재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 수착 입자는 (예를 들어, 수착 입자의 제1 층을 네팅의 주 표면에 접착식으로 접합시킴으로써, 추가의 접착제를 수착 입자의 제1 층 위에 적용함으로써, 더 많은 수착 입자를 침착함으로써, 그리고 임의의 원하는 깊이의 수착 입자들의 집합체를 구축하기 위해 공정을 반복함으로써 제조된) 다수의 층으로 존재할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는, 도 5에서의 예시적인 실시 형태에 도시된 바와 같이, 종종 서로 얽히고 종종 다수의 "층"(예를 들어, 5개 초과의 층)으로 존재하는 다수의 섬유로 구성된 시트-유사 재료를 포함할 수 있다. 용어 섬유질 웨브는 본 명세서에서 임의의 그러한 재료를 기술하는 데 편의상 사용될 것이다. 물론, 많은 그러한 섬유질 웨브의 랜덤한 특성으로 인해, 섬유는 개별 층(예를 들어, 서로 박리될 수 있는 층)에 반드시 존재할 필요는 없으며, 종종 그렇지 않겠지만; 그러나, 예를 들어 (도 5에서와 같이) 5개 이상의 별개의 섬유 또는 섬유들의 섹션이 그러한 웨브의 제1 주 표면(43)으로부터 그러한 웨브의 제2 주 표면(44)까지 그러한 웨브의 두께(깊이)를 횡단 시에 접하게 된다는 것이 용이하게 명백할 것이다. 그러한 섬유 배열을 나타내는 임의의 재료는 본 명세서에 사용되는 바와 같은 섬유질 웨브의 정의에 속한다.
종종, 그러한 섬유는 직경 또는 그의 등가 치수가 비교적 작을 수 있다(예를 들어, 100, 80, 60, 40, 20, 10, 5, 또는 2 μm 미만). 물론, 다양한 직경의 섬유들의 혼합물이 사용될 수 있다. 그러한 섬유질 웨브는 (예를 들어, 이를테면 카디드 웨브(carded web) 및 소정 유형의 섬유-침착 방법에 의해 발생될 수 있는 섬유 정렬의 그러한 부분량을 제외하고는) 임의의 적합한 유형의 웨브, 예를 들어 섬유가 비교적 랜덤하게 배열된 부직 웨브일 수 있다. 대안적으로, 그러한 섬유질 웨브는, 섬유들이 충분한 수의 층으로 제공되는 편조 또는 직조 웨브로 구성될 수 있다. 전형적으로, 공기는 웨브의 다수의 섬유들 사이의 간극 공간(interstitial space)을 통과함으로써 웨브를 통해 유동할 것이며; 종종, 그러한 기류는 도 5에서와 같은 섬유질 웨브의 주 평면에 적어도 대체로 수직으로 배향된다. 그러나, 필요하다면, 기류는 섬유질 웨브의 주 평면에 적어도 대체로 평행하게 일어날 수 있다. 그러한 섬유질 웨브의 섬유들은 (웨브가 가공 및 취급되기에 충분한 기계적 완전성을 갖도록) 임의의 적합한 방식으로 서로 접합될 수 있다. 그러한 접합 방법은, 예를 들어 하이드로인탱글링(hydroentangling), 니들-펀칭(needle-punching), 캘린더링(calendering) 등으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 섬유들은 서로 자발적으로 접합될 수 있는데, 이는 점-접합 또는 캘린더링에서와 같은 확실한 접촉 압력의 인가 없이 오븐 내에서 또는 이른바 공기-통과 본더(through-air bonder)에 의해 얻어지는 바와 같은 승온에서 섬유들이 접합됨을 의미한다. 특정 실시 형태에서, 섬유들은 폭스(Fox)에게 허여된 미국 특허 제7947142호에 기재된 일반적인 유형의 자발적 접합 방법(여기서는, 가열된 공기의 스트림이 섬유들의 집합체를 통과한 후에 강제 켄칭(quenching)이 수행됨)을 사용하여 접합될 수 있다. 또는, (섬유, 고체 입자, 수계 에멀젼 등 어느 형태의 것이든 간에) 하나 이상의 결합제가 첨가되고, 이어서 (예를 들어, 가열에 의해) 활성화되어 섬유들을 함께 접합시켜 최종 웨브를 형성할 수 있다. (섬유의 얽힘에 의해 주로 기계적으로 달성되든, 또는 섬유의 용융-접합의 사용에 의해 그리고/또는 첨가된 결합제의 사용에 의해 달성되든 간에) 임의의 그러한 접합 작업은 하기에 기재된 바와 같이, 추가로 수착 입자를 웨브 내로 또는 상에 결합시키는 역할을 할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 수착 입자(100)는 도 4의 네팅 상의 입자의 배열과 다소 유사한 방식으로, 주로 또는 전적으로 섬유질 웨브의 주 표면(예를 들어, 상류측 주 표면) 상에 침착될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 수착 입자들 중 적어도 일부는 섬유질 웨브의 내부 안으로 적어도 부분적으로 침투할 수 있다. (이는, 예를 들어 도 4에서와 같은 필라멘트들의 단층에 의해 제공되는 네팅 - 이 경우에는 지지체가 수착 입자가 안으로 침투할 수 있는 "내부"를 거의 또는 전혀 나타내지 않음 - 에 대한 상황과 대조적이다.) 일부 그러한 실시 형태에서, 수착 입자는, 수착 입자가 위에 또는 안에 침착된 주 표면에 근접한 섬유질 웨브의 영역에서 주로 발견될 수 있다. 그러나, 많은 실시 형태에서, 수착 입자(100)는 (도 5에서의 예시적인 실시 형태에 도시된 바와 같이) 섬유질 웨브의 두께 전체에 걸쳐 폭넓게 분포되도록 제공하는 것이 바람직할 수 있는데, 이는, 입자가, 예를 들어 한쪽 표면 상에 침착되어, 표면 상에 남아 있도록 하거나 단지 섬유질 웨브의 내부 안으로 짧은 거리를 침투하도록 하는 것과 대조적이다. 수착 입자가 웨브의 내부 전체에 걸쳐 폭넓게(예를 들어, 랜덤하게) 분포된 섬유질 웨브를 형성하는 적합한 방법이 본 명세서에서 나중에 논의된다.
특정 실시 형태에서, 섬유질 웨브 필터 지지체는 부직 웨브일 수 있다. 정의상, 부직 섬유질 웨브는, 예를 들어 직조 또는 편조 웨브 또는 미세천공된 필름을 포함하지 않는다. 그러한 웨브는 임의의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있으며, 임의의 적합한 유형을 가질 수 있다. 예를 들어, 그러한 부직 웨브는 카디드 웨브; 웨트-레이드 웨브(예를 들어, 제지 공정에 의해 제조됨); 예를 들어 통상적인 에어레잉(airlaying) 공정, 예컨대 잘 알려진 란도-웨버(Rando-Webber) 공정에 의해 제조되거나, 또는 특수 공정, 예컨대 랄로치(Lalouch)에게 허여된 미국 특허 제8834759호에 기재된 그래비티-레잉(gravity-laying) 공정에 의해 제조된 드라이-레이드 웨브; 또는, 멜트스펀 웨브(예를 들어, 스펀본디드 웨브, 스펀레이스드 웨브 등)일 수 있다. (예를 들어 레이드 다운(laid down)된 섬유의 깊이에 따라, 소정의, 예를 들어 스펀본디드 또는 스펀레이스드 웨브는 섬유질 웨브로서라기보다는 네팅으로서 적격일 수 있음이 이해될 것이다.) 특정 실시 형태에서, 부직 웨브는 멜트블로운 웨브일 수 있으며, 이러한 공정 및 생성되는 웨브는 당업자에게 잘 알려져 있을 것이다. 이들 다양한 재료의 층들의 임의의 조합(부직 웨브가 아닌 층과의 조합을 포함함)이 사용될 수 있다. 섬유는 임의의 적합한 재료, 예를 들어 열가소성 유기 섬유(예컨대, 폴리올레핀 섬유, 셀룰로스성 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 등), 무기 섬유(예컨대, 섬유유리 또는 세라믹 섬유), 금속 섬유 등으로 제조될 수 있다.
수착 입자(100)는 임의의 적합한 방법에 의해 다공성 재료, 예를 들어 섬유질 웨브, 예컨대 부직 웨브 상에 그리고/또는 내에 제공되어, 공기 필터의 본 명세서에 개시된 필터 지지체를 형성할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 수착 입자는 기존의 섬유질 웨브 상에 또는 내로 침착될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 부직 웨브는 하나 이상의 결합 성분, 예컨대 접합가능한 섬유 및/또는 비섬유질 결합제를 포함할 수 있다(비섬유질 결합제는, 예를 들어 입자, 에멀젼 또는 라텍스 등의 형태를 취할 수 있다). 웨브는 그러한 결합 성분(들)을 연화시키고 활성화시키기 위한 온도로 가열될 수 있고, 이어서, 수착 입자가 그것에 접합될 부직 웨브의 주 표면 상에 침착될 수 있다. 많은 그러한 공정은 우선적으로, 수착 입자가 위에 침착된 부직 웨브의 주 표면 상에 또는 그에 근접하여 수착 입자가 존재하게 할 수 있음이 이해될 것이다. 필요하다면, 그러한 공정은 연속하는 층들에 대해 다수회 반복되며, 이때 이들 층은 함께 접합되어 안에 수착 입자를 포함하는 다층 생성물을 형성할 수 있다.
다른 실시 형태에서, 수착 입자는 웨브를 제조하는 공정 동안 부직 웨브 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 부직 웨브가 멜트블로잉에 의해 제조되는 경우, 수착 입자를 초기 섬유의 유동 스트림 내로 도입하는 것이 편리할 수 있다(용어 초기 섬유는 섬유로의 고화가 시작되었을 수 있거나 그렇지 않았을 수 있거나, 또는 섬유로의 고화가 완료되었을 수 있거나 그렇지 않았을 수 있는 용융된 스트림을 지칭한다). 그러한 작업을 수행하는 일반적인 방법이, 본 명세서에 참고로 포함된, 폭스에게 허여된 미국 특허 출원 공개 제20120272829호에 개시되어 있다. 초기 섬유는, 초기 섬유가 적어도 약간 끈적끈적한(접합가능한) 조건에서 (예를 들어, 일시적 수집 표면 상으로 또는 필터 지지체의 일부로서 남아 있는 2차 웨브 상으로) 침착될 수 있다. 그러한 구성은 멜트블로운 부직 웨브의 섬유들 중 적어도 일부가 수착 입자에 접합(예를 들어, 용융-접합)되는 것을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 단일 작업으로, 수착 입자가 안에 포함된 멜트블로운 웨브가 제조될 수 있다.
물론, 섬유가 웨브로서 수집되기 전에 수착 입자를 섬유들의 혼합물 내로 도입하기 위한 다른 방법을 사용하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 수착 입자는 웨브-형성 공정(예를 들어, 상기 언급된 그래비티-레잉 웨브-형성 공정)에 투입되는 섬유들과 혼합되어, 수착 입자가 안에 포함된 섬유들의 수집된 덩어리를 형성할 수 있다. 그러한 접근법은 (섬유 형태의 것, 또는 입자, 에멀젼 등과 같은 비섬유질 결합제로서의 것 어느 것이든 간에) 결합제를 투입 재료에 첨가하여, 섬유들의 수집된 덩어리를 가열하여 섬유들을 함께 결합하여 웨브를 형성하고/하거나 수착 입자를 웨브 내로 접합할 수 있도록 하는 것을 포함할 수 있다. 어떠한 접근법이 사용되든지 간에, 수착 입자가 섬유질 웨브 내로 또는 그 상에 결합되게 하는 1차 메커니즘은 섬유들을 함께 결합하여 웨브를 형성하는 데 사용되는 결합 메커니즘과 동일하거나 상이할 수 있다.
특히 멜트블로운 섬유질 웨브에 관하여, 다양한 섬유-형성 중합체 재료가 그러한 섬유를 형성하는 데 사용될 수 있다. 적어도 일부 섬유는 부직 웨브를 제조하는 데 사용되는 조건(예를 들어, 멜트-블로잉 조건) 하에서 충분한 접합(접착) 특성을 나타내는 재료로 제조될 수 있다. 예에는 열가소성 물질, 예컨대 폴리우레탄 탄성중합체 재료, 폴리부틸렌 탄성중합체 재료, 폴리에스테르 탄성중합체 재료, 폴리에테르 블록 코폴리아미드 탄성중합체 재료, 폴리올레핀계 탄성중합체 재료(예를 들어, 다우(Dow)로부터 상표명 버시파이(VERSIFY)로 입수가능한 것들), 및 탄성중합체 스티렌계 블록 공중합체(예를 들어, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 크라톤 폴리머즈(Kraton Polymers)로부터 상표명 크라톤(KRATON)으로 입수가능한 것들)가 포함된다. 다성분 섬유(예를 들어, 코어-시스(core-sheath) 섬유, 분할가능한 또는 나란한 2-성분 섬유 및 이른바 "해도형(islands in the sea)" 섬유) - 여기서는, 섬유의 적어도 한쪽의 노출된 표면(예를 들어, 코어-시스 섬유의 시스 부분)이 충분한 접착 특성을 나타냄 - 가 또한 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 수착 입자(100)에 접합할 수 있는 섬유가 멜트블로운 웨브에 존재하는 유일한 섬유일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 다른 섬유(예를 들어, 수착 입자의 접합 시에 임의의 유의한 정도로 참여하지 않는 것)가, 예를 들어 충분한 접합가능한 섬유가 존재하는 한 존재할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 접합가능한 섬유는 멜트블로운 부직 웨브의 적어도 약 2 중량%, 적어도 약 4 중량%, 및 적어도 약 6 중량%를 구성할 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 접합가능한 섬유는 멜트블로운 부직 웨브의 약 20 중량% 이하, 약 17 중량% 이하, 및 약 15 중량% 이하를 구성할 수 있다. 웨브에 존재하는 임의의 접합 불가능한 섬유는 임의의 적합한 유형 및 조성을 가질 수 있으며; 예를 들어, 잘 알려진 폴리올레핀계 섬유들 중 임의의 것(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등)이 사용될 수 있으며, 마찬가지로 잘 알려진 폴리에스테르 섬유들 중 임의의 것일 수 있다. 적어도 일부 실시 형태에서, 부직 웨브에는 임의의 종류의 임의의 첨가된 결합제가 본질적으로 없다. 즉, 그러한 경우에, (멜트블로운 부직 웨브 내에 수착 입자를 보유하기 위한) 수착 입자의 본질적으로 모든 결합이 접합가능한 섬유에 의해 수행된다. 따라서, 그러한 실시 형태는 입자 또는 분말, 액체, 예컨대 라텍스, 에멀젼, 현탁액, 또는 용액 등과 같은 형태의 결합제의 존재를 배제한다.
상기 논의는 수착 입자에 대한 섬유의 접합이 부직 웨브 내에 입자를 보유하기 위해 적어도 부분적으로 사용되는 방법과 관련되었음이 이해될 것이다. 섬유 내의 수착 입자의 물리적 얽힘이 또한 부직 웨브 내에 수착 입자를 보유하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 2차 공기-투과성 층(예를 들어, 스크림 또는 외장재(facing))이 부직 웨브의 하나 이상의 주 표면에 적용되어(예를 들어, 접합되어), 어떠한 수착 입자도 그로부터 이탈되게 될 가능성을 최소화할 수 있다. 사실상, 일부 실시 형태에서, 2차 웨브(예를 들어, 스크림 또는 외장재)의 주 표면 상에 (초기 섬유의 스트림 내로 병합되는 수착 입자와 함께) 멜트블로운 부직 웨브를 형성할 초기 섬유를 침착시켜, 멜트블로운 웨브를 제조하는 작업 시에 멜트블로운 웨브가 2차 웨브에 접합되게 하는 것이 편리할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 공기 필터(1)는 적어도 하나의 필터 매체(40)를 포함할 수 있다. 필터 매체는, 수착 입자(100)를 보유하고 이들을 공기에 노출시킬 수 있는 필터 지지체(10)이고; 이외에, 필터 매체는 상당한 양의 미시적 입자(즉, 평균 직경이 100 마이크로미터 이하인 입자)를 이동하는 공기로부터 여과할 수 있는 특정 유형의 필터 지지체이다. 필터 매체(40)는, 수착 입자가 안에 또는 위에 포함될 수 있는 공기-투과성 네트워크 구조물 - 이로써 수착 입자를 공기-투과성 네트워크 구조물을 통해 이동 중인 공기 스트림에 제공하도록 할 수 있음 - 을 제공할 수 있고, 더욱이 그 자체가 미시적 입자를 여과할 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 그러한 필터 매체는, 예를 들어 멜트블로운 및/또는 대전된 웨브인 부직 웨브일 수 있다.
언급된 바와 같이, 필터 매체는 상당한 양의 미시적 입자(직경이 100 μm 이하임)를 포집할 수 있다. 구체적인 실시 형태에서, 필터 매체는, 예를 들어 10 μm 이하의 범위, 또는 심지어 2.5 μm 이하의 범위의 상당한 양의 미세 입자를 포집할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 필터 매체는 HEPA 여과를 수행할 수 있다. 하기에 기재된 바와 같은 일렉트릿(대전된) 재료의 사용은, 예를 들어 미세-입자 여과 또는 HEPA-여과를 수행하는 능력을 실질적으로 향상시킬 수 있음이 이해될 것이다. 다양한 실시 형태에서, 필터 매체(40)는 약 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 또는 5 미만의, (시험 물질(challenge material)로서 다이옥틸 프탈레이트를 사용하는 것으로 본 명세서에 명시되고, 폭스의 미국 특허 제7947142호에 기재된 방법을 사용하여 시험된) % 투과율(Percent Penetration)을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 필터 지지체에 관하여 본 명세서에 기재된 모든 공정(예를 들어, 섬유-접합, 대전, 주름가공 등), 파라미터 및 특성화가 특히 필터 매체에 적용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 필터 지지체로서(또는 특히, 필터 매체로서) 사용하기 위한 부직 웨브(예를 들어, 멜트블로운 부직 웨브)는 정전기적으로 대전된 섬유를 포함할 수 있다. 그러한 섬유의 대전은 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어 앙가드지반트(Angadjivand)에게 허여된 미국 특허 제5496507호에 교시된 바와 같이 또는 세바스찬(Sebastian)에게 허여된 미국 특허 출원 공개 제2009/0293279호에 교시된 바와 같이 물을 사용하여 부직 웨브에 전하를 부여함으로써 행해질 수 있다. 또한, 부직 일렉트릿 웨브는 클라세(Klaase)에게 허여된 미국 특허 제4588537호에 기재된 바와 같이 코로나 대전에 의해 또는 브라운(Brown)에게 허여된 미국 특허 제4798850호에 기재된 바와 같이 섬유에 전하를 부여하는 기계적 접근법을 사용하여 제조될 수 있다. 그러한 접근법들의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 섬유는 부직 웨브로 형성되기 전에, 또는 부직 웨브가 형성된 후에 대전될 수 있다. (어떤 경우든, 임의의 그러한 대전은, 공기 필터 매체가 주름가공되어야 한다면, 그것이 주름가공되기 전에 편리하게 수행될 수 있다.) 공기 필터가 (하기에 기재되는 바와 같이) 필터 지지체(10)와는 상이한 층인 입자-여과 층을 포함하는 경우에, 그러한 입자-여과 층은 필요에 따라, 예를 들어 임의의 상기 접근법에 의해 대전될 수 있다.
(독립형, 또는 다층 조립체의 일부 어느 것이든 간에) 필터 지지체가 주름가공되는 경우, 주름 형성 및 주름 간격은 시버슨(Siversson)에게 허여된 미국 특허 제4798575호, 시버슨에게 허여된 미국 특허 제4976677호, 및 웬즈(Wenz)에게 허여된 미국 특허 제5389175호에 개시된 것들을 포함하는 임의의 적합한 기법을 사용하여 수행될 수 있다. 유용할 수 있는 주름가공 절차는 또한, 예를 들어 더피(Duffy)에게 허여된 미국 특허 제7235115호에 기재되어 있다. (그러나, 적어도 일부 실시 형태에서 스코어-플리팅(score-pleating)의 사용은 스코어링 공정이 수착 입자들 중 적어도 일부를 파쇄하는 역할을 할 수 있기 때문에 회피될 수 있음이 이해될 것이다.) 다양한 실시 형태에서, 주름형 공기 필터 지지체는 2.5 센티미터당 약 0.5 내지 약 5개의 주름을 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 주름 간격은, 예를 들어 약 6, 8, 10, 또는 12 mm, 내지 약 50, 40, 30, 20, 또는 15 mm 일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 주름 높이는, 예를 들어 약 15, 20, 25, 또는 30 mm, 내지 약 100, 80, 60 또는 40 mm일 수 있다.
공기 필터(1)는 단일 층으로 이루어진 필터 지지체(10)(이는 정의에 의하면, 적어도 일부의 중합체 수착 입자(100)를 지지함)를 포함할 수 있거나; 또는, 필터 지지체(10)의 다수의 층(예를 들어, 각각의 층은 적어도 일부의 중합체 수착 입자(100)를 포함함)이 공기 필터(1) 내에 존재할 수 있다. 특히, 필터 지지체(들)(10)가 그 자체가 본 명세서에 정의된 바와 같은 공기 필터 매체가 아닌 경우, 공기 필터(1)는 (적어도 하나의 필터 지지체 층(10)에 더하여) 중합체 수착 입자(100)를 포함하지 않는 하나 이상의 입자-여과 층(예를 들어, 미시적 입자의 여과, 미세 입자의 여과, 및/또는 HEPA 여과가 가능함)을 포함할 수 있다. 그러한 입자 여과 층은 필요에 따라 정전기적으로 대전될 수 있으며, 다양한 실시 형태에서 약 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 또는 5 미만의 % 투과율을 나타낼 수 있다. (용어 입자는, 예를 들어 에어로졸, 먼지, 박무(mist), 퓸(fume), 연기(smoke), 곰팡이, 세균, 포자, 꽃가루 등을 폭넓게 포함한다.) 특정 실시 형태에서, 그러한 입자-여과 층은 고-로프트 스펀본디드(high-loft spunbonded) 부직 웨브일 수 있으며, 이는, 예를 들어 폭스에게 허여된 미국 특허 제8240484호에 기재된 유형이고, 고형도(solidity)가 8% 미만 내지 약 4%이고, 크림핑된 섬유, 갭-형성된 섬유 및 2-성분 섬유가 실질적으로 없는 멜트스펀 섬유로 구성된 것이다.
임의의 입자-여과 층이 존재하는지의 여부에 관계없이, 공기 필터(1)는 (적어도 하나의 필터 지지체 층(10) 및 임의의 선택적인 입자-여과 층에 더하여), 기계적 지지 또는 강성 등을 제공하기 위하여, 예를 들어 커버 층, 조대 프리필터, 캐리어 층, 피부-접촉 층의 역할을 하도록 하나 이상의 2차 층(예를 들어, 스크림, 네팅, 커버 등)을 포함할 수 있다. 즉, 일반적으로, 그리고 필터 지지체 층(10)의 특정 유형, 구성 또는 구조에 관계없이, 그러한 필터 지지체 층은 공기 필터(1)를 집합적으로 제공할 수 있는 다층 공기-투과성 조립체(적층체)의 하나의 층으로서 제공될 수 있다. 임의의 그러한 다층 적층체는, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 물론 주름형, 프레임형 등일 수 있다.
(예를 들어, 부직 섬유질 웨브 내에 분산된 것이든, 기재의 표면 상에 배치된 것이든, 예를 들어 패킹된 베드 등을 형성하기 위해 리셉터클(receptacle)(들) 내로 충전된 것이든 등 어느 것이든 간에) 본 명세서에 개시된 수착 입자는 공기 중에 존재하는 임의의 원하는 성분(예를 들어, 유해 가스/증기)을 포집하도록 구성된 임의의 2차 수착 입자와 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 그러한 2차 수착 입자는, 예를 들어 중합체 수착 입자(100)의 상류측 또는 하류측에 있는 별개의 층에 존재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 수착 입자(100)와 임의의 원하는 2차 수착 입자(들)는 함께 혼합될 수 있다. (별개의 층에 사용된 것이든 중합체 수착 입자(100)와 섞인 혼합물로서 사용된 것이든 간에) 2차 수착 입자는, 예를 들어 활성탄, 알루미나 및 다른 금속 산화물, 점토, 홉칼라이트(hopcalite), 이온 교환 수지, 분자체 및 제올라이트, 실리카, 중탄산나트륨, 금속-유기 프레임워크(MOF) 등 - 이들 재료의 임의의 조합을 포함함 - 으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 2차 수착 입자(예를 들어, 활성탄)는, 예를 들어 임의의 원하는 금속 염 또는 화합물로 적합하게 함침된, 함침된 수착 입자일 수 있다. 2차 수착 입자로서 사용하기에 적합할 수 있는 다양한 입자가 빌링슬리(Billingsley)에게 허여된 미국 특허 출원 공개 제2015/0306536호; 및 2015년 12월 18일자로 출원되고 발명의 명칭이 "POLYMERIC SORBENTS FOR ALDEHYDES"인 미국 가출원 제62/269613호에 상세히 기재되어 있으며; 이들 둘 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 임의의 그러한 입자의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 다공성 중합체 수착 입자(100)와 2차 수착 입자의 하나 이상의 세트는 임의의 중량비로 사용될 수 있다. 특히, 용어 "2차"는 설명의 편의를 위해 사용되며, 임의의 2차 수착 입자가, 예를 들어 다공성 중합체 수착 입자(100)보다 더 낮은 양으로 존재하여야 할 것을 요구하지 않는다. 더욱이, 개시된 수착 입자(100)는, 예를 들어, 다공성이 아니고/아니거나 어떠한 수착 기능도 수행하지 않는 입자, 과립 등과 혼합될 수 있다(그러한 입자는, 예를 들어 간격 또는 분리 기능을 수행할 수 있다).
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 수착 입자(100)를 포함하는 공기 필터(1)는 공기 필터(1)와는 별도로 제공되는 2차 공기 필터와 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 공기 필터(1) 및 2차 공기 필터는 공기-취급 장치의 상이한 영역 내에 개별적으로 설치될 수 있다. (예를 들어, 공기 필터(1) 및 2차 공기 필터는 각각 프레임형 공기 필터일 수 있고, 각각, 예를 들어 실내 공기 정화기 내로 개별적으로 삽입될 수 있다.) 대안적으로, 공기 필터(1) 및 2차 공기 필터는, 예를 들어 공기-취급 장치 내로 설치되기 전에 함께 조립될 수 있다(그리고, 예를 들어 서로 부착될 수 있다). 공기 필터(1)는, 예를 들어 2차 공기 필터의 상류측 또는 하류측에 배치될 수 있다(공기 필터(1)가 상류측에 있는 경우, 이것은, 예를 들어 2차 필터를 위한 프리필터로서의 역할을 할 수 있다). 일부 예시적인 실시 형태에서, 2차 공기 필터는, 예를 들어 미세 입자를 포집하도록 구성될 수 있고, 예를 들어 약 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 또는 5 미만의 % 투과율을 나타낼 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 수착 입자(100)를 포함하는 필터 지지체(10)가 임의의 적합한 최종 용도를 위해 구성된 임의의 종류의 공기 필터(1)에 사용될 수 있다. 구체적인 예로서, 필터 지지체(10)는, 예를 들어, 개인용 호흡 보호 장치이거나 그의 일부인 공기 필터에 사용될 수 있다. 필터 지지체(10)는 마스크 본체에 유동적으로 결합되어 개인용 호흡 보호 디바이스를 제공할 수 있는 필터 카트리지의 형태를 취할 수 있다고 이미 기재되어 있다(예를 들어, 필터 카트리지는 일회용이고 마스크 본체는 사용자의 안면에 맞추어지도록 형상화되고 보유된 조각이고, 교체 필터 카트리지가 적절한 시간에 그것에 부착됨). 다른 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는 "안면부 여과식(filtering face-piece)" 호흡 마스크(60) 내로 통합될 수 있다. 이러한 일반적인 유형의 제품에서는, 마스크 본체 자체가 여과 기능을 제공한다. 즉, 부착가능한 필터 카트리지 등과 함께 마스크 본체를 사용하는 호흡기와 달리, 안면부 여과식 호흡기는 여과 층(들)이 전체 마스크 본체의 대부분 또는 본질적으로 전부 위에 존재하도록 설계되어, 필터 카트리지를 설치 또는 교체할 필요가 없도록 되어 있다. (즉, 안면부 여과식 호흡기에서는, 마스크 본체 자체가 그에 부착된 하나 이상의 카트리지에 의존하기보다는 여과 기능을 수행한다.) 안면부 여과식 호흡기(60)는 종종 하기 2가지 구성 중 하나이다: 도 6에서의 예시적인 표현으로 나타낸 바와 같이 성형된(예를 들어, 사용자의 안면 상에 맞추어지도록, 대체로 컵 모양으로 형상화된) 구성, 및 도 7에 예시적인 표현으로 나타낸 바와 같이, 편평하거나 거의 편평한 상태로 공급될 수 있고, 이어서 사용자의 안면 상에 맞추어지도록 절첩해제되고 펴질 수 있는 구성.
(예를 들어, 편평-절첩식(flat-fold) 또는 성형된 호흡기 어느 것이든 간에) 그러한 호흡 마스크(60)는 임의의 원하는 보조 층(예를 들어, 하나 이상의 커버 층, 보강 층(stiffening layer), 프리-필터 층 등) 및 구성요소(예를 들어, 하나 이상의 배기 밸브, 부착 밴드 또는 스트링, 노즈-피스(nose-piece) 등)를 포함할 수 있다. 편평-절첩식 호흡 마스크에 사용되는 경우, 필터 지지체(10)는 (예를 들어, 재료를 더 용이하게 절첩가능하게 하도록 제공되는 하나 이상의 우선적인 절첩선(63)을 사용하여) 종종 비교적 가요성인 층의 형태를 취할 수 있다. 필터 지지체(10)가 성형된 호흡 마스크(절첩가능하도록 설계되지 않음)에 사용되는 경우, 필터 지지체(10)는, 예를 들어 반강성 재료일 수 있다(그러나, 많은 성형된 컵 모양 호흡 마스크에서 강성의 대부분은 필터링 층(들)과는 별개인 보강 층에 의해 제공될 수 있기 때문에, 그러한 제품에 사용하기 위해 필터 지지체(10)가 강성이거나 심지어 반강성일 필요는 엄격하지는 않을 수 있다는 것에 유의함).
전술된 용도는 이른바 "음압(negative-pressure)" 호흡기의 범주에 주로 속하는 것으로 이해될 것이며; 이때 음압 호흡기는, 즉, 이동하는 공기에 대한 동력(motive power)이 별도로 제공된 전동식 팬이라기보다는 사용자의 호흡인 제품이다. 그러한 음압 호흡기는 종종, 예를 들어 전면형(full-face) 호흡기, 반면형(half-face) 호흡기, 및 후드(hood)(예를 들어, 탈출 후드(escape hood), 연기 후드 등)로서 구성된다. 그러한 모든 제품은 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 음압 호흡기에 포함되며, 필터 지지체(10)는 임의의 그러한 제품과 함께 사용될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 필터 지지체(10)는 이동하는 공기에 대한 동력이 전동식 팬 또는 송풍기인 호흡기에 사용될 수 있다. 그러한 제품은, 예를 들어 PAPR(급전식 공기 정화 호흡기)을 포함할 수 있다. 그러한 제품에서, 필터 지지체(10)(및 일반적으로 공기 필터(1))는 사용자의 얼굴 또는 머리에 근접하게 위치될 수 있거나; 또는, 그것은 원격으로 위치될(예를 들어, 벨트-착용형(belt-worn) 하우징의 리셉터클 내에 위치될) 수 있다.
도 8에서의 예시적인 실시 형태로 나타낸 바와 같은 일부 실시 형태에서, (예를 들어, 주름형이든 아니든 간에, 그리고 입자-여과 층 등과 같은 임의의 다른 층을 포함하든 포함하지 않든 간에) 필터 지지체(10)가 주연부 프레임(70)(예를 들어, 강성화 또는 지지 프레임)을 포함하는 공기 필터(1) 내로 통합될 수 있으며, 이때 주연부 프레임은, 예를 들어 필터 지지체의 주연부 에지 영역 둘레에 배열될 수 있다. 프레임에 적합한 재료는 칩 보드(chip board), 또는 판지, 합성 플라스틱 재료 및 금속을 포함한다. 적합한 프레임 구조물은, 예를 들어 피첸(Pitzen)에게 허여된 미국 특허 제6126707호의 도 1 내지 도 4에 예시된 "핀치(pinch)" 프레임 구조물, '707호 특허의 도 5 및 도 6에 예시된 "박스" 프레임 구조물, '707호 특허의 도 7 내지 도 11에 예시된 하이브리드 프레임 구조물, 선데트(Sundet)에게 허여된 미국 특허 제7503953호에 개시된 임의의 프레임 구조물, 및 더피에게 허여된 미국 특허 제7235115호에 개시된 임의의 프레임 구조물로부터 선택될 수 있다. 임의의 그러한 프레임은 임의의 적합한 방법, 예를 들어 고온-용융 접합, 실온 글루(room-temperature glue) 등에 의해 필터 지지체에 부착될 수 있다.
필터 지지체(10)를 포함하는 (프레임형이든 그렇지 않은 것이든 간에) 공기 필터(1)는 임의의 적합한 급전식 공기-취급 시스템에서, 예를 들어 HVAC 시스템에서(예를 들어, 주택, 사무실 건물, 소매 시설 등에서 종종 사용되는 강제-공기 가열, 냉각, 및/또는 가열/냉각 시스템에서) 이동하는 공기를 여과하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 그러한 필터는 또한 실내 공기 정화기, 동력 차량(예컨대, 예를 들어 자동차의 객실 공기 여과에서), 클린 룸, 수술실 등에서 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, (예를 들어, 필터 카트리지의 일부로서의) 공기 필터(1)는 상기에 기재된 바와 같이 급전식 공기-정화 호흡기의 공기 경로 내로 삽입될 수 있다. 임의의 또는 그러한 모든 용도에서, 반드시 공기 필터(1)가 프레임형 공기 필터일 필요는 없을 수 있지만, 많은 그러한 용도에서, 공기 필터(1)가 프레임형 공기 필터인 것이 유리할 수 있다.
상기 모든 논의는 적합한 필터 지지체(10) 상에 다공성 중합체 수착 입자(100)를 제공하여 공기 필터(1)를 제공하고, 지지된 수착 입자가 공기에 노출되도록 공기 필터를 위치시키는 방법에 관한 것이다(용어 공기는 폭넓게 사용되고, 임의의 가스 또는 가스상 혼합물, 예를 들어 질소, 제습된 질소 또는 공기, 산소-풍부화된 공기, 마취 가스 또는 가스 혼합물을 포함한 공기 등을 포함한다). 많은 실시 형태에서, 수착 입자가 노출되는 공기는 이동하는 공기 스트림의 형태이다. ("능동식" 여과로 지칭될 수 있는) 일부 경우에, 그러한 이동하는 공기는 전동식 송풍기, 팬 등에 의해 구동될 수 있다. ("수동식" 여과로 지칭될 수 있는) 다른 경우에, 그러한 이동하는 공기는, 예를 들어 임의의 전동식 메커니즘에 의해서라기보다는 사람의 호흡에 의해 구동될 수 있다. 용어 "수동식" 여과는 또한 공기 필터(1)가, 예를 들어 주위 분위기에서 흐름(current), 와류 등에 노출되는 상황을 포함한다. 그러한 흐름 및 와류는, 예를 들어, (이를테면, 윈도우 스크린의 형태로 제공되는 필터 지지체(10)의 외부 표면에 충돌될 수 있는 것과 같은) 바람의 형태를 취할 수 있다. 또는, 실내 환경에서, 그러한 흐름 및 와류는 대류 흐름, 랜덤한 공기 흐름 등의 형태를 취할 수 있으며, 이는, 예를 들어, (이를테면, 도어의 열고 닫음, 사람의 이동 등으로 인해) 건물의 방에서 자주 발생한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 공기 필터(1)는, 예를 들어 카트리지, 백, 파우치, 캐니스터, 또는 일반적으로, 수착 입자(100)를 안에 보유하고 적어도 하나의 공기-투과성 벽을 갖는 임의의 종류의 용기 - 이로써 공기가 용기에 들어가고 수착 입자와 접촉한 다음에 용기를 빠져나갈 수 있게 함 - 와 같은 디바이스를 포함하는데, 이는 그러한 디바이스가 임의의 종류의 기계식 송풍기와 함께 사용되든 그렇지 않든 간에, 또는 어떠한 종류의 호흡기에 사용되든 간에 관계없이 그러하다.
개괄적으로 요약하면, 본 명세서에 기재된 바와 같은 공기 필터(1)는 공기로부터 적어도 일부의 공기 중에 부유하는 염기성 질소-함유 물질을 제거하는 것이 요구되는 임의의 적합한 응용에서 사용될 수 있다. 그러한 용도는 단일 사용자에 의한 사용에 맞게 설계된 개인용 디바이스(예를 들어, 개인용 호흡 보호 디바이스), 또는 예를 들어 건물, 차량, 및 사람들이 거주하거나, 작업하거나, 모이는 다른 장소에 맞게 설계된 집합적 디바이스(예를 들어, 실내 공기 정화기, HVAC 시스템 등)를 수반할 수 있다. 언급된 바와 같이, 그러한 용도는 "능동식" 또는 "수동식" 여과를 수반할 수 있고, 매우 다양한 임의의 기하학적 형태로 구성되고 매우 다양한 임의의 재료로 구성된 공기 필터(1)를 사용할 수 있다. 또한, 언급된 바와 같이, 입자(100)와 혼합되고/되거나 하든 별개의 층으로 제공되든 간에, 본 명세서에 기재된 중합체 수착 입자(100)에 더하여 하나 이상의 2차 수착제가 사용될 수 있다. 추가로 기재된 바와 같이, 공기 필터(1)는, (중합체 수착 입자(100)를 지지하는 적어도 하나의 지지체 층(10)에 더하여) 미세-입자 여과를 제공하고/하거나 염기성 질소-함유 물질, 예컨대 암모니아 이외의 일부 가스/증기를 포집하는 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 이 대신에, 또는 이에 대한 보조물로서, 예를 들어 미세 입자의 여과를 수행하고/하거나 일부 다른 가스/증기를 포집하기 위해, 공기 필터(1)에 더하여 2차 공기 필터가 제공될 수 있다. 더욱이, 필터 지지체의 임의의 전술된 실시 형태들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 중합체 수착 입자(100)는 섬유질 웨브 내에 또는 네팅의 표면 상에 배치될 수 있으며, 이러한 웨브 또는 네팅은, 예를 들어 필터 카트리지를 제공하기 위해 하우징 내에 배치될 수 있다.
수착 입자(100)는 하나 이상의 2가 금속을 포함하는 다공성 중합체 재료이다. 중합체 재료는 다이비닐-벤젠/말레산 무수물 중합체, 부분 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 또는 완전 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체이다. (용어 "중합체" 및 "중합체 재료"는 상호교환 가능하게 사용되고, 하나 이상의 단량체를 반응시켜 형성되는 재료를 지칭한다. 이 용어는 단일중합체, 공중합체, 삼원공중합체 등을 포함한다. 마찬가지로, 용어 "중합하다" 및 "중합하는"은 단일중합체, 공중합체, 삼원공중합체 등일 수 있는 중합체 재료의 제조 공정을 지칭한다.) 그러한 중합체 재료는 단량체 단위들 중 다이비닐벤젠의 비교적 높은 농도로 인해 (예를 들어, 선형 중합체라기보다는) 가교결합된 재료일 것임이 이해될 것이다. 2가 금속은 IUPAC 주기율표의 2족 또는 6족 내지 12족으로부터 선택된다. 금속-함유 중합체 재료를 사용하여 분자량이 150 g/mol 이하인 공기 중에 부유하는 염기성 질소-함유 화합물을 포집할 수 있다. 이러한 포집으로 금속 착물-함유 중합체 재료가 형성된다. 금속-함유 중합체 재료는 염기성 질소 함유 화합물에 노출 시에 종종 색이 변한다.
용어 "2가 금속"은 산화 상태가 +2인 금속을 지칭한다. 2가 금속은 전형적으로 IUPAC 주기율표 2족 또는 6족 내지 12족으로부터 유래한다. 혼동을 피하기 위하여, 2족의 가장 가벼운 구성원은 베릴륨이고, 6족의 가장 가벼운 구성원은 크로뮴이며, 7족의 가장 가벼운 구성원은 망간이고, 8족의 가장 가벼운 구성원은 철이며, 9족의 가장 가벼운 구성원은 코발트이고, 10족의 가장 가벼운 구성원은 니켈이며, 11족의 가장 가벼운 구성원은 구리이고, 12족의 가장 가벼운 구성원은 아연이다. 2가 금속은 금속 염, 금속 착물, 금속 산화물 등의 형태일 수 있다.
중합체 재료는 단량체 혼합물을 포함하는 중합성 조성물의 반응 생성물이다. 용어 "단량체 혼합물"은 단량체들을 포함하는 중합성 조성물의 그 부분을 지칭한다. 더 구체적으로, 단량체 혼합물은 적어도 다이비닐벤젠 및 말레산 무수물을 포함한다. 용어 "중합성 조성물"은 중합체 재료를 형성하기 위해 사용되는 반응 혼합물 내에 포함된 모든 재료를 포함한다. 중합성 조성물은, 예를 들어 단량체 혼합물, 유기 용매, 개시제, 및 다른 선택적 성분들을 포함한다. 중합성 조성물 내의 성분들 중 일부, 예컨대 유기 용매는 화학 반응을 거치지 않을 수 있지만 화학 반응 및 결과로서 형성된 중합체 재료에 영향을 줄 수 있다.
용어 "다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료"는 다이비닐벤젠, 말레산 무수물, 및 선택적으로 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 중합체 재료를 지칭한다. 용어 "스티렌-유형 단량체"는 스티렌, 알킬 치환된 스티렌(예를 들어, 에틸 스티렌), 또는 이들의 혼합물을 지칭한다. (그러한 단량체는 종종 다이비닐벤젠 내에 불순물로서 존재한다.) 전형적으로, 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 15 내지 65 중량% 및 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 35 내지 85 중량%, 또는 다이비닐벤젠과 스티렌-유형 단량체의 혼합물을 함유한다. 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위는 화학식 I을 갖거나, 화학식 II를 갖거나, 또는 이들의 혼합물인 단량체 단위일 수 있다. 즉, 이들 단량체 단위는 중합체 재료가 가수분해되는 정도에 따라 화학식 I에서와 같은 무수물 기 또는 화학식 II에서와 같은 2개의 카르복실 기를 가질 수 있다:
[화학식 I]
Figure pct00002
[화학식 II]
Figure pct00003
다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위는 화학식 III을 가지며, 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 것들은 화학식 IV를 갖는다:
[화학식 III]
Figure pct00004
[화학식 IV]
Figure pct00005
(여기서, R1은 수소 또는 알킬임). 화학식 I 내지 화학식 IV에서의 각각의 별표(*)는 다른 단량체 단위에 대한 또는 중합체 재료의 말단 기에 대한 부착 부위를 나타낸다.
중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 형태에 따라 가수분해되지 않거나, 부분 가수분해되거나, 완전 가수분해된 것으로 간주될 수 있다. 말레산으로부터 유도된 단량체 단위의 90 내지 100 중량%가 화학식 I을 가지고, 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 0 내지 10 중량% 미만이 화학식 II를 가지는 경우, 중합체 재료는 "가수분해되지 않은 것"으로 지칭될 수 있다. 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 10 내지 90 중량%가 화학식 I을 가지고, 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 10 내지 90 중량%가 화학식 II를 가지는 경우, 중합체 재료는 "부분 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료"로 지칭될 수 있다. 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 0 내지 10 중량% 미만이 화학식 I을 가지고, 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 90 초과 내지 100 중량%가 화학식 II를 가지는 경우, 중합체 재료는 "완전 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료"로 지칭될 수 있다. 그러나, 빈번하게, 2가 금속의 혼입 전에 가수분해되지 않거나 부분 가수분해된 중합체 재료는 2가 금속의 혼입 동안 약간 가수분해된다. 즉, 일반적으로 수용액에서 수행되는 2가 금속의 혼입은 화학식 I의 단량체 단위를 갖는 중합체 재료를 약간 가수분해할 수 있다. 2가 금속의 혼입은 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 부분 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료로 변화시킬 수 있거나, 부분 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 추가로 가수분해할 수 있다.
중합체 재료는 적어도 다이비닐벤젠, 말레산 무수물, 및 선택적인 스티렌-유형 단량체를 포함하는 단량체 혼합물을 포함하는 중합성 조성물로부터 제조된다.
(용어 "스티렌-유형 단량체"는 스티렌, 알킬 치환된 스티렌(예를 들어, 에틸 스티렌), 또는 이들의 혼합물을 지칭하며, 이러한 단량체는 종종 다이비닐벤젠 내에 불순물로서 존재한다.) 이어서, 생성된 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 2가 금속으로 처리할 수 있다. 대안적으로, 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료 내의 무수물 기의 전부 또는 임의의 부분을 가수분해제로 처리하여, 부분 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료, 또는 이어서 2가 금속으로 처리되는 완전 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 제조한다.
이어서 2가 금속과 혼입되는 중합체 재료는 전형적으로 다공성이다. 더욱 구체적으로, 다이비닐벤젠 가교결합제의 양, 말레산 무수물의 양, 선택적 스티렌-유형 단량체의 양 및 가수분해되지 않은 중합체 재료를 제조하는 데 사용되는 유기 용매는 다공성인 중합체 재료를 제조하도록 신중하게 선택된다. 다공성 재료는 그의 기공의 크기에 기초하여 특성화될 수 있다. 용어 "미세기공"은 2 나노미터 미만의 직경을 갖는 기공을 지칭한다. 용어 "메소기공"은 2 내지 50 나노미터 범위의 직경을 갖는 기공을 지칭한다. 용어 "거대기공"은 50 나노미터 초과의 직경을 갖는 기공을 지칭한다. 특히, 적어도 2가 금속의 혼입 전에, 중합체 재료는 일반적으로 미세기공 및/또는 메소기공의 크기 범위의 기공을 갖는다.
중합체 재료의 다공도는 극저온 조건 하에서의 다공성 재료에 의한 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스의 흡착 등온선으로부터 특성화될 수 있다. 흡착 등온선은 전형적으로 약 10-6 내지 약 0.98 범위의 다수의 상대 압력에서 다공성 재료에 의한 불활성 가스의 흡착을 측정함으로써 얻어진다. 이어서, 비표면적(예컨대, BET 비표면적) 및 총 기공 부피를 계산하기 위해 다양한 방법을 사용하여 등온선을 분석한다. 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 합성하는 데 사용되는 조건은, 2가 금속이 그 안에 함침된 후에도, 적어도 15 m2/g, 적어도 20 m2/g, 적어도 25 m2/g, 또는 적어도 50 m2/g의 BET 비표면적을 나타낼 수 있는 다공성 중합체 재료를 생성하도록 선택된다.
용어 "표면적"은 접근가능한 기공들의 내부 표면을 포함한 재료의 표면의 총 면적을 지칭한다. 표면적은 전형적으로 상대 압력 범위에 걸쳐 극저온 조건(즉, 77 °K) 하에서 재료의 표면 상에 흡착되는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스의 양을 측정함으로써 얻어진 흡착 등온선으로부터 계산된다. 용어 "BET 비표면적"은, 전형적으로 BET 방법(브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller) 방법)을 사용하여 0.05 내지 0.3의 상대 압력 범위에 걸쳐 불활성 가스의 흡착 등온선 데이터로부터 계산되는 재료의 g당 표면적이다.
가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 적어도 말레산 무수물 및 다이비닐벤젠을 포함하고, 스티렌-유형 단량체를 포함할 수 있는 단량체 혼합물로부터 합성된다. 전형적으로, 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 15 내지 65 중량% 및 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 35 내지 85 중량%, 또는 다이비닐벤젠과 스티렌-유형 단량체의 혼합물을 함유한다. 더 특히, 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물을 형성하는 데 사용되는 단량체 혼합물은 전형적으로 1) 15 내지 65 중량%의 말레산 무수물, 2) 30 내지 85 중량%의 다이비닐벤젠, 및 3) 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)의 스티렌-유형 단량체를 포함하며, 여기서 스티렌-유형 단량체는 스티렌, 알킬 치환된 스티렌, 또는 이들의 조합이다. 각각의 단량체의 양은 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 한다.
가수분해되지 않은 중합체 재료를 제조하기 위해 단량체 혼합물에 사용되는 말레산 무수물의 양은 중합체 재료에 혼입될 수 있는 2가 금속의 양에 영향을 준다. 말레산 무수물의 양이 너무 낮은 경우(예를 들어, 단량체 혼합물 내의 단량체들의 15 중량% 미만인 경우), 금속-함유 중합체 재료 내의 2가 금속의 양은 너무 낮아서 화학식 Q의 염기성 질소-함유 화합물을 효과적으로 그리고 효율적으로 포집할 수 없다. 다른 한편으로, 말레산 무수물의 양이 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 65 중량% 또는 60 중량%를 초과하는 경우, 중합체 재료는 BET 비표면적이 충분히 높지 않을 수 있다. BET 비표면적이 너무 낮은 경우, 중합체 재료는 적합한 양의 2가 금속을 혼입시키기에 충분한 다공도를 갖지 않을 수 있다.
일부 실시 형태에서, 단량체 혼합물 내의 말레산 무수물의 양은 적어도 15 중량%, 적어도 20 중량%, 적어도 25 중량%, 적어도 30 중량%, 적어도 35 중량%, 또는 적어도 40 중량%이다. 말레산 무수물의 양은 최대 65 중량%, 최대 62 중량%, 최대 61 중량%, 최대 60 중량%, 최대 55 중량%, 최대 50 중량%, 최대 45 중량%, 또는 최대 40 중량%일 수 있다. 예를 들어, 그 양은 15 내지 65 중량%, 15 내지 60 중량%, 20 내지 60 중량%, 25 내지 60 중량%, 30 내지 60 중량%, 35 내지 60 중량%, 40 내지 60 중량%, 15 내지 55 중량%, 15 내지 50 중량%, 15 내지 45 중량%, 20 내지 50 중량%, 20 내지 45 중량%, 25 내지 50 중량% 또는 25 내지 45 중량%의 범위일 수 있다. 이들 양은 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 한다.
달리 말하면, 중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 15 내지 65 중량%를 함유한다. 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위는 화학식 I을 갖거나, 화학식 II를 갖거나, 또는 둘 모두이다. 화학식 I과 화학식 II의 상대량은 발생된 가수분해도에 따라 달라질 수 있다. 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위의 양은, 예를 들어, 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 15 내지 60 중량%, 20 내지 60 중량%, 25 내지 60 중량%, 30 내지 60 중량%, 35 내지 60 중량%, 40 내지 60 중량%, 15 내지 55 중량%, 15 내지 50 중량%, 15 내지 45 중량%, 20 내지 50 중량%, 20 내지 45 중량%, 25 내지 50 중량% 또는 25 내지 45 중량%의 범위일 수 있다.
다이비닐벤젠 가교결합제의 양은, 가수분해되지 않은 것이든지, 부분 가수분해된 것이든지, 완전 가수분해된 것이든지 간에 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료의 BET 비표면적에 크게 영향을 줄 수 있다. 다이비닐벤젠은 높은 가교결합 밀도에 그리고 미세기공 및/또는 메소기공을 갖는 가교결합된 강성 중합체 재료의 형성에 기여한다. BET 비표면적은 단량체 혼합물 내의 다이비닐벤젠의 양이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다. 단량체 혼합물 내의 다이비닐벤젠의 양이 30 중량% 미만인 경우, 중합체 재료는 충분히 높은 BET 비표면적을 갖지 않을 수 있는데, 이는, 중합체 재료가 완전 가수분해되는 경우에 특히 그러하다. 다른 한편으로, 다이비닐벤젠의 양이 85 중량% 초과인 경우, 무수물 및/또는 카르복실산 함량이 원하는 양의 2가 금속을 혼입하기에 충분하지 않을 수 있다.
일부 실시 형태에서, 다이비닐벤젠의 양은 적어도 30 중량%, 적어도 35 중량%, 적어도 40 중량%, 적어도 45 중량%, 적어도 50 중량%, 적어도 55 중량%, 또는 적어도 60 중량%이다. 다이비닐벤젠의 양은 최대 85 중량%, 최대 80 중량%, 최대 75 중량%, 최대 70 중량%, 또는 최대 65 중량%일 수 있다. 예를 들어, 다이비닐벤젠은 30 내지 85 중량%, 30 내지 80 중량%, 30 내지 75 중량%, 30 내지 70 중량%, 30 내지 60 중량%, 30 내지 55 중량%, 30 내지 50 중량%, 40 내지 80 중량%, 50 내지 80 중량%, 40 내지 75 중량%, 50 내지 75 중량% 또는 55 내지 75 중량%의 범위일 수 있다. 이들 양은 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 한다.
달리 말하면, 중합체 재료는 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 30 내지 85 중량%를 함유한다. 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위의 양은, 예를 들어, 30 내지 80 중량%, 30 내지 75 중량%, 30 내지 70 중량%, 30 내지 60 중량%, 30 내지 55 중량%, 30 내지 50 중량%, 40 내지 80 중량%, 50 내지 80 중량%, 40 내지 75 중량%, 50 내지 75 중량% 또는 55 내지 75 중량%의 범위일 수 있다. 그 양은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 한다.
다이비닐벤젠은 순수한 형태로 얻기가 어려울 수 있다. 예를 들어, 다이비닐벤젠은 종종 55 중량%라는 낮은 순도로 구매가능하다. 순도가 약 80 중량% 초과인 다이비닐벤젠을 얻는 것은 비용이 많이 들 수 있다. 다이비닐벤젠에 동반되는 불순물은 전형적으로 스티렌, 알킬 치환된 스티렌(예를 들어, 에틸 스티렌), 또는 이들의 혼합물과 같은 스티렌-유형 단량체이다. 따라서, 스티렌-유형 단량체가 종종 다이비닐벤젠 및 말레산 무수물과 함께 단량체 혼합물 내에 존재한다. 단량체 혼합물은 전형적으로 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)의 스티렌-유형 단량체를 함유한다. 스티렌-유형 단량체의 함량이 40 중량% 초과인 경우, 가교결합 밀도가 너무 낮을 수 있고/있거나 가교결합 사이의 거리가 너무 커서 원하는 BET 비표면적을 갖는 중합체 재료를 제공할 수 없을 수 있다. 이는 중합체 재료가 완전 가수분해되는 상황에서 특히 그러하다. 가교결합 밀도가 감소함에 따라, 생성된 중합체 재료는 덜 강성이고 덜 다공성인 경향이 있다.
일부 실시 형태에서, 스티렌-유형 단량체의 양은 적어도 1 중량%, 적어도 2 중량%, 적어도 5 중량%, 또는 적어도 10 중량%이다. 스티렌-유형 단량체의 양은 최대 40 중량%, 최대 35 중량%, 최대 30 중량%, 또는 최대 25 중량%일 수 있다. 예를 들어, 단량체 혼합물 내의 스티렌-유형 단량체의 양은 0 내지 40 중량%, 1 내지 40 중량%, 5 내지 40 중량%, 1 내지 30 중량%, 5 내지 30 중량%, 1 내지 20 중량%, 5 내지 20 중량%, 5 내지 15 중량%, 10 내지 40 중량% 또는 10 내지 30 중량%의 범위일 수 있다. 이들 양은 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 한다.
달리 말하면, 중합체 재료는 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 단량체 단위 0 내지 40 중량%를 함유할 수 있다. 예를 들어, 그 양은 1 내지 40 중량%, 5 내지 40 중량%, 1 내지 30 중량%, 5 내지 30 중량%, 1 내지 20 중량%, 5 내지 20 중량%, 5 내지 15 중량%, 10 내지 40 중량% 또는 10 내지 30 중량%의 범위일 수 있다. 그 양은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 한다.
전체적으로, 단량체 혼합물은 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 15 내지 65 중량%의 말레산 무수물, 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 30 내지 85 중량%의 다이비닐벤젠 및 단량체 혼합물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)의 스티렌-유형 단량체를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 단량체 혼합물은 25 내지 60 중량%의 말레산 무수물, 30 내지 75 중량%의 다이비닐벤젠, 및 1 내지 30 중량%의 스티렌-유형 단량체를 함유한다. 다른 실시 형태에서, 단량체 혼합물은 30 내지 60 중량%의 말레산 무수물, 30 내지 60 중량%의 다이비닐벤젠, 및 5 내지 20 중량%의 스티렌-유형 단량체를 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, 단량체 혼합물은 40 내지 60 중량%의 말레산 무수물, 30 내지 50 중량%의 다이비닐벤젠, 및 5 내지 15 중량%의 스티렌-유형 단량체를 함유한다.
단량체 혼합물은 전형적으로 말레산 무수물, 다이비닐벤젠, 및 스티렌-유형 단량체로부터 선택되는 단량체들을 적어도 95 중량% 함유한다. 예를 들어, 단량체 혼합물 내의 단량체들의 적어도 97 중량%, 적어도 98 중량%, 적어도 99 중량%, 적어도 99.5 중량%, 또는 적어도 99.9 중량%는 말레산 무수물, 다이비닐벤젠, 및 스티렌-유형 단량체로부터 선택된다. 많은 실시 형태에서, 단량체 혼합물에 의도적으로 첨가된 단량체들은 단지 말레산 무수물 및 다이비닐벤젠뿐이며, 임의의 다른 단량체는 (스티렌-유형 단량체를 포함하여) 말레산 무수물 및 다이비닐벤젠 내의 불순물로서 존재한다.
즉, 중합체 재료는 전형적으로 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 15 내지 65 중량%, 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 30 내지 85 중량% 및 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)를 함유한다. 다른 실시 형태에서, 중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 25 내지 60 중량%, 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 30 내지 75 중량% 및 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 단량체 단위 1 내지 30 중량%(또는 10 내지 30 중량%)를 함유한다. 다른 실시 형태에서, 중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 30 내지 60 중량%, 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 30 내지 65 중량% 및 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 단량체 단위 5 내지 20 중량%(또는 10 내지 20 중량%)를 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, 중합체 재료는 말레산 무수물로부터 유도된 단량체 단위 40 내지 60 중량%, 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위 30 내지 55 중량% 및 스티렌-유형 단량체로부터 유도된 단량체 단위 5 내지 20 중량%(또는 10 내지 20 중량%)를 함유한다.
단량체 혼합물에 더하여, 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 형성하는 데 사용되는 중합성 조성물은 유기 용매를 포함한다. 중합성 조성물은 중합 전에 단일 상(single phase)이다. 달리 말하면, 중합 전에, 중합성 조성물은 현탁액이 아니다. 유기 용매는 단량체 혼합물 내에 포함된 단량체들을 용해시키도록 그리고 중합체 재료가 형성되기 시작함에 따라 그것을 가용화하도록 선택된다.
유기 용매는 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료가 형성됨에 따라 포로겐으로서 기능할 수 있다. 유기 용매의 선택은 가수분해되지 않은 중합체 재료 내에 형성된 기공들의 크기 및 BET 비표면적에 강하게 영향을 줄 수 있다. 단량체 및 형성 중합체 모두와 혼화성인 유기 용매를 사용하면 미세기공 및 메소기공을 갖는 중합체 재료를 형성하는 경향이 있다. 단량체 및 형성 중합체에 양호한 용매는 최종 중합체 재료의 다공도의 더 큰 부분이 미세기공 및 메소기공의 형태인 경향이 있다.
단량체 및 형성 중합체 재료를 모두 용해시킬 수 있는 유기 용매는 케톤, 에스테르, 아세토니트릴 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 다른 유기 용매가 이들 유기 용매 중 하나 이상과 함께 첨가되어, (임의의 가수분해 전의) 생성되는 중합체 재료가, 예를 들어 적어도 100 m2/g의 BET 비표면적을 나타내도록 제공한다. 적합한 케톤의 예에는 알킬 케톤, 예컨대 메틸 에틸 케톤 및 메틸 아이소부틸 케톤이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 적합한 에스테르의 예에는 아세테이트 에스테르, 예컨대 아세트산에틸, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 아밀 아세테이트 및 tert-부틸 아세테이트가 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
유기 용매는 임의의 원하는 양으로 사용될 수 있다. 중합성 조성물은 종종 % 고형물이 1 내지 70 중량%의 범위이다. % 고형물이 너무 낮은 경우, 중합 시간은 바람직하지 않게 길어질 수 있다. % 고형물은 종종 적어도 1 중량%, 적어도 2 중량%, 적어도 5 중량%, 적어도 10 중량%, 또는 적어도 15 중량%이다. 그러나, % 고형물이 너무 큰 경우, 단량체는 유기 용매와 단일 상을 형성하지 않는다. 또한, % 고형물이 증가하면 더 큰 직경의 기공을 형성하는 경향이 있고, 결과적으로 중합체 재료는 BET 비표면적이 더 낮은 경향이 있다. % 고형물은 최대 70 중량%, 최대 65 중량%, 최대 60 중량%, 최대 50 중량%, 최대 40 중량%, 최대 30 중량%, 또는 최대 25 중량%일 수 있다. 예를 들어, % 고형물은 5 내지 70 중량%, 5 내지 60 중량%, 10 내지 60 중량%, 20 내지 60 중량% 또는 25 내지 50 중량%의 범위일 수 있다.
단량체 혼합물 및 유기 용매에 더하여, 중합성 조성물은 전형적으로 자유 라디칼 중합 반응을 위한 개시제를 포함한다. 임의의 적합한 자유 라디칼 개시제가 사용될 수 있다. 적합한 자유 라디칼 개시제는 전형적으로 중합성 조성물 내에 포함된 단량체들과 혼화성이 되도록 선택된다. 일부 실시 형태에서, 자유 라디칼 개시제는 실온(본 명세서에서 20 내지 25℃로 정의됨)보다 높은 온도에서 활성화될 수 있는 열 개시제이다. 다른 실시 형태에서, 자유 라디칼 개시제는 산화환원(redox) 개시제이다. 중합 반응은 자유 라디칼 반응이기 때문에, 중합성 조성물 내의 산소의 양을 최소화하는 것이 바람직하다.
개시제의 유형 및 양 둘 모두가 중합 속도에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로, 개시제의 양의 증가는 BET 비표면적을 낮추는 경향이 있지만; 개시제의 양이 너무 낮은 경우, 단량체들의 중합체 재료로의 높은 전환율을 얻는 것이 어려울 수 있다. 자유 라디칼 개시제는 전형적으로 0.05 내지 10 중량%, 0.05 내지 8 중량%, 0.05 내지 5 중량%, 0.1 내지 10 중량%, 0.1 내지 8 중량%, 0.1 내지 5 중량%, 0.5 내지 10 중량%, 0.5 내지 8 중량%, 0.5 내지 5 중량%, 1 내지 10 중량%, 1 내지 8 중량%, 또는 1 내지 5 중량% 범위의 양으로 존재한다. 중량%는 중합성 조성물 내의 단량체들의 총 중량을 기준으로 한다. 적합한 열 개시제에는 유기 과산화물, 아조 화합물, 및 산화환원 개시제가 포함된다. 잠재적으로 유용한 열 개시제가 국제(PCT) 출원 PCT/US2016/030974호 및 미국 가특허 출원 제62/298089호에 상세히 열거되고 논의되어 있으며, 이들 둘 모두는 본 명세서에 참고로 포함된다.
중합성 조성물에는 전형적으로 계면활성제가 없거나 실질적으로 없다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 계면활성제와 관련하여 용어 "실질적으로 없는"은 계면활성제가 중합성 조성물에 의도적으로 첨가되지 않고 존재할 수 있는 어떠한 계면활성제도 중합성 조성물의 성분들 중 하나 중에 존재하는 불순물(예를 들어, 유기 용매 중에 또는 단량체들 중 하나 중에 존재하는 불순물)의 결과임을 의미한다. 중합성 조성물은 전형적으로 중합성 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 미만, 0.3 중량% 미만, 0.2 중량% 미만, 0.1 중량% 미만, 0.05 중량% 미만, 또는 0.01 중량% 미만의 계면활성제를 함유한다. 계면활성제의 부재가 유리한데, 이들 재료는 다공성 재료 내의 미세기공 및 메소기공에 대한 접근을 제한하고, 일부 경우에는 이를 충전하는 경향이 있기 때문이다. 계면활성제의 존재는 저분자량의 염기성 분자를 흡착하는 금속-함유 중합체 재료의 능력을 감소시킬 수 있다.
중합성 조성물이 자유 라디칼 개시제의 존재 하에서 가열될 때, 단량체 혼합물 내의 단량체들의 중합이 일어난다. 단량체 혼합물 내의 각각의 단량체의 양의 균형을 맞춤으로써 그리고 모든 단량체들 및 성장하는 중합체 재료의 초기 형성 단계 동안 그를 가용화할 수 있는 유기 용매를 선택함으로써, BET 비표면적이 적어도 100 m2/g을 나타내는 가수분해되지 않은 중합체 재료가 제조될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 가수분해되지 않은 중합체의 BET 비표면적은 적어도 150 m2/g, 적어도 200 m2/g, 적어도 250 m2/g, 또는 적어도 300 m2/g일 수 있다. BET 비표면적은, 예를 들어 최대 1000 m2/g 또는 그 이상, 최대 900 m2/g, 최대 800 m2/g, 최대 750 m2/g, 또는 최대 700 m2/g일 수 있다.
높은 BET 비표면적은 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료 내의 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 적어도 부분적으로 기인한다. 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료의 아르곤 흡착 등온선은 0.1 미만의 상대 압력에서 상당한 흡착이 있음을 나타내는데, 이는 미세기공이 존재함을 시사한다. 최대 약 0.95의 더 높은 상대 압력에서는 흡착이 증가된다. 이러한 증가는 메소기공의 폭넓은 분포를 나타낸다. 일부 실시 형태에서, BET 비표면적의 적어도 20%는 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 기인한다. 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 기인하는 BET 비표면적의 백분율은 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 또는 적어도 60%일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 기인하는 BET 비표면적의 백분율은 최대 90% 또는 그 이상, 최대 80% 또는 그 이상, 또는 최대 75% 또는 그 이상일 수 있다.
가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 형성된 그대로의 입자형(예를 들어, 과립형)일 수 있으며, 필요하다면, 금속-함유 중합체 재료를 형성하는 2가 금속을 혼입하는 데 사용되는 중합체 재료로 직접 사용될 수 있다. 대안적으로, 가수분해되지 않은 중합체 재료를 가수분해제로 처리하여, 부분 또는 완전 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 얻을 수 있다. 가수분해제는 말레산 무수물 단위와 반응하여, 그 결과 2개의 카르복실산 기(-COOH 기)가 형성된다. 말레산 무수물 단위의 무수물 기(-(CO)-O-(CO)-)와 반응할 수 있는 임의의 적합한 가수분해제가 사용될 수 있다. 많은 실시 형태에서, 가수분해제는 물 중에 용해된 염기성 물질과 같은 염기이다. 하나의 예시적인 염기성 물질은 알칼리 금속 수산화물, 예컨대 수산화나트륨(예를 들어, 수산화나트륨의 수용액)이다. 대안적으로, 가수분해제는 승온(예를 들어, 실온보다 높은 온도 내지 비등점)에서의 물 단독일 수 있거나, 또는 약간 승온(예를 들어, 실온보다 높은 온도 내지 약 80℃)에서의 묽은 산일 수 있다. 많은 실시 형태에서, 바람직한 가수분해제는 염기, 예컨대 알칼리 금속 수산화물이다. 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 물 또는 알코올, 예컨대 메탄올 중에 용해된 알칼리 금속 수산화물의 용액과 혼합된다. 혼합물은 수 시간(예를 들어, 4 내지 12시간) 동안 80℃ 부근의 온도에서 가열된다. 이어서, 가수분해된 중합체 재료는 염산으로 처리되어 임의의 카르복실레이트 염을 카르복실산 기로 전환시킬 수 있다.
가수분해되지 않거나, 부분 가수분해되거나, 완전 가수분해된 무수물 중합체 재료에 존재하는 단량체 단위의 관점에서 말할 때, 중합체 재료는 i) 화학식 I을 갖거나,
[화학식 I]
Figure pct00006
화학식 II를 갖거나,
[화학식 II]
Figure pct00007
또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%; ii) 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%; 및
[화학식 III]
Figure pct00008
iii) 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)를 함유한다:
[화학식 IV]
Figure pct00009
(여기서, R1은 수소 또는 알킬임). 화학식 I은 말레산 무수물로부터 유도된 가수분해되지 않은 단량체 단위에 상응한다. 이러한 가수분해되지 않은 단량체 단위는 무수물 기 (-(CO)-O-(CO)-)를 함유한다. 화학식 II는 말레산 무수물로부터 유도된 가수분해된 단량체 단위에 상응한다. 가수분해된 단량체 단위는 무수물 기 대신에 2개의 카르복실산 기 (-(CO)OH)를 갖는다. 화학식 III은 다이비닐벤젠으로부터 유도된 단량체 단위에 상응한다. 방향족 고리에 부착된 2개의 알킬렌 기는 서로 메타- 또는 파라- 위치에 있을 수 있다. 화학식 IV는 스티렌-유형 단량체 단위를 나타낸다. 기 R1은 수소 또는 알킬(예를 들어, 1 내지 4개의 탄소 원자 또는 2개의 탄소 원자를 갖는 알킬)이다. 많은 실시 형태에서, R1은 에틸이고, 화학식 IV의 단량체 단위는 다이비닐벤젠에 종종 존재하는 불순물인 에틸 스티렌으로부터 유도된다. R1 기는 종종 방향족 고리에 부착된 알킬렌 기에 대해 메타- 또는 파라- 위치에 있다. 화학식 I 내지 화학식 IV에서의 각각의 별표(*)는 다른 단량체 단위에 대한 또는 중합체 재료의 말단 기에 대한 부착 부위를 나타낸다. 각각의 제1, 제2 및 제3 단량체 단위의 양은 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 형성하는 데 사용되는 각각의 단량체의 양에 대해 전술된 바와 같다.
부분 또는 완전 가수분해된 경우, 중합체 재료는 카르복실산 기를 함유한다. pH가 충분히 높은 경우, 중합체 재료는 음으로 하전될 수 있다. 전형적으로, 중합체 재료 자체는 양으로 하전된 어떠한 기도 갖지 않는다.
가수분해된(예를 들어, 완전 가수분해된) 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료보다 작은 BET 비표면적을 갖는다. 무수물 기의 개방(opening)은 골격에서의 입체형태 자유도(conformational freedom)를 충분히 증가시킬 수 있으며, 그 결과 다공도를 감소시키게 된다. 게다가, 가수분해된 재료 내의 카르복실산들 사이의 수소 결합이 아마도 기공에 대한 접근을 제한 또는 차단할 수 있을 것이다. 가수분해된 중합체 재료의 BET 비표면적은 종종 가수분해되지 않은 중합체 재료의 BET 비표면적의 약 30 내지 80%, 30 내지 60%, 40 내지 80%, 또는 40 내지 60%이다. 이러한 감소로 인해, 최고로 가능한 BET 비표면적을 가지면서도 여전히 충분한 말레산 무수물 단위를 가져서 2가 금속의 충분한 혼입을 가능하게 하는 가수분해되지 않은 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료를 제조하는 것이 종종 바람직하다.
가수분해된(예를 들어, 완전 가수분해된) 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료는 전형적으로 BET 비표면적이 적어도 50 m2/g, 또는 적어도 100 m2/g을 나타낸다. 일부 실시 형태에서, BET 비표면적은 적어도 150 m2/g, 적어도 175 m2/g, 적어도 200 m2/g, 적어도 225 m2/g, 적어도 250 m2/g, 또는 적어도 300 m2/g이다. BET 비표면적은 최대 600 m2/g 또는 그 이상, 최대 500 m2/g, 또는 최대 400 m2/g일 수 있다. 일부 실시 형태에서, BET 비표면적은 50 내지 600 m2/g의 범위, 75 내지 600 m2/g의 범위, 100 내지 600 m2/g의 범위 또는 200 내지 600 m2/g의 범위이다.
가수분해된(예를 들어, 완전 가수분해된) 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료의 아르곤 흡착 등온선은 0.1 미만의 상대 압력에서 약간의 흡착이 있음을 나타내는데, 이는 미세기공이 존재함을 시사한다. 최대 약 0.95의 더 높은 상대 압력에서는 흡착이 증가된다. 이러한 증가는 메소기공의 폭넓은 분포를 나타낸다. 일부 실시 형태에서, BET 비표면적의 적어도 20%는 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 기인한다. 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 기인하는 BET 비표면적의 백분율은 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 또는 적어도 60%일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 미세기공 및/또는 메소기공의 존재에 기인하는 BET 비표면적의 백분율은 최대 90% 또는 그 이상, 최대 80% 또는 그 이상, 또는 최대 75% 또는 그 이상일 수 있다. 많은 실시 형태에서, BET 비표면적은 메소기공의 존재에 주로 기인한다.
중합체 재료(즉, 가수분해되지 않거나, 부분 가수분해되거나, 완전 가수분해된 다이비닐벤젠/말레산 무수물 중합체 재료)의 형성 후에, 2가 금속이 중합체 재료에 혼입된다. 2가 금속은 전형적으로 중합체 재료를 물에 용해된 금속 염의 용액으로 처리함으로써 혼입된다. 금속 염은 2가 금속(즉, +2 산화 상태인 금속)인 양이온 및 음이온을 함유한다. 적합한 금속 이온(2가 금속)은 전형적으로 주기율표의 2족 또는 6족 내지 12족으로부터 유래한다. 예시적인 2가 금속은 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 아연, 망간, 카드뮴, 철, 마그네슘, 칼슘, 바륨 또는 이들의 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 많은 실시 형태에서, 2가 금속은 6족 내지 12 금속, 예컨대 크롬, 니켈, 코발트, 구리, 아연, 철 또는 이들의 혼합물이다. 일부 특정 실시 형태에서, 2가 금속은 구리, 코발트, 아연 또는 니켈이다. 일부 더욱 더 특정한 실시 형태에서, 2가 금속은 아연 또는 구리이다. 2가 금속은 적어도 하나의 2가 금속을 의미하며; 이에 따라, 임의의 상기 2가 금속들의 혼합물이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
금속 염은 전형적으로 물에 용해될 수 있는 것들로부터 선택된다. 금속 염의 음이온은 종종 할라이드(예를 들어, 클로라이드), 니트레이트, 설페이트, 카르복실레이트(예를 들어, 아세테이트, 포르메이트 및 프로파노에이트), 또는 할로겐-치환된 카르복실레이트(예를 들어, 클로로아세테이트, 다이클로로아세테이트, 및 클로로-치환된 프로파노에이트)이다. 많은 실시 형태에서, 음이온은 클로라이드, 아세테이트, 또는 니트레이트이다.
구체적인 금속 염의 예에는 아연 아세테이트, 구리 아세테이트, 니켈 아세테이트, 코발트 아세테이트, 철 아세테이트, 망간 아세테이트, 크롬 아세테이트, 카드뮴 아세테이트, 아연 포르메이트, 구리 포르메이트, 니켈 포르메이트, 코발트 포르메이트, 철 포르메이트, 망간 포르메이트, 카드뮴 포르메이트, 아연 프로파노에이트, 구리 프로파노에이트, 니켈 프로파노에이트, 코발트 프로파노에이트, 철 프로파노에이트, 망간 프로파노에이트, 카드뮴 프로파노에이트, 아연 클로로아세테이트, 구리 클로로아세테이트, 니켈 클로로아세테이트, 코발트 클로로아세테이트, 철 클로로아세테이트, 망간 클로로아세테이트, 카드뮴 클로로아세테이트, 아연 다이클로로아세테이트, 구리 다이클로로아세테이트, 니켈 다이클로로아세테이트, 코발트 다이클로로아세테이트, 철 다이클로로아세테이트, 망간 다이클로로아세테이트, 카드뮴 다이클로로아세테이트, 염화아연, 염화구리, 염화니켈, 염화코발트, 염화철, 염화망간, 염화카드뮴, 염화크롬, 염화마그네슘, 황산아연, 황산구리, 황산니켈, 황산코발트, 황산철, 황산망간, 황산카드뮴, 질산아연, 질산구리, 질산니켈, 질산코발트, 질산철 등이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 필요하다면, 이들 중 임의의 것의 혼합물이 사용될 수 있다.
2가 금속은 전형적으로 중합체 재료를 물에 용해된 금속 염의 용액으로 처리함으로써 혼입된다. 금속 염 용액의 농도는 종종 0.1 내지 10 몰/리터의 범위이다. 일부 실시 형태에서, 그 농도는 0.5 내지 10 mol/L의 범위, 1 내지 10 mol/L의 범위, 1 내지 8 mol/L의 범위, 2 내지 8 mol/L의 범위 또는 3 내지 6 mol/L의 범위이다. 생성된 용액은 중합체 재료와 혼합된다. 금속 염의 양은 전형적으로 2가 금속의 몰이 중합체 재료에서 무수물, 카르복실 기(-COOH 기) 또는 둘 모두의 몰에 비해 과량이 되도록 첨가된다.
금속 염 용액과 중합체 재료의 혼합 시간은 종종 최대 1시간, 최대 2시간, 최대 4시간, 최대 8시간, 최대 16시간, 최대 24시간 또는 최대 48시간이다. 혼합 온도는 실온이거나 그보다 높을 수 있다. 이어서, 금속-함유 중합체 재료는 물에서 분리되어 건조된다. 임의의 적합한 건조 방법이 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 금속-함유 중합체 재료는 80℃ 내지 120℃로 설정된 오븐에서 진공 하에서 건조된다. 가수분해되지 않은 중합체 재료 또는 부분 가수분해된 중합체 재료에 2가 금속을 혼입하는 공정은, 무수물 기의 적어도 일부분을 약간 가수분해하거나 추가로 가수분해할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 생성된 금속-함유 중합체 재료는 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 10 중량%의 2가 금속을 함유한다. 2가 금속의 양은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 15 중량%, 적어도 20 중량%, 적어도 25 중량%, 적어도 30 중량%, 적어도 40 중량% 또는 적어도 50 중량%일 수 있다. 금속-함유 중합체 재료는 2가 금속을 최대 100 중량% 또는 그 이상 포함할 수 있다(즉, 2가 금속의 중량은 중합체 재료의 중량과 같거나 이를 초과할 수 있다). 예를 들어, 그 양은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 최대 90 중량%, 최대 80 중량%, 최대 75 중량%, 최대 70 중량%, 최대 60 중량%, 또는 최대 50 중량%일 수 있다. 예를 들어, 그 양은 종종 10 내지 100 중량%, 10 내지 80 중량%, 10 내지 60 중량%, 10 내지 50 중량%, 10 내지 40 중량%, 10 내지 30 중량%, 15 내지 60 중량%, 15 내지 50 중량%, 15 내지 40 중량%, 15 내지 30 중량%, 20 내지 60 중량%, 20 내지 50 중량%, 20 내지 40 중량% 또는 20 내지 30 중량%의 범위이다.
다른 실시 형태에서 또는 달리 말하면, 생성된 금속-함유 중합체 재료는 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol(밀리몰)의 2가 금속을 함유한다. 2가 금속의 양은 중합체 재료 1 g당 적어도 2.0 mmol, 적어도 2.25 mmol, 적어도 3.0 mmol, 적어도 3.75 mmol, 적어도 4.0 mmol, 적어도 4.5 mmol, 적어도 5 mmol, 적어도 6.0 mmol, 적어도 7 mmol, 또는 적어도 7.5 mmol일 수 있다. 금속-함유 중합체 재료는 2가 금속을 1 g당 최대 15 mmol 또는 그 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 그 양은 중합체 재료 1 g당 최대 14 mmol, 최대 13.5 mmol, 최대 13 mmol, 최대 12 mmol, 최대 11.25 mmol, 최대 11 mmol, 최대 10.5 mmol, 최대 10 mmol, 최대 9 mmol, 최대 8 mmol, 또는 최대 7.5 mmol일 수 있다. 예를 들어, 그 양은 종종 중합체 재료 1 g당 1.5 내지 15 mmol, 1.5 내지 12 mmol, 1.5 내지 9 mmol, 1.5 내지 7.5 mmol, 1.5 내지 6 mmol, 1.5 내지 4.5 mmol, 2.25 내지 9 mmol, 2.25 내지 7.5 mmol, 2.25 내지 6 mmol, 2.25 내지 5 mmol, 2.25 내지 4.5 mmol, 3.0 내지 9 mmol, 3.0 내지 7.5 mmol, 3.0 내지 6 mmol 또는 3.0 내지 4.5 mmol의 범위이다.
요약하면, 금속-함유 중합체 재료는 a) 중합체 재료 및 b) 중합체 재료의 중량을 기준으로 적어도 10 중량%(또는 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol)의 양으로 중합체 재료에 혼입된(즉, 그 상에 수착된) 2가 금속을 포함한다. 중합체 재료는, i) 화학식 I을 갖거나,
[화학식 I]
Figure pct00010
화학식 II를 갖거나,
[화학식 II]
Figure pct00011
또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%; ii) 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%; 및
[화학식 III]
Figure pct00012
iii) 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)를 함유한다:
[화학식 IV]
Figure pct00013
(여기서, R1은 수소 또는 알킬임).
일부 실시 형태에서, 금속-함유 중합체 재료는 산-염기 지시약을 추가로 포함한다. 산-염기 비색 지시약(즉, 산성 형태로부터 염기성 형태로 변할 때 색이 변하는 염료(전형적으로 유기 염료))은 종종 2가 금속과 동시에 첨가된다. 산-염기 비색 지시약은 전형적으로 수착되는 질소-함유 화합물의 염기성도가 산-염기 비색 지시약을 이의 산성 형태에서 염기성 형태로 바꾸기 충분하도록 선택된다.
적절한 산-염기 비색 지시약의 선택에서의 추가의 고려 사항은 모든 또는 거의 모든 2가 금속의 질소-함유 화합물의 수착능(sorptive capacity)이 소진될 때까지 산-염기 지시약이 색을 변화시키지 않도록 2가 금속보다 질소-함유 화합물에 대해 충분히 낮은 친화성을 갖는 산-염기 지시약을 선택하는 것을 포함한다. 즉, 산-염기 비색 지시약은 이용가능한 2가 금속 원자의 전부 또는 상당 부분이 질소-함유 화합물의 수착능을 소진하였을 때 제1 색에서 제2 색으로 변하도록 선택된다. 색의 변화는 질소-함유 화합물의 수착을 위한 중합체 수착제의 용량에 도달하였거나 거의 도달하였다는 신호이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "거의 도달한"은 용량의 적어도 60% 또는 그 이상에 도달하였음(즉, 이용가능한 수착 부위의 적어도 60% 또는 그 이상이 질소-함유 화합물의 수착에 사용되었음)을 의미한다. 예를 들어, 수착 부위의 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 적어도 95%가 질소-함유 화합물의 수착에 사용되었다.
산-염기 비색 지시약을 선택할 때 마지막 고려 사항은 금속-함유 중합체 재료의 고유 색을 고려하는 것을 포함한다. 다공성 중합체 재료에 혼입되는 경우 일부 2가 금속은 생성된 금속-함유 중합체 재료에 색을 부여한다(즉, ZnCl2 금속-함유 중합체 재료는 분홍색이고, CuCl2 금속-함유 중합체 재료는 진회색/녹색이며, NiCl2 금속-함유 중합체 재료는 황갈색이다). 금속-함유 중합체 재료 자체의 고유할 수 있는 색 변화를 고려하여 산성 형태에서 염기성 형태로의 색 변화가 명백한 산-염기 비색 지시약을 선택하는 것이 중요할 수 있다. 보다 넓은 범위의 색의 비색 지시를 이용하기 위해, 일부 경우에는 일부 금속-함유 중합체 재료의 색 변화의 수분 민감성을 완화하기 위해, 질소-함유 화합물의 수착 시 고유의 색 변화를 겪는 금속-함유 중합체 재료에 대해서도 산-염기 지시약을 첨가하는 것이 유리할 수 있다.
예시적인 산-염기 비색 지시약에는 메틸 레드, 브로모자일레놀 블루, 파라로자닐린, 크리소이딘, 티몰 블루, 메틸 옐로우, 브로모페닐 블루, 콩고(Congo) 레드, 메틸 오렌지, 브로모크레졸 그린, 아졸리트민, 브로모크레졸 퍼플, 브로모티몰 블루, 페놀 레드, 뉴트럴(neutral) 레드, 나프톨프탈레인, 크레졸 레드, 페놀프탈레인 및 티몰프탈레인이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 산-염기 비색 지시약은 임의의 적합한 방법을 사용하여 중합체 수착제에 첨가될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 중합체 수착제는 산-염기 비색 지시약의 용액에 적어도 10분, 적어도 20분, 적어도 30분, 적어도 1시간, 적어도 2시간, 적어도 4시간 또는 적어도 8시간 동안 침지된다. 산-염기 비색 지시약의 용액은 종종 1 내지 10 mg/ml의 농도 범위이다. 종종, 약 0.5 g의 중합체 수착제가 약 10 ml의 용액에 침지된다.
중합체 재료는 가수분해되지 않거나, 부분 가수분해되거나, 완전 가수분해될 수 있지만, 일부 응용에서는 완전 가수분해된 중합체 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 가수분해된 중합체 재료는, 가수분해되지 않거나, 부분 가수분해된 중합체 재료는 시간에 따라 변할 수 있기 때문에, 이러한 재료보다 더 일관되게 수행할 수 있다(즉, 이들의 성능 특성을 변경시킬 수 있는 가수분해 또는 추가의 가수분해를 겪는 경향이 있다).
아연-함유, 코발트-함유, 니켈-함유 및 마그네슘-함유 중합체 재료를 포함하는 것과 같은 일부 실시 형태에서, 2가 금속은 이온성 화학종으로서 존재할 수 있다. 이온성인 2가 금속의 경우, 금속-함유 중합체 재료가 X-선 회절을 사용하여 분석되는 경우, 금속 화학종을 포함하는 결정질 상이 통상적으로 검출될 수 없다. 구리-함유 중합체 재료를 포함하는 것과 같은 다른 실시 형태에서, 2가 금속은 산화물로서 존재할 수 있다. 금속 산화물의 경우, 금속-함유 중합체 재료가 X-선 회절을 사용하여 분석되는 경우 결정질 상이 검출될 수 있다.
적외선 분광법을 사용하여 분석되는 경우, 2가 금속의 혼입 후에 중합체 재료에 대한 카르보닐 피크의 변화가 관찰될 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 하는 것은 아니지만, 2가 금속은 중합체 재료 내의 카르복실 기 또는 무수물 기와 결합할 수 있는 것으로(즉, 금속은 이와 상호작용할 수 있거나 배위결합할 수 있는 것으로) 여겨진다.
금속-함유 중합체 재료의 일부는 착색될 수 있다. 일부 착색된 예에는 아연 (II), 구리 (II) 및 니켈 (II)을 함유하는 것들이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 아연-함유 중합체 재료는 종종 분홍색이고, 구리-함유 중합체 재료는 종종 진회색을 띤 녹색이며, 니켈-함유 중합체 재료는 종종 황갈색이다.
금속-함유 중합체 재료는 전형적으로 상응하는 중합체 재료보다 낮은 BET 비표면적을 갖는다. 중합체 재료의 기공에 존재하는 2가 금속은 결과적으로 BET 비표면적을 감소시킨다. 많은 실시 형태에서, 2가 금속 함침 후의 다공성 중합체 재료의 BET 비표면적은 적어도 15 m2/g, 적어도 20 m2/g, 적어도 25 m2/g, 적어도 30 m2/g, 적어도 40 m2/g, 또는 적어도 50 m2/g일 수 있다.
형성하고 건조시키고, 임의의 적합한 방법에 의해 임의의 원하는 필터 지지체 상에 침착시킨 후에, 필터 지지체에 의해 지지된 수착 입자의 형태로 제공되는 금속-함유 다공성 중합체 재료는 공기 중에 부유하는 염기성 질소-함유 화합물을 포집하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 공기로부터의 염기성 질소-함유 화합물을 포집하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 본 명세서에 기재된 바와 같은 금속-함유 중합체 재료를 제공하는 단계, 및 이어서 금속-함유 중합체 재료를, 예를 들어 가스상 또는 증기상 형태의, 화학식 Q의 염기성 질소-함유 화합물을 잠재적으로 포함하는 공기에 노출시키는 단계를 포함한다. 금속 착물이 형성된다. 금속 착물은 상기에 정의된 바와 같은 2가 금속과 적어도 하나의 화학식 Q의 화합물의 반응 생성물을 포함한다.
2가 금속과 반응하여 금속 착물을 형성하는 화학식 Q의 염기성 질소-함유 화합물은 루이스 염기, 브뢴스테드-로우리 염기 또는 둘 모두로 분류일 수 있다. 적합한 염기성 질소-함유 화합물은 종종 저분자량(예를 들어, 150 g/mol 이하)을 갖는다. 즉, 염기성 질소-함유 화합물은 실온에서 또는 그 부분에서 휘발성일 수 있거나, 또는 사용 조건 하에서 휘발성일 수 있다. 염기성 질소-함유 화합물의 예에는 암모니아, 하이드라진 화합물, 아민 화합물(예를 들어, 알킬 아민, 다이알킬아민, 트라이알킬아민, 알칸올아민, 알킬렌 다이아민, 아릴아민), 및 질소-함유 헤테로사이클릭 (포화 및 불포화) 화합물이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 구체적인 염기성 질소-함유 화합물에는, 예를 들어 암모니아, 하이드라진, 메틸하이드라진, 메틸아민, 다이메틸아민, 트라이메틸아민, 에틸아민, 다이에틸아민, 트라이에틸아민, 프로필아민, 다이프로필아민, 트라이프로필아민, 아이소프로필아민, 다이아이소프로필아민, 트라이아이소프로필아민, 에탄올아민, 사이클로헥실아민, 모르폴린, 피리딘, 벤질아민, 페닐하이드라진, 에틸렌 다이아민, 및 1,3-프로판 다이아민이 포함된다.
염기성 질소-함유 화합물의 가스 또는 증기에 노출된 후에, 금속-함유 중합체 재료는 금속 착물-함유 중합체 재료로 전환된다. 금속 착물-함유 중합체 재료는 a) 중합체 재료 및 b) 중합체 재료에 혼입된(즉, 수착된) 금속 착물을 포함한다. 중합체 재료는, i) 화학식 I을 갖거나,
[화학식 I]
Figure pct00014
화학식 II를 갖거나,
[화학식 II]
Figure pct00015
또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%; ii) 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%; 및
[화학식 III]
Figure pct00016
iii) 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)를 함유한다:
[화학식 IV]
Figure pct00017
(여기서, R1은 수소 또는 알킬임). 금속 착물은 2가 금속과 적어도 하나의 염기성 질소-함유 화합물의 반응 생성물을 포함한다.
금속 착물-함유 중합체 재료의 많은 실시 형태에서, 중합체 재료에 혼입된 2가 금속은 금속 착물로 전환되지 않은 상태로 남아 있다. 즉, 금속 착물-함유 중합체 재료는 염기성 질소-함유 화합물과 착화되지 않은 2가 금속 및 적어도 하나의 염기성 질소-함유 화합물과 착화된 2가 금속의 혼합물을 포함한다.
(염기성 질소-함유 화합물과 착화되든지 아니든지 여부에 관계없이) 2가 금속의 총량은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 10 중량%이다. 2가 금속의 총량은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 20 중량%, 적어도 25 중량%, 적어도 30 중량%, 적어도 40 중량% 또는 적어도 50 중량%일 수 있다. 그 양은 최대 100 중량% 또는 그 이상일 수 있다. 예를 들어, 그 양은 중합체 재료의 총 중량을 기준으로 최대 90 중량%, 최대 80 중량%, 최대 75 중량%, 최대 70 중량%, 최대 60 중량%, 또는 최대 50 중량%일 수 있다. 예를 들어, 그 양은 종종 10 내지 100 중량%, 10 내지 80 중량%, 10 내지 60 중량%, 10 내지 50 중량%, 10 내지 40 중량%, 10 내지 30 중량%, 15 내지 60 중량%, 15 내지 50 중량%, 15 내지 40 중량%, 15 내지 30 중량%, 20 내지 60 중량%, 20 내지 50 중량%, 20 내지 40 중량% 또는 20 내지 30 중량%의 범위이다.
달리 말하면, (염기성 질소-함유 화합물과 착화되든지 아니든지 여부에 관계없이) 2가 금속의 총량은 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol(밀리몰)이다. 2가 금속의 총량은 중합체 재료 1 g당 적어도 2.0 mmol, 적어도 2.25 mmol, 적어도 3.0 mmol, 적어도 3.75 mmol, 적어도 4.0 mmol, 적어도 4.5 mmol, 적어도 5 mmol, 적어도 6.0 mmol, 적어도 7 mmol, 또는 적어도 7.5 mmol일 수 있다. 금속-함유 중합체 재료는 2가 금속을 1 g당 최대 15 mmol 또는 그 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 그 양은 중합체 재료 1 g당 최대 14 mmol, 최대 13.5 mmol, 최대 13 mmol, 최대 12 mmol, 최대 11.25 mmol, 최대 11 mmol, 최대 10.5 mmol, 최대 10 mmol, 최대 9 mmol, 최대 8 mmol, 또는 최대 7.5 mmol일 수 있다. 예를 들어, 그 양은 종종 중합체 재료 1 g당 1.5 내지 15 mmol, 1.5 내지 12 mmol, 1.5 내지 9 mmol, 1.5 내지 7.5 mmol, 1.5 내지 6 mmol, 1.5 내지 4.5 mmol, 2.25 내지 9 mmol, 2.25 내지 7.5 mmol, 2.25 내지 6 mmol, 2.25 내지 5 mmol, 2.25 내지 4.5 mmol, 3.0 내지 9 mmol, 3.0 내지 7.5 mmol, 3.0 내지 6 mmol 또는 3.0 내지 4.5 mmol의 범위이다.
금속-함유 중합체 재료에 의해 수착된(예를 들어, 착화된) 염기성 질소-함유 화합물의 최대량은 중합체 재료에 혼입된 2가 금속의 양과 관련이 있다. 수착된 염기성 질소-함유 화합물의 최대량은 종종 금속-함유 중합체 재료 1 g당 적어도 0.5 밀리당량(즉, 금속-함유 중합체 재료 1 g당 적어도 0.5 밀리당량의 수착된 염기성 질소-함유 화합물)이고, 최대 10 밀리당량/g 또는 그 이상일 수 있다. 많은 실시 형태에서, 수착된 최대량은 적어도 1 밀리당량/g, 적어도 2 밀리당량/g, 또는 적어도 3 밀리당량/g이다. 예를 들어, 수착된 양은 최대 9 밀리당량/g, 최대 8 밀리당량/g, 최대 7 밀리당량/g, 최대 6 밀리당량/g, 또는 최대 5 밀리당량/g일 수 있다.
금속-함유 중합체 재료에서 2가 금속의 양은 염기성 질소-함유 화합물의 수착능을 최대화하기 위한 중요한 인자이지만, 2가 금속의 상한선에 도달한 다음에는 용량이 계속 증가하지 않는다. 즉, 특정 지점을 넘으면, 2가 금속을 금속-함유 중합체 재료에 더 많이 넣어도 염기성 질소-함유 화합물의 용량이 증가하지 않는다. 혼입된 2가 금속의 양이 너무 많으면, 중합체 재료의 표면이 2가 금속으로 포화되어 2가 금속의 클러스터링(clustering) 및/또는 층화가 생길 수 있다. 클러스터링 및/또는 층화는 염기성 질소-함유 화합물과 배위결합(즉, 착화)에 이용가능한 2가 금속의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서, 중합체 재료에 혼입된 2가 금속의 양을 최적화하여, 염기성 질소-함유 화합물에 대한 최대 수착능을 얻을 수 있다.
중합체 재료의 다공도는 또한 염기성 질소-함유 화합물의 수착을 위한 금속-함유 재료의 용량에 영향을 준다. 전형적으로, 다공도가 높은 중합체 재료는 작용기 부위에 대한 더 큰 접근성을 갖는다. 다공도가 높은 중합체 재료는 아마도 중합체 재료에 메소기공 및/또는 미세기공의 존재로 인해 전형적으로 2가 금속을 더 많이 혼입한다. (적어도 클러스터링 및/또는 층화가 일어나는 지점에 이르기까지) 2가 금속의 더 높은 혼입으로 인해 더 많은 배위결합 자리가 염기성 질소-함유 화합물의 수착에 이용가능하다. 중합체 재료의 다공도 및 BET 비표면적은 중합체 재료를 제조하는 데 사용되는 가교결합의 양(즉, 다이비닐벤젠의 양)뿐만 아니라 중합체 재료의 형성 동안 존재하는 유기 용매의 정체(identity) 및 양에 의해 변경될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 금속-함유 중합체 재료에서 2가 금속의 일부만이 화학식 Q의 염기성 질소-함유 화합물과 착화된다. 즉, Q의 최대량이 수착되지 않는다. 이러한 상황에서, 중합체 재료는 금속 착물 및 염기성 질소-함유 화합물과 착화되지 않은 2가 금속을 모두 함유한다.
금속-함유 중합체 재료 상에 화학식 Q의 염기성 질소-함유 화합물을 포집하는(즉, 수착하는) 임의의 방법이 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 특히 금속-함유 중합체 재료 내의 2가 금속이 아연, 니켈 또는 구리로부터 선택되는 경우, 염기성 질소-함유 화합물에 노출 시 색 변화가 발생한다. 예를 들어, 염기성 질소-함유 화합물에 노출 시 아연 함유 중합체 재료는 분홍색에서 황갈색으로 변하고, 구리 함유 중합체 재료는 진회색을 띤 녹색에서 청록색으로 변하며, 니켈 함유 중합체 재료는 황갈색에서 황록색으로 변한다. 이러한 색 변화는 염기성 질소-함유 화합물에 대한 노출을 나타내는 데 사용될 수 있다. 염기성 질소-함유 화합물에 노출된 후의 색의 세기는 노출량과 관련될 수 있다. 그러한 색 변화가 활성탄 지지체 상에 제공된 2가 금속이 염기성 화합물에 노출됨에 따라 일어날 수 있을지라도, 전형적으로 활성탄의 어두운 색이 그 안에 혼입된 2가 금속의 임의의 그러한 미세한 색 변화를 은폐시킬 것이기 때문에, 그러한 색 변화는 이전에 인식되지 않았을 수 있음이 이해될 것이다.
금속-함유 다공성 재료, 그러한 재료의 제조 방법, 및 그러한 재료를 사용하여 염기성 질소-함유 화합물을 포집하는 방법이 국제 특허 출원 PCT/US2016/030974호 및 미국 가특허 출원 제62/298089호에 상세히 기재되어 있으며, 이들 둘 모두는 발명의 명칭이 Metal-Containing Polymeric Materials이고, 이들 둘 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 필터 지지체 상에 지지되는 수착 입자는 결합제를 포함할 수 있다. 그러한 접근법 및 구성은, 본 출원과 동일자로 출원되고 발명의 명칭이 Composite Granules Including Metal-Containing Polymeric Materials인 미국 가특허 출원 제xx/xxxxxx호, 대리인 문서 번호 78842US002에 상세히 기재되어 있으며, 이는 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
예시적인 실시 형태의 목록
실시 형태 1은 수착 입자를 지지하는 필터 지지체를 포함하는 공기 필터로서, 상기 수착 입자 중 적어도 일부는 다공성이고 중합체 재료를 포함하며, 상기 중합체 재료는 a) 중합체; 및 b) 상기 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol의 양으로 상기 중합체 재료에 혼입된 2가 금속을 포함하고, 상기 중합체 a)는 i) 화학식 I을 갖거나, 화학식 II를 갖거나, 또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%; ii) 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%; 및 iii) 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%) (여기서, R1은 수소 또는 알킬임)를 포함한다.
실시 형태 2는, 실시 형태 1에 있어서, 상기 필터 지지체는, 적어도 한쪽 주 표면 상에 상기 다공성 중합체 수착 입자 중 적어도 일부가 배치된 기재를 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 3은, 실시 형태 2에 있어서, 상기 다공성 중합체 수착 입자는 상기 기재의 주 표면 상에 실질적으로 단층으로서 존재하는, 공기 필터이다.
실시 형태 4는, 실시 형태 1에 있어서, 상기 필터 지지체는 다공성 공기-투과성 재료를 포함하며, 상기 다공성 공기-투과성 재료의 주 표면 상에 다공성 중합체 수착 입자가 배치되고/되거나, 적어도 상기 재료의 주 표면에 근접한 위치에서 상기 재료의 내부 안에 다공성 중합체 수착 입자가 배치되는, 공기 필터이다.
실시 형태 5는, 실시 형태 4에 있어서, 다공성 중합체 수착 입자는 상기 다공성 공기-투과성 재료의 내부 전체에 걸쳐 배치되는, 공기 필터이다.
실시 형태 6은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 공기 필터는 상기 필터 지지체로 본질적으로 이루어지는, 공기 필터이다.
실시 형태 7은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는 시트-유사 재료를 포함하며, 상기 시트-유사 재료는 주 평면을 나타내고, 약 3 mm 미만의 두께를 나타내고, 적어도 상기 시트-유사 재료의 주 평면에 적어도 대체로 수직인 방향으로 기류가 상기 필터 지지체를 통과할 수 있도록 구성되는, 공기 필터이다.
실시 형태 8은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 및 실시 형태 6 또는 실시 형태 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는, 주 표면에 적어도 일부의 다공성 중합체 수착 입자가 접착식으로 부착된 네팅을 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 9는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는 내부를 나타내는 섬유질 웨브를 포함하며, 상기 다공성 중합체 수착 입자는 상기 웨브의 내부의 적어도 일부분 내에 배치되는, 공기 필터이다.
실시 형태 10은, 실시 형태 9에 있어서, 상기 다공성 중합체 수착 입자는 상기 섬유질 웨브의 내부 전체에 걸쳐 배치되는, 공기 필터이다.
실시 형태 11은, 실시 형태 9 또는 실시 형태 10에 있어서, 상기 웨브는 부직 섬유질 웨브인, 공기 필터이다.
실시 형태 12는, 실시 형태 11에 있어서, 상기 부직 섬유질 웨브는 멜트블로운 웨브인, 공기 필터이다.
실시 형태 13은, 실시 형태 9 내지 실시 형태 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 섬유질 웨브의 적어도 일부 섬유는 각각 적어도 하나의 다공성 중합체 수착 입자에 접합되는, 공기 필터이다.
실시 형태 14는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 5 및 실시 형태 7 내지 실시 형태 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는 다층 공기-투과성 조립체의 하나의 층인, 공기 필터이다.
실시 형태 15는, 실시 형태 14에 있어서, 상기 다층 공기-투과성 조립체는, 상기 필터 지지체와 동일한 층이 아니고 50 미만의 % 투과율을 나타내는 입자-여과 층인 적어도 하나의 층을 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 16은, 실시 형태 15에 있어서, 상기 입자-여과 층은 일렉트릿 부분(electret moiety)을 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 17은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는 50 미만의 % 투과율을 나타내는 필터 매체인, 공기 필터이다.
실시 형태 18은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 17 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는 주름형인, 공기 필터이다.
실시 형태 19는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 공기 필터는 강제 공기 가열 유닛, 강제 공기 냉각 유닛, 강제 공기 가열/냉각 유닛, 실내 공기 정화기, 및 동력 차량용 객실 공기 여과 유닛으로 이루어진 군으로부터 선택되는 공기-취급 장치의 공기 필터 리셉터클 내로 삽입되도록 구성된 프레임형 공기 필터인, 공기 필터이다.
실시 형태 20은, 실시 형태 1, 실시 형태 6, 및 실시 형태 14 내지 실시 형태 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는, 수착 입자가 안에 배치되는 관통 개구를 갖는 허니콤을 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 21은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 5 및 실시 형태 7 내지 실시 형태 17 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 지지체는 안면부 여과식 호흡기의 층을 제공하는, 공기 필터이다.
실시 형태 22는, 실시 형태 21에 있어서, 상기 안면부 여과식 호흡기는 편평 절첩식 호흡기 및 성형된 호흡기로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공기 필터이다.
실시 형태 23은, 실시 형태 1에 있어서, 상기 필터 지지체는, 다공성 중합체 수착 입자가 안에 배치되는 내부, 및 적어도 하나의 공기 입구 및 적어도 하나의 공기 출구를 갖는 용기를 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 24는, 실시 형태 23에 있어서, 상기 필터 지지체는 필터 카트리지를 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 25는, 실시 형태 24에 있어서, 상기 필터 카트리지는 반면형 음압 호흡기, 전면형 음압 호흡기, 탈출 후드, 및 급전식 공기-정화 호흡기로 이루어진 군으로부터 선택되는 개인용 보호 디바이스와 함께 사용되도록 구성되는, 공기 필터이다.
실시 형태 26은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 25 중 어느 하나에 있어서, 상기 다공성 수착 입자는 가수분해되지 않은 중합체 재료로 구성되고, 2가 금속의 부재 하에서 측정될 때 100 m2/g 초과의 BET 비표면적을 나타내는, 공기 필터이다.
실시 형태 27은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 26 중 어느 하나에 있어서, 상기 다공성 수착 입자는 가수분해된 중합체 재료로 구성되고, 2가 금속의 부재 하에서 측정될 때 50 m2/g 초과의 BET 비표면적을 나타내는, 공기 필터이다.
실시 형태 28은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 27 중 어느 하나에 있어서, 상기 다공성 수착 입자 중 적어도 일부가 결합제에 의해 이웃하는 다공성 수착 입자에 결합되는, 공기 필터이다.
실시 형태 29는 공기로부터 150 g/mol 이하의 분자량을 갖는 염기성 질소-함유 화합물 중 적어도 일부를 포집하는 방법으로서, 상기 방법은 실시 형태 1 내지 실시 형태 28 중 어느 하나의 공기 필터를, 상기 다공성 중합체 수착 입자가 상기 공기에 노출되도록 위치시키는 단계; 및 상기 염기성 질소-함유 화합물 중 적어도 일부를 상기 다공성 중합체 수착 입자 상에 수착하는 단계를 포함한다.
실시 형태 30은, 실시 형태 29에 있어서, 상기 필터 지지체는 주 표면을 나타내고, 상기 공기는 상기 필터 지지체의 주 표면의 평면과 적어도 대체로 정렬되는(generally aligned) 방향으로 이동하는 공기 스트림의 형태로 존재하는, 방법이다.
실시 형태 31은, 실시 형태 29에 있어서, 상기 필터 지지체는 기류가 그것을 통과할 수 있게 하고, 상기 공기는 상기 필터 지지체의 주 표면에 적어도 대체로 수직인 방향으로 상기 필터 지지체의 적어도 일부분을 통과하는 공기 스트림의 형태로 존재하는, 방법이다.
실시 형태 32는 다공성 중합체 수착 입자를 포함하는 필터 지지체를 포함하는 공기 필터를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 중합체 재료를 포함하는 다공성 중합체 수착 입자를 제공하는 단계; 및 상기 다공성 중합체 수착 입자를 필터 지지체 상에 지지하는 단계를 포함하고, 이때 상기 중합체 재료는 a) 중합체; 및 b) 상기 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol의 양으로 상기 중합체 재료에 혼입된 2가 금속을 포함하고, 상기 중합체 a)는 i) 화학식 I을 갖거나, 화학식 II를 갖거나, 또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%; ii) 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%; 및 iii) 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%) (여기서, R1은 수소 또는 알킬임)를 포함한다.
실시 형태 33은, 실시 형태 1 내지 실시 형태 28 중 어느 하나에 있어서, 상기 공기 필터는 적어도 하나의 2차 수착제를 추가로 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 34는, 실시 형태 33에 있어서, 상기 적어도 하나의 2차 수착제는 활성탄을 포함하는, 공기 필터이다.
실시 형태 35는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 28 및 실시 형태 33 또는 실시 형태 34 중 어느 하나에 있어서, 상기 중합체 수착제는 산-염기 염료를 추가로 포함하는, 공기 필터이다.
상기에 열거된 예시적인 실시 형태에서, 화학식 I, 화학식 II, 화학식 III 및 화학식 IV는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용의 "수착제" 부분에 제시된 바와 같은 구조를 갖는 재료인 것으로 규정된다.
실시예
재료의 목록
Figure pct00018
절차
분석 및 특성화 절차
다공도 및 가스 수착 실험, 및 BET 비표면적 및 기공 부피와 같은 파라미터의 계산을 국제 특허 출원 PCT/US2016/030974호 및 미국 가특허 출원 제62/298089호의 "Gas Sorption Analysis" 섹션에 기재된 것과 유사한 방식으로 수행하였으며, 이들 둘 모두는 발명의 명칭이 METAL-CONTAINING POLYMERIC MATERIALS이고, 이들 둘 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. (이들 출원은 각각 PCT'974호 출원 및 US'089호 출원으로 하기에 언급된다.) 실시예에 기록되어 있는 모든 기공 부피는 달리 명시되지 않는 한 대략 0.98의 상대 압력(p/p°)에서 측정된다.
암모니아 수명 카트리지 시험
측정용 샘플에 기지 농도의 암모니아를 전달하기 위해 간단한 관류형 주문 제작 전달 시스템(flow-through custom built delivery system)을 사용하였다. 스테인리스 강 및 폴리(비닐 클로라이드)(PVC) 튜빙을 전달 시스템 전체에 걸쳐 사용하였다. 무수 암모니아 가압 가스 실린더(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 옥시전 서비스 컴퍼니(Oxygen Service Company))로부터 암모니아를 시스템에 전달하였다. 암모니아 스트림을 압축 공기로 희석시켜 1000 ppm 스트림의 암모니아를 25.2 또는 32 L/min(LPM)의 유량으로 시험 챔버에 전달하였다. 0-300 LPM TSI 유량계(미국 미네소타주 쇼어뷰 소재의 티에스아이(TSI)를 사용하여 공기 유량을 설정하였다. 암모니아 농도를 일련의 적정에 의해 결정하였다. 1 LPM 유량의 시험 가스를 15 mL 임핀저 안으로 잡아당기고, 4 중량% 붕산 수용액을 통해 버블링하였다. 약 15분 후에, 내용물을 비커에 붓고 몇 방울의 브로모크레졸 그린을 첨가하였다. 혼합물이 청색에서 황색으로 변할 때까지, 0.10 M 염산을 혼합물 중으로 계량하였다. 암모니아 시험의 상대 습도(RH)는 비례 적분 미분(PID) 제어기를 사용하여 일정한 설정점으로 유지하였는데, PID 제어기는 시스템의 % RH를 검출하고, 습도가 원하는 % RH를 0.2% 벗어나면 수조를 가열하여 습도를 상승시킨다. PID 센서는 바이살라(Vaisala) HMM1014A1AE 습도 프로브(핀란드 반타 소재의 바이살라)로 보정하였다.
카트리지를 시스템과 일렬로 시험 챔버 안에 배치하여, 1000 ppm의 암모니아 가스 스트림이 카트리지를 통해 유동되게 하였다. 시험 챔버의 하류측에, 광음향 가스 검출기 이노바(Innova) 1412(미국 캘리포니아주 오렌지 소재의 캘리포니아 애널리티컬(California Analytical))로 이어지는 튜빙을 연결하였다. 암모니아 가스 스트림이 카트리지를 통과하기 시작하였을 때, 시험이 개시된 것으로 간주하고, 타이머 작동을 시작하였다. 이노바 광음향 가스 검출기는 대략 매 50초마다 샘플링하였으며, 시스템은 샘플들 사이에서 플러싱하였다.
시험 전에, 질소 가압 가스 실린더(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 옥시전 서비시즈 컴퍼니) 안의 보증된 57 ppm 암모니아를 사용하여 광음향 가스 검출기를 보정하였다. 이 유출물에 의해 발생된 신호를 사용하여 소프트웨어를 50 ppm 암모니아로 설정하였다. 암모니아 증기 시험의 종점은 시험 재료의 베드를 통과하는 암모니아 유출물이 광음향 가스 검출기 상에 신호를 생성한 시점에 상응하는 지점으로서 정의하였는데, 이 지점은 50 ppm에 상응하는 신호를 초과하였다. 각각의 카트리지의 성능은 전술된 바와 같은 시험을 수행하여 50 ppm 파과(breakthrough)가 관찰될 때까지의 분으로서 기록하였다.
암모니아 수명 일회용 호흡기 시험
측정용의 일회용 호흡기에 기지 농도의 암모니아를 전달하기 위해 간단한 관류형 주문 제작 전달 시스템을 사용하였다. 스테인리스 강 및 PVC 튜빙을 전달 시스템 전체에 걸쳐 사용하였다. 무수 암모니아 가압 가스 실린더(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 옥시전 서비스 컴퍼니)로부터 암모니아를 시스템에 전달하였다. 암모니아 스트림을 압축 공기로 희석시켜 56 ppm 스트림의 암모니아를 30 LPM의 유량으로 시험 챔버에 전달하였다. 0-300 LPM TSI 유량계(미국 미네소타주 쇼어뷰 소재의 티에스아이)를 사용하여 공기 유량을 설정하였다. PID 제어기를 사용하여, 시험의 RH를 일정한 50% RH로 유지하였다. PID 센서는 바이살라 HMM1014A1AE 습도 프로브(핀란드 반타 소재의 바이살라)로 보정하였다. 암모니아 농도를 광음향 가스 검출기 이노바 1412(미국 캘리포니아주 오렌지 소재의 캘리포니아 애널리티칼)를 사용하여 결정하였다.
호흡기를 시스템과 일렬로 시험 챔버 안에 배치하여, 56 ppm의 암모니아 가스 스트림이 시험 재료를 통해 유동되게 하였다. 시험 챔버의 하류측에, 광음향 가스 검출기로 이어지는 튜빙을 연결하였다. 암모니아 가스 스트림이 일회용 호흡기를 통과하기 시작하였을 때, 시험이 개시된 것으로 간주하고, 타이머 작동을 시작하였다. 이노바 광음향 가스 검출기는 대략 매 50초마다 샘플링하였으며, 시스템은 샘플들 사이에서 플러싱하였다.
시험 전에, 질소 가압 가스 실린더(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 옥시전 서비시즈 컴퍼니) 안의 보증된 57 ppm 암모니아를 사용하여 광음향 가스 검출기를 보정하였다. 이 유출물에 의해 발생된 신호를 사용하여 소프트웨어를 50 ppm 암모니아로 설정하였다. 암모니아 증기 시험의 종점은 시험 재료의 베드를 통과하는 암모니아 유출물이 광음향 가스 검출기 상에 신호를 생성한 시점에 상응하는 지점으로서 정의하였는데, 이 지점은 5 ppm에 상응하는 신호를 초과하였다. 각각의 일회용 호흡기의 성능은 전술된 바와 같은 시험을 수행하여 5 ppm 파과가 관찰될 때까지의 분으로서 기록하였다.
대표적인 실시예
상기에 참고된 PCT'974호 및 US'089호 출원의 실시예 PE-15-1에 기재된 것과 대체로 유사한 방식으로 전구체 중합체 재료의 배치(batch)를 제조하였다. 전구체 중합체 재료는 SABET가 대략 240 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.275 ㎤/g의 범위였다(p/p° = 0.96에서 측정됨). 전구체 중합체 재료를 12 × 40 메시 입자로 체분리하였다. 전구체 중합체 재료를 PCT'974호 출원 및 US'089호 출원의 실시예 15에 기재된 것과 대체로 유사한 방식으로 4.0 M 염화아연(II)(ZnCl2) 용액과 반응시켰다. ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착제는 SABET가 대략 35 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.050 ㎤/g의 범위였다.
쓰리엠 반면형 안면부 재사용가능 호흡기 6000 시리즈(3M HALF FACEPIECE REUSABLE RESPIRATOR 6000 SERIES)와 함께 사용가능한 유형의 필터 카트리지를 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수하였다. 카트리지는 입수한 그대로 빈 상태였으며, 대략 105 mL의 빈 내부 부피를 포함하였다. 전술된 ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착 입자를, 입자의 수동 로딩에 의해 허용되는 패킹 밀도로 카트리지의 105 mL 내부 부피를 차지하는 패킹된 베드로서 카트리지 하우징의 내부 안으로 수동으로 침착시켰다. 이어서, 카트리지의 뚜껑을 초음파 용접으로 정위치에 위치시켰다. 질량 기준으로, 이 카트리지는 59.3 g의 ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착 입자를 함유하였다. 이 카트리지를 사용하여 15% RH 및 32 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 카트리지 시험을 수행하였다. 대표적인 실시예 카트리지의 암모니아 수명은 대략 133분인 것으로 결정되었다.
비교예 (1)
활성탄의 메시 크기가 12 × 40인 것을 제외하고는, PCT'974호 및 US'089호 출원의 비교예 3에 기재된 것과 대체로 유사한 방식으로 활성탄을 얻고 ZnCl2로 함침시켰다. 빈 필터 카트리지 하우징을 대표적인 실시예에 기재된 바와 같이 얻고, 카트리지 하우징의 105 mL 내부 부피를 ZnCl2-함침된 활성탄으로 충전시켜 패킹된 베드를 형성하였다. 이어서, 카트리지의 뚜껑을 초음파 용접으로 정위치에 위치시켰다. 질량 기준으로, 이 카트리지는 61.9 g의 ZnCl2-함유 활성탄을 함유하였다. 이 카트리지를 사용하여 15% RH 및 32 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 카트리지 시험을 수행하였다. 비교예 (1) 카트리지의 암모니아 수명은 대략 78분인 것으로 결정되었다.
변형예
변형예 (1)
ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착 입자의 배치를 제조하고, 대표적인 실시예에서와 유사한 방식으로 필터 카트리지 하우징의 내부 부피 안으로 로딩하였다. RH가 15% 대신에 대략 0%인 것을 제외하고는, 대표적인 실시예에 대한 것과 유사한 방식으로 변형예 (1) 카트리지의 암모니아 수명을 시험하였다. 이들 조건 하에서, 변형예 (1) 카트리지의 암모니아 수명은 대략 178분인 것으로 결정되었다.
변형예 (2)
"URC" 탄소로서 헌(Hern)에게 허여된 미국 특허 제6767860호에 기재된 유형의 활성탄을 얻고 ZnCl2로 함침시키지 않았다. 활성탄은 12 × 30 메시였다. 대략 75 mL의 이 활성탄을 전술된 유형의 필터 카트리지 하우징의 (105 mL) 내부 부피 안으로 로딩하였다. 전구체 중합체 재료를 40 × 80 메시로 체분리하고, 6.0 M ZnCl2 수용액으로 함침을 행한 것을 제외하고는, 대표적인 실시예에서와 유사한 방식으로 ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착 입자의 배치를 제조하였다. 전구체 재료는 가수분해되지 않았으며, SABET가 대략 240 m2/g의 범위를 나타내고 총 기공 부피가 대략 0.275 ㎤/g의 범위를 나타내었다(p/p° = 0.96에서 측정됨). 대략 30 mL의 ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착 입자를 75 mL 활성탄 층 위에 층으로서 필터 카트리지 하우징 안으로 로딩하였다. 이어서, 카트리지의 뚜껑을 초음파 용접으로 정위치에 위치시켰다. 질량 기준으로, 이 카트리지는 (대략 75 mL를 차지하는 층으로서의) 47.3 g의 활성탄 및 (대략 25 mL를 차지하는 층으로서의) 18.2 g의 ZnCl2-함유 중합체 수착제를 함유하였다. 이 카트리지를 사용하여 15% RH 및 32 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 카트리지 시험을 수행하였다. 변형예 (2) 카트리지의 암모니아 수명은 대략 39분인 것으로 결정되었다.
변형예 (3)
변형예 (2)에서 전술된 일반적인 유형의 활성탄을 얻고 ZnCl2로 함침시키지 않았다. 활성탄은 12 × 30 메시였다. 대략 75 mL의 이 활성탄을 전술된 유형의 필터 카트리지 하우징의 (105 mL) 내부 부피 안으로 로딩하였다. 변형예 (2)에서와 유사한 방식으로 다공성 중합체 수착 입자의 배치를 제조하였다. 이 전구체 재료는 SABET가 대략 240 m2/g의 범위를 나타내고 총 기공 부피가 대략 0.275 ㎤/g의 범위를 나타내었다(p/p° = 0.96에서 측정됨). PCT'974호 및 US'089호 출원의 실시예 PE-10-2에 기재된 것과 대체로 유사한 방식으로 이 전구체 재료를 가수분해하였다. 가수분해된 다공성 중합체 재료는 SABET가 대략 110 m2/g의 범위를 나타내고 총 기공 부피가 대략 0.135 ㎤/g의 범위를 나타내었다. 이어서, 가수분해된 다공성 중합체 재료를 변형예 (2)에서와 대체로 유사한 방식으로 ZnCl2로 함침시켰다. ZnCl2-함유, 가수분해된, 다공성 중합체 수착제는 SABET가 대략 35 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.050 ㎤/g의 범위였다.
대략 30 mL의 ZnCl2-함유, 가수분해된, 다공성 중합체 수착 입자를 변형예 (2)에서와 같이 75 mL 활성탄 층 위에 층으로서 필터 카트리지 하우징 안으로 로딩하였다. 이어서, 카트리지의 뚜껑을 초음파 용접으로 정위치에 위치시켰다. 질량 기준으로, 이 카트리지는 47.3 g의 활성탄 및 17.6 g의 ZnCl2-함유 가수분해된 중합체 수착제를 함유하였다. 이 카트리지를 사용하여 15% RH 및 32 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 카트리지 시험을 수행하였다. 변형예 (3) 카트리지의 암모니아 수명은 34분인 것으로 결정되었다.
변형예 (4)
상기에 참고된 PCT'974호 및 US'089호 출원의 실시예 PE-7-1에 기재된 것과 대체로 유사한 방식으로 전구체 중합체 재료의 배치를 제조하였다. 전구체 중합체 재료는 SABET가 대략 290 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.240 ㎤/g의 범위였다. 전구체 중합체 재료를 40 × 80 메시 입자로 체분리하였다.
PCT'974호 및 US'089호 출원의 실시예 PE-7-2에 기재된 것과 대체로 유사한 방식으로 이 전구체 재료를 가수분해하였다. 가수분해된 다공성 중합체 재료는 SABET가 대략 110 m2/g의 범위를 나타내고 총 기공 부피가 대략 0.135 ㎤/g의 범위를 나타내었다. 이어서, 가수분해된 다공성 중합체 재료를 PCT'974호 및 US'089호 출원의 실시예 7에서와 대체로 유사한 방식으로 ZnCl2로 함침시켰다. ZnCl2-함유, 가수분해된, 다공성 중합체 수착제는 SABET가 대략 35 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.050 ㎤/g의 범위였다.
델스타 테크놀로지스(미국 델라웨어 미들타운 소재)로부터 상표명 델넷으로 네팅을 입수하였다. 네팅은 2 세트의 필라멘트를 포함하였으며, 이들은 서로에 대해 실질적으로 수직하게 배향되어 대체로 직사각형인 관통 개구(구멍)들의 어레이를 형성하였으며, 이때 각각의 관통 개구의 대략적인 치수는 0.2 × 1.1 mm였다. 아크릴 라텍스(노바크릴(Novacryl) PSP-180; 미국 오하이오주 비치우드 소재의 옴노바 솔루션즈(Omnova Solutions)) 및 점착부여제(아쿠아택(Aquatac) 6085; 미국 플로리다주 잭슨빌 소재의 애리조나 케미칼즈(Arizona Chemicals))로 주로 구성된 감압 접착제(PSA) 전구체(코팅 용액)를 네팅의 양쪽 면에 적용하고, 액체를 증발을 통해 제거하여 네팅의 각각의 면 상에 PSA를 남겼다. 전술된 ZnCl2-함유 중합체 수착제의 입자를 네팅의 양쪽 면 상에 수동으로 뿌려서, 수착 입자를 네팅의 주 표면 상의 PSA에 접착식으로 부착하였다.
내부 부피가 105 mL 대신에 75 mL인 것을 제외하고는, 전술된 필터 카트리지 하우징과 유사한 필터 카트리지 하우징의 내부 치수와 동일한 크기로 이 수착제-로딩된 네팅의 조각을 절단하였다. 수착제-로딩된 네팅의 2개의 조각을 카트리지의 내부 안으로 로딩하였다. 카트리지의 내부 부피의 나머지 부분을, 변형예 2에 기재된(그리고 ZnCl2로 함침되지 않은) 일반적인 유형의 12 × 30 메시 활성탄으로 충전하였다. 이어서, 카트리지의 뚜껑을 초음파 용접으로 정위치에 위치시켰다. 카트리지 안의 ZnCl2-함유 중합체 수착제의 질량은 (네팅에 대한 로딩 및 사용된 네팅의 면적에 기초하여) 대략 2.71 g인 것으로 계산되었다. 이 카트리지를 사용하여 5% RH 및 25.2 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 카트리지 시험을 수행하였다. 카트리지의 암모니아 수명은 31분인 것으로 결정되었다.
비교예 (4)
활성탄의 메시 크기가 20 × 40인 것을 제외하고는, 비교예 (1)에 대해 전술된 것과 대체로 유사한 방식으로 활성탄을 얻고 ZnCl2로 함침시켰다. 변형예 (4)에 기재된 것과 유사한 방식으로, ZnCl2-로딩된 활성탄을 네팅 상에 수동으로 침착시키고 PSA를 사용하여 그것에 접착하였다. 네팅의 2개의 층을 필터 카트리지 하우징 안으로 로딩하고, 필터 카트리지 하우징의 나머지 부피를 변형예 (4)에서와 유사한 방식으로 (ZnCl2로 로딩되지 않은) 활성탄으로 충전하였다. 이어서, 카트리지의 뚜껑을 초음파 용접으로 정위치에 위치시켰다. 카트리지 안의 ZnCl2-함유 활성탄의 질량은 (네팅에 대한 로딩 및 사용된 네팅의 면적에 기초하여) 대략 3.35 g인 것으로 계산되었다. 이 카트리지를 사용하여 5% RH 및 25.2 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 카트리지 시험을 수행하였다. 카트리지의 암모니아 수명은 22분인 것으로 결정되었다.
변형예 (5)
대표적인 실시예에서 전술된 것과 대체로 유사한 방식으로 전구체 중합체 재료의 배치를 제조하였다. 전구체 중합체 재료는 SABET가 대략 240 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.275 ㎤/g의 범위였다(p/p° = 0.96에서 측정됨). 전구체 중합체 재료를 20 × 40 메시 입자로 체분리하였다. 전구체 중합체 재료를 PCT'974호 및 US'089호 출원의 실시예 15에서와 유사한 방식으로 ZnCl2로 함침시켰다. ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착제는 SABET가 대략 35 m2/g의 범위이고 총 기공 부피가 대략 0.050 ㎤/g의 범위였다.
대략 70 g/m2의 평량을 갖는 멜트블로운 폴리프로필렌 부직 웨브를 얻었다. 아크릴계 감압 접착제(아크로날(Acronal) A 220; 독일 루트비히스하펜 소재의 바스프(BASF))를 멜트블로운 폴리프로필렌 부직 웨브의 한쪽 주 표면 상에 스크린 인쇄하였다. ZnCl2-함유 중합체 수착제의 입자를 부직 웨브의 접착제-함유 주 표면 상에 수동으로 뿌려서, 수착 입자를 PSA에 의해 웨브의 주 표면에 접착식으로 부착하였다. 이어서, 이 수착제-로딩된 부직 웨브를 프로토타입 편평-절첩식 일회용 호흡 마스크 내로 (초음파 용접을 통해) 통합시켰다. 질량 기준으로, 일회용 호흡 마스크는 대략 4.69 g의 ZnCl2-함유 다공성 중합체 수착 입자를 함유하였다. (절첩해제된 구성의) 호흡기를 사용하여, 전술된 바와 같은 암모니아 수명 일회용 호흡기 시험을 수행하였다. 일회용 호흡기의 암모니아 수명은 대략 211분인 것으로 결정되었다.
비교예 (5)
비교예 (1)에 대해 전술된 것과 대체로 유사한 방식으로 활성탄을 얻고 ZnCl2로 함침시켰다. 변형예 (5)에서 다공성 중합체 수착 입자에 대해 기재된 것과 유사한 방식으로, ZnCl2-로딩된 활성탄 입자를 멜트블로운 부직 웨브의 주 표면 상에 수동으로 침착시키고 PSA를 사용하여 그것에 접착하였다. 변형예 (5)에서와 유사한 방식으로 프로토타입 편평-절첩식 일회용 호흡 마스크 내로 부직 웨브를 통합시켰다. 이어서, 이 호흡기를 사용하여 5% RH 및 25.2 LPM에서 전술된 바와 같은 암모니아 수명 일회용 호흡기 시험을 수행하였다. 일회용 호흡기의 암모니아 수명은 대략 112분인 것으로 결정되었다.
본 출원은 국제 특허 출원 PCT/US2016/030974호 및 미국 가특허 출원 제62/298089호를 참조로 포함시킨다. 이들 출원은, 다공성 중합체 수착제를 제조하고, 다양한 반대 이온(예를 들어, 클로라이드, 아세테이트 및 니트레이트)을 사용하여 다양한 2가 금속(예를 들어, 아연, 구리, 니켈, 및 마그네슘)으로 함침시킨 실시예를 포함한다. 그러한 실시예들은 간결함을 이유로 본 출원에 재현되어 있지 않지만, PCT'974호 및 US'089호 출원에 기재된 바와 같은 그러한 실시예들의 성능은, 당업자로 하여금 그러한 실시예 수착제에 의해 나타나는 특성(특히, 염기성 질소-함유 화합물, 예컨대 암모니아를 수착하는 향상된 능력)이, 이들 수착제가 본 출원에 개시된 방식으로 적합한 필터 지지체 상에 배치될 경우, 유사하게 나타날 것으로 예상하게 할 것이다.
이들 실시예 중 다수는 다양한 제형 및 구성에 의해 달성되는 "암모니아 수명"의 관점에서 제시된 결과를 포함하였다. "암모니아 수명"과 같은 파라미터의 사용은 전적으로 염기성 질소-함유 화합물을 수착하는 향상된 능력을 특성화하는 데 있어서의 편의를 위한 것이며; 그러한 파라미터의 비교적 낮은 값은 특정 제형 또는 구성이 (예를 들어, 임의의 적용가능한 정부 표준의 통과라는 관점에서) 만족스러운 여과 성능을 나타낼 수 없음을 반드시 암시하는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다. 또한, 비교적 긴 암모니아 수명의 달성은, 특정 제형 또는 구성에 의해, 모든 적용가능한 성능 표준을 여전히 충족시키면서, 감소된 양의 수착제 및/또는 그 안으로 함침된 감소된 양의 금속이 사용될 수 있음을 나타낼 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
전술한 실시예들은 단지 명확한 이해를 위해 제공되었고, 그로부터 불필요한 제한이 이해되어서는 안 된다. 실시예들에 기술된 시험과 시험 결과는 예측적이기보다는 예시적인 것으로 의도되고, 시험 절차의 변화가 상이한 결과를 산출할 것으로 예상될 수 있다. 실시예들에서의 모든 정량적 값들은 사용된 절차에 수반된 일반적으로 알려진 허용오차의 측면에서 근사치로 이해된다.
본 명세서에 개시된 예시적인 특정 요소, 구조, 특징, 상세 사항, 구성 등이 다수의 실시 형태에서 변형 및/또는 조합될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 모든 그러한 변형과 조합은 단지 예시적인 설명으로서의 역할을 하도록 선택된 그러한 대표적인 설계가 아니라 구상된 발명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자에 의해 고려된다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 기재된 예시적인 특정 구성으로 제한되는 것이 아니라, 오히려 적어도 청구범위의 표현에 의해 설명되는 구성 및 이들 구성의 등가물로 확대되어야 한다. 본 명세서에 대안으로서 분명하게 언급된 임의의 요소는, 필요에 따라 임의의 조합으로, 청구범위에 명시적으로 포함될 수 있거나 청구범위로부터 배제될 수 있다. 본 명세서에 개방형 언어(예를 들어, '포함한다' 및 이의 변형)로 언급된 임의의 요소 또는 요소들의 조합은 폐쇄형 언어(예를 들어, '이루어진다' 및 이의 변형) 및 부분 폐쇄형 언어(예를 들어, '본질적으로 이루어진다' 및 이의 변형)로 부가로 언급되는 것으로 여겨진다. 다양한 이론 및 가능한 메커니즘이 본 명세서에 논의되었을 수 있지만, 어떠한 경우에도 그러한 논의는 청구가능한 발명 요지를 제한하는 역할을 하지 않는다. 서면으로 된 본 명세서와 본 명세서에 참고로 포함되는 임의의 문헌의 개시 내용 간에 상충 또는 모순이 있는 경우에는, 서면으로 된 본 명세서가 우선할 것이다.

Claims (29)

  1. 수착 입자를 지지하는 필터 지지체를 포함하는 공기 필터로서,
    상기 수착 입자 중 적어도 일부는 다공성이고 중합체 재료를 포함하며,
    상기 중합체 재료는
    a) 중합체; 및
    b) 상기 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol의 양으로 상기 중합체 재료에 혼입된 2가 금속
    을 포함하고,
    상기 중합체 a)는
    i) 하기 화학식 I을 갖거나, 하기 화학식 II를 갖거나, 또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%:
    [화학식 I]
    Figure pct00019
    ,
    [화학식 II]
    Figure pct00020
    ;
    ii) 하기 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%:
    [화학식 III]
    Figure pct00021
    ; 및
    iii) 하기 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)
    [화학식 IV]
    Figure pct00022

    (여기서, R1은 수소 또는 알킬임)
    를 포함하는, 공기 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는, 적어도 한쪽 주 표면 상에 상기 다공성 중합체 수착 입자 중 적어도 일부가 배치된 기재(substrate)를 포함하는, 공기 필터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다공성 중합체 수착 입자는 상기 기재의 주 표면 상에 실질적으로 단층(monolayer)으로서 존재하는, 공기 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 다공성 공기-투과성 재료를 포함하며, 상기 다공성 공기-투과성 재료의 주 표면 상에 다공성 중합체 수착 입자가 배치되고/되거나, 적어도 상기 재료의 주 표면에 근접한 위치에서 상기 재료의 내부 안에 다공성 중합체 수착 입자가 배치되는, 공기 필터.
  5. 제4항에 있어서, 다공성 중합체 수착 입자는 상기 다공성 공기-투과성 재료의 내부 전체에 걸쳐 배치되는, 공기 필터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공기 필터는 상기 필터 지지체로 본질적으로 이루어지는, 공기 필터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 시트-유사 재료를 포함하며, 상기 시트-유사 재료는 주 평면을 나타내고, 약 3 mm 미만의 두께를 나타내고, 적어도 상기 시트-유사 재료의 주 평면에 적어도 대체로 수직인 방향으로 기류(airflow)가 상기 필터 지지체를 통과할 수 있도록 구성되는, 공기 필터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는, 주 표면에 적어도 일부의 다공성 중합체 수착 입자가 접착식으로 부착된 네팅(netting)을 포함하는, 공기 필터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 내부를 나타내는 섬유질 웨브를 포함하며, 상기 다공성 중합체 수착 입자는 상기 웨브의 내부의 적어도 일부분 내에 배치되는, 공기 필터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다공성 중합체 수착 입자는 상기 섬유질 웨브의 내부 전체에 걸쳐 배치되는, 공기 필터.
  11. 제9항에 있어서, 상기 웨브는 부직 섬유질 웨브인, 공기 필터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 부직 섬유질 웨브는 멜트블로운 웨브(meltblown web)인, 공기 필터.
  13. 제9항에 있어서, 상기 섬유질 웨브의 적어도 일부 섬유는 각각 적어도 하나의 다공성 중합체 수착 입자에 접합되는, 공기 필터.
  14. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 다층 공기-투과성 조립체의 하나의 층인, 공기 필터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 다층 공기-투과성 조립체는, 상기 필터 지지체와 동일한 층이 아니고 50 미만의 % 투과율(Percent Penetration)을 나타내는 입자-여과 층인 적어도 하나의 층을 포함하는, 공기 필터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 입자-여과 층은 일렉트릿 부분(electret moiety)을 포함하는, 공기 필터.
  17. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 50 미만의 % 투과율을 나타내는 필터 매체인, 공기 필터.
  18. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 주름형(pleated)인, 공기 필터.
  19. 제1항에 있어서, 상기 공기 필터는 강제 공기 가열 유닛, 강제 공기 냉각 유닛, 강제 공기 가열/냉각 유닛, 실내 공기 정화기, 및 동력 차량용 객실 공기 여과 유닛으로 이루어진 군으로부터 선택되는 공기-취급 장치의 공기 필터 리셉터클(receptacle) 내로 삽입되도록 구성된 프레임형(framed) 공기 필터인, 공기 필터.
  20. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는, 수착 입자가 안에 배치되는 관통 개구를 갖는 허니콤을 포함하는, 공기 필터.
  21. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는 안면부 여과식 호흡기(a filtering face-piece respirator) 의 층을 제공하는, 공기 필터.
  22. 제21항에 있어서, 상기 안면부 여과식 호흡기는 편평 절첩식(flat-fold) 호흡기 및 성형된 호흡기로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공기 필터.
  23. 제1항에 있어서, 상기 필터 지지체는, 다공성 중합체 수착 입자가 안에 배치되는 내부, 및 적어도 하나의 공기 입구 및 적어도 하나의 공기 출구를 갖는 용기를 포함하는, 공기 필터.
  24. 제23항에 있어서, 상기 필터 지지체는 필터 카트리지를 포함하는, 공기 필터.
  25. 제24항에 있어서, 상기 필터 카트리지는 반면형 음압 호흡기(half-face negative-pressure respirator), 전면형 음압 호흡기(full-face negative-pressure respirator), 탈출 후드(escape hood), 및 급전식 공기-정화 호흡기로 이루어진 군으로부터 선택되는 개인용 보호 디바이스와 함께 사용되도록 구성되는, 공기 필터.
  26. 공기로부터 150 g/mol 이하의 분자량을 갖는 염기성 질소-함유 화합물 중 적어도 일부를 포집하는 방법으로서,
    제1항의 공기 필터를, 상기 다공성 중합체 수착 입자가 상기 공기에 노출되도록 위치시키는 단계; 및
    상기 염기성 질소-함유 화합물 중 적어도 일부를 상기 다공성 중합체 수착 입자 상에 수착하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 필터 지지체는 주 표면을 나타내고, 상기 공기는 상기 필터 지지체의 주 표면의 평면과 적어도 대체로 정렬되는(generally aligned) 방향으로 이동하는 공기 스트림의 형태로 존재하는, 방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 필터 지지체는 기류가 그것을 통과할 수 있게 하고, 상기 공기는 상기 필터 지지체의 주 표면에 적어도 대체로 수직인(generally perpendicular) 방향으로 상기 필터 지지체의 적어도 일부분을 통과하는 공기 스트림의 형태로 존재하는, 방법.
  29. 다공성 중합체 수착 입자를 포함하는 필터 지지체를 포함하는 공기 필터를 제조하는 방법으로서,
    중합체 재료를 포함하는 다공성 중합체 수착 입자를 제공하는 단계; 및
    상기 다공성 중합체 수착 입자를 필터 지지체 상에 지지하는 단계
    를 포함하고, 이때 상기 중합체 재료는
    a) 중합체; 및
    b) 상기 중합체 재료 1 g당 적어도 1.5 mmol의 양으로 상기 중합체 재료에 혼입된 2가 금속
    을 포함하고,
    상기 중합체 a)는
    i) 하기 화학식 I을 갖거나, 하기 화학식 II를 갖거나, 또는 이들의 혼합물인 제1 단량체 단위 15 내지 65 중량%:
    [화학식 I]
    Figure pct00023
    ,
    [화학식 II]
    Figure pct00024
    ;
    ii) 하기 화학식 III을 갖는 제2 단량체 단위 30 내지 85 중량%:
    [화학식 III]
    Figure pct00025
    ; 및
    iii) 하기 화학식 IV를 갖는 제3 단량체 단위 0 내지 40 중량%(또는 5 내지 40 중량%)
    [화학식 IV]
    Figure pct00026

    (여기서, R1은 수소 또는 알킬임)
    를 포함하는, 방법.
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