KR960012440B1 - 기계적 강도가 우수한 약산성 양이온 교환수지 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

요약 없음

Description

기계적 강도가 우수한 약산성 양이온 교환수지 및 그의 제조방법

본 발명은 기계적 강도가 우수한 약산성 양이온교환수지와 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펜타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트, 1,4-시클로헥산디메틸 디(메타)아트릴레이트 및 그릴시딜 (메타)아크릴레이트를 수성 현탁중합하여 얻은 공중합체에 이온교환 관능기를 도입하여 제조함으로써 기계적 강도가 우수하고 이온교환용량이 크며 체적변화가 적은 약산성 양이온교환수지와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 단백질, 효소, 아미노산 및 항생물질과 같은 수용성 물질을 분리 정제하는 방법으로 이온교환 크로마토그래피가 이용되고 있는 바, 이때 이온교환수지로는 스티렌-디비닐벤젠 공중합체, 친수성의 덱스트란 겔, 아가로스 겔, 폴리아크릴아미드 겔, 폴리메타아크릴레이트 겔 및 실리카 겔 등에 이온교환 관능기를 도입한 이온교환수지들이 이용되고 있다. 그러나 스티렌-디비닐벤젠 공중합체에 이온교환 관능기를 도입한 이온교환수지는 단백질에 대한 소수결합에 기인하는 물리적 흡착 때문에 단백질 변성의 원인이 되며, 덱스트란 겔 및 폴리아크릴아미드 겔 등에 도입하여 만든 이온교환수지는 낮은 기계적 강도를 갖는 특성이 있으며, 실리카 겔은 알카리에 취약한 특성을 갖고 있다. 따라서 최근에는 기계적 강도가 우수하고 이온교환능력이 높으며 낮은 흡착특성과 고분리 기능을 갖는 폴리메타 아크릴레이트 겔에 이온교환관능기를 도입한 이온교환수지들이 분석 및 분취용 이온교환 크로마트그래피용으로 사용되고 있다.

약산성 양이온교환수지의 제조방법에 대한 선행기술로서, 미국특허 제4,614,751호에서는 불포화 카르복실산을 직접 중합하여 제조하였는데, 이는 중합시 발생되는 발열로 인해 중합반응을 조절하기 어렵고, 또한 생성수지의 이온교환용량이 낮기 때문에 알카리 조건하에서 가수분해가 가능한 불포화 알킬메타아크릴레이트(탄소수 1~3개의 알킬기)를 모노머로 하고 가교제로 디비닐벤젠 또는 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트를 사용하여 중합한 공중합체를 가수분해하여 물리적 내구성이 우수한 약산성 양이온교환수지를 제조하는 방법을 제시하였다. 그러나 이 방법에 의해 제조된 이온교환수지는 소수성을 나타내기 때문에 단백질 등의 분리를 위한 친수성 약산성 양이온교환수지로 사용하기에 단백질과의 소수결합에 기인하는 변성 및 흡착의 문제가 있다.

또한 일본특허공개 소48-24512호와 일본특허공개 소48-64187호에서는 글리시딜 메타아크릴레이트 및 2-하이드록시 에틸메타아크릴레이트와 같은 친수성 모노머와 가교제로서 다가 알코올의 폴리비닐 에스테르를 반응시켜 중합된 공중합체를 가수분해하거나 또는 양이온성 관능기를 도입하는 방법에 의해 이온교환수지를 제조하였는데, 이 방법은 히드록시기의 한정된 갯수로 인해 이온교환용량이 낮고 기계적 강도가 낮아지는 문제점을 안고 있다.

이에, 본 발명자들은 이온교환용량이 높고 체적변화가 적으며 기계적 강도가 우수한 약산성 교환수지 개발에 주력한 결과, 펜타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트, 1,4-시클로헥산디메틸 디(메타)아크릴레이트 및 글리시딜(메타)아크릴레이트를 공중합시킨 다음 이온교환 관능기를 도입시켜 약산성 양이온교환수지를 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명은 이온교환용량이 높고 기계적 강도가 우수하며, 이온형에 따른 체적변화가 적어 분취·정제용으로 사용할 수 있는 약산성 양이온교환수지와 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 약산성 양이온교환수지를 제조함에 있어서, 다음 구조식(I)로 표시되는 펜타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트, 다음 구조식(II)로 표시되는 1,4-시클로헥산디메틸 디(메타)아크릴레이트 및 다음 구조식(III)으로 표시되는 글리시딜 (메타)아크릴레이트를 현탁중합한 후, 다음 구조식(IV)로 표시되는 카르복실산 유도체를 반응시켜 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 식에서, R은 수소원자 또는 메틸기이고, R₁은 클로로 또는 브로모이고, R₂는 수소원자, 메틸기 또는 에틸기이다. 또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 약산성 양이온교환수지에 관한 것을 포함한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 친수성 가교제 판타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트와 기계적 강도 향상을 위한 소수성 1,4-시클로헥산디메틸 디(메타)아크릴레이트 및 글리시딜 (메타)아크릴레이트 단량체에 현탁제, 현탁보조제, 수소이온농도 조절제 및 무기염을 적절히 혼합하여 용해시킨 수용액에서 라디칼 개시제를 첨가하여 공중합체를 제조하며, 이에 염기촉매를 이용하여 카르복실산기를 도입하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도가 우수한 약산성 양이온교환수지의 제조방법에 관한 것이다.

현탁제, 염석제 및 현탁보조제를 혼합하여 용해시킨 수용액중에 상기 구조식(I)의 판타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트 10~35중량%, 구조식(II)의 1,4-사이클로헥산디메틸 디(메타)아크릴레이트 화합물 1~15중량% 그리고 구조식(III)의 글리시딜 (메타)아크릴레이트 화합물 50~89중량%을 가하고 개시제 및 가공형성을 위한 유기용매를 투입한 뒤 일반적인 수성 현탁중합을 행하여 제조한다.

가교제로 사용된 펜타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트의 참가량이 10중량% 미만에서는 생성입자의 하이드록시기 부족으로 인한 이온교환능력이 낮아지고, 35중량%를 초화하는 경우는 과도한 친수성으로 인해 물을 용매로 하는 수성 현탁중합에 의해 구상의 입자를 얻기 어렵다. 상기 구조식(II)로 표시되는 소수성, 1,4-시클로헥산디메틸 디(메타)아크릴레이트 1,4-시클로헥산 디메탄올과 글리시딜 (메타)아크릴레이트 또는 (메타)아크릴산을 연기성 촉매하에서 에스테르화 반응에 의해 제조하여 사용하며, 첨가량이 1중량% 미만에서는 기계적 강도가 떨어지며 15중량%를 초과하는 경우는 과도한 소수성으로 말미암아 이온교환용량이 낮아진다. 그리고 글리시딜 (메타)아크릴레이트의 첨가량이 50중량% 미만에서는 가교결합증가로 소수흡착이 일어나고 89중량%를 초화하는 경우는 기계적 강도가 저하된다.

본 발명에서 사용한 상기 현탁중합은 일반적인 소수 현탁중합방법을 사용하였으며, 특히 사용되는 가교제 및 단량체가 현탁용매인 물에 대해 잘 용해되는 것을 막기 위하여 일반적으로 사용되는 현탁제 이외에 염석제와 현탁보조제를 미량 투입함으로써 구상 다공성의 입자를 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용하는 현탁제로는 폴리비닐알콜, 젤라틴 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로오즈계 물질 들을 사용할 수 있는데, 특히 폴리비닐피롤리돈의 경우가 현탁효율이 좋고, 사용량은 폴리비닐피롤리돈의 분자량에 따라 차이가 있는 바, 저분자량의 폴리비닐피롤리돈의 경우는 고분자량의 경우에 비해 많게는 5배 이상의 양을 사용하여야 비슷한 현탁효율을 이룰 수 있다. 폴리비닐피롤리돈의 사용량은 현탁용매인 물에 대해 0.01~20중량% 사용하며, 더욱 바람직하기로는 0.1~10중량%이다. 또한 친수성 반응물의 물에 대한 용해도를 저하시키고 물의 표면장력을 조절하기 위한 염석제로서는 나트륨, 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 리튬 등의 금속염 예컨대 염화나트륨, 염화칼슘, 탄산칼슘 또는 황산마그네슘을 현탁용매인 물에 대해 1~20중량%를 사용하는 바, 그 사용량이 1중량% 미만인 경우 구상의 입자를 얻을 수 없고 20중량%를 초과하면 입자의 깨짐이 다량 발생한다.

본 발명에 따르면, 염석제만을 사용하여 균일한 입자표면과 균일한 기공분포를 갖는 입자를 얻기 어렵다. 따라서 본 발명에서는 균일한 입자표면과 균일한 기공분포를 위해 현탁보조제로서 예컨대, 카르복시메틸셀롤로오즈 나트륨염, 하이드록시 에틸셀룰로오즈, 메틸셀롤로오즈 또는 하이드록시 부틸메틸셀룰로오즈 등의 셀룰로오즈계 물질을 극히 미량 사용하며, 현탁보조제는 현탁용매인 물에 대해 0.0005~0.1중량% 범위내에서 사용하는 바, 그 사용량이 0.0005중량% 미만일 때는 입자표면이 불균일하게 나타나며, 0.1중량%를 초과하여 사용하면 입자가 커지고 입자간의 응집현상이 두드러지게 나타난다. 중합개시제는 통상의 라디칼 중합 개시제를 사용하는 바, 특히 아조비스이소부틸나트릴, 벤조일퍼옥사이드, t-부틸퍼옥사이드, 디-t-부틸퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시벤조에이트 등이 효과적이며, 첨가량은 상기 구조식(I),(II),(III) 혼합물 총함량에 대해 0.05~10중량% 사용한다.

그 외에도 기공형성을 위해 유기용매를 가교제 및 단량체의 혼합물에 첨가하는 바, 유기용매로는 물에 대한 용해성이 어느정도 있는 지방족 알콜, 지방족 에테르 또는 지방족 케톤 등의 유기용매로서, 특히 탄소수 10개 이하의 지방족 1차 또는 2차 알콜 예컨대 프로필알콜, 이소프로필알콜, 노말부틸알콜, 아밀알콜, 이소아밀알콜, 부탄디올, 노말헥실알콜, 헥산디올, 노밀헵틸알콜, 노말옥틸알콜, 벤즈알데히드, 노말부틸아세테이트, 사이클로헥산온, 모노클로로벤젠 또는 메탈에틸카톤 등을 사용한다.

본 발명의 현탁중합은 2차에 걸쳐 시행되는데 먼저, 40~50℃ 온도에서 1차 현탁중합시키고 다시 오도를 상승시켜 60~80℃ 온도에서 2차 현탁중합시켜 공중합체를 제조한다.

상기 1차 중합반응의 온도가 40℃ 미만을 경우 반응이 매우 느리고, 50℃보다 높은 온도에서 진행될 경우 입자의 응집이 현저하게 나타나므로 1차 중합반응온도는 50℃를 넘지 않도록 한다. 그리고 2차 중합반응온도가 80℃보다 높으면 급격한 라디칼 중합으로 인해 중합 후 생성입자에 균열이 발생하는 등 입자강도가 저하되는 문제가 있다.

상기 중합과정에 의해 제조된 공중합체내에 양이온교환기를 도입하게 되는데 이는 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화리튬과 같은 알칼리 촉매하에서 도입되며 이때 양이온교환기를 갖는 카르복실산 유도체로는 클로로아세틸산, 브로모아세틸산, 2-클로로프로피온산, 3-클로로프로파온산, 2-브로모프로피온산, 3-브로모프로비온산, 2- 클로로부탄산, 4-클로로부탄산, 2-브로모부탄산, 4-브로모부탄산 또는 푸마르산 등에 효과적이며, 상기 양이온교환기의 도입반응은 푸마르산의 경우 이중결합에 대한 히드록시기의 부가 반응에 의해 그리고 푸라르산을 제외한 상기 약산성 관능기는 히드록시기의 수소와 할로겐 사이의 치환반응으로 진행된다. 이때 사용되는 약산성 관능기의 함량은 공중합체 입자 중량에 대해 5~70중량%가 되도록 사용하여야만 높은 교환용량을 갖는 이온교환수지를 얻을 수 있다. 만일 양이온교환기의 함량이 5중량% 미만이면 교환용량이 낮아지고, 70중량%를 초과할 때는 과도한 미반응 약산성 관능기의 폐기로 인한 제조비용이 상승된다. 이때 반응온도는 20~70℃의 범위가 바람직하며, 반응온도가 20℃ 미만일 때는 반응이 매우 느리게 일어나며, 70℃ 초과할 때는 알칼리 촉매에 의한 공중합체의 분해가 일어난다.

또한, 반응시간은 2~10시간 범위가 적당하며, 2시간 미만일 때에는 낮은 이온교환용량을 가진 수지가 얻어지고, 10시간 초과하면 공중합체의 분해가 일어난다. 그밖에 입도와 기공의 형성은 그 용도에 따라 입도의 대소 및 기공 형성의 정도를 현탁계 교반속도 등을 조절함으로써 해결할 수 있다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 약산성 양이온교환수지는 기계적 강도가 우수하고 친수성이 높아 수용성 단백질, 효소, 다당류 및 항생물질 등 생체관련물질의 분석 및 분리·정제에 이용되는 이온교환 크로마토그래피에 적용할 경우 매우 효과적이며, 본 발명에서 제조된 수입자의 평균입경이 5~10μm인 것을 분석용 이온교환 크로마토그래피에 이용할 수 있고, 평균입경이 20~150μm인 것은 분취용 및 대 공업적 분취용 이온교환 크로마토그래피에 이용할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

2l의 사구둥근바닥플라스크에 온도계, 질소유입관 및 패들형 날개의 교반기를 장치하고서, 질소기류하에 1,4-시클로헥산디메틸 디메타아크릴레이트 10g, 펜타에리트리톨 디메타아크릴레이트 60g, 글리시딜 메타아크릴레이트 130g, 벤조일퍼옥사이드 2g을 넣고 저어주면서 노말부틸알콜 300g을 가하여 녹인 후 폴리비닐피롤리돈 10g, 카르복시메틸셀룰로으즈 나트륨염 1g, 염화나트륨 20g을 1l의 증류수에 녹여 천천히 가하면서 50℃ 온도에서 450rpm 속도로 저어주었다.

그 온도에서 6시간 반응시킨 후에 반응온도를 70℃로 올려서 10분간 더 반응시키고 종결하면 10~60μm의 공중합체 입자가 얻어졌다. 생성된 입자를 증류수와 아세톤으로 세척하여 20~40μm 입자를 얻었다. 이렇게 얻은 친수성 입자 50g을 1l의 둥근 바닥플라스크에 넣고 150ml 증류수를 부어서 분산시킨 후 클로로아세틸산 20g과 알카리촉매로서 0.5N 수산화나트륨 용액을 250ml 넣고 50℃에서 5시간 반응시킨 후 반응물을 여과시키고 증류수를 씻어서 카르복실기를 관능기로 하는 약산성 양이온교환수지를 얻었다.

실시예 2

양이온교환기 도입반응시 클로로아세틸산 대신 2-클로로프로피온산 25g 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 약산성 양이온교환수지를 얻었다.

실시예 3

양이온교환수지 도입반응시 클로로아세틸산 대신 2-클로로부탄산 30g 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 약산성 양이온교환수지를 얻었다.

실시예 4

2l의 사구둥근 바닥플라스크에 온도계, 질소유입관 및 패들형 날개의 교반기를 장치하고서, 질소기류하에 1,4-시클로헥산디메틸 디메타아크릴레이트 6g, 펜타에리트리톨 디메타아크릴레이트 64g, 글리시딜 메타아크릴레이트 130g, 벤저일퍼옥사이드 2.5g을 넣고 저어주면서 노말부틸알콜 350g을 가하여 녹인 후 폴리비닐피롤리돈 10g, 카르복시메틸셀룰로으즈 나트륨염 1g, 염화나트륨 25g을 1l의 중류수에 녹여 천천히 가하면서 50℃ 온도에서 450rpm 속도로 저어주었다.

그 온도에서 6시간 반응시킨 후 반응온도를 70℃로 올려서 10분간 더 반응시키고 종결하면 15~55μm의 공중합체 입자가 얻어졌다. 생성된 입자를 증류수와 아세톤으로 세척하여 20~40μm 입자를 얻었다. 이렇게 얻은 친수성 입자 50g을 1l의 둥근 바닥플라스크에 넣고 150ml의 증류수를 부어서 분산시킨 후 클로로아세틸산 20g과 알카리촉매 0.5N 수산화나트륨 용액을 250ml 넣고 50℃에서 5시간 반응시킨 후 반응물을 여과하고 증류수로 세택하여 카르복실기를 관능기로 하는 약산성 양이온교환수지를 얻었다.

실시예 5

양이온교환기 도입반응시 2-클로로프로피온산 25g 사용한 것을 제외하고는 실시예 4과 같이 반응시켜서 약산성 양이온교환수지를 얻었다.

실시예 6

양이온교환기 도입반응시 4-클로로부탄산 30g 사용한 것을 제외하고는 실시예 4과 같이 반응시켜서 약산성 양이온교환수지를 얻었다.

비교예 1

공중합체 제조시 가교제로 페타에리트리톨 디메타아크릴레이트 70g을 넣고 1,4-시클로헥산디메틸 디메탄아크릴레이트를 넣지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 분리입자를 얻었다.

[비교예 2]

공중합체 제조시 가교제로 페타에리트리톨 디메타아크릴레이트 70g을 넣고 1,4-시클로헥산디메틸 디메탄아크릴레이트를 넣지 않고 양이온교환기 도입반응시 2-클로로프로피온산을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 분리입자를 얻었다.

실험예

상기 실시예 1~6과 비교예 1~2로부터 제조된 양이온교환수지에 대한 교환용량, 최적비(Na/H)및 화학적 안정도를 시험한 결과 다음 표 1에 나타내었다.

[교환용량의 측정방법]

제조한 양이온교환수지 습윤품 약 25ml를 취하여 수지탑에 채운 후 1N 수산화나타륨 용액 200ml를 공간속도 5m³/hr로 흘린 후 탈염수로 세턱한 다음 1N 염산용액 200ml를 공간속도 5m³/hr로 흘려 H형 수지로 만들고 탈염수를 공간속도 50m²/hr로 흘려서 용액중에 염소이온이 확인되지 않을 때까지 세척하므로써 기준형 수지를 조정한다. 조정한 기준형 수지 20ml를 제취하여 원심분리하여 부착수분을 제거한 후 5g을 정확히 달아 50±1.5℃로 조절한 진공건조기속에서 10±2mmHg로 8시간 건조하여 무게를 달아 감량분으로 수분을 측정한다. 다음에 250ml 메스실린더에 0.2N 수산화나트륨 용액을 표시선까지 채우고 수분을 제거한 수지 3g을 정확하게 달아 넣는다. 24시간 방치 후 상층액 25ml를 취하여 메틸오렌지를 지시약으로 하여 0.1N 염산용액(농도 계수 f)으로 적정한다(A ml).

동시에 처음의 0.2N 수산화나트륨 용액 25ml에 대해서도 0.1N 염산용액으로 적정한다(B ml). 중화적정은 자동적정작치(Metron사, 모델-682)로 행하였다.

[수지형에 따른 체적 변화]

기준형으로 조정한 수지를 과잉으로 1N 수산화나트륨 용액으로 처리하여 Na형으로 만든 후 탈염수로 충분히 세정하고 그 수지를 10ml의메스실린더에 정확히 채취한다. 채취한 10ml의 수지에 1N 염산용액을 흘러 H형으로 변형시킨 후 탈염수로 충분히 세정한 후 10ml의 메스실린더에서 수지의 체적(γml)을 정획히 측정한다.

[화학적 안정도 시험]

화학적 안정도 시험은 기계적 강도시험의 일부인 산화시험방법으로 입자를 45℃ 온도에서 72시간동안 3% 과산화수소 용액에 처리한 후 수분율을 측정하였다. 여기서 수분율이 낮을수록 화학적 안정도가 우수하므로 본 발명이 비교예에 비해 화학적 안정도가 우수함을 알 수 있다.

[표 1]

Claims (5)

1. 약산성 양이온교환수지를 제조함에 있어서, 다음 구조식(I)로 표시되는 펜타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트, 다음 구조식(II)로 표시되는 1,4-시클로헥산디메틸 디(메타)아크릴레이트 및 다음 구조식(III)으로 표시되는 글리시딜 (메타)아크릴레이트를 현탁중합한 후, 다음 구조식(IV)로 표시되는 카르복실산 유도체를 반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 약산성 교환수지의 제조방법.

   상기 식에서, R은 수소원자 또는 메틸기이고, R₁은 클로로 또는 브로모이고, R₂는 수소원자, 메틸기 또는 에틸기이다.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구조식(IV)로 표시되는 카르복실산 유도체는 공중합체 입자중량에 대하여 5~70중량% 사용하는 것을 특징으로 하는 약산성 양이온교환수지의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구조식(IV)로 표시되는 카르복실산 유도체로는 클로로아세틸산, 브로모아세틸산, 2-클로로프로피온산, 3-클로로프로파온산, 2-브로모프로피온산, 3-브로모프로비온산, 2- 클로로부탄산, 4-클로로부탄산, 2-브로모부탄산, 4-브로모부탄산 또는 푸마르산을 사용하는 것을 특징으로 하는 약산성 양이온교환수지의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리 촉매로는 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화리튬을 사용하는 것을 특징으로 하는 약산성 양이온교환수지의 제조방법.
5. 제 1 항의 방법에 의해 제조된 약산성 양이온교환수지.