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KR100668339B1 - 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법 - Google Patents

이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR100668339B1
KR100668339B1 KR1020050052723A KR20050052723A KR100668339B1 KR 100668339 B1 KR100668339 B1 KR 100668339B1 KR 1020050052723 A KR1020050052723 A KR 1020050052723A KR 20050052723 A KR20050052723 A KR 20050052723A KR 100668339 B1 KR100668339 B1 KR 100668339B1
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ion
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남궁지나
이수석
김준호
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Abstract

본 발명은 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및 상기 고분자 화합물 및 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함하는 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 이온 교환성 혼합물을 이용하여 제조한 이온 교환성 막은 종래의 이온 교환성 막보다 훨씬 적은 전기저항을 가지며 전하를 띠기 때문에 우수한 선택 투과성을 가진다. 또한, 본 발명의 이온 교환성 막은 제조 조건이 매우 마일드하여 제조가 대단히 용이하고 또한 물 용매하에서 가교반응과 동시에 성막되기 때문에 원하는 크기, 모양, 형태로 자유롭게 제조할 수 있는 장점과 효과가 있다.
이온교환, 아크릴아미드, 비스-아크릴아미드, 스티렌, 트리메틸아민, 술폰

Description

이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법{Ion exchangeable mixture and method of producing the same}
도 1은 본 발명의 이온 교환성 막을 이용한 전기분해의 일구현예를 나타내는 개념도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 이온 교환성 막을 포함하는 미세유동장치의 일구현예를 나타내는 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 음이온 교환성 막 20 : 양이온 교환성 막
30 : 캐소드 40 : 애노드
50 : 캐소드 챔버 60 : 애노드 챔버
70 : 마이크로 펌프 100 : 이온 교환성 막
본 발명은 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전기저항이 낮고 선택 투과성이 있으며, 또한 제조가 용이하여 막으로의 성형에 있어 크기, 형태 등에 구애받지 않는 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
미세유동장치는 입구, 출구 및 반응 용기 등이 마이크로채널을 통하여 연통되어 있는 장치를 말한다. 이러한 장치는 당업계에 널리 알려져 있으며, 랩온어칩(Lab-on-a-Chip : LOC)과 같은 미세 분석 장치에 널리 이용되고 있다. 이러한 미세유동장치에는 상기 마이크로채널이 형성되어 있는 외에 일반적으로 유체의 이송과 혼합을 위한 마이크로펌프, 마이크로믹서 및 이송되는 유체를 여과하기 위한 마이크로필터 등이 구비되어 있다.
LOC와 같은 생물분석 장치로서 사용되는 미세유동장치는 일반적으로 세포 또는 바이러스를 용해하는 과정에 필요한 장비를 구비하거나, 외부에서 용해된 세포 용액 또는 이미 정제된 물질을 이용하여야 한다. 종래 세포 용해 방법으로서, 알칼리법, 효소를 이용하는 방법, 비등법(boiling method) 등이 사용되었다.
알칼리법은 세포 또는 바이러스에 NaOH와 같은 화학물질을 첨가하여 높은 pH에 노출시켜 세포를 용해하는 방법이다. 그러나, 알칼리법과 같은 종래의 세포 또는 바이러스 용해 방법을 LOC와 같은 미세유동장치에 이용하는 데에는 많은 문제점이 따른다. 예를 들면, NaOH와 같은 알칼리 용액을 첨가하거나 알칼리 용액을 이용하여 세포를 용해하고 얻어지는 알칼리성인 세포 용해액에 중화 용액을 첨가하여 중화하는 경우에는 세포를 용해시키기 위한 알칼리 용액의 주입 단계 및 이를 위한 장치가 필요하며, 알칼리 용액 및 중화용액 첨가에 의한 샘플용액이 희석되는 문제점이 발생한다. 이러한 용액의 주입 단계 및 장치 문제는 미세 부피를 다루는 미세유동장치에 있어서는 심각한 문제가 될 수 있으며, 또한 추후 PCR과 같은 생물학적 분석 방법을 사용하기 위하여 NaOH와 같은 알칼리 용액은 제거되거나 중화되어야 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 별도로 알칼리 용액을 주입할 필요 없이 전기 분해에 의해 pH를 조절함으로써 알칼리 용액으로 만들고 상기와 같이 형성된 pH를 이온 교환성 막으로 유지하면서 이에 의하여 세포를 인시투로 용혈시키는 방법이 필요하나, 형성된 pH가 일정하게 유지되도록 우수한 선택투과성을 보이면서 전기 전도도가 우수하여 전기 분해의 효율을 높이는 이온 교환성 막에 관하여는 아직 알려진 바가 없다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 전기 저항이 낮고 선택 투과성이 있으며, 막으로의 성형이 용이한 이온 교환성 혼합물을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 이온 교환성 혼합물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 이온 교환성 혼합물을 이용하여 제조한 이온 교환성 막을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 이온 교환성 막을 이용하여 제조한 미세유동장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여,
(a) 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물;
(b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및
(c) 상기 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함하는 이온 교환성 혼합물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여,
(a) 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물;
(b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및
(c) 상기 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함하는 이온 교환성 혼합물을 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 개시제; 및 촉매를 용매와 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 개시제; 및 촉매를 용매와 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 상기 이온 교환성 혼합물을 포함하는 이온 교환성 막을 제공한다.
본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버의 사이에 설치된 분할 막을 포함하는 세포 융해용 전기분해 장치를 포함하는 미세유동장치로서, 상기 분할 막이 상기 이온 교환성 막인 미세유동장치를 제공한다.
이하에서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제1태양에 따르면, 본 발명의 이온 교환성 혼합물은 (a) 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물; (b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및 (c) 상기 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함한다.
상기 음이온 교환수지는 스티렌계, 페놀계, 아민계, 메타크릴계인 것이 바람직하나 여기에 한정되는 것은 아니다. 특히 상기 음이온 교환수지는 하기 화학식 1과 같이 스티렌계로서 트리메틸아민으로 치환된 것이 바람직하다.
[화학식 1]
Figure 112005032354231-pat00001
(여기서 n은 2 내지 100,000의 정수이다.)
상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 2의 단량체를 중합하여 제조할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112005032354231-pat00002
상기 화학식 2의 단량체를 중합하여 화학식 1의 화합물을 제조하기 위해서는, 예를 들면, 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate), 벤조일 퍼옥사이드(BPO: bezoyl peroxide), 아조비스이소부티로니트릴(AIBN: azobisisobutyronitrile)과 같은 개시제와 TEMED(N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine)를 촉매로 하여 용매 내에서 용액중합(solution polymerization)하는 것이 바람직하다. 상기 반응은 70 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 30분 내지 4시간 동안 수행될 수 있다.
상기 용매는 상기 중합 반응에 참가하지 않는 친수성 용매이면 되고 특별히 한정되지 않으나 물, 특히 탈이온수(deionized water), 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 알콜류가 바람직하다.
상기 아크릴아미드 혼합물은 비스-아크릴아미드와 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함한다. 특히, 상기 비스-아크릴아미드는 N,N'-메틸렌-비스-아크릴아미드인 것이 바람직하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 공중합체는 상기 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아 미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체이다. 상기 음이온 교환수지가 트리메틸아민으로 치환된 스티렌계 수지인 경우에 대하여 제조될 수 있는 공중합체의 일구현예를 나타내면 하기 화학식 3과 같다.
[화학식 3]
Figure 112005032354231-pat00003
상기 화학식 3에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 공중합체는 음이온 교환수지와 폴리아크릴아미드의 사슬을 갖고 이들 사슬이 비스-아크릴아미드에 의해 가교되어 있는 것을 알 수 있다.
또, 상기 음이온 교환수지, 상기 아크릴아미드 혼합물 및 상기 공중합체는 서로 상호침투(interpenetration)되어 있다. 여기서, 상호침투라 함은 음이온 교환 수지의 고분자 사슬과 아크릴아미드로 된 고분자 사슬이 3차원적으로 무작위적으로 서로 얽혀있는 상태로서 거시적으로 볼 때는 균일한 상태이고 특정 성분의 농도 기울기 등은 형성되지 않는 상태를 의미한다.
본 발명의 제2태양에 따르면, 본 발명의 이온 교환성 혼합물은 (a) 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물; (b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및 (c) 상기 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함한다.
상기 양이온 교환수지는 스티렌계, 페놀계, 아민계, 메타크릴계인 것이 바람직하나 여기에 한정되는 것은 아니다. 특히 상기 양이온 교환수지는 하기 화학식 4에 나타낸 바와 같이 스티렌계로서 술폰기로 치환된 것이 바람직하다.
[화학식 4]
Figure 112005032354231-pat00004
(여기서 n은 2 내지 100,000의 정수이다.)
상기 화학식 4의 화합물은 하기 화학식 5의 단량체를 중합하여 제조할 수 있다.
[화학식 5]
Figure 112005032354231-pat00005
다만, 상기 단량체에 치환된 술폰기가 -SO3H일 경우에는 추후에 발생하는 수소 이온으로 인하여 용액의 pH 조절에 있어서 원하지 않는 결과를 가져올 수도 있다. 이러한 경우에 이용하기 위하여는 상기 술폰기가 나트륨 등의 염, 예를 들면 -SO3Na인 것이 바람직하다.
상기 화학식 5의 단량체를 중합하여 화학식 4의 화합물을 제조하기 위해서는, 예를 들면, 암모늄 퍼설페이트, BPO, AIBN과 같은 개시제와 TEMED를 촉매로 하여 용매 내에서 용액중합하는 것이 바람직하다. 상기 반응의 용매 및 반응조건은 상기 화학식 1의 화합물의 제조에 있어서와 동일하다.
상기 아크릴아미드 혼합물은 비스-아크릴아미드와 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하며, 앞서 언급한 바와 같이 상기 비스-아크릴아미드는 N,N'-메틸렌-비스-아크릴아미드인 것이 바람직하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 공중합체는 상기 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체이다. 상기 양이온 교환수지가 술폰기로 치환된 스티렌계 수지인 경우에 대하여 제조될 수 있는 공중합체의 일구현예를 나타내면 하기 화학식 6와 같다.
[화학식 6]
Figure 112005032354231-pat00006
상기 화학식 6에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 공중합체는 양이온 교환수지와 폴리아크릴아미드의 사슬을 갖고 이들 사슬이 비스-아크릴아미드에 의해 가교되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 상기 양이온 교환수지, 상기 아크릴아미드 혼합물 및 상기 공중합체는 서로 상호침투되어 있다.
본 발명의 제3태양에 따르면, 본 발명은 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 개시제; 및 촉매를 용매와 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법을 제공한다.
상기 반응물은 전체 반응 혼합물 100 중량부에 대하여, 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물 0.1 내지 20 중량부; 비스-아크릴아미드 0.1 내지 5 중량부; 아크릴아미드 5 내지 40 중량부; 개시제 0.05 내지 1 중량부; 촉매 0.05 내지 1 중량부; 및 용매 55 내지 90 중량부인 것이 바람직하다.
음이온 교환수지로 된 고분자 화합물의 함량이 0.1 중량부에 미달하면 하전량(荷電量)이 작아지고, 20 중량부를 초과하면 제조되는 이온 교환성 혼합물의 강도가 약해진다. 비스-아크릴아미드의 양이 0.1 중량부에 미달하면 강도가 낮아지고, 반대로 5 중량부를 초과하면 함수율이 감소하여 전기저항이 증가하는 단점이 있다. 또, 아크릴아미드의 양이 5 중량부보다 낮으면 강도가 저하되고, 40 중량부보다 많으면 역시 함수율이 감소하여 전기저항이 증가한다. 개시제의 함량이 0.05 중량부에 미달하면 반응속도가 느려져서 바람직하지 않고, 반대로 1 중량부보다 많으면 물성이 저하될 수 있다. 촉매의 양이 0.05 중량부에 미달하면 반응속도가 느려져서 바람직하지 않고, 반대로 1 중량부보다 많으면 자체적으로 염기성을 띠어 시료를 염기용액으로 만들어버리는 부작용이 있을 수 있다. 용매의 양이 55 중량부에 미달하면 제조되는 이온 교환성 혼합물의 전기저항이 증가하게 되고 90 중량부보다 많으면 강도가 저하된다.
상기 반응은 상온에서 수행될 수 있으며, 반응 시간은 개시제 및 촉매의 양에 따라 신축적이며 30초 내지 20분 동안 수행될 수 있다. 반응 시간이 30초 보다 짧으면 반응이 미진하여 가교가 잘 되지 않을 수 있고, 반응 시간이 20분 보다 길 면 반응이 거의 완료되었으므로 더 이상의 반응이 불필요하다.
상기 개시제는 고분자의 라디칼 중합에 있어서 개시제로 사용되는 것이면 되고 특별히 한정되는 것은 아니나 암모늄 퍼설페이트, BPO, AIBN일 수 있다. 또한, 상기 촉매는 TEMED인 것이 바람직하다.
상기 용매는 물, 특히 탈이온수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올과 같은 알코올이 바람직하며, 특히 탈이온수가 더욱 바람직하다.
상기 반응이 완료되면, 고체 형태의 음이온 교환성 혼합물이 제조되며 상기 음이온 교환성 혼합물은 다량을 물을 함수한다.
본 발명의 제4태양에 따르면, 본 발명은 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 개시제; 및 촉매를 용매와 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법을 제공한다.
상기 반응물은 전체 반응 혼합물 100 중량부에 대하여, 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물 0.1 내지 20 중량부; 비스-아크릴아미드 0.1 내지 5 중량부; 아크릴아미드 5 내지 40 중량부; 개시제 0.05 내지 1 중량부; 촉매 0.05 내지 1 중량부; 및 용매 55 내지 90 중량부인 것이 바람직하다.
양이온 교환수지로 된 고분자 화합물의 함량이 0.1 중량부에 미달하면 전하량이 작아지고, 20 중량부를 초과하면 제조되는 이온 교환성 혼합물의 강도가 약해진다. 그 외의 성분의 함량의 수치 한정 이유는 앞서 설명한 음이온 교환성 혼합물의 경우와 동일하다. 또, 반응 조건, 개시제, 촉매, 및 용매에 관하여도 상기에 설 명한 바와 동일하다.
상기 반응이 완료되면, 고체 형태의 양이온 교환성 혼합물이 제조되며 상기 양이온 교환성 혼합물은 다량을 물을 함수한다.
본 발명의 제5태양에 따르면, 본 발명은 상기 이온 교환성 혼합물로 된 이온 교환성 막을 제공한다. 상기 이온 교환성 막은 통상의 이온 교환막과 같이 선택 투과성이 있기 때문에, 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물을 이용하여 제조한 양이온 교환성 막은 양이온은 투과시키지만 음이온은 투과시키지 않는 성질을 갖고, 반대로 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물을 이용하여 제조한 음이온 교환성 막은 음이온은 투과시키지만 양이온은 투과시키지 않는 성질을 갖는다.
따라서, 시료를 담은 챔버의 중심을 상기와 같은 이온 교환성 막을 이용하여 격리한 후 상기 시료를 전기분해 하면, 전기분해의 결과 발생하는 이온의 이동을 제한할 수 있게 되고, 그 결과 특정 이온의 농도를 선택적으로 높일 수도 있고, 시료의 pH를 조절할 수도 있게 된다.
본 발명의 일구현예로서 상기 음이온 교환수지를 이용하여 제조한 이온 교환성 혼합물로 이온 교환성 막을 제조할 수도 있고, 다른 일구현예로서 상기 양이온 교환수지를 이용하여 제조한 이온 교환성 혼합물로 이온 교환성 막을 제조할 수도 있다. 또 다른 일구현예로서 음이온 교환수지를 이용하여 제조한 이온 교환성 혼합물과 양이온 교환수지를 이용하여 제조한 이온 교환성 혼합물로 각각 이온 교환성 막을 제조한 후 이들을 적층하여 복수개의 층을 갖는 이온 교환성 막을 제조할 수도 있다.
특히, 상기와 같이 복수개의 층을 갖는 이온 교환성 막을 제조하면, 양이온과 음이온 모두의 거동을 제한할 수 있기 때문에 다양하게 응용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 음이온 교환성 막(10)과 양이온 교환성 막(20)을 적층하고 이를 이용하여 챔버를 캐소드 챔버(50)와 애노드 챔버(60)의 두 구역으로 격리하고 여기에 직류 전원을 통과시키면 캐소드 챔버(50)에는 양이온이 발생하고, 애노드 챔버(60)에는 양이온이 발생하지만 캐소드 챔버(50)에서 발생한 양이온은 음이온 교환성 막(10)으로 인하여 애노드 챔버(60)로 이동하는 것이 제한되고, 반대로 애노드 챔버(60)에서 발생한 음이온은 양이온 교환성 막(20)으로 인하여 캐소드 챔버(50)로 이동하는 것이 제한된다. 그 결과 캐소드 챔버(50)에는 양이온의 농도가 높아지고 애노드 챔버(60)에는 음이온의 농도가 높아진다.
상기 이온 교환성 혼합물을 이용하여 성막하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 이온 교환성 혼합물을 제조하기 위한 반응물을 얇은 필름 위에 얇게 도포한 채 반응시키면 반응 종료 후 막 형태를 이루고 상기 필름을 제거하면 본 발명의 이온 교환성 막이 된다.
특히, 상기 이온 교환성 혼합물은 물을 용매로 이용하고 상온에서 잘 고화되는 성질을 갖기 때문에 성막하기 편리하다. 따라서, 상기 이온 교환성 혼합물은 막 형태로 성형하는 외에 다른 임의의 형태로도 성형하는 것이 가능하다.
본 발명의 제6태양에 따르면, 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버의 사이에 설치된 분할 막을 포함하는 세포 융해용 전기분해 장치를 포함하는 미세유동장치로서, 상기 분할 막이 상기 이온 교환성 막인 미세유동 장치를 제공한다.
도 2a는 본 발명의 이온 교환성 막(100)을 포함하는 미세유동장치의 일구현예를 나타내는 개념도이다. 캐소드 챔버(50)와 애노드 챔버(60)는 본 발명의 이온 교환성 막(100)에 의하여 분리되어 있고, 각 챔버(50, 60)에는 전극(30, 40)이 설치되어 있어 전극(30, 40)을 통하여 전압을 인가함으로써 각 챔버(50, 60)에서 전기분해 반응을 일으킬 수 있다. 상기 각 챔버(50, 60)에는 각각 유입구와 유출구가 설치되어 있고, 상기 각 유출구는 합류되어 캐소드(30) 및 애노드(40)의 전기분해 용액이 혼합되어질 수 있도록 되어 있다.
도 2b 및 도 2c는 각각 본 발명의 이온 교환성 막(100)을 포함하는 미세유동장치의 다른 일구현예를 나타내는 개념도이다. 도 2b 및 도 2c에 나타낸 미세유동장치는 도 2a에 나타낸 미세유동장치에 각각 2개 및 1개의 마이크로 펌프(70)가 더 구비되어 있는 것이다. 도 2c에 나타낸 바와 같은 하나의 마이크로 펌프(70)가 구비되어 있는 미세유동장치는 캐소드 챔버(50) 및 애노드 챔버(60)의 전기분해 용액이 동일한 양으로 유입되어 혼합되도록 하는 것이기 때문에, 전기분해에 의하여 애노드 챔버(60)에서 생성된 양이온의 당량과 캐소드 챔버(50)에서 생성된 음이온의 당량이 서로 유사한 경우에만 적용하는 것이 바람직하다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1>
가로 15mm, 세로 15mm, 두께 0.75mm의 크기를 갖는 몰드(mold)에 상기 화학식 1의 트리메틸아민으로 치환된 스티렌계 이온교환수지 1 g, 아크릴아미드(CH2CHCONH2) 3.5 g, 비스-아크릴아미드(CH2(CH2CHCONH)2) 0.5 g, 암모늄 퍼설페이트와 TEMED 각 0.1 g, 물 6 g을 넣고 상온에서 20분간 가교 반응을 수행하였다. 그 결과 반응물이 고화되었고, 상기 몰드를 제거하고 세척하여 고체의 음이온 교환성 막을 얻었다. 얻어진 음이온 교환성 막의 두께는 0.75 mm였다.
<실시예 2>
트리메틸아민으로 치환된 스티렌계 이온교환수지 대신 술폰기의 나트륨염(-SO3 -Na+)으로 치환된 스티렌계 이온교환수지를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일하게 가교 반응을 수행하였다. 그 결과 고체의 양이온 교환성 막을 얻었다. 얻어진 양이온 교환성 막의 두께는 0.75 mm였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서 제조한 음이온 교환성 막을 챔버의 중간에 고정하고 100 mM 농도의 Na2SO4 수용액(초기 pH = 5.82)을 상기 음이온 교환성 막으로 나눠진 챔버의 양쪽에 넣고 직류 전원(10 V)을 가하여 전기분해를 수행하였다. 1 분 동안 직류 전원을 가한 후 전원의 공급을 중단하고 2 분 간격으로 pH의 변화를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
<실시예 4>
음이온 교환성 막 대신 상기 실시예 2에서 제조한 양이온 교환성 막을 사용 한 점을 제외하고는 상기 실시예 3에서와 동일하게 전기분해를 수행하고 pH의 변화를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1에서 제조한 음이온 교환성 막과 상기 실시예 2에서 제조한 양이온 교환성 막을 밀착하여 적층한 막을 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 3에서와 동일하게 전기분해를 수행하고 pH의 변화를 측정하였다. 상기 적층막의 두께는 1.5 mm였다. 상기 pH 변화를 측정한 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
<비교예 1>
이온 교환수지를 첨가하지 않는 점을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 아크릴아미드 막을 제조한 후, 상기 실시예 3에서와 동일하게 전기분해를 수행하고 pH의 변화를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[표 1]
시간(분) 0 2 4 6 8 10
실시예 3 캐소드 11.13 11.07 11.03 10.92 10.87 10.82
애노드 2.63 2.70 2.74 2.81 2.85 2.88
실시예 4 캐소드 10.83 10.72 10.66 10.58 10.53 10.44
애노드 2.92 2.94 2.97 3.01 3.05 3.07
실시예 5 캐소드 10.87 10.84 10.77 10.77 10.76 10.73
애노드 2.66 2.68 2.73 2.76 2.83 2.86
비교예 1 캐소드 10.75 10.65 10.60 10.57 10.55 10.55
애노드 2.51 3.21 3.41 3.8 4.21 4.35
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 상기 실시예 3 내지 실시예 5에서 사용된 본 발명의 이온 교환성 막은 10 분 동안의 pH 변화가 0.3 미만에 그침을 알 수 있다. 즉, 전기 분해의 결과 발생한 이온의 이동을 차단하는 데 있어서 모두 탁월한 성능을 보임을 알 수 있다. 그러나, 비교예 1의 경우는 애노드에서의 10 분 동 안의 pH 변화는 1.84로서 선택 투과성이 미흡함을 알 수 있다.
<비교예 2>
상용 이오노머인 듀퐁사의 나피온(Nafion) 막을 이용하여 전기 저항을 측정하였다. 전기 저항은 5 V의 직류 전압 하에서 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
또, 상기 실시예 3 내지 5의 막에 대하여도 상기 비교예 2에서와 동일한 방법으로 전기 저항을 측정하여 하기 표 2에 함께 정리하였다.
[표 2]
저항(Ω)
비교예 2 118 ∼ 150
실시예 3 51 ∼ 66
실시예 4 51 ∼ 92
실시예 5 56 ∼ 92
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 이온 교환성 막은 종래의 나피온 막에 비하여 현저히 적은 저항을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 이온 교환성 막을 이용하면 종래의 나피온 막을 이용할 때보다 더욱 효과적으로 전기 분해를 수행할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명의 이온 교환성 혼합물을 이용하여 제조한 이온 교환성 막은 종래의 이온 교환성 막보다 훨씬 적은 전기저항을 가지며 전하를 띠기 때문에 우수한 선택 투과성을 가진다. 또한, 본 발명의 이온 교환성 막은 제조 조건이 매우 마일드하여 제조가 대단히 용이하고 또한 물 용매하에서 가교반응과 동시에 성막되기 때문에 원하는 크기, 모양, 형태로 자유롭게 제조할 수 있는 장점과 효과가 있다.

Claims (21)

  1. (a) 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물;
    (b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및
    (c) 상기 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함하는 이온 교환성 혼합물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 음이온 교환수지가 스티렌계, 페놀계, 아민계, 메타크릴계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음이온 교환수지가 트리메틸아민으로 치환된 스티렌계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물.
  4. (a) 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물;
    (b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및
    (c) 상기 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체를 포함하는 이온 교환성 혼합물.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 양이온 교환수지가 스티렌계, 페놀계, 아민계, 메타크릴계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 양이온 교환수지가 술폰기로 치환된 스티렌계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 비스-아크릴아미드가 N,N'-메틸렌-비스-아크릴아미드인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, (a) 내지 (c)의 화합물이 서로 상호침투(interpenetration)되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물.
  9. 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 개시제; 및 촉매를 용매와 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 음이온 교환수지가 스티렌계, 페놀계, 아민계, 메타크릴계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 음이온 교환수지가 트리메틸아민으로 치환된 스티렌 계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 반응물의 함량이 음이온 교환수지로 된 고분자 화합물 0.1 내지 20 중량부; 비스-아크릴아미드 0.1 내지 5 중량부; 아크릴아미드 5 내지 40 중량부; 개시제 0.05 내지 1 중량부; 촉매 0.05 내지 1 중량부; 및 용매 55 내지 90 중량부인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  13. 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물; 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 개시제; 및 촉매를 용매와 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 양이온 교환수지가 스티렌계, 페놀계, 아민계, 메타크릴계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 양이온 교환수지가 술폰기로 치환된 스티렌계인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 반응물의 함량이 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물 0.1 내지 20 중량부; 비스-아크릴아미드 0.1 내지 5 중량부; 아크릴아미드 5 내지 40 중량부; 개시제 0.05 내지 1 중량부; 촉매 0.05 내지 1 중량부; 및 용매 55 내 지 90 중량부인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  17. 제 9 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 용매가 물인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  18. 제 9 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 개시제가 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate), 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide), 또는 아조비스이소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile)인 것을 특징으로 하는 이온 교환성 혼합물의 제조방법.
  19. 제 1 항의 이온 교환성 혼합물 또는 제 4 항의 이온 교환성 혼합물을 포함하는 이온 교환성 막.
  20. 제 19 항에 있어서, 제 1 항의 이온 교환성 혼합물을 포함하는 제 1 층 및 제 4 항의 이온 교환성 혼합물을 포함하는 제 2 층을 적어도 1개 이상 포함하는 이온 교환성 막.
  21. 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버의 사이에 설치된 분할 막을 포함하는 세포 융해용 전기분해 장치를 포함하는 미세유동장치로서, 상기 분할 막이 제 20 항에 따른 이온 교환성 막인 미세유동장치.
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