高度交联的杀微生物的聚苯乙烯乙内酰脲颗粒的制作方法

专利名称：高度交联的杀微生物的聚苯乙烯乙内酰脲颗粒的制作方法
技术领域：
本发明涉及高度交联的聚苯乙烯N-卣代胺(N-halamine)杀微生 物聚合物的制造、产品和使用方法。由于高度交联特征，该杀微生物 聚合物在非均相条件下生产，且在一种实施方案中具有孔。
背景技术：
在已经合成了许多杀微生物聚合物(如季铵盐、僻材料、卣化磺 酰胺和缩二胍-参见Trends Polym. Sci. 4: 364 (1996))，并测试 其杀微生物活性的同时，相当新的已知为环状N-卣代胺的一类已显示 出非常优异的性能，包括杀微生物效力、长期稳定性和一旦效力失去 时的再补充能力。所述的材料是聚苯乙烯的廉价衍生物聚-1, 3-二氯 - 5 -甲基-5 - ( 4'-乙彿基苯基)乙内酰脲，其首次公开在U. S.专 利5, 490, 983中，在这里引作参考。最近已经出现了后续公开其杀微 生物性能在灭菌应用领域中用于滤水器[参见Ind. Eng. Chem. Res. 33: 168 (1994); Water Res. Bull. 32: 793 (1996); Ind. Eng. Chem. Res. 34: 4106 (1995); L Virolog. Meth. 66: 263 (1997); Trends in Polym. Sci. 4: 364 (1996); Water Cond. & Pur. 39: 96 (1997)]。 该聚合物能有效抑制包括金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌、白 假丝酵母、土生克雷伯氏菌、嗜肺军团杆菌和轮状病毒及其他的广i普 病原体，在水灭菌剂应用中几秒钟数量级的接触时间能够引起大的对 数减少(log reduction)。而且，其在pH值至少在4. 5-9. 0的范围 内和温度至少在4X:-37。C的范围内有效，甚至在含有由生物负担引起 的重氯需求的水中也能够起作用。这种杀微生物聚合物不溶于水和有机化合物，因此在液体介质中 不发生迁移。它在干燥贮存中长时间稳定(在室温下至少一年的贮存期限)且能够在工业规模上生产。而且，目前获得的所有证据表明， 该材料是无毒的，接触时对人和动物不致敏。许多微生物如某些细菌、真菌和酵母能够帮助分解体液，如尿和 血液，或者形成生物膜，其产生难闻的气味但却是有用的商品。例如， 已知细菌如产氨细菌和奇异变形杆菌通过尿素酶的催化机理而加重了尿分解形成有害的氨气(参见U. S.专利5,992,351 )。上述提及的同 样的聚合物(聚-1，3-二氯-5-曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内 酰脲)已经显示出对使奇异变形杆菌失活并由此使由氨气引起的难闻 气味最小化是有效的(U. S.专利申请号09/685， 963，这里引作参考)。 该聚合物也不溶于体液中，以至于不会迁移到皮肤表面，使其能够用 于如一次性尿布、失禁用垫、绷带、卫生巾和卫生护垫(pantiliners) 的应用领域中。然而，聚-1，3-二氯-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰 脲的组成，和其公开在U. S.专利5， 490， 983中的用作用于滤水器应用 的杀微生物剂的用途，及其公开在U. S.专利申请号09/685, 963中用 于气味控制的用途，涉及一种具有明显氯气气味的细粉材料形式。在 这种形式下，该材料显示出一种在滤水应用中产生过多的反压力以至 减慢流速的趋势，并且细颗粒可能在工业装置中成气雾状散开，以至 引起对处理这种材料的工人的关注。因此认为有必要寻找一种生产较 大颗粒形式的具有较少氯气放出的材料，而同时保留它的杀微生物效 力的方法。
发明内容
发明概述本发明涉及新型的高度交联的杀微生物乙内酰脲的制造、产品和 在滤水器和空气过滤器中的用途，及其与吸收材料混合或用作涂层来 阻止在体液中，在地毯、纺织品纤维上，和在空气过滤器中等含有的 有机材料的分解而引起的有害气味的用途。本发明的一个实施方案涉及一种从高度交联的聚苯乙烯制备高度交联的杀微生物乙内酰脲的新方法。合适的交联量是大于5%。在这种 形式下，乙内酰脲是以颗粒而不是细粉形式制造。在一个实施方案中， 颗粒可以包括用以增加杀微生物效力的孔。由于该聚合物的高度交联 特征，反应能在非均相条件下进行。在另一个实施方案中，卣素的加载能够通过在卣化步骤中调整pH或卣素浓度而控制。本发明的另一方面是一种新型的高度交联的杀微生物乙内酰脲。 该乙内酰脲含有具有下述化学式的聚合物链其中X和XM虫立地是氯(Cl)、溴(Br)或氢(H)，条件是X 和X'中至少一个是Cl或Br;和^是H或甲基(CH3)。交联量大于5%。本发明的一个实施方案中， 乙内酰脲可以提供为颗粒形式，其中颗粒的形状是珠形。然而，其它 实施方案可以提供任何其它形状的高度交联乙内酰脲。在一种实施方 案下，珠粒大于100Mm或为约lOOiam-约1200)am。在另一个实施方 案中，本发明可以有孔，其中孔的平均尺寸是大于约10nm或为 10nm-100nffl。根椐本发明制备的杀微生物乙内酰脲有新型的高度交联 的聚-1，3-二卤代-5-曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲，聚 -1-卤代-5-甲基-5- (V -乙烯基苯基)乙内酰脲，和单卣代类 的碱金属盐衍生物，和其混合物的N-卣代胺聚合物，其中卣素可以是 氯或溴。根据本发明制备的杀微生物颗粒可以提供许多优点的方式使用。 通过提供多种杀微生物颗粒到收集器如过滤器装置中，从而提供一种 通过将水流或空气流与过滤器接触而使在水流或空气流中含有的病原 微生物和病毒失活的合适的方法。杀微生物颗粒或珠将通过在接触时 使微生物失活而防止或最小化有害气味，所述的微生物通过催化酶学而增进在体液中的有机物质分解成氨气或其它有害材料。在一种实施 方案中，杀微生物珠可以与吸收材料混合形成混合物。随后将该混合 物引入将与体液接触的任何物品中，该混合物将使卣素敏感的有机体 失活。根据本发明制备的杀微生物珠在空气过滤器中，通过使如那些 产生霉和霉菌的微生物失活，而防止或最小化有害气味，以及从任何 可能接触珠表面的液体或气溶胶中散发出的那些气味。优选实施方案详述通过参考下面对特定实施方案及本发明包括的实施例的详细描 述，可以更容易理解本发明。这里使用的"杀微生物聚合物"是指新型的N-囟代胺聚合物，即 聚- 1， 3-二卤代-5 -甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲，聚-1-卤代-5 -曱基-5 - (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲，和单卣代类的 碱金属盐衍生物，和其混合物，其中卣素可以是氯或溴，但这不意味 着是限制性的，因为任何其它不溶的N-囟代胺聚合物珠，多孔或无孔 的，都能够提供一定程度的灭菌和限制气味的能力。这里使用的单数或复数的"珠"，是指高度交联的聚苯乙烯聚合 物或它们的反应产物。珠可以是任何尺寸或形状，包括球形，以致类 似于珠粒，但也可以包括不规则形状的颗粒。"珠，，与颗粒可以互换 使用。本发明的一个方面涉及合成用于产生高度交联的囟化乙内酰脲的 第一个中间体，聚-4-乙烯基苯乙酮，在一种情况下，用高度交联的 聚苯乙烯多孔珠作为原料，进行弗瑞德-克来福特(Friedel - Crafts ) 酰化步骤。然而，任何其它的高度交联聚苯乙烯聚合物也是合适的。 现有技术中，在此反应步骤中使用的聚苯乙烯含有最小的交联度，以 使其溶于弗瑞德-克来福特溶剂如二硫化碳(U. S.专利5， 490， 983 )。 由于化学反应通常当所有的反应物都溶解在溶剂中以确保反应物最大 化的接触时才进行得最好，因此不会预料到，不溶于二疏化碳的高度 交联的聚苯乙烯珠的非均相反应，能够在弗瑞德-克来福特条件下与乙酰氯很好地反应，以产生其中在整个多孔珠中形成聚-4 _乙烯基苯 乙酮的珠。本发明的另一个方面涉及聚-4 -乙烯基苯乙酮珠与碳酸铵和氰化物(氰化钠或氰化钾)的非均相反应，以生产用于生产高度交联的卣化乙内酰脲的，在它们的整个多孔结构中具有聚-5 -甲基-5 - ( 4' -乙烯基苯基)乙内酰脲的珠。现有技术中(U. S.专利5， 490， 983 )， 这一步骤是将最小化交联度的聚-4 -乙烯基苯乙酮溶解在如乙醇/水 混合物的溶剂中，导致形成细粉组成的产品。再次无法预料到，用不 溶的多孔珠能够有效地进行该反应，导致具有类似于高度交联的聚苯 乙烯珠的颗粒尺寸的产 品。本发明的另一个方面涉及聚-5-曱基-5-((-乙烯基苯基) 乙内酰脲多孔珠的非均相囟化过程，以便生产珠粒形式的聚-1， 3-二 氯- 5 -甲基-5 - ( -乙烯基苯基)乙内酰脲或聚-1， 3 - 二溴-5 -甲基-5-(4'-乙烯基苯基)乙内酰脲，或它们的单面化衍生物(质 子化或以它们的碱金属盐的形式)，或任何其混合物，其是杀微生物 的且保持颗粒尺寸类似于起始的交联聚苯乙烯珠。本发明的另一个方面涉及通过使用闺素试剂浓度控制和/或pH调本发明的另一个方面涉及聚-1，3-二氯-5-曱基-5 - (4' -乙 烯基苯基)乙内酰脲，和聚-1， 3 - 二溴-5 -曱基-5 - ( 4'-乙烯基 苯基)乙内酰脲珠，和它们的单卣化衍生物(质子化或以它们的碱金 属盐的形式)，和其混合物用于在水和空气灭菌应用中使病原体微生 物和病毒失活，和用于使产生有害气味的有机体失活的用途。本发明的另一个方面涉及具有下述化学式的高度交联的杀微生物其中X和X'独立地是氯、溴、氢，条件是X和X'中至少一个是氯或溴；和W是H或甲基。杀微生物珠的新颖性在于，使用的初始化合物是具有交联度大于5%的高度交联聚苯乙烯。这样的起始聚苯乙烯 聚合物是本领域已知的。然而，它们用于制备本发明的杀微生物化合 物是迄今未知的。根据本发明制备的珠的一个实施方案中，珠含有孔。本发明还涉及为在水和空气过滤应用中使病原微生物和病毒失 活，由此使水和/或空气对于人类消费为安全的新型高度交联、多孔的 N-卣代胺杀微生物聚合物的用途。还涉及使用同样的聚合物以使微生 物如细菌、真菌和酵母失活，所述的微生物可能在如一次性尿布、失 禁用垫、绷带、卫生巾、卫生护垫、海绵、床垫套、鞋垫(shoe inserts )、 动物栖息用品(animal litter)、地毯、织物和空气过滤器的商品中 产生有害气味，由此使这些产品在正常条件下无有害气味。本发明使用的杀微生物聚合物珠在一个实施方案中将会应用于水 或空气灭菌的筒式过滤器应用领域中。例如，杀微生物聚合物珠能够 与吸收材料混合，其中杀微生物聚合物的重量百分比是约0.1-5.0， 或约1.0,应用于涉及体液的应用领域如一次性尿布、失禁用垫、绷 带、卫生巾、卫生护垫、床垫套、鞋垫、海绵和动物栖息用品。对于 空气过滤器，涂装技术，或杀微生物聚合物的颗粒简单包埋入到可得 的过滤器材料中，能够使用的重量百分比为约0. 1-2. O，或约0. 5-1. 0。 然而，根据本发明制备的杀微生物聚合物的任何数量都将实现有利的 杀微生物活性。杀微生物聚合物借以实现杀微生物活性的机理认为是，有机体与 共价键束缚到聚合物的乙内酰脲功能基团上的氯或溴部分的表面接触 的结果。氯或溴原子转移到微生物的细胞中，在此它们通过一种未被 完全理解，但可能涉及在构成有机体的酶中含有的主要基团的氧化的 机理而导致失活。预计许多过滤装置，如筒式或夹心蛋糕式等都可以与根据本发明 制备的杀微生物聚合物珠结合使用，从在小的水处理工厂中和在大型飞机、宾馆和会议中心的空气处理系统中的大单元，到有可能用于家 用玻璃水瓶和用于龙头和用于背包和军事领域使用的手提装置的小的 过滤器。进一步预计许多种吸收和填料材料能够与该杀微生物聚合物 结合使用以有助于防止有害气味。合适地，这样的材料除了它们通常 的吸收性作用以外，还将确保杀微生物聚合物与携带微生物的介质如 体液、气溶胶颗粒和固体污染物接触一段充足的时间，以使得杀微生 物聚合物颗粒能够与导致气味的微生物表面接触。这样的材料包括，但不限于膨胀粘土，沸石，矾土，硅石，纤维素，木浆，和超吸收性聚合物。气味控制材料还可能含有辅助剂如除臭剂，芳香剂，颜料， 染料，及其混合物以用于化妆品目的。本发明杀微生物聚合物珠与现有气味控制技术相比的显著优点 是，他们对医学应用遇到的病原体微生物，如金黄色葡萄球菌和绿脓 杆菌，是比商业上的杀微生物剂如季铵盐更加有效的杀微生物剂，因 此它们具有双重功效，即，使导致气味的微生物和导致疾病的病原体 都失活。为此，它们将会在医院设施中得到广泛应用。应当理解的是，本发明的实践应用于由人类和动物的液体产生的 气味以及气栽和水载的有机体。应当强调的是，根据本发明制备的杀微生物聚合物颗粒能够被制 成各种尺寸或形状，这取决于起始的高度交联的聚苯乙烯材料的粒子 尺寸或形状。在一个实施方案中，珠是多孔的，以在一定程度上允许 在它们上实施更有效的非均相反应，尽管具有较低杀微生物效率的无 孔珠也可以使用。为了本发明预期的应用，杀微生物聚合物珠的颗粒尺寸可以在约100-1200 jam范围之内，或者在约300-800 y m范围之内。 颗粒尺寸给被微生物污染的液体提供足够的流动性，且没有将工人的 呼吸系统暴露于细的成烟雾状散开的颗粒中的危险。这两个因素是对 公开于U. S.专利号5， 490， 983中的聚-1， 3- 二氯-5 -曱基-5 - ( 4' -乙烯基苯基)乙内酰脲或聚-1， 3 - 二溴-5 一甲基-5 -(《-乙烯 基苯基)乙内酰脲的粉末形式和公开于U.S.专利申请号09/685,963 中用于气味控制的用途的显著改善。为了本发明预期的应用，杀微生物聚合物珠可以具有的孔尺寸在约10-100nm范围之内，或者在约 30-70nm范围之内。由于高度交联的珠不溶于有机溶剂和水，因此多 孔结构为非均相反应步骤提供了附加的表面积。合适地，为保证硬度 和不溶性，起始聚苯乙烯材料的交联度应当在约3-10重量百分比范围 之内，或者在约5-8重量百分比范围内，或者甚至大于3%或大于5%。高度交联的可用于根据本发明的一个方面的多孔聚苯乙烯珠的非限制 性例子，从Suqing Group(江阴，江苏，中国)或从Purolite Company (费 城，PA)购得。根据本发明的用以制备高度交联的杀微生物的乙内酰脲的一个方 案，第一步包括将高度交联的多孔聚苯乙烯珠悬浮在弗瑞德-克来福 特溶剂，如二硫化碳，二氯甲烷，过量的乙酰氯等中，然后在氯化铝 或氯化镓等存在下，在回流条件下，与乙酰氯或乙酸酐等反应。分离 的产物，聚4 -乙烯基苯乙酮珠通过暴露在水/HCl，然后是沸水中而 纯化。根据本发明的第二反应步骤包括在适合包含产生自碳酸铵的气 态氨的高压反应器中，在乙醇/水混合物等溶剂中，将纯的聚4-乙烯 基苯乙酮珠与氰化钾或氰化钠和碳酸铵或任何气态氨源反应，其中一 种实施方案中，反应器在约85。C下运行，而压力允许根据产生的氨气 数量而变化。这样，生产了聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙 内酰脲珠，其可以通过暴露于沸水漂洗而纯化。根据本发明的第三反 应步骤包括，通过将聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲 珠暴露于水基游离氯源(例如气态氯，次氯酸钠，次氯酸《丐，二氟异 氰脲酸钠等)或游离溴源(例如液溴，溴化钠/过一硫酸钾等)，而合 成杀微生物聚合物珠(聚-1， 3 - 二氯-5 -曱基-5 - ( -乙烯基苯 基)乙内酰脲或聚-1，3-二溴-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙 内酰脲)或它们的单卣化质子化或碱金属盐衍生物。如果使用氯气，则应当将反应器冷却至约ior以使不希望的副反应最小化。对于其它游离卤素源可应用室温，且反应可以在反应器中或在装有未面化前体 的筒式过滤器中原位进行。非必要地，在聚合物珠上的卣素百分含量可以通过pH调节而加以控制。例如，在pH 6-7下实现最大的卣化度；而在接近12的pH下，得到单卣化碱金属盐。中间pH (7-ll)提供二 卣化和单卣化衍生物的混合物。pH调节可以使用酸如盐酸或乙酸，或 碱如氬氧化钠或碳酸钠而进行。高于14重量°/。氯的较高游离氯含量适 合水或空气灭菌应用；而单卣化衍生物或其碱金属盐适合气味控制应 用。另一方面，高于34%的溴含量适合水灭菌应用。但是由于放出气 体，在这些高浓度下，溴可能不适合空气应用。
具体实施方式
在下述实施例中更详细地描述本发明，这些实施例只是意于对本 发明举例说明，因为本发明大量的改进和变化对于本领域技术人员来 说都是显而易见的。实施例1最大栽氯量的氯化珠的制备 从Suqing Group(江阴，江苏，中国)获得的具有颗粒尺寸在 250-600 Mm范围内，和孔尺寸为约50nm的5. 6°/。交联的聚苯乙烯多孔 珠，通过在25。C下在丙酮中浸泡2小时，且在过滤漏斗中使2份丙酮 通过这些珠而清洁。在25。C空气中干燥至恒重后，在500mL烧瓶中， 将50g珠悬浮在300mL 二硫化碳中，并溶胀15分钟。然后加入128. 2g 无水氯化铝，并将混合物在25。C搅拌15分钟。持续搅拌的同时，在 将温度保持在25。C下的条件下，经过2小时将59g乙酰氯和50mL 二 硫化碳的混合物从滴液漏斗中緩慢加入到烧瓶中。将混合物回流2小 时。反应产物是聚4-乙烯基苯乙酮多孔珠。纯化步骤包括暴露在 600mL冰/HCl混合物(2重量份冰/1重量份HC1 )中，接着每15分钟 加一份地加入5份600niL的沸水，且随后吸滤。在过滤漏斗中的产物 用沸水连续洗涤直至滤液变成无色，最后将产物在80下'C干燥至恒 重。产量是64. 4g白色的聚4-乙烯基苯乙酮多孔珠；少量样品珠(压 碎成粉末)在KBr压片中的红外光谦显示，主镨带在1601和1681cnT '，与公开在U. S.专利5, 490,983中的粉末聚4-乙烯基苯乙酮的主镨带很好地吻合，暗示用不溶的、高度交联、多孔的聚苯乙烯珠进行了 有效的非均相弗瑞德_克来福特反应。然后将3. 65g多孔聚4-乙烯基苯乙酮珠，4. 5g氰化钾，14. 4g 碳酸铵，和80mL乙醇/水(1: 1体积比)装入300mL Parr高压反应器 中。将混合物在搅拌的同时在85。C下反应14小时。产物(聚-5 -曱 基-5 - ( 4/ -乙烯基苯基乙内酰脲)多孔珠)通过每次15分钟共5 次地暴露于沸水中，然后在过滤漏斗中暴露于流动的沸水直至滤液成 无色而得以纯化。珠在8(TC下空气干燥至恒重。产量是4. 95g白色的 聚-5-曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多孔珠；少量样品珠 (压碎成粉末)在KBr压片中的红外光语显示，主语带在1510， 1725 和1778cm—、与公开在U. S.专利5, 490, 983中的粉末聚-5 -甲基-5 - (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的主傳带很好地吻合，暗示用不溶的、 高度交联、多孔的聚4-乙烯基苯乙酮珠进行了有效的非均相反应。然后，将5. Og聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多 孔珠悬浮在含有90mL、 1N的氩氧化钠的烧瓶中，将氯气緩慢鼓泡进入 保持在l(TC下的悬浮液中，直至溶液用游离氯饱和(绿色)。将混合 物在25。C下在不再加入氯气的条件下，搅拌1. 5小时。珠用5份50mL 的水过滤和洗涤并在空气中干燥。产量是6. 5g淡黄色多孔聚-1， 3 -二氯-5-曱基-5 - (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲珠；少量样品珠(压 碎成粉末)在KBr压片中的红外光语显示，主i普带在1756和1807cnf 、与公开在U. S.专利5， 490， 983的粉末聚-1， 3 - 二氯-5 -曱基- 5 -(4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的主镨带很好地吻合，暗示氯与不溶 的、高度交联、多孔的聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰 脲珠发生了有效的非均相反应。经称重的压碎的珠的碘量/硫代疏酸盐 滴定表明，珠含有20. 0重量％氯。而且，全部三个反应步骤中，珠保 持它们的形状，且由于溶胀在尺寸上一定程度的增加(增加至400-800 pm)。实施例2最大栽氯量的氯化珠的杀微生物效力 测试按实施例1制备的珠对水中含有的几种病原体的杀微生物活性。在一次测试中，将约3. 9g氯化珠装填到内径为1. 3cm和长约7. 6cm 的玻璃柱中；空床体积是3. 3mL。制备同样的未卣化珠的样品柱用作 比较。在用无耗(demand-free )水洗涤柱子直至能够在流出液中检测 到低于0. 2mg/L的游离氯后，将50mL的PH7. 0的磷酸盐緩冲的，含有 6. 9xl06CFU (菌落形成单位)/mL的革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(ATCC6538 )的无耗水的水溶液，以约3. OraL/秒的测量流动速率抽吸 过柱。流出液在流平(plating)之前用0. 02N的疏代硫酸钠猝灭。在 一次通过柱时，所有的细菌失活，即，在少于或等于1. 1秒的接触时 间内，6. 9的对数减少。同样的结果用浓度为8. 5 x l06CFU/mL的革兰 氏阴性菌0157: H7大肠杆菌(ATCC43895 )获得，即，在少于或等于 l.l秒的接触时间内，7. O的对数减少。当使用同样浓度的接种体时， 含有未囟化珠的比较柱在接触时间为1. 6秒内没有减少任何细菌。 此实施例中的结果表明，全氯化的聚-1，3-二氯-5-曱基—5-(4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多孔珠对水溶液中的各种病原体具有相 当好的效力，且对含有同样组分的水的灭菌也应是优异的。实施例3溴化珠的制备和杀微生物效力测试 将5. Og按实施例1描述制备的聚-5 -曱基-5 - ( 4'-乙烯基苯 基)乙内酰脲多孔珠悬浮在含有50mL、 2N的NaOH的烧瓶中。在搅拌 悬浮液的同时，将10. Og液溴在25。C下，IO分钟内滴加入。通过加入 4N乙酸，将pH值调节到6. 4，且混合物在25。C下在不再加入溴的条 件下搅拌1小时。然后过滤溴化珠并用每份lOOmL的自来水洗涤5次， 并在25'C的空气中干燥8小时。碘量/硫代硫酸盐滴定表明，珠含有 36.8重量°/。的栽溴量。少量样品珠(压碎成粉末)在KBr压片中的红 外光谱表明，主谱带在1724和1779cnT1，与先前从可溶的聚苯乙烯丸 粒出发制备的粉末聚-l， 3-二溴-5-甲基-5- (4，-乙烯基苯基)乙内酰脲的主谱带很好地吻合，暗示溴与不溶的、高度交联、多孑L聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲珠发生有效的非均相反应。也观 察到在1602 cm—'的弱i普带，表明存在少量的单溴化的钠盐。当溴化 反应在pH8. 5下进行时，这个谱带成为主要谱带(表明主产物是单溴 化钠盐)。类似于实施例2中所述制备装填高溴化的珠的玻璃柱(空床体积 3. lmL)。在用无耗水洗涤柱子直至能够在流出液中检测到少于lmg/L 的游离溴后，将50mL pH7. 0的磷酸盐緩沖的，含有6. 9 x 106CFU (菌 落形成单位)/mL的革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(ATCC6538 )的无 耗水的水溶液，以约3. OmL/秒的测量流动速率抽吸过柱。流出液在流 平之前用0. 02N的硫代硫酸钠猝灭。在一次通过柱时，所有的细菌失 活，即，在少于或等于l.O秒的接触时间内，6.9的对数减少。同样 的结果用浓度为8. 5xl06CFU/mL的革兰氏阴性菌0157: H7大肠杆菌(ATCC43895 )获得，即，在少于或等于1. 1秒的接触时间内，7. 0的 对数减少。当使用同样浓度的接种体时，含有未囟化珠的比较柱在接 触时间为1. 6秒内没有任何细菌减少。此实施例中的结果表明，全溴化的聚-1，3-二溴-5-曱基-5-(4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多孔珠对水溶液中的革兰氏阳性菌和革 兰氏阴性菌都具有相当好的抑制效力，且对含有同样组分的水的灭菌 也应当优异。实施例4多孔珠上的载氯量的控制进行一系列的实验以建立控制在多孔聚-5 -甲基-5- (4' -乙 烯基苯基)乙内酰脲珠上的囟素载量的方法。在这些实验中，通过两 种方法-调节加入的卤素浓度和调节多孔聚-5-甲基-5- (4'-乙 烯基苯基)乙内酰脲珠悬浮液的pH值而控制加载量。使用在实施例1中讨论的气相氯化法生产具有非常高的栽氯量(约 20重量％)的珠的方法。那些珠(压碎成粉末)在KBr压片中的红外光傳表明，主语带在1756和1807cnT1,且没有1600 cnf1附近的指示 单氯化的钠盐的主语带，意味着乙内酰脲环含有键合到它的两个氮原 子上的氯原子。具有约17重量％的栽氯量的珠通过两种方法之一制备。在一种方 法中，将2.2g多孔聚-5-甲基-5 - (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲珠 悬浮在50mL工业级的次氯酸钠(12. 5%NaOCl )和15mL水中。溶液的 pH值通过加入2N HC1调节到约8. 0。悬浮液在25。C下搅拌1小时， 过滤，用每份50mL的水洗涤5次，并在空气中干燥8小时。碘量/硫 代疏酸盐滴定表明，栽氯量是16. 9重量％。珠(压碎成粉末)在KBr 压片中的红外光镨表明，主镨带在1751和1805cnT、和一个在1609 cm —'附近的弱谱带，表明主要是二氯衍生物，但是存在少量的单氯化钠 盐。当使用同样的技术，只是使用HC1将pH值仅降低至8. 8时，滴定 的氯含量仅为13. 3重量％，且红外光镨含有在1602、 1731和1801cm —j的主谦带；两个低频镨带具有相似的强度，表明是一种二氯衍生物 和大量的单氯钠盐的混合物。在另一种方法中，将珠首先氯化至高载 量，然后用导致部分形成钠盐的碱处理。将8.1g多孔聚-5-曱基-5 -(4'-乙烯基苯基)乙内酰脲珠悬浮在50mL工业级的次氯酸钠 (I2. 5%NaOCl )和100mL水中。溶液的pH值通过加入2N HC1调节到 约6. 5。将该悬浮液在25。C下搅拌1小时，过滤，用每份100mL的水 洗涤5次，并在空气中干燥8小时。多典量/硫代硫酸盐滴定表明，载氯 量是19.0重量％。珠(压碎成粉末)在KBr压片中的红外光谱显示在 1751和1806cm^的主镨带且几乎没有1600 cm—工附近的语带，表明主 要是二氯衍生物。然后将2. 8g这些珠在25。C下浸泡在60mL的0. 05N 的NaOH中5分钟，过滤，用每份50mL的水洗涤5次，并在空气中干 燥8小时。此处理使栽氯量降至15. 5重量％ ( IR镨带在1601、 1749 和18(M cnT1) 。 1601 cnf1的谱带具有中等强度，但是比上述仅具有 13. 3%栽氯量的样品弱，表明此样品中单氯化钠盐比例更少。最后，当 l.Og同样的材料(19. 0重量％的栽氯量)在25。C下浸泡在比NaOH弱 得多的碱，lOOmL的饱和NaHC03中40分钟，然后过滤，用每份50mL的水洗涤5次，并在空气中干燥8小时，最终的珠含有17. 3重量％的 栽氯量(IR谱带在1607 (弱)，1751 (强)和1806 (中等)cm")， 表明珠主要含有二氯衍生物，但含有一些单氯化钠盐。具有约io重量°/。的载氯量的珠也能够通过两种方法制备。在一种方法中，将2. 8g在pH6， 5下氯化(产生栽氯量为19. 0重量％)的多孔 聚-5 -曱基-5_ (4〖-乙烯基苯基)乙内酰脲珠，在25。C下浸泡在 60mL的0. 05N NaOH中20分钟，然后过滤，用每份50mL的水洗涤5 次，并在空气中干燥8小时。最终的珠含有10. 8重量％的载氯量(IR 谱带在1599 (非常强)，1728 (中等)和1784 (弱)cm1),表明 珠主要含有单氯化钠盐，但是含有一些二氯衍生物。在另一种方法中， 将6. 2g多孔聚-5 一甲基-5 - ( 4'-乙烯基苯基)乙内酰脲珠与50mL 工业级的12. 5重量％的NaOCl和lOOmL水，没有pH调节(悬浮液的 pH值是12. 5)，在25'C下搅拌45分钟(在5分钟后出现相似的结果)。 然后将珠过滤，用每份50mL的水洗涂5次，并在空气中干燥8小时。 最终的珠含有10. 3重量％的载氯量(IR镨带在1598 (非常强)，1724(中等)和1784 (弱)era—1)，表明珠主要含有单氯钠盐，但是同 第一种方法一样，有一些二氯衍生物。甚至用大的化学计量过量的得 自NaOCl的游离氯，在自然的高碱pH的悬浮液中，珠仅氯化至10. 3% 水平。为了更高的栽氯量，向下调节pH是必要的。具有栽氯量低于约10重量％的珠能够通过降低供给与它们的反应 的游离氯的量来制备。例如，l.Og多孑L聚-5-曱基-5- (4'-乙烯 基苯基)乙内酰脲珠样品在搅拌下与3种不同体积的饱和次氯酸钩(1165mg/L游离Cl+)在25t:下各反应1小时。然后过滤，水洗，并 在空气中干燥，滴定样品以测氯含量。结果是(Ca(OCl)2溶液的mL数， 重量。/。Cl): 100， 6.8%; 150， 9.8%; 200， 10.2%。给出6. 8重量°/。的 加载量的样品的红外光镨含有在1596cm—1非常强的语带，归属于单氯 化衍生物的钙盐，和在1728和1782cnT'的主傳带，可以归属于未反 应的聚-5-曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。当使用低于化 学计量量的NaOCl作为游离氯源时，获得相似的结果。有可能通过在分离出盐后加入稀释酸，将存在的单氯衍生物的任何钠盐转变为它的质子化形式(多孑1>聚-1-氟-5-甲基-5- (4' -乙烯基苯基)乙内酰脲珠)。例如，在25。C下搅拌的同时，将3. 2g 上述讨论的具有10. 3重量°/。氯的珠浸在50mL0. 6N HC1中3分钟。过滤 后，用每份50mL的水洗涤5次，并在25。C下在空气中干燥8小时， 滴定样品，发现含有10. 8重量°/。的栽氯量。压碎的珠的红外光谱此时 含有在1730和1791cm"的主语带，但是发现在1598cm—1处的为单氯 化钠盐的强的、宽语带消失，仅留下一个在1607 cm—i处的弱的、尖 谱带，归属于聚苯乙烯骨架的芳香环。这样在杀微生物的多孔珠中含有的g素重量百分比能够通过调节 加入的卤素量和/或通过控制多孔聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯 基)乙内酰脲珠的水悬浮液的pH值来控制。单氯衍生物也能够在用碱 处理时作为碱金属盐分离出来，或在用酸处理时作为质子化类似物分 离出来。最终产物的形式很重要，因为这涉及作为预定应用。对于水 灭菌应用，通常需要氯重量百分比在10-17%的范围内；而对于气味控 制应用，氯重量百分比在6-10%的范围内。实施例5含有中等和低栽氯量的珠的杀微生物效力 含有中等和低栽氯量的多孔珠抑制细菌金黄色葡萄球(ATCC6538 ) 的效力用描述在实施例2中的柱测试测定。对3. llg主要是单氯化钠 盐(10. 2重量％的氯)的珠及空床体积为4. 10mL以2. 9mL/秒的流动速 率提供50mL浓度为约1. 1 x 107CFU/mL的金黄色葡萄球菌。在1. 4-2. 8 秒的接触时间间隔内观察到完全7. 1的对数减少。对于3. 02g主要是 单氯化钙盐(6. 8重量％的氯)的珠和空床体积为4. 39mL，以3. OmL/ 秒的流动速率提供50mL浓度为约1. 3x 10'CFU/mL的金黄色葡萄球菌， 在1.5-3.0秒的接触时间间隔内观察到完全7.2的对数减少。对于 3. 06g主要是单氯化质子化衍生物(10. 5重量％的氯)的珠和空床体积 为3. 84mL,以3. OmL/秒的流动速率提供50mL浓度为约1. 1 x 107CFU/mL的金黄色葡萄球菌，在低于或等于1. 3秒的接触时间内提供完全7. 1 的对数减少。这样，中等和低栽氯量的单氯碱金属盐珠在短暂的接触时间内仍然是杀微生物的，尽管与实施例2讨论的具有高栽氯量的珠 不完全一样有效。这些珠的质子化形式在比碱金属类似物更短一点的 接触时间内也是杀微生物的。实施例6具有较高交联度的珠使用没有预洗涤的购自Purolite Company(费城，PA)的具有颗粒 尺寸范围在350-950jum和孔尺寸范围在20 - 40nm的8. 0°/。交联聚苯乙 烯的多孔珠。将20. 8g珠悬浮在150mL的二硫化碳中，并使其在25'C 下溶胀15分钟。然后加入53. 4g无水氯化铝，并将混合物在25。C搅 拌15分钟。连续搅拌的同时，将23. 6g乙酰氯在保持25。C的温度下， 经过45分钟从滴液漏斗中緩慢地加入到烧瓶中。将混合物回流2小时。 反应产物是聚4-乙烯基苯乙酮多孔珠。纯化步骤包括暴露在600mL 冰/HCl混合物(2重量份水/1重量份HC1 )中，接着连续每15分钟一 次地加入5份600mL的沸水，接着吸滤。产物在过滤漏斗中用沸水连 续洗涤直至滤液变成无色，最后产物在80。C干燥至恒重。产量是26. 5g 白色的聚4-乙烯基苯乙酮多孔珠；少量样品珠(压碎成粉末)在KBr 压片中的红外光谱显示在1604和1683cnT'的主谱带，与公开在U. S. 专利5，490, 983中的粉末聚4_乙烯基苯乙酮的主语带很好地吻合， 暗示与不溶的、高度交联、多孔聚苯乙烯珠发生有效的非均相弗瑞德 —克来福特反应。然后将11. Og多孔聚4-乙烯基苯乙酮珠，13. 5g氰化钾，43. 2g 碳酸铵，和120mL乙醇/水(1: 1体积比)，装入300mL Parr高压反 应器中。将混合物在85。C下搅拌反应14小时。将产物(聚-5-甲基 -5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多孔珠)通过暴露于每次15分钟 共5次的沸水中，并接着在过滤漏斗中暴露于流动的沸水直至滤液成 无色而纯化。珠在8(TC空气干燥直至它们的重量恒定。产量是14. 7g(4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多孔珠；少量 样品珠(压碎成粉末)在KBr压片中的红外光i普显示在1509, 1724 和1786cm」的主谱带，与公开在U.S.专利5， 490,983中的粉末聚-5 -曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的主谱带很好地吻合，暗示 与不溶的、高度交联、多孔聚4-乙烯基苯乙酮珠发生有效的非均相 反应。然后将4. Og聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲多孔 珠悬浮在含有60mL水和30mL 12. 5重量％的次氯酸钠的烧瓶中，使用 2N HC1调节PH至7. 8。混合物在25。C下搅拌1小时，将珠过滤并用5 份50mL的水洗涤，并在空气中干燥8小时。少量样品珠(压碎成粉末) 在KBr压片中的红外光i昝显示在1749和1806cnT1的主傳带，与公开 在U.S. 5,490,983中的粉末聚-1，3-二氯-5-甲基-5- ( 4' -乙 烯基苯基)乙内酰脲的主谱带很好地吻合，暗示与不溶的、高度交联、 多孑L聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲珠发生有效的非 均相反应。经称量的压碎珠的碘量/硫代硫酸盐滴定表明，珠含有10. 5 重量％的氯。比实施例1中讨论的珠更低的氯含量表明，这些珠具有更 高的交联度和存在一些单氯化衍生物，以及聚-1，3-二氯-5-甲基 -5 - (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。全部三个反应步骤中，珠保持它 们的形状，且由于溶胀在尺寸上有一定程度的增加(至600-800 ym)。 当多孔聚-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲用12. 5重量％ 的NaOCl进行氟化而没有调节pH时，滴定的载氯量是8. 9重量％，并 获得红外谦带在1600 (非常强)和1718 (中等)cm1，表明存在单氯 钠盐。柱测试对在上述讨论的10. 5重量°/。氯的珠进行。柱子装填有3. 26g 珠，空床体积是2. 83mL。金黄色葡萄球菌(ATCC6538 )的完全失活(6. 9 对数)在低于或等于1秒的接触时间内一次通过柱子时获得。这样， 可以得出结论是，在起始的聚苯乙烯中不同交联度和不同的颗粒和孔 尺寸都能够成功地用于灭菌，只要交联度足够阻止珠在任何反应步骤 中溶解。实施例7气味控制如实施例4中所述制备的具有不同载氯量珠(16. 5%-主要是聚-l,3-二氯-5- 曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲；10.2%-二 氯和单氯衍生物的钠盐的混合物；7.3%-主要是聚-1-氯-5-甲基 -5 - (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的钠盐)通过使奇异变形杆菌失活 来评价它们在控制产生氨气方面的效力。5 - 10mg氯化的珠和1. 0g木浆(珠重量的0. 5或1. 0% )的共混物 通过在共混机(Hamilton Beach 7 Blend Master Model 57100，搅 打装置)中与200mL蒸馏水混合而制备。真空过滤后，其中产生木浆 垫，并在25。C空气干燥，样品放置在陪替氏培养皿中。配制 一种已知的用以提供高水平气味的接种体。这种配方包括9mL 的由25mL的合并人类女性尿和1.25g尿素形成的混合物，和lmL 1. 3 x 108CFU/mL的奇异变形杆菌的悬浮液。每一个样品，包括没有杀微生物聚合物的木浆的比较样，用lmL 上述的配方接种，且陪替氏培养皿用石蜡密封，并在37。C孵化24小 时。然后使用能够测测0. 25-30mg/L范围的Drager管(Fisher Scientific, Pittsburgh, PA和Lab Saf ety Supply, Janesvi1le，WI) 测定氨气的产生。比较样品的氨气浓度记录为大于30mg/L，而所有含 有氯化珠(7. 3-16. 5重量°/。的氯)的样品(0. 5和1. 0%加载量)的氨 气浓度小于0. 25mg/L。能够得出结论是，多孔氯化珠在防制氨气产生方面是高效的，并 因此甚至在与一种吸收材料如木浆的非常低的混合下有害的气味。尽管本发明优选实施方案已经举例和描述，但可以意识到，在不 背离本发明的主旨和范围的条件下，可以产生各种变化。
权利要求
1、具有下述化学式的杀微生物聚合物其中X和X′独立地是氯、溴或氢，条件是X或X′中至少一个是氯或溴；和R1是氢或甲基；并且所述聚合物从交联度为3％至小于5％的聚苯乙烯制备。
2、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l，3-二氯-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。
3、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包令聚-l-氯 -5 -甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的碱金属盐或钩盐。
4、 权利要求3的杀微生物聚合物，其中碱金属是钠或钾。
5、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-1， 3-二氯-5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲，和聚-l-氯-5 -甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的碱金属盐或钙盐。
6、 权利要求5的杀微生物聚合物，其中碱金属是钠或钾。
7、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l-氯 -5-甲基-5-(-乙烯基苯基)乙内酰脲。
8、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-1，3-二氯_ 5 -甲基-5 - ( 4'-乙烯基苯基)乙内酰脲和聚-1 -氯-5 -曱基-5 - ( 4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。
9、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l，3-二溴-5 -甲基-5 - ( 4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。
10、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l-溴 -5 -甲基-5 - ( 4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的碱金属盐或4丐盐。
11、 权利要求10的杀微生物聚合物，其中碱金属是钠或钾。
12、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l，3-二溴-5-甲基-5-(〔-乙烯基苯基)乙内酰脲，和聚-1-溴-5 -曱基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲的碱金属盐或钙盐。
13、 权利要求12的杀微生物聚合物，其中碱金属是钠或钾。
14、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l-溴 -5-甲基-5- (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。
15、 权利要求1的杀微生物聚合物，其中该聚合物包含聚-l，3-二溴_5-甲基-5_ (4'-乙烯基苯基)乙内酰脲和聚-1 一溴_ 5 -甲基-5 - ( 4'-乙烯基苯基)乙内酰脲。
16、 一种采用权利要求1的杀微生物聚合物使闺素敏感的微生物 失活的方法，其包括(a) 将权利要求1的杀微生物聚合物放置在一种过滤装置中，和(b) 使含有氯或溴敏感的微生物的介质与过滤装置接触。
17、 权利要求16的方法，其中介质是空气或水。
18、 权利要求16的方法，其中聚苯乙烯包含高于14重量％的氯。
19、 权利要求16的方法，其中聚苯乙烯包含高于34重量％的溴。
20、 一种杀微生物颗粒，其由权利要求1的杀微生物聚合物制成。
21、 权利要求20的颗粒，其中颗粒尺寸大于100)im。
22、 权利要求20的颗粒，其中颗粒尺寸从lOOiam至1200|am。
23、 权利要求20的颗粒，其含有孔。
24、 权利要求20的颗粒，其中孔具有平均孔尺寸大于10nm。
25、 权利要求20的颗粒，其中孔具有平均孔尺寸为IO認至100nm。
26、 一种吸收制品，其含有权利要求1的杀微生物聚合物。
27、 权利要求26的吸收制品，其中制品是一次性尿布、失禁用垫、 绷带、卫生巾或卫生护垫。
28、 权利要求26的吸收制品，其中乙内酰脲基团具有键合到乙内 酰脲基团的酰胺氮上的氯或溴。
29、 权利要求26的吸收制品，其中乙内酰脲基团具有键合到乙内酰脲基团的氮原子上的碱金属原子或钧原子。
30、 权利要求29的吸收制品，其中碱金属是钾或钠。
31、 权利要求28的吸收制品，其中聚合物含有10-17重量％的氯。
32、 权利要求26的吸收制品，其中聚合物含有6-10重量％的氯。
33、 权利要求26的吸收制品，其进一步含有超吸收性聚合物。
34、 权利要求"的吸收制品，其进一步含有木浆纤维。
全文摘要
杀微生物的卤化聚苯乙烯乙内酰脲的制备方法。通过使用高度交联的聚苯乙烯珠作为原料，已制备出多孔珠形式的杀微生物聚合物，聚-1，3-二氯-5-甲基-5-(4′-乙烯基苯基)乙内酰脲，聚-1，3-二溴-5-甲基-5-(4′-乙烯基苯基)乙内酰脲，和它们的单卤化碱金属盐和质子化衍生物。当应用于筒式过滤器和玻璃水瓶(用于水)时，多孔珠可用于水和空气灭菌应用，以及当与吸收材料混合用于物品，如一次性尿布、失禁用垫、绷带、卫生巾、卫生护垫、床垫套、鞋垫、海绵、动物栖息用品、地毯、织物和空气过滤器等中时，可用于控制有害的气味。
文档编号C08F8/30GK101228884SQ20081000564
公开日2008年7月30日 申请日期2002年8月26日 优先权日2001年9月6日
发明者S·D·沃里, 陈拥军 申请人:奥本大学