자기응답성 흡수겔의 제조

천승환, 신연순, 박상순*, 최중소

광운대학교 화학공학과, 켐엔텍(주)*

Preparation of Absorption Gel for Magnetic Response

Seung Whan Cheon, Yeon Soon Shin, Park Sang Soon*, Choi joong So

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

Chem. En. Tech.(co.)*

서론

고흡수성 고분자는 산업이 발달함에 따라 흡수방법과 흡수능력이 크게 개선되면서 위생용품 등에 많은 적용을 하여왔다. 물을 흡수하는 재료는[1] 그 성질과 특성에 따라 다양한 용도로 사용되고 있으나 수분을 유지하면서 겔의 형태로 자체 무게의 수십배 에서 수백배에 이르는 흡수력을 가지며[2] 외부 변화에 크게 영향을 받지 않는 자기응답성 재료[3]로는 고흡수성 고분자가 매우 우수한 특성을 가지고 있다고 알려져 있다.[4]

본 연구에서는 pH7[5]에서 자기응답성 흡수겔을 제조하기 위한 기능성 재료로서 고흡수성 고분자인 tertiarypolymer, poly(AM-SAS-AA)에 세 종류의 ferrite를 고르게 분산시켜 자기응답성 재료인 powder를 제조하였으며, 이를 판상으로 성형하여 착자시킨 후 자력을 측정하였다. 또한 자기응답성 재료 powder를 308.15K의 온도에서 팽윤실험을 행하여 흡수능력을 측정하고 순수한 poly(AM-SAS-AA)의 흡수능력과 비교하여 팽윤거동을 고찰하고자 한다.

실험

(1)ferrite 준비

자기응답성 고흡수성 고분자 제조를 위한 ferrite는 MnZn, Fe2O3, Nd-B-Fe의 세 종류를 선정하였다.[6] 선정된 ferrite들은 증류수에 세척한 후 각 3~15g을 평량하여 배분한 후 분산 solution에 침전시켜 ultrasonic homogenizer를 이용하여 4시간동안 분산 시켰다. 분산된 ferrite들의 입자크기는 1~5□의 균일한 크기를 나타냈으며, 338.15K에서 12시간 건조시켜 사용하였다.

(2)자기응답성 흡수겔 합성

중합장치는 1000□ 반응조, 냉각기, 교반기, 질소공급원, 온도조절기가 부착된 맨틀로 이루어졌다. 자기응답 재료 제조는 부반응을 방지하기 위해 반응조의 플라스크 구를 고무마개로 밀봉하여 질소분위기 하에서 불순물의 영향을 억제시킨 상태로 이루어 졌다. 또한 교반 stirrer는 테프론 재질의 mechnical stirrer를 사용하였으며, 정밀한 온도유지를 위해 ±0.02℃의 정밀도를 갖는 thermo controller가 부착된 heating mentle을 사용하였다. 둥근 반응조에 증류수 600□를 넣고 momoner인 acryl amide(AM), sodium allylsulfonate(SAS), acrylic acid(AA)와, 개시제, 가교제, ferrite를 순서대로 넣고 온도의 조절에 의하여 자기응답성 재료를 합성한 후 알콜 세정을 거쳐 24시간 건조 후에 고분자 powder를 제조하였다.

제조를 위한 반응 조건들을 Table 1.에 나타내었다.

Table 1. Synthesys reaction condition for magnetic response material

momomer			initiators		cross-linker	PH	temp.	ferrite	nitrogen
AM	SAS	AA	KPS	TMEDA	BIS
41.73g	8.65g	12.97g	428.17mg	446.26mg	185mg	7	35℃	3~15g	20 min

(3)시편준비

시편은 가로(42□)×세로(39□), 두께 2□의 mold를 제작하여 합성된 powder를 평균질량 4g씩 mold안에 넣고 hot press로 1800~2000□Hg의 압력으로 1시간동안 가압 가열하여 판상형 시편을 성형하였다. 성형된 시편은 10,000G의 순간착자방식(SCR) 착자기에 의해 착자 되었다. 착자 시간은 1회당 5~6초로 각 시편마다 충분한 자력을 부여하기 위해 5번의 착자를 거쳐 Gaus meter로 자력을 측정하였다.

(4)흡수능력 측정

제조된 합성 powder의 흡수율은 중량법으로 측정되었다. 시료를 0.1g씩 평량한 후 308.15K의 온도에서 200□의 증류수에 넣어 일정시간 간격으로 팽윤된 재료를 800 mesh sieve[7]에 넣고 물과 팽윤된 재료를 분리시켜 무게를 평량하였다.

팽윤전 재료의 무게([eqn: m_o])와 팽윤후의 무게([eqn: m])에 의하여 재료의 흡수능력은 다음 (1)식으로 표현되며, 흡수능력 결과는 대표적으로 Fig. 1에 나타 내었다.

Q(Absorption Capacity)=[eqn: {Weight~of~absorbed~material}over{Weight~of~dried~material}]=[eqn: { m -m_0 } over { m_0 }]      (1)

결과 및 고찰

순수한 poly(AM-SAS-AA)와 MnZn ferrite를 함입시킨 자기응답 재료의 powder를 제조하여 308.15K[8]에서의 흡수능력 측정결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는바와 같이 순수한 고흡수성 고분자와 MnZn ferrite를 함유한 자기응답 재료간의 흡수율은 약 600배 가량의 차이를 보였다. 또한 그림에서 볼 수 있듯이 함입된 ferrite의 함량이 커질수록 흡수율은 감소하는 결과로 나타났다. 고흡수성 고분자가 물에 의하여 팽윤하기 위해서는 실공상으로 엉킨 고분자가 물에 의하여 풀어지면서 고분자 이온이 갖는 큰 전하에 대해 수분속의 대응이온을 흡수하여 이것을 고정시킨다. 그러면 대응이온의 농도는 주위의 액상농도 보다 커지므로 외부에 대해 큰 침투압이 발생되면서 대응이온이 떨어져나가 봉상으로 펴지게 되고 팽윤을 하게되는바, ferrite의 함량이 커지면서 실공상으로 엉킨 고분자 내에 그 함량이 점차 증가하게 되어 수분속의 대응이온을 빨아들이는 것을 방해하게 되므로 침투압을 감소시키고, 결과적으로 해리되는 이온의 양도 줄어들게 되므로 봉상으로 펴지는 것을 간섭하여 흡수율의 감소를 초래하는 것이라 판단되며 또한 이는 흡수율을 측정하기 위해 평량한 0.1g의 무게에 대한 부피를 고려해 볼 때 ferrite의 양이 많아질수록 고흡수성 고분자의 양은 상대적으로 감소하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 2는 Fe2O3 ferrite가 함입된 자기응답 재료의 흡수율을 나타낸 그림이다. Fig.1의 MnZn과 비교하여 Fig. 2의 흡수율이 비교적 높음을 알 수 있었고, ferrite의 함량이 늘어나면서 비교적 고르게 흡수율 감소를 보인 Fig. 1과는 달리 Fig. 2는 6g에서 최대 흡수율을 보이다 12g 이후부터 많은 흡수율 감소를 보임을 알 수 있었다. 또한 팽윤평형에 이르는 시간이 20~30분 내외로서 장 등[9]이 제시한 결과에 비해 팽윤평형에 이르는 시간이 약 10분 정도 빠름을 알 수 있었다

.

Fig.1 Water absorption capacity of poly(AM-SAS-AA)        and MnZn subsided at 308.15K

Fig. 2 Water absorption capacity poly(AM-SAS-AA)           subsided Fe2O3 at 308.15K

최대의 흡수율을 갖는 조건인 pH7[5]에서 함입된 ferrite의 양을 6g으로 고정시키고 세 종류의 ferrite별 흡수율을 측정한 결과를  Fig. 3에 나타내었다. 초기 10분 이내의 흡수율을 살펴보면 Nd-B-Fe를 함입한 것이 MnZn을 함입한 것 보다 높은 흡수율을 보이다가 흡수평형에 가까워질수록 MnZn을 함입한 재료가 높은 흡수율을 보임을 알 수 있었고, 전체적인 경향을 살펴볼 때 Fe2O3〈 MnZn〈 Nd-B-Fe 순으로 차지부피가 크다는 것을 추론할 수 있었다.

Fig. 3 Water absorption capacity of 6g weight for             each ferrite at 308.15K

Fig. 4 Magnetic force of Nd-B-Fe ferrite subsided             material

Figs. 4~5는 시편을 만든 후 착자 과정을 거쳐 자력을 측정한 결과를 나타낸 것이다. Fig. 4에 나타난 Nd-B-Fe함입 자기응답 재료의 착자력을 살펴보면 최대가 1.6mT로서 비교적 낮은 자력을 나타냄을 알 수 있었다. 또한 Fig. 5에 나타난 ferrite별 시편을 비교해 보면 매우 높은 자력을 나타낸다는 희토류 금속인 Nd-B-Fe에 비해 MnZn이 비교적 높은 자력을 나타냄을 알 수 있는데, 합성과정 중에 첨가된 Nd-B-Fe가 증류수에 의해 산화된 것으로 사료된다.

Fig. 5 Magnetic force of each ferrite subsided                      materials

결과적으로 제조된 시편들은 문헌[10]상에 나타난 단위부피 1□의 자성체와 비교해 보면 상당히 낮은 자력을 나타내는데, 이는 자기장 안에서 성형 및 소결된 ferrite 자기체 와는 달리 성형 후 착자를 거친 것으로서 ferrite와 고흡수성 고분자간의 합성물이기 때문인 것으로 판단된다.

참고문헌

1. Brannon, L. and Peppas, N. A.: Polym. Bull., 20, 285(1988)

2. Buchholz, F. L. and Peppas, N. A.: ACS Symposium., 206(1993)

3. Yamasaki, H. and Harada, S.: U. S. Pat., 4446261(1984)

4. Zhou, W. J., Yao, K. J. and Kurth, M. J.: J. Appl. Poly. Sci., 57, 911(1996)

5. Cheon, S. W., Sung, J. H., Kim, J. Y., Kim N. Y. and Choi, J. S.: Theories     of Appl. Chem. Eng., 6, 4269(2000)

6. Takahiro, K., Nagata, S., Kishinoto, M., Yamaguchi, S. and Gotoh K.:        Surface and Coation Tech., 122, 108(1999)

7. Omidian, H., Hashemi, S. A., Sammes, P. G. and Meldrum, I.: Polymer.,     40 1753(1999)

8. Baschek, G., Hartwing, G. and Zahradnik, F.: Polymer., 40, 3433(1999)

9. Chang, S. C., Yoo, J. S., Woo, J. W. and Choi, J. S.: Korean J. Chem.        Eng., 16, 581(1999)

10. Binner, J. G. P., Caro, I. and Firkins, J.: Micro. Powder and Elec.            Energy., 34, 131(1999)