Methylene Chloride와 이산화탄소 혼합 초임계유체에서의

Poly(L-lactide)의 Cloud Points

국윤모, 이병철, 신정필, 김남일, 이영식, 이윤우*, 임종성*

한남대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 초임계유체 연구실*

Cloud Points of Poly(L-lactide) in Supercritical Mixtures of Methylene Chloride and Carbon Dioxide

Y.-M. Kuk, B.-C. Lee, J.-P. Shin, N.-I. Kim, Y.-S. Lee, Y.W. Lee*, J.-S. Lim*

Department of Chemical Engineering, Hannam University

Supercritical Fluid Lab., KIST*

서론

초임계유체는 현재 분리, 정제, 추출, 미세입자 제조 등의 다양한 고분자 공정에 이용되고 있는데, 그 이유는 초임계유체가 액체에 가까운 큰 밀도, 기체에 가까운 낮은 점도와 높은 확산계수 등 우수한 물성을 동시에 가지고 있기 때문이다 [1]. 특히, 초임계 기술은 최근에 와서는 의약산업에서 생분해성 고분자의 미세입자를 제조하는데 있어 지대한 각광을 받고 있다. 초임계공정을 이용하여 생분해성 고분자의 미세입자를 제조하는데 있어서 용매(solvent)와 역용매(anti-solvent)의 선택은 매우 중요한 요인이 되는데, 단일상에서 이중상으로 분리가 일어나는 공정조건을 확립하기 위해서는 초임계유체에서의 고분자의 상거동에 관한 자료가 필수적으로 요구된다 [2, 3].

초임계 이산화탄소(CO2)는 비극성 용매로서 상대적으로 낮은 임계온도를 가지며 비가연성이고 독성이 없으나 대부분의 고분자를 잘 용해시키지 못한다. 반면에 methylene chloride(MC)는 임계온도는 상대적으로 높으나 dipole moment가 큰 극성 용매로서 고분자를 매우 잘 용해시키는 용매이다. 본 연구에서는 MC를 용매로 사용하고 CO2를 역용매로 사용하여 drug delivery system 용 생분해성고분자 미세입자를 제조하는 supercritical anti-solvent(SAS) 공정기술 개발에 필요한 기초연구로서 MC와 CO2의 혼합용매에서의 생분해성 고분자 중의 하나인 poly(L-lactide) (L-PLA)의 상거동에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위하여 variable-volume view cell 장치를 사용하여 MC+CO2 혼합유체에서의 L-PLA의 cloud point, 즉 이중상과 단일상의 경계 점을 측정하였다.

실험

실험에서 사용한 생분해성 고분자는 Polysciences 사의 분자량이 2,000인 L-PLA인데 이는 현재 의약품 제조에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 미국 FDA 승인 물질이다. MC(Aldrich chem. co.)의 순도는 99.8%였고 CO2(명신종합가스)의 순도는 99.99%였다. 실험에서 cloud point를 측정하기 위해 사용한 실험장치는 variable- volume view cell 장치이며, 본 연구에서 cloud point를 측정하기 위해 사용한 실험방법은 다른 논문 [4, 5]에서 설명된 것과 동일한 것으로서 본 논문에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다. 다만 혼합유체를 용매로 사용하기 때문에 증기압이 낮은 MC를 먼저 주입한 다음 CO2를 주입하였다. 이는 CO2의 증기압이 MC의 증기압보다 높기 때문에 view cell 내부의 gas가 역류하는 것을 방지하기 위함이다.

Variable-volume view cell 장치를 사용해 MC+CO2 혼합 초임계유체에서 cloud point pressure를 측정하는 방법은 다음과 같다. 먼저 L-PLA를 평량하여 cell에 넣은 후 MC와 CO2를 원하는 양만큼 cell에 주입한다. MC는 gas tight syringe를 사용하여 주입하였고 CO2는 sampling cylinder를 사용하여 주입하였다. 혼합용매 중 각 성분의 조성은 주입된 MC와 CO2의 양을 정량하여 구하였다. 모든 시료를 cell에 주입한 후 가압하여 유체를 단일상으로 완전히 혼합시킨다. 온도가 평형에 도달하면 cell 내부를 sapphire window를 통해 관찰하면서 압력을 매우 천천히 낮추어 준다. 상이 점점 cloudy해지면 view cell 내부의 가스주입구가 보이지 않을 때까지 압력을 아주 서서히 내린다. 이 때의 압력이 그 온도와 조성에서의 cloud point pressure이다. 같은 방식으로 40~100℃까지 3, 5, 8, 12 wt.% L-PLA에 대해 MC의 농도를 10~50 wt.%까지 변화시키면서 같은 실험을 수행하여 P-T isopleth를 완성하였다.

결과 및 고찰

MC+CO2 혼합초임계유체에서 L-PLA의 농도와 혼합용매 중 MC의 농도를 변화시키면서 cloud point pressure를 측정하였다. MC는 dipole moment가 큰 극성용매로서 polyester 계열의 고분자인 L-PLA에 대하여 용해력이 매우 높다. 이는 MC에 존재하는 수소원자와 L-PLA에 존재하는 ester group과 hydrogen bonding을 형성하기 때문이다.

Fig. 1은 L-PLA의 농도를 약 8wt.%로 일정하게 유지시켰을 때 10~50wt.%의 MC농도범위와 40∼100℃의 온도범위에서 cloud point pressure의 변화를 나타낸 것으로서 온도가 증가함에 따라 cloud point pressure도 증가하는 전형적인 LCST(lower critical solution temperature) 형태의 상변화를 보여준다. 이 그림에서 L-PLA의 조성은 전체용액중의 L-PLA의 농도이며 MC의 농도는 L-PLA를 배제시킨 용매 중에서의 MC의 농도를 나타낸다. 또한 MC의 조성이 감소함에 따라 cloud point pressure가 급격히 증가하여 LCST curve는 위쪽으로 이동해 이중상의 영역이 확대되는 것을 알 수 있고, 이러한 경향은 Fig. 2를 통해서 더 확실히 알 수 있다. Fig. 1에서 49.19wt.%의 MC 농도의 경우 40~50℃구간에서는 cloud point가 나타나지 않고 bubble point가 형성되었는데 이것으로 보아 이 MC 농도에서는 bubble point와 cloud point 사이에서 LCEP(lower critical end point)가 존재한다는 것을 알 수 있다. Fig. 2는 8wt.% L-PLA에 대하여 MC의 농도변화에 따른 cloud point pressure의 변화를 다른 각도에서 나타낸 것으로서 극성용매인 MC의 농도가 증가하면 혼합용매의 L-PLA에 대한 용해력이 증가하는 것을 알 수 있다.

Figure 2. Effect of MC concentration on cloud point pressures at various temperatures for L-PLA (8 wt.%)/MC+CO2 system.

Figure 1. P-T isopleths of cloud

points of L-PLA (8 wt.%)

in MC+ CO2 solvent        mixtures.

본 실험에서는 8 wt.%의 L-PLA 농도 외에도 3, 5, 12 wt.%로 L-PLA의 농도를 변화시키면서 MC 농도의 변화에 따른 cloud point pressure를 측정하였으나 여기서는 지면의 제한으로 인해 8 wt.%의 L-PLA 농도에 대한 결과만을 Figs. 1과 2에 나타내었다. 대신 각 L-PLA와 MC의 농도변화에 따른 cloud point pressures를 3차원 그래프로 아래 Fig. 3과 Fig. 4에 종합하여 나타내었다. Fig. 3은 50, 70, 90℃의 온도에서 L-PLA와 MC의 농도변화에 대한 cloud point pressure를 보여준 것으로서 혼합 초임계유체에서 극성용매인 MC의 농도가 증가할수록 혼합용매의 L-PLA에 대한 용해력이 증가하는 경향이 뚜렷하며, L-PLA의 농도가 증가할수록 초기에는 완연히 cloud point pressure가 증가했다가 서서히 완만한 변화를 보이며 증가하다 약간 감소하는 것을 볼 수 있으며, 약 8 wt.%L-PLA에서 가장 높은 cloud point pressure를 보여주었다. 온도가 증가함에 따라서는 같은 MC의 농도와 L-PLA의 농도에서는 거의 일정한 증가율을 보인다는 것도 볼 수 있다. Fig. 4는 10∼40 wt.%의 MC 농도에서 L-PLA의 농도와 온도의 변화에 대한 cloud point pressure를 나타낸 것이다. Cloud point pressure는 온도가 증가함에 따라 일정하게 증가하는 것을 알 수 있으며 MC의 농도가 증가할수록 압력 차가 감소하는 것을 확연히 볼 수 있다.

Figure 3. Effect of MC and polymer concentrations on cloud point pressures of L-PLA (2,000) in MC + CO2 solvent mixtures.

감사

Figure 4. Effect of temperature and polymer concentration on cloud point pressures of L-PLA (2,000) in MC+CO2 solvent mixtures.

이 논문은 1999년도 한국학술진흥재단의 연구비 (KRF-99- 003-E00438 E3101)에 의하여 지원되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1.	McHugh, M. A., Krukonis, V. J. Supercritical Fluid Extraction: Principles and Practice, 2ed.; Butterworth: Stoneham, MA (1994)

2.	Koak, N., de Loos, T.W., Heidermann, R.A., Fluid Phase Equilibria, 145, 311-323 (1998).

3. Mishima, K., Matsuyama, K., Nagatani, M., Fluid Phase Equilibria, 161, 315-324 (1999).

4.	Lee, J. M., Lee, B.-C. and Cho, C.-H., Korean J. Chem. Eng., published in September issue (2000).

5.	Lee, J. M., Lee, B.-C. and Hwang, S.-J., J. Chem. Eng. Data, published in September issue (2000).