초임계 혼합유체에서의 고분자의 고압 상평형

이병철, 국윤모

한남대학교 화학공학과

High-Pressure Phase Equilibria of Polymers in Supercritical Mixtures

Byung-Chul Lee, Youn-Mo Kuk

Department of Chemical Engineering, Hannam University

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 DDS용 생분해성 고분자의 미세입자를 제조하는데 있어 지대한 각광을 받고 있다 [2]. 초임계유체를 이용하여 고분자 미세입자를 제조하는 기술은 rapid expansion of supercritical solutions (RESS) 공정과 supercritical anti-solvent (SAS) 공정을 적용하여 운전조건을 조절하여 다양한 형태와 크기의 고분자 미세입자를 제조하는 기술로서 [3-5], 이 기술은 잔류용매나 열변성의 문제점을 해결할 수 있는 것으로 평가되고 있다. SAS 공정의 경우 용매(solvent)와 역용매(anti-solvent)의 선택은 매우 중요한 요인이 되며, 공정조건을 설정하기 위해서는 용매와 역용매의 혼합유체에서의 고분자의 상거동, 즉 단일상에서 이중상으로 분리가 일어나는 조건에 관한 자료가 필수적으로 요구된다 [6, 7].

초임계 이산화탄소(CO2)는 비극성 용매로서 상대적으로 낮은 임계온도를 가지며 비가연성이고 독성이 없으나 대부분의 고분자를 잘 용해시키지 못한다. 반면에 dichloromethane (DCM)이나 chlorodifluoromethane (HCFC-22)과 같이 dipole moment가 큰 극성 용매는 poly(methyl methacrylate)나 poly(L-lactide)와 같은 polyester 계열의 극성 고분자에 있는 ester 작용기와 수소결합을 형성하기 때문에 이들 고분자를 매우 잘 용해시킨다 [8]. 본 연구에서는 DCM 또는 HCFC-22를 용매로 사용하고 CO2를 역용매로 사용하여 DDS용 생분해성고분자인 poly(L-lactide) (L-PLA) 미세입자를 제조하는 SAS 공정기술 개발에 필요한 기초연구로서 DCM 또는 HCFC-22와 CO2의 혼합용매에서의 L-PLA 고분자의 상거동에 대하여 알아보고자 한다. 본 연구자는 이미 분자량이 2000인 L-PLA 만을 사용하여 HCFC-22와 CO2의 혼합유체에서의 상거동을 발표한 바 있으나 [9], 본 논문에서는 분자량이 각각 50000과 100000인 L-PLA를 추가로 사용하여 혼합용매에서의 L-PLA의 상거동에 미치는 고분자 분자량과 용매 조성의 영향을 보고하고자 한다.

실험

실험에서 사용한 생분해성 고분자는 Polysciences 사의 분자량이 각각 2000, 50000, 100000인 L-PLA로 이는 현재 DDS 분야에서 널리 사용되고 있는 미국 FDA 승인 물질이다. DCM (Aldrich chem. co.)의 순도는 99.8%이고 CO2(명신종합가스)의 순도는 99.99%이다. 실험에서 cloud point를 측정하기 위해 사용한 실험장치는 variable-volume view cell 장치이며, 본 연구에서 cloud point를 측정하기 위해 사용한 실험방법은 다른 논문 [8, 9]에서 설명된 것과 동일한 것으로서 본 논문에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다. 다만 혼합유체를 용매로 사용하기 때문에 증기압이 낮은 DCM 또는 HCFC-22를 먼저 주입한 다음 CO2를 주입하였다. 이는 CO2의 증기압이 DCM이나 HCFC-22의 증기압보다 높기 때문에 view cell 내부의 가스가 역류하는 것을 방지하기 위해서다.

Variable-volume view cell 장치를 사용해 DCM + CO2 혼합 초임계유체에서 cloud point pressure를 측정하는 방법은 다음과 같다. 먼저 L-PLA를 평량하여 cell에 넣은 후 DCM과 CO2를 원하는 양만큼 cell에 주입한다. 혼합용매 중 각 성분의 조성은 주입된 DCM과 CO2의 양을 평량하여 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 약 5 wt.%의 L-PLA 고분자 농도에 대하여 DCM의 농도를 10~50 wt.%까지 변화시키면서 같은 실험을 수행하여 P-T isopleth를 완성하였다.

결과 및 고찰

분자량이 각각 2000, 50000, 100000인 세 가지의 L-PLA에 대하여 DCM과 CO2의 혼합용매 및 HCFC-22와 CO2의 혼합용매에서 DCM 또는 HCFC-22의 농도를 변화시키면서 cloud point pressure를 측정하였다. DCM과 HCFC-22는 dipole moment가 각각 1.60D와 1.46D인 극성용매로서 polyester 계열의 고분자인 L-PLA에 대하여 용해력이 매우 높다. 이는 DCM과 HCFC-22에 존재하는 수소원자와 L-PLA에 존재하는 ester 작용기와 수소결합을 형성하기 때문이다. 본 논문에서는 지면의 제한으로 인해 DCM과 CO2 혼합용매를 사용하여 얻은 실험 결과만을 수록한다.

Fig. 1은 분자량이 2000인 L-PLA의 농도를 약 5wt.%로 일정하게 유지시켰을 때 8~53wt.%의 DCM 조성과 40∼100℃의 온도 범위에서 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 전체용액 중의 L-PLA의 농도이며 DCM의 농도는 L-PLA를 배제시킨 용매 중에서의 DCM의 농도를 나타낸다. 또한 DCM의 조성이 증가함에 따라 cloud point pressure가 급격히 감소하여 LCST curve는 아래쪽으로 이동해 이중상의 영역이 줄어드는 것을 알 수 있었다. Fig. 1에서 53.07wt.%의 DCM 농도의 경우 30~70 ℃구간에서는 cloud point가 나타나지 않고 액체→액체+증기의 상변화가 일어났다. Fig. 2와 3은 분자량이 각각 50000과 100000인 L-PLA에 대하여 같은 방법으로 DCM의 농도변화에 따른 cloud point pressure의 변화를 측정한 것으로서 분자량이 2000인 경우와 유사한 경향의 상거동을 보여주었으며, 분자량의 증가에 따라 cloud point pressure가 증가하는 것을 알 수 있었다. 결국 극성용매인 DCM의 농도가 증가하면 혼합용매의 L-PLA에 대한 용해력이 증가하여 cloud point pressure가 감소하였으며, 모든 경우 상거동은 LCST 거동을 보여주었으며, cloud point pressure curve의 기울기는 거의 같았다.

Fig. 1. P-T isopleths of cloud points of L-PLA (MW=2000) in DCM + CO2 solvent mixtures.

Fig. 2. P-T isopleths of cloud points of L-PLA (MW=50000) in DCM + CO2 solvent mixtures.

Fig. 3. P-T isopleths of cloud points of L-PLA (MW=100000) in DCM + CO2 solvent mixtures.

Figs. 1∼3에 보여진 상거동 측정 결과에서 cloud point pressure에 영향을 주는 공정 변수는 온도, DCM 농도, L-PLA의 분자량으로 3가지이다. Cloud point pressure에 미치는 이들 공정변수의 영향을 입체적으로 보여주기 위하여 3차원 그림으로 아래의 Figs. 4∼6에 나타내었다. Fig. 4는 분자량이 각각 2000, 50000, 100000인 세 가지의 L-PLA 고분자에 대하여 cloud point pressure에 미치는 온도와 DCM 조성의 영향을 입체적으로 보여주는 그림이다. 온도가 증가할수록 혼합용매 중 DCM의 농도가 감소할수록 cloud point pressure는 증가하여 이중상 영역이 확대되었다. 이는 Figs. 1∼3에 보여준 결과를 단지 3차원 그래프로 확인한 것이라고 볼 수 있다.

Fig. 5는 50, 70, 90℃의 온도에서 DCM의 농도와 L-PLA의 분자량 변화에 대한 cloud point pressure의 변화를 보여준 것으로서 혼합 초임계유체에서 극성용매인 DCM의 농도가 증가할수록 혼합용매의 L-PLA에 대한 용해력이 증가하는 경향이 뚜렷하여 cloud point pressure가 급격히 감소하는 모습을 볼 수 있으며, L-PLA의 분자량이 증가할수록 cloud point pressure는 로그 선형적으로 증가한다는 것을 볼 수 있다. L-PLA 분자량의 눈금을 일반 로그 눈금 간격이 아닌 일반 눈금 간격으로 보는 경우, L-PLA의 분자량이 2000에서 100000으로 변화할 때 cloud point pressure의 증가폭이 둔화된다는 것을 말해주고 있으며, 이는 Fig. 4를 통하여 L-PLA의 분자량의 증가에 따른 cloud point pressure 평면의 증가폭을 보아도 확인할 수 있다.

Fig. 4. 3D plot showing effect of temperature and DCM composition on cloud points of L-PLAs (MW=2000, 50000,100000) in DCM + CO2 solvent mixtures.

Fig. 5. 3D plot showing effect of DCM composition and L-PLA molecular weight on cloud points of L-PLAs in DCM + CO2 solvent mixtures.

Fig. 6. 3D plot showing effect of temperature and L-PLA molecular weight on cloud points of L-PLAs in DCM + CO2 solvent mixtures.

Fig. 6은 3가지의 DCM 농도에서 cloud point pressure의 변화에 미치는 온도와 L-PLA 분자량의 영향을 3차원으로 나타낸 그림으로, 온도와 L-PLA의 분자량이 증가함에 따라 cloud point pressure가 증가하는 모습을 보여주고 있다. Fig. 5에서도 관찰하였듯이 이 그림에서도 L-PLA의 분자량이 증가함에 따라 cloud point pressure는 로그 선형적으로 증가하였다. 또한 DCM 농도가 감소함에 따라 cloud point pressure 평면의 기울기가 약간 증가한다는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서 얻은 연구결과는 DCM을 용매로 사용하고 CO2를 역용매로 사용하여 초임계역용매 공정 (SAS)으로 L-PLA 고분자의 microparticles를 제조할 때의 기초 상평형 자료로 활용될 수 있을 것이다.

감사

이 논문의 연구는 1999년도 한국학술진흥재단의 연구비 (KRF-99-003-E00438)에 의하여 지원되었으며, 이에 감사 드립니다.

참고문헌

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

2.	Subramaniam, B., Rajewski, R.A. and Snavely, K., J. Pharm. Sci., 86, 885(1997).

3.	Benedetti, L., Bertucco, A. and Pallado, P., Biotech. Bioeng., 53, 232(1997).

4.	Reverchon, E., J. Supercritical Fluids, 15, 1 (1999).

5.	Reverchon, E., Della Porta, G., De Rosa, I., Subra, P., J. Supercritical Fluids, 18, 239 (2000).

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

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

8.	Lee, J. M., Lee, B.-C., Lee, S.-H., J. Chem. Eng. Data, 45, 851 (2000).

9.	Lee, J. M., Lee, B.-C. and Hwang, S.-J., J. Chem. Eng. Data, 45, 1162 (2000).