고흡수성 수지 입자의 제조 및 물성

손오건, 김덕준

성균관대학교 화학공학과

Preparation and Characterization of Superabsorbent Polymer Particles

O. G. Son, D. Kim

Dept. of Chem. Eng. Sungkyunkwan Univ.

서론

고흡수성 수지는 물과의 접촉에 의해 자체 무게의 몇 백 배에서 수 천 배의 물을 흡수하여 유동성 없는 겔상으로 변하여 일단 흡수한 물은 어느정도의 압력에도 빠져나오지 않는 보수력을 지닌 고분자를 말한다. 고흡수성 수지는 과거의 흡수재인 펄프에 비해 뛰어난 흡수력을 가져 위생용품제작에 사용되었으며 농업, 토목, 건축, 의약 등 광범위한 분야에 첨가제와 블랜딩제로써 개발 진행되고 있다. 현재 모노머로써 acrylate계와 Acrylamide계가 많이 연구되고 있으며, 도입되는 이온기로는 sodium이나 potassium이 많이 사용된다.1)

고흡수성 수지는 주로 고분자 사슬에 alcohol이나 carboxyl acid, amide, sulfuric acid와 같은 친수성 그룹을 가지고 있는데, 물에 용해되지 않기 위해서는 고분자의 구조가 가교망상구조를 이루고 있어야 한다. 이는 가교제를 첨가하여 가교점을 형성시킴으로써 가능하며 이렇게 네트워크로 구성된 고흡수성 수지는 용매에 녹지 않고 다만 팽윤되는 성질을 나타내게 된다.3)

실험

본 연구에서 고흡수성수지는 역상현탁중합(Inverse suspension polymerization)에 의해 제조되었으며 자유라디칼 반응에 의해 제조되었다.2) 장치도는 Figure 1과 같다. 우선 연속상은 삼구 플라스크에 cyclohexane 220ml를 넣고 비이온 계면활성제인 span 60과 ethyl cellulose를 혼합하여 60□의 oil-bath 안에서 mechanical stirrer를 이용하여 250rpm의 속도로 교반하며 녹여준다. 분산상으로는 Acrylic acid를 사용하였으며, Acrylic acid를 25.4wt% NaOH 수용액 1.75mol로 중화시켜 이온기를 형성하여 준다. Figure 2에서 보면 모노머의 중화정도는 약 75%정도로 하였으며 이 때의 pH는 5.7 정도였다. 중화시에는 많은 열이 발생하므로 충분히 식힌 후 가교제인 N,N'-methylene bisacrylamide와 개시제인 potassium persulfate를 첨가하고 교반하여 완전히 녹인다. 분산상을 dropping funnel을 이용하여 일정한 속도로 연속상에 첨가하여 준다. 이때 개시제와 가교제는 반응직전에 분산상에 첨가하여 미리 반응이 가는 것을 방지한다. 또한 삼구 플라스크 안은 질소기류를 유지하며 2시간동안 60□에서 교반을 계속하며 반응을 종결한다. 반응이 종결된 후에는 cyclohexane을 제거하고 400ml의 메탄올이 담긴 비이커에 제조된 고흡수성 수지를 부으면서 격렬하게 교반하여 30분간 세척하여 미반응 모노머와 계면활성제, 개시제를 제거한다. 이후 유리필터로 제조된 수지를 메탄올로부터 분리하여 60□ 오븐에서 24시간 동안 건조시켜 고흡수성 수지의 입자를 얻는다.

제조된 수지입자의 특성을 고찰하기 위해 입자의 크기, 입자 크기와 가교 정도에 따른 흡수율의 측정을 하였으며, 열적 안정성을 알아보기 위해 TGA를 사용하였다. 제조된 수지의 기계적 특성을 파악하기 위해 UTM을 사용하였다.

결과 및 토론

Fig. 3에서는 첨가된 계면활성제의 양에 따른 입자의 크기를 Sieve method로 측정한 결과이다. 계면활성제의 첨가량이 많아질수록 두 경우 모두 입자의 평균 크기가 작아짐을 볼 수 있으며, 사용된 span60과 ethyl cellulose의 무게 비는 1:1이었다.

Fig. 4는 열적 안정성을 파악하기 위해 TGA를 측정한 결과이다. 25oC에서 800oC까지 질소를 퍼지하면서 분당 10oC의 승온 온도로 측정한 것이다. 잔류 수분을 제거하기 위해 150oC에서 2시간동안 처리한 후 측정하였다. 200oC까지는 무게의 손실이 없었으며 350oC부터 분해가 일어남을 볼 수 있다.

Fig. 5와 6은 제조된 수지의 입자 크기에 따른 흡수율을 측정한 것이다. 입자의 크기가 작을수록 평형 흡수율이 큰 것을 볼 수 있으며 sodium보다는 potassium을 사용한 것이 평형 흡수율이 큰 것을 볼 수 있다. 입자의 크기는 첨가되는 계면활성제의 양으로 조절될 수 있으므로 사용되는 계면활성제의 양을 조절하면 평형 흡수율도 조절할 수 있다.

Fig. 7과 8에서는 가교제의 양과 외부 염용액의 농도에 따른 흡수율의 변화를 나타내었다. 첨가된 가교제의 양이 많아질수록 평형 흡수율이 작아짐을 볼 수 있었다. 외부 용액의 염 농도에 대해서는 염 농도가 높아질수록 평형 흡수율이 급격히 감소함을 알 수 있었다. 또한 염 농도가 높아지면 첨가된 가교제의 양에 대한 영향은 거의 없이 흡수율이 비슷해짐을 볼 수 있었다.

결론

1. 첨가되는 계면활성제의 양에 따라 입자의 평균 크기를 조절할 수 있었으며, 또한 이를 이용하여 흡수율도 조절이 가능한 것을 볼 수 있었다.

2. 첨가되는 가교제의 양이 많아질수록 또한 외부 염용액의 농도가 높아질수록 평형 흡수율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌

1. F. L. Buchholz, A. T. Graham, "Modern Superabsorbent Polymer Technology", Wiley-VCH, New York, 1998.

2. G. Wang, M. Li, X. Chen, J. Appl. Polym. Sci., 65, 789 (1997).

3. O. Okay, S. B. Sariisik, and S. D. Zor, J. Appl. Polym. Sci., 70, 567 (1998).