초가교 고분자 수지입자의 반응변수에 따른

다공성과 표면적 변화에 관한 연구

장 진 언 , 안 주 현, 오 창 건*, 임 선 기*

경상대학교 화학공학과 및 항공기부품 기술연구소,

*한국과학기술원 화학공학과

A Study on the Change of Porosity and Surface Area of Hypercrosslinked Polymer Beads with Reaction Variables

Jin-Eon Jang, Jou-Hyeon Ahn, Chang-Gun Oh*, Son-Ki Ihm*

Dept. of Chem. Eng. and RECAPT, Gyeongsang National Univ.

*Dept. of Chem. Eng., KAIST

서론

산업 공정에서 많이 유출되는 폐수중의 유기물질을 제거함으로서 환경오염의 문제를 해결하고, 또한 유용한 유기물질의 재생이 요구되고 있다. 이들 유기물질의 회수를 위한 흡착제로 고분자 흡착제가 많이 사용되면서, 고분자 흡착제에 대해 많은 관심과 연구가 있어왔다. 흡착제에 있어서 표면적과 흡착속도는 흡착수지의 성능을 결정하는 중요한 매개변수로 특히, 표면적은 고분자 흡착제의 흡착용량을 결정한다. 다공성 수지의 pore로는 micropore, mesopore, macropore가 있으며 이들 pore size 분포에 따라 흡착제로서의 성능이 달라진다. micropore는 특히 표면적과 관련이 있어서 micropore의 수를 증가시킴으로써 표면적의 증가를 가져올 수 있다. 가교 공중합체에 Friedel-Crafts 촉매존재하에서 swelling solvent를 사용하여  post-crosslinking을 시켜 표면적을 증가시키는 연구가 진행되어 왔다.

본 연구에서는 기존의 고분자 흡착제의 흡착능력을 개선하기 위한 방법을 모색하였다. Styrene 계통의 가교 공중합체를 제조하여 적당한 swelling solvent를 사용하여 팽윤시킨 다음 Friedel-Crafts 촉매존재하에서 post-crosslinking 반응시켰다. 최적의 흡착제를 개발하기 위해서는 porosity와 표면적을 조절하여야 하기 때문에 post-crosslinking을 할 때 반응조건을 다양하게 변화시켜, 반응조건에 따른 최종 고분자 흡착제의 물성변화를 조사하였다.

실험

2% crosslinked chloromethylated polystyrene(PVBC)의 제조

Chloromethylstyrene(Vinylbenzylchloride, VBC)와 divinylbenzene(DVB)을 현탁중합시켜 PVBC를 합성하였다.

2% crosslinked PVBC의 post-crosslinking

2% crosslinked PVBC를 swelling 용매로 1,2-dichloroethane을 사용하여 온도,  Friedel-Crafts 촉매의 종류, 촉매량을 달리하면서 post-crosslinking을 하였다.

Post-crosslinking 시킨 PVBC의 표면적과 세공크기 분포는 BET 방법을 이용하여 구하였고 원소분석을 통하여 chlorine의 함량을 측정하였다.

결과 및 토론

표면적을 넓히기 위한 post-crosslinking을 Table 1과 같은 조건으로 실험을 했다. Swelling solvent로 1,2-dichloroethane을 사용했을 경우, 촉매로는 FeCl3가 적당하고 온도가 높을수록 촉매의 양이 많을수록 표면적이 증가함을 알 수 있었다.

Table 1. 2% crosslinked PVBC의 post-crosslinking

Sample	촉매 종류	촉매량 (g)	온도 (℃)	원소분석(%)			표면적 (m2/g)	팽윤도
				C	H	Cl
0	Base polymer			71.95	6.18	22.23	2	2
1	FeCl3	2	70	86.48	6.75	3.93	1893	1.24
2	AlCl3	2.02	70	89.27	6.80	1.37	1330	1.46
3	FeCl3	1.03	70	86.70	6.93	3.80	1857	1.46
4	AlCl3	1.07	70	80.50	6.70	11.65	1	1.84
5	SnCl4	1.04	70	79.54	6.59	12.14	34	1.78
6	FeCl3	2.02	80	86.96	6.85	3.76	2094	1.26
7	AlCl3	2.04	80	89.76	7.10	0.92	1605	1.34
8	SnCl4	2.08	80	83.16	6.61	8.14	1128	1.26

sample(#1∼8) : solvent - 1,2 dichloroethane, reaction time - 12 hr

원소분석을 통하여 반응시킨 sample의  chlorine 함량을 분석한 결과, Table에서 처럼 표면적이 증가할수록 chlorine 함량이 줄어듦을 확인할 수 있었고, 이것은 chloromethyl 기가 가교에 참여해서 pore를 증가시켰음을 알 수 있었다.

표면적의 증가를 SEM photograph로 확인할 수 있었는데 Fig. 1에서 (a)는 post-crosslinking을 시키기 전, 2% DVB가 가교된 PVBC(base polymer)의 내부구조의 모습이고 (b)는 post-crosslinking을 시킨 sample(#8)의 내부구조이다. (a)보다 (b)에서 많은 세공이 존재함을 확인할 수 있었다.

(a)	(b)
Figure 1. SEM photograph of internal structure of sample 0 and sample 8

반응변수에 따른 다공성과 표면적의 변화를 확인하기 위하여 용매, 촉매량, 온도, 반응시간을 달리한 실험을 수행하였다.,

참고문헌

1. Schneider; Hans P, US Patent 5079274(1992)

2. Edward J. Simpson, William J. Koros, and Rovert S Schechter, Ind. Eng.      Chem. Res, 35, 1195(1996)

3. V.A. Davankov and M.P. Tsyurupa, React. Polym., 13, 27(1990)