Poly(AM-SAS-SA)/Water계의 팽윤속도 계산

천승환, 성준현, 김정연, 김남형, 최중소

광운대학교 화학공학과

Estimation for Swelling Rate of Poly(AM-SAS-SA)/Water

Seung Whan Cheon, Jun Hyun Sung, Jung Youn Kim,

Nam Hyung Kim, Joong So Choi

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

서론

물을 흡수하는 재료[1]중에 티슈나 면포와 같은 천연섬유, 또는 전분이나 젤파민, 우레탄 스폰지 등은 기공성 재료로서 물을 잘 흡수하는 성질을 가지고 있어 현재에도 가정에서 많이 쓰이고 있다. 그러나 이들의 흡수력은 몇배 정도이고 외부에서 압력을 가하면 그 물은 용출된다.[2] 이러한 성질에 기초하여 자체 무게의 수백배 이상의 큰 흡수력을 가지고 외부 압력을 가해도 물을 방출하지 않는 고분자 재료가 개발되어 왔다.[3] 가교 결합된 고분자 재료중에 다량의 물을 흡수할수 있는 특성을 지닌 재료들은 많이 알려져 있고[4], 산업이 발전함에 따라 고흡수성 고분자가 기능성 재료로서 다양하게 응용되고 있다.

본 연구에서는 고흡수성 고분자 재료로서 copolymer인 poly(AM-SA), poly(AM-SAS)를 PH별로 제조하고, 298.15K~348.15K의 온도 범위에서 팽윤실험을 행하였다. 최대의 흡수율을 가지는 PH에서 tertiarypolymer인 poly(AM-SAS-

SA)를 제조하여 흡수능력을 측정하고 팽윤평형 상태에서 고흡수성 수지의 흡수속도를 설명하기 위해 spring과 dashpot로 구성된 Voigt model[5]에 실험 데이타를 상호 연관시켜 팽윤속도를 계산하고자 한다.

실험

(1)시료준비

고흡수성 고분자 제조를 위한 중합장치는 500□반응조, 냉각기, 교반기, 질소공급원, 온도조절기가 부착된 맨틀로 이루어 졌다. 고분자 제조는 부반응을 방지하기 위해 반응조의 둥근 플라스크 구를 고무마개로 밀봉하여 질소분위기 하에서 중합반응에 대한 불순물의 영향을 억제시킨 상태로 이루어 졌다. 또한 시편제조를 위한 교반 stirrer는 테프론 재질의 mechnical stirrer를 사용하였다.

정밀한 온도유지를 위해 ±0.02℃의 정밀도를 갖는 thermo controller가 부착된 heating mantle을 사용하였으며, 둥근 반응조에 물 200□를 넣고 monomer인 acrylamide(AM), sodium allylsulfonate(SAS), sodium acylate(SA)와 개시제, 가교제, 온도의 조합으로 고분자를 제조하였다.

Poly(AM-SA), poly(AM-SA-SAS), poly(AM-SAS-SA)를 제조하기 위한 반응 조건들을 Table 1, Table 2, Table 3에 나타내었다.

Table 1. Synthesys reaction condition for poly(AM-SA)

momomer		initiators		cross-linker	PH	temp.	nitrogen
AM	SA	KPS	TMEDA	BIS
13.79g	13.79~82.74g	0.143g	0.149g	0.093g	5~8	35℃	20 min

Table 2. Synthesys reaction condition for poly(AM-SAS)

momomer		initiators		cross-linker	PH	temp.	nitrogen
AM	SAS	KPS	TMEDA	BIS
13.79g	2.883g	0.143g	0.149g	0.093g	3~7	35℃	20 min

Table 3. Synthesys reaction condition for poly(AM-SAS-SA)

momomer			initiators		cross-linker	PH	temp.	nitrogen
AM	SAS	SA	KPS	TMEDA	BIS
13.79g	2.594~3.169g	13.79g	0.143g	0.149g	0.093g	7	40℃	20 min

(2)흡수능력 측정

제조된 각각의 고흡수성 수지의 흡수율은 중량법으로 측정되었다. 시료를 0.1g씩 평량한 후 각각의 실험온도에서 200□의 증류수에 넣어 일정시간 간격으로 팽윤된 재료를 80 mesh sieve[6]에 넣고 물과 팽윤된 재료를 분리시켜 질량을 평량하였다. 팽윤후 재료의 질량[eqn: (m)]과 팽윤전의 질량[eqn: (m_o )]에 의하여 재료의 흡수능력은 다음 (1)식으로 표현되며 흡수능력 측정결과는 대표적으로 Fig. 1에 나타내었다.

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

결과 및 토론

Poly(AM-SA)를 함량비 별로 제조하여 물에 대한 흡수능력 측정결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 AM-SA의 함량비가 1:1일 때 흡수능력이 200배 정도로서 최대인 것을 알수 있었고, SA의 함량비가 높아질수록 그 흡수능력은 떨어지지만 팽윤평형에 도달하는 시간은 짧아지는 것을 알 수 있었다. 그러나 함량비가 1:4까지는 팽윤평형에 도달하는 시간이 빨라지지만, 그 이상일때는 팽윤평형 속도가 느려지고 흡수율 역시 낮아지는 것을 알 수 있었다. 한편 온도 변화에 따른 흡수율을 고찰하기 위해 298.15K~348.15K[7]의 온도범위에서 AM-SA의 함량비 1:1의 팽윤실험 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 온도가 올라갈수록 흡수율이 조금씩 증가하는 경향을 보였으나 온도 증가가 흡수율에 많은 영향을 미치지 않음을 알 수 있었고, 팽윤 평형에 도달하는 시간이 13~14분 내외로서 장 등[8]의 결과에 비교하여 팽윤속도가 비교적 빠름을 알 수 있었다.

Fig. 1. Water absorption capacity of poly(AM-SA) for        each monomer ratio at 308.15K

Fig. 2. Water absorption capacity of poly(AM-SA)           with monomer ratio 1:1

Fig. 3은 308.15K에서 poly(AM-SA)의 PH를 5~9까지 변화시키면서 측정한 흡수율을 나타낸 것 으로서 PH7에서의 흡수율이 250배 정도로 최대인 것을 알 수 있었고, PH가 7을 넘어서면서 흡수율이 감소하는 것을 알 수 있었다. Fig. 4는 poly(AM-SAS)를 PH 3~7까지 제조하여 흡수능력 측정결과를 나타낸 것이다. Fig. 3와 Fig. 4를 비교해 볼 때 공통적으로 PH5에서 PH6으로 바뀌면서 흡수율이 크게 늘어나는 것을 알 수 있었고, PH7에서 최대치를 나타냈다. 그러나 poly(AM-SAS)의 경우 최대흡수율은 780배 정도로 높은 흡수율을 나타냈지만, poly(AM-SA)와 비교해서 흡수평형에 이르는 시간이 30분 내외로서 비교적 늦은 것임을 알 수 있었다.

Fig. 3. Water absorption capacity of poly(AM-SA)             within PH 5~9 at 308.15K

Fig. 4. Water absorption capacity of poly(AM-SAS)            within PH 3~7 at 308.15K

최대의 흡수율을 갖기 위한 조건으로서 PH7과 AM-SA의 함량비 1:1을 기준으로 하여 poly(AM-SAS-SA)를 제조하고 흡수능력을 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. SAS의 농도를 0.09~0.11mol까지 변화시켜가며 흡수율을 측정한 결과 SAS의 농도가 0.1mol일 때 흡수율이 1140배 정도로 최대임을 알 수 있었고, 흡수평형에 도달하는 시간이 16~17분 내외로서 비교적 빠른 속도를 나타내는 것을 알 수 있었다.

Fig 5. Water absorption capacity of poly(AM-SAS-SA)         for each SAS concentration at 308.15K

한편 가교결합된 고분자의 팽윤속도에 대한 표현식은 spring과 dashpot로 구성된 Voigt model[5]에 적용시켜 표현할 수 있다.

응력[eqn: sigma _0]가 시간[eqn: t_0]에 적용될 때, 시간[eqn: t]에 대해서 주어진 Young's modulus [eqn: E]를 가지고 있는 곡선응답 [eqn: epsilon](absorption capacity)은 다음 (2)식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: epsilon (t)~=~ sigma _0 /E~[1-exp{(t_0 -t)/ tau _0 }]]                (2)

여기서 [eqn: tau _0]는 평형에 도달하기 까지의 지연시간을 나타내며 steady state에서의 평형에 영향을 미친다.

흡수속도에 대한 표현식은 (2)식에 기초하여 다음(3)식

[eqn: d epsilon/dt ~=~( sigma _0 /E tau _0 )exp[{(t_0 -t)/ tau _0 }]]                (3)

을 사용하였다. (2)~(3)식을 사용하여 팽윤평형에서의 [eqn: sigma _0 /E],[eqn: tau _0]들을 추산하고  추산된 파라미터를 이용하여 고흡수성 고분자의 팽윤거동을 설명할 수 있었으며, 실험온도 영역 이외에서도 팽윤평형을 예측할 수 있었다.

참고문헌

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

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

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

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

5. Aklonis, J. J. and Macknight, W. J.: "Introduction to Polymer Visco-elasti     -city.", Wiley-Interscience, New York, 147(1983)

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

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

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