초음파 처리를 통한 유리한 하이드로겔 생산

초음파 처리는 고성능 하이드로겔을 제조하는 데 매우 효과적이고 신뢰할 수 있으며 간단한 기법입니다. 이러한 하이드로겔은 흡수 능력, 점탄성, 기계적 강도, 압축 탄성률, 자가 치유 기능 등 우수한 재료 특성을 제공합니다.

하이드로겔 생산을 위한 초음파 중합 및 분산

하이드로겔은 다량의 물이나 유체를 흡수할 수 있는 친수성 삼차원 고분자 네트워크입니다. 하이드로겔은 탁월한 팽윤 능력을 나타냅니다. 하이드로겔의 일반적인 구성 성분에는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산나트륨, 아크릴레이트 고분자, 카보머, 다수의 친수성 기를 가진 다당류 또는 폴리펩타이드, 그리고 콜라겐, 젤라틴, 피브린과 같은 천연 단백질이 포함됩니다.
이른바 하이브리드 하이드로겔은 단백질, 펩타이드 또는 나노 / 미세 구조체와 같이 화학적, 기능적, 형태학적으로 서로 다른 다양한 재료로 구성됩니다.
초음파 분산은 탄소 나노튜브(CNTs, MWCNTs, SWCNTs), 셀룰로오스 나노결정, 키틴 나노섬유, 이산화티타늄, 은 나노입자, 단백질 및 기타 마이크로 또는 나노 구조체와 같은 나노재료를 하이드로겔의 고분자 매트릭스에 균일하게 분산시키는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 기법으로 널리 사용됩니다. 이에 따라 초음파 처리는 탁월한 특성을 갖춘 고성능 하이드로겔을 생산하는 주요 도구가 됩니다.

연구 결과 – 초음파를 이용한 하이드로겔 제조

첫째, 초음파 처리는 하이드로겔 형성 과정에서 중합 및 가교 반응을 촉진합니다.
둘째, 초음파 처리는 하이드로겔과 나노복합 하이드로겔 생산을 위한 신뢰할 수 있고 효과적인 분산 기법으로 입증되었습니다.

하이드로겔의 초음파 가교 및 중합

초음파 처리는 자유 라디칼 생성을 통해 하이드로겔 합성 과정에서 고분자 네트워크의 형성을 돕습니다. 강력한 초음파는 음향 캐비테이션을 발생시키며, 이는 높은 전단력, 분자 전단 및 자유 라디칼 형성을 유발합니다.

Cass 등(2010)은 수용성 단량체와 거대단량체의 초음파 중합을 통해 여러 “아크릴 하이드로겔을 제조했습니다. 초음파는 37°C의 개방계에서 글리세롤, 소르비톨 또는 포도당을 첨가제로 사용하여 점성이 있는 단량체 수용액에 개시 라디칼을 생성하는 데 사용되었습니다. 수용성 첨가제는 하이드로겔 생산에 필수적이었으며, 글리세롤이 가장 효과적이었습니다. 하이드로겔은 단량체인 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트, 덱스트란 메타크릴레이트, 아크릴산/에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 및 아크릴아미드/비스아크릴아미드로 제조되었습니다.” [Cass et al. 2010] 프로브형 초음파 처리기를 이용한 초음파 적용은 수용성 비닐 단량체의 중합과 이에 이은 하이드로겔 제조에 효과적인 방법으로 밝혀졌습니다. 초음파로 개시되는 중합은 화학적 개시제 없이 빠르게 진행됩니다.
연구의 전체 프로토콜을 여기에서 확인하세요!
 

흄드 실리카의 초음파 분산: Hielscher 초음파 균질기 UP400S는 실리카 분말을 개별 나노입자로 빠르고 효율적으로 분산시킵니다.

나노복합 하이드로겔과 나노겔의 초음파 합성에 대해 자세히 알아보세요!

초음파 처리는 모든 종류의 고분자 및 바이오폴리머에 적용할 수 있으며, 나노입자, 나노결정 또는 나노섬유와 같은 나노구조 재료로 하이브리드 하이드로겔을 보강할 수 있게 합니다. 미세구조는 얻어지는 재료 특성을 결정하는 핵심 요소이므로, 다양한 나노재료로 하이드로겔을 보강하면 나노복합 하이드로겔의 물리화학적 특성과 유변학적·기계적 특성을 조절하고 제어할 수 있습니다.

초음파 처리를 이용한 폴리(아크릴아미드-co-이타콘산) – MWCNT 하이드로겔 제조

Mohammadinezhada et al. (2018)은 폴리(아크릴아미드-co-이타콘산)과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)를 함유한 고흡수성 하이드로겔 복합체를 성공적으로 제조했습니다. 초음파 처리에는 다음 Hielscher 초음파 장치를 사용했습니다: UP200S. 하이드로겔의 안정성은 MWCNTs의 비율이 증가함에 따라 높아졌으며, 이는 MWCNTs의 소수성 특성과 가교제 밀도의 증가에 기인할 수 있습니다. P(AAm-co-IA) 하이드로겔의 수분 보유 능력(WRC)도 MWCNT(10 wt%)가 존재할 때 증가했습니다. 이 연구에서는 고분자 표면에 탄소나노튜브를 균일하게 분포시키는 측면에서 초음파 처리의 효과가 우수한 것으로 평가되었습니다. MWCNTs는 고분자 구조 내에서 단절 없이 온전한 상태를 유지했습니다. 또한, 얻어진 나노복합체의 강도와 수분 보유 능력, Pb (II)와 같은 다른 용해성 물질의 흡수량도 증가했습니다. 초음파 처리는 온도가 상승하는 조건에서 개시제를 분해하고 MWCNTs를 고분자 사슬 내에 우수한 충전재로 분산시켰습니다.
연구진은 다음과 같이 결론지었습니다. “이러한 반응 조건은 기존 방법으로는 달성할 수 없으며, 모재 내 입자의 균질성과 양호한 분산 상태도 달성할 수 없다. 또한 초음파 처리 공정은 나노입자를 개별 입자로 분리하지만, 교반으로는 이를 수행할 수 없다. 크기 감소의 또 다른 메커니즘은 강력한 음향파가 수소 결합과 같은 이차 결합에 미치는 영향이다. 이러한 음향파 조사는 입자의 수소 결합을 끊어 응집된 입자를 해리시키고, -OH와 같은 자유 흡착기의 수와 접근성을 증가시킨다. 따라서 이러한 중요한 현상으로 인해 초음파 처리 공정은 문헌에서 사용된 자기 교반 등의 다른 방법보다 우수한 방법이 된다.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

하이드로겔 합성을 위한 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 하이드로겔 합성을 위한 고성능 초음파 장비를 제조합니다. 소형 및 중형 연구개발용 및 파일럿용 초음파 처리기부터 연속 모드로 하이드로겔을 상업적으로 제조하기 위한 산업용 시스템까지, Hielscher Ultrasonics는 고객의 공정 요구사항을 충족합니다.
산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있어 신뢰성 있는 가교 및 중합 반응과 나노입자의 균일한 분산을 가능하게 합니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7/365 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.

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아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

Hielscher SonoStation은 플로 셀 반응기를 이용한 중간 규모 배치의 초음파 처리를 간편하게 해줍니다. 소형 SonoStation은 38리터 교반 탱크와 유량 조절이 가능한 일축 편심 스크루 펌프를 결합하여 1대 또는 2대의 초음파 플로 셀 반응기에 분당 최대 3리터를 공급할 수 있습니다.