새로운 다공성 구조의 흡유성 고분자 신소재 개발

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한국과학재단 042-869-6112

한국과학재단(이사장 김정덕)의 지원으로 한양대학교 화학과 한양규 교수가

공장에서 방출되거나 해양사고에 의해 유출된 벤젠, 톨루엔, 클로로포름,

휘발류, 케로센 등의 유기용매 또는 기름(원유)을 물이나 해수로부터 선택

적으로 흡유할 수 있는 새로운 환경친화형 다공성 구조의 흡유성 고분자 신

소재를 개발하였다.

한 교수는 공장에서 방출된 유기용매 또는 사고로 유출된 기름분자들과 소

수성 분자들 사이의 상호인력에 의한 흡유특성과 분자구조의 영향를 조사하

기 위하여, 측쇄에 소수성 지방족 사슬과 방향족 그룹이 동시에 도입된 새

로운 구조의 아크릴아미드계 흡유성 고분자에 대한 연구를 수행해왔다.

이 연구결과 흡유능, 흡유속도, 흡유된 겔의 강도와 같은 흡유특성은 흡유

성 고분자의 측쇄에 도입된 흡유기능성 그룹의 화학적 구조와 함께 고분자

의 표면적에 매우 의존한다는 사실을 처음으로 밝혔다.

이 연구에서 처음으로 합성된 새로운 종류의 아크릴아미드계 단량체와 기존

의 스티렌 단량체들로부터 제조된 흡유성 고분자 신소재는 단량체들 사이의

상호인력에 의한 자발적인 분자배열로 인하여 입자들의 내부에 약 20나노미

터 크기의 기공이 형성됨을 물론 입자의 표면에 약 50 미크론의 구멍들이

존재하는 표면적이 큰 약 600 미크론 크기의 다공성 입자를 최초로 합성하

고 또 그들의 특성을 조사하였다.

따라서 유출된 유기용매 또는 기름을 강이나 바다로부터 선택적으로 분리,

제거할 수 있는 흡유성 고분자 신소재의 합성 및 흡유 반응기구의 규명에

대한 학문적인 새로운 방법론과 함께 산업적인 제조방법 및 응용가능성을

제시하였다.

이 연구성과는 과학재단이 지원하는 우수연구센터인 과기원 기능성고분자신

소재연구센터의 환경친화형 고분자 신소재의 기초연구로서 지난 1999년부터

2001년까지 약 3년 동안 진행하여 일궈낸 성과로, 현재 국내특허 2건(1999

년 및 2001년)이 출원되었으며 또 국외특허를 출원할 계획이다.

또한 산업적인 결과 이외에 새로운 흡유성 고분자의 분자구조와 흡유특성과

의 상관관계 및 흡유반응기구의 규명을 통하여 환경친화형 흡유성 고분자의

새로운 합성법과 제조에 관한 원천기술을 국내에서 독자적으로 연구하여 확

립하였다는 뜻 깊은 의미를 갖고 있다. 또 우수한 학술적인 결과는 현재 국

외의 저명한 학술지에 투고 중이다.

한 교수는 앞으로 산업적인 응용관점에서 후속 연구에 착수하여, 고분자의

분자구조 제어에 의한 유기물질의 선택적 분리기능성 고분자 신소재의 개발

에 크게 기여할 것으로 예상된다.

[사업개요]

◑ 사업명 : 우수연구집단육성사업(기능성고분자신소재연구센터(ERC-과기원))

◑ 연구과제명 : 환경 친화형 흡유기능성 고분자 신소재의 개발

◑ 연구책임자 : 한양대학교 화학과 한양규 교수

◑ 연구기간 : 1999.3.1-2002.2.28

◑ 연구비 : 103,730천원

◑ 참여연구원 : 이지홍, 이상은, 김동현

[연구배경]

○산업의 발달로 유기용제 및 석유의 사용량이 급속히 증가함에 따라 이

들 유기용매의 폐액 방출로 인한 수질의 오염이 심각하다. 또한 매년

유조선의 해양사고로 인하여 해양오염은 물론 환경 생태계의 파괴가 심

각한 문제로 대두되고 있다. 따라서 수질개선 및 지구환경보호를 위하

여 유출되거나 방출된 유기용매 및 기름을 물로부터 선택적으로 흡유,

분리할 수 있는 흡유성 고분자의 개발이 절실히 요구되어 왔다.

○한편, 지금까지 방출된 유기용제 및 해양사고로 인한 유출된 기름(또는

원유)을 제거하는 방법으로서는 다음과 같은 몇 가지 방법이 보고되어

왔다. 첫째, 흡착 침전물을 이용하는 방법으로 분말 형태의 재(cinder)

또는 점토(clay)를 바다에 분산시킨 후 유출된 오일을 흡착시켜 침전시

킨다. 둘째, 비누와 같은 계면활성제를 오일이 유출된 지역에 뿌린 후

기계적으로 교반시켜 물과 기름을 에멀젼 상태로 만든 다음 자연 분해

시키는 방법이 있다. 이외에, 종이나 기존의 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리

프로필렌(PP) 섬유에 친유성 화합물을 코팅시켜 만든 부직포를 이용하

여 유출된 오일을 흡착시켜 제거하는 방법이 알려져 왔다.

○그러나 지금까지 이용되고 있는 이런 오일 흡착 재료들은 여러 가지 단

점이 있다. 즉 흡착 침전물을 사용할 경우 재나 점토에 흡착된 오일이

시간이 지남에 따라 방출된다. 또 계면 활성제를 이용하는 경우는 흡수

한 오일을 다시 회수하기 힘든 단점과 오일 에멀젼에 의한 해양 생태계

를 파괴하는 2차적인 오염을 피할 수 없다. 이외에 PE, PP 등의 부직포

를 사용하는 경우는 모세관현상에 의한 단순한 흡착이므로 흡유 배율이

매우 낮으며 또 가압보유력이 약하여 흡유된 오일이 방출되기 쉬운 단

점과 함께 많은 인력이 필요하다.

○따라서, 최근 이러한 문제점을 극복하기 위하여, polystyrene 유도체계,

EPDM 고무 및 polynorbornene과 같은 고무 재료, long-chain alkyl

methacrylate 계의 일부 흡유성 고분자가 미국(Dow Chemical, Dupnt사),

일본(일본 촉매 화학, 미쓰이 석유 화학) 등 선진국을 중심으로 기초연

구가 수행되고 있다. 그러나 국내에서는 일부 업체에서 산업용 흡유재

(공장의 기름제거 매트)로 PE 및 PP 계 부직포를 수입하여 사용할 뿐

흡유성 고분자 신소재에 대한 연구개발은 전무한 실정이다.

○본 연구의 목적은 석유, 클로로포름, 벤젠, 톨루엔, 헥산, 할로겐 화합

물 등과 같은 소수성 유기용매와 흡유성 고분자 내에 존재하는 기능성

작용기와의 상호작용의 힘에 의해 유출된 기름 등을 흡유, 팽윤, 겔화

함으로써 외부의 압력에 의해서도 흡유된 기름을 방출하지 않는 새로운

흡유성 고분자 신소재를 제조하고 그들의 응용특성을 조사하는데 있다.

[연구내용]

○이 연구는 물이나 해수에 유출되거나 혼합되어 있는 지방족 (aliphatic)

또는 방향족(aromatic) 유기용매와 원유와 같은 기름 등을 물로부터 선

택적으로 흡수, 팽윤, 겔화 시킬수 있는 새로운 흡유성 가교고분자를

합성하고 그들의 흡유특성을 조사하였다.

○이 연구를 통하여 최초로 합성된 유기용매 또는 기름과 상호인력이 매

우 큰 흡유특성을 갖는 기능성 그룹이 측쇄에 도입된 새로운 종류의 아

크릴아미드계 단량체와 기존의 스티렌계 단량체들과 계면활성제 및 가

교제 존재하에서 현탁중합반응을 일으켜 기존의 알려진 분자구조와는

전혀 다른 새로운 다공성의 흡유성 고분자 신소재의 입자를 제조하였다.

○한편, 제조된 흡유성 고분자 신소재의 분자구조를 조사한 결과, 중합시

본 연구에서 최초로 합성한 새로운 종류의 아크릴아미드와 스티렌 단량

체들의 상호인력에 의한 자발적인 분자배열이 일어나 입자들의 내부에

약 20나노미터 크기의 기공이 형성됨은 물론 입자의 표면에 약 50미크

론의 구멍이 존재하는 표면적이 큰 다공성 구조의 입자임을 확인하였다

○이외에 유기용매에 대한 흡유능, 흡유속도 및 흡유된 겔의 강도와 같은

흡유특성은 조사한  결과, 제조된 흡유성 고분자들의 분자구조 및 선택

된 유기용매들의 종류에 의존하였다. 즉 벤젠 및 톨루엔과 같은 방향족

용매, 클로로포름, n-옥탄, 케로센, 원유 들에 대한 흡유능은 각각 약

25 , 30, 10 , 8, 13 배 (유기용매 gram/흡유성고분자 1.0 gram)이었다.

또 새로운 흡유성 고분자 신소재는 특허에 보고된 선진국들의 재료들과

달리 흡유속도가 비교적 빠름을 발견하였다 (약 15분 이내에 최고의 흡

유능을 달성함). 이것은 본 연구에서 합성한 새로운 흡유성 고분자 신

소재의 구조가 유기용매와 친화력이 큰 알킬기 및 벤젠고리가 존재함은

물론 제조된 입자 표면과 내부에 무수한 기공들이 포함되어 있어 유기

용매 또는 기름들과의 접촉 표면적이 크기 때문으로 생각된다. 또 흡유

된 용매들은 다소의 압력을 받아도 유출되지 않는 장점도 있다.

○따라서 유출된 유기용매 또는 기름을 강이나 바다로부터 선택적으로 분

리, 제거할 수 있는 흡유성 고분자 신소재의 합성 및 흡유 반응기구의

규명에 대한 학문적인 새로운 방법론과 함께 산업적인 제조방법 및 응

용가능성을 제시하였다

[기대효과]

○기초연구의 학문적 효과: 아래의 기초연구 결과를 현재 저명한 국제학

술지에 투고 중임.

① 새로운 아크릴아미드계 흡유기능성 단량체의 합성 및 구조 분석

② 현탁 및 유화중합에 의한 새로운 다공성 흡유성 가교고분자 입자의

합성기술 확립

③ 분자구조에 미치는 흡유특성 (흡유능, 흡유속도, 가압보유력) 관계

조사

④ 광산란법 및 X-ray 분석법에 의한 소수성 겔 가교공중합체의 동력학

력 흡유 반응기구의 규명 및 3차원 미세구조 조사

○산업적 효과: 아래의 관련성과를 토대로 산업화를 추진할 계획임.

관련특허 : 1) 대한민국 특허 출원번호 제1999-032111호(1999.08.05 출원)

2) 대한민국 특허 출원번호 제2001-79360(2001.12.14 출원)

① 새로운 흡유성 가교고분자의 제조 공정 기술의 확립에 따른 산업경

쟁력 제고

② 고분자의 분자구조 제어에 의한 분리 및 회수 관련 응용기술로의 활용

③ 흡유성고분자의 용도 다양화로 인한 신소재 창출 가능

- 유기용제 분리용 폐수처리제

- 유기물질의 선택적 흡수제

- 방향제, 살충제, 살균제 등의 약제 방출 조절용 매트릭스 수지

※ 현재 상기 연구들에 대한 결과를 특허로 출원하였으며, 국내외에 출원

이 완료되는 대로 "기능성 고분자 신소재 연구센터"에 참여한 산업체와

의 산업화 공동연구를 추진할 계획임