고 흡습성 고분자(Super Absorbent Polymer)는 탁월한 수분 흡수 및 수분 보유 특성으로 널리 알려진 하이드로젤(Hydrogel)의 일종으로 기저귀나 습윤밴드 등 다양한 공산품에 활용되고 있다. 최근에는 혈관 내에 삽입되는 판막 스텐트(Valved stent)나 체내 삽입 형 약물전달 매개체로써의 활용 등 다양한 바이오⋅의학 분야에서의 가능성이 연구되고 있으며, 이와 같은 체내 삽입 형 ...
고 흡습성 고분자(Super Absorbent Polymer)는 탁월한 수분 흡수 및 수분 보유 특성으로 널리 알려진 하이드로젤(Hydrogel)의 일종으로 기저귀나 습윤밴드 등 다양한 공산품에 활용되고 있다. 최근에는 혈관 내에 삽입되는 판막 스텐트(Valved stent)나 체내 삽입 형 약물전달 매개체로써의 활용 등 다양한 바이오⋅의학 분야에서의 가능성이 연구되고 있으며, 이와 같은 체내 삽입 형 생체재료(Biomaterial)에 요구되는 중요한 조건중의 하나는 체내 환경에 대응이 가능한 기계적 특성(Mechanical property)이다. 기존에 활용되던 SAP는 비정형으로 제작되어, 단일 입자 수준에서 그 물성을 규명하고 목적에 맞게 물성을 조절하는 것에 한계가 있었다. 본 연구에서는 구형을 갖는 SAP 입자를 제작하여 기본적인 팽윤(Swelling) 특성을 종래의 SAP와 비교하고, 해당 SAP에 표면가교(Surface crosslinking)처리를 통해 사용환경에 맞추어 SAP 특성을 조절하는 방법을 규명한다. 벌크 스케일 압입장치(Bulk scale indenter)를 이용한 전체적 변형에 대한 물성 및 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope)을 이용한 표면에서의 국소 표면 물성 측정을 통해 표면가교 처리된 코어-쉘(Core-shell) 구조의 복합재의 기계적 특성을 멀티 스케일(Multi-scale)에서 규명하고, 형광 이미지를 이용한 두께 측정과 압입에 대한 유한 요소 해석, 확산 이론을 이용한 유효 확산 계수 변화의 수치적 확인을 통해 표면가교가 유발하는 물성 변화 메커니즘의 모델을 제시한다. 팽윤 반지름 1 mm의 구형 SAP 입자에 대한 표면가교 시, 국소 표면 물성은 17±5.8 kPa에서 최대 45±14 kPa로 2.7배 증가하며 표면가교의 두께는 최대 150±53 µm까지 발달한다. 실험결과를 기반으로 하는 해석적 접근 기법을 이용해 표면가교제의 확산과 동시에 이루어지는 가교 반응은 고분자 네트워크(Polymernetwork)의 집적도를 증가시키고 물성의 증가와 확산성의 감소를 유발하며, 표면가교제의 농도가 증가하면 표면가교의 발생량이 증가하여 확산성을 낮추기 때문에 표면가교제의 양의 증가에 표면가교의 두께는 증가하며 수렴하는 경향을 가짐을 확인했다. 본 논문에서 제시하는 측정 실험 및 규명 방법은 용도에 맞는 물성을 가지는 SAP의 중합 조건 최적화 및 확산 과정을 이용해 제작되는 코어-쉘 입자의 특성 규명에 응용이 가능하다.
고 흡습성 고분자(Super Absorbent Polymer)는 탁월한 수분 흡수 및 수분 보유 특성으로 널리 알려진 하이드로젤(Hydrogel)의 일종으로 기저귀나 습윤밴드 등 다양한 공산품에 활용되고 있다. 최근에는 혈관 내에 삽입되는 판막 스텐트(Valved stent)나 체내 삽입 형 약물전달 매개체로써의 활용 등 다양한 바이오⋅의학 분야에서의 가능성이 연구되고 있으며, 이와 같은 체내 삽입 형 생체재료(Biomaterial)에 요구되는 중요한 조건중의 하나는 체내 환경에 대응이 가능한 기계적 특성(Mechanical property)이다. 기존에 활용되던 SAP는 비정형으로 제작되어, 단일 입자 수준에서 그 물성을 규명하고 목적에 맞게 물성을 조절하는 것에 한계가 있었다. 본 연구에서는 구형을 갖는 SAP 입자를 제작하여 기본적인 팽윤(Swelling) 특성을 종래의 SAP와 비교하고, 해당 SAP에 표면가교(Surface crosslinking)처리를 통해 사용환경에 맞추어 SAP 특성을 조절하는 방법을 규명한다. 벌크 스케일 압입장치(Bulk scale indenter)를 이용한 전체적 변형에 대한 물성 및 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope)을 이용한 표면에서의 국소 표면 물성 측정을 통해 표면가교 처리된 코어-쉘(Core-shell) 구조의 복합재의 기계적 특성을 멀티 스케일(Multi-scale)에서 규명하고, 형광 이미지를 이용한 두께 측정과 압입에 대한 유한 요소 해석, 확산 이론을 이용한 유효 확산 계수 변화의 수치적 확인을 통해 표면가교가 유발하는 물성 변화 메커니즘의 모델을 제시한다. 팽윤 반지름 1 mm의 구형 SAP 입자에 대한 표면가교 시, 국소 표면 물성은 17±5.8 kPa에서 최대 45±14 kPa로 2.7배 증가하며 표면가교의 두께는 최대 150±53 µm까지 발달한다. 실험결과를 기반으로 하는 해석적 접근 기법을 이용해 표면가교제의 확산과 동시에 이루어지는 가교 반응은 고분자 네트워크(Polymer network)의 집적도를 증가시키고 물성의 증가와 확산성의 감소를 유발하며, 표면가교제의 농도가 증가하면 표면가교의 발생량이 증가하여 확산성을 낮추기 때문에 표면가교제의 양의 증가에 표면가교의 두께는 증가하며 수렴하는 경향을 가짐을 확인했다. 본 논문에서 제시하는 측정 실험 및 규명 방법은 용도에 맞는 물성을 가지는 SAP의 중합 조건 최적화 및 확산 과정을 이용해 제작되는 코어-쉘 입자의 특성 규명에 응용이 가능하다.
Super Absorbent Polymers (SAPs) gain attentions because of their capability of high water absorbency. They are widely used as various applications such as diapers, humid bandages, and self-expanding valved stent. However, the mechanical properties of SAP have been rarely studied due to the lack of m...
Super Absorbent Polymers (SAPs) gain attentions because of their capability of high water absorbency. They are widely used as various applications such as diapers, humid bandages, and self-expanding valved stent. However, the mechanical properties of SAP have been rarely studied due to the lack of measurement technique and its irregular shape. Here, we regulate the shape of SAP and characterize the mechanical properties of the shape-controlled SAP. We also improve the mechanical properties of SAP by cross-linking the surface. SAP is prepared by synthesizing Poly Acrylic Acid and Ethylene Glycol DiAcrylate (EGDA). The shape of SAP is regulated by controlling the temperature and speed of mixer. Ethylene Glycol Diglycidyl Ether (EGDE) is used to cross-link the surface of SAP. The global response of SAP to compression is obtained in experiments using the custom-made indentation device. The mechanical properties of crosslinked surface are characterized by performing local indentation using atomic force microscopy. To understand the mechanical behaviors of SAP, we develop a finite element model of SAP with core-shell structure and estimate the thickness of the cross-linked surface. Furthermore, we analyze the diffusion for surface cross-linking to reveal the mechanism by which the surface cross-linking determines the mechanical properties of SAP. The experimental results and analysis using the core-shell model will be beneficial in determining the structure of surface cross-linked SAP suitable for the application.
Super Absorbent Polymers (SAPs) gain attentions because of their capability of high water absorbency. They are widely used as various applications such as diapers, humid bandages, and self-expanding valved stent. However, the mechanical properties of SAP have been rarely studied due to the lack of measurement technique and its irregular shape. Here, we regulate the shape of SAP and characterize the mechanical properties of the shape-controlled SAP. We also improve the mechanical properties of SAP by cross-linking the surface. SAP is prepared by synthesizing Poly Acrylic Acid and Ethylene Glycol DiAcrylate (EGDA). The shape of SAP is regulated by controlling the temperature and speed of mixer. Ethylene Glycol Diglycidyl Ether (EGDE) is used to cross-link the surface of SAP. The global response of SAP to compression is obtained in experiments using the custom-made indentation device. The mechanical properties of crosslinked surface are characterized by performing local indentation using atomic force microscopy. To understand the mechanical behaviors of SAP, we develop a finite element model of SAP with core-shell structure and estimate the thickness of the cross-linked surface. Furthermore, we analyze the diffusion for surface cross-linking to reveal the mechanism by which the surface cross-linking determines the mechanical properties of SAP. The experimental results and analysis using the core-shell model will be beneficial in determining the structure of surface cross-linked SAP suitable for the application.
주제어
#복합재료 고 흡습성 고분자 코어-쉘 구조 멀티스케일 물성 측정 원자간력 현미경 Super Absorbent Polymer Composite Material Core-shell Particle Multi-scale Approach of Mechanical Property Measurement Atomic Force Microscope
학위논문 정보
저자
장수호
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
기계공학과
지도교수
이형석
발행연도
2016
총페이지
viii, 55p
키워드
복합재료 고 흡습성 고분자 코어-쉘 구조 멀티스케일 물성 측정 원자간력 현미경 Super Absorbent Polymer Composite Material Core-shell Particle Multi-scale Approach of Mechanical Property Measurement Atomic Force Microscope
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