[논문]Phenyl 고리를 갖는 고분자 겔의 팽윤거동에 대한 이온 특성화 효과

안범수

doi:10.12925/jkocs.2012.29.2.13

Phenyl 고리를 갖는 고분자 겔의 팽윤거동에 대한 이온 특성화 효과
Effects of Ion Specificity on the Expansion Behavior of Polymer Gel with Phenyl Ring 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.29 no.2, 2012년, pp.278 - 285

초록
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낮은 농도와 높은 농도의 염 용액에서 Poly(styrene sulfonic acid)(PSSA) 겔의 팽윤도에 대한 이온 특성화 효과를 ${SO_3}^-$와 페닐 고리의 수소결합을 통하여 조사하였다. 낮은 농도에서 PSSA 수화 겔의 수축 정도는 ${SO_3}^-$와 물 사이의 수소 결합에 대한 음이온의 불안정화 영향 때문에 음이온에서는 $SCN^-$<$Br^-$<$Cl^-$<$F^-$의 순서를 따랐다. 재 팽윤은 계에서 특별한 상호 작용이 있을 때 높은 농도에서 관찰되었다. 반면 양이온에서 PSSA 겔의 수축은 $Li^+$<$Na^+$<$K^+$<$Ca^{+2}$ 순서를 따랐다. $Ca^{+2}$ 이온에서의 큰 수축 효과는 이가 양이온(+2)에 의한 PSSA 겔의 물리적 가교 때문에 나타난 것으로 보인다. 양이온에서의 수축은 ${SO_3}^-$와 양이온 사이의 상호작용 정도에 비례하였다. PSSA의 팽윤에 대한 이온 특성화 효과는 ${SO_3}^-$와 페닐 고리의 수화 수소결합에 대한 이온의 영향 정도, 양이온과 ${\pi}$ 전자의 상호작용, 소수성 상호작용, 그리고 분산력 등이 복합적으로 작용하여 나타난다고 볼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effects of ion species on the expansion behavior of Poly(styrene sufonic acid)(PSSA) hydrogel were investigated in aqueous solution of selected anions, cations and hydrophobic ions. The deexpansion extent of Poly(stylene sulfonic acid) gel follow the sequence $SCN^-$<$Br^-$<$Cl^-$<$F^-$ in low concentration solutions due to the destabilization of anions to hydrogen bond between ${SO_3}^-$ and water. The deexpansion in cations followed the sequence of counterion interactions between ${SO_3}^-$ and cations. It was discussed the effects of ions on the hydrogen bonding through ${SO_3}^-$ and phenyl ring in salt solutions. Other interactions, such as the cation-${\pi}$ interaction, hydrophobic interaction, and dispersion force, contributed to the ion specific swelling of PSSA hydrogel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Poly-4-vinyl-phenol 같은 계에서 수화를 통한 π 전자와의 수소결합, 양이온 - π 전자 상호작용, 소수성(hydrophobic) 상호작용 같은 것들은 방향족 고분자의 성질에 많은 영향을 미칠 것이다. 여기서는 Phenyl 고리를 갖는 고분자로 polystyrene latex와 황산화 polystyrene을 이용하여 고분자/이온/물 계에 대한 상호작용을 조사하고자 한다. Polystyrene은 그 자체로는 비이온성이지만 latex가 사슬 끝 부분에 소량의 황산기를 갖기 때문에 정전기적, 소수성 상호작용에 의한 이온 사이의 결합이 가능하게 된다.

가설 설정

무기이온 또는 유기 이온을 갖는 용액에서 PSSA 수화 겔의 이온 특성화에 따른 팽윤 거동은 다음과 같이 해석 할 수 있을 것이다. (1) 염 농도가 낮을 때 PSSA 겔의 수축은 반대 이온 사이의 작용에 의해 생긴 것이다. 반대 이온사이의 상호작용이 포화되었을 때 이온수화와 소수성 수화를 고려할 수 있다.

제안 방법

30%의 Sodium styrene sulfonate와 5%의 Methyl-N,N-bis-acrylamide를 포함하는 용액에 질소를 통과시키면서 1시간 동안 교반하였다. Poly styrene sulfonic acid(PSSA) 수화겔를 0.
양이온 계면활성제인 C₁₂TAB에서 고분자와 계면활성제 사이의 미셀이 형성 되었으며 상대이온의 삼투압은 겔의 재 팽윤을 가져왔고 F-이온에서의 특수한 재 팽윤은 F-이온과 페닐고리 사이의 특별한 결합에 의한 것으로 볼 수 있다. FTIR, NMR 을 이용하여 SO₃^-와 Phenyl 고리 사이의 상호작용을 조사하였다. 2mol/L 무기염 용액에 있는 PSSA 겔의 FTIR 스펙트럼을 Fig.
30%의 Sodium styrene sulfonate와 5%의 Methyl-N,N-bis-acrylamide를 포함하는 용액에 질소를 통과시키면서 1시간 동안 교반하였다. Poly styrene sulfonic acid(PSSA) 수화겔를 0.1 mol L^-1 HCl 용액에 24시간 넣어 황산기에 있는 Na를 H로 바꾸어주고 이어 HCl를 제거하기 위해 증류수로 반복하여 씻어 주었다. 이렇게하여 Na가 H이온으로 바뀐 것을 원소분석을 통하여 확인할 수 있었다.
낮은 농도, 높은 농도의 염 용액에서 PSSA 겔의 팽윤도에 대한 이온 특성화 효과를 SO3- 와 페닐 고리 사이의 수소결합을 통하여 조사하였다.
Polystyrene은 그 자체로는 비이온성이지만 latex가 사슬 끝 부분에 소량의 황산기를 갖기 때문에 정전기적, 소수성 상호작용에 의한 이온 사이의 결합이 가능하게 된다. 무기 계면활성제와 이온 계면활성제 용액에서 황산화 polystylene 겔에 대한 이온 특성화 효과를 NMR, FTIR, 팽윤 측정 등을 통하여 조사하였다. 이온/phenyl 고리/SO₃^-/물 계에서 이들 사이의 상호작용을 통한 이온 특성화 메카니즘을 알아보는 것도 흥미로운 일일 것이다.
이 효과를 알아보기 위하여 다양한 이온을 갖는 용액에서 PSSA 겔의 팽윤도를 측정하였다. 음이온, 양이온의 영향을 조사하기 위해 서로 다른 음이온을 갖는 Potassium 염과 여러가지 양이온을 갖는 Chloride 염 용액을 준비하여 각각 겔의 팽윤도을 비교하였다.
많은 수화 겔의 이온 특성화에 따른 팽윤도를 조사해보면 이 현상은 고분자 사슬의 적절한 극성기에 대한 수소결합을 통한 수화(hydration) 작용에 미치는 이온의 영향에 바탕을 두고 있다고 보여 진다. 이 효과를 알아보기 위하여 다양한 이온을 갖는 용액에서 PSSA 겔의 팽윤도를 측정하였다. 음이온, 양이온의 영향을 조사하기 위해 서로 다른 음이온을 갖는 Potassium 염과 여러가지 양이온을 갖는 Chloride 염 용액을 준비하여 각각 겔의 팽윤도을 비교하였다.
이렇게하여 Na가 H이온으로 바뀐 것을 원소분석을 통하여 확인할 수 있었다. 이렇게 만들어진 PSSA 겔을 다양한 종류의 염 용액에 넣어 부풀게 하고 현미경을 이용하여 팽윤도를 조사하였다. 순수한 PSS 용액은 자외선을 쪼이면 처음에 분해한 후 천천히 부드럽고 끈끈한 겔이 만들어진다.

대상 데이터

그런데 Methyl-N,N-bis acrylamide 같은 가교화 물질이 있으면 PSSA 의 큰 분자량이 현저하게 감소하였다. 따라서 겔 형성을 위한 최적의 조건으로 5%의 Methyl-N,N-bis-acrylamide와 함께 30%의 Sodium styrene sulfonate를 실험 조건으로 채택하였다. 수화 겔의 팽윤도를 측정하는 것은 수용성 고분자계에 관련된 상호작용을 연구하는데 좋은 방법중의 하나이다.

성능/효과

양이온 계면활성제 용액에서 큰 수축이 일어나는 것은 과량의 양이온과 π 전자의 상호작용 그리고 소수성 상호작용으로 부터 기인한다고 볼 수 있다. (2) 부풀려지는 것이 최저에 이른 후 겔 주위의 물 분자들은 제약을 받게 되고 특별한 상호작용은 고분자 사슬과 이온의 엮임을 만들어 결과적으로 PSSA 겔의 재 팽윤을 가져 온다. SCN^- 이온에서 약간의 재 팽윤은 이온이 소수성 계면과 특별하게 엮이게 되어 생기고, Li⁺이온에서는 수화 수소결합의 강한 안정화가 이루어져 일어난다고 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	약하게 수화 되는 음이온들을 일컬어 무엇이라 부르는가?	오른 쪽의 강하게 수화되는 음이온들은 salting-out 이온, Kosmotropes 이온 또는 물구조 형성 이온으로 불리며, 왼편의 약하게 수화 되는 음이온들은 salting-in 이온, Chatropic 이온 또는 물구조 파괴 이온으로 불리기도 한다. 일반적으로 음이온들이 양이온에 비해 고분자의 물리화학적 성질에 큰 영향을 미친다.
	강하게 수화되는 음이온은 무엇이라 부르는가?	오른 쪽의 강하게 수화되는 음이온들은 salting-out 이온, Kosmotropes 이온 또는 물구조 형성 이온으로 불리며, 왼편의 약하게 수화 되는 음이온들은 salting-in 이온, Chatropic 이온 또는 물구조 파괴 이온으로 불리기도 한다. 일반적으로 음이온들이 양이온에 비해 고분자의 물리화학적 성질에 큰 영향을 미친다.
	고분자 주변의 이온 분포에 따른 계면 사이의 포텐셜 변화는 무엇으로 설명할 수 있는가?	계면 사이의 상호작용이 일어나는 계에서 용매화된 이온들 주위의 물 구조 뿐아니라 계면을 둘러 싸고 있는 물 분자도 중요한 역할을 하는데 이온-물, 물-물, 계면-물, 계면-이온, 그리고 계면-계면 사이의 상호작용에서 물 구조의 변화가 있게 되고, 고분자 주변에 이온들이 분포하게 되어 계면 사이의 포텐셜을 바꾸게 한다. 이 포텐셜 변화는 계면에서의 이 온들 사이의 반발 또는 중첩 메카니즘이나, 계면에 인접한 물분자들이 일정한 방향성을 갖는 메카니즘으로 설명되어 질 수 있다[8,9]. 일반적으로 이온들은 자기 주위의 물 분자와 서로 다른 편극성을 갖게되므로 계면 가까이에서 이온들은 매우 특별한 분산 퍼텐셜을 띄게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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