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전자빔 조사에 의한 카르복시메틸셀룰로스 기반 복합 초흡수제 제조시 폴리머 조성 및 첨가물질의 종류에 따른 겔 특성 변화

Electron Beam Radiation Syntheses of Carboxymethylcellulose-based Composite Superabsorbent Hydrogels: Dependence of Gel Properties on Polymer Composition and Additives

청정기술 = Clean technology, v.22 no.4, 2016년, pp.258 - 268  

성윤기 (계명대학교 화학공학과) ,  김탁현 (한국원자력연구원 공업환경연구부) ,  이병환 (계명대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 카르복시메틸셀룰로스(CMC)를 기반으로 한 복합 초흡수제를 전자빔 조사에 의해 제조하였다. CMC의 조성을 제조에 사용한 증류수의 양을 기준으로 하여 4 wt%, 5 wt%, 6 wt%, 7 wt%로 달리 하여 초흡수제를 제조하였다. 또한, 복합 초흡수제 제조를 위한 첨가물질로 그라파이트 산화물, 환원 그래핀 산화물, 활성탄, 벤토나이트를 사용하였다. CMC의 조성비와 첨가물질의 종류에 따라 제조된 초흡수제의 특성이 어떻게 달라지는지 조사하였다. 제조된 물질에서 기능기를 확인하기 위해 적외선분광분석을 수행하였고, 각 시료의 기계적 강도, 겔분율, 팽윤 속도, 평형 팽윤비 등을 측정하였다. 팽윤 실험은 증류수, 우레아 수용액, 생리 식염수에서 진행하였다. 제조된 초흡수제를 5회에 걸쳐 재사용하면서 겔분율과 팽윤비의 변화를 관찰하였다. 제조된 초흡수제들 중 5 wt%의 CMC를 사용하고 그래핀 물질을 첨가물질로 하여 제조한 복합 초흡수제인 $C_{5%}GO$$C_{5%}rGO$가 가장 우수한 기계적 특성을 나타내었으며, 우레아 수용액과 생리 식염수에서의 팽윤비도 상대적으로 높았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this work, carboxymethylcellulose-based composite superabsorbent hydrogels were prepared by electron beam radiation. The composition of carboxymethylcellulose (CMC) varied from 4 wt%, 5 wt%, and 6 wt% to 7 wt% based on the amount of distilled water in the syntheses of hydrogels. Graphite oxide, r...

주제어

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문제 정의

  • 라만 분광분석, X선 회절분석, 주사전자현미경 등을 사용하여 GO와 rGO가 성공적으로 만들어졌으며, 광학현미경 분석을 통해 이러한 첨가물질이 복합 초흡수제 내에 고르게 분산되었다는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 복합 초흡수제 제조에 사용한 고분자 물질인 CMC의 조성비와 첨가물질 종류의 변화가 복합 초흡수제의 특성에 끼치는 영향에 관하여 조사를 하였다.
  • 그러나, 복합 초흡수제 제조에서 고분자 물질의 조성비도 매우 중요한 영향을 끼치는데 이에 대한 조사는 기존의 연구에서도 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 전자빔을 조사하여 제조한 복합 초흡수제의 물성에 CMC의 조성비가 어떤 영향을 미치는가에 대하여 조사하였다. 이때 첨가물질로는 GO, rGO, 활성탄 등의 탄소화합물과 벤토나이트를 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초흡수제란 무엇인가? 초흡수제는 수팽윤성의 친수성 고분자로서 다량의 수분을 흡수하여 원래 무게의 1,000배까지 팽윤하면서도 화학적 또는 물리적 가교에 의해 3차원 망상 구조를 이루어 수용액에서 녹지 않고 형태를 유지하는 고분자이다[2,3]. 초흡수제가 팽윤하는 것은 고분자 사슬의 -OH, -COOH, -CONH2, -CONH-, -SO3H기능기들과 물 사이에 수화, 삼투압 현상, 모세관 현상 등이 작용하기 때문이다[2].
퇴비화 공정을 가축 분뇨 처리 공정에 사용하기 어려운 이유는? 가축분뇨를 처리하기 위해 과거에는 활성슬러지 공정을 많이 사용하였으나, 벌킹, 거품발생, 슬러지 부상 등 원인 파악조차 힘든 현상들이 많이 발생하여 방류수 수질 기준을 만족할 수 없게 되는 경우가 빈번하였다. 퇴비화 공정도 가축분뇨 처리 공정으로 많이 사용되었으나, 함수율이 높은 가축분뇨를 퇴비화 할 경우에는 수분조절제로 톱밥, 왕겨와 같은 값비싼 부재를 다량 사용해야 해서 비용부담이 크다. 또한, 생산한 퇴비의 판로 개척이 어렵다[1].
용액중합법의 단점을 보완하기 위해 제시된 방법에는 어떠한 것들이 있는가? 초흡수제를 제조하기 위해 일반적으로 용액중합법이 사용되고 있으나 시간이 오래 걸리고 공정이 복잡하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 전자빔[5]과 감마선[6]같은 방사선을 이용한 중합법이 제시되었다. 이 방법에 따르면 속도가 일정하고 균일한 방사선을 고분자 물질에 조사하여 고분자 사슬내에 있는 기능기를 라디칼화하고, 이들의 직접적인 가교에 의해 상온, 상압 조건에서 쉽고 빠르게 초흡수제를 제조할 수 있다.
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참고문헌 (16)

  1. HYPERLINK "http//www.nias.go.kr/envi/DataFileDown.do₩?fileid14004" http://www.nias.go.kr/envi/DataFileDown.do?fileid14004 (accessed Nov. 2016). 

  2. Zohuriaan-Mehr, M. J., and Kabiri, K., "Superabsorbent Polymer Materials: A Review," Iran. Polym. J., 17(6), 451-477 (2008). 

  3. Kabiri, K., Omidian, H., Zohuriaan-Mehr, M. J., and Doroudiani, S., "Superabsorbent Hydrogel Composites and Nanocomposites: A Review," Polym. Composite., 32, 277-289 (2011). 

  4. Po, R., "Water-Absorbent Polymers: A Patent Survey," J. Macromol. Sci. C, 34(4), 607-662 (1994). 

  5. El Salmawi, K. M., and Ibrahim, S. M., "Characterization of Superabsorbent Carboxymethylcellulose/Clay Hydrogel Prepared by Electron Beam Irradiation," Macromol. Res., 19(10), 1029-1034 (2011). 

  6. Raafat, A. I., Eid, M., and El-Arnaouty, M. B., "Radiation Synthesis of Superabsorbent CMC Based Hydrogels for Agriculture Applications," Nucl. Instrum. Meth. B, 283, 71-76 (2012). 

  7. Kim, H., Abdala, A. A., and Macosko, C. W., "Graphene/Polymer Nanocomposites," Macromolecules, 43(16), 6515-6530 (2010). 

  8. Editorial Department, Technology Status and R & D Trend of Next-Generation New Material Graphene, Ha Yeon, Seoul, 19-21 (2011). 

  9. Qiu, J., Xu, L., Peng, J., Zhai, M., Zhao, L., Li, J., and Wei, G., "Effect of Activated Carbon on the Properties of Carboxymethylcellulose/Activated Carbon Hybrid Hydrogels Synthesized by ${\gamma}$ -Radiation Technique," Carbohyd. Polym., 70, 236-242 (2007). 

  10. Huang, Y., Zeng, M., Ren, J., Wang, J., Fan, L., and Xu, Q., "Preparation and Swelling Properties of Graphene Oxide/Poly (acrylic acid-co-acrylamide) Super-absorbent Hydrogel Nanocomposites," Colloids Surf. A, 401, 97-106 (2012). 

  11. Sung, Y., Kim, T.-H., and Lee, B., "Syntheses of Carboxymethylcellulose/Graphene Nanocomposite Superabsorbent Hydrogels with Improved Gel Properties Using Electron Beam Radiation," Macromol. Res., 24(2), 143-151 (2016). 

  12. Marcano, D. C., Kosynkin, D. V., Berlin, J. M., Sinitskii, A., Sun, Z., Slesarev, A., Alemany, L. B., Lu, W., and Tour, J. M., "Improved Synthesis of Graphene Oxide," ACS Nano, 4(8), 4806-4814 (2010). 

  13. Kwon, J., and Lee, B., "Bisphenol A Adsorption Using Reduced Graphene Oxide Prepared by Physical and Chemical Reduction Methods," Chem. Eng. Res. Des., 104, 519-529 (2015). 

  14. Chang, C., Duan, B., Cai, J., and Zhang, L., "Superabsorbent Hydrogels Based on Cellulose for Smart Swelling and Controllable Delivery," Eur. Polym. J., 46, 92-100 (2010). 

  15. Wach, R. A., Mitomo, H., Yoshii, F., and Kume, T., "Hydrogel of Biodegradable Cellulose Derivatives. II. Effect of Some Factors on Radiation-Induced Crosslinking of CMC," J. Appl. Polym. Sci., 81, 3030-3037 (2001). 

  16. Fei, B., Wach, R. A., Mitomo, H., Yoshii, F., and Kume, T., "Hydrogel of Biodegradable Cellulose Derivatives. I. Radiation-Induced Crosslinking of CMC," J. Appl. Polym. Sci., 78, 278-283 (2000). 

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