<313020C0DABCBA20C6FAB8AEBDBAC6BCB7BB2DC6FAB8AEC0CCB9CCB5E52E687770>

Elastomers and Composites Vol. 47, No. 2, pp. 168~173 (June 2012) doi: http://dx.doi.org/10.7473/ec.2012.47.2.168 자성폴리스티렌 - 폴리이미드 Core-Shell 마이크로스피어의합성 안병현 부경대학교재료공학과접수일 (2012 년 4 월 12 일 ), 수정일 (2012 년 4 월 16 일 ), 게재확정일 (2012 년 4 월 19 일 ) Synthesis of Magnetic Polystyrene-Polyimide Core-Shell Microsphere Byung Hyun Ahn Department of Material Engineering, Pukyong National University, Pusan, 608-739, Korea (Received April 12, 2012, Revised April 16, 2012, Accepted April 19, 2012) 요약 : 폴리아미드산을안정제로사용한스티렌의분산중합에의해 core-shell 구조를갖는폴리스티렌 - 폴리이미드 core-shell 마이크로스피어를얻었다. Iron pentacarbonyl 을마이크로스피어에함침시킨후열분해하여산화철나노입자를갖는자성폴리스티렌 - 폴리이미드마이크로스피어를제조하였다. 자성폴리스티렌 - 폴리이미드마이크로스피어의크기와구조, 열적특성및자성특성을조사하였는데, 자성폴리스티렌 - 폴리이미드마이크로스피어는크기가약 500 nm 정도로균일하였으며 40% 의산화철나노입자를가졌다. 산화철은 X 선회절시험에의해 Fe 3O 4 임이확인되었다. ABSTRACT:Polystyrene-polyimide core-shell microsphere was prepared by dispersion polymerization using poly(amic acid) as the stabilizer. Iron oxide was formed at the microsphere by thermal decomposition of iron pentacarbonyl impregnated in the microsphere. The magnetic polystyrene-polyimide microsphere was monodisperse and the size was about 500 nm. The magnetic polystyrene-polyimide microsphere had 40% of iron oxide, which was identified as Fe 3O 4 by X-ray diffraction. Keywords:polystyrene-polyimide core-shell, dispersion polymerization, iron pentacarbonyl, iron nano particle, superparamagnetism Ⅰ. 서론자성고분자마이크로스피어는산화철나노입자를함유하고있기때문에초상자성 (superparamagnetism) 을갖는다. 초상자성재료는강자성재료에비해낮은잔류자화와보자력값을갖기때문에인가된자장에민감하게반응하여 cell separation, 1,2 cell labeling, 3-5 enzyme immunoassays, 6 nucleic acids concentration, 7 drug delivery processes, 8 바이오센서등에폭넓게사용될수있다. 특히자력을이용한자기분리 (magnetic separation) 기술은고체입자를포함한여러가지생물물질들이섞인현탁액내에서온화한조건으로목적물질을분리해낼수있다는장점을가지고있다. 이외에도스케일업이가능하고, 효율성, 단순성, 자동화의용이성, 비용의저렴함등으로연구가증가하고있다. 자성고분자마이크로스피어는다양한방법으로제조될수있다. 단량체를 ferrofluid와같은안정화된철나노입자와혼합한후중합하면자성고분자마이크로스피어를얻을수있 Corresponding Author. E-mail: bhahn@pknu.ac.kr 다. 그러나이경우에는마이크로스피어의크기분포가넓은단점이있다. 9 무유화제유화중합또는분산중합에의해단분산고분자마이크로스피어를합성한후고분자마이크로스피어내부에산화철나노입자를형성시키는방법을사용하면크기가일정한자성고분자마이크로스피어가얻어진다. Uglestad 10 가개발하여현재 Dynabeads라는상품명으로판매되고있는단분산자성폴리스티렌마이크로스피어도이와같은방법으로제조된다. Dynabeads는크기가일정한다공성의폴리스티렌마이크로스피어를합성한후기공에산화철나노입자를침전시키고나서, 산화철을보호하고기공을차단하기위해마이크로스피어의표면을고분자로코팅하는복잡한방법에의해제조된다. Dynabeads는 1~30 μm 정도의크기로서약 30% 정도의철을함유하고있으며표면에 antibody를결합시킬수도있다. 고분자마이크로스피어에산화철나노입자를형성시킬때주로사용하는방법중하나는수용성 Fe 2 및 Fe 3 염에염기를첨가하여공침전시키는것이다. 이때생성된산화철나노입자의크기, 모양및조성등은 Fe 2 /Fe 3 의비, 반응온도, ph 및용매의종류등에의해결정된다. 그런데산화철나노입자의크기가균일하지않으면 blocking 온도범위가넓어져

Synthesis of Magnetic Polystyrene-Polyimide Core-Shell Microsphere 169 자성특성이나빠질수도있으므로산화철나노입자의크기를균일하게하는것이매우중요하다. 자성고분자의산화철함유량을증가시키기위해서는고분자입자내부에균일하게산화철나노입자가형성되게해야한다. 이를위해 amine 과같은 anchor를고분자주사슬에도입시키는방법이사용되었다. Liu 등은 glycidyl methacrylate를중합시킨후 glycidyl 기를 ethyleneamine 과반응시켜아민기를갖는 polyglycidyl methacrylate 입자를합성하였다. 그리고이입자의내부에 FeCl 2 와 FeCl 3 를공침전시켜자성고분자입자를제조하였다. 11 균일한크기의산화철나노입자는 iron pentacarbonyl의열분해에의해합성될수있다. Iron pentacarbonyl을열분해시킬때는일반적으로산화철나노입자의침전을방지하고안정성을증가시키기위해 oleic acid나비닐고분자를첨가한다. 이와같은유기또는고분자안정제는 iron pentacarbonyl의열분해에의해형성된산화철입자의조성과형태에영향을미친다. Stöver 등은 polystyrene-tetraethylenepentamine dispersant 등의고분자를안정제로사용하면서 iron pentacarbonyl을열분해시켜 polystyrene 등의고분자가코팅된산화철나노입자를제조하였다. 12 Butter 등은 polyisobutene의존재하에 decaline 용매속에서 iron pentacarbonyl을 180 로가열하여크기가 2 10 nm 이고크기분포가 10% 미만인산화철나노입자를얻었다. 13 Okubo 등은 hollow polystyrene 입자의내부표면에서 iron pentacarbonyl을열분해하여산화철나노입자를형성시켰다. 이때산화철나노입자의함유율은 49% 까지증가하였다. 14 이방법은산화철나노입자의함유량이높고고분자입자의크기와형태가일정하다는장점이있으나합성중에초상자성의산화철나노입자들이강자성체로변할수도있다. 단분산고분자마이크로스피어는여러가지방법으로합성이가능한데, 0.5 10 μm 크기의단분산고분자마이크로스피어는주로분산중합에의해중합된다. 분산중합에서는입자를안정하게분산시키기위해보통안정제를첨가한다. 주로많이사용되는안정제로는 polyethylene oxide, poly(vinylpyrrolidone), poly(2-ethyl-2-oxazoline), polyacrylic acid 등이있는데, 최근에는 poly(amic acid) 를안정제로사용한스티렌의분산중합도보고되었다. 이연구에서는안정제로사용된 poly(amic acid) 를이미드화하여폴리스티렌-폴리이미드 core-shell 마이크로스피어를합성하였다. 15 본연구에서는수백 nm의일정한크기를갖는폴리스티렌- 폴리이미드 (PS-PI) core-shell 마이크로스피어를합성하고이마이크로스피어에 iron pentacarbonyl을함침시킨후열분해하여산화철나노입자를갖는자성 PS-PI 마이크로스피어를합성하였다. 그리고얻어진자성 PS-PI 마이크로스피어의크기및분포, 열적특성및자성특성에대해서조사하였다. 폴리이미드는내열성, 내화학성및기계적강도가우수하므로바이오분야뿐만아니라광전자재료등그응용분야가더욱 확대될것으로예상되며특히촉매의담지체로사용될경우고온에서도사용이가능하여촉매의효율이증가될수있을것으로기대된다. Ⅱ. 실험 1. 시약스티렌 (Aldrich) 은 inhibitor 제거칼럼을통과시킨후사용하였고, 4,4'-oxydianiline (ODA) 과 4,4'-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride (6FDA) 는 Aldrich 에서구입한후승화시켜사용하였다. 4-Chloromethylstyrene, trimethylamine, dimethylacetamide (DMAC), iron pentacarbonyl, hydroquinone, 에탄올, 메탄올, 및아세토니트릴은 Aldrich 에서구입한후그대로사용하였다. 2,2'-Azobisisobutyronitrile (AIBN) 은 Junsei에서구입하여사용하였다. 2. 4-Vinylbenzyltrimethylammonium chloride (VBA) 의합성 Trimethylamine의메탄올용액 (25%, 16.52 g) 에 4-chloromethylstyrene (9.12 g) 및 hydroquinone (0.10 g) 을첨가하고 0 에서 6시간, 상온에서 24시간동안교반하였다. 반응용액에서메탄올을제거한후아세톤을첨가하여 VBA 침전을얻었다. 얻어진 VBA는아세토니트릴- 아세톤용액에서재결정시켰다. 3. 6FDA-ODA 폴리아미드산의합성교반기와질소유입구가장치된 100 ml 3구플라스크에서 ODA (1.0613 g) 을 DMAc (20 ml) 에용해시킨후 6FDA (2.3533 g) 을첨가하였다. 반응용액을상온에서 24 시간교반한후증류수에침전시켜 6FDA-ODA 폴리아미드산을얻었다. 4. 폴리스티렌-폴리아미드산 (PS-PAA) core-shell 마이크로스피어합성교반기와질소유입구가장치된 250 ml 3구플라스크에서 6FDA-ODA 폴리아미드산 (0.168 g) 과 potassium carbonate (0.052 g) 을 100 ml의에탄올-증류수혼합액 (7/3=v/v) 에용해시켰다. 이반응용액에 VBA (0.052 g) 과스티렌 (4.0 g) 및 AIBN (0.08 g) 을첨가한후 70 에서 24시간교반하여 PS- PAA core-shell 마이크로스피어를얻었다. 얻어진마이크로스피어는에탄올수용액으로 3회세척한후동결건조시켰다. 5. PS-PAA core-shell 마이크로스피어의이미드화 PS-PAA core-shell 마이크로스피어 (1.0 g) 을 15 ml의 acetic

170 Byung Hyun Ahn. / Elastomers and Composites Vol. 47, No. 2, pp. 168~173 (June 2012) anhydride에분산시킨후 4-(dimethylamino)pyridine (2.0 g) 을첨가하고상온에서 24 시간교반하였다. 반응혼합물을 50 ml 의증류수에침전시켜폴리스티렌-폴리이미드 (PS-PI) coreshell 마이크로스피어를얻었다. 얻어진 PS-PI core-shell 마이크로스피어는감압하에건조시켰다. 6. 산화철나노입자의형성교반기와아르곤가스유입구가장치된 100 ml 3구플라스크에 PS-PI 마이크로스피어 (0.5 g) 과 iron pentacrbonyl (1 ml) 를넣고상온에서아르곤분위기하에 24 시간교반한후 octyl ether (5 ml) 를주입하고 4 시간동안환류시켜산화철나노입자를갖는폴리이미드마이크로스피어를얻었다. 얻어진자성 PS-PI 마이크로스피어는 1 N HCl 수용액으로세척한후에탄올로 3회세척하고상온에서건조시켰다. 7. 기기및분석합성된 VBA의구조는 FT-NMR 을사용하여확인하였다. 마이크로스피어의적외선분광분석 (FT-IR) 은 Brucker IFS88을사용하여측정하였다. 마이크로스피어의열중량분석 (TGA) 은 Perkin Elmer TGA-2 를이용하여승온속도 10 /min으로질소분위기에서측정하였다. 마이크로스피어의형태는 Tescan의 VEGA Ⅱ LSU 주사전자현미경 (SEM) 과 JEOL의 JSM-6700F 투과주사현미경 (TEM) 을사용하여관찰하였다. 자성마이크로스피어에존재하는산화철나노입자는 Rigaku 의 D/MAX 2500 X선회절장치 (XRD) 를사용하여분석하였다. Ⅲ. 결과및고찰자성 PS-PI core-shell 마이크로스피어의제조는 Scheme 1과 같이 PS-PAA core-shell 마이크로스피어의제조, 폴리아미드산 shell의이미드화, 그리고 PS-PI 마이크로스피어에산화철나노입자형성의순서로수행되었다. 먼저 6FDA-ODA 폴리아미드산을안정제로사용하면서스티렌과 VBA를분산중합하여 PS-PAA core-shell 마이크로스피어를얻었다. 6FDA- ODA 폴리아미드산은 ODA와 6FDA를 DMAc에서축합중합시켜얻었다. Hexafluoroisopropylidene 연결기와에테르연결기는유연하여 6FDA-ODA 폴리아미드산의안정제로서의작용및폴리이미드 shell 형성에유리할것으로예상되었다. 일반적인분산중합에서는안정제가입자표면에결합되지않지만, 안정제가 core-shell 구조의 shell을형성하기위해서는안정제가성장하는입자의표면에효과적으로결합이되어야한다. 이를위해 macromonomer를공단량체겸안정제로사용하거나 16 thiol 말단기를갖는 polyehtylene oxide를사슬이동제겸안정제로사용하여 17 입자에안정제를화학적으로결합시키는방법이사용되었다. 양이온성 VBA를공단량체로사용하면음이온성인폴리아미드산안정제가정전기적인력에의해효과적으로결합될수있는데 15 본연구에서도이와같이 VBA를공단량체로사용하였다. VBA는 4-chloromethylstyrene 와 trimethylamine의반응에의해합성하였다. Figure 1은 VBA 의 1 H-NMR 스펙트럼인데 7.3 7.7 ppm에서벤젠고리의수소, 5.3 6.7 ppm에서비닐기의수소, 5.0 ppm 부근에서메틸렌기의수소, 그리고 3.4 ppm 부근에서메틸기의수소에해당되는피크들이관찰되었다. 분산중합시스티렌, VBA 및폴리아미드산의비율이얻어진마이크로스피어의안정성이영향을미쳤다. VBA를사용하지않은경우에는마이크로스피어의응집이발생하여폴리아미드산이안정제로작용하지않음을알수있었다. 반응용매는에탄올-물혼합액이사용되었다. 에탄올과물의비율을변화시키면서분산중합을실시한결과에탄올과물의비율이 7:3 (V/V) 인경우에마이크로스피어가가장잘합성되었다. 그외의에탄올-물의비율에서는대부분마이 Polyimide poly(amic acid) AIBN PS AC 2 O 3 PVBA DMAP PS PVBA H 3 C CH 2 N CH 3 CH 3 Cl Fe(CO) 5 Δ PS PVBA Polyimide Scheme 1

Synthesis of Magnetic Polystyrene-Polyimide Core-Shell Microsphere 171 Figure 2. Scanning electron micrograph of polystyrene-poly(amic acid) core-shell microsphere. Figure 1. 1H-NMR spectrum of VBA. Table 1. Recipe for the Preparation of Polystyrene-Poly(amic acid) Core-Shell Microsphere by Dispersion Polymerization Ingredient Styrene VBA AIBN 6FDA-ODA poly(amic acid) Potassium carbonate Ethanol H2O Figure 3. Scanning electron micrograph of polystyrene-polyimide core-shell microsphere. Amount, g 4.0 0.052 0.08 0.168 0.052 55 30 크로스피어의 응집이 발생하였다. Table 1은 분산중합의 최적 조성이다. Figure 2는 합성된 PS-PAA 마이크로스피어의 SEM 사진으로서 지름이 약 500 nm인 일정한 마이크로스피어가 합성되었음을 확인할 수 있었다. PS-PAA 마이크로스피어를 동결 건조시킨 후 폴리아미드산 shell을 이미드화 하였다. 폴리아미드산은 열 또는 화학적 반 응에 의해 폴리이미드로 전환될 수 있다. 열에 의한 이미드화 의 경우에는 250 이상 가열해야 하므로 유리전이온도 (Tg) 가 100 인 폴리스티렌 코어가 변형 될 수 있어서, 폴리아미 드산 shell을 4-(dimethylamino)pyridine과 acetic anhydride를 사 용하여 화학적으로 이미드화 시켰다. Figure 3은 이미드화에 의해 얻어진 PS-PI 마이크로스피어의 SEM 사진인데 PS-PAA 마이크로스피어에 비해 크기가 약간 감소하고 표면이 거칠어 졌지만 형태는 그대로 유지되었다. 톨루엔을 사용하여 PS-PI 마이크로스피어의 core를 제거하면 hollow 폴리이미드 마이크 로스피어가 얻어질 수 있는데 이를 위해 PS-PI 마이크로스피 어를 톨루엔에 4시간 동안 분산시켰다. 그러나 SEM으로 관찰 한 결과 톨루엔으로 처리된 PS-PI 마이크로스피어는 폴리스 티렌 core가 제거된 후 그 형태를 유지하지 못하고 불규칙하게 붕괴되었다.(Figure 4) 이는 폴리이미드 shell이 두께가 얇거나 폴리이미드 사슬의 길이가 짧아서 형태를 유지할 만큼의 강도 를 가지지 못하였기 때문으로 판단된다. Figure 5는 폴리이미 드 shell의 FT-IR 스펙트럼인데 1787 cm-1 (asym. C=O stretch-

172 Byung Hyun Ahn. / Elastomers and Composites Vol. 47, No. 2, pp. 168~173 (June 2012) Figure 4. Scanning electron micrograph of polyimide shell after treated with toluene. Figure 5. FT-IR spectrum of polyimide shell. 해시켰다. PS-PI 마이크로스피어를 iron pentacarbonyl에 24 시 간 동안 분산시켜 코어내부로 iron pentacarbonyl이 잘 확산되 도록 하였다. 그리고 octyl ether를 첨가한 후 200 에서 4 시간 동안 가열하였다. Iron pentacarbonyl이 분해되어 산화철 나노 입자가 형성됨에 따라 반응 혼합물은 짙은 갈색으로 변하였으 며, 장시간 고온으로 가열되었음에도 불구하고 얻어진 자성 마이크로스피어는 에탄올에 잘 분산되었다. Figure 6는 자성 마이크로스피어의 SEM 사진인데 마이크로스피어의 표면에 형성된 산화철 나노 입자들을 관찰할 수 있었다. 자성 마이크 로스피어의 내부에도 산화철 나노 입자들이 형성되었는지 확 인하기위해 자성 마이크로스피어를 1 N HCl 수용액으로 처리 한 후 TEM으로 관찰하였다. 그런데 마이크로스피어의 표면 에는 약 10 nm 크기인 산화철 나노 입자들이 어느 정도 응집이 되어 불균일하게 형성되어있는 반면 내부에서는 산화철 나노 입자들의 확인이 어려웠다.(Figure 7) 산화철 나노 입자를 스티 렌 core에 형성시키는 것이 본 연구의 목적 중 하나였으나 대 부분의 산화철 나노입자는 마이크로스피어 표면에 형성되었 다. 이는 iron pentacarbonyl이 core로 확산되는 것을 폴리이미 드 shell이 차단하거나 또는 폴리스티렌 core와 iron pentacarbonyl의 친화성이 낮아 iron pentacarbonyl이 core로 함침되 지 못한 때문으로 판단된다. 산으로 처리된 후에도 마이크로 스피어 표면에 산화철 나노 입자가 남아있는 것으로 보아 산 화철 나노 입자가 폴리이미드 shell에 강하게 흡착되었음을 알 수 있었다. Figure 8은 PS-PI 마이크로스피어와 자성 PS-PI 마이크로스피어의 TGA thermogram이다. PS-PI 마이크로스피 어는 약 450 에서 95% 이상 중량이 감소된 반면 자성 마이크 로스피어는 약 700 부근에서도 60% 중량 감소만 관찰되어 약 40% 정도의 산화철 나노 입자가 형성되었음을 알 수 있었 다. Figure 9은 XRD 실험 결과로서 2θ가 10 60 범위인 회절 peak들로 부터 산화철 나노 입자는 대부분 Fe3O4로 확인 되었다. Figure 6. Scanning electron micrograph of magnetic polystyrenepolyimide core-shell microsphere. -1-1 ing), 1734 cm (sym. C=O stretching), 1380 cm (C-N stretching) 및 722 cm-1 (imide ring deformation)에서 폴리이미드의 특성 흡수 밴드들이 관찰되었다. PS-PI 마이크로스피어에 산화철 나노 입자를 형성시키기 위해 iron pentacarbonyl을 마이크로스피어에 함침시킨 후 열분 Figure 7. Transmission electron micrograph of magnetic polystyrene-polyimide core-shell microsphere.

Synthesis of Magnetic Polystyrene-Polyimide Core-Shell Microsphere 173 2) 자성 PS-PI 마이크로스피어는크기가약 500 nm 정도로일정하였으며 40% 정도의산화철나노입자를가졌다. 산화철나노입자는조성이 Fe 3O 4 이었다. 감사의글 이논문은 2009학년도부경대학교의지원을받아수행된연구임 (CD-2009-0381) 참고문헌 Figure 8. TGA thermograms of (A) polystyrene-polyimide coreshell microsphere and (B) magnetic polystyrene-polyimide coreshell microsphere. Figure 9. An X-ray diffraction pattern of magnetic polystyrenepolyimide core-shell microsphere. Ⅳ. 결론 본연구를수행한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 일정한크기를갖는 PS-PI core-shell 마이크로스피어를분산중합에의해합성하고이마이크로스피어에 iron pentacraboyl을함침시킨후열분해하여산화철나노입자를갖는자성 PS-PI 마이크로스피어를얻었다. 1. K. Sugibayashi, Y. Morimoto, T. Nadai, and Y. Kato, Chem. Pharm. Bull., 25, 3433 (1997). 2. Y. Haik, V. Pai, and C. J. Chen, J. Magn. Magn. Mater., 194, 254 (1999). 3. C. H. Setchell, J. Chem. Technol. Biotechnol. B, 35, 175 (1985). 4. M. Shinkai, H. Honda, and T. Kobayashi, Biocatalysis, 5, 61 (1991). 5. A. Kondo, H. Kamura, and K. Higashitani, Appl. Microbiol. 41, 99 (1994). 6. M. Meza, U. Hafeli, W. Schutt, and M. Zborowski (Eds.), Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, Plenum, New York, 1997, p. 303. 7. A. Elaissari, M. Rodrigue, F. Meunier, and C. Herve, J. Magn. Magn. Mater., 225, 127 (2001). 8. P. K. Gupta and C. T. Hung, Life Sci., 44, 175 (1989). 9. N. Yanase, H. Noguchi, H. Asakura, and T. Suzuta, J. Appl. Polym. Sci., 50, 765 (1993). 10. J. Ugelstad, A. Berge, T. Ellingsen, R. Schmid, T. N. Nilsen, P. C. Mork, P. Stenstad, E. Hornes, and O. Olsvik, Prog. Polym. Sci., 17, 87 (1992). 11. Z. Ma, Y. Guan, and H. Liu, J. Polym. Sci. Part A, 43, 3433 (2005). 12. N. A. D. Burke, H. D. H. Stöver, and F. P. Dawson, Chem. Mater., 14, 4752 (2002). 13. K. Butter, A. P. Philips, and G. J. Vroege, J. Magn. Magn. Mater., 252, 1 (2002). 14. M. Okubo, H. Minami, and T. Komura, J. Appl. Polym. Sci., 88, 428 (2003). 15. S. Watanabe, K. Ueno, K. Kudoh, M. Murata, and Y. Masuda, Macromol. Rapid Commun., 21, 1323 (2000). 16. S. Kobayahsi, H, Uyama, S. W. Lee, and Y. Matsumoto, J. Polym. Sci. Part A, 31, 3133 (1993). 17. E. Bourgeat-Lami and A. Guyot, Polym. Bull., 35, 691 (1995).