Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 2, April, 2004, pp. 202-212 초임계유체를이용한다양한형상의고분자미분말제조이정훈 김선욱 울산대학교공과대학생명화학공학부 680-749 울산시남구무거 2 동산 29 (2003 년 10 월 7 일접수, 2004 년 2 월 10 일채택 ) Preparation of Polymeric Fine Particles with Various Morphologies using Supercritical Fluid Jung-Hoon Lee and Sunwook Kim School of Chemical Engineering and Bio Engineering, University of Ulsan, San 29, Muger 2-dong, Nam-gu, Ulsan 680-749, Korea (Received 7 October 2003; accepted 10 February 2004) 요 약 초임계유체를 anti-solvent 로이용하여고분자물질인 PS(polystyrene), PMMA(poly (methyl methacrylate)) 및 PLGA (poly(dl-lactide-co-glycolide)) 의미분말을제조하고입자크기와형상 (morphology) 의변화를알아보고자하였는데온도, 밀도, 농도, 선속도의비등여러가지변수를변화시키면서실험을수행하였다. PS 의경우미분말및다양한형상을갖는물질들을제조하였을뿐만아니라일정부피의 PS 용액에고압의 CO 2 를주입하는방법을사용하여기공크기가 2-10 µm 의분포를가지고있는구형의다공성 PS 미분말을성공적으로제조할수있었다. 다공성 PS 미분말제조실험에서 co-solute 의개념을새롭게시도하였는데이러한방법은앞으로다공성고분자입자의제조에일반적으로사용될수있는가능성이있다. PMMA 의경우도온도, 밀도, 농도, 선속도의비및고분자용액의농도를변화시키면서실험을수행하였다. PMMA 는 flocculation 과 agglomeration 문제가심하기때문에이를해결하기위한한가지방법으로메탄올을 co-antisolvent 로도입함으로써 agglomeration 이크게감소된미분말 PMMA 를얻을수있었다. 생분해성고분자의일종인 PLGA 의미분말을제조하기위하여초임계유체를 anti-solvent 로사용하는 3 가지방법을고찰하였는데다양한실험조건에서도거의동일하게약간 flocculation 이일어난 50-100 nm 의아주작은기공이없는입자를얻었다. 그런데 PLGA 를 acetone/methanol(6:4) 용액에용해시킨 PLGA 용액을사용한결과망상구조의도포된형태를얻을수있었는데망상구조의기공크기는대략 0.5-1.0 µm 의균일한구조를이루고있었다. 이와같은특이한구조를갖는물질들은앞으로지연방출 (controlled release) 이나막분리와같은다양한분야에활용될가능성이아주크다고할수있다. Abstracts To prepare fine particles of PS(polystyrene), PMMA(poly (methyl methacrylate)) and PLGA(poly(DL-lactide-coglycolide)) by utilizing supercritical fluid as an anti-solvent, the experiments have been conducted at various temperatures, densities, concentrations and the ratios of linear velocity. The PS fine particles with various morphologies which include porous spherical fine particles with 2-10 µm pores have been prepared successfully. In the experiments for preparing porous PS particles a new concept of co-solute has been introduced, which might be utilized as an alternative method to produce porous polymer particles. In the case of PMMA the experiments have been performed by changing temperature, density, concentration, the ratio of linear velocity and the concentration of polymer solution. Since the flocculation and agglomeration are severe for PMMA, a new concept called co-antisolvent has been devised. The PMMA fine particles, which reduce flocculation greatly, have been produced by utilizing methanol as a co-antisolvent. In order to prepare fine particles of biodegradable PLGA all of the three injecting methodologies have been investigated. The nonporous particles, which have a little flocculation and sizes in the range of 50-100 nm, have been produced even at different experimental conditions. When the solvent dissolving PLGA has been changed to acetone/methanol(6:4), the coated network structure, which shows regular 0.5-1.0 µm pores, has been obtained. This network structure has a great potential to be utilized in the fields of controlled release and membrane separation technology. Key words: Supercritical Fluid, Anti-Solvent, Fine Particle, Polymer To whom correspondence should be addressed. E-mail: swkim@uou.ulsan.ac.kr 202
1. 서론 초임계유체를이용하여미분말을제조하는응용분야는최근커다란발전을가져왔으며, 공업화를위한여러가지문제점들이점차해결될것으로기대되고있다 [1-3]. 현재의상황을보면단순한미분말은물론이고다공성, 피막화 (encapsulation) 된분말등과같이다양한형상을갖는미세입자들이제조되고있고, 적용물질도고분자, 의약품및생화학제품으로확대되고있는실정이다 [4-9]. 일반적으로초임계유체를이용하여미분말을제조하는방법론은크게두가지로나눌수있다. 첫번째방법은초임계유체에화학물질을용해시킨후에갑자기팽창시켜커다란과포화도를가지게함으로써미세입자를얻는 RESS(rapid expansion of supercritical solution) 공정인데 [2, 11], 좁은입경분포를갖는미분말을용이하게얻을수있고용매로인한오염및폐용매를감소시킬수있는장점을갖고있으나용해도가워낙작기때문에수율에한계가있으며다양한형상의미분말을얻기에는한계가있는방법이라고할수있다. 두번째방법은초임계유체를 anti-solvent로이용하는방법이다. 화학물질이용해되어있는유기용매에초임계유체를용해시키면용해력이현저하게감소함으로써용질이석출되는현상에기초를두고있다. 초임계유체를 anti-solvent로사용하는방법은고체를용해시킬수있는적절한용매를선택하고, 이용매와혼화성을갖는 (miscible) 가스를 anti-solvent로사용하면되기때문에 RESS 공정과달리용해도로인한수율의제한을극복할수있을뿐만아니라초임계유체를도입하는방법에따라다양한형상의미분말을얻을수있는방법이다. 따라서최근의연구내용도 RESS에비해서는초임계유체를 anti-solvent로사용하는방법이다수를이루고있다고할수있다. 초임계유체를 anti-solvent 로사용하는연구는 Gallagher 등 [12] 의 GAS(gas anti-solvent) 공정으로부터시작되었는데, 그이후에현재까지다양한형태의공정이고안되어미분말제조에사용되어왔다. 예를들면 PCA(precipitation with a compressed fluid antisolvent)[5, 16], ASES(aerosol solvent expansion system) [13, 18, 19] 및 SEDS(solution enhanced dispersion by supercritical fluids)[14, 15] 등여러공정들이있는데, 용매와가스를도입하는방법론에따라공정특성이달라지며생성물의형태도차이를보이고있다. Gallagher 등 [12] 에의해제안된 GAS 공정은용액에가스를주입하여용액을팽창시킴으로써용해되어있는화학물질을침전시키는방법으로여러연구자들에의해미분말제조에사용되었으나 [1, 2] 공정의유연성, 다양한물질제조가능성면에서유리한 PCA, ASES, SEDS 공정들에대한연구가더욱활발히진행되고있다고생각된다. PCA나 ASES 공정은화학물질이용해된용액을노즐을통하여 anti-solvent 인고압의 CO 2 가스내로분사하여미분말을얻는방법이다. 이에관련된연구를살펴보면 Dixon과 Johnston[5, 16] 은 polystyrene용액을액체 CO 2 에분사시킴으로써 100 nm의구형입자에서다공성입자등여러가지형태를갖는미분말입자를얻었는데이러한공정을 PCA라고명명하였다. 또한 Yeo 등 [17] 는액상의 protein용액을미세노즐을통하여고압장치내에주입함과동시에과량의 CO 2 를가하여구형분말, 편상, 바늘등다양한형태를갖는미세입자들을얻을수있었다. PCA와 ASES 공정사이에근본적인차이는없으나, ASES를이용한연구들을살펴보면 Bleich 등 [18] PLA(polyl-lactide) 용액을고압의 CO 2 내로분사시켜미분말을제조하였으며, Schmitt 등 [19] 은입경이 5 µm 이하인 methylprednidolone acetate의아주작은미분말을제조할수있었다. 마지막으로 SEDS 공정은용액과초임계유체를 2개의동축노즐 (coaxial nozzle) 을통하여 co-current하게분사함으로써용액과초임계유체의혼합을향상시켜아주미세한분말을얻는공정이다. SEDS에관련된다수의특허가등록되어있으며, 초임계유체와관련된국제회의에서도이와관련된연구결과들이많이발표되고있다 [14, 15]. 또한최근에는 3개의동축노즐을사용하는 SEDS 공정등다양한연구들이활발하게진행되 초임계유체를이용한다양한형상의고분자미분말제조 203 고있는데피복화 (encapsulation) 된미세입자를얻는데활용할수있는좋은방법이라고판단된다. 현재까지발표된초임계유체를 anti-solvent 로사용한수많은연구들은공정특성상 GAS, PCA, ASES, SEDS 의범주에서크게벗어나지않는다고할수있는데, 여러연구자들의실험방법및장치의일관성이부족하여각공정에대한일반적인결론을내리기가어려운실정이라고할수있다. 따라서본연구에서는대상물질로고분자를선택하여미분말뿐만아니라여러가지형상 (morphology) 를갖는분말을제조할뿐만아니라동일한대상물질에대하여 anti-solvent 를가하는방법을다양하게하여미분말을제조함으로써각공정의특성을파악하고실험결과에대한체계적인해석을하고자한다. 2. 실험장치및실험방법 본연구에서는 anti-solvent 로초임계탄산가스를사용하고, 실험대상고분자물질로는 polystyrene (Aldrich, MW:280,000) 과 poly(methyl methacrylate) (Aldrich, MW:350,000, 120,000) 및 PLGA[poly(DLlactide-co-glycolide)(65:35)](Aldrich, MW:40,000-75,000) 을선택하였고용매로는고분자의용해도가크고 CO 2 와혼화성이있는톨루엔과아세톤및메탄올을각각사용하였는데, poly(methyl methacrylate) 의경우에는 co-antisolvent 로메탄올을이용하였다. 2-1. 실험장치실험장치는고압의가스를가하는방법을다양하게할수있고노즐의직경이나길이등을변화시키면서실험이기능하도록제작되어야하는데, 이를위하여본연구에서사용한실험장치가 Fig. 1 과같다. 실험장치는초임계유체를저장하는용매저장조, 결정화부분및유량측정부분으로이루어져있다. 용매저장조 (R1, R2) 는 PID 온도조절기 (RKC Inst. Co., REX P-100) 를이용하여 ±0.1 o C 범위로조절되는 air bath 내에설치되어있으며고압압축기 (Maximator, DLE 15-75-01) 를사용하여가압된다. 용매저장조에들어있는고압의 CO 2 가스는압력조절기 (Tescom model 26-1021-24) 를이용하여원하는압력으로조절되며, 용매저장조에서나오는 CO 2 의온도를결정화조의온도로맞춰주기위하여결정화조로들어가기전에예열기를설치하였다. 결정화조에주입되는액체용액은고압 metering pump(gl Science Co., PUS- 11) 를이용하여원하는양과속도로주입될수있도록하였다. 결정화부분은결정화조와생성물을포집하는필터부분으로되어있는데이부분은가열 tape 를감아서가열하였으며 PID controller(rex P-100) 로 ±0.1 o C 범위에서온도조절하였다. 결정화조의설계에서중요한것이 anti-solvent 인 CO 2 를다양한방법으로주입할수있도록배관을설치하는것과노즐부분이라고할수있다. 결정화조상부에는 anti-solvent 인 CO 2 가스와용액을 co-current 로분사하는실험을수행하기위하여이중관으로되어있는노즐을설치하였다. 이중관노즐과실험장치의자세한내용은이미 Kim 등 [20] 의논문에발표되어있다. 이중관의안쪽 tube( 외경 : 1/16 inch, 내경 : 0.005-0.04 inch) 를통하여고분자용액이주입되며, 바깥 tube 는외경이 1/4 inch 이고내경이 0.083 inch 인데바깥 tube 와안쪽 tube 의 annulus 사이로 anti-solvent 인 CO 2 가스가흐르게된다. Filter 는기공의크기가 0.5 µm 인 metal filter 를사용하였고, 감압된 CO 2 의온도저하로인한 tube 의막힘현상을막기위하여 filter 를포함한 tube 부분을 heating tape 로가열하였는데이부분의온도도 PID 온도조절기 (REX C-900) 를사용하여조절하였다. 감압된유체는 trap 을거치면서용매를제거한후로타미터와 dry gas meter (GILMONT Instrument. GE 606) 를이용하여유량을측정하고외부로방출하였다. 생성된입자의분석에는 SEM(JEOL, JSM-820) 을사용하였다. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 2, April, 2004
204 이정훈 김선욱 Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus (R1, R2: reservoir, S1, S2: saturator, MP: metering pump, V: valve). 2-2. 실험방법본연구에서는 3 가지실험방법을사용하였다. 첫째는일정한부피의용액에초임계유체를가하는방법 (GAS) 이고둘째는초임계유체에용액을분사시키는방법 (PCA, ASES) 이며셋째는용액과초임계유체를 co-current 하게연속적으로분사하는방법 (SEDS) 인데, 각실험방법을살펴보면다음과같다. 일정한부피의용액에초임계유체를가하는방법은고분자가용해된용액을결정화조에주입하기전에결정화조의온도를실험온도로예열하였다. 결정화조의온도가안정되면고압펌프를이용하여고분자용액 5-10 cm 3 를결정화조내에주입하고, 충분히시간이지나온도가정상상태가된이후에상부 line 을통해 anti-solvent (CO 2 ) 를실험압력에도달할때까지일정량주입하였다. 가스를주입하는도중에결정화조의압력이시간에따라직선적으로변화되도록밸브를조절하였으며외부의자석으로결정화조내부의 stirring bar 를회전시켜혼합이이루어지도록하였다. 가스를주입한다음일정시간이지난후에결정화조하부의밸브를열어천천히 vent 시켰는데, 이와동시에상부로부터순수한 CO 2 가스를주입하여 vent 도중에결정화조내부의압력이일정하게유지되도록하였다. 생성된입자들은 filter 에걸러지며, 잔류용매를제거하기위하여순수한 CO 2 가스로충분히세척한다음감압하여시료를채취하고분석을시도하였다. 초임계유체에용액을분사키는방법은원하는내경과길이를갖는노즐로교환하고결정화조와 line 을가열하여결정화조의온도가안정된후에초임계유체로원하는압력까지결정화조를채웠다. 결정화조내의 CO 2 온도가실험온도에도달하도록충분히기다려정상상태가된다음에상부의노즐을통하여고분자용액을일정한유속으로주입하였으며결정화조내부의 stirring bar 로혼합을하였다. 용액을주입하고일정한시간이지난다음에하부의밸브를열어천천히 vent 시키고상부로부터순수한 CO 2 를공급하여저장조내의압력이일정하도록유지하였다. Filter 에걸러진입자들은순수한 CO 2 로충분히세척하고감압한다음채취하였다. 마지막으로용액과초임계유체를 co-current 하게연속적으로분사하는방법은원하는내경과길이의 capillary 노즐을실험장치에부착시킨후결정화조와 line 의온도를일정하게유지하도록가열하였다. System 의온도가안정화되면순수한 CO 2 만을흘려주면서결정화조하부의밸브를 CO 2 의유량이원하는유량이되도록조절하였다. Anti-solvent 화학공학제 42 권제 2 호 2004 년 4 월 인 CO 2 의유량을조절한후결정화조의압력이안정화되면고분자용액을원하는유속으로 2 중노즐의안쪽노즐을통해주입하면서약 30 분정도실험을진행시켰다. 용액의주입을정지하고순수한 CO 2 만계속적으로흘리면서생성된입자들을세척하였으며입자들에잔류용매가없도록충분한시간동안세척한후에감압하여시료를채취하여분석하였다. 3. 결과및고찰 초임계유체를 anti-solvent 로이용하여 PS, PMMA 및 PLGA 의미분말을제조하고입자크기와형상 (morphology) 의변화를알아보고자하였는데온도, 밀도, 농도, 선속도의비등여러가지변수를변화시키면서실험을수행하였다. 또한 PMMA 의경우에가장큰문제점이었던 flocculation 과 agglomeration 을없애기위한방법으로 anti-solvent 인 CO 2 와혼화성을가지며 PMMA 를용해시키지않는메탄올을 co-antisolvent 로사용하였는데그결과들이다음과같다. 3-1. Polystyrene(PS) 3-1-1. PS 와 CO 2 를 co-current 분사한경우 PS 의경우일정한밀도에서온도의변화, 일정온도에서압력의변화, CO 2 와고분자용액의선속도비및고분자용액의농도를변화시키면서실험을수행하였는데 PS 는 toluene 에용해시켜사용하였다. 실험초기에는고분자용액의농도가매우높은것도시도하였으나 capillary 끝에서뭉침현상이많이일어나는이유로실험을계속진행시킬수없었으며, 고분자용액의선속도를너무크게하면 flocculation 이많이일어남을확인할수있었다. 예를들어 co-current 하게분사하는기초실험으로온도가 25 o C 이고결정화조의압력이 1000 psi 일때 1wt% PS 용액을 CO 2 와함께분사하여얻은 SEM 사진이 Fig. 2 에나타나있는데사진과같이 cobweb-like macrostructure 가관찰되었다. 이는 CO 2 에비하여용액의선속도가너무커서 flocculation 이발생한것으로판단된다. Co-current 로분사하는실험에서온도를 25, 30, 40 o C 로변화시키고밀도는 0.778, 0.863 g/cm 3 으로변화시켰으며분사할때선속도비는 1.0 과 2.0 용액의농도는 1wt% 와 3wt% 의 2 가지를가지고실험을수행하였다. 밀도를 0.778 g/cm 3, CO 2 와용액의선속도비를 1:1 로고정시키고온도를변화시키며 1wt% 의 PS 용액을분사시켰을때생성된입자
초임계유체를이용한다양한형상의고분자미분말제조 205 Fig. 2. SEM images of PS particles produced at 25 o C and 1,000 psi (1 wt% PS solution, a: x1,000, b:x10,000). 의 SEM 사진을 Fig. 3 에나타내었다. 온도가증가함에따라입자의크기가다소증가함을알수있는데, 온도가증가함에따라 PS 의용해도가증가하여과포화되는속도가감소하기때문인것으로판단된다. 밀도의영향을살펴보기위하여온도를 30 o C, CO 2 와용액의선속도비를 1:1 로고정시키고밀도는 0.778 과 0.863 g/cm 3 로변화시키면서 1wt% 용액을분사시켜생성된입자가 Fig. 4 에나타나있는데실험조건내에서밀도가증가함에따라입자크기가감소함을알수있다. 이것은 CO 2 의밀도가커질수록과포화되는속도가증가하여입자의크기가감소하는것으로생각된다. CO 2 와고분자용액의선속도비가증가함에따라입자의크기는감소하였는데밀도의영향과마찬가지로 CO 2 의선속도가상대적으로커질수록과포화되는속도가증가하여입자의크기가감소한다고설명할수있다. 앞의실험에서는주입되는 PS 용액의농도를 1wt% 로고정하였으나고분자용액의농도를 3wt% 로증가시킨경우에는입자의크기가증가되나 flocculation 이나타났으며 fiber 들도발견할수있었다. 이상의실험에서사용된실험조건과실험결과들이 Table 1 에정리되어있다. Anti-solvent 인 CO 2 와 PS 용액을 co-current 로분사하는실험에서온도, 밀도, 선속도의비, 용액의농도등을달리하면서실험을수행하고생성된입자의특성을살펴보았는데 PS 의미분말제조는가능하였으나 Fig. 3. SEM images of PS particles produced at different temperatures. (a) T=25 o C, ρ=0.778 g/cm 3, CO 2 /solution=1.0, P=1,164 psi), (b) T=30 o C, ρ=0.778 g/cm 3, CO 2 /solution=1.0, P=1,489 psi), (c) T=40 o C, ρ=0.778 g/cm 3, CO 2 /solution=1.0, P=2,150 psi). Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 2, April, 2004
206 이정훈 김선욱 Fig. 4. SEM images of PS particles produced at different densities. (a) ρ=0.778 g/cm 3, T=30 o C, CO 2 /solution=1.0, P=1,489 psi), (b) ρ=0.863 g/cm 3, T=30 o C, CO 2 /solution=1.0, P=2,380 psi). 다양한형상을갖는물질의제조에는한계가있는것으로판단된다. 따라서일정부피의용액에 anti-solvent 를주입하는방법을 PS 의미분말제조에적용하여다양한형태의미분말제조가능성을검토하였다. 3-1-2. PS 용액에 CO 2 를주입하는경우본연구의목적중하나가다양한형상을갖는고분자분말을제조하는것이기때문에이실험에서는다공성 PS 미분말제조에주안점을두 화학공학제 42 권제 2 호 2004 년 4 월 었다. 다공성입자가쉽게만들어지지않기때문에 2 가지방법을사용하였는데, 처음에사용한방법론은 PS 용액에 co-solute 인 benzoic acid 를같은무게비로용해시킨 toluene 용액 (5, 10cm 3 ) 을결정화조에넣고여기에 CO 2 를주입하는것이었다. PS 는용해시키지않고 benzoic acid 만을용해시키는제 2 의용매를선택하여생성된입자와접촉시키면잔류 co-solute 인 benzoic acid 는용해되어다공성입자가생성될것이라는생각이다. 이실험에서온도, 압력, CO 2 주입시간, CO 2 vent 속도등을고정시키고결정화조에미리투입된용액의양을달리하면서 (5, 10 cm 3 ) 실험을수행하였는데생성된입자의 SEM 사진이 Fig. 5 와같다. 그림에서보다시피 CO 2 와용액을 co-current 로분사할때얻을수없었던다공성 PS 입자들을얻을수있었으며생성된입자의크기는대략 100 µm 정도이고기공크기는 2~10 µm 의분포를가지고있음을알수있다. 본연구에서는다공성 PS 입자내부에 benzoic acid 가존재하는지확인하지못하였으나, 여기서형성된다공성입자는제 2 의용매로 co-solute 를용해시키지않고도생성된것이기때문에 co-solute 의첨가가다공성입자를만드는데어떤역할을했는지불분명하다. 단지다음실험에나와있듯이 co-solute 를사용하지않은경우와입자의크기, 기공의크기면에서커다란차이를보이고있는데, 고분자이외에다른물질이용해되어있을때생성된입자에어떤영향을미치는지체계적인연구가필요하다고생각된다. 결정화조내에투입된용액의양을 10cm 3 으로변화시키면생성된 particle 의크기가감소되었으며기공크기도 1~3 µm 정도로감소하였다. 현재투입된용액의양에따라입자크기및기공크기가변화되는원인은확실치않으며 co-solute 의존재에대한영향과더불어앞으로좀더연구가진행되어야할것으로사료된다. 두번째방법은 co-solute 를도입하지않고순수한 PS 용액에 antisolvent 인 CO 2 를주입하는것이다. 본연구에서는 toluene 에용해된 PS 용액 (1 wt%) 10 cm 3 를미리결정화조에넣고시작하는데초기에결정화조내부의 CO 2 압력은대기압을유지하였다. PS 용액을결정화조에넣은후에 CO 2 를주입하기시작하는데, 압력이 1,580 psi 가될때까지 CO 2 를주입하였다. 일정한압력인 1,580 psi 에도달하는시간 (CO 2 주입시간 ) 이달라짐에따라생성된입자가어떻게변화되는지실험하였는데, 주입시간을 10 min 과 1min 으로변화시킨경우에생성된 PS 입자의 SEM 사진이 Fig. 6 에나타나있다. 그림에서보는바와같이이실험조건에서는 co-solute 의도입없이다공성입자가제조되었으며 co-solute 를사용한 Fig. 5 와사용하지않은 Fig. 6 을비교하여보면 co-solute 를사용하지않은경우에입자의크기가크게증가하였고, 기공크기도크고좀더넓은분포를가지고있음을알수있다. Fig. 6(b) 는 CO 2 의주입시간을극단적으로짧게한것인데 (1 min) Fig. 6(a) 에비하여입자크기가아주작은값을보이며기공크기도크게감소하였음을발견할수있다. 이것은 anti-solvent 인 CO 2 를주입하는시간을짧게하면과포화되는속도가급격히증가하여입자크기가감소하는것으로설명할수있으나기공크기가감소하는것에대해서는지금의연구결과로는어떤결론을내리기가어렵다고할수있다. Table 1. Experimental conditions and characteristics of PS particles produced by co-current injection of anti-solvent and polymer solution Crystallizer Temp.( o C) Crystallizer Press.(psi) Conc.(wt%) Density(g/cm 3 ) Linear velocity ratio(co 2 :solution) Morphology 25 1,000 1 Cobweb-like 25 1,164 0.778 1:1 Fine particle(<0.5 µm) 30 1,489 0.778 1:1 Fine particle(<0.5 µm) 30 1,489 0.778 2:1 Fine particle(<1 µm) 30 2,380 0.863 1:1 Fine particle(0.5 µm) 40 2,150 0.778 1:1 Fine particle 25 1,489 3 1:1 Flocc., Fiber 25 1,800 1:1 Flocc., Fiber
초임계유체를이용한다양한형상의고분자미분말제조 207 Fig. 5. SEM images of porous PS particles produced by injecting CO 2 into constant volume of PS+benzoic acid solution. 1.0 wt.% PS in toluene + Benzoic acid (PS:BA=1:1 w/w) T ( o C) 32 CO 2 vent rate 15 l/min P (psi) 1580 CO 2 vent time 25 min. Solution volume 5 ml Depressurizing 30 min. CO 2 injection time 10 min. Fig. 6. SEM images of porous PS particles produced by injecting CO 2 into constant volume of PS solution. (a) CO 2 injection time : 10 min. (b) CO 2 injection time : 1 min. 1wt.% PS in toluene T ( o C) 32 CO 2 vent rate 15 l/min P (psi) 1580 CO 2 vent time 25 min. Solution volume 10 ml Depressurizing 40 min. 이상과같이 PS 의경우일정한부피의용액에 anti-solvent 인 CO 2 를주입함으로써다공성인 PS 미분말을성공적으로제조할수있었다. 앞으로본연구에서시도한 co-solute 의영향및과포화되는속도에따른기공크기에대한연구가좀더수행된다면다공성고분자미분말제조공정의이해에커다란도움이될것으로사료된다. 3-2. Poly(methyl methacrylate) (PMMA) PMMA 의경우도 PS 와같이일정한밀도에서온도를변화시키고, 일정온도에서압력을변화시켰으며, CO 2 와고분자용액의선속도의비, 고분자용액의농도를변화시키면서실험을수행하였다. 특히 PMMA 의경우에는 flocculation 과 agglomeration 문제가심하기때문에이를해결하기위한한가지방법으로 co-antisolvent 란개념을새롭게도입하였으며본연구에서는 co-antisolvent 로메탄올을사용하였다. Coantisolvent 인메탄올을 CO 2 와같이주입하게되면입자가생겼을때입자주위에는 solvent 인아세톤과더불어 anti-solvent 인메탄올도같이존재하게되어생성된입자의 agglomeration 을크게줄일수있을것이라는생각에서도입한것이다. PMMA 의경우에도 co-current 로분사하는실험에서온도를 25, 30, 40 o C 로변화시키고밀도는 0.778, 0.863 g/cm 3 로변화시켰으며분사할때선속도비는 1.0 과 2.0, 용액의농도는 0.5, 2, 3 wt% 의 3 가지를가지고실험을수행하였다. 본실험에앞서예비실험으로 co-antisolvent 인메탄올을사용하지않은 PMMA/acetone 용액과 CO 2 를 co-current 로분사하는실험을수행하였는데다양한실험조건하에서거의모든경우에 flocculation 이아주심하게나타나서 Fig. 2 와유사한 cobweb-like 구조를나타내었다. 따라서메탄올을 co-antisolvent 로도입하여실험을시작하였는데밀도를 0.778 g/cm 3, CO 2 와용액의선속도비를 1:1 로고정시키고실험을수행하였다. 온도를 25-40 o C, 압력을 1,160~2,150 psi 로변화시켜결정화조내유체의밀도가 0.778 g/cm 3 이되도록유지하면서 CO 2 와 co-antisolvent 및 0.5 wt% 의 PMMA 용액을분사시켰을때생성된입자의 SEM 사진을 Fig. 7 에나타내었다. Fig. 7 에서보면메탄올을 co-antisolvent 로도입함으로써생성된입자의 agglomeration 을크게줄일수있었던반면에 PS 와는달리온도가증가함에따라입자크기에대한어떤경향을발견할수없었다. 밀도의영향을살펴보기위하여온도를 40 o C, CO 2 와용액의선속도비를 1:1 로고정시키고밀도는 0.778 과 0.863 g/cm 3 로의 2 가지경우에 0.5 wt% 용액을분사시켜생성된입자가 Fig. 8 에보여주고있는데 2 가지조건에대해 1µm 내외의입자가생성되었으며실험조건내에서밀도에따라커다란차이가없는것으로보인다. PMMA 의경우에온도의영향과마찬가지로경향성을보이지않고있는데이것은본연구에서사용된 co-antisolvent 의영향으로생각되나이를밝히기위해서는좀더많은연구가이루어져야할것으로믿어진다. 앞의실험에서는주입되는 PMMA 용액의농도를 0.5 wt% 로고정하였으나고분자용액의농도를달리하면서실험하였는데, 용액의농도를증가시키면생성된입자의크기가증가하였다. 또한용액의농도를 3wt% 로하였을경우에는 flocculation 이나타났으며 PMMA fiber 들을얻을수있었다. 이상의실험에서사용된실험조건과실험결과들이 Table 2 에정리되어있다. 3-3. Poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) 본연구에서대상물질의하나로사용한 PLGA 는생분해성고분자의 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 2, April, 2004
208 이정훈 김선욱 Fig. 8. SEM images of PMMA particles produced at different densities by injecting 0.5 wt% PMMA/acetone solution. (a) ρ=0.778 g/cm 3, T=40 o C, CO 2 /solution=1.0, P=2,150 psi, metha nol 5.175 ml/min) (b) ρ=0.863 g/cm 3, T=40 o C, CO 2 /solution=1.0, P=3,259 psi, metha nol 5.175 ml/min) Fig. 7. SEM images of PMMA particles produced at different temperatures by injecting 0.5 wt% PMMA/acetone solution. (a) T=25 o C, ρ=0.778 g/cm 3, CO 2 /solution=1.0, P=1,160 psi, metha nol 5.175 ml/min) (b) T=30 o C, ρ=0.778 g/cm 3, CO 2 /solution=1.0, P=1,489 psi, metha nol 5.175 ml/min) (c) T=40 o C, ρ=0.778 g/cm 3, CO 2 /solution=1.0, P=2,150 psi, metha nol 5.175 ml/min) 일종으로이고분자의입자들은 protein, peptide 등과같은의약품의지연방출에활용할수있다. 초임계유체를 anti-solvent 로사용하여미분 화학공학제 42 권제 2 호 2004 년 4 월 말을제조하는 3 가지방법을모두사용하여미분말을제조하였으며각방법을사용하였을때얻은결과들이다음과같다. 3-3-1. 초임계 CO 2 에 PLGA 고분자용액을분사하는방법과 co-current 분사방법시료인 PLGA 를 acetone 에용해시켜 1wt% 용액을만들고대기온도 (17, 15 o C) 상태로유지되고있는결정화조내에 1.8 ml/min 의속도로분사하였는데주입시간을 1min 과 15 sec 로달리하면서실험을수행하였다. 실험온도를대기온도로낮게잡은것은예비실험결과높은온도에서입자가잘생성되지않고 film 형태를보였을뿐만아니라같은압력에서온도를낮춰밀도를높이게되면 anti-solvent 의영향이커질것으로기대했기때문이다. Fig. 9(a) 에 1wt% PLGA 용액을 1.8 ml/min 의속도로 1 분간주입하였을때생성된미분말의 SEM 사진이나타나있는데 50-100 nm 의아주작은입자가약간 flocculation 이일어난상태로고르게분포하고있음을알수있으며생성된입자에기공이존재하지않는것으로판단된다. 앞의실험에서생성된입자의크기가너무작기때문에좀더큰입자를제조하기위하여용액의속도를 1.8 ml/min
초임계유체를이용한다양한형상의고분자미분말제조 209 Table 2. Experimental conditions and characteristics of PMMA particles produced by co-current injection of anti-solvent and polymer solution Temp.( o C) Press.(psi) Solution conc.(methanol wt%) Density(g/cm 3 ) Linear velocity ratio(co 2 :solution) Particle size 25 1,160 0.5 0.778 1:1 (<1 µm) 25 1,930 0.5 0.863 1:1 (<1 µm) 25 1,930 0.5 0.863 2:1 (<3 µm) 30 1,489 0.5 0.778 1:1 (<1 µm) 40 2,150 2 0.778 1:1 (<2 µm) 40 2,150 0.5 0.778 1:1 (<1 µm) 40 3,259 0.5 0.863 1:1 (<1 µm) 40 1,469 3 1:1 Flocc, Fiber 으로유지하고 15 초간분사하는실험을하였는데 Fig. 9(b) 에서보는바와같이 Fig. 9(a) 와마찬가지로 50-100 nm 의입자가고르게분포되어있음을발견할수있다. 본래는용액의주입시간을감소시키면과포화되는속도가감소하여커다란입자가생성될것으로기대하였으나본연구의실험조건내에서는이러한차이를보이지않고거의유사한크기의입자가얻어졌다. PLGA 용액과고압 CO 2 를 co-current 로분사하는실험도수행하였는데 CO 2 의 vent 속도를 15 liter/min 으로일정하게유지하고용액의주입속도를 0.35 ml/min 과 1.8 ml/min 으로달리하여 CO 2 에대한용액주입의선속도비를달리하면서생성된입자의형태를관찰하였다. Fig. 10(a) 에 1wt% PLGA 용액을 0.35 ml/min 의속도로 1,580 psi 에서 CO 2 와 co-current 하게분사하였을때생성된미분말의 SEM 사진이나타나있는데 50-100 nm 의작은입자가고르게분포하고있음을알수있다. CO 2 의분사속도는동일하게유지하고용액의주입속도를 1.8 ml/ min 로증가시켜 co-current 로분사한결과가 Fig. 10(b) 에나타나있는데앞의실험과유사하게 50-100 nm 의입자가다소 flocculate 되어있음을알수있다. 3-3-2. 일정부피의 PLGA 용액에 compressed CO 2 를분사하는방법고압의 CO 2 에 PLGA 고분자용액을주입하는방법과 CO 2 와용액을 co-current 로분사하는방법을사용하여 50-100 nm 의아주작은미분말을제조할수있었으나그이외의다른형상을갖는입자들특히다공성입자들은생성되지않은것으로판단되어제 3 의방법인일정부피의 PLGA 용액에고압의 CO 2 를분사하는방법을시도하였다. 첫번째로 acetone 에용해되어있는 1wt% PLGA 용액 10 ml 를결정화조에넣고온도를 32, 16 o C 를변화시키면서실험을수행하였는데 32 o C 의실험결과가 Fig. 11 에도시되어있다. Fig. 11 에보다시피이와같은실험에서는미분말은거의보이지않고주로고분자 film 의형태를보였는데전체적으로 0.1-1 µm 의입자들이 PLGA film 위에붙어있는상황이라고할수있다. 온도를 16 o C 로낮춰동일한시험을수행하였는데 Fig. 11 보다좀더고분자가용해된형태의 film 상에 0.1-1 µm 크기의입자들이보여앞의결과와거의유사한결과를나타내고있다. 따라서이와같은방법으로는 PLGA 의미분말을구하기가상당히곤란할것으로보여 PLGA 를용해시키는용매 (acetone) 를변화시키는방향으로다음실험을진행시켰다. 이러한시도를하게된원인은용매로사용된 acetone 이 PLGA 의용해도가너무높아서 CO 2 가분사되어초기에미분말이생성되더라도잔류 acetone 에의해쉽게용해된다고판단되기때문이다. 따라서 Ghaderi 등 [21] 이시도한것과같이 PLGA 를 acetone/methanol (6:4) 용액에용해시킨 2wt% PLGA 용액 5ml 를 flat 한용기내에넣고이것을결정화조에투입한후고압의 CO 2 를주입하였는데실험결과가 Fig. 12 와같다. Fig. 12 에서보는바와같이이제까지나타나지않았던망상구조의 coating 된구조를얻을수있었는데망상구조의기공크기는대략 0.5-1.0 µm 의균일한구조를이루고있다. 이와같은구조는과거의다른연구자에의해서도발견되지않은특이한구조이며앞으로 Fig. 9. SEM images of PLGA particles produced by injecting polymer solution into compressed CO 2. (a) Temp.: 17 o C, Solution injection time : 1 min. (b) Temp.: 15 o C, Solution injection time : 15 sec 1 wt.% PLGA in acetone P (psi) 1580 CO 2 vent rate 15 l/min Solution inj. rate 1.8 ml/min CO 2 vent time 25 min. Depressurizing 30 min Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 2, April, 2004
210 이정훈 김선욱 Fig. 11. SEM images of PLGA particles produced by injection of compressed CO 2 into polymer solution. 1wt.% PLGA in acetone T ( o C) 32 CO 2 vent rate 15 l/min P (psi) 1580 CO 2 vent time 25 min. Solution volume 10 ml Depressurizing 30 min. CO 2 inj. time 2.5 min Fig. 10. SEM images of PLGA particles produced by co-current injection of polymer solution and compressed CO 2. (a) Temp.: 18.5 o C, Solution injection : 0.35 ml/min for 1.5 min. (b) Temp.: 16 o C, Solution injection : 1.8 ml/min. for 1 min. 1wt.% PLGA in acetone P (psi) 1580 CO 2 vent rate 15 l/min Depressurizing 30 min. CO 2 vent time 25 min. 지연방출이나막분리와같은다양한분야에활용될가능성이아주크다고할수있다. 4. 결론 본연구에서는초임계유체를 anti-solvent 로사용하는결정화공정에서초임계유체와용액을주입하는방법론을 3 가지로다양화하고여러가지실험변수에대한실험을수행하였는데, 대상물질로 PS, PMMA 및 PLGA 를사용하였으며이로부터얻은결론들을정리하면다음과같다. PS 의경우일정한밀도에서온도의변화, 일정온도에서압력의변화, 화학공학제 42 권제 2 호 2004 년 4 월 Fig. 12. SEM images of porous PLGA network produced by injection of compressed CO 2 into polymer solution. 2wt.% PLGA in acetone/meoh(6:4) T ( o C) 13.5 CO 2 vent rate 15 l/min P (psi) 1580 CO 2 vent time 25 min. Solution volume 5 ml Depressurizing 30 min. CO 2 inj. time 1 min
CO 2 와고분자용액의선속도비및고분자용액의농도를변화시키면서실험을수행하였는데온도가증가함에따라 particle 의크기가다소증가하였으며밀도가증가함에따라입자의크기가감소하였다. CO 2 의선속도가상대적으로커질수록입자의크기가감소하였는데이것은 CO 2 의속도가커질수록과포화되는속도가증가하기때문이라고생각된다. 용액의농도를 3wt% 의고농도로사용한경우에는입자의크기가증가되나 flocculation 이나타났으며 fiber 들을얻을수있었다. 다양한형상을갖는고분자분말, 특히다공성 PS 입자를제조하기위하여일정부피의 PS 용액에고압의 CO 2 를주입하는방법을시도하였다. 처음에사용한방법론은 PS 용액에 co-solute 인 benzoic acid 를같은무게비로용해시킨 toluene 용액을결정화조에넣고여기에 CO 2 를주입하는것인데입자의크기는대략 100 µm 정도이며기공크기는 2-10 µm 의분포를가지고있는구형의다공성 PS 입자를얻을수있었다. 두번째방법은 co-solute 를도입하지않고순수한 PS 용액에 anti-solvent 인 CO 2 를주입하는것인데본연구에서는용액의양은 10 cm 3 으로일정하게하고 CO 2 의주입속도를달리하면서 PS 입자를제조하였다. 이실험조건에서도 co-solute 의도입없이다공성입자가제조되었으며 co-solute 를사용하지않은경우에입자의크기가크게증가하였고기공크기가커지며좀더넓은분포를가지고있음을알수있었다. PMMA 의경우도 PS 와같이일정한밀도에서온도를변화시키고, 일정온도에서압력을변화시켰으며, CO 2 와고분자용액의선속도의비, 고분자용액의농도를변화시키면서실험을수행하였다. 특히 PMMA 의경우에는 flocculation 과 agglomeration 문제가심하기때문에이를해결하기위한한가지방법으로 co-antisolvent 란개념을새롭게도입하였다. 본실험에앞서예비실험으로 co-antisolvent 인 methanol 을사용하지않은 PMMA/ acetone 용액과 CO 2 를 co-current 로분사하는실험을수행하였는데다양한실험조건하에서거의모든경우에 flocculation 이아주심하게나타나서 cobweb-like' 구조를나타내었다. 메탄올을 co-antisolvent 로도입함으로써생성된입자의 agglomeration 을크게줄일수있었던반면에 PS 와는달리온도와밀도가변함에따라입자크기에대한어떤경향을발견할수없었다. 용액의농도를증가시키면생성된입자의크기가증가하였으며용액의농도를 3wt% 로하였을경우에는 flocculation 이나타났으며 PMMA fiber 들을얻을수있었다. 생분해성고분자의일종인 PLGA 의미분말을제조하기위하여초임계유체를 anti-solvent 로사용하는 3 가지방법을고찰하였다. 고압의 CO 2 에용액을주입하는방법과 CO 2 와용액을 co-current 로분사하는실험에서는다양한실험조건에서도거의동일하게 50-100 nm 의아주작은입자가약간 flocculation 이일어난상태로고르게분포되어있었으며생성된입자에기공이존재하지않는것으로판단되었다. 제 3 의방법인일정부피의 PLGA 용액에고압의 CO 2 를분사하는방법을시도하였는데, acetone 에용해되어있는 PLGA 용액을결정화조에넣고온도를변화시키면서실험을수행한결과미분말은거의보이지않고주로고분자 film 의형태를보였는데전체적으로 0.1-1 µm 의입자들이 PLGA film 위에붙어있는형태를보였다. 따라서 PLGA 를용해시키는용매 (acetone) 를변화시키는방향으로다음실험을진행시켰는데 PLGA 를 acetone/methanol(6:4) 용액에용해시킨 PLGA 용액을사용한결과망상구조의도포된구조를얻을수있었는데망상구조의기공크기는대략 0.5-1.0 µm 의균일한구조를이루고있었다. 이와같은구조는앞으로지연방출이나막분리와같은다양한분야에활용될가능성이아주크다고할수있다. 감 본연구는 2002 학년도울산대학교학술연구비에의해수행되었습니다. 사 초임계유체를이용한다양한형상의고분자미분말제조 211 참고문헌 1. 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