<사진. 물에 의해 팽윤되고 소금물에 용해되는 이미다졸 기반의 양쪽성 이온성 고분자 - 가역적 UCST(upper critical solution temperature) 거동과 졸-겔 전이에 대한 연구와 합성
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

오염방지 코팅 및 오일 회수에 활용될 열 반응성 고분자

단량체(monomer)에서 양전하 및 음전하로 하전된 단위가 존재하기 때문에, 양쪽성 이온성 고분자(zwitterionic polymer)는 물에 대한 친수성(hydrophilicity)이 좋다. 이 성질은 오염물질이 축적되는 현상(fouling)을 방지하는데 도움이 된다. 현재의 양쪽성 이온성 고분자는 물 속에서 그리 효과적이지 않은데, 그 까닭은 젖으면 분해되고 정전기적 특성을 상실하는 아크릴아미드(acrylamide) 및 메타크릴레이트(methacrylate)와 같은 단량체를 사용하고 있기 때문이다.

이 문제를 해결하기 위해, 싱가포르에 위치한 A*STAR 화학공학연구소(A*STAR`s Institute of Chemical and Engineering Sciences)의 Vivek Vasantha가 이끄는 연구팀은 이미다졸(imidazoles)이라고 알려진 질소를 포함하는 유도체와 결합시킨 물 속에서 안정적인 단량체를 기반으로 하는 양쪽성 이온성 고분자를 개발하는데 성공하였다. 이 양쪽성 이온은 즉시 활용 가능하며, 소수성 폴리스티렌(hydrophobic polystyrene)은 정전기적 인력과 수소결합(hydrogen bonding)을 통해 수화층(hydration layer)을 형성함으로써 물 속에서의 친수성을 향상시킨다.

단량체를 합성하기 위해, 연구팀은 음이온으로 하전된 설포네이트(sulfonate) 기능그룹을 부착하기 전에 스티렌 전구체를 양이온으로 하전된 이미다졸과 반응시켰다. 단량체는 온전한 양쪽성 이온성 성질을 갖는 고분자로 탄생되는데, 음이온과 양이온을 모두 한 분자 내에 유지하고 있음을 의미한다.

이 새로운 이미다졸 기반의 고분자는 몇 가지 독특한 용해성 특징을 가진다.: 기존의 수용성 물질과는 달리 물 속에서는 팽윤(swell)되고 고농도의 소금물에서만 용해된다. 이런 차이는 쌍극자-쌍극자 상호작용과 아크릴아미드 및 메타크릴레이트와 비교해 볼 때 새로운 고분자가 갖는 더 강한 소수성 특성에 기인한다.

높은 염도, pH 및 온도에 대한 내구성이 있어서, 이 고분자는 소금물 속에서 더 높은 전단력(shear force)이 가해지면 점도가 증가한다. 실리퍼티(silly putty)와 유사한 이런 특성은 오일 회수 능력의 개선 및 해양 오염방지 코팅을 위한 고분자 개발에 활용될 가능성을 높여주고 있다.

이 새로운 고분자의 또 다른 이점은 가역적인 상 변화(phase change)에 있다. 5 °C ~ 95 °C 구간에서, 고분자는 겔(gel)을 형성하는데 소금물에서 임계온도 이상으로 가열되면 투명한 유체가 되며 냉각되면 다시 안정적인 불투명한 상태로 돌아간다.

이런 상 전이(phase transition)은 소금, 물 및 양쪽성 이온 물질 간의 평형이 붕괴됨으로써 발생된다. 고분자 체인은 가열에 의해 팽창하고 임계온도 이하에서는 붕괴된다. 연구팀은 염도나 고분자 농도를 단순히 변화시킴으로써 임계온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 낮은 고분자 농도에서는 전이가 20°C에서 발생하지만, 높은 고분자 농도에서는 40 °C에서 발생한다.

연구팀은 현재 오일 회수 능력의 향상, 저온 단백질 분리 및 오염방지와 같은 다양한 분야를 위한 염도 및 열 반응성 거동을 갖는 새로운 양쪽성 이온성 고분자 및 공중합체를 설계하고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr