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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13815(2023) 이 기사 인용

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초흡수성 하이드로겔은 독특한 수분 흡수 성능으로 인해 다양한 분야에서 폭넓게 응용되고 있습니다. 초흡수성 하이드로겔에 대한 수십 년간의 연구에도 불구하고 압력 하에서 높은 수분 흡수성과 빠른 팽창은 여전히 ​​어려운 문제이며 위생 제품 및 기타 응용 분야에 매우 바람직합니다. 여기에서는 발포 및 표면 가교 후 압력 하에서 높은 식염수 흡수성을 갖는 빠르게 팽창하는 다공성 전분-g-폴리(아크릴산)/폴리(비닐 알코올) 초흡수성 하이드로겔의 제조를 보고합니다. 2,2'-아조비스(2-아미디노프로판) 이염산염(AIBA)은 NaHCO3와 같은 기존 포로겐 대신 새로운 포로겐으로 사용되었습니다. 하이드로겔의 표면 가교 후는 에스테르화 반응을 통해 글리세롤을 사용하여 달성되었습니다. AIBA는 하이드로겔의 다공성 및 팽윤 성능에 있어서 NaHCO3보다 우수한 포로겐이며, 그 함량은 수분 흡수성 및 팽윤 속도를 포함하여 하이드로겔의 구조 및 팽윤 성능에 큰 영향을 미칩니다. 또한 글리세롤을 사용한 표면 가교는 압력(2kPa) 하에서 식염수 흡수성을 크게 향상시킬 수 있지만 팽윤 속도는 희생됩니다. 결과적으로 하이드로겔은 탈이온수(560g/g), 0.9wt% NaCl 용액(58g/g), 2kPa 압력 하에서 0.9wt% NaCl 용액(28g/g)에 대해 높은 흡수성을 나타내며 빠른 팽윤을 나타냅니다( 높은 팽윤 상태를 달성하는 데 31초 소요).

Wichterle과 Lim1이 보고한 하이드로겔에 관한 첫 번째 논문 이후 하이드로겔은 화학공학2,3,4, 농업5,6,7, 제약8,9, 건축10,11, 위생 응용 분야12,13 등에서 널리 사용되었습니다. 위생 제품에서 매우 중요한 특성 중 하나는 수용액에서 건조 하이드로겔이 빠르게 팽창한다는 것입니다. 일반적으로 물 분자가 고분자 네트워크에 침투하는 속도와 작용기의 친수성은 하이드로겔의 팽윤 속도를 결정하는 두 가지 주요 요소입니다. 따라서 하이드로겔의 다공성이 높을수록 고분자 네트워크와 외부 수용액 사이의 접촉 면적이 증가하여 팽창 속도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.

지금까지 다공성 하이드로겔을 제조하기 위해 상분리 기술17, 동결건조 및 수화 기술18, 포로시겐 기술19, 발포 기술20,21을 비롯한 다양한 기공 형성 방법이 사용되어 왔습니다. 이들 방법 중 발포 기술은 하이드로겔에 다공성 구조를 생성하는 간단하고 효과적인 방법입니다. NaHCO322와 같은 탄산염 화합물과 메탄올, 아세톤과 같은 유기 용매는 가장 자주 사용되는 발포 시약입니다23,24. 또한, 중합 과정에서 발포 및 합성된 하이드로겔의 비용매 탈수를 통해 얻은 다공성 하이드로겔도 보고되었다. 탄산염 화합물을 포로겐으로 사용하면 하이드로겔의 다공성과 팽윤율을 향상시킬 수 있지만, 산에 의한 분해가 일어나기 때문에 포로젠을 첨가하는 시간과 순서, 중합 공정의 겔화 시간 등을 세심하게 조절해야 한다. 반응 혼합물에 탄산염 화합물을 첨가할 때 탄산염 화합물이 집중적으로 발생했습니다. 또한, 반응 혼합물 내 탄산염 입자의 불균일한 분산으로 인해 균질한 다공성 구조를 갖는 하이드로겔을 얻는 것이 어렵다. 따라서, 안정적인 발포 공정을 얻고 우수한 다공성 구조를 갖기 위해서는 반응 혼합물에 잘 분산되지만 중합 전에 분해되지 않는 포로겐을 찾는 것이 필요합니다.

반면, 위생 제품에 적용하려면 압력 하에서 하이드로겔의 수분 흡수성이 중요합니다. 일부 기존 하이드로겔의 경우, 식염수 수용액에서 팽윤되는 동안 하이드로겔의 과립 크기는 압력에 따라 감소될 수 있습니다. 이는 체액과 같은 수성 액체가 하이드로겔 입자를 통과하는 투과성을 크게 방해하므로 하이드로겔의 수분 흡수성이 크게 감소합니다. 위생 분야에 적용하기 위한 요구 사항을 충족하려면 압력 하에서 높은 흡수성을 갖는 것이 매우 바람직합니다. 하이드로겔 제조 후 표면 가교는 수분 흡수성을 너무 많이 훼손하지 않고 문제를 해결하기 위한 그럴듯한 접근 방식입니다.