The synthesis of polymer particles encapsulating other materials is a very attractive research field because of its broad applications. Various industries, including agriculture, drug, environment, food, cosmetics are showing increased interests in these hybrid particle systems, because of their potential in the controlled release of chemical substances initially entrapped in the internal networks.
Several synthesis methods to make polymer particles by heterogeneous polymerization such as emulsion, dispersion and suspension method are available that employ either oil-in-water or water-in-oil systems. Among these methods, suspension polymerization is particularly suited to the production of micron-sized polymer beads containing pigments, drugs and other materials because of its simplicity.
Here, one of the most important and complicated factors in suspension polymerization is stability of dispersed system which is characterized by a constant behavior during the process and the uniform distribution of the dispersed phase in the continuous phase. It needs very high speed of agitation to reduce the emulsion drop size to the micron scale. Still it is difficult to get fine particles with desired surface morphology. Thus, size distribution and morphology are important issues in the preparation of polymer particles encapsulating foreign material. One way to generate droplets of uniform size and shape is to use a microfluidic device.
In this study, suspension polymerization was performed to prepare micron-sized copolymer beads. Co-flowing microfluidic device was introduced to overcome limitations of conventional method to produce micron-sized monomer droplet with narrow size distribution. Stable emulsion solution was prepared using a microfluidic device and emulsion droplet diameter could be controlled by changing flow rate of continuous phase. Styrene-butyl acrylate copolymer particles encapsulating carbon black could be polymerized.
The emulsion droplet diameter was controlled in the range of 20 ~ 90 $\mum$ by changing the flow conditions in a microfluidic device. The resulting products were polymerized in the continuous polyethylene tube in just 20 min. Copolymer particles had fine surface morphology and very narrow size distribution
특정 물질을 함유하는 고분자 입자의 제조는, 이러한 입자가 응용될 수 있는 다양한 분야에서 활발히 연구되어 왔다. 특히 고분자 입자 내부에 함유된 화학물질이 시간의 경과에 따라 혹은 특정 환경에서 입자 밖으로 방출될 수 있는 특성을 지니고 있기 때문에 농업, 환경, 음식 그리고 화장품 등 다양한 산업에서 이러한 입자가 개발되고 있다.
이러한 입자를 제조하기 위해서 불균일 중합에 속하는 유화중합, 분산중합 그리고 현탁중합 등의 방법이 이용되어 왔으며, 그 중에서도 특히 현탁중합은 중합된 입자 안에 색소나 약물 그리고 여러 가지 물질을 손쉽게 함유시키기에 매우 적합한 제조 방법으로 알려져 있다. 그러나 현탁중합에 의한 고분자의 제조방법은 특성상 몇 가지 개선되어야 할 점이 있다. 첫 번째로, 현탁중합에서는 섞이지 않는 두 액체를 섞기 위해 교반기를 사용하는데, 이때 가해지는 에너지가 매우 많다는 것이다. 두 번째로, 중합된 고분자 입자의 크기가 일정하지 않고 서로 다른 크기를 보인다는 것이다. 서로 다른 크기를 갖는다는 것은, 같은 크기의 입자를 선별하기 위해 추가적인 과정을 필요로 하게 된다는 것을 의미하므로 실험 비용의 증가와 효율성의 감소를 야기한다.
격렬한 교반의 대안이 될 수 있는 방법은 미세유체장치를 이용하여 입자를 제조하는 것이다. 미세유체시스템은 1mm보다 작은 마이크로 스케일에서 유체의 현상을 연구 혹은 그 현상을 활용하는 기술을 말한다. 미세유체장치를 이용하면 기존의 공정을 최소화 하고 생산물의 균일도를 높일 수 있는 장점이 있는데, 최근 몇 년간 이러한 미세유체장치를 이용하여 입자를 제조하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 현탁중합 실험을 통해 스티렌/부틸아크릴레이트 고분자 입자를 중합하는데 필요한 조건을 설정하고, 현탁중합의 문제점들을 고찰해 보았다. 나아가 이러한 현상을 해결하기 위해 미세유체장치를 디자인하여 제작하고, 이를 사용하여 마이크로 채널 내에서 에멀젼 입자를 제조하는 실험을 수행하였다. 제조된 각각의 입자는 균일한 크기를 가지고 있었으며, 제조된 입자들은 열에 의해 성공적으로 중합됨을 보였다.
