KR102025864B1 - Hydrogel actuator haning acrylic acid and method for fabricating hydrogel actuator - Google Patents

Hydrogel actuator haning acrylic acid and method for fabricating hydrogel actuator Download PDF

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KR102025864B1 KR1020180033345A KR20180033345A KR102025864B1 KR 102025864 B1 KR102025864 B1 KR 102025864B1 KR 1020180033345 A KR1020180033345 A KR 1020180033345A KR 20180033345 A KR20180033345 A KR 20180033345A KR 102025864 B1 KR102025864 B1 KR 102025864B1
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Abstract

A hydrogel actuator according to an embodiment of the present invention forms a three-dimensional network structure as an acrylic monomer is polymerized, comprises a double layer hydrogel capable of adjusting a linking density, wherein the acrylic monomer contains an acrylic acid and a hydrogel is patterned.

Description

아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법{HYDROGEL ACTUATOR HANING ACRYLIC ACID AND METHOD FOR FABRICATING HYDROGEL ACTUATOR}HYDROGEL ACTUATOR HANING ACRYLIC ACID AND METHOD FOR FABRICATING HYDROGEL ACTUATOR}

아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법을 제공한다.Provided are a hydrogel actuator including acrylic acid and a method of manufacturing the same.

고흡수성 고분자(SAP, superabsorbent polymer)란 수용액에 노출될 경우 무게나 부피비의 10~1000 배 이상의 물을 흡수하며 95%이상의 흡수력을 보이는 하이드로젤을 말한다. 기존에 일회용 기저귀나 생리대에 사용되는 주요 고흡수성 고분자는 가성소다에 의해서 부분적으로 중화시킨 폴리아크릴산 원료의 고흡수성 수지이다. 새로운 응용에 따라, 중화제나 표면처리 방법을 통해 물성을 개선해 나가고 있는 추세이나, 고흡수성 고분자는 단량체의 심각한 독성으로 인해 착용자의 피부에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다.Superabsorbent polymer (SAP) is a hydrogel that absorbs more than 10 ~ 1000 times water or volume ratio when exposed to aqueous solution and shows 95% or more absorbency. The main super absorbent polymer used in disposable diapers or sanitary napkins is a super absorbent polymer made of polyacrylic acid, which is partially neutralized by caustic soda. According to new applications, the physical properties are being improved through neutralizing agents or surface treatment methods, but the superabsorbent polymer may adversely affect the wearer's skin due to the severe toxicity of the monomer.

또한, 폴리아크릴산을 사용한 일회용 기저귀는 사용 후 처리 시에 잠재적인 환경공해를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 미국의 약 20개 주에서는 일회용 기저귀를 땅에 묻는 것을 금지시키거나 부가세 제도를 실시하고 있다.In addition, disposable diapers with polyacrylic acid can cause potential environmental pollution during post-treatment. For example, about 20 states in the United States prohibit the use of disposable diapers on the ground or have a VAT.

한편, 폴리아크릴산에 전분을 그라프트(graft) 중합시킨 폴리아크릴산-전분 그라프트 고분자 또는 천연고분자와 합성고분자를 혼합한 형태의 생분해성 고분자에 대한 연구가 진행되고 있으나, 환경을 오염시키고 안정성이 보장되지 않을 수 있다. 따라서, 합성고분자를 사용하지 않는 위생적이고 안전한 친환경적 흡수제의 개발이 필요한 실정이다.On the other hand, studies on polyacrylic acid-starch graft polymers in which starch is grafted to polyacrylic acid or biodegradable polymers in which natural polymers and synthetic polymers are mixed, but pollute the environment and guarantee stability It may not be. Therefore, it is necessary to develop a hygienic and safe eco-friendly absorbent that does not use synthetic polymers.

또한, 종래 하이드로젤은 고분자 사슬을 통한 용매의 확산에 의해 팽윤이 진행되기 때문에 팽윤 속도가 매우 느리다. 건조된 상태에서 완전한 팽윤 상태에 도달하기 위해서는 수 시간에서 수일에 이르기까지 긴 시간이 필요하다. 이러한 느린 팽윤 거동을 지닌 하이드로젤은 조절된 약물 방출을 위해서 유용하게 쓰이기도 하지만, 수 분 내에 완전한 팽윤을 요구하는 많은 응용분야에서는 사용율이 낮을 수 있다.In addition, the swelling rate is very slow because the conventional hydrogel swelling by the diffusion of the solvent through the polymer chain. It takes a long time from several hours to several days to reach complete swelling in the dried state. While hydrogels with this slow swelling behavior are useful for controlled drug release, their utilization may be low in many applications requiring complete swelling in minutes.

본 발명의 한 실시예에 따른 아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법은 팽창 속도를 향상시키기 위한 것이다.Hydrogel actuator comprising acrylic acid according to an embodiment of the present invention and its manufacturing method is to improve the expansion rate.

본 발명의 한 실시예에 따른 아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법은 흡수성을 향상시키기 위한 것이다.Hydrogel actuator including acrylic acid according to an embodiment of the present invention and its manufacturing method is to improve the absorbency.

본 발명의 한 실시예에 따른 아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법은 가교 밀도를 조절하기 위한 것이다.Hydrogel actuator comprising acrylic acid according to an embodiment of the present invention and a method for producing the same is to control the crosslinking density.

본 발명의 한 실시예에 따른 아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법은 하이드로젤 액추에이터의 이용률을 증대시키기 위한 것이다.Hydrogel actuator comprising acrylic acid according to an embodiment of the present invention and its manufacturing method is to increase the utilization of the hydrogel actuator.

본 발명의 한 실시예에 따른 아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법은 친환경적인 수지를 제조하기 위한 것이다.Hydrogel actuator including acrylic acid according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same is for producing an environmentally friendly resin.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다. In addition to the above object, embodiments according to the present invention can be used to achieve other objects not specifically mentioned.

본 발명의 한 실시예에 따른 하이드로젤 액추에이터(hydrogel actuator)는, 아크릴 단량체가 중합되어 3차원 망상 구조를 형성하고 있고, 가교 밀도가 조절되는 이중층의 하이드로젤(hydrogel)을 포함하고, 아크릴 단량체는, 아크릴산(acrylic acid)을 포함하고, 하이드로젤은 패턴화되어 있다.Hydrogel actuator (hydrogel actuator) according to an embodiment of the present invention, the acrylic monomer is polymerized to form a three-dimensional network structure, the cross-linking density is adjusted to include a double layer hydrogel (hydrogel), the acrylic monomer Acrylic acid, and the hydrogel is patterned.

여기서, 하이드로젤은 라디칼 중합(radical polymerization)을 통해 가교 결합되어 있을 수 있다.Here, the hydrogel may be crosslinked through radical polymerization.

하이드로젤은 하기 구조식 1로 표시되며, 아크릴산의 카르복실기(COO-)에 나트륨(Na+) 이온이 결합되어 있을 수 있다.The hydrogel is represented by the following Structural Formula 1, and sodium (Na +) ions may be bonded to the carboxyl group (COO−) of acrylic acid.

[구조식 1] [Formula 1]

Figure 112018028862098-pat00001
Figure 112018028862098-pat00001

가교 밀도는 가교제(cross-linker)인 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Di(ethylene glycol) diacrylate)가 0.2wt% 내지 0.80wt%로 포함할 수 있다.The crosslinking density may include 0.2 wt% to 0.80wt% of diethylene glycol diacrylate (Di (ethylene glycol) diacrylate) which is a cross-linker.

중합은 개시제(initiator)인 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate, KPS)으로 인해 개시 반응이 진행될 수 있다.The polymerization may proceed with the initiation reaction due to potassium persulfate (KPS) as an initiator.

하이드로젤은 가교 밀도가 다른 이중층을 포함하며, pH에 따라 곡률이 조절될 수 있다.The hydrogel includes bilayers having different crosslinking densities, and the curvature may be adjusted according to pH.

본 발명의 한 실시예에 따른 하이드로젤 액추에이터의 제조방법은, 아크릴산 단량체 용액을 제조하는 단계, 단량체 용액에 수산화나트륨 용액을 첨가하는 단계, 단량체 용액에 가교제 및 개시제를 첨가하여 중합 용액을 제조하는 단계, 템플릿에서 중합 용액을 가열하여 하이드로젤을 형성시키는 단계, 하이드로젤 상에 중합 용액을 패턴화된 몰드에 주입하고 이중층의 하이드로젤을 형성시키는 단계, 그리고 이중층의 하이드로젤을 가열하여 중합시키는 단계를 포함한다.Method for producing a hydrogel actuator according to an embodiment of the present invention, the step of preparing an acrylic acid monomer solution, adding a sodium hydroxide solution to the monomer solution, adding a crosslinking agent and an initiator to the monomer solution to prepare a polymerization solution Heating the polymerization solution in the template to form a hydrogel, injecting the polymerization solution onto the hydrogel into a patterned mold and forming a double layer hydrogel, and heating the double layer hydrogel to polymerize. Include.

중합 용액을 제조하는 단계에서, 가교제는 0.2wt% 내지 0.80wt%를 포함하며, 가교제의 양을 조절하여 서로 다른 가교 밀도를 가지는 하이드로젤을 포함할 수 있다.In the preparing of the polymerization solution, the crosslinking agent may include 0.2 wt% to 0.80 wt%, and may include hydrogel having different crosslinking densities by controlling the amount of the crosslinking agent.

가교제는 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Di(ethylene glycol) diacrylate)을 포함할 수 있다.The crosslinking agent may include diethylene glycol diacrylate (Di (ethylene glycol) diacrylate).

개시제는 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate, KPS)을 포함할 수 있다.The initiator may comprise potassium persulfate (KPS).

가열하는 단계에서, 55 ℃의 온도에서 2시간 동안 가열되어 중합될 수 있다.In the heating step, the polymerization may be carried out by heating at a temperature of 55 ° C. for 2 hours.

본 발명의 한 실시예에 따른 아크릴산을 포함하는 하이드로젤 액추에이터 및 그 제조방법은 팽창 속도를 향상시킬 수 있고, 흡수성을 향상시킬 수 있으며, 가교 밀도를 조절할 수 있고, 하이드로젤 액추에이터의 이용률을 증대시킬 수 있으며, 친환경적인 수지를 제조하기 위한 것이다.Hydrogel actuator comprising acrylic acid according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same can improve the expansion rate, improve the absorbency, adjust the crosslinking density, increase the utilization rate of the hydrogel actuator It can be, and to manufacture an environmentally friendly resin.

도 1a는 한 실시예에 따른 하이드로젤 필름의 SEM 사진이며, 도 1b는 한 실시예에 따른 하이드로젤 필름을 물에 48시간 동안 부풀린 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 하이드로젤 필름의 제조과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 제조과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 하이드로젤 액추에이터의 제조과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 하이드로젤 필름의 팽창비를 나타내는 그래프이다.
도 6은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 분산염료에 따른 팽창비를 나타내는 그래프이다.
도 7은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 분산염료에 따른 팽창비를 나타내는 그래프이다.
도 8은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 영의 계수 및 파단시 연신율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 한 실시예에 따른 pH 7 버퍼 내에서 약 0.1분 내지 15분동안 이중층 하이드로젤의 곡률 변화를 나타내는 이미지이다.
도 10은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤을 pH 7 버퍼 내에서 약 3시간 동안 관찰한 이미지이다.
도 11은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 pH 3, 7 및 10에 따른 곡률 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 pH 7 버퍼 용액에서 시간에 따른 곡률을 나타내는 이미지이다.
도 13은 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 pH 3 버퍼 용액에서 시간에 따른 곡률을 나타내는 이미지이다.
도 14는 한 실시예에 따른 이중층 하이드로젤의 pH 10 버퍼 용액에서 시간에 따른 곡률을 나타내는 이미지이다.
도 15의 한 실시예에 따른 하이드로젤 액추에이터의 전류가 흐르기 전의 모습(왼쪽 사진)이고, 전류가 통하는 사진(오른쪽 사진)의 모습이다.
Figure 1a is a SEM picture of a hydrogel film according to one embodiment, Figure 1b is a view showing a SEM picture of the hydrogel film inflated in water for 48 hours according to one embodiment.
2 is a view showing a manufacturing process of a hydrogel film according to an embodiment.
3 is a view showing a manufacturing process of a double-layer hydrogel according to an embodiment.
4 is a view showing a manufacturing process of a hydrogel actuator according to an embodiment.
5 is a graph showing the expansion ratio of the hydrogel film according to an embodiment.
6 is a graph showing the expansion ratio according to the dispersion dye of the double-layer hydrogel according to an embodiment.
7 is a graph showing the expansion ratio according to the dispersion dye of the double-layer hydrogel according to an embodiment.
8 is a graph showing Young's modulus and elongation at break of a bilayer hydrogel according to one embodiment.
9 is an image showing the curvature change of the bilayer hydrogel for about 0.1 to 15 minutes in the pH 7 buffer according to one embodiment.
FIG. 10 is an image of a bilayer hydrogel observed for about 3 hours in a pH 7 buffer according to one embodiment.
11 is a graph showing the curvature change according to pH 3, 7 and 10 of the bilayer hydrogel according to an embodiment.
FIG. 12 is an image showing curvature with time in a pH 7 buffer solution of a bilayer hydrogel according to one embodiment. FIG.
FIG. 13 is an image showing curvature with time in a pH 3 buffer solution of a bilayer hydrogel according to one embodiment. FIG.
FIG. 14 is an image showing curvature with time in a pH 10 buffer solution of a bilayer hydrogel according to one embodiment. FIG.
It is a state before the electric current of the hydrogel actuator according to an embodiment of Figure 15 (left photo), and the image (current photo) through which the current flows.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. The drawings and description are to be regarded as illustrative in nature and not restrictive. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. In addition, in the case of well-known technology, a detailed description thereof will be omitted.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the other part being "right over" but also another part in the middle. On the other hand, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle. Conversely, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is "below" another part, this includes not only the other part "below" but also another part in the middle. On the other hand, when a part is "just below" another part, it means that there is no other part in the middle.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise.

도 1a는 하이드로젤 필름의 SEM 사진이며, 도 1b는 하이드로젤 필름을 물에 48시간 동안 부풀린 SEM 사진을 나타낸다. 이때, 각각의 하이드로젤 필름은 측정되기 전에 48시간 동안 동결건조되었다.Figure 1a is a SEM picture of the hydrogel film, Figure 1b shows a SEM picture of the hydrogel film inflated in water for 48 hours. At this time, each hydrogel film was lyophilized for 48 hours before being measured.

도 1a 및 b를 참조하면, 실시예에 따른 하이드로젤 필름(hydrogel film)(100)은 아크릴산(acrylic acid)을 기반으로 하는 아크릴 단량체(10)를 포함하고, 아크릴 단량체(10)가 중합되어 3차원적으로 서로 가교되어 있는 폴리아크릴산나트륨의 구조를 나타낸다.1A and B, the hydrogel film 100 according to the embodiment includes an acrylic monomer 10 based on acrylic acid, and the acrylic monomer 10 is polymerized to form a hydrogel film 100. The structure of sodium polyacrylate crosslinked with each other dimensionally is shown.

아크릴 단량체(monomer)(10)는 아크릴산의 카르복실기(COO-)와 수산화 나트륨의 나트륨(Na+) 이온이 결합된 아크릴산나트륨 구조를 나타낼 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 아크릴아미드(acrylamide), 비닐알콜(vinyl alcohol), N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide), N,N-디에틸아크릴아미드(N,N-diethylacrylamide) 및 소듐 4-하이드록시-2-메틸렌부타노에이트(sodium 4-hydroxy-2-methylenebutanoate) 등과 결합될 수 있다. 이때, 아크릴 단량체(10)는 아크릴산에 수산화나트륨을 첨가하여 중화시킴으로써 형성될 수 있다. 이때, 약 80% 정도 중화될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The acrylic monomer 10 may represent a sodium acrylate structure in which a carboxyl group (COO −) of acrylic acid and sodium (Na +) ions of sodium hydroxide are combined, but is not limited thereto. For example, acrylamide, vinyl alcohol, N-isopropylacrylamide, N, N-diethylacrylamide and sodium 4-hydroxy -2-methylenebutanoate (sodium 4-hydroxy-2-methylenebutanoate) and the like. In this case, the acrylic monomer 10 may be formed by neutralizing by adding sodium hydroxide to acrylic acid. In this case, about 80% may be neutralized, but is not limited thereto.

이어서, 아크릴 단량체(10)가 중합되어 폴리아크릴산나트륨(sodium polyacrylate)을 형성한다. 중화된 아크릴 단량체(10)가 가교제 및 개시제에 의해 라디칼 중합 반응이 일어나며, 단량체가 서로 가교 결합되면서 3차원의 폴리아크릴산나트륨(sodium polyacrylate)이 형성된다. 이러한 폴리아크릴산나트륨 구조를 갖는 필름을 하이드로젤 필름(100)이라 정의한다.Subsequently, the acrylic monomer 10 is polymerized to form sodium polyacrylate. The neutralized acrylic monomer 10 undergoes a radical polymerization reaction by a crosslinking agent and an initiator, and three-dimensional sodium polyacrylate is formed as the monomers crosslink each other. The film having such a sodium polyacrylate structure is defined as a hydrogel film 100.

하이드로젤 필름(100)은 하기 구조식 1로 표시될 수 있다.The hydrogel film 100 may be represented by the following structural formula 1.

[구조식 1][Formula 1]

Figure 112018028862098-pat00002
Figure 112018028862098-pat00002

중합 반응에서, 가교제(cross-linker)는 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Di(ethylene glycol) diacrylate)일 수 있으며, 고분자 사슬이 가교 결합을 이루면 3차원 망 구조가 형성되어 물을 흡수하는 특성을 나타낼 수 있고, 하이드로젤 필름(100)의 팽창(swelling) 효과가 나타날 수 있다. 이때, 가교 밀도에 따라, 물의 흡수성이 조절될 수 있으며, 기계적 강도가 조절될 수 있다.In the polymerization reaction, the cross-linker may be di (ethylene glycol) diacrylate, and when the polymer chain crosslinks, a three-dimensional network structure is formed to exhibit water absorption characteristics. And, the swelling effect of the hydrogel film 100 may appear. At this time, according to the crosslinking density, the water absorbency can be adjusted, the mechanical strength can be adjusted.

또한, 개시제(initiator)는 수용성 열 개시제인 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate, KPS)일 수 있으며, 수용액 내에서 열분해를 통해 자유 라디칼이 형성될 수 있다. In addition, the initiator may be potassium persulfate (KPS), which is a water-soluble thermal initiator, and free radicals may be formed through pyrolysis in an aqueous solution.

하이드로젤 필름(100)은 가교 방법에 따라 다양한 물리적 방법 및 화학적 방법으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 분자간 얽힘, 수소결합, 이온결합, 소수성 상호작용과 같은 물리적 젤 형성 및 공유결합으로 인한 화학적 젤 형성을 보이며, 이러한 다양한 제조 방법을 통해 크기, 표면성질과 구조, 조성 등 여러 물성을 갖는 입자를 제조할 수 있다.Hydrogel film 100 may be made by a variety of physical and chemical methods depending on the crosslinking method. For example, it exhibits physical gel formation such as intermolecular entanglement, hydrogen bonding, ionic bonding, and hydrophobic interaction, and chemical gel formation due to covalent bonds, and various manufacturing methods have various properties such as size, surface properties, structure, and composition. The particle | grains which have can be manufactured.

이처럼, 아크릴 단량체(10)가 라디칼 중합하면서 젤(gel)화 특성이 발현될 수 있으며, 젤화로 인해 3차원적 망상구조를 이루는 하이드로젤 필름(100)이 형성될 수 있다. 하이드로젤 필름(100)은 심각한 공동(cavitation)현상 없이 평평하고 투명하며, 표면의 친수성 작용기로 인해 고체 특성과 액체 특성을 포함하는 부드러운 강도를 가진다. 하이드로젤 필름(100)은 물에 녹지 않지만 다량의 물을 흡수하여 팽윤하는 성질을 가지고 있다. 가교된 3차원 연결 망을 통해 많은 양의 물을 흡수할 수 있는 고흡수성 특성을 나타내며, 팽창 효과가 나타날 수 있다. 이는, 하이드로젤 필름(100)의 친수성 작용기가 물분자에 의해 가수화되고, 모세관힘(capillary force) 및 삼투압(osmotic pressure)에 의해 3차원 가교 망 안의 공간을 채우면서 물이 흡수되는 것에 기인한 것일 수 있다. 가교 망으로 인해 형성된 공극 크기는 약 3~20μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. As such, while the acrylic monomer 10 is radically polymerized, gelation characteristics may be expressed, and the hydrogel film 100 forming a three-dimensional network structure may be formed by gelation. The hydrogel film 100 is flat and transparent without serious cavitation, and has a soft strength including solid and liquid properties due to the hydrophilic functional groups on the surface. The hydrogel film 100 is insoluble in water but has a property of absorbing a large amount of water and swelling. The cross-linked three-dimensional connection network exhibits a super absorbent property capable of absorbing a large amount of water, and an expansion effect may be exhibited. This is because the hydrophilic functional group of the hydrogel film 100 is hydrolyzed by water molecules and water is absorbed while filling the space in the three-dimensional crosslinked network by capillary force and osmotic pressure. It may be. The pore size formed by the crosslinked network may be about 3-20 μm, but is not limited thereto.

따라서, 물의 흡수로 인하여, 건조한 필름에 비해 하이드로젤 필름(100)의 무게가 수백배에서 수천배 더 증가할 수 있고, 가교 밀도에 따라 탄성 또는 팽창비 등과 같은 재료의 역학적 특성을 조절할 수 있다. 이때, 팽창하는 동안에도 하이드로젤 필름(100)의 모양은 유지될 수 있다. Therefore, due to the absorption of water, the weight of the hydrogel film 100 can be increased hundreds to thousands times more than the dry film, and the mechanical properties of the material such as elasticity or expansion ratio can be adjusted according to the crosslinking density. In this case, the shape of the hydrogel film 100 may be maintained even during expansion.

도 2는 하이드로젤 필름의 제조과정을 나타내는 도면이다.2 is a view showing a manufacturing process of the hydrogel film.

도 2를 참조하면, 하이드로젤 필름(100)은 자유 라디칼(free radical)의 중합을 통해 형성된다. 중합 용액(polymerizing solution)은, 아크릴산 용액에 수산화나트륨 용액, 가교제 및 개시제를 혼합하여 제조된다. Referring to FIG. 2, the hydrogel film 100 is formed through polymerization of free radicals. A polymerization solution is prepared by mixing a sodium hydroxide solution, a crosslinking agent and an initiator with an acrylic acid solution.

하이드로젤 필름(100)의 제조방법은, 아크릴산 용액을 제조하는 단계, 수산화나트륨 용액을 첨가하는 단계, 가교제 및 개시제를 첨가하는 단계 및 템플릿에서 중합시키는 단계를 포함한다.The method for producing the hydrogel film 100 includes preparing an acrylic acid solution, adding a sodium hydroxide solution, adding a crosslinking agent and an initiator, and polymerizing in a template.

우선, 아크릴산 용액을 제조하는 단계가 수행된다. 아크릴산 용액은, 약 8mL의 물에 아크릴산 약 14g(0.204 mol, 1490 equiv)을 혼합하여 제조될 수 있다. 이때, 물과 아크릴산은 밀도 차이에 의해 서로 섞이지 않고 분리되어 있는 두 개의 상을 나타낸다. First, a step of preparing an acrylic acid solution is performed. The acrylic acid solution may be prepared by mixing about 14 g (0.204 mol, 1490 equiv) of acrylic acid in about 8 mL of water. At this time, water and acrylic acid represent two phases separated without being mixed with each other due to density difference.

이어서, 수산화나트륨 용액을 첨가하는 단계가 수행된다. 수산화나트륨 용액은, 물 약 16mL에 수산화나트륨 약 6.6 g(0.165 mol, 1190 equiv)을 첨가하여 혼합하여 공급될 수 있다. 아크릴산 용액에 수산화나트륨 용액을 첨가하면, 아크릴산 용액이 중화되면서 아크릴산 상과 물 상이 혼합되어 상 분리 현상이 제거된다. 이때, 아크릴산 용액은 수산화나트륨 용액에 의해 약 80% 중화될 수 있으며, 약 8mM의 몰 농도(molar concentration)일 수 있다. 이 단계에서, 용액에 질소 버블링(N2 bubbling)을 약 1시간 동안 수행하여 용액 내의 가스를 제거시킬 수 있다.Subsequently, the step of adding sodium hydroxide solution is performed. The sodium hydroxide solution may be supplied by mixing by adding about 6.6 g (0.165 mol, 1190 equiv) of sodium hydroxide to about 16 mL of water. When the sodium hydroxide solution is added to the acrylic acid solution, the acrylic acid solution is neutralized while the acrylic acid solution is neutralized to remove the phase separation phenomenon. At this time, the acrylic acid solution may be neutralized by about 80% by sodium hydroxide solution, and may have a molar concentration of about 8 mM. In this step, the solution may be subjected to nitrogen bubbling (N 2 bubbling) for about 1 hour to remove the gas in the solution.

다음으로, 가교제 및 개시제를 첨가하는 단계가 수행된다. 가교제는, 예를 들어, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트일 수 있고, 아크릴산 단량체(monomer) 대비 약 0.20 내지 0.80 wt%의 비율로 첨가될 수 있다. 개시제는, 예를 들어, 포타슘 퍼설페이트(KPS) 일 수 있고, 수용액 내에서 가열되면 산소 자유 라디칼이 형성될 수 있다. 이러한 자유 라디칼이 아크릴 단량체(10)와 공유 결합하여 중합 반응이 일어날 수 있다.Next, the step of adding a crosslinking agent and an initiator is performed. The crosslinking agent may be, for example, diethylene glycol diacrylate, and may be added at a ratio of about 0.20 to 0.80 wt% relative to the acrylic acid monomer (monomer). The initiator may be, for example, potassium persulfate (KPS), and oxygen free radicals may form when heated in aqueous solution. Such free radicals may be covalently bonded to the acrylic monomer 10 to cause a polymerization reaction.

이어서, 템플릿(template)에서 중합시키는 단계가 수행된다. 실린지(syringe)로 템플릿에 옮겨진 중합 용액이 약 55℃에서 약 2시간으로 설정(setting)된 플레이트(heating plate) 상에서 중합될 수 있고, 하이드로젤 필름(100)이 형성될 수 있다. 이때, 템플릿은 11.5 cm × 15 cm × 0.1 cm (폭 × 길이 × 두께) 크기의 유리 템플릿일 수 있고, 높은 비표면적과 부피를 가질 수 있으며, 열 전달이 우수할 수 있다. 이는, 시트타입의 몰드(sheet-type mold)에서 자체 촉진반응(autoacceleration process)을 조절하는 것과 유사하다. Subsequently, the step of polymerizing in a template is performed. The polymerization solution transferred to the template with a syringe may be polymerized on a heating plate set at about 55 ° C. for about 2 hours, and the hydrogel film 100 may be formed. At this time, the template may be a glass template of 11.5 cm x 15 cm x 0.1 cm (width x length x thickness), may have a high specific surface area and volume, and may be excellent in heat transfer. This is similar to controlling the autoacceleration process in a sheet-type mold.

따라서, 실시예에 따른 하이드로젤 필름(100)은, 3차원적 네트워크를 가지며, 가교제의 양에 따라 다른 가교 밀도를 가질 수 있다. 이러한 가교 밀도에 따라 하이드로젤 필름(100)의 역학적 성질, 예를 들어, 탄성 또는 팽창비가 조절될 수 있고, 하이드로젤 필름(100)이 팽창될 수 있고, 물이 흡수될 수 있다. 이때, 물은 모세관 힘 또는 삼투압에 의해 흡수되는 것일 수 있다.Therefore, the hydrogel film 100 according to the embodiment has a three-dimensional network and may have a different crosslinking density depending on the amount of the crosslinking agent. According to the crosslinking density, the mechanical properties of the hydrogel film 100, for example, elasticity or expansion ratio may be adjusted, the hydrogel film 100 may be expanded, and water may be absorbed. In this case, the water may be absorbed by capillary force or osmotic pressure.

이하에서, 전술한 내용과 중복되는 내용에 관해서는 기재가 생략될 수 있다.In the following description, the description may be omitted for the contents overlapping with the above description.

도 3은 이중층 하이드로젤의 제조과정을 나타내는 도면이다.3 is a view showing a manufacturing process of a double-layer hydrogel.

도 3을 참조하면, 하이드로젤 필름(100)은 중합 용액을 증착(deposition)하여 이중층 하이드로젤(200)을 형성할 수 있다. 이때, 중합 용액에 다른 색상의 분산염료를 첨가하여 이중층 각각의 층을 구별할 수 있다. Referring to FIG. 3, the hydrogel film 100 may deposit a polymerization solution to form a double layer hydrogel 200. At this time, it is possible to distinguish each layer of the bilayer by adding a disperse dye of different colors to the polymerization solution.

실시예에 따른 이중층 하이드로젤(200)은, 선형의 이중층 구조를 나타내며, 액체 내에서 원 모양으로 구부려지는 현상이 나타날 수 있다. 이때, 이중층의 각각의 층은 가교제의 비율에 따라 다른 가교 밀도로 형성될 수 있으며, pH에 따라 이중층 하이드로젤(200)의 곡률이 조절될 수 있다. 예를 들어, 첫번째 층은 상대적으로 적은 가교제를 포함하며, 느슨한 밀도로 가교 연결된 하이드로젤 층이 형성될 수 있으며 많은 양의 물을 흡수할 수 있다. 두번째 층은 상대적으로 많은 가교제를 포함하며, 높은 밀도로 단단하게 가교 연결된 하이드로젤 층이 형성될 수 있고, 적은 양의 물을 흡수할 수 있다. 이처럼, 다른 밀도를 가진 이중층 하이드로젤 필름(200)은 액체 내에서 다른 팽창 특성을 나타내며, 흡수하는 물의 수압 차이로 인해 원으로 말리는 현상이 나타날 수 있다. 일반적으로, 가교제가 많이 포함될수록 팽창 효과는 감소할 수 있다. 따라서, 이 팽창비의 차이로 인해 가교제가 많이 포함된 하이드로젤의 방향으로 굽힘 현상이 일어나게 되고, 원의 형상을 이루게 될 수 있다. 이러한 이중층 구조는 동질의 화학종으로 구성될 수 있으며, 가교 연결된 고분자로 구성될 수 있다(도 3의 확대된 부분). 또한, 이중층 하이드로젤(200)은 보조 접착제가 필요 없는 연속적인 라디칼 중합을 통해 제조됨으로써 결합이 깨지는 것을 야기하는 계면 복잡성(interfacial complexity)이 제거될 수 있다. The bilayer hydrogel 200 according to the embodiment has a linear bilayer structure and may be bent in a circle in a liquid. At this time, each layer of the bilayer may be formed with a different crosslinking density according to the ratio of the crosslinking agent, the curvature of the bilayer hydrogel 200 can be adjusted according to the pH. For example, the first layer contains relatively few crosslinking agents, and a crosslinked hydrogel layer can be formed with loose density and can absorb large amounts of water. The second layer contains a relatively large number of crosslinking agents, and a high density of hard crosslinked hydrogel layer can be formed and can absorb a small amount of water. As such, the bilayer hydrogel film 200 having a different density exhibits different expansion characteristics in the liquid, and may be rolled into a circle due to a difference in water pressure of absorbing water. In general, the more crosslinking agent is included, the dilation effect can be reduced. Therefore, due to the difference in the expansion ratio, the bending phenomenon occurs in the direction of the hydrogel containing a large amount of the crosslinking agent, and may form a circle shape. This bilayer structure may consist of homogeneous species and may consist of crosslinked polymers (enlarged portion of FIG. 3). In addition, the bilayer hydrogel 200 can be prepared through continuous radical polymerization without the need for an auxiliary adhesive, thereby eliminating interfacial complexity that causes the bond to break.

실시예에 따른 이중층 하이드로젤(200)의 제조방법은, 하이드로젤 필름(100)을 제조하는 단계, 하이드로젤 필름(100) 상에 두번째 층을 형성하는 단계, 그리고 가열하여 중합시키는 단계를 포함한다.The method of manufacturing the double layer hydrogel 200 according to the embodiment includes preparing a hydrogel film 100, forming a second layer on the hydrogel film 100, and polymerizing by heating. .

우선, 하이드로젤 필름(100)을 제조하는 단계가 수행된다. 이때, 중합 용액에 분산 염료를 첨가함으로써 하이드로젤 필름(100)에 색상이 나타날 수 있다. 분산염료는, 예를 들어, 네이비 블루 색일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 분산염료는 하이드로젤 필름(100)의 팽창비에 영향을 줄 수 있으며, 팽창비의 감소를 조절할 수 있다. 이때, 네이비 블루 염료 (10 mg, 0.2 wt%)는 아크릴산 (14.71 g, 0.204 mol, 1378.4 equiv)이 80% 중화된 아크릴 단량체(10) 용액에 첨가될 수 있으며, 가교제의 양은 Di(ethylene glycol) diacrylate (50 mg, 0.233 mmol, 1.7 equiv, 약 0.34wt%), 개시제는 KPS (37mg, 0.137 mmol, 1.0 equiv)이 첨가되어 첫번째 중합 용액이 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 하이드로젤 필름(100)은 약 55 ℃의 온도에서 약 2시간동안 가열되면서 라디칼 중합될 수 있고 상대적으로 가교 밀도가 느슨한 하이드로젤 필름(100)이 형성될 수 있다.First, the step of manufacturing the hydrogel film 100 is performed. In this case, color may appear on the hydrogel film 100 by adding a disperse dye to the polymerization solution. The disperse dye may be, for example, navy blue, but is not limited thereto. Disperse dyes may affect the expansion ratio of the hydrogel film 100, it is possible to control the reduction of the expansion ratio. At this time, navy blue dye (10 mg, 0.2 wt%) may be added to the acrylic monomer (10) solution of acrylic acid (14.71 g, 0.204 mol, 1378.4 equiv) neutralized 80%, the amount of crosslinking agent is Di (ethylene glycol) Diacrylate (50 mg, 0.233 mmol, 1.7 equiv, about 0.34 wt%), initiator, KPS (37 mg, 0.137 mmol, 1.0 equiv) may be added to prepare the first polymerization solution, but is not limited thereto. In this case, the hydrogel film 100 may be radically polymerized while being heated at a temperature of about 55 ° C. for about 2 hours, and a hydrogel film 100 having a relatively low crosslinking density may be formed.

다음으로, 하이드로젤 필름(100) 상에 두번째 층을 형성하는 단계가 수행된다. 이때, 두번째 층을 형성하기 위한 중합 용액은 하이드로젤 필름(100)과 동일한 방식으로 제조되나 가교제의 양을 더 많이 첨가하여 가교 밀도가 큰 두번째 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 가교제 di(ethylene glycol) diacrylate (93 mg, 0.434 mmol, 3.2 equiv, 약 0.63wt%)가 포함될 수 있고, 첫번째 층보다 상대적으로 단단하고 밀도 있게 가교된 층이 형성될 수 있다. 이러한 층의 구별을 위해 다른 색상, 예를 들어, 빨간색의 분산염료(10 mg, 0.2 wt%)가 첨가될 수 있다. 개시제 KPS 및 아크릴 단량체(10) 용액은 하이드로젤 필름(100)과 동일한 양이 첨가될 수 있다. 이 단계에서, 두번째 중합 용액은 조심스럽게 첫번째 층인 하이드로젤 필름(100)과 유리 뚜껑 사이의 간격에 주입된다.Next, forming a second layer on the hydrogel film 100 is performed. At this time, the polymerization solution for forming the second layer may be prepared in the same manner as the hydrogel film 100, but by adding more crosslinking agent to form a second layer having a higher crosslink density. For example, a crosslinker di (ethylene glycol) diacrylate (93 mg, 0.434 mmol, 3.2 equiv, about 0.63 wt%) may be included, and a crosslinked layer that is relatively harder and denser than the first layer may be formed. Disperse dyes of different colors, for example red (10 mg, 0.2 wt%), may be added to distinguish this layer. The initiator KPS and the acrylic monomer 10 solution may be added in the same amount as the hydrogel film 100. In this step, the second polymerization solution is carefully injected into the gap between the first layer hydrogel film 100 and the glass lid.

이어서, 가열하여 중합시키는 단계가 수행된다. 두번째 중합 용액은 약 55℃ 의 온도에서 약 2시간동안 가열되어 라디칼 중합 반응이 일어날 수 있고, 하이드로젤이 형성될 수 있다. 이때, 인접한 두 하이드로젤은 상호 침투가 가능한 특성을 가지며, 하이드로젤 필름(100) 및 두번째 층은 서로 밀접하게 증착될 수 있다. 따라서, 가교 밀도가 서로 다른 이중층 하이드로젤(200)이 형성될 수 있다. 이중층 하이드로젤(200)의 첫번째 층(네이비 블루) 및 두번째 층(빨강)의 두께는 각각 1.2mm 및 0.8 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Subsequently, a step of heating to polymerize is performed. The second polymerization solution may be heated at a temperature of about 55 ° C. for about 2 hours to cause a radical polymerization reaction and a hydrogel may be formed. In this case, two adjacent hydrogels may have mutually penetrating properties, and the hydrogel film 100 and the second layer may be closely deposited with each other. Therefore, the double layer hydrogel 200 having different crosslinking densities may be formed. The thickness of the first layer (navy blue) and the second layer (red) of the bilayer hydrogel 200 may be 1.2 mm and 0.8 mm, respectively, but is not limited thereto.

이하에서, 전술한 내용과 중복되는 내용에 관해서는 기재가 생략될 수 있다.In the following description, the description may be omitted for the contents overlapping with the above description.

이중층 하이드로젤(200)을 패턴화하여 하이드로젤 액추에이터(210)가 제조될 수 있다.The hydrogel actuator 210 may be manufactured by patterning the double layer hydrogel 200.

실시예에 따른 하이드로젤 액추에이터(210)는, 서로 가교 밀도가 다른 이중층 하이드로젤(200)을 패턴화하여 형성될 수 있다. 가교 밀도는 기계적 강도뿐 아니라 팽창비를 배가시키는 중요한 역할을 한다. 가교 밀도의 차이는 물을 흡수하는 특성을 조절하며, 하이드로젤 액추에이터(210)의 이중층이 이질적 변형을 나타낸다. 따라서, 액체 내에서 하이드로젤 액추에이터(210)의 굽힘 현상이 나타나게 되며, 프로그램된 반응을 나타낼 수 있다. 이는, pH, 온도, 염도, 금속이온, 빛 또는 전기적 포텐셜에 따라 모양의 변화를 제어할 수 있기 때문이다. 이때, 하이드로젤 액추에이터(210) 내에 다른 가교밀도를 포함하는 두 개의 하이드로젤은 연속적으로 제자리에서 중합될 수 있다.The hydrogel actuator 210 according to the embodiment may be formed by patterning the dual layer hydrogel 200 having different crosslinking densities from each other. The crosslink density plays an important role in doubling the expansion ratio as well as the mechanical strength. The difference in crosslinking density controls the water absorbing properties, and the bilayer of the hydrogel actuator 210 exhibits heterogeneous deformation. Accordingly, bending of the hydrogel actuator 210 may occur in the liquid, and may represent a programmed reaction. This is because the change in shape can be controlled according to pH, temperature, salinity, metal ion, light or electrical potential. In this case, two hydrogels having different crosslinking densities in the hydrogel actuator 210 may be continuously polymerized in place.

또한, 하이드로젤 액추에이터(210)는 선형의 하이드로젤이 pH에 따라 원으로 접히는 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, pH 10에서 두드러지게 빠르고(약 11분 이내) 완벽한 원의 형태를 나타낼 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이중층의 굽힘현상은 팽창비의 차이로 인해 발생하게 된다. 예를 들어, 가교제가 적은 하이드로젤은 많이 팽창되고, 가교제가 많은 하이드로젤은 적게 팽창된다. 따라서, 이 팽창의 차이로 인해 가교제가 많이 포함된 하이드로젤 방향으로 굽힘 현상이 일어나게 되고, 원의 형상을 이루게 될 수 있다. In addition, the hydrogel actuator 210 may exhibit a characteristic that the linear hydrogel is folded into a circle according to pH. For example, it may be markedly fast (within about 11 minutes) at pH 10, but complete, but not limited to. Bending of the bilayer occurs due to the difference in expansion ratio. For example, hydrogels with less crosslinker expand more and hydrogels with higher crosslinker expand less. Therefore, due to the difference in expansion, a bending phenomenon occurs in the direction of the hydrogel containing a large amount of the crosslinking agent, and may form a circle shape.

도 4는 하이드로젤 액추에이터(210)의 제조과정을 나타내는 도면이다.4 is a view illustrating a manufacturing process of the hydrogel actuator 210.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 하이드로젤 액추에이터(210)의 제조방법은, 하이드로젤 필름(100)을 제조하는 단계, 패턴화된 두번째 층을 형성하는 단계, 그리고 가열하여 중합시키는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 4, a method of manufacturing a hydrogel actuator 210 according to an embodiment includes manufacturing a hydrogel film 100, forming a patterned second layer, and polymerizing by heating. do.

우선, 하이드로젤 필름(100)을 제조하는 단계가 수행된다. 이때, 중합 용액에 분산 염료를 첨가함으로써 하이드로젤 필름(100)에 색상이 나타날 수 있다. 분산염료는, 예를 들어, 네이비 블루 색일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 가교제의 양은 0.20wt% 내지 0.80wt%가 포함될 수 있으며, 예를 들어, 0.34wt%가 포함되어 느슨한 가교 결합을 가진 하이드로젤을 형성시킬 수 있다. 이때, 약 55 ℃의 온도에서 약 2시간동안 가열되면서 라디칼 중합될 수 있으며, 하이드로젤 필름(100)이 형성될 수 있다.First, the step of manufacturing the hydrogel film 100 is performed. In this case, color may appear on the hydrogel film 100 by adding a disperse dye to the polymerization solution. The disperse dye may be, for example, navy blue, but is not limited thereto. In addition, the amount of the crosslinking agent may be included from 0.20wt% to 0.80wt%, for example, 0.34wt% may be included to form a hydrogel having a loose crosslink. At this time, while being heated for about 2 hours at a temperature of about 55 ℃ can be radically polymerized, the hydrogel film 100 can be formed.

다음으로, 패턴화된 두번째 층을 형성하는 단계가 수행된다. 하이드로젤 필름(100) 상에 유리 마스크(glass mask)를 올려두고, 유리 마스크 사이에 중합용액을 증착하여 패턴화된 두번째 층이 형성될 수 있다. 또한, 첫번째 층과의 구별을 위해 두번째 중합 용액 내에 분산염료, 예를 들어, 빨간색을 첨가하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 가교제의 양은 0.20wt% 내지 0.80wt%가 포함될 수 있으며, 예를 들어, 0.63wt%가 포함되어 단단한 가교 결합을 가진 하이드로젤을 형성시킬 수 있다.Next, the step of forming the patterned second layer is performed. A glass mask may be placed on the hydrogel film 100, and a second patterned layer may be formed by depositing a polymerization solution between the glass masks. In addition, it may be prepared by adding a disperse dye, for example, red, in the second polymerization solution to distinguish it from the first layer, but is not limited thereto. In this case, the amount of the crosslinking agent may be included in the range of 0.20wt% to 0.80wt%, for example, 0.63wt% may be included to form a hydrogel having a hard crosslink.

이어서, 가열하여 중합시키는 단계가 수행된다. 두번째 중합 용액은 약 55℃ 의 온도에서 약 2시간동안 가열되어 라디칼 중합 반응이 일어날 수 있고, 하이드로젤이 형성될 수 있다. 따라서, 가교 밀도가 서로 다른 이중층의 하이드로젤 액추에이터(210)가 형성될 수 있으며, 액체 내에서 팽창될 시 가교 밀도의 차이에 의하여 하이드로젤 액추에이터(210)의 굽힘 현상이 일어날 수 있다.Subsequently, a step of heating to polymerize is performed. The second polymerization solution may be heated at a temperature of about 55 ° C. for about 2 hours to cause a radical polymerization reaction and a hydrogel may be formed. Accordingly, a double layer hydrogel actuator 210 having different crosslinking densities may be formed, and bending of the hydrogel actuator 210 may occur due to a difference in crosslinking density when expanded in a liquid.

정리하면, 생체 적합한 아크릴 단량체(10)를 중합하여 고흡수성 하이드로젤인 하이드로젤 액추에이터(210)를 제조할 수 있다. 또한, 하이드로젤 액추에이터(210)는 가교제의 양을 조절하여 가교 밀도가 다른 이중층을 형성할 수 있으며, 중합을 통해 빠르고 쉽게 제조될 수 있다.In summary, the hydrogel actuator 210, which is a superabsorbent hydrogel, may be prepared by polymerizing the biocompatible acrylic monomer 10. In addition, the hydrogel actuator 210 may form a double layer having a different crosslinking density by adjusting the amount of the crosslinking agent, and may be quickly and easily manufactured through polymerization.

하이드로젤 액추에이터(210)는 고흡수성 하이드로젤(superabsorbent hydrogel)이며, 고분자 재료 관점에서, 팽창될 수 있는 재료로써 탄성체, 친수성 매트릭스, 컨테이너, 지지체 및 필름 등으로 이용될 수 있다. 또한, 토량 개량약, 조직 설계, 탈염, 촉매 그리고 헬스 케어와 같은 다양한 분야에서 다양하게 적용될 수 있다. 특히, 자극반응성 고흡수성 하이드로젤은 물에서의 생체 적합성과 효용성, 넓은 범위의 작용기 단량체들/비용효율적인 자연 생산물을 포함하는 구성요소(예를 들어, 셀룰로오즈, 알긴산염, 전분, 키토산, 다당류, 및 단백질들), 친환경적이고, 유비쿼터스적 자극으로써의 물의 사용 가능성, 합성을 위해 잘설립된 화학의 넓은 범위의 사용(예를 들어, 라디칼 중합), 식별할 수 있는 부피 변화, 및 혼성화를 통해 시너지 효과를 만드는 무기물 구성요소와 통합한 스마트 구성물들의 가공성을 나타내는 특성이 향상될 수 있다. 또한, 하이드로젤 액추에이터(210)의 다양한 작용기의 결합은 많은 생의학적 또는 친환경적인 응용장치들을 위해 스마트한 반응을 특징으로 가지는 가교 결합된 고분자시스템의 개발을 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, LED 스위치, 조절된 방출이 가능한 마이크로 렌즈 및 바다의 특정 오염물질(예를 들어, 마이트로플라스틱)을 제거하는 기능적 멤브레인 등에서 다양하게 활용될 수 있다.The hydrogel actuator 210 is a superabsorbent hydrogel, and may be used as an expandable material, an elastomer, a hydrophilic matrix, a container, a support, a film, and the like from a polymer material point of view. In addition, it can be applied variously in various fields such as soil improver, tissue design, desalination, catalyst and health care. In particular, irritant superabsorbent hydrogels contain components (eg, cellulose, alginate, starch, chitosan, polysaccharides, and biocompatibility and utility in water, including a wide range of functional monomers / cost-effective natural products). Proteins), the use of water as an environmentally friendly, ubiquitous stimulus, the use of a wide range of well-established chemistries for synthesis (eg, radical polymerization), identifiable volume changes, and synergistic effects through hybridization The properties that represent the processability of the smart components integrated with the mineral components that make them can be improved. In addition, the combination of various functional groups of the hydrogel actuator 210 may facilitate the development of crosslinked polymer systems characterized by smart reactions for many biomedical or environmentally friendly applications. For example, LED switches, microlenses capable of controlled emission, and functional membranes that remove certain pollutants (eg, mitroplastics) from the sea can be used in a variety of applications.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples.

실시예들에서, 아크릴산, 디에텔렌 글리콜 디아크릴레이트, 포타슘퍼설페이트는 Sigma Aldrich 사에서 얻었다. Synolon N/Blue S-GLS (navy blue color), Synolon Rubine S-GEL (red color)와 같은 분산염료는 KIMCO 로부터 얻었다. 아크릴산은 사용 전에 감압하에 증류되었다. 탈이온수는 물정화시스템(Pure Power I+, DAIHAN Scientific)을 사용하여 준비되었다. 모든 다른 시약과 용매들은 일반적으로 구입되는 것을 사용하였고, 다른 기재가 없다면 받은 것을 사용하였다. 양성자 핵 자기 공명(1H NMR) 스펙트럼은 25 ℃ 에서 Bruker 300 MHz NMR spectrometer로 기록되었다. 양성자 화학적 이동은 part per million (ppm, δ scale)로 표현되었고, tetramethylsilane ((CH3)4Si, δ 0.00 ppm) 또는 용매 내의 잔여 protium(D2O, δ 4.70 ppm)를 참조하였다. 화학적 이동, 배가성 (s = singlet, d = doublet, t = triplet, q = quartet, m= multiplet and/or multiple resonances, br = broad peak), 통합(integration)과 같은 단어로 표현된다. 탄소 핵자기 공명(13C NMR)은 25 ℃ 에서 Bruker 500 MHz NMR spectrometer로 기록되었다. 탄소의 화학×적 이동은 parts per million (ppm, δ scale)로 표현되고, tetramethylsilane ((CH3)4Si, δ 0.00 ppm)를 참조하였다. 장력 시험(tensile test)을 위해서, 준비된 하이드로젤 필름은 레이저커터로 잘렸다. 필름은 이전에 보고된 방식과 비슷하게 초강력 접착제를가진 두 PMMA 집게 사이에 접착되었다. 그 결과 견본들은 10 mm × 10 mm × 1 mm (길이 × 폭 × 두께)의 크기를 가진다. 단축 인장 시험(Uniaxial tensile test)은 25 ℃에서 공기중에 1000-N load cell을 가진 Instron 5543 universal testing machine (UTM)을 사용하여 수행되었다. 견본들은 파단되기 전까지 5 mm/min비율로 늘어났다. 각각의 하이드로젤 필름 샘플은 측정되는 동안 연결되었다. 응력-변형률 곡선(stress-strain curve)은 기록되었다. 최대인장강도(ultimate tensile strength)는 파단되는 지점에서의 압력으로 결정되었다. 파괴 인장(ultimate strain)은 파단되는 지점에서의 스트레인으로 결정되었다. Young's modulus은 stress-strain curve에서 초기의 10%~30% 범위의 슬로프로부터 얻어졌다. 인장력은 stress-strain curve 하에 지점으로부터 얻어졌다. 데이터 지점은 5개의 독립적인 실험으로부터 5배하여 얻어졌다. 건조된 하이드로젤 필름의 미세구조학은 가속전압 2 kV 로 Carl Zeiss SUPRA 55VP scanning electron microscope (SEM)으로 관찰되었다. 측정되기 전에, 샘플은 동결건조로 3일동안 건조되었고, 얇은 플래티늄 층으로 코팅되었다. 감쇠전반사-적외선분광법(ATRFTIR) 측정장치는 실온에서 Nicolet-6700 instrument(Thermo Scientific) 장치로 수행되었다. 스펙트럼은 4000 cm1 내지 400 cm1의 범위에서 32 scans평균속도로 얻어졌다.In the examples, acrylic acid, diethylene glycol diacrylate, potassium persulfate were obtained from Sigma Aldrich. Disperse dyes such as Synolon N / Blue S-GLS (navy blue color) and Synolon Rubine S-GEL (red color) were obtained from KIMCO. Acrylic acid was distilled under reduced pressure before use. Deionized water was prepared using a water purification system (Pure Power I +, DAIHAN Scientific). All other reagents and solvents were used as commonly purchased, unless otherwise noted. Proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectra were recorded on a Bruker 300 MHz NMR spectrometer at 25 ° C. Proton chemical shifts are expressed in parts per million (ppm, δ scale) and refer to tetramethylsilane ((CH 3 ) 4 Si, δ 0.00 ppm) or residual protium (D 2 O, δ 4.70 ppm) in solvent. It is expressed by words such as chemical shift, doublet (s = singlet, d = doublet, t = triplet, q = quartet, m = multiplet and / or multiple resonances, br = broad peak), and integration. Carbon nuclear magnetic resonance (13 C NMR) was recorded on a Bruker 500 MHz NMR spectrometer at 25 ° C. The chemical × chemical shift of carbon is expressed in parts per million (ppm, δ scale) and refers to tetramethylsilane ((CH 3 ) 4 Si, δ 0.00 ppm). For the tensile test, the prepared hydrogel film was cut with a laser cutter. The film was bonded between two PMMA forceps with a super glue similar to the previously reported method. The resulting specimens have dimensions of 10 mm x 10 mm x 1 mm (length x width x thickness). Uniaxial tensile test was performed using an Instron 5543 universal testing machine (UTM) with a 1000-N load cell in air at 25 ° C. Specimens were stretched at a rate of 5 mm / min before fracture. Each hydrogel film sample was connected during the measurement. Stress-strain curves were recorded. Ultimate tensile strength was determined by the pressure at the point of fracture. The ultimate strain was determined by the strain at the point of fracture. Young's modulus was obtained from the initial 10% to 30% slope of the stress-strain curve. Tensile force was obtained from the point under the stress-strain curve. Data points were obtained five times from five independent experiments. The microstructure of the dried hydrogel film was observed with a Carl Zeiss SUPRA 55VP scanning electron microscope (SEM) at an acceleration voltage of 2 kV. Before being measured, the sample was dried for 3 days by lyophilization and coated with a thin platinum layer. Attenuated total reflection-infrared spectroscopy (ATRFTIR) measurement was performed with a Nicolet-6700 instrument (Thermo Scientific) at room temperature. Spectra were obtained at an average rate of 32 scans in the range of 4000 cm 1 to 400 cm 1.

실시예Example 1 -  One - 하이드로젤Hydrogel 필름 film

물(8 mL)에 아크릴산(acrylic acid, 14.7 g, 0.204 mol, 1490 equiv)을 넣은 용액을 준비한다. 또한, 물(16 mL)에 수산화나트륨(NaOH, 6.6 g, 0.165 mol, 1190 equiv)을 넣은 용액을 준비한다. 이 두 용액을 혼합한 결과 아크릴산이 약 80% 중화되었다.Prepare a solution of acrylic acid (14.7 g, 0.204 mol, 1490 equiv) in water (8 mL). In addition, prepare a solution of sodium hydroxide (NaOH, 6.6 g, 0.165 mol, 1190 equiv) in water (16 mL). The two solutions were mixed to neutralize about 80% acrylic acid.

중화된 용액에 질소 버블링(bubbling)을 약 1시간 동안 진행하여 용액 내의 가스가 제거된다.Nitrogen bubbling is carried out to the neutralized solution for about 1 hour to remove the gas in the solution.

가스가 제거된 용액에 개시제로서 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate(KPS), 37 mg, 0.14 mmol, 1.0 equiv) 및 가교제로서 di(ethylene glycol) diacrylate (50 mg, 0.23 mmol, 1.7 equiv)을 첨가한 후, 11.5 cm × 15 cm × 0.1 cm (폭 × 길이 × 두께)의 크기를 가진 유리 템플릿에 옮겨 혼합한다. 이어서, 약 55℃ 에서 약 2시간 동안 열플레이트 상에서 단량체 용액을 중합 반응시킨다. 이때, 가교제의 양은 약 0.20 wt% 내지 약 0.80 wt%로 조절될 수 있며, 아크릴산 단량체의 양 대비 가교제의 양이 조절된다.To the degassed solution was added potassium persulfate (KPS) as an initiator, 37 mg, 0.14 mmol, 1.0 equiv and di (ethylene glycol) diacrylate (50 mg, 0.23 mmol, 1.7 equiv) as crosslinker. Transfer to a glass template with a size of 11.5 cm x 15 cm x 0.1 cm (width x length x thickness) and mix. The monomer solution is then polymerized on a heat plate at about 55 ° C. for about 2 hours. At this time, the amount of the crosslinking agent may be adjusted from about 0.20 wt% to about 0.80 wt%, and the amount of the crosslinking agent is adjusted relative to the amount of the acrylic acid monomer.

정량적인 수득량의 몰드(mold)에서 빼서 하이드로젤 필름을 얻었다. IR (cm-1) 3361, 2932, 2852, 1685.8, 1552, 1405, 1294; 1H NMR (300 MHz, D2O): δ 1.82 (br s, methine protons), 1.23 (br s, methylene protons); 13C NMR (125 MHz, D2O): δ 183.6, 44.8, 37.3, 36.1이다.The hydrogel film was obtained by subtracting from the quantitative yield of the mold. IR (cm- 1 ) 3361, 2932, 2852, 1685.8, 1552, 1405, 1294; 1 H NMR (300 MHz, D 2 O): δ 1.82 (br s, methine protons), 1.23 (br s, methylene protons); 13 C NMR (125 MHz, D 2 O): δ 183.6, 44.8, 37.3, 36.1.

실험예Experimental Example 1 - 하이드로젤1-hydrogel 필름의 팽창비 Expansion ratio of film

실시예 1에 따른 하이드로젤 필름을 준비하고, 이들의 가교제 비율에 따른 팽창비를 비교하였으며, 이를 도 5 및 표 1에 나타냈다. 이때, 실시예 1에 따른 하이드로젤 필름은 초기의 하이드로젤 필름 및 물을 흡수한 후의 하이드로젤 필름을 대상으로 비교하였다. 이때, 물에 포함된 아크릴산 단량체 용액은 0.8M로 지속적으로 공급된다.Hydrogel films according to Example 1 were prepared, and expansion ratios according to their crosslinking agent ratios were compared, which are shown in FIG. 5 and Table 1. In this case, the hydrogel film according to Example 1 was compared to the initial hydrogel film and the hydrogel film after absorbing water. At this time, the acrylic acid monomer solution contained in water is continuously supplied at 0.8M.

도 5의 가로축은 아크릴산 단량체 대비 가교제의 비율(%)을 나타내고, 세로축은 하이드로젤 필름의 팽창비(%)를 나타낸다. 5 represents the ratio (%) of the crosslinking agent to the acrylic acid monomer, and the vertical axis represents the expansion ratio (%) of the hydrogel film.

표 1은 실시예에 따른 하이드로젤 필름의 가교제(cross-linker) 함량(wt%), 팽창비(degree of swelling)(%) 및 가교 밀도(cross-linking density)(mmol/L)를 나타낸다.Table 1 shows the cross-linker content (wt%), the degree of swelling (%) and the cross-linking density (mmol / L) of the hydrogel film according to the example.

도 5 및 표 1을 참조하면, 하이드로젤 필름 1-6은 같은 조건하에서 다른 양의 가교제를 포함시키고, 탈이온수에 필름을 적시고, 팽창비(식 1) 및 가교 밀도(ρ)(식 2)를 계산하여 가교제가 흡수성에 미치는 영향을 판단하였다.Referring to FIG. 5 and Table 1, hydrogel films 1-6 include different amounts of crosslinking agents under the same conditions, wet the film in deionized water, and expand the expansion ratio (Equation 1) and crosslink density (ρ) (Equation 2). Calculations were made to determine the effect of crosslinking agents on absorbency.

초기의 하이드로젤 필름(as-prepared samples)의 경우, 가교제의 양과 관계없이 비슷한 팽창비를 가지며 약 44% 내지 약 47%정도 팽창하는 것을 확인할 수 있다.In the case of the initial hydrogel film (as-prepared samples), regardless of the amount of crosslinking agent it can be seen that there is a similar expansion ratio and about 44% to about 47% expansion.

한편, 물을 흡수한 후의 하이드로젤 필름(after absorption of water)의 경우, 가교제의 양이 증가할수록 팽창비가 감소하는 것을 확인할 수 있다(필름 2-6). 예를 들어, 필름 2(가교제 0.34%)의 경우, 최대 200배까지 필름이 팽창하는 것을 알 수 있다. 다만, 최소한의 가교제가 포함되어 있는 하이드로젤 필름은 제외된다(필름 1). 이는, 필름 1의 경우 가교제가 너무 적게 포함되어 있어 느슨한 가교 결합이 형성되고, 일부는 용해되면서 물을 흡수하기 위한 모세관힘이 저해된 것으로 유추할 수 있다. 이때, 초기의 하이드로젤 필름을 건조시킨 후 탈이온수(deionized water)에서 약 48시간 동안 팽창시켜 물을 흡수한 후의 하이드로젤 필름이 얻어진 것일 수 있다.On the other hand, in the case of the hydrogel film (after absorption of water) after absorbing water, it can be seen that the expansion ratio decreases as the amount of the crosslinking agent increases (film 2-6). For example, in the case of film 2 (0.34% crosslinking agent), it can be seen that the film expands up to 200 times. However, the hydrogel film containing the minimum crosslinking agent is excluded (film 1). This may be inferred that the film 1 contains too little cross-linking agent, so that loose cross-linking is formed, and part is dissolved and capillary force for absorbing water is inhibited. In this case, the hydrogel film may be obtained after the initial hydrogel film is dried and then expanded for about 48 hours in deionized water to absorb water.

따라서, 실시예에 따른 하이드로젤 필름은 가교제의 양에 따라, 즉, 가교 밀도에 따라 다른 팽창비를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 가교 밀도가 증가할수록 팽창비가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 필름은 비등방성 차원적 변화를 보이고, 초기 상태의 필름은 1.15cm의 길이를 가지며, 동결 건조시 약 26% 길이가 감소된다. 그러나, 이 후에 약 48시간 동안 물에 노출되면서 약 4.1배 증가하는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that the hydrogel film according to the embodiment exhibits different expansion ratios according to the amount of the crosslinking agent, that is, the crosslinking density, and the expansion ratio decreases as the crosslinking density increases. The film shows anisotropic dimensional change, the film in its initial state has a length of 1.15 cm, and is reduced by about 26% in freeze drying. However, after the exposure to water for about 48 hours it can be seen that about 4.1 times increase.

팽창비는 하기의 식 1로부터 계산된다.The expansion ratio is calculated from Equation 1 below.

식 1: 팽창비(degree of swelling)(%) =

Figure 112018028862098-pat00003
Equation 1: degree of swelling (%) =
Figure 112018028862098-pat00003

가교 밀도는 하기의 식 2로부터 계산된다.The crosslinking density is calculated from the following equation.

식 2:

Figure 112018028862098-pat00004
Equation 2:
Figure 112018028862098-pat00004

여기서, 여기서, X는 분석물 샘플의 무게를 나타내고, X0는 48시간동안 동결 건조함으로써 진공에서 건조된 샘플의 무게를 나타낸다. Vsol는 물의 몰 부피(molar volume)를 나타낸다. 또한, vp, 즉, 평형 고분자 부피율은 팽창비로 결정된다. 그리고, x, 즉, 용매-고분자 상호작용 지표로 0.46이다.Where X represents the weight of the analyte sample and X 0 represents the weight of the sample dried in vacuo by freeze drying for 48 hours. Vsol represents the molar volume of water. In addition, v p , ie, the equilibrium polymer volume fraction, is determined by the expansion ratio. And x, that is, 0.46 as the solvent-polymer interaction index.

hydrogel filmhydrogel film cross-linker
(wt%)
cross-linker
(wt%)
degree of swelling
(%)
degree of swelling
(%)
cross-linking density
(mmol/L)
cross-linking density
(mmol / L)
1One 0.200.20 1590015900 0.710.71 22 0.340.34 2020020200 0.470.47 33 0.420.42 1630016300 0.680.68 44 0.500.50 1000010000 1.551.55 55 0.630.63 75007500 2.542.54 66 0.800.80 71007100 2.772.77

실시예Example 2 -  2 - 이중층Double layer 하이드로젤Hydrogel

이중층 하이드로젤은 연속적인 라디칼 중합에 의해 준비된다. Di(ethylene glycol) diacrylate (50 mg, 0.233 mmol, 1.7 equiv), KPS (37mg, 0.137 mmol, 1.0 equiv) 그리고 네이비 블루 염료 (10 mg, 0.2 wt%)는 80% 중화된 아크릴산 (14.71 g, 0.204 mol, 1378.4 equiv) 용액에 첨가되어 첫번째 중합 용액을 제조하였다.Bilayer hydrogels are prepared by continuous radical polymerization. Di (ethylene glycol) diacrylate (50 mg, 0.233 mmol, 1.7 equiv), KPS (37 mg, 0.137 mmol, 1.0 equiv) and navy blue dye (10 mg, 0.2 wt%) were 80% neutralized acrylic acid (14.71 g, 0.204). mol, 1378.4 equiv) solution to make the first polymerization solution.

첫번째 중합 용액은 유리 템플릿(template) (11.5 cm × 15 cm × 0.1 cm)에 붓는다. 이 템플릿은 유리 뚜껑으로 덮여져있으며, 55 ℃에서 2시간동안 템플릿을 가열하여 유리 뚜껑 상에 첫번째 층이 형성되었다(필름 2). The first polymerization solution is poured into a glass template (11.5 cm x 15 cm x 0.1 cm). This template was covered with a glass lid and the template was heated at 55 ° C. for 2 hours to form a first layer on the glass lid (film 2).

두번째 층은 첫번째 층 위에 비슷한 방식으로 합성된다. 유리 템플릿 내에서 첫번째 층이 제조된 후, 추가적인 유리 층(thickness, 0.1 cm)들이 간격을 띄우는 지지체(spacer)로써 놓여진다.The second layer is synthesized in a similar way on the first layer. After the first layer is made in the glass template, additional glass thicknesses (0.1 cm) are placed as spaced spacers.

두번째 중합 용액은 di(ethylene glycol) diacrylate (93 mg, 0.434 mmol, 3.2 equiv), KPS (37 mg, 0.137 mmol, 1.0 equiv), 그리고 80% 중성화된 아크릴산 용액으로써 빨간색 염료(10 mg, 0.2 wt%)가 첨가되어 준비된다(필름 5).The second polymerization solution was di (ethylene glycol) diacrylate (93 mg, 0.434 mmol, 3.2 equiv), KPS (37 mg, 0.137 mmol, 1.0 equiv), and 80% neutralized acrylic acid solution to give red dye (10 mg, 0.2 wt%). ) Is added and prepared (film 5).

두번째 용액은 조심스럽게 첫번째 층과 유리 뚜껑 사이의 간격에 주입되고, 그 후에 55 ℃의 온도에서 2시간동안 가열된다.The second solution is carefully injected into the gap between the first layer and the glass lid and then heated at a temperature of 55 ° C. for 2 hours.

완성된 독립적인(free-standing) 이중층 하이드로젤은 몰드에서 꺼내진 후 레이저커터(laser cutter) 또는 면도기(razor)로 원하는 크기로 잘라서 정량적인 양으로 수득된다. 이중층 하이드로젤 액추에이터의 첫번째 층(네이비 블루) 및 두번째 층(빨강)의 두께는 각각 1.2mm 및 0.8 mm 로 측정되었다.The finished free-standing double layer hydrogel is taken out of the mold and then cut to desired size with a laser cutter or razor to obtain quantitative quantities. The thicknesses of the first layer (navy blue) and the second layer (red) of the bilayer hydrogel actuators were measured to be 1.2 mm and 0.8 mm, respectively.

실험예Experimental Example 2 - 이중층2-double layer 하이드로젤의Hydrogel 팽창비 Expansion ratio

실시예 2에 따른 이중층 하이드로젤을 준비하고, 각각의 층의 팽창비를 관찰하였으며, 이를 도 6 및 도 7에 나타내었다. 분산 염료를 첨가하기 전의 이중층 하이드로젤(2 및 5) 및 분산 염료(navy blue dye 또는 red dye)를 첨가한 후의 이중층 하이드로젤를 비교하여 이들의 팽창비를 확인하였다.The bilayer hydrogel according to Example 2 was prepared, and the expansion ratio of each layer was observed, which is shown in FIGS. 6 and 7. The expansion ratios were confirmed by comparing the bilayer hydrogels 2 and 5 before adding the disperse dyes and the bilayer hydrogels after adding the disperse dyes (navy blue dye or red dye).

도 6의 염색 전의 하이드로젤(2 및 5) 및 네이비 블루로 염색한 첫번째 층(2+navy blue dye)과 빨간색으로 염색한 두번째 층(5+red dye)을 포함하는 이중층 하이드로젤을 비교한 그래프이고, 그래프의 가로축은 시간(min)을 나타내고, 세로축은 팽창비(degree of swelling, %)을 나타낸다.A graph comparing the double layer hydrogel comprising the hydrogels 2 and 5 before dyeing and the first layer (2 + navy blue dye) stained with navy blue and the second layer (5 + red dye) stained in red in FIG. 6. The horizontal axis of the graph represents time (min), and the vertical axis represents the degree of swelling (%).

도 7은 염색 전의 하이드로젤(2 및 5) 및 빨간색으로 염색한 첫번째 층(2+red dye)과 네이비 블루로 염색한 두번째 층(5+navy blue dye)을 포함하는 이중층 하이드로젤을 비교한 그래프이고, 그래프의 가로축은 시간(min)을 나타내고, 세로축은 팽창비(degree of swelling, %)을 나타낸다.FIG. 7 is a graph comparing bilayer hydrogels comprising hydrogels 2 and 5 before dyeing and a first layer dyed red (2 + red dye) and a second layer dyed navy blue (5 + navy blue dye) The horizontal axis of the graph represents time (min), and the vertical axis represents the degree of swelling (%).

도 6을 참조하면, 염색 전의 하이드로젤 2(첫번째 층) 및 5(두번째 층)에 비하여, 소수성(불용성) 분산염료와 합성된 하이드로젤 2+navy blue dye 및 하이드로젤 5+red dye은 완전히 부풀었을 때 팽창비가 반으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, compared to hydrogels 2 (first layer) and 5 (second layer) before dyeing, hydrogel 2 + navy blue dye and hydrogel 5 + red dye synthesized with a hydrophobic (insoluble) disperse dye were completely removed. When solved, it can be seen that the expansion ratio decreases by half.

따라서, 분산염료는 두 하이드로젤 층들의 팽창비에 영향을 주며, 하이드로젤 2는 팽창비가 염색 전 193%/min 에서 염색 후 177%/min으로 줄고, 하이드로젤 5는 팽창비가 염색 전 161%/min 에서 염색 후 96%/min로 줄어는 것을 확인할 수 있다. 이것은 초기 영역의 선형 기울기로부터 계산되었다.Therefore, the disperse dye affects the expansion ratio of the two hydrogel layers, the hydrogel 2 decreases the expansion ratio from 193% / min before dyeing to 177% / min after dyeing, and hydrogel 5 has an expansion ratio of 161% / min before dyeing. After staining can be seen to decrease to 96% / min. This was calculated from the linear slope of the initial region.

반면, 도 7을 참조하면, 하이드로젤 2+navy blue dye 및 하이드로젤 5+red dye에 비하여, 소수성(불용성) 분산염료와 합성된 하이드로젤 2+red dye 및 하이드로젤 5+navy blue dye은 적은 팽창비 차이를 나타내었다. 팽창비는 확대 삽입된 그림의 초기 선으로부터 계산되고, 하이드로젤 2+red dye의 팽창비는 114% min-1이고, 하이드로젤 5+navy blue dye의 팽창비는 65% min-1이다.On the other hand, referring to Figure 7, compared with hydrogel 2 + navy blue dye and hydrogel 5 + red dye, hydrogel 2 + red dye and hydrogel 5 + navy blue dye synthesized with a hydrophobic (insoluble) disperse dye is less The expansion ratio difference was shown. The expansion ratio is calculated from the initial line of the enlarged picture, the expansion ratio of hydrogel 2 + red dye is 114% min −1, and the expansion ratio of hydrogel 5 + navy blue dye is 65% min −1 .

이로 인해, 하이드로젤 2+navy blue dye 및 하이드로젤 5+red dye을 이용하여 이중층을 합성하는 것이 더 효과적인 팽창 효과를 나타내는 것을 유추할 수 있다. 따라서, 다른 가교 밀도를 가진 인접한 두 부분이 함께 결합될 때, 둘 사이의 접점은 물 매개체에서 팽창비의 차이가 나타나며, 이러한 차이를 활용하여 이중층 하이드로젤이 이질적 변형을 불러일으킬 수 있음을 확인할 수 있다. Because of this, it can be inferred that synthesizing the bilayer with hydrogel 2 + navy blue dye and hydrogel 5 + red dye shows a more effective expansion effect. Therefore, when two adjacent parts with different crosslinking densities are joined together, the contact between the two shows a difference in the expansion ratio in the water medium, and it can be confirmed that the bilayer hydrogel may cause heterogeneous deformation by utilizing the difference. .

실험예Experimental Example 3 - 이중층3-double layer 하이드로젤의Hydrogel 기계적 인성 Mechanical toughness

실시예 2에 따른 이중층 하이드로젤을 준비하고, 염색이 수행될 때 이중층 하이드로젤의 기계적 인성을 확인하였으며, 이를 도 8 및 표 2에 나타내었다.The bilayer hydrogel according to Example 2 was prepared, and the mechanical toughness of the bilayer hydrogel was confirmed when staining was performed, and these are shown in FIGS. 8 and 2.

도 8의 상단은 영의 계수(Young's modulus, MPa)를 나타내고, 하단은 파단시 연신율(elongation at fracture, %)을 나타낸다.8 shows the Young's modulus (MPa), and the bottom shows the elongation at fracture (%).

표 2는 하이드로젤 필름의 영의 계수(Young's modulus, MPa), 파단시 연신율(elongation at fracture, %), 인성(toughness, MJ/m3)의 평균(Avg.)을 표준값(Std.)과 비교하여 나타낸다.Table 2 shows the mean (Avg.) Of Young's modulus (MPa), elongation at fracture (%) and toughness (MJ / m 3 ) of the hydrogel film. The comparison is shown.

도 8 및 표 2를 참조하면, 분산염료는 하이드로젤 2 및 5의 파단시 연신율 및 인성을 향상시켰고, 인장력 하에서 연신되는 동안은 가교 구조가 유지되었다. 또한, 영의 계수 변화는 크지 않았으며, 이중층(bilayer)의 파단 연신율은 각각의 층(navy blue 2 및 red 5)의 평균으로 나타난 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 and Table 2, the dispersion dyes improved the elongation and toughness at break of the hydrogels 2 and 5, and the crosslinked structure was maintained while stretching under tensile force. In addition, the Young's modulus change was not large, it can be seen that the elongation at break of the bilayer (average of each navy blue 2 and red 5).

hydrogel filmhydrogel film Young's modulus(MPa)Young's modulus (MPa) elongation at fracture(%)elongation at fracture (%) toughness(MJ/m3)toughness (MJ / m 3 ) Avg.Avg. Std.Std. Avg.Avg. Std.Std. Avg.Avg. Std.Std. 22 0.150.15 0.010.01 295.2295.2 26.926.9 0.280.28 0.030.03 55 0.120.12 0.010.01 192.0192.0 14.114.1 0.140.14 0.020.02 navy blue 2navy blue 2 0.090.09 0.010.01 688.0688.0 46.546.5 0.790.79 0.060.06 red 5red 5 0.140.14 0.010.01 334.0334.0 23.023.0 0.430.43 0.040.04 bilayerbilayer 0.090.09 0.000.00 451.9451.9 31.131.1 0.390.39 0.040.04

실험예Experimental Example 4 - 이중층4-double layer 하이드로젤의Hydrogel 굽힘 성질 Bending properties

실시예 2에 따른 이중층 하이드로젤을 준비하고, pH 7에서의 하이드로젤의 굽힘 변화를 관찰하였으며, 이를 도 9 및 도 10에 나타냈다.The bilayer hydrogel according to Example 2 was prepared, and the bending change of the hydrogel at pH 7 was observed, which is shown in FIGS. 9 and 10.

도 9는 pH 7 버퍼 내에서 약 0.1분 내지 15분동안 이중층 하이드로젤의 곡률 변화를 나타내는 이미지이다.9 is an image showing the curvature change of the bilayer hydrogel for about 0.1 to 15 minutes in a pH 7 buffer.

도 10은 pH 7 버퍼 내에서 약 3시간 동안 관찰한 이중층 하이드로젤을 나타내는 이미지이다. 10 is an image showing the bilayer hydrogel observed for about 3 hours in pH 7 buffer.

도 9 및 10을 참조하면, 중성의 pH 7 버퍼에서 구부러지는 이중층을 보여준다. 버퍼는, 하이드로젤로 인해 pH 내에서 일어나는 변화를 방지하기 위해 사용되었다. 9 and 10, the bilayer bent in neutral pH 7 buffer is shown. The buffer was used to prevent changes in pH due to hydrogels.

버퍼를 넣자마자(0.1min) 선형 재료들이 굽혀지기 시작했으며, 15분 후에 이중층 하이드로젤이 둥근 모양으로 변화했다. 네이비 블루 층(2, 0.34 wt% cross-linker)이 안쪽의 빨간층(5, 0.63 wt% cross-linker) 에 비해 더 부풀었으며, 이는 빨간층에 비해, 네이비 블루층이 가교제의 양을 적게 포함하고 있으며, 느슨한 가교 결합을 형성하고 있어 더 많은 물을 흡수하기 때문인 것을 유추할 수 있다.As soon as the buffer was added (0.1 min), the linear materials began to bend, and after 15 minutes the bilayer hydrogel turned round. The navy blue layer (2, 0.34 wt% cross-linker) was more bloated than the inner red layer (5, 0.63 wt% cross-linker), which compared to the red layer, the navy blue layer contained less cross-linker. It can be inferred because it forms a loose crosslink and absorbs more water.

약 3시간 동안 pH 7 버퍼에서 이중층 하이드로젤을 관찰한 결과, 이중층 하이드로젤의 부피가 조금 증가했을뿐 둥근 모양은 그대로 유지됨을 확인할 수 있다.As a result of observing the bilayer hydrogel in pH 7 buffer for about 3 hours, it can be seen that the volume of the bilayer hydrogel was slightly increased but the round shape was maintained.

실험예Experimental Example 5 - pH에5-pH 따른  According 이중층Double layer 하이드로젤의Hydrogel 곡률 curvature

실시예 2에 따른 이중층 하이드로젤을 준비하고, pH에 따른 이중층 하이드로젤의 곡률 변화를 관찰하였으며, 이를 도 11 내지 14, 표 3 및 표 4에 나타냈다.The bilayer hydrogel according to Example 2 was prepared, and the curvature change of the bilayer hydrogel according to pH was observed, which is shown in FIGS. 11 to 14, Table 3, and Table 4.

도 11은 pH 3, 7 및 10에 따른 이중층 하이드로젤의 곡률 변화를 나타낸다. 가로축은 시간(min)을 나타내고, 세로축은 곡률(curvature, m- 1)을 나타낸다.11 shows the change in curvature of the bilayer hydrogel according to pH 3, 7 and 10. The horizontal axis represents time min, and the vertical axis represents curvature m - 1 .

도 12는 25 에서 pH 7 버퍼 용액을 이용하였고, 시간의 경과에 따라 이중층 하이드로젤의 곡률을 관찰한 이미지이고, 곡률은 매분마다 측정되었다.12 is a pH 7 buffer solution at 25, the image of the curvature of the bilayer hydrogel over time, the curvature was measured every minute.

도 13은 25 에서 pH 3 버퍼 용액을 이용하였고, 시간의 경과에 따라 이중층 하이드로젤의 곡률을 관찰한 이미지이고, 곡률은 매분마다 측정되었다. FIG. 13 is a pH 3 buffer solution at 25, and shows an image of curvature of a bilayer hydrogel over time, and the curvature was measured every minute.

도 14는 25 에서 pH 10 버퍼 용액을 이용하였고, 시간의 경과에 따라 이중층 하이드로젤의 곡률을 관찰한 이미지이고, 곡률은 매분마다 측정되었다.FIG. 14 is a pH 10 buffer solution at 25, and is an image of the curvature of the bilayer hydrogel over time, and the curvature was measured every minute.

표 3은 pH 3, 7 및 10에 따른 이중층 하이드로젤의 곡률(curvature, m-1) 변화를 시간(min)에 따라 나타내는 표이다.Table 3 is a table showing the curvature (m- 1 ) change of the bilayer hydrogel according to pH 3, 7 and 10 with time (min).

표 4는 pH 7에서 하이드로젤 2, navy blue 2, red 2, 5, navy blue 5 및 red 5를 대상으로 시간(min)에 따른 팽창비(degree of swelling)를 나타내는 표이다.Table 4 is a table showing the degree of swelling with hydrogel 2, navy blue 2, red 2, 5, navy blue 5 and red 5 over time (min) at pH 7.

도 11 내지 14, 표 3 및 표 4를 참조하면, 이중층 하이드로젤은 시간이 지남에 따라 곡률이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이중층 하이드로젤은 pH 7에서 15분 이내에 원으로 말렸으며, pH 3에서는 약 13분 이내에 원으로 말렸고, pH 10에서 약 11분 이내에 원으로 말리는 것을 확인할 수 있다. 이때, 이중층 하이드로젤의 길이2.8 cm, 폭 0.3 cm 및 두께 2 mm는 동일하게 측정되었다.Referring to Figures 11 to 14, Table 3 and Table 4, the double-layer hydrogel can be seen that the curvature increases with time. The bilayer hydrogels were dried in circles within 15 minutes at pH 7, dried in circles within about 13 minutes at pH 3, and dried within about 11 minutes at pH 10. At this time, the length 2.8 cm, width 0.3 cm and thickness 2 mm of the double-layer hydrogel was measured in the same manner.

곡률은 pH 7보다 pH 3에서 조금 더 빠르게 증가했지만(접히는 속도는 28.1 m-1 s-1로 확인되고, 초기 선의 범위로부터 계산되었다), 최종 곡률은 pH 7에서 나온 수치보다 다소 낮은 동시에 적게 접혔다.The curvature increased slightly faster at pH 3 than at pH 7 (the folding speed was found to be 28.1 m -1 s -1 and calculated from the range of the initial line), but the final curvature was somewhat lower than the value from pH 7 but at the same time less Pulled

곡률은 pH 10(속도, 33.6 m-1s-1; pH 7보다 1.3배 빠름)에서 가장 빠르게 증가하였고, 최종 곡률은 9분안에 224 m-1에 (2.8cm 원주를 가진 원의 이론적 곡률) 도달했다.The curvature increased fastest at pH 10 (speed, 33.6 m -1 s -1 ; 1.3 times faster than pH 7), and the final curvature was at 224 m -1 in 9 minutes (theoretical curvature of a circle with a 2.8 cm circumference). Reached.

이때, pH 3에서 카르복실레이트(carboxylate)의 양성자 첨가가 이중층의 완벽한 접힘을 막을 수 있다고 유추할 수 있다. pH 10에서 나머지 산(acid) 작용기들은 탈양성자화(deprotonate)될 수 있고, 이것은 접힘 현상을 촉진할 수 있음을 유추할 수 있다.At this time, it can be inferred that protonation of carboxylate at pH 3 can prevent the complete folding of the bilayer. It can be inferred that at pH 10 the remaining acid functionalities can be deprotonated, which can promote folding.

time
(min)
time
(min)
curvature(m-1)curvature (m -1 )
pH 3pH 3 pH 7pH 7 pH 10pH 10 0.10.1 8282 6666 105105 1One 110110 9898 142142 22 136136 117117 169169 33 144144 129129 183183 44 161161 137137 196196 55 168168 148148 200200 66 172172 157157 209209 77 183183 164164 216216 88 189189 174174 225225 99 190190 182182 224224 1010 191191 187187 224224 1111 193193 195195 224224 1212 190190 199199 1313 190190 204204 1414 208208 1515 208208

time
(min)
time
(min)
22 navy blue 2navy blue 2 red 2red 2 55 navy blue 5 navy blue 5 red 5red 5
00 00 00 00 00 00 00 55 530530 341341 360360 360360 279279 246246 1010 11461146 784784 646646 932932 592592 566566 1515 20522052 14791479 11221122 17571757 866866 11371137 2020 30593059 25702570 15981598 23762376 10621062 14401440 2525 40454045 34423442 23922392 33293329 15711571 20132013 3030 45384538 43424342 29162916 41544154 18971897 24132413 3535 51175117 53625362 35513551 52975297 23412341 28232823 4040 56975697 59655965 40434043 56145614 27332733 30533053 4545 65676567 65446544 46624662 57735773 31643164 32333233 5050 72917291 71007100 49794979 59325932 34903490 33163316 5555 81618161 74727472 51705170 60906090 37643764 33363336 6060 90309030 78227822 53295329 62496249 40124012 33733373 7070 1033510335 82038203 57415741 64086408 43394339 34383438 8080 1120411204 85338533 61706170 65676567 46004600 34483448 9090 1221912219 87718771 63296329 67256725 47304730 35163516 100100 1323313233 88428842 64876487 68056805 48614861 35183518 110110 1410314103 88508850 65676567 68846884 49264926 35363536 120120 1497214972 89008900 65836583 68846884 49264926 35563556 150150 1642216422 89338933 65986598 68846884 49394939 36953695 180180 1743617436 90009000 65986598 70437043 49394939 37003700 210210 1801618016 90179017 66146614 70437043 49394939 37183718 240240 1859618596 90339033 66306630 70437043 49394939 37553755 300300 1874118741 90339033 66306630 70437043 49394939 37913791 360360 1874118741 90679067 66466646 70437043 49524952 37913791 480480 1874118741 91839183 66466646 70437043 49524952 38093809

실시예Example 3 - 하이드로젤3-hydrogel 액추에이터 Actuator

각각의 중합 용액은 중합이 수행되기 전에 층의 구별을 위해 네이비 블루색(navy blue) 및 빨간색(red) 분산염료를 이용하여 염색되었다.Each polymerization solution was dyed using navy blue and red dispersion dyes to distinguish the layers before the polymerization was performed.

0.34 wt% 의 가교제를 포함하는 첫번째 층을 준비했다(필름 2). 그 위에, 우리는 직접적으로 0.63 wt% 의 가교제를 포함하는 두번째 중합용액을 증착했다(필름 5). 그리고 0.25 wt% KPS의 존재 하에 같은 조건하에서 중합하였다. 이때, 첫번째 층은 패턴화된 이중층이 준비될때 유리 조각으로 덮인다. 또한, 두번째 용액은 조심스럽게 첫번째 층과 유리 뚜껑 사이의 간격에 주입되고, 그 후에 55 ℃의 온도에서 2시간동안 가열된다. 유리 몰드에서 빼내어 이중층 하이드로젤 액추에이터가 얻어지며, 부피는 2.8 cm × 0.2 cm × 0.3 cm이고, 비등방성 모양 변화를 나타낸다.A first layer was prepared comprising 0.34 wt% of crosslinker (film 2). On top of that, we directly deposited a second polymerization solution containing 0.63 wt% of crosslinking agent (film 5). And polymerized under the same conditions in the presence of 0.25 wt% KPS. The first layer is then covered with a piece of glass when the patterned bilayer is ready. In addition, the second solution is carefully injected into the gap between the first layer and the glass lid and then heated at a temperature of 55 ° C. for 2 hours. Pulled out of the glass mold to obtain a bilayer hydrogel actuator, with a volume of 2.8 cm × 0.2 cm × 0.3 cm, exhibiting anisotropic shape change.

하이드로젤 액추에이터의 첫번째 층(네이비 블루) 및 두번째 층(빨강)의 두께는 각각 1.3mm 및 0.7 mm 로 측정되었다.The thickness of the first layer (navy blue) and the second layer (red) of the hydrogel actuator was measured to be 1.3 mm and 0.7 mm, respectively.

정리하면, 유리 마스크로 패터닝하여 하이드로젤 액추에이터를 만들었다. 작은 유리들을 이용하여 두번째 층 중합 동안 첫번째 층(네이비 블루 필름 2; 크기 3 cm × 0.5 cm × 1.3 mm)을 패턴화하였고, 두번째 층인 작은 패치(빨강 필름 5; 크기, 0.5 cm × 0.5 cm × 0.7 mm)를 첫번째 층 위에 남겨두었다.In summary, patterning was done with a glass mask to create a hydrogel actuator. Small layers were used to pattern the first layer (navy blue film 2; size 3 cm × 0.5 cm × 1.3 mm) during the second layer polymerization, and the second layer, small patch (red film 5; size, 0.5 cm × 0.5 cm × 0.7) mm) was left on the first layer.

하이드로젤 액추에이터는 서로 다른 가교 밀도를 가진 이중층을 포함하며, 두번째 층은 증류수 내에서 전체 하이드로젤의 굽힘을 야기시킨다. 단단한 가교 결합을 가진 두번째 층에 비하여, 가교 결합이 느슨한 첫번째 층은 많은 물을 흡수하고 팽창한다. 따라서, 상대적으로 팽창비가 적은 첫번째 층과 팽창비가 큰 두번째 층과의 팽창비 차이로 인해 굽힘 현상이 일어나게 되는 것일 수 있다.Hydrogel actuators comprise bilayers with different crosslink densities, and the second layer causes the entire hydrogel to bend in distilled water. Compared to the second layer with tight crosslinks, the first layer with loose crosslinks absorbs and expands a lot of water. Therefore, bending may occur due to a difference in expansion ratio between the first layer having a relatively small expansion ratio and the second layer having a large expansion ratio.

하이드로젤 층들은 상호 침투가 가능하기 때문에 서로 밀접하게 들러붙었다. 이러한 상호침투는 두번째 중합 반응 동안, 두 층이 인접한 부분에서 생기게 된다.The hydrogel layers adhered closely to each other because they could penetrate each other. This interpenetration occurs during the second polymerization reaction in two adjacent portions.

실험예Experimental Example 6 - 회로 스위치 6-circuit switch

실시예 3에 따른 이중층 하이드로젤 액추에이터를 준비하고, 전자 회로 시험을 수행하였으며, 이를 도 15에 나타냈다.A double layer hydrogel actuator according to Example 3 was prepared and an electronic circuit test was performed, which is shown in FIG. 15.

도 15의 왼쪽 사진은 전류가 흐르기 전의 모습이고, 오른쪽 사진은 전류가 통하는 사진의 모습이다.The left picture of FIG. 15 is a picture before a current flows, and the right picture is a picture of a current.

도 15를 참조하면, 두개의 평행한 구리 판들 사이에 패턴화된 이중층 하이드로젤을 위치시키고, 악어클립을 사용하여 구리 판을 고정시켰다. 구리 판들은 LED 전구 및 건조한 전지 배터리와 연결되었다. Referring to FIG. 15, a patterned bilayer hydrogel was placed between two parallel copper plates and the copper plate was fixed using an alligator clip. The copper plates were connected with LED bulbs and dry cell batteries.

초반(0 min)에는 증류수 내에서 이중층 하이드로젤 액추에이터는 굽힘 현상이 일어나지 않아 전자회로가 열린 상태였으며, LED 전구(bulb)에 전류가 흐르지 않았다.At the beginning (0 min), the double-layer hydrogel actuator in the distilled water did not bend and the electronic circuit was opened, and no current flowed through the LED bulb.

그러나, 2분 후에 이중층 하이드로젤 액추에이터가 수중에서 굽힘 현상을 일으키면서 회로가 닫히기 시작했고, 전류가 흘러 LED 전구(bulb)에 빨간 불이 들어옴을 확인할 수 있다. 이때, 이중층 하이드로젤 액추에이터는 구리 판 길이의 1 cm 정도 안쪽에서 만져졌으며, 회로가 닫힌 것을 확인할 수 있다.However, two minutes later, the double layer hydrogel actuator bends in water and the circuit starts to close, and the LED bulb turns red when the current flows. At this time, the double-layer hydrogel actuator was touched from the inside of about 1 cm of the copper plate length, it can be seen that the circuit is closed.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

10: 아크릴 단량체 100: 하이드로젤 필름
200: 이중층 하이드로젤 210: 하이드로젤 액추에이터
10: acrylic monomer 100: hydrogel film
200: bilayer hydrogel 210: hydrogel actuator

Claims (11)

아크릴 단량체가 중합되어 3차원 망상 구조를 형성하고 있고, 가교 밀도가 조절되는 이중층의 하이드로젤(hydrogel)
을 포함하고,
상기 아크릴 단량체는,
아크릴산(acrylic acid)을 포함하고,
상기 하이드로젤은, 하기 구조식 1로 표시되고, 상기 아크릴산의 카르복실기(COO-)에 나트륨(Na+) 이온이 결합되어 있으며,
[구조식 1]
Figure 112019026433417-pat00021

상기 하이드로젤은 패턴화되어 있는,
하이드로젤 액추에이터(hydrogel actuator).
Acryl monomer is polymerized to form a three-dimensional network structure, and a double layer hydrogel having a controlled crosslinking density
Including,
The acrylic monomer,
Contains acrylic acid,
The hydrogel is represented by the following Structural Formula 1, and sodium (Na +) ions are bonded to the carboxyl group (COO-) of the acrylic acid,
[Formula 1]
Figure 112019026433417-pat00021

The hydrogel is patterned,
Hydrogel actuators.
제1항에서,
상기 하이드로젤은 라디칼 중합(radical polymerization)을 통해 가교 결합되어 있는 하이드로젤 액추에이터.
In claim 1,
The hydrogel is a hydrogel actuator that is cross-linked through a radical polymerization (radical polymerization).
삭제delete 삭제delete 제1항에서,
상기 중합은 개시제(initiator)인 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate, KPS)으로 인해 개시 반응이 진행되는 하이드로젤 액추에이터.
In claim 1,
The polymerization is a hydrogel actuator in which the initiation reaction proceeds due to the initiator (potassium persulfate, KPS).
제1항에서,
상기 하이드로젤은 가교 밀도가 다른 이중층을 포함하며, pH에 따라 곡률이 조절되는 하이드로젤 액추에이터.
In claim 1,
The hydrogel includes a bilayer having different crosslinking densities, and a hydrogel actuator having curvature adjusted according to pH.
아크릴산 단량체 용액을 제조하는 단계,
상기 단량체 용액에 수산화나트륨 용액을 첨가하는 단계,
상기 단량체 용액에 가교제 및 개시제를 첨가하여 중합 용액을 제조하는 단계,
템플릿에서 상기 중합 용액을 가열하여 하이드로젤을 형성시키는 단계,
상기 하이드로젤 상에 중합 용액을 패턴화된 몰드에 주입하고 이중층의 하이드로젤을 형성시키는 단계, 그리고
상기 이중층의 하이드로젤을 가열하여 중합시키는 단계
를 포함하고,
상기 가교제는 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Di(ethylene glycol) diacrylate)을 포함하는
하이드로젤 액추에이터의 제조방법.
Preparing an acrylic acid monomer solution,
Adding sodium hydroxide solution to the monomer solution,
Preparing a polymerization solution by adding a crosslinking agent and an initiator to the monomer solution,
Heating the polymerization solution in a template to form a hydrogel,
Injecting a polymerization solution onto the hydrogel into a patterned mold and forming a bilayer hydrogel; and
Heating the hydrogel of the bilayer to polymerize
Including,
The crosslinking agent includes diethylene glycol diacrylate (Di (ethylene glycol) diacrylate)
Method for producing a hydrogel actuator.
제7항에서,
상기 중합 용액을 제조하는 단계에서, 상기 가교제는 0.2wt% 내지 0.80wt%를 포함하며, 가교제의 양을 조절하여 서로 다른 가교 밀도를 가지는 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 액추에이터의 제조방법.
In claim 7,
In the step of preparing the polymerization solution, the crosslinking agent comprises 0.2wt% to 0.80wt%, the method of producing a hydrogel actuator comprising a hydrogel having a different crosslinking density by controlling the amount of the crosslinking agent.
삭제delete 제7항에서,
상기 개시제는 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate, KPS)을 포함하는 하이드로젤 액추에이터의 제조방법.
In claim 7,
The initiator is a method of producing a hydrogel actuator comprising potassium persulfate (KPS).
제7항에서,
상기 가열하는 단계에서, 55 ℃의 온도에서 2시간 동안 가열되어 중합되는 하이드로젤 액추에이터의 제조방법.
In claim 7,
In the heating step, a method of manufacturing a hydrogel actuator is heated by polymerization at a temperature of 55 ℃ for 2 hours.
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