KR102290930B1 - Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing - Google Patents

Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing Download PDF

Info

Publication number
KR102290930B1
KR102290930B1 KR1020200030152A KR20200030152A KR102290930B1 KR 102290930 B1 KR102290930 B1 KR 102290930B1 KR 1020200030152 A KR1020200030152 A KR 1020200030152A KR 20200030152 A KR20200030152 A KR 20200030152A KR 102290930 B1 KR102290930 B1 KR 102290930B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogel
mos
inorganic
healing
self
Prior art date
Application number
KR1020200030152A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김형우
이경민
Original Assignee
전남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020200030152A priority Critical patent/KR102290930B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102290930B1 publication Critical patent/KR102290930B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F20/00Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride, ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F20/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms, Derivatives thereof
    • C08F20/52Amides or imides
    • C08F20/54Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
    • C08F20/56Acrylamide; Methacrylamide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00Processes of polymerisation
    • C08F2/44Polymerisation in the presence of compounding ingredients, e.g. plasticisers, dyestuffs, fillers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/30Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00Use of pretreated ingredients
    • C08K9/08Ingredients agglomerated by treatment with a binding agent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/24Homopolymers or copolymers of amides or imides
    • C08L33/26Homopolymers or copolymers of acrylamide or methacrylamide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2810/00Chemical modification of a polymer
    • C08F2810/20Chemical modification of a polymer leading to a crosslinking, either explicitly or inherently

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Polymerisation Methods In General (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite, and more specifically, to a method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite, including the steps of: preparing an aqueous solution in which an acrylic monomer and a peroxide initiator are dissolved; adding inorganic flakes to the prepared aqueous solution; and reacting the aqueous solution to which the inorganic flakes are added at a predetermined temperature for a predetermined time.

Description

자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법{Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing}Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing

본 발명은 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 상기 무기물로 이황화몰리브덴(MoS2)을 이용하며 이때, 이황화몰리브덴(MoS2)은 산화 환원 반응의 환원제로 작용하여 아크릴계 모노머를 고분자로 성장시키고 고분자 사슬을 이어주는 가역적인 가교제 역할을 하며, 이를 통해 하이드로젤의 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention by self-healing is directed to a method of manufacturing the inorganic hydrogel nanocomposite possible, using molybdenum disulfide (MoS 2) as the inorganic material, and wherein, molybdenum disulfide (MoS 2) is acting as a reducing agent of the redox reaction an acrylic monomer To grow into a polymer and serve as a reversible cross-linking agent that connects polymer chains, and relates to a method for producing an inorganic hydrogel nanocomposite capable of self-healing of the hydrogel.

과거 1960년대 PHEMA(Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)) 하이드로젤이 개발된 이래 하이드로젤은 높은 친수성과 생체적합성으로 인하여 생체재료 분야에서 지속적인 관심을 받아왔다.Since the development of PHEMA (Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)) hydrogels in the 1960s, hydrogels have received continuous attention in the field of biomaterials due to their high hydrophilicity and biocompatibility.

하이드로젤이란 친수성 고분자가 물리적, 화학적인 방법으로 가교 되어 삼차원 망상구조를 가지는 구조물을 말하며, 용매에 용해되지 않으면서 일정 수준으로 다량의 물을 흡수하며 팽윤할 수 있다. Hydrogel refers to a structure in which a hydrophilic polymer is crosslinked by a physical and chemical method to have a three-dimensional network structure, and can be swelled by absorbing a large amount of water to a certain level without being dissolved in a solvent.

수팽윤된 하이드로젤은 세포 또는 조직과 유사한 함수율을 가지므로 생체재료 분야에 많이 이용되고 있다. Since the water-swelled hydrogel has a moisture content similar to that of cells or tissues, it is widely used in the field of biomaterials.

또한, 다공성 구조를 가지기 때문에 약물전달 및 세포전달의 매개체로 이용되고 있으며, 자극감응성 하이드로젤은 pH나 온도 등과 같은 여러 가지 외부 자극원에 의해 졸-젤 변화를 일으켜 빠른 시간 내에 만들 수 있어서 주로 주입형 약물전달 시스템으로 이용되고 있다.In addition, because it has a porous structure, it is used as a medium for drug delivery and cell delivery. Stimulus-sensitive hydrogels can be made in a short time by changing the sol-gel by various external stimuli such as pH or temperature, so they are mainly injected. It is used as a drug delivery system.

한편, 젤라틴, 키토산과 같은 천연 폴리머의 경우, 높은 생체 적합성을 갖고 있기 때문에 바이오 연구에서 활발히 이용되고 있다. On the other hand, natural polymers such as gelatin and chitosan are actively used in bioresearch because they have high biocompatibility.

하지만 보편적으로 연구되는 천연 폴리머 하이드로젤의 경우, 현저하게 낮은 기계적 강도와 취성을 갖고 있어 그 응용에 제약이 있어 이를 극복하기 위한 하이드로젤 제조법 연구가 활발히 연구되고 있다.However, in the case of a natural polymer hydrogel, which is commonly studied, it has remarkably low mechanical strength and brittleness, so there are limitations in its application.

현재, 폴리머 하이드로젤의 기계적 강도를 향상하기 위해서 탄소나노튜브 또는 그래핀 등과 같은 나노물질을 하이드로젤의 필러로 사용하는 연구가 진행되고 있다. Currently, in order to improve the mechanical strength of the polymer hydrogel, research using nanomaterials such as carbon nanotubes or graphene as a filler for the hydrogel is being conducted.

하지만 그래핀의 경우, 선형의 구조를 갖는 폴리머와 균일하게 섞이지 못하고, 수분산의 어려움을 갖기 때문에 하이드로젤 강도의 극적인 향상을 기대하기는 어려운 실정이다.However, in the case of graphene, it is difficult to expect a dramatic improvement in hydrogel strength because it cannot be uniformly mixed with a polymer having a linear structure and has difficulty in water dispersion.

본 발명의 실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 먼저 무기물로 이황화몰리브덴(MoS2)을 이용하여 아크릴계 모노머의 중합을 위한 산화 환원 개시를 유도하여 라디칼 형성을 촉진하고, 균일한 복합체의 형성으로 이어지는 비공유 가교점을 제공함으로써 외부자극(예를 들면 pH, 열 또는 빛) 또는 추가적인 화학적 가교제 없이 단일 단계 라디칼 중합을 통해 용이하고 신속하게 하이드로젤을 제조할 수 있는 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법 제공을 일 목적으로 한다.The self-healing method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention was devised to solve the above problems, and first , using molybdenum disulfide (MoS 2 ) as an inorganic material, oxidation for polymerization of an acrylic monomer It promotes radical formation by inducing reduction initiation and provides a non-covalent cross-linking point that leads to the formation of a homogeneous complex, allowing easy and rapid single-step radical polymerization without external stimulation (e.g., pH, heat or light) or additional chemical cross-linking agents. An object of the present invention is to provide a method for producing a hydrogel nanocomposite capable of producing a hydrogel.

또한, 본 발명은 전형적인 하이드로젤의 특성을 모두 가짐과 동시에 화학적으로 가교된 종래 하이드로젤보다 가단성 및 기계적 강도가 향상된 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법 제공을 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for preparing a hydrogel nanocomposite having all the characteristics of a typical hydrogel and having improved malleability and mechanical strength compared to conventional chemically crosslinked hydrogels.

아울러, 본 발명은 비공유 가교 결합의 가역적 성질을 가짐으로써 절단된 하이드로젤이 절단 전의 기계적 물성을 그대로 유지하도록 복원할 수 있는 자가치유 능력을 갖는 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법 제공을 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a method for producing a hydrogel nanocomposite having self-healing ability to restore the cleaved hydrogel to maintain the mechanical properties before cleavage by having the reversible property of non-covalent cross-linking It is another object. .

한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 아크릴계 모노머 및 과산화물 개시제가 용해된 수용액을 준비하는 단계, 준비된 상기 수용액에 무기질 플레이크를 첨가하는 단계 및 상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 일정온도에서 일정시간 동안 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.The method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing an aqueous solution in which an acryl-based monomer and a peroxide initiator are dissolved, and adding inorganic flakes to the prepared aqueous solution in order to achieve the above objects. and reacting the aqueous solution to which the inorganic flakes are added at a predetermined temperature for a predetermined time.

바람직하게 상기 아크릴계 모노머는 아크릴아미드이며, 상기 과산화물 개시제는 과황산칼륨(Potassium Persulfate(KPS))일 수 있다.Preferably, the acrylic monomer may be acrylamide, and the peroxide initiator may be potassium persulfate (KPS).

바람직하게 상기 무기질 플레이크는 MoS2이며, 상기 무기질 플레이크는 전체 wt% 대비 0.02 ~ 0.67wt%가 첨가될 수 있다.Preferably, the inorganic flakes are MoS 2 , and the inorganic flakes may be added in an amount of 0.02 to 0.67 wt% based on the total wt%.

바람직하게 상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 일정온도에서 일정시간 동안 반응시키는 단계는 25℃에서 48시간 동안 반응시킬 수 있다.Preferably, in the step of reacting the aqueous solution to which the inorganic flakes are added at a predetermined temperature for a predetermined time, the reaction may be performed at 25° C. for 48 hours.

본 발명의 실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention has the following excellent effects.

먼저, 무기물로 이황화몰리브덴(MoS2)을 이용하여 아크릴계 모노머의 중합을 위한 산화 환원 개시를 유도하여 라디칼 형성을 촉진하고, 균일한 복합체의 형성으로 이어지는 비공유 가교점을 제공함으로써 외부자극(예를 들면 pH, 열 또는 빛) 또는 추가적인 화학적 가교제 없이 단일 단계 라디칼 중합을 통해 용이하고 신속하게 하이드로젤을 제조할 수 있다.First, by using molybdenum disulfide (MoS 2 ) as an inorganic material to induce redox initiation for polymerization of acrylic monomers to promote radical formation, and to provide a non-covalent crosslinking point that leads to the formation of a uniform complex, external stimulation (for example, Hydrogels can be prepared easily and quickly through single-step radical polymerization without pH, heat or light) or additional chemical crosslinking agents.

또한, 본 발명은 전형적인 하이드로젤의 특성을 모두 가짐과 동시에 화학적으로 가교된 종래 하이드로젤보다 가단성 및 기계적 강도가 우수하다.In addition, the present invention has all of the characteristics of a typical hydrogel, and at the same time has superior malleability and mechanical strength than a conventional chemically cross-linked hydrogel.

아울러, 본 발명은 비공유 가교 결합의 가역적 성질을 가짐으로써 절단된 하이드로젤이 절단 전의 기계적 물성을 그대로 유지하도록 복원할 수 있는 자가치유 능력을 갖는 우수한 효과가 있다.In addition, the present invention has an excellent effect of having the self-healing ability to restore the cleaved hydrogel to maintain the mechanical properties before cleavage by having the reversible property of non-covalent cross-linking.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법의 전체 공정도다.
도 2는 도 1에 도시된 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법의 주요 반응에 대한 개략도다.
도 3은 산화 환원 개시를 통한 MoS2 함유 복합체 하이드로젤의 형성에 대한 젤화 테스트 결과를 나타내는 이미지(a)와 MoS2 함유량에 따른 하이드로젤 나노 복합체의 기계적 물성을 나타내는 그래프(b:압축응력변형곡선, c:하이드로젤 60% 변형률에서의 압축 탄성률, d:대조군 대비 압축응력변화)다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하이드로젤 복합체 형성의 동역학적 실험결과를 나타내는 그래프다.
도 5는 브로모페놀 블루(BPB:bromophenol blue)를 사용한 MoS2 및 KPS에 의한 라디칼 생성을 확인하는 이미지다.
도 6은 산화 환원 중합에 의해 유도된 MoS2의 상 전이에 대한 XPS분석결과를 나타내는 그래프다.
도 7은 산화 환원 개시 후 하이드젤 복합체(MoS2, 0.08wt%)의 미세 구조를 보여주는 이미지다.
도 8은 빛이 차단된 조건하에서 중합된 하이드로젤 복합체의 기계적 물성을 나타내는 그래프다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 하이드로젤 복합체의 자가치유 특성결과를 나타내는 이미지 및 그래프다.
1 is an overall process diagram of a method for manufacturing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of the main reaction of the method for preparing the inorganic hydrogel nanocomposite shown in FIG. 1 .
3 is an image (a) showing the gelation test result for the formation of a MoS 2 -containing composite hydrogel through redox initiation and a graph showing the mechanical properties of the hydrogel nanocomposite according to the MoS 2 content (b: compressive stress strain curve) , c: compressive elastic modulus at 60% strain of hydrogel, d: compressive stress change compared to control group).
4 is a graph showing the results of a kinetic test of the formation of a hydrogel complex according to an embodiment of the present invention.
5 is an image confirming the radical generation by MoS 2 and KPS using bromophenol blue (BPB: bromophenol blue).
6 is a graph showing the XPS analysis results for the phase transition of MoS 2 induced by redox polymerization.
7 is an image showing the microstructure of the hydride complex (MoS 2 , 0.08 wt%) after redox initiation.
8 is a graph showing the mechanical properties of the hydrogel composite polymerized under light blocking conditions.
9 is an image and graph showing the results of self-healing characteristics of the hydrogel composite according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The terms used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible, but in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant. should be taken into account to understand its meaning.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

이와 관련하며 먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법의 전체 공정도, 도 2는 도 1에 도시된 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법의 주요 반응에 대한 개략도, 도 3은 산화 환원 개시를 통한 MoS2 함유 복합체 하이드로젤의 형성에 대한 젤화 테스트 결과를 나타내는 이미지(a)와 MoS2 함유량에 따른 하이드로젤 나노 복합체의 기계적 물성을 나타내는 그래프(b:압축응력변형곡선, c:하이드로젤 60% 변형률에서의 압축 탄성률, d:대조군 대비 압축응력변화), 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하이드로젤 복합체 형성의 동역학적 실험결과를 나타내는 그래프, 도 5는 브로모페놀 블루(BPB:bromophenol blue)를 사용한 MoS2 및 KPS에 의한 라디칼 생성을 확인하는 이미지, 도 6은 산화 환원 중합에 의해 유도된 MoS2의 상 전이에 대한 XPS분석결과를 나타내는 그래프, 도 7은 산화 환원 개시 후 하이드젤 복합체(MoS2, 0.08wt%)의 미세 구조를 보여주는 이미지, 도 8은 빛이 차단된 조건하에서 중합된 하이드로젤 복합체의 기계적 물성을 나타내는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 하이드로젤 복합체의 자가치유 특성결과를 나타내는 이미지 및 그래프다.In this regard, first, FIG. 1 is an overall process diagram of a method for manufacturing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a main method of manufacturing an inorganic hydrogel nanocomposite shown in FIG. Schematic of the reaction, Figure 3 is an image showing the gelation test results for the formation of a MoS 2 -containing composite hydrogel through redox initiation (a) and a graph showing the mechanical properties of the hydrogel nanocomposite according to the MoS 2 content (b) : compressive stress strain curve, c: compressive elastic modulus at 60% strain of hydrogel, d: compressive stress change compared to control group) 5 is an image confirming radical generation by MoS 2 and KPS using bromophenol blue (BPB: bromophenol blue), FIG. 6 is an XPS analysis result for the phase transition of MoS 2 induced by redox polymerization Graph, Figure 7 is an image showing the microstructure of the hydrogel composite (MoS 2 , 0.08 wt%) after redox initiation, Figure 8 is a graph showing the mechanical properties of the hydrogel composite polymerized under light-blocked conditions, Figure 9 is an image and graph showing the results of self-healing characteristics of the hydrogel composite according to an embodiment of the present invention.

상기 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 아크릴계 모노머 및 과산화물 개시제가 용해된 수용액을 준비하는 단계(S100)를 포함한다. 1 and 2, the method for preparing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention includes preparing an aqueous solution in which an acrylic monomer and a peroxide initiator are dissolved (S100).

이때, 상기 아크릴계 모노머는 다양한 아크릴계 모노머를 이용할 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 아크릴마이드를 이용한다. In this case, as the acrylic monomer, various acrylic monomers may be used, but in an embodiment of the present invention, acrylamide is used.

한편, 상기 과산화물 개시제는 라디칼 중합을 시작하는데 사용되는 산화제로, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 과산화물 개시제는 과황산칼륨(Potassium Persulfate)을 이용한다.Meanwhile, the peroxide initiator is an oxidizing agent used to initiate radical polymerization, and in an embodiment of the present invention, potassium persulfate is used as the peroxide initiator.

한편, 상기 과황산칼륨은 화학식이 K2S2O8인 무기 화합물로, 과산화이황산칼륨 또는 KPS라고도하며, 차가운 물에는 드물게 용해되지만 따뜻한 물에는 더 잘 용해되는 흰색 고체의 물질을 의미한다.On the other hand, the potassium persulfate is an inorganic compound having a chemical formula of K 2 S 2 O 8 , also called potassium peroxide disulfate or KPS, and refers to a white solid material that is rarely soluble in cold water but more soluble in warm water.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 준비된 상기 수용액에 무기질 플레이크를 첨가하는 단계(S200)를 포함한다.On the other hand, the method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention includes adding inorganic flakes to the prepared aqueous solution (S200).

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 무기질 플레이크(flake)는 MoS2(이황화몰리브덴)이다.In this case, the inorganic flake according to an embodiment of the present invention is MoS 2 (molybdenum disulfide).

한편, 본 발명의 일실시 예에서 상기 MoS2(이황화몰리브덴)를 이용하는 이유는 MoS2(이황화몰리브덴)가 갖는 기계적 또는 전자적 특성으로 인해 mild condition 하에서 아크릴 아마드의 중합을 위한 산화 환원 개시를 유도하여 라디칼 형성을 촉진하고 균일한 복합 재료의 형성으로 이어지는 비공유 가교점을 제공함에 따라 하이드로젤 나노 복합체를 외부자극(pH, 열 또는 빛) 또는 추가적인 화학적 가교제없이 단일 단계 라디칼 중합을 통해 용이하게 제조될 수 있기 때문이다. On the other hand, the reason for using the MoS 2 (molybdenum disulfide) in an embodiment of the present invention is due to the mechanical or electronic properties of MoS 2 (molybdenum disulfide) by inducing redox initiation for polymerization of acrylamide under mild conditions to radically Hydrogel nanocomposites can be easily prepared through single-step radical polymerization without external stimuli (pH, heat or light) or additional chemical cross-linking agents, as they promote formation and provide non-covalent cross-linking points that lead to the formation of uniform composite materials. Because.

아울러, 상기 MoS2(이황화몰리브덴)를 이용함으로써 종래에 일반적으로 사용되는 화학적 가교제에 비해 우수한 탄성과 기계적 물성을 가지는 하이드로젤 나노 복합체를 제조할 수 있다.In addition, by using the MoS 2 (molybdenum disulfide), it is possible to prepare a hydrogel nanocomposite having superior elasticity and mechanical properties compared to a conventional chemical crosslinking agent.

한편, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 무기질 플레이크는 전체 wt% 대비 0.02 ~ 0.67wt%가 첨가된다.Meanwhile, in an embodiment of the present invention, 0.02 to 0.67 wt% of the inorganic flake is added based on the total wt%.

이처럼 무기질 플레이크의 wt%를 상술한 바와 같이 한정하는 이유는 0.02 wt% 미만의 MoS2를 사용하는 경우 불완전한 하이드로젤이 형성되었고, 0.67 wt% 초과의 MoS2를 갖는 하이드로젤은 탄성력이 없었고 완전한 압축이 되지 않는 문제가 있기 때문이다.The reason for limiting the wt% of the inorganic flakes as described above is that an incomplete hydrogel was formed when less than 0.02 wt% of MoS 2 was used, and the hydrogel having more than 0.67 wt% of MoS 2 had no elasticity and was completely compressed. Because there is a problem that does not work.

한편, 본 발명이 일실시 예에 있어서는 상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 초음파로 처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이는 무기질 플레이크는 층간 상호작용으로 인해 수성 조건하에서 초음파 처리하면 잘 분산되기 때문이다.On the other hand, in an embodiment of the present invention, the method may further include the step of ultrasonically treating the aqueous solution to which the inorganic flakes are added, which is because the inorganic flakes are well dispersed when sonicated under aqueous conditions due to interlayer interaction. .

한편, 본 발명의 일실시 에에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 일정온도에서 일정시간 동안 반응시키는 단계(S300)를 포함하며, 상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 일정온도에서 일정시간 동안 반응시키는 단계(S300)는 25℃에서 48시간 동안 반응시킨다.On the other hand, the method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention includes the step (S300) of reacting an aqueous solution to which the inorganic flakes are added at a certain temperature for a certain time (S300), wherein the inorganic flakes are In the step (S300) of reacting the added aqueous solution at a predetermined temperature for a predetermined time, the reaction is performed at 25° C. for 48 hours.

이때, 상술한 반응조건 하에서 상기 MoS2(이황화몰리브덴)와 KPS의 조합은 sulfate 라디칼 또는 hydroxyl 라디칼을 생성하며, 이는 아크릴아마드의 라디칼 중합을 개시할 수 있으며 특히, 상기 MoS2(이황화몰리브덴)는 추가적인 가교제를 필요로 하지 않으면서 가교를 유도하여 단일 복합체 하이드로젤을 생성한다. At this time, under the above reaction conditions, the combination of MoS 2 (molybdenum disulfide) and KPS generates a sulfate radical or a hydroxyl radical, which can initiate radical polymerization of acrylamide. In particular, the MoS 2 (molybdenum disulfide) is additionally Inducing crosslinking without the need for a crosslinking agent yields a single composite hydrogel.

한편, 첨가되는 상기 MoS2(이황화몰리브덴)의 양의 변화는 하이드로젤 나노 복합체의 기계적 성질을 변화시킬 수 있다. On the other hand, a change in the amount of the MoS 2 (molybdenum disulfide) added may change the mechanical properties of the hydrogel nanocomposite.

이에 본 발명에서는 KPS(0.02 mmol)가 있는 상태에서 물(2.5 ml)중 2.8M의 아크릴아마드로부터 하이드로젤을 형성하기 위한 MoS2의 농도를 시험하였으며, 그 결과 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 0.02~0.67wt% MoS2(0.5~2.5mg)를 사용하여 25℃에서 48시간 반응시키면 하이드로젤이 형성된다는 것을 확인하였다. Therefore, in the present invention, the concentration of MoS 2 to form a hydrogel from acrylamide of 2.8M in water (2.5 ml) in the presence of KPS (0.02 mmol) was tested, and the result is shown in (a) of FIG. As shown, it was confirmed that a hydrogel was formed when reacted at 25 ° C. for 48 hours using 0.02 ~ 0.67 wt% MoS 2 (0.5 ~ 2.5 mg).

한편, 이하에서는 도 3의 (b) 내지 (d)를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 하이드로젤 나노 복합체의 기계적 물성에 대한 시험결과에 대해 상세히 설명한다.Meanwhile, the test results for the mechanical properties of the hydrogel nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 3 (b) to (d).

이때, 시험에 사용한 원통형 샘플의 직경은 평균적으로 16mm이며, 높이는 13mm이다. At this time, the diameter of the cylindrical sample used for the test is 16 mm on average, and the height is 13 mm.

그리고 탄성률은 초기 선형 영역으로부터 얻어졌으며, 0.02 ~ 0.08 wt%의 농도로 첨가된 MoS2가 높을수록 더 높은 탄성률을 나타내었다.And the elastic modulus was obtained from the initial linear region, and the higher the MoS 2 added at a concentration of 0.02 to 0.08 wt%, the higher the elastic modulus was.

이는 젤라틴 또는 아가로스젤과 비슷한 성질을 보였다. It showed properties similar to gelatin or agarose gel.

한편, 최고점을 초과한 후 탄성률은 점진적으로 감소하였고 0.67 wt%에서 0.03 MPa에 도달하였다. On the other hand, after exceeding the peak, the elastic modulus gradually decreased and reached 0.03 MPa at 0.67 wt%.

이를 통해 첨가된 MoS2에 의해 야기된 가교점의 증가가 기계적 강도를 향상시켜 우수한 기계적 물성을 가지는 하이드로젤을 생성하다는 것을 확인활 수 있다.Through this, it can be confirmed that the increase in the cross-linking point caused by the added MoS 2 improves the mechanical strength to produce a hydrogel having excellent mechanical properties.

다만, 무기질 flake의 과도한 첨가는 하이드로젤 네트워크의 탄성을 방해하였고 그 결과 다소 약한 하이드로젤을 초래하였으며 이는 중합 동안 매트릭스에서 나노시트의 응집 또는 재적 층에 기인한다. However, excessive addition of inorganic flakes disturbed the elasticity of the hydrogel network, resulting in a rather weak hydrogel, which is due to the aggregation or re-stacking of the nanosheets in the matrix during polymerization.

그럼에도 불구하고, 모든 하이드로젤 중 하나는 MoS2의 양에 관계없이 load-unload cycle 동안 85% 변형률 동안 여전히 완전히 압축 가능하다. Nevertheless, one of all hydrogels is still fully compressible during 85% strain during the load-unload cycle, regardless of the amount of MoS 2 .

한편, 60 %의 변형률에서 하이드로젤의 압축 응력을 비교할 때, 본 발명은 탄성률의 경우와 같이 비슷한 경향을 찾을 수 있었으며, 하이드로젤의 큰 변형은 무기질 플레이크를 둘러싸는 점탄성 poly(acrylamide) 기반 매트릭스의 재결합을 가능하게 하는 비공유 가교점에 기인한 것임을 확인할 수 있다.On the other hand, when comparing the compressive stress of the hydrogel at a strain of 60%, the present invention could find a similar trend as in the case of the elastic modulus, and the large deformation of the hydrogel was the result of the viscoelastic poly(acrylamide)-based matrix surrounding the inorganic flakes. It can be confirmed that it is due to a non-covalent cross-linking point that enables recombination.

한편, N,N′methylenebis(acrylamide)(MBA)를 사용하여 대조군 하이드로젤을 60℃에서 MoS2 투입없이 제조하였다(도 3 (c) 및 (d)의 오렌지색). On the other hand, using N,N′methylenebis(acrylamide)(MBA), a control hydrogel was prepared at 60° C. without MoS 2 input (orange in FIGS. 3 (c) and (d)).

상기 도를 참조하면 MBA의 양이 0.03에서 0.16 wt%로 증가함에 따라 하이드로젤의 toughness가 선형적으로 증가하였고, 0.16 wt% 이상의 MBA가 사용 되었을때 탄성 하이드로젤 대신 매우 단단한 하이드로젤을 얻었으며, 이러한 현상은 원인 비가역적인 공유결합에 기인한다.Referring to the above figure, as the amount of MBA increased from 0.03 to 0.16 wt%, the toughness of the hydrogel increased linearly, and when more than 0.16 wt% of MBA was used, a very hard hydrogel was obtained instead of an elastic hydrogel, This phenomenon is caused by irreversible covalent bonding.

이하에서는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 하이드로젤 나노 복합체의 인장시험 결과에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the tensile test results of the hydrogel nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 이를 위해 하이드로젤 필름(크기: 40mm x 10mm x 1.3mm)을 제조하였으며 하이드로젤의 인장 강도는 압축 시험과 마찬가지의 양상을 보였다. First, a hydrogel film (size: 40mm x 10mm x 1.3mm) was prepared for this, and the tensile strength of the hydrogel showed the same aspect as the compression test.

이에 대해 상세히 설명하면, MoS2의 양이 많을수록 0.08wt%까지 하이드로젤의 인장 탄성률이 높아지고, 0.08wt%이상의 MoS2가 첨가될 때는 탄성율은 감소한다. This will be described in detail on, the more the amount of MoS 2 increases the tensile modulus of the hydrogel to 0.08wt%, 0.08wt% MoS 2 or more when the elastic modulus to be added is reduced.

이때, 최대 탄성률은 0.06MPa로 나타났으며 높은 연신율(strain to fracture, 1110%; toughness, 0.6 MJm-3)을 나타냈다. At this time, the maximum modulus of elasticity was 0.06 MPa, and high elongation (strain to fracture, 1110%; toughness, 0.6 MJm -3 ) was exhibited.

MoS2는 일반적인 화학 가교제와 달리 하이드로젤 첨가제로서 존재하면서 라디칼의 생성을 촉진하고 동시에 물리적 가교를 유발하며 복합체 하이드로젤이 1단계 실온 제조를 제공한다. Unlike general chemical crosslinking agents, MoS 2 exists as a hydrogel additive and promotes radical generation and at the same time induces physical crosslinking, and the composite hydrogel provides one-step room temperature preparation.

한편, 젤화는 MoS2가 없는 KPS의 존재 하에서만 발생하지 않았으며, 이는 MoS2와 KPS간의 반응으로 생성된 라디칼이 하이드로젤 네트워크의 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 입증한다. On the other hand, gelation is has not occurred only in the presence of MoS 2 is not KPS, which demonstrate that the radical generated by the reaction between MoS 2 and the KPS play an important role in the formation of a hydrogel network.

또한, KPS 및 MoS2의 존재 하에서 동일한 조건 하에서 아크릴 아미드 단량체 대신 상용 선형 폴리(아크릴 아미드) (Mn, 150 kDa; 200 mg / mL)를 혼입하면 하이드로 겔을 수득 할 수 없었으며, 이는 본래의 MoS2의 표면 작용기가 비공유 가교에 거의 영향을 미치지 않음을 의미한다. In addition, KPS, and instead of the acrylic monomer under the same conditions in the presence of MoS 2 Commercial linear poly (acrylamide) (Mn, 150 kDa; 200 mg / mL) when mixed with it was unable to obtain a hydrogel, which is the original MoS2 It means that the surface functional group of the has little effect on the non-covalent crosslinking.

이하에서는 상기 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 하이드로젤 나노 복합체의 동역학적 시험결과에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the kinetic test results of the hydrogel nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4 .

이와 관련하여 먼저, 도 4의 (a)는 0.1% 변형률에서 다양한 양의 MoS2(0.03~0.33wt%)를 첨가한 후, 아크릴아마드 수용액(2.8M)과 KPS(단량체 대비 0.3mol%)에 대한 dynamic time sweep 그래프이고, (b)는 동일한 조건 하에서 측정된 0.08wt% MoS2의 경우 및 MoS2가 없는 대조 시험군에 대한 rheometer(닫힌 원과 열린 원은 각각 storage 및 loss modulus를 나타내며 삽입 된 부분은 겔화 중 온도 변화(분홍색)를 나타냄)이며, (c)는 겔화 동안 상이한 시간 간격으로 측정된 압축 응력-변형 곡선(MoS2, 0.08wt%)을 나타내며 이때, 삽입된 그림은 시간이 경과함에 따른 탄성률의 변화를 나타낸다.In this regard, first, (a) of FIG. 4 shows that after adding various amounts of MoS 2 (0.03 to 0.33 wt%) at 0.1% strain, acrylamide aqueous solution (2.8M) and KPS (0.3 mol% compared to the monomer) is a dynamic time sweep graph, (b) is a rheometer for the control test group without MoS 2 and for 0.08 wt% MoS 2 measured under the same conditions (closed circles and open circles represent storage and loss modulus, respectively, and are inserted The part shows the temperature change (pink) during gelation), and (c) shows the compressive stress-strain curves (MoS 2 , 0.08 wt%) measured at different time intervals during gelation, with the inset plotted over time. It shows the change in the elastic modulus according to the

한편, 도 4의 도시된 측정결과는 1rad/s, 상온에서 oscillatory rheometer를 사용하여 측정하였으며, 상기 도 4를 참조하면, MoS2가 많을수록 storage modulus가 빠른 속도로 증가하였고 이는 중합 용액의 빠른 젤화를 의미한다.Meanwhile, the measurement results shown in FIG. 4 were measured using an oscillatory rheometer at 1 rad/s and room temperature. Referring to FIG. 4, as the amount of MoS 2 increased, the storage modulus increased at a faster rate, which resulted in faster gelation of the polymerization solution. it means.

한편, 0.05wt% 미만의 MoS2가 사용되는 경우, 초기 10분 동안 젤화가 제대로 발생하지 않은 반면, 0.33wt%를 초과할 경우 젤화가 측정하기에는 너무 빨랐으며, Storage ,loss modulus의 교차점에 의해 추정된 젤화 시간의 MoS2함량이 증가함에 따라 기하 급수적으로 감소하였다.On the other hand, when less than 0.05 wt% of MoS 2 was used, gelation did not occur properly during the initial 10 minutes, whereas when it exceeded 0.33 wt%, gelation was too fast to measure, estimated by the intersection of the storage and loss modulus. The gelation time decreased exponentially as the MoS 2 content increased.

한편, 가장 높은 탄성률을 나타내는 0.08wt% MoS2를 갖는 나노 복합체의 형성이 추가로 조사되었다.On the other hand, the formation of a nanocomposite having 0.08 wt% MoS 2 showing the highest modulus of elasticity was further investigated.

겔화 점은 220초의 교차점에 나타 났으며, 이는 용액이 점탄성을 가지기 시작했음을 나타낸다.A gelation point appeared at the intersection of 220 s, indicating that the solution started to have viscoelasticity.

이후에, 저장 모듈러스는 시간이 경과함에 따라 기하 급수적으로 증가하였다 (도 4(b) 검정색). Thereafter, the storage modulus increased exponentially with time (Fig. 4(b) black).

또한, 용액의 온도 변화를 측정하였으며 10분 이내에 초기 단계에서 온도는 48℃까지 급격히 상승하고 짧은 시간 내에 냉각되었는데, 이는 아마도 도 4(b)의 삽입에서 볼 수 있듯이 Trommsdorff 효과에 의해 발생한 것으로 예상된다, In addition, the temperature change of the solution was measured, and in the initial stage within 10 minutes, the temperature rose rapidly to 48 °C and cooled within a short time, which is probably caused by the Trommsdorff effect as shown in the inset of Fig. 4(b). ,

이는 공유 결합 구조의 급속한 형성을 나타내며 이와는 대조적으로 MoS2가 없는 control 용액은 측정 중 25℃에서 같은 조건에서 loss modulus가 storage modulus보다 1.6배 더 큰 것으로 확인되었다는 점에서 액체형 반응만 보였다(도 4의(b)하늘색).This indicates the rapid formation of a covalent bond structure. In contrast, the control solution without MoS 2 showed only a liquid reaction in that the loss modulus was found to be 1.6 times larger than the storage modulus under the same conditions at 25 ° C during the measurement (Fig. 4). (b) light blue).

이는 산화 환원 라디칼 개시 및 수반되는 가교에서 하이드로젤 네트워크를 형성하는 MoS2의 이중 역할을 추가적으로 증명한다.This further demonstrates the dual role of MoS 2 in forming the hydrogel network in redox radical initiation and concomitant crosslinking.

한편, 하이드로젤의 반응 시간에 따른 압축 곡선의 변화는 도 4의 (c)에 도시 된 바와 같이 MoS2 (0.08wt%) 및 KPS (단량체 대비 0.3mol%)의 산화 환원 반응 시작 후에 모니터링되었으며, 25℃도에서 반응 시작후 3분 후에 0.01MPa의 낮은 압축 탄성률을 나타내는 유형의 원통형 하이드로젤을 얻을 수 있었다. On the other hand, the change of the compression curve according to the reaction time of the hydrogel was monitored after the start of the redox reaction of MoS 2 (0.08 wt%) and KPS (0.3 mol% compared to the monomer), as shown in Fig. 4(c), A type of cylindrical hydrogel exhibiting a low compressive modulus of 0.01 MPa was obtained after 3 minutes from the start of the reaction at 25°C.

그 후, 탄성률은 빠르게 증가하여 6시간 내에 0.05MPa에 도달하였다.(도4의 (c)). After that, the elastic modulus increased rapidly and reached 0.05 MPa within 6 hours (Fig. 4(c)).

반대로 네트워크에 흡수된 에너지를 나타내는 toughness은 60%의 변형률 하에서 측정했을 때 48시간에 걸쳐 2.4에서 17.4KJm-3으로 점차 증가하였다(도 4의(c)). Conversely, the toughness representing the energy absorbed by the network gradually increased from 2.4 to 17.4 KJm -3 over 48 hours when measured under 60% strain (Fig. 4(c)).

이는 라디칼 중합을 통한 공유 구조 및 MoS2 플레이크에서 2차 비공유 구조의 꾸준한 발생을 의미한다.This means the steady generation of covalent structures and secondary non-covalent structures in MoS 2 flakes through radical polymerization.

한편, 상기 도 5를 참조하면 본 발명의 실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 MoS2와 KPS가 혼합된 수용액에서 라디칼 생성을 확인할 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 5 , in the method for preparing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention, radical generation can be confirmed in an aqueous solution in which MoS 2 and KPS are mixed.

상술한 라디칼 생성 확인을 위해 색의 뚜렷한 대비로 표시되는 자유 라디칼을 제거하는 발색 라디칼 지시제인 브로모페놀 블루(bromophenol blue:BPB)를 사용하였다(도 5의 (a)참조). In order to confirm the above-mentioned radical generation, bromophenol blue (BPB), which is a color-forming radical indicator that removes free radicals displayed in clear color contrast, was used (see FIG. 5(a)).

한편, 상기 도 5의 (b)를 참조하면 염료의 수용액(7.8μM, 2.5mL) UV-Vis 분광법에 의해 측정될 때 590nm에서 최대 흡수를 나타으며, 25℃에서 6시간 동안 MoS2 (0.08wt%) 및 KPS(0.02mmol)의 혼입 후, 용액이 완전히 무색이 되어 산화 환원 반응을 통한 라디칼 형성을 가시화하였다.On the other hand, referring to FIG. 5 (b), an aqueous solution of the dye (7.8 μM, 2.5 mL) shows the maximum absorption at 590 nm when measured by UV-Vis spectroscopy, and MoS 2 (0.08 wt) for 6 hours at 25 ° C. %) and KPS (0.02 mmol), the solution became completely colorless to visualize radical formation through redox reaction.

이에 따라, 590nm에서 BPB의 흡수 피크도 사라졌다.Accordingly, the absorption peak of BPB at 590 nm also disappeared.

이때, 기저면 또는 가장자리의 MoS2(불포화 Mo)의 sulfur 빈자리와 같은 결함에서의 KPS로의 전자 이동이 수성 조건 하에서 발생하며 이는 주로 물로 옮겨지고 하이드록실 라디칼과 함께 황산 라디칼을 생성한다고 가정한다.At this time, it is assumed that electron transfer to KPS from defects such as sulfur vacancies of MoS 2 (unsaturated Mo) on the basal surface or edge occurs under aqueous conditions, which are mainly transferred to water and generate sulfuric acid radicals together with hydroxyl radicals.

대조적으로, 각 성분의 단일첨가는 예상대로 BPB 용액의 색을 변화시키지 않았으며, 이는 라디칼의 부재를 의미한다.In contrast, single addition of each component did not change the color of the BPB solution as expected, indicating the absence of radicals.

한편, MoS2를 첨가한 후, 약간의 흡수 강도 감소가 발견되었으며, 이는 무기질 플레이크 표면상 발색단의 물리적 흡착에 기인한다. On the other hand, after adding MoS 2 , a slight decrease in absorption intensity was found, which is due to the physical adsorption of the chromophore on the surface of the inorganic flakes.

한편, KPS함유 샘플은 25℃에서도 색 변화를 나타내지 않았으나, 일단 60℃까지 가열하면 자유 라디칼을 형성하는 KPS의 열분해 때문에 측정 용액은 쉽게 투명해졌다. On the other hand, the KPS-containing sample showed no color change even at 25 °C, but once heated to 60 °C, the measurement solution became easily transparent due to thermal decomposition of KPS to form free radicals.

한편, 산화 환원 중합에 의해 유도된 MoS2의 상 전이에 대한 XPS분석결과를 나타내는 도 6을 참조하면, 초기 bulk MoS2는 deconvolution후 233.2 및 230.1eV에서 Mo 3d 피크 및 164.2 및 162.9eV에서 S 2p 피크를 나타내었으며, 이는 반도체 성 2H phase를 나타낸다.On the other hand, referring to FIG. 6 showing the XPS analysis results for the phase transition of MoS 2 induced by redox polymerization, the initial bulk MoS 2 has Mo 3d peaks at 233.2 and 230.1 eV and S 2p at 164.2 and 162.9 eV after deconvolution. peak, indicating a semiconducting 2H phase.

한편, Mo 3d(232.2 및 229.3eV)와 S 2p(163.7 및 162.3eV)에 해당하는 XPS 피크가 나타났다는 점을 감안하여 금속 1T phase의 미량도 확인되었으며, Mo 3d 피크의 비교를 바탕으로 5%로 추정되었다.On the other hand, considering that XPS peaks corresponding to Mo 3d (232.2 and 229.3 eV) and S 2p (163.7 and 162.3 eV) appeared, trace amounts of metal 1T phase were also confirmed, and based on the comparison of Mo 3d peaks, 5% was estimated as

한편, KPS의 추가는 급진적인 개시 이후 1T phase의 양을 약간 증가시켰다.On the other hand, addition of KPS slightly increased the amount of 1T phase after radical initiation.

이는 전자 이동 동안 생성된 라디칼 종은 반응성 라디칼 중간체를 안정화시킬 수 있는 기질과의 상호작용으로 인해 MoS2의 표면에 단단이 결합될 수 있을뿐만 아니라, 또한 원자 평면 활공을 유도할 수 있다. This means that radical species generated during electron transfer can not only be tightly bound to the surface of MoS 2 due to the interaction with the substrate, which can stabilize reactive radical intermediates, but also induce atomic plane glide.

이러한 평면 활공은 상기 도 6의 중앙에 표시된 것처럼 위상 전이를 유도하고 10% 1T phase를 형성시켰다. This planar glide induced a phase transition and formed a 10% 1T phase as indicated in the center of FIG. 6 .

아크릴 아미드의 산화 환원 중합은 상 전이를 현저하게 유발 시켰으며, 따라서 1T phase은 45 %로 증가하여 MoS2의 결합 에너지의 적색 이동을 보여주었다(도 5의 하부). Redox polymerization of acrylamide significantly induced a phase transition, and thus the 1T phase increased to 45%, showing a red shift of the binding energy of MoS 2 (bottom of FIG. 5).

표면 결합 라디칼은 물리적 가교점을 제공하고 중합체 사슬 사이의 분자 내 상호 작용 또는 입체 장애가 내부 변형을 일으키고 MoS2의 상 전이를 촉진하는 하이드로젤 네트워크를 형성하는 것으로 간주되며, 반응 후 288 eV에서 C 1에 대한 특정 XPS 피크가 발생하며 이는 폴리(아크릴아미드) 네트워크의 형성을 의미한다.It is considered that the surface-bound radicals provide a physical crosslinking point and form a hydrogel network where intramolecular interactions or steric hindrances between polymer chains cause internal transformation and promote the phase transition of MoS 2 , and C 1 at 288 eV after reaction A specific XPS peak occurs for , indicating the formation of a poly(acrylamide) network.

반대로 복합 하이드로젤 형성되지 않은 성형 폴리(아크릴 아미드)를 갖는 대조군 샘플에서 MoS2의 상은 변하지 않았고, 이는 라디칼 흡착 및 순차적인 중합을 중요성을 추가로 증명한다. In contrast, the phase of MoS 2 did not change in the control sample with molded poly(acrylamide) without composite hydrogel formation, further demonstrating the importance of radical adsorption and sequential polymerization.

한편, 산화 환원 개시 후 하이드젤 복합체(MoS2, 0.08wt%)의 미세 구조를 보여주는 이미지인 도 7을 참조하면, 0℃에서 48시간 동안 동결 건조할 때, 건조된 네트워크는 일반적인 하이드로 겔 네트워크에서와 같이 전체 다공성 구조를 갖는 것으로 밝혀졌다. On the other hand, referring to FIG. 7, which is an image showing the microstructure of the hydrogel complex (MoS 2 , 0.08 wt%) after redox initiation, when freeze-dried at 0 ° C. for 48 hours, the dried network is a typical hydrogel network. It was found to have an overall porous structure as

기공 직경은 SEM에 의해 측정된 0.6 내지 2μm의 범위였다(도 7의 (a)참조).The pore diameter ranged from 0.6 to 2 μm as measured by SEM (see Fig. 7(a)).

한편, TEM을 통해 중합 후 MoS2 플레이크를 추가로 확인하였다(도 7의 (b)참조). On the other hand, MoS 2 flakes were further confirmed after polymerization through TEM (see Fig. 7 (b)).

한편, 시험용 샘플을 제조할 때 의도적으로 아크릴아미드 수용액(0.3M, 2.5mL)을 희석하여 전체 겔화를 방해하였으며 이후, 이전에 사용된 것과 동일한 양의 MoS2(0.08wt%) 및 KPS(0.02mmol)를 첨가하였다.On the other hand, when preparing the test sample, the acrylamide aqueous solution (0.3M, 2.5mL) was intentionally diluted to disturb the overall gelation, and then the same amount of MoS 2 (0.08wt%) and KPS (0.02mmol) as previously used. ) was added.

25℃에서 48 시간 동안 교반하고 여과로 격렬하게 세척한 후, 폴리 (아크릴아미드)로 덮인 개별 플레이크를 관찰할 수 있었으며 이는 하이드로 겔 네트워크 형성을 위해 MoS2 나노 플레이트에서 주로 가교가 발생함을 나타낸다.After stirring at 25 °C for 48 h and washing vigorously by filtration, individual flakes covered with poly(acrylamide) could be observed, indicating that crosslinking mainly occurred in MoS 2 nanoplates for hydrogel network formation.

한편, 빛이 차단된 조건하에서 중합된 하이드로젤 복합체의 기계적 물성을 나타내는 그래프인 도 8을 참조하면, 호일로 반용기가 차단된 어두운 조건의 25℃에서 48시간 동안 반응시키면 동일한 기계적 물성을 나타내는 하이드로젤을 수득할 수 있었다. On the other hand, referring to FIG. 8, which is a graph showing the mechanical properties of the hydrogel composite polymerized under a condition in which light is blocked, the hydrogel exhibiting the same mechanical properties when reacted for 48 hours at 25° C. under dark conditions in which the semi-container is blocked with foil could be obtained.

이는 빛에 의한 라디칼 형성이 하이드로젤 형성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. This means that radical formation by light does not significantly affect hydrogel formation.

한편, 다양한 복합 하이드로젤을 형성하기 위해 다른 종류의 단량체를 시험하였다.Meanwhile, different types of monomers were tested to form various complex hydrogels.

이에 대한 시험 예시로 200mg/mL 농도의 N, N- 디메틸 아크릴 아미드(DMA)를 사용하여 매우 부드러운 하이드로젤을 제조하였으며 이의 탄성률은 평균 8.1kPa로 측정되었고 이는 아크릴아마드 하이드로젤(~ 0.05MPa)의 값보다 훨씬 낮았다.As a test example for this, a very soft hydrogel was prepared using N,N-dimethyl acrylamide (DMA) at a concentration of 200 mg/mL. much lower than the value.

이는 고효율 수소 결합을 유발하는 아크릴아미드가 DMA와 비교하여 중합 될 때 더 강한 복합 하이드로젤을 초래했다고 추정된다.It is presumed that acrylamide, which induces high-efficiency hydrogen bonding, resulted in stronger composite hydrogels when polymerized compared to DMA.

물속에서 동일한 농도의 1 : 1 아크릴아미드 -DMA (w/w)의 공중합은 또한 하이드로젤을 형성하였다. Copolymerization of the same concentration of 1:1 acrylamide-DMA (w/w) in water also formed hydrogels.

탄성 계수는 평균 0.02MPa 인 것으로 밝혀졌으며, 이는 두 성분의 포함을 나타내는 개별 하이드로젤의 값 사이에 있었다.The modulus of elasticity was found to be an average of 0.02 MPa, which was between the values of the individual hydrogels indicating the inclusion of the two components.

한편, 이하에서는 상기 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 하이드로젤 복합체의 자가치유 특성에 대해 상세히 설명한다.Meanwhile, the self-healing properties of the hydrogel composite according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to FIG. 9 .

먼저, 자가치유 특성 규명을 위해 0.08wt% MoS2 및 0.02mmol KPS를 사용하여 하이드로젤 나노 복합체 필름을 유사하게 제조한 후, 이를 절반으로 절단하였다. First, a hydrogel nanocomposite film was prepared similarly using 0.08 wt% MoS 2 and 0.02 mmol KPS for self-healing characterization, and then cut in half.

절단된 하이드로젤 필름은 각각 2.75cm × 0.8cm × 0.1cm로 절단되었고, 추가로 증류수에 1시간 동안 침지하여 잔류 모노머와 과산화물 개시제를 제거하였다.The cut hydrogel film was cut into 2.75 cm × 0.8 cm × 0.1 cm, respectively, and further immersed in distilled water for 1 hour to remove residual monomer and peroxide initiator.

시각적으로 선명하게 하기 위해 1개의 필름을 메틸렌블루(0.2mM, 10mL) 용액에 잠깐 침지시켜 청색으로 염색한 후, 물로 다시 짧게 세척하였다. For visual clarity, one film was briefly immersed in a methylene blue (0.2 mM, 10 mL) solution to dye blue, and then briefly washed again with water.

이후 70℃에서 3시간 동안 열처리한 후, 네트워크에서 물리적 가교의 고유 한 탄성과 가역성으로 인해 두 필름의 말단이 서로 고정되어 있음을 확인하였다.After heat treatment at 70 °C for 3 hours, it was confirmed that the ends of the two films were fixed to each other due to the inherent elasticity and reversibility of physical crosslinking in the network.

상기 자가치유 되어 고정된 필름의 길이변화는 무시해도될 정도(8% 미만) 이며, 도 9의 (a)와 같이 절단되기 전의 샘플 필름과 비슷한 물성이 나타났다. The change in length of the self-healing and fixed film was negligible (less than 8%), and properties similar to those of the sample film before cutting were shown as shown in FIG. 9(a).

한편, 가열 공정은 중합체 사슬의 이동성을 증가시키고 MoS2 sheet 상의 물리적 가교점의 교환을 촉진하여 하이드로젤 복합체의 치유 특성을 유발하는 데 필수적인 것으로 여겨졌다. On the other hand, the heating process was considered essential to induce the healing properties of the hydrogel composite by increasing the mobility of the polymer chain and promoting the exchange of the physical cross-linking point on the MoS 2 sheet.

염료 분자의 일부가 절단된 다른 면으로 확산되는 것은, 가열 과정 동안 계면에서 물리적 가교점의 내부 교환을 통해 2개의 절단 필름이 자가치유가 된다는 것을 보여준다. The diffusion of some of the dye molecules to the other cleaved side shows that the two cleaved films self-heal through internal exchange of physical cross-linking points at the interface during the heating process.

한편, 치유된 하이드로젤의 탄성률와 ultimate strength은 70%가 회복되었고 toughness는 83%가 회복되었다. On the other hand, the elastic modulus and ultimate strength of the cured hydrogel were recovered by 70% and toughness by 83%.

반면, maximum strain at the fracture은 비슷한 것으로 측정되었는데, 이는 치유 과정에서 약간의 결함이나 핀홀이 형성되어 샘플의 기계적 강도가 약간 감소함을 의미한다.On the other hand, the maximum strain at the fracture was measured to be similar, which means that some defects or pinholes were formed during the healing process, which resulted in a slight decrease in the mechanical strength of the sample.

그러나, 자가치유된 필름은 여전히 절단 전의 필름과 같이 가단성이 있었으며, 이는 구조적 결함을 나타내지 않고 손으로 800% 이상 반복적으로 신장될 수 있다(도 9의 (c)참조). However, the self-healing film was still as malleable as the film before cutting, which could be repeatedly stretched over 800% by hand without showing structural defects (see Fig. 9(c)).

한편, 유사한 기계적 성능을 보이는 절단된 control 하이드로젤 필름(MBA. 0.16wt%) 2개를 대조군으로 준비한 후, 동일한 열처리 과정을 수행하였다.On the other hand, after preparing two cut control hydrogel films (MBA. 0.16 wt%) showing similar mechanical performance as a control, the same heat treatment process was performed.

그러나, 상기 대조군 필름은 가열에 의한 자가치유 특성을 보이지 않았고, 이는 물리적 crosslinking points 교환이 가능한 MoS2의 결정적인 역할을 밝히는 중요한 결과이다.However, the control film did not show self-healing properties by heating, which is an important result revealing the decisive role of MoS 2 capable of exchanging physical crosslinking points.

더욱이 MoS2가 포함된 복합체 필름과 control 필름 사이의 경계면은 서로 결합되지 않았는데 이는 결합 교환이 이루어지지 않았기 때문이다.Moreover , the interface between the composite film containing MoS 2 and the control film was not bonded to each other because bond exchange was not made.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법은 먼저, 무기물로 이황화몰리브덴(MoS2)을 이용하여 아크릴계 모노머의 중합을 위한 산화 환원 개시를 유도하여 라디칼 형성을 촉진하고, 균일한 복합체의 형성으로 이어지는 비공유 가교점을 제공함으로써 외부자극(예를 들면 pH, 열 또는 빛) 또는 추가적인 화학적 가교제 없이 단일 단계 라디칼 중합을 통해 용이하고 신속하게 하이드로젤을 제조할 수 있다.As a result, in the method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite according to an embodiment of the present invention, first, an inorganic molybdenum disulfide (MoS 2 ) is used to induce redox initiation for polymerization of acrylic monomers to form radicals. By providing a non-covalent cross-linking point leading to the formation of a homogeneous complex and promoting there is.

또한, 본 발명은 전형적인 하이드로젤의 특성을 모두 가짐과 동시에 화학적으로 가교된 종래 하이드로젤보다 가단성 및 기계적 강도가 우수하다.In addition, the present invention has all of the characteristics of a typical hydrogel, and at the same time has superior malleability and mechanical strength than a conventional chemically cross-linked hydrogel.

아울러, 본 발명은 비공유 가교 결합의 가역적 성질을 가짐으로써 절단된 하이드로젤이 절단 전의 기계적 물성을 그대로 유지하도록 복원할 수 있는 자가치유 능력을 갖는 우수한 효과가 있다.In addition, the present invention has an excellent effect of having the self-healing ability to restore the cleaved hydrogel to maintain the mechanical properties before cleavage by having the reversible property of non-covalent cross-linking.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described by way of preferred embodiments, but it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

Claims (6)

아크릴계 모노머 및 과산화물 개시제가 용해된 수용액을 준비하는 단계;
준비된 상기 수용액에 무기질 플레이크를 첨가하는 단계; 및
상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 일정온도에서 일정시간 동안 반응시키는 단계를 포함하되, 상기 무기질 플레이크는 MoS2이며, 상기 무기질 플레이크는 전체 wt% 대비 0.02 ~ 0.67wt%가 첨가되는 것을 특징으로 하는 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법.
preparing an aqueous solution in which an acrylic monomer and a peroxide initiator are dissolved;
adding inorganic flakes to the prepared aqueous solution; and
Including the step of reacting the aqueous solution to which the inorganic flakes are added at a certain temperature for a certain time, wherein the inorganic flakes are MoS 2 , and the inorganic flakes are characterized in that 0.02 to 0.67 wt% is added based on the total wt% A method for producing a healing inorganic hydrogel nanocomposite.
제 1 항에 있어서,
상기 아크릴계 모노머는 아크릴아미드인 것을 특징으로 하는 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite, characterized in that the acrylic monomer is acrylamide.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 과산화물 개시제는 과황산칼륨(Potassium Persulfate(KPS))인 것을 특징으로 하는 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite, characterized in that the peroxide initiator is potassium persulfate (KPS).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 무기질 플레이크가 첨가된 수용액을 일정온도에서 일정시간 동안 반응시키는 단계는 25℃에서 48시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 자가치유가 가능한 무기물 하이드로젤 나노 복합체의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The step of reacting the aqueous solution to which the inorganic flakes are added at a certain temperature for a certain time is a method for producing a self-healing inorganic hydrogel nanocomposite, characterized in that the reaction is performed at 25° C. for 48 hours.
삭제delete 삭제delete
KR1020200030152A 2020-03-11 2020-03-11 Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing KR102290930B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200030152A KR102290930B1 (en) 2020-03-11 2020-03-11 Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200030152A KR102290930B1 (en) 2020-03-11 2020-03-11 Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102290930B1 true KR102290930B1 (en) 2021-08-17

Family

ID=77466404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200030152A KR102290930B1 (en) 2020-03-11 2020-03-11 Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102290930B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114907788A (en) * 2022-05-12 2022-08-16 华南理工大学 Hydrogel sheet with high ductility, high adhesion and desorption and preparation method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190092277A (en) * 2018-01-30 2019-08-07 고려대학교 산학협력단 Method for self-assemble fabrication of single and multilaryer mos2 based field-effect transistors
KR20190100799A (en) * 2018-02-21 2019-08-29 고려대학교 산학협력단 Manufacturing process of multi-layer molybdenum disulfide nanosheet-based thermoreactive hydrogel
KR102025864B1 (en) * 2018-03-22 2019-11-04 전남대학교산학협력단 Hydrogel actuator haning acrylic acid and method for fabricating hydrogel actuator
KR102085442B1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 서울과학기술대학교 산학협력단 Adhesive, self-healable, stretchable materials and composites

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190092277A (en) * 2018-01-30 2019-08-07 고려대학교 산학협력단 Method for self-assemble fabrication of single and multilaryer mos2 based field-effect transistors
KR20190100799A (en) * 2018-02-21 2019-08-29 고려대학교 산학협력단 Manufacturing process of multi-layer molybdenum disulfide nanosheet-based thermoreactive hydrogel
KR102025864B1 (en) * 2018-03-22 2019-11-04 전남대학교산학협력단 Hydrogel actuator haning acrylic acid and method for fabricating hydrogel actuator
KR102085442B1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 서울과학기술대학교 산학협력단 Adhesive, self-healable, stretchable materials and composites

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114907788A (en) * 2022-05-12 2022-08-16 华南理工大学 Hydrogel sheet with high ductility, high adhesion and desorption and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Poly (vinyl alcohol) hydrogels with broad‐range tunable mechanical properties via the Hofmeister effect
Huang et al. High-water-content graphene oxide/polyvinyl alcohol hydrogel with excellent mechanical properties
CN107216467B (en) Preparation method of high-strength anion-cation intelligent functional gel
Zhao et al. Mechanically strong and thermosensitive macromolecular microsphere composite poly (N-isopropylacrylamide) hydrogels
CN109400779B (en) Preparation method of phenolic hydroxyl self-polymerization hydrogel
Hu et al. Tough and stretchable Fe3O4/MoS2/PAni composite hydrogels with conductive and magnetic properties
CN107556423B (en) Preparation method of high-strength and high-toughness double-physical-crosslinking polyacrylic acid hydrogel
CN108409997B (en) Preparation method of ultrahigh-strength anisotropic hydrogel containing cellulose nanowhiskers
Cui et al. Robust dual physically cross-linked hydrogels with unique self-reinforcing behavior and improved dye adsorption capacity
JP5246854B2 (en) Organic inorganic composite gel
Ma et al. A novel sodium carboxymethylcellulose/poly (N‐isopropylacrylamide)/Clay semi‐IPN nanocomposite hydrogel with improved response rate and mechanical properties
Wang et al. Nanocomposite carbon dots/PAM fluorescent hydrogels and their mechanical properties
He et al. Tough and super-resilient hydrogels synthesized by using peroxidized polymer chains as polyfunctional initiating and cross-linking centers
CN110105483B (en) Hydrotalcite-based double-network nano composite hydrogel and preparation method thereof
Du et al. Versatile controlled ion release for synthesis of recoverable hybrid hydrogels with high stretchability and notch-insensitivity
CN109836596A (en) The high-intensitive preparation method with the amylopectin composite hydrogel of high adherency of strong hydrogen bonding effect
CN110041464B (en) High-strength photonic crystal hydrogel and preparation method and application thereof
CN113999476A (en) Dual-stimulus-responsive conductive composite hydrogel and preparation method and application thereof
Wang et al. Fe3+, NIR light and thermal responsive triple network composite hydrogel with multi-shape memory effect
JP2009127035A (en) Method for production of organic and inorganic composite hydrogel
Hu et al. pH responsive strong polyion complex shape memory hydrogel with spontaneous shape changing and information encryption
Li et al. Nanochitin/metal ion dual reinforcement in synthetic polyacrylamide network-based nanocomposite hydrogels
KR102290930B1 (en) Method of preparing inorganic hydrogel nanocomposites capable of self-healing
Wei et al. Preparation, characterization, and photocatalytic degradation properties of polyacrylamide/calcium alginate/T i O 2 composite film
Chen et al. Highly swelling, tough intelligent self-healing hydrogel with body temperature-response

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant