초흡수성 중합체(SAP)는 기저귀와 같은 개인 위생 용품에 일반적으로 사용되는 잘 알려진 재료이다. 이러한 중합체는 예를 들어 물, 식염수, 소변, 혈액 및 장액성 체액의 무게의 몇 배를 흡수하는 것으로 알려져 있다. 초흡수성 중합체에 대한 중요한 요구 사항은 액체를 전도하는 하이드로겔의 투과성 및 이를 분산시키는 하이드로겔의 능력이다. 초흡수제의 투과성은 식염수 흐름 전도성 (SFC)의 형태로 보고된다. 다른 중요한 성능 파라미터로는 원심 분리 보유 용량 (CRC), 하중하 흡수 용량 및 초흡수성 입자의 흡수율이 포함되며, 이는 초당 초흡수제 g당 흡수되는 액체의 양, 즉, 자유 팽윤율 (FSR) 또는 초흡수제 (T20) g 당 액체 20g을 흡수하는 데 필요한 시간으로서 보고된다. 해당 성능의 평가는 많은 분석 노력을 요하기 때문에 제조된 초흡수성 중합체의 일정한 품질 보장을 위해서는 빠르고 신뢰성 높은 평가 방법이 필요하다.
도 1 초흡수성 중합체: 수분 흡수 전과 후
바스프 에스이(이하 바스프)에서는 이에 대한 문제를 해결하기 위해 합성된 중합체의 분광학적 분석 결과(라만 스펙트럼)을 이용하고 이를 회기 분석 모델에 접목시켜 빠르고 정확한 초흡수성 중합체의 성능 평가 방식을 제시한다. 기본적으로, 초흡수성 중합체의 화학적 조성과 모르폴로지가 성능 파라미터에 직접 영향을 미치기 때문에 초흡수성 중합체의 분광 데이터와 성능 데이터의 상관이 가능하다. 또한, 라만 산란 분광법과 같은 분광 분석 방법은 중합체의 화학적 조성과, 어느 정도로, 모르폴로지를 조사한다. 따라서, 초흡수성 중합체의 성능 파라미터는 분광법을 사용하여 예측될 수 있다. 바스프에서는 부분 최소 제곱 또는 PLS (Projection to Latent Structure) 모델을 이용하여 분광 데이터와 성능 데이터의 상관을 실시한다.
먼저 라만 스펙트럼이 프로세스 변동에 견고한지 즉, 측정 회차에 상관없이 초흡수성 중합체의 라만 스펙트럼이 거의 동일한 결과를 나타내는지 확인한 결과는 도 2와 같다. 해당 발명에서는 고품질의 라만 스펙트럼을 획득하기위해 다음과 같은 전처리 과정을 거친다. 스펙트럼의 x-축은 (1) 모델의 라만 시프트가 측정된 스펙트럼의 라만 시프트에 대응하는지 확인하기 위해 레퍼런스 스펙트럼을 사용한 리샘플링, (2) 통상적으로, 200 ~ 1800 cm-1 , 모델에 대해 고려되는 스펙트럼의 전역 범위 정의, (3) 모델이 무시하는 920 ~ 1130 cm–1 범위의 최적화단계를 거친다. y-축에 대한 전처리는 (1) 기준선 보정, (2) 평활화 및 미분, (3) 정규화 단계를 거친다. 도 2에 따르면, 전처리 과정을 거친 총 10개의 스펙트럼은 회차와 상관없이 모두 거의 동일한 결과를 보임으로 라만 스펙트럼 분석법이 프로세스 변동에 견고함을 확인할 수 있다.
도 2 초흡수성 중합체에 대한 라만 분광법 10회 분석 결과
도 3은 해당 라만 스펙트럼을 통해 PLA 회기 분석으로 SFC 값을 예측하고 예측된 값과 실제 값을 비교한 그래프이다. 초흡수성 중합체의 SFC는 물 흡수 중합체 입자의 팽윤된 겔 층의 겔 층 투과성을 나타낸다. 각각의 그래프는 예측된 인라인 데이터와 개별 데이터 포인트 대 측정 데이터로부터 계산된 평활화 곡선 (a) 및 초흡수성 중합체에 대한 SFC (saline flow conductivity) 의 개별 데이터 포인트로부터 계산된 평활화 곡선 (b)를 도시한다. 오차막대로 표시된 측정 데이터의 오차가 큰 곳에서는 예측 데이터와 측정 데이터의 차이가 큰 반면, 오차가 작은 타임스탬프에 대해서는 높은 예측 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
도 3 초흡수성 중합체에 대한 SFC의 예측 인라인 데이터 대 측정 데이터
도 4는 초흡수성 중합체의 범위에 대해 예측 대 측정 CRC의 상관을 도시한다. 총 169개의 샘플이 평가에 포함되었으며 34 ~ 38g/g의 범위가 모델링되었다. 도면과 표시된 파라미터로부터 알 수 있듯이, 예측 값은 실험적으로 측정된 값과 밀접하게 일치한다.
도 4 초흡수성 중합체의 범위에 대해 예측 대 측정 CRC의 상관
도 4는 초흡수성 중합체의 제조 프로세스의 개략도이다. 제조 프로세스는 (1) 중합, (2) 중합체의 건조, (3) 중합체의 밀링, (4) 중합체의 표면 후 가교, 그리고 (5) 완제품의 패키징의 단계로 구성된다. 프로세스 단계 SXL 및 패키징 동안 인라인 라만 프로브에 의해 수집된 분광 데이터 (6)로부터 본 개시의 방법에 의해 얻어진 초흡수성 중합체의 물리적 특성의 예측 값은 프로세스를 조정 (7), 즉 프로세스 파라미터를 제어하고 최적화하기 위한 임의의 공정 단계에서 사용될 수 있다.
도 5 초흡수성 중합체의 제조 프로세스의 개략도
초흡수성 중합체는 좋은 성능에 비해 재활용이 어려워 폐기되는 비율이 높다는 단점이 있다. 해당 발명과 같은 높은 물성의 중합체를 평가하고 제조 공정의 최적화를 실시간으로 수행할 수 있는 프로세스는 중합체의 효율을 높이고 환경 친화적인 생산을 앞당길 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670
초흡수성 중합체(SAP)는 기저귀와 같은 개인 위생 용품에 일반적으로 사용되는 잘 알려진 재료이다. 이러한 중합체는 예를 들어 물, 식염수, 소변, 혈액 및 장액성 체액의 무게의 몇 배를 흡수하는 것으로 알려져 있다. 초흡수성 중합체에 대한 중요한 요구 사항은 액체를 전도하는 하이드로겔의 투과성 및 이를 분산시키는 하이드로겔의 능력이다. 초흡수제의 투과성은 식염수 흐름 전도성 (SFC)의 형태로 보고된다. 다른 중요한 성능 파라미터로는 원심 분리 보유 용량 (CRC), 하중하 흡수 용량 및 초흡수성 입자의 흡수율이 포함되며, 이는 초당 초흡수제 g당 흡수되는 액체의 양, 즉, 자유 팽윤율 (FSR) 또는 초흡수제 (T20) g 당 액체 20g을 흡수하는 데 필요한 시간으로서 보고된다. 해당 성능의 평가는 많은 분석 노력을 요하기 때문에 제조된 초흡수성 중합체의 일정한 품질 보장을 위해서는 빠르고 신뢰성 높은 평가 방법이 필요하다.
도 1 초흡수성 중합체: 수분 흡수 전과 후
바스프 에스이(이하 바스프)에서는 이에 대한 문제를 해결하기 위해 합성된 중합체의 분광학적 분석 결과(라만 스펙트럼)을 이용하고 이를 회기 분석 모델에 접목시켜 빠르고 정확한 초흡수성 중합체의 성능 평가 방식을 제시한다. 기본적으로, 초흡수성 중합체의 화학적 조성과 모르폴로지가 성능 파라미터에 직접 영향을 미치기 때문에 초흡수성 중합체의 분광 데이터와 성능 데이터의 상관이 가능하다. 또한, 라만 산란 분광법과 같은 분광 분석 방법은 중합체의 화학적 조성과, 어느 정도로, 모르폴로지를 조사한다. 따라서, 초흡수성 중합체의 성능 파라미터는 분광법을 사용하여 예측될 수 있다. 바스프에서는 부분 최소 제곱 또는 PLS (Projection to Latent Structure) 모델을 이용하여 분광 데이터와 성능 데이터의 상관을 실시한다.
먼저 라만 스펙트럼이 프로세스 변동에 견고한지 즉, 측정 회차에 상관없이 초흡수성 중합체의 라만 스펙트럼이 거의 동일한 결과를 나타내는지 확인한 결과는 도 2와 같다. 해당 발명에서는 고품질의 라만 스펙트럼을 획득하기위해 다음과 같은 전처리 과정을 거친다. 스펙트럼의 x-축은 (1) 모델의 라만 시프트가 측정된 스펙트럼의 라만 시프트에 대응하는지 확인하기 위해 레퍼런스 스펙트럼을 사용한 리샘플링, (2) 통상적으로, 200 ~ 1800 cm-1 , 모델에 대해 고려되는 스펙트럼의 전역 범위 정의, (3) 모델이 무시하는 920 ~ 1130 cm–1 범위의 최적화단계를 거친다. y-축에 대한 전처리는 (1) 기준선 보정, (2) 평활화 및 미분, (3) 정규화 단계를 거친다. 도 2에 따르면, 전처리 과정을 거친 총 10개의 스펙트럼은 회차와 상관없이 모두 거의 동일한 결과를 보임으로 라만 스펙트럼 분석법이 프로세스 변동에 견고함을 확인할 수 있다.
도 2 초흡수성 중합체에 대한 라만 분광법 10회 분석 결과
도 3은 해당 라만 스펙트럼을 통해 PLA 회기 분석으로 SFC 값을 예측하고 예측된 값과 실제 값을 비교한 그래프이다. 초흡수성 중합체의 SFC는 물 흡수 중합체 입자의 팽윤된 겔 층의 겔 층 투과성을 나타낸다. 각각의 그래프는 예측된 인라인 데이터와 개별 데이터 포인트 대 측정 데이터로부터 계산된 평활화 곡선 (a) 및 초흡수성 중합체에 대한 SFC (saline flow conductivity) 의 개별 데이터 포인트로부터 계산된 평활화 곡선 (b)를 도시한다. 오차막대로 표시된 측정 데이터의 오차가 큰 곳에서는 예측 데이터와 측정 데이터의 차이가 큰 반면, 오차가 작은 타임스탬프에 대해서는 높은 예측 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
도 3 초흡수성 중합체에 대한 SFC의 예측 인라인 데이터 대 측정 데이터
도 4는 초흡수성 중합체의 범위에 대해 예측 대 측정 CRC의 상관을 도시한다. 총 169개의 샘플이 평가에 포함되었으며 34 ~ 38g/g의 범위가 모델링되었다. 도면과 표시된 파라미터로부터 알 수 있듯이, 예측 값은 실험적으로 측정된 값과 밀접하게 일치한다.
도 4 초흡수성 중합체의 범위에 대해 예측 대 측정 CRC의 상관
도 4는 초흡수성 중합체의 제조 프로세스의 개략도이다. 제조 프로세스는 (1) 중합, (2) 중합체의 건조, (3) 중합체의 밀링, (4) 중합체의 표면 후 가교, 그리고 (5) 완제품의 패키징의 단계로 구성된다. 프로세스 단계 SXL 및 패키징 동안 인라인 라만 프로브에 의해 수집된 분광 데이터 (6)로부터 본 개시의 방법에 의해 얻어진 초흡수성 중합체의 물리적 특성의 예측 값은 프로세스를 조정 (7), 즉 프로세스 파라미터를 제어하고 최적화하기 위한 임의의 공정 단계에서 사용될 수 있다.
도 5 초흡수성 중합체의 제조 프로세스의 개략도
초흡수성 중합체는 좋은 성능에 비해 재활용이 어려워 폐기되는 비율이 높다는 단점이 있다. 해당 발명과 같은 높은 물성의 중합체를 평가하고 제조 공정의 최적화를 실시간으로 수행할 수 있는 프로세스는 중합체의 효율을 높이고 환경 친화적인 생산을 앞당길 것으로 기대된다.
특허법인ECM
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