가역적 피커링 에멀젼 회수를 위한 자성 야누스 콜로이드 계면활성제 합성에 관한 연구 = Magnetic-patchy Janus colloid surfactants for reversible recovery of Pickering emulsions

국문 초록 (Abstract)

피커링 에멀젼은 기존의 계면활성제가 아닌 고체 입자를 통해 안정화된 에멀젼을 말한다. 피커링 에멀젼은 기존의 에멀젼보다 더 우수한 안정성을 가지며 고체입자의 종류에 따라 다양한 특성을 가질 수 있다. 또한 무해한 고체입자를 사용하는 경우, 체내에서의 응용도 가능하다는 장점을 가지고 있다. 피커링 에멀젼을 안정화시키는 입자의 종류에는 대표적으로 Silica, clay, 그리고 야누스입자가 있다. 다양한 고체입자 덕분에 피커링 에멀젼은 화장품, 제약 분야 등에서 폭넓은 응용성을 나타내고 있다. 본 장에서는 먼저 피커링 에멀젼에 대해 소개하고, 이 후 피커링 에멀젼의 핵심인 고체입자의 wettability, 크기, 및 농도와 관련된 이론적 해석을 진행하며 마지막으로 여러 고체입자의 종류에 대해 소개한다.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 양친성과 자기응답성을 가지는 야누스 콜로이드 계면활성제의 합성법을 소개하고 있다. 히드록시기를 가진 양친성 야누스 마이크로 입자는 Seeded swelling 기법과 UV 중합법을 이용하여 제조되었다. 또한 PS-co-PVA seed 내 PVA의 함량 조절을 통해 seed와 PTA 간의 계면장력(g13)을 조절하였다. 이론적 및 실험적 관찰을 통해, 우리는 물에 대한 에탄올의 volume fraction 이 0.6이면서 g13이 8.5 mN/m 일 때 두 개의 상으로 완벽히 분리된 타원형의 야누스 마이크로 입자를 얻을 수 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 우리는 기능성 야누스 입자의 제조를 위해 야누스 입자의 친수성 부분을 PEI로 코팅하여 PEI와 PVP로 안정화된 자성 나노입자가 전기적으로 결합할 수 있는 반응 site를 부여하였다. 이를 통해 자성 나노입자가 위치선택적으로 patching 된 자성 야누스 입자를 제조할 수 있었다. 이렇게 제조한 자성 야누스 콜로이드 입자는 피커링 에멀젼 내에서 우수한 계면 배향력을 가지며 에멀젼에 안정성 및 자기 응답성을 부여하였다. 끝으로, 같은 방식으로 제조된Pd 나노입자가 patching 된 야누스 촉매를 자성 야누스 입자와 함께 catalytic 유기 반응에 적용시킴으로써, 고수율 및 고회수성을 가진 친환경적 green chemistry를 구현할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We present a straightforward and robust method for the synthesis of Janus colloid surfactants with distinct amphiphilicity and magnetic responsiveness. To this end, hydroxyl-functionalized amphiphilic Janus microparticles are synthesized by seeded monomer swelling and subsequent photo-polymerization. By incorporating controlled amounts of hydroxyl groups on poly (styrene-co-vinyl alcohol) seed particles, we adjust the interfacial tension between the seed polymer and the poly (tetradecyl acrylate) secondary polymer (g13). From theoretical and experimental observations, we verify that when g13 is tuned to ~8.5 mN/m in a medium with controlled solvency, which corresponds to the 0.6 volume fraction of ethanol in water, the particles bicompartmentalize to form oval or ellipsoidal Janus microparticles with controllable bulb dimensions. We also show that bulb site-specific patching of magnetic nanoparticles can be achieved using the electrostatic interaction between the polyethylenimine-coated bulb surface and the polyvinylpyrrolidone-stabilized Fe2O3 nanoparticles. Finally, we demonstrate that our magnetic-patchy Janus microparticles can assemble at the oil-water interface, enabling magnetic-responsive reversible recovery of Pickering emulsions.

목차 (Table of Contents)

• TABLE OF CONTENTS
• TABLE OF CONTENTS i
• LIST OF FIGURES iii
• LIST OF TABLES viii
• CHAPTER 1
• General introduction to Pickering emulsions
• 1.1. Pickering emulsions 1
• 1.2. Theoretical understanding 4
• 1.2.1. Wettability of particles 4
• 1.2.2. Size of particles 6
• 1.2.3. Concentration of particles 7
• 1.3. Various Pickering emulsifiers 8
• 1.3.1. Silica 8
• 1.3.2. Clay 9
• 1.3.3. Janus particles 10
• CHAPTER 2
• Magnetic-patchy Janus colloid surfactants for reversible recovery of Pickering emulsions
• 2.1. ABSTRACT 11
• 2.2. INTRODUCTION 12
• 2.3. EXPERIMENTAL 14
• 2.3.1. Materials 14
• 2.3.2. Synthesis of PS-co-PVAc seed particles 14
• 2.3.3. Synthesis of amphiphilic JMPs 15
• 2.3.4. Synthesis of PVP-stabilized Fe2O3 NPs and Pd-TOP NPs 15
• 2.3.5. Production of Fe2O3 NPs-patchy JMPs and JMP catalysts 16
• 2.3.6. Fabrication and recovery of Pickering emulsion drops 17
• 2.3.7. Amination of 3-bromotoluene 17
• 2.3.8. Characterizations 18
• 2.4. RESULTS AND DISCUSSION 20
• 2.5. CONCLUSION 48
• REFERENCES 49
• 국 문 요 지 55
• 감 사 의 글 57