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셀룰로오스 나노섬유의 제조 및 응용: 고강도 나노종이와 고분자복합필름
Preparation of Cellulose Nanofibrils and Their Applications: High Strength Nanopapers and Polymer Composite Films 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.39 no.3, 2011년, pp.197 - 205  

이선영 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) ,  전상진 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) ,  도금현 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) ,  이수 (창원대학교 화공시스템공학과) ,  김병훈 (서울과학고등학교) ,  민경선 (서울과학고등학교) ,  김승찬 (서울과학고등학교) ,  허윤석 (서울과학고등학교)

초록
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본 연구에서는 마이크로 입자셀룰로오스를 1,400 bar의 압력에서 고압 호모지나이저(high-pressure homogenizer)를 이용하여 직경이 약 50~100 nm의 셀룰로오스 나노섬유를 제조하였다. 나노섬유 현탁액을 감압 여과하여 고강도 나노종이를 제조하였다. 용매 및 필름캐스팅법을 이용하여 나노섬유를 hydroxypropyl cellulose (HPC)와 polyvinyl alcohol (PVA) 수지에 보강 및 분산시켜 복합필름을 제조하였다. 고압 호모지나이저 통과 횟수를 2, 4, 6, 8까지 점점 증가시켰을 때, 나노종이의 인장강도가 매우 높았으며 통과횟수가 증가할수록 직선적으로 크게 향상되었다. 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyl-triethoxysilane (PFDTES)로 나노종이를 화학 적 개질한 결과, 나노종이의 기계적 강도와 내수성이 크게 향상되었다. 셀룰로오스 나노섬유를 HPC와 PVA 수지에 중량대비 1, 3 및 5%로 보강시켰을 때, HPC와 PVA 복합필름의 기계적 강도가 크게 향상되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Cellulose nanofibrils (CNF) with 50~100 nm diameter were manufactured from micro-size cellulose by an application of a high-pressure homogenizer at 1,400 bar. High strength nanopapers were prepared over a filter paper by a vacuum filtration from CNF suspension. After reinforcing and dispersing CNF s...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 셀룰로오스 나노종이의 접촉각은 접촉각 측정 장비(SEO 300 A, Korea)를 이용하여 25℃, 상대습도 50%의 환경에서 측정하였다. 10 ㎕의 증류수 물방울을 측정하고자 하는 시편위에 자동으로 떨어뜨린 후, 카메라를 이용하여 매 0, 30, 60 초에서 3 번 반복실험 후에 평균치를 얻었다. 측정시편은 무처리, 실란 50 ㎕에서 30분 함침, 실란 100 ㎕에서 100분 침지시킨 시편을 이용하였다.
  • 셀룰로오스 나노섬유가 보강된 복합필름을 제작하기 위하여 수용성 고분자인 HPC와 PVA 를 사용하였다. HPC 복합필름은 HPC 중량 대비 1, 3, 5 wt%의 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 제작하였다. 나노섬유 현탄액(0.
  • PVA 복합필름 역시 PVA 중량 대비 1, 3, 5 wt%의 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 제작하였다. 나노섬유 현탄액(0.
  • 고압 호모지나이저를 2, 4, 6, 8회 통과 후 섬유화(fibrillation)된 셀룰로오스 나노섬유를 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 관찰하였다(Fig. 2). 통과 횟수가 증가할수록 나노섬유의 직경이 약 100 nm에서 50 nm의 크기로 감소하는 경향을 발견할 수 있었다.
  • 고압 호모지나이저를 2, 4, 6, 8회 통과 후 섬유화(fibrillation)된 셀룰로오스 나노섬유현탁액을 감압장치를 이용하여 나노종이를 제조한 후 인장강도 특성을 조사하였다. 고압 호모지나이저를 2회 통과 후 나노종이의 인장강도는 36.
  • )를 이용하여 1,400 bar의 압력으로 87과 120 µm의 분쇄 노즐을 2, 4, 6 및 8회 통과시켜 MFC 현탁액을 셀룰로오스 나노섬유 현탁액으로 만들었다. 그 후, 감압여과장치를 이용하여 필터페이퍼 위에 셀룰로오스 나노섬유(종이 평량 80 g/m2)를 여과하여 10 kg의 무게로 압력을 가하면서 80℃로 24시간 건조시켜 셀룰로오스 나노종이를 얻었다(Fig. 1). 셀룰로오스 나노종이의 기계적 강도를 측정하기 위해 샘플 사이즈 10 mm × 100 mm의 크기로 제작하였다.
  • HPC 복합필름은 HPC 중량 대비 1, 3, 5 wt%의 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 제작하였다. 나노섬유 현탄액(0.5 %) 12, 36, 60 ㎖에 증류수 88, 64, 40 ㎖를 부어 100 ㎖로 용매를 맞추어 HPC 6 g을 넣어 45℃로 가열하여 용융시킨 후 용매 캐스팅법으로 용액을 붓고 상온에서 7 일간 건조하여 복합필름을 제작하였다.
  • PVA 복합필름 역시 PVA 중량 대비 1, 3, 5 wt%의 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 제작하였다. 나노섬유 현탄액(0.5 wt%) 20, 60, 100 ㎖에 증류수 80, 40, 0 ㎖를 부어 100 ㎖로 용매를 맞추어 PVA 10 g을 넣어 80℃로 가열하여 녹인 후 필름 캐스팅법으로 평평한 유리판에 부어 건조 오븐에서 80℃로 건조하여 복합필름을 제작하였다.
  • SAM 형성 과정에서 수분조건이 민감하여 나노종이를 103℃의 온도로 2 시간 동안 건조하였다. 무수톨루엔 40 ㎖를 페트리 디시에 담고, PFDTES (Sigma-Aldrich, USA)를 각 50, 100 ㎕ 혼합하여 30분, 60분 간 나노종이를 침지시켜 반응시키고, 130℃로 90분간 열처리 하였다. 샘플의 기계적 강도와 접촉각 측정을 위해 시편제작은 각각 10 mm × 100 mm, 20 mm × 40 mm의 크기로 제작하였다.
  • 본 연구에서는 마이크로 크기의 셀룰로오스를 고압 호모지나이저에 2, 4, 6 및 8회 통과 후 셀룰로오스 나노섬유를 제조하였다. 통과 횟수가 증가할수록 나노섬유의 직경이 약 100 nm에서 50 nm의 크기로 감소하였고 중합도 역시 감소했다.
  • 통과 횟수가 증가할수록 나노섬유의 직경이 약 100 nm에서 50 nm의 크기로 감소하였고 중합도 역시 감소했다. 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 감압여과장치에서 고강도의 나노종이를 만들었고, 용매 및 필름캐스팅법을 이용하여 나노섬유를 HPC와 PVA 수지에 보강시켜 복합필름을 제조하였다. 통과 횟수를 2, 4, 6 및 8까지 점점 증가시켰을 때, 나노종이의 인장강도와 인장탄성계수는 매우 높았으며 직선적으로 크게 향상되었다.
  • 셀룰로오스 나노섬유의 중합도(degree of polymerization, DP)는 cupriethylenediamine (CED)용액에 나노 섬유를 용해시킨 후 점도계를 이용하여 측정하였다. 용액의 점도는 다음의 공식을 이용하여 측정하였다.
  • 셀룰로오스 나노섬유의 형상은 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, SUPRA 55VP, Carl Zeiss, Germany)을 이용하여 분석하였다.
  • 셀룰로오스 나노종이를 제조하기 위하여 셀룰로오스 분말(W-200) 2.5 g을 증류수 500 ㎖에 혼합하여 고압 호모지나이저(high-pressure homogenizer)(M-110EH-30 MicrofludizerⓇ, U.S.A.)를 이용하여 1,400 bar의 압력으로 87과 120 µm의 분쇄 노즐을 2, 4, 6 및 8회 통과시켜 MFC 현탁액을 셀룰로오스 나노섬유 현탁액으로 만들었다.
  • 셀룰로오스 나노종이의 기계적 강도를 측정하기 위해 샘플 사이즈 10 mm × 100 mm의 크기로 제작하였다.
  • 셀룰로오스 나노종이의 접촉각은 접촉각 측정 장비(SEO 300 A, Korea)를 이용하여 25℃, 상대습도 50%의 환경에서 측정하였다. 10 ㎕의 증류수 물방울을 측정하고자 하는 시편위에 자동으로 떨어뜨린 후, 카메라를 이용하여 매 0, 30, 60 초에서 3 번 반복실험 후에 평균치를 얻었다.

대상 데이터

  • )와 polyvinyl alcohol (PVA 1,500, Junsei, Japan)을 수용성 고분자 메트릭스로 사용하였다. 나노종이의 화학적 개질을 위해서 무수 톨루엔 (J.T.Baker, U.S.A)과 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyltriethoxysilane (PFDTES, Sigma-Aldrich, U.S.A)을 사용하였다.
  • A)을 용매로 이용하였다. 복합재료를 제조하기 위하여 hydroxypropyl cellulose (HPC, 분자량 100,000, Sigma Aldrich, U.S.A.)와 polyvinyl alcohol (PVA 1,500, Junsei, Japan)을 수용성 고분자 메트릭스로 사용하였다. 나노종이의 화학적 개질을 위해서 무수 톨루엔 (J.
  • 샘플의 기계적 강도와 접촉각 측정을 위해 시편제작은 각각 10 mm × 100 mm, 20 mm × 40 mm의 크기로 제작하였다.
  • 셀룰로오스 나노섬유가 보강된 복합필름을 제작하기 위하여 수용성 고분자인 HPC와 PVA 를 사용하였다. HPC 복합필름은 HPC 중량 대비 1, 3, 5 wt%의 셀룰로오스 나노섬유를 첨가하여 제작하였다.
  • 셀룰로오스 분말(W-200)은 (주)일본제지화학으로부터 구입하였는데, 입자의 크기는 평균 32 µm이다. 셀룰로오스 나노섬유의 중합도(DP)를 측정하기 위하여 cupriethylenediamine (Sigma Aldrich, U.S.A)을 용매로 이용하였다. 복합재료를 제조하기 위하여 hydroxypropyl cellulose (HPC, 분자량 100,000, Sigma Aldrich, U.
  • 셀룰로오스 분말(W-200)은 (주)일본제지화학으로부터 구입하였는데, 입자의 크기는 평균 32 µm이다.
  • 10 ㎕의 증류수 물방울을 측정하고자 하는 시편위에 자동으로 떨어뜨린 후, 카메라를 이용하여 매 0, 30, 60 초에서 3 번 반복실험 후에 평균치를 얻었다. 측정시편은 무처리, 실란 50 ㎕에서 30분 함침, 실란 100 ㎕에서 100분 침지시킨 시편을 이용하였다.

이론/모형

  • 셀룰로오스 나노종이의 실란 화학개질 방법으로 나노 박막 제조 기술의 하나인 자기조립 단분자막(SAM)을 이용하였다. SAM 형성 과정에서 수분조건이 민감하여 나노종이를 103℃의 온도로 2 시간 동안 건조하였다.
  • 인장강도 및 인장탄성계수는 ASTM D882 측정방법을 사용하여 측정하였으며, 사용된 기기는 TINIUS OLSEN (United Kingdom) 사의 만능재료시험기를 사용하였다. 인장강도는 25℃, 상대습도 50%의 환경에서 10 번 반복하여 분당 10 mm의 속도로 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
셀룰로오스 나노섬유를 관찰할 때 어려운 점은? 다양한 셀룰로오스 나노섬유의 미세 구조적 특성은 투과전자현미경(TEM), 주사전자현미경(SEM), 전계방출주사전자현미경(FE-SEM) 및 원자력간현미경(AFM) 등을 이용하여 관찰될 수 있다. 그러나 각각의 나노섬유의 말단부를 찾아내는데 어려운 점과 섬유간의 엉킴으로 인해서 나노섬유의 길이를 측정하는데 있어서 어려움이 발생하기도 한다. 현미경 분석 기술 외에, 섬유화의 정도는 셀룰로오스의 중합도를 측정함에 의해서 간접적으로 추정될 수 있다(Siro와 Plackett, 2010).
셀룰로오스의 장점은? 셀룰로오스(cellulose)는 바이오매스로부터 얻을 수 있는 재생가능하고 가장 풍부한 고분자 물질 중의 하나이며 거의 모든 식물의 화학조성분 가운데 40∼50% 정도를 차지하고 있다. 또한 우수한 기계적 성질, 낮은 밀도 및 생분해성 등의 장점들 때문에 많은 관심들이 집중되고 있다. 셀룰로오스는 단위 중량당 높은 강도와 탄성을 가지는 섬유상의 물질이다.
미세소섬유은 어떤 기계적 방법을 이용하여 식물세포벽으로부터 분리되는가? 최근, 식물로부터 셀룰로오스 미세소섬유(microfibrils)를 분리하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이는 나노복합재료의 보강재로 미세소섬유를 이용하기 위함이다. 직경 100 nm 이하의 미세소섬유는 리파이닝(refining)이나 호모지나이징(homogenizing)과 같은 기계적 방법을 이용하여 식물세포벽으로부터 분리될 수 있다(Zimmermann et al., 2004; Nakagaito와 Yano, 2005; 조와 박, 2010).
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참고문헌 (12)

  1. 조미정, 박병대. 2010. Nanocellulose를 이용한 나노복 합재의 최근 연구 동향. 목재공학 38(6): 587-601. 

  2. Chun, S. J., S. Y. Lee, G. H. Doh, S. Lee, and J. H. Kim. 2011. Preparation of ultra-strength nanopaper using cellulose nanofibrils. Journal of Industrial Engineering & Chemistry (In-Press). 

  3. Henriksson, M. and L. A. Berglund. 2007. Structure and properties of cellulose nanocomposite films containing melamine formal- dehyde. Journal of Applied Polymer Science 106: 2817-2824. 

  4. Iwamoto, S., A. N. Nakagaito, and H. Yano. 2007. Nano-fibrillation of pulp fibers for the processing of transparent nanocomposites. Appl. Phys A-Mater. Sci. Process 89: 461-466. 

  5. Klemm, D., D. Schumann, F. Kramer, N. Hessler, M. Hornung, H. P. Schumauder, and S. Marsch. 2006. Nanocellulose as innovative polymers in research and application. Polysaccharides 205: 49-96. 

  6. Lee, S. Y., S. J. Chun, I. A. Kang, and J. Y. Park. 2009a. Preparation of cellulose nanofibrils by high-press homogenizer and cellulose-based composite films. Journal of Industrial Engineering & Chemistry 15: 50-55. 

  7. Lee, S. Y., D. J. Mohan, I. A. Kang, G. H. Doh, S. Lee, and S. O. Han. 2009b. Nanocellulose reinforced PVA composite films: effect of acid treatment and filler loading. Fibers and Polymers 10: 77-82. 

  8. Lu, Z. J. and Q. Wu. 2006. Surface characterization of chemically modified wood: dynamic wettability. Wood Fiber Sci. 38: 497-511. 

  9. Oh, M. J., S. Y. Lee, and K. H. Paik. 2011. Formation of hydrophobic self-assembled manolayers on paper surface with silanes. Journal of Industrial Engineering & Chemistry (In-Press). 

  10. Nakagaito, A. N. and H. Yano. 2005. Novel highstrength biocomposites based on the mechanical properties of high-strength plant fiber based composites. Appl. Phys A-Mater. Sci. Process 78: 547-552. 

  11. Siro, I. and D. Plackett. 2010. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose 17: 459-454. 

  12. Zimmermann, T., E. Pohler, and T. Geiger. 2004. Cellulose fibrils for polymer reinforcement. Adv. Eng. Mater 107: 636-641. 

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