Sodium hydroxide-urea 수용액을 이용한 다공성 셀룰로오스계 에어로겔은 용해, 겔화, 재생, 유기용매 치환과 동결건조과정에 의해 제조되었다. 에어로겔의 구조적 특성과 다공성은 주사전자현미경과 질소흡착장치를 이용하여 분석하였다. 그 결과, 용해펄프는 완전히 용해되었지만, 여과지와 홀로셀룰로오스는 원심분리과정에서 수용액에 용해된 부분과 용해되지 않은 부분으로 구분되었다. 용해펄프 에어로겔의 표면은 다공성 공극, 내부는 그물모양의 망목상 구조가 관찰되었다. 여과지와 홀로셀룰로오스 에어로겔은 표면이 압축된 다공성 네트워크 형태였고, 내부는 open-pore 구조의 나노피브릴 네트워크로 구성되었다. 홀로셀룰로오스 에어로겔에서 수용액에 용해되지 않는 형태의 섬유들이 관찰되었다. 용해펄프로부터 만들어진 에어로겔의 비표면적은 260~326 $m^2/g$ 범위였고, 농도 증가와 함께 감소하였다. 그러나 여과지 에어로겔의 비표면적(198~418 $m^2/g$)은 농도 증가와 함께 증가하였다. 홀로셀룰로오스 에어로겔은 2% 농도에서는 137 $m^2/g$로 농도의 증가와 함께 증가하여 4% 농도에서 401 $m^2/g$로 최댓값을 보여주었고, 5% 농도에서 감소하였다.
Sodium hydroxide-urea 수용액을 이용한 다공성 셀룰로오스계 에어로겔은 용해, 겔화, 재생, 유기용매 치환과 동결건조과정에 의해 제조되었다. 에어로겔의 구조적 특성과 다공성은 주사전자현미경과 질소흡착장치를 이용하여 분석하였다. 그 결과, 용해펄프는 완전히 용해되었지만, 여과지와 홀로셀룰로오스는 원심분리과정에서 수용액에 용해된 부분과 용해되지 않은 부분으로 구분되었다. 용해펄프 에어로겔의 표면은 다공성 공극, 내부는 그물모양의 망목상 구조가 관찰되었다. 여과지와 홀로셀룰로오스 에어로겔은 표면이 압축된 다공성 네트워크 형태였고, 내부는 open-pore 구조의 나노피브릴 네트워크로 구성되었다. 홀로셀룰로오스 에어로겔에서 수용액에 용해되지 않는 형태의 섬유들이 관찰되었다. 용해펄프로부터 만들어진 에어로겔의 비표면적은 260~326 $m^2/g$ 범위였고, 농도 증가와 함께 감소하였다. 그러나 여과지 에어로겔의 비표면적(198~418 $m^2/g$)은 농도 증가와 함께 증가하였다. 홀로셀룰로오스 에어로겔은 2% 농도에서는 137 $m^2/g$로 농도의 증가와 함께 증가하여 4% 농도에서 401 $m^2/g$로 최댓값을 보여주었고, 5% 농도에서 감소하였다.
The highly porous cellulosic aerogels were prepared by freeze-drying method using sodium hydroxide-urea aqueous solution in the process of dissolution, gelation, regeneration and organic solvent substitution. The structural characteristics of porous aerogel were analyzed using scanning electron micr...
The highly porous cellulosic aerogels were prepared by freeze-drying method using sodium hydroxide-urea aqueous solution in the process of dissolution, gelation, regeneration and organic solvent substitution. The structural characteristics of porous aerogel were analyzed using scanning electron microscopy and nitrogen adsorption apparatus. As a result, the dissolving pulp was completely dissolved, but filter papers and holocellulose were divided into two layers (dissolved and undissolved parts) in the process of centrifugation. The structure of aerogel from dissolved pulp showed porous pores in the surface and net-shaped network in the inner part. Aerogels from filter paper and holocellulose had the condensed porous network surface and the open-pore nano-fibril network inner structure. Undissolved form of fibers was observed in the aqueous solution of aerogel from holocellulose. The BET value ($S_{BET}$) of aerogel from dissolved pulp was ranged in 260~326 $m^2/g$, and it was decreased with the increase of concentration. Whereas, the $S_{BET}$ value of aerogel from filter paper (198~418 $m^2/g$) was increased with the increase of concentration. The $S_{BET}$ value of aerogel from holocellulose were 137 $m^2/g$ at 2% (w/w) of cellulose, and it was increased to maximum 401 $m^2/g$ at 4% (w/w) of cellulose. Then, it was decreased at 5% (w/w) of cellulose.
The highly porous cellulosic aerogels were prepared by freeze-drying method using sodium hydroxide-urea aqueous solution in the process of dissolution, gelation, regeneration and organic solvent substitution. The structural characteristics of porous aerogel were analyzed using scanning electron microscopy and nitrogen adsorption apparatus. As a result, the dissolving pulp was completely dissolved, but filter papers and holocellulose were divided into two layers (dissolved and undissolved parts) in the process of centrifugation. The structure of aerogel from dissolved pulp showed porous pores in the surface and net-shaped network in the inner part. Aerogels from filter paper and holocellulose had the condensed porous network surface and the open-pore nano-fibril network inner structure. Undissolved form of fibers was observed in the aqueous solution of aerogel from holocellulose. The BET value ($S_{BET}$) of aerogel from dissolved pulp was ranged in 260~326 $m^2/g$, and it was decreased with the increase of concentration. Whereas, the $S_{BET}$ value of aerogel from filter paper (198~418 $m^2/g$) was increased with the increase of concentration. The $S_{BET}$ value of aerogel from holocellulose were 137 $m^2/g$ at 2% (w/w) of cellulose, and it was increased to maximum 401 $m^2/g$ at 4% (w/w) of cellulose. Then, it was decreased at 5% (w/w) of cellulose.
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문제 정의
본 연구는 Cai 등(2008)이 사용한 방법을 근거로 하여 sodium hydroxide-urea 수용액을 이용하여 각각 다른 셀룰로오스계 원료를 용해시켜 유기용매치환에 의한 동결건조로 제조한 에어로겔의 특성을 검토하였다.
제안 방법
본 연구는 셀룰로오스계 원료를 농도별로 sodium hydroxide-urea 수용액과 혼합하여 겔화과정을 거친 후 유기용매 치환과 동결건조에 의해 제조된 에어로겔의 구조적 특성 및 다공성에 대해서 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
셀룰로오스 에어로겔의 표면과 단면을 관찰하기 위해 오스뮴코팅을 실시한 후 주사전자현미경(Hitachi, S-4800)으로 1 kV의 가속전압조건에서 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에는 용해펄프(Adventec, Ashless paper), 여과지(Adventec, Filter paper 2) 및 잣나무(Pinus koraiensis)를 이용하였다. 용해펄프(Ashless pulp) 는 거의 100%에 가까운 α-cellulose 펄프를 원료로 회분량은 0.
01% 이하이다. 여과지는 중합도가 높은 순수한 α-cellulose 99% 이상의 원료로 사용하였고, 셀룰로오스 섬유를 염산과 불화수소산으로 복산처리하여, 회분의 함유량은 0.01% 정도인 것을 사용 하였다. 잣나무는 동국대학교 연습림에서 채취한 것으로 100 mesh 크기의 목분으로 제조하여 Franklin solution법을 이용하여 탈리그닌처리를 하였다.
이론/모형
먼저, 아세트산과 과산화수소수를 부피비로 1:1의 비율로 제조한 혼합액에 시료를 침지시켜 80 ± 1°C 수조에서 12시간 반응시킨 후 중화가 될 때까지 증류수로 수세하여 리그닌을 제거하였다. 에어로겔은 Cai 등(2008)이 sodium hydroxide-urea 수용액을 이용한 방법으로 실시하였다. 먼저 NaOH/Urea/ H2O (7:12:81 W/W)를 혼합하여 제조된 수용액을-18°C의 냉동고에서 30분간 냉각시켰다.
01% 정도인 것을 사용 하였다. 잣나무는 동국대학교 연습림에서 채취한 것으로 100 mesh 크기의 목분으로 제조하여 Franklin solution법을 이용하여 탈리그닌처리를 하였다. 먼저, 아세트산과 과산화수소수를 부피비로 1:1의 비율로 제조한 혼합액에 시료를 침지시켜 80 ± 1°C 수조에서 12시간 반응시킨 후 중화가 될 때까지 증류수로 수세하여 리그닌을 제거하였다.
성능/효과
1) 용해펄프는 sodium hydroxide-urea 수용액에 완전히 용해되었지만, 여과지와 홀로셀룰로오스는 겔화과정에 발생하는 기포를 제거하기 위한 과정에서 농도조건에 따라 용해된 층과 용해되지 않은 두개의 층으로 분리되었다.
2) 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 용해펄프 에어로겔은 다공성 공극과 그물모양의 나노피브릴 망 목상 관찰되었지만, 여과지와 홀로셀룰로오스 에어로겔의 상층부 에어로겔은 불완전한 구조의 망목상 구조가 관찰되었고, 하층부는 용해되지 않은 섬유가 관찰되었다.
3) 비표면적은 용해펄프 에어로겔이 농도의 증가에 따라 감소하였고, 여과지와 홀로셀룰로오스 에어로겔은 농도의 증가와 함께 증가하였고, 겔화과정에서 나누어진 상층부와 침전층을 구분하여 측정한 결과, 상층부가 비표면적이 높게 나타났다.
이상의 연구결과로부터 sodium hydroxide-urea 수용액을 유기용매치환과 동결건조에 의해 제조된 셀룰로오스계 에어로겔은 원료의 특성이 에어로겔 구조와 다공성을 크게 좌우하는 것으로 사료된다. 또한 홀로셀룰로오스 에어로겔은 sodium hydroxide-urea 수용액에 의한 낮은 용해성으로 불완전한 구조를 이루고 있지만, 높은 비표면적을 보여주고 있어 용해특성을 보완하여 개선하면 우수한 에어로겔이 제조될 것으로 생각된다.
후속연구
이상의 연구결과로부터 sodium hydroxide-urea 수용액을 유기용매치환과 동결건조에 의해 제조된 셀룰로오스계 에어로겔은 원료의 특성이 에어로겔 구조와 다공성을 크게 좌우하는 것으로 사료된다. 또한 홀로셀룰로오스 에어로겔은 sodium hydroxide-urea 수용액에 의한 낮은 용해성으로 불완전한 구조를 이루고 있지만, 높은 비표면적을 보여주고 있어 용해특성을 보완하여 개선하면 우수한 에어로겔이 제조될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에어로겔의 탄생 배경은?
1930년대에 최초로 Kistler가 겔의 수축을 유발시키지 않기 위해 액체를 기체로 치환시켜 에어로겔을 제조하였다. 그는 실리카, 알루미늄, 주석 등을 사용 하여 다양한 겔을 만들었는데, 처음 만든 것은 실리카겔이었다(Kistler, 1931, 1932).
셀룰로오스란?
이후, 지구에 풍부하게 존재하고 있는 지속적인 유기물로서 에너지 및 신소재 개발을 위해 많은 이용되고 있는 자원인 셀룰로오스를 이용한 에어로겔 제조에 관한 연구가 시도되었다. Tan 등(2001)은 diisocyanate로 가교결합시킨 셀룰로오스 아세테이트를 이용하였고, Fisher 등(2006)은 polyisocyanate 를 사용하여 우레탄결합에 의해 가교 결합시킨 셀룰로오스 아세테이트를 이용하였다.
urea가 셀룰로오스 에어로겔 제조에 미치는 영향은?
그러나 NaOH는 낮은 DP의 셀룰로오스만 용해시킬 수 있어 셀룰로오스를 완전하게 녹일 수 있는 강력한 유기용제라고는 볼 수 없다. 이에 Urea가 환경적 문제가 적으면서 NaOH에 첨가함에 따라 보다 간단하게 셀룰로오스를 용해시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다. Cuissinat와 Navard (Cuissinat and Navard, 2006a, 2006b)는 천연 섬유를 이용하여 저온에서 NaOH와 NaOH/Urea의 용해특성에 대한 비교연구에서 요소의 첨가로 셀룰로오스가 보다 잘 용해되었음을 보고 하였다.
참고문헌 (16)
Aaltonen O. and O. Jauhiainen. 2009. The preparation of lignocellulosic aerogels from ionic liquid solutions. Carbohydrate polymers 75: 125-129
Husing, N. and U. Schubert. 1998. Aerogels-airy materials; chemistry, structure, and properties. Angew Chem. Int. Ed. 37: 22-45.
Innerlohinger, J., H. K. Webber, and G. Kraft. 2006. Aerocellulose: Aerogels and Aerogel-like Materials made from cellulose. Macromol Symp. 244: 126-135.
Kistler, S. S. 1931. Coherent expanded aerogels and jellies. Nature. 127: 741.
Kistler, S. S. 1932. Coherent expanded-Aerogels. J. Phys. Chem. 36: 52-64.
Pekala, R. W., C. T. Alviso, F. M. Kong, and S. S. Hulsey. 1992. Aerogels derived from multifunctional organic monomers. J. Non-cryst Solids 145: 90-98.
Turbak, A. F., R. B. Hammer, R. E. Davies, and N. A. Portnoy. 1977. A critical review of cellulose solvent systems, A.C.S. Series, Editor. Washington DC.
권구중, 김대영, 김남훈. 2010. 홀로셀룰로오스 에어로 겔의 특성. 목재공학 38(3): 205-212.
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