대나무섬유/PLA 바이오복합재료의 기계적 특성, 충격강도 및 열변형온도에 미치는 대나무섬유 수처리의 영향 Water Treatment Effect of Bamboo Fiber on the Mechanical Properties, Impact Strength, and Heat Deflection Temperature of Bamboo Fiber/PLA Biocomposites원문보기
본 연구에서는 셀룰로스계 천연섬유인 대나무와 poly(lactic acid) (PLA)로 구성된 펠렛을 압출공정으로 제조하고, 여러 가지 함량의 대나무섬유/PLA 바이오복합재료를 사출공정을 통해 성형하였다. 바이오복합재료의 굴곡, 인장, 충격 특성 및 열변형온도에 미치는 대나무섬유의 수처리 영향을 조사하였다. 천연섬유의 열안정성, 바이오복합재료의 굴곡특성, 인장탄성률 및 충격특성은 섬유 함량은 물론 수처리 유 무에 의존한 반면, 열변형온도는 주로 수처리에 의해 영향을 받았다. 바이오복합재료의 기계적 특성과 충격특성의 증가는 이를 구성하고 있는 대나무섬유와 PLA매트릭스 사이의 계면결합력이 대나무섬유의 수처리에 의해 향상되었기 때문이다. 연구결과는 친환경적이고 작업친화적인 물을 이용한 천연섬유의 전처리가 바이오복합재료의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다는 것을 제시하여 준다.
본 연구에서는 셀룰로스계 천연섬유인 대나무와 poly(lactic acid) (PLA)로 구성된 펠렛을 압출공정으로 제조하고, 여러 가지 함량의 대나무섬유/PLA 바이오복합재료를 사출공정을 통해 성형하였다. 바이오복합재료의 굴곡, 인장, 충격 특성 및 열변형온도에 미치는 대나무섬유의 수처리 영향을 조사하였다. 천연섬유의 열안정성, 바이오복합재료의 굴곡특성, 인장탄성률 및 충격특성은 섬유 함량은 물론 수처리 유 무에 의존한 반면, 열변형온도는 주로 수처리에 의해 영향을 받았다. 바이오복합재료의 기계적 특성과 충격특성의 증가는 이를 구성하고 있는 대나무섬유와 PLA 매트릭스 사이의 계면결합력이 대나무섬유의 수처리에 의해 향상되었기 때문이다. 연구결과는 친환경적이고 작업친화적인 물을 이용한 천연섬유의 전처리가 바이오복합재료의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있다는 것을 제시하여 준다.
In this work, pellets consisting of cellulose-based natural fiber bamboo and poly(lactic acid) (PLA) was prepared by extrusion process and then bamboo fiber/PLA biocomposites with various fiber contents were produced by injection molding process. The water treatment effect of bamboo fibers on the fl...
In this work, pellets consisting of cellulose-based natural fiber bamboo and poly(lactic acid) (PLA) was prepared by extrusion process and then bamboo fiber/PLA biocomposites with various fiber contents were produced by injection molding process. The water treatment effect of bamboo fibers on the flexural, tensile, and impact properties and heat deflection temperature of the biocomposites were investigated. The thermal stability of bamboo and the flexural properties, tensile modulus, and impact strength depended on the presence and absence of water treatment as well as on the fiber content, whereas the heat deflection temperature are influenced mainly by water treatment. The increase of the mechanical and impact properties of biocomposites is ascribed to the improvement of the interfacial adhesion between the bamboo fibers and the PLA matrix by the water treatment. The result suggests that the pre-treatment of natural fibers by using water, which is environment-friendly and labor-friendly, may contribute to enhancing the performance of biocomposites.
In this work, pellets consisting of cellulose-based natural fiber bamboo and poly(lactic acid) (PLA) was prepared by extrusion process and then bamboo fiber/PLA biocomposites with various fiber contents were produced by injection molding process. The water treatment effect of bamboo fibers on the flexural, tensile, and impact properties and heat deflection temperature of the biocomposites were investigated. The thermal stability of bamboo and the flexural properties, tensile modulus, and impact strength depended on the presence and absence of water treatment as well as on the fiber content, whereas the heat deflection temperature are influenced mainly by water treatment. The increase of the mechanical and impact properties of biocomposites is ascribed to the improvement of the interfacial adhesion between the bamboo fibers and the PLA matrix by the water treatment. The result suggests that the pre-treatment of natural fibers by using water, which is environment-friendly and labor-friendly, may contribute to enhancing the performance of biocomposites.
따라서, 본 연구의 목적은 바이오복합재료 제조를 위한 성형기술을 습득하고 천연섬유의 표면을 처리하는 수단으로 친환경적인 방법을 적용하여 바이오복합재료의 특성을 향상시키기 위한 것이다. 이를 위하여 대표적인 생분해성 열가소성 수지 중 하나인 PLA를 매트릭스수지로 사용하고, 대나무섬유를 보강재로 사용하여 압출공정과 사출공정 기술에 의해 여러 가지 대나무섬유 함량을 갖는 바이오복합재료를 제조하였으며, 압출공정 전에 물을 이용하여 전처리한 대나무섬유가 바이오복합재료의 열적, 기계적 특성과 충격특성에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
따라서, 본 연구의 목적은 바이오복합재료 제조를 위한 성형기술을 습득하고 천연섬유의 표면을 처리하는 수단으로 친환경적인 방법을 적용하여 바이오복합재료의 특성을 향상시키기 위한 것이다. 이를 위하여 대표적인 생분해성 열가소성 수지 중 하나인 PLA를 매트릭스수지로 사용하고, 대나무섬유를 보강재로 사용하여 압출공정과 사출공정 기술에 의해 여러 가지 대나무섬유 함량을 갖는 바이오복합재료를 제조하였으며, 압출공정 전에 물을 이용하여 전처리한 대나무섬유가 바이오복합재료의 열적, 기계적 특성과 충격특성에 미치는 영향을 조사하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 대나무섬유는 중국에서 재배되어 공급된 대나무섬유를 (주)한양소재로부터 제공받아 사용하였다. 대나무섬유는 기계적 물성이 우수하여 현재 동남아시아, 일본, 미국 등에서 바이오복합재료 제조에 널리 쓰이고 있다.
데이터처리
대나무섬유에 대한 열안정성은 열중량분석기(thermogravimetric analyzer: TGA, Q500 TA Instruments)를 사용하여 질소분위기 하에서 측정하였다. 승온속도는 분당 20°C이었다.
이론/모형
승온속도는 분당 20°C이었다. 바이오복합재료의 열변형온도(heat deflection temperature: HDT)는 ASTM D648에 의거하여 열변형온도측정기(Tinius Olsen, Model 603)를 사용하여 측정하였다. 각 시편을 실리콘 오일 bath에 침지시킨 후 시편의 크기에 따라 하중을 가한 다음 오일 온도가 상승됨에 따라 시편의 변형이 일어날 때, 규정에 의거하여 시편에서 정해진 길이의 변형이 일어나는 온도를 측정하였다.
성능/효과
천연섬유와 고분자매트릭스 사이의 계면결합력의 향상을 위해 환경친화적이며, 작업친화적인 방법인 수처리 공정으로 대나무섬유를 전처리하여 대나무섬유/PLA 바이오복합재료를 압출공정과 사출공정을 통해 제조하고, 그들의 기계적, 열적, 충격 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 대나무섬유를 물로 처리함으로써 섬유의 열안정성이 높아지며, 바이오복합재료의 굴곡특성, 인장탄성률 충격강도 및 열변형온도가 증가한 반면, 바이오복합재료의 인장강도는 수처리에 크게 영향을 받지 않았다. 처리하지 않은 경우와 비교할 때, 기계적 특성과 충격강도의 증가는 대나무섬유의 수처리에 의해 바이오복합재료를 구성하고 있는 대나무섬유와 PLA 매트릭스 사이의 계면결합력의 향상에 기인한다.
처리하지 않은 경우와 비교할 때, 기계적 특성과 충격강도의 증가는 대나무섬유의 수처리에 의해 바이오복합재료를 구성하고 있는 대나무섬유와 PLA 매트릭스 사이의 계면결합력의 향상에 기인한다. 대나무섬유를 중량기준으로 30% 이상 사용할 경우에는 빳빳한 대나무섬유의 취성 때문에 오히려 바이오복합재료의 충격강도는 감소하는 경향을 보여주었다.
대나무섬유를 물로 처리함으로써 섬유의 열안정성이 높아지며, 바이오복합재료의 굴곡특성, 인장탄성률 충격강도 및 열변형온도가 증가한 반면, 바이오복합재료의 인장강도는 수처리에 크게 영향을 받지 않았다. 처리하지 않은 경우와 비교할 때, 기계적 특성과 충격강도의 증가는 대나무섬유의 수처리에 의해 바이오복합재료를 구성하고 있는 대나무섬유와 PLA 매트릭스 사이의 계면결합력의 향상에 기인한다. 대나무섬유를 중량기준으로 30% 이상 사용할 경우에는 빳빳한 대나무섬유의 취성 때문에 오히려 바이오복합재료의 충격강도는 감소하는 경향을 보여주었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오복합재란 무엇인가?
최근 세계적으로 친환경 소재에 대한 관심이 증대되면서 식물성 또는 동물성 천연섬유(natural fiber)로 강화된 고분자매트릭스 복합재료, 즉 바이오복합재(biocomposite)에 대한 관심이 높아지고 있다[1-3]. 바이오복합재료는 이들이 지니고 있는 여러 가지 장점 때문에 자동차 내⋅외장재를 중심으로 스포츠/레저 부품소재, 건축 내⋅외장재 및 산업용 부품소재에 이르기까지 여러 분야에서 현재 응용되고 있거나 응용가능성이 제시되고 있다[4].
바이오복합재료의 단점은 무엇인가?
바이오복합재료는 생분해가 가능하고 환경친화적이라는 장점뿐 아니라, 유리섬유보다 가격이 훨씬 저렴하고 비중이 낮은 천연섬유를 보강재로 사용하므로 제품을 경량화할 수 있으며, 비(specific) 인장특성이 유리섬유에 비견할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 친수성인 셀룰로스계 천연섬유는 수분을 흡수할 수 있고 소수성인 고분자매트릭스와 낮은 결합력을 보인다는 단점이 있다[5,6]. 따라서, 바이오복합재료는 종종 성형공정 전에 알칼리용액, 실란용액 등을 이용한 화학적 처리방법이나 전자빔, 열 등을 이용한 물리적 처리방법과 같이 다양한 방법을 통해 천연섬유의 표면을 개질하여 섬유와 매트릭스 사이의 계면결합력을 향상시키고, 이를 통해 소재 물성의 향상을 도모할 수 있다[7-10].
바이오복합재료는 어떻게 활용되는가?
최근 세계적으로 친환경 소재에 대한 관심이 증대되면서 식물성 또는 동물성 천연섬유(natural fiber)로 강화된 고분자매트릭스 복합재료, 즉 바이오복합재(biocomposite)에 대한 관심이 높아지고 있다[1-3]. 바이오복합재료는 이들이 지니고 있는 여러 가지 장점 때문에 자동차 내⋅외장재를 중심으로 스포츠/레저 부품소재, 건축 내⋅외장재 및 산업용 부품소재에 이르기까지 여러 분야에서 현재 응용되고 있거나 응용가능성이 제시되고 있다[4]. 특히, 유럽, 미국 및 일본의 여러 자동차 제조업체에서는 헤드라이너(headliner), 도어트림(door trim), 콘솔박스(console box), 패널(panel) 같은 자동차부품소재에 기존의 유리섬유강화 플라스틱을 대체하여 경량화를 꾀하는 동시에 원료소재의 가격도 절감하려는 목적으로 바이오복합재료에 대한 연구개발이 활발히 진행 중에 있다.
참고문헌 (27)
A. K. Mohanty, L. T. Drzal, D. Hokens, and M. Misra, Polym. Mater. Sci. Eng., 85, 594 (2001).
E. Bodros, I. Pillin, N. Montrelay, and C. Baley, Compos. Sci. Technol., 67, 462 (2007).
D. Cho, H.-J. Kim, and L. T. Drzal, "Polymer Composites Volume 3: Biocomposites", S. Thomas, K. Joseph, S. K. Malhotra, K. Goda, M. S. Sreekala, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, Weinhein (2013).
J. M. Seo, D. Cho, W. H. Park, S. O. Han, T. W. Hwang, C. H. Choi, and S. J. Jung, J. Biobased Mater. Bioener., 1, 331 (2007).
H. S. Lee, D. Cho, and S. O. Han, Macromol. Res., 16, 411 (2008).
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