최근 셀룰로오스 나노피브릴과 셀룰로오스나노크리스탈과 같은 나노셀룰로오스는 관심의 초점이 되고 있다. 나노셀룰로오스의 표면에 있는 수산기는 고분자복합체의 보강재로 사용함에 있어서 적합한 기능을 소유하고 있기 때문이다. 본 연구에서 나노셀룰로오스를 시멘트복합체 제조에 있어서 보강재로서 사용하였다. 나노셀룰로오스는 TEMPO 산화에 의한 전처리과정을 거친 후, 균질화 및 초음파처리에 의해서 제조되었고, 투과전자현미경으로 나노셀룰로오스를 분석한 결과 직경이 10에서 15 nm 범위로 나타났다. 0.5% 나노셀룰로오스가 함유된 시멘트복합체의 압축강도를 기존 시멘트복합체와 비교하였으며 특히, 인장강도와 휨강도가 기존 시멘트복합체에 비해서 각각 49.7%와 38.8% 개선되었다. 그리고 나노셀룰로오스가 혼합된 시멘트복합체의 자기수축률은 타설 후 1일 경과 시 18.9%, 28일 경과 시 5.9%의 저감효과가 나타났다.
최근 셀룰로오스 나노피브릴과 셀룰로오스나노크리스탈과 같은 나노셀룰로오스는 관심의 초점이 되고 있다. 나노셀룰로오스의 표면에 있는 수산기는 고분자복합체의 보강재로 사용함에 있어서 적합한 기능을 소유하고 있기 때문이다. 본 연구에서 나노셀룰로오스를 시멘트복합체 제조에 있어서 보강재로서 사용하였다. 나노셀룰로오스는 TEMPO 산화에 의한 전처리과정을 거친 후, 균질화 및 초음파처리에 의해서 제조되었고, 투과전자현미경으로 나노셀룰로오스를 분석한 결과 직경이 10에서 15 nm 범위로 나타났다. 0.5% 나노셀룰로오스가 함유된 시멘트복합체의 압축강도를 기존 시멘트복합체와 비교하였으며 특히, 인장강도와 휨강도가 기존 시멘트복합체에 비해서 각각 49.7%와 38.8% 개선되었다. 그리고 나노셀룰로오스가 혼합된 시멘트복합체의 자기수축률은 타설 후 1일 경과 시 18.9%, 28일 경과 시 5.9%의 저감효과가 나타났다.
Nanocelluloses, mainly cellulose nanofibrils (CNF) and cellulose nanocrystals (CNC, i.e., defect-free, rod-like crystalline residues after acid hydrolysis of fibers), have been the subject of recent interest. Due to the presence of hydroxyl groups on the surface of nanocelluloses, their surfaces are...
Nanocelluloses, mainly cellulose nanofibrils (CNF) and cellulose nanocrystals (CNC, i.e., defect-free, rod-like crystalline residues after acid hydrolysis of fibers), have been the subject of recent interest. Due to the presence of hydroxyl groups on the surface of nanocelluloses, their surfaces are reactive, making them suitable candidates for reinforcing materials for manufacturing polymer composites. In this study, CNF was used as a reinforcing material for manufacturing cement composites. CNF was prepared by TEMPO (2,2,6,6,-tetramethyl piperidine-1-oxyl radical) oxidation procedure combined with extensive homogenization and ultrasonication. Transmission electron microscopy (TEM) analysis of the suspension showed the width of CNF between 10 and 15 nm. The compressive strength of cement composites containing 0.5% CNF was comparable to that of conventional cement composites. On the other hand, the tensile and flexural strength were improved by 49.7% and 38.8%, respectively, compared to those of conventional cement composites. Also, at an ambient condition, the degree of self-shrinkage reduction reached to 18.9% in one day, followed by 5.9% in 28 days after molding.
Nanocelluloses, mainly cellulose nanofibrils (CNF) and cellulose nanocrystals (CNC, i.e., defect-free, rod-like crystalline residues after acid hydrolysis of fibers), have been the subject of recent interest. Due to the presence of hydroxyl groups on the surface of nanocelluloses, their surfaces are reactive, making them suitable candidates for reinforcing materials for manufacturing polymer composites. In this study, CNF was used as a reinforcing material for manufacturing cement composites. CNF was prepared by TEMPO (2,2,6,6,-tetramethyl piperidine-1-oxyl radical) oxidation procedure combined with extensive homogenization and ultrasonication. Transmission electron microscopy (TEM) analysis of the suspension showed the width of CNF between 10 and 15 nm. The compressive strength of cement composites containing 0.5% CNF was comparable to that of conventional cement composites. On the other hand, the tensile and flexural strength were improved by 49.7% and 38.8%, respectively, compared to those of conventional cement composites. Also, at an ambient condition, the degree of self-shrinkage reduction reached to 18.9% in one day, followed by 5.9% in 28 days after molding.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 상업용 침엽수 표백 크라프트 펄프(Softwood Bleached kraft Pulp)를 사용하여 TEMPO 산화처리에 의하여 제조한 나노셀룰로오스(cellulose nanofibrils, CNF)를 시멘트복합체에 적용하여 압축강도, 휨강도, 인장강도 등 구조물에 필수적인 역학적 특성 및 자기수축 특성을 실험적으로 규명함으로써 콘크리트 구조물의 바닥 마감재 활용하기 위한 기초물성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 나노셀룰로오스가 시멘트복합체의 역학적 특성 및 자기수축 특성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였으며, 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 시멘트복합체의 경화 후 역학적 특성(mechanical characteristics) 및 자기수축 특성(self-shrinkage characteristics)에 미치는 나노셀룰로오스의 영향을 실험적으로 평가하고자 Tables 1, 2와 같이 두 가지의 시멘트복합체 배합을 계획하였다. 이때, 시멘트복합체의 역학적 특성에 대한 나노셀룰로오스의 기여분을 정량적으로 평가하기 위하여 Table 1에 나타난 바와 같이 물시멘트비(W/C)를 0.
제안 방법
시멘트복합체를 제조하기 위한 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement)를 사용하였고, 잔골재는 최대치수 2 mm의 주문진산 해사를 사용하였다. 또한 나노셀룰로오스가 시멘트복합체의 자기수축 특성에 미치는 영향을 비교하여 평가하고자, 현재 범용적으로 사용되는 CS계 수축저감제(Carbon Sulfate Shrinkage Reducing Agent)를 사용하였다.
5 M 수산화나트륨(NaOH) 용액으로 pH 10 이상으로 조정한 후, 10% 농도의 차아염소산나트륨(NaOCl)을 섬유 g당 5 mmol을 서서히 적가하고 4 h 동안 교반하였다. 이어서 여과지(Whatman filter papers 541, 직경 11 cm)를 이용하여 1차 산화된 셀룰로오스를 여과하고 증류수로 중성이 될 때까지 여러 번 반복 세척하고 동결건조(freezing dry)한 다음, 카르복실기 함량을 측정하였다. 측정결과에 따라 TEMPO 산화반응과정에서 생긴 알데히드기(CHO)를 카르복실화 반응을 위하여 2차 산화반응을 하였다.
대상 데이터
TEMPO (2.2.6.6-Tetramethyl-piperidin-1-oxyle)와 브롬화나트륨(NaBr)은 Sigma-Aldrich 제품을 사용하였고, 수산화나트륨(NaOH), 차아염소산나트륨(NaOCl), 초산나트륨(CH3COONa), 아염소산나트륨(NaOCl2)은 삼전화학제품을 사용하였다.
본 연구에 사용한 침엽수 표백크라프트 펄프(NBKP, Nadelholz Bleached Kraft Pulp)는 국내 M 제지회사에서 구입하여 사용하였다
시멘트복합체를 제조하기 위한 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement)를 사용하였고, 잔골재는 최대치수 2 mm의 주문진산 해사를 사용하였다. 또한 나노셀룰로오스가 시멘트복합체의 자기수축 특성에 미치는 영향을 비교하여 평가하고자, 현재 범용적으로 사용되는 CS계 수축저감제(Carbon Sulfate Shrinkage Reducing Agent)를 사용하였다.
이론/모형
1차와 2차 산화된 셀룰로오스의 각각 카르복실기 함량은 electric conductivity titration (Metrohm)법으로 측정하였다. 동결 건조한 bulk 형태의 셀룰로오스 섬유 0.
KS LISO 679[15]에 따라 40 mm × 40 mm × 160 mm의 각주로 압축 및 휨 시험용 시험체를 제작하였으며, 인장시험체는 바벨 타입의 형상으로 제작하였다. 휨강도 측정 시 시험체의 양쪽 끝 부분을 지지단에 얹어 놓고 시험체의 장축이 지지단과 직교하도록 시험기에 놓은 후, 반대 측면 중앙에 50 N/sec의 가력속도로 하중을 수직으로 재하하고 파괴에 이를 때까지 휨강도를 측정하였다.
성능/효과
1) 나노셀룰로오스를 혼입한 시험체의 압축강도는 기존 시멘트복합체와 대등한 압축강도 발현을 보였으며, 혼입된 나노셀룰로오스 섬유의 가교작용으로 인해 시멘트복합체의 휨 및 인장성능이 40~50% 향상되었다. 따라서, 나노셀룰로오스 혼입을 통해 기존 시멘트복합체의 취약한 인장성능 및 취성파괴 특성을 보완함은 물론 배근상세 완화, 파괴에너지 흡수 등이 가능할 것으로 사료된다.
2) 나노셀룰로오스를 혼입한 시멘트복합체의 28일 경과 후 자기수축 저감률은 5.94%로 나타났으나, 타설 후 1일 경과 시 18.87%의 자기수축 저감률을 보였다. 이는 자기수축 및 건조수축으로 인한 시멘트복합체의 초기손상이 대부분 양생 초기에 발생함을 감안할 때, 약 20%의 손상 저감효과로 나타났다.
3) 본 연구결과에서 나노셀룰로오스가 시멘트복합체의 역학적 특성 및 자기수축 특성에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
94% 저감되었다. CS계 수축저감제의 경우 화학적 조성을 통한 혼화제로써 시멘트복합체의 강도발현 소요기간(28일) 동안 지속적인 자기수축 저감성능을 발현하는 반면, 나노셀룰로오스의 경우 양생기간이 경과함에 따라 자기수축 저감성능이 다소 저하되는 것으로 나타났다. 그러나 시멘트복합체의 수축에 의한 대부분의 손상은 일반적으로 양생 초기에 발생하므로, 나노셀룰로오스가 시멘트복합체의 수축을 저감시키는 효과를 충분히 발현할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
1) 나노셀룰로오스를 혼입한 시험체의 압축강도는 기존 시멘트복합체와 대등한 압축강도 발현을 보였으며, 혼입된 나노셀룰로오스 섬유의 가교작용으로 인해 시멘트복합체의 휨 및 인장성능이 40~50% 향상되었다. 따라서, 나노셀룰로오스 혼입을 통해 기존 시멘트복합체의 취약한 인장성능 및 취성파괴 특성을 보완함은 물론 배근상세 완화, 파괴에너지 흡수 등이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연섬유의 특성에 영향을 주는 인자는 무엇인가?
천연섬유의 특성은 화학적 조성, 섬유의 내부구조, 마이크로피브릴의 나선형 각도, 세포치수를 포함한 여러 가지 인자들에 의해서 큰 영향을 받는다. 이러한 모든 특성들은 식물로부터 차이가 있고 그들의 유래에 따라 천연섬유들의 기계적 특성에서 상당한 차이가 있다[2,6].
시멘트복합체 제조에 있어서 나노셀룰로오스가 관심을 받는 이유는 무엇인가?
최근 셀룰로오스 나노피브릴과 셀룰로오스나노크리스탈과 같은 나노셀룰로오스는 관심의 초점이 되고 있다. 나노셀룰로오스의 표면에 있는 수산기는 고분자복합체의 보강재로 사용함에 있어서 적합한 기능을 소유하고 있기 때문이다. 본 연구에서 나노셀룰로오스를 시멘트복합체 제조에 있어서 보강재로서 사용하였다.
리그노셀룰로오스와 같은 천연섬유들을 미세섬유를 제조할 때 가지는 어려움은 무엇인가?
리그노셀룰로오스와 같은 천연섬유들은 물속에서 수소결합에 의해서 뭉치는 경향이 있어서 미세섬유를 제조하기 위하여 기계적 처리를 할 경우 에너지가 많이 소모되는 경향이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 관련 연구자들은 효소를 사용하는 전처리 및 TEMPO(2,2,6,6,-tetramethyl piperidine-1-oxyl radical)에 의한 셀룰로오스 표면을 산화처리 하는 연구에 몰두하였다[9].
참고문헌 (19)
A. L. Leao, R. Rowell, and N. Tavares, Application of natural fibers in automotive industry in Brazil-thermoforming process. In: Science and technology of polymers and advanced materials, New York: Plenum Press, 755 (1998).
D. N. Saeb and J. P. Jog, Natural fiber polymer composites: a review, Adv. Polym. Technol., 18(4), 351-363 (1999).
J. Knothe and T. Schlosser, Natural fiber reinforced plastics in automotive exterior applications, In: Proc of the 3rd international wood and natural fibre composites symposium, Kassel (2000).
U. Riedel and J. Nickel, Natural fibre-reinforced biopolymers as construction materials-new discoveries, Angew. Makromol. Chem., 272, 34-40 (1999).
A. K. Mohanty, Sustainable bio-composites from renewable resources: opportunities and challenges in the green materials world, J. Polym. Environ., 10(1/2), 19-26 (2002).
A. K. Mohanty, M. Misra, and G. Hinrichsen, Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: an overview, Macromol. Mater. Eng., 276(1), 1-24 (2000).
R. Malkapuram, V. Kumar, and Y. S. Negi, Recent development in natural fiber reinforced polypropylene composites, J. Reinf. Plast. Compos., 28, 1169-1189 (2009).
M. Abdelmouleh, S. Boufi, M. N. Belgacem, and A. Dufresne, Short natural-fibre reinforced polyethylene and natural rubber composites: effect of silane coupling agents and fibres loading, Compos. Sci. Technol., 67, 1627-1638 (2007).
T. Saito and A. Isogai, The Effect of Oxidation Conditions on Chemical and Crystal Structures of the Water-Insoluble Fractions, Biomacromolecules, 5, 1983-1989 (2004).
Y. K. Park, J. H. Lee, I. K. Jeon, H. W. Kim, and K. W. Yoon, Evaluation of the Basic Properties of Concrete with Types of Cellulose Fibers, J. Korea Inst. Build. Constr., 11(5), 419-425 (2011).
S. K. Roh, B. Y. Cho, S. H. Park, and G. T. Han, Durability Properties of Repair Mortar with using Jute Fiber, Proceedings of Architectural Institute of Korea, 30(1), 265-266 (2010).
Y. K. Kim, A basic study on the practical application of papercrete to secondary products of concrete, MS Thesis, Hanyang university, 37 (2014).
D. da SilvaPerez, S. Montanari, and M. R. Vignon, TEMPO-Mediated oxidation of Cellulose III, Biomacromolecules, 4, 1417-1425 (2003).
KS L ISO 679 : Methods of Testing Cements, Korean Standards Association, p. 20 (2006).
KS F 2586 Methods of Testing Cements, Korean Standards Association, p. 8 (2010).
A. Isogai and Y. Kato, Preparation of polyuronic acid from cellulose by TEMPO-mediated oxidation, Cellulose, 4, 153-164 (1998).
T. Isogai, M. Yanagisawa, and A. Isogai, Degrees of polymerization (DP) and DP distribution of cellouronic acids prepared from alkali-treated celluloses and ball-milled native celluloses by TEMPO-mediated oxidation, Cellulose, 16, 117-127 (2009).
D. Klemm, F. Kramer, S. Moritz, T. LindstrOm, M. Ankerfors, D. Gray, and A. Dorris, Nanocellulose: A new family of nature-based materials, Angew. Chem. Int. Ed., 50, 5438-5466 (2011).
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