초록 ▼

본 연구의 목적은 자동차 내 • 외장재에 사용되고 있는 친환경 및 경량 특성을 가지고 있는 바이오복합재료의 응용분야를 확대하기 위해 고성능 바이오복합재료를 개발하는 것으로서 시트형, 파형, 허니컴형 등 다양한 형상의 바이오복합재료 제조기술과 유 • 무기 하이브리드 및 나노기술을 이용하여 기계적 특성과 난연성이 향상된 바이오복합재료 개발의 기반기술을 확립하였음.
<연구개발내용>
√ 유 • 무기 나노소재 하이브리드 바이오복합재료 개발연구
◦ 다양한 형상의 바이오복합재료 제조 및 특성분석
- 시트형, 파형 및 허니컴

본 연구의 목적은 자동차 내 • 외장재에 사용되고 있는 친환경 및 경량 특성을 가지고 있는 바이오복합재료의 응용분야를 확대하기 위해 고성능 바이오복합재료를 개발하는 것으로서 시트형, 파형, 허니컴형 등 다양한 형상의 바이오복합재료 제조기술과 유 • 무기 하이브리드 및 나노기술을 이용하여 기계적 특성과 난연성이 향상된 바이오복합재료 개발의 기반기술을 확립하였음.
<연구개발내용>
√ 유 • 무기 나노소재 하이브리드 바이오복합재료 개발연구
◦ 다양한 형상의 바이오복합재료 제조 및 특성분석
- 시트형, 파형 및 허니컴형 바이오복합재료 제조공정 최적화 및 기계적 특성 향상
◦ 유 • 무기 하이브리드 기술에 의한 고성능 바이오복합재료 제조기술 개발
- 세라믹 시트 하이브리드 바이오복합재료의 다양한 형상 제조기술 확보 및 기계적 특성 향상
- 세라믹 시트 하이브리드 바이오복합재료의 난연성 향상 및 연소 특성분석
◦ 나노점토 및 탄소나노소재 하이브리드 바이오복합재료 제조 및 특성분석
- 나노점토 및 탄소나노소재 하이브리드에 의한 바이오복합재료의 기계적, 열적 특성 향상
◦ 생분해성 고분자 적용에 의한 바이오복합재료의 친환경 특성 향상
- 폴리락틱 산을 매트릭스로 한 바이오복합재료의 제조기술 확립 및 우수한 기계적 특성 분석
◦ 바이오소재 기반 탄화체 개발 및 특성분석
- 천연소재의 탄화반응에 의한 표면에 그래파이트 층을 가지는 탄화체 제조기술 확립

Abstract ▼

Biocomposites from renewable natural fiber and polymers, especially biodegradable polymers have received great scientific attention because of their advantages such as lightweight, high specific strength, being environmental friendly and cost-effective. Currently, biocomposites are used for automoti

Biocomposites from renewable natural fiber and polymers, especially biodegradable polymers have received great scientific attention because of their advantages such as lightweight, high specific strength, being environmental friendly and cost-effective. Currently, biocomposites are used for automotive applications, interior structural/decorative components and various commodity products.
Biodegradable eco-friendly biocomposites can be excellent alternative to petroleum based polymers reinforced with synthetic fibers. Such composites are not biodegradable nor do they come from renewable resources so their increased utilization makes their disposal challenging. Landfill and recycle are not viable solutions because the first one is a temporary measure and the second is energy insufficient and leads to downgrade of the materials. Therefore, various researches on trying to develop environmentally friendly biocomposites with higher performances are actively going on.
The primary goal of this research is establishing the manufacturing process for biocomposites with various shapes such as plate, wave and honeycomb structures and developing organic-inorganic nano hybrid biocomposites which has excellent mechanical properties and inflammability.
Natural fiber reinforced polypropylene biocomposites were fabricated by means of a compression molding technique using chopped natural fibers and polymer, respectively. The thermal stability, the dynamic mechanical, the mechanical properties and thermomechanical properties of biocomposites were investigated through a thermogravimetric analysis, a dynamic mechanical analysis, flexural properties, tensile properties, impact and fracture surfaces for the different biocomposites, respectively.
Various shapes for biocomposites were successively manufactures with kenaf or henequen reinforcements and polypropylene, respectively. The mechanical properties, especially flexural strength and modulus of biocomposites with honeycomb structure were improved comparing to those of plate structure. Also, the mechanical properties of each structure of biocomposites were significantly enhanced compared to those of each structure made of polypropylene itself. Also, ceramic sheet was combined to single or both sides for biocomposites in order to manufacturing organic-inorganic hybrid biocomposites which has excellent inflammability. The mechanical properties and inflammability of organic-inorganic hybrid biocomposites were also improved compared to those of conventional biocomposites which are consisted of natural fiber and polymer.
The nanobiocomposites are made by melt-mixing followed by injection molding to explore synergy between nanomaterials such as exfoliated graphite nanoplatelets (xGnP) and micro-size reinforcements such as kenaf natural fiber, in poly(lactic acid) based composites. Prior to melt-mixing the kenaf fibers were coated with the xGnP using sonication. The reinforcement content was up to 5 wt% and up to 40 wt% for xGnP and kenaf fibers, respectively. The flexural strength and modulus and the viscoelastic properties such as storage modulus were determined. It was found that addition of 5 wt% xGnP did not increase the viscosity of the polymer melt, enhanced the flexural modulus by 25– 30% at any fiber loading used but did not increase the strength, indicating insufficient load transfer at the polymer-xGnP or xGnP-kenaf interface. Finally, addition of xGnP had a positive effect on the heat distortion temperature but only at higher fiber loadings.
The effect of nano-clay on thermal and mechanical properties of polypropylene and poly(lactic acid) biocomposites reinforced with the red algae and kenaf fibers, respectively.
The nanobiocomposites of 40wt% of each cellulosic fiber were fabricated with addition of nano-clay with 5wt% or 10wt% loading, respectively by compression and injection molding.
The nano-clay effects on the thermal and mechanical properties of the nanobiocomposites consisted of PP or PLA, cellulosic fiber and nano-clay in terms of characteristics of cellulosic fibers such as chemical composition, fiber length and surface morphology were investigated. The both dynamic mechanical properties and thermomechanical properties of biocomposites were improved for biocomposites when compared to those of biocomposites without nano clay.
Cellular typed carbon fibers were prepared by heat treatment of cellulose fibers in the range of 500 ~ 2300°C, and used as a catalytic supporter for growth of carbon nano-filaments. Carbon fibers prepared at different heat treatment temperatures supported the significant variation of carbon structure on surface of carbon fibres. The products heat treated at below 1000°C had amorphous phase and at 1500°C were similar to glassy carbon. Surface graphitization of the carbon fibers derived by pretreatment at 1500°C was accomplished at above 2000°C. Multi walled carbon nanotubes, having approximately 15 nm and 8 μm in diameter and length, were synthesized on surface of the prepared carbon fibers. The higher synthesis temperature could lead to formation of MWCNTs with better crystalline carbon shells.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 5
• 요약문 ... 7
• SUMMARY ... 13
• CONTENTS ... 17
• 목차 ... 19
• 표 목차 ... 21
• 그림 목차 ... 22
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 25
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 25
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 26
• 제 3 절 연구개발의 범위 ... 28
• 제 4 절 바이오복합재료의 특성 ... 30
• 1. 바이오복합재료의 개요 ... 30
• 2. 바이오복합재료의 구성요소 및 관련기술 ... 34
• 3. 바이오복합재료의 특성 ... 36
• 4. 바이오복합재료와 유리섬유 보강 고분자복합재료 특성 비교 ... 36
• 5. 바이오복합재료의 제조공정 ... 39
• 6. 바이오복합재료의 응용분야 ... 40
• 제 2 장 국내.외 기술개발 현황 ... 45
• 제 1 절 국내.외 관련분야에 대한 기술개발현황 ... 45
• 1. 국외현황 ... 45
• 2. 국내현황 ... 48
• 제 2 절 연구결과가 국내.외 기술개발현황에서 차지하는 위치 ... 50
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 52
• 제 1 절 바이오복합재료의 경량화 특성 ... 54
• 제 2 절 다양한 형상의 바이오복합재료 개발 ... 56
• 1. 시트형 바이오복합재료의 제조 ... 56
• 2. 파형 및 허니컴형 바이오복합재료의 제조 ... 59
• 3. 파형 및 허니컴형 바이오복합재료의 특성 ... 62
• 제 3 절 난연성이 우수한 바이오복합재료 개발 ... 66
• 1. 세라믹 시트 하이브리드 바이오복합재료 제조 ... 66
• 2. 세라믹 시트 하이브리드 바이오복합재료 기계적 특성 ... 75
• 3. 세라믹 시트 하이브리드 바이오복합재료 난연성 ... 93
• 제 4 절 생분해성 고분자 기반 바이오복합재료 개발 ... 110
• 1. 폴리락틱산 매트릭스를 기반으로 하는 바이오복합재료 제조 ... 110
• 2. 폴리락틱산 매트릭스를 기반으로 하는 바이오복합재료 특성분석 ... 111
• 제 5 절 나노 기술 하이브리드 바이오복합재료 개발 ... 119
• 1. 유기점토 하이브리드 바이오복합재료 제조 ... 119
• 2. 유기점토 하이브리드 바이오복합재료의 특성 ... 120
• 제 6 절 탄소나노물질 코팅 천연섬유 하이브리드 바이오복합재료 개발 ... 130
• 1. 탄소나노물질 코팅 천연섬유 하이브리드 바이오복합재료 제조 ... 130
• 2. 탄소나노물질 코팅 천연섬유 하이브리드 바이오복합재료의 특성 ... 136
• 제 7 절 셀룰로오스 나노섬유 제조 및 특성분석 ... 143
• 1. 셀룰로오스 아스테이트 나노섬유 제조 ... 143
• 2. 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 특성분석 ... 147
• 제 8 절 천연섬유 기반 탄화체 제조 및 특성분석 ... 153
• 1. 표면에 그라파이트 나노 구조층을 가지는 셀룰로오스 탄화물 구조체 제조 ... 153
• 2. 표면에 그라파이트 나노 구조층을 가지는 셀룰로오스 탄화물 구조체 특성분석 ... 155
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 160
• 제 1 절 연구개발목표의 달성도 ... 160
• 1. 연구개발 내용 ... 160
• 2. 연구개발결과 ... 161
• 3. 대표적 연구 성과 ... 164
• 4. 평가의 착안점에 따른 목표달성도 ... 169
• 제 2 절 관련분야의 기술발전에의 기여도 ... 173
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 175
• 제 1 절 추가연구의 필요성 ... 175
• 제 2 절 타연구에의 응용 ... 176
• 제 3 절 기업화 추진방안 ... 176
• 1. 연구개발 관련 사업화 가능 기술 ... 176
• 2. 기대효과 ... 176
• 3. 시장성 ... 177
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 179
• 참고문헌 ... 184