보고서 정보
주관연구기관 |
한국화학연구원 Korea Research Institute of Chemical Technology |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-12 |
과제시작연도 |
2014 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201500012818 |
과제고유번호 |
1711022437 |
사업명 |
한국화학연구원연구운영비지원 |
DB 구축일자 |
2015-07-18
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키워드 |
나노셀룰로오스 섬유.열가소성플라스틱.가소제.바이오복합소재.Nano Cellulose.Thermoplastic.Plasticizer.Bio-Composite.
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초록
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1. 연구목표
1) 나노셀룰로오스 섬유제조기술 확립
- NFC 제조 : 수율 95% 이상, 탄성률 12 GPa 이상 (공정에너지: 20%감소)
- TEMPO-oxidation 셀룰로오스 (TOCN) 제조 : 수율 80% 이상,Carboxylate content 1.0-1.7 mmol/g cellulose, 나노피브릴 길이 1-10㎛, 나노피브릴 폭 3-4㎚
- CNC 제조 : 추출 수율 25% 이상, 길이 100-700 nm 사이 (90% 이상 분포), 두께 30-100nm 사이 (90% 이상 분포), 종횡비
1. 연구목표
1) 나노셀룰로오스 섬유제조기술 확립
- NFC 제조 : 수율 95% 이상, 탄성률 12 GPa 이상 (공정에너지: 20%감소)
- TEMPO-oxidation 셀룰로오스 (TOCN) 제조 : 수율 80% 이상,Carboxylate content 1.0-1.7 mmol/g cellulose, 나노피브릴 길이 1-10㎛, 나노피브릴 폭 3-4㎚
- CNC 제조 : 추출 수율 25% 이상, 길이 100-700 nm 사이 (90% 이상 분포), 두께 30-100nm 사이 (90% 이상 분포), 종횡비 1-23 사이 (90% 이상 분포)
- BC 제조 : 10g/L (1-5L 규모)
2) 바이오매스 유래의 신규 친환경 가소제의 합성
- 바이오매스유래 가소제 설계 및 합성기술: 이소솔바이드 기반 가소제1종 이상, 지방산 기반 친환경 가소제 2종 이상, 수율 80% 이상
- 유리전이온도 50oC 감소
- 혼합 후 투과도 변화없음 (UV)
- 수분 흡수율 : 4.0% 이하
3) 셀룰로오스 직접개질에 의한 열가소성 플라스틱제조 및 나노셀룰로오스 활용 복합수지화 연구
- 셀룰로오스 개질 : 수율 80% 이상
- 복합수지 응력 (stress) 100% (상대치) 증가, 변형률 (strain) 200% (절대치) 증가
4) 정량적 연구목표
2. 주요 연구내용
1) 나노셀룰로오스 섬유제조기술 확립
- BKP활용 NFC 및 CNC 제조기술 확립
- 바이오디젤 공정 부산물 활용 BC의 대량생산
2) 바이오매스 유래의 신규 친환경 가소제의 합성
- 셀룰로오스 유도체 그라프트 개질 가소제
- 식물유래 친환경 가소제 합성
- 필름성형 및 가소성능 평가
3) 셀룰로오스 직접개질에 의한 열가소성 플라스틱제조 및 나노셀룰로오스 활용 복합수지화 연구
- 셀룰로오스 개질 기술에 의한 가소화 기술 확립
- 열가소성 특성 평가 및 성형가공 연구
- 나노셀룰로오스 (NFC/CNC/BC) 활용 복합수지화 기술 확립
3. 주요 연구개발결과 및 성과
1) 나노셀룰로오스 섬유제조기술 확립
- NFC 제조 : 전년도 대비 농도 1.5배 향상 (1.5%), 에너지 소비량23% 감소(2.18kwh), 탄성계수 3% 감소(14.17GPa)를 나타냄으로 탄성계수의 큰 손실 없이 농도 향상과 제조 에너지 절감효과를 달성하였음
- TEMPO-oxidation 셀룰로오스 (TOCN) 제조 : Carboxylate content가 0.9 ~ 1.6 mmol/g cellulose, SEM과 AFM을 통하여 측정한 TOCNs의 섬유폭은 약 4-30㎚ 수준이며, TEM을 통하여 측정한 TOCNs의 섬유길이는 1-3㎛
- 필터 페이퍼를 인산 및 황산으로 처리하여 CNC를 제조한 결과, 수율 30~61%, Aspect ratio 2.3~20.3의 CNC를 제조하였으며, 침엽수 펄프에 전자빔 처리 공정을 적용하여 기존 기술대비 7.7%의 산과 10%의 물을 사용하고 반응시간을 25%까지 줄일 수 있는 경제적 공정을 확립하였음 (세계 최초 경제적 공정)
- 재생 가능한 친환경 바이오 부산물을 통한 BNC 생산 : 바이오 디젤생산 공정 부산물을 사용하여 BNC 생산량 21.2g/L의 경제성 있는 제조공정을 확립하였음 (기존 정제 배지 가격 20,000원/kg에 비해 본 공정의 배지 가격 10,000원/kg)
2) 바이오매스 유래의 신규 친환경 가소제의 합성
- (나노)셀룰로오스 복합화를 위하여 지방산 디에스테르계 및 이소솔바이드계 에스테르 5종 이상, 식물유 기반 공액 리놀레산계 유도체 4종의 친환경 가소제를 제조하였음
- 식물유 기반 공액 리놀레산 계 친환경 가소제 : 합성 수율 65~95%,30 wt% 혼합 시 에틸셀룰로오스 Tg 55~60 oC 감소, 신율 195~257% 향상, 에틸셀룰로오스와 혼합시 UV 투과도 변화 없음
- PVC 및 폴리락타이드 용 식물유 기반 공액 리놀레산 계 친환경 가소제 2종 합성 : 합성 수율 25~73%, 30 wt% 혼합 시, 신율 617 %, 474% (기존 가소제 대비 동등 또는 35% 향상), 인장 강도 29 MPa, 39MPa (기존 가소제 대비 동등 또는 16% 향상)
3) 셀룰로오스 직접개질에 의한 열가소성 플라스틱제조 및 나노셀룰로오스 활용 복합수지화 연구
- CNC/폴리우레탄 복합수지의 경우, 상대적으로 중간 범위 분자량(50K~70K)에서 응력 32.1MPa, 변형률 1530%로 응력은 220% 증가되었고 변형률은 절대치 650% 증가하였음
- CNC/폴리우레탄우레아 복합수지의 경우, 인장강도 28.1 MPa, 신율은1,580% 까지 크게 증가하였으며, CNC 가 폴리우레탄우레아 수지의 물리적 특성을 크게 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있었음
- TOCN/폴리우레탄우레아 복합수지의 경우, 폴리우레탄우레아 수지와 비교했을 때 응력은 49 MPa(약 1,200% 향상), 변형률은 2,631% (약500% 향상)을 나타내었음 (세계 최초 및 최고)
4) 정량적 연구목표
4. 활용분야 및 계획
1) 나노셀룰로오스의 제조 및 컴포지트화
- CNC/PUU 컴포지트 및 TOCN/PUU 컴포지트의 메브레인 산소/질소 분리막으로 적용 (티피에스 사와 중소기업 기술로드 쇼 및 기업연구소 설립 등 논의, 정부 수탁과제 협의 등)
- CNC 제조공정의 펄프회사 및 폴리우레탄회사와의 기술이전 논의
2) 바이오매스 기반 친환경 가소제
- 식물유 기반 친환경 가소제 관련 정부 수탁과제 수주 노력
- 및 등의 열가소성 PVC PLA 플라스틱 제조 기술에의 활용
3) 활용분야
- 나노셀룰로오스는 우수한 물리·화학적 특성에 의해 기존에 복합소재의 핵심보강재로 사용하던 유리섬유 및 각종 무기충전제를 대체할수 있음
- 나노셀룰로오스의 경우 성형시 투명성을 확보할 수 있고, 복합화에 의한 전도성 부여, 투기성 저감 및 조절에 의해 다양한 기능성 재료의 핵심 원료로 활용 할 수 있음
- 기존의 화석원료기반 소재에서 환경친화적인 천연유래의 플라스틱소재로 많은 부분을 대체할 수 있음
- 환경유해물질인 프탈레이트계 가소제를 대체할 수 있으며 바이오플라스틱과 신규 셀룰로오스계 열가소성 플라스틱에 적용하여 소재의 가공성을 넓히고 이에 따른 친환경소재의 활용분야를 넓히는데 활용할 수 있음
5. 기대효과
1) 과학기술적 측면
- 포장재료, 레올로지 컨트롤제, 멤브레인, 투명 전기.전자재료, 제약산업, 화장품산업, 식품산업 등 다양한 응용영역을 확보하여 고부가제품개발의 핵심소재로 가능성이 매우 높음
2) 경제적 측면
- 천연자원 사용으로 인한 청정공정 및 제품 개발로 녹색성 구현 및 포장재료, 멤브레인, 투명 전기 전자재료, 제약산업, 화장품 산업 등의 친환경 기술력 향상
- 국제 환경규제 대응효과, 신규 일자리 창출 및 관련 업체 경쟁력 강화 효과, 신규 가소제 시장창출, 신규 바이오플라스틱 시장 창출 기대
3) 사회적 측면
- 셀룰로오스의 경우 매년 반복적으로 생산되는 가장 풍부한 재료이기 때문에 그 자체를 효율적으로 이용하여 소재화 하는 기술은 국제적차원의 각종 환경규제 움직임이 급속히 확산됨에 따라 화석 원료를 대체할 수 있는 환경친화형의 생분해성 소재로서 가장 적합한 소재로 응용 될 수 있음
6. 차년도 연구계획
1) 식물유 폐자원 활용 폴리 에스테르계 열가소성 탄성체 개발
- 식물유 폐자원 활용 이염기산 단량체 제조
- 폴리에스테르 중합기술 확보 및 중합도 조절
- 열가소성 폴리에스테르 탄성체 제조 및 물성평가
2) 바이오매스 폐자원 기반 폴리 우레탄계 열가소성 탄성체 개발
- 바이오매스 폐자원 활용 폴리올 제조 (이산화탄소 기반 카보네이트폴리올 포함)
- 폴리우레탄 중합기술 확립 및 중합도 조절
- 열가소성 폴리우레탄 탄성체 제조 및 물성평가
3) 바이오매스 폐자원 기반 에폭시계 접착소재 개발
- 바이오매스 기반 에폭시 전구체 제조
- 바이오매스 기반 경화제 제조
- 경화속도 조절을 통한 바이오매스 기반 에폭시 수지 제조 및 물성평가
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