나노셀룰로즈로 강화된 폴리락타이드 나노복합재료 연구

Abstract

Polylactide (PLA)는 biomass로부터 유래한 친환경 고분자 재료로써, 우수한 기계적 물성을 가지고 있어 기존의 석유화학 기반의 고분자를 대체할 소재로 각광을 받고 있다. 하지만 PLA는 여전히 상업화된 고분자에 비해 낮은 기계적 강도를 갖고 있으며, 열에 의한 변형에 취약하고 결정화 속도가 느리다는 단점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위하여 보강재를 혼입하여 PLA의 물성을 개선하는 연구가 진행되고 있다. 셀룰로즈는 지구상에서 가장 흔한 유기화합물 가운데 하나로 생분해성 강화재로 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 나노 사이즈의 셀룰로즈는 매우 강한 기계적 물성을 나타내며, 낮은 열팽창계수를 갖고 있어 PLA의 단점을 보완하여 생분해성을 갖는 고성능 복합재료에 적합한 소재이다. 따라서 본 연구에서는 MCC (Microcrystalline cellulose)로부터 황산을 이용한 화학적 방법과 초음파 처리를 이용한 물리적 방법으로 셀룰로즈 나노위스커 (Cellulose nanowhisker, CNW)를 제조하였다. TEM과 XRD, DLS 분석을 통하여 나노셀룰로즈가 성공적으로 제조되었음을 확인하였고, 이를 PLA에 혼입하여 복합필름을 제조하였다. 유변물성 측정 결과 CNW 함량이 증가할수록 복합점도와 G’이 증가하였고, 기계적 물성 측정결과 CNW가 혼입됨에 따라 인장강도와 Modulus가 증가하는 특성이 나타났다. UV-Vis 측정결과 투과도가 매우 높게 나타났는데, 매우 소량의 CNW를 혼입하여 투명하면서도 기계적 강도가 향상된 PLA 필름을 제조할 수 있음을 확인하였다. 하지만 나노 사이즈의 셀룰로즈는 넓은 표면적과 표면의 매우 높은 친수성 때문에 분산시키기가 매우 어렵다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 표면처리를 실행하여 극성이 낮은 환경에서 셀룰로즈의 분산성을 향상시키는 연구를 실행하였다. 과량의 Acetic anhydride 와 CNW를 반응시켜 셀룰로즈 표면의 하이드록실 그룹을 아세틸 그룹으로 치환하였다. 이를 아세틸화 셀룰로즈 나노위스커 (acetylated cellulose nanowhisker, ACN) 이라 명명하였다. FTIR과 NMR 분석을 이용하여 셀룰로즈의 아세틸레이션이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 클로로포름에 분산시켜 CNW과 비교한 결과 ACN의 분산성이 크게 향상되었는데 이는 셀룰로즈 표면의 친수성의 감소와 치환된 아세틸그룹이 인접한 셀룰로즈와의 interaction을 차단하는 효과에 기인한다. ACN을 PLA에 적용하여 기계적 물성을 측정한 결과 ACN의 함량이 증가할수록 인장강도와 인장탄성률이 증가하는 경향이 나타났다. 또한 ACN이 혼입됨에 따라 열안정성이 증가하고 열에 의한 변형이 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해서 화학적, 물리적 방법을 이용한 나노셀룰로즈의 제조와 표면처리를 통하여 효과적인 보강재를 제조하였으며, 이를 PLA에 적용하여 물성의 향상을 확인할 수 있었다. |Cellulose nanowhiskers (CNW) were isolated from microcrystalline cellulose using acid hydrolysis and ultrasonication. Poly (lactide) (PLA) nanocomposites were prepared by incorporating CNW with 0.1 wt% and 0.5 wt% into a PLA matrix. Rheological analysis showed complex viscosity was decreased with an increase in frequency. The storage modulus and loss tangent were increased with filler loading. Despite filler loading on the PLA matrix, transmittance was decreased slightly. The tensile strength increased 6% and 15% for PLA composite films containing 0.1 wt% and 0.5 wt% cellulose nanofibers, respectively, while the tensile modulus increased 13% and 23% for those composites. The CNW filler did not affect glass transition or melting temperature; however, it promoted crystallization, resulting in an increase in crystallinity for the PLA/CNW composites. These results suggest that high performance PLA bionanocomposites with high transparency can be obtained by adding uniformly dispersed cellulose nanowhiskers. In order to improve the dispersibility of CNW, surface modification was performed by acetylation reaction between hydroxyl groups on cellulose and a large excess acetic anhydride. From the FTIR and solid state NMR result, it was confirmed that the reaction was carried out successfully. As a result of WAXD, the acetylation reaction did not affect the structure of cellulose. The acetylation cellulose nanowhikser (ACN) have shown an improved dispersibility in non-polar environment due to surface blocking effect of acetyl groups on cellulose surface. The PLA/ACN composite films were prepared by solution casting method. Despite increment of ACN loading level, self-aggregation of cellulose was not emerged. Because of nucleation effect of loaded ACN, crystallinity of the PLA/ACN composite films was elevated. Mechanical properties, thernal stability and dimensional stability of the PLA composites were improved by adding ACN.; Cellulose nanowhiskers (CNW) were isolated from microcrystalline cellulose using acid hydrolysis and ultrasonication. Poly (lactide) (PLA) nanocomposites were prepared by incorporating CNW with 0.1 wt% and 0.5 wt% into a PLA matrix. Rheological analysis showed complex viscosity was decreased with an increase in frequency. The storage modulus and loss tangent were increased with filler loading. Despite filler loading on the PLA matrix, transmittance was decreased slightly. The tensile strength increased 6% and 15% for PLA composite films containing 0.1 wt% and 0.5 wt% cellulose nanofibers, respectively, while the tensile modulus increased 13% and 23% for those composites. The CNW filler did not affect glass transition or melting temperature