음전하 바이오소재를 활용한 미세입자 반발성 생분해 필터에 관한 연구 = PM-Repulsive Biodegradable Airfiter By Using Negative-Charged Biomaterials

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to manufacture nanofiber from the PBAT via electrospinningand systematically elucidate the effects of the rheological properties of thespinning solution and process variables on nanofiber formation. To achieve this,key parameters determining electro-spinnability, such as shear viscosity and surfacetension, were analyzed according to the solvent ratio and concentration of the PBAT solution. This analysis aimed to identify optimal conditions for uniformnanofiber formation.
To clearly identify the optimal composition for PBAT nanofiber formation, theapplied voltage, discharge rate, nozzle diameter, and environmental conditions weremaintained consistently. Thus, by independently adjusting PBAT concentration andsolvent composition, an optimal electrospinning composition capable of producinguniform and continuous nanofiber was established. Based on the identified optimalelectrospinning condition, a wet electrospinning process was applied tomanufacture PBAT nanofiber airfilter. The potential for air filter applications wasexamined based on the degree of lamination.
Meanwhile, to enhance filter functionality, a T-CNF dip-coating process wasapplied to a PBAT nanofiber mat. The mechanism of the carboxyl-based negativecharge of T-CNF on the filter surface was qualitatively investigated. This studyconfirmed that not only the physical filtration properties of PBAT itself but also theelectrical characteristics of T-CNF due to its polarization interact in a complexmanner, leading to a novel behavioral mechanism.
Overall, this study is significant in that it identifies the optimal composition of PBAT nanofiber and suggests the possibility of imparting surface chargecharacteristics using a T-CNF-based functional coating. Furthermore, it establishes afoundation for demonstrating the potential of next-generation, high-performance,and eco-friendly nanofiber-based air filters.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 생분해성 고분자인 PBAT를 전기방사 공정을 통해 나노섬유 형태로 제조하고, 방사 용액의 유변학적 특성과 공정 변수들이 나노섬유 형성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 PBAT 용액의 용매 비율과 농도에 따른 전단 점도 및 표면장력 특성 등 전기방사성을 결정하는 주요 매개변수를 분석하여 균일한 나노섬유 형성을 위한 최적 조건을 도출하고자 하였다.

PBAT 나노섬유화 최적 조성을 명확하게 규명하기 위해 인가 전압, 토출량 그리고 노즐의 직경 및 환경 조건을 일관되게 유지하였다. 이에 따라 PBAT 농도 및 용매 구성 변화만을 독립적으로 조절하여 균일하고 연속적인 나노섬유 제조가 가능한 전기방사 최적 조성을 확보하였다. 이후 도출된 최적의 전기방사 조건을 바탕으로 습식 전기방사 공정을 적용해, 필터 형태의 PBAT 나노섬유 매트를 제조하였으며 적층도에 따른 에어필터의 활용 가능성을 검토하였다.

한편 필터 기능성 향상을 위해 PBAT 나노섬유 매트에 T-CNF 딥코팅 공정을 적용하여, T-CNF의 카복실기 기반 음전하 특성의 필터 표면에서의 기작을 정성적으로 고찰하였다. 이를 통해 PBAT 자체의 물리적 여과 특성뿐만 아니라, T-CNF의 분극에 의한 전기적 특징이 복합적으로 작용하여 새로운 거동 메커니즘을 유도할 수 있음을 확인하였다.
종합적으로 본 연구는 PBAT 나노섬유 최적 조성 규명, T-CNF 기반 기능성 코팅을 활용한 표면 전하 특성 부여 가능성 제시라는 측면에서 의미가 있으며, 차세대 고성능 친환경성 나노섬유 기반 에어 필터의 활용 가능성을 입증 가능한 기반을 마련하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 2
• 2. PBAT 전기방사 메커니즘에 관한 연구 5
• 2.1 실험 6
• 2.1.1 재료 6
• 2.1.2 PBAT 전기방사 용액 제조 6
• 2.1.3 전기방사를 활용한 PBAT 나노섬유 제작 9
• 2.1.4 용액 및 공정 변수에 따른 PBAT 전기방사 공정 최적화 평가 11
• 2.2 결과 및 고찰 12
• 2.2.1 용액 특성에 따른 최적 용매 선정 12
• 2.2.2 단일 용매 시스템 기반 PBAT 전기방사 포집물 분석 14
• 2.2.2.1 단일 용매 시스템 기반 PBAT의 jet, web image 분석 14
• 2.2.2.2 단일 용매 시스템 기반 PBAT 전기방사 공정의 drop 분석 16
• 2.2.2.3 단일 용매 시스템 기반 PBAT의 sem image 분석 18
• 2.2.3 혼합 용매 시스템 기반 PBAT 전기방사 포집물 분석 20
• 2.2.3.1 PBAT 전기방사 용액의 용해도 분석 20
• 2.2.3.2 혼합 용매 시스템 기반 PBAT의 jet, web image 분석 22
• 2.2.3.3 혼합 용매 시스템 기반 PBAT 전기방사 공정의 drop 분석 25
• 2.2.3.4 혼합 용매 시스템 기반 PBAT의 sem image 분석 27
• 2.2.3.5 PBAT 전기방사 포집물의 직경 분포 30
• 2.2.4 혼합 용매 시스템 기반 PBAT 전기방사 용액 특성 분석 32
• 2.2.4.1 PBAT 전기방사 용액의 표면장력 특성 분석 32
• 2.2.4.2 PBAT 전기방사 용액의 유변학적 특성 분석 34
• 3. 친환경 재료 T-CNF 코팅에 따른 PBAT 나노섬유 필터 성능 평가 36
• 3.1 실험 37
• 3.1.1 재료 37
• 3.1.2 습식 전기방사 공정 37
• 3.1.3 필터 성능 측정 37
• 3.1.4 생분해 속도 측정 38
• 3.2 결과 및 고찰 41
• 3.2.1 습식 전기방사 기반 PBAT 나노섬유 필터 제조 41
• 3.2.2 적층도에 따른 필터 성능 정량 평가 43
• 3.2.2.1 적층도에 따른 미세먼지 차단 특성 분석 43
• 3.2.2.2 적층도에 따른 두께 및 압력 강하 특성 분석 43
• 3.2.2.3 표면 분극 및 영구 음전하 부여 메커니즘 45
• 3.2.2.4 분산 안정성 평가 및 임계 농도 최적화 45
• 3.2.2.5 T-CNF 분산액의 코팅 적용성 평가 45
• 3.2.2.6 농도별 T-CNF 코팅에 따른 필터 성능 비교 47
• 3.2.2.7 필터링 메커니즘에 따른 입자 포집 경향 분석 49
• 3.2.2.8 필터 표면 잔류 입자량의 정량적 비교 분석 49
• 3.2.2.9 T-CNF 코팅 PBAT 필터의 생분해 거동 분석 51
• 4. 결론 53
• 참고문헌 55
• Abstract 59