폐 PET-면 혼방직물의 동시 리사이클링을 적용한 Cu-BDC 복합재 합성 공정 = Facile Upcycling of Hard-to-recycle PET/Cotton Blends into Cu-BDC Functionalized Fabrics for Gas Removal

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 재활용이 어려운 PET/면 혼방직물을 Cu-BDC 기능화 직물로 전환하는 간단하고 지속가능한 업사이클링 전략을 제안하였다. 이를 위해 먼저 NaOH 수용액에서 알칼리 가수분해 반응을 통해 혼방직물 내 PET 섬유를 선택적으로 해중합하여 95%의 수율로 Na2BDC를 생성하였다. 생성된 Na2BDC는 알칼리 조건에서 머서화 반응으로 표면이 활성화된 면섬유에 고정되어 리간드층을 형성하였다. 이후 구리 아세테이트 용액에서의 배위 반응을 통해 면직물 표면에 Cu-BDC가 최대 43 wt%까지 성장하였으며, 합성 과정에서 첨가되는 아세트산의 양을 조절함으로써 Cu-BDC의 결정 형태가 나노시트(nanosheet)에서 막대형(rod-like) 구조로 변화함을 확인하였다. 아세트산 첨가에 따른 Cu-BDC 결정 형태의 변화는 가스 흡착 선택성을 결정하는 핵심 인자로 작용하였다. 나노시트 구조의 CuBDC-COOH31@Cotton은 넓은 비표면적 특성에 의해 SO2 가스에 대해 최대 6.87 mmol/g-Cu-BDC의 흡착 성능을 나타냈다. CuBDC-COOH250@Cotton은 Cu2+ open metal site를 제공하기에 유리한 막대형 구조의 결정을 생성했으며 NH3 가스에 대해 최대 7.09 mmol/g-Cu-BDC의 흡착량을 보였다. 합성된 Cu-BDC 도입 직물은 반복적인 가스 흡착-세척 사이클 후에도 구조적, 기계적 특성 및 가스 흡착 성능이 비교적 안정적으로 유지되었다.
본 공정은 리간드 자원의 생성, 기질의 표면 활성화, 그리고 MOF의 성장 단계를 두 단계의 연속적인 시스템으로 통합함으로써, 리사이클링을 위해 혼방섬유의 분리가 선행되는 기존의 재활용 기술과 뚜렷이 구별된다. 본 연구에서는 기존 재활용 공정의 기술적 제약으로 여기던 혼방직물을 MOF 합성을 위한 전구체 및 구조적 지지체로써 모두 활용 가능한 핵심 자원으로 재정의하였다. 이러한 접근은 확장성과 순환성을 동시에 강화하는 새로운 자원 순환 전략을 제시하였다는 점에서 학문적, 산업적 의의가 있다. 또한 이를 통해 제조된 Cu-BDC 기능화 면직물의 유해 가스 저감을 위한 기능성 흡착 소재로의 활용 가능성을 제시하여 향후 폐섬유 기반의 환경 정화 소재 개발에 기술적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study introduces a facile and sustainable upcycling strategy for transforming hard-to-recycle polyethylene terephthalate (PET)/cotton blended fabrics into copper-1,4-benzenedicarboxylate (Cu-BDC) functionalized textiles, redefining both fiber components as value-added material for environmental applications. The PET fraction was selectively alkaline-hydrolyzed in NaOH solution to yield Na2BDC with 95% efficiency, leading to direct in-situ ligand growth on the remaining cotton matrix. The cotton component, serving as a structural scaffold, underwent mercerization-induced surface activation, thereby promoting the anchoring of Na₂BDC ligands to the fibers. Subsequent coordination with copper acetate produced Cu-BDC-grown cotton (up to 43.1 wt%), in which acetic acid modulation tailored the crystal morphology from nanosheets to rod-like structures. This morphological control determined gas adsorption selectivity: the nanosheets showed higher SO₂ uptake, whereas the rod-like form showed higher NH₃ adsorption. The Cu-BDC-functionalized fabrics retained crystallinity, mechanical integrity, and adsorption capacity over repeated washing cycles. Integrating ligand synthesis, substrate activation, and MOF growth into a simplified two-step process, this work demonstrates a scalable circular-material approach in which blended textile waste serves as both structural substrate and chemical feedstock.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 01
• 제 2 장 이론적 배경 03
• 제 1 절 폐PET의 재활용 03
• 2.1.1 PET 단일섬유의 재활용 04
• 2.1.1 PET 혼방직물의 재활용 06
• 제 2 절 금속유기골격체 08
• 2.2.1 금속유기골격체의 특징 08
• 2.2.1 폐PET 기반 금속유기골격체 합성 09
• 제 3 절 가스 흡착 특성 11
• 제 3 장 실 험 12
• 제 1 절 시료 및 시약 12
• 제 2 절 알칼리 가수분해에 따른 P/C 직물의 특성 변화 13
• 3.2.1 PET의 선택적 해중합 공정 13
• 3.2.2 PET의 선택적 해중합 및 잔존 면섬유 특성 분석 14
• 3.2.3 PET의 선택적 해중합 공정 조건 최적화 15
• 제 3 절 해중합 산물을 이용한 Cu-BDC 기능화 면직물 제작 17
• 3.3.1 Cu-BDC 기능화 면직물의 제조 공정 17
• 3.3.2 제작 시료의 특성 분석 18
• 제 4 절 가스 흡착 성능 평가 20
• 제 5 절 내구성 및 재사용성 평가 22
• 제 6 절 공정 지속가능성 평가 23
• 제 4 장 결과 및 고찰 24
• 제 1 절 알칼리 가수분해에 따른 P/C 혼방직물의 특성 변화 24
• 4.1.1 PET의 선택적 해중합 특성 24
• 4.1.2 잔존 면섬유의 특성 분석 28
• 제 2 절 알칼리 가수분해 공정 조건 최적화 30
• 4.2.1 PET 해중합 효율 기반 평가 30
• 4.2.2 잔존 면직물의 기계적 성능 기반 평가 33
• 제 3 절 Cu-BDC 기능화 면직물 개발 36
• 4.3.1 Na2BDC@Cotton 합성 및 특성 분석 36
• 4.3.2 CuBDC@Cotton 합성 및 특성 분석 39
• 4.3.3 아세트산 조절에 따른 Cu-BDC 결정 성장 특성 43
• 제 4 절 가스 흡착 성능 평가 47
• 제 5 절 기능적 내구성 평가 52
• 제 6 절 공정 지속가능성 평가 54
• 제 5 장 결론 59
• 참고문헌 60
• 부록 73
• Abstract 76