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나노-마이크로 대나무 섬유 복합체의 기계적 특성 강화에 관한 연구
방준식 ( Junsik Bang¸ ),박진석 ( Jinseok Park¸ ),김정규 ( Jeongkyu Kim¸ ),김윤진 ( Yunjin Kim¸ ),곽효원 ( Hyowon Kwak ) 한국목재공학회 2020 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.1
본 연구에서는 대나무 유래 마이크로섬유 (BF) 및 셀룰로오스 나노피브릴 (CNF)을 이용하여 친환경 섬유 복합체를 제조하고자 하였다. 기존의 섬유 바인더로 이용하는 포름알데히드의 대체 소재로 대나무로부터 얻어진 CNF를 사용하였고 CNF의 함량에 따른 BF/CNF 나노/마이크로 섬유 복합체의 이화학적 특성을 관찰하였다.. FE-SEM를 통한 몰폴로지 분석을 통하여, CNF의 함량이 늘어날수록 BF 섬유 사이의 공극을 CNF가 채워줌과 동시에 BF/CNF 사이의 계면 접착이 발생함을 확인하였다. 이러한 CNF의 첨가는 섬유 염색 실험, 밀도 변화를 통한 공극율 결과에서도 명확하게 나타났다. CNF의 첨가는 BF/CNF 섬유 복합체의 기계적 물성을 크게 향상 시킬 수 있었으며 이는 앞서 언급한 CNF의 공극 BF섬유사이의 공극의 채움과 계면의 접착에 의해 발생되었음을 알 수 있다. 또한 BF/CNF 섬유 복합체는 BF 단일 섬유 구조체에 비하여 높은 접촉각 및 젖음 시간, 흡수율을 보이는 것을 통해 CNF의 첨가가 BF/CNF 섬유 구조체의 수분환경에서의 안정성을 증진시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 BF/CNF섬유 복합체는 향 후 친환경 부직포 및 섬유소재 기반 건축소재에 활용이 가능할 것이라 전망한다.
셀룰로오스 나노섬유의 첨가가 초소수성 실리카 나노입자의 분산 안정성 및 유변학적 특성에 미치는 영향
방준식 ( Junsik Bang ),김정규 ( Jungkyu Kim ),김윤진 ( Yunjin Kim ),황성욱 ( Sung-wook Hwang ),이태경 ( Taekyeong Lee ),안경선 ( Kyung-sun Ahn ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ),오정권 ( Jung-kwon Oh ),곽효원 ( Hyo Won Kwak ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.2
본 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유를 증점제로 이용하여 초소수성 실리카 코팅용액을 제조하고자 하였다. 우선적으로 실리카 기반 소수성 코팅용액을 Tetraethyl orthosilicate (TEOS)와 Hexadecyltriethoxysilane (HDTMS)를 사용하여 sol-gel 공법으로 코팅용액을 제조하였다. 제조된 실리카 기반 코팅 용액을 건조 시킨 후 FT-IR로 이화학적 특성을 분석한 결과 실리카 나노입자가 HDTMS로 개질된 것을 확인할 수 있었으며, 투과전자 현미경을 통해 100 나노미터의 크기를 갖는 구형의 실리카 나노입자로 구성되어 있는 것을 확인하였다. 하지만 제조된 실리카 용액은 짧은 시간 내에 고형분이 침전되는 문제점을 가지고 있을뿐만 아니라 점도가 낮아서 코팅액으로 사용시에 균일한 코팅 공정을 구현하기가 어려웠다.. 이를 개선하기 위해 셀룰로오스 나노섬유를 증점제 및 분산 안정제로 첨가하였으며 레오미터를 통해 셀룰로오스 나노섬유의 함량에 따른 유변학적 특성을 평가하였다. 그 결과 셀룰로로오스 나노섬유는 분산 안정제 및 증점제의 역할을 하는 것을 확인할 수 있었으며 점도의 증가로 발림성 또한 증가하는 것을 볼 수 있었다. FT-IR 결과 및 투과전자 현미경 이미지를 통해 셀룰로오스 나노섬유 표면에 실리카 나노입자가 생성됨을 확인할 수 있었다. 추가적으로 셀룰로오스 나노섬유 첨가 비율을 최적화한 다음, 목재 표면에 코팅 한 결과 150도 이상의 높은 접촉각을 나타내는 것을 확인할 수 있었고, 낮은 sliding angle을 갖는 것을 통해 발수성 또한 갖는다는 것을 알 수 있었다.
폴리카프로락톤으로 그래프트된 리그닌의 첨가가 생분해성 고분자 기반 나노섬유의 이화학적 특성에 미치는 영향
방준식 ( Junsik Bang ),김정규 ( Jungkyu Kim ),김윤진 ( Yunjin Kim ),정민정 ( Minjung Jung ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ),최인규 ( In-gyu Choi ),곽효원 ( Hyo Won Kwak ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1
본 연구에서는 생분해성 플라스틱으로 잘 알려져있는 폴리카프로락톤 기반 나노섬유에 리그닌 기반 친환경 첨가제를 사용하여 나노섬유의 인장강도와 UV 저항성을 개선하고자 하였다. 일반적으로 리그닌을 상용 플라스틱 고분자에 단순히 혼합한다면 리그닌의 낮은 열 가소성과 자가 응집현상이 발생하게 된다. 본 연구에서는 이러한 사용성을 개선하기 위하여 리그닌과 카프로락톤의 그래프팅 중합을 통해 리그닌 기반의 열 가소성 첨가제를 제조하고자 하였다. 리그닌과 카프로락톤의 반응성을 높이기 위한 방법으로는 Ethyl acetate, Ethanol를 이용한 리그닌 분획을 실시하였다. 그 결과 페놀성 수산기의 함량이 풍부한 리그닌을 획득하였고 이를 이용하여 카프로락톤과의 그라프팅 반응을 진행하였다. 제조된 리그닌 기반 열 가소성 고분자는 리그닌의 함량, 중합에 사용된 리그닌의 종류에 따라 중합도, 분자량, 열적, 유변학적특성이 달라짐을 보았다. 리그닌 기반 열 가소성 첨가제를 폴리카프로락톤과 1:1로 혼합하여 방사 용액을 제조한 뒤 용액방사를 통해 생분해성 나노섬유를 제조하였다. 제조된 나노섬유의 이화학적 특성을 FE-SEM, TGA, 인장시험, UV-Vis를 통해 분석하였다. 그 결과, 리그닌 기반 열 가소성 고분자의 첨가가 폴리카프로락톤 나노섬유의 인장강도를 향상시켰으며 UV에 의한 기계적 열화를 방지할 수 있음을 확인하였다.
효율적인 염료 제거를 위한 재생 리그노셀룰로오스 하이드로겔의 제조 및 특성분석
김윤진 ( Yunjin Kim ),방준식 ( Junsik Bang ),김정규 ( Jungkyu Kim ),정민정 ( Minjung Jung ),정승오 ( Jung Seungoh ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ),최인규 ( In-gyu Choi ),곽효원 ( Hyo Won Kwak ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1
목질계 바이오매스 중 하나인 리그닌은 천연 방향족 고분자로 구성되어 있고, 자연에서 두 번째로 풍부한 소재이다. 최근 탄소자원의 선순환에 관한 관심이 높아짐에 따라 리그닌의 응용 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 이와 동시에 염료, 중금속과 관련한 수질 오염이 지속적으로 문제로 제기 됨에 따라, 이를 해결하기 위한 수처리 소재로 리그닌을 이용하려는 연구가 활발히 보고되고 있다. 하지만 리그닌은 구조가 매우 복잡하고, 고분자로서의 가공성이 낮아 실제 응용 분야에서는 활용 가능성이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 염료 제거를 위해 리그닌을 재생 나노셀룰로오스 하이드로겔에 복합화하여 리그닌 함유 재생 나노셀룰로오스 하이드로겔을 제조하였다. 이를 통해 리그닌의 부족한 구조적 안정성을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 셀룰로오스 기반 하이드로겔의 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다. 제조한 리그노셀룰로오스 기반 하이드로겔은 리그닌 첨가에 의해 염료 제거 성능이 크게 증가하였으며, 이는 수처리 재료로서의 응용 가능성을 보일 수 있었다.
리그닌 아세틸화를 통한 고함량 리그닌 기반 PBAT 복합 필름 개발 및 특성 평가
김정규 ( Jungkyu Kim ),방준식 ( Junsik Bang ),박상우 ( Sang-woo Park ),김윤진 ( Yunjin Kim ),정민정 ( Minjung Jung ),정승오 ( Seungoh Jung ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.2
리그닌은 생산 비용이 낮을 뿐만 아니라 UV 차단성, 항산화성을 가지고 있어 PBAT의 생산 비용 절감을 위한 블렌드 물질로 적합하다고 평가된다. 그러나 압사출 및 고분자 가공 공정에서 리그닌의 응집이 발생하여 PBAT와의 상용성과 복합재의 기계적 물성을 감소시키기 때문에 리그닌의 전처리를 통해 자가응집을 방지하는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 리그닌의 아세틸화를 통해 리그닌의 수산기를 개질하여 리그닌/PBAT 복합 필름 제조 시 자가 응집을 방지하였다.
헤미셀룰로오스 가수분해물 첨가를 통한 셀룰로오스 나노피브릴의 건조공정에서의 응집 방지 및 재분산성 강화
김정규 ( Jungkyu Kim ),방준식 ( Junsik Bang ),김윤진 ( Yunjin Kim ),정민정 ( Minjeong Jung ),김종화 ( Jong-hwa Kim ),최인규 ( In-gyu Choi ),곽효원 ( Hyo Won Kwak ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1
나노셀룰로오스는 뛰어난 기계적, 열적 특성으로 인해 석유 기반 고분자를 대체할 수 있는 물질로 주목 받고 있다. 하지만 나노셀룰로오스의 실제 산업 분야에서의 상용화를 위해서는 제조 및 저장, 운송에 있어서의 효율성 및 안정성이 보장되어야 한다. 이러한 관점에서 나노셀룰로오스의 상용화에 있어 탈수 및 건조 공정에서 발생하는 비가역적인 응집 현상은 우선적으로 해결해야 할 과제이다. 나노셀룰로오스의 응집 현상은 건조 과정에서 발생하는 분자 간 강한 수소 결합 형성에 의해 일어나며, 이로 인하여 나노셀룰로오스의 구조가 변화하며 성능은 크게 감소한다. 따라서 지금까지 나노셀룰로오스 제품들은 일반적으로 1~10wt% 농도의 현탁액 상태로만 취급되고 있다. 본 연구에서는 목질계 바이오매스의 계층적 구조에서 영감을 받아 나노셀룰로오스의 건조 시 비가역적인 수소 결합 발생을 방지하기 위해 헤미셀룰로오스 가수분해 산물인 자일로스를 친환경 첨가제로 사용하였다. 다양한 비율의 오븐 건조한 CNF/자일로스 필름을 제조하고, 건조 면적 및 표면 몰폴로지를 분석하였다. 그리고 재분산 동역학 및 침전 실험을 통해 최적의 자일로스 첨가량을 결정하고, 입도 및 유변학적 특성 분석을 통해 CNF 현탁액의 분산성 회복을 확인하였다. 수용성 바이오폴리머인 자일로스는 증류수를 이용한 수세 공정으로 쉽게 제거할 수 있었고, 이를 수세 전후 고형분의 질량 비교와 FTIR 측정을 통해 확인이 가능하였다.