Synthesis and characterization of multiscale bamboo extracts employed in sustainable biopolymer composites

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing need for environmentally responsible materials has driven the development of bio-based polymer composites with improved mechanical performance and fire resistance. This dissertation explores bamboo-derived reinforcements—ranging from nanofibers to microfibers and carbonized fillers—and green interfacial engineering strategies to enhance the toughness and flame retardancy of sustainable polymer matrices.
Cellulose nanofibrils (CNFs) were first extracted from bamboo through a low-chemical, microwave-assisted process and incorporated into natural rubber. Their high aspect ratio, strong hydrogen-bonding capability, and uniform dispersion enabled the formation of an effective stress-transfer network, yielding simultaneous improvements in tensile strength, elongation, and toughness—an uncommon combination in CNF-reinforced elastomers.
In the second part, mechanically extracted bamboo fibers were modified using oxygen/argon plasma treatment followed by polydopamine (PDA) coating to reinforce PLA. The sequential plasma–PDA modification overcame the brittleness typically induced by PDA alone and significantly improved interfacial adhesion by increasing surface energy and chemical functionality. The optimized composite exhibited markedly enhanced tensile toughness and storage modulus while maintaining biodegradability and environmentally benign processing.
Finally, bamboo charcoal (BC) was investigated as a natural flame-retardant filler for PLA. While PDA coatings are often assumed to promote char formation, PDA-coated BC in this system reduced flame performance due to additional combustible volatiles generated during decomposition. In contrast, unmodified BC at 20–30 wt% effectively promoted condensed-phase char formation and achieved UL-94 V-0. These results underscore the system-dependent nature of PDA’s flame-retardant behavior and highlight the importance of evaluating bio-inspired modifiers within specific composite architectures.
These findings provide foundational guidance for developing next-generation sustainable polymer composites for structural, packaging, and consumer applications.

국문 초록 (Abstract)

환경적으로 책임 있는 소재에 대한 수요가 증가함에 따라, 기계적 성능과 열적 안정성, 그리고 저화학 공정을 동시에 충족시키는 지속가능 고분자 복합재료의 개발이 중요해지고 있다. 본 학위논문에서는 대나무로부터 유래한 다중 스케일의 강화재와 친환경적 계면 공정 기술을 활용하여 고분자 복합재의 인성과 난연성을 향상시키기 위한 종합적인 연구를 수행하였다.
첫 번째 연구에서는 저화학 공정을 기반으로 한 마이크로웨이브 보조 추출법을 통해 대나무에서 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 제조하고 이를 천연고무(NR)에 도입하였다. 높은 종횡비와 강한 수소결합 능력을 갖는 CNF는 고무 매트릭스 내에서 응력 전달 네트워크를 형성하여 인장강도, 파단신율, 인성의 동시 향상이라는 기존 CNF-고무 복합재에서 보기 드문 성능을 확보하였다.
두 번째 연구에서는 대나무 섬유에 플라즈마 처리와 폴리도파민(PDA) 코팅을 순차적으로 표면개질하여 폴리락틱산(PLA) 복합재를 제조하였다. PDA 단독 처리 시 과도한 계면 강성 증가로 인해 취성이 나타났으나, 플라즈마 활성화 후 PDA를 도입하는 공정은 섬유–매트릭스 간 표면에너지를 증대시키고 기능기 도입과 코팅 균질성을 개선하여 시너지 효과를 발휘하였다. 그 결과 최적 조건(P-PDA M8h BF/PLA)에서 인장 인성과 저장 탄성률이 크게 향상되었으며, 생분해성을 유지한 채 친환경 공정이라는 장점도 확보하였다.
세 번째 연구에서는 대나무 숯(BC)을 이용해 PLA의 난연성 향상을 평가하였다. 기존 문헌에서 PDA는 일부 시스템에서 탄화층 형성을 촉진하는 것으로 보고되었으나, 본 연구에서는 PDA 코팅이 예상과 달리 난연 성능을 저해하는 것으로 나타났다. PDA의 열분해 과정에서 발생하는 휘발성 분해물이 탄화 보호층 형성을 방해하여 난연 효과를 감소시킨 것으로 판단된다. 반면, PDA 비처리 BC는 높은 탄화 잔류물과 응결상 보호 효과를 통해 20–30 wt%의 첨가만으로 UL-94 테스트에서 V-0 등급을 달성하며 우수한 난연성을 발휘하였다. 이는 PDA의 난연 효과가 재료 시스템에 따라 상이하게 나타날 수 있음을 보여주며, 바이오 기반 난연 기술의 적용에 있어 보다 정교한 평가가 필요함을 시사한다.
종합적으로, 본 연구는 대나무를 나노섬유, 마이크로섬유, 탄화재 등 다양한 스케일의 기능성 강화재로 전환하고, 친환경·저화학 공정을 기반으로 고분자 복합재의 기계적 특성과 난연 성능을 향상시키는 전략을 제시하였다. 이러한 결과는 구조재, 포장재, 소비재 등 다양한 분야에서 차세대 지속가능 고분자 복합재료 개발에 중요한 기초 자료와 설계 방향을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research background 1
• 1.2 Research overview 5
• 1.3 Theoretical background 9
• 1.3.1 Structure and composition of bamboo as a lignocellulosic biomass 10
• 1.3.2 Fundamentals of cellulose nanofibrils and their reinforcement mechanisms 11
• 1.3.3 Interfacial adhesion principles in natural fiber-polymer composites 12
• 1.3.4 Thermal degradation and flame-retardant mechanisms in biopolymers 14
• 1.3.5 Summary of theoretical framework 15
• Chapter 2. Synthesis and Characterization of Bamboo Employed Environmentally Friendly Cellulose Nanofibrils Reinforced Natural Rubber Composites with Uncompromised Mechanical Properties 16
• 2.1 Introduction 16
• 2.2 Materials and Methods 20
• 2.2.1 Materials 20
• 2.2.2 Liquefaction of bamboo under microwave irradiation 21
• 2.2.3 Chemical treatment of the residues and preparation of cellulose nanofibrils 21
• 2.2.4 Preparation of CNFs reinforced NR nanocomposites 22
• 2.3 Results and discussion 23
• 2.3.1 Characterization & analysis of cellulose nanofibrils from bamboo 23
• 2.3.1.1 Compositional analysis 23
• 2.3.1.2 Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) characterization 24
• 2.3.1.3 X-ray diffraction (XRD) analysis 26
• 2.3.1.4 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis 28
• 2.3.1.5 Structural morphological characterization 30
• 2.3.4.6 Thermogravimetric analysis (TGA) 32
• 2.3.2 Characterization of CNFs/NR nanocomposites 34
• 2.3.2.1 Tensile properties 34
• 2.3.2.2 Dynamic mechanical analysis (DMA) 37
• 2.3.2.3 Fractographic analysis 38
• 2.4 Conclusions 40
• Chapter 3. Synergistic Effect of Plasma Treatment and Polydopamine Coating on Enhancing Toughness of Bamboo Fiber Reinforced PLA Composites 42
• 3.1 Introduction 42
• 3.2 Materials and methods 46
• 3.2.1 Materials 46
• 3.2.2 Bamboo fiber extraction 47
• 3.2.3 Surface modification of bamboo fiber 49
• 3.2.3.1 Plasma treatment 49
• 3.2.3.2 Polydopamine coating 50
• 3.2.4 Preparation of plasma-PDA modified bamboo fiber (BF)/PLA composites 53
• 3.3 Results and discussion 54
• 3.3.1 Morphological analysis 54
• 3.3.1.1 Surface morphology of bamboo fibers 54
• 3.3.1.2 Fracture surface morphology of PLA and surface modified BF/PLA composites 56
• 3.3.2 Mechanical properties 59
• 3.4 Conclusions 66
• Chapter 4. Investigation of Bamboo Charcoal (BC) with PDA coating on Flame Retardancy of PLA Composites 69
• 4.1 Introduction 69
• 4.2 Materials and methods 72
• 4.2.1 Materials 72
• 4.2.2 Fabrication of BC via carbonization 73
• 4.2.3 Polydopamine coating 76
• 4.2.4 Manufacturing of BC/PLA composites and specimen preparation 78
• 4.3 Results and discussion 80
• 4.3.1 Thermal degradation behavior by TGA 80
• 4.3.2 Flame retardancy performance evaluated by UL-94 vertical burning test 83
• 4.3.3 Fire behavior and heat release characteristics by con calorimeter test 86
• 4.3.4 Surface morphology and melt deformation 90
• 4.4. Conclusions 94
• Chapter 5. Summary 97
• References 102
• Appendix 126
• Abstract (Korean) 135