나노섬유 복합체 필름 제작

수평 원심주조를 통한 대면적 천연 폴리머. 수평 원심주조를 통한 대면적 천연고분자 나노섬유 복합필름 제조

서론

기존 방법은 대면적 필름을 제작하는 데 적합하지 않습니다. 대면적 필름을 생산하기 위한 새로운 방법이 필요합니다.

문헌조사

천연고분자 나노 섬유 및 복합체

키틴
실크
키틴 및 키틴-실크 복합체 필름
셀룰로오스

강한 수소 결합으로 구성된 키틴은 나노섬유화에 필수적입니다. 키틴의 나노섬유화에는 하향식 방법과 상향식 방법이 있습니다.

그림 2-2. (a) α-키틴 분자구조, (b) β-키틴 분자구조 [12]

Nacre 모방 복합체

Nacre 구조
Nacre 모방 복합체 제작
Nacre 모방 복합체 제작 방법

일반적으로 복합재료는 PVA와 점토를 재료로 하여 제조되는데, 이를 다양한 제조방법으로 조립할 수 있다. MMT 나노클레이는 폴리머 기판에 분산되어 폴리머/나노클레이 복합체를 형성할 수 있으며, 이는 높은 양이온 교환 용량, 팽창 거동 및 넓은 표면적에 대해 광범위하게 연구되어 왔습니다. 교반 및 초음파 처리는 가장 간단한 박리 방법을 사용하여 점토를 박리하는 가장 쉽고 효율적인 방법입니다.

교환 가능한 양이온으로 Na+를 주로 포함하는 나트륨 MMT의 경우, 일반적으로 수분산액에서 일주일 동안 격렬하게 교반하면 박리가 거의 100% 박리에 도달할 수 있습니다. 따라서 초음파 처리는 일반적으로 박리 과정의 속도를 크게 높입니다. 일반적인 방법에는 캐스팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 진공 여과 및 닥터 블레이드가 포함됩니다.

딥코팅(Dip Coating)은 원하는 분산액에 기판을 담그고 처리한 후 건조시켜 필름을 형성하는 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나입니다. 그림 2-22 b) 매우 간단한 딥 코팅 공정을 통해 대면적 나노구조를 갖는 PVA/MMT 하이브리드 나노복합체를 생산한 이전의 많은 연구가 있습니다. 마지막으로 스퀴지 블레이드를 이용한 코팅 방식은 넓은 시트를 제작할 때 사용하는 방식이다.

실험 방법

키틴 및 키틴-실크 용액 제조
Nacre 모방 복합체 분산액 제조

Na MMT (Sodium Montmorillonite) 분산액 제조
숙신산 무수물 개질 셀룰로오스 분산액 제조
Nacre 모방 복합 분산액 제조

천연 복합체 필름 캐스팅

수평형 원심캐스팅 장비 (Horizontal Centrifugal Casting)_
대면적 키틴 및 키틴-실크 복합체 필름 제작
대면적 Nacre 모방 복합체 필름 제작

특성평가

Atomic Force Microscopy (AFM)
Scanning Electron Microscope (SEM)
X-ray diffraction (XRD)
Fourier-transform Infrared spectroscopy (FT-IR)
Optical analysis (UV-vis)
Thermogravimetric Analysis (TGA)
Thermomechanical Analysis (TMA)
Tensile test

본 연구에서는 각각의 단점을 보완하기 위해 새로운 필름 제작 방식인 수평 원심 주조(Horizontal Centrifugal Casting, HCC)를 도입하였다. 수직원심주조(VCC) 방식과 마찬가지로 필름 건조 시 원심력을 이용하여 필름이 수축되어 필름이 형성되는 것을 방지합니다. 본 연구에서는 동일한 원심력을 이용하여 더 큰 표면적을 갖는 필름을 생산하기 위해 HCC 공법을 도입하였다.

필름을 만들 때 가장 큰 변수는 금형의 회전속도이다. 필름을 제조하기 위해서는 적절한 회전속도와 용액의 농도, 양을 조절함으로써 넓은 면적의 균일한 필름을 제조할 수 있습니다. 이렇게 생산된 필름은 캘린더링 공정을 사용하여 보다 평평한 필름을 얻을 수 있습니다.

이전 연구에서는 주로 캐스팅과 딥핑을 통해 다양한 유형의 진주층 복합 필름이 생산되었습니다. 본 연구에서는 기존 방식의 단점을 보완하고 10인치 크기의 균일한 대면적 필름을 생산하기 위해 HCC 방식을 사용하였다.

결과 및 고찰

키틴 및 키틴-실크 복합체

Atomic Force Microscopy (AFM)
X-ray diffraction (XRD)
UV-visible (UV-Vis)
Thermomechanical Analysis (TMA)
Tensile test

HCC법으로 제조된 키틴-실크 복합체의 분자구조를 FT-IR로 분석하였다. 키틴 및 키틴-실크 복합재의 광학 투과율을 측정하기 위해 UV-Vis 스펙트럼을 550nm에 표시했습니다. 또한, 키틴 실크의 메탄올 처리는 투과성에 거의 영향을 미치지 않습니다.

또한 키틴-실크 복합재의 키틴 나노섬유. HCC법으로 제조된 키틴 및 키틴-실크 복합체의 열적 안정성을 측정하기 위해 TGA를 측정하였다. 이는 실크의 열 안정성이 키틴보다 낮기 때문입니다.

이는 키틴과 실크 상 사이의 복합체화가 잘 이루어졌음을 확인시켜 줍니다. HCC 방법으로 제조된 키틴 및 키틴-실크 복합체의 기계적 특성을 측정하기 위해 UTM(Universal.testing machine)을 사용했습니다.

그림 4-1 (a) ChNF, (b) CS31, (c) CS β 31 의 AFM 이미지

Nacre 모방 복합체

Scanning electron microscope (SEM)
Energy Dispersion X-ray Spectroscopy (EDS)
X-ray Diffraction (XRD)
UV-visible (UV-Vis)
Tensile test
Flame retardant

SA CNF와 Na MMT 사이의 분자 상호작용을 분석하기 위해 FT-IR을 분석했습니다. SA CNF 및 Na MMT와 관련된 SA CNF 및 Na MMT 복합체의 FT-IR 스펙트럼이 표시됩니다. 이는 CNF 비율의 감소로 인한 것이지만 SA CNF의 섬유간 수소결합이 NaMMT 나노시트에 의해 영향을 받는다는 것을 나타냅니다.

이는 이전 연구에서 SA CNF가 Na MMT 나노시트에 흡착되어 섬유 사이의 수소 결합 정도를 감소시킨다는 것을 시사합니다. Na MMT 나노시트 표면에서 Al과 상호작용하는 CNF의 하이드록실 SA. 그룹을 통한 Al-SA CNF 결합 형성을 보여줍니다.

HCC 방법으로 제조된 SA CNF 및 Nacre 모방 복합재의 광 투과도를 결정하기 위해 UV 비전 장비를 분석했습니다. 그러나 적당한 비율의 진주광택 모방 복합 필름은 SA CNF로 인해 연성 거동을 나타낼 수 있습니다. 이 차트에서 SA CNF와 Na MMT가 동일한 비율로 존재할 때 가장 좋은 조합이라고 말할 수 있습니다.

SA CNF와 Na MMT를 구성하면 고분자의 열안정성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.

그림 4-9 SA CNF 와 비율 별 Nacre 모방 복합체 단면 SEM 이미지

결론

진주층 모방 복합체의 열 안정성 증가는 TGA 분석을 통해 확인되었으며 우수한 난연성을 나타냈습니다. 난연성 시험을 통해 물성을 갖는 것으로 확인되었으며, 운송용, 건축용, 단열용으로 유용하게 사용할 수 있습니다.

참고문헌

Jin, J., et al., A biomimetic assembly of solution self-assembly of chitin nanofibers in a silk fibroin matrix. Wang, J., et al., Understanding the relationship of performance with nanofiller content in the biomimetic layered nanocomposites. Liu, A., et al., Clay nanopaper with tough cellulose nanofiber matrix for fire retardancy and gas barrier functions.

Zhou, Y., et al., Strategic design of clay-based multifunctional materials: from natural minerals to nanostructured membranes. Motawie, A., et al., Physicochemical characteristics of nano-organo bentonite prepared using different organo-modifiers. Cheng, H., et al., Electrokinetic energy conversion in self-assembled 2D nanofluidic channels with Janus nanobuilding blocks.

Wang, J., et al., Synergistic curing of bioinspired poly(vinyl alcohol)-clay-nanofibrillar cellulose artificial mother-of-pearl. Chen, S.-M., et al., Superior Biomimetic Nacreous Bulk Nanocomposites by a Multiscale Soft-Rigid Dual-Network Interface Design Strategy.

Abstract