숙싞산 무수물로 개질된 셀룰로오스 나노섬유 제작 및 응용

무수숙신산으로 개질된 셀룰로오스 나노섬유의 생산 및 활용. 마이크로유닛 직경의 나노섬유 숙신산 무수물 표면 개질 셀룰로오스(SA CNF)에 ACC(Aqueous Counter Collision)를 사용했습니다.

문헌 조사

셀룰로오스

셀룰로오스 나노 섬유
셀룰로오스 나노 크리스탃
셀룰로오스 나노 섬유 응용
셀룰로오스 나노 섬유 분자량

셀룰로오스의 분자내 및 분자간 수소결합 구조. LiCl/DMAc와 같은 상향식 방법에서는 분자 단위를 용매에 녹인 후 셀룰로오스 분자들이 재결합하여 나노섬유를 형성한다.[16] 상향식(Bottom-up) 방식은 인체와 환경에 유해한 용매를 사용하여 용해해야 하는 단점으로 인해 실생활이나 산업계에서 활용하기 어렵다.

표면 개질 셀룰로오스

복합체 기반 표면 개질 셀룰로오스
나노 섬유화 기반 표면 개질 셀룰오로스 셀룰로오스
표면 개질 셀룰로오스 치홖도

셀룰로오스 표면의 수산기(-OH)를 많은 관능기로 대체하는 복합체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 복합기반 표면개질 셀룰로오스법으로는 그래프트제를 이용하여 고분자 자체를 표면에 직접 부착시키는 방법과, 고분자의 중합반응을 일으켜 표면에서 고분자 사슬을 직접 합성하는 방법이 있다. 수산기 그룹. 셀룰로오스 표면의 변형은 셀룰로오스에 존재하는 수산기(OH-)를 다른 작용기로 대체함으로써 달성됩니다.

따라서 셀룰로오스에 존재하는 수산기 중 얼마나 많은 수산기가 다른 작용기로 대체되는지 연구하는 것이 중요하다. 셀룰로오스에 존재하는 탄소는 각 구조에 대해 서로 다른 NMR 영역에서 피크를 형성합니다. 그러나 치환된 셀룰로오스를 측정할 경우 탄소 피크는 서로 다른 ppm 범위에서 나타나며, 이 NMR 피크를 통해 치환도를 측정할 수 있다.

그림 2-11. ROP 기반 PCL Grafting Cellulose Reaction

셀룰로오스 나노 섬유화

고압 호머지나이져
Ultrasonicator
Starburst
수중대향충돌(Aqueous Counter Collision)

초음파 처리기는 셀룰로오스를 나노섬유로 변환하는 기계적 처리의 대표적인 방법이기도 합니다. Starburst 시스템은 역충격 수중 충돌 방식과 유사한 원리를 갖는 또 다른 프로세스로 존재합니다. 수중충돌장치는 마이크로노즐을 이용한 유체충돌방식으로 물질을 나노화하거나 분산시켜 고품질의 나노물질을 생산할 수 있는 장치이다.

수중충돌방지시스템의 구성은 크게 3가지로 구분된다. 분사된 현탁액은 챔버 내에서 서로 충돌하며 충돌 에너지에 의해 나노 크기로 분산됩니다. 예비 연구로 우리는 수중 충격 방지 충돌 방법을 통해 대나무 셀룰로오스를 나노 섬유로 변환하는 데 성공했습니다. 수중 충격 방지 시스템을 통과한 대나무 셀룰로오스 현탁액.

실험방법

시료 및 시약
홗엽수 표백 크라프트 젂처리
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 제조
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스의 나노섬유화
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 패키징 필름 제작
특성 평가

숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스의 형상 분석
결정 구조 분석
CP/MAS 13 C NMR(치홖도) 분석
점도평균중합도(Viscosity Average Molecular Weight) 측정
열적 앆정성
패키징 필름의 형상 분석
패키징 필름의 산소투과도 분석

ACC(수성 역충돌) 장치는 SA CNF(나노섬유 숙신산 무수물 변형 셀룰로오스)에 사용되었습니다. 수중 역충격법으로 나노섬유 SA CNF 분산액을 이용하여 패키징 필름을 제작하였다. SA CNF의 직경과 SA CNF 패킹필름의 두께는 주사전자현미경(SEM, JSM6500F, Jeol)을 이용하여 측정하였다.

SA CNF의 점도 평균 중합도(Mv)는 수성 충격법의 통과 횟수에 대해 Ubelohde 점도계를 사용하여 측정되었습니다. SA CNF의 열적 안정성을 확인하기 위해 TGA(thermogravimetric analyzer, TA Instruments)로 분석하였다. 50μm PET 기판에 코팅된 SA CNF 패키징 필름의 산소투과도를 확인하기 위해 OTR(Oxygen Transmission Rate, MOCON)로 측정하였다.

결과 및 고찰

숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스의 나노 섬유화
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 구조 분석
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 치홖도(Degree of Substitution)

2 숙신산 무수물 변성 셀룰로오스의 구조 분석. 3 숙신산 무수물 변형 셀룰로오스의 치환도. 2 무수숙시늄 변성 셀룰로오스 점도 평균 분자량(분자량).

3 숙신산 무수물로 개질된 셀룰로오스의 열적 특성. 1 무수숙신산으로 개질된 셀룰로오스 포장필름 생산. 숙신산 무수물 셀룰로오스 100 Pass Modified를 사용한 독립 필름입니다.

그림 4-2. SA CNF 의 수중대향충돌 방식 패스 횟수에 따른 SA CNF 의 SEM 이미지

숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 특성 평가

숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 점도(cP)
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 점도평균분자량(Viscosity Average Molecular Weight)
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 열적 특성

숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 패키징 필름

숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 패키징 필름 제작
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 패키징 필름 산소차단성(OTR)
숙싞산 무수물 개질 셀룰로오스 필름 산소차단성(OTR)

결론

물에 녹지 않는 셀룰로오스를 셀룰로오스에 존재하는 -OH를 숙신산 무수물로 변형시켜 카르복실기(-COOH)를 붙임으로써 물에 용해시켰다. 무수숙신산으로 개질된 다량의 셀룰로오스를 ACC(Aqueous Counter-Collision) 공정을 통해 복잡한 과정 없이 즉시 나노섬유로 전환시켰다. 수중충돌법의 통과 횟수가 증가함에 따라 수중충돌법 전의 무수숙신산 변성 셀룰로오스와 동일한 특성을 유지하면서 화학적 변태는 발생하지 않고 섬유직경만 감소하는 것을 확인하였다.

이는 무수숙신산으로 개질된 셀룰로오스 섬유가 나노단위로 쪼개져 분자량이 감소하는 현상을 점도평균분자량을 통해 확인하였다. 나노섬유화도가 가장 우수한 숙신산 무수물 변성 셀룰로오스의 100패스 용액을 PET 기판에 코팅하고, 포장용 필름에 사용하기 위한 기본 요구사항인 산소 투과도를 측정했습니다. 이러한 데이터를 바탕으로 숙신산 무수물 변성 셀룰로오스가 우수한 산소 차단 능력을 갖는 것으로 나타났습니다.

참고문헌

Quero, F., et al., Top-down approach to producing protein-functionalized and highly thermally stable cellulose fibrils. Wang, J., et al., A bottom-up synthesis of vinyl-cellulose nanosheets and their nanocomposite hydrogels with improved strength. Shinoda, R., et al., Relationship between length and degree of polymerization of TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils.

Stojanović, Ž., et al., A comparison of some methods for determining the degree of substitution of carboxymethyl starch. Chen, W., et al., Individualization of cellulose nanofibers from wood using high-intensity ultrasonication combined with chemical pretreatments. Park, S., et al., Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on the interpretation of cellulase performance.

Abstract

최병욱, 진정호 / 유연한 압전 변환기용 생분해성, 전기활성 키틴 나노섬유 필름, 제27회 한국 키틴 및 키토산 학회, 전남대학교 여수캠퍼스. 최병욱, 강석주, 진정호 / 유연한 압전 변환기를 위한 생분해성, 전기활성 키틴 나노섬유 필름, 2018 한국고분자학회 춘계학술대회, 대전컨벤션센터, 한국. 김경태, 하명정, 최병욱, 고현협, 진정호, 강석주/ 유연한 압전 변환기를 위한 생분해성 전기활성 키틴 나노섬유 필름, 2018 제256회 ACS 추계학술대회, 보스턴 컨벤션 - 미국 전시 센터.