소개글
"나노셀룰로오스 탐구 보고서 분석"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
2. 나노 셀룰로오스
2.1. 셀룰로오스
2.2. 나노셀룰로오스
2.3. 나노크리스탈
3. 나노셀룰로오스 제조
3.1. 나노셀룰로오스 화학적 처리 방법
3.2. 나노셀룰로오스 기계적 처리 방법
3.3. 효소 전처리 나노셀룰로오스 방법
4. 나노셀룰로오스 제조별 특성
4.1. 화학적 처리 특성
4.2. 기계적 처리 특성
4.3. 효소적 처리 특성
5. 나노셀룰로오스 적용 분야 및 전망
5.1. 전자 기기 분야
5.2. 액정 분야
5.3. 의류 분야
5.4. 잉크, 접착제 분야
5.5. 화장품 분야
5.6. 식품 분야
5.7. 의약품 분야
5.8. 나노 복합재료 분야
6. 결론
7. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
목재는 크게 보면 3가지 주요한 성분으로 구성되어 있다. 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 유기복합체 이다. 셀룰로오스는 목재의 높은 강도를 발현하는데 핵심적인 담당 한다. 거의 모든 식물의 화학조성분은 40~50% 정도가 셀룰로오스로 구성되어 있다. 이러한 풍부함과 고유한 물성 및 친환경성 덕분에 다양한 분야에서 잠재력을 가지고 있는 재료로서 인정받고 있다. 이러한 장점을 가지고 비표면적 등의 물리적 성질에서도 우수한 나노셀룰로오스가 등장하면서 그 관심이 증가되고 있다.
본디 목재는 목재분야, 제지분야, 천연화학분야, 추출물을 이용한 화장품 분야등 무한한 가능성을 지니고 있었다. 현재 나노셀룰로오스 분야가 새로이 발견되면서 그 사용분야가 더욱 넓어지고 있는 실정이다. 나노셀룰로오스는 기계적처리, 화학적 처리, 생물학적 처리 등을 통해 만들어진다. 그중에서도 기계적 처리 방법을 통한 나노셀룰로오스의 제조 방식이 생산성의 측면에서는 가장 높은 것으로 알려져 있다.
2. 나노 셀룰로오스
2.1. 셀룰로오스
셀룰로오스는 천연에 존재하는 유기화합물 중 가장 풍부하게 존재하는 성분이다"" 셀룰로오스는 glucose단위가 β-1,4-glucoside 결합을 가지고 있는 직쇄상의 고분자화합물로 pyranose환을 가지는 6각형의 glucose분자가 서로 180°로 회전하여 결합한다"" 셀룰로오스 분자의 양 말단에 위치하는 glucose는 중간의 glucose와 달리 오른쪽에 위치하는 glucose의 C1-OH는 환원성을 나타내고 왼쪽에 위치하는 glucose의 C4-OH는 환원성을 나타내지 않기 때문에 오른쪽의 glucose기를 환원성 말단기(reducing end group)이라고 하고 왼쪽의 glucose기를 비환원성 말단기(non-reducing end group)이라고 한다""
2.2. 나노셀룰로오스
나노셀룰로오스는 나노미터 단위를 가진 한 단면이 존재하는 셀룰로오스 섬유로 낮은 열팽창성과, 높은 장폭비, 강화효과, 그리고 나노복합소재에 적용했을 때 좋은 기계적, 광학적 특성을 가지기 때문에 종이, 코팅, 식품, 화장품, 제약, 전기분야등 다양한 분야에서 활용이 가능하다". 나노셀룰로오스는 섬유의 형태에 따라 두가지로 나눌 수 있는데, 평균 직경 5-70nm, 길이 100-250nm정도의 사이즈를 가진 나노섬유(nanofiber)는 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC) 혹은 나노크리스탈린 셀룰로오스(NCC), 마이크로크리스탈린 셀룰로오스(MCC), whisker, rodlike cellulose 등으로 불리며 장폭비가 작은 나노크기의 crystal 형태를 가진다. 직경 5-60nm, 길이는 수 마이크로미터의 사이즈를 가진 셀룰로오스 섬유는 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC) 혹은 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC), 나노피브릴, 마이크로피브릴 등이라고도 하며 이는 직경에 비하여 길이가 긴, 높은 장폭비를 가진 섬유의 형태를 가지고 있다. 이러한 나노셀룰로오스는 생분해성, 생체적합성, 화학 개질성, 내수성, 열 안정성, 높은 강도 및 탄성계수, 우수한 광 투과성 등의 장점을 가지고 있어 다양한 산업분야에 응용되고 있다.
2.3. 나노크리스탈
셀룰로오스의 비결정 영역은 산(황산, 염산, 인산 등)에 의해 쉽게 가수 분해되고, 결정 영역은 산에 강하기 때문에 바늘모양의 셀룰로오스 나노크리스털을 얻을 수 있다. 산의 농도, 온도 및 시간에 따라 셀룰로오스 나노크리스털의 결정화도, 중합도 및 기계적 특성이 다르게 나타나므로 최적 제조조건이 결정될 수 있다. 단리방법에 따라서 비결정 지역을 제거한 후 다양한 크기의 결정형 나노 셀룰로오스를 얻을 수 있는데 이를 위해 원심분리 방법에 의한 세척과정과 산을 제거하기 위한 투석과정이 뒤따른다. 목재로부터 직경이 3~5㎚, 길이가 100~200㎚의 셀룰로오스 나노크리스털을 얻을 수 있고, 목화로 부터는 직경이 5~10㎚, 길이가 100~300㎚의 셀룰로오스 나노크리스털을 얻을 수 있다. 셀룰로오스 나노크리스털의 인장탄성계수는 대략적으로 130~250GPa의 범위이고, 인장강도는 대략적으로 0.8~10 GPa의 범위로 추정되고 있다. 셀룰로오스 나노크리스털의 표면은 많은 수산기(-OH)를 가지고 있기 때문에 에스테르화반응, 에테르반응, 산화반응, 실릴화반응 및 고분자 그래프팅과 같은 여러 가지 화학개질 방법이 응용되고 있다. 주로 나노복합재료에 응용하고 분산성과 결합력을 향상시키기 위해 이러한 화학개질 방법이 이용된다. 셀룰로오스 나노크리스털은 나노 크기의 입자, 높은 비표면적, 독특한 모르폴로지, 낮은 밀도 및 높은 기계적 강도의 장점으로 나노복합재료 분야의 보강재로 큰 관심을 얻고 있다.
3. 나노셀룰로오스 제조
3.1. 나노셀룰로오스 화학적 처리 방법
나노셀룰로오스 화학적 처리 방법은 기계적 처리에 의한 나노섬유 제조 시 에너지 소비가 많다는 단점을 보완하기 위한 방법이다. 효소나 화학적 전처리를 통해 섬유의 피브릴화를 촉진시켜 기계적 처리 시 에너지 소비를 줄일 수 있다.
첫 번째로 알칼리 전처리 방법은 리그닌과 탄수화물을 분리하고 섬유 표면적을 증가시켜 가수분해가 잘 되도록 한다. 12-17.5% NaOH 용액에 2시간 담그고, 1M HCl에서 60-80°C로 가수분해하여 헤미셀룰로오스를 용해시킨 후, 2% NaOH에서 60-80°C, 2시간 처리하여 리그닌 구조를 파괴한다.
두 번째로 효소 가수분해 전처리는 산 처리보다 온화한 조건에서 효소가 세포벽의 delamination을 일으켜 피브릴화를 촉진한다. 효소 농도가 높으면 균질화 과정에서 노즐이 막힐 수 있으므로 1.7μl/g fiber, 8.5 ECU/g fiber 정도의 적절한 농도를 사용한다.
마지막으로 carboxymethylation은 셀룰로오스 섬유 표면을 개질하여 음전하를 부여함으로써 섬유의 파괴를 증가시켜 나노 섬유를 얻을 수 있다.
이러한 화학적 전처리 방법들은 기계적 처리 이전에 섬유의 피브릴화를 촉진하여 에너지 소비를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
3.2. 나노셀룰로오스 기계적 처리 방법
셀룰로오스 섬유는 β-1-4 glucopyranose 단위로 구성된 직선형 탄수화물로 중합도가 대략 1만 정도이다. 셀룰로오스 구조의 수산기는 셀룰로오스의 물리적 성질에 중요한 역할을 한다. 식물로부터 셀룰로오스 마이크로피브릴을 분리하는 연구가 세계적으로 활발한 상황이며 우수한 기계적 성질, 생분해성, 재생 가능한 바이오매스라는 점에서 세계의 주목을 받고 있다. 보강재로 나노 섬유인 셀룰로오스를 이용하게 된다면 고부가가치의 우수 복합재 개발도 가능할 것으로 판단된다.
셀룰로오스 나노섬유를 만드는 방법 중에서 기계적인 처리방법으로 고압의 호모게나이트 과정이 있다. 이 과정에 앞서서 증류수 속에서 분산된 셀룰로오스 피브릴 다발을 고속으로 세포벽을 분리시켜야 한다. 그 후에 셀룰로오스 피브릴의 분산과 호모게나이징은 고압 호모게나이저에 의해 이루어진다. 셀룰로오스의 파티클 사이즈는 대체로 감소하게 되는데 이는 호모게나이저 내에서 발생되는 분쇄력이나 반응기에서 셀룰로오스 입자에 가해지는 전단력, 속도 변화에 의해 공동화 현상으로 발생되는 힘에 의해서이다. 파티클 사이즈는 20㎛ 정도이며 3g의 MCC를 300ml 증류수에서 분산시킨 후 울트라투락스(Ultraturrax)로 8,000rpm 20분 동안 처리한다. 분산과 호모게나이징 과정은 고압균질기(M-100EH-30 microfluidizer) 장비로 수행되었다. 호모게나이저 1회 통과는 1분간 이루어지는데 20,000psi의 압력에서 200㎛와 87㎛의 노즐을 통과해야 한다. 통과수는 1, ...
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