"플라스틱을 14배 더 쎄게"…물 싫어하는 나노셀룰로오스 개발

UST-KRICT·KAIST 공동…피커링 에멀젼 기법으로 친수성 문제 해결

기존대비 기계적 강도가 14배 강한 새로운 셀룰로오스 나노결정체가 개발됐다. 셀룰로오스의 가장 큰 단점인 친수성 문제도 해결했다.

과학기술연합대학원대학교(UST)는 KAIST와 공동으로 열가소성 탄성체에 소수화된 셀룰로오스 나노결정체를 섞어 기계적 강도를 나타내는 저장탄성률이 기존 대비 14배인 나노복합탄성체를 만들어내는데 성공했다고 14일 밝혔다.

이 연구에는 KRICT 신지훈 책임연구원과 박세흠 선임연구원, KAIST 박윤수 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 또 UST-KRICT 스쿨 이현호 석박사통합과정 연구원과 KAIST 유석렬 박사과정 연구원이 제1저자로 연구를 주도했다.

연구진이 피커링(Pickering) 에멀전 방법과 열 에스테르화(Thermal Esterification) 반응을 통해 셀룰로오스 나노결정체를 소수화하는데 성공했다. 그림은 그 과정을 보여준다.

셀룰로오스 나노결정체는 통상 철보다 강도가 5배이상 높아 철과 플라스틱의 대체재로 주목 받는다. 다만, 물에 쉽게 분산되는 친수성으로 인해 활용 범위가 좁았다.

연구팀은 열가소성 탄성체에 자체 개발한 셀룰로오스 나노결정체를 섞어 새로운 나노복합탄성체를 제조하는데 성공했다. 이 탄성체 제조는 삼중블록공중합체와 용액 추출법을 이용했다.

또 이번에 개발한 셀룰로오스 나노결정체는 소수성(물을 싫어하는 성질)이 강한 테트라드시닐 무수물을 기존 셀룰로오스 나노결정체 표면에 균일하게 도포(피커링 에멀젼 방식)해 만들었다.

이현호 석박사통합과정 연구원(6년차, 2024.9 졸업예정)은 "물방울을 이 나노결정체에 떨어뜨리는 표면각 측정 실험 결과 기존 34도(7초)에서 90도(30초)를 나타냈다"며 "소수성이 현격히 증가하는 것을 확인했다"고 말했다.

또 기계적 물성 평가에서는 기계적 강도(저장탄성률)는 14배, 늘어남이 없는 정도를 나타내는 영률은 4배 향상됐다.

이 연구원은 "이는 기존 탄성체의 신율과 인장 강도는 그대로 유지하면서 저장탄성률과 영률이 향상된 결과"라며 "점착제나 포장재, 자동차 부품 등 산업 분야 전반에 활용가능할 것"으로 기대했다.

KRICT 신지훈 책임연구원(왼쪽)과 이현호 UST-KRICT 석박사통합과정 연구원.(사진=UST)

신지훈 책임연구원은 “기존에 복잡했던 셀룰로오스 나노결정체의 소수화 공정을 통해 소수화 반응성을 크게 향상시켰다"며 "산업체에서 많이 쓰는 열가소성 탄성체 내구성도 획기적으로 개선됐다"고 말했다.

한편 이 연구결과는 엔지니어링 분야 국제 저널인 '컴포지트 파트 비: 엔지니어링(Impacr Factor 12.7, 엔지니어링 분야 상위 0.5%(1/179) 8월호에 게재됐다.