천연고분자

2.4.1 셀룰로오스

셀룰로오스는 자연계에 가장 풍부하게 존재하는 천연고분자로써 나무, 면화, 삼 등 많은 식물체에서 발견되는 물질이다 (그림 2-15). 셀룰로오스는 친환경적이며 무독성, 생체적합성, 지속 가능성, 생분해성, 우수한 기계적 특성 등 많은 장점을 갖는 재료이다. 셀룰로오스는 자연계에서 수소 결합에 의해 안정적인 마이크로 섬유 다발을 이루고 있어 활용을 위해서는 나노섬유화 과정이 필요하다.

그림 2-15. 셀룰로오스 화학 구조

셀룰로오스는 분자 내, 분자간 수소결합에 의해 규칙적인 배열로 강한 결정 구조를 이루고 있어 물이나 유기 용매에 용해가 되지 않아 가공 및 사용이 쉽지 않다 (그림 2-16). 따라서 셀룰로오스를 나노섬유화하기 위하여 셀룰로오스의 화학적 및 물리적 처리에 대한 다양한 연구들이 보고되고 있다.

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그림 2-16. 셀룰로오스의 분자 내, 분자 간 수소 결합

셀룰로오스 나노섬유를 얻기 위한 물리적 나노섬유화 방법에는 대표적으로 ultrasonication [20], homogenization [21], microfluidization [22], grinding [23], Star Burst 시스템 [24] 등이 존재한다.

최근에는 수중대향충돌 시스템이 새롭게 도입되어 셀룰로오스 나노섬유를 얻기 위한 물리적 방법으로 이용되고 있다 [25]. 또한 화학적인 나노섬유화 방법에는 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO) 산화법 [26], 산 가수분해 (acid hydrolysis) 및 에스테르화 (esterification) 등이 있다. 화학적 및 물리적 나노섬유화 방식은 각각 단독으로 사용될 뿐만 아니라 이들을 결합함으로써 더욱 효과적인 셀룰로오스의 나노섬유화도 가능하다. 이렇게 얻어지는 셀룰로오스 나노섬유는 그 활용 가능성이 무한하다. 셀룰로오스 나노섬유를 이용해 고분자 복합재를 형성함으로써 기계적 강도를 크게 개선할 수 있으며, 낮은 공기 투과도와 우수한 기계적 특성, 투명한 광학적 성질로 인해 식용 및 의약용 포장재로도 활용될 수 있다.

또한 낮은 열팽창 계수와 높은 강도는 리튬이온 전지용 분리막, 디스플레이, 태양전지, 전자종이, 센서 등에도 활용될 수 있다.

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2.4.2 키틴

N-아세틸글루코사민이 사슬 형태로 길게 결합한 다당류인 키틴은 셀룰로오스 다음으로 자연계에 풍부하게 존재하는 천연고분자로써 새우, 가재, 게, 나비, 파리 등 갑각류 및 곤충과 같은 많은 생물에서 발견되는 물질이다 (그림 2-17). 키틴은 우수한 기계적 특성과 더불어 친환경성, 지속 가능성, 무독성, 생체적합성, 생분해성 등의 장점을 갖는 재료이다. 이러한 다양한 장점에도 불구하고, 키틴은 자연계에서 강한 수소 결합에 의해 안정적인 섬유 다발을 이루고 있어 연구 접근성이 제한되어 있었다.

그림 2-17. 키틴 화학 구조

자연계에서 키틴은 알파 (α), 베타 (β), 감마 (γ) 상으로 존재한다. 드물게 존재하는 γ -키틴과 달리 α-키틴 및 β-키틴은 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. α-키틴과 β-키틴은 분자 간 결합 구조에서 차이가 존재한다. α-키틴의 경우 분자 간의 결합이 역평형 (anti parallel) 구조를 이루고 있어 분자 간, 분자 내에 수소 결합이 존재한다. 반면 β-키틴의 경우 분자 간의 결합이 평형 (parallel) 구조를 이루고 있어 분자 내에만 수소 결합이 존재한다 (그림 2-18).

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그림 2-18. (a) α-키틴 분자 구조, (b) β-키틴 분자 구조

강한 수소결합에 의해 안정적인 섬유 다발로 존재하는 키틴을 활용하기 위해서는 나노섬유화 과정이 필수적이다. 키틴 역시 나노섬유화하기 위하여 키틴의 화학적 및 물리적 처리에 대한 다양한 연구들이 보고되고 있다. 키틴의 나노섬유화를 위한 화학적 방법으로는 대표적으로 TEMPO 산화법 [27, 28], 무수물 (anhydride) 사용법 [29, 30], NaOH/urea, LiCl/DAMc 와 같은 혼합 용매나 Hexafluoro isopropanol (HFIP)와 같은 불소계 용매 등을 사용한 용액 공정 등이 있다 [31, 32]. 또한 키틴 나노섬유화를 위한 물리적 방법에는 대표적으로 ultrasonication [33], homogenization [34], grinding [35], Star Burst 시스템 [36] 등이 있다.

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