키토산 나노섬유 강화 투명 수분산 폴리우레탄 복합소재

Abstract

본 연구에서는 친환경성, 생분해성, 우수한 기계적 특성 등의 다양한 장점을 가진 키토산의 나노섬유화를 위해 유기용 매를 사용하지 않고, 물리적인 방식만을 이용하여 키토산의 나노섬유화를 진행하였으며, 폴리우레탄의 대안으로 떠오르는 수분산 폴리우레탄의 단점인 기계적 물성 개선을 위해 키토산 나노섬유를 필러로 도입하였다. TCF와 ACC의 복합 활용을 통해 약 40 nm의 키토산 나노섬유를 제조할 수 있었으며, 1.0~7.5%의 비율로 수분산 폴리우레탄과 복합화 및 free standing 필름을 제조하여 기계적 특성 및 투과도를 측정하였다. 키토산 나노섬유를 필러로 도입하여 수분산 폴리우레탄과 복합화 결과 투과도는 순수한 수분산 폴리우레탄에 비해 낮아지지만 5.0% 비율까지는 가시광 영역(550 nm)에서 80%이상의 결과를 확인할 수 있었다. 또한 기계적 물성확인을 위해 UTM 측정 결과 키토산 나노필러 도입 시 연신율은 감소하지만 인장강도 및 인성이 증가하는 것을 확인하였으며, 1.0%에서 높은 기계적 물성 개선 효과를 확인하였다.

In this study, we report on synthesis of an optically transparent, mechanically tough waterborne polyurethane (WPU) nanocomposite incorporating chitosan nanofiber (CsNF) as the reinforcing fillers. We use an anionic WPU synthesized using poly(tetrahydrofuran) (PTMEG), isophorone diisocyanate (IPDI), and dimethyl propionic acid (DMPA) as the internal emulsifier. Aqueous colloidal suspensions of the CsNF nanofillers are prepared using top-down physical nanofibrillation systems based on Taylor-Couette flow (TCF) and aqueous counter-collision (ACC). The time and number of TCF and ACC treatment were controlled as processing parameters to explore the optimal condition that allows high nanofibrillation efficiency for CsNF. The SEM analyses showed that the size and diameter of CsNF were effectively reduced as increasing the TCF treatment time and the number of ACC pass numbers. Finally, blending of the two waterborne materials (WPU and CsNF) renders homogeneous WPU/ CsNF (1 - 7.5 wt%) nanocomposites that simultaneously achieve an outstanding mechanical toughness and high optical transparency (>80%).