목재섬유를 이용한 플라스틱의 강화

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-11-25
Joshua Otaigbe의 연구는 재료의 구조 및 성질과 화학공학을 접목시키는데 있으며, 최근 지속가능하고 친환경적인 새롭고 더 강한 복합재료를 개발하는데 성공하였다. 장기간 국립과학재단에서 지원하고 있는 University of Southern Mississippi의 교수인 Joshua Otaigbe의 연구팀은 Oregon State University와 함께 자연의 목재섬유를 이용해 플라스틱 재료를 강화시키는 새로운 기술을 개발하고 있다. 만약 성공한다면, 복합재료 시장에 변혁을 일으킬 것이며, 특히 건축, 빌딩, 자동차 및 항공기와 같은 복합재료를 사용하고 있는 제조업 분야에 미치는 영향이 클 것이라고 저자는 밝혔다. 게다가, 목재섬유는 재생가능하고 농작물을 기반으로 하고 있으며 연구팀이 개발하고 있는 복합재료는 일정기간 사용 후에 자연에 해를 끼치지 않게 생분해된다. 또한 복합재료에 목재섬유를 더 많이 사용하는 것은 목재 펄프의 새로운 용도를 제공할 수 있기 때문에 제지업계에도 도움이 된다. 종이가 원재료이기 때문이며, 연구팀은 이 종이로부터 목재섬유를 추출하여 사용한다. 국립과학재단은 도시, 기계 및 제조분야의 혁명을 위한 구조재료 및 기계관련 프로그램을 지원하고 있다. Otaigbe는 오레곤주립대학의 John Nairn (wood science and engineering) 등과 공동연구를 수행하였다. 현재, 복합재료 사업은 고분자와 섬유형태가 아닌 목재 입자를 사용하고 있으며, 이는 원가절감 효과가 있지만 최적의 방법은 아니다. 연구팀이 추출하는 섬유는 입자와는 다른 것이다. 섬유는 목재 입자보다 더 강하고 경직성을 가지며, 플라스틱의 강도를 높여주는 역할을 한다. 입자 대신에 목재섬유를 고분자 빌딩블럭인 단량체의 직접 변환에 사용함으로써, 제조업자들은 용융단계 없이 후에 다양한 형태의 제품으로 고체화할 수 있다. 섬유가 포함된 고분자 매트릭스를 통해 용융 과정 없이도 형태를 만들 수 있다고 Otaigbe는 밝혔다. 개발 중인 공정은 종이로부터 추출한 목재섬유를 이용해 형틀 안에 주입한 후에 반응 혼합물을 사출하면 고분자 제품을 만든다. 전통적인 용융 방법을 사용할 때보다 상대적으로 낮은 섭씨 150도까지 온도를 상승시키면 수 분 내에 복합재료가 형성된다. 성형온도가 낮다는 것은 중요한데, 목재섬유는 섭씨 190도 이상에서도 분해되기 때문이다. Otaigbe는 화학공학을 접목한 고분자 재료의 구조에 관한 국립과학재단이 지원하는 프로젝트에 오랫동안 참여하여왔다. 또한 복잡하고 여러 분야의 학문적 기반이 필요한 문제를 해결하기 위한 대학 및 기업체 연구에도 적극적으로 참여하여 왔다. 예를 들어, 국립과학재단 및 미국의 자석 제조업체인 Arnold Engineering Co.는 함께, 고온 및 극한 환경에서도 향상된 자기특성을 나타내는 차세대 고분자 접합 자석(polymer bonded magnet) 개발을 위한 자금을 지원하였다. 영구 접합 자석 시장의 규모는 5억 달러 정도이며, 차량에서 컴퓨터에 이르는 다양한 소비재에 사용되고 있다. 하지만 희토류 금속 합금을 이용해 제조하기 때문에, 무겁고 형태로 만드는 공정도 어렵다. 최소한 섭씨 180도 이상의 온도에서도 사용이 가능한 고에너지 제품으로서의 접합 자석을 개발할 필요성이 있다. 한 가지 핵심 이슈 중 하나는 원하는 온도에서도 만족스러운 성능을 나타낼 수 있는 적절한 자기 분말 및 고분자 물질을 찾아내는 것이다. Otaigbe는 금속, 세라믹, 고분자 및 공학분야에 이르는 다양한 분야에서 국립과학재단의 지원을 받고 있는 보기 드문 과학자이다. 예를 들어, 그는 향상된 생활성(bioactivity) 및 혈전형성 가능성이 없는 성질(non-thrombogenicity), 열 안정성, 내연성(flame resistance), 내구성 및 향상된 기계적 성질과 같은 성능을 갖는 새로운 하이브리드 필름을 생산하기 위한 폴리우레탄(polyurethane)과 기능성 나노필러와의 조합에 대한 타당성 연구를 수행하였다. 목표로 삼은 하이브리드는 기존의 고분자 및 고분자 나노복합재료나 마이크로복합재료와는 달리, 심혈관계에서 사용되는 생의학 기기와 같은 최첨단 제품에 사용될 수 있는 본질적인 성질을 내포하고 있기 때문에 유용하다. 또한 그는 나노구조의 하이브리드 유리/유기 고분자 물질을 생산하는 방법도 연구하였다. 액체 상태에서 분자수준의 혼합을 통해, 기존의 방법으로는 제조할 수 없는 독특한 하이브리드 제품을 만들기도 하였다.나노미터에서 마이크로미터 수준까지 자가조립되는 구조는 열역학적으로 안정적인데, 무기상(inorganic phase)이 분자수준에서 혼합되어 가공 중에 단일상(single phase)을 형성하기 때문이다. 플라스틱 업계는 차세대 재료로부터 많은 것을 기대하고 있지만, 상업적으로 활용가능한 것은 상대적으로 적은 상황이다. 나노구조 하이브리드 유기-무기 유리 열가소성 재료는 잠재적으로, 기존의 필러를 함유한 플라스틱 복합재료의 장점을 가지면서도 단점을 제거한 상태이다. 이런 제품들은 에너지 효율이 개선됨으로써 고출력 레이저 융합 시스템, 바이오재료, 핵폐기물을 위한 저장물질뿐만 아니라 부하를 견딜 수 있는 유기-무기 하이브리드 복합재료의 성분으로 이용될 수 있다. 또한 그는 안전하게 생분해될 수 있도록 재생가능한 농작물을 이용해 새로운 콩 단백질 플라스틱도 개발하였다. 콩 단백질 플라스틱의 큰 문제점 중 하나는 물에서 매우 빨리 용해되는 것으로 실용화에 장애물로 작용하였다. 새로운 제품은 습기에 대한 저항성이 커서 생분해 과정을 조절할 수 있는 가능성을 높여주었다. 본 연구는 포장, 의료용 봉합사 및 스포츠 용품과 같은 새로운 사용처를 열어 줄 것이다. 그림> 목재 세포의 세포벽을 나타낸 그림으로, 부하를 견디는 셀룰로오스 마이크로섬유(microfibril)를 보여주고 있다. structure.jpg http://phys.org/news/2014-11-technology-natural-wood-fibers-plastic.html