나노셀룰로오스, 저중량 고강도 친환경 신소재

 

플라스틱 오염 문제는 우리가 살고 있는 21세기의 주요 문제 중 하나입니다. 플라스틱은 자연적으로 분해되지 않고 여전히 지구 어딘가에서 환경 문제를 일으키고 있습니다.

 

코로나19 사태 이후 배달량과 음식 배달량의 증가는 위와 같이 포장용기와 일회용품의 증가로 이어졌습니다. 통계청의 '코로나19 이후 재활용된 생활폐기물별 통계' 자료에 따르면 전체 재활용 쓰레기 양은 전년 동기 대비 18.1% 증가했습니다. 플라스틱도전년 동기 대비 9.1% 증가했습니다. 코로나19 사태가 장기화되면서 일회용품 줄이기가 어려워진 지금, 저중량·고강도로 주목받는 친환경 신소재가 등장했습니다.

 

 

나노 셀룰로오스란

 

나노셀룰로오스는 나노마이크로미터 크기의 막대 모양 입자 또는 섬유로 셀룰로오스 사슬 다발에 단단히 묶여 있습니다. 나노셀룰로스는 일반적으로 강철 또는 케블라(100-160GPa)와 유사한 인장 계수를 가지며, 무게에 비해 표면적이 큰 바이오 기반 물질을 의미하는 작은 밀도(0.8-1.5g/cm3)를 가집니다.

 

나노셀룰로오스의 원료는 나무이며, 식물 세포벽의 기계적 또는 화학적 처리를 통해 얻을 수 있습니다. 이러한 특성 때문에, 그것은 지구상에서 가장 쉽게 이용할 수 있는 천연 고분자로 알려져 있습니다.

 

결론적으로 나노셀룰로오스는 친환경 제조기술로 생산이 가능한 고기능 신소재입니다. 이 재료의 구체적인 장점은 높은 기계적 강도, 친수성, 높은 투명성, 재생 가능성, 생분해성, 생물학적 안정성, 높은 열적 안정성, 그리고 쉬운 성형성(균열 없이 원하는 모양으로 성형할 수 있는 정도)을 포함합니다. 나노셀룰로오스는 셀룰로오스 나노섬유와 셀룰로오스 나노결정의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.

 

 

셀룰로오스 나노 섬유는 어떻게 만들까

 

셀룰로오스 나노 섬유는 더 작은 크기에는 분쇄기를 사용하고 더 큰 크기에는 고압 균질 장치를 사용합니다. 이 기계들은 일반적으로 기계적 분쇄를 사용하여 셀룰로오스 나노 섬유를 제조할 수 있습니다.

 

이 과정에서 셀룰로오스 외에도 헤미셀룰로오스, 리그닌 등의 물질이 목재 또는 비목재 바이오매스 내에서 상호 연결되어 단단한 구조를 형성하게 됩니다. 따라서 셀룰로오스 나노섬유의 상용화를 위한 커넥팅링의 효율적인 파쇄를 위한 다양한 방법에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

 

 

셀룰로오스 나노 섬유는 어떻게 사용할까

셀룰로오스 나노 섬유는 높은 강도로 주목을 받았습니다. 이러한 특징을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유를 충전재로 사용하여 바이오복합소재 분야에서 강도를 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 또한 셀룰로오스 자체의 열적 안정성과 금속 및 유리에 비해 밀도가 낮은 점을 활용하여 연구의 기존 무게보다 가벼운 경량 복합체를 제조하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

 

또한, 셀룰로오스 나노섬유를 매우 작은 고체 입자가 액체에 분산되어 부유하는 현탁 상태에서 사용하는 경우 현탁액 내 나노섬유 간의 강한 물리적 얽힘 및 무게에 비해 표면 점도가 큽니다. 이러한 특성을 바탕으로 식품 포장재 등의 분야에서 우선적으로 사용할 수 있습니다.

 

셀룰로오스 나노결정은 지름이 2~20nm인 나노결정입니다. 기계적 처리 방법을 사용하는 셀룰로오스 나노 섬유와 달리, 이것은 화학적 처리 방법을 사용하여 얻을 수 있습니다. 결정질 및 비정질 영역으로 구성된 셀룰로오스에 산을 첨가하여 산 특성을 나타내는 분자인 하이드로늄 이온(H30+)이 글리코사이드 결합수와 반응하여 여러 이온 및 분자로 분해되는 가수분해를 촉진합니다. 가수분해가 일어나면서 비정질 영역은 점차 사라지고 셀룰로오스 나노결정 부분이라는 결정질 영역만 남게 됩니다.

 

오늘날, 황산은 셀룰로오스 사슬의 비정질 영역의 가수분해를 위해 다양한 강산 중에서 일반적으로 사용됩니다. 셀룰로오스 나노결정의 상용화를 위하여 순수한 셀룰로오스 나노결정을 얻기 위한 최적의 조건(적정한 산농도, 가수분해온도, 산형)을 찾기 위한 연구가 현재 진행 중에 있습니다.

 

 

셀룰로오스 나노결정의 사용

셀룰로오스 나노 결정은 효소 고정화, 항균 합성 및 의료 재료, 환경 촉매, 바이오 센서 및 생체 내 약물 운반체와 같은 의료 분야에서 사용될 가능성이 있습니다.

 

대표적인 예로, 셀룰로오스 나노결정은 매우 작은 크기, 2-20 nm 직경, 친수성 및 생체 적합성으로 인해 약물 운반체로서의 잠재력을 가지고 있습니다. 또한, 이는 표면적이 매우 크고 가수분해 과정에서 발생하는 음전하로 인해 표면에 많은 양의 약물 결합을 초래할 가능성이 있습니다. 그것은 또한 폴리머의 뜨개질 구조를 강화하고 세포를 기질에 부착하는 능력을 가지고 있습니다. 특히 이식형 조직 지지, 골세포 재생, 혈관 접합, 골이식편 접합 촉진 등을 중심으로 조직 공학에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

 

​나노셀룰로오스에 대한 연구는 친환경 개발 추세에 따라 바이오플라스틱, 생분해성 비닐 등 생분해성 친환경 포장재 개발 등의 분야에서 활발히 진행되고 있습니다. 나노셀룰로오스의 등장은 지속가능한 사회를 만드는데 기여할 것이라고 생각합니다.