소개글
"나노셀룰로오스"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
2. 나노셀룰로오스의 종류 및 특징
2.1. 셀룰로오스 나노 섬유
2.2. 셀룰로오스 나노 크리스탈
3. 나노셀룰로오스의 산업현황
3.1. 나노셀룰로오스의 연구동향
3.2. 국·내외 응용 제품 개발 동향
3.3. 나노바이오 에너지 기술
4. 향후 나노바이오산업의 발전방향
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
목재는 크게 보면 3가지 주요한 성분으로 구성되어 있다. 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 유기복합체이다. 셀룰로오스는 목재의 높은 강도를 발현하는데 핵심적인 역할을 한다. 거의 모든 식물의 화학조성분은 40~50% 정도가 셀룰로오스로 구성되어 있다. 이러한 풍부함과 고유한 물성 및 친환경성 덕분에 다양한 분야에서 잠재력을 가지고 있는 재료로서 인정받고 있다. 이러한 장점을 가지고 비표면적 등의 물리적 성질에서도 우수한 나노셀룰로오스가 등장하면서 그 관심이 증가되고 있다. 본디 목재는 목재분야, 제지분야, 천연화학분야, 추출물을 이용한 화장품 분야 등 무한한 가능성을 지니고 있었다. 현재 나노셀룰로오스 분야가 새로이 발견되면서 그 사용분야가 더욱 넓어지고 있는 실정이다. 나노셀룰로오스는 기계적처리, 화학적 처리, 생물학적 처리 등을 통해 만들어진다. 그중에서도 기계적 처리 방법을 통한 나노셀룰로오스의 제조 방식이 생산성의 측면에서는 가장 높은 것으로 알려져 있다.
2. 나노셀룰로오스의 종류 및 특징
2.1. 셀룰로오스 나노 섬유
셀룰로오스 나노 섬유는 보통 직경이 5~100 nm, 길이가 수에서 수십 ㎛인 섬유로서 주로 기계적 파쇄 처리를 이용하여 제조된다. 목재 혹인 비목재 바이오매스에서부터 점점 작은 크기로 파쇄 해나가며 만드는데, 원료가 되는 이 물질들에는 셀룰로오스 외에 헤미셀룰로오스와 리그닌 같은 물질이 상호 결합하여 단단한 구조를 이루고 있기 때문에 이를 효율적으로 파쇄하기 위한 다양한 방법들이 연구되어지고 있다. 소규모로 셀룰로오스를 만들 때 가장 많이 사용되는 장비는 그라인더로, 고정되어 있는 세라믹 디스크와 고속으로 회전하는 세라믹 디스크 사이에 셀룰로오스를 넣어 이심력에 의해 디스크 안에서 양 옆으로 압축됨과 동시에 두 디스크의 양 옆에 달려있는 빠르게 회전하는 그라인딩 스톤에 의해 전단력과 마찰력을 받으면서 나노화가 이루어져 셀룰로오스 나노 섬유를 얻을 수 있게 된다. 현재 사용되고 있는 고압 균질기를 통한 생산방법은 앞으로 다가올 나노 셀룰로오스 시장 성장 속도에 맞게 대량화에 한계가 있어 좀 더 빠르고 쉽게 셀룰로오스 나노 섬유를 생산하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 셀룰로오스 나노 섬유는 높은 종횡비와 높은 강도로 주목을 받아 바이오 복합재 분야에서 강도 향상을 위한 충전제로서 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 또한 셀룰로오스 자체가 열적으로 매우 안정적이고 밀도가 금속이나 유리등에 비해 상대적으로 낮기 때문에 경량 복합재를 제조하는데 활용될 수 있다. 셀룰로오스 나노 섬유를 현탁액 상태에서 사용할 경우 현탁액 내의 나노파이버간의 강한 물리적 얽힘과 높은 비표면적으로 인해 높은 점도를 갖기 때문에 식품, 포장재 등의 분야에서 중점제로 활용이 가능하다. 또한 사용 목적에 적절한 다양한 건조 방법을 선정함으로써 다공성의 셀룰로오스 나노 섬유 소재를 제조 할 수 있고 특히, 폼 형태의 다공성 소재는 가스 또는 액상의 흡착제, 단열 및 방음재, 충격 흡수제 등으로 활용될 수 있으며, 시트 형태의 다공성 소재는 공기 또는 정수 필터, 이차 전지의 분리막 등으로 활용 될 수 있다. 대규모 상용화 셀룰로오스 나노 섬유 제조에 가장 많이 사용되는 방법은 고압 균질기(high-pressure homogenizer)를 사용한 기계적 처리이다. 1~2 wt% 농도의 셀룰로오스 섬유-증류수 혼합현탁액을 고압 균질기에 넣어 균질화 시킨다. 이때 높은 압력으로 인해 섬유들이 얇은 슬릿을 고속으로 지나가면서 강한 전단력과 충격력을 받아 나노화 되어 셀룰로오스 나노섬유가 생산된다.
2.2. 셀룰로오스 나노 크리스탈
셀룰로오스 나노 크리스탈은 직경이 2~20 nm인 나노 결정으로써 화학적인 처리 방법으로 얻을 수 있다. 셀룰로오스는 결정영역과 비결정영역으로 구성되어 있는데, 이에 산을 가하게 되면 상대적으로 분자가 규칙적으로 배열되어 있지 않은 비결정질 영역에 하이드로늄 이온 (H3O+)이 침투하고, 이때 셀룰로오스 사슬 사이에 들어간 하이드로늄 이온들이 글리코시드 결합의 가수분해를 촉진하게 되며 이에 따라 시간이 흐를수록 비결정질 영역이 점점 사라지고 결정질 영역 즉 셀룰로오스 나노결정 부분만 남는다. 지금까지 염산, 황산, 인산, 브롬화수소산, 질산 등 다양한 강산이 사용되어 왔었지만, 황산으로 만들어진 나노결정이 다른 강산으로 만들어진 나노결정에 비해 잘 분산되고 서로 응집하지 않아 황산이 보편적으로 사용되어왔다. 산의 농도, 가수분해 온도, 시간에 따라 셀룰로오스가 완전히 단당류 형태로 분해되거나, 가수분해가 덜 되어 섬유들끼리 응집되는 현상이 발생하기도 하여 순수한 셀룰로오스 나노결정을 얻기 위한 최적의 조건을 찾는 연구들이 진행 되고 있다.
셀룰로오스 나노 크리스탈은 효소의 고정화, 향균제 합성 및 의료 재료, 환경 촉매, 바이오센싱, 치료 및 진단을 위한 생체내의 약물 전달체 등으로 사용 될 수 있다. 특히 폭 2~20 nm, 길이 100~600 nm 의 매우 작은 크기와 친수성, 천연고분자의 생체 적합성으로 인해 약물 전달체로서의 가능성도 갖고 있다. 매우 넓은 표면적과 가수분해 중에 발생하는 음전하로 인해 다량의 약물이 표면에 결합 될 수 있는 가능성이 높아 최적의 약물 투여를 제어 할 수 있는 높은 가능성을 갖는다.
셀룰로오스 나노 크리스탈은 고분자 매트릭스를 강화하는 능력이 뛰어나고 세포 확산의 능력이 뛰어나 조직 공학 방면에서도 많은 연구가 진행되어오고 있다. 주입 가능한 조직 지지체, 골세포 재생, 혈관 접합, 뼈 이식 접합 촉진 등을중점적으로 연구되어지고 있다.
셀룰로오스 나노 크리스탈은 다양한 유·무기물과의 복합재료로써 응용되어 나노 페이퍼, 배리어 필름 및 pH 센서, 기름/물 계...
참고 자료
Beck-Candanedo, et al. Effect of reaction Conditions on the Properties and Behavior of Wood Cellulose Nanocrystal Suspensions, Biomacromol, 2005, 6, pp
1048-1054.
Chun, S.J. et al. Eco-friendly cellulose nanofiber-derived separators featuring tunable nanoporous lithium-ion batteries. J. Mater. Chem. 2012, 22:
16618-16626
Dufresne, A. (2010). Processing of polymer nanocomposites reinforced with polysaccharide nanocrystals. Macromolecules, 15, 4111–4128
Pushparaj, V. L., Shaijumon, M. M. Kumar, A, Murugesan, S. Ci, L. Vajtai. R. Linhardt, R. J. Nalamasu, O. Ajayan, P. M. (2007). Flexible Energy Storage Devices Based on Nanocomposite paper
Herrick, F. W., Casebier, R. L., Hamilton, J. K., & Sandberg, K. R. (1983). Microfibril-lated cellulose: Morphology and accessibility. Journal of Applied Polymer Science, Applied Polymer Symposium, 37, 797–813.
Lavoine, N., Desloges, I., Dufrense, A., Bras, J. (2012). Microfibrillated cellulose-Its barrier properties and applications in cellulosic materials: A review. Carbohydrate Polymers, 90, 735-764
Herrick F.W., Casebier, R.L., Hamilton, J.K., and Sandberg, K.R., Microfibrillated cellulose : morphology and accessibility, J. Appl. POLYM. Sci. : Appl. Polym. Sci. : appl. polym. symp., 37:815~827(1983)
Hubbe, M.A Rojas, O.J., Lucia, L.A. and Sain, M., Cellulosic nanocomposites : a reivew, bioresources, 3(3):929-980 (2008).
Klemm, D., Schumann, D., Kramer, F., Hebler, N., Hornung, M., Schmauder, H.P. and Marsch, S., Nanocelluloses as innovative polymers in research and application, J. Appl. Polym. Sci. 205:49~96 (2006)
Page, D. H. and El-Hosseiny, F., The mechanical properties of single wood pulp fibers, Journal of pulp and paper science 9(11):99~100 (1983)
Habibi, Y., Lucia, L.A., and Rojas, O., Cellulose nanocrystals: Chemistry, self-assembly, and applications, Chem. Rev. 110(6):3479-3500 (2010).
Herrick F.W., Casebier, R.L., Hamilton, J.K., and Sandberg, K.R., Microfibrillated cellulose: morphology and accessibility, J. Appl. Polym. Sci.: Appl. Polym. Symp. 37:797-813 (1983).
Turbak, A.F., Snyder, F.W., and Sandberg, K.R., Microfibrillated cellulose, a new cellulose product: properties, uses, and commercial potential, J. Appl. Polym. Sci.: Appl. Polym. Symp. 37:815-827 (1983).
Taipale, T., Osterberg, M., Nykanen, A., Ruokolainen, J., and Laine, J., Effect of microfibrillated cellulose and fines on the drainage of kraft pulp suspension and paper strength, Cellulose 17(5):1005-1020 (2010).
Abe, K., Iwamoto, S., and Yano, H., Obtaining cellulose nanofibers with a uniform width of 15 nm from wood, Biomacromolecules 8(10):3276-3278 (2007).
Iwamoto, S., Nakagaito, A.N., and Yano, H., Nano-fibrillation of pulp fibers for the processing of transparent nanocomposites, Appl. Phys. A 89(2):461-466 (2007).
Siqueira, G., Bras, J., and Dufresne, A., Cellulosic bionanocomposites: a review of preparation, properties and applications, Polymers 2:728-765 (2010).
Siro, I., and Plackett, D., Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review, Cellulose 17(3):459-494 (2010).
Webb, P.A., and Orr, C., Analytical methods in fine particle technology, Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA, pp. 56-57 (1997).
Sehaqui, H., Nanofiber networks, aerogels and biocomposites based on nanofibrillated cellulose from wood, Doctoral Thesis, Stockholm, Sweden (2011).
Deng, M., Qian, Z., Du, A., van Kasteren, J., and Wang, Y., Preparation of nanoporous cellulose foams from cellulose-ionic liquid solutions, Mater. Lett. 63(21):1851-1854 (2009).
Sjostrom, E., Wood chemistry fundamentals and applications, Academic Press, New York, p 58 (1981).
Bledzki, A. K., and Gassan, J., Composites reinforced with cellulose based fibres, Pro. Polym. Sci. 24:221-274 (1999).
Azizi Samir, M. A. S., Alloin, F., and Dufresne, A., Review of recent research into cellulosic whiskers, their properties and their application in nanocomposite field, Biomacromolecules, 6:612-626 (2005).
Nishiyama, Y., Langann, P., and Chanzy, H., Crystal structure and hydrogen-bonding system in cellulose I β from synchrotron X-ray and neutron fiber diffraction, J. Am. Chem. Soc., 124(31):9074-9082 (2002).
Agarwal, U. P., Reiner, R. S., and Ralph, S. A., Cellulose Ⅰ crystallinity determination using FTRaman spectroscopy: Univariate and multivariate methods, Cellulose 17:721-733 (2010).
Saeman, J. F., Kineticsof wood saccharification, Ind. Eng. Chem., 37(1):43-52 (1945).
Bondeson, D., Mathew, A., Oksman, K., Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis, Cellulose 13:171-180 (2006).
Zhao, H., Kwak, J. H., Zhang, Z. C., Brown, H. M., Arey, B. W., and Holaday, J. E, Studying cellulose fiber structure by SEM, XRD, NMR and acid hydrolysis, Carbohydrate polymers 68:235-241 (2007).
Araki, J., Wada, M., Kuga, S., Okano, T., Flow properties of microcrystalline cellulose suspension prepared by acid treatment of native cellulose, Colloids and surfaces A, 142(1):75-82 (1998).
최은숙, 건국대학교, Mechaincal Properties of Cellulose/LDPE composite,
김영운, 한국화학연구원, 나노셀룰로오스의 현재와 미래
황성준, 국민대학교 대학원, 닥 인피섬유의 나노셀룰로오스 제조거동 및 나노섬유의 특성 연구
손가영, 영남대학교 대학원, 셀룰로오스 섬유의 나노피브릴화 방법 및 그 특성
연구개발특구진흥재단, 나노섬유 시장
네이버 지식백과, 신소재,
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=923370&cid=47326&categoryId=47326
그래핀 기반의 나노바이오 융합 기술(서태석, Bioin스페셜Zine, 2011. 21호)
나노바이오 융합기술 : 유기-무기물의 융합(홍승훈, 물리학과 첨단기술, 2009. 04.)
나노바이오 테크놀로지(박현규 외, 한국생명공학연구원 바이오나노연구센터, 2006.
나무로 만든 나노셀룰로오스 전지의 미래 (이상영, 울산과학기술원 2016)
