산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2018.4. 리포트 (p32~33)

CNF 강화 PP의 실용화, 1보 전진
첨가량의 최적화로 굽힘 탄성률 1.6배 증가

교토대학 생존권 연구소 생물기능 재료분야 교수인 야노(矢野) 씨는 2018년 2월 27일에 CNF에 관한 심포지엄 ‘제365회 생존권 심포지엄 CNF재료에 부감한다—재료검증에서 자동차까지—‘(주최: 교토대학 생존권 연구소, 나노 셀룰로오스 포럼)에서 CNF의 최근 연구동향에 대해 다음과 같이 말했다. “지금까지 셀룰로오스 나노 화이버(CNF)의 연구는 재료 개발이 중심이었지만, 제품 개발도 움직이기 시작하여 마치 백화난만(百花爛漫)과 같은 양상을 띄고 있다” ---. 해당 심포지엄에서는 CNF강화수지를 사용한 제품개발 및 수지와의 복합화의 방식, CNF의 기반이 되는 나무 종류의 선정 등에 대해 발표했다.

-- 도어트림의 굽힘 탄성률 향상 --
현재, 특히 움직임이 활발한 것은 자동차 분야에 관한 개발이다. 교토대학 및 덴소, 도요타방직 등의 연구기관 및 기업이 환경성의 사업인 ‘NCV (Nano Cellulose Vehicle) 프로젝트’에 있어서 CNF를 이용한 자동차 부품의 개발을 추진하고 있다.

도요타방직은 해당 프로젝트에서 CNF를 사용한 도어트림을 개발하고 있다. CNF를 약 10질량% 첨가한 PP(폴리프로필렌)으로 성형(成形)했다. 기존 제품보다 굽힘 탄성률이 약 1.6배로 높으며 강성(剛性)이 뛰어난 것을 이용하여 두께를 2.3mm에서 1.9mm로 얇게 만들어 경량화시켰다. 도어 1개당 질량을 약 190g 줄이게 되었다.

CNF의 첨가량을 늘리면 CNF강화수지의 강성이 향상되지만 첨가량이 많을 경우, 수지의 유동성이 악화되어 사출성형이 불가능하게 된다는 문제가 있다. 따라서 당사는 성형성에 지장을 주지 않도록 금형에 흘려 넣는 CNF의 첨가량을 찾아, 10질량%라는 적정 수치를 산출해내었다.

남은 과제 중 하나가 내(耐)충격성의 향상이다. 현재의 CNF강화수지 도어트림으로는 내충격성이 부족하여 기존 제품과 동일하게 측면 충돌시험을 시행하면 부서지고 만다. ‘CNF와 PP는 접착성이 떨어져, 양 재료 사이에 틈이 생긴다. 이것이 충격을 받았을 때, 파괴의 기점이 되는 것은 아닐까?’라고 당사 내∙외장 선행개발부 바이오기술 개발실의 하네시바(羽柴) 씨는 내충격성이 낮은 원인을 추측한다.

또한, 수지 안의 CNF의 분산 상황을 화상으로 해석한 결과, “약 50%의 CNF가 제대로 풀어지지 않아 잘 분산되지 않았다”(하네시바 씨)는 점을 알게 되었다. 도요타방직은 강성과 내충격성이 양립된 CNF강화수지 도어트림을 실현하기 위해 개발을 추진하고 있다.

-- PP안에서의 CNF 분산을 개선 --
CNF와 PP와의 복합화 개선에 교토시 산업기술연구소도 주력하고 있다. 구체적으로는 PP 안에서의 CNF 분산성을 향상시키는 것이다. CNF를 소수화(疏水化)하여 PP와 혼합하는 기존 방식으로는 “한계까지 계속 처리해도 좋은 성능을 찾아낼 가능성은 낮다”고 해당 연구소의 고분자계 팀의 리더인 센바(仙波) 씨는 말한다. 또한 분산성을 향상시키기 위해 무리하게 힘을 가해 CNF가 찢어져 성능이 감소되는 문제도 있었다.

따라서, 섬유가 절단되지 않고 PP 안에서 잘 분산될 수 있는 신기술이 개발되었다. 새로운 방법은 이하 3가지 공정으로 이루어진다. ①팽윤제를 넣어 소수화한 CNF의 섬유 사이를 느슨하게 만든다. ②해섬(解纖) 촉진성분을 섞어 수지 안에서 잘 풀리도록 한다. ③CNF와 PP를 혼련(混鍊) 시키면서 팽윤제를 제거하는 것이다. 새로운 기술을 사용하여 개발한 CNF강화수지는 굽힘 탄성률이 3,740MPa, 굽힘 강도가 75.7MPa로, CNF만으로 분산된 CNF강화수지에 비해 각각 33.5%, 12.8% 성능이 향상되었다.

실은 해당 연구소는 해섬 촉진 성분만으로 CNF강화수지를 제조하고 있다. 그런데 CNF를 감싸고 있는 해섬 촉진 성분이 분리되어 버리거나 해섬 촉진 성분 안에 CNF가 응집되어 섬유가 분리되지 않는 문제가 있었다고 한다. 이것을 팽윤제로 해결했다.

본 연구는 ①의 공정 전에 CNF의 분산을 보조하는 목적으로 필러(충전제)를 수 질량% 정도 첨가한 CNF 강화수지도 시작(試作)했다. 그러자, 굽힘 탄성률이 4,730MPa로 기존제품의 68.9%, 굽힘 강도가 95.1MPa로 41.7%나 성능이 향상되었다. 센바 씨는 “충전제가 섬유 안으로 침투해 분산을 도왔을 것이다”라고 추측한다. 앞으로 해당 연구소는 내충격성을 향상시킬 수 있는 복합화 개발을 추진한다. 또한, 해섬 촉진 성분의 첨가량 억제 및 제조 프로세스의 간략화 등을 목표로 한다.

CNF의 개발은 환경성 및 경제상업성, 농림수산성, 문부과학성 등의 행정관청이 연대하여 추진하고 있다. 교토시 산업기술연구소는 경제산업성의 NEDO프로젝트로서 연구를 추진하고 있으나, 앞으로의 성과는 NCV프로젝트의 제품군에 활용해 나갈 전망이다.

-- 도요타86을 CNF강화수지로 경량화 --
NCV 프로젝트에서는 2017년 12월, 도요타자동차의 스포츠카인 ‘도요타86’을 모델로, 금속제 부품을 가능한 한 CNF강화수지성 부품으로 대체한 시작 자동차를 만들 예정이라고 발표했다.

이미 현행의 강철제에 비해 “(적정화가 필요하지만) 엔진 후드에서 약 30%, 트렁크 후드에서 약 10%의 경량화를 달성한 CNF제 부품이 개발되고 있다”(교토대학 생존권 연구소 생물기능 재료분야 특임교수인 우스키(臼杵) 씨). 차체의 디자인도 거의 완성 단계에 있으며, 2018년 4월 이후에 설계도로 만들어 갈 계획이다.

 -- 끝 --