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Nikkei X-TECH_2020.10.13

셀룰로오스 섬유의 강도와 인성 모두 향상
전기장과 유동장에서 CNF를 정렬

도호쿠대학은 셀룰로오스 나노 섬유(CNF)를 원료로 하는 고강도∙고인성(高靭性) 셀룰로오스 단섬유의 새로운 제작법을 개발했다고 발표했다. 도호쿠대학 유체과학연구소의 다카나(高奈) 교수와 미국 워싱턴대학의 Dichiara 교수, 스웨덴왕립공과대학의 Lundell 교수 연구팀의 국제공동연구 성과다. 새로운 방법으로 CNF의 배열을 제어해 섬유를 한 방향으로 정렬함으로써 셀룰로오스 단섬유의 인장 강도를 63%, 인성을 120% 높일 수 있다고 한다.

다카나 교수 연구팀은 CNF의 재합성을 통해 셀룰로오스 단섬유에 유리섬유와 동등한 비강도를 부여하는 것을 목표로 연구에 착수해 왔다. 그 과정에서, 교류전기장에서 분극한 셀룰로오스 섬유는 정전 토크(Electrostatic Torque)에 의해 회전하며 전기장과 평행으로 배열한다는 사실과 TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical) 촉매 산화에 의해 얻어지는 CNF(TEMPO 산화 CNF)가 교류전기장에 대해 높은 응답성을 나타낸다는 것을 찾아냈다. 한편 Lundell 교수 연구팀은 CNF를 이용한 고강도∙고탄성 셀룰로오스 섬유의 제작법으로서, 유동장(물체를 늘리는 신장유동(Extension Flow))에 의해 유동 방향으로 CNF를 배열시킴과 동시에 염산을 이용해 수소결합을 촉구해 섬유 타입으로 응집시키는 방법을 개발하고 있었다.

이번 국제공동연구에서는 교류전기장에 의한 배열제어와 유동장에 의한 배열제어, 염산의 확산에 의한 응고를 조합해 새로운 섬유 제작법을 개발했다. 연구 그룹은 수치 시뮬레이션으로 교류전기장에 의한 배열 기구를 명확히 한 후에 실험을 실시하며 그 효과를 확인했다. 교류전기장과 유동장의 병용을 통해 CNF의 배열도가 0.95(완전 배열은 1.0)까지 향상. 셀룰로오스 단섬유의 인장강도와 인성은 각각 63%, 120% 향상되었다.

강도가 높고 경량의 CNF 본래의 재료 특성을 갖는 단섬유를 얻기 위해서는 CNF를 섬유길이 방향으로 배열시킬 필요가 있다. 그러나 미세한 CNF는 브라운 운동에 의해 강하게 확산하기 때문에 기존의 방법으로는 배열 제어가 어려웠다. 연구그룹은 새로운 방법의 응용으로 CNF의 특성을 활용한 신재료의 개발을 기대할 수 있다고 한다.

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