바이오복합재료 개발 연구 - 이산화탄소저감및처리기술개발사업단
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<strong>바이오복합재료</strong> <strong>개발</strong> <strong>연구</strong><br />
기후변화협약 대응 합동 WORKSHOP<br />
제주 오리엔탈호텔<br />
2006. 2. 9~10<br />
한국에너지기술<strong>연구</strong>원<br />
한성옥
환경친화성 고분자복합재료의 <strong>개발</strong> 필요성<br />
복합재료 사용량<br />
Fiber Reinforced Plastic Composites<br />
Used in 2003 - - 2.5 x 10 9 lb<br />
(1%) Aerospace Miscellaneous<br />
Appliances<br />
4%<br />
8%<br />
Consumer<br />
Automotives<br />
products<br />
31%<br />
8%<br />
Electronic<br />
components<br />
10%<br />
26%<br />
Construction<br />
Marine 12%<br />
북미의 보강재 시장규모(2000)<br />
환경오염<br />
Calcium carbonate,<br />
2.2 billion Ib or 40%<br />
Other mineral fillers,<br />
1.2 billion Ib or 22%<br />
Glass fiber,<br />
1.7 billion Ib or 31%<br />
Natural fibers,<br />
0.4 billion Ib<br />
or 7%<br />
환경친화성<br />
복합재료 <strong>개발</strong> 필요<br />
참고: L.T.Drzal 세미나 자료 (2005)<br />
Total: 5.5 Billion Ib
<strong>바이오복합재료</strong><br />
♦ 천연섬유 보강재와 고분자 매트릭스의 복합재료<br />
(유리섬유 강화 고분자복합재료 대체용 재료)<br />
♦ <strong>바이오복합재료</strong>의 특성<br />
U.S. Cents/Ib<br />
Cost comparison in average<br />
120<br />
90<br />
60<br />
30<br />
0<br />
90<br />
20<br />
Glass Biofiber<br />
Density, g/cm3<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Weight savings<br />
2.6<br />
1.3<br />
Glass Biofiber<br />
E(BTUs)X 10 3 /1 Ib. fiber<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Energy savings<br />
23.5<br />
6.5<br />
Glass Kenaf
<strong>바이오복합재료</strong>와 유리섬유 보강 복합재료 특성 비교<br />
~3 ton CO 2 배출<br />
저감/열가소성<br />
<strong>바이오복합재료</strong> 톤<br />
(65% 천연섬유<br />
/30% 유리섬유)<br />
원재료 제조공정 복합재료 폐기공정<br />
<strong>바이오복합재료</strong><br />
-CO 2 neutral<br />
-저가, 경량<br />
-환경친화 특성<br />
-기계마모 저감<br />
-인체친화<br />
-에너지 저소비<br />
-경량화(연비)<br />
-흡음, 단열특성<br />
-인체안정성<br />
-생분해성<br />
-유해가스 저감<br />
-재활용 가능<br />
유리섬유복합재료<br />
-에너지다소비<br />
-환경유해<br />
-기계마모<br />
-인체 유해<br />
-하중<br />
-충돌시 파손위험<br />
-매립 처리<br />
-재활용 어려움<br />
참고: Resources, Conservation and Recycling 39 (2003) 325-340
<strong>바이오복합재료</strong>의 환경친화성과 에너지절약성<br />
‣ LCA (Swiss Federal Institute of Technology)<br />
폴리프로필렌 pallets (유리섬유(<br />
유리섬유(GP): 42%, 중국산갈대(CR): 53%)<br />
Unit<br />
GF<br />
CR<br />
CR/GP(%)<br />
GHE(CO 2<br />
발생)<br />
kg CO 2<br />
eq/pal<br />
75.3<br />
40.4<br />
54<br />
Carcinogenic<br />
kg PAHeq/pal<br />
7.11X10 -7<br />
4.48X10 -7<br />
63<br />
Energy<br />
MJ/pal<br />
1400<br />
717<br />
51<br />
참고: Resources, Conservation and Recycling 33 (2001) 267-287<br />
‣ <strong>바이오복합재료</strong>의 경량성<br />
Conventional<br />
composite<br />
Weight (g) of<br />
component<br />
NFR materials<br />
Weight (g) of<br />
NFR component<br />
Weight<br />
reduction(%)<br />
Auto side panel<br />
ABS<br />
1125<br />
Hemp-Epoxy<br />
820<br />
27<br />
Auto insulation panel<br />
Glass Fiber-PP<br />
3500<br />
Hemp-PP<br />
2600<br />
26<br />
Transport pallet<br />
Glass Fiber-PP<br />
15,000<br />
China reed-PP<br />
11,770<br />
22<br />
참고: Composites: Part A 35 (2004) 371-376
<strong>바이오복합재료</strong>의 이산화탄소 저감효과<br />
‣ 북미의 자동차에 사용되고 있는 유리섬유 보강 복합재료의 50%를<br />
<strong>바이오복합재료</strong>로 대체할 경우 연간 잠정적인 CO 2<br />
발생 저감 효과<br />
(유리섬유 30% loading 복합재료를 대마 65% loading 바이오복합재로 대체한 경우)<br />
절약량<br />
재료/공정<br />
경량성 (연료 절감량)<br />
전체<br />
전체 캐나다 화석연료 배출량(%)<br />
(1991-2000)<br />
전체 캐나다 오일 소비량 (%)<br />
(1991-2000)<br />
전체 미국 산업체 배출량 (%)<br />
(1990-2000)<br />
이산화탄소 발생 (백만 톤)<br />
1.01<br />
2.06<br />
3.07<br />
0.5<br />
-<br />
4.3<br />
원유 자원 (백만 m 3 )<br />
0.39<br />
0.8<br />
1.19<br />
-<br />
1.0<br />
-<br />
참고: Resources, Conservation and Recycling 39 (2003) 325-340
<strong>바이오복합재료</strong>의 국내외 기술<strong>개발</strong> 동향<br />
‣ 국외 현황<br />
- 유럽: 실용화와 고성능화 <strong>연구</strong> 공동 추진 (EU GROWTH Project: ECOFINA)<br />
- 미국: 국가 Roadmap에 따라 체계적인 추진<br />
NSF, USDA, DOE, EPA 각 부처의 적극적인 지원<br />
- 캐나다: Canadian Natural Composites Council (2003년)<br />
- 일본: 2002년부터 매년 Green Composites 학회 개최,<br />
TOYOTA 자동차 회사는 실용화<br />
- 최근 나노셀룰로오즈 보강재 <strong>개발</strong> 등 나노기술 접목을 적극적으로 추진 중<br />
‣ 국내 현황<br />
- 한국에너지기술<strong>연구</strong>원, 금오공과대학 등 <strong>연구</strong>계, 학계에서 기초<strong>연구</strong> 수행
천연소재 및 전자빔 조사를 이용한<br />
<strong>바이오복합재료</strong> <strong>개발</strong> <strong>연구</strong><br />
(위탁: 천연섬유 보강 <strong>바이오복합재료</strong>의 기계적, 계면 특성 <strong>연구</strong>]<br />
2005. 4. 1~2006. 3. 31<br />
<strong>연구</strong>책임자: 한국에너지기술<strong>연구</strong>원 한 성 옥<br />
위탁<strong>연구</strong>책임자: 금오공과대학교 조동환
<strong>바이오복합재료</strong> <strong>개발</strong> <strong>연구</strong>목표 및 <strong>연구</strong>내용<br />
‣ <strong>연구</strong>목표<br />
- 천연섬유에 대한 전자빔 조사영향 분석 및 전자빔 적용기술 확립<br />
- 천연섬유 보강 <strong>바이오복합재료</strong> 제조 및 특성분석<br />
‣고분자매트릭스 제조<br />
‣고분자매트릭스 특성분석<br />
‣천연소재 보강재 특성분석<br />
‣전자빔 표면처리<br />
‣계면분석<br />
‣접착향상<br />
<strong>바이오복합재료</strong><br />
‣내구성 향상<br />
‣환경친화성 분석<br />
‣<strong>바이오복합재료</strong> 제조<br />
‣<strong>바이오복합재료</strong> 특성분석
1. 천연섬유 보강재 처리<br />
천연섬유 보강재<br />
‣ 헤네켄 섬유, 케나프 섬유<br />
보강재의 기계적, 물리적 특성<br />
Property<br />
Glass<br />
Carbon<br />
Henequen<br />
Flax<br />
Density (g/cm 3 )<br />
2.45<br />
1.8<br />
1.5<br />
1.5<br />
Stiffness (10 6 psi)<br />
10.52<br />
33.96<br />
1.98<br />
4.13<br />
Strength (10 3 psi)<br />
400<br />
520<br />
78<br />
51<br />
Elongation (%)<br />
3<br />
1.5<br />
4.7<br />
2.5<br />
천연섬유 처리<br />
‣ 전자빔 조사(10~500 kGy)<br />
‣ 알칼리 용액 처리 (2%, 5%, 10%)<br />
전자빔 조사장치(ebTech co., 대전)
천연섬유 처리조건에 의한 형태 변화<br />
전자빔 처리<br />
알칼리용액 처리<br />
50µm<br />
50µm<br />
50µm<br />
raw<br />
100 kGy 500 kGy<br />
Raw 50µm AK 5% 50µm AK 10% 50µm<br />
raw 10µm 100 kGy 10µm 500 kGy 10µm<br />
Raw 10µm AK 5% 10µm AK 10% 10µm
천연섬유 처리조건에 의한 물리적, 열적 특성 비교<br />
전자빔 처리<br />
알칼리용액 처리<br />
천연섬유<br />
중합도<br />
Alpha cellulose (%)<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
alpha<br />
beta<br />
y = 0.2046x + 6.5391<br />
R 2 = 0.9603<br />
y = -0.2112x + 62.366<br />
R 2 = 0.9379<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Beta cellulose (%)<br />
Alpha cellulose (%)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
alpha<br />
beta<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Beta cellulose (%)<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Dose (kGy)<br />
0 2 4 6 8 10 12<br />
Alkali solution concentration (%)<br />
천연섬유<br />
열적 특성
천연섬유 처리조건에 의한 표면작용기 변화 비교<br />
전자빔 처리<br />
알칼리용액 처리<br />
lignin<br />
Hemicellulose<br />
removal<br />
hydroxyl -OH<br />
Glycoside bonding<br />
Aromatic CH<br />
removal
천연섬유의 기계적 특성에 대한 전자빔 영향<br />
S t o r a g e m o d u l u s ( M P a )<br />
21000<br />
19000<br />
17000<br />
15000<br />
13000<br />
11000<br />
9000<br />
7000<br />
5000<br />
천연섬유의 저장탄성률<br />
Raw 50kGy<br />
100kGy 200kGy<br />
300kGy 500kGy<br />
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240<br />
Temperature (°C)<br />
Tensile Streng strength th (Mpa)<br />
Pa)<br />
Tensile Modulus modulus (GPa) (Gpa)<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
18<br />
18<br />
15<br />
15<br />
12<br />
12<br />
9<br />
9<br />
6<br />
6<br />
3<br />
3<br />
0<br />
0<br />
304 312<br />
241<br />
205<br />
160<br />
253<br />
114<br />
62 53<br />
Raw As EB10<br />
EB30<br />
EB50<br />
EB100<br />
EB150<br />
EB200<br />
EB 500 EB 2000<br />
received normal normal normal normal normal normal normal normal<br />
9 9 10<br />
천연섬유의 인장강도<br />
EBI Dose (kGy)<br />
7<br />
5<br />
Raw As EB10<br />
EB30<br />
EB50<br />
EB100<br />
EB150<br />
EB200<br />
EB 500 EB 2000<br />
received normal normal normal normal normal normal normal normal<br />
15<br />
EBI Dose (kGy)<br />
9<br />
8<br />
5
천연섬유의 접착특성에 대한 전자빔 영향
Pressure (psi)<br />
2. <strong>바이오복합재료</strong> 제조 및 특성분석<br />
헤네켄, 케나프 천연섬유<br />
폴리프로필렌<br />
+<br />
폴리프로필렌<br />
-비중: 0.91<br />
-융점: 160~165 o C<br />
-비열: 0.46 cal/g o C<br />
고<br />
온<br />
가<br />
압<br />
성<br />
형<br />
Temperature(℃ )<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
30min<br />
1000psi<br />
Time
천연섬유 종류에 의한 <strong>바이오복합재료</strong> 특성<br />
Weight(%)<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
HQ/PP 복합재료의 열적 특성<br />
0.0<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Temperature( o C)<br />
1.2<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Deriv.Weight(%/ o C)<br />
Storage Modulus(GPa)<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
HQ/PP, KE/PP 복합재료의 저장탄성율<br />
PP matrix<br />
PP_KE<br />
PP_HQ<br />
0<br />
-100 -50 0 50 100<br />
Temperature( o C)<br />
KE/PP 복합재료의 열적 특성<br />
HQ/PP, KE/PP 복합재료의 Tan delta<br />
120<br />
2.5<br />
0.10<br />
PP matrix<br />
Weight(%)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
Deriv.Weight(%/ o C)<br />
Tan delta<br />
0.08<br />
0.06<br />
0.04<br />
0.02<br />
PP_KE<br />
PP_HQ<br />
0<br />
0.0<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Temperature( o C)<br />
0.00<br />
-100 -50 0 50 100<br />
Temperature( o C)
<strong>바이오복합재료</strong>의 동역학적 및 기계적 특성에 대한 전자빔 영향<br />
동역학적 특성<br />
굴곡특성
<strong>바이오복합재료</strong> 접착 상태에 대한 전자빔 영향<br />
PP_Kenaf(Law) PP_Kenaf(EBI_50 kGy) PP_Kenaf(EBI_100 kGy)<br />
(x1000) (x1000) (X1000)<br />
PP_Kenaf(EBI_200 kGy) PP_Kenaf(EBI_500 kGy)<br />
(x1000)<br />
(x1000)
결론<br />
‣ 천연섬유 처리<br />
1. 천연섬유의 전자빔 처리는 알칼리용액 처리에 비해 간단하고 환경친화적임<br />
2. 천연섬유의 처리조건에 따른 특성변화<br />
- 전자빔 조사: 셀룰로오즈 중합도 감소, 내부기공 유지, 섬유강도 저하, 가교화 등<br />
- 알칼리 처리: 셀룰로오즈 중합도 유지, 헤미세룰로오즈 제거, 글리코시드 결합 등<br />
3. <strong>바이오복합재료</strong>의 응용분야에 따라 다른 처리방법이 효과적: 강도 요구, 흡음특성<br />
4. 전자빔 조사는 나노셀룰로오즈 제조를 위한 천연섬유 전처리 공정에 유리<br />
‣ <strong>바이오복합재료</strong> 제조 및 특성분석<br />
1. 천연섬유 보강재 종류에 따라 <strong>바이오복합재료</strong>의 동역학적 특성이 다르게 나타남<br />
2. 케나프 섬유 <strong>바이오복합재료</strong>의 저장탄성률은 전자빔 조사의 경우 200kGy에서,<br />
알칼리 용액처리의 경우에는 농도 5 wt%에서 가장 우수함<br />
3. 천연섬유 보강재와 매트릭스의 계면접착 특성은 전자빔 조사량 10 kGy 혹은 200<br />
kGy에서 가장 우수함
기대 효과<br />
▣ 기술적 측면<br />
• BT+ET+NT 융합 첨단신소재 <strong>개발</strong>기술 확립<br />
• 환경친화, 에너지절약 특성을 가진 첨단신소재 <strong>개발</strong>기술 확보<br />
▣ 경제, 산업적 측면<br />
• 원자재 가격 감소<br />
• 경량화에 의한 에너지절약 (자동차 연비향상)<br />
▣<br />
환경보호<br />
• 천연자원 및 폐자원의 효과적 활용<br />
• 폐기 소각시 유해 배출물 저감<br />
• 이산화탄소 저감 기여
감사의 글<br />
▣ 본 <strong>연구</strong>는 과학기술부의 21세기 프론티어 <strong>연구</strong><strong>개발</strong>사<br />
업인 이산화탄소 저감 및 처리 기술<strong>개발</strong> 사업단의 <strong>연구</strong><br />
비 지원(CJ2-101)으로 수행되었습니다. 본 <strong>연구</strong>를 지원<br />
해주신 과학기술부와 사업단에 감사 드립니다.<br />
▣ 한국에너지기술<strong>연구</strong>원 기능재료<strong>연구</strong>센터 팀원과<br />
안호정, 한영희 <strong>연구</strong>학생<br />
▣ 금오공과대학교 고분자/바이오 복합재료<strong>연구</strong>실 팀원
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