The Effect of Surface-Modified Microcrystalline Cellulose on the Structure-Property Relationships in Thermoplastic Polyurethane Composites :미세결정 셀룰로오스의 표면 개질 방법에 따른 열가소성 폴리우레탄 복합재의 구조-물성 상관관계

이서구

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이서구 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 김희중

발행연도: 2023

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2024

Structured and Property-Based Examination of Lignin-Incorporated Thermoplastic Polyurethane Composites

이서구 , 이희은 , 양기준 외 4명 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2024.04 학술대회자료

2023

Systematic Studies on Lignin-Inclusion Thermoplastic Polyurethane Composites Based on the Structure and Properties of Lignin

이서구 , 이희은 , 양기준 외 4명 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2023.10 학술대회자료

A Study of the Structural Properties of Lignin in Lignin-Containing Thermoplastic Polyurethane Composites

이서구 , 이희은 , 양기준 외 4명 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2023.04 학술대회자료

The Effect of Surface-Modified Microcrystalline Cellulose on the Structure-Property Relationships in Thermoplastic Polyurethane Composites

이서구 2023.01 학위논문

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고분자 소재는 특유의 경량성, 안정성, 높은 취성으로 상당 분야에서 철, 목재, 유리등의 소재를 성공적으로 대체하였다. 그러나 고분자 소재의 남용은 폐 고분자 소재로 인한 미세 플라스틱, 해양 플라스틱 폐기물 등 다양한 환경 문제를 야기하였으며, 야생동물뿐 아니라 인류의 건강을 위협하고 있다. 그러나, 더욱 견고하고 고 기능성의 고분자 물질에 대한 시장의 증가하는 수요는 높은 기계적 물성을 가지는 친환경 고분자 복합소재의 개발 필요성으로 이어진다.
본 연구에서는, 화학적으로 개질 된 미세 결정질 셀룰로스(MCC)를 생 유래 보강소재로 활용하여 화학적 개질이 고분자 복합소재의 열기계적 물성에 어떤 영향을 미치는지 확인한다. 구조 내 수산화기가 히드록시프로필기(HP)로 치환하지 않거나 (HP-0), 낮은 정도로 치환하거나(HP-Low), 혹은 높은 정도로 치환된(HP-High) 3종의 개질 된 MCC를 보강소재로써 열가소성 폴리우레탄(TPU)와 이축 압출기를 통한 복합화를 진행하였다. 개질 된 MCC의 HP 치환 정도는 고체상 핵자기공명 분광법(CP/MAS)을 통해 정량적으로 파악하였으며, X선 회절(XRD) 및 밀도 분석을 통해 상대적으로 큰 부피를 가지는 HP의 치환도가 증가할수록 MCC를 구성하는 셀룰로오스 주쇄 간 상호작용을 방해하여 감소된 결정성과 밀도 변화를 확인하였다. 이는 개질 된 MCC와 TPU간 상호작용을 증가시켜, 결과적으로 HP-Low MCC의 낮은 0.5 질량% 함량의 복합소재에서 28%의 취성 증가율을 나타내었다. 본 구조-물성 중심의 포괄적인 연구는 증가된 기계적 물성을 보이는 친환경 고분자 복합소재의 제작에 있어 통찰을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Due to their lightweight, stability, and toughness, polymers have been successfully replaced some portion of traditional materials such as iron, wood, and glass, making their introduction one of the greatest achievements in materials science. After about one hundred years since the invention of the first synthetic polymer, environmental pollution caused by these materials, such as microplastic pollution and carbon emissions, is posing a threat not only to wildlife but also to human beings. However, there are increasing demands for robust and functional polymeric materials, leading to the emergence of green plastic materials with enhanced properties. In this study, we investigated the impact of functional groups on the thermomechanical properties of composites by employing chemically modified MCCs (m-MCCs) as bio-fillers with different levels of hydroxyl group substitution with hydroxypropyl (HP) groups. Three m-MCCs with no, low, and high levels of HP substitution (HP-0, HP-Low, and HP-High) and thermoplastic polyurethane (TPU) were fabricated into the polymer composites by using a twin-screw extruder with various filler concentrations (0.5–10 wt.%). The degree of HP substitution in m-MCCs was quantitatively measured using CP/MAS NMR analysis. XRD and density analysis revealed that the presence of the relatively bulky HP groups in m-MCCs was found to interrupt the intermolecular interactions between cellulose chains, leading to a reduction in both the crystallinity and density of the fillers. Therefore, the bond between the polymer and particles was strengthened, resulting in a significant enhancement of toughness in m-MCCs/TPU composites by up to 28% with the addition of only 0.5 wt.% of HP-Low. This work of comprehensive understanding of the structure-property relationships will provide valuable insights for designing mechanically robust and environmentally friendly polymer composites.

#Polymer composites #Cellulose #Thermoplastic polyurethane #Melt extrusion #Structure-properties relationships

1. Introduction 1
2. Materials and methods 3
2.1 Materials 3
2.2 Fabrication of m-MCCs/TPU composites 3
2.3 Characterization of m-MCCs and composites 3
3. Results and discussion 4
3.1 Effect of HP substitution degree on properties of the m-MCC 6
3.2 Thermal properties and FT-IR spectra of m-MCC/TPU composites 10
3.3 Mechanical properties and fracture surface of m-MCC/TPU composites 12
4. Conclusions 15
5. Supplementary information 17
6. References 20

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