최근 보다 친환경적인 재료를 사용하고자 하는 소비자들의 요구와 고유가 및 지구 온난화에 의해 바이오 고분자(biopolymer)에 대한 관심이 증가하고 있다.

바이오 고분자는 생물체에서 발견된 천연적으로 발생하는 고분자로서, 재생자원으로부터 유래되며 생분해가 되는 특징을 지니고 있다. 바이오 고분자는 의학, 코팅, 식품 및 포장재료 등 다양한 분야에 사용될 수 있다.

폴리락틱산(polylactic acid, PLA)은 옥수수 당분의 발효에 의해 만들어지는 락틱산이 중합된 생분해 특성을 가진 열가소성 폴리에스터이다. 폴리락틱산은 우수한 기계적 강도와 다른 바이오 고분자에 비해 제조성이 우수하여 생분해성 엔지니어링 플라스틱으로 사용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.

그러나 폴리락틱산은 섭씨 60도 부근에서 연화되고 다른 석유를 기반으로 하는 고분자에 비해 가스와 수분 차단 특성이 낮다는 단점이 있다.

나노복합재료는 바이오 고분자의 투명성에 영향을 주지 않으면서 기계적 강도와 열적 안정성을 유지하고 수분 투과성을 향상시키기 위한 좋은 방안으로 고려되고 있다. 나노 복합재료는 순수한 고분자재료에 비해 향상된 강성도, 강도, 강인성, 열적 안정성, 차단 특성 및 내연성을 가지고 있다.

나노보강재는 가시광 파장보다 작기 때문에 투명해 보이며 고분자 매트릭스에는 영향을 주지 않으면서 나노보강재의 큰 비표면적에 의해 소량을 첨가하여도 큰 특성 향상을 기대할 수 있다.

층진 실리케이트(layered silicate)는 플라스틱 산업에서 가장 많이 사용되는, 자연발생 재료이지만 재생 가능하지 않고 생분해되지도 않는다. 반면에, 셀룰로오즈는 자연에 풍부하고 재생자원이며 생분해가 되고 우수한 기계적인 특성을 가진다.

셀룰로오즈 섬유로부터 얻을 수 있는 나노보강재는 마이크로피브릴(microfibril)과 나노 휘스커(nano whisker)이다. 다양한 방법에 의해 얻어진 셀룰로오즈의 결정성 부분이 셀룰로오즈 나노 휘스커이다. 최근에 셀룰로오즈 나노 휘스커는 상업적으로 얻기 어려운 것이지만, 마이크로 결정성 셀룰로오즈(microcrystalline cellulose: MCC)는 구입 가능하다.

노르웨이 과학기술대학의 K. 옥스만(K. Oksman) 연구팀은 폴리락틱산 바이오 고분자를 기반으로 하는 벤토나이트(bentonite) 층진 실리케이트 및 마이크로 결정성 셀룰로오즈 보강 복합재료를 제조하고 이들의 기계적, 열적 및 차단 특성을 분석하였다. 나노복합재료들은 나노보강재가 5wt% 첨가되었으며 용액 주형법(solution casting)에 의해 준비되었다.

벤토나이트 나노복합재료들은 인장 탄성률과 항복 강도(yield strength)에서 큰 향상을 보였으나 마이크로 결정성 셀룰로오즈 보강 복합재료는 단지 항복 강도만이 향상되었다.

이들 나노보강재들은 파괴점 신장률(elongation to break)에 매우 다른 결과를 주었는데, 마이크로 결정성 셀룰로오즈 보강재는 파괴점 신장률이 크게 감소하는 벤토나이트에 비해 보다 만족스러운 거동을 나타내었다.

동역학적 특성분석에 의하면 두 나노복합재료의 저장탄성률은 전 온도 구간에서 향상하였으며 Tan delta 피크는 모두 높은 온도 방향으로 이동하였다. 벤토나이트를 첨가하였을 때 폴리락틱산의 산소 투과성은 감소하였으나 결정성 셀룰로오즈 보강 복합재료는 감소하지 않았으며 나노복합재료의 빛 투과성은 순수한 폴리락틱산에 비해 감소하였다.

(Composites Science and Technology 66)