나노를 이용한 폴리(비닐알코올) 동결주조

Sep 30, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1020(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

동결 주조는 액체 현탁액(수성 또는 기타)을 동결시킨 다음, 감압 하에서 응고된 상태를 가스 상태로 승화시키고, 나머지 지지체를 소결하여 지지대와 벽을 강화하고 치밀화시키는 과정으로 구성됩니다. 구조는 매우 다공성이며 기공은 용매 결정의 복제물입니다. 이 기술은 매우 다양하며 기공 형성제로 액체 용매(대부분의 경우 물)를 사용하는 것이 강력한 자산입니다. 동결 주조는 또한 치밀한 세라믹을 생성하는 거의 그물 모양 형성 경로로 개발되었습니다. 이 연구에서는 얼음 템플릿 방법을 통해 합성된 다공성 복합 재료에 대해 보고합니다. 매트릭스로는 폴리비닐알코올(PVA)을 사용하고 PVA 지지체의 기계적 안정성을 향상시키기 위해 충진재로는 나노실리카(SiO2), 나노클레이(NC), 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)를 사용합니다. 우리는 다공성과 기계적 안정성에 대한 결과를 보여주고 이러한 다공성 나노복합체를 낮은 열 전도성과 우수한 기계적 특성을 가진 잠재적인 단열재로 간주합니다.

얼음 주형이라고도 알려진 동결 주조는 다양한 종류의 재료에 선택적 다공성을 도입하는 기술입니다1,2,3,4. 다공성 세라믹5,6,7,8,9, 다공성 금속10,11,12, 폴리머13,14,15 및 유기-무기 복합재16,17,18,19,20,21가 지난 20년 동안 연구되었습니다.

얼음 템플릿 프로세스는 세 가지 주요 단계로 구분됩니다. 먼저 입자나 중합체가 용매에 분산되거나 용해됩니다. 그런 다음 전구체 분산액/용액은 일반적으로 액체 질소인 동결제에 담근 차가운 손가락에 금형을 배치하여 온도 구배에 노출됩니다. 이 과정에서 얼음은 얼음-물-계면의 구조적 과냉각으로 인해 차가운 ​​손가락에서 분산액/용액의 상단까지 어는 방향을 따라 길쭉한 결정을 형성합니다. 마지막으로 동결건조를 통해 동결된 용매를 제거합니다. 얼음 템플릿으로 합성된 재료의 가장 중요한 장점은 등방성 다공성을 가진 재료에 비해 기계적 안정성이 향상된다는 것입니다. 이는 최대 400%14까지 증가할 수 있습니다.

동결 주조로 형성된 다공성 고분자 구조는 다양한 용도로 사용됩니다. 얼음 주형 폴리(비닐 알코올) PVA 복합체 또는 젤라틴의 개방형 기공 구조는 제약 성분의 표적 방출 또는 피부 재생 물질에 사용될 수 있습니다. 이전 연구 중 하나에서 우리는 가교된 PVA 동결 주조가 잠재적인 단열재임을 보여주었습니다. 일반적으로 사용되는 단열재 범위에서 열전도율은 낮지만 다른 폼형 단열재에 비해 기계적 안정성이 훨씬 우수합니다.

다공성 물질의 특성을 더욱 향상시키기 위해 합성 중에 다양한 무기 또는 유기 충전재를 첨가할 수 있습니다. SiO26 또는 카본 블랙26, 셀룰로오스 나노섬유27,28 또는 규산염 광물29,30과 같은 나노입자를 사용할 수 있습니다. SiO231을 삽입하면 PVA 지지체의 기계적 안정성이 향상됩니다. Sun et al.31은 동결 주조를 통해 PVA 지지체에 실리카 코팅을 성장시켜 PVA 에어로겔/실리카 나노복합체를 합성했으며 압축 강도를 1.8에서 6.0MPa로 증가시킬 수 있었습니다. PVA 지지체에 셀룰로오스 나노섬유를 도입하면 기계적 안정성도 향상됩니다. Hostler 등18은 동결 주조를 통해 PVA와 나노 점토로 만든 복합재료에 대해 보고했습니다. 이 재료는 동결 방향에 수직으로 0.030 W m−1 K−1의 매우 낮은 열전도율을 가지고 있습니다.

이 연구에서는 얼음 템플릿 방법을 통해 합성된 다공성 복합 재료에 대해 보고합니다. 이를 위해 PVA를 매트릭스로 사용하고, PVA 지지체의 기계적 안정성을 향상시키기 위해 충진재로 나노실리카(SiO2), 나노클레이(NC), 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)를 사용합니다. 우리는 이러한 다공성 나노복합체를 낮은 열 전도성과 우수한 기계적 특성을 지닌 잠재적인 단열재로 평가합니다.