Chitin is the second most abundant polysaccharide only after cellulose. In nature, chitin exists in the form of nanofibers as the basic building blocks. Recently, considerable efforts have been made in developing chitin nanofibers reinforced transparent nanocomposites. Conventionally used methods to create such nanocomposites relied on the processing of chitin via chemical and mechanical treatment. Herein, author introduce a facile route to create a transparent film of chitin nanofibers using a solution of chitin/hexafluoroisopropanol (HFIP). Controlled evaporation-induced self-assembly (EISA) of the chitin/HFIP solution yields a large-area chitin nanofiber film with a low CTE (12.6 ppm/oC). The structure-property-processing relationship of chitin nanofiber films was studied by using different chitin polymorphs, solution concentration, and film processing method. With the chitin nanofiber film and a typical organo-siloxane hybrid material as the matrix, author fabricated a transparent laminate composite film and characterized its basic properties.
본 연구에서는 고속균질기나 반용매의 사용을 포함하는 일체의 추가적인 물리적/화학적 공정의 도입이 없이 단일 용액공정을 통해 대면적의 자기조립 키틴 나노섬유 기반 투명나노복합체 필름을 제작하고, 키틴 용액에서부터 키틴 나노섬유 투명필름 및 키틴 나노섬유 기반 나노복합소재 제작에 이르기까지의 구조-공정-물성 관계(structure-processing-property relation)에 대한 체계적인 연구를 수행하여서 차기 단계 연구(플렉시블 광전소자 및 에너지 소자용 구조용/기능성 플렛폼)를 위한 기반을 구축함을 목표로 하였다.
본 연구에서는 강한 수소결합주개(hydrogen bond donor) 특성을 갖는 불화용매인 HFIP(hexafluoro isopropanol)를 사용하였다. HFIP는 키틴 고분자의 아세틸아미노(acetylamino) 측쇄기 간의 치밀한 수소결합을 단절시켜 용해를 일으킬 수 있으며, 낮은 비점 및 높은 증기압으로 인해 휘발성이 매우 강한 HFIP의 특성 상 용매의 휘발 시 키틴 고분자의 분자 간 수소결합을 재활성화 시켜 키틴 나노섬유의 자기조립(self-assembly)를 용이하게 유도할 수 있다 (Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA). 따라서 본 연구에서는 EISA를 통해 키틴 나노섬유 투명필름을 제작 하였다. 구체적인 방법으로는 Simple Casting과 Cold Pressing을 적용 하였다. Simple Casting은 고분자/용매 용액으로부터 필름을 형성할 수 있는 가장 간단한 방식. 하지만 EISA로 인한 나노섬유 형성으로 인해 발생하는 capillary stress가 필름의 균일성에 부정적인 영향을 끼침; Cold Pressing은 SC 방식에서 문제가 되는 응력 형성에 의한 필름의 불균일성 문제를 보완할 수 있는 방식으로서, 키틴 용액을 우선 젤化(gelation)하여 평판유리 두 장 사이에서 압력을 가한 상태에서 진공을 뽑아 필름을 형성하는 방법이다.
필름 제작 후, 키틴 나노섬유 투명필름의 다양한 기초 물성 및 구조 분석을 통한 구조-공정-물성 관계 분석 하였다. 구조적 특성으로는 AFM(atomic force microscopy)으로 자기조립 키틴 나노섬유의 존재 여부; TEM(transmission electron microscopy) 및 SEM(scanning electron microscopy)으로 미세구조; XRD(x-ray diffraction)로 키틴 나노섬유 및 키틴 나노섬유 투명필름의 결정성; 그리고 FTIR(fourier transform infrared spectrometer)로 키틴 나노섬유 투명필름의 조성을 분석하였다. 기초 물성으로는 UV-Vis spectrometer로 키틴 나노섬유 투명필름의 광투과도; Haze-meter로 키틴 나노섬유 투명필름의 haze; TGA(thermogravimetric analysis)로 키틴 나노섬유 열분해거동 및 열안정성; TMA(thermomechanical analysis)로 키틴 나노섬유 투명필름의 열팽창계수(CTE); DMA(dynamic mechanical analysis)로 키틴 나노섬유 투명필름의 열기계거동을 측정 및 분석하였다.
마지막으로 키틴 나노섬유 투명필름에 유기-실록산 기반 나노 하이브리드 소재인 솔-젤 공정으로 합성되는 실록산 기반 하이브리드 광경화성 수지를 기지소재(matrix)로 사용하여 라미네이트(laminate) 형태의 투명 나노복합소재를 제작하였다.
