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[화학-barrier] 무엇이 마이크로피브릴 셀룰로스(MFC)를 성능 좋은 산소 차단제로 만들어 줄까요? 2017-10-31 13:42:39


마이크로 피브릴화 셀룰로오스(MFC)는 포장에서 산소장벽으로서의 큰 잠재력을 보여 주었습니다. 이로 인해 실제로 잠재력을 활용하려는 수많은 연구 프로젝트가 진행되었습니다. 그렇다면 실제로 MFC는 산소에 대한 장벽을 어떻게 만들 수 있을까요?


필름 형성

 

이전에 MFC의 물 보유 용량에 대해 이야기한 적이 있습니다. 그 블로그 게시물에서 우리는 MFC섬유가 섬유 표면의 수산기(OH) 그룹을 통해 물과 강한 수소 결합을 형성한다고 설명했습니다. 이것은 강력한 섬유간 연결과 함께 물 보유 능력(water holding capacity) 및 높은 항복응력(yield stress)과 같은 물 현탁액(water suspension)에서 MFC가 갖는 매혹적인 특성을 이끌어냅니다. 물을 제거하고 물 분자와 피브릴 사이의 결합을 끊을 경우 OH기는 주변과 강한 결합을 형성합니다. 이것이 매우 강하면서 고밀도의 필름을 만들 수 있는 이유입니다.


산소를 차단

 

그러면 MFC 필름이 산소를 어떻게 차단할까요? 산소가 필름을 통과하는 방법에는 두 가지 경로가 있습니다. 하나는 섬유를 통과하거나 섬유 사이의 공극을 통과하는 것입니다. 섬유는 물질을 통한 산소의 수송을 방해하는 것으로 알려진 결정성을 상당히 높게 가집니다.(Aulin et al.에 따르면 60 % 이상). 따라서 MFC 필름을 통과하는 가장 쉬운 경로는 아마도 섬유 사이이지만 아마도 그 경로도 차단되어 있을 것입니다. 섬유는 작아서 큰 보이드를 남기지 않고 밀접하게 함께 포장할 수 있습니다. 또한, 앞에서 설명한 수소 결합으로 인해 섬유간 힘(inter-fibrillar force)이 강해집니다. 이것은 산소 분자를 쉽게 통과시키지 않는 매우 조밀한 구조를 유도해 냅니다.

 


그림 1. 핀란드의 기술연 센터(VTT)에서 특허출원한 연속 필름 형성 공정으로 제작한 MFC 필름. 필름은 탄성을 향상시키기 위해 30%의 솔비톨을 함유하고 있습니다. 이 고밀도의 매끄러운 필름은 습도 50%에서 산소 투과도가 2.3cc/㎡/일입니다.


습기

 

셀룰로오스는 흡습성 물질로 주변의 물을 흡수합니다. MFC 섬유(또는 다른 셀룰로오스 섬유)가 필름으로 건조될 때, 섬유는 서로 강한 수소 결합을 형성합니다. 이러한 연결은 부분적으로 너무 강하기 때문에 섬유를 재분산시키는 것이 불가능합니다(이것을 hornification이라 부름). 젖은 경우에도 MFC 필름에 기계적 강도를 부여합니다. 그러나, 일부 물 분자는 섬유 사이에서 흡착할 수도 있고 물질 내의 연화제로서도 작용할 수있습니다. 이것은 습도가 높을 때 건조 상태에서처럼 섬유 밀도가 높지 않기 때문에 MFC의 산소 차단 기능이 저하된다는 것을 의미합니다. MFC는 상대 습도 0%에서 산소 투과도가 0.011(cm3μm)/(m2 day kPa)이고 상대 습도가 50% 일 때 300-500 배 높은 투과도를 나타냅니다. 그러나이 두 수치는 같은 표에 언급된 일부 일반적인 플라스틱에 비해 매우 낮습니다. 알린 (Alulin,2010))에 따르면. 상대 습도 70% 후 산소 투과도가 급속히 증가하기 시작합니다. 실제로 이것은 응용 프로그램이 습기에 노출된 경우 MFC가 소수성 레이어에 의해 습기로부터 보호되어야 함을 의미합니다.

 

표 1. 포장 산업에서 사용되는 MFC 및 일반 플라스틱의 산소 투과도 값(Padberg 외 2016 및 Aulin 외 2010).

 

간단히 말해, MFC 필름은 고밀도로 묶인 고결정성 피브릴로 이루어져 있으며 섬유간 결합이 강하기 때문에 산소에 대한 장벽을 견고하게 만들어 줍니다. 물로 구조물을 열 수 있기 때문에 필름을 건조하게 유지하는 것이 중요합니다. 추가적인 이점으로는,이 조밀한 구조가 기름과 지방에도 매우 높은 내성을 가직 있다는 것입니다.

 

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