| 초록 |
1. 연구개발목표 1) 최종목표 - 나노 셀룰로오스의 친환경 공정기술 개발 : 셀룰로오스의 나노 결정화 및 나노 섬유화 기술 확보, 나노 셀룰로오스의 소수화 기술 확보, 목표치 : 농도 20-50g/L, Aspect ratio 50 이상 - 지속가능원료 기반 폴리에스테르계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발 : 엘라스토머 전환율 60 % 이상, 기계적 특성 (가소성) 5 MPa (응력) 및 500% (변형률) 이상, 엘라스토머 (경화성) 기계적 특성 1 MPa (응력) 및 100% (변형률) 이상, 폴리에스테르계 엘라스토머와 나노셀룰로오스 복합체 기계적 특성 20% (응력 및 변형률) 이상 향상 - 지속가능원료 기반 폴리우레탄계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발 : 엘라스토머 전환율 80 % 이상, 엘라스토머 (경화성) 기계적 특성 2 MPa (응력) 및 300% (변형률) 이상, 폴리우레탄계 엘라스토머와 나노셀룰로오스 복합체 기계적 특성 100% (응력 및 변형률) 이상 향상 - 헤테로 고리형 바이오 단량체를 이용한 고강도 열가소성 엘라스토머 합성. 전환수율 80 % 이상, 인장강도 50 MPa 이상, 신장율 500% 이상. 열가소성을 활용한 재활용성 연구. - 나노 키틴의 친환경 생산 및 건조 기술 개발: 나노 키틴의 직경 및 길이 제어, Aspect ratio 10 이상. 건조 기술을 개량하여 농도를 500 g/L 이상을 만드는 방법 개발 - 생물전환공정을 이용하여 미활용 바이오매스로부터 탄성소재 제작을 위한 바이오 단량체, 바이오 가소제, 생적합 색소 소재 개발 (각 1건) 2) 연차별 기술개발수준(TRL) 현황 3) 2019년도 목표(5년차) - 나노 셀룰로오스의 친환경 제조 공정기술 개발 1) 친환경 전처리를 통한 Acid-free 셀룰로오스 나노 결정체 제조 수율 향상, 표면개질을 통한 고기능성 부여 : 수율 45% 이상, (+) 혹은 (-) charge 도입, 소수성 도입. 2) PS의 graft된 셀룰로오스 나노 섬유와 SBC의 복합화를 통한 나노 탄성 복합체 개발 : 탄성계수 50% 이상 증가 - 지속가능원료 기반 폴리에스테르계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발. 1) 부틸고무/PLA 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 전환율 : 90% 이상. 2) 부틸고무/PLA 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 기계적 특성 : 5 MPa 이상 (응력) 및 500% (변형률) 이상. 3) 부틸고무/PLA 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 기계적 특성 : 탄성계수 50%이상 증가. 4) 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 폴리에스테르계 엘라스토머 공중합체 전환율 : 90% 이상. 5) 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 폴리에스테르계 엘라스토머 공중합체 열분해 온도 : 30 ℃이상 증가. 6) 지속가능 원료기반 PVC 가소제 전환율 : 90% 이상. 7) 지속가능 원료기반 PVC 가소제에 의한 기계적 특성 : 200% (변형률) 이상. 8) 다중가지 폴리에스테르계 엘라스토머의 모폴로지 연구 - FDCA와 Isosorbide와 같은 헤테로 고리형 바이오 단량체를 이용한 고강도 열가소성 엘라스토머 합성. 단량체로부터 전환수율 80 % 이상을 달성하고 인장강도 50 MPa 이상, 신장율 500% 이상. - 생산된 열가소성 바이오 엘라스토머의 열가공법 개발. 특히 3D 프린팅 기술을 활용하여 바이오메디칼 용도로 사용될 수 있는 바이오 엘라스토머 성형 기술개발. - 해양수산 폐기물로부터 천연 보강소재인 키틴 나노섬유를 추출하는 기술 및 건조하는 기술 개발. - 나노 키틴의 직경 및 길이 제어, Aspect ratio 10 이상. 건조 기술을 개량하여 농도를 500 g/L 이상을 만드는 방법 개발. 표면 처리 방법을 개발하여 친수성 및 소수성을 갖게 하는 기술 개발. - 미활용 바이오매스 기반 탄성소재 생물전환공정 개발 1) 미활용 바이오매스 유래 방향족 화합물을 이용하여 주요 전구체인 protocatechuic acid (PCA) 생산시스템 개발 2) PCA 기반 신규 단량체, 가소제, 생적합 색소 등을 만들 수 있는 생합성경로 개발 3) 미활용 바이오매스에서 One-step 생물전환 할 수 있는 미생물 개발 4) 미활용 바이오 매스 유래 슈가 기반 단량체 생산 균주 개발 2. 연구개발 필요성 1) 지속가능원료 기반 탄성 폴리우레탄/폴리에스테르 복합소재는 기존의 석유화학 기반 필수소재를 대체할 수 있는 자동차 및 전자산업 분야에서의 국가 경쟁력을 좌우하는 환경친화적인 핵심 필수소재임 - 석유화학 기반 화학제품은 원료의 수급, 환경오염, 원료의 고갈 등의 문제점을 갖고 있어, 향후 단기적으로는 화학제품의 원료 물질의 대체 및 용도 다각화와 장기적으로 지속 성장가능한 탄수화물 시대를 대비하기 위해 친환경 제조 공정을 개발하는 것은 필수적인 것임 - 자동차 및 전자제품의 핵심 부품 소재로 사용되는 석유기반 탄성 복합소재를 대체할 수 있는 지속가능자원 기반 폴리에스테르 엘라스토머 및 폴리우레탄 엘라스토머 소재를 시급히 개발할 필요가 있음 2) 화학(연) 지속가능 원료 활용 원천기술 기확보 및 이를 활용한 고부가화 필요 - 폴리우레탄/폴리에스테르 엘라스토머의 물성 향상용 핵심첨가제로 사용가능한 셀룰로오스 기반의 나노 셀룰로오스 제조는 일부 대학 및 펄프제지 관련 회사에서 연구개발을 진행하고 있으나 이들을 활용하여 고분자 복합소재화 하기 위해서는 나노 셀룰로오스 표면에 소수화 관능기로 개질을 수행하여야 하는 바 기술적 한계를 극복하지 못함 - 한국화학연구원 산업바이오화학연구팀에서는 3년의 연구개발을 통하여 고농도 셀룰로오스 나노 크리스탈의 친환경 공정 확립 (세계 최고수준), TEMPO-산화 나노 피브릴 제조 (세계 최고 동등 수준) 등의 원천기술 (세계 최초기술)을 보유하고 있음 - 화학(연) 보유 나노 셀룰로오스 제조 기술, 이들의 표면개질 기술 및 폴리우레탄 우레아 복합소재화 원천기술을 기반으로 고부가 엘라스토머 제조 공정을 확립하여 자동차 및 전자산업의 핵심 부품소재로 적용함으로써 기술력을 향상하고 선진국의 기술예속화에서 탈피하여야 함 - 폐자원의 고부가화가 가능한 자원순환형 바이오플라스틱 제조기술의 개발을 통해 플라스틱 전·후방 기업의 산업원천기술 확보에 기여 3. 연구개발 주요내용 1) 나노 셀룰로오스의 친환경 제조 공정기술 개발 - 친환경 전처리를 통한 Acid-free 셀룰로오스 나노 결정체 제조 수율 향상, 표면개질을 통한 고기능성 부여 - PS의 graft된 셀룰로오스 나노 섬유와 SBC의 복합화를 통한 나노탄성복합체 개발 2) 지속가능한 원료유래 다양한 형태 및 목적을 가지는 폴리에스테르계 엘라스토머 (탄성체) 및 나노 탄성 복합체 개발 - 상용 고무와 PLA를 이용한 그래프트 공중합체를 이용한 열가소성 엘라스토머 제조 공정기술개발 - 열적 특성 강화를 위한 열가소성 다중가지 폴리에스테르계 탄성공중합체 제조 - 지속가능 원료기반 PVC 가소제 제조 3) 사이클릭 에스테르유래 폴리우레탄계 탄성체를 이용한 점착시스템 개발 4) 지속가능한 원료유래 헤테로 고리형 단량체를 기반으으로 하여 열가소성 엘라스토머 및 나노 복합체 개발 - 식물성 성분으로부터 유래한 FDCA (퓨란계단량체) 및 isosorbide와 같은 헤테로 고리형 단량체를 이용하여 고강도 열가소성 엘라스토머를 합성함. - 헤테로 고리형 단량체 중합 전환율 80%이상 - 나노셀룰로오스 및 나노키틴은 고강도 천연 나노섬유를 활용하여 엘라스토머의 강도를 보강함. 5) 나노 키틴의 친환경 생산 및 건조 기술 개발 - 다양한 기능을 가질 수 있도록 나노 키틴의 직경 및 길이 제어하여, 나노 키틴 소재의 라이브러리 구축. - 키틴 나노소재의 표면 제어 기술: 소수성/친수성/표면전하/기능기 등을 도입할 수 있는 제어 기술 - 나노 키틴 고농도화를 위한 건조 기술 및 재분산 기술 개발 6) 의료용 소재 개발을 위한 열가소성 엘라스토머 3D 프린팅 가공 기술 개발 - 3D 프린팅시 일반적으로 계면 접착 불량으로 물성이 떨어짐. - 엘라스토머 분자 설계로 계면 접착력 증대 - 사출 제품의 기계적 물성에 70% 이상을 가질 수 있는 3D 프린팅 가공기술 개발. 7) 미활용 바이오매스 기반 탄성소재 생물전환공정 개발 - 미활용 바이오매스의 선별 및 분해경로 탐색 및 도 |
