– 그래피틱 나노플레이트와 수소 결합을 이용한 폴리비닐 알코올의 물성 향상 연구 –

원광대학교 창의공과대학 화학공학과 전인엽 교수 연구팀이 고분자 물성을 향상하는 그래핀 첨가제에 관한 연구 결과를 SCIE급 저널에 발표했다.

‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀의 기존 생산 방법은 강산과 산화제를 사용한 방법으로 이는 환경 문제와 생산 과정에서 그래핀의 성능이 떨어지는 문제가 발생하는 반면 금속구슬을 이용해 흑연을 고속으로 분쇄하는 기계화학적 공정인 ‘볼밀링법’은 친환경적이고, 저렴하게 그래핀을 대량 생산할 수 있어 고품질의 그래핀 제조를 위한 가장 효율적인 공정으로 주목받고 있다.

또한, 폴리비닐 알코올(PVA)은 대표적인 수용성 합성고분자로써 생체 적합성, 무독성, 생분해성 등과 같은 특징을 갖고 있어 의료 및 식품을 비롯한 다양한 분야에서 활용되고 있지만, PVA의 많은 하이드록실기(-OH)가 기계적 물성을 감소시키기 때문에 이를 해결하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

PVA의 물성 향상을 위한 첨가제로 기능화된 그래핀을 선택한 연구팀은 먼저 기계화학적 공정을 통해 흑연과 이산화탄소의 반응으로 가장자리가 카르복실기(-COOH)로 기능화된 그래피틱 나노플레이트(COOH-GN)를 합성했으며, COOH-GN은 PVA의 물성 향상을 위한 첨가제로 사용하고, -OH와 -COOH 사이에 형성된 수소 결합과 강한 계면 접착력으로 인해 PVA의 기계적/열적 특성이 향상됨을 확인했다.

특히 그래피틱 나노플레이트가 첨가된 PVA 나노복합체는 순수한 PVA와 비교해 인장강도, 영률이 각각 49.0, 25.8% 증가했을 뿐만 아니라 첨가제가 추가되면 일반적으로 감소하는 특징을 가진 연신율과 인성도 오히려 118.8, 53.1% 증가하는 등 뛰어난 기계적 물성을 보였다.

제1저자로 참여한 윤서정(사진) 대학원생은 “이 연구는 PVA의 분자 구조 내에 풍부하게 존재하는 -OH로 인해 응용에 제한이 있었지만, 오히려 수소 결합을 통해 기계적 물성을 향상함으로써 PVA가 다양한 분야에서 응용될 수 있다”고 설명했다.

한편, 전인엽 지도교수는 “이번 연구를 통해 기능화된 그래피틱 나노플레이트는 소수성/친수성에 상관없이 다양한 고분자의 물성 향상을 위한 첨가제로 사용될 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다.

‘카르복실산으로 기능화된 그래피틱 나노플레이트와의 수소 결합을 이용한 폴리비닐 알코올의 물성 향상’을 주제로 진행된 이번 연구는 화학공학과 윤서정 대학원생이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 고분자 분야 국제학술지 ‘Polymer (IF : 4.6)’에 게재됐다.