Cellulose is the most abundant polymer found in nature. Owing to the lightweight mechanical properties and biodegradability of cellulose, polymer-cellulose composites have widely been investigated for various applications. In this study, microcrystalline cellulose (MCC) is employed as a reinforcement agent for eco-friendly TPU-MCC composites to enhance the mechanical strength of thermoplastic polyurethane (TPU). The size of the MCC was measured to be 88.4 µm by particle size analyzer, and the hydrogen bonding between the urethane group of TPU and the hydroxyl group of MCC was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy. As evident from SEM analysis, MCC was evenly dispersed in TPU matrix at 0.5 wt% MCC loading, but we observed the aggregation at 1 wt% or higher MCC loading. From the universal testing machine analysis, we observed an increase in tensile strength by 12.7%, elongation by 36.7%, and toughness by 25.9% at a small amount of 0.5 wt% MCC content.

셀룰로오스는 식물 세포벽의 기본 구조 성분으로 자연에서 추출할 수 있는 가장 풍부한 천연고분자이다. 셀룰로오스는 열분해성 및 생분해성이 뛰어나며 가벼운 무게 대비 높은 기계적 물성을 나타내는 특성으로 인해, 고분자-셀룰로오스 복합체를 통해 자동차 경량화 소재, 신발, 코팅 및 건축용 소재 등의 다양한 산업 분야에 적용하기 위한 연구가 널리 진행되고 있다. 본 연구에서는 가볍고 신축성이 좋은 열가소성 폴리우레탄(TPU)의 낮은 기계적 강도를 증가시키고 미세 플라스틱에 의한 환경오염을 방지하기 위해 미세결정 셀룰로오스(MCC)를 보강재로 사용하여 친환경 복합체를 제조하고자 한다. 사용된 MCC의 사이즈는 입도 분석기(PSA)로 측정 시 88.4 μm로 측정되었으며 TPU의 우레탄기와 MCC의 수산기 사이의 수소결합을 통한 상호작용은 적외선 분광분석(FTIR)을 통해 확인했다. 열중량분석(TGA)을 통해 열안정성을 측정한 결과 MCC의 열안정성이 낮기 때문에 TPU-MCC 복합체의 MCC 함량이 증가할수록 열안정성은 감소함을 나타냈다. 주사전자현미경(SEM) 측정결과 0.5 wt% 함량에서는 MCC가 매트릭스 내부에 골고루 분산된 모습이 관찰되었으나 1 wt% 이상의 함량에서는 응집이 발생하는 현상을 관찰했다. 만능재료시험기(UTM) 측정 결과 0.5 wt%와 같은 소량의 MCC 함량 첨가는 인장강도 12.7%, 연신율 36.7%, 그리고 인성 25.9%가 증가함을 확인했지만 1 wt% 이상의 MCC 함량에서는 기계적 물성이 감소하는 경향을 나타냈다. 결론적으로 보강재를 소량 첨가함으로써 매트릭스 물질의 기계적 물성을 증가시킬 수 있음을 확인했다.

Keywords: thermoplastic polyurethane, microcrystalline cellulose, polymer composites, mechanical properties, interfacial adhesion.