Lyocell fabrics were treated with 3-glycidoxypropyltrimethoxy silane (GPS) at different concentrations of 0.5, 1, and 3 wt%. Lyocell/PLA composites were then fabricated by a compression molding process using a film-stacking manner, which was stacking poly(lactic acid) (PLA) films between the lyocell fabrics, and their mechanical and thermal properties were explored. The tensile and flexural properties, heat deflection temperature, and thermo-dimensional stability of PLA were largely increased due to a reinforcing effect by the lyocell fabrics. The properties were further increased by silane treatment done to the lyocell fabrics prior to composite fabrication, showing the highest improvement with 1 wt% GPS. The effect of silane treatment on the improvement of the mechanical and thermal properties was consistent with the effect of silane treatment on the interfacial bonding between the lyocell fiber and the PLA matrix of the composite as well as on the lyocell single fiber tensile properties.

3-Glycidoxypropyltrimethoxy silane(GPS)의 농도를 0.5, 1, 3 wt%로 각각 달리하여 라이오셀 직물을 처리한 다음, 라이오셀 직물과 직물 사이에 poly(lactic acid)(PLA) 필름을 적층하여 압축성형법으로 라이오셀/PLA 복합재료를 제조하고 그들의 기계적, 열적 특성을 조사하였다. PLA의 인장특성, 굴곡특성, 열변형온도, 열치수안정성은 라이오셀 직물의 보강효과에 의해 매우 크게 증가하였다. 이들 특성은 복합재료 성형 전 라이오셀 직물에 행한 실란 처리에 의해 더욱 증가되었으며, GPS 농도가 1 wt%일 때 가장 크게 향상되었다. 라이오셀/PLA 복합재료의 기계적, 열적 특성 향상에 미치는 실란처리의 영향에 대한 결과는 라이오셀 단섬유 인장특성 그리고 복합재료를 구성하는 라이오셀 섬유와 PLA 매트릭스 사이의 계면결합에 미치는 실란처리 영향에 대한 결과와 일치하였다.

Keywords: lyocell, poly(lactic acid), composite, mechanical properties, thermal properties

라이오셀(Lyocell) 섬유는 천연자원인 셀룰로오스로부터 파생된 합성섬유로 천연목재나 펄프로부터 건식 및 습식방사를 통해서 얻어질 수 있다. 라이오셀 섬유는 생분해가 가능하고, 부드러운 촉감, 드레이프(drape) 성질, 탄력성 등이 우수하고 내구성이 뛰어난 특징을 가지고 있다. 라이오셀 섬유는 셀룰로오스계 재생섬유인 레이온(rayon)섬유와 비교할 때, 공정, 환경, 인체 무해성 측면에서 장점을 지니고 있다.^1,2 라이오셀 섬유는 1969년 Eastman Kodak사가 셀룰로오스 용매로 Nmethylmorpholine-N-oxide(NMMO)를 적용한 특허와 함께 일반에 공개되었다. 라이오셀의 제조공정 단계는 기존의 비스코스 레이온(viscose rayon) 섬유의 제조공정에 비해 단순하며 친환경적이고 경제적이다. 라이오셀은 고결정성, 침상결정, 결정배향성 등을 지니고 있기 때문에 건조하거나 습윤 조건에서의 인장강도와 인장탄성률이 높다.³ 그럼에도 불구하고 라이오셀 섬유를 보강재로 활용한 고분자 복합재료에 대한 연구보고는 많지 않다. Johnson 등이^4-6 짧게 자른 라이오셀 섬유를 보강재로 하고 폴리프로필렌을 매트릭스로 하는 복합재료를 제조하여 그 물성에 미치는 라이오셀 함량의 영향을 보고한 것을 포함하여 몇몇 논문이 소개된 바 있다.^5,6
전세계적으로 화석연료 사용의 증가와 석유로부터 유래된 플라스틱의 사용이 점차 증가하면서 환경오염 문제와 친환경 소재의 중요성이 강조되어 바이오플라스틱이라고 부르는 친환경 플라스틱에 대한 관심이 증가하고 있으며, 폴리락트산 (poly(lactic acid): PLA)이 대표적인 바이오플라스틱 중의 하나로 부상하고 있다. 아울러 지난 십여 년 동안 가격도 저렴하고, 소재공급의 지속가능성이 있으며, 소재 경량화를 가능케 하는 천연섬유를 활용한 바이오복합재료(biocomposite)에 대한 연구가 큰 관심을 받고 있다.^7-10 경량 친환경 소재를 개발하려는 학계 및 산업계의 흐름에 따라 바이오플라스틱을 매트릭스로 하는 바이오복합재료에 대한 연구보고도 증가하고 있다.^11-14
PLA는 옥수수에서 전분을 발효시켜 얻어지는 글루코오스를 거쳐 락트산이 되면, 이를 축합 중합하여 용융방사를 통해 섬유 형태로 얻을 수 있으며, 압출, 사출, 또는 압축공정등을 통해 성형가공이 가능한 대표적인 생분해성 열가소성수지이다.^15,16 PLA는 용융온도가 약 175 ℃로 다른 지방족폴리에스터보다 융점이 높은 특성을 지니고 있다. 또한 PLA는 비교적 투명하며, 기계적 특성이 우수하나 신율이 낮고 내충격성에 약한 단점을 지니고 있어 이에 대한 개선이 필요하다. PLA는 열적거동 및 기본 물성 측면에서 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 유사한 것으로 알려져 있다. PP의 기계적 특성을 높이기 위해 PP를 유리섬유나 천연섬유로 강화한 복합재료의 개념과 마찬가지로, 환경친화성과 경량성을 동시에 부여하고 PLA의 물성을 향상시키기 위해 천연섬유로 강화된 복합재료에 대한 연구는 많이 보고되어 왔으나,^13,17-20 라이오셀 섬유로 강화시킨 복합재료에 대한 보고는 많지 않다. 특히, 라이오셀 섬유의 표면을 화학적으로 개질하여 복합재료의 물성을 향상시킨 논문은 드물다.
따라서 본 연구의 목적은 라이오셀 직물과 PLA 매트릭스로 구성된 이방향(2-directional: 2-D) 복합재료를 필름적층(film stacking) 방법을 통해 압축성형 공정으로 제조하고, 성형 전에 실란화합물인 3-glycidoxypropyltrimethoxy silane(GPS)을 사용하여 라이오셀 직물을 처리하였을 때, 실란처리가 복합재료의 기계적 특성과 열적 특성에 미치는 영향을 탐구하는 것이다.