천연가죽은 제작 시 많은 공정으로 인해 환경 오염을 발생시키며, 이를 해결하기 위하여 친환경 가죽 대체 소재가 연구되고 있다. 본 연구는 천연가죽의 대체 소재로 박테리아 셀룰로오스(Bacterial cellulose; BC)를 제안하였다.
BC는 무독성 물질로 생산이 가능하고, 폐기 시 생분해가 가능한 친환경 물질이다. 또한 식물성 셀룰로오스와 달리 고순도의 물질로 불순물 제거를 위한 공정이 필요하지 않다. BC는 7~10일 내로 약 1cm의 두께로 배양이 가능하며, 탄성, 생체 적합성, 물성 등이 우수하여 다양한 분야에서 이용되고 있다. 그러나 BC는 셀룰로오스로 구성되어 불꽃을 제거하여도 계속해서 연소하는 단점이 있다.
따라서 본 연구는 천연 물질인 피트산으로 BC를 인산화하고 난연성을 향상하는 동시에 요소 및 자일리톨을 활용하여 인산화 BC 소재의 유연성을 향상하여 이를 가죽 대체제로 제안하는 것을 목적으로 한다.
피트산은 곡물에서 추출이 가능하며, 생체 적합성이 우수한 무독성 물질이다. 또한 인산염기 및 -OH기를 가지고 있어 다양한 종류의 화합물과 결합할 수 있으며, 다량의 인으로 구성되어 있어 인산화 반응을 통해 직물의 난연성을 향상할 수 있다.
또한 본 연구에서 가소제로 요소, 자일리톨을 선택하여 비교·분석하고자 하였다. 요소는 전분의 물성 향상 시 가소제로 활용되며, 셀룰로오스의 인산화를 촉진한다. 또한 자일리톨도 전분의 물성 향상 시 가소제로 사용되며, 셀룰로오스 필름의 가소제로도 활용되고 있다.
따라서 본 연구의 BC 인산화 조건은 피트산:최적 가소제의 몰비(1:10~1:50), 피트산의 농도(10~40%(o.w.f.)), 반응 온도(30~60℃), 반응 시간(30~180min)을 변화시켜 평가하였다. 최적 조건으로 인산화한 BC의 화학적 및 물리적 구조를 분석하여 인산화 여부를 평가하였다. 또한 가죽 대체제로써 인산화한 BC 소재의 활용도를 평가하기 위해 인장 강도, 유연성, 방추도와 같은 물성을 측정하였다.
이상의 과정을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 천연가죽의 대체 소재로 제안하는 BC 소재의 최적 인산화 조건은 피트산:자일리톨의 몰비를 1:10, 피트산 농도를 10%(o.w.f.)로 하여 30℃에서 30분간 90rpm으로 교반하는 것으로 확인되었다. 자일리톨:피트산의 몰비를 1:10으로 하였을 때 자일리톨 및 BC 간 수소 결합으로 인해 인산화 BC 소재는 미처리 BC에 비하여 유연성이 약 2.0배 향상되었다. 또한 최적 인산화 BC 소재의 wt(%)는 미처리 BC에 비하여 약 2.4배 증가하여 열적 특성이 향상된 것을 확인하였다. 따라서 최적 조건으로 BC 인산화 시, 미처리 BC에 비하여 유연성 및 열적 특성이 향상되는 것을 확인하였다.
FT-IR 측정 결과, 최적 인산화 BC 소재 및 미처리 BC는 공통적으로 셀룰로오스의 주요 피크를 나타내어 인산화 후에도 셀룰로오스 구조를 유지하는 것을 확인하였다. 또한 최적 인산화 BC 소재는 자일리톨의 존재로 인해 3,340cm-1 부근의 피크가 좁아졌으며, 피트산으로 인해 2,360cm-1, 1,645cm-1 및 1,000cm-1에 새로운 피크가 발생하였다. XRD 분석 결과, 미처리 BC 및 최적 인산화 BC 소재는 모두 셀룰로오스의 주요 피크를 나타냈으며, 이는 BC의 셀룰로오스 구조로 인해 나타난 것으로 FT-IR과 동일한 경향을 나타내었다. SEM 및 EDX 분석 결과, 최적 인산화 BC 소재는 셀룰로오스 구조를 유지하며 자일리톨 및 피트산과 결합한 것을 확인하였다.
물성 평가 결과, 최적 인산화 BC 소재는 BC 및 자일리톨 간 생성된 결합으로 인해 미처리 BC에 비하여 인장 강도, 유연성 및 방추도가 각각 5.7배, 2.0배, 1.3배 증가한 것을 확인하였다. 또한 최적 인산화 BC 소재의 치수 안정성은 미처리 BC에 비해 1.05배 증가하였으며, 이는 BC의 -OH기 및 자일리톨의 -OH기 간 상호작용으로 인한 결과로 확인되었다. 최적 인산화 BC 소재의 습윤 내구성 또한 자일리톨로 인해 피트산만으로 인산화한 BC에 비해 우수한 것을 확인하였다.
따라서 본 연구는 친환경 물질인 피트산 및 자일리톨을 활용하여 BC 소재의 난연성 및 유연성을 향상하고 천연가죽의 대체 소재로 제안한 의의가 있다.