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Aminosilane Treatment of Bacterial Cellulose and Its Application to Improve Electrical Conductivity
아미노실란 처리를 통한 박테리아 셀룰로오스 복합재료의 전기전도도 향상

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor김현중-
dc.contributor.authorLee, Hyun-Ji-
dc.date.accessioned2019-06-25T15:49:32Z-
dc.date.available2019-06-25T15:49:32Z-
dc.date.issued2012-02-
dc.identifier.other000000000553-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/154992-
dc.identifier.urihttp://dcollection.snu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000000553-
dc.description학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 산림과학부(환경재료과학전공), 2012. 2. 김현중.-
dc.description.abstractBacterial cellulose (BC) is an environmental friendly material composed of pure cellulose, having no need to remove lignin or hemicellulose unlike lignocellulosic material. The number of publications related to BC has drastically increased since 1990, and the published findings on this novel material have suggested its potentials to be extended to various applications such as transparent films, diaphragm, and electronic paper displays.
In this study, after surface treatment with aminosilane, to synthesize polyaniline (PANi) on the amine-terminated BC was performed and the various properties of the fabricated composite were evaluated. Here, this study tried to take advantages of the hydrated BC pellicle, such as three-dimensional networks, therefore working as nano-structured substrate. Amines were prepared by hydrolysis and condensation reaction between silanol and hydroxyl groups on BC under two different catalyzed conditions. The qualification and quantification of the amines were performed using FTIR spectroscopy, UV-VIS spectrophotometer and contact angle measurements. By these tools, when the reaction was performed under base-catalyzed condition, the characteristic amine peaks and siloxane formation were confirmed.
Based on the verified covalent bonds between aminosilane and BC under the base-catalyzed condition, the effect of condensation time was investigated further. This indicated that a short 20-minute condensation time, intended to preserve BCs nanostructure with minimal collapsing, is also sufficient for effective condensation.
The three-dimensional BC network served as a promising nanostructured substrate for conductive polymer, whose deposition was verified by FE-SEM images. The enhanced deposition of PANi on BC leaded to the improvement in electrical conductivity, reaching 1.19 S/cm for BC pre-treated with APDEMS (aminopropyldiethoxymethylsilane) under base-catalyzed condition. The value doubled compared to that of PANi/BC attained by conventional oxidative polymerization of aniline. Moreover, thermal stability in the temperature above 400 °C was improved by incorporation of PANi into BC.
This electrically conductive nanocomposite can be useful in various applications requiring biocompatibility and electrical conductivity such as biocompatible composite actuators, clothing sensor and so on.
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dc.description.abstract박테리아 셀룰로오스는 목질계 셀룰로오스와 달리 리그닌과 헤미셀룰로오스 등의 제거가 필요 없는 차세대 친환경 재료이다. 1990년대 이후 이를 다루는 연구들이 증가하는 추세이며 다양한 고분자들과 접목되며 의학, 식품 분야를 넘어 전기∙전자 디스플레이 필름 등으로의 응용이 보고된 바 있다.
본 연구에서는 박테리아 셀룰로오스 표면을 다량의 아민기로 치환하고 이를 기반으로 전도성 고분자의 일종인 폴리아닐린을 합성하여 제조한 폴리아닐린/박테리아 셀룰로오스 복합재료의 성능을 평가하였다. 이 때 나노사이즈의 피브릴이 얽혀 3차원적 망상 구조를 갖는, 수화된 형태의 박테리아 셀룰로오스 균막이 나노 구조의 기재로 적용될 수 있는 장점을 최대한 활용하고자 했다.
실란화 반응은 1M 염산과 수산화나트륨 수용액으로 준비된 두 개의 다른 pH 조건 하에서 2시간 동안 1%의 아미노실란을 80% 에탄올 수용액에 수화시킨 후 셀룰로오스 표면과 반응시키는 과정으로 진행되었다. FTIR, UV-VIS 분광학적 분석, 접촉각 측정을 통해 염기 촉매 사용 시 특징적인 아민기, 그리고 셀룰로오스와의 공유 결합을 의미하는 실록산 결합을 확인할 수 있었다.
또한 수화 과정에서의 셀룰로오스와 아미노실란의 반응을 이해한 후, 염기 조건 하에서 축합 반응을 위한 시간의 영향을 알아보았다. 박테리아 셀룰로오스 균막의 장점인 나노포어를 최대한 유지하면서 표면의 공유 결합이 확인되는 시간을 찾고자 하였으며, 100℃에서 20분 이상 건조할 때 비로소 공유결합을 형성함을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 염기 조건 하에 아미노실란과 셀룰로오스의 수화 반응이 이루어지고 실록산 결합 등을 유도하는 20분의 축합 반응 후 폴리아닐린의 중합을 실시하였다.
폴리아닐린은 일반적인 산화화학적 방식으로 중합되었으며 이 때 폴리아닐린의 단량체인 아닐린이 개질된 셀룰로오스 표면의 아민기와 친화력을 보여 표면에 잘 배열되고 이를 통한 전도성의 향상을 기대하였다. FE-SEM으로 관찰 시, 무처리한 셀룰로오스에 폴리아닐린을 중합할 경우 그 배열이 무질서하였으나, 아미노실란으로 처리한 후 중합을 개시한 경우에는 각 셀룰로오스 나노피브릴을 따라 치밀하게 중합됨을 알 수 있었다. 비교 실험을 위해 메틸기를 갖는 실란처리 후 폴리아닐린을 중합한 경우, 가늘고 얇은 형태의 폴리아닐린이 확인되었다. 무처리된 복합재료가 0.53 S/cm의 전도도를 갖는 반면, 아미노실란으로 처리된 후 폴리아닐린이 중합된 복합재료는 1.19 S/cm의 향상된 전도도를 나타내었다. 이로써 아미노실란이 복합재료의 전도도 향상에 기여한다는 것을 형태학적 관찰과 전기전도도 측정을 통해 구명하였다.
제조된 폴리아닐린/박테리아 셀룰로오스 복합재료는 생체적합성과 전기전도성이 동시에 요구되는 화학∙생물학적 센서, 저용량 에너지 장치 등에 적용될 수 있을 것이다.
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dc.description.tableofcontents1. Introduction 1_x000D_
1.1. Background of this study 1_x000D_
1.2. Cellulose nanocomposites 2_x000D_
1.2.1. Bacterial cellulose (BC) 3_x000D_
1.3. Conducting polymer 4_x000D_
1.3.1. Polyaniline (PANi) 7_x000D_
1.4. Silane coupling agent 8_x000D_
1.4.1. Organosilanes 9_x000D_
1.4.1.1. Aminosilanes 11_x000D_
1.5. Objectives 13_x000D_
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2. Literature reviews 14_x000D_
2.1. Conductive nanocomposites 14_x000D_
2.2. Chemically-modified cellulose 15_x000D_
2.2.1. Self-assembly 16_x000D_
2.2.2. Use of aminosilanes 17_x000D_
2.3. Fabrication of conductive cellulose composites 18_x000D_
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3. Experimental 19_x000D_
3.1. Materials 19_x000D_
3.1.1. Cultivation of bacterial cellulose (BC) 22_x000D_
3.2. Methods 24_x000D_
3.2.1. Silanisation of bacterial cellulose 24_x000D_
3.2.1.1. Hydrolysis 24_x000D_
3.2.1.2. Condensation 26_x000D_
3.2.2. Chemical oxidative polymerization of aniline 27_x000D_
3.3. Characterization 29_x000D_
3.3.1. Chemical profile 29_x000D_
3.3.1.1. FTIR (Fourier Transfer Infrared Spectroscopy) 29_x000D_
3.3.1.2. Adsorption model by UV-VIS spectrometer 30_x000D_
3.3.1.3. Contact Angle 32_x000D_
3.3.2. Morphology 33_x000D_
3.3.2.1. FE-SEM (Field Emission - Scanning Electron Microscopy) 33_x000D_
3.3.3. Thermal stability 34_x000D_
3.3.3.1. TGA (Thermal Gravimetric Analysis) 34_x000D_
3.3.4. Electrical conductivity 35_x000D_
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4. Results and Discussion 36_x000D_
4.1. Chemical profile 36_x000D_
4.1.1. FTIR 36_x000D_
4.1.2. UV-VIS photospectrometer 42_x000D_
4.1.3. Contact angle measurements 46_x000D_
4.2. Thermal stability 50_x000D_
4.2.1. TGA (Thermal Gravimetric Analysis) 50_x000D_
4.3. Morphology 52_x000D_
4.3.1. FE-SEM (Field Emission - Scanning Electron Microscopy) 52_x000D_
4.4. Electrical conductivity 55_x000D_
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5. Conclusions 57
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dc.format.extentvii, 67-
dc.language.isoeng-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subject.ddc634.9-
dc.titleAminosilane Treatment of Bacterial Cellulose and Its Application to Improve Electrical Conductivity-
dc.title.alternative아미노실란 처리를 통한 박테리아 셀룰로오스 복합재료의 전기전도도 향상-
dc.typeThesis-
dc.typeDissertation-
dc.contributor.AlternativeAuthor이현지-
dc.description.degreeMaster-
dc.contributor.affiliation산림과학부(환경재료과학전공)-
dc.date.awarded2012-02-
dc.identifier.holdings000000000006▲000000000011▲000000000553▲-
Appears in Collections:
College of Agriculture and Life Sciences (농업생명과학대학)Dept. of Forest Sciences (산림과학부)Theses (Master's Degree_산림과학부)
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