Influencing Factors on the Structural Stability of the CNF Foam Using Pickering Stabilization and Oven Drying

Abstract

CNF 폼은 높은 벌크와 비표면적을 지닐 뿐만 아니라 생분해가 가능하여 석유화학계 기반 폼을 대체할 친환경 다공성 물질로서 관심 받고 있다. 오븐 건조로 제조된 CNF 폼은 동결 건조된 폼에 비해 우수한 생산성과 기계적 물성을 지니나, 오븐 건조는 폼의 수축과 공극의 불안정한 구조를 야기한다는 문제를 안고 있다. 따라서 본 연구에서는 오븐 건조 동안 발생하는 폼의 구조적 변화를 관찰하여 CNF 폼의 구조에 영향하는 인자들에 대해 구명하고자 하였다. 궁극적으로 이를 통해 균일한 구조를 확보할 수 있는 CNF 다공성 폼 제조 기술을 제시하고자 하였다. CNF 폼은 피커링 안정화 기술과 오븐 건조를 통해 제조되었다. 폼의 건조 거동과 공극 구조 변화에 영향하는 인자를 파악하기 위해 실체 현미경과 FE-SEM으로 폼을 시각화하여 이미지 분석을 진행하였다. 그 결과, 폼의 건조는 증발 속도 및 폼의 수축률을 기준으로 세 단계로 나뉘어 진행되는 것을 확인하였다. 또한 웻 폼의 기포가 건조 폼의 공극으로 변화하는 데는 기포 노화(Bubble aging)과 모세관 힘이 크게 영향하는 것으로 나타났다. 기포는 병합(Coalescence)과 Coarsening의 과정을 거치게 되며, 이는 기포 사이에 존재하는 액체가 차지하는 면적과 기포의 크기를 증가시켰다. 또한 모세관 압력 경사에 의한 응력은 공극 구조에 영향하는 주요 인자로 나타났다. 이에 따라 섬유 간 거리는 가까워지고 섬유는 압축력을 받아 공극의 형태가 변화되었다. 폼의 구조적 안정성을 향상시키고자 CNF의 형태학적 특성과 상대습도를 조절하였다. 더욱 균일하고 작은 폭을 지닌 CNF는 오븐 건조 시 공극의 압축을 유발하지 않았다. 또한 오븐 건조 시 상대습도를 조절한 결과, 30% RH에서 더욱 균일하고 안정한 구조의 폼을 얻을 수 있었다. 이는 적절히 높은 상대습도는 증발 속도를 낮춰 건조 응력을 저하시켰기 때문이다. 폼의 구조적 특성 중에서 폼의 밀도, cavity, 공극의 종횡비가 폼의 기계적 특성에 영향하는 주요 인자로 나타났다. 수축으로 인해 발생한 높은 밀도와 공극의 종횡비가 폼의 압축 강도를 향상시켰다. 또한 균일하고 높은 종횡비를 지닌 CNF로 제조된 폼은 같은 압축 강도에서 더 낮은 밀도를 나타냈다. 이는 공극의 구조적 특성뿐만 아니라 CNF의 형태학적 특성과 섬유 간 결합력이 폼의 기계적 강도에 영향을 지니는 것을 의미한다. 본 연구에서는 균일한 CNF의 형태와 높은 상대습도를 통해 높은 공극률을 지닐 뿐만 아니라 구조적 안정성과 우수한 강도를 나타내는 CNF 폼을 오븐 건조로 제조할 수 있었다. 따라서 이는 석유화학 기반 다공성 물질을 대체하여 충격흡수재, 완충재, 혹은 단열재로서 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

Cellulose nanofibirl (CNF) foam has received attention as a porous material replacing the petroleum-based foam, which exhibits not only high bulk and specific surface area but also biodegradability. The CNF foam made by oven drying has greater productivity and mechanical strength than freeze-dried foam. However, oven drying can induce considerable shrinkage and non-uniform structure caused by the rupture of unstable bubbles during the drying of the foam. In this study, therefore, the factors which can enhance the structural stability of the foam during oven drying were investigated. CNF foam was prepared by Pickering stabilization and oven drying. In order to figure out drying behavior of the wet foam and the factors affecting the changes in pore structure, image analysis using optical microscope and FE-SEM was implemented. As a result, drying process of the foam consisted of three stages, which were identified by evaporation rate and the shrinkage of the foam. Transition from bubbles of wet foam to pores of dry foam was affected by bubble aging and capillary force. Firstly, bubbles were aged by coalescence and coarsening and this led to increase of liquid phase and expansion of the size of bubbles. Secondly, capillary pressure was the main factor influencing pore structures. This reduced the distance between fibrils and compressed the fiber network, which resulted in the shape deformation of the foam. In order to improve structural stability of the foam, CNF morphology and relative humidity in the oven were controlled. The foam made of CNF with more uniform and smaller width maintained the pore structure with a small contraction. In addition, more homogeneous foam structure was achieved by drying the foam at 30% RH. It might be because high humidity condition reduced drying stress by lowering evaporation rate. In aspects of structural properties of the foam, the density, cavity, and aspect ratio of pores were primary parameters to determine mechanical strength of the foam. The foam with high density and width-to-height (W/H) ratio caused by shrinkage exhibited superior compression strength. In addition, the foam made of CNF with uniformity and smaller width had lower density even with the same compression strength. It indicated CNF morphology and bonding ability between fibrils were important for mechanical performance as well as pore structure. Finally, the oven-dried CNF foam which had structural stability and high compressive strength as well as high porosity (>98%) was prepared by using uniform CNFs at controlled humidity during oven drying. This foam featured three times higher compression strength than a commercial polyurethane foam with similar level of density. Therefore, the CNF foam prepared in this study is expected to be applied as a cushioning material or thermal insulator.