기계/재료

중국과기대, 강도와 인성이 뛰어난 생체모방 나노복합섬유 신소재 개발

발행일 : 2019 / 08 / 01

최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏) 연구팀은 천연생물섬유를 참고해 강도와 인성이 뛰어난 매크로스케일 섬유소 기반 나노복합섬유 소재를 성공적으로 개발했다. 해당 성과는 “National Science Review”에 온라인으로 게재되었다.

나노스케일 섬유소는 저장량이 가장 풍부한 나노급 원재료로서 밀도가 낮고 열 안정성이 양호하며 기계적 특성이 뛰어날 뿐더러 분해/재생/지속 가능한 장점이 있어 다방면의 관심을 받고 있다. 하지만 인공적으로 제조한 섬유소 기반 매크로 섬유소재의 강도와 인성(toughness) 간 모순은 해결하기 어려운 문제로 남아있다. 따라서 해당 유형 소재의 낮은 인성, 쉬운 취성파괴(brittle fracture) 등 문제는 첨단직물 등 분야로의 실제응용을 크게 제한하고 있다.

한편 자연계의 수많은 동·식물섬유 모두 높은 강도/인성 조합을 완비한다. 이러한 섬유는 모두 천연나노복합재료이며, 고도의 방향성을 지닌 고강도 나노섬유 유닛에 의해 비교적 유연한 유기물 기질에 피복되어 형성되었으며, 매우 질서 있는 다단계 스파이럴 와인딩(spiral winding) 구조를 보유하는 등 공통성을 지닌다.

연구팀은 세균의 고강도 나노섬유소를 기본 보강유닛으로 하고 알긴산나트륨 생물대분자를 유기물 기질로 한 다음 양자의 복합 수용액으로 용액방사(solution spinning)를 수행해 인장강도가 대체적으로 향상된 단일 방향성 구조 매크로 나노복합섬유를 획득했다. 순수 알긴산나트륨 매크로섬유의 인장강도는 190MPa 밖에 안 되지만 해당 나노복합섬유의 인장강도는 420MPa로 향상되었다. 그 다음 다단계 스파이럴 와인딩 구조 설계를 통해 유사 생물섬유구조 특성을 보유한 매크로 인공섬유소재를 획득했는데 그 인장강도는 25% 향상되었고 파단연신율과 인성은 각각 50%, 100% 향상되었으며 최대인장강도(Ultimate tensile strength)는 535MPa, 파단연신율은 16%에 달했다.

해당 연구에서 획득한 최대인장강도는 고성능 섬유소 기반 천연식물섬유와 비슷했다. 해당 유형 생체모방 섬유구조 설계 전략은 기타 복잡계 구조재료 설계·제조에 응용될 전망이다.

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