Sustainable Fabrication of FDM-Printed Jute/PLA Biocomposites: Effect of Fiber Volume Fraction on Mechanical and Thermal Performance

기술 요약: FDM 방식의 프린팅된 황마/PLA 바이오 복합재의 지속 가능한 제조

문제 정의
비생분해성 플라스틱 폐기물의 급격한 축적과 석유 기반 원료의 고갈은 적층 제조 분야에서 지속 가능한 대안 개발을 필연적으로 만들었다. 폴리(젖산) (PLA)는 재생 가능한 원료에서 유래한 선도적인 생분해성 열가소성 수지이지만, 높은 취성, 낮은 열변형 온도(55–60 °C), 그리고 200 °C 이상의 가공 온도에서의 열적 퇴화와 같은 내재적 한계를 지닌다. PLA를 황마와 같은 천연 섬유와 혼합하는 것은 강성, 강도 및 열적 안정성을 개선하는 경로를 제공하지만, FDM(Fused Deposition Modeling)으로 프린팅된 황마/PLA 바이오 복합재의 열기계적 성능에 대한 섬유 부피 분율($V_f$) 및 후처리 열 경화의 구체적인 영향은 여전히 충분히 이해되지 않은 상태이다. 더욱이, 황마 섬유의 친수성 특성은 소수성인 PLA 매트릭스와의 불량한 계면 접착을 초래하여 공극 형성 및 박리를 유발하는 경우가 많다.

연구 방법론
본 연구는 FDM을 사용하여 황마/PLA 바이오 복합재를 제조하고 특성화하기 위해 체계적인 접근 방식을 채택하였다.

• 재료: 상용 PLA (NatureWorks 3052D)가 매트릭스로 사용되었으며, 미처리 단섬유 황마(길이 4–6 mm)가 보강재로 사용되었다.
• 제조: 복합재 필라멘트는 목표 섬유 부피 분율 10, 20, 30 vol.% (결과 분석에서는 50%까지 확장)로 이축 압출기를 통해 생산되었다. 시편은 0.40 mm 노즐, 100% 충전율(infill), ±45° 래스터 각도를 사용하여 FDM 프린터로 출력되었다.
• 후처리: 계면 무결성과 결정성을 조사하기 위해 160 °C에서 180 °C 범위의 온도로 열풍 건조기 내에서 제어된 열 경화 공정을 적용하였다.
• 특성 분석: 본 연구는 종합적인 분석 기술 세트를 활용하였다:
  • 기계적 특성: 인장, 굴곡 및 경도 테스트 (ASTM 표준).
  • 물리적 특성: 밀도 및 흡수율 측정.
  • 열적 특사: 녹는 온도 및 결정성 측정을 위한 시차 주사 열량계 (DSC); 열적 안정성 및 잔류 차(char) 측정을 위한 열중량 분석 (TGA).
  • 미세구조/분자적 특성: 주사 전자 현미경 (SEM), 투과 전자 현미경 (TEM), 원자 힘 현미경 (AFM), 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR), X-선 회절 (XRD).
  • 모델링: 실험 데이터를 검증하기 위해 혼합 법칙(Rule of Mixtures)에 기반한 이론적 계산 및 유한 요소 모델링 개념이 사용되었다.

주요 기여
본 연구는 FDM 프린팅된 황마/PLA 바이오 복합재의 공정-구조-물성 상관관계를 확립한다. 주요 기여는 다음과 같다:

1. 섬유 부피 분율의 최적화: 본 연구는 응집 및 기공과 같은 결함을 최소화하면서 기계적 성능을 극대화하는 최적의 섬유 함량 범위(25–35 vol.%)를 식별하였다.
2. 열 경화 효과: 160–165 °C에서의 후경화가 열적 완화를 유발할 수 있는 더 높은 경화 온도에 비해 계면 결합, 결정성 및 열적 안정성을 크게 향상시킨다는 것을 입증하였다.
3. 다중 스케일 특성 분석: 셀룰로오스 히드록실기와 PLA 에스테르기 사이의 수소 결합(분자 간 상호작용)을 거시적 기계적 특성 및 표면 형태와 연결하는 상세한 분석을 제공한다.
4. 정량적 지표: 인장 강도, 굴곡 탄성률 및 결정성의 개선을 정량화하여 지속 가능한 구조 부품 설계를 위한 구체적인 데이터 포인트를 제공한다.

주요 결과

• 기계적 성능: 최적의 기계적 성능은 경화 온도 160–165 °C, 섬유 함량 25–35 vol.%에서 달성되었다.
  • 인장 강도: 순수 PLA의 63 MPa와 비교하여 약 14% 증가하여 최대 72 MPa (30% $V_f$, 160 °C 기준)에 도달하였다.
  • 굴곡 강도: 순수 PLA의 100 MPa에서 35% $V_f$ 및 160 °C 조건에서 최고 315 MPa로 급격히 향상되었다.
  • 탄성률: 영률(Young's modulus)은 약 10% 증가(3.85 GPa)하였고, 굴곡 탄성률은 최적 조건에서 4.0 GPa에서 8.5 GPa로 두 배 이상 증가하였다.
  • 경도: 바콜 경도(Barcol hardness)는 25–30% 섬유 함량 및 160 °C에서 38로 정점에 도달하였다.
• 미세구조 관찰:
  • 분산: SEM 및 TEM 분석 결과, 중간 함량에서 균일한 섬유 분산과 양호한 매트릭스 젖음성을 확인하였다. 그러나 높은 함량(≥45–50%)에서는 섬유 응집, 공극 및 박리가 관찰되어 성능 저하를 초래하였다.
  • 표면 거칠기: AFM 분석 결과, 섬유 함량이 증가함에 따라 표면 거칠기($R_a$)가 37.8 nm에서 20.0 nm로 감소하였으며, 이는 더 나은 치밀화를 시사한다.
  • 계면: TEM 및 FTIR은 효과적인 응력 전달을 용이하게 하는 수소 결합을 통한 뚜렷한 계면 영역(interphase region) 형성을 확인하였다.
• 열적 특성:
  • 결정성: XRD 및 DSC 결과, 황사 섬유의 불균일 핵 생성 효과로 인해 섬유 함량이 높아짐에 따라 PLA 결정성이 22.3%에서 27.5%로 증가하였다.
  • 녹는 온도: 복합재의 녹는 온도는 섬유 함량이 증가함에 따라 162.5 °C에서 165.1 °C로 상승하였다.
  • 열적 안정성: TGA 결과, 섬유 함량이 증가함에 따라 잔류 차(residual char)가 8.2%에서 15.1%로 증가하였으며, 이는 열적 안정성 향상을 나타낸다. 다만, 열 분해 시작점은 천연 섬유의 낮은 열적 안정성에 의해 영향을 받는다.
• 수분 흡수: 황사의 친수성 특성으로 인해 섬여 함량이 증가함에 따라 수분 흡수량이 단조롭게 증가하여, 50% $V_f$에서 22%(순수 PLA 0.5%)까지 상승하였다. 높은 경화 온도는 공극 함량을 줄임으로써 이를 부분적으로 완화하였다.

의의
본 논문은 FDM 방식으로 제작된 황마/PLA 바이오 복합재가 기존의 합성 섬유 강화 폴리머를 대체할 수 있는 실행 가능하고 경량이며 환경적으로 지속 가능한 대안임을 결론짓는다. 본 연구는 높은 성능의 바이오 복합재를 달로하기 위해 섬유 부피 분율과 열 처리 파라미터 사이의 임계 균형이 필수적임을 밝혀냈다. 적절한 섬유 함량(25–35%)과 제어된 경화(160–165 °C)가 기계적 강도, 열적 안정성 및 계면 무결성을 최적화한다는 점을 확인함으로써, 본 연구는 차세대 생분해성 재료 설계를 위한 필수적인 지침을 제공한다. 이러한 결과는 합성 보강재에 의존하지 않고도 고성능의 친환경 부품을 개발할 수 있다는 점을 뒷받침한다.