Physicochemical Properties and Application of Nanocellulose Derived from Food-Byproducts

Abstract

This dissertation explores innovative approaches to sustainable material development through two studies. The first study investigates the physicochemical properties of subcritical water-treated cellulose (SWT-C) derived from Sargassum horneri, an invasive seaweed species selected as a renewable resource for cellulose extraction. Subcritical water treatment offers an eco-friendly alternative to conventional methods by reducing the use of harsh chemicals and minimizing waste. The study aimed to identify treatment conditions that enhance the yield, crystallinity, thermal stability, and water dispersion stability of SWT-C. Results showed that yield decreased with higher treatment temperatures and longer durations, while crystallinity and thermal stability improved under all conditions. TEM analysis revealed a consistent nanofiber-like structure with an average width of 13.30 ± 1.67 nm. FTIR and XRD analyses confirmed the removal of amorphous regions, enhancing crystallinity. Thermal analysis demonstrated superior thermal stability compared to conventionally processed cellulose, and water dispersion studies highlighted the role of lower treatment temperatures in improving surface charge and dispersion stability. These findings emphasize the potential of subcritical water treatment as an effective method for producing high-quality cellulose from seaweed biomass while addressing environmental challenges. The second study focuses on the development of artificial water-pinning surfaces using a simple coating method involving silica nanoparticles (SiO2) and cellulose nanocrystals (CNCs). The water-pinning effect, characterized by the adherence of water droplets even at steep tilting angles, has applications in dew collection, anti-drip systems, and liquid transport. The coated surface exhibited a contact angle of approximately 153.87° and a contact radius of 0.89 mm for a 10 µL droplet, resisting detachment even at a 90° tilt. Detachment occurred only when the droplet volume reached approximately 33 µL, requiring a water pinning force of 323.4 µN. The physicochemical characteristics of the SiO2@CNC surface, including its morphology, chemical composition, and structure, were analyzed to understand its water-pinning ability. This scalable and cost-effective fabrication method presents a promising solution for creating functional biopolymer-based surfaces with precise water manipulation capabilities.;본 학위논문은 지속 가능한 소재 개발을 위한 두 가지 연구를 다루고 있다. 첫 번째 연구는 괭생이 모자반(Sargassum horneri)으로부터 추출된 아임계수 처리를 통해 제조된 셀룰로오스(SWT-C)의 물리화학적 특성을 조사하였다. 괭생이 모자반(Sargassum horneri)은 환경 문제를 일으키는 침입성 해조류로, 재생 가능한 셀룰로오스 원료로 선정되었다. 아임계수 처리는 강한 화학물질의 사용을 줄이고 폐기물을 최소화하는 친환경 대안으로 기존 방법을 대체할 수 있다. 본 연구는 SWT-C의 수율, 결정화도, 열안정성, 수분 분산 안정성을 향상시키는 처리 조건을 규명하는 것을 목표로 하였다. 결과에 따르면, 높은 온도와 긴 처리 시간이 수율을 감소시키는 반면, 모든 조건에서 결정화도와 열안정성은 향상되었다. TEM 분석에서는 평균 폭이 13.30 ± 1.67 nm인 나노섬유 형태의 구조가 확인되었으며, 처리 조건에 따라 일관되게 유지되었다. FTIR 및 XRD 분석은 비결정 영역의 제거와 결정화도의 향상을 확인하였다. 열 분석 결과, SWT-C는 기존 처리 셀룰로오스에 비해 우수한 열안정성을 나타냈으며, 수분 분산 연구에서는 낮은 처리 온도가 표면 전하와 분산 안정성을 개선하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 아임계수 처리가 해조류 바이오매스에서 고품질 셀룰로오스를 생산하는 효과적인 방법임을 강조하며, 환경 문제 해결에 기여할 수 있음을 보여준다. 두 번째 연구는 실리카 나노입자(SiO2)와 셀룰로오스 나노결정체(CNC)를 사용한 간단한 코팅 방법을 통해 인공 워터-피닝(water-pinning) 표면을 개발하는 데 초점을 맞추고 있다. 워터-피닝 효과는 기울어진 각도에서도 물방울이 표면에 부착되어 떨어지지 않는 현상으로, 물 수집, 방적 기능, 액체 수송과 같은 응용 분야에서 높은 잠재력을 지니고 있다. 코팅된 표면은 10 µL 물방울에 대해 약 153.87°의 접촉각과 0.89 mm의 접촉 반경을 나타냈으며, 90°의 기울기에서도 떨어지지 않는 저항성을 보였다. 물방울이 떨어지기 위해서는 약 33 µL의 부피와 323.4 µN보다 큰 워터-피닝(water-pinning) 힘이 필요했다. SiO2@CNC 표면의 형태, 화학 조성, 화학 구조와 같은 물리화학적 특성을 분석하여 워터-피닝(water-pinning) 능력의 작동원리를 규명하였다. 이 방법은 확장 가능하고 비용 효율적인 제작 공정을 통해 기능성 생체 고분자 기반 표면을 개발할 수 있는 유망한 해결책을 제시한다.