셀룰로오스

TEMPO 산화 셀룰로오스(TEMPO-Oxidized Cellulose)란?

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1. TEMPO 산화 셀룰로오스(TEMPO-Oxidized Cellulose)

TEMPO 촉매를 이용한 선택적 산화 반응을 통해 셀룰로오스 표면의 C6 위치 1차 수산기(-CH₂OH)를 카복실기(-COOH) 또는 카복실레이트기(-COO⁻)로 전환한 기능성 셀룰로오스입니다.

특히 셀룰로오스를 나노 크기의 피브릴로 분리하기 쉽게 만들어 TEMPO 산화 셀룰로오스 나노피브릴(TOCN/TOCNF)을 제조하는 대표적인 방법으로 활용됩니다.

 

2. TEMPO 
2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl의 약자로, 안정한 Nitroxyl radical 화합물입니다.

셀룰로오스 산화에서는 TEMPO가 촉매 역할을 하며, 적절한 산화 시스템과 함께 사용하여 셀룰로오스의 C6 primary hydroxyl group을 선택적으로 산화할 수 있습니다.

개념적으로 나타내면:
Cellulose–CH₂OH -> TEMPO-mediated oxidation
Cellulose–COOH / Cellulose–COO 입니다.

 

3. C6 위치를 산화시키는 이유
셀룰로오스의 기본 반복단위인 Anhydroglucose Unit에는 C2, C3 및 C6 위치에 수산기가 존재합니다.
TEMPO 산화의 중요한 특징은 일반적인 조건에서 C6 위치의 1차 수산기를 선택적으로 산화할 수 있다는 것입니다.
즉, 셀룰로오스의 결정 구조를 구성하는 기본 골격을 활용하면서 표면에 많은 Carboxylate group을 도입할 수 있습니다.
이것이 일반적인 산화 셀룰로오스와 TEMPO 산화 셀룰로오스를 구분하는 중요한 특징입니다.

 

4. 나노셀룰로오스를 만들기 쉬워지는 이유
TEMPO 산화 후 셀룰로오스 Microfibril 표면에 음전하를 가진 **-COO⁻**가 형성됩니다.
Cellulose fibril–COO⁻　↔　⁻OOC–Cellulose fibril

같은 전하를 가진 Fibril끼리는 서로 정전기적으로 반발합니다.
이 때문에 원래 강한 수소결합으로 결합되어 있던 셀룰로오스 섬유를 물속에서 기계적으로 처리하면 
각각의 매우 미세한 Nanofibril로 분리하기가 쉬워집니다.

따라서:
Cellulose Pulp->TEMPO Oxidation -> TEMPO-Oxidized Cellulose 
-> Mechanical Fibrillation ->TOCN / TOCNF의 형태로 제조할 수 있습니다.

 

5. TOCN과 TEMPO 산화 셀룰로오스 비교

구분	TEMPO-Oxidized Cellulose	TOCN / TOCNF
의미	TEMPO 방식으로 산화된 셀룰로오스	TEMPO 산화 후 나노피브릴화한 셀룰로오스
산화	O	O
피브릴화	반드시 필요하지 않음	필요
형태	Fiber/Pulp 등 가능	Nanofibril 분산체
특징	Carboxyl 기능기 도입	Carboxyl 기능기 + Nano fibril 구조