To improve the mechanical properties of ultra-high molecular weight polypropylene (UHMWPP) without compromising its low density, cellulose nanofibers (CNFs) were surface modified with octadecyl isocyanate (ODI) and vinyl ester (VE), followed by compounding with UHMWPP. Since cellulose contains hydrophilic hydroxyl groups, it is inherently incompatible with hydrophobic polymer matrices. To address this, ODI introduced hydrophobic long alkyl chains via urethane bond formation with hydroxyl groups, whereas VE was incorporated through an esterification reaction to replace surface hydroxyl groups and render the surface hydrophobic. These modifications were confirmed using Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. The modified CNFs (m-CNFs) were processed into fine powders with uniform particle sizes in the micrometer range via spray drying. The hydrophobic nature of m-CNFs was further verified by contact angle measurements and solvent dispersion tests. Scanning electron microscopy (SEM) revealed the distribution of m-CNFs in the UHMWPP matrix. The composites were fabricated using a twin-screw extruder, and their tensile properties were evaluated using a universal testing machine. The incorporation of m-CNFs significantly enhanced the mechanical performance of the UHMWPP composites, particularly by improving ductility while maintaing tensile strength.

초고분자량 폴리프로필렌(UHMWPP)의 낮은 비중을 유지하면서 기계적 특성을 향상시키기 위해, 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 옥타데실이소시아네이트(ODI)와 비닐에스테르(VE)를 이용해 표면 개질하고 이를 UHMWPP와 복합화하였다. 셀룰로오스는 표면에 친수성 하이드록시기를 가지고 있어 소수성 고분자와 상용성이 낮다. 이를 개선하기 위해 ODI는 하이드록시기와 우레탄 결합을 형성하여 소수성의 긴 알킬 사슬을 도입하였고, VE는 에스터화 반응을 통해 표면 하이드록시기를 치환하여 소수성을 부여하였다. 이러한 표면 개질은 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 통해 확인하였다. 개질된 셀룰로오스(m-CNF)는 분무 건조 공정을 통해 수 마이크로미터 크기의 균일한 분말로 가공되었고, 접촉각 측정 및 용매 분산 실험을 통해 소수성이 향상된 것을 확인하였다. 복합체 내 셀룰로오스의 분포는 주사전자현미경(SEM)을 통해 분석하였다. 트윈 스크류 압출기를 통해 복합체를 물리적으로 제조하였으며, 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 인장 특성을 평가하였다. 그 결과, 개질된 셀룰로오스의 도입은 UHMWPP 복합재의 기계적 성능, 특히 연신율을 유의하게 향상시키면서도 인장 강도를 유지하는 것으로 나타났다.

Keywords: polymer, polypropylene, ultra-high molecular weight polypropylene, modified cellulose, spay drying, compounding.