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문제 정의
- 따라서, 향후의 연구방향은 본 논문에서 설정한 UV 처리 조건, 열처리 조건 및 곰팡이 생육 조건을 복합적으로 고려하여 자연계에서의 실제 조건과 근접한 환경에서의 분해성 실험으로 이어져야 할 것으로 사료된다. 나아가 실험 대상 플라스틱 제품을 본 연구에서 사용된 비교적 얇은 필름에서 MCC-103을 첨가하여 제조된 두꺼운 식품 용기쉬트로 확대 적용시켜 분해성을 평가해 보고자 한다. 또한, 본 연구의 생분해성 평가 시험에서는 곰팡이만을 실험 균주로 사용하였으나 향후에는 자연환경에 존재할 수 있는 호기성 및 혐기성 세균, 조류 등에 의한 영향에 대한 평가도 ASTM 표준에 의거하여 실시하고자 한다.
- 나아가 실험 대상 플라스틱 제품을 본 연구에서 사용된 비교적 얇은 필름에서 MCC-103을 첨가하여 제조된 두꺼운 식품 용기쉬트로 확대 적용시켜 분해성을 평가해 보고자 한다. 또한, 본 연구의 생분해성 평가 시험에서는 곰팡이만을 실험 균주로 사용하였으나 향후에는 자연환경에 존재할 수 있는 호기성 및 혐기성 세균, 조류 등에 의한 영향에 대한 평가도 ASTM 표준에 의거하여 실시하고자 한다.
- 전단계로써 널리 이용되고 있다(20-23). 본 연구에서는 ASTM(American Society for Testing and Materials)에서 규정하고 있는 플라스틱 수지에 대한 여러가지 생분해성 평가 방법 중 초기 개발 단계에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 토양 중에 가장 많이 존재하는 다섯 종류의 곰팡이에 의한 영향을 보고자 하였다. 3종류의 필름을 앞서 명시한 조건에서 60일간 생분해성 실험을 행하면서 시편의 질량 변화를 측정한 결과는 Fig.
- 본 연구에서는 신선식품 트레이, 인스턴트 식품 용기, 패스트푸드 용기, 도시락 용기, 컵라면, 일회용 컵, 일회용 장갑 등의 제조에 이용 가능한 복합분해성 폴리프로필렌(CPP) 필름을 제조하여 식품포장재로서의 제품안전성과 열분해성 , 광분해성 및 생분해성 등의 식품포장재로 사용한 후의 환경 친화성을 평가하였다.
제안 방법
- 자외선 조사 시험을 행하였다. 7일 간격으로 시료를 채취한 후 인장시험기(Instron 5565)를 사용하여 인장속도 100 mm/min로 초기의 길이에 대비하여 필름이 끊어지는 지점까지 기계적으로 늘어날 수 있는 정도를 %로 측정한 신율(elongation) 변화를 6회씩 측정하여 평균값을 구하였고, 디지털카메라를 사용하여 광분해 시험 전후의 시편의 성상변화를 관찰하였다.
- 05 mm의 필름을 가 공하였다. M/B의 혼합비율은 무게기준으로 각각 0, 10, 20% 으로 조정하였다.
- MCC-103을 20% 첨가하여 제조한 PP 필름을 60cmX40 cm 크기로 재단하여 야외 멀칭 시험을 수행하였다. 서강대 부지내의 화단 일부를 정리하여 잡풀을 제거하고 10cm 높이의 이랑을 만들어 멀칭한 후 7주 동안 경시적인 변화를 관찰하고 디지털 카메라로 촬영하였다.
- T-Die 필름 성형기(LABTECH Engineering사, Cast Film & Sheet Chill Roll Machine)를 이용하여 앞서 제조한 분해기능을 갖는 MCC-103와 PP를 혼합기에 넣어 혼합한 후 호퍼 (hopper)로 이송하고 200~220℃의 single screw extruder와 실 린더를 통과시켜 냉각한 후 평균 두께 0.05 mm의 필름을 가 공하였다. M/B의 혼합비율은 무게기준으로 각각 0, 10, 20% 으로 조정하였다.
- 이때 혼합포자현탁배양액을 yellow tip으로 소량 취해 hemocytometer(SURERIER, Germany)을 이용하여 포자수를 측정하였다. 계산판은 1mm2 크기의 총 9개의 구획으로 나뉘어져 있으며 4개의 모퉁이에 있는 구획의 포자수를 읽어 평균치를 구하였으며 이 과정을 4회 반복하여 ImL에 포함된 포자수를 확인하였다. Table 3의 배합비로 제조된 최소 영양염 배지 위에 13×80mm 크기의 필름 시편을 올려놓고 시편과 배지 전체가 젖도록 혼합 포자 현탁액을 스프레이 했다.
- 광분해 시험은 ASTM D 3826-98 방법(13)으로 행하였으며, 자체 제작한 상자(160cm><50cmX50cm) 내에 352nm의 파장을 가지는 40 W 수은등(SANKYO DENKI F40T10BLB) 1개를 부착하고 상온에서 13X80mm 크기로 절단한 필름 시료들을 공기 중에 노출된 상태로 수은등 10 cm 아래에 고정시켜 자외선 조사 시험을 행하였다. 7일 간격으로 시료를 채취한 후 인장시험기(Instron 5565)를 사용하여 인장속도 100 mm/min로 초기의 길이에 대비하여 필름이 끊어지는 지점까지 기계적으로 늘어날 수 있는 정도를 %로 측정한 신율(elongation) 변화를 6회씩 측정하여 평균값을 구하였고, 디지털카메라를 사용하여 광분해 시험 전후의 시편의 성상변화를 관찰하였다.
- 질량 측정은 시편을 배지로부터 꺼내어 증류수로 세척한 다음 1% HgCl2 용액에 2분간 침지함으로써 1차 살균을 행하였으며, 다시 85P의 증류수로 세척한 다음 75% 알코올을 뿌려 2차 살균하여 필름의 표면에 생육한 곰팡이를 완전히 제거한 후 105℃ dry oven에서 중량이 변하지 않을 때까지 시료에 따라 3~5시간 정도 건조함으로써 시행하였다. 또한, 생분해 과정 중에 발생하는 시편의 표면변화를 알아보기 위하여 주사전자현미경 (XL30 ESEM-FEG)을 사용하여 파단면을 관찰하였다.
- Table 1에 나타내었다. 먼저 폴리프로필렌(PP, 삼성종합화학 grade BBH0)과 전분, 폴리카프로락톤(PCL), 광분해제, 벤조페논 등을 혼합기(kneader)에 넣고 두 개의 로터를 각각 20, 25rpm으로 유지시키면서 30분간 1차 반응을 실시하였다. 이 혼합물에 탄산칼슘, 화학분해촉진제, 라디칼개시제, 자동산화제 및 각종 첨가물을 넣어 20분간 2차 반응을 행한 후, 17CFC의 온도 조건에서 single extruder를 통과시켜 핫커팅 (hot cutting)함으로써 지름 2~3 mm 정도의 pellet 형태로 M/B(MCC-103)를 제조하였다.
- 한국 유전자은행에서 분양 받은 5종류의 곰팡이 균주들을 Table 2에 나타낸 각각의 배지에 2 번씩 계대배양한 후 형성된 포자를 백금이로 1 loop 취하여 포자덩이가 잘 분리되도록 흔들어 현탁액을 여과한 다음 균사체를 분리하였다. 분리된 각각의 균사체를 멸균된 플라스크에 담아 곰팡이 포자 현탁액 ImL에 1,000, 000±200,000개의 포자가 포함되도록 하여 5 종류의 곰팡이가 같은 양씩 혼합된 포자 현탁액을 최종 접종원으로 사용하였다. 이때 혼합포자현탁배양액을 yellow tip으로 소량 취해 hemocytometer(SURERIER, Germany)을 이용하여 포자수를 측정하였다.
- 서강대 부지내의 화단 일부를 정리하여 잡풀을 제거하고 10cm 높이의 이랑을 만들어 멀칭한 후 7주 동안 경시적인 변화를 관찰하고 디지털 카메라로 촬영하였다.
- 열분해성을 평가하기 위하여 시편을 13X80mm 크기로 절단하여, 68±2℃, 상대습도 85%의 항온항습기에 넣고 7일 간격으로 채취하여 연신율의 변화를 6회씩 측정하여 평균값을 구하였고, 디지털카메라를 사용하여 열분해 시험 전후의 시편의 성상변화를 관찰하였다.
- 먼저 폴리프로필렌(PP, 삼성종합화학 grade BBH0)과 전분, 폴리카프로락톤(PCL), 광분해제, 벤조페논 등을 혼합기(kneader)에 넣고 두 개의 로터를 각각 20, 25rpm으로 유지시키면서 30분간 1차 반응을 실시하였다. 이 혼합물에 탄산칼슘, 화학분해촉진제, 라디칼개시제, 자동산화제 및 각종 첨가물을 넣어 20분간 2차 반응을 행한 후, 17CFC의 온도 조건에서 single extruder를 통과시켜 핫커팅 (hot cutting)함으로써 지름 2~3 mm 정도의 pellet 형태로 M/B(MCC-103)를 제조하였다. 이상과 같은 방법으로 M/B를 제조하게 되면 혼합기 (kneader)에서 높은 전단력이 용융 고분자에 가해지게 되어 고분자 사슬이 끊어지게 되므로 수많은 고분자 라디칼이 생성되는데 이 라디칼은 이후에 주위의 산소와 반응하여 자외선을 흡수할 수 있는 광민감군의 생성을 유도하는 역할을 하게 된다
- 분리된 각각의 균사체를 멸균된 플라스크에 담아 곰팡이 포자 현탁액 ImL에 1,000, 000±200,000개의 포자가 포함되도록 하여 5 종류의 곰팡이가 같은 양씩 혼합된 포자 현탁액을 최종 접종원으로 사용하였다. 이때 혼합포자현탁배양액을 yellow tip으로 소량 취해 hemocytometer(SURERIER, Germany)을 이용하여 포자수를 측정하였다. 계산판은 1mm2 크기의 총 9개의 구획으로 나뉘어져 있으며 4개의 모퉁이에 있는 구획의 포자수를 읽어 평균치를 구하였으며 이 과정을 4회 반복하여 ImL에 포함된 포자수를 확인하였다.
- 001g이 되도록 조정하여 처리구당 4개씩 같은 방법으로 준비하여 28~30℃, 85% 상대습도에서 60일간 배양하면서 20일 마다 시편의. 질량 변화를 관찰하여 평균값을 구하였다. 질량 측정은 시편을 배지로부터 꺼내어 증류수로 세척한 다음 1% HgCl2 용액에 2분간 침지함으로써 1차 살균을 행하였으며, 다시 85P의 증류수로 세척한 다음 75% 알코올을 뿌려 2차 살균하여 필름의 표면에 생육한 곰팡이를 완전히 제거한 후 105℃ dry oven에서 중량이 변하지 않을 때까지 시료에 따라 3~5시간 정도 건조함으로써 시행하였다.
- 질량 변화를 관찰하여 평균값을 구하였다. 질량 측정은 시편을 배지로부터 꺼내어 증류수로 세척한 다음 1% HgCl2 용액에 2분간 침지함으로써 1차 살균을 행하였으며, 다시 85P의 증류수로 세척한 다음 75% 알코올을 뿌려 2차 살균하여 필름의 표면에 생육한 곰팡이를 완전히 제거한 후 105℃ dry oven에서 중량이 변하지 않을 때까지 시료에 따라 3~5시간 정도 건조함으로써 시행하였다. 또한, 생분해 과정 중에 발생하는 시편의 표면변화를 알아보기 위하여 주사전자현미경 (XL30 ESEM-FEG)을 사용하여 파단면을 관찰하였다.
- 함량(㎎/㎏) 등을 식품공전의 기구 및 용기 . 포장의 기준·규격 중 합성수지제 시험방법(12)에 의거하여 측정함으로써 식품포장재로서의 적합성 여부를 판정하였다.
- 그 과정은 다음과 같다. 한국 유전자은행에서 분양 받은 5종류의 곰팡이 균주들을 Table 2에 나타낸 각각의 배지에 2 번씩 계대배양한 후 형성된 포자를 백금이로 1 loop 취하여 포자덩이가 잘 분리되도록 흔들어 현탁액을 여과한 다음 균사체를 분리하였다. 분리된 각각의 균사체를 멸균된 플라스크에 담아 곰팡이 포자 현탁액 ImL에 1,000, 000±200,000개의 포자가 포함되도록 하여 5 종류의 곰팡이가 같은 양씩 혼합된 포자 현탁액을 최종 접종원으로 사용하였다.
이론/모형
- ASTM G21-96의 방법(14)으로 필름의 분해성을 평가하였으며 그 과정은 다음과 같다. 한국 유전자은행에서 분양 받은 5종류의 곰팡이 균주들을 Table 2에 나타낸 각각의 배지에 2 번씩 계대배양한 후 형성된 포자를 백금이로 1 loop 취하여 포자덩이가 잘 분리되도록 흔들어 현탁액을 여과한 다음 균사체를 분리하였다.
성능/효과
- 또한, MCC-103 가 20% 첨가된 필름에 대한 생분해성 실험 결과인 Fig. 6(c)을 보면 미생물의 성장이 더욱 커졌음을 알 수 있는데 이 결과로부터 필름 내에 있는 생분해성 물질의 양이 미생물의 성장에 직접적으로 영향을 미치고 있음이 확인되었다. 이러한 필름 시편의 질량 변화와 표면 변화의 관찰 결과로부터 시간이 경과하면서 Table 1의 MCC- 103에 포함된 전분, PCL, 당류 등의 생분해 가능한 물질들이 미생물에 의해 1차로 분해가 진행되고 그로 인하여 필름의 표면과 내부에 균열이 증가하여 고분자 플라스틱의 분자량이 점점 감소하게 됨으로써 완전분해로 진행될 가능성이 충분히 있음을 추정할 수 있다.
- 비슷한 양상을 보였다. Fig. 3은 시간 경과에 따른 연신율의 변화를 보여주는데 이 경우에도 광분해성 실험 결과와 마찬가지로 모든 값들은 6회씩 측정한 평균치로 나타내었으며 표준편차는 모두 10% 이내로 측정치의 재현성이 충분함을 확인하였다. 이 그림에서 보는 바와 같이 순수 PP는 13주 후의 연신율이 초기의 50% 이상을 유지하고 있지만 MCC-103을 10% 첨가하여 제조된 필름은 13주만에 초기의 연신율을 거의 잃어버렸고, 20%가 첨가된 필름은 11주만에 초기의 연신율을 완전히 잃어버렸음을 알 수 있다.
- 5%만을 유지하고 있음을 볼 수 있다. Lee 등⑩이 생분해성 고분자 물질에 15~50%의 광분해성 M/B를 첨가하여 분해성 필름을 제조한 후 자외선을 조사하면서 조사 시간에 따른 연신율의 변화를 살펴본 결과 50%의 광분해성 M/B를 첨가한 경우에도 15주 후에야 초기의 연신율을 거의 잃어버리는 것으로 보고한 것과 비교해 볼 때 본 연구에서 사용된 MCC-103의 광분해능이 매우 우수함을 알 수 있다. 또한 ASTM D3826 규정에 의하면 광분해에 의한 분해종료점을 연신율이 5% 이하에 도달한 시점으로 정의하고 있는 것에 비추어 볼 때 본 연구의 결과에서 나타난 연신율의 감소는 이미 8주만에 광분해가 완료되었음을 의미한다.
- 7(c)와 같이 대부분이 붕괴되면서 식물의 생육이 왕성하게 나타났다. 따라서, 본 결과는 자연 환경에서도 고분자 플라스틱의 분해가 복합적으로 활발히 진행되면서 식물의 생육을 방해하지 않고 분해가 일어날 가능성이 있음을 시사한다.
- Lee 등⑩이 생분해성 고분자 물질에 15~50%의 광분해성 M/B를 첨가하여 분해성 필름을 제조한 후 자외선을 조사하면서 조사 시간에 따른 연신율의 변화를 살펴본 결과 50%의 광분해성 M/B를 첨가한 경우에도 15주 후에야 초기의 연신율을 거의 잃어버리는 것으로 보고한 것과 비교해 볼 때 본 연구에서 사용된 MCC-103의 광분해능이 매우 우수함을 알 수 있다. 또한 ASTM D3826 규정에 의하면 광분해에 의한 분해종료점을 연신율이 5% 이하에 도달한 시점으로 정의하고 있는 것에 비추어 볼 때 본 연구의 결과에서 나타난 연신율의 감소는 이미 8주만에 광분해가 완료되었음을 의미한다. 이는 필름 제조시 분해성 MME를 첨가함으로써 자외선이 Table 1에 나타낸 바와 같이 M/B에 포함된 전이금속류, 벤조페논 등의 방향족 케톤류, 각종 광분해 촉진제 등에 의해 필름에 생성된 광민감군에 영향을 미쳐 광분해가 신속하게 진행되었음을 확인해 주는 결과이다.
- 일반적으로 열가소성 수지는 적당한 환경조건하에서 발생하는 열에 의해서 여러 종류의 화학반응이 촉진되어 분해가 시작되는데, 그 중에서도 플라스틱에 소량 존재하는 철이온에 의하여 OH*와 같은 유리기가 생성되고 이들이 polymer와 반응하여 또 다른 유리기를 생성하게 되어 이들 유리기가 C-C 결합 부위에 반응함으로써 polymer의 결합이 분해되어 결과적으로 알코올, 케톤 등의 저분자물질로 분해되는 일련의 반응이 가장 중요한 것으로 알려지고있다(18,19). 복합분해성 m/B에 포함된 전이금속화합물인 구리 또는 바나듐 화합물은 이와 같은 반응의 촉매 역할을 하여 반응을 촉진시키는 것으로 알려져 있는데, 본 연구의 결과에서도 플라스틱에 혼입된 MCC-103의 함량이 증가함에 따라 구리 및 바나듐에 의한 촉매 작용이 촉진되어 열분해가 가속화되었음을 추정할 수 있다. 열분해 실험 전후 필름의 성상 비교에서도 Fig.
- 복합분해성 m/B에 포함된 전이금속화합물인 구리 또는 바나듐 화합물은 이와 같은 반응의 촉매 역할을 하여 반응을 촉진시키는 것으로 알려져 있는데, 본 연구의 결과에서도 플라스틱에 혼입된 MCC-103의 함량이 증가함에 따라 구리 및 바나듐에 의한 촉매 작용이 촉진되어 열분해가 가속화되었음을 추정할 수 있다. 열분해 실험 전후 필름의 성상 비교에서도 Fig. 4에서 보는 바와 같이 순수 PP는 13주 후에도 거의 변화가 없지만 MCC-103이 20% 첨가되어 제조한 필름은 11주만에 성상이 거의 파괴되어 있음을 확인할 수 있다.
- 2의 사진에서도 순수 PP는 10주 후에도 거의 변화가 없는 반면, MCC-103을 20% 첨가하여 제조한 복합분해성 필름은 7주 후에 이미 성상이 심하게 파괴되어 있음을 볼 수 있다. 이 결과로부터 복합분해성 필름은 시간이 경과함에 따라 바람, 빗물, 동식물 등의 자연에 의한 작은 힘에 의해서 필름의 형상을 잃고 아주 작은 조각으로 붕괴될 수 있음을 예측할 수 있다.
- 1에 나타내었다. 이 그림에 나타난 모든 평균 연신율에 대한 표준편차는 10% 이하로서 모든 data에 대하여 충분한 재현성이 있음을 확인하였다. 일반적으로 인장강도와 연신율은 광분해 실험에서 분해성을 평가하기 위하여 사용하는 중요한 기계적 물성이며 파단점에서 그 값들을 측정, 비교하여 분해성 여부를 판단하는데 그중에서도 본 연구에서 측정된 연신율이 분해에 더욱 민감한 것으로 알려지고 있다a*).
- 3은 시간 경과에 따른 연신율의 변화를 보여주는데 이 경우에도 광분해성 실험 결과와 마찬가지로 모든 값들은 6회씩 측정한 평균치로 나타내었으며 표준편차는 모두 10% 이내로 측정치의 재현성이 충분함을 확인하였다. 이 그림에서 보는 바와 같이 순수 PP는 13주 후의 연신율이 초기의 50% 이상을 유지하고 있지만 MCC-103을 10% 첨가하여 제조된 필름은 13주만에 초기의 연신율을 거의 잃어버렸고, 20%가 첨가된 필름은 11주만에 초기의 연신율을 완전히 잃어버렸음을 알 수 있다. 이는 MCC-103의 첨가에 의해 열가소성 플라스틱의 일종인 PP가 주위의 온도가 높아짐에 따라 열에 의한 분해가 촉진된 결과라고 할 수 있다.
- 5와 같다. 이 그림에서 보는 바와 같이 일반 PP 필름의 경우는 배양일수 경과에 따른 질량 변화가 거의 없었으나 MCC-103을 첨가한 PP 필름은 시간이 지날수록 질량이 감소하는 경향을 보였고 분해되는 정도도 실험을 시작한지 60일이 지난 후에는 10% 첨가군보다 20% 첨가군이 더욱 뚜렷하게 나타나 시편의 질량 감소가 MCC-103의 양에 어느 정도 의존함을 알 수 있었다. 또한, 생분해 시험 중 곰팡이의 성장을 관찰하기 위한 Fig.
- 또한 ASTM D3826 규정에 의하면 광분해에 의한 분해종료점을 연신율이 5% 이하에 도달한 시점으로 정의하고 있는 것에 비추어 볼 때 본 연구의 결과에서 나타난 연신율의 감소는 이미 8주만에 광분해가 완료되었음을 의미한다. 이는 필름 제조시 분해성 MME를 첨가함으로써 자외선이 Table 1에 나타낸 바와 같이 M/B에 포함된 전이금속류, 벤조페논 등의 방향족 케톤류, 각종 광분해 촉진제 등에 의해 필름에 생성된 광민감군에 영향을 미쳐 광분해가 신속하게 진행되었음을 확인해 주는 결과이다. 순수 PP 필름도 물성의 감소가 어느 정도 일어나는 이유는 필름 제조시 발생되는 열에 의하여 산화가 일어나 케톤기가 생성되는데 이 부위가 광민감군으로 작용하여 다소간의 광분해가 진행되었기 때문으로 보여진다.
- 6(c)을 보면 미생물의 성장이 더욱 커졌음을 알 수 있는데 이 결과로부터 필름 내에 있는 생분해성 물질의 양이 미생물의 성장에 직접적으로 영향을 미치고 있음이 확인되었다. 이러한 필름 시편의 질량 변화와 표면 변화의 관찰 결과로부터 시간이 경과하면서 Table 1의 MCC- 103에 포함된 전분, PCL, 당류 등의 생분해 가능한 물질들이 미생물에 의해 1차로 분해가 진행되고 그로 인하여 필름의 표면과 내부에 균열이 증가하여 고분자 플라스틱의 분자량이 점점 감소하게 됨으로써 완전분해로 진행될 가능성이 충분히 있음을 추정할 수 있다.
후속연구
- 것이다. 따라서, 향후의 연구방향은 본 논문에서 설정한 UV 처리 조건, 열처리 조건 및 곰팡이 생육 조건을 복합적으로 고려하여 자연계에서의 실제 조건과 근접한 환경에서의 분해성 실험으로 이어져야 할 것으로 사료된다. 나아가 실험 대상 플라스틱 제품을 본 연구에서 사용된 비교적 얇은 필름에서 MCC-103을 첨가하여 제조된 두꺼운 식품 용기쉬트로 확대 적용시켜 분해성을 평가해 보고자 한다.
- 본 논문에서는 각종 식품포장재의 재료로 사용될 수 있는 복합분해성 플라스틱의 분해성에 대한 기초적인 연구 단계로서 광분해성, 열분해성 및 생분해성을 개별적으로 행한 결과와 토양 시험의 가장 기본적인 단계인 야외 멀칭 시험 결과만을 보고하였지만, 쓰레기 매립지 등 실제 자연환경에서는 사용 후 폐기된 플라스틱에 본 연구를 위해 설정된 조건들보다 다양한 요인들이 복합적으로 작용하여 분해가 진행될 것이다. 따라서, 향후의 연구방향은 본 논문에서 설정한 UV 처리 조건, 열처리 조건 및 곰팡이 생육 조건을 복합적으로 고려하여 자연계에서의 실제 조건과 근접한 환경에서의 분해성 실험으로 이어져야 할 것으로 사료된다.
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