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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 K-카라기난, 키토산, 알긴산 나트륨, com zein, polycaprolactone(PCL) 등과 같은 생분해성 고분자의 코팅제로서 물성을 조사하고, 또한 이들 중에서 우수한 코팅제와 전보에서 우수하다고 판정된 carboxymethyl화 전분과 혼합 코팅제를 제조하여, 물성, 내수성 및 내 유도를 검토하여 고기능 생분해성 코팅제를 개발하는데 그 목적을 두고 있다.
- 이와같이 코팅량과 코팅막 두께의 차이는 코팅제 특성에 따라 그 일부가 판지 내부에 각각 다르게 침투되었기 때문으로 사료된다. 따라서 본 연구는 판지에 필름을 형성시키는 것이 주목적으로 코팅량 보다는 코팅제 농도에 따른 차이를 분석하였다.
제안 방법
- Lactic acid(2%)에 키토산의 최종 농도가 1, 2, 3, 4, 5, 6%가 되도록 용해시킨 후, 여과지 (Whatman No. 4)를 이용하여 불순물을 제거하여 6종의 코팅제를 제조하였다.
- 증류수를 먼저 1/2 ~ 2/3 정도 넣고, 알긴산 나트륨을 최종 농도가 2, 4, 6, 8, 10%가 되도록 덩어리가 생기지 않도록 서서히 투입한 후, 나머지 물을 첨가하고, 온도를 38 ~ 40℃가 되도록 유지하면서 2시간 동안 교반시켜 5종의 코팅제를 제조하였다.
- 순수한 ethanol에 com zein의 최종 농도가 1, 2, 3, 4, 5%가 되도록 용해시켜 5종의 코팅제를 제조하였다.
- Lactic acid(90%) 에 poly caprolactone 의 최종농도가 1, 5, 10, 15, 20%가 되도록 용해시켜 5종의 코팅제를 제조하였다.
- 각종 코팅제를 실험실용 코터 (PIT210, Tester SANGYO Co., Ltd., JAPAN, Bar No. 16)로 판지에 편면 코팅하고, 코팅후 판지는 송풍건조기(50℃) 에서 1시간 이상 건조시켰다. 코터의 speed는 13 mm/sec로 조정하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 K-카라기난, 키토산, sodium alginate, com zein, polycaprolactone(PCL) 등과 같은 생분해성 고분자를 코팅제로서의 각종 물성들을 조사하고, 또한 이들 중에서 우수한 코팅제와 전보에서 우수하다고 판정된 carboxymethyl화 전분으로부터 혼합 코팅제를 제조하여, 각종 물성들을 실험한 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
- K-카라기난 분말을 1, 2, 3, 4, 5%가 되도록 증류수에 넣고 충분히 혼합한 후에 hot plate상에서 80℃ 로 가열 용해시켜 5종의 코팅제를 제조하였다.
대상 데이터
- 유연성을 주는 장점이 있다.W" Polycaprolactonee 생분해성 합성 고분자로서 crude oil로부터 화학적 합성에 의하여 제조되었으며, 분해 시간이 짧은 완전한 생분해성 소재이므로, 연구의 대상이 되고 있다
- Co. 에서 구입하여 사용하였으며, 전분은 전보에서 우수하다고 평가된 carboxymethyl화 전분(CMS)을 제조하여 사용하였다.
이론/모형
- 코팅된 판지를 항온항습실(온도 : 20±l℃, RH : 65±5%)에서 24시간 이상 조습한 후, 조습된 판지는 TAPPI Test Methodsoj] 의거 밀도, 코팅막 두께, 백색도, 열단장, 파열지수, 인열지수를 측정하였다 또한 코팅된 판지의 흡수도는 Cobb법을 사용하여 측정하였으며, 내유도는 테레빈유를 사용한 내 유도 시험방법으로 측정하였다.
성능/효과
- 파열지수와 인열 지수 또한 열단장과 같은 경향으로 나타났다. 따라서 펄프 몰드를 코팅 할 때 강도면에서는 com zein이가장 유리하여 물성면에서 상승효과가 기대되며,polycaprolactonee 무코팅지에 비해서도 강도가 낮은 수준을 보였다. 이외의 K-카라기난, 키토산과 알긴산 나트륨은 비슷한 경향을 나타냈다.
- 흡수도는 코팅제 종류와 농도에 따라 차이가 많았는데, 농도가 높아질수록 즉 코팅량이 증가할수록 흡수도가 감소되는 경향이 었다. 코팅제 종류별로는 k-카라기난은 3%(코팅량: 18 g/m2), 키토산은 2%(코팅량: 13 g/m2), 알긴산 나트륨은 10%(코팅 량: 22 g/mz), com zeine 4%(코팅량: 18 g/m2), polycaprolactonee 20%(코팅량: 38 g/mz) 용액으로 코팅 할 때 흡수도가 크게 감소되었다.
- 흡수도가 감소되는 경향이 었다. 코팅제 종류별로는 k-카라기난은 3%(코팅량: 18 g/m2), 키토산은 2%(코팅량: 13 g/m2), 알긴산 나트륨은 10%(코팅 량: 22 g/mz), com zeine 4%(코팅량: 18 g/m2), polycaprolactonee 20%(코팅량: 38 g/mz) 용액으로 코팅 할 때 흡수도가 크게 감소되었다. 전반적으로 보았을 때, 키토산으로 제조한 코팅제가 우수한 내수성을 나타내었으며, 알긴산 나트륨의 경우 내 수성 효과가 가장 적게 나타났다.
- 코팅제 종류별로는 k-카라기난은 3%(코팅량: 18 g/m2), 키토산은 2%(코팅량: 13 g/m2), 알긴산 나트륨은 10%(코팅 량: 22 g/mz), com zeine 4%(코팅량: 18 g/m2), polycaprolactonee 20%(코팅량: 38 g/mz) 용액으로 코팅 할 때 흡수도가 크게 감소되었다. 전반적으로 보았을 때, 키토산으로 제조한 코팅제가 우수한 내수성을 나타내었으며, 알긴산 나트륨의 경우 내 수성 효과가 가장 적게 나타났다. 따라서 키토산은 코팅량이 낮아도 우수한 내수성을 가질 수 있었으나, 다른 코팅제는 적어도 18 g/m2 이상 코팅하여야 우수한 내수성을 가질 수 있었다.
- 전반적으로 보았을 때, 키토산으로 제조한 코팅제가 우수한 내수성을 나타내었으며, 알긴산 나트륨의 경우 내 수성 효과가 가장 적게 나타났다. 따라서 키토산은 코팅량이 낮아도 우수한 내수성을 가질 수 있었으나, 다른 코팅제는 적어도 18 g/m2 이상 코팅하여야 우수한 내수성을 가질 수 있었다.
- 내유도도 코팅제 종류와 농도에 따라 차이가 많았으며, 농도가 높을수록 증가되는 경향이었다. 즉코팅량이 증가할수록 증가되는 경향이었으며, 코팅제 종류별로는 k-카라기난은 4%(코팅량: 20 g/m2), 키토산은 5%(코팅량: 23 g/m2), 알긴산 나트륨은 10%(코팅량: 22 g/m2) 이상의 농도에서 오일이 1시간 이상 경과되어도 침투되지 않았다.
- 즉코팅량이 증가할수록 증가되는 경향이었으며, 코팅제 종류별로는 k-카라기난은 4%(코팅량: 20 g/m2), 키토산은 5%(코팅량: 23 g/m2), 알긴산 나트륨은 10%(코팅량: 22 g/m2) 이상의 농도에서 오일이 1시간 이상 경과되어도 침투되지 않았다. Com zein의 경우는 내유성이 거의 없었으며, polycaprolactonee 15%(코팅량: 30 g/m?)에서다소 높은 내유성을 나타냈다.
- 이와 같은 polycaprolactonee 가격이 일반 생분해성 고분자에 비해 가격이 많이 비싼 편으로 아직까지는 실생활에 많이 이용되고 있지는 않으며, 주로 의료용 고분자로 사용되고 있는 실정이다. 내유도는 코팅량 20 g/n?이상에서 우수한 것으로 나타났다.
- 종합적으로 검토하여 보면 키토산과 com zein 의 경우 저농도 및 낮은 코팅량에서도 내수성이 우수한 것으로 나타났으며, k-카라기난의 경우는 다른 생분해성 고분자에 비해 저농도 및 낮은 코팅량에서 우수한 내유성을 나타냈다. 따라서 이들 각각의 단독 코팅제만으로는 물성의 한계가 있어 이들 코팅제를 실용화 하는데 어려움이 있을 것으로 사료된다.
- 밀도는 코팅제를 처리함에 따라 무코팅지 보다 약간 낮아지는 경향으로 0.69 ~ 0.72 g/cm3 범위를 나타냈으며, 코팅량은 코팅제 혼합비율에 따라 15 ~ 23 g/m2 범위로 나타났다. Carboxy methyl 화전분과 k-카라기난의 적정 농도가 정해져 있기 때문에 큰 차이가 없었다.
- 이에따라 K-카라기난 코팅제의 혼합비율이 증가됨에 따라 흡수 도가 높아져, 내수성이 저하되는 경향이었다. 그러나 K-카라기난의 혼합비율이 50% 정도까지는 우수한 내수성을 나타냈으며, 열수에 안정하기 위해서는 K-카라기난을 10% 정도 첨가하는 것이 적합할 것으로 사료된다. 내유도는 k-카라기난 코팅제가 우수하여 carboxymethyl화 전분에 첨가하였을 때 전반적으로 우수한 내유성을 나타냈다.
- 그러나 K-카라기난의 혼합비율이 50% 정도까지는 우수한 내수성을 나타냈으며, 열수에 안정하기 위해서는 K-카라기난을 10% 정도 첨가하는 것이 적합할 것으로 사료된다. 내유도는 k-카라기난 코팅제가 우수하여 carboxymethyl화 전분에 첨가하였을 때 전반적으로 우수한 내유성을 나타냈다. 따라서 carboxymethyl화 전분에 K-카라기난을 혼합하였을 때, 내수성의 큰 저하 없이 내유성의 증가가 가능하였다.
- 이에 따라 상기의 결과들을 검토하여 볼 때, carboxymethyl화 전분에 K-카라기난을 10% 정도 혼합하면, 적절한 강도와 더불어 우수한 내수성 및 내유성을 가지는 것으로 나타났다. 즉 carboxymethyl화 전분과 k-카라기난의 적정 혼합비율은 90:10이었다.
- 69 ~ 0.72 g/cn? 범위를나타냈으며, 코팅량은 코팅제 혼합비율에 따라 15 ~ 28 g/m2 범위로 carboxymethyl화 전분(MCA 3%)과 k-카라기난을 혼합하여 제조한 코팅제보다다소 높게 나타났으나, 큰 차이는 없었다. 백색 도는 비슷한 수준이었고, 각종 강도들은 전반적으로 키토산의 혼합비율이 증가됨에 따라 증가되는 경향으로 나타났다.
- 이에 따라 키토스 코팅제의 혼합비율이 증가됨에 따라 흡수도가 높아져, 내수성이 약간 저하되는 경향이었으나, 전반적으로 우수한 내수성을 나타냈다. 또한 열수에도 k-카라기난에 비해서 훨씬 안정한 것으로 나타났다.
- 또한 열수에도 k-카라기난에 비해서 훨씬 안정한 것으로 나타났다. 내유도는 키토산 코팅제가 우수하여 carboxymethyl화 전분에 첨가함에 따라내 유성이 증가하였으며, 우수한 내유성을 나타내 키토산 첨가 효과가 있었다.
- 상기의 결과들을 검토하여 볼 때, carboxymethyl화 전분에 키토산을 50% 정도 첨가하면, 적절한 강도와 더불어 우수한 내수성 및 내유성을 가지는 것으로 나타났다. 즉 carboxy methyl화 전분과 키토산의 적정 혼합비율은 50:50 이었다.
- 3과 4는 적정 혼합비율에서의 흡수도와 내 유도를 나타내는 사진이다. 본 실험에서 가장 우수하다고 판단되는 혼합비율로 carboxymethyl화 전분에 K-카라기난 또는 키토산을 혼합하여 제조한 코팅제의 경우, 물의 흡수는 거의 나타나지 않았으며, 내유도의 경우에도 1시간 이상이 지나도 오일이 침투되지 않은 모습을 볼 수 있다. K-카라기난과 키토산의 단가를 비교하여 보면 k-카라기난에 비해 키토산 가격이 다소 비싼 편으로 경제적인 면에서 볼 때는 K-카라기난이 carboxymethyl화 전분에 혼합비율 또한 낮아 다소 유리할 것으로 판단된다.
- 한편 알긴산 나트륨은 10%(코팅량: 22 g/i에서, com zeine 4%(코팅량: 18 g/mB에서, polycaprolactonee 15%(코팅량: 30 g/m?)에서 우수한 내수성은 나타내었으나, 내유성면에서는 큰 효과가 없었다. 이들 생분해성 코팅제는 적어도 20 g/m2 이상 코팅하여야 우수한 내수성 및 내유성을 가질 수 있었다.
- 이에따라 carboxymethyl화 전분(8%)에 K-카라기난(4%)과 키토산(5%)을 각각 혼합하여 실험한 결과, carboxymethyl화 전분에 K-카라기난의 혼합비율은 90:10, 키토산의 혼합비율은 50:50으로 하여 제조한 코팅제가 가장 우수한 것으로 판단되었다. 또한 이들 코팅제는 내수성과 내유성이 우수할 뿐만 아니라 생분해성이므로, 환경친화적인 소재로서 높은 이용 가능성을 가질 것으로 사료된다.
후속연구
- 이외에도 알긴산 나트륨은 다시마, 미역등의 갈조류를 정제하여 얻는더], 형성되는 피막이 유연하며, 냉수는 물론 온수에도 용해 가능하며, 무독성으로 식품과 직접 접촉할 수 있는 코팅제로의 사용이 가능한 장점이 있어 식품분야에 널리 사용될 것으로 기대된다.'' Com zeine 에탄올 제조 후에 남겨지는 옥수수 글루텐 가루(com gluten meal )와 제분 후의 마른 쓰레기로부터 추출되는 부산물로 풍부하게 존재하며, 다른 생분해성 고분자에 비해 포장재의 내수성 및 강도를 강하게 하고, .
- 따라서 이들 각각의 단독 코팅제만으로는 물성의 한계가 있어 이들 코팅제를 실용화 하는데 어려움이 있을 것으로 사료된다. 이에 따라 각 고분자 코팅제들의 장점을 상호 이용하여 코팅제를 개발하면 우수한 생분해성 코팅제를 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
- 결론적으로 carboxymethyl화 전분에 k-카라기난 또는 키토산을 혼합하여 제조한 코팅제는 내수성과 내유도가 우수하여 수분함유식품 뿐만 아니라 유지 함유 식품의 포장에도 적용 가능할 것으로 판단된다. 이는 K-카라기난 또는 키토산이 다른 천연고분자에 비해, 고분자간의 친화성이 우수하여 결합력이 좋은 네트워크가 형성되었다고 사료된다.
- 따라서 본 연구에서 개발한 코팅제를 판지에 코팅한 결과, 적정 혼합 비율에서 우수한 효과를 나타냈으므로, 펄프 몰드 종류에 따라 다소 차이는 있을 수 있으나 펄프 몰드에 적용 시, 기계적 물성이라든지 현재의 재생시스템에 문제가 없으며, 쉽게 생분해가 되므로 환경에도 전혀 부담을 주지 않을 것으로 기대된다.
- 또한 이들 코팅제는 내수성과 내유성이 우수할 뿐만 아니라 생분해성이므로, 환경친화적인 소재로서 높은 이용 가능성을 가질 것으로 사료된다.
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