[논문]제사속도와 열처리에 따른 polylactic acid 섬유의 물성 및 생분해성 변화

박정희; 홍은영

문제 정의

또한 일반 합성섬유에 비해 공정상의 변인에 따른 물성 변화 연구가 부족하며, 생분해성과의 상호 영향을 살핀 연구가 부족하다. 따라서 본 연구 논문에서는 제사 속도와 열처리를 변인으로 하여, 이들이 PLA 섬유의 물성 및 생분해성에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 물성평가를 위해서는 인장 강도와 결정화도를 측정하였으며, 생분해성을 평가하기 위해서는 토양매립한 후의 인장강도 변화, 무게감소율, 결정화도 변화를 측정하였다.
열처리를 하면 결정이 발달하여 인장 강도가 증가하는 데 비해 분해율 감소가 크게 나타났는데, 제사 속도를 증가시키면 비결정부분의 배향이 발달하여 물성의 향상에 비해 생분해율 감소가 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구의 실험조건 범위 내에서는, 요구되는 인장 강도를 충족시키기 위하여 열처리보 다는 제사 속도를 높이는 것을 제안하고자 한다.
물성평가를 위해서는 인장 강도와 결정화도를 측정하였으며, 생분해성을 평가하기 위해서는 토양매립한 후의 인장강도 변화, 무게감소율, 결정화도 변화를 측정하였다. 본 연구는 의류용 섬유로서 요구되는 물성을 만족시키는 동시에 생분해성을 높일 수 있는 방법을 찾기 위한 기초 연구자료가 될 것으로 기대한다.
본 연구에서는 의류용 제품으로 사용되는 생분해성 고분자인 polylactic acid 섬유의 제사 속도와 열처리에 따른 물성과 생분해성을 규명하고자 하였다. 물성은 인장 강도와 결정화도를 측정하였으며, 생분해성은 토양매립법으로 측정하였다.
제사 속도와 열처리에 따른 PLA 섬유의 물성을 관찰하기 위하여 각 시료의 인장 강도와 결정화도를 측정하였다. 이를 통하여 제사 속도와 열처리가 PLA 섬유의 물성에 각각 어떠한 영향을 미치는지 관찰하였으며, 결과적으로 PLA 섬유의 적합한 물성을 유지하기 위해 요구되는 방사조건을 구하고자 하였다.

제안 방법

3.본 실험조건에서 제사 속도에 의한 인장 강도 증가율과 열처리에 의한 인장 강도 증가율을 비교해.보았을 때, 인장 강도는 제사 속도에 의해 더 영향을 받 는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 매립기간에 따른 무게 감소율과 인장강도 변화를 5일 간격으로 측정하였다. 또한 X-ray 회절 패턴으로부터 결정화도 변화를 관찰하였다.
분해에 따른 시료의 물성 변화는 인장 강도 변화, 무게 감소율, 결정화도 변화로 살펴보았으며, 이를 통해 제사 속도별 열처리 유무에 따른 생분해성을 비교하였다. 또한 생분해 기간에 따른 시료의 X-ray 회절 패턴을 통해 생분해에 의한 시료의 내부 구조 변화를 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
따라서 본 연구 논문에서는 제사 속도와 열처리를 변인으로 하여, 이들이 PLA 섬유의 물성 및 생분해성에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 물성평가를 위해서는 인장 강도와 결정화도를 측정하였으며, 생분해성을 평가하기 위해서는 토양매립한 후의 인장강도 변화, 무게감소율, 결정화도 변화를 측정하였다. 본 연구는 의류용 섬유로서 요구되는 물성을 만족시키는 동시에 생분해성을 높일 수 있는 방법을 찾기 위한 기초 연구자료가 될 것으로 기대한다.
토양매립법에 의한 생분해성 평가는 무게 감소율, 분자량 감소율, 결정화도 변화, 인장강도 변화 등의 여러 방법으로 평가할 수 있다. 본 연구에서는 매립기간에 따른 무게 감소율과 인장강도 변화를 5일 간격으로 측정하였다. 또한 X-ray 회절 패턴으로부터 결정화도 변화를 관찰하였다.
물성은 인장 강도와 결정화도를 측정하였으며, 생분해성은 토양매립법으로 측정하였다. 분해에 따른 시료의 물성 변화는 인장 강도 변화, 무게 감소율, 결정화도 변화로 살펴보았으며, 이를 통해 제사 속도별 열처리 유무에 따른 생분해성을 비교하였다. 또한 생분해 기간에 따른 시료의 X-ray 회절 패턴을 통해 생분해에 의한 시료의 내부 구조 변화를 분석하였다.
위해 X-ray Diffractometer (M18XHF-SPA, Mac Science Co. Japan)를 사용하여 40kw, 200mA, 8kw2: 10-30°, scanning speed 5°/min의 처리 조건에서 X-ray 회절 패턴을 얻어내었다.
제사 속도와 열처리에 따른 PLA 섬유의 물성을 관찰하기 위하여 각 시료의 인장 강도와 결정화도를 측정하였다. 이를 통하여 제사 속도와 열처리가 PLA 섬유의 물성에 각각 어떠한 영향을 미치는지 관찰하였으며, 결과적으로 PLA 섬유의 적합한 물성을 유지하기 위해 요구되는 방사조건을 구하고자 하였다.
컨디셔닝 된 시료는 Instron(Universal Testing Instru ment, Table Model 1130)을 사용하여 crosshead speed lOcm/min, 하중 500g인 조건 하에서 각 시료의 인장 강 도를 측정하였다. 인장 강도 소실율에 의한 분해도는 다음 의 식을 이용하여 계산하였다.
토양매립에 따른 섬유의 내부 구조를 관찰하기 위해 X-ray 회절 패턴을 이용하여 simple indices를 통한 정량적 분석을 하였다.<Table 3>은 이로부터 계산된 결정화도 수치이다.
의 항온항습기에서 48시간 이상 보관하여 컨디셔닝하였다. 토양매립에 의한 생분해도를 측정하기 위해 인장 강도와 무게감소율을 측정하 였다.

대상 데이터

PLA 섬유는 H사로부터 제공받아 사용하였다. 제사 속도는 2000m/min에서 4000m/min까지 달리하였

이론/모형

AATCC Technical Method 30-1993에 제시된 실험 방법을 참고하였다. 자연토양이 담긴 상자에 시료를 묻고, 분해하는 동안 24시간 간격으로 350ml의 수분을 공급하였다.
본 연구에서는 의류용 제품으로 사용되는 생분해성 고분자인 polylactic acid 섬유의 제사 속도와 열처리에 따른 물성과 생분해성을 규명하고자 하였다. 물성은 인장 강도와 결정화도를 측정하였으며, 생분해성은 토양매립법으로 측정하였다. 분해에 따른 시료의 물성 변화는 인장 강도 변화, 무게 감소율, 결정화도 변화로 살펴보았으며, 이를 통해 제사 속도별 열처리 유무에 따른 생분해성을 비교하였다.
토양매립법에 의해 생분해성을 평가하였다. 토양매립법에 의한 생분해성 평가는 무게 감소율, 분자량 감소율, 결정화도 변화, 인장강도 변화 등의 여러 방법으로 평가할 수 있다.

성능/효과

1. 제사 속도를 2000m/min에서 4000m/min까지 500m/min 간격으로 변화를 주어 물성을 측정한 결과, 제사 속 도가 증가할수록 인장 강도가 증가하였으며, 3500m/min 이상에서 결정이 형성된 것으로 나타났다.
2.열 처리 후각 시료의 인장 강도와 결정화도가 증가하였다. 또한 실험에 사용된 제사 속도 범위 내에서 는 제사 속도가 높은 시료일수록 열처리에 의한 인장 강도 증가율이 높게 나타났다.
4.토양매립 시 제사 속도가 낮고 열처리를 하지 않은 시료일수록 분해율이 높은 것으로 나타났다. 또한 시료의 결정화도가 높을수록 매립 시간이 경과하면서 결정 영역이 분해되기 시작하는 기간이 늦어졌다.
5.본 연구에서 살펴본 범위 내에서는, 제사 속도 증가가 분해율을 감소시키는 정도에 비해, 열처리가 분해율을 감소시키는 영향이 더 큰 것으로 생각된다.
5% 이하의 낮은 분해율을 보였다. 각 시료별 무게 감소율을 살펴보면, 제사 속도가 커질수록 열처리 전후의 분해율 차이가 커지는 것으로 나타났다.
과 를 통해 제사 속도와 열처리가 인장 강도에 미치는 영향을 각각 살펴보면, 제사 속도 증가에 의한 인장 강도 증가율이 열처리에 의한 증가율보다 큰 것으로 나타났다.
섬유의 용도에 따라 요구되는 인장 강도는 서로 다르나, 본 연구에서 살펴본 제사 속도 4000m/min의 PLA 시료는 의류용으로 사용되는 일반 섬유의 인장 강도 범위에 포함될 수 있을 것으로 본다. 또한 생분해성을 평가하기 위한 토양매립실험결과, PLA 섬유의 생분해도에 영향을 미치는 요인으로 제사 속도에 비해 열처리의 영향이 큰 것으로 나타났으며, 따라서 제사 속도를 4000m/min으로 증가시키더라도 열처리를 한 시료들과 비교했을 때 상대적으로 생분해성이 높은 것으로 나타났다.
열 처리 후각 시료의 인장 강도와 결정화도가 증가하였다. 또한 실험에 사용된 제사 속도 범위 내에서 는 제사 속도가 높은 시료일수록 열처리에 의한 인장 강도 증가율이 높게 나타났다.
인장 강도 변화로 생분해성을 평가하였을 때는 열처리 전후 시료의 분해율 차이가 작았던 것과는 달리, 무 게감소율을 이용했을 때는 열처리 시료의 분해율 측 정치가 열처리를 하지 않은 시료에 비해 매우 낮게 나타났다. 또한 전체적으로 무게 감소율로 측정한 분 해율이 인장강도 변화율로 즉정한 분해율보다 수치가 작게 나왔다. 매립 25일 후 S2000의 인장강도 변 화율과 무게 감소율은 각각 21.
이상의 결과로부터 제사 속도가 낮고 열처리를 하지 않은 시료일수록 인장강도와 결정화도가 낮으며, 생분해성이 좋은 것으로 나타났다. 또한 제사 속도와 열처리가 물성과 생분해성에 미치는 영향의 정도가 각기 다르게 나타났다. 제사 속도를 증가시키면 인장 강도가 더 증가하는 데 비해, 열처리에 의해서는 결정화도가 상대적으로「증가하는 것을 알 수 있었다.
4>는 매립 기간에 따른 인장강도 감소율을 나타낸 그래프이다. 매립 기간이 경과함에 따라 인장 강도가 감소하였으며, 열처리를 한 시료에서 인장 강도 감소율이 상대적으로 낮게 나타났다.
2="">는 열처리 후각 시료의 인장 강도 증가율을 나타낸 그래프이다. 열처리 후 모든 시료의 인장 강도가 증가하였으며, 열처리로 인한 인장 강도 증가폭은 제사 속도가 높은 시료에서 더 큰 것으로 나타났다. 인장 강도 증가는 열처리에.
우상향하 는 곡선은 인장 강도를 나타내며, 우하향하는 곡선은 토양매립 25일 후 무게 감소율을 나타낸 것이다. 열처리를 하면 결정이 발달하여 인장 강도가 증가하는 데 비해 분해율 감소가 크게 나타났는데, 제사 속도를 증가시키면 비결정부분의 배향이 발달하여 물성의 향상에 비해 생분해율 감소가 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구의 실험조건 범위 내에서는, 요구되는 인장 강도를 충족시키기 위하여 열처리보 다는 제사 속도를 높이는 것을 제안하고자 한다.
S2000과 S4000의 열처리 전후 결정화도 변화는 와 같다. 열처리시 결정화도가 급격히 증가하였으며, 제사 속도가 높은 H4000에서 다소 높게 나타났다. <fig.
이상의 결과로부터 제사 속도가 낮고 열처리를 하지 않은 시료일수록 인장강도와 결정화도가 낮으며, 생분해성이 좋은 것으로 나타났다. 또한 제사 속도와 열처리가 물성과 생분해성에 미치는 영향의 정도가 각기 다르게 나타났다.
인장 강도 변화로 생분해성을 평가하였을 때는 열처리 전후 시료의 분해율 차이가 작았던 것과는 달리, 무 게감소율을 이용했을 때는 열처리 시료의 분해율 측 정치가 열처리를 하지 않은 시료에 비해 매우 낮게 나타났다. 또한 전체적으로 무게 감소율로 측정한 분 해율이 인장강도 변화율로 즉정한 분해율보다 수치가 작게 나왔다.
1>은 제사 속도 증가에 따른 인장강도의 증가율을 나타낸 그래프이다. 제사 속도가 증가함에 따라 인장 강도가 증가하였으며, 제사 속도가 2000m/min에서 4000m/min으로 증가한 경우 인장 강도는 약 51% 증가한 것으로 나타났다. 이는 방사시 섬유에.
또한 제사 속도와 열처리가 물성과 생분해성에 미치는 영향의 정도가 각기 다르게 나타났다. 제사 속도를 증가시키면 인장 강도가 더 증가하는 데 비해, 열처리에 의해서는 결정화도가 상대적으로「증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 생분해 관점에서 살펴보았을 때, 분해율은 인장 강도보다는 결정화도에 의한 영향이 큰 것으로 생각된다.

후속연구

, 2005)는 다소 있으나 의류제품으로서 의 물성과 분해거동에 관한 연구는 아직 미흡한 실정이며, PLA 섬유의 .분해는 실험 실적인 환경에서 이루어진 것이 대부분이어서 물성에 따른 생분해성을 평가하는 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 일반 합성섬유에 비해 공정상의 변인에 따른 물성 변화 연구가 부족하며, 생분해성과의 상호 영향을 살핀 연구가 부족하다.
섬유의 용도에 따라 요구되는 인장 강도는 서로 다르나, 본 연구에서 살펴본 제사 속도 4000m/min의 PLA 시료는 의류용으로 사용되는 일반 섬유의 인장 강도 범위에 포함될 수 있을 것으로 본다. 또한 생분해성을 평가하기 위한 토양매립실험결과, PLA 섬유의 생분해도에 영향을 미치는 요인으로 제사 속도에 비해 열처리의 영향이 큰 것으로 나타났으며, 따라서 제사 속도를 4000m/min으로 증가시키더라도 열처리를 한 시료들과 비교했을 때 상대적으로 생분해성이 높은 것으로 나타났다.

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