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문제 정의
- 그러나 이러한 복합재료에 대한 친수성, 통기성, 그리고 항균성을 체계적으로 연구한 결과는 거의 없다. 본 연구에서는 따라서 ABS와 여러 가지 세라믹 입자를 혼합한 복합재료를 제조하고 이들의 통기성, 친수성, 그리고 항균성을 조사하였다.
가설 설정
- 2) 넘어지거나 이동할 때 잘 깨진다.
- 3) 다양한 색상의 화분을 제조하기 어렵다.
- 4) 다른 재질에 비하여 무겁다.
제안 방법
- 따라서 혼합을 위해서는 기계를 이용해야 하는데, 고분자 가공에서 혼합에 이용되는 대표적인 기계로는 internal mixer가 있다.14 본 연구에서는 internal mixer를 사용하여 ABS 수지와 세라믹들을 혼합하였다. ABS 수지의 융점은 190 ℃이상으로 입자와 균일하게 혼합될 수 있을 만큼의 점도를 가지려면 200 ℃이상의 온도가 필요하다.
- ABS와 세라믹 입자, 그리고 상용화제를 internal mixer에 각각 넣고 200 ℃에서 60 RPM으로 혼합기를 10분간 회전시키며 혼합하여 복합재료를 제조하였다(Fig. 1 참조). 회전이 끝난 후 mixer 뚜껑을 열고 스푼을 사용하여 잘 혼합된 시료를 회수하였다.
- EDS 장비를 이용하여 복합재료의 표면에 분포하는 원소들을 mapping하였다. 검출된 각 원소의 분포를 점으로 나타낸 결과가 Fig.
- 다음으로 세라믹 입자 중의 하나인 맥반석의 분포를 보기 위하여 맥반석의 주요 성분인 산소(O, Fig. 3b), 알루미늄(Al, Fig. 3c), 그리고 규소(Si, Fig. 3d) 원자들의 분포도를 나타냈다.
- 2에 복합재료의 통기성 측정을 위한 장치를 나타내고 있다. 먼저 각 복합재료를 금형을 이용하여 일정한 두께(1 mm)의 필름으로 제작하였다. 제작된 필름을 직경 8 mm의 원형으로 잘라 Fig.
- nidulans wild type strain (A4)의 포자를 세포배양기에 도말한 후 배양된 크기를 관찰하였다. 먼저 은이 intercalate된 운모입자를 각각 0.5 wt%, 1.0 wt%, 그리고 2.0 wt% 함유하는 맥반석 입자를 ABS와 혼합하여 복합재료를 제조하고 이를 필름형태로 만들었다. 멸균된 복합재료 필름을 세포배양기 내에 장치하고 이 위에 배양액을 넣어 균주를 배양하였다.
- 복합재료를 제조할 때 세라믹 입자들은 서로 뭉치려는 경향이 있어 균일하게 분산시키는 과정이 필요하다. 복합재료에 고분자 및 세라믹입자가 균일하게 분산되었는지 확인하는 방법으로 EDS (S-4800; Hitachi Co., Ltd.)를 이용하여 복합재료의 주요성분 분포를 mapping하였다. 표면의 친수성은 접촉각측정을 통해 알 수 있다.
- 이때 외부공기가 복합재료막을 통과 후 탱크 안으로 이동하면서 생기는 압력변화를 관찰하면서 탱크의 압력이 1000 mtorr가 될 때 까지의 시간을 측정하였다. 외부환경은 1기압, 25 ℃, 습도는 48%에서 실험을 진행하였다.
- 은이 함유된 운모입자(Ag-mica)의 항균력을 테스트하기 위하여 진핵 생물인 A. nidulans wild type strain (A4)의 포자를 세포배양기에 도말한 후 배양된 크기를 관찰하였다. 먼저 은이 intercalate된 운모입자를 각각 0.
- 0 L 통을 10 mtorr의 진공으로 만든 후 valve1을 닫고 valve2를 열어준다. 이때 외부공기가 복합재료막을 통과 후 탱크 안으로 이동하면서 생기는 압력변화를 관찰하면서 탱크의 압력이 1000 mtorr가 될 때 까지의 시간을 측정하였다. 외부환경은 1기압, 25 ℃, 습도는 48%에서 실험을 진행하였다.
- 필름의 표면은 모든 시료에 대하여 같은 방법으로 표면을 연마하고 증류수와 에탄올로 세척하였다. 필름을 접촉각 측정기에 장치하고 필름의 2 cm 상부에서 복합재료의 표면에 물방울을 직각으로 떨어뜨리고 접촉각 측정기 (contact angle measurement GSX model; SurfaceTech Co., Ltd.)를 통해 복합재료의 표면과 액체의 접촉각을 측정하였다. 액체는 3차 증류수를 사용하였다.
- 상용화제의 배합비율은 가장 적은 양으로 효과가 좋은 10%로 고정하였다. 항균성 실험을 위해서는 맥반석 입자에 은이 intercalate된 운모입자를 0.5 wt%, 1.0 wt%, 그리고 2.0 wt%씩 첨가하고 이 혼합입자를 사용한 복합재료 시료를 제조하였다.
- 1 참조). 회전이 끝난 후 mixer 뚜껑을 열고 스푼을 사용하여 잘 혼합된 시료를 회수하였다. 이때 mixer 안의 회전칼날은 따로 가열이 되지 않으므로 고분자의 융점보다 온도가 낮게 유지되어 용융된 고분자가 엉겨붙지 않는다.
대상 데이터
- 2 Clay; Duck Yu Ceramics Ltd.), 제올라이트(Han Du Trade Corp.), 황토(GreenBio Co., Ltd.), SiO2 (Sigma Aldrich Ltd.), 그리고 TiO2 (P25; Degussa Co., Ltd.)를 사용하였다. 고분자와 세라믹의 균일한 혼합을 위하여 상용화제로는 maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP, PH-200; Honam Petrochemical Corp.
- 1. 본 연구를 통하여 ABS와 여러 가지 세라믹 입자를 혼합한 고분자-세라믹 복합재료를 제조할 수 있었다.
- )를 사용하였다. 고분자와 세라믹의 균일한 혼합을 위하여 상용화제로는 maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP, PH-200; Honam Petrochemical Corp.)을 사용하였다. 이들의 균일한 혼합을 위하여 실험에 사용된 internal mixer는 C.
- 여러 가지 복합재료의 제조를 위한 ABS와 세라믹, 상용화제의 배합비율은 Table 1에 나타냈다. 여기서 세라믹 시료는 맥반석, 운모, 점토, 황토, 제올라이트, SiO2, 그리고 TiO2의 7가지 세라믹 입자들을 사용하였으며 각각의 세라믹 입자를 중량비율로 5개씩 제조하여 모두 35가지의 복합재료를 제조하였다. 상용화제의 배합비율은 가장 적은 양으로 효과가 좋은 10%로 고정하였다.
- Brabender Instruments, Inc. 제품으로 mixing head (TYPE R.E.O.-6)와 heating units (TYPE T-300)으로 구성되어있다.
- 항균입자를 제조하기 위한 은 이온의 공급원으로 AgNO3 (OCI Co., Ltd.)를, 그리고 은 이온을 삽입시키는 물질로는 층상화합물인 운모(SM-1000; Seo Kyung CMT Co., Ltd.) 입자를 사용하였다. 복합재로의 고분자 부분은 ABS (acrylonitrile butadiene styrene, TR557; LG Chem Ltd.
이론/모형
- 복합재료를 제조하기 위하여 melt process 방법을 사용하였다. 고분자는 융점 이상의 온도를 가해주어도 점도가 높기 때문에 세라믹 입자들과의 혼합이 매우 어렵다.
성능/효과
- 2. 모든 복합재료에서 공기투과율이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며 특히 맥반석을 5 ~ 20 wt% 혼합했을 경우 가장 통기성이 좋았다.
- 3. 복합재료의 친수성이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며 특히 황토를 50 wt% 혼합했을 경우 가장 친수성이 좋았다.
- 4. 항균입자 첨가 시 첨가되는 항균입자의 양에 비례하여 항균성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림에 나타내지는 않았지만 다른 세라믹 입자를 사용한 복합재료에서도 고분자와 세라믹 입자들이 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 internal Mixer 사용 후 ABS와 세라믹 입자들이 모두 균일하게 혼합되어 있음을 확인하였다.
- 3d) 원자들의 분포도를 나타냈다. 사진에서 나타난 바와 같이 각 원소들이 고르게 분포한 결과로부터 맥반석 입자가 복합재료 전체에 고르게 분포함을 알 수 있었다. 그림에 나타내지는 않았지만 다른 세라믹 입자를 사용한 복합재료에서도 고분자와 세라믹 입자들이 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있었다.
- 세라믹을 혼합한 복합재료는 모두 ABSMAPP보다 낮은 접촉각을 나타냈으며, 특히 황토를 50 wt% 혼합한 복합재료의 경우 접촉각이 28.41°로 가장 높은 친수성을 나타냈다.
- 이러한 결과는 고분자 물질보다 입자 내에 세공이 많은 세라믹 입자들을 통하여 공기가 통과하기 때문으로 해석된다. 입자 내에 나노세공이 많은 맥반석, 운모, 제올라이트의 복합재료들이 점토 또는 황토 복합재료에 비하여 통기성이 우수한 것으로 나타났으며 특히 맥반석을 5 wt% 이상 혼합 시 통기성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 통기성의 향상은 이 복합재료로 화분을 제조할 경우 식물의 뿌리에 더 많은 산소를 공급할 수 있어 식물의 성장에 유리한 조건이 될 수 있다.
- 3에 나타나 있다. 측정 결과 ABS의 주요 성분인 탄소가 가장 높은 밀도로 균일하게 분포되어 있어 ABS 고분자가 복합재료 전체에 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다(Fig. 3a). 다음으로 세라믹 입자 중의 하나인 맥반석의 분포를 보기 위하여 맥반석의 주요 성분인 산소(O, Fig.
- 그림에서 보이는 것처럼 은이 intercalate된 운모입자를 맥반석 입자에 섞는 양이 증가할수록 포자의 크기가 급격히 작아진 것을 관찰할 수 있었다. 특히 은이 intercalate된 운모입자를 2 wt% 이상 맥반석 입자와 혼합하여 사용할 경우 각종 균들이 거의 성장하지 못함을 확인하였다. 이러한 결과는 우리 생활에서 항균 효과를 필요로 하는 각종의 복합재료 제품에 널리 응용할 수 있다.
후속연구
- 12-13 은 제품은 각종 질병들로부터 균을 박멸하는 항균성과 살균성을 지니고 있어 여러 제품에 상용화되어 있다. 고분자 복합재료에 은 입자를 첨가함으로써 항균성을 가지게 한다면 많은 분야에서 그 응용이 가능할 것이다.
- 이들은 때때로 식물의 뿌리에 번식하여 식물을 고사시키기도 한다. 따라서 항균성을 가지는 화분이 개발된다면 환경에 민감한 고급식물의 재배에도 적당한 상품이 될 것이다. 이러한 목표를 위하여 플라스틱에 점토분 또는 특정 입자를 혼합하여 친수성 및 통기성의 향상과 더불어 항균작용을 하는 복합소재를 제조하는 것이 필요하다.
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