친환경 소재인 바이오복합재료(bio-composites)의 제조를 위하여 기질 고분자로는 poly(lactic acid) (PLA)를 그리고 충전제(filler)로는 케나프 섬유(kenaf fiber)를 사용하였다. 또한 섬유와 고분자 사이의 계면결합 향상을 위해 아세틸화 케나프 섬유(acetylated kenaf fiber)와 상용화제(compatibilizer)를 첨가해 주었다. 본 연구에서는 화학처리와 상용화제가 기계적-점탄성과 형태학적 특성에 미치는 영향을 평가하였고, 섬유가 소수성이 될수록 기질 고분자와 높은 계면결합을 가지며 물성과 형태학적 성질 또한 향상된다는 결과를 보여줬다. 그러나 점탄성과 유리전이온도에는 큰 영향을 미치지 않는다는 사실을 확인하였다.
친환경 소재인 바이오복합재료(bio-composites)의 제조를 위하여 기질 고분자로는 poly(lactic acid) (PLA)를 그리고 충전제(filler)로는 케나프 섬유(kenaf fiber)를 사용하였다. 또한 섬유와 고분자 사이의 계면결합 향상을 위해 아세틸화 케나프 섬유(acetylated kenaf fiber)와 상용화제(compatibilizer)를 첨가해 주었다. 본 연구에서는 화학처리와 상용화제가 기계적-점탄성과 형태학적 특성에 미치는 영향을 평가하였고, 섬유가 소수성이 될수록 기질 고분자와 높은 계면결합을 가지며 물성과 형태학적 성질 또한 향상된다는 결과를 보여줬다. 그러나 점탄성과 유리전이온도에는 큰 영향을 미치지 않는다는 사실을 확인하였다.
Eco-friendly materials or bio-composites were made with poly(lactic acid) (PLA) as matrix polymer and kenaf fibers as filler. Also, acetylated kenaf fibers and compatibilizer were adopted in order to improve the interfacial adhesion between fiber and polymer. In this study, the effect of chemical mo...
Eco-friendly materials or bio-composites were made with poly(lactic acid) (PLA) as matrix polymer and kenaf fibers as filler. Also, acetylated kenaf fibers and compatibilizer were adopted in order to improve the interfacial adhesion between fiber and polymer. In this study, the effect of chemical modification and compatibilizer on the mechanical-viscoelastic and morphology properties of the bio-composites was discussed. The hydrophobic fibers by acetylation were known to show better interfacial bonding with the matrix polymer and resulted in improved performance and morphology. Viscoelastic property and glass transition temperature, however, were not nearly enhanced.
Eco-friendly materials or bio-composites were made with poly(lactic acid) (PLA) as matrix polymer and kenaf fibers as filler. Also, acetylated kenaf fibers and compatibilizer were adopted in order to improve the interfacial adhesion between fiber and polymer. In this study, the effect of chemical modification and compatibilizer on the mechanical-viscoelastic and morphology properties of the bio-composites was discussed. The hydrophobic fibers by acetylation were known to show better interfacial bonding with the matrix polymer and resulted in improved performance and morphology. Viscoelastic property and glass transition temperature, however, were not nearly enhanced.
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문제 정의
본 연구는 그 동안 주를 이루었던 비분해성 플라스틱 대신, 생분해성 고분자의 일종인 PLA에 친환경 충전제인 케나프 섬유를 첨가하여 제조한 바이오복합재료의 물성 검토의 일환으로, 섬유와 고분자 사이의 계면결합을 향상시키기 위해 상용화제 및 아세틸화 섬유로 제조된 생분해성 바이오복합재의 기계적, 점탄성 및 형태학적 특성을 분석, 평가하였다.
제안 방법
90:10, 80:20, 70:30, 60:40 (PLA/무처리 케나프 섬유)의 혼합비로 이루어진 복합재료의 인장강도 결과 값과 공정조건 및경제성을 고려하여 70:30의 혼합비로 이루어진 복합재료를 선정하게 되었다.
본 연구에서의 바이오복합재료 혼합비율을 Table 2에 나타내었으며 PLA와 케나프 섬유의 비율을 결정하기 위한 조건 설정 실험을 수행하였다. PLA/케나프 섬유 복합재료의 비교를 통해 최적의 복합재료를 선정하고 Table 3과 같이 조건을 달리해서 실험을 하였다.
각각의 섬유 표면 위에 sessile drop 방법으로 물을 떨어뜨린 후 접촉각 측정기 (SEO 300A, Surface & Electro-Optics Corp., Korea)를 이용하여 상온에서 접촉각을 측정하였다.
혼합된 재료를 실험실용 twin-screw extruder의 호퍼(hopper) 내로 공급하였으며, 이때 배럴(barrel) 온도는 PLA의 용융온도(140~152 ℃)보다 높은 175 ℃로 조절하였다. 다이(die)의 노즐로부터 사출된 긴 막대상의 물질(strand)을 냉각장치인 수조(water bath)에 통과시킨 다음 펠릿타이저(pelletizer)를 이용해 펠릿의 형태로 절단하였다. 이렇게 만들어진 펠릿은 수분의 침투를 방지하기 위해 플라스틱 봉지 안에 보관하였다.
본 연구에서의 바이오복합재료 혼합비율을 Table 2에 나타내었으며 PLA와 케나프 섬유의 비율을 결정하기 위한 조건 설정 실험을 수행하였다. PLA/케나프 섬유 복합재료의 비교를 통해 최적의 복합재료를 선정하고 Table 3과 같이 조건을 달리해서 실험을 하였다.
아세틸화가 예상대로 진행되었는지 확인하기 위해 JASCO 6100 FT-IR Spectrophotometer를 사용하였다. 시험 조건은 적외선 범위 4000~650 cm-1 , resolution은 4 cm-1 , 30 scans를 기본으로 하였고 mode는 ATR 방식을 사용하였다.
증가된 섬유의 소수성을 확인하기 위해 케나프 섬유와 아세틸화 케나프 섬유의 접촉각을 측정하였다. 각각의 섬유 표면 위에 sessile drop 방법으로 물을 떨어뜨린 후 접촉각 측정기 (SEO 300A, Surface & Electro-Optics Corp.
대상 데이터
또한 수분에 의한 영향을 최소화하기 위하여 80 ℃ 오븐에서 24시간 동안 건조시킨 후 플라스틱 봉지(polyethylene bags) 안에 보관하였다. Acetic anhydride는 Junsei Chemical Co. (Japan)로부터 구입하였으며 pyridine은 대정화학㈜으로부터 구매하였다.
본 연구에서 사용된 생분해성 고분자는 NatureWorks LLC에서 구입한 poly(lactic acid) (PLA)를 사용하였다. 펠릿(pellet) 상태인 PLA의 용융온도와 유리전이온도는 각각 140~152 ℃, 56.
24이다(Table 1). 천연 충전제로 사용된 케나프 섬유는 수통상㈜에서 제조된 인피섬유를 사용하였으며, 분쇄기의 40 mesh 망을 통하여 제조하였다. 또한 수분에 의한 영향을 최소화하기 위하여 80 ℃ 오븐에서 24시간 동안 건조시킨 후 플라스틱 봉지(polyethylene bags) 안에 보관하였다.
의 전계방사 주사현미경 (Field Emission-Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)을 사용하였다. 측정하기 전에 시편은 전자 저해 요건을 제거하기 위해 순도 99.99% 백금으로 코팅을 하였다.
이론/모형
아세틸화가 예상대로 진행되었는지 확인하기 위해 JASCO 6100 FT-IR Spectrophotometer를 사용하였다. 시험 조건은 적외선 범위 4000~650 cm-1 , resolution은 4 cm-1 , 30 scans를 기본으로 하였고 mode는 ATR 방식을 사용하였다.
바이오복합재료의 점탄성은 TA Instruments Co.의 동적기계 분석기(DMA, Dynamic Mechanical Analysis, Q800)를 이용하여 dual cantilever방법으로 측정하였다. 시험조건은 온도 범위 -20 ~ 140 ℃, 승온속도 2 ℃/min, frequency는 1 Hz, strain rate는 0.
제조된 바이오복합재료의 인장강도 및 굴곡강도 측정을 위해 ASTM D 638-10, ASTM D 790-10에 따라 만능시험기 (Universal Testing Machine, Zwick Co.)를 사용하였다. 이때의 crosshead 속도는 5 mm/min이며 상온에서 실시하였다.
성능/효과
아세틸화 케나프 섬유 첨가에 의한 복합재료 파단면 (e) 사진을 보게 되면, 공극의 수가 현저히 줄어들어 표면이 매끄러운 것을 확인할 수 있다. 또한 (f) 사진을 보게 되면, 케나프 섬유와 고분자 사이의 계면결합이 현저하게 개선되었고 PLA 고분자 중에서의 케나프 섬유의 고른 분산도 확인할 수 있다.
아세틸화 케나프 섬유 첨가에 의한 복합재료 파단면 (e) 사진을 보게 되면, 공극의 수가 현저히 줄어들어 표면이 매끄러운 것을 확인할 수 있다. 또한 (f) 사진을 보게 되면, 케나프 섬유와 고분자 사이의 계면결합이 현저하게 개선되었고 PLA 고분자 중에서의 케나프 섬유의 고른 분산도 확인할 수 있다. 이는 아세틸화 처리된 케나프 섬유 첨가에 의한 복합재의 경우 케나프 섬유의 -OH기는 acetyl기로 치환되었고 그 결과 낮은 극성을 나타냈기 때문인 것으로 여겨졌다.
PLA와 무처리 케나프 섬유, 무처리 케나프 섬유/MAPLA, 아세틸화 케나프 섬유의 첨가에 의해 제조된 바이오복합재료의 인장강도시험 결과 친수성인 섬유가 소수성으로 될수록 PLA와 케나프 섬유간의 계면결합은 향상되는 것을 알 수 있었다. FE-SEM micrographs을 통해 케나프 섬유와 기질 고분자 사이의 높은 계면결합과 파단면의 매끄러움 및 섬유의 분산도 증가 또한 증명되었다.
PLA와 무처리 케나프 섬유, 무처리 케나프 섬유/MAPLA, 아세틸화 케나프 섬유의 첨가에 의해 제조된 바이오복합재료의 인장강도시험 결과 친수성인 섬유가 소수성으로 될수록 PLA와 케나프 섬유간의 계면결합은 향상되는 것을 알 수 있었다. FE-SEM micrographs을 통해 케나프 섬유와 기질 고분자 사이의 높은 계면결합과 파단면의 매끄러움 및 섬유의 분산도 증가 또한 증명되었다.
굴곡강도 시험에서 상용화제 첨가에 의한 복합재의 경우 무처리에 의한 복합재료와 차이가 없었지만, 아세틸화 케나프 섬유 첨가에 의한 복합재료는 다른 두 복합재료보다 향상된 굴곡강도 값을 보여줬다. 그러나 순수 PLA 고분자만에 의한 것보다는 오히려 낮은 굴곡강도 값을 나타내었다.
8 Mpa) 보다 낮은 굴곡강도 값을 보였는데, 이는 섬유가 분쇄기의 40 mesh 망을 거쳐 분말상태와 비슷한 형태를 갖추었고 섬유의 길이 또한 짧아 졌기 때문이라고 여겨졌다. 굴곡강도 시험은 위에서 누르는 하중에 견딜 수 있는 최대값을 보여주는 시험으로써, 섬유가 짧아질수록 섬유끼리의 얽힘 비율이 저하되어 하중에 견디는 힘이 작아지게 됨으로써 굴곡강도 또한 감소된 것으로 사료되었다. 또한 아세틸화 처리된 섬유는 무처리 케나프 섬유로 제조된 복합재료보다 높은 굴곡강도 값을 나타냈는데 이는 케나프 섬유를 아세틸화 할 경우, 핵생성 밀도의 증가로 인해 섬유와 기질 고분자 사이에 결정성 입자들이 증가하게 되고 그 결과 계면결합이 향상된 것으로 여겨졌다.
이것은 섬유의 표면이 아세틸화 되면, 낮은 표면에너지를 갖게 된다는 것을 의미하고 또한 소수성 증가로 인해 젖음성과 부착력도 낮아진다는 것을 의미한다. 그러므로 이 결과를 통해 섬유는 아세틸화 될 수록 친수성에서 소수성인 성질을 갖게 된다는 것을 확인할 수 있었다.11
케나프 섬유는 아세틸화 처리에 의해 친수성에서 소수성인 성질로 바뀌게 되었으며 이는 무처리 케나프 섬유와 아세틸화 케나프 섬유의 접촉각 측정을 통해 확인할 수 있었다. 또한 FT-IR을 사용하여, 아세틸화 처리된 케나프 섬유는 부분적으로 치환이 되었다는 것을 관능기 조사를 통해 확인할 수 있었다.
굴곡강도 시험은 위에서 누르는 하중에 견딜 수 있는 최대값을 보여주는 시험으로써, 섬유가 짧아질수록 섬유끼리의 얽힘 비율이 저하되어 하중에 견디는 힘이 작아지게 됨으로써 굴곡강도 또한 감소된 것으로 사료되었다. 또한 아세틸화 처리된 섬유는 무처리 케나프 섬유로 제조된 복합재료보다 높은 굴곡강도 값을 나타냈는데 이는 케나프 섬유를 아세틸화 할 경우, 핵생성 밀도의 증가로 인해 섬유와 기질 고분자 사이에 결정성 입자들이 증가하게 되고 그 결과 계면결합이 향상된 것으로 여겨졌다.15
5 M NaOH 용액을 10 mL 첨가한 후, 다시 50 - 60 ℃ 온도에서 15분 동안 교반하였다. 모든 교반이 끝난 후, 상온에서 48시간 후에 페놀프탈레인 용액과 0.5 M HCl을 사용하여 치환도를 측정한 값은 약 1.6이었다.
물방울을 떨어뜨린 다음 15초 후 접촉각을 측정해 본 결과, 무처리 케나프 섬유에서는 0°, 아세틸화 케나프 섬유에서는 116 ± 2°의 값을 얻을 수 있었다.
이는 앞서 언급한 낮은 계면결합뿐만 아니라 기질 고분자인 PLA 내에서의 케나프 섬유 입자들 간 마찰도 영향을 준 것으로 사료되었다. 반면, PLA/무처리 케나프 섬유/MAPLA와 PLA/아세틸화 케나프 섬유 복합재료의 경우 PLA/무처리 케나프 섬유 복합재료보다 향상된 탄성률을 보였는데 이는 섬유의 분산도 증가로 인해 섬유와 고분자 사이의 응집은 줄어들게 되고 이로 인해 계면결합 또한 높아졌음에 기인하는 것으로 여겨졌다.
본 연구를 통해 친수성인 케나프 섬유가 점점 더 소수성으로 바뀌어 갈수록 PLA와의 계면결합은 증가되고 물성 및 조직의 치밀성 또한 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 4는 바이오 복합재료(PLA/무처리 케나프 섬유 복합재)의 인장강도 시험 결과로 충전제 역할을 하는 케나프 섬유의 양에 따른 강도 값을 나타내었다. 순수 PLA 고분자를 사용 했을 때의 인장강도 값이 가장 크게 나타났고, 케나프 섬유의 첨가량 증가에 따라 인장강도가 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 케나프 섬유의 양이 증가할수록 소수성인 PLA와 친수성인 케나프 섬유 사이의 접촉 비표면적이 증가하게 되고그 결과 낮은 계면결합을 가지기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
케나프의 장점은 무엇인가?
이러한 문제를 해결하기 위한 방안의 하나로 충전제 첨가를 들 수 있다. 4 케나프(kenaf)는 다년생 식물로서 기후 조건에 제약이 적어 재배가 용이하다는 장점과 열적 성질이 좋으며, 밀도가 낮고 값이 싼 특징을 지닌다. 5 그러나 충전제로 사용되고 있는 케나프 섬유는 친수성을 띠므로, 소수성의 기질 고분자와 혼합시킬 경우 낮은 계면결합으로 인해 물성이 저하되며, 이는 최종 산물인 바이오복합재료의 치명적인 단점이 될 수 있다.
poly(lactic acid)란 무엇인가?
본 연구에 사용된 poly(lactic acid) (PLA)는 현재 국내외적으로 많은 연구가 진행중인 생분해성 플라스틱의 일종이며 사탕수수, 옥수수 등으로부터 생산되는 재생가능한 열가소성 폴리 에스터이다. 2 또한 토양 매립 시 자연환경에 존재하는 미생물에 의한 생분해가 가능할 뿐만 아니라, 기존의 범용 고분자 대체재로 각광받고 있는 친환경재료이다.
기후변화 협약 및 새로운 환경법규 등 세계적으로 환경 규제가 점차 강화되고 있으며, ‘저탄소 녹색성장’ 이라는 슬로건에 부합하는 지속 및 재생 가능한 친환경 소재에는 무엇이 있는가?
또한 기후변화 협약 및 새로운 환경법규 등 세계적으로 환경 규제가 점차 강화되고 있으며, ‘저탄소 녹색성장’ 이라는 슬로 건에 부합하는 지속 및 재생 가능한 친환경 소재들이 점차 부각되고 있다. 1 이러한 해결책 중 하나로 바이오매스 기반인 바이오소재(바이오플라스틱, 바이오복합재료 등)를 들 수 있는데 이는 지속적으로 사용되고 있는 polyethylene, polypropylene, polystyrene 등과 같은 비분해성 고분자를 대체하기 위함이다.
참고문헌 (19)
조동환, 김현중, "자연순환형 바이오복합재료", Elastomers and Composites, 44, 13 (2009).
Z. Q. Li, X. D. Zhou, and C. H. Pei, "Preparation and characterization of bacterial cellulose/polylactide nanocomposites", Polymer-Plastics Technology and Engineering, 49, 141 (2010).
L. Liu, J. Yu, L. Cheng, and X. Yang, "Biodegradability of poly (butylene succinate)(PBS) composite reinforced with jute fibre", Polymer Degradation and Stability, 94, 90 (2009).
B. H. Lee, H. S. Kim, S. Lee, H. J. Kim, and J. R. Dorgan, "Bio-composites of kenaf fibers in polylactide: Role of improved interfacial adhesion in the carding process", Composites Science and Technology, 69, 2573 (2009).
M. Jonoobi, J. Harun, A. P. Mathew, M. Z. B. Hussein, and K. Oksman, "Preparation of cellulose nanofibers with hydrophobic surface characteristics", Cellulose, 17, 299 (2010).
V. Tserki, P. Matzinos, S. Kokkou, and C. Panayiotou, "Novel biodegradable composites based on treated lignocellulosic waste flour as filler. Part I. Surface chemical modification and characterization of waste flour", Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 36, 965 (2005).
N. Zafeiropoulos, G. Dijon, and C. Baillie, "A study of the effect of surface treatments on the tensile strength of flax fibres: Part I. Application of Gaussian statistics", Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38, 621 (2007).
A. Yussuf, I. Massoumi, and A. Hassan, "Comparison of polylactic acid/kenaf and polylactic acid/rise husk composites: the influence of the natural fibers on the mechanical, thermal and biodegradability properties", Journal of Polymers and the Environment, 18, 422 (2010).
N. A. Ibrahim, W. M. Z. W. Yunus, M. Othman, K. Abdan, and K. A. Hadithon, "Poly (Lactic Acid)(PLA)-reinforced kenaf bast fiber composites: the effect of triacetin", Journal of Reinforced Plastics and Composites, 29, 1099 (2010).
H. S. Yang, M. P. Wolcott, H. S. Kim, S. Kim, and H. J. Kim, "Effect of different compatibilizing agents on the mechanical properties of lignocellulosic material filled polyethylene bio-composites", Composite Structures, 79, 369 (2007).
M. Huda, L. Drzal, A. Mohanty, and M. Misra, "Effect of fiber surface-treatments on the properties of laminated biocomposites from poly (lactic acid)(PLA) and kenaf fibers", Composites Science and Technology, 68, 424 (2008).
S. Ochi, "Mechanical properties of kenaf fibers and kenaf/PLA composites", Mechanics of Materials, 40, 446 (2008).
R. Agrawal, N. Saxena, K. Sharma, S. Thomas, and M. Sreekala, "Activation energy and crystallization kinetics of untreated and treated oil palm fibre reinforced phenol formaldehyde composites", Materials Science and Engineering A, 277, 77 (2000).
L. C. Tome, R. J. B. Pinto, E. Trovatti, C. S. R. Freire, A. J. D. Silvestre, C. P. Neto, and A. Gandini, "Transparent bionanocomposites with improved properties prepared from acetylated bacterial cellulose and poly (lactic acid) through a simple approach", Green Chemistry, 13, 419 (2011).
Q. Zhou, D. Cho, B. K. Song, and H. J. Kim, "Novel jute/polycardanol biocomposites: effect of fiber surface treatment on their properties", Composite Interfaces 16, 7, 781 (2009).
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