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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 과일봉지 코팅 시 주로 사용되는 아마인유, 파라핀 왁스나 아크릴계 유성 발수제와의 비교를 위해 이전의 논문7)에서 선별된 고분자 에멀션을 제조하여 과일봉지 원지에 코팅한 후 열처리에 따른 발수도, 기계적 강도 및 형태적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 하지만 열처리 후에는 고분자 에멀션이 열 융착되어 후기 발수도에 영향을 준 것으로 보인다. PBS 에멀션 코팅 종이(Fig. 10)의 경우는 열처리 전에는 PLA 에멀션 코팅 종이와 마찬가지로 섬유와 공극 사이에 에멀션이 투입된 것을 관찰하였다. 열처리 후에는 PLA 에멀션 코팅 종이와는 달리 PBS 에멀션 코팅 종이에 콜로이드 입자의 일부가 남아 있는 것을 관찰하였다.
- 2와 같은 함침법으로서 70-80℃의 용융된 왁스에 시료를 함침시켜 10초 후 꺼낸다. 그 다음 여과지를 이용하여 과량의 용융 왁스를 제거하여 코팅지를 제조하였다.
- 기존의 발수 코팅지와 본 연구의 고분자 에멀션 코팅지의 물성을 비교하기 위해 상업용으로 과일봉지에 사용되고 있는 아크릴계 유성 발수제(acrylic repellent), 아마인유(linseed oil) 및 파라핀 왁스(paraffin wax)를 Fig. 1과 2의 방법으로 코팅하였다. Fig.
- 기존의 아마인유나 파라핀 왁스 대신에 W/O type의 고분자 에멀션을 제조하여 과일봉지에 코팅한 후 열처리에 따른 발수도, 강도 및 형태적 특성을 비교‧분석한 결과는 다음과 같다.
- 따라서 본 연구에서는 각각의 발수 코팅지를 150 ± 0.5℃의 dry oven에 넣어 0, 12, 24, 48, 72, 96, 120시간동안 처리하며 매일 3회씩 분무기를 이용하여 충분히 젖을 때까지 수분을 공급하였다.
- 3은 최적 조건으로 제조한 W/O 타입의 PLA 및 PBS 에멀션, 아크릴계 유성 발수제, 아마인유 및 파라핀 왁스를 처리한 코팅지의 열화에 따른 발수도의 감소율을 나타낸 그래프이다. 본 연구에서는 120시간의 열처리 시간을 정하여 내구성 실험을 진행하였다. 엄 등의 연구8)에서 150℃에서 48시간 열처리한 것은 노지에서 20일, 120시간 열처리 한 것은 약 60일에 해당한다는 연구결과를 토대로 한 것이다.
- 10)의 경우는 열처리 전에는 PLA 에멀션 코팅 종이와 마찬가지로 섬유와 공극 사이에 에멀션이 투입된 것을 관찰하였다. 열처리 후에는 PLA 에멀션 코팅 종이와는 달리 PBS 에멀션 코팅 종이에 콜로이드 입자의 일부가 남아 있는 것을 관찰하였다. 이는 PBS가 PLA보다 내열성이 더 높은 장점을 가지고 있어서 열처리 후에도 일부가 남아 있는 것으로 생각된다.
- 요약하여 설명하면 3 mL의 코팅액을 코팅할 시료(15 × 20 cm) 위에 골고루 분산시키고 K control coater(K 101, MK, Korea)를 이용하여 bar number 4에 4 m/min의 코팅속도로 코팅을 실시하여 24시간동안 상온에서 건조하여 각 코팅지를 제조하였다.
- 열화된 각각의 발수 코팅지는 Korea Standard에 의거하여 발수도 및 강도를 측정하였다. 코팅된 종이의 표면 형태는 FE-SEM으로 열화된 시료의 표면을 100 및 1,000배율로 관찰하였다. 이상의 특성 분석에 관한 기준과 측정기기 등을 Table 3에 나타내었다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 생분해성 고분자 에멀션은 지방족 폴리에스테르계 고분자인 poly(lactic acid)와 poly(butylene succinate)를 이용하여 이전의 논문7)과 동일한 방법(W/O 타입)으로 제조하였으며 각 생분해성 고분자 에멀션의 특성을 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에 사용한 원지는 N사에서 생산하는 백색 과일봉지(포도봉지) 원지로서 평균 평량이 35 g/m2가 되는 것을 사용하였다.
이론/모형
- 열화된 각각의 발수 코팅지는 Korea Standard에 의거하여 발수도 및 강도를 측정하였다. 코팅된 종이의 표면 형태는 FE-SEM으로 열화된 시료의 표면을 100 및 1,000배율로 관찰하였다.
성능/효과
- 1) 고분자 에멀션 코팅 종이의 초기 발수도는 다른 발수제를 처리한 종이보다 발수성 감소 경향이 줄어들었다.
- 2) 기존 발수제보다 PLA 혹은 PBS 에멀션으로 코팅한 종이의 열처리 후 강도 감소 경향이 줄어들었다.
- 2. 2항의 방법으로 코팅된 발수 코팅지는 실제 과수농가에서 사용되는 것이기 때문에 열화 시험을 실시하여 노화에 따른 코팅지의 내구성을 시험하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 각각의 발수 코팅지를 150 ± 0.
- 3) 에멀션 코팅 종이의 FE-SEM 결과, 열처리 후에는 에멀션의 콜로이드 입자가 융착되어 섬유사이에 고착되었다.
- 4는 고분자 에멀션, 아크릴계 유성 발수제, 아마인유 및 파라핀 왁스 코팅 종이를 열처리시킨 후 건조 인장강도를 측정한 것이다. Paraffin wax를 코팅한 종이의 초기 강도가 가장 높게 나타났으며 본 연구의 고분자 에멀션을 코팅한 종이는 기존의 아마인유나 아크릴계 유성발수제와 유사한 강도를 보였다. 하지만 열처리 시간이 경과함에 따라 그 감소율은 기존 3종류의 발수 코팅제(paraffin wax, 아마인유, 아크릴계 유성발수제)보다 낮았고 96시간 이후에는 고분자 에멀션 코팅 종이의 강도가 기존의 것보다 더욱 높은 강도를 유지하였다.
- 하지만 열처리 시간에 따라 왁스는 급격히 고화되어 코팅층이 부서지거나 벗겨져 습윤 인장강도 유지 효과를 기대하기 어려웠다. 생분해성 고분자 에멀션 코팅지는 초기 강도는 기존의 발수제보다 조금 낮았으나 시간 경과에 따라 그 감소폭이 작았으며, 특히 열처리 48시간 이후에는 기존의 발수제를 코팅지보다 높은 습윤 인장강도를 보였다. 특히, 120시간 후에는 기존 발수제를 코팅한 종이는 초기 습윤 인장강도에 비해 75 - 80%의 강도감소를 보였으나 고분자 에멀션 코팅 종이는 약 50% 이하로 습인장강도가 감소만 보였다.
- 엄 등의 연구8)에서 150℃에서 48시간 열처리한 것은 노지에서 20일, 120시간 열처리 한 것은 약 60일에 해당한다는 연구결과를 토대로 한 것이다. 생분해성 고분자를 처리한 종이의 열처리 전 발수도는 열처리 48시간 후에는 다른 발수제보다 발수도 감소율이 낮아 생분해성 고분자 발수 에멀션이 더 높은 발수도를 보였으며, 열처리 120시간 후 다른 3종의 발수제를 사용한 코팅지에서는 발수도가 약 80% 감소하여 거의 발수성이 없는 상태가 되었으나 고분자 에멀션 코팅지는 발수도 감소율은 50% 미만으로 발수 기능이 남아있는 것을 관찰하였다. 이는 생분해성 고분자 에멀션이 녹는점이 높고 curing 과정을 거치기 때문에 다른 발수제에 비해 분해 시간이 늦어지면서 나타나는 결과로 보여 진다.
- 이상의 결과를 바탕으로 생분해성 고분자 에멀션을 노지에서 과일봉지에 적용을 했을 때, 초기의 작업적성이 뛰어나 쉽게 과일봉지를 씌우는 작업을 할 수 있을 것이며 발수성과 내구성이 기존 발수제보다 더 우수하여 장기간 노지에 노출시켜도 기존 발수제를 코팅한 과일봉지보다 더 오랜 시간동안 과일을 보호해 줄 수 있을 것으로 예상된다.
- 생분해성 고분자 에멀션 코팅지는 초기 강도는 기존의 발수제보다 조금 낮았으나 시간 경과에 따라 그 감소폭이 작았으며, 특히 열처리 48시간 이후에는 기존의 발수제를 코팅지보다 높은 습윤 인장강도를 보였다. 특히, 120시간 후에는 기존 발수제를 코팅한 종이는 초기 습윤 인장강도에 비해 75 - 80%의 강도감소를 보였으나 고분자 에멀션 코팅 종이는 약 50% 이하로 습인장강도가 감소만 보였다. 이는 기존의 발수제가 시간 경과에 따라 분해가 일어나는 반면, 생분해성 고분자 에멀션은 콜로이드 입자가 고온에 용융되어 섬유와 공극을 메우기 때문으로 예상된다.
- 인장강도의 경우, 과일봉지 원지에 사용된 모든 발수제가 열화에 따른 강도 감소가 1에 가까운 높은 R2 값을 보였다. 하지만 습윤 인장강도에서는 기존의 발수제 중 아크릴계 발수제와 파라핀 왁스는 초기 강도가 아주 높았으나 12시간 열화 후 급격한 강도 감소를 보여 생분해성 고분자 발수 에멀션이나 아마인유에 비해 R2 값이 떨어진 것을 알 수 있었다. 하지만 전체적으로 발수 코팅을 한 종이의 강도 감소는 선형으로 예측 가능하게 감소하는 것을 알 수 있다.
- Paraffin wax를 코팅한 종이의 초기 강도가 가장 높게 나타났으며 본 연구의 고분자 에멀션을 코팅한 종이는 기존의 아마인유나 아크릴계 유성발수제와 유사한 강도를 보였다. 하지만 열처리 시간이 경과함에 따라 그 감소율은 기존 3종류의 발수 코팅제(paraffin wax, 아마인유, 아크릴계 유성발수제)보다 낮았고 96시간 이후에는 고분자 에멀션 코팅 종이의 강도가 기존의 것보다 더욱 높은 강도를 유지하였다.
후속연구
- 본 고분자 에멀션은 TEA와 같은 유화제가 수분을 비교적 잘 정착시키기 때문에 초기 stiffness는 가장 낮게 나타난 것이다. 이는 실제 과수 농가에서 과일에 과일 봉지를 씌우는 작업을 할 때에 더욱 쉽게 과일 봉지를 씌울 수 있어 작업적성이 좋아질 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 열처리가 진행됨에 따라 에멀션 코팅 종이의 stiffness는 급격히 증가하였다.
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