[논문]Biomass-based 고분자 블렌드 필름의 제조 및 특성 연구(2)

이수; 박명호

doi:10.12925/jkocs.2013.30.2.305

초록
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본 연구에서는 생분해성 고분자인 PLA(polylactic acid)의 기계적 열적 물성 향상을 위해 목재에서 얻은 펄프분말을 블랜딩하여 펄프분말의 함량에 따른 PLA/펄프 복합필름의 기계적, 열적 물성을 확인하였으며, 또한 이 복합필름에 가교제로 TDI(toluene diisocyanate)를 첨가하여 복합필름의 물성 향상을 확인하였다. 그 결과 순수한 PLA 필름의 경우 인장강도가 $565.25kg_f/cm^2$인 것을 확인하였으며, 펄프분말의 함량이 0.25 wt% 일 때의 인장강도가 $624.20kg_f/cm^2$로 약 9.1 % 증가하는 것을 확인하였다. 반면 연신율의 경우 전 복합필름이 순수 PLA 필름에 비해 약 50% 감소하는 것을 확인하였다. 그리고 가교제로 TDI를 첨가한 PLA/펄프분말의 경우도 TDI의 함량에 관계없이 0.25 wt%의 펄프분말만을 첨가한 복합필름에 비해 연신율이 낮았으며, 인장강도의 경우 500% TDI를 첨가한 경우 $640.43kg_f/cm^2$로 증가하였다. 또한, PLA/펄프 복합필름에서 TDI를 가교시킨 PLA/펄프 복합필름은 가교시키지 않은 PLA/펄프 복합필름에 비해 $300^{\circ}C$ 이하에서의 열적 안정성은 우레탄기의 형성에 의해 TDI의 함량이 높은 경우 약간 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

PLA(polylactic acid), one of biodegradable polymers was blended with various amounts of wood pulp powder through solution blending technic to verify the effect of reinforcing pulp amount on the mechanical properties of blend films. Also these blend films were further modified with TDI(toluene diisoc...

PLA(polylactic acid), one of biodegradable polymers was blended with various amounts of wood pulp powder through solution blending technic to verify the effect of reinforcing pulp amount on the mechanical properties of blend films. Also these blend films were further modified with TDI(toluene diisocyanate) as crosslinking agent to introduce urethane functions by reaction of pulp hydroxyl groups and isocyanate. As a result, the tensile strength of blend film with 0.25 wt% pulp was increased from $565.25kg_f/cm^2$ for PLA film itself to $624.20kg_f/cm^2$. However, elongation of this film was decreased by 50% of that of PLA film itself. Only PLA/pulp blend film further modified with 500% of TDI/0.25 wt% pulp showed the slightly increased tensile strength but decreased elongation. Melting point and glass transition temperature of PLA/pulp blend films were confirmed by using Differential Scanning Calorimeter(DSC). Thermal stability of these blend films measured by TGA showed only a slight increase at temperature lower than $300^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PLA/펄프 복합필름과 TDI를 첨가한 PLA/펄프 복합필름을 제조하고 성질을 연구하였다. 먼저 인장강도는 펄프 분말의 양이 0.
본 연구에서는 이러한 PLA의 물성향상을 위해 펄프와 디이소시아네이트를 첨가하여 우레탄 가교를 통한 기계적 특성 및 열적특성을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 PLA는 국내 (주)에콜그린의 평균분자량이 40000인 PLA를 사용하였으며, 펄프분말의 경우 미국 Buckeye사의 DP 354인 V-60 목재 펄프를 사용하였다. 그리고 PLA와 펄프의 가교제로 사용된 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)는 일본 TCI사 제품을, PLA의 용제로 사용된 클로로포름은 국산 삼천화학의 일급시약을 정제 없이 그대로 사용하였다.
본 연구에서 사용된 PLA는 국내 (주)에콜그린의 평균분자량이 40000인 PLA를 사용하였으며, 펄프분말의 경우 미국 Buckeye사의 DP 354인 V-60 목재 펄프를 사용하였다. 그리고 PLA와 펄프의 가교제로 사용된 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)는 일본 TCI사 제품을, PLA의 용제로 사용된 클로로포름은 국산 삼천화학의 일급시약을 정제 없이 그대로 사용하였다.

성능/효과

끝으로, 열적 특성의 경우 DSC thermogram으로부터 PLA의 유리전이온도, 결정화온도, 용융온도를 확인할 수 있었으나, 유리전이온도의 변화는 확인할 수 없었다. TGA 결과 PLA/펄프 복합필름에서 TDI를 가교시킨 PLA/펄프 복합필름은 가교시키지 않은 PLA/펄프 복합필름에 비해 300℃ 이하저온에서의 열적 안정성은 우레탄기의 형성에 의해 TDI의 함량이 높은 경우 약간 증가하였다.
또한, TDI의 양이 많을 경우(500%) 순수 PLA 필름의 인장강도보다 13% 정도 향상됨을 확인하였다. 그리고 FT-IR 스펙트럼의 결과와 SEM 측정을 통한 PLA/펄프 복합필름의 측면 형상 결과로부터 펄프와 PLA의 화학적 결합력이 매우 약하다고 판단하였으며, TDI로 가교시킨 PLA/펄프 복합필름의 경우는 높은 함량의 TDI를 첨가한 경우 TDI와 펄프의 히드록시기와의 우레탄 반응을 통한 가교가 일어나 PLA와 펄프의 결합력이 증가한 것이라고 볼 수 있었다. 그러나 측정한 FT-IR 스펙트럼에서는 반응 된 우레탄 흡수피크를 확인할 수 없었다.
끝으로, 열적 특성의 경우 DSC thermogram으로부터 PLA의 유리전이온도, 결정화온도, 용융온도를 확인할 수 있었으나, 유리전이온도의 변화는 확인할 수 없었다. TGA 결과 PLA/펄프 복합필름에서 TDI를 가교시킨 PLA/펄프 복합필름은 가교시키지 않은 PLA/펄프 복합필름에 비해 300℃ 이하저온에서의 열적 안정성은 우레탄기의 형성에 의해 TDI의 함량이 높은 경우 약간 증가하였다.
25 wt% 이상인 경우 인장강도는 감소하였으며, 연신율도 순수 PLA 필름보다 낮아졌지만 펄프 분말의 양에 따른 큰 변화는 없었다. 또한, TDI의 양이 많을 경우(500%) 순수 PLA 필름의 인장강도보다 13% 정도 향상됨을 확인하였다. 그리고 FT-IR 스펙트럼의 결과와 SEM 측정을 통한 PLA/펄프 복합필름의 측면 형상 결과로부터 펄프와 PLA의 화학적 결합력이 매우 약하다고 판단하였으며, TDI로 가교시킨 PLA/펄프 복합필름의 경우는 높은 함량의 TDI를 첨가한 경우 TDI와 펄프의 히드록시기와의 우레탄 반응을 통한 가교가 일어나 PLA와 펄프의 결합력이 증가한 것이라고 볼 수 있었다.
본 연구에서는 PLA/펄프 복합필름과 TDI를 첨가한 PLA/펄프 복합필름을 제조하고 성질을 연구하였다. 먼저 인장강도는 펄프 분말의 양이 0.25 wt% 이상인 경우 인장강도는 감소하였으며, 연신율도 순수 PLA 필름보다 낮아졌지만 펄프 분말의 양에 따른 큰 변화는 없었다. 또한, TDI의 양이 많을 경우(500%) 순수 PLA 필름의 인장강도보다 13% 정도 향상됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PLA/펄프 복합필름의 인장강도와 연신율을 확인하기 위해 본 연구에서는 무엇을 사용하였는가?	PLA/펄프 복합필름의 인장강도와 연신율을 확인하기 위해 국내 DST사의 만능시험기 (UTM-201)를 사용하였고, Load는 20 kgf, 시편의 폭을 15 mm로 고정하였으며, 지그 물림 길이를 20 mm로 하였다. 그리고 인장강도 측정 후 파단면의 형상을 확인하기 위해 주사전자현미경 (SEM, JSM-5000, 일본 Jeol사)을 사용하였으며, 표면의 화학적 구조를 확인하기 위하여 적외선분광기(IR, FT/IR-6300, 일본, Jasco사)을 사용하였다.
	천연에서 추출하여 얻어진 단량체를 중합해서 얻을 수 있는 PLA는 어떤 특징을 가지며, 어디에 사용되는가?	이러한 생분해성 고분자는 첫째, 바이오매스로부터 직접 추출하여 얻을 수 있고, 둘째, 천연에서 추출하여 얻어진 단량체를 중합하여 얻을 수 있으며, 끝으로 미생물이나 유전적으로 변형된 박테리아로부터 얻을 수 있다[1]. 위의 방법 중 두 번째 방법을 이용하여 얻을수 있는 PLA는 저습상태에서도 빠른 가수분해 없이 기계적 성질을 유지할 수 있기 때문에 활용 가치가 높은 것으로 평가되며 세계적으로 연간 15만톤 이상이 생산되고 있는 천연 열가소성 고분자이며, 의료용 봉합사, 혈관이식, 인공피부, 임플란트 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[2].
	생분해성 고분자를 얻을 수 있는 3가지 방법은?	이러한 친환경이라는 주제에 알맞은 물질인 생분해성 고분자가 있다. 이러한 생분해성 고분자는 첫째, 바이오매스로부터 직접 추출하여 얻을 수 있고, 둘째, 천연에서 추출하여 얻어진 단량체를 중합하여 얻을 수 있으며, 끝으로 미생물이나 유전적으로 변형된 박테리아로부터 얻을 수 있다[1]. 위의 방법 중 두 번째 방법을 이용하여 얻을수 있는 PLA는 저습상태에서도 빠른 가수분해 없이 기계적 성질을 유지할 수 있기 때문에 활용 가치가 높은 것으로 평가되며 세계적으로 연간 15만톤 이상이 생산되고 있는 천연 열가소성 고분자이며, 의료용 봉합사, 혈관이식, 인공피부, 임플란트 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[2].

참고문헌 (15)

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