[논문]생분해성 PLA-PBAT 블렌드 필름을 이용한 친환경 포트의 특성 연구

박한샘; 강재련; 송강엽; 서원준; 이선주; 이원기

doi:10.5322/jesi.2015.24.8.1037

생분해성 PLA-PBAT 블렌드 필름을 이용한 친환경 포트의 특성 연구
Study on Properties of Eco-friendly Pot with Biodegradable PLA/PBAT Blend Film 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.24 no.8, 2015년, pp.1037 - 1043

박한샘 (부경대학교 고분자공학과) , 강재련 (부경대학교 고분자공학과) , 송강엽 (부경대학교 고분자공학과) , 서원준 (부경대학교 고분자공학과) , 이선주 (부경대학교 고분자공학과) , 이원기 (부경대학교 고분자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Since single-use disposable plastic usage has steadily been increasing, recent trends in polymeric research point to increasing demand for eco-friend materials which reduce plastic waste. A huge amount of non-degradable polypropylene (PP)-based pots for seedling culture are discarded for transplantation. The purpose of this study is to investigate an eco-friendly biodegradable material as a possible substitute for PP pot. The blend of poly(lactic acid) (PLA) with poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) was used because of its good mechanical and flexible properties as well as biodegradation. After landfill, various properties of the blend pot were investigated by UTM, SEM, NMR and TGA. The results showed the tensile strength of the blend film rapidly decreased after 5 weeks of landfill due to degradation. From NMR data after landfill, the composition of PLA in the blend was decreased. These results indicate that the biodegradation of the blend preferentially occurs in PLA component. To investigate the effect of holes in pot bottom and side on root growth, a plant in the pot was grown. Some roots came out through holes as landfill period increases. These results indicate that the eco-friendly pot can be directly planted without the removal of pot.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

사용 후, PP포트는 버려지는데 일부 소각을 제외하면 대부분 매립되는데 이러한 매립은 앞서 언급한 바와 같이 심각한 토양오염을 유발시킨다(한국 바이오 소재 패키징 협회,2012). 따라서 버려지는 폐 포트 발생량을 줄이기 위해 생분해성 고분자를 포트 재료로 검토하고 저 하였다. 본 연구는 토양 내에서 완전 생분해가 가능하며, 비교적 물성이 우수한 PLA/PBAT 블렌드 필름을 사용하여 포트를 제작하였고, 토양 내에서의 생분해성과 실용성을 고찰하였다.
따라서 버려지는 폐 포트 발생량을 줄이기 위해 생분해성 고분자를 포트 재료로 검토하고 저 하였다. 본 연구는 토양 내에서 완전 생분해가 가능하며, 비교적 물성이 우수한 PLA/PBAT 블렌드 필름을 사용하여 포트를 제작하였고, 토양 내에서의 생분해성과 실용성을 고찰하였다. PLA/PBAT 블렌드로 포트를 제작할 경우, 기존 PP재질과는 달리 토양 내에서 완전 생분해가 되므로 환경적인 문제를 일으키지 않으며, 분갈이 시 포트를 제거하지 않아도 되며 포트를 제거하는 과정에서 일어날 수 있는 뿌리 손상을 방지할 수 있다.
본 연구에서는 생분해성 고분자인 PLA/PBAT 블렌드 필름을 이용해 분갈이 시 함께 매립이 가능한 친환경 포트를 제작하고 토양에 매립하였을 때의 특성을 고찰하였다. 블렌드 필름을 토양에 매립할 경우, 5주 이후부터 인장강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났으며 유사한 결과가 모폴로지 측정으로부터도 확인되었다.

제안 방법

TGA와 DSC는 질소분위기 하에서 10°C/min의 승온 속도로 측정하였다.
반면 매립 전에는 구멍 밖으로 뿌리가 나올 경우 유통과정이나 보관 시에 뿌리가 손상될 수 있다. 따라서 포트의 구멍이 식물생장에 끼치는 영향을 알아보기 위해 포트 내 식물을 심은 후 매립 전 과 매립 후를 비교해 보았다. Fig.
6에 나타내었는데 매립 전 블렌드 필름의 표면은 부분 상용성에 의해 미세 덩어리들이 관찰되고 매립 5주차까지는 표면 모폴로지에서 큰 변화를 보이지 않는다. 매립 8주차에서는 토양의 하중이 집중된 영역 주변으로 오목한 형상의 부분적 분해 형상을 관찰하였다. 14주가 경과한 후의 필름의 표면 모폴로지는 부분 분해된 오목한 형상의 수가 증가하며 형상주위로 분해에 의해 균열이 명확히 관찰된다.
매립 후 실내온도는 25 °C로 유지하고 주 2회 500 ml씩 공급하였다.
TGA와 DSC는 질소분위기 하에서 10°C/min의 승온 속도로 측정하였다. 매립시간에 따른 필름의 표면 모폴로지는 SEM (TESCAN (Czech), VEGALSU)을 이용하여 측정하였고 기계적 물성은 UTM(Tinius Olsen, H1K-T UTM)측정을 통해 매립기간에 따른 물성변화를 확인하였다. UTM용 시편은 JIS K6301-3규격에 따라 제조하였다.
매립에 따른 블렌드 필름의 생분해 특성을 알아보기 위해 필름을 실제 식물이 자라는 환경의 토양과 유사한 배양토에 매립하였다. 필름시편은 두께 0.
구멍은 원활한 수분방출 기능과 더불어 뿌리가 포트 밖으로 성장할 수 있고 분해속도의 증진효과도 가져다 줄 수 있다. 매립에 따른 특성을 확인하기 위하여 배양토 내에 매립한 샘플화분을 5월에서 8월까지 14주간 옥외에 노출하고 주 2회 500 ml의 수분을 보충하여 매립시간 경과에 따른 특성 변화를 고찰하였다. 추출된 샘플은 증류수로 5회 이상 세척하고 충분히 건조한 후 측정하였다.
매립 후 실내온도는 25 °C로 유지하고 주 2회 500 ml씩 공급하였다. 매립한 블렌드 필름은 주단위로 수거하여 증류수로 수회 세척하고 충분히 건조한 후 물성을 측정하였다.
2. 분석
분해 전후의 블렌드 필름의 조성을 확인하기 위하여 d-chloroform을 용매로 하여 H-NMR (Jeol, Jnmecp400)분석을 하였다. 열적특성은 TGA (Perkin Elmer,U.
06 mm)으로 제조되었다. 생분해 속도를 향상시키고 식물의 생장을 돕기 위해 포트의 옆면에 24개, 밑면에 4개의 지름 1 mm 구멍을 만들어 주었다. 구멍은 원활한 수분방출 기능과 더불어 뿌리가 포트 밖으로 성장할 수 있고 분해속도의 증진효과도 가져다 줄 수 있다.
분해 전후의 블렌드 필름의 조성을 확인하기 위하여 d-chloroform을 용매로 하여 H-NMR (Jeol, Jnmecp400)분석을 하였다. 열적특성은 TGA (Perkin Elmer,U.S.A, TGA 7)와 DSC (Mettler toledo, DSC1)을 이용하여 측정하였다. TGA와 DSC는 질소분위기 하에서 10°C/min의 승온 속도로 측정하였다.
매립에 따른 특성을 확인하기 위하여 배양토 내에 매립한 샘플화분을 5월에서 8월까지 14주간 옥외에 노출하고 주 2회 500 ml의 수분을 보충하여 매립시간 경과에 따른 특성 변화를 고찰하였다. 추출된 샘플은 증류수로 5회 이상 세척하고 충분히 건조한 후 측정하였다. 사용된 배양토는 배양토 전문기업인 땅심에서 판매되고 있는 분갈이 용토(원료 : 코코피스, 미사, 제라이드, 수피, 질석)를 사용하였다.
PLA/PBAT 블렌드로 포트를 제작할 경우, 기존 PP재질과는 달리 토양 내에서 완전 생분해가 되므로 환경적인 문제를 일으키지 않으며, 분갈이 시 포트를 제거하지 않아도 되며 포트를 제거하는 과정에서 일어날 수 있는 뿌리 손상을 방지할 수 있다. 토양 매립기간에 따른 샘플의 물성 변화를 H-nuclear magnetic resonance (H-NMR),thermo gravimetric analyzer (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscope (SEM),universal testing machine (UTM) 측정을 통해 포트 물성을 고찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 필름은 NPI의 PLA/PBAT 블렌드 필름(두께 : 0.02 mm)으로 생분해성 시험방법인 KS M ISO14855-1에 의거하여 92.1%의 생분해성이 입증된 샘플을 사용하였다. Fig.
추출된 샘플은 증류수로 5회 이상 세척하고 충분히 건조한 후 측정하였다. 사용된 배양토는 배양토 전문기업인 땅심에서 판매되고 있는 분갈이 용토(원료 : 코코피스, 미사, 제라이드, 수피, 질석)를 사용하였다.
매립에 따른 블렌드 필름의 생분해 특성을 알아보기 위해 필름을 실제 식물이 자라는 환경의 토양과 유사한 배양토에 매립하였다. 필름시편은 두께 0.02 mm, 가로 30 cm, 세로 20 cm로 제작되었다. 매립 후 실내온도는 25 °C로 유지하고 주 2회 500 ml씩 공급하였다.

데이터처리

UTM용 시편은 JIS K6301-3규격에 따라 제조하였다. 매립기간에 따라 각 5개의 시편을 정하고 최댓값과 최솟값을 제외한 나머지 3개의 측정값으로 평균을 구하였다.

이론/모형

매립시간에 따른 필름의 표면 모폴로지는 SEM (TESCAN (Czech), VEGALSU)을 이용하여 측정하였고 기계적 물성은 UTM(Tinius Olsen, H1K-T UTM)측정을 통해 매립기간에 따른 물성변화를 확인하였다. UTM용 시편은 JIS K6301-3규격에 따라 제조하였다. 매립기간에 따라 각 5개의 시편을 정하고 최댓값과 최솟값을 제외한 나머지 3개의 측정값으로 평균을 구하였다.

성능/효과

3A의 NMR 스펙트럼의 특성 피크, COCH (PLA)와 OCH2 (PBAT)의 면적비를 이용하여 분해전 PLA/PBAT 블렌드 필름의 몰조성이 7:3임을 알 수 있었다. Fig. 3B는 매립 14주 후 블렌드 필름의 NMR 스펙트럼을 나타내었는데 PLA와 PBAT의 특성피크 비율을 고찰한 결과, PLA의 특성피크인5.1~5.2 ppm (COCH)에서의 상대적 면적비가 약 40%감소되는 것(PLA/PBAT의 몰조성이 4:3)으로 나타났다. 이러한 결과는 매립에 의한 분해는 PLA에서 선호적으로 일어남을 의미한다.
이러한 결과는 친환경 포트를 식물과 함께 매립 할 경우 생분해 정도가 식물의 생장속도에 미치지 못하더라도 뿌리의 성장력에 의해 분해균열이 증가하여 식물의 성장을 원활하게 할 수 있음을 의미한다. 결론적으로 친환경 포트는 식물을 담는 포트로써의 적절한 물성을 가지며 토양에서 분해성을 가짐으로 포트 제거없이 매립이 가능함을 보였다.
이는 식물의 뿌리가 가지는 굴수성과 배광성의 영향으로 매립 전에는 수분이 존재하지 않고 빛이 들어오는 외부로 뿌리가 생장하지 않다가 매립 후에 수분이 존재하며 빛이 투과되지 않는 토양으로 뿌리가 생장한 것으로 보인다. 따라서 식물의 성장속도 및 물성 변화를 고려하여 포트의 두께 및 구멍의 개수를 조절하면 매립 후식물의 생장에 효과적임을 확인하였다.
블렌드 필름을 토양에 매립할 경우, 5주 이후부터 인장강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났으며 유사한 결과가 모폴로지 측정으로부터도 확인되었다. 매립 전후의 H-NMR분석으로부터 PBAT보다 PLA의 분해가 선호적으로 일어남을 알 수 있었다. 친환경 포트는 매립 시뿌리의 생장을 위해 측면과 바닥면에 일정한 간격으로 구멍을 뚫어놓고 실제 식물을 담은 상태에서 매립 전과매립 후의 뿌리 생장을 확인한 결과, 매립 전에는 뿌리가 외부로 나오지 않았으며 매립 후부터 구멍을 통해 포트 밖으로 나와 생장하기 시작하였다.
본 연구에서는 생분해성 고분자인 PLA/PBAT 블렌드 필름을 이용해 분갈이 시 함께 매립이 가능한 친환경 포트를 제작하고 토양에 매립하였을 때의 특성을 고찰하였다. 블렌드 필름을 토양에 매립할 경우, 5주 이후부터 인장강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났으며 유사한 결과가 모폴로지 측정으로부터도 확인되었다. 매립 전후의 H-NMR분석으로부터 PBAT보다 PLA의 분해가 선호적으로 일어남을 알 수 있었다.

후속연구

14주가 경과한 후의 필름의 표면 모폴로지는 부분 분해된 오목한 형상의 수가 증가하며 형상주위로 분해에 의해 균열이 명확히 관찰된다. 이러한 균열은 식물이 성장과 더불어 뿌리의 성장을 원활하게 해줄 것으로 판단되며 포트의 균열을 촉진 시키는 결과를 가져다 줄 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PBAT의 특징은?	미생물 생산 생분해성 고분자는 미생물이 에너지 저 장원으로 만들어 내는 에스테르형 고분자로서 대표적으로 poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)가있다. PBAT는 공중합체로서 높은 열 안정성과 신율을가지며 식품 포장, 원예 및 농업용 비닐봉지 등의 원료로 사용된다. Biochemical 생분해성 고분자는 뛰어난 생분해성을 가지고 물성의 인위적 조절이 훨씬 용이하고 대량생산도 가능하여 상업적 관점에서 유용한 재료로 평가되고 있는 추세이다(Jiang 등, 2009).
	PLA이 이성질체를 가짐으로써 생기는 이점은 무엇인가?	Biochemical 생분해성 고분자 소재 중 poly(lactic acid) (PLA)는 옥수수 전분을 발효하여 얻어지는 lactic acid를 토대로 합성되는데 물성이 우수하고, 우수한 환경친화성과 생체무독성 등으로 인하여 의학 및 친환경 분야에 다양한 용도로 사용되고 있다. 아울러 PLA는 D와 L 형태의 입체 이성질체를 가지고 있어 D체와 L체의 비율을 조절하면 무정형에서 결정성까지 다양한 물성을 갖는 PLA를 합성할 수 있는 이점이 있다(Hirata and Kimura, 2010).
	육묘포트는 무엇으로 제조되는가?	원예업계에서 흔히 사용되고 있는 육묘(育苗)포트(육묘포트: 묘목이나 식물을 담는 용기, 이하 포트)는 식물이 일정 크기이상으로 성장하기 전까지 심겨져 보관되어지는 용기이다. 이러한 포트는 비교적 원가가 저렴하고가공성이 좋은 polypropylene (PP)으로 제조된다. 2010년 기준으로 국내의 연간 PP포트에 담겨 판매되는 분화 및 초화류는 574백만 본에 이른다(Choi, 2012).

참고문헌 (8)

Jiang, L., Liu, B., Jinwen Zhang, J., 2009, Properties of poly(lactic acid)/poly(butylene adipate-co-terephthalate)/nanoparticle ternary composites, Ind. Eng. Chem. Res., 48, 7594-7602.

상세보기
Kanzawa. T., Tokumitsu, K., 2011, Mechanical properties and morphological changes of poly(lactic acid)/poly-carbonate/poly(butylene adipate-co-terephthalate) blend through reactive processing, Appl. Polym. Sci., 121, 2908-2918.

상세보기
Kimura, Y., Hirata, M., 2010, Structure and properties of stereocomplex-type poly(lactic acid), Lim, L., Selke, S., Tsuji. H., in: Poly(lactide acid), R. Auras (Ed.), Weily, New Jersey, 59.
Korea Biomaterials Packaging Association, 2012, http://www.biopack.kr/info/info.php?idbp35.
Ministry of Environment, 2012, National waste treatment research.
Muller, R. J., 2005, Biodegradability of polymers: Regulations and methods for testing in: STEINBUCHEL, A. (Ed.), Biopolymers-General Aspects and Special Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 10, 365-374.
Rural Development Administration, 2012, Monthly report (June): Auto-flowering plant seedling transplantation systems development.
Signori, F., Coltelli, M-B., Bronco, S., 2009, Thermal degradation of poly(lactic acid) (PLA) and poly(butylenes adipate-co-terephthalate) (PBAT) and their blends upon melt processing, Polym. Degrad. Stab., 94, 74-82.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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