본 연구에서는 급속히 성장하고 있는 산업분야인 생분해성 플라스틱인 PLA(Poly Lactic Acid)를 사용하여 개발된 식생매트의 생분해기간에 따른 인장성능을 비교하였다. 시험방법은 한국산업표준(KS)에서 정한 방법을 준용하였다. 단일소재로 제작된 PLA 매쉬 및 PLA 플라스틱으로 실험한 두꼐, 인장강도 및 분자량은 5개월 생분해 기간에 반비례하는 결과를 나타내었다. PLA 매쉬의 두께는 11.2%~13.4% 수준까지 두께가 증가하였으며 PLA 매쉬의 인장강도는 32.4%~55.4% 수준까지 감소하였다. PLA 플라스틱의 인장강도 및 분자량도 시간경과에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, PLA 매쉬, 부직포(씨앗포함) 및 황마네트로 혼합 구성된 식생매트의 인장시험결과는 특정한 경향성을 보이지 못하였다.
본 연구에서는 급속히 성장하고 있는 산업분야인 생분해성 플라스틱인 PLA(Poly Lactic Acid)를 사용하여 개발된 식생매트의 생분해기간에 따른 인장성능을 비교하였다. 시험방법은 한국산업표준(KS)에서 정한 방법을 준용하였다. 단일소재로 제작된 PLA 매쉬 및 PLA 플라스틱으로 실험한 두꼐, 인장강도 및 분자량은 5개월 생분해 기간에 반비례하는 결과를 나타내었다. PLA 매쉬의 두께는 11.2%~13.4% 수준까지 두께가 증가하였으며 PLA 매쉬의 인장강도는 32.4%~55.4% 수준까지 감소하였다. PLA 플라스틱의 인장강도 및 분자량도 시간경과에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, PLA 매쉬, 부직포(씨앗포함) 및 황마네트로 혼합 구성된 식생매트의 인장시험결과는 특정한 경향성을 보이지 못하였다.
This research compared the tensile performance of the vegetation mat, which was developed byu using the rapidly growing biodegradable plastic, Poly Lactic Acid(PLA), according to the biodegradation period. The test applied the method defined by Korean Standard KS. In the result of experiment using s...
This research compared the tensile performance of the vegetation mat, which was developed byu using the rapidly growing biodegradable plastic, Poly Lactic Acid(PLA), according to the biodegradation period. The test applied the method defined by Korean Standard KS. In the result of experiment using single-material PLA mesh and PLA plastic, the tensile strength and molecular weight were inverse-proportional to the 5 months of biodegradation period. The thickness of PLA mesh was increased by 11.2~13.4% while the tensile strenth of it was reduced by 32.4~55.4%. The tensile strength and molecular weight of PLA plastic were also reduced over time. However, the tension test of vegetation mat comprised of PLA mesh, non-woven fabric (including seeds), and jute net didn't have specific tendency.
This research compared the tensile performance of the vegetation mat, which was developed byu using the rapidly growing biodegradable plastic, Poly Lactic Acid(PLA), according to the biodegradation period. The test applied the method defined by Korean Standard KS. In the result of experiment using single-material PLA mesh and PLA plastic, the tensile strength and molecular weight were inverse-proportional to the 5 months of biodegradation period. The thickness of PLA mesh was increased by 11.2~13.4% while the tensile strenth of it was reduced by 32.4~55.4%. The tensile strength and molecular weight of PLA plastic were also reduced over time. However, the tension test of vegetation mat comprised of PLA mesh, non-woven fabric (including seeds), and jute net didn't have specific tendency.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 품질이 우수한 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)를 이용한 생분해성 식생매트를 토양에서 생분해하여 식생매트에 대한 두께, 인장강도 및 분자량 등의 공학적 특성을 분석 후 관련 분야의 기초자료로서 활용 하고자 한다.
본 연구는 품질이 우수한 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)를 이용한 생분해성 식생매트의 생분해 성능을 평가하는 것으로 Table 2와 같이 실험계획을 수립하였다. 실험인자로는 Mat type, Sample shape, 생분해 장소, 토양 종류 및 생분해 기간으로 설정하였으며 각 인자별 수준수는 생분해 기간 5수준을 제외하고 나머지 인자는 2수준으로 고정하였다.
또한 항온항습기 및 생분해장의 실험결과 차이 발생여부를 확인하기 위해 실내 항온항습기의 온도 26℃, 상대습도 95%를 유지하도록 생분해 조건을 조성하였다. 햇볕을 받은 생분해장과 시험결과를 비교하여 시험결과의 유사성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
건설자재 중 PLA 소재의 개발된 매쉬형 식생매트를 사용하여 생분해 기간에 따른 두께, 인장강도 및 분자량의 특성에 대한 측정결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
벽은 채광이 좋은 유리벽으로 하고 온도는 냉온풍기로 10℃~30℃를 유지하고 주 3회 토양 표면이 젖을 정도의 물을 주어 토양의 습도를 유지하였다. 또한 항온항습기 및 생분해장의 실험결과 차이 발생여부를 확인하기 위해 실내 항온항습기의 온도 26℃, 상대습도 95%를 유지하도록 생분해 조건을 조성하였다. 햇볕을 받은 생분해장과 시험결과를 비교하여 시험결과의 유사성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서 항온항습기에서 생분해를 실시한 PLA 소재의 매 쉬의 두께 변화를 측정하였다. 생분해 시작 이후 Fig.
2와 같이 생분해성 식생매트가 식생의 활착, 경사지반 보호 등을 수행하기 위하여 시공 후 식생매트가 생분해되더라도 일정기간까지는 식생매트의 기본적인 물성값을 유지하기 위해 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)로 제조한 매쉬, 부직포 및 황마네트가 결합한 형태로 제조하였다. 사용할 생분해성 식생매트를 제조 후 Fig. 3과 같이 토양과 생분해 조건별로 식생매트가 토양에 묻혀서 식생매트와 토양이 충분해 접할 수 있도록 한 후 기간별 생분해 후 그 특성을 측정하였다.
생분해 성능을 확인하기 위하여 햇볕을 충분히 받으며 미생물 활동을 촉진할 수 있는 온‧습도를 유지할 수 있도록 생분해장을 조성하였다. 벽은 채광이 좋은 유리벽으로 하고 온도는 냉온풍기로 10℃~30℃를 유지하고 주 3회 토양 표면이 젖을 정도의 물을 주어 토양의 습도를 유지하였다.
생분해성 식생매트의 생분해 성능을 검토하기 위하여 식생매트 제작은 Fig. 2와 같이 생분해성 식생매트가 식생의 활착, 경사지반 보호 등을 수행하기 위하여 시공 후 식생매트가 생분해되더라도 일정기간까지는 식생매트의 기본적인 물성값을 유지하기 위해 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)로 제조한 매쉬, 부직포 및 황마네트가 결합한 형태로 제조하였다. 사용할 생분해성 식생매트를 제조 후 Fig.
시험체 생분해를 위한 시료는 아령형태로 가공하여 실내에서 인공토에 묻어 21℃~23℃의 조건을 유지하고 생분해 1개월마다 인장실험을 실시하였다.
시험편은 톱니모양의 쐐기형 조에 시험편을 물린 후 분당 (20±5)%의 변형 속도를 유지하여 인장하중을 가하였다.
식생매트의 두께 측정방법은 KS K ISO 9863-1(지오신세틱스-규정 압력에서의 두께 측정)에 따라 실시하였다. 시험편이 놓여 있는 기준판과 한정된 크기의 시험편 면적에 규정된 압력을 가하는 평행한 원형 프레서 푸트 접촉면 사이의 거리를 측정하였다.
본 연구는 품질이 우수한 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)를 이용한 생분해성 식생매트의 생분해 성능을 평가하는 것으로 Table 2와 같이 실험계획을 수립하였다. 실험인자로는 Mat type, Sample shape, 생분해 장소, 토양 종류 및 생분해 기간으로 설정하였으며 각 인자별 수준수는 생분해 기간 5수준을 제외하고 나머지 인자는 2수준으로 고정하였다.
연신율은 인장강도 시험결과를 바탕으로 하여 시험하는 동안 시험편의 실제 게이지 길이가 증가한 비율로 계산하였으며, 최대하중에서의 신장변형률을 백분율로 하여 0.1%까지 기록하여 산출하였다.
4ml vial에 측정할 PLA 플라스틱 시료(min 10mg) 를 넣은 후 염화메틸(CH3Cl)용매를 첨가하여 시료를 녹인다. 완전히 녹인 다음 실린지 필터를 통해 불순물을 제거한 후 분자량을 측정하였다.
식생매트의 생분해성에 따라 식생매트의 단면적과 중량이 줄어들면서 물리적 성질도 변화가 예상된다. 이러한 물리적 성질의 변화를 살펴보기 위하여 두께, 인장강도, 연신율 및 분자량 등을 살펴보았다.
이외에 생분해도 파악이 용이한 형상을 확인을 위하여 매쉬의 원재료인 PLA를 매쉬 및 판형으로 제작하여 인장 실험을 실시하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 생분해성 재료는 환경호르몬 및 중금속 등 유해물질로부터 안전하고 생분해 성능이 PLA(poly lactic acid)를 이용하였으며 그 특성은 Table 3과 같다.
이론/모형
PLA 플라스틱의 인장강도는 KS M 3006 (플라스틱의 인장성 측정 방법)에 따라 측정하였다.
분자량 측정은 Schambeck SFD GmbH의 장비(GPC/SEC System)를 사용하였다. 4ml vial에 측정할 PLA 플라스틱 시료(min 10mg) 를 넣은 후 염화메틸(CH3Cl)용매를 첨가하여 시료를 녹인다.
식생매트의 두께 측정방법은 KS K ISO 9863-1(지오신세틱스-규정 압력에서의 두께 측정)에 따라 실시하였다. 시험편이 놓여 있는 기준판과 한정된 크기의 시험편 면적에 규정된 압력을 가하는 평행한 원형 프레서 푸트 접촉면 사이의 거리를 측정하였다.
식생매트의 인장강도는 KS K ISO 10319(지오신세틱스-광폭인장강도 시험)을 준용하여 실험을 실시하였다. 시험편은 톱니모양의 쐐기형 조에 시험편을 물린 후 분당 (20±5)%의 변형 속도를 유지하여 인장하중을 가하였다.
성능/효과
1. 생분해 장에서 생분해한 PLA 매쉬의 두께는 5개월간 생분해가 진행되면서 점차 증가하였다.
2. 생분해 장에서 생분해한 PLA 매쉬의 인장강도는 생분해 기간에 반비례하며 5개월 시점에서 0.46kN/m 및 0.37kN/m로 감소 하였다.
3. 단일소재 시료인 PLA 매쉬 인장강도, PLA 플라스틱 인장강도및 PLA 플라스틱 분자량은 시간에 반비례하는 결과를 나타내 었다. 그러나, 항온항습기에서 생분해한 복합소재(PLA 매쉬, 부직포 및 황마네트) 식생매트는 5개월간의 생분해기간동안 인장강도의 변화가 뚜렷하지 않았다.
4. PLA 플라스틱 시료의 인장강도는 3개월까지 매월 약 10% 비율로 감소하였다.
반면 생분해장에서 준비한 PLA 매쉬 시료의 인장강도는 생분해 기간에 Fig. 8과 같이 반비례하였으며, 5개월 시점에서 32.4%~55.4% 수준인 0.46kN/m 및 0.37kN/m로 감소 하였다. 시료가 매쉬 형상이기 때문에 흙과의 접촉면 증가 하여 복합소재 식생매트 보다 생분해 진행이 증가하면서 점진적으로 인장강도가 감소한 것으로 사료된다.
본 연구에서 PLA 소재 매쉬의 두께증가는 PLA가 생분해 과정에서 수분을 흡수하면서 두께가 증가한 것으로 판단된다.
분자량 측정은 결과 생분해기간에 따라 분자량이 지속적으로 감소하고 있다. 분자량 감소비율(약 2%/month)이 PLA 플라스틱의 인장강도 저감비율(약 10%/month)에 비하여 현저히 적음을 알수 있다.
아령형태의 PLA 플라스틱 시료에 대한 인장강도 시험결과 1개월 경과시료는 12.95MPa, 2개월 경과시료는 11.88MPa, 3개월 경과시료는 8.3MPa로 지속적으로 질량이 감소하였다.
후속연구
상기 실험결과 PLA를 건설자재로 활용할 경우 생분해 기간에 따라 인장강도 감소, 분자량 감소 등 요구 성능실현 후 시간경과에 따라 발생하는 환경오염 저감이 가능할 것으로 판단된다. 현 경기도 연천지역에 현장 시공을 통한 적용 가능성을 검토하고 있으며 분석결과를 바탕으로 PLA를 이용한 식생매트 실용화 가능성을 검토할 계획이다.
PLA로 제작된 매쉬형 식생매트는 생분해 과정에서 수분 흡수및 팽창하지만 5개월까지는 인장강도를 유지하였다. 아울러, 생분해 기간에 따른 물성변화을 파악하기 위하여는 복합소재보다는 단일소재가 바람직할 것으로 사료된다.
상기 실험결과 PLA를 건설자재로 활용할 경우 생분해 기간에 따라 인장강도 감소, 분자량 감소 등 요구 성능실현 후 시간경과에 따라 발생하는 환경오염 저감이 가능할 것으로 판단된다. 현 경기도 연천지역에 현장 시공을 통한 적용 가능성을 검토하고 있으며 분석결과를 바탕으로 PLA를 이용한 식생매트 실용화 가능성을 검토할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화학제품으로 생산된 식생매트의 분해에 소요되는 시간은?
식생매트는 제품에 따라 황마, 대나무 및 부직포 등과 같이 자연 적으로 분해되는 친환경 제품과 철선 와이어, 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 화학제품으로 구분된다. 화학제품으로 생산된 식생매트는 지반에 묻혀 분해되기까지 200년~400년의 시간을 필요로 하여 환경적인 2차 피해를 야기한다. 또한 씨앗의 발아 및 초목류의 활착 이후에는 시공된 식생매트를 철거하기도 어렵게 된다.
바이오 베이스 플라스틱의 대표적인 제품 및 원천 소재는 무엇인가?
바이오 베이스 플라스틱은 생분해 플라스틱의 단점을 보완한 것으로 생분해 수지와 산화분해제 등을 가하여 만들며 자연에서 분해되기까지 2~5년이 소요된다. 대표적인 제품이 Bio-PE, Bio-PET로 원천 소재는 석유화학 유래 원료가 아닌 사탕수수, 옥수수 등 식물체 바이오매스를 일부 또는 전부를 적용하고 있다. 대표적인 바이오 플라스틱은 옥수수 전분에서 추출한 원료로 만든 PLA다.
바이오 플라스틱의 원료, 분해 작용, 생산방법에 따른 분류는?
바이오 플라스틱은 원료, 분해 작용, 생산방법에 따라 생분해성 플라스틱, 산화생분해성 플라스틱, 바이오 베이스 플라스틱으로 나눌 수 있다.
참고문헌 (5)
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Lee, S.H. (2010). Evaluation of Enzymatic Treatments and Biodegradability of PLA, Ph.D Thesis, Sookmyung Women's University, Korea.
Ryu, H.C., Kwon, Y.H., Park, J.B., Herr, Y. (2001). Histologic study on tissue response of various resorbable membranes in rats, Journal of Periodontal & Implant Science, 31(1), 91-109 [in Korean].
Yoon, C.S., Ji, D.S. (2009). Effect of In vitro degradation on the weight loss and tensile strength of PLA/PEG melt blend fiber, Polymer, 33(6), 581-587 [in Korean].
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