[논문]생분해성 PBAT와 MWCNT 복합재료의 제조 및 열적, 기계적 특성

조용광; 배성국; 노건호; 박찬영; 이원기; 장성호

doi:10.5322/jesi.2017.26.1.79

생분해성 PBAT와 MWCNT 복합재료의 제조 및 열적, 기계적 특성
Thermal and Mechanical Properties of Biodegradable PBAT and MWCNT Composites 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.26 no.1, 2017년, pp.79 - 85

조용광 (한일시멘트 테크니컬센터) , 배성국 (부경대학교 고분자공학과) , 노건호 (부경대학교 고분자공학과) , 박찬영 (부경대학교 고분자공학과) , 이원기 (부경대학교 고분자공학과) , 장성호 (부산대학교 바이오환경에너지학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) were modified with epoxy and aminosilane diethanolamine (DEA), and nanocomposites of poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) and the modified MWCNTs were prepared with the aim of improving the physical properties of biodegradable PBAT. The physical and the thermal properties of the PBAT/MWCNT nanocomposites were investigated using various techniques. Fourier transform infrared spectroscopy measurements revealed that the MWCNTs were efficiently modified with DEA. Scanning electron micrographs of the nanocomposites indicated that the modified MWCNTs were dispersed homogeneously in PBAT. The thermal stability of the nanocomposite decreased with increase in the content of epoxy-MWCNT-DEA due to the poor thermal stabilities of epoxy and amino silane DEA. However, the surface hydrophobicity of the nanocomposite increased. The highest stress (170% of PBAT) was observed when the content of epoxy-MWCNT-DEA in the nanocomposite was 2 wt%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2012). 따라서 Epoxy/MWCNT복합체의 함량 및 아미노실란으로 개질된 MWCNT와 개질되지 않은 MWCNT 사용한 경우의 생분해성 PBAT의 열적 및 기계적 특성을 고찰하였다.
, 2007). 본 연구에서는 MWCNT의 고유의 물성을 유지하면서 단점으로 지적되고 있는 PBAT의 강도를 향상시키기 위하여 무기 물질과 친화력이 좋은 에폭시를 이용 하여 Epoxy/MWCNT 나노 복합체를 제조하였으며, 계면접착력을 향상시키기 위해 MWCNT를 아미노실란으로 개질하였다. 아미노실란은 에폭시와 상용성이 있는 아민기와 MWCNT와 표면과 반응할 수 있는 실란기를 가지고 있어 두 물질을 서로 연결 시켜주는 교량적인 역할을 한다고 알려져 있다(Park et al.
본 연구에서는 생분해성 고분자인 PBAT의 기계적 특성을 향상시키기 위해 에폭시와 DEA로 개질한 CNT (Epoxy-MWCNT-DEA)와 복합체를 만들어 개질체의 종류 및 함량에 따른 PBAT의 열적 특성 및 물리적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. FT-IR 분석 결과 MWCNT가 DEA에 의해 효과적으로 개질되어 있음을 확인 할 수 있었다.

제안 방법

건조된 시료는 혹시 남아 있을지 모르는 잔류용매 제거 및 일정한 두께를 가진 필름으로 제조하기 위해 가열 프레스(QM900M)를 이용하여 160℃에서 200 kgf/cm2로 1 min 동안 가압하여 0.20 mm (± 0.02 mm) 두께의 필름을 제조하였다.
기계적 특성은 만능재료시험기 (H10KT, Tinius Oisen)를 사용하여 각 시편 (길이 27mm, 폭 5 mm, 두께 0.20 mm (± 0.02 mm))을 7회 측정하였다.
표면의 특성을 확인하기 위해 접촉각 측정기(DSA100, KRUSS)를 사용하여 물에 대한 접촉각을 측정하였다(30회 평균값). 열적 특성을 확인하기 위하여 TGA(Q-500, TA Instruments)을 사용하였으며, 질소 분위기 하에서 승온속도 20℃ /min로 측정하였다. 기계적 특성은 만능재료시험기 (H10KT, Tinius Oisen)를 사용하여 각 시편 (길이 27mm, 폭 5 mm, 두께 0.
제조한 PBAT/Epoxy-MWCNT 필름의 표면 형상은 주사전자현미경(S-2700, Hitachi)을 사용하여 관찰 하였으며, FT-IR(Is10, Thermo)측정으로 부터 반응전 후의 기능기를 분석하였다. 표면의 특성을 확인하기 위해 접촉각 측정기(DSA100, KRUSS)를 사용하여 물에 대한 접촉각을 측정하였다(30회 평균값).
제조한 PBAT/Epoxy-MWCNT 필름의 표면 형상은 주사전자현미경(S-2700, Hitachi)을 사용하여 관찰 하였으며, FT-IR(Is10, Thermo)측정으로 부터 반응전 후의 기능기를 분석하였다. 표면의 특성을 확인하기 위해 접촉각 측정기(DSA100, KRUSS)를 사용하여 물에 대한 접촉각을 측정하였다(30회 평균값). 열적 특성을 확인하기 위하여 TGA(Q-500, TA Instruments)을 사용하였으며, 질소 분위기 하에서 승온속도 20℃ /min로 측정하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 실험에서 사용한 시약의 분자구조를 나타낸 것이며, PBAT는 S-EnPol사의 PBG7070을 구매하여 사용하였으며, 에폭시 수지는 SIGMA-ALDRICH 사의 제품(DE204)을 사용하였다. 충진제로 사용된 MWCNT는 Applied Carbon Nano Technology Co사의 순도 90 wt%를 사용하였다.
에폭시 수지와 MWCNT의 계면 접착력을 향상시키고 응집을 막기 위해 사용된 아미노 실란은 DEA (N-(2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, ≥95%)은 SIGMA -ALDRICH 사로 부터 구입하여 사용하였다.
1은 실험에서 사용한 시약의 분자구조를 나타낸 것이며, PBAT는 S-EnPol사의 PBG7070을 구매하여 사용하였으며, 에폭시 수지는 SIGMA-ALDRICH 사의 제품(DE204)을 사용하였다. 충진제로 사용된 MWCNT는 Applied Carbon Nano Technology Co사의 순도 90 wt%를 사용하였다. 에폭시 수지와 MWCNT의 계면 접착력을 향상시키고 응집을 막기 위해 사용된 아미노 실란은 DEA (N-(2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, ≥95%)은 SIGMA -ALDRICH 사로 부터 구입하여 사용하였다.

데이터처리

02 mm))을 7회 측정하였다. 인장속도는 100 mm/min의 조건으로 상온에서 측정하였으며 얻어진 데이터 값 중에서 최소값과 최대 값을 제외한 나머지의 평균값을 결과 값으로 하였다.

성능/효과

SEM결과로부터 Epoxy -MWCNT-DEA의 복합체는 Epoxy-MWCNT 복합체를 사용한 경우 보다 표면의 분산성이 향상된 것을 관찰 할 수 있었다. Epoxy-MWCNT-DEA의 함량이 증가함에 따라 순수 PBAT에 비해 열적 안정성은 다소 감소하였으나, 표면 접촉각이 증가하는 경향을 나타내었다. 인장강도의 경우에는 PBAT/Epoxy-MWCNT-DEA (98/2)의 경우 인장강도가 2.
본 연구에서는 생분해성 고분자인 PBAT의 기계적 특성을 향상시키기 위해 에폭시와 DEA로 개질한 CNT (Epoxy-MWCNT-DEA)와 복합체를 만들어 개질체의 종류 및 함량에 따른 PBAT의 열적 특성 및 물리적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. FT-IR 분석 결과 MWCNT가 DEA에 의해 효과적으로 개질되어 있음을 확인 할 수 있었다. SEM결과로부터 Epoxy -MWCNT-DEA의 복합체는 Epoxy-MWCNT 복합체를 사용한 경우 보다 표면의 분산성이 향상된 것을 관찰 할 수 있었다.
PBAT와 Epoxy-MWCNT 와 Epoxy-MWCNT-DEA의 함량을 달리하여 제조한 필름의 물에 대한 접촉각 및 표면에너지 값을 측정하여 Table 1에 나타내었다. PBAT에 Epoxy-MWCNT 의 함량이 1-5%로 증가함에 따라 접촉각이 증가하고 표면 에너지 값은 감소하는 것을 확인하였는데 Epoxy-MWCNT가 복합재료 표면에 코팅막을 형성함으로 인해 소수특성을 가진 MWCNT에 의해 접촉각이 상승된 것으로 판단된다. 이는 Epoxy와 MWCNT 를 혼합하면 MWCNT의 소수특성으로 인해 접촉각이 증가한다고 보고된 결과와 동일하다(Wang et al.
PBAT, PBAT에 Epoxy만 혼합한 필름, PBAT에 Epoxy-MWCNT와 Epoxy-MWCNT-DEA의 함량을 달리하여 제조한 필름의 Max Stress와 Max Elongation 을 측정한 결과를 Table 2에 나타내었다. PBAT에 에폭시만 혼합한 경우에 Max Elongation 이 에폭시 함량이 2%까지 첨가한 경우에는 증가 하지만 3% 이상 첨가한 경우에는 점차 감소하는 경향을 보였고 Max stress는 에폭시를 첨가 할수록 PBAT에 비해 점차 감소하는 것을 확인하였다. 이에 반해 Epoxy -MWCNT를 1%로 처리한 경우에는 Max Stress가 PBAT에 비하여 약 38% 증가하였으며, 탄성률도 16% 증가하였다.
FT-IR 분석 결과 MWCNT가 DEA에 의해 효과적으로 개질되어 있음을 확인 할 수 있었다. SEM결과로부터 Epoxy -MWCNT-DEA의 복합체는 Epoxy-MWCNT 복합체를 사용한 경우 보다 표면의 분산성이 향상된 것을 관찰 할 수 있었다. Epoxy-MWCNT-DEA의 함량이 증가함에 따라 순수 PBAT에 비해 열적 안정성은 다소 감소하였으나, 표면 접촉각이 증가하는 경향을 나타내었다.
따라서 200-400℃ 사이의 질량 감소량도 증가하였으며, Epoxy-MWCNT-DEA의 함량이 증가 할수록 열적 안정성은 다소 감소하는 것으로 판단된다.
또한 Epoxy-MWCNT-DEA 5%와 비교하여 분산성이 높은 Epoxy-MWCNT-DEA 2%의 경우 접촉각이 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 분산성과 접촉각의 상승과의 연관성은 미비한 것으로 판단되며, 소수특성을 가지는 MWCNT와 아미노실란의 함유량이 높을수록 접촉각이 증가되는 것을 확인하였다.
PBAT에 에폭시만 혼합한 경우에 Max Elongation 이 에폭시 함량이 2%까지 첨가한 경우에는 증가 하지만 3% 이상 첨가한 경우에는 점차 감소하는 경향을 보였고 Max stress는 에폭시를 첨가 할수록 PBAT에 비해 점차 감소하는 것을 확인하였다. 이에 반해 Epoxy -MWCNT를 1%로 처리한 경우에는 Max Stress가 PBAT에 비하여 약 38% 증가하였으며, 탄성률도 16% 증가하였다. 그러나, 1% 이상 첨가할 경우에는 Max Stress가 감소하였다.
이는 개질되지 않은 MWCNT복합체의 경우 1% 함량까지는 분산성이 좋아 물성 향상을 보였지만 2% 부터는 분산성이 떨어져 점차 Max Stress가 감소하는 것으로 판단된다. 이에 반해 개질된 MWCNT-DEA 복합체를 사용한 경우에는 2%까지는 Max stress가 73%로 가장 많이 증가 하였고, 3% 혼합한 경우에는 Max stress가 다소 감소한 반면, Max Elongation이 44%로 가장 많이 증가한 것을 확인하였다. 이러한 결과는 MWCNT가 개질 되지 않은 복합체에 비해 계면접착력이 우수하여 분산성이 좋은 것으로 부터 기인된다고 볼 수 있다.
Epoxy-MWCNT-DEA의 함량이 증가함에 따라 순수 PBAT에 비해 열적 안정성은 다소 감소하였으나, 표면 접촉각이 증가하는 경향을 나타내었다. 인장강도의 경우에는 PBAT/Epoxy-MWCNT-DEA (98/2)의 경우 인장강도가 2.89 Kg/mm²로 순수 PBAT에 비해 73% 증가로 가장 높은 수치를 보였으며, PBAT/Epoxy-MWCNT-DEA(97/3)의 경우에는 Max Elongation이 1,250%로 PBAT에 비해 44% 증가하는 것을 확인하였다 이러한 결과는 PBAT의 약점인 약한 기계적 특성을 보완하여 줌으로서 친환경적이며 생분해성인 PBAT의 활용방안을 넓힐 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 결과는 MWCNT가 개질 되지 않은 복합체에 비해 계면접착력이 우수하여 분산성이 좋은 것으로 부터 기인된다고 볼 수 있다. 한편, 복합체를 PBAT에 일정 함량 이상 첨가할 경우 Max stress가 감소하는 것은 복합체의 함량이 증가할수록 점도가 증가하여 분산이 어려우며, 균일하게 분산되지 않아 물성 저하를 가져 오는 것으로 판단된다.

후속연구

3(a)에 비하여 분산이 원활히 이루어져 균일한 표면을 보이고 있어 효과적으로 분산이 이루어진 것을 확인 할 수 있다. 따라서 PBAT에 Epoxy-MWCNT-DEA를 혼합할 경우에 충진제의 사용을 통해서 기대했던 복합재료의 기계적 물성 향상을 달성할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	합성 플라스틱의 장점은 무엇인가?	과학기술의 발전과 더불어 천연 고분자 물질을 대체하는 새로운 기능을 갖는 합성 플라스틱의 개발을 촉진시켜왔는데, 합성 플라스틱이 갖는 독특한 물성, 풍부한 재원, 낮은 원가 그리고 가공의 용이성 등의 장점으로 인해 천연 물질의 물성 한계와 생산량 제약으로부터 벗어나 다양한 고분자 소재가 개발되어 현대 과학 문명의 특징 중에 하나인 ‘플라스틱 문명’을 개척해 왔다. 이러한 값싸고 대량생산이 가능한 플라스틱 제품은 생활의 편리함에 동반하여 일회용품 사용을 급격히 증가시키고 있다.
	현대 과학 문명의 특징 중 하나는 무엇인가?	과학기술의 발전과 더불어 천연 고분자 물질을 대체하는 새로운 기능을 갖는 합성 플라스틱의 개발을 촉진시켜왔는데, 합성 플라스틱이 갖는 독특한 물성, 풍부한 재원, 낮은 원가 그리고 가공의 용이성 등의 장점으로 인해 천연 물질의 물성 한계와 생산량 제약으로부터 벗어나 다양한 고분자 소재가 개발되어 현대 과학 문명의 특징 중에 하나인 ‘플라스틱 문명’을 개척해 왔다. 이러한 값싸고 대량생산이 가능한 플라스틱 제품은 생활의 편리함에 동반하여 일회용품 사용을 급격히 증가시키고 있다.
	일회용 플라스틱이 주는 심각한 부작용은 무엇인가?	이러한 값싸고 대량생산이 가능한 플라스틱 제품은 생활의 편리함에 동반하여 일회용품 사용을 급격히 증가시키고 있다. 그러나 단기간 사용 후 폐기되는 일회용품은 다량의 폐기물을 발생시켜 이러한 폐기물이 다시 지구의 자연으로 환원되기까지는 사용시간의 몇 천배 이상으로 지구의 자정능력에 부담을 주어 환경 파괴 등의 심각한 부작용을 초래하고 있다. 세계 각국은 폐플라스틱을 비롯한 각종 고형 폐기물에 의한 환경 오염문제를 해결하기 위해 매립, 소각 및 재생이라는 방법을 주로 활용해 왔다.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

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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