[논문]LDPE-나노 TiO2 복합 필름의 기능성 및 재질안정성 평가

이우석; 고성혁

doi:10.20909/kopast.2017.23.2.67

LDPE-나노 TiO2 복합 필름의 기능성 및 재질안정성 평가
A Study of Functionality and Stability of LDPE-Nano TiO2 Composite Film 원문보기

한국포장학회지= Korean Journal of Packaging Science & Technology, v.23 no.2, 2017년, pp.67 - 74

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the effects of nano $TiO_2$ on functionality and stability of low density polyethylene (LDPE) composite films were investigated for food packaging application. LDPE-nano $TiO_2$ composite films were prepared with various $TiO_2$ contents (0, 0.5, 1.0, 3.0 and 5.0wt%) by melt-extrusion and their basic properties such as crystallinity, chemical bonds and surface morphology were examined by XRD, FTIR and SEM. Ultraviolet (UV) light barrier property of as-prepared LDPE-nano $TiO_2$ composite films was also studied and the presence of nano $TiO_2$ resulted in significant improvement of UV light barrier compared to the pure LDPE film. To evaluate influence of nano $TiO_2$ on LDPE properties required as packaging material, thermal, mechanical, gas barrier and optical properties of LDPE-nano $TiO_2$ composite films were characterized with various analytical techniques including TGA, UTM, OTR, WVTR and UV-vis spectroscopy. As a result, except optical property of LDPE, no significant effects were found in other properties. Opacity of pure LDPE was greatly increased with increasing concentration of nano $TiO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 나노 TiO₂를 저밀도폴리에틸렌(LDPE) 패키징 필름에 적용하여 자외선 차단효과를 관찰하고, 나노 TiO₂ 첨가에 따른 LDPE 고유의 열적, 기계적, 가스차단 및 광학적 특성 등 패키징 소재로서 요구되는 주요 특성의 변화를 평가하여 TiO₂와 LDPE 간의 상호 영향을 고찰하였다.

제안 방법

복합 필름의광차단 기능성 및 LDPE 포장재의 열적, 기계적, 가스 차단성 및 광학적 특성 변화를 관찰하였다. TiO₂ 함유량 0, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0wt%의 LDPE-나노 TiO₂ 시편 5종을 제조하고, XRD, SEM 및 FTIR 분석 등을 통해 TiO₂의 결정성, 분산성, 복합 필름의 표면 형상 및 시편의 화학적 결합을 확인하였다. TiO₂의 함유량 증가에 따라 TiO₂의 기대성능인 자외선 차단성 또한 증가하여 순수 LDPE 대비 99% 이상의 자외선 차단율을 나타내었다.
TiO₂ 첨가에 따른 LDPE 포장재의 열적, 기계적, 산소·수분 차단성 및 광학적 특성 변화를 분석하였다. 열적 특성의 변화를 평가하기 위해 열중량 분석기(TGA, TGA 4000, Perkin-Elmer, USA)를 사용하였으며, 분석은 시편 건조 후 질소 가스 조건에서 온도범위 30-800℃ 및 10℃/min의 승온조건에서 진행하였다.
포장소재 내 TiO₂의 결정상 및 결정성을 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD, Bruker D2 Phaser, Bruker, Germany)를 통해 XRD 스펙트럼을 관찰하였으며, 측정조건은 범위 2θ=5-80°, 측정속도 2°/sec으로 설정하였다. 나노 TiO₂와 LDPE의 화학적 결합을 fourier transform infrared spectroscopy(FTIR, Spectrum 65, Perkin Elmer, USA)를 통해 확인하였으며, 분석조건은 attenuated total reflectance mode를 사용해 4000-400cm^-1의 파수 범위에서 수행하였다.

대상 데이터

를 사용하였다. LDPE 레진은 마스터배치 제작용(LG화학, 여수, 한국, LUTENE® LB7500, MI=7.5 g/10min)과 필름 압출용(LG화학, 여수, 한국, LUTENE® LB5000, MI=5 g/10min) 두 가지를 혼합하여 사용하였다.
본 연구에서는 국내 마스터배치 전문 제작업체인 H사에서 사용하고 있는 100-150nm 크기의 아나타제(anatase) 결정상의 TiO₂를 사용하였다. LDPE 레진은 마스터배치 제작용(LG화학, 여수, 한국, LUTENE® LB7500, MI=7.

이론/모형

LDPE-나노 TiO₂ 복합 필름의 자외선 차단성을 분석하기 위해 UV-Vis spectroscopy(UV-Vis spectroscopy, JASCO, V-650, Japan)을 사용하여 필름의 광 투과도를 측정하였으며, 이를 순수 LDPE와 비교하여 다음과 같은 식(1)에 의해 자외선 차단율을 계산하였다.
자외선 차단율 계산의 기준 영역을 ASTM D6603-12²²⁾에 따라 UV-B영역에서는 300 nm 파장을, UV-A영역에서는 360 nm 파장을 대표로 선정하였다.

성능/효과

TiO₂의 함유량 증가에 따라 TiO₂의 기대성능인 자외선 차단성 또한 증가하여 순수 LDPE 대비 99% 이상의 자외선 차단율을 나타내었다. TiO₂의 첨가에 의한 LDPE 고유의 열적, 기계적 및 산소·수분 차단 특성의 변화는 관찰되지 않은 반면 LDPE의 불투명도는 크게 증가하였다. 본 연구를 통해 나노 TiO₂를 LDPE에 첨가하였을 경우 효과적인 자외선 차단 기능성을 보임과 동시에 포장소재로서 요구되는 LDPE의 주요 물성에는 큰 영향이 없음을 확인하였다.
0wt%의 LDPE-나노 TiO₂ 시편 5종을 제조하고, XRD, SEM 및 FTIR 분석 등을 통해 TiO₂의 결정성, 분산성, 복합 필름의 표면 형상 및 시편의 화학적 결합을 확인하였다. TiO₂의 함유량 증가에 따라 TiO₂의 기대성능인 자외선 차단성 또한 증가하여 순수 LDPE 대비 99% 이상의 자외선 차단율을 나타내었다. TiO₂의 첨가에 의한 LDPE 고유의 열적, 기계적 및 산소·수분 차단 특성의 변화는 관찰되지 않은 반면 LDPE의 불투명도는 크게 증가하였다.
TiO₂의 첨가에 의한 LDPE 고유의 열적, 기계적 및 산소·수분 차단 특성의 변화는 관찰되지 않은 반면 LDPE의 불투명도는 크게 증가하였다. 본 연구를 통해 나노 TiO₂를 LDPE에 첨가하였을 경우 효과적인 자외선 차단 기능성을 보임과 동시에 포장소재로서 요구되는 LDPE의 주요 물성에는 큰 영향이 없음을 확인하였다. 그러나 LDPE 필름의 불투명도가 증가하므로 필름의 투명성이 요구되는 식품포장재의 경우 대체 소재의 적용을 고려해야 할 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구를 통해 나노 TiO₂를 LDPE에 첨가하였을 경우 효과적인 자외선 차단 기능성을 보임과 동시에 포장소재로서 요구되는 LDPE의 주요 물성에는 큰 영향이 없음을 확인하였다. 그러나 LDPE 필름의 불투명도가 증가하므로 필름의 투명성이 요구되는 식품포장재의 경우 대체 소재의 적용을 고려해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 패키징은 무엇은 보호하는 역할을 하는가?	나노 패키징은 기계적 강도, 차단성 및 항균성이 개선되어 식품의 맛, 향, 색, 식감 및 농도를 보호한다. 현재 응용 연구 또는 적용되고 있는 주요 나노 무기물질로는 은나노(AgNP, Silver nanoparticle), 나노클레이(Nanoclay), 나노 산화아연(Nano ZnO), 나노 이산화티타늄(Nano TiO2) 및 카본나노튜브(CNTs, Carbon nanotubes) 등이 보고되고 있다.
	나노 물질의 정의는 무엇인가?	7%의 성장률로 2020년에는 150억 달러에 이를 것으로 예상된다. 일반적으로 나노 물질은 100 nm 이하의 입자 크기를 갖는 물질로 정의되며2) 상대적으로 높은 비표면적과 고유의 물리적, 광학적 및 화학적 특성을 나타낸다. 이러한 나노 물질은 그 종류에 따라 소재의 유연성, 내구성, 내염성, 차단성 및 재활용성 등의 기본적인 특성을 개선시킬 목적으로 복합소재(composite)의 형태로 응용되고 있다.
	나노클레이는 무엇을 통해 포장재의 가스 차단성을 늘리는가?	8) Nanoclay와 CNTs의 경우 범용 열가소성 플라스틱에 첨가되어 균일하게 분포될 경우 플라스틱 분자의 분자유동성과 유연성을 변화시켜 열 및 기계적 특성을 효과적으로 개선시킨다. 특히, Nanoclay는 포장재를 투과하는 가스의 이동거리를 늘려 포장재의 가스 차단성을 증대시키는 것으로 알려져 있다.9,10) 나노 물질은 나노 물질이 갖는 높은 비표면적에 의해 동종의 마이크로 입자보다 더 우수한 반응성을 갖는다.

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