[논문]어닐링을 통한 고기능성 생분해성 카드

심재호

doi:10.5762/kais.2020.21.2.280

[국내논문] 어닐링을 통한 고기능성 생분해성 카드
High functional biodegradable card through annealing 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.280 - 286

초록
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일반적으로 사용되고 있는 합성수지인 PVC, PET 소재로 이루어진 카드는 쉽게 산화되거나 분해되지 않아서 사용 후에 폐기물로써 소각 또는 매립 처리되어지고 있으며, 소각 과정에서 환경호르몬과 연소가스등의 공해 문제를 일으킨다. 또한 매립 시에는 분해되지 않고 반영구적으로 쓰레기로 남아있어 환경오염을 일으키는 문제점 있다. 본 연구에서는 현재 사용하고 있는 카드의 문제점을 해결할 수 있는 대체 재료로써 대표적인 생분해성 소재인 폴리락트산(PLA : Polylacticacid)을 사용하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다. 그러나 PLA 소재로만 얇은 시트형태의 카드 기재가 만들어질 경우 재료 본래의 물성이 제한되어 저온 충격강도, 고온 안정성, 휨(Bending) 특성 등이 불충분하여 카드로써의 사용범위도 제한될 수밖에 없는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위하여 PLA와 물성보강을 위한 원료의 적절한 배합 조성비를 검토하고, 결정화 핵제 및 첨가제 등의 조성물 검토와 나노컴파운드 기술을 통한 최적의 생분해성 컴파운드 조성물을 제조, 평가 하였다. 또한, 어닐링 (Annealing) 기술을 적용한 라미네이팅 공정을 통해 생분해성 범용 카드로써의 고기능화를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cards made from PVC and PET materials do not oxidize or decompose readily, so they are generally incinerated or landfilled after use and cause pollution problems, such as environmental hormones and combustion gases during incineration. In addition, there is a problem of environmental pollution because they are discarded as semi-permanent refuse without being decomposed at landfill. This study attempted to solve this problem using polylactic acid (PLA), which is a representative biodegradable material as a substitute material that can solve the issues with these cards. On the other hand, when the thin card core sheet is made from only PLA material, the physical properties of the material are insufficient, such as the low temperature impact strength, high temperature stability, and poor bending properties, so its use is limited. To solve this problem, the compositional ratio of PLA was reviewed, and the optimal biodegradable compound composition was determined through an examination of the compositions, such as crystallization nucleating agents, additives, and nano compound technology. The high functionalization as a biodegradable card was verified through a laminating process using annealing technology.

Keyword

표/그림 (10)

표 Table 1. Formulation of PLA/PBAT and Additives
그림 Fig. 1. Core sheet manufacturing process
그림 Fig. 2. Annealing test for core sheet.
표 Table 2. Compound test result
그림 Fig. 3. Bending strength test
표 Table 3. Sheet Laminating Composition and Annealing Conditions of Card
그림 Fig. 4. Warping stress test
그림 Fig. 5. Bending stress test
표 Table 4. Physical Properties of Cards after Annealing Process
표 Table 5. Durability test results of Card (Sample No. 5)

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 공정온도에 따른 어닐링 최적화와 라미네이팅 공정을 통하여 코어쉬트의 제작공정을 검토하였다. 또한 어닐링방법에 의하여 실용적인 측면에서 카드기 재의 내부응력(internal stress)을 완화시켜 내열특성, 충격강도, 뒤틀림성 및 치수안정성의 향상을 검토하였다.
본 연구에서는 공정온도에 따른 어닐링 최적화와 라미네이팅 공정을 통하여 코어쉬트의 제작공정을 검토하였다. 또한 어닐링방법에 의하여 실용적인 측면에서 카드기 재의 내부응력(internal stress)을 완화시켜 내열특성, 충격강도, 뒤틀림성 및 치수안정성의 향상을 검토하였다.
또한, 물성보완을 위하여 지방족 생분해성 수지인 PBAT는 BASF사의 Ecoflex C1200을 사용하였다. 결정화 핵제 및 기타 첨가제의 배합비율과 압출조건(온도, 압력, 속도, 결정화 조건)을 변수로 하여 5 종류의 샘플을 제조하고 공정을 검토 하였다. 소재의 최적화를 위한 각 소재별 비율과 테스트 조건을 Table 1에 나타내었다.
컴파운드는 압출온도(100℃ ~ 160℃), 압출속도 (750rpm), 공급속도(250rpm), 절단속도(650rpm)를 동일하게 적용하였으며, 제조된 수지의 결정화는 각각 80℃ 에서 40min 동안 실시하였다. 제조한 수지에 대하여 주요물성인 용융지수(M.
03mm의 필름을 사용하였다. 카드기재는 필름 2장(상하)과 쉬트 3장을 사용하여 라미네이팅 하고, 라미네이팅 시에 쉬트에 공급되는 열에너지를 이용하여 쉬트의 결정을 성장시키기 위한 온도, 압력, 시간 변화를 주어 어닐링 공정을 최적화 하였다. 가열 시의 온도는 80℃ ~ 110℃, 압력범위 5bar ~ 60bar, 시간은 5min ~ 30min의 범위에서 실시하였으며, 냉각시는 20℃ 분위기에서 압력범위 20bar ~ 65bar, 시간 20min ~ 65min 의 범위에서 실시하였다.
각 단계별로 제작된 카드제품의 카드로써의 물성을 확인하기 위하여 카드의 휨도, 카드의 필름과 코어쉬트간의 인장력(벗김강도), 굽힘 강도, 내온 내습성, 뒤틀림 강도, 굽힘 테스트, 저온 충격시험, 하중변형온도, 내구성 테스트를 수행 하였다. 각 항목별 시험 결과를 Table 4에 정리하여 나타내었다.
장기간 카드 사용 시의 내구성을 간접적으로확인 하기 위한 척도로써, Table 4의 물성테스트를 바탕으로 가장 우수한 물성을 나타낸 5차 카드 샘플에 대하여 범용카드와 같은 가속 테스트를 실시하였다. 이 시험은 카드 샘플을 고온에 장시간 노출시켰을 경우 카드에 미치는 영향을 파악하기 위함으로써, 카드 샘플을 35℃에서 1,000시간 방치 후, 상기의 3-1과 같은 휨도 시험방법으로 테스트 한 결과 초기 대비 0.
본 연구에서는 생분해성 PLA 카드 쉬트를 사용하여 열적결정화 방법에 의한 어닐링 공정조건을 최적화하여 생분해성 카드의 코어시트를 제작하였다. 기존의 범용 카드의 물성값과 동등 이상의 사용가능한 성능을 만족시키기 위하여 여러 조건의 어닐링 테스트를 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
카드샘플을 저온에 노출 후 낙구충격(금속 볼)을 했을 경우에 카드에 미치는 영향을 파악하기 위하여 카드샘플을 –20℃에서 1시간 방치 후 카드를 편평한 바닥에 놓고 500g 금속볼을 30cm에서 낙하 후 외관(균열, 깨짐 등)의 이상 유무 및 휨도를 측정하였다. 시험결과는 Table 4와 같으며, 샘플 모두 이상 없음을 확인하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 PLA는 NatureWorks LLC 의 PLA 4032D(Mw= 55,000 g/mol)를 사용하였다. PLA 4032D는 융점과 유리전이 온도가 각각 160℃, 58℃로 높고, 신율(MD 180%, TD 100%)과 충격강도(Spencer impact, 2.
5Joule)가 우수하여 적층하여 카드기재를 제조하는 공정에서 필요한 내열성, 상용성, 어닐링의 결정화 특성을 발현하는데 적합한 물성을 가지고 있다. 또한, 물성보완을 위하여 지방족 생분해성 수지인 PBAT는 BASF사의 Ecoflex C1200을 사용하였다. 결정화 핵제 및 기타 첨가제의 배합비율과 압출조건(온도, 압력, 속도, 결정화 조건)을 변수로 하여 5 종류의 샘플을 제조하고 공정을 검토 하였다.
Table 1과 같이 제조된 5종류의 컴파운드수지를 사용하여 0.20mm의 카드용 코어시트를 제작하였다. 가공 시 가공온도가 부적절하면, 평활도 및 외관이 적합하지 못하였으며, 코어쉬트 가공온도는 175℃ ∼ 185℃가 적절함을 확인 하였다.
동일한 조건에서 제작된 0.08mm의 각각의 코어쉬트와 0.03mm의 필름을 사용하였다. 카드기재는 필름 2장(상하)과 쉬트 3장을 사용하여 라미네이팅 하고, 라미네이팅 시에 쉬트에 공급되는 열에너지를 이용하여 쉬트의 결정을 성장시키기 위한 온도, 압력, 시간 변화를 주어 어닐링 공정을 최적화 하였다.

이론/모형

카드의 평활한 정도를 측정하기 위하여 ISO/IEC 7810의 8.11 시험법에 따라 편평한 바닥면으로 부터 카드의 볼록한 부위를 측정하였다. 휨도 테스트는 Table 4에 나타낸 바와 같이 만족한 결과를 얻었다.
카드의 라미네이팅 한 필름과 코어층의 벗김강도의 세기를 측정하기 위하여 ISO/IEC 10373-1의 5.3.1 시험법에 따라 카드를 넓이 10mm로 절단하여 인장속도 300mm/min로 시험하여 끝 부분의 5mm를 제외하고 측정되는 거리에서의 하중값(N) 중 최소값을 기록하고, 시험편 넓이(10mm)에 대한 인장력(벗김강도)을 측정하였다.
이 시험은 카드의 휨버팀도가 기준에 적합함을 알아보기 위하여 ISO/IEC 10373-1의 5.7 시험법에 따라 카드를 Fig. 3과 같이 측정하였으며, 장비에 장착하여 초기높이 (h1)를 측정하고 0.
특정한 주위의 온도 및 습도에 노출된 후에 카드의 변형 등을 확인하기 위하여 ISO/IEC 10373-1의 5.5 방법에 따라 -35℃ 에서 1시간 노출 후, 이어서 50℃, 상대습도 95%에서 1시간 노출하는 가혹한 온도 조건 후의 내온내습에 따른 카드의 휨도를 3.1 방법과 동일하게 측정하였다. 시험결과는 Table 4에 나타내었으며 샘플모두 목표치에 만족함을 확인할 수 있었다.
카드에 연속적으로 동적인 뒤틀기를 가해 카드의 파손 유무를 확인하기 위하여 ISO/IEC 10373-1의 5.9 방법에 따라 Fig. 4와 같이 뒤틀림 스트레스 시험을 실시하여 카드의 이상(균열, 깨짐 등)이 발생했을 때의 뒤틀림 횟수 및 1,100회에서 카드의 파손 등의 외관이상 유무를 확인하였다.
이 시험은 카드샘플의 기계적 굽힘 스트레스가 카드의 변형 등의 외관에 미치는 영향을 파악하기 위함으로써 ISO/IEC 10373-1의 5.8 방법에 따라 Fig. 5와 같이 단방향 및 장방향 으로 굽힘 스트레스를 주어 카드의 이상(균열, 깨짐 등)이 발생했을 때의 뒤틀림 횟수를 측정하였다.
이 시험은 일정한 하중에서 일정한 속도로 온도를 상승하여 규정된 변형(0.25mm)이 발생하였을 때의 온 를 측정하기 위함으로써, ASTM D 648 시험법에 따라 시험편을 장착하여 굴곡응력은 0.455MPa, 승온속도는 120℃/h의 조건으로 하중변형온도를 측정하였다. 1차 및 2차 시편은 개발목표치에 도달하지 못하였으며, 3차, 4차, 5차 시편은 범용카드의 물성치와 동등한 특성을 개발목표로 하고 있는 70℃ 이상에 도달하였음을 확인하였다(Table 4).

성능/효과

장기간 카드 사용 시의 내구성을 간접적으로확인 하기 위한 척도로써, Table 4의 물성테스트를 바탕으로 가장 우수한 물성을 나타낸 5차 카드 샘플에 대하여 범용카드와 같은 가속 테스트를 실시하였다. 이 시험은 카드 샘플을 고온에 장시간 노출시켰을 경우 카드에 미치는 영향을 파악하기 위함으로써, 카드 샘플을 35℃에서 1,000시간 방치 후, 상기의 3-1과 같은 휨도 시험방법으로 테스트 한 결과 초기 대비 0.03mm 변화로 우수하였으며, 또한 3-5 방법에 따라 1,100회 튀틀림을 가한 후 카드의 파손 등 외관의 이상 유무를 확인하였다. 기존의 범용 카드와 같은 테스트 방법으로 내구성에 대한 가속테스트 결과 우수한 특성을 나타내었다 (Table 5).
어닐링의 최적조건은 가열온도 85℃ ~ 95℃, 냉각시간은 20min ~ 40min 범위임을 나타내었다. 수지의 조성은 PLA의 단점을 보완하기 위하여 PLA(4032D) 60%와 PBAT 30%, Talc 10%의 첨가가 효과적이었으며, 컴파운드 가공시의 공정안정성과 내구성향상을 위한 물성 개선용 첨가제로써는 1, 2차 산화방지제와 열안정제가 각각 0.1, 0.15, 0.3wt% 로 나타났으며, 자외선 안정제 및 결정화 핵제는 각각 0.15, 1.0wt%의 첨가가 유용한 물성향상을 나타내었다.
실용성적인 측면에서 카드기재의 내부응력(Internal Stress)을 완화시켜 충격강도, 뒤틀림성 및 치수안정성 향상을 위해 라미네이팅 시 열적결정화에 의한 어닐링방법을 검토한 결과 내구성면에서 기존 범용카드의 특성과 동등 이상의물성을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리유산의 특징은 무엇인가?	대표적인 생분해성 플라스틱 소재인 폴리유산[PLA: Poly(lacticaicd)]은 생분해성 고분자 중에서 물성이 우수하여 사출, 압출가공 및 섬유나 필름에 의한 일반적인 용도의 소재로써 관심이 증대되고 있다[1-5]. PLA는 비교적 높은 융점(Tm)과 유리전이 온도(Tg)를 갖는데도 불구하고, 내열성 및 탄성이 약하고, 잘 깨지는 단점을 가지고 있다.
	PVC, PET소재로 이루어진 카드의 폐기 방법 및 문제점은?	일반적으로 사용되고 있는 합성수지인 PVC, PET 소재로 이루어진 카드는 쉽게 산화되거나 분해되지 않아서 사용 후에 폐기물로써 소각 또는 매립 처리되어지고 있으며, 소각 과정에서 환경호르몬과 연소가스등의 공해 문제를 일으킨다. 또한 매립 시에는 분해되지 않고 반영구적으로 쓰레기로 남아있어 환경오염을 일으키는 문제점 있다.
	어닐링 테스트 시, PLA의 단점을 보완하기 위한 물질의 구성비는?	어닐링의 최적조건은 가열온도 85℃ ~ 95℃, 냉각시간은 20min ~ 40min 범위임을 나타내었다. 수지의 조성은 PLA의 단점을 보완하기 위하여 PLA(4032D) 60%와 PBAT 30%, Talc 10%의 첨가가 효과적이었으며, 컴파운드 가공시의 공정안정성과 내구성향상을 위한 물성 개선용 첨가제로써는 1, 2차 산화방지제와 열안정제가 각각 0.1, 0.

참고문헌 (10)

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B. Amita, G. Rahulk, B. Sati. N, H. J. Choi, "compatibility of biodegradable poly(lactic acid)(PLA) and poly(butylene succinate)(PBS) blend for packaging application", Korea-Australia rheology journal, Vol.19, No.3, pp.125-131, 2017.
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J. Kim, M-S Kim and B-W Kim, "Study on isothermal crystallization behavior and surface properties of non-oriented PLA film with annealing temperature", Korean Chem. Eng. Res., Vol.49, No.5, pp.644-616, 2011. DOI: https://doi.org/10.9713/kcer.2011.49.5.611

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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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