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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 바이오매스를 발포층으로 하며, 석유계 플라스틱 사용량을 줄인 친환경적 HMR 용기 사용에 적합한 플라스틱 발포구조체를 제작하였다. 발포구조체는 3층 구조로서 외층은 폴리프로필렌(polypropylene, PP)로 구성하였으며 중층은 PP, 저밀도폴리에틸렌(Low density polyethylene, LDPE), 고밀도폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE)와 바이오매스, 발포제 및 기타 재료로 구성하여 공압출방법과 200~220℃의 발포공정 온도를 조절하여 발포구조체를 제작하였다.
제안 방법
- 따라서 열충격 (thermal shock)에 따른 해당 시료의 특성변화를 분석하기 위해 열충격 시험을 진행하였다. MIL-STD-883E 규격을 참고하여 A2 시료를 대상으로 열충격 반복횟수에 따른 기공 형상, 밀도, 공극률, 수분투과도 변화를 분석하였고, 그 결과를 Fig. 2와 Table 3에 나타내었다.
- 수분투과도를 측정하여 시료의 발포온도에 따른 기공변화의 상관성을 분석하였다. WVTR (7001 Water Vapor Permeation Analyzer, Systech Illinois Ltd., Denves, USA)를 사용하여 온도 37.8℃, RH 90% 조건에서 진행하였으며, bypass time은 120분, purge는 1로 설정하였다11). 모든 시료는 4회 반복측정하여 그 평균값을 계산하였다.
- 본 연구의 발포구조체는 기공의 크기, 개수, 분포에 따라 열전도율, 밀도, 공극률, 수분투과도 등이 달라지므로 기공의 형상을 파악하는 것이 매우 중요하다. 따라서 발포구조체의 발포온도에 따른 기공의 변화를 확인하기 위하여 SEM 분석을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 1에 나타내었다.
- HMR 식품은 대부분 냉동실에서 보관되었다가 용기 통째로 조리되는 특징이 있기 때문에 갑작스러운 열 변화에 대하여 안정성은 매우 중요한 물성이다. 따라서 열충격 (thermal shock)에 따른 해당 시료의 특성변화를 분석하기 위해 열충격 시험을 진행하였다. MIL-STD-883E 규격을 참고하여 A2 시료를 대상으로 열충격 반복횟수에 따른 기공 형상, 밀도, 공극률, 수분투과도 변화를 분석하였고, 그 결과를 Fig.
- . 또한 반복 사용에 따른 발포구조체 시트의 열적 안정성을 확인하기 위해 MIL-STD 규격에 따라 열충격 시험을 진행하였으며, 열충격 반복횟수에 따른 SEM, 밀도, 공극률, 수분투과도의 변화를 분석하였다.
- 저온부와 고온부에서 시편의 유지시간(dwelling time)은 120초로 설정하였으며 고온부에서 저온부, 저온부에서 고온부로의 이동시간(transfer time)은 10초 이내로 설정하여 실험을 진행하였다. 또한, 열충격의 반복횟수에 따른 특성변화를 확인하기 위하여 반복횟수를 0, 1, 5, 10, 20회로 설정하였으며, 각 시료를 cycle-0, cycle1, cycle-5, cycle-10, cycle-20로 명명하였다. 정해진 조건에서 시료에 열충격을 가한 후 기공의 형상과 밀도, 공극률을 측정하였으며, 수분투과도의 경우 메탈마스크를 사용하여 측정하였다.
- 바이오매스가 포함된 발포구조체의 발포온도에 따른 SEM, 밀도, 공극률, 수분투과도 측정을 통해 특성 변화를 분석하였으며, 소비자가 해당 용기를 사용할 때의 열적 안정성을 확인하기 위해 MIL-STD규격에 따라 열충격 처리의 영향을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 바이오매스를 발포층으로 하며, 석유계 플라스틱 사용량을 줄인 친환경적 HMR 용기 사용에 적합한 플라스틱 발포구조체를 제작하였다. 발포구조체는 3층 구조로서 외층은 폴리프로필렌(polypropylene, PP)로 구성하였으며 중층은 PP, 저밀도폴리에틸렌(Low density polyethylene, LDPE), 고밀도폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE)와 바이오매스, 발포제 및 기타 재료로 구성하여 공압출방법과 200~220℃의 발포공정 온도를 조절하여 발포구조체를 제작하였다.
- , Oregon, USA) 분석을 진행하였다. 발포구조체를 백금으로 코팅한 후 기공의 형상 변화를 표면과 단면으로 구분하여 분석하였다.
- 발포구조체의 발포공정 온도에 따른 기공의 형상, 기공에 따른 밀도변화, 공극의 분포 등의 물성 변화를 파악하기 위하여 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM), 밀도계(Densimeter), 공극률(Porosity), 수분투과도(Water vapor transmission rate) 분석을 진행하였다6). 또한 반복 사용에 따른 발포구조체 시트의 열적 안정성을 확인하기 위해 MIL-STD 규격에 따라 열충격 시험을 진행하였으며, 열충격 반복횟수에 따른 SEM, 밀도, 공극률, 수분투과도의 변화를 분석하였다.
- 수지, 발포제, 바이오매스 등 구성물질에 관한 것은 Table 1에 정리하였다. 본 시료는 일반적인 발포구조체 제조공정과 같이 원료 배합, 혼련, 발포, 압출, 냉각, 권취 공정을 거쳐 제작하였으며, Table 2에서 나타낸 바와 같이 발포온도를 200℃, 210℃, 220℃로 설정하여 각각 A1, A2, A3로 명명하였다.
- 본 연구에서는 발포구조체에 대한 발포온도의 영향을 살펴보기 위하여 모든 시료를 외층/중층/외층의 두께 비가 12.5%/75%/12.5%인 3층 구조로 동일하게 제작하였다. 수지, 발포제, 바이오매스 등 구성물질에 관한 것은 Table 1에 정리하였다.
- 본 연구의 대상 시료의 발포온도 조절에 따른 기공의 형상 파악을 위해 SEM (Quanta FEG250, FEI Co. Ltd., Oregon, USA) 분석을 진행하였다. 발포구조체를 백금으로 코팅한 후 기공의 형상 변화를 표면과 단면으로 구분하여 분석하였다.
- 앞서 기술한 SEM, 밀도, 공극률 분석을 통한 결과를 바탕으로 발포구조체의 발포온도에 따른 기공의 변화가 용기의 차단성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수분투과도 분석을 진행하였으며, 분석 결과는 Table 2에 나타내었다. 시료의 수분투과도 측정 결과, A1, A2, A3는 각각 0.
- 제조한 발포구조체의 밀도는 각 시료 당 동일한 크기의 측정 시료 5개를 제작하여 측정한 후 그 평균값을 계산하였다. 이때 아르키메데스 원리의 밀도계(Densimeter) (MD300S, Alfa Mirage Co. Ltd., Osaka, Japan)를 사용하여 밀도를 측정하였다7).
- , Kongju, South Korea)을 각각 사용하였다. 저온부와 고온부에서 시편의 유지시간(dwelling time)은 120초로 설정하였으며 고온부에서 저온부, 저온부에서 고온부로의 이동시간(transfer time)은 10초 이내로 설정하여 실험을 진행하였다. 또한, 열충격의 반복횟수에 따른 특성변화를 확인하기 위하여 반복횟수를 0, 1, 5, 10, 20회로 설정하였으며, 각 시료를 cycle-0, cycle1, cycle-5, cycle-10, cycle-20로 명명하였다.
- 또한, 열충격의 반복횟수에 따른 특성변화를 확인하기 위하여 반복횟수를 0, 1, 5, 10, 20회로 설정하였으며, 각 시료를 cycle-0, cycle1, cycle-5, cycle-10, cycle-20로 명명하였다. 정해진 조건에서 시료에 열충격을 가한 후 기공의 형상과 밀도, 공극률을 측정하였으며, 수분투과도의 경우 메탈마스크를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 발포구조체의 열충격에 따른 물성변화는 MIL-STD-883E를 참고하여 발포온도가 210℃인 A2 시료를 사용하였다. 저온부는 –10℃인 가정용 냉장고의 냉동실 (SR-3734, Samsung Electronics Co.
- 저온부는 –10℃인 가정용 냉장고의 냉동실 (SR-3734, Samsung Electronics Co., Suwon, South Korea), 고온부는 110℃인 대류식 오븐 (JSOF-150, JS Research Inc., Kongju, South Korea)을 각각 사용하였다.
데이터처리
- 모든 분석 결과는 평균값과 표준편차로 나타내었으며, 통계분석은 SPSS Statistics(SPSS 25 for Windows, SPSS Inc., Illinois, USA)를 이용하여 일원배치분산분석 (ANOVA) test와 Duncan’s multiple range test를 통해서(p<0.05) 시료의 평균값 별 유의적 차이를 검정하였다.
- 8℃, RH 90% 조건에서 진행하였으며, bypass time은 120분, purge는 1로 설정하였다11). 모든 시료는 4회 반복측정하여 그 평균값을 계산하였다.
- 제조한 발포구조체의 밀도는 각 시료 당 동일한 크기의 측정 시료 5개를 제작하여 측정한 후 그 평균값을 계산하였다. 이때 아르키메데스 원리의 밀도계(Densimeter) (MD300S, Alfa Mirage Co.
이론/모형
- 제조한 발포구조체 시료의 공극률을 확인하기 위해 수은 흡착법의 Porosimeter (PM33GT, Quantachrome Co., Graz, Austria)를 사용하여 측정하였다8). 수은흡착법은 수은의 Non-wetting 한 성질을 이용하여 다공성 시료의 특성을 분석하는 방법으로, 시료에 압력을 가하여 기공에 수은을 채운 후 공극률 측정이 진행된다.
성능/효과
- 발포공정 온도를 다르게 하였을 때 각 시료의 전체 공극률은 A1, A2, A3 시료가 각각 67.2%, 52.3%, 78.1%로, SEM과 밀도 분석의 결과와 유사한 경향성을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 일반적으로 복합 고분자는 온도가 증가할수록 용융 수지의 공극률이 증가하는 경향이 있으며, 본 연구의 SEM 분석 결과에서 기술한 바와 같이 발포온도를 높게 할수록 발포효율이 증가하기 때문인 것으로 사료된다.
- 수분투과도 측정 결과 cycle-0, cycle-1, cycle-5 시료는 2.53 g/m²/day에서 2.88 g/m²/day 사이의 수치를 나타내고 있는 반면, cycle-10과 cycle-20 시료는 2.02 g/m²/day와 1.45 g/m²/day로 크게 감소하였다.
- 시트의 절단면의 기공 크기는 A3 시료가 가장 크며, A3시료의 기공 수는 A1 시료에 비해 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 발포온도가 높아질수록 대체적으로 기공의 크기가 증가하며 기공의 수는 감소하는 것을 나타낸다.
- 열충격 시험 결과, 열충격 반복횟수를 거듭할수록 기공의 크기가 감소하면서 밀도는 증가하고 공극률과 수분투과도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 시료에 고온을 가함으로써 시료가 연화되었고, 연화된 상태의 시료에 곧바로 저온을 가하여 시료가 수축되면서 기공의 크기와 구도가 변화하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 위 분석 결과를 통해 열충격 후 밀도는 증가하였으나 통계적으로 유의한 차이는 없으며, 공극률과 수분투과도는 열충격 횟수를 10회 이상 반복한 경우 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서 소비자의 제품 사용을 고려하였을 때 해당 발포구조체는 HMR 용기로서 열적 안정성이 있다고 판단할 수 있다.
- 45 g/m²/day로 크게 감소하였다. 이를 통해 열충격 횟수를 10회 이상 거듭할수록 기공의 크기와 기공 간 구도가 변화함에 따라 공극률이 감소하면서 시료의 수분투과도에 영향을 미친 것을 확인할 수 있다.
- 측정 결과 발포온도가 증가할수록 대체로 기공의 크기는 증가하고 기공의 수는 감소하여 밀도는 통계적으로 유의한 차이가 없음을 확인하였다. 또한 공극률과 수분투과도 측정 결과는 서로 다른 경향성을 보이고 있는데 이는 기공의 크기와 수, 기공 간의 구도가 변화하였기 때문인 것으로 사료되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
후속연구
- 즉, 공극률이 높더라도 기공의 구도에 의해 수분투과도가 감소할 수 있다19). 따라서 발포 공정 중 온도를 증가하였을 경우 기공의 크기 및 개수가 변화하여 공극률이 증가하였지만, 발포층의 내부 기공 간의 구도가 달라짐에 따라 수분투과도는 감소한 것으로 판단되며 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 측정 결과 발포온도가 증가할수록 대체로 기공의 크기는 증가하고 기공의 수는 감소하여 밀도는 통계적으로 유의한 차이가 없음을 확인하였다. 또한 공극률과 수분투과도 측정 결과는 서로 다른 경향성을 보이고 있는데 이는 기공의 크기와 수, 기공 간의 구도가 변화하였기 때문인 것으로 사료되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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