[논문]폴리에틸렌옥사이드가 PLA/PBAT 블렌드 물성에 미치는 영향

장현호; 권상우; 엄유준; 유승우; 박수일

doi:10.20909/kopast.2020.26.2.93

폴리에틸렌옥사이드가 PLA/PBAT 블렌드 물성에 미치는 영향
Effects of PEO Additions on the Mechanical and Thermal Proprieties of PLA/PBAT Blends 원문보기

한국포장학회지= Korean Journal of Packaging Science & Technology, v.26 no.2, 2020년, pp.93 - 98

장현호 (연세대학교 패키징학과) , 권상우 (연세대학교 패키징학과) , 엄유준 (경기도경제과학진흥원) , 유승우 (경기도경제과학진흥원) , 박수일 (연세대학교 패키징학과)

초록
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PEO 첨가에 따른 PLA/PBAT 블렌드 필름의 물성개선 효과를 확인하였다. PEO 농도에 따른 영향을 확인하기 위하여 기계적특성, 열적특성 및 화학적 특성을 조사하였다. PEO 농도가 증가함에 따라 PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 인장강도는 소폭 감소하지만 열안정성은 증가하였다. PEO 2% 첨가군은 다른 샘플들에 비해 인장강도 감소폭 대비 높은 파단연신율(46.8%) 개선 효과를 보였다. 반면, PEO 4% 수준에서 PEO 무첨가와 유사한 파단연신율과 인장강도의 저하가 발생하였다. 열특성 분석을 통해 PLA/PBAT 블렌드 내 낮은 혼화성으로 발생한 두개의 T_m 피크가 PEO 첨가로 상용성이 증가하여 피크가 하나로 합쳐지는 것을 확인하였다. 또한, ¹H-NMR 분석을 통해 블렌드 내의 PEO의 농도가 증가함을 확인하였다. 향후, PEO 농도가 증가함에 따라 감소된 인장강도 유지와 파단연신율을 확보하기 위한 PEO의 분산성 향상에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The blends of Poly(lactic acid) (PLA) and Poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) have been recognized as a replacement for commodity plastic films and bags in biodegradable packaging industries. The purpose of this study is to identify changes in the thermal and mechanical properties of PLA/PBAT blends with the addition of poly(ethylene oxide)(PEO). PLA (80%) and PBAT (20%) were melt mixed with 0 to 10 phr of PEO and processed using a hot press. The addition of PEO into PLA/PBAT increased the elongation at break and improved thermal stability. With PEO addition, two melting temperature (Tm) peaks of PLA/PBAT merged into one peak showing improved miscibility. The result of this study showed that the addition of PEO increased the ductility and thermal stability of PLA/PBAT blends.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

100,000)가 고분자량의 PEO(Mw 1,00,000~4,000,000)에 비해 적은 함량으로 동일한 파단연신율 증가 효과를 나타냄을 확인하였다²²⁾. 본 연구에서는 PLA/PBAT 블렌드의 PEO 첨가에 따른 혼화성을 증진 및 물성개선 정도를 확인하였다.

제안 방법

PEO 첨가에 따른 PLA/PBAT 블렌드 필름의 물성개선 효과를 확인하였다. PEO 농도에 따른 영향을 확인하기 위하여 기계적특성, 열적특성 및 화학적 특성을 조사하였다. PEO 농도가 증가함에 따라 PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 인장강도는 소폭 감소하지만 열안정성은 증가하였다.
PEO 첨가에 따른 PLA/PBAT 블렌드 필름의 물성개선 효과를 확인하였다. PEO 농도에 따른 영향을 확인하기 위하여 기계적특성, 열적특성 및 화학적 특성을 조사하였다.
PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 화학적 구조를 조사하기 위해 적외선분광 흡수기(Fourier Transform Infrared Specroscopy, PerkinElmer, USA)를 이용하여 4000~400 cm^-1파장범위의 FT-IR을 분석하였고, 핵자기 공명 분광기 600 MHz(¹H-NMR)(Nuclear Magnetic Resonance 600, Bruker, German)를 사용하여 ¹H-NMR을 분석하였다.
PLA/PBAT/PEO 블렌드의 열적 거동을 분석하기 위해 시차주사열량계(DSC)(Q-20, TA instrument, USA)를 사용하였다. 각 샘플은 4~6 mg씩 채취하여 알루미늄팬에 밀봉하였다.
약 10 mg의 시료를 열 중량분석기(TGA)(TGA 4000, PerkinElmer, USA)를 이용하여 질소 환경에서 20℃/min의 속도로 30~800℃까지 가열하였다. TG 곡선으로부터 샘플의 중량 손실 및 분해 온도를 결정하였다. 분해 온도(Degradation Temperature, T_d)는 가장 많은 중량 감소율을 나타내는 온도로 결정하였다.
용융블렌딩을 통해 제조한 PLA/PBAT/PEO 블렌드의 화학적 구조를 ¹H-NMR을 이용하여 분석하였으며, Fig. 6에 나타냈었다. PBAT는 테레프탈산(terephthalic acid, TPA) 및 아디프산(adipic acid, AA)과 부탄디올(butanediol, BDO) 용해 중축합을 통해 합성되는 고분자로서 에스터결합과 인접한 메틸렌기(-COOCH₂-)의 수소 피크 위치 이동이 BDO와 결합한 단위체에 따라 각각 다르게 나타난다.
제조 전, 물성 저하 방지를 위하여 PLA, PBAT 레진과 PEO 분말은 건조기에서 55℃ 온도에서 24시간 이상 각각 건조하였다. 전처리가 진행된 PLA, PBAT 및 PEO를 니더기(TO-200, TEST ONE, Korea) 장비를 이용하여 200℃의 온도에서 10 rpm으로 3~5분 조건 하에서 컴파운딩을 진행하였다. 컴파운딩 통해 얻은 샘플은 저속분쇄기(CTSC-01-02, CRUTEC, Korea)를 이용하여 분쇄하여 필름제조에 사용하였다.
제조 전, 물성 저하 방지를 위하여 PLA, PBAT 레진과 PEO 분말은 건조기에서 55℃ 온도에서 24시간 이상 각각 건조하였다. 전처리가 진행된 PLA, PBAT 및 PEO를 니더기(TO-200, TEST ONE, Korea) 장비를 이용하여 200℃의 온도에서 10 rpm으로 3~5분 조건 하에서 컴파운딩을 진행하였다.
측정하기 전 용융점까지 열을 주어 열이력을 제거하고, 두 번째 가열 스캔은 20℃/min의 가열 속도로 −30~200℃에서의 열적 특성을 측정하였다.

대상 데이터

PBAT의 경우 안코바이오플라스틱스(Korea)사의 PBG7070 등급을 사용하였다. PBAT의 기본 물성은 평균 분자량(M_w) 162,000 g/mol, 밀도 1.
PEO는 Alfa Aesar(USA)사의 제품을 사용하였으며, PEO의 평균 분자량은(M_w)은 100,000 g/mol이고 녹는점 (T_m)은 65℃이다.
PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 인장강도와 파단연신율은 ISO 527-3:1995 규격에 따라 만능재료시험기(QM100T, QMESYS, Korea)로 측정하였다. 로드셀(Load cell)은 25 kN을 사용하였고, 그립 사이의 간격은 85 mm이다. 시편은 길이 115 mm, 너비 10 mm의 아령(Dog-bone)형태의 시편을 시편절단기를 이용하여 20개 이상 제작하여 측정하였다.
본 실험에서 PLA는 Nature Works LLC(USA)사의 4032D를 사용하였으며, PLA의 기본 물성은 평균 분자량(M_w) 190,000 g/mol, 밀도 1.3 g/cm³, 용융흐름지수(MFI) 7.6 g/10 min, 유리전이 온도(T_g) 59℃, 녹는점(T_m)170℃이다.
로드셀(Load cell)은 25 kN을 사용하였고, 그립 사이의 간격은 85 mm이다. 시편은 길이 115 mm, 너비 10 mm의 아령(Dog-bone)형태의 시편을 시편절단기를 이용하여 20개 이상 제작하여 측정하였다. 아웃라이어(Outlier) 데이터를 제외하고 평균과 표준편차 값을 계산하였다.
컴파운딩을 완료한 샘플을 핫프레스(상판, 하판: 190~205℃)를 이용하여 필름형태로 제조하였다. 또한 제조된 필름은 실험 전 thermos-hydrostat(HST-105MG, HANMAEK ST CO, Korea)를 이용하여 25℃, RH 50%에서 18시간 이상 보관 후 사용하였다.

데이터처리

시편은 길이 115 mm, 너비 10 mm의 아령(Dog-bone)형태의 시편을 시편절단기를 이용하여 20개 이상 제작하여 측정하였다. 아웃라이어(Outlier) 데이터를 제외하고 평균과 표준편차 값을 계산하였다.

이론/모형

PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 인장강도와 파단연신율은 ISO 527-3:1995 규격에 따라 만능재료시험기(QM100T, QMESYS, Korea)로 측정하였다. 로드셀(Load cell)은 25 kN을 사용하였고, 그립 사이의 간격은 85 mm이다.

성능/효과

또한 FT-IR의 분석 결과 역시 PLA/PBAT/PEO 블렌드 내 신규 화학결합이 발생하지 않은 것을 보여준다. FT-IR 분석결과는 Fig. 5에 나타내었으며, PEO 농도가 증가할수록 PEO 내 메틴기의 C-H 신축 진동 주파수(2900-3000 cm^-1)의 피크만 증가함을 확인하였다. 해당 결과로부터 PEO 4% 농도 수준의 PLA/PBAT/PEO 블렌드에서 파단연신율의 감소는 블렌드 내 화학결합 및 PEO 용출에 의한 것이 아니며, 해당 농도의 PEO의 첨가는 PEO간의 응집력으로 인해 PLA/PBAT 매트릭스 내 분산성이 저해됨에 따라 발생한 것으로 사료된다.
PEO 농도가 증가함에 따라 PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 인장강도는 소폭 감소하지만 열안정성은 증가하였다. PEO 2% 첨가군은 다른 샘플들에 비해 인장강도 감소폭 대비 높은 파단연신율(46.8%) 개선 효과를 보였다. 반면, PEO 4% 수준에서 PEO 무첨가와 유사한 파단연신율과 인장강도의 저하가 발생하였다.
PEO 농도에 따른 영향을 확인하기 위하여 기계적특성, 열적특성 및 화학적 특성을 조사하였다. PEO 농도가 증가함에 따라 PLA/PBAT/PEO 블렌드 필름의 인장강도는 소폭 감소하지만 열안정성은 증가하였다. PEO 2% 첨가군은 다른 샘플들에 비해 인장강도 감소폭 대비 높은 파단연신율(46.
2는 PLA/PBAT/PEO 블렌드의 파단연신율을 나타내는 그래프이며, PEO-2 샘플을 제외하고 PEO 함량에 따른 파단연신율 증가를 확인할 수 있다. PEO 함량이 없는 PEO-0 샘플의 파단연신율은 7.4%에서 각각 46.8%(PEO-2), 7.6% (PEO-4), 47.0% (PEO-6), 146.6% (PEO-8) 및 325.3% (PEO-10)로서, PEO-10 샘플은 PEO를 첨가하지 않은 블렌드에 비해 43.7배 높은 파단연신율을 나타내었다. 15wt% 농도의 PEO의 첨가가 PLA의 파단연신율을 4배 증가시켜 준다고 보고한 Nigenhuis(1996)연구²¹⁾ 보다 낮은 농도에서 더 높은 연신율의 효과를 확인하였다.
15wt% 농도의 PEO의 첨가가 PLA의 파단연신율을 4배 증가시켜 준다고 보고한 Nigenhuis(1996)연구²¹⁾ 보다 낮은 농도에서 더 높은 연신율의 효과를 확인하였다. PEO4 샘플은 PEO를 첨가하지 않은 블렌드 보다 낮은 물성을 나타낸 반면, PEO-2 샘플의 경우 다른 샘플들에 비해 인장강도 감소폭 대비 가장 높은 파단연신율 증가를 나타내었다.
열특성 분석을 통해 PLA/ PBAT 블렌드 내 낮은 혼화성으로 발생한 두개의 T_m 피크가 PEO 첨가로 상용성이 증가하여 피크가 하나로 합쳐지는 것을 확인하였다. 또한, ¹H-NMR 분석을 통해 블렌드 내의 PEO의 농도가 증가함을 확인하였다. 향후, PEO 농도가 증가함에 따라 감소된 인장강도 유지와 파단연신율을 확보하기 위한 PEO의 분산성 향상에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
3은 PLA/PBAT/PEO 블렌드의 두 번째 가열곡선을 나타낸 것이며, 각각의 열특성을 나타내는 온도는 Table 2에 나열하였다. 분석결과 PLA/PBAT 블렌드에 PEO를 첨가할 경우 T_m, T_g 및 T_c 모두 하락하는 경향을 확인할 수 있었다. T_m의 경우 PEO의 첨가로 인해 2개로 나타났던 PLA/PBAT 블렌드의 T_m이 하나의 피크로 합쳐지는 것을 확인하였다.
반면, PEO 4% 수준에서 PEO 무첨가와 유사한 파단연신율과 인장강도의 저하가 발생하였다. 열특성 분석을 통해 PLA/ PBAT 블렌드 내 낮은 혼화성으로 발생한 두개의 T_m 피크가 PEO 첨가로 상용성이 증가하여 피크가 하나로 합쳐지는 것을 확인하였다. 또한, ¹H-NMR 분석을 통해 블렌드 내의 PEO의 농도가 증가함을 확인하였다.
5에 나타내었으며, PEO 농도가 증가할수록 PEO 내 메틴기의 C-H 신축 진동 주파수(2900-3000 cm^-1)의 피크만 증가함을 확인하였다. 해당 결과로부터 PEO 4% 농도 수준의 PLA/PBAT/PEO 블렌드에서 파단연신율의 감소는 블렌드 내 화학결합 및 PEO 용출에 의한 것이 아니며, 해당 농도의 PEO의 첨가는 PEO간의 응집력으로 인해 PLA/PBAT 매트릭스 내 분산성이 저해됨에 따라 발생한 것으로 사료된다. 또한 고농도(8%농도 이상)의 PEO 첨가에 따른 파단연신율의 급격한 증대는 응집되는 PEO의 양보다 분산되는 양이 증대됨에 따라 발생한 것으로 유추된다.

후속연구

또한, ¹H-NMR 분석을 통해 블렌드 내의 PEO의 농도가 증가함을 확인하였다. 향후, PEO 농도가 증가함에 따라 감소된 인장강도 유지와 파단연신율을 확보하기 위한 PEO의 분산성 향상에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

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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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