KR102029207B1 - Pla composite and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PLA 나노복합소재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 개선된 물성을 갖는 PLA 나노복합소재, 그리고 셀룰로오스의 표면 소수화 전처리 공정, 용융 혼련, 용액 혼합 공정 등을 요하지 않으며, 개선된 물성을 갖는 PLA 나노복합소재를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PLA nanocomposite material and a method for manufacturing the same, PLA nanocomposite material having an improved physical properties, and does not require the surface hydrophobization pretreatment process, melt kneading, solution mixing process, etc. of cellulose, PLA having an improved physical properties It relates to a method for producing a nanocomposite material.

Description

PLA 복합소재 및 이의 제조 방법{PLA COMPOSITE AND PREPARING METHOD THEREOF}PLA composite material and manufacturing method thereof {PLA COMPOSITE AND PREPARING METHOD THEREOF}

본 발명은 PLA 복합소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PLA composite material and a manufacturing method thereof.

화석원료가 고갈되어가고, 친환경적인 소재에 대한 소비자의 요구에 따라 바이오매스를 활용하고자 하는 노력이 활발히 진행되고 있다. 바이오매스에는 다양한 종류의 바이오계 고분자가 있으며, 이중 셀룰로오스는 재생 가능성 측면에서 주목받고 있다. 셀룰로오스는 글루코오스 단위체가 중합된 것으로 자연계에 흔한 유기 화합물로서 다당류 물질 중에 분자량이 큰 편에 속한다. As fossil raw materials are depleted and consumers demand for eco-friendly materials, efforts are being actively made to utilize biomass. Biomass has various types of bio-based polymers, and cellulose has attracted attention in terms of reproducibility. Cellulose is a polymerized glucose unit, and is an organic compound that is common in nature.

셀룰로오스는 자연의 바이오매스 상에서 결정성 나노섬유로 이루어져 있다(도 1). 특히, 셀룰로오스 나노섬유는 한 가닥의 기계적 강도가 수십 내지 수백 GPa에 이른다고 알려져 있다. 하지만, 높은 기계적 강도와 친환경적인 바이오 소재이다. 나노섬유들은 수소결합으로 강하게 결정화되어 있기 때문에 나노섬유 형태로 추출하는 것이 어렵다. Cellulose consists of crystalline nanofibers on natural biomass (FIG. 1). In particular, cellulose nanofibers are known to have a mechanical strength of one strand ranging from tens to hundreds of GPa. However, it is a high mechanical strength and eco-friendly bio material. Nanofibers are difficult to extract in the form of nanofibers because they are strongly crystallized by hydrogen bonds.

셀룰로오스로부터 나노섬유 상태로 해섬(解纖)하여 추출하기 위해서는 나노섬유들을 서로 떼어내는 톱다운(top-down) 해섬 공법, 즉, 벌크 (bulk) 소재를 잘게 쪼개거나 잘라내는 방법이 필요하다. 셀룰로오스를 수중에서 (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl(TEMPO)로 대표되는 N-옥실 화합물 촉매 존재 하에서 차아염소산나트륨(NaClO)를 포함하는 산화제로 처리하거나 혹은 황산으로 처리한 후 분산력을 가하는 방법이 알려져 있다.In order to extract from the cellulose in the form of nanofibers, a top-down seam method in which nanofibers are separated from each other, that is, a method of finely slicing or slicing a bulk material is required. Treatment of cellulose in water with an oxidizing agent comprising sodium hypochlorite (NaClO) or sulfuric acid in the presence of an N-oxyl compound catalyst represented by (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl) oxidanyl (TEMPO) After that, a method of applying a dispersing force is known.

이런 방법은 나노섬유의 표면만을 개질하고, 나노섬유 결정구조를 깨지는 않는다. 강력한 수소결합을 하는 하이드록시 그룹들이 없어지고, 음전하(negative charge)를 띄어 척력(repulsive force)을 발생시킨다. 이에 따라 나노섬유들을 수용액에 분산시킬 수 있다. 다른 방법으로는 셀룰로오스에 일정농도의 황산을 가하여 나노섬유 표면에 할 경우 키틴, 키토산, 및 셀룰로오스에 나노섬유 표면에 술폰산(R-SO3H)기를 형성하고 이로 인한 음전하로 척력을 발생시켜 나노섬유들을 수용액에 분산시킬 수 있다. 이렇게 만들어진 섬유 형태의 셀룰로오스 소재를 “나노셀룰로오스 (nanocellulose)“라고 부른다. 나노셀룰로오스의 대표적인 예는 셀룰로오스 나노크리스탈 (CNC; Cellulose nanocrystal)과 셀룰로오스 나노섬유 (CNF; cellulose nanofiber)가 있다. CNC는 제품은 150-200 nm의 길이와 5-20 nm 정도의 직경을 가진다. CNF는 수 μm(1-5μm)의 길이와 10-20 nm 정도의 직경을 가진다. 그리고, 나노셀룰로오스는 상기 서술된 화학처리 후 산성을 띄고 있다. 제조 직후 상태는 산성상태로 중화를 위해 알칼리 수산화물 (예, NaOH)을 처리하기 때문에 따라서 소듐(Na+), 포타슘 (K+) 등의 알칼리 양이온을 소량 포함하고 있다. This method only modifies the surface of the nanofibers and does not break the nanofiber crystal structure. The hydroxy groups with strong hydrogen bonds are eliminated and negative charges are generated to generate repulsive force. Accordingly, the nanofibers can be dispersed in an aqueous solution. Alternatively, if sulfuric acid is added to cellulose at a certain concentration, the surface of the nanofibers can be formed with chitin, chitosan, and cellulose by forming sulfonic acid (R-SO3H) groups on the nanofiber surface. Can be dispersed in The fibrous cellulose material thus produced is called "nanocellulose". Representative examples of nanocellulose include cellulose nanocrystals (CNC) and cellulose nanofibers (CNF). The CNC has a length of 150-200 nm and a diameter of 5-20 nm. CNF has a length of several μm (1-5 μm) and a diameter of about 10-20 nm. And nanocellulose is acidic after the chemical treatment mentioned above. Immediately after the preparation, the acidic state treats alkali hydroxides (eg, NaOH) for neutralization and therefore contains small amounts of alkali cations such as sodium (Na +) and potassium (K +).

앞서 서술한바 대로 나노셀룰로오스 섬유 한 가닥이 고강도의 결정성 소재이기 때문에 나노셀룰로오스를 혼합하여 고분자 복합소재를 제작할 경우 매트릭스 고분자의 부족한 기계적 열적 물성을 보강시킬 수 있다.As described above, since one strand of the nanocellulose fiber is a high-strength crystalline material, when the polymer composite material is manufactured by mixing the nanocellulose, the insufficient mechanical and thermal properties of the matrix polymer may be reinforced.

나노셀룰로오스를 제작하는 박리 및 해섬을 포함하는 나노섬유화 과정 없이 셀룰로오스를 상대적으로 온화한 공정으로 만들 수 있는 나노피브릴화된 셀룰룰로오스(nano fibril cellulose)를 이용하여 고분자 복합소재화 할 경우 보강소재의 종횡비가 적어 높은 기계적 보강효과를 기대할 수 없다. Reinforcing materials when polymer composite materials are made using nano fibrillated cellulose, which can make cellulose into a relatively mild process without the nanofiberization process including peeling and sea island to make nanocellulose. Due to the low aspect ratio, high mechanical reinforcement effects cannot be expected.

따라서 나노셀룰로오스를 이용해서 고분자 복합소재를 제작해야한 기존의 복합소재의 물성을 뛰어넘는 소재를 만들 수 있다. 나노셀룰로오스를 이용한 고분자 나노복합소재 제작의 어려운 점은 일반적으로 셀룰로오스는 히드록시기 (-OH) 기를 가진 친수성 성분이어서 일반적으로 소수성인 고분자 및 플라스틱 소재와 혼합이 잘 되지 않는다. 혼합이 되더라도 쉽게 응집되어 나노 소재로서의 기능이 없어진다.Therefore, it is possible to make a material that exceeds the physical properties of the existing composite material, which must produce a polymer composite material using nanocellulose. The difficulty of fabricating polymer nanocomposites using nanocellulose is that cellulose is generally a hydrophilic component having a hydroxyl group (-OH), so that it is difficult to mix with a generally hydrophobic polymer and plastic material. Even when mixed, they easily aggregate and lose their function as nanomaterials.

나노셀룰로오스를 고분자 복합소재와 혼화성 (miscibility) 증대시키는 방법은 나노셀룰로오스를 복잡한 표면 소수화 개질 공정을 거쳐 나노셀룰로오스를 소수성 (hydrophobic)한 성질을 갖게 하는 것이다. 이 공정을 통해 산업적 관점에서 비용 발생과 생산 시간 지연을 발생시킨다. 표면개질을 하는 경우 나노셀룰로오스의 종횡비 (aspect ratio)가 감소하여 기계적 보강효과가 저감된다.The method of increasing the miscibility of the nanocellulose with the polymer composite material is to make the nanocellulose hydrophobic through a complex surface hydrophobization modification process. This process leads to cost and production time delays from an industrial point of view. Surface modification reduces the aspect ratio of the nanocellulose to reduce the mechanical reinforcing effect.

표면이 소수화 개질된 나노셀룰로오스를 고분자와 섞는 데 있어서 크게 2가지 방법이 있다. 첫 번째는 가열상태에서 고분자 멜트 (melt)와 나노셀룰로오스와 섞는 것인데, 이 때 고분자 멜트상의 높은 점도 때문에 나노셀룰로오스와 혼화성이 매우 떨어진다. 또한, 오랜시간 열에 노출되기 때문에 나노셀룰로오스가 열분해된다. 두 번째는 유기 용매를 사용하여 용액화 해서 고분자와 나노셀룰로오스를 혼합하는 것이다. 이 때 유기용매 사용으로 환경오염을 발생시킬 수 있다.There are two main ways to mix hydrophobically modified nanocellulose with a polymer. The first is to mix the polymer melt and nanocellulose in a heated state, which is very incompatible with the nanocellulose due to the high viscosity of the polymer melt. In addition, nanocellulose is thermally decomposed because it is exposed to heat for a long time. The second is to mix the polymer and nanocellulose by solution using an organic solvent. At this time, the use of organic solvent can cause environmental pollution.

본 발명에서는 1) 나노셀룰로오스를 소수화 표면 개질하는 공정 없이 2) 가열혼합공정이나 용매 혼합공정 없이 in-situ 직접 중합법을 통해 나노셀룰로오스를 포함하는 PLA 나노복합체를 제작하는 것이다.In the present invention, 1) without the step of hydrophobized surface modification of the nanocellulose 2) to produce a PLA nanocomposite containing the nanocellulose through the in-situ direct polymerization method without a heat mixing process or a solvent mixing process.

한국공개특허 제2011-0101376호Korean Patent Publication No. 2011-0101376

본 발명은 개선된 물성을 갖는 PLA 나노복합소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a PLA nanocomposite having improved physical properties.

본 발명은 셀룰로오스의 표면 소수화 전처리 공정, 용융 혼련, 용액 혼합 공정 등을 요하지 않으며, 개선된 물성을 갖는 PLA 나노복합소재를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention does not require surface hydrophobization pretreatment of cellulose, melt kneading, solution mixing, and the like, and an object of the present invention is to provide a method for producing PLA nanocomposite having improved physical properties.

1. 폴리락틱산 사슬을 포함하는 매트릭스 및 그 사슬 사이에 산재된 나노셀룰로오스를 포함하는, PLA 복합소재.1. A PLA composite material comprising a matrix comprising polylactic acid chains and nanocellulose interspersed between the chains.

2. 위 1에 있어서, 락틱산 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스의 혼합 하에 중합시켜 제조된 것인, PLA 복합소재.2. according to the above 1, which is prepared by polymerizing a lactic acid or a derivative thereof under a mixture of nanocellulose, PLA composite material.

3. 위 1에 있어서, 상기 매트릭스는 락타이드 중간물을 거치지 않고 락틱산에서 바로 고분자가 되는 직접중합법(direct polymerzation)을 거쳐 제조된 것인, PLA 복합소재.3. In the above 1, wherein the matrix is prepared through a direct polymerization (direct polymerzation) that is directly polymer in the lactic acid without passing through the lactide intermediate, PLA composite material.

4. 위 1에 있어서, 상기 매트릭스는 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 사슬을 더 포함하는, PLA 복합소재:4. In the above 1, wherein the matrix further comprises a polymer chain containing a repeating unit represented by the following formula (3), PLA composite material:

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019004569020-pat00001
Figure 112019004569020-pat00001

(식 중, n은 1 내지 10의 정수임).Wherein n is an integer from 1 to 10.

5. 위 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 복합소재 총 중량 중 0.01 내지 20중량%로 포함되는, PLA 복합소재.5. according to the above 1, wherein the nano cellulose is 0.01 to 20% by weight of the total weight of the composite material, PLA composite material.

6. 위 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 셀룰로오스 나노크리스탈, 셀룰로오스 나노섬유 또는 이들의 혼합물인, PLA 복합소재.6. In the above 1, wherein the nanocellulose is cellulose nanocrystals, cellulose nanofibers or a mixture thereof, PLA composite material.

7. 위 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 직경 2nm 내지 200 nm인 셀룰로오스를 포함하는 것인, PLA 복합소재.7. In the above 1, wherein the nano cellulose is 2 to 200 nm in diameter containing cellulose, PLA composite material.

8. 위 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 1가 양이온을 3000ppm 이하로 포함하는, PLA 복합소재.8. according to the above 1, wherein the nanocellulose contains less than 3000ppm monovalent cation, PLA composite material.

9. 락틱산 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스의 혼합 하에 직접축중합시키는 단계를 포함하는, PLA 복합소재의 제조 방법.9. A method for producing a PLA composite material, comprising directly condensing lactic acid or a derivative thereof under mixing of nanocellulose.

10. 위 9에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 상기 혼합물 총 중량 중 0.01 내지 20중량%로 포함되는, PLA 복합소재의 제조 방법.10. In the above 9, wherein the nanocellulose is contained in 0.01 to 20% by weight of the total weight of the mixture, the production method of PLA composite material.

11. 위 9에 있어서, 상기 중합시에 하기 화학식 4의 모노머를 함께 중합시키는, PLA 복합소재의 제조 방법:11. In the above 9, wherein the polymerization of the monomer of the formula 4 at the time of the polymerization together, the production method of PLA composite material:

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019004569020-pat00002
Figure 112019004569020-pat00002

(식 중, X는 F, Br, Cl 또는 I이고, R은 H, COOH, 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, n은 1 내지 10의 정수임).(Wherein X is F, Br, Cl or I, R is H, COOH, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n is an integer of 1 to 10).

12. 위 1 내지 8 중 어느 한 항의 PLA 복합소재를 포함하여 제조된 제품.12. Product manufactured by including the PLA composite material of any one of 1 to 8.

본 발명의 PLA 복합소재는 높은 유리전하온도, 높은 인장강도, 낮은 열팽창계수 등의 개선된 물성을 갖는다.PLA composite material of the present invention has improved physical properties such as high glass charge temperature, high tensile strength, low thermal expansion coefficient.

본 발명의 PLA 복합소재의 제조 방법은 나노셀룰로오스의 소수성화 전처리 공정, 용융 혼련, 용액 혼합 공정 등을 요하지 않으며, 또한 일반적인 PLA 중합법에서 반드시 수행되는 락타이드 중간물 생성 공정을 거치지 않고 제조 시 개선된 물성을 갖는 PLA 나노복합소재를 제조할 수 있다.The production method of the PLA composite material of the present invention does not require hydrophobization pretreatment of nanocellulose, melt kneading, solution mixing, etc., and also improved during manufacturing without undergoing the lactide intermediate production process necessarily performed in the general PLA polymerization method PLA nanocomposites having the physical properties can be prepared.

도 1은 셀룰로오스를 구성하고 있는 셀룰로오스 나노섬유
도 2는 PLA 직접중합법 및 간접중합법을 개략적으로 도시화한 것이다.
도 3은 셀룰로오스 나노클리스탈(CNC)의 원자힘현미경(AFM) 이미지이다.
도 4는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 AFM 이미지이다.
도 5는 셀룰로오스 나노클리스탈 및 나노섬유를 1,4-부탄디올, 숙신산에 분산시킨 사진이다.
도 6은 셀룰로오스 나노클리스탈 및 나노섬유를 클로로폼에 분산시킨 사진이다.
도 7은 셀룰로오스 나노클리스탈이 분산된 PLA 복합체 단면의 투과전자현미경 (TEM) 사진이다.
1 is a cellulose nanofiber constituting cellulose
Figure 2 schematically shows the PLA direct polymerization method and indirect polymerization method.
3 is an atomic force microscope (AFM) image of cellulose nanocrystals (CNC).
4 is an AFM image of cellulose nanofibers (CNF).
5 is a photograph in which cellulose nanocrystals and nanofibers are dispersed in 1,4-butanediol and succinic acid.
6 is a photograph of cellulose nanocrystalline and nanofibers dispersed in chloroform.
7 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section of a PLA composite in which cellulose nanocrystals are dispersed.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 PLA 복합소재는 폴리락틱산 사슬을 포함하는 매트릭스 및 그 사슬 사이에 산재된 나노셀룰로오스를 포함한다.PLA composite material of the present invention comprises a matrix comprising a polylactic acid chain and nanocellulose interspersed between the chain.

폴리락틱산은 하기 화학식 1로 표시되는 반복 구조를 갖는 고분자이다. 이는 예를 들면 락틱산 또는 그 유도체의 축합중합으로 얻어진 것일 수 있다.Polylactic acid is a polymer having a repeating structure represented by the following formula (1). This may be obtained, for example, by condensation polymerization of lactic acid or a derivative thereof.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019004569020-pat00003
.
Figure 112019004569020-pat00003
.

본 발명에 따른 폴리락틱산의 분자량은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 수평균분자량이 500 내지 1,000,000일 수 있다.The molecular weight of the polylactic acid according to the present invention is not particularly limited, and for example, the number average molecular weight may be 500 to 1,000,000.

필요에 따라, 본 발명에 따른 매트릭스는 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 사슬을 더 포함할 수 있다.If necessary, the matrix according to the present invention may further include a polymer chain comprising a repeating unit represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019004569020-pat00004
Figure 112019004569020-pat00004

(식 중, n은 1 내지 10의 정수임).Wherein n is an integer from 1 to 10.

화학식 3으로 표시되는 반복단위는 폴리락틱산 사슬과 별도의 사슬에 포함될 수도 있고, 폴리락틱산 사슬에 포함될 수도 있다.The repeating unit represented by Formula 3 may be included in a chain separate from the polylactic acid chain or may be included in the polylactic acid chain.

셀룰로오스는 바이오매스 상에서 수십나노미터의 직경을 갖는 결정성 나노섬유로 이루어져 있으며, 이들 나노섬유의 강도는 80 내지 120 GPa인 것으로 복합소재로 이용시 높은 기계적 보강효과를 기대할 수 있다.Cellulose is composed of crystalline nanofibers having a diameter of several tens of nanometers on the biomass, and the strength of these nanofibers is 80 to 120 GPa, and high mechanical reinforcing effects can be expected when used as a composite material.

셀룰로오스는 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는 고분자이다.Cellulose is a polymer having a repeating unit represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019004569020-pat00005
Figure 112019004569020-pat00005

상기 화학식 2에서, n은 10 내지 35,000이다.In Formula 2, n is 10 to 35,000.

본 발명에 따른 나노셀룰로오스는 폴리락틱산 매트릭스에 스며들어, 상기 폴리락틱산 사슬 사이에 산재되어 있다. 폴리락틱산 사슬 사이에 나노셀룰로오스가 산재됨에 따라 폴리락틱산 분자 사슬을 속박하여 유리전이온도가 증가하고, 인장강도가 상승하며, 열팽창계수가 감소하는 등의 물성 개선 효과를 얻을 수 있다.The nanocellulose according to the invention penetrates into the polylactic acid matrix and is interspersed between the polylactic acid chains. As nanocellulose is interspersed between the polylactic acid chains, it is possible to bind the polylactic acid molecular chain to increase the glass transition temperature, increase the tensile strength, and decrease the thermal expansion coefficient.

나노셀룰로오스는 셀룰로오스를 해섬하여 얻어진 것일 수 있다. 해섬은 당 분야에 공지된 방법에 따라 수행된 것일 수 있으며, 예를 들면 황산처리, TEMPO 산화, 기계적 박리 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The nanocellulose may be obtained by dissolving cellulose. The sea island may be performed according to a method known in the art, for example, sulfuric acid treatment, TEMPO oxidation, mechanical peeling, etc., but is not limited thereto.

나노셀룰로오스는 셀룰로오스로 구성된 나노섬유로 예를 들면 셀룰로오스 나노크리스탈, 셀룰로오스 나노섬유 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Nanocellulose is a nanofiber composed of cellulose, for example, cellulose nanocrystals, cellulose nanofibers or a mixture thereof, but is not limited thereto.

셀룰로오스 나노크리스탈인 경우 예를 들면 길이가 50nm 내지 500nm, 구체적으로 100nm 내지 300nm일 수 있으며, 직경이 2nm 내지 200nm, 구체적으로 5nm 내지 20nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the case of cellulose nanocrystals, for example, the length may be 50 nm to 500 nm, specifically 100 nm to 300 nm, and the diameter may be 2 nm to 200 nm, specifically 5 nm to 20 nm, but is not limited thereto.

셀룰로오스 나노섬유인 경우 예를 들면 길이가 0.1㎛ 내지 10㎛, 구체적으로 0.5㎛ 내지 7㎛일 수 있으며, 직경이 2nm 내지 200nm, 구체적으로 5nm 내지 20nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the case of cellulose nanofibers, for example, the length may be 0.1 μm to 10 μm, specifically 0.5 μm to 7 μm, and the diameter may be 2 nm to 200 nm, specifically 5 nm to 20 nm, but is not limited thereto.

나노셀룰로오스는 나트륨, 칼륨 등의 1가 양이온을 포함하는 것일 수 있다.The nanocellulose may include monovalent cations such as sodium and potassium.

1가 양이온은 예를 들면 나노셀룰로오스 중 3000ppm 이하로 포함될 수 있다. 함량이 3000ppm 초과이면 PLA 복합소재의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 나노셀룰로오스는 1가 양이온을 2ppm 내지 3000ppm 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Monovalent cations can be included, for example, up to 3000 ppm in nanocellulose. If the content is more than 3000ppm the mechanical properties of the PLA composite material may be lowered. Specifically, the nanocellulose according to the present invention may include 2 ppm to 3000 ppm monovalent cation, but is not limited thereto.

폴리락틱산과 나노셀룰로오스의 함량비는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 나노셀룰로오스가 PLA 복합소재 총 중량 중 0.01 내지 20중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.1 중량 내지 15중량%, 보다 바람직하게는 3 내지 10중량%로 포함될 수 있다. 나노셀룰로오스 함량이 0.01중량% 미만이면 나노셀룰로오스 첨가에 따른 물성 개선 효과가 미미할 수 있고, 20중량% 초과이면 단단하나 쉽게 부러질 수 있고, 소량첨가시에 비해 오히려 인장강도, 유리전이온도 등이 저하될 수 있다.The content ratio of polylactic acid and nanocellulose is not particularly limited, and for example, nanocellulose may be included in an amount of 0.01 to 20% by weight of the total weight of the PLA composite material, preferably 0.1 to 15% by weight, more preferably. It may be included in 3 to 10% by weight. If the content of the nanocellulose is less than 0.01% by weight, the effect of improving the physical properties due to the addition of the nanocellulose may be insignificant, and if it is more than 20% by weight, it may be hard but easily broken. Can be.

나노셀룰로오스의 폴리락틱산 사슬 사이에 산재되도록 하는 구현 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 락틱산(또는 그 유도체)의 직접중합으로 폴리락틱액시드의 제조시에 나노셀룰로오스도 함께 첨가하여 in-situ 중합함으로써 구현될 수 있다.The method of implementation is not particularly limited so as to be interspersed between the polylactic acid chains of the nanocellulose. For example, in the preparation of the polylactic acid by direct polymerization of the lactic acid (or a derivative thereof), the nanocellulose may also be added together in- It can be implemented by situ polymerization.

락틱산의 직접축중합으로 폴리락틱액시드의 제조시에 나노셀룰로오스도 함께 혼합하여 in-situ 중합하는 경우, 나노셀룰로오스가 PLA 매트릭스에 분자수준으로 스며들어, PLA 사슬을 속박하여 유리전이온도가 증가하고, 인장강도가 상승하며, 열팽창계수가 감소할 수 있다.In the case of in-situ polymerization by mixing nanocellulose together in the preparation of polylactic acid by direct polycondensation of lactic acid, nanocellulose penetrates into PLA matrix at the molecular level and binds PLA chain to increase glass transition temperature. The tensile strength may increase, and the coefficient of thermal expansion may decrease.

도 2 및 하기 반응식 1에는 상기 직접 중합법이 도식화되어 있다. 도 2 하단은 락틱산을 락타이드라 불리는 2량체로 만든 후 이를 중합하여 폴리락틱산을 제조하는 일반적인 방식(간접중합법, 젖산 2분자의 탈수환상 2량체인 락타이드를 제조하고, 이를 개환중합)으로, 본 발명에 따른 직접 중합법은 도 2 상단에 도식화된, 락틱산을 에스터화 및 에스터 교환반응으로 바로 폴리락틱산을 중합하는 방식(락틱산을 직접축중합)을 의미한다. 직접축중합은 용융중합법 및 용제 중에서 일어나는 탈수축중합법이 있는데, 상기 두 방법이 제한 없이 사용가능하다.In FIG. 2 and the following Reaction Scheme 1, the direct polymerization method is illustrated. Figure 2 shows the general method of making lactic acid into a dimer called lactide and then polymerizing it to produce polylactic acid (indirect polymerization, lactide, a dehydration dimer of 2 molecules of lactic acid, and ring-opening polymerization). As described above, the direct polymerization method according to the present invention means a method of polymerizing polylactic acid directly by esterification and transesterification of lactic acid (direct condensation of lactic acid), which is illustrated at the top of FIG. 2. Direct condensation polymerization includes a melt polymerization method and a deshrinkment polymerization method occurring in a solvent, and the two methods can be used without limitation.

반응식 1에 구체적인 조건 등이 도식화되어 있으나, 이는 일 예일 뿐, 이러한 조건에 제한되는 것은 아니다.Specific conditions and the like are shown in Scheme 1, but this is only an example and is not limited to these conditions.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112019004569020-pat00006
Figure 112019004569020-pat00006

본 발명에서의 나노셀룰로오스의 첨가 시기는, 중축합반응의 개시전인 것이 바람직하지만, 에스테르화반응 또는 에스테르교환반응의 개시 전 및 반응 도중의 임의의 단계에서 반응계에 첨가할 수도 있다.The addition time of the nanocellulose in the present invention is preferably before the start of the polycondensation reaction, but may be added to the reaction system at any stage before the start of the esterification reaction or the transesterification reaction and during the reaction.

본 발명의 PLA 복합소재의 유리전이온도는 예를 들면 60℃ 내지 90℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The glass transition temperature of the PLA composite material of the present invention may be, for example, 60 ℃ to 90 ℃, but is not limited thereto.

인장강도는 예를 들면 ASTM D638에 따라 측정된 인장강도가 40MPa 내지 60MPa, 구체적으로 40MPa 내지 55MPa일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The tensile strength may be, for example, 40 MPa to 60 MPa, specifically 40 MPa to 55 MPa, but is not limited thereto.

열팽창계수는 예를 들면 -60℃에서 100℃ 사이에서 측정된 팽창계수(CTE)가 130㎛/m℃에서 180㎛/m℃, 구체적으로 135㎛/m℃에서 180㎛/m℃ 범위 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The coefficient of thermal expansion may be, for example, the coefficient of expansion (CTE) measured between −60 ° C. and 100 ° C., ranging from 130 μm / m ° C. to 180 μm / m ° C., specifically 135 μm / m ° C. to 180 μm / m ° C. However, it is not limited thereto.

또한, 본 발명은 PLA 복합소재의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a PLA composite material.

본 발명의 PLA 복합소재의 제조 방법은 락틱산 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스의 혼합 하에 직접축중합시키는 단계를 포함한다.The method for producing a PLA composite material of the present invention includes the step of directly condensation lactic acid or derivatives thereof under the mixing of nanocellulose.

전술한 바와 같이 폴리락틱산의 제조 방법으로는 통상 간접중합법이 사용되지만, 본 발명의 방법은 락틱산 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스의 혼합 하에 직접축중합시킨다.As described above, indirect polymerization is generally used as a method for producing polylactic acid, but the method of the present invention directly condensates lactic acid or a derivative thereof under mixing of nanocellulose.

락틱산 또는 그 유도체 및 나노셀룰로오스의 혼합물에서, 나노셀룰로오스가 모노머들과 혼합되어 있는 상태이므로, 폴리락틱산 사슬 형성시에 그 사슬들 사이에 나노셀룰로오스가 산재한 상태로 폴리락틱산 매트릭스가 형성된다. 락타이드는 친유성의 물질로 나노셀룰로오스를 분산시키지 못하므로, 락타이드 과정을 거치는 일반적인 중합법으로는 사슬 사이에 산재시키는 것이 용이하지 않다. 이에 따라, 간접중합법으로 복합소재 제조시에는 기계적 물리적 특성이 직접중합법으로 제조된 PLA 복합소재에 비해 현저히 저하된다.In the mixture of lactic acid or derivatives thereof and nanocellulose, since the nanocellulose is mixed with the monomers, the polylactic acid matrix is formed with the nanocellulose interspersed between the chains when the polylactic acid chain is formed. Since lactide does not disperse nanocellulose as a lipophilic substance, it is not easy to scatter between chains by the general polymerization method through the lactide process. Accordingly, when manufacturing the composite material by the indirect polymerization method, the mechanical and physical properties are significantly lower than the PLA composite material produced by the direct polymerization method.

또한, 락타이드를 형성하는 과정을 거치지 않으므로, 1회의 공정으로 중합이 가능하고, 친수성의 락타이드 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스와 혼합 상태에서 직접중합하는 것이므로, 나노셀룰로오스의 소수성 개질이 불필요하여, 공정이 간편하다는 장점이 있다.In addition, since the lactide is not formed, polymerization is possible in one step, and since hydrophilic lactide or a derivative thereof is directly polymerized in a mixed state with the nanocellulose, hydrophobic modification of the nanocellulose is unnecessary. This has the advantage of simplicity.

락틱산으로는 L-락틱산 및 D-락틱산 중 1종 이상이 사용될 수 있다.As the lactic acid, one or more of L-lactic acid and D-lactic acid may be used.

단량체로 사용하는 락틱산의 광학순도는 95% 이상인 것이 바람직하고, 98% 이상인 것이 더욱 바람직하고, 99% 이상인 것이 특히 바람직하다. 락틱산이 L-락틱산인 경우는 D-락틱산의 함유량이 2.5% 이하인 것이 바람직하고, 1.0% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 락틱산이 D-락틱산인 경우에는 L-락틱산의 함유량이 2.5% 이하인 것이 바람직하고, 1.0% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.5% 이하인 것이 특히 바람직하다.It is preferable that the optical purity of the lactic acid used as a monomer is 95% or more, It is more preferable that it is 98% or more, It is especially preferable that it is 99% or more. When lactic acid is L-lactic acid, it is preferable that content of D-lactic acid is 2.5% or less, It is more preferable that it is 1.0% or less, It is especially preferable that it is 0.5% or less. When lactic acid is D-lactic acid, it is preferable that content of L-lactic acid is 2.5% or less, It is more preferable that it is 1.0% or less, It is especially preferable that it is 0.5% or less.

폴리락틱산이 폴리-L-락틱산인 경우, 중합체의 반복단위 중 L-락틱산 성분이 70 mol% 이상 함유하고 있는 것이 바람직하고, 90 mol% 이상 함유하고 있는 것이 보다 바람직하고, 95 mol% 이상 함유하고 있는 것이 더욱 바람직하고, 98 mol% 이상 함유하고 있는 것이 특히 바람직하다.When polylactic acid is poly-L-lactic acid, it is preferable that L-lactic acid component contains 70 mol% or more of the repeating units of a polymer, It is more preferable that 90 mol% or more is contained, 95 mol% or more contains It is more preferable to carry out, and it is especially preferable to contain 98 mol% or more.

폴리락틱산이 폴리-D-락틱산인 경우, 중합체의 반복단위 중 D-락틱산 성분이 70 mol% 이상 함유하고 있는 것이 바람직하고, 90 mol% 이상 함유하고 있는 것이 보다 바람직하고, 95 mol% 이상 함유하고 있는 것이 더욱 바람직하고, 98 mol%이상 함유하고 있는 것이 특히 바람직하다.When polylactic acid is poly-D-lactic acid, it is preferable that the D-lactic acid component contains 70 mol% or more of the repeating units of a polymer, It is more preferable that it contains 90 mol% or more, Contains 95 mol% or more It is more preferable that it is, and it is especially preferable to contain 98 mol% or more.

폴리락틱산이 스테레오 콤플렉스-폴리락틱산인 경우, 폴리-L-락틱산과 폴리-D-락틱산의 혼합물 또는 블록 공중합체 또는 멀티-블록 공중합체 또는 그래프트-블록 공중합체, 그라디언트-블록 공중합체, 또는 이들이 혼합된 형태를 이루고 있는 것이 바람직하다.When the polylactic acid is a stereo complex-polylactic acid, a mixture or block copolymer or a multi-block copolymer or a graft-block copolymer, a gradient-block copolymer, or a mixture of poly-L-lactic acid and poly-D-lactic acid It is desirable to form a mixed form.

락틱산 유도체는 예를 들면 염화 아실화, 무수물화, 에스터화, 아마이드화, 나이트릴화 유도체 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Lactic acid derivatives include, but are not limited to, for example, chlorinated acylation, anhydride, esterification, amidation, nitrilation derivatives, and the like.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 중합시에 추가의 모노머를 함께 중합시킬 수 있다.In the process of the invention, additional monomers can be polymerized together during the polymerization.

추가의 모노머는 예를 들면 다가 알콜, 다가 카르복실 산, 히드록시 카르복실산, 다가 알콜과 다가 카르복실 산 관능기를 포함하는 화합물, 다가 카보네이트, 락톤, 락탐, 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 상기 언급한 카르복실 산은 카르복실 산과 지방족 알코올의 에스터 반응을 통해 합성할 수 있는 지방족 에스터로 대체할 수 있다.Further monomers include, for example, polyhydric alcohols, polyhydric carboxylic acids, hydroxy carboxylic acids, compounds containing polyhydric alcohols and polyhydric carboxylic acid functionalities, polyhydric carbonates, lactones, lactams, mixtures thereof, and the like. . The carboxylic acids mentioned above can be replaced with aliphatic esters which can be synthesized through ester reaction of carboxylic acids with aliphatic alcohols.

추가의 모노머는 또한 하기 화학식 4의 모노머를 예시할 수 있다.Additional monomers may also illustrate monomers of the general formula (4).

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019004569020-pat00007
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(식 중, X는 F, Br, Cl 또는 I이고, R은 H, COOH, 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, n은 1 내지 10의 정수임).(Wherein X is F, Br, Cl or I, R is H, COOH, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n is an integer of 1 to 10).

추가 모노머는 전체 모노머 중 예를 들면 30중량% 이하의 범위 내에서 포함될 수 있다.Additional monomers may be included in the range of, for example, 30% by weight or less of the total monomers.

나노셀룰로오스는 전술한 범위 내의 것일 수 있다.Nanocellulose may be in the above range.

혼합물(락타이드 또는 그 유도체와 나노셀룰로오스) 내에서 나노셀룰로오스의 함량은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 총 중량 중 0.01 내지 20중량%, 바람직하게는 0.1 내지 15, 보다 바람직하게는 3 내지 10중량%로 포함될 수 있다.The content of nanocellulose in the mixture (lactide or derivatives thereof and nanocellulose) is not particularly limited, and is, for example, 0.01 to 20% by weight, preferably 0.1 to 15, more preferably 3 to 10% by weight of the total weight. May be included as a%.

상기 혼합물에서의 물이나 알콜을 제거하면서 중합하여 폴리락틱산 사슬을 포함하는 매트릭스 및 그 사슬 사이에 나노셀룰로오스가 산재된 PLA 복합소재가 형성될 수 있다.Polymerization while removing water or alcohol from the mixture may form a PLA composite material interspersed with nanocellulose between the matrix and the chain including the polylactic acid chain.

중합 조건은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 100℃ 내지 180℃ 가열 조건에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 혼합물에 유기 술폰산염과 주석계 화합물, 티타늄계 화합물, 게르마늄계 화합물, 안티몬계 화합물, 알루미늄계 화합물, 마그네슘계 화합물, 술폰산 관능기를 포함하는 화합물, 인산계 관능기를 포함하는 화합물, 브뢴스테드 산, 또는 이들의 혼합물 등의 중축합 촉매를, 이들 성분의 첨가가 상술한 바와 같은 복합소재의 특성, 가공성, 제품에 문제를 발생시키지 않는 첨가량의 범위 내에서 공존시켜 만들어진 촉매를 첨가하고, 상기 온도 범위 내에서 교반하며 1차 가열하고, 상기 온도 범위 내에서 가온하여 2차 가열하여 중합시킬 수 있다.The polymerization conditions are not particularly limited and may be performed, for example, at 100 ° C to 180 ° C heating conditions. Specifically, in the mixture, an organic sulfonate and tin compound, a titanium compound, a germanium compound, an antimony compound, an aluminum compound, a magnesium compound, a compound containing a sulfonic acid functional group, a compound containing a phosphoric acid functional group, and a Brx A polycondensation catalyst such as ted acid or a mixture thereof is added to a catalyst made by the addition of these components within the range of the addition amount which does not cause problems in the properties, processability, and product of the composite as described above, It can be polymerized by first heating while stirring within the temperature range, by heating and secondary heating in the temperature range.

상기 1차 가열은 구체적으로 120℃ 내지 180℃에서 1시간 내지 5시간 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first heating may be specifically performed at 120 ° C to 180 ° C for 1 hour to 5 hours, but is not limited thereto.

상기 2차 가열은 구체적으로 100℃ 내지 160℃에서 5시간 내지 15시간 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The secondary heating may be specifically performed at 100 ° C. to 160 ° C. for 5 hours to 15 hours, but is not limited thereto.

본 발명의 PLA 복합소재의 제조 방법은 락틱산 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스와 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for producing a PLA composite material of the present invention may further comprise the step of mixing the lactic acid or derivatives thereof with nanocellulose.

나노셀룰로오스는 예를 들면 파우더 상태로 락틱산 또는 그 유도체와 혼합될 수 있다.Nanocellulose can be mixed with lactic acid or a derivative thereof, for example in powder form.

혼합시에 나노셀룰로오스의 분산을 위해 교반, 균질화, 초음파 처리 등을 수행할 수 있다.In the mixing, stirring, homogenization, and sonication may be performed to disperse the nanocellulose.

혼합 조건의 구체적인 예를 들면, 질소 분위기에서 100℃ 내지 200℃ 가열 조건에서 10 내지 100rpm으로 교반할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specific examples of the mixing conditions, but may be stirred at 10 to 100rpm under 100 ℃ to 200 ℃ heating conditions in a nitrogen atmosphere, but is not limited thereto.

나노셀룰로오스를 락틱산 또는 그 유도체와 혼합시에는 높은 안정성을 가지고 분산될 수 있다. 예를 들면 혼합 6시간 경과 이후에 관찰했을 때 나노셀룰로오스 침전물이 발생하지 않을 수 있다. 이에, 고분자와의 혼화성 개선을 위한 표면 소수화 개질 공정 등을 요하지 않고, 용융 혼련, 유기 용매 용액화 등의 공정을 요하지 않는다.When the nanocellulose is mixed with lactic acid or a derivative thereof, it can be dispersed with high stability. For example, nanocellulose precipitates may not occur when observed after 6 hours of mixing. Therefore, it does not require a surface hydrophobization modification process for improving the miscibility with the polymer, and does not require a process such as melt kneading or organic solvent solution.

또한, 본 발명은 상기 PLA 복합소재를 포함하여 제조된 제품을 제공한다.In addition, the present invention provides a product prepared by including the PLA composite material.

본 발명의 PLA 복합소재는 기계적, 열적 물성이 우수하여 고분자 수지가 사용되는 모든 제품에 다양하게 적용가능하다.PLA composite material of the present invention is excellent in mechanical and thermal properties can be variously applied to all products using a polymer resin.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples.

실시예Example

1. 나노셀룰로오스를 길이를 원자힘현미경(atomic force microscopy; AFM)을 이용하여 측정1. Measurement of the length of nanocellulose using atomic force microscopy (AFM)

두 종류의 나노셀룰로오스를 대량생산하여 판매하고 있는 메인대학(University of Maine)으로 부터 구매하였다. (http://umaine.edu/pdc/cellulose-nano-crystals/). CNC (Cellulose nanocrystal) 제품은 150-200 nm의 길이와 5-20 nm 정도의 직경을 가진다 (Composites Part B: Engineering Volume 79, 15 September 2015, Pages 521529). CNF (cellulose nanofiber) 제품은 수 μm(1-5μm)의 길이와 10-20 nm 정도의 직경을 가진다 (Progress in Organic Coatings 76.2 (2013): 477-481). CNC와 CNF는 스프레이 건조(spray dry)된 파우더 상태로 제품을 받았다. CNF 및 CNF를 물에 각각 0.1%가 되도록 분산시킨 후 실리콘 웨이퍼에 바른 후 건조하였다. 그리고 Veeco사 Dimension 3100로 직경을 측정하였다. 그 결과 제품 정보대로 수 나노미터 수준의 직경을 갖는 나노셀룰로오스 임을 확인하였다(도 3 및 도 4).It was purchased from the University of Maine, which produces and sells two types of nanocellulose. (http://umaine.edu/pdc/cellulose-nano-crystals/). CNC (Cellulose nanocrystal) products are 150-200 nm in length and 5-20 nm in diameter (Composites Part B: Engineering Volume 79, 15 September 2015, Pages 521529). CNF (cellulose nanofiber) products are several μm (1-5 μm) long and 10-20 nm in diameter (Progress in Organic Coatings 76.2 (2013): 477-481). The CNC and CNF received the product in powder sprayed form. CNF and CNF were each dispersed in water to 0.1%, applied to a silicon wafer, and dried. And the diameter was measured by Veeco Dimension 3100. As a result, it was confirmed that the nanocellulose having a diameter of several nanometers as the product information (Figs. 3 and 4).

2. 나노셀룰로오스의 락틱산(젖산)에 대한 분산성 확인2. Confirmation of Dispersibility of Lactic Acid (Lactic Acid) of Nanocellulose

CNC와 CNF를 락틱산에 1 중량%가 되도록 분산시킨 후 일주일 동안 방치하였다. 그 후 두 나노셀룰로오스가 침전되는지 확인하였다(도 5). 도 5에서 알 수 있듯이 CNC 및 CNF가 분산된 락틱산 분산액을 모두 투명하였고 일주일 후에도 침전되지 않고 분산되었다. 그러나 CNC와 CNF를 락타이드에 1 중량%가 되도록 분산시킨 후 일주일 동안 방치하였다. 그 후 두 나노셀룰로오스가 침전되는지 확인하였다(도 6). 도 6에서 알 수 있듯이 CNC 및 CNF가 분산된 락타이드 분산액을 모두 침전하였다. 따라서, 기존의 락타이드를 거쳐 중합시 CNC 및 CNF 나노복합체를 제작할 수 없다.The CNC and CNF were dispersed in lactic acid to 1% by weight and left for a week. Then it was confirmed whether two nanocellulose precipitated (Fig. 5). As can be seen in Figure 5, both the CNC and CNF-dispersed lactic acid dispersion was transparent and was dispersed without precipitation even after one week. However, the CNC and CNF were dispersed in 1% by weight of lactide and left for a week. Then it was confirmed whether two nanocellulose precipitated (Fig. 6). As can be seen in Figure 6 both the CNC and CNF dispersed lactide dispersion was precipitated. Therefore, it is not possible to produce CNC and CNF nanocomposites during polymerization via existing lactide.

CNC 및 CNF가 분산된 락틱산 분산액의 CNC 및 CNF의 입경을 입도 분석기로 측정하였다(표 1). 표 1에서 알 수 있듯이 CNC 및 CNF가 두 용매에서 수십 나노미터 수준으로 분산되어 있음을 알 수 있다. The particle diameters of CNC and CNF of the lactic acid dispersion in which CNC and CNF were dispersed were measured by a particle size analyzer (Table 1). As can be seen from Table 1, it can be seen that CNC and CNF are dispersed at several tens of nanometers in two solvents.

CNC 및 CNF가 분산된 락틱산 분산에서 CNC 및 CNF의 입자 크기Particle Size of CNC and CNF in CNC and CNF-Dispersed Lactic Acid Dispersions

샘플Sample 입자크기Particle size CNC가 1중량% 분산된 락틱산Lactic acid dispersed by 1% by weight of CNC 107 nm107 nm CNF가 1중량% 분산된 락틱산Lactic acid dispersed with 1% by weight of CNF 241 nm241 nm

3. 나노셀룰로오스를 락틱산(젖산)에 분산 후 직접중합3. Direct polymerization after dispersing nanocellulose in lactic acid (lactic acid)

CNC 및 CNF 파우더를 100g의 락틱산에 넣은 후 배스 소니케이터(bath sonicator)로 10분간 분산시켰다. CNC 및 CNF가 분산된 락틱산 분산액을 반응기에 넣어주었다. 수분을 건조하기 위해 질소 분위기에서 120℃로 가열하며 50 rpm으로 교반시켜 CNC 및 CNF가 섞여 있는 락틱산 혼합 분산액을 얻었다. 파라 톨루엔 설폰산 (P-Toluenesulfonic acid monohydrate) 1.5 g을 수분이 제거된 L-락틱산에 투입한 후, 반응기 온도를 140℃로 지정한 후 200 토르의 감압 하에서 3시간 반응 후 프리올리고머 얻었다. 이후 고속회전믹서를 이용하여 400um의 미세분말을 제조한 후 동결건조기에서 24시간 건조하여 외부대기와의 접촉이 없는 상태에서 200ppm 수준의 수분율을 유지한 채로 고상반응기에 넣은 채 120℃에서 12시간 반응시켜 제조한다. 모든 반응은 내부의 산화반응과 부반응을 방지하기 위해 질소로 반응기를 치환하였다. 나노셀룰로오스(CNC 및 CNF)의 함량은 혼합 분산액의 전체 중량에서 0 %부터 35 %까지 제조하였으며 샘플의 종류는 표 2에서 정리되었다.The CNC and CNF powders were placed in 100 g of lactic acid and then dispersed for 10 minutes with a bath sonicator. Lactic acid dispersions in which CNC and CNF were dispersed were placed in a reactor. In order to dry the moisture, the mixture was heated to 120 ° C. in a nitrogen atmosphere and stirred at 50 rpm to obtain a lactic acid mixed dispersion containing CNC and CNF. Para-toluene sulfonic acid (P-Toluenesulfonic acid monohydrate) 1.5 g was added to the water-removed L-lactic acid, the reactor temperature was set to 140 ℃ after reaction under reduced pressure of 200 torr to obtain a pre- oligomer. After manufacturing 400um fine powder by using a high speed rotary mixer, dried in a freeze dryer for 24 hours and reacted at 120 ° C for 12 hours in a solid-phase reactor while maintaining a moisture content of 200ppm without contact with external air. To make it. All reactions were replaced with nitrogen to prevent internal oxidation and side reactions. The content of nanocellulose (CNC and CNF) was prepared from 0% to 35% in the total weight of the mixed dispersion, and the types of samples are summarized in Table 2.

완성된 PLA 나노복합체를 구성하고 있는 PLA의 수평균 분자량(Mn)은 GPC (Gel permeation chromatography)로 분석하였다.The number average molecular weight (Mn) of PLA constituting the completed PLA nanocomposite was analyzed by gel permeation chromatography (GPC).

순수 PLA와 복합체를 구성하고 있는 PLA의 수평균분자량 (Mn)이 서로 대등한 수준으로 중합되었다 (표 2). 이는 기계적 및 물리적 특성을 평가하는 데 있어서 직접적인 비교가 가능하다.The number average molecular weight (Mn) of PLA constituting the complex with the pure PLA was polymerized to a similar level (Table 2). This allows a direct comparison in the evaluation of mechanical and physical properties.

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체 종류PLA / nanocellulose composites made by in-situ polymerization

PLA 나노셀룰로오스 함량PLA nanocellulose content PLA 수평균 분자량PLA number average molecular weight 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 285,041285,041 CNCCNC 0.05%0.05% 279,987279,987 CNCCNC 1%One% 281,644281,644 CNCCNC 15%15% 236,943236,943 CNFCNF 0.05%0.05% 284,396284,396 CNFCNF 1%One% 277,337277,337 CNFCNF 15%15% 290,911290,911 CNFCNF 35%35% 280,090280,090

4. 실시예 3에서 중합된 PLA 나노셀룰로오스 복합체의 유리전이 온도 측정4. Measurement of glass transition temperature of PLA nanocellulose composite polymerized in Example 3

상기 실시예 3에서 만들어진 순수 PLA와 나노셀룰로오스 즉 CNC 및 CNF를 포함하고 있는 TA사의 시차주사열량계(Differential scanning calorimetry; DSC) Discovery DSC 2500로 PLA 나노복합체의 유리전이온도 (glass transition temperature)를 측정하였다. -60℃부터 100℃까지 스캐닝하였다. 나노셀룰로오스가 첨가됨에 따라 유리전이 온도가 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 나노셀룰로오스가 PLA 매트릭스에 분자수준으로 스며들었고, PLA 분자 사슬을 속박하여 유리전이온도가 두 종류의 나노셀룰로오스 함량에 비례하여 증가한 것으로 판단된다.The glass transition temperature of the PLA nanocomposite was measured with a differential scanning calorimetry (DSC) Discovery DSC 2500 containing pure PLA and nanocellulose, namely CNC and CNF, prepared in Example 3. . Scanning from -60 ° C to 100 ° C. As the cellulose was added, it was confirmed that the glass transition temperature increased. It is believed that the nanocellulose has penetrated the PLA matrix at the molecular level, and the glass transition temperature is increased in proportion to the content of the two types of nanocellulose by binding the PLA molecular chain.

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 유리전이 온도 (-는 영하 온도를 의미함)Glass transition temperature of PLA / nanocellulose composite produced by in-situ polymerization method (-means minus temperature)

PLA 나노셀룰로오스 함량PLA nanocellulose content 유리전이온도 (℃)Glass transition temperature (℃) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 6262 CNCCNC 0.05%0.05% 6666 CNCCNC 1%One% 6767 CNCCNC 15%15% 6767 CNFCNF 0.05%0.05% 6565 CNFCNF 1%One% 6666 CNFCNF 15%15% 6868 CNFCNF 35%35% 6666

5. 실시예 3에서 중합된 PLA 나노셀룰로오스 복합체의 인장강도 측정5. Measurement of Tensile Strength of PLA Nanocellulose Composite Polymerized in Example 3

상기 실시예 3에서 만들어진 순수 PLA와 CNC, 또는 CNF가 매트릭스에 산재된 PLA 복합소재의 인장강도를 인장강도 측정기인 (Universal testing macine; UTM) INSTRON 5582 UTM로 ASTM D638 방법에 따라 측정하였다.The tensile strength of the pure PLA and CNC, or the PLA composite material interspersed in the CNF matrix prepared in Example 3 was measured according to the ASTM D638 method by the universal testing macine (UTM) INSTRON 5582 UTM.

나노셀룰로오스 함량 증가에 따라 인장강도가 증가한 것을 확인할 수 있다(표 4).It can be seen that the tensile strength increased with increasing nanocellulose content (Table 4).

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 인장강도Tensile Strength of PLA / nanocellulose Composites Prepared by In-situ Polymerization

in-situ 중합 PLA 나노셀룰로오스 함량in-situ polymerized PLA nanocellulose content 인장강도 (MPa) Tensile Strength (MPa) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 3939 CNCCNC 0.05%0.05% 4545 CNCCNC 1%One% 4848 CNCCNC 15%15% 5050 CNFCNF 0.05%0.05% 4141 CNFCNF 1%One% 4343 CNFCNF 15%15% 4848 CNFCNF 35%35% 3838

6. 실시예 3에서 중합된 PLA 나노셀룰로오스 복합체의 열팽창계수 측정 (CTE)6. Measurement of coefficient of thermal expansion (CTE) of PLA nanocellulose composite polymerized in Example 3

상기 실시예 3에서 만들어진 순수 PLA와 PLA 복합소재의 열팽창계수를 열팽창계수 측정기 (Coefficient of Thermal Expansion; CTE) TA Instruments Model 2940로 ASTM E831 방법에 따라 측정하였다. 그 결과 185 ㎛/m℃인 순수 PLA가 나노셀룰로오스 함량 증가에 따라 최대 40-50 정도까지 감소함을 확인하였다(표 5).The coefficient of thermal expansion of the pure PLA and PLA composite material made in Example 3 was measured according to the ASTM E831 method with a coefficient of thermal expansion (CTE) TA Instruments Model 2940. As a result, it was confirmed that pure PLA of 185 μm / m ° C. decreased up to about 40-50 with increasing nanocellulose content (Table 5).

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 열팽창계수Thermal Expansion Coefficient of PLA / nanocellulose Composites Prepared by In-situ Polymerization

in-situ 중합 PLA 나노셀룰로오스 함량in-situ polymerized PLA nanocellulose content CTE (㎛/m℃)CTE (㎛ / m ℃) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 185185 CNCCNC 0.05%0.05% 177177 CNCCNC 1%One% 151151 CNCCNC 15%15% 141141 CNFCNF 0.05%0.05% 182182 CNFCNF 1%One% 174174 CNFCNF 15%15% 166166 CNFCNF 35%35% 134134

7. 실시예 3에서 중합된 PLA 나노셀룰로오스 복합체의 소듐 함량7. Sodium Content of PLA Nanocellulose Composites Polymerized in Example 3

상기 실시예 3에서 만들어진 순수 PLA와 PLA 복합소재의 소듐 함량을 ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectroscopy)를 이용하여 측정하였다. 본 발명에서 만들어지는 PLA 복합체의 소듐 함량은 2-2500 ppm 정도를 갖는 것으로 드러났다.Sodium content of the pure PLA and PLA composite material prepared in Example 3 was measured using ICP-MS (inductively coupled plasma-mass spectroscopy). The sodium content of the PLA composite made in the present invention was found to have about 2-2500 ppm.

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 소듐함량Sodium Content of PLA / nanocellulose Composites Prepared by In-situ Polymerization

in-situ 중합 PLA 나노셀룰로오스 함량in-situ polymerized PLA nanocellulose content 전체 복합체 중량에서 소듐함량 (ppm)Sodium content at total composite weight (ppm) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 00 CNCCNC 0.05%0.05% 3939 CNCCNC 1%One% 317317 CNCCNC 15%15% 23982398 CNFCNF 0.05%0.05% 55 CNFCNF 1%One% 241241 CNFCNF 15%15% 18561856 CNFCNF 35%35% 23662366

실시예 8. 실시예 3에서 중합된 PLA 나노셀룰로오스 복합체의 단면을 투과 전자현미경 (TEM)으로 관찰Example 8. Cross section of the PLA nanocellulose composite polymerized in Example 3 was observed by transmission electron microscope (TEM)

상기 실시예 3에서 만들어진 PLA 복합소재의 단면을 투과전자현미경 (TEM)을 이용하여 관찰하였다. 복합소재를 마이크로 토밍하여 단면을 관찰할 수 있는 샘플을 얻은 후, Uranyl acetate로 염색하였다. 도 7의 전자 현미경 사진에서 5-20 nm 정도의 직경을 가진 나노셀룰로오스가 매트릭스에 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있다.The cross section of the PLA composite prepared in Example 3 was observed using a transmission electron microscope (TEM). After microtoming the composite to obtain a sample that can observe the cross-section, it was stained with Uranyl acetate. In the electron micrograph of FIG. 7, it can be seen that nanocellulose having a diameter of about 5-20 nm is well dispersed in the matrix.

비교예 1-1. 나노셀룰로오스를 가열된 PLA 멜트 상에서 혼합Comparative Example 1-1. Mixing Nanocellulose on a heated PLA Melt

실시예 3에서 합성된 순수 PLA를 HAAKE™ MiniJet Pro Piston Injection Molding System를 사용하여 두 종류의 나노셀룰로오스와 멜트 혼합하였다. 질소 분위기에서 200℃에서 건조된 나노셀룰로오스 파우더를 넣고 10분간 혼합하였다. 하기 표 7과 같은 종류의 멜트 혼합 PLA 나노셀룰로오스 복합소재를 제작하였다.Pure PLA synthesized in Example 3 was melt mixed with two kinds of nanocellulose using a HAAKE ™ MiniJet Pro Piston Injection Molding System. Nanocellulose powder dried at 200 ° C. in a nitrogen atmosphere was added and mixed for 10 minutes. To prepare a melt mixed PLA nano cellulose composite material of the type shown in Table 7.

멜트 혼합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 종류Types of PLA / nanocellulose composites made with melt blending

멜트혼합법을 통한 PLA 나노셀룰로오스 복합체PLA nanocellulose composite by melt mixing method 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLA Pure PLA 0%0% CNCCNC 0.05%0.05% CNCCNC 1%One% CNCCNC 15%15% CNFCNF 0.05%0.05% CNFCNF 1%One% CNFCNF 15%15%

비교예 1-2. 멜트혼합법으로 제작된 PLA 복합소재의 물리적 특성 평가Comparative Example 1-2. Evaluation of Physical Properties of PLA Composites Fabricated by Melt Mixing Method

비교예 1에서 합성된 멜트혼합 PLA 나노셀룰로오스 복합소재의 유리전이온도, 열팽창 계수, 및 인장강도를 실시예와 같은 방법으로 측정하였다. 실시예 4에서 in-situ 법으로 제작된 복합체는 유리전이온도가 3-5℃ 정도 증가한데 반해, 멜트상으로 혼합된 PLA 나노셀룰로오스 복합소재는 1 ℃ 정도 밖에는 증가하지 않았다(표 8).The glass transition temperature, thermal expansion coefficient, and tensile strength of the melt mixed PLA nanocellulose composite material synthesized in Comparative Example 1 were measured in the same manner as in Example. In Example 4, the composite prepared by the in-situ method increased the glass transition temperature by 3-5 ° C., whereas the PLA nanocellulose composite material mixed in the melt phase increased only by about 1 ° C. (Table 8).

실시예 5에서 측정된 in-situ 법으로 제작된 복합체는 인장강도가가 5에서 10 MPa 정도 증가한데 반해, 멜트상으로 혼합된 PLA 나노셀룰로오스 복합소재는 1에서 2 MPa 정도 밖에는 증가하지 않았다(표 9).The composite fabricated by the in-situ method measured in Example 5 increased the tensile strength by 5 to 10 MPa, whereas the PLA nanocellulose composite material mixed in the melt phase increased only by 1 to 2 MPa. 9).

실시예 6에서 측정된 in-situ 법으로 제작된 복합체는 CTE값이 40-50 ㎛/m℃ 이상 감소한데 반해, 멜트상으로 혼합된 PLA 나노셀룰로오스 복합소재는 5-10 ㎛/m℃ 정도 밖에는 감소하지 않았다(표 10).The composite prepared by the in-situ method measured in Example 6 has a CTE value of 40-50 μm / m ° C. or more, whereas the PLA nanocellulose composite material mixed in the melt phase is only about 5-10 μm / m ° C. It did not decrease (Table 10).

비교예에서 측정된 멜트혼합으로 제작된 복합소재의 기계적 물리적 특성 향상은 실시예의 in-situ 중합법으로 제작된 복합소재에 향상 폭이 현저히 떨어진다. 이는 in-situ 중합법에 의한 나노셀룰로오스의 분산성이 매우 우수함을 방증한다.The improvement of mechanical and physical properties of the composite material produced by the melt mixture measured in the comparative example is significantly lower than that of the composite material produced by the in-situ polymerization method of Examples. This proves that the dispersibility of nanocellulose by the in-situ polymerization method is very excellent.

멜트 혼합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 유리전이온도Glass Transition Temperature of PLA / nanocellulose Composite Made by Melt Mixing

멜트혼합법 PLA 나노셀룰로오스 함량Melt mixing method PLA nanocellulose content 유리전이온도(℃)Glass transition temperature (℃) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 6262 CNCCNC 0.05%0.05% 6262 CNCCNC 1%One% 6363 CNCCNC 15%15% 6363 CNFCNF 0.05%0.05% 6262 CNFCNF 1%One% 6363 CNFCNF 15%15% 6363

멜트 혼합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 인장강도 값Tensile Strength Values of PLA / nanocellulose Composites Prepared by Melt Mixing

멜트혼합법 PLA 나노셀룰로오스 함량Melt mixing method PLA nanocellulose content 인장강도 (MPa) Tensile Strength (MPa) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 3939 CNCCNC 0.05%0.05% 4040 CNCCNC 1%One% 4040 CNCCNC 15%15% 4040 CNFCNF 0.05%0.05% 4141 CNFCNF 1%One% 4040 CNFCNF 15%15% 4141

멜트 혼합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 CTE 값CTE Values of PLA / nanocellulose Composites Prepared by Melt Blending

멜트혼합법을 통한 PLA 나노셀룰로오스 복합체PLA nanocellulose composite by melt mixing method CTE (㎛/m℃)CTE (㎛ / m ℃) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 185185 CNCCNC 0.05%0.05% 183183 CNCCNC 1%One% 182182 CNCCNC 15%15% 180180 CNFCNF 0.05%0.05% 184184 CNFCNF 1%One% 183183 CNFCNF 15%15% 179179

비교예 2-1. 락타이드 용액을 이용한 in-situ 중합된 PLA/나노셀룰로오스 복합체 제작Comparative Example 2-1. Fabrication of in-situ polymerized PLA / nanocellulose composite using lactide solution

CNC 및 CNF 파우더를 100g의 락타이드에 넣은 후 배스 소니케이터(bath sonicator)로 10분간 분산시켰다. CNC 및 CNF가 분산된 락타이드 분산액을 반응기에 넣어주었다. 수분을 건조하기 위해 질소 분위기에서 120℃로 가열하며 50 rpm으로 교반시켜 CNC 및 CNF가 섞여 있는 락타이드 혼합 분산액을 얻었다. 파라 톨루엔 설폰산 (P-Toluenesulfonic acid monohydrate) 1.5 g을 수분이 제거된 락타이드에 투입한 후, 반응기 온도를 140℃로 지정한 후 200 토르의 감압하에서 3시간 반응 후 프리올리고머 얻었다. 이후 고속회전믹서를 이용하여 400um의 미세분말을 제조한 후 동결건조기에서 24시간 건조하여 외부대기와의 접촉이 없는 상태에서 200ppm 수준의 수분율을 유지한 채로 고상반응기에 넣은 채 120℃에서 12시간 반응시켜 제조한다. 모든 반응은 내부의 산화반응과 부반응을 방지하기 위해 질소로 반응기를 치환하였다. 나노셀룰로오스(CNC 및 CNF)의 함량은 혼합 분산액의 전체 중량에서 0 %부터 15 %까지 제조하였으며 샘플의 종류는 표 11에서 정리되었다.The CNC and CNF powders were placed in 100 g lactide and dispersed for 10 minutes with a bath sonicator. The lactide dispersion in which CNC and CNF were dispersed was placed in a reactor. In order to dry the water, the mixture was heated to 120 ° C. in a nitrogen atmosphere and stirred at 50 rpm to obtain a lactide mixed dispersion containing CNC and CNF. Para-toluene sulfonic acid (P-Toluenesulfonic acid monohydrate) 1.5 g was added to the lactide from which water was removed, and then the reactor temperature was set at 140 ° C., and the reaction was carried out under a reduced pressure of 200 Torr to obtain a pre-oligomer. After manufacturing 400um fine powder by using a high speed rotary mixer, dried in a freeze dryer for 24 hours and reacted at 120 ° C for 12 hours in a solid-phase reactor while maintaining a moisture content of 200ppm without contact with external air. To make it. All reactions were replaced with nitrogen to prevent internal oxidation and side reactions. The content of nanocellulose (CNC and CNF) was prepared from 0% to 15% of the total weight of the mixed dispersion, and the types of samples are summarized in Table 11.

락타이드 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 종류Types of PLA / nanocellulose complexes made by lactide polymerization

락타이드 중합법을 통한 PLA 나노셀룰로오스 복합체PLA nanocellulose composite through lactide polymerization 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% CNCCNC 0.05%0.05% CNCCNC 1%One% CNCCNC 15%15% CNFCNF 0.05%0.05% CNFCNF 1%One% CNFCNF 15%15%

비교예 2-2. 락타이드 중합법으로 제작된 PLA 복합소재의 물리적 특성 평가Comparative Example 2-2. Evaluation of Physical Properties of PLA Composites Fabricated by Lactide Polymerization

비교예 2에서 합성된 락타이드 중합법으로 만들어진 PLA 나노셀룰로오스 복합소재의 유리전이 온도, 열팽창 계수, 및 인장강도를 실시예와 같은 방법으로 측정하였다.The glass transition temperature, thermal expansion coefficient, and tensile strength of the PLA nanocellulose composite material prepared by the lactide polymerization method synthesized in Comparative Example 2 were measured in the same manner as in Example.

실시예 4에서 in-situ 법으로 제작된 복합체는 유리전이온도가 3-5 ℃ 정도 증가한데 반해, 혼합상으로 혼합된 PLA 나노셀룰로오스 복합소재는 1 ℃ 정도 밖에는 증가하지 않았다(표 12).In Example 4, the composite prepared by the in-situ method increased the glass transition temperature by 3-5 ° C., whereas the PLA nanocellulose composite material mixed in the mixed phase increased only by about 1 ° C. (Table 12).

실시예 5에서 측정된 in-situ 법으로 제작된 복합체는 인장강도가 5-10 MPa 정도 증가한데 반해, 용액상으로 혼합된 PLA 나노셀룰로오스 복합소재는 0-1 MPa 정도 밖에는 증가하지 않거나 감소했다(표 13).The composite fabricated by the in-situ method measured in Example 5 increased the tensile strength by about 5-10 MPa, whereas the PLA nanocellulose composite material mixed in solution phase increased or decreased only by about 0-1 MPa ( Table 13).

실시예 6에서 측정된 in-situ 법으로 제작된 복합체는 CTE값이 40-50 ㎛/m℃ 이상 감소한데 반해, 용액상으로 혼합된 PLA 나노셀룰로오스 복합소재는 5-10 ㎛/m℃ 정도 밖에는 감소하지 않았다(표 14).The composite prepared by the in-situ method measured in Example 6 has a CTE value of 40-50 μm / m ° C. or more, whereas the PLA nanocellulose composite material mixed in the solution phase is only about 5-10 μm / m ° C. It did not decrease (Table 14).

비교예 2에서 측정된 용액혼합으로 제작된 복합소재의 기계적 물리적 특성 향상은 실시예의 in-situ 중합법으로 제작된 복합소재에 비해 향상폭이 현저히 떨어진다. 이는 in-situ 중합법에 의한 나노셀룰로오스의 분산성이 매우 우수함을 방증한다.The improvement in mechanical and physical properties of the composite material produced by the solution mixture measured in Comparative Example 2 is significantly less than the composite material produced by the in-situ polymerization method of the embodiment. This proves that the dispersibility of nanocellulose by the in-situ polymerization method is very excellent.

락타이드 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 유리전이온도Glass Transition Temperature of PLA / nanocellulose Composite Made by Lactide Polymerization

락타이드 중합법 PLA 나노셀룰로오스 함량Lactide Polymerization PLA Nanocellulose Content 유리전이온도 (℃)Glass transition temperature (℃) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 6262 CNCCNC 0.05%0.05% 6262 CNCCNC 1%One% 6262 CNCCNC 15%15% 6363 CNFCNF 0.05%0.05% 6262 CNFCNF 1%One% 6262 CNFCNF 15%15% 6363

클로로폼 용액 혼합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 인장강도 값Tensile Strength Values of PLA / nanocellulose Composites Prepared by Chloroform Solution Mixing

용액혼합법 PLA 나노셀룰로오스 함량Solution mixing method PLA nanocellulose content 인장강도 (MPa) Tensile Strength (MPa) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 3939 CNCCNC 0.05%0.05% 4040 CNCCNC 1%One% 4040 CNCCNC 15%15% 4040 CNFCNF 0.05%0.05% 3939 CNFCNF 1%One% 3939 CNFCNF 15%15% 4040

락타이드 중합법으로 만들어진 PLA/nanocellulose 복합체의 CTE 값CTE Values of PLA / nanocellulose Composites Prepared by Lactide Polymerization

용액 혼합법을 통한 PLA 나노셀룰로오스 복합체PLA nanocellulose composite by solution mixing CTE (㎛/m℃)CTE (㎛ / m ℃) 나노셀룰로오스 종류Nano cellulose type 나노셀룰로오스 중량비Nano cellulose weight ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 185185 CNCCNC 0.05%0.05% 183183 CNCCNC 1%One% 180180 CNCCNC 15%15% 177177 CNFCNF 0.05%0.05% 184184 CNFCNF 1%One% 183183 CNFCNF 15%15% 181181

비교예 3-1. 마이크로셀룰로오스를 락틱산에 분산 후 in-situ 고분자 중합 Comparative Example 3-1. In-situ polymer polymerization after dispersing microcellulose in lactic acid

마이크로크기의 직경을 가지고 있는 마이크로셀룰로오스를 시그마 알드리치에서 구매하였다 (Microcrystalline Cellulose 혹은 Sigmacell Cellulose). 시그마 알드리치 정보에 의하면 약 20 μm의 직경을 가지고 있다(http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s3504?lang=ko&region=KR). 마이크로셀룰로오스를 락틱산에 넣은 후 배스 소니케이터(bath sonicator)로 10분간 분산시켰다. 마이크로셀룰로오스가 분산된 락틱산 분산액을 반응기에 넣어주었다. 실시예 3과 같은 방법으로 중합하였다.Microcellulose having a micro size diameter was purchased from Sigma Aldrich (Microcrystalline Cellulose or Sigmacell Cellulose). According to Sigma Aldrich, it has a diameter of about 20 μm (http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s3504?lang=en&region=US). The microcellulose was added to lactic acid and dispersed for 10 minutes with a bath sonicator. The lactic acid dispersion in which the microcellulose was dispersed was placed in a reactor. The polymerization was carried out in the same manner as in Example 3.

비교예 3-2. PLA 마이크로셀룰로오스 복합체의 유리전이 온도 측정Comparative Example 3-2. Glass transition temperature measurement of PLA microcellulose composite

상기 비교예 3-1에서 만들어진 순수 PLA와 PLA 복합소재의 유리전이온도를 TA사의 시차주사열량계(Differential scanning calorimetry; DSC) Discovery DSC 2500로 측정하였다 (표 15). -60℃부터 100℃까지 스캐닝하였다. 실시예 4에서 in-situ 법으로 제작된 나노셀룰로오스 복합체는 유리전이온도가 최대 5℃ 이상 증가한데 반해, PLA 마이크로셀룰로오스 복합소재는 증가하지 않았다(표 15).The glass transition temperature of the pure PLA and PLA composite material prepared in Comparative Example 3-1 was measured by TA differential scanning calorimetry (DSC) Discovery DSC 2500 (Table 15). Scanning from -60 ° C to 100 ° C. In Example 4, the nanocellulose composite prepared by the in-situ method increased the glass transition temperature up to 5 ° C. or more, whereas the PLA microcellulose composite material did not increase (Table 15).

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/마이크로셀룰로오스 복합체의 유리전이 온도Glass Transition Temperature of PLA / Microcellulose Composite Made by In-situ Polymerization

in-situ 중합 PLA 마이크로셀룰로오스 함량in-situ polymerized PLA microcellulose content 유리전이온도 (℃)Glass transition temperature (℃) 마이크로셀룰로오스Microcellulose 마이크로셀룰로오스 중량비Microcellulose Weight Ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 6262 마이크로셀룰로오스Microcellulose 0.05%0.05% 6262 마이크로셀룰로오스Microcellulose 1%One% 6262 마이크로셀룰로오스Microcellulose 15%15% 6262

비교예 3-3. PLA 마이크로셀룰로오스 복합체의 인장강도 측정Comparative Example 3-3. Tensile strength measurement of PLA microcellulose composite

상기 비교예 3-1에서 만들어진 순수 PLA와 PLA 복합소재의 인장강도를 인장강도 측정기인 (Universal testing macine; UTM) INSTRON 5582 UTM로 ASTM D638 방법에 따라 측정하였다. in-situ 법으로 제작된 나노셀룰로오스 복합체는 인장강도가 5-10 MPa 정도 증가한데 반해, in-situ 법으로 제작된 마이크로셀룰로오스 복합체는 0-1 MPa 정도 밖에는 증가하지 않았다 (표 16).Tensile strength of the pure PLA and PLA composite material prepared in Comparative Example 3-1 was measured according to the ASTM D638 method by the universal testing macine (UTM) INSTRON 5582 UTM. In-situ nanocellulose composites increased the tensile strength by about 5-10 MPa, whereas in-situ microcellulose composites increased by only about 0-1 MPa (Table 16).

In-situ 중합법으로 만들어진 PLA/마이크로 셀룰로오스 복합체의 인장강도Tensile Strength of PLA / Micro cellulose Composites Prepared by In-situ Polymerization

in-situ 중합 PLA 마이크로셀룰로오스 함량in-situ polymerized PLA microcellulose content 인장강도 (MPa) Tensile Strength (MPa) 복합체 종류Complex type 마이크로셀룰로오스 중량비Microcellulose Weight Ratio 순수 PLAPure PLA 0%0% 3939 마이크로셀룰로오스Microcellulose 0.05%0.05% 3939 마이크로셀룰로오스Microcellulose 1%One% 4040 마이크로셀룰로오스Microcellulose 15%15% 4040

Claims (10)

직쇄 폴리락틱산 사슬 주골격을 포함하는 매트릭스 및 그 사슬 사이에 산재된 나노셀룰로오스를 포함하는, PLA 복합소재.
PLA composite comprising a matrix comprising a linear polylactic acid chain backbone and nanocellulose interspersed between the chains.
청구항 1에 있어서, 락틱산 또는 그 유도체를 나노셀룰로오스의 혼합 하에 중합시켜 제조된 것인, PLA 복합소재.
The composite material according to claim 1, which is prepared by polymerizing lactic acid or a derivative thereof under a mixture of nanocellulose.
청구항 1에 있어서, 상기 매트릭스는 락타이드 중간물을 거치지 않고 락틱산을 직접축중합하여 제조된 것인, PLA 복합소재.
The composite according to claim 1, wherein the matrix is prepared by direct condensation of lactic acid without passing through the lactide intermediate.
청구항 1에 있어서, 상기 매트릭스는 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 사슬을 더 포함하는, PLA 복합소재:
[화학식 3]
Figure 112019004569020-pat00008

(식 중, n은 1 내지 10의 정수임).
The composite material according to claim 1, wherein the matrix further comprises a polymer chain comprising a repeating unit represented by the following Formula 3:
[Formula 3]
Figure 112019004569020-pat00008

Wherein n is an integer from 1 to 10.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리락틱산은 수평균분자량 236,943 이상인, PLA 복합 소재.
The composite material according to claim 1, wherein the polylactic acid has a number average molecular weight of 236,943 or more.
청구항 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 복합소재 총 중량 중 0.01 내지 20중량%로 포함되는, PLA 복합소재.
The composite material according to claim 1, wherein the nanocellulose is contained in an amount of 0.01 to 20% by weight based on the total weight of the composite material.
청구항 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 셀룰로오스 나노크리스탈, 셀룰로오스 나노섬유 또는 이들의 혼합물인, PLA 복합소재.
The composite material of claim 1, wherein the nanocellulose is cellulose nanocrystals, cellulose nanofibers, or a mixture thereof.
청구항 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 직경 2nm 내지 200 nm인 셀룰로오스를 포함하는 것인, PLA 복합소재.
The composite material according to claim 1, wherein the nanocellulose comprises cellulose having a diameter of 2 nm to 200 nm.
청구항 1에 있어서, 상기 나노셀룰로오스는 1가 양이온을 3000ppm 이하로 포함하는, PLA 복합소재.
The composite material according to claim 1, wherein the nanocellulose contains 3000 ppm or less of monovalent cations.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항의 PLA 복합소재를 포함하여 제조된 제품.Claims 1 to 9 of the product prepared by comprising the PLA composite material.
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