KR102179075B1

KR102179075B1 - 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌의 제조 방법 및 개질된 리그닌을 포함하는 생분해성 고분자 복합재

Info

Publication number: KR102179075B1
Application number: KR1020190088811A
Authority: KR
Inventors: 황석호
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-11-16
Also published as: WO2021015333A1

Abstract

본 발명은 개질된 리그닌의 제조 방법 및 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지를 포함하는 생분해성 고분자 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌의 제조 방법 및 이에 따라 수지에 대한 분산성과 계면 접착력이 향상된 개질 리그닌과 폴리에스테르 수지를 포함하는 가공성과 기계적 특성이 우수한 생분해성 고분자 복합재에 관한 것이다.

Description

에폭시화 대두유로 개질된 리그닌의 제조 방법 및 개질된 리그닌을 포함하는 생분해성 고분자 복합재{METHOD FOR PREPARING EPOXIDIZED SOYBEAN OIL MODIFIED LIGNIN AND BIODEGRADABLE POLYMERIC COMPOSITE COMPRISING THE MODIFIED LIGNIN}

본 발명은 개질된 리그닌의 제조 방법 및 개질된 리그닌을 포함하는 생분해성 고분자 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시화 대두유로 리그닌 표면이 개질되어, 폴리에스테르 수지와 복합재를 형성할 때 분산성과 계면 접착력이 향상된 표면 개질된 리그닌의 제조 방법 및 개질 리그닌과 폴리에스테르 수지를 포함하는 가공성과 기계적 특성이 우수한 생분해성 고분자 복합재에 관한 것이다.

생분해성 고분자는 석유유래 생분해성 및 바이오유래 생분해성 고분자로 분류할 수 있는데 친환경적이며 재생 가능한 바이오유래 고분자에 대한 관심이 상대적으로 높다. 지구 환경 속에서 완전 생분해성을 가지는 고분자는 주쇄 구조에 미생물에 의한 분해가 가능한 작용기가 포함되어 있다. 이 중에서 폴리에스테르계 고분자는 가공성이 우수하고 생분해 특성의 조절이 용이하여 가장 많이 연구되고 있다. 예를 들어 폴리유산(polylactic acid, PLA)은 옥수수 전분을 발효하여 얻어지는 락트산(lactic acid)을 토대로 합성되는 바이오유래 생분해성 고분자이며, 전 세계 약 10만 톤 규모 시장을 형성하고 있고 식품 포장재 및 용기, 전자제품 케이스 등의 일반 플라스틱 사용분야까지 확대 적용되고 있다. 그러나 폴리유산 수지는 성형성, 기계적 강도 및 내열성이 부족하여 박막제품의 경우 쉽게 파손되고 온도에 대한 저항성이 낮아 외부온도가 섭씨 60 ^oC 이상 상승하면 성형 제품의 형태에 변형이 일어나는 단점이 있다.

또한, 현재 가장 많이 사용되고 있는 석유유래 생분해성 폴리에스테르계 고분자인 poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)는 지방족과 방향족을 포함하는 공중합체 수지로서, 상대적으로 우수한 기계적 물성 및 다양한 가공성을 가지고 있으나, 구조적인 강도가 약한 단점과 높은 제조원가를 가지고 있다.

상기 언급한 폴리에스테르 수지의 단점인 낮은 물성 개선과 비생분해성 고분자 제조원가 대비 고가의 제조원가를 절감하기 위하여 펄프제지 공정 등에서 발생하는 폐기물 소재이면서 친환경 소재인 리그닌을 포함시켜 복합재료화 하려는 연구가 진행되어 오고 있다. 리그닌(Lignin)은 침엽수나 활엽수 등의 목질부를 구성하는 다양한 구성성분 중에서 지용성 페놀고분자인 방향족 중합 화합물을 말하는 것으로, 방향고리에 수산기, 메톡실기 등의 치환기를 가진 프로필벤젠 유도체로 구성되어 있다. 가공된 리그닌은 목재 펄프 작용의 부산물로 얻어지며, 상업적으로 다양하게 사용되고 있다. 특히, 천연소재인 리그닌을 접착제, 보강재 등의 용도로 적용시키기 위한 개발이 많이 진행되고 있다. 예를 들어, 폴리프로필렌 등의 복합수지에 리그닌을 일정량 첨가하여 복합재료의 기계적인 물성을 증가시키고자 하는 몇몇의 종래 기술들이 있다. 하지만, 리그닌은 복합재료를 구성하는 수지 내에서 리그닌이 가지고 있는 많은 수의 수소결합이 가능한 관능기에 의해 응집되면서 복합재료의 물성이 증가하는 것을 억제시키는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 한국등록특허 제10-1548466호에서 리그닌 상에 실란을 제공하여, 상기 리그닌의 표면과 상기 실란 사이에 실록산 결합을 생성하여 1차 개질된 리그닌을 얻는 단계; 및 1차 개질된 리그닌 상에 무수 말레인산-그라프트-올레핀수지를 제공하여, 상기 실란의 말단 반응기와 무수 말레인산 사이의 결합을 생성하여 2차 개질된 리그닌을 얻는 단계를 포함하는 리그닌의 개질 방법을 제시한 바 있으나, 반응 단계가 복잡하고, 친환경 생분해성 고분자 복합재에 적합하지 않다는 한계가 있었다. 또한 한국등록특허 제10-1336465호에서도 리그닌 분자내 하이드록실 관능기와 반응하는 산 관능기를 2개 이상을 갖는 다기능 산(acid)군 물질과 화학반응을 통해 용융공정에 적용하는 방법 또는 리그닌과 고분자 용융혼합시 기능성 물질을 첨가하는 방법이 개시되어 있으나, 이 또한 축중합 리그닌을 제조하는 공정 등이 산업계에 적용하기에 적합하지 않다는 문제가 있었다.

한국 등록특허공보 제10-1548466호 한국 등록특허공보 제10-1336465호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 생분해성 폴리에스테르에 리그닌을 용융혼합시, 혼합하는 수지 매트릭스내의 리그닌의 분산성과 수지-리그닌 계면간 접착력을 향상시킬 수 있도록 생분해성이 있는 바이오매스 물질인 에폭시화 대두유로 표면이 개질된 리그닌을 제조하는 방법 및 이에 따라 개질된 리그닌을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상기 폴리에스테르 수지에 대한 분산성과 계면접착력이 향상시키기 위해 표면 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지를 포함하는 생분해성 고분자 복합재를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 a) 유기 용매에 에폭시화 대두유가 용해된 용액을 교반시키면서 리그닌 분말을 부가하여 분산시키는 단계: b) 상기 리그닌 분말이 분산된 혼합 용액을 가열하여 에폭시화 대두유와 리그닌을 반응시키는 단계; 및 c) 상기 반응이 이루어진 용액을 냉각한 후 여과하여 건조시키는 단계를 포함하는 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌의 제조 방법 및 이에 따라 표면 개질된 리그닌을 제공한다.

또한 본 발명은 상기와 같이 표면이 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지를 포함하는 생분해성 고분자 복합재를 제공한다.

본 발명에 따라 리그닌을 에폭시화 대두유로 개질함으로서, 고분자 복합재료 내에서 리그닌과 리그닌간의 응집을 감소시켜 복합재료의 매트릭스 내 분산성을 높여 줄 수 있다. 또한, 이와 같이 개질된 리그닌을 함유하는 고분자 복합재료의 기계적 물성에 기여할 수 있으며, 고분자 복합재료에 사용한 모든 구성요소가 환경 친화적인 재료들로 구성되어 최종 구성품인 고분자 복합재료 자체도 친환경 소재를 구현할 수 있다. 다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 에폭시화 대두유를 이용한 리그닌의 개질 공정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 리그닌 개질 공정에서 에폭시화 대두유와 리그닌의 화학 반응을 나타내는 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따라 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌의 FT-IR 스팩트럼 이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 리그닌-PBAT 복합재의 인장 강도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 리그닌-PBAT 복합재의 인장 탄성율을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 리그닌-PLA 복합재의 인장 강도를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 리그닌-PLA 복합재의 인장 탄성율을 보여주는 그래프이다.

이하, 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 생분해성 바이오매스 물질인 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌을 제조하는 방법을 제공한다. 리그닌 말단에는 모노리그놀(monolignol) 관능기가 존재하며, 상기 리그닌 상에 에폭시화 대두유를 제공하여 리그닌 표면의 친핵체와 에폭시 관능기 사이의 화학결합을 생성하여 생분해성 바이오매스로 개질된 리그닌을 얻을 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌의 제조 방법은 a) 유기 용매에 에폭시화 대두유가 용해된 용액을 교반시키면서 리그닌 분말을 부가하여 분산시키는 단계: b) 상기 리그닌 분말이 분산된 혼합 용액을 가열하여 에폭시화 대두유와 리그닌을 반응시키는 단계; 및 c) 상기 반응이 이루어진 용액을 냉각한 후 여과하여 건조시키는 단계를 포함하는 것이 특징이다. 이때, b) 에폭시화 대두유와 리그닌을 반응시키는 단계는 50 내지 150 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 에폭시화 대두유가 녹는 적절한 용매를 사용하게 되는데, 옥시레인 관능기의 반응을 촉진하기 위한 첨가제를 첨가할 수 있으므로 상온보다 약간 높은 온도부터 150 ℃ 범위에서 반응시키는 것이 바람직하다.

또한, 에폭시화 대두유를 용해시키는 유기 용매로는 폴리프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA), 아세톤, 테트라하이드로퓨란(THF), 에틸아세테이트, 아세토나이트닐, 트리클로로벤젠, 오르쏘-다이클로로벤젠, 메타-크레졸, 피리딘 n-메틸피롤리돈(NMP), 다이메틸아세트아마이드, 다이메틸술폭사이드, 다이메틸포름아마이드, 메틸에틸케톤, 하이드로카본류 용매, 리파아제로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있으나, 에폭시화 대두유의 용해가 가능하고, 리그닌과의 반응에 적합한 유기 용매라면 어느 것이나 가능하며, 특별히 이에 제한되는 것을 아니다.

이와 같은 방법으로 개질된 리그닌 표면에는 두 가지 작용기가 예상된다. 개질된 리그닌 표면에 있는 하이드록실 관능기와 에스테르 관능기는 폴리에스테르 매트릭스와 분자간 결합(수소결합)으로 도메인-매트릭스 계면 상용성을 향상시킬 수 있으며, 리그닌 표면에 화학적으로 결합되어 있는 에폭시화 대두유 분자들 중 개질반응에 참여하지 않고 남아 있는 에폭시 관능기도 폴리에스테르 분자의 말단 관능기(하이드록시 관능기)와 용융가공시 화학반응이 유도되어 리그닌 표면에 폴리에스테르 분자가 화학적으로 결합되어 복합재료의 계면접착력을 극대화할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 개질된 리그닌과 생분해성 폴리에스테르 수지가 용융혼합된 리그닌-폴리에스테르 복합재를 제공한다. 본 발명에 따라 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌과 생분해성 수지를 이용하여 복합재를 구성할 경우, 최종 제조된 폴리에스테 복합재는 100% 생분해성 복합재료로 구성되어 친환경성 고분자 복합재료가 가능하다는 것이 특징이다.

본 발명에서 사용가능한 폴리에스테르 수지로는 폴리유산(polylactic acid; PLA), 폴리부틸렌 아디페이드-코-테레프팔레이트(polybutylene adipate-co- terephalate; PBAT), 폴리부틸렌 석시네이트(polybutylene succinate; PBS), 폴리부틸렌 석시네이트-코-아디페이트(polybutylene succinate-co-adipate; PBSA), 폴리부틸렌 아디페이트(polybutylene adipate; PBA), 폴리카프로락톤(polycaprolactone; PCL), 폴리부틸렌 아디페이트-코-석시네이트-코-테레프탈레이트(Polybutylene adipate-co-succinate-co-terephthalate; PBAST), 폴리하이드록시 알카노에이트(polyhydroxy alkanoate; PHA), 폴리하이드록시 부티레이트(polydhydoxy butyrate; PHB), 등을 예로 들 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니며, 생분해성을 갖는 폴리에스테르 수지는 어느 것이나 가능하다.

본 발명에 따른 생분해성 고분자 복합재 중에서 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌의 함량은 5 내지 60 중량%인 것이 적당하며, 10 내지 40 중량%인 것이 바람직하다. 리그닌의 함량이 적은 경우 소기에 목적으로 하는 제조원가 절감효과를 충분히 나타낼 수 없으며, 과한 첨가는 가공시 용융체의 흐름성을 악화시켜 생산성에 문제를 일으킬 수 있기 때문에 적절한 함량이 필요하다.

이 밖에, 본 발명에 따른 생분해성 고분자 복합재는 다양한 제품에 적용하기 위하여, 난연제, 산화방지제, 가소제, 열안정제, 활제, 안료, 항균제, 가공조제, 정전기방지제 및 자외선 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시된 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

실시예 1: 에폭시화 대두유를 이용한 리그닌 개질

본 발명에 사용한 리그닌은 BOC Sciences 사의 제품 (ORGANOSOLV; pH =6.9-7.1; Ash <16 %)을 진공 오븐에 50 ^oC에서 2일간 건조시켜서 수분을 제거한 뒤에 사용하였다. 에폭시화 대두유는 당량이 232 g/mol인 사조해표사의 E-03 제품을 부가적인 정제과정 없이 그대로 사용하였다.

먼저 PGMEA(Propylene glycol monomethyl ether acetate) 용매(약 300 mL)에 에폭시화 대두유를 20 g을 넣은 후 완전히 용해될 때 까지 고속 교반기를 이용하여 교반하였다. 준비된 PGMEA 용액에 리그닌 분말(100 g)을 천천히 부가하면서 교반기를 사용하여 고르게 분산시켰다. 혼합 용액을 90 ^oC에서 2시간동안 가열하여 반응시킨 후 상온으로 냉각하였다. 혼합 용액을 여과한 후 메탄올로 여러 번 반복해서 미반응 에폭시화 대두유를 제거하였다. 여과된 리그닌을 60 ^oC로 고정된 대류건조기에서 건조한 후 건조된 리그닌은 막자사발을 이용하여 분말을 제조하고 분체공정을 거쳐 리그닌 미세분체를 얻었다.

실시예 2: 리그닌/폴리에스테르 복합재의 제조

실시예 1에서 제조된 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지를 용융 혼합하여 생분해성 고분자 복합재를 제조하였다. 폴리에스테르 수지로는 PBAT[poly(butylene adipate-co-terephthalate)]와 PLA[poly(lactic acid)]를 각각 사용하였다. 구체적으로, PBAT는 지오솔테크 (GIO-SOLTECH Co., Ltd.)사 SOLPOL-1000 (MFI=2~4 g/10 min, 밀도=1.26 g/mL)제품을 사용하였으며, PLA는 네이쳐웍스사 (NatureWorks) 2003D (MFI=6 g/10 min, 밀도=1.24 g/ml) 제품을 사용하였다.

에폭시화 대두유로 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지의 용융 혼합은 HAAKE Rheomix 600p 용융혼합기를 사용하여 180 ^oC에서 40 rpm 속도로 10분간 수행하였다. 시편성형은 Carver hydraulic hot press (Model 3912)를 사용하여 180 ^oC, 15 MPa 압력에서 제조된 후 기계적 강도를 측정하기 위해 재단하여 사용하였다. 수지 조성물 중의 리그닌의 함량은 각각 20 wt-%로 고정하여 리그닌-폴리에스테르 복합재를 제조하였다.

실험예: 리그닌의 표면 개질 확인 및 생분해성 고분자 복합재의 특성 분석

실시예에서 얻어진 생분해성 고분자 복합재의 열분석은 TA Instruments사 TGA Q50을 사용하였으며, 질소분위기하에서 20 ^oC/min속도로 승온하여 10 wt.% 중량감소 열분해온도를 측정하였다. 적외선 분광기는 Thermo-scientific사 Nicolet iS10 을 사용하였으며, 기계적 물성을 측정하기 위해, LR30K-Plus universal testing machine (AMETEK Ltd.)을 이용하였다. 고분자 복합재 샘플을 100(L)× 5(W) × 1(T) mm로 절단한 후 20 mm/min (리그닌-PBAT 복합재인 경우)와 5 mm/min (리그닌-PLA 복합재인 경우)의 테스트 속도로 기계적 물성을 측정하였다. 5개의 시편을 제작하여 반복 측정한 후 평균값을 사용하였다.

도 3은 본 발명에 따라 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌의 FT-IR 스펙트럼을 보여준다. 910 cm^-1 영역에서 옥시레인(oxirane) 관능기의 특성피크가 관찰되며, 1760 cm^-1 영역에서 에폭시화 대두유의 기본 관능기인 에스테르 관능기의 카보닐 그룹의 특성피크가 관찰되었다. 이는 리그닌 표면에 에폭시화 대두유 분자가 결합되어 있음을 의미하고 있다.

도 4와 도 5는 개질 전 리그닌과 에폭시화 대두유로 개질한 리그닌을 중량비로 20 wt-%를 함유하는 PBAT 복합재의 인장 강도(tensile strength)와 인장 탄성율(tensile modulus)를 보여주고 있다. 개질된 리그닌을 사용하였을 때, 개질하지 않은 리그닌을 사용할 때보다 모두 향상된 기계적 물성을 보여주고 있다. 이렇게 향상된 기계적물성은 리그닌과 PBAT 매트릭스 계면접착력의 증가에 기인한 것으로 판단된다.

또한 도 6과 도 7은 개질 전 리그닌과 에폭시화 대두유로 개질한 리그닌을 중량비로 20 wt-%를 함유하는 PLA 복합재의 인장 강도(tensile strength)와 인장 탄성율(tensile modulus)를 보여주고 있다. 앞서 리그닌-PBAT 복합재의 경향과 유사하게 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌이 PLA 복합재 제조에 대해서도 더 유용한 것을 확인하였다.

하기 [표 1]은 리그닌-폴리에스테르 복합재(10 wt.% 중량감소)의 열분해 온도 결과이다. 에폭시화 대두유로 개질된 리그닌을 폴리에스테르 복합재에 사용하여도 열적 분해온도가 감소하지 않았음을 확인할 수 있다.

	Pristine Lignin	ESO coated Lignin
PBAT	361 ^oC	361 ^oC
PLA	333 ^oC	337 ^oC

Claims

에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지를 포함하는 생분해성 고분자 복합재의 제조 방법으로서,
a) 유기 용매에 에폭시화 대두유가 용해된 용액을 교반시키면서 리그닌 분말을 부가하여 분산시키는 단계:
b) 상기 리그닌 분말이 분산된 혼합 용액을 가열하여, 50 내지 150℃에서 에폭시화 대두유와 리그닌을 반응시키는 단계;
c) 상기 반응이 이루어진 용액을 냉각한 후 여과하고 건조시켜 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌을 얻는 단계: 및
d) 상기 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌과 폴리에스테르 수지를 용융 혼합하는 단계를 포함하는 생분해성 고분자 복합재의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 수지는 폴리유산, 폴리부틸렌 아디페이트-코 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 석시네이트, 폴리부틸렌 석시네이트-코-아디페이트, 폴리부틸렌 아디페이트, 폴리카프로락톤, 폴리부틸렌 아디페이트-코-석시네이트- 코-테레프탈레이트, 폴리하이드록시 알카노에이트, 폴리하이드록시 부티레이트로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 유기 용매는 폴리프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 아세톤, 테트라하이드로퓨란(THF), 에틸아세테이트, 아세토나이트닐, 트리클로로벤젠, 오르쏘-다이클로로벤젠, 메타-크레졸, 피리딘, n-메틸피롤리돈(NMP), 다이메틸아세트아마이드, 다이메틸술폭사이드, 다이메틸포름아마이드, 메틸에틸케톤, 하이드로카본류 용매, 리파아제로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌의 함량은 5 내지 60 중량%인 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재의 제조 방법.
제1항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재.
제5항에 있어서,
상기 폴리에스테르 수지는 폴리유산, 폴리부틸렌 아디페이트-코 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 석시네이트, 폴리부틸렌 석시네이트-코-아디페이트, 폴리부틸렌 아디페이트, 폴리카프로락톤, 폴리부틸렌 아디페이트-코-석시네이트-코-테레프탈레이트, 폴리하이드록시 알카노에이트, 폴리하이드록시 부티레이트로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재.
제5항에 있어서,
상기 에폭시화 대두유로 표면 개질된 리그닌의 함량은 5 내지 60 중량%인 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재.
제5항에 있어서,
난연제, 산화방지제, 가소제, 열안정제, 활제, 안료, 항균제, 가공조제, 정전기방지제 및 자외선 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 고분자 복합재.