KR20210068641A - Method for preparation of thermoplastic polymer/cellulose nanofiber nanocomposite comprising suspension process and melt process using co-solvent system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for producing a thermoplastic resin/cellulose nanofiber nanocomposite, which comprises: a first step of preparing a suspension by dispersing a cellulose nanofiber (CNF) in a mixed solvent of a plasticizer and ethanol; and a second step of mixing the suspension and a thermoplastic resin through a melting process. The present invention also relates to an oxygen barrier membrane made of a nanocomposite produced by the method, and a pharmaceutical or food packaging material containing the same.

Description

공용매 시스템을 이용하는 현탁 공정 및 용융 공정을 포함하는 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체의 제조방법{Method for preparation of thermoplastic polymer/cellulose nanofiber nanocomposite comprising suspension process and melt process using co-solvent system}Method for preparation of thermoplastic polymer/cellulose nanofiber nanocomposite comprising suspension process and melt process using co-solvent system

본 발명은 가소제(plasticizer)와 에탄올의 혼합 용매에 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)를 분산시켜 현탁액을 준비하는 제1단계; 및 용융 공정을 통해 상기 현탁액을 열가소성 수지와 혼합하는 제2단계;를 포함하는, 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체의 제조방법, 이에 따라 제조된 나노복합체로 된 산소차단막, 및 이를 포함하는 약 또는 식품용 포장재에 관한 것이다.The present invention provides a first step of preparing a suspension by dispersing cellulose nanofiber (CNF) in a mixed solvent of a plasticizer and ethanol; and a second step of mixing the suspension with a thermoplastic resin through a melting process; a method for producing a thermoplastic resin / cellulose nanofiber nanocomposite, an oxygen barrier film made of the nanocomposite prepared accordingly, and a drug or It relates to packaging materials for food.

열가소성 수지는 열경화성 수지와 달리 사슬 간의 결합이 없어(가교가 안되어 있어) 성형 및 가공이 유리하다. 이러한 열가소성 수지를 가장 손쉽게 성형 및 가공하는 방법은 고분자의 열적 성질을 이용하는 것이다. 열가소성 고분자는 융점 이상의 온도에서 고체상에서 액상으로 변하며 원하는 형태로의 성형이 쉬워진다. 산업현장에서 이러한 고분자의 성형에는 흔히 사출기(Extruder)가 이용된다. 구체적으로, 고체상태의 열가소성 수지를 펠렛이나 파우더 형태로 고온의 사출기에 주입하여 용융시킨 후 사출 및 다이(die)를 통해 섬유형태로 방사를 하는 등 여러 플라스틱 성형에서 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 열가소성 수지로서 흔히 PET(polyethylene terephthalate), PE(polyethylene), PP(polypropylene) 등과 같은 소재가 주로 사용되어 왔으나 요즘 환경문제와 더불어 친환경적 소재이자 생분해성 소재인 PLA(polylactic acid), PGA(polyglycolic acid), PLGA(polylactic-co-glycolic acid), PCL(polycaprolactone), PBAT(polybutylene adipate terephthalate), PA(polyamide) 등의 사용이 산업적 응용이 큰 이슈가 되고 있다. 이러한 열가소성 수지들은 주로 -OH, -NH2, -COOH, -NCO 와 같은 작용기를 양말단에 가지는 모노머를 이용하여 합성되며, 에스테르, 카보네이트, 우레탄, 또는 아마이드 등과 같은 작용기로 긴 사슬을 가지게 된다. 따라서, 통상적으로 열가소성 수지는 말단 부분에 반응성을 가지는 작용기(-OH, -NH2, -COOH 등)를 가지고 있다.Unlike thermosetting resins, thermoplastic resins do not have bonds between chains (there is no crosslinking), so molding and processing are advantageous. The easiest way to mold and process such a thermoplastic resin is to use the thermal properties of the polymer. A thermoplastic polymer changes from a solid to a liquid at a temperature above its melting point, and is easily molded into a desired shape. In the industrial field, an extruder is often used for molding such polymers. Specifically, the solid thermoplastic resin is injected into a high-temperature injection machine in the form of pellets or powder, melted, and then injected and spun into fibers through a die. It plays an important role in plastic molding. Materials such as PET (polyethylene terephthalate), PE (polyethylene), and PP (polypropylene) have been mainly used as such thermoplastic resins. However, these days, environmentally friendly and biodegradable materials such as PLA (polylactic acid) and PGA (polyglycolic acid) ), PLGA (polylactic-co-glycolic acid), PCL (polycaprolactone), PBAT (polybutylene adipate terephthalate), and PA (polyamide) have become a major issue for industrial application. These thermoplastic resins are mainly synthesized using monomers having functional groups such as -OH, -NH 2 , -COOH, and -NCO at both ends, and have long chains with functional groups such as esters, carbonates, urethanes, or amides. Therefore, in general, the thermoplastic resin has a reactive functional group (-OH, -NH 2 , -COOH, etc.) at the terminal portion.

상기 열가소성 수지 중 PLA 등은 기존의 석유 기반 플라스틱에 비해 매우 딱딱하고 부서지기 쉬운 문제를 가지며, 이는 다양한 산업 분야에서의 응용을 제한한다. 이에 보다 소프트하고 유연한 고분자를 블렌딩하여 소재의 물성에 변화를 주는 방법 또는 열가소성 수지 내에 나노복합체를 넣어 주어 연성을 부여하는 방법이 주로 사용되고 있다. 다만, 전자의 경우, 연성이 우수한 PEG, PEO, PU 등의 고분자를 혼합 및 사출성형하는 방법으로 연성을 크게 부여할 수 있으나, 사출 시 성질이 다른 고분자와 사슬연장제를 혼합하는데, 이때 고분자 간의 상용성 및 열적 특성을 고려해야 하는 등 공정상의 어려움이 있으며, 함께 혼합된 고분자의 물성에 의해 원래의 열가소성 고분자가 갖는 생분해성, 생체친화성 등이 낮아질 수 있다. 한편, 후자의 경우는 사출성형 시 가소제(plasticizer), 또는 나노입자, 클레이, 그래핀, 아크릴레이트 충격 개질제(acrylate impact modifier) 등의 합성물(composite)을 혼합하여 열가소성 수지의 연성 및/또는 물성에 변화를 주는 방법으로, 소량의 첨가제로 물성 변화를 유발할 수 있고, 표적 물질인 열가소성 수지를 기반으로 한다는 장점이 있으나, 대부분의 첨가제는 상용이 어려워 부수적인 공정을 필요로 하며, 첨가제로 인해 고분자 자체의 색이 아닌 다른 색상이 발색될 수 있는 한계가 있다. 그러나, 상기 PLA는 고유의 딱딱하고 부서지기 쉬운 특성 및/또는 열악한 산소차단성으로 인해 산소차단막이나 약이나 식품의 포장재로는 사용되지 못하고 있다.Among the thermoplastic resins, PLA and the like have a problem of being very hard and brittle compared to conventional petroleum-based plastics, which limits their application in various industrial fields. Accordingly, a method of changing the physical properties of a material by blending a softer and more flexible polymer or a method of imparting ductility by putting a nanocomposite in a thermoplastic resin is mainly used. However, in the former case, high ductility can be imparted by mixing and injection molding polymers such as PEG, PEO, and PU having excellent ductility, but a polymer with different properties and a chain extender are mixed during injection. There are difficulties in the process, such as having to consider compatibility and thermal properties, and the biodegradability and biocompatibility of the original thermoplastic polymer may be lowered by the physical properties of the polymer mixed together. On the other hand, in the latter case, a plasticizer or a composite such as nanoparticles, clay, graphene, and an acrylate impact modifier is mixed during injection molding to improve the ductility and/or physical properties of the thermoplastic resin. As a change method, a small amount of additive can cause a change in physical properties, and it has the advantage that it is based on a target material, a thermoplastic resin, but most additives are difficult to commercialize and require an additional process, and due to the additives, the polymer itself There is a limit that colors other than the color of the color can be developed. However, the PLA is not used as an oxygen barrier film or packaging material for medicines or food due to its inherent hard and brittle properties and/or poor oxygen barrier properties.

한편, 활성 기체를 차단하기 위하여 고안된 기체 차단 필름은 식품 포장뿐만 아니라 태양전지, 전자소자와 같은 많은 응용 분야에 있어서 가장 중요한 주제 중 하나이다. 일반적으로 기체 차단 필름을 제조하기 위하여 고분자 필름 기재(PET, OPP, CPP, LDPE 등) 위에 알루미늄을 진공증착하거나, 실리카나 알루미나와 같은 무기물을 증착 또는 코팅하는 방법과, EVOH(ethylene vinyl alcohol copolymer), 나일론, 폴리아크릴로 니트릴, PVDC(polyvinyliolene chloride)와 같은 기체 차단성이 우수한 고분자 필름을 적층하여 사용한다. 그러나, 알루미늄 증착 필름의 경우 불투명해지며, 무기물을 증착시키는 경우 높은 증착비용으로 인해 생산단가가 증가하는 단점이 있으며, 기체 차단성 고분자 필름의 경우 얇은 박막을 형성하기 어려운 문제점을 갖는다.On the other hand, a gas barrier film designed to block active gas is one of the most important topics in food packaging as well as many applications such as solar cells and electronic devices. In general, in order to prepare a gas barrier film, vacuum deposition of aluminum on a polymer film substrate (PET, OPP, CPP, LDPE, etc.) or a method of depositing or coating an inorganic material such as silica or alumina, EVOH (ethylene vinyl alcohol copolymer) , nylon, polyacrylonitrile, PVDC (polyvinyliolene chloride), such as a polymer film with excellent gas barrier properties is laminated and used. However, in the case of an aluminum deposition film, it becomes opaque, and when an inorganic material is deposited, the production cost increases due to high deposition cost, and in the case of a gas barrier polymer film, it is difficult to form a thin film.

이에, 본 발명자들은 열가소성 수지를 기반으로 하는 산소차단능을 갖는 가요성 포장재의 제조방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 열가소성 수지에 셀룰로오스 나노섬유를 혼합하여 복합체를 제조하되, 혼화성을 향상시키기 위하여, 소정의 함량의 가소제 및 에탄올의 혼합 용매에 상기 셀룰로오스 나노섬유를 분산시키는 현탁 공정을 수행한 후, 수득한 현탁액과 열가소성 수지를 용융 혼합하여 복합체를 제조함으로써, 강도는 물론 탄성 및/또는 연신율이 현저히 향상되고, 산소차단능이 개선된 복합 소재를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made intensive research efforts to discover a method for manufacturing a flexible packaging material having oxygen barrier ability based on a thermoplastic resin, and as a result, a composite is prepared by mixing cellulose nanofibers with a thermoplastic resin, but to improve miscibility. To this end, by performing a suspension process of dispersing the cellulose nanofibers in a mixed solvent of a plasticizer and ethanol of a predetermined amount, and then melt-mixing the obtained suspension and a thermoplastic resin to prepare a composite, strength as well as elasticity and/or elongation This remarkably improved, it was confirmed that it is possible to provide a composite material with improved oxygen barrier ability, and completed the present invention.

본 발명의 하나의 목적은 가소제(plasticizer)와 에탄올의 (15 내지 25)중량%:(75 내지 85)중량% 혼합 용매에 용매 100중량부를 기준으로 0.3 내지 3중량부의 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)를 분산시켜 현탁액을 준비하는 제1단계; 및 용융 공정을 통해 상기 현탁액을 열가소성 수지와 가소제의 함량이 11 내지 18 phr(parts per hundred rubber)이 되도록 혼합하는 제2단계;를 포함하는, 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is a plasticizer (plasticizer) and (15 to 25) wt% of ethanol: 0.3 to 3 parts by weight of cellulose nanofiber (cellulose nanofiber) based on 100 parts by weight of a solvent in a mixed solvent of (75 to 85) wt%; A first step of dispersing CNF) to prepare a suspension; and a second step of mixing the suspension so that the content of the thermoplastic resin and the plasticizer is 11 to 18 phr (parts per hundred rubber) through a melting process; including, providing a method for producing a thermoplastic resin/cellulose nanofiber nanocomposite will do

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 나노복합체로 형성된 산소차단막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an oxygen barrier film formed of the nanocomposite prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 나노복합체를 포함하는 식품 또는 약품 포장재를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a food or drug packaging material comprising the nanocomposite prepared by the above method.

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

한편, 본원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.On the other hand, each description and embodiment disclosed herein may be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein are within the scope of the present invention. In addition, it cannot be said that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.

또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 출원에 기재된 본 발명의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.In addition, those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Also, such equivalents are intended to be encompassed by the present invention.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 가소제(plasticizer)와 에탄올의 (15 내지 25)중량%:(75 내지 85)중량% 혼합 용매에 용매 100중량부를 기준으로 0.3 내지 3중량부의 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)를 분산시켜 현탁액을 준비하는 제1단계; 및 용융 공정을 통해 상기 현탁액을 열가소성 수지와 가소제의 함량이 11 내지 18 phr(parts per hundred rubber)이 되도록 혼합하는 제2단계;를 포함하는, 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체의 제조방법을 제공한다.As one aspect for achieving the above object, the present invention is a plasticizer and (15 to 25) wt% of ethanol: (75 to 85) wt% in a mixed solvent of 0.3 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent. A first step of preparing a suspension by dispersing cellulose nanofiber (CNF); and a second step of mixing the suspension so that the content of the thermoplastic resin and the plasticizer is 11 to 18 phr (parts per hundred rubber) through a melting process; including, providing a method for producing a thermoplastic resin/cellulose nanofiber nanocomposite do.

본 발명의 용어, "가소제(plasticizer)"는 분산제(dispersants)라고도 하는 첨가제로서 물질의 가소성(plasticity)을 증가시키거나 점성(viscosity)을 감소시키기 위한 첨가제로서, 이는 물질의 물리적 특성을 변화시기키 위하여 첨가되는 물질이다. 이는 낮은 휘발성(volatility)의 액체이거나 고체일 수 있다. 고분자 사슬 간의 상호작용을 감소시켜 보다 유연하게 하는 역할을 한다. 수십년에 걸쳐 수만 종의 물질에 대해 가소제로서의 성질을 테스트하였으나, 이들 중 약 50여종의 소수만이 상업적으로 사용되고 있다. 주된 사용처는 플라스틱류이나, 콘크리트나 점토 등의 물질의 성질을 변화시키는 데에 사용되기도 한다.As used herein, the term "plasticizer" is an additive, also called dispersants, for increasing plasticity or reducing viscosity of a material, which changes the physical properties of a material. It is a substance added for It may be a low volatility liquid or a solid. It reduces the interaction between polymer chains and makes them more flexible. Tens of thousands of substances have been tested for their properties as plasticizers over decades, but only a handful of about 50 of them are commercially available. Its main use is plastics, but it is also used to change the properties of materials such as concrete or clay.

예컨대, 상기 가소제는 생물기반 가소제(bio-based plasticizers)일 수 있다. 이들 생물기반 가소제는 보다 나은 생분해성을 가지며, 낮은 환경 독성을 갖도록 개발된 가소제로서, 이의 비제한적인 예는, 식품 포장, 의학 제품(medical products), 화장료 및 완구류에 사용되는, 알킬 시트레이트를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 알킬 시트레이트는 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate; TEC), 아세틸 트리에틸 시트레이트(acetyl triethyl citrate; ATEC), 트리부틸 시트레이트(tributyl citrate; TBC), 아세틸 트리부틸 시트레이트(acetyl tributyl citrate; ATBC), 트리옥틸 시트레이트(trioctyl citrate; TOC), 아세틸 트리옥틸 시트레이트(acetyl trioctyl citrate; ATOC), 트리헥실 시트레이트(trihexyl citrate; THC), 아세틸 트리헥실 시트레이트(acetyl trihexyl citrate; ATHC), 부티릴 트리헥실 시트레이트(butyryl trihexyl citrate; BTHC, trihexyl o-butyryl citrate), 및 트리메틸 시트레이트(trimethyl citrate; TMC)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 가소제는 트리에틸 시트레이트(TEC)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the plasticizer may be bio-based plasticizers. These biobased plasticizers have better biodegradability and have been developed to have low environmental toxicity, and non-limiting examples thereof include alkyl citrates, which are used in food packaging, medical products, cosmetics and toys. may include For example, the alkyl citrate is triethyl citrate (TEC), acetyl triethyl citrate (ATEC), tributyl citrate (TBC), acetyl tributyl citrate (acetyl tributyl citrate) citrate; ATBC), trioctyl citrate (TOC), acetyl trioctyl citrate (ATOC), trihexyl citrate (THC), acetyl trihexyl citrate; ATHC), butyryl trihexyl citrate (BTHC, trihexyl o-butyryl citrate), and trimethyl citrate (TMC). Specifically, the plasticizer may be triethyl citrate (TEC), but is not limited thereto.

본 발명의 용어, "트리에틸 시트레이트"는 시트르산의 에스테르로서, 무색, 무취의 액체이며, 고분자 수지에 대한 가소제로서의 용도 이외에, 난백의 기포보조제로서 거품을 안정화하기 위하여 식품 첨가제로 사용되기도 하며, 약학적 코팅이나 플라스틱에 사용되기도 한다.As used herein, the term "triethyl citrate" is an ester of citric acid, which is a colorless, odorless liquid. In addition to its use as a plasticizer for polymer resins, it is also used as a food additive to stabilize the foam as a foaming aid for egg white. It is also used in pharmaceutical coatings and plastics.

상기 가소제는 전체 나노복합체의 11 내지 18 phr로 함유될 수 있고, 구체적으로 12 내지 17 phr, 보다 구체적으로는 12.5 내지 15 phr로 함유할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The plasticizer may be contained in 11 to 18 phr of the total nanocomposite, specifically 12 to 17 phr, more specifically 12.5 to 15 phr, but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 가소제로서 TEC를 사용하되, 그 함량을 변화시키면서 인장강도 및 연신률을 측정하여, 가소제의 함량이 증가함에 따라 인장강도는 감소하는 반면, 연신률은 급격히 증가하는 것을 확인하였다. 이에 소정의 인장강도를 유지하되 현저히 향상된 연신률을 달성할 수 있는 범위에서 가소제의 함량을 선택하였다.In a specific embodiment of the present invention, TEC is used as a plasticizer, but the tensile strength and elongation are measured while changing the content, and as the content of the plasticizer increases, the tensile strength decreases while the elongation increases rapidly. Accordingly, while maintaining a predetermined tensile strength, the content of the plasticizer was selected in a range capable of achieving significantly improved elongation.

본 발명의 용어, "열가소성 수지(thermoplastic polymer)"는 열을 가했을 때 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아 가는 고분자를 지칭하는 것으로, 다수의 열가소성 수지는 약한 분자간 힘으로 상호작용 하는 고분자 화합물에 의해 생성된다. 열경화성 플라스틱과는 달리 열을 가하면 녹고 원래 상태로 돌아가므로 재활용이 가능하며, 대체적인 분자구조는 분자간 약한 상호작용만이 가능한 선형 구조이다.As used herein, the term "thermoplastic resin" refers to a polymer that melts when heat is applied and returns to a solid state when the temperature is sufficiently lowered. is created by Unlike thermosetting plastics, it melts and returns to its original state when heated, so it can be recycled. The general molecular structure is a linear structure where only weak interactions between molecules are possible.

상기 열가소성 수지의 비제한적인 예는 폴리카보네이트, 폴리안하이드라이드, ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), AS 수지(acrylonitrile-styrene copolymer), 아크릴 수지, 폴리아미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리술폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드 등, 혹은 에틸렌/글리시딜메타크릴레이트 공중합체, 폴리에스테르 엘라스토머, 폴리아미드 엘라스토머, 에틸렌/프로필렌터폴리머, 에틸렌/부텐-1 공중합체 등의 고분자, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜과 프로필렌 글리콜의 공중합체, 폴리옥시 에틸화 폴리올, 폴리비닐 알코올, 폴리사카라이드, 덱스트란, 폴리비닐 에틸 에테르, 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 폴리락틱-글리콜산 공중합체(poly(lactic-co-glycolic acid) copolymer; PLGA)와 같은 생분해성 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 폴리락트산일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Non-limiting examples of the thermoplastic resin include polycarbonate, polyanhydride, ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), AS resin (acrylonitrile-styrene copolymer), acrylic resin, polyamide, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone , polyester, polyacetal, polysulfone, polyphenylene oxide, polyimide, polyetherimide, etc., or ethylene/glycidyl methacrylate copolymer, polyester elastomer, polyamide elastomer, ethylene/propylene terpolymer, ethylene / Polymers such as butene-1 copolymer, polyethylene glycol, polypropylene glycol, ethylene glycol, copolymers of ethylene glycol and propylene glycol, polyoxyethylated polyols, polyvinyl alcohol, polysaccharides, dextran, polyvinyl ethyl ether , polylactic acid (PLA), polylactic-glycolic acid copolymer (poly(lactic-co-glycolic acid) copolymer; PLGA). Specifically, it may be polylactic acid, but is not limited thereto.

본 발명의 용어, "셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)"는 나노크기의 셀룰로오스를 지칭하는 것으로, 특히, 형상비(aspect ratio)가 큰 섬유의 형태 예컨대, 수 내지 수십 nm의 너비 및 수 μm의 길이를 갖는 형태의 셀룰로오스를 의미한다. 자체로는 준 가소성(pseudo-plastic) 물질로서 정상적인 조건에서 점성의 젤 또는 유체 상태인, 요변성(thixotropy)을 나타낸다.As used herein, the term "cellulose nanofiber (CNF)" refers to nano-sized cellulose, in particular, a fiber having a large aspect ratio, for example, a width of several to several tens of nm and a width of several μm. It means cellulose in the form of having a length. As a pseudo-plastic material by itself, it exhibits thixotropy, a viscous gel or fluid state under normal conditions.

본 발명의 나노복합체에서 상기 CNF는 0.1 내지 30중량%로 함유될 수 있다. 구체적으로, 0.1 내지 20중량%, 보다 구체적으로는 0.2 내지 10중량%, 보다 더 구체적으로는 0.25 내지 5중량%로 함유될 수 있으나, 나노복합체의 기본 기재인 열가소성 수지와 혼화 가능하며, 원하는 물성을 달성할 수 있는 한, 이에 제한되지 않는다.In the nanocomposite of the present invention, the CNF may be contained in an amount of 0.1 to 30% by weight. Specifically, it may be contained in an amount of 0.1 to 20% by weight, more specifically 0.2 to 10% by weight, and more specifically 0.25 to 5% by weight, but it is miscible with the thermoplastic resin, which is the basic substrate of the nanocomposite, and has the desired physical properties. As long as it can be achieved, it is not limited thereto.

예컨대, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 나노복합체는, 제1단계에서 에탄올만을 용매로 사용하여 동일한 조건으로 제조된 나노복합체에 비해 열가소성 수지 내에서 CNF의 분산성이 향상된 것이 특징이다.For example, the nanocomposite prepared according to the manufacturing method of the present invention has improved dispersibility of CNF in the thermoplastic resin compared to the nanocomposite prepared under the same conditions using only ethanol as a solvent in the first step.

구체적으로, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 나노복합체는, 제1단계에서 에탄올만을 용매로 사용하여 동일한 조건으로 제조된 나노복합체에 비해 열가소성 수지 내에 분산된 CNF 응집체의 총면적이 150 내지 250% 감소될 수 있다.Specifically, in the nanocomposite prepared according to the method of the present invention, the total area of CNF aggregates dispersed in the thermoplastic resin is reduced by 150 to 250% compared to the nanocomposite prepared under the same conditions using only ethanol as a solvent in the first step. can be

본 발명의 구체적인 실시예에서는, 상기 제1단계에서 에탄올만을 용매로 사용하는 방법 및 가소제인 TEC와 에탄올의 혼합용매를 이용하는 공용매 시스템을 이요하는 방법에 따른 현탁액의 제타전위를 측정하여 비교함으로써, 후자의 경우 현저히 증가된 음의 제타전위를 나타내었으며, 이는 보다 균일하게 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 현탁액 내에 분포되었음을 나타내는 것이다. 이러한 분포의 차이는 가소제인 TEC와 CNF 사이의 높은 계면장력에 기인하며, 이들 현탁액을 이용한 열가소성 수지와의 용융 혼합 이후 형성되는 나노복합체에서의 분산에도 영향을 미칠 것으로 기대할 수 있다.In a specific embodiment of the present invention, by measuring and comparing the zeta potential of the suspension according to a method using only ethanol as a solvent in the first step and a method using a cosolvent system using a mixed solvent of TEC and ethanol as a plasticizer, The latter showed a significantly increased negative zeta potential, indicating that it was more uniformly distributed in the suspension of cellulose nanofibers (CNF). This difference in distribution is due to the high interfacial tension between the plasticizer TEC and CNF, and it can be expected to affect the dispersion in the nanocomposite formed after melt mixing with the thermoplastic resin using these suspensions.

한편, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 나노복합체는, 제1단계 없이, 제2단계에서 동일량의 가소제만을 혼합하여 제조한 수지에 비해 10 내지 25% 증가된 인장강도를 갖는 것이 특징이다.On the other hand, the nanocomposite prepared according to the manufacturing method of the present invention is characterized in that it has a tensile strength increased by 10 to 25% compared to a resin prepared by mixing only the same amount of a plasticizer in the second step without the first step.

본 발명의 용어, "인장강도(tensile strength)"는 과도한 응력(stress) 또는 변형(deformation)으로 인한 붕괴 없이 하중을 지탱하는 구조적 능력을 의미한다.As used herein, the term “tensile strength” refers to a structural ability to support a load without collapse due to excessive stress or deformation.

또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 나노복합체는, 제1단계 없이, 제2단계에서 동일량의 가소제만을 혼합하여 제조한 수지에 비해 10 내지 70% 증가된 영률을 갖는 것이 특징이다.In addition, the nanocomposite manufactured according to the manufacturing method of the present invention is characterized in that it has a Young's modulus increased by 10 to 70% compared to a resin prepared by mixing only the same amount of a plasticizer in the second step without the first step.

본 발명의 용어, "영률(Young's modulus)"은 18세기 영국의 물리학자인 토마스 영의 이름을 따서 붙여진 상수(numerical constant)로서, 일측에서만 가해지는 장력(tension) 또는 압축(compression)을 경험하는 고체의 탄성을 나타낸다. 영률은 장축 방향에서의 장력 또는 압축 하에서 길이의 변화를 견디는 물질의 능력의 측정이다. 영률은 응력(stress)이 변형률(strain)에 비례하는 영역에서만 의미가 있으며, 외부의 힘이 제거되었을 때, 물질은 원래의 규모로 돌아간다. 응력이 증가할 때, 물질은 흐르거나, 영구적인 변형을 경험하거나, 최종적으로 깨질 수 있다.As used herein, the term "Young's modulus" is a constant named after Thomas Young, an 18th century British physicist, and a solid that experiences tension or compression applied only on one side. represents the elasticity of Young's modulus is a measure of a material's ability to withstand a change in length under tension or compression in the major axis direction. Young's modulus is meaningful only in the region where stress is proportional to strain, and when the external force is removed, the material returns to its original scale. When the stress increases, the material may flow, undergo permanent deformation, or eventually crack.

예컨대, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 나노복합체는, 300% 이상의 연신률 값을 갖는 이다. 이러한 높은 연신률은 본 발명에 따라 제조된 나노복합체가 상당한 유연성을 갖는 소재임을 나타내는 것이며, 따라서 성형에 용이하므로 박막화하여 산소차단막으로 또는 포장재로 사용할 수 있음을 시사한다.For example, the nanocomposite prepared according to the manufacturing method of the present invention has an elongation value of 300% or more. This high elongation indicates that the nanocomposite prepared according to the present invention is a material having considerable flexibility, and thus it is easy to form, so it is suggested that it can be used as an oxygen barrier film or packaging material by thinning it.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 나노복합체로 형성된 산소차단막을 제공한다.As another aspect, the present invention provides an oxygen barrier film formed of the nanocomposite prepared by the above method.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 나노복합체는 동일한 두께로 제조된 순수 열가소성 수지 또는 동량의 가소제를 포함하되 셀룰로오스 나노섬유를 불포함하는 열가소성 수지 복합체로 형성된 산소차단막에 비해 산소투과성이 70 내지 45% 수준으로 감소된 것이 특징이다. 일반적으로 폴리락트산과 같은 열가소성 수지는 산소를 비롯한 기체에 대한 차단성이 낮은 것이 단점으로 지적되고 있다.The nanocomposite prepared according to the manufacturing method of the present invention has an oxygen permeability level of 70 to 45% compared to an oxygen barrier film formed of a pure thermoplastic resin prepared to the same thickness or a thermoplastic resin composite containing the same amount of plasticizer but not containing cellulose nanofibers It is characterized by a reduction in In general, a disadvantage of a thermoplastic resin such as polylactic acid is that it has low barrier properties against gases including oxygen.

그러나, 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 본 발명에 따라 제조된 에탄올과 가소제의 공용매 시스템을 이용하여 제조한 나노복합체로 형성한 막의 경우, 순수한 PLA에 비해서는 물론, 가소제인 TEC와 단순 혼합한 복합체에 비해 현저히 향상된 산소차단성을 나타냄을, 구체적으로, 70%로부터 최대 45%까지 감소된 산소투과성을 나타내는 것을 확인하였는 바, 산소차단막으로 활용 가능함을 입증하였다.However, in a specific embodiment of the present invention, in the case of a membrane formed of a nanocomposite prepared using a cosolvent system of ethanol and a plasticizer prepared according to the present invention, compared to pure PLA, as well as simple mixing with TEC, a plasticizer It was confirmed that it exhibits significantly improved oxygen barrier properties compared to the composite, specifically, reduced oxygen permeability from 70% to a maximum of 45%, thereby demonstrating that it can be used as an oxygen barrier membrane.

예컨대, 대부분의 전자소자는 전자전도성이 높은 금속 등을 함유하여 산화, 즉 산소와의 반응에 민감하므로, 산소를 차단할 수 있는 필름 등으로 코팅하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 산소차단막은 이와 같은 산소차단막을 요구하는 전자소자에 적용할 수 있다. 예컨대, 이를 적용할 수 있는 전자소자의 비제한적인 예는 배터리, 유기 발광 소자, 디스플레이 소자, 광기전성 소자, 집적회로, 압력센서, 화학센서, 바이오센서, 태양광 소자 및 조명용 소자를 포함할 수 있다.For example, since most electronic devices contain metals with high electron conductivity and are sensitive to oxidation, that is, reaction with oxygen, it is preferable to coat them with a film or the like capable of blocking oxygen. The oxygen barrier film according to the present invention can be applied to electronic devices requiring such an oxygen barrier film. For example, non-limiting examples of electronic devices to which this can be applied may include batteries, organic light emitting devices, display devices, photovoltaic devices, integrated circuits, pressure sensors, chemical sensors, biosensors, solar devices, and lighting devices. have.

본 발명의 또 다른 양태는, 상기 방법으로 제조된 나노복합체를 포함하는 식품 또는 약품 포장재를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a food or drug packaging material comprising the nanocomposite prepared by the above method.

예컨대, 상기 나노복합체는 100분까지 가소제의 이동률이 5중량% 이내이며, 셀룰로오스 나노섬유를 불포함하는 나노복합체에 비해 20%만큼 감소된 이동률을 나타내는 것이 특징이다.For example, the nanocomposite is characterized in that the migration rate of the plasticizer is within 5% by weight up to 100 minutes, and the migration rate is reduced by 20% compared to the nanocomposite containing no cellulose nanofibers.

아울러, 전술한 바와 같이, 본 발명의 나노복합체로 된 막은 향상된 산소차단성을 가짐은 물론, 증가된 강도, 탄성, 및/또는 우수한 연신율을 나타내는 유연한 소재이다.In addition, as described above, the nanocomposite membrane of the present invention is a flexible material that has improved oxygen barrier properties, as well as increased strength, elasticity, and/or excellent elongation.

한편, 금속성 물질, 식품, 영양제 등은 공기 중의 산소와 반응하여 산화할 수 있다. 따라서, 현재는 유통기한을 증가시키기 위해 알루미늄 또는 무기물이 증착된 필름을 사용하거나 기체 차단성 수지가 적층된 복합필름 등을 사용하고 있으나, 이들을 포함하는 포장재가 불투명해질 수 있으며, 생산 비용이 증가하고 두께가 증대될 수 있다.On the other hand, metallic substances, foods, nutrients, etc. may react with oxygen in the air to be oxidized. Therefore, currently, in order to increase the shelf life, a film deposited with aluminum or inorganic material is used, or a composite film laminated with a gas barrier resin, etc., are used, but the packaging material including them may become opaque, and the production cost increases and The thickness may be increased.

따라서, 전술한 산화에 민감한 식품 및/또는 의약품에 대한 포장재로도 유용하게 사용될 수 있다. 이때, 포장재는 본 발명의 막에 강도를 유지시켜주는 기재층, 인쇄층, 수증기 차단 및/또는 열봉합을 위한 실링층을 추가로 포함하여 형성하거나, 기존의 포장재에 추가로 코팅하여 사용할 수 있다.Therefore, it can be usefully used as a packaging material for the above-mentioned oxidation-sensitive food and/or medicine. In this case, the packaging material may be formed by additionally including a base layer, a printing layer, and a sealing layer for water vapor barrier and/or heat sealing to maintain the strength of the film of the present invention, or may be used by additionally coating the existing packaging material. .

본 발명의 가소제 및 에탄올의 공용매 시스템을 이용하는 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체 제조방법은 생물 기반 물질을 이용하는 친환경적 물질이며 향상된 산소차단능을 가지므로, 약이나 식품을 위한 다양한 생분해성 포장 소재에 유용하게 사용될 수 있다.The method for manufacturing a thermoplastic resin/cellulose nanofiber nanocomposite using a cosolvent system of a plasticizer and ethanol of the present invention is an eco-friendly material using a biological material and has an improved oxygen barrier ability, so it is suitable for various biodegradable packaging materials for medicine or food. It can be useful.

도 1은 TEC-CNF 및 에탄올-CNF 현탁액의 제타전위를 나타낸 도이다.
도 2는 TEC-CNF 현탁액의 화학적 특성분석 결과; (a) FT-IR 스펙트럼, (b) CNF 및 TEC 상호작용의 개략도, (c) 180℃에서 에탄올 증발된 TEC-CNF 현탁액의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 3은 (a) f-CNF/PLA, (b) e-CNF/PLA, 및 (c) t-CNF/PLA 나노복합체의 저장 탄성률(storage modulus, G')을 나타낸 도이다.
도 4는 (a) 각 주파수 0.1 /s에서 CNF 담지량의 함수로서 CNF/PLA 나노복합체에 대한 저장 탄성률 및 (b) CNF/PLA 나노복합체에 대한 반 걸프-팔멘(Van Gurp-Palmen) 플롯을 나타낸 도이다.
도 5는 나노복합체 내의 CNF의 SEM 사진 및 측정된 CNF의 너비를 나타낸 도이다.
도 6은 CNF/PLA 나노복합체의 파열된(fractured) 표면의 SEM 사진을 나타낸 도이다: (a) 0.25 wt% f-CNF/PLA, (b) 0.5 wt% f-CNF/PLA, (c) 1 wt% f-CNF/PLA, (d) 0.25 wt% e-CNF/PLA, (e) 0.5 wt% e-CNF/PLA, (f) 1 wt% e-CNF/PLA, (g) 0.25 wt% t-CNF/PLA, (h) 0.5 wt% t-CNF/PLA, 및 (i) 1 wt% t-CNF/PLA.
도 7은 CNF 응집체(agglomerates) 크기 분포 및 CNF/PLA 나노복합체의 2진화된(binalized) 현미경 이미지를 나타낸 도이다: (a) 0.25 wt% f-CNF/PLA, (b) 0.5 wt% f-CNF/PLA, (c) 1 wt% f-CNF/PLA, (d) 0.25 wt% e-CNF/PLA, (e) 0.5 wt% e-CNF/PLA, (f) 1 wt% e-CNF/PLA, (g) 0.25 wt% t-CNF/PLA, (h) 0.5 wt% t-CNF/PLA, 및 (i) 1 wt% t-CNF/PLA.
도 8은 CNF/PLA 나노복합체에 대한 CNF 응집체의 총 면적을 CNF wt%의 함수로 나타낸 도이다.
도 9는 CNF/PLA 나노복합체에 대해 실험적으로 측정된 인장 탄성률(tensile modulus)을 콕스-크렌첼(Cox-Krenchel)에 의한 이론적 산출값과 비교하여 나타낸 도이다: (a) f-CNF/PLA 및 e-CNF/PLA 나노복합체, 및 (b) t-CNF/PLA 나노복합체.
도 10은 (a) f-CNF/PLA, (c) e-CNF/PLA, 및 (e) t-CNF/PLA 나노복합체의 탄성 계수(elastic modulus, E'), 및 (b) f-CNF/PLA, (d) e-CNF/PLA, 및 (f) t-CNF/PLA 나노복합체의 tan delta를 나타낸 도이다.
도 11은 110℃에서 t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체의 질량 변화(weight variation)를 나타낸 도이다.
도 12는 진공 오븐에서 110℃로 건조 후 t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체의 기계적 물성; (a) 인장강도 및 (b) 파단 신장율(elongation at break)을 나타낸 도이다.
1 is a diagram showing the zeta potential of TEC-CNF and ethanol-CNF suspension.
Figure 2 shows the results of chemical characterization of the TEC-CNF suspension; (a) FT-IR spectra, (b) schematic diagrams of CNF and TEC interactions, (c) SEM images of TEC-CNF suspensions evaporated in ethanol at 180°C.
3 is a diagram showing the storage modulus (storage modulus, G' ) of (a) f-CNF/PLA, (b) e-CNF/PLA, and (c) t-CNF/PLA nanocomposites.
4 shows (a) storage modulus for CNF/PLA nanocomposites as a function of CNF loading at each frequency of 0.1 /s and (b) Van Gurp-Palmen plots for CNF/PLA nanocomposites. It is also
5 is a diagram showing an SEM photograph of the CNF in the nanocomposite and the measured width of the CNF.
6 is a diagram showing SEM images of the fractured surface of the CNF/PLA nanocomposite: (a) 0.25 wt% f-CNF/PLA, (b) 0.5 wt% f-CNF/PLA, (c) 1 wt% f-CNF/PLA, (d) 0.25 wt% e-CNF/PLA, (e) 0.5 wt% e-CNF/PLA, (f) 1 wt% e-CNF/PLA, (g) 0.25 wt % t-CNF/PLA, (h) 0.5 wt% t-CNF/PLA, and (i) 1 wt% t-CNF/PLA.
Figure 7 is a diagram showing the size distribution of CNF agglomerates and binarized microscopic images of CNF/PLA nanocomposites: (a) 0.25 wt% f-CNF/PLA, (b) 0.5 wt% f- CNF/PLA, (c) 1 wt% f-CNF/PLA, (d) 0.25 wt% e-CNF/PLA, (e) 0.5 wt% e-CNF/PLA, (f) 1 wt% e-CNF/ PLA, (g) 0.25 wt% t-CNF/PLA, (h) 0.5 wt% t-CNF/PLA, and (i) 1 wt% t-CNF/PLA.
8 is a diagram showing the total area of CNF aggregates for the CNF/PLA nanocomposite as a function of CNF wt%.
9 is a view showing the experimentally measured tensile modulus of the CNF/PLA nanocomposite compared with the theoretical calculated value by Cox-Krenchel: (a) f-CNF/PLA and e-CNF/PLA nanocomposites, and (b) t-CNF/PLA nanocomposites.
10 shows (a) f-CNF/PLA, (c) e-CNF/PLA, and (e) t-CNF/PLA nanocomposites elastic modulus ( E' ), and (b) f-CNF. It is a diagram showing the tan delta of /PLA, (d) e-CNF/PLA, and (f) t-CNF/PLA nanocomposite.
11 is a diagram showing the weight variation of t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites at 110°C.
12 is a mechanical property of t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposite after drying at 110° C. in a vacuum oven; It is a diagram showing (a) tensile strength and (b) elongation at break.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<물질><substance>

폴리락트산(polylactic acid; PLA, Ingeo Biopolymer 2003D grade, melt flow index: 6 g/10 min, 210℃, 2.16 kg ASTM D1238)는 NatureWorks(USA)로부터 구입하였고, 동결건조된 CNF(cellulose nanofibers)는 Cellulose Lab(Canada)으로부터 구입하였다. 상기 CNF는 20 내지 60 nm 범위의 너비를 가지며, 길이는 수 마이크로미터에 달하였다. 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate; TEC, ≥98.0%) 및 에탄올(≥99.5%)은 Sigma Aldrich(USA)로부터 구입하여 그대로 사용하였다. PLA 및 CNF는 사용에 앞서 잔여 수분을 제거하기 위하여 80℃에서 12시간 동안 진공 건조하였다.Polylactic acid (PLA, Ingeo Biopolymer 2003D grade, melt flow index: 6 g/10 min, 210° C., 2.16 kg ASTM D1238) was purchased from NatureWorks (USA), and lyophilized CNF (cellulose nanofibers) was cellulose nanofibers. It was purchased from Lab (Canada). The CNFs had a width ranging from 20 to 60 nm and reached several micrometers in length. Triethyl citrate (TEC, ≥98.0%) and ethanol (≥99.5%) were purchased from Sigma Aldrich (USA) and used as such. PLA and CNF were vacuum dried at 80° C. for 12 hours to remove residual moisture prior to use.

실시예Example 1: 에탄올- 1: ethanol- CNFCNF and TECTEC -- CNFCNF 현탁액(suspensions)의 제조 Preparation of suspensions

0.125, 0.25, 및 0.5 g의 동결건조된 CNF를 함유하는 에탄올-CNF 현탁액을 30 g의 에탄올에 첨가하고, 균질화기(homogenizer, Model: T10 basic ULTA-TURRAX®, IKA, Germany)로 격렬하게 혼합하였다. 분쇄용(for crushing)이 아닌 혼합용(for mixing) 분산 소자(dispersing element)를 사용하여, 6000 rpm에서 0.5시간 동안 균질화를 수행하였다. 이하 실험예를 통해 가요성 PLA를 제조하기 위한 최적의 TEC 함량이 결정하였으며, 혼합용매는 6.25 g TEC 및 23.75 g 에탄올로부터 준비되었다. 각 CNF 함량의 TEC-CNF 현탁액을 상기와 동일한 조건 하에 준비하였다.An ethanol-CNF suspension containing 0.125, 0.25, and 0.5 g of lyophilized CNF was added to 30 g of ethanol and mixed vigorously with a homogenizer (Model: T10 basic ULTA-TURRAX®, IKA, Germany). did. Using a dispersing element for mixing, not for crushing, homogenization was performed at 6000 rpm for 0.5 hours. The optimal TEC content for manufacturing flexible PLA was determined through the following experimental examples, and a mixed solvent was prepared from 6.25 g TEC and 23.75 g ethanol. A TEC-CNF suspension of each CNF content was prepared under the same conditions as above.

실시예Example 2: f- 2: f- CNFCNF // PLAPLA , e-, e- CNFCNF // PLAPLA , t-, t- PLAPLA , 및 t-, and t- CNFCNF // PLAPLA 나노복합체의 제조 Preparation of Nanocomposites

50 g의 배럴 용량을 갖는 반-회전 이중-나사(counter-rotating twin-screw)를 구비한 소규모 내부 혼합기(small scale internal mixer, Model: W50 Plastograph®Lab-Station, Brabender Gmb & Co KG, Germany)를 이용하여 다양한 CNF 조성(0.25, 0.5, 1 wt%)을 갖는 3종의 CNF/PLA 나노복합체를 제조하였다. 제조업자 및 예비실험에 의해 제공되는 PLA의 사양(specification)을 기반으로, 용융 혼합에 앞서 PLA를 80℃에서 12시간 동안 진공 오븐에 건조시켰다. 50 rpm의 회전 속도 및 7분의 혼합 시간으로 180℃ 배럴 온도 조건 하에, 동결 건조된 CNF/PLA 나노복합체(f-CNF/PLA), 에탄올-CNF 현탁액/PLA 나노복합체(e- CNF / PLA), 및 TEC-CNF 현탁액/PLA 나노복합체(t- CNF / PLA)를 제조하였다. 먼저 혼합기에서 PLA를 1분 동안 용융시킨 후, 동결 건조된 CNF 또는 2종의 용매/CNF 현탁액을 첨가하여 6분 더 혼합하였다. 그 동안에, 용매-CNF 현탁액에 함유된 에탄올을 공정 동안 증발시켰다. 또한, 동일한 온도, 나사 속도 및 혼합 시간 조건 하에 PLA 과립에 12.5 phr(parts per hundred rubber) 함량으로 TEC를 첨가하여 t-PLA를 제조하였다.Small scale internal mixer with a counter-rotating twin-screw with a barrel capacity of 50 g (Model: W50 Plastograph®Lab-Station, Brabender Gmb & Co KG, Germany) was used to prepare three kinds of CNF/PLA nanocomposites having various CNF compositions (0.25, 0.5, 1 wt%). Based on the specifications of PLA provided by the manufacturer and preliminary experiments, PLA was dried in a vacuum oven at 80° C. for 12 hours prior to melt mixing. Freeze-dried CNF/PLA nanocomposites (f-CNF/PLA ), ethanol-CNF suspension/PLA nanocomposites ( e- CNF / PLA ) under 180°C barrel temperature conditions with a rotation speed of 50 rpm and mixing time of 7 minutes , and TEC-CNF suspension/PLA nanocomposites ( t- CNF / PLA ) were prepared. First, PLA was melted in a mixer for 1 minute, then freeze-dried CNF or two solvent/CNF suspensions were added and mixed for another 6 minutes. In the meantime, the ethanol contained in the solvent-CNF suspension was evaporated during the process. In addition, t-PLA was prepared by adding TEC at a content of 12.5 phr (parts per hundred rubber) to PLA granules under the same temperature, screw speed, and mixing time conditions.

덩어리 형태의(bulk-shaped) 복합체 시료를 분쇄하고(ground), 80℃에서 12시간 동안 건조한 후, 복합체 과립을 산소 차단 특성(oxygen barrier properties)을 측정하기 위하여 필름으로 압축 성형하고, 또한 형태학적(morphological), 유동학적(rheological) 및 기계적(mechanical) 특성을 측정하기 위해 성형하였다.After the bulk-shaped composite sample was ground and dried at 80° C. for 12 hours, the composite granules were compression molded into a film to measure oxygen barrier properties, and also morphologically It was molded to measure morphological, rheological and mechanical properties.

압축 성형은 핫 프레스 시스템(Model: QM900A, Quality & Measurement System, Korea)을 사용하여 수행하였으며, 성형 공정(molding process)은 4분 간의 예열, 1분 간의 압축(pressing), 및 4분 간의 냉각을 통해 180℃에서 수행하였다. 또한 복합체 과립을 미세사출성형장치(micro injection molding machine, Model: Xplore Micro 10 cc Injection Molding Machine, Xplore Instruments, Netherlands)를 이용하여 180℃에서 25.4 mm 직경 및 1 mm 두께의 원반형 및 50 mm 길이, 4 mm 너비, 및 2 mm 두께의 덤벨형의 테스트 시편으로 사출성형(injection molded)하였다.Compression molding was performed using a hot press system (Model: QM900A, Quality & Measurement System, Korea), and the molding process consisted of preheating for 4 minutes, pressing for 1 minute, and cooling for 4 minutes. was carried out at 180 °C. In addition, the composite granules were prepared using a micro injection molding machine (Model: Xplore Micro 10 cc Injection Molding Machine, Xplore Instruments, Netherlands) at 180° C. in a disc shape with a diameter of 25.4 mm and a thickness of 1 mm and a length of 50 mm, 4 It was injection molded into a dumbbell-shaped test specimen with a width of mm and a thickness of 2 mm.

실시예Example 3: 특성분석 3: Characterization

ISO 304에 따라 장력계(tension meter, Model: Surface Tension Analyzer, SEO, Korea)를 이용하여 Pt 고리 탈착법으로 용매의 표면 장력 분석(surface tension analysis)을 수행하였다. 고체와 액체 사이 및 2개 액체 사이의 계면 장력(interfacial tension), γ 12 는 기리팔코-굿 방정식(Girifalco-Good equation)을 통해 산출되었다:According to ISO 304, a surface tension analysis of the solvent was performed by a Pt ring desorption method using a tension meter (tension meter, Model: Surface Tension Analyzer, SEO, Korea). The interfacial tension between a solid and a liquid and between two liquids, γ 12, was calculated via the Girifalco-Good equation:

Figure pat00001
(1)
Figure pat00001
(One)

Figure pat00002
(2)
Figure pat00002
(2)

이때 γ 1 은 고체 또는 액체의 표면장력이다. Φ 및 V는 각각 고체 또는 액체의 상호작용 변수(interaction parameter) 및 몰 부피이다.Here, γ 1 is the surface tension of the solid or liquid. Φ and V are the interaction parameter and molar volume of the solid or liquid, respectively.

제타 전위 분석기(zeta potential analyzer, Model: Zetasizer Nano ZS, Malvern, UK)로 제타 전위 측정을 수행하였다. 균질화 후, CNF-용매 시료를 실린지를 통해 측정 셀에 주입하고, 제타 전위 값, ζ를 스몰루쵸우스키(Smoluchowski) 방정식에 따라 계산하였다:Zeta potential was measured with a zeta potential analyzer (Model: Zetasizer Nano ZS, Malvern, UK). After homogenization, the CNF-solvent sample was injected into the measuring cell through a syringe, and the zeta potential value, ζ , was calculated according to the Smoluchowski equation:

Figure pat00003
(3)
Figure pat00003
(3)

이때, U E 는 전기영동이동도(electrophoretic mobility)이다. ηε은 각각 분산 매질의 점도 및 유전율(dielectric constant)이다. f( κα )는 헨리의 함수(Henry's function)이다.In this case, U E is the electrophoretic mobility. η and ε are the viscosity and dielectric constant of the dispersion medium, respectively. f( κα ) is Henry's function.

FT-IR 분광광도계(Model: Frontier, PerkinElmer, USA)를 이용하여 푸리에 전이 적외선 분광 분석(Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopic analysis)을 수행하였다. 총 20회 스캔 및 백분율 투과 모드(percentage transmission mode)를 4000 내지 500 cm-1 파수 범위에서 수행하였다.Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopic analysis was performed using an FT-IR spectrophotometer (Model: Frontier, PerkinElmer, USA). A total of 20 scans and percentage transmission mode were performed in the 4000-500 cm -1 wavenumber range.

CNF 및 PLA 복합체의 형태를 전계방사주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, Model: SU8020, Hitachi, Japan)으로 관찰하였다. 용매-CNF 현탁액을 180℃에서 핫플레이트 상에 적가하여 에탄올을 증발시켰다. 파쇄(fracture) 과정 동안 변형(deformation)을 방지하기 위하여 액체 질소를 사용하여 사출성형시료를 저온-파쇄하였다(cryo-fractured). 이온 스퍼터(Model: E-1045, Hitachi, Japan)를 사용하여 모든 시료를 Pt/Pd 합금으로 코팅하였다. 3 내지 8 kV의 가속 전압으로 고진공 하에 테스트를 수행하였다.The morphology of the CNF and PLA composites was observed with a field emission scanning electron microscope (Model: SU8020, Hitachi, Japan). The solvent-CNF suspension was added dropwise onto a hotplate at 180° C. to evaporate the ethanol. Injection molded samples were cryo-fractured using liquid nitrogen to prevent deformation during the fracture process. All samples were coated with Pt/Pd alloy using ion sputtering (Model: E-1045, Hitachi, Japan). The tests were performed under high vacuum with an accelerating voltage of 3 to 8 kV.

10× 배율 및 408 nm 자색 레이저를 구비한 광학 레이저를 사용하여 3D 레이저 주사 현미경(3D laser scanning microscopy, Model: VK-X200K, KEYENCE, Japan)을 적용하였다. KEYENCE에 의해 개발된 통합된 소프트웨어(incorporated software)를 사용하는 입자 분석을 이용하여 분산되지 않은 1차(primary) CNF 응집체의 입자 면적, A A 을 방정식 4에 따라 정량하였다:A 3D laser scanning microscopy (Model: VK-X200K, KEYENCE, Japan) was applied using an optical laser equipped with 10× magnification and 408 nm purple laser. Particle area, A A , of undispersed primary CNF aggregates was quantified according to Equation 4 using particle analysis using incorporated software developed by KEYENCE:

Figure pat00004
(4)
Figure pat00004
(4)

여기서, d i 는 1차 CNF 응집체의 i번째 직경이다. ISO 18553에 따라, 3 μm 미만의 직경을 갖는 응집체는 무시하였다.where d i is the i- th diameter of the primary CNF aggregate. According to ISO 18553, agglomerates with a diameter of less than 3 μm were ignored.

180℃에서 병렬-판 기하학적 구조(직경 25 mm 및 간격 1 mm)를 이용하는 유량계(rheometer, Model: Physica MCR302, Anton Paar GmbH, Austria) 상에서 선형 점탄성 영역(linear viscoelastic region)에서의 진동 전단 응력 측정(oscillatory shear measurement) 및 응력 완화(stress relaxation)를 수행하였다. 100 rad/s로부터 0.1 rad/s까지 주파수를 감소시키고 1%의 변형률을 갖는 3분 온도 평형 후 주파수 스윕(frequency sweep)을 수행하였다. 모든 시료는 대기 조건 하에 측정하였다.Measurement of oscillatory shear stress in the linear viscoelastic region on a rheometer (Model: Physica MCR302, Anton Paar GmbH, Austria) using a parallel-plate geometry (25 mm diameter and 1 mm spacing) at 180 °C ( Oscillatory shear measurement and stress relaxation were performed. A frequency sweep was performed after 3 minutes temperature equilibration with a reduction in frequency from 100 rad/s to 0.1 rad/s and a strain of 1%. All samples were measured under atmospheric conditions.

10 mm/min에서 각 시료의 변위(displacement)에 대한 힘을 측정하는 30kN 셀 포스(cell force)를 구비한 만능 시험기(universal testing machine, Model: INSTRON 3367, INSTRON, USA)로 인장강도(tensile strength) 및 파단 연신율(elongation at break)과 같은 기계적 성질을 측정하였다. 표점 거리(gauge length)는 19 mm로 고정하였다.Tensile strength with a universal testing machine (Model: INSTRON 3367, INSTRON, USA) equipped with a 30kN cell force that measures the force against displacement of each sample at 10 mm/min ) and mechanical properties such as elongation at break were measured. The gauge length was fixed at 19 mm.

산소투과율분석기(oxygen transmission rate analyzer, Model: 702, MOCON, USA)로 ASTM 3985에 따라 PLA 및 CNF 복합체 필름의 산소투과성(oxygen permeability) 측정을 수행하였다; 알루미늄 마스크(5 cm2)를 이용하여 시료를 준비하고, 23℃ 및 100% 산소 대기에서 0% 상대습도 조건 하에 투과 테스트(permeation test)를 수행하였다. 정상 상태(steady state)에 이르기까지 24 내지 48시간에 걸쳐 산소투과율을 측정하였다.Oxygen permeability measurements of PLA and CNF composite films were performed according to ASTM 3985 with an oxygen transmission rate analyzer, Model: 702, MOCON, USA; A sample was prepared using an aluminum mask (5 cm 2 ), and a permeation test was performed under conditions of 0% relative humidity at 23° C. and 100% oxygen atmosphere. Oxygen permeability was measured over 24 to 48 hours until the steady state was reached.

강제 굴곡 진동 모드(forced flexural oscillation mode)에서 동적 기계적 성질을 측정하였다. 동적 기계적 성질(dynamic mechanical properties)을 바 형태로 이전의 사출성형된 시료를 가지고 동적 기계적 분석기(Model: RSA-G2, TA instruments, USA)를 이용하여 이중 캔틸리버 기하학(dual cantilever geometry, 너비 40 mm 및 두께 2 mm)의 강제 굴곡 진동 모드(forced flexural oscillation mode)에서 측정하였다. 1 Hz의 고정 주파수에서 3℃/min의 가열 속도로 20℃로부터 90℃까지 증가시키면서 온도 스윕을 적용하였다.Dynamic mechanical properties were measured in a forced flexural oscillation mode. Dynamic mechanical properties (dynamic mechanical properties) using a dynamic mechanical analyzer (Model: RSA-G2, TA instruments, USA) with a previously injection-molded sample in the form of a bar (dual cantilever geometry, width 40 mm) and a thickness of 2 mm) in a forced flexural oscillation mode. A temperature sweep was applied increasing from 20°C to 90°C with a heating rate of 3°C/min at a fixed frequency of 1 Hz.

t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체로부터 가소제의 이동 거동을 열중량분석기(thermogravimetric analyzer, Model: Q500, TA Instruments, USA)로 평가하여였다. 110℃의 등온(isothermal temperature)에서 질소 분위기 하에 테스트를 수행하여 열적으로 유도되는 가소제 이동 정도를 확인하였다. t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체의 덤벨형 시편을 110℃의 진공 오븐에 보관하고, 특정 보관 시간에 따라 인장 테스트를 수행하였다.The migration behavior of plasticizers from t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites was evaluated using a thermogravimetric analyzer (Model: Q500, TA Instruments, USA). The test was performed under a nitrogen atmosphere at an isothermal temperature of 110° C. to confirm the degree of thermally induced plasticizer migration. Dumbbell-shaped specimens of t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites were stored in a vacuum oven at 110° C., and tensile tests were performed according to specific storage times.

각 실험 값 세트의 다중 비교를 IBM SPSS Statistics version 23 (IBM SPSS)으로부터 일방 ANOVA 및 Tukey's HSD(Tukey's honestly significant differences) 테스트(α = 0.05)로 분석하였다.Multiple comparisons of each set of experimental values were analyzed by one-way ANOVA from IBM SPSS Statistics version 23 (IBM SPSS) and Tukey's honestly significant differences (HSD) test (α = 0.05).

실험예Experimental example 1: One: TECTEC 함량에 따른 according to the content PLAPLA 수지의 인장강도 및 the tensile strength of the resin and 연신률elongation 변화 change

가소제의 함량이 PLA 수지의 물성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, TEC 함량을 5 phr로부터 20 phr까지 증가시키면서 인장강도 및 연신률을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In order to confirm the effect of the plasticizer content on the physical properties of the PLA resin, tensile strength and elongation were measured while increasing the TEC content from 5 phr to 20 phr, and the results are shown in Table 1 below.

TEC 함량 (phr)TEC content (phr) 인장강도 (MPa)Tensile strength (MPa) 연신률 (%)Elongation (%) 55 62.37±1.5162.37±1.51 7.19±0.357.19±0.35 1010 47.40±0.8747.40±0.87 12.34±3.2812.34±3.28 12.512.5 35.75±0.7535.75±0.75 323.62±37.87323.62±37.87 1515 29.01±0.9629.01±0.96 378.14±22.54378.14±22.54 2020 23.27±1.5323.27±1.53 510.14±13.91510.14±13.91

상기 표 1에 나타난 바와 같이, TEC 함량이 증가함에 따라 인장강도는 감소하는 반면, 연신률은 급격히 증가하였다. 따라서, 이를 토대로 적정 인장강도를 유지하되 현저히 증가된 연신률을 나타내는 12.5 phr을 최적의 함량으로 선택하여 이하 실험예에 사용하였다.As shown in Table 1, the tensile strength decreased as the TEC content increased, while the elongation increased rapidly. Therefore, based on this, 12.5 phr, which maintains appropriate tensile strength but exhibits significantly increased elongation, was selected as the optimal content and used in the following experimental examples.

실험예Experimental example 2: 2: CNFCNF 및 용매/ and solvent/ PLA의PLA 계면장력 interfacial tension

현탁 및 용융 공정 동안의 계면장력 분석을 통해 CNF와 용매/고분자 간의 친화력을 테스트하였다. TEC, CNF, 에탄올 및 PLA의 표면장력은 각각 34.1, 44.3, 21.9 및 35.5 mN/m였다. 방정식 2의 기리팔코-굿 방정식을 이용하여 계산된 표면장력 값을 표 2에 나타내었다.The affinity between CNF and solvent/polymer was tested through interfacial tension analysis during suspension and melting process. The surface tensions of TEC, CNF, ethanol and PLA were 34.1, 44.3, 21.9 and 35.5 mN/m, respectively. Table 2 shows the surface tension values calculated using the Kirifalco-Good equation of Equation 2.

현탁 공정suspension process 용융 공정melting process 물질쌍substance pair 계면장력, γ(mN/m)Interfacial tension, γ (mN/m) 물질쌍substance pair 계면장력, γ(mN/m)Interfacial tension, γ (mN/m) TEC-CNFTEC-CNF 59.3359.33 PLA-CNFPLA-CNF 60.1860.18 에탄올-CNFEthanol-CNF 50.850.8 TEC-CNFTEC-CNF 59.3359.33 TEC-에탄올TEC-ethanol 43.143.1 PLA-TECPLA-TEC 53.1753.17

현탁 공정에서, TEC-CNF의 계면장력이 에탄올-CNF 및 TEC-에탄올의 그것보다 더 높은 것으로 나타났다. 따라서, TEC-CNF 현탁 공정 동안 CNF가 선택적으로 TEC에 결합함을 가정할 수 있고, 이는 CNF가 TEC-에탄올 혼합 용매 중의 TEC 분산으로 인해 고르게 분산됨을 나타낸다. PLA-CNF 및 TEC-CNF의 계면장력은 각각 60.18 및 59.33 mN/m이었다. 이러한 높고 유사한 수치로 인해, CNF는 용융 공정 동안 분산제로서 TEC를 이용함으로써 PLA 매트릭스 중에 고르게 분산될 수 있었다.In the suspension process, the interfacial tension of TEC-CNF was found to be higher than that of ethanol-CNF and TEC-ethanol. Therefore, it can be assumed that CNF selectively binds to TEC during the TEC-CNF suspension process, indicating that CNF is evenly dispersed due to TEC dispersion in TEC-ethanol mixed solvent. The interfacial tensions of PLA-CNF and TEC-CNF were 60.18 and 59.33 mN/m, respectively. Due to these high and similar values, CNF could be evenly dispersed in the PLA matrix by using TEC as a dispersant during the melting process.

실험예Experimental example 3: 3: TECTEC -- CNFCNF 현탁액의 화학적 특성분석 Chemical characterization of suspensions

에탄올 또는 TEC/에탄올 혼합물 현탁액에서 1.67 wt% CNF를 이용하여 도 1에 나타난 제타전위 결과를 분석하였다. 제타전위 값을 이용하여 이들을 비교함으로써 분산 안정성을 예측하고 조절하였다. TEC-CNF 현탁액의 제타전위 값(-29.3 mV)이 에탄올-CNF 현탁액(-17.45 mV)에 대한 값에 비해 더 높은 음의 값을 갖는 것을 확인하였다. 현탁액 상태에서 고체-액체의 계면은 계면 접착성(interfacial adhesion)에 의존적인 분산 안전성에 의해 영향을 받는다. 표 2에 나타난 혼화성(miscible) TEC/에탄올 혼합된 용매에서 TEC 및 CNF 사이의 높은 계면장력은 높은 음의 제타전위 값을 나타낸다. 또한, 제타전위 값에서의 차이로 인한 분산 차이(dispersion difference)가 예상되므로, 용매 종류에 따른 CNF 현탁액이 내부 혼합기에서 용융된 PLA 매트릭스에 주입됨에 따라 분산에서의 차이가 예상되었다.The zeta potential results shown in FIG. 1 were analyzed using 1.67 wt% CNF in ethanol or a TEC/ethanol mixture suspension. The dispersion stability was predicted and controlled by comparing them using the zeta potential value. It was confirmed that the zeta potential value of the TEC-CNF suspension (-29.3 mV) had a higher negative value than that of the ethanol-CNF suspension (-17.45 mV). The solid-liquid interface in suspension is affected by dispersion stability, which is dependent on interfacial adhesion. The high interfacial tension between TEC and CNF in the miscible TEC/ethanol mixed solvent shown in Table 2 indicates a high negative zeta potential value. In addition, since a dispersion difference due to a difference in the zeta potential value is expected, a difference in dispersion is expected as the CNF suspension according to the solvent type is injected into the molten PLA matrix in the internal mixer.

180℃에서 에탄올이 증발된 CNF, TEC, 및 TEC-CNF 현탁액의 FT-IR 스펙트럼을 도 2(a)에 나타내었다. TEC의 FT-IR 스펙트럼은 3700-3584 cm-1에서, 알코올 화합물로 인해 샤프한, 전형적인 O-H 신축 밴드(stretching band)를 나타내었다. CNF의 경우, 셀룰로오스 단량체 사이의 분자간 결합에 의한 넓은 FT-IR 스펙트럼은 3550-3200 cm-1에서 O-H 신축을 나타내었다. 도 2(a)에 나타난 바와 같이 180℃에서 에탄올이 증발된 TEC-CNF 현탁액의 경우, 3550-3200 cm-1에서 TEC 보다 더 넓은 O-H 신축 밴드가 나타났으며, 이는 수소 결합과 같은 화학적 상호작용이 존재함을 나타내는 것이다. 도 2(b)는 셀룰로오스와 TEC 사이의 상호작용을 나타내며, CNF와 TEC 사이의 화학 결합의 존재로부터 CNF 상에 젖은 TEC의 형태가 도 2(c)의 SEM 현미경 이미지에 의해 관찰되었다. 가소제로서 TEC는 PLA 매트립스 내에 균일하게 분포될 수 있고, 그 결과로서 CNF를 용융 공정 동안 PLA 매트릭스 내에 고르게 분산시킬 수 있다. 또한, Oksman 등은 TEC의 존재가 PLA와 키틴 나노결정 사이의 수소결합을 향상시킴을 확인하였다. 마찬가지로, TEC가 PLA와 CNF 사이의 계면 접착을 증가시킬 것을 기대할 수 있다.FT-IR spectra of CNF, TEC, and TEC-CNF suspensions in which ethanol was evaporated at 180° C. are shown in FIG. 2(a). The FT-IR spectrum of the TEC showed a typical OH stretching band at 3700-3584 cm -1 , which was sharp due to the alcohol compound. In the case of CNF, a broad FT-IR spectrum due to intermolecular bonding between cellulose monomers showed OH stretching at 3550-3200 cm -1 . As shown in Fig. 2(a), in the case of the TEC-CNF suspension in which ethanol was evaporated at 180 °C, a wider OH stretching band than that of TEC was shown at 3550-3200 cm -1 , which is a chemical interaction such as hydrogen bonding. indicating that it exists. Fig. 2(b) shows the interaction between cellulose and TEC, and the morphology of wetted TECs on CNFs from the presence of chemical bonds between CNFs and TECs was observed by the SEM microscopy image of Fig. 2(c). As a plasticizer, TEC can be uniformly distributed in the PLA matrix, as a result of which CNF can be evenly dispersed in the PLA matrix during the melting process. Also, Oksman et al. confirmed that the presence of TEC enhances the hydrogen bonding between PLA and chitin nanocrystals. Likewise, it can be expected that TEC will increase the interfacial adhesion between PLA and CNF.

실험예Experimental example 4: 4: CNFCNF // PLAPLA 나노복합체의 of nanocomposites 유변학적rheological 성질(Rheological properties) Rheological properties

나노복합체에서 필러 분산에 따른 점탄성 거동의 변화를 평가하는 하나의 방법은 유변학적 측정이다. 도 3은 모든 CNF/PLA 나노복합체의 저장탄성률(storage modulus, G')을 나타낸다. 저주파수 영역에서, 순수 PLA 및 t-PLA는, 중합체 사슬의 완전한 이완(full relaxation)을 나타내는, 전형적인 단일중합체-유사(homopolymer-like) 말단 거동(terminal behavior)을 나타낸다. 도 (c)에 나타난 바와 같이, t-PLA는 모든 주파수 영역에서 순수 PLA와 비교하여 낮은 저장탄성률을 나타내는 가소제인 TEC에 의해 가소화되었다(plasticized).One method to evaluate the change in viscoelastic behavior with filler dispersion in nanocomposites is rheological measurement. 3 shows the storage modulus ( G' ) of all CNF/PLA nanocomposites. In the low frequency region, pure PLA and t-PLA exhibit typical homopolymer-like terminal behavior, indicating full relaxation of the polymer chain. As shown in Fig. (c), t-PLA was plasticized by TEC, a plasticizer that showed a lower storage modulus compared to pure PLA in all frequency domains.

그러나, 모든 CNF/PLA 나노복합체는 낮은 주파수의 G'에서 플래토 현상(plateau phenomenon)을 나타내었다. 이러한 현상은 필러가 고분자 매트릭스 내에서 네트워크 구조를 형성할 때 발생한다. 이러한 필러의 네트워크 형성은 고분자 사슬의 완전한 이완으로 인한 말단 거동이 덜 영향받도록 한다. 이는 필러의 분산에 간접적으로 관여할 수 있고, 네트워크 구조가 잘 형성되었는지를 의미한다. 도 3 또한 CNF의 공급(feeding) 방법에 따른 플래토의 정도에서의 차이를 나타낸다. CNF/PLA 나노복합체의 G' 플롯은 1 1/s 정도의 각 주파수(angular frequencies)에서 플래토를 나타내기 시작한다. 0.25 내지 1 1/s의 각 주파수 범위에서 플롯의 기울기를 1차 선형 회귀(first-order linear regression)에 의해 계산하였고, PLA 매트릭스 내에서 CNF의 네트워크 형성 정도를 기울기의 크기를 통해 비교하였다. e-CNF/PLA 시료군은 f-CNF/PLA 시료군에 비해 더 낮은 기울기를 나타내었으며, 현탁액 형태의 공급이 PLA 매트릭스에 동결건조 CNF의 직접 공급에 비해 보다 효율적인 것으로 확인되었다. 그러나, 가소제로 TEC를 사용하여PLA 매트릭스로 CNF를 공급한 t-CNF/PLA 시료군에서, 기울기는 에탄올-기반 현탁액 공급 방법에 비해 현저히 더 낮았다. 이는 도 1에서 확인된 바와 같이 제타전위 결과에 의해 뒷받침될 수 있다.However, all CNF/PLA nanocomposites exhibited a plateau phenomenon at low frequency G'. This phenomenon occurs when the filler forms a network structure within the polymer matrix. The network formation of these fillers makes the end behavior due to complete relaxation of the polymer chains less affected. This may be indirectly involved in the dispersion of the filler, and it means that the network structure is well formed. 3 also shows the difference in the degree of plateau according to the feeding method of CNF. The G' plot of the CNF/PLA nanocomposite starts to show plateaus at angular frequencies on the order of 1 1/s. The slope of the plot in each frequency range of 0.25 to 1 1/s was calculated by first-order linear regression, and the degree of network formation of CNFs in the PLA matrix was compared through the magnitude of the slope. The e-CNF/PLA sample group showed a lower slope compared to the f-CNF/PLA sample group, and it was confirmed that the supply in the form of a suspension was more efficient than the direct supply of lyophilized CNF to the PLA matrix. However, in the t-CNF/PLA sample group fed CNF as a PLA matrix using TEC as a plasticizer, the slope was significantly lower than that of the ethanol-based suspension feeding method. This can be supported by the zeta potential results as confirmed in FIG. 1 .

도 4 (a)에서, 0.1 /s의 각 주파수에서 CNF/PLA 복합체의 저장탄성률 값을 CNF 공급 방법에 따른 CNF 함량과 비교하였다. 나노 크기의 필러는 물리적 교차결합점으로 작용하며, 유변학적 여과 역치 농도로 알려진 임계 필러 함량 이상에서, 모든 고분자 사슬은 연결되어 전단력(shear force) 하에서 개별 사슬의 이동을 제한한다. 이러한 여과현상(percolation phenomena)은 f-CNF/PLA를 제외한 2가지 형태의 CNF/PLA 복합체(e-CNF/PLA 및 t-CNF/PLA)에서 0 및 0.25 wt% 사이에서 확인되었다. 한편, f-CNF/PLA는 CNF 함량이 증가함에 따라 저장탄성률 값이 연속적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 낮은 함량(0.25, 0.5 wt%)의 CNF는 PLA 매트릭스 내에서 충분한 네트워크를 형성하지 않음을 입증하였다. CNF 함량이 1 wt% 미만인 경우, e-CNF/PLA는 f-CNF/PLA에 비해 상대적으로 더 높은 저장탄성률을 나타내었다. 이러한 차이는 현탁액 또는 분말의 형성에 있어서 내부 혼합기로 CNF를 공급하는 상이한 공정 기법으로부터 유추될 수 있다. 또한, 이러한 결과는 이미 응집된 동결건조 CNF가 압출기 내의 전단력 하에서 충분히 혼합되지 않았고, 고분자 매트릭스 내에서 CNF의 균일한 분산을 유도하도록 용매가 CNF의 공급을 적절히 도울 수 있다는 사실에 의해 뒷받침될 수 있다. CNF가 건조되었을 때, 분자간 수소결합이 발생한다. 압출기에 CNF 현탁액을 공급하는 동안, 용매는 짧은 시간 내에 증발될 수 있고, 이에 따라 CNF의 분자내 수소결합은 상대적으로 적어질 수 있다. CNF 분포는 용융 PLA로부터 가압된 액체 증발에 의해 야기되는 파열 현상(blow-up phenomena)으로 인해 개선될 수 있었다. 유사한 결과가 반 구프-팔멘 플롯(Van Gurp-Palmen plots)에서도 관찰되었다(도 4(b)). 순수 PLA 및 t-PLA의 경우, 곡선은 점성 거동(viscous behavior)을 나타내는 90°의 위상각에 근접하는 한편, CNF-로딩된 CNF/PLA 복합체의 곡선은 더 낮은 위상각으로 감소하였으며, 이는 점성 액체로부터 보다 탄성적인 것으로의 유변학적 거동 변화를 나타내는 것이다. 보다 주목할만한 곡선 변화는 e-CNF/PLA 및 t-CNF/PLA가 f-CNF/PLA와 비교하여 동일한 CNF 조성을 가질 때 관찰되었다. 또한, t-CNF/PLA 시료의 곡선은 보다 주목할만한 변화를 나타내었으며, 이로부터 TEC-CNF 현탁액을 이용한 공급 방법이 PLA 매트릭스 내에서 가장 높은 분산 효과를 제공함을 가정할 수 있었다.In Fig. 4 (a), the storage modulus value of the CNF/PLA composite at each frequency of 0.1 /s was compared with the CNF content according to the CNF supply method. Nano-sized fillers act as physical cross-linking points, and above a critical filler content known as the rheological filtration threshold concentration, all polymer chains are linked, limiting the movement of individual chains under shear forces. These percolation phenomena were confirmed between 0 and 0.25 wt% in two types of CNF/PLA complexes (e-CNF/PLA and t-CNF/PLA) except for f-CNF/PLA. On the other hand, f-CNF/PLA showed a tendency to continuously increase the storage modulus value as the CNF content increased, indicating that CNF at low content (0.25, 0.5 wt%) did not form a sufficient network in the PLA matrix. proved. When the CNF content was less than 1 wt%, e-CNF/PLA exhibited a relatively higher storage modulus than f-CNF/PLA. These differences can be inferred from the different process techniques for feeding CNF into the internal mixer in the formation of suspensions or powders. In addition, these results can be supported by the fact that the already agglomerated lyophilized CNFs were not sufficiently mixed under the shear force in the extruder, and the solvent could adequately help the supply of CNFs to induce uniform dispersion of CNFs in the polymer matrix. . When CNF dries, intermolecular hydrogen bonding occurs. During the feeding of the CNF suspension to the extruder, the solvent can be evaporated in a short time, so that the intramolecular hydrogen bonding of CNF can be relatively small. CNF distribution could be improved due to blow-up phenomena caused by pressurized liquid evaporation from molten PLA. Similar results were also observed in Van Gurp-Palmen plots (Fig. 4(b)). For pure PLA and t-PLA, the curve approaches a phase angle of 90° indicating viscous behavior, while the curve of the CNF-loaded CNF/PLA composite decreases with a lower phase angle, which is the viscous behavior. It represents the change in rheological behavior from liquid to more elastic. A more notable curve change was observed when e-CNF/PLA and t-CNF/PLA had the same CNF composition compared to f-CNF/PLA. In addition, the curve of the t-CNF/PLA sample showed a more remarkable change, from which it could be assumed that the feeding method using the TEC-CNF suspension provided the highest dispersion effect in the PLA matrix.

실험예Experimental example 5: 5: CNFCNF // PLAPLA 나노복합체의 형태적 성질(Morphological Properties) Morphological Properties of Nanocomposites

도 5는 Hitachi FE-PC SEM 소프트웨어를 사용하여 측정된 CNF의 SEM 이미지를 나타낸다. CNF의 너비는 15.2 내지 66.8 nm(평균 값: 32.0 nm) 범위에서 나타났으며, 그 길이는 수 마이크로미터로 추산되었다.5 shows SEM images of CNFs measured using Hitachi FE-PC SEM software. The width of CNF appeared in the range of 15.2 to 66.8 nm (average value: 32.0 nm), and the length was estimated to be several micrometers.

상이한 함량의 CNF를 포함하는 CNF/PLA 복합체의 파열된 표면에 대한 SEM 이미지를 도 6에 나타내었다. f-CNF/PLA, e-CNF/PLA, 및 t-CNF/PLA 시료를 각각 200x 및 500x 배율로 관찰하였다. f-CNF/PLA의 경우, CNF는 PLA 매트릭스 내에서 0.25 wt%의 다발(bundle)로 형성되었으며, CNF 함량이 증가함에 따라 큰 응집체로 성장하는 것으로 관찰되었다. 그러나, CNF는 e-CNF/PLA 및 t-CNF/PLA에서 CNF 함량이 증가함에 따라 PLA 매트릭스 내에서 훨씬 더 강한 네트워크 구조를 나타내는 것이 관찰되었다. 특히, t-CNF/PLA는 0.5 wt%의 CNF 함량에서 이미 형성된 CNF 네트워크와 e-CNF/PLA에 비해 상대적으로 낮은 함량에서 균일한 분산을 갖는다. 이러한 형태적 특징은 유변학적 성질에 의해 뒷받침될 수 있다. t-CNF/PLA 나노복합체의 경우, PLA 매트릭스 내에서 CNF의 강한 네트워크 형성으로 인해, 낮은 주파수에서 비말단(non-terminal) 거동으로 인한 플래토 현상의 정도가 가장 뚜렸하였다. 또한, CNF의 분산 거동에 따른, 인장강도 및 인장탄성률과 같은 기계적 성질에 대한 효과를 표 3 및 3에 나타내었다.SEM images of the ruptured surfaces of CNF/PLA complexes containing different amounts of CNF are shown in FIG. 6 . f-CNF/PLA, e-CNF/PLA, and t-CNF/PLA samples were observed at 200x and 500x magnifications, respectively. In the case of f-CNF/PLA, CNF was formed as a bundle of 0.25 wt% in the PLA matrix, and it was observed to grow into large aggregates with increasing CNF content. However, it was observed that CNFs exhibit a much stronger network structure within the PLA matrix with increasing CNF content in e-CNF/PLA and t-CNF/PLA. In particular, t-CNF/PLA has a CNF network already formed at a CNF content of 0.5 wt% and uniform dispersion at a relatively low content compared to e-CNF/PLA. These morphological features can be supported by rheological properties. In the case of the t-CNF/PLA nanocomposite, the degree of plateau phenomenon due to non-terminal behavior at low frequencies was most evident due to the strong network formation of CNFs in the PLA matrix. In addition, the effects of the dispersion behavior of CNF on mechanical properties such as tensile strength and tensile modulus are shown in Tables 3 and 3.

시료sample 인장강도 (MPa)Tensile strength (MPa) 파단 연신률 (%)Elongation at break (%) 영률 (GPa)Young's modulus (GPa) 순수 PLApure PLA 71.82±0.9671.82±0.96 9.50±0.909.50±0.90 1.09±0.111.09±0.11 f-CNF/PLA 0.25f-CNF/PLA 0.25 74.66±1.2874.66±1.28 7.63±0.797.63±0.79 1.29±0.081.29±0.08 e-CNF/PLA 0.25e-CNF/PLA 0.25 77.65±0.4977.65±0.49 7.95±0.447.95±0.44 1.23±0.051.23±0.05 f-CNF/PLA 0.5f-CNF/PLA 0.5 73.31±1.0173.31±1.01 7.66±0.817.66±0.81 1.29±0.051.29±0.05 e-CNF/PLA 0.5e-CNF/PLA 0.5 78.65±0.8178.65±0.81 8.19±0.448.19±0.44 1.27±0.061.27±0.06 f-CNF/PLA 1f-CNF/PLA 1 71.44±0.5471.44±0.54 8.62±1.148.62±1.14 1.05±0.151.05±0.15 e-CNF/PLA 1e-CNF/PLA 1 80.72±0.5480.72±0.54 8.80±0.568.80±0.56 1.33±0.081.33±0.08

시료sample 인장강도 (MPa)Tensile strength (MPa) 파단 연신률 (%)Elongation at break (%) 영률 (GPa)Young's modulus (GPa) t-PLAt-PLA 35.75±0.7535.75±0.75 323.62±37.87323.62±37.87 0.63±0.030.63±0.03 t-CNF/PLA 0.25t-CNF/PLA 0.25 39.74±0.1239.74±0.12 339.26±39.05339.26±39.05 0.71±0.040.71±0.04 t-CNF/PLA 0.5t-CNF/PLA 0.5 42.15±1.2142.15±1.21 325.71±41.07325.71±41.07 0.89±0.070.89±0.07 t-CNF/PLA 1t-CNF/PLA 1 43.02±1.4943.02±1.49 308.24±67.16308.24±67.16 1.06±0.091.06±0.09

매크로(macro)-분산, 크기 분포, 및 미분산된 CNF 응집체의 총 면적 합에 대한 이미지 및 그래프를 다양한 CNF 함량에서 3D 레이저 주사 현미경으로 평가하여 그 결과를 도 7 및 8에 나타내었다. PLA 매트릭스 내에서 CNF 함량이 증가함에 따라, CNF 응집의 총 면적은 증가하는 경향을 나타내었다. 1 wt% CNF 함유하는 f-CNF/PLA 중의 응집체 직경의 크기 분포는 3 내지 250 μm이며, e-PLA/CNF 및 t-PLA/CNF에서 관찰된 CNF 응집체의 최대 크기는 각각 260 및 85 μm이다. CNF의 낮은 함량 예컨대, 0.25 wt%에서, 3종 시료에 대한 응집의 수와 면적은 차이를 보이지 않았으나, CNF 함량이 증가함에 따라 현저한 차이가 관찰되었다. 복합 소재가 약 1 wt%의 CNF를 함유할 때, CNF 응집체의 총 면적은, t-CNF/PLA를 f-CNF/PLA 및 e-CNF/PLA와 비교할 때, 각각 448% 및 211% 정도 감소하였다. 1 wt% CNF 함유 t-CNF/PLA 복합체는 CNF 응집체 및 총 면적이 모두 현저히 감소하였으며, 이러한 현저한 감소는 가소제를 사용하는 CNF 분산 방법이 크게 효과적임을 입증한다.Images and graphs of macro-dispersion, size distribution, and total area sum of undispersed CNF aggregates were evaluated by 3D laser scanning microscopy at various CNF contents, and the results are shown in FIGS. 7 and 8 . As the CNF content in the PLA matrix increased, the total area of CNF aggregation tended to increase. The size distribution of aggregate diameters in f-CNF/PLA containing 1 wt% CNF is 3 to 250 μm, and the maximum sizes of CNF aggregates observed in e-PLA/CNF and t-PLA/CNF are 260 and 85 μm, respectively. . At a low CNF content, such as 0.25 wt%, there was no difference in the number and area of aggregation for the three samples, but a significant difference was observed as the CNF content increased. When the composite material contains about 1 wt% CNF, the total area of CNF aggregates is reduced by 448% and 211%, respectively, when t-CNF/PLA is compared with f-CNF/PLA and e-CNF/PLA did. The t-CNF/PLA complex containing 1 wt% CNF significantly reduced both CNF aggregates and total area, and this significant reduction demonstrates that the CNF dispersion method using a plasticizer is highly effective.

실험예Experimental example 6: 6: CNFCNF // PLAPLA 나노복합체의 기계적 성질(Mechanical Properties) Mechanical Properties of Nanocomposites

측정된 기계적 성질을 표 3 및 3에 나타내었다. PLA에 0.25 wt% CNF의 첨가는 공급 방법 의존적으로 f-CNF/PLA 및 e-CNF/PLA의 인장강도를 각각 4% 및 8% 정도 향상시켰으며, 이는 PLA 매트릭스에 대한 CNF의 보강 효과(reinforcing effect)에 기인할 수 있다. 그러나, f-CNF/PLA의 경우, CNF 함량이 0.5 wt%를 초과하였을 때, 인장강도는 오히려 감소하였다. 도 6 및 7에 나타난 형태학적 결과에서 관찰된 바와 같이, 기계적 성질은 CNF 응집으로 인해 악화되었다. 그러나, CNF-에탄올 현탁액을 사용하여 준비한 e-CNF/PLA 복합체의 경우, CNF 함량이 증가함에 따라 인장강도 및 영률이 향상되었다. e-CNF/PLA 복합체의 인장강도는 CNF 함량이 증가함에 따라 8%로부터 12%까지 증가하였다. 파단 연신율(elongation at break)은 다소 감소하였고, 이는 CNF 함유에 의한 강성(stiffness) 및 경도(hardness) 증가에 의해 야기될 수 있었다.The measured mechanical properties are shown in Tables 3 and 3. The addition of 0.25 wt% CNF to PLA improved the tensile strength of f-CNF/PLA and e-CNF/PLA by 4% and 8%, respectively, depending on the feed method, which was the reinforcing effect of CNF on the PLA matrix. effect) can be attributed to However, in the case of f-CNF/PLA, when the CNF content exceeded 0.5 wt%, the tensile strength was rather decreased. As observed in the morphological results shown in Figures 6 and 7, the mechanical properties deteriorated due to CNF aggregation. However, in the case of the e-CNF/PLA composite prepared using the CNF-ethanol suspension, the tensile strength and Young's modulus were improved as the CNF content increased. The tensile strength of the e-CNF/PLA composite increased from 8% to 12% as the CNF content increased. The elongation at break decreased somewhat, which could be caused by the increase in stiffness and hardness due to inclusion of CNF.

표 4은 t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체의 기계적 성질을 나타낸다. PLA가 TEC에 의해 가소화되었을 때, PLA는 TEC 함량 의존적으로 기계적 성질의 빠른 변화를 나타내었다. 12.5 phr의 TEC가 첨가될 때, 인장강도는 71.82 MPa로부터 35.75 MPa까지 감소하였으며, 파단연신율을 9.50%로부터 323.62%까지 증가하였다. e-CNF/PLA와 유사하게, t-CNF/PLA 또한 CNF 함량 증가에 의해 인장강도 및 영률이 향상되었다. t-PLA와 비교하여, CNF 함량 증가와 함께 나노복합체의 인장강도는 11 ~ 20% 만큼, 영률은 13 ~ 68% 만큼 증가하였다. 이는 가소화 효과에 의해 감소된 PLA의 기계적 성질이 CNF의 로딩으로 인해 성공적으로 향상되었음을 나타내는 것이다.Table 4 shows the mechanical properties of t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites. When PLA was plasticized by TEC, PLA showed a rapid change in mechanical properties dependent on the TEC content. When 12.5 phr of TEC was added, the tensile strength decreased from 71.82 MPa to 35.75 MPa, and the elongation at break increased from 9.50% to 323.62%. Similar to e-CNF/PLA, t-CNF/PLA also improved tensile strength and Young's modulus by increasing CNF content. Compared with t-PLA, the tensile strength of the nanocomposite increased by 11 to 20% and the Young's modulus by 13 to 68% with the increase in CNF content. This indicates that the mechanical properties of PLA, which were reduced by the plasticizing effect, were successfully improved due to the loading of CNFs.

흥미롭게도, CNF의 함량이 t-PLA에서 1 wt%까지 증가했음에도 불구하고, 파단연신율 값은 300% 이상의 신장을 나타내는 것으로 크게 감소하지 않았으며, 이는 TEC가 PLA와 CNF의 계면 사이에 잘 분포되고 위치하여 윤활 효과(slippery effect)를 유도하는 사실에 기인할 수 있다.Interestingly, even though the content of CNF increased up to 1 wt% in t-PLA, the elongation at break value did not decrease significantly, indicating elongation above 300%, indicating that TEC is well distributed between the interface of PLA and CNF and This may be due to the fact that the location induces a slippery effect.

CNF의 잠재적 보강 효과를 면밀히 조사하기 위하여, 콕스(Cox)와 크렌첼(Krenchel)에 의해 개발된 이론적 모델을 적용하고 실험값과 비교하였다. 이는 컴파운딩(compounding) 및 주입(injection)과 같은 용융 공정을 통한 복합체의 이론적인 탄성율(modulus) 데이터를 예측하기 위한 합리적인 모델로 잘 알려져 있다. 섬유 함량에 따른 이론적인 연신탄성율을 방정식 5-8을 통해 계산하였다.To closely examine the potential reinforcement effect of CNF, the theoretical model developed by Cox and Krenchel was applied and compared with experimental values. It is well known as a reasonable model for predicting theoretical modulus data of composites through melting processes such as compounding and injection. The theoretical elongation modulus according to the fiber content was calculated through Equation 5-8.

Figure pat00005
(5)
Figure pat00005
(5)

ηl 및 ηo는 각각 길이 보정 인자(length correction factor) 및 배향 인자(orientation factor)이다. 섬유가 평면 내에 임의 배향되었을 때, 배향 인자는 3/8이다. CNF의 부피비(volume fraction)는 방정식 6을 이용하여 계산하였다.η l and η o are a length correction factor and an orientation factor, respectively. When the fibers are randomly oriented in the plane, the orientation factor is 3/8. The volume fraction of CNF was calculated using Equation 6.

Figure pat00006
(6)
Figure pat00006
(6)

이때, w CNF 는 CNF의 무게비(weight fraction)이며, ρ CNF ρ matrix 는 CNF와 고분자 매트릭스의 밀도이다: ρ CNF = 1.50 g/cm3ρ matrix = 1.24 g/cm3.Here, w CNF is the weight fraction of CNF, and ρ CNF and ρ matrix are the densities of CNF and the polymer matrix: ρ CNF = 1.50 g/cm 3 and ρ matrix = 1.24 g/cm 3 .

Figure pat00007
(7)
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(7)

Figure pat00008
(8)
Figure pat00008
(8)

이때, l은 CNF 길이이며, r은 반경 또는 너비이다. R/r(K r / V f ) 1/2 로 예측되며, 이때 정사각형 패킹(square packing)을 고려하면, Kr은 π이다.Here, l is the CNF length, and r is the radius or width. R/r is predicted to be (K r / V f ) 1/2 , when square packing is considered, Kr is π.

PLA의 연신신장율 값을 각각 GPa 및 0.63 GPa로 주어지는 순수한 PLA와 t-PLA의 실험적 값에 적용하였다. CNF의 연신탄성율 값은 참고문헌으로부터 107 GPa로 사용되었다[39]. CNF의 길이는 10 μm로 예측되었고, 그 너비는 SEM 분석 결과를 기반으로 32 μm로 선택되었다. CNF의 부피 백분율은 각각 약 0.21%, 0.41% 및 0.83%로 결정되었다.The elongation values of PLA were applied to the experimental values of pure PLA and t-PLA given as GPa and 0.63 GPa, respectively. The elongation modulus value of CNF was used as 107 GPa from the reference [39]. The length of CNF was predicted to be 10 μm, and its width was chosen to be 32 μm based on the results of SEM analysis. The volume percentages of CNF were determined to be about 0.21%, 0.41% and 0.83%, respectively.

도 9는 콕스-크렌첼 모델을 통해 고분자 매트릭스 내에 섬유 형태의 보강 필러의 임의 분포의 함수로 예측된 연신탄성율 값을 나타낸다. 1 wt% CNF 함유 f-CNF/PLA는 CNF의 응집에 의한 연신탄성율의 감소를 나타낸다. 그러나, t-CNF/PLA 및 e-CNF/PLA 나노복합체는 콕스-크렌첼 모델을 통해 예측된 연신탄성율과 매우 일치하는데, 이는 용매를 사용함으로써 CNF가 PLA 매트릭스 내에 성공적으로 분산되었음을 나타내는 것이다. 순수 PLA와 비교하여, t-PLA의 인장강도 및 탄성율은 가소화로 인해 감소되었으나, 이러한 기계적 성질은 CNF의 성공적인 분산으로 인해 향상되었다. 이러한 결과에 기초하여, 높은 기계적 성질 및 높은 파단연신율을 갖는 t-CNF/PLA 나노복합체가 가요성 패키징 분야에서 상당한 잠재성을 가짐을 확인하였다.FIG. 9 shows values of elongation modulus predicted as a function of an arbitrary distribution of fiber-type reinforcing fillers in a polymer matrix through the Cox-Krenzel model. f-CNF/PLA containing 1 wt% CNF shows a decrease in the elongation modulus due to the aggregation of CNF. However, the t-CNF/PLA and e-CNF/PLA nanocomposites are in good agreement with the elongation modulus predicted through the Cox-Krenzel model, indicating that CNF was successfully dispersed in the PLA matrix by using a solvent. Compared with pure PLA, the tensile strength and modulus of t-PLA were decreased due to plasticization, but these mechanical properties were improved due to the successful dispersion of CNF. Based on these results, it was confirmed that the t-CNF/PLA nanocomposite with high mechanical properties and high elongation at break has significant potential in the field of flexible packaging.

실험예Experimental example 7: 7: CNFCNF // PLAPLA 나노복합체의 of nanocomposites 산소차단성oxygen barrier (Oxygen Barrier Properties)(Oxygen Barrier Properties)

PLA가 열악한 산소차단성을 갖는 것은 널리 알려져 있다. 표 5는 순수 PLA, f-CNF/PLA 및 e-CNF/PLA 나노복합체의 산소투과성을 나타낸다. 그 결과, 순수 PLA는 약 32.26 ± 1.24 cc·mm/m2·day·atm의 산소투과성 값을 나타내었다. 산소투과성에 영향을 주는 몇가지 인자로는 고분자 내부 구조, 분자량, 고분자 결정성, 분자 사슬 얽힘(molecular chain entanglement) 및 공정 기법 등이 있다. 여기에서, CNF/PLA 나노복합체는 2단계 공정에 걸쳐 필름 형태로 제조되었고, 이에 따라 산소투과성의 약간의 증가를 유도하는 고분자의 다소 간의 열적 분해가 예상되었다.It is widely known that PLA has poor oxygen barrier properties. Table 5 shows the oxygen permeability of pure PLA, f-CNF/PLA and e-CNF/PLA nanocomposites. As a result, pure PLA exhibited an oxygen permeability value of about 32.26 ± 1.24 cc·mm/m 2 ·day·atm. Several factors affecting oxygen permeability include polymer internal structure, molecular weight, polymer crystallinity, molecular chain entanglement, and processing technique. Here, the CNF/PLA nanocomposite was prepared in the form of a film over a two-step process, and thus, some thermal degradation of the polymer was expected, leading to a slight increase in oxygen permeability.

시료sample 산소투과도 (cc·mm/m2·day·atm)Oxygen permeability (cc·mm/m 2 ·day·atm) 순수 PLApure PLA 32.26±1.2432.26±1.24 t-PLAt-PLA 34.54±2.1734.54±2.17 f-CNF/PLA 0.25f-CNF/PLA 0.25 31.55±0.0831.55±0.08 e-CNF/PLA 0.25e-CNF/PLA 0.25 32.87±0.5532.87±0.55 t-CNF/PLA 0.25t-CNF/PLA 0.25 21.23±0.4021.23±0.40 f-CNF/PLA 0.5f-CNF/PLA 0.5 22.52±0.0722.52±0.07 e-CNF/PLA 0.5e-CNF/PLA 0.5 26.43±0.2426.43±0.24 t-CNF/PLA 0.5t-CNF/PLA 0.5 18.41±0.0718.41±0.07 f-CNF/PLA 1f-CNF/PLA 1 29.86±0.1229.86±0.12 e-CNF/PLA 1e-CNF/PLA 1 15.88±1.3615.88±1.36 t-CNF/PLA 1t-CNF/PLA 1 16.99±0.8516.99±0.85

Aulin 등은 5 μm 나노셀룰로오스 박막에 대해 23℃ 및 0% RH에서 0.00006 cc·mm/m2·day·atm의 산소투과도 값을 보고하였다. 고도의 산소 차단 물질인 셀룰로오스는 PLA 매트릭스 내에 분포 또는 분산되어 나노복합체를 형성하였고, 순수 PLA에 비해 산소차단성이 향상되었음을 확인하였다. 반면, 1 wt% CNF 함유 f-CNF/PLA는 f-CNF/PLA 0.5에 비해 산소투과성의 증가를 나타내었으며, 이는 PLA와 CNF 사이의 계면에서 틈(chink)과 균열(crack)을 형성하는 CNF의 응집으로 인할 수 있다. 기계적 성질에 대한 결과에서와 유사하게, PLA 매트릭스 내에서 CNF의 균일한 분산이 산소차단성 향상에 영향을 주는 것을 확인하였다. 반면, e-CNF/PLA 시료는 CNF 함량 증가와 일치하는 산소투과도의 감소를 나타내었다.Aulin et al. reported an oxygen permeability value of 0.00006 cc·mm/m 2 ·day·atm at 23°C and 0% RH for a 5 μm nanocellulose thin film. Cellulose, a highly oxygen-blocking material, was distributed or dispersed in the PLA matrix to form a nanocomposite, and it was confirmed that the oxygen barrier property was improved compared to pure PLA. On the other hand, f-CNF/PLA containing 1 wt% CNF showed an increase in oxygen permeability compared to f-CNF/PLA 0.5, which is CNF that forms a chin and crack at the interface between PLA and CNF. may be due to aggregation of Similar to the results for mechanical properties, it was confirmed that the uniform dispersion of CNF in the PLA matrix affects the improvement of oxygen barrier properties. On the other hand, the e-CNF/PLA sample showed a decrease in oxygen permeability consistent with an increase in CNF content.

표 5에 나타난 바와 같이, 12.5 phr TEC 함유 t-PLA는 순수 PLA에 비해 증가된 산소투과도를 나타내었다. 가소화가 PLA 사슬의 풀림(disentanglement)으로부터 유도되는 산소차단성에 대한 부정적인 효과를 유도하는 점에서 이와 동일한 경향이 기계적 성질에서도 관찰되었다. 그러나, 산소차단성능은 PLA 매트릭스 내에서 CNF의 균일한 분산에 의해 향상되었다. 또한, PLA의 무정형 영역에서 CNF는 사슬의 움직임이 제한되었으며 고분자 사슬의 얽힘을 유발하여 산소투과도의 감소를 야기하였다. 이는, 1 wt% CNF 함유 t-CNF/PLA 시료에서 순수 PLA에 비해 47.3% 만큼 감소되는, 도 10에 나타난 결과에 의해 확인되었다. 산소차단성 향상 결과와 마찬가지로, 코팅 방법에 비해 CNF를 이용하는 용융 공정 방법을 통해 산소차단 필름을 순조롭게 생산할 수 있음을 제안한다.As shown in Table 5, t-PLA containing 12.5 phr TEC exhibited increased oxygen permeability compared to pure PLA. The same trend was observed for mechanical properties in that plasticization induced a negative effect on oxygen barrier properties induced from disentanglement of PLA chains. However, the oxygen barrier performance was improved by the uniform dispersion of CNF in the PLA matrix. In addition, in the amorphous region of PLA, CNF had limited chain movement and caused entanglement of polymer chains, resulting in a decrease in oxygen permeability. This was confirmed by the results shown in FIG. 10 , which was reduced by 47.3% compared to pure PLA in the t-CNF/PLA sample containing 1 wt% CNF. Similar to the result of improving the oxygen barrier properties, it is suggested that the oxygen barrier film can be produced smoothly through the melting process method using CNF compared to the coating method.

실험예Experimental example 8: 8: CNFCNF // PLAPLA 나노복합체의 동적 기계적 성질(Dynamic Mechanical Properties) Dynamic Mechanical Properties of Nanocomposites

도 10은 순수 PLA 및 CNF/PLA 나노복합체에 대한 탄성계수(elastic modulus) 및 tan delta를 온도의 함수로서 나타낸 도이다. 일반적으로, 고분자 매트릭스 내의 CNF의 존재는 탄성계수를 향상시키는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서도 유사한 결과가 확인되었다. 66.41℃에서 f-CNF/PLA 및 e-CNF/PLA 나노복합체의 탄성 계수는 CNF의 함량에 따른 순수 PLA에 대한 값에 비해 더 높았다. 0.5 wt% CNF 함유 f-CNF / PLA 나노복합체는 3℃ 만큼 증가된 tan delta 피크를 나타내었으며, tan delta 피크 세기는 순수 PLA에 비해 감소되었다. 이로부터 고분자 사슬이 이러한 유리 전이 거동에 관여하지 않음을 알 수 있었다. 탄성 계수의 증가 및 tan delta 피크의 이동은, 나노섬유에 인접한 고분자 사슬의 구역 이동성(segmental mobility)을 제한하는, CNF와 고분자 간의 물리적 상호작용에 의할 수 있다. 그러나, f-CNF/PLA 나노복합체의 경우, 탄성 계수 및 tan delta 피크는 CNF 함량 증가에 따라 규칙적으로(regularly) 증가하지 않았으며, 이러한 결과는 PLA 매트릭스 내에서 CNF의 불균일한 분산의 결과로 볼 수 있었다. 1 wt% CNF 함유 f-CNF/PLA 나노복합체는 0.5 wt% 함유 f-CNF/PLA 나노복합체에 비해 4℃ 만큼 tan delta 피크가 감소되었다. 이는 CNF 응집이 고분자 무정형 영역에서 제한되고 성장이 저해되어 유리 전이 거동을 촉진한다는 사실에 의해 확인되었다.10 is a diagram showing the elastic modulus and tan delta as a function of temperature for pure PLA and CNF/PLA nanocomposites. In general, it is known that the presence of CNFs in a polymer matrix improves the modulus of elasticity. Similar results were also confirmed in the present invention. The modulus of elasticity of the f-CNF/PLA and e-CNF/PLA nanocomposites at 66.41°C was higher than the values for pure PLA according to the CNF content. The f-CNF/PLA nanocomposite containing 0.5 wt% CNF showed an increased tan delta peak by 3°C, and the tan delta peak intensity was decreased compared to pure PLA. From this, it can be seen that the polymer chain is not involved in this glass transition behavior. The increase in elastic modulus and shift of the tan delta peak may be due to the physical interaction between the CNF and the polymer, which limits the segmental mobility of the polymer chain adjacent to the nanofiber. However, for the f-CNF/PLA nanocomposite, the elastic modulus and tan delta peaks did not increase regularly with increasing CNF content, which can be seen as a result of the non-uniform dispersion of CNF within the PLA matrix. could The tan delta peak of the f-CNF/PLA nanocomposite containing 1 wt% CNF was reduced by 4°C compared to the f-CNF/PLA nanocomposite containing 0.5 wt%. This was confirmed by the fact that CNF aggregation was restricted in the polymer amorphous region and growth was inhibited, promoting the glass transition behavior.

도 10(d)에서, 0.25 wt% CNF 함유 e-CNF/PLA 나노복합체는 순수 PLA에 비해 2.54℃ 만큼 tan delta 피크가 감소하였으며, 이는 증발되지 않은 미량의 에탄올에 의한 PLA의 가수분해에 기인한다. 그러나, CNF 함량의 증가로 인해, tan delta 피크는 점진적으로 향상되는 경향을 나타내었다. 또한, 66.41℃에서의 탄성 계수는 CNF 함량 증가에 따른 점진적인 증가를 나타내었으며, 이는 순수 PLA의 그것에 비해 현저하게 향상되었다. PLA는 12.5 phr의 TEC 함량에서 18.16℃의 tan delta 피크의 감소를 나타내었으나, 이는 CNF의 성공적인 분산에 의해 회복되었다. Oksman과 동료들은 reported that nanocomposites containing 1 wt% CNF 함유 나노복합체를 제조하고 순수 PLA에 비해 tan delta 피크가 70℃ 로부터 71℃까지 증가되었음을 보고하였다 Takzare 그룹 역시 1 wt% CNF 함유 PLA 매트릭스에서 유리전이온도가 57.5℃로부터 58.9℃까지 증가됨을 보고하였다. 그러나, 본 발명에서는, 1 wt% CNF 함유 t-CNF/PLA 나노복합체에서 가소화된 PLA(t-PLA)에 비해 tan delta 피크가 48.25로부터 52.89℃까지 현저하게 증가함을 확인하였다. 이는 TEC-CNF 현탁 기법에 의해 달성되는 CNF의 균일한 분산을 유도하여, 고분자 매트릭스의 무정형 영역에서 성공적인 CNF 분산으로서 사슬 엉킴을 유도하였다.In Fig. 10(d), the e-CNF/PLA nanocomposite containing 0.25 wt% CNF decreased the tan delta peak by 2.54 °C compared to pure PLA, which is attributed to the hydrolysis of PLA by non-evaporated trace amounts of ethanol. . However, due to the increase of the CNF content, the tan delta peak showed a tendency to gradually improve. In addition, the modulus of elasticity at 66.41 °C showed a gradual increase with increasing CNF content, which was significantly improved compared to that of pure PLA. PLA showed a decrease in the tan delta peak at 18.16°C at a TEC content of 12.5 phr, but this was recovered by successful dispersion of CNF. Oksman and co-workers reported that nanocomposites containing 1 wt% CNF were prepared and the tan delta peak increased from 70°C to 71°C compared to pure PLA. was reported to increase from 57.5°C to 58.9°C. However, in the present invention, it was confirmed that the tan delta peak significantly increased from 48.25 to 52.89° C. in the t-CNF/PLA nanocomposite containing 1 wt% CNF compared to plasticized PLA (t-PLA). This led to the uniform dispersion of CNF achieved by the TEC-CNF suspension technique, leading to chain entanglement as successful CNF dispersion in the amorphous region of the polymer matrix.

실험예Experimental example 9: t- 9: t- PLAPLA 및 t- and t- CNFCNF // PLAPLA 나노복합체에서 가소제( In nanocomposites, plasticizers ( Plasticizerplasticizer )의 이동 특성(Migration Properties)) of Migration Properties

t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체는 식품 및 약품 포장재로 사용될 수 있다. 포장재로부터 제품으로의 가소재의 이동 이슈는 가요성 물질에 기반한 포장을 고안하는데 있어 중요한 요소일 수 있다. PLA 자체의 취성(brittleness)으로 돌아가게 함으로써 기계적 성질, 특히, 가요성에 영향을 줄 수 있다. 도 11은 110℃의 온도에서 시간에 걸쳐 발생하는 t-PLA 및 t-CNF/PLA 나노복합체에서 가소제의 질량 손실을 나타내며, t-PLA는 60분까지 가소제의 질량 손실에 있어서 선형적 증가를 나타내었다. t-CNF/PLA 나노복합체 역시 유사한 질량 손실 거동을 나타내었으나, 가소제의 질량 손실은 t-PLA에 비해 상대적으로 느려졌다. 초기 단계에서, t-PLA와 t-CNF/PLA 나노복합체 간의 경과시간(elapsed time)에서의 차이는, 6 wt%의 가소제의 질량 손실이 발생했을 때, 100분이었고, 질량 손실에서의 차이는, 피크가 거의 평형에 도달하였을 때, 약 1 wt%였다. 이는 CNF가 TEC와 CNF 간의 강한 상호작용에 의해 나노복합체 내에서 가소제의 이동을 늦출 수 있음을 나타내는 것이다. 나아가, 약 65% 질량 손실이 발생하는 초기 단계에서, t-CNF/PLA 나노복합체 내의 CNF의 함량이 증가함에 따라, 가소제의 질량 손실은 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는, TEC가 CNF의 표면에 코팅되었음을 나타내는, 도 1(b)에 의해 뒷받침될 수 있다. 가소제의 질량 손실 속도의 차이는, CNF 함량이 증가함에 따라, TEC와 상호작용하는 CNF 매트릭스의 표면적 증가에 의존하는 것으로 가정되었다.t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites can be used as food and pharmaceutical packaging materials. The issue of migration of plastics from packaging to product can be an important factor in designing packaging based on flexible materials. By returning to the brittleness of PLA itself, it can affect its mechanical properties, particularly its flexibility. 11 shows the mass loss of plasticizer in t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites occurring over time at a temperature of 110° C., with t-PLA showing a linear increase in mass loss of plasticizer up to 60 min. It was. The t-CNF/PLA nanocomposite also showed similar mass loss behavior, but the mass loss of the plasticizer was relatively slow compared to that of t-PLA. At the initial stage, the difference in elapsed time between t-PLA and t-CNF/PLA nanocomposites was 100 min when a mass loss of 6 wt% of the plasticizer occurred, and the difference in mass loss was , when the peak almost reached equilibrium, it was about 1 wt%. This indicates that CNF can slow the movement of plasticizers in the nanocomposite by the strong interaction between TEC and CNF. Furthermore, in the initial stage where about 65% mass loss occurs, as the content of CNF in the t-CNF/PLA nanocomposite increases, the mass loss of the plasticizer tends to decrease. These results can be supported by Fig. 1(b), which shows that TECs were coated on the surface of CNFs. It was hypothesized that the difference in the mass loss rate of the plasticizer depends on the increase in the surface area of the CNF matrix interacting with the TEC as the CNF content increases.

진공 오븐에서 건조 후 기계적 성질을 나타내는 도 12에 나타난 바와 같이, t-PLA는 400분의 건조시간까지 연속적으로 인장 강도의 증가 및 파단 연신율의 감소를 나타내었으며, t-CNF/PLA 나노복합체는 30분의 건조시간으로부터 각각 거의 일정한 인장강도 및 파단 연신율 값을 나타내었다. 이러한 결과는 t-CNF/PLA 나노복합체에 함유된 CNF가, TEC와의 상호작용으로 인해, t-PLA에 비해 가소제의 이동으로 인한 기계적 성질의 적은 변화를 경험함을 나타내는 것이다. TEC와 CNF의 상호작용으로 인해, PLA와 CNF 사이의 계면에 위치한 TEC의 양은 CNF의 함량이 증가함에 따라 증가한다. 결과적으로, 윤활 효과(slippery effect)에 의해 인장강도는 감소하고, 연신율은 증가한다. 그러나, 1 wt% CNF 함유 t-CNF/PLA 나노복합체는 상이한 경향을 나타내었다. 이는, 가소제가 이동함에 따라, PLA와 CNF 사이의 계면에서 윤활 효과를 달성하기 위한 충분한 양의 TEC의 부족에 기인하는 것으로 추정된다.As shown in FIG. 12 showing the mechanical properties after drying in a vacuum oven, t-PLA showed an increase in tensile strength and a decrease in elongation at break continuously until a drying time of 400 minutes, and the t-CNF/PLA nanocomposite was 30 From the drying time of minutes, the values of tensile strength and elongation at break were almost constant, respectively. These results indicate that the CNFs contained in the t-CNF/PLA nanocomposite experience little change in mechanical properties due to the migration of the plasticizer compared to t-PLA due to the interaction with the TEC. Due to the interaction of TEC and CNF, the amount of TEC located at the interface between PLA and CNF increases with increasing CNF content. As a result, the tensile strength decreases and the elongation increases due to the slippery effect. However, the t-CNF/PLA nanocomposite containing 1 wt% CNF showed a different trend. This is presumably due to the lack of a sufficient amount of TEC to achieve a lubricating effect at the interface between PLA and CNF as the plasticizer migrates.

<결론><Conclusion>

선행실험에서, 가소제의 최적 함량이 PLA에 대한 TEC 함량에 따른 기계적 성질 분석을 통해 결정되었다. TEC 및 에탄올로 구성된 용매 혼합물 중 CNF 함량을 변화시키면서(0.25, 0.5, 및 1 wt%) TEC-CNF 현탁액을 준비하였다. 7분 간의 용융 혼합 공정에 의해 CNF/PLA 나노복합체를 준비하였다. 제타전위 결과로부터, TEC의 함유에 의해 CNF가 용매 내에 보다 균일하게 분산되었으며, 용융 혼합 공정 동안 PLA 매트릭스 내에서 CNF의 분산이 현저히 향상되었음을 확인하였다. 본 발명에서는, 유변학적 및 형태적 성질에 대한 결과를 통해 CNF가 TEC-CNF 현탁액을 사용하여 PLA 매트릭스 내에 성공적으로 분산되었음을 확인하였다. t-PLA와 비교하여, CNF 함량이 증가함에 따라 나노복합체의 인장강도는 11 내지 20%, 영률(Young's modulus)은 13 내지 68%만큼 향상되었다. 또한, 연신율 값은 300%를 초과하였고, 가요성(flexibility)이 향상되어 유연성 포장 분야에 사용될 수 있었다. 산소차단성에 있어서는, 1 wt%의 CNF를 함유하는 t-CNF/PLA 시료가 순수 PLA에 비해 47.3% 감소하였다. 산소차단성 향상의 결과로서, 이는 코팅 방법이 아닌 CNF를 이용하는 용융 공정 방법에 의해 산소차단 필름을 생산할 수 있음을 나타내는 것이다.In the previous experiment, the optimal content of plasticizer was determined through mechanical property analysis according to the TEC content for PLA. TEC-CNF suspensions were prepared with varying CNF contents (0.25, 0.5, and 1 wt%) in a solvent mixture consisting of TEC and ethanol. CNF/PLA nanocomposites were prepared by a 7-minute melt mixing process. From the zeta potential results, it was confirmed that CNF was more uniformly dispersed in the solvent by the inclusion of TEC, and the dispersion of CNF in the PLA matrix was significantly improved during the melt mixing process. In the present invention, it was confirmed that CNF was successfully dispersed in the PLA matrix using the TEC-CNF suspension through the results of rheological and morphological properties. Compared with t-PLA, the tensile strength of the nanocomposite improved by 11 to 20% and Young's modulus by 13 to 68% as the CNF content increased. In addition, the elongation value exceeded 300%, and the flexibility was improved, so that it could be used in the field of flexible packaging. In terms of oxygen barrier properties, the t-CNF/PLA sample containing 1 wt% of CNF was reduced by 47.3% compared to pure PLA. As a result of the improvement of the oxygen barrier properties, this indicates that the oxygen barrier film can be produced by a melt process method using CNF rather than a coating method.

1 wt% CNF 함유 t-CNF/PLA 나노복합체에서 tan delta 피크는 48.25℃로부터 52.89℃로 t-PLA에 비해 현저히 증가하였음이 확인되었다. 또한, CNF와 TEC의 상호작용으로 인해, 가소제의 이동이 느려졌음이 입증되었다. 친환경적 물질로서, 완전한 생물-기반 물질로부터 제조된 t-CNF/PLA 나노복합체는 다양한 생분해성 가요성 포장 소재에 적용될 수 있는 잠재성을 갖는다.In the t-CNF/PLA nanocomposite containing 1 wt% CNF, it was confirmed that the tan delta peak was significantly increased from 48.25°C to 52.89°C compared to t-PLA. In addition, it was demonstrated that, due to the interaction of CNFs with TECs, the transport of plasticizers was slowed. As an eco-friendly material, the t-CNF/PLA nanocomposite prepared from a fully bio-based material has the potential to be applied to various biodegradable flexible packaging materials.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention, rather than the above detailed description, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims described below and their equivalents.

Claims (12)

가소제(plasticizer)와 에탄올의 (15 내지 25)중량%:(75 내지 85)중량% 혼합 용매에 용매 100중량부를 기준으로 0.3 내지 3중량부의 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF)를 분산시켜 현탁액을 준비하는 제1단계; 및
용융 공정을 통해 상기 현탁액을 열가소성 수지와 가소제의 함량이 11 내지 18 phr(parts per hundred rubber)이 되도록 혼합하는 제2단계;를 포함하는,
열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체의 제조방법.
0.3 to 3 parts by weight of cellulose nanofiber (CNF) based on 100 parts by weight of the solvent is dispersed in a (15 to 25) weight %: (75 to 85) weight % mixed solvent of a plasticizer and ethanol to form a suspension. the first step of preparing; and
A second step of mixing the suspension through a melting process so that the content of the thermoplastic resin and the plasticizer is 11 to 18 phr (parts per hundred rubber); including,
Method for producing a thermoplastic resin/cellulose nanofiber nanocomposite.
제1항에 있어서,
상기 가소제는 트리에틸 시트레이트(triethyl citrate; TEC)인 것인, 제조방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein the plasticizer is triethyl citrate (TEC).
제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 폴리락트산(polylactic acid; PLA)인 것인, 제조방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein the thermoplastic resin is polylactic acid (PLA).
제1항에 있어서,
제1단계에서 에탄올만을 용매로 사용하여 동일한 조건으로 제조된 나노복합체에 비해 열가소성 수지 내에서 CNF의 분산성이 향상된 것인, 제조방법.
According to claim 1,
In the first step, the dispersibility of CNF in the thermoplastic resin is improved compared to the nanocomposite prepared under the same conditions using only ethanol as a solvent.
제1항에 있어서,
제1단계에서 에탄올만을 용매로 사용하여 동일한 조건으로 제조된 나노복합체에 비해 열가소성 수지 내에 분산된 CNF 응집체의 총면적이 150 내지 250% 감소된 것인, 제조방법.
According to claim 1,
In the first step, the total area of the CNF aggregates dispersed in the thermoplastic resin is reduced by 150 to 250% compared to the nanocomposite prepared under the same conditions using only ethanol as a solvent.
제1항에 있어서,
제1단계 없이, 제2단계에서 동일량의 가소제만을 혼합하여 제조한 수지에 비해 10 내지 25% 증가된 인장강도를 갖는 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체를 제공하는 것인, 제조방법.
According to claim 1,
Without the first step, to provide a thermoplastic resin / cellulose nanofiber nanocomposite having a tensile strength increased by 10 to 25% compared to the resin prepared by mixing only the same amount of the plasticizer in the second step, the manufacturing method.
제1항에 있어서,
제1단계 없이, 제2단계에서 동일량의 가소제만을 혼합하여 제조한 수지에 비해 10 내지 70% 증가된 영률을 갖는 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체를 제공하는 것인, 제조방법.
According to claim 1,
Without the first step, to provide a thermoplastic resin / cellulose nanofiber nanocomposite having a Young's modulus increased by 10 to 70% compared to the resin prepared by mixing only the same amount of the plasticizer in the second step, the manufacturing method.
제1항에 있어서,
300% 이상의 연신률 값을 갖는 열가소성 수지/셀룰로오스 나노섬유 나노복합체를 제공하는 것인, 제조방법.
According to claim 1,
To provide a thermoplastic resin / cellulose nanofiber nanocomposite having an elongation value of 300% or more, a manufacturing method.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 나노복합체로 형성된 산소차단막.
An oxygen barrier film formed of a nanocomposite prepared by the method of any one of claims 1 to 8.
제9항에 있어서,
동일한 두께로 제조된 순수 열가소성 수지 또는 동량의 가소제를 포함하되 셀룰로오스 나노섬유를 불포함하는 열가소성 수지 복합체로 형성된 산소차단막에 비해 산소투과성이 70 내지 45% 수준으로 감소된 것인, 산소차단막.
10. The method of claim 9,
Compared to the oxygen barrier film formed of a pure thermoplastic resin prepared to the same thickness or a thermoplastic resin composite containing the same amount of plasticizer but not containing cellulose nanofibers, the oxygen permeability is reduced to a level of 70 to 45%, the oxygen barrier film.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 나노복합체를 포함하는 식품 또는 약품 포장재.
A food or drug packaging material comprising a nanocomposite prepared by the method of any one of claims 1 to 8.
제11항에 있어서,
상기 나노복합체는 100분까지 가소제의 이동률이 5중량% 이내이며, 셀룰로오스 나노섬유를 불포함하는 나노복합체에 비해 20%만큼 감소된 이동률을 나타내는 것인, 포장재.
12. The method of claim 11,
The nanocomposite has a plasticizer migration rate of less than 5% by weight up to 100 minutes, and a packaging material that exhibits a migration rate reduced by 20% compared to a nanocomposite containing no cellulose nanofibers.
KR1020190157401A 2019-11-29 2019-11-29 Method for preparation of thermoplastic polymer/cellulose nanofiber nanocomposite comprising suspension process and melt process using co-solvent system KR102388324B1 (en)

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