KR20230043745A - Pla 기반의 복합플라스틱의 제조방법, 그로부터 제조된 복합플라스틱 및 이를 포함하는 필름 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리락트산(Polylactic acid, PLA) 기반의 복합플라스틱의 제조방법, 그로부터 제조된 복합플라스틱 및 이를 포함하는 필름에 관한 것이다.
본 발명은 PLA 소재 고유의 취성을 개선하고자 나노 셀룰로오스 또는 키틴을 보강재로 활용하고, 화학적 및 물리적 방법을 통해 개질된 셀룰로오스 또는 키틴을 이용하여 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 및 이축압출공정을 통해, PLA 매트릭스에 셀룰로오스 또는 키틴을 안정적으로 고르게 분산시켜 복합화하고 상기 보강재의 함량에 따라 PLA의 기계적 특성을 제어할 수 있다.
본 발명은 PLA 소재 고유의 취성을 개선하고자 나노 셀룰로오스 또는 키틴을 보강재로 활용하고, 화학적 및 물리적 방법을 통해 개질된 셀룰로오스 또는 키틴을 이용하여 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 및 이축압출공정을 통해, PLA 매트릭스에 셀룰로오스 또는 키틴을 안정적으로 고르게 분산시켜 복합화하고 상기 보강재의 함량에 따라 PLA의 기계적 특성을 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 폴리락트산(Polylactic acid, PLA) 기반의 복합플라스틱의 제조방법, 그로부터 제조된 복합플라스틱 및 이를 포함하는 필름에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 PLA 소재 고유의 취성을 개선하고자 나노 셀룰로오스 또는 나노 키틴을 보강재로 활용하고, 화학적 및 물리적 방법을 통해 개질된 나노 셀룰로오스 또는 나노 키틴을 이용하여 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 및 이축압출공정을 통해, PLA 기반의 복합플라스틱의 제조방법, 그로부터 제조된 복합플라스틱 및 이를 포함하는 필름에 관한 것이다.
합성플라스틱 및 석유화학(petrochemical) 기반 플라스틱 폐기물로 인한 환경 오염의 문제가 증가되면서 친환경적이고 재활용과 퇴비화가 가능한 생분해성 바이오 플라스틱에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
PLA는 옥수수 전분 등 식물로부터 유래되며 생분해성 뿐만 아니라 무독성, 생체적합성 등의 이점이 있기 때문에 기존 플라스틱을 대체할 수 있는 소재로서 많은 주목을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 취성과 낮은 열적 안정성의 특성을 갖기 때문에 주로 의료 분야, 포장재 필름, 3D 프린터용 필라멘트 등 활용 범위가 제한적이다.
PLA의 기계적 특성과 열적 안정성을 개선하기 위해 가소화제의 첨가, 기타 고분자의 그래프팅(grafting), 강화재로서 무기 나노입자의 첨가를 비롯하여 유리섬유, 탄소섬유 등을 첨가하는 섬유강화복합재료 제작 등 많은 방안이 제시되고 있다.
특히, 무기 나노입자 및 섬유는 열적 특성이 매우 우수하다는 측면에서 복합체의 사용 후 열에 의한 분해가 어렵고 이로 인해 재활용이 어렵다는 단점이 있다.
최근에는 천연고분자인 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber, CNF)를 강화재로서 PLA와 복합화하는 연구들이 보고되고 있다.
그 일례로 특허문헌 1에는 셀룰로오스의 표면 소수화 전처리 공정, 용융 혼련, 용액 혼합 공정 등을 요하지 않으며, 개선된 물성을 갖는 PLA 나노복합소재 제공을 제안하고 있다.
또한, 비특허문헌 1에는 PLA/셀룰로오스 나노크리스탈 나노복합재의 물성에 대한 보고가 있다.
셀룰로오스는 지구상에 가장 풍부하게 존재하는 천연고분자로 생분해성, 생체적합성 등의 특성이 있을 뿐만 아니라 인장강도가 유리섬유, 탄소섬유와 매우 유사한 수준으로 높은 종횡비와 표면적을 가지는 CNF를 강화재로 사용할 경우 복합체의 외력을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
또한, 천연고분자의 다른 후보물질로서 셀룰로오스 다음으로 지구상에 풍부하게 존재하는 키틴(Chitin) 역시 PLA와 마찬가지로 생분해성, 무독성, 생체적합성을 가지며, 유리섬유, 탄소섬유와 매우 유사한 수준의 높은 종횡비와 표면적을 가진다.
그러나 소수성의 PLA 매트릭스 내에 친수성의 셀룰로오스 또는 키틴을 복합화할 경우, 상기 셀룰로오스 또는 키틴의 하이드록시기(-OH)에 의해 셀룰로오스 또는 키틴 성분이 응집되어 오히려 기계적 특성에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서 셀룰로오스 또는 키틴 표면의 하이드록시기를 개질시키는 아세틸화, 에스터화, 실릴화 등을 통해 표면개질 후 PLA와의 복합체 제작 연구가 진행되고 있다. 상기 표면개질 방법은 PLA 매트릭스 내 셀룰로오스 또는 키틴의 분산성을 균일하게 할 수 있는 반면, 셀룰로오스 또는 키틴간의 수소 결합의 세기를 약화시켜 최종 복합체의 기계적 특성 개선에 큰 효과를 얻지 못할 수 있다.
복합체의 제작 방법으로는 용매를 사용하여 매트릭스 내 강화재를 분산시키는 방법, 압출을 통한 방법 등이 있으나, PLA는 소수성으로 인해 물에 용해되지 않아 수분산 시스템을 적용할 수 없고 PLA가 일반적인 유기용매에 용해되지 않기 때문에 PLA와 셀룰로오스 또는 키틴을 구성성분으로 하는 복합체를 제작하기 위해서는 압출을 통한 방법이 주로 사용된다.
그러나 압출을 통한 복합체 제작 시, 소수성의 PLA와 친수성의 셀룰로오스 또는 키틴간의 극성 차이로 인해 계면간 분리 현상이 발생하는데 이는 기계적 특성 저하의 원인이 된다.
이에, 본 발명자들은 종래 문제점을 해소하기 위하여 노력한 결과, 화학적 및 물리적 방법을 통해 표면개질된 셀룰로오스 또는 키틴을 보강재로 이용하여 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 및 이축압출공정을 도입하여, 소수성의 PLA 용액과 친수성의 셀룰로오스 또는 키틴 분산액의 계면에서 상기 셀룰로오스 또는 키틴이 계면활성제의 역할을 하여 안정적인 에멀젼 용액으로 제조하여, PLA 매트릭스에 셀룰로오스 또는 키틴을 균일하게 분산시켜 복합화한 PLA 기반의 복합플라스틱을 제공하고 상기 제조된 복합플라스틱의 우수한 기계적 강도(특히, 연신율 및 인성 향상)을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
Polymer (Korea), Vol. 42, No. 4, pp. 649-653 (2018)
본 발명의 일 목적은 소수성의 PLA와 친수성의 셀룰로오스 또는 키틴 나노섬유를 복합화하기 위해 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 방법 및 이축압출공정을 기반으로 하는, PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 기계적 물성을 PLA 기반 복합플라스틱 및 이를 이용한 필름을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액에, 천연고분자가 수계에 분산된 분산액을 혼합하여 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형기반의 피커링 에멀젼 용액으로 안정화시키는 제1단계,
상기 에멀젼 용액을 건조하여 복합소재를 제조하는 제2단계 및
상기 복합소재를 성형하는 제3단계;를 포함하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 제1단계의 피커링 에멀젼 방식은 계면활성제 대신 작은 고체 입자를 사용하여 소수성/친수성의 계면에서의 계면 장력을 감소시켜 안정화된 에멀젼을 제조하는 방법이다.
특히, 제1단계에서는 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액에, 천연고분자가 수계에 분산된 분산액을 첨가하여 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형으로 안정화시키는 것이다. 이때, 상기 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액 중 고분자 고형분 기준 100 중량부에 대하여, 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액 중 천연고분자의 고형분 기준 1 내지 3 중량부로 첨가하여 W/O 제형기반의 에멀젼 용액으로 안정화시킨다.
본 발명에서 사용되는 생분해성 고분자는 폴리락트산(Polylactic acid, PLA) 단독 또는 상기 폴리락트산에 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoates, PHA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트-아디페이트(Polybutylenesuccinate-coadipate, PBSA), 폴리부틸렌숙시네이트-테레프탈레이트(polybutylene succinate adipate-co-terephthalate, PBSAT), 알리파틱 폴리에스테르(aliphatic polyester, AP), 폴리에틸렌숙시네이트(polyetylene succinate, PES), 폴리부틸렌숙시네이트(polybutylene succinate, PBS), 폴리비닐알콜(Poly(vinyl alcohol, PVA), 폴리글리콜산(poly glycolic acid, PGA), 폴리락트산-글리콜산-공중합물(Poly lactic-co-glycolic Acid, PLGA) 및 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 변성 전분수지 및 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 형태이다. 본 발명의 실시예에서는 PLA 단독 또는 PLA+PHA 혼합형태를 이용하여 제조된 복합플라스틱을 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않고 다양한 생분해성 고분자로 이루어진 매트릭스 조합을 변경 및 설계할 수 있다.
또한, 상기 매트릭스에 보강재로서 복합화되는 수용성의 천연고분자는 셀룰로오스, 키틴, 키토산, 덱스트린, 덱스트란(dextran), 글리코겐, 플루란, 젤라틴 및 펙틴으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이며, 바람직하게는 상기 천연고분자의 나노섬유 또는 나노결정 형태를 포함한다.
더욱 바람직하게는 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액이 천연고분자 원재료를 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질한 후 ACC(aqueous counter collision) 방법을 이용하여 나노섬유화로 전처리된 것이며, 구체적으로는 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유 또는 표면개질된 키틴 나노섬유를 사용하는 것이다.
이때, 상기 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유가 5 내지 7 nm의 직경을 가지고, 상기 표면개질된 키틴 나노섬유가 5 내지 50 nm의 직경을 가진다.
또한 바람직하게는 상기 천연고분자는 1 내지 3중량% 미만으로 포함되는 것이며, 더욱 바람직하게는 상기 천연고분자가 1.5 내지 2.5중량% 포함된 것이다.
본 발명의 제조방법으로부터 제조되어, 본 발명은 PLA를 포함한 생분해성 고분자 매트릭스에 천연고분자가 분산된 복합소재로 이루어진 기계적물성이 강화된 PLA 기반 복합플라스틱을 제공한다. 이때, 상기 생분해성 고분자 및 상기 천연고분자는 제조방법에서 설명한 바와 동일하다.
나아가, 본 발명은 상기의 PLA 기반 복합플라스틱으로 성형된 성형물품을 제공한다.
상기 성형물품이 사출성형품; 열가공품; 및 압출성형 또는 블로잉성형용 필름;으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 포함한다.
본 발명의 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법에 따르면, PLA를 포함하는 생분해성 고분자 매트릭스 내에 천연고분자가 고르게 분산되어 외부로부터 가해지는 인장력을 효과적으로 분산시킴으로써, 기계적 특성이 현저하게 향상된 PLA 기반의 생분해성 복합플라스틱을 제공할 수 있다.
또한, 상기 PLA 기반 복합플라스틱이 우수한 기계적 강도(특히, 연신율 및 인성 향상)을 가지므로 이를 이용한 성형물품을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 셀룰로오스 나노섬유의 석시닐화에 의한 전처리에 따른 특성을 평가한 결과이고,
도 2는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 셀룰로오스 나노섬유 함량별 에멀전 용액을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 PLA/CNF 2중량%(실시예 6) 및 PLA/SCNF 2중량%(실시예 3) 필름 단면에 대한 SEM 이미지이고,
도 4는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱 제조방법에 있어서, 키틴의 전처리에 따른 주사전자현미경(Scanning electron microscope) 이미지이고,
도 5는 본 발명의 제형별 에멀전 용액의 제조공정을 도시한 것이고,
도 6은 PLA/셀룰로오스(PLA/SCNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 3 및 비교예 1의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy) 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지이고,
도 7은 PLA/키틴(PLA/SChNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 12 및 비교예 2의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy) 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지이고,
도 8은 도 6의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱의 기계적 물성 결과이고,
도 9는 도 7의 PLA/키틴 복합플라스틱의 기계적 물성 결과이고,
도 10은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 나노섬유 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 11은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 나노결정 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 12는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에 있어서, 키틴 나노섬유의 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 13은 본 발명의 PLA+PHA/셀룰로오스 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 14는 본 발명의 PLA+PHA/키틴 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 15는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 및 PLA/키틴 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 또는 키틴 함량별 제조된 각 복합플라스틱의 성형물품 이미지이고,
도 16은 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱에 대한 인장시험을 수행한 시편 이미지이고,
도 17은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에서 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 함량에 따라 제조된 복합플라스틱의 인장시험 전의 단면 SEM 이미지이고,
도 18은 도 17의 인장시험 후 파단면의 SEM 이미지이고,
도 19는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱의 인장시험 후의 파단면 SEM 이미지이고,
도 20은 본 발명의 PLA 기반 복합플라스틱에 대한 용융흐름지수 평가결과이다.
도 2는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 셀룰로오스 나노섬유 함량별 에멀전 용액을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 PLA/CNF 2중량%(실시예 6) 및 PLA/SCNF 2중량%(실시예 3) 필름 단면에 대한 SEM 이미지이고,
도 4는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱 제조방법에 있어서, 키틴의 전처리에 따른 주사전자현미경(Scanning electron microscope) 이미지이고,
도 5는 본 발명의 제형별 에멀전 용액의 제조공정을 도시한 것이고,
도 6은 PLA/셀룰로오스(PLA/SCNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 3 및 비교예 1의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy) 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지이고,
도 7은 PLA/키틴(PLA/SChNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 12 및 비교예 2의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy) 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지이고,
도 8은 도 6의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱의 기계적 물성 결과이고,
도 9는 도 7의 PLA/키틴 복합플라스틱의 기계적 물성 결과이고,
도 10은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 나노섬유 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 11은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 나노결정 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 12는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에 있어서, 키틴 나노섬유의 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 13은 본 발명의 PLA+PHA/셀룰로오스 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 14는 본 발명의 PLA+PHA/키틴 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과이고,
도 15는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 및 PLA/키틴 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 또는 키틴 함량별 제조된 각 복합플라스틱의 성형물품 이미지이고,
도 16은 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱에 대한 인장시험을 수행한 시편 이미지이고,
도 17은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에서 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 함량에 따라 제조된 복합플라스틱의 인장시험 전의 단면 SEM 이미지이고,
도 18은 도 17의 인장시험 후 파단면의 SEM 이미지이고,
도 19는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱의 인장시험 후의 파단면 SEM 이미지이고,
도 20은 본 발명의 PLA 기반 복합플라스틱에 대한 용융흐름지수 평가결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 본 발명은 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액에, 천연고분자가 수계에 분산된 분산액을 혼합하여 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형기반의 피커링 에멀젼 용액으로 안정화시키는 제1단계,
상기 에멀젼 용액을 건조하여 복합소재를 제조하는 제2단계 및
상기 복합소재를 성형하는 제3단계;를 포함하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 제1단계의 피커링 에멀젼 방식은 계면활성제 대신 작은 고체 입자를 사용하여 소수성/친수성의 계면에서의 계면 장력을 감소시켜 안정화된 에멀젼을 제조하는 방법이다.
이때, 생분해성 고분자는 폴리락트산(Polylactic acid, PLA) 단독 또는 상기 폴리락트산에 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoates, PHA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트-아디페이트(Polybutylenesuccinate-coadipate, PBSA), 폴리부틸렌숙시네이트-테레프탈레이트(polybutylene succinate adipate-co-terephthalate, PBSAT), 알리파틱 폴리에스테르(aliphatic polyester, AP), 폴리에틸렌숙시네이트(polyetylene succinate, PES), 폴리부틸렌숙시네이트(polybutylene succinate, PBS), 폴리비닐알콜(Poly(vinyl alcohol, PVA), 폴리글리콜산(poly glycolic acid, PGA), 폴리락트산-글리콜산-공중합물(Poly lactic-co-glycolic Acid, PLGA) 및 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 변성 전분수지 및 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 형태이다. 본 발명의 실시예에서는 PLA 단독 또는 PLA+PHA 혼합형태를 이용하여 제조된 복합플라스틱을 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않고 다양한 생분해성 고분자로 이루어진 매트릭스 성분의 조합을 변경 및 설계할 수 있다.
상기 생분해성 고분자는 소수성으로서 유기용매에 용해되는데, 이때 유기용매는 다이클로로메테인(DCM), 클로로포름(Chloroform), 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran) 및 아세톤(acetone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 본 발명의 실시예에서는 바람직한 유기용매로서 다이클로로메테인(DCM)을 사용하나 이에 한정되지는 아니할 것이다.
또한, 상기 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액에 첨가 또는 혼합되는 천연고분자는 PLA의 기계적 특성을 향상시키기 위한 보강재로 활용되며, 그 함량에 따라 PLA의 기계적 특성을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 바람직한 천연고분자 일례로서, 나노 셀룰로오스 또는 키틴을 사용하여 설명하고 있으나 이에 한정되지는 아니하고, 수용성 다당류를 포함하는 다당류라면 공지의 소재군에서 선택될 수 있을 것이다. 그 일례로서 셀룰로오스, 키틴 외에, 키토산, 덱스트린, 덱스트란(dextran), 글리코겐, 플루란, 젤라틴 및 펙틴으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이다.
또한, 상기 천연고분자는 그 소재의 나노섬유 또는 나노결정 형태를 포함하며, 바람직하게는 상기 나노 셀룰로오스는 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber, CNF), 셀룰로오스 나노결정(cellulose nanocrystal, CNC), 숙신산 무수물과 반응시켜 석시닐화(succinylation) 또는 카르복실화(carboxylation)로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 또는 표면개질된 셀룰로오스 나노결정(SCNC)일 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액이 천연고분자 원재료를 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질한 후 ACC(aqueous counter collision) 방법을 이용하여 나노섬유화로 전처리된 것이다.
도 1은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에 있어서 셀룰로오스 나노섬유 전처리에 따른 특성을 평가한 결과이다. 구체적으로 (a)는 전처리되지 않은 순수한 셀룰로오스 나노섬유(Pulp)로서, 용액 내에 고르게 분산되지 못하고 가라앉고, (b)는 석시닐화에 의해 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유로서 균일하게 분산되었으나 크기에 의해 탁한 반투명의 색을 갖는 것이 관찰되고, (c)는 SA 및 ACC 처리된 셀룰로오스 나노섬유로서 직경과 크기가 더 작은 상태로 균일하게 분산되어 안정적인 분산상을 확인할 수 있다.
상기 제1단계에서, 나노 셀룰로오스 분산액은 상기 셀룰로오스 나노섬유를 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질한 후, 물에 분산시켜 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 석시닐화는 셀룰로오스 나노섬유를 숙신산 무수물(succinic anhydride, SA)과 반응시켜 수행된 것일 수 있다.
또한, 나노 셀룰로오스 분산액은 셀룰로오스 나노섬유를 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질한 후, ACC(aqueous counter collision) 방법으로 처리하여 나노섬유화된 이후에, 물에 분산시켜 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에 있어서 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 1중량%, 2중량% 및 3중량%가 포함되어 제조된 PLA/SCNF 에멀젼 용액이고, 도 3은 PLA/CNF 2중량%(실시예 6) 및 PLA/SCNF 2중량%(실시예 3) 필름 단면에 대한 SEM 이미지로서, 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 대비, 상기 CNF를 석시닐화(SA)에 의한 표면개질 후 나노섬유화(SCNF)가 진행됨에 따라, 더 미세하고 균일한 크기로 피커링 크기가 형성된 것으로 확인되었다. 이때, 셀룰로오스 나노섬유는 약 1 내지 10nm 직경을 갖는 나노섬유일 수 있으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유의 직경이 10nm를 초과하는 경우, 상기 에멀젼 용액의 상 분리(phase separation)를 효과적으로 억제하기 어려워 안정화된 에멀젼 용액을 제조하는 데 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 바람직하게는 본 발명의 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유는 약 5 내지 7 nm의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱 제조방법에 있어서, 상기 키틴 나노섬유는 5 내지 50nm 직경을 가지는 나노섬유일 수 있으며, 상기 키틴 나노섬유의 직경이 50nm를 초과하는 경우, 상기 에멀젼 용액의 상 분리(phase separation)를 효과적으로 억제하기 어려운 문제가 있다.
도 4는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱 제조방법에 있어서, 키틴의 전처리에 따른 주사전자현미경(Scanning electron microscope) 이미지이다. 구체적으로, (a)는 원료 ChNF, (b)는 석시닐화를 거친 SChNF이고, (c)는 최종적으로 ACC를 통해 나노섬유화가 진행된 SChNF로서, 석시닐화로 표면개질 및 나노섬유화 후 최종적으로 균일하게 약 5 내지 20 nm의 직경을 가지는 SChNF를 확인할 수 있다.
상기 제1단계에서 상기 에멀젼 용액은 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 방식을 통해 제조될 수 있다. 피커링 에멀젼 방식은 계면활성제 대신 작은 고체 입자를 사용하여 소수성/친수성의 계면에서의 계면 장력을 감소시켜 안정화된 에멀젼을 제조하는 방법이다.
본 발명에서는 상기 제1단계에서 소수성의 PLA 용액과 친수성의 나노 셀룰로오스 수분산액의 계면에서 상기 나노 셀룰로오스가 계면활성제의 역할을 하여 안정적인 에멀젼 용액이 제조될 수 있고, 이에 따라 상기 PLA와 셀룰로오스 나노섬유가 복합화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제형별 에멀전 용액의 제조공정을 도시한 것으로, 제형에 무관하게 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액에 천연고분자 혼합비율은 동일하게 적용하되, 상기 용매인 물과 유기용매의 양의 조절에 따라 에멀전 제형이 결정된다.
이에, 본 발명은 제1단계에서 상기 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액 100 중량부에 대하여, 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액 5 내지 10 중량부로 첨가하여 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형기반의 에멀젼 용액으로 안정화시킨다.
도 6은 PLA/셀룰로오스(PLA/SCNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 3(W/O 제형) 및 비교예 1(O/W 제형)의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy) 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지 결과이고, 도 7은 PLA/키틴(PLA/SChNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 12(W/O 제형) 및 비교예 2(O/W 제형)의 에멀전 용액에 대한 결과이다.
그 결과, 실시예 3 및 실시예 12의 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형의 에멀젼 용액의 경우, PLA/DCM 용액이 구형의 형광색을 내는 SCNF 분산액 또는 SChNF 분산액을 감싼 형상인 반면, 비교예 1 및 비교예 2의 오일-인-워터(oil-in-water, O/W) 제형은 형광색의 SCNF 분산액 또는 SChNF 분산액이 검은색의 구형 PLA/DCM 용액을 감싸고 형상으로 반전된 구조로 관찰된다.
이러한 구조는 유기용매 및 물이 완전건조된 시트 단면의 SEM 이미지에서 실시예 3, 12(W/O 제형)의 에멀젼 용액으로부터 제조된 복합플라스틱은 PLA 매트릭스 내에 미세한 구형의 키틴 나노섬유가 균일하게 분산된 형태인 반면, 비교예 1, 2(O/W 제형)의 경우 물이 건조된 셀룰로오스 매트릭스에 구형의 PLA가 돌출된 형상으로 관찰된다.
도 8 및 도 9는 상기 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 및 PLA/키틴 복합플라스틱의 기계적 물성 결과를 도시한 것으로, 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱 제조방법에 있어서, 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형기반의 에멀전 용액으로부터 얻어진 복합플라스틱은 PLA 매트릭스 내 셀룰로오스 나노섬유 또는 키틴 나노섬유의 분산성을 균일하게 하며 복합화 함으로써, PLA와의 수소결합을 통해 복합플라스틱의 현저히 향상된 기계적 특성을 확인할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱의 제조방법에 있어서, 천연고분자(셀룰로오스 나노섬유 또는 키틴 나노섬유) 함량별 제조된 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
그 결과, 순수 PLA 소재 고유 연신율 대비, PLA/셀룰로오스 복합플라스틱(PLA/SCNF, PLA/SCNC)의 경우, 연신율이 적게는 약 5 배, 많게는 약 24배 정도 늘어남을 확인할 수 있으며, 특히 PLA/키틴 복합플라스틱(PLA/SCHNF 복합플라스틱)은 최대 약 74배 정도 늘어난 결과를 확인할 수 있다.
이러한 결과를 기반으로, 본 발명의 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱의 제조방법에 있어서, 천연고분자(셀룰로오스 나노섬유 또는 키틴 나노섬유) 함량은 1 내지 3중량 미만이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5중량% 함유하는 것이고 가장 바람직하게는 2.0중량% 함유하는 것이다.
이때, 상기 천연고분자 함량이 3중량%이상이면, 매트릭스 수지 내에서의 분산이 어려워 기계적 특성이 저하되는 결과를 보인 반면에, 2중량%일 때, 가장 우수한 기계적 물성을 보임으로써, 현저하게 연신율이 높은 재료로 제조됨에 따라, 천연고분자(셀룰로오스 나노섬유 또는 키틴 나노섬유)의 함량에 따라 PLA의 기계적 특성을 제어할 수 있다.
또한, 도 13은 본 발명의 PLA+PHA/셀룰로오스 2중량% 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과로서, PLA/셀룰로오스 2중량% 복합플라스틱과 대비한 결과, 기계적 강도가 현저히 증가한 결과를 확인할 수 있다.
또한, 도 14는 본 발명의 PLA+PHA/키틴 2중량% 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과로서, PLA/키틴 2중량% 복합플라스틱과 대비한 결과, 여전히 우수한 기계적 강도가 유지된 결과를 확인할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 제2단계에서 수행되는 건조는 자연건조, 열풍건조 및 동결건조 등 건조할 수 있는 방법이라면 모두 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 건조 방법을 특별하게 한정하지는 않는다. 바람직하게는, 상기 건조는 기재에 상기 에멀전 용액을 캐스팅(casting)하여 건조하는 것일 수 있다.
상기 제2단계 이후, 상기 제3단계를 수행하기 전, 상기 복합소재는 이축압출 공정을 용이하게 하기 위해 분쇄단계를 추가적으로 수행할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합소재는 약 5 mm 미만의 길이의 조각으로 분쇄할 수 있다.
상기 제3단계에서의 성형은 이축압출기를 통해 이축압출 공정으로 수행될 수 있다. 이축압출이란 두 개의 스크류를 이용하여 재료를 가열 유동화시켜 연속 압출하여 제품을 성형하는 방법으로, 낮은 온도에서도 압출이 가능하여 열에 민감한 물질을 안정적으로 압출할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 PLA를 포함한 생분해성 고분자 매트릭스에 천연고분자가 균일하게 분산되어 복합화된 기계적물성이 강화된 PLA 기반 복합플라스틱을 제공한다.
도 15는 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱에 있어서, PLA에 천연고분자로서 셀룰로오스 또는 키틴의 함량별 제조된 복합플라스틱의 성형물품 이미지로서, 상기 셀룰로오스 또는 키틴 함량이 증가할수록 진하게 색이 변하는 동일한 경향을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 16은 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱 중 PLA/키틴 복합플라스틱에서 상기 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱에 대한 인장시험을 수행한 시편 이미지를 통해, SChNF가 2중량% 함유된 복합플라스틱의 경우 1중량 및 3중량% 함유된 복합플라스틱보다 현저하게 연신율이 높은 재료임을 육안으로 확인할 수 있다.
또한, 도 17은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에서 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 함량에 따라 제조된 복합플라스틱의 인장시험 전의 단면 SEM 이미지이고, 도 18은 도 17의 인장시험 후 파단면의 SEM 이미지를 나타낸다.
상기 결과로부터, 피커링 에멀젼 공정에 의해 복합화된 안정적인 네트워크를 확인할 수 있고 특히, PLA/SCNF 2중량% 복합플라스틱의 경우 매우 치밀한 네트워크를 확인할 수 있다. 또한, 인장시험 후 파단면의 결과, 순수 PLA의 경우 취성의 특성으로 인한 깔끔한 파단면을 가지는 반면, 본 발명의 복합플라스틱은 거친 표면을 보임으로써, PLA 매트릭스 내에 고르게 분산된 SCNF가 인장력을 효과적으로 분산시킨다는 것을 뒷받침한다.
도 19는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱의 인장시험 후의 파단면 SEM 이미지로서, 동일하게 순수 PLA의 경우 매끈한 단면인 반면, PLA/ShCNF 복합플라스틱의 파단면은 매우 거친 표면을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 PLA 기반의 복합플라스틱은 PLA 소재의 기계적 강도 향상을 위하여 천연고분자를 보강재로 도입된 것으로, 상기 소재간 극성 차이로 인한 계면 분리문제를 해결하여 PLA 소재에 보강재가 균일하게 분산되어 복합화 됨으로써, 보강효과를 구현하는 특히, 연신율 및 인성 향상의 특성을 가지므로 이를 이용한 성형물품을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명은 기계적 특성이 우수한 PLA 기반 복합플라스틱으로 성형된 성형물품을 제공한다.
상기 PLA 기반 복합플라스틱은 패키징, 3D 프린팅 소재, 구조용 경량복합소재, 의료기술 분야에 용이하게 응용할 수 있다.
상기 PLA 기반 복합플라스틱으로부터, 사출성형품; 열가공품; 및 압출성형 또는 블로잉성형용 필름;으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 성형물품을 제공할 수 있다.
특히, 도 20은 본 발명의 PLA 기반 복합플라스틱에 대한 용융흐름지수 평가결과로서, 통상 블로운 필름(Blown film) 제품으로 사용하는 고분자들의 MFI가 보통 1 내지 10임을 감안할 때, PLA/SCNF 2중량% 복합플라스틱은 8.81, PLA/ShCNF 2중량% 복합플라스틱은 1.66 값을 확인함으로써, 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱은 필름, 더욱 바람직하게는 블로운 필름으로 적용 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1∼5> PLA/SCNF 복합플라스틱 제조
시약 및 재료
PLA는 NatureWorks사(USA)의 3D870 제품을 사용하였으며. 목재펄프(Hardwood kraft pulp)는 CNNT Co., Ltd.로부터 1중량%의 분산액으로 공급받았다. 숙신산 무수물(succinic anhydride, SA)은 대정화학, 다이메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF), 피리딘(pyridine), 수산화 나트륨(Sodium hydroxide, NaOH), 다이클로로메테인(Dichloromethane, DCM)은 Sigma-aldrich로부터 구매하였다. PLA와 CNF의 피커링 에멀젼(Pickering emulsion) 형성을 통한 복합화를 위해 Homogenizer(IKA, T25), Ultrasonicator (SONICS, vibra cell VCX 500)를 사용하였다. 복합소재를 이용한 복합플라스틱 제작에 사용된 이축압출기(Twin screw extruder, TSE) 및 사출 성형기(Injection molding)는 중국 Wuhan Ruiming사의 SJZS-10B 장비를 이용하였다. 이축압출기는 한 쌍의 스크류(screw)가 회전하는 코-로테이팅(corotating) 방식으로 직경 대비 길이(L/D)는 40이다. 가열기는 샘플 호퍼로부터 최종 압출구까지 4구간으로 나뉘어져 있으며, 각각 180-185-190-195℃로 설정하였다. 사출 성형기의 온도는 195℃, 압력은 10 MPa로 진행하였다.
단계 1: CNF의 표면개질 및 나노섬유화(SCNF의 제조)
DMF가 들어있는 플라스크에 목재펄프, 숙신산 무수물(SA) 및 피리딘을 첨가한 다음, 교반하면서 6시간 동안 가열한 후 원심분리기를 사용하여 탈이온수와 에탄올로 완전히 헹구고 NaOH 용액을 사용하여 중화시킴으로써, 석시닐화로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 제조하였다. 그런 다음, ACC 시스템(CNNT Co., Ltd., 한국)을 이용하여 최종적으로 1 중량%의 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 분산액을 제조하였다. 상기 제조된 SCNF의 직경은 약 5 내지 7 nm이었다.
단계 2: PLA/SCNF 복합플라스틱의 제조
DCM에 5중량%의 PLA가 용해된 PLA 용액과, 농도 1중량%의 SCNF 분산액을 준비하였다. 상기 PLA 용액의 전체 PLA 대비 각각 1중량%, 1.5중량%, 2중량%, 2.5중량% 및 3중량%가 되도록 SCNF 분산액을 혼합하여 에멀젼 용액으로 안정화시켰다. 이때, 상기의 피커링 에멀젼 방식을 통해 계면활성제 대신 작은 고체 입자를 사용하여 소수성/친수성의 계면에서의 계면 장력을 감소시켜 안정화된 에멀젼을 제조할 수 있다. 이후 상기 에멀젼 용액은 호모게나이저(Homogenizer)와 소니케이터(Ultrasonicator)로 각각 2분, 1분씩 처리하여 에멀젼 용액을 제조하였다. 그런 다음 상기 에멀젼 용액을 유리 페트리 접시(glass petri dish)에 캐스팅(casting)하여 유기용매와 물을 모두 건조시켜 복합소재를 제조하였다. 상기 건조된 복합소재는 블랜더를 이용하여 약 3∼5㎜ 길이의 조각으로 분쇄하고, TSE 장비를 통해 최종 복합화를 진행하여, PLA/SCNF 복합플라스틱을 제조하였다.
<실시예 6> PLA/CNF 복합플라스틱 제조
DCM에 PLA 5중량%가 용해된 PLA 용액에, CNF 2중량%를 포함하는 CNF 분산액을 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, PLA/CNF 복합플라스틱을 제조하였다.
<실시예 7∼9> PLA/SCNC 복합플라스틱 제조
석시닐화 셀룰로오스 나노결정(Succinylated Cellulose Nanocrystal, SCNC)을 준비하고, DCM에 PLA 5중량%가 용해된 PLA 용액과 전체 PLA 대비 1중량%, 2중량% 및 3중량%가 되도록 하는 SCNC를 포함하는 분산액을 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, PLA/SCNC 복합플라스틱을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 PLA/SCNF 복합플라스틱의 제조단계에서, DCM에 PLA 5중량%가 용해된 PLA 용액과 용해된 PLA 대비 SCNF가 2중량%가 되도록 하는 농도 1중량%의 SCNF 분산액을 혼합하여 에멀젼 용액을 제조하되, 상기 PLA 용액 100㎖과 SCNF 분산액 200㎖를 혼합하여, 오일-인-워터(oil-in-water, O/W) 제형의 에멀전 용액으로 안정화시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<실시예 10∼14> PLA/SChNF 복합플라스틱 제조
단계 1: 키틴 나노섬유의 표면개질 및 나노섬유화(SChNF 제조)
숙신산 무수물(SA)을 녹인 DMF에 키틴과 피리딘을 첨가한 후 6시간 동안 120℃의 온도에서 가열하면서 반응시킨다. 그 후, 원심분리기를 이용하여 탈이온수와 에탄올로 키틴을 완전히 세척하고 NaOH 용액으로 키틴 분산액을 중화시켜 표면개질된 키틴 분산액을 제조하였다. 표면개질된 키틴은 ACC 시스템(CNNT CO., Ltd., 한국)에 의해 최종적으로 나노섬유화(SChNF)되었다.
단계 2: PLA/키틴 나노섬유 복합플라스틱(PLA/SChNF)의 제조
PLA/SChNF 복합플라스틱은 피커링 에멀젼 방식과 TSE 장비를 복합적으로 이용해 제조하였다. DCM에 PLA 5중량%가 용해된 PLA 용액을 준비하고, SChNF 1중량%를 포함하는 SChNF 분산액을 제조하였다. 상기 PLA 용액 200㎖에 용해된 PLA 대비 SChNF가 1 중량%, 2 중량% 및 3 중량%가 되도록 SChNF 분산액을 각각 5㎖, 10㎖ 및 15㎖를 첨가하여, 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형의 피커링 에멀젼 용액으로 안정화시켰다. 이후 상기 에멀젼 용액은 호모게나이저(Homogenizer)와 소니케이터(Ultrasonicator)로 각각 2분, 1분씩 처리하여 에멀젼 용액을 제조하였다. 그런 다음 상기 에멀젼 용액을 유리 페트리 접시(glass petri dish)에 캐스팅(casting)하여 유기용매와 물을 모두 건조시켜 복합소재를 제조하였다. 상기 건조된 복합소재는 블랜더를 이용하여 약 3∼5㎜ 길이의 조각으로 분쇄하고, TSE 장비를 통해 최종 복합화를 진행하여, PLA/SChNF 복합플라스틱을 제조하였다.
<실시예 15> PLA/ChNF 복합플라스틱 제조
DCM에 PLA 5중량%가 용해된 PLA 용액과 ChNF 2중량%를 포함하는 분산액을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, PLA/ChNF 복합플라스틱을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 10의 PLA/SChNF 복합플라스틱 제조단계에서 DCM에 PLA 5중량%가 용해된 PLA 용액과 농도 1중량%의 SChNF 분산액을 제조하고, 상기 PLA 용액 100㎖에 SChNF 분산액 200㎖를 혼합하여, 에멀전 용액으로 안정화시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<실시예 16> PLA+PHA/SCNF 복합플라스틱 제조
DCM에 PLA 3중량% 및 PHA 2중량%가 용해된 PLA+PHA 용액과 SCNF 2중량%를 포함하는 분산액을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, PLA+PHA/SCNF 복합플라스틱을 제조하였다.
<실시예 17> PLA+PHA/SChNF 복합플라스틱 제조
DCM에 PLA 3중량% 및 PHA 2중량%가 용해된 PLA+PHA 용액과 SChNF 2중량%를 포함하는 분산액을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, PLA+PHA/SChNF 복합플라스틱을 제조하였다.
실험예 1> 전처리에 따른 에멀전 평가
1. 셀룰로오스 나노섬유 전처리에 따른 평가
도 1은 셀룰로오스 나노섬유 전처리에 따른 특성을 평가한 결과이다. 구체적으로, (a)는 전처리되지 않은 순수한 셀룰로오스 나노섬유(Pulp)로서, 용액 내에 고르게 분산되지 못하고 가라앉은 것을 확인하였고, (b)는 석시닐화(SA)로 처리된 셀룰로오스 나노섬유로서 균일하게 분산되었으나 크기에 의해 탁한 반투명의 색을 갖는 것을 관찰하였다. (c)는 SA 및 ACC 처리된 셀룰로오스 나노섬유로서 직경과 크기가 더 작은 상태로 균일하게 분산되어 안정적인 분산상을 형성하였다.
도 2는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 1중량%, 2중량% 및 3중량%가 포함되어 제조된 실시예 1, 3 및 5의 PLA/SCNF 에멀젼 용액에 있어서, SCNF의 함량이 3중량% 함유된 경우는 PLA와 SCNF의 극성 차이에 의해 두 소재간 혼화성이 떨어져 상 분리가 관찰되었다.
도 3은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 제조방법에서 PLA/CNF 2중량%(실시예 6) 및 PLA/SCNF 2중량%(실시예 3) 필름 단면에 대한 SEM 이미지로서, 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 대비, 상기 CNF를 석시닐화(SA)에 의한 표면개질 후 나노섬유화(SCNF)가 진행됨에 따라, 더 미세하고 균일한 크기로 피커링 크기가 형성된 것으로 확인되었다.
2. 키틴 나노섬유 전처리에 따른 평가
도 4는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱 제조방법에 있어서, 키틴의 전처리에 따른 주사전자현미경(Scanning electron microscope) 이미지이다.
구체적으로, (a)는 원료 ChNF, (b)는 석시닐화를 거친 SChNF이고, (c)는 최종적으로 ACC를 통해 나노섬유화가 진행된 SChNF이며, 상기 결과로부터 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질 및 나노섬유화 후 최종적으로 균일하게 약 5 내지 20 nm의 직경을 가지는 SChNF를 확인하였다.
<실험예 2> 에멀전 제형에 따른 PLA 기반
복합플라스틱의 기계적 물성 평가
1. 에멀전 제형에 따른 PLA 기반 복합플라스틱의 이미지 분석
도 5는 본 발명의 제형별 에멀전 용액의 제조공정을 도시한 것이다. 그에 따라 제조된 에멀전 제형에 따른 기계적물성을 평가하였다.
도 6은 PLA/셀룰로오스(PLA/SCNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 3 및 비교예 1의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy)을 이용하여 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지이다.
에멀젼 용액에 대한 공초점 현미경 촬영은 염색제의 용매별 용해에 따른 형광특성을 판별할 수 있는데, 상기 염색제(Fluorescein)는 증류수(DI water)에서 용해성이 있어 형광색을 내는 반면, 유기용매(DCM)에서는 용해성이 없으므로 형광색을 내지 않는다.
따라서, 도 6의 공초점 현미경 이미지를 통해, 실시예 3의 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형의 에멀젼 용액은 PLA/DCM 용액이 구형의 형광색을 내는 SCNF 분산액(suspension)을 감싼 형상인 반면, 비교예 1의 오일-인-워터(oil-in-water, O/W) 제형은 형광색의 SCNF 분산액(suspension)이 검은색의 구형 PLA/DCM 용액을 감싸는 형상으로 반전된 구조이다.
이러한 구조는 도 6의 유기용매 및 물이 완전건조된 시트 단면의 SEM 이미지에서 실시예 3(W/O 제형)의 에멀젼 용액으로부터 제조된 복합플라스틱은 PLA 매트릭스 내에 미세한 구형의 셀룰로오스 나노섬유가 균일하게 분산된 형태인 반면, 비교예 1(O/W 제형)의 경우 물이 건조된 셀룰로오스가 매트릭스인 구형의 PLA를 감싼 형상으로 관찰되었다.
도 7은 PLA/키틴(PLA/SChNF 2중량%) 복합플라스틱 제조에 있어서, 실시예 12 및 비교예 2의 에멀전 용액에 대하여 상단은 공초점 현미경(Confocal microscopy)을 이용하여 이미지이고, 하단은 용매를 완전건조한 시트 단면의 SEM 이미지를 나타낸 것으로, 도 2와 동일한 결과를 확인하였다.
따라서, PLA 기반의 복합플라스틱 제조에 있어서, 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형기반의 에멀전 용액으로부터 얻어진 복합플라스틱은 PLA 매트릭스 내 셀룰로오스 나노섬유 또는 키틴 나노섬유의 분산성을 균일하게 하며, 복합화 함으로써, PLA와의 수소결합을 통해 복합플라스틱의 기계적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
2. 에멀전 제형에 따른 PLA 기반 복합플라스틱의 기계적 물성평가
상기 에멀전 제형에 따른 PLA/셀룰로오스(PLA/SCNF 2중량%) 복합플라스틱 및 PLA/키틴(PLA/SChNF 2중량%) 복합플라스틱의 기계적 물성 측정결과를 하기 표 1에 기재하고 도 8 및 도 9에 도시하였다.
상기 표 1의 결과로부터, PLA 기반 복합플라스틱의 제조에 있어서, W/O 제형 또는 O/W 제형에 따른 탄성계수 및 인장강도 차이는 크게 없으나, W/O 제형의 경우 현저한 연신율 증가를 확인하였으며, 연신율에 따른 인성 역시 획기적으로 증가하였다.
따라서, W/O 제형기반의 에멀전 용액으로부터 제조된 복합플라스틱의 기계적 물성의 향상 결과는 PLA 매트릭스 내부에 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 또는 키틴 나노섬유(SChNF)가 균일하게 분산되었음을 뒷받침한다.
도 8 및 도 9에 도시된 결과 역시 W/O 제형기반의 에멀전 용액으로부터 제조된 복합플라스틱의 경우, O/W 제형의 복합플라스틱보다 기계적 물성이 현저히 우수한 결과를 확인할 수 있다.
<실험예 3> 천연고분자 함량에 따른 PLA 기반
복합플라스틱의 기계적 물성 평가
1. 셀룰로오스 나노섬유 함량에 따른 PLA 기반 복합플라스틱의 기계적 물성
상기 실시예 1∼9에서 제조된 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 이때, 인장시험은 만능재료시험기(universal testing machine, UTM)(AMETEK, LS5, USA)을 이용하여 측정하였고, 시편은 ASTM D638에 준하는 규격으로 준비하였다. 길이는 75㎜, 폭 6㎜, 두께 2㎜이며 1㎜/min의 속도로 인장 변형을 가하였다.
또한, 도 10 및 도 11은 셀룰로오스 나노섬유 또는 셀룰로오스 나노결정 함량별 제조된 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과를 도시하였다.
상기 표 2 및 도 10을 참고하면, 순수 PLA(NEAT PLA)는 소재 고유의 취성으로 인해 연신율이 4.8%에 불과한 결과에 비해, 본 발명의 실시예 1 내지 5에서 제조된 PLA/SCNF 복합플라스틱 경우, 연신율이 적게는 약 5 배, 많게는 약 24배 정도 늘어남을 확인할 수 있었다.
이때, PLA 대비 SCNF 함량이 2중량% 포함될 때 가장 우수한 연신율을 보인 반면에, SCNF의 함량이 3중량%일 때, 2중량% 보다 기계적 물성이 저하되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 일반적인 복합체 시스템에서 강화제의 첨가량이 증가할수록 매트릭스 수지 내에서의 분산이 어려워지며 이로 인해 기계적 물성이 감소한다는 결과를 뒷받침한다. 따라서, PLA 매트릭스 내에 SCNF의 함량이 2중량%일 때 향상된 기계적 물성이 극대화된 것을 확인할 수 있는데, 이는 PLA 매트릭스 내에 골고루 분산될 수 있는 SCNF 최적 함량임을 의미한다.
본래 PLA와 SCNF간의 극성 차이로 인해 약한 계면 접착력을 갖지만, 본 발명에서는 피커링 에멀젼 방식을 기반으로 복합플라스틱을 제조하였기 때문에, 그로부터 제조된 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱의 기계적 강도(특히, 연신율 및 인성 향상)을 보임으로써, PLA와 SCNF간의 혼화성 문제를 극복하였음을 확인하였다.
또한, 실시예 6에서 제조된 PLA/CNF 복합플라스틱 역시 순수 PLA 대비 CNF 2중량% 포함될 때, 19배 향상된 연신율을 보였다.
상기 표 1과 도 11을 참고하면, 일반적으로 CNF보다 종횡비가 작다고 알려진 CNC의 PLA 복합플라스틱 강화효과는 CNF에 비해 작은 것으로 확인되었으나, 순수 PLA 대비 SCNC 함량 1 내지 3중량% 포함된 복합플라스틱 모두 순수 PLA 대비 연신율이 향상되었다.
2. 키틴 함량에 따른 PLA 기반 복합플라스틱의 기계적 물성
상기 실시예 10∼15에서 제조된 PLA/키틴 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과를 하기 표 3에 기재하였다.
또한, 도 12는 키틴 나노섬유 함량별 제조된 PLA/키틴 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과를 도시하였다.
상기 표 3 및 도 12의 결과로부터, 순수 PLA(NEAT PLA)는 소재 고유의 취성으로 인해 연신율이 약 4.8%에 불과한 결과에 비해, 본 발명의 실시예 10 내지 14에서 제조된 PLA/SChNF 복합플라스틱의 경우, 연신율이 적게는 약 6 배, 많게는 약 74배 정도 늘어남을 확인할 수 있었다.
특히, SChNF가 2중량% 함유된 복합플라스틱의 경우 다른 복합플라스틱보다 현저히 높은 351.8%의 연신율을 보이므로, PLA 매트릭스 내에 SChNF의 함량은 1 내지 3중량%, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 2.5 중량%로 최적화된다. 이때, SChNF 함량이 3중량%일 때, 기계적 물성이 저하되는 결과를 보이는데 이는 일반적인 복합체 시스템에서 강화제의 첨가량이 증가할수록 매트릭스 수지 내에서의 분산이 어려워지며 이로 인해 기계적 물성이 감소한다는 결과를 뒷받침한다.
또한, 실시예 15에서 제조된 PLA/ChNF 복합플라스틱 역시 순수 PLA 대비 6배 향상된 연신율을 보였다.
3. 생분해성 고분자 혼합에 따른 PLA 기반 복합플라스틱의 기계적 물성
상기에서 확인된 최적함량을 포함하고 실시예 16∼17에서 제조된 PLA 기반 복합플라스틱에 대한 인장시험 결과를 도 13 및 도 14에 도시하였다.
그 결과, PLA/CNF 2중량% 복합플라스틱 대비 PLA+PHA/CNF 2중량% 복합플라스틱의 기계적 물성의 현저한 증가를 확인하였다.
또한, PLA+PHA/CNF 2중량% 복합플라스틱은 PLA/ChNF 2중량% 복합플라스틱과 대등한 기계적 물성의 우수성을 확인하였다.
<실험예 4> 천연고분자 함량에 따른 PLA 기반
복합플라스틱의 표면 평가
상기 실시예에 제조된 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 및 PLA/키틴 복합플라스틱에 있어서, 각각의 천연고분자인 셀룰로오스 또는 키틴의 1중량%, 2중량% 및 3중량% 포함된 복합플라스틱의 외관 또는 단면을 평가하였다.
도 15는 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱 및 PLA/키틴 복합플라스틱에 있어서, 셀룰로오스 또는 키틴 함량별 제조된 각 복합플라스틱의 성형물품 이미지로서, 상기 셀룰로오스 또는 키틴 함량이 증가할수록 색이 진하게 나타나는데, 이러한 결과는 이축압출기를 통해 압출되는 과정에서 셀룰로오스 또는 키틴의 열화에 따른 결과로 예상된다.
도 16은 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱에 대한 인장시험을 수행한 시편 이미지이고, SChNF가 2중량% 함유된 복합플라스틱의 경우 1중량 및 3중량% 함유된 복합플라스틱보다 현저하게 연신율이 높은 재료임을 육안으로 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 PLA/셀룰로오스 복합플라스틱에서 셀룰로오스 나노섬유(SCNF) 함량에 따라 제조된 복합플라스틱의 인장시험 전의 단면 SEM 이미지이고, 도 18은 도 17의 인장시험 후 파단면의 SEM 이미지이다. 상기 도면의 결과로부터, 피커링 에멀젼 공정에 의해 복합화된 안정적인 네트워크를 형성할 수 있고 특히, PLA 대비 SCNF 2중량% 함량의 PLA/SCNF 복합플라스틱의 경우 매우 치밀한 네트워크를 확인할 수 있다.
또한, 인장시럼 후 파단면은 순수 PLA의 경우 취성의 특성으로 인한 깔끔한 파단면 대비 거친 표면을 확인함으로써, PLA 매트릭스 내에 고르게 분산된 SCNF가 인장력을 효과적으로 분산시킨다는 것을 뒷받침한다.
또한, 도 19는 본 발명의 PLA/키틴 복합플라스틱에서 키틴 함량에 따른 PLA/SChNF 복합플라스틱의 인장시험 후의 파단면 SEM 이미지로서, 순수 PLA는 취성의 특성인 비교적 깔끔한 파단면 갖는 반면, PLA/ShCNF 복합플라스틱의 파단면은 매우 거친 표면을 확인하였다.
<실험예 5> 용융흐름지수(MFI) 평가
상기 PLA 기반 복합플라스틱에 대한 용융흐름지수(Melt flow index, MFI)를 평가하였다. 상기 용융흐름지수는 압출 공정에서의 공정성을 평가하는 중요한 평가 요인으로서, 용융된 고분자가 특정한 조건에서 얼마나 용이하게 흐르는지를 수치화하여 나타낸 것이다. 이때, MFI 수치가 기준에 도달하지 못하면 성형된 압출물이 형태를 유지하는 용융강도가 부족하여 제품을 압출하기 어렵게 된다.
도 20은 본 발명의 PLA 기반 복합플라스틱에 대한 용융흐름지수 평가결과로서, 통상 블로운 필름(Blown film) 제품으로 사용하는 고분자들의 MFI가 보통 1 내지 10임을 감안할 때, PLA/SCNF 2중량% 복합플라스틱은 8.81, PLA/ShCNF 2중량% 복합플라스틱은 1.66 값을 확인함으로써, 본 발명의 PLA 기반의 복합플라스틱은 블로운 필름 등으로 활용 가능하다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (21)
- 유기용매에 용해된 폴리락트산(Polylactic acid, PLA)을 포함한 생분해성 고분자용액에, 천연고분자가 수계에 분산된 분산액을 혼합하여 워터-인-오일(water-in-oil, W/O) 제형기반의 피커링 에멀젼 용액으로 안정화시키는 제1단계,
상기 에멀젼 용액을 건조하여 복합소재를 제조하는 제2단계 및
상기 복합소재를 성형하는 제3단계;를 포함하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자가 폴리락트산(Polylactic acid, PLA) 단독 또는 상기 폴리락트산에 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoates, PHA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트-아디페이트(Polybutylenesuccinate-coadipate, PBSA), 폴리부틸렌숙시네이트-테레프탈레이트(polybutylene succinate adipate-co-terephthalate, PBSAT), 알리파틱 폴리에스테르(aliphatic polyester, AP), 폴리에틸렌숙시네이트(polyetylene succinate, PES), 폴리부틸렌숙시네이트(polybutylene succinate, PBS), 폴리비닐알콜(Poly(vinyl alcohol, PVA), 폴리글리콜산(poly glycolic acid, PGA), 폴리락트산-글리콜산-공중합물(Poly lactic-co-glycolic Acid, PLGA) 및 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 변성 전분수지 및 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 천연고분자가 셀룰로오스, 키틴, 키토산, 덱스트린, 덱스트란(dextran), 글리코겐, 플루란, 젤라틴 및 펙틴으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 천연고분자가 나노 셀룰로오스, 셀룰로오스 나노결정, 나노 키틴 및 키틴 나노결정으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액이 천연고분자 원재료를 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질한 후 ACC(aqueous counter collision) 방법을 이용하여 나노섬유화로 전처리된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액이 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유 또는 표면개질된 키틴 나노섬유가 함유된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유가 5 내지 7 nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 표면개질된 키틴 나노섬유가 5 내지 50 nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유기용매에 용해된 PLA를 포함한 생분해성 고분자용액 100 중량부에 대하여, 상기 천연고분자가 수계에 분산된 분산액 5 내지 10 중량부로 첨가하여 W/O 제형기반의 에멀젼 용액으로 안정화시키는 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 천연고분자가 1 내지 3중량% 미만으로 포함된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 천연고분자가 1.5 내지 2.5중량% 포함된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유기용매가 다이클로로메테인(DCM), 클로로포름(Chloroform), 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran) 및 아세톤(acetone)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱의 제조방법.
- PLA를 포함한 생분해성 고분자 매트릭스에 천연고분자가 분산되어 복합화되어 기계적물성이 강화된 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제13항에 있어서, 상기 생분해성 고분자가 폴리락트산(Polylactic acid, PLA) 단독 또는 상기 폴리락트산에 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoates, PHA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트-아디페이트(Polybutylenesuccinate-coadipate, PBSA), 폴리부틸렌숙시네이트-테레프탈레이트(polybutylene succinate adipate-co-terephthalate, PBSAT), 알리파틱 폴리에스테르(aliphatic polyester, AP), 폴리에틸렌숙시네이트(polyetylene succinate, PES), 폴리부틸렌숙시네이트(polybutylene succinate, PBS), 폴리비닐알콜(Poly(vinyl alcohol, PVA), 폴리글리콜산(poly glycolic acid, PGA), 폴리락트산-글리콜산-공중합물(Poly lactic-co-glycolic Acid, PLGA) 및 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 변성 전분수지 및 열가소성 전분(thermoplastic starch, TPS)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제13항에 있어서, 상기 천연고분자가 상기 천연고분자의 나노섬유 또는 나노결정 형태인 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제15항에 있어서, 상기 천연고분자가 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질된 후 나노섬유화된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제16항에 있어서, 상기 천연고분자가 석시닐화 또는 카르복실화로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유 또는 키틴 나노섬유인 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제13항에 있어서, 상기 천연고분자가 1 내지 3중량% 미만으로 포함된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제13항에 있어서, 상기 천연고분자가 1.5 내지 2.5중량% 포함된 것을 특징으로 하는 PLA 기반 복합플라스틱.
- 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 PLA 기반 복합플라스틱으로 성형된 성형물품.
- 제20항에 있어서, 상기 성형물품이 사출성형품; 열가공품; 및 압출성형 또는 블로잉성형용 필름;으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징을 하는 성형물품.
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| Polymer (Korea), Vol. 42, No. 4, pp. 649-653 (2018) |
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| CN117210285A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-12-12 | 沁襄新材料(广州)有限公司 | 一种除油抑菌清洗剂及其制备方法 |
| CN117210285B (zh) * | 2023-09-12 | 2024-04-09 | 沁襄新材料(广州)有限公司 | 一种除油抑菌清洗剂及其制备方法 |
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