KR20240037528A - Ecofriendly polymer composite comprising microalgae and having improved mechanical properties and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매트릭스로서 에스터기를 포함하는 고분자; 상기 고분자 매트릭스에서 분산상을 형성하는 미세조류; 및 상기 미세조류와 고분자 매트릭스 사이에서 가교 결합을 형성하는 반응성 상용화제를 포함하는 친환경 복합체 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고분자 수지 및 미세조류의 배합시에 반응성 상용화제를 첨가하고 용융 혼합 및 압축 성형을 소정의 온도 범위에서 수행함으로써 고분자 수지와 미세조류 사이의 반응 증가를 유도하여 계면접착력을 개선할 수 있으며, 이를 통해 기계적 물성 및 가공성을 향상시킬 수 있다.
The present invention relates to a polymer containing an ester group as a matrix; Microalgae forming a dispersed phase in the polymer matrix; and a reactive compatibilizer that forms cross-links between the microalgae and the polymer matrix, and a method for producing the same.
According to the present invention, when mixing polymer resin and microalgae, a reactive compatibilizer is added and melt mixing and compression molding are performed in a predetermined temperature range to induce an increase in reaction between the polymer resin and microalgae to improve interfacial adhesion. Through this, mechanical properties and processability can be improved.

Description

기계적 물성이 향상된 미세조류-포함 친환경 복합체 및 그 제조 방법{ECOFRIENDLY POLYMER COMPOSITE COMPRISING MICROALGAE AND HAVING IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES AND PREPARATION METHOD THEREOF}Microalgae-containing eco-friendly composite with improved mechanical properties and method for manufacturing the same {ECOFRIENDLY POLYMER COMPOSITE COMPRISING MICROALGAE AND HAVING IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 바이오매스인 미세조류를 포함하는 친환경 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 수지에 대한 미세조류의 분산성 및 계면접착력을 개선하여 기계적 물성 및 가공성을 향상시킨 친환경 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an eco-friendly composite containing microalgae, which is biomass, and a method for manufacturing the same. More specifically, an eco-friendly composite with improved mechanical properties and processability by improving the dispersibility and interfacial adhesion of microalgae to polymer resin, and a method for manufacturing the same. It's about the manufacturing method.

화석연료를 기반으로 하는 합성 고분자를 대체하기 위해 바이오매스를 이용한 친환경 고분자 또는 바이오플라스틱 소재가 개발되고 있다. 상기 바이오매스로 옥수수, 볏짚 등 농업 폐자원류나 목분, 톱밥, 종이, 펄프류 등 천연 폐자원류가 주로 사용되고 있는데, 이들의 주성분인 셀룰로오스는 고분자 소재와 상용성이 낮아 물성 향상이 어렵다. To replace synthetic polymers based on fossil fuels, eco-friendly polymers or bioplastic materials using biomass are being developed. As the biomass, agricultural waste resources such as corn and rice straw or natural waste resources such as wood flour, sawdust, paper, and pulp are mainly used, and cellulose, the main component of these, has low compatibility with polymer materials, making it difficult to improve physical properties.

한편 또 다른 바이오매스로서 미세조류(microalgae)의 활용이 연구되고 있다. 미세조류는 수중에 서식하는 단세포 광합성 생물로서, 단백질, 지질, 비타민 및 기타 영양 보충물을 다량 함유하고 있어 건강 식품의 원료로 사용되어 왔는데, 최근 바이오디젤, 바이오-수소 생산 및 연료 가스로부터 CO2를 제거하는 용도로 주목받고 있다. 보다 구체적으로, 미세조류는 육상 식물에 비해 영양분과 CO2 흡수율이 높고, 생장률이 높아 안정적 조건에서 대량 생산될 수 있으며, 특히 생장 조건에 따라 표면 물성의 조절이 가능하여 셀룰로오스가 주성분인 바이오매스와 달리 고분자 소재와 상용성을 확보할 수 있는 친환경 소재로서 연구되고 있다. Meanwhile, the use of microalgae as another biomass is being studied. Microalgae are single-celled photosynthetic organisms that live in water and contain large amounts of proteins, lipids, vitamins and other nutritional supplements, so they have been used as raw materials for health foods. Recently, they have been used as raw materials for biodiesel, bio-hydrogen production and CO 2 from fuel gas. It is attracting attention for its use in removing . More specifically, microalgae have a higher absorption rate of nutrients and CO 2 compared to land plants, and have a high growth rate, so they can be mass-produced under stable conditions. In particular, their surface properties can be adjusted according to growth conditions, so they can be used in biomass and biomass mainly composed of cellulose. In contrast, it is being studied as an eco-friendly material that can secure compatibility with polymer materials.

이러한 장점에도 불구하고, 미세조류는 일부 고분자 소재와 배합될 때 기계적 물성 및 가공성을 저하시키는 거동을 나타내어 그 활용에 한계가 있다. 예컨대, 미세조류를 폴리락트산(PLA)와 배합하여 복합체를 제조한 시도가 있었으나, 상기 복합체에서 미세조류의 함량을 40중량%까지 증가하는 경우 PLA의 연신율이 3% 미만으로 급격히 떨어져 취성(brittle)의 소재로 만들었다(참조: Mindaugas Bulota, Tatiana Budtova, PLA/algae composites: Morphology and mechanical properties, Composites: Part A 73 (2015) 109-115). 또 다른 연구에서는 복합체 소재의 연성을 유지하기 위해 바이오매스 함량을 30%로 제한하였으나(참조: Simonet Torres, et al., Green Composites from Residual Microalgae Biomass and Poly(butylene adipate-co-terephthalate): Processing and Plasticization, ACS Sustainable Chem. Eng. 2015, 3, 614624), 여전히 연신율이 낮고 취성이 높아 시편 몰딩이 어려운 한계가 있다.Despite these advantages, microalgae exhibit a behavior that reduces mechanical properties and processability when mixed with some polymer materials, which limits their use. For example, there was an attempt to manufacture a composite by mixing microalgae with polylactic acid (PLA), but when the content of microalgae in the composite was increased to 40% by weight, the elongation of PLA dropped sharply to less than 3%, making it brittle. (Reference: Mindaugas Bulota, Tatiana Budtova, PLA/algae composites: Morphology and mechanical properties, Composites: Part A 73 (2015) 109-115). Another study limited the biomass content to 30% to maintain the ductility of the composite material (see Simonet Torres, et al., Green Composites from Residual Microalgae Biomass and Poly(butylene adipate-co-terephthalate): Processing and Plasticization, ACS Sustainable Chem. Eng. 2015, 3, 614624), there are still limitations that make specimen molding difficult due to low elongation and high brittleness.

한편, HDPE 수지에 옥수수(cornstarch)계 바이오매스를 혼합한 복합소재에 폴리프로필렌-그래프트 말레산 무수물(polypropylene-graft maleic anhydride, PP-g-MA) 또는 폴리에틸렌-그래프트 말레산 무수물(polyethylene-graft maleic anhydride, PE-g-MA)를 3phr을 첨가하여 인장강도를 증가시키는 시도가 있었다(참조: Bo Chen et al, Corncob residual reinforced polyethylene composites considering the biorefinery process and the enhancement of performance, Journal of Cleaner Production 198 (2018) 452e462 453). 하지만, 상기 복합소재는 연성이 급격이 낮아져 오토클레이브(autoclave) 가공처럼 변형이 매우 낮은 성형 가공에만 제한적으로 적용하였다.Meanwhile, polypropylene-graft maleic anhydride (PP-g-MA) or polyethylene-graft maleic anhydride (PP-g-MA) is added to a composite material that is a mixture of HDPE resin and cornstarch-based biomass. An attempt was made to increase the tensile strength by adding 3 phr of anhydride (PE-g-MA) (Reference: Bo Chen et al, Corncob residual reinforced polyethylene composites considering the biorefinery process and the enhancement of performance, Journal of Cleaner Production 198 ( 2018) 452e462 453). However, since the ductility of the composite material was drastically reduced, it was limited to molding processing with very low deformation, such as autoclave processing.

또 다른 예로, PBS에 셀룰로오스 섬유를 10중량% 또는 70중량%로 배합한 소재가 개발되었으나, 상기 섬유 입자와 고분자 간에 상용성이 없어 기계물성이 급격히 떨어지며(연신률 <5%), 취성으로 인해 가공성이 급격히 떨어졌다(참조: Liang Zhao et al., A novel approach to fabricate fully biodegradable poly(butylene succinate) biocomposites using a paper-manufacturing and compression molding method, Composites Part A 139 (2020) 106117).As another example, a material was developed in which 10% or 70% by weight of cellulose fibers were mixed with PBS, but due to incompatibility between the fiber particles and the polymer, mechanical properties rapidly deteriorated (elongation rate <5%), and processability was impaired due to brittleness. fell sharply (Reference: Liang Zhao et al., A novel approach to fabricate fully biodegradable poly(butylene succinate) biocomposites using a paper-manufacturing and compression molding method, Composites Part A 139 (2020) 106117).

따라서, 미세조류의 장점과 고분자 소재의 기계적 물성을 유지하는 상승적 효과를 구현할 수 있는 복합 소재의 개발이 요구된다.Therefore, the development of composite materials that can realize the synergistic effect of maintaining the advantages of microalgae and the mechanical properties of polymer materials is required.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미세조류 분산성을 높여 접촉면적을 높이고 미세 조류와 고분자 수지 사이의 높은 반응을 유도하여 계면접착력을 개선함으로써 기계적 물성 및 가공성이 향상된 친환경 복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to solve the problems of the prior art, by increasing the dispersibility of microalgae, increasing the contact area, and inducing a high reaction between microalgae and polymer resin to improve interfacial adhesion, thereby creating an eco-friendly product with improved mechanical properties and processability. To provide a composite and a method for manufacturing the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에서 분산상을 형성하는 미세조류를 포함하고, 상기 미세조류의 함량이 전체 중량을 기준으로 5 중량% 초과 70 중량% 이하인 친환경 복합체가 제공된다. 또한, 미세조류와 고분자 수지 전체 중량 기준으로 반응성 상용화제를 0.6 ~ 2 phr 첨가한다. 여기에서 'phr'은 'parts per hundred resin'의 약자로서 미세조류와 고분자 수지 전체 중량을 100 중량부로 하였을 때 반응성 상용화제가 0.6 ~ 2 중량부 첨가된다는 의미이다. According to one aspect of the invention, a matrix comprising polyethylene vinyl acetate (EVA); And an eco-friendly composite comprising microalgae forming a dispersed phase in the matrix, wherein the content of the microalgae is more than 5% by weight and less than 70% by weight based on the total weight, is provided. Additionally, 0.6 to 2 phr of reactive compatibilizer is added based on the total weight of microalgae and polymer resin. Here, 'phr' is an abbreviation for 'parts per hundred resin' and means that 0.6 to 2 parts by weight of reactive compatibilizer is added when the total weight of microalgae and polymer resin is 100 parts by weight.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 친환경 복합체를 제조하는 방법으로서, (S1) 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 미세조류를 각각 건조하여 혼합기에 투입한 후, 상기 EVA의 융점 초과 내지 100

Figure pat00001
이하의 온도에서 용융 혼합하는 단계, 및 (S2) 상기 용융 혼합물을 압축 성형하고 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 미세조류는 복합체 전체 중량의 5 중량% 초과 내지 70 중량% 이하의 함량으로 사용되는 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, as a method of manufacturing the eco-friendly composite, (S1) polyethylene vinyl acetate (EVA) and microalgae are each dried and added to a mixer, and then the melting point of the EVA exceeds 100
Figure pat00001
Melt mixing at a temperature below, and (S2) compression molding and cooling the molten mixture, wherein the microalgae is used in an amount of more than 5% by weight and less than 70% by weight of the total weight of the composite. Provides a method.

본 발명에 따르면, 고분자 수지 및 미세조류의 배합시에 반응성 상용화제를 첨가하고 용융 혼합 및 압축 성형을 소정의 온도 범위에서 수행함으로써 미세조류 분산을 향상시키고, 고분자 수지와 미세조류 사이의 반응 증가를 유도하여 계면접착력을 개선할 수 있으며, 이를 통해 기계적 물성 및 가공성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, when mixing polymer resin and microalgae, a reactive compatibilizer is added and melt mixing and compression molding are performed in a predetermined temperature range to improve microalgae dispersion and increase the reaction between polymer resin and microalgae. Interfacial adhesion can be improved by induction, and through this, mechanical properties and processability can be improved.

도 1은 실시예 1에서 반응성 상용화제로 사용된 디큐밀 퍼옥사이드(DCP)를 EVA 수지 및 EVA/HS2 복합체에 첨가시의 반응성 및 구조변화를 화학적으로 확인한 FT-IR 결과이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량 및 몰딩 온도에 따른 모폴로지 변화를 보여주는 SEM 이미지이다[(a) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=120℃; (b) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=150℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (d) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃].
도 3은 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체의 HS2 함량 및 몰딩 온도 증가에 따른 시편 단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (d) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].
도 4는 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체의 DCP 함량, HS2 함량 및 몰딩 온도에 따른 기계적 물성(인장강도)의 변화를 나타낸 것이다[(a) HS2 10wt%, mold T=150℃; (b) HS2 30wt%, mold T=180℃].
도 5는 EVA 수지(a) 및 EVA/HS2 복합체(b)에 첨가된 DCP 함량 및 몰딩 온도에 따른 유변물성의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체의 HS2 함량 및 몰딩 온도 증가에 따른 연신(50mm/min) 변형후 파단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].
도 7은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2(50wt%) 복합체의 DCP 함량 및 성형 온도에 따른 시편 단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) DCP 0phr, T=120℃, 연신 변형 전; (a) DCP 0phr, T=180℃, 연신 변형 후; (b) DCP 2phr, T=120℃, 연신 변형 전; (b) DCP 2phr, T=180℃, 연신 변형 후].
도 8은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2(70wt%) 복합체의 DCP 함량 및 성형 온도에 따른 시편 단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) DCP 0phr, T=120℃, 연신 변형 전; (a) DCP 0phr, T=180℃, 연신 변형 후; (b) DCP 2phr, T=120℃, 연신 변형 전; (b) DCP 2phr, T=180℃, 연신 변형 후].
도 9는 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량, HS2 함량 및 몰딩 온도에 따른 기계적 물성의 변화를 나타낸 것이다[(a) HS2 50wt%, 성형온도 (molding] T=180℃; (b) HS2 70wt%, 성형온도 T=180℃].
도 10은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량, HS2 함량 및 몰딩 온도에 따른 스트레스-스트레인(stress-strain) 거동 변화를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량 및 HS2 함량의 성형 가공성을 나타낸 것이다.
도 12는 대조군 PBAT/HS2(70wt%), 실시예 3에서 제조된 PBAT/ADR/HS2(70wt%) 및 PBAT/DCP/HS2(70wt%) 복합체의 모폴로지를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 13은 대조군 PBAT/HS2(70wt%)(neat로 표시), 실시예 3에서 제조된 PBAT/ADR/HS2(70wt%) 및 PBAT/DCP/HS2(70wt%) 복합체의 인장 강도(a) 및 항복(yield) 강도를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows FT-IR results chemically confirming the reactivity and structural change when dicumyl peroxide (DCP), used as a reactive compatibilizer in Example 1, is added to EVA resin and EVA/HS2 composite.
Figure 2 is an SEM image showing the change in morphology according to DCP content and molding temperature in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 [(a) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=120°C; (b) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=150℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (d) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃].
Figure 3 is an SEM image showing the cross section of the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 as the HS2 content and molding temperature increase [(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120°C; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (d) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].
Figure 4 shows the change in mechanical properties (tensile strength) of the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 according to the DCP content, HS2 content, and molding temperature [(a) HS2 10wt%, mold T=150°C ; (b) HS2 30wt%, mold T=180℃].
Figure 5 shows the change in rheological properties according to the DCP content and molding temperature added to the EVA resin (a) and EVA/HS2 composite (b).
Figure 6 is an SEM image showing the fracture surface of the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 after stretching (50 mm/min) as the HS2 content and molding temperature increased [(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].
Figure 7 is an SEM image showing a cross-section of a specimen according to the DCP content and molding temperature of the EVA/DCP/HS2 (50wt%) composite prepared in Example 2 [(a) DCP 0phr, T=120°C, before stretching deformation; (a) DCP 0phr, T=180℃, after stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=120℃, before stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=180℃, after stretching deformation].
Figure 8 is an SEM image showing a cross-section of a specimen according to the DCP content and molding temperature of the EVA/DCP/HS2 (70wt%) composite prepared in Example 2 [(a) DCP 0phr, T=120°C, before stretching deformation; (a) DCP 0phr, T=180℃, after stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=120℃, before stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=180℃, after stretching deformation].
Figure 9 shows changes in mechanical properties according to DCP content, HS2 content, and molding temperature in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 2 [(a) HS2 50wt%, molding temperature (molding] T=180°C ; (b) HS2 70wt%, molding temperature T=180℃].
Figure 10 shows changes in stress-strain behavior according to DCP content, HS2 content, and molding temperature in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 2.
Figure 11 shows the molding processability of the DCP content and HS2 content in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 2.
Figure 12 is an SEM image showing the morphologies of control PBAT/HS2 (70 wt%), PBAT/ADR/HS2 (70 wt%) and PBAT/DCP/HS2 (70 wt%) composites prepared in Example 3.
Figure 13 shows the tensile strength (a) of the control PBAT/HS2 (70 wt%) (denoted neat), PBAT/ADR/HS2 (70 wt%) and PBAT/DCP/HS2 (70 wt%) composites prepared in Example 3. It represents the yield strength.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 일 실시형태에 따른 친환경 복합체는 매트릭스로서 에스터기를 포함하는 고분자; 상기 고분자 매트릭스에서 분산상을 형성하는 미세조류; 및 반응성 상용화제를 포함한다.An eco-friendly composite according to an embodiment of the present invention includes a polymer containing an ester group as a matrix; Microalgae forming a dispersed phase in the polymer matrix; and reactive compatibilizers.

상기 미세조류(microalgae)는 수중에 서식하고, 단백질, 지질, 비타민, 기타 영양 보충물 등을 함유하는 단세포 광합성 생물이다. 보다 구체적으로, 상기 미세조류는 친수성이면서, 세포벽에 셀룰로오스 함량이 높고, 세포 표면에는 C=O 및 N-H 작용기를 갖는 단백질 성분이 존재하는 특성을 갖는다. 상기 미세조류에 함유된 고함량의 셀룰로오스는 다른 고분자와 배합시 미세조류 입자를 유지할 수 있고, 상기 단백질 성분의 작용기는 고분자 수지에 포함된 아민기 또는 에스터기와 부분적 친화력이 있어 분산성이 좋다.The microalgae are single-celled photosynthetic organisms that live in water and contain proteins, lipids, vitamins, and other nutritional supplements. More specifically, the microalgae are hydrophilic, have a high cellulose content in the cell wall, and have protein components with C=O and N-H functional groups on the cell surface. The high content of cellulose contained in the microalgae can maintain the microalgae particles when mixed with other polymers, and the functional group of the protein component has partial affinity with the amine group or ester group contained in the polymer resin, resulting in good dispersibility.

이에, 본 발명에서 상기 미세조류를 바이오매스 필러로 사용하며, 상기 미세조류 필러는 고분자 매트릭스의 연속상(continuous phase)과 경계면을 이루면서 분포되어 분산상(dispersive phase)을 형성한다.Accordingly, in the present invention, the microalgae is used as a biomass filler, and the microalgae filler is distributed at the interface with the continuous phase of the polymer matrix to form a dispersive phase.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 미세조류는 클로렐라(Chlorella) 속, 보트리오코커스(Botryococcus) 속, 두나리에라(Dunaliella) 속, 난노클로롭시스(Nannochloropsis) 속, 스피루나(Spirulina)속 및 할로클로로코쿰(Halochlorococcum) 속으로부터 하나 이상 선택되어 사용될 수 있다. 이 중에서, 클로렐라(Chlorella) 속이 빠른 성장 및 환경 변화에 대한 내성 측면에서 유리하게 사용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the microalgae include Chlorella genus, Botryococcus genus, Dunaliella genus, Nannochloropsis genus, Spirulina genus and Halo One or more selected from the genus Halochlorococcum may be used. Among these, the genus Chlorella can be advantageously used in terms of rapid growth and resistance to environmental changes.

본 발명에서, 상기 미세조류 분산상을 둘러싸면서 연속하고 있는 상(continuous phase)을 형성하는 고분자 매트릭스로는 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리 락트산 (PLA), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트(PBSA), 폴리부틸렌숙시네이트-코-부틸렌테레프탈레이트(PBST) 및 폴리카프로락톤(PCL)로부터 선택되는 하나 이상이 사용될 수 있으며, 이중에서 특히 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 및 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트가 바람직하다.In the present invention, the polymer matrix that forms a continuous phase surrounding the microalgae dispersed phase includes polyethylene vinyl acetate (EVA), thermoplastic polyurethane (TPU), and polybutylene adipate terephthalate (PBAT). , polylactic acid (PLA), polybutylene succinate (PBS), polybutylene succinate-co-adipate (PBSA), polybutylene succinate-co-butylene terephthalate (PBST), and polycaprolactone ( PCL) may be used, of which polyethylene vinyl acetate (EVA) and polybutylene adipate terephthalate are particularly preferred.

상기 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)는 에틸렌 및 비닐 아세테이트의 공중합체로 된 열가소성 수지로서, 치수 안정성, 내화학성 등이 우수하면서 인체에 무해한 친환경 소재이며, 70 내지 90℃의 낮은 융점(Tm)을 갖고 분자 구조내에 카보닐 작용기를 함유하는 특성으로, 바이오매스 필러로 사용된 미세조류와 열역학적으로 상용성을 확보할 수 있어 다른 고분자에 비해 높은 상용성을 기대할 수 있다. The polyethylene vinyl acetate (EVA) is a thermoplastic resin made of a copolymer of ethylene and vinyl acetate. It is an eco-friendly material that has excellent dimensional stability and chemical resistance, is harmless to the human body, and has a low melting point (T m ) of 70 to 90°C. Due to the property of containing a carbonyl functional group in the molecular structure, it can secure thermodynamic compatibility with microalgae used as biomass filler, so higher compatibility can be expected compared to other polymers.

또한 상기 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 115 내지 125℃의 융점(Tm)을 가지며, 생분해되면서 높은 연신성과 낮은 유리전이 온도를 나타내는 장점이 있다. In addition, the polybutylene adipate terephthalate (PBAT) has a melting point (T m ) of 115 to 125°C and has the advantage of being biodegradable and exhibiting high elongation and low glass transition temperature.

상기 미세조류와 매트릭스 고분자는 상호친화력이 있지만, 미세조류 표면의 셀룰로오스 성분이 친수성을 나타내고 매트릭스 고분자는 소수성을 나타내는 계면 성질의 차이로 인해, 미세조류의 함량이 증가할수록 복합체의 기계적 물성이 감소할 수 있다. 이를 극복하기 위해, 본 발명에서는 미세조류와 고분자 매트릭스의 배합시에 반응성 상용화제를 추가로 첨가한다.The microalgae and the matrix polymer have mutual affinity, but due to differences in interfacial properties, where the cellulose component on the surface of the microalgae is hydrophilic and the matrix polymer is hydrophobic, the mechanical properties of the composite may decrease as the content of microalgae increases. there is. To overcome this, in the present invention, a reactive compatibilizer is additionally added when mixing microalgae and a polymer matrix.

상기 반응성 상용화제는 미세조류와 고분자 매트릭스 사이에서 반응을 유발하여 계면 접착력을 상승시키는 가교제 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 반응성 상용화제는 고분자에 라디칼을 형성하면서 미세조류의 외벽을 구성하는 단백질, 아미노산, 셀룰로오스 라디칼과 반응하여 가교 결합을 형성함으로써, 미세입자의 응집 현상이 감소하면서 고분자가 미세조류의 입자 표면을 감싸게 되며, 이로부터 미세조류의 함량이 증가하더라도 고분자에 대한 미세입자의 분산성 및 계면 접착력이 개선될 수 있다. The reactive compatibilizer can act as a cross-linking agent that increases interfacial adhesion by causing a reaction between microalgae and the polymer matrix. In other words, the reactive compatibilizer forms radicals in the polymer and reacts with the proteins, amino acids, and cellulose radicals constituting the outer wall of the microalgae to form crosslinks, thereby reducing the agglomeration phenomenon of the microparticles and allowing the polymer to form on the particle surface of the microalgae. It surrounds the , and as a result, even if the content of microalgae increases, the dispersibility and interfacial adhesion of the microparticles to the polymer can be improved.

예컨대, 본 발명의 일 실시형태에 따른 친환경 복합체는 상기 미세조류를 전체 중량을 기준으로 5중량% 초과 내지 70 중량% 이하, 상세하게는 30 내지 70 중량% 또는 50 내지 70 중량%의 고함량으로 포함할 수 있으며, 상기 함량의 미세조류는 고분자 매트릭스 내에 균일하게 분산되어, 2㎛ 내지 30 ㎛ 미만의 평균 크기를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 미세조류의 1차 입자 뭉침(primary aggregate) 평균 크기가 1㎛ 내지 10 ㎛ 미만, 상세하게는 5㎛ 내지 10 ㎛ 미만의 분산상을 형성할 수 있다. 미세조류 함량이 30 중량% 이상으로 증가할수록 1차 입자 뭉침은 2차뭉침이 발생하여 입자뭉침 평균크기가 10 ~ 30㎛ 범위에 달하며 이들은 서로 퍼콜레이션을 형성한다. 따라서 함량이 높을수록 입자뭉침과 고분자 수지 계면접착력이 기계물성에 중요한 영향을 미친다. 이러한 고분자 매트릭스 내 미세조류의 균일한 분산 및 계면 접착력의 개선은 최종 복합체의 인장 강도, 유변 물성 등의 기계적 물성이 향상될 수 있다.For example, the eco-friendly composite according to an embodiment of the present invention contains the microalgae in a high content of more than 5% by weight and less than 70% by weight, specifically 30 to 70% by weight or 50 to 70% by weight, based on the total weight. It may include, and the above content of microalgae may be uniformly dispersed in the polymer matrix and have an average size of less than 2 ㎛ to 30 ㎛. More specifically, it is possible to form a dispersed phase in which the average primary aggregate size of microalgae is 1 ㎛ to less than 10 ㎛, specifically 5 ㎛ to less than 10 ㎛. As the microalgae content increases to more than 30% by weight, primary particle agglomeration becomes secondary agglomeration, and the average size of particle agglomeration reaches the range of 10 to 30㎛, and they form percolation with each other. Therefore, as the content increases, particle agglomeration and polymer resin interfacial adhesion have a significant impact on mechanical properties. Uniform dispersion of microalgae in the polymer matrix and improvement of interfacial adhesion can improve mechanical properties such as tensile strength and rheological properties of the final composite.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 반응성 상용화제는 가교제, 에폭시기-함유 사슬 연장제 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 가교제의 예로는 가교제는 디큐밀 퍼옥사이드(dicumyl peroxide, DCP), acrylic anhydride계 첨가제, maleic anhydride계 첨가제 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 상기 에폭시기-함유 사슬 연장제는 폴리(에틸렌-코-메틸 아크릴레이트-코-글리시딜 메타크릴레이트)(poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate), JONCRYL ADR-4468® , BASF), poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate)(EGMA) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reactive compatibilizer may include a crosslinking agent, an epoxy group-containing chain extender, or a mixture thereof. Examples of the crosslinking agent include dicumyl peroxide (DCP), an acrylic anhydride-based additive, a maleic anhydride-based additive, or a mixture thereof, and the epoxy group-containing chain extender is poly(ethylene-co- Methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate) (poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate), JONCRYL ADR-4468 ® , BASF), poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate)(EGMA) Or a mixture thereof may be mentioned.

또한, 상기 반응성 상용화제는 매트릭스 고분자/미세조류 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부, 예컨대 0.1 내지 2 중량부로 포함될 수 있으며, 상기 함량 범위가 반응제어의 측면에서 유리하다.In addition, the reactive compatibilizer may be included in an amount of 0.1 to 5 parts by weight, for example, 0.1 to 2 parts by weight, based on 100 parts by weight of matrix polymer/microalgae, and this content range is advantageous in terms of reaction control.

본 발명의 친환경 복합체는 (S1) 에스터기를 포함하는 고분자 수지 및 미세조류를 각각 건조하여 혼합기에 투입하여 얻은 배합물에, 상기 미세조류와 고분자 매트릭스 사이에서 가교 결합을 형성하는 반응성 상용화제를 첨가하여 용융 혼합하는 단계, 및 (S2) 상기 용융 혼합물을 압축 성형하는 반응 단계, 그 후에 냉각하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.The eco-friendly composite of the present invention is melted by adding a reactive compatibilizer that forms a cross-link between the microalgae and the polymer matrix to a mixture obtained by drying (S1) a polymer resin containing an ester group and microalgae, respectively, and adding them to a mixer. It can be manufactured by a method including a mixing step, (S2) a reaction step of compression molding the molten mixture, and then cooling.

상기 미세조류는 30 내지 50℃(예컨대, 40℃)에서 8시간 이상 건조된 후, 복합체의 전체 중량을 기준으로 5 중량% 초과 내지 70 중량% 이하, 상세하게는 10 내지 70 중량%, 30 내지 70 중량% 또는 50 내지 70 중량%의 고함량으로 사용될 수 있다.The microalgae are dried at 30 to 50°C (e.g., 40°C) for more than 8 hours, and then added in an amount of more than 5% by weight to 70% by weight or less, specifically 10 to 70% by weight, and 30 to 30% by weight, based on the total weight of the composite. It can be used in high amounts of 70% by weight or 50 to 70% by weight.

상기 고분자 수지는 연속상을 형성하는 매트릭스로서, 미세조류와 같은 조건에서 건조되어 사용될 수 있다. The polymer resin is a matrix that forms a continuous phase, and can be used by drying under the same conditions as microalgae.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 고분자 매트릭스는 앞서 설명한 바와 같이 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)가 바람직하게 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, polyethylene vinyl acetate (EVA) may be preferably used as the polymer matrix, as described above.

또한, 상기 용융 혼합은 성분들 간의 충분한 배합, 가공 용이성, 고분자 수지의 열변형을 고려하여 80 내지 150℃의 온도에서 수행될 수 있다. 예컨대, EVA가 사용되는 경우 70 내지 90℃의 낮은 융점(Tm)을 가짐에 따라 용융 혼합이 80 내지 100℃의 보다 온화한 조건에서 수행될 수 있고, PBAT가 사용되는 경우에는 120 내지 150℃에서 용융 혼합이 수행될 수 있다.Additionally, the melt mixing may be performed at a temperature of 80 to 150° C., taking into account sufficient mixing of the components, ease of processing, and thermal deformation of the polymer resin. For example, if EVA is used, it has a low melting point (T m ) of 70 to 90°C so that melt mixing can be carried out at milder conditions of 80 to 100°C, and if PBAT is used, at 120 to 150°C. Melt mixing may be performed.

상기 압축 성형은 반응성 상용화제의 가교제 작용을 활성화시키기 위해서 120 내지 200℃에서 수행될 수 있다. The compression molding may be performed at 120 to 200° C. to activate the cross-linking action of the reactive compatibilizer.

상기 반응성 상용화제는 미세조류와 고분자 매트릭스 사이에서 반응을 유발하여 계면 접착력을 상승시키는 작용을 하는데, 상기 압축 성형 온도가 120℃ 미만인 경우 반응성 상용화제에 의한 미세조류의 표면 활성도 증가 및 가교 반응이 불충분할 수 있다. 한편 상기 압축 성형 온도가 200℃를 초과하는 경우, 미세조류의 열변성이 발생할 수 있다.The reactive compatibilizer acts to increase the interfacial adhesion by inducing a reaction between the microalgae and the polymer matrix. When the compression molding temperature is less than 120°C, the surface activity of the microalgae increased by the reactive compatibilizer and the crosslinking reaction is insufficient. can do. On the other hand, if the compression molding temperature exceeds 200°C, thermal denaturation of microalgae may occur.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 바이오매스인 미세조류를 이용해 친환경 복합체를 제조할 때, 고분자 수지 및 미세조류의 배합시에 반응성 상용화제를 첨가하고 용융 혼합 및 압축 성형을 소정의 온도 범위에서 수행함으로써 고분자 수지와 미세조류 사이의 반응 증가를 유도하여 계면접착력을 개선할 수 있으며, 이를 통해 기계적 물성 및 가공성을 향상시킬 수 있다.As described above, in the present invention, when manufacturing an eco-friendly composite using microalgae, which is biomass, a reactive compatibilizer is added when mixing polymer resin and microalgae, and melt mixing and compression molding are performed in a predetermined temperature range. Interfacial adhesion can be improved by inducing an increase in the reaction between polymer resin and microalgae, which can improve mechanical properties and processability.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 여기서 함량의 기준은 다른 언급이 없는한 중량 기준이다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples to aid understanding. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Here, the content is based on weight unless otherwise specified.

실시예 1: EVA/DSP/HS2 복합체의 제조Example 1: Preparation of EVA/DSP/HS2 composite

(단계 1) 용융 혼합(Step 1) Melt mixing

고분자 매트릭스로서 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(poly(ethylene-vinyl acetate, EVA)(melt index=2.5g/10min, Tm=71℃, 비닐 아세테이트 함량=28wt%), 바이오매스 필러로서 건조 미세조류(Chlorella sp. HS2, 단백질 51%, 카보하이드레이트 28%, 지질 18%, 애쉬(ash) 3%),및 반응성 상용화제로서 디큐밀 퍼옥사이드(dicumyl peroxide (DCP), grade PERKADOX BC-FF, AkzoNobel)를 준비하였다.Poly(ethylene-vinyl acetate, EVA) (melt index=2.5g/10min, T m =71°C, vinyl acetate content=28wt%) as the polymer matrix, and dried microalgae ( Chlorella sp.) as the biomass filler. HS2, 51% protein, 28% carbohydrate, 18% lipid, 3% ash), and dicumyl peroxide (DCP), grade PERKADOX BC-FF, AkzoNobel) as a reactive compatibilizer. .

상기 EVA 및 HS2를 각각 40℃의 대류식 오븐에서 8시간 건조한 후, 밀폐식 혼합기(Rheocomp mixer 600, MKE, Korea)에 투입하였다. 상기 혼합기에 DCP를 첨가한 후, 85℃에서 100rpm으로 7분 동안 작동시켜 용융 혼합을 수행하였다. 이때 상기 HS2의 함량을 전체 중량의 10 내지 30%의 범위, 상기 DCP의 함량을 0 내지 2 phr(per hundred resin)의 범위에서 변화시켜 진행하였다.The EVA and HS2 were each dried in a convection oven at 40°C for 8 hours and then added to a sealed mixer (Rheocomp mixer 600, MKE, Korea). After adding DCP to the mixer, melt mixing was performed by operating at 85°C and 100rpm for 7 minutes. At this time, the content of HS2 was varied in the range of 10 to 30% of the total weight, and the content of DCP was varied in the range of 0 to 2 phr (per hundred resin).

(단계 2) 압축 성형 및 냉각(Step 2) Compression molding and cooling

상기 용융 혼합물을 핫 프레스(CH4386, Carver, USA)를 이용해 디스크형 시편(지름 25mm, 두께 1mm) 및 dog bone 형태의 시편(총길이 58mm, 두께 1mm)을 제조하였다. The molten mixture was used to produce disk-shaped specimens (diameter 25 mm, thickness 1 mm) and dog bone-shaped specimens (total length 58 mm, thickness 1 mm) using a hot press (CH4386, Carver, USA).

상기 디스크형 시편은 용융 혼합물을 120℃의 플레이트에 올려 총 6분 동안 압축 성형한 후, 플레이트에서 꺼내 상온에서 4분 동안 냉각하여 제조하였다.The disk-shaped specimen was manufactured by placing the molten mixture on a plate at 120°C and compression molding it for a total of 6 minutes, then removing it from the plate and cooling it at room temperature for 4 minutes.

상기 dog bone 형태의 시편은 용융 혼합물을 120℃,150℃ 및 180℃의 각 조건에서 총 6분 동안 압축 성형한 후, 상온에서 4분 동안 냉각하여 제조하였다. The dog bone-shaped specimen was manufactured by compression molding the molten mixture for a total of 6 minutes at each condition of 120°C, 150°C, and 180°C, and then cooling it at room temperature for 4 minutes.

실시예 2: HS2/LDPE 복합체의 제조Example 2: Preparation of HS2/LDPE composite

단계 1에서 HS2의 함량을 전체 중량의 50 내지 70%의 범위로 변화시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 복합체 시편을 제조하였다.A composite specimen was prepared in the same manner as in Example 1, except that in Step 1, the content of HS2 was changed to a range of 50 to 70% of the total weight.

실시예 3: PBAT/ADR/HS2 및 PBAT/DCP/HS2 복합체의 제조Example 3: Preparation of PBAT/ADR/HS2 and PBAT/DCP/HS2 complexes

(단계 1) 용융 혼합(Step 1) Melt mixing

고분자 매트릭스로서 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(Polybutylene adipate terephthalate(PBAT), grade ecoflex C1200, ρ=1.25 g/cm3, BASF, Germany), 바이오매스 필러로서 건조 미세조류(Chlorella sp. HS2, 단백질 51%, 카보하이드레이트 28%, 지질 18%, 애쉬(ash) 3%),및 반응성 상용화제로서 고분자 사슬연장제(Joncryl, grade ADR-4468(ADR-extender), BASF, Germany) 및 디큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide (DCP), grade PERKADOX BC-FF, AkzoNobel)를 준비하였다.Polybutylene adipate terephthalate (PBAT), grade ecoflex C1200, ρ=1.25 g/cm 3 , BASF, Germany) as the polymer matrix, and dried microalgae ( Chlorella sp. HS2, protein 51) as the biomass filler. %, carbohydrate 28%, lipid 18%, ash 3%), and polymer chain extender (Joncryl, grade ADR-4468 (ADR-extender), BASF, Germany) and dicumyl peroxide as reactive compatibilizers. (Dicumyl peroxide (DCP), grade PERKADOX BC-FF, AkzoNobel) was prepared.

상기 HS2는 40℃의 대류식 오븐에서 8시간 건조하고 상기 PBAT 및 ADR-연장제는 각각 80℃의 대류식 오븐에서 24시간 건조한 후 혼합하였다. 이때 상기 HS2의 함량을 전체 중량의 70%, 상기 ADR-연장제의 함량을 1phr로 고정하였다. 상기 건조 혼합물을 밀폐식 혼합기(Rheocomp BIM-150, MKE, Korea)에 투입하고, 130℃에서 100rpm으로 7분 동안 작동시켜 용융 혼합을 수행하였다. The HS2 was dried in a convection oven at 40°C for 8 hours, and the PBAT and ADR-extender were each dried in a convection oven at 80°C for 24 hours and then mixed. At this time, the content of the HS2 was fixed at 70% of the total weight, and the content of the ADR-extender was fixed at 1 phr. The dry mixture was put into a closed mixer (Rheocomp BIM-150, MKE, Korea) and operated at 130°C at 100 rpm for 7 minutes to perform melt mixing.

추가로, 건조된 HS2 및 PBAT를 회분식 혼합기에 투입하고, 여기에 DCP를 첨가한 후, 130℃에서 100rpm으로 7분 동안 작동시켜 용융 혼합을 수행하였다.Additionally, dried HS2 and PBAT were put into a batch mixer, DCP was added thereto, and melt mixing was performed by operating at 130°C and 100rpm for 7 minutes.

(단계 2) 압축 성형 및 냉각(Step 2) Compression molding and cooling

상기 단계 1에서 얻은 각각의 용융 혼합물에 대해서 핫 프레스(CH4386, Carver, USA)를 이용해 dog bone 형태의 시편(총길이 58mm, 두께 1mm)을 130℃에서 총 6분 동안 압축 성형한 후, 상온에서 4분 동안 냉각하여 제조하였다.For each molten mixture obtained in step 1, a dog bone-shaped specimen (total length 58 mm, thickness 1 mm) was compression molded at 130°C for a total of 6 minutes using a hot press (CH4386, Carver, USA), and then pressed at room temperature for 4 minutes. It was prepared by cooling for several minutes.

실험예 1: EVA/DSP/HS2 복합체의 모폴로지 및 물성 평가Experimental Example 1: Evaluation of morphology and physical properties of EVA/DSP/HS2 composite

실시예 1 및 2에서 제조된 EVA/DSP/HS2 복합체의 dog bone 시편으로 기계적 물성을 분석하였으며, 디스크형 시편으로 모폴로지, 푸리에 변환 적외선 분광계(FT-IR) 분석 및 유변물성 분석을 수행하였다.Mechanical properties were analyzed with dog bone specimens of the EVA/DSP/HS2 composite prepared in Examples 1 and 2, and morphology, Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR) analysis, and rheological property analysis were performed with disk-shaped specimens.

구체적으로, 상기 기계적 물성은 시편을 ASTM D639 타입 V의 규격으로 절단한 후, UTM(LF plus, Lloyd instruments Ltd)을 이용해 50mm/min의 인장속도를 적용하여 시편 샘플마다 5회 이상 측정한 후 평균값을 사용하였다. 모폴로지 변화는 시편의 단면을 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, SUPRA-55VP, Carl Zeiss, 2 kV)으로 관찰하여 분석하였다. 상기 SEM 촬영용 단면은 핫 프레스를 통해 제작한 동전모양의 시편(두께 1.0 mm, 지름 25 mm)을 액체 질소 환경에서 파단면을 준비한 후 백금 코팅하였다. Specifically, the mechanical properties were measured more than 5 times for each sample by cutting the specimen to the ASTM D639 type V standard and applying a tensile speed of 50 mm/min using UTM (LF plus, Lloyd instruments Ltd), and then measuring the average value. was used. Morphological changes were analyzed by observing the cross-section of the specimen using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, SUPRA-55VP, Carl Zeiss, 2 kV). The cross section for SEM imaging was prepared by preparing a fractured surface of a coin-shaped specimen (thickness 1.0 mm, diameter 25 mm) produced through a hot press in a liquid nitrogen environment and then coating it with platinum.

상기 FT-IR 분석은 TENSOR 27(Bruker, Germany)를 400 내지 4000 cm-1 의 주파수에서 작동시켜 수행하였고, 상기 유변물성은 RMS800 (Rheometrics, USA)를 이용하여 120℃, 150℃ 및 180℃에서 선형 점탄성 영역(linear viscoelastic region)에서 측정하였다. 상기 분석 결과를 도 1 내지 11에 나타내었다.The FT-IR analysis was performed using TENSOR 27 (Bruker, Germany) operating at a frequency of 400 to 4000 cm -1 , and the rheological properties were measured at 120°C, 150°C, and 180°C using RMS800 (Rheometrics, USA). Measurements were made in the linear viscoelastic region. The analysis results are shown in Figures 1 to 11.

도 1은 실시예 1에서 반응성 상용화제로 사용된 디큐밀 퍼옥사이드(DCP)를 EVA 수지 및 EVA/HS2 복합체에 첨가시의 반응성 및 구조변화를 화학적으로 확인한 FT-IR 결과이다.Figure 1 shows FT-IR results chemically confirming the reactivity and structural change when dicumyl peroxide (DCP), used as a reactive compatibilizer in Example 1, is added to EVA resin and EVA/HS2 composite.

도 1(a)에서, EVA는 DCP와 반응하여 1640 내지 1540 cm-1 범위에서 피크가 나타났으며, 이는 DCP의 -RO- 작용기와 EVA의 말단 에스테르(-COO-) 작용기가 반응하여 생긴 에테르(-C-O-C-)와 관련된 피크이다. 미세조류는 단백질 성분 함유량(> 40%)이 높아 세포벽에 아미노 결합과 관련된 작용기가 1740 내지 1540 cm-1의 범위에서 확인되었고, 셀룰로오스 성분에 의한 에테르 작용기가 1300 내지 1000 cm-1 의 범위에 확인되었다. In Figure 1(a), EVA reacted with DCP and a peak appeared in the range of 1640 to 1540 cm -1 , which is an ether produced by the reaction between the -RO- functional group of DCP and the terminal ester (-COO-) functional group of EVA. It is a peak related to (-COC-). Microalgae have a high protein component content (> 40%), so functional groups related to amino bonds in the cell wall were identified in the range of 1740 to 1540 cm -1 , and ether functional groups due to cellulose components were identified in the range of 1300 to 1000 cm -1. It has been done.

도 1(b)에서, DCP와 HS2와 반응하여 1640 내지 1540 cm-1의 범위에 있는 피크의 강도가 높아졌고, 1300 내지 1000 cm-1의 범위에 있는 피크의 위치가 이동하였다. 이는 DCP는 180℃에서 EVA 및 미세조류와 반응하고, 미세조류의 단백질, 셀룰로오스 성분의 반응이 더욱 활성화됨을 나타내는 것이다.In Figure 1(b), the intensity of the peak in the range of 1640 to 1540 cm -1 increased as a result of the reaction with DCP and HS2, and the position of the peak in the range of 1300 to 1000 cm -1 moved. This indicates that DCP reacts with EVA and microalgae at 180°C, and the reaction of protein and cellulose components of microalgae becomes more active.

도 2는 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량 및 몰딩 온도에 따른 모폴로지 변화를 보여주는 SEM 이미지이다[(a) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=120℃; (b) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=150℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (d) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃].Figure 2 is an SEM image showing the change in morphology according to DCP content and molding temperature in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 [(a) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=120°C; (b) HS2 10wt%, DCP 0phr, mold T=150℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (d) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃].

도 2(a) 및 2(c)에서는 복합체에 DCP가 첨가되지 않음에 따라 몰딩 온도와 상관없이 EVA와 HS2 계면에 보이드(void)가 형성되었다. 반면에, 도 2(b) 및 2(d)에서는 DCP가 첨가되어, HS2 입자의 관찰 횟수가 줄어들고 입자 크기가 감소하였으며, HS2-EVA 사이에 파이버(fiber)들이 자주 관찰되었다. 이는 DCP가 EVA 라디칼을 형성하고, 동시에 HS2 외벽을 구성하는 단백질 아미노산, 셀룰로오스 라디칼 과 반응하여 결합을 형성함에 따라 강한 계면 접착이 구현된 것이다. 즉, DCP가 첨가되는 경우 EVA가 미세조류의 입자 표면을 감싸면서 입자 계면이 드러나지 않으며, 이는 기계적 물성을 증가시키는 근원이 된다. 이러한 효과는 미세조류(HS2)의 함량을 30%로 높여 제조한 복합체의 경우에 뚜렷이 나타났다. In Figures 2(a) and 2(c), as DCP was not added to the composite, voids were formed at the interface between EVA and HS2 regardless of the molding temperature. On the other hand, in Figures 2(b) and 2(d), when DCP was added, the number of observed HS2 particles decreased and the particle size decreased, and fibers were frequently observed between HS2-EVA. This is because DCP forms EVA radicals and at the same time reacts with the protein amino acids and cellulose radicals that make up the outer wall of HS2 to form bonds, thereby realizing strong interfacial adhesion. In other words, when DCP is added, EVA covers the surface of the microalgae particles and the particle interface is not exposed, which is the source of increasing mechanical properties. This effect was clearly seen in the case of a composite manufactured by increasing the content of microalgae (HS2) to 30%.

도 3은 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체의 HS2 함량 및 몰딩 온도 증가에 따른 시편 단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (d) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].Figure 3 is an SEM image showing the cross section of the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 as the HS2 content and molding temperature increase [(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=120°C; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=120℃; (c) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (d) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].

도 3(a) 내지 3(d)에서 DCP함량을 2phr로 고정하고 온도 증가에 따른 변화를 확인할 수 있는데, 온도가 높을수록(>130℃) DCP의 반응 활성이 증가하여 EVA와 미세조류 입자 사이에 가교결합이 많이 일어나고, 그에 따라 계면이 뚜렷이 나타나지 않음을 알 수 있다. In Figures 3(a) to 3(d), the DCP content is fixed at 2 phr and the change with increase in temperature can be confirmed. As the temperature increases (>130°C), the reaction activity of DCP increases, resulting in increased interaction between EVA and microalgae particles. It can be seen that a lot of crosslinking occurs, and as a result, the interface does not appear clearly.

HS2 10wt%의 경우, 120℃에서는 HS2 입자의 균일한 분산이 관찰되고, 150℃에서는 HS2 입자의 관찰이 어렵다. 유사하게, HS2 30wt%의 경우 120℃에서는 입자 계면이 많이 드러나며 거친 표면 상태를 보이다가 온도가 증가할수록 계면이 흐려지고 입자 형태가 사라져 입자 관찰이 어렵다. 이는 130℃ 이상 온도에서 입자와 EVA 사이에 반응이 활발하여 고분자가 입자를 완전히 감싸기 때문이다. In the case of 10 wt% of HS2, uniform dispersion of HS2 particles was observed at 120°C, and it was difficult to observe HS2 particles at 150°C. Similarly, in the case of HS2 30wt%, at 120°C, many particle interfaces are revealed and a rough surface is observed, but as the temperature increases, the interface becomes blurred and the particle shape disappears, making particle observation difficult. This is because the reaction between the particles and EVA is active at temperatures above 130°C, and the polymer completely surrounds the particles.

이러한 모폴로지 변화에 의해서, HS2 30wt% 및 DCP 2phr를 포함하는 복합체 시편은 150℃ 및 180℃에서 파단 신율(elongation at break)가 크게 감소하지 않고 인장 강도(tensile strength)가 증가하게 된다(도 4 참조). 따라서, EVA 고분자에 HS2를 혼합하였을 때 HS2의 함량이 증가하더라도 입자와 고분자 사슬 사이에 반응이 유발되어 계면 접착이 증가하고 기계물성이 향상된 미세조류 기반의 고분자 복합체를 제조할 수 있다.By this morphological change, the tensile strength of the composite specimen containing 30 wt% of HS2 and 2 phr of DCP increases without a significant decrease in elongation at break at 150°C and 180°C (see Figure 4). ). Therefore, when HS2 is mixed with EVA polymer, even if the content of HS2 increases, a reaction is induced between the particles and the polymer chain, thereby increasing interfacial adhesion and producing a microalgae-based polymer composite with improved mechanical properties.

도 4는 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체의 DCP 함량, HS2 함량 및 몰딩 온도에 따른 기계적 물성(인장강도)의 변화를 나타낸 것이다[(a) HS2 10wt%, mold T=150℃; (b) HS2 30wt%, mold T=180℃]. 참고로, 인장 강도(tensile strength)는 인장 실험에서 고분자 복합체가 보이는 최대 강도이며, 파단 신율(elongation at break)은 인장 실험에서 고분자 복합체가 파단되었을 때 신장률을 의미한다. Figure 4 shows the change in mechanical properties (tensile strength) of the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 according to the DCP content, HS2 content, and molding temperature [(a) HS2 10wt%, mold T=150°C ; (b) HS2 30wt%, mold T=180℃]. For reference, tensile strength is the maximum strength shown by the polymer composite in a tensile test, and elongation at break refers to the elongation rate when the polymer composite breaks in a tensile test.

도 4(a)에서, HS2 10wt%가 포함된 복합체 시편은 DCP 0.6phr 첨가에 따라 150℃ 몰딩 조건에서 파단 신율(elongation at break)은 유지되고 인장 강도(tensile strength)가 증가하였으며, 특히 DCP 2.0 phr 첨가시 인장강도가 더욱 증가하였다(신율 > 1000% 유지). 즉, 순수 EVA의 경우 DCP를 첨가하고 150도 이상 고온에서 방치하면 가교된 고분자의 열변성으로 기계 물성이 감소하지만, 미세조류(HS2)를 첨가하면 HS2-DCP-EVA의 반응이 일어나 HS2의 분산을 더욱 향상되며 동시에 물성 향상 효과를 보인 것이다.In Figure 4(a), the composite specimen containing 10wt% of HS2 maintained elongation at break and increased tensile strength under molding conditions at 150°C with the addition of 0.6phr of DCP, especially at DCP 2.0. When phr was added, the tensile strength further increased (elongation > 1000% maintained). In other words, in the case of pure EVA, if DCP is added and left at a high temperature of 150 degrees or higher, the mechanical properties decrease due to thermal denaturation of the cross-linked polymer, but if microalgae (HS2) is added, a reaction of HS2-DCP-EVA occurs and HS2 is dispersed. was further improved and at the same time showed improvement in physical properties.

도 4(b)에서, HS2 30wt%가 포함된 복합체 시편은 DCP 첨가에 따라 180℃ 몰딩 조건에서 물성 증가를 보였다. 이는 HS2의 함량 증가시 EVA와의 가교 작용을 활성화 시키기 위해 높은 온도 조건이 필요하며, 180℃ 조건에서는 DCP의 미세조류에 대한 반응성이 더욱 증가하여 DCP가 0.6phr의 소량 첨가됨에도 기계적 물성이 증가하였다. 따라서, DCP 함량을 2phr로 높이면 DCP 분자가 30% 미세조류와 EVA에 반응성을 충분히 보여 150℃ 및 180℃의 조건 모두에서 기계적 물성이 증가할 수 있다.In Figure 4(b), the composite specimen containing 30 wt% of HS2 showed an increase in physical properties under molding conditions at 180°C due to the addition of DCP. This requires high temperature conditions to activate the cross-linking effect with EVA when the content of HS2 increases, and at 180°C, the reactivity of DCP to microalgae further increased, so that mechanical properties increased even when a small amount of 0.6 phr of DCP was added. Therefore, if the DCP content is increased to 2 phr, the DCP molecules show sufficient reactivity to 30% microalgae and EVA, which can increase the mechanical properties under both 150 ℃ and 180 ℃ conditions.

도 5는 EVA 수지(a) 및 EVA/HS2 복합체(b)에 첨가된 DCP 함량 및 몰딩 온도에 따른 유변물성의 변화를 나타낸 것이다. Figure 5 shows the change in rheological properties according to the DCP content and molding temperature added to the EVA resin (a) and EVA/HS2 composite (b).

상기 유변물성은 DCP가 EVA 수지 또는 EVA/HS2 복합체에 첨가되었을 때 가교도를 확인할 수 있는 기준이 되기에, 120℃, 150℃ 및 180℃의 각 온도에서 시편을 1시간 동안 방치하여 구조 변화에 따른 유변물성을 확인하였다. 보다 구체적으로, 120℃, 150℃ 및 180℃의 각 온도에서 시편을 일정 스트레인(strain) 조건에서 1시간 동안 'time sweep test'를 실시하고, 상기 테스트 전후에 'frequency sweep test'를 진행하였으며, time sweep test(1시간 열처리) 후의 frequency sweep test를 통해 얻은 선형 점탄성 결과를 통해 DCP 가교 진행 정도를 비교하였다. The rheological properties are a standard for checking the degree of cross-linking when DCP is added to EVA resin or EVA/HS2 composite, so the specimens are left for 1 hour at each temperature of 120°C, 150°C, and 180°C to determine structural changes. Rheological properties were confirmed. More specifically, a 'time sweep test' was performed on specimens at each temperature of 120℃, 150℃, and 180℃ for 1 hour under constant strain conditions, and a 'frequency sweep test' was performed before and after the test. The degree of DCP crosslinking progress was compared through linear viscoelasticity results obtained through a frequency sweep test after a time sweep test (1 hour heat treatment).

그 결과, 미세조류 유무에 상관없이 DCP가 함유되지 않은 경우 온도 증가에 따라 0.1rad/s에서의 저장 탄성률(G')을 값이 감소하였고, DCP가 첨가되면 온도와 미세조류 함량에 따라 G'값이 각각 다르게 변화하였다. 이는 DCP가 EVA 고분자 뿐만 아니라 미세조류 입자와 반응하여 네트워크 구조를 형성하며, 온도에 따라 각각 다른 구조를 형성한 것이며, 이는 미세조류-DCP의 반응온도는 EVA-DCP의 반응온도가 다름을 의미한다. As a result, regardless of the presence or absence of microalgae, the storage modulus (G') at 0.1 rad/s decreased as the temperature increased when DCP was not contained, and when DCP was added, G' decreased depending on temperature and microalgae content. Each value changed differently. This means that DCP reacts not only with EVA polymer but also with microalgae particles to form a network structure, forming different structures depending on the temperature. This means that the reaction temperature of microalgae-DCP is different from that of EVA-DCP. .

도 5(a)에서는 120℃ 조건에서 EVA-DCP의 경우에 G'이 증가하지만, 도 5(b)에서 미세조류-EVA-DCP의 G'은 거의 증가하지 않았다. 이는 120℃에서 EVA-DCP의 반응이 주로 일어나며, 미세조류-DCP 사이의 반응은 기대할 수 없지만, 온도를 150℃로 증가시키면 DCP과 EVA 고분자 사슬의 반응 활성도가 더욱 증가한 결과이다. 그리고, EVA-DCP-HS2의 G'은 DCP 함량에 따라 달라지며 2phr 첨가시 증가하였으며, 이는 DCP 농도가 충분히 높을 때, 미세조류-EVA-DCP가 반응하여 네트워크 구조를 형성함을 의미한다. In Figure 5(a), G' increased in the case of EVA-DCP at 120°C, but in Figure 5(b), G' of microalgae-EVA-DCP hardly increased. This is the result that the reaction of EVA-DCP mainly occurs at 120°C, and the reaction between microalgae and DCP cannot be expected, but when the temperature is increased to 150°C, the reaction activity of DCP and EVA polymer chains further increases. In addition, G' of EVA-DCP-HS2 varied depending on the DCP content and increased when 2 phr was added, which means that when the DCP concentration is sufficiently high, the microalgae-EVA-DCP reacts to form a network structure.

한편, 온도가 180℃로 증가하면, EVA-DCP는 오히려 열변성으로 인해 G'이 급격히 감소하지만(도 5(a)), EVA-DCP-H2P의 경우 미세조류의 반응활성이 높아져 DCP와 반응이 활발히 일어나 G'이 상당히 증가하였다(도 5(b)). DCP 함량이 2phr의 경우, EVA는 150도 조건에서 최대 반응성을 보이지만, EVA-DCP-HS2(30%)는 온도 증가에 따라 반응성이 선형적으로 증가하였다. On the other hand, when the temperature increases to 180°C, G' of EVA-DCP decreases rapidly due to heat denaturation (Figure 5(a)), but in the case of EVA-DCP-H2P, the reaction activity of microalgae increases and reacts with DCP. This occurred actively and G' increased significantly (Figure 5(b)). When the DCP content was 2 phr, EVA showed maximum reactivity at 150 degrees, but the reactivity of EVA-DCP-HS2 (30%) increased linearly with increasing temperature.

도 6은 실시예 1에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체의 HS2 함량 및 몰딩 온도 증가에 따른 연신(50mm/min) 변형후 파단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].Figure 6 is an SEM image showing the fracture surface of the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 1 after stretching (50 mm/min) as the HS2 content and molding temperature increased [(a) HS2 10wt%, DCP 2phr, mold T=150℃; (b) HS2 30wt%, DCP 2phr, mold T=180℃].

도 6으로부터, DCP 2phr의 첨가로 미세조류 입자 및 EVA의 계면에서의 반응이 유발되고 계면 접촉력이 증가되었기 때문에 50mm/min 연신 조건에서 변형 후에도 계면에 EVA 결합이 유지됨을 알 수 있다. From Figure 6, it can be seen that the addition of 2 phr of DCP induced a reaction at the interface between microalgae particles and EVA and increased the interfacial contact force, so that the EVA bond was maintained at the interface even after deformation under 50 mm/min stretching conditions.

도 7은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2(50wt%) 복합체의 DCP 함량 및 성형 몰딩 온도에 따른 시편 단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) DCP 0phr, T=120℃, 연신 변형 전; (a) DCP 0phr, T=180℃, 연신 변형 후; (b) DCP 2phr, T=120℃, 연신 변형 전; (b) DCP 2phr, T=180℃, 연신 변형 후]. 보다 구체적으로, 복합체의 기계적 물성을 측정한 전후 시편의 신장 축 방향과 평행한 단면의 전자 현미경 사진을 관찰하였다.Figure 7 is an SEM image showing a cross-section of a specimen according to the DCP content and molding temperature of the EVA/DCP/HS2 (50wt%) composite prepared in Example 2 [(a) DCP 0phr, T=120°C, before stretching deformation ; (a) DCP 0phr, T=180℃, after stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=120℃, before stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=180℃, after stretching deformation]. More specifically, electron micrographs of cross-sections parallel to the stretching axis direction of the specimen before and after measuring the mechanical properties of the composite were observed.

도 7(a)의 EVA/HS2(50wt%) 복합체는 10μm 이상의 크기를 갖는 HS2 입자 응집체가 가까이 접촉하고 있으며 EVA 고분자가 상기 응집체 사이에 분포되어 있다. 즉, 시편에 연신 변형을 가하면 미세조류 응집체 사이에 EVA가 위치하여 변형에 따라 늘어나 피브릴(fibril) 형태로 서로 연결됨이 관찰되었다. EVA는 미세조류 입자 응집체 사이에 가소제처럼 작용하여 소재의 연성을 유지함을 알 수 있다. In the EVA/HS2 (50 wt%) composite of Figure 7(a), HS2 particle aggregates with a size of 10 μm or more are in close contact, and EVA polymer is distributed between the aggregates. In other words, when stretching strain was applied to the specimen, it was observed that EVA was located between microalgae aggregates, stretched according to strain, and connected to each other in the form of fibrils. It can be seen that EVA acts like a plasticizer between microalgae particle aggregates to maintain the ductility of the material.

도 7(b)의 EVA/DSP(2phr)/HS2(50wt%) 복합체는 HS2 입자 응집체의 크기가 급격히 줄어들고, 도 7(a)에 비해 단면에 응집체 계면이 드러나지 않았다. 이는 DCP 첨가가 입자 응집체와 EVA고분자 간에 계면 접착을 높일 뿐만 아니라 입자 분산을 더욱 활성화하여 균일한 분산을 가능케함을 알 수 있다. In the EVA/DSP (2phr)/HS2 (50wt%) composite of Figure 7(b), the size of the HS2 particle aggregates was rapidly reduced, and the aggregate interface was not revealed in the cross section compared to Figure 7(a). This shows that the addition of DCP not only increases the interfacial adhesion between particle aggregates and EVA polymer, but also further activates particle dispersion, enabling uniform dispersion.

도 8은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2(70wt%) 복합체의 DCP 함량 및 성형 몰딩 온도에 따른 시편 단면을 보여주는 SEM 이미지이다[(a) DCP 0phr, T=120℃, 연신 변형 전; (a) DCP 0phr, T=180℃, 연신 변형 후; (b) DCP 2phr, T=120℃, 연신 변형 전; (b) DCP 2phr, T=180℃, 연신 변형 후].Figure 8 is an SEM image showing a cross-section of a specimen according to the DCP content and forming molding temperature of the EVA/DCP/HS2 (70wt%) composite prepared in Example 2 [(a) DCP 0phr, T=120°C, before stretching deformation ; (a) DCP 0phr, T=180℃, after stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=120℃, before stretching deformation; (b) DCP 2phr, T=180℃, after stretching deformation].

도 8(a)의 EVA/HS2(70wt%) 복합체에서, HS2의 함량이 증가하는 경우에도 대부분 입자 응집체가 관찰되며 EVA 고분자를 구분하기 어렵고, 상기 EVA 고분자는 입자가 빠져나간 void에서 드물게 관찰되었다. 특히, 연신 변형 후의 이미지(도 8(a'))에서는 입자 응집체 크기가 20μm 정도로 분포되어 있으며 10μm 미만의 응집체는 거의 찾아볼 수 없었다. EVA는 입자 응집체 사이에 위치하여 변형에 연성을 구현하는데, EVA 불균일 분포로 인해 HS2 입자 사이에서 가는 fibril이 불균일하게 형성되었다.In the EVA/HS2 (70wt%) composite of Figure 8(a), even when the content of HS2 increased, most particle aggregates were observed and it was difficult to distinguish the EVA polymer, and the EVA polymer was rarely observed in the void where the particles escaped. . In particular, in the image after stretching deformation (Figure 8(a')), the particle aggregate size was distributed around 20 μm, and aggregates smaller than 10 μm were hardly found. EVA is located between particle aggregates to provide ductility upon deformation, but due to the uneven distribution of EVA, thin fibrils were formed unevenly between HS2 particles.

도 8(b)의 EVA/DSP(2phr)/HS2(70wt%) 복합체는 DCP의 첨가에 의해 HS2 응집체의 크기가 뚜렷이 감소하고, EVA가 HS2 응집체를 감싸 응집체 계면이 드러나지 않았다. 이는 DCP가 응집체와 EVA 사이에 반응을 유발할 뿐만 아니라 HS2 입자 응집체의 크기 감소에 효과가 있음을 의미한다. 또한, 동일 복합체의 연신 변형후의 단면 이미지(도 8(b'))에서는 HS2 응집체의 크기가 감소하여, 대부분 10μm 이상의 크기로 분포하였고, EVA 피브릴(fibril)이 균일하게 분포됨을 알 수 있다. In the EVA/DSP (2phr)/HS2 (70wt%) complex shown in Figure 8(b), the size of the HS2 aggregates was clearly reduced by the addition of DCP, and the aggregate interface was not revealed because EVA surrounded the HS2 aggregates. This means that DCP not only causes a reaction between the aggregates and EVA, but is also effective in reducing the size of HS2 particle aggregates. In addition, in the cross-sectional image (FIG. 8(b')) of the same composite after stretching and deformation, the size of the HS2 aggregates decreased, most of them were distributed in sizes of 10 μm or more, and EVA fibrils were uniformly distributed.

도 9는 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량, HS2 함량 및 몰딩 온도에 따른 기계적 물성의 변화를 나타낸 것이다[(a) HS2 50wt%, mold T=180℃; (b) HS2 70wt%, mold T=180℃].Figure 9 shows changes in mechanical properties according to DCP content, HS2 content, and molding temperature in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 2 [(a) HS2 50wt%, mold T=180°C; (b) HS2 70wt%, mold T=180℃].

보다 구체적으로, 고함량의 HS2를 포함하는 복합체에서 DCP, HS2 및 EVA 고분자 사이의 반응성을 확인하기 위해 각각 다른 DCP 함량을 첨가한 복합체를 180℃ 조건에서 시편을 준비하고, 50mm/min 연신속도로 기계적 물성을 측정하였다. More specifically, to confirm the reactivity between DCP, HS2, and EVA polymers in a composite containing a high content of HS2, specimens were prepared at 180°C for composites with different DCP contents added, and stretched at a stretching speed of 50 mm/min. Mechanical properties were measured.

도 9에서, DCP 함량이 증가할수록 복합체의 인장강도가 증가하였다. 미세조류 HS2 함량이 높기 때문에 DCP 함량에 강한 의존도를 보이면서, 2phr 조건에서 인장 강도가 상승하는 거동을 보였다. In Figure 9, as the DCP content increased, the tensile strength of the composite increased. Because the microalgae HS2 content was high, it showed a strong dependence on the DCP content, showing an increase in tensile strength at 2 phr conditions.

통상적으로 고함량의 미세조류 HS2 입자를 고분자 수지와 배합하면 HS2 입자와 고분자 수지간 계면 접착이 급격히 떨어지기 때문에 인장강도 향상을 관찰하기 어려우며, 특히 180℃의 고온 조건에서 고분자 수지의 열변성으로 더욱 악화되어 인장강도가 더욱 감소한다. 하지만, DCP의 첨가시 고함량의 HS2가 배합된 복합체에서 DCP가 단백질, 셀룰로오스를 포함한 미세조류와 EVA 고분자 사슬의 반응을 유발하여 미세조류입자와 EVA계면 접착력이 증가하였으며, 오히려 복합체의 인장강도가 증가하였다. Normally, when high content of microalgae HS2 particles are mixed with polymer resin, it is difficult to observe improvement in tensile strength because the interfacial adhesion between HS2 particles and polymer resin rapidly decreases, especially at high temperature conditions of 180℃ due to thermal denaturation of polymer resin. As it gets worse, the tensile strength further decreases. However, when DCP was added, the adhesion between the microalgae particles and EVA increased as DCP induced a reaction between the microalgae containing protein and cellulose and the EVA polymer chain in the composite containing a high content of HS2, and the tensile strength of the composite increased. increased.

도 10은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량, HS2 함량 및 몰딩 온도에 따른 응력-변형(stress-strain) 거동 변화를 나타낸 것이다.Figure 10 shows changes in stress-strain behavior according to DCP content, HS2 content, and molding temperature in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 2.

도 10에서, HS2를 50wt%의 고함량으로 복합체는 DCP 첨가시 180℃에서 반응이 유도되어, 인장강도가 두 배로 증가하고, 연신률이 850%에서 930%까지 증가하였다. HS2 함량을 70%로 증가시킨 경우에도 180℃ 반응시 인장강도가 1MPa에서 2.5MPa 수준으로 증가하였고, 120℃ 반응에서 연신율이 570%에서 670%까지 증가하였다. 이는 고함량의 HS2가 배합된 복합체의 플라스틱 소재로서 가공성 및 산업적 이용가능성을 보여주는 것이다. In Figure 10, the composite containing HS2 at a high content of 50 wt% induced a reaction at 180°C upon addition of DCP, doubling the tensile strength and increasing the elongation from 850% to 930%. Even when the HS2 content was increased to 70%, the tensile strength increased from 1 MPa to 2.5 MPa at 180°C, and the elongation increased from 570% to 670% at 120°C. This shows the processability and industrial applicability of a composite plastic material containing a high content of HS2.

도 11은 실시예 2에서 제조된 EVA/DCP/HS2 복합체에서 DCP 함량 및 HS2 함량의 성형 가공성 및 변형성을 나타낸 것으로, 복합체의 추가적 처리 없이 dog-bone 형태 몰드에서 고분자 성형 가공이 가능하였고, 가공된 시편을 50mm/min 연신속도 조건에서 소성 변형이 가능하였다. Figure 11 shows the molding processability and deformability of the DCP content and HS2 content in the EVA/DCP/HS2 composite prepared in Example 2. Polymer molding processing was possible in a dog-bone mold without additional processing of the composite, and the processed Plastic deformation of the specimen was possible at a stretching speed of 50 mm/min.

실험예 2: PBAT/ADR/HS2 및 PBAT/DCP/HS2 복합체의 모폴로지 및 물성 평가Experimental Example 2: Evaluation of morphology and physical properties of PBAT/ADR/HS2 and PBAT/DCP/HS2 composites

실시예 1에서 제조한 PBAT/ADR/HS2 및 PBAT/DCP/HS2에 대해서 실험예 1에 기재한 바와 같은 분석을 수행하였다.The analysis as described in Experimental Example 1 was performed on PBAT/ADR/HS2 and PBAT/DCP/HS2 prepared in Example 1.

도 12는 대조군 PBAT/HS2(70wt%), 실시예 3에서 제조된 PBAT/ADR/HS2(70wt%) 및 PBAT/DCP/HS2(70wt%) 복합체의 모폴로지를 보여주는 SEM 이미지이다.Figure 12 is an SEM image showing the morphologies of control PBAT/HS2 (70 wt%), PBAT/ADR/HS2 (70 wt%) and PBAT/DCP/HS2 (70 wt%) composites prepared in Example 3.

도 12(a)의 대조군 HS2/PBAT 복합체는 HS2 입자 응집체가 10 내지 20 ㎛ 크기로 분포되며 계면이 뚜렷이 관찰되었다. 도 12(b)의 PBAT/ADR/HS2 복합체 및 도 12(c)의 PBAT/DCP/HS2 복합체에서는 HS2 입자 응집체의 크기가 작아지면서 입자 계면이 상용화되어 뚜렷하지 않았다.In the control HS2/PBAT complex of Figure 12(a), HS2 particle aggregates were distributed in sizes of 10 to 20 ㎛, and the interface was clearly observed. In the PBAT/ADR/HS2 composite of Figure 12(b) and the PBAT/DCP/HS2 composite of Figure 12(c), the size of the HS2 particle aggregates became smaller and the particle interface became compatibilized, so it was not clear.

도 13은 대조군 PBAT/HS2(70wt%)(neat로 표시), 실시예 3에서 제조된 PBAT/ADR/HS2(70wt%) 및 PBAT/DCP/HS2(70wt%) 복합체의 인장 강도(a) 및 항복(yield) 강도를 나타낸 것이다.Figure 13 shows the tensile strength (a) of the control PBAT/HS2 (70 wt%) (denoted neat), PBAT/ADR/HS2 (70 wt%) and PBAT/DCP/HS2 (70 wt%) composites prepared in Example 3. It represents the yield strength.

도 13(a)에서, HS2가 70wt 고함량으로 사용된 대조군 HS2/PBAT 복합체는 인장강도 및 항복 강도가 낮았지만, ADR 또는 DCP를 첨가하는 경우 인장 강도가 증가하였다. 즉, PBAT의 경우 연성은 높으나 강도가 낮은 단점이 있음에도, 고함량의 HS2과 배합시 ADR 또는 DCP의 사용으로 PBAT-HS2의 반응을 유발하여 인장강도 상승효과를 얻은 것이다. 한편, DCP 첨가제의 경우 ADR-연장제에 비해 HS2 및 PBAT의 계면 접착 효과는 낮으나 여전히 인장강도 상승 효과가 있었다. In Figure 13(a), the control HS2/PBAT composite using a high content of 70wt HS2 had low tensile strength and yield strength, but the tensile strength increased when ADR or DCP was added. In other words, although PBAT has the disadvantage of having high ductility but low strength, when mixed with a high content of HS2, the use of ADR or DCP induces a reaction of PBAT-HS2, resulting in an increase in tensile strength. Meanwhile, in the case of the DCP additive, the interfacial adhesion effect of HS2 and PBAT was lower than that of the ADR-extender, but it still had an effect of increasing tensile strength.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it is clear to those skilled in the art that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (15)

매트릭스로서 에스터기를 포함하는 고분자; 상기 고분자 매트릭스에서 분산상을 형성하는 미세조류; 및 상기 미세조류와 고분자 매트릭스 사이에서 가교 결합을 형성하는 반응성 상용화제를 포함하는 친환경 복합체.A polymer containing an ester group as a matrix; Microalgae forming a dispersed phase in the polymer matrix; And an eco-friendly composite comprising a reactive compatibilizer that forms cross-links between the microalgae and the polymer matrix. 제1항에 있어서, 상기 고분자 매트릭스는 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리부틸렌아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS), 폴리부틸렌 숙시네이트-코-아디페이트(PBSA), 폴리락트산(PLA), 열가소성 폴리우레탄(TPU) 및 폴리카프로락톤(PCL)로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 친환경 복합체.The method of claim 1, wherein the polymer matrix is polyethylene vinyl acetate (EVA), polybutylene adipate terephthalate (PBAT), polybutylene succinate (PBS), and polybutylene succinate-co-adipate (PBSA). , an eco-friendly composite comprising one or more selected from polylactic acid (PLA), thermoplastic polyurethane (TPU), and polycaprolactone (PCL). 제1항에 있어서, 상기 미세조류의 함량이 전체 중량을 기준으로 5중량% 초과 내지 70 중량% 이하인 친환경 복합체.The eco-friendly composite according to claim 1, wherein the microalgae content is greater than 5% by weight and less than 70% by weight based on the total weight. 제3항에 있어서, 상기 미세조류의 함량이 전체 중량을 기준으로 30 내지 70 중량%인 친환경 복합체.The eco-friendly composite according to claim 3, wherein the microalgae content is 30 to 70% by weight based on the total weight. 제1항에 있어서, 상기 미세조류는 클로렐라(Chlorella) 속, 보트리오코커스(Botryococcus) 속, 두나리에라(Dunaliella) 속, 난노클로롭시스(Nannochloropsis) 속, 스피루나(Spirulina)속 및 할로클로로코쿰(Halochlorococcum) 속으로부터 하나 이상 선택되는 것인 친환경 복합체.The method of claim 1, wherein the microalgae are Chlorella genus, Botryococcus genus, Dunaliella genus, Nannochloropsis genus, Spirulina genus and Halochlorococcus. ( Halochlorococcum ) An eco-friendly complex selected from one or more of the genus. 제1항에 있어서, 상기 미세조류가 형성하는 분산상은 2㎛ 내지 30㎛ 미만의 평균 크기를 갖는 친환경 복합체.The eco-friendly composite according to claim 1, wherein the dispersed phase formed by the microalgae has an average size of less than 2㎛ to 30㎛. 제1항에 있어서, 상기 반응성 상용화제는 가황제, 에폭시기-함유 사슬 연장제 또는 이들의 혼합물을 포함하는 친환경 복합체.The eco-friendly composite of claim 1, wherein the reactive compatibilizer includes a vulcanizing agent, an epoxy group-containing chain extender, or a mixture thereof. 제7항에 있어서, 상기 가황제는 디큐밀 퍼옥사이드(dicumyl peroxide, DCP), acrylic anhydride계 첨가제, maleic anhydride계 첨가제 또는 이들의 혼합물을 포함하는 친환경 복합체.The eco-friendly composite according to claim 7, wherein the vulcanizing agent includes dicumyl peroxide (DCP), an acrylic anhydride-based additive, a maleic anhydride-based additive, or a mixture thereof. 제7항에 있어서, 상기 에폭시기-함유 사슬 연장제는 폴리(에틸렌-코-메틸 아크릴레이트-코-글리시딜 메타크릴레이트)(poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate)), poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate)(EGMA) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 친환경 복합체.The method of claim 7, wherein the epoxy group-containing chain extender is poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate), Eco-friendly composite containing poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate) (EGMA) or mixtures thereof. 제1항에 있어서, 상기 반응성 상용화제는 고분자 매트릭스 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부로 포함되는 친환경 복합체.The eco-friendly composite according to claim 1, wherein the reactive compatibilizer is included in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer matrix. 제1항에 따른 친환경 복합체를 제조하는 방법으로서,
(S1) 에스터기를 포함하는 고분자 수지 및 미세조류를 각각 건조하여 혼합기에 투입하여 얻은 배합물에, 상기 미세조류와 고분자 매트릭스 사이에서 가교 결합을 형성하는 반응성 상용화제를 첨가하여 용융 혼합하는 단계, 및
(S2) 상기 용융 혼합물을 압축 성형한 후, 냉각하는 단계를 포함하는 제조방법.
As a method of manufacturing the eco-friendly composite according to claim 1,
(S1) Adding a reactive compatibilizer that forms a cross-link between the microalgae and the polymer matrix to the mixture obtained by drying the polymer resin and microalgae containing an ester group and adding them to a mixer, melting and mixing, and
(S2) A manufacturing method including the step of compression molding the molten mixture and then cooling it.
제11항에 있어서, 상기 미세조류는 복합체 전체 중량을 기준으로 5 중량% 초과 내지 70 중량% 이하의 함량으로 사용되는 제조방법.The method of claim 11, wherein the microalgae is used in an amount of more than 5% by weight and less than 70% by weight based on the total weight of the composite. 제11항에 있어서, 상기 반응성 상용화제는 고분자 매트릭스 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부로 사용되는 제조방법.The manufacturing method of claim 11, wherein the reactive compatibilizer is used in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer matrix. 제11항에 있어서, 상기 단계 (S1)에서 용융 혼합은 80 내지 150℃에서 수행되는 제조방법.The manufacturing method according to claim 11, wherein the melt mixing in step (S1) is performed at 80 to 150°C. 제11항에 있어서, 상기 단계 (S2)에서 압축 성형은 120 내지 180℃에서 수행되는 제조방법.The manufacturing method according to claim 11, wherein the compression molding in step (S2) is performed at 120 to 180°C.
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