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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.31 No.4 pp.416-422
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2020.1045

Preparation and Physical Properties of Eco-Friendly Biodegradable PLA/PBAT/HCO Blended Films

Seung-Min Lee¹

, Han-Seong Kim¹

, Yeon-Hum Yun^*,1

, Tae-Gyung Hyung^**

, Soon-Do Yoon^†

Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea
^*Geoconvergence Research Center, Chonnam National University, Gwangju 61186, Republic of Korea
^**Photochems, Suncheon 58034, Republic of Korea

These authors contributed equally to this work.

^†Corresponding Author: Chonnam National University, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Yeosu 59626, Republic
of Korea Tel: +82-61-659-7297 e-mail: yunsd03@chonnam.ac.kr

Received July 8, 2020 ; Review July 20, 2020 ; Accepted July 20, 2020

Abstract

In this study, eco-friendly biodegradable materials were prepared using poly(lactic acid) (PLA), poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), and hydrogenated castor oil power (HCO) as an additive. The prepared PLA/PBAT/HCO blended films were characterized by the scanning electron microscope (SEM) and fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results of SEM analysis indicated that PLA/PBAT (8 : 2) blended films added HCO showed no rough area, crack, or large agglomeration when compared with those adding various additives (12-hydroxy stearic acid (12HSA) and cellulose). The FT-IR results indicated the presence of specific peak of HCO in the PLA/PBAT blended films, and its peak intensity increased with increasing HCO content (0~5.0 wt%). Tensile strength, elongation at break, and water barrier and thermal properties of the prepared PLA/PBAT/HCO blended films were also investigated, indicating that the physical and thermal properties was improved more than three times by the addition of HCO. The biodegradability test in soil revealed that the prepared biodegradable materials were degraded by about 6.0~20% after 90 days.

Key Words : Biodegradable PLA/PBAT blended films , Hydrogenated castor oil power , Physical properties , Thermal analysis , Biodegradability

친환경 생분해성 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름 제조 및 물리적 특성

이 승민¹

, 김 한성¹

, 윤 연흠^*,1

, 형 태경^**

, 윤 순도^†

전남대학교 공학대학 화공생명공학과
^*전남대학교 지오컨버전스센터
^**포토캠스

초록

본 연구에서는 생분해성 고분자인 poly(latic acid) (PLA), poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)와 첨가제로 hydrogenated castor oil (HCO) powder를 이용하여 친환경 생분해성 소재를 제조하였다. 제조한 PLA/PBAT/HCO 블렌드 필름의 특성은 scanning electron microscope (SEM)와 fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR)를 이용하여 분석하였 다. SEM 분석 결과 HCO가 첨가된 PLA/PBAT (8 : 2) 블렌드 필름은 12-hydroxy stearic acid (12HSA)와 cellulose가 첨가 된 필름과 비교했을 때, 안정적인 표면을 나타내었다. FT-IR 결과는 PLA/PBAT 블렌드 필름에서 HCO의 특성 피크의 나타냈으며, HCO 함량이 0에서 0.2 wt%까지 증가함에 따라 intensity가 증가함을 알 수 있었다. 또한, 제조한 PLA/PBAT/HCO 블렌드 필름의 물리적 특성, 열 분석을 수행하였다. 그 결과 HCO 첨가에 의해 물리적 특성과 열 안정 성이 3배 이상 향상되었음을 확인하였다. 제조한 생분해성 소재의 토양에서 생분해 정도는 90 days 동안 6~20% 분해 됨을 확인하였다.

키워드 :

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Funding:

1. 서 론

최근 과학, 산업, 경제, 신기술 산업이 발전하고 급속도로 경제 성장 을 이루면서 인류가 살아가는데 편안함을 추구하고 있으며 수많은 환 경문제가 강력히 대두되었다. 인류가 편리함을 추구한 것 이상의 환 경오염이 지구를 뜨겁게 달군 지구온난화, 공장이나 자동차의 매연으 로 인한 대기오염, 폐기물 토양에 투척으로 인한 토양오염, 바다, 강의 수질오염 등 수 많은 환경오염이 이슈화 되고 사회적 문제로 생겨났 다[1-3]. 국제사회는 환경규제를 더욱 강화하고 있고 지구온난화, 환 경오염에 대한 규제가 강화 되면서 생분해성 소재 관련 제품들에 대 한 많은 관심과 연구를 지속해 오고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위 해 노력에 부합하는 친환경 소재인 바이오매스 기초로 생분해성 소재 는 주목을 받고 있다. 생분해성 고분자는 사용 후 환경에 무해한 이산 화탄소, 질소, 물, 무기염류 등으로 분해되는 고분자 종류 중 하나이 다. 생분해성이란 박테리아나 균류 등 유기생물들로 인해서 물질이 더 단순한 물질로 분해되는 성질을 말한다. 생분해성 플라스틱은 포 장 완충제, 퇴비화 봉투, 위생용품, 코팅제, 농업용 필름, 식음료 포장 용기와 일회용품 등으로 사용 후에 분해되어 자연으로 재순환됨으로 써 환경오염을 줄일 수 있는 친환경 기능성 고분자이다[4-7].

본 연구에서는 지방족 폴리에스터의 대표적인 생분해성 고분자 poly(lactic acid) (PLA)[8-10]와 지방족-방향족 co-polyester인 poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)[11-13]를 블랜드 하여 PLA의 특성인 인장강도, 열가소성, 우수한 가공성인 장점과 PBAT의 특성인 높은 열 안전성, 신축율의 장점을 이용하여 PLA의 특성을 최대한 유 지하면서, 신축율을 향상시키기 위해 PBAT를 블랜드 함과 동시에 hydrogenated castor oil (HCO) powder[14-16]를 첨가하여 신축율 및 상용성을 향상시키는데 목적이 있다. PLA는 기계적 물성은 우수하나 가공성이 비교적 낮아 인장강도는 우수하나, 쉽게 찢어지는 단점이 있고 이를 보완하기 위해 가소화, 블록 공중합체, 고무 또는 elastomer 와 블랜딩 공정을 이용하여 신축율과 상용성을 향상시키고 있다. 현 재 PLA 단독 사용하여 제품을 만들거나 PLA/PBAT 블랜드하여 제품 을 생산한다. PBAT는 지방족-방향족 co-polyester로 이루어진 석유계 생분해성 고분자이다. polybutylate로 알려진 PBAT는 쉽게 성형 및 열 성형될 수 있는 반방향족 생분해성 열가소성 co-polyester이다. PBAT 는 석유계 수지를 원료로 생산 되는 생분해성 고분자이며 강도와 내 수성이 약하나 친환경적 탄소저감에서는 우수하다[17]. Polyethylene 과 유사한 많은 물리적, 기계적 특성을 가지고 있고, 일반적으로 고밀 도 또는 저밀도 폴리에틸렌의 것과 유사하므로 식품 포장 및 농업용 필름 응용 분야에서 유사한 응용 분야에 사용될 수 있다. 또한 완전 생분해성이며, 폴리에틸렌에 사용되는 기존 장비에서 처리할 수 있다. 신축성이 있고 연신율이 높은 소재이지만, 강도는 약한 단점을 가지 고 있다 이로 인하여 생분해성 고분자 PBAT의 물성을 향상시키기 위 해서 수많은 연구가 행하여지고 있다[18,19]. PBAT는 단독 사용하기 에는 인장강도가 약하다는 단점이 있어 제품 생산하기는 어려움이 있 으므로 PLA/PBAT 블랜드에 대한 연구가 되고 있고 다양한 소재와 블랜딩 공정 연구가 필요하다[20-22]. PLA/PBAT 블랜딩 소재의 기능 성 및 물리⋅화학적 특성, 열적 안정성을 향상시키기 위해 구연산 유 도체(citrate derivatives)[23], 에폭시[24] 등 다양한 가소제를 이용하여 제조한다[25,26]. 본 연구에서는 PLA/PBAT 블랜딩 소재에 HCO를 가 소제로 사용하여 다양한 특성을 조사하였다. 앞서 언급하였듯이, 생분 해성 고분자 PLA/PBAT 블랜딩 소재의 첨가되는 가소제에 관련된 연 구는 많은 연구자들에 의해 보고되었으나, 가소제로서 HCO에 사용에 대해서는 본 연구에서 처음 시도되는 연구이며, 친환경 소재로 기존 가소제의 대체 물질로 사용 가능하리라 판단된다. HCO는 대생과에 속하는 피마자 식물의 피마자 씨앗에서 추출한 castor oil를 이용하여 제조한다. 특히 castor oil은 의약품, 화학산업 및 기타 기술과 같은 다 양한 분야에서 사용되며, 식품 첨가성, 생분해성, 저렴한 비용 및 친환 경성으로 인해 꾸준히 증가하고 있다. Castor oil은 글리세롤과 연결된 포화 및 불포화 지방산 에스테르 혼합물이고, 하이드록실기, 이중결 합, 카르복실기 및 장쇄 탄화수소의 존재는 다양한 물질로 변형 시킬 수 있는 여러 기능성을 제공하고 있어 본 연구에서는 추출된 castor oil 에 수소를 첨가하여 고형화 시킨 HCO powder를 사용하여 플라스틱 가공시 흐름성 및 요변성의 기능을 부여하고자 첨가제로 가능성을 확 인하려 하였다.

본 연구에서는 PLA/PBAT/HCO 블랜드 생분해성 고분자 소재를 제 조하고 HCO 함량에 따른 물리적 특성, 열적 특성 및 생분해 정도를 조사하여 친환경 생분해 소재로의 사용 가능성을 조사하였다.

2. 실 험

2.1. 실험 시약 및 재료

생분해성 소재 제조를 위한 poly(latic acid) (PLA)는 NatureWorks사 (USA) PLA 2003D을 구입하였고, poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)는 롯데정밀화학(Korea) S-Enpol PBG7070에서 구입 하였다. 12-Hydroxy stearic acid (12HSA)와 hydrogenated castor oil (HCO)는 T.K kawaken (Japan)에서 구매하였다. Cellulose와 용매로 사용된 chloromethane는 Sigma-Aldrich Co. (Louis, USA)에서 구입하 여 정제 없이 사용하였다.

2.2. PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름 제조

PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름 제조를 위해 PLA와 PBAT 함량별 PLA/PBAT pellet 제조 후 casting method를 이용하여 제조하였다. PLA/PBAT pellet 은 twin extruder를 사용하여 PLA와 PBAT 무게비 로 각각PLA/PBAT (9 : 1), PLA/PBAT (8 : 2), PLA/PBAT (7 : 3), PLA/ PBAT (5 : 5), PLA/PBAT (3 : 7), PLA/PBAT (2 : 8), PLA/PBAT (1 : 9)로 제조하였고, 혼합 조건은 mixing time은 5 min, 온도는 140 ℃, screw speed는 100 rpm이었다. PLA/PBAT 블랜드 필름은 3-necked round flask에 PLA, PBAT, PLA/PBAT pellet을 넣은 후 chloromethane 를 투입하여 700 rpm으로 60 min간 완전히 용해될 때까지 교반을 하 여 PLA/PBAT 블랜드 용액을 제조하였다. 교반 시 원료와 chloromethane은 무게비로 1 : 15이다. 제조 recipe는 Table 1에 나타내었다.

교반 시 첨가제로 HCO, 12HSA, cellulose를 60 min 동안 dropwise 시켜 첨가제가 균일하게 결합되게 하였다. 필름은 제조한 블랜드 용액 을 500 × 500 mm 유리판에 bar coater #32 (63.18 μm)을 이용하여 제 조한 후, 50 ℃에서 12 h동안 건조시켰다.

2.3. PLA/PBAT 블랜드 필름 특성 분석

제조된 생분해성 고분자 필름에 대한 표면 특성은 주사 전자 현미경 (field emission scanning electron microscope; FE-SEM, ZEISS Sigma 500, Carl Zeiss Co., Ltd., Germany)을 사용하여 분석하였다. 전도성 카본 테이프로 샘플을 SEM 홀더 상에 놓고 진공 조건 하에서 10 sec 동안 백금으로 코팅한 후, 10 kV의 가속 전압에서 관찰하였고, 제조한 생분해성 고분자 작용기의 결합 특성은 Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR, vertex-70, Bruker, Germany)를 이용하여 분석하 였다.

2.4. PLA/PBAT 블랜드 필름의 기계적 특성

제조된 생분해성 고분자 필름에 대한 인장강도[tensile strength (TS), MPa]와 신축율(elongation at break, %E)은 Instron 6012 testing machine (USA)을 사용하여 평가하였다. 너비가 15 mm인 5개의 dumbbell 모양의 견본(ASTM D-412)을 이용하여 각 바이오 소재에서 sample를 얻었으며, 생분해성 고분자 필름 주변 10~13개의 위치에서 me chanical scanner (Digital thickness gauge “Mitutoyo” Tokyo, Japan)를 사용하여 필름 주변의 15지점의 두께를 측정하였다. 실험 샘플의 평 균 두께는 ~0.04 ± 0.004 mm이었다. 견본의 폭은 3.3 mm이고, gauge length와 grip distance는 모두 25.0 mm이고, crosshead speed는 50 mm/min, load cell은 250 kg_f이다.

2.5. PLA/PBAT 블랜드 필름의 물에 대한 표면접촉각

물에 대한 저항성을 측정하기 위해 표면접촉각(contact angle)을 조 사하였다. 생분해성 고분자 필름 표면의 물방울 이미지는 디지털카메 라로 찍은 후 접촉각 측정을 위한 비디오 캡처 프로그램(ImageJ with Drop analysis plug-in, National Institutes of Health, USA)으로 분석하 였다. 광원은 LED light (Cateye HL-AU230)을 사용하였으며, 시료 거 치대는 양쪽으로 ± 15° 기울임이 가능한 Thorlab GN05를 사용하였다. 카메라로 접사 렌즈(Canon zoom lens ef-s 18-55mm F3.5-5.6 IS)를 장 착한 Canon EOS 450D을 이용하였다. 카메라, 시료 거치대, 광원은 모 두 광학판(optical bread board, Thorlab 60×45 bread board, MB4560M) 에 고정하여 표면접촉각을 분석하였다.

2.6. PLA/PBAT 블랜드 필름의 열적 안정성

제조된 생분해성 고분자 소재에 대한 열적 안전성 평가는 thermal analyzer system (thermogravimetric analyzer-differential scanning calorimeter (TGA-DSC), DSC Q200/PCA/TGA Q50, USA)을 이용하여 분 석하였다. DSC분석 샘플량은 10 mg이고, temperature range는 -80~ 500 ℃, scanning rate는 5~20 ℃/min이다. TGA 분석 샘플양은 10 mg 이고, temperature range는 상온 ~1000 ℃이고, heating rate는 0.01~ 100 ℃/min, N₂ 분위기에서 측정하였다.

2.7. 토양에서의 생분해 실험

토양에서의 생분해성 실험은 토양 내 유기물이 함량이 일정한 경상 남도 하동의 ‘참 좋은 황토’를 사용하였고, 균일도를 일정하게 하게 하기 위하여 일본 호소카와 분쇄장비(ACM-15H Hosokawa micron, Japan)를 이용하여 분쇄하여 필름의 생분해 실험을 수행하였다. 분쇄 된 토양을 가로 20 cm × 세로 15 cm 트레이에 채우고, 생분해성 고분 자 샘플은 3 cm × 5 cm의 조각으로 자르고, 10 cm의 깊이에 묻었다. 토양의 일정한 습도(30~50%)를 유지하기 위해 일정한 시간 간격으로 수분을 분무하였다. 생분해성 고분자 생분해 정도는 15 dya 간격으로 90 day 동안 분해되는 무게를 측정하여 확인하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 생분해성 PLA/PBAT 블랜드 필름 특성 분석

제조한 PLA/PBAT/HCO 필름에 대한 전계 방사형 주사 현미경 분 석을 수행하였다. Figure 1은 PLA, PBAT, PLA/PBAT 블랜드 필름에 대한 SEM image이다. PLA의 표면은 고른 표면을 가지고 있고, PBAT 의 표면은 구름 모양의 평탄하지 않는 표면을 가지고 있었다. PLA, PBAT, PLA/PBAT 블랜드 필름의 SEM image 분석 결과 PLA의 함량 이 높을수록 고른 표면을 가지고 있고 PBAT 함량이 높을수록 불균일 한 표면을 가지고 있었다. PLA/PBAT를 블랜드 소재에서는 PLA/ PBAT 비율이 8 : 2인 필름의 표면이 가장 균일하여 본 연구에서는 PLA/PBAT의 8 : 2로 비료율 제조한 소재를 이용하여 다양한 분석을 수행하였다.

Figure 2는 PLA : PBAT (8 : 2)에 다양한 첨가제(cellulose, 12HSA) 를 넣은 SEM image이다. 첨가제는 생분해성 고분자 소재에 적합한 자 연에서 얻을 수 있는 cellulose, 피마자열매에서 추출하는 지방산 12HSA, 피마자기름에 수소를 첨가시킨 HCO를 첨가 하여 필름을 제조하였고, SEM image 분석 결과 HCO를 첨가한 제품이 가장 안정적인 표면을 가지고 있었다.

Figure 3은 HCO의 함량에 따라 제조한 필름의 SEM image이다. 앞 서 언급하였듯이PLA/PBAT 블랜드 필름의 표면은 PLA/PBAT (8 : 2) 가 비교적 안정적으로 보였고, 첨가제를 투입한 필름에서는 HCO가 가장 좋았다. PLA:PBAT (8 : 2)에 HCO 함량이 증가할수록 필름의 표면이 개선되는 것으로 보였으나, 적정 함량이상 증가하면 표면이 불균일해지는 것을 확인하였다.

PLA/PBAT (8 : 2)에 HCO를 넣은 필름의 표면은 필름 제조 시 점 도가 고 점도에 의해 기포가 제거되지 않아 용제 휘발이 덜 되어 버블 모양의 표면을 가지고 있고 첨가제 함량을 높이면 표면이 균일해지다 가 적정 함량 이상이 되면 표면이 불균일해 지는 것을 확인하였다.

제조한 필름의 PLA, PBAT, PLA/PBAT, PLA/PBAT/HCO 블랜드 소재에 대한 FT-IR 분석을 Figure 4에 나타내었다. Figure 4(a)는 PLA/ PBAT 제조 비율에 따른 FT-IR 분석결과에서 PLA, PBAT에 대한 특 성 peak 결과이다. PLA, PBAT, PLA/PBAT 블랜드 필름의 결과에서 비율이 변하여도 기존의 PLA/PBAT의 -CH group (2950 cm^-1), -C=O group (1750 cm^-1), -C-H blend (1450, 1350 cm^-1), -C-O- group (1180, 1070 cm^-1), -CH group (650 cm^-1) 등의 peak를 확인하였고, 특성 peak 들이 그대로 유지되고 있음을 알 수 있었다.

Figure 4(b)는 PLA/PBAT (8 : 2)에 HCO의 함량을 증가시켜 제조한 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름에 대한 FT-IR 분석을 수행하였다. 그 결과 2750~3000 cm^-1에서 peak가 증가하는 것으로 보아 HCO의 함량 이 증가하면 peak의 transmittance (%)가 증가함 알 수 있었다.

3.2. 생분해성 PLA/PBAT 블랜드 필름의 기계적 특성

생분해성 필름에 대한 다양한 분야에 응용을 위해 기계적 특성, 즉 인장강도[tensile strength, TS (MPa)]와 신축율[elongation at break, %E (%)]의 분석은 필수적이다. Table 1은 PLA와 PBAT 비율에 따라 제조 한 블랜드 필름의 TS와 %E의 결과를 나타낸다. 결과에서 PBAT 함량 이 증가함에 따라 TS는 감소하나 %E는 증가하는 경향을 보였다. 특 히, PBAT 함량이 3.0 wt% 이상일 때, TS는 급속히 감소하며, %E는 증가함을 확인하였다. 이는 PBAT가 PLA/PBAT 블랜드 필름의 신축 율에 향상에 기여한다고 할 수 있다.

Figure 5는 는 PLA/PBAT (8 : 2) 블랜드 필름에 첨가제로 HCO 함 량에 따른 TS와 %E의결과를 나타낸다. 결과에서 HCO 함량이 증가할 수록 TS는 감소하는 것을 확인하였다. 특히, HCO 함량은 1~3.0 wt% 까지는 거의 TS 변화가 크지는 않으나, 4.0 wt%부터는 감소하는 폭이 더욱 커짐을 알 수 있었다. %E의 경우 HCO 함량이 증가할수록 증가 하다가 3.0 wt% 이후 감소하는 경향을 보여주었다. 이 현상은 HCO의 친유성 특징이 블랜딩 과정 중에 증가하여 신축율에 영향을 미쳐 약 20% 정도 감소하였으며, 이는 contact angle 분석 결과에서 확인할 수 있다. 결과에서 HCO 첨가 함량이 3.0 wt%임을 확인하였다. 일반적으 로 TS증가는 %E의 감소를 일으키나 TS 변화를 최소화 하면서 %E를 증가시켜는 것을 보여 이는 HCO가 PLA와 PBAT의 가교 역할을 하 여 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름의 물리적 특성을 향상시킨 것으로 사려 된다.

3.3. 생분해성 PLA/PBAT 블랜드 필름의 물에 대한 접촉각 분석

Figure 6은 PLA, PBAT, PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름의 물에 대한 표면 접촉각 분석 결과를 나타낸다. 결과에서 PLA 필름의 접촉각은 60.16° ± 0.02, PBAT 필름의 접촉각은 60.03° ± 0.35, PLA/PBAT/HCO (1.0) 블랜드 필름의 접촉각은 63.73° ± 0.12, PLA/PBAT/HCO (3.0) 블랜드 필름의 접촉각은 63.90° ± 0.02, PLA/PBAT/HCO (5.0) 블랜드 필름의 접촉각은 67.64° ± 0.10이었다. PLA, PBAT에 비해 PLA/PBAT/ HCO 블랜드 필름의 접촉각이 다소 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 이것은 PLA/PBAT/HCO 블랜드 소재인 HCO가 -OH기를 함유하고 있 어 조금이나마 상대적으로 친수성이 높게 나올 가능성이 있으나, HCO 는 피마자 열매를 압착하여 얻어지는 기름으로 제조하는 제품이라 친 유성에 가깝다는 것을 알 수 있다. 또한 HCO의 함량이 증가함에 따라 접촉각이 높아지는 것으로 보아 HCO는 -OH기의 함유량이 높아질수록 친유적인 성질이 나타남을 알 수 있다.

3.4. 열 분석

제조한 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름들에 대한 열적 안정성 평가는 TGA와 DSC를 이용하여 분석하였다(Figure 7). Figure 7(a)는 TS 및 %E 결과를 바탕으로 가장 최적의 PLA/PBAT 비율(8 : 2)에 해당하는 필름에 HCO를 첨가한 후 HCO의 함량별로 TGA 분석에 의한 열적 안정성을 평가 결과를 나타낸다. HCO 함량별 특성에 따라 순차적으 로 반응이 일어나 무게 변화를 확인하였고, HCO를 1.0 wt%부터 5.0 wt%를 첨가하여 제조한 필름의 열분석 결과 %E가 가장 높은 PLA/ PBAT 블랜드에 HCO 3.0 wt% 첨가한 필름의 열적 안정성이 가장 우 수하였음을 알 수 있었다. Figure 7(b)는 HCO 함량에 따른 DSC 분석 결과를 나타내며, HCO 함량 증가에 따른 유리 전이 온도에서 발생되 는 열용량 변화를 보면 HCO 함량이 1.0 wt%에서 5.0 wt%로 증가할 수록 열분해 온도가 단계적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 HCO 함량이 증가하면 melting point가 증가함을 알 수 있다.

3.4. 제조한 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름에 대한 토양에서 생분해 정도

PLA/PBAT/HCO 블랜드의 생분해성 고분자 소재를 토양에 넣어 미 생물에 의해 분해되는 과정을 확인하는 생분해성 테스트를 수행하였 다. Figure 8는 PLA, PBAT, PLA/PBAT 블랜드, PLA/PBAT/HCO 블 랜드의 생분해성 고분자 필름을 토양에 넣어 대략 90 day 정도 분해 시켜 분해성을 평가하였다. 전반적으로 생분해성 고분자 필름의 분해 성은 유관으로 확인하기 어려우나, 무게 측정을 한 결과 PLA 필름이 무게 손실이 가장 높았고, PBAT 필름의 무게 손실은 가장 낮았다. HCO를 투입한 소재에서는 HCO 함량이 높을수록 분해도는 높아지나 HCO 3.0 wt%이상에서는 분해도 차이가 미비한 것으로 확인된다. 생 분해성을 알 수 있는 무게 변화는 대략 6~20%로 무게 손실을 확인할 수 있었다. 시간이 지남에 따라 생분해성 고분자 소재의 무게 손실이 나타나 토양에 의해 분해됨을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 PLA/PBAT 블랜드 소재에 HCO를 첨가한 친환경 생 분해성 필름을 제조하였다. 생분해성 고분자 소재의 최적화를 위해 FE-SEM, FT-IR, 인장강도[tensile strength (TS)], 신축율[elongation at break(%E)]을 분석하였다. 생분해성 고분자의 결합을 확인을 위해 FT-IR을 통하여 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름은 HCO에 의해 화학적 결합을 생성하는 것을 확인하였고, HCO의 함량에 따라 기계적 특성 차이가 있었으며, 신축율이 향상되는 것을 확인하였다. 또한, HCO 함 량이 3.0 wt%일 때 %E가 최적임을 확인하였고, PLA/PBAT/HCO 블 랜드 필름이 TS를 유지하면서 %E가 증가하는 것을 확인하였다. PLA/ PBAT/HCO 블랜드 필름의 물에 대한 저항성은 HCO 함량이 증가할 수록 표면 접촉각이 커지는 것으로 보아 친수성보다는 친유성이 증가 하는 것을 알 수 있었고, HCO 함량이 3.0 wt%까지는 표면 접촉각이 큰 변화가 없다는 것을 알 수 있었다. TGA 분석을 통해 PLA/PBAT/ HCO 블랜드 필름은 HCO 함량이 3.0 wt%에서 가장 안정적인 열적 안정성을 보여 HCO의 최적의 햠량은 3.0 wt%임을 재확인하였다. 토 양에 생분해성 고분자 소재를 매장하여 90 day 동안 분해성 테스트 하여 무게 변화를 측정 결과 토양에서 6~20% 의 무게 손실을 확인하 였고, HCO를 첨가한 필름에서 함량이 증가함에 따라 분해 정도가 증 가함을 알 수 있었다. 결과를 통해 생분해성 고분자 PLA/PBAT 블랜 드에 첨가제로 HCO를 사용 가능성을 확인하였으며, 적당한 HCO의 첨가는 생분해성 고분자 소재에 물성이 향상되는 것을 확인하였다. 생 분해성 고분자 PLA/PBAT/HCO 블랜드 필름의 생분해성을 확인하였 고, 응용 분야로 컵 코팅, 포장재, 식품용기, 쓰레기봉투, 농업용 멀칭 필름 등 적용도 가능할 것이라 판단된다.

감 사

이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원 을 받아 수행된 기초연구사업(Grant No. NRF- 2019R1I1A3A01061508) 에 의해 수행하였음.

Figures

Figure 1.SEM image of PLA/PBAT blended films with PBAT content. (a) SEM image of PLA film, (b) SEM image of PBAT film, (c) SEM image of PLA/PBAT (9 : 1) blended film, (d) SEM image of PLA/ PBAT (8 : 2) blended film, (e) SEM image of PLA/PBAT (7 : 3) blended film, (f) SEM image of PLA/PBAT (5 : 5) blended film, (g) SEM image of PLA/PBAT (3 : 7) blended film, (h) SEM image of PLA/PBAT (2 : 8) blended film, and (i) SEM image of PLA/PBAT (1 : 9) blended film.

Figure 2.SEM image of PLA/PBAT (8 : 2) blended films with the addition of various additives (Cellulose, 12HSA, and HCO). (a) SEM image of PLA/PBAT blended film added cellulose, (b) SEM image of PLA/PBAT blended film added 12-HSA, and (c) SEM image of PLA/ PBAT blended film added HCO.

Figure 3.SEM image of PLA/PBAT (8 : 2) blended films prepared with HCO content. (a) SEM image of PLA/PBAT blended film added 1.0 wt% HCO, (b) SEM image of PLA/PBAT blended film added 2.0 wt% HCO, (c) SEM image of PLA/PBAT blended film added 3.0 wt% HCO, (d) SEM image of PLA/PBAT blended film added 4.0 wt% HCO, and (e) SEM image of PLA/PBAT blended film added 5.0 wt% HCO.

Figure 4.FT-IR spectra of PLA/PBAT blended films. (a) FT-IR spectra of PLA/PBAT blended films with PBAT content and (b) FT-IR spectra of PLA/PBAT blended films with HCO content.

Figure 5.Tensile strength (TS) and elongation at break (%E) of PLA/ PBAT blended films with HCO content. (a) TS of PLA/PBAT blended films with HCO content (b) %E of PLA/PBAT blended films with HCO content.

Figure 6.Contact angle analysis of prepared PLA/PBAT/HCO blended films.

Figure 7.Thermal stability analysis of PLA/PBAT/HCO blend films. (a) TGA analysis of PLA/PBAT blended films with HCO content and (b) DSC analysis of PLA/PBAT blended films with HCO content.

Figure 8.Biodegradation of PLA/PBAT/HCO blended films.

Tables

Table 1.Compositions of Gel-like Solutions used to Prepare PLA/PBAT Blended Films

Table 2.Tensile Strength (MPa) and Elongation at Break (%E) of PLA/PBAT Blended Films with PBAT Content

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