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2023년 6월 10일 (토) 23:45 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 나노 기술을 이용한 PLA 물성 향상

영문 : Improving PLA Properties Using Nanotechnology

과제 팀명

PLA

지도교수

김의용 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2019340027 신지원(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2014340027 오윤석

서울시립대학교 화학공학과 2017340028 윤영빈

서울시립대학교 화학공학과 2019340020 문효빈

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 생분해 플라스틱은 생물자원을 이용하여 제조된 바이오 기반 고분자를 말하며, 천연물 합성계, 화학 합성계, 미생물 합성계로 구분된다. 특히, 천연물 합성계 생분해 플라스틱은 물성 개량, 유통 중 생분해 가능성, 생산성 개선, 가격 경쟁력 확보 등 넘어야 할 과제가 많은 현실이다.

◇ 천연물 합성계 생분해 플라스틱 중 하나인 PLA는 여러 종류의 미생물을 발효, 정제시켜 젖산을 얻고 이를 중합하여 얻을 수 있으며, 물성이 약하고 반응속도가 느리다는 단점을 가지고 있다.

◇ 나노셀룰로오스와 나노 키틴은 생분해 플라스틱과 혼화성이 상대적으로 높으며, 생분해 및 열분해가 되기 때문에 최근 이를 이용하여 나노복합재를 생성하려는 연구가 이루어지고 있다.

◇ 본 연구에서는 특히 생분해 플라스틱을 식품 포장재로 사용하는 데 있어서 나노기술을 이용한 셀룰로오스/PLA 복합재의 물성 향상을 목표로 한다. 이를 위하여 나노셀룰로오스와 PLA를 혼합하는 방안에 대해 조사하고, 식품 포장재에 적용하기에 적합한 소재에 대해 연구해보고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ PLA 천연물 합성계 생분해 플라스틱 중 하나인 PLA는 여러 종류의 미생물을 발효, 정제시켜 젖산을 얻고 이를 중합하여 얻을 수 있으며, 플라스틱의 폐기물 문제를 해결하고 플라스틱 산업과 환경의 공존을 위해 인체에 무해하고, 재활용이 용이한 대체소재로 관심받고 있다.

◇ 기존 생분해 플라스틱은 약한 물성, 유통 중 생분해 우려, 내수성, 투기성, 생산성, 가격경쟁력 등 여러 가지 문제를 극복하지 못하여 다양한 제품에 적용되기 어려운 측면이 있다. 이러한 단점들로 인해 기체 차단성이 중요한 식품 포장재로 쓰이면 음식이 산패될 수 있다.

◇ PLA의 활용을 증진시키기 위해 여러 연구가 진행 중에 있으며, 기계적 물성을 향상하기 위하여 무기첨가제를 사용하는 것이 일반적인 방법이다. 하지만 이 방법은 가공공정동안 용융고분자의 점도가 증가하고 배합이 어렵다는 단점이 있다.

◇ 위와 같은 한계를 개선하기 위한 방법 중 하나가 나노복합재를 제조하는 것이다. 나노복합재는 입자들을 나노 크기까지 분산시켜 고분자와 융합시킴으로써 기존의 복합재에 비해 우수한 물성향상을 이뤄낼 수 있다. 특히 나노셀룰로오스와 나노키틴은 생분해 플라스틱과 혼화성이 상대적으로 높으며, 생분해 및 열분해가 가능하기 때문에 최근 이를 이용하여 나노복합재를 생성하려는 연구가 이루어지고 있다.

◇ 나노셀룰로오스를 선택한 이유: 천연 고분자 중에서도 셀룰로오스는 지구상에 있는 유기물 가운데 가장 많은 양을 차지하고 있다. 따라서 자원을 공급하기가 쉽고 비용을 낮출 수 있는 효과도 기대할 수 있다. 또한 셀룰로오스는 생물에서 나오는 재료이기 때문에 재생산이 가능하여 소비 후에도 보충하기가 쉽다. 이외에도 셀룰로오스는 이용 시 자연에 대한 부하를 비교적 적게 주는 재료이며 폐기 시에도 자연적으로 분해가 되기 때문에 처리하기가 쉽다. 또한 셀룰로오스 내부 그리고 체인 간의 강한 수소결합으로 인해 강도가 높다.
이처럼 나노 크기로 만든 셀룰로오스는 biopolymer의 특징과 나노 크기가 가지는 장점을 모두 갖춘 재료로서, 나노복합재의 강화제로 이용하여 기존의 고분자의 물성을 향상시킨 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다. 나노셀룰로오스를 복합재에 응용하는 연구의 목적은 크게 기존 고분자와 강화제보다 높은 물리적, 기계적 물성을 기대할 수 있어 나노셀룰로오스를 첨가함으로써 나노복합재의 물리적 및 열적 성질을 향상시켜 새로운 재료를 제조하는 것이다.

◇ 기체 차단을 위해 일반적으로 결정성이 중요하며, 나노셀룰로오스의 입자 크기, 구조, 그리고 PLA와의 혼합 방법, 농도 등을 조절하여 기체 차단성을 증가시킬 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

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개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용