04.03.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Silvia Kliem, Dr. Catherine A. Kelly

열 분석 및 유변학을 사용하여 생체 고분자 가공 가능 만들기

NETZSCH 열 분석 및 유변학 장비를 갖춘 생분해성 재료 분석 설정으로 지속 가능한 포장 솔루션을 강조합니다.

바이오폴리머는 화석 연료에서 추출한 폴리머의 매력적인 대안으로 오늘날 포장 업계에서 주로 사용되고 있습니다. 그러나 결정화 거동으로 인해 이러한 신소재를 가공하기가 더 어렵습니다. 열 분석과 유변학이 관련 재료 특성을 연구하기 위한 솔루션을 제공하는 방법을 알아보세요.

플라스틱 산업이 지금처럼 지속 가능성을 추구한 적은 없었습니다. 사회와 법률의 압박이 가중되면서 포장 업계는 특히 더 지속 가능한 대안을 요구하고 있습니다.

바이오폴리머란 무엇인가요?

바이오 폴리머라는 용어에는 바이오 기반 폴리머, 생분해성 폴리머(오일 기반일 수 있음), 그리고 바이오 기반과 생분해성을 동시에 사용하는 복합 폴리머가 포함됩니다. 바이오 기반 폴리머는 탄소 발자국이 적으며, 재료를 재활용하면 탄소 발자국을 더욱 개선할 수 있습니다. 생분해성 플라스틱은 자연에서 분해되지 않고 퇴비화 공장에서 매우 통제된 조건에서 분해되는 경우가 많기 때문에 때때로 비판을 받기도 합니다.

따라서 폴리하이드록시부티레이트-하이드록시발레이트(PHBV)와 같은 소재는 바이오 기반이며 상온에서 생분해되기 때문에 특히 흥미롭습니다. 예를 들어, 몇 주에서 한 달 정도면 토양에서 분해됩니다. 폴리하이드록시부티레이트(PHB)는 에너지 저장의 한 형태로서 특정 박테리아에 의해 생성됩니다. 이 순수한 물질은 결정성이 80%에 달할 정도로 높기 때문에 다소 부서지기 쉽고 기존 방식으로 처리하기 어렵습니다. 그러나 박테리아 내에서 공중합하면 기계적 특성이 우수한 PHBV가 생성됩니다.

과제 #1: 상온에서의 2차 결정화

안타깝게도 이러한 특성은 제조된 제품의 사용 수명 동안 지속적인 결정화와 취성으로 인해 변경됩니다. 이는 종종 며칠 내에 발생하며 단기간 사용에도 적합하지 않은 재료가 됩니다. 한 가지 해결책은 상온에서 이차 결정화를 줄이거나 방해하는 다른 폴리머나 올리고머를 첨가하는 것입니다. 이상적으로는 추가된 물질도 바이오 기반이어야 합니다.

PHBV에 적합한 가소제 중 하나는 폴리에틸렌 글리콜(PEG)입니다[1]. 버밍엄 대학교의 AMCASH 및 Jenkins 연구소에서 수행한 연구에서 Kelly1,2 박사는 이 혼합물의 혼화성을 조사했습니다. 연구진은 PHBV와 저분자량 PEG의 다양한 혼합물을 생산하고 NETZSCH Kinexus Pro+ 회전 레오미터를 사용하여 재료 거동을 연구했습니다. 혼화성을 연구하기 위해 일반적으로 주파수 스윕을 진동으로 수행하고 측정된 저장 모듈을 로그 스케일에서 해당 손실 모듈 위에 플롯하여 한 플롯을 얻습니다. Han 등은 혼화성 혼합물은 순수한 물질과 비슷한 직선을 나타내며 이 선에서 벗어나는 것은 혼화성이 없음을 나타낸다고 말했습니다[2].

그러나 여기서 연구한 PHBV-PEG 블렌드는 측정 중에 분해되므로 이 방법을 쉽게 적용할 수 없습니다. 따라서 야마구치와 아라카와가 처음 제안한 열적으로 불안정한 시스템에 사용되는 수정 방법을 사용했습니다 [3]. 특정 주파수에서 시간 스윕을 수행했습니다. 측정 조건은 표 1에 요약되어 있으며, 시간 스윕의 결과는 저장 계수에 대해 그림 1에 나와 있습니다.

표 1: 측정 조건

측정 모드진동 시간 스윕
지오메트리20mm 평행 플레이트
온도185°C
간격1 mm
스트레인0.5%
주파수0.25 - 25Hz
프리멜트 시간5분
0.25, 1, 5, 25Hz의 주파수에서 PHBV-PEG 블렌드의 시간 경과에 따른 저장 계수를 측정하여 성능 저하 추세를 보여줍니다.
그림 1: 0.25, 1, 5, 25Hz 주파수에 대한 시간 함수로 측정된 스토리지 계수(아래에서 위)

측정과 데이터 수집이 완료된 후, 저장 및 손실률 데이터를 60초 간격마다 주파수에 대해 플롯했습니다. 그런 다음 데이터를 중첩하여 마스터 곡선을 생성했습니다. 이렇게 계산된 마스터 곡선을 사용하여 시간 t0에서 보정된 저장 및 손실 계수를 계산하고 한 플롯(그림 2)을 생성했습니다. 조사된 모든 블렌드의 경우, 혼합성은 순수 PHBV와 유사한 직선으로 입증되었습니다.

저장 및 손실 계수의 선형성을 기반으로 폴리머 혼합물의 혼화성 분류를 보여주는 한 플롯 모식도입니다.
그림 2: 결과의 선형성에 따라 혼합 가능과 혼합 불가능으로 분류된 Han 플롯의 모식도

유변학 데이터를 사용하여 열화율을 계산하는 방법과 분석에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인할 수 있습니다!

과제 #2: 박막으로의 가공성

슈투트가르트 대학교의 실비아 클림(Silvia Kliem, 석사3)이 진행한 또 다른 연구에서는 필름 블로잉에 사용하기 위한 가소제로 바이오 기반 구연산염을 연구했습니다. 순수 PHBV의 점도와 용융 강도가 낮기 때문에 박막으로의 가공성을 개선하기 위해서는 적절한 생분해성 첨가제가 필요합니다. 연구진은 가소제로서 다양한 양의 구연산염(5 및 10 wt%)과 소량의 폴리락타이드(PLA)를 PHBV에 혼합했습니다. 혼합물의 결정화 거동에 대한 첨가제의 영향을 연구하기 위해 NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® 을 사용했습니다. 측정 조건은 표 2에 요약되어 있습니다.

표 2: 측정 조건

팬Al, 피어싱 뚜껑
시료 무게약 11mg
대기N2
온도-20°C ~ 200°C, 10K/min(1. + 2. 가열 및 냉각)
동적 DSC 측정은 다양한 구연산염 농도와 구연산염이 없는 PHBV-PLA 혼합물의 열 거동을 보여줍니다.
그림 3: 가소제 구연산염(녹색)이 포함된(파란색은 5와트%, 분홍색은 10와트%) PHBV-PLA 혼합물의 동적 DSC 측정 결과

그림 3은 구연산염을 포함하거나 포함하지 않은 PHBV-PLA 혼합물의 가열 및 냉각 곡선을 보여줍니다. 구연산염 중량 함량에 대해 정규화했을 때 용융 및 결정화 엔탈피가 세 가지 조성물 모두 비슷하다는 것을 알 수 있습니다(그래프에서 분석 결과는 명확성을 높이기 위해 생략). 175°C와 120°C의 피크는 각각 PHBV의 용융 및 결정화에 대한 피크입니다. 150°C에서 훨씬 작은 피크는 PLA 성분의 용융을 나타냅니다. 다른 곡선을 더 자세히 비교하면 구연산염 첨가제가 용융 및 결정화 피크를 더 낮은 온도로 이동시키는 것을 관찰할 수 있습니다(구연산염 10wt%인 경우 거의 4K까지). 이는 가소제로 인해 압출 온도가 낮아질 수 있기 때문에 가공 중 재료의 열화에 상당한 영향을 미칩니다.

이러한 분석 결과는 필름 블로잉 실험을 통해 검증되었습니다. 가소제를 사용하지 않은 PHBV-PLA 블렌드는 압출이 불가능했지만 구연산염을 5 wt% 첨가하면 압출이 개선되었습니다. 구연산염을 10wt% 사용해야만 안정적인 압출 공정을 유지하고 25µm 미만의 필름 두께에 도달할 수 있었습니다.

전체 연구는 여기에서 확인할 수 있습니다!

생체 고분자 분석에 적합한 유변학 및 열 분석

이 두 연구는 완전 분해 가능한 포장재를 만들기 위한 바이오 기반 PHBV용 바이오 기반 가소제의 예를 보여줍니다. 두 가소제 모두 박막에 비해 트레이로 다른 가공이 필요한 다양한 응용 분야에 장점이 있다는 것을 알 수 있습니다. 유변학 및 열분석 기법을 모두 적용하여 PHBV와 같은 바이오 폴리머의 특성, 특히 가공성을 분석할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 특히 유변학적 방법과 열분석 방법 모두 가공 시험에 비해 재료의 양이 매우 적으면서도 그 특성에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다는 점이 유용합니다. 올바른 기법을 사용하면 아직 비교적 새로운 종류의 재료에 대한 이해를 높이고 시급히 필요한 꾸준한 개선과 시장 성숙에 도움이 될 것입니다.

1버밍엄대학교의 AMCASH 소개

일부 자금이 지원되는 ERDF 프로그램인 AMCASH 프로젝트는 버밍엄 대학교의 야금 및 재료 학교를 통해 조정됩니다. 이 프로젝트는 재료 과학 관련 프로젝트 내에서 지역 중소기업 조직에 일반적으로 2일 동안 기술 지원을 제공합니다. 여기에서 자세히 알아보세요!

2버밍엄대학교 젠킨스 연구실 소개

주로 열가소성 폴리머(수많은 폴리머, 블렌드 및 열가소성 복합재)의 화학 구조, 가공, 미세 구조 및 물리적 특성 간의 관계, 나아가 이러한 각 측면이 특성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해 연구합니다. 여기에서 자세히 알아보세요!

3슈투트가르트대학교 쿤스트스토프테크닉 연구소 소개

크리스티안 본텐(Dr. - Ing. Chrsitian Bonten) 교수의 지휘 아래 플라스틱 기술 연구소의 전문성은 재료 공학, 가공 기술(기계 및 공정 공학), 제품 공학 등 플라스틱 기술 전 분야에 걸쳐 있습니다. 여기에서 자세히 알아보세요!

출처

[1] 켈리 AC, 피츠제럴드 AVL, 젠킨스 MJ. 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리머 분해 및 안정성의 통합을 통한 폴리(히드록시부티레이트-코-하이드록시발레이트)의 이차 결정화 공정의 제어. 2018; 148: 67-74, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.01.003

[2] 양 H, 한 CD, 김 JK. 폴리(메틸메타크릴레이트)와 폴리(스티렌-코-아크릴로니트릴) 및 폴리(비닐리덴 플루오르화물)의 혼합 혼합물의 유변학, Polymer. 1994; 35(7): 1503-1511

[3] 야마구치 M, 아라카와 K. 폴리(3-하이드록시부티레이트)의 유변학적 특성에 대한 열분해의 영향. Eur. Polym. J. 2006;42(7):1479-86

[4] https://www.kunststoffe.de/kunststoffe-zeitschrift/archiv/artikel/citrate-ermoeglichen-die-blasfolienextrusion-von-phbv-ohne-die-abbaubarkeit-zu-beeinflussen-11292093.html

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