Article
  • Physical Properties of Poly(lactic acid)/Cellulose Nanocrystal Nanocomposites

  • Homin Kang, Yonghwa Shin, and Dae Su Kim†

  • Department of Chemical Engineering, Chungbuk National University, 1 Chungdaero, Seowongu, Cheongju, Chungbuk 28644, Korea

  • PLA/셀룰로오스 나노크리스탈 나노복합재의 물성

  • 강호민 · 신용화 · 김대수†

  • 충북대학교 공과대학 화학공학과

Abstract

Polylactic acid (PLA) is an eco-friendly biodegradable plastic and mainly used as food packaging materials and 3D printing filaments. In this study, the physical properties of PLA composites filled with cellulose nanocrystal (CNC), an environmentally friendly natural filler, were investigated. The PLA/CNC nanocomposites were prepared by melt mixing and compression molding. The tensile properties, impact strengths and thermal properties of the PLA/CNC nanocomposites with different CNC content were measured. As the content of CNC increased, the crystallinity, tensile strength and tensile modulus of the nanocomposites increased, but the glass transition temperature, cold crystallization beginning temperature and elongation at break decreased. Impact strength was the highest at the CNC content of 1 phr.


PLA는 친환경 생분해성 플라스틱으로 식품용 포장재 및 3D 프린트용 필라멘트로 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 친환경 천연 충전재인 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)을 PLA에 충전한 복합재의 물성을 조사하였다. PLA/CNC 나노복합재는 용융혼합 및 압축성형에 의해 제조하였다. CNC의 함량에 따른 PLA/CNC 나노복합재들의 인장특성, 충격강도 및 열적 특성을 각각 측정하였다. CNC의 함량이 늘어날수록 나노복합재의 결정화도, 인장 강도 및 인장 탄성률은 증가하였지만 유리전이온도, 냉각결정화 시작 온도 및 파단 신율은 감소하였다. 충격강도는 CNC 1 phr일 때 가장 높았다.


Keywords: poly(lactic acid), cellulose nanocrystal, nanocomposites, physical properties

서 론

최근 생활쓰레기의 양이 증가하면서 그에 따른 쓰레기 매립량도 증가하고 있다. 매립되는 쓰레기 중 생분해성 플라스틱은 매립 후 일정 기간이 지나면 분해되는 반면에 석유계플라스틱은 최소 500년이 흘러야 분해된다.1 이런 이유 때문에 토양에서 일어나는 환경문제를 해결하기 위해 석유계 플라스틱 대신 자연에서 생분해가 가능한 생분해성 플라스틱을 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.2-5
PLA는 옥수수 전분이나 사탕무에서 얻을 수 있는 원재료를 사용하여 중합되므로 자연에서 생분해가 가능하기 때문에 기존 석유계 플라스틱을 대체할 소재로서 개발이 되고 있으며 생체 적합성이 좋고 다른 생분해성 플라스틱에 비해 좋은 물성을 갖고 있기 때문에 의료품이나 포장 산업 및 3D 프린터용 필라멘트에 주로 쓰이고 있다.6-8 그러나 기존에 사용되고 있는 석유계 플라스틱보다 열적 안정성 및 기계적 특성이 떨어져 제한된 산업에만 사용이 되고 있다.9-11 PLA의 열적 안정성 및 기계적 특성을 향상시키기 위해 셀룰로오스, 실크, 나노입자 등을 충전재로 사용하거나6,7,12,13 PLA에 폴리카프로락톤(PCL), 폴리우레탄(PU) 등의 고분자를 블렌딩하는 연구들이 보고되고 있다.3,14,15
셀룰로오스 나노크리스탈(CNC)은 나노사이즈의 셀룰로오스 중 무정형 부분이 거의 없는 고결정 물질로 일반적으로 강한 산을 이용한 셀룰로오스의 가수분해를 통해 얻을 수 있다.16,17 CNC는 뛰어난 기계적 물성을 가지고 있어 다른 고분자 재료들을 강화해 주는 강화재로 많이 쓰이고 있다. 또한 주 매트릭스와 CNC간의 계면 접착력을 높여 더욱 더 우수한 물성을 얻기 위해 CNC를 개질하기도 한다.18-23
본 연구에서는 친환경 플라스틱인 PLA에 리그닌이 코팅되어 소수성을 띠는 CNC를 충전재로 사용하여 PLA 고유의 친환경성을 살리며 물성을 향상시킨 PLA/CNC 나노복합재료를 제조하고 CNC의 함량이 나노복합재료의 물성에 어떤 영향을 미치는지 아이조드 충격시험기, 만능재료시험기 및 열분석기를 사용하여 조사하였다.

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    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
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  • Indexed in SCIE

This Article

  • 2018; 42(4): 649-653

    Published online Jul 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.4.649
  • Received on Jan 24, 2018
  • Revised on Feb 28, 2018
  • Accepted on Mar 2, 2018

Correspondence to

  • Dae Su Kim

  • Department of Chemical Engineering, Chungbuk National University, 1 Chungdaero, Seowongu, Cheongju, Chungbuk 28644, Korea

  • E-mail: dskim@cbnu.ac.kr
  • ORCID:
    0000-0001-6420-4836