예측모델을 이용한 폴리스티렌포장재로부터 저분자물질 이행에 관한 연구 = Study on Migration of Low Molecular Weight Substances from Polystyrene Packaging Materials by Using Prediction Model

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Migration of small molecular weight components from expanded polystyrene (ESP) and general purpose polystyrene (GPPS) was measured for different conditions of temperature and food simulant. Measured migration includes overall migration and specific one of monomer, dimers and trimers. The tested food simulants were distilled water and n-heptane. Diffusion model based on Fick's law was used to determine the diffusion coefficients at various experimental conditions. By using the diffusion model and coefficients, migrations in overall and specific level were estimated to give some practical implications for regulation development and package design. Overall migration in KMnO₄ oxidizable extractives and specific migration of styrene monomer from ESP showed diffusion coefficients of 0.030 and 6.8 x 10⁻⁵mm²/h at 60℃, respectively. Their temperature dependence could be explained by Arrhenius equation with respective activation energies of 80.5 and 98.6 kJ/mol. Migration of nonvolatile extract and styrene monomer from ESP to heptane did not follow Fick's law. Migration of styrene monomer and dimers from GPPS to water could not detected, while that of trimers showed diffusion coefficient of 9.04 x 10⁻⁷ mm²/h at 60℃ and activiation energy of 72.8 kJ/mol. Styrene monomer, dimers, trimers migrating from GPPS to heptane showed diffusion coefficients 0.0034, 0.0033 and 0.0025 mm²/h at 24℃, respectively. Their respective activation energies of diffusion were 55.8, 51.3 and 44.8 kJ/mol, which were significantly lower than that to water . Experimental conditions ensuring desired migration level were suggested for accurate examination of migration from packaging materials. Some explanatory estimations of migrations were given for some typical conditions of potential usages.

국문 초록 (Abstract)

발포 폴리스티렌 및 일반 폴리스티렌으로부터 잠재적 저분자 물질의 이행을 측정하고 이를 수학적 모델을 이용하여 이행속도를 분석하고 예측하고자 하였다. 폴리스티렌 포장에 용출 가능한 형태로 존재하는 저분자 물질 분석방법을 확립하였다. Styrene monomer, dimer, trimer의 분석방법을 확립하였고, 아울러 총괄 이행의 지표로 사용되는 KMnO4 소비량, 증발잔류물 등도 측정하였다. Fick의 법칙에 기반하여 폴리스티렌으로부터의 이행과 확산에 대한 정량적 모델을 확립하고, 온도 및 용매조건에 따른 확산계수를 구하였다. 이로부터 다양한 사용조건에 대한 이행량을 예측하고, 현실적인 의미를 제시하였다. 발포 폴리스티렌으로부터의 증류수로의 이행물질로서 KMnO₄소비량, styrene monomer의 이행은 60℃에서 각각 0.030 mm²/h, 6.8 x 10⁻⁵ mm²/h의 값을 보였다. 온도의존성을 나타내는 활성화에너지 값은 KMnO4 소비량 및 styrene monomer에 대해 각각 확산계수 80.5 kJ/mol 및 98.6 kJ/mol 로 나타났다. 발포 스티렌으로부터 heptane으로의 증발잔류물 및 styrene monomer의 이행은 Fick의 법칙으로 설명될 수 없어서 수학적 model로 확립하기에는 어려움이 있었다. 일반 폴리스티렌으로부터 증류수로의 styrene monomer와 dimer의 용출은 극히 작아서 측정감도 이하 수준이었으며, trimer의 용출은 작은 양이었지만 Fick의 확산법칙으로 묘사할 수 있었다. Styrene trimer들의 증류수로의 용출은 60℃에서 9.04 x 10⁻⁷mm²/h의 확산계수 값을 보이고, 활성화 에너지는 72.8 kJ/mol이었다. 일반 폴리스티렌으로부터 heptane로의 styrene monomer, dimer, trimer의 용출은 Ficks의 법칙으로 설명될 수 있었으며, 24℃에서 각각 0.0034 mm²/h, 0.0033 mm²/h, 0.0025 mm²/h의 확산계수를 보였고, 활성화에너지는 각각 55.8 kJ/mol, 51.3 kJ/mol, 44.8 kJ/mol이었다. 이행량 측정에서 적절한 이행의 정도를 얻을 수 있는 실험조건을 제시하고, 몇가지 가상조건에 대해서 styrene 저분자 물질의 이행거동을 예측하였다.○ 연구목표 : 용도가 다양하고 사용량이 많은 폴리스티렌을 대상으로 예측모델의 적용에 의하여 여러 잠재적인 이행물질의 이행속도를 분석하고 예측하고자 한다. 본 연구의 구체적인 연구목표는 다음과 같다.
① 폴리스티렌 포장에 존재하는 저분자 물질 분석방법의 확립
② 폴리스티렌 시트로부터의 이행과 확산에 대한 정량적 모델 확립
③ 온도 및 food simulant 조건에 따른 경시적 이행량의 측정
④ 다양한 사용조건에 대한 이행량 예측 모델의 확립 및 제시
○ 연구내용 : 이행에 사용될수 있는 수학적 model식을 확립하고, 이로부터 다양한 조건에서의 저분자 물질의이행 parameter를 구하여 조건별 특성으로 정량화한다. 구체적인 연구범위는 다음과 같다.
① styrene monomer 분석법 정립
② 기타 저분자 물질의 분석방법 정립
③ 실용적 조건을 고려한 수학적 model식 확립
④ 실험적 조건에서의 model parameter의 계산방법 정립
⑤ 온도조건에 따른 이행량 측정
⑥ food simulant 가 이행에 미치는 영향
⑦ 조건별 모델 parameter의 결정
⑧ 대표적 실제 포장 이용조건에서의 이행정도 예측 및 안전 사용조건을 제시
○ 연구성과(응용분야 및 활용범위포함) : 발포 폴리스티렌 및 일반 폴리스티렌으로부터 잠재적 저분자 물질의 이행을 측정하고 이를 수학적 모델을 이용하여 이행속도를 분석하고 예측하고자 하였다. 폴리스티렌 포장에 용출 가능한 형태로 존재하는 저분자 물질 분석방법을 확립하였다. Styrene monomer, dimer, trimer의 분석방법을 확립하였고, 아울러 총괄 이행의 지표로 사용되는 KMnO₄ 소비량, 증발 잔류물 등도 측정하였다. Fick의 법칙에 기반하여 폴리스티렌으로부터의 이행과 확산에 대한 정량적 모델을 확립하고, 온도 및 용매조건에 따른 확산계수를 구하였다. 온도 의존성은 Arrhenius 방정식으로 표현하고 활성화에너지를 구하였다. 이로부터 다양한 사용조건에 대한 이행량을 예측하고, 현실적인 의미를 제시하였다. 대표적인 포장 조건에서 이행정도의 예측을 제시하여, 안전한 사용조건을 설계하는 데에 참고가 되도록 하였다. 아울러 법규적인 측면에서 적용가능한 용출시간과 온도 등을 검토할 수 있는 기본 방향을 제시하였다. 본 연구의 연구결과는 관련 학술지에 발표하여 식품포장의 위생적인 안전성을 확보하는 데 참고자료로도 사용될 수 있도록 하며, 연구결과에서 사용된 컴퓨터 프로그램 등은 관심있는 여러 당사자에게 배포하여 그 활용도를 확대시키고자 한다.