Nano-sized copolymer를 이용한 생분해성 필름 제조 및 물리적 특성 = Preparation and physical properties of biodegradable films using nano-sized copolymer Particles

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 합성플라스틱 물질의 환경문제에 대한 관심이 증가함에 따라, 합성고분자 물질의 대체물질인 친환경 생분해성 플라스틱 물질의 연구가 수행되고 있다.
본 연구에서는 옥수수전분, poly(vinyl alcohol) (PVA), nano-sized copolymer [poly (methyl methacrylate-co-acrylamide) (P(MMA-co-AAm)), poly (methyl methacrylate-co-methyl methacrylic acid) (P(MMA-co-MAA)), poly (methyl methacrylate) (PMMA)] 및 가소제를 사용하여 생분해성 필름을 제조하였다. 가소제로는 glycerol (GL), xylitol (XL), tartaric acid (TA), 그리고 citric acid (CA)를 사용 하였으며, nano-sized copolymer는 유화중합으로 제조하였다. Nano-sized copolymer 중합 과정에서 P(MMA-co-AAm)의 MMA와 AAm의 비율을 4:1, 3:1, 2:1로 변화 시켜 중합하였다. 또한, [MMA:AAm=4:1]은 개시제의 양을 변화시켜 입자크기 (60 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm)를 조절 하였다. Nano-sized copolymer의 입자 크기 및 모양은 Scanning electron microscope (SEM)를 이용하여 관찰하였다.
나노입자 함량에 따라 제조된 생분해성 필름의 tensile strength (TS), elongation (%E), degree of swelling (DS), 그리고 solubility (S)를 조사하였다. 그 결과 나노입자 함량이 증가함에 따라 TS와 DS의 값은 증가 하였고, %E와 S의 값은 감소하였다. 이는 nano-sized copolymer 입자가 전분과 PVA, 가소제 사이에서 상호 보완적 가교 결합에 의해 TS와 DS는 증가 되었다.
토양매장 실험은 전분 + PVA필름과 전분 + PVA + nano-sized copolymer [P(MMA-co-AAm), P(MMA-co-MAA) 및 PMMA]필름, 그리고 PVA 필름 (가소제 미첨가)의 생분해 정도를 확인하기 위해 수행하였다. 전체적인 필름의 초기부터 70일 정도까지는 급격한 분해가 이루어 졌으며 약 70일 이후부터 종료 시 (170일)까지는 천천히 분해되었다. 그와 반대로 PVA필름은 토양분해에서 높은 저항성 때문에 20 %이하에서 분해가 되었음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, with the increasing concern about the environmental pollutionresulting from nondegradable plastic materials, numerous research to develop environment-friendly biodegradable plastic materials as replacements for synthetic polymeric materials was carried out.
In this study, biodegradable films were prepared by using corn starch, poly (vinyl alcohol) (PVA), nano-sized copolymer [poly(methyl methacrylate-co-acrylamide (P(MMA-co-AAm)), poly(methyl methacrylate -co-methyl methacrylic acid) (P(MMA-co-MAA)] and poly methylmethacrylate (PMMA), and additives. Glycerol (GL), xylitol (XL) tartaric acid (TA), and citric acid (CA) were used as additives.
Nano-sized copolymers were synthesized by emulsion polymerization.
Nano-sized copolymers were polymerized as 4:1. 3:1. and 2:1 mole ratios of MMA and AAm monomer, respectively. In addition, particle sizes of P(MMA-co-AAm) (4:1) were controlled by using initiator contents. The size and the shape of nano-sized copolymer were observed by the scanning electron microscope (SEM). The physical properties such as tensile strength (TS), elongation (%E), degree of swelling (DS) and solubility (S) for the biodegradable films were investigated. The results verified that with the increasing nano-size copolymer contents, the TS and DS values of films were increased, whereas %E and S values were decreased. The reason of the improvement of TS and DS values is the inter-intra reaction between nano-sized copolymer, corn starch, PVA and additives. The biodegradability of films without additives, that is, starch + PVA film, starch + PVA + nano-sized copolymer [P(MMA-co-AAm), P(MMA-co-MAA) and PMMA] films, and PVA film was evaluated by soil burial experiments. At the all films, a rapid degradation occurred in the initial 70 days, followed by a slow degradation until the end of the experiment. In contrast, the PVA film exhibited a higher resistance against soil burial biodegradation (20%).

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구의 배경과 필요성 1
• 2. 연구의 목적 및 범위 3
• II. 문헌적 고찰 5
• 1. 생분해성 고분자 5
• 2. 나노 복합 재료 10
• 3. 중합방법 14
• III. 실 험 17
• 1. 시약 17
• 2. 유화중합을 이용한 nano-sized copolymer 제조 19
• 3. 생분해성 필름 (Biodegradable film)의 제조 22
• 4. 필름의 tensile strength와 elongation 측정 22
• 5. 필름의 팽창도 (degree of swelling)와 용해도 (solubility) 측정 24
• 6. 토양에서 필름의 분해 측정 25
• IV. 실험결과 및 고찰 26
• 1. Nano-sized copolymer 제조 및 실험결과 26
• 2. 생분해성 필름의 기계적 성질 29
• 3. 생분해성 필름의 팽창도 (degree of swelling) 와 용해도 (solubility) 41
• 4. P(MMA-co-AAm) 입자 크기에 따른 생분해성 필름의 물리적 특성 47
• 5. 토양에서 필름의 분해측정 51
• V. 결론 53
• 참고문헌 54
• Abstract 57