생분해성 플라스틱 PBAT의 뜻과 특성

PBAT의 개념과 특성

PBAT란?

21세기에 들어서 가장 중요한 소재 중 하나인 플라스틱은 우수한 종합적 특성과 저렴한 비용으로 빠르게 개발되어 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 안타깝게도 폴리에틸렌(PE), 폴리 프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 등과 같은 대부분의 기존 플라스틱은 석유에서 생산되며 폐기물을 분해할 수 없습니다. 따라서 기존 플라스틱의 생산 및 소비가 증가하면 결과적으로 오일 소비가 증가하고 심각한 환경오염이 발생합니다. 기존 플라스틱의 주요 문제인 화석 자원과 환경오염은 향후 지속 가능한 발전을 위해 해결되어야 하는 과제입니다.

 

화석 자원과 환경 오염에 대한 이러한 어려운 문제를 해결하기 위한 전략은 폐기된 기존 플라스틱을 재활용하고 생분해 성 플라스틱을 함께 사용하는 것이어야 합니다. 사용한 모든 플라스틱을 항상 회수할 수 있는 것은 아니기 때문에 기존의 플라스틱 재활용만으로는 심각한 문제를 해결할 수 없습니다.

 

상당량의 폐기된 플라스틱은 결국 물리적 또는 화학적 재활용 여부에 관계없이 폐기된 플라스틱의 재활용 과정에서 태우거나 땅에 묻히게 됩니다.

 

이러한 상황에서 플라스틱 재활용에 비해 생분해성 플라스틱을 사용하는 것이 이러한 플라스틱 문제를 해결하는 데 효과적인 방법이자 유익한 보충제가 될 것입니다.

 

생분해성 플라스틱은 곰팡이, 조류, 박테리아와 같은 자연 발생 미생물의 작용으로 분해되는 플라스틱입니다. 이를 고려하면 생분해성 플라스틱의 필요성은 자연환경에서 미생물에 의해 폐기물을 회수할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있습니다. 사실 생분해성 플라스틱은 최근 몇 년 동안 급속한 발전과 광범위한 응용을 통해 이러한 플라스틱 문제를 해결하는 데 효과가 있었으며, 그로 인해 생분해성 플라스틱의 인기는 점점 커지고 있습니다.

 

생분해성 플라스틱 시장은 지난 20년 동안 강력한 성장을 보였습니다. 2005년 세계 생분해성 플라스틱 시장 톤수는 94,800톤으로 추정되며, 2010년 시장은 214,400톤에 달하여 2005-2010년 기간 동안 복합 연간 성장률 17.7%를 나타냅니다.

 

포장(경질 및 연질 포장, 종이 코팅 및 식품 서비스 포함)은 전체 생분해성 폴리머 시장 규모의 약 39%를 소비하고, 그 다음은 느슨한 포장(약 24%), 봉지 및 자루 (21%), 섬유 (9%) 및 기타 (7%)입니다.

 

결과적으로 생분해성일뿐만 아니라 예상되는 재료 특성의 요구 사항을 충족하는 생분해성 플라스틱을 설계하고 개선해야 하는 강력한 수요가 존재한다고 볼 수 있습니다.

 

환경 문제를 해결하고 시장 수요를 충족시키기 위해 생분해성 플라스틱의 기초가 되는 새로운 생분해성 폴리머 설계에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 생분해성 폴리머를 개발하는 동안 폴리 에스테르는 특히 흥미로운 폴리머 그룹입니다. 한편 지방족 폴리 에스테르는 가수 분해에 민감한 연쇄에 있는 에스테르 결합으로 인해 쉽게 생분해되는 것으로 나타났습니다. 불행히도 폴리 카프로 락톤(PCL) 및 폴리-β-하이드 록시 부티레이트(PHB)와 같은 지방족 폴리 에스테르는 열악한 기계적 및 열적 특성을 보여줍니다.

 

반면에 폴리에틸렌 테레 프탈레이트(PET)와 폴리 부틸렌 테레 프탈레이트(PBT)와 같은 방향족 폴리 에스테르는 매우 우수한 물성을 나타내지만, 미생물의 공격에 강한 내성을 보입니다. 따라서 만족스러운 기계적 특성과 바람직한 생분해 성을 모두 갖는 새로운 폴리 에스터를 설계하기 위해 지방족과 방향족 단위로 구성된 지방족-방향족 코 폴리 에스테르를 합성하여 연구하고 있습니다.

 

PBAT의 특성

1. 생분해성

방향족 폴리 에스터 PET 또는 PBT는 온화한 조건에서 가수 분해에 대한 내성이 있고, 미생물의 직접적인 공격에 대한 내성이있는 것으로 밝혀졌기 때문에 지방족 성분을 삽입하여 가수 분해 감수성 및 생물학적 분해성을 증가시키려는 많은 시도가 있었습니다.

 

1995년 Witt et al. 코 폴리 에스터 PBAT가 60°C 퇴비 시뮬레이션 테스트에서 약 50mol%의 PTA 함량까지 분해되었다는 보고 가 처음으로 소개되었습니다. 초기 몰 질량과 비교하여 잔류 물질의 중량 평균 몰 질량의 현저한 감소는 표면에서의 생물학적 분해와 상당한 화학적 가수 분해가 코 폴리 에스터 내에서 발생함을 나타냅니다.

 

1년 후 Witt et al. PBAT의 생분해 속도가 폴리머의 PTA 함량에 따라 달라진다는 데이터를 다시 발표했습니다. 공중 합체에서 PTA의 분율이 증가하면 생물학적 분해율이 지속적으로 감소하지만 약 50 mol% PTA의 함량은 이러한 물질이 퇴비화에 적합할 것으로 여전히 분해율을 만족할 것으로 추정할 수 있습니다.

 

PBAT의 방향족 염기 서열로부터 생분해에 미치는 영향도 연구되었습니다. 결과는 더 긴 방향족 올리고머가 화학적 가수 분해로 인해 고온에서 퇴비에서 생분해될 수 있음을 보여 주지만, 하나 또는 두 개의 테레 프탈레이트를 포함하는 올리고머는 쉽고 빠르게 분해됩니다.

 

PBAT에 대한 인위적으로 높은 분해 실험에서 다양한 지방족 및 방향족 올리고머를 결정하고 확인할 수 있었지만, 실험이 끝나면 단량체 PTA, AA 및 BDO만 관찰되었습니다. 매체 성분과 관련이 없는 다른 에스테르 화합물은 사용된 분석 방법으로 검출되지 않았습니다. 분해 산물이 포함된 배지에 퇴비 혼합 배양액을 접종함으로써, 모든 단량체가 미생물 퇴비 집단에 의해 쉽게 대사 된다는 것을 입증할 수 있었습니다.

 

퇴비화 가능한 테스트 프로그램은 표준 En 13432 및 ASTM D6400에 따라 PBAT에 대한 국제 권위 테스트 기관인 OWS (Organic Waster System)에서 수행되었습니다. 일반적인 결론으로 ​​재료 PBAT는 이러한 규범에 요약된 재료 특성, 생분해, 분해 및 퇴비 품질에 대한 평가 기준을 모두 충족한다고 말할 수 있습니다. 따라서 PBAT는 완전한 퇴비화가 가능하다고 결론을 내릴 수 있습니다. 동시에 PBAT는 호주, TUV(벨기에), DIN-CERTCO(독일) 및 BPI(미국)로부터 권위있는 퇴비화 가능 인증서를 획득했습니다.

 

2. 기계적 성질

BAT는 분자 사슬의 지방족 단위로 인한 우수한 생분해성뿐만 아니라 분자 사슬의 방향족 단위로 인해 우수한 기계적 물성을 보여줍니다. 폴리(락트산) (PLA) 및 폴리(butylene- 대부분의 생분해 성 폴리 에스테르에 비해 공동-succinate)(PBS) PBAT의 기계적 특성을 더욱 유연하게 표시하고 (LDPE), 저밀도 PE와 유사합니다. 이러한 기계적 특성으로 인해 PBAT는 광범위한 잠재적 응용 분야에서 매우 유망한 생분해성 재료가 됩니다.

 

PBAT의 기계적 특성은 단량체 구성과 분자량의 영향을 받았습니다. 한편으로는 Lee et al. 및 Herrera et al. 영률은 테레 프탈레이트 단위의 함량에 따라 증가하는 반면 파단 연신율은 감소합니다. 반면에, 인장 강도는 증가하고 파단 신율은 분자량이 증가함에 따라 감소합니다. 이 연구 결과를 바탕으로 반응과 관련된 변수가 PBAT의 분자량에 영향을 미치기 때문에 PBAT의 기계적 특성은 반응기의 압력 및 온도와 같은 선택된 공정 변수에 따라 조정될 수 있습니다.

 

3. 결정화 행동

대부분의 산업 공정은 열 조건에서 수행되며 반결정성 폴리머를 포함하는 성공적인 공정 개발에는 결정화 거동 및 열 특성에 대한 지식이 필요합니다. 적당한 결정도 및 우수한 열 안정성은 반결정질 폴리머를 쉽게 처리할 수 ​​있습니다.

 

PBAT는 이상적인 임의성과 조성비에도 불구하고 잘 발달된 PBT 유사 결정 구조를 가지고 있습니다. 용융 온도는 PBT보다 110°C 이상 낮습니다. 격자 간격, 결정도 및 PBAT의 결정화 가능한 BT 시퀀스의 분율에 대한 정량 분석을 기반으로 PBAT의 결정 구조는 BA 단위가 BT 격자에 통합된 BT 및 BA 단위의 혼합 결정화에 의해 형성되는 것으로 확인되었습니다. 이 혼합 결정 구조는 적용 시 전이 및 응력 제거에서 PBT와 같은 가역 결정을 겪는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 PBAT의 탄성 특성으로 인하여, 그 결정형 전이는 PBT의 β 전이 α에 비해 높은 변형 영역에서 발생합니다. 

 

PBAT의 결정화 및 용융 거동은 냉각 및 가열 속도가 10°C/min인 시차 주사 열량계 (DSC)로 조사되었습니다. 그리고 PBAT의 열 안정성은 질소 조건에서 20°C/min의 가열 속도로 열 중량 분석(TGA)으로 조사되었습니다. PBAT는 약 123°C에서 넓은 피크로 녹고 약 60°C에서 신성 피크로 결정화된다는 것을 알 수 있습니다. 동시에 PBAT의 5% 중량 손실 온도는 350°C보다 높습니다. 데이터에서 PBAT가 결정화 및 열 안정성이 우수하다는 것을 알 수 있습니다. 결과적으로 압출, 인입, 블로잉 필름 등 기존의 제조 공정을 통해 단독으로 사용하거나 다른 소재와 혼합하여 사용할 수 있는 가공 안정성이 우수합니다.