생분해성섬유소재 기술개발동향 2004. 11
목차 I. 서론 35 Ⅱ. 본론 38 기술개요 (1) 옥수수의발효루트 39 (2) PLA의제조 41 (3) PLA의특징 42 (4) PLA의분해거동 43 (5) 섬유및수지와의비교 45 해외기술동향 (1) 주원료가감자인 PLA 해외기술동향 47 (2) 주원료가옥수수인 PLA 해외기술동향 48 (3) PLA 섬유의용도 49 Ⅲ. 결론 50 참고문헌 52
35 생분해성섬유소재기술개발동향 I. 서론 일반적으로고분자재료는기존의잘알려진재료보다값싸고다양한용도로사용되고있지만 수명이다하여처분을하려할때자연적으로완전히분해되기위해서는종류에따라서수백년이걸리는단점을가지고있다 따라서분해시간을단축하기위해서는 에너지를강제로부여해야되는데이런경우다양한종류의오염물질이배출되는것을막을수없다 그러므로이러한한계를극복하고자훨씬빠른시간내에자연적으로분해되는능력을가지는고분자재료에대한연구가활발히진행되고있다 이러한고분자를생분해성고분자라하고 그러한고분자를이용하여제조된섬유를생분해성섬유라한다 일본의통상성의 생분해플라스틱실용화위원회 는생분해성고분자의잠재수요는약 만톤으로전체플라스틱생산량의 를대체할것으로전망한바있고 일본의 미래기술예측 에서는생분해성플라스틱시장은 년에 억 년에 억 그리고 년에 조 억이
될것이라고예측한바있다 각종환경대책과맞물려고분자연구분야에서도큰변화가이루어지고있음을의미한다 이중에서생분해성섬유는 미생물에의해섬유내의도입된사슬이절단되어무기물화되는섬유 로정의된다 생분해성섬유의생분해과정에영향을미치는인자로는환경 산소 온도 습도 미량의무기물 염 영양물 고분자의성질과같은것들을들수있다 생분해성섬유의주용도는 표 과같다 < 표 1> 생분해성섬유의용도 구분 용 도 위생, 의료용 기저귀, 생리용품, 봉합사, 가제등 가정용품 일용잡화품, 야외레져용품등 공업자재 포장재등 토목, 건축 植生用 Net, 植生用 Mat 등 농업 간이피복재, 결속 Tape 등 수산업 해초망, 어망등 환경친화적이며폐기물의부담이적은생분해성섬유의장점에도불구하고생분해성고분자에비하여생분해성섬유는제조의난점및내구성부족으로인하여그연구및제품생산은매우미미한실정이다 합성섬유와유사한물리화학적성질및기계적성질을가지면서생분해가가능한생분해성섬유에대한연구는 년대석유파동이후세계적으로관심을끌게되었다 근래에
생분해성섬유소재기술개발동향 37 전세계적으로 지구환경보호운동 이활발히전개되면서 유럽등지에서는비분해성포장제에세금을부과하거나 생분해되는포장제사용을의무화하는추세에있으며 한국에서도 년부터분해되지않는일회용포장제사용을금지하였다 이러한추세로볼때 생분해성고분자의섬유는무한한잠재력을가지고있다고볼수있다 이러한잠재력이있음에도불구하고생분해성섬유는아직일반합성섬유에비해 배정도생산단가가높고대량생산을하는데어려움이많을뿐아니라특성에따른용도개발이이루어져있지않아그실용화가미미한실정이다 생분해성섬유의개발은보통분해성고분자의연구와병행된다 분해성고분자는수분및미생물에의하여분해되는생분해성과빛에의하여분해되는광분해성으로크게나뉜다 또한 고분자 자체가분해되는 분해형과첨가된전분이나금속화합물이스스로분해되거나분해를촉진하는첨가형 생붕괴성고분자 으로분류할수있다 전분첨가형이나금속화합물첨가형이가격이저렴하고현재의가공기술을직접응용하는장점이있으나분해속도의느리다는단점을가지고있다 저분자량을갖는다양한종류의합성화합물들이생분해성을나타내는데반하여 합성된고분자화합물들은거의생분해성을띠지않지만 합성고분자들중에서일반적으로지방족 는생물학적공격을받기쉬운것으로알려져있다 전분과 및그유도체들을중심으로한 수많은다당류와플라스틱의 가연구되어왔는데아주최근에다당류 플라스틱
가얼마간생분해성을가진다고하여상당한관심을끌고있다 이 는환경적인문제가상존하는비생분해성플라스틱을대체할만한좋은소재로제시되고있으며주요분해성물질로는 와 또는 과 의혼합물이있다 생분해성섬유소재로는옥수수또는감자로부터얻어지는 재생 인 우유함입레이온 을혼입한섬유 기타거미줄등이있는데 본고에서는특히 에대한기술적특징을고찰해본다 Ⅱ. 본론 1. 기술개요 그림 는 년 가진공하에유산 를가열하여저분자의유지를제조한것이시초가되었다 이것을 의 이연구를계속하여자연적으로분해되는의료용봉합사및이식부품등의용도로개발하였지만값이너무비싼단점이있었다 비싼제조원가를줄이려는노력에힘입어최근에는옥수수를발효하여유산을제조하는방법이개발됨으로써다시주목을받기시작하였다 즉 옥수수에서전분을
생분해성섬유소재기술개발동향 39 발효시킴으로써글루코스를거쳐유산으로되면 이를축합중합하여폴리에스테르나폴리아마이드등과같은용융방사및성형이가능한고분자를얻을수있다 폐기시에는이를매립하여콘포스트화또는농업자재화등을통해토양중의미생물작용으로탄수화물과물로분해된다 가네보합섬은 년이러한폴리유산섬유를실용화하기에이르렀다 < 그림 1> PLA 의분자구조 (1) 옥수수의발효루트 락트론은아래 그림 에서알수있듯이 옥수수 의 전분 을발효시켜 를거쳐 로되고 이것을축합반응으로하여 가만들어진다
< 그림 2> 락트론의자연순환계 이것을 나나이론과같이 용융방사 용융성형등으로상품화시키며 폐기시에는흙속의미생물작용에의해탄산가스와물로분해된다 다시이것을옥수수의재배에사용하는자연순환고리를형성하게하는탈석유자연순환의생태학적수지 섬유인것이다 옥수수는 전분 외피 깍지 배아 으로구성되어있다 옥수수의 는전분 으로되어있으며발효로포도당 을거쳐 가된다 이때 체가주로생성되며 소량의 체를포함한광학이성체가만들어진다 이것을가지고탈수축합에의해결정성혹은비결정성 를제조한다 발효루트는 그림 와같다
생분해성섬유소재기술개발동향 41 < 그림 3> 옥수수의발효루트 (2) PLA 의제조 옥수수는전분 부질 피질및섬유질 배아등으로구성되어있는데 이중부질은단백질혼합물로서 희박용액에의해 이형성된다 이 을원료로옥수수단백질섬유가제조된다 옥수수의 를차지하는전분은발효에의해 를거쳐 의원료인 가된다 이때 는광학이성질체로 체를주체로 체가혼합되어있는상을형성한다 는탈수축합에의해결정성혹은비결정성 가형성된다 화학적으로합성을할경우에는 및 체가동량일경우무정형의융점이낮은수지를얻지못하는단점이있다 의중합방법은크게직접중합법과간접중합법으로나뉠수있다 직접중합법은용융축합에의한중합법과용제중에서의탈수축합
법이가능한데 이중용융축합중합법은아직실험실단계이다 용제중에서탈수축합에의한중합을행할경우 잔존 의제거 중합후의 와용제의분리공정으로특별한공정은필요없지만용제의회수 정제 중합물의재용융에의한 화공정이필요하다 간접중합법은 를가열용융시켜 화하여이를촉매존재하에가열용융하여발생하는 를감압유법으로정제하여제조한후 촉매존재하에가열용융하면개환이되어분자량 만정도의 를얻을수있는방법이다 이개환중합은평형반응에서 정도의 가존재하기때문에얻어진중합물중에서잔존하는 를 이하로제거해야한다 개환중합법은직접중합과달리부산물로서무리발생하지않으며중합계를진공으로할필요가없으며중합설비가단순하다는장점이있다 (3) PLA 의특징 는나선형의일차원구조를가지고있으며다른지방족폴리에스터보다융점이높은특성을지니고있다 또한 차전이온도를가지고있지만 분자구조가단단하여성형제품을제조할경우내충격성에약한단점을보인다 로서의 는 및 체로구성된광학이성질체로 체와 체의비율을변화시킴으로써다양한물성을갖는 를얻을수있다 역시 체 중간체
생분해성섬유소재기술개발동향 43 및 체의광학적이성질체의혼합물이지만생성비는용이하게제어가능하다 이경우에 는 중에 이혼재되어있다고여겨진다 일반적으로 의용융온도는 체의비율이증가할수록감소하는경향을보인다 는외관에있어서투명하다는장점이있다 융점도다른수지에비해높으며인장강도는월등히높으며파단신도가극히작다는것이특징이라할수있다 섬유의열거동및기본물성의측면에서보면 융점에있어서의큰차이를제외하고는 는다른생분해성섬유보다도 와가장유사하다 (4) PLA 의분해거동 의분자내에서의가수분해과정을 그림 에나타내었다 락토론의분해거동은강도저하를관찰함으로써알수있는데 의해수내에서는 일이지난후에는 정도의강도저하율을보이며 같은온도의토양내에서는 일후에 정도의강도저하율을보인다 락토론과같은생분해성섬유는그분해능이해수내에서보다토양내에서더빠르다는것을의미한다 생분해성고분자로서의 는생분해능력을가지고있지만양모 면등의천연섬유에비하면분해속도가느리다 특히락토론은결정성이높고 차전이온도가상온보다상당히높기때문에그만큼분해가어려운것으로알려져있다 락토론은셀룰로오스에비해초기분해율은크게떨
어지나 방치일수가 일을넘게되면오히려분해율이역전되는것을관찰할수있다 즉 셀룰로오스는초기분해속도가빠른대신 정도의분해율로유지되지만 락토론의경우에는초기분해속도가느린대신시간이더욱흐르면 이상의분해율에서유지된다 < 그림 4> PLA 의가수분해 CH CH H CH CH n H H CH CH CH H CH n H CH CH H H CH CH n 일반적으로생분해성고분자의분해는수분의침투가비교적용 이한비결정영역의파괴에의한구조적파괴에기인한다고알려져
생분해성섬유소재기술개발동향 45 있다 이러한구조적파괴는섬유말단의카르보닐기에물분자가공 격하여가수분해됨으로써반응이시작된다 (5) 섬유및수지와의비교 섬유의성질을먼저 섬유와비교해보면다음 표 와같다 옥수수섬유의생분해성은토양에묻을경우에전체무게변화는관찰되지않을지라도 강도저하와함께 년에걸쳐완전히분해되며해수에잠길경우에도토양에묻힐경우와유사한거동을보인다 < 표 2> 옥수수섬유와 PET 의물성비교 Corn Fiber Polyester fiber Multifilament Monofilament 강력 (cn/dtex) 4.0-4.8 4.0-4.4 4.0-4.8 신도 (%) 30-40 25-35 30.-40 Modulus (kg/ mm2 ) 400-600 400-600 1100-1300 결정화도 (%) over 70 over 70 50-60 녹는점 ( ) 175 175 65 일반적으로 중에서 체만으로조성된 는 와인장탄성계수에있어거의유사한 물성을보인다 는색상과같은외관상의특성및굽힘강성등
에서특히우수하고 융점도다른것에비해높은편이지만의류용으로사용하기에는아직충분하지못하다 충격강도가낮은것은 의조밀한구조의영향이크다 표 은각종생분해성수지의물성을보여준다 표 에서보는바와같이 는외관에있어서투명하다는장점이있다 융점도다른수지에비해높으며인장강도는월등히높으며파단신도가극히작다는것이특징이라할수있다 표 에는생분해성섬유의화학구조와물성을나타내었다 섬유의열거동및기본물성의측면에서보면 융점에있어서의큰차이를제외하고는 는다른생분해성섬유보다도 와가장유사함을알수있다 < 표 3> 각종생분해성수지의물성 지방족수지종류 Polycaprola PLA Polyester P(HB-HV) 전분 /PVA 계및 ctam (BD/SA) 생산업체도율제작소소화고분자다이셀화학제네카일본합성화학 비중 - 1.27 1.26 1.14 1.23 1.28 융점 171 113 57 154 132 외관 - 투명 유백색 유백색 유백색 유백색 인장강도파단신도굴곡강도굴곡탄성율충격강도 kg / cm2 % kg / cm2kg / cm2kgcm / cm 590 2 730 30,400 2.4 310 350 320 6,500 7.5 150 430 160 3,600 N.B 240 7 250 9,300 7.6 220 125 300 10,300 2.1
생분해성섬유소재기술개발동향 47 < 표 4> 생분해성섬유의화학구조와물성 섬유명 일차구조 융점결정화온도 Tm( ) Tc( ) 유리전이온도 Tg( ) 섬유물성 강도 영율 (g/d) (g/d) PLA H-(CH(CH 3)C)n-H 175 105 57 5.5 68 카프로락탐 H-((CH 2) 5C)n-H 60 22-60 4.0-5.5 10-20 폴리부틸렌사쿠시네트 H-((CH 2) 4CC 2H 4C)n-H 116 77-3.2 4.5-5.5 15-25 PET H-(C 2H 4C(CH) 6C)n-C 2H 4H 256 170 69 4.5-5.5 100-110 2. 해외기술동향 (1) 주원료가감자인 PLA 해외기술동향 국립연구소 기술에대한 에관해일본계회사인 와계약을체결하였는데 은감자폐기물을공급원으로하는발효공정에의해 를생산하는기술을보유하고있다 의축합중합에의해저분자량의 가합성되며 이 는 에의해서로이어져고분자량의 가되는데 이런고분자의성질은좋은기계적물성을갖는데필수적인요소가된다
를그 로전환한후 개환중합에의해고분자량을갖는 를합성하는 단계공정에대한기술을보유하고있다 상업용포장재에서의 사용에관심을갖고 와의공동사업 체 을통해이의연구 개발에뛰어들었다 (2) 주원료가옥수수인 PLA 해외기술동향 사의주요농업관련사업업체 옥수수알갱이를고분자제조원료로이용하여필름이나포장재질의용도로사용하는고분자를만드는기술을이용하여양사가동등한비율의투자를하고 이신기술을이용한고분자제품은세계최초로대량생산체제를갖춘것으로서세계시장에서수십억달러의시장성을갖고있는것으로전망된다고한다 공장은네브라스카지역에설립될계획이며이지역은미국내에서옥수수의주요원산지로서 년경완공을목표로하고있다 이기술을이용하여현재의옥수수뿐만아니라쌀과밀을원료로이용할수있을것으로전망하고있으며향후에도지속적으로새로운재생성원료를이용하게될것이라고
생분해성섬유소재기술개발동향 49 한다 일본의패션디자이너인 는이미이 고분자 섬유를이용한의류모델을선보인바있다 일 의생분해성폴리젖산소재 락트론은종래의합성섬유와동등한초기강력을유지하며통상의용도에대해서충분히실용성이있으며 그것도사용후에퇴비화가되면이산화탄소와물로분해되는자연소재이다 현재미국의 사와제휴로락트론시장개척에을적극추진하고있으며생활자재 토목및건축자재 농업및원예자재 의류 포장자재등의분야로전개예정이다 (3) PLA 섬유의용도 옥수수섬유로서의 섬유는염색가공분야 의류분야 재봉사및산업용도로전개가가능하다 염색가공분야로의적용에있어서 섬유의염색은폴리에스터의염색및가공방법을따라야한다 는분류상지방족폴리에스터류에속하기때문이다 섬유는열수축률이비교적높고내열성이좋지않으며알칼리에약한특징을보이므로정련조건 열고정온도 건조온도및시간조건에특히주의를기울일필요가있다 또한 섬유에손쉽게적용할수있기위해서는적당한분자량및분자구조의염료를개발할필요가있다 섬유는내광성등실용화에중점을두고 급이상의염색견뢰도를얻을수있는방법을모색해야한다 또
한특수한색상에대해서는아직도문제가많으므로해결해야할과제이다 섬유는면 양모 견등천연섬유나레이온과같은재생섬유와의혼용을통해다양한의류상품으로의전개가가능하다 또한기존에없는청량감을주는소재로서의가능성을담고있으며 굴절률과광반사율이낮으며선명한심색성을가진독특한특성을가진제품으로의전개가기대된다 구체적인용도로는블라우스 드레스 내의 스포츠웨어 안감지용등이있다 산업용도로는식물의생육용및이식용용기로의적용이가능하다 그리고기타종이 부직포 포장재료 필터 가정용잡화 그리고레저용품등에적합하다 즉 방충망 네트 낚시줄 로프 모기장등에적용이가능하다 Ⅲ. 결론 생분해성섬유의이용에있어서가장큰문제는비용과용도전개이지만 환경문제에민감한유럽연합지역에서는고분자재활용비용을함께고려해볼때 생분해성섬유는점점경쟁력을갖게될것이다 그러나미국에서는분해성에대한상업적가치가거의없거나매우적기때문에훨씬더큰비용절감이이루어져야만시장에서경쟁력을갖고광범위하게이용될수있을것이다 이생분해성섬유제품들이아직까지는레져의류에까지이용될만큼의
생분해성섬유소재기술개발동향 51 물성을갖지는못하지만일회용의료가운등에는제한적으로이용될수있을것이다 특히생분해성섬유의최적사용처는폐기물의저하보다는수술용봉합사임을고려할때 적절한인체적합성을갖는방향으로의연구개발이지속될것이다 생분해성에대한계속적인연구개발을통해생분해성섬유의생분해와적정용도전개및확대의관계를규명하는데필요한자료를충분히확립해야하며 그럼으로써기존및새로운시장을위한생분해성섬유상품들이많이개발될것이다 생분해성섬유는수술용봉합사및일회용부직포와 과같은의복용섬유를목표로그개발방향이설정되어있다 부가가치가높은수술용봉합사와같이이러한생분해성섬유는폐원료를이용할수있다는원료적인측면과친환경적이라는장점을가지고있다 그러나적극적인용도전개와적절한생분해성의조합문제를우선해야한다는절실한과제를안고있다 특히년간 조원의관련시장을갖고있는재생셀룰로오스분야와 이상의생분해성플라스틱에응용이가능한 분야가가능성이매우높은생분해성섬유개발분야의주류가될것이다
참고문헌 한국식품개발연구원 생분해성의새로운포장용필름개발 보고서번호 친환경천연소재섬유 생분해성섬유소재
참고문헌 53 김재현 박태현 신동명 이성호 한귀영 전분이함유된폴리에
틸렌필름의곰팡이에의한생분해특성 한국생물공학회지 이찬우 가도입된 공중합체의제조및생분해특성 한국섬유공학회지 황선일 생분해성플라스틱의기술개발동향 한국과학기술정보연구원 기술동향분석보고서
참고문헌 55
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