탄화한 리그닌 및 유기화 몬모릴로나이트로 보강한 PLA 복합재료의 기계적 / 열적 특성

Abstract

본 연구에서는 바이오 플라스틱 중 하나인 폴리락타이드(PLA)에 탄화한 리그닌 및 유기화 몬모릴로나이트를 입자 형태의 보강재로 이용하여 고분자 복합재료를 제조하고 그 특성을 평가하였다. 펄프 공정의 부산물로 얻어진 가루 형태의 크라프트 리그닌(Kraft Lignin) 파우더를 질소 기체 하의 높은 온도 조건에서 처리하여 탄화한 뒤 기계적인 분쇄를 통해 입자 형태의 보강재로 제조하였고, 이렇게 가공된 리그닌의 형태학적 변화를 FE-SEM 이미지를 통해 관찰하였다. 또한 탄화과정을 거치며 일어난 리그닌의 화학적 변화를 SEM-EDS와 FT-IR를 통해 정량 및 정성분석 하였다. 탄화한 리그닌 이외의 보강재로는 유기화제의 일종인 메틸디히드록시에틸 수소화 탈로우 암모늄(Methyl dihydroxyethyl hydrogenated tallow ammonium)으로 유기화한 몬모릴로나이트를 이용하였다. 모든 복합재료들은 혼련기를 이용한 용융 혼합과 가열 압착기를 이용한 용융 압착을 통해 필름 형태로 제조되었다. 폴리락타이드/유기화 몬모릴로나이트, 폴리락타이드/탄화한 리그닌 복합재료, 폴리락타이드/탄화한 리그닌/유기화 몬모릴로나이트 복합재료를 제조하여 XRD, TEM을 통해 평가하였다. 또한 인장강도 측정을 통해 복합재료의 기계적 특성과 TGA/DTG, DSC를 통해 복합재료의 열적 특성을 관찰하였다. 분석 결과를 통해 탄화한 리그닌과 유기화 몬모릴로나이트를 함께 사용한 복합재료의 물성이 가장 우수함을 확인하였다.

In this study, polylactide(PLA), one kind of bioplastics, was reinforced with carbonized lignin and montmorillonite mineral clay particles. The prepared polymer composites were characterized. Kraft lignin powders, a major by-product of pulp manufacturing process, was carbonized at a high temperature and mechanically milled to yield particulate reinforcements. The processed lignin particles were morphologically studied with field emission scanning electron microscope(FE-SEM) images. Furthermore, chemical changes of the lignin powders occurred during the processes were characterized by energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS) and infra red spectroscopy(FT-IR) both quantitatively and qualitatively. Organically modified montmorillonite particles by methyl dihydroxyethyl hydrogenated tallow ammonium, an organic modifier, was also used as reinforcements. All the composites were prepared via melt-compounding and melt-pressing techniques using a bench kneader and a hydraulic hot press. PLA/Carbonized Lignin, PLA/Organically modified montmorillonite, and PLA/Organically modified montmorillonite /Carbonized lignin composites were prepared and characterized with XRD, TEM. In addition, mechanical properties and thermal properties of the composites were studied by tensile testings, thermogravimetric analysis(TGA), differential scanning calorimetry(DSC). The results showed that the PLA composite reinforced with both particulate reinforcements has the finest properties overall.