Effect of interface affinity on the Performance of the composite of microcrystalline cellulose and Polypropylene/Polylactide Blends

Abstract

바이오 매스 기반의 고분자인 폴리락타이드는 친환경 생분해성 고분자로 최근 많은 관심을 받고 있다. 최근 대두되고 있는 석유의 고갈, 폐기물 처리과정에서의 이산화탄소 배출 등의 환경문제를 해결할 것으로 기대가 되고 있다. 하지만 석유기반 고분자에 비해 낮은 기계적 물성, 열 안정성으로 응용에 한계를 겪고 있는 상황이다. 압출, 사출 등의 가공 온도 조건을 설정하기에 어려움이 있다. 또한 너무 잘 부러지기 때문에 높은 스트레스를 견뎌야 하는 용기 등을 제작하는 데에 쓰이기에 어려움이 있다. 따라서 본연구에서는 폴리프로필렌와 폴리락타이드를 블렌드시켜 이러한 단점을 보완하여 산업에서의 응용 범위를 확대하고자 연구를 진행하였다. 또한 상용화제와 미세결정셀룰로오스가 폴리프로필렌과 폴리락타이드의 블렌드의 기계적 물성과 분상상의 분포 상태에 미치는 영향을 연구하였다. 계면 친화성을 높이기 위해 블렌드의 중량 퍼센트에 따라 실란으로 개질된 미세결정셀룰로오스를 충전제로 사용하기도 하였다. 본 연구는 폴리프로필렌 풍부 블렌드와 폴리락타이드 풍부 블렌드로 나누어 두가지 시스템에서 각각 실험을 진행하였으며 이는 이축 스크큐를 가진 압출기로 블렌드되었다. 일반적으로 나노 크기의 입자가 마이크로 크기의 입자보다 복합재의 물성을 더 강화시킬 수 있다고 알려져 있다. 하지만 나노 크기의 입자는 완벽한 분산이 어려워 표면에너지 상승으로 인해 오히려 물성이 저하될 수 있다. 또한 강화제로 쓰이기에 가격적 부담이 있다. 따라서 이러한 단점을 해결하고자 본 연구에서는 친환경적이고 저렴한 미세결정셀룰로오스를 강화제로 첨가하였다. 블렌드의 성분은 푸리에 변환 적외선 스펙트럼을 사용하여 확인하였다. 초기 변형율에서 측정된 영률은 함량이 높은 고분자의 결정성에 더 영향을 많이 받았고, 후기 변형율에서 측정된 인장강도는 블렌드의 상용성이 높아질수록 크게 측정되었다. 이러한 결과는 주사 전자 현미경으로 관측된 도메인의 크기 감소에 의해 뒷받침되었다. 시차 주사 열량 분석은 상용화제 또는 충전제의 존재에 따른 혼합물의 용융 및 결정화 거동의 변화를 나타냈다. 상용화제의 첨가에 따른 동적 저장 탄성률의 증가와 탄젠트 델타의 감소를 통해 폴리프로필렌과 폴리락타이드 사이의 계면 접착이 개선됨을 보여 주었다. 본 연구의 결과로 기계적 물성과 상용성이 개선된 폴리프로필렌과 폴리락타이드를 블렌드한 새로운 고분자 매트릭스를 제조할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 중합고분자의 상용화제를 사용하지 않고 고체 입자만으로도 비혼화성 블렌드의 상용성을 증가시켜 자동차 내외장재, 태양전지, 섬유, 디스플레이 산업에서의 응용이 예상된다.; Blends of Polypropylene (PP)/Polylactide (PLA) with compatibilizer or filler was prepared by melt compounding with the use of a twin-screw extruder. Two blended composites systems i.e. PP-rich (80/20) containing microcrystalline cellulose modified with silane (m-MCC) and PLA-rich (20/80) containing microcrystalline cellulose (MCC) were chosen for the investigation of the effect of compatibilizer and filler on the performance of blend composites. The interaction between polymer component of blend and PP-g-MA was confirmed from Fourier transform infrared (FT-IR) spectra. The result of universal testing machine (UTM) revealed that tensile strength and Young `s modulus increased with the addition of compatibilizer and filler, respectively. These results were supported by the reduction of domain size observed in scanning electron microscopy (SEM). Differential scanning calorimetry (DSC) analysis showed that change of the melting and crystallization behavior of blends according to the presence of filler or compatibilizer. Increase of dynamic storage modulus and decrease of tan δ with addition of compatibilizer indicated that interfacial adhesion between PP and PLA improved.