PBAT는 어떤 생분해성 고분자와 혼합할 수 있습니까?

폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBAT)는 긴 사슬 지방족 탄화수소의 유연성과 방향족 고리의 강성을 결합한 사슬 세그먼트를 가진 새로운 유형의 완전 생분해성 지방족-방향족 공중합체로, 탁월한 유연성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 PBAT는 생분해성 플라스틱 연구 및 시장 응용 분야에서 가장 활발하게 연구되고 있는 소재 중 하나입니다. 그러나 분자 사슬에 방향족 PBT 사슬 세그먼트가 존재하기 때문에 분해 속도가 상대적으로 느립니다. 또한 결정성이 낮고 점도가 높아 점착성이 매우 높습니다. 게다가 PBAT는 가격이 비교적 높아 시장 개발 및 응용에 제약을 받습니다. 따라서 비용을 절감하고 고성능 생분해성 플라스틱을 얻기 위해서는 PBAT의 개질 연구가 필요합니다. PBAT에 생분해성 고분자를 블렌딩하는 것은 PBAT의 분해성에 영향을 주지 않으면서 다른 특성을 개선할 수 있는 검증된 개질 방법이며, 일부 생분해성 고분자는 PBAT의 분해 속도를 향상시키는 효과도 있습니다.

-PBAT와 PLA를 혼합한 제품-

폴리락트산(PLA)은 가장 많이 연구되고 상업적으로 성공한 생분해성 소재 중 하나로, 뛰어난 광택과 차단성을 지니고 있지만, 단단하고 인성이 떨어지며 유연성과 탄성이 부족하다는 단점도 있습니다. 따라서, 높은 인성을 가진 PBAT를 PLA와 혼합하면 PLA의 인성을 향상시킬 뿐만 아니라 PBAT의 분해 속도도 가속화할 수 있습니다.

PLA를 첨가하면 PBAT의 결정 특성에 영향을 주지 않으면서 블렌드의 인장 강도가 크게 향상되는 것으로 나타났으며, 용융 점도 증가로 인해 가공 및 성형 과정에서 PBAT 필름의 안정성이 향상되는 것으로 밝혀졌습니다.

PBAT와 PLA는 상용성이 낮은 물질이므로, 현재는 두 물질의 상용성을 개선하여 기계적 특성이 우수한 블렌드를 얻기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어, 글리시딜 메타크릴레이트(GMA)를 3~5%의 질량 분율로 첨가하면 PLA/PBAT 블렌드의 충격 강도가 26.5%에서 51.7%까지 증가할 뿐만 아니라 PLA 내 PBAT의 분산성도 향상됩니다. 또한, 사슬 연장제를 첨가하면 두 물질 간의 계면 장력을 크게 감소시켜 PBAT/PLA 필름의 연성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 다기능성 가소제 및 커패시터를 첨가하면 PBAT/PLA 블렌드에 우수한 정전 용량 및 가소화 효과를 부여하고 가공성을 개선할 수 있습니다.

-PBAT와 PPC를 혼합한 제품-

폴리프로필렌 카보네이트(PPC)는환경 친화적인 플라스틱PPC는 산업폐기물인 이산화탄소와 프로필렌옥사이드의 교대공중합으로 제조되며, 생분해성이 뛰어나고 투과 저항성이 우수합니다. 그러나 비정질 소재이고 유리전이온도가 30~40°C에 불과하여 저온 인성이 약하고 고온에서 치수 안정성이 떨어지며 필름 형성이 어렵다는 등의 단점이 있습니다. PPC와 PBAT를 혼합하면 PPC의 가공성이 향상될 뿐만 아니라 PBAT의 전반적인 성능도 더욱 우수해지며, 이렇게 얻어진 복합 소재는 일회용 식품 포장재, 의료 재료 등 다양한 분야에서 큰 발전 가능성을 지니고 있습니다.

혼합 시스템에서 PPC 분획은 비정질이므로 PBAT/PPC 복합 필름의 미세 결정 크기가 감소합니다. PPC를 첨가하면 복합 필름의 인장 강도와 가스 차단 특성이 크게 향상되는 동시에 매트릭스의 생분해성은 유지됩니다. 또한, PPC와 PBAT의 존재는 혼합물의 열 안정성, 결정성 및 기계적 특성을 효과적으로 향상시킵니다. 질량 기준으로 PPC가 10%만 존재할 경우 혼합물의 결정화 온도가 37.5°C에서 66.8°C로 상승하여 블로운 필름 성형 공정이 용이해집니다.

PBAT는 결정성 고분자이며 긴 극성 분자 사슬을 가지고 있어 PPC와 상용성 문제가 있습니다. 사슬 연장제인 트리페닐메탄 트리이소시아네이트를 첨가하면 PBAT/PPC 필름의 종방향 및 횡방향 인장 강도와 인열 강도가 크게 증가합니다. 또한, 개환제인 모노글리세리드 스테아레이트를 첨가하면 발포 공정 중 필름의 안정성이 향상됩니다. 더불어, PPC와 PBAT 혼합물에 증량제인 에틸렌 메틸 아크릴레이트-글리시딜 메타크릴레이트(EMA-GMA)를 첨가하면 발포 필름의 가공 안정성과 품질이 향상될 뿐만 아니라 기계적 특성, 산소 차단성 및 자외선 차단성도 효과적으로 개선됩니다.

-PBAT와 PBS를 혼합한 것-

폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)는 현존하는 생분해성 플라스틱 중 가공성이 가장 우수하고 기계적 특성도 탁월합니다. 그러나 점도가 낮아 용융 강도가 떨어지기 때문에 블로우 성형이나 주조 가공에 적합하지 않고, 제품의 취성이 다소 높은 단점이 있습니다. 따라서 PBAT와 PBS를 개질한 혼합물을 사용하면 두 소재의 장점을 결합하여 이러한 단점을 보완할 수 있으며, 제조된 제품은 포장재, 식기류, 농업용 필름, 의료 재료 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.

일반적으로 PBAT/PBS 블렌드에서 PBS 함량은 너무 높지 않아야 하며, 약 25% 정도가 적절합니다. PBS의 질량 분율이 25%일 때 PBAT/PBS 블렌드는 높은 인장 탄성률과 높은 파단 신율을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. PBS 함량이 너무 높으면 제품이 심하게 취성해집니다.

-PBAT와 PHBV가 혼합됨-

폴리(펜틸 하이드록시부티레이트)(PHBV)는 천연 재생 가능 물질로 만들어진 생체 재료로, 미생물에 저장된 탄소원과 에너지를 이용한 발효를 통해 합성되며, 우수한 생분해성과 생체 적합성을 가지고 있습니다. 그러나 열 안정성이 낮고 결정화 특성이 좋지 않다는 단점도 있습니다. 따라서 PBAT와 혼합하면 PHBV의 결정성을 개선하고 재료의 가공 및 응용 특성을 향상시킬 수 있습니다.

PHBV와 PBAT의 혼합물은 더 나은 가공성과 필름 특성을 나타내며, 필름의 기계적 특성은 파단 변형률이 최대 750%에 달하는 등 시중 식품 포장 필름과 유사한 수준입니다.

-PBAT와 PGA를 혼합한 제품-

폴리글리콜산(PGA)은 PLA와 유사한 분자 구조 및 성능 특성을 가지지만, 생분해성 및 차단성이 훨씬 우수합니다. 또한 원료 비용이 저렴할 뿐만 아니라 높은 인장 강도와 열변형 온도라는 장점도 있습니다. 따라서 PGA를 PBAT 블렌딩 개질에 사용하는 것은 내열 식기, 생분해성 필름 백, 차단 포장재와 같은 일회용 제품 분야에 적용될 가능성이 매우 높습니다.

PGA 질량 분율이 20%인 PBAT/PGA 복합체는 인장 강도가 25 MPa이고 파단 신율이 600% 이상이므로 필름 제품 제조에 사용할 수 있는 것으로 나타났습니다. PGA 질량 분율이 80%인 PBAT/PGA 복합체는 인성이 향상되면서 열변형 온도가 120°C에 달하여 일회용 식기류 제조에 사용할 수 있습니다. 또한, PGA를 첨가하면 PBAT/PGA 복합 필름의 수증기 차단 성능이 크게 향상됩니다.

PLA와 유사하게 PGA와 PBAT의 상용성은 좋지 않으므로 시스템의 분산성을 향상시키기 위해 적절한 상용화제를 선택해야 합니다. 예를 들어, 4,4′-일리덴비스(이소시아나토페닐)(MDI)을 사용하여 PBAT/PGA 복합체의 정전 용량을 현장에서 부여할 수 있습니다. MDI와의 성공적인 반응은 블렌드의 계면 접착력을 크게 향상시키고 충격 강도를 9.0 kJ/m2에서 22.2 kJ/m2로 크게 증가시켰습니다. 또한 결정화도와 구형 결정 크기가 감소하여 복합체의 인성과 열 안정성이 향상되었습니다.

-PBAT와 PVB를 혼합한 제품-

폴리비닐부티랄(PVB)은 폴리비닐알코올과 n-부티르알데히드의 산 촉매 축합 반응 생성물이며, 재활용 트리밍 과정에서 일정량의 가소제가 첨가됩니다. PVB는 분자 구조 덕분에 높은 인장 강도, 내충격성, 높은 투명성, 유연성 및 생분해성을 동시에 갖추고 있습니다. 재활용 소재로서 PVB는 대량으로 저렴하게 구할 수 있어 개질 소재로 활용될 경우 개발 측면에서 큰 이점을 제공합니다. PVB의 낮은 농도는 PBAT의 결정화 온도를 높여주며, 커패시터 이오노머와 PVB의 공동 작용을 통해 PBAT/PVB의 상용성과 기계적 특성이 향상됩니다.