PLA (Poly(Lactic Acid)

PLA (Poly(Lactic Acid)
2조 김연욱 박재호 안지연 김주연 김태영 진홍철 허승희

Contents History Chemical structure Properties Biodegradation
Generation(preparation) and Disposal PLA Market Data Application Recycling and Composting Discussion Reference

Wallace Hume Carothers
History 1932: Carothers created PLA 1954: DuPont patented Carothers' process (Extremely high cost of production) 1997: Cargill Dow Polymers LLC forms 2001: 300 million pounds produced 2001~ : various research & application Poly lactic acid는 1932년 Carothers에 의해 발명이 되었습니다. 연구를 계속하여 진공하에 유산(lactic acid)를 가열하여 저분자의 유지를 제조한 것이 PLA의 시초가 되었는데 이는 자연적으로 분해되는 의료용 봉합사 및 이식 부품의 용도로 개발하였지만 값이 너무 비싸다는 단점이 있어 상업적인 이용은 거의 불가능하였습니다. 비교적 최근에 옥수수를 발효해 유산을 만드는 방법이 개발됨에 따라 제조원가가 낮아졌는데 1997년 11월에 미국의 곡물 회사인 카길사와 화학 회사인 도우사가 PLA를 제조 및 판매하는 기업인 카길다우 사를 설립한 것이 PLA수지의 범용수지로의 실질적인 시작이라고 할 수 있습니다. 그는 PLA뿐만 아니라 최초의 인조섬유인 네오프렌과 나일론 합성에도 성공하였습니다. 유기화학자이자 하버드 대학의 교수였던 Carothers는 미국의 화학 관련회사 DuPont에서 여러가지 연구를 하였습니다. 그는 진공하에 유산(lactic acid)를 가열하여 저분자의 유지를 제조하였는데 이는 PLA의 시초가 되었습니다. 그는 PLA뿐만 아니라 최초의 인조섬유인 네오프렌과 나일론 합성에도 성공하였는데 이러한 상업적인 성공에도 불구하고 그는 41살의 젊은 나이에 우울증으로 인해 음독 자살하여 생을 마감하였습니다. Wallace Hume Carothers ( )

Chemical structure of the PLA
위의두 구조는 lactic acid의 두가지 거울상 이성질체 입니다. 오른쪽 아래의 그림과 같은 구조를 갖는 PLA는 L형 Lactic acid과 D형 Lactic acid의 비율에 따라 다양한 물성을 갖는 pla를 얻을 수 있습니다. L형이으로 이루어진 pla는 PLLA, D형으로 이루어진 pla는 PDLA가 됩니다.

Properties of PLA PLA의 성질은 대부분 거울상 이성질체의 비율과 arrangement sequence에 의해 결정됩니다. 표는 poly lactic acid의 물리적 성질을 나타낸 표입니다. 분자량은 고분자의 분해, 기계적 강도 그리고 용해도에 영향을 미칩니다. PLA의 분자량이 크면 흡수속도와 용해속도가 느려 생체 내에서 감염을 유발할 수 있으므로, 분자량이 작은 pla의 생산이 필요합니다, pla의 분자량이 작으면 가수분해를 통해 lactic acid로 빠르게 분해되어 조직에 물질이 축적되는것을 막을 수 있습니다.

Properties of PLA Advantages Drawbacks Eco-friendly Biocompatibility
Processibility Recyclable(thermoplastic) Poor toughness Slow degradation rate Lack of reactive side-chain groups Weak to heat / humidity with high T Pla의 장점과 단점을 나눠서 살펴보겠습니다. Pla는 재생가능한 resouce에서 얻어지며, 생분해성과 퇴비화시킬 수 있고, 생산과정에서 이산화탄소를 소비하므로 eco-friendly합니다. 또한, pla를 degradation시킨 생성물을 독성을 띄지 않아 의학적으로 활용가능합니다. 다른 biopolymer들에 비해 열가공성이 뛰어납니다. 그리고, petroleum-based polymer들보다 25-55% 적은 생산 에너지가 필요하여 생산 비용 측면에서 유리합니다. 마지막으로, pla는 열가소성을 띄어 가역적으로 melt 상태와 solid 상태가 변하므로 재활용에 용이합니다. 반면, PlA는 매우 brittle하여 높은 stress level에서 가공하는데 제한적입니다. 그리고 PLA의 분해 속도가 느려 생체내에서 길게는 몇 년까지 분해되지 않을수 있습니다. Pla는 소수성을 띄어 세포 친화도가 낮고 생체 내에서 염증을 유발할 수 있습니다. 또한, side-chain group의 반응성이 낮아 bulk modification이 어렵습니다. Pla의 장점과 단점을 나눠서 살펴보겠습니다. Pla는 재생가능한 resouce에서 얻어지며, 생분해성과 퇴비화시킬 수 있고, 생산과정에서 이산화탄소를 소비하므로 eco-friendly합니다. 또한, pla를 degradation시킨 생성물을 독성을 띄지 않아 의학적으로 활용가능합니다. 다른 biopolymer들에 비해 열가공성이 뛰어납니다. 마지막으로, pla는 열가소성을 띄어 가역적으로 melt 상태와 solid 상태가 변하므로 재활용에 용이합니다. 반면, PlA는 매우 brittle하여 높은 stress level에서 가공하는데 제한적입니다. 그리고 PLA의 분해 속도가 느려 생체내에서 길게는 몇 년까지 분해되지 않을수 있습니다. Pla는 소수성을 띄어 세포 친화도가 낮고 생체 내에서 염증을 유발할 수 있습니다. 또한, side-chain group의 반응성이 낮아 bulk modification이 어렵습니다.

Properties of PLA Crystallization and thermal properties
Differential scanning calorimetry thermograms of amorphous PLLA and PDLLA (heating rate 10C/min). 좌측 그래프는 두 amorphous PLA의 DSC analysis 입니다. Amorphous한 PDLLA와 and 분당 -100℃로 cooling하여 amorphous하게 quench된 PLLA (Mw=200 kDa) 두 경우 모두 Tg가 약 65℃정도로 뚜렷하게 나타납니다. 우측 그래프는 commercial PLLA(200kDa)를 10℃/min으로 0에서 220℃로 가열하고 다시 0℃로 식힌 후, 220℃로 가열한 DSC thermal cycle입니다. 처음 가열할 때 crystalline polymer의 Tg가 73℃이고, 192℃에서 녹았습니다. 냉각하는 과정에서는 crystallization이 일어나지 않았고, 다시 재가열하는 과정에서 유리전이온도는 64℃, Tc는127℃, Tm은181℃로 나타났습니다. 앞 슬라이드의 PLLA그래프와 crystallization temperature가 다르게 나타났는데, 이는 cooling속도가 다르기 때문입니다. 더 천천히 고분자를 식힐수록 더 낮은 crystallization temperature를 나타냅니다. DSC thermal cycles of PLLA 200 kDa (first heating, cooling, and second heating at (+/-)10C/min).

Properties of PLA Biodegradation Enzymatic degradation
Microbial degradation Amycolatopsis Saccharothrix Fungi 생분해란 일반적인 퇴비화 과정 끝에 분별하지 못할 정도의 미세한 조각(＜ 2mm) 으로 떨어져 나가는 것을 말하며, 최종적으로 호기성 조건에서 미생물에 의해 유기화합물이 이산화탄소, 물, 암모니아, 무기염류 등으로 분해되는 것을 말합니다. PLA의 생분해 과정은 카르보닐기 부분을 물이 공격하여 가수분해 됨으로써 반응이 시작되며 메커니즘은 위의 그림과 같습니다. 퇴비화란 각종 산업으로부터 배출된 유기성 폐기물을 산소 존재하에 호기성미생물에 의해 분해되는 것을 말합니다. 호기성 분해과정은 이와 같은 식으로 나타낼 수 있습니다. PLA의 분해성은 다음 표에 나타난 다양한 요인들에 의해 결정됩니다. 생분해란 일반적인 퇴비화 과정 끝에 분별하지 못할 정도의 미세한 조각(＜ 2mm) 으로 떨어져 나가는 것을 말하며, 최종적으로 호기성 조건에서 미생물에 의해 유기화합물이 이산화탄소, 물, 암모니아, 무기염류 등으로 분해되는 것을 말합니다. PLA의 생분해 과정은 카르보닐기 부분을 물이 공격하여 가수분해 됨으로써 반응이 시작되며 메커니즘은 위의 그림과 같습니다. 퇴비화란 각종 산업으로부터 배출된 유기성 폐기물을 산소 존재하에 호기성미생물에 의해 분해되는 것을 말합니다. 호기성 분해과정은 이와 같은 식으로 나타낼 수 있습니다. PLA의 분해성은 환경에 의해 달라지고 생체내에서 가수분해되면 미생물에 의해 완전히 분해됩니다. 이 과정이 다음과 같은 그림으로 나타납니다. PLA를 분해하는 주요 미생물로는 Amycolatopsis, Saccharothrix, Fungi등이 있습니다.

Generation(preparation) and Disposal
원료 가공방식 폐기방식

Generation(preparation) and Disposal Feedstock 원료의 종류 원료의 생산 방식
Generation(preparation) and Disposal Feedstock 원료의 종류 원료의 생산 방식 원료를 가공하는 방식 원료 생산에 의한 경작지의 변화 원료의 결정은 바이오플라스틱의 지속가능성에 대해 가장 큰 영향을 미친다고 할 수 있습니다. 원료의 종류 원료가 자라나고 생산되는 방식 원료를 개조하는 기술 원료 생산에 의한 경작지의 변화 이 네가지의 요인들이 바이오 플라스틱의 지속가능성에 대한 평가에 중요한 판단의 기준이 됩니다. 원료는 바이오 플라스틱의 지속가능성에 대해 가장 큰 영향을 미친다고 할 수 있습니다.

Non-Food Resources (3rd generation)
Generation(preparation) and Disposal Generation of Feedstock 원료는 바이오 플라스틱의 지속가능성에 대해 가장 큰 영향을 미친다고 할 수 있습니다. 원료의 세대들 -1차, 2차, 3차 세대-로 나뉠수 있습니다.. 이러한 세대들은 성장 단계와 그들이 유래한 바이오 자원으로 나누어 집니다. Crops (1st generation) Waste (2nd generation) Non-Food Resources (3rd generation)

Generation of Feedstock Crops (1st generation) Commercially available at scale. Bio feedstocks currently used for production of biobased fuels and chemicals include: Corn, sugar cane, sugar beet, wheat and sorghum. most widely used feedstocks for biosynthetic polymers taken directly from sugar-based crops. Advantages : Established supply chains, flexibility of growing regions, and ease of processing. Starch/Sugar 1세대는 경작물을 이용한 방법입니다. 경제적으로 규모화가 가능하고 현재 주로 쓰이는 방법입니다. 옥수수, 사탕수수, 사탕무, 밀, 수수가 있습니다. PLA의 원료인 녹말도 1세대 원료입니다. 이 녹말은 바이오 합성 중합체의 원료이고, 현재 바이오플라스틱 Feedstock의 80퍼센트 정도로 가장 폭넓게 이용됩니다. 장점으로는 확립된 공급망, 경작 지역의 유동성, 가공의 쉬움 등이 있습니다.

Principles of sustainable agriculture
Generation(preparation) and Disposal Principles of sustainable agriculture feedstocks have a high yield per hectare of land PLA의 1세대 원료들은 지속가능한 농업의 원칙에 따라 경작되고, 경작지의 면적당 높은 수확률을 보이고 있습니다. 유럽 바이오플라스틱 협회에 따르면 2019년에는 오직 0.02%의 경작지만이 바이오플라스틱을 위해 쓰여진다고 합니다. 이는 아주 적은 비율이라고 할 수 있습니다.

Generation of Feedstock Waste (2nd generation) Pilot and demonstration stage (not commercially available at scale). requiring further technical development resources from agriculture and forestry. 2세대는 사람들이 소비하지 않는 것들로 이는 일반적으로 소비되지 않는 재료들이므로 높은 이용이 가능하다. 대체 원료로 만든 합성물을 상업화하기 위해서는, 더 많은 연구가 필요하다.

Non-Food Resources (3rd generation)
Generation(preparation) and Disposal Generation of Feedstock Non-Food Resources (3rd generation) Concept and pilot stage (not commercially available at scale). from algae, bacteria, etc. grown specifically as a bio resource. Algae is grown with water, CO2 and sunlight and does not require any food source. 3세대 feedstock으로는 Non-food 자원이 있습니다. 조류, 박테리아 같은 것들을 원료로 이용하는 방법으로 , PLA에 대해서는 아직 상용화 방법이 없습니다.

Polycondensation Direct condensation Solid-state polycondensation Azeotropic polycondensation Ring-opening polymerization PLA를 합성하는 방법에는 크게 2가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 Polycondensation이고, 두 번째는 Ring-Opening polymerization입니다. 이 두가지에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.

Polycondensation method
Generation(preparation) and Disposal Polycondensation method Esterification reaction Reversible Reaction Equilibrium Elimination of 𝐻 2 𝑂 should be obtained Polycondensation방법은 말그대로 condensation을 이용해 PLA를 합성합니다. 두 lactic acid가 만나 물분자가 빠지고, 결합하게 됩니다. 위 반응은 평형을 이루는 Reversible 반응입니다. 따라서 지속적으로 물분자를 제거해주지 않는다면 반응의 속도는 점차적으로 느려져 원하는 만큼의 PLA를 얻을 수 없을 것입니다. 따라서 물 분자를 제거해 반응을 오른쪽으로 계속해서 유도해주어야 원하는 Product를 얻을 수 있습니다.

Problems Difficulty in Elimination of 𝐻 2 𝑂 molecule High viscosity in reaction mixture due to M.W Trans-esterification reaction Formation of by-product Low M.W and yield of PLA followed by poor mechanical properties 하지만, 여기서 문제점이 발생합니다. 실제로 물분자를 제거하는 것이 점차적으로 어려워집니다. 반응이 진행될수록 reaction mixture의 점도가 계속해서 올라가게 됩니다. 두번째로, 부반응이 나타납니다. 점도를 낮추기 위해 온도를 높이면 부반응이 발생하게 되어 원하는 product을 얻을 수 없게 됩니다. 결과적으로 condensation에 의한 PLA합성은 낮은 수율과 분자량의 PLA가 합성이 되어 기계적강도 또한 좋지 않습니다.

Ring opening polymerization method
Generation(preparation) and Disposal Ring opening polymerization method This method consists of three procedures as belows Polycondensation process Lactide manufacturing(Depolymerization) Ring-opening polymerization 두 번째로 Ring-opening polymerization방법인데요. 3가지 과정을 거쳐서 PLA가 생성됩니다. 첫째로 Polycondensation 반응 둘째로 Lactide 생성반응 셋째로 Ring-Opening polymerization입니다.

Ring opening polymerization method
Generation(preparation) and Disposal Ring opening polymerization method 먼저 condensation이 발생해 낮은 분자량의 PLA가 만들어지고, Depolymerization에 의해서 lactide가 만들어 집니다. 그리고, catalyst와 함께 Ring opening polymerization에 의해서 높은 분자량의 PLA가 합성됩니 다. Lactide는 Sn(Cct)2라는 촉매와 함께 다음과 같은 과정을 거쳐서 PLA가 합성된다고 합니다.

Ring opening polymerization method Advantages Accurate control of the chemistry Varying the properties of the resulting polymers in a more controlled manner Disadvantages High costs due to an additional purification step Ring-Opening polymerization은 실제로 PLA를 합성할 때 condensation방법보다 더 많이 쓰입니다. 그 이유는 각 단계과정을 쉽게 control할 수 있기 때문에 내가 원하는 분자량의 PLA를 상황에 맟춰서 만들 수 있기 때문입니다. 하지만, 단점으로는 (lactide합성에서) 추가적인 purification과정이 들기 때문에 상당한 비용을 수반합니다.

Characteristics of preparation method
Generation(preparation) and Disposal Characteristics of preparation method Polycondensation Low M.W and yield Slow(~100hr) Ring-opening polymerization High M.W and yield High costs The need of cost-effective approaches with high molecular weight appears 앞서 말했던 두가지 합성 방법에 대해 정리해보면 다음과 같습니다. Polycondensation은 비교적 가격이싸지만, 효율이 좋지 못하고, Ring-Opening polymerization은 효율이 좋지만 비용이 비싼문제가 있습니다. 이 두가지의 장점을 동시에 갖는 합성법이 필요합니다.

Solid-state polycondensation – cost effective
Generation(preparation) and Disposal Solid-state polycondensation – cost effective At 𝑇< 𝑇 𝑚 the PLA starts to solidify After crystallization process, two phases exist Crystalline phase consists of PLA main chain Amorphous phase consists of reactive end groups, catalyst Cost effective approach중에서 대표적으로 Solid-state polycondensation이 있습니다. 위 방법은 condensation에 의해 합성된 melt상태의 PLA(low M.W)를 결정화시키면서 더 합성하는 방법입니다. T<Tm에서 PLA는 고체가 형성되게 되고, 결정화과정을 거치면 2가지 Phase즉 Crystalline phase와 Amorphous phase로 나뉘게 됩니다. Crystalline phase에서는 주로 PLA의 메인 사슬이 있고, 비정질상에서는 주로 chain의 반응기들이 존재하고 있습니다. 그림으로 나타내면 다음과 같습니다. Next page

Solid-state polycondensation – cost effective The distance of end groups is close The effects of main chain decreases Apparent enhancement of the polycondensation rate Main chain들은 주로 결정상태로 존재하고 반응성이 좋은 end group들이 비정질상에 나와있으므로 end group간의 반응이 main chain에 의해 방해받지 않고 더 잘 진행될 수 있게됩니다. 따라서 훨씬더 큰 Yield과 M.W를 얻을 수 있습니다.

Process Drop-in material or New materials Sustainability impacts Scaling- up potential cost 바이오플라스틱은 drop-in material 또는 new material 로 가공 형태가 나뉠 수 있습니다. drop-in material 이란 현존하는 장비를 생산과 리사이클에 이용하는 방법이고. New material 이란 새로운 인프라를 필요로 하며 이를 이용해 생산과 리사이클을 하는 방식 입니다. 이러한 material 들의 종류에 따라 지속성 , 이용성, 비용이 결정될 수 있습니다..

End of life Landfill Incineration(소각) Composting(퇴비화) Recycling 폐기 방식은 다음 4가지가 될수 있고 이러한 폐기 방식들은 합성 material들의 종류, 가공 방식에 따라 달라집니다.

PLA Production Capacity
PLA Market data PLA Production Capacity 바이오플라스틱은 전체 연간 플라스틱 생산량 중 적은 비중을 차지하고 있으며 이는 2017년 기준으로 205만 톤입니다. 바이오플라스틱은 새로운 소재의 개발로 인해 점점 생산량이 증가하고 있으며, 그 중 PLA는 바이오플라스틱 생산 증가에 큰 부분을 차지하고 있습니다. PLA의 독특한 특성 덕분에 PP,PS,ABS 등의 기존의 Polymer들의 대체제로 많이 사용되며 수요가 매년 증가하고 있기 때문입니다. 2017년 자료에서 PLA는 전체 생산량 중 10.3%, 즉 연간 ton의 Production Capacity 를 보여주고 있습니다. 2017년 Bioplastic 생산 전체 205만 톤 중 10.3% -> 톤

Leading Manufacturers of PLA
PLA Market data Leading Manufacturers of PLA Top 10 Countries Importing PLA 미국 NatureWorks 사가 주도 2014년 기준 NatureWorks 사가 (매년 150kt) 로 가장 높은 PLA Production Capacity를 보여주고 있습니다. Natureworks 사는 ‘글로벌 식량 Value chain의 지배자, 곡물 공룡’이란 별명을 가지고 있는 Cargill사의 자회사이며, 공급원료를 모기업이 직접 담당함으로써 안정적인 자원 확보가 가능하여 높은 생산량을 보여줍니다. 그 뒤를 Pyramid technologies가 연간 60kt, 그 다음 두 회사가 각각 연간 50kt의 생산능력을 보여주고 있습니다. PLA 수입액의 경우 2016년 기준 대만이 3700만 달러, 네덜란드가 3280만 달러의 수입액으로 각각 1, 2위를 차지합니다. 네덜란드는 PLA 수출액이 두번째로 많은 국가일 뿐만 아니라 수입액이 두번째로 많은 국가임을 확인할 수 있습니다. 한국의 경우 PLA 수입액이 970만 달러로 세계 6위를 달성한 반면에 PLA 수출액은 세계 10위 권 안에 들어있지 않음을 확인할 수 있습니다. PLA의 국내 수요량에 비해 국내 생산량이 적은 편임을 알 수 있습니다. 이는 우리나라가 식물성 바이오매스를 생산하기엔 국토가 좁고 불리한 기후 조건을 가져, 가치사슬의 전 단계인 원료공급 단계에 참여하려는 기업이 거의 없기 때문입니다. 한국은 PLA 수출량에 비해 수입량이 높은 편

World PLA Market Forecast
PLA Market data World PLA Market Forecast 많은 기관들이 PLA는 바이오플라스틱에 대한 긍정적인 규제와 함께 포장, 의료, 섬유직물 수요 증가로 점점 증가할 것으로 예측하고 있습니다. 여기에 나타난 Mordor Intelligence와 Allied Market Research는 둘다 Research 전문 기업입니다. 두 회사 모두 점점 PLA 시장이 커질 것으로 예상하고 있으며, 2020년 그 시장은 50억 달러를 뛰어넘을 것으로 에측하고 있습니다. 2020년 PLA 시장이 50억 달러를 넘을 것으로 예측

Applications Current market data of applications
PLA가 실제 시장에서 어떻게 활용되고 있는지 알아보겠습니다. 왼쪽 그래프는 bioplastic의 전세계 production capacity 중, 사용되는 각각의 활용되는 시장별 분율을 보여주는 그래프입니다. 오른쪽 그래프는 bioplastic들 중 특히 PLA의 시장 크기별 분율을 보여주는 그래프입니다. 바이오플라스틱 전체로 보든, PLA만으로 보든, 많은 Application 중 Packaging 시장의 비율이 매우 높음을 알 수 있습니다.

Applications - packaging
Regulations of packaging plastic 현재 각국 정부들은 일회용품, 난분해성 플라스틱 포장재들에 대해 환경보전을 목적으로 여러 규제들을 늘려나가는 중입니다. 전세계적으로도 플라스틱 봉투에 대해 전면규제, 일부규제 등을 진행하는 국가들이 존재하고, 한국에서도 비닐봉투에 요금을 부과하는 등으로 현재 규제를 실행하고 있습니다. 이러한 상황 속에서, PLA 또는 다른 생분해성 플라스틱들을 포장재로 사용하는 것은 규제를 피할 좋은 방법일뿐만 아니라 환경보전에 매우 도움이 되는 방법입니다. PLA를 포함한 다른 Bioplastic들을 packaging에 이용하는 것은 좋은 방법이다. (규제에 저촉X, 환경보전에 도움)

By world economic forum… 기존 포장재의 문제점 소각할 때 발생하는 유해가스문제 PLA를 이용한 Packaging에 대해 살펴보기 전에 기존 플라스틱 포장재에 대해 간략하게 짚고 넘어가겠습니다. 다음은 기존의 플라스틱 포장재 사용 후 처리현황의 그래프입니다. 썩지 않고 반영구적으로 남는 기존의 플라스틱 포장재의 처리는 현재 세계적으로 시급히 해결해야하는 문제로 떠오르고 있는데 표를 살펴보면 재활용 되거나 소각 및 에너지 재생이 되는 포장재의 비율은 30%도 되지 않고 나머지는 매립되거나 유실되어 여러가지 문제를 유발하고 있습니다. World economic 포럼에 따르면 해양 플라스틱 오염이 심각해 2050년에는 바다에 있는 물고기와 플라스틱 폐기물의 비율이 1대1로 같아질 것이라고 예상했고 폐기물이 소각 되어질 때 나오는 유해가스 또한 대기오염을 유발하고 있습니다. 매립의 경우에도 충분한 매립지의 확보가 용이하지 않아 어려움을 겪고 있습니다 다음은 기존의 플라스틱 포장재 사용 후 처리현황의 그래프입니다. 표를 살펴보면 재활용 되거나 소각 및 에너지 재생이 되는 포장재의 비율은 30%도 되지 않고 나머지는 매립되거나 유실되어 여러가지 문제를 유발하고 있습니다. World economic 포럼에 따르면 해양 플라스틱 오염이 심각해 2050년에는 바다에 있는 물고기와 플라스틱 폐기물의 비율이 1대1로 같아질 것이라고 예상했고 폐기물이 소각 되어질 때 나오는 유해가스 또한 대기오염을 유발하고 있습니다. 또한 매립의 경우에도 충분한 매립지의 확보가 용이하지 않아 어려움을 겪고 있습니다 매립지 확보의 어려움 분해되는데 매우 오랜 시간 소요

-Degradable to CO2, H2O and CH4 -Environmental friendly -Similar properties with plastic 기존 플라스틱의 좋은 대체제 PLA는 생분해성 수지로서 미생물 등에 의한 생물적 작용에 의해서 쉽게 분해되는 수지입니다. 이는 환경 조건에 따라 최종적으로 물, 이산화탄소, 메탄가스 및 분해성 유기물 등으로 분해되는데 기존의 플라스틱과 여러 물리적 특성이 비슷해 일반 플라스틱처럼 사용 가능하지만, 적절한 조건에서 분해되므로 기존 플라스틱 포장제의 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 프랑스와 미국을 비롯한 여러 나라들은 생분해성 수지 포장재의 사용을 점차 의무화할 계획이라고 합니다. 따라서 포장제를 PLA로 대체할 수 있는데 PLA는 생분해성 수지로서 미생물 등에 의한 생물적 작용에 의해서 쉽게 분해되는 수지입니다. 이는 환경 조건에 따라 최종적으로 물, 이산화탄소, 메탄가스 및 분해성 유기물 등으로 분해되는데 기존의 플라스틱과 여러 물리적 특성이 비슷해 일반 플라스틱처럼 사용 가능하지만, 적절한 조건에서 분해되므로 기존 플라스틱 포장제의 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.

PLA textile은 여러 분야에 사용되고 있다
Applications – Textile products 지난 50년 석유를 원료로 한 합성섬유가 섬유 시장 주도 기존 합성섬유의 난분해성-> 고체쓰레기 양산 PLA 의 필요성 대두(탄소중립적) 이번 슬라이드에서는 PLA의 응용방안 중 섬유제품에 관해서 설명하겠습니다. 지난 50년간, 나일론이나 폴리에스터로 만든 합성섬유가 옷 뿐만 아니라 여러 산업에 많이 사용되어 왔었습니다. 하지만 그들의 훌륭한 내구성은 오히려 우리에게 쓰레기 문제를 가져왔습니다. 따라서, 탄소중립적이면서(이산화탄소 실질 배출량 0) 쓰레기 문제를 일으키지 않는 섬유의 필요성이 대두되었습니다. 이러한 상황 속에서, PLA는 생분해성뿐만 아니라 그들이 가진 고유의 유용한 특성들인, 예를 들자면 (세균 성장을 억제하는 특성인) 정균성, 내연소성, 풍화안정성 등의 이유로 훌륭한 섬유로 인정받기 시작하고 있습니다. PLA는 Fiber에도 사용될 수 있는데 , PLA섬유는 그림에서 볼 수 있듯이 가정에서의 이불, 각종 실, 부직포, 3D printing의 원료, 의류, 등 여러가지 분야에서 사용되고 있습니다 PLA textile은 여러 분야에 사용되고 있다

>> 기존 섬유의 대체품임은 분명하나
Applications – Textile products Advantages - Biodegradability - Moisture Management - Antibacterial properties(항균) - Low flammability - 아토피 생기지 않음 - 먼지나 털의 발생이 적음 Drawbacks - 내열성 좋지 않음(easy to melt) - 알칼리에 약함 - 비교적 부서지기 쉬운 물성 - 높은 생산단가(약 5배) >> 기존 섬유의 대체품임은 분명하나 아직 많은 연구가 필요함 우선 PLA 섬유의 장점은 천연섬유 고유의 쾌적함, 식물성 원료로 만들었기 때문에 아토피 환자들이 안심하고 입을 수 있다는 점, 기존 화학원료와는 달리 원료에 제한이 없다는 점, 그리고 땅에 묻으면 6개월에서 1년이면 100% 썩어 없어져 폐기물 처리에 부담이 적다는 점이 있습니다. 하지만 그에 반해 여러가지 단점들도 존재합니다. 우선 PLA섬유는 비교적 내열성이 약하고 알칼리에 취약해 건조온도 및 시간조건에 주의를 기울여야 하고 녹는 성질로 염색과 가공 등에 어려움을 겪습니다. 그래서 PLA 섬유에 손쉽게 적용하기 위해서는 적당한 분자량 및 분자구조의 염료를 개발할 필요가 있다.. 특히 단점으로 지적되는 부서지기 쉬운 물성을 개선하기 위해 탄성 PLA 소재 개발에 초점을 두고 있는 상황입니다. 마지막으로는 기존 섬유보다 5배 정도 높은 생산단가를 가지고 있어 아직까지는 실용화 정도가 크지는 않습니다. 비록 이러한 단점들에도 불구하고, PLA 섬유는 면, 양모, 견 등 천연섬유나 레이온과 같은 재생섬유와의 혼용 을 통해 다양한 전개가 가능하기 때문에 연질 특성이 보완된 탄성 PLA 소재 개발이 이뤄지면 의류 및 생활용 범용소재와 산업용 섬유 제품 등으로 다양한 용도 전개와 신시장 창출이 기대됩니다. 우선 PLA 섬유의 장점은 bio ~ moist(잘 흡수/잘 빠짐) ~ anti ~ low 아토피 환자들이 안심하고 입을 수 있다는 점, 원료에 제한이 없다는 점, 그 폐기물 처리에 부담이 적다는 점이 있습니다. 하지만 여러가지 단점들도 존재합니다. 우선 PLA섬유는 비교적 내열성이 약하고 알칼리에 취약해 염색과 가공 등에 어려움을 겪습니다. 그래서 PLA 섬유에 손쉽게 적용하기 위해서는 적당한 분자량 및 분자구조의 염료를 개발할 필요있고 잘 부서지지 않게 하기 위해 탄성 PLA 소재 개발에 초점을 두고 있는 상황입니다. 마지막으로는 기존 섬유보다 5배 정도 높은 생산단가를 가지고 있어 아직까지는 실용화 정도가 크지는 않습니다. 비록 이러한 단점들에도 불구하고, PLA 섬유는 면, 양모, 견 등 천연섬유나 레이온과 같은 재생섬유와의 혼용 을 통해 다양한 전개가 가능하기 때문에 연질 특성이 보완된 탄성 PLA 소재 개발이 이뤄지면 의류 및 생활용 범용소재와 산업용 섬유 제품 등으로 다양한 용도 전개와 신시장 창출이 기대됩니다.

Applications – Textile products
Biodegradability 일반적 환경(땅 속, 물 속)에 묻어도 분해 가능 높은 온도, 상대습도에서 비교적 짧은 시간 안에 분해 [[[시간이 없다면 실험결과에 대한 상세한 설명 같은 건 발표 시 빼도 괜찮을 것 같긴 합니다. 일단은 전체 시간분배가 어떻게 진행될 지 모르니 그냥 남겨두겠습니다.]]] PLA는 우선 생분해성이 좋습니다. PLA를 퇴비화하고자 하는 환경인 온도 60도 이상, 상대습도 80퍼 이상에서는 1주~1달 안에 완전히 분해됩니다(극한의 환경) 오른쪽 그래프는 땅, 물 속에 PLA를 묻을시 비 결정 영역이 먼저 분해되기 시작하면서, 그들의 인장강도 및 상대점도가 점점 작아짐을 확인할 수 있습니다. 비결정 영역이 먼저 분해되면서 인장강도 및 상대점도의 감소

Moisture management PLA는 PET보다 더 hydrophilic Moisture regaining property(수분 흡수 능력) Wicking(수분 배출 능력) PLA는 주로 소수성이라 볼 수 있지만, PET보다는 더 친수성입니다. 따라서 PET보다는 좀 더 물 흡수 능력이나 수분 배출 능력이 더 뛰어납니다. PLA에서는 PET에서보다 물이 더 빨리 확산되며 더 빨리 증발하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 특성은 PLA 섬유제품 사용자에게 더 편안한 느낌을 줄 수 있습니다.

Antibacterial Property
Applications – Textile products Antibacterial Property Lactic acid는 강한 유기산으로 항균작용 PLA 의 작은 양의 분자가 이동하여 작용한다는 가설 존재 37도 18시간 실험결과 PLA섬유의 황색포도상구균의 세포농도 감소 PLA 섬유는 PET 섬유보다 항균성이 뛰어납니다. 아래 표는 황색포도상구균을 접종원으로 하여 섬유제품 위에 투여한 후 테스트한 결과입니다. 37도에서 18시간 실험한 결과, PLA 섬유 위에 접종원을 투여한 결과 황색포도상구균의 세포 농도가 감소한 것을 확인할 수 있었습니다. 그런데, 대조군인 나일론 섬유에 접종원을 투여한 결과 세포 농도가 빠르게 증가한 것을 확인할 수 있었습니다. PLA의 단량체인 젖산은 항균성을 나타낼 수 있는 강한 유기산으로 잘 알려져 있습니다. PLA 섬유에서도,소량의 젖산이 이동하면서 항균성을 나타낼 것이라는 가설이 있습니다.

Low flammability 연소시 PET보다 더 적은 연기량 PET보다 더 적은 연소열 더 높은 LOI(Limit of Oxygen Index)값 약 24 ~ 30, 공기 중 : 약 21 PLA는 PET나 nylon보다 더 뛰어난 자기 소화성, 즉 불씨를 제거하면 저절로 불이 꺼지는 성질이 훨씬 뛰어납니다. PLA는 PET보다 연소시 단위질량당 연기 발생량도 적으며, 단위 질량당 연소열도 더 적습니다. 또한 limit of oxygen index의 약자인 LOI값, 즉 고분자의 연소를 위해 필요한 최소한의 산소 농도 값도 PLA가 그 값이 24~30으로 훨씬 높습니다.

Applications – Environmental
방향족, 유기화합물 흡수 능력 >> 오염물질 정화 / 환경정화 PLA는 오수에 들어있는 오염물질을 정화하는 등의 환경정화를 위해서도 사용될 수 있습니다. 이는 PLA뿐만 아니라 다른 bio-degradable-polyesters , 즉 BDPs들도 가지는 특성이라고 합니다. 첫번째로 PLA는 방향족, 유기화합물을 흡수하는데 좋은 능력을 가집니다. 밑에 표를 보시면 PLA가 60도 이상이 되면 여러 유기화합물들을 약하게나마 흡수하는 능력을 지니게 됩니다. 이는 현재까지 알려진 바로는 PLA가 유리전이온도를 넘어가면서 비결정 영역이 활발해지면서 유기화합물들을 흡수할 수 있게 된다고 설명됩니다. 다른 Bio-degradable-polyesters도 갖는 특성 at, T > Tg >> 비결정 영역의 활발한 운동 >> 유기화합물 흡수

전자의 환원력 >> 환경정화 기능을 할 수 있음
Applications – Environmental Denitrification Bioremediation(생물학적정화) 또한 PLA는 가수분해, 생분해가 진행된 후 탈질화세균의 분해과정에서 나오는 전자에 의해 환원력을 가질 수 있게 되고, 이 환원력을 통해 탈질화(질산 같은것 정화) 반응을 진행할 수 있게 하여, 오수 내 질소 제거를 통해 환경 정화를 실행할 수도 있습니다. 비슷한 원리로 미생물의 PLA 분해과정 중에 제공하는 전자는 유기할로젠화물과 반응해 오수 속에 들어있던 이들을 제거해주어, bioremediation, 즉 생물학적 정화를 진행하게 해줍니다. 유기할로젠화물과 반응 분해 과정 중 생성된 전자의 환원력 >> 환경정화 기능을 할 수 있음

Requirements for Biomaterials
Applications – Medical Requirements for Biomaterials Reasons 가공을 통하여 강한 기계적 물성 가능 Non-toxic tissue response Monomer of PLA can be decomposed by body’s normal metabolic pathway Biodegradability(degrade to lactic acid) 다음들은 의료용 목적으로 사용할 물질의 최소한의 요구조건 4가지를 나열한 것입니다. 첫 째로, 독성이 없어야합니다. 두 번째로, 효율적이여야합니다. 바이오물질이 제기능을 해야하고 내구성 또한 좋아야합니다. 세 번째로 Sterilizable(make free from bacteria)살균력이 있어야합니다 네 번째로 biocompatible해야합니다. 여기서 biocompatible의 의미는 물질의 특성자체만으로는 정의할 수 없고, 물질의 특성과 물질이 의도하고 있는 기능을 잘하는지를 의미합니다. PLA가 medical applications에 사용되곤 하는데, 다음과 같은 이유들로 medical용도로 사용됩니다. 첫째, 강한 기계적 물성의 특성을 가지고 있습니다. 이로인해서 강한 붙들어야하는 인대나 힘줄이 끊어졌을 때 지지하는 역할로 쓰입니다. 둘째로 PLA자체의 독성이 거의 없습니다. PLA는 몸속에서 Hydrolysis에 의해 Lactic acid로 분해됩니다. Lactic acid자체는 우리 몸속에서 무산소호흡에 의해 생성되는 물질으로, 몸의 정상적인 신진대사 경로를 통해 분해되기 때문입니다. 셋 째로 생분해성이 있습니다. PLA는 몸속환경에서 24개월정도의 시간이 지나면 Lactic acid로 분해됩니다. 그렇기 때문에 부착물을 없애기 위한 2차 수술이 필요없기 때문에 metal과 같은 원료 대신에 많이 사용됩니다.

Stents for vascular surgery
Applications – Medical Ligament and tendon reconstruction Stents for vascular surgery Bone fixation Various size and shape Plates, pins, screws and wires 2차 수술이 필요없다. 인대나 근육같은 경우 강하게 그리고 긴 시간동안 붙잡아 주어야 하는데 이경우 PLA가 적합하다. 또한 구조물을 꺼내기 위해서 2차수술을 할 필요가 없기 때문에 환자의 회복속도나 비용적인 부분에서도 우월합니다. 또한 혈관수술을 할때, 혈관을 잡아주는 역할을 합니다. 아래 보이는 나사 못 같은 것들은 PLLA로 만든 것들입니다. 마찬가지로, 뼈가 부러졌을 때 지지해주는 역할로 PLLA가 사용됩니다. PLLA는 Plate, pin screw등 다양한 형태로 가공이 가능하고, 강한 기계적물성을 가지고 있기 때문에 단단하게 뼈를 지지해줄 수 있습니다. 또한 생분해성이 있으므로 치료가 된다음 따로 제거할 필요가 없습니다.

Recycling and Composting
SPI RIC of PLA The SPI RIC 7 (others) SPI : Society of the Plastics Industry RIC : Resin Identification Code

Biodegradable plastic Compostable plastic ISO / ASTM D ASTM D6400 – A compostable plastic is defined by the standards association ASTM International (ASTM) as “a plastic that undergoes degradation by biological processes during composting to yield carbon dioxide (CO2), water, inorganic compounds, and biomass at a rate consistent with other known compostable materials and that leaves no visible, distinguishable, or toxic residue.” (i.e. Biodegrade + Disintegrate + Eco-toxicity) ISO 17088:2012 a) biodegradation; b) disintegration during compostinq; c) negative effects on the composting process and facility; d) negative effects on the quality of the resulting compost, including the presence of high levels of regulated metals and other harmful components. 위에것들은 standard. Certification은 따로..

recycle reuse recovery PLA can release Biogas 주된 발표주제에 대하여 간략히 설명 드리겠습니다. Reuse란 말 그대로 재 사용하는 것을 뜻합니다. 현 상태 그대로, 또는 변형하여 원래의 용도나 다른 용도로 사용하는 것인데요, 우리 실생활에서도 자주 사용하는 방법입니다. 그림과 같이 무언가를 꽂아 놓을 수 있는 통이나 화분 같은 것으로 재 사용하는 것을 예시로 들 수 있겠습니다. Recycle이란 선별이나 파쇄 건조 정제 등과 같은 중간처리 과정을 거쳐 이를 원래의 용도나 다른 용도로 사용하는 것을 말합니다. 그 방법에는 크게 Mechanical recycling, Chemical recycling이 있는데, Mechanical recycling은 그림과 같이 물리적으로 플라스틱을 파쇄하여 잘게 쪼갠 후 그것을 가공하여 사용하는 것을 일컫습니다. Chemical recycling은 화학적인 반응을 통하여 해당 plastic을 oligomer 내지 monomer 단위로 쪼개서 그것을 재가공하여 사용하는 것을 말합니다. 저희가 발표하게 된 PLA같은 경우엔, Biodegradable한 plastic으로서, organic recycling, 즉 호기성 미생물을 이용하여 보다 친 환경적으로, recycling이 가능합니다. Composting을 처음 들어본 분들이 많을 거라고 생각되는데요, compostable 하다는 것은 그것이 완전히 썩어서 토양으로 되돌아가 양분이 될 수 있는 것을 의미합니다.(biodegradable through composting) PLA의 경우엔 compostable plastic으로서 토양 속 호기성 미생물에 의하여 타 플라스틱에 비하여 빠르게 자연 분해될 수 있습니다. Composting은 organic recycling의 한 종류로도 볼 수 있는데, 이는 plastic이 미생물의 작용을 거쳐 토양의 양분으로 재활용 된다는 것을 상기하면 그렇다고 볼 수 있습니다. Mechanical recycling Organic recycling Chemical recycling PLA is compostable

High T, humidity >> Do not reuse
Recycling and Composting Reusing PLA를 Reusing 할 때 주의할 점은 PLA의 Physical property를 제대로 인지하고 재사용 하는 것이 중요합니다. 특히 다른 용도로 사용하게 될 때 이러한 점은 필수적으로 고려되어야 합니다. PLA는, PP와 비교하여 높은 기계적 강도와 modulus를 지니지만, 고온과 높은 습도에는 약한 물질입니다. 그러므로 PLA로 된 제품을 재사용 할 때는 고온과 습기가 있는 조건에서는 사용을 삼가야되겠습니다. High T, humidity >> Do not reuse

Recycling - chemical High MW >> Oligomer >> Lactic Acid Bio Degradation Hydrolysis Thermal PLA의 Chemical recycling 방법은 Hydrolysis, Thermal, Enzymatic degradation 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. Polyolefin들과는 다르게, PLA에 있는 ester group은 쉽게 Hydrolysis되어 더 작은 oligomer단위로 쪼개지고, 끝내 Lactic Acid가 됩니다. 현재 PLA의 Hydrolysis에 쓰이는 방법은 끓는 물이나 steam을 이용하여 PLA를 완전 hydrolysis 하여 Lactic Acid를 만드는데 쓰입니다. 이렇게 만들어진 Lactic Acid는 새로운 PLA를 만드는데 쓰이거나 또는 다른 용도로 응용하는데 쓰일 수 있습니다. Degradation by Heating Hydrolysis with microbial

Recycling – chemical : Hydrolysis(alkaline) OH- interacts with hydroxyl end group Increasing nucleophilicity of oxygen of carbonyl group Intramolecular transesterification Six membered ring intermediate Further rxn under rxn condition, Lactic acid generated 위 도식은 염기 조건에서 PLA의 가수분해 매커니즘입니다. 하이드록실 end group과 oH-의 interaction >> end group의 산소의 친핵성 증가 >> six-membered ring 구조의 중간체 형성 >> lactide가 떨어져 나옴. Intramolecular transesterification 또는 back biting 라고도 부름 이 반응은 염기가 하이드록실 end group과 상호작용하여 end group의 산소의 친핵성을 더욱 증가시키므로, 염기-촉매반응입니다. 그리고 중간에 lactide가 생성되지만, 이는 반응 조건 하에서 1min이하의 반감기를 가지고 다시 물과 반응하여 lactic acid를 형성하게 됩니다.

Recycling – chemical : Hydrolysis(acidic) Protonation of hydroxyl end group Intra molecular hydrogen bridge Five membered ring intermediate Increasing electrophilicity of carbonyl group Nucleophilic attack by H2O 이 도식은 약산 조건에서 가수분해 매커니즘입니다. 하이드록실 end group의 protonation >> intramolecular hydrogen bridge 형성 >> five membered ring intermediate >> 카보닐 그룹의 친전자성 증가 >> H20의 친핵성 공격 >> 가수분해 When hydrolytic degradation is utilized for the recycling of PLA to lactic acid, optimum conditions should be selected to attain the highest reaction rate, yield, and optical purity. Optical purity is a crucial factor for the mechanical properties of PLA synthesized from hydrolysis-formed lactic acid and low optical purity reduces the mechanical properties of PLA. Also, the reaction rate and the yield determine the cost and environmental impact of recycling. On the other hand, for commodity and industrial applications, where PLA-based materials are used as alternatives to petroleum-based polymeric materials, hydrolytic degradation is unfavorable because of reduced mechanical performance.

Recycling – chemical : Hydrolysis- parameters Temperature dependence pH, molecular structure(tacticity, copolymerization, branching…)

Recycling – chemical : Hydrolysis Advantages Simple rxn, economical, ecofriendly Do not require severe operating condition Drawbacks Should be washed before. When hydrolytic degradation is utilized for the recycling of PLA to lactic acid, optimum conditions should be selected to attain the highest reaction rate, yield, and optical purity. Optical purity is a crucial factor for the mechanical properties of PLA synthesized from hydrolysis-formed lactic acid and low optical purity reduces the mechanical properties of PLA. Also, the reaction rate and the yield determine the cost and environmental impact of recycling. On the other hand, for commodity and industrial applications, where PLA-based materials are used as alternatives to petroleum-based polymeric materials, hydrolytic degradation is unfavorable because of reduced mechanical performance.

Recycling – chemical : Thermal degradation More complex than the simple rxn Other volatile decomposition products are also generated Intramolecular trans estrification is predominant Reverse reaction of ROP 열분해 매커니즘 소개. 개어려움 reverse reaction of ring opening polymerization

Recycling – chemical : Thermal degradation Advantages Permits unwashed and soiled plastics Drawbacks Has many other products >> need purification steps Expensive Requiring Large amount of Energy Requiring severe operating condition( high T, vaccum condition )

Recycling – organic / Recovery - energy Hydrolysis with aerobic microbial(composting) Release biogas with anaerobic Biodegradation(fermentation) Cellulose : ~ 20 micrometer PLA : 125 ~ 250 micrometer Fermentation with sludge Anaerobic process는 closed system, 더 짧은 processing time

Recycling – organic / Recovery - energy In Gas phase, H2O, CO2, CH4 generated About 90% Biodegradability at 50(°C)

Composting method : 음식물 같은 이물질이 묻어있는 PLA에 좋은 방법. Compostability가 얼마나 좋은지 실험자료를 가지고 보여주기. CO2 footprint란 상품을 생산하고 소비하는 전 과정을 통해 배출되는 CO2의 총량을 뜻함 Compostability contributes to lower CO2 footprint! It is also meaning energy recovery ( nutrient for plant, biogas ) Suitable for net carbon zero gas emission

Composting – How much efficient? – Exp data 40도 이상 ~ 75도 이하 온도조절 적당한 습도 유지 Compostability가 얼마나 좋은지 실험자료를 가지고 보여주기. 습도의 최적치는 60% 정도. 높을경우 산소의 확산을 저해. 낮을 경우 미생물의 가수분해 활동에 지장을 줌 ASTM D , ISO 17088의 통과기준(90%)에 만족

Advantages Permits soiled with foods Contributes to lower CO2 footprint Drawbacks It takes time to compost It needs about temperature 140F >> hard for home composter Available composting T is dependent on PLA composition

Discussion Solution to weak heat resistance Nucleating agents Few
Lowers the required energy level to form spherules in heating cycles. Few Large Crystal PLA가 열에 약하다는 문제점이 있었습니다. 이를 보완하기 위해서 PLA를 결정화시킬 때 Nucleating agents라는 것을 사용합니다. Nucleating agents는 melt상태의 Polymer에 첨가되서 Nuclei의 형성을 촉진시킵니다. 슬라이드를 보면 다음 그림은 melt상태에서 온도를 서서히 낮추어 결정을 형성하는 과정입니다. 첫번째로 Nucleating agent를 넣지 않은 경우는 Nuclei가 많이 생성되지 않게 되고 결과적으로 큰 크리스탈들이 형성됩니다. 두 번째로, Nucleating agent를 넣은 경우 많은 Nuclei가 형성이 되고, 결과적으로 작은 크기의 크리스탈이 형성됩니다. 위 두경우를 비교해보면 크기가 작은 Crystal이 더 높은 결정화도를 갖는다는 것을 알 수 있습니다. melt A large number Small Crystal

Discussion Solution to weak heat resistance Nucleating agents
다음 그림은 Nucleating agent의 농도에 따른 DSC curve입니다. (a)는 cooling curve로 melt상태에서 서서히 온도를 낮추고 있습니다. (b)는 second heating curve입니다. (a)를 살펴보면 순수한 PLA는 피크가 나타나지 않고, 결정을 형성하지 못한다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 Nuceating agent의 농도가 증가함에 따라서 Tc에 해당하는 피크가 점점 나타나고 있습니다. 따라서 Nucleating agent의 농도가 증가함에 따라서 결정화가 더 잘된다는 것을 알 수 있습니다. DSC curves for PLA containing the indicated doses of nucleating agent. The rate of temperature increase and decrease was 10℃ /min. (a) Cooling curves. (b) Secondary heating curves.

Discussion Solution to weak heat resistance Nucleating agents
앞선 DSC Curve를 Data로 정리해보면 다음과 같습니다. 앞서서 살펴볼수 있듯이 Nucleating agent의 농도가 증가함에 따라서 결정화도가 증가하고 있는 것을 알 수 있습니다. 따라서 Nucleating agent를 PLA에 첨가하면, 그에따라 Crystallinity가 증가하게 되고, Crystallinity가 많게 되면 열적 내구성도 증가하게 되어 PLA의 약점을 보완할 수 있을 것입니다 다음 사진은 PLA로 만든 용기인데요. 일반적으로 PLA는 열에 민감하므로, 58도씨에서 순수 PLA는 녹는 것을 알 수 있습니다. 하지만 여기에 Nucleating agent를 첨가한 PLA의 경우 높은 열에 녹지 않는 것을 확인할 수 있습니다. Crystallinity Thermal resistance

Discussion Bioplastic 실상 Biopolymers 또한 생산 시 화석연료가 사용된다.
PLA는 Compostable plastic 이지만, 대부분 매립 처리 된다. 왜냐하면 PLA과 PET를 분리하기 힘들기 때문이다. 둘 다 투명하고 밀도가 비슷하다. 특히 두 플라스틱이 같이 쓰이는 경우가 많기 때문이다 (예, 생수) 따라서 현재 상황에서 PLA 재활용은 경제성 면에서 좋은 시장이 아니다. ( 아직 시장규모가 아주 크지도 않고, 일반인들의 인식도 부족하며, 제도적인 부분도 미약하다.) Biopolymer의 원료를 재배하는 과정에서도 다양한 기계들과 비료들이 사용되어 사실상 석유기반 제품처럼 화석연료가 사용되는 것이다. 심지어 생분해성을 가지고 있음에도 불구하고 자주 매립되는데 이는 분류하고 어렵거나 재활용 및 퇴비화 과정의 경제성이 떨어지기 때문이다.

Discussion Bioplastic 생산 Bioplastic과 식량문제
각 상황에 따라서 생태성, 경제성이 우선 고려되어야 함. 운송 거리, 정제 비용 등을 석유 기반 Plastic과 비교해 에너지 소비량, 가격 등을 비교해야 함. 따라서 복잡한 화학 산업에 Biomaterial을 무조건 강요할 수 없음. Bioplastic과 식량문제 Bioplastic은 식량 생산과 경쟁 하지 않는다. PLA으로 Bioplastic을 만드는 데 필요한 옥수수량은 옥수수 생산량의 0.1%에도 미치지 못한다. 따라서 항상 Bioplastic이 우선시되어야 하는 것이 아니라, 각 사례에 따라서 생태성과 경제성을 고려해 결정해야 한다. 예를 들어 바이오 원료가 많고 운반 비용이 너무 많이 든다면 바이오폴리머를 생산하는 것이 경제적일 것이다. 즉, 화학 산업 전반에 걸처 바이오가 좋으냐 기존 플라스틱이 좋으냐는 생각해봐야 할 문제이며, 일률적으로 바이오기반 폴리머의 생산을 적용할 수는 없다.

Discussion Bioplastic의 제품화
즉, 물질의 특성에 따라 사용처를 달리 고려해야 함 Ex) 잘 찢기지 않고, 방수되며, 수증기 가 통과할 수 있는 Compostable Bioplastic은 쓰레기 봉투, 농업용 식재료 포장재로 쓰일 수 있음. 기업 입장에서 가장 중요한 것은 바이오 폴리머의 특성이 어떤 제품을 만드는데 적합한지를 고려하는 것이다.

Discussion Bioplastic의 결론 각 케이스별 분석을 통해 어떤 재료가 나은지 비교 필요
( 경제적, 환경적인 연구가 더욱 필요) 폴리에틸렌 packaging이 항상 나쁜 것은 아니며 PLA로 만든 야채 packaging이 반드시 좋은 것만은 아니다.

Discussion How can we manage PLA successfully? Consumers
Reuse With knowledge Pure Soiled Processing Organic recycling Residues Biogas as Renewable energy Compost as Valuable soil improver Sorting Mixed plastic Stream split into Homogeneous fractions Chemical or Mechanical Recycled In different qualities 일반인들에게 Bioplastic에 대하여 올바른 교육을 하는 것이 필수조건 어떤 케이스에서 어떤 방법이 가장 좋은지 간단히 정리하면서 끝내기 각 방법의 장단점 설명하며. Firstly, reuse with caution.

References Rafael Auras, Poly(lactic acid) synthesis, structures, properties, processing, and applications, WILEY, 2010, p , p , p27-41 K. Kamad, Properties and medical applications of polylactic acid: A review, 2014 Nissan chemical industries, Nucleating Agents for inducing the crystallization of PLA, LTD., 2012 Lei Wang, Heat resistance,crystallization behavior, and mechanical properties of Polylactide/nucleating agent composites, Mateirals and Design, 2015 Majid Jamshidian, Poly-Lactic Acid: Production, Applications, Nanocomposites, and Release Studies, 2010 Astrid Juliana Rincon Lasprilla, Synthesis and Characterization of Poly(Lactic Acid) for Use in Biomedical Field Milena S. Lopes, Synthesis and Characterizations of PLA by Ring-Opening Polymerization for Biomedical Applications S.J. de Jong, E.R. Arias, D.T.S. Rijkers, C.F. van Nostrum, J.J. Kettenes-van den BoschNew insights into the hydrolytic degradation of poly(lactic acid): participation of the alcohol terminus 생분해성 플라스틱 PLA(Polylactic acid) 퇴비화를 통한 생분해능 검토 / 문자영(국방기술품질원),김명현(국방기술품질원),이영태(국방기술품질원),이현희(국방기술품질원),노유한(TLC KOREA)/한국산학기술학회/한국산학기술학회논문지/ International Journal of Molecular Sciences/Hisaaki Yagi, Fumi Ninomiya, Masahiro Funabashi and Masao Kunioka/Anaerobic Biodegradation Tests of Poly(lactic acid) under Mesophilic and Thermophilic Conditions Using a New Evaluation System for Methane Fermentation in Anaerobic Sludge/10/ /2009 심우석·남장근, 탈석유화학산업 바이오플라스틱의 창조적역할과 활용방안

PLA (Poly(Lactic Acid)

Similar presentations

Presentation on theme: "PLA (Poly(Lactic Acid)"— Presentation transcript:

Similar presentations

About project

지원

로그인

Auth with social network:

PLA (Poly(Lactic Acid)

Similar presentations

Presentation on theme: "PLA (Poly(Lactic Acid)"— Presentation transcript:

Similar presentations

About project

지원