소개글
"바이오플라스틱의 화학적 특징"에 대한 내용입니다.
목차
1. 바이오플라스틱의 화학적 특징
1.1. 생분해성 플라스틱의 종류 및 특징
1.2. 생분해 평가 방식
1.3. 생분해성 플라스틱의 분해과정
1.4. 생분해성 플라스틱의 응용분야
2. 3D 프린팅 기술과 생분해성 플라스틱
2.1. 3D 프린팅 기술 소개
2.2. FDM, SLS 등 3D 프린팅 방식
2.3. 3D 바이오 프린팅 기술 현황
2.4. 3D 프린팅에 사용되는 생분해성 플라스틱의 특성
3. 실험 및 결과
3.1. 실험 재료 및 과정
3.2. PLA, Tough PLA, PVA의 분해 양상
3.3. 토양 조건에 따른 플라스틱 분해 비교
4. 논의
4.1. PLA와 Tough PLA의 특성 비교
4.2. PVA의 수분 반응과 분해 과정
4.3. 생분해성 플라스틱의 활용 사례
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 바이오플라스틱의 화학적 특징
1.1. 생분해성 플라스틱의 종류 및 특징
생분해성 플라스틱(biodegradable polymer)은 생산된 방식에 따라 natural, synthetic polymer로 구분된다. natural polymer는 장기간의 진화를 거쳐 자연적으로 발생한 고분자를 의미하며 collagen, gelatin과 같은 단백질과 polysaccharides, nucleic acid 또는 지질을 포함한다. 이러한 natural polymer로부터 화학적 변형을 통해 향상된 특성을 가지는 새로운 biodegradable polymeric materials를 생산할 수 있다. natural polymer와 유사한 구조를 가지도록 synthetic polymers를 인공적으로 합성할 수 있다. 고분자 사슬에 ester, amide, peptide bond를 포함하도록 합성한다면 생분해가 가능하다. synthetic biodegradable polymer를 합성하는 데 여러 방식이 존재하는데, ring-opening polymerization(ROP), free-radical polymerization(FRP), condensation 반응 등이 대표적이다.
대표적인 생분해성 플라스틱인 PLA와 PHA에 대해 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다. PLA는 가장 많이 연구되는 열가소성 aliphatic polyester 중 하나로, 무수젖산의 ring-opening polymerization을 통해 만들어진다. PLA는 생분해성, 생체 적합성과 사용자 친화적인 특징을 가지고 있어 세계적으로 가장 많이 사용된다. 하지만 낮은 열적 안정성, 습기 민감성, 가공 중 높은 열화율과 부러지기 쉬운 단점을 가지고 있다. PHA는 eicosanoic acid에 의한 미생물의 중합으로부터 만들어진 고분자로, 불균형한 성장 조건에서 박테리아 포합물로 합성된다. PHA는 PLA에 비해 생체 적합성이 100%이고 스스로 분해할 수 있는 장점이 있지만, 적합한 미생물만 사용하여 채취해야 되기 때문에 만들기가 어렵고 비용도 높다.
1.2. 생분해 평가 방식
고분자의 생분해 능력은 다양한 방식으로 평가할 수 있다. 효소를 이용하는 방식은 효소의 가수분해 작용으로 고분자로부터 질량이 감소되거나 분자량이 변화된 정도를 측정한다. 소요 시간이 짧고 결과의 정량성 및 재현성이 우수하지만, 고분자 사슬에 효소의 기질 특이성을 만족하는 부분이 존재해야 한다. 미생물을 이용하는 방식은 플라스틱에 곰팡이와 같은 균을 배양하여 균의 성장 상태를 확인하거나, 14C를 포함하는 고분자에 미생물을 배양하여 발생하는 14CO2량을 측정하는 것이다. 토양에 의한 방식은 실제 쓰레기 처리 상황이나 자연 환경에서의 생분해 여부를 파악하는 것으로, 매우 긴 시간이 소요되고 재현성이 낮다. 고분자의 생분해 반응은 표면에서 발생하므로 고분자의 크기, 모양, 표면적 등이 생분해 속도에 영향을 준다. 따라서 고분자의 표면, 물리, 화학적 특성이 생분해 반응에 중요한 요소이다. 미립자는 약물 전달 등의 응용 분야에서 이점을 가지고 있으므로, PLA와 같은 생분해성 고분자를 활용한 미립자 제조 기술이 연구되고 있다.
1.3. 생분해성 플라스틱의 분해과정
생분해성 플라스틱이 분해되는 과정은 크게 4단계로 이루어진다.
첫 번째는 열화 단계로, 고분자 플라스틱이 작은 조각으로 나누어지는 과정이다. 생분해성 플라스틱을 땅에 묻으면 열과 빛에 노출되어 플라스틱 자체가 부서지기 시작한다. 이때 미생물이 플라스틱과 접촉하면 생물적 열화가 진행되며 미생물의 대사 작용이 시작된다.
다음으로 생물 절단 단계가 일어나는데, 미생물이 분비한 효소에 의해 고분자가 잘게 쪼개진다. 이후에는 동화작용 단계로, 저분자가 된 플라스틱이 미생물에 의해 소화된다. 미생물의 호흡, 발효와 같은 활동을 통해 이산화탄소, 산소, 질소, 물, 염 등의 배출물질이 생성된다.
마지막으로는 광화작용 단계로, 이러한 배출물질들이 자연계로 돌아가게 된다. 이와 같은 일련의 단계를 거쳐 생분해성 플라스틱은 자연으로 완전히 분해된다. 따라서 생분해성 플라스틱은 미생물의 대사 작용에 의해 화학적 구조가 분해되어 최종적으로는 무기물로 변화하게 되며, 이를 통해 자연환경으로 순환되는 과정을 거치게 된다.
1.4. 생분해성 플라스틱의 응용분야
생분해성 플라스틱은 그 특성상 다양한 분야에서 활용되고 있다. 첫째, 마이크로입자(microparticle)는 고분자 등 다양한 재료로 만들 수 있으며 약물 전달 방식에서 장점을 가지고 있어 치료 효과를 높일 수 있다. PLA/PLGA(폴리락틱산-코-폴리글리콜산)를 사용한 마이크로입자는 생체 거부 반응이 적어 생체 내 치료과정에서 부작용이 발생하지 않아 가장 유망한 약물 전달 시스템 중 하나로 선택된다.
둘째, 생분해성 플라스틱은 생체 적합성이 좋아 의료 분야에서 활용도가 높다. PCL(폴리카프로락톤)은 인체 내에서 분해가 가능하여 상처 봉합사나 인체 이식 장치에 사용할 수 있다. PCL은 체내에서 ester 결합의 가수분해 반응으로 생분해가 진행되며, 다른 고분자와 혼합하여 다양한 약물을 포획할 수 있다.
셋째, 생분해성 플라스틱은 포장재 및 용기 분야에서 주목받고 있다. PLA는 전분을 사용하여 만들어져 인체에 무해할 뿐만 아니라 땅에 묻으면 6개월에서 1년 사이에 완전히 생분해되는 장점이 있다. 이러한 특성으로 스타벅스 등에서 사용되고 있다.
생분해성 플라스틱의 활용 범위는 지속적으로 확대되고 있으며, 향후 플라스틱 산업의 주요 대안으로 자리잡을 것으로 기대된다. 환경오염 감소와 더불어 다양한 분야에서 활용됨에 따라 지속가능한 사회 구현에 기여할 것이다.
2. 3D 프린팅 기술과 생분해성 플라스틱
2.1. 3D 프린팅 기술 소개
3D 프린터를 활용한 생산공정은 제조산업에 새로운 이슈로 떠오르고 있다. 이에 따라 소형화가 필요한 의료기기 부품에서부터 고강도를 요구하는 자동차 부품까지 3D 프린터의 활용 분야가 다양해지고 있다. 3D 프린터는 그 방식에 따라서 3D 프린터는 크게 3가지로서 압출 적층(extrusion), 분말(granular), 광 경화(light polymerize), 라미네이트(laminated) 방식으로 분류된다. 이는 세부적으로 고체기반의 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식, 액체기반의 SLA (Stereo Lithography Apparatus), 파우더기반의 SLS (Selective Laser Sintering), 그리고 이를 변형한 SLM (Selective Laser Melting), 액상기반 DLP (Digital Light Processing), 액상기반 MJM (Multi Jet Modeling) 등으로 구분된다. 3D 프린터에서 사용되는 프린팅 방식으로는 현재 FDM, SLA, SLS의 세 가지 방식이 존재하고, 가장 대표적인 출력 방식은 FDM과 SLS 방식이다. FDM 방식은 고체 필라멘트 형...
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