바이오 플라스틱의 품질보증과 분해를 위한 재료분석

Bharath Rajaram | Michael Onepe
May 23, 2022

바이오 플라스틱이란 무엇일까요? 바이오 플라스틱을 제품에 성공적으로 통합하려는 제조사는 열분석과 유변물성, 기계분석을 어떻게 이용할까요?

플라스틱의 지속 가능성은 재료의 생성부터 분해까지 라이프사이클의 매 단계에서 다뤄야 하는 문제입니다. 생물 기반 플라스틱과 생분해 플라스틱 모두 종래의 플라스틱보다는 지속 가능성이 우수하지만 최상의 지속 가능 솔루션을 달성하려면 올바른 재료와 조건이 필요합니다. 생물 기반과 생분해에 모두 해당하는 바이오 플라스틱은 생산부터 용도 만료 폐기 관리까지 진정으로 지속 가능한 경로를 제공하며 최대 지속 가능성을 달성합니다. 이 기준에 부합하는 플라스틱 등급은 PLA, PHA, PHB, 그리고 전분 혼합 플라스틱입니다.

생물 기반 플라스틱을 이용한 제조

생분해 플라스틱 제조

생분해 플라스틱은 사용 후 플라스틱 폐기물이 덜 나온다는 것이 장점이지만 너무 광범위한 생물분해성에 이 용어가 사용됩니다. 오늘날 대부분의 생분해 플라스틱은 특정 온도와 습도에서 분해해야 합니다. 이 경우 새로운 폴리머를 만들어 용도 폐기 후 어디서든 빠르게 분해할 수 있습니다.³

생분해 플라스틱은 생물 기반 물질 또는 화석 유래 물질로 만듭니다(둘의 혼합일 수도 있음). 여기에는 위에 기술한 사전 제품 테스트가 필요하지만 분해에 대비한 설계 단계도 추가로 필요합니다. 새로운 조합물을 설계할 때 플라스틱 제조사는 가공성과 제품 성능은 물론 최종 단계의 효과적인 생분해성도 확인해야 합니다.

플라스틱 가공업체가 해야 할 일은 일상적인 사용을 견디면서도 폐기 후 쉽게 분해되는 제품을 설계하는 것입니다. 재료 테스트를 통해 필요한 성질의 균형을 잡고 폴리머의 라이프사이클을 통틀어 필요한 모든 요건에 부합하는 배합을 찾을 수 있습니다. 열분석은 퇴비 시설이나 매립지에서 분해되기에 최적인 플라스틱을 개발하는 데 도움이 됩니다. 분석 수치가 있으면 분해를 위한 적절한 제품 폐기 방법을 소비자에게 안내할 수 있습니다. 플라스틱의 가공, 사용, 분해에 필요한 강도와 내구성은 기계분석으로 측정할 수 있습니다.

바이오 플라스틱의 재료분석

모든 플라스틱 공급 원료에서 재료분석은 가공 조건과 최종 용도 성능을 최적화하는 데 꼭 필요합니다. 새로운 바이오 플라스틱 배합이 사용자 기준에 부합하면서도 지속 가능성을 극대화하는지 확인하려면 더 엄격한 테스트를 거쳐야 합니다. 플라스틱 개발 과정에서 이미 일반화되었지만 성공적인 바이오 플라스틱 혁신에 꼭 필요한 재료분석 기법은 다음과 같습니다.

열분석은 온도 변화가 재료 성질에 미치는 영향을 측정합니다. 열분석 장비는 일반적으로 열흐름, 중량 손실, 치수 변화, 물성 등을 온도의 함수로 측정합니다. 열 성질의 특성화는 바이오 플라스틱 재료의 선정과 최적화에 꼭 필요한 분석으로 다음과 같은 질문에 답해줍니다.

• 몰딩, 압출 같은 가공을 하기 위해 가열할 때 이 재료의 거동은 어떠할까?
• 운반 또는 사용 중 열을 받거나 냉각될 때에도 플라스틱 안정성이 유지될까?
• 재료가 어떻게 분해될까? 재료를 어떻게 최적화하면 생분해 플라스틱을 만들까?

바이오 플라스틱 분야에서 가장 흔히 사용하는 열분석 장비는 DSC(시차 주사 열량계)로, 열 안정성과 위상 전이를 측정하여 서로 다른 조건 하에서 플라스틱의 거동을 분석합니다. 바이오 플라스틱 개발자는 TGA(열중량분석기)를 이용해 휘발성 물질이나 솔벤트, 필러 함량(잔여물)을 포함한 정확한 조성을 판단합니다. 지속 가능한 생분해 플라스틱을 설계하는 데 꼭 필요한 분해 온도와 분해 결과물도 TGA로 측정합니다.

기계분석은 다양한 기법을 통해 재료의 물성을 특성화하거나 힘에 대한 구조의 반응을 판단합니다. 바이오 플라스틱 제조사는 DMA(동적 기계적 분석)를 이용해 저장 탄성률, 손실 탄성률, Tan δ, 유리 전이(Tg) 등을 측정합니다. 이들 수치를 알면 힘에 대한 반응이 어떤지, 일정 온도에서 어떻게 변형하는지 예측할 수 있습니다. 재료 강도(영률, 항복 강도, 극한 강도, 파단 연신율, 피로 및 내구성으로 측정)는 최종 제품의 거동 예측에 꼭 필요하며 기계적 물성 분석 로드 프레임에서 효율적으로 측정할 수 있습니다.

유변물성은 재료의 흐름 및 변형을 연구하는 학문입니다. 레오미터는 바이오 플라스틱의 점도를 측정합니다. 점도는 특히 압출과 블로 몰딩을 통한 가공성을 최적화하는 데 꼭 필요합니다. 유변물성은 새로운 조합물 개발 도중 플라스틱의 균일성과 내구성을 분석하는 데에도 도움이 됩니다.

이러한 재료 수치가 있으면 주어진 공급 원료의 품질 평가부터 최종 제품의 성질 테스트에 이르기까지 바이오 플라스틱 제조의 매 단계가 용이해집니다. 새로운 바이오 플라스틱 배합을 개발하는 제조사는 효율을 유지하면서도 고객 기대에 부응하고 지속 가능성을 극대화하는 방식으로 새 조합물을 만들 체계적인 방법이 필요합니다.

바이오 플라스틱을 위한 최적의 재료 측정

생물 기반 플라스틱과 생분해 플라스틱은 새로운 과제를 안겨주지만 제조사들은 이미 최첨단 재료분석으로 대처하고 있습니다. 제조의 매 단계에서 조성과 재료 거동을 정확하게 측정하면 새로운 친환경 플라스틱 제품을 쉽게 설계하고 생산할 수 있습니다. 세계적인 바이오 플라스틱 개발사들은 열분석, 유변물성, 미세열량계, 기계적 측정 장비 분야의 세계적인 선두주자인 TA Instruments로 눈을 돌리고 있습니다. TA Instruments는 재료 특성 측정 면에서 업계에서 인정받는 표준을 설정하며 따라서 최고의 폴리머 실험실에서 선택하는 브랜드입니다.

새로운 재료 시험 방식을 도입하는 것은 두려운 일이지만 TA Instruments는 사용자를 염두에 두고 설계합니다. 많은 장비에 TRIOS 원터치 기능이 있어 버튼 한 번만 클릭하면 사전에 프로그래밍한 테스트를 실행합니다. 또한 장비의 선정 및 설치부터 성공적인 테스트에 이르기까지 업계 최고의 고객 지원을 제공하며 사용자를 돕습니다.

기존의 테스트 역량을 확장하려거나 새로운 지속 가능성 과제를 달성하려는 분이라면 TA Instruments에서 필요한 장비와 안내를 받을 수 있습니다. 전문가에게 문의하시면 맞춤 지원을 제공하고 질문에 답해드립니다. 플라스틱 산업을 위한 제품과 서비스에 대해 더 알아보려면 폴리머 페이지를 확인하세요.

참조:

1. The troubling evolution of corporate greenwashing. (2016). Bruce Watson. The Guardian. Accessed May 2022. https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/aug/20/greenwashing-environmentalism-lies-companies
2. Bio-based? Recyclable? Biodegradable? Your guide to sustainable plastics. (2020). Sandrine Ceurstemont. Neste. Accessed May 2022. https://journeytozerostories.neste.com/plastics/bio-based-recyclable-biodegradable-your-guide-sustainable-plastics#6ce5bead
3. Are bioplastics better for the environment than conventional plastics? (2019). Anja Krieger. Ensia. Accessed May 2022. https://ensia.com/features/bioplastics-bio-based-biodegradable-environment/