Studies on Principal Properties of PP, LDPE-Nanocomposites for Food Packaging

Abstract

This study produced nanocomposites according to various combination and conditions to measure the mechanical, thermal, gas barrier properties, and morphology. However, the neat PP used in the first experiments utilized a hard homo PP, allowing cracks to appear in the films produced for permeability measurements. This led to an error of more than 8000 ㎤/㎡.day.atm. In order to ameliorate the shortcomings of that initial experiment, in the second a block PP was used that is more flexible than the brittle homo PP, along with LDPE, another widely used plastic. The results revealed that the mechanical strengths were increased for PNCs, and for LPNCs compared to neat PP and LDPE. The thermal properties showed a tendency for the melting and degradation temperatures to increase with the MMT concentration. The transmission electron photomicrographs (TEM) further illustrated the intercalated and partially exfoliated structures formed by the addition of MMT and MAPP. The effect of the compatibilizer was observed using scanning electron microscopy (SEM). The X-rays diffraction (XRD) pattern of the PNCs and LPNCs revealed increased d-spacing of the MMT layers, indicating that the compatibility of neat PP, LDPE, and MMT was improved by the addition of MAPP and MAPE, and the intercalation and partial exfoliation of the MMT layers. The use of MMT increased the mobility distance of the gas molecules, leading to the oxygen permeability of neat PP and neat LDPE reducing by 26-55% and 30-40%, respectively.;Polymer는 현대 사회에서 식품포장용 재료로서 가장 큰 비중을 차지하고 있으나 기능적인 측면이나 경제적인 측면에서 보다 효과적인 사용을 위해서는 대상으로 하는 식품에 대하여 포장재료로서의 적절한 가스투과적 특성과 기계적, 열적 물성을 가지도록 디자인하는 것이 매우 중요하다. 이러한 특성들 향상의 한 방법으로서 최근에 시도되고 있는 기술이 무기물 또는 유기물을 나노 크기의 입자로 분쇄하여 polymer와 compounding하는 polymer-nanocomposite 제조기술이다. 본 연구에서는 nanoclay (montmorillonite, MMT) 을 이용하여 polymer의 물성들을 개선하고자 PP nanocomposites (PNCs), LDPE nanocomposites (LPNCs)를 제조한 후 기계적, 열적 특성(TGA, DSC)과, 주사전자현미경 (SEM, TEM, XRD)을 측정하였다. 또한 산소 투과성을 측정하기 위해 0.7-0.8 mm의 플라스틱 sheet를 제조하여 산소 투과성의 개선 정도를 평가하였다. 1차 연구에서는 homo PP을 기본 matrix로 하여 MMT를 함유시킨 nanocomposites(PP(97)/MAPP(3)/MMT(1), PP(80)/MAPP(20)/MMT(10))에 관한 연구를 진행하였다. 연구 결과, 기계적 특성, 열 안정성은 97/3/1 nanocomposite 에서 가장 뛰어 났으며, TEM 결과로부터 polymer 의 삽입으로 인하여 MMT 층간 간격이 부분적으로 분산되었음을 관찰하였다. 그리고 산소투과성은 측정을 위해 필름을 제조하는 과정에서 원재료인 homo PP의 딱딱한 성질로 깨짐 현상이 발생하여 8000 ㎤/㎡.day.atm 이상인 정확하지 않은 결과값이 나왔다. 2차 연구는 1차 연구에서 발생한 단점을 보완하기 위해 깨짐성이 강한 homo PP 보다 유연한 block PP와 또 하나의 범용 플라스틱인 LDPE도 추가하여 최적 배합조건 설정을 위한 기초연구와 비교실험을 수행하였다. 2차 연구의 혼합비율은 Polymer/Compatibility/MMT 를 85/10/5, 70/20/10, 55/30/15, 90/0/10 로 이루어 졌다. 그 결과, PP 와 LDPE 의 비해 향상된 기계적 강도 값이 측정되었으며, DSC 및 TGA를 이용하여 측정된 열적 특성에서는 MMT 함량이 증가함에 따라 융해온도, 분해온도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이를 통해, nanocomposite의 열안정성이 우수해짐을 확인 할 수 있다. 또한, SEM를 이용하여 MMT의 분산 정도와 상용화제의 효과를 확인하였으며, PNCs 와 LPNCs 의 XRD pattern 을 통해 MMT 의 증가 된 층간 거리를 관찰하였다. 산소투과성의 결과는 MMT의 도입으로 인해 기체분자의 이동거리가 증가됨에 따라 nanocomposites 의 산소투과도가 PP의 26-55%로, LDPE 의 30-40% 감소되는 효과를 측정할 수 있었다.