Synthesis and Characterization of Rigid Diol-Based Heat-Resistant Glycol-modified Poly(ethylene terephthalate) and Zinc Silicate Glass-Containing Antibacterial Polypropylene Composites = 강직한 구조 도입 기반 고내열성 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 규산 아연 유리 함유 항균성 폴리프로필렌 복합재의 합성과 분석

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 상용 글리콜 개질 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG) 및 폴리프로필렌(PP)을 기반으로 합성된 기능성 고분자의 제조 및 특성 분석을 수행하였으며, 각각 향상된 내열성과 우수한 항균 활성을 보이는 결과를 도출하였다. 먼저, 다환 고리형 구조를 갖는 단단한 디올 단량체(DHSE)를 도입하여 PETG_D# 공중합체를 합성하였다. PETG_D#은 에틸렌 글리콜과 1,4-사이클로헥산다이메탄올(CHDM)의 비율을 대체하여 DHSE를 도입한 공중합체이다. DHSE의 도입은 고분자의 열적 및 기계적 물성을 효과적으로 향상시키는 동시에 우수한 광학적 투명성을 유지하였다. DHSE의 단단한 고리 구조의 도입으로 인해서 고분자 사슬의 경직성을 증가시켜 PETG의 유리 전이 온도(Tg)는 81.2 ℃에서 PETG_D4의 경우 120.4 ℃까지 증가하였다. 또한, 인장 강도는 32.93 MPa에서 50.37 MPa까지 향상되었으며, 파단 신율은 350% 이상으로 유지되었다. 필름은 DHSE 함량이 증가함에 따라 가시광선 투과도는 높게 유지되면서 자외선 차단 성능은 개선되었다. 이러한 결과는 DHSE 기반 PETG 공중합체가 고내열성, 고투명성, 우수한 기계적 특성을 동시에 갖춘 고분자 필름 개발을 위한 유망한 전략임을 시사한다.
다음으로, 실리카 네트워크 내에 35 wt%의 산화아연을 포함시켜 제조한 신규 항균성 규산 아연 유리 분말(ZS)을 PP의 항균성 필러로 도입하였다. ZS는 0.5 ~ 10 wt%까지 도입하여 폴리프로필렌 복합재료(PZS#)를 제작하였다. ZS의 첨가는 폴리프로필렌 복합재의 열적 특성, 기계적 성능 및 항균 활성에 전반적인 영향을 미쳤으며, 기존 폴리프로필렌 대비 친수성과 음전하 특성이 크게 증가하여 박테리아 및 바이러스의 부착을 효과적으로 억제하였다. 특히 아연 산화물(ZnO)을 필러로 도입한 폴리프로필렌 복합재료(PZnO#)와 비교하였을 때, PZS#는 더 적은 양의 필러로도 높은 항균 성능을 보여주었다. 이는 ZS의 낮은 밀도로 인해서 복합재료의 표면에 위치하는 필러의 표면적이 증가하고, 이로 인해 낮은 함량으로도 높은 항균 성능을 보일 수 있었다. 또한 PZS# 필름의 경우, PZnO# 필름에 비해서 훨씬 투명한 양상을 보였으며, 세포 독성과 항바이러스 성능 또한 뛰어난 것으로 분석되었다. 항균 성능 실험을 여러 번 반복하여 측정하였을 때도 PZnO2에 비해서 PZS2의 항균 성능이 더욱 오래 유지되었다. 종합하면, ZS는 기존의 항균 필러로 사용되던 ZnO에 비해서도 효과적인 항균 성능을 보여주었으며 ZS의 도입을 통해 폴리프로필렌 복합재료의 항균성, 항바이러스성, 열적 안정성, 물성을 모두 향상시킬 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents the synthesis and characterization of functional polymers derived from commercial PETG and polypropylene that exhibit enhanced heat resistance and high antibacterial activities, respectively. Firstly, a series of PETG_D# copolymers were synthesized by incorporating a rigid diol monomer, DHSE, containing fused multiple ring structures. The introduction of DHSE effectively enhanced the thermal and mechanical properties of the copolymers while maintaining good optical transparency. The Tg increased from 81.2 ℃ for pristine PETG to 120.4 ℃ for PETG_D4, and tensile strength improved from 32.93 MPa to 50.37 MPa, with elongation at break remaining above 350%. In addition, the films exhibited high visible-light transmittance and improved UV-blocking ability with increasing DHSE content. These results suggest that DHSE-based PETG copolymers offer a promising strategy for the development of thermally stable, optically transparent, and mechanically robust polymer films for advanced packaging and optical applications.
Secondly, we introduced a novel antimicrobial zinc silicate glass powder (ZS), prepared by incorporating a substantial amount of zinc oxide (35 wt%) into a silica network, as an antimicrobial filler in PP. PP composites (denoted as PZS#) were prepared by incorporating 0.5 to 10 wt% of ZS. The addition of ZS significantly influenced the thermal properties, mechanical performance, and antimicrobial activity of the PP composites. Compared to pristine PP, the PZS#s exhibited enhanced hydrophilicity and increased negative surface charge, effectively suppressing bacterial and viral adhesion. Notably, when compared with PP composites containing conventional zinc oxide filler (denoted as PZnO#), the PZS# samples achieved superior antimicrobial activity even at lower filler loadings. This enhanced performance was attributed to the lower density of ZS, which resulted in a greater area fraction of the filler on the composite surface, thereby improving antimicrobial activity at reduced content. Furthermore, PZS# films demonstrated much higher transparency than PZnO# films, and exhibited superior cytocompatibility and antiviral activity. Repeated antibacterial tests also confirmed that PZS2 maintained its antibacterial activity for a longer duration than PZnO2. Overall, ZS outperformed conventional ZnO in terms of antimicrobial effectiveness, and its incorporation led to simultaneous improvements in the antibacterial and antiviral performance, thermal stability, and mechanical properties of the PP composites.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅰ
• List of Tables vⅰ
• List of Figures vⅱ
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1. Introduction to functional polymers 2
• 1.2. Heat resistant PETG 4
• 1.3. Antibacterial polypropylene composites 6
• 1.4. Motivation 8
• 1.5. References 10
• Chapter 2 Synthesis and Characterization of PETG Copolymers Incorporating Rigid Fused-Ring Diols for Enhanced Heat Resistance 17
• 2.1. Introduction 18
• 2.2. Experimental 21
• 2.3. Results and Discussion 26
• 2.4. Conclusions 36
• 2.5. References 38
• Chapter 3 A Hydrophilic and Negatively Charged Zinc Silicate Glass Powder for Antibacterial and Antiviral PP Composites 59
• 3.1. Introduction 60
• 3.2. Experimental 63
• 3.3. Results and Discussion 75
• 3.4. Conclusions 96
• 3.5. References 98
• Abstract in Korean 138