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생분해성-난분해성 플라스틱 블렌드로 제작한 3D 프린터 시제품의 생분해
최신형(Shinhyeong Choe),김유진(Yujin Kim),박근용(Geunyong Park),이도현(Do Hyun Lee),박제희(Jehee Park),Ayantu Teshome Mossisa,명재욱(Jaewook Myung) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
Thermoplastic blends are applied for three-dimensional (3D) printing to obtain improved functionality. While thermal, chemical, and mechanical properties of 3D-printed blends were typically examined, biodegradability of the 3D-printed plastics rarely has been the focus of research. In this study, we evaluated the biodegradation behavior of 3D-printed prototypes fabricated from various plastics and blends, including biodegradable polylactic acid (PLA), poly (3-hydroxybutyrate) (PHB) and non-biodegradable high-density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP). Letter-shaped specimens were prototyped using a fused deposition modeling (FDM) printer with various filaments (PLA, PHB, HDPE, PP, PLA/HDPE, PLA/PP, PHB/HDPE, PHB/PP, and PLA/PHB), and their printing performance and optimal printing conditions were evaluated. FDM 3D printing of HDPE and PP has been problematic due to thermal shrinkage, warping deformation, and poor adhesion. We demonstrate that PLA/HDPE and PLA/PP blends are printable, and PLA/PHB blends exhibit outstanding printing performance. Biodegradation tests on 3D-printed prototypes were performed employing a systematically designed respirometry by simulating i) controlled composting and ii) the aerobic aqueous environment. PHB100 and PLA50/PHB50 showed significant biodegradation in controlled composting and an aerobic aqueous tests (86.4, 85.0% and 73.3, 32.3%, respectively) in 50 days, while PLA100 and other biodegradable/non-biodegradable blends (PLA/HDPE, PLA/PP, PHB/HDPE, PHB/PP) barely biodegraded. The immiscible biodegradable/non-biodegradable plastic blends revealed evidence of partial degradation and even antagonism to biodegradation, most likely due to phase separation and barrier effect. Taken together, although PLA/HDPE, PLA/PP, and PLA/PHB blends could be promising and sustainable 3D-printing resources with some notable improvements in mechanical properties and printing performance, their diverse biodegradation behavior indicate the need for adequate post-consumer management for sustainable 3D-printing.
바이오-석유계 블렌드 필라멘트로 제작한 3D 프린터 시제품의 생분해
최신형 ( Shinhyeong Choe ),김유진 ( Yujin Kim ),박근용 ( Geunyong Park ),( Mossisa Ayantu Teshome ),이수민 ( Sumin Lee ),명재욱 ( Jaewook Myung ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
플라스틱 오염은 전 지구적 환경문제로 반드시 해결되어야 할 범국가적 과제이다. 생분해성 플라스틱은 미생물에 의해 분해되는 특징으로 난분해성 플라스틱의 대체제로 주목받고 있다. 3D 프린터는 복잡한 형상을 구현할 수 있어 건축물, 우주선, 나노칩까지 점차 적용이 확대되고 있다. 하지만 현재 3D 프린터에 이용되는 플라스틱 원료인 Poly(lactic-acid) (PLA)는 영률과 신률이 낮고, 잘 깨지는 성질로 인해 활용성이 떨어질 뿐 아니라 생분해 속도가 느리다는 단점이 있다. 본 연구에서는 3D 프린터에 다양한 플라스틱을 원료를 적용하여 3D 프린터 제품의 물리적 강도, 가공성을 향상시키고 나아가 생분해도를 향상시키고자 한다. 바이오 플라스틱 원료인 PLA, Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB)를 석유계 플라스틱 원료 Poly(ethylene) (PE), Poly(propylene) (PP)과 다양한 비율로 혼합한 후 필라멘트 형태로 압출하였다. 이를 기반으로 3D 프린터 시제품을 제작한 후, 분자구조 특성(13C NMR, FT-IR), 열적 특성(DSC, TGA), 인쇄적성(FE-SEM), 물리적 특성(최대하중, 인장강도, 영률, 연신율) 분석하였다. 플라스틱 분해장치를 설계하여 호기성 담수 환경과 퇴비화 조건을 모방하여 시제품의 생분해도를 평가하였다. 바이오플라스틱 PLA와 석유계 플라스틱 PE, PP가 혼합된 3D 프린터 시제품은 기존 대비 가공성과 영률, 연신률이 향상되었으나 생분해도는 감소하였다. 반면, PLA와 PHB를 혼합할 경우 PLA와 비슷한 물리적 성질을 유지하였고, 호기성 담수 환경에서는 생분해도 변화가 없었으나 퇴비화 환경에서 생분해가 가속화되었다. 본 연구 결과는 3D 프린터 플라스틱 원료를 목적에 따라 적용할 수 있으며 다양한 플라스틱 원료의 적용 가능성을 시사한다. 또한, 석유계 플라스틱 폐기물을 재활용하여 3D 프린터 원료로 활용하고, PLA-PHB 필라멘트의 개발로 신속히 생분해되는 3D 프린터 기반 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
메탄산화균과 황산화균의 혼합배양 및 바이오가스를 활용한 PHA (Polyhydroxyalkanoates) 생산
김유진 ( Yujin Kim ),최신형 ( Shinhyeong Choe ),명재욱 ( Jaewook Myung ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
전 세계적으로 코로나 바이러스가 확산되면서, 여러 환경문제가 발생하고 있는 가운데 플라스틱 폐기물 또한 급증하고 있다. 이는 코로나 바이러스의 확산 방지를 위해 실시되는 비대면 및 비접촉 생활방식에 따라 일회용품 사용량이 증가하고 있기 때문이다. 석유 화학 기반의 플라스틱은 편리한 가공성, 낮은 가격 및 내수성 등의 장점이 있으나, 자연에서 분해되기 어려워 해양을 포함한 여러 환경에서 심각한 오염원으로 인식되고 있다. 이에 따라 이를 대체할 수 있는 생분해성 플라스틱의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 특히 미생물에 의해 생산되는 PHA (Polyhydroxyalkanoates)는 해양 환경에서도 분해가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 석유 화학 기반의 플라스틱과 비교했을 때 PHA의 높은 생산단가가 주요 한계점으로 꼽히고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하고자 바이오가스 내 메탄가스와 호기성 메탄산화균을 활용하여 PHA를 생산하고자 한다. 메탄가스는 식물 유래 탄소원에 비해 값이 저렴하며, 이산화탄소에 비해 20배 이상 강력한 주요 온실가스로서 위에서 언급한 한계점을 극복할 수 있는 동시에 온실가스 저감에 기여할 수 있다. 그러나 바이오가스 내에는 약 1000 ppm 정도의 황화수소가 포함되어 있으며, 이는 미생물 성장을 방해하는 요인으로 작용한다. 이에 따라 본 연구에서는 황산화미생물과 메탄산화균을 혼합배양하여 추가적인 전처리 없이 바이오가스를 PHA 생산에 직접 활용할 수 있는지 알아보고자 하였다.