알지네이트-폴리비닐알코올 블렌드 필름의 제조와 특성분석에 관한 연구

Abstract

요 약

플라스틱은 가볍고 활용도가 다양해 현대사회에서 폭넓게 이용되고 있지만, 잘 썩지 않는 문제와 생태계에 위협이 되는 미세플라스틱의 문제로 인하여 플라스틱 제품의 사용 절감 또는 퇴출에 대해 사회적 목소리가 커지고 있으며, 전 세계적으로 이를 타파하고자 많은 노력을 하고 있다. 이러한 관점에서 폐플라스틱으로 인해 발생 되는 문제점을 극복하기 위한 하나의 방법으로 생분해성 플라스틱의 제조 및 사용이 제시될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 석유 유래 생분해성 고분자인 폴리비닐알코올(PVA)과 해양 바이오매스 유래 고분자인 알긴산나트륨(Na-alginate)으로부터 Alginate -PVA 블렌드 제조 및 항균 필름으로서의 활용 가능성에 대해 살펴보았다. Alginate-PVA 폴리머 블렌드를 제조하기 위한 실험변수로서 PVA함량과 가교제인 glutaraldehyde의 함량이 적용되었으며, 항균성을 부여하고자 캐슈넛껍질액(CNSL)으로부터 추출된 카다놀의 함량을 달리하여 항균 필름을 제작하였다. 알지네이트에 PVA를 10 wt%에서 50 wt%까지 첨가했을 때, 알지네이트의 취성과 PVA의 열적 내구성이 크게 개선된 Alginate-PVA 폴리머 블렌드가 형성되었으며, 이들은 FT-IR 분석과 열중량분석 및 기계적 물성 시험을 통해 확인되었다. FT-IR 분석을 통해 PVA와 glutaraldehyde와의 가교로 인한 아세탈기(C-O-C)의 형성을 확인하였으며, 열분해 시작 온도는 순수 알지네이트보다 10 ℃ 이상 증가하고 열분해 온도 500 ℃에서의 잔량은 PVA보다 약 20% 이상 높아 열적 내구성이 순수 알지네이트와 PVA보다 크게 향상됨을 관찰하였다. 또한, 인장강도 및 연신율 등기계적 물성은 가교제의 함량이 증가함에 따라 증가함을 보이는데, 이는 PVA 가교 밀도의 증가에 의한 것으로 추정된다. Alginate-PVA 폴리머 블렌드의 수분에 의한 팽윤성은 알지네이트에 PVA가 첨가됨으로서 최대 50% 증가하며, 가교제인 glutaraldehyde의 첨가량에 다른 차이는 별로 없는 것으로 관찰되었다. 카다놀이 첨가된 항균성 Alginate-PVA 필름 블렌드는 포도상구균과 대장균에 대한 배양시간 1시간 기준으로 각각 약 98%와 70%의 항균 활성(사멸율)을 보였다. 이러한 결과들로부터, 본 연구에서 제조된 Alginate-PVA 블렌드는 열적·기계적 물성의 향상과 우수한 수분 팽윤성으로 인하여 항균 필름 및 피부 스캐폴드 등으로의 활용 가능성을 보여주었다.

Plastics are widely used in modern society today as they are lightweight and offer a diverse range of applications; however, the problems of slow decomposition and microplastics that threaten ecosystems have led to increasing social demand for reduced use or elimination of plastic products and there are various efforts worldwide to do away with plastics. In this regard, the fabrication and usage of biodegradable plastics are presented as methods of overcoming the problems caused by plastic waste. Thus, in this study, the applicability of a Alginate-PVA blend fabricated with biodegradable polymer polyvinyl alcohol(PVA) derived from petroleum and sodium alginate(Na-alginate) derived from marine biomass as antibacterial film was investigated. The contents of PVA and the crosslinking agent glutaraldehyde were the experimental variables in the fabrication of the Alginate-PVA polymer blend, and the antibacterial film was prepared by varying the content of cardanol extracted from cashew nutshell liquid(CNSL) for the antibacterial properties. When PVA was added to alginate from 10wt% to 50wt%, a Alginate-PVA polymer blend was obtained with significantly improved brittleness of alginate and thermal durability of PVA, which was confirmed through FT-IR analysis, thermogravimetric analysis, and mechanical property testing. Through FT-IR analysis, the formation of the acetal group(C-O-C) due to the crosslinking between PVA and glutaraldehyde was observed. The thermal durability was found to be significantly improved over that of pure alginate and PVA as the initial temperature of pyrolysis was greater than pure alginate by 10℃ or more and the residual amount at the pyrolysis temperature of 500℃ was higher than approximately 20% or more compared to PVA. Moreover, mechanical properties such as tensile strength and elongation were found to increase as the crosslinking agent content increased, which is considered to be due to the increase in PVA crosslinking density. Swelling due to the moisture of the PVA/Alginate blend increased by up to 50% with PVA added to alginate, and no other notable differences were observed with respect to the addition amount of the crosslinking agent glutaraldehyde. The cardanol added antibacterial Alginate-PVA film blend showed around 98% and 70% antimicrobial activities(inactivation rate) for Staphylococcus aureus and Escherichia coli, respectively, based on 1 hour of incubation time. Based on these results, the Alginate-PVA blend fabricated in this study showed potential for application as antibacterial film and skin scaffold as the blend exhibited enhancements in thermal and mechanical properties and outstanding moisture swelling.