1. 서 론
석유계 기반 플라스틱은 화학적·물리적 안정성, 수증기 및 산소 차단 등이 우수하여 식품 공정, 저장 및 유통 중에서 식품을 안전하게 가공하고 보관하는 데 중요한 역할을 하고 있다.1-5) 특히, 식품을 산소 및 수증기로부터 안전하게 보호하기 위해서 고 기체차단성 소재인 에틸렌비닐알코올(Ethylene vinyl alcohol, EVOH) 또는 알루미늄옥사이드(Aluminium oxide, AlOx)와 수증기 차단소재인 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 등을 활용하여 다층필름의 형태로 사용하고 있다. 하지만, 사용 후 각 층을 분리하여 재활용하는 데 경제적·기술적으로 제한사항이 있다.1,2) 또한, 이러한 다층구조의 플라스틱이 완벽히 분해되는데 수십에서 수백 년 이상의 시간이 걸려 토양오염을 야기시키며, 폐기 후 소각 시 대기중으로 일산화탄소(carbon monoxide, CO), 이산화황(sulfur dioxide, SO2), 산화질소(nitric oxide, NO) 등과 같은 가스를 방출시켜 대기오염을 유발한다.3,4) 유럽에서는 일회용 합성플라스틱과 산화생분해플라스틱의 사용금지에 관한 법령이 만들어졌으며,6) 국내에서도 매장면적 165 m2 이상의 마켓에서 플라스틱 봉투의 사용 금지 등 플라스틱 사용을 줄이기 위한 법안이 시행되었다.7)
이러한 환경적 문제를 해결하고, 지속 가능한 사회를 구현하기 위하여 1) 전분, 셀룰로오스, 단백질과 같은 자연유래소재, 2) 폴리락틱엑시드(Polylactic acid, PLA)와 같이 자연유래 단량체로부터 합성한 고분자, 3) 폴리하이드록시 알카노에이트(Polyhydroxyl alkanoate, PHA)와 같이 미생물에서 생성되는 폴리에스터 등과 같은 지속 가능한 소재(Sustainable materials)를 사용하고자 하는 요구와 이에 대응하는 연구 및 개발이 증가하였다.1-5, 8-10) 셀룰로오스가 주성분인 종이는 재활용과 생분해가 가능한 친환경 소재로서 유지류, 스낵류, 냉동식품 등의 포장소재로서 널리 사용되고 있다. 하지만, 종이는 친수성이며 다공성구조이기 때문에 산소와 수분 등과 같은 물질에 대한 차단성이 없으며, 접착성이 없어 포장재로서 단독 사용하는 데 제한사항이 있었다. 이러한 제한된 물성을 해결하기 위하여 PE 또는 PP와 같은 플라스틱 소재와의 다층구조로 제조하여 사용되고 있다.8,12) 하지만, 석유계 플라스틱 필름을 활용한 다층구조의 형태보다 코팅액을 활용한 코팅지의 구조가 친환경성과 재활용에 유리하기 때문에 단백질, 키토산 등의 지속 가능한 소재를 종이에 적용하려는 움직임이 증가하고 있다.12,14,15)
치즈와 우유의 생산공정에서 발생하는 분리유청단백질(Whey protein isolates, WPI)의 경우 지속 가능한 포장소재로서 적용하기 위한 연구가 널리 진행되고 있다. WPI는 투명성, 산소, 향, 오일에 대한 차단성이 우수하다고 보고되고 있다. 하지만, 수분에 약하고 WPI 분자 간 이황화결합, 수소결합과 같은 분자 간 상호작용 등으로 인해 취성(brittleness)이 있는 단점이 있다.3,14-17) 이러한, WPI의 제한된 취성과 같은 제한된 물성을 해결하고자 수크로스(sucrose), 글리세롤(glycerol, GY), 지방산(fatty acid), 소비톨(sorbitol, SO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol 400), 프로필렌글리콜(propylene glycol) 등의 다양한 가소제를 WPI 내 도입하고자 하는 연구가 진행되었다. 가소제는 가소제와 WPI 간의 혼화성, 필름형성 능력, 물리적 특성 등을 고려하여 선택하게 된다. 또한, 저분자량을 가지며 극성인 가소제는 WPI 사슬 내 수소결합과 같은 다양한 상호작용을 방해하여 유연한 구조의 WPI를 제조한다고 보고되고 있다.15-19) 하지만, 상대적으로 낮은 극성을 가지고 있는 가소제는 WPI 사슬 내 상호작용을 방해하는 데 효과적이지 않다고 보고하고 있다.16) 따라서, 폴리에틸렌글리콜 같은 가소제는 낮은 분자량을 가지고 있지만 상대적으로 극성과 비극성인 특성을 모두 보유하고 있기 때문에 단백질 내 분자 간 수소결합을 효과적으로 방해하지 못하고 취성이 있는 필름을 제조한다고 보고하고 있다.15,16)
Galietta 등은 한 종류의 가소제를 WPI에 혼합하여 가소제의 함량에 따른 물성변화를 평가하는 연구는 널리 진행되었으나, 두 종류의 가소제를 각각 WPI에 혼합하여 코팅액을 제조하고 이를 종이에 코팅하여 가소제의 종류와 함량 변화에 따라 물성을 비교하는 연구는 미비하였다.18-20) 본 연구의 목적은 수산기를 3개 가지고 있으며 분자량이 92 g/mol인 글리세롤과 수산기를 6개 가지고 있으며 분자량이 182 g/mol인 소비톨을 각각 WPI에 혼합하여 코팅액을 제조한 다음 종이에 코팅하여 포장소재로서의 적용 가능성을 비교 연구하는 것이다.
이를 위하여, 가소제가 미 포함된 WPI 코팅액, GY 함량변화에 따라 제조한 WPI/GY 코팅액, SO 함량변화에 따라 제조한 WPI/SO 코팅액을 제조하였다. 제조한 코팅액을 종이 코팅하여 WPI, WPI/GY 및 WPI/SO 코팅지들을 제조하였다. 제조한 WPI 코팅지, WPI/GY 코팅지 및 WPI/SO 코팅지의 형태학적 특성, 투기도, 기계적 강도, 표면 특성을 가소제의 종류와 함량에 따라 분석을 하였고 포장소재로의 적용가능성을 확인하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서 사용된 공시재료는 다음과 같다. WPI (Hilmar9410, Himar Ingredients, USA), 글리세롤(99.0%, Samchun Pure Chemicals Co., Ltd., South Korea)과 D-소비톨(97.0%, Samchun Pure Chemicals Co., Ltd., South Korea), 요오드화메틸렌(Diiodomethane, 99%, Sigma-Aldrich, USA)을 구입하여 사용하였다. 접착강도비교를 위하여 아크릴계코팅제(Michem® Prime 498345N, Michelman, Singapore)를 제공받아 사용하였다. 원지로서 평량 80 g/m2 복사지(OPI, South Korea)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 WPI/GY, WPI/SO 코팅액 및 코팅지 제조
본 연구의 WPI/GY와 WPI/SO 코팅액은 Table 1의 조건으로 조성하였다. WPI와 가소제를 증류수에 넣은 다음 자력교반기(JSHS-18D, JSR, South Korea)를 이용하여 35℃, 700 rpm, 20분 동안 교반하여 WPI/GY와 WPI/SO 코팅액을 각각 제조하였다. 제조한 코팅액의 pH와 점도를 Table 1에 나타내었다. 이때 pH는 pH측정기(F-71G, Horiba Advanced Techno Co. Ltd., Japan)를 이용하였고, 점도는 점도계(DVE ELVTJO, Ametek Brookfield, USA)를 이용하였으며, Spindle number 61을 사용해서 100 rpm에서 측정하였다. 제조한 코팅액을 종이 표면에 도포하여 로드(Rod, Meyer, South Korea)를 이용하여 코팅한 다음, 1분간 건조하여 코팅지를 제조하였다. 제조한 WPI/GY 코팅지와 WPI/SO 코팅지의 도피량은 가소제의 함량이 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Table 1.
Compositions, pH, viscosity and weight of pristine WPI, WPI/GY and WPI/SO coated papers
| Sample code | Compositions (phr*) | pH | Viscosity (cP) | Grammage (g/m2) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| WPI coating solution | Glycerol (GY) | Sorbitol (SO) | |||||
| WPI | D.I.Water | ||||||
| WPI/SO (1.0:1.0) | 18.0 | 82.0 | - | 18.0 | 6.7 | 13.2 | 99.4 |
2.2.2 WPI/GY, WPI/SO 코팅지의 물성분석
코팅지 표면의 형태학적 특성을 분석하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-IT500, JEOL, USA)을 사용하여 이미지를 측정하였다.
파열강도 시험기(SE 180, L&W, Sweden)를 사용하여 KS M ISO 2758:2014의 방법을 이용하여 코팅지의 파열강도를 측정하였다.21)
코팅지의 인장지수(tensile index)와 신장률(elongation at break)은 KS M ISO 1924-2:2008에 따라 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM, 3367, INSTRON, USA)를 사용하여 측정하였다. 이때, 시료는 종이의 기계방향으로 15 mm×180 mm로 제조하였고, 제조한 시료는 20 mm/min의 속도 조건에서 반복 시험을 진행하였다.22)
열접착강도는 UTM을 이용하여 ASTM F-88 방법에 따라 측정되었다. 측정에 사용된 코팅지는 25 mm×75 mm으로 재단하여 Impulse sealer(NI300, HANA Corporation Ltd., South Korea)를 이용하여 6초간 접착하여 제조하였다. UTM의 두 그립(grip) 간 거리는 0.025 m이고, cross-head speed는 200 mm/min이었다.23)
공기 투과에 대한 저항성을 평가하기 위하여 투기도시험기(L&W, Sweden)를 이용하여 KS M ISO 5636-5:2013의 방법으로 공기투기도를 측정하였다.24)
WPI/GY와 WPI/SO 코팅지의 표면특성을 확인하기 위하여 접촉각측정기(Phoenix-MT, S.E.O, Korea)를 이용하여 극성인 증류수와 비극성인 요오드화메틸렌을 이용하여 접촉각을 측정하였다. 측정한 접촉각을 Owens-Wendt 방법을 이용하여 표면에너지를 계산하였다.
인장지수, 신장률, 파열강도, 열접착강도, 투기도, 접촉각 시험은 9회 반복측정하였고, 분석을 통해 얻은 데이터는 SPSS Inc., Ver. 20(Chicago, IL, USA)을 이용하여 5% 유의수준에서 Duncan’s multiple range test를 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 형태학적 특성
일반적으로 코팅지의 경우 코팅액이 다공성 구조의 종이 내부와 표면에 분포하여 건조됨으로써 종이와 코팅액 간 가교결합과 같은 화학적 결합과 수소결합과 같은 물리적 결합을 형성할 수 있으며, 이는 기계적 특성과 기체차단성을 향상시킬 수 있다.15,25) 따라서, 산소 및 수증기와 같은 투과물질이 코팅지로 투과하는 것은 코팅지의 형태학적·화학적 특성에 크게 의존한다. 본 연구에서는 WPI, WPI/GY 및 WPI/SO 코팅지 표면의 형태학적 특성을 확인하기 위하여 SEM 분석을 실시하였고 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1 (a)는 WPI 코팅제가 미처리된 원지의 SEM 이미지이며 섬유와 공극이 있는 형상을 확인할 수 있다. 가소제가 미첨가 된 WPI 코팅지(Fig. 1 (b))의 경우 건조 후 코팅층의 깨짐 현상을 확인할 수 있었다. GY함량이 증가함에 따라 WPI/GY 코팅지(Fig. 1 (c)~(h))의 코팅층 깨짐현상은 개선되지 않음을 확인하였다. Jeong 등은 저분자량이며 친수성인 GY가 WPI 분자 사슬 내 쉽게 침투하여 단백질-단백질 분자 간 결합을 방해하고 WPI의 반응성 작용기와 수소결합을 형성하여 WPI 내 취성을 감소하고 유연성을 증가한다고 보고되고 있다.15-19,26) 하지만, 본 연구에서는 GY의 함량이 증감함에도 불구하고 WPI의 취성이 개선되는 데 한계가 있음을 확인하였다. 이는, WPI와 GY의 낮은 내열성, GY와 WPI 간 혼화성과 상용성 부족 및 종이표면의 불균일성으로 인해 종이 건조 시 코팅층 깨짐 현상이 발생하는 것으로 사료된다. WPI/SO 코팅지(Fig. 1 (h))의 경우 코팅층의 깨짐 현상을 확인하였다. 하지만, SO 함량이 증가함에 따라 WPI/SO 코팅지 표면의 깨짐현상은 감소하였고(Fig. 1 (i)~(l)), 공극 및 섬유가 보이지 않을 정도의 균일한 표면의 코팅층을 확인하였다. 이는, SO이 GY보다 WPI와 혼화성 및 상용성이 좋아 유연한 구조가 형성되어 균일한 코팅층이 형성된것으로 판단된다.26)
3.2 기계적 강도
포장소재의 경우 포장재를 가공하여 포장형태로 제조하는 공정과 식품을 담고 포장하는 공정에서 다양한 힘과 압력에 노출된다. 따라서, WPI/GY 및 WPI/SO 코팅지를 포장 분야에 적용하기 위해서 힘과 압력에 대한 저항성을 분석하는 것이 중요하다. Fig. 2 (a)는 WPI/GY 코팅지의 파열강도, Fig. 2 (b)는 WPI/SO 코팅지의 파열강도를 나타내었다. 원지의 경우 파열 강도가 4.12±0.39 kgf/cm2이며, 가소제가 미첨가된 Pristine WPI 코팅지의 파열강도는 4.29±0.65 kgf/cm2로 확인되었다. GY가 WPI 내 첨가함에 따라 파열강도가 개선되는 것을 확인하였고, WPI/GY (1.0:0.5) 코팅지의 경우 4.67±0.35 kgf/cm2으로 가장 높은 파열강도를 보였다. WPI/SO 코팅지 파열강도의 경우 WPI/GY 코팅지의 파열강도와 유사한 결과를 나타내었다. SO가 WPI에 혼합됨에 따라 파열강도가 개선되는 것을 확인하였고, WPI/SO(1.0:0.4) 코팅지의 경우 4.88 kgf±0.35 kgf/cm2으로 가장 높은 파열강도를 보였다. 친수성인 Pristine WPI 코팅액, WPI/GY 코팅액 및 WPI/SO 코팅액들은 친수성이며 다공성 구조인 원지에 침투하여 강한 수소결합을 형성하여, 파열강도를 향상시킨 것으로 판단된다. 하지만, 가소제의 함량이 증가함에 따라 코팅지 내 파열강도를 향상시키는 데 제한이 있었다. 이는 저분자인 GY와 SO가소제가 과량으로 첨가되어 WPI-WPI 또는 WPI-셀룰로오스 분자 간 수소결합을 방해하여 WPI 분자의 움직임이 증가하고, 이를 통해 분자 사이의 자유부피가 발생한 것으로 판단된다. 이는 WPI 코팅층 및 코팅지의 강성 감소로 이어져 파열강도 보강에 제한이 발생한 것으로 판단된다.27-30)
Fig. 2.
Burst strength of (a) WPI/GY coated papers and (b) WPI/SO coated papers. Different lowercase (a-c) letters indicate statistically significant difference (p＜0.05).
제조한 코팅지의 인장지수와 신장율을 Fig. 3에 나타내었다. 원지의 인장지수는 74.8±3.1 Nm/g이며, 신장율은 2.3±0.14%이다. 가소제가 미 첨가된 Pristine WPI코팅지의 인장지수는 86.3±2.1 Nm/g이며, 신장율은 2.6±0.22%로 크게 증가하였다. WPI에 GY를 1.0:0.4 비율로 투입한 코팅지의 경우 WPI 단일 코팅지에 비해 인장지수와 신장율이 향상되었다.
Fig. 3.
Tensile index and elongation at break of (a) WPI/GY coated papers and (b) WPI/SO coated papers. Different lowercase (a-e) and uppercase letters (A-D) indicate statistically significant difference (p＜0.05).
하지만, WPI/GY(1.0:0.5) 이상 코팅지의 경우, GY 함량이 증감함에 따라 인장지수와 신장율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, WPI/SO 코팅지들의 인장지수와 신장율 결과는 WPI/GY 코팅지들과 다른 경향을 보였으며, SO는 WPI의 인장지수와 신장율을 개선하였다. SO 함량이 증가함에 따라 인장지수의 경우 99.3±5.3 Nm/g(WPI/SO(1.0:0.4) 코팅지)까지 증가하였다. 또한, 신장율도 SO 함량이 첨가됨에 따라 3.3±0.27%(WPI/SO (1.0:0.5) 코팅지)까지 증가하다가 2.9±0.21%(WPI/SO (1.0:1.0) 코팅지)으로 감소하는 경향을 보였으나, pristine WPI 코팅지보다는 높은 신장율을 나타내었다.
전체적으로 WPI/SO 코팅지들의 인장지수와 신장율이 WPI/GY 코팅지들의 인장지수와 신장율보다 높았다. 이는 WPI와 가소제 간 혼화성과 상용성 관련이 있는 것으로 판단된다.15-18) Sothornvit 등은 두 물질의 분자량의 차이(GY:92 g/mol, SO:182 g/mol)에 의해 동일한 양의 가소제를 첨가하더라도 WPI 내 GY의 분자수가 SO에 비해 많이 존재하여 WPI/GY의 가소화가 WPI/SO에 비해 크게 발생하여 신장율이 크게 증가한다고 보고하고 있다.17-20) 하지만, 본 연구에서는 보고된 이전연구와는 다른 결과를 확인하였다. Fig. 1의 SEM 결과에서 보는 바와 같이, SO 함량이 증가함에 따라 WPI/SO 코팅지 표면의 깨짐현상은 감소하였고 균일한 표면의 코팅층을 확인하였다. 하지만, GY 함량이 증가함에도 불구하고, WPI 코팅지 내 코팅층의 깨짐현상은 개선되지 않았다. 본 연구에서는 고함량의 가소제를 WPI와 혼합하였다. WPI/GY 코팅지의 경우, 고함량의 GY 비율은 WPI 내 침투하여 혼화되는데 제한이 되어 WPI-GY 간 상호작용 형성에 어려움이 있고, WPI-WPI와 GY-GY 결합이 증가하여 인장지수와 신장율 향상에 부정적인 영향을 미쳤다고 판단된다. 또한, 코팅 후 코팅층의 깨짐현상으로 인해 형성된 불균일한 코팅층도 인장지수와 신장율 향상에 부정적인 영향을 미쳤다고 판단된다. SO 함량이 증가함에 따라 WPI 매트릭스 내 침투하여 WPI-WPI 결합을 방해하고, WPI-SO 간 강한 수소결합과 WPI/SO와 원지와의 강한 수소결합을 형성함으로써 기계적 강도 개선에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단되며, 도피량의 증가에 따라 기계적 강도 개선에 긍정적인 영향을 준 것으로 판단된다. 상대적으로 SO는 GY에 비해 높은 극성을 보유하고 있기 때문에 극성인 WPI와 혼화성이 좋은 것으로 판단된다. 또한, 상대적으로 극성이 큰 WPI/SO코팅액이 극성인 종이와 강한 수소결합을 형성한 것으로 판단되며, 그 결과 인장지수와 신장률이 증가하는 것으로 판단된다.
3.3 열접착 강도
포장 소재를 이용하여 샤쉐(sachet) 및 파우치(pouch)와 같은 다양한 포장형태를 제조하고, 제조된 포장재에 제품을 담은 후 열접착공정이 진행된다. 이렇게 제조된 제품은 다양한 저장 및 유통환경을 거쳐 소비자에게 전달된다.8,31,32) 이때 외력에 의해 접착된 부분의 파손으로 인해 오염원들이 제품으로 유입되지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 포장 내 열로 접착된 부분이 어느 정도까지의 힘을 견디는지를 확인하는 것이 중요하다.31,32) 본 연구에서는 GY와 SO의 함량 변화에 따른 WPI/GY 코팅지와 WPI/SO 코팅지의 열접착강도를 측정하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Pristine WPI 코팅지 열접착강도는 689.0±0.13 N/m이었고 GY와 SO 함량이 증가함에 따라 열접착강도가 개선(p＜0.05)되었다. GY 함량이 증가됨에 따라 689.5±0.12 N/m(WPI/GY (1.0:0.04) 코팅지)~689.8±0.02 N/m(WPI/GY (1.0:1.0) 코팅지)까지 열접착강도가 증가하는 경향을 확인하였다. SO 함량이 증가됨에 따라 689.8±0.02 N/m(WPI/SO (1.0:0.4) 코팅지)까지 증가하다가 689.5±0.02 N/m (WPI/SO (1.0:1.0) 코팅지)으로 감소하는 경향을 보였으나, pristine WPI 코팅지보다는 높은 열접착강도를 보였다. 또한, WPI/GY 코팅지 및 WPI/SO 코팅지 모두 상용화된 아크릴계 코팅제가 10 g/m2 코팅된 코팅지의 접착강도(489.0±0.02 N/m)에 비해 높은 열접착강도를 보였다.
3.4 투기도
종이 기반 포장재는 대기와 포장재 내 존재하는 기체에 의해 제품의 산화와 같은 다양한 문제가 발생하며 이를 해결하기 위해서 기체에 대한 차단특성이 요구된다. 가소제의 함량에 따른 공기투과에 대한 저항도를 분석하기 위하여 Gurley 투기도 분석을 실시하였고, Fig. 5에 나타내었다. WPI 코팅제가 미처리된 원지의 투기도는 16.5±1.38 sec이었다. GY 함량이 증가함에 따라 WPI/GY 코팅지로 공기가 투과하는 데 걸리는 시간은 증가하였지만, 크게 개선되지 못하였다. 이는, WPI와 WPI/GY 코팅제가 원지 내 공극을 일부 감소시켰지만, 코팅층의 깨짐현상으로 공기의 투과를 차단하는 데 한계가 있는 것으로 판단된다. SO 함량이 증가함에 따라, WPI/SO 코팅지 내 공기가 투과하는 데 걸리는 시간이 증가하였다. 이는, WPI/SO 코팅지 내 형태학적 특성과 관련된 것으로 판단된다. Fig. 1의 SEM 결과에서 보는 바와 같이, SO 함량이 증가함에 따라 WPI/SO 코팅지 표면의 깨짐현상은 감소와 균일한 표면의 코팅층을 확인하였고 가소제 함량 증가에 따른 도피량증가를 확인하였다. 이는 SO가 코팅층 내에서 공기 투과를 차단하는 결정성 영역을 형성하고, 이로 인해 공기 투과에 대한 저항성이 증가한것으로 판단된다.1) Song 등은 WPI 내 이황화결합으로 형성되는 강한 화학적결합과 수소결합으로 인해 WPI 단독필름과 WPI 기반 다층필름의 경우 높은 공기차단성을 보인다고 보고하고 있다.1,5,9) 하지만, 본 연구에서는 제조한 WPI/GY와 WPI/SO 코팅지의 경우, 낮은 공기차단성을 보이고 있다. 이는 코팅제와 기재와의 상호작용 부족과 원지의 불균일한 표면으로 인해 WPI/SO 코팅제가 균일한 필름층을 형성하는 데 제한이 있는 것으로 판단된다.
3.5 접촉각
친수성 가소제가 WPI 내 첨가되면 밀도가 높고 강한 WPI-WPI 간 결합이 방해되고, WPI-가소제 간 수소결합이 형성되어 상대적으로 유연하고 밀도가 낮은 구조로 변경된다. 이로 인해 WPI 내 가소제의 함량이 증가함에 따라 수분과 같은 물질의 흡수가 상대적으로 용이해진다.15-17,33,34) 본 연구에서는 가소제의 함량과 종류에 따른 WPI/GY 코팅지와 WPI/SO 코팅지 표면의 화학적특성을 확인하기 위해 극성인 증류수와 비극성인 요오드화메틸렌을 이용하여 접촉각을 측정하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Contact angles and surface energy of (a) WPI/GY coated papers and (b) WPI/SO coated papers. Different lowercase (a-e) and uppercase letters (A-F) indicate statistically significant difference (p<0.05)
| Sample code | Contact angle (°) | Surface Energy (mN/m2) | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Water | Diiodomethane | Polar | Dispersive | Total | |
| WPI/SO (1.0:1.0) | 30.0±2.0F | 29.3±2.6A | 29.5 | 38.5 | 68.8 |
가소제가 미첨가된 Pristine WPI의 증류수 접촉각은 64.5±4.46°이고 요오드화메틸렌 접촉각은 25.2±2.52°로 원지 대비 친유성과 친수성이 높은 것으로 확인되었다. GY 함량이 증가함에 따라 친수성이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 친유성은 상대적으로 감소하나 유의차가 없음을 확인하였다. GY 함량이 증가함에 따라 총 표면에너지는 증가하였다. WPI/SO 코팅지의 경우, WPI 내 SO 함량이 증가함에 따라 친수성은 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 소수성도 상대적으로 증가함을 확인하였다. 92.09 g/mol의 분자량을 가지고 있는 GY는 182.17 g/mol의 분자량을 가지고 있는 SO에 비해 상대적으로 친수성 구조를 보유하고 있어, GY가 첨가된 단백질 필름 내에서 상대적으로 수분에 대한 높은 용해성을 가지고 있다고 보고하고 있다.33,34) 하지만, 본 연구에서는 WPI/SO 코팅지들이 WPI/GY 코팅지들에 비해 상대적으로 친수성과 소수성인 특징이 더 큰 것으로 확인되었다. 이것은 WPI와 가소제 간 혼화성과 관련이 있는 것으로 판단된다. Fig. 1의 SEM 결과에서 보는 바와 같이, WPI와 GY 간 혼화성이 부족하여 상대적으로 WPI-WPI간 결합을 방해하지 못하여 WPI와 GY 간 수소결합을 형성하는 데 어려움이 있어 균일한 표면을 형성하지 못한 것으로 사료된다. 하지만, WPI와 SO의 경우 상대적으로 혼화성이 좋아 WPI와 SO 간 수소결합을 잘 형성하는 것으로 사료된다. 따라서, WPI 내 친수성과 소수성인 특징이 동시에 증가하는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 GY와 SO을 각각 WPI와 혼합하여 코팅액을 제조하였고, 제조한 코팅액을 종이에 코팅하여 WPI/GY와 WPI/SO 코팅지들을 제조하였다. 제조한 코팅지를 가소제의 함량과 종류에 따라 형태학적 특성, 인장지수 및 신장율, 파열강도, 투기도, 표면특성을 조사하였다. WPI/GY 및 WPI/SO 코팅지의 경우 Pristine WPI 코팅지보다 인장지수, 신장율, 파열강도, 투기도, 표면특성이 개선됨을 확인하였다. SEM 분석결과, SO 함량이 증가함에 따라 깨짐 없는 코팅층이 형성되었지만, WPI/GY 코팅지 내에서는 코팅층의 깨짐현상이 나타났다. 이로 인해 WPI/SO 코팅지의 경우 WPI/GY 코팅지들과 가소제 함량 증가에 따라 인장지수와 신장율, 공기차단성이 개선되는 것을 확인하였다. 가소제가 보유하고 있는 화학적 구조 및 분자량이 WPI 기반 코팅액과 코팅지에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 이로 인해 코팅지의 형태학적 특성, 기계적 특성을 포함한 종이의 물성이 변화됨을 확인하였다. WPI 기반 코팅지의 경우 친환경 포장소재로서 응용될 가능성이 클 것으로 예상되며, 포장소재 유형별 요구되는 품질에 따라 가소제의 종류 및 함량에 따라 WPI 기반 코팅지의 물성조절이 가능할 것으로 판단된다. 그러나, 가소제와 WPI 간 혼화성 및 상용성, WPI/가소제 코팅액과 종이 간의 화학적·물리적 결합에 대한 추가적인 연구 필요성을 확인하였다. 또한, 기체 및 수분차단성, 내열성 등과 같은 포장소재에서 요구되는 물성을 위하여 가교결합 또는 무기필러 등의 활용으로 WPI 코팅액 개질에 대한 추가적인 연구를 수행할 예정이다.
