미세 자성철 입자를 충전한 LDPE 필름의 기체투과도와 물성

선흥석,류동완,강용구,박찬영

전남대학교 공과대학 응용화학공학부

Physical properties and Gas permeability of LDPE film filled with

Fine Magnetic Iron Particles

Heungsuk Sun, Dongwan Ryu, Yongku Kang, Chanyoung Park

Faculty of Applied Chemical Engineering, College of Engineering, Chonnam National University, Kwangju 500-757, Korea

서론

포장재용 필름에 무기 충진제를 사용하여 포장내부의 기체 조성을 조절하는 포장법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다[1]. 이러한 기술은 환경 기체 조절 포장(MAP : Modified Atmosphere Packaging)법으로 불리우며 포장용 필름에 세라믹이나 제오라이트등의 무기 충진제를 사용하여 포장내부의 기체 조성을 조절하게 된다[2]. 이러한 MAP법에서 사용되는 무기충진제는 그 입자의 크기가 수□의 크기로 약 50□내외인 필름의 두께를 고려할 때 필름의 광투과도 저하, 분산도의 불량으로 인한 포장된 제품의 상품가치를 떨어뜨리는 등의 여러 가지 문제가 있었다. 이와 같은 이유로 인하여 필름내에 포함될 충진제의 크기를 더욱 작게할수 있다면 위의 애로사항의 해결과 포장내 기체 조성의 조절에도 효과가 있을것으로 사료된다.

한편 Ferrofluid는 수용액 내에 녹아있는 철의 정량분석시 나타나는 용액으로 수용액 내에 수nm에서 수십nm 크기의 철 입자가 잘 분산된 용액을 말한다[3]. 이러한 Ferrofluid는 자기테이프와 같은 자성재료등에 많이 사용되어 왔으며 최근에는 생물공학분야의 효소 고정화(Enzyme immobilization)나 약물 방출 시스템(Drug Delivery System)에서도 이용되고 있는 실정이다[4].

실험재료 및 방법

1. 포장재 충진용 미세 철입자의 제조

포장재 충진용 미세 철입자의 제조는 Reimers[3]와 KOBAYASHI[4]의 방법을 토대로 액상에서 제조하였다. 제조방법은 먼저 FeCl2와 FeCl3를 1:2의 비율로 100ml의 증류수에 녹인 후 저어주면서 진한 암모니아수(암모니아 28%함유)를 빠른 속도로 첨가한다. 이때 용액은 미세 철입자가 골고루 퍼져 있는 Ferrofluid를 형성하게 된다. 제조한 Ferrofluid는 침전시켜 상층부의 용액을 가만히 따라내고 증류수로 두차례 세척하였다. 증류수에 분산시킨 미세 철입자의 용액을 고분자 필름에 충진이 용이하도록 Oleic Acid이나 Ammonium Oleate를 첨가하여 Oleic Acid로 철입자의 표면을 처리하였다. Oleic Acid로 덮인 미세 철입자는 70℃정도로 가열하여 용액중의 암모니아를 증발시킨다. 이 과정에서 용액은 증류수와 Oleic Acid로 처리된 왁스형태의 입자덩어리로 층분리가 일어나며 물만을 제거하고서 다시 톨루엔등의 유기용매에 철입자를 분산시켰다. 유기 용매에 잘 분산된 미세 철입자는 20□에서 최대 200□의 크기로 포장용 필름의 제조시 첨가하였다.

제조한 미세 철입자는 X-ray 회절분석기를 이용하여 철입자의 구조를 분석하였으며 철입자의 크기는 광학현미경과 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope, JEOL, Japan)을 사용하여 관찰하였다.

2. 미세 철입자를 충진한  LDPE필름의 제조

포장용 필름의 충진용으로 제조한 미세 철입자를 LDPE수지(5305, HANHWA Chemical Corp.)에 충진하고 그 필름을 실험실에서 제조하였다. 제조순서는 100그램의 LDPE 수지를 115℃로 조절된 롤밀에서 연화시킨후 2그램의 미세 철입자를 투입하고 15분간 혼합하였다. 이때 롤밀의 속도는 15rpm이었고 앞롤과 뒤롤의 속도비는 1:1.3, 롤간격은 2□로 조정하였다.

혼합된 LDPE/미세 철입자 복합체는 다시 140℃로 조절된 가압프레스에 5그램의 시편을 잘 가공된 금속 평형판 사이에 놓고 1kgf의 압력으로 2분간 예열한다음 15kgf의 압력으로 5분간 가압하여 시험용 필름을 제조하였다. 가압필름의 제조시 필름의 손상을 최소화하기 위하여 열경화성 비접착 보조필름을 시편의 상하에 설치하였으며, 필름의 두께조절을 위하여 보조필름의 가장자리에 요구 두께의 비접착 필름을 시편사이에 끼워 압착하였다. 위와 같은 방법으로 제조된 필름의 평균두께는 150□이었다.

3. 미세 철입자를 충진한 LDPE 필름의 물성과 기체투과도 조사

미세 철입자를 충진한 포장재용 LDPE필름은 인장강도등의 물성시험과 기체투과도를 조사하였다.

필름의 인장강도는 인장시험기(Instron Co., Model 6021)를 이용하였으며, 시편은 아령 1호형을 사용하였다. 시편은 중앙부위의 3개를 가로방향과 세로방향 각각 3회 실시하여 평균하였다.

필름의 기체 투과 특성은 ASTM(D1434-81)에 준하여 자체 제작한 가스투과도 시험장비를 사용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

1. 포장재 충진용 미세 철입자의 특성

진한 암모니아수를 첨가하여 침전된 미세 철입자를 오븐에서 건조시킨후 X-ray 회절분석을 통하여 철입자의 형태를 분석한 결과를 Fig.1에 나타내었다. 제조한 철입자는 스피넬 구조를 갖고 있는 마그네타이트로 나타났으며, Oleic acid로 처리한 미세 철입자의 크기는 20□에서 최대 200□의 크기를 갖고 있는 것으로 판명되었다.(Fig.2)

2. 미세 철입자를 충진한 LDPE 필름의 특성

미세 철입자를 충진한 LDPE필름은 외관상 약간의 노란색의 빛깔을 보였으며 이 필름의 인장강도와 신장율의 측정결과를 Table 1.에 나타내었다. 인장강도와 신장율 모두가 LDPE만으로 제조한 필름의 결과와 비슷하여 철입자의 충진으로 인한 물성변화는 없는 것으로 나타났다.

Table 1. Physical properties of fine magetite-filled LDPE film

	Tensile strength at yield point(kgf/cm2)	Elongation of break(%)
LDPE only(5305)	95	680
Fine magnetite-filled LDPE film	94	655

제조한 미세 철입자 충진 필름과 LDPE만으로 제조한 필름에 대하여 30℃에서 N2, O2, CO2, C2H4 가스에 대한 기체투과도를 측정하였다. 이에 대한 결과를 Table 2.에 나타내었다. 미세 철입자를 충진한 필름의 기체투과도는 LDPE만으로 제조한 필름보다 산소를 제외한 나머지 모든 기체에서 높은 투과도를 보였다. 또한 투과도에 대한 자료를 토대로 계산한 투과선택도에 대한 결과에서도 산소에 대한 이산화탄소의 투과도와 산소에 대한 에틸렌의 투과도가 두배 정도 선택도가 증가하여 이산화탄소와 에틸렌의 선택적 제거가 요구되는 농산물 포장재용 필름으로 사용이 기대된다.

Table 2. Permeability and perselsctivity of various gases with

fine magnetite-filled LDPE film at 30℃

	gases	LDPE only	Fine magnetite-filled LDPE
Permeability×1010 [ml(STP)□/□Hg □ s]	N2	13.4	35.9
	O2	63.1	63.8
	CO2	280.1	545.1
	C2H4	65.1	167.3
Permselectivity	N2/O2	0.2	0.6
	CO2/O2	4.4	8.5
	C2H4/O2	1.0	2.6

참고문헌

1. M. Mathlouthi, "Food Packaging and preservation", Elservier, 1986

2. Dong-Sun Lee, Patricia E. Haggar and Kit L. Yam, Packaging technology and science, vol 5, pp27-30(1992)

3. Reimers, G. M. and Khalafalla, S. E., British Patent 1,439,031, 1978

4. Masashige SHINKAI, Hiroyuki HONDA and Takeshi KOBAYASHI, Biocatalyst, vol. 5, pp61-69(1991)

Fig. 1. X-ray diffraction spectra of fine magnetic iron particles

Fig.2 Transmission electron micrograpic images of fine magnetic iron particles treated with oleic acid. Bar in the figure shows 20nm.