PLA(폴리유산), PBAT(폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트), PHA(폴리하이드록시알카노에이트)와 같은 생분해성 소재는 지속 가능한 포장, 농업 및 소비재의 미래로 환영받으며 글로벌 플라스틱 폐기물 위기에 대한 중요한 솔루션을 제공합니다. 2030년까지 이러한 소재 시장은 일회용 플라스틱에 대한 전 세계적인 금지와 친환경 대안에 대한 소비자 수요에 힘입어 150억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 그러나 광범위한 산업화는 가수분해라는 주요 장애물에 직면해 있습니다. PLA, PBAT 및 PHA에 풍부한 에스테르 결합(-COO-)은 습기에 취약하여 조기 성능 저하(취성, 인장 강도 손실) 또는 제어할 수 없는 저하(최종 사용 전 분해)를 유발합니다. 곳이 바로 여기입니다 . 가수분해 방지제가 판도를 바꾸는 생분해성을 유지하면서 원치 않는 가수분해를 정확하게 억제함으로써 지속 가능성과 실용성 사이의 격차를 해소하여 수요가 많은 산업 시나리오에서 이러한 재료가 기존 플라스틱을 대체할 수 있도록 합니다.
가수분해 방지제가 생분해성 물질을 어떻게 보호하는지 이해하려면 먼저 PLA, PBAT 및 PHA의 가수분해 과학을 풀어야 합니다. 품질 저하가 무작위로 발생하는 것은 아닙니다. 이는 구조적 취약성에서 비롯되며 실제 환경 조건에 의해 증폭됩니다.
세 가지 재료 모두 공통적인 구조적 결함을 공유합니다. 즉, 물 분자와 반응성이 매우 높은 에스테르 결합(-COO-)의 긴 사슬입니다. 가수분해 사이클의 분석은 다음과 같습니다.
개시: 물이 폴리머 매트릭스에 침투하여 에스테르 결합을 카르복실산(-COOH)과 알코올로 분해합니다. 미량의 수분(예: 5% RH)도 이 단계를 유발할 수 있습니다.
가속: 카르복실산은 촉매 역할을 하여 자가촉매 루프에서 에스테르 결합 절단을 더욱 가속화합니다. 단일 산 분자는 수백 개의 추가 결합을 깨뜨려 기하급수적인 분해를 초래할 수 있습니다.
실패: 분자량이 급락함에 따라 재료는 기계적 강도를 잃습니다. 즉, 원래 사용하기 오래 전에 취성(PLA), 유연성(PBAT) 또는 구조적 붕괴(PHA)가 발생합니다.
각 생분해성 재료는 고유한 가수분해 유발 문제를 나타내어 산업적 사용을 직접적으로 제한합니다.
PLA: 옥수수 전분에서 추출한 PLA는 결정성은 높지만 가수분해 저항성은 낮습니다. 습한 보관(80% RH, 25℃)에서는 단 14일 만에 분자량이 35% 감소하고, 인장강도도 40% 감소하므로 6개월의 유통기한이 필요한 포장용으로는 무용지물이다.
PBAT: 유연한 혼합 성분(연성을 위해 PLA와 혼합되는 경우가 많음)인 PBAT는 가수분해에 훨씬 더 취약합니다. 비에 노출된 농업용 뿌리 덮개 필름은 30일 만에 인장 강도의 40%를 잃어 작물이 성숙하기 전에 찢어집니다.
PHA: 미생물에 의해 생산되는 PHA는 생체 적합하지만 습기에 민감합니다. 의료 용도(예: 용해성 봉합사) 또는 식품 포장에서는 통제할 수 없을 정도로 분해되어 30℃/70% RH 보관 시 2주 동안 구조적 무결성이 손실될 수 있습니다.
가수분해는 진공 상태에서는 존재하지 않습니다. 산업용으로 흔히 발생하는 특정 조건은 이를 가속화합니다.
높은 습도(>80% RH): 열대 포장 창고나 농업 분야에서 일반적이며 수분 흡수가 증가합니다.
높은 온도(>50℃): 뜨거운 충전 포장(예: 수프 컵) 또는 실외 보관에서 발견되며, 10℃ 상승할 때마다 가수분해 속도가 두 배로 늘어납니다.
산성/알칼리성 매체: 식품(예: 감귤 주스) 또는 토양(pH 4.0~8.0)에 존재하며 중성 조건보다 더 빨리 에스테르 결합을 끊습니다.
수분 처리: PLA/PBAT 펠릿 건조 시 남은 수분은 압출 중에 가수분해를 시작하여 필름이나 용기에 결함이 생길 수 있습니다.
가수분해 방지제는 생분해(중요한 요구 사항)를 중지하는 것이 아니라 조기 고장을 유발하는 자가촉매 주기를 목표로 하여 가수분해를 해결합니다. 그 메커니즘과 유형은 PLA, PBAT, PHA의 고유한 요구 사항에 맞게 맞춤화되어 친환경성을 손상시키지 않으면서 보호를 보장합니다.
모든 분해를 차단하는 기존 안정제와 달리 가수분해 방지제는 정밀하게 작용합니다.
카르복실산 제거: 가수분해로 생성된 –COOH 그룹과 반응하여 안정하고 불활성인 화합물(예: 카르보디이미드 기반 제제의 요소 결합)을 형성합니다. 이는 급속한 분해를 유발하는 촉매를 제거합니다.
반응성 사슬 말단 캡핑: 일부 제제는 폴리머 사슬의 끊어진 말단을 밀봉하여 물이 새로운 에스테르 결합을 공격하는 것을 방지합니다.
생분해성 유지: 결정적으로, 이 물질은 퇴비에서 분해되는 물질의 능력을 영구적으로 변경하지 않습니다. 물질이 소진되면(재료의 의도된 수명 이후) 에스테르 결합은 ASTM D6400(퇴비화 표준)에 따라 자연적으로 분해됩니다.
모든 에이전트가 모든 재료에 작동하는 것은 아닙니다. 선택은 폴리머의 구조와 최종 용도에 따라 다릅니다. 다음은 가장 효과적인 유형을 비교한 것입니다.
| 가수분해 방지제 유형 | 화학 성분 | 적합한 생분해성 재료 | 주요 장점 |
|---|---|---|---|
| Bio-SAH™ 362 파우더 | N,N-비스(2,6-디이소프로필페닐) 카르보디이미드 | PLA, PBAT | 순도가 높고 색상이 연하며 냄새가 없고 활성이 높습니다. |
| Bio-SAH™ 342 액체 | 고분자 카르보디이미드 | PLA, PBAT, PHA | 액상타입으로 첨가가 용이하며, 재료 및 물에 용해됨 |
| 바이오-SAH™ 372N | 고분자 카르보디이미드 | PBAT,PLA | 고온 저항성, 에스테르 기반 물질의 가수분해를 효과적으로 억제 |
당사의 독점 Bio-SAH™ 시리즈는 PLA/PHA용 Bio-SAH™ 372N(고분자 카르보디이미드) 및 PBAT용 Bio-SAH™ 342 Liquid(고분자 카르보디이미드)와 같은 요구 사항에 부응합니다. 둘 다 재료의 생분해성을 90% 유지하면서 사용 수명을 연장합니다. 퇴비화 180일 만에 완전히 분해되는 것으로 테스트되었습니다.
가수분해 방지제의 진정한 가치는 실제 산업 문제를 해결하는 능력에 있습니다. 다음은 PLA/PBAT/PHA를 '신뢰할 수 없는'에서 '산업 등급'으로 전환하는 세 가지 영향력이 큰 부문입니다.
포장은 생분해성 재료의 가장 큰 시장이지만 가수분해로 인한 취성 또는 누출로 인해 지금까지 PLA/PBAT 혼합물이 주류로 사용되지 않았습니다.
과제: 식품 포장(예: 베이커리 봉지, 농산물 용기) 또는 핫필 응용 분야(예: 80℃ 수프 컵)의 습기로 인해 PLA/PBAT 필름이 1~2개월 내에 성능이 저하됩니다.
해결 방법: 필름 압출 중에 Bio-SAH™ 372N(카르보디이미드 기반 가수분해 방지제) 0.6~1.0phr(수지 백분율)을 첨가합니다. 핫 필 적용의 경우 시너지 보호를 위해 수분 제거제(예: 산화칼슘)와 함께 사용하십시오.
결과:
PLA/PBAT 베이커리 백은 6개월간 80% RH 보관 후 85% 이상의 인장 강도를 유지합니다. 이는 처리되지 않은 필름의 인장 강도 45%보다 높은 수치입니다.
핫필 컵은 변형 없이 1시간 동안 80℃ 물에 담가도 견딜 수 있어 일회용 식품용품에 대한 업계 표준을 충족합니다.
모든 샘플은 독성 잔류물 없이 120일 내에 완전히 생분해됩니다(ASTM D6400 준수).
농업용 뿌리 덮개 필름은 20억 달러 규모의 시장이지만 기존 플라스틱 필름은 토양을 오염시킵니다. PHA/PLA와 같은 생분해성 대안은 가수분해 방지제가 통합될 때까지 조기 가수분해로 인해 실패했습니다.
과제: 비와 토양 수분(pH 5.5~7.0)으로 인해 처리되지 않은 PHA/PLA 필름은 작물(예: 토마토, 상추)이 성숙하기 전(60~90일) 전 30일 만에 찢어집니다.
해결책: PHA/PLA 필름 제제에 복합 가수분해 방지제(1.0~1.2phr Bio-SAH™ 342Liquid + 0.3phr 에폭시알칸)를 사용하십시오. 이 에이전트는 천천히 분해되어 60~90일 동안 보호 기능을 제공하도록 설계되었습니다.
결과:
멀치 필름은 인장 강도 손실이 15%에 불과하고 작물이 완전히 자라는 데 충분한 75일 동안 구조적 무결성을 유지합니다.
수확 후 필름은 80일 만에 완전히 분해되어 토양에 파편이 남지 않습니다(ISO 17556에 따라 테스트됨).
농부들은 손상되지 않은 장벽이 토양 수분을 유지하고 잡초를 억제하기 때문에 처리되지 않은 필름에 비해 작물 수확량이 20% 더 높다고 보고합니다.
일회용 식기(접시, 그릇, 수저류)는 PBAT/PLA 혼합물의 대량 사용 사례이지만 뜨거운 물이나 세제의 가수분해는 채택이 제한적입니다.
문제점: 처리되지 않은 PBAT/PLA 식기는 뜨거운 물(60℃) 또는 중성 세제로 5회 사용 후 변형되거나 갈라집니다.
해결 방법: 사출 성형 중에 가수분해 방지제(Bio-SAH™ 342Liquid)를 0.3~1.0phr 추가합니다. 이 에이전트는 PBAT의 유연성을 유지하는 동시에 PLA의 취성으로부터 보호합니다.
결과:
식기는 95℃ 물에 담가도 변형 없이 1시간 동안 견딜 수 있습니다. 처리되지 않은 샘플의 경우 45℃보다 높아집니다.
세제와 함께 30가지 이상의 용도로 사용성을 유지하여 카페와 케이터링 분야의 '재사용-일회용' 추세를 충족합니다.
퇴비화 테스트에서는 EU 일회용 플라스틱 규정에 따라 150일 만에 98% 분해되는 것으로 나타났습니다.
PLA/PBAT/PHA용 가수분해 방지제의 이점을 극대화하려면 제조업체는 재료 유형과 최종 용도에 맞게 선택과 적용을 조정해야 합니다. 다음은 산업용으로 사용되는 단계별 가이드입니다.
다양한 생분해성 재료에는 다양한 가수분해 방지제 유형이 필요합니다. 즉, 폴리머의 취약성과 에이전트를 일치시키는 것이 중요합니다.
| 생분해성 재료 | 권장 가수분해 방지제 | 주요 이유 | 최종 사용 예시 |
|---|---|---|---|
| PLA | Bio-SAH™ 362 파우더 | 산을 빠르게 제거합니다. 취성 방지 | 식품 포장, 일회용 컵 |
| PBAT | Bio-SAH™ 342 액체 | 유연성을 유지합니다. 블렌딩과 호환 가능 | 멀칭 필름, 유연 포장 |
| PHA | 바이오-SAH™ 372N | 생체적합성; FDA 기준을 충족합니다 | 의료용 봉합사, 식품접촉필름 |
폐기물 비용을 과도하게 추가합니다. 과소 추가하면 보호가 충분하지 않습니다. 다음은 업계에서 입증된 첨가율입니다(phr = 수지 100분당 부품).
| 재료 | 첨가 수준(phr) | 성능 목표 |
|---|---|---|
| PLA | 0.5~1.5 | 6개월 이상의 유통기한; >85% 인장 강도 유지 |
| PBAT | 0.3~1.0 | 90일 이상 멀칭 필름의 무결성; 유연성 손실 없음 |
| PHA | 0.8~1.2 | 2주 이상 의료 기기 안정성; 완전한 생분해성 |
올바른 에이전트라도 적절한 처리가 이루어지지 않으면 실패합니다. 산업적 성공을 위해 다음 팁을 따르십시오.
용융 블렌딩 중 첨가: 압출기 또는 사출 성형기에서 에이전트를 폴리머 펠렛과 혼합합니다. 불균일한 분산을 유발하는 후처리 첨가를 피하십시오.
처리온도 조절 : 카르보디이미드계 제제는 270℃ 이상에서 분해됩니다. PLA 압출 온도는 260℃ 미만, PBAT/PHA 온도는 240℃ 미만으로 유지하세요.
펠릿을 먼저 건조시키십시오. PLA/PBAT 펠렛의 잔류 수분(0.05% 이상)은 제제가 작용하기 전에 가수분해를 시작할 수 있습니다. 제습 건조기를 사용하여 수분을 0.02% 미만으로 줄이세요.
시너지제와 함께 사용: 습도가 높은 용도(예: 열대 포장)의 경우 가수분해 방지제를 수분 제거제(산화칼슘, 분자체)와 결합하여 수분 흡수를 30~40% 줄입니다.
생분해성 소재의 가수분해 방지제에 대한 수요는 글로벌 정책, 소비자 동향 및 기술 혁신에 따라 가속화되고 있습니다. 다음은 미래를 형성하는 주요 동향과 이것이 PLA/PBAT/PHA의 성장과 어떻게 조화를 이루는지입니다.
2025년까지 130개 이상의 국가(EU, 캐나다, 인도 포함)에서는 생분해되지 않는 일회용 플라스틱을 금지할 예정이며, 이로 인해 내구성이 뛰어난 PLA/PBAT/PHA 대안이 시급히 필요하게 됩니다. 가수분해 방지제는 이러한 수요를 충족하는 데 매우 중요합니다. 이 물질이 없으면 이러한 재료는 수분 함량이 높은 응용 분야(예: 생산 포장, 뿌리 덮개 필름)에서 기존 플라스틱을 대체할 수 없습니다. 시장 조사에 따르면 생분해성 제품의 가수분해 방지제 수요는 2030년까지 매년 25%씩 증가할 것으로 예상됩니다.
전통적인 카르보디이미드 제제는 포스겐(독성 원료)을 사용하므로 식품 및 의료 응용 분야에 대한 우려가 커지고 있습니다. Bio-SAH™ Green 시리즈와 같은 차세대 제제는 식물 유래 공급원료(피마자유, 사탕수수)를 사용하여 독성을 제거합니다. 이러한 친환경 물질은 EU REACH 및 FDA 표준을 충족하므로 이유식 포장이나 용해 가능한 의료 기기에 이상적입니다. 파일럿 테스트에서는 탄소 배출량을 40% 줄이면서 기존 카르보디이미드의 성능과 일치하는 것으로 나타났습니다.
옥외 용도(예: 농업용 뿌리 덮개, 옥외 가구)에는 가수분해 보호 그 이상이 필요합니다. UV 및 산화 저항성도 필요합니다. 새로운 가수분해 방지제 혼합물은 UV 안정제(예: 장애 아민 광 안정제)와 항산화제를 통합하여 첨가제 부하를 50% 줄이면서 3-in-1 보호 기능을 제공합니다. 예를 들어, PHA 멀치 필름용 혼합제는 가수분해 보호 기능을 유지하면서 UV 저항성을 6개월(최대 2개월)로 연장합니다.
가수분해 방지제는 이전에는 접근이 불가능했던 생분해성 재료에 대한 새로운 시장을 열어줍니다.
냉동 식품 포장: 가수분해 방지제가 첨가된 PLA/PBAT 필름은 이제 깨지지 않고 동결-해동 주기(-20℃ ~ 25℃)를 견딜 수 있어 비생분해성 PE 필름을 대체합니다.
의료용 임플란트: 옥사졸린 기반 제제가 포함된 PHA는 생분해되기 전 3개월 동안(치유에 중요) 구조적 완전성을 유지하는 용해성 뼈 나사에 사용됩니다.
해양 생분해성 물질: PBAT 물질은 6개월 후에 바닷물에서 분해되어(ASTM D6691에 따라) 해양 플라스틱 오염을 해결합니다.
수년 동안 가수분해로 인해 PLA, PBAT 및 PHA는 산업 용도로 사용하기에는 너무 취약하고 소비자의 신뢰를 받기에는 너무 예측하기 어려운 틈새 응용 분야에 갇혀 있었습니다. 가수분해 방지제는 이를 변화시킵니다. 분해의 자동 촉매 주기를 목표로 하여 가장 중요한 기능인 생분해성을 유지하면서 이러한 재료의 수명을 산업 표준을 충족하도록 연장합니다. 그 영향은 가시적입니다. 6개월 동안 지속되는 PLA/PBAT 포장, 작물을 보호하는 PHA/PLA 뿌리덮개 필름, 뜨거운 물을 견딜 수 있는 식기 등 모두 퇴비로 분해됩니다. 플라스틱 폐기물을 없애기 위해 경쟁하는 세계에서 가수분해 방지제는 단순한 첨가제가 아닙니다. 이는 지속 가능한 재료의 잠재력을 최대한 활용하는 열쇠입니다. 생분해성 혁명을 주도하려는 제조업체의 경우 메시지는 분명합니다. PLA, PBAT 및 PHA를 산업 등급 솔루션으로 전환하려면 올바른 가수분해 방지제부터 시작하십시오.
PLA, PBAT 또는 PHA 제품을 산업용으로 충분히 내구성있게 만들 준비가 되셨습니까? 식품/의료 응용 분야를 위한 친환경 제제와 실외 사용을 위한 다기능 혼합물을 포함하는 Bio-SAH™ 제품 라인업을 살펴보세요. 특정 최종 용도에 맞는 맞춤형 노화 테스트를 실행하려면 당사 팀에 문의하세요. 지속 가능한 만큼 강한 생분해성 소재를 만들어 봅시다.
A: 가수분해로 생성된 카르복실산을 제거하고 자가촉매 분해를 차단하며 생분해성을 유지하면서 수명을 연장합니다.
A: 아니요. 조기 가수분해만 억제합니다. 재료는 여전히 ISO 14855와 같은 표준에 따라 퇴비로 만들어집니다.
A: PLA, PBAT용 카르보디이미드 - 재료 특성과 일치합니다.
A: PLA의 경우 0.5~1.5phr, PBAT의 경우 0.3~1.0phr; 필요에 따라 조정하십시오.
