KR100353306B1

KR100353306B1 - 고구마 전분 박을 이용한 생분해성 플라스틱 몰딩제품 제조방법

Info

Publication number: KR100353306B1
Application number: KR1020000002842A
Authority: KR
Inventors: 차동수; 박현진
Original assignee: 박현진; 차동수
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2002-09-18
Also published as: KR20010075905A

Abstract

대량생산, 대량소비의 경제체제는 폐기물의 양산을 초래하며 폐기물의 처리방법은 매립과 소각처리가 이루어지고 있으나, 그 중에서도 석유화학 플라스틱은 토양에 매립할 경우 거의 분해되지 않으며 소각할 경우에 다이옥신과 같은 환경호르몬 뿐만 아니라 인체에 해로운 독성물질을 발생하게 된다.

플라스틱의 분해를 촉진시키기 위하여 비분해성 PE (polyethylene)플라스틱에 생분해성 물질 (전분 또는 지방족 폴리에스테르)을 첨가하여 제조한 플라스틱은 생분해성 첨가제에 의한 1차 분해로 플라스틱 표면을 다공질화 함으로써 플라스틱의 분해기간의 단축과 부피감소를 갖기는 하나, 완전분해는 일어나지 않으며, 플라스틱의 대체 물질의 연구개발의 결과로 전분과 단백질을 이용하여 플라스틱에 가까운 특성을 갖는 생분해성 플라스틱을 개발하였으나 플라스틱과 비교하여 5∼10배 정도 가격이 비싸서 상용화에 어려움이 있다.

고구마 전분공장에서 전분제조 공정 중에 부산물로 생산되며 그 처리비용만 매년 10억 원 (국내기준) 정도 소비될 뿐 만 아니라 토지매립과 해양투기에 따른 환경적 문제를 발생시키는 전분박은 98%이상이 셀룰로오즈 (cellulose)로 구성되어 있으며 수산기를 많이 가지고 있으므로 키토산이나 양성전분과 같은 양성이온을 갖는 생분해성 고분자와 강한 결합을 할 수 있는 성질을 가지고 있으므로 전분박과 키토산 또는 전분박과 양성전분을 혼합하여 플라스틱을 제조할 경우 전분업체에서는 부산물 처리비용을 절감하여 경제적 부담을 줄이는 동시에 자연에서 완전히 분해되는 환경친화적 플라스틱을 제조할 수 있을 뿐 만 아니라 기존의 플라스틱 보다 저비용으로 생산할 수 있다.

Description

고구마 전분 박을 이용한 생분해성 플라스틱 몰딩제품 제조방법 {biodegradable plastics molding products using sweet potato starchy}

본 발명은 생분해성 플라스틱 제조방법에 관한 것으로, 특히 고구마 전분박과 키토산을 혼합하거나 고구마 전분 박과 양성전분을 혼합하여 생분해성 플라스틱을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래의 석유화학 플라스틱은 토양에 매립할 경우 거의 분해되지 않으며 소각할 경우에 다이옥신과 같은 환경호르몬 뿐만 아니라 인체에 해로운 독성물질을 발생하게 된다. 플라스틱의 분해를 촉진시키기 위하여 비분해성 PE (polyethylene)플라스틱에 생분해성 물질 (전분 또는 지방족 폴리에스테르)을 첨가하여 제조한 플라스틱은 생분해성 첨가제에 의한 1차 분해로 플라스틱 표면을 다공질화 함으로써 플라스틱의 분해기간의 단축과 부피감소를 갖기는 하나, 완전분해가 되지 않는 문제점이 있다. 또한 플라스틱의 대체 물질의 연구개발의 결과로 전분과 단백질을 이용하여 플라스틱에 가까운 특성을 갖는 생분해성 플라스틱을 개발하였으나 플라스틱과 비교하여 5∼10배 정도 가격이 비싸서 상용화에 어려움이 있다.

상기와 같은 문제점을 고려하여 본 발명은 고구마 전분 제조과정에서 생산되는 부산물인 고구마 전분 박을 키토산과 혼합하거나 양성전분을 혼합하여 상용 플라스틱에 비하여 가격이 저렴하고 자연에서 완전히 분해가 되는 플라스틱을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 고구마 전분 제조과정에서 발생하는 전분박을 건조율 82%이상으로 건조하고 마쇄하여 요동방식의 100메쉬의 체에서 분말을 얻도록 한다.

상기와 같은 방법으로 제조된 일정한 량의 고구마 전분박 분말과 일정한 량의 2.5% 키토산수용액과 일정한 량의 카파 카라기난 (k-carrageenan)과 소량의 염화칼륨(KCl)과 소량의 글루타르알데히드(glutaraldehyde)를 혼합한다. 또는 고구마 전분박 분말과 치환도 4%∼8%인 양성전분에 물을 첨가하고 80℃에서 중탕시켜 만든 양성전분 풀을 혼합한다.

상기와 같은 혼합물을 건조율 75%로 건조하여 보관 및 사용이 용이하도록 펠렛으로 제조한다.

이하 실시 예 및 실험결과를 참고로 하여 본 발명에 대해서 상세히 설명하고자 한다.본 발명은 건조율이 82%이상이고 100 메쉬의 체를 통과한 고구마 전분박 분말 94중량%와 분자량이 100,000이상이고 탈아세틸도가 80%이상인 키토산 2.5중량%와 카파 카라키난 (k-carrageenan)2.475중량%와 염화칼륨(KCl)0.025중량%와 글루타르알데히드 (glutaraldehyde)1중량%을 혼합하여 구성되거나, 건조율이 82%이상이고 100 메쉬의 체를 통과한 고구마 전분박 분말 95중량%와 치환도 4%∼8%인 양성전분 50중량%와 물 50중량 %를 혼합하고 80℃에서 중탕시켜 만든 양성전분 풀 5중량%을 혼합하여 구성되는 특징이 있다.

본 발명을 실시 예로 설명하면,

<실시예 1>상기와 같은 본 발명의 구성의 성질을 설명하면, 고구마전분 제조과정에서 고구마 전체중량 30%의 전분박이 생성되며 국내 기준으로 연간 평균 20,000톤 이상의 전분박이 생산된다. 본 발명은 폐기되는 고구마의 전분박과 키토산 또는 양성전분을 혼합하는 것은 고구마 전분박은 98%정도가 섬유질로 구성되어 있으며 수산기로 인한 음성이온이 많이 존재하여 그 자체만의 결합으로는 강한 플라스틱을 제조할 수 없는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 양성이온을 함유한 생분해성 생 고분자인 키토산 또는 양성전분을 혼합하였다. 즉, 게껍질, 새우껍질, 갑각류 및 곤충의 외피와 연체동물, 곰팡이, 효모, 버섯 등의 세포벽에 존재하는 키틴을 탈아세틸화한 키토산과 고구마 전분박을 혼합시키거나, 전분을 변성시킨 양성전분과 고구마 전분박을 혼합하여 결합력을 강화시켰다. 고구마 전분박과 키토산을 혼합시키는 경우에 첨가되는 카파 카라키난 (k-carrageenan)은 바다에서 기생하는 진주발 (chindrus crispus)과 돌가사리 (gigartina species)와 같은 홍조류의 세포막 수용성 추출물로서 고구마 전분박과 키토산의 혼합이 용이하게 하며, 물성중 유연성을 갖게 해주는 가소제 (plasticizer)기능이 있으며, 글루타르알데히드 (glutaraldehyde)는 디알데히드 (dialdehyde)를 함유하는 물질로서 고구마 전분박의 음이온과 키토산의 양이온의 결합을 용이하게 해주는 가교제 (cross linker)의 기능이 있다. 따라서 본 발명의 고구마 전분 박과 혼합되는 분자량이 100,000이상이고 탈아세틸도가 80%이상인 키토산 2.5중량%의 혼합물과, 카파 카라키난 (k-carrageenan)2.475중량%의 혼합물과, 염화칼륨(KCl)0.025중량%의 혼합물과, 글루타르알데히드 (glutaraldehyde)1중량%의 혼합물의 수치는 상기한 기능에 의해 최소한의 량으로 본 발명의 플라스틱의 기능이 향상되는 최소한을 기준으로 혼합량이 한정되었다. 상기와 같은 혼합물 중 고구마 전분박과 키토산과의 혼합에 의해 생성되는 플라스틱의 물성은 아래 물성의 실험 결과와 같다.[실험 1]고구마전분박/ 키토산과 고구마 전분박/양성전분으로 제조되는 플라스틱의 물리적 성질에 영향을 주는 몰딩온도, 몰딩시간, 혼합물시료의 수분함량의 최적조건을 얻기 위하여 3개의 변수인 온도(X1), 시간(X2)과 수분함량(X3)을 독립변수로 하였다. 독립변수의 코드값을 2, -2, 0, 1, 2로 정하였다. 실제 값과 관련코드값은 표-1에 표시하였고, 상기와 같은 실험에 의해 최적의 고구마 전분 박/키토산과 고구마 전분 박/양성전분 플라스틱시편의 몰딩 조건을 얻었다. 표-1

	독립변수(Xi)	온도(X1)	시간(X2)	수분함량(X3)
고구마전분박/양성전분의 코드값	-2	130	10	10
	-1	140	15	15
	0	150	20	20
	1	160	25	25
	2	170	30	30
고구마전분박/키토산의코드값	-2	130	10	15
	-1	140	15	20
	0	150	20	25
	1	160	25	30
	2	170	30	35

표-1은 고구마 전분 박/키토산과 고구마 전분 박/양성전분으로 시편을 제조하기 위해 실험 디자인을 위한 독립변수들의 코드 레벨에 따른 실제 값임 [실험 2] 플라스틱 시편의 물리적 특성 실험 고구마 전분박/키토산과 고구마 전분박/양성전분으로 시편을 제조하여 굴곡성, 충격, 경도 실험을 표-2에 표시된 것과 같이 시행하였다. 표-2

코드번호	코드변수	고구마전분박/양성전분	고구마전분박/키토산
코드번호	X1	X2	X3	굴곡성(㎏/㎠)	경도	충격실험(㎏.㎝/㎠)	굴곡성(㎏/㎠)	경도	충격실험(㎏.㎝/㎠)
1	-1	-1	-1	254.37	R59.39	2.18	235.92	R55.51	1.86
2	-1	-1	-1	268.02	R61.08	2.16	146.46	R51.69	1.48
3	-1	1	-1	207.28	R62.18	1.45	176.00	R77.27	2.60
4	-1	1	1	286.81	R40.41	1.40	168.12	R60.84	2.84
5	1	-1	-1	145.55	R59.46	2.26	176.60	R52.47	1.78
6	1	-1	1	308.71	R70.59	1.59	202.60	R40.46	1.38
7	1	1	-1	197.50	R74.78	1.50	222.87	68.43	1.57
8	1	1	1	241.87	R87.15	1.76	223.90	58.28	1.13
9	0	0	0	287.61	R66.21	2.36	246.09	54.16	1.42
10	-2	0	0	279.65	R48.86	1.61	183.18	31.20	1.98
11	2	0	0	230.10	R81.43	1.72	232.30	33.34	1.35
12	0	-2	0	302.19	R38.48	1.85	210.12	52.40	3.14
13	0	2	0	269.17	R77.25	1.60	151.81	34.84	1.52
14	0	0	-2	170.60	R66.02	1.82	156.71	58.32	3.05
15	0	0	2	194.39	R38.85	1.57	121.64	28.30	1.38

고구마 전분박/키토산과 고구마 전분박/양성전분으로 시편을 제조하기 위한 최적조건을 표-2의 결과를 토대로 수분함량 20%, 몰딩 조건은 200㎏f/㎠의 내압과 150℃로 20분간 반응시켰다. 분자량이 130,000과 83,000인 두 종류의 키토산과 고구마 전분박의 혼합물을 위의 최적조건으로 제조하여 생성된 플라스틱의 물리적 특성은 표-3과 같다. 표-3 고구마 전분 박과 키토산을 혼합한 플라스틱의 물리적 특성

물리적특성배 합 조 성	굴곡성(Flexural)(kgf/cm²)
충격실험(Izod test)(kgfcm/cm²)	경도(Hardness)	인장강도(Tensile test)(Mpa)
전분박 + 키토산(분자량.130,000)	246.09
1.66	54.16	6.29
전분박 + 키토산 (분자량 83,000)	235.85
1.42	37.01	3.83

상기 실험 1 결과와 같이 키토산은 분자량이 큰 것을 사용한 경우가 플라스틱의 물성이 우수하게 나타남을 알 수 있으며 본 발명에서는 물성이 우수하게 나타난 분자량 130,000인 키토산을 사용하였다. - 본 발명의 구성 공정을 살펴보면, 제1공정 고구마 전분박이 부패하지 않도록 일반적인 건조장치를 이용하여 건조율 82%이상으로 건조한다. 제2공정 제1공정과 같이 건조된 고구마 전분박을 분쇄한다. 제3공정 제2공정과 같이 분쇄된 고구마 전분박 분말이 3단으로 형성되고 마지막체가 100메쉬로 구성된 체를 통과하도록 하여 미세한 전분박 분말을 얻는다. 제4공정 분자량이 100,000이상 이고, 탈아세틸도가 80%이상인 키토산을 유기산 (개미산, 초산, 젖산, 사과산, 구연산 등) 또는 무기산 (염산, 황산등)으로 용해시켜 2.5%의 수용액을 제조한다. 제5공정 제3공정의 고구마 전분박 94중량%와 4의 키토산 2.5중량%를 혼합한다. 제6공정 제5공정의 혼합물에 염화칼륨(KCl) 0.025중량%를 첨가한 카파 카라키난 (k-carrageenan)2.475중량%를 혼합한다. 제7공정 제6공정의 혼합물을 교반기에 의해 충분히 혼합한 후, 가교제로서 글루타르알데히드 (glutaraldehyde)를 1중량%를 첨가하여 충분히 교반한다. 제8공정 제7공정에서 충분히 교반 혼합된 혼합물을 건조기로 이동하여 건조율 75%로 건조한 후 펠렛으로 제조한다. 제9공정 제8공정의 공정에서 형성된 혼합물 펠렛을 200kgf/㎠의 내압과 150℃의 온도가 지속적으로 유지되는 성형기에서 20분간 압축하여 플라스틱을 형성하고 상온으로 냉각하여 성형물을 수거한다. <실시예 2> 치환도 4%~8%와 20%의 3종류의 양성전분과 고구마 전분박 혼합물을 표-2에서 얻은 플라스틱 시편 제조의 최적 조건인 수분함량 20%, 200kgf/㎠의 내압, 150℃의 온도에서 20분간 반응시켜 얻은 결과는 표-4에 표시되어 있다. [실험 2] 표-4 고구마 전분박과 양성전분을 혼합한 플라스틱의 물리적 특성

물리적특성배 합 조 성	굴곡성(Flexural)(kgf/cm²)
충격실험(Izod test)(kgfcm/cm²)	경도(Hardness)	인장강도(Tensile test)(Mpa)
전분박+양성전분(치환도 4%)	287.61
2.36	66.21	6.97
전분박+양성전분(치환도 8%)	216.63
2.33	75.60	9.08
전분박+양성전분(치환도 20%)	179.45
1.61	61.33	4.30

실험 2의 결과에 따라 치환도4%와 8%의 양성전분이 치환도 20%의 양성전분 보다 플라스틱 시편의 물리적 특성이 우수하였다. 또한 치환도 4%는 8%의 양성전분의 혼합물에 비하여 굴곡성은 우수하나 경도는 약하였다. 상기와 같은 결과에 의해 플라스틱 용도에 따라 양성전분의 치환도를 선택적으로 이용할 수 있음을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 치환도 4%∼8%의 양성전분을 이용하였고 양성전분 역시 고구마 전분 박과 결합력을 크게 하기 위해 혼합되고 혼합시 양성전분의 혼합비는 플라스틱의 물리적 특성을 높이데 필요한 최대 수치이다. 고구마 전분박과 양성전분을 혼합하여 플라스틱 몰딩 제조공정을 살펴보면, 제1공정 고구마 전분박이 부패하지 않도록 일반적인 건조장치를 이용하여 건조율 82%이상으로 건조한다. 제2공정 건조된 고구마 전분박을 분쇄한다. 제3공정 분쇄된 고구마 전분박 분말이 3단으로 형성되고 마지막체가 100메쉬로 구성된 체를 통과하도록 하여 미세한 전분박 분말을 얻는다. 제4공정 변성전분인 4%∼8% 치환도의 양성전분 50중량%와 물 50중량%를 혼합하고 80℃의 온도로 20분 동안 가열하여 풀을 제조한다. 제5공정 제3공정의 고구마 전분박 분말95 중량%와 제4공정의 양성전분 풀 5중량%를 혼합한다. 제6공정 제5공정에서 충분히 교반 혼합된 혼합물을 건조기로 이동하여 건조율 75%로 건조한 후 펠렛을 만든다. 제7공정

제6공정에서 제조된 혼합물 펠렛을 200kgf/㎠의 내압과 150℃의 온도가 지속적으로 유지되는 성형기에서 20분간 압축하여 플라스틱을 형성하고 상온으로 냉각하여 성형물을 수거한다.

본 발명에 의한 생분해성 플라스틱제조방법은 고구마전분 제조업체의 부산물인 전분박을 이용하여 대량의 생분해성 플라스틱을 제조함으로써 폐기물을 재활용할 수 있고 전분박 처리비용을 절감할 수 있을 뿐 만 아니라 종래 처리방법인 토양매립과 해양투기에 따른 환경적 문제와 석유화학의 플라스틱으로 생산되는 일반적인 생활용품인 일회용 식기 및 도시락, 수출용품의 패널, 아동용품 및 생활용품, 운동용품을 본 발명의 생분해성 플라스틱으로 대체하므로서 생활용품의 폐기에서 발생하는 환경 문제를 해결할 수 있다.

Claims

플라스틱 제조방법에 있어서, 건조율 82%이상이고 100메쉬 크기의 고구마 전분박 분말 94중량% 와 분자량이 100,000이상 이고, 탈아셀틸도 80%이상인 키토산 수용액 2.5중량% 와 카파 카라키난(κ-carrageenan) 2.475중량% 와 염화칼륨(KCl) 0.025중량%와 글루타르알데히드(glutaraldehyde) 1중량%를 혼합하고 내압이 200㎏f/㎠이고 온도가 150℃인 압축성형기에서 20분간 압축 성형되는 것을 특징으로 하는 고구마 전분박을 이용한 생분해성 플라스틱 몰딩제품 제조방법.
플라스틱 제조방법에 있어서, 건조율 82%이상이고 100메쉬 크기의 고구마 전분박 분말 95중량%을 치환도가 4%∼8%인 양성전분 50중량%와 물 50중량%를 혼합시켜 80℃에서 중탕된 양성전분 풀 5중량%와 혼합한 혼합물을 건조율 80%로 건조시켜 내압이 200㎏f/㎠이고 온도가 150℃인 압축성형기에서 20분간 압축 성형되는 것을 특징으로 하는 고구마 전분박을 이용한 생분해성 플라스틱 몰딩제품 제조방법.