KR100624914B1 - 천연 미분 재료의 결합제로 사용되는 천연 바인더 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 미분 재료의 결합제로 사용되는 천연 바인더 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 친환경적인 천연 미분 재료의 결합력을 획기적으로 증대시킨 결합제인 천연 바인더 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 45~56wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과, 천연 9~14wt% 셀락과, 천연 8~13 wt% 카세인과, 20~28 wt% 천연 소르비탄에스테르 전분과, 0.5~2wt% 천연 쿠마롱과, 0.5~2 wt% 천연 스테아르산으로 조성된 천연 바인더 및 이와 같은 조성을 가지는 천연바인더의 제조방법을 특징으로 한다.

천연바인더, 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분, 일회용용기, 환경친화재료

Description

천연 미분 재료의 결합제로 사용되는 천연 바인더 및 그 제조방법{Natural binder for binding natural powder and manufacturing method thereof}

도 1은 본원 발명 천연 바인더의 개략적인 제조장치도,

도 2는 본 발명의 천연바인더 조성물을 포함한 여러 조성물의 FT-IR(적외선분광분석법)로 구조분석그래프이다.

도 3은 본 발명 천연바인더를 이루는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연셀락 + 천연카제인 + 천연쿠마롱 + 천연스테아릭산 + 천연소르비탄에스테르의 혼합에 의해 분산된 표면상태를 보인 SEM사진,

도 4는 천연바인더를 이루는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연셀락 + 천연카제인 + 천연쿠마롱 + 천연스테아릭산의 혼합에 의해 분산된 표면상태를 보인 SEM사진,

도 5는 본 발명 천연바인더를 이루는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연셀락 + 천연카제인 + 천연쿠마롱 + 천연스테아릭산 + 천연소르비탄에스테르 전분 상태에서 팽윤성을 측정한 그래프(DMF와 25℃의 물에서 측정)

도 6은 천연바인더를 이루는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연셀락 + 천 연카제인 + 천연쿠마롱 + 천연스테아릭산 전분 상태에서 팽윤성을 측정한 그래프(DMF와 25℃의 물에서 측정)이다.

본 발명은 천연 미분 재료의 결합제로 사용되는 천연 바인더 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 천연재료들 간의 결합력을 높여 일회용 용기의 제조공정을 단순화한 천연바인더 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전반적인 산업경제의 발전과 더불어 인간의 생활문화도 복잡 다양화하면서 시간을 절약할 수 있는 여러 가지 형태의 일회용 용기가 생산되어 사용되고 있는데, 이러한 용기의 종류로는 숟가락, 컵, 접시, 도시락 용기 등등의 일회용 생활용품들이 있다.

상기 일회용 용기의 재질은 대부분 합성수지(폴리스티렌 등)나, 펄프 등을 사용하여 제조된다.

하지만 상기 합성수지 등을 이용한 제품은 인체에 유해한 성분이 함유되어 있으며 사용량의 증가에 따른 사용 후 처리문제로 인한 환경오염의 주범으로 그 사용에 제한이 있다.

또한 상기 펄프 등을 이용한 종이제품들은 대부분이 수입 펄프 등을 사용함으로 수입에 따른 경제적 문제와, 원료인 펄프를 생산하기 위해 펄프의 원료가 되는 숲을 개발하여야 하는 환경파괴의 문제점 및 이를 생산하는 과정에 투입되는 첨가제 등의 처리에 따른 환경오염의 문제가 있다.

또한 펄프 대신에 재생펄프를 생산한다 하더라도 이를 재생하기 위한 에너지 및 각종 재생과정에 들어가는 첨가제 등의 처리 및 폐기에 따른 2차적인 환경오염 문제가 대두 된다. 또한 펄프재질의 구조적 문제점을 해결하기 위해 그 표면을 비닐 등으로 방수코팅하여 생산되는데, 이 또한 환경오염의 주범으로 각종 환경규제를 받아 그 사용에 제약이 따르고, 이러한 용기를 사용하는 업소 등에서는 사용시 꼭 분리수거하여만 하는 등의 불편함이 있다.

또한 상기와 같은 일회용 용기 사용을 제약하는 이유는 종래 일회용 용기 대부분이 자연적으로 분해가 되지 않아 토양에 이를 땅에 단순하게 묻으면 썩지 않아 토양이 오염되고, 또한 소각시 다이옥신 등의 환경오염물질을 배출하기 때문이다.

물론 이러한 문제점을 해결하기 위해 자연적으로 분해되는 일회용 용기 등이 생산되기도 하지만 그 생산원가가 비싸고 실용적이지 않다는 구조적인 문제점이 있다.

이하 종래 기술을 보다 구체적으로 살펴본다.

최근 곡물의 전분 또는 소맥분, 곡물의 표피 등에서 얻을 수 있는 천연 고분자 물질로 폴리스티렌을 대체하려는 연구들이 활발히 진행중이다.

곡물의 분말을 이용한 예를 살펴보면, 소맥분, 전분, 베이킹 파우다 및 식염 혼합 반죽을 성형, 냉동, 코팅하는 방법(한국특허 96-0006565)과 곡물의 전분과 소맥분을 주원료로 하고 당분, 향료, 이스트 등을 보조재료로 하여 적정온도의 정제수에 혼합반죽을 숙성, 압출, 성형, 냉동건조하는 방법(한국특허 99-0047173)등이 있다.

또한 곡물의 표피를 이용한 예를 살펴보면, 분쇄된 벼, 보리, 조, 수수 등의 표피와 물 및 전분을 교반하여 성형, 코팅하여 제조하는 방법(한국특허 99-0055567)과 옥수수대나 각종 종피를 분쇄하여 만든 식물 입자를 기본 원료로 하여 식용성 교를 넣고 교반한 후 성형제로 압축하여 제조하는 방법(한국특허출원 99-0037967) 등이 있다.

그러나, 상기와 같은 기술로 제조된 종래의 제품은 무겁고 파손되기 쉬우며 외기온도에 의한 수축현상 때문에 사용시 제약이 많다.

이러한 문제들을 해결하기 위해서는 천연 고분자를 주원료로 해야 하지만 불가피하게 분해되지 않는 첨가제를 사용하는 경우가 많았다.

따라서 여전히 일회용 용기의 분해에 많은 문제가 있고, 가격 또한 고가여서 실용화에 많은 어려움이 있다.

또한 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 출원인이 기출원하여 등록받은 바 있는 대한민국 특허 출원 제10-2003-0051418호가 있다. 하지만 이 출원은 비록 이전 기술에 비해 현저한 작용효과가 있으나 천연재료를 이루는 일부 구성원소인 혼합곡식분말을 이용시 타 구성원소들과의 결합력이 약하고 이러한 결합력을 발휘하기 위해서는 전처리 과정으로서 삶는 과정을 거쳐 찰지게 해야 한다는 제조상의 불편한 점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 친환경적인 천연 미분 재료의 결합력을 획기적으로 증대시킨 결합제인 천연 바인더 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

삭제

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명을 이루는 천연 바인더를 구성하는 조성원소들은 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 천연 셀락(shellac)과 천연 카세인과 천연 소르비탄에스테르 전분과 천연 쿠마롱과 천연 스테아르산이 혼합되어 조성된다.

보다 구체적으로 상기 조성 원소들의 조성비를 살펴보면 다음과 같다.

본원 발명을 구성하는 천연 바인더의 조성비는 45~56wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과, 천연 9~14wt% 셀락과, 천연 8~13 wt% 카세인과, 20~28 wt% 천연 소르비탄에스테르 전분과, 0.5~2wt% 천연 쿠마롱과, 0.5~2 wt% 천연 스테아르산으로 조성된다.

상기 천연 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose)전분은 셀룰로오스 분자의 단위(C₆)당 0.8개 이하의 글리콜산나트륨 ·에테르기(基)를 가지며, 수용성(水溶性)인 셀룰로오스이다. 기본적인 물성은 물에 녹이면 점조(粘稠)한 액체가 되며, 곰팡이나 썩는 것을 방지하는 성질이 있어 장기간 저장이 가능하다. 각종 섬유제품의 풀먹이기에 사용되며, 세척효과를 높이기 위해 세제에도 배합된다. 이 밖에 의약품 ·화장품 ·식품공업용으로도 사용된다.

이와 같은 천연 카르복시메틸셀룰로오스가 본원 발명의 천연바인더에 첨가되 는 이유는 전분, 섬유소, 아미노산 등과 결합을 쉽게 하며, 에멀젼의 점도를 부여하여 고온에서 흐름성이 좋게 하며 압출성형이 용이하게 하는 목적을 위해서이다.

또한 첨가시 45~56wt%가 첨가되는데 이와 같은 첨가수치의 한정이유는 이유는 45wt%보다 적으면 결합력이 약화되고, 표면이 거칠어지며 전자레인지에서 변형이 오는 문제점이 있고 56wt%보다 크면 생분해력이 지연되는 문제점이 있기 때문이다

바람직하게는 상기 카르복시메틸셀룰로오스 전분의 첨가량은 50wt%이다.

상기 천연 셀락(shellac)은 인도에 많이 사는 깍지벌레인 락깍지벌레(Laccifer lacca)의 분비물에서 얻는 것으로, 담황색 또는 황갈색이며, 얇은 판·입자·가루 등 여러 형태의 것이 있다. 기본적인 물성은 녹는점 150℃, 연화점(軟化點) 95℃, 비중 1.113∼1.214, 간값 60, 비누화값 200, 요오드값 18. 알코올·붕산액에 녹고, 에테르·아세톤·이황화탄소 등에는 일부 녹으나, 물에는 녹지 않는다. 니스·접착제·전기 절연재·레코드 등의 성형(成形) 재료, 봉랍(封蠟) 등으로 사용된다.

이와 같은 천연 셀락(shellac)이 본원 발명의 천연바인더에서 첨가되는 이유는 암을 유발하고 새집 증후군의 주범인 포름알데히드를 차단하고 성형에서 흐름성을 향상시키고 변형이 되지 않게하는 목적을 위해서이다.

또한 첨가시 9~14wt%가 첨가되는데 이와 같은 첨가수치의 한정 이유는 9wt%보다 적으면 성형이 용이하게 형성이 되지않는 문제점이 있고 14wt%보다 크면 반응 기에서 솜모양으로 침전이 형성되는 문제점이 있기 때문이다.

바람직하게는 상기 천연 셀락의 첨가량은 12wt%이다.

상기 천연 카세인(Casein)은 건락소(乾酪素)라고도 하는데 유즙(乳汁)의 주성분이며, 우유의 카세인에 대해서 가장 잘 연구되어 있다. 사람이나 양의 카세인도 비슷한 성질을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 카세인은 우유 속에 약 3% 함유되어 있으면서 우유에 함유된 전단백질의 약 80%를 차지한다. 우유에 산을 가해서 pH 4.6으로 하면 등전점에 도달하여 침전하므로, 쉽게 조제(調製)할 수 있다. 카세인은 세 가지의 성분, 즉 α-카세인(카세인 전체의 70%), β-카세인(27%), γ-카세인(3%)이 알려져 있다. 카세인의 화학적 조성은 아미노산 외에 1%의 인과 1%의 당(糖)을 함유하고 있다. 분자량은 α-카세인이 2만 5000∼2만 7000, β-카세인이 1만 7000∼2만이다. 이 두 카세인끼리는 회합체(會合體)를 매우 잘 형성하는 성질이 있다. 약전(藥典)에 기재되어 있는 카세인은 100℃에서 건조시킨 것의 질소 함유량이 15.2∼16.0%로 규정되어 있다. 영양제 ·에멀션으로 소화력 시험 ·마사지 크림 등에 사용한다. 또한 상아 ·산호 ·진주 등의 모조품을 비롯하여 단추와 양산의 자루 등의 제조에 사용된다. 이 밖에 카세인섬유(라니탈 등)의 제조와 페인트 ·접착제 ·종이의 코팅 등에도 사용된다. 이들은 카세인이 유즙의 등전점 침전법에 의해서 얻을 수 있는 단백질인 데에 바탕을 두고 있다.

이와 같은 천연 카세인이 본원 발명의 천연바인더에서 첨가되는 이유는 호화성과 접착성이 좋기 때문이다.

또한 첨가시 8~13wt%가 첨가되는데 이와 같은 첨가수치의 한정 이유는 8wt%보다 적으면 수용성 고분자의 액정 에멀젼 공중합체 형성에 어려운 문제점이 있고 13wt%보다 크면 공중합체의 안정과 결합력이 약화되어 농도와 계면장력의 변화가 발생하는 문제점이 있기 때문이다.

바람직하게는 상기 천연 카세인의 첨가량은 11 wt%이다.

상기 천연 소르비탄에스테 전분이 본원 발명의 천연바인더에서 첨가되는 이유는 에멀젼 고분자에 친수성을 부여하여 에멀젼의 분산 및 안정화를 위할 뿐만 아니라 소수성 단량체들조차 공중합시켜 내수성 및 내후성이 양호해지는 목적을 위해서이다.

또한 첨가시 20~28 wt%가 첨가되는데 이와 같은 첨가수치의 한정 이유는 20wt%보다 적으면 내수성 및 내후성이 약해지는 문제점이 있고, 28wt%보다 크면 내수성과 내후성이 좋아지는 반면 생분해도가 낮아지는 문제점이 있기 때문이다.

바람직하게는 상기 소르비탄에스테르 전분의 첨가량은 25 wt%이다.

상기 천연 쿠마롱은 열대지방 나무나 닥나무에서 추출되는 천연 접착제로 이러한 천연 쿠마롱이 본원 발명의 천연바인더에서 첨가되는 이유는 저장 안정성과 열압 성형을 위한 목적을 위해서이다.

또한 첨가시 0.5~2 wt%가 첨가되는데 이와 같은 첨가수치의 한정 이유는 0.5wt%보다 적으면 충분한 접착력이 떨어지는 문제점이 있고 2wt%보다 크면 인장강 도 및 내수성에 한계가 있어 150℃ 이상에서는 견디지 못하는 문제점이 있기 때문이다.

바람직하게는 상기 천연 쿠마롱의 첨가량은 1 wt%이다.

상기 천연 스테아르산(stearic acid)은 화학식 C₁₈H₃₆O₂. 상온에서는 백색의 엽상(葉狀) 결정으로, 녹는점 71∼71.5℃, 응고점 69.4℃. 물에는 녹지 않으나, 유기용매(有機溶媒)에는 잘 녹는다. 글리세롤과의 에스테르로서 널리 동식물계의 유지(油脂)나 인지질(燐脂質)에 함유되어 있고 천연으로는 가장 다량으로 존재하는 지방산이다. 소나 양 등의 상온에서 고체인 지방에는 특히 함유량이 많고, 액체상태인 식물유에는 비교적 적다. 비누는 유지를 수산화나트륨으로 비누화하여 만드는데, 그 주성분은 스테아르산의 나트륨염이다.

이와 같은 천연 스테아르산이 본원 발명의 천연바인더에서 첨가되는 이유는 흐름성을 양호하게 하여 열압을 용이하게 하는 목적을 위해서이다.

또한 첨가시 0.5~2 wt%가 첨가되는데 이와 같은 첨가수치의 한정 이유는 0.5wt%보다 적으면 흐름성이 나빠지고 문제점이 있고 2wt%보다 크면 흐름성은 양호해지나 기포가 발생하는 문제점이 있기 때문이다

바람직하게는 천연 스테아르산의 첨가량은 1wt%이다.

도 1은 본원 발명 천연 바인더의 개략적인 제조장치도인데, 도시된 바와 같 이 온도조절을 위해 가열 및 냉각을 위한 입/출구를 구비한 오일조와, 이 오일조에 설치된 4구플라스크로 이루어진 반응기와; 이 반응기의 4구플라스크 각각의 구멍에 장치된 고속교반기; 질소투입구; 온도계; 및 컨덴서로 구성된 통상적인 제조장치들이다. 본 발명은 상기 반응기의 4구플라스크 안에 천연바인더 재료를 넣어 각 단계별 제조공정에 따라 제조되는데 구체적인 제조방법은 다음과 같다.

먼저 본 발명 천연 바인더를 구성하는 45~56wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과, 9~14wt% 천연셀락과, 8~13wt% 천연카세인과, 20~28wt% 천연 소르비탄에스테르 전분과, 0.5~2wt% 천연 쿠마롱과, 0.5~2 wt% 천연 스테아르산으로 조성되는 조성원소를 구비한 후 선택된 조성비에 따라 조성원소들의 첨가량을 선택하는 단계와;

이후 조성비에 맞게 선택된 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 천연 소르비탄에스테르 전분에 천연 스테아르산과 천연 쿠마롱을 넣고, 170-175℃에서 축합반응을 위한 질소를 투입하여 불활성 분위기에서 탈수반응시켜 축합반응 시키는 단계와;

이후 120-125℃에서 셀락을 넣고 10시간 이상 교반하여 반응시키는 단계와;

이후 100℃ 이하로 냉각하는 숙성단계를 거쳐 에멀젼을 안정화하는 단계와;

이후 반응이 안정되면 천연 카세인을 넣어, 질소가 투입된 불활성분위기하에서 서서히 반응시켜 210 - 235℃에서 1시간 이상 교반하여 반응시키는 단계로 이루어진다.

상기 축합반응에서 170-175℃로 온도를 한정한 이유는 상기 구간 하한치 이하에서는 탈수반응에 적게 일어나고, 상한치 보다 클 경우에는 너무 많이 일어나 본 발명의 물성을 만족하는 축합반응이 일어나지 않기 때문이다.
참고로 상기 축합반응에서 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 소르비탄에스테르 전분은 해당성분의 전체 량중 수분 20Wt% - 40Wt%을 함유한 재료를 사용하거나 , 건조가 잘된 전분 등의 재료는 전체량 중 35Wt%정도 수분이 함유하도록 한 후 교반하여 가열하면 점도가 있는 물성이 좋은 점착제가 형성된다. 즉, 축합반응 후에 생성된 생성물은 분산, 습윤이 잘되며 단백질 분해의 생분해성의 바인더(결합제)가 된다.
상기에서 질소를 투입하는 것은 축합물을 생성하기 위함이다.
본 발명은 상기와 같은 수분 함량 자체에 특허성이 있는 것은 아니고, 단지 원활한 교반을 위해서이다. 본 발명의 제조 후에는 수분은 건조되어 없어지므로 분말을 이루는 조성비에서는 제외한다. 본원 발명은 상기 방법에 따라 제공되는 천연 바인더(결합제)를 포함하여 조성된 분말상태의 용기조성물을 금형에 투입 후 가압하여 자기화 반응이 일어나도록 하는 것으로 수분이 없어도 용기의 성형체가 이루어지기 때문이다. 즉, 본 발명은 최종 접착제의 조성 원소를 이루는 분말의 조성원소 및 그 조성비에 그 특허성이 있는 것이다.

상기 셀락을 넣고 10시간 이상 교반하여 반응시키는 단계에서 120-125℃로 한정한 이유는 상기 구간 하한치 이하에서는 반응이 적게 일어나고, 상한치보다 클 경우에는 너무 많이 반응이 일어나 본 발명에서 요구하는 물성을 만족하지 않기 때문이다.
또한 10시간 이상 교반하는 이유는 이보다 적은 시간 교반시 본 발명의 물성을 만족하는 구조가 일어나지 않기 때문이다. 상기에서 셀락은 상기 축합반응에서 단백질 분해된 소르비탄 덱스트린 등과 반응하여 접착력이 향상된다.

삭제

상기 에멀젼을 안정화하는 단계에서 100℃ 이하로 냉각하는 이유는 이보다 높은 온도에서는 숙성이 잘되지 않기 때문이다.

상기 천연 카세인을 넣고 교반하여 반응시키는 단계에서 210 - 235℃로 한정한 이유는 상기 구간 하한치 이하에서는 반응이 적게 일어나고, 상한치보다 클 경우에는 너무 많이 일어나 본 발명의 물성을 만족하는 반응이 잘 일어나지 않기 때문이다.
또한 1시간 이상 교반하는 이유는 이보다 적은 시간 교반시 본 발명의 물성을 만족하는 반응이 잘 일어나지 않기 때문이다.
상기에서 카제인을 물에 침지하거나 수분을 함유한 카제인의 혼합물을 축합반응에서 생성시킨 단백질 축합물과 천연 소르비탄에스테르의 합성으로 겔라토스와 같은 고바인더가 되도록 고온에서 가열하여 반응을 완결시킨다.

삭제

상기와 같은 단계를 거쳐 반응이 완료되면 본 발명의 천연 바인더가 완료된 다.

도 2는 본 발명의 천연바인더 조성물을 포함한 여러 조성물의 FT-IR(적외선분광분석법)로 구조분석그래프인데, 이와 같은 분석은 조성에 사용된 생분해성 원료의 중합이 잘 되었는지 확인하기 위해서 FT-IR로 구조분석을 한다.

도시된 바와 같이 올리고(Oligo(셀룰로오스)) 측쇄의 함량에 따라 치환된 N-Oligo의 시료(Sample)의 두께가 필름마다 다르기 때문에 C=O 결합(bond) 영역인 1780~1640cm에서 강도(intensity)를 일정하게 놓고 IR 스펙트라(spectra)를 비교해 본다. 도면에서 보듯이 3300 cm 인 N-H 스트레칭(stretching) 영역이 순수한 쿠마롱에서 나타나는 피크가 올리고(Oligo) 측쇄의 함량에 따라 치환된 것임을 알 수 있다. 또한, 1540cm 인 N-H 본드(bend)에서도 사라짐을 볼 수 있다. 천연 쿠마롱에 있는 수소결합(H-bond)에 해당하는 자유(free) C=O 결합(band)의 영역인 1726cm가 N-치환반응을 시키면 1703cm로 이동(shift) 된다. 이것은 천연 쿠마롱을 N-치환 시키면 C=O 결합(bond)의 세기가 감소함을 알 수 있는 것이다. 따라서 섬유소가 잘 합성된 것을 알 수 있다.

도면 중 (a)는 천연 카르복시메틸셀루로오스, (b)는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연 셀락, (c)는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연 셀락 + 천연 카제인, (d)는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연 셀락+천연 카제인 + 천연 쿠마롱 (e)는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연 셀락 + 천연 카제인 + 천연 쿠마롱 + 천연 스테아릭산 (f)는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연 셀락 + 천연 카제인 + 천연 쿠마롱 + 천연 스테아릭산 + 천연 소르비탄에스테르 전분이다.

도 3은 본 발명 천연바인더를 이루는 천연카르복시메틸셀룰로오스, 천연셀락, 천연카제인, 천연쿠마롱, 천연스테아릭산, 천연소르비탄에스테르의 혼합에 의해 분산된 표면상태를 보인 SEM사진인데, 상기 조성으로 완성된 본 발명 천연바인더는 에멀젼 고분자의 친수성이 향상되어 에멀젼의 분산 및 안정화가 잘 이루어져 결과적으로 사용시의 내수성 및 내후성이 향상되고, 사용 후 용기의 생분해력이 촉진되게 된다.

도 4는 천연바인더를 이루는 천연카르복시메틸셀룰로오스, 천연셀락, 천연카제인, 천연쿠마롱, 천연스테아릭산의 혼합에 의해 분산된 표면상태를 보인 SEM사진인데, 상기 조성으로 완성된 천연바인더는 에멀젼 고분자의 친수성이 저하되어 에멀젼의 분산 및 안정화가 덜 이루어졌음을 알수 있어 결과적으로 사용시의 내수성 및 내후성이 약해지고, 사용 후 용기의 생분해력이 지연되게 된다.

도 5는 본 발명 천연바인더를 이루는 천연 카르복시메틸셀룰로오스 + 천연 셀락 + 천연 카제인 + 천연 쿠마롱 + 천연 스테아릭산 + 천연 소르비탄에스테르 전분 상태에서 팽윤성을 측정한 그래프(DMF와 25℃의 물에서 측정)인데, 본 발명 조성을 가지는 천연 바인더는 수분을 흡수하여 팽창하는 팽윤성이 적어 용기 제작시 수밀성이 높게 된다.

도 6은 본 발명과 비교되는 천연바인더를 이루는 천연 카르복시메틸셀룰로오 스 + 천연 셀락 + 천연 카제인 + 천연 쿠마롱 + 천연 스테아릭산 전분 상태에서 팽윤성을 측정한 그래프(DMF와 25℃의 물에서 측정)인데, 본 발명 조성물 중에서 천연 소르비탄에스테르가 없을 경우 수분을 흡수하여 팽창하는 팽윤성이 커 수밀성이 작게 됨을 알 수 있다.

이하 상기 천연 바인더를 포함하는 본원 발명의 자연분해되어 썩는 무공해 일회용 용기 조성물에 대해 설명한다.

본 발명 용기 조성물은 완전자연분해되는 재료로만 이루어진 조성물인데, 이러한 조성물로 제조된 일회용 용기는 자연대기 상태에서 100% 자연 분해되어 썩음으로써 퇴비로 재활용된다. 이러한 본 발명 조성물은 지푸라기(벼, 밀, 보리 등의 짚) 및 왕겨(등겨 등도 포함)로 이루어지는 곡물의 표피와; 옥분(옥수수 전분 등의 녹말가루)과, 닥나무껍질(한지원료)과, 이끼와, 천연 바인더로 이루어진다.

상기 조성원소 각각을 미세하게 분쇄한 분말을 본 발명의 조성비로 섞어서 고온 고압으로 금형에 프레스(Press) 가공하는 압축성형방법으로 일회용 용기를 제조한다.

본 발명의 조성물을 이루는 구체적인 조성비는 다음과 같다.

지푸라기(벼, 밀, 보리 등의 짚), 왕겨(등겨 등도 포함)등의 곡물 표피는 1 ~ 35wt%이고, 옥분(옥수수 전분 등의 녹말가루)은 1~35wt%이며, 닥나무껍질(한지원료)은 1~15wt%이고, 이끼는 1~15wt%이며, 천연바인더는10~40wt%로 조성된다.

보다 구체적으로 상기 각 조성원소의 조성이유 및 한정이유를 설명하면 다음과 같다.

지푸라기(벼, 밀, 보리 등의 짚), 왕겨(등겨도 포함)로 이루어진 곡물의 표피는 일회용 용기의 골격(형태)을 결속시키는 역할을 하는 것으로, 1wt% 수치보다 적으면 결속력이 작아져 형태를 유지하기 어렵고, 35wt% 보다 높으면 형태를 성형하기가 어려워진다.

옥분의 역할은 옥분을 제외한 성분의 결속력을 높여주는 결합제 역할을 한다. 즉, 용기가 틀어져 변형되는 것을 방지하여 기타 구성요소들의 조직력 및 형태를 유지하는 결합제 역할을 하는 것으로 1wt%보다 적으면 결속력에 문제가 있고, 35wt%보다 많으면 견고성은 강한 반면 균열의 문제가 있다.

닥나무 껍질은 신축성(플렉시블)을 높이고 용기를 질기게 하기 위해 투입되는 요소로 1wt% 보다 적으면 신축력 약화의 문제가 있고, 15wt% 보다 많으면 구조력과 견고성에 문제가 있다.

특히 상기 닥나무 껍질과 옥분의 배합 비율에 따라 신축성과 견고성을 각각 유지할 수 있다

이끼는 살균력을 높게 하는 효과가 있어 투입되는 재료로 1wt% 보다 적으면 살균력이 저하되는 문제가 있고, 15wt%보다 많으면 결속력에 문제가 있다.

이끼의 살균력을 이용한 예는 아주 오랜 옛날부터 사용되어 왔는데 이러한 근거를 찾아보면 중국 명(明)나라의 의사 이시진(李時珍)이 지은 본초, 곧 한방의 약재·약학에 관한 책인 본초강목등에 언급되어 있는데, 이를 언급하자면 체내의 학질, 소화불량, 기관지염의 해열, 해독작용이 가능하다라고 기재되어 있다. 또한 인터넷상에서 이끼를 검색해보면 이러한 이끼의 살균력 내지는 항균성 등을 나타내는 자료가 다수 검색된다.

천연 바인더는 결합, 기밀, 방수코팅을 위해 사용되는데 10wt%보다 적으면 타 조성원소들의 결합력이 약해지고 40%보다 많으면 너무 견고해져 취성이 커지는 문제점이 있다.

이하 본 발명의 프레스를 이용한 압축성형 제조방법을 설명한다.

본 발명의 조성물인 1 ~ 35wt% 곡물 표피(지푸라기(벼, 밀, 보리 등의 짚), 왕겨(등겨 포함))와, 1~35wt%옥분(옥수수 전분 등의 녹말가루)과, 1~15wt%닥나무껍질(한지원료)과, 1~15wt% 이끼와, 10~40wt% 천연바인더를 조성비에 맞게 선택한 후 각 조성원소를 미세하게 분쇄한 다음 혼합하여 프레스로 압축성형하여 일회용 용기를 제조하는데 이러한 압축성형하는 방법의 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

단, 이하의 방법은 본원 발명의 용기를 제조하는 여러 가지 압축방법 중 하나의 장치를 예시한 것일 뿐 이와 같이 예시된 장치구성만이 본 발명의 조성을 가 지는 용기를 만들 수 있다고 한정하는 것은 아니다. 본 발명을 제조하는 제조장치는 본 발명의 조성물의 제조조건만 만족하면 그 장치구성의 결합구성은 변경되어도 상관없다.

본 발명은 800~1000ton 포밍프레스에 장치된 160~180℃로 가열된 금형(하금형)의 성형부에 고속혼합기에서 혼합 후 호퍼에 이송 저장된 천연원료가 스크류피더의 회전에 의해 원료공급장치로 공급된 다음 정량으로 공급된다.

이때 하금형 및 상금형에 성형된 개수는 필요에 따라 여러개를 동시에 생산할 수 있도록 필요한 개수가 형성된 금형으로 교체하면 된다.

상기 온도의 한정이유는 상기 수치보다 낮으면 성형이 안되는 문제점이 있고, 상기 수치보다 높으면 자연성분으로 이루어졌기 때문에 구워지게 되는 문제점이 있어 그 수치를 한정한다.

상기 포밍프레스에서의 전체 압축성형 시간은 1분 정도 안에 800~1000ton 포밍프레스로 160~180℃의 고온고압으로 혼합된 미세분말을 찍으면 일회용 용기는 상부가 개방된 형태로 성형되는데, 이러한 수치 범위의 조건을 만족할 경우에만 본원 발명의 용기에 자기화 반응이 일어나 전자렌지 등에서 용기가 타거나 터지지 않고 안정적으로 그 안에 담겨진 내용물이 익게 된다.

이후 성형 완료된 용기를 제품취출장치로 꺼내어 컨베이어로 이동시킨다.

이후 컨베어로 이송중인 성형용기를 트리밍 유니트(triming unit)의 샌드페이퍼로 성형이 잘못된 부분(버그)을 마감질 한다.

이후 마감처리된 용기를 에어 블로잉 유니트(air blowing unit)에서 공기를 이용해 마감 후 용기등에 묻어있는 먼지 등을 털어낸다.

상기 작업을 마친 용기는 살균(sterilizer)공정을 거친다.

상기 공정을 거친 용기는 포장 후 출하하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

[실시예 1]

본 발명의 천연바인더를 제조하는 온도조절을 위해 가열 및 냉각을 위한 입/출구를 구비한 오일조와, 이 오일조에 설치된 4구플라스크로 이루어진 반응기와; 이 반응기의 4구플라스크 각각의 구멍에 장치된 고속교반기; 질소투입구; 온도계; 및 컨덴서로 구성된 통상적인 제조장치들을 구비한 후, 천연 바인더를 구성하는 56wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 22wt% 소르비탄에스테르 전분에 1wt% 스테아르산과 1wt% 천연 쿠마롱을 반응기의 4구플라스크에 넣고, 오일조 온도를 올려 온도계의 온도가 170℃가 되도록 가열하면서 탈수반응시켜 축합반응이 일어나도록 하되, 축합반응이 일어나는 4구플라스크 내부에는 질소를 투입하여 불활성 분위기를 만든다. 또한 질소를 투입하는 것은 축합반응을 일으켜 축합물을 생성하기 위함이다.
참고로, 상기 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 소르비탄에스테르 전분은 교반시 수분이 함유하여 사용하는데, 보통 전체 상기 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 소르비탄에스테르 전분에 대하여 수분 37wt%를 함유한 재료를 사용하거나, 건조가 잘된 전분 등의 재료는 35wt%정도 수분이 함유하도록 한 것을 사용하면 좋다.
상기와 같이 교반하여 가열하면 점도가 있는 물성이 좋은 점착제가 형성된다. 반응시의 구조식은 다음과 같다.
CH₂-(CH)₂-CH=CH-(CH)₂-CO -> -N-CH₂-COO-R
｜
CH₃
상기 반응에 따라 생성된 생성물은 분산, 습윤이 잘되며 단백질 분해의 생분해성의 천연 바인더(결합제)가 된다.

이후 120℃에서 10wt% 천연 셀락을 4구플라스크에 넣고 10시간 교반한다. 이 단계에서는 상기 축합단계에서 단백질 분해된 소르비탄 덱스트린 등과 반응하여 접착력이 향상되는 단계이다.

이후 오일조 온도를 100℃로 냉각하는 숙성단계를 거쳐 에멀젼을 안정화한다.

이후 반응이 안정되면 10wt% 천연 카세인을 4구플라스크에 넣어, 질소가 투입된 불활성분위기하에서 서서히 반응시켜 210℃의 온도에서 1시간 교반하여 반응시킴으로써 천연 바인더가 완성된다.
보다 구체적으로 이 단계를 설명하면 카제인을 물에 침지하거나 수분이 2배 함유된 카제인의 혼합물을 상기 단백질 축합물과 천연 지방산에스테르인 천연 소르비탄에스테르의 합성으로 겔라토스와 같은 고바인더가 되도록 고온에서 가열하여 반응을 완결시킨다.

상기와 같이 조성되어 완성된 천연바인더는 도 3에 보이는 바와 같이 에멀젼 고분자의 친수성이 향상되어 에멀젼의 분산 및 안정화가 잘 이루어져 결과적으로 사용시의 내수성 및 내후성이 향상되고, 사용 후 용기의 생분해력이 촉진되게 된다.

또한 도 5에 보이는 바와 같이 수분을 흡수하는 팽윤성이 적어 용기 사용시 수밀성이 높음을 알 수 있다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 제조장치를 구비한 후, 45wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 천연 24wt% 소르비탄에스테르 전분에 2wt% 천연 스테아르산과 2wt%천연 쿠마롱을 넣고, 175℃에서 질소를 투입하여 불활성 분위기에서 탈수반응시켜 축합반응 시키는 단계와;

이후 125℃에서 14wt% 천연 셀락을 넣고 10시간 교반하여 반응시키는 단계와;

이후 100℃로 냉각하는 숙성단계를 거쳐 에멀젼을 안정화하는 단계와;

이후 반응이 안정되면 13wt% 천연 카세인을 넣어, 질소가 투입된 불활성분위기하에서 서서히 반응시켜 235℃에서 1시간 교반하여 반응시키는 단계로 이루어진다.

[실시예 3]

상기 실시예 1의 천연바인더가 포함되어 조성된 무공해 일회용 용기 조성물을 이용하여 용기를 제조하는 방법은 다음과 같다.

먼저 고속혼합기에서 본 발명의 조성물인 30wt% 곡물 표피와, 20wt%옥분과, 5wt%닥나무껍질과, 5wt% 이끼와, 40wt% 천연바인더를 혼합한 뒤, 호퍼에 이송 저장하고, 이후 1000ton 포밍프레스에 장치된 180℃로 가열된 금형(하금형)의 성형부에 천연원료를 스크류피더의 회전에 의해 원료공급장치로 정량 공급한다. 이후 상기 포밍프레스로 1분간 압축성형하여 무공해 일회용 용기를 제조한다.

[비교예 1]

천연바인더를 제조하는 온도조절을 위해 가열 및 냉각을 위한 입/출구를 구비한 오일조와, 이 오일조에 설치된 4구플라스크로 이루어진 반응기와; 이 반응기의 4구플라스크 각각의 구멍에 장치된 고속교반기; 질소투입구; 온도계; 및 컨덴서로 구성된 통상적인 제조장치들을 구비한 후, 천연 바인더를 구성하는 78wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분에 1wt% 스테아르산과 1wt% 천연 쿠마롱을 반응기의 4구플라스크에 넣고, 오일조 온도를 올려 온도계의 온도가 170℃가 되도록 가열하면서 탈수반응시켜 축합반응이 일어나도록 하되, 축합반응이 일어나는 4구플라스크 내부에는 질소를 투입하여 불활성 분위기를 만든다.

이후 120℃에서 10wt% 천연 셀락을 4구플라스크에 넣고 10시간 교반하여 반응시킨다.

이후 오일조 온도를 100℃로 냉각하는 숙성단계를 거쳐 에멀젼을 안정화한다.

이후 반응이 안정되면 10wt% 천연 카세인을 4구플라스크에 넣어, 질소가 투입된 불활성분위기하에서 서서히 반응시켜 210℃의 온도에서 1시간 교반하여 반응시켜 천연 바인더를 완성하였다.

상기와 같이 조성되어 완성된 천연바인더는 도 4에 보이는 바와 같이 에멀젼 고분자의 친수성이 저하되어 에멀젼의 분산 및 안정화가 덜 이루어졌음을 알수 있어 결과적으로 사용시의 내수성 및 내후성이 약해지고, 사용 후 용기의 생분해력이 지연되게 된다.

또한 도 6에 보이는 바와 같이 수분을 흡수하는 팽윤성이 커 용기 사용시 수밀성이 낮음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 천연 바인더는 기존의 열경화성 수지 및 생분해성 바인더에 비해 열적, 기계적 및 내화학적 성질이 우수하고 속경화성과 작업성 용융사출, 작업 용이성이 좋아 접착력이 뛰어나다는 장점과, 또한 상기와 같은 조성을 가지는 천연바인더를 사용한 무공해 일회용 용기 조성물은 용기로 성형된 제품이 사용후 땅에 매립시 6개월 이내에 용기의 98%가 분해(50cm 땅속 깊이 기준)되어 환경 오염을 획기적으로 저감시킬 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (9)

1. 용기재료의 결합에 사용되는 바인더 조성물에 있어서,

   45~56wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과, 천연 9~14wt% 셀락과, 천연 8~13 wt% 카세인과, 20~28 wt% 천연 소르비탄에스테르 전분과, 0.5~2wt% 천연 쿠마롱과, 0.5~2 wt% 천연 스테아르산으로 조성되는 것을 특징으로 하는 천연 미분 재료의 결합제로 사용되는 천연 바인더.
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3. 삭제
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5. 천연바인더를 구성하는 45~56wt% 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과, 9~14wt% 천연셀락과, 8~13wt% 천연카세인과, 20~28wt% 천연 소르비탄에스테르 전분과, 0.5~2wt% 천연 쿠마롱과, 0.5~2 wt% 천연 스테아르산으로 조성되는 조성원소를 구비한 후, 선택된 조성비에 따라 조성원소들의 첨가량을 선택하는 단계와;

   이후 조성비에 맞게 선택된 천연 카르복시메틸셀룰로오스 전분과 천연 소르비탄에스테르 전분에 천연 스테아르산과 천연 쿠마롱을 넣고 축합반응을 위해 170-175℃에서 질소를 투입하여 불활성 분위기하에서 가열 후 탈수반응시켜 축합반응 시키는 단계와;

   축합반응단계 후 120-125℃에서 셀락을 넣고 10시간 이상 교반하여 반응시키는 단계와;

   이후 100℃ 이하로 냉각하는 숙성단계를 거쳐 에멀젼을 안정화하는 단계와;

   이후 반응이 안정되면 천연 카세인을 넣은 후 질소가 투입된 불활성 분위기하에서 서서히 210 - 235℃에서 1시간 이상 가열 교반하여 반응시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 천연 미분 재료의 결합제로 사용되는 천연 바인더의 제조방법.
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