KR100824981B1 - 생분해성 전분 용기 및 그 제조방법 - Google Patents

생분해성 전분 용기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생분해성 전분 용기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전분을 주성분으로 제조한 전분 구조물의 일 측면이상에 코팅층을 갖춘 코팅지를 형성한 것을 특징으로 하는 생분해성 전분 용기 및 그 제조방법에 대한 것으로서 전분 용기의 일 측면 이상에 생분해가 용이한 코팅지를 형성함으로써, 전분 함유량을 극대화하여 국내 환경부의 고시사항에 적합한 전분 용기를 제작함과 동시에, 그동안 타 전분 용기의 문제인 내수성, 내유성 및 내산성을 해결할 뿐만 아니라, 용이한 공정으로 전분 용기의 공정비용을 획기적으로 줄임으로써 생분해성 전분 용기의 대중화를 가능케 하는 한편, 생분해성을 극대화하는데 발명의 효과가 있다.
생분해성, 전분 용기, 코팅지

Description

생분해성 전분 용기 및 그 제조방법{The biodegradable vessel using starch and the Manufacturing method of that}
본 발명은 전분을 주원료로 하여 제작한 전분 구조물의 일 측면 이상에 생분해성 에멀젼 수지의 코팅층이 구성된 종이(이하, 코팅지'라 함)를 형성하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전분 용기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 폴리에틸렌(PE),폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 스티로폼 등의 플라스틱 용기와 동일한 물성을 구현하고, 매립과정에서 신속한 생분해로 환경문제를 유발하지 않는 생분해성 전분 용기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
과학기술의 발달과 생활문화 질의 향상 및 편리함으로 인해 다양한 재질의 일회용품 사용이 급격히 늘어나고 있다. 특히 낮은 비중, 가공의 편리함, 안정화된 공정, 우수한 물성 및 내구성 등의 장점을 가진 플라스틱은 다양한 일회용품으로 가공되어 일상생활에 널리 쓰이고 있다. 하지만 사용 후 버려지는 일회용품의 특성상 플라스틱 일회용품은 심각한 환경오염을 유발하고 있다. 일회용품은 사용 후, 매립 또는 소각 등의 처리공정을 거치게 된다. 하지만, 이와 같은 처리공정은 분해 되지 않는 플라스틱의 특성상, 매립지의 토양 오염과 수명 감소를 유발하며, 소각공정으로 처리하여도 폐플라스틱에서 발생되는 유독 가스는 대기 오염을 증가시킬 뿐만 아니라 환경호르몬 및 각종 발암물질이 발생되어 인체에 직접적인 피해가 우려된다. 재활용을 통해 상기의 문제를 해결코자 국가 및 지역별 운동이 진행 중이나, 아직까지 그 재활용 회수율을 미미한 실정이다.
이에 대한 해결 방안으로 일회용품 분야에서 플라스틱을 대체하고자 다양한 재료가 제안되고 있다. 대표적인 예로 펄프를 주원료로 한 일회용품 용기가 대두되었지만, 펄프의 수급에 있어 대기 및 수질 환경오염이 유발되고 원활한 원자재 공급을 위해 훼손되는 산림을 고려한다면 결코 지속적인 방안이 아니며, 가격적으로도 소비자측면에서도 유리하지 못하다. 그리고 광분해/미생물 분해성 플라스틱을 이용한 일회용품의 개발 또한 진행되고 있다. 하지만 광분해성 수지는 그 자체의 유독성과 토양에 매립되었을 때 분해되지 않는 단점이 있으며, 고가의 원자재 가격 등의 문제는 해결되어야 할 문제로 남아있다.
한편, 지속적인 공급이 가능하고, 우수한 생분해성, 실용적인 가격 그리고 무독성의 천연 고분자인 전분을 주성분으로 하는 일회용품 용기의 개발은 이미 국내외의 많은 업체에서 제품을 출시코자 노력하고 있다. 이의 제품들은 각 업체별로 차이가 있지만 구분하자면, 한국 공개특허 제10-2005-0030306에서는 전분과 아크릴레이트계열의 수지와의 혼합 및 열성형을 통하여 용기를 제작 가능하고, 한국 공개특허 제10-2004-0076150에서는 전분과 이의 가교제인 산/염 또는 이의 무수물로 이루어진 전분계 구성물과 이의 일측면에 형성된 규소 또는 폴리카프로락톤의 코팅층 으로 이루어지며, 한국 실용신안등록 제20-0366379호에서는 전분용기의 일 측면에 폴리유산필름 또는 폴리카프로락톤필림의 라미네이팅 등의 방법이 알려져 있다.
그러나 기존의 방법에 의해 제조된 용기는 전분의 내수성을 증가시키기 위해 대량의 화학물질을 투입하여야 하며, 전분계 구성물에 별도의 내수 코팅층을 형성할 경우에도 전분계 구성물이 코팅액에 녹지 않게끔 상당한 내수 또는 내알코올 처리가 필요하므로 전분의 내수성 향상을 위해 다수의 화학물질이 반드시 투입되어야 한다. 이에 대해 용기로써의 최종 소비자 건강을 보장할 수 없다. 다른 방법으로 생분해성 필림을 라이네이트 할 경우 이 필름은 100㎛을 초과해야만 연속공정이 가능하다. 따라서 100㎛이상의 두꺼운 필림은 비록 생분해성이라 하더라도 분해 기간이 지연될 뿐만 아니라 고가의 생분해성 필름의 비용에 대해서 상당히 불리하다. 또한 상기 방법들은 전분계 구조물 제작공정과 코팅 또는 라미네이팅 공정이라는 두 가지 공정을 거쳐야만 하므로 상당한 공정비용이 예상된다. 이와 같은 이유로, 기존 방법을 통한 용기는 일회용 용기의 시장의 도입 가능성을 의심케 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 전분을 주원료로 하는 전분 구조물과 상기 구조물의 일 측면 이상에 코팅지를 부착함에 있어, 최종 생분해성 전분 용기는 용기의 고형분을 기준으로 전분 함량을 79.17 내지 97.10 중량%로 극대화 하고, 최종 소비자의 다각적인 소비에 적합하도록 내수성, 내유성, 내산성, 압축강도를 증가시키는 한편, 우수한 생분해성을 구현하는 것으로서, 생분 해성 일회용기의 사용범위를 확대하고 이를 통해 플라스틱계 일회용 용기를 대체하여 폐플라스틱으로부터 발생되는 각종 환경오염 문제를 근본적으로 해결하는 생분해성 전분 용기 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전분을 주원료로 하여 가열/압착으로 제작된 전분 구조물과 상기 전분 구조물의 일 측면 이상에 코팅지가 부착된 생분해성 전분 용기를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전분 구조물은 전분과 증류수만으로 제작 되거나 상기의 전분과 증류수 외에 필요에 따라 전분 구조물의 유연성 보강제인 펄프섬유를 투입할 수 있으며, 전분 구조물과 코팅지의 접착 보강제인 폴리비닐알코올을 포함할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코팅지의 원지로는 로얄 아이보리지, 아이보리지, 트레이싱지, 한지, 백상지 중 단독 또는 2종 이상의 원지가 합지(合紙)된 가공지를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코팅지의 코팅층을 형성하는 코팅제로서 라텍스 에멀젼, 실리콘계 에멀젼, 불소계 에멀젼, 폴리에스터 수용액, 폴리비닐아세테이트(PVAc) 수용액, 송진 에멀젼, 왁스 에멀젼 중에서 단독 또는 2종 이상을 사용하는 것과, 또는 상기 에멀젼 1종 이상에 원가 절감을 위하여 아크릴레이트계 에멀젼을 50 중량% 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 생분해성 전분용기를 제조함에 있어서, 상기 코팅지와 전분혼합물을 병행하여 투입한 후 1회의 가열가압공정을 통해 생분해성 전분용기가 제작됨을 특징으로 하는 것으로서, 상기 코팅지와 전분혼합물을 각각의 코징지투입기 및 전분투입기를 통해 가열가압기의 상/하부로 이루어진 금형틀에 투입하는 공정과 상기의 가열가압기를 온도180 내지 250℃ 및 압력 10 내지 12 ㎏/㎠의 조건으로 운전하는 공정을 통해 전분구조물의 일 측면 또는 양 측면에 코팅지가 형성된 생분해성 전분 용기를 제작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전분 혼합물은 상기 전분 구조물의 원재료로써, 전분 혼합물을 가열 및 압착하여 전분 구조물을 제작한다. 상기 전분 혼합물의 조성은 전분 50 중량%와 용매인 증류수 50중량%를 2시간이상 교반하여 제조 하거나 또는 전분 41.79 내지 50 중량%, 강도 보강제인 펄프 섬유 1.70 내지 3.16 중량%, 생분해성 접착제인 폴리비닐알콜 5% 수용액 1.02 내지 10.45 중량% 및 용매인 증류수 44.78 내지 50.63 중량%를 2시간이상 교반하여 제조한다.
이때, 상기 용매인 증류수는 전분 혼합물을 기준으로 44.78 내지 50.63 중량%를 포함하는 것이 적합한데, 44.78 중량% 미만의 경우는 전분 혼합물의 반죽의 고점도와 이로 인한 펄프 섬유의 뭉침이 발생되고, 50.63 중량%를 초과할 경우 저점도의 전분 혼합물의 반죽이 제작되어 가열가압기에 투입할 전분 혼합물의 투입량을 조절하기 어려운 문제점이 있기 때문이다.
상기 전분 혼합물의 주원료인 전분은 특별히 한정하는 것은 아니나 바람직하 게는 고구마, 감자, 밀, 타피오카, 쌀, 옥수수 등에서 추출한 천연전분과 이의 물리적/화학적 변성전분 및 이의 에스테르화 전분을 생분해성 용기의 용도에 적합한 강도, 유연성, 발포율, 복원률을 고려하여 단독 또는 2종 이상의 혼합 전분이 사용될 수 있다.
상기 펄프 섬유는 장섬유일수록 전분 구조물의 유연성 및 압축강도에 유리하므로 침엽수의 펄프 섬유일수록 바람직하다.
상기 폴리비닐알콜 수용액은 전분 구조물과 코팅지의 원지측면의 밀착성 증대를 위해 투입되는 것으로, 이 밖에 폴리비닐에테르 수용액, 폴리비닐피롤리돈 수용액, 송진 에멀젼, 폴리비닐초산 에멀젼, 아크릴 에멀젼, 스티렌 에멀젼, 우레탄 에멀젼, 멜라닌 에멀젼 중 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용 가능하며, 특히, 폴리비닐알코올 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 증류수는 전분 혼합물의 반죽을 형성하기 위한 것으로, 이 밖에 고급 또는 저급 알코올, 알카리 수용액 중 단독 또는 2종이상의 혼합물이 사용 가능하며, 특히, 증류수를 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 성분으로 이루어진 전분 혼합물은 180 내지 250℃로 예열된 상/하부로 이루어진 금형틀의 중앙에 30 내지 40g을 투입한다. 이때 전분 혼합물의 상부 또는 상/하부에 코팅지가 위치하게끔 코팅지를 투입한다.
또한 상기 금형틀은 10 내지 12 ㎏/㎠의 압력을 금형틀 사이에 위치한 전분 혼합물과 1매 이상의 코팅지에 동시에 가할 수 있다. 상기 압착공정의 적절한 시간 은 180 내지 210초이다.
이때, 상기의 가열/압착공정을 통해 전분 혼합물의 용매인 증류수는 모두 증발되어 전분만으로 구성된 전분구조물 또는 전분, 펄프 섬유, 폴리비닐알콜으로 이루어진 전분 구조물이 형성되는 동시에, 상기의 전분 구조물의 일 측면 이상에 코팅지가 합착되어 생분해성 전분 용기가 완성된다.
상기 전분 혼합물과 병행하여 가열가압기에 투입되는 상기 코팅지는 본 발명의 생분해성 전분 용기의 내수성, 내유성 및 내산성을 부과하는 동시에 전분 구조물의 압축강도를 증가시키기 위한 것으로써, 코팅지의 원지에 대한 특별한 제한은 없으나, 로얄 아이보리지, 아이보리지, 트레이싱지, 한지, 백상지 중 단독 또는 2종 이상의 합지(合紙) 가공된 코팅지의 원지가 사용 가능하고, 특히, 식품포장용인 노루지와 로얄 아이보리지를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 코팅지의 일측면에 형성된 코팅층은 내수성, 내유성, 내산성을 구현하는 부분이다. 상기 코팅층을 형성하는 코팅제로서 라텍스 에멀젼, 실리콘계 에멀젼, 불소계 에멀젼, 폴리에스터 수용액, 폴리비닐아세테이트(PVAc) 수용액, 송진 에멀젼, 왁스 에멀젼 중에서 단독 또는 2종 이상을 사용하는 것과, 또는 상기 에멀젼 1종 이상에 원가 절감을 위하여 아크릴레이트계 에멀젼을 50 중량% 투입하는 것을 특징으로 한다.
상기의 전분 구조물과 코팅지를 부착함에 있어서, 특별한 제한은 없지만, 상기 전분혼합물과 상기 코팅지를 가열가압기에 동시에 투입하는 것이 공정상 유리하 다. 더욱 자세히 설명하면, 50 내지 350℃의 범위에서 온도 조절이 가능하고, 5 내지 20 ㎏/㎠의 압력을 상/하부의 금형틀에 가할 수 있도록 제작된 가열가압기와, 상기 가열가압기의 상/하부의 금형틀의 상단 및 하단에 각각 코팅지를 연속적으로 공급할 수 있는 코팅지 공급기와, 전분 혼합물을 투입할 수 있는 전분 투입기의 3개의 기기를 자체 제작하였다. 상기 3개의 기기는 유기적으로 연계되어 상기 전분 용기 1개는 공정 1회로 제작된다. 다시 말해, 하부 금형틀에 전분 혼합물이 투입된다. 상기 전분 혼합물의 상부에 코팅지의 원지면이 향하게끔 코팅지를 투입한다. 경우에 따라, 전분 혼합물의 하부에 코팅지를 코팅지의 원지면이 전분 혼합물의 방향으로 향하도록 하여 투입할 수 있다. 이와 같은 원료 투입이 끝난 후, 10 내지 12 ㎏/㎠으로 가압한다. 이때, 가열가압기의 금형틀은 180 내지 210℃의 온도로 예열되어 있어, 전분 혼합물의 수분이 제거되어 최종적인 생분해성 전분 용기가 완성된다.
이하, 본 발명에 따른 생분해성 전분 용기 및 그 제조 방법을 상술한다.
본 발명에 있어서, 생분해성 전분 용기의 본체가 되는 전분 구조물은 전분을 주원료로 하며, 압축강도를 보강하기 위하여 펄프 섬유를 포함할 수 있고, 코팅지와의 원활한 접착을 위해서 폴리비닐알콜(PVA)의 5% 수용액을 사용할 수 있고, 용매로서 증류수를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 코팅지는 에멀젼타입의 코팅제를 원지의 일 측면에 코팅/건조하 여 제작한 것으로, 가열가압기에 투입되어 생분해성 전분용기의 일 측면 또는 양 측면에 합착된다. 이때, 상기의 가열가압기의 가열 및 압착공정으로 상기 코팅지와 연속적으로 투입되는 전분 혼합물의 수분을 제거하여 전분 구조물을 성형하며, 이때 제작되는 전분 구조물의 전분의 접착력 또는 전분/폴리비닐알콜의 접착력으로 인해 상기 코팅지의 원지면과 전분 구조물은 매우 강한 접착을 이루게 된다. 이와 같은 공정을 통해 생분해성 전분 용기가 제작된다.
이때, 상기 생분해성 전분 용기의 고형분은 전분 86.21 내지 97.10 중량%와 코팅지 2.90 내지 13.79 중량%를 포함하거나, 전분 79.17 내지 79.54 중량%, 펄프 섬유 2.84 내지 5.71 중량% 및 폴리비닐알콜(PVA) 0.08 내지 0.99 중량%와 코팅지 14.21 내지 17.54 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전분으로서는 아밀로오스 함량이 40 중량%이하의 옥수수, 찰옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 쌀, 찹쌀, 밀, 보리, 기타 종실류 등을 이용할 수 있으며, 특히 옥수수, 감자, 밀, 쌀, 타피오카, 고구마로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 2종 이상의 전분을 사용하도록 하는 것이 적절하다.
상기 전분은 생분해성 전분 용기의 고형분을 기준으로 79.17 내지 97.10 중량%를 함유하는 것이 적합하다. 이는 제품의 비용뿐만 아니라, 환경부 국내 고시에 의하면, 전분 용기는 고형분 기준 전분 함량이 70 중량%를 초과해야만 하기 때문에 전분 함량 70 중량% 미만인 용기의 경우 국내 현행 규정상 전분 용기라 말할 수 없으며, 전분 함량 98 중량%를 초과한 경우, 용기 물성의 저하로 인하여 최종 소비자가 사용함에 있어 적절치 못하기 때문이다.
다음으로, 펄프 섬유는 생분해성 전분 용기에 포함되지 않거나 생분해성 전분 용기 고형분을 기준으로 2.84 내지 5.71 중량%를 함유하는 것이 적합하다. 동일 규격의 생분해성 전분 용기라 하더라도 사용에 적합한 유연성, 압축강도가 다르다. 펄프 섬유를 포함하지 않는 경우, 유연한 생분해성 전분 용기에 적합하고, 펄프 섬유를 5.00 중량%를 포함한 경우, 압축강도가 강한 생분해성 전분 용기에 적합하다. 펄프 섬유를 5.71 중량%를 초과할 경우, 생분해성 전분 용기의 재료중 하나인 전분 혼합물을 제작함에 있어 펄프 섬유의 뭉침으로 인해 균일한 전분 혼합물의 제작이 매우 어려울 뿐만 아니라, 원자재의 비용 상승의 문제점이 있기 때문이다.
다음으로, 폴리비닐알콜(PVA)의 5% 수용액은 전분 구조물과 코팅지의 원활한 접착을 위해 투입된다. 상기 전분 혼합물을 제작함에 있어, 전분 또는 전분과 펄프 섬유를 혼합함에 있어, 전분의 뭉침 또는 전분과 펄프의 뭉침 등의 불량발생과 최종 전분 혼합물의 적절한 점도를 고려하여 5% 수용액으로 제작하여 사용하였다. 상기 폴리비닐알콜은 내수성 및 강도가 우수한 완전검화 폴리비닐알코올을 선택하였다. 폴리비닐알콜의 5% 수용액은 생분해성 전분 용기에 포함되지 않거나 생분해성 전분 용기의 고형분을 기준으로 0.08 내지 0.99 중량% 사용하는 것이 적합한데, 폴리비닐알콜의 5% 수용액을 포함하지 않는 경우, 코팅지와 전분 구조물간의 접착이 전분자체의 접착력만으로 충분할 때이며, 폴리비닐알콜의 5% 수용액이 0,99 중량%를 초과한 경우에는 최종 전분 혼합물의 반죽의 점착성이 증가하여 전분 혼합물의 적절한 투입이 어렵고, 펄프 섬유의 뭉침이 증가하여 균일한 전분 혼합물의 제작이 어려운 문제점이 있기 때문이다.
다음으로, 내수성 및 내유성을 부여한 코팅지 제작에 있어, 원지는 특별히 제한되지 않지만, 로얄 아이보리지, 아이보리지, 트레이싱지, 한지, 백상지 중 단독 또는 2종 이상의 합지(合紙 )가공된 종이제품이 가능하고, 가급적 식품포장용 트레이싱지의 일종인 노루지(20 내지 40g/㎡) 및 로얄 아이보리지(50 내지 200g/㎡)인 것이 바람직하다. 더욱 정확히는 25 내지 70g/㎡의 두께를 가지며, 식품공전 제 6.기구 및 용기·포장의 기준 및 규격에 적합한 식품포장용 종이인 것이 바람직하다.
코팅지는 생분해성 전분 용기의 고형분을 기준으로 2.90 내지 17.54 중량%를 사용하는 것이 적합한데, 2.90 중량% 미만의 경우 생분해성 전분 용기의 유연성 및 압축강도 증가면에서 너무 미미한 문제점이 있고, 17.54 중량%를 초과하는 경우에는 생분해성 전분 용기에서 종이가 차지하는 비중이 너무 높아 생분해성 전분 용기의 비용 상승을 수반하는 문제점이 있기 때문이다.
그리고 상기 코팅지의 코팅면을 직접 형성하는 코팅제로 라텍스 에멀젼, 실리콘계 에멀젼, 불소계 에멀젼, 폴리에스터 수용액, 폴리비닐아세테이트(PVAc) 수용액, 송진 에멀젼, 왁스 에멀젼, 아크릴레이트계 에멀젼과 같은 수용성 수지가 사용가능하다. 상기 수용성 수지를 통해 형성된 코팅층은 미크론 단위의 수지입자들의 포개짐을 통해 코팅층이 형성되므로, 라미네이팅 공정을 통해 제작된 코팅층보다 대기가스의 투과가 수월하다. 따라서, 상기 에멀젼 중 생분해성 에멀젼인 왁스 에멀젼 및 실리콘계 에멀젼과 붕괴성 수지인 아크릴레이트계 에멀젼의 3종의 에멀젼을 혼합하여 생분해성 수용성 수지를 제작한다. 상기 아크릴레이트계 에멀젼은 수용성 수지의 원가를 절감하는 한편, 내수 및 내유성을 보강한다. 상기의 생분해성 수용성 수지는 4단 메쉬코터를 갖춘 코팅기를 사용하여 식품포장용 원지의 일 측면에 코팅층을 형성한다. 이때, 최종 코팅층은 원하는 물성이 나타나는 임계점인 4 내지 8㎛의 박막을 형성하는 것이 생분해성 면에서 유리하다.
상기의 주성분이 전분으로 이루어진 전분 구조물과, 상기 전분 구조물의 일 측면이상에 내수, 내유, 내산 가공 처리된 코팅지를 부착하여 생분해성 전분 용기를 제조하는 과정을 예시하면 하기와 같다.
비변성 옥수수 전분 1 중량에 대하여 증류수 1 중량의 비율로 약 20분간 혼합하여 전분 혼합물을 제작한다.
한편, 고강도 및 휨저항성 증대와 향후 합지될 코팅지와의 접착을 증가시키기 위한 목적으로 하는 경우에는 비변성 옥수수 전분 1 중량에 대하여 증류수 1.04 내지 1.14 중량, 펄프 섬유 0.04 내지 0.07 중량, 폴리비닐알코올 5% 수용액 0.02 내지 0.25 중량의 비율로 약 20분간 혼합하여 전분 혼합물을 제작한다.
50 내지 350 ℃의 온도조절 및 5 내지 20㎏/㎠의 압력 조절이 가능한 가열가압기의 상/하판의 금형틀을 적정 온도로 예열시킨다. 상기 금형틀의 상판과 하판틀에 코팅지의 코팅면이 향하도록 하여 코팅지를 삽입한다. 상기 전분 혼합물 두 종류 중 선택된 1종의 전분 혼합물 30 내지 40g을 상기 하판 금형틀의 코팅지의 원지면에 투입한 뒤, 180 내지 210초에 걸쳐 10 내지 12㎏/㎠의 압력을 가하여 전분 혼합물의 수분 제거와 함께 코팅지와 전분의 접착을 유도한다. 이 때, 최종 생분해성 전분용기 제작품의 강도, 유연성 등의 요구 물성에 따라 생분해성 전분 용기의 하 부측에 부착된 코팅지를 가열가압기의 운전공정에서 제거할 수 있으며,가열가압기의 온도, 압력, 시간 역시 가능한 범위 내에서 조절이 가능하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명의 권리범위는 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 코팅제의 제조>
실리콘 에멀젼 제조예1
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기, 질소주입장치가 장치된 1000㎖ 플라스크에 실리콘 70g을 투입하고, 500rpm으로 교반하며 80℃까지 승온 시킨 후 180분에 걸쳐 미리 준비한 증류수 300g과 유화제 SPAN23 6.33g 과 TWEEN60 14.67g을 서서히 투입하였다. 그 후, 180분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 반응을 종결하여 하기 표1과 같은 조성으로 실리콘 에멀젼을 제조하였다.
실리콘 에멀젼 제조예2
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기, 질소주입장치가 장치된 1000㎖ 플라스크에 실리콘 70g을 투입하고, 500rpm으로 교반하며 80℃까지 승온 시킨 후 180분에 걸쳐 미리 준비한 증류수 300g과 유화제 SPAN23 2.12g, SPAN40 1.08g, TWEEN60 15.80g, P-24 5g을 서서히 투입하였다. 그 후, 180분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 반응을 종결하여 하기 표1과 같은 조성으로 실리콘 에멀젼을 제조하였다.
실리콘 에멀젼 제조예3
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기, 질소주입장치가 장치된 1000㎖ 플라스크에 실리콘 70g을 투입하고, 500rpm으로 교반하며 80℃까지 승온 시킨 후 180분에 걸쳐 미리 준비한 증류수 300g과 유화제 SPAN23 1.04g, SPAN40 0.56g, TWEEN60 16.40g, P-24 10g을 서서히 투입하였다. 그 후, 180분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 반응을 종결하여 하기 표1과 같은 조성으로 실리콘 에멀젼을 제조하였다.
실리콘 유화제 증류수
SPAN 23 SPAN 40 TWEEN 60 P-24(5%,aq)
제조예1 70g 6.33g - 14.67g - 300g
제조예2 70g 2.12g 1.08g 15.80g 5.0g 300g
제조예3 70g 1.04g 0.56g 16.40g 10.00g 300g
P-24 : 동양제철화학의 완전검화폴리비닐알콜(PVA)
실리콘 에멀젼의 물성평가
상기 실리콘 에멀젼 제조예 1 내지 3에서 제조된 실리콘 에멀젼 3종을 노루지의 일 측면에 코팅 후 건조 공정을 통하여 6㎛ 도막을 형성하여 30㎠크기의 단면 코팅지를 제작하였다. 200㎖의 액체를 10㎠의 용지에 접촉시키도록 제작된 치구를 통하여 상기 코팅지의 코팅면에 순수, 식용유, 5% 빙초산을 각각 200㎖를 3시간 동안 접촉시켜 내수성, 내유성, 내산성을 평가하였다. 이형성은 각각의 코팅지 20장을 포개어 80℃의 항온조에서 ㎠당 2㎏의 압력을 가하여 평가하였다. 상기 실리콘 에멀젼 제조예 1 내지 3의 내수성, 내산성, 내유성, 이형성에 대한 결과는 하기의 표2와 같다.
내수성 내유성 내산성 이형성
제조예 1 ○ × × ◎
제조예 2 ◎ △ × ◎
제조예 3 ◎ △ △ ◎
*참고 1. 내수성, 내유성, 내산성 평가 기준
◎ : 젖음 전혀 없음, ○ : 젖은 면적 1/10 미만, △ : 젖은 면적 1/5 미만
× : 젖은 면적 1/5 이상
*참고 2. 이형성 펑가 기준
◎ : 합지 전혀 없음, ○ : 합지 1장 미만(부분합지 포함)
△ : 합지 2장(부분합지 포함), × : 합지 2장 이상(부분합지 포함)
아크릴레이트계 에멀젼의 제조예4
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기, 질소주입장치가 장치된 1000㎖ 플라스크에 단량체 MMA 10g, EAM 23g, BA 112g, SM 53g, AAc 2g, 유화제 NPES-930 4g, 중합개시제 APS 1.2g, 증류수 244g를 투입하고, 60rpm으로 교반하며 상온에서 120분에 걸쳐 84℃까지 서서히 증가시킨 후, 180분에 걸쳐 80ㅁ 5℃를 유지한 뒤 120분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 반응을 종결하여 하기 표3과 같은 조성으로 아크릴레이트계 에멀젼을 제조하였다.
아크릴레이트계 에멀젼의 제조예5
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기, 질소주입장치가 장치된 1000㎖ 플라스크에 단량체 BA 112g, SM 86g, AAc 2g, 유화제 NPES-930 4g, 중합개시제 APS 1.2g, 증류수 244g를 투입하고, 60rpm으로 교반하며 상온에서 120분에 걸쳐 84℃까지 서서히 증가시킨 후, 180분에 걸쳐 80 ± 5℃를 유지한 뒤 120분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 반응을 종결하여 하기 표3과 같은 조성으로 아크릴레이트계 에멀젼을 제조하였다.
MMA* EAM* BA* SM* AAc* NPES-930* APS* 증류수
제조예 4 10g 23g 112g 53g 2g 4g 1.2g 244g
제조예 5 - - 112g 86g 2g 4g 1.2g 244g
상기 표3의 *로 표시된 단량체 및 개시제의 약어 또는 제품명은 다음과 같습니다.
MMA : Methyl methacrylate, EAM : Ethyl acrylate monomer, BA : Butyl acrylate monomer, SM : Styrene monomer, AAc : Acrylic acid, NPES-930 : CYTEC사의 nonyl phenol ether sulfates, APS : Ammonium persulfate
아크릴레이트계 에멀젼의 물성평가
아크릴에멀젼의 제조예 4 및 5에서 제조한 아크릴레이트계 에멀젼 2종을 상기 실리콘 에멀젼의 물성평가 방법과 같은 방법으로 물성평가를 실시하였다. 상기 제조예 4 및 5의 내수성, 내산성, 내유성, 이형성에 대한 물성평가 결과는 하기의 표4와 같다.
내수성 내유성 내산성 이형성
제조예 4 ◎ ◎ × △
제조예 5 ◎ ◎ × ×
왁스 에멀젼의 제조예6
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기가 장치된 1000㎖ 플라스크에 증류수 60g, 촉매(수산화칼륨) 1.5g을 투입하고, 항온(100℃) 및 교반(500rpm) 조건하에서, 산화PE왁스 32.5g 그리고 유화제 OT-75 4g 및 LE-15 2g을 140℃로 유지하며 투입하였다. 상기의 왁스혼합물이 투입 완료된 시점에서 10분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 표5와 같은 조성으로 왁스 에멀젼을 제조하였다.
왁스 에멀젼의 제조예7
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기가 장치된 1000㎖ 플라스크에 증류수 60g, 촉매(수산화칼륨) 1.5g을 투입하고, 항온(100℃) 및 교반(500rpm) 조건하에서, 밀납(mp:62℃) 16g과 산화PE왁스 16.5g 그리고 유화제 OT-75 12g 및 LE-15 2g을 140℃로 유지하며 투입하였다. 상기의 왁스혼합물이 투입 완료된 시점에서 10분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 표5와 같은 조성으로 왁스 에멀젼을 제조하였다.
왁스 에멀젼의 제조예8
교반기, 온도계, 단량체 유화액 투입구, 냉각기가 장치된 1000㎖ 플라스크에 증류수 60g, 촉매(수산화칼륨) 1.5g을 투입하고, 항온(100℃) 및 교반(500rpm) 조건하에서, 밀납(mp:62℃) 24g과 산화PE왁스 8.5g 그리고 유화제 OT-75 30g 및 LE-15 2g을 140℃로 유지하며 투입하였다. 상기의 왁스혼합물이 투입 완료된 시점에서 10분에 걸쳐 상온으로 냉각하여 표5와 같은 조성으로 왁스 에멀젼을 제조하였다.
밀납 산화PE왁스 증류수 OT-75 LE-15 KOH
제조예6 - 32.5g 60g 4g 2g 1.5g
제조예7 16g 16.5g 60g 12g 2g 1.5g
제조예8 24g 8.5g 60g 30g 2g 1.5g
왁스 에멀젼의 물성평가
왁스 에멀젼의 제조예 6 내지 8에서 제작한 왁스 에멀젼 3종을 상기 실리콘 에멀젼의 물성평가 방법과 같은 방법으로 물성평가를 실시하였다. 결과는 하기의 표6과 같다.
내수성 내유성 내산성 이형성
제조예 6 ○ △ ◎ ◎
제조예 7 ○ ○ ◎ ◎
제조예 8 ◎ △ ◎ ◎
<실시예 2. 생분해성 코팅지의 제조>
생분해성 코팅지의 제조예 9
상기 제조예 3의 실리콘 에멀젼 : 상기 제조예 4의 아크릴 에멀젼 : 상기 제조예 7의 왁스 에멀젼을 1 : 2 : 1의 중량비율로 혼합 후 교반하여, 박막 코팅 처리 후 분해가 신속히 이루어지도록 디자인한 코팅제를 제조하였다. 상기 코팅제를 식품포장용지로 사용가능한 노루지(25㎛) 원단의 일 측면에 콤마 코팅장치를 사용하여 도공 하였다. 상기의 도공 후 5분간 130℃로 열풍 건조하여 약 4㎛의 박막을 형성하여 하기 표7과 같은 조성으로 코팅지를 제조 하였다.
생분해성 코팅지의 제조예10
상기 제조예 3의 실리콘 에멀젼 : 상기 제조예 7의 왁스 에멀젼을 1 : 1의 중량비율로 혼합 후 교반하여, 박막 코팅 처리 후 분해가 신속히 이루어지도록 디자인한 코팅제를 제조하였다. 상기 코팅제를 식품포장용지로 사용가능한 로얄아이보리지(70㎛) 원단의 일 측면에 콤마 코팅장치를 사용하여 도공 하였다. 상기의 도공 후 5분간 130℃로 열풍 건조하여 약 8㎛의 박막을 형성하여 하기 표7과 같은 조성으로 코팅지를 제조 하였다.
실리콘에멀젼 아크릴에멀젼 왁스에멀젼 사용 원지
제조예 9 25 중량% 50중량% 25 중량% 노루지
제조예 10 50 중량% - 50 중량% 로얄 아이보리지
생분해성 코팅지의 물성평가
상기 생분해성 코팅지의 제조예 9 및 10에서 제조된 생분해성 코팅지 2종의 물성을 상기 실리콘 에멀젼의 물성평가 방법과 동일한 방법으로 평가한 결과, 내수성, 내유성, 내산성 및 이형성에 있어서 모두 우수하였다. 또한 상기의 코팅지 10㎠를 30㎝의 토양에 묻은 결과, 각각 16일과 24일에 걸쳐 생분해됨을 확인하였다. 결과는 하기 표8과 같다.
내수성 내유성 내산성 이형성 생분해기간
제조예 9 ◎ ◎ ◎ ◎ 16일
제조예 10 ◎ ◎ ◎ ◎ 24일
<실시예 3. 전분 혼합물의 제조>
전분 혼합물의 제조예 11
비변성 옥수수전분(수분 12.3) 7kg 및 증류수 7kg를 투입하여 약 30분간 교반하여 생분해성 전분 혼합물을 제조하였다. 이에 대한 조성은 하기 표9에 나타내었다.
전분 혼합물의 제조예 12
비변성 옥수수전분(수분 12.3) 7kg, 폴리비닐알코올(PVA)의 5% 수용액 0.15kg, 증류수 7.3kg를 투입하여 약 30분간 교반하여 제작한 혼합물에 펄프섬유 0.25kg을 투입 한 후 2시간 교반하여 생분해성 전분 혼합물을 제조하였다. 이에 대한 조성은 하기 표9에 나타내었다.
전분 혼합물의 제조예 13
비변성 옥수수전분(수분 12.3) 7kg, 폴리비닐알코올(PVA)의 5% 수용액 0.3kg, 증류수 8kg를 투입하여 약 30분간 교반하여 제작한 혼합물에 펄프섬유 0.5kg을 투입 한 후 2시간 교반하여 생분해성 전분 혼합물을 제조하였다. 이에 대한 조성은 하기 표9에 나타내었다.
전분 혼합물의 제조예 14
비변성 옥수수전분(수분 12.3) 7kg, 폴리비닐알코올(PVA)의 5% 수용액 1.75kg, 증류수 7.5kg를 투입하여 약 30분간 교반하여 제작한 혼합물에 펄프섬유 0.5kg을 투입 한 후 2시간 교반하여 생분해성 전분 혼합물을 제조하였다. 이에 대한 조성은 하기 표9에 나타내었다.
전분 증류수 P-25(5% aq) 펄프섬유
제조예 11 7.00㎏ 7.00㎏ - -
제조예 12 7.00㎏ 7.30㎏ 0.15㎏ 0.25㎏
제조예 13 7.00㎏ 8.00㎏ 0.30㎏ 0.50㎏
제조예 14 7.00㎏ 7.50㎏ 1.75㎏ 0.50㎏
<실시예 4. 전분 용기의 제조>
생분해성 전분 용기의 제조예 15
50 내지 350℃의 온도 조절이 가능하고, 5 내지 20 ㎏/㎠의 압력을 상/하부의 금형틀에 가할 수 있도록 제작된 가열가압기와, 상기 상/하부의 금형틀의 상단 및 하단에 각각 코팅지를 연속적으로 공급할 수 있는 코팅지 공급기와, 전분 혼합물을 투입할 수 있는 투입기의 3개의 기기를 자체 제작하였다. 상기 성형기의 상/하부틀은 23.5*16.8*2.4㎝크기인 직사각형의 18호 트레이를 제작할 수 있도록 고안되었다. 상기 성형기의 190℃로 예열된 하판틀에 상기 제조예 9에서 제작한 코팅 노루지 1매(0.8g)을 코팅면이 하판틀을 향하도록 하여 투입한다. 상기 제조예 11에서 제조한 전분 혼합물 30g을 앞서 하판틀에 투입한 코팅 노루지의 원지면에 투입한다. 상기 제조예 9에서 제작한 코팅 노루지 1매(1.2g)을 앞서 투입한 전분 혼합물의 상부측에 투입한다. 이때 코팅 노루지의 원지면이 전분 혼합물의 방향을 향하도록 한다. 상기와 같은 투입공정을 마친 후, 10㎏/㎠의 압력을 180초간 가하여 100개의 18호 트레이 규격의 생분해성 전분 용기를 제작하였다. 이에 대한 구성 요소를 하기 표 10에 명시하였다.
생분해성 전분 용기의 제조예 16
상기 제조예 15에서 사용한 동일한 기기를 사용하였다. 상기 성형기의 210℃로 예열된 하판틀에 상기 제조예 10에서 제작한 코팅 로얄 아이보리지 1매(1.8g)을 코팅면이 하판틀을 향하도록 하여 투입한다. 상기 제조예 12에서 제조한 전분 혼합물 40g을 앞서 하판틀에 투입한 코팅 로얄아이보리지의 원지면에 투입한다. 상기 제조예 10에서 제작한 코팅 로얄아이보리지 1매(2.4g)을 앞서 투입한 전분 혼합물의 상부 측에 투입한다. 이때 코팅 로얄 아이보리지의 원지면이 전분 혼합물의 방향을 향하도록 한다. 상기와 같은 투입공정을 마친 후, 12㎏/㎠의 압력을 210초간 가하여 100개의 18호 트레이 규격의 생분해성 전분 용기를 제작하였다. 이에 대한 구성 요소를 하기 표 10에 명시하였다.
생분해성 전분 용기의 제조예 17
상기 제조예 15에서 사용한 동일한 기기를 사용하였다. 상기 성형기의 200℃로 예열된 하판틀에 상기 제조예 9에서 제작한 코팅 노루지 1매(0.8g)을 코팅면이 하판틀을 향하도록 하여 투입한다. 상기 제조예 13에서 제조한 전분 혼합물 40g을 앞서 하판틀에 투입한 코팅 노루지의 원지면에 투입한다. 상기 제조예 10에서 제작한 코팅 로얄 아이보리지 1매(2.4g)을 앞서 투입한 전분 혼합물의 상부 측에 투입한다. 이때 코팅 로얄 아이보리지의 원지면이 전분 혼합물의 방향을 향하도록 한다. 상기와 같은 투입공정을 마친 후, 11㎏/㎠의 압력을 190초간 가하여 100개의 18호 트레이 규격의 생분해성 전분 용기를 제작하였다. 이에 대한 구성 요소를 하기 표 10에 명시하였다.
생분해성 전분 용기의 제조예 18
상기 제조예 15에서 사용한 동일한 기기를 사용하였다. 상기 성형기의 200℃로 예열된 하판틀에 상기 제조예 10에서 제작한 코팅 로얄 아이보리지 1매(1.8g)을 코팅면이 하판틀을 향하도록 하여 투입한다. 상기 제조예 14에서 제조한 전분 혼합물 40g을 앞서 하판틀에 투입한 코팅 로얄 아이보리지의 원지면에 투입한다. 상기 제조예 9에서 제작한 코팅 노루지 1매(1.2g)을 앞서 투입한 전분 혼합물의 상부 측에 투입한다. 이때 코팅 노루지의 원지면이 전분 혼합물의 방향을 향하도록 한다. 상기와 같은 투입공정을 마친 후, 11㎏/㎠의 압력을 190초간 가하여 100개의 18호 트레이 규격의 생분해성 전분 용기를 제작하였다. 이에 대한 구성 요소를 하기 표 10에 명시하였다.
생분해성 전분 용기의 제조예 19
상기 제조예 15에서 사용한 동일한 기기를 사용하였다. 상기 성형기의 200℃로 예열된 하판틀에 대두유 4g을 도포하여 차후에 투입할 전분 혼합물의 이형을 용이하게 한다. 상기 제조예 11에서 제조한 전분 혼합물 40g을 대두유가 도포된 하판틀에 투입한다. 상기 제조예 9에서 제작한 코팅 노루지 1매(0.6g)을 앞서 투입한 전분 혼합물의 상부 측에 투입한다. 이때 코팅 노루지의 원지면이 전분 혼합물의 방향을 향하도록 한다. 상기와 같은 투입공정을 마친 후, 10㎏/㎠의 압력을 180초간 가하여 100개의 18호 트레이 규격의 생분해성 전분 용기를 제작하였다. 이에 대한 구성 요소를 하기 표 10에 명시하였다.
생분해성 전분 용기의 제조예 20
상기 제조예 15에서 사용한 동일한 기기를 사용하였다. 상기 성형기의 190℃로 예열된 하판틀에 대두유 4g을 도포하여 차후에 투입할 전분 혼합물의 이형을 용이하게 한다. 상기 제조예 11에서 제조한 전분 혼합물 30g을 대두유가 도포된 하판틀에 투입한다. 상기 제조예 10에서 제작한 코팅 로얄아이보리지 1매(2.4g)을 앞서 투입한 전분 혼합물의 상부 측에 투입한다. 이때 코팅 로얄아이보리지의 원지면이 전분 혼합물의 방향을 향하도록 한다. 상기와 같은 투입공정을 마친 후, 11㎏/㎠의 압력을 180초간 가하여 100개의 18호 트레이 규격의 생분해성 전분 용기를 제작하였다. 이에 대한 구성 요소를 하기 표 10에 명시하였다.
전분 펄프섬유 폴리비닐알코올(PVA) 코팅지
제조예 15 88.24중량% - - 11.76중량%
제조예 16 79.54중량% 2.84중량% 0.08중량% 17.54중량%
제조예 17 79.72중량% 5.71중량% 0.17중량% 14.40중량%
제조예 18 79.17중량% 5.63중량% 0.99중량% 14.21중량%
제조예 19 97.10중량% - - 2.90중량%
제조예 20 86.21중량% - - 13.79중량%
생분해성 전분 용기의 물성평가
상기의 생분해성 전분용기의 제조예 15 내지 20에 걸쳐 각 제조예 마다 100개씩 제조된 사각 트레이 전분 용기에 대한 내수성, 내유성, 내산성 등의 물성 및 외관을 확인하였다. 물성 평가는 상기 실리콘 에멀젼의 물성평가 방법과 동일한 방법으로 하였으며, 생분해성은 상기 생분해성 전분 용기의 10㎠를 30㎝의 토양에 묻어서 완전히 분해되는데 소요되는 기간으로 측정하였다. 압축강도는 2㎜/s의 속도의 로드셀을 이용하여 용기의 양면을 압축하여 용기가 파괴될 때의 강도를 측정하였다. 이의 결과를 표11에 나타내었다.
내수성 내유성 내산성 압축강도 외관 생분해 기간
제조예 15 ◎ ◎ ◎ 6.5㎏㎨ 박리 없음 21일
제조예 16 ◎ ◎ ◎ 8.0㎏㎨ 박리 없음 25일
제조예 17 ◎ ◎ ◎ 7.2㎏㎨ 박리 없음 26일
제조예 18 ◎ ◎ ◎ 6.9㎏㎨ 박리 없음 22일
제조예 19 ◎ ◎ ◎ 4.7㎏㎨ 박리 없음 20일
제조예 20 ◎ ◎ ◎ 5.6㎏㎨ 박리 없음 22일
본 발명은 전분 용기의 일 측면 이상에 생분해가 용이한 코팅지를 형성함으로써, 전분 함유량을 극대화하여 국내 환경부의 고시사항에 적합한 전분 용기를 제작함과 동시에, 그동안 타 전분 용기의 문제인 내수성, 내유성 및 내산성을 해결할 뿐만 아니라, 용이한 공정으로 전분 용기의 공정비용을 획기적으로 줄임으로써 생분해성 전분 용기의 대중화를 가능케 하는 한편, 생분해성을 극대화하였다.

Claims (11)

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  6. 전분 구조물과 전분 구조물의 일측면 이상에 코팅지가 부착되며, 상기 전분 구조물은 전분 86.21 내지 97.10 중량%이며 상기 코팅지는 2.90 내지 13.79 중량%를 함유하며, 상기 코팅지의 코팅층을 형성하는 코팅제는 실리콘 에멀젼 : 왁스 에멀젼을 1 : 1의 중량비율로 투입하여 사용하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전분용기.
  7. 전분 구조물과 전분 구조물의 일측면 이상에 코팅지가 부착되며, 상기 전분 구조물은 전분 86.21 내지 97.10 중량%이며 상기 코팅지는 2.90 내지 13.79 중량%를 함유하며, 상기 코팅지의 코팅층을 형성하는 코팅제는 실리콘 에멀젼: 아크릴 에멀젼: 왁스 에멀젼을 1 : 2 : 1의 중량비율로 투입하여 사용하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전분용기.
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  10. 전분 구조물과 전분 구조물의 일측면 이상에 코팅지가 부착되며, 상기 전분 구조물은 전분 79.17 내지 79.72 중량%, 펄프 섬유 2.84 내지 5.71 중량%, 폴리비닐알코올(PVA) 0.08 내지 0.99 중량%이며 상기 코팅지는 14.21 내지 17.54 중량%를 함유하며, 상기 코팅지의 코팅층을 형성하는 코팅제는 실리콘 에멀젼 : 왁스 에멀젼을 1 : 1의 중량비율로 투입하여 사용하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전분용기.
  11. 전분 구조물과 전분 구조물의 일측면 이상에 코팅지가 부착되며, 상기 전분 구조물은 전분 79.17 내지 79.72 중량%, 펄프 섬유 2.84 내지 5.71 중량%, 폴리비닐알코올(PVA) 0.08 내지 0.99 중량%이며 상기 코팅지는 14.21 내지 17.54 중량%를 함유하며, 상기 코팅지의 코팅층을 형성하는 코팅제는 실리콘 에멀젼: 아크릴 에멀젼: 왁스 에멀젼을 1 : 2 : 1의 중량비율로 투입하여 사용하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전분용기.
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