KR100888089B1 - 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리락티드 수지 100중량부와 옥수수전분 50 ~ 62중량부와 폴리카프로락톤 2 ~ 7중량부와 활석 20 ~ 30중량부 및 이산화티타늄 6 ~ 13중량부를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하며, 종래의 생분해성 수지가 가지지 못했던 완전분해를 이루도록 하며 강도를 강화하여 내구성을 증가시키며, 옥수수전분의 함량 대비 폴리락티드 수지의 함량을 늘려 플라스틱 가공이 용이하도록 하는 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

생분해성 수지 조성물, 폴리락티드 수지, 옥수수전분, 이산화티타늄, 활석

Description

가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물{·}

본 발명은 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 옥수수전분 중량부 대비 폴리락티드 수지(PLA)의 중량부를 늘려 가공성을 개선하고 이산화티타늄을 포함하여 박테리아 등의 멸균효과를 동시에 나타내는 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물에 관한 것이다.

일반적인 합성수지는 내약품성, 내구성 및 여러 물성 등이 우수하여 천연소재의 대체물로 일상생활에 많이 사용되고 있으나, 사용 후 폐기시 자연으로 환원되지 못하는 단점이 있다. 특히, 수요가 급속하게 증가 되고 있는 일회용 포장재의 경우 분리수거가 원활히 이루어지지 않아 그대로 방치되는 경우가 많으며, 시골은 분리수거물품을 태우는 경우가 많아 환경에 많은 지장을 초래하고 있다.

종래에 상기 합성수지를 폐기시키는 방법으로는 폐기물을 연소시키거나, 토양에 매립하는 방법, 회수하여 재이용하는 방법 등을 사용하였으나 상기 합성수지 폐기물을 연소시키는 방법은 대량의 유독가스가 발생되어 2차 오염을 유발하는 문제점이 있으며, 매립방법 역시 분해되지 않고 토지에 그대로 남아 2차 오염을 야기하는 문제점이 있었다. 또한, 상기 회수하여 재이용하는 방법 역시 회수율이 낮아 최종 폐기물이 발생하는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 토양에 존재하는 미생물에 의하여 분해되는 생분해성 수지와 태양 광의 자외선에 의하여 분해되는 광분해성 수지로 대별되는 분해성 수지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

상기 생분해성 수지에는 미생물의 생체 내에서 생합성되어 생분해성이 있는 폴리하이드록시아틸레이트계 수지, 폴리카프로락톤, 합성지방족 폴리에스테르수지 또는 열가소성 수지에 천연고분자물질을 혼합한 수지 등이 있고 광분해성 수지에는 에틸렌과 일산화탄소를 공중합하여 주쇄에 카르보닐기를 도입한 수지, 에틸렌과 비닐케톤을 공중합하여 측쇄에 카르보닐기를 도입한 수지 및 전이금속 등 산화제를 첨가한 수지 등이 있다. 그러나 상기 분해성수지 중 미생물이 생합성한 수지, 합성지방족 폴리에스테르 등은 분해성은 우수하나 제조가격이 비싼 단점이 있고, 천연고분자를 첨가한 수지는 가격은 저렴하나 물성저하 및 분해가 완전히 이루어지지 않는 단점이 있다.

또한, 광분해성 수지는 태양광에 노출 시에는 분해성이 우수하나 토양에 매립시에는 분해가 안 되는 단점이 있다. 특히, 열가소성 수지에 천연고분자를 첨가한 분해성 수지는 물성저하 등을 우려하여 분해물질인 전분 등 천연고분자를 10% 이상 첨가할 수 없으며, 또한 일반적으로 원료물질 등을 입자상태로 첨가하므로 분해물질이 불연속상으로 분포하게 되어 완전분해가 이루어지지 않는 단점이 있다.

또한, 광분해성 수지 및 미생물분해성 수지는 열에 안정하지 못한 문제점이 있었으며, 용기로 제작시 분해되어 환경에 이로움을 주는 이외에서는 기능상 이점이 없었다.

본 발명은 상술한 배경기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 종래의 생분해성 수지가 가지지 못했던 완전분해를 이루도록 하며 강도를 강화하여 내구성을 증가시키며, 옥수수전분의 함량 대비 폴리락티드 수지의 함량을 늘려 플라스틱 가공이 용이하도록 하는 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 것이다.

또한, 광촉매인 이산화티타늄을 혼합하여 자외선을 쪼였을 경우 다양한 종류의 박테리아 등을 죽이는 친환경적인 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명은 폴리락티드 수지 100중량부와 옥수수전분 50 ~ 62중량부와 폴리카프로락톤 2 ~ 7중량부와 활석 20 ~ 30중량부 및 이산화티타늄 6 ~ 13중량부를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하며, 레몬산수지 8 ~ 13중량부가 더 포함되어 조성된다.

또한, 상기 조성물에는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 산화방지제 2 ~ 8중량부가 더 포함되어 조성되는 것을 특징으로 하며, 열안정제가 2 ~ 8중량부가 더 포함되어 조성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본원발명은 상기 생분해성 수지 조성물로 제조된 식품용기를 특징으로 한다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 종래의 생분해성 수지가 가지지 못했던 완전분해를 이루도록 하며 강도를 강화하여 내구성을 증가시키며, 옥수수전분의 함량 대비 폴리락티드 수지의 함량을 늘려 플라스틱 가공이 용이하도록 하는 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

또한, 광촉매인 이산화티타늄을 혼합하여 자외선을 쪼였을 경우 다양한 종류의 박테리아 등을 죽이는 친환경적인 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 식품용기를 제공하는 장점이 있다.

본 발명은 폴리락티드 수지(Polylactide resin)와 옥수수전분(Corn starch)과 폴리카프로락톤(Polycaprolactone)과 활석(Talc) 및 이산화티타늄을 포함하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

상기 폴리락티드 수지는 생분해성 고분자 또는 생분해성 플라스틱의 대표적인 물질로 유산이라고 하는 생체 내 등에 존재하는 저분자량 화합물의 중합체이다. 일반적인 폴리락티드 수지는 녹수와 같은 재생자원을 제분하여서 원재료로부터 녹말을 분리하고 상기 녹말로부터 정제되지 않은 포도당이 가공되어 진다. 상기 포도 당은 발효 가공을 통하여 유산으로 만들어지며, 응축과정을 통해 유산은 폴리락티드로 된다. 상기 폴리락티드 수지는 미생물이 분비하는 효소의 작용으로 플라스틱 물질이 붕괴되고 저분자화 된 후 미생물이 이들 저분자를 흡수하여 대사 작용을 하고 최종적으로 미생물 균체와 이산화탄소, 메탄가스 등을 생성하며 최종 분해된다. 일반적인 식품용기는 폴리락티드 수지만으로 생산할 경우 퇴비 시설에서 분해가 잘 되어 친환경적이며 가공성이 우수한 장점이 있으나 가격이 비싼 문제점이 있다.

본원 발명에서는 생산 단가를 낮추기 위해 합성수지와 혼합한 조성물로 생산된 식품용기를 대체하기 위하여 폴리락티드 수지에 옥수수전분을 첨가하였다. 폴리락티드 수지와 합성수지를 혼합하면 자연상태에서 완전한 분해가 이루어지지 않지만 옥수수전분을 폴리락티드 수지와 혼합한 조성물로 플라스틱용기를 제조하면 자연상태에서 완전한 분해가 가능하고, 제조단가도 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

전술한 바와 같이 폴리락티드 수지에 옥수수전분을 혼합할 때 폴리락티드 수지의 중량부 대비 옥수수전분의 중량부를 늘릴 시에는 가공성을 감안하여 중량부를 결정하는 것이 바람직하다. 폴리락티드 수지는 자체적으로 다른 물질과 혼합시 가공성을 증대시키는 효과가 있으므로 옥수수전분 일정 중량부를 첨가하더라도 가공성과 경제성을 동시에 충족할 수 있는 혼합 조성물이 생성이 되지만, 너무 많은 중량부를 첨가하면, 폴리락티드 수지 자체의 가공성으로 물질이 혼합되지 못하므로 다른 가소제 등을 첨가하여 주어야 한다.

또한, 본원발명에서는 폴리카프로락톤을 혼합하는데 상기 폴리락티드 수지와 옥수수전분의 가공을 용이하게 하는 역할을 한다. 폴리카프로락톤 또한 생분해성 고분자의 일종이므로 폴리락티드 수지와 옥수수전분의 혼합을 용이하게 함은 물론이고 플라스틱용기를 제조하더라도 자연상태에서 완전한 분해가 가능하다. 따라서, 상기 폴리락티드 수지와 더불어 옥수수전분과의 혼합을 증대시키는 역할물질로 사용하기에 알맞다. 그러나 상기 폴리카프로락톤은 많은 량을 첨가할수록 가공성은 우수해지나 인장 강도는 낮아지므로 인장 강도가 무르지 않으며 가공성이 좋은 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, 본원발명은 생분해성 플라스틱이 가지고 있는 가장 큰 문제점인 강도를 보완하기 위하여 본원발명에서는 활석(Talc)을 더 혼합한 것을 특징으로 한다. 상기 활석은 분말화하면 흡수성 및 고착성이 강하고 내화성 등의 특성으로 인해 다방면에 걸쳐 충진재로 사용된다. 특히, 뛰어난 열저항성과 다른 수지와 잘 섞이는 특성 및 고착 후 강한 치수 고정력을 나타내므로 경직성 및 강도를 보완하기에 알맞은 물질이다.

또한, 본원발명은 이산화티타늄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 이산화티타늄은 무색 또는 백색분말로 냄새와 맛이 없다. 물, 염산, 묽은 황산, 알코올 및 다른 유기용매에도 녹지 않으며 뜨거운 진환 황산 이외의 산에도 녹지 않 기 때문에 이산화티타늄을 포함한 생분해성 조성물로 플라스틱 용기를 제조하면 플라스틱 용기의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이산화티타늄은 많은 나라에서 사용이 인정되고 있는 비타르계 색소이며 화학적인 반응성이 거의 없어 인체에 무해하므로 화장품이나 그림물감, 완구의 도료, 식품의 포장용기, 도자기의 유약, 비누 또는 인쇄잉크의 원료, 수정액 등의 주원료로 널리 이용되고 있으므로 이산화티타늄을 포함한 생분해성 조성물로 플라스틱 용기를 제조하면 플라스틱 용기의 색깔을 선명하게 할 수 있는 장점이 있다.

한편, 이산화티타늄은 최근 공기정화, 오염물 제거 등에 있어서 탁월한 효과를 나타내는 광촉매로 각광받고 있다. 이산화티타늄에 자외선을 쪼이면 다양한 종류의 박테리아와 유해균을 살균하는 효과를 나타내므로 본원발명에서와 같이 이산화티타늄을 첨가하면 플라스틱 용기 내에서 유해균이 번식하는 것을 억제할 수 있는 용기를 제조할 수 있다.

이하, 생분해성 수지 조성물의 구성물질에 따른 바람직한 중량부를 살펴보도록 하겠다.

- 생분해성 수지 조성물의 혼합 실시예

① 시험 구성 성분표

성분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
폴리락티드 수지 (중량부)	100	100	100	100	100	100	100
옥수수전분 (중량부)	50	54	58	62	46	70	70
폴리 카프로락톤 (중량부)	2	3.5	5	7	2	2	7
활석 (중량부)	20	24	28	30	18	10	35
이산화티타늄(중량부)	6	8	10	13	3	15	17

② 실험예

분류	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1	비교예2	비교예3
45일 후 생분해도(%)	85.5	84.4	81.7	81.0	86.8	82.2	80.6
인장강도(MPa)	46.2	48.5	52.4	54	44.8	37.2	57.3

위의 실험예를 통해 생분해성 수지 조성물의 45일 후 생분해도와 인장강도를 알 수 있다.

상기 실험 중 45일 후 생분해도 실험은 KS M 3100-1:2003의 지침에 따라 실험하였으며, 가상의 호기성 퇴비화 과정에서 이론적 이산화탄소 발생량과 실제 시험물질로부터 발생하는 이산화탄소량의 비율로 생분해도를 측정하였다. 시험환경은 58±2℃의 온도와 50% 내외의 습도 및 미생물의 활동을 저해할 수 있는 가스가 없으면서 어두운 곳에서 배양하였다.

상기의 방법으로 실험한 생분해도(%)는 위의 표와 같다. 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 3 모두 45일 후의 생분해도는 80% 이상의 실험결과를 나타내었다. 상기의 생분해성 수지 조성물의 생분해도는 합성수지가 혼합된 플라스틱이 전혀 생분해가 되지 않는 경우와 비교하여 놀랄만한 분해율을 나타내며, 친환경적이다.

한편, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 분해율을 통해 폴리락티드 수지 100중량부 대비 옥수수전분의 중량부가 많이 혼합될수록 분해율이 떨어지는 것을 확인하였다.

또한, ASTM 638의 아령형 시편으로 상기 조성물의 인장 강도를 시험한 결과 옥수수전분의 중량부가 많이 혼합될수록 상기 생분해성 수지 조성물의 인장 강도가 약해지는 것을 확인하였다.

옥수수전분은 중량부가 많이 혼합될수록 강도가 약해지며, 신장률이 늘어나므로 플라스틱 용기의 품질이 고르지 않은 문제점이 있고 가공성이 좋지 않은 문제점이 있으나 경제성이 우수하여 플라스틱 용기의 제조단가를 낮출 수 있는 이점이 있다.

또한, 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1의 경우 생분해성 수지 조성물 혼합 시 혼합이 용이하고 가공성이 좋았으나 비교예 2와 비교예 3의 경우와 같이 폴리락티드 수지 100중량부 대비 옥수수전분의 중량부가 70중량부 이상 첨가될 경우 혼합이 용이하지 않음을 확인하였다.

따라서, 상기 생분해도와 플라스틱 용기의 강도와 품질 및 상기 폴리락티드 수지와의 가공성 등을 고려하여 본원발명에서 옥수수전분의 중량부는 상기 폴리락티드 수지 100중량부 대비 50 ~ 62중량부로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 폴리카프로락톤은 상기 폴리락티드 수지와 옥수수전분의 가공을 용이하게 하는 역할을 하며, 자연상태에서 완전한 분해가 가능하기 때문에 생분해성 수지 조성물을 구성하기에 알맞다. 한편, 폴리카프로락톤의 중량부가 증가할수록 인장강도가 감소하나 본원발명에서는 폴리카프로락톤과 옥수수전분으로 인해 강도가 약해지는 것을 보완하기 위해 활석을 첨가하였으므로 폴리카프로락톤으로 인한 인장강도의 감소는 확인할 수 없었다.

비록, 상기 실험예에서는 활석으로 인하여 폴리카프로락톤으로 인한 인장강도의 감소는 확인할 수 없었지만 폴리카프로락톤으로 인한 인장강도의 감소를 보완하며 폴리락티드 수지와 옥수수전분의 가공성을 증대시키기 위해 본원발명에서는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 폴리카프로락톤 2 ~ 7중량부로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 폴리카프로락톤과 옥수수전분은 가공성과 경제성은 우수하나 인장 강도를 약하게 하므로 상기 인장 강도를 강화하여 내구성을 증대시키기 위해 강도강화제를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 강도강화제로 본원발명에서는 활석을 사용한다. 비교예 2와 비교예 3의 구성성분표를 비교하면 비교예 2의 경우 폴리락티드 수지 100중량부 대비 활석이 10중량부가 혼합되어 있으며, 비교예 3의 경우 폴리락티드 수지 100중량부 대비 활석이 35중량부가 혼합되어 있다. 이에 실험예 중 비교예 3의 인장강도가 비교예 2에 비하여 20MPa이상 높게 나왔음이 확인되었으나 비교예 2 또는 3의 경우 혼합이 용이하지 않아 본원발명의 구성 중량부로 하기는 알맞지 않다.

따라서, 인장강도를 상승시켜 상기 생분해성 수지 조성물을 이용하여 만든 플라스틱 용기의 내구성을 증대시키는 역할을 하며, 가공성을 용이하도록 하기 위해 폴리락티드 수지 100중량부 대비 20 ~ 30중량부로 활석을 구성하는 것이 바람직하다.

본원발명에는 이산화티타늄을 더 혼합하는 것이 바람직한데, 상기 이산화티타늄을 첨가하여 상기 생분해성 수지 조성물을 이용하여 플라스틱 용기를 만들 경우 플라스틱 용기에서 박테리아 등 우리 몸에 유해한 세균이 번식하는 것을 억제할 수 있으며, 플라스틱 용기의 색깔을 선명하게 내게 할 수 있는 역할을 한다. 따라서, 본원발명에서는 폴리락티드 수지 100중량부 대비 6 ~ 13중량부로 이산화티타늄을 구성하여 조성물의 색깔을 선명하게 하도록 하며, 화학반응에 안정한 용기 및 세균의 번식을 억제하는 생분해성 수지 조성물 및 이를 이용한 플라스틱 용기를 제조하는 것이 바람직하다.

한편, 본원발명은 산화방지제를 첨가하는 것을 특징으로 하는데 산소의 작용에 의한 자동 산화를 방지하기 위함이다. 산화방지제로 사용되는 물질은 여러 가지가 있으나 본원발명에서는 레몬산 수지를 사용하는 것을 특징으로 하며, 폴리락티드 수지 100중량부 대비 8 ~ 13중량부를 포함한다.

또한, 본원발명에는 열안정제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는데, 열안정제는 여러 수지에 혼합하여 가공과 완성된 제품의 사용기간 중 수지의 물리적, 화 학적 성질을 유지하도록 도와주는 화합물이다. 플라스틱 혼합 및 제조 등의 조작은 고온에서 이루어지기 때문에 첨가제의 보호 없이는 심하게 분해된다. 따라서, 상기와 같이 플라스틱 제조과정에서 안정하고 완성 후 물리적, 화학적 성질이 유지되도록 하는 열안정제가 폴리락티드 수지 100중량부 대비 2 ~ 8중량부가 더 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본원발명은 앞서 전술한 생분해성 수지 조성물을 압출 성형하여 플라스틱용기를 만드는 것을 특징으로 한다. 본원발명에 사용되는 수지는 토양에 묻었을 경우 생분해가 가능하므로 생분해성 수지 조성물로 만든 용기 또한 토양에 묻었을 경우 쉽게 생분해되므로 친환경적인 플라스틱 용기를 만들 수 있으며 본원발명의 생분해성 수지 조성물에는 옥수수전분의 함량이 폴리락티드 수지의 함량에 비해 낮으므로 가공성이 우수하며, 활석으로 인해 강도를 증가시켜 내구성이 우수한 플라스틱 용기를 만들 수 있다.

이상의 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 폴리락티드 수지 100중량부와 폴리락티드 수지 100중량부 대비 옥수수전분 50 ~ 62중량부, 폴리카프로락톤 2 ~ 7중량부, 활석 20 ~ 30중량부, 이산화티타늄6 ~ 13중량부, 레몬산수지 8 ~ 13중량부 및 열안정제가 2 ~ 8중량부를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 가공성이 개선된 생분해성 수지 조성물.
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