KR100955024B1 - 개선된 공정에 의한 자연 분해성 시트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시중에서 일반적으로 판매되는 비변성 전분을 주원료로 한 자연 분해성 시트에 관한 것으로, 전분 5-80 중량%, 가소제를 전분 사용량 대비 5-20중량%, 생분해성 물질 5-50 중량%, 보조 첨가제 3-55 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기존 생분해성 시트의 경우 내열성, 생산성, 제품 성형성이 떨어지고 또한 가격 경쟁력이 부족하여 산업상의 이용가능성이 부족한 단점을 보완하여 보다 경쟁력이 있는 자연 분해성 시트를 제공한다. 기존의 분말 원료로 펠렛을 만들거나 또는 기존 펠렛을 구입하여 시트를 만드는 경우 가공단계가 많아 가격 경쟁력 측면에서 경쟁력이 떨어지는 단점이 있었다. 본 발명의 시트는 주원료인 분말 및 스크랩상의 원료를 투입하여 바로 시트를 제조하기 때문에 제조공정의 단순화로 대폭적인 원가절감이 이루어 졌다. 본 발명에 따른 시트를 이용하여 제조한 자연 분해성 포장재는 사용후 매립시 수백년이 소요되어 환경에 비친화적인 난분해성 합성수지를 대체하여 환경오염 방지에 기여할 수 있다.

생분해 시트, 생전분, 비변성 전분, 친환경 포장재, 포장재, 생분해 물질, 내수성, 자연 분해

Description

개선된 공정에 의한 자연 분해성 시트 및 그 제조방법 {NATURE BIODEGRADABLE SHEET MANUFACTURED BY IMPROVED PROCESS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 자연 분해성 시트에 관한 것으로, 전분 5-80 중량%, 가소제 전분사용량 대비 5-20 중량%, 생분해 물질 5-50 중량%, 보조 첨가제 3-55 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기존 생분해성 시트 조성물의 경우 내열성, 생산성, 제품 성형성, 내수성이 떨어지고 또한 가격 경쟁력이 부족하여 산업상의 이용가능성이 부족한 단점을 보완하여 보다 경쟁성이 있는 자연 분해성 시트를 제공한다. 본 발명에 따른 자연 분해성 시트는 진공 성형, 압진공, 압공 성형 등 일반적인 생산방식에 따라 식품용기, 산업용 포장재, 완충 포장재를 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 시트를 이용하여 제조한 각종 포장재는 사용후 매립시 완전 분해되기까지 수백년이 소요되어 환경에 비친화적인 난분해성 합성수지를 대체하여 환경오염 방지에 기여할 수 있다.

인류 최대의 발명품중의 하나인 플라스틱은 내구성, 가공성, 내약품성, 비교적 가격이 저렴하고, 가볍다는 여러 가지 장점 때문에 산업분야에서 폭넓게 사용되어 인 류의 생활의 편의성에 크게 공헌을 하고 있다. 그러나 역기능으로써 완전 분해가 되기까지 수백년이 소요되는 난분해성 물질이기 때문에 사용후 폐기된 다음 수백년동안 남아 있어 토양, 대기, 수질 오염 등 환경오염에 심각한 악영향을 미치고 있는 현실이다.

최근 소득 수준의 증가와 생활의 편리성을 추구하는 분위기 확산에 따라 위생적이고 편리하며 가격이 저렴한 플라스틱을 포함한 일회용 제품의 수요가 증가하고 있다. 특히, 패스트푸드점, 편의점, 백화점, 마트, 식품 등 포장재, 각종 일회용품, 포장용기 등이 대부분 열가소성 중합체인 플라스틱으로 이루어진 제품을 사용하고 있으며, 또한 일회용 제품의 사용이 급속도로 증가하고 있다. 그러나, 종래 포장재 및 일회용 제품을 제조하는 열가소성 중합체는 자연계에서 반영구적으로 존재하기 때문에 다수의 환경 문제를 야기할 뿐만 아니라, 폐기물 발생량이 증가되는 단점이 있다. 또한 스티렌 올리고머, 다이옥신 등 환경호르몬, 환경호르몬 의심물질이 생성될 수 있어 인류의 장래에 치명적이 해악이 문제시 되고 있다. 특히 정자운동을 저하시키거나, 정자수 감소에 영향을 주는 환경호르몬, 아토피 등은 현대인 뿐만 아니라 인류의 장래에도 영향을 미칠 수 있다.

현재 폐플라스틱을 매립, 소각, 재활용 등의 방법을 통해 처리하고 있으나, 매립의 경우 자꾸만 늘어나는 쓰레기로 인하여 매립공간이 부족해지고, 인근 지역 주민들에 의한 집단 이기주의 현상이 심화됨에 따라 매립지 확보가 어렵다. 뿐만 아니라, 매립 후에도 분해되기까지 수백년 이상 소요되는 열가소성 중합체인 플라스틱 폐기물로 인하여 지반이 안정되지 않아 매립지의 이용에 많은 문제점이 있으며, 이들을 소각하는 경우 비산하는 분진의 발생과 더불어 상기한 바와 같은 다이옥신, 일산화탄소 등의 유해가스가 대량 발생하여 대기오염 및 인체에 심각한 해를 끼치는 원인이 되고 있다. 플라스틱 제품의 재활용의 경우, 최근 이와 관련한 플라스틱 폐기물의 처리 및 그 활용 방안 등 논의가 활발하게 진행되고 있으나, 플라스틱 폐기물 분리수거의 어려움과 함께 수거 후에도 혼입된 불순물의 제거에 소요되는 비용 과다로 인한 경제성 측면 등 많은 문제점이 있는 실정이다.

이러한 제반 문제를 해결하기 위한 한 방법으로, 천연물 유래의 생분해 물질로는 키틴, 키토산, 알긴산, 콜라겐, 박테리아 셀룰로오스, 폴리아미노산 등이 있다. 또 미생물 유래 또는 화학 합성된 것으로 폴리젖산(PLA), 폴리히드록시부티레이트발러레이트(PHBV), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리부틸렌석시네이트(PBS), 폴리히드록시부티레이트(PHB), 폴리히드록시알카노에이트(PHA) 등과 같은 지방족 폴리에스테르(Aliphatic polyester; AP) 등이 개발되어 시판되고 있다. 그러나 가격이 고가인 단점이 있어 기존 소비자의 가격저항이 있어 상용하기 어려운 단점이 있다. 또한 내열성, 가공성, 생산성이 나빠 실제 산업현장에서 활발히 적용이 되지 못하고 있는 실정이다. 현재까지 개발된 생분해 원료 물질은 물성이 약하여 쉽게 파손되는 단점이 있고, 또한 원료 가격이 고가인 관계로 경제성이 저하되고, 제품 생산후 냉각시간이 길어지는 등 생산성이 나빠 실제 산업 현장에서 사용되지 못하는 단 점이 있다.

한국 특허 등록 10-0535718에 의하면 복수매의 시트를 프레스로 합지하는 방법이고, 또한 연신성, 신율이 떨어지는 섬유질 소재를 다량 사용하였다. 따라서 제조된 시트로 진공성형, 압진공 등으로 실제 생산현장에서 제품 생산시 생산성 저하, 불량율이 상승되는 단점이 있다. 또한 한국특허 등록 10-0675200에 의하면 원료의 전처리 공정이 복잡한 단점이 있다. 또한 본 발명자 들이 기존 선발명한 대한민국 특허출원 제 10-2007-2289416 및 특허출원 10-2007-0089849 역시 펠렛 원료를 제조하는 것으로 쉬트를 제조하기 위해서는 또다시 쉬트를 제조하는 공정을 거쳐야 하기 때문에, 제조공정의 복잡화, 제조공정이 많아짐에 따른 가공비, 인건비, 운반비, 물성 저하, 로스율에 따른 원가상승 등의 문제점이 있어 산업상 이용 가능성이 떨어지는 단점이 있었다.

생분해성이 우수하면서도 저가의 첨가제를 대량 사용함에 따라 제품의 원가를 저하시킬 수 있으며, 전분의 물성 개질을 통하여 내열성을 부여하고, 또한 전분, 생분해성 물질, 무기 및 유기 첨가제 등의 상용성을 대단히 높여 제품 물성이 매우 개선되고, 또한 분말, 스크랩, 일부 펠렛 상의 원료를 동일 시스템에서 원스톱으로 시트를 생산하는 공정으로 가공비, 인건비, 운반비, 로스율 등을 줄이게 되어 시트의 제조원가를 감소시킨 자연 분해성 시트 제공함에 그 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적은 개선된 공정에 의한 자연 분해성 시트의 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은, 하기의 단계를 포함하는 본 발명의 방법에 의해 달성된다:

전분, 지방족폴리에스테르, 무기필러, 가소제, 활제를 혼합기에 투입하고 고속 혼합하여 수분을 제거하는 1단계;

산화방지제, 생분해성 물질, 상용화제를 습기 제거가 이루어진 상기 단계에의 재료에 추가로 투입한 후 고속 혼합을 하는 2단계;

혼합 과정까지 완료한 재료를 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw)가 1개 이상 장착되고, 전분 등의 원료 가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되고, 토출부에 시트 성형용 다이가 부착되어 있는 이축 압출 시트기를 이용하여 시트를 제조하는 3단계를 통하여 개선된 공정에 의한 생분해성 시트를 제조한다.

본 발명에 의한 자연 분해성 시트는 조성물은 물성이 개량되어 생산성, 가공성이 좋으며, 위생성, 안전성이 뛰어나 식품 포장재 원료, 산업용 포장용 원료, 농원예용 포장재, 완충 포장재를 제조하는 원료로 사용시 성형성, 가공성, 생산성이 뛰어 나다. 기존 생분해성 시트 대비 가격이 저렴하여 산업상 이용 가능성이 우수하며, 사출성형, 쉬트제조, 진공성형, 압진공 성형, 압공 성형 등의 광범위한 분야에 사용이 가능한 장점이 있다. 또한 내열성이 있어 뜨거운 물질을 담거나, 해외 수출시 컨테이너 내부 온도 상승에 따른 제품 변형이 없다. 사용후 완전 분해되어 자연 생태계로 순환되어 토양의 유기물을 증가시키고, 환경을 오염시키지 않는 장점이 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 하기의 단계를 포함하는 본 발명의 방법에 의해 달성된다:

전분, 지방족폴리에스테르, 무기필러, 가소제, 활제를 혼합기에 투입하고 고속 혼 합하여 수분을 제거하는 1단계;

산화방지제, 생분해성 물질, 상용화제를 습기 제거가 이루어진 상기 단계에의 재료에 추가로 투입한 후 고속 혼합을 하는 2단계;

혼합 과정까지 완료한 재료를 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw)가 1개 이상 장착되고, 전분 등의 원료 가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되고, 토출부에 시트 성형용 다이가 부착되어 있는 이축 압출 시트기를 이용하여 시트를 제조하는 3단계;

본 발명에 있어서, 각 원료의 사용량은 전분 5-80 중량%, 가소제 전분 사용량의 5-20 중량%, 생분해성 물질 5-50 중량%, 보조 첨가제 3-55 중량%일 수 있다.

상기 전분은 당 업계에서 통상 사용되는 변성 과정을 거치치 않은 전분, 예를 들어 옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 밀, 쌀 및 곡류 등 각종 식물로부터 추출된 전분이다. 전분은 식물의 종류나 저장 부위에 따라 지상전분과 지하전분으로 구분된다. 각각의 전분은 입자의 형태, 입자의 크기가 모두 다르며 전분입자의 형상, 입경, 외형의 고유한 특성을 가지고 있는데, 품종에 따라 이화학적 특성에 많은 차이가 있기 때문에 적절한 선택 후 직접 이용하는 경우, 또는 물성을 변성시킨 후 이용 가치를 높여 사용하는 경우가 많으나, 본 발명에서는 옥수수 전분, 타피오카 전분, 밀전분으로 구성되는 그룹에서 선택되는 한가지 또는 그 이상의 혼합물을 생전분 형태로 그대로 이용하였다. 그 사용량은 조성물 총 중량을 기준으로 3.0 내지 90 중량%, 바람직하게는 5 내지 80 중량%일 수 있다. 전분을 80 중량% 이상 사용시 성형성, 물성, 가공성 및 내수성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 가소제는 전분 등 고분자 유기물의 물리적 특성을 변화시키는 목적으로 사용되는데, 고분자 물질에 가소제를 첨가 가공하면, 그 혼화물은 유연성, 탄성, 휨성이 증가하여 가공성, 성형성 등이 개선된다. 전분 등 고분자 물질 자체는 분자량이 커서 쉽게 변형이 되지 않지만 거기에 가소성을 부여하면 외력에 의해 쉽게 변형시킬 수 있다. 본 발명에서 가소제는 글리세린, 글리세롤모노스테아레이트(GMS), 솔비톨, 올레산, 리놀레산, 스테아르산, 팔미트산, 라우르산, 말산, 에틸렌글리콜 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 한가지 또는 그 이상의 혼합물일 수 있는데, 그의 사용량은 전분 사용량을 기준으로 전분첨가량의 3.0 내지 30 중량 %, 바람직하게는 5.0 내지 25 중량%일 수 있다. 가소제는 전분의 유동성, 가공성을 향상시키는 효과가 있는데, 3.0 중량% 이하 사용시 전분이 변성되지 않을 수 있고, 30% 이상 사용시 표면으로 이동 용출될 가능성이 있고, 또한 시트의 품질 열화 및 원가 상승의 단점이 있다.

상기 생분해 물질은 폴리유산(PLA, Polylactic acid), 폴리-3-하이드록시페닐밸러레이트(PHBV, Poly-3-hydroxy phenyl valerate), 폴리카프로락탐(PCL, Polycaprolactone), 폴리부틸렌석시네이트(PBS, Polybutylene succinate), 폴리하이드록시부티레이트(PHB, Poly-hydroxy butyrate), 폴리하이드록시알카노에이트(PHA, Poly-hydroxy alkanoate), 폴리글리코릭산(PGA, Polyglycolic acid), 셀룰로오스 분말, 콩비지 분말, 커피박 분말 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 한가지 또는 그 이상을 사용할 수 있는데, 그 사용량은 조성물의 총 중량을 기준으로 3 내지 60 중량%, 바람직하게는 5 내지 50 중량% 일 수 있다. 지방족 폴리에스테르는 5 중량% 이하 사용시 쉬트 성형시 쉬트 형성 및 쉬트 강도 열화에 영향을 미칠수 있고, 50 중량% 이상 사용시에는 재료원가 상승이 되는 단점이 있다.

상기 보조 첨가제중에서 무기 필러는 탄산칼슘, 탈크, 카올린, 펄라이트, 제올라이트, 점토를 단독으로, 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그 사용량은 조성물의 총 중량을 기준으로 0.3 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 45 중량%일 수 있다. 무기 필러는 기본적으로 염가인 관계로 조성물의 원가절감이 가능하다. 더욱이 제품 물성면에서 수축방지 즉, 치수안정성과 굴곡 탄성율 향상 등의 물성 보완을 기대할 수 있다.

상기 보조 첨가제중에서 산화방지제는 디라우릴티오디프로피오네이트(DLTDP), 페놀계인 2,6-디타샤리부틸-P-크레졸(3,5-디-제3부틸-4-히드록시톨루엔, 디부틸히드록시톨루엔프로판산을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.01 내지 0.5 중량 %, 바람직하게는 0.02 내지 0.2 중량%일 수 있다.

상기 보조 첨가제중에서 윤활제는 피이왁스(PEW), 피피왁스(PPW), 칼슘스테아레이트, 아연스테아레이트, 글리세린스테아레이트, 부틸스테아레이트, 왁스, 파라핀, 미네랄유를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.1 내지 10 중량 %, 바람직하게는 0.5 내지 8 중량%일 수 있다. 윤활제는 윤활효과가 우수한 탄소수 22의 베헤닌산 계열을 사용하면 재료원가가 높아지는 단점이 있어, 가격 대비 생분해제에 대한 분산효과가 우수하고 윤활 효과가 좋은 탄소수 18인 스테아린산 계열, 저분자 폴리올레핀, 왁스, 파라핀류를 사용하는 쪽이 경제성 측면에서 장점이 있다. 또한 지방산 계열 윤활제를 사용하는 경우, 필러같은 무기물에 친화성을 보이는 장점이 있다. 윤활제는 문자 그대로 원료간의 마찰을 적게하고 매끄럽게 하기 위해 사용하는 첨가제이다. 모든 마찰이 나쁘다는 것은 아니지만, 원료 혼합, 용융, 가공시 마찰에 의한 열이 원료를 필요 이상으로 가열하여 분해시키기도 하고, 원료중 전분등 유기 첨가제를 탄화시키기도 하며, 트윈 익스트루더 같은 금속가공기의 표면에 눌러붙기도 하여 불량이 발생하는 것을 해소하기 위해 사용한다.

상기 보조 첨가제중에서 상용화제는 과산화벤조일, 폴리비닐알코올(PVA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 벤조페논, 글리세린지방산에스테르중 모노구리(Glycerin Mono Fatty acid ester), 구연산을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는데, 그의 사용량은 0.001 내지 1 중량 %, 바람직하게는 0.005 내지 2 중량%일 수 있다. 상용화제는 사용되는 원료간에 계면 활성적 작용으로 원료간의 계면에 존재하여 계면장력을 저하시키기도 하고, 원료 상호간 반응성을 개선시켜 원료간 상용성을 개선시키고, 최 종 제품 생산시, 융점의 차이에 따른 생산 불량률, 물성 저하를 개선시킨다.

본 발명에 서술한 자연 분해성 시트는 진공 성형, 압진공, 압공 성형 등에 이용할 수 있으며 식품포장재, 산업용 포장자재, 완충 포장재 등의 제조 원료로 사용할 수 있다.

이하 구체적 실시예를 통하여 보다 상세하게 살펴 볼 수 있다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1 >

옥수수전분 55 중량%, 글리세린 4.0 중량%, 솔비톨 5.0 중량%, 탄산칼슘 9.8 중량%, 탈크 3.0 중량%, PEW 0.5 중량%, 스테아린산아연 2.5 중량%를 혼합기에 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합 한다. 그 다음 PLA 20.0 중량%, DLTDP 0.18 중량%, 과산화 벤조일 0.02 중량%를 혼합기에 추가로 투입한 다음, 고속으로 열혼합을 시켜 추가로 수분 제거 및 혼합을 한다. 수득한 원료를 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw) 1개 이상의 스크류가 장착되고, 전분 등의 원료가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되고, 토출부에 시트성형용 다이가 부착되어 있는 이축압출 시트기를 이용하여 롤시트를 제조하였다.

< 실시예 2 >

옥수수전분 55 중량%, 글리세린 4.0 중량%, 솔비톨 5.0 중량%, 탄산칼슘 9.8 중량%, 탈크 3.0 중량%, PEW 0.5 중량%, 스테아린산아연 2.5 중량%를 혼합기에 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합 한다. 그 다음 PLA 20.0 중량%, DLTDP 0.18 중량%, 과산화 벤조일 0.02 중량%를 혼합기에 추가로 투입한 다음, 고속으로 열혼합을 시켜 추가로 수분 제거 및 혼합을 한다. 수득한 원료를 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw) 1개 이상의 스크류가 장착되고, 전분 등의 원료가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되고, 토출부에 시트성형용 다이가 부착되어 있는 이축압출 시트기를 이용하여 시트를 제조하였고 지정된 규격으로 절단하여 평판 시트를 제조하였다.

< 실시예 3 >

타피오카전분 35 중량%, 밀전분 25 중량%, GMS 6.0 중량%, 글리세린 6.0 중량%, 탄산칼슘 12.8 중량%, PEW 0.5 중량%, 스테아린산아연 2.5 중량%를 혼합기에 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합 한다. 그 다음 PLA 10 중량%, DLTDP 0.18 중량%, 과산화 벤조일 0.02 중량%, 구연산 2 중량%를 혼합기에 추가로 투입한 다음, 고속으로 열혼합을 시켜 추가로 수분 제거 및 혼합을 한다. 수득한 원료를 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw) 1개 이상의 스크류가 장착되고, 전분 등의 원료 가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되고, 토출부에 시트성형용 다이가 부착되어 있는 이축압출 시트기를 이용하여 롤시트를 제조하였다.

Claims (12)

1. 옥수수 전분, 타피오카 전분 및 밀전분 중에서 선택된 1종 이상의 전분 5-80 중량%;

   글리세린, 글리세롤모노스테아레이트 및 솔비톨 중에서 선택된 1종 이상의 가소제 5-20 중량%;

   폴리젖산(PLA, Polylactic acid)인 생분해성 물질 5-50 중량% 및

   탄산칼슘 및 탈크 중에서 선택된 1종 이상의 무기 필러, 디라우릴티오디프로피오네이트인 산화방지제, 피이왁스 및 스테아린산아연 중에서 선택된 1종 이상의 윤활제 및 과산화벤조일 및 구연산 중에서 선택된 1종 이상의 상용화제를 포함하는 보조 첨가제 3-55 중량%로 구성되는 자연 분해성 시트.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 전분이 물성을 변화시키지 않은 생전분, 또는 호화 전분을 사용하는 것을 특징으로 하는 개선된 공정에 의해 이루어지는 자연 분해성 시트.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제