KR100972834B1 - 생분해성 천연용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연계에 존재하는 천연 전분을 주성분으로 용기를 제조함으로써 용기 사용 후 폐기시에 환경오염 없이 빠르게 생분해되는 생분해성 천연용기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 천연고분자인 전분을 주성분으로 제조한 용기의 일면 또는 양면에 생분해성 에멀젼 수지층을 형성한 생분해성 천연용기에 관한 것이다.

본 발명은 전분 10∼40중량%, 옥수수대 30∼60중량%, 콩비지 10∼30중량%, 설탕 5∼10중량% 및 에멀젼 10∼30중량%를 함유한 생분해성 용기를 제공하는 것을 특징으로 한다.

천연용기

Description

생분해성 천연용기{Biodegradable Forming Receptacle}

본 발명은 자연계에 존재하는 천연 전분을 주성분으로 용기를 제조함으로써 용기 사용 후 폐기시에 환경오염 없이 빠르게 생분해되는 생분해성 천연용기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 천연고분자인 전분을 주성분으로 제조한 용기의 일면 또는 양면에 생분해성 에멀젼 수지층을 형성한 생분해성 천연용기에 관한 것이다.

공업의 발전과 함께 소득수준의 증가 및 핵가족화에 따른 식생활의 변화로 인하여 인스턴트 식품 및 패스트푸드의 섭취가 증가하고 있으며, 위생적이고 소량 단위의 포장을 위하여 생산이 용이하고 값싼 일회용 용기의 수요가 증가하고 있다.

용기로서 도기류나 유리제품을 사용하는 경우에 보관 및 장소 확보가 어려울 뿐 아니라, 높은 파손율, 사용 후 세척의 번거로움, 생산성 저하 및 높은 제조단가로 인하여 인스턴트식품 및 소량 음식물의 포장용으로 대부분 일회용 용기를 사용하고 있다.

또한 패스트푸드점, 편의점 및 자동판매기에서는 사용 후 손쉽게 버릴 수 있는 종이나 발포수지 등으로 제조된 일회용 용기를 사용함으로써 일회용 용기의 사 용은 증가되고 있는 추세에 있다.

이러한 일회용 용기로는 합성수지인 발포성 폴리스티렌을 일정한 두께의 시이트상 발포지로 성형한 후, 진공장치가 부착된 소정의 금형 틀에서 압축하고 급속히 내부 공기를 제거하여 제조한 제품이 가장 널리 사용되고 있다. 그외에 종이에 합성수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 도포하여 제조한 원지를 사용하여 제조한 종이컵 및 종이쟁반 등이 있다.

이러한 일회용 용기류는 여러 가지 우수한 장점으로 인하여 매년 사용량이 증가하고 있으나, 그 사용증가로 인한 환경오염도 가중되고 있다. 폐기된 일회용 용기를 그대로 땅에 매립하는 경우 토양에 존재하는 미생물에 의해 거의 분해되지 않는다. 또 소각하는 경우 다이옥신, 일산화탄소 등의 유독가스를 대량 발생시켜 지구 온난화는 물론 인체에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제점을 해결하고 폐자원의 재활용이라는 측면에서 재생처리하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으나, 분리수거에 대한 어려움과 수거 후에도 혼입된 불순물을 제거해야 하는 등 많은 문제점이 있었다.

최근 기존의 합성수지와 성질이 유사하면서 자연계의 미생물에 의해 쉽게 분해되는 생분해성 고분자로는 화학합성을 통한 지방족 폴리에스테르, 발효에 의한 폴리히드록시 알카노에이트 및 폴리히드록시 부틸레이트, 및 이들과 천연고분자인 셀룰로오스 또는 전분의 복합물 등이 있다. 이중 자연계에 풍부하게 존재하고 가격 또한 저렴한 전분이 함유된 생분해성 고분자에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

전분은 자연계에서 가장 손쉽고 저렴하게 얻을 수 있는 천연고분자로서 주로 옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 밀, 쌀 등에서 얻어지고, 포도당이 α-1,4 글루코시드 결합으로 이루어진 아밀로오스와 포도당이 α-1,4 글루코시드 결합 및 α-1,6 글루코시드 결합을 하고 있는 아밀로펙틴으로 구성되어 있으며, 일반적으로 아밀로오스가 0∼28% 함유되어 있다.

전분은 출처 및 품종에 따라 이화학적 특성의 차이가 클 뿐만 아니라, 가공 및 저장하는 동안 여러 성분과 상호작용으로 인하여 물리적 성질이 크게 좌우되기 때문에 사용하고자 하는 용도에 따라 가교, 에테르, 에스테르, 산처리, 산화 및 그라프트시킨 변성전분을 사용하고 있다.

종래의 생분해성 용기의 제조방법들은 제조방법이 간단하고 발포 폴리스티렌과 유사한 물성을 가지고 있으나, 천연 고분자 외에 사용하는 첨가제 중 난분해성 원료의 첨가로 인한 문제가 있었으며, 가격 또한 고가이므로 실용화에 어려움을 겪고 있는 실정이었다. 독일의 바이오텍사에서 감자전분, 타피오카 전분을 이용한 제품이 개발되어 실용화 단계에 있으나, 내수성이 떨어지며 기계적 물성 및 제조원가 측면에서도 비경제적일 뿐만 아니라 국내에서 원료 수급상 어려운 측면도 있었다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 국가에서는 생분해성 고분자계 사업으로 우리나라를 환경기술을 G7 국가 수준으로 향상시키고 환경보전의 지속을 위하여 국 가적인 연구비를 투입하여 생분해성 고분자 기술을 개발하고 있으며, 또한 생분해도에 대한 측정방법으로도 현재 국제표준의 ISO 14855 방법 또는 이를 국제표준화한 KS M 3100-1 방법을 적용하고 있고, 초기 45일 동안 생분해도가 표준물질 대비 60%이상(절대치 42%이상 분해)이거나, 180일 기간 동안 생분해도 값이 표준물질 대비 90%이상 (절대치 63%이상 분해)을 규정하고 있다.

분해성 합성수지 재질 기준으로 환경부. 산업자원부가 고시하는 규격기준(환경부고시 제2003-64호)에 의한 규정에서 전분계 플라스틱은 단순히 전분을 기존의 PE, PP, PS 등에 섞고 분해가속제를 첨가하여 제조한 합성수지를 일명 생붕괴성 합성수지라고 부르기도 하며, 가격이 저렴하고 당장 실용화가 가능하여 초창기에 검토 대상이었지만, 근본적으로 합성수지가 미세하게 되는 것일 뿐 완전분해가 되지 않고, 이 분야에 대한 생분해성 시험기준이 확실치 않아 선진국에서는 기피하고 있다. 또 폴리에틸렌, 폴리프로필렌으로 피복된 제품은 통상적으로 인체에 무해한 것으로 알려져 있으나, 전자레인지에 사용하는 경우 등 고온에 노출되는 경우에는 환경호르몬이 발생될 우려가 있는 것으로 알려져 있어 주의가 요망되고 있다.

또한 천연고분자계 플라스틱은 동식물에서 추출되는 천연고분자(전분, 셀룰로오스, 펙틴, 리그닌, 키틴질 등)를 주원료로 제조된 플라스틱이며, 완전 분해되는 장점이 있으나, 물성이 고르지 못하고 강도가 약하다는 단점이 있다.

생분해성 합성수지는 미생물이나 자외선에 의해서 자연 상태에서 수주일 만에 분해되는 합성수지로 가격이 기존의 합성수지보다 1.6∼4배 비싸고 물성이 일부 취약한 면이 있지만, 점차 대량 생산이 가능하고 일반 합성수지와 거의 동일한 물 성으로 개발되고 있다.

그러나 종래의 생분해성 합성수지는 다수의 혼합물이 첨가됨으로써 고가의 첨가제에 따른 제조원가의 상승과 함께, 상기한 바와 같이 천연고분자계 플라스틱으로 인하여 물성이 고르지 못하고 강도가 약하다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 생분해성 발포용기의 기계적 물성, 생분해성 및 경제성을 도모하고, 용기 사용 후 폐기시에 고 생분해성 및 비 환경오염성을 갖는 생분해성 천연용기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전분 10∼40중량%, 옥수수대 30∼60중량%, 콩비지 10∼30중량%, 설탕 5∼10중량% 및 에멀젼 10∼30중량%를 함유한 생분해성 천연용기를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 생분해성 합성수지 에멀젼을 첨가함으로써 용기의 내외면에 종이 등의 코팅지를 부착하지 않고도 내수성이 강하다는 장점이 있다. 또 생분해성이기 때문에 소각에 따른 대기오염 및 매립지 오염 등의 환경문제를 해결할 수 있으며, 동식물의 사료 및 퇴비로서 재활용이 가능하다.

옥수수대는 천연 펄프로서 전분과 더불어 용기의 성형성 및 내구성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나 옥수수대를 과도하게 사용하는 경우 용기 제조시에 발포가 어렵고 용기 자체가 경화되기 때문에 용기를 자연상태에 폐기하는 경우 생분해가 어렵기 때문에 바람직하지 않다.

설탕은 그 용액의 점도가 높기 때문에 용기 성형시에 용기의 기계적 물성을 높일 수 있으며, 특히 전분과 함께 사용하는 경우에는 겔화가 촉진되고 용기의 점도를 높일 수 있다.

본 발명에서 사용되는 에멀젼은 용기의 한 성분으로서 함유될 수도 있으며, 또한 제조된 용기의 일면 또는 양면에 도포할 수도 있다. 그리고 에멀젼이 코팅된 노루지를 용기의 일면 또는 양면에 도포함에 따라 용기의 내수성이 증대될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 에멀젼은 생분해성 합성수지 에멀젼으로 비점착성, 방수성이 뛰어나고 인체에 무해한 제품이다.

상기 에멀젼은 라텍스 에멀젼, 실리콘계 에멀젼, 불소계 에멀젼, 송진 에멀젼, 왁스 에멀젼 중에서 단독 또는 2종 이상을 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 액체, HP;7~8, 비중 ℃ 0.95을 이르는 에멀젼 HA-365(성지산업 제조)를 사용하였다.
또한 본 발명에서 사용된 콩비지(soybean curd residue)는 주지하는 바와 같이 두부를 만들고 남은 찌꺼기로 찌개를 끓여서 먹거나, 반추가축의 사료로도 쓰이고 있으나, 이러한 콩비지는 섬유질이 많아 본 발명에서 용기 성형 후 견고성이 크고, 콩의 단백질과 지방질이 남아 있는 특성에 의한 점도성과 호기성 세균에 의해 부패가 쉽게 이루어지는 특징이 있다.
따라서 몰드에 의한 성형성이 높은 특징이 있으며, 사용 후 쉽게 분해되는 특징이 발휘되고 또한 비교적 원료의 수급이 용이하면서 가격이 저렴하고 두부공정에서 대량으로 발생됨으로써 이 처리에 많은 비용이 소요되고 있는 문제도 개선할 수 있으며 재활용에 의한 환경오염도 방지할 수 있는 것이다.

이하에 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

전분 유도체에 대한 제조방법으로는 USP 2,613,206의 방법을 사용하거나 필 요에 따라 변형하여 제조할 수 있다. 즉, 전분에 물을 가하여 전분 현탁액을 만든 다음 10∼20분간 교반한다. 이때 총 고형분의 허용농도의 범위는 10∼50%(w/v)로서 반응 효율상 25∼45%(w/v)가 적당하고, 반응온도는 20∼45℃가 적당하다.

이어서 반응촉매로서 수산화나트륨, 탄산나트륨, 수산화칼슘 및 이들의 알카리염 등을 이용하여 전분 현탁액의 pH를 5.5∼12.0의 범위로 조절한 다음 0.5∼72시간 반응한 후 15% HCl로 중화하고, 수세 및 여과하여 건조한다. 이때 반응시간은 1∼24시간이 적당하다.

이어서 옥수수대를 150∼500메시로 분쇄한다. 혼련기에 제조된 전분, 분쇄한 옥수수대, 콩비지, 설탕 및 에멀젼을 넣은 다음, 80∼100℃의 온수를 넣은 후 혼합 반죽을 한다.

제조된 페이스트에 물을 혼합물 대비 15∼80%(w/w) 첨가하고 10∼60분 동안 혼합한다. 이후 100∼250℃로 미리 가열한 가열 가압 성형기에 혼합물을 넣고 0.1∼10 Pa(N/m2)의 압력을 가하고, 0.5∼10분 동안 성형하여 생분해성 천연용기를 제조한다.

성형된 천연용기를 인출하여 트리밍(trimming) 작업을 거친 후 냉각하여 천연용기를 얻게 된다.

생분해성 천연용기 제조시 성형기의 온도, 압력 및 성형시간은 서로 밀접한 관계를 갖기 때문에 주의하여야 한다. 즉 성형기의 내부온도가 낮게 조절된 상태에서는 성형시간이 증가하고, 성형하는 동안 일정압력을 가하지 않으면 발포되지 않으며 압력이 높을 경우는 과도하게 발포되어 성형성이 저하된다.

본 발명에서 사용되는 에멀젼을 용기의 일면 또는 양면에 도포할 수도 있으며, 이 경우 도포방법은 통상의 방법에 의할 수 있다.

이와 함께 본 발명에서 사용한 에멀젼을 미리 노루지에 코팅하고 에멀젼이 코팅된 노루지를 용기의 일면 또는 양면에 구성하고 이때의 구성은 접착 또는 압착등의 통상의 방법에 의해 구성될 수 있다.

이러한 실시예에서는 대략 180~200℃로 가열된 몰드에 상기 에멀젼이 코팅된 상하 노루지와 이 노루지 사이로 상기에서 구비된 혼합물을 일정량 충진하여 몰드내에서 압착하고 대략 80~120초간을 유지하므로 노루지 사이의 혼합물이 넓게 퍼져 노루지 사이로 혼합물이 적층되는 용기로 성형되는 것이다.

그리고 몰드에서 인출된 성형용기는 공지와 같이 트리밍과 냉각과정을 거침으로서 천연용기를 얻게 되는 것이다.

이상에 의해 완성된 본 발명의 천연용기는 대략 70 ℃ 내외에서 사용하는 것이 바람직하며 본 발명을 실시예를 통하여 설명하였지만, 본원의 청구범위를 벗어나지 않고 상기 실시예를 변경 및 개선할 수 있다는 것은 당업자라면 자명할 것이다.

Claims (4)

1. 전분 10∼40중량%, 옥수수대 30∼60중량%를 포함하여 이루어지는 생분해성 천연용기에 있어서,

   상기 전분 10∼40중량%, 옥수수대 30∼60중량%와 함께 콩비지 10∼30중량%, 설탕 5∼10중량% 및 HA-365 에멀젼 10∼30중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 생분해성 천연용기.
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