KR101018058B1 - 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기의 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기의 조성물에 관한 것이다.

이 같은 본 발명은 자연 분해성이 높은 천연고분자인 전분을 주원료로 하면서, 상기의 전분에 각종 기능성 물질들을 혼합한 것으로, 이를 통해 소각, 회수, 매립지 오염 등의 환경문제를 해결할 수 있음은 물론, 동식물의 사료 및 퇴비로서 재활용 가능한 친환경적인 효과를 얻을 수 있는 환경 친화적인 무공해 일회용 용기를 성형한 것이다.

생분해성 용기, 천연고분자 전분, 설탕

Description

천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기의 조성물{Manufacturing process of 1-time use receptacle usingstarch}

본 발명은 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기의 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주성분으로 천연고분자인 전분을 주제로 하고, 상기의 전분에 성형을 원활하게 하는 각종 기능성 물질들을 혼합하여 일정시간동안 일정온도로 가열 가압하여 무공해의 일회용 용기를 제조하는 방법 및 그 조성물에 관한 것이다.

사회생활의 다양화에 따른 식생활의 변화와 소득 수준의 증가로 인하여 인스턴트 식품의 섭취가 많아지면서 위생적이고 편리하며 적정 강도와 내수성에 미려함이 충족되는 값싼 일회용 무공해 친환경 제품의 수요가 증가하고 있다.

또한, 세계적으로 플라스틱 산업을 우수한 성능과 기능을 가진 무수한 고분자 소재의 개발로 인해 발전을 거듭하며 1억톤 이상이 합성되어 사용되고 있다.

그러나, 현재 상품화되어 사용중인 플라스틱 소재는 반영구적이기 때문에 사용 후 폐기되는 플라스틱에 의한 환경오염 문제가 심각한 사회문제로 대두되었다.

이에 따라 사용시 편리성만을 비약적으로 향상시킨 기존의 플라스틱을 대체 할 수 있고, 사용 후 붕괴 또는 분해되어 자연의 순환 싸이클로 흡수됨으로써 환경오염의 문제를 배제할 수 있는 분해성 플라스틱 등 새로운 기능을 가진 고분자 물질에 대한 사회적 요구가 급속하게 높아가고 있다.

즉, 대량으로 쏟아져 나오는 폐플라스틱은 땅속에 묻어도 썩지 않고, 고열로 태우는 경우에는 고열과 유독가스를 발생시키는 문제점이 있으며, 특히 폐플라스틱은 바다의 어류, 조류, 해초의 먹이 사슬을 파괴함은 물론, 토양의 원활한 공기 소통을 막아 토양을 죽어가게 하는 등 환경에 심각한 영향을 끼친다.

이와 같은 폐플라스틱의 공해 문제를 해결하기 위하여 종래에는 플라스틱의 사용을 규제하려는 움직임이 있는가 하면 분해되는 플라스틱을 개발하려는 연구가 활발하지만, 완전한 생분해성 고분자는 농산물과 같이 자연계에서 얻을 수 있는 자원을 원료로 하여 만들어져야 하는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기의 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 자연 분해성이 높은 천연고분자인 전분을 주원료로 하면서, 상기의 전분에 각종 기능성 물질들을 혼합함으로써, 환경에 친화적인 무공해 일회용 용기를 성형할 수 있도록 하는 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기의 조성물을 제공함에 목적이 있는 것이다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기 제조방법 및 그 조성물은, 75∼85중량%의 천연고분자 전분에 가소제로서 1∼20중량%를 가지는 염소화파라핀이나 에폭시화대두유 중 어느 하나 또는 둘을 혼합하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 혼합물에 강도보강제로서 0.5∼3중량%의 리그닌(Lignin)을 혼합하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계의 혼합물에 0.3∼5중량%를 가지는 이형제의 밀가루 또는 계면활성제의 미셀 중 어느 하나 또는 둘을 혼합하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계의 혼합물에 유화제로서 0.5∼3중량%의 폴리소르베이트와, 0.5∼4 중량%의 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 그리고 수용성 혼합물로서 0.5∼3 중량%의 설탕을 혼합하는 제 4 단계; 및, 상기 제 4 단계의 혼합물에서, 상기 혼합물 대비 물을 물 15∼80%(w/w)를 첨가하여 일정시간동안 혼합한 후 반죽하는 제 5 단계; 로 진행되는 것이다.

이와 같이 본 발명은 종래의 비분해성 일회용 용기를 대체할 수 있는 것으로, 이를 통해 소각, 회수, 매립지 오염 등의 환경문제를 해결할 수 있음은 물론, 동식물의 사료 및 퇴비로서 재활용 가능한 친환경적인 효과를 얻게 된다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기 제조방법을 보인 흐름도를 도시한 것이다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기 제조는 첨부된 도 1에서와 같이, 제 1 내지 제 5 단계(S100)(S200)(S300)(S400) (S500)로 진행된다.

우선, 생분해성 일회용 용기를 제조하기 위해서는 천연고분자 전분을 75∼85중량% 사용한다.

즉, 전분에 물을 가하여 전분 현탁액을 만든 다음 10∼20분간 교반한다. 단, 이때 총 고형분의 허용농도의 범위는 10∼50%(w/v)로서 반응 효율상 25∼45%(w/v)가 적당하고, 반응온도범위는 15∼50℃로서 20∼45℃가 적당하다.

이어서 반응촉매로서 수산화나트륨, 탄산나트륨, 수산화칼슘 및 이들의 알카리성 염 등을 이용하여 전분 현탁액의 pH를 5.5∼12.0의 범위로 조절한 다음 0.5∼72시간 반응한 후 15% HCl로 중화, 수세 및 여과하고 건조하면 천연고분자의 전분이 만들어진다. 이때 반응시간은 1∼24시간이 적당하다.

다시말해, 본 발명의 주원료인 전분은 식물의 광합성에 의하여 만들어지는 탄수화물의 다당류에 속하며, (C6H10O5)n의 화학식을 가지는 고분자 물질이다.

상기 전분은 물에는 녹지 않지만 가열하면 녹아 콜로이드 상태의 졸이 되고, 전분 용액에 산을 가하여 가열하면 덱스트린을 거쳐 글루코오스로 분해되며, 생전분에 물을 넣고 끓이면 수분이 침투하여 조직이 부풀고 점성이 커져 끈적끈적해지는 α전분이 되는 것으로, 이를 호화라고 하며 이 성질을 이용하여 용기를 성형하게 되는 것이다.

여기서, 상기 전분의 완전 α화는 98℃에서 20분 이상 가열해야 한다.

또한, 상기 α화되는 전분은 상온에서 방치하는 경우 전분 구조가 단단한 β전분(생전분)으로 돌아가는데 이것을 노화라고 하며, 이는 수분이 30~60%, 온도가 0℃일 때 가장 잘 일어나는 것이다.

이때, 상기 전분이 호화되는 경우에는 설탕, 쇼트닝이 있으면 수분 흡수를 방해하여 전분 겔의 점도와 노화 속도를 감소시키는 성질을 가진다.

다음으로, 상기 제 1 단계(S100)는 상기 혼합물인 전분에 가소제로서 1∼20중량%를 가지는 염소화파라핀(chlorinated paraffin)이나 에폭시화대두유 중 어느 하나, 또는 상기 염소화파라핀과 에폭시화대두유를 1∼20중량% 되도록 혼합한 것이다.

상기 가소제인 염소화파라핀은 (C23H41Cl7)의 화학식을 가지며, 알칸(메탄계 탄화수소)의 수소원자가 염소원자로 치환된 것이고, 파라핀을 1, 2-디클로로에탄에 첨가시켜 용해시킨 후 염소가스를 주입하면서 광원을 이용하여 광화학적으로 활성화시키는 반응으로부터 제조되는 것이다.

상기 에폭시화대두유는 에틸렌 결합에 산소원자 1개가 첨가하여 1,2-에폭사이드가 생성되는 에폭시화 산화 반응에서 탄소 이중결합의 불포화 화합물에 과초산을 반응시켜 2개 이상의 에폭시기를 도입한 것이다.

다음으로, 상기 제 2 단계(S200)는 상기 제 1 단계까지 이루어지는 혼합물에 강도보강제로서 0.5∼3중량%의 리그닌(Lignin)을 혼합한 것이다.

즉, 강도보강제인 리그닌은 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스와 함께 목재의 실질(實質)을 이루는 성분으로 화학구조는 명확하지 않으나, (C18H24O11)과 (C40H45O18) 사이라고 추정되고 있으며, 이는 침엽수에 25∼30%, 활엽수에 20∼25% 정도 함유되어 있는 것이다.

이때, 상기 리그닌은 하등식물과 수중식물에서는 발견되지 않으므로 육상 고등식물의 진화 발생과 깊은 관계가 있는 것으로 추정되고 있으며, 상기 리그닌의 함량은 목재의 채취 부위가 상부로 갈수록 적어지고, 심재부(心材部)가 변재부(邊材部)보다 많으며, 추재부(秋材部)가 춘재부(春材部)보다 많다.

다음으로, 상기 제 3 단계(S300)는 상기 제 2 단계까지의 혼합물에 0.3∼5중량%를 가지는 이형제의 밀가루 또는 계면활성제의 미셀(micelle) 중 어느 하나 또는 둘을 혼합한 것이다.

즉, 상기 밀가루에는 계면활성제의 역할은 없지만 대신 자체가 가진 다공성 성질에 의해 유수분을 흡착함은 물론, 밀가루에 있는 전분과 단백질이 일종의 탄화수소 물질로 된 친유기 역할을 하기 때문에 이형역활을 하므로 이용하는 것이다.

상기 미셀은 계면활성제의 집합체로서 수용액에서 친수성기가 수면 바깥쪽에 늘어서고, 소수성기가 안쪽에 모여 어떤 농도 범위에서 구형을 만드는 것으로, 친수성기로 이온화한 부분이 바깥쪽을 향한 미셀 주위에는 강한 전기장이 형성된다.

또한, 수용액 속의 미셀은 열역학적으로 안정하며, 콜로이드입자로서 취급되고, 미셀의 안쪽은 소수성기가 밀집한 영역인데, 계면활성제 미셀 수용액에 벤젠과 같은 물에 난용성인 물질을 가용화시킨 것이다.

다음으로, 상기 제 4 단계(S400)는 상기 제 3 단계까지의 혼합물에 유화제로서 0.5∼3중량%의 폴리소르베이트와, 0.5∼4 중량%의 메틸셀룰로오스(methyl cellulose), 그리고 수용성 혼합물로서 0.5∼3 중량%의 설탕을 혼합한 것이다.

즉, 상기 유화제인 폴리소르베이트는 비이온성 계면활성제 중의 하나로 소르베이트 분자와 스테아르지 방산을 연결하여 제조하는 것으로, 약간 특이한 냄새가 나며 불쾌하면서 다소 쓴 맛이 있다. 그리고 물에는 매우 잘 녹아서 냄새가 없고 거의 무색인 용액이 되는 것으로 HLB값이 10이 넘는 수중 유적형 유화제이다.

상기 메틸셀룰로오스는 셀룰로오스에테르의 하나로서, 셀룰로오스의 수산기 OH의 일부를 메톡시기 OCH"(3)로 바꾼 것이다.

이때, 상기 셀룰로오스는 수산화나트륨 수용액과 황산디메틸로 메틸화하든지, 알칼리 셀룰로오스와 염화메틸을 가압솥 안에서 반응시켜 얻고, 메톡시기를 얼마나 넣느냐에 따라 치환도가 다른 여러가지 메틸셀룰로오스가 생성되는 것이다.

여기서, 상기 메틸셀룰로오스는 흰색 고체나 메틸화의 정도에 따라 조금씩 다른데, 상기 메톡시기를 2∼16% 함유하고 있는 것은 4∼10% 수산화나트륨 수용액에 녹고, 26.5∼32.6% 함유하고 있는 것은 찬 물에 녹으며, 34∼38% 함유하고 있는 것은 유기용매에 녹아 끈끈한 용액이 되며, 본 발명의 실시예에서는 수용성인 것을 사용한 것이다.

이때, 상기 셀룰로오스의 화학구조는 D-글루코오스가 β-1, 4 결합으로 다수 중합되어 있으며 사슬형태로 연결되어 있고, (C6H10O5)n의 화학식으로서 냄새가 없는 백색 고체이며 물에 녹지 않는다.

상기 셀룰로오스는 다당류 중에서 분자량이 가장 큰 물질로 분자량은 천연상태에서 수만∼수십만에 이르며, 물이나 에탄올 에테르 등에는 녹지 않고 알칼리에는 상당히 강하나 산이나 구리암모니아용액 내에서는 가수분해되어 글루코오스가 된다.

따라서, 상기 글루코오스로 분해되기 직전의 화합물로서 아래의 구조식과 같이 다량의 셀로비오스를 생성하게 되는 것이다.

[세롤로오스의 구조식]

여기서, 상기 셀롤로오스의 활성화는 NaOH와 반응시키는 일반적인 머세르화 공법으로서 아래와 같이 나타낼 수 있다.

상기 설탕은 달콤하고 무색인 여러가지 수용성 혼합물로 종자식물의 수액과 포유동물의 젖에 들어 있으며 탄수화물의 가장 간단한 기로 이루어져 있다.

가장 흔한 당은 수크로오스인데, 사탕무와 사탕수수에서 생산하여 대부분을 식용으로 쓰고 있으며, C12H22O11의 화학식을 가진다.

이때, 광합성 산물로서 사탕무와 사탕수수 무게의 5~20％를 이루는 수크로오스는 밀링공정(잘게 쪼갠 식물에서 즙을 짜내고 물로 잔유물을 추출함)이나 확산 공정(식물을 얇게 썰어 뜨거운 물로 당분을 침출시킴)을 거쳐서 얻으며, 이때 나온 혼합액을 정제하고 건조시켜서 당의 결정을 만들게 되는 것이다.

따라서, 매우 순수한 상업제품인 그래뉼러 설탕은 99.9％가 수크로오스이며, 정제당(가루설탕)은 수크로오스를 가루로 만들고 전분을 3% 섞어 덩어리가 되는 것을 방지한 것으로, 상기 설탕은 전분과 작용하여 완제품에 끈기와 강도를 보강할 수 있도록 한 것이다.

다음으로, 상기 제 5 단계(S500)는 상기 제 4 단계까지의 혼합물을 물에 첨가하는 것으로, 상기 제 4 단계까지의 혼합물 대비 물을 15∼80%(w/w) 첨가하는 상태에서 10∼60분간 혼합하면 반죽상태의 원료가 생성되고, 이에따라 상기의 반죽물을 통해 생분해성 일회용 용기를 제작할 수 있게 되는 것이다.

즉, 상기의 반죽물을 100∼250℃로 미리 가열한 가열 가압 성형기에 주입하 고 0.1∼10 Pa(N/m2)의 압력을 가하면서 0.5∼10분간 성형하면 생분해성 일회용 용기를 제조할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기 제조방법을 보인 흐름도.

Claims (2)

1. 75∼85중량%의 천연고분자 전분과, 염소화파라핀이나 에폭시화대두유 중 어느 하나 또는 둘을 혼합시킨 1∼20중량%의 가소제와, 강도 보강제인 0.5∼3중량%의 리그닌과, 이형제의 밀가루 또는 계면활성제의 미셀 중 어느 하나 또는 둘을 혼합시킨 0.3∼5중량%의 물질과, 유화제인 0.5∼3중량%의 폴리소르베이트와, 0.5∼4 중량%의 메틸셀룰로오스와, 수용성 혼합물로서 일회용 용기에 대한 끈기와 강도를 보강하도록 0.5∼3 중량%의 설탕을 함유하여 구성하는 것을 특징으로 하는 천연고분자를 이용한 생분해성 일회용 용기의 조성물.
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