KR101062012B1 - 왕겨 및 쌀겨를 함유한 생분해성, 광분해성 바이오 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕겨 및 쌀겨를 함유한 생분해성, 광분해성 바이오 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 왕겨, 쌀겨, 전분, 이산화티탄 및 생분해성 폴리에스터를 포함하는 생분해성, 광분해성 바이오 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 생분해성, 광분해성 바이오 필름은 포장 작물의 생육환경에서 적합한 강도를 보유하며 생육기간이 끝나면 토양에서 분해되므로 포장 필름의 잔존에 따른 환경오염 문제를 방지하며, 포장 필름 수거비용 및 처리비용을 경감할 수 있다.

Description

왕겨 및 쌀겨를 함유한 생분해성, 광분해성 바이오 필름 및 이의 제조방법{Biodegradable, Photodegradable bio film containing rice husk and rice bran, and Manufacturing method thereof}

본 발명은 왕겨 및 쌀겨를 함유한 생분해성, 광분해성 바이오 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 생분해성, 광분해성 바이오 필름은 포장 작물의 생육환경에서 적합한 강도를 보유하며 일정시간 경과 후 분해되는 생분해성 및 광분해성을 가지므로, 포장 작물 재배시 필름 수거비용 및 처리비용을 경감할 수 있다.

근래에 들어서 경제발전에 따른 인건비 상승문제로 여러 가지 일회용 용기, 작물 재배용 포장 비닐 등의 이용이 증가하고 있으며, 이에 따라 사용된 일회용 용기 및 폐비닐 수거의 어려움과, 토양 잔류물에 의한 오염, 기타 비닐 쓰레기에서 나오는 환경 호르몬(내분비계 장애물질) 등의 위협에 노출되고 있는 실정이다. 이러한 일회용 용기 및 폐비닐은 소각 폐기시 독성 유해가스가 발생되어 대기환경에 심각한 악영향을 끼치고, 매립시에도 미생물에 의해 분해가 되지 않으므로 심각한 환경문제를 발생시킨다.

이를 해결하는 방법으로 전분, 개질 전분, 셀룰로오즈계 식물성 섬유가 함유된 전분 내지는 개질 전분 등의 천연 고분자계 생분해성 소재, 폴리락트산, 지방족 폴리에스터, 생분해성 폴리우레탄 등 합성수지계 생분해성 소재로 된 일회용 용기가 연구되어 왔다. 특히 전분 등을 중심으로 한 천연고분자계 생분해성 소재는 합성수지계 생분해성 소재 대비 가격이 매우 저렴하다는 큰 강점이 있어 일회용품에 적합하다고 판단되어 보다 폭넓게 개발 및 이용되어 왔다. 일본 공개특허 평 8-311243 호에는 식물성 섬유, 전분 등의 천연고분자계 생분해성 소재에 지방족 폴리에스터 및 기타 첨가제가 배합된 생분해성 발포조성물을 이용하여 용기를 제조하는 방법이 공지되어 있고, 일본 공개특허 평 7-97545 호에는 전분계 생분해성 소재로 된 용기 표면에 폴리락트산을 할로겐화 탄화수소에 용해한 코팅제를 코팅하여 용기를 제조하는 방법이 공지되었다. 또한, 대한민국 등록특허 제 10-0574547 호에서는 펄프 섬유 파우더, 전분 등 천연고분자계 생분해성 소재로 된 용기 내부면에 천연고분자계 생분해성 소재, 아크릴레이트 공중합체, 용매로 구성된 코팅제를 코팅하는 방법이, 대한민국 등록특허 제 10-0830901 호에서는 생분해성 필름에 혼합물을 증착시켜 용기의 부패 및 보존성 등을 개선하는 방법이 제안되어 왔다. 그러나 상기 기술은 수분 차단과 부패 방지에 기술개발에 주력하였으나, 포장 작물재배는 작물의 생육기간 동안은 토양의 피복효과를 보유하고 있어 잡초의 발생을 억제해야 하며 작물 생육이 끝나는 가을과 겨울에는 생분해되는 성질을 요구하고 있어 이를 해결할 수 있는 획기적인 기술의 출현이 절실히 요청되고 있다.

이에 대한민국 등록특허 제 10-0368738 호에서는 폴리에틸렌과 지방족 고분자를 매트릭스 수지로 하고 전분, 자동산화제 및 광분해 조절제를 함유하는 생/광분해성 포장재배용 필름을 제시하고 있으나, 필름의 가공성을 위해 사용하는 폴리에틸렌이 함유되어 있어 이를 완전히 분해하기 어려운 문제가 있었다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 국내에서 흔히 볼 수 있는 왕겨와 쌀겨 등을 이용하면 포장 작물의 생육환경에서 적합한 강도를 보유하며 일정시간 경과후 완전히 분해가능한 생분해성 및 광분해성을 가진 필름을 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 포장작물 재배 과정에서 적절한 강도를 가지며 재배기간 경과 후에는 생분해, 광분해가 됨으로써, 비닐 수거비용 및 처리비용을 경감할 수 있는 생분해성, 광분해성 바이오 필름 및 이를 제조하는 방법의 제공에 그 목적이 있다.

본 발명은 왕겨 20 ~ 50 중량%, 쌀겨 5 ~ 15 중량%, 전분 1 ~ 15 중량%, 이산화티탄 1 ~ 5 중량% 및 생분해성 폴리에스터 20 ~ 60 중량%를 포함하는 생분해성, 광분해성 바이오 필름을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 분쇄기를 사용하여 왕겨 및 쌀겨를 분쇄하는 단계; 분쇄된 왕겨 및 쌀겨를 전분, 이산화티탄과 함께 혼합기에 투입하고, 혼합 혼련하여 성형용 혼합물을 제조하는 단계; 상기 성형용 혼합물을 생분해성 폴리에스터와 함께 120 ~ 190℃ 에서 압출 가공하여 0.03 ~ 1.0 mm 두께의 필름을 형성시키는 단계; 를 포함하는 생분해성, 광분해성 바이오 필름의 제조방법을 그 특징으로 한다.

본 발명의 조성으로 제조된 생분해성, 광분해성 바이오 필름은 왕겨, 쌀겨 및 전분 등을 이용함으로써 원료 수급이 용이하고, 포장용 필름으로 적용할 경우 포장작물의 생육과정 중에는 적합한 강도를 보유하며, 작물 재배기간인 약 6개월 경과 후에는 서서히 분해되므로 환경오염 및 환경호르몬 발생 등의 문제점을 해결할 수 있고, 또한 포장 재배 후 필름 수거비용 내지는 처리비용을 경감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 조성으로 제조된 왕겨 및 쌀겨를 함유하는 생분해성, 광분해성 바이오 필름의 사진이다.
도 2는 실시예 1 ~ 3에서 제조한 본 발명의 생분해성, 광분해성 바이오 필름의 인장력 평가시험 결과이다.
도 3은 상용화된 포장용 필름의 인장력 평가시험 결과이다.

이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.

본 발명은 왕겨, 쌀겨 및 전분을 함유하여 포장작물의 생육기간에는 적절한 강도를 유지함과 동시에 생육기간이 경과된 이후에는 토양에서 생분해됨으로써 경작 후 필름 수거를 필요치 않는 생분해성, 광분해성 바이오 필름에 관한 것이다.

상기 왕겨는 생분해성, 광분해성 바이오 필름에 강도를 부여하기 위해 사용하며, 포장재배시 작물의 생육에 따라 분해가 용이하게 이루어지도록 입도를 조정한 분말형태로 사용한다. 구체적으로는 120 ~ 250 메시의 입도를 갖는 왕겨 분말을 적절히 선택하여 사용하는데, 입도가 낮을수록 필름의 경도가 높아지나 120 메시 미만일 경우 가공성이 저하되고 가공된 필름의 표면상태와 연질성이의 표면이 거칠어지는 문제가 있을 수 있으며, 입도가 높을수록 필름 우수해지나 입도가 250 메시를 초과하면 효과상의 실익은 미미한 반면 과도한 분쇄에 따른 제조단가 상승의 문제가 있을 수 있다. 따라서 바람직하기로는 경도와 연질성을 조정하기 위해 상기 범위내의 입도를 갖되, 입도가 다른 2종 이상의 왕겨를 혼합사용하는 것이 좋다. 왕겨는 본 발명의 필름 조성물 중 20 ~ 50 중량%로 사용하는데, 왕겨의 함유량이 20 중량% 미만일 경우 생분해성이 저하되어 포장재배용 필름으로 적용하기 어려운 문제가 있을 수 있으며, 50 중량%를 초과하면 가공성 저하로 필름생산 과정상 문제가 있을 수 있다.

상기 쌀겨는 필름에 생분해성 및 연질성을 부여하기 위해 사용한다. 쌀겨는 왕겨보다 분자구조가 치밀하여 같은 입도의 왕겨보다 연질성 부여 효과가 더 좋다. 쌀겨 역시 왕겨와 마찬가지로 입도가 조정된 분말 형태로 사용되는데, 바람직한 입도는 120 ~ 200 메시이다. 입도가 낮을수록 필름의 생분해성이 우수해지나 입도가 120 메시 미만일 경우 생산성에 문제가 있을 수 있으며, 입도가 높을수록 필름의 연질성이 우수해지나 입도가 200 메시를 초과하는 경우 과도한 분쇄에 따른 제조단가 상승의 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위의 것을 사용하는 것이 좋다. 쌀겨는 본 발명의 필름 조성물 중 5 ~ 15 중량%로 사용하는데, 쌀겨의 함유량이 5 중량% 미만일 경우 생분해성에 문제가 있을 수 있고, 15 중량%를 초과하면 가공성 저하의 문제가 있을 수 있다.

본 발명에서 사용하는 전분은 바인더로 이용되며, 비변성 전문을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 비변성 전분은 음이온성인 천연 전분으로서, 별도의 물리적, 화학적 처리 등을 거치지 않으므로, 제조 과정을 비교적 단순화할 수 있고 제조 원가를 절감할 수 있다. 이러한 비변성 전분으로서는 아밀로오스 함량이 40 중량% 이하의 옥수수, 찰옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 쌀, 찹쌀, 밀, 보리, 기타 종실류 등에서 유래한 것을 이용할 수 있으며, 특히 옥수수, 감자, 밀, 쌀, 타피오카 및 고구마 중에서 선택한 1종 이상으로부터 유래된 전분을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 비변성 전분의 경우, 통상 500 meq 이상의 음이온 전하를 가지므로 자신들끼리 서로 뭉치는 경향이 있는데, 이에 따라 분자간 결합에너지가 약해져 전반적인 강도와 내수성이 약해진다. 그러나, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 왕겨와 쌀겨 분말을 사용하므로 전분이 서로 뭉치는 현상을 감소시킬 수 있어, 필름의 인장 강도, 저항성 등 전반적인 기계적 강도를 높일 수 있다. 전분의 사용량은 1 ~ 15 중량%가 바람직한데, 사용량이 너무 적으면 점착성이 낮아져 바인더로서의 역할을 하기에 불충분하며, 반대로 15 중량%를 초과하여 사용하면 상대적으로 왕겨 및 쌀겨의 비율이 감소되므로 필름의 기계적 강도가 저하될 수 있다.

본 발명에 따른 주요 구성 요소인 이산화티탄(TiO₂)은 유탁제로 쓰이거나 결정유에서 결정 생성을 돕는 역할을 하며 유약 표면을 부드럽게 하는 역할도 하는데, 본 발명에서는 필름에 광분해성을 부여하기 위해 사용한다. 사용량은 필름 조성물 중 1 ~ 5 중량%가 바람직한데, 사용량이 너무 적으면 광분해성을 부여할 수 없으며, 너무 많이 사용하면 생산성, 연질성 및 강도저하의 문제가 있을 수 있다.

상기 생분해성 폴리에스터는 필름의 탄성과 인장강도를 유지하기 위해 사용된다. 구체적으로 생분해성 폴리에스터로는 폴리락타이드, 폴리글리콜산, 폴리히드록시부틸산, 폴리부틸렌 숙시네이트 아디페이트 공중합체, 테레프탈산과 아디프산 및 1,4-부탄디올의 삼원공중합체, 폴리히드록시알카노에이트 및 폴리카프로락톤 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있다. 생분해성 폴리에스터의 사용량은 필름 조성물 중 20 ~ 60 중량%가 바람직한데, 사용량이 20 중량% 미만이면 생분해성에 문제가 있을 수 있고, 60 중량%를 초과하여 사용하면 연질성, 혼련성 및 단가상승의 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 생분해성, 광분해성 바이오 필름은 필요에 따라 분해력을 증가시키기 위해 탄산칼슘(CaCO₃)을 추가로 포함할 수 있다. 탄산칼슘을 포함하는 경우 필름 조성물 중 0.5 ~ 30 중량%로 함유하는 것이 바람직한데, 탄산칼슘의 함유량이 0.5 중량% 미만이면 첨가에 따른 효과상의 실익이 미미하며, 반대로 탄산칼슘의 함유량이 너무 많은 경우 연질성에 문제가 있을 수 있으므로, 필름 조성물 중 30 중량% 이하로 사용하는 것이 바람직하다. 또한 필요에 따라 통상의 첨가제 예를 들면, 가공조제, 이형제, 보존제, 무기충진제, 백색증진제, 건조제, 열안정제, 형광제 등을 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서 배합할 수 있다.

또한, 본 발명은 생분해성, 광분해성 바이오 필름의 제조방법에 관한 것으로서, 다음과 같은 과정을 거쳐 필름의 형태로 가공할 수 있다.

먼저 통상의 분쇄기를 사용하여 목적하는 생분해성, 광분해성 바이오 필름의 물성에 맞게 왕겨 및 쌀겨를 분쇄한다. 이후, 분쇄된 왕겨 및 쌀겨를 전분, 이산화티탄과 함께 혼합기에 투입한 후 20 ~ 30분 동안 혼합 혼련하여 성형용 혼합물을 제조한다. 상기 성형용 혼합물을 생분해성 폴리에스터와 함께 120 ~ 190℃ 에서 압출 가공하여 두께 0.03 ~ 1.0 mm 수준의 필름을 형성시키는 것으로 완성한다.

본 발명의 조성으로 제조된 생분해성, 광분해성 바이오 필름은 포장작물 재배시 포장용 필름으로 적용할 경우 작물의 생육기간 중에는 토양을 피복하여 잡초의 발생을 경감하고, 생분해성, 광분해성 재료의 사용으로 일정기간 이후에는 토양중에서 분해가 가능하여 환경오염 및 환경호르몬 발생 등의 문제점을 해결할 수 있고, 또한 포장 재배 후 필름 수거비용 내지는 처리비용을 경감할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

120 ~ 150 메시의 왕겨분말 30 중량%, 120 ~ 150 메시의 쌀겨분말 10 중량%, 옥수수 전분 5 중량% 및 이산화티탄 3 중량%를 혼합기에 투입하고 혼련하여 성형용 혼합물을 제조하였다. 제조된 성형용 혼합물을 폴리락타이드 52 중량%와 함께 이축압축기에 투입하고 180℃에서 압축 가공하여 두께 0.05 mm의 생분해성, 광분해성 바이오 필름을 제조하였다.

실시예 2

200 ~ 250 메시의 왕겨분말 15 중량%, 150 ~ 200 메시의 왕겨분말 15 중량%, 120 ~ 150 메시의 쌀겨분말 5 중량%, 옥수수 전분 10 중량% 및 이산화티탄 3 중량%를 혼합기에 투입하고 혼련하여 성형용 혼합물을 제조하였다. 제조된 성형용 혼합물을 폴리락타이드 52 중량%와 함께 이축압축기에 투입하고 185℃에서 압축 가공하여 두께 0.05 mm의 생분해성, 광분해성 바이오 필름을 제조하였다.

실시예 3

200 ~ 250 메시의 왕겨분말 10 중량%, 150 ~ 200 메시의 왕겨분말 20 중량%, 120 ~ 150 메시의 쌀겨분말 10 중량%, 옥수수 전분 10 중량% 및 이산화티탄 3 중량%를 혼합기에 투입하고 혼련하여 성형용 혼합물을 제조하였다. 제조된 성형용 혼합물을 폴리락타이드 47 중량%와 함께 이축압축기에 투입하고 185℃에서 압축 가공하여 두께 0.03mm 의 생분해성, 광분해성 바이오 필름을 제조하였다.

비교예

대조군으로 두께가 0.03 mm인 농업용 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 필름(갈매기표, 황금플라스틱)을 선택하였다.

구 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3
왕겨(200~250 메시)	중량%	-	15	10
왕겨(150~200 메시)	중량%	-	15	20
왕겨(120~150 메시)	중량%	30	-	-
쌀겨(120~150 메시)	중량%	10	5	10
전분	중량%	5	10	10
이산화티탄	중량%	3	3	3
폴리락타이드	중량%	52	52	47

물성측정시험

상기 실시예 1 ~ 3에서 제조한 필름과 상용화된 저밀도 폴리에틸렌 필름의 기계적 특성을 분석하기 위해 KS M3001 규격에 따라 샘플을 취하고 독일 Zwick社의 만능재료 시험기(Instron)를 이용해 필름의 기계적 특성을 분석하였다. 실시예 1 ~ 3의 결과는 도 1와 같으며, 비교예인 상용화된 저밀도 폴리에틸렌 필름은 시편 4개를 취하여 시험하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 분석은 standard force(N)와 strain(%)을 계산하여 비교하였다.

도 1 및 2에서 보이는 바와 같이 실시예 1 ~ 3에 의해 생산된 3종류의 필름은 1차 breakpoint의 강도가 9 ~ 14 N로서, 비교예의 농업용 필름의 1차 breakpoint의 강도인 5.4 ~ 5.9 N보다 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 ~ 3의 필름은 2차 breakpoint가 15 ~ 20N 이고, 이때의 인장력은 50% strain을 유지하여 강도도 강하고 인장력도 강함을 보였으며, 최대인장력은 280 ~ 320%를 나타내었다. 반면, 비교예인 농업용 비닐은 6 N 이상의 힘이 가해지면 인장력이 300%까지 증가하고, 최대 600%까지 증가해 적은 힘에도 잘 늘어나고 잘 끊어지지 않는 성질을 가짐을 확인하였다.

결국 본 발명의 생분해성, 광분해성 바이오 필름은 포장용 비닐로 적용하기에 적합한 강도를 보유하므로 현재 사용되고 있는 저밀도 폴리에틸렌 필름을 대체하여 환경오염, 환경호르몬 발생, 필름 수거비용 및 처리비용 등의 문제를 해결 가능함을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

120 ~ 250 메시의 왕겨 25 ~ 35 중량%;
120 ~ 150 메시의 쌀겨 5 ~ 15 중량%;
옥수수전분 5 ~ 15 중량%;
이산화티탄 1 ~ 5 중량%; 및
생분해성 폴리에스터 40 ~ 60 중량%;
를 포함하는 생분해성 및 광분해성 바이오 필름.

삭제

삭제

삭제

삭제

120 ~ 250 메시의 왕겨 25 ~ 35 중량%; 120 ~ 150 메시의 쌀겨 5 ~ 15 중량%; 옥수수전분 5 ~ 15 중량%; 이산화티탄 1 ~ 5 중량%; 및 생분해성 폴리에스터 40 ~ 60 중량%;를 포함하는 생분해성 및 광분해성 바이오필름의 제조방법에 있어서,
분쇄기를 사용하여 왕겨와 쌀겨를 분쇄하는 단계;
분쇄된 120 ~ 250 메시의 왕겨와 120 ~ 150 메시의 쌀겨를 옥수수전분, 이산화티탄과 함께 혼합기에 투입하고, 혼합 혼련하여 성형용 혼합물을 제조하는 단계;
상기 성형용 혼합물을 생분해성 폴리에스터와 함께 180 ~ 185℃에서 압출 가공하여 0.03 ~ 0.05 ㎜ 두께의 필름을 성형시키는 단계;
를 포함하는 생분해성 및 광분해성 바이오 필름의 제조방법.

Images