KR101383866B1 - 생분해성 폴리스티렌 포장재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생분해성 폴리스티렌 포장재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리스티렌에 전분계 중합체가 혼합된 생분해성 폴리스티렌 시트를 이용한 생분해성 폴리스티렌 포장재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 생분해성 폴리스티렌 포장재의 제조 방법에 의하면, 전분계 중합체를 원료로 사용함으로써 발생하는 압출 성형의 어려움을 압출성형기의 실린더 및 다이스의 온도를 특정함으로써 폴리스티렌 시트의 규격과 품질을 최상으로 유지하고, 금형 공정에서 금형 상판과 하판의 온도를 특정 범위로 한정함으로써 시트를 이용한 포장재의 제작에 최적화된 방법을 제공할 수 있다.

Description

생분해성 폴리스티렌 포장재 및 그 제조 방법{BIODEGRADABLE POLYSTYRENE PACKING MATERIALS AND A MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 생분해성 폴리스티렌 포장재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리스티렌에 전분계 중합체가 혼합된 생분해성 폴리스티렌 시트를 이용한 생분해성 폴리스티렌 포장재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

소득수준의 증가와 식생활의 변화에 따라 인스턴트 식품의 섭취가 많아지면서 위생적이고 편리하며 값싼 일회용 제품의 수요가 증가하고 있는데 도기(陶器)나 유리제품은 보관 장소의 확보, 높은 파손율과 사용 후 세척의 번거로움 등으로 인하여 인스턴트 식품은 대부분 1회용 용기를 사용하고 있다. 또한, 패스트 푸드점, 편의점 및 자동판매기는 대부분 일회용 용기를 사용함으로써 1회용 용기의 사용은 증가되고 있는 추세에 있다.

현재 일회용 용기로는 합성수지인 발포성 폴리스티렌을 일정한 두께로 시트상 발포한 후 진공장치가 부착된 적당한 금형 틀에서 압축하고 급속히 내부 공기를 제거하여 제조한 제품이 가장 널리 사용되고 있으며, 이외 종이에 합성수지인 폴리에틸렌을 피복시켜 제조한 원지를 이용하여 제조한 종이컵 및 종이쟁반 등이 있다.

이러한 일회용 용기류는 여러 가지 우수한 장점으로 인해 사용량이 매년 증가하므로 용기류로 인한 환경오염도 가중되고 있다. 폐기된 일회용 용기류의 처리방법은 각종 쓰레기와 같이 매립되는 경우 토양에 존재하는 전이금속이나 미생물에 의해 거의 분해되지 않으며, 소각의 경우 유독 가스(다이옥신, 일산화탄소 등)가 대량 발생되어 지구 온난화는 물론 인체에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제점을 해결하는 방법으로 폐자원의 재활용이라는 측면에서 재생처리방법에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으나 분리수거에 대한 어려움과 더불어 수거 후에도 혼입된 불순물 제거 등 많은 문제점이 있다.

최근 기존의 합성수지와 성질이 유사하면서 자연계의 미생물에 의해 쉽게 분해되는 생분해성 고분자로는 화학합성을 통한 지방족 폴리에스테르(aliphatic polyester), 발효에 의한 폴리히드록시알카노에이트[poly(hydroxy-alkanoate), PHA] 및 폴리히드록시부틸레이트[poly(hydroxylbutyrate), PHB] 및 이들과 천연고분자인 셀룰로스 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 주로 옥수수, 감자, 타피오카, 고구마, 밀, 쌀 등에서 얻어지는 것으로 자연계에서 가장 손쉽고 저렴하게 얻을 수 있는 천연고분자로서 포도당이 α-1,4 글루코시드 결합으로 이루어진 아밀로스와 포도당이 α-1,4 글루코시드 결합 및 α-1,6 글루코시드 결합을 하고 있는 아밀로펙틴으로 구성되어 있는 물질로서 일반적으로 0∼28%의 아밀로스를 함유하고 있다. 전분은 출처 및 품종에 따라 이화학적 특성 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.

그러나, 이들 변성 전분들은 발포 폴리스티렌과 유사한 물성을 가지며 제조방법이 간단하지만, 천연고분자 외 사용하는 첨가제 중 분해되지 않는 원료의 첨가로 인해 분해성에 문제가 제기되고 있고, 가격 또한 고가이므로 실용화에 있어 어려움을 겪고 있는 실정이다.

KR 10-2006-0036075 A KR 10-2001-0027692 A

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 생분해성을 유지하면서도 기존 폴리스티렌의 물성이 확보되는 폴리스티렌 시트로부터 최상의 금형 조건에 의하여 제조되는 생분해성 폴리스티렌 포장재 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 것을 생분해성 폴리스티렌 포장재의 제조 방법을 제공한다:

(S1) 폴리스티렌, 전분계 중합체 및 핵제 마스타 배치를 혼합하고, 발포제를 투입하여 용융 압출 성형하되, 압출 성형기의 1차 실린더 온도를 160~200℃로 하고, 2차 실린더 온도를 110~140℃로 하고, 다이스 온도를 110~120℃로 하여 생분해성 폴리스티렌 시트를 제조하는 단계; 및

(S2) 상기 단계 (S1)으로부터 제조되는 생분해성 폴리스티렌 시트를 금형기에 투입하여 성형 및 트리밍하여 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하는 단계.

상기 폴리스티렌, 전분계 중합체 및 핵제 마스타 배치는 폴리스티렌 100중량부에 대하여, 전분계 발포성 중합체 100~150중량부 및 핵제 마스타 배치 5~10중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 전분계 중합체는 전분에 석유계 불포화모노머가 그라프팅된 것이 바람직하다.

상기 원료의 혼합에는 제조되는 시트에 원하는 색상을 도입하기 위하여 산수유, 자색고구마, 오미자, 솔잎, 치자, 오디, 검정콩 및 강황으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 식용 작물의 동결 건조 분말 5~10중량부를 더 혼합할 수 있다.

상기 (S2) 단계에서 금형 상판의 온도는 210~230℃이고, 금형 하판의 온도는 200~220℃인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 본 발명의 제조 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제공한다.

본 발명의 생분해성 폴리스티렌 포장재의 제조 방법에 의하면, 전분계 중합체를 원료로 사용함으로써 발생하는 압출 성형의 어려움을 압출성형기의 실린더 및 다이스의 온도를 특정함으로써 폴리스티렌 시트의 규격과 품질을 최상으로 유지하고, 금형 공정에서 금형 상판과 하판의 온도를 특정 범위로 한정함으로써 시트를 이용한 포장재의 제작에 최적화된 방법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 발명자들은 폴리스티렌과 생분해성 중합체인 전분 중합체를 혼합하여 기존의 고온 압출 성형 방법으로 시트를 제조하는 경우 시트의 형태 및 품질 저하의 문제점이 발생함을 인식하고 이러한 문제점을 근본적으로 해결하기 위하여 압출 성형 단계에서의 실린더 및 다이스의 온도를 최적화하면 제조되는 시트의 형태와 품질이 매우 우수하게 유지됨을 확인하였고, 이러한 방법으로 제조된 시트의 포장재 형성을 위한 금형 공정에서도 금형틀의 온도를 특정범위로 한정함으로써 포장재의 품질을 매우 우수하게 유지할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 것을 생분해성 폴리스티렌 포장재의 제조 방법을 제공한다:

(S1) 폴리스티렌, 전분계 중합체 및 핵제 마스타 배치를 혼합하고, 발포제를 투입하여 용융 압출 성형하되, 압출 성형기의 1차 실린더 온도를 160~200℃로 하고, 2차 실린더 온도를 110~140℃로 하고, 다이스 온도를 110~120℃로 하여 생분해성 폴리스티렌 시트를 제조하는 단계; 및

(S2) 상기 단계 (S1)으로부터 제조되는 생분해성 폴리스티렌 시트를 금형기에 투입하여 성형 및 트리밍하여 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하는 단계.

상기 단계 (S1)의 생분해성 폴리스티렌 시트의 제조 단계의 특징은 다음과 같다.

상기 폴리스티렌, 전분계 중합체 및 핵제 마스타 배치는 폴리스티렌 100중량부에 대하여, 전분계 발포성 중합체 100~150중량부 및 핵제 마스타 배치 5~10중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 전분계 발포성 중합체의 함량이 100중량부 미만인 경우에는 생분해성 특성의 발휘가 약하며, 150중량부를 초과하는 경우에는 시트의 성형 및 품질의 저하가 문제된다. 또한 상기 핵제 마스타 배치의 함량이 5중량부 미만인 경우에는 핵제의 역할이 미미하게 되고, 10중량부를 초과하는 경우에는 원료의 분산성에 문제점이 있다.

상기 폴리스티렌은 일반적인 펠릿(pellet) 형태의 것을 사용할 수 있으며, 발포용 폴리스티렌이라면 그 종류에 제한이 없다.

상기 전분계 중합체는 전분에 석유계 불포화모노머가 그라프팅된 것이 바람직하다. 상기 전분은 전분을 저장하는 식물의 종류에 따라 소맥전분, 옥수수전분, 찰옥수수전분, 쌀전분, 찹쌀전분, 마일로전분, 밀전분, 감자전분, 고구마전분, 카사바전분 및 타피오카전분, 사고전분, 칡전분 등을 예로 들 수 있으며, 이를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이들 전분류는 점도, 분자구조, 전분입자의 특성, 겔화도, 물에 대한 용해 안정성, 노화성, 보수성 탄성도 등에 차이가 있으므로 사용 용도에 맞게 선택할 수 있을 것이다. 상기 석유계 불포화모노머는 일반적으로 탄소수 5~10의 불포화 지방족 탄화수소계의 화합물을 의미한다. 상기 그라프팅 방법은 본 발명의 기술분야에서 공지된 어떠한 방법으로도 수행 가능하다.

원료 성분의 혼합 후, 발포제의 존재하에서 용융 압출 공정이 진행된다.

상기 발포제는 프로판 가스, 프레온 가스, 부탄 가스 및 이산화탄소를 예로 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 용융 압출 공정은 1차 실린더, 2차 실린더 및 다이스를 통과하는 과정에서 압출 온도에 특징이 있다.

본 발명의 압출 성형 과정에서는 1차 실린더의 온도를 160~200℃로 하고, 2차 실린더의 온도를 110~140℃로 하고, 다이스의 온도를 110~120℃로 하는 것을 특징으로 한다. 이러한 온도 범위들은 기존의 폴리스티렌 용융 압출 온도에 비하여 20~40℃ 정도 낮은 온도에 해당되며, 이러한 온도 범위에서 최적의 시트 제조가 가능하다. 1차 실린더, 2차 실린더 및 다이스에서의 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 제조되는 시트의 형상 및 품질이 균일하지 못한 문제점이 발생한다.

다이스를 통과한 폴리스티렌 압출물은 사이징, 인취 및 권취 과정을 거쳐 최종 폴리스티렌 시트로 제조될 수 있다. 시트 제조가 완료되면 시트 셀 내부의 안정화를 위하여 숙성 과정을 거치는 것이 바람직하다.

본 발명의 생분해성 폴리스티렌 시트의 제조 방법에는 원료의 혼합 단계에서 폴리스티렌 시트에 원하는 색상을 도입하기 위하여 산수유, 자색고구마, 오미자, 솔잎, 치자, 오디, 검정콩 및 강황으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 식용 작물의 동결 건조 분말 5~10중량부를 더 혼합할 수 있다.

일반적인 폴리스티렌 시트 또는 생분해성 전분이 함유된 폴리스티렌 시트의 경우 백색이나 연한 노란색을 띠는데 사용되는 용도에 따라서 상품성을 높이기 위하여 다양한 색상의 도입이 필요한 경우가 많다.

본 발명에서는 제조되는 폴리스티렌 시트가 1회용 음식 용기 등으로 주로 제조되는 점에 착안하여 합성 색소의 사용 대신 식용 가능한 식용 작물로부터 색상을 얻기 위하여 상기 식용 작물의 다양한 색상을 폴리스티렌 시트에 도입하고자 하였다. 상기 작물들은 물리적 특성이 상이하므로 원료에 혼합되는 방법이 달라질 수 있으나, 동결 건조 방법에 의하여 분말화한 후 원료에 투입되는 것이 일반적일 것이다. 동결 건조 분말의 제조 방법은 공지된 어떠한 방법으로도 수행 가능하다.

이러한 다양한 색상을 나타내는 식용 작물 분말을 첨가하여 제조되는 폴리스티렌 시트는 백색 계통의 단조로운 색감에서 벗어나 첨가되는 작물이 가지는 색상을 자연스럽게 발휘할 수 있는 우수한 효과가 있으며, 인체에 무해한 성분이므로 식품 용기 등으로 적용하는 경우 안전성에 전혀 문제가 발생하지 않는다.

상기 설명된 바와 같은 제조 방법에 따라 제조된 생분해성 폴리스티렌 시트는 시트의 형상과 품질을 균일하게 유지할 수 있으므로 이를 용기 등의 제작에 불량률이 없이 적용할 수 있을 것이다.

또한, 상기 (S2)의 금형 공정의 특징은 다음과 같다.

본 발명의 상기 (S2) 단계에서는 상기 단계 (S1)으로부터 제조되는 생분해성 폴리스티렌 시트를 이용하여 원하는 형상의 금형틀에서 금형함으로써 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조할 수 있다.

상기 금형 공정에서 금형 상판의 온도는 210~230℃이고, 금형 하판의 온도는 200~220℃인 것이 바람직하다. 상기 온도는 제조되는 포장재의 구조에 따라 조절될 수 있으나, 어떠한 경우라도 상기 온도 범위 내인 것이 요구된다.

본 발명의 금형 상판과 하판의 온도 범위는 본 발명의 상기 설명된 생분해성 폴리스티렌 시트를 금형 공정에 적용함에 있어서 최적화된 온도 범위로서 이와 같은 온도 범위로 제조된 금형물은 포장재로서 매우 우수한 물성을 가질 수 있다.

상기 금형 과정이 종료되면 트리밍 과정을 수행하며 이로써 포장재의 제조가 완성된다.

따라서, 본 발명은 본 발명의 생분해성 폴리스티렌 포장재의 제조 방법으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제공한다.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

[실시예]

실시예 1

폴리스티렌 펠렛 1kg, 전분계 발포 소재(주식회사 대상) 1kg 및 핵제 마스타 배치 50g을 혼합하고, 이산화탄소 가스를 주입하면서 압출 성형하였다. 도 1에 도시된 용융 압출기와 같은 장치를 이용하되, 1차 실린더의 온도를 160℃로 하고, 2차 실린더의 온도를 110℃로 하고, 다이스의 온도를 110℃로 하였으며, 사이징, 인취 및 권취 과정을 통하여 생분해성 폴리스티렌 시트를 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 생분해성 폴리스틸렌 시트를 음식 용기 모양의 금형틀에 투입하여 금형 상판의 온도를 220℃로 유지하고 금형 하판의 온도를 210℃로 유지한 채 금형을 하고, 트리밍 공정을 거쳐 음식 용기 모양의 포장재를 제조하였다.

실시예 2

원료의 혼합 과정에서 강황 분말 50g을 더 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일한 방법으로 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하였다.

비교예 1

1차 실린더의 온도를 150℃로 하고, 2차 실린더의 온도를 100℃로 하고, 다이스의 온도를 100℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일한 방법으로 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하였다.

비교예 2

1차 실린더의 온도를 210℃로 하고, 2차 실린더의 온도를 150℃로 하고, 다이스의 온도를 130℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일한 방법으로 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하였다.

비교예 3

금형 상판의 온도를 200℃로 하고, 금형 하판의 온도를 180℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일한 방법으로 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하였다.

비교예 4

금형 상판의 온도를 250℃로 하고, 금형 하판의 온도를 240℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일한 방법으로 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 및 비교예 2로부터 얻어진 폴리스티렌 포장재의 인장강도, 신장율 및 인열강도를 측정하고 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

	인장강도(kg/cm2)	신장율	인열강도(kg/cm)
실시예 1	209	750	90
실시예 2	201	762	87
비교예 1	168	553	71
비교예 2	172	543	66
비교예 3	178	587	73
비교예 4	165	554	71

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 압출 성형기의 실린더 온도 및 다이스 온도와 금형 상판 및 금형 하판의 온도를 본 발명의 온도 범위 내로 하여 제조된 실시예 1 및 실시예 2의 포장재의 경우 상기 온도 범위를 벗어나게 하여 제조된 비교예 1 내지 비교예 4의 포장재에 비하여 인장강도, 신장율 및 인열강도에 있어서 현저히 우수한 물성을 가짐을 확인할 수 있었다.

실험예 2

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 4로부터 얻어진 폴리스티렌 포장재의 색상을 육안으로 관찰하고 아래 표 2에 나타내었다.

	시트의 색상
실시예 1	백색
실시예 2	노란색
비교예 1	백색
비교예 2	백색
비교예 3	백색
비교예 4	백색

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 식용 작물 분말을 혼합하여 제조된 실시예 2의 포장재는 식용 작물 분말을 첨가하지 않은 경우와 달리 강황의 노란색이 포장재에 골고루 나타남을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

1. 다음의 단계를 포함하는 것을 생분해성 폴리스티렌 포장재의 제조 방법:
   (S1) 폴리스티렌, 전분에 석유계 불포화모노머가 그라프팅된 전분계 중합체 및 핵제 마스타 배치를 혼합하고, 발포제를 투입하여 용융 압출 성형하되, 압출 성형기의 1차 실린더 온도를 160~200℃로 하고, 2차 실린더 온도를 110~140℃로 하고, 다이스 온도를 110~120℃로 하여 생분해성 폴리스티렌 시트를 제조하는 단계; 및
   (S2) 상기 단계 (S1)으로부터 제조되는 생분해성 폴리스티렌 시트를 금형기에 투입하여 성형 및 트리밍하여 생분해성 폴리스티렌 포장재를 제조하는 단계.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리스티렌, 전분계 중합체 및 핵제 마스타 배치는 폴리스티렌 100중량부에 대하여, 전분계 발포성 중합체 100~150중량부 및 핵제 마스타 배치 5~10중량부를 혼합하고,
   상기 시트에 원하는 색상을 도입하기 위하여 산수유, 자색고구마, 오미자, 솔잎, 치자, 오디, 검정콩 및 강황으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 식용 작물의 동결 건조 분말 5~10중량부를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
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