KR101454872B1 - 환경친화적 복합 분해성 고분자 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 필름과 발포시트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 분해성 고분자 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 수지와, 산화촉진제와, 생분해제 및 열전달 촉진제를 포함하여 이루어지는 고분자 수지 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 난분해성 소재인 고분자 수지를 열, 빛, 미생물, 효소 또는 화학반응 등의 복합적 분해작용에 의해 고분자 수지의 분해가 촉진되는 분해성 소재로 만들기 위해, 고분자 수지, 산화촉진제, 생분해제, 열전달촉진제로 조성되는 복합 분해성 고분자 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 필름, 발포시트에 관한 것이다.
플라스틱 소재는 다양성, 기능성 및 경제성 등의 많은 장점을 지녀 풍요로운 삶과 산업화의 발달에 큰 공헌을 해왔으나 플라스틱의 사용량이 증가함에 따라 대량으로 발생하는 각종 폐비닐, 스티로폼, 플라스틱용기 등의 소각이나 매립에 따른 환경호르몬의 발생, 다이옥신검출 및 불완전 연소에 의한 대기오염의 발생 등과 같은 환경오염을 일으키는 주범이 되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 분해성 고분자 수지의 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다. 분해성 고분자는 빛, 열, 수분, 미생물 및 효소 등의 특정한 환경조건하에서 시간이 경과함에 따라 화학적 구조에 변화가 발생해 고분자 수지가 지닌 특성을 상실하여 그 변화를 표준시험방법으로 측정할 수 있는 고분자 수지를 의미하며 생분해성 고분자 수지, 광분해성 고분자 수지 및 복합 분해성 고분자 수지 등으로 분류한다. 현재까지 연구 개발된 분해성 고분자 수지들은 전분, 식물체 및 지방족 폴리에스테르 등의 조성물로 구성된 생분해성 고분자 수지와 비닐 케톤계 공중합체, 에틸렌-일산화탄소 공중합체 등의 조성물로 구성된 광분해성 고분자 수지 등으로 일부 상용화되어 사용되고 있으나 원료 특성상 제품의 다양화에 한계가 있어 최근 국내외적으로 복합 분해성 고분자 수지의 필요성이 대두되고 있다. 복합 분해성 고분자 수지는 열, 빛, 미생물, 효소 및 화학반응 등의 복합적 분해작용에 의해 고분자 수지의 분해가 촉진되는 제품으로 기존 생분해성 고분자 수지의 제품 응용 및 생산성 저하, 광분해성 고분자 수지의 단점 및 고가의 합성 고분자 제품의 단점을 보완한 분해성 수지이다.
종래의 복합 분해성 수지 특허들은 '생분해성 발포 폴리스틸렌계 수지입자의 제조방법'(대한민국 공개특허 10-1995-0003373(공개일자: 1995.02.16)), '복합 분해성 수지 조성물 및 그 제조방법'(대한민국 등록특허 10-0639106(등록일자: 2006.10.20)), '복합분해성 폴리에틸렌 조성물 및 그를 사용한 폴리에틸렌 제품'(대한민국 공개특허 10-2004-0046324(공개일자: 2004.06.05)), '복합분해성 열가소성 중합체 조성물 및 이로부터 제조되는 복합 분해성 열가소성 중합체 제품 및 그의 제조 방법'(대한민국 공개특허 10-2005-0007872(공개일자: 2005년01월21일)), '분해성 폴리스티렌 페이퍼의 제조방법, 그 페이퍼 및 이를 이용한 분해성 식품포장 용기'(대한민국 등록특허 10-0769060(등록일자: 2007년10월16일)), '광분해제가 포함된 통기성 필름 제조용 조성물 및 이를 이용한 통기성 필름'(대한민국 공개특허 10-2009-0055761(공개일자:2009년06월03일)), '퇴비성 패키징 재료와 이의 제조공정'(Degradable/compostable concentrates, process for making degradable/compostable packaging materials and the products thereof)'(미국특허 제5854304호(1998.12.29)), '제어된 수명을 가진 생분해성 중합체 조성물(Biodegradable polymer compositions with controlled lifetimes)'(미국공개특허 US 2006/0160922(공개일자 2006.07.20))등으로 이들은 분해성 수지가 갖는 완전분해가 이루어지지 못하거나 또는 분해기간이 길며 다량의 첨가제들의 조성물로 구성되어 높은 가격 및 제조공정상 등으로 상용화에 많은 문제점이 대두되고 있다.
본 발명은 종래의 복합 분해 고분자 수지가 갖고 있는 제반 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 열, 빛, 미생물, 효소 및 화학반응 등의 복합적 분해작용에 의해 고분자 수지의 분해가 촉진되는 제품의 요구조건을 만족시키기 위해 고분자 수지, 산화촉진제, 생분해제 및 열전달촉진제로 구성되는 복합 분해성 고분자 수지 조성물을 제조함으로써 최종적으로 물, 이산화탄소 및 바이오매스 등으로 완전 분해가 가능하면서 제조비용이 저렴하여 상용화가 가능한 환경친화적 복합 분해성 고분자 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 필름과 발포시트를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고자,
본 발명은 고분자 수지 40~95wt%, 산화촉진제 0.1~20wt%, 생분해제 0.5~30wt%, 열전달 촉진제 0.1~20wt%로 조성되는 복합 분해성 고분자 수지 조성물을 주요 기술 구성으로 한다.
본 발명에 따른 복합 분해성 고분자 수지 조성물은 열, 빛, 미생물, 효소 또는 화학반응 등의 복합적 분해작용에 의해 고분자 수지의 분해가 촉진되는 제품의 요구조건을 만족시키기 위해 고분자 수지, 산화촉진제, 생분해제 및 열전달촉진제 등으로 구성되는 복합 분해성 고분자 수지 조성물을 제조함으로써 최종적으로 매립 및 비매립상태에서 물, 이산화탄소 및 바이오매스 등으로 완전 분해가 가능하고, 제조비용이 저렴하여 상용화가 가능성이 매우 크다는 장점을 갖는다.
이하, 상기의 기술 구성에 대해 구체적으로 살펴보고자 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 환경친화적 복합 분해성 고분자 수지 조성물은 고분자 수지 40~95wt%, 산화촉진제 0.1~20wt%, 생분해제 0.5~30wt%, 열전달 촉진제 0.1~20wt%로 조성된다.
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아크릴, 에틸렌비닐아세테이트 또는 폴리염화비닐의 열가소성 수지 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하나, 상기 제시된 고분자 수지 외에도 고분자 수지라면 특별히 사용에 제한을 두지는 않는다.
상기 고분자 수지는 조성물 전체 양에 대해 40~95wt%의 범위 내로 사용량을 제한하며, 더욱 바람직하게는 60~90wt%의 범위 내에서 사용한다.
상기 고분자 수지의 사용량이 40wt% 미만인 경우에는 제품의 물성이 떨어지는 문제가 있고, 95wt%를 초과하게 되는 경우에는 분해시간이 길어지는 문제가 있기 때문에, 상기 고분자 수지의 사용량은 40~95wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 산화촉진제는 열, 빛 등의 환경에서 고분자 수지의 분해를 가속화시키는 역할을 하는 것으로서, 철 스테아레이트, 구리 스테아레이트, 세륨 스테아레이트 또는 코발트 스테아레이트의 금속 카르복실염 중 선택되는 어느 1종의 화합물을 사용한다.
상기 산화촉진제는 조성물 전체 양에 대해 0.1~20wt%의 범위 내로 사용량을 제한하며, 더욱 바람직하게는 1.0~15wt%의 범위 내에서 사용한다.
상기 산화촉진제의 사용량이 0.1wt% 미만인 경우에는 고분자 수지의 화학 산화반응이 용이하게 이루어질 수 없고, 15wt%를 초과하게 되는 경우에는 수지의 물성이 저하될 우려가 있기 때문에, 상기 산화촉진제의 사용량은 0.1~20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 생분해제는 지방산 에스테르 화합물로 polylactic acid(PLA), polyglycolic acid(PGA), polycaprolactone(PCL), polybutylene succinate(PBS), poly(butylenes adipate-co-terephthalate)(PBAT) 또는 이들의 공중합체 중 선택되는 어느 1종 또는 2종의 혼합물을 사용한다. 그러나 상기한 생분해제 외에도 생분해제의 기능을 갖는 것이라면 제한 없이 사용이 가능하다.
특히, 지방산 에스테르 화합물은 생분해 기능과 아울러 가수분해되어 단량체의 유기산으로 분해되어 분해된 유기산은 산화촉진제의 촉매로 작용하여 고분자 수지의 화학분해를 가속화시키는 역할을 한다.
상기 생분해제는 조성물 전체 양에 대해 0.5~30wt%의 범위 내로 사용량을 제한하며, 더욱 바람직하게는 1.0~20wt%의 범위 내에서 사용한다.
상기 생분해제의 사용량이 1.0wt% 미만인 경우에는 생분해기능의 저하와 분해된 유기산의 함량이 고분자 수지의 화학분해 촉매로서 역할을 제대로 수행할 수 없고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 경제성이 떨어지고, 수지의 물성이 저하될 우려가 있기 때문에 상기 생분해제의 사용량은 0.1~20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 열전달촉진제는 열전도도가 우수한 소재로서 알루미늄분말(열전도도 220-240 Wㆍm~1ㆍK~1), 산화알루미늄(35-40 Wㆍm~1ㆍK~1), 질화알루미늄(170-190 Wㆍm~1ㆍK~1), 붕소질화물(150-200 Wㆍm~1ㆍK~1), 탄소나노튜뷰(3,180-3,500 Wㆍm~1ㆍK~1), 다이아몬드(1,000-2,000 Wㆍm~1ㆍK~1), 구리분말(350-400 Wㆍm~1ㆍ K~1) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용한다. 그러나 상기 열전달촉진제 외에도 열전달촉진 기능을 갖는 것이라면 제한 없이 사용이 가능하다.
특히, 상기 열전달촉진제는 무기물로 구성되어 있어 고분자 수지의 보강제 역할과 아울러 열전달 속도를 증가시켜 고분자 수지의 분해를 촉진시킨다. 일반적으로 고분자수지(열전도도 0.04-0.2 Wㆍm~1ㆍK~1), 탄산칼슘(1.2-1.4 Wㆍm~1ㆍK~1) 및 실리카(0.4-2.0 Wㆍm~1ㆍK~1) 등은 매우 낮은 열전도도 값을 지닌다.
상기 열전달촉진제는 조성물 전체 양에 대해 0.1~20wt%의 범위 내로 사용량을 제한하며, 더욱 바람직하게는 1.0~15wt%의 범위 내에서 사용한다.
상기 열전달촉진제의 사용량이 0.1wt% 미만인 경우에는 열전달속도가 낮아 고분자 수지의 화학 산화반응이 용이하게 이루어질 수 없고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 압출성 및 경제성이 떨어지고, 수지의 물성 저하를 일으킬 수 있기 때문에 상기 열전달촉진제의 사용량은 복합 분해성 고분자 수지 조성물의 전체 양에 대해 0.1~20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 기술 구성을 실시예를 통해 더 구체적으로 살펴보고자 한다.
먼저, 복합 분해성 고분자 수지 조성물 중 고분자 수지와 생분해제는 펠렛(pellet)을 사용하고, 산화촉진제와 열전달촉진제는 고체상 분말로 되어 있기 때문에, 균일한 제품과 압출성을 고려하여 마스터배치를 제조하여 하기의 표 1 및 표 2에 제시된 조성물들로 혼련하여 압출기를 이용하여 필름 또는 발포시트를 성형한다.
또한 본 발명에 따라 성형된 제품들의 분해도를 측정하기 위해 ASTM D5247 규격에 명시된 고분자 수지의 평균 분자량 분표의 변화를 조사하였으며 평균분자량은 GPC 기기를 이용하여 측정하였다.
그리고 각 조성물로 혼련하여 성형된 제품들은 KS M ISO 4892-3:2002 규격에 의해 UV 조사를 하였으며, 조사 시간에 따라 분해된 제품들의 평균분자량을 측정하여 비교하였다. UV 조사는 60℃에서 4시간 UV조사 후 4시간 물에 접촉시키기를 반복하는 방법으로 시행했으며, UV 조사량은 340nm에서 0.76 W/㎡이다 .
또한 성형된 발포시트의 강도를 측정하기 위해 ASTM D 790 방법에 준해 3점 굴곡강도 시험을 행하였다.
하기 표 1에, 고분자 수지로서 고밀도 폴리에틸렌(한화제품 3081, HDPE)을 사용하여 조성된 복합 분해성 폴리에틸렌 조성물(실시예 1~4)과, 이와 같이 제시된 조성물을 이용하여 성형된 0.1mm 필름에 14일 동안 UV를 조사한 후의 평균분자량을 나타내었다.
중량% | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 |
HDPE | 82 | 82 | 83.5 | 83.5 | 87 | 97 | 100 |
PLA | 10 | - | 5 | - | - | - | - |
PBAT/PLA (50:50) |
- | 10 | - | 5 | 10 | - | - |
세륨스테아레이트 | 3 | 3 | 1.5 | 1.5 | 3 | 3 | - |
산화알루미늄 | 5 | 5 | 10 | 10 | - | - | - |
UV조사후 필름의 평균분자량 |
10,045 |
9,471 |
16,763 |
14,749 |
25,136 |
130,017 |
153,905 |
표 1에서 보듯이, 비교예 3의 UV 조사 전 HDPE 필름의 평균분자량은 169,294에서 UV 조사 후에는 153,905로 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
그리고, 비교예 2는 산화촉진제로 세륨스테아레이트만 첨가된 조성물로 평균분자량은 약간 감소 추세에 있다.
그러나 비교예 1의 산화촉진제인 세륨스테아레이트와 생분해제인 PBAT/PLA 공중합체의 조성물로 제조된 필름에서는 평균분자량의 많은 감소변화를 보여주고 있다. 이는 생분해제인 PBAT/PLA 공중합체가 가수분해되어 단량체의 락트산과 아디픽산 등의 유기산 분위기에서 세륨 스테아레이트의 산화반응을 가속화에 기인된다.
또한 실시예 1, 2, 3 및 4에서는 비교예 1에 열전달촉진제로서 산화알루미늄을 첨가했을 때 필름의 평균분자량은 더욱 감소함을 알 수 있다. 이는 산화알루미늄이 열전달속도를 증가시켜 산화반응을 촉진하기 때문으로 사료된다.
하기 표 2에, 고분자 수지로서 폴리스티렌(금호석유제품 GP 125, PS)을 사용하여 조성된 복합 분해성 폴리스티렌 조성물(실시예 5~8)과, 이와 같이 제시된 조성물을 이용하여 성형된 2mm 발포시트들로 14일 및 28일 동안 UV를 조사한 후의 평균분자량 측정결과와 아울러 3중 굴곡강도 시험 결과를 나타내었다.
중량% | 실시예 5 | 실시예 6 | 실시예 7 | 실시예 8 | 비교예 4 | 비교예 5 | 비교예 6 |
PS | 79 | 79 | 81 | 81 | 84 | 94 | 100 |
PLA | 10 | - | 6 | - | - | - | - |
PBAT/PLA (50:50) |
- | 10 | - | 6 | 10 | - | - |
세륨스테아레이트 | 6 | 6 | 3 | 3 | 6 | 6 | - |
질화알루미늄 | 5 | 5 | 10 | 10 | - | - | - |
평균분자량 (14일) |
59,394 | 56,251 | 80,563 | 76,749 | 106,917 | 487,133 | 528,871 |
평균분자량 (28일) |
20,586 | 18,217 | 37,339 | 34,879 | 88,621 | 459,117 | 507,144 |
강도 (N/mm2) |
8.2 | 9.5 | 5.8 | 6.5 | 11.8 | 2.1 | 4.2 |
표 2에서 보듯이 비교예 6의 UV 조사 전 PS 발포시트의 평균분자량은 571,753으로 UV 조사 후에는 520,315로 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
비교예 5는 산화촉진제로 세륨 스테아레이트만 첨가된 조성물로 평균분자량은 약간 감소 추세에 있다.
그러나 비교예 4의 산화촉진제인 세륨 스테아레이트와 생분해제인 PBAT/PLA 공중합체의 조성물로 구성되어 있는 발포시트에서는 평균분자량의 많은 감소변화를 보여주고 있다.
이는 생분해제인 PBAT/PLA 공중합체가 가수분해되어 단량체의 락트산과 아디픽산 등의 유기산 분위기에서 세륨 스테아레이트의 산화반응을 가속화에 기인된다. 또한 실시예 5, 6, 7 및 8에서는 비교예 4에 열전달촉진제로서 열도성이 우수한 질화알루미늄을 첨가했을 때 발포시트의 평균분자량은 더욱 감소됨을 알 수 있다. 이는 질화알루미늄이 열전달속도를 증가시켜 산화반응을 촉진시키기 때문으로 사료된다. 또한 생분해제로 PLA 와 PBAT/PLA 각 첨가시 조성물의 평균분자량의 변화는 거의 유사한 결과를 나타내고 있다.
또한 굴곡강도는 비교예 6의 발포시트는 4.2 N/㎟의 값을 나타내고 있으나 실시예 5~8의 조성물로 구성된 발포시트는 이보다 높은값을 지니고 있다. 이는 생분해제로 PLA, PBAT/PLA들이 첨가되어 시트의 탄성효과를 증가시켰기 때문으로 사료된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 환경친화적 복합 분해성 고분자 수지 조성물은 물, 이산화탄소 및 바이오매스 등으로 완전 분해가 가능하고, 제조비용이 저렴하여 산업상 이용가능성이 매우 크다.
Claims (7)
- 고분자 수지, 산화촉진제, 생분해제, 열전달촉진제로 조성되는 복합 분해성 고분자 수지 조성물에 있어서,
상기 복합 분해성 고분자 수지 조성물은 폴리스티렌으로 된 고분자수지 40~95wt%와,
세륨스테아레이트로 된 산화촉진제 0.1~20wt%와,
poly(butylene
adipate-co-terephthalate)/polylactic acid 공중합체(PBAT/PLA 공중합체)로 된 생분해제 0.5~30wt%와,
질화알루미늄으로 된 열전달촉진제 0.1~20wt%의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 하는 환경친화적 복합 분해성 고분자 수지 조성물. - 삭제
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2013
- 2013-07-01 KR KR20130076440A patent/KR101454872B1/ko active IP Right Grant
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