KR101550364B1 - 바이오매스를 이용한 바이오 플라스틱 및 이의 제조방법 - Google Patents

바이오매스를 이용한 바이오 플라스틱 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 커피 부산물을 용매로 추출 및 건조하여 지방산을 1차 제거하는 단계; (b) 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물에 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거하는 단계; (c) 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 분쇄하는 단계; (d) 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅하는 단계; 및 (e) 상기 표면코팅된 혼합입자와 플라스틱 원료를 혼합 및 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하는 단계를 포함하는 바이오 플라스틱 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스를 이용한 바이오 플라스틱 및 이의 제조방법{BIO PLASTIC USING BIOMASS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 커피 부산물 등 바이오매스를 이용한 바이오 플라스틱 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
각종 플라스틱 제품의 사용량의 증가에 따라 플라스틱 폐기물량이 기하급수적으로 증가하고 있다. 일반적으로 플라스틱 폐기물은 매립, 소각 또는 재활용하는 방법으로 처리되고 있다. 매립의 경우, 매립된 플라스틱 폐기물의 분해 시간이 매우 오래 소요됨에 따라, 매립 공간의 부족을 유발하고 토양오염을 일으키는 원인이 된다. 또한, 소각의 경우, 유독가스의 발생으로 인해 대기오염은 물론 지구의 온난화 현상을 가중시키는 원인이 된다. 또한, 재활용의 경우, 수거 및 분리에 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라 그에 따른 처리 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 최근에는 빠른 분해성을 부여한 플라스틱 제품이 개발되고 있다.
바이오 플라스틱은 옥수수, 왕겨 등 식물로부터 유래하는 소위 바이오매스를 25 중량% 이상 함유하는 플라스틱을 말하는데, 대기 중의 탄소가 광합성에 의해 고정된 식물 자원을 원료로 사용함으로써 대기 중의 이산화탄소의 농도가 증가되는 것을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되기 때문에 최근 주목을 받고 있다. 이중, 특히 식용으로 사용하기 어려운 농산폐기물, 산업폐기물, 식품공장부산물 등의 비식용계 유기성 폐자원에 속하는 식물체 바이오매스가 친환경적인 탄소중립형 바이오매스 소재로 주목을 받고 있다.
일반적으로, 커피 부산물을 포함하는 셀룰로오스계 부산물은 10 중량% ~ 15 중량%의 지방산이 함유되어 있고, 그 고형분은 kg 당 6000kcal 이상의 고열량을 가진 에너지자원이나, 일부만 유기질 비료의 원료로 사용되고 대부분은 일반 쓰레기와 같이 소각되거나 매립 처리되고 있다.
이와 같은 커피 부산물은 통상 함수율이 20 중량% ~ 40 중량%이기 때문에, 일반적인 방법으로 소각하는데 어려움이 있고, 폐기시 높은 함수율로 인해 발생하는 폐액(pH 약 4.0, COD(화학적 산소요구량) 약 5000, SS(부유물질) 약 13000)이 수질이나 토양을 오염시키게 되는 문제점이 있다. 따라서, 이와 같은 커피 부산물을 활용할 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 (a) 커피 부산물을 용매로 추출 및 건조하여 지방산을 1차 제거하는 단계; (b) 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물에 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거하는 단계; (c) 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 분쇄하는 단계; (d) 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅하는 단계; 및 (e) 상기 표면코팅된 혼합입자와 플라스틱 원료를 혼합 및 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하는 단계를 포함하는 바이오 플라스틱의 제조방법 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 (a) 커피 부산물을 용매로 추출 및 건조하여 지방산을 1차 제거하는 단계; (b) 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물에 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거하는 단계; (c) 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 분쇄하는 단계; (d) 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅하는 단계; 및 (e) 상기 표면코팅된 혼합입자와 플라스틱 원료를 혼합 및 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하는 단계를 포함하는 바이오 플라스틱의 제조방법을 제공한다.
상기 (a)단계에서 용매는 알코올 농도가 90%(v/v) ~ 99%(v/v)인 발효 주정일 수 있다.
상기 (a)단계에서 추출은 20℃ ~ 30℃에서 1시간 ~ 10시간 동안 수행될 수 있다.
상기 (a)단계에서 지방산을 1차 제거한 후 남은 용매는 회수될 수 있다.
상기 (b)단계에서 무기입자의 평균입자크기는 3㎛ ~ 10㎛일 수 있다.
상기 (b)단계에서 무기입자는 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 대비 20 중량% ~ 30 중량% 혼합될 수 있다.
상기 (b)단계에서 무기입자는 탄산칼슘, 실리카, 녹말, 알루미나, 이산화티탄, 탈크, 카올린, 마이카, 세리사이트, 산화아연, 탄산바륨, 황산바륨, 규조토, 탄산마그네슘, 규산마그네슘, 보론나이트라이드, 알루미나, 산화지르코늄, 산화철 및 운모티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 (a)단계에서 건조는 진공 및 90℃ ~ 100℃에서 수행될 수 있다.
상기 (c)단계에서 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 2.5 중량% 이하일 수 있다.
상기 (c)단계에서 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 함수율은 3 중량% 이하일 수 있다.
상기 (d)단계에서 분쇄된 혼합입자의 평균입자크기는 50 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 (d)단계에서 바이오 계면활성제는 친수성기 및 친유성기를 동시에 포함할 수 있다.
상기 (d)단계에서 바이오 계면활성제는 레시틴(Lecithin), 올레인산(Oleic acid), 글리코리피드(Glycolipid), 리포펩타이드(Lipopeptide), 리포프로테인(Lipoprotein), 포스포리피드(Phospholipid) 및 당에스테르(Sugar Esters)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 (e)단계에서 표면코팅된 혼합입자 및 플라스틱 원료의 중량비는 37:63 ~ 45:55일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로, 지방산 함유율이 2.5 중량% 이하인 커피부산물 및 무기입자를 포함하는 혼합입자; 바이오 계면활성제; 및 플라스틱 원료를 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛 조성물로부터 형성된 바이오 플라스틱을 제공한다.
상기 무기입자는 탄산칼슘, 실리카, 녹말, 알루미나, 이산화티탄, 탈크, 카올린, 마이카, 세리사이트, 산화아연, 탄산바륨, 황산바륨, 규조토, 탄산마그네슘, 규산마그네슘, 보론나이트라이드, 알루미나, 산화지르코늄, 산화철 및 운모티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 바이오 계면활성제는 친수성기 및 친유성기를 동시에 포함하고, 상기 혼합입자를 표면코팅하는 것일 수 있다.
상기 바이오 계면활성제는 레시틴(Lecithin), 올레인산(Oleic acid), 글리코리피드(Glycolipid), 리포펩타이드(Lipopeptide), 리포프로테인(Lipoprotein), 포스포리피드(Phospholipid) 및 당에스테르(Sugar Esters)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 플라스틱 원료는 상기 바이오 플라스틱 펠렛 조성물 대비 55 중량% ~ 63 중량%일 수 있다.
본 발명에 따르면, 커피 부산물을 용매로 추출 및 건조하여 지방산을 1차 제거한 후, 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거함으로써, 커피 부산물 내 지방산 함유율 및 함수율을 최소화시킬 수 있다.
또한, 상기 지방산이 2차 제거된 커피부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 용이하게 분쇄할 수 있고, 이를 바이오 계면활성제로 표면코팅함으로써, 플라스틱 원료와 결합력을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분쇄된 혼합입자의 입자크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 플라스틱 펠렛 조성물의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 (a) 실시예 1에 따른 바이오 플라스틱 제품 사진 및 (b) 비교예 1에 따른 바이오 플라스틱 제품 사진을 비교한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
바이오 플라스틱의 제조방법
본 발명은 (a) 커피 부산물을 용매로 추출 및 건조하여 지방산을 1차 제거하는 단계; (b) 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물에 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거하는 단계; (c) 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 분쇄하는 단계; (d) 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅하는 단계; 및 (e) 상기 표면코팅된 혼합입자와 플라스틱 원료를 혼합 및 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하는 단계를 포함하는 바이오 플라스틱의 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은 커피 부산물로부터 지방산을 복합적인 방법으로 제거한 것에 기술적 특징이 있는 것으로, 커피 부산물 내 지방산 함유율 및 함수율을 최소화시킬 수 있다.
또한, 상기 지방산이 2차 제거된 커피부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅한 것에 추가적인 기술적 특징이 있는 것으로, 플라스틱 원료와 결합력을 높일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은 커피 부산물을 용매로 추출하여 지방산을 1차 제거하는 단계[(a) 단계]를 포함한다.
본 발명에서는 바이오 플라스틱을 제조하기 위한 바이오매스로서 커피 부산물을 이용한다.
본 명세서 내 '커피 부산물'이라 함은 커피 열매에서 커피를 추출하고 남은 찌꺼기를 말하는 것으로, 커피 부산물은 드립커피(더치커피) 또는 인스턴트커피 제조 후 발생될 수 있다. 특히, 드립커피(더치커피) 제조 후 발생되는 찌꺼기는 지방산 함유율이 약 20~30 중량%로 높아, 이를 바이오 플라스틱을 제조하기 위한 바이오매스로 그대로 사용하는 경우 지방산 성분으로 인해 끈적거림 현상으로 바이오 플라스틱의 품질이 크게 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 커피 부산물, 특히, 드립커피(더치커피) 부산물의 지방산의 효과적인 제거는 필수적이다.
상기 지방산의 1차 제거는 커피부산물의 용매 추출 및 건조를 통해 이루어질 수 있는데, 상기 지방산을 1차 제거하기 위한 용매로는 알코올 농도가 90%(v/v) ~ 99%(v/v)인 발효 주정을 사용하는 것이 바람직하고, 알코올 농도가 95%(v/v) ~ 99%(v/v)인 발효 주정을 사용하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 발효 주정은 효모에 의하여 당분을 발효시키는 방법으로 제조된 에탄올의 일종으로, 식물성 유래 용매에 해당하므로 친환경적인 이점이 있다. 이때, 발효 주정의 알코올 농도는 상기 범위를 유지함으로써, 커피 부산물 내 지방산을 효과적으로 추출할 수 있는 이점이 있다.
상기 추출은 상온(20~30℃)에서 1시간 ~ 10시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 상온에서 3시간 ~ 4시간 동안 수행되는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 추출 속도는 온도에 의존하나, 상온에서 추출이 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 추출 온도가 너무 낮은 경우, 지방산 추출이 효과적으로 이루어지지 않는 문제점이 있고, 추출 온도가 너무 높은 경우, 불필요한 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
상기 건조는 진공 건조, 열풍 건조, 기류 건조 등 다양한 공지의 방법을 통해 수행될 수 있으며, 진공 및 90℃ ~ 100℃에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 건조가 90℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 느린 건조 속도로 인하여 생산성에 문제점이 있고, 건조가 100℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 건조 비용이 높아지는 문제점이 있고, 수분이 함유된 커피 부산물에서 오일, 즉, 정유(精油)가 생길 수 있는 문제점이 있다.
상기와 같이 지방산을 1차 제거한 후 남은 용매는 원심분리기에 의해 분리되어 회수될 수 있고, 회수된 남은 용매는 추가 교반기를 통해 제올라이트, 벤토나이트 등을 통해 유분 및 수분을 제거한 후, 다시 커피 부산물의 지방산 1차 제거를 위해 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물에 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거하는 단계[(b) 단계]를 포함한다.
상기 지방산의 2차 제거는 커피부산물에 무기입자의 혼합을 통해 제어됨으로써 이루어질 수 있는데, 상기 무기입자는 1차 제거된 커피 부산물 내 존재하는 지방산 및 수분을 추가로 흡수하기 위한 것으로, 최종 제조되는 바이오 플라스틱의 파단력 및 전단력과 같은 기계적 물성을 높이는 역할을 한다.
상기 무기입자의 평균입자크기는 3㎛ ~ 10㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 평균입자크기가 3㎛ 미만인 경우, 과도한 인력으로 인하여 뭉쳐 커피 부산물 내에 제대로 함침되지 않는 문제점이 있고, 평균입자크기가 10㎛를 초과하는 경우, 무기입자의 입경이 커서 커피 부산물 내에 제대로 함침되지 않는 문제점이 있다.
상기 무기입자는 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 대비 20 중량% ~ 30 중량% 혼합되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 무기입자의 함량이 20중량% 미만인 경우, 혼화가 잘 안되는 문제점이 있고, 무기입자의 함량이 30 중량%를 초과하는 경우, 최종 제조되는 바이오 플라스틱의 기계적 물성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
상기 무기입자는 탄산칼슘, 실리카, 녹말, 알루미나, 이산화티탄, 탈크, 카올린, 마이카, 세리사이트, 산화아연, 탄산바륨, 황산바륨, 규조토, 탄산마그네슘, 규산마그네슘, 보론나이트라이드, 알루미나, 산화지르코늄, 산화철 및 운모티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
상기 혼합 후, 선택적으로 건조가 수행될 수 있다. 상기 건조는 진공 건조, 열풍 건조, 기류 건조 등 다양한 공지의 방법을 통해 수행될 수 있으며, 90℃ ~ 100℃에서 진공으로 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 건조가 90℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 느린 건조 속도로 인하여 생산성에 문제점이 있고, 건조가 100℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 건조 비용이 높아지는 문제점이 있고, 수분이 함유된 커피 부산물에서 오일, 즉, 정유(精油)가 생길 수 있는 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 분쇄하는 단계[(c) 단계]를 포함한다.
상기와 같이 지방산이 2차 제거된 커피 부산물은 커피 부산물 내 지방산 함유율이 최소화된 것을 특징으로 하는바, 커피 부산물이 서로 뭉쳐지지 않아 혼합입자를 고르게 분쇄할 수 있다. 상기 분쇄는 분쇄 효율을 고려하여 건조 분쇄 또는 수분 분쇄 중 선택할 수 있고, 볼밀링 또는 핀밀링 등 다양한 공지의 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 2.5 중량% 이하, 바람직하게 2.1 중량% 이하일 수 있고, 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 함수율은 3 중량% 이하, 바람직하게 1 중량% 이하일 수 있다. 이와 같이, 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율 및 함수율이 최소로 유지되는 것은 커피 부산물로부터 지방산을 복합적인 방법으로 제거한 결과에 따른 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅하는 단계[(d) 단계]를 포함한다.
상기 분쇄된 혼합입자의 평균입자크기는 50 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 40 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 분쇄된 혼합입자의 최대입자크기는 300 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 250 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같이, 상기 분쇄된 혼합입자의 입자크기가 작으면서도 고르게 분산되는 것은 커피 부산물 내 낮은 지방산 함유율 및 함수율로 인한 결과에 크게 의존한 결과이다.
상기 바이오 계면활성제는 상기 분쇄된 혼합입자를 중심으로 미셸 (micelle) 구조를 형성하며 표면코팅할 수 있다. 상기 바이오 계면활성제는 친수성기 및 친유성기를 동시에 포함할 수 있는데, 상기 바이오 계면활성제의 친수성기는 분쇄된 혼합입자의 표면을 향해 회합되고, 상기 바이오 계면활성제의 친유성기는 외측을 향해 회합되는 구형 미셸(micelle) 구조를 형성할 수 있다.
상기 바이오 계면활성제는 레시틴(Lecithin), 올레인산(Oleic acid), 글리코리피드(Glycolipid), 리포펩타이드(Lipopeptide), 리포프로테인(Lipoprotein), 포스포리피드(Phospholipid) 및 당에스테르(Sugar Esters)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
즉, 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅함으로써, 상기 분쇄된 혼합입자의 표면을 친유성기로 개질시켜, 플라스틱 원료와 결합력을 높일 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은 상기 표면코팅된 혼합입자와 플라스틱 원료를 혼합 및 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하는 단계[(e) 단계]를 포함한다.
상기 표면 코팅된 혼합입자 및 플라스틱 원료의 중량비는 37:63 ~ 45:55인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 표면코팅된 혼합입자 및 플라스틱 원료의 중량비가 37:63 미만인 경우, 최종 제조되는 바이오 플라스틱의 분해 속도가 현저히 저하되는 문제점이 있고, 표면코팅된 혼합입자 및 플라스틱 원료의 중량비가 45:55를 초과하는 경우, 기계적 물성을 현저히 떨어뜨리는 문제점이 있다. 본 발명에서는 커피부산물이 지방산 함유율을 2.5 중량% 이하로 유지하기 때문에, 표면코팅된 혼합입자 및 플라스틱 원료의 중량비가 상기 범위를 유지하더라도, 최종 제조되는 바이오 플라스틱은 충분히 우수한 기계적 물성을 유지할 수 있는 것이다.
상기 플라스틱 원료는 폴리프로필렌계 원료, 폴리에틸렌계 원료, 폴리스티렌계 원료, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌계 원료 등일 수 있고, 폴리프로필렌계 원료의 기계적 물성이 뛰어나므로 가장 적합하다. 구체적으로, 폴리프로필렌계 원료 중, 프로필렌 단독중합체, 프로필렌-에틸렌 공중합체, 변성 프로필렌 단독중합체, 변성 프로필렌-에틸렌 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 압출은 일축, 이축 또는 니더 압출기 등을 사용하여 다양한 공지의 방법을 통해 수행되어 바이오 플라스틱 펠렛을 제조할 수 있다.
상기 제조되는 바이오 플라스틱 펠렛을 사출 또는 압출 등 다양한 공지의 방법으로 추가 성형함으로써, 바이오 플라스틱을 최종 제조할 수 있다. 이때, 최종 제조되는 바이오 플라스틱은 지방산 함유율을 최소화하였는바, 품질 및 파단력 및 전단력과 같은 기계적 물성이 뛰어나다.
바이오 플라스틱
또한, 본 발명은 지방산 함유율이 2.5 중량% 이하인 커피부산물 및 무기입자를 포함하는 혼합입자; 바이오 계면활성제; 및 플라스틱 원료를 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛 조성물로부터 형성된 바이오 플라스틱을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 플라스틱 펠렛 조성물의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱을 형성하기 위한 바이오 플라스틱 펠렛 조성물은 지방산 함유율이 2.5 중량% 이하인 커피부산물(100) 및 무기입자(200)를 포함하는 혼합입자(10); 바이오 계면활성제(20); 및 플라스틱 원료(30)를 포함한다.
상기 혼합입자(10)는 지방산 함유율이 2.5 중량% 이하인 커피부산물(100) 및 무기입자(200)를 포함하는데, 상기 지방산 함유율이 2.5 중량% 이하인 커피부산물(100)은 앞서 언급한 바와 같이, 커피 부산물로부터 지방산을 복합적인 방법으로 제거한 결과에 따른 것이다. 상기 커피부산물(100)은 지방산 함유율을 2.5 중량% 이하로 유지함으로써, 바이오 플라스틱의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 무기입자(200)는 상기 커피부산물(100)에 혼합되어 혼합입자(10)를 형성하기 위한 것으로, 커피 부산물 내 지방산 및 수분을 추가로 흡수함으로써, 최종 제조되는 바이오 플라스틱의 파단력 및 전단력을 높이는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 무기입자(200)는 탄산칼슘, 실리카, 녹말, 알루미나, 이산화티탄, 탈크, 카올린, 마이카, 세리사이트, 산화아연, 탄산바륨, 황산바륨, 규조토, 탄산마그네슘, 규산마그네슘, 보론나이트라이드, 알루미나, 산화지르코늄, 산화철 및 운모티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 탄산칼슘인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 바이오 계면활성제(20)는 상기 혼합입자(10)와 상기 플라스틱 원료(30)의 결합력을 높이기 위한 것으로, 친수성기 및 친유성기를 동시에 포함하고, 상기 혼합입자(10)를 표면코팅할 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오 계면활성제(20)의 친수성기는 상기 혼합입자(10)의 표면을 향해 회합되고, 상기 바이오 계면활성제(20)의 친유성기는 상기 플라스틱 원료(30)의 표면을 향해 회합될 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오 계면활성제(20)는 레시틴(Lecithin), 올레인산(Oleic acid), 글리코리피드(Glycolipid), 리포펩타이드(Lipopeptide), 리포프로테인(Lipoprotein), 포스포리피드(Phospholipid) 및 당에스테르(Sugar Esters)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 플라스틱 원료(30)는 폴리프로필렌계 원료, 폴리에틸렌계 원료, 폴리스티렌계 원료, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌계 원료 등일 수 있고, 폴리프로필렌계 원료의 기계적 물성이 뛰어나므로 가장 적합하다. 구체적으로, 폴리프로필렌계 원료 중, 프로필렌 단독중합체, 프로필렌-에틸렌 공중합체, 변성 프로필렌 단독중합체, 변성 프로필렌-에틸렌 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 플라스틱 원료는 상기 바이오 플라스틱 펠렛 조성물 대비 55 중량% ~ 63 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 커피부산물(100)이 지방산 함유율을 2.5 중량% 이하로 유지하기 때문에, 상기 플라스틱 원료를 상기 바이오 플라스틱 펠렛 조성물 대비 55중량% ~ 63 중량%로 사용하더라도, 최종 제조되는 바이오 플라스틱은 충분히 우수한 기계적 물성을 유지할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
실시예 1
지방산 함유율이 20.10 중량%이고, 함수율이 7.14 중량%인 커피 부산물을 준비하였다. 준비된 커피 부산물을 알코올 농도가 95%(v/v)인 발효 주정으로 25℃에서 3~4시간 동안 추출하고 95℃에서 진공 건조하여 지방산을 1차 제거하였다. 이때, 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 9.43 중량%이고, 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 내 함수율은 2.81 중량%이며, 지방산을 1차 제거한 후 남은 용매는 회수되었다. 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 30g에 평균입자크기가 3㎛인 탄산칼슘 7g을 혼합하여 지방산을 2차 제거한 후, 95℃에서 진공 건조하였다. 이때, 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 2.1 중량%이고, 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 함수율은 0.88 중량%이다. 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 무기입자를 포함하는 혼합입자를 볼 밀링을 통해 분쇄하였고, 이때, 분쇄된 혼합입자의 평균입자크기는 약 37 ㎛이고, 최대입자크기는 약 244㎛이다(도 2 참조).
분쇄된 혼합입자를 2g의 레시틴(Lecithin)으로 표면코팅하였다. 표면코팅된 혼합입자 39g, 폴리프로필렌 55g, 이산화티탄 1.2g, P-wax 3.6g, 칼슘 스테아린 1.2g을 혼합하고 160~170℃에서 20~40 RPM의 피더 속도로 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하였고, 이로부터 바이오 플라스틱을 최종 제조하였다(도 4(a) 참조).
비교예 1
지방산의 2차 제거를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다(도 4(b) 참조).
비교예 2
바이오 계면활성제의 표면코팅을 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.
실시예 1에 따르면, 커피 부산물을 용매로 추출하여 지방산을 1차 제거한 후, 무기입자를 혼합 및 건조하여 지방산을 2차 제거함으로써, 지방산이 복합적인 방법으로 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 2.1 중량%이고, 함수율은 0.88 중량%로 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서, 지방산이 복합적인 방법으로 제거된 커피 부산물은 분쇄가 용이하고, 분쇄된 커피 부산물을 바이오매스로서 바이오 플라스틱에 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 도 4(a)에서 보듯이, 실시예 1의 경우 최종 제조되는 플라스틱은 최소한의 지방산 함유로 인해 품질이 우수함을 육안으로 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1의 경우 지방산의 2차 제거를 생략하였는바, 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 9.43 중량%이고, 함수율은 2.81 중량%에 불과함을 확인할 수 있었다. 또한, 도 4(b)에서 보듯이, 비교예 1의 경우 최종 제조되는 플라스틱은 과도한 지방산 함유로 인해 품질이 떨어짐을 육안으로 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1 및 비교예 2에 따른 바이오 플라스틱의 기계적 물성을 비교 및 평가한 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
시험 항목[단위] 시험 조건 시험 방법 실시예 1 비교예 2
아이조도
충격 강도[J/m]		 3.2mm ASTM D 256 33.90 20.60
6.4mm 30.26 12.99
인장강도[kg/cm2] 50mm/min ASTM D 638 285.0 158.6
신장률[%] 52.2 53.8
굽힘강도[kg/cm2] 28mm/min ASTM D 790 70.2 74.0
굽힘모듈러스[kg/cm2] 2,321 2,111
경도[-] Shore A CYSTD 77.0 78.0
또한, 실시예 1에 따르면, 지방산이 복합적인 방법으로 제거되고 분쇄된 커피 부산물을 바이오 계면활성제로 표면코팅함으로써, 플라스틱 원료와 결합력을 높일 수 있어, 바이오 플라스틱의 아이조도 충격강도, 인장강도, 굽힘모듈러스를 상당히 높일 수 있고, 일정 수준 이상의 신장률, 굽힘강도, 경도를 유지할 수 있어, 기계적 물성이 우수함을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 2의 경우, 바이오 계면활성제의 표면코팅을 생략하였는바, 바이오 플라스틱의 아이조도 충격강도, 인장강도, 굽힘모듈러스와 같은 기계적 물성이 크게 저하됨을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (19)

  1. (a) 커피 부산물을 용매로 추출 및 건조하여 지방산을 1차 제거하는 단계;
    (b) 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물에 무기입자를 혼합하여 지방산을 2차 제거하는 단계;
    (c) 상기 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 및 상기 무기입자를 포함하는 혼합입자를 분쇄하는 단계;
    (d) 상기 분쇄된 혼합입자를 바이오 계면활성제로 표면코팅하는 단계; 및
    (e) 상기 표면코팅된 혼합입자와 플라스틱 원료를 혼합 및 압출하여 바이오 플라스틱 펠렛을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 (b)단계에서 무기입자는 탄산칼슘, 실리카, 녹말, 알루미나, 이산화티탄, 탈크, 카올린, 마이카, 세리사이트, 산화아연, 탄산바륨, 황산바륨, 규조토, 탄산마그네슘, 규산마그네슘, 보론나이트라이드, 알루미나, 산화지르코늄, 산화철 및 운모티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
    상기 (d)단계에서 바이오 계면활성제는 레시틴(Lecithin), 올레인산(Oleic acid), 글리코리피드(Glycolipid), 리포펩타이드(Lipopeptide), 리포프로테인(Lipoprotein), 포스포리피드(Phospholipid) 및 당에스테르(Sugar Esters)로 이루어진 군으로부터 선택된
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 용매는 알코올 농도가 90%(v/v) ~ 99%(v/v)인 발효 주정인
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 추출은 20℃ ~ 30℃에서 1시간 ~ 10시간 동안 수행되는
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 지방산을 1차 제거한 후 남은 용매는 회수되는
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 무기입자의 평균입자크기는 3㎛ ~ 10㎛인
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 무기입자는 상기 지방산이 1차 제거된 커피 부산물 대비 20 중량% ~ 30 중량% 혼합되는
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 건조는 진공 및 90℃ ~ 100℃에서 수행되는
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 지방산 함유율은 2.5 중량% 이하인
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 지방산이 2차 제거된 커피 부산물 내 함수율은 3 중량% 이하인
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 분쇄된 혼합입자의 평균입자크기는 50 ㎛ 이하인
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 바이오 계면활성제는 친수성기 및 친유성기를 동시에 포함하는 것을 특징으로 하는
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 (e)단계에서 표면코팅된 혼합입자 및 플라스틱 원료의 중량비는 37:63 ~ 45:55인
    바이오 플라스틱의 제조방법.
  15. 지방산 함유율이 2.5 중량% 이하인 커피부산물 및 무기입자를 포함하는 혼합입자;
    바이오 계면활성제; 및
    플라스틱 원료를 포함하는 바이오 플라스틱 펠렛 조성물로부터 형성되고,
    상기 무기입자는 탄산칼슘, 실리카, 녹말, 알루미나, 이산화티탄, 탈크, 카올린, 마이카, 세리사이트, 산화아연, 탄산바륨, 황산바륨, 규조토, 탄산마그네슘, 규산마그네슘, 보론나이트라이드, 알루미나, 산화지르코늄, 산화철 및 운모티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
    상기 바이오 계면활성제는 레시틴(Lecithin), 올레인산(Oleic acid), 글리코리피드(Glycolipid), 리포펩타이드(Lipopeptide), 리포프로테인(Lipoprotein), 포스포리피드(Phospholipid) 및 당에스테르(Sugar Esters)로 이루어진 군으로부터 선택된
    바이오 플라스틱.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 바이오 계면활성제는 친수성기 및 친유성기를 동시에 포함하고, 상기 혼합입자를 표면코팅하는 것을 특징으로 하는
    바이오 플라스틱.
  18. 삭제
  19. 제15항에 있어서,
    상기 플라스틱 원료는 상기 바이오 플라스틱 펠렛 조성물 대비 55 중량% ~ 63 중량%인
    바이오 플라스틱.
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