KR101550823B1 - 생분해성 용기 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생분해성 용기 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 전분을 주성분으로 하여, 건조된 또는 물기 있는 식품을 담을 수 있는, 그리고 사용 후 미생물에 의해 분해되는, 내수성을 갖는 생분해성 용기 및 그의 제조방법에 관한 것인바, 본 발명은 전분을 이용한 내수성 생분해성 용기의 제조방법에 있어, 생분해성 조성물을 제조하는 단계; 생분해성 조성물로부터 시트를 제조하는 단계; 시트를 진공성형하여 생분해성 용기를 제조하는 단계; 생분해성 용기를 자외선 조사하여 경화시켜 용기를 제조하는 단계; 순으로 제조하는 것에 그 특징이 있다.

Description

생분해성 용기 및 그의 제조방법{Biodegradable container and its production method}

본 발명은 생분해성 용기 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 전분을 주성분으로 하여, 건조된 또는 물기 있는 식품을 담을 수 있는 내수성이 우수한 생분해성 용기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

인구의 증가, 각종 소비재 산업 및 패스트푸드 산업의 발달은 일회용 플라스틱 포장재 폐기물이 대량으로 발생하는 현상을 초래하였고, 사용 후 버려지는 각종 폐플라스틱에 의한 환경오염은 날로 심각성이 더해가고 있다.

방치 또는 매립되는 기존 비분해성 일회용 폐플라스틱은 자연계에 존재하는 미생물에 의해 분해되지 않고 그대로 남아 토양 오염은 물론 매립지의 수명 감소를 유발하고 있다. 또한 소각한다 해도 유독 가스로 인한 대기 오염 및 이로 인해 인체에 미치는 유해성 또한 심각한 것으로 알려져 있다. 특히 일회용 식품 포장 용기로 사용되는 비분해성 발포 용기는 단위 중량당 차지하는 부피가 커서 쉽게 눈에 띄고 바람에 날림으로서 환경 오염의 폐해는 더욱 가중되고, 인체에 유해한 환경 호르몬 발생 유무의 논란으로 사회적 문제를 크게 일으킨 바 있다.

이러한 문제로 인해 종이 용기류가 천연계 원료인 펄프를 사용한다는 측면에서 기존 일회용 합성수지 용기의 대체품으로 실용화되고 있다. 그러나 종이 용기 또한 펄프를 전량 수입하고 있는 국내 현실과, 결과적으로는 원료의 무한한 조달은 산림 훼손에 의한 대기, 수질 토양의 종합적 환경 훼손이라는 측면에서 사용상의 한계점을 드러내고 있다.

또한 실제 사용상에 있어서 견고성이 미흡하고 내수 및 내습성도 약하다는 점, 그리고 환경 친화적이라고는 하나 생분해의 속도가 매우 느리며, 용도에 따라서는 내수성 부여를 위해 PE 등 비분해성 물질로 코팅함으로써 환경 친화성의 의미가 상실되는 등 여러 가지 단점이 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 환경적인 부담이 큰 비분해성 석유화학계 플라스틱 원료 대신 미생물에 의해 분해되는 생분해성 수지를 원료로 용기 등 일회용 포장재를 대체함으로써 환경오염 부담 감소를 꾀하고자 하는 시도가 있어왔다. 그러나 일회용 포장재 원료를 대체함에 있어 위와 같은 생분해성 수지는 일반적으로 기존 플라스틱 제품 제조설비를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있는 반면, 가격이 비싸고 희소성을 가진 원료를 중합 단량체를 사용하며 복잡한 중합 공정을 거쳐 생분해성 수지가 제조되므로 일회용 포장재 원료로서는 가격이 너무 고가라고 하는 문제점이 있다.

위와 같은 문제점을 개선하기 위해 왕겨, 갈대, 옥수수대, 곡물가루 및 전분 등의 식물성 원료를 이용하여 환경 친화적인 용기를 제조하는 다양한 방법들이 소개되었다. 특히 전분은 지구상에 녹색식물이 존재하는 한 무한하게 공급될 수 있다는 자원의 풍부성 및 공급의 용이성, 현존하는 고분자로서 생분해성이 가장 우수하다는 점, 천연계 고분자로서 무독성이며 가격이 매우 저렴하다는 점 그리고 화학 구조상으로도 단위 글루코스 (glucose unit) 당 히드록시 작용기(Hydroxyl group)를 3개씩 보유함으로써 물리적 특성을 이화학적으로 다양하게 바꿀 수 있다는 장점들로 인해 플라스틱의 새로운 원료로서 관심이 고조되고 있으며 이에 대한 연구도 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.

현재까지 식물성 천연 원료를 이용한 환경친화성 용기에 대한 연구는 왕겨를 주성분으로 하는 식물 원료의 분말과 생분해성 물질의 바인더로 구성된 조성물을 시트부재로 제조하고 가열 가압하여 압축 성형하는 방법(한국공개 특허 제2000-57885호), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate)에 펄프 분말, 곡물류 분말, 톱밥 분말, 천연솜, 왕겨 분말, 밀짚 분말, 볏짚 분말, 보리짚 분말 등과 발포제를 첨 가, 혼합하여 압축 성형하는 방법(한국특허출원 1994-8523), 전분에 기포조정제로서 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol), 보조첨가제로서 식물성 유지 등을 혼합하여 용기를 제조하는 방법(일본 특허공개 平8-157645) 등이 있으며, 전분에 펄프, 목칩, 금속, 유리 및 단백질, 쉘락 등을 Filler로서 혼합하여 용기를 제조하는 방법 등도 미국특허 제5376320호에 의해 소개된 바 있다.

그러나 왕겨, 펄프분말, 톱밥, 여러 종류의 짚 등을 주성분으로 하는 방법들은 자연계 또는 식물계 원료를 사용한다는 점에서 환경 친화적인 용기소재라는 긍정적인 면도 있으나 사용 후 폐기되었을 때 자연계에 존재하는 미생물에 의해 물과 이산화탄소 또는 물과 메탄가스로 분해되어 자연으로 환원되는 생분해 속도나 그 효율 면에서 전분을 주성분으로 하는 용기에 비해 상대적으로 늦거나 낮으며, 식품 용기로서 요구되는 색깔, 중량 그리고 보온성 및 열차단성 등의 여러 가지 기능적인 측면에서도 실용화하기에는 아직 미흡한 점이 많이 있다.

또한 기존의 전분을 주성분으로 하는 용기의 경우에도 전분의 함량에 따른 생분해 속도의 차이, 친수성인 전분을 주성분으로 하는 용기로서 용기 표면에 별도의 내수성을 부여할 때의 문제점, 그리고 내수성을 부여한다 하여도 전분 고유의 함유 수분에 의해 사용 과정에서 고온 식품 포장 또는 열수 투입시의 용기의 외관이 변형될 우려가 있으며 기타 유통기간 중의 운송이나 사용상에 있어서 요구되는 기계적 물성 또한 보완되어야 할 점이 많이 있는 것으로 알려져 있다.

한편 상기 전분은 자연에 풍부하고 저렴하여 재생이 가능한 재료로서 쉽게 생분해된다. 전분은 용융온도가 열분해온도와 가까이 존재하여 열로는 액체화되지 않고, 대신 용매(극성 용매)를 사용하여 흐름성을 갖게 하여 성형할 수 있다. 용매로는 주로 물이 사용된다. 그러나 전분은 아밀로스와 아밀로펙틴으로 구성되어 있는데 아밀로스는 선형고분자로서 물에 잘 용해되는 반면, 아밀로펙틴은 분자량이 높고 분지고분자로서 물에 잘 용해되지 않는다. 따라서 전분을 물에 용해시킬 때는 가소제가 필요하다. 물에 의해 용해되고 만들어진 전분 성형품을 고체화하기 위해서는 물을 증발시키는 과정이 필요하다.

지금까지 전분을 가지고 생분해성 용기(대한민국 특허공개 제2003-83410호, 제2003-20565호, 제2002-37119호, 제2006-36075호, 제2007-118834호 참조)를 제조하는 데에 많은 시도가 있었다. 그러나 상기 전분으로 생산된 용기의 경우 물기가 있는 식품을 담기가 어렵다는 문제점이 있다.

대한민국 특허공개 제2003-83410호. 대한민국 특허공개 제2003-20565호. 대한민국 특허공개 제2002-37119호. 대한민국 특허공개 제2006-36075호. 대한민국 특허공개 제2007-118834호.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 효과적으로 생분해되는 용기를 제조가 용이한 제조방법과 그 용기를 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 건조된 또는 물기 있는, 축축한 식품을 담을 수 있는 생분해성 용기를 제조하기 위한 재료와 공정을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 효과적으로 수분에 저항하는, 즉 성형된 후에는 물에 용해되지 않는 내수성 생분해성 용기를 제조하기 위한 재료와 공정을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전분을 이용한 내수성 생분해성 용기의 제조방법에 있어, 생분해성 조성물을 제조하는 단계; 생분해성 조성물로부터 시트를 제조하는 단계; 시트를 진공 성형하여 용기를 제조하는 단계; 용기를 자외선 조사하여 경화시키는 단계; 순으로 제조하는 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법에 의하여 달성된다.

상기 생분해성 조성물의 혼합 비율은 전분 20~35 중량%, 수용성 고분자 5~10 중량%, 가소제 5~15 중량%, 충진제 1~5 중량%, 경화제 1~3 중량% 및 증류수 32~50 중량%으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법에 의하여 달성된다.

상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 젤라틴 및 키토산으로 이루어진 군으로부터 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법에 의하여 달성된다.

상기 가소제는 솔비톨, 우레아, 글리세롤, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법에 의하여 달성된다.

상기 충진제는 천연섬유, 펄프, 린터 및 셀룰로오스분말로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법에 의하여 달성된다.

상기 경화제는 글루타르알데하이드, 프탈릭알데하이드, 소디움벤조에이트 및 포테시움퍼설페이트로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법에 의하여 달성된다.

상기 본 발명의 생분해성 용기는,상기 본 발명의 생분해성 용기의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같은 본 발명의 생분해성 용기는 발포폴리스티렌 일회용 용기 같은 비분해성 용기를 대체함으로써 매립지 오염 등의 환경 문제를 해결할 수 있다. 또한 본 발명의 생분해성 용기는 자연에서 미생물에 의해 쉽게 분해되는 전분을 주성분으로 만들어져 동식물의 사료 및 퇴비로서 재활용이 가능한 친환경적인 제품이며, 더불어 내수성을 갖도록 하여 건조된 식품은 물론이고 물기 있는 상태의 식품을 담을 수 있도록 하는 등의 편리성이 있는 유용한 발명이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 생분해성 용기는 전분을 주원료로 하고 여기에 수용성 고분자, 가소제, 보강 충진제, 경화제를 더하고 혼합한 후 이를 물과 함께 혼련시킨 다음 이를 시트 또는 필름으로 뽑고 이 얇은 판을 용기 제조용 금형에서 진공성형한 후 자외선(UV)을 조사시켜 경화시키면 생분해성 용기가 제조된다.

여기서 전분, 수용성 고분자, 가소제, 충진제, 경화제, 증류수를 혼련하여 얻어진 생분해성 조성물은 사용 후 단시간에 생분해되는 장점이 있으나 사용 중 주변의 수분 또는 물에 의해 용해될 수 있기 때문에 가교(경화)시켜야 한다. 가교구조를 갖게 되면 내수성을 갖게 된다.

본 발명의 생분해성 용기의 제조에 있어 주재료인 전분은 옥수수, 감자, 고구마, 쌀 또는 밀로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하며, 전분의 강성 및 필름 형성을 보완하기 위하여 쓰이는 수용성 고분자는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 젤라틴 또는 키토산으로 이루어진 군으로부터 하나 이상을 선택하여 사용한다.

상기 전분의 수용성을 보완하기 위하여 쓰이는 가소제는 솔비톨, 우레아, 글리세롤, 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 하나 또는 복수가 선택되고, 제품의 강도 및 형상유지 향상을 보완하기 위하여 쓰이는 보강충진제로는 천연섬유, 펄프, 린터 또는 셀룰로오스분말로 이루어진 군에서 하나 또는 복수가 선택되고, 경화제는 글루타르알데하이드, 프탈릭알데하이드, 소디움벤조에이트 또는 포테시움퍼설페이트로 이루어진 군에서 하나 또는 복수가 선택된다.

본 발명의 생분해성 용기의 제조방법은;

ⅰ) 전분, 수용성고분자, 가소제, 충진제, 경화제 및 증류수를 혼련하여 생분해성 조성물을 얻는 공정

ⅱ) 얻어진 생분해성 조성물을 시트상으로 형성하는 공정.

ⅲ) 얻어진 시트를 프레스에 의해 용기 형상으로 진공 성형하는 공정,

ⅳ) 얻어진 용기 형상을 자외선 조사시키는 공정을 거쳐 제조된다.

본 발명의 생분해성 용기는, 본 발명의 생분해성 용기의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 한다.

전분은 생분해성 용기의 고형분을 기준으로 71 내지 91 중량%을 함유하는 것이 적합하다. 이는 제품의 제조비용뿐만 아니라 환경부 고시에 따르면 전분용기는 고형분 기준 전분함량이 70 중량%를 초과해야 하기 때문이며, 그러나 전분함량이 91 중량%를 넘으면 용기 물성의 저하가 일어날 수 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

2000ml 비커에 옥수수전분 360g, 폴리비닐알코올(분자량 80,000, 검화도 99%) 40g, 솔비톨 50g, 글리세롤 50g, 소디움벤조에이트 4g, 글루타르알데하이드 1 g, 셀룰로오스분말(평균길이 0.2mm) 5g을 넣고 잘 섞어 준다. 여기에 증류수 900ml을 첨가하고 90도에서 1시간 동안 20rpm으로 교반시키면 투명한 생분해성 조성물을 얻는다.

이 생분해성 조성물로부터 생분해성 필름(두께 약 2mm)을 얻는다.

이 생분해성 필름을 진공 성형하여 용기를 제조한다. 이 용기를 자외선 조사기(램프: 중압수은 램프, 파장; 300~450nm, 조사량: 초당 72mW/cm²) 안에 넣고 1분 동안 자외선 조사시켜 용기를 제조한다.

실험예 1

- 인장물성 시험

위에서 얻어진 생분해성 필름에서 아령(dog-bone) 모양의 인장시험용 시료를 제작하고 이들을 인장강도시험기(기종: 대경 UTM)를 이용하여 인장속도 분당 10 mm, 측정온도 25도에서 인장시험하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실험예 2

- 내수성 시험

위에서 얻어진 생분해성 필름에서 가로, 세로가 각각 10mm, 20mm인 시료를 만들고 이들을 자외선 조사기(램프: 중압수은 램프, 파장; 300~450nm, 조사량: 초당 72mW/cm²) 안에서 윗면과 밑면 각각 1분씩 총 2분 자외선 조사시킨다.

자외선 조사시킨 시료의 무게(초기 무게)를 재고 끓는 물에 1시간 동안 담갔다 꺼내어 이들을 진공오븐(60)에서 6시간 동안 완전 건조시키고 무게(건조무게)를 잰다.

초기 무게와 건조 무게로부터 겔화율(%)을 계산한다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 겔화율이 100%이면 자외선 조사에 의해 생성된 가교구조로 인해 시료는 뜨거운 물에 녹지 않는 완전(100%)내수성을 가짐을 의미한다.

시료	인장강도(MPa)	인장률(%)	겔화율(%)
자외선 조사된 생분해성 필름 (본 발명)	2.6	4.3	100
자외선이 조사되지 않은 생분해성 필름 (종래)	0.8	20.4	60

상기 표 1에서 보면 본 발명의 생분해성 용기 제조용 생분해성 필름은 자외선 조사를 받으므로 인해 소디움벤조에이트가 라디칼이 되어 전분혼합물에 가교구조를 형성시켜 용기로서의 충분한 인장강도와 인장률을 갖으며, 또한 내수성은 가교구조에 따라 완전내수성(겔화율 100%)을 갖고 있음을 알 수 있다.

실험예 3

- 분해성 시험

위에서 얻어진 생분해성 필름에서 가로, 세로가 각각 10mm, 20mm인 시료를 만들고 이들을 자외선 조사기(램프: 중압수은 램프, 파장; 300~450nm, 조사량: 초당 72mW/cm²) 안에서 윗면과 밑면 각각 1분씩 총 2분 자외선 조사시켜 생분해성 시험 시료를 만든다.

동네 밭에서 퍼온 흙을 큰 종이컵(7개)에 200g 씩 담고 그 위에 준비된 생분해성 시험시료 3개씩을 뉘어 놓고 그 위에 다시 흙 200g을 덮는다.

흙이 바짝 마르지 않도록 일주일에 한 번씩 물을 분무하여 공급한다. 2개월마다 종이컵 하나씩을 개봉하여 3개의 필름 무게를 재고 평균을 구하여 분해 정도를 계산한다. 필름 무게가 0이 되면 분해도는 100%를 의미한다. 시험 결과(경과 시간에 따른 분해도)를 표 2에 나타내었다.

시간(월)	분해도(%)
	본 발명	종래
2	52.4	0.0
4	85.2	0.0
6	91.5	0.1
8	94.7	0.2
10	96.1	0.3
12	97.3	0.6
14	100.0	1.0

상기 표 2에서 보면 본 발명의 생분해성 용기 제조용 생분해성 필름은 흙속에서 6개월 만에 91.5%가 분해되어 없어져 버렸고 14개월 만에 완전 분해되었다. 6개월이 지난 후에 90%이상이 분해되면 생분해성 물질이라 일컫는다. 이는 본 재료는 생분해성 물질임을 의미한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 내수성 생분해성 용기의 제조방법에 있어서,
   생분해성 조성물을 제조하는 단계;
   생분해성 조성물로부터 시트를 제조하는 단계;
   시트를 진공성형하여 생분해성 용기를 제조하는 단계;
   생분해성 용기를 자외선 조사하여 경화시켜 용기를 제조하는 단계; 순으로 제조하는 것으로서,
   상기 생분해성 조성물의 혼합 비율은 전분 20~35 중량%, 수용성 고분자 5~10 중량%, 가소제 5~15 중량%, 충진제 1~5 중량%, 경화제 1~3 중량% 및 증류수 32~50 중량%으로 이루어지는 성분을,
   90도에서 1시간 동안 20 rpm 으로 교반시켜 얻어진 투명한 생분해성 조성물로부터 생분해성 시트(필름, 2 mm)을 얻으며, 이 생분해성 시트(필름)을 진공 성형하여 용기를 제조하고, 이 용기를 자외선 조사기 안에 넣고 300 ~ 450 nm 의 파장및 초당 72mW/cm²의 조사량으로 1 분동안 자외선 조사시켜 용기를 제조하는 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 젤라틴 및 키토산으로 이루어진 군으로부터 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 가소제는 솔비톨, 우레아, 글리세롤, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 충진제는 천연섬유, 펄프, 린터 및 셀룰로오스분말로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 경화제는 글루타르알데하이드, 프탈릭알데하이드, 소디움벤조에이트 및 포테시움퍼설페이트로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 생분해성 용기의 제조방법.
   
7. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 생분해성 용기의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 생분해성 용기.