KR101610133B1 - 제지슬러지를 유래 분체를 함유하는 바이오플라스틱 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

제지슬러지를 유래 분체를 함유하는 바이오플라스틱 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제지슬러지의 친환경적 자원화에 대한 것으로, 제지슬러지의 탄화방지 및 분산성을 개선한 혼합 분체 조성물 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이며, 제지슬러지를 원재료화하여 바이오플라스틱 소재로 활용 가능한 혼합 분체를 개발하는 데 그 목적이 있다. 이는 범 세계적 저탄소 정책에 부합하는 바, 이러한 소재의 활용은 기존 사용되는 플라스틱 제품 생산의 원가를 절감하고, 2차 폐자원 처리 문제를 동시에 해결할 수 있으므로, 제지슬러지를 포함한 혼합 분체의 높은 활용도가 기대된다.

Description

제지슬러지를 유래 분체를 함유하는 바이오플라스틱 조성물 및 이의 제조방법{Bioplastic containing composition from paper sludge and a method of producing the same}
본 발명은 제지슬러지 유래 분체를 함유하는 바이오플라스틱 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업의 발전과 더불어 인간의 생활수준과 인쇄기술도 발전함에 따라 종이의 사용량 역시 증가하고 있다. 가장 대표적인 에너지 다소비 국가인 미국의 종이 사용량은 전 세계적으로 가장 많은 양인 연간 9,200만 톤, 중국은 4,300만 톤, 일본은 3,100만 톤, 독일은 1,900만 톤을 보이고 있고 약 10년 후인 2020년에는 현재수준의 약2배 이상을 소비할 것으로 예상된다. 우리나라의 제지산업 역시 지난 몇 십 년간 크게 성장했으며 국내 종이류 생산량은 약1,055만 톤을 기록하며 세계 8위의 생산국으로써 그 입지를 다져 나가고 있다(M. C. Monte 등 2009; Waste Management, 29: 293-308). 전 세계적으로 하루 동안 사용되는 종이를 생산하기 위해서는 약 1,200만 그루의 많은 나무가 필요한데, 이로 인해 산림자원 고갈문제가 심각한 상황이다. 또한, 제지 산업공정에서는 폐수 및 슬러지가 많이 발생하는 특성이 있으며, 제지산업의 성장과 함께 이러한 오염물질의 발생량도 지속적으로 증가하는 추세이다. 제지산업에서 슬러지는 폐수처리과정에서 주로 발생하며, 일부 생물학적으로 분해되기는 하지만 그 양과 부피가 상당히 크기 때문에 심각한 환경문제를 일으킬 수 있다. 2010 환경통계연감에 따르면 우리나라 슬러지의 발생량은 1999년 14만 2천 톤에서부터 2008년 26만 6천 톤에 이르기까지 점점 증가하는 추세를 보이고 있다(국제 환경 동향63호 2007; 121-124). 따라서 현재 제지슬러지의 처리공정 개선과 처리비용 절감을 위한 많은 연구가 진행 중이며, 슬로베니아의 TED 社에서 개발한 제지슬러지-흡수제 전환(CAPS, conversion to absorbent from paper mill sludge)기술은 제지슬러지가 이제 효율성이 높은 흡수제 재료로 재활용될 수 있다는 것을 의미한다.
그러나 제지슬러지의 친환경 처리 방식은 아직까지 실용화 단계에 이르지 못한 상황이다. 이는 제지슬러지를 가장 적합한 곳에 얼마나 효율적으로 적용시키느냐에 대한 문제를 간과한 탓이 아닌가 생각된다. 일례로 제지슬러지 재활용 연구의 상당 부분을 차지하는 기술로서 제지슬러지를 함유하는 비료 제조 기술(한국특허 10-0225182)이 있으나, 이는 비료가 주로 봄과 가을에만 쓰인다는 점을 주의해야 하며, 제지 공장은 사계절 모두 슬러지를 방출한다는 것을 고려해야 한다. 건축 내장재 등의 원료로 제지슬러지가 쓰이는 기술(한국특허 10-0478980)의 경우에는 장기간 인체 접촉에 대한 영향이 검증되어야 할 것이다. 따라서 상시 실용화 가능한 제지슬러지의 처리 방법에 대한 기술 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제지슬러지 유래의 건조 분체를 포함하는 바이오플라스틱 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 본원에 기재된 다양한 구체예가 도면을 참조로 기재된다. 하기 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 위해서, 다양한 특이적 상세사항, 예컨대, 특이적 형태, 조성물 및 공정 등이 기재되어 있다. 그러나, 특정의 구체예는 이들 특이적 상세 사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 공지된 방법 및 형태와 함께 실행될 수 있다. 다른 예에서, 공지된 공정 및 제조 기술은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않게 하기 위해서, 특정의 상세사항으로 기재되지 않는다. "한 가지 구체예" 또는 "구체예"에 대한 본 명세서 전체를 통한 참조는 구체예와 결부되어 기재된 특별한 특징, 형태, 조성 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 구체예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 위치에서 표현된 "한 가지 구체예에서" 또는 "구체예"의 상황은 반드시 본 발명의 동일한 구체예를 나타내지는 않는다. 추가로, 특별한 특징, 형태, 조성, 또는 특성은 하나 이상의 구체예에서 어떠한 적합한 방법으로 조합될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서 제지슬러지란, 종이를 생산하는 공정에서 불가피하게 생성되는 특정 폐기물질이다. 제지슬러지의 수분 함량은 일정하지 않은데 이는 투입 원료의 상태, 정선 과정 그리고 목적하는 종이의 품질에 따라 폐수로 유입되는 폐기물의 종류가 다르기 때문이다. 그러나 대체로, 제지슬러지는 66~75%의 높은 수분함량을 함유한다고 파악되고 있다. 수분 이외에, 제지슬러지에는 약 65%의 무기물질, 약 35%의 유기물질 및 약 5% 정도의 기타물질이 포함된다. 이중 유기물은 제지 공정상에서 손실되는 미세섬유나 각종 유기물질을 비롯한 이물질 등이며, 무기물질의 대부분은 제지용 충전제라고 할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서 제지슬러지 유래 분체란, 함수율 60-90 중량부의 제지슬러지에 10-40 중량부의 비코팅 탄산칼슘을 첨가하고 100℃ 내지 200℃로 건조하여 제조된 분체이다. 건조 단계를 거친 이후 분체의 함수율은 5-20 중량부인 제지슬러지 유래 분체인 것이 바람직하고, 상기 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조인 것이 바람직하며, 10-20 중량부의 초본계 폐기물을 추가로 첨가할 수 있다. 상기 초본계 폐기물은 볏짚, 옥수수대, 보리대 및 억새로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에서 다공성 초본계 바이오매스란, 이에 한정하지는 않지만, 곡물의 껍질이나 볏짚, 옥수수대, 보리대 및 억새 등 다공성이 있는 초본계 식물을 분쇄하여 다공성의 분체 형태로 만든 것을 의미한다.
본 발명의 일 구체예에서 바이오플라스틱이란, 미생물의 체내에 있는 폴리에스터를 이용해서 제조된 플라스틱으로서, 토양 중의 세균에 의해 분해되고 생체에 쉽게 융합하는 특징이 있어 수술이나 골절 고정제 등으로도 이용된다. 본 발명에서의 바이오플라스틱은 조성물 총 100 중량부에 대하여, 폴리올레핀류, 폴리에스테르류, 폴리아미드류, 폴리에테르류, 폴리비닐류 중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합성수지 10-50 중량부, 상기 합성수지와 제지슬러지 유래 분체간에 상용성을 부여하는 상용화제 0.5-5 중량부, 플라스틱용 활제 0.5-3 중량부, 플라스틱 분해용 산화제 0.1-1 중량부 및 잔량으로서 제지슬러지 유래 분체 배합물을 포함하도록 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 바이오 플라스틱의 제조방법은, 제지슬러지 유래 분체를 건조하고 배합물을 형성하는 제 1단계; 제지슬러지 유래 분체가 포함된 배합물을 합성수지, 상용화제, 플라스틱용 활제 및 수지 연화제와 배합하는 제 2단계; 및 상기 제 2단계의 생성물을 일축 또는 이축 압출기로 용융 압출하는 제 3단계로 이루어지되, 상기 제 2단계에서, 총 100 중량부에 대하여, 폴리올레핀류, 폴리에스테르류, 폴리아미드류, 폴리에테르류, 폴리비닐류 중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합성수지 10-50 중량부, 상기 합성수지와 제지슬러지 유래 분체간에 상용성을 부여하는 상용화제 0.5-5 중량부, 플라스틱용 활제 0.5-3 중량부, 수지 연화제 0.1-1 중량부 및 잔량으로서 제지슬러지 유래 분체 배합물을 포함하도록 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 상기 합성수지의 예로는 폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 이들의 공중합체 등의 폴리올레핀류, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이 및 이들의 공중합체 등의 폴리에스테르류, 나일론 및 이들의 공중합체 등의 폴리아미드류(PA), 폴리아세탈, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르에테르케톤 및 이들의 공중합체 등의 폴리에테르류, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리초산비닐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 이들의 공중합체 등의 폴리비닐류 등을 들 수 있으며, 본 발명의 바이오 플라스틱 조성물에서 합성수지의 양은 상기 조성물 총 100 중량부에 대하여 10-50 중량부의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 10 중량부 미만의 양으로 사용될 경우에는 분산 및 상용성이 급격히 떨어져 제품으로 사용하기 어렵고, 50 중량부 초과의 양으로 사용될 경우에는 수지 함량이 과다하므로 경제성이 떨어진다. 제품 상태의 충분한 강도를 유지하기 위해서는 조성물 총 100 중량부에 대하여 30-50 중량부의 양으로 사용되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 상기 상용화제(compatibilizer)는 비극성인 상기 합성수지와 극성인 초본계 농산폐기물간의 이형성을 제거하여 상용성을 부여하는 물질로서, 그 예로는 글리시딜메타크릴레이트, 에틸렌비닐알콜(EVA), 폴리비닐알코올(PVA), 에틸렌비닐아세테이트 및 부틸아크릴레이트 공중합체(EBA) 등을 포함하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한됨이 없이 사용될 수 있다. 시판중인 제품으로는, 예를 들어, EBA-MA-G, ADPOLY PH-200, EM-200 및 SMS-554(호남석유화학(주)) 등이 있다. 상기 상용화제는 본 발명의 바이오 플라스틱 조성물 총 100 중량부에 대하여 0.5-5 중량부의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 0.5 중량부 미만의 양으로 사용될 경우 상용성이 충분하지 못하여 층간 분리현상이 발생할 수 있으며, 5 중량부 초과의 양으로 사용될 경우 경제적 효과를 얻을 수 없다. 더욱 바람직하게는, 조성물 총 중량에 대하여 0.5-3.0 중량부의 양으로 사용된다.
본 발명에서 사용되는 상기 플라스틱용 활제는 초본계 농산폐기물이 포함된 배합물과 합성수지간의 접합 또는 친화력 강화 및 배합, 압출시 발생되는 마찰열을 감소하여 열적 분해를 방지하는 동시에 원활한 압출작업을 수행하기 위하여 첨가되는 성분으로서, 이들을 첨가하더라도 기계적 물성은 기초소재와 유사하게 유지하면서 원활한 작업성을 제공해 준다. 이 활제로는 환경친화도가 높은 천연물인 스테아린산염, 팔미트산염 및 라우르산염으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 칼슘 스테아린산(Calcium Stearate), 아연 스테아린산(Zinc Stearate) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 활제는 본 발명의 바이오 플라스틱 조성물 총 100 중량부에 대하여 0.5-3 중량부의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 0.5 중량부 미만의 양으로 사용될 경우 제품 성형시에 충분한 윤활제로서의 효과를 얻을 수 없고, 3 중량부 초과의 양으로 사용될 경우 제품 내부에 결함을 발생시키거나 제품 성형시 탄화물 또는 플로우마크(flow-mark) 등이 발생하여 미려한 미관을 저해함은 물론 경제적 효과를 얻을 수 없다.
본 발명에서 사용되는 플라스틱 분해용 산화제는 고분자 사슬을 끊어 분해시키기 위해 첨가되는 성분으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 플라스틱 분해용 산화제라면 제한됨이 없이 사용될 수 있으며, 본 발명의 바이오 플라스틱 조성물 총 100중량부에 대하여 0.1-1중량부의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 분해용 산화제가 조성물 100중량부에 대하여 0.1중량부 미만의 양으로 사용될 경우 분해 효과가 미미하고, 1중량부 초과의 양으로 사용될 경우 경제성이 떨어진다.
이하, 상기 본 발명의 바이오플라스틱을 제조하는 방법에 관하여 설명한다. 하기에 설명된 부분을 제외한 전반적인 제조방법은 통상의 방법을 따른다. 먼저, 제 1단계는, 제지슬러지 유래 분체를 건조하고 배합물을 형성하는 단계이다. 함수율 60-90 중량부의 제지슬러지에 10-40 중량부의 비코팅 탄산칼슘을 첨가하고 100℃ 내지 200℃로 건조하여 제지슬러지 유래 분체를 제조한다. 건조된 제지슬러지 유래 분체의 함수율은 5-20 중량부인 것이 바람직하고, 상기 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조인 것이 바람직하며, 10-20 중량부의 초본계 폐기물을 추가로 첨가하여 건조된 제지슬러지 유래 분체를 제조할 수 있다. 상기 초본계 폐기물은 볏짚, 옥수수대, 보리대 및 억새로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 제지슬러지 유래 분체인 것이 바람직하며, 탄산칼슘은 15-50 마이크로미터인 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다. 다음으로, 상기 건조된 제지슬러지 유래 분체에 코팅제를 첨가하여 분포도를 확보한다. 지방산 산화 물질인 ESO(Epoxidized Soybean Oil)와 유기실란을 3:1로 혼합한 코팅제를 상기의 제지슬러지 유래 분체에 2-6 중량부로 첨가하고, 120℃-160℃의 저속 드럼 열교반기로 가열한다. 코팅제는 제지슬러지 유래 분체 내의 무기물을 코팅할 뿐만 아니라, 셀로로스의 말단기에 작용하여 상용성을 높여주고 2차 수분 재흡수를 방지한다. 또한, 미분산으로 일어나는 마찰계수를 낮추어 순조로운 압출을 유도하므로 양질의 물성을 갖는 수지 대체 소재를 생산할 수 있으며, 압출기 내부의 탄화방지에도 효과적이다.
제 2단계는 상기 제 1단계에서 생성된 제지슬러지 유래 분체 배합물과 수지를 고속혼련하는 단계이다. 바이오플라스틱 제조를 위해 반드시 포함되는 소수성 석유계 화합물에 맞추어 친수성 제지슬러지 유래 분체를 소수성으로 표면개질하여야 하며, 이를 위해, 먼저 고속믹서기에 수지와 활제로 사용되는 저분자 폴리머를 수지중량 대비 1-7 중량부로 투입하여, 85-120℃로 가열 교반하여 준비한다. 이때의 수지 혼합물을 제 1 단계에서 생성된 배합물에 25-60 중량부로 투입 후 고속 혼련 하여, 수지표면에 함침 코팅혼합물을 흡착 시킨다. 수지 혼합물 내의 저분자 폴리머 비율이 흡착량을 결정하게 되며, 이는 압출 성형시 수지와 천연물이 고르게 섞이도록 하는 중요한 역할을 한다.
제 3단계는 압출단계이다. 상기 혼합물을 이축 또는 일축 압출기를 활용하여 수지용융 온도로 가압가열하고, 진공 펌프를 이용하여 가스를 제거하는 일련의 공정이다. 상기 제조한 바이오 소재에 폴리올레핀계 수지인 폴리프로필렌(PP)을 베이스로 하여 사용하고, 폴리올레핀계 수지와의 상용성을 더욱 높이기 위하여 에틸렌 계열의 에드폴리머 상용화 수지 등이 추가적으로 사용될 수 있다. 상용화 수지의 예로는 에틸렌비닐알콜, 폴리비닐알콜 및 에틸렌비닐아세테이트, EBA-MA, MAH 등이 있다. 또한, 폴리에틸렌(PE)-왁스 등의 플라스틱용 활제나, 통상의 플라스틱 분해용 산화제가 추가적으로 배합될 수 있다. 상기 상용화 올레핀계 수지는 폴리에틸렌, 폴리우레탄 등 시트 및 필름 제조에 사용되는 수지가 가능하며, 바람직하게는 극성 결합(polar grafting)이 가능한 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 스트랜드 후 컨베이어 공랙식을 사용하여 냉각하는 방법으로 바이오 플라스틱 조성물을 생산하며, 이때 조성물의 총중량 대비 30-80 중량부로 슬러지분말을 농축하는 것이 바람직하다. 여기서의 조성물은 최대한 고농축하는 것이 추후 바이오플라스틱 생산의 원가경쟁력을 가지게 한다. 다음으로, 상기 제조된 바이오 플라스틱 조성물을 이용하여 바이오시트를 단층 및 다층으로 제조하며, 이 구성 중 다층의 경우 스킨층은 통상적으로 일반의 수지를 사용하여 시트의 물리적 성질을 보완하거나, 항균 방충 선도 등의 기능성 소재를 첨가하여 친환경 복합 다기능 시트를 제공할 수 있다. 진공성형 과정을 거쳐 상품트레이 및 산업용 건축재, 수산물 양식용 시트 등으로 제조 가능하다.
본 발명의 일 구체예에서, 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대해서 제지슬러지 유래 분체 90 내지 110 중량부를 함유하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하고, 상기 제지슬러지 유래 분체는 함수율 60-90 중량부의 제지슬러지에 10-40 중량부의 비코팅 탄산칼슘을 첨가하고, 100℃ 내지 200℃로 건조하여 제조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체의 함수율은 5-20 중량부인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체의 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체에 10-20 중량부의 초본계 폐기물을 추가로 첨가하여 건조하는 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 초본계 폐기물은 볏짚, 옥수수대, 보리대 및 억새로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체의 탄산칼슘은 15-50 마이크로미터인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체를 식물성 유지류로 코팅하는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공하며, 상기 식물성 유지류는 지방산 산화 물질인 ESO(Epoxidized Soybean Oil)와 유리실란을 3:1로 혼합한 것임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 구체예에서, 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대해서 제지슬러지 유래 분체 90 내지 110 중량부를 함유하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제지슬러지 유래 분체는 함수율 60-90 중량부의 제지슬러지에 10-40 중량부의 비코팅 탄산칼슘을 첨가하고, 100℃ 내지 200℃로 건조하여 제조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체의 함수율은 5-20 중량부인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체의 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제지슬러지 유래 분체에 10-20 중량부의 초본계 폐기물을 추가로 첨가하여 건조하는 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법을 제공한다.
이하 상기 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 제지슬러지 유래 분체를 함유하는 바이오플라스틱 및 이의 제조방법은 플라스틱을 제조하기 위한 물질로서 폐자원의 일종인 제지슬러지 유래 분체를 함유함으로써 기존 사용되는 플라스틱 제품생산의 원가를 절감하고, 2차 폐자원 처리 문제를 동시에 해결할 수 있으며, 이를 이용하여 제조된 바이오 플라스틱의 물성 및 분해효능 또한 우수하여 높은 활용도가 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제지슬러지 유래 분체의 광학현미경 사진을 나타낸 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제지슬러지 유래 분체를 함유하는 바이오플라스틱 다층시트의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱 다층시트의 개념적 구조도를 나타낸 모식도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 제지슬러지 유래 분체의 준비
함수율 70-80 중량부를 가지는 제지슬러지(㈜동일제지, 도 1 참조)를 열교환 드럼드라이어를 활용해 110-150도의 조건에서 열풍 및 고속회전 건조하거나, 고속제트기류 방식으로 기류 건조하였다. 이때, 비코팅 무기물질로서 10-40 중량부의 탄산칼슘을 첨가하여(15-50 마이크로미터 크기) 탄화물 발생 억제 및 수분 이동을 촉진하였고, 10-20 중량부의 억새 분체(전북대/농진청 거대 억새3호)를 첨가하였다. 그 결과 함수율 5 내지 15 중량부 정도인 제지 슬러지 유래 분체를 수득하였다.
이때, 탄산칼슘 및 억새분체를 첨가하지 않은 경우에 건조과정중 연소가 발생하여 제지 슬러지 유래 분체를 수득할 수 없었다.
상기 제지 슬러지 유래 분체에 ESO(Epoxidized Soybean Oil) 및 유기실란을 3:1로 혼합한 3 중량부의 혼합코팅제를 첨가하고, 고속교반기를 이용하여 5분간 고속으로 교반을 수행하여 코팅된 분체를 수득하였다. 추가로, 코팅된 분체를 시간당 100Kg 투입하며 1800rpm으로 고속 분쇄하였다. 상기 고속 분쇄 분체의 평균 입경은 25㎛이고, 함수율 3-6 중량부 및 무기물 함량 30 중량부 였다.
실시예 2: 바이오 플라스틱용 조성물의 제조
실시예 1에서 제조된 고속 분쇄 분체 재료를 110L의 니더압출기에서 고분자 수지와 혼합하고, 공냉다이커팅 시스템을 이용하여 바이오플라스틱용 조성물을 제조하였다(도 2 참조). 바이오 플라스틱 조성물 제조시 혼합된 고분자 수지 성분과 각각의 함량은 [표 1]에 나타내었다.
혼합 재료 혼합 중량(Kg) 성분비(%) 비고
롯데케미칼 UL814 수지 100 49.5
실시예 1의 고속 분쇄 분체 85 42.1 제지슬러지 혼합분체
(평균입경 25㎛)
EBA-MA-G 4 1.97 에드폴리머, 상용수지
라이온케미칼 402F 12 5.94 저분자폴리머
Zn-st 1 0.49 수지 연화제
셀룰로오스 바이오매스는 수지와 상용성이 없어 결합성이 없고, 기공도가 높으나, 실시예 2의 바이오 플라스틱용 조성물은 수지와 결합성이 높고, 기공도가 낮은 결과를 나타내었다.
실시예 3: 단층 바이오플라스틱 시트의 제조
실시예 2의 바이오플라스틱 조성물을 이용하여 단층 바이오플라스틱 시트를 제조하였다. 단층 바이오플라스틱 시트의 제조시 혼합된 세부 성분과 각각의 함량은 [표 2]에 나타내었다.
혼합 재료 성분비(%) 비고
실시예2의 소재 55 42%원료혼합 분말
롯데케미칼 B310PP 35
롯데케미칼 5200B 10
실시예 4: 다층 바이오플라스틱 시트의 제조
실시예 2의 바이오플라스틱 조성물을 이용하여 다층 바이오플라스틱 시트를 제조하였다. 다층 바이오플라스틱 시트의 제조시 혼합된 세부 성분과 각각의 함량은 [표 3]에 나타내었다. 다층 바이오플라스틱 시트의 총 두께는 600㎛이며, 각각 외층 400㎛와 내층 200㎛로 구성되었다.
구분 혼합 재료 성분비(%)
외층 실시예1의 소재 55
HDPE 35
호남석유화학 블러PP ; B310 10
내층 롯데케미칼 B310 PP 85
롯데케미칼 5200B 5
다층 바이오플라스틱 시트의 외층과 내층을 외층-내층, 또는 외층-내층-외층으로 배열하는 방법으로 2중(2 layer) 또는 3중(3 layer)의 다층시트를 제조 가능하며, 그 개념적 구조를 도 3에 나타내었다.

Claims (14)

  1. 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대해서 제지슬러지 유래 분체 90 내지 110 중량부를 함유하는 바이오 플라스틱 조성물에 있어서, 상기 제지슬러지 유래 분체는 함수율 60-90 중량부의 제지슬러지에 10-40 중량부의 비코팅 탄산칼슘과 10-20 중량부의 초본계 폐기물을 첨가하고, 100℃ 내지 200℃로 건조하여 제조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    제지슬러지 유래 분체의 함수율은 5-20 중량부인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    제지슬러지 유래 분체의 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    초본계 폐기물은 볏짚, 옥수수대, 보리대 및 억새로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    제지슬러지 유래 분체의 탄산칼슘은 15-50 마이크로미터인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    제지슬러지 유래 분체를 식물성 유지류로 코팅하는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  9. 제 8항에 있어서,
    식물성 유지류는 지방산 산화 물질인 ESO(Epoxidized Soybean Oil)와 유리실란을 3:1로 혼합한 것임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물.
  10. 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대해서 제지슬러지 유래 분체 90 내지 110 중량부를 함유하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 제지슬러지 유래 분체는 함수율 60-90 중량부의 제지슬러지에 10-40 중량부의 비코팅 탄산칼슘과 10-20 중량부의 초본계 폐기물을 첨가하고, 100℃ 내지 200℃로 건조하여 제조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10항에 있어서,
    제지슬러지 유래 분체의 함수율은 5-20 중량부인 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    제지슬러지 유래 분체의 건조는 고속제트기류방식 기류건조 또는 터널식 열건조된 제지슬러지 유래 분체임을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 조성물을 제조하는 방법.
  14. 삭제
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