KR101783247B1 - 생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법 - Google Patents

생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 아세테이트섬유를 대체하여 생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법에 관한 것으로서 본 발명에 의해 폴리유산섬유 토우간 접합 내지 결합 현상에 의해 기존의 아세테이트재 담배필터와 동일한 경도를 형성할 수 있고, 섬유간 결합에 의해 필터내부에서의 일정한 형태의 공기 흐름구조를 형성할 수 있는 담배필터를 제공할 수 있으며, 담배연기의 훈연 후 열에 의한 접착제 냄새로 담배맛의 변질이 생기지 않고 잔존 용제가 없는 담배필터를 제공할 수 있으며, 폐기시 단기간에 생분해될 수 있는 담배필터를 제공함으로써 환경오염 및 담배꽁초 처리와 관련한 사회적비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법{Process Of Producing Cigarette Filter Using Biodegradable Poly-Lactic-Acid Fiber Tow}
본 발명은 기존의 아세테이트섬유를 대체하여 생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법에 관한 것이다.
국내에서 발생되는 담배꽁초 폐기물은 하루 동안 2억 5천만 개, 연간 912억 5천만 개, 전 세계적으로는 연간 40만 톤씩 매년 발생하고 있다. 현재 담배꽁초에 사용되는 아세테이트 섬유는 셀룰로오즈를 아세트산에스테르화한 것이고, 본질적으로는 생분해가 가능한 물질이나, 실제로는 이러한 셀룰로오즈 아세테이트가 반드시 생분해성이 양호한 것이라고는 할 수 없다.
담배필터소재로 아세테이트섬유 토우(Tow)를 사용할때 가소제(트리아세틴, triacetin)를 사용하게 되는데, 가소제로 고정된 담배필터의 아세테이트 섬유간의 접착에 의해 강고하게 결합되어 있고, 그 결과 자연환경 중에 투기된 담배필터는 장기간 안정적으로 로드형상을 유지하는 경향이 있어 토양 중에 매설된 것이라 하여도 2년 이상 그 원형을 유지하고 있고, 토양 중에 매설된 담배필터가 완전하게 생분해될 때까지는 상당히 긴 시간을 요하게 된다.
따라서 담배꽁초는 일반주거, 상업, 공업, 농어촌 등 사람이 있는 모든 지역의 쓰레기장과 거리에서 수거되고 운반되어 중간적환장을 거쳐 소각장에서 처리된다. 따라서 단기간에 생분해될 수 있는 담배필터재의 개발이 요구되는 실정이다.
국내 담배 제조업계에서는 아세테이트 소재의 대체재를 모색하고 있으며 현재 일부의 담배제품에서 PP(polypropylene) 및 종이소재의 필터를 사용하고 있으나, 아세테이트 대비 성능이 부족하여 극히 제한적으로 사용되고 있다. 종이의 경우 담배필터에 최초로 적용되어 국내외에서 사용되고 있는 소재이나 낮은 물성으로 인하여 아세테이트 섬유와 혼용하여 사용되거나 저가의 제품에 제한적으로 적용되고 있으며, PP 또한 아세테이트 대비 여과능력이 부족하여 중국에서 저급제품에 극히 일부만 적용되고 있는 실정이다.
담배필터의 생분해능 촉진을 위하여 아세트산보다 산 해리 정수가 큰 산 화합물을 아세테이트에 첨가하는 방법에 대한 연구가 진행되었으나, 산화합물을 아세테이트에 첨가한 시점으로부터 산 화합물의 영향에 의해 아세테이트의 아세틸기는 화학적으로 가수분해반응을 일으켜 아세트산을 생성하여 아세트산악취를 내게 되어 담배의 끽미가 크게 악화되었다.
아세테이트의 생분해능을 갖는 미생물 또는 그들이 갖는 각종 분해효소 등을 아세테이트에 첨가하는 방법도 제안되고 있는데, 아세테이트의 탈아세틸화능을 갖는 미생물 및 그 미생물이 생산하는 탈아세틸화 효소를 아세테이트에 담지키는 방법이 제시되었다. 이 방법은 아세테이트의 생분해속도 촉진에는 유효하지만 사용되는 첨가제 모두 가격이 높아 아세테이트 가격을 상당히 상승시켰고 담배필터의 생산량을 고려할 때 이들 첨가제의 대량생산이 어려워 상업적으로 적용되지 못하였다.
광분해제, 초미세 이산화티타늄(TiO2), 생분해 촉진제 또는 분해촉진제 및 반응 조절제를 제조 공정 중에 아세테이트 토우에 가하는 방법들이 제시되었으나, 하지만 이들 방법으로는 앞서 설명한 바와 같이 아세테이트 자체의 생분해 속도를 본질적으로 높일 수 없을 뿐더러 첨가제의 대량생산의 어려움으로 실제 담배필터 생산 공정에 적용되기 힘들다는 한계성이 있었다.
대한민국공개특허제10-2009-0017747호(2009.02.19.공개) 대한민국공개특허제10-2013-0138924호(2013.12.20.공개)
그러므로 본 발명에서는 기존 담배필터재로 사용되던 아세테이트 소재의 대체재로써 원료 수급이 용이한 폴리유산(poly lactic acid)섬유 소재를 적용하여 아세테이트 대비 생산단가를 30%이상 절감시키고 2배 이상의 생분해능을 가지면서 동등한 필터성능을 구현할 수 있는 담배필터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명자는 담배필터의 형태 유지를 위해 접착제를 사용하지 않고 특수한 바인더를 폴리유산섬유와 함께 사용하여 섬유표면의 녹임 및 섬유간 결합에 의해 담배필터로서 접착제를 사용한 담배의 훈연 후 열에 의한 접착제 냄새로 담배맛의 변질이 생기는 문제를 해결하고 잔존 용제가 없으며 생분해성이 우수한 담배필터를 제공할 수 있었다.
그러므로 본 발명에 의하면, 폴리유산섬유 토우(tow)를 개섬하고 크림핑하고 배열한 후,
바인더를 상기 폴리유산섬유 토우(tow)에 도포한 후,
상기 바인더가 도포된 폴리유산섬유 토우의 외부를 권지로 둘러싼 후,
일정길이로 절단하는 것을 특징으로 하는 생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법이 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 생분해성 폴리유산(PLA)섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법은 담배필터의 재료로 폴리유산섬유를 사용하고 담배필터로서의 경도를 확보하기 위해 섬유끼리의 결합을 접착제가 아닌 바인더로 결합하여 담배필터를 제조하는 방법이다.
우선, 담배필터의 재료가 되는 폴리유산섬유 토우(tow)를 준비해야 하는데, 폴리유산섬유를 방사하고 일정길이로 절단한 폴리유산섬유 토우(tow)를 개섬하고 크림핑하고 배열한다. 상기 개섬시 폴리유산섬유 토우의 3차원 망상구조 및 개섬성 향상을 위한 크림핑을 행하는데, 통상적인 롤러와 커터를 가지는 크림프장치를 사용하여 크림핑을 한다.
상기 크림핑에 의해 담배필터로서의 섬유의 포합성 및 집속성 향상을 도모할 수 있는데크림프가 너무 강해도 담배필터 제조시 개섬이 어려울 수 있으므로 망목구조를 형성하면서 개섬이 잘 되도록 크림프 개수 10~30개/인치로 하여 최적화해야한다. 크림핑시 온도는 60~99℃가 바람직한데 크림프의 형태를 유지하면서도 폴리유산섬유 토우의 열화를 방지해야 한다.
상기 개섬이 된 폴리유산섬유 토우는 바인더도포를 해야 하는데, 본 발명에서는 기존의 담배필터 제조시 사용하였던 접착제를 사용하지 않고 신규한 바인더를 사용하여 폴리유산섬유 표면을 용해하여 폴리유산섬유끼리 결합하도록 하여 폴리유산섬유의 결속력을 향상시키고, 담배필터로서의 경도를 확보할 수 있도록 한다.
본 발명의 상기 바인더는 메틸클로라이드(Methyl Chloride), 클로로포름(chloroform), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 아세톤(acetone) 중 어느 하나 이상의 용매가 40~65 중량%, PLA레진 10~15 중량%, 솔비톨형(Sorbitol type) 유화제 3~10 중량%, 지건제로서 디올계지건제 또는 1,3-PDO 5~10 중량%, 가소제로서 벤조익에스테르(Benzoic ester)계 가소제, 부티레이트계 가소제, 폴리(1,3-부탄다이올)(poly(1,3-butane diol)), 디부틸 세바케이트(Dibutyl sebacate), 아세틸글리세롤모노라우레이트(Acetyl glycerol monolaurate), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디-n-부틸 세바케이트(di-n-butyl sebacate) 및 시트레이트 에스테르(citrate ester) 중 어느 하나 이상인 가소제 17 ~25중량%를 균일하게 혼합한 것을 사용하여 폴리유산섬유에 적용하여 폴리유산섬유 표면을 용해하여 폴리유산섬유끼리 결합하도록 한다.
상기 바인더의 조성 중 PLA 수지를 용해하기 위한 용매로는 메틸클로라이드(Methyl Chloride), 클로로포름(chloroform), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 아세톤(acetone) 중 어느 하나이상인 극성 용매를 사용한다. 상기 용매 중 두가지 이상을 혼합사용할 수도 있다.
상기 용매는 40~65 중량% 함유하는 것이 바람직한데, 40중량% 미만에서는 PLA 용해가 이루어지지 않는 문제점이 있고, 65중량%를 초과하는 경우에는 PLA TOW가 과도하게 용해가 이루어져 PLA를 부식시킬 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 상기 용매는 45~60 중량% 함유하는 것이 특히 바람직하다. 상기 용매 중에서도 메틸클로라이드(Methyl Chloride)를 사용하는 것이 건조시간 및 잔존용매 측면에서 특히 바람직하다.
비결정질 PLA레진으로서 PLA 섬유와의 친화성 및 접착성을 개선하는 것으로서 10~15 중량% 함유하는 것이 바람직한데, 10중량% 미만에서는 담배필터의 경도가 현저히 저하하는 문제점이 있고, 15중량%를 초과하는 경우에는 점도가 증가하여 작업성이 현저히 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
서로 다른 극성의 용매간 혼합시 혼합을 용이하게 하기 위한 유화제로서는 솔비톨형(Sorbitol type) 유화제가 바람직한데 3~10 중량%함유하는 것이 바람직한데, 3중량% 미만에서는 층분리의 문제점이 있고, 10중량%를 초과하는 경우에는 변색 및 용해 성능저하 문제점이 발생할 수 있다.
바인더의 건조속도 및 섬유간 결합력을 증가시키는 지건제로서는 디올계지건제 또는 1,3-PDO로서 5~10 중량%함유하는 것이 바람직한데, 5중량% 미만에서는 건조속도가 빨라 바인더의 PLA 침투 효과가 떨여져 섬유간 접착력이 약해지는 문제점이 있고, 10중량%를 초과하는 경우에는 건조속도가 느려 담배필터 제조 공정에서 감싸는 종이가 젖는 문제가 발생할 수 있다.
가소제는 폴리유산섬유의 표면을 녹이기 위해 폴리유산섬유에 용제의 침투 및 반응성 증대를 위한 것으로서 담배필터를 구성하는 섬유를 유연하게 하고, 파이버간 결합(inter-fiber bond)를 형성하고 담배필터가 원하는 경도(hardness)를 갖도록 단단하게(harden) 하면서 흡연시 풍미(smoke flavor)를 제공하는 작용을 하기 위하여 첨가된다.
종래에 사용되던 아세테이트 토우에 사용되는 가소제인 트리아세틴(triacetin), PEG, 트리부틸 시트레이트(tributyl citrate)는 폴리유산섬유와 같은 생분해성 섬유에는 효과가 없다. 상기 가소제와 분해성 폴리에스터 섬유의 비상용성이 그 이유가 되는데, 용매 분자가 섬유 표면으로 침투하기에 너무 크고, 용매가 섬유 표면에 대해 poor chemical affinity를 나타내며, 상기 용매는 섬유간 bonding이 일어나도록 표면이 충분히 점착성(tacky)을 갖도록 만드는 섬유 팽윤을 시킬 수 없기 때문이다. 또한, 담배필터에서 사용되는 기존 가소제는 분해성 폴리에스터 섬유에 사용하면 충분한 섬유-섬유 결합(bonding)을 제공하지 못하고, 이에 따라 경도(rigidity)와 cohesiveness를 갖는 필터소재를 제공하지 못한다.
따라서 본 발명의 바인더에 함유되는 가소제는 벤조익에스테르(Benzoic ester)계 가소제, 부티레이트계 가소제, 폴리(1,3-부탄다이올)(poly(1,3-butane diol)), 디부틸 세바케이트(Dibutyl sebacate), 아세틸글리세롤모노라우레이트(Acetyl glycerol monolaurate), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디-n-부틸 세바케이트(di-n-butyl sebacate) 및 시트레이트 에스테르(citrate ester) 중 어느 하나 이상인 가소제 17 ~25중량%를 함유하는 것이 가소제와 분해성 폴리에스터 섬유의 상용성을 향상시켜 섬유간 결합(bondin0g이 일어나도록 표면이 충분히 점착성을(tacky) 갖도록 만드는 섬유 팽윤을 시킬 수 있어 경도(rigidity)와 cohesiveness를 갖는 필터소재를 제공할 수 있다.
특히, 벤조익에스테르(Benzoic ester)계 가소제와 부티레이트계 가소제를 혼합하여 사용하면, 건조시간이 감소하여 담배필터 생산성이 좋아지며, 저장안정성이 우수하여 바람직하다.
가소제의 함량은 17중량% 미만에서는 섬유간 결합(bonding)이 발생하지 않고, Tg 감소하지 않아 경도 형성에 문제점이 있고, 25중량%를 초과하는 경우에는 필터구성 섬유가 부서질(brittle) 수 있고, 구성섬유의 용해가 과도하여 점도가 증가하여 작업성이 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
이렇게 준비한 바인더를 상기 폴리유산섬유 토우(tow)에 침지, 로울러도포, 스프레이방법으로 도포한 후, 상기 바인더가 도포된 폴리유산섬유 토우의 외부를 권지로 둘러싼 후, 일정길이로 절단하여 본 발명의 담배필터를 제조하게 된다.
폴리유산섬유 토우(tow)에 바인더를 도포하게 되면, 바인더가 폴리유산섬유 토우(tow)의 내부로 침투하여 폴리유산섬유를 팽윤을 시키고 섬유표면을 용해시켜 표면이 충분히 점착성(tacky)을 갖도록 하여 섬유간 결합(bonding)이 일어나도록 하게 된다.
이렇게 섬유간 결합이 일어난 폴리유산섬유 토우는 담배필터로서의 충분한 경도를 가져 흡인저항을 가지게 되고, 필터성능을 확보하게 된다.
그러므로 본 발명에 의해 폴리유산섬유 토우간 접합 내지 결합 현상에 의해 기존의 아세테이트재 담배필터와 동일한 경도를 형성할 수 있고, 섬유간 결합에 의해 필터내부에서의 일정한 형태의 공기 흐름구조를 형성할 수 있는 담배필터를 제공할 수 있으며, 담배연기의 훈연 후 열에 의한 접착제 냄새로 담배맛의 변질이 생기지 않고 잔존 용제가 없는 담배필터를 제공할 수 있으며, 폐기시 단기간에 생분해될 수 있는 담배필터를 제공함으로써 환경오염 및 담배꽁초 처리와 관련한 사회적비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 담배필터 구성 섬유의 SEM 사진이며,
도 2는 본 발명의 실시예 3의 담배필터 구성 섬유의 SEM 사진이다.
[실시예 1~3,비교예 1~5]
표 1과 같이 농도 99% 이상의 MC(Methyl Chloride, 대원케미칼), PLA 레진 , Sorbitol type의 유화제(SPAN-80, 대봉엘에스(주)), 지건제(1,3-PDO, Dupont), Benzoic ester계 가소제(Benzoflex 9-88, Eastman), 부티레이트계 가소제를 균일하게 혼합하여 바인더를 준비하였다. 방사된 2dpf급 35,000d 폴리유산 섬유 토우를 통상적인 롤러와 커터를 가지는 크림프장치를 사용하여 온도는 80℃의 예열을 한 후 크림핑을 하여 크림프 개수 25개/인치로 조절하였다. 크림핑 후 개섬을 하여 토우를 정렬한 후 상기 준비한 바인더를 침지법으로 토우에 도포한 후 상기 바인더가 도포된 폴리유산섬유 토우의 외부를 권지로 둘러싼 후, 일정길이로 절단하여 담배필터를 제조하였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4 5
MC 55 55 48 65 62 65 45 65
PLA Resin 15 15 15 15 15 15 25 5
Sorbitol type 유화제 3 3 3 3 3 3 3 3
지건제 10 5 10 - 10 10 10 10
Benzoic ester계 가소제 7 7 9 7 - 7 7 7
부티레이트계 가소제 10 15 15 10 10 - 10 10
상기와 같이 제조한 담배필터를 하기와 같은 방법으로 외관, 작업성, 융착성, 경도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이 때, 작업성은 우수한 것을 5점, 보통인 것을 3점, 나쁜 것을 1점으로 하여 10회 반복하여 평균치를 기재하였다. 융착성은 우수한 것을 5점, 보통인 것을 3점, 나쁜 것을 1점으로 하여 10회 반복하여 평균치를 기재하였다. 또한, 경도는 우수한 것을 5점, 보통인 것을 3점, 나쁜 것을 1점으로 하여 10회 반복하여 평균치를 기재하였다.
구분 실시예 1
외관 연녹색 투명
작업성 5
융착성 4
경도 4
상기 표 2를 통하여, 본 발명에 따른 실시예 1의 담배필터는 우수한 외관, 융착성, 경도를 가지면서도 작업성 또한 용이함을 확인할 수 있었다.
상기와 같이 제조된 실시예 1 내지 3은 융착성과 건조시간, 제품 안정성이 우수하게 나타났으며, 가소제 함유량이 많아질수록 점도가 증가하여 작업성은 떨어짐을 확인하였다. 지건제를 사용한 실시예 1이 비교예 1과 비교하여 융착성이 우수한 것을 확인할 수 있으며, Benzoic ester계 가소제를 사용한 실시예 2가 비교예 2와 비교하여 건조시간이 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한, 부티레이트계 가소제를 사용한 실시예 3이 비교예 3과 비교하여 저장안정성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, PLA레진 함량이 본 발명에 따른 함량 범위를 초과하여 사용된 비교예 4의 경우 점도가 증가하여 작업성이 현저히 저하되었으며, 함량 범위미만으로 사용된 비교예 5의 바인더를 사용하여 담배필터를 제조하였을 경우 그 경도가 현저히 저하되었음을 확인하였다.

Claims (3)

  1. 폴리유산섬유 토우(tow)를 개섬하고 크림핑하고 배열한 후,
    메틸클로라이드(Methyl Chloride), 클로로포름(chloroform), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 아세톤(acetone) 중 어느 하나 이상의 용매가 40~65 중량%, PLA레진 10~15 중량%, 솔비톨형(Sorbitol type) 유화제 3~10 중량%, 지건제로서 디올계지건제 또는 1,3-PDO 5~10 중량%, 가소제로서 벤조익에스테르(Benzoic ester)계 가소제, 부티레이트계 가소제, 폴리(1,3-부탄다이올)(poly(1,3-butane diol)), 디부틸 세바케이트(Dibutyl sebacate), 아세틸글리세롤모노라우레이트(Acetyl glycerol monolaurate), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디-n-부틸 세바케이트(di-n-butyl sebacate) 및 시트레이트 에스테르(citrate ester) 중 어느 하나 이상인 가소제 17 ~ 25중량%를 균일하게 혼합한 바인더를 상기 폴리유산섬유 토우(tow)에 도포한 후,
    상기 바인더가 도포된 폴리유산섬유 토우의 외부를 권지로 둘러싼 후,
    일정길이로 절단하는 것을 특징으로 하는 생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 크림핑은 크림핑시 온도는 60~99℃이고, 크림프 개수 10~30개/인치로 크림핑하는 것을 특징으로 하는 생분해성 폴리유산섬유 토우를 사용한 담배필터의 제조방법.
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