KR101821505B1 - 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 쌀 분말, 폴리프로필렌, 글리세롤 및 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 포함하는 것을 특징으로 하며, 특히, 천연고분자인 쌀 분말을 사용하여 생분해성이 우수하고, 무독성인 친환경 소재일 뿐 아니라, 방치되고 있는 장기재고미를 산업적으로 활용하여 제조비용을 대폭 절감할 수 있는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상용성이 좋으며, 인장, 굴곡, 충격강도 등의 기계적 특성을 향상시켜 우수한 물성을 가지는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오 복합재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법{bio composite materials using long-term rice stock and method for the preparation thereof}
본 발명은 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쌀 분말을 사용하여 생분해성이 우수하고, 무독성인 친환경적인 소재일 뿐 아니라, 상용성이 좋고, 인장, 굴곡, 충격강도 등의 기계적 특성을 향상시켜 우수한 물성을 가지며, 방치되고 있는 장기재고미를 산업적으로 활용하여 제조비용을 대폭 절감할 수 있는 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 플라스틱 산업은 우수한 성능과 기능을 가진 다양한 고분자 소재의 개발로 인해 발전을 거듭하며 1억톤 이상이 합성되어 사용되고 있다. 이러한 막대한 사용량에 의해 플라스틱의 폐기량도 기하급수적으로 증가하고 있는 추세이다.
그런데, 플라스틱의 경우 일반적으로 안정적인 분자구조를 가지기 때문에 결합이 끊어지기 어려우며 결합이 끊어지더라도 재결합을 진행하여 분해기간이 약 200~300년 소요되는 문제가 있어 토양오염, 매립지 부족 등의 환경오염 문제가 심각하게 대두되고 있다.
또한, 플라스틱을 소각하여 폐기하는 경우 유독가스 및 이산화탄소 발생으로 대기오염은 물론 지구 온난화 현상을 가속화시키는 역할을 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다양한 생분해성 소재의 사용이 검토되고 있는데, 이들 생분해성 수지의 경우 미생물에 의해 생화학적으로 이산화탄소 및 물 등으로 분해되기 때문에 폐기된 이후에도 환경에 무해하다는 장점이 있다.
기존의 합성수지와 성질이 유사하면서 자연계의 미생물에 의해 쉽게 분해되는 생분해성 고분자로는 화학합성을 통한 지방족 폴리에스테르, 발효에 의한 폴리히드록시 알카노에이트 및 폴리히드록시 부틸레이트 등과, 천연고분자인 셀룰로오스 또는 전분의 복합물 등이 있다. 이 중 자연계에 풍부하게 존재하고 가격 또한 저렴한 전분이 함유된 생분해성 고분자에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이와 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다.
생분해성 고분자 원료로 활용이 가능한 전분 중에서도, 쌀 전분은 다른 종류보다 폴리펩티드로 이루어진 단백질과 섬유질을 적게 함유하고 있어 상용성이 높아 우수한 물성을 지닌 제품을 제조할 수 있으며, 화학적으로 불안정한 성질을 띠는 리보플라빈의 함유량이 상대적으로 적어서 소재가 변색될 우려가 적다는 장점을 지닌다.
현재, 쌀은 서구식 식생활과 건강식 지향으로 소비패턴이 변화하면서 소비량이 급감하고 있는 추세에 있으며, 그 생산량을 줄이고 있으나 수요의 감소 폭이 커서 2015년 기준으로 쌀 재고량이 136만 톤에 달하고 있다. 이러한 재고 문제가 굉장히 심각하며, 이들을 보관하는데만 막대한 비용이 소모되고 있고, 더 이상 식량으로는 사용하기 어렵기 때문에 이를 산업적으로 활용하는 방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0108683호 "폴리락트산을 이용한 생분해성 수지 조성물"은 아밀로오스 함량이 40 중량% 미만인 전분과 폴리락트산으로 이루어진 생분해성 수지 조성물에 관하여 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허공보 제10-0354867호 "쌀 분말을 함유하는 생붕괴성 플라스틱 조성물"은 쌀 분말과 폴리올레핀 매트릭스 수지로 이루어진 생붕괴성 플라스틱 조성물에 관하여 개시하고 있으나, 이를 이용하여 제조된 생분해성 고분자 물질은 전분 성분의 함량에 따라 생분해 속도에 차이가 있으며, 강도 및 내충격성이 다소 떨어져 물성 측면에서 다소 미약한 한계점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0108683호(2010.10.08. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-0354867호(2002.10.04. 공고)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 쌀 분말을 사용하여 생분해성이 우수하고, 무독성인 친환경적인 소재일 뿐 아니라, 상용성이 좋고, 인장, 굴곡, 충격강도 등의 기계적 특성을 향상시켜 우수한 물성을 가지며, 방치되고 있는 장기재고미를 산업적으로 활용하여 제조비용을 대폭 절감할 수 있는 친환경 바이오복합재 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 쌀 분말, 폴리프로필렌, 글리세롤 및 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 포함하는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물을 제공한다.
본 발명은 산화방지제로서 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제; 및 활제로서 칼슘-스테아레이트;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 쌀 분말 5~39 중량%와 상기 폴리프로필렌 61~95 중량%의 혼합물에, 혼합물 100 중량부 기준으로 상기 글리세롤 1~15 중량부 및 상기 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌 1~20 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 혼합물 100 중량부 기준으로, 산화방지제 0.01~0.8 중량부 및 활제 0.06~0.25 중량부를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 용기를 제공한다.
또한, 본 발명은 쌀 분말 5~39 중량% 및 폴리프로필렌 61~95 중량%를 1차 혼합하여 균일한 배합물을 만드는 제 1단계;
상기 배합물에 배합물 100 중량부 기준으로 글리세롤 1~15 중량부; 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌 1~20 중량부; 산화방지제로서 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제 0.01~0.8 중량부 및 칼슘-스테아레이트 0.06~0.25 중량부를 첨가하여 2차 혼합하는 제 2단계;
상기 제 2단계에서 제조한 혼합물을 이축 압출기로 압출하는 제 3단계; 및
상기 제 3단계의 압출물을 냉각시켜 펠렛화하는 제 4단계;를 포함하는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 제 3단계의 압출은 175~185 ℃의 온도범위에서 직경 Φ19의 이축압출기를 이용하여 200rpm의 회전속도로 수행되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 바이오 플라스틱 용기를 제공한다.
본 발명에 따른 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물은 쌀 분말을 사용하여 생분해성이 우수하고, 무독성의 친환경적인 소재일 뿐 아니라, 상용성이 좋고, 인장, 굴곡, 충격강도 등의 기계적 특성을 향상시켜 우수한 물성을 가지며, 방치되고 있는 장기재고미를 산업적으로 활용하여 제조비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 제조예 2에서 제조한 바이오복합재 조성물의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 2는 제조예 3에서 제조한 바이오복합재 조성물의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 3은 제조예 4에서 제조한 바이오복합재 조성물의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 4는 제조예 5에서 제조한 바이오복합재 조성물의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 5는 제조예 6에서 제조한 바이오복합재 조성물의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 6는 실시예 1에서 제조한 바이오복합재 조성물의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 3에서 제조한 바이오복합재 조성물 시편의 내수성테스트 전후사진을 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 3에서 제조한 바이오복합재 조성물 시편의 내수성테스트 전후사진을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 바이오복합재 조성물 펠렛 및 시편의 사진을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 바이오복합재 조성물로 제조한 바이오 플라스틱 용기를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 쌀 분말, 폴리프로필렌, 글리세롤 및 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 포함하는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물을 제공한다.
상기 쌀 분말의 평균입도는 1,800 내지 2,100 메쉬인 것이 바람직하며, 이는 성형품의 제조 과정에서 다른 구성성분과 균일하게 혼합될 수 있고, 공극을 유발하는 기포가 발생하지 않으며, 폐기 시 분해 속도가 빠른 장점이 있다.
또한, 상기 쌀 분말은 통상적으로 구입할 수 있는 쌀을 분말화한 것, 쌀을 발포시킨 후 분말화 한 것 등 통상적인 방법으로 가공된 것일 수 있다.
본 발명은 산화방지제로서 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제; 및 활제로서 칼슘-스테아레이트;를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 페놀계 산화방지제는 예를 들어, 비스-(3,3-비스-(4'-히이드록시-3'-테트라부틸페놀)부탄산-글리콜에스터，2,6-디-터트-부틸-4-메틸페놀，4,4'-티오비스(2-터트-부틸-5-메틸페놀)，테트라키스 [메틸렌 (3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트 메탄，1,2-비스(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시-디히드로-신나모일) 히드라진, 티오디에틸렌 비스[3-(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐) 프로피오네이트], 옥타데실-3-(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐) 프로피오네이트，이소트리데실-3-(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐) 프로피오네이트, N,N'-헥사메틸렌 비스 (3,5-디-t-부틸-4-히드록시-신나믹 아미드 히드로클로라이드), 3,5-비스(1,1-디메틸에틸)-4-히드록시-벤젠 프로파노익산，탄소수 7 내지 9의 분지형 알킬 에스테르, 2,2'-에틸렌-비스 (4,6-디-터트-부틸페놀)，1,3,5-트리에틸-2,4,6-트리스 (3,5-디-t-부틸-4-히드록시벤질)벤젠，4,6-비스 (옥틸 티오메틸)-0-크레졸，1,3,5-트리스(2,6-디메틸-3-히드록시-4-터트-부틸벤질) 이소시아누레이트, 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-t-부틸페놀), 트리에틸렌 글리콜-비스-3-(3-터트-부틸-4-히드록시-5-메틸페닐) 프로피오네이트，2,5-디-터트-아밀-히드로퀴논, 헥사메틸렌 비스[4-(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐) 프로피오네이트], 트리스-(3,5-디-터트-부틸-히드록시벤질) 이소시아누레이트 및 4,4'-부틸리덴비스(6-터트-부틸-3-메틸페놀)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 들 수 있다. 다만, 상기 페놀계 산화 방지제의 예가 이에 한정되지는 않으며，상술한 각 물질의 유도체나 유사체를 포함하여 이전부터 알려진 임의의 페놀계 산화방지제를 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다.
또한, 상기 인계 산화방지제는 예를 들어, 트리에틸포스파이트, 트리이소프로필포스파이트, 트리이소데실포스파이트，트리도데실포스페이트，페닐이소데실포스파이트, 디페닐이소데실포스파이트，트리페닐포스파이트，페닐-비스(4-노닐페닐)포스페이트，트리스-(4-옥틸페닐)포스페이트，트리스-[4-(1-페닐에틸)페닐]-포스파이트, 트리스(2,4-디-터트-부틸페닐)포스페이트, 트리스(2,4-디-터트-부틸페닐)포스페이트, 폴리(디프로필렌글리콜)페닐포스페이트 및 디이소데실페닐포스페이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 들 수 있다. 다만，상기 인계 산화 방지제의 예가 이에 한정되지는 않으며, 상술한 각 물질의 유도체나 유사체를 포함하여 이전부터 알려진 임의의 인 함유 산화방지제를 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 쌀 분말 5~39 중량%와 상기 폴리프로필렌 61~95 중량%의 혼합물에, 혼합물 100 중량부 기준으로 상기 글리세롤 1~15 중량부 및 상기 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌 1~20 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 쌀 분말이 포함된 조성물은 매립시 토양속에서 분해되어 친환경적인 장점이 있다.
상기 쌀 분말은 구성성분의 응집력을 높이는 역할을 하며, 그 함량이 5 중량% 미만인 경우 분해 성능이 저하되어 바람직하지 않고, 39 중량%를 초과하는 경우는 가공성 및 기계적 물성이 떨어지므로 바람직하지 않다.
상기 폴리프로필렌은, 그 함량이 61 중량% 미만일 경우 분산 및 상용성이 급격히 떨어져 제품으로 사용하기 어려운 문제가 있고, 95 중량%를 초과하는 경우 수지 함량이 과다하므로 경제성이 떨어지는 문제점이 있기 때문에 제품 상태의 충분한 강도를 유지하기 위해서는 상기 함량이 바람직하다.
상기 글리세롤은 분자간 강한 수소결합을 하고 있는 쌀 분말 사이에 침투하여, 쌀 분말의 히드록시기 그룹과 글리세롤 분자 내의 히드록시기 그룹이 수소 결합을 형성하도록 하기 때문에 쌀 분말의 분자 간 수소결합을 약하게 하고 고유의 결정성을 잃도록 하여 플라스틱에 유연성 및 탄성을 주는 물질로서, 상기 혼합물 100 중량부 기준으로 그 함량이 1 중량부 미만일 경우 유연성이 저하될 수 있으며, 15 중량부를 초과하는 경우 작업성이 저하될 수 있다.
상기 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌은 폴리프로필렌과 쌀 분말의 혼련도를 높이는 역할을 하며, 상기 혼합물 100 중량부 기준으로 그 함량이 1 중량부 미만인 경우 상용성이 충분하지 못하여 층간 분리 현상이 발생할 수 있으며, 20 중량부를 초과하는 경우 경제적인 효과를 얻을 수 없다.
본 발명은 상기 혼합물 100 중량부 기준으로, 산화방지제 0.01~0.8 중량부 및 활제 0.06~0.25 중량부를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 산화방지제는 화합물의 변형을 방지하여 기계적 물성 및 가공안정성을 유지하기 위해 첨가되는 성분으로서, 상기 혼합물 100 중량부 기준으로 0.01 중량부 미만인 경우 플라스틱 고유의 기계적 특성을 저하시키거나 색상변화, 가스 및 흑점발생 등의 문제가 나타날 수 있으며, 0.8 중량부를 초과하는 경우 그 함량이 과다하므로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 활제는 배합물과 폴리프로필렌 간의 친화력 강화 및 배합, 압출 시 발생되는 마찰열을 감소하여 열적 분해를 방지하는 동시에 원활한 압출작업을 수행하기 위하여 첨가되는 성분으로서, 이들을 첨가하더라도 기계적 물성은 기초소재와 유사하게 유지하면서 원활한 작업성을 제공해준다. 상기 혼합물 100 중량부 기준으로 0.06 중량부 미만인 경우 제품 성형 시에 충분한 윤활제로서의 효과를 얻을 수 없는 문제가 있으며, 0.25 중량부를 초과하는 경우 제품 내부에 결함을 발생시키거나 제품 성형시 탄화물 또는 플로우마크 등이 발생하여 미려한 미관을 저해함은 물론 경제적 효과를 얻을 수 없다.
본 발명의 친환경 바이오복합재 조성물은 인장강도가 12~28 MPa, 바람직하게는 13~27 MPa, 보다 바람직하게는 14~26 MPa인 것일 수 있다.
본 발명의 친환경 바이오복합재 조성물은 연신율이 6~20 %, 바람직하게는 7~19 %, 보다 바람직하게는 7.5~19.5 %인 것일 수 있다.
본 발명의 친환경 바이오복합재 조성물은 굴곡탄성률이 1000~1550 MPa, 바람직하게는 1010~1540 MPa, 보다 바람직하게는 1020~1530 MPa인 것일 수 있다.
본 발명의 친환경 바이오복합재 조성물은 충격강도가 29~78 J/m, 바람직하게는 30~77 J/m, 보다 바람직하게는 31~76 J/m인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 용기를 제공한다.
또한, 본 발명은 쌀 분말 5~39 중량% 및 폴리프로필렌 61~95 중량%를 1차 혼합하여 균일한 배합물을 만드는 제 1단계;
상기 배합물에 배합물 100 중량부 기준으로 글리세롤 1~15 중량부; 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌 1~20 중량부; 산화방지제로서 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제 0.01~0.8 중량부 및 칼슘-스테아레이트 0.06~0.25 중량부를 첨가하여 2차 혼합하는 제 2단계;
상기 제 2단계에서 제조한 혼합물을 이축 압출기로 압출하는 제 3단계; 및
상기 제 3단계의 압출물을 냉각시켜 펠렛화하는 제 4단계;를 포함하는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 제 3단계의 압출은 175~185 ℃의 온도범위에서 직경 Φ19의 이축압출기를 이용하여 200rpm의 회전속도로 수행되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 바이오 플라스틱 용기를 제공한다.
상기 쌀 분말을 함유하는 바이오 플라스틱 용기는 용도를 다한 후에 별도의 폐기 절차를 거치지 않고 매립만으로도 분해되어 후처리비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
<제조예 1>
폴리프로필렌 100g, IRGANOX 1076(BASF사 제품) 0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<제조예 2>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, IRGANOX 1076(BASF사 제품) 0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<제조예 3>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, Elvaloy® PTW(Dupont사 제품) 6g, IRGANOX 1076(BASF사 제품) 0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<제조예 4>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌(PP-g-MA) 18g, IRGANOX 1076(BASF사 제품)0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<제조예 5>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, 글리세롤 6g, IRGANOX 1076(BASF사 제품) 0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<제조예 6>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, 글리세롤 6g, Elvaloy® PTW(Dupont사 제품) 6g, IRGANOX 1076(BASF사 제품) 0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<실시예 1>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, 글리세롤 6g, 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌(PP-g-MA) 18g, IRGANOX 1076(BASF사 제품)0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<실시예 2>
폴리프로필렌 70g과 쌀 분말 30g을 혼합한 후, 글리세롤 6g, 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌(PP-g-MA) 18g, IRGANOX 1076(BASF사 제품)0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<실시예 3>
폴리프로필렌 80g과 쌀 분말 20g을 혼합한 후, 글리세롤 6g, 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌(PP-g-MA) 18g, IRGANOX 1076(BASF사 제품)0.2g 및 칼슘-스테아레이트 0.15g을 첨가하여 혼합물을 제조하여, 이축 압출기로 압출하고, 압축물을 냉각시켜 펠렛화하여 완성하였다.
<비교예 1-7>
하기 표 1을 참고하여 실시예 1 내지 실시예 3과 동일한 방법으로 완성하였다.
상기 제조예 1 내지 제조예 6, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 7에서 제조한 친환경 바이오복합재 조성물의 조성비를 하기 표 1에 정리하였다.
구분 폴리프로필렌(중량%) 쌀 분말
(중량%)		 글리세롤
(중량부)		 PP-g-MA
(중량부)		 Elvalloy
(중량부)		 산화방지제
(중량부)		 칼슘-스테아레이트(중량부)
제조예 1 100 - - - - 0.2 0.15
제조예 2 80 20 - - - 0.2 0.15
제조예 3 80 20 - - 6 0.2 0.15
제조예 4 80 20 - 6 - 0.2 0.15
제조예 5 80 20 6 - - 0.2 0.15
제조예 6 80 20 6 - 6 0.2 0.15
실시예 1 80 20 6 6 - 0.2 0.15
실시예 2 70 30 6 6 - 0.2 0.15
실시예 3 80 20 6 6 - 0.2 0.15
비교예 1 60 40 6 6 - 0.2 0.15
비교예 2 80 20 25 6 - 0.2 0.15
비교예 3 80 20 0.5 6 - 0.2 0.15
비교예 4 80 20 6 30 - 0.2 0.15
비교예 5 80 20 6 0.5 - 0.2 0.15
비교예 6 80 20 6 6 - 0.2 0.05
비교예 7 80 20 6 6 - 0.2 0.3
< 실험예 1: 물성측정>
상기 제조예 1 내지 제조예 6, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 7에서 제조한 친환경 바이오복합재 조성물의 물성을 하기 방법에 의해 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 인장강도(tensile strenth)
ASTM D638에 의거하여, 측정용 시편을 만들어서 만능재료시험기(Universal Testing Machine Tinius Olsen, H5KT)을 사용하여 온도 23±2℃, 상대습도 50% 및 대기압의 조건에서 5㎜/min의 인장속도로 측정하였다.
2) 연신율(percentage of elongation)
파단점에서의 값을 기록하여 최소 5회 이상 측정하여 평균값으로 나타내었다.
3) 굴곡탄성률(flexul modulus)
ASTM D790에 의거하여, 측정용 시편을 만들어서 만능재료시험기(Universal Testing Machine Tinius Olsen, H5KT)을 사용하여 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 5㎜/min의 시험 속도로 측정하였다.
4) 충격강도(impact strength)
ASTM D256에 의거하여, 1/8 인치 두께를 갖는 시편으로 충격강도시험기(Impact strength tester QM700A)를 사용하여 시편이 파단될 때까지의 에너지를 단위 두께로 나누어 계산하였으며, 최소 5회 이상 측정하여 평균값으로 나타내었다.
구분 인장강도
(단위:　MPa)		 연신율
(단위: %)		 굴곡탄성률
(단위: MPa)		 충격강도
(단위: J/m)		 비 고
제조예 1 21.1 85.6 1371 104.4
제조예 2 16.8 13.9 1569 39.1
제조예 3 17.3 11.9 1462 45.8
제조예 4 22.9 10.9 1736 65.8
제조예 5 18.3 17.2 1539 39.6
제조예 6 19.2 25.2 1296 44.8
실시예 1 25.8 19.3 1468 75.3
실시예 2 14.2 7.9 1523.3 36.0
실시예 3 23.15 12.26 1028.8 31
비교예 1 11.6 5.8 1690 27.3 상용성 저하
비교예 2 18.2 7.6 1137 16.8 작업성 저하
비교예 3 9.9 15.3 705 45.8 결함 발생
비교예 4 11.2 10.6 1193 27.3
비교예 5 10.7 3.9 1170 16.6
비교예 6 19.6 7.9 997.7 39.6 작업성 저하
비교예 7 19.2 10.3 1021 34 성형 시 탄화
본 발명의 바이오복합재 조성물을 제조하는 데 있어서는 쌀 함량이 증가할수록 탄화현상에 의한 어두운색이 나타났으며, 인장강도, 충격강도 등의 물성적인 측면도 감소하는 것을 확인하여, 적합한 조성비를 찾아내기 위하여 비교예 1 내지 비교예 7에서 제조한 바이오복합재 조성물을 제조하여 그 물성을 비교 분석하였으며, 그 결과, 본 발명에 따른 구성성분 조성비로 제조한 바이오복합재 조성물인 실시예 1 내지 실시예 3에서 보다 우수한 물성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
상기 제조예 1과 비교하여 쌀 분말을 첨가한 상기 제조예 2의 경우, 굴곡탄성률은 증가하였으나, 인장강도, 연신율 및 충격강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
상기 제조예 2와 비교하여 글리세롤로 가소화하는 상기 제조예 5의 경우, 인장강도의 감소 정도가 완화되었으며 굴곡탄성 증가율이 감소하였고, 연신율과 충격강도는 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 제조예 2와 비교하여 상용화제로서 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 사용한 상기 제조예 4의 경우, 충격강도의 감소 정도가 완화되었으며, 인장강도가 증가하여 상기 제조예 1과 동등하거나 그 이상의 인장강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
글리세롤과 상용화제로서 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 함께 사용하는 실시예 1의 경우, 인장강도가 현저히 증가하였고, 연신율, 굴곡탄성률 및 충격강도도 상기 제조예 1 내지 제조예 6보다 증가하여 보다 우수한 기계적 물성과 상용성을 가지는 것을 확인할 수 있었고, 색상 또한 밝은색이기 때문에 바이오 플라스틱 용기로 제조하는 데에도 적합한 것을 확인할 수 있었다.
< 실험예 2: 내수성테스트>
상기 실시예 3에서 제조한 바이오복합재 조성물의 시편을 제작하여 물에서 24시간 방치 후 젖은 상태에서 기계적 물성을 측정하고, 다시 60℃의 온도에서 24시간 방치하여 건조된 상태의 시편의 물성을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 또한, 상기 시편의 표면상태 변화를 육안으로 관찰하였으며, 내수성테스트 전후 시편의 사진을 도 7 내지 도 8에 나타내었다.
구분 인장강도
(단위:　MPa)		 연신율
(단위: %)		 굴곡탄성률
(단위: MPa)		 충격강도
(단위: J/m)
실시예 3 23.15 12.26 1028.8 31
실시예 3 (Wet) 22.15 11.5 874 25.7
실시예 3 (Dry) 20.3 10.9 1000 37.2
상기 실시예 3에서 제조한 바이오복합재 조성물 시편의 내수성테스트 전후 표면상태를 육안으로 관찰한 결과, 쌀 분말이 표면에 소량 드러나는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 물로 인한 글리세롤과 쌀 분말의 수소결합이 파괴되어 분산성이 저하되어 나타나는 것으로 판단된다.
또한, 상기 표 3에서 보는 바와 같이, 상기 실시예 3에서 제조한 바이오복합재 조성물 시편의 내수성테스트 후의 시편의 물성은 인장강도 및 연신율이 소폭으로 감소하였으며, 굴곡탄성률 역시 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 충격강도는 젖은 상태에서는 감소하는 반면, 다시 건조한 후에는 보다 증가하여 강도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3: 표면구조 분석>
제조예 2 내지 제조예 6과 실시예 1에서 제조한 바이오복합재 조성물의 표면구조를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 관찰하였으며, 이를 도 1 내지 도 6에 나타내었다.
상기 제조예 2와 제조예 5에서 제조한 바이오복합재 조성물의 표면구조를 분석한 결과, 별 차이를 보이지 않았으며, 가소화만으로는 육안으로 관찰되는 변화가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
상용화제로서 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 사용한 상기 제조예 4에서 제조한 바이오복합재 조성물의 표면구조는 상기 제조예 2에서 제조한 바이오복합재 조성물의 표면구조보다 쌀 분말 입자와 폴리프로필렌의 상용성이 더욱 향상된 것을 확인할 수 있었다.
가소화제로서 글리세롤과 상용화제로서 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌을 동시에 사용한 상기 실시예 1에서 제조한 바이오복합재 조성물의 표면구조를 분석한 결과, 시너지 효과로 인하여 분산성이 현저히 향상된 것을 확인할 수 있었다.
상기의 본 발명을 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 쌀 분말 5~39 중량%와 폴리프로필렌 61~95 중량%의 혼합물에, 상기 혼합물 100 중량부 기준으로 글리세롤 1~15 중량부, 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌 1~20 중량부, 산화방지제 0.01~0.8 중량부 및 활제 0.06~0.25 중량부를 포함하는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화방지제는 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제이며, 상기 활제는 칼슘-스테아레이트인 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항의 조성물을 포함하는 바이오 플라스틱 용기.
  6. 쌀 분말 5~39 중량% 및 폴리프로필렌 61~95 중량%을 1차 혼합하여 균일한 배합물을 만드는 제 1단계;
    상기 배합물에 배합물 100 중량부 기준으로 글리세롤 1~15 중량부; 말레인산무수물을 그라프트시킨 폴리프로필렌 1~20 중량부; 산화방지제로서 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제 0.01~0.8 중량부 및 칼슘-스테아레이트 0.06~0.25 중량부를 첨가하여 2차 혼합하는 제 2단계;
    상기 제 2단계에서 제조한 혼합물을 이축 압출기로 압출하는 제 3단계; 및
    상기 제 3단계의 압출물을 냉각시켜 펠렛화하는 제 4단계;를 포함하는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 3단계의 압출은 175~185 ℃의 온도범위에서 직경 Φ19의 이축압출기를 이용하여 200rpm의 회전속도로 수행되는 것이 특징인 장기재고미를 이용한 친환경 바이오복합재 조성물의 제조방법.
  8. 제 6항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 바이오 플라스틱 용기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20050171249A1 (en) 2002-02-28 2005-08-04 Ya-Jane Wang Biodegradable materials from starch-grafted polymers
US20090048368A1 (en) * 2007-08-13 2009-02-19 Bash Thomas F Polyolefin compositions comprising bio-based starch materials

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