KR102098396B1 - 바이오 플라스틱 식품용기의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 플라스틱 기반의 식품용기를 제조하는 방법에 있어서: (a) 바이오매스와 전분을 혼합하여 1차반응물을 생성하는 단계; (b) 1차반응물에 탄산칼슘, 화학분해촉진제, 산화제, 보조첨가물을 넣고 혼합하여 2차반응물을 생성하는 단계; (c) 2차반응물과 폴리프로필렌 수지의 크라프트 결합을 유발하고, 생성되는 스트랜드의 냉각하여 마스터배치 칩을 생성하는 단계; 및 (d) 상기 마스터배치 칩을 이용하여 설정된 식품용기의 형태로 성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 바이오 플라스틱 식품용기로서의 가공성, 무해성, 강성, 상품성 등을 열화시키지 않으면서 생분해성과 자원 재활용성을 높여 환경친화적으로 탄소배출을 저감할 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오 플라스틱 식품용기의 제조방법{Method for producing bio-plastic food container}
본 발명은 바이오 플라스틱의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기본적 물성을 유지하면서 자연 상태에서 분해되어 환경적인 영향을 최소화하는 바이오 플라스틱 식품용기의 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 플라스틱 소재는 물성, 가공성 등이 우수하여 식품용기 등으로 널리 활용되고 있으나 사용 후 발생되는 폐기물에 의한 환경오염이 심각한 사회문제로 대두된다. 즉, 소각 과정에서 유해산성가스, 중금속, 할로겐 물질, 다이옥신 및 불완전 연소물 등의 오염물질이 다량으로 배출된다. 근래에는 지구온난화의 주범으로 인식되고 있는 이산화탄소를 감축하기 위해 탄소 중립형(carbon neutral) 소재인 식물체 바이오매스에 대한 관심이 고조되고 있다.
이와 관련되는 참고할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1227448호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2015-0111822호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 카카오 원두 껍질; 왕겨; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌 중에서 선택된 바인더; 탄산칼슘, 탈크, 실리카 및 마이카 중에서 선택된 무기 첨가제; 이산화티탄; 마그네슘, 칼슘스테아린, 아연스테아린 중에서 선택된 분산제; 및 왁스;를 포함한다. 이에, 우수한 강도와 생분해성을 보유하여 환경 오염, 환경 호르몬 발생 등의 문제를 해결하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 초본계 폐기물을 미립자로 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 폐기물을 가열 건조하는 단계; 상기 폐기물에 파라핀을 첨가하고 교반시켜 혼합 분말을 제조하는 단계; 합성수지, 초산, 녹말, 탄산칼슘 및 상용화제를 넣고 혼합물을 제조하는 단계; 및 혼합물을 압출 가공하는 단계를 포함한다. 이에, 실생활에 사용할 수 있는 용기의 자연분해성을 높이는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 식품용기에 요구되는 기능성을 유지하면서 리사이클 과정의 생분해성을 높이기 위한 차원에서 개선의 여지가 크다.
1. 한국 등록특허공보 제1227448호 "카카오 원두 껍질을 포함하는 생분해성 바이오매스 플라스틱 및 이의 제조방법" (공개일자 : 2012.11.21.) 2. 한국 공개특허공보 제2015-0111822호 "바이오매스를 이용한 친환경 생활용기 및 이의 제조방법" (공개일자 : 2015.10.06.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 식품용기로서의 가공성, 무해성, 강성, 상품성 등을 열화시키지 않으면서 생분해성과 자원 재활용성을 높여 환경친화적으로 탄소배출을 저감할 수 있는 바이오 플라스틱 식품용기의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바이오 플라스틱 기반의 식품용기를 제조하는 방법에 있어서: (a) 바이오매스와 전분을 혼합하여 1차반응물을 생성하는 단계; (b) 1차반응물에 탄산칼슘, 화학분해촉진제, 산화제, 보조첨가물을 넣고 혼합하여 2차반응물을 생성하는 단계; (c) 2차반응물과 폴리프로필렌 수지의 크라프트 결합을 유발하고, 생성되는 스트랜드의 냉각하여 마스터배치 칩을 생성하는 단계; 및 (d) 상기 마스터배치 칩을 이용하여 설정된 식품용기의 형태로 성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a)는 왕겨, 밀겨, 옥수수대에서 선택되는 적어도 1종을 분쇄하고 건조하여 생성된 바이오매스를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (b)는 20㎛ 이하로 생성된 미립자 충전재의 표면을 나노 처리한 보조첨가물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (c)는 바이오매스의 종류에 따라 왕겨의 경우 150~200℃, 밀겨의 경우 160~180℃, 옥수수대의 경우 180~200℃의 압출온도로 스트랜드를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (d)는 고지펄프로 생성된 재생지에 의한 적층 구조로 형성하되, 적층된 접합면의 적어도 일부에 주름을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 바이오 플라스틱 식품용기로서의 가공성, 무해성, 강성, 상품성 등을 열화시키지 않으면서 생분해성과 자원 재활용성을 높여 환경친화적으로 탄소배출을 저감할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 시제품의 SEM 이미지를 나타내는 사진
도 3은 본 발명의 방법에 의한 식품용기의 제조를 나타내는 모식도
이하, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 바이오 플라스틱 기반의 식품용기를 제조하는 방법에 관하여 제안한다. 액상이나 고상의 식품을 취급하는 일회용 식품용기를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계 (a)는 바이오매스와 전분을 혼합하여 1차반응물을 생성하는 과정으로 진행한다.
식물체 바이오매스는 종류에 따라 다양한 물리적 특성을 가지고 있어 식품용기 개발에 적정한 물성을 가지는 조건 설정이 중요하다. 전분은 후술하는 크라프트 결합을 위한 것으로서 다양한 종류의 적용이 가능하나 열가소성을 부가하여 식품용기로서의 강도와 내열성을 높인다. 바이오매스와 전분을 믹서에 투입하고 설정된 온도와 rpm으로 혼합하여 1차반응물을 생성한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a)는 왕겨, 밀겨, 옥수수대에서 선택되는 적어도 1종을 분쇄하고 건조하여 생성된 바이오매스를 사용하는 것을 특징으로 한다.
비식용계인 왕겨, 밀겨, 옥수수대는 생분해성을 높일 수 있을뿐더러 비교적 저가로 수득이 가능하여 제조원가를 절감한다. 다만 이러한 바이오매스는 수확 후나 보관 중에 수분을 함유하는 경우가 많아 플라스틱 수지의 물성이 떨어뜨리는 중요한 원인이 된다. 바이오매스는 ACM(Air Classifying Mill)를 사용하여 분체화하고 100℃ 내외에서 30분간 열풍건조 방식으로 수분을 제거한다.
한편, 왕겨, 밀겨, 옥수수대 중에서 선택되는 바이오매스와 전분의 함량비(wt%)는 대략 3:1로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 단계 (b)는 1차반응물에 탄산칼슘, 화학분해촉진제, 산화제, 보조첨가물을 넣고 혼합하여 2차반응물을 생성하는 과정을 거친다.
탄산칼슘은 교반 공정에서 분산성을 높이고 통기성을 개선하며 슬립에 의하여 마찰력을 줄인다. 화학분해촉진제는 산화반응을 촉진하는 것으로서 산화분해제, 방향족 케톤, 산화아연, 칼슘 카보네이드 중에서 선택하여 투입한다. 보조첨가물은 식품용기의 물성을 강화하기 위한 것으로서 취급 대상 식품의 종류에 따라 선택된다. 1차반응물과 단계 (b)의 성분을 혼합기에 투입하고 높은 전단력을 부가한 상태로 20분간 혼련을 거쳐 2차반응물을 생성한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (b)는 20㎛ 이하로 생성된 미립자 충전재의 표면을 나노 처리한 보조첨가물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
도시에는 생략하지만, 미립자는 혼련 과정에서 입자간의 결합력을 증대하며 나노 표면처리에 의하여 결합력이 더욱 증대된다. 미립자는 탄산칼슘, 산화칼슘, 제올라이트, 이산화규소, 탈크 중에서 선택될 수 있다. 이러한 보조첨가물은 굴곡탄성율을 높여 식품용기의 강성을 유지하는 외에 식품 접촉면에서 항균성도 높인다. 보조첨가물로서 칼슘스테아레이트 (Calcium Stearate), 왁스(PE-Wax) 등을 부가할 수도 있다.
이때, 2차반응물에 대비한 미립자의 함량을 3wt% 이하로 유지하는 것이 마스터배치 칩의 물성열화를 방지할 수 있다. 함량이 적정치를 초과하면 투명성이 개선되지만 제조과정에서 응집에 의한 분산성 저하를 유발한다. 물론 식품용기의 용도에 따라서는 투명성 개선을 위해 3~6wt%의 미립자를 투입할 수도 있다.
참고로, 도 1은 왕겨 마스트배치의 SEM 사진이고 도 2는 옥수수피 마스터배치의 SEM 사진이다. 이미지 확인한 결과 모두 18um의 크기로 고르게 분산된 상태로 나타난다.
본 발명에 따른 단계 (c)는 2차반응물과 폴리프로필렌 수지의 크라프트 결합을 유발하고, 생성되는 스트랜드의 냉각하여 마스터배치 칩을 생성하는 과정을 거친다.
호퍼의 2차반응물과 폴리프로필렌 수지를 압축기에 정량으로 투입하면서 직경 2~3㎜ 정도로 커팅된 마스터배치 칩을 생성한다. 압출 과정의 점도와 속도가 적절하지 않으면 마스터배치 스트랜드의 굵기가 변동되고 중간에 끊어짐이 발생할 수 있다. 바이오매스로 사용되는 왕겨, 밀겨, 옥수수대에 따라서 마스터배치를 압출하는 공정조건을 다르게 적용하는 것이 바람직하다. 냉각 방법에는 크게 수냉과 공냉이 있으나 수냉의 경우 폴리프로필렌의 물성을 저하시키는 영향을 미칠 수 있기에 공냉방식이 선호된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (c)는 바이오매스의 종류에 따라 왕겨의 경우 150~200℃, 밀겨의 경우 160~180℃, 옥수수대의 경우 180~200℃의 압출온도로 스트랜드를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실험을 통하여 관찰한 바에 의하면 왕겨, 밀겨, 옥수수대 마스터배치 생성을 위한 압출기 다이의 온도 조건이 가장 중요한 설계요소로 밝혀졌다. 다이 온도가 적정치를 초과하면 바이오매스의 탄화가 유발되어 스트랜드의 끊어짐이 발생하고, 적정치에 미달하면 원료의 크라프트 결합이 불완전하여 스트랜드에 층이 발생한다.
본 발명에 따른 단계 (d)는 상기 마스터배치 칩을 이용하여 설정된 식품용기의 형태로 성형하는 과정으로 마무리한다.
도 3을 참조하면, 호퍼, 사출실린더, 스크류, 금형으로 구성되는 사출성형기(10)를 사용하지만 반드시 이에 한정되지 않는다. 경우에 따라서 마스터배치 칩을 가열/가압하는 프레스성형기(10)를 사용할 수도 있다. 성형을 위한 온도 조건도 왕겨, 밀겨, 옥수수대에 따라서 약간씩 다르게 설정할 수 있다. 다만 성형 과정의 온도가 높을수록 원료의 흐름성이 양호한 반면 탄화현상이 유발되므로 160~175℃ 범위로 유지한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (d)는 고지펄프로 생성된 재생지(40)에 의한 적층 구조로 형성하되, 적층된 접합면의 적어도 일부에 주름을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 재생지(40)는 서적, 골판지, 사무용지, 신문지, 광고지 등의 고지를 세절, 탈묵, 건조하여 생성한다. 성형기 금형에 재생지(40)를 미리 투입하여 식품용기의 외면에 일체로 형성하거나, 식품용기(30)와 재생지(40)를 별도로 제조한 후에 생분해성 접착제로 접합하는 방식을 적용할 수 있다. 재생지(40)의 주름 구조는 미감과 더불어 강도를 향상하는 기능을 한다.
이와 같이 특정의 식품용기(30)의 기능에 부합하도록 재생지(40)를 병용하면 수지 함량을 축소하여 친환경성을 높이는 동시에 사용이 종료된 후에 재생지를 분리하여 자원 재활용성을 높일 수 있다.
한편, 재생지(40)를 대신하거나 재생지(40)와 병행하여 다른 재활용 수지재를 부가할 수도 있다.
본 발명의 실험에 의하면, 커피 용기, 컵라면 용기, 도시락 용기 등으로 성형된 시제품 식품용기에 있어서 평균 인장강도는 19.6MP로 정량적 목표항목인 15MPa보다 높은 수치를 나타내고, 평균 압축강도는 14.6MPa로 기존의 PP 제품과 유사하게 나타났다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 사출성형기
20: 프레스성형기
30: 식품용기
40: 재생지

Claims (4)

  1. 바이오 플라스틱 기반의 식품용기를 제조하는 방법에 있어서:
    (a) 바이오매스와 전분을 혼합하여 1차반응물을 생성하는 단계;
    (b) 1차반응물에 탄산칼슘, 화학분해촉진제, 산화제, 보조첨가물을 넣고 혼합하여 2차반응물을 생성하는 단계;
    (c) 2차반응물과 폴리프로필렌 수지의 크라프트 결합을 유발하고, 생성되는 스트랜드를 냉각하여 마스터배치 칩을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 마스터배치 칩을 이용하여 설정된 식품용기의 형태로 성형하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 단계 (a)는 왕겨, 밀겨, 옥수수대를 분쇄하고 건조하여 생성된 바이오매스를 사용하고, 바이오매스와 전분의 함량비(wt%)는 3:1로 유지하며,
    상기 단계 (b)는 20㎛ 이하로 생성된 미립자 충전재의 표면을 나노 처리한 보조첨가물을 사용하고,
    상기 단계 (c)는 바이오매스의 종류에 따라 왕겨의 경우 150~200℃, 밀겨의 경우 160~180℃, 옥수수대의 경우 180~200℃의 압출온도로 스트랜드를 생성하고,
    상기 단계 (d)는 고지펄프로 생성된 재생지에 의한 적층 구조로 형성하되, 적층된 접합면의 적어도 일부에 주름을 형성하는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 식품용기의 제조방법.
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