KR102187897B1 - 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법 - Google Patents

축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법에 관한 것으로, 가축분뇨, 톱밥, 미생물배지 및 미생물제제를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1); 상기 혼합물을 교반하여 발효물을 만드는 단계(단계 2); 상기 발효물을 후숙시켜 후숙물을 만드는 단계(단계 3); 상기 후숙물을 건조시켜 건조물을 만드는 단계(단계 4); 상기 건조물을 분쇄하여 퇴비분말을 만드는 단계(단계 5); 및 상기 퇴비분말, 합성수지, 결합제, 분산제 및 슬립제를 배합한 후 압출시키면서 커팅하여 펠렛을 제조하는 단계(단계 6); 를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하며, 수분이 많이 함유되어 있는 가축분뇨 부숙물의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있으며, 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법{Manufacturing Method of Bioplast Pellet using Livestock Manure}
본 발명은 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분이 많이 함유되어 있는 가축분뇨 부숙물의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있으며 기계적 물성을 향상시킬 수 있는, 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법에 관한 것이다.
플라스틱은 고분자 물질로서 분자량이 큰 물질이다. 분자량이 커짐에 따라 기체로부터 액체, 고체로 변화한다. 고체물질에서는 분자량이 커짐에 따라서 유동성은 나빠지지만, 역학적 성질이나, 내열성 등이 향상하고, 금속, 목재, 도자기, 고무 등과 같이 일상생활에서 필요한 재료의 하나로서 사용될 수 있는 성질을 갖게 된다. 이 고분자 물질에 각종 개질제, 착색제, 보강재, 충전재료 등을 첨가하여 성형가공된 것이 플라스틱이다. 플라스틱의 성질은 PE, PP, PVC 등 합성수지의 화학구조에 따라 결정되지만, 같은 수지라도 많은 요인에 따라 성질이 변화하기 때문에 이것을 이용하면 개질할 수 있다. 화학적 구조에서도 분자량, 분자량분포, 폴리머를 만드는 조건(중합조건)에 의한 주쇄(Main Chain)와 사이드 체인(Side Chain)상태, 말단기(End group/Terminal Group), 가교(Bridg), 입체규칙성, 코폴리머의 조성분포 등에 따라 성질이 달라진다. 일반적으로 고분자 원재료에 여러종류의 첨가제나 보강재, 개질제 등 각종 배합제를 가하여 사용 목적에 적합한 조성물을 제조하는 것을 컴파운딩(compounding)이라 하며, 펠렛(pellet)형태로 유통되고 있다.
근래에 들어 식품 포장재로 이용되는 필름을 포함한 각종 플라스틱 사용량의 증가에 따라 플라스틱 폐기물 양이 기하급수적으로 증가하고 있다. 일반적으로 플라스틱 폐기물은 매립, 소각 또는 재활용하는 방법으로 처리되고 있다. 그러나 석유 유래의 플라스틱 제품을 사용한 후 그 폐기물을 소각 및 매립하는 경우, 유독가스가 발생하여 대기오염을 유발하고, 매립공간의 부족 및 환경오염을 유발시키는 원인이 된다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 식물유래의 부산물이나 발효기술을 이용한 천연 원료를 활용함으로써, 탄소저감이 가능한 친환경적인 플라스틱 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
본 출원인은 친환경 저탄소 분해성 항균소재 및 그 제조방법을 출원하여 등록된 바 있다(대한민국등록특허공보 제10-1976562호, 2019.07.15.).
상기 친환경 저탄소 분해성 항균소재는 가축분뇨의 활용으로 대기오염, 토양오염 및 수질오염을 해소하는 장점이 있지만, 가축분뇨 부숙물에 수분이 많이 함유되어 있어 가공성이 떨어지는 단점이 있고, 기존의 플라스틱 조성물과 비교하여 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
KR 10-1976562 B1 2019.07.15.
본 발명의 목적은 수분이 많이 함유되어 있는 가축분뇨 부숙물의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있는, 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계적 물성을 향상시킬 수 있는, 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은, 가축분뇨 60~80중량%, 톱밥 10~20중량%, 미생물배지 5~15중량% 및 미생물제제 1~7중량%를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1); 상기 혼합물을 20~30℃에서 3~4시간 동안 교반하여 발효물을 만드는 단계(단계 2); 상기 발효물을 20~25℃에서 10~15일 동안 후숙시켜 후숙물을 만드는 단계(단계 3); 상기 후숙물을 30~35℃에서 22~24시간 동안 건조시켜 건조물을 만드는 단계(단계 4); 상기 건조물을 100~150mesh로 분쇄하여 퇴비분말을 만드는 단계(단계 5); 및 상기 퇴비분말 55~60중량%, 합성수지 30~35중량%, 결합제 1~5중량%, 분산제 5~10중량% 및 슬립제 0.5~1중량%를 15~30분 동안 배합한 후 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 펠렛을 제조하는 단계(단계 6); 를 포함하되, 상기 단계 6에서, 상기 결합제는 스티렌-무수말레인산 공중합체 50~65중량%, 폴리실록산 20~35중량% 및 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 10~25중량%를 포함하는, 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1에서, 상기 미생물제제는 효소활성보조제 100중량부에 미생물혼합균주 1~10중량부, 생리활성화물질 20~30중량부 및 부식산 1~5중량부를 포함하되, 상기 효소활성보조제는 육류 세척수 100중량부에 바실러스 낫토균 0.1~1중량부를 가하고 5~7일 동안 혐기 발효하고, 40~42일 동안 폭기하여 호기 발효하여 제조하며, 상기 미생물혼합균주는 홍국균 40~50중량%, 고초균 20~30중량%, 효모 10~20중량% 및 누룩균 5~15중량%를 포함하며, 상기 생리활성화물질은 유기질 100중량부에 상기 효소활성보조제 1~5중량부 및 물 10~20중량부를 혼합 후 10~20일 동안 혐기 발효시킨 후, 1~3일 동안 호기 발효시킨 발효물질 100중량부에 물 500~600중량부를 넣어 2~5일 동안 폭기조에서 발효시킨 후 이를 정치 및 침전시켜 분리한 상등액을 사용한다.
상기 단계 1 이후에, 상기 혼합물 100중량부에 코코피트 1~5중량부를 추가적으로 포함하되, 상기 코코피트는 160~170℃에서 1~2시간 동안 건조하여 수분함량의 5~7중량%인 것을 사용한다.
상기 단계 2 이후에 상기 발효물 100중량부에 목섬유 1~5중량부를 추가적으로 포함하되, 상기 목섬유의 길이는 8~10㎜ 인 것을 사용한다.
상기 단계 5 이후에, 상기 퇴비분말 100중량부에 풀빅산 1~5중량부 및 구연산 1~5중량부를 추가적으로 포함한다.
상기 단계 6 이전에 상기 합성수지에 감마선을 5~10kGy 조사하는 단계가 추가된다.
상기 단계 6에서 상기 퇴비분말, 합성수지, 결합제, 분산제 및 슬립제를 혼합한 혼합물 100중량부에 결합증진제 1~5중량부를 추가적으로 포함하되, 상기 결합증진제는 페놀 변성 로진 에스테르 수지 50~60중량%, 열가소성 폴리우레탄 수지 20~30중량%, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 10~20중량% 및 테레프탈산 변성 폴리아미드 수지 1~5중량% 를 포함한다.
본 발명에 따른 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법은 수분이 많이 함유되어 있는 가축분뇨 부숙물의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법은 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법은,
가축분뇨 60~80중량%, 톱밥 10~20중량%, 미생물배지 5~15중량% 및 미생물제제 1~7중량%를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1);
상기 혼합물을 교반하여 발효물을 만드는 단계(단계 2);
상기 발효물을 후숙시켜 후숙물을 만드는 단계(단계 3);
상기 후숙물을 건조시켜 건조물을 만드는 단계(단계 4);
상기 건조물을 분쇄하여 퇴비분말을 만드는 단계(단계 5); 및
상기 퇴비분말에 합성수지, 결합제, 분산제 및 슬립제를 배합한 후 압출시키면서 커팅하여 펠렛을 제조하는 단계(단계 6);
를 포함한다.
상기 단계 1에서 상기 가축분뇨는 우분, 돈분 및 계분 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 톱밥은 가축분뇨의 수분흡수를 위해 포함된다.
상기 미생물배지는 버섯배지를 사용할 수 있다. 상기 미생물배지는 톱밥 속에 혼합된 가축분뇨를 용이하게 발효 및 분해시키는 역할을 수행한다.
상기 미생물제제는 톱밥 속에 혼합된 가축분뇨의 발효를 촉진시켜 더욱 용이하게 분해되도록 하는 역할을 수행한다.
본 발명에 따른 미생물제제는 가축분뇨의 발효를 더욱 촉진시켜 발효시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 단계 1에서 상기 혼합물의 수분함량은 45~50중량%이다.
상기 미생물제제는 효소활성보조제 100중량부에 미생물혼합균주 1~10중량부, 생리활성화물질 20~30중량부 및 부식산 1~5중량부를 포함한다.
상기 효소활성보조제는 육류 세척수 100중량부에 바실러스 낫토균 0.1~1중량부를 가하고 5~7일 동안 혐기 발효하고, 40~42일 동안 폭기하여 호기 발효하여 제조한다.
상기 육류 세척수는 돈육, 계육, 우육, 오리육, 양육, 염소육, 칠면조육, 말육 또는 구육 중 어느 하나 이상을 가공하기 위해 사용한 세척수를 의미한다.
상기 바실러스 낫토균(Bacillus natto)은 짚에 존재하며, 짚 한 묶음에 약 1천만개가 붙어있으며 균의 크기는 길이 2.33마이크론, 폭은 1마이크론이고 종의 보존을 위해 포자를 형성하는 성질을 가지고 있다.
상기 미생물혼합균주는 홍국균 40~50중량%, 고초균 20~30중량%, 효모 10~20중량% 및 누룩균 5~15중량%를 포함한다.
상기 미생물혼합균주는 홍국균, 고초균, 효모 및 누룩균을 혼합하는 개념으로서, 이렇게 혼합하면 복합활성효소의 생성이 가능하다.
상기 홍국균은 자낭균문 모나스커스(Monascus)속에 속하는 붉은색의 사상균으로서, 쌀 등과 같은 곡류를 발효시키는 과정에서 각종 유익한 대사산물로 진한 빨간색의 색소 및 모나콜린 K 등을 생산한다. 이 균은 중국을 중심으로 동아시아의 여러 지역에서 천연의 식품 착색제나 가공품 및 소화 촉진과 혈류 개선의 소재로서 오랫동안 사용되어 왔다. 홍국균이 생성하는 2차 대사산물인 메비놀린은 콜레스테롤 생합성효소인 HMG-CoA(3-hydroxy-methyl-3-glutaryl-coenzyme) 환원효소를 강력하게 저해하여 혈중지질 농도를 감소시키고 콜레스테롤 합성을 억제하거나 항진균, 혈당상승의 억제, 혈압조절, 항비만, 항암 등과 같은 각종 기능성을 가진다. 또한, 홍국균은 적색계 색소(rubropuntain, monascorubin)와 황색계 색소(monascin, ankaflavin), 자색계 색소(rubropunctamine, monascorubramine) 등을 생성하며, 이와 같은 색소물질은 항균 및 항암효과가 있다.
상기 홍국균은 모나스커스 필로서스(Monascus pilosus), 모나스커스 러버(Monascus ruber), 모나스커스 퍼프레우스(Monascus purpureus), 모나스커스 카올리앙(Monascus kaoliang), 모나스커스 바리케리(Monascus barykery) 및 모나스커스 안카(Monascus anka)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 고초균은 바실러스 섭틸리스(B. subtilis), 바실러스 리크네포르미스(B. lichneformis), 바실러스 메가테리움(B. megaterium), 바실러스 아밀로리퀘파시엔스(B. amyloliquefaciens), 바실러스 낫토(B. natto), 바실러스 안스라시스(B.antharcis), 바실러스렌투스(B.lentus), 바실러스 퍼미러스(B.pumilus), 바실러스 더링지엔시스(B.thuringiensis), 바실러스 알베이(B.alvei), 바실러스 아조토픽산스(B.azotofixans), 바실러스 매세란스(B.macerans), 바실러스 포리믹사(B.polymyxa), 바실러스 파필리에(B.popilliae), 바실러스 코아글란스(B.coagulans), 바실러스 스테아로더모필러스(B.stearothermophilus), 바실러스 파스퇴리(B.pasteurii), 바실러스 패리커스(B.sphaericus) 및 바실러스 패스티디오서스(B.fastidiosus)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 효모는 사카로마이세스 루시(Saccharomyces rouxii), 사카로마이세스 세레비시아에(Saccharomyces cereviciae), 사카로마이세스 오비폴미스(Saccharomyces oviformis) 및 사카로마이세스 스테이네리(Saccharomyces steineri)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 누룩균은 아스퍼질러스 오리제(Aspergillus oryzae) 및 아스퍼질러스 소제(Aspergillus sojae)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 생리활성화물질은 유기질 100중량부에 상기 효소활성보조제 1~5중량부 및 물 10~20중량부를 혼합 후 10~20일 동안 혐기 발효시킨 후, 1~3일 동안 호기 발효시킨 발효물질 100중량부에 물 500~600중량부를 넣어 2~5일 동안 폭기조에서 발효시킨 후 이를 정치 및 침전시켜 분리한 상등액을 포함한다.
상기 유기질은 등겨, 쌀겨 및 어분 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 어분은 물고기를 말려서 빻은 가루를 의미한다.
상기 부식산은 알칼리에 의해 토양에서 추출되거나 산에 의해 침적된 유기물로서, 황갈색~흑갈색의 중~고분자의 산성물질로서 무절형이며, 그 조성은 탄소 50~60%, 수소 3~5%, 질소 1.5~6%, 황 1% 내외, 회분 1% 내외, 산소 30~50% 이다. 부식산은 벤젠핵과 나프탈렌, 피리딘, 안트라센 등 방향족 고리를 가지고 있고 공역 2중결합을 많이 가지고 있는 특징이 있다. 부식산은 효소활성보조제의 보조인자로서 1차 효소반응이 이루어지면 아미노산, 포도당, 지방산, 글리세린 등으로 저분해되면서 미생물의 대사계에 이용되며, 이때 미생물이 서식할 수 있는 기질이 되므로 생물학적 촉매작용도 한다. 또 부식산은 미생물의 활성을 저해하는 인, 철, 등을 흡수하여 미생물의 활동저해를 방지하고 인산 및 탄소의 공급원이 되어 미생물이 군집을 형성하고 번성할 수 있게 한다.
상기 단계 1 이후에, 상기 혼합물 100중량부에 코코피트 1~5중량부를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 혼합물에 코코피트를 추가적으로 포함함으로써 수분함량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 혼합물 100중량부에 코코피트를 1중량부 미만 포함하면 혼합물의 수분함량을 감소시키는 효과가 떨어지는 문제가 있고, 5중량부 초과 포함되면 발효속도가 늦어지는 문제가 있다.
상기 혼합물 100중량부에 코코피트 1~5중량부를 추가적으로 포함한 후의 수분함량은 35~40중량%이다.
상기 코코피트(Coco-peat)는 일반적으로 코피트(copeat), 코이어(coir) 또는 코이어더스트(coirdust)라고 불리며, 태평양, 인도양 군도, 필리핀 군도에 걸쳐 잘 발달한 코코넛(coconut)산업의 부산물이다. 코코넛은 코코넛 밀크, 야자유의 원료가 되는 코프라(copra), 탄화시 매우 안정한 탄소구조를 갖는 쉘(shell), 야자 섬유를 뽑아내는 섬유층(Husk) 등으로 구성되어 있다. 코코피트는 코코넛의 이러한 1차 산물을 만든 후에 얻어지는 부산물로서 진한 갈색의 분말이며, 함습능력 및 제습능력이 탁월하고 염분 함량이 적다. 구성 성분으로는 셀룰로오스와 리그닌이 90%이상 차지하고, 입자가 다공망 구조를 갖고 있어 통기성 확보에 유리하다. 일반적인 코코피트는 수분을 10~20% 함유하고 있으며, 보수력이 뛰어나다.
상기 코코피트는 160~170℃에서 1~2시간 동안 건조하여 수분함량의 5~7중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 코코피트의 수분함량이 5중량% 미만이면 발효속도가 늦어지는 문제가 있고, 7중량% 초과이면 혼합물의 수분함량을 감량시키는 효과가 떨어지는 문제가 있다.
상기 단계 2는 상기 혼합물을 20~30℃에서 3~4시간 동안 교반하여 발효물을 만드는 단계이다.
본 발명은 상기 미생물제제를 사용함으로써 3~4시간 동안 교반하여도 발효가 충분하므로 발효시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 단계 2에서 상기 발효물의 수분함량은 25~30중량%이다.
상기 단계 2 이후에 상기 발효물 100중량부에 목섬유 1~5중량부를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 발효물에 목섬유를 추가적으로 포함함으로써 수분함량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 발효물 100중량부에 목섬유를 1중량부 미만 포함하면 수분함량을 감소시키는 효과가 떨어지는 문제가 있고, 5중량부 초과 포함되면 후숙속도가 늦어지는 문제가 있다.
상기 발효물 100중량부에 목섬유 1~5중량부를 추가적으로 포함한 후의 수분함량은 20~25중량%이다.
상기 목섬유의 길이는 8~10㎜ 인 것이 바람직하다. 상기 목섬의 길이가 8㎜ 미만이면 압출시 부하율을 줄일 수 있는 효과가 떨어지는 문제가 있고, 10㎜ 초과이면 발효물과의 혼합균일성이 떨어지는 문제가 있다.
상기 단계 3은 상기 발효물을 20~25℃에서 10~15일 동안 후숙시켜 후숙물을 만드는 단계이다.
본 발명은 상기 미생물제제를 사용함으로써 후숙기간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 후숙물의 수분함량은 15~20중량%이다.
상기 단계 4는 상기 후숙물을 30~35℃에서 22~24시간 동안 건조시켜 건조물을 만드는 단계이다.
상기 건조물의 수분함량은 1~3중량%이다.
상기 단계 5는 상기 건조물을 100~150mesh로 분쇄하여 퇴비분말을 만드는 단계이다.
상기 단계 5 이후에, 상기 퇴비분말 100중량부에 풀빅산 1~5중량부 및 구연산 1~5중량부를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 퇴비분말에 풀빅산 및 구연산을 포함함으로써 합성수지와의 결합력을 향상시키는 장점이 있다.
상기 풀빅산(Fulvic Acid)은 천연 휴믹물질로부터 정제수를 이용하여 추출하는 정제수 추출법에 의해 추출된 것이다. 천연 휴믹 물질의 농도가 5~10%가 되도록 정제수를 부가한 다음 60~70℃의 온탕에서 교반하여 얻어진 상등액을 여과 및 농축하여 추출된다.
천연휴믹물질(Natural Humic substance)은 수질환경 및 양어장 환경개선에 상당한 효과를 이루면서도 항균, 항진균 효과가 우수한 천연물질이다. 이러한 천연휴믹물질은 식물의 잔재물이 퇴적되어 수천만년동안 분해과정을 거친 퇴적토양인 휴민토양이 이에 해당된다. 이러한 천연휴믹물질에서 추출한 저분자량의 산으로 구성된 풀빅산은 생물활성이 높고 분자구조 중에 미네랄과 요소와 쉽게 결합하는 능력을 가지고 있을 뿐만 아니라, 수백종의 복합 미네랄과 다수의 영양수, 그리고 다량의 용존 산소를 함유하고 있으며, 표면장력이 낮아 반응성을 높이는 효과가 있다.
상기 구연산(citric acid)은 하이드록시기(-OH)를 가지는 다염기 카복실산의 하나로서, 물에서 결정시키면 1분자의 결정수를 지닌 큰 주상 결정이 생긴다. 가열하면 무수물이 되는데, 이것은 녹는점이 153℃이고, 온도를 더 올리면 175℃에서 아코니트산이 되며, 고온에서는 아이타콘산 무수물이나 전위 생성물인 시트라콘산 무수물 및 아세톤다이카복실산을 생성한다. 물·에탄올에 잘 녹으며, 당류를 기질로 하여 미생물을 배양했을 때, 배양액 속에 시트르산이 축적되는 현상을 볼 수 있는데 이것을 시트르산발효라 한다. 시트르산발효를 일으키는 미생물로는 보통 검정곰팡이가 사용되는데, 산성(pH 2∼3)에서 약 30℃, 7∼10일간 발효시키면 시트르산을 얻을 수 있다.
상기 단계 6은 상기 퇴비분말 55~60중량%, 합성수지 30~35중량%, 결합제 1~5중량%, 분산제 5~10중량% 및 슬립제 0.5~1중량%를 15~30분 동안 배합한 후 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 펠렛을 제조하는 단계이다.
본 발명은 퇴비분말을 55~60중량% 사용함에도 불구하고 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 합성수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리스티롤, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 결합제는 스티렌-무수말레인산 공중합체 50~65중량%, 폴리실록산 20~35중량% 및 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 10~25중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 스티렌-무수말레인산 공중합체, 폴리실록산 및 2-하이드록시에틸메타크릴레이트를 혼합한 결합제를 사용함으로써 상기 퇴비분말과 합성수지 상호간의 결합력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 분산제는 백운석 파우더를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 슬립제는 아마이드계 슬립제를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 단계 6 이전에 상기 합성수지에 감마선을 5~10kGy 조사하는 단계가 추가될 수 있다.
상기 합성수지에 감사선을 조사함으로써 분자쇄 일부를 절단하여 라디칼을 형성하게 함으로써 합성수지와 퇴비분말의 결합력을 향상시키는 장점이 있다.
상기 단계 6에서 상기 퇴비분말, 합성수지, 결합제, 분산제 및 슬립제를 혼합한 혼합물 100중량부에 결합증진제 1~5중량부를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 결합증진제는 상기 퇴비분말과 합성수의 결합력을 더욱 향상시켜 주는 역할을 위해 포함된다.
상기 결합증진제는 페놀 변성 로진 에스테르 수지 50~60중량%, 열가소성 폴리우레탄 수지 20~30중량%, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 10~20중량% 및 테레프탈산 변성 폴리아미드 수지 1~5중량% 를 포함한다.
상기 페놀 변성 로진 에스테르 수지는 접착성 향상을 위해 포함된다.
상기 열가소성 폴리우레탄 수지는 내열성, 내한성이 우수하고 유리 전이점이 낮으며 높은 기계적 강도를 갖는 장점이 있다.
상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는 저온에서 물성이 뛰어나고 유연성이 우수하고, 타 수지와의 상용성이 뛰어나 혼합해 사용하기 용이하며, 우수한 접착성능을 지닌다. 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 중에서 비닐 아세테이트의 함유율이 40~45중량%이고, 연화점이 80~85℃인 것이 바람직하다.
상기 테레프탈산 변성 폴리아미드 수지는 성분들간의 결합력을 향상시킴은 물론, 내열성, 내유성 및 기계적 강도를 증대시키는 역할을 수행한다. 상기 테레프탈산 변성 폴리아미드 수지는 디카르복실산과 디아민에 의해 형성된 것으로서, 디카르복실산으로 테레프탈산을 사용한 열가소성 폴리아미드 수지인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법은 수분이 많이 함유되어 있는 가축분뇨 부숙물의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법은 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
가축분뇨 70중량%, 톱밥 15중량%, 미생물배지 10중량% 및 미생물제제 5중량%를 혼합하여 혼합물을 만들었다. 상기 혼합물의 수분함량은 45중량%이다. 상기 가축분뇨는 우분을 사용하였다. 상기 미생물배지는 버섯배지를 사용하였다. 상기 미생물제제는 효소활성보조제 100중량부에 미생물혼합균주 10중량부, 생리활성화물질 30중량부 및 부식산 5중량부를 혼합하여 제조하였다. 상기 효소활성보조제는 육류 세척수 100중량부에 바실러스 낫토균 1중량부를 가하고 7일 동안 혐기 발효하고, 40일 동안 폭기하여 호기 발효하여 제조하였다. 상기 미생물혼합균주는 홍국균 50중량%, 고초균 25중량%, 효모 15중량% 및 누룩균 10중량%를 혼합하여 제조하였다. 상기 생리활성화물질은 유기질 100중량부에 상기 효소활성보조제 5중량부 및 물 20중량부를 혼합 후 20일 동안 혐기 발효시킨 후, 3일 동안 호기 발효시킨 발효물질 100중량부에 물 500중량부를 넣어 5일 동안 폭기조에서 발효시킨 후 이를 정치 및 침전시켜 분리한 상등액을 사용하였다. 상기 유기질은 어분을 사용하였다. 상기 혼합물을 30℃에서 4시간 동안 교반하여 발효물을 만들었다. 상기 발효물의 수분함량은 25중량%이다. 상기 발효물을 25℃에서 15일 동안 후숙시켜 후숙물을 만들었다. 상기 후숙물의 수분함량은 15중량%이다. 상기 후숙물을 35℃에서 24시간 동안 건조시켜 건조물을 만들었다. 상기 건조물의 수분함량은 2중량%이다. 상기 건조물을 100mesh로 분쇄하여 퇴비분말을 만들었다. 상기 퇴비분말 55중량%, 합성수지 30중량%, 결합제 5중량%, 분산제 9중량% 및 슬립제 1중량%를 30분 동안 배합한 후 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛을 제조하였다. 상기 합성수지는 롯데케미칼사의 PP(Polypropylene, B-310, 밀도=0.9g/㎤, 용융지수=0.5g/10min)를 사용하였다. 상기 결합제는 스티렌-무수말레인산 공중합체 60중량%, 폴리실록산 25중량% 및 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 15중량%를 혼합하여 사용하였다. 상기 분산제는 백운석 파우더를 사용하였다. 상기 슬립제는 아마이드계 슬립제를 사용하였다.
실시예 1에서, 상기 혼합물 100중량부에 코코피트 5중량부를 추가적으로 포함한 것과, 상기 발효물 100중량부에 목섬유 5중량부를 추가적으로 포함한 것과, 상기 퇴비분말 100중량부에 풀빅산 5중량부 및 구연산 5중량부를 추가적으로 포함한 것과, 상기 합성수지에 감마선을 10kGy 조사한 것과, 상기 퇴비분말, 감마선이 조사된 합성수지, 결합제, 분산제 및 슬립제를 혼합한 혼합물 100중량부에 결합증진제 5중량부를 추가적으로 포함한 것을 제외하고 나머지는 동일하게 하여 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛을 제조하였다.
상기 코코피트는 170℃에서 2시간 동안 건조하여 수분함량의 5중량%가 되도록 하였다. 상기 목섬유의 길이는 10㎜ 인 것을 사용하였다. 상기 결합증진제는 페놀 변성 로진 에스테르 수지 50중량%, 열가소성 폴리우레탄 수지 30중량%, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 15중량% 및 테레프탈산 변성 폴리아미드 수지 5중량% 를 혼합하여 만들었다.
[비교예 1]
가축분뇨 70중량%, 톱밥 15중량%, 미생물배지 14.3중량% 및 퇴비부숙용미생물 0.7중량%를 혼합하여 퇴비혼합물을 만들었다. 상기 가축분뇨는 우분 70중량%, 돈분 10중량% 및 계분 20중량%를 혼합하여 사용하였다. 상기 미생물배지는 버섯배지를 사용하였다. 상기 퇴비부숙용미생물은 바실러스 및 유산균을 중량비 1:1로 혼합하여 사용하였다. 상기 퇴비혼합물의 수분함량은 50중량%이다. 상기 퇴비혼합물에 공기를 주입하면서 교반하며 2개월 동안 발효시켜 퇴비발효물을 만들었다. 상기 퇴비발효물의 수분함량은 40중량%이다. 상기 퇴비발효물을 2개월 동안 후숙시켜 퇴비후숙물을 만들었다. 상기 퇴비후숙물의 수분함량은 35중량%이다. 상기 퇴비후숙물을 건조시켜 퇴비건조물을 만들었다. 상기 퇴비건조물의 수분함량은 5중량%이다. 상기 퇴비건조물을 80mesh로 분쇄하여 퇴비입자를 만들었다. 상기 퇴비입자 40중량%, 합성수지 40중량%, 항균제 5중량%, 결합제 2중량%, 분산제 10중량%, 슬립제 1중량%, 아크릴분말 1중량% 및 오일 1중량%를 80℃의 온도에서 30분 동안 열혼합 및 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠릿을 제조하였다. 상기 합성수지는 롯데케미칼사의 PP(Polypropylene, B-310, 밀도=0.9g/㎤, 용융지수=0.5g/10min)를 사용하였다. 상기 항균제는 포졸란을 사용하였다. 상기 결합제는 무수말레인산을 사용하였다. 상기 분산제는 백운석 파우더를 사용하였다. 상기 슬립제는 아마이드계 슬립제를 사용하였다. 상기 오일은 유동파라핀을 사용하였다.
[비교예 2]
합성수지 90중량%, 분산제 9중량% 및 슬립제 1중량%를 30분 동안 배합한 후 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 펠렛을 제조하였다. 상기 합성수지는 롯데케미칼사의 PP(Polypropylene, B-310, 밀도=0.9g/㎤, 용융지수=0.5g/10min)를 사용하였다. 상기 분산제는 백운석 파우더를 사용하였다. 상기 슬립제는 아마이드계 슬립제를 사용하였다.
[실험예 1]
실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조한 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛 및 비교예 2에서 제조한 펠렛 각각을 인장물성, 충격강도 측정법에서 제시한 시편으로 사출 성형한 후, 하기 측정방법에서 제시하는 방법으로 물성을 측정하였다.
인장강도 측정방법은 ASTM D 638(Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics)에 의거하여 덤벨형 모양의 측정 시편을 만들어 만능강도시험기를 이용하여 인장방향으로 시편이 파단될 때까지 하중(N)을 가하여 인장강도(Tensile Strength)를 측정하였다. 이를 통해 최대하중(N) 값을 초기 시편의 단면적(m2)으로 나누어 측정 시편의 인장강도(MPa)를 계산하였다.
충격강도 측정방법은 ASTM D 256(Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics)에 의거하여 노치(notch)가 형성된 모양의 측정용 시편을 만들어 아이조드 충격기(Izod impactor)를 사용하여 충격강도(Impact Strength) 값을 측정하였다.
굴곡강도 및 굴곡탄성율의 측정방법은 ASTM D 790(Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics)에 의거하여 굴곡강도(Flexural strength)와 굴곡탄성율(Flexural modulus) 값을 측정하였다.
이와 같이 측정 방법 측정한 물성의 결과 값을 하기 표 1에 나타내었다.
압출작업성 인장강도
(MPa)		 굴곡강도
(MPa)		 굴곡탄성율
(MPa)		 충격강도
(J/m)
실시예 1 양호 26 34 2994 65
실시예 2 양호 29 37 3002 68
비교예 1 불량 12 22 2214 32
비교예 2 양호 27 35 2997 66
표 1에 의하면, 실시예 1, 2에서 제조한 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛은 비교예 1에서 제조한 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛에 비하여 인장강도, 굴곡당도, 굴곡탄상율 및 압출작업성에서 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1, 2에서 제조한 축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛은 비교예 2에서 제조한 일반 펠렛에 비하여 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡탄상율이 유사한 것을 확인할 수 있다.

Claims (7)

  1. 가축분뇨 60~80중량%, 톱밥 10~20중량%, 미생물배지 5~15중량% 및 미생물제제 1~7중량%를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1);
    상기 혼합물을 20~30℃에서 3~4시간 동안 교반하여 발효물을 만드는 단계(단계 2);
    상기 발효물을 20~25℃에서 10~15일 동안 후숙시켜 후숙물을 만드는 단계(단계 3);
    상기 후숙물을 30~35℃에서 22~24시간 동안 건조시켜 건조물을 만드는 단계(단계 4);
    상기 건조물을 100~150mesh로 분쇄하여 퇴비분말을 만드는 단계(단계 5); 및
    상기 퇴비분말 55~60중량%, 합성수지 30~35중량%, 결합제 1~5중량%, 분산제 5~10중량% 및 슬립제 0.5~1중량%를 15~30분 동안 배합한 후 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 펠렛을 제조하는 단계(단계 6);
    를 포함하되,
    상기 단계 6에서, 상기 결합제는 스티렌-무수말레인산 공중합체 50~65중량%, 폴리실록산 20~35중량% 및 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 10~25중량%를 포함하는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 1에서,
    상기 미생물제제는 효소활성보조제 100중량부에 미생물혼합균주 1~10중량부, 생리활성화물질 20~30중량부 및 부식산 1~5중량부를 포함하되,
    상기 효소활성보조제는 육류 세척수 100중량부에 바실러스 낫토균 0.1~1중량부를 가하고 5~7일 동안 혐기 발효하고, 40~42일 동안 폭기하여 호기 발효하여 제조하며,
    상기 미생물혼합균주는 홍국균 40~50중량%, 고초균 20~30중량%, 효모 10~20중량% 및 누룩균 5~15중량%를 포함하며,
    상기 생리활성화물질은 유기질 100중량부에 상기 효소활성보조제 1~5중량부 및 물 10~20중량부를 혼합 후 10~20일 동안 혐기 발효시킨 후, 1~3일 동안 호기 발효시킨 발효물질 100중량부에 물 500~600중량부를 넣어 2~5일 동안 폭기조에서 발효시킨 후 이를 정치 및 침전시켜 분리한 상등액을 사용하는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 1 이후에, 상기 혼합물 100중량부에 코코피트 1~5중량부를 추가적으로 포함하되,
    상기 코코피트는 160~170℃에서 1~2시간 동안 건조하여 수분함량이 5~7중량%인 것을 사용하는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 2 이후에 상기 발효물 100중량부에 목섬유 1~5중량부를 추가적으로 포함하되,
    상기 목섬유의 길이는 8~10㎜ 인 것을 사용하는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 5 이후에, 상기 퇴비분말 100중량부에 풀빅산 1~5중량부 및 구연산 1~5중량부를 추가적으로 포함하는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 6 이전에 상기 합성수지에 감마선을 5~10kGy 조사하는 단계가 추가되는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 6에서 상기 퇴비분말, 합성수지, 결합제, 분산제 및 슬립제를 혼합한 혼합물 100중량부에 결합증진제 1~5중량부를 추가적으로 포함하되,
    상기 결합증진제는 페놀 변성 로진 에스테르 수지 50~60중량%, 열가소성 폴리우레탄 수지 20~30중량%, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 10~20중량% 및 테레프탈산 변성 폴리아미드 수지 1~5중량% 를 포함하는,
    축분을 이용한 바이오플라스틱 펠렛의 제조방법.
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