KR102239309B1 - 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은, 생분해성 수지를 제1 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키고, 마스터 배치 성분을 제2 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키는 단계; 상기 건조시킨 생분해성 수지를 제1 용융부에서 혼합 및 용융시키고, 상기 건조시킨 마스터 배치 성분을 제2 용융부에서 혼합 및 용융시키는 단계; 상기 용융된 각 원료를 진공 상태의 압출기에 투입하여 혼합하고 필름을 배출하는 단계; 및 상기 배출된 필름을 공기 냉각시킨 후 롤러에 통과시키는 단계를 포함한다.

Description

생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING BIODEGRADABLE AGRICULTURE MULCHING FILM}
본 발명은 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법에 관한 것이다.
농업용 멀칭필름은 농작물을 재배할 때 토양의 표면을 덮어 주는 필름으로, 일반적으로 폴리에틸렌 또는 폴리염화비닐 등과 같은 재질로 이루어진다. 이러한 농업용 멀칭필름은 농작물 재배지의 잡초 발생을 억제하거나, 토양의 수분 유지 또는 온도 조절을 위하여 사용되며, 우천 시 빗물에 의해 토양이 침식되는 것을 방지하거나, 농작물의 생장에 알맞은 환경을 조성해 주기 위한 목적으로도 사용된다.
농업용 멀칭필름은 우리나라 농업 생산성 증대에 크게 기여했지만, 사용 후 수거나 재활용에 어려움이 있어 농촌 환경을 크게 오염시키는 요인으로도 작용해 왔다. 이에, 생분해성 멀칭필름을 밭농사나 논농사에 사용하기 위해 많은 제품들이 개발되어 왔다.
베이스 폴리머로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 폴리스틸렌 등의 합성수지류를 사용하고 여기에 생분해성 물질을 첨가제로 혼합한 멀칭필름의 경우, 생분해성 물질의 분해는 가능하더라도 베이스 폴리머 자체의 생분해가 되지 않아 환경오염을 유발하는 근본적인 문제점을 안고 있다.
또한, 생분해성 수지 조성물로 제조된 멀칭필름의 경우, 생분해 속도가 너무 빨라 피복 후 농작물 수확시기에 이르기도 전에 인장강도나 인장신율 등과 같은 기계적 물성이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 이 경우, 상기 멀칭필름은 작업자가 농작물을 재배하는 과정에서 발로 밟는 정도의 힘에도 견디지 못하고 부분적으로 찢어지게 되어 멀칭 기능성이 떨어지는 문제가 발생하기도 한다.
KR 10-0903886 B1
일 측면에서, 본 발명은 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 멀칭필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 측면에서, 본원에는 폴리락트산 (PLA) 및 폴리부틸렌아디페이트-코-테레프탈레이트 (PBAT)를 포함하는 생분해성 수지를 제1 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키고, 전분, 셀룰로오스-무기물 복합체, 유황, 단백질, 산화세륨, 산화란탄, 탄산칼슘, 규조토, 장석, 지방산 금속염, 왁스, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체, 분산제 및 소포제를 포함하는 마스터 배치 성분을 제2 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키는 단계; 상기 건조시킨 생분해성 수지를 40 내지 70 ℃로 설정된 제1 용융부에서 혼합 및 용융시키고, 상기 건조시킨 마스터 배치 성분을 110 내지 300 ℃로 설정된 제2 용융부에서 혼합 및 용융시키는 단계; 상기 용융된 각 원료를 진공 상태의 압출기에 투입하여 혼합하고 필름을 배출하는 단계; 및 상기 배출된 필름을 공기 냉각시킨 후 롤러에 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 셀룰로오스-무기물 복합체는 셀룰로오스 섬유를 분산시킨 수용액에 이산화티탄, 일라이트, 제올라이트, 실리콘 오일, 에틸 셀룰로오스 및 폴리에틸렌글리콜을 투입하고 초음파 분산시킨 후 용매를 증발시켜 얻은 것이고, 상기 생분해성 수지와 마스터 배치 성분은 68 내지 78 중량% 및 22 내지 32 중량%로 혼합하는 것인, 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법이 개시된다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 마스터 배치 성분은 마스터 배치 성분 전체 중량을 기준으로 전분과 셀룰로오스-무기물 복합체를 65 내지 75 중량%로 포함하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지방산 금속염은 스테아르산 칼슘, 스테아르산 바륨 및 스테아르산 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.
일 측면에서, 본 발명은 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 멀칭필름을 제공하는 효과가 있다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 생분해 농업용 멀칭필름을 이용하여 토양을 멀칭한 다음 일정 간격으로 구멍을 파고 모종하는 과정을 보여주는 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
일 측면에서, 본원에는 폴리락트산 (PLA) 및 폴리부틸렌아디페이트-코-테레프탈레이트 (PBAT)를 포함하는 생분해성 수지를 제1 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키고, 전분, 셀룰로오스-무기물 복합체, 유황, 단백질, 산화세륨, 산화란탄, 탄산칼슘, 규조토, 장석, 지방산 금속염, 왁스, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체, 분산제 및 소포제를 포함하는 마스터 배치 성분을 제2 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키는 단계; 상기 건조시킨 생분해성 수지를 40 내지 70 ℃로 설정된 제1 용융부에서 혼합 및 용융시키고, 상기 건조시킨 마스터 배치 성분을 110 내지 300 ℃로 설정된 제2 용융부에서 혼합 및 용융시키는 단계; 상기 용융된 각 원료를 진공 상태의 압출기에 투입하여 혼합하고 필름을 배출하는 단계; 및 상기 배출된 필름을 공기 냉각시킨 후 롤러에 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 셀룰로오스-무기물 복합체는 셀룰로오스 섬유를 분산시킨 수용액에 이산화티탄, 일라이트, 제올라이트, 실리콘 오일, 에틸 셀룰로오스 및 폴리에틸렌글리콜을 투입하고 초음파 분산시킨 후 용매를 증발시켜 얻은 것이고, 상기 생분해성 수지와 마스터 배치 성분은 68 내지 78 중량% 및 22 내지 32 중량%로 혼합하는 것인, 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법이 개시된다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 제2 용융부는 구간에 따라 각기 다른 온도로 설정된 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 생분해성 수지와 마스터 배치 성분은 73 내지 78 중량% 및 22 내지 37 중량%로 혼합하는 것이 바람직할 수 있다.
폴리락트산은 열과 수분에 취약하며 약 60 ℃에서 끓기 시작해 가공 공정에 있어 어려움이 있고 제품의 인장강도 또한 떨어지는 문제가 있다. 본 발명에 따른 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법은 폴리락트산을 포함하는 생분해성 수지를 40 내지 70 ℃로 설정된 제1 용융부에서 용융시키고 각 원료를 진공 건조 및 진공 압출하는 공정을 통해 가공성과 인장강도를 향상시킨 효과를 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 셀룰로오스 섬유는 닥나무에서 유래한 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 셀룰로오스 섬유를 분산시킨 수용액은 셀룰로오스 섬유를 5 내지 10 wt%의 농도로 분산시킨 것일 수 있다.
상기 셀룰로오스-무기물 복합체는 바인더 성분을 이용하여 셀룰로오스 섬유에 무기물을 복합 형성한 것으로, 셀룰로오스 섬유 수용액의 농도가 너무 높으면 분산이 잘 이루어지지 않아 복합체 형성이 원활하지 않기 때문에 셀룰로오스 섬유를 7 내지 9 wt%의 농도로 분산시킨 것이 바람직할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 이산화티탄, 일라이트, 제올라이트, 실리콘 오일, 에틸 셀룰로오스 및 폴리에틸렌글리콜은, 상기 셀룰로오스 섬유를 분산시킨 수용액 전체 100 중량부를 기준으로 각각 2 내지 4 중량부, 바람직하게는 2 내지 3 중량부로 투입하는 것일 수 있다.
다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 셀룰로오스 섬유와 무기물의 복합체 형성을 위해 수용액 전체 100 중량부를 기준으로 이산화티탄 2 중량부, 일라이트 2 중량부, 제올라이트 2 중량부, 실리콘 오일 2 중량부, 에틸 셀룰로오스 2 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 2 중량부를 투입하는 것이 멀칭필름의 인장강도 향상에 있어서 바람직할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실리콘 오일은 디메치콘, 사이클로메치콘, 폴리디메틸실록산, 메틸페닐폴리실록산, 메틸사이클로폴리실록산, 옥타메틸사이클로테트라실록산, 데카메틸사이클로펜타실록산, 페닐트리메치콘, 도데카메틸사이클로헥사실록산, 테트라데카메틸헥사실록산 및 옥타메틸트리실록산으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.
상기와 같이 셀룰로오스-무기물 복합체를 제조하여 첨가함으로써 멀칭필름의 기계적 강도를 더욱 향상시켜 쉽게 찢어지거나 늘어나는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 폴리부틸렌아디페이트-코-테레프탈레이트는 폴리락트산 전체 100 중량부를 기준으로 30 내지 50 중량부, 바람직하게는 30 내지 40 중량부로 혼합하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 마스터 배치 성분은 마스터 배치 성분 전체 중량을 기준으로 전분과 셀룰로오스-무기물 복합체를 65 내지 75 중량%, 바람직하게는 70 내지 75 중량%로 포함하여 멀칭필름의 기계적 강도를 더욱 향상시켜 줄 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전분과 셀룰로오스-무기물 복합체는 1 : 5 내지 7의 중량비, 바람직하게는 1 : 5 내지 6의 중량비로 혼합하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 마스터 배치 성분은 마스터 배치 성분 전체 중량을 기준으로 유황 1 내지 2 중량%, 단백질 2 내지 3 중량%, 산화세륨 2 내지 3 중량%, 산화란탄 1 내지 2 중량%, 탄산칼슘 3 내지 4 중량%, 규조토 4 내지 6 중량%, 장석 4 내지 6 중량%, 지방산 금속염 1 내지 3 중량%, 왁스 1 내지 3 중량%, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체 6 내지 10 중량%, 분산제 0.1 내지 1 중량% 및 소포제 0.1 내지 1 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
상기와 같이 폴리락트산 및 폴리부틸렌아디페이트-코-테레프탈레이트로 이루어진 (a) 생분해성 수지와 전분, 셀룰로오스-무기물 복합체, 유황, 단백질, 산화세륨, 산화란탄, 탄산칼슘, 규조토, 장석, 지방산 금속염, 왁스, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체, 분산제 및 소포제로 이루어진 (b) 마스터 배치 성분으로부터 멀칭필름을 제조함으로써, 적절한 시기에 생분해가 이루어질 뿐만 아니라 농작물 생육 및 토질 개량에도 도움을 줄 수 있다. 예컨대, 경작물의 질병을 억제하고 수확량을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 멀칭필름은 수분을 빨아들이는 성질을 가져 경작 시 수분 증발을 억제하는 효과를 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 마스터 배치 성분은 안료를 더 포함하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전분은 감자 전분 및 옥수수 전분 중 1 이상을 포함하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 단백질은 카제인 및 콩단백 중 1 이상을 포함하는 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지방산 금속염은 알칼리 토금속의 금속염인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지방산 금속염은 프로피온산, 카프릴산, 카프릭산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 및 스테아르산으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 지방산 금속염인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지방산 금속염은 스테아르산 칼슘, 스테아르산 바륨 및 스테아르산 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 왁스는 파라핀 왁스, 밀납 및 칸데릴라 왁스로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 분산제는 암모늄염인 것일 수 있다.
다른 측면에서, 본원에는 상기 제조방법에 따라 제조된 생분해 농업용 멀칭필름이 개시된다.
상기 멀칭필름은 모종이나 파종 전에 밭이나 논에 고랑을 파서 토양을 덮은 다음, 일정 비율로 구멍을 파고 상기 구멍에 모종 또는 파종하여 농작물을 경작할 수 있다.
상기 생분해 농업용 멀칭필름은 높은 유연성 및 강도를 가져 농작물을 재배하는 과정에서 작업자 등 주변 환경적인 요소에 의해 쉽게 찢어지지 않고 우수한 멀칭 기능성을 나타내는 효과가 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 멀칭필름은 자연상태에서 45 내지 180일 이내에 95% 내지 100% 생분해될 수 있다.
다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 멀칭필름은 일정한 온도 (약 58 ℃)와 습도 (약 70%) 조건에서 퇴비화될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예.
분말상의 셀룰로오스 섬유를 8 wt%의 농도로 분산시켜 셀룰로오스 섬유 수용액을 제조한 다음, 상기 수용액 전체 100 중량부를 기준으로 이산화티탄 2 중량부, 일라이트 2 중량부, 제올라이트 2 중량부, 디메치콘 2 중량부, 에틸 셀룰로오스 2 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 2 중량부를 투입하고, 초음파 분산시켰다. 이후, 원심분리기로 용매를 증발시켜 셀룰로오스-무기물 복합체를 수득하고, 하기 농업용 멀칭필름의 제조에 사용하였다.
폴리락트산과 상기 폴리락트산 전체 100 중량부를 기준으로 35 중량부의 폴리부틸렌아디페이트-코-테레프탈레이트로 이루어진 생분해 수지를 제1 저장부에 투입한 후 진공 상온에서 건조시켰다. 또한, 옥수수 전분 12 중량%, 상기 제조한 셀룰로오스-무기물 복합체 60 중량%, 유황 1 중량%, 콩단백 2 중량%, 산화세륨 2 중량%, 산화란탄 1 중량%, 탄산칼슘 3 중량%, 규조토 4 중량%, 장석 4 중량%, 스테아르산 마그네슘 2 중량%, 파라핀 왁스 1 중량%, 안료 1 중량%, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체 6 중량%, 암모늄염 0.5 중량% 및 소포제 0.5 중량%로 이루어진 마스터 배치 성분을 제2 저장부에 투입한 후 진공 상온에서 건조시켰다. 이후, 건조시킨 생분해성 수지를 40 내지 70 ℃로 설정된 제1 용융부에서 혼합 및 용융시키고, 상기 건조시킨 마스터 배치 성분을 110 내지 300 ℃로 설정된 제2 용융부에서 혼합 및 용융시켰다. 용융된 각 원료를 진공 상태의 압출기에 투입하고 스크류로 이동시키면서 혼합하고 필름을 배출하였다. 상기 생분해성 수지와 마스터 배치 성분은 75 중량% 및 25 중량%로 혼합하였다. 배출된 필름은 공기 냉각시킨 다음, 롤러에 통과시켜 규격에 맞게 두께 및 길이를 조정하였다.
또한, 상기 셀룰로오스-무기물 복합체가 아닌 분말상의 셀룰로오스 섬유를 사용하여 상기 기재된 것과 동일한 방법으로 멀칭필름을 제조하였다.
상기 제조된 멀칭필름의 인장강도, 인장신율 및 생분해율을 아래와 같이 측정하여 비교하였다.
(1) 인장강도 및 인장신율
종방향 (MD) 및 횡방향 (TD)에서의 인장강도 및 인장신율을 JIS K6251-1에 준거하여 시료 각각 3개를 시험하여 평균치를 구하였다.
(2) 생분해율
시료 각각 3개를 대상으로 KS M3100-1 (2003)에 의해 180일간 측정한 생분해도 값의 표준 물질과의 비를 하기 식에 따라 계산하여 평균치를 구하였다.
생분해율 (%) = (시료의 생분해도) / (표준 물질의 생분해도) × 100
본 발명에 따른 셀룰로오스-무기물 복합체를 이용한 멀칭필름은 96%의 생분해율을 나타내었고, 446%의 종방향 인장신율과 467%의 횡방향 인장신율을 나타내어 우수한 인장신율을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 본 발명에 따른 셀룰로오스-무기물 복합체를 이용한 멀칭필름은 221.5 kgf/cm2의 종방향 인장강도와 207.5 kgf/cm2의 횡방향 인장강도를 나타내어 생분해성 수지 기반 멀칭필름의 기계적 물성을 향상시켰음을 확인하였다. 이는 단순히 분말상의 셀룰로오스 섬유를 이용한 멀칭필름에 비해 종방향 및 횡방향 모두에서 약 8% 이상의 높은 인장강도를 나타낸 것으로, 셀룰로오스-무기물 복합체를 이용하여 멀칭필름의 인장강도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이상, 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (3)

  1. 폴리락트산 (PLA) 및 폴리부틸렌아디페이트-코-테레프탈레이트 (PBAT)를 포함하는 생분해성 수지를 제1 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키고, 전분, 셀룰로오스-무기물 복합체, 유황, 단백질, 산화세륨, 산화란탄, 탄산칼슘, 규조토, 장석, 지방산 금속염, 왁스, 에틸렌 비닐 알코올 공중합체, 분산제 및 소포제를 포함하는 마스터 배치 성분을 제2 저장부에 투입하여 진공 상온에서 건조시키는 단계;
    상기 건조시킨 생분해성 수지를 40 내지 70 ℃로 설정된 제1 용융부에서 혼합 및 용융시키고, 상기 건조시킨 마스터 배치 성분을 110 내지 300 ℃로 설정된 제2 용융부에서 혼합 및 용융시키는 단계;
    상기 용융된 각 원료를 진공 상태의 압출기에 투입하여 혼합하고 필름을 배출하는 단계; 및
    상기 배출된 필름을 공기 냉각시킨 후 롤러에 통과시키는 단계를 포함하고,
    상기 셀룰로오스-무기물 복합체는 셀룰로오스 섬유를 분산시킨 수용액에 이산화티탄, 일라이트, 제올라이트, 실리콘 오일, 에틸 셀룰로오스 및 폴리에틸렌글리콜을 투입하고 초음파 분산시킨 후 용매를 증발시켜 얻은 것이고,
    상기 생분해성 수지와 마스터 배치 성분은 68 내지 78 중량% 및 22 내지 32 중량%로 혼합하는 것인, 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마스터 배치 성분은 마스터 배치 성분 전체 중량을 기준으로 전분과 셀룰로오스-무기물 복합체를 65 내지 75 중량%로 포함하는 것인, 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지방산 금속염은 스테아르산 칼슘, 스테아르산 바륨 및 스테아르산 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것인, 생분해 농업용 멀칭필름의 제조방법.
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