KR102243815B1

KR102243815B1 - 친환경 플라스틱 소재의 가공방법

Info

Publication number: KR102243815B1
Application number: KR1020200124871A
Authority: KR
Inventors: 김현기
Original assignee: 김현기
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-04-23

Abstract

본 발명의 일 실시예는 제1 폴리락트산, 알콕시비닐실란, 가교촉매 및 중합촉매를 제1 압출기의 메인 피더에 투입하는 제1 단계; 상기 압출기의 사이드 피더에 무기 필러를 투입하는 제2 단계; 150~200℃에서 반응압출하는 제3 단계; 반응압출물 및 제2 폴리락트산을 제2 압출기에 투입하는 제4 단계; 및 180~245℃에서 성형압출하는 제5 단계;를 포함하는 친환경 플라스틱 소재의 가공방법을 제공한다.

Description

친환경 플라스틱 소재의 가공방법{A METHOD FOR PROCESSING ECO-FRIENDLY PLASTIC MATERIAL}

본 발명은 친환경 플라스틱 소재의 가공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생분해성이 우수하여 일회용 용기에 사용할 수 있는 친환경 플라스틱 소재의 가공방법에 관한 것이다.

플라스틱 소재로 제조된 일회용 용기는 합성 수지 특유의 우수한 물성, 사용 편의성, 제품 생산성과 단가 등의 장점으로 인하여 널리 사용되나, 이로 인한 환경오염이 증가하는 문제가 있다. 특히, 일반적인 폐기물 처리 방법인 매립법을 사용하여도 플라스틱 소재는 분해가 되지 않아 반영구적으로 존재한다. 폭우 등으로 매립지가 유실되어 바다로 흘러나간 플라스틱 소재는 먹이로 오인되기 쉽고, 이를 섭취한 해양 생물이 집단 폐사하는 등 해양 생태계 등이 파괴되는 문제가 발생하고 있다. 또한, 플라스틱 소재는 폐기물을 연소시킬 시 대량의 유독가스가 발생하여 2차적인 오염을 야기한다. 플라스틱 소재의 분리수거 및 회수를 통한 재활용 방안이 시도된 바 있으나, 분리수거율과 회수율이 낮아 증가하는 오염을 따라가지 못하는 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로는 자연 유래의 성분 플라스틱 소재와 혼합 사용하는 방안이 제안되기도 하였으나, 이 또한 자연 유래의 성분만이 분해될 뿐 플라스틱 소재를 분해할 수 없다는 근본적인 문제를 해결할 수 없었다.

최근 미생물에 의해 분해되는 생분해성 수지를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 폴리카프로락톤, 폴리유산계 수지, 폴리하이드록시아틸레이트계 수지, 합성지방족 폴리에스테르 수지, 천연고분자 수지 등이 이러한 일 예이고, 더 나아가 태양광에 의한 분해가 가능한 광분해성 수지를 혼합하여 사용하는 것이 시도된 바 있다. 이러한 광분해성 수지에는 에틸렌과 일산화탄소의 공중합 수지, 에틸렌과 비닐케톤의 공중합 수지, 전이금속 등의 산화제를 첨가한 수지 등이 있다.

그러나 생분해성 수지 내지 광분해성 수지는 일반적인 합성 수지 대비 고가이고, 물성이 부족하여 종래의 수요를 충분히 만족할 수 없었다. 또한, 분해가 쉽게 진행되는 만큼 온도, 습도에 민감하여 가공 시에 분해가 발생하는 문제점이 발생하여 가공 난도가 높은 문제점이 있다.

본 발명의 개발자들은 이러한 견지에서 생분해가 가능하여 친환경성이 우수하면서도 물성이 우수하고 가공비용이 저렴한 친환경 플라스틱 소재의 가공방법을 개발하였다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 물성이 우수하면서도 가공비용이 저렴한 친환경 플라스틱 소재의 가공방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 제1 폴리락트산, 알콕시비닐실란 및 촉매를 제1 압출기의 메인 피더에 투입하는 제1 단계; 상기 압출기의 사이드 피더에 무기 필러를 투입하는 제2 단계; 150~200℃에서 반응압출하는 제3 단계; 반응압출물 및 제2 폴리락트산을 제2 압출기에 투입하는 제4 단계; 및 180~245℃에서 성형압출하는 제5 단계;를 포함하는 친환경 플라스틱 소재의 가공방법을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 폴리락트산의 중량평균분자량은 10,000~50,000이고, 상기 제2 폴리락트산의 중량평균분자량은 50,000~200,000일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 폴리락트산 및 상기 제2 폴리락트산의 중량비는 각각 50~99 : 1~50일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 알콕시비닐실란은 트리메톡시비닐실란, 트리에톡시비닐실란 및 트리아세톡시비닐실란으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 촉매는 디부틸틴디라우레이트, 디부틸틴디아세테이트, 초산제1주석, 카프릴산제1주석, 나프텐산아연, 카프릴산아연, 나프텐산코발트, 에틸아민, 디부틸아민, 헥실아민, 피리딘, 황산, 염산, 톨루엔설폰산, 초산, 스테아린산, 말레산, 알루미늄이소프로폭시드, 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 트리헵틸알루미늄 및 트리옥틸알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 무기 필러는 이산화규소, 탄산칼슘, 알루미나, 카오린 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 가공방법으로 제조된 성형압출품은 연속상인 제1 폴리락트산 매트릭스에 불연속상인 제2 폴리락트산 및 무기 필러가 충진된 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 친환경 플라스틱 소재의 가공방법은 물성이 우수하면서도 가공비용이 저렴한 친환경 플라스틱 소재의 가공방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 친환경 플라스틱 소재의 가공방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 단, 하기 기재사항들은 본 발명의 예시를 통해 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하는 것일 뿐으로 본 발명이 하기 기재사항들에 의하여 한정되는 것은 아니다.

상기 제1 단계는 상기 제1 폴리락트산과 이의 반응압출을 위한 알콕시비닐실란 및 촉매를 혼합시키기 위하여 제1 압출기의 메인 피더에 투입하는 것으로, 상기 제1 압출기는 내경 대 외경의 비가 1.5 이상이고, L/D=40일 수 있다. 상기 제1 압출기의 내경 대 외경의 비와 L/D가 크면 반응압출 시간이 증가하여 보다 고분자량의 폴리락트산 매트릭스를 형성할 수 있다.

상기 제2 단계는 최종 제품의 내열성과 기계적 물성을 향상시키는 무기 필러를 플라스틱에 혼합시키기 위해 제1 압출기의 사이드 피더에 투입하는 것으로, 상대적으로 저분자량 상태인 제1 폴리락트산과 혼합하여 분산성을 향상시킴으로써 최종 제품의 물성을 개선할 수 있다.

상기 제3 단계는 상기 제1 폴리락트산을 반응압출시키는 단계로, 저분자량의 제1 폴리락트산을 고분자량 물질로 반응시켜 기계적 물성을 개선할 수 있고, 무기 필러가 혼합된 상태에서 중합, 가교반응이 수행되어 이들을 포획함으로써 내열성을 현저히 향상시킬 수 있다.

상기 제4 단계는 고분자량의 제2 폴리락트산을 반응압출물과 혼합시킴으로써 상기 무기 필러의 분산성을 개선할 수 있다.

상기 제5 단계는 목적하는 최종 제품에 따라 그 형태를 성형압출하는 단계로, 구체적인 방법은 종래의 다양한 성형법을 활용할 수 있다.

상기 제1 폴리락트산은 상기 제2 폴리락트산 대비 저분자량의 물질일 수 있고, 일 실시예에 있어서, 상기 제1 폴리락트산의 중량평균분자량은 10,000~50,000이고, 상기 제2 폴리락트산의 중량평균분자량은 50,000~200,000일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 폴리락트산 및 상기 제2 폴리락트산의 중량비는 각각 50~99 : 1~50, 예를 들어, 60~90 : 10~40 또는 65~85 : 15~35일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

일반적으로 폴리락트산은 중합 상의 어려움으로 인하여 고분자량체의 제조가 어려우며, 이에 따라 고분자량 폴리락트산을 과량 사용하면 친환경 플라스틱의 제조비용이 상승할 수 있다. 또한, 쉽게 분해되는 특성 상 원료의 보관이 어렵고, 가공 중에 그 물성이 변질되는 문제점이 있다.

그러나 상기 친환경 플라스틱 소재의 가공방법을 이용하면 저분자량의 폴리락트산을 반응압출하여 고분자량으로 가교시켜 사용하므로, 비교적 저렴한 저분자량의 폴리락트산으로 고분자량의 효과를 구현할 수 있다. 또한, 쇄 내에 알콕시비닐실란 구조가 일부 도입되어 종래 대비 고분자량의 효과를 구현할 수 있고, 이에 따라 내열성, 기계적 물성 등이 개선될 수 있다.

상기 알콕시비닐실란은 반응성이 높아 고분자 쇄 내에 도입되어 여러 단위체 간의 가교 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 알콕시비닐실란은 상기 제1 폴리락트산 간의 축합중합에서 생성되는 수분을 이용하여 매트릭스의 가교구조를 형성할 수 있고, 그 결과 최종 제품의 기계적 물성과 내열성을 개선할 수 있다.

상기 촉매는 상기 제1 폴리락트산 간의 축합중합, 상기 알콕시비닐실란의 가교반응 등의 반응을 촉진할 수 있고, 그 결과 제1 압출기에서의 반응압출로 상기 제1 폴리락트산의 매트릭스를 형성할 수 있다.

상기 무기 필러는 반응압출이 진행 중인 상기 제1 압출기의 중단 이후 투입되어 제1 폴리락트산의 매트릭스 내부에 분산되는 불연속상을 형성할 수 있고, 그 결과 내열성을 현저히 개선할 수 있다.

상기 성형압출품은 중합 및 가교에 의해 연속상을 형성한 제1 폴리락트산의 내부에 제2 폴리락트산 및 무기 필러를 포획한 구조를 가지며, 상기 제2 폴리락트산은 일종의 유기 필러로서의 역할을 수행할 수 있다. 그 결과 무기 필러의 포획에 따른 인장강도 증가 뿐 아니라 굽힘강도를 추가로 개선할 수 있으며, 가교구조의 매트릭스 형태가 내열성을 증진시킬 수 있다.

실시예

제1 압출기의 메인 피더에 중량평균분자량이 30,000인 제1 폴리락트산 100중량부, 트리메톡시비닐실란 0.5중량부, 2,5-다이메틸-2,5-다이-(3차-부틸퍼옥시)헥산 0.01중량부, 알루미늄이소프로폭시드 0.5중량부 및 트리이소부틸알루미늄 0.5중량부를 투입하고, 제1 압출기의 중단 이후에 연결된 사이드 피더에 탄산칼슘 30중량부를 투입하였다. 상기 제1 압출기는 내경 대 외경의 비가 1.75이고, L/D=80인 이축 압출기로 압출 온도 180℃의 조건에서 반응압출을 수행하였다.

상기 압출물 85중량부, 중량평균분자량이 160,000인 제2 폴리락트산 15중량부를 제2 압출기에 투입한 후 압출 온도 215℃의 조건에서 압출하여 친환경 생분해성 수지 시편을 제조하였다.

비교예 1

상기 압출물 100중량부를 제2 압출기에 투입한 후 압출 온도 215℃의 조건에서 압출하여 친환경 생분해성 수지 시편을 제조하였다.

비교예 2

제1 압출기의 메인 피더에 중량평균분자량이 160,000인 제2 폴리락트산 100중량부를 투입하고, 제1 압출기의 중단 이후에 연결된 사이드 피더에 탄산칼슘 30중량부를 투입하였다. 상기 제1 압출기는 내경 대 외경의 비가 1.75이고, L/D=80인 이축 압출기로 압출 온도 180℃의 조건에서 압출을 수행하였다.

비교예 3

제1 압출기의 메인 피더에 중량평균분자량이 30,000인 제1 폴리락트산 100중량부, 알루미늄이소프로폭시드 0.5중량부 및 트리이소부틸알루미늄 0.5중량부를 투입하고, 제1 압출기의 중단 이후에 연결된 사이드 피더에 탄산칼슘 30중량부를 투입하였다. 상기 제1 압출기는 내경 대 외경의 비가 1.75이고, L/D=80인 이축 압출기로 압출 온도 180℃의 조건에서 반응압출을 수행하였다.

실험예

상기 실시예 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 친환경 생분해성 수지 시편의 기계적 물성을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.

구분	실시예	비교예 1	비교예 2	비교예 3
인장강도(MPa)	57	13	41	32
굽힘강도(GPa)	11	1.5	5	4
열수축률 (75℃,60분)	10% 이하	15% 이하	30% 이하	30% 이하

상기 표 1을 참고하면, 중량평균분자량이 높은 제2 폴리락트산을 포함하지 않는 비교예 1은 인장강도, 굽힘강도가 낮아 기계적 강도가 열등하고, 알콕시실란을 포함하지 않는 비교예 2, 3은 열수축률이 열등하여 내열성이 부족하였다.

반면, 실시예 1의 시편은 저분자량의 제1 폴리락트산의 축합중합 반응과 알콕시실란에 의한 가교반응이 수행되고, 이러한 제1 폴리락트산 매트릭스 중에 탄산칼슘과 제2 폴리락트산이 충진된 구조를 형성하여 기계적 강도와 내열성이 우수하였다.

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Claims

제1 폴리락트산, 알콕시비닐실란 및 촉매를 제1 압출기의 메인 피더에 투입하는 제1 단계;
상기 압출기의 사이드 피더에 무기 필러를 투입하는 제2 단계;
압출온도 150~200℃에서 반응압출하여 제1 폴리락트산 매트릭스를 형성하고, 이후 무기 필러가 투입되어 제1 폴리락트산 매트릭스 내부에 분산되는 불연속상이 형성된 반응압축물을 수득하는 제3 단계;
반응압출물 및 제2 폴리락트산을 제2 압출기에 투입하는 제4 단계; 및
압출온도 180~245℃에서 성형압출하는 제5 단계;를 포함하는 친환경 플라스틱 소재의 가공방법에 있어서,
상기 가공방법으로 제조된 성형압출품은 연속상인 제1 폴리락트산 매트릭스에 불연속상인 제2 폴리락트산 및 무기 필러가 충진된 구조를 가지는, 친환경 플라스틱 소재의 가공방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 폴리락트산의 중량평균분자량은 10,000~50,000이고,
상기 제2 폴리락트산의 중량평균분자량은 50,000~200,000인 친환경 플라스틱 소재의 가공방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 폴리락트산 및 상기 제2 폴리락트산의 중량비는 각각 50~99 : 1~50인 친환경 플라스틱 소재의 가공방법.
제1항에 있어서,
상기 알콕시비닐실란은 트리메톡시비닐실란, 트리에톡시비닐실란 및 트리아세톡시비닐실란으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 친환경 플라스틱 소재의 가공방법.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 디부틸틴디라우레이트, 디부틸틴디아세테이트, 초산제1주석, 카프릴산제1주석, 나프텐산아연, 카프릴산아연, 나프텐산코발트, 에틸아민, 디부틸아민, 헥실아민, 피리딘, 황산, 염산, 톨루엔설폰산, 초산, 스테아린산, 말레산, 알루미늄이소프로폭시드, 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 트리헵틸알루미늄 및 트리옥틸알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 친환경 플라스틱 소재의 가공방법.
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