KR102271122B1

KR102271122B1 - 가공성, 생산성 및 기계적 물성이 향상된 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물 및 포장용 완충재를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR102271122B1
Application number: KR1020200046619A
Authority: KR
Inventors: 신효재; 신장식
Original assignee: (주)에어핏
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-07-01

Abstract

본 발명은 가공성, 생산성 및 기계적 물성이 향상된 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물 및 포장용 완충재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 전분과, 가소제 겸 발포셀 구조개선제, 발포 조절제, 전분 경화 억제제, 발포시 수축방지제 및 윤활제를 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물, 및 이를 사용하여 포장용 완충재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 조성물 및 제조방법의 특성에 의해 가공성과 생산성, 기계적 물성이 우수한 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조가 가능하다.

Description

가공성, 생산성 및 기계적 물성이 향상된 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물 및 포장용 완충재를 제조하는 방법{STARCH-BASED BIODEGRADABLE COMPOSITION OF CUSHIONING MATERIAL FOR PACKAGING WITH IMPROVED PROCESSABILITY, PRODUCTIVITY AND MECHANICAL PROPERTIES, AND METHOD FOR MANUFACTURING CUSHIONING MATERIAL FOR PACKAGING}

본 발명은 친환경 포장용 완충재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 천연고분자인 전분을 주원료로 한 조성물을 물과 함께 발포시킴으로써, 기존의 조각형 스티로폼인 EPS 루즈필(Expand Polystyrene Foam Loosefill)과 압축강도, 복원력 등의 기계적 물성이 유사하면서, 자연계 미생물에 의해 분해되어 자연으로 환원되는 생분해성을 특징으로 하는 친환경 포장용 완충재에 관한 것이다.

현대 문명 최고의 발명품이라 일컬어지기도 했던 플라스틱은 가공성, 편의성, 저렴한 가격, 가벼움 등 여러 가지 장점들로 인해 생활을 윤택하게 하는 다양한 용도로 널리 시용되어 왔으며, 해마다 사용량이 증가되어 왔다.

그러나, 이제는 사용 후 버려지는 썩지 않는 플라스틱 폐기물로 인해 20세기 인류 최고의 발명품에서 인류 최고의 문제꺼리로 전락하였다. 특히, 해마다 급격히 증가되는 플라스틱 폐기물은 소각 시 유해가스 발생 및 지구 온난화 현상 유발, 장기간 광/산화분해에 의한 유해한 미세플라스틱 생성, 썩지 않아 결국 바다에 흘러들어가 떠다니는 플라스틱 쓰레기 아일랜드 등, 대기, 수질, 토양의 총체적 오염을 유발하여, 지구 환경은 물론, 생태계까지 파괴하고 있는 매우 심각한 상황이 나날이 고조되고 있다.

이중에서 완충재(cushioning material)로 사용되는 스티로폼은 단위 중량에 비해 부피가 크고 가벼워서, 물류 비용이 많이 들고 바람에 쉽게 날리므로, 사용 후 폐기물 처리가 쉽지 않기 때문에, 이로 인한 환경오염에 미치는 영향은 더욱 크다고 볼 수 있다.

이와 같이 비분해성 플라스틱 폐기물로 인한 문제점을 개선하고 환경을 보호하기 위한 일환으로 합성형 생분해성 고분자 소재 외에, 전분, 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스(종이, 펄프, 옥피, 목분 등)와 같이 자연에서 구할 수 있는 생분해성 또는 바이오매스형 천연고분자 소재를 이용한 제품들이 개발 중에 있고, 일부 제품화되고 있다.

특히, 포장 완충재 용도의 기존 스티로폼을 대체하기 위하여 폴리락트산(PLA, poly lactic acid)계 폼이 일부 시도되고 있으나, 낮은 발포 배율, 잘 부서지고 저장 안정성이 떨어지며 가격이 상대적으로 고가인 점으로 인하여, 아직까지 실용화에 걸림돌이되고 있으며, 자연계 원료인 종이나 펄프 몰드가 그나마 실용화되고 있다. 그러나, 충격 방지 효과가 미흡하고, 생분해 속도가 너무 느리며, 비용적인 측면 외에도, 결국 나무로부터 얻을 수밖에 없는 자원이란 점에서 친환경이라기 보다는 산림훼손이라는 또 다른 환경문제를 유발할 수 있다는 단점이 있다.

이와 달리, 녹색 식물이 존재하는 한, 광합성에 의해 무한히 생성되는 풍부한 자원, 공급의 용이성, 짧은 시간에 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 분해되어 자연으로 환원되는 우수한 생분해성, 상대적 저렴한 가격 등과 같은 많은 장점을 가진 전분이 천연계 생분해성 고분자 소재로서는 가장 각광을 받고 있으며, 이를 이용한 필름, 사출, 시트, 용기, 완충재 용도의 생분해성 플라스틱에 대한 다양한 연구 개발이 이루어지고 있다. 특히, 전분계 완충재(starch based cushioning material)는 전분의 고유 특성과 장점을 활용하여, 국내외 다양한 선행 기술과 함께 현재 실용화되고 있으며, 플라스틱 폐기물로 인한 환경오염 방지와 시장 확대를 위해서 용도의 다양화, 생산성 개선, 기존 스티로폼 대비 제품 가치 향상을 위한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

한편, 현재까지 생분해성 전분 함유 또는 전분계 완충재에 대한 선행 기술들을 살펴보면, 펄프시트와 전분의 반죽물을 특정 금형에 넣어서 발포 성형하는 방법(KR1017573220000, KR 1018808960000); 발포 쌀에 폴리스티렌이나 생분해성 수지를 코팅한 후, 발포제를 함침하고 발포 및 성형하는 방법(KR1006826040000); 및 전분에 스티렌 단량체나 아크릴계 단량체를 공중합시키고 발포 가스를 함침한 후, 비드(bead)화하여 발포 및 성형하는 방법(KR1011106380000) 등은 금형을 이용하여 특정 형태와 크기를 가진 발포체의 제조에 관한 내용으로, 이와 관련한 기존 스티로폼(shaped styrofoam) 대비 경제성은 물론 실용성과 기술 실현 및 생산 가능성 측면에서 상용화되기에는 아직 어려움이 많다.

폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 비분해성 폴리올레핀계 수지와 바이오부산물, 전분, 목재 부산물 등을 혼합한 다음, 발포 성형하는 방법(KR 1014506270000)은 생분해성이나 발포 배율, 완충재로서의 기능을 요구하는 상품 가치 측면에서 부족함이 있다.

또한, 옥수수의 유전자 재조합을 통해 전분의 구조적 성분 중 하나인 아밀로스 함량을 45% 이상까지 높인 하이아밀로스(High amylose) 옥수수 전분 또는 이의 유도체에 가소제를 첨가하는 방법(USP 4863655); 전분류에 알코올 유도체를 첨가하는 방법(JP평-136168); 일반 전분을 이화학적으로 개질시킨 변성 전분을 이용하는 방법(JP특개평 2-298525); 및 변성 전분에 가소제 및 무기염류를 혼합하는 방법(WO 92/18325, JP평 6-271695) 등, 전분류에 각종 첨가제를 함께 혼합하여 압출기(extruder)로 발포, 절단해서 전분계 포장용 완충재를 제조하는 종래 기술들이 나온 바 있다. 그러나, 상술된 방법들은 생분해성 천연고분자인 전분을 주원료로 사용하고 발포제로서 물을 사용하여 압축 강도와 복원력을 어느 정도 보유한 완충재를 제조할 수 있다는 장점이 있는 반면에, 가격의 상승, 기존 EPS 폼 대비 기계적 물성(압축 강도와 복원력) 및 외관 저하, 사용 중에 포장 제품 내 부스러기 발생, 가공 및 생산과정에서 압출기 내 노화/탄화 물질로 인한 다이(die) 막힘 현상, 동절기에 압출기 내부와 외부 온도차에 의한 발포 과정에서의 수축현상 등으로 가공성 및 생산성, 그리고 제품 품질 면에서 해결해야 할 다양한 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 비분해성인 EPS 폼의 환경 친화적인 대체품으로서 실용화되고 있는 종래 생분해성 포장용 완충재의 문제점을 해결하고 개선하기 위한 것으로, 자연에서 존재하는 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 완전히 생분해되어 자연으로 환원될 뿐만 아니라, 종래 전분계 포장용 완충재보다 가공성, 생산성, 및 기계적 물성이 우수한 포장용 완충재 조성물 및 이를 사용하여 포장용 완충재를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 주원료로 전분과, 가소제 겸 발포셀 구조개선제, 발포 조절제, 전분 경화 억제제, 발포시 수축방지제 및 윤활제를 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을 중성 이상의 물을 사용하여 전처리하는 단계; 전처리된 조성물을 혼합기 내에서 혼합하고 숙성시키는 단계; 및 숙성된 조성물을 압출기를 이용하여 발포시켜 전분계 생분해성 포장용 완충재를 수득하는 단계를 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하는 방법을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 의해 제조된 전분계 생분해성 포장용 완충재는 우수한 생분해성은 물론, 압축 강도와 복원력 등 완충재로서 갖춰야 할 기본 물성인 기계적 물성이 매우 우수하다.

또한, 압출기 다이스(dies)의 아주 작은 홀 사이즈(0.5 mm이하)에서도 막힘 현상이 없이 압출 및 발포가 가능해서 보다 다양한 형태와 다양한 용도의 제품을 생산할 수 있다는 점, 제품의 포장 과정이나 활용 과정에서 부스러기가 발생되지 않는 점, 동절기 발포 생산 시에도 수축 현상이 일어나지 않아 손실(loss)을 줄일 수 있는 점 등 가공성과 생산성, 품질 우수성 등에서 강점을 가진 제품이다.

이외에도 본 발명은 기존 스티로폼 대비 동등 이하의 가격 수준이 가능하여 친환경 제품의 시장 확대와 폐플라스틱 폐기물로 인한 지구환경 오염 방지에도 크게 기여할 수 있다.

도 1은 종래 기술과 본 발명의 조성물을 사용한 원료 준비 과정을 비교한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예의 발포 수축 여부의 기준을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 발포 셀의 구조를 비교한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 전분계 생분해성 포장용 완충재의 외관(겉표면)을 비교한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 전분계 생분해성 완충재 제품을 나타낸 사진이다.

이하 본 발명에 대해서 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 일 양태는 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을을 제공한다. 보다 구체적으로, 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물은 전분과, 가소제 겸 발포셀 구조개선제, 발포 조절제, 전분 경화 억제제, 발포시 수축방지제 및 윤활제를 포함한다.

전분은 주원료로서, 광합성에 의해 무한히 생성되는 풍부한 자원, 공급의 용이성, 짧은 시간에 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 분해되어 자연으로 환원되는 우수한 생분해성, 상대적 저렴한 가격 등과 같은 많은 장점을 가진 물질이다.

본 발명에서 사용되는 전분은 일반 전분, 이화학적 변성 전분, 및 미분쇄한 쌀분말, 타피오카분말, 밀가루를 포함한다. 일반 전분은 옥수수 전분, 찰옥수수 전분, 타피오카 전분, 밀전분, 쌀 전분, 감자 전분, 고구마 전분 등이 있으며, 이화학적 변성 전분은 일반 전분을 물리적 또는 화학적으로 개질화시킨 전분으로, 호화 전분, 배소 전분, 산처리 전분, 가교 전분, 에스테르화 전분, 에테르화 전분이 있다.

본 발명에서는 가격과 가공성, 요구되는 기계적 물성 등을 고려하여, 상기에 예시된 전분류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 전분 또는 2종 이상의 혼합 전분을 사용한다.

본 발명에서 완충재의 기계적 물성은 압축 강도와 복원력을 들 수 있으며, 일반적으로, 최종 압축 강도 보강을 위해서는 일반 전분 중에서도 옥수수 전분, 밀전분, 쌀 전분 등의 지상 전분이나 물리적 변성 전분에 장점이 있다. 복원력 향상을 위해서는 타피오카 전분, 감자전분 등의 지하 전분이나, 지상 전분 중에서 아밀로펙틴 함량이 높은 찰전분 그리고 가교 전분과 같은 화학적 변성 전분이 강점을 가지고 있으며, 특히 전분의 경화나 노화로 인해, 완충재 완제품의 포장과정이나 실제 사용과정에서 발생되는 부스러기가 클레임의 발생의 주원인이 되기도 하는데 이를 개선하는데도 효과가 있다. 부스러기 발생 억제를 위해서는 본 발명의 조성물 중, 발포셀 개선제 및 전분의 경화방지제와의 상호 효율성, 기계적 물성, 그리고 경제성을 고려하여 이러한 전분을 적정량 사용 가능하며, 전체 조성물 중 전분류의 함량은 조성물 100 중량%를 기준으로 하여, 최소 40 중량% 이상 85 중량%까지 가능하고, 바람직하게, 55 내지 80 중량%이다.

가소제 겸 발포셀 구조 개선제는 완충재로서 열가소성이 부족한 전분의 물성을 보완하고 발포셀 구조를 개선하여 발포체에 압축강도와 함께 복원력을 부여하고, 생산 시에도 압출기 다이의 작은 홀 크기(Whole size)에도 막힘 현상 없이 다양한 제품을 생산할 수 있도록 압출 가공성을 개선하기 위한 것이다.

본 발명에서 가소제 겸 발포셀 구조 개선제로 비닐아세테이트 모노머, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 중합도 600 이하의 저중합도 PVA(polyvinyl acohol), 중합도 1500 내지 1800의 고중합도 PVA로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 사용한다. 특히, 저중합도와 고중합도의 PVA를 함께 사용하는 경우, 저중합도 PVA는 고중합도 PVA의 30 중량% 이하로 사용된다.

본 발명에서 가소제 겸 발포셀 구조개선제의 함량은 조성물 100 중량%를 기준으로 하여, 10 내지 45 중량%가 바람직한데, 상기 범위를 벗어난 경우는 상술된 가소제 겸 발포셀 구조개선제의 성질을 나타내지 못할 수 있고, 상기 범위를 초과한 경우에, 추가에 따른 경제적 이점이 떨어질 뿐만 아니라 포장용 완충재 조성물의 성질을 떨어뜨릴 수 있다.

발포 조절제는 전분의 수 발포에 의해 생성되는 불균일한 발포체의 셀 구조를 셀 크기와 입자 수를 적절하게 제어하여 균일하고 치밀하게 함으로써 압출 가공성과 완충재로서의 기계적 물성을 보다 개선하기 위한 것이다.

발포 조절제의 예로는 베이킹소다(중탄산나트륨), 베이킹파우더, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 염화나트륨, 초산칼슘, 황산나트륨, 황산암모늄 등을 들 수 있으며, 이 중에서 단독 또는 2종 이상의 혼합물을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 발포 조절제의 함량은 조성물 100 중량%를 기준으로 하여, 0.2 내지 10 중량%가 바람직한데, 상기 범위를 벗어난 경우는 상술된 발포 조절제의 성질을 나타내지 못할 수 있고, 상기 범위를 초과한 경우에, 추가에 따른 경제적 이점이 떨어질 뿐만 아니라 포장용 완충재 조성물의 성질을 떨어뜨릴 수 있다.

전분 경화 방지제는 전분계 포장용 완충재 조성물의 압출 발포 시, 전분의 경화를 억제하여 경화물질에 의한 압출기 다이스 막힘 현상을 사전에 차단하여 가공성 및 생산성을 개선하고, 완충재의 복원력을 증강함은 물론, 완제품 포장이나 실제 활용과정에서 완충재 부스러기의 생성이 되지 않도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 전분 경화 방지제로서 포도당, 물엿, 덱스트린, 모노글리세라이드, 소르비톨, 말티톨과 같은 당알코올류로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용된다.

본 발명에서 전분 경화 방지제는 전분 총 함량의 1 내지 20 중량%를 첨가하는 것이 바람직하며, 이를 환산하면, 조성물 100 중량%를 기준으로 하여, 0.04 내지 7 중량%가 바람직한데, 상기 범위를 벗어난 경우는 상술된 전분 경화 방지제의 성질을 나타내지 못할 수 있고, 상기 범위를 초과한 경우에, 추가에 따른 경제적 이점이 떨어질 뿐만 아니라 포장용 완충재 조성물의 성질을 떨어뜨릴 수 있다.

발포시 수축방지제는 동절기 생산 과정에서 압출기 내부와 외부의 급격한 온도 차이에 의해 발포시 수축현상으로 인한 생산 손실이나 품질불량 제품이 발생될 수 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것이다.

본 발명에서 발포시 수축방지제로 R-COONa(여기서, R은 알킬 기임)로 표현되는 지방산염 또는 R-NH2CH3COOH(여기서, R은 알킬 기임)로 표현되는 알킬 아민염으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

본 발명에서 발포시 수축방지제는 조성물 100 중량%를 기준으로 하여, 0.5 내지 10 중량%가 바람직한데, 상기 범위를 벗어난 경우는 상술된 발포시 수축방지제의 성질을 나타내지 못할 수 있고, 상기 범위를 초과한 경우에, 추가에 따른 경제적 이점이 떨어질 뿐만 아니라 포장용 완충재 조성물의 성질을 떨어뜨릴 수 있다.

기타 조성물 중에 윤활제는 기존에 널리 알려진 파라핀계 왁스를 조성물 100 중량%를 기준으로 하여, 0.5 내지 3 중량%의 범위 내에서 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 양태는 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을 사용하여 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하는 방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 방법은

본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을 중성 이상의 물을 사용하여 전처리하는 단계;

전처리된 조성물을 혼합기 내에서 혼합하고 숙성시키는 단계; 및

숙성된 조성물을 압출기를 이용하여 발포시켜 전분계 생분해성 포장용 완충재를 수득하는 단계를 포함한다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래 기술은 일반적으로 전분을 포함한 각 조성물을 그대로 혼합기에 투입하여 건식으로 일정시간 혼합한 다음, 별도로 공급되는 물과 함께, 원료 공급 장치(feeder)를 통하여 압출기에 투입해서 제조한다.

반면, 본 발명은 발포 셀의 구조 개선, 가공성, 생산성 및 품질 강화를 위한 목적으로 앞에서 언급한 조성물의 변화 이외에도 조성물을 이용한 원료 준비 방법 또한 달리하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 각 해당 조성물을 혼합기에 투입하고, 중성 이상(pH 5.0 내지 10.5 범위)의 물을 첨가하여 전체 조성물의 수분 함량을 18 내지 55% 범위로 조절한 다음, 최소 15분에서 최대 120분간 패들형, 리본형, V자형, 교반형, 회전형 등의 혼합기 내에서 숙성과 혼합을 겸하는 방법이며, 이후 혼합, 숙성된 원료를 종래 방법과 동일하게 부족한 물을 별도로 공급하면서 압출기에 투입하여 제조하는 방법이다[도 1 참조].

본 발명의 조성물을 위와 같은 과정으로 혼합 겸 숙성하여 준비된 원료는 싱글 또는 트윈 압출기(스크류 직경 20 내지 120 mm, L/D 15 내지 50)에 물과 함께 정량적으로 투입하여 압출, 발포함으로써 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조할 수 있다. 이를 위한 압출기의 기본 운전조건은 각 배럴 온도가 상온 약 210℃, 스크류 회전속도는 300 내지 1800 rpm의 범위이며, 원료 및 물의 투입 속도 및 투입량은 얻고자 하는 제품의 형태나 크기, 압출기의 종류, 생산 시의 기후 조건 등을 감안하여 조절할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의해 제조된 전분계 생분해성 포장용 완충재는 우수한 생분해성은 물론, 압축강도와 복원력 등 완충재로서 갖춰야 할 기본 물성인 기계적 물성이 매우 우수하다. 또한, 압출기 다이스(dies)의 아주 작은 홀 사이즈(whole size, 0.5 mm 이하)에서도 막힘 현상이 없이 압출 및 발포가 가능해서 보다 다양한 형태와 다양한 용도의 제품을 생산할 수 있다는 점, 제품의 포장 과정이나 활용 과정에서 부스러기가 발생되지 않는 점, 동절기 발포 생산 시에도 수축 현상이 일어나지 않아 손실을 줄일 수 있는 점 등 가공성과 생산성, 품질 우수성 등에서 강점을 가진 제품이다. 이외에도, 본 발명은 기존 스티로폼 대비 동등 이하의 가격 수준이 가능하여 친환경 제품의 시장 확대와 폐플라스틱 폐기물로 인한 지구환경 오염 방지에도 크게 기여할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 1

일반적으로 유통되고 있는 패들형 혼합기(Paddle Type, 180 L)에 본 발명의 주원료로서 옥수수 전분 37 kg, 타피오카 전분 6.5 kg, 찰옥수수 전분 2 kg을 첨가하고, 가소제 겸 발포구조 개선제로서 비닐아세테이트 모노머 1.5 kg과 고중합도 PVA 11.5kg을 정량해서 투입한 다음, 발포 조절제로 염화나트륨 270 g과 초산칼슘 630 g, 전분 경화 억제제로 포도당 600 g을 추가로 투입하였다.

이어서, pH 6.8의 물 9 L를 혼합기 내에 골고루 뿌려주고, 이를 약 50분간 가동하여, 숙성이 완료된 혼합물을 준비하였다.

준비된 혼합물은 스크류 직경 60 mm, L/D 20, 다이스 홀 크기 2 mm, 각 배럴 온도 160 내지 200℃, 메인 스크류의 회전속도 900 rpm으로 조절한 트윈압출기에 정량적으로 투입하면서 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 2> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 2

패들형 혼합기에 본 발명의 주원료로서 옥수수 전분 46 kg을 첨가하고, 가소제 겸 발포구조 개선제로서 저중합도 PVA 3 kg과 고중합도 PVA 10 kg을 정량해서 투입한 다음, 발포 조절제로 탄산칼륨 150 g, 초산칼슘 360 g, 전분 경화 억제제로 소르비톨 800 g, 그리고 윤활제로 파라핀 왁스를 400 g을 추가로 투입하였다.

이어서 pH 6.0의 물 9 L를 혼합기 내에 골고루 뿌려주고, 약 50분간 가동하여, 숙성이 완료된 혼합물을 준비하였다.

준비된 혼합물은 스크류 직경 60 mm, L/D 20, 다이스 홀 크기 2 mm, 각 배럴 온도 160 내지 200℃, 메인 스크류의 회전속도 1200 rpm으로 조절한 트윈압출기에 정량적으로 투입하면서 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 3> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 3

실시예 1에서 "타피오카 전분 6.5 kg과 찰옥수수 전분 2 kg" 대신 변성 전분인 "가교전분 8.5 kg", 가소제 겸 발포구조 개선제로서 "비닐아세테이트 모노머 1.5kg" 대신 "수산화칼슘 800 g과 비닐아세테이트 모노머 700 g"을 교체 투입한 것 이외에는, 이하 동일한 조성과 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 4> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 4

실시예 2에서 "옥수수 전분 46 kg" 대신에 "옥수수 전분 34 kg과 타피오카 전분 12 kg"을, 전분 경화 억제제로 "소르비톨 800 g" 대신 "모노글리세라이드 800 g"을 교체 투입한 것 이외에는, 이하 동일한 조성과 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 5> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 5

실시예 2에서 가소제 겸 발포구조 개선제로 고중합도 PVA만 14 kg 사용하는 것 이외에, 이하 동일한 조성과 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 6> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 6

실시예 2에서 경화억제제로 "소르비톨 800 g"대신 "포도당 310 g과 덱스트린 490 g"을 사용하고, 윤활제 첨가 생략, 혼합 및 숙성 시간을 "50분에서 90분"으로 변경한 것 이외에는, 이하 동일한 조성과 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 7> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 7

실시예 4의 조성물 총량에 발포시 수축 방지제로서 지방산염인 나트륨에틸에스테르(CH₃CH₂COONa) 850 g을 추가로 첨가하는 것 이외에는, 이하 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 8> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 8

실시예 1에서 혼합 및 숙성을 위해 추가로 투입하는 물의 양을 9 L에서 12 L로, 그리고 물의 pH를 6.8에서 8.2로 변경하는 것 이외에, 동일한 조성과 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 9> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 9

패들형 혼합기에 본 발명의 주원료인 전분류 중, 옥수수 전분 46 kg을 첨가하고, 가소제 겸 발포구조 개선제로서 저중합도 PVA 3 kg과 고중합도 PVA 10 kg을 투입하였다. 이어서 발포 조절제로 염화나트륨 100 g, 초산칼슘 560 g, 베이킹소다 280 g, 경화억제제로 덱스트린 600 g, 수축 방지제로 나트륨에틸에스테르(CH₃CH₂COONa) 850 g, 윤활제로서 파라핀 왁스 400 g 등을 추가로 투입하였다. 그리고 pH 8.2의 물 12 L를 혼합기 내에 골고루 뿌려주고 약 80분간 가동하여, 숙성이 완료된 혼합물을 준비하였다. 준비된 혼합물은 스크류 직경 60 mm, L/D 20, 다이스 홀 크기 2 mm, 각 배럴 온도 160 내지 200℃, 메인 스크류의 회전속도 1200 rpm으로 조절한 트윈압출기에 정량적으로 투입하면서 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 실시예 10> 본 발명의 전분계 생분해성 포장용 완충재의 제조 10

압출기의 다이스의 홀 크기를 2.0 mm에서 0.5 mm로 교체하고, 압출기의 메인스크류 rpm을 1200에서 800으로 변경한 것 이외에는, 실시예 9와 동일한 조성과 동일한 방법으로 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하였다.

< 비교예 1>

기존 비분해성 스티로폼 제품인 EPS Loosefill을 구입하여 본 발명에 대한 비교 제품으로 활용하였다.

< 비교예 2>

국내에 유통되고 제품으로서 S사의 전분계 완충제를 구입하여 본 발명에 대한 비교 제품으로 활용하였다.

< 비교예 3>

기존에 공지된 기술로서, 옥수수 전분과 수용성 폴리머, 무기염을 주원료로 건식 혼합하여, 이하 동일한 압출,발포 조건으로 전분계 완충재를 제조하였다.

< 실험예 1> 완충재의 평가 방법

본 발명에 의한 전분계 생분해성 포장용 완충재의 평가방법은 아래와 같다.

(1) 생분해성:

일반적으로 생분해성 평가방법은 경제적이고 쉽게 접근 가능한 방법으로서 고체 한천 배지에 시료를 넣고, 토양미생물 혼합 포자를 접종하는 미국표준시험법(ASTM) 등을 이용하나, 본 발명의 조성물에 구성 성분으로 나열된 물질은, 고분자 물질로서는 종래 기술과 달리, 이미 국내외적으로 우수한 생분해성 물질로 인증된 각종 전분류와 밀가루, 쌀분말, 타피오카 분말 그리고 PVA 등만으로 구성되어 있으며, 기타 구성 물질 또한 생분해성 물질에 준하는 당류, 덱스트린, 무기염 및 단량체들이므로 본 발명에서의 생분해성 평가는 중요한 의미가 없을 것으로 판단되어 생략하고 진행하고자 한다.

(2) 기계적 물성 및 품질:

1) 압축강도

압축강도는 포장용 완충재를 변형하고자 할 때 요구되는 힘으로, 직경 45 mm의 원통 프로브(Cylindrical Probe)가 설치된 레오미터(rheometer)를 이용하여 측정하였다. 즉, 완충재를 10 mm 크기로 자른 시료들을 원통 프로브에 일정한 높이까지 채운 후, 초당 0.5 mm 속도로 이동시키면서 항복점까지 변형시켰을 때 시료에 가해진 최고의 힘을 압축강도로 하였으며, 측정값의 오차를 줄이기 위해 동일한 방법으로 15회 반복 측정하여 그 평균값을 취하였다.

2) 복원력

복원력은 압축강도 측정방법과 동일한 방법으로 원통형 프로브에 일정 높이 까지 채운 후, 50%까지 1차 압축하고 1분간 정지한 다음, 2차 압축하여 아래와 같은 수학식을 적용하여 복원력을 산출하였으며, 시료 당 15회 반복 측정해서 그 평균값을 복원력으로 나타내었다.

[수학식]

복원력(%)= 2차 압축 시 받은 힘/1차 압축 시 받은 힘×100

(3) 가공성, 생산성 및 품질

1) 부스러기 발생량 측정

부스러기 발생량은 완충재를 압출 및 발포시키면서 커터(cutter)를 이용하여 길이 3 내지 4 cm로 절단한 제품들을 1 kg 단위로 비닐백에 담은 후, 10 메쉬(mesh) 자동 진동체를 이용하여 빠져나온 부스러기 양을 저울로 측정하였으며, 각 측정 샘플 당 5회 측정하여 평균값을 취하였다.

2) 발포 셀(cell)의 구조 분석

제조된 완충재를 절단한 단면을 사진으로 찍고 육안으로 비교하였다.

3) 동절기 발포 수축성 개선

동절기 제조과정에서 정해진 생산조건(온도, 메인 스크류 RPM, 물 투입량/분)에 도달하여 정상적인 발포체가 다이스의 홀을 통해 나오기 시작한 후, 각 실시예 별로 수축 여부를 육안으로 확인하고 비교하였다(도 2 참조).

이와 같은 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명에 의해 제조된 전분계 생분해성 포장용 완충재의 전반적인 품질과 가공성, 생산성 등의 판단 기준으로, 기계적 물성(압축강도와 복원력), 부스러기 발생량, 셀 단면 구조분석, 동절기의 수축성 여부 등을 분석/평가하였다.

그 결과는 다음의 표 1과 도 3 내지 도 5에서 사진으로 나타내었으며, 매우 우수한 특성을 가진 제품을 제조할 수 있는 기술임을 확인하였다.

특히, 종래 기술보다 가공성 및 생산성이 우수하여 다이스 홀 크기가 0.5 mmm 이하인 조건에서도 제조가 가능하며 기존 기술 대비 제품 다양화(도 4의 사진, 실시예 10)에도 본 발명에 의한 기술이 강점이 있음을 확인하였다.

[표 1]. 생분해성 포장용 완충재의 품질, 가공성, 생산성 비교

Claims

40 내지 85 중량%의 전분과, 10 내지 45 중량%의 가소제 겸 발포셀 구조개선제, 0.2 내지 15 중량%의 발포 조절제, 0.04 내지 7 중량%의 전분 경화 억제제, 0.5 내지 10 중량%의 발포시 수축방지제, 및 0.5 내지 3 중량%의 윤활제를 포함하는 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을, pH 5.0 내지 10.5 범위의 물을 사용하여 전체 조성물의 수분 함량이 18 내지 55% 범위로 조절되도록 전처리하고, 전처리된 조성물을 혼합기 내에서 혼합하고 숙성시키고, 숙성된 조성물을 압출기를 이용하여 발포시킴으로써 얻어진, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
삭제
제1항에 있어서, 전분이 옥수수 전분, 찰옥수수 전분, 타피오카 전분, 밀 전분, 쌀 전분, 감자 전분, 고구마 전분, 및 이의 이화학적으로 변성된 호화 전분, 배소 전분, 산처리 전분, 가교 전분, 에스테르화 전분, 에테르화 전분으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 전분 또는 2종 이상의 혼합 전분을 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
제1항에 있어서, 가소제 겸 발포셀 구조개선제가 비닐아세테이트 모노머, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 중합도 600 이하의 저중합도 PVA(polyvinyl acohol), 및 중합도 1600 내지 1800의 고중합도 PVA로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하며,
저중합도 PVA와 고중합도 PVA의 혼합물이 사용되는 경우에, 저중합도 PVA는 고중합도 PVA의 30 중량% 이하로 사용되는, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
제1항에 있어서, 발포 조절제가 베이킹소다, 베이킹파우더, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 염화나트륨, 초산칼슘, 황산나트륨 및 황산암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
제1항에 있어서, 전분 경화 억제제가 포도당, 물엿, 덱스트린, 모노글리세라이드, 및 당알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
제1항에 있어서, 발포시 수축방지제가 R-COONa(여기서, R은 알킬 기임)로 표현되는 지방산염 또는 R-NH₂CH₃COOH(여기서, R은 알킬 기임)로 표현되는 알킬 아민염으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
제1항에 있어서, 윤활제가 파라핀계 왁스를 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재.
40 내지 85 중량%의 전분과, 10 내지 45 중량%의 가소제 겸 발포셀 구조개선제, 0.2 내지 15 중량%의 발포 조절제, 0.04 내지 7 중량%의 전분 경화 억제제, 0.5 내지 10 중량%의 발포시 수축방지제, 및 0.5 내지 3 중량%의 윤활제를 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재 조성물을, pH 5.0 내지 10.5 범위의 물을 사용하여 전처리하는 단계로서, 전체 조성물의 수분 함량을 18 내지 55% 범위로 조절하는 단계;
전처리된 조성물을 혼합기 내에서 15분 내지 120분 동안 혼합하고 숙성시키는 단계; 및
숙성된 조성물을 압출기를 이용하여 발포시켜 전분계 생분해성 포장용 완충재를 수득하는 단계를 포함하는, 전분계 생분해성 포장용 완충재를 제조하는 방법.
삭제
제9항에 있어서, 혼합기가 패들형, 리본형, U자형, V자형, 교반형, 또는 회전형 혼합기를 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 압출기의 다이스 홀 크기가 2 mm 이하 또는 0.5 mm 이하이며, 압출기가 실온 내지 210℃의 배럴 온도 및 300 내지 1800 rpm의 스크류 회전속도를 갖는 기본 운전 조건 하에서 작동되는 방법.