KR102305296B1

KR102305296B1 - 미세플라스틱 대체가능한 천연입자 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102305296B1
Application number: KR1020190149609A
Authority: KR
Inventors: 송신애; 김주혜; 김태희; 김기영; 임성남; 우주영
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-09-28
Also published as: KR20210062121A

Abstract

본 발명은 오트밀을 이용한 미세플라스틱 대체물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연분말로서 오트밀과 천연 유기바인더를 혼합하여 슬러리화한 후 분무건조를 통해 입자 구형화하여 제조된 미세플라스틱 대체재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 구형화된 오트밀 입자는 규칙적인 구형 형상을 가지고, 입자의 크기가 매우 작으며, 뭉침이 약해 압력에 의해 잘게 부서져서, 화장품 또는 의약외품에 사용되는 미세플라스틱 대체재로써 유용하게 사용될 수 있다.

Description

미세플라스틱 대체가능한 천연입자 및 이의 제조 방법{Microplastic replaceable natural particles and preparation method thereof}

본 발명은 천연재료를 이용한 미세플라스틱 대체물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연분말과 바인더를 혼합하여 슬러리화한 후 분무건조를 통해 입자 구형화하여 제조된 미세플라스틱 대체재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

미세플라스틱(Microplastic)은 직경 5 mm 이하의 작은 크기를 가진 플라스틱 입자로서, 연마제로서 사용되어 스크럽제 10 wt%, 치약의 20 ~ 60 wt%를 구성하는 등 생활제품에서 쉽게 찾아볼 수 있는 것이다.

이런 미세플라스틱은 작은 크기로 인해 하수처리시설을 통한 처리가 불가하여 하천으로 방출되고, 미세플라스틱을 삼킨 플랑크톤 등의 해양 동물은 물리적인 상처에서부터 장폐색, 산화 스트레스, 섭식 행동 장애 등 여러 가지 부작용을 일으키며, 미세플라스틱을 섭취한 플랑크톤에서부터 출발하여 해양 생물을 타고 먹이사슬 최상위의 인간에게까지 영향을 미치고 있다.

이에 유럽, 아메리카, 아시아 등 각국에서 미세플라스틱의 사용을 중단하는 규제를 시행하고 있고, 한국에서는 16년 4월 마이크로비즈 사용 중단 권고 이후 17년 7월 부로 미세플라스틱 사용 중단 규제를 시행하고 있으며, 전 세계 매출 상위 30위 생활용품 기업들의 자발적 규제 평가를 시행하고 있으나, 제한적인 미세플라스틱 정의, 한정적인 대상 제품 범위 등 아직까지 완전한 미세플라스틱의 사용 중단이 이루어지지 않고 있다.

현재 생활제품, 화장품 내에서 윤활이나 연마역할을 하는 미세플라스틱을 대체할 수 있는 천연소재 기술이 절실히 필요한 실정이다.

지금까지 미세플라스틱 대체물질로서 미세 모래가루, 견과류 껍질을 말려 분쇄한 가루, 탄산수소소듐의 가루, 벤토나이트 돌가루 등이 보고된 바 있다.

그러나 기존의 천연소재 분말의 경우에는 천연소재를 건조 후 밀링을 통해 제조하기 때문에 입자의 모양이 불규칙적인 형상을 띄고 있다. 하지만, 생활제품이나 화장품에 첨가되는 미세플라스틱의 경우에는 구형의 형태를 가지고 있고, 크기 또한 일정한 크기를 가지고 있어 물성이 매우 균일하다는 장점을 가지고 있으므로, 기존의 천연소재 분말을 미세플라스틱 입자를 대체하는데 있어서 부족하다.

이렇듯 기존의 미세플라스틱 입자를 대체하기 위해서 천연입자를 구형의 입자를 갖도록 하는 기술이 필요하고, 각질제거나 연마재 역할을 할 때에는 입자의 크기가 큰 것 보다는 작아지는 것이 필요하며, 화장품이 세안제 내에 있던 천연 큰 구형의 입자가 피부에 문지를 때는 잘게 부서지도록 해야 하므로 입자에 가해지는 압력 차에 의해 부서지는 천연소재 입자가 필요하다.

이에, 본 발명자들은 미세플라스틱을 대체 가능한 천연입자를 개발하기 위해, 다양한 강도 및 입자크기를 가지는 천연재료 중 뭉침이 심하지 않고 둥근 입자 형태를 가지는 천연재료로서 오트밀을 선정하였고, 상기 오트밀 분말과 뭉쳐서 오트밀의 크기 및 경도를 조절하는 천연 유기바인더를 선정하였으며, 상기 천연재료와 천연 유기바인더를 형상 제어를 위한 방법으로 분무 건조(spray drying) 방법 및 그 공정조건을 확립하여, 오트밀 입자를 대체로 규칙적인 구형 형상을 지니고 뭉치는 효과가 낮아서 압력에 의해 잘 부서지는 효과를 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-1203394호 대한민국 등록특허 제10-1791840호

박정규 등, 한국환경정책·평가연구원, 미세플라스틱 관리동향 및 정책 제언, 2018 홍순기 등, 환경부, 생활화학제품 내 미세플라스틱 관리제도 도입을 위한 기반 마련 연구, 2019

본 발명의 목적은 기존의 미세플라스틱 입자 대체재의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 천연재료로서 오트밀을 용매에 분산된 분말에 천연 유기바인더를 일정한 비율로 혼합하여 슬러리를 제조한 후 분무 건조(spray drying)을 통한 입자 구형화함으로써 오트밀의 형상 및 응집을 제어하여 제조된, 미세플라스틱 대체가능한 천연 소재입자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 천연재료의 함량, 천연 유기바인더의 종류 및 함량, 슬러리 제조 조건, 및 분무 건조(spray drying) 조건을 최적화하여, 오트밀 100 중량부 대비 바인더 2 ~ 4 중량부 및 분산제 1 ~ 3 중량부를 용매에 첨가한 후, 3,000 ~ 15,000 rpm으로 10분 ~ 1시간 교반하여 슬러리를 제조한 다음, 상기 슬러리를 액적 발생기, 반응기 및 입자 회수 장치를 포함하는 분무 건조기에 주입하여 입자 구형화하는 공정을 포함하는, 미세플라스틱 대체가능한 천연 소재입자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

i) 천연분말로서 오트밀, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;

ii) 상기 용액을 교반하여 슬러리로 제조하는 단계; 및

iii) 상기 슬러리를 분무건조(spray drying)하여 입자 구형화하는 단계;를 포함하는, 구형 오트밀 입자의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은

입자 크기가 10 ~ 40 ㎛이고 입자 형태가 구형인 오트밀; 및

상기 오트밀 100 중량부 대비 바인더 2 ~ 4 중량부;를 포함하고,

분무건조(spray drying)를 통해 입자가 규칙적인 구형 형상을 가지는,

구형 오트밀 입자를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 구형 오트밀 입자를 포함하는 미세플라스틱 대체재를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 구형 오트밀 입자를 포함하는 화장품 또는 의약외품용 연마제를 제공한다.

아울러, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 구형 오트밀 입자를 포함하는 화장품 또는 의약외품을 제공한다.

본 발명에 따른 구형 오트밀 입자는 대체적으로 구형 형상을 가지고, 덜 뭉쳐지는 효과를 가져서 압력에 의해 잘 부서질 수 있으므로, 미세플라스틱 대체가능한 천연입자로 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 구형 오트밀 입자의 제조방법은 천연재료 분말을 이용하여 구형의 입자를 가지도록 하고, 연마재 등으로 사용하기 위해 입자의 크기를 작게 하며, 큰 구형의 입자가 압력에 의해 잘게 부서지게 하여, 화장품 또는 의약외품에 사용되는 미세플라스틱 대체물질 생산에 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 구형 오트밀 입자의 제조방법은 바인더 종류가 달라지면 입자들을 잡아주는 힘이 달라져 제품이 워킹할 때 작은 입자로 부서질 수 있거나, 부서지지 않으면 안되는 곳은 강한 바인더를 가지고 있는 구형의 형태를 유지하는 등 입자의 형상을 구형화와 부서지는 것을 자유자재로 조절하여 만들 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 천연재료 선정을 위한 천연재료들의 SEM 측정 결과를 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 계면활성제 종류별 분산 결과를 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 바인더 종류별 분산 후 뭉침 및 침전 상태를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 분무건조에 사용된 분무건조기(동진기연 SD-011R)의 사용 가능 조건 및 선택 조건을 보여주는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 바인더 종류별 분무건조 결과 분말을 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 분무건조 전후 입자의 형상을 SEM으로 관찰한 결과를 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 압자의 강도를 확인하기 위해, a) 스푼으로 으깬 후, 및 b) 막자사발로 갈은 후, 각각의 입자의 형상을 SEM으로 관찰한 결과를 보여주는 사진이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

본 발명은

ii) 상기 용액을 교반하여 슬러리로 제조하는 단계; 및

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 i)에서 오트밀은 입자 크기가 10 ~ 40 ㎛이고, 입자 형태가 구형인 것이 바람직하다. 상기 오트밀은 대체적으로 구형의 입자 형태를 가지고 뭉침이 심하지 않는 것이 바람직하다.

상기 단계 i)에서 상기 오트밀은 전체 용액 100 중량부 대비 8 ~ 12 중량부, 상기 바인더는 오트밀 100 중량부 대비 2 ~ 4 중량부, 및 상기 분산제는 오트밀 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부인 것이 바람직하고, 상기 오트밀은 전체 용액 100 중량부 대비 10 ~ 11 중량부, 상기 바인더는 오트밀 100 중량부 대비 3 ~ 4 중량부, 및 상기 분산제는 오트밀 100 중량부 대비 2 ~ 3 중량부인 것이 더욱 바람직하다. 이때, 용액의 농도가 적은 경우 분말의 양의 너무 적어지는 문제가 있고, 농도가 초과하는 경우 용해 또는 분산시키기 어려운 문제가 있다.

상기 단계 i)에서 상기 바인더는 감자전분, PEG(Polyethylene glycol) 또는 PVA(Polyvinyl alcohol) 등 대부분 바인더를 사용하면 가능하며, 바인더 종류가 달라지면 입자들을 잡아주는 힘이 달라져 제품이 워킹할 때 작은 입자로 부서질 수 있거나, 부서지지 않으면 안되는 곳은 강한 바인더를 가지고 있는 구형의 형태를 유지하는 등 입자의 형상을 구형화와 부서지는 것을 자유자재로 만들 수 있다.

상기 단계 i)에서 상기 바인더는 분무건조시 천연분말 입자의 응집을 유도하기 위한 것으로, 감자전분이 가장 바람직하다.

상기 단계 i)에서 상기 분산제는 천연분말 입자의 침전을 완화하기 위한 것으로, SDS, CTAB, SL3033 또는 SL3035 등의 계면활성제는 모두 사용가능하고, 변성 폴리실록산(modified polysiloxanes)계 계면활성제인 것이 바람직하고, SL3035 계면활성제인 것이 더욱 바람직하다.

상기 단계 i)에서 상기 용매는 물, 알코올 또는 알코올 수용액이 모두 사용가능하고, 증류수와 에탄올의 혼합물이 바람직하고, 증류수와 에탄올이 9:1의 부피로 구성된 용매인 것이 더욱 바람직하다.

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 슬러리는 분산장비를 이용하여 3,000 ~ 15,000 rpm으로 10분 ~ 1시간 교반하는 것이 바람직하고, 10,000 ~ 12,000 rpm으로 30분 ~ 40분 교반하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 분산장비는 다양한 습식 초미 분쇄·분산기는 모두 사용가능하고, 비드밀(Bead Mill)을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 iii)에서 분무건조는 액적 발생기, 반응기 및 입자 회수 장치를 포함하는 분무건조장치(SPRAY DRYER)를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 분무건조장치는 오트밀 입자 크기에 따라 액적 발생조건을 조절할 수 있으며, 입자가 큰 경우에는 디스크타입으로, 오트밀 입자가 작은 경우에는 노즐 타입으로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 단계 iii)에서 액적 발생 조건으로 디스크(disc) 타입으로 6,000 ~ 10,000 rpm, 온도 조건으로 입구 온도 130 ~ 150℃ 및 출구온도 80 ~ 100℃ 및 샘플주입량 20 ~ 25 ml/min인 것이 바람직하고, 8,000 ~ 9,000 rpm, 온도 조건으로 입구 온도 140 ~ 150℃ 및 출구온도 90 ~ 100℃ 및 샘플주입량 22 ~ 23 ml/min인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명은

입자 크기가 10 ~ 40 ㎛이고 입자 형태가 구형인 오트밀; 및

분무건조(spray drying)를 통해 입자가 규칙적인 구형 형상을 가지는, 구형 오트밀 입자를 제공한다.

상기 구형 오트밀 입자는 상기 본 발명에 따른 제조방법으로 제조되는 것이 바람직하다.

상기 구형 오트밀 입자는 규칙적인 구형 형상을 가지고, 덜 뭉쳐지는 효과를 가져서 압력에 의해 잘 부서질 수 있는 것이다.

상기 바인더는 감자전분, PEG(Polyethylene glycol) 또는 PVA(Polyvinyl alcohol) 등 대부분 바인더를 사용하면 가능하며, 바인더 종류가 달라지면 입자들을 잡아주는 힘이 달라져 제품이 워킹할 때 작은 입자로 부서질 수 있거나, 부서지지 않으면 안되는 곳은 강한 바인더를 가지고 있는 구형의 형태를 유지하는 등 입자의 형상을 구형화와 부서지는 것을 자유자재로 만들 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

< 실시예 1> 천연재료의 선정

비슷한 입자 크기(약 300 mesh) 중 입자의 강도에 따라 오트밀, 율무, 진피를, 그리고 입자 크기가 큰 호두껍질 분말(120 ~ 200 mesh)을 각각 SEM(Scanning Electrone Microscope)를 이용하여 입자 형태, 거친 정도 및 뭉침 정도를 확인하였다.

	입자 크기	입자 형태	거친 정도	뭉침 정도
오트밀	10-40 ㎛	구형	매끈함	약간 뭉침
율무	5-40 ㎛	가장 구형	매끈함	뭉침
진피	10-50 ㎛	일정치 않음	거침	뭉침 없음
호두	50-250 ㎛	일정치 않음	가장 거침	뭉침 없음

그 결과, 도 1에서 보는 바와 같이, 뭉침이 약간 있으나 심하지 않으며 둥근 입자 형태를 가진 오트밀을 최종 재료로 선정하였다.

< 실시예 2> 오트밀 슬러리의 계면활성제별 분산 정도 확인

하기 표 2의 조건으로 오트밀, 다양한 분산제 및 용매를 혼합한 후, DISPERMAT 장비(VMA-GETZMANN GMBH dissolver DISPERMAT LC55-E)를 이용하여 슬러리를 제조한 후 분산 결과를 확인하였다.

	조건	용매	분말	분산제	Total
①	3,000 rpm 10 min	40.41 g water + 4.49 g EtOH (DI:EtOH = 9 : 1)	오트밀 5 g (10 wt%)	SDS 0.1g	50 g
②	10,000 rpm 10 min			CTAB 0.1g
③	6,000 rpm 10 min			SL3033 0.1g
④	6,000 rpm 10 min			SL3035 0.1g

* 발생한 거품의 양에 따라 rpm 조절

그 결과, 도 2에서 보는 바와 같이, 분산 결과가 가장 좋은 SL3035를 계면활성제로 최종 선택하였다.

< 실시예 3> 오트밀 슬러리의 바인더별 분산 정도 확인

하기 표 3의 조건으로 오트밀, 다양한 바인더, 분산제 및 용매를 혼합한 후, DISPERMAT 장비(VMA-GETZMANN GMBH dissolver DISPERMAT LC55-E)를 이용하여 슬러리를 제조한 후 분산 30분 후 뭉침 및 침전 상태를 확인하였다.

	조건	용매	분말	바인더	분산제	Total
①	DISPERMAT 10,000 rpm 30 min	80.68 g H₂O + 8.97 g EtOH	오트밀 10 g	PEG 0.3 g	SL3035 0.2g	100 g
②				PVA 0.3 g
③				감자전분 0.3 g

그 결과, 도 3에서 보는 바와 같이, 육안상 바인더에 의한 뭉침 현상이 발견되지 않았다.

< 실시예 4> 분무건조 (spray drying) 방법을 통한 입자 구형화

하기 표 4의 조건으로 오트밀, 다양한 바인더, 분산제 및 용매를 혼합한 후, DISPERMAT 장비를 이용하여 슬러리를 제조한 다음, 각 슬러리를 분무건조기(동진기연 SD-011R, 한국)에 주입하여 입자 구형화를 진행한 후, SEM을 이용하여 입자 형상을 관찰하였다.

이때, 분무 건조 조건으로는 다음과 같이 하였다.

액적 발생 조건: DISC 타입, 8,000 rpm

온도 조건: 입구온도 140℃, 출구온도 90℃

샘플주입량: 22 ml/min

	조건	용매	분말	바인더	분산제	Total
①	DISPERMAT 10,000 rpm 30 min	1616.4 g H₂O + 89.8 g EtOH (H₂O: EtOH = 9:1)	오트밀 200 g (10 wt%)	-	SL3035 4g (2wt% of powder)	2,000 g
②		805.5 g H₂O + 89.5 g EtOH		PEG 6 g (3wt% of powder)
③				PVA 6 g
④				감자전분 6 g

그 결과, 도 6에서 보는 바와 같이, 분무건조(spray drying)하기 전에는 오트밀 입자의 경우 불규칙한 모양을 가졌고, 바인더를 사용하지 않는 경우 뭉침 효과가 크게 나타났으며, 감자전분 바인더가 다른 바인더에 비해 가장 덜 뭉치는 효과를 보였다.

< 실시예 5> 구형 입자의 강도 실험

상기 <실시예 4>에서 제조된 조건별 입자들의 강도를 확인하기 위해, 1) 스푼으로 으깬 후, 및 2) 막자사발로 갈아서, 각각 SEM을 이용하여 입자 형상을 관찰하였다.

그 결과, 도 7에서 보는 바와 같이, 감자전분 바인더가 다른 바인더에 비해 압력에 의해 잘게 부서지는 효과를 보였다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

i) 천연분말로서 오트밀, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
ii) 상기 용액을 교반하여 슬러리로 제조하는 단계; 및
iii) 상기 슬러리를 분무건조(spray drying)하여 입자 구형화하는 단계;를 포함하고,
여기서, 상기 단계 i)에서
상기 오트밀은 입자 크기가 10 ~ 40 ㎛이고, 입자 형태가 구형이며,
상기 바인더는 감자전분이며,
상기 분산제는 변성 폴리실록산(modified polysiloxanes)계 계면활성제이고,
상기 오트밀은 전체 용액 총 중량 대비 8 ~ 12 중량%, 상기 바인더는 오트밀 총 중량 대비 2 ~ 4 중량%, 및 상기 분산제는 오트밀 총 중량 대비 1 ~ 3 중량%를 첨가하는 것을 특징으로 하는,
미세플라스틱 대체재의 제조방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 단계 ii)에서 슬러리는 분산장비를 이용하여 3,000 ~ 15,000 rpm으로 10분 ~ 1시간 교반하는 것을 특징으로 하는, 미세플라스틱 대체재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 iii)에서 분무건조는 액적 발생기, 반응기 및 입자 회수 장치를 포함하는 분무건조장치(SPRAY DRYER)를 이용하여 액적 발생 조건으로 6,000 ~ 10,000 rpm, 온도 조건으로 입구 온도 130 ~ 150℃ 및 출구온도 80 ~ 100℃, 및 샘플주입량 20 ~ 25 ml/min인 것을 특징으로 하는, 미세플라스틱 대체재의 제조방법.
오트밀, 바인더, 분산제 및 용매를 혼합하여 용액을 교반하여 제조한 슬러리를 분무건조(spray drying)하여 입자가 규칙적인 구형 형상을 가지는 미세플라스틱 대체재로서,
여기서,
상기 오트밀은 입자 크기가 10 ~ 40 ㎛이고, 입자 형태가 구형이며,
상기 바인더는 감자전분이며,
상기 분산제는 변성 폴리실록산(modified polysiloxanes)계 계면활성제이고,
상기 오트밀은 전체 용액 총 중량 대비 8 ~ 12 중량%, 상기 바인더는 오트밀 총 중량 대비 2 ~ 4 중량%, 및 상기 분산제는 오트밀 총 중량 대비 1 ~ 3 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는,
미세플라스틱 대체재.
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