KR102351577B1 - 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법 - Google Patents

축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법에 관한 것으로, 축분을 발효시킨 축산퇴비분말 15~25중량%, 목분 10~20중량%, 톱밥 5~10중량%, 폴리아크릴산나트륨 5~10중량%, 메틸트리메톡시실란 5~10중량%, 합성수지 35~45중량%, 상용화제 1~5중량% 및 활제 1~5중량%를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하며, 수분이 함유되어 있는 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있으며 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법{Bioplastic Composition using Compost and Manufacturing Method of Bioplastic using the same}
본 발명은 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분이 함유되어 있는 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있으며 기계적 물성을 향상시킬 수 있는, 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 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.
대한민국등록특허공보 제10-1976562호(2019.07.15.)에는 친환경 저탄소 분해성 항균소재 및 그 제조방법이 개시되어 있다.
상기 친환경 저탄소 분해성 항균소재는 가축분뇨의 활용으로 대기오염, 토양오염 및 수질오염을 해소하는 장점이 있지만, 가축분뇨를 발효시킨 퇴비에 수분이 많이 함유되어 있어 가공성이 떨어지는 단점이 있고, 기존의 범용 플라스틱에 비해 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
KR 10-1976562 B1 2019.07.15.
본 발명의 목적은 수분이 함유되어 있는 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있는, 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계적 물성을 향상시킬 수 있는, 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 및 이를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은, 축분을 발효시킨 축산퇴비분말 15~25중량%, 목분 10~20중량%, 톱밥 5~10중량%, 폴리아크릴산나트륨 5~10중량%, 메틸트리메톡시실란 5~10중량%, 합성수지 35~45중량%, 상용화제 1~5중량% 및 활제 1~5중량%를 포함하는, 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물을 제공한다.
상기 축분을 발효시킨 축산퇴비분말은 80~400mesh의 크기로 분쇄하며, 상기 목분은 폐목재를 파쇄한 것으로, 입자크기가 1~3㎜이며, 상기 톱밥은 나무를 켜는 과정에서 발생하는 것으로, 입자크기가 4~5㎜이다.
상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 100중량부에 대하여 나노셀룰로오스 0.1~1중량부를 추가적으로 포함한다.
상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 100중량부에 대하여 다이메틸카보네이트 1~5중량부 및 옥수수유 1~5중량부를 추가적으로 포함한다.
또한, 본 발명은, 축분 60~80중량%, 수분조절제 15~35중량% 및 부숙촉진 미생물 1~10중량%를 발효조에 투입하고 발효시켜 축산퇴비를 만드는 단계(단계 1); 상기 축산퇴비를 건조기에 투입하고 1차 건조시키는 단계(단계 2); 상기 1차 건조된 축산퇴비를 분쇄하여 축산퇴비분말을 만드는 단계(단계 3); 상기 축산퇴비분말을 건조기에 투입하고 100~250℃에서 1~3시간 동안 2차 건조하는 단계(단계 4); 상기 2차 건조된 축산퇴비분말에 목분, 톱밥 및 폴리아크릴산나트륨을 첨가하고 20~30℃에서 1~2시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 단계(단계 5); 상기 제1 혼합물에 메틸트리메톡시실란을 첨가하고 110~120℃에서 6~10시간 동안 교반하여 제2 혼합물을 만드는 단계(단계 6); 및 상기 제2 혼합물에 합성수지, 상용화제 및 활제를 첨가하고 성형하여 바이오플라스틱을 제조하는 단계(단계 7);를 포함하는, 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1 이후에, 상기 축산퇴비로부터 수분조절제를 분리하는 단계가 추가된다.
상기 단계 2에서, 상기 건조기는 내부 교반설비가 부착되어 상기 축산퇴비를 지속적으로 교반시켜 주고, 상기 교반설비에 구비된 교반드럼 외부에 열매유를 이용하여 열을 공급하여 100~200℃에서 1~3시간 동안 건조시키되, 건조시 발생되는 수증기를 주기적으로 강제 배출시킨다.
본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물은 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법은 수분이 함유되어 있는 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 감소시켜 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
바이오플라스틱(Bio Plastics)은 유한자원인 석유계 원료를 대체하는 소재로 주목을 받고 있으며, 특히 탄소중립(Carbon neutral)형 바이오매스는 지구의 이산화탄소 총량을 증가시키지 않는 점에서 큰 관심을 끌고 있다.
먼저, 본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물을 설명한다.
본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물은,
축분을 발효시킨 축산퇴비분말 15~25중량%, 목분 10~20중량%, 톱밥 5~10중량%, 폴리아크릴산나트륨 5~10중량%, 메틸트리메톡시실란 5~10중량%, 합성수지 35~45중량%, 상용화제 1~5중량% 및 활제 1~5중량%를 포함한다.
본 발명에서 바이오매스는 축분을 발효시킨 축산퇴비분말, 목분 및 톱밥을 사용한다.
축분을 발효시킨 축산퇴비분말을 단독으로 바이오매스로 사용하는 경우에는 바이오플라스틱의 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은, 축분을 발효시킨 축산퇴비분말과 함께 목분 및 톱밥을 바이오매스로 사용함으로써 바이오플라스틱의 기계적 물성을 향상시킨 것에 특징이 있다.
상기 축분을 발효시킨 축산퇴비분말은 80~400mesh의 크기로 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 목분은 폐목재를 파쇄한 것으로, 입자크기가 1~3㎜인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 톱밥은 나무를 켜는 과정에서 발생하는 것으로, 입자크기가 4~5㎜인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 축분을 발효시킨 축산퇴비분말은 15~25중량% 포함하는 것이 바람직하며, 15중량% 미만 포함되면 바이오매스의 함량이 너무 작게 포함되는 문제가 있고, 25중량% 초과 포함되면 바이오플라스틱의 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있다.
상기 목분은 10~20중량% 포함되는 것이 바람직하며, 10중량% 미만 포함되면 바이오플라스틱의 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있고, 20중량% 초과 포함되면 합성수지의 포함되는 양이 줄어드는 문제가 있다.
상기 톱밥은 5~10중량% 포함되는 것이 바람직하며, 5중량% 미만 포함되면 바이오플라스틱의 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있고, 10중량% 초과 포함되면 합성수지의 포함되는 양이 줄어드는 문제가 있다.
상기 폴리아크릴산나트륨은 상기 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 제거하기 위해 포함된다.
상기 폴리아크릴산나트륨은 5~10중량% 포함되는 것이 바람직하며, 5중량% 미만 포함되면 상기 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 제거하지 못하는 문제가 있고, 10중량% 초과 포함되면 제품 성형시 탄화물이 발생할 수 있다.
상기 메틸트리메톡시실란은 바이오매스의 친수성을 소수화하여 소수성을 증가시키기 위하여 포함된다.
상기 메틸트리메톡시실란은 5~10중량% 포함되는 것이 바람직하며, 5중량% 미만 포함되면 바이오매스의 소수성을 충분히 증가시키지 못하는 문제가 있고, 10중량% 초과 포함되면 제품 성형시 탄화물이 발생할 수 있다.
상기 합성수지의 예로는 폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 이들의 공중합체 등의 폴리올레핀류, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이 및 이들의 공중합체 등의 폴리에스테르류, 나일론 및 이들의 공중합체 등의 폴리아미드류(PA), 폴리아세탈, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르에테르케톤 및 이들의 공중합체 등의 폴리에테르류, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리초산비닐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트 및 이들의 공중합체 등의 폴리비닐류 등을 들 수 있다.
상기 합성수지는 35~45중량% 포함되는 것이 바람직하며, 35중량 미만 포함되면 분산 및 상용성이 급격히 떨어지는 문제가 있고, 45중량% 초과 포함되면 바이오매스의 함유량이 떨어지는 문제가 있다.
상기 상용화제(compatibilizer)는 비극성인 상기 합성수지와 극성인 초본계 바이오매스간의 이형성을 제거하여 상용성을 부여하는 물질로서, 그 예로는 글리시딜메타크릴레이트, 에틸렌비닐알콜(EVA), 폴리비닐알코올(PVA), 에틸렌비닐아세테이트 및 부틸아크릴레이트 공중합체(EBA) 등을 사용될 수 있다.
상기 상용화제는 1~5중량% 포함되는 것이 바람직하며, 1중량% 미만 포함되면 상용성이 충분하지 못하여 층간 분리현상이 발생할 수 있으며, 5중량% 초과 포함되면 제품 성형시 탄화물이 발생할 수 있다.
상기 활제는 바이오매스 분체가 포함된 배합물과 합성수지간의 접합 또는 친화력 강화 및 배합, 압출시 발생되는 마찰열을 감소하여 열적 분해를 방지하는 동시에 원활한 압출작업을 수행하기 위하여 첨가되는 성분으로서, 이들을 첨가하더라도 기계적 물성은 기초소재와 유사하게 유지하면서 원활한 작업성을 제공해 준다. 이 활제로는 환경친화도가 높은 천연물인 스테아린산염, 팔미트산염 및 라우르산염으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 칼슘 스테아린산(Calcium Stearate), 아연 스테아린산(Zinc Stearate) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 활제는 1~5중량% 포함되는 것이 바람직하며, 1중량% 미만 포함되면 제품 성형시에 충분한 윤활제로서의 효과를 얻을 수 없고, 5중량% 초과 포함되면 제품 내부에 결함을 발생시키거나 제품 성형시 탄화물 또는 플로우마크(flow-mark) 등이 발생하여 미려한 미관을 저해하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 축분을 이용한 바이오플라스틱 조성물은,
상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 100중량부에 대하여 나노셀룰로오스 0.1~1중량부를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물에 나노셀룰로오스를 포함하므로써 기계적 강도를 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 축분을 이용한 바이오플라스틱 조성물은,
상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 100중량부에 대하여 다이메틸카보네이트 1~5중량부 및 옥수수유 1~5중량부를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물에 다이메틸카보네이트 및 옥수수유를 포함하므로써 바이오매스의 친수성을 소수화시켜 소수성을 더욱 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물은 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
다음은, 본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법은,
축분 60~80중량%, 수분조절제 15~35중량% 및 부숙촉진 미생물 1~10중량%를 발효조에 투입하고 발효시켜 축산퇴비를 만드는 단계(단계 1);
상기 축산퇴비를 건조기에 투입하고 1차 건조시키는 단계(단계 2);
상기 1차 건조된 축산퇴비를 분쇄하여 축산퇴비분말을 만드는 단계(단계 3);
상기 축산퇴비분말을 건조기에 투입하고 100~250℃에서 1~3시간 동안 2차 건조하는 단계(단계 4);
상기 2차 건조된 축산퇴비분말에 목분, 톱밥 및 폴리아크릴산나트륨을 첨가하고 20~30℃에서 1~2시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 단계(단계 5);
상기 제1 혼합물에 메틸트리메톡시실란을 첨가하고 110~120℃에서 6~10시간 동안 교반하여 제2 혼합물을 만드는 단계(단계 6); 및
상기 제2 혼합물에 합성수지, 상용화제 및 활제를 첨가하고 성형하여 바이오플라스틱을 제조하는 단계(단계 7);
를 포함한다.
상기 단계 1에서 상기 축분은 우분, 돈분 및 계분 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 수분조절제는 축분의 수분흡수를 위해 포함된다. 상기 수분조절제는 톱밥 또는 왕겨 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 부숙촉진 미생물은 고초균, 질화균 및 락토바실러스로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 부숙촉진 미생물은 수분조절제 속에 혼합된 축분의 발효를 촉진시켜 더욱 용이하게 분해되도록 하는 역할을 수행한다.
상기 단계 1은 축분 60~80중량%, 수분조절제 15~35중량% 및 부숙촉진 미생물 1~10중량%를 발효조에 투입하고, 하루에 한번씩 교반하면서, 지속적으로 공기를 공급하여 30~90일 동안 발효시켜 축산퇴비를 만드는 단계이다.
발효시작 후 5~10일 후에 미생물 활동이 활발하게 진행되어 퇴비화과정에서 자체 온도가 80℃ 이상 증가하여 축분 내 유해균이 모두 사멸된다.
발효과정이 마치게 되면 축분에서 축산퇴비로 변화되어 냄새가 없어지고 축산퇴비 온도가 10~20℃로 유지되며 수분함유량은 20~50중량%로 감소된다.
상기 단계 1 이후에 상기 축산퇴비로부터 수분조절제를 분리하는 단계가 추가될 수 있다.
상기 축산퇴비로부터 분리된 수분조절제는 다시 발효과정에서 재활용될 수 있다.
상기 단계 2는 상기 축산퇴비를 건조기에 투입하고 100~200℃에서 1~3시간 동안 1차 건조시키는 단계이다.
상기 건조기는 내부 교반설비가 부착되어 상기 축산퇴비를 지속적으로 교반시켜 주고, 상기 교반설비에 구비된 교반드럼 외부에 열매유를 이용하여 열을 공급하여 100~200℃에서 1~3시간 동안 건조시킨다. 건조시 발생되는 수증기를 주기적으로 강제 배출시켜 내부 수증기 발생으로 인한 축산퇴비 뭉침현상 및 내부벽면과 교반시설에 축산퇴비가 붙는 것을 방지하고, 건조효율을 극대화시켜준다.
상기 건조온도가 100℃ 미만이면 건조효율이 떨어져 건조시간이 증가하는 문제가 있고, 200℃ 초과이면 축산퇴비가 탄화되는 문제가 있다.
상기 단계 3은 상기 1차 건조된 축산퇴비를 분쇄기를 이용하여 80~400mesh로 분쇄하여 축산퇴비분말을 만드는 단계이다. 상기 분쇄기는 hammer crusher, pin crusher, micro air jet mill, jet mill, turbo mill, fitz mill 또는 ball mill 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 단계 4는 상기 축산퇴비분말을 건조기에 투입하고 100~250℃에서 1~3시간 동안 2차 건조하는 단계이다. 상기 건조기는 유동스크류건조기, 진공건조기, 열풍건조기, 마이크로웨이브 건조기, 분말건조기 또는 동결건조기 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 2차 건조 후의 축산퇴비분말의 수분함유량은 1~5중량%가 된다.
상기 단계 5는 상기 2차 건조된 축산퇴비분말 100중량부에 목분 70~80중량부, 톱밥 35~40중량부 및 폴리아크릴산나트륨 35~40중량부를 첨가하고 20~30℃에서 1~2시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 단계이다.
본 발명은 축산퇴비분말에 목분 및 톱밥을 첨가함으로써 바이오플라스틱의 기계적 강도를 향상시킨 장점이 있다.
또한, 본 발명은 축산퇴비분말에 폴리아크릴산나트륨을 첨가함으로써 축산퇴비분말에 있는 수분을 제거할 수 있는 장점이 있다.
상기 단계 6은 상기 제1 혼합물 100중량부에 메틸트리메톡시실란 10~20중량부를 첨가하고 110~120℃에서 6~10시간 동안 교반하여 제2 혼합물을 만드는 단계이다.
본 발명은 제1 혼합물에 메틸트리메톡시실란을 첨가하여 바이오매스의 친수성을 소수화시켜 소수성을 증대시킨 장점이 있다.
상기 단계 7은 상기 제2 혼합물 100중량부에 합성수지 65~75중량부, 상용화제 1~10중량부 및 활제 1~10중량부를 첨가하고 성형하여 바이오플라스틱을 제조하는 단계이다.
본 발명에 따른 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물의 제조방법은 수분이 함유되어 있는 축분을 발효시킨 축산퇴비분말의 수분을 감소시켜 가공성을 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.
축분 75중량%, 수분조절제 20중량% 및 고초균 5중량%를 발효조에 투입하고, 하루에 한번씩 교반하면서, 지속적으로 공기를 공급하여 60일 동안 발효시켜 축산퇴비를 만들었다. 상기 축분은 우분 70중량%, 돈분 10중량% 및 계분 20중량%를 혼합하여 사용하였다. 상기 수분조절제는 톱밥을 사용하였다. 상기 축산퇴비로부터 수분조절제를 분리하였다. 상기 수분조절제가 분리된 축산퇴비를 건조기에 투입하고 150℃에서 2시간 동안 1차 건조시켰다. 상기 건조기는 내부 교반설비가 부착되어 상기 축산퇴비를 지속적으로 교반시켜 주고, 상기 교반설비에 구비된 교반드럼 외부에 열매유를 이용하여 열을 공급하였다. 건조시 발생되는 수증기를 주기적으로 강제 배출시켰다. 상기 1차 건조된 축산퇴비를 분쇄기를 이용하여 100mesh로 분쇄하여 축산퇴비분말을 만들었다. 상기 축산퇴비분말을 열풍건조기에 투입하고 200℃에서 1시간 동안 2차 건조하였다. 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부, 톱밥 37중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만들었다. 상기 목분은 폐목재를 3㎜의 입자크기로 파쇄하였으며, 상기 톱밥은 입자크기가 5㎜인 것을 사용하였다. 상기 제1 혼합물 100중량부에 메틸트리메톡시실란 15중량부를 첨가하고 110℃에서 6시간 동안 교반하여 제2 혼합물을 만들었다. 상기 제2 혼합물 100중량부에 합성수지 70중량부, 상용화제(EBA-MA-G, 부틸아크릴레이트 공중합체) 5중량부 및 활제(Zn-st, 아연 스테아린산) 4중량부를 첨가하고 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱을 제조하였다. 상기 합성수지는 롯데케미칼사의 PP(Polypropylene, B-310, 밀도=0.9g/㎤, 용융지수=0.5g/10min)를 사용하였다.
실시예 1에서, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부, 톱밥 37중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가시 나노셀룰로오스 5중량부를 추가적으로 첨가하는 것과, 상기 제1 혼합물 100중량부에 메틸트리메톡시실란 15중량부를 첨가시 다이메틸카보네이트 10중량부 및 옥수수유 10중량부를 추가적으로 첨가하는 것을 제외하고 나머지는 동일하게 하여 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱을 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1에서, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부, 톱밥 37중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 대신에, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만든 것을 제외하고 나머지는 동일하게 하여 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱을 제조하였다.
[비교예 2]
실시예 1에서, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부, 톱밥 37중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 대신에, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 톱밥 37중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만든 것을 제외하고 나머지는 동일하게 하여 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱을 제조하였다.
[비교예 3]
실시예 1에서, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부, 톱밥 37중량부 및 폴리아크릴산나트륨 37중량부를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 대신에, 상기 축산퇴비분말 100중량부에 목분 75중량부 및 톱밥 37중량를 첨가하고 25℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만든 것을 제외하고 나머지는 동일하게 하여 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱을 제조하였다.
[비교예 4]
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 유산균을 사용하였다. 상기 퇴비혼합물에 공기를 주입하면서 교반하며 2개월 동안 발효시켜 퇴비발효물을 만들었다. 상기 퇴비발효물을 2개월 동안 후숙시켜 퇴비후숙물을 만들었다. 상기 퇴비후숙물을 건조시켜 퇴비건조물을 만들었다. 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 혼합 및 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱을 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 5]
합성수지 90중량%, 분산제 9중량% 및 슬립제 1중량%를 30분 동안 배합한 후 160~190℃에서 압출시키면서 커팅하여 범용 플라스틱을 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 1 내지 4에서 제조한 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 및 비교예 5에서 제조한 범용 플라스틱 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 측정한 물성의 결과 값을 하기 표 1에 나타내었다.
압출작업성 인장강도
(MPa)		 굴곡강도
(MPa)		 굴곡탄성율
(MPa)		 충격강도
(J/m)
실시예 1 양호 27 34 2994 65
실시예 2 양호 29 38 3003 69
비교예 1 양호 22 28 2567 51
비교예 2 양호 16 25 2411 43
비교예 3 불량 23 29 2613 53
비교예 4 불량 12 22 2214 32
비교예 5 양호 27 35 2997 66
표 1에 의하면, 실시예 1, 2에서 제조한 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱은 비교예 1 내지 4에서 제조한 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱에 비하여 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡탄성율에서 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 3 및 4의 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱은 축산퇴비에 함유된 수분으로 인해 압출작업성이 불량한 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1, 2에서 제조한 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱은 비교예 5에서 제조한 범용 플라스틱에 비하여 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡탄성율이 유사한 것을 확인할 수 있다.

Claims (7)

  1. 축분을 발효시킨 축산퇴비분말 15~25중량%, 목분 10~20중량%, 톱밥 5~10중량%, 폴리아크릴산나트륨 5~10중량%, 메틸트리메톡시실란 5~10중량%, 합성수지 35~45중량%, 상용화제 1~5중량% 및 활제 1~5중량%를 포함하는,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 축분을 발효시킨 축산퇴비분말은 80~400mesh의 크기로 분쇄하며,
    상기 목분은 폐목재를 파쇄한 것으로, 입자크기가 1~3㎜이며,
    상기 톱밥은 나무를 켜는 과정에서 발생하는 것으로, 입자크기가 4~5㎜인,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 100중량부에 대하여 나노셀룰로오스 0.1~1중량부를 추가적으로 포함하는,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물 100중량부에 대하여 다이메틸카보네이트 1~5중량부 및 옥수수유 1~5중량부를 추가적으로 포함하는,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱 조성물.
  5. 축분 60~80중량%, 수분조절제 15~35중량% 및 부숙촉진 미생물 1~10중량%를 발효조에 투입하고 발효시켜 축산퇴비를 만드는 단계(단계 1);
    상기 축산퇴비를 건조기에 투입하고 1차 건조시키는 단계(단계 2);
    상기 1차 건조된 축산퇴비를 분쇄하여 축산퇴비분말을 만드는 단계(단계 3);
    상기 축산퇴비분말을 건조기에 투입하고 100~250℃에서 1~3시간 동안 2차 건조하는 단계(단계 4);
    상기 2차 건조된 축산퇴비분말에 목분, 톱밥 및 폴리아크릴산나트륨을 첨가하고 20~30℃에서 1~2시간 동안 교반하여 제1 혼합물을 만드는 단계(단계 5);
    상기 제1 혼합물에 메틸트리메톡시실란을 첨가하고 110~120℃에서 6~10시간 동안 교반하여 제2 혼합물을 만드는 단계(단계 6); 및
    상기 제2 혼합물에 합성수지, 상용화제 및 활제를 첨가하고 성형하여 바이오플라스틱을 제조하는 단계(단계 7);
    를 포함하는,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 단계 1 이후에, 상기 축산퇴비로부터 수분조절제를 분리하는 단계가 추가되는,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 단계 2에서,
    상기 건조기는 내부 교반설비가 부착되어 상기 축산퇴비를 지속적으로 교반시켜 주고, 상기 교반설비에 구비된 교반드럼 외부에 열매유를 이용하여 열을 공급하여 100~200℃에서 1~3시간 동안 건조시키되,
    건조시 발생되는 수증기를 주기적으로 강제 배출시키는,
    축산퇴비를 이용한 바이오플라스틱의 제조방법.
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