KR102415430B1 - 산화생분해 촉매 및 발효 왕겨를 포함하고 있는 인조잔디용 충진재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인조잔디의 충진에 사용되는 충진재로서, 탄성 성분인 열가소성 탄성 수지, 산화생분해 촉매를 함유한 마스터배치, 왕겨를 발효에 의해 개질한 발효 왕겨, 배합유 성분인 오일, 및 충진 성분인 중탄을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재를 제공한다.

Description

산화생분해 촉매 및 발효 왕겨를 포함하고 있는 인조잔디용 충진재 {Filler for Artificial Turf Including Oxo-biodegradation Catalyst and Fermented Chaff}

본 발명은 산화생분해 촉매 및 발효 왕겨를 포함하고 있는 인조잔디용 충진재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 열가소성 탄성 수지, 산화생분해 촉매를 함유한 마스터배치, 왕겨를 발효에 의해 개질한 발효 왕겨, 오일, 및 중탄을 포함하고 있는 입자로 이루어진 인조잔디용 충진재에 관한 것이다.

인조잔디의 일반적인 시공 방법은 지반 위에 기초층을 구축한 후, 기초층 위에 베이스와 프로파일로 이루어진 인조잔디를 설치하고, 인조잔디의 프로파일이 직립된 상태를 유지할 수 있도록 충진재를 까는 과정을 거친다. 이에 대한 보다 구체적인 내용은 본 출원인의 등록특허 제10-1872877호에 개시되어 있는 내용을 참조할 수 있다.

이러한 인조잔디용 충진재는 인조잔디 프로파일이 직립, 고정된 상태가 유지되도록 하는 기능 이외에, 인조잔디의 충격을 흡수하는 기능과 물 배출 등의 다양한 기능을 수행하는 인조잔디 핵심 부속물이다.

이와 관련하여, 종래의 인조잔디용 충진재에는 고분자 성분의 난분해성 플라스틱이 주로 사용되고 있다.

구체적으로, 인조잔디용 충진재에는, 범용 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 난분해성 소재와, 외부 충격 등을 완화하기 위한 스티렌부타디엔, 폴리이소프렌 등의 탄성체가 사용되고 있다. 그러나, 폴리에틸렌과 폴리이소프렌 등의 고분자 수지는, 인조잔디 충진재를 사용한 후 약 7년 이후에 재시공의 필요성에 의해 회수할 때, 난분해성으로 인해 폐기물 매립이 어려운 상황이다.

현재, 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀계 수지로 제조된 물품은 사용 후에 재활용이 가능하나, 이를 재활용하는 분야가 한정되어 있는 실정이며, 결국 최종적으로는 폐기되어야 하기 때문에 보다 근본적인 해결책이 요구되고 있다. 또한, 폴리올레핀계 수지를 폐기처리하기 위해 이를 소각하면 유독 가스가 발생되고, 매립할 경우에는 생분해되지 않아 환경에 악영향을 미치게 된다.

일부 선행기술들에는 광분해, 생분해가 가능한 고분자 수지나 분해용 촉매가 제시되어 있다.

예를 들어, 한국특허공개 제2001-0037124호에는 고분자 사슬 내에 광민감군인 카르복실 그룹이 존재하는 폴리카프로락톤 또는 지방족 폴리에스테르로 구성된 분해성 마스터배치가 개시되어 있으나, 특정한 종류의 고분자 수지를 대상으로 하고 있을 뿐이다.

폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀의 산화생분해를 위한 기술로서, 한국 특허등록 제10-1543567호 및 제10-1365615호에는 특정한 산화생분해제, 분해촉진제 등을 폴리올레핀에 첨가하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이들 특허는 분해 대상인 주요 고분자 수지로서 폴리올레핀 만이 제시되어 있을 뿐이고, 앞서 설명한 바와 같이 인조잔디용 충진재에 많이 사용되는 탄성체인 주로 블록 공중합체인 합성 고분자 수지에도 적용될 수 있는지에 대해서는 교시하고 있지 못한다.

더욱이, 현재까지의 기술로는 합성 수지를 만족할만한 높은 수준으로 분해하기는 어렵다는 현실적인 문제점으로 인해, 일반적으로 사용 수명이 10년 이내인 인조잔디용 충진재 분야에서, 합성 수지를 일정량 사용하면서 폐기시 분해 효율성을 높일 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 발효에 의해 표면 등이 개질된 발효 왕겨와 산화생분해 촉매를 함유한 마스터배치를 합성 수지, 오일, 중탄 등과 조합하여 인조잔디용 충진재를 제조할 경우, 인조잔디용 충진재에 요구되는 물성들을 충분히 발휘하면서도, 천연물 성분에 의해 일정한 시간의 경과 후 생분해가 가능할 뿐만 아니라 산화생분해 촉매 함유 마스터배치에 의해 탄성수지의 산화생분해도 가능하여, 폐기시 환경문제를 최소화할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 인조잔디용 충진재는, 탄성 성분인 열가소성 탄성 수지, 산화생분해 촉매를 함유한 마스터배치, 왕겨를 발효에 의해 개질한 발효 왕겨, 배합유 성분인 오일, 및 충진 성분인 중탄을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이후 실험 결과에서도 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 인조잔디용 충진재는 발효 왕겨와 산화생분해 촉매 함유 마스터배치를 포함하고 있음에도 불구하고 인조잔디용 충진재에 요구되는 물성들을 충분히 발휘한다. 더욱이, 천연물인 왕겨에 기반한 발효 왕겨와 산화생분해 촉매 함유 마스터배치의 상호 작용에 의해, 충진재의 폐기시 발효 왕겨의 생분해 및 열가소성 탄성 수지의 산화생분해가 가능하여, 환경 문제를 거의 유발하지 않는다.

상기 열가소성 탄성 수지는 외부에서 가해지는 충격 등에 대해 인공잔디에 요구되는 탄성을 제공한다.

이러한 열가소성 탄성 수지의 예로는, 라텍스, 니트릴 고무, 이피디엠(EPDM), 스티렌부타디엔 고무, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, 스티렌에틸렌부타디엔스티렌, 스티렌부타디엔스티렌, 폴리이소프렌, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 등을 들 수 있고, 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

인조잔디의 충격 흡수성은 KS 규격상 50% 이상이므로, 탄성 성분인 열가소성 탄성 수지는 인조잔디 충진재에서 중요한 역할을 한다. 이러한 탄성을 유지하기 위한 방법으로, 발포제의 첨가에 의해 기공을 형성하여 충격을 더 완화하는 기술이 인조잔디 충진재에 적용되고 있다. 그러나, 발포를 과다하게 할 경우, 비중이 낮아져서, 우천시 물에 뜨거나 물에 휩쓸려 유실되는 문제점이 있다.

반면에, 본 발명에 따르면, 인조잔디용 충진재의 제조 공정에서 열가소성 탄성 수지와 발효 왕겨의 상호 작용에 의해, 발포제를 사용하지 않거나 극소량 만을 사용하여, 충격 완화를 위한 에어 셀을 계면에 형성할 수 있다.

구체적으로, 발효 왕겨는 약 1-5%의 수분 함량을 갖도록 조절할 수 있는데, 이러한 발효 왕겨를 열가소성 탄성 수지와 혼합한 후 약 150℃ 이상의 온도에서 압출할 경우, 열가소성 탄성 수지와 발효 왕겨 사이에서 수 발포가 형성될 수 있다. 결과적으로, 열가소성 탄성 수지와 발효 왕겨의 계면에 기공이 형성되어 팽창율이 예를 들어 약 1.32배로 증가되면, 2 mm 직경의 충진재인 경우에 약 2.64 mm로 직경이 더 커져서, 상대적인 완충 및 충격 흡수율이 증가될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 산화생분해 촉매를 함유한 마스터배치는 충진재에서 성분들의 결합을 위한 성분인 기질 고분자 수지와 산화생분해 촉매를 포함하고 있다. 이때, 산화생분해 촉매의 함량은 마스터배치 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%의 범위일 수 있다.

상기 기질 고분자 수지는, 예를 들어 범용 고분자 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸비닐아세테이트, 말레익폴리에틸렌, 말레익폴리프로필렌, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리아크릴, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 실리콘, 나일론, 폴리에스테르, 페놀수지 등과, 생분해 수지인 폴리락타이드, 폴리카프로락톤, 폴리부틸렌숙시네이트, 폴리하이드록시부티레이트, 폴리부티렌 아디페이트 텔레프탈레이트 등을 들 수 있고, 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 산화생분해 촉매는 아미노산 금속염을 포함할 수 있고, 이러한 아미노산 금속염은, 예를 들어, 아미노기 및 카복실기를 포함하는 아미노산, 히드록시기 또는 설퍼기를 포함하는 아미노산 및 이들의 이성질체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상의 아미노산의 금속염들 중에서 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.

이러한 아미노산 금속염에 대한 보다 구체적인 내용은 본 출원인의 등록특허 제10-2167883호에 개시되어 있는 내용을 참조할 수 있고, 경우에 따라서는, 앞서 설명한 기술로서, 한국 특허등록 제10-1543567호 및 제10-1365615호에 개시되어 있는 폴리올레핀의 산화생분해를 위한 산화생분해제, 분해촉진제 등이 본 발명의 마스터배치에 포함되는 산화생분해 촉매로 사용될 수도 있다.

이러한 분해 성분들이 열가소성 탄성 수지에 작용하여 산화생분해를 유도할 수 있다. 탄성체인 스티렌에틸렌부타디엔스티렌(SEBS)는 하기 일련의 화학식들과 같은 메커니즘으로 산화 분해된다고 보고(Macromol.chem.phys.217(22), 2501-2516. 2016)되고 있으며, 스티렌부타디엔스티렌(SBS) 또한 산화에 의한 분해가 일어난다고 보고(Polymer Degradation and Stability 92 (2007) 1682-1691)되고 있으므로, 산화 생분해 촉매의 작용으로 동일한 메커니즘에 의해 산화 생분해가 촉진되어 분해될 수 있다고 유추할 수 있다.

왕겨는 쌀과 같은 곡물을 생산하는 과정에서 부산물로 얻을 수 있으며, 우리나라의 쌀 생산량은 연간 약 350 만톤으로(통계청 2020) 추정되고 있으므로, 여기서 부산물로 얻어지는 왕겨의 양은 매우 많을 것이라 예상할 수 있다. 왕겨는 쌀 뿐만 아니라 보리, 밀 등에서도 부생되므로, 그 총량은 더욱 증가한다. 이러한 농업 부산물인 왕겨는 산업 폐기물로 분류되고 있으므로, 이를 소재로 활용한 본 발명은 산업적으로도 기술적 가치가 높다고 할 수 있다.

본 발명은 발효 왕겨를 인조잔디용 충진재의 주요 성분으로서 포함함으로써 산업 폐기물의 소재 활용성을 높이면서도, 충진재의 폐기시 생분해가 가능하여 매립 등에 의해서도 친환경적 처리가 가능하다.

본 발명과 같이 천연 섬유, 천연 분말 등을 사용하는 바이오 복합재는 친환경적 특성, 저렴한 가격， 비독성， 제조시 생산기계의 마모 감소， 재활용 가능， 가공 비용의 절감, 및 저밀도로 인한 최종제품의 중량이 감소하는 등 다양한 장점으로 인해 최근 많은 관심을 받고 있다. 그러나, 바이오 복합재는 소수성인 기질 고분자와 친수성인 생분해성 충진재 사이의 약한 계면 결합력으로 인하여 최종제품의 물성이 저하되는 단점을 가지고 있다.

이와 같은 바이오 복합재의 단점을 개선하기 위하여 지난 수년간 기질 고분자와 생분해성 충진재 사이의 계면 결합력 향상에 많은 연구가 이루어져 왔다. 바이오 복합재 계면에서의 결합력을 향상시키기 위해서는 기질 고분자를 개질하는 방법과 생분해성 충진재의 표변을 처리하여 소수성을 증가시키는 방법 등이 제시되었다. 예를 들어, 생분해성 충진재의 표변을 처리하여 바이오 복합재의 계면 결합력을 증가시키는 방법에는 코로나 처리, 플라즈마 처리, 열처리 등 다양한 방법이 있다. 그러나, 이러한 처리방법은 그 처리 비용이 상당히 높은 문제점을 안고 있다.

이에 반해, 왕겨, 목분 등과 같은 생분해성 충진재의 화학적 처리 방법 중 알칼리 처리와 산 처리는 처리비용이 적게 드는 장점으로 인해 현재 생분해성 분말의 표면처리에 많이 이용되고 있다. 예를 들어, Cao 등 (Applied Science and Manufacturing. 37(3)：423-429. 2006)은 가성소다 수용액을 이용하여 사탕수수 줄기를 처리하여 바이오 복합소재 제조 후 기계적 성질을 측정한 결과 기계적 성질이 향상되었다고 보고하였고, Khalil 등(European Polymer Journal 37：1037-1045. 2000)은 코코넛 껍질을 아세트산 처리를 통해 바이오 복합소재의 계면에서의 결합력을 향상시켰다고 보고하였다. 그러나, 이러한 화학적 처리 방법은 화학 폐수가 발생되어 환경에 악영향을 초래하는 방법이므로 바람직하지 않다.

반면에, 본 발명에서는 친환경 방법인 발효를 통해 왕겨를 개질하고 있으므로, 화학 폐수 등의 발생이 없어서 매우 친환경적이라고 할 수 있다.

왕겨의 주성분은 셀룰로오스 약 35%, 헤미셀룰로오스 약 12%, 회분(Ash) 약 19%, 리그닌 약 15%로 구성되어 있어서, 대부분 섬유질로서 섬유질 분해 효소인 셀룰라제(cellulase)로 효소 분해 작용을 통해, 고분자의 섬유질을 저분자화 할 수 있다. 다만, 왕겨 중의 비셀룰로오스 성분과 지방 성분인 리그닌은 수지와의 결합을 방해하는 주된 물질이므로, 이들을 제거하기 위하여 지방 및 비셀룰로오스 분해 효소를 적용하는 것이 필요하다.

따라서, 왕겨의 발효를 위해 셀룰라제를 단독으로 사용하게 되면 비셀룰로오스 성분과 지방 성분의 분해가 어려우므로, 발효 과정을 효과적으로 진행하기 위해서는 셀룰라제와 비셀룰로오스 및 지방 분해가 가능한 효소를 복합하여 사용하는 것이 바람직하다.

하나의 구체적인 예에서, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 분해하기 위한 셀룰라제류와 왕겨의 약 15%를 차지하고 있는 리그닌과 비셀룰로오스 불순물인 왁스 성분 및 지방 성분과 기타 불순물 제거에 효과적인 Pectate lyase와, 비셀룰로오스 성분 제거에 가장 효과적인 Pectinase를 사용하여, 왕겨 표면의 친수성 전환에 의해 효소용액의 왕겨 침투를 용이하게 해줌으로써, 왕겨의 효소분해를 활성화할 수 있다.

따라서, 셀룰로오스 분해와 비셀룰로오스 불순물의 분해 및 제거 그리고 표면 세정을 위하여, 셀룰로오스 성분의 분해를 위한 효소와 비셀룰로오스 성분 등의 불순물의 제거 또는 표면 세정 또는 불순물의 제거 및 표면 세정을 위한 효소를 복합하여 사용하는 것이 더욱 효과적으로 왕겨의 표면 개질을 할 수 있다.

한편, 상기와 같이 효소를 이용하여 왕겨를 분해할 때, 왕겨의 표면은 단단한 외피, 즉, 실리카 층과 리그닌 등으로 인해 효소가 용해된 액이 침투하기가 어렵다. 따라서, 효소 분해 전에 분쇄공정이 이루어지지 않으면, 셀룰로오스 및 비셀룰로오스가 분해되기 어렵거나 분해 효율이 낮아질 수 있다.

상세하게는, 제조예 1과 관련한 도 1의 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 사진을 보면, 왕겨 표면에 많은 돌기와 홀이 있어서, 효소용액이 돌기 및 홀 트랩에 막혀 안으로 침투하지 못하기 때문에, 셀룰로오스 분해 및 비셀룰로오스 분해가 어렵거나 분해 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 또한, 발효 전에 왕겨를 분쇄하지 않을 경우, 왕겨는 부피가 크고 가벼워서 많은 양을 한번에 발효하기 어려운 문제점도 존재한다. 즉, 발효시 일반적으로 왕겨 10 g과 물 150 ml를 넣어 1:15의 욕비로 발효하거나 또는 왕겨 10 g과 물 200 ml를 넣어 1:20의 욕비로 발효시켜야 하므로, 경제성 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 도 2의 주사전자현미경(SEM) 사진에서 보는 것과 같이, 왕겨를 발효하기 전에 왕겨를 분쇄하기에 적합한 핀밀(Pin Mill Machine)을 이용하여 50∼200 메쉬(Mesh)로 분쇄할 경우, 왕겨의 표면은 단면 상으로 절단된 면이 많아져서 효소 용액이 침투하기가 용이한 구조 및 상태로 되어, 효소를 이용한 분해가 훨씬 용이하고 효소 분해 효율이 극대화될 수 있으며, 부피도 분쇄 전의 왕겨에 비해 약 1/10 이상 줄일 수 있어서 발효 효율 및 경제성 측면에서 매우 바람직할 수 있다. 즉, 부피도 줄일 수 있고 효소와 접촉하는 표면적을 증대시켜, 왕겨와 물의 욕비를 1:3∼1:5의 비율로 발효 조건 설정이 가능하므로, 발효 효율을 극대화하고 경제성도 확보할 수 있다.

상기 효소의 예로서, 듀퐁사의 섬유효소 중에서 비셀룰로오스 불순물 제거 및 친수성 향상과 리그닌 제거에 사용되는 Pectate Lyase, Amylase, Pectinase, 섬유 표면을 세척하는 Cellulase, Protease, 효과적인 세척력과 분해력을 갖는 Multi-Enzyme(Amylase, Cellulase, Mannanase, Pectate lyase의 혼합물), 노보자임(Novozymes)사의 셀룰라제(Cellusoft 25000, Cellusoft Supreme 22500L) 등을 예로 들 수 있지만, 이들 만으로 한정되지 않음은 물론이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 발효는, 물에 왕겨와 하나 이상의 효소와 함께 소량의 유기산을 넣고 소정 시간 상온에서 정치하거나 상온 이상의 온도에서 가온하는 과정으로 수행될 수 있다.

일 예로, 물 50 내지 80 중량부에, Pectate Lyase, Amylase, Pectinase, Cellulase, Multi-Enzyme, Cellusoft 25000, Cellusoft Supreme 22500L 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 효소 0.1 내지 10 중량부와, 왕겨 40 내지 80 중량부, 및 인산, 사과산, 초산, 젖산, 구연산, 개미산 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 유기산 1 내지 10 중량부를 넣어 혼합한 후, 40 내지 70℃로 가온하여 24시간 동안 발효시킬 수 있다. 그런 다음, 발효물을 여과하고, 90℃로 가열하여 효소를 실화 시키면서 살균 및 건조하여, 발효 왕겨를 제조할 수 있다. 왕겨를 분쇄하여 입자상으로 제조하면 발효 효율을 더욱 높일 수 있다.

충진재에서 오일은 성분들이 균일하게 혼합될 수 있도록 하며, 인조잔디에 가해지는 외부 마찰력을 낮추어 사용자 및 인조잔디를 보호하는 작용을 한다. 충진재의 제조 과정에서 오일의 일부는 발효 왕겨의 내부로 함침되게 된다. 이러한 오일의 예로는, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 트리아세틴 등과 같은 미네랄 오일과, 카놀라유, 옥수수유, 아마유, 홍화씨유, 해바라기유, 대두유 등과 같은 식물성 기름 등을 들 수 있고, 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있지만, 종류와 사용 조건이 특별히 한정되지 않음은 물론이다.

충진재에서 중탄은 플라스틱, 도료, 고무 등에서 필러로서 많이 사용되는 중질 탄산칼슘으로서, 천연의 석회석을 분쇄한 것이나 화학적으로 합성한 것이 모두 사용될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 충진재 전체 중량을 기준으로, 열가소성 탄성 수지는 10 내지 50 중량%, 마스터배치는 2 내지 30 중량%, 발효 왕겨는 5 내지 40 중량%, 오일은 10 내지 30 중량%, 중탄은 15 내지 60 중량% 범위의 함량으로 각각 포함될 수 있다. 바람직하게는 각 성분들의 목적하는 효과를 더욱 효과적으로 발휘할 수 있도록, 열가소성 탄성 수지는 15 내지 45 중량%, 마스터배치는 3 내지 20 중량%, 발효 왕겨는 7 내지 35 중량%, 오일은 12 내지 25 중량%, 중탄은 18 내지 50 중량%의 함량으로 각각 포함될 수 있다.

경우에 따라서는, 인조잔디 분야에서 충진재에 사용되는 것으로 공지되어 있는 기타 성분들이 추가로 포함될 수 있는 바, 예를 들어, 황토, 코르크 분말, 계면활성제, 이산화티탄, 염화나트륨, 염화칼슘 일수화물, 염화칼슘, 삼인산나트륨, 황산나트륨, 리그노술폰산나트륨, 탄산수소나트륨, 황산알루미늄, 탄산칼슘, 과인산석회, 실리카, 황산바륨, 벤토나이트, 칼라마스터배치 등이 소망하는 특성을 발휘하는 함량 범위에서 하나 또는 둘 이상의 조합으로 추가로 포함될 수 있다.

상기 추가 성분들의 다수는 앞서 인용한 바 있는 본 출원인의 등록특허 제10-1872877호에 개시되어 있고, 상기 등록특허의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

본 발명에 따른 인조잔디용 충진재는 열가소성 탄성 수지, 마스터배치, 발효 왕겨, 오일, 중탄 및 기타 성분들을 일괄 혼합하여 twin screw extruder와 같은 압출기(extruder)에서 압출할 수도 있고, 또는 발효 왕겨에 대한 계면 결합력을 높여 인장 강도를 더욱 향상시킬 수 있도록, 발효 왕겨와 마스터배치 및 오일을 혼합하여 압출기에서 펠럿으로 압출한 후, 상기 펠럿을 열가소성 탄성 수지와 오일 및 중탄과 혼합하여 압출할 수도 있다.

충진재인 입자의 형태는 다양할 수 있으며, 제조과정에서 입자의 형성을 위해 절단되는 크기는 약 0.5 ~ 3.0 mm의 직경을 갖도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 일 예로, 절단 방법은 수중 절단(Under Water Cutting) 방식이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 제조된 펠럿 형상의 압출 성형물은 아직 고화가 되지 않은 상태이므로, 이를 고속 회전기에 투입하여 고속 회전시킬 경우, 탈수됨과 동시에 상호 마찰에 의해 연마되어 표면이 무뎌지면서 구 형상을 이루고, 이후 양생에 의해 내부 고화가 일어나서 구형의 형태를 가지도록 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 인조잔디용 충진재는 인조잔디용 충진재에 요구되는 물성들을 충분히 발휘하면서도, 천연물 성분에 의해 일정한 시간의 경과 후 생분해가 가능할 뿐만 아니라 산화생분해 촉매 함유 마스터배치에 의해 탄성수지의 산화생분해도 가능하여, 폐기시 예를 들어 매립에 의해서도 친환경적인 처리가 가능하므로 환경문제를 최소화할 수 있다.

도 1은 제조예 1에서 왕겨를 분쇄하기 전의 왕겨 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다;
도 2는 제조예 1에서 왕겨를 분쇄한 후의 주사전자현미경(SEM) 사진이다;
도 3a 및 3b는 실험예 3에서 시편들에 대한 자외선 조사 전과 후의 상태를 촬영한 사진들이다;
도 4a 및 5b는 실험예 4에서 시편들에 대한 자외선 조사 전과 후의 상태를 촬영한 사진들이다;
도 5는 실험예 5에서 경시적으로 테이블야자 화분의 변화를 보여주는 일련의 사진들이다;

이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

[제조예 1]

왕겨를 핀밀(Pin Mill Machine, 12 inch, 7.5HP)로 분쇄한 50 - 200 mesh의 분말 1 kg와 Pectate Lyase 1 g 및 Cellusoft 25000 1g을 물 3 kg에 균일하게 혼합하고 아세트산 0.01 g을 첨가하여 산도(pH)를 5로 조절한 후, 물 중탕으로 50℃에서 24시간 동안 발효 처리한 다음, 여과하고 물로 세정한 후 90-100℃에서 12시간 동안 건조하여, 발효된 왕겨 분말(발효 왕겨)을 약 970 g을 수득하였다.

도 1에는 분쇄하기 전의 왕겨 표면에 대한 SEM 사진이 개시되어 있고, 도 2에는 분쇄한 후의 왕겨 표면에 대한 SEM 사진이 개시되어 있다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 분쇄 전에는 왕겨의 표면에서 돌기와 홀이 온전한 형태로 존재하는 반면에, 분쇄 후에는 작은 조각들로 분쇄된 것을 확인할 수 있으며, 이러한 분쇄에 의해 상기 발효가 효과적으로 진행될 수 있다.

[제조예 2]

산화방지제를 포함하지 않은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) (M.F.I.=1g/10min) 97.0 중량%와 산화생분해 촉매로서 카파글리시네이트(Copperglycinate) 3 중량%를 컴파운딩 하였다. 컴파운딩은 40 mm, L/D=40 DLS Twin screw Extruder를 사용하였으며, 이때 Cylinder를 180℃ 내지 190℃로 가열하면서, 압력을 30 kgf/㎠ 내지 32 kgf/㎠로 유지하여 압출하여 산화생분해 마스터배치 10 kg을 제조하였다.

[실시예 1-3]

하기 표 1에 기재되어 있는 바와 같이, 열가소성 탄성 수지(SBS 80%, SEBS 20% 혼합물), 제조예 1에서 수득된 발효 왕겨, 오일, 제조예 2에서 수득된 마스터배치, 및 중탄을 정해진 배합 비율로 슈퍼믹서에서 균일하게 배합한 후, 트윈스크류 압출기(Twin Screw Extruder)를 이용하여 인조잔디용 충전재 칩을 각각 10 kg을 제조하였다. 압출 속도는 200 rpm, 압출 온도는 200℃의 조건에서 압출하였으며, 수냉 커팅 방식으로 압출물을 절단하여 펠렛 형태의 인조잔디용 충진재 칩을 제조하였다. 냉각수의 온도는 40℃이었다.

[실시예 4]

열가소성 탄성 수지로서 SBS 및 SEBS 대신에 POE(Polyethylene Elastomer)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 인조잔디용 충진칩을 제조하였다.

[비교예]

발효 왕겨를 배합하지 않고 제조예 2의 마스터배치 대신에 폴리에틸렌을 배합한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 인조잔디용 충전재 칩을 제조하였다. 참고로, 발효 왕겨 등의 미배합으로 다른 성분들의 일부 함량이 변경되었다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예에서 각각 제조된 펠럿을 hot press(QM900A, 190℃, Preheat 2min, Heat 2min, Pressure 50~60bar(5~6Mpa))로 약 100 ㎛의 시편으로 제작하여 인장 강도(Universal Testing Machine, UTM, Model: QM100T, 속도 100.00 mm/min, 지간 거리 20 mm)를 측정하였으며, 연신율과 탄성율을 함께 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 발효 왕겨가 20 중량%까지 포함되어 있어도 탄성률이 50%를 초과하여 인조잔디용 충진재의 KS 규격을 만족시키고 있고, 인장강도와 연신율도 우수함을 확인할 수 있다. 따라서, 상대적으로 고가인 열가소성 탄성 수지(SBS, SEBS)의 일부를 값싼 발효 왕겨로 대체하여 제조비용을 낮출 수 있는 효과도 있다.

또한, SBS 와 SEBS 대신에 탄성 수지인 POE를 넣고 제조한 경우, 인장강도와 연신율은 실시예 3과 유사한 결과가 얻어지지만 탄성율이 떨어지는 결과가 얻어져서, 탄성율을 높이기 위해서는 SBS와 SEBS를 혼합하는 것이 더 바람지한 것으로 확인된다.

한편, 산화생분해 촉매 마스터배치의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하는 것은 마스터배치의 기저 수지인 폴리에틸렌의 함량이 증가함에 따라 강성이 증가하여 나타난 결과로 이해할 수 있다.

[실험예 2]

실시예 1 내지 4 및 비교예에서 각각 제조된 인조잔디용 충진재 칩으로 실험예 1에서와 같이 약 100 ㎛의 시편을 제작하고, 이를 ASTM D 15 자외선 처리 시험방법에 따라 자외선 처리시험기(UV lamp aging tester)를 사용하여 400 시간 동안 자외선을 조사한 후, 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)로 시간 경과에 따른 연신율을 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

상기 표 2의 결과로 볼 때, 산화생분해 촉매 마스터배치를 첨가한 실시예 2와 이를 넣지 않은 비교예 1의 연신율 값을 보면, 실시예 1의 연신율이 400 시간 자외선 조사시 1.05 값으로 측정됨으로써 산화분해가 일어남을 확인할 수 있었다. 또한, 산화생분해 촉매 마스터배치의 함량이 높아질수록 연신율이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 산화생분해 촉매 마스터배치의 함량으로 자외선 분해 속도를 조절 가능한 것을 확인할 수 있다.

[실험예 3]

실시예 1 내지 4에서 제조된 인조잔디용 충진재 칩으로 산화 생분해시 표면 균열을 시각적으로 확인하기가 명확한 직사각형 형태의 굴곡강도(Flexural test) 측정용 12.7 x 127 mm 시편을 제작하고, 0 시간에서 300시간 동안 자외선을 조사하여, 조사 전(도 3a)과 조사 후(도 3b)를 비교하였다.

도 3a에서 시편 1은 실시예 1의 시편, 시편 2는 실시예 2의 시편, 시편 3은 실시예 3의 시편, 시편 4는 실시예 4의 시편, Standard 시편은 비교예의 시편을 나타낸다.

도 3a 및 도 3b의 결과에서 보는 바와 같이, 산화생분해 촉매가 많이 함유될수록 자외선 조사 후 분해가 빠르게 진행되어 변색 정도가 큰 것을 볼 수 있다. 따라서, 이러한 상태의 시편들은 탄성체임에도 불구하고 인가된 외력에 의해 연신되지 않고 외부의 충격에 의해 쉽게 부서질 수 있다.

[실험예 4]

인장강도와 연신율을 측정하기 위하여 실시예 1(시편 1) 및 실시예 2(시편 2)와 비교예(Standard 시편)에서 각각 제조된 인조잔디용 충진재 칩으로 인장강도(Tensile test, ASTM D638 type4) 측정용 시편을 제작하고, 300 시간 동안 자외선을 조사하여, 조사 전(도 4a)과 조사 후(도 4b)를 비교하였다.

도 4a 및 도 4b의 결과에서 보는 바와 같이, 자외선이 조사되어 시편에 균열이 생긴 것을 확인할 수 있었으며, 자외선에 의한 분해로 인하여 인장 강도가 급격히 감소됨을 시각적으로 확인할 수 있었다.

[실험예 5]

실시예 3 시편과 비교예 시편에 대해, 실제 토양에서의 분해 정도를 측정하기 위해, 테이블야자 화분에 시편을 삽입하고 관찰하였다.

그 결과, 도 5에서는 보는 바와 같이, 발효 왕겨와 산화생분해가 함유된 시편은 2주부터 곰팡이가 관찰되었고, 4주부터는 크랙이 발생되는 것을 확인하였으며. 12주에는 시편 표면 부식이 심해지는 것을 확인함으로써, 토양에서의 분해가 일어남을 확인할 수 있었다.

비교예 시편을 화분에 삽입한 경우에는 12주까지 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로, 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 인조잔디의 충진에 사용되는 충진재로서, 탄성 성분인 열가소성 탄성 수지, 산화생분해 촉매를 함유한 마스터배치, 왕겨를 발효에 의해 개질한 발효 왕겨, 배합유 성분인 오일, 및 충진 성분인 중탄을 포함하고 있으며,
   상기 마스터배치는 충진재에서 성분들의 결합을 위한 성분인 기질 고분자 수지와 산화생분해 촉매를 포함하고 있고,
   상기 기질 고분자 수지는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸비닐아세테이트, 말레익폴리에틸렌, 말레익폴리프로필렌로, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리아크릴, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 실리콘, 나일론, 폴리에스테르, 페놀수지, 폴리락타이드, 폴리카프로락톤, 폴리부틸렌숙시네이트, 폴리하이드록시부티레이트, 및 폴리부티렌 아디페이트 텔레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며,
   상기 산화생분해 촉매는 아미노산 금속염을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 탄성 수지는 라텍스, 니트릴 고무, 이피디엠(EPDM), 스티렌부타디엔 고무, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, 스티렌에틸렌부타디엔스티렌, 스티렌부타디엔스티렌, 폴리이소프렌, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 및 폴리올레핀 엘라스토머(POE)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 아미노산 금속염은, 아미노기 및 카복실기를 포함하는 아미노산, 히드록시기 또는 설퍼기를 포함하는 아미노산 및 이들의 이성질체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종 이상의 아미노산의 금속염들 중에서 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 발효 왕겨는 셀룰로오스 성분의 분해를 위한 효소('분해 효소'), 비셀룰로오스 성분인 불순물의 제거 또는 표면 세정 또는 불순물의 제거 및 표면 세정을 위한 효소('세정 효소'), 또는 분해 및 세정을 위한 효소를 사용하여 왕겨를 발효함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 왕겨는 발효 전에 50∼200 메쉬(Mesh)로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재.
8. 제 1 항에 있어서, 충진재 전체 중량을 기준으로 열가소성 탄성 수지는 2 내지 30 중량%, 발효 왕겨는 5 내지 40 중량%, 오일은 10 내지 30 중량%, 중탄은 15 내지 60 중량% 범위의 함량으로 각각 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 인조잔디용 충진재.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 충진재에는 황토, 코르크 분말, 계면활성제, 이산화티탄, 염화나트륨, 염화칼슘 일수화물, 염화칼슘, 삼인산나트륨, 황산나트륨, 리그노술폰산나트륨, 탄산수소나트륨, 황산알루미늄, 탄산칼슘, 과인산석회, 실리카, 황산바륨, 벤토나이트, 및 칼라마스터배치로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이 추가적으로 포함되어 있는 것을 인조잔디용 충진재.

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