KR102481668B1 - 천연 고분자계 중 전분과 포리머간의 고분자 얼로이를 이룬 바이오베이스 플라스틱 제조방법 - Google Patents
천연 고분자계 중 전분과 포리머간의 고분자 얼로이를 이룬 바이오베이스 플라스틱 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전분, 폴리프로필렌, 고밀도폴리에틸렌, 가소화제, 가소화보완제, 엘라스토머, 화학적가교제, 양친매성브리징제 및 개질제를 포함하는 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제공한다.
Description
본 발명은 천연 고분자계 중 전분과 포리머간의 고분자 얼로이를 이룬 바이오베이스 플라스틱 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 플라스틱이 없는 세상은 상상하기 어려울 정도로 우리의 일상 속 구석구석 어디를 둘러봐도 플라스틱이 사용되지 않는 곳이 없다. 플라스틱 소재는 원유를 증류하는 과정에서 얻어진 휘발류 나프타를 기반으로 생산되어, 주물 기법에 따라 생산 과정에서 조절과 성형이 쉽고 가벼우며 썩지 않는다는 장점 때문에 각종 포장재, 일상용 소비제품, 부품용으로 가장 널리 쓰이는 소재이며, 플라스틱은 대량 생산이 쉽고 생산비가 저렴하다는 이유로 소모용품과 일회용품으로 만들어져 쉽고 빠르게 쓰레기로 버려진다. 그러나 한정된 석유자원 고갈의 문제, 이산화탄소 배출문제 등의 한계를 갖고 있다.
플라스틱의 부정적 측면을 잘 알면서도 생산이 저렴하고, 편리하며, 영구적이고 만능 용도를 충족시켜주는 이 소재를 여간해서 포기하지 못하고 있다. 기름 한 방울 나지 않는 우리나라의 경우, 수입해온 원유를 주원료로 플라스틱을 생산하며, 주로 편의를 위해 임시로 사용되었다가 재빨리 버려진다. 그렇게 무심코 버려진 플라스틱과 비닐 쓰레기는 썩지 않고 생태와 환경을 오염시킨다. 플라스틱과 비닐이 지닌 이 모든 장점을 포기하지 않으면서도 환경에 해악을 줄이자는 인식에서 바이오플라스틱이 주목받게 되었다.
이에 좀더 친환경적인 플라스틱을 개발하게 되었고 바이오 플라스틱(Bio Plastic)이란, 바이오매스를 원료로 사용하여 제조된 고분자 플라스틱을 말하며, 바이오플라스틱 생산기술이란 옥수수, 사탕수수, 쇄미(부서진 쌀알), 해조류 등의 바이오매스 원료로 플라스틱 소재를 생산하는 기술을 가리킨다. 바이오 플라스틱은 소재에 바이오매스의 비율이 얼마나 함유되어 있느냐에 따라 생분해 플라스틱, 바이오 베이스 플라스틱 두 가지로 구분할 수 있다. 바이오 매스 함량이 50-70%이상인 경우, 생분해 플라스틱이라고 하며, 바이오 매스 함량이 5-25%이상인 경우는 바이오베이스 플라스틱이라고 한다.
바이오베이스 플라스틱(일본의 경우, 바이오매스 플라스틱이라 함)은 옥수수 등 식물로부터 유래하는 소위 바이오매스를 25% 이상 함유하는 플라스틱을 말하는데 대기 중의 탄소가 광합성에 의해 고정된 식물자원을 원료로 사용함으로써 대기 중의 이산화탄소의 농도가 증가되는 것을 억제하는 효과가 있고, 한정된 자원인 석유의 소비량을 줄일 수 있으며, 폐기 후에는 미생물에 의해 분해되기 때문에 최근 주목을 받고 있다. 이중 특히 식용으로 사용하기 어려운 농산폐기물, 산업폐기물, 식품공장 부산물 등의 비식용계 유기성 폐자원에 속하는 식물체 바이오매스가 친환경적인 탄소중립형(Carbon neutral) 바이오매스 소재로 주목을 받고 있다.
지금까지 연구된 바이오플라스틱의 경우 기계적물성의 불안전성, 가격이 기존 플리스틱에 비해 2-3배 비싸서 상용화에 어려움이 있다. 예를 들어 합성수지에 볏짚, 왕겨, 톱밥 분쇄물과 함께 전분을 첨가시킨 조성물을 이용하여 제조된 일회용 플라스틱 용기가 개시된 바 있다. 그러나 이러한 조성물의 경우 분해성의 개선에는 효과가 있으나, 필름 형태로 제작되는 경우 제조된 필름의 물리적 성질, 특히 초기 신장율과 인장강도가 떨어지는 단점이 있다.
대한민국 특허출원 10-2014-0013607호에는, (A) 비식용계 바이오매스를 분쇄하여 원하는 입도로 분체하는 단계, (B) 분쇄된 비식용계 분말을 건조하여 수분을 제거하는 건조단계, (C) 건조된 비식용계 분말과 Polypropylene, 변성전분, Wax, polyethylene, 스테아린산을 투입하여 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, (D) 상기 혼합물을 압출기에 투입하여 마스터배치를 제조하는 단계, (E) 제조된 마스터배치 비식용계 바이오매스 펠렛 2~3종과 지르코니아계, 타이타니아계, 실리카계열의 바인더를 알코올계 용매에 용해시켜 혼합 후 건조하여 사출성형하는 단계;를 포함하는 비식용계 바이오매스를 사용한 친환경 바이오 베이스 플라스틱 사출품의 제조방법이 개시되어 있는데, 전술한 방법에 의해, 이산화 탄소 저감효과, 분해성을 가지고 있을 뿐만 아니라 터치감, 색상면에서도 기존의 바이오베이스 플라스틱에 비해 우수한 사출제품이 제공될 수 있다. 그러나, 식물체 바이오매스를 고분자 완제품 성형시 흐름성 및 생산성 저하, 물성이 나빠지게 되는 단점이 있어 종래에는 식물체 분말을 고분자에 첨가하는 량이 5 중량부를 초과하기 힘들어, 식물체를 다량으로 사용하기 위한 효과적인 방법의 개발이 요청되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 식물체 바이오매스의 사용 함량을 높인 친환경 바이오베이스 플라스틱 제품에 적용이 가능하여 환경 오염 방지를 크게 개선 가능하고, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 내충격성 등의 기계적 물성과, 내열성 등의 열적 특성이 개선된 바이오베이스 플라스틱 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
전분, 폴리프로필렌, 고밀도폴리에틸렌, 가소화제, 가소화보완제, 엘라스토머, 화학적가교제, 양친매성브리징제 및 개질제를 포함하는 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제공한다.
또한, 상기 바이오베이스 플라스틱 조성물은 전분 25-60 중량부, 폴리프로필렌 20-60 중량부, 고밀도폴리에틸렌 3-12 중량부, 가소화제 1-5 중량부, 가소화보완제 0.1-1 중량부, 엘라스토머 1-7 중량부, 화학적가교제 0.2-1 중량부, 양친매성브리징제 0.5-1.5 중량부 및 개질제 1-7 중량부를 포함하고,
상기 전분은 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 3-23 중량부 및 카사바 전분 22-37 중량부를 혼합한 것이고,
상기 가소화제는 에탄올아민이고,
상기 가소화보완제는 폴리카프로락톤이고,
상기 엘라스토머는 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA)이고,
상기 화학적가교제는 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer)이고,
상기 양친매성브리징제는 폴리비닐아세테이트(PVA)이고,
상기 개질제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은
카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 3-23 중량부 및 카사바 전분 22-37 중량부를 포함하는 혼합 전분의 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추어 수분이 제거된 전분을 준비하는 단계;
수분이 제거된 전분 25-60 중량부, 폴리프로필렌 20-60 중량부, 고밀도폴리에틸렌 3-12 중량부, 가소화제 1-5 중량부, 가소화보완제 0.1-1 중량부, 엘라스토머 1-7 중량부, 화학적가교제 0.2-1 중량부, 양친매성브리징제 0.5-1.5 중량부 및 개질제 1-7 중량부를 혼합하여 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제조하되, 상기 가소화제는 에탄올아민이고, 상기 가소화보완제는 폴리카프로락톤이고, 상기 엘라스토머는 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA)이고, 상기 화학적가교제는 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer)이고, 상기 양친매성브리징제는 폴리비닐아세테이트(PVA)이고, 상기 개질제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 특징으로 하는 단계;
상기 바이오베이스 플라스틱 조성물을 70-80℃의 온도에서 475-950 rpm의 회전속도로 15-30분 동안 1차 배합하는 단계;
1차 배합된 조성물을 0-5℃의 온도에서 25-75 rpm의 회전속도로 10-15분 동안 2차 배합하는 단계; 및
2차 배합된 조성물을 트윈압출기에 투입하고, 동방향 트윈스크류 압출공정(co-rotationaltwinextruder)으로 압출하는 단계;를 포함하는 바이오베이스 플라스틱의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱은 식물체 바이오매스의 사용 함량을 높인 친환경 바이오베이스 플라스틱 제품에 적용이 가능하여 환경 오염 방지를 크게 개선 가능하고, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 내충격성 등의 기계적 물성과, 내열성 등의 열적 특성이 개선되었다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이고,
도 2는 실시예 1 내지 8에서 제조된 바이오베이스 플라스틱을 시차 주사 열량계를 이용하여 분석한 그래프이다.
도 2는 실시예 1 내지 8에서 제조된 바이오베이스 플라스틱을 시차 주사 열량계를 이용하여 분석한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서 첨부된 도면에 개시된 특정 실시예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1차, 2차, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
본 발명은 전분, 폴리프로필렌, 고밀도폴리에틸렌, 가소화제, 가소화보완제, 엘라스토머, 화학적가교제, 양친매성브리징제 및 개질제를 포함하는 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱 조성물에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱은 전분과 폴리프로필렌, 고밀도폴리에틸렌 및 충진제(filler) 등을 포함하는 고분자 복합체를 화학적 개질, 열적 안정제, 분산제, 활제 등의 상용화제 첨가를 통해 비혼화성 블렌드를 형성하고, 열역학적으로 단일상을 형성하는 혼화성 블렌드 제조 공정을 통해 우수한 물성을 가지는 고분자 얼로이를 이루어내는 기술이다.
상기 고분자 복합체(polymer composite)는 강화제(reinforcing agent) 또는 충진제(filler) 등과 고분자간의 혼합, 더 넓은 의미로는 고분자 블렌드를 의미한다.
상기 비혼화성 블렌드(immiscible blend)는 각각의 고분자 성분이 각각의 상으로 존재하는 고분자 블렌드를 의미한다.
상기 혼화성 블렌드(miscible blend)는 열역학적으로 단일상을 형성하는 블렌드를 의미하는 것으로, 두 물질이 분자 수준에서 서로 결합되며, 완전 혼화성 블렌드는 단일 Tg 값을 가진다.
상기 고분자 얼로이(polymer alloy)는 각 고분자 성분들보다 우수한 물성을 갖는 블렌드를 의미한다.
상기 고분자 블렌드(polymer blend)는 둘 혹은 그 이상의 고분자의 혼합을 의미하고, 이것은 고분자들 사이의 어떠한 화학적 결합이 없다는 점에서 block 혹은 graft 공중합체와는 상이하다.
한편, 상용화 블렌드 (compatibilized blend)는, 예를 들면 표면개질, grafting, 상용화제(compatibilizing agent)의 첨가와 같은 방법을 통하여 상용화시킨 비혼화성 고분자 블렌드를 의미한다.
상기 바이오베이스 플라스틱 조성물은 전분 25-60 중량부, 폴리프로필렌 20-60 중량부, 고밀도폴리에틸렌 3-12 중량부, 가소화제 1-5 중량부, 가소화보완제 0.1-1 중량부, 엘라스토머 1-7 중량부, 화학적가교제 0.2-1 중량부, 양친매성브리징제 0.5-1.5 중량부 및 개질제 1-7 중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 전분 30-55 중량부, 폴리프로필렌 22-56 중량부, 고밀도폴리에틸렌 4-10 중량부, 가소화제 1.5-4.5 중량부, 가소화보완제 0.3-0.7 중량부, 엘라스토머 1.5-6.5 중량부, 화학적가교제 0.4-0.7 중량부, 양친매성브리징제 0.8-1.2 중량부 및 개질제 2-5 중량부를 포함하는 것이 더욱 바람직하고, 전분 43-47 중량부, 폴리프로필렌 34-40 중량부, 고밀도폴리에틸렌 4-6 중량부, 가소화제 2.5-3 중량부, 가소화보완제 0.4-0.5 중량부, 엘라스토머 3.5-4.5 중량부, 화학적가교제 0.5-0.6 중량부, 양친매성브리징제 0.9-1.1 중량부 및 개질제 3.5-4.5 중량부를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
상기 전분은 카사바 전분, 감자 전분, 옥수수 전분 및 고구마 전분으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전분 또는 이들의 변성 전분일 수 있고, 바람직하게는 2종의 전분을 혼합하여 사용한다.
상기 전분은 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 및 카사바 전분을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하고, 산화 에스테르화 전분 3-23 중량부 및 카사바 전분 22-37 중량부를 사용하는 것이 더욱 바람직하고, 산화 에스테르화 전분 10-14 중량부 및 카사바 전분 32-34 중량부를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 산화 에스테르화 전분은 전분 슬러리에 산화제를 첨가하고 산화 반응시켜 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%인 산화 전분의 슬러리를 수득하고, 산화 전분의 슬러리에 에스테르화제를 첨가하고 에스테르화 반응시켜 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분의 슬러리를 수득하고, 산화 에스테르화 전분의 슬러리를 여과, 세척 및 건조시켜 산화 에스테르화 전분을 수득하여 제조되는 것을 사용한다.
상기 산화제는 아염소산나트륨, 차아염소산나트륨, 염소화이소시아누르산, 과산화수소, 과붕산나트륨 및 과망간산칼륨 등일 수 있고, 상기 에스테르화제는 무수초산, 무수말레산 및 초산비닐 단량체 등일 수 있다.
상기 카사바 전분은 저렴하여 생산단가를 낮추고 더불어 상기 산화 에스테르화 전분과 함께 적용하여 바이오베이스 플라스틱의 물성을 향상시키는 데 용이하다.
상기 가소화제는 에탄올아민인 것이 바람직하다. 일반적으로 사용되는 글리세롤 등의 가소화제를 적용하는 경우 가소화제의 저분자화에 의한 노화 문제, 결정화 과정을 가속화하여 물질의 부서짐으로 이어지는 문제가 있다. 본 발명에서는 가소화제로 에탄올아민을 적용함으로써 히드록실기를 포함하는 분자에 비해 녹말과 더 강한 수소결합을 형성할 수 있으며, 가소화제와 녹말 사이의 더 강한 수소결합은 영행 과정을 억제하여 물질의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 가소화보완제는 폴리카프로락톤인 것이 바람직하다. 상기 폴리카프로락톤은 현재 상업화되어 있는 대표적인 생분해성 고분자 가운데 하나로서 다양한 고분자들과의 친화성이 우수하다.
상기 엘라스토머는 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 엘라스토머로 POE-g-GMA 적용함으로써 탄성, 연성, 강도 등의 물성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 POE-g-GMA는 가소화된 전분 성분과 폴리프로필렌 및 고밀도폴리에틸렌과 동시에 호환되는 엘라스토머이다.
상기 화학적가교제는 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer)를 사용하는 것이 바람직하다. 결합제로서 커플링 에이전트(coupling agent) 공정의 화학반응이 수행될 수 있다.
상기 양친매성브리징제는 폴리비닐아세테이트(PVA)를 사용하는 것이 바람직하다. 전분에 포함된 친수성 녹말과 소수성 폴리프로필렌 또는 고밀도폴리에틸렌을 양립시키기 위해 양친매성브리징제로 폴리비닐아세테이트를 적용한다.
상기 개질제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다. PMMA와 식물성 기름 중 피마자 오일을 동시에 적용하여 전분 표면에 코팅하여 호환성을 향상시켜 제조되는 바이오베이스 플라스틱의 물성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은
카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 3-23 중량부 및 카사바 전분 22-37 중량부를 포함하는 혼합 전분의 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추어 수분이 제거된 전분을 준비하는 단계;
수분이 제거된 전분 25-60 중량부, 폴리프로필렌 20-60 중량부, 고밀도폴리에틸렌 3-12 중량부, 가소화제 1-5 중량부, 가소화보완제 0.1-1 중량부, 엘라스토머 1-7 중량부, 화학적가교제 0.2-1 중량부, 양친매성브리징제 0.5-1.5 중량부 및 개질제 1-7 중량부를 혼합하여 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제조하되, 상기 가소화제는 에탄올아민이고, 상기 가소화보완제는 폴리카프로락톤이고, 상기 엘라스토머는 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA)이고, 상기 화학적가교제는 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer)이고, 상기 양친매성브리징제는 폴리비닐아세테이트(PVA)이고, 상기 개질제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 특징으로 하는 단계;
상기 바이오베이스 플라스틱 조성물을 70-80℃의 온도에서 475-950 rpm의 회전속도로 15-30분 동안 1차 배합하는 단계;
1차 배합된 조성물을 0-5℃의 온도에서 25-75 rpm의 회전속도로 10-15분 동안 2차 배합하는 단계; 및
2차 배합된 조성물을 트윈압출기에 투입하고, 동방향 트윈스크류 압출공정(co-rotationaltwinextruder)으로 압출하는 단계;를 포함하는 바이오베이스 플라스틱의 제조방법을 제공한다.
이때, 도 1에 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법을 순서도로 나타내었으며, 이하, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법은 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 3-23 중량부 및 카사바 전분 22-37 중량부를 포함하는 혼합 전분의 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추어 수분이 제거된 전분을 준비하는 단계를 포함한다.
상기 전분은 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 및 카사바 전분을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하고, 산화 에스테르화 전분 3-23 중량부 및 카사바 전분 22-37 중량부를 사용하는 것이 더욱 바람직하고, 산화 에스테르화 전분 10-14 중량부 및 카사바 전분 32-34 중량부를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 산화 에스테르화 전분은 전분 슬러리에 산화제를 첨가하고 산화 반응시켜 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%인 산화 전분의 슬러리를 수득하고, 산화 전분의 슬러리에 에스테르화제를 첨가하고 에스테르화 반응시켜 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분의 슬러리를 수득하고, 산화 에스테르화 전분의 슬러리를 여과, 세척 및 건조시켜 산화 에스테르화 전분을 수득하여 제조되는 것을 사용한다.
상기 산화제는 아염소산나트륨, 차아염소산나트륨, 염소화이소시아누르산, 과산화수소, 과붕산나트륨 및 과망간산칼륨 등일 수 있고, 상기 에스테르화제는 무수초산, 무수말레산 및 초산비닐 단량체 등일 수 있다.
상기 카사바 전분은 저렴하여 생산단가를 낮추고 더불어 상기 산화 에스테르화 전분과 함께 적용하여 바이오베이스 플라스틱의 물성을 향상시키는 데 용이하다.
상기 전분을 준비하는 단계는 병열식 제습 드라이어 장치를 이용하여 전분의 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추는 것이 바람직하다. 상기 전분은 식물의 탄소 동화작용에 의해 합성되는 포도당을 구성단위로 하는 고분자 물질로서, 물에 녹는 아밀로즈(amylose)와 물에 녹지 않는 아밀로펙틴(amylopectin)으로 구성되어 있다. 아밀로즈 함량이 약 25-26% 정도이고, 호화개시온도는 80-84℃이다. 6-25 ㎛의 입경범위를 갖고 있으며 평균 입경은 15 ㎛인 전분을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 전분은 히드록실기(-OH) 때문에 대기 중에서 보관할 경우 8-14 중량% 이상의 수분을 흡수하게 되어 바이오베이스 플라스틱에 적용하는 데 문제가 발생한다. 본 발명에서는 전분을 전처리하는 것으로 전분의 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추어 사용한다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법은 수분이 제거된 전분 25-60 중량부, 폴리프로필렌 20-60 중량부, 고밀도폴리에틸렌 3-12 중량부, 가소화제 1-5 중량부, 가소화보완제 0.1-1 중량부, 엘라스토머 1-7 중량부, 화학적가교제 0.2-1 중량부, 양친매성브리징제 0.5-1.5 중량부 및 개질제 1-7 중량부를 혼합하여 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제조하되, 상기 가소화제는 에탄올아민이고, 상기 가소화보완제는 폴리카프로락톤이고, 상기 엘라스토머는 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA)이고, 상기 화학적가교제는 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer)이고, 상기 양친매성브리징제는 폴리비닐아세테이트(PVA)이고, 상기 개질제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 특징으로 하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 바이오베이스 플라스틱을 제조하기 위한 조성물을 혼합하는 것으로, 수분이 제거된 전분, 폴리프로필렌, 고밀도폴리에틸렌, 가소화제, 가소화보완제, 엘라스토머, 화학적가교제, 양친매성브리징제 및 개질제를 혼합한다.
상기 조성물에 대한 상세 설명은 전술한 바와 같으므로 이하에서는 자세한 설명을 생략한다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법은 상기 바이오베이스 플라스틱 조성물을 70-80℃의 온도에서 475-950 rpm의 회전속도로 15-30분 동안 1차 배합하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 전분 등을 포함하는 조성물을 고속 열배합기를 이용하여 1차 배합한다.
상기 바이오베이스 플라스틱 조성물은 73-77℃의 온도에서 650-850 rpm의 회전속도로 20-30분 동안 1차 배합되는 것이 바람직하고, 74-76℃온도에서 750-850 rpm의 회전속도로 25-30분 동안 1차 배합되는 것이 가장 바람직하다. 본 발명에서는 1차로 고속열배합기를 통해 고온 및 고속으로 배합하는 것을 특징으로 한다. 1차 배합으로 원료들이 배합되면서 전분의 수분이 1-2 중량%대로 낮아지며 이종간의 1차 결합을 유도한다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법은 1차 배합된 조성물을 0-5℃의 온도에서 25-75 rpm의 회전속도로 10-15분 동안 2차 배합하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 1차 배합된 조성물을 저온에서 저속으로 2차 배합한다.
상기 1차 배합된 조성물은 1-4℃의 온도에서 35-65 rpm의 회전속도로 12-15분 동안 2차 배합되는 것이 바람직하고, 2-3℃의 온도에서 45-55 rpm의 회전속도로 14-15분 동안 2차 배합되는 것이 가장 바람직하다. 본 발명에서는 2차로 저속냉각배합기를 통해 저온 및 저속으로 배합하는 것을 특징으로 한다. 2차 배합으로 1차 배합에서 발생된 원료들의 열(배합기의 온도 및 원료 자체의 온도로 인해 약 90-100℃의 온도를 나타냄)을 내리는 방법으로 원료를 후단의 트윈압출기에 투입할 때 탄화발생을 막아 원료들의 자연스러운 용융(겔화)이 일어나게 하여 더욱 우수한 물성을 가지는 바이오베이스 플라스틱을 제조할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 제조방법은 2차 배합된 조성물을 트윈압출기에 투입하고, 동방향 트윈스크류 압출공정(co-rotationaltwinextruder)으로 압출하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 2차 배합된 조성물을 최종적으로 압출하여 펠릿의 형태로 제조한다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 산화 에스테르화 전분의 제조
카사바 전분 100 중량부 대비 물을 250 중량부 혼합하여 반응기에 넣어 전분 슬러리를 제조하였다. 전분 슬러리의 온도를 40℃로 조절하고, 반응기에 4% 수산화나트륨 수용액을 첨가하여 전분 슬러리의 pH를 8.0으로 조절하였다. 이후, 차아염소산나트륨 용액(활성염소 함량 : 14.5%) 50 중량부와 수산화나트륨 용액(33% 순도) 8 중량부 혼합한 혼합 용액을 반응기에 투입하고, 4% 수산화나트륨 수용액을 이용하여 pH를 9.5 이상으로 설정하고 120분 동안 반응시켜 전분을 산화 반응시켰다. 이후, 반응기에 메타중아황산나트륨을 미량 투입하여 산화반응을 완료시킨 후, 전분 슬러리의 온도를 32℃로 조절하고 여기에 15% 염산 수용액을 첨가하여 전분 슬러리의 pH를 8.2로 조절하였다. 이후, 무수초산(96% 순도) 5 중량부를 투입하며 5% 수산화나트륨 수용액으로 pH를 8.2로 유지시키며 전분을 에스테르화 반응시켰다. 에스테르화 반응 완료 후, 반응기에 15% 염산 수용액을 첨가하여 반응 생성물의 pH를 6.0으로 조절하고 여과한 다음 얻어진 고형물을 물로 세척하고 건조하여 산화 에스테르화 전분을 제조하였다.
상기 산화 에스테르화 전분의 카르복실기 함량은 0.63 몰%이고, 아세틸기 함량은 0.5 몰%인 것을 확인하였다.
<실시예 1-8> 바이오베이스 플라스틱의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 산화 에스테르화 전분과 카사바 전분을 혼합한 혼합 전분을 병열식제습드라이어 장치에 투입하여 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추어 수분이 제거된 전분을 준비하였다.
상기 수분이 제거된 전분, 폴리프로필렌, 고밀도폴리에틸렌, 가소화제로 에탄올아민, 가소화보완제로 폴리카프로락톤, 엘라스토머로 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA), 화학적가교제로 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer), 양친매성브리징제로 폴리비닐아세테이트(PVA), 개질제로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 사용하여 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제조하였다.
상기 바이오베이스 플라스틱 조성물을 고속열배합기를 이용하여 1차 배합하였다. 1차 배합은 75℃의 온도에서 850 rpm의 회전속도로 30분 동안 수행하였다.
1차 배합된 조성물을 저속냉각배합기로 이동시켜 2-3℃온도에서 50 rpm의 회전속도로 15분 동안 2차 배합하였다.
2차 배합된 조성물을 트윈압출기(?72mm, L/D=52:1 ,rpmmax=800)에 투입하며, 투입된 조성물은 동방향 트윈 스크류 압출공정을 거치면서 압출기 히터로 가열되어 용융 혼합되면서 분산된 후 다이스를 통해 스트랜드로 압출되었다. 상기 가열은 150℃의 온도로 수행되었다. 압출된 스트랜드는 바이오매스가 친수성을 가지므로 공냉식 터널냉각 시스템을 통과하여 냉각된 후 펠레타이저(커팅기)에서 절단되어 바이오매스 펠릿(길이: 2-3 mm, 직경 1.5-2 mm)으로 제조하였다.
1차 가스 배출구 (naturalgasvent)에서는 투입된 조성물이 트윈압출기 공급부(feedingzone)를 통과하면서 생기는 수증기 또는 가스가 배출되며, 2차 가스 배출구(vacuumvent)에서는 진공펌프를 이용하여 트윈압출기 혼합압축부(mixingcompressionzone)를 거치면서 발생되는 가스, 휘발성 잔류물 등을 빨아들여 배합물 내부의 기공층을 만들어 가스를 제거한다.
상기 조성물의 조성은 하기 표 1에 나타내었다.
| 구성성분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 | 실시예 7 | 실시예 8 |
| 제조예 1 | 5.0 | 6.0 | 9.0 | 11.0 | 13.0 | 15.0 | 18.0 | 20.0 |
| 카사바전분 | 25.0 | 27.0 | 30.0 | 32.0 | 34.0 | 35.0 | 35.0 | 35.0 |
| PP | 55.1 | 49.6 | 41.3 | 38.6 | 35.0 | 30.8 | 26.2 | 22.5 |
| HDPE | 8.0 | 9.0 | 10.0 | 6.0 | 4.0 | 4.0 | 4.0 | 4.0 |
| 가소화제 | 1.5 | 1.8 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 |
| 가소화보완제 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 0.5 | 0.6 | 0.6 | 0.7 |
| 엘라스토머 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 6.0 | 6.5 |
| 화학적가교제 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 0.5 | 0.6 | 0.6 | 0.7 | 0.7 |
| 양친매성브리징 | 0.8 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 1.0 | 1.1 | 1.1 | 1.2 |
| 개질제 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 4.0 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 5.0 |
| 계 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 |
<비교예 1>
상기 실시예 1에서 산화 에스테르화 전분을 사용하지 않고 산화 전분을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 바이오베이스 플라스틱을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에서 바이오베이스 플라스틱 조성물을 고속열배합기를 이용한 1차 배합 및 저속냉각배합기를 이용한 2차 배합을 수행하지 않고 트윈압출기에 투입하여 압출한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 바이오베이스 플라스틱을 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1에서 바이오베이스 플라스틱 조성물을 고속열배합기를 이용한 1차 배합을 수행하고난 후, 저속냉각배합기를 이용한 2차 배합은 수행하지 않고 트윈압출기에 투입하여 압출한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 바이오베이스 플라스틱을 제조하였다.
<실험예 1> 열적 특성 분석
본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 열적 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1-8에서 제조된 바이오베이스 플라스틱을 이용하여 TA Instrumentsm사의 시차 주사 열량계 (Differential Scanning Calorimeter, TA4000/Auto DSC 2910 System)로 측정하였다. 가공조건에 따른 열적 오차를 없애고 각 시료의 열 이력을 동일하게 해주기 위해서 run 1을 실행한 후 급랭시킨 뒤 run 2를 실행 하였다. 저온에서의 열적 특성을 알아보기 위해서 액체 질소를 사용하였고, 온도범위는 -100℃에서 200℃까지 였으며 승온속도는 20℃/min였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1-8에서 제조된 바이오베이스 플라스틱의 열분해 온도는 305-410℃로 나타났다. 전분과 카사바의 함량이 높을수록 열분해 온도가 상승됨을 알 수 있다. 가소화제, 가소화보완제, 엘라스토머, 화학적가교제, 양친매성브리징, 구성수정의 함량 증가에 따라 플라스틱의 화학적 결합이 더 많이 일어나게 되며 열분해 온도가 상승되는 것으로 보아 분자간 결합을 통한 안정화가 되었음을 알 수 있다.
<실험예 2> 기계적 특성 분석
본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱의 기계적 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1-8 및 비교예 1-3에서 제조된 바이오베이스 플라스틱을 이용하여 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 충격강도 및 용융흐름지수를 측정하였다.
구체적으로, 인장강도는 각 시료를 압축기로 몰딩한 후에 시편제조기(국내 제작, KS규격 2호형)로 시편(방향 없음)을 만들었다. 인장 특성은 TESTOMETRIC사의 인장 시험기(MATERIAL TESTING MACHINE MICRO 350)를 사용하였다. 시험속도는 5mm/min, 그립간 거리는 115mm였고, 인장시편 10개의 값을 평균하였다. 굴곡강도 및 굴곡탄성율은 ASTM D790 방법에 의해 측정하였다. 충격강도는 ASTM D256 방법에 의거, 1/8 인치 두께 시편에 노치 후 상온(23도)에서 측정하였다. 용융흐름지수는 ASTM D1238 방법에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
| 인장강도 (kgf/cm2) |
굴곡강도 (kgf/cm2) |
굴곡탄성율 (kgf/cm2) |
충격강도 (J/m) |
용융흐름지수 (g/10min) |
|
| 실시예 1 | 184 | 424 | 20,590 | 42 | 2.6 |
| 실시예 2 | 191 | 432 | 21,210 | 49 | 2.5 |
| 실시예 3 | 203 | 440 | 22,105 | 52 | 2.4 |
| 실시예 4 | 248 | 451 | 22,250 | 75 | 2.2 |
| 실시예 5 | 257 | 464 | 22,580 | 76 | 1.8 |
| 실시예 6 | 201 | 470 | 22,870 | 56 | 1.8 |
| 실시예 7 | 194 | 490 | 23,010 | 48 | 1.7 |
| 실시예 8 | 187 | 512 | 23,250 | 40 | 1.6 |
| 비교예 1 | 135 | 381 | 12,000 | 29 | 2.9 |
| 비교예 2 | 151 | 390 | 15,570 | 31 | 2.8 |
| 비교예 3 | 167 | 402 | 16,080 | 36 | 2.8 |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 바이오베이스 플라스틱의 인장강도가 248-257 kg/cm2로 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다. 전분 및 카사바의 함량이 증가할수록 인장강도가 높아지나, 실시예 6-8의 경우 전분의 함량이 높아 인장강도가 약해지고, 실시예 1-3의 경우 전분 및 카사바의 함량과, 가소화제, 가소화보완제, 엘라스토머, 화학적가교제, 양친매성브리징, 구성수정의 함량이 낮아 인장강도가 부족한 것으로 판단된다. 특히 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 바이오베이스 플라스틱은 충격강도가 75-76 J/m로 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 굴곡강도 및 굴곡탄성률은 전분 및 카사바의 함량이 증가할수록 높아지고, 용융흐름지수는 전분 및 카사바의 함량이 증가할수록 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
이에 반해, 비교예 1-3의 경우 낮은 기계적 물성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 본 발명에 따른 바이오베이스 플라스틱은 식물체 바이오매스의 사용 함량을 높인 친환경 바이오베이스 플라스틱 제품에 적용이 가능하여 환경 오염 방지를 크게 개선 가능하고, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 내충격성 등의 기계적 물성과, 내열성 등의 열적 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
Claims (3)
- 카르복실기 함량이 0.5-0.8 몰%이고, 아세틸기 함량이 0.3-0.7 몰%인 산화 에스테르화 전분 10-14 중량부 및 카사바 전분 32-34 중량부를 포함하는 혼합 전분의 수분을 3-5 중량% 이하로 낮추어 수분이 제거된 전분을 준비하는 단계;
수분이 제거된 전분 43-47 중량부, 폴리프로필렌 34-40 중량부, 고밀도폴리에틸렌 4-6 중량부, 가소화제 2.5-3 중량부, 가소화보완제 0.4-0.5 중량부, 엘라스토머 3.5-4.5 중량부, 화학적가교제 0.5-0.6 중량부, 양친매성브리징제 0.9-1.1 중량부 및 개질제 3.5-4.5 중량부를 혼합하여 바이오베이스 플라스틱 조성물을 제조하되, 상기 가소화제는 에탄올아민이고, 상기 가소화보완제는 폴리카프로락톤이고, 상기 엘라스토머는 폴리(에틸렌옥텐)-g-글리시딜메타크릴레이트(POE-g-GMA)이고, 상기 화학적가교제는 아크릴산-말레산무수물 공중합체(acrylic acid-maleic anhydride copolymer)이고, 상기 양친매성브리징제는 폴리비닐아세테이트(PVA)이고, 상기 개질제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 피마자오일(castor oil)을 1:1의 중량비율로 혼합한 것을 특징으로 하는 단계;
상기 바이오베이스 플라스틱 조성물을 74-76℃의 온도에서 750-850 rpm의 회전속도로 25-30분 동안 1차 배합하는 단계;
1차 배합된 조성물을 2-3℃의 온도에서 45-55 rpm의 회전속도로 14-15분 동안 2차 배합하는 단계; 및
2차 배합된 조성물을 트윈압출기에 투입하고, 동방향 트윈스크류 압출공정(co-rotationaltwinextruder)으로 압출하여 바이오베이스 플라스틱을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 바이오베이스 플라스틱의 인장강도가 248-257 kg/cm2이고, 충격강도가 75-76 J/m인 것을 특징으로 하는 바이오베이스 플라스틱의 제조방법. - 삭제
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130025844A (ko) * | 2011-09-02 | 2013-03-12 | 스미또모 가가꾸 가부시끼가이샤 | 열가소성 엘라스토머 조성물 |
| KR20160127488A (ko) * | 2015-04-27 | 2016-11-04 | (주) 웹스 | 식생매트용 생분해성 복합체 조성물 및 이를 이용한 식생매트 제조방법 |
| KR20190021961A (ko) * | 2017-08-24 | 2019-03-06 | 김광철 | 기계적물성이 향상된 탄소중립형 바이오베이스 플라스틱, 이의 제조에 사용되는 열가소성 바이오매스 복합체 및 이들의 제조방법 |
-
2022
- 2022-07-27 KR KR1020220093206A patent/KR102481668B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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