KR102555415B1 - 폐분체도료, 커피박 및 바이오차를 포함하는 건축자재용 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 커피박 및 바이오차(biochar)를 포함하는 건축자재용 조성물 및 상기 조성물을 활용한 조경 또는 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 폐분체도료, 커피박, 및 바이오차를 폐기하지 않고 조경 및 건축용 자재로 활용함으로써 폐기물 처리비 절감 및 재료비 절감과 같은 경제적 이점뿐만 아니라, 환경오염의 저감에 도움을 줄 수 있다. 또한, 폐분체도료를 활용하여 다양한 색상의 조경 및 건축자재 생산이 가능하고, 커피박 및 바이오차를 혼합함으로써 조경 및 건축자재에 내구성, 내후성, 탈취성, 재질감 등의 기능을 추가할 수 있다.

Description

폐분체도료, 커피박 및 바이오차를 포함하는 건축자재용 조성물 {COMPOSITION FOR BUILDING MATERIAL CONTAINING WASTE POWDER COATING, COFFEE WASTE, AND BIOCHAR}
본 발명은 폐분체도료, 커피박 및 바이오차(biochar)를 포함하는 건축자재용 조성물 및 상기 조성물을 활용한 조경 또는 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.
분체도료는 용제를 사용하지 않고 고체 성분의 환경친화형 분말 형태로 정전기를 이용하여 도장하는 도료로서, 스프레이건으로 분체도료를 흩날려 뿌린 후 가열, 용융, 경화의 과정을 거쳐 도장한다. 이와 관련하여, 폐분체도료란 도장 과정에서 도장되지 않고 떨어져서 손실된 도료를 의미한다. 폐분체도료는 불순물을 함유하며 낮은 순도로 인해 피복성이 낮아 대부분 재활용되지 못하고 폐기물로 처리된다. 분체도료 폐기물은 고온 열분해 처리해야 한다는 점에서 폐기물의 처리 시 상당한 비용이 소요되는 바, 폐분체도료의 재활용 방안에 대한 연구가 절실한 상황이다. 폐분체도료의 활용과 관련하여, 대한민국 등록특허 10-2111308에는 폐분체도료와 폐수지, 이소부틸아세테이트와 같은 용매를 합성하여 펠렛으로 만들어 차량용 범퍼 등의 재료로 활용하는 방안에 대하여 개시하고 있다.
커피박(coffee waste)은 우리나라의 경우 2014년 기준 10만 7천톤 가량이 발생하였으며, 이는 대부분 생활 폐기물로 매립된다. 커피 찌꺼기가 매립되면 카페인으로 인해 토양이 오염되며, 지구 온난화의 주범인 메탄 가스와 이산화탄소가 발생한다는 문제가 있다. 따라서, 커피박을 재활용할 방안에 대하여 지속적으로 연구되고 있다.
바이오차(biochar)는 바이오매스를 산소가 없거나 매우 적은 환경에서 약 300 내지 800℃로 열분해하는 경우 생성되는 탄소 함량이 높은 고형물을 의미한다. 바이오차 제조의 원료가 되는 바이오매스는 플라스틱 폐기물, 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 등을 포함하는 모든 유기물이 가능하며, 폐목재, 쌀겨, 옥수수, 대나무 등의 바이오매스를 활용하여 만들어진 바이오차는 토양 산성화 방지 및 미생물의 성장을 돕는 특성을 가져 농업용 토양 개량제로 주로 사용되어 왔다.
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 폐분체도료와 커피박, 바이오차 등의 친환경 소재를 폐기하지 않고 자원으로 재활용 가능한 방안을 찾기 위하여 예의 노력한 결과, 조경 또는 건축용 자재로 재생산함으로써 폐기물 처리비 절감 및 재료비 절감과 같은 경제적 이점뿐만 아니라, 환경오염의 저감 방안의 하나로 이용될 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은 커피박 및 바이오차(biochar)와 폐분체도료를 포함하는 건축자재용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 (a) 커피박 및 바이오차(biochar)로 이루어진 친환경 소재 및 폐분체도료를 혼합하는 단계; (b) 180 내지 230℃의 온도에서 10 내지 15분간 용융 압출하는 단계; 및 (c) 커피박 및 바이오차를 미세 분체화하여 금형에 분체 도장방식으로 뿌리고, 성형 및 건조하는 단계;를 포함하는, 건축자재의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양태는, 커피박 및 바이오차(biochar)로 이루어진 친환경 소재 및 폐분체도료를 포함하는 건축자재용 조성물을 제공한다.
본 발명의 "분체도료"는 용제를 사용하지 않고 고체 성분의 환경친화형 분말 형태로 정전기를 이용하여 도장하는 도료를 의미하며, 수지, 경화제, 체질(filler), 안료, 첨가제 등을 이용하여 제조된다. 일반적으로, 분체도료의 구성 중 가장 큰 비율을 차지하는 수지의 종류에 따라 에폭시(epoxy), 폴리에스터(polyester), 아크릴(acrylic), 에폭시/폴리에스터 하이브리드, 우레탄(urethane) 도료로 구분된다. 분체도료에 사용되는 수지로서 초기에는 열가소성 수지가 주로 사용되었으나, 현재는 물성이 뛰어난 열경화성 수지가 주로 사용된다. 수지 특성에 따라 내구성, 강도, 내부식성, 내오염성, 내화학성, 유연성, 내후성 등 다양한 특성을 지니며, 사용 목적에 따라 여러 분체도료가 현장에서 사용된다.
본 발명의 "폐분체도료"는 TGIC-free 폴리에스터계(polyester) 분체도료, 에폭시계(epoxy) 분체도료 및 에폭시폴리에스터(epoxy/polyester) 하이브리드계 분체도료를 혼합한 것이다. 아크릴 또는 우레탄 계열의 분체도료는 타 계열 도료와 혼합 시 물성 변화가 크고, 열가열 성형 시 가스를 발생시키는 바, 본 발명의 폐분체도료에는 포함되지 않는다.
본 발명의 용어 "TGIC-free" 폴리에스터계 분체도료란 TGIC(triglycidyl isocyanurate) 경화제가 사용되지 않는 폴리에스터계 분체도료를 의미한다. TGIC 경화제의 경우, 유전자 변형 및 장기 손상 등의 유해성 문제가 보고된 바, 본 발명의 폐분체도료에는 포함되지 않는다.
본 발명의 폐분체도료는 구체적으로, TGIC-free 폴리에스터계 분체도료 60 내지 80 중량%, 에폭시계 분체도료 10 내지 20 중량%, 및 에폭시폴리에스터 하이브리드계 분체도료 10 내지 20 중량%를 혼합한 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로, TGIC-free 폴리에스터계 분체도료 70 중량%, 에폭시계 분체도료 15 중량%, 및 에폭시폴리에스터 하이브리드계 분체도료 15 중량%를 혼합한 것일 수 있다. 에폭시계 분체도료는 햇빛에 의한 황변 현상이 발생할 수 있으므로, 폴리에스터계 분체도료를 혼합함으로써 황변 현상의 저감이 가능하고, 더 나아가 커피박, 및 바이오차 미세 입체의 혼합으로 인하여 황변 현상을 최소화할 수 있다.
본 발명의 "커피박"은 커피나무 열매의 씨앗인 생두를 볶은 원두에서 커피를 추출하고 남은 찌꺼기이다. 커피박은 매년 세계적으로 1,000만 톤 이상이 발생되고 있고, 우리나라 또한 매년 커피박 발생량이 증가하고 있다. 커피박의 대부분은 생활쓰레기로 취급되어 매립되나, 카페인으로 인해 토양이 오염되며, 지구 온난화의 주범인 메탄 가스와 이산화탄소가 발생한다는 문제가 있다.
로스팅된 원두로 발생된 커피박은 수분과 유기물을 포함하므로, 본 발명에서는 폐분체도료와 혼합 전에 공기를 차단하고 진행하는 열처리인 건류를 수행하여 수분 및 유기물을 제거하여 이용하였다. 또한, 본 발명에서 상기 커피박은 입경 2mm 이하로 분쇄하여 이용하였으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 "바이오차(biochar)"는 바이오매스를 산소가 없거나 매우 적은 환경에서 약 300 내지 800℃로 열분해하는 경우 생성되는 탄소 함량이 높은 고형물을 의미한다. 열분해 가스화 과정을 통해 난분해성 탄소로 전환되기 때문에 외부 요인에 의해 쉽게 분해되지 않아 이산화탄소를 포집하여 장기간 저장함으로써 기후변화 완화에 기여할 수 있다. 또한, 바이오차를 토양에 투입하는 경우 흡착능력 향상, 중성화, 이온 교환 능력 개선 등 화학적 특성의 향상, 미생물에 서식처를 제공함에 따라 생체량 증가, 미생물 활성도 증가, 토양의 통기성 증가, 토양의 수분 보유 능력 향상, 토양의 용적 밀도 감소 등을 통해 농업 생산성을 향상시켜 환경, 에너지 관련 분야에서 광범위하게 적용될 수 있다.
본 발명에서 상기 바이오차는 입경 2mm 이하로 분쇄하여 이용하였으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 용어 "친환경소재"는 커피박; 바이오차(biochar); 및 커피박, 및 바이오차의 혼합물;로 이루어진 군에서 선택한 1종을 의미한다. 상기 커피박, 및 바이오차의 혼합물은 구체적으로 커피박, 및 바이오차를 1:1의 중량비로 혼합한 것일 수 있다.
본 발명의 건축자재용 조성물은 친환경 소재 20 내지 40 중량% 및 폐분체도료 60 내지 80 중량%를 포함하는 것이다. 폐분체도료가 상기 범위 미만으로 포함될 경우 건축자재의 강도가 조경 또는 건축 용도로 사용하기에 바람직하지 않을 수 있으며, 폐분체도료가 상기 범위를 초과하여 포함될 경우 내후성 및 탈취력 등의 성능이 충분히 발취되지 않을 수 있다.
본 발명의 용어 "건축자재"는 건축용 자재, 토목용 자재, 및 조경용 자재를 모두 포함한다. 구체적으로, 상기 건축용 자재는 건물 또는 구조물 시공시에 사용되는 자재로, 벽돌, 내벽체, 패널, 블럭 등을 포함한다. 상기 토목용 자재는 토목 공사시에 사용되는 자재로, 블럭, 옹벽, 수로관, 포장재 등을 포함한다. 상기 조경용 자재는 조경의 시공 및 관리에 이용되는 자재로서, 화분, 화단 블럭, 울타리, 바닥재, 지지대 등을 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 하나의 양태는, (a) 커피박 및 바이오차(biochar)로 이루어진 친환경 소재 및 폐분체도료를 혼합하는 단계; (b) 180 내지 230℃의 온도에서 10 내지 15분간 용융 압출하는 단계; 및 (c) 커피박 및 바이오차를 미세 분체화하여 금형에 분체 도장방식으로 뿌리고, 성형 및 건조하는 단계;를 포함하는, 건축자재의 제조방법을 제공한다.
상기 용어 "커피박", "바이오차", "친환경 소재", "폐분체도료", 및 "건축자재"에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
본 발명 건축자재의 제조방법 중 (b) 용융 압출하는 단계와 관련하여, 압출기의 온도가 180℃ 미만일 경우에는 폐분체도료 혼합물이 완전히 용융 및 액체화되지 않아 기계적 물성이 요구하는 만큼 나타나지 않을 수 있고, 230℃ 초과일 경우에는 분체도료가 탄화되어 형상을 유지하지 못할 수 있다.
본 발명 건축자재의 제조방법 중 (c) 커피박 및 바이오차를 미세 분체화하여 금형에 분체 도장방식으로 뿌리고, 성형 및 건조하는 단계와 관련하여, 커피박 및 바이오차를 미세 분체화하여 도장 방식으로 뿌림에 따라 금형 틀과 성형물과의 분리에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 구현예에서는, 상기 방법에 따라 폐분체도료를 커피박과 혼합한 실시예 1; 바이오차와 혼합한 실시예 2; 및 커피박, 및 바이오차의 혼합물과 혼합한 실시예 3의 건축자재를 제조하였다 (제조예 1).
본 발명의 상기 방법에 따라 제조된 건축자재는, 강도, 내후성, 및 탈취 성능이 향상된 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에서는, 본 발명의 방법에 따라 제조된 실시예 1 내지 3 및 실시예 3의 건축자재 및 폐분체도료와 친환경 소재의 혼합비를 달리한 비교예 1-3 건축자재의 인장강도 및 압축강도를 비교한 결과, 실시예 3 시료의 인장강도 및 압축강도가 가장 우수한 것을 확인하였다 (실험예 1). 또한, 실시예 1 건축자재의 황변 현상에 대한 저항성인 내후성이 가장 우수하였으며 (실험예 2), 탈취 성능 또한 우수한 것을 구체적인 실험을 통하여 확인하였다 (실험예 3).
본 발명은 폐분체도료, 커피박, 및 바이오차를 폐기하지 않고 조경 및 건축용 자재로 활용함으로써 폐기물 처리비 절감 및 재료비 절감과 같은 경제적 이점뿐만 아니라, 환경오염의 저감에 도움을 줄 수 있다. 또한, 폐분체도료를 활용하여 다양한 색상의 조경 및 건축자재 생산이 가능하고, 커피박, 바이오차를 혼합함으로써 조경 및 건축자재에 내구성, 내후성, 탈취성, 재질감 등의 기능을 추가할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되는 것은 아니다.
제조예. 친환경 건축자재의 제조
제조예 1. 실시예 1 내지 3 건축자재의 제조
폐분체도료와 커피박, 바이오차를 준비하였다. 폐분체도료의 경우, 유해한 경화제인 TGIC가 첨가된 폴리에스터 계열 도료와, 열가열 성형시 유해 가스를 발생시키는 아크릴 및 우레탄 계열의 도료의 사용을 방지하기 위해 물질 데이터 시트를 통해 계열 별로 분류하였다. 다음으로, 분체도료에 섞인 오염물질을 제거하고, 시빙기를 통한 입자 균일화 과정을 거친다. TGIC가 첨가되지 않은 TGIC-free 폴리에스터계 분체도료 70 중량%, 에폭시계 분체도료 15 중량%, 및 에폭시폴리에스터 하이브리드계 분체도료 15 중량%를 혼합하여 본 발명의 폐분체도료를 제조하였다.
커피박은 건류하여 잔존하는 유기물과 수분을 제거하고, 분쇄기를 통해 입경 2mm 이하의 미세한 입체를 얻었다. 바이오차 또한 분쇄기를 통해 입경 2mm 이하의 미세한 입체를 얻었다. 그리고 상기 전처리된 커피박, 및 바이오차를 1:1의 중량비로 혼합한 혼합물을 준비하였다.
이후, 상기 커피박, 바이오차, 또는 커피박, 및 바이오차의 혼합물 30 중량%; 및 폐분체도료 70 중량%;를 혼합기로 혼합하였다. 그 다음, 180 내지 230℃의 압출기에 투입하여 가열 및 용융시켜 압출하며, 용융 압출된 혼합물을 금형 틀에 넣어 압축 성형 및 건조하였다. 성형물과 금형 틀과의 분리를 돕기 위하여, 커피박, 또는 바이오차를 미세 분체화하여 도장 방식으로 금형에 미리 뿌려 놓을 수 있다.
이하에서는, 폐분체도료를 커피박과 혼합하여 제조한 건축자재를 실시예 1; 바이오차와 혼합하여 제조한 건축자재를 실시예 2; 및 커피박, 및 바이오차의 혼합물과 혼합하여 제조한 건축자재를 실시예 3;로 명명하였다.
제조예 2. 비교예 1 내지 3 건축자재의 제조
커피박, 바이오차 등의 혼합물을 혼합하지 않고 폐분체도료만을 100% 포함한 것을 제외하면, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 비교예 1 건축자재를 제조하였다.
혼합 비율을 달리하여 폐분체도료 50 중량% 및 친환경 소재(커피박과 바이오차의 1:1 혼합물) 50 중량%를 혼합한 것을 제외하면, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 비교예 2 건축자재를 제조하였다.
혼합비율을 달리하여 폐분체도료 90 중량% 및 친환경 소재(커피박과 바이오차의 1:1 혼합물) 10 중량%를 혼합한 것을 제외하면, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 비교예 3 건축자재를 제조하였다.
실험예 1. 강도 평가
본 발명 실시예 1-3 및 비교예 1-3 시료의 강도를 비교 평가하기 위하여, KS M 3015 시험방법에 따라 각 시료의 인장강도 및 압축강도를 측정하였다.
인장강도
(N/mm2)		 압축강도
(N/mm2)
실시예 1 11.9 74.1
실시예 2 12.1 77.3
실시예 3 15.4 84.8
비교예 1 8.3 51.1
비교예 2 9.7 56.1
비교예 3 11.1 67.9
그 결과 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 폐분체도료 70 중량% 및 친환경 소재(커피박과 바이오차의 1:1 혼합물) 30 중량%를 혼합하여 제조한 실시예 3 시료의 인장강도 및 압축강도가 가장 우수한 것을 확인하였다. 반면에, 폐분체도료 및 친환경 소재를 상이한 중량비로 포함하는 비교예 1 내지 비교예 3 시료는 실시예 3은 물론, 실시예 1-3 그 어느것 보다도 오히려 그 강도가 낮아지고, 상기 친환경 소재를 포함하지 않는 비교예 1 시료 또한 그 강도가 현저히 낮은 바, 건축자재로 활용하기에 실시예 3 조성물에 비하여 그 물성이 충분하지 않음을 알 수 있었다.
실험예 2. 내후성 평가
본 발명 실시예 3 및 비교예 1-3 시료의 황변 현상에 대한 저항성을 비교 평가하기 위하여, 내후성 측정 장치(QUV)로 각 조성물의 내후성을 측정하였다. 측정 조건은 UV lamp의 조도 0.77 W/m2, 습도 20%, black panel 온도 60℃, 및 20시간 동안 체류 후 칼라 미터로 변색(△E) 정도를 측정하였다.
내후성(△E)
실시예 3 1.1
비교예 1 2.6
비교예 2 1.7
비교예 3 2.1
그 결과 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 3 시료의 내후성이 가장 우수하였으며, 비교예 2, 비교예 3, 및 비교예 1 건축자재의 순으로 자외선에 의한 변색이 심하게 진행된 것을 확인하였다. 즉, 본 발명의 건축자재용 조성물은 폐분체도료 및 친환경 소재를 일정 함량으로 혼합하여 제조함에 따라 폐분체도료 단독에 비하여 황변 현상에 대한 저항성이 증가하는 것을 알 수 있었다.
실험예 3. 탈취 성능 평가
본 발명 실시예 3 및 비교예 1-3 시료의 탈취 성능을 비교 평가하였다. 구체적으로, 40mm x 40mm 크기의 시료를 5L 반응기에 넣고 밀봉한 후 암모니아 가스를 초기 농도 50μmol/mol로 하여 주입한 후, 2시간 이후의 암모니아 가스의 농도를 측정하였다. 암모니아 가스의 농도는 가스검지관 (SPS-KCL 2218-6218)에 의해 측정하였고, 시험 중 온도는 23.0±5.0℃, 습도는 50±10 %R.H.를 유지하였다. 암모니아 가스의 농도 감소율은 다음의 식에 의해 계산하였다.
감소율(%) = [{(blank 농도)-(sample 농도)}/(blank 농도)]x100
농도 감소율(%)
실시예 3 82.5
비교예 1 55.7
비교예 2 71.1
비교예 3 63.5
그 결과 상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 3 시료의 경우 약 80% 이상의 우수한 탈취력을 나타낸 것에 비하여, 폐분체도료 및 친환경 소재를 상이한 중량비로 포함하는 비교예 2 및 비교예 3 시료는 실시예 3에 비하여 탈취 성능이 다소 떨어지고, 친환경 소재를 포함하지 않는 비교예 1 시료 역시 탈취력이 현저히 낮은 것을 확인하였다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (2)

  1. 친환경 소재 30 중량% 및 폐분체도료 70 중량%를 포함하는 건축자재용 조성물에 있어서,
    상기 친환경 소재는 입경 2mm 이하의 커피박 및 바이오차가 1:1의 중량비로 혼합된 것이고,
    상기 폐분체도료는 폐분체도료 전체 100 중량부 대비 TGIC-free 폴리에스터계 분체도료 70 중량부, 에폭시계 분체도료 15 중량부, 및 에폭시폴리에스터 하이브리드계 분체도료 15 중량부를 혼합한 것이며,
    강도, 내후성 및 탈취성이 강화된 것인, 건축자재용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 건축자재는 건축용 자재, 토목용 자재, 및 조경용 자재를 포함하는 것인, 건축자재용 조성물.
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