KR102622410B1 - 바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트와 이를이용한 가구용 자재 제조방법 및 이에 의해 제조되는 탄소중립형 가구 - Google Patents

바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트와 이를이용한 가구용 자재 제조방법 및 이에 의해 제조되는 탄소중립형 가구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스, 표면개질제, 제습제를 기류분체기(ACM)에 투입하여 미분체화 및 소수화 하는 바이오매스 전처리단계; 전처리된 바이오매스에 전분 가소제로 D-솔비톨 또는 글리세린, 커플링제인 말레인산, 충진제인 탄산칼슘, 고분자 활제인 스테아린산 아연, 전분 산화 및 갈변 방지를 위한 구연산, 식물성 오일로 PE-WAX 또는 파라핀 오일, 사슬연장제와 베이스 수지를 공급하면서 혼합하는 원료혼합단계; 상기 원료를 용융압출하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 제조단계; 상기 원료 펠릿을 T-Die 다중 압출 설비에서 시트로 압출하면서 동시에 상부에 폴리프로필렌(PP)층을 압출 형성하는 2 Layer 시트제조단계; 상기 2 Layer 시트의 압출과 동시에 외층에 이축배향 폴리프로필렌층(BOPP: Biaxially Oriented Polypropylene)층을 열합지하는 3 Lyaer 열합지 단계; 및 제조된 3 Layer 시트를 권취하는 바이오 데커레이션 시트 권취단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 제조방법에 관한 것이다.
또한 이렇게 제조된 데커레이션 시트를 합성목재 패널과 오버레이(Overlay), 양생, 재단, 엣지처리 단계, 조립홀 가공단계 및 조립 단계를 거쳐 가정용 싱크대, 찬장, 신발장, 붙박이장, 장롱, 사무용 가구 등 가구류와 인테리어용 판넬, 상업용 가구의 용도로 제공한다.

Description

바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트와 이를 이용한 가구용 자재 제조방법 및 이에 의해 제조되는 탄소중립형 가구{Biodegradable decoration sheet manufacturing method including biomass, manufacturing method for furniture materials using the same, and carbon-neutral furniture manufactured thereby}
본 발명은 바이오매스를 포함하는 생분해성 조성물을 이용하여 개발한 가구용 데커레이션 시트, 이 데커레이션 시트를 가구 생산에 적용하는 제조방법과 이 제조방법을 적용한 탄소중립형 가구로 기존의 나프타 분해 데커레이션 시트에 비교하여 오염 물질 방출 감소와 탄소중립에 기여하는 기술이다.
일반적으로 가구와 인테리어 원자재는 지구의 환경 보호를 위해 천연목재를 재생한 중밀도 섬유판(MDF: Medium Density Fiberboard), 파티클보드(PB: Particle Board), 고밀도 섬유판(HDF: High Density Fiberboard) 등의 합성목재를 사용하며, 합성목재의 표면에 심미적 효과를 높이기 위해 접착하는 표면재를 데커레이션 시트라고 한다.
종래에는 폴리염화비닐(Poly vinyl chloride)계 수지를 사용하여 데커레이션 시트를 제조하여 왔다. 그러나 폴리염화비닐 소재는 물성 및 성형성이 우수하나, 내구성이 떨어지며 소각 시 다량의 유독가스를 배출하여 환경유해물질로 분류되어 있으며 새집증후군과 같은 환경 문제 발생의 여지가 있는 화학 제품을 사용해야 하는 문제점이 있었다.
전 세계적으로 환경 이슈가 증가하고, 탄소 저감, 지구 온난화의 문제에 대한 관심이 지속적으로 증가하면서 탄소 중립형 식물체 바이오 매스를 적용한 제품개발 및 산업화가 가속화되고 있다.
가구와 인테리어 제품이 저탄소, 녹색제품으로 전환하기 위해서 식물체, 생분해 촉매제 등을 적용한 바이오 플라스틱 기술을 적용한 데커레이션 시트와 이를 사용한 제조방법의 연구 개발이 필요하지만 가구산업계는 관심을 가지고 있지 않았다.
종래에 데커레이션 시트 제조에 사용하던 석유 자원 유래 폴리에스테르 수지는 쉽게 휘어지는 단점이 있어 건축용 또는 장식용 재료로서 효과적이지 못한 측면이 있었으며, 낮은 내열성으로 인해 실내용으로만 사용하는 등 그 용도가 제한적인 문제점이 있었다.
대한민국은 2050년 탄소중립과 미국, 유럽, 일본 등 세계적인 탄소배출 감소를 위한 규제 강화는 바이오 소재 사용을 강제하는 수준까지 도달하였으나, 현재 나프타 분해형의 데커레이션 시트와 이를 사용한 가구는 생산부터 폐기까지 많은 양의 이산화탄소(CO2)를 발생시켜 온난화에 영향을 미치는 등 환경오염에 문제가 되었지만, 바이오 소재를 사용한 데커레이션 시트와 이를 사용한 가구류 제품 개발은 전무한 실정이다.
따라서, 친환경 소재(Bio based plastic)를 적용하여 친환경적이고, 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시키면서도 현재 가구제품용 데커레이션시트에서 요구하는 물리적, 화학적, 친환경 기준에 동등 또는 그 이상의 우수한 성능을 가진 생분해성 데커레이션 시트와 이를 사용한 가구류 제품의 개발이 필요하다.
한편, 식물체 유래 바이오매스는 광합성에 의한 이산화탄소 흡수효과로 전 이용과정에서 대기 중의 이산화탄소 양을 증가시키지 않고, 이를 이용한 제품의 경우 연소시 이산화탄소 발생량이 적어 탄소중립(carbon neutral)원으로 인정받고 있어 가장 비용 효과적인 친환경 재료이다. 따라서, 식물체 유래 바이오매스는 기후 변화 대응 및 온실 가스 저감을 위한 대체 재료원으로서 큰 역할을 담당할 것으로 기대되고 있다.
한국등록특허 제10-1876711호 한국등록특허 제10-2470342호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 가구와 인테리어 제품의 표면에 접착되어 장식미를 높여주는 표면재에 식물체 유래 바이오매스를 포함한 데커레이션 시트와 이를 사용한 가구를 개발하여 가구류의 오염물질 방출을 더욱 감소시켜 친환경성을 높이고, 가구산업 전체를 탄소 중립형 산업으로 전환시켜 탄소중립에 기여할 수 있는 데커레이션 시트와 이를 적용한 가구를 공급하는 것에 주된 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하고자, 본 발명은 바이오매스, 표면개질제, 제습제를 기류분체기(ACM)에 투입하여 미분체화 및 소수화 하는 바이오매스 전처리단계; 전처리된 바이오매스에 전분 가소제로 D-솔비톨 또는 글리세린, 커플링제인 말레인산, 충진제인 탄산칼슘, 고분자 활제인 스테아린산 아연, 전분 산화 및 갈변 방지를 위한 구연산, 식물성 오일로 PE-WAX 또는 파라핀 오일, 사슬연장제와 베이스 수지를 공급하면서 혼합하는 원료혼합단계; 상기 원료를 용융압출하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 제조단계; 상기 원료 펠릿을 T-Die 다중 압출 설비에서 시트로 압출하면서 동시에 상부에 폴리프로필렌(PP)층을 압출 형성하는 2 Layer 시트제조단계; 상기 2 Layer 시트의 압출과 동시에 표층에 이축배향 폴리프로필렌층(BOPP: Biaxially Oriented Polypropylene)층을 열합지하는 3 Lyaer 열합지 단계; 및 제조된 3 Layer 시트를 권취하는 바이오 데커레이션 시트 권취단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트 제조방법을 제공한다.
상기 표면개질제는 에틸렌글리콜-실란 복합체(mPEG-Silane:Methoxy Polyethylene glycol silane, M.W. 350~2K)로서 바이오매스 100 중량부에 대하여 1 내지 5중량부 포함하고, 제습제로는 산화칼슘을 1 내지 10 중량부 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 사슬연장제는 알킬렌 글리콜인 디프로필렌 글리콜(DPG), 디에틸렌 글리콜 (DEG), 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올 및 2-부텐-l,4-디올 중에서 선택된 1종 이상을 혼합하여 이루어지는 것으로 그 함량은 바이오매스 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상기 베이스 수지는 호모 폴리프로필렌과 TER-폴리프로필렌(TerPolymer Polypropylene)이 중량비로 50:50으로 혼합된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면으로는 상기 펠릿 제조단계는 바이오 매스 100 중량부에 대하여 베이스 수지 100 중량부를 포함하고 압출온도 190 ℃, 토출량 2.16kg/hr의 조건에서 컴파운드 수지의 용융지수(Melt Index)가 2 내지 3인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면으로는 상기의 바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트와 합성목재 패널을 접합하는 오버레이단계, 양생단계, 엣지처리단계, 조립홀 가공단계, 조립ㆍ포장단계, 고객인도단계를 거쳐 제조되는 탄소 중립형 가구를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 제조되는 탄소 중립형 가구는 가정용 가구인 싱크대, 찬장, 신발방, 옷장, 이불장, 수납장 중의 어느 하나 이상이거나, 사무용 가구, 인테리어 자재, 상업용 가구 중 어느 하나 이상을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트는 베이스 수지, 식물체 유래의 바이오매스 및 기타 기능성분을 포함하며, 상기 식물체 유래의 바이오매스는 전체 조성물 100 중량%에 대하여, 25 내지 40 중량%를 포함하기 때문에, 이산화탄소 발생량이 적어 탄소중립(carbon neutral)형 제품일 수 있다.
또한, 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트는 다층으로 구성되어 시트의 내층에 바이오매스를 첨가하여 탄소저감의 친환경성을 극대화하였고, 외면은 외부와 직접 접촉되어 불순물 이행 및 이취, 용출 등을 고려하여 PP 코팅용 수지를 이용해 코팅되어 사용의 안정성을 확보하였다.
한편으로, 탄소 저감 및 생분해 특성을 유지하면서 우수한 투명성, 유연성 및 기계적 물성을 조화롭게 구현하도록 한 식물체 유래 가소제 및 생분해 촉매제를 포함하고, 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트로서 사용 후 폐기시에도 자연 분해가 용이한 친환경 데커레이션 시트를 제공한다.
바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 합성 목재 패널과 접합하여 가공하여 가구를 제조하므로 유기탄소 함량이 40% 이상인 탄소 중립 가구 제품으로 인정받을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트의 제조를 위한 제조공정도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 구조 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 물성을 측정한 공인시험성적서이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 유기탄소 함량 분석 시험 성적서이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 생분해도 시험 성적성이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 환경 유해물질 검출 시험 성적서이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 내약품성 시험결과이다.
도 8은 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 프탈레이트계 가소제 검출 시험 성적서이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 유행 중금속 검출 시험 성적서이다.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 가구용 합성목재와 접착하여 가구를 제조하는 제조 공정도이다.
도 11은 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 적용하여 제조되는 공동 주택용 가구 완제품에 대한 환경 유해물질 검출 시험 성적서이다.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 제조방법은 바이오매스, 표면개질제, 제습제를 기류분체기(ACM)에 투입하여 미분체화 및 소수화 하는 바이오매스 전처리단계(S110), 전처리된 바이오매스에 전분 가소제로 D-솔비톨 또는 글리세린, 커플링제인 말레인산, 충진제인 탄산칼슘, 고분자 활제인 스테아린산 아연, 전분 산화 및 갈변 방지를 위한 구연산, 식물성 오일로 PE-WAX 또는 파라핀 오일, 사슬연장제와 베이스 수지를 공급하면서 혼합하는 원료혼합단계(S120), 상기 원료를 용융 압출하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 제조단계(S130), 상기 원료 펠릿을 T-Die 다중 압출 설비에서 시트로 압출하면서 동시에 상부에 폴리프로필렌(PP)층을 압출 형성하는 2 Layer 시트제조단계(S140), 상기 2 Layer 시트의 압출과 동시에 표층에 이축배향 폴리프로필렌층(BOPP: Biaxially Oriented Polypropylene)층을 열합지하는 3 Lyaer 열합지 단계(S150) 및 제조된 3 Layer 시트를 권취하는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 권취단계(S160)로 이루어진다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 바이오매스 전처리단계(S110)에서는 식물체 유래 바이오 매스, 표면개질제, 제습제를 기류분체기(ACM: Air Classifier Mill)에 함께 투입하여 미분체화하고 소수화하는 표면 개질 처리를 수행한다. 밀 전분 바이오매스는 내열성 약하고 친수성의 특징을 가지고 있다. 이러한 바이오 매스를 직접 베이스 수지와 혼합하여 컴파운딩하여 펠릿을 제조함으로써 그동안 제조되는 바이오 베이스 필름 또는 시트가 제조공정에서 황변 또는 갈변이 발생하고, 제조 후 내열성 저하 및 시트 표면 불량의 문제가 지속되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 전처리 공정을 도입하였다.
전처리단계(S110)는 표면 개질제로는 에틸렌글리콜-실란 복합체(mPEG-Silane: Methoxy Polyethylene glycol silane)를 주로 사용하여 분산성과 접착성을 향상시켜 고분자 폴리프로필렌 폴리머와 바이오 매스 간 화학적 상용성을 극대화하여 기계적 물성을 높이는 한편, 바이오매스의 표면에 결합한 에틸렌글리콜-실란 복합체의 작용으로 향후 콤파운드 압출 온도에서도 바이오 매스의 탄화가 방지되는 특성을 발휘하게 된다.
더욱 구체적으로, 에틸렌글리콜-실란 복합체는 m-PEG3-triethoxysilane이나 m-PEG5-triethoxysilane 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 그 함량은 바이오매스 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부를 포함한다.
상기 제습제로는 산화칼슘(CaO)을 투입하여 바이오매스에 잔류하고 있는 수분을 최대한 흡수하도록 하였으며 제습제의 함량은 바이오매스 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부를 포함한다.
상기 식물체 유래 바이오매스는 입경 30~50㎛ 밀 전분(ACM분체) 또는 왕겨 100# 및 40#(함마밀) 통과 분말 2종을 사용하였으며 밀 전분을 단독으로 사용하거나 밀 전분과 왕겨를 중량비로 90:10의 비율로 혼합하여 사용하였다.
특히, 상기 밀 전분은 α-전분을 사용한다. 보통 생 전분은 β-전분이라고 하는데 규칙적인 분자배열을 가진 micelle구조를 하고 있다. α-전분은 전분 입자들이 분산되어 있는 상태로 물을 가하면 쉽게 흡수 팽윤되고 전분분해효소의 작용을 받기 쉽다. α-전분을 사용함으로써 용융압출 제조 공정에서 베이스 수지와 쉽게 상용화되어 작업성 향상되고 제조되는 펠릿의 균일성이 향상된다.
상기 전처리된 바이오매스는 전분 가소제로 D-솔비톨 또는 글리세린, 커플링제인 말레인산, 충진제인 탄산칼슘, 고분자 활제인 스테아린산 아연, 전분 산화 및 갈변 방지를 위한 구연산, 식물성 오일로 PE-WAX 또는 파라핀 오일, 사슬연장제와 베이스 수지를 공급하면서 혼합하는 원료혼합단계(S120)로 이행된다.
원료혼합단계(S120)의 배합 순서는 먼저 수지를 배합기(수퍼믹스)에 투입하고 360RPM의 속도로 5분간 고속 혼합하여 마찰열을 70~80℃올리고 정지한 후 Liquid wax (파라핀 오일) 및 PE-WAX를 투입한 후 1분 혼합하여 수지 표면에 OIL Coating 후 바이오매스 (밀 전분 등)을 투입 수지 표면에 Coating 된 Liquid wax(파라핀 오일)에 고른 분산 분포를 할 수 있게 4~5분 고속 혼합한다. 이어서 전분 가소제 D-솔비톨 또는 글리세린, 고분자와 천연물 커플링로 사용한 말레인산, 충진제인 탄산칼슘, 고분자 활제인 스테아린산 아연, 전분산화 및 갈변방지를 위한 구연산, 사슬연장제를 투입하여 1분 혼합 후 1차 Agitator(공급 Silo)로 이송하여 메인피더(Main hopper feeder)를 이용해 20RPM의 속도로 메인 실린더에 정속 투입하여 용융 압출하였다.
상기 원료혼합단계(S120)에서는 바이오매스를 포함하는 생분해성 수지의 제조에 적용되는 기능성분 외에 전분 가소제인 D-솔비톨 또는 글리세린과 구연산을 이용하여 산처리를 수행한다. 산처리의 목적은 고온에서 용융되며 우수한 내열성을 가지는 폴리프로필렌의 용융 온도에서 바이오 매스로 사용된 밀 전분이 산화되어 갈변되는 현상을 방지하고, 밀 전분이 열분해되어 저분자화 됨으로써 연속적으로 발생하는 이취 및 이행을 방지하기 위한 것이다.
상기 전분 가소제는 전분과 같은 고분자 유기물의 물리적 특성을 변화시키는 목적으로 사용되는데, 고분자 물질에 가소제를 첨가 가공하면, 그 혼화물은 유연성, 탄성, 휨성이 증가하여 가공성, 성형성 등이 개선된다. 전분 등 고분자 물질 자체는 분자량이 커서 쉽게 변형이 되지 않지만 거기에 가소성을 부여하면 외력에 의해 쉽게 변형시킬 수 있다. 본 발명에서 가소제는 솔비톨, 글리세린에서 선택되는 한가지 또는 그 이상의 혼합물일 수 있는데, 그의 사용량은 바이오매스 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부를 사용한다. 전분 가소제는 전분의 유동성, 가공성을 향상시키는 효과가 있는데, 10 중량부 이하 사용시 전분이 변성되지 않을 수 있고, 20 중량부 이상을 사용할 경우 표면으로 이동 용출될 가능성이 있고, 또한 시트의 품질 열화 및 원가 상승의 단점이 있다.
이 때, 바이오매스 100 중량부에 대하여 상기 구연산은 3 내지 5 중량부를 포함하는데 구연산은 사용되는 전분이 산화되어 갈변되는 현상을 방지하고 열분해되어 저분자와 되어 발생되는 이취 발생을 방지하는 목적으로 사용된다. 그 사용량이 3 중량부 미만인 경우에는 전분 산화 및 갈변 현상을 제어하지 못하고, 3 중량부를 초과하는 경우에는 품질 열화 및 원가 상승의 단점이 있다.
상기 사슬 연장제는 알킬렌 글리콜인 디프로필렌 글리콜(DPG), 디에틸렌 글리콜 (DEG), 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올 및 2-부텐-l,4-디올 중에서 선택된 1종 이상을 혼합한 것으로, 그 함량은 바이오매스 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부를 포함한다. 사슬 연장제의 사용량이 1 중량부 미만인 경우에는 물성 개선의 목적을 달성하지 못할 수 있고, 5 중량부를 초과하는 경우에는 품질 악화 및 원가 상승의 문제점이 있다. 사슬연장제는 사용되는 베이스 수지 간 결합이나 베이스 수지와 바이오 매스간 결합력 향상을 위해서 사용된다.
상기 베이스 수지는 호모 폴리프로필렌과 TER-폴리프로필렌(TerPolyer Polypropylene)이 중량비로 50:50으로 혼합된 것을 사용한다. TER-폴리프로필렌(TerPolyer Polypropylene)은 프로필렌 이외에 에틸렌과 부탄을 단량체(Co-monomer)로 사용해 생산하는 제품으로 호모 PP에 비해 투명도 측면에서 물성이 뛰어나고 녹는 점이 낮아서 낮은 온도에서 가공이 필요한 제품의 원료로 사용되어 왔으며, 주로 식자재, 음료 등을 포장하는 필름과 같은 열접착 필름의 원료로 사용되어 왔다.
이중 압출 시트(Sheet) 제조 공정에 있어서 압출 소재의 뽑힘성 및 충격 흡수, 신율을 향상시키기 위해서 베이스 수지로 호모 폴리프로필렌과 TER-폴리프로필렌(TerPolyer Polypropylene) 같은 양으로 혼합 적용함으로써 베이스 수지의 분산 상용성이 향상되고 화학적 결합이 유도되므로 최종 제조되는 이중 압출 시트의 유연성 향상, 투명도 개선에 기여하게 된다.
상기의 원료혼합단계(S120)에서 준비된 원료를 용융 압출하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 제조단계(S130)가 수행된다. 바이오 소재 복합화 및 펠릿 제조를 위해서는 에스엠플라텍사의 185Kw, 75mm, L/D 42:1, Twin 컴파운드 압출기를 사용하여 압출하여 펠릿을 제조한다.
상기 펠릿 제조단계(S130)의 바이오 매스 100 중량부에 대하여 베이스 수지 100 중량부를 포함하고, 압출기의 압출온도 190 ℃, 토출량 2.16kg/hr의 조건에서 컴파운드 수지의 용융지수(MI: Melt Index)가 2 내지 3이 되도록 조건을 제어한다.
2 Layer 시트 제조단계(S140)는 상기 제조된 펠릿을 이축 압출기를 이용하여 2 Layer 시트로 제조하는 단계이다. 제조된 펠릿을 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw)에 1개 이상의 스크류가 장착되고, 전분 등의 원료 가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되며 토출부에 피드블럭 및 시트성형용 다이가 부착되어 있는 이축 압출 시트기를 이용하여 제조한다. 2 Layer 시트의 생산은 Main 압출기(185Kw, 130mm 실린더, L/D=30:1)에서 180℃ 내지 220℃ 범위에서 Cylinder 1 내지 Cylinder 7의 온도를 제어하면서 3.5m/min의 속도로 토출하면서 내층, 즉 바이오매스 적용층을 형성하였다.
중층은 별도의 폴리프로필렌 수지를 이용하여 Sub 압출기((85Kw, 90mm 실린더, L/D=28:1)에서 170℃내지 190℃범위에서 Cylinder 1 내지 Cylinder 6의 온도를 제어하면서 압출하여 내층 상부에 형성하였다. 내층(바이오매스 적용층)의 두께는 300㎛, 중층(Polypropylene)의 두께는 30㎛로 형성하였으며, 생산되는 시트의 폭의 다이스 폭에 따라 1700mm의 다이스로 생산되어 변부를 제외한 시트의 최대폭은 1500mm로 생산하였다.
3 Layer 열합지 단계(S150)은 상기 압출되는 2 Layer 시트의 중층의 상부에 외층을 열합지하는 단계이다. 외층에 적용되는 수지는 이축배향 폴리프로필렌(BOPP: Biaxially Oriented Polypropylene)이다. BOPP는 이축배향 폴리프로필렌 소재로서 종방향과 횡방향으로 연신 시키는 공정방식으로 기계적 성질, 투명성, 방습성 등이 우수하며, 경제성이 높은 포장용 필름으로 용도에 따라 인쇄용, 섬유용으로 사용된다. 수증기 차단성이이 우수하고, 충격강도, 인장강도가 우수하고 다색 인쇄가 가능하며 내한성, 내핀홀성이 우수하여 물성이 우수하다. 열합지되는 BOPP층의 두께는 30㎛이며 외부 접촉층으로서 내스크래치성, 바이오매스의 이행 오염을 방지 및 투명도를 유지하기 위한 것이다.
상기 생산되는 3 Layer 시트를 권취하는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 권취단계(S160)를 거쳐 최종적으로 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트가 제조된다. 이렇게 제조된 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트는 롤(Roll) 형태로 권취되어 주방, 신발장, 붙박이장과 같은 생활 가구의 표면에 접착 사용된다. 생활가구 패널의 표면에 접착은 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 내층(바이오 매스 적용층)과 접착제를 이용하여 접착하여 사용한다.
이렇게 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트는 국가건설기준센터(가구공사 LHCS 41 57 01 :2020)에 따라 [표 1]과 같은 기준과 동등 이상이어야 한다.
[표 1]
본 발명의 다른 관점은 상기 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 이용한 가구의 제조방법을 제공한다. 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 이용한 가구의 제조방법은 시트를 합성목재인 MDF, PB, HDF의 표면에 접착하는 Overlay공정과 양생 단계와 재단공정, 엣지접착 또는 엣지도장 공정, 조립용 구멍가공 공정, 조립ㆍ포장 공정, 고객 인도의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 10를 참조하면 오버레이(Overlay)단계(S210)는 원자재인 합성목재 패널을 투입 후 표면 먼지 제거, 접착제 도포, 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 접착 및 적재 단계로 세분화될 수 있다. 투입되는 원자재는 합성목재 패널로서 MDF, PB, HDF 중 어느 하나이다. 합성목재 패널의 표면에 부착된 먼지와 같은 불순물을 제거하고 친환경 접착제인 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 또는 폴리우레탄 반응성 접착제(PUR)을 표면에 도포한다.
그 이후에 생분해성 데커레이션 시트를 접합하고 적재한 후 양생(S220)한다. 합성목재 패널과 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 오버레이(Overlay) 조건은 [표 2]와 같다.
즉 작업속도는 합성목재 패널의 종류 및 두께에 따라 차이가 있으나 11~14m/min 범위이고, 친환경 접착제의 도포량은 50~59g/m2, 작업온도는 동절기는 5℃ 이상, 하절기는 18~25℃ 범위의 온도에서 진행한다.
양생조건은 동절기에는 20~30분/회, 하절기에는 15~20분/회, 양생압력은 2.5~3.5kg/cm2의 압력 조건으로 콜드 프레스(Cold Press) 조건으로 콜드 프레스(Cold Press)를 이용하여 생분해성 데커레이션 시트가 접착된 합생목재 패널을 양생시켜 접착력과 표면 평활도를 향상시킨다.
[표 2]
엣지처리단계(S230)는 양생단계(S220)가 완료된 합성목재 패널 중 표면재를 생산 지시서의 내용에 따라 규격 절단하고, 재단된 엣지면을 표면재와 동일한 색상의 소재로 접착하는 단계이다. 엣지재의 접착은 재단면과 엣지재의 완벽한 접착을 위하여 작업 환경의 온도와 습도를 적절하게 유지하여야 한다. 재단된 엣지면은 접착제의 급격한 경화로 접착력 저하를 방지하기 위하여 20~30℃를 유지하여야 하며, 동절기에는 엣지 가열 히터 유니트로 표면을 가열하여 온도를 보상한다.
엣지면에 도포되는 친환경 접착제(EVA, PUR)는 용융장치에서 고체에서 액상 상태로 녹여 접착제 공급롤러가 장착된 장치로 공급하여 롤러가 회전하며 엣지면에 접착제를 도포한다. 엣지면 접착 공정의 작업온도 관리 표준은 [표 3]와 같다.
[표 3]
엣지재의 접착력 유지를 위하여 동절기에는 습도 보상을 위하여 가습기를 이용하여 엣지재의 접착면에 수분 공급과 난방기를 이용하여 온도를 보상하여야 한다. 엣지재 접착 후 전후면 잉여 엣지재 잘라내기, 고회전 커터를 이용하여 상하면 돌출된 엣지재 다듬기와 스크래핑 작업을 진행하고 용도에 따라 홈파기 작업을 추가한다. 고회전 커터는 표면의 정밀도를 높이기 위하여 고주파모터를 사용하여 12,000~18,000rpm의 회전과 PCD(Polycrystalline Diamond) Cutter를 사용한다. 엣지재 접착면은 부품의 용도에 따라 횟수가 정해진다.
조립홀 가공단계(S240)는 엣지처리가 완료된 이후에 가구 형태로 조립을 하기 위해 작업지시서에 따라 필요한 홀을 합성목재 패널에 가공하는 단계이다. 조립의 정밀도를 높이기 위하여 CNC 기능이 장착된 구멍 가공기와 양산형 멀티 구멍가공기를 사용한다.
구멍 가공이 완료되면 조립ㆍ포장단계(S250)가 수행된다. 구멍 가공이 끝난 부품을 고객의 요구에 따라 완제품으로 조립 또는 완제품 부품 별로 포장하여 출고할 수 있도록 준비한다.
포장이 완료된 제품은 고객의 요청에 따라 출고하여 인도하는 고객인도단계(S260)으로 이행된다.
이렇게 제조되는 가구 제품은 가정용 싱크대, 찬장, 신발장, 붙박이장(반침장), 장롱(옷장, 이불장), 사무용가구 등 가구류와 함께 인테리어용 판넬, 상업용 가구 등에 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예 및 비교예에 대해서 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 생활가구용 바이오 데커레이션 시트를 제조하기 위한 조성물을 마련하였다.
< 실시예 1 >
바이오매스 100중량부(α-전분 90중량부, 왕겨 10중량부)에 대하여, 제습제(CaO) 10중량부, 표면 개질제(m-PEG3-triethoxysilane 또는 m-PEG5-triethoxysilane) 5중량부를 투입한 후 ACM분체기에서 미분체 및 표면처리를 한 다음 믹서기에 투입하고 추가로 D-솔비톨 15중량부, HOMO-PP 50중량부, TER-PP 50중량부, 말레인산 5중량부, 스테아린산 아연 5중량부, 구연산 5중량부, 대두유 5중량부, 디프로필렌글리콜 5중량부를 추가 투입한 다음 고속으로 혼합하여 발생되는 마찰열을 이용하여 원재료의 수분을 제거하면서 혼합한다. 혼합된 원료를 통상의 트윈 익스트루더를 이용하여 펠릿을 제조하였다.
사용된 각 성분에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 제조하기 위한 펠릿의 조성을 [표 4]에 나타냈다.
[표 4]
이러한 조성으로 제조된 펠릿을 반죽부(Kneading zone) 1개 이상, 역방향 스크류부(Reverse screw) 1개 이상의 스크류가 장착되고, 전분 등의 원료 가공시 생성될 수 있는 휘발성 물질을 배출할 수 있는 통기공(Vent hole)이 1개 이상 설치되고, 토출부에 피드블럭 및 시트성형용 다이가 부착되어 있는 이축압출 시트기를 이용하여 2 Layer 시트를 압출하면서 표층에 BOPP 필름을 압출과 동시에 열합지 하는 방식으로 3 Layer 시트를 제조하였다.
제조되는 3 Layer 구조의 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 구조를 [도 2]에 표시하였다. 제조된 생분해성 데커레이션 시트는 롤 형태로 권취되어 가구의 표면 크기에 맞게 재단되어 접착제로 부착 사용된다.
본 발명에 따라 제조되는 생분해성 데커레이션 시트의 물성을 [도 3]의 시험성적서에서 확인할 수 있다. 본 발명의 생분해성 데커레이션 시트는 인강강도, 인열강도, 신율의 항목에서 앞에서 설명된 [표 1]의 국가건설기준센터(가구공사 LHCS 41 57 01 :2020)에서 요구하는 기준을 충분히 충족함을 확인할 수 있다.
또한, 발명의 상기 실시예에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트는 종래의 데커레이션 시트에 비하여 바이오매스가 25 내지 40 중량%를 포함되기 때문에, 이산화탄소 발생량이 적어 탄소중립(carbon neutral)형 제품으로 인정받을 수 있다.
이와 관련하여 ASTM D6866-22 Method B의 시험방법에 따른 유기탄소의 함량을 평가한 시험결과로서 [도 4]에 표시된 것과 같이 53%의 유기탄소를 포함하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, [도 5]의 (a),(b)는 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트의 표준물질 대비 생분해도 측정 결과를 나타내는 시험 성적서이다. 생분해도 시험은 KS M ISO 14855-1:2012에 따라 2L 퇴비화 용기에 각각 퇴비 300g, 표준물질 및 시험물질 25g을 혼합하여 (58±2)℃의 항온이 유지되고 미생물 활동을 저해하는 가스가 없으면서 어둡거나 확산광이 있으며 밀폐된 공간에서 45일간 배양하였다.
본 실험에서 표준물질인 입자의 크기가 20㎛ 이하인 TLC(박막 크로마토그래피) 등급 셀룰로오스의 생분해도 81.0%와 비교하여 본 발명에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트는 이산화탄소 방출량에 의해 계산한 평균 생분해도가 93.8%로서 표준물질 대비 생분해도가 116%로 월등히 우수한 것으로 확인되었다.
[도 6]은 본 발명에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 KS M 1998-2022(7항 소형챔버법)에 따라 휘발성 유기화합물 검출 시험을 수행한 시험 성적서로서 앞에서 설명된 [표 1]의 국가건설기준센터(가구공사 LHCS 41 57 01 :2020)에서 요구하는 기준을 충분히 충족함을 확인할 수 있다.
[도 7]의 (a), (b)는 본 발명에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 대상으로 한 내약품성 시험 결과로서 모든 오염 재료에서 앞에서 설명된 [표 1]의 국가건설기준센터(가구공사 LHCS 41 57 01 :2020)의 3등급 이상의 요건을 충족함을 확인할 수 있다.
[도 8]은 본 발명에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 대상으로 한 프탈레이트계 가소제 검출 시험 결과로서 전혀 검출되지 않음을 확인할 수 있다.
[도 9]는 본 발명에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트를 대상으로 하는 유해 중금속 검출 시험 결과로서 전혀 검출되지 않음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트용 조성물로부터 제조되는 생분해성 데커레이션 시트는 베이스 수지, 식물체 유래의 바이오매스 및 기타 기능 성분을 포함하며, 생활가구의 표면 마감재로 사용할 경우 제품의 내구성, 내오염성 향상 및 친환경 제품으로서 기능할 수 있다.
상기 실시예에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트와 합성목재 패널을 접합하여 가구용 자재로 만들고, 설계된 가구의 규격에 따라 자재를 재단하고 엣지를 처리한다. 처리된 자재에 작업지시서에 따라 조립용 홀을 드릴링하여 형성하고 완제품으로 조립하거나 반제품으로 포장하여 고객에게 인도한다.
이렇게 탄소 중립형 가구의 제조방법으로 제조되는 가구는 가정용 가구인 싱크대, 찬장, 신발장, 옷장, 이불장, 수납장 중의 어느 하나이거나, 사무용 가구, 인테리어 자재, 상업용 가구 중 적어도 어느 하나 이상의 것이다.
[도 11]의 (a)와 (b)는 본 발명에 따라 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트와 합성 목재 패널을 접합하여 가구용 자재로 만들고, 이를 설계된 가구 규격에 따라 재단, 조립한 탄소중립형 가구 완제품에 대하여 휘발성 유기화합물 검출 여부를 시험한 시험 성적서이다.
KS I 2007(대형 챔버법)에 의해서 시험이 이루어졌으며 TVOC 및 Formaldehyde 항목에서 기준치인 각각 0.25mg/m2, 0.03mg/m2보다 훨씬 낮은 0.0105mg/m2, 0.0049mg/m2로 측정되어 환경 표지 인증 획득이 가능할 것으로 판단된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

Claims (8)

  1. 바이오매스, 표면개질제, 제습제를 기류분체기(ACM)에 투입하여 미분체화 및 소수화 하는 바이오매스 전처리단계;
    전처리된 바이오매스에 전분 가소제로 D-솔비톨 또는 글리세린, 커플링제인 말레인산, 충진제인 탄산칼슘, 고분자 활제인 스테아린산 아연, 전분 산화 및 갈변 방지를 위한 구연산, 식물성 오일로 PE-WAX 또는 파라핀 오일, 사슬연장제와 베이스 수지를 공급하면서 혼합하는 원료혼합단계;
    상기 원료를 용융압출하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 제조단계;
    상기 원료 펠릿을 T-Die 다중 압출 설비에서 시트로 압출하면서 동시에 상부에 폴리프로필렌(PP)층을 압출 형성하는 2 Layer 시트제조단계;
    상기 2 Layer 시트의 압출과 동시에 외층에 이축배향 폴리프로필렌층(BOPP: Biaxially Oriented Polypropylene)층을 열합지하는 3 Lyaer 열합지 단계; 및
    제조된 3 Layer 시트를 권취하는 생분해성 데커레이션 시트 권취단계로 이루어지고,
    상기 표면개질제는 에틸렌글리콜-실란 복합체(mPEG-Silane:Methoxy Polyethylene glycol silane)로서 바이오매스 100 중량부에 대하여 1 내지 5중량부 포함하고, 제습제로는 산화칼슘을 1 내지 10 중량부 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사슬연장제는 알킬렌 글리콜인 디프로필렌 글리콜(DPG), 디에틸렌 글리콜 (DEG), 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올 및 2-부텐-l,4-디올 중에서 선택된 1종 이상을 혼합하여 이루어지는 것으로 그 함량은 바이오매스 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 수지는 호모 폴리프로필렌과 TER-폴리프로필렌(TerPolymer Polypropylene)이 중량비로 50:50으로 혼합된 것을 특징으로 하는,
    바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펠릿 제조단계는 바이오 매스 100 중량부에 대하여 베이스 수지 100 중량부를 포함하고 압출온도 190 ℃, 토출량 2.16kg/hr의 조건에서 컴파운드 수지의 용융지수(Melt Index)가 2 내지 3인 것을 특징으로 하는,
    바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트 제조방법.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트.
  7. 제6항의 바이오매스를 포함하는 생분해성 데커레이션 시트와 합성목재 패널을 접합하는 오버레이(Overlay)단계;
    오버레이된 합성목재 패널의 양생단계;
    양생이 완료된 합성목재 패널을 재단 후 엣지를 가공하는 엣지처리단계;
    엣지처리된 합성목재 패널에 가구 형태로 조립하기 위한 홀을 가공하는 조립홀 가공단계;
    조립홀이 가공된 합성목재 패널의 조립ㆍ포장단계; 및
    고객인도단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소중립형 가구의 제조방법.
  8. 제7항의 탄소중립형 가구의 제조방법으로 제조되는 가정용 가구로 싱크대, 찬장, 신발장, 옷장, 이불장, 수납장 중의 어느 하나 이상이거나, 사무용 가구, 인테리어 자재, 상업용 가구 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 중립형 가구.
KR1020230107591A 2023-08-17 2023-08-17 바이오매스를 포함한 생분해성 데커레이션 시트와 이를이용한 가구용 자재 제조방법 및 이에 의해 제조되는 탄소중립형 가구 KR102622410B1 (ko)

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