KR102664787B1 - 식물성 오일로부터 유래되는 가소제 및 이를 포함하는 열가소성 전분 조성물 - Google Patents
식물성 오일로부터 유래되는 가소제 및 이를 포함하는 열가소성 전분 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 열가소성 전분을 제조하기 위한 가소제에 관한 것으로서 물, 알코올, 글리세롤, 소르비톨, 소르비탄, 에틸렌글리콜, 만니톨, 이디톨, 슈크로오스, 자일리톨, 에리스리톨, 올리고당, 알데히드, 케톤, 아민, 에스테르, 아미드, 이미드 및 유산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 제1 성분 및 탄소간 이중결합이 3개 이상의 트리글리세라이드(triglyceride)를 포함하는 식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분을 포함하는 가소제를 제공한다.
Description
본 발명은 식물성 오일로부터 유래되는 가소제 및 이를 포함하는 열가소성 전분 조성물에 관한 것이다.
현대사회에서 플라스틱은 가볍고 가공이 용이하며 내구성이나 내투명성, 내약품성 및 전기적 내지 기계적 성질이 우수하여 일상 생활 및 산업분야 전반에서 매우 광범위하게 사용되고 있다. 다만, 플라스틱의 사용량이 증가함에 따라 그 폐기물 또한 기하급수적으로 증가하고 있으며, 이로부터 필연적으로 발생하는 플라스틱 폐기물의 처리 문제는 더 이상 지역적인 문제에 국한되지 않고 국가적 나아가 세계적 차원의 문제로 부각되고 있다.
특히, 환경보호에 대한 관심이 나날이 증대되고 각종 환경규제가 점차 강화됨에 따라 플라스틱 폐기물에 대한 처리의 중요성은 날로 커지고 있는데, 현재로서는 거의 대부분이 소각이나 매립에 의존하고 있다. 폐기물을 소각하는 경우 다이옥신이나 푸란, 납, 수은 등의 독성물질이 방출되고 또한 그 과정에서 많은 양의 이산화탄소가 발생하는 등 오히려 환경오염을 악화시킬 수 있으며, 매립하는 경우에도 폐기물이 분해되면서 유해가스가 배출되어 주변 토양을 오염시키거나 분해되지 않고 이른바 플라스틱 섬을 형성하는 등의 문제가 있다.
이러한 플라스틱 폐기물에 의한 환경오염을 줄이기 위한 방법으로는 이미 사용된 제품을 재활용하거나 분해성 소재를 이용하여 제품을 제조하는 두 가지 방안이 있을 수 있다. 이때, 플라스틱을 재활용하는 방안은 재생과정에서의 회수나 분리 내지 세척 등에 막대한 노동력과 비용이 투입되고, 이를 이용하여 재생플라스틱을 제조하더라도 일반적인 합성플라스틱에 비해 제품의 물성이 현저히 떨어지기 때문에, 실제로는 새로운 수지(virgin resin)에 혼합하여 부분적으로 이용하는 정도에 그치고 있어 근본적인 문제해결에는 한계를 드러내고 있다.
이에, 최근에는 일회용품이나 포장용 필름, 의료용품 등 다양한 플라스틱 제품을 생분해(Biodegradable) 플라스틱 소재로 대체하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이러한 노력의 일환으로 지금까지 예컨대 빛에 의해 분해되는 광분해성 수지나 미생물에 의해 분해되는 생분해성 수지 등이 개발되어 왔다. 다만, 광분해성 수지는 토양에 매립되었을 때 분해가 잘 되지 않는다는 문제가 있고, 미생물을 이용한 생분해성 수지의 경우 가공성이 떨어지거나 산업적으로 적용 가능한 수준의 물성을 구현하기가 어려운 한계가 있는 등 이들 모두 실질적인 실용화에 대한 성공을 거두지는 못하고 있다.
전분은 무독성의 천연계 원료로서 풍부한 자원으로 공급이 용이하고, 가격이 저렴할 뿐만 아니라 생분해 속도 또한 빠르다는 등의 다양한 이점을 제공하는 점에서 이를 생분해성 수지와 혼합한 복합재료를 이용하여 생분해 플라스틱을 제조하고자 하는 다양한 시도가 있다.
다만, 전분은 화학구조적으로 글루코스 단위에 많은 수산기를 가지는 수분 친화성이 높은 물질로서 이들이 분자간의 강한 수소결합을 하여 고결정성을 갖는 고분자이다. 또한, 전분은 대기압 하에서 220℃ 근방의 용융점을 가지는데, 이 온도는 열분해 온도와 거의 차이가 없기 때문에 전분을 가열하는 경우 용융이 되지 않고 바로 열분해가 되는 이른바 탄화현상(carbonization)이 발생하는 문제가 있다. 또한, 전분의 이러한 강한 수분 친화성 및 열공정 시의 수분 의존성으로 인해 제품의 저장 중 또는 이동 시에 성질이 쉽게 변하는 문제도 존재하였다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 미국특허 제5,510,401호 등에는 글리세롤이나 다른 폴리올 등의 비휘발성 가소제를 전분에 첨가하고 고분자 용융혼합기인 이축압출기를 이용하여 고온 고압에서 가소화된 전분을 제조하는 기술이 소개된바 있는데, 이를 통상 "열가소성 전분(Thermoplastic Starch)라고 한다. 이는 고온 고압하에서 전분의 수소결합이 비교적 쉽게 파괴되어 일반적인 열가소성 플라스틱처럼 용융되어 흐름성을 가질 수 있게 되며, 이러한 현상을 가소화(plasticization)라고 하고, 가소제를 이용하여 전분의 용융점을 100℃ 근방까지 낮추는 것이 가능한바, 이를 생분해 플라스틱으로 활용하려는 연구가 진행되어 왔다.
다만, 종래에는 열가소성 전분을 제조하기 위한 가소제로서 물, 알코올, 글리세롤, 소르비톨, 에틸렌글리콜 등의 저분자량 물질과 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리프로필렌글리콜과 같은 고분자량 물질이 주로 이용되었다. 여기서, 저분자량의 가소제는 분자량이 수십만 이상인 고분자량의 전분을 얼마나 잘 가소화 시킬 수 있는지, 즉 가소화 효율(가소성)에 초점이 맞추어져 있는데 그 사용량이 많을 경우 전분과의 분자량 차이로 인해 열가소성 전분, 나아가 생분해 플라스틱의 물성이 현저히 저하될 수 있다. 한편, 고분자량의 가소제 물질은 상용성 등의 특수한 성질을 부여하기 위해 이용되는데, 석유화학 물질을 기반으로 하는 점에서 이를 생분해 플라스틱 제조 시에 이용하는 경우 생분해성이 떨어질 뿐만 아니라 추가적인 환경오염을 유발할 우려가 있으므로, 근본적으로 생분해 플라스틱을 위한 열가소성 전분에 적용하기 위한 가소제로는 적합하지 않다.
따라서, 가소제 본연의 가소성 내지 가공성을 열가소성 전분에 부여하면서도 이를 이용하여 생분해 플라스틱을 제조하는 경우에 우수한 물성을 최대로 발현할 수 있도록 하는 새로운 가소제의 조합이 요구된다. 즉, 가소화 효율을 최대로 발휘하면서 가소제 성분간의 상용성이 우수하며 전분의 가소화 과정에서 초래될 수 있는 물성의 저하를 보완할 수 있는, 열가소성 전분 나아가 생분해 플라스틱에 바람직하게 적용할 수 있는 새로운 가소제의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 식물성 오일로부터 유래된 성분을 함유하는 열가소성 전분 제조를 위한 가소제를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 가소제를 포함하는 열가소성 전분 조성물을 제공하고자 하는 것이다.
이에, 본 발명은 이의 구체적인 실시예를 제공하는데 실질적인 목적이 있다.
본 발명은 열가소성 전분을 제조하기 위한 가소제로서,
물, 알코올, 글리세롤, 소르비톨, 소르비탄, 에틸렌글리콜, 만니톨, 이디톨, 슈크로오스, 자일리톨, 에리스리톨, 올리고당, 알데히드, 케톤, 아민, 에스테르, 아미드, 이미드 및 유산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 제1 성분; 및
탄소간 이중결합이 3개 이상의 트리글리세라이드(triglyceride)를 포함하는 식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분;을 포함하는 가소제를 제공한다.
본 발명은 또한 전분 및 상기 가소제를 포함하는 열가소성 전분 조성물을 제공한다.
이하에서는, 이의 구현을 위한 구체적인 내용을 본 명세서에서 설명한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위 또는 바람직한 상한 값 및 바람직한 하한 값의 열거로서 주어지는 경우, 범위가 별도로 개시되는지에 상관없이 임의의 한 쌍의 임의의 위쪽 범위 한계치 또는 바람직한 값 및 임의의 아래쪽 범위 한계치 또는 바람직한 값으로 형성될 수 있는 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다.
수치 값의 범위가 본 명세서에서 언급될 경우, 달리 기술되지 않는다면, 그 범위는 그 종점 및 그 범위 내의 모든 정수와 분수를 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 범주는 범위를 정의할 때 언급되는 특정 값으로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
본 발명의 범주는 범위를 정의할 때 언급되는 특정한 값으로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
<열가소성 전분 제조를 위한 가소제>
본 발명에 따른 가소제는 열가소성 전분을 제조하기 위한 것으로서,
물, 알코올, 글리세롤, 소르비톨, 소르비탄, 에틸렌글리콜, 만니톨, 이디톨, 슈크로오스, 자일리톨, 에리스리톨, 올리고당, 알데히드, 케톤, 아민, 에스테르, 아미드, 이미드 및 유산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 제1 성분 및
탄소간 이중결합이 3개 이상의 트리글리세라이드(triglyceride)를 포함하는 식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분을 포함할 수 있다.
본 발명은 열가소성 전분 제조를 위한 가소제로서 상기와 같이 탄소간 이중결합이 3개 이상인 트리글리세라이드를 포함하는 식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분을 이용한 것에 하나의 기술적 특징이 있고, 제2 성분은 제1 성분을 사용함으로 인해 저하될 수 있는 열가소성 전분의 특성을 보완 내지 담보하여 이로부터 제조되는 생분해 플라스틱에 우수한 물성을 부여할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 제2 성분을 제1 성분과 혼합하여 이용함으로써 제1 성분을 단독으로 이용하는 경우에 비해 전체 투입하는 가소제량을 줄일 수 있으므로, 제조비용을 절감하는 효과를 나타내는 기술적 이점을 제공할 수 있다. 나아가, 석유화학 기반의 물질이 아닌 천연에서 얻어지는 식물성 오일을 가소제로서 새롭게 적용한 점에서 친환경적인 이점을 제공하는 것에 또 다른 기술적 특징이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 식물성 오일은 아마씨유(linseed oil), 들깨유(perilla oil), 유동나무씨유(tung oil), 호두유(walnut oil)과 이들의 혼합물 및 변성물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고, 상세하게는 아마씨유 및 들깨유 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 식물성 오일들은 모두 요오드가(오일 100g에 부가되는 요오드의 그램수) 130 이상의 건성유(dry oil)로 분류된다. 이러한 건성유는 식물 유지를 물리적 압착이나 용매 추출 등의 방법으로 얻을 수 있는데, 트리글리세라이드 함량이 높은 건성유를 제조하기 위해서는 노말-헥산, 디클로로메탄, 아세톤, 디에틸에테르 등과 같은 용매로 추출하는 것이 효과적일 수 있고, 물리적 압착은 친환경적인 측면에서 보다 바람직할 수 있다.
상기 식물성 오일 중 들깨유는 하기 도 1에 나타낸 바와 같이 화학구조적으로 글리세라이드의 3개의 곁가지에 리놀레산, 리놀렌산 및 올레인산이 조합된 혼합물로서 상기 식물성 오일 중에서도 가장 높은 193 내지 203의 요오드가를 갖는 점에서, 보다 상세하게는 식물성 오일로서 들깨유를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제2 성분은 식물성 오일을 모노머로 이용하여 고분자화한 알키드 수지를 포함할 수 있다.
알키드 수지는 일반적으로 지방산과 다가알코올, 다염기산의 에스터 결합의 모노머를 중합한 고분자 수지를 의미하며, 본 발명에서는 상기 식물성 모노머를 산화적 고분자화 반응으로 알키드 수지를 얻을 수 있다. 산화적 고분자화(Oxidative Polymerization)이란, 예컨대 식물성 오일 모노머에 포함되는 불포화지방산의 이중결합에 산소를 부가하여 퍼옥시 라디칼 중합체를 거쳐 중합반응에 의해 올리고머화 내지 고분자화하는 것을 말한다. 이러한 산화적 고분자화를 촉진해가 위해 코발트, 납, 망간, 바나듐, 철, 알루미늄, 비스무스, 바륨 등의 금속이온이 포함된 촉매를 사용할 수 있다.
다만, 이러한 촉매를 사용할 경우 환경오염을 야기하는 문제가 있을 수 있는바, 본 발명에서는 하나의 구체적인 예에서 식물성 오일 모노머를 무촉매 및 유산소 조건에서 산화적 고분자화할 수 있다. 여기서 "무촉매"는 중금속 등의 촉매제를 이용하지 않은 것을 말하고 "유산소"는 산소 혹은 일반적인 공기를 나타내는 것으로 이를 위해 일반적인 공기(산소 농도 약 21%)를 투여하거나 본 기술분야에서 통상적인 방법으로 산소 농도를 조절하여 유산소 조건을 형성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 알키드 수지는 식물성 오일 모노머에 물을 첨가하고, 그 혼합물을 무촉매 및 유산소 조건에서 80 내지 160℃의 온도 범위에서 중합하는 단계를 포함하는 방법으로 얻어질 수 있다. 만약 물을 첨가하지 않은 상태에서 식물성 오일 모노머와 산소와 반응시키는 경우 발열반응으로 인해 온도가 급격히 상승되어 산화적 고분자화 반응을 제어할 수 없을 수 있다.
상기와 같이 산화적 고분자화 반응은 식물성 오일 모노머에 물을 첨가하고 가열하면서 과량의 산소가스를 투입하여 진행시키므로 산소 투입량 내지 반응시간에 따라 고분자화의 정도를 용이하게 제어할 수 있는 이점이 있다. 즉, 산화적 고분자화 반응을 더 이상 진행하지 않도록 하기 위해서는 산소 투입을 중단하면 되고, 반응을 촉진하기 위해서는 산소 농도를 높이는 방식으로 진행시킬 수도 있다. 이와 같이 산소의 농도 내지 반응 시간을 제어함으로써 고분자화 정도를 제어할 수 있고, 이로부터 얻어지는 올리고머 내지 고분자의 분자량과 그 점도는 서로 상관관계가 있기 때문에, 예컨대 낮은 산소 농도 내지 짧은 반응시간은 점도(분자량)가 낮은 알키드 수지를, 이와 반대로 높은 산소 농도 내지 긴 반응시간은 점도(분자량)가 높은 알키드 수지를 생성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유산소 조건은 산소 농도가 20 내지 100%, 상세하게는 30 내지 90%, 보다 상세하게는 40 내지 80%, 더욱 상세하게는 50 내지 70%일 수 있고, 반응 시간은 0분 초과 내지 7시간 미만, 상세하게는 30분 초과 내지 6시간 미만, 보다 상세하게는 1시간 초과 5시간 미만일 수 있고, 산소는 250mL/min 내지 350mL/min의 속도로 공급될 수 있다. 일반적인 산소 분위기(산소 농도 21%)에서도 고분자화 반응은 진행될 수 있으나 높은 점도(분자량)을 얻기 위해서는 이보다 높은 산소 농도로 조절하는 것이 바람직할 수 있고, 다만 지나치게 높은 경우 고분자화 진행 속도의 급격한 증가에 따른 발열반응으로 반응의 제어가 어려울 수 있다.
상기 식물성 오일 모노머에 함께 첨가되는 물은 식물성 오일 모노머에 대하여 0.2/100(V/V) 내지 10/100(V/V), 상세하게는 0.2/100(V/V) 내지 5/100(V/V), 보다 상세하게는 0.2/100(V/V) 내지 0.7/100(V/V)의 부피를 가질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제2 성분의 점도는 그 하한값이 100cPs, 200cPs, 500cPs, 1,000cPs 또는 2,000cPs 이상일 수 있고, 그 상한값이 20,000cPs, 15,000cPs, 12,000cPs, 9,000cPs, 6,000cPs 또는 5,000cPs 이하일 수 있다. 상세하게는, 상기 제2 성분의 점도는 1,000cPs 내지 6,000cPs일 수 있고, 더욱 상세하게는 1,000cPs 내지 5,000cPs일 수 있다. 제2 성분의 점도가 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮은 경우에는 제1 성분과의 점도 차이가 작아 전분에 대한 충분한 상용성을 부여할 수 없어 이를 통해 얻어지는 열가소성 전분 나아가 생분해 플라스틱에 우수한 물성을 담보할 수 없을 우려가 있고, 이와 반대로 지나치게 높은 경우에는 유동성 내지 가공성이 저하되어 제품을 다양하게 성형 가공하는데 어려움이 있을 수 있다.
본 발명의 발명자들이 예의 연구한 결과, 상기 제2 성분의 점도가 본 발명에서 한정하는 범위를 만족하는 경우 제1 성분과의 조합에 의해 투입되는 가소제 총량을 줄일 수 있음을 발견하였다. 나아가 상기 점도 범위를 만족하는 제2 성분을 제1 성분과 조합하는 경우에, 제1 성분을 단독으로 이용하는 경우에 비해 투입되는 가소제의 총량을 줄일 수 있음은 물론 이를 통해 제조되는 생분해 플라스틱의 물성이 향상되는 효과를 발휘할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제2 성분은 가소제 전체의 중량을 기준으로 10 내지 40 중량%, 상세하게는 15 내지 35 중량%, 보다 상세하게는 20 내지 30 중량% 포함될 수 있다. 제2 성분의 함량이 상기 범위보다 낮은 경우 열가소성 전분 및 생분해 플라스틱에 대한 물성의 보강 효과가 실질적으로 미비할 수 있고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우에는 제1 성분과의 점도 차이로 인한 상용성이 저하될 수 있어 균일한 가소제로서의 역할을 수행하지 못할 우려가 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제1 성분과 제2 성분의 중량비는 10 : 1, 상세하게는 8 : 1, 보다 상세하게는 7 : 1, 더욱 상세하게는 5 : 1, 특히 더욱 상세하게는 2 : 1일 수 있다. 본 발명에 따른 제1 성분과 제2 성분의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우 충분한 가소성이나 가공성 내지 상용성을 부여할 수 없어 가소제로서의 역할을 수행하지 못하거나, 이로부터 얻어지는 열가소성 전분 나아가 생분해 플라스틱의 물성을 보완 내지 담보하지 못할 수 있다.
<열가소성 전분 조성물>
본 발명은 또한, 전분; 및 상기 가소제를 포함하는 열가소성 전분 조성물을 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열가소성 전분 조성물은 상기 가소제를 열가소성 전분 조성물 전체의 중량을 기준으로 10 내지 40 중량%, 상세하게는 15 내지 35 중량%, 보다 상세하게는 20 내지 30 중량%로 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 가소제가 열가소성 전분 조성물에 상기 함량 범위보다 적게 함유되면 전분에 대한 가소화 효과가 부족하게 될 수 있고, 이와 반대로 상기 함량을 초과하는 경우 지나친 가소화에 의해 열가소성 전분 나아가 생분해 플라스틱의 물성의 감소를 수반할 수 있으며, 제품 성형 후 가소제가 표면으로 이동하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전분은 옥수수, 감자, 고구마, 아보카도, 타피오카, 카사바, 쌀 및 밀로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상으로부터 유래된 것일 수 있다. 여기서 '유래된' 것은, 자연물로부터 추출된 것은 물론 추출된 것의 변성물을 널리 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 상세하게는 상기 전분은 옥수수, 카사바 및 아보카도로부터 선택되는 하나 이상으로부터 유래된 것일 수 있으며, 보다 상세하게는 폐아보카도씨로부터 유래된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전분은 상기와 같이 식물로부터 얻어질 수 있으며 주로 건조된 것을 이용하는데 분말 형태인 것이 바람직하다. 상세하게는 하기 도 2에 나타낸 바와 같이 아밀로즈 및 아밀로펙틴을 함유하는 과립상의 물질일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전분은 50 내지 90 중량%의 아밀로즈 및 10 내지 50 중량%의 아밀로펙틴을 함유할 수 있고, 상세하게는 60 내지 80중량%의 아밀로즈 및 20 내지 40 중량%의 아밀로펙틴을 함유할 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 전분은 90 중량% 이상 상세하게는 95 중량% 이상의 아밀로펙틴을 함유할 수 있다. 아밀로펙틴이 고함량으로 포함된 전분은 통상의 방법으로 가소화하는 것이 용이하지 않고 가소화가 가능하더라도 이를 이용하여 생분해 플라스틱을 제조하는 경우 물성이 크게 저하되는 문제가 있으나, 본 발명에 따른 가소제를 사용하는 경우 이러한 전분을 용이하게 가소화 할 수 있음은 물론 이를 이용하여 제조한 생분해 플라스틱의 물성 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 옥수수 전분은 70 내지 80 중량%의 아밀로즈 및 20 내지 30 중량%의 아밀로펙틴을 포함할 수 있고, 카사바 전분은 65 내지 75 중량%의 아밀로즈 및 25 내지 35 중량%의 아밀로펙틴을 포함할 수 있으며, 아보카도 전분은 90 중량% 이상, 상세하게는 95 중량% 이상의 아밀로펙틴을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 열가소성 전분 조성물은 상기 전분 및 가소제 이외에도 조성물 제조 시 공정의 안정성과 얻어지는 열가소성 전분의 특성을 향상시키기 위한 목적으로 다양한 첨가를 포함할 수 있고, 상세하게는 윤활제, 산화방지제, 안정제, 난연제, 대전방지제, 항균제, 생분해촉진제, 열안정제, 광안정제, 내후성안정제, 자외선흡수제 및 블로킹 방지제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 물성을 보다 강화하고 원가절감을 위해 열가소성 전분 조성물은 각종 보강제(필러)를 포함할 수 있고, 상세하게는 탄산칼슘, 크레이, 탈크, 보크사이트, 유리비드, 실리카, 나노 실리카, 알루미나, 탄산마그네슘, 수산화칼슘, 이산화티타늄, 포졸란, 마이카, 월라스토나이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 필러를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열가소성 전분 제조를 위한 가소제는 탄소간 이중결합이 3개 이상인 트리글리세라이드를 포함하는 식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분을 일정한 범위의 점도를 갖도록 조절하여 제1 성분과 조합함으로써, 가소제 본연의 가소성 내지 가공성을 열가소성 전분에 부여하면서도 가소화 과정에서 초래될 수 있는 열가소성 전분의 특성을 보완하여 이로부터 제조되는 생분해 플라스틱이 우수한 물성을 발휘할 수 있다.
나아가, 본 발명은 제1 성분과 제2 성분의 새로운 조합을 통해 열가소성 전분 제조를 위해 투입되는 전체 가소제 양을 줄일 수 있으므로, 제조비용이 절감되는 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 가소제는 제2 성분으로 천연의 식물성 오일로부터 유래되는 물질을 이용하기 때문에, 기존의 석유화학 기반의 가소제 대비 우수한 생분해성을 나타내며, 또한 친환경적이고 인체에 무해하며 환경오염을 최소화할 수 있는 추가적인 이점을 제공할 수 있다.
도 1은 전분에 물 및 폴리올과 같은 가소제를 첨가하여 열가소성 전분(thermoplastic starch)를 제조하는 개념도이다.
도 2는 전분을 구성하는 아밀로즈와 아밀로펙틴의 화학 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 들깨유의 주성분인 트리글리세라이드의 화학 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 전분을 구성하는 아밀로즈와 아밀로펙틴의 화학 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 들깨유의 주성분인 트리글리세라이드의 화학 구조를 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분의 가소제 제조>
<제조예 1>
가지가 5개 달린 둥근 플라스크에 온도 센서, 신터드글라스가 장착된 산소 주입기, 환류 콘덴서, 기계적 교반기 및 가열 맨틀을 설치하고 생들기름 30g을 넣은 다음 증류수 0.15g을 가하여 혼합물을 준비하였다.
이어서, 상기 혼합물의 온도를 서서히 올려서 온도가 120℃에 도달한 후 산소 가스를 300mL/min의 속도로 주입하면서 반응을 진행하였다.
반응시간이 3시간을 경과한 시점에서 반응을 종료하고 산화적 고분자화 반응 전환율(%)과 점도를 측정하여 각각 44.28% 및 456cPs의 반응 생성물을 얻었다.
<제조예 2>
반응시간이 4시간을 경과한 시점에서 반응을 종료한 것을 제외하면, 제조예 1과 동일한 방법으로 반응 생성물을 얻었다.
<제조예 3>
반응시간이 4.5시간을 경과한 시점에서 반응을 종료한 것을 제외하면, 제조예 1과 동일한 방법으로 반응 생성물을 얻었다.
<제조예 4>
반응시간이 5시간을 경과한 시점에서 반응을 종료한 것을 제외하면, 제조예 1과 동일한 방법으로 반응 생성물을 얻었다.
이상과 같이 하여 반응시간에 따라 전환율(%) 및 점도(cPs)가 서로 다른 제조예 1 내지 4에 따른 제2 성분의 가소제를 제조하였고, 각각의 반응시간에 따른 전환율(%) 및 점도(cPs)를 아래 표 1에 정리하였다.
[표 1]
점도는 Rotational Rheometer (TA Instrument Ltd. Discovery HR-1)를 사용하여 100 shear rate sweep(1/s) 조건에서 측정하였고, 산화적 고분자 반응 진행에 따른 전환율(%)은 수소핵자기공명스펙트럼(1H NMR)으로 확인하였는데, 구체적으로 생들기름의 주성분인 트리글리세라이드의 이중결합의 수소 개수를 의미하는 적분값의 감소와 글리세롤 부분의 메틸렌 수소와의 적분값을 비교함으로써 결정하였다. 이는 수소핵자기공명스펙트럼에서 비닐수소의 화학적 이동도(chemical shift)에서의 면적이 감소하기 때문에 쉽게 산화적 고분자 반응 진행의 전환율을 측정할 수 있다.
<열가소성 전분 조성물 및 생분해 플라스틱의 제조>
<실시예 1>
제1 성분의 가소제로서 글리세롤 및 제조예 1에 따른 제2 성분의 가소제를 믹서를 이용하여 약 10분간 혼합한 후, 아보카도 전분과 함께 슈퍼믹서에서 약 20분간 추가적으로 혼합하여 열가소성 전분 조성물을 준비하였다. 이때, 각 성분은 열가소성 전분 조성물 전체 중량을 기준으로 제1 성분 20 중량%, 제2 성분 5 중량% 및 아보카도 전분 75 중량%의 함량으로 투입되었다.
이어서, 상기 열가소성 전분 조성물을 이축 압출기(L/D=44/1, 스크류 직경: 22mm)에 투입하고 용융 혼합하는 컴파운딩 공정을 수행하였다. 상기 컴파운딩 공정을 통해 상기 각 성분들이 균일하게 혼합되면서 동시에 중력분의 가소화가 진행되었다. 이때, 압출속도는 70rpm이고, 압출기의 온도는 140℃ 내지 170℃의 범위로 유지되었다(구체적으로, 압출기의 온도는 Zone 1 내지 Zone 4 및 다이헤드(Die-Head)에서 150℃/160℃/170℃/170℃/180℃로 조절되었다). 제조된 열가소성 전분은 절단기를 이용하여 펠릿 형태로 취하였다.
상기와 같이 제조된 열가소성 전분에 대하여 생분해성 수지로서 폴리락트산(PLA)과 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)를 첨가하고, 추가적으로 열안정제 및 활제의 첨가제를 투입한 후 슈퍼믹서에서 약 20분간 혼합하여 생분해 플라스틱 제조를 위한 혼합물을 준비하였다.
이때, 각 성분은 생분해 플라스틱 전체의 중량을 기준으로 열가소성 전분 조성물 60 중량%, PLA 30 중량%, PBAT 10 중량%가 투입되었고 추가적으로 열안정제 0.5 중량% 및 활제 2.0 중량%가 투입되었다.
이어서, 상기 조성물을 이축 압출기(L/D=44/1, 스크류 직경: 22mm)에 투입하고 용융 혼합하는 컴파운딩 공정을 수행함으로써 전분을 기반으로 하는 생분해 플라스틱을 제조하였다. 이때, 압출속도는 100rpm이고, 압출기의 온도는 Zone 1 내지 Zone 4 및 다이헤드(Die-Head)에서 150℃/160℃/170℃/170℃/180℃로 조절되었다.
<실시예 2>
상기 제조예 2에 따른 제2 성분을 이용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 제조예 3에 따른 제2 성분을 이용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<실시예 4>
상기 제조예 4에 따른 제2 성분을 이용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<실시예 5>
제1 성분을 15 중량%, 제2 성분을 7.5 중량% 및 전분을 77.5 중량%의 함량으로 투입한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<실시예 6>
제1 성분을 15 중량%, 제2 성분을 7.5 중량% 및 전분을 77.5 중량%의 함량으로 투입한 것을 제외하면, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<실시예 7>
제1 성분을 15 중량%, 제2 성분을 7.5 중량% 및 전분을 77.5 중량%의 함량으로 투입한 것을 제외하면, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<실시예 8>
제1 성분을 15 중량%, 제2 성분을 7.5 중량% 및 전분을 77.5 중량%의 함량으로 투입한 것을 제외하면, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<비교예 1>
제2 성분을 이용하지 않고 30 중량%의 제1 성분 및 70 중량%의 전분을 이용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
<비교예 2>
제2 성분을 이용하지 않고 25 중량%의 제1 성분 및 75 중량%의 전분을 이용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 생분해 플라스틱을 제조하였다.
이상과 같이 하여 실시예 1 내지 8 및 비교예 1, 2에 따른 열가소성 전분 조성물과 이를 이용한 생분해 플라스틱을 제조하였으며, 각각의 조성을 아래 표 2에 정리하였다.
[표 2]
<생분해 플라스틱의 물성 평가>
생분해 플라스틱의 물성을 측정하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1, 2에서 제조한 생분해 플라스틱을 각각 80℃의 드라이어에서 3시간 동안 사전 건조하고, 이어서 ASTM 기준에 부합하는 금형 및 80톤의 사출기를 이용하여 160 내지 180℃의 온도범위에서 50 내지 80bar의 압력으로 시편을 제조하였다.
이와 같이 얻어진 각 시편들에 대하여 인장강도, 신율, 충격강도 및 MI(Melt Index, 용융지수)를 측정하고 아래 표 3에 나타내었다. 이때, 인장강도와 신율은 ASTM D638 규격에 의거하여 UTM(Universal Test Machine)으로 측정하였고(측정속도 50mm/min), 충격강도는 ASTM D256에 따라 두께 1/4inch의 시편에 노치(notch)를 내어 측정하였으며, MI는 170℃에서 5kg의 하중으로 10분간 측정하였다.
[표 3]
이상으로부터, 본 발명과 같이 제1 성분과 제2 성분의 가소제를 조합하여 이용한 경우(실시예 1 내지 8) 제2 성분을 함유하지 않은 비교예 1, 2 대비 인장강도, 신율, 충격강도 및 MI 모두 우수한 물성값을 나타내었는바, 본 발명에 따른 가소제를 열가소성 전분의 제조 및 생분해 플라스틱에 바람직하게 적용이 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 6 및 7의 물성값 등으로부터, 일정한 수준 이상의 점도를 만족하는 제2 성분을 제1 성분과 조합하여 사용할 경우, 전체 투입한 가소제량이 줄어들었음에도 제1 성분의 가소제를 단독으로 이용한 경우와 비교하여 더욱 우수한 물성값을 나타내었음을 알 수 있다. 이는 제2 성분의 점도가 일정 이상 시 다른 가소제 성분과의 상용성 내지 혼화성이 우수하여 물성의 향상에 보다 유효하게 작용한 것으로 생각된다.
한편, 상기 표 3에 나타난 물성값으로부터 제2 성분의 점도가 지나치게 낮을 경우 물성을 부여하기 위한 가소제로서의 역할에 대한 효과가 매우 작을 수 있고, 이와 반대로 점도가 지나치게 높을 경우에는 상용성 내지 가공성이 현저히 저하되어 이로부터 제조되는 생분해 플라스틱의 물성 또한 불량할 것으로 생각된다.
이상에서 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (15)
- 열가소성 전분을 제조하기 위한 가소제로서,
물, 알코올, 글리세롤, 소르비톨, 소르비탄, 에틸렌글리콜, 만니톨, 이디톨, 슈크로오스, 자일리톨, 에리스리톨, 올리고당, 알데히드, 케톤, 아민, 에스테르, 아미드, 이미드 및 유산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 제1 성분; 및
탄소간 이중결합이 3개 이상의 트리글리세라이드(triglyceride)를 포함하는 식물성 오일로부터 유래되는 제2 성분;을 포함하고,
상기 제2 성분의 점도가 2,000 내지 5,000cPs이며,
상기 제2 성분을 가소제 전체의 중량을 기준으로 20 내지 35 중량% 포함하고,
상기 제1 성분과 제2 성분의 중량비는 4 : 1 내지 2 : 1인, 가소제. - 제1항에 있어서, 상기 식물성 오일은 아마씨유(linseed oil), 들깨유(perilla oil), 유동나무씨유(tung oil), 호두유(walnut oil)과 이들의 혼합물 및 변성물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 가소제.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 성분은 식물성 오일을 모노머로 사용하여 고분자화한 알키드 수지를 포함하는, 가소제.
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